WO2000044059A1

WO2000044059A1 - Solid polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: WO2000044059A1
Application number: PCT/JP2000/000256
Authority: WO
Inventors: Masaru Yoshitake; Eiji Yanagisawa; Eiji Endoh; Yasuhiro Kunisa
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2001-07-21
Also published as: EP1154504A4; JP4534353B2; US6761990B1; EP1154504A1

Description

明細書

固体高分子電解質型燃料電池

技術分野

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池、特にそのためのセパレ一夕に関する背景技術

固体高分子電解質型の水素一酸素燃料電池は、その出力特性が優れることから、自動車等への適用が期待されている。上記燃料電池を実用化するため、燃料及び空気の利用率の高い運転条件下でも長期間安定してエネルギ効率が高く、出力密度が高い燃料電池セルの開発が要求されている。

固体高分子電解質型燃料電池は一般に、一対の発電用電極（燃料極及び空気極 ) を固体高分子電解質を介して対向させ、この一対の電極と電解質とを接合して膜一電極接合体を形成し、該接合体をセパレ一夕を介して複数積層し、全体を締めつけて一体化した構成（スタック）となっている。

ここでセパレー夕は、電極に燃料ガス及び酸化剤ガス（例えば空気）を供給するための流路を有し、かつ隣接する 2つの接合体間の仕切り板となる。したがつてセパレー夕には、ガス透過性が低いこと、軽量であること、燃料電池の動作温度の室温から 1 5 0 °C近傍までの温度で水蒸気雰囲気に曝された場合の耐食性、耐酸化性に優れること、長期間良好な導電性を有すること、機械加工できること等の特性が要求される。また、セパレ一夕は電池の反応により生じた電気及び熱を効率よく電池系外に取り出すため、電気及び熱の良導体であることも必要である。

従来のセパレー夕材料として人造黒鉛、ガラス状炭素等の炭素系バルク材料が知られているが、炭素系材料は靭性に乏しく脆いため、圧縮応力以外の応力や機械的衝撃が加わりうる条件下でセパレ一夕として使用する場合、以下の問題が生じる。すなわち、セパレー夕自体が破壊されて形状を維持できない、亀裂が生じ気密性を維持できない、機械的な成形 '加工が困難で加工コストが高い、リサイクルしにくい等の問題である。

上記の問題を解決するための手段として、膨張黒鉛（例えば、商品名：グラフオイル、 U C A R社製）と呼ばれる扁平な黒鉛粉体粒子を、酸等により分散処理し、結合剤を加えて成形した成形体をセパレー夕として使用することが提案されている。この成形体は、プレス加工等の機械加工が可能なフレキシブルな材料であり、靭性、耐機械的衝撃性に関する問題は改善されている。しかし、前記成形体は機械的強度が弱く、薄くすると形状を維持しにくかったり、小さな応力が付加されても変形しやすい問題がある。

また、燃料電池は特に自動車用電源として使用するには小型軽量で高出力であることが必要であり、単位体積あたりの電力を大きくし、電池の反応及び通電にともなって発生する熱をコンパク卜な構造で冷却することが必要である。特に電気伝導性の高い、フッ素を含む固体高分子電解質を使用する場合は、該電解質の耐熱温度が通常あまり高くないためこの冷却は必須となる。セパレ一夕に形成された狭隘で長い流路に流体を高流速を維持して流す、具体的には高圧力で水を流すと最もコンパクトな構造で冷却できる。し力、し、上記の膨張黒鉛をセパレー夕材料として用いた場合、高温において水分の存在下でセパレー夕を保持すると、グラフアイト積層粒子間に水分が侵入し、形状が維持できず、長期的信頼性に欠ける問題がある。

上記の炭素系材料からなるセパレー夕の問題を解決するための手段として、セパレ一夕材料として表面処理したステンレス鋼、チタン、アルミニウム等の金属を使用する試みがなされている（例えば、 E P 0 7 8 0 9 1 6 ) 。金属を用いると機械加工が容易となり、薄くても強度が大きく、靭性、耐機械的衝撃性、流体遮断性、及び熱 '電気の伝導性に優れる。しかし、金属材料は比重が大きい（例えばステンレス鋼は 8 . 0、チタンは 4 . 5、アルミニウムは 2 . 7である）ため、燃料電池の単位質量あたりの出力が低い問題がある。

