(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極を構成する正極及び負極と、前記正極及び前記負極に挟装された電解質膜とからなり、厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設された単位電池と、
隣設する前記単位電池間に配設され、前記負極に対面すると共に負極活物質が供給される負極室と前記正極に対面すると共に正極活物質が供給される正極室とを仕切るセパレータとを備えた燃料電池において、
前記セパレータは、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、
前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、
前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とを仕切る燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータは、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、
前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、
前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えた燃料電池用セパレータ、及びそれを備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、燃料電池は、一対の電極を構成する正極及び負極と、一対の正極及び負極に挟装された電解質膜とからなる単位電池を用い、その単位電池を厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設して構成されている。このような燃料電池では、正極は、正極活物質が供給される正極室に対面し、負極は、負極活物質が供給される負極室に対面する。また、前記燃料電池では、負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とをセパレータで仕切っている。セパレータは、前記単位電池間に配設されている。
【０００３】
燃料電池では、使用環境によってセパレータの腐食劣化が生じる。故に、燃料電池において、長時間発電した後の発電特性は初期発電特性と比較して低下する傾向にある。そこで従来、セパレータは、腐食劣化が生じにくいカーボン材で形成されているのが一般的であった。また従来、表面に強固な不動態膜を形成して、優れた耐食性を有するステンレス鋼又はチタン合金で形成されたセパレータを使用している燃料電池も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カーボン材で形成したセパレータは、その材料自体が高いだけでなく、精密加工が必要なため、非常にコスト高となっていた。また、カーボン材は脆性であるため、セパレータの積層時の割れを考慮すると、セパレータを厚くする必要が生じ、燃料電池の小型化が制約されていた。
【０００５】
さらに、ステンレス鋼で形成したセパレータは、強度を有するため、小型化には適しているものの、比重が大きくて軽量化には不適であった。また、チタン合金で形成したセパレータも、強度を有して小型化には適しているものの、材料コストが高いため、低コスト化には適していなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は、軽量化及び低コスト化等の観点から、比重が小さく、かつ、安価な材料であるアルミニウム又はアルミニウム合金で形成したセパレータの開発を近年進めている。
【０００７】
ここで、燃料電池を構成するセパレータでは、厚み方向に通電経路が形成されるため、セパレータを形成するアルミニウム又はアルミニウム合金の表面層に酸化膜が生成されることは好ましくない。従って、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成したセパレータを陽極酸化処理して、陽極酸化膜を生成させることは不適切である。そのため、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる材料で形成したセパレータを組み込んだ燃料電池は、腐食の面において耐久性が不十分であった。
【０００８】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量化及び耐食性の向上を図ることのできる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した実情に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板、亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような積層形態とすれば、燃料電池用セパレータ、ひいては燃料電池の軽量化を図りつつ、耐食性の向上を図ることができるということを見出すと共に、試験で確認し、本発明の燃料電池及び燃料電池用セパレータを完成するに至った。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、一対の電極を構成する正極及び負極と、前記正極及び前記負極に挟装された電解質膜とからなり、厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設された単位電池と、隣設する前記単位電池間に配設され、前記負極に対面すると共に負極活物質が供給される負極室と前記正極に対面すると共に正極活物質が供給される正極室とを仕切るセパレータとを備えた燃料電池において、
