JP2009181936A - 燃料電池用セパレータと燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性と排水性に優れ、製造コストを低減することのできる燃料電池用セパレータとこれを具備する燃料電池を提供する。
【解決手段】チタン製の燃料電池用セパレータ５は、膜電極接合体３に対向する一方面側において該膜電極接合体３側に突出する第１の凸部５１と、凹部５２とを有し、他方面側における凹部５２に対応する位置に第２の凸部を有し、該凹部５２がガス流路となっている、金属素材の燃料電池用セパレータであり、第１の凸部５１の端面と第２の凸部の端面にのみ金属メッキ層６が形成されており、凹部５２の表面に酸化チタン層７が形成されていて該金属メッキ層６に比して相対的に高親水性となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池とそのセパレータに関するものである。

固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）とセパレータを少なくとも備えている。なお、ＭＥＡをＧＤＬで挟持してなる膜電極接合体をＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称することもできる。このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータ）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記するセパレータは一般に凹凸状に成形されており、たとえばＭＥＡ側（ガス拡散層側）に対向する凹部を流路として流れた上記ガスがガス拡散層を介し、電極体に拡散供給されるようになっている。

このセパレータは金属からなり、一般には、銅やチタン、鉄などから成形されている。この金属素材のセパレータ表面には、その耐食性を付与すべく金メッキ等のメッキ処理が一般に施されており、これに関連する技術が特許文献１に開示されている。

国際公開第２００４−１９４３７号パンフレット

上記特許文献１に開示のセパレータをはじめとして、従来の金属素材のセパレータでその表面にメッキ処理を施されているものは、その耐食性が向上する一方で、その撥水性も高められてしまう結果、電気化学反応で生成される生成水を流路から排水する排水性能が低下してしまうという課題を有している。燃料電池の特にカソード電極層側においては、この生成水がガス拡散層やセパレータのガス流路に溜まることにより、いわゆるフラッティングを起こしてしまい、発電性能の低下や発電不安定性を招来する原因となっている。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、耐食性と排水性に優れ、製造コストを低減することのできる燃料電池用セパレータとこれを具備する燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池用セパレータは、膜電極接合体に対向する一方面側において該膜電極接合体側に突出する第１の凸部と、凹部とを有し、他方面側における前記凹部に対応する位置に第２の凸部を有し、該凹部がガス流路となっている、金属素材の燃料電池用セパレータであって、前記第１、第２の凸部の端面にのみ金属メッキ層が形成されており、前記凹部の表面は該金属メッキ層に比して相対的に高親水性である。

本発明の燃料電池用セパレータは、その膜電極接合体に対向する一方面側に形成された膜電極接合体側に突出する第１の凸部の端面と、その他方面側に形成された第２の凸部の端面にのみ導電作用と防食作用を有する金属メッキ層を設けることにより、第１の凸部間に形成され、金属メッキ層をその表面に具備しない凹部を相対的に高親水性とし、もって膜電極接合体側からセパレータに流れてくる生成水の排水性を高めることのできるセパレータに関するものである。

ここで、膜電極接合体は、電解質膜とこれを挟持するアノード側の触媒層およびカソード側の触媒層とからなる電極体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）や、さらに触媒層をガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）が挟持してなる電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を意味しており、その構造は特に限定されるものではない。

セパレータは集電作用とガス流路作用、さらには隣接する単セルとの画成作用を有するものであり、凹凸状に形成されていることで、膜電極接合体側に面する一方面には凸部（第１の凸部）と凹部が形成され、その他方面には、前記凹部に対応する位置に凸部が形成され（第２の凸部）、前記第１の凸部に対応する位置に凹部が形成されている。

上記する第１の凸部間に形成された凹部がガス流路となり、セパレータに提供された水素ガスや酸素ガスはこのガス流路を介してたとえばガス拡散層に提供され、このガス拡散層を介して触媒層に分散供給される。一方、第２の凸部間に形成された凹部は、膜電極接合体を冷却するための冷却水用の流路となっている。