そこで本発明は、成形加工しやすい材料からなり、圧縮応力以外の応力、機械的衝撃、振動等が加わっても形状及び気密性を維持でき、燃料電池の作動温度の室温から 1 5 0 °C近傍までにおいて水蒸気雰囲気に曝されても長期にわたって初期の良好な導電性を維持でき、軽量かつ工業的に実用性があるセパレー夕を有す' る E (体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

発明の開示本発明は、膜状の固体高分子電解質と該電解質を介して対向する一対の燃料極及び空気極とを有する膜一電極接合体を、セパレ一夕を介して複数積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレー夕は、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、反応にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための流体流路と、を有しており、かつ前記セパレー夕は膜一電極接合体と接する面が非金属からなり、前記流体流路の側壁が金属からなる金属一非金属複合材料からなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明において、セパレー夕は、燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤を提供する役割と、電池の反応及び通電にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための除熱用の流体を流す役割を有している。ここで酸化剤としては主に空気が使用されるため、酸化剤が供給される電極を本明細書では空気極とよぶ。除熱用の流体としては、効率的に熱を除去できるため、水が好ましい。さらにセパレ一夕は、隣接する 2つの膜一電極接合体の間にガスや水分の透過が起こらないように遮断する役割、及び発生した電流を伝達する役割を有している。燃料ガス流路及び酸化剤流路は、通常セパレ一夕の表面に形成されるリブにより形成される溝からなる。これらのガス流路は複数の直線状又は曲線状の溝からなっていてもよいが、ガスの入口と出口がそれぞれ 1個ずつで蛇行した溝がセパレー夕表面の全面に形成されていてもよい。

本発明におけるセパレー夕は、金属一非金属複合材料からなり、少なくとも除熱用の流体流路の側壁は金属からなる。したがって、燃料電池の作動温度の 1 5 0 °C程度までの温度において前記側壁が除熱用の流体である水に曝されていても、セパレータ内部に除熱用の水分が侵入することがなく、セパレー夕の形状は維持できる。

また、本発明におけるセパレー夕は、少なくとも膜—電極接合体と接する面は非金属からなる。セパレー夕は電流を伝達する役割を有するので、前記非金属は導電性の高い炭素材料からなることが好ましい。特に、膨張黒鉛の粒子を酸等により分散処理し、結合剤を加えて成形した成形体からなることが好ましい。この成形体は、プレス加工等の機械的加工をしやすく、軽量である。本発明におけるセパレータを軽量化するには、金属一非金属複合材料において非金属が占める割合ができるだけ多いことが好ましい。したがって、この点では流体流路の側壁以外は全て非金属により構成されることが好ましい。しかしセパレー夕の製造の容易性及びセパレー夕の高強度化のためには、内部に流体流路を有する金属からなる層（以下、金属層という。）を、表面にガス流路を有する非金属からなる層（以下、非金属層という。） 2枚の間に挟んで接合してセパレー夕を構成することが好ましい。このとき、 2枚の非金属層は、ガス流路が表面に配置されるように金属層を挟む。

この場合、非金属層は上記の膨張黒鉛の粒子からなる成形体であつてもよいが、高導電性の炭素材料を含む導電ペーストを使用し、印刷法や塗工法等により金属層上に形成されてもよい。

本発明においてセパレー夕を構成する金属は、アルミニウムを金属全質量の 8 0 %以上含む金属、チタンを金属全質量の 8 0 %以上含む金属及びステンレス鋼からなる群から選ばれる 1種であることが好ましい。ここでいう金属には合金も含まれる。これらの金属は、薄くても強度が高く、振動、機械的衝撃等の動的要因、及び引張、圧縮等の静的機械的負荷に対する信頼性が優れている。また、水等の流体に長期的に高温で曝されても形状を維持でき、熱 ·電気の伝導性にも優れている。

