JP2001338653A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
燃料電池用セパレータInfo
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池に供給される燃料ガス中に存在する
一酸化炭素の電極表面ヘの吸着を抑制する機能を有する
燃料電池用セパレータを提供する。 【解決手段】 電極又は集電体との接触面及び反応ガス
通気溝を有し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒
又は還元触媒が担持されている燃料電池用セパレータ。
一酸化炭素の電極表面ヘの吸着を抑制する機能を有する
燃料電池用セパレータを提供する。 【解決手段】 電極又は集電体との接触面及び反応ガス
通気溝を有し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒
又は還元触媒が担持されている燃料電池用セパレータ。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タに関し、特に自動車の動力用車載燃料電池に使用でき
るセパレータに関する。
タに関し、特に自動車の動力用車載燃料電池に使用でき
るセパレータに関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は燃料から電気へのエネルギー
変換効率が高く、有害物質を排出しないため、次世代の
発電装置として注目されている。特に、150℃以下の温
度領域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池は盛ん
に研究されており、数年後の実用化が見込まれている。
この燃料電池は比較的低い温度で作動でき、発電の出力
密度が高く、小型化が可能であるため家庭用や車載用の
燃料電池として適している。
変換効率が高く、有害物質を排出しないため、次世代の
発電装置として注目されている。特に、150℃以下の温
度領域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池は盛ん
に研究されており、数年後の実用化が見込まれている。
この燃料電池は比較的低い温度で作動でき、発電の出力
密度が高く、小型化が可能であるため家庭用や車載用の
燃料電池として適している。
【0003】通常、高分子イオン交換膜型燃料電池は、
固体電解質膜の両面に燃料電極及び酸素電極(空気電
極)を固定して単電池(セル)を形成し、これを燃料ガ
スと空気を供給する通気溝を設けた板状セパレータを介
して積層することにより構成される。固体電解質膜とし
てはスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜等
が用いられ、電極はカーボンブラックに撥水材PTFEと貴
金属微粒子触媒を分散したもの等により形成する。水素
−酸素燃料電池が作動する際には、水素ガスが酸化され
て生じたプロトンが電解質中に進入し、正極側に移動す
る。正極側では通気溝から導入された酸素が水素の酸化
反応により発生する電子を得て、電解質中のプロトンと
結合し水となる。これらの反応過程を継続することによ
り電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。
固体電解質膜の両面に燃料電極及び酸素電極(空気電
極)を固定して単電池(セル)を形成し、これを燃料ガ
スと空気を供給する通気溝を設けた板状セパレータを介
して積層することにより構成される。固体電解質膜とし
てはスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜等
が用いられ、電極はカーボンブラックに撥水材PTFEと貴
金属微粒子触媒を分散したもの等により形成する。水素
−酸素燃料電池が作動する際には、水素ガスが酸化され
て生じたプロトンが電解質中に進入し、正極側に移動す
る。正極側では通気溝から導入された酸素が水素の酸化
反応により発生する電子を得て、電解質中のプロトンと
結合し水となる。これらの反応過程を継続することによ
り電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。
【0004】燃料の貯蔵密度と供給コストの観点から、
燃料電池に水素ガスを直接供給するのではなく、メタノ
ール、ガソリン等の炭化水素から水素ガスを生成して供
給するのが好ましい。このように生成した燃料ガス中に
は、通常1%前後の一酸化炭素が含まれ、一酸化炭素除
去装置を用いても数10〜100ppm程度の一酸化炭素が残
る。燃料ガス中に一酸化炭素が微量(一般に10ppm以
上)でも含まれると、一酸化炭素が電極の貴金属触媒表
面に吸着し、水素の電極反応が阻害され電池の性能が大
幅に低下してしまう。
燃料電池に水素ガスを直接供給するのではなく、メタノ
ール、ガソリン等の炭化水素から水素ガスを生成して供
給するのが好ましい。このように生成した燃料ガス中に
は、通常1%前後の一酸化炭素が含まれ、一酸化炭素除
去装置を用いても数10〜100ppm程度の一酸化炭素が残
る。燃料ガス中に一酸化炭素が微量(一般に10ppm以
上)でも含まれると、一酸化炭素が電極の貴金属触媒表
面に吸着し、水素の電極反応が阻害され電池の性能が大
幅に低下してしまう。
【0005】一酸化炭素の電極表面への吸着を抑える方
法として、例えばパラジウム薄膜で燃料ガスを濾過する
方法が知られている。しかしながら、パラジウム薄膜の
機械強度は低く、透過速度も問題となるため、車載用燃
料電池に適用することは困難である。また、プロトン電
解質膜を用いた電気化学的水素ポンプで水素のみを選択
的に透過し、電池に供給する方法が提案されているが、
該ポンプは電力の一部を消耗して駆動するため燃料電池
の発電効率が低下してしまう。そこで現状では、電池セ
ルの前段に別途触媒装置を設置し、燃料ガス中の一酸化
炭素を除去する方式が採用されている。最近、ゼオライ
トを用いた一酸化炭素除去システムが提案されたが(M.
Watanabe, et al., Chem. Lett., 21 (1995))、専用
の一酸化炭素除去装置が必要となることには変わりはな
い。従って、このような除去装置を用いることなく、効
果的に電極への一酸化炭素の吸着を抑制することができ
るセパレータの開発が望まれている。
法として、例えばパラジウム薄膜で燃料ガスを濾過する
方法が知られている。しかしながら、パラジウム薄膜の
機械強度は低く、透過速度も問題となるため、車載用燃
料電池に適用することは困難である。また、プロトン電
解質膜を用いた電気化学的水素ポンプで水素のみを選択
的に透過し、電池に供給する方法が提案されているが、
該ポンプは電力の一部を消耗して駆動するため燃料電池
の発電効率が低下してしまう。そこで現状では、電池セ
ルの前段に別途触媒装置を設置し、燃料ガス中の一酸化
炭素を除去する方式が採用されている。最近、ゼオライ
トを用いた一酸化炭素除去システムが提案されたが(M.