本発明の燃料電池用セパレータでは、上記する第１の凸部および第２の凸部にのみ金属メッキ処理が施され、すくなくとも第１の凸部間に形成された凹部表面が金属メッキ層に比して高親水性を有していることを特徴としている。かかる構成とすることで、たとえば膜電極接合体（のガス拡散層）に接触する第１の凸部の端面に形成された金属メッキ層によって該端面における導電性能と防食性能が担保され、親水性の高い凹部では電気化学反応で生成された生成水の排水性能が高められる。たとえば、常温発電時には高親水性の凹部に水が引き込まれ易くなり、低温発電時には凹部への高い排水効率によって凍結抑止効果を期待することができる。

ここで、金属素材のセパレータは、チタンやステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウムやその合金、銅やその合金など、その素材は特に限定されるものではないが、少なくとも導電性を付与する金属メッキ層に比して高親水性の素材であればよい。

また、金属メッキ層を形成する金属素材は、通常おこなわれる金メッキのほか、銀メッキなど、セル環境や所望性能に応じてその素材は適宜設定される。

セパレータの金属素材に関し、たとえば上記で列挙する素材の中でもチタンから形成されたセパレータを使用するのが好ましい。金属メッキがおこなわれないセパレータの凹部表面には、チタンが酸化してなる酸化チタン層が形成され得るが、この酸化チタン層は極めて高い親水性を有していることから、生成水の排水性能が極めて高くなり、特にカソード側におけるフラッティング防止効果が高くなるからである。

また、親水性が高められた凹部の形態として、凹部の表面粗度が高められた形態もある。これは、部材表面の粗度が高くなり、たとえば表面がざらざらとなることで、なめらかな面に比して高親水性を発揮するという一般の知見に基づくものである。なお、凹部表面の粗度を高める方法としては、ショットブラスト処理、サンドブラスト処理、ウェットブラスト処理、エッチング処理などを挙げることができる。

上記するように、凹凸状のセパレータにおける凸部端面にのみ金属メッキ層を形成することにより、従来のセパレータのごとくその側面全面に金属メッキ層を形成したものに比して、特に膜電極接合体側に対向する凹部の親水性が高められて生成水の排水性能が向上することに加えて、メッキされる金属量を格段に低減することができ、燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池用セパレータとこれを具備する燃料電池によれば、生成水の排水性能の向上とこれに起因するフラッティング抑止効果の向上を図ることができ、セパレータ製造コストの低減とこれに起因する燃料電池製造コストの低減を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のセパレータを具備する単セルの一部の縦断面図である。なお、図示する実施例ではアノード側のセパレータの図示を省略しているが、図示するカソード側のセパレータがアノード側にも設けられて燃料電池の単セルの構造が形成されるものである。

図１に示す燃料電池の単セルの構造は、イオン交換膜である電解質膜１と、これを挟持するアノード側、カソード側の触媒層２，２と、から形成される膜電極接合体３（ＭＥＡ）と、この膜電極接合体３を挟持するガス拡散層４，４と、ガス拡散層４，４を挟持するセパレータ５，５（但し、アノード側は不図示）と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット（不図示）が形成されて構成される。なお、ＭＥＡとガス拡散層４，４を含めて膜電極接合体（ＭＥＧＡ）と称することもできる。

電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、触媒層２は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、ガス拡散層４は、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。なお、ガスの拡散性を向上させるため、セパレータとガス拡散層との間に、ガス拡散層の気孔径と異なる径の多孔質体を設けることも可能である。また、不図示のガスケットは、たとえば膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。

実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて図示する単セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成されるものである。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。