上記のアルミニウムを含む金属又はチタンを含む金属において、それぞれの主成分であるアルミニウム又はチタンの含有量が 8 0 %未満であると、セパレ一夕を構成する金属の比重が大きくなるので好ましくない。アルミニゥム又はチタンの含有量は特には 9 0〜9 8 %であるのが好ましい。

アルミニウムを主成分とする金属は、軽量でリサイクルが容易で機械加工しゃすいので好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、マンガン、シリコン、銅、ニッケル、リチウム、亜鉛、鉛、ビスマス、チタン及びスズからなる群から選ばれる 1種以上の金属とアルミニウムとの合金が好ましく、例えばジュラルミン、シルミン、ヒドロナリウム、アンチコローダル等が挙げられる。また、チタンを主成分とする金属は、単位重量あたりの機械的強度が高く、耐食性が比較的高いので好ましい。例えば、アルミニウム、鉄、バナジウム、モリブデン、マンガン、クロム、ジルコニウム、スズ、シリコン、パラジウム、タンタルからなる群から選ばれる 1種以上の金属とチタンとの合金は耐食合金であり好ましい。

また、ステンレス鋼は、単位体積あたりの機械的強度が高く、耐食性が比較的高いので好ましい。ステンレス鋼としては特に限定されず、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系のいずれも使用できる。耐食性の点から、特にオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。

前記金属からなる流体流路の側壁の表面、すなわち流体と接する前記金属の表面には、セラミックスを含み抵抗率が 3 X 1 0一⁴ Ω · c m以下、特には 3 X 1 0 一⁶〜 1 X 1 0— ⁴ Ω · c mの被膜が形成されていることが好ましい。セラミックスを含む被膜が形成されていることにより、金属の表面の酸化による劣化を防げる。被膜の抵抗率が 3 X 1 0 "⁴ Ω · c mを超えると、燃料電池全体の抵抗率が高くなり、エネルギを効率良く取り出せないおそれがある。この被膜は、セラミックスのみからなる被膜であっても金属にセラミックスが分散された被膜でもよい。また、セパレ一夕を構成する金属と非金属との界面には、セラミックスを含み抵抗率が 3 X 1 0— ⁴ Ω · c m以下である層が配置されていることが好ましい。固体高分子電解質型燃料電池では、電池の反応にともなって空気極で水が生成される。また通常、固体高分子電解質のイオン伝導性を保っため、電解質を乾燥させないように燃料ガス及び酸化剤ガスは湿潤させてそれぞれの流路に供給されている。これらの生成水及びガスに含まれる水蒸気は、除熱用流体である水のように急速かつ大量に流れることがないため、これらにセパレー夕の非金属部分が曝されてもセパレ一夕の形状は崩れない。

しかし、これらの水分はセパレー夕の非金属部分を浸透して金属と非金属の界面まで到達することがある。その結果、非金属と接する金属の表面が酸化され、導電性が低下するおそれがある。このとき、金属と非金属との界面に金属に比べ耐久性に優れたセラミックスからなる層が存在すると、金属の劣化を防げる。また、このセラミックスからなる層の抵抗率が 3 X 1 0—⁴ Ω · c mを超えると、燃料電池全体の抵抗率が高くなり、エネルギを効率良く取り出せないおそれがある。この層の抵抗率は、特に 3 X 1 0— ⁶〜1 X 1 0一⁴ Ω · c mであることが好ましい。この層は、セラミックスのみからなる層であっても金属にセラミックスが分散された層でもよい。

図面の簡単な説明

図 1 (a) 本発明の実施態様のセパレー夕の平面図である。

(b) 図 1 (a) の A— A' 線に沿った断面図である。

図 2 (a) 本発明の実施態様のセパレー夕の金属層を形成する金属基体の平面図である。

(b) 図 2 (a) の B— B' 線に沿った金属基体の断面図と該金属基体と対の金属基体の断面図である。

図 3 本発明の固体高分子電解質型燃料電池の断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の実施の態様を図 1、図 2及び図 3を用いて説明する。

図 1 (a) は空気極側又は燃料極側からみたセパレー夕 7の平面図、図 1 (b ) はセパレ一夕 7の図 1 (a) の A— A' 線に沿った断面図である。セパレー夕 7は、非金属層 1 aと非金属層 1 bの間に金属層 2が配置されてなる。