前記セパレータは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記請求項１に記載の発明の燃料電池によれば、セパレータはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板を主体として形成されているため、セパレータ、ひいては燃料電池の軽量化が図られる。また、セパレータを構成するセパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような配列で各種メッキ層が積層されているため、セパレータ、ひいては燃料電池の腐食劣化が抑制されることとなり、耐久性の向上が図られることとなる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とを仕切る燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを要旨とする。
【００１３】
上記請求項２に記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、セパレータはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板を主体として形成されているため、セパレータの軽量化が図られる。また、セパレータを構成するセパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような配列で各種メッキ層が積層されているため、セパレータの腐食劣化が抑制されることとなり、耐久性の向上が図られることとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
単位電池の正極及び負極に挟装される電解質膜は、固体高分子電解質膜が好ましい。セパレータを構成するセパレータ基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。これらの材料としては、例えば純Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金及びＡｌ−Ｚｎ系合金等を採用できる。
【００１５】
セパレータ基板に積層される中間メッキ層としては、セパレータ基板に対する密着力を考慮して、亜鉛置換メッキ層が好ましい。また、亜鉛置換メッキ層に積層されるメッキとしては、パラジウム合金メッキ層が好ましい。パラジウム合金メッキ層としては、例えばＰｄ−Ｖ系合金メッキ層、Ｐｄ−Ｎｉ系合金メッキ層、Ｐｄ−Ｍｏ系合金メッキ層等を採用できる。ここで、メッキとは、物体の表面を金属の薄膜で被覆することをいい、化学メッキ、電気メッキ、溶融メッキ及び気相メッキ等のメッキ処理を含む。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を固体高分子膜型燃料電池に具体化した一実施例について、図１〜図３に基いて説明する。図１は、固体高分子膜型燃料電池の積層構造を分解して模式的に示す側面図である。
【００１７】
図１に示すように、単位電池１が所定の間隔ごとに外枠９５の間、すなわち厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設されている。単位電池１は、一対の電極を構成する正極１０及び負極１１と、正極１０及び負極１１に挟装されたプロトン透過性をもつフィルム状の高分子型の固体高分子電解質膜１２とを備えている。
【００１８】
図１に示されるように、活物質セパレータとして機能するセパレータ２は、負極室Ｎｅと正極室Ｐｏとを互いに背向状態となるように区画しており、隣設する前記単位電池１間に配設されている。負極室Ｎｅは、負極１１に対面すると共に、負極活物質（例えば水素含有ガス）が供給されるようになっている。また、正極室Ｐｏは、正極１０に対面すると共に、正極活物質（例えば空気）が供給されるようになっている。
【００１９】
図２は、セパレータ基板の状態を模式的に示す平面図である。
【００２０】
セパレータ２は、図２に示すように、プレス成形されたセパレータ基板６（厚み０．３ｍｍ、純Ａｌ、ＪＩＳ規格Ａ１１００）を主体として構成されている。セパレータ基板６の隅部には、厚み方向に貫通する負極活物質が通過する負極活物質貫通孔６１ｉ，６１ｏ、厚み方向に貫通する正極活物質が通過する正極活物質貫通孔６２ｉ，６２ｏ、厚み方向に貫通する冷媒が通過する冷媒貫通孔６３ｉ，６３ｏ、厚み方向に貫通する位置決め孔６４ｉ，６４ｏがプレス成形により形成されている。本明細書中において、添字の「ｉ」は、基本的には、入り口であるＩＮＬＥＴを意味し、添字の「ｏ」は、基本的には、出口であるＯＵＴＬＥＴを意味する。また、セパレータ基板６には、活物質の流路を形成する多数個の膨出成形部６ｋ，６ｍ等がプレス成形により一体成形されている。
【００２１】
図３は、セパレータ基板に積層された各種メッキ層の断面構造を拡大して模式的に示す断面図である。
【００２２】
図３に示すように、セパレータ基板６の表面及び裏面には、それぞれ亜鉛置換メッキ層７０が積層されており、その亜鉛置換メッキ層７０の上には、それぞれパラジウム合金メッキ層７１が積層されている。この亜鉛置換メッキ層７０により、セパレータ基板６に対する密着力が高められると共に、パラジウム合金メッキ層７１との密着力も高められる。
【００２３】
なお、本実施例では、各メッキ処理に先立って、前処理として、アルカリ脱脂→エッチング→酸浸漬の順に各処理をセパレータ基板６に対して行う。その後に、メッキ処理をセパレータ基板６に対して、亜鉛置換メッキ（化学メッキ）→パラジウム合金メッキ（電気めっき）の順で行う。各工程間では水洗処理を行うこととする。
【００２４】
アルカリ脱脂の条件を表１に示す。エッチングの条件を表２に示す。酸浸漬の条件を表３に示す。亜鉛置換メッキの条件を表４に示す。パラジウム合金メッキの条件を表５に示す。但し、本発明は、表１〜表５の条件に何ら限定されるものではない。
