JP4627406B2 - セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の部材であるセパレータおよびこれを用いた燃料電池に関する。

燃料電池には電解質の種類などによって幾つかの種類がある。リン酸形燃料電池はリン酸を保持体に染み込ませて用いるタイプで、１５０〜２２０℃で運転される。溶融炭酸塩形燃料電池は炭酸リチウム／炭酸カリウムを混合体して電解質保持体に成型したものが用いられ、６００〜７００℃で動作する。また、固体酸化物形燃料電池では酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニアを電解質とし、７００〜１０００℃で動作する。いずれも燃料には水素、改質ガス、炭化水素などが用いられ、酸化剤ガスには空気が用いられる。

種々ある燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）は、高分子からなる膜状の固体電解質の両面に白金等の触媒を担持したカーボン電極を接合して構成されている点が主な特徴である。これをＭＥＡとよぶ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；電解質膜電極一体化構造）。固体高分子形燃料電池はセパレータとよばれる燃料ガス（水素を含むガス）および酸化剤ガス（酸素あるいは空気）の流路が形成された一対の板で、ＭＥＡを挟持した構造をとっている。

ここでは燃料となるガスなどの流体および酸化剤となるガスなどの流体を総括して反応ガスあるいは反応流体と呼ぶことにする。通常、ＭＥＡとセパレータの間には多孔質のカーボン製シートを介して挟持されている。これはガス拡散層と呼ばれ、これによって、反応ガスが効率良くまた、均一に電極へ供給する機能が高まる。これら一組にしたものを単セルといい、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層したものである。セパレータは反応ガスを電極に効率良く電極へ供給する役割を負っており、反応ガスを燃料電池に供給して適当な負荷をかけると電力を取り出せる。これに伴い、反応熱やジュール熱などによる熱も発生する。この熱を除去するために、通常、前記セパレータの一部に冷却水を通すためのセパレータが燃料電池に備わっている。

セパレータは隣り合うセルにエネルギーの損失を少なく電力を伝える役割も負っているため、通常、炭素系の導電性材料で構成され、また、反応ガスや冷却媒体を通気、通水するための流路溝が形成されている。セパレータ材料としては、炭素系の他、金属薄板を用いることも検討されている。金属は原料費が廉価で、かつ、プレス加工が容易であること、薄板を使用できるため、コンパクトで軽量化できるメリットや低コスト化が可能であるという特徴を有するためである。

しかし、金属を用いたセパレータの場合、金属薄板をプレス加工して流路溝を形成すると、加工性は金属材料の加工限界に制限されるため、所望の溝深さ、溝幅を有する流路溝加工を得るには困難がある。そのため、反応ガス流れの均一性が得られない、電極との接触面積が充分にとることができないなどの弊害が生じ、結果、所定の発電性能が得られにくいことがあった。たとえ所望の溝加工が可能であっても、加工後のセパレータに反りや歪が生じたり、必要な仕上り精度が得られないといった場合があり、反応ガスのリークや接触抵抗の増大などを招くことがある。

プレス成型金属セパレータのもう一つの欠点として、溝加工後の頂頭部が曲率を有しており、ガス拡散層等との接触面積が小さくなり、その結果、抵抗が増大するという課題が有った。

従来のプレス金属セパレータが互いに接触する場合、その接触面積が大きく取れないという問題がある。即ち、二枚のセパレータ１を合わせて形成される空間が反応ガスの通過溝となるが、溝の頂点が平坦でないためにセパレータ同士が線あるいは点で接触し、そのために接触抵抗が高く、良好な発電性能を得ることが困難であった。これを解決するために特許文献１は頂点の曲率を有する部分を除去し、平坦化した。特許文献２はセパレータ板間の冷却水面での接触抵抗に由来する電圧降下を防止するため、セパレータ板同士の接触面に導電性のシートガスケットを介在させた構造としている。