非金属層 1 a及び 1 bの表面にはそれぞれガス流路 3 a及び 3 bが形成されており、ガス流路 3 a及び 3 bは、図 1 (b) に示すとおり、非金属層 l a及び 1 bの表面に形成された溝からなる。この溝は、ガスの入口と出口となる部分が 1 個ずつあり、非金属層 1 a及び 1 bの表面全体に蛇行して形成されている。溝を有する面は膜一電極接合体と接し、ガス流路 3 a及び 3 bからガスが膜一電極接合体に供給される。

非金属層 1 a及び 1 bの表面で膜一電極接合体と接する部分は、フッ素を含む撥水剤で表面処理されていることが好ましい。表面の撥水剤の存在により、膜— 電極接合体で反応により生成された生成水が非金属層 1 a及び 1 bに滞留するのを防ぎ、膜一電極接合体への燃料ガス又は酸化剤ガスの供給を良好に保てる。また、非金属層内部への水分の侵入による非金属層の膨潤も防止できる。

金属層 2には除熱用の流体流路 4が内部に形成されているが、この金属層 2を図 2 (a) 及び（b) により詳しく説明する。図 2 (a) は、セパレ一夕の金属層 2を構成する金属基体 2 aの平面図、図 2 (b) は、図 2 (a) の B— B' 線フ

に沿った断面図と、金属基体 2 aと対の金属基体 2 bの断面図である。金属基体 2 bには、除熱用の流体流路となる溝が金属基体 2 aとは対称的に形成されている。

金属層 2は図 2 ( b ) のように、対となる金属基体 2 aと金属基体 2 bとを、除熱用の流体流路を構成する溝 4 a及び 4 bの位置が合致するように溝が形成された面を対向させ、重ね合わせて接触する面 7 a及び 7 bを接合することにより得られる。このときの接合方法としては、溶接、ろう付け、拡散接合、接着剤による接着等が挙げられる。

金属基体 2 a及び 2 bにそれぞれ形成された、除熱用の流体流路を構成する溝 4 a及び 4 bの表面には、それぞれセラミックスを含む被膜 5 a及び 5 bが形成されている。したがって、除熱用の流体が直接接触するのはこの被膜 5 a及び 5 bである。

また、金属基体 2 a及び 2 bの除熱用の流体流路 4 a及び 4 bが形成されていない面の表面には、それぞれセラミックスを含み、金属層と非金属層の界面に配置される層 6 a及び 6 bが形成されている。

被膜 5 a及び 5 bと金属層と非金属層の界面に配置される層 6 a及び 6 bは、いずれもセラミックスを含み抵抗率が 3 X 1 0— ⁴ Ω · c m以下の層であり、構成材料は同じでも異なってもよいが、好ましい成分及び形成方法は共通するので以下にまとめて被膜の説明として説明する。

被膜に含まれるセラミックスとしては、燃料電池を動作させる室温から 1 5 0 °C近傍までの温度範囲で水蒸気雰囲気中においても耐食性に優れ、安定した抵抗率を維持できるものが好ましく、金属の窒化物、ホウ化物、炭化物、ケィ化物、リン化物又はこれらの複合化合物が好ましい。該金属としては、イットリウム、ランタン、セリウム、サマリウム等の希土類元素、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、パラジウム、タングステン、モリブデン等が好ましく用いられる。セラミックスとしては、具体的には、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン、ケィ化タンダステン、窒化タンタル等が好ましい。これらは単独で用いても 2種以上を混合して用いてもよい。金属にセラミックスが分散された被膜の場合、該金属としては耐食性に優れるものが好ましく、白金族元素、金、ニッケル及びタングステンからなる群から選ばれる 1種以上が好ましい。この被膜中のセラミックスの含有量は、被膜全質量の 1〜9 0 %、特には 1 0〜6 0 %が好ましい。