【００２５】
【表１】
0004213825.tif 000002
【００２６】
【表２】
0004213825.tif 000003
【００２７】
【表３】
0004213825.tif 000004
【００２８】
【表４】
0004213825.tif 000005
【００２９】
【表５】
0004213825.tif 000006
上記したエッチングは、主として、セパレータ基板６における自然酸化膜を除去したり、表面を微細な凹凸状態としたりすることにより、メッキ層の密着力を向上させる役割を果たす。上記した酸浸漬は、主として、セパレータ基板６におけるスマット除去を行うためのものである。上記した亜鉛置換メッキは、セパレータ基板６の表層における酸化膜の除去性が高いため、亜鉛置換メッキ層７０の密着力の向上を図り得る。
【００３０】
本実施例によれば、亜鉛置換メッキ層７０の厚みは、０．００１〜０．０１μｍであり、パラジウム合金メッキ層７１の厚みは、１．５〜２．５μｍであった。但し、本発明はこれらの厚みに限定されるものではない。亜鉛置換メッキ層７０の厚みは電子顕微鏡の観察に基づいている。パラジウム合金メッキ層７１の厚みは膜厚計で求めた。
【００３１】
このようにして形成したセパレータ基板６の周縁部にゴム層を積層して一体化することにより、セパレータを構成した。このセパレータを組み込んだ燃料電池の発電特性は、長期に渡って使用した場合でも良好であった。
【００３２】
すなわち、本実施例のセパレータ２及び燃料電池によれば、厚み方向の導通抵抗（接触抵抗）の低減を図ることができる。より詳しく説明すると、セパレータ基板６に亜鉛置換メッキ層７０、パラジウム合金メッキ層７１の順となるような積層形態とすることで、長期に渡って使用した場合でも、セパレータ２及び燃料電池の耐食性（耐久性）の向上を図ることができると共に、その安定した機能を十分に発揮することができる。
【００３３】
また、本実施例では、セパレータ基板６を純アルミニウムから形成することとした。このため、従来のステンレス鋼やチタン合金から形成したものと比較して、本実施例のものは比重が小さく、かつ、安価であるため、軽量化及び低コスト化を図ることができる。このように、セパレータ基板６に純アルミニウムを採用することで、セパレータ２、ひいては燃料電池のコンパクト化も図ることができる。
【００３４】
さらに、セパレータ基板６に純アルミニウムを採用したことにより、従来のステンレス鋼やチタン合金に比べて熱伝導性が向上するため、セパレータ２の温度に対する応答性を向上させることができると共に、燃料電池の性能を安定させることができる。
【００３５】
加えて、本実施例では、パラジウム合金メッキ層７１の下に亜鉛置換メッキ層７０を配置したため、この亜鉛置換メッキ層７０によってパラジウム合金メッキ層７１の密着力を確保することができる。また、亜鉛置換メッキ層７０により、セパレータ基板６に対する密着力も高めることができる。
【００３６】
更に、本実施例によれば、セパレータ２の最外側層に積層されるパラジウム合金メッキ層７１の耐食性、ひいてはセパレータ２の耐食性を確保することができる。
【００３７】
（試験例）
上記した実施例に係る試験片を用い、密着力試験を行った。また、上記した実施例に係るセパレータを用いて発電試験を行い、導通抵抗と腐食面積率とを測定した。試験片及びセパレータは、上記した実施例に係る各処理及びメッキ層の厚みに基いて、セパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層を順に積層したものである。
【００３８】
密着力試験では、２ｍｍ間隔のマス目を試験片に形成し、ＪＩＳ規格Ｈ８５０４（テープ試験方法）に基づき、粘着テープを用いてマス目を剥離させて行った。導通抵抗と腐食面積率は、セパレータ３枚（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）を使用して実際に発電試験を行い、２００時間毎に燃料電池を解体して測定した。
【００３９】
導通抵抗を求めるにあたり、３枚のセパレータ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）と２枚の電極基材（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）とを用い、セパレータ及び電極基材を厚み方向においてそれぞれ交互に配設することによりセパレータで電極基材を挟んだ。これにより、セパレータＮｏ．１→電極基材Ｎｏ．１→セパレータＮｏ．２→電極基材Ｎｏ．２→セパレータＮｏ．３の順に配置される。
【００４０】
更に、両端のセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．３）を一対の集電板で外側から挟み、３枚のセパレータにおいて、互いに隣設し合うセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）の間の電圧を測定する電圧計を取り付けた。そして、一対の該集電板の間に電流を流して、その際の各電圧計の値を読み取ると共に、該各電圧計で測定した電圧を抵抗値に換算した。
【００４１】
この試験では、互いに隣設し合うセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）間の導通抵抗を電圧の値から換算し、図５に示した。
【００４２】
腐食面積率を求めるには、１個の電極基材（Ｎｏ．１、又はＮｏ．２）を挟んで互いに対向するセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）の対向面において、生成した腐食生成物の量を求めると共に、腐食生成物がセパレータ表面で占有する表面占有率を求め、これをその腐食面積率として図６に示した。