これら上記課題をより効果的に解決できる従来の発明の一つに、特許文献３および特許文献４に記載されたセパレータがある。この発明は金属薄板とガス流路部材として流路状に裁断したカーボンペーパからなる。そのためプレス成型することなく一枚のセパレータが得られるため、低コスト化が可能である。更に、流路部はカーボンペーパを裁断して造られるため、仕上り精度が高く、ガス拡散層との接触面が平らであるため上記のような課題が無くなる。

特開２００３−１７３７９１号公報

特開２００３−１２３８０１号公報 特開２０００−１２３８５０号公報 特開２０００−２９４２５７号公報

金属薄板とガス流路部材として流路状に裁断したカーボンペーパからなる上述した特許文献３および特許文献４記載のセパレータは多くの利点を有するが、流路部を形成するカーボンペーパが多数の部材に分割されているため、流路本数が増えるに従って細分化された複数の流路部材が必要となる。その結果、電池を構成するための部品点数が増すこと、また、導電性材料で結着するため、製造工程が増えるという課題がある。この他、上記特許文献に記載の発明では金属セパレータと流路部との接触面で発生する金属側の防食に対し、考慮されていない。そのため、金属側の腐食による接触抵抗の増大や、腐食生成物による電極、電解質膜の汚染等を原因とする燃料電池の劣化を引き起こすことがあった。

本発明は、平板と、該平板を挟んで重ね合わせた導電性流路板とを有し、前記平板には複数のマニホールドが形成され、前記流路板には複数個の蛇行状貫通溝が形成され、前記蛇行状貫通溝の一部が前記マニホールドの一部あるいは全部と重なり合うように配置された燃料電池用セパレータを提供するものである。また本発明は、このセパレータを用いた燃料電池を提供する。

本発明において、セパレータを金属平板などの平板及び一対の導電性流路板により積層して構成したもので、積層型セパレータとも言うべきものである。

本発明によれば、加工、組立が容易で、内部電圧降下が小さく、性能低下が少ないセパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供することができる。また、上記構成部材は単純に穴あけ加工により準備でき、しかも平板状のままであるから、これらの接触面積及び他部材との接触面積が十分大きく取ることができる。

本発明のセパレータにおいては、前記金属製平板の表面の全部あるいは少なくとも前記蛇行状貫通溝と接する部位に前記金属製平板を、防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けることができる。

また、本発明は、金属製平板と、該金属製平板を重ね合わせられた導電性で多孔質体の流路板とを有し、前記金属平板には反応流体あるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成され、前記流路板には前記マニホールドからの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成され、蛇行状貫通溝部の一部が前記マニホールドの一部あるいは全部と重なり合うように配置した燃料電池用セパレータを提供する。上記セパレータにおいて、前記流路板を囲うようにガスケットが配置することができる。また、前記金属製平板表面の全部あるいは少なくとも前記蛇行状貫通溝と接する部位に前記金属製平板を防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けることができる。

本発明は更に、流体ガスあるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成された平板と、該平板を挟んで重ねられた一対の流路板とを有し、該流路板には前記マニホールドからの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成され、前記平板の両面に接する前記流路板を投射したときに、前記二つの流路板が重なり合う部位に前記平板の一部にスリットが形成されている燃料電池用セパレータを提供する。前記のように、平板が金属製の場合、平板の表面の全部あるいは少なくとも前記蛇行状貫通溝と接する部位に前記金属平板を、防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けることができる。また、前記流路板が導電性を有する多孔質体であることができる。

上記セパレータにおいて、前記金属製平板にステンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金から選ばれる最外層を形成し、耐食性を向上することが望ましい。

前記被覆層が、フッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体あるいは共重合体から選ばれる樹脂バインダと、１種類以上の炭素を含む導電材とから構成することができる。前記流路板と該被覆層とを一体化することにより、セパレータの取り扱い性が良くなる。