金属表面に形成される被膜の厚さは、 0 . l i m〜0 . 3 mm、特には 1 x m 〜0 . 1 mmであるのが好ましい。 0 . 1 より薄いと充分な耐食性を有する連続した被膜又は層を形成するのが困難になる。 0 . 3 mmより厚いと、抵抗率の低い材料を用いても被膜又は層の抵抗が高くなり燃料電池から効率良くエネルギを取り出しにくい。また、燃料電池の単位体積あたりの出力が小さくなる。金属表面に形成される被膜は、例えば帯状、線状、島状、点状等の形状で形成される。被膜又は層は規則的に形成されても不規則に形成されてもよく、被膜の厚さは均一でもよく、不均一でもよい。

被膜の形成方法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法、溶射法、イオンプレーティング法等の厚膜形成法、 C V D法、スパッ夕法等の P V D法等の薄膜形成法等いずれも使用できる。また、セラミックスを分散剤とし金属を結合剤としてめつきを行う分散めつき法によって、金属にセラミックスが分散された被膜を形成してもよい。上記分散めつき法は簡便であり、かつセパレー夕を構成する金属とセラミックスとの熱膨張係数が大きく異なっても被膜が剥離するおそれがなく被膜を金属基体と強固に接合できるので、工業的規模で製造する場合にも好ましい。

また、上記被膜と金属基体の間には、密着性を向上させるための中間層が存在してもよい。中間層としては、例えばチタン、ニッケル、コバルト、金、白金等の耐食性に優れた金属の層が挙げられる。

金属層 2の厚さは、少なくとも非金属層 1 a及び 1 bを除熱用の流体と充分に遮断できる厚さが必要である。また、燃料電池の単位重量あたり及び単位体積あたりのエネルギ密度を高めるためには金属層 2の厚さは薄いほど好ましい。したがって、金属層 2の厚さは 1 ;t/ m〜2 mm、特には 1 0 ^ m〜 1 mmが好ましい一方、非金属層 1 a及び 1 bの厚さは、 1 /z m〜 l mmが好ましい。 1 m未満では実質的に金属層 2と膜 ·電極接合体を隔絶できず、 1 mmを超えると非金属層の脆性が顕著となり、機械的強度、信頼性が低くなるおそれがある。より好ましくは 1 0 m〜0 . 5 mmである。

非金属層 1 a及び 1 bが膨張黒鉛等の成形体からなるときは、非金属層 1 a及び 1 bと金属層 2との接合方法としては、例えば加圧により接合又は銀ろうによつて接着し接合することが好ましい。また、金属層 2上に高導電性炭素材料等を含む導電ペーストを用いて印刷や塗工により非金属層 1 a及び 1 bを形成したり、蒸着法（化学蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法等の物理蒸着法）、溶射法等の薄膜形成法等によって非金属層 1 a及び 1 bを形成してもよい。印刷法や塗工法としては、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、静電塗装、ドクターブレード法、スプレー法等が挙げられる。これらの方法によれば、金属層 2上又は金属層と非金属層の界面に配置される層 6 a及び 6 b 上に、ガス流路を有する非金属層 1 a及び 1 bを低コストで容易に形成できるので好ましい。印刷や塗工により得られた非金属層 1 a及び 1 bは、焼成した後、プレス加工等により加圧して高密度化することにより、導電性及び機械強度を向上させるとさらに好ましい。

導電ペーストを使用する場合、その溶媒としては、ケロシン、石油ナフサ等の脂肪族炭化水素、トルエン、キシレン、芳香族ナフサ等の芳香族炭化水素、メチルェチルケトン、シクロへキサノン等のケトン類、酢酸プチル、酢酸ェチル等のエーテル類、エチルアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、メチルセ口ソルブ、ェチルセ口ソルブアセテート等のグリコールェ一テル類、アマ二油、麻実油等の動植物油等が挙げられる。また、必要に応じてバインダを含有させることもでき、バインダとしてはアクリル樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエステル、尿素等の合成樹脂や、硝化綿、ェチルセルロース、セルローズアトブチレ一ト等の繊維が挙げられる。