Watanabe, et al., Chem. Lett., 21 (1995))、専用
の一酸化炭素除去装置が必要となることには変わりはな
い。従って、このような除去装置を用いることなく、効
果的に電極への一酸化炭素の吸着を抑制することができ
るセパレータの開発が望まれている。
【0006】従来の燃料電池用セパレータの多くは黒鉛
板を機械加工したものである。黒鉛セパレータは電気抵
抗が低く耐食性が高い反面、機械強度が低く加工コスト
が高い。一方、金属セパレータはバルク電気抵抗が低
く、高い気密性及び機械強度を有し、加工コストの低減
が容易である。また、セパレータの厚さを薄くできるの
で小型化が容易である。更に、アルミニウムのような低
比重金属材料を用いると燃料電池を一層軽量化すること
ができる。しかしながら、アルミニウム製セパレータに
おいては、アルミニウム基材そのものの耐食性が低いこ
とが問題となる。特開平11-162478号は、貴金属を金属
セパレータの全表面にメッキすることにより、接触電気
抵抗が低く耐腐食性を有する被膜を形成し、セパレータ
の耐食性を改善する手法を開示している。この手法はセ
パレータ性能に関しては問題が無いが、高コスト化を招
き実用的ではない。コスト低減のためには貴金属メッキ
層を薄くする必要があるが、湿式メッキの際に層厚を薄
くすると微細なピンホールが発生し腐食の原因となり、
また乾式メッキ(蒸着、スパッタ等)では生産効率が悪
く、被膜の均一性も悪化してしまう。従って、耐食性に
優れ、且つ前述のように一酸化炭素の電極への吸着を抑
制できるアルミニウム製セパレータが特に望まれてい
る。
板を機械加工したものである。黒鉛セパレータは電気抵
抗が低く耐食性が高い反面、機械強度が低く加工コスト
が高い。一方、金属セパレータはバルク電気抵抗が低
く、高い気密性及び機械強度を有し、加工コストの低減
が容易である。また、セパレータの厚さを薄くできるの
で小型化が容易である。更に、アルミニウムのような低
比重金属材料を用いると燃料電池を一層軽量化すること
ができる。しかしながら、アルミニウム製セパレータに
おいては、アルミニウム基材そのものの耐食性が低いこ
とが問題となる。特開平11-162478号は、貴金属を金属
セパレータの全表面にメッキすることにより、接触電気
抵抗が低く耐腐食性を有する被膜を形成し、セパレータ
の耐食性を改善する手法を開示している。この手法はセ
パレータ性能に関しては問題が無いが、高コスト化を招
き実用的ではない。コスト低減のためには貴金属メッキ
層を薄くする必要があるが、湿式メッキの際に層厚を薄
くすると微細なピンホールが発生し腐食の原因となり、
また乾式メッキ(蒸着、スパッタ等)では生産効率が悪
く、被膜の均一性も悪化してしまう。従って、耐食性に
優れ、且つ前述のように一酸化炭素の電極への吸着を抑
制できるアルミニウム製セパレータが特に望まれてい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃料
電池に供給される燃料ガス中に存在する一酸化炭素の電
極表面ヘの吸着を抑制する機能を有する燃料電池用セパ
レータ、特に該抑制機能と優れた耐食性とを併せ持つア
ルミニウム製燃料電池用セパレータを提供することであ
る。
電池に供給される燃料ガス中に存在する一酸化炭素の電
極表面ヘの吸着を抑制する機能を有する燃料電池用セパ
レータ、特に該抑制機能と優れた耐食性とを併せ持つア
ルミニウム製燃料電池用セパレータを提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、反応ガス通気溝に一酸化炭素を
吸着するための触媒を固定した燃料電池用セパレータ
は、燃料ガス中に存在する一酸化炭素の電極表面ヘの吸
着を抑制できることを発見し、本発明に想到した。
の結果、本発明者らは、反応ガス通気溝に一酸化炭素を
吸着するための触媒を固定した燃料電池用セパレータ
は、燃料ガス中に存在する一酸化炭素の電極表面ヘの吸
着を抑制できることを発見し、本発明に想到した。
【0009】すなわち、本発明の燃料電池用セパレータ
は電極又は集電体との接触面及び反応ガス通気溝を有
し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒又は還元触
媒が担持されていることを特徴とする。
は電極又は集電体との接触面及び反応ガス通気溝を有
し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒又は還元触
媒が担持されていることを特徴とする。
【0010】本発明の燃料電池用セパレータにおいて
は、機械強度向上、加工コスト低減等の観点から、基材
としてアルミニウム金属板を用いるのが好ましい。この
場合、セパレータの耐食性を改善するために上記反応ガ
ス通気溝の表面にはアルマイト被膜が形成され、酸化触
媒又は還元触媒は該アルマイト被膜上に担持されるのが
好ましい。
は、機械強度向上、加工コスト低減等の観点から、基材
としてアルミニウム金属板を用いるのが好ましい。この
場合、セパレータの耐食性を改善するために上記反応ガ
ス通気溝の表面にはアルマイト被膜が形成され、酸化触
媒又は還元触媒は該アルマイト被膜上に担持されるのが
好ましい。
【0011】アルマイト被膜は多孔度10%以上の多孔質