本発明は更に、膜電極一体化構造物と、金属製平板と、該金属平板を挟んで重ね合わせた導電性流路板とを有し、前記金属製平板には反応流体あるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成され、前記流路板には前記マニホールドからの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成され、前記蛇行状貫通溝部の一部が前記マニホールドの一部あるいは全部と重なり合うように配置され、上記膜電極一体化構造物の両面に配置された一対のガス拡散層及びその外側に配置された一対のセパレータとから構成された発電ユニットを積層した燃料電池スタックと、その外側に配置された集電板及び更に外側に配置された端板を供えた燃料電池を提供する。この燃料電池において、上記発電ユニットのうち、１ユニットおきに上記流路板が冷却水用流路板であることが望ましい。なお、本発明の燃料電池においてはセパレータについて述べた種々の変形が採用でき、上記の特別の例に制限されるものではない。

本発明の１つの態様によれば、防食のための被覆層を設けた平板状の金属板と導電性流路板とを組合せることにより低コストで長寿命のセパレータが提供される。導電性を有し、反応ガスを流通させるための複数本の打抜かれた蛇行状溝を有する流路板と、平板状の被覆金属板で一組のセパレータを構成する。このとき、流路板の一部を被覆金属板のマニホールドと重ね合わせることにより、少なくとも流路板と被覆金属板それぞれ１枚で蛇行状の流路溝を有するセパレータを形成することができる。

これによってセパレータを全て打抜き工程により形成することができるので、コストの低減と、充分な接触面積の確保が可能となる。また、セパレータの寿命に関して各種腐食試験を行った結果、金属が腐食する部位は電流が通過する部分で顕著に観察されることが明らかになり、そのため、基板金属の表面には基板金属の腐食等を抑える被覆層を設けた。この手段によりセパレータの寿命を大幅に延ばすことが可能になる。

さらに、被覆金属にスリットを設け、被覆金属の両面にある流路板を直接電気的に接触させて電流の通過路に金属が介在しない構造とし、被覆金属の不働態皮膜の成長や腐食による接触抵抗の増大という、金属をセパレータ材料に用いた場合の最大の課題から開放することができる（実施例１）。接着の必要もないため、製造工程が簡略化できる。平板状の金属基板と導電性の流路板からなるセパレータにおいて、金属基板３０４に反応流体あるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールド３０１を形成する。

流路板２は前記マニホールド３０１からの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝２０２が形成され、かつ、蛇行状貫通溝２０２の一部がマニホールド３０１の一部あるいは全部と重なり合うように配置する。かつ、金属基板３０４の表面の全部あるいは少なくとも蛇行状貫通溝２０２と接する部位に金属基板３０４を防食あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層３０３を設ける。

本発明の第１の態様について図を用いて発電セルを説明する。図１は本発明の基本的なセパレータの構成を示す。一対のセパレータ１はマニホールド３０１を形成した被覆金属板３と、この両面に、マニホールド３０１からの反応ガスあるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成された流路板２Ａおよび２Ｂを重ねることで形成される。流路板２Ａおよび２Ｂは貫通した蛇行状の溝２０２が複数本設けられ、かつ、マニホールド２０１Ａおよび２０１Ｂが必要に応じて複数個、形成されている。

図２は被覆金属板３を挟み込むように流路板２Ａおよび２Ｂを上下に重ね合わせたもので、上面から見た場合の図２（ａ）と断面を表す模式図２（ｂ）である。流路板２Ａおよび２Ｂのマニホールド２０１Ａおよび２０１Ｂは反応ガスや冷却水が連通できるように被覆金属板３のマニホールド３０１とが互いに重なるように配置される。このとき、流路板２Ａおよび２Ｂの溝２０２の一部あるいは全部がマニホールド３０１と重なり合わせる。マニホールド３０１の大きさを、マニホールド３０１における流路板２Ａ，２Ｂよりも大きくし、反応ガスが抵抗少なくマニホールドを通過できるような構造にすることにより、反応ガス流れの圧力損失を低減でき、電池の効率が向上する。