焼成温度は、バインダの炭化をすすめかつ金属層を酸化させないように、 2 0 0〜4 0 0 °Cとすることが好ましい。また、プレス加工は一軸成形でも静水圧による成形でもよいが、非金属層を高密度化させて導電性を高めるために 1 0〜2 0 0 k g / c m ²とすることが好ましい。図 3には、上述したセパレー夕 7を用いた、本発明の固体高分子型燃料電池 1 2の断面図を示している。膜状の固体高分子電解質 1 0の片面には燃料極 8が、もう一方の面には空気極 9が配置され、膜一電極接合体 1 1が構成されている。膜一電極接合体 1 1は、セパレー夕 7を介して複数積層され、セパレー夕 7から燃料極 8には水素を含む燃料ガスが、空気極 9には酸素を含む酸化剤ガスが供給される。

膜一電極接合体 1 1は、例えば以下のようにして得られる。白金等の金属触媒を活性炭等の炭素材料に担持させた触媒と撥水剤等との混合物をカーボンぺーパ —に塗布又は噴霧してガス拡散電極を作製する。この電極を 2枚作製し、燃料極 8及び空気極 9とする。次いで、燃料極 8と空気極 9を対向させ、間にイオン交換膜からなる固体高分子電解質 1 0を挟み、ホットプレス法により接合して空気極一固体高分子電解質一燃料極を一体化して膜一電極接合体 1 1を得る。

上記イオン交換膜としては、化学的、電気的安定性の点からスルホン酸基を有する含フッ素カーボン重合体からなることが好ましい。

本発明の固体高分子電解質型燃料電池 1 2を例えば自動車用のエンジンの用途等のように作動中に振動したり衝撃が付与されうる環境下で使用すると、炭素材料からなるセパレー夕を用いた燃料電池に比べ、電池の作動の長期的信頼性が顕著に向上する。

さらに、セパレー夕の除熱用の流体と接する部分や非金属層と金属部の界面にセラミックスを含む層を形成することにより、長期間にわたって初期とかわらない安定な燃料電池の性能を維持できる。

以下に本発明を実施例（例 1〜4 ) 及び比較例（例 5、 6 ) により説明するが、本発明はこれらに限定されない。

[例 1 ]

幅 1 5 0 mm、高さ 1 5 0 mm、厚さ 0 . 3 mmであり、 J I S—H 4 0 0 0 に規定される合金番号 A 5 0 5 2のアルミニウム合金（アルミニウム含有量 9 6 %) からなる金属基体をプレス加工して、片面に幅 1 . 5 mm、深さ 0 . 1 5 m mの除熱用の流体流路となる溝を図 2 ( a ) のような形状で形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、イオンプレーティング法により厚さ 0. 5 mの T i層を下地層として形成し、さらにその上に厚さ 10 mの窒化チタン被膜を形成した。この窒化チタン被膜の抵抗率は、 2 X 10— ⁴Ω ' cmであつ 7こ。

上記金属基体と溝が対称的に形成されている以外は同じ金属基体を作製し、図

2 (b) に示すように、この 2枚の金属基体の溝の位置が合致するように溝が形成された面を対向させて 2枚の金属基体を重ね合わせ、溶接して接合し、セパレ一夕を構成する金属層を得た。

次に、厚さ 1. 5mmの膨張黒鉛（商品名：グラフオイル、 UCAR社製）を用い、プレス加工により片面に幅 2mm、深さ 0. 35mmのガス流路となる溝を図 1 (a) 及び（b) に示すような形状で形成し非金属層とした。なお、図 1

(a) に示すように溝は蛇行して形成されているため、蛇行することにより平行にとなりあう溝どうしの間隔は、 3mmとなるようにした。この非金属層としては、図 1 (b) に示すように、溝の位置をずらして形成したものを 2枚作製した上記 2枚の非金属層を、溝が形成されていない面を対向させ、間に上記金属層を挟んで重ねた。この状態で非金属層一金属層一非金属層の 3層を加圧接合してセパレー夕とした。

次に、力一ボンクロスの片面に、白金を担持したカーボンブラックからなる触媒を塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電極を得た。このガス拡散電極 2枚の触媒層が形成された面を対向させ、その間にパーフルォロカーポンスルホン酸型ィオン交換膜（商品名：フレミオン R、旭硝子社製）を挟み、ホットプレスして膜一電極接合体を得た。