アルマイト被膜であるのが好ましい。また、アルマイト
被膜が多孔度5%以下の緻密質アルマイト被膜及びその
上に形成される多孔度10%以上の多孔質アルマイト被膜
により構成されるのも好ましい。これらの場合、酸化触
媒又は還元触媒は多孔質アルマイト被膜の細孔内部又は
微小突起表面上に担持されるのが好ましい。多孔質アル
マイト被膜の細孔の孔径は10〜1000nmであるのが好まし
い。
アルマイト被膜であるのが好ましい。また、アルマイト
被膜が多孔度5%以下の緻密質アルマイト被膜及びその
上に形成される多孔度10%以上の多孔質アルマイト被膜
により構成されるのも好ましい。これらの場合、酸化触
媒又は還元触媒は多孔質アルマイト被膜の細孔内部又は
微小突起表面上に担持されるのが好ましい。多孔質アル
マイト被膜の細孔の孔径は10〜1000nmであるのが好まし
い。
【0012】酸化触媒又は還元触媒はPt、Au、Pd、Ru、
Rh、Ir、Ag、Cs、Ni及びCuからなる群から選ばれる1種
以上の金属、又はその合金若しくは酸化物からなるのが
好ましい。その担持量は上記反応ガス通気溝の単位面積
に対して0.01〜2.0mg/cm2とするのが好ましい。
Rh、Ir、Ag、Cs、Ni及びCuからなる群から選ばれる1種
以上の金属、又はその合金若しくは酸化物からなるのが
好ましい。その担持量は上記反応ガス通気溝の単位面積
に対して0.01〜2.0mg/cm2とするのが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用セパレータ
は、電極又は集電体との接触面及び反応ガス通気溝を有
し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒又は還元触
媒が担持されている。本発明のセパレータは様々な燃料
電池に使用でき、特に自動車の動力用車載燃料電池に好
適に利用できる。
は、電極又は集電体との接触面及び反応ガス通気溝を有
し、該反応ガス通気溝の表面上には酸化触媒又は還元触
媒が担持されている。本発明のセパレータは様々な燃料
電池に使用でき、特に自動車の動力用車載燃料電池に好
適に利用できる。
【0014】本発明のセパレータに用いる基材は特に限
定されず、アルミニウムやステンレス材等の金属板、黒
鉛板等が使用できる。セパレータの軽量化、電気伝導性
及び強度の向上、加工コスト低減等の観点からは金属板
を用いるのが好ましく、アルミニウム金属板を用いるの
が特に好ましい。金属板を用いる場合には耐食性を改善
するために反応ガス通気溝の表面を適宜処理するのが好
ましい。基材の厚さは特に限定されないが、車載用燃料
電池に用いる場合は0.5〜3mmとするのが好ましい。
定されず、アルミニウムやステンレス材等の金属板、黒
鉛板等が使用できる。セパレータの軽量化、電気伝導性
及び強度の向上、加工コスト低減等の観点からは金属板
を用いるのが好ましく、アルミニウム金属板を用いるの
が特に好ましい。金属板を用いる場合には耐食性を改善
するために反応ガス通気溝の表面を適宜処理するのが好
ましい。基材の厚さは特に限定されないが、車載用燃料
電池に用いる場合は0.5〜3mmとするのが好ましい。
【0015】どのような基材を用いた場合も本発明にお
けるセパレータの形状や形成法、用いる触媒の種類や担
持方法等は基本的には同じであるので、以下、基材とし
てアルミニウム金属板を用いた場合の本発明による燃料
電池用セパレータを図面を用いて詳述するが、本発明は
それらに限定されず本発明の趣旨を変更しない限り種々
の変更を加えることができる。
けるセパレータの形状や形成法、用いる触媒の種類や担
持方法等は基本的には同じであるので、以下、基材とし
てアルミニウム金属板を用いた場合の本発明による燃料
電池用セパレータを図面を用いて詳述するが、本発明は
それらに限定されず本発明の趣旨を変更しない限り種々
の変更を加えることができる。
【0016】図1は本発明の一実施例によるアルミニウ
ム製燃料電池用セパレータを含む燃料電池の一例を示す
部分概略図である。図1の燃料電池は、固体電解質2と
その両側に設けられたアノード3及びカソード4からな
る単電池1を、セパレータ5を介して積層して構成され
ている。積層の両端は外部回路(図示せず)に接続され
る。
ム製燃料電池用セパレータを含む燃料電池の一例を示す
部分概略図である。図1の燃料電池は、固体電解質2と
その両側に設けられたアノード3及びカソード4からな
る単電池1を、セパレータ5を介して積層して構成され
ている。積層の両端は外部回路(図示せず)に接続され
る。
【0017】(A)反応ガス通気溝 図1に示すように、本発明のセパレータ5は反応ガス通
気溝8及び9を有する。反応ガス通気溝9とアノード3
により形成される通路には燃料ガスが供給され、反応ガ
ス通気溝8とカソード4により形成される通路には酸化
剤ガスが供給される。反応ガス通気溝は機械加工、プレ
ス、精密鋳造、化学研磨(エッチング)、電解研磨等の
方法により所定パターンに形成すればよい。反応ガス通
気溝の形状は図1ではコ字型としたが、電極に接する部
分に反応ガス用通路が形成できる形状であれば特に限定
されず、反応ガス通気抵抗が小さく、且つ発電効率が高
くなるように設定するのが好ましい。通常、各反応ガス
