JP2000021420A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子型の燃料電池の構成要素であるセ
パレーター板は、従来、カーボン板を用い、この表面部
分を切削加工して、ガス流通路を形成していた。この方
法では、カーボン板の材料コストと共に、これを切削す
るためのコストを引き下げることが困難であった。これ
に替わり、金属板を用いる方法が考えられるが、金属板
を用いる方法では、金属板が高温で酸化性の雰囲気に曝
されるため、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解が
起こり、電池の発電効率が次第に低下するという課題が
あった。 【解決手段】 セパレータを構成する金属薄板上で、電
極が位置する主要部にプレス成形などによってガス流路
を形成し、この表面部分に導電性酸化物層を形成する。
パレーター板は、従来、カーボン板を用い、この表面部
分を切削加工して、ガス流通路を形成していた。この方
法では、カーボン板の材料コストと共に、これを切削す
るためのコストを引き下げることが困難であった。これ
に替わり、金属板を用いる方法が考えられるが、金属板
を用いる方法では、金属板が高温で酸化性の雰囲気に曝
されるため、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解が
起こり、電池の発電効率が次第に低下するという課題が
あった。 【解決手段】 セパレータを構成する金属薄板上で、電
極が位置する主要部にプレス成形などによってガス流路
を形成し、この表面部分に導電性酸化物層を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質を用いた燃料電池は、
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃
料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の
外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡
散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電
極とする。
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃
料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の
外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡
散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電
極とする。
【０００３】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。ＭＥＡ
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。ＭＥＡ
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
【０００４】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
【０００５】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００６】このような固体高分子型の燃料電池では、
セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス
気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応
に対して高い耐食性を持ち必要がある。このような理由
で、従来のセパレータは通常グラッシーカーボンや膨張
黒鉛などのカーボン材料で構成し、ガス流路もその表面
での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製して
いた。
セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス
気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応
に対して高い耐食性を持ち必要がある。このような理由
で、従来のセパレータは通常グラッシーカーボンや膨張
黒鉛などのカーボン材料で構成し、ガス流路もその表面
での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製して
いた。
【０００７】しかしながら近年、従来より使用されたカ
ーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる
試みが行われている。
ーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる
試みが行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のカーボン板の切
削による方法では、カーボン板の材料コストと共に、こ
れを切削するためのコストを引き下げることが困難であ
り、また膨張黒鉛を用いた方法も材料コストが高く、こ
れが実用化の為の障害と考えられている。
削による方法では、カーボン板の材料コストと共に、こ
れを切削するためのコストを引き下げることが困難であ
り、また膨張黒鉛を用いた方法も材料コストが高く、こ
れが実用化の為の障害と考えられている。
【０００９】また、上述の金属板を用いる方法では、金
属板が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使
用すると、金属板の腐食や溶解が起こる。金属板が腐食
すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低
下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオ
ンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオ
ン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自
身のイオン電導性が低下する。これらの原因により、金
属板をそのままセパレータに使用し、電池を長期間運転
すると、発電効率が次第に低下するという課題があっ
た。
属板が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使
用すると、金属板の腐食や溶解が起こる。金属板が腐食
すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低
下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオ
ンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオ
ン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自
身のイオン電導性が低下する。これらの原因により、金
属板をそのままセパレータに使用し、電池を長期間運転
すると、発電効率が次第に低下するという課題があっ
た。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のポイントは、金
属板を材料とする導電性セパレータの腐食と溶解を押さ
え込むことで、導電性を有したまま、酸性雰囲気に曝さ
れても化学的不活性を維持させる方法を見出したことで
ある。
属板を材料とする導電性セパレータの腐食と溶解を押さ
え込むことで、導電性を有したまま、酸性雰囲気に曝さ
れても化学的不活性を維持させる方法を見出したことで
ある。
【００１１】即ち、本発明の固体高分子型燃料電池は、
固体高分子電解質膜を挟む一対の電極と、前記電極に燃
料ガスを供給排出する手段とを具備した単電池とを、導
電性セパレータを介して積層した固体高分子型燃料電池
において、前記導電性セパレータは導電性無機化合物を
コートした金属板よりなり、かつ前記導電性セパレータ
は前記燃料ガスを流通するガス流通溝を形成し、さらに
前記燃料ガスに対するガスシール性を有する材料によ
り、前記ガス流通溝と前記燃料ガスを供給排出する手段
とを接続したことを特徴とする。
固体高分子電解質膜を挟む一対の電極と、前記電極に燃
料ガスを供給排出する手段とを具備した単電池とを、導
電性セパレータを介して積層した固体高分子型燃料電池
において、前記導電性セパレータは導電性無機化合物を
コートした金属板よりなり、かつ前記導電性セパレータ
は前記燃料ガスを流通するガス流通溝を形成し、さらに
前記燃料ガスに対するガスシール性を有する材料によ
り、前記ガス流通溝と前記燃料ガスを供給排出する手段
とを接続したことを特徴とする。
【００１２】このとき、導電性無機化合物は、導電性無
機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物
であることが有効である。
機酸化物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物
であることが有効である。
【００１３】さらに、導電性セパレータに形成したガス
流通溝は、互いに平行な複数の直線形状であることが有
効である。
流通溝は、互いに平行な複数の直線形状であることが有
効である。
【００１４】また、導電性セパレータの一方の面に形成
したガス流通溝の凸部が、前記導電性セパレータの背面
でガス流通溝の凹を形成していることが望ましい。
したガス流通溝の凸部が、前記導電性セパレータの背面
でガス流通溝の凹を形成していることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
を参照しながら説明する。
【００１６】
【実施例】（実施例１）アセチレンブラック系カ−ボン
粉末に、平均粒径約３０の白金粒子を２５重量％担持し
たものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプ
ロパノ−ルに分散させた溶液に、（化１）で示したパー
フルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール
に分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状
にした。このペーストを原料としスクリ−ン印刷法をも
ちいて、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に
電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる
白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンス
ルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整し
た。
粉末に、平均粒径約３０の白金粒子を２５重量％担持し
たものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプ
ロパノ−ルに分散させた溶液に、（化１）で示したパー
フルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール
に分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状
にした。このペーストを原料としスクリ−ン印刷法をも