上記セパレ一夕 20枚と上記膜一電極接合体 19枚とを交互に積層し、全体を締め付けて固体高分子電解質型燃料電池を作製した。この燃料電池を 10個作製し、それぞれにっき落下試験を 10回繰り返した。落下試験は、セパレ一夕の面を下に向け、厚さ 5 cmの鋼板上に高さ 50 cmの位置からまっすぐに落下させた。落下試験後、 5 k g/cm²の圧力で空気をセパレー夕のガス流路に流してガスリーク試験を行ったところ、 10個とも気密性に問題はなかった。

上記燃料電池のうちの 1個を取り出し、燃料ガスとして常圧の水素ガス及び酸化剤として常圧の空気を、利用率がそれぞれ 70%及び 40%となるようにガス流路に流した。また、水道水を水圧 5 kg/cm²にて除熱用の流体流路に流して冷却しながら、燃料電池を 80°Cにて 14 OAの電流を流し、初期の電圧を初期出力として測定した。その後電流を流し続け、 5000時間経過した後の電圧を測定し、初期の電圧値に対する割合（％) を相対出力として算出した。結果を表 1に示す。

[例 2 ]

幅 150mm、高さ 1 50mm、厚さ 0. 2 mmであり、純度 99. 4%のチタンからなる金属基体を用い、エッチング加工により片面に除熱用の流体流路となる溝を例 1と同様の形状に形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、窒化チ夕ンの粒子（結晶粒子径の分布範囲 0. 1〜 3 /im、抵抗率 4. 0 X 1 0— ⁵Q， cm) を分散させたニッケルワット浴を用いてメツキし、厚さ 10 mの被膜を形成した。この窒化チタン Zニッケル被膜の抵抗率は、 3. 0 X 10— ⁵Ω · cmであった。

上記のチタンからなる金属基体とは対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例 1と同様にして一対の金属基体 2枚を接合し、セパレー夕を構成する金属層を得た。

上記金属層を用いた以外は例 1と同様にしてセパレー夕を作製し、例 1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例 1と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例 1と同様にして評価した。結果を表 1に示す。

[例 3]

幅 150mm、高さ 150 mm, 厚さ 0. 15mmの S US 316からなる金属基体を用い、例 1と同様にして片面に除熱用の流体流路となる溝を形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、スパッ夕法によりケィ化モリブデンからなる厚さ 0. 3 / mの被膜を形成した。このケィ化モリブデン被膜の抵抗率は、 2. 2 X 10— ⁵Ω · cmであった。

上記の SUS 316からなる金属基体と対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例 1と同様にして一対の金属基体 2枚を接合し、、セパレー夕を構成する金属層を得た。

上記金属層を用いた以外は例 1と同様にしてセパレ一夕を作製し、例 1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例 1と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例 1と同様にして評価した。結果を表 1に示す。

[例 4]

幅 150mm、高さ 150mm、厚さ 0. 1 5 mmの S US 316からなる金属基体を用い、例 1と同様にして片面に除熱用の流体流路となる溝を形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、スパッタ法により炭化タンダステンからなる厚さ 0. 7 /xmの被膜を形成した。この炭化タングステン被膜の抵抗率は、 3. 4 X 10— ⁵Ω · cmであった。

上記の S US 316からなる金属基体と対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例 1と同様にして一対の金属基体 2枚を接合し、、セパレー夕を構成する金属層を得た。

次に、平均粒径 35 nmのカーボンブラック粒子（ケッチェン EC) をェチルセルロース樹脂をバインダとしキシレンとェチルカルビトールとの体積比で 1 ： 1の混合溶媒に分散させた導電ペースト（カーボンブラック：バインダ：混合溶媒は質量比で 30 : 30 : 40) を、上記金属層の両面（炭化タングステン被膜の上）にスクリーン印刷法により塗工した。溶媒を除去するために 140°Cで 3 0分乾燥した後、大気中で 350°Cにて 3時間焼成した。次いで面方向に垂直に 30 k gZ cm²の圧力を加えることにより、ガス流路となる溝部分の厚さが 1 5 /mでありリブの部分の厚さが 0. 2 mmである以外は例 1と同様の形状の非金属層を形成し、これをセパレー夕とした。