通気溝の深さは0.2〜2mmとするのが好ましく、幅は0.5
〜5mmとするのが好ましい。
気溝8及び9を有する。反応ガス通気溝9とアノード3
により形成される通路には燃料ガスが供給され、反応ガ
ス通気溝8とカソード4により形成される通路には酸化
剤ガスが供給される。反応ガス通気溝は機械加工、プレ
ス、精密鋳造、化学研磨(エッチング)、電解研磨等の
方法により所定パターンに形成すればよい。反応ガス通
気溝の形状は図1ではコ字型としたが、電極に接する部
分に反応ガス用通路が形成できる形状であれば特に限定
されず、反応ガス通気抵抗が小さく、且つ発電効率が高
くなるように設定するのが好ましい。通常、各反応ガス
通気溝の深さは0.2〜2mmとするのが好ましく、幅は0.5
〜5mmとするのが好ましい。
【0018】アルミニウム基材を用いる場合、セパレー
タの耐食性を確保するために、電極等と接触しない反応
ガス通気溝表面に化学的及び物理的に安定なアルマイト
被膜を形成し、酸化触媒又は還元触媒はその被膜上に固
定するのが好ましい。触媒12を担持したアルマイト被膜
6を形成した本発明によるアルミニウム製セパレータの
一例を図2に示す。
タの耐食性を確保するために、電極等と接触しない反応
ガス通気溝表面に化学的及び物理的に安定なアルマイト
被膜を形成し、酸化触媒又は還元触媒はその被膜上に固
定するのが好ましい。触媒12を担持したアルマイト被膜
6を形成した本発明によるアルミニウム製セパレータの
一例を図2に示す。
【0019】アルマイト被膜は通常の陽極酸化法により
形成できる。例えば電解液としてシュウ酸、硫酸、クロ
ム酸等の水溶液を用いて電解することにより、γ-アル
ミナ被膜を基材表面に形成すればよい。アルマイト被膜
の膜厚は5〜50μmとするのが好ましく、10〜30μmとす
るのがより好ましい。また、陽極酸化処理を施した後に
沸騰水又は水蒸気で処理することにより、アルマイト被
膜に特有の微細孔を閉じ、ベーマイトと呼ばれる緻密な
被膜を形成することができる。
形成できる。例えば電解液としてシュウ酸、硫酸、クロ
ム酸等の水溶液を用いて電解することにより、γ-アル
ミナ被膜を基材表面に形成すればよい。アルマイト被膜
の膜厚は5〜50μmとするのが好ましく、10〜30μmとす
るのがより好ましい。また、陽極酸化処理を施した後に
沸騰水又は水蒸気で処理することにより、アルマイト被
膜に特有の微細孔を閉じ、ベーマイトと呼ばれる緻密な
被膜を形成することができる。
【0020】電解条件を選定することでアルマイト被膜
の多孔度を調節できる。図3に示すような、柱状の細孔
を有するアルマイト被膜6(多孔質アルマイト被膜10)
を形成することも可能である。アルマイト被膜は多孔度
10%以上の多孔質アルマイト被膜であるのが好ましい。
このような多孔質アルマイト被膜の表面には無数の微細
孔が存在するので、単位面積における表面積(比表面
積)が増加し、触媒がより高分散される。また、触媒微
粒子の接合力が強まり固定が強固となり、触媒の活性が
向上する。即ち、アルマイト被膜を多孔質とすることに
よって、一酸化炭素の電極への吸着を抑制する機能を更
に改善することができる。
の多孔度を調節できる。図3に示すような、柱状の細孔
を有するアルマイト被膜6(多孔質アルマイト被膜10)
を形成することも可能である。アルマイト被膜は多孔度
10%以上の多孔質アルマイト被膜であるのが好ましい。
このような多孔質アルマイト被膜の表面には無数の微細
孔が存在するので、単位面積における表面積(比表面
積)が増加し、触媒がより高分散される。また、触媒微
粒子の接合力が強まり固定が強固となり、触媒の活性が
向上する。即ち、アルマイト被膜を多孔質とすることに
よって、一酸化炭素の電極への吸着を抑制する機能を更
に改善することができる。
【0021】図4に示すように、電解条件を変えること
により緻密質アルマイト被膜11及びその上に形成される
多孔質アルマイト被膜10からなる被膜を形成するのも好
ましい。下層の緻密質アルマイト被膜11によりアルミニ
ウム基材の耐食性が向上し、上層の多孔質アルマイト被
膜10には前述のように触媒を効率良く担持することがで
きる。この場合、緻密質アルマイト被膜の多孔度は5%
以下とするのが好ましく、2%以下とするのがより好ま
しい。多孔質アルマイト被膜の多孔度は10%以上とする
のが好ましく、20%以上とするのがより好ましい。また
緻密質アルマイト被膜の膜厚は2〜30μmとするのが好
ましく、多孔質アルマイト被膜の膜厚は5〜50μmとす
るのが好ましい。
により緻密質アルマイト被膜11及びその上に形成される
多孔質アルマイト被膜10からなる被膜を形成するのも好
ましい。下層の緻密質アルマイト被膜11によりアルミニ
ウム基材の耐食性が向上し、上層の多孔質アルマイト被
膜10には前述のように触媒を効率良く担持することがで
きる。この場合、緻密質アルマイト被膜の多孔度は5%
以下とするのが好ましく、2%以下とするのがより好ま
しい。多孔質アルマイト被膜の多孔度は10%以上とする
のが好ましく、20%以上とするのがより好ましい。また
緻密質アルマイト被膜の膜厚は2〜30μmとするのが好
ましく、多孔質アルマイト被膜の膜厚は5〜50μmとす
るのが好ましい。
【0022】多孔質アルマイト被膜を形成する場合、酸
化触媒又は還元触媒は被膜の細孔内部又は微小突起表面