反応ガスは例えば、図１で例示したような流れを示す。反応ガスはマニホールド２０１Ｂ、マニホールド３０１を経てマニホールド２０１Ａに到達する。マニホールド２０１Ａでは流路板２Ａに貫通した流路溝２０２が形成されているので、一部の反応ガスはセパレータ１の面内方向に分岐して進み、残りはそのまま直進する。面内方向に進んだ反応ガスは流路溝２０２Ａに形成された溝に沿って進行し、反対側のマニホールドに到達して合流する経路をとる。

これにより流路板２は一枚の板で流路部を形成することが可能となる。また、被覆金属板３および流路板２はいずれも打抜き加工により製作が可能であるため、加工コストを抑えることが可能となる。

図３は被覆金属板３の断面を示す。図３（ａ）は基板３０４の表面全面に被覆層３０３を被覆し場合を示す。被覆層３０３を設けることにより基板３０４の腐食や不働態皮膜の成長を抑制する効果が得られる。以上の手段により低コストで長寿命のセパレータが得られる。

別途行った幾つかの基本的な発電試験により金属セパレータが腐食される部位は主に電流が流れる領域であることが分かった。つまり、図３（ａ）の流路板２の流路溝２０２Ａおよび２０２Ｂが被覆金属板３と接触する界面が顕著に腐食する。その他の部位の腐食は観られなかったことから、図３（ｂ）に示すように被覆層３０３は流路溝２０２と接触する部位だけに設けてもよい。

次に、上述したセパレータを用いて２セルの燃料電池とした例を図４に示す。図４に示したセパレータ１Ａは図１に示したセパレータと同じである。セパレータ１Ｂおよび１Ｃは片面に冷却水を通水するため、上述の流路板２の代わりに冷却水用流路板６を配した構成である。一体化ＭＥＡ５はＭＥＡとガス拡散層、およびガス拡散層の外周側にシール材（ガスケット）が付与されたものである。セパレータ１Ａとセパレータ１Ｂ、および、セパレータ１Ａとセパレータ１Ｃとの組合せで一体化ＭＥＡ（電解質膜電極一体化構造物）５を挟持し、一つの発電セル（発電ユニット）としている。これら二つの発電用セルの両側にはセパレータ１Ｂと集電板８、およびセパレータ１Ｃと集電板８で冷却水用流路板６を挟み込み、冷却セルとしている。

冷却水用のセルではＭＥＡ等を設置する必要が無いため、冷却セル部は被覆金属板３／冷却水用流路板６／集電板８の順序で積層する。更にそれらの両側には絶縁板９とエンドプレート１０を配置し、エンドプレート１０を締め付けボルト等で締め付けることにより２セルの燃料電池が完成する。

本実施例および以下で述べる実施例で用いた一体化ＭＥＡ５の断面を図１２に示す。ＭＥＡ５０２の両面にガス拡散層７が配置され、さらにガス拡散層７の外周部にマニホールド５０１を覆うようにガスケット５０３が接合されている。これにより、従来はＭＥＡ５０２、ガスケット５０３、ガス拡散層７が別の部品であったものを一体化して、燃料電池の組立作業性を向上できるようになった。本発明の各実施例では一体化ＭＥＡ５を例として用いているが、従来と同じようにそれぞれの部材が分かれていても、問題なく使用できる。

本発明のセパレータにおいては、流路溝が矩形であるため、セパレータ内部の構成物間の接触抵抗のみならず、セパレータとガス拡散層との接触抵抗を増加することが無い。これに対し、金属薄板をプレスで成型した場合、電流を通すための頂点部が曲率を有することが多く、その結果、ガス拡散層７との接触面積が小さくなったが、本発明ではガス拡散層と流路溝２０２の接触面積を大きくできるため、接触抵抗を小さくできる利点がある。
（実施例２）
本発明の第２の態様について図５を用いて説明する。本実施例では流路板２が導電性の多孔質体の場合である。流路板２が多孔質体であると、流路板２を介して電極へのガス供給量が増大するため、発電電圧や拡散限界電流を向上させる効果がある。図５は多孔質体の流路板２を用いたセパレータ１を示す図である。流路板２は多孔質体であるため、反応ガスは多孔質体を自由に移動できる。そのため、実施例１で述べたような一枚の流路板２を用いることができない。