上記セパレー夕を用いた以外は例 1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例 1と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例 1と同様にして評価した。結果を表 1に示す。

[例 5 ]

例 1におけるアルミニウム合金からなる基体のかわりに該基体と同じ大きさの膨張黒鉛からなる基体を用い、片面に除熱用の流体流路となる溝を例 1と同様の形状に形成した。

上記の膨張黒鉛からなる基体とは溝が対称的に形成されている以外は同じ対となる基体を作製し、溝の位置が合致するように一対の基体 2枚の溝が形成された面を対向させて一対の基体を重ね合わせ、これを金属層のかわりに用いた以外は例 1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製た。例 1と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例 1 と同様にして評価した。結果を表 1に示す。

[例 6 ]

例 1における非金属層と同じ大きさで同じ形状の層を例 1で使用したアルミ二ゥム合金を用いて作製した。この層を非金属層のかわりに用い、金属層との接合を機械加工により行った以外は例 1と同様にしてセパレ一夕を作製した。

このセパレ一夕を用いた以外は例 1と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。例 1と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例 1と同様にして評価した。結果を表 1に示す。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、圧縮応力以外の応力や機械的衝撃が付与されうる環境条件下で固体高分子電解質型燃料電池を使用した場合でも、セパレー夕は破壊されたり亀裂を生じることなく、初期の形状を維持して燃料電池の気密性を維持できる。また、本発明におけるセパレ一夕は、機械的な成形、加工が容易でありリサイクルもしゃすい。さらに、本発明におけるセパレー夕は従来の金属製セパレ一夕に比べ軽量である。したがって、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、軽量で高出力であり、長期的に耐久性に優れている。

Claims

請求の範囲

1 . 膜状の固体高分子電解質と該電解質を介して対向する一対の燃料極及び空気極とを有する膜一電極接合体を、セパレー夕を介して複数積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、

前記セパレー夕は、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、反応にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための流体流路と、を有しており、

かつ前記セパレー夕は、膜一電極接合体と接する面が非金属からなり、前記流体流路の側壁が金属からなる金属一非金属複合材料からなる

ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。

2 . 前記セパレー夕は、表面に前記燃料ガス流路を有する非金属からなる層と、内部に前記流体流路を有する金属からなる層と、表面に前記酸化剤流路を有する非金属からなる層とを積層されてなり、かつ前記燃料ガス流路及び前記酸化剤流路はセパレ一夕の表面に配置されている請求の範囲 1に記載の固体高分子型燃料電池。

3 . 前記金属は、アルミニウムを 8 0 %以上含む金属、チタンを 8 0 %以上含む金属及びステンレス鋼からなる群から選ばれる 1種であり、かつ前記非金属は、炭素材料を主成分とする請求の範囲 1又は 2に記載の固体高分子電解質型燃料電池。

4 . 前記非金属は、高導電性の炭素材料からなる請求の範囲 1、 2又は 3に記載の固体高分子電解質型燃料電池。

5 . セパレー夕の膜一電極接合体と接する面は、膨張黒鉛の粒子からなる成形体により構成されている請求の範囲 1、 2、 3又は 4に記載の固体高分子電解質型燃料電池。

6 . 前記セパレータは、高導電性の炭素材料を含む導電ペーストを用いて印刷法又は塗工法により、内部に前記流体流路を有する金属からなる層の両面に高導電性の炭素材料からなる層が形成されたものである請求の範囲 4に記載の固体高分子電解質型燃料電池。

7 . 前記流体流路の側壁の表面には、セラミックスを含み抵抗率が 3 X 1 0— ⁴ Ω • cm以下である被膜が形成されている請求の範囲 1、 2、 3、 4、 5又は 6に記載の固体高分子電解質型燃料電池。

8. 前記金属と前記非金属との界面には、セラミックスを含み抵抗率が 3 X 10 —⁴Ω · cm以下である層が配置されている請求の範囲 1、 2、 3、 4、 5、 6又は 7に記載の固体高分子電解質型燃料電池。