ちいて、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に
電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる
白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンス
ルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整し
た。
【００１７】
【化１】
【００１８】これらの電極は、正極・負極共に同一構成
とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導
性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が
電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し
て、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）を作成した。ここで
は、プロトン伝導性高分子電解質として、（化２）に示
したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚み
に薄膜化したものを用いた。
とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導
性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が
電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し
て、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）を作成した。ここで
は、プロトン伝導性高分子電解質として、（化２）に示
したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚み
に薄膜化したものを用いた。
【００１９】
【化２】
【００２０】本実施例で作製した固体高分子型燃料電池
の各構成要素の構造を図１，図２、及び図３に示した。
の各構成要素の構造を図１，図２、及び図３に示した。
【００２１】まず、導電性酸化物をコートした金属板よ
りなる導電性セパレータの作成方法を示す。図１に示し
たように、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板を用い、そ
の中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、５．６ｍｍピッチ
（溝幅約２．８ｍｍ）の波状加工部１を、プレス加工に
よって形成した。このとき溝２の深さ（山３の高さ）は
約１ｍｍとした。つぎに、この表面にＩｎをト゛ーフ゜した
酸化スズの層を真空電子ビーム蒸着法により０．５μｍ
の厚さに形成した。蒸着時の真空度は５×１０ -6Ｔorr
のＡｒガス雰囲気で、基板温度は３００℃で行った。つ
ぎに、図１に示したように、対抗する２辺にはそれぞれ
水素ガス、冷却水、空気を供給・排出するためのマニホ
ールド孔４を設けた。
りなる導電性セパレータの作成方法を示す。図１に示し
たように、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板を用い、そ
の中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、５．６ｍｍピッチ
（溝幅約２．８ｍｍ）の波状加工部１を、プレス加工に
よって形成した。このとき溝２の深さ（山３の高さ）は
約１ｍｍとした。つぎに、この表面にＩｎをト゛ーフ゜した
酸化スズの層を真空電子ビーム蒸着法により０．５μｍ
の厚さに形成した。蒸着時の真空度は５×１０ -6Ｔorr
のＡｒガス雰囲気で、基板温度は３００℃で行った。つ
ぎに、図１に示したように、対抗する２辺にはそれぞれ
水素ガス、冷却水、空気を供給・排出するためのマニホ
ールド孔４を設けた。
【００２２】つぎに、図２（ａ）に示したように、水素
側となるセパレータには、マニホルド孔から金属板の加
工によるガス流通溝まで、フェノール樹脂でできた凸部
５によってガスを誘導する溝６を設けた。また、２個の
溝が互いに隣り合い、湾曲してつながるようにフェノー
ル樹脂でできた凸部５を重ねた。
側となるセパレータには、マニホルド孔から金属板の加
工によるガス流通溝まで、フェノール樹脂でできた凸部
５によってガスを誘導する溝６を設けた。また、２個の
溝が互いに隣り合い、湾曲してつながるようにフェノー
ル樹脂でできた凸部５を重ねた。
【００２３】このフェノール樹脂製の凸部は、厚みが約
１ｍｍでセパレータ板の溝の山の高さと同じとした。セ
パレータ板の外周部、マニホルド孔の周囲にも同様に形
成し、金属板の形状に対応したガスケット７を構成して
いる。
１ｍｍでセパレータ板の溝の山の高さと同じとした。セ
パレータ板の外周部、マニホルド孔の周囲にも同様に形
成し、金属板の形状に対応したガスケット７を構成して
いる。
【００２４】さらに、図２（ｂ）に示したように、空気
側となるセパレータは隣り合う６個の溝が、湾曲して連
続したガス流通溝を形成するようにした。空気側と水素
ガス側で構造を変えているのは、空気側と水素ガス側と
でガス流量が２５倍程度異なるからである。逆に言え
ば、このような構造では、ガス流量に応じて樹脂製のガ
ス流通溝の形状を変えることにより、最適なガス流速と
ガス圧損にする事が可能である。
側となるセパレータは隣り合う６個の溝が、湾曲して連
続したガス流通溝を形成するようにした。空気側と水素
ガス側で構造を変えているのは、空気側と水素ガス側と
でガス流量が２５倍程度異なるからである。逆に言え
ば、このような構造では、ガス流量に応じて樹脂製のガ
ス流通溝の形状を変えることにより、最適なガス流速と