上に固定するのが好ましい。被膜の細孔内部に触媒微粒
子を固定するためには、被膜の細孔の孔径は10〜1000nm
とするのが好ましい。
化触媒又は還元触媒は被膜の細孔内部又は微小突起表面
上に固定するのが好ましい。被膜の細孔内部に触媒微粒
子を固定するためには、被膜の細孔の孔径は10〜1000nm
とするのが好ましい。
【0023】(B)酸化触媒又は還元触媒 本発明のセパレータにおいては、上記反応ガス通気溝の
表面に酸化触媒又は還元触媒を担持させ、触媒機能を持
たせる。反応ガス通気溝の表面上にアルマイト被膜等を
形成する場合は、その被膜上に固定する。触媒はセパレ
ータ基材上に分散した状態であっても、セパレータ基材
を被覆した状態であってもよい。一酸化炭素を含む水素
燃料ガスを燃料電池の中に送り込む際、上記反応ガス通
気溝を通過したガス中の一酸化炭素を上記触媒に吸着さ
せ、電極に到達する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低下
させることができる。吸着した一酸化炭素はそのまま放
置してもよいが、一定の時間間隔で微量な空気或いは酸
素を添加して、吸着した一酸化炭素を酸化して取り除く
のが好ましい。このような処理を行うことで触媒の吸着
能が再生される。
表面に酸化触媒又は還元触媒を担持させ、触媒機能を持
たせる。反応ガス通気溝の表面上にアルマイト被膜等を
形成する場合は、その被膜上に固定する。触媒はセパレ
ータ基材上に分散した状態であっても、セパレータ基材
を被覆した状態であってもよい。一酸化炭素を含む水素
燃料ガスを燃料電池の中に送り込む際、上記反応ガス通
気溝を通過したガス中の一酸化炭素を上記触媒に吸着さ
せ、電極に到達する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低下
させることができる。吸着した一酸化炭素はそのまま放
置してもよいが、一定の時間間隔で微量な空気或いは酸
素を添加して、吸着した一酸化炭素を酸化して取り除く
のが好ましい。このような処理を行うことで触媒の吸着
能が再生される。
【0024】酸化触媒又は還元触媒はPt、Au、Pd、Ru、
Rh、Ir、Ag、Cs、Ni及びCuからなる群から選ばれる1種
以上の金属、又はその合金若しくは酸化物からなるのが
好ましい。
Rh、Ir、Ag、Cs、Ni及びCuからなる群から選ばれる1種
以上の金属、又はその合金若しくは酸化物からなるのが
好ましい。
【0025】酸化触媒又は還元触媒(一酸化炭素吸着触
媒)は、例えば、Pt、Pd、Au等の塩、貴金属酸、錯体、
他の無機化合物、有機貴金属化合物等を基材表面に付着
させ、十分乾燥した後、熱分解法、化学還元法等の方法
により還元して触媒機能を持たせ、反応ガス通気溝に担
持させればよい。上記貴金属化合物等は、その水又は有
機溶媒の溶液を用いて浸漬法、塗布法、噴霧法等の方法
により付着させればよい。触媒の担持量は上記反応ガス
通気溝の単位面積に対して0.01〜2.0mg/cm2とするのが
好ましく、0.05〜1.0mg/cm2とするのがより好ましい。
媒)は、例えば、Pt、Pd、Au等の塩、貴金属酸、錯体、
他の無機化合物、有機貴金属化合物等を基材表面に付着
させ、十分乾燥した後、熱分解法、化学還元法等の方法
により還元して触媒機能を持たせ、反応ガス通気溝に担
持させればよい。上記貴金属化合物等は、その水又は有
機溶媒の溶液を用いて浸漬法、塗布法、噴霧法等の方法
により付着させればよい。触媒の担持量は上記反応ガス
通気溝の単位面積に対して0.01〜2.0mg/cm2とするのが
好ましく、0.05〜1.0mg/cm2とするのがより好ましい。
【0026】(C)電極又は集電体との接触面 本発明のセパレータは電極又は集電体との接触面を有す
る。接触面の形状は、燃料電池の電極又は一次集電体の
カーボンペーパー、カーボンクロス等と接触するために
適した形状であればよく、図面により限定されない。接
触面はラッピング等で研磨することにより平坦度を確保
するのが好ましい。アルマイト被膜を有するアルミニウ
ム製セパレータを作製する場合、このように研磨するこ
とによって電極接触面にも形成されてしまったアルマイ
ト被膜が除去され、電気伝導が可能となる。
る。接触面の形状は、燃料電池の電極又は一次集電体の
カーボンペーパー、カーボンクロス等と接触するために
適した形状であればよく、図面により限定されない。接
触面はラッピング等で研磨することにより平坦度を確保
するのが好ましい。アルマイト被膜を有するアルミニウ
ム製セパレータを作製する場合、このように研磨するこ
とによって電極接触面にも形成されてしまったアルマイ
ト被膜が除去され、電気伝導が可能となる。
【0027】本発明においては、セパレータと電極又は
一次集電体のカーボンペーパーやカーボンクロスとの接
触電気抵抗を低減させるために、図1に示すように、電
極又は集電体との接触面(電気伝導面)には導電性被膜
7を形成するのが好ましい。すなわち、アルミニウムを
基材として用いた場合は、基材の全表面を非導電性アル
マイト被膜及び導電性被膜により覆うのが好ましい。
一次集電体のカーボンペーパーやカーボンクロスとの接
触電気抵抗を低減させるために、図1に示すように、電
極又は集電体との接触面(電気伝導面)には導電性被膜