本実施例では流路板２の周囲にガスケット４を配置することにより、アノードからカソード、カソードからアノードへの反応ガスのクロスリークおよび冷却セルと発電セル間のリーク、および燃料電池本体の外へのリークを抑えることが可能になる。

図５に示した被覆金属板３の両面に流路板２Ａと２Ｂを配置する。被覆金属板３は導電性と防食性を有する層が形成された被覆金属板でできており、反応ガスや冷却水を連通させるためのマニホールド３０１が形成されている。実施例１で述べた流路板２と同じように、それぞれの流路板２Ａと２Ｂはマニホールド３０１からの反応ガスあるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成されている。また、流路板２Ａと２Ｂの一部は被覆金属板３のマニホールド３０１と重なるように形成される。さらに、流路板２と重ならないように切り抜かれたガスケット４Ａおよび４Ｂを配置して、１組のセパレータ１ができる。

図６は被覆金属板３を挟み込むようにガスケット４および流路板２を上下に重ね合わせたもので、上面から見た場合の図６（ａ）と断面を表す模式図６（ｂ）である。被覆金属板３は実施例１の図３で示した構成と同じである。このセパレータ１を用いた燃料電池も実施例１の図４で示したセパレータ１に替えて用いることができる。
（実施例３）
本発明の第３の態様について図を用いて説明する。本実施例では実施例１および実施例２で用いた被覆金属板３の電極相当部位（流路板３の流路溝部）にスリット３１０を設けたものである。図７はスリット３１０を設けた被覆金属板３によるセパレータ１を示す。基本的構成は被覆金属板３を除いて実施例１の図１と同じである。被覆金属板３に設けるスリット３１０の位置は、流路板２Ａと２Ｂを重ね合わせたときに、電極相当面の流路溝２０２が互いに重なる部位とする。その様子を図８に示した。

２枚の流路板２Ａと２Ｂを互いに重なり合わせた図を右上に、スリット３１０を設けた被覆金属板の図を左下に示す。図８は説明の便宜上の図であって、実際の位置関係は図７に準拠する。図右上に示した２つの流路板のうち、実線で示した流路板が２Ａ、ハッチングで示した流路板を２Ｂとする。流路板２Ａと２Ｂが流路溝で重なっている部位を濃いハッチングで示した。被覆金属板３のスリット３１０を設ける部位はこの濃いハッチングに対応する場所である。その対応する部位を数例、破線で示した。ただし、被覆金属板３に設けるスリット３１０の大きさはこれら部材を積上げたときに、流路板２の流路溝２０２がスリット３１０に落ち込まないように、濃いハッチングより小さくしている。図９はその様子の断面を示す。単純にこの状態では電流の流れる面積が非常に小さく、電池電圧の低下に繋がるが、流路板２として、カーボンシートやカーボンペーパ等の弾性率の小さな材料を選ぶと、スリット３１０部の拡大図で示したように、電池とした際、流路溝２０２は押し潰され、流路溝２０２Ａと２０２Ｂとの電気的導通が得られるようになる。

この効果として、電流が流れる方向に被覆金属板３が存在しないため、必ずしも被覆金属板３に腐食防止のための被覆層３０３を設ける必要が無くなる。被覆金属板３の材料としてアルミニウムなどの耐食性に乏しい金属を選び、また、流路板３の材料としてカーボンを選んだ場合、実施例１や実施例２のようなセパレータでは被覆層３０１を設けても長時間の発電で、アルミニウムの酸化物あるいは水酸化物皮膜が成長し、電池抵抗が大きくなり発電性能劣化が見られる傾向がある。しかし、本実施例で述べた手段を用いると、電流の通り道に被覆金属板３が無いため、アルミニウムが酸化しても電池性能への影響は小さくなる。