ガス圧損にする事が可能である。
【００２５】つぎに、図３に示したように、これら２種
類のセパレータとガスケットにより、ＭＥＡ８をはさみ
電池の構成単位とした。図３で示したように、水素側の
ガス流通溝９と空気側のガス流通溝１０の位置は対応す
るように構成し、電極に過剰なセンダン力がかからない
ようにした。単電池を２セル積層ごとに冷却水を流す冷
却部１１を設けた。冷却部にはＳＵＳ３１６製の金属メ
ッシュ１２を用いて導電性と冷却水の流通性を確保し、
外周部とガスマニホルド部にフェノール樹脂製のガスケ
ット７を設けることによってシール部とした。ガスケッ
トとＭＥＡ、セパレータ板とセパレータ板、ガスケット
とセパレータ板などのガスシールが必要な部分はグリス
１３を薄く塗布することによってあまり導電性を低下さ
せずにシール性を確保した。
類のセパレータとガスケットにより、ＭＥＡ８をはさみ
電池の構成単位とした。図３で示したように、水素側の
ガス流通溝９と空気側のガス流通溝１０の位置は対応す
るように構成し、電極に過剰なセンダン力がかからない
ようにした。単電池を２セル積層ごとに冷却水を流す冷
却部１１を設けた。冷却部にはＳＵＳ３１６製の金属メ
ッシュ１２を用いて導電性と冷却水の流通性を確保し、
外周部とガスマニホルド部にフェノール樹脂製のガスケ
ット７を設けることによってシール部とした。ガスケッ
トとＭＥＡ、セパレータ板とセパレータ板、ガスケット
とセパレータ板などのガスシールが必要な部分はグリス
１３を薄く塗布することによってあまり導電性を低下さ
せずにシール性を確保した。
【００２６】以上示したＭＥＡを５０セルを積層した
後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結
ロッドで、２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で締結した。締結
圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きい
ので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破
損したり、セパレータ板が変形したりするのでガス流通
溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。
後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結
ロッドで、２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で締結した。締結
圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きい
ので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破
損したり、セパレータ板が変形したりするのでガス流通
溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。
【００２７】比較例の電池として、上記実施例の電池の
ように表面コートをしないＳＵＳ３１６板により導電性
セパレータを構成したものを作製した。比較例の電池
で、導電性セパレータ以外は、全て上記実施例の構成と
同一とした。
ように表面コートをしないＳＵＳ３１６板により導電性
セパレータを構成したものを作製した。比較例の電池
で、導電性セパレータ以外は、全て上記実施例の構成と
同一とした。
【００２８】このように作製した本実施例と比較例の高
分子電解質型燃料電池を、８５℃に保持し、一方の電極
側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガス
を、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿
・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出
力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
分子電解質型燃料電池を、８５℃に保持し、一方の電極
側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガス
を、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿
・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出
力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
【００２９】この電池を燃料利用率８０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を図５に示した。その結
果、比較例の電池は駆動時間と共に出力が低下するのに
比べ、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって
１０００Ｗ（２２Ｖ−４５Ａ）の電池出力を維持するこ
とを確認した。
４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を図５に示した。その結
果、比較例の電池は駆動時間と共に出力が低下するのに
比べ、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって
１０００Ｗ（２２Ｖ−４５Ａ）の電池出力を維持するこ
とを確認した。
【００３０】この実施例ではガス流通溝が複数の平行直
線の場合を試みたが、図４のように２度の湾曲部１４を
経て、ガス供給マニホルドから、ガス排出マニホルド孔
をガス流通溝でつなぐ構造や、巻き貝の殻のように中央
部のマニホルド孔と外側のマニホルド孔とをガス流通溝