7を形成するのが好ましい。すなわち、アルミニウムを
基材として用いた場合は、基材の全表面を非導電性アル
マイト被膜及び導電性被膜により覆うのが好ましい。
【0028】導電性被膜は電気伝導性の良い耐食性を有
する材料を用いて形成するのが好ましく、Pt、Au、Pd、
Ru、Rh、Ir及びAgからなる群から選ばれる金属若しくは
その合金、カーボン、又は導電性炭化物により形成する
のがより好ましい。Au、Ag、Pt、Pd等の貴金属系被膜
は、接触抵抗が低く耐食性も極めて良好である。カーボ
ンとしてはCVDによる黒鉛膜、DLC膜(ダイヤモンドライ
クカーボン膜)等が好ましい。また黒鉛粉に撥水剤を添
加したものを塗布しても良い。電極がカーボンブラック
に微量のPtを添加したもの等からなる場合、カーボン被
膜を用いると接触なじみが良い。導電性炭化物としては
炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化タングステン等が好まし
い。炭化物被膜は接触抵抗が小さいのみならず、良好な
耐食性及び耐酸化性を有するので、セパレータの保護膜
としても作用する。
する材料を用いて形成するのが好ましく、Pt、Au、Pd、
Ru、Rh、Ir及びAgからなる群から選ばれる金属若しくは
その合金、カーボン、又は導電性炭化物により形成する
のがより好ましい。Au、Ag、Pt、Pd等の貴金属系被膜
は、接触抵抗が低く耐食性も極めて良好である。カーボ
ンとしてはCVDによる黒鉛膜、DLC膜(ダイヤモンドライ
クカーボン膜)等が好ましい。また黒鉛粉に撥水剤を添
加したものを塗布しても良い。電極がカーボンブラック
に微量のPtを添加したもの等からなる場合、カーボン被
膜を用いると接触なじみが良い。導電性炭化物としては
炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化タングステン等が好まし
い。炭化物被膜は接触抵抗が小さいのみならず、良好な
耐食性及び耐酸化性を有するので、セパレータの保護膜
としても作用する。
【0029】導電性被膜はスパッタ法、電気メッキ、無
電解メッキ、スパッタリング法、湿式メッキ、CVD等の
方法により形成できる。また導電性被膜の膜厚は0.01〜
5μmとするのが好ましい。膜厚が0.01μmより小さいと
膜強度が弱く不安定であり、5μmより大きいとコスト
が高くなるため好ましくない。
電解メッキ、スパッタリング法、湿式メッキ、CVD等の
方法により形成できる。また導電性被膜の膜厚は0.01〜
5μmとするのが好ましい。膜厚が0.01μmより小さいと
膜強度が弱く不安定であり、5μmより大きいとコスト
が高くなるため好ましくない。
【0030】
【実施例】以下、実施例により本発明をより詳細に説明
するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【0031】実施例1 アルミニウム金属板(1mm×150mm×150mm)に、プレス
加工により深さ1.0mm及び幅3.0mmの反応ガス通気溝を形
成し、セパレータ基材とした。この基材をシュウ酸水溶
液中で陽極酸化し、次いで沸騰水中に30分間浸漬し、乾
燥して基材表面に多孔度約25%、膜厚約30μmのアルマ
イト被膜を形成した。次に、平坦度を向上させるために
電極接触面をラッピング研磨し洗浄した。この工程によ
り電極接触面上に形成されたアルマイト被膜は除去され
た。続いて、5mTorrの純アルゴンガス雰囲気中、基材
温度を200℃として電極接触面にPd-Au合金をスパッタし
て導電性被膜を形成した。なお、導電性被膜の厚さは約
1μmであった。得られたセパレータに5%塩化白金酸
カリウム水溶液等を噴霧し乾燥した後、テトラヒドロホ
ウ酸ナトリウム水溶液(1%)を噴霧し、触媒を固定し
て表1に示す触媒を担持した本発明のセパレータをそれ
ぞれ作製した。触媒の担持量は各々、上記反応ガス通気
溝の単位面積に対して約0.5mg/cm2とした。また、触媒
を担持しない比較用のセパレータも同様に作製した。
加工により深さ1.0mm及び幅3.0mmの反応ガス通気溝を形
成し、セパレータ基材とした。この基材をシュウ酸水溶
液中で陽極酸化し、次いで沸騰水中に30分間浸漬し、乾
燥して基材表面に多孔度約25%、膜厚約30μmのアルマ
イト被膜を形成した。次に、平坦度を向上させるために
電極接触面をラッピング研磨し洗浄した。この工程によ
り電極接触面上に形成されたアルマイト被膜は除去され
た。続いて、5mTorrの純アルゴンガス雰囲気中、基材
温度を200℃として電極接触面にPd-Au合金をスパッタし
て導電性被膜を形成した。なお、導電性被膜の厚さは約
1μmであった。得られたセパレータに5%塩化白金酸
カリウム水溶液等を噴霧し乾燥した後、テトラヒドロホ
ウ酸ナトリウム水溶液(1%)を噴霧し、触媒を固定し
て表1に示す触媒を担持した本発明のセパレータをそれ
ぞれ作製した。触媒の担持量は各々、上記反応ガス通気
溝の単位面積に対して約0.5mg/cm2とした。また、触媒
を担持しない比較用のセパレータも同様に作製した。
【0032】以上のように作製した本発明のセパレータ
を固体高分子燃料電池(セル)の中に組み込み、燃料電
池1a〜1rをそれぞれ作製した。また、上記比較用セパレ