流路板３が金属などの硬い材料であった場合は、流路板２Ａと流路板２Ｂが変形せずに電気的導通が得られないことがある。この際は、スリット３１０部に導電性塗料等の導電性充填材１１を充填することで導通を得ることができる。

実施例１および実施例２で述べたセパレータ１の被覆金属板３を本実施例で述べたスリット３１０付の被覆金属板３に替えることで、同じような燃料電池を構成することが可能である。

この他、必ずしも被覆金属板３が金属である必要はない。強度、耐熱性、耐水性等の必要な性質を有するものであれば、樹脂やセラミックスであっても良い。これは、被覆金属板３を挟んで互いに向き合う流路板が直接電気的に接続しているためである。
（実施例４）
本実施例では５つのタイプの燃料電池について性能を比較した例を表１に示す。第１〜第３の燃料電池はそれぞれ実施例１から実施例３で述べたタイプ、第４の燃料電池は実施例２と実施例３との組合せたタイプである。第５の燃料電池は比較のために用いたもので、金属薄板のプレス加工で成型したセパレータを用いたタイプとした。実施例１の第１の燃料電池はセパレータ１が被覆金属板３と２枚の流路板２から構成され、実施例２の第２の燃料電池では被覆金属板３と、２枚の多孔質の流路板２と、２枚のガスケットから構成され、第３の燃料電池ではスリット３１０を有する被覆金属板３と２枚の流路板２から構成される。第４の燃料電池は実施例２と実施例３との組合せであり、流路板２が多孔質体、被覆金属板３はスリット３１０を設けたタイプの燃料電池である。

いずれの燃料電池でも、電極面積は１００ｃｍ２、アノードおよびカソードの流路溝幅とリブは２ｍｍピッチ、溝深さは０．４ｍｍとした。セパレータ１の金属部分の厚さおよび材質はそれぞれ０．１ｍｍ、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）とした。基板３０４の加工により生じるバリ等は研磨して除去した。この金属表面には被覆層３０３を全面に設けた。被覆層３０３は黒鉛とカーボンブラックを混合した導電材にＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ―Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）をバインダ、ＮＭＰ（Ｎ−Ｍｅｔｈｙｌ−２−Ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）を溶剤とする導電性塗料をディッピングにより塗布し、約１５０℃、３０分、真空乾燥した。導電性塗料の仕上り後の膜厚は２０μｍになるよう溶剤濃度を調整した。ＭＥＡは全ての燃料電池で同じ種類を用い、市販のガス拡散層７とガスケット４が一体化したタイプを用いた。

第５の燃料電池のセパレータ１は周辺部が平坦で電極面に対面する流路溝部を直線状にプレスで成型し、一枚のセパレータ１の両面に反応ガスを流通させる構造とした。セパレータ１と一体化ＭＥＡ５を重ね合わせたとき、一体化ＭＥＡ５とセパレータ１の周辺との間にできる空隙部を補うためにＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）製フレームを貼り付けてある。

第１および第３の燃料電池の流路板２は厚さ０．４ｍｍの膨張黒鉛シートで構成され、これをトムソン型打抜き器で流路溝２０２とマニホールド２０１を形成した。第２および第４の燃料電池は厚さ０．４ｍｍの撥水化処理済カーボンペーパをトムソン型打抜き器で流路溝２０２とマニホールド２０１を形成した流路板２を用いた。第２および第４の燃料電池で用いられた被覆金属板３はスリット３１０が設けられており、スリット３１０の大きさは被覆金属板３に対向する２枚の流路板２を互いに重ねて重複するサイズより縦横それぞれ０．４ｍｍ小さくした。

以上の部材をそれぞれの積層して、発電セル４セル、冷却セル３セルの燃料電池とした。その積層順序を模式的に図１０に示した。参考のため同図中に一例として反応ガスと冷却水の流れを破線で表した。

発電試験は次の条件で行った。電池温度が７０℃になるように冷却水の温度を制御した。燃料ガス（ＡＮガス）には純水素、酸化剤ガス（ＣＡガス）には空気を用い、それぞれ、燃料電池の入口における露点が７０℃になるよう加湿した。水素利用率および酸素利用率は各電流密度に対しそれぞれ８０％および４０％となるようガス流量を制御した。