でつなぐ構造など様々な構造も可能である。
線の場合を試みたが、図４のように２度の湾曲部１４を
経て、ガス供給マニホルドから、ガス排出マニホルド孔
をガス流通溝でつなぐ構造や、巻き貝の殻のように中央
部のマニホルド孔と外側のマニホルド孔とをガス流通溝
でつなぐ構造など様々な構造も可能である。
【００３１】（実施例２）実施例１では、導電性セパレ
ータとしてＳＵＳ板の表面にＩｎをト゛ーフ゜した酸化スズ
層を形成したものを用いたが、本実施例ではＰｂを蒸着
したＳＵＳ板の表面に、酸化鉛層を形成した例を示す。
なお、本実施例では、導電性セパレータの材質以外の電
池構成、及び電池の特性評価条件は、全て実施例１と同
一とした。
ータとしてＳＵＳ板の表面にＩｎをト゛ーフ゜した酸化スズ
層を形成したものを用いたが、本実施例ではＰｂを蒸着
したＳＵＳ板の表面に、酸化鉛層を形成した例を示す。
なお、本実施例では、導電性セパレータの材質以外の電
池構成、及び電池の特性評価条件は、全て実施例１と同
一とした。
【００３２】以下に、導電性セパレータの製造プロセス
を示す。まず、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板の表面
に、真空加熱蒸着法によりＰｂ層を１μｍの厚さで形成
した。このときの蒸着条件は、１×１０-7TorrのＡｒ
（９９．９９９９％）雰囲気で、基板温度は２００℃と
した。つぎに、このＰｂ蒸着ＳＵＳ板のＰｂ蒸着面にＰ
ｂＯ層をスパッタ法により形成した。形成条件は、酸素
分圧が２×１０-4TorrのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲
気で、基板温度を２００℃とし、成膜速度が３μｍ／時
間となるようにスパッタ電力を制御した。得られたスパ
ッタ層の構造解析は、Ｘ線回折により、ＰｂＯと同定し
た。以上の方法で作成したＰｂＯ層の比抵抗は、５×１
０-5Ωｃｍであった。
を示す。まず、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板の表面
に、真空加熱蒸着法によりＰｂ層を１μｍの厚さで形成
した。このときの蒸着条件は、１×１０-7TorrのＡｒ
（９９．９９９９％）雰囲気で、基板温度は２００℃と
した。つぎに、このＰｂ蒸着ＳＵＳ板のＰｂ蒸着面にＰ
ｂＯ層をスパッタ法により形成した。形成条件は、酸素
分圧が２×１０-4TorrのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲
気で、基板温度を２００℃とし、成膜速度が３μｍ／時
間となるようにスパッタ電力を制御した。得られたスパ
ッタ層の構造解析は、Ｘ線回折により、ＰｂＯと同定し
た。以上の方法で作成したＰｂＯ層の比抵抗は、５×１
０-5Ωｃｍであった。
【００３３】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
（運転開始１０時間後）と、運転時間が８０００時間経
過したときの電池出力を示した。その結果を表１に示し
た。
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
（運転開始１０時間後）と、運転時間が８０００時間経
過したときの電池出力を示した。その結果を表１に示し
た。
【００３４】また、スパッタ条件を制御してＰｂＯ2層
を１μｍの厚さで形成した。これを用いた電池の特性も
良好で、その結果を表１に示した。スパッタ条件は、基
板温度４０℃、スパッタガスは酸素で３×１０-4Torr、
成膜速度２μｍ／時間とした。
を１μｍの厚さで形成した。これを用いた電池の特性も
良好で、その結果を表１に示した。スパッタ条件は、基
板温度４０℃、スパッタガスは酸素で３×１０-4Torr、
成膜速度２μｍ／時間とした。
【００３５】（実施例３）本実施例では導電性無機化合
物として、導電性窒化物であるＴｉＮを用いた例を示
す。なお、本実施例では、導電性セパレータの材質以外
の電池構成、及び電池の特性評価条件は、全て実施例１
と同一とした。
物として、導電性窒化物であるＴｉＮを用いた例を示
す。なお、本実施例では、導電性セパレータの材質以外
の電池構成、及び電池の特性評価条件は、全て実施例１
と同一とした。
【００３６】以下に、導電性セパレータの製造プロセス
を示す。厚さ０．３ｍｍのＴｉ板の表面に、ＲＦ−プレ
ナマグネトロンを用いたスパッタ法により、ＴｉＮ層を
１μｍの厚さで形成した。このとき、ターゲットは、Ｔ
ｉＮ（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。ス
パッタ雰囲気は、４×１０-2TorrのＡｒ（９９．９９９
９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗとし、形成速度が
１．５μｍ／時間となるように制御した。得られたスパ
ッタ層の構造解析は、Ｘ線回折により、ＴｉＮと同定し
た。以上の方法で作成したＴｉＮ層の比抵抗は、２×１
０-4Ωｃｍであった。
を示す。厚さ０．３ｍｍのＴｉ板の表面に、ＲＦ−プレ
ナマグネトロンを用いたスパッタ法により、ＴｉＮ層を
１μｍの厚さで形成した。このとき、ターゲットは、Ｔ
ｉＮ（９９％）を用い、基板温度は５００℃とした。ス
パッタ雰囲気は、４×１０-2TorrのＡｒ（９９．９９９
９％）とし、スパッタ電力は４００Ｗとし、形成速度が
１．５μｍ／時間となるように制御した。得られたスパ
ッタ層の構造解析は、Ｘ線回折により、ＴｉＮと同定し
た。以上の方法で作成したＴｉＮ層の比抵抗は、２×１
０-4Ωｃｍであった。
【００３７】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。
【００３８】本実施例では、ＴｉＮ層の膜厚を１μｍと
したが、膜厚を薄くすると電池としてのインピーダンス
が下がりその分、出力特性が向上するという長所はある