【００４３】
比較例についても同様に試験を行った。比較例の各メッキ層の厚みは、実施例のメッキ層の厚みに相当する厚みとする。比較例においても、パラジウム合金メッキ層を積層する場合には、パラジウム合金メッキ層を最外側とする。
【００４４】
密着力試験の結果を図４に示す。導通抵抗試験の結果を図５に示す。腐食試験の結果を図６に示す。図４〜図６の縦軸は、相対表示を意味する。
【００４５】
密着力試験では、図４に示すように、Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係る試験片の場合には、剥離発生率は相対表示で８５付近であった。（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係る試験片の場合には、剥離発生率は相対表示で１００であり、Ｎｉメッキ層だけを積層した比較例に比べて高かった。これに対して、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係る試験片では、剥離発生率はほとんどなかった。これは、最外側層にパラジウム合金メッキ層を積層する場合において、密着力を高めるためには、パラジウム合金メッキ層の下方に亜鉛置換メッキ層を配置し、このようなＡｌ→Ｚｎ→Ｐｄ合金（Ｐｄ−Ｖ）の積層形態とすることが極めて有効であることを意味する。
【００４６】
導通抵抗試験では、図５に示すように、Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間の経過と共に導通抵抗が増加し、長時間経過すると相対表示で１００に近づいてゆく。これは、腐食生成物による影響と推察される。（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間が経過しても導通抵抗があまり増加しなかった。また、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係るセパレータの場合には、試験時間が経過しても、導通抵抗はあまり増加しなかった。
【００４７】
腐食試験では、図６に示すように、（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間の経過と共に腐食面積率が増加し、長時間経過すると、腐食面積率は相対表示で１００に近づいてゆく。Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合にも、試験時間の経過と共に腐食面積率が増加した。これに対して、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係るセパレータでは、試験時間が経過しても、腐食はほとんどなかった。
【００４８】
図５及び図６の結果は、最外側層にパラジウム合金メッキ層を積層する場合において、導通抵抗の増加を抑え、かつ、耐食性を高めるためには、パラジウム合金メッキ層の下方に亜鉛置換メッキ層を積層し、このようなＡｌ→Ｚｎ→Ｐｄ合金（Ｐｄ−Ｖ）の積層形態とすることが極めて有効であることを意味する。
【００４９】
（適用例）
図７は、本発明を具体化した適用例を模式的に示す断面図である。
【００５０】
図７に示すように、セパレータ基板６の表面にはゴム層８０が一体的に積層されており、セパレータ基板６の裏面にもゴム層８２が一体的に積層されている。単位電池１は、一対の電極を構成する正極１０及び負極１１と、正極１０及び負極１１に挟装されたプロトン透過性をもつフィルム状の高分子型の固体高分子電解質膜１２とを備えている。
【００５１】
図７に示されるように、活物質セパレータとして機能するセパレータ２は、負極室Ｎｅと正極室Ｐｏとを互いに背向状態となるように区画している。負極室Ｎｅは、負極１１に対面すると共に、負極活物質（例えば水素含有ガス）が供給されるようになっている。また、正極室Ｐｏは、正極１０に対面すると共に、正極活物質（例えば空気）が供給されるようになっている。上記したセパレータ２と、単位電池１とを多数個並設することにより、燃料電池が構成される。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の燃料電池によれば、燃料電池の軽量化及び耐食性の向上を図ることができる。
【００５３】
請求項２に記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、燃料電池用セパレータの軽量化及び耐食性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単位電池及びセパレータ等を備えた固体高分子膜型燃料電池の積層構造を分解して模式的に示す側面図である。
【図２】セパレータ基板の状態を模式的に示す平面図である。
【図３】セパレータ基板に積層された各種メッキ層の断面構造を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】密着試験の結果を示すグラフである。
【図５】導通抵抗試験の結果を示すグラフである。
【図６】腐食試験の結果を示すグラフである。
【図７】本発明を具体化した適用例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  単位電池
２  セパレータ
６  セパレータ基板
１０  正極
１１  負極
１２  固体高分子電解質膜
７０  亜鉛置換メッキ層
７１  パラジウム合金メッキ層
Ｎｅ  負極室
Ｐｏ  正極室
【図１】
0004213825.tif 000007
【図２】
0004213825.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004213825.tif 000012
【図７】
0004213825.tif 000013