ータを用いた燃料電池1sも同様に作製した。各燃料電池
に模擬改質燃料ガス(75%H2、25%CO2、約30ppmCO)を
供給し、出口ガス中のCO濃度を分析した。各燃料電池に
用いたセパレータが担持する触媒、入口での模擬改質燃
料ガス中のCO濃度、及び出口ガス中のCO濃度を併せて表
1に示す。
を固体高分子燃料電池(セル)の中に組み込み、燃料電
池1a〜1rをそれぞれ作製した。また、上記比較用セパレ
ータを用いた燃料電池1sも同様に作製した。各燃料電池
に模擬改質燃料ガス(75%H2、25%CO2、約30ppmCO)を
供給し、出口ガス中のCO濃度を分析した。各燃料電池に
用いたセパレータが担持する触媒、入口での模擬改質燃
料ガス中のCO濃度、及び出口ガス中のCO濃度を併せて表
1に示す。
【0033】
【表1】
【0034】表1より、本発明の燃料電池用セパレータ
は燃料ガス中のCO濃度を大幅に低減させる機能があるこ
とが確認された。
は燃料ガス中のCO濃度を大幅に低減させる機能があるこ
とが確認された。
【0035】実施例2 表2に示すセパレータ基材を用い、触媒としてPt−Ru
(50wt%)を用いたこと以外は上記実施例1と同様に、
燃料電池2a〜2jをそれぞれ作製した。なお、燃料電池2a
〜2cに用いた黒鉛製セパレータ、ステンレス製セパレー
タ、及びアルマイト被膜を形成していないアルミニウム
製セパレータにも、同様の方法により触媒を固定した。
また燃料電池2d〜2jにおいては、アルマイト被膜の形成
条件を変えることによりその多孔度を表2に示すように
変化させた。これら各燃料電池を用いて、上記実施例1
と同様の分析を行った。各燃料電池に用いたセパレータ
基材、アルマイト被膜の多孔度、入口での模擬改質燃料
ガス中のCO濃度、及び出口ガス中のCO濃度を併せて表2
に示す。また、これらの結果から導いたCO除去率と多孔
度の関係を図5に示す。
(50wt%)を用いたこと以外は上記実施例1と同様に、
燃料電池2a〜2jをそれぞれ作製した。なお、燃料電池2a
〜2cに用いた黒鉛製セパレータ、ステンレス製セパレー
タ、及びアルマイト被膜を形成していないアルミニウム
製セパレータにも、同様の方法により触媒を固定した。
また燃料電池2d〜2jにおいては、アルマイト被膜の形成
条件を変えることによりその多孔度を表2に示すように
変化させた。これら各燃料電池を用いて、上記実施例1
と同様の分析を行った。各燃料電池に用いたセパレータ
基材、アルマイト被膜の多孔度、入口での模擬改質燃料
ガス中のCO濃度、及び出口ガス中のCO濃度を併せて表2
に示す。また、これらの結果から導いたCO除去率と多孔
度の関係を図5に示す。
【0036】
【表2】
【0037】表2より、いずれの基材を用いた場合も、
触媒を固定することによりCO濃度を低減する機能が得ら
れることがわかる。更に表2及び図5より、アルマイト
被膜の多孔度が約10%以上の場合に触媒効果が増大し、
特に多孔度を18.7%以上とすることによりその効果が顕
著となることがわかる。
触媒を固定することによりCO濃度を低減する機能が得ら
れることがわかる。更に表2及び図5より、アルマイト
被膜の多孔度が約10%以上の場合に触媒効果が増大し、
特に多孔度を18.7%以上とすることによりその効果が顕
著となることがわかる。
【0038】実施例3 アルマイト被膜の形成中に電解条件を変えることにより
途中から膜の多孔度を変え、表3に示す多孔度を有する
緻密質アルマイト被膜(膜厚:約5〜10μm)上に多孔
質アルマイト被膜(多孔度:約20〜35%、膜厚:約15〜
20μm)を形成したこと以外は上記実施例1と同様に、
燃料電池3a〜3jをそれぞれ作製した。ただし、本実施例
においては触媒としてPt−Ru(50wt%)を用いた。これ
ら各燃料電池を用いて、上記実施例1と同様の分析を行
った。また、各燃料電池に用いたセパレータを酢酸溶液
(pH:約4)に1週間浸漬し腐食の発生状況を確認する
ことにより、耐食性の評価も行った。各燃料電池の緻密
質アルマイト被膜の多孔度、耐腐食状況、CO除去率を併
せて表3に示す。
途中から膜の多孔度を変え、表3に示す多孔度を有する
緻密質アルマイト被膜(膜厚:約5〜10μm)上に多孔
質アルマイト被膜(多孔度:約20〜35%、膜厚:約15〜
20μm)を形成したこと以外は上記実施例1と同様に、
燃料電池3a〜3jをそれぞれ作製した。ただし、本実施例
においては触媒としてPt−Ru(50wt%)を用いた。これ
ら各燃料電池を用いて、上記実施例1と同様の分析を行
った。また、各燃料電池に用いたセパレータを酢酸溶液
(pH:約4)に1週間浸漬し腐食の発生状況を確認する
ことにより、耐食性の評価も行った。各燃料電池の緻密
質アルマイト被膜の多孔度、耐腐食状況、CO除去率を併
せて表3に示す。
【0039】
【表3】
【0040】表3より、本発明のセパレータのアルマイ
ト被膜を緻密質アルマイト被膜及び多孔質アルマイト被
膜により構成する場合、耐食性の観点から緻密質アルマ
イト被膜の多孔度は5.06%以下であるのが好ましく、2.
01%以下であるのがより好ましいことがわかる。
ト被膜を緻密質アルマイト被膜及び多孔質アルマイト被
膜により構成する場合、耐食性の観点から緻密質アルマ
イト被膜の多孔度は5.06%以下であるのが好ましく、2.