電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２における各燃料電池の平均セル電圧を５０ｈおよび１０００ｈ発電後に測定した。また発電時間５０ｈで拡散限界電流も測定した。その結果を表１に示す。表１は各燃料電池の平均セル電圧（０．２５Ａ／ｃｍ２）と拡散限界電流を示す。

表１を観察すると、発電５０ｈ（初期）における平均セル電圧は第２および第４の燃料電池が高い値を示すが、１０００ｈ後は第４の燃料電池が最も高い。１０００ｈ経過後の電池劣化が最も大きいのが第５の燃料電池で、最も小さいのが第３と第４の燃料電池である。

５０ｈの平均セル電圧は電池の交流抵抗と相関関係があり、流路板２の材質としてカーボンペーパを用いた第２と第４の燃料電池が最も低く、逆に膨張黒鉛シートの流路板２である第１の燃料電池が低い平均セル電圧となった。第３の燃料電池も膨張黒鉛シートの流路板２であるが、被覆金属板３にスリット３１０を設け、対向する２枚の流路板２が直接接触できるような構造としたため、被覆金属板分の抵抗が少なくなった。その結果、第３の燃料電池の平均セル電圧が第１の燃料電池より高くなったと考えられる。

また、第４の燃料電池は１０００ｈ後の平均セル電圧が最も高く、かつ、劣化の程度も最も小さい。これは同様の理由で、電流の流れる経路に金属が存在しないため、ＳＵＳ３０４鋼製被覆金属板３の腐食程度が最も緩和されたためと考えられる。第３の燃料電池も１０００ｈ後の平均セル電圧の低下が小さい。このように、被覆金属板３にスリット３１０を設けた燃料電池（第３と第４の燃料電池）が劣化を小さく抑える効果が大きい。

一方、第５の燃料電池（比較例）は５０ｈ後の平均セル電圧が小さく、また１０００発電後の劣化も大きい。第５の燃料電池のセパレータはプレス成型したため一体化ＭＥＡ５との接触部が曲率を有し、その結果接触抵抗が大きいためと考えられる。１０００ｈ後の平均セル電圧が低い理由は詳細不明であるが、接触面積が小さいために、セパレータと一体化ＭＥＡ５との接触部で、局部的に電流密度が高まり、腐食の進行が早まったためと推定される。

拡散限界電流は多孔質の流路板２を用いた第２あるいは第４の燃料電池が最も大きい。流路板２が多孔質体であるため、流路板２を介しての反応ガスの電極への供給が可能になったためと考えられる。

ただし、被覆金属板３の被覆層３０３はどのような手段であっても同じ効果が得られるわけではない。基板３０４の材質に応じて様々なＰＶＤ法、めっき、あるいは化成処理などの被覆層３０３を付与できる手段があるが、高い導電性と効果的な防食性を有する手段は限られる。防食性能を評価するために３０℃、０．０５Ｍの硫酸水溶液中で分極曲線を測定した結果、最も効果が高い被覆層３０３は導電性塗料を塗布して形成した被覆層であった。

その他の手段による被覆層３０３ではピンホールやクラックが発生する可能性があり、ピンホールの無い健全な被覆層を形成しないと、十分な防食効果が得られない惧れがある。導電性塗料の中でも、バインダとしてフッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体あるいは共重合体から選んだものが防食効果を発揮し、中でもフッ素系のＰＶＤＦが最も顕著な防食効果を示した。

導電材も適当な材料を選ぶ必要がある。タングステンカーバイドなどのセラミックスを導電材とした塗料は発電中に被覆層３０３が酸化され、タングステン酸に変化するなど、電池への悪影響が懸念される。これに対し、黒鉛などのカーボン材料を導電材とした塗料では電気化学的に安定で、燃料電池環境中でも充分な耐性を有していた。さらにカーボンブラックを黒鉛と混合したものは電気伝導性をより高める効果があった。