ものの、長期安定性が損なわれるという短所が発生す
る。また、膜厚をあまり厚くすると信頼性は高くなるも
のの、成膜時間が長くなり、生産性が低下するという課
題がある。そこで、本実施例ではＴｉＮ層の膜厚を検討
したところ、１μｍ程度が実用的であった。
したが、膜厚を薄くすると電池としてのインピーダンス
が下がりその分、出力特性が向上するという長所はある
ものの、長期安定性が損なわれるという短所が発生す
る。また、膜厚をあまり厚くすると信頼性は高くなるも
のの、成膜時間が長くなり、生産性が低下するという課
題がある。そこで、本実施例ではＴｉＮ層の膜厚を検討
したところ、１μｍ程度が実用的であった。
【００３９】また、ＴｉＮにかわり、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ
を、Ａｌ板を基板としてコートしたが、同様の優れた特
性を得た。その結果を表１に示した。成膜条件を以下に
示した。
を、Ａｌ板を基板としてコートしたが、同様の優れた特
性を得た。その結果を表１に示した。成膜条件を以下に
示した。
【００４０】厚さ０．３ｍｍのＡｌ板の表面に、ＲＦ−
ダイオードを用いたスパッタ法により、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ
層を１．２μｍの厚さで形成した。このとき、ターゲッ
トは、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ（９９％）を用い、基板温度は３
００℃とした。スパッタ雰囲気は、４×１０-2TorrのＡ
ｒ（９９．９９９％）とし、スパッタ電力は３００Ｗと
し、形成速度が１．０μｍ／時間となるように制御し
た。以上の方法で作成したＴｉ−Ａｌ−Ｎ層の比抵抗
は、１×１０-3Ωｃｍであった。
ダイオードを用いたスパッタ法により、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ
層を１．２μｍの厚さで形成した。このとき、ターゲッ
トは、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ（９９％）を用い、基板温度は３
００℃とした。スパッタ雰囲気は、４×１０-2TorrのＡ
ｒ（９９．９９９％）とし、スパッタ電力は３００Ｗと
し、形成速度が１．０μｍ／時間となるように制御し
た。以上の方法で作成したＴｉ−Ａｌ−Ｎ層の比抵抗
は、１×１０-3Ωｃｍであった。
【００４１】（実施例４）本実施例では導電性無機化合
物として、導電性炭化物であるｎ型ＳｉＣを用いた例を
示す。
物として、導電性炭化物であるｎ型ＳｉＣを用いた例を
示す。
【００４２】以下、金属基板上にｎ型ト゛ーフ゜したＳｉＣ
層の形成方法を示す。成膜方法は、１４．５６ＭＨｚの
高周波グロー放電分解法を用い、被分解ガスは、水素で
希釈したシラン、メタン（ＣＨ4）、ジボラン（ＰＨ3）
を、Ｐ／（Ｓｉ＋Ｃ）＝１０原子％となる比率で混合
し、全体を１０Ｔｏｒｒとし、基板温度３００℃で行っ
た。このとき、成膜時間を制御することで、ｎ型ト゛ーフ゜
したＳｉＣ層の膜厚を、１０００とした。成膜後、Ｓｉ
Ｃ層の上に、金電極を蒸着し、ＳｉＣ層の比抵抗を測定
したところ、５０Ωｃｍであった。
層の形成方法を示す。成膜方法は、１４．５６ＭＨｚの
高周波グロー放電分解法を用い、被分解ガスは、水素で
希釈したシラン、メタン（ＣＨ4）、ジボラン（ＰＨ3）
を、Ｐ／（Ｓｉ＋Ｃ）＝１０原子％となる比率で混合
し、全体を１０Ｔｏｒｒとし、基板温度３００℃で行っ
た。このとき、成膜時間を制御することで、ｎ型ト゛ーフ゜
したＳｉＣ層の膜厚を、１０００とした。成膜後、Ｓｉ
Ｃ層の上に、金電極を蒸着し、ＳｉＣ層の比抵抗を測定
したところ、５０Ωｃｍであった。
【００４３】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【発明の効果】本発明によると、セパレーター板とし
て、従来のカーボン板の切削工法に替わり、ステンレス
などの金属材料を切削加工しないで用いることができる
ので、量産時に大幅なコスト低減が図れる。また、セパ
レータを一層薄くできるので積層電池のコンパクト化に
寄与する。
て、従来のカーボン板の切削工法に替わり、ステンレス
などの金属材料を切削加工しないで用いることができる
ので、量産時に大幅なコスト低減が図れる。また、セパ
レータを一層薄くできるので積層電池のコンパクト化に
寄与する。
【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いた導電
性セパレータの構成を示した図
性セパレータの構成を示した図
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いた水素
側セパレータの構成を示した図
側セパレータの構成を示した図
【図３】本発明の第１の実施例の燃料電池の積層電池の
構成を示した図
構成を示した図
【図４】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いること
ができる他の導電性セパレータの構成を示した図
ができる他の導電性セパレータの構成を示した図
【図５】本発明の第１の実施例の燃料電池の出力特性を
示した図
示した図
１ 波状加工部 ２ 溝 ３ 山 ４ マニホルド孔 ５ フェノール製凸部 ６ フェノール製の溝 ７ フェノール製のガスケット ８ ＭＥＡ ９ 水素側のガス流通溝 １０ 空気側のガス流通溝 １１ 冷却部 １２ 金属メッシュ １３ グリス １４ 湾曲部 １５ 継ぎ目
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年６月１５日（１９９９．６．１
５）
５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１７】