01%以下であるのがより好ましいことがわかる。
【0041】実施例4 緻密質アルマイト被膜の多孔度を1.25%とし、多孔質ア
ルマイト被膜の多孔度を約30%としたこと、並びに触媒
としてPt又はPdを上記反応ガス通気溝の単位面積に対し
て0〜2mg/cm2程度の担持量で固定したこと以外は上記
実施例3と同様に、燃料電池を作製した。各燃料電池を
用いて、上記実施例1と同様の分析を行った。触媒担持
量とCO除去率との関係を図6にグラフで示す(黒丸:Pt
触媒、白丸:Pd触媒)。図6より、Pt触媒又はPd触媒を
用いた場合、良好なCO除去機能を得るためには担持量を
0.01〜2.0mg/cm2程度とするのが好ましく、0.05〜1.0mg
/cm2とするのがより好ましいことがわかった。
ルマイト被膜の多孔度を約30%としたこと、並びに触媒
としてPt又はPdを上記反応ガス通気溝の単位面積に対し
て0〜2mg/cm2程度の担持量で固定したこと以外は上記
実施例3と同様に、燃料電池を作製した。各燃料電池を
用いて、上記実施例1と同様の分析を行った。触媒担持
量とCO除去率との関係を図6にグラフで示す(黒丸:Pt
触媒、白丸:Pd触媒)。図6より、Pt触媒又はPd触媒を
用いた場合、良好なCO除去機能を得るためには担持量を
0.01〜2.0mg/cm2程度とするのが好ましく、0.05〜1.0mg
/cm2とするのがより好ましいことがわかった。
【0042】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によりセパ
レータに触媒機能性が付与され、燃料ガス中の一酸化炭
素濃度を大幅に低減させることができる。従って、本発
明の燃料電池用セパレータは一酸化炭素による電極劣化
の改善に大きく寄与することができる。
レータに触媒機能性が付与され、燃料ガス中の一酸化炭
素濃度を大幅に低減させることができる。従って、本発
明の燃料電池用セパレータは一酸化炭素による電極劣化
の改善に大きく寄与することができる。
【図1】 本発明の一実施例による燃料電池用セパレー
タを含む燃料電池の一例を示す部分概略図である。
タを含む燃料電池の一例を示す部分概略図である。
【図2】 本発明の他の実施例による燃料電池用セパレ
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
【図3】 本発明の他の実施例による燃料電池用セパレ
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
【図4】 本発明の他の実施例による燃料電池用セパレ
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
ータを示す概略図、及びそのアルマイト被膜の構造を示
す部分拡大図である。
【図5】本発明のセパレータにおける、アルマイト被膜
の多孔度とCO除去率との関係を示すグラフである。
の多孔度とCO除去率との関係を示すグラフである。
【図6】本発明のセパレータにおける、触媒担持量とCO
除去率との関係を示すグラフである。
除去率との関係を示すグラフである。
1・・・単電池 2・・・固体電解質 3・・・アノード 4・・・カソード 5・・・セパレータ 6・・・アルマイト被膜 7・・・導電性被膜 8、9・・・反応ガス通気溝 10・・・多孔質アルマイト被膜 11・・・緻密質アルマイト被膜 12・・・触媒
Claims (7)
- 【請求項1】 電極又は集電体との接触面及び反応ガス
通気溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、前記反
応ガス通気溝の表面上には酸化触媒又は還元触媒が担持
されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の燃料電池用セパレータ
において、アルミニウム金属板からなり、前記酸化触媒
又は還元触媒が前記反応ガス通気溝の表面に形成された
アルマイト被膜上に担持されていることを特徴とする燃
料電池用セパレータ。 - 【請求項3】 請求項2に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記アルマイト被膜が多孔度10%以上の多孔
質アルマイト被膜であり、前記酸化触媒又は還元触媒が
該多孔質アルマイト被膜の細孔内部又は微小突起表面上
に担持されていることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項4】 請求項2に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記アルマイト被膜が多孔度5%以下の緻密
質アルマイト被膜及びその上に形成される多孔度10%以
上の多孔質アルマイト被膜により構成され、前記酸化触
媒又は還元触媒が該多孔質アルマイト被膜の細孔内部又
は微小突起表面上に担持されていることを特徴とする燃
料電池用セパレータ。 - 【請求項5】 請求項3又は4に記載の燃料電池用セパ
レータにおいて、前記多孔質アルマイト被膜の細孔の孔
径が10〜1000nmであることを特徴とする燃料電池用セパ
レータ。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電
池用セパレータにおいて、前記酸化触媒又は還元触媒が
Pt、Au、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Cs、Ni及びCuからなる群
から選ばれる1種以上の金属、又はその合金若しくは酸
化物からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電
池用セパレータにおいて、前記酸化触媒又は還元触媒の
担持量が前記反応ガス通気溝の単位面積に対して0.01〜
2.0mg/cm2であることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000160862A JP2001338653A (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池用セパレータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000160862A JP2001338653A (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池用セパレータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001338653A true JP2001338653A (ja) | 2001-12-07 |
Family
ID=18664989
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000160862A Pending JP2001338653A (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池用セパレータ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001338653A (ja) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003079477A1 (fr) * | 2002-03-15 | 2003-09-25 | Kabushiki Kaisha Riken | Pile a combustible du type a cellule de polyelctrolyte solide |
JP2005036315A (ja) * | 2003-06-19 | 2005-02-10 | Toyo Roki Mfg Co Ltd | アルミニウム又はアルミニウム合金への酸化皮膜の形成方法 |
JP2006216420A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用膜電極複合体 |
JP2006522433A (ja) * | 2003-04-04 | 2006-09-28 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 一酸化炭素を酸化するための触媒を有した膜電極一体構造 |
JP2007128908A (ja) * | 2007-01-15 | 2007-05-24 | Riken Corp | 固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット |
JP2007326000A (ja) * | 2006-06-06 | 2007-12-20 | Petroleum Energy Center | 脱水素触媒及びそれを用いた水素供給装置 |
CN100435396C (zh) * | 2007-05-23 | 2008-11-19 | 山东大学 | 一种具有催化作用双极板的制备方法 |
JP2009108748A (ja) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Panasonic Corp | スクロール圧縮機 |
JP2012214879A (ja) * | 2011-03-25 | 2012-11-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 陽極酸化被膜で被覆された多孔質金属体及びその製造方法 |
JP2021161461A (ja) * | 2020-03-31 | 2021-10-11 | 日本製鉄株式会社 | 合金材およびその製造方法 |
-
2000
- 2000-05-30 JP JP2000160862A patent/JP2001338653A/ja active Pending
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