電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

単セルを構成するセパレータ５はチタンをその素材とし、凹凸形状に成形されている。セパレータ５の膜電極接合体３側に対向する側面には、該膜電極接合体３側へ突出してガス拡散層４と接触する凸部５１と、凸部５１，５１間に形成されてガス流路となる凹部５２が形成されている。なお、セパレータ５の膜電極接合体３側と反対側の側面（図における上面）では、この凸部５１に対応する位置に凹部が形成され、この凹部が冷却水用の流路を形成するものである。

ガス拡散層４と接触する凸部５１の端面と、凹部５２の反対側の端面（反対側の凸面）には導電性の金メッキ層６が形成されており、この金メッキ層６にて該端面の導電性、防食性も高められている。

凹部５２の表面に金メッキ層が形成されていないことから、この表面ではチタンが酸化して酸化チタン層７が形成され、この酸化チタン層７の高い親水性により、ガス拡散層４を介して電気化学反応にて生じた生成水を効果的に引き込むことができ、このことは、排水性の向上とこれに基づくフラッティング防止効果の向上に繋がるものである。

なお、図示を省略するが、他の金属素材でセパレータが形成されている場合には、親水性の高い酸化チタン層６を凹部５２の表面に形成する代わりに、凹部５２の表面をブラスト処理等することで表面粗度を高め、親水性の高い凹部表面を形成してもよい。

図２は、セパレータ５の両側面の凸部にのみ金メッキ層を形成する方法の一実施の形態を説明した図である。この方法は、水槽Ｓ内に金メッキ液Ｍを収容しておき、Ｘ方向に回転する２枚のローラーＲ１，Ｒ２の一方のローラーＲ２の周囲には保液材Ｒ２ａが配置されており、金メッキ液Ｍを保持することを可能としている。この保液材Ｒ２ａとしては、不織布、織布、ろ紙など、金メッキ液を保持できる適宜の素材が使用可能である。これにより、ローラーＲ２で金メッキ液Ｍを掬いながらローラーＲ１，Ｒ２間にセパレータ５を挟み込んだ際にセパレータ５の一方面の凸部に金メッキ液を塗布するものである。図示例では、図示する塗布工程に次いでセパレータ５の上面を下方に位置決めして同様にローラーＲ１，Ｒ２間を通すことにより、セパレータ５の下面の凸部にも金メッキ処理をおこなうことができる。

また、図示を省略するが、凸部に金メッキ層を形成する他の方法として、ナノサイズの金属粒子を溶媒に分散させておいて凸部端面に塗布もしくは散布する方法や、多数の凸部に対応する位置に孔が形成されたマスクをセパレータに被覆し、この姿勢で金属粒子をスパッタリングすることにより、マスキングされた凹部にはメッキ層を形成させずに凸部端面にのみメッキ層を形成する方法などがある。

上記するセパレータを備えた燃料電池とすることで、膜電極接合体側に対向する凹部の親水性が高められて生成水の排水性能が向上することに加えて、メッキ金属量が格段に低減されることで燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のセパレータを具備する単セルの一部の縦断面図である。 メッキ処理方法の一実施の形態を説明した模式図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…触媒層、３…膜電極接合体（ＭＥＡ）、４…ガス拡散層、５…セパレータ、５１…凸部（第１の凸部）、５２…凹部（第２の凸部）、６…金メッキ層、７…酸化チタン層

Claims (4)

1. 膜電極接合体に対向する一方面側において該膜電極接合体側に突出する第１の凸部と、凹部とを有し、他方面側における前記凹部に対応する位置に第２の凸部を有し、該凹部がガス流路となっている、金属素材の燃料電池用セパレータであって、
   前記第１、第２の凸部の端面にのみ金属メッキ層が形成されており、前記凹部の表面は該金属メッキ層に比して相対的に高親水性である、燃料電池用セパレータ。
2. 前記セパレータがチタンから形成されており、前記凹部の表面に酸化チタン層が形成されている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 少なくとも前記凹部の表面粗度が高められている、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 膜電極接合体と請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータとを少なくとも備える、燃料電池。
   
   
   
   

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