【化１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】
【化２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽藤 一仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西田 和史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 内田 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松本 敏宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA01 AA02 AA06 CC03 EE11 EE12
Claims (4)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟む一対の電極
と、前記電極に燃料ガスを供給排出する手段とを具備し
た単電池とを、導電性セパレータを介して積層した固体
高分子型燃料電池において、前記導電性セパレータは導
電性無機化合物をコートした金属板よりなり、かつ前記
導電性セパレータは前記燃料ガスを流通するガス流通溝
を形成し、さらに前記燃料ガスに対するガスシール性を
有する材料により、前記ガス流通溝と前記燃料ガスを供
給排出する手段とを接続したことを特徴とする固体高分
子型燃料電池。 - 【請求項２】 導電性無機化合物は、導電性無機酸化
物、導電性無機窒化物、または導電性無機炭化物である
ことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電
池。 - 【請求項３】 導電性セパレータに形成したガス流通溝
は、互いに平行な複数の直線形状であることを特徴とす
る請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項４】 導電性セパレータの一方の面に形成した
ガス流通溝の凸部が、前記導電性セパレータの背面でガ
ス流通溝の凹を形成していることを特徴とする請求項
１、２または３記載の固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18376098A JP4366726B2 (ja) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | 固体高分子型燃料電池 |
| KR10-2004-7001021A KR100453597B1 (ko) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | 고체고분자전해질형 연료전지 |
| US09/719,832 US6660419B1 (en) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| KR10-2000-7014997A KR100426094B1 (ko) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | 고체고분자전해질형 연료전지 |
| PCT/JP1999/003464 WO2000001025A1 (en) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| EP99926831A EP1094535B1 (en) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| DE69933566T DE69933566T2 (de) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | Brennstoffzelle mit festem polymerelektrolyten |
| CNB998080349A CN1151573C (zh) | 1998-06-30 | 1999-06-28 | 固体高分子电解质燃料电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18376098A JP4366726B2 (ja) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000021420A true JP2000021420A (ja) | 2000-01-21 |
| JP4366726B2 JP4366726B2 (ja) | 2009-11-18 |
Family
ID=16141504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18376098A Expired - Lifetime JP4366726B2 (ja) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4366726B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001028018A1 (en) * | 1999-10-14 | 2001-04-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolytic fuel cell |
| WO2002015312A1 (en) * | 2000-08-17 | 2002-02-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte type fuel cell |
| JP2002075398A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-15 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ |
| US6491751B1 (en) | 1998-09-18 | 2002-12-10 | Texas Industries, Inc. | Method for manufacturing cement using a raw material mix including finely ground steel slag |
| WO2004097968A1 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Ineos Chlor Enterprises Limited | Production of components for electrochemical cell assemblies |
| WO2003092139A3 (en) * | 2002-04-26 | 2005-03-24 | Harvard College | Durable bipolar plates for fuel cells |
| JP2007149671A (ja) * | 2005-11-23 | 2007-06-14 | Gm Global Technology Operations Inc | 高い電気化学的安定性および改善された水分管理を有する金属バイポーラ板 |
| JP2008098183A (ja) * | 1999-09-17 | 2008-04-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
| JP2009200038A (ja) * | 2008-01-22 | 2009-09-03 | Toyota Central R&D Labs Inc | 耐食導電性皮膜、耐食導電材、固体高分子型燃料電池とそのセパレータおよび耐食導電材の製造方法 |
| JP2011517013A (ja) * | 2008-02-27 | 2011-05-26 | インパクト・コーティングス・エービー | コーティングを有する電極、その製造方法および材料の使用 |
-
1998
- 1998-06-30 JP JP18376098A patent/JP4366726B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6491751B1 (en) | 1998-09-18 | 2002-12-10 | Texas Industries, Inc. | Method for manufacturing cement using a raw material mix including finely ground steel slag |
| JP2008098183A (ja) * | 1999-09-17 | 2008-04-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
| WO2001028018A1 (en) * | 1999-10-14 | 2001-04-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolytic fuel cell |
| US6696194B1 (en) | 1999-10-14 | 2004-02-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolytic fuel cell |
| WO2002015312A1 (en) * | 2000-08-17 | 2002-02-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte type fuel cell |
| US7318974B2 (en) | 2000-08-17 | 2008-01-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| JP2002075398A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-15 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ |
| WO2003092139A3 (en) * | 2002-04-26 | 2005-03-24 | Harvard College | Durable bipolar plates for fuel cells |
| WO2004097968A1 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Ineos Chlor Enterprises Limited | Production of components for electrochemical cell assemblies |
| JP2007149671A (ja) * | 2005-11-23 | 2007-06-14 | Gm Global Technology Operations Inc | 高い電気化学的安定性および改善された水分管理を有する金属バイポーラ板 |
| JP2009200038A (ja) * | 2008-01-22 | 2009-09-03 | Toyota Central R&D Labs Inc | 耐食導電性皮膜、耐食導電材、固体高分子型燃料電池とそのセパレータおよび耐食導電材の製造方法 |
| JP2011517013A (ja) * | 2008-02-27 | 2011-05-26 | インパクト・コーティングス・エービー | コーティングを有する電極、その製造方法および材料の使用 |
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|---|---|
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