本実施例で用いた被覆金属板３の基板３０４はステンレス鋼を例として用いた。基板３０４はステンレス鋼に限られるわけではなく、ある程度の耐食性を有する材料であれば良い。各種金属材料について３０℃、０．０５Ｍの硫酸あるいは０．０５Ｍの硫酸ナトリウム水溶液中での分極曲線および浸漬試験による腐食量を測定した結果、ステンレス鋼の他にニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金、が特に優れた耐食性を示した。

これら金属の多くは腐食しても腐食生成物の放出が少なく、電解質や電極へ及ぼす影響の度合いが非常に小さい。よって基板３０４がこれら金属で構成されていることが好ましい。ただし、必ずしも基板３０４が単体である必要は無く、少なくとも基板３の表面が上記金属であればよい。例えばクラッドなどの手段で極表面層にこれら金属を形成した基板３０４を用いることもできる。

一方、アルミニウムやアルミニウム合金は硫酸中で腐食するものの、中性溶液中では耐食的であった。このため、スリット３１０を設けた被覆金属板３を用いた燃料電池では、被覆金属板３にアルミニウムを用いてもアルミニウムを通過する電流が小さいため、腐食量が少なかった。これは、電流の流れるパスにアルミニウムが存在しないためで、アルミニウムが腐食しても電池の抵抗が上昇しないことによる。また、アルミニウムは燃料電池環境で、アルマイトに似た皮膜が成長し、腐食を抑えることも一因と考えられる。例えアルミニウムの腐食生成物が基板３０４から放出されても電極や電解質膜へ及ぼす影響が小さく、この点からアルミニウムも有効な金属である。鉄や低合金鋼、銅では燃料電池環境下で安定な不働態皮膜を形成できず不適であった。

以上述べた実施例１から実施例４では特に被覆金属板３と流路板２は接着などの手段を用いずに燃料電池を構成することが可能である。しかし、各部材の加工精度や組立精度が不充分な場合、反応ガスが互いに逆の極にクロスオーバすることがある。特に、被覆金属板３にスリット３１０を設けたセパレータでは（例えば第３と第４の燃料電池）、流路板２の位置がスリットからずれると、隙間が生じ、反応ガスのクロスリークが生じることがある。

これを防ぐ手段として、予め被覆金属板３と流路板２とを互いに接着することが好ましい。この方法は、組立時の部品点数を少なくすることができるため、燃料電池を組み立てる際の工程が簡素化できる効果も併せて有する。

被覆金属板３と流路板２とを接着するには導電性接着剤や導電性塗料を用いることができる。被覆金属板３に接着する流路板２の片面にスプレー、スクリーン印刷、ロールコータ等の汎用的な塗布手段で導電性接着剤や導電性塗料を塗布する。流路板２の塗布した面を被覆金属板３に貼り付け、所定の押付圧力、乾燥条件で乾燥すると、セパレータ１が完成する。

図１１は例として被覆金属板３に流路板２を導電性塗料で接着したときの断面を示す。導電性接着剤（導電性塗料）１２０が被覆金属板３、流路板２を接合して、一体化させる他、被覆金属板３、流路板２の界面に存在する隙間を充填するため、シール性が増し、反応ガスのクロスリークを抑える。スリット３１０のない被覆金属板３を用いたセパレータの場合は流路板２を固定する効果となる。

このとき、先に述べた樹脂バインダと炭素導電材から導電性接着剤（導電性塗料）を用いると防食性も得られるのでより効果的である。この際、被覆金属板３に被覆層３０３を形成させず、直接基板３０４に流路板２を接着することもできる。

本発明の基本的なセパレータの構成を示す展開斜視図。 （ａ）は図１における被覆金属板とその両面に流路板を重ね合わせたときのセパレータの平面図であり、（ｂ）はその断面図。 （ａ）はセパレータの１例における被覆金属板の断面図、（ｂ）は他の例の被覆金属の断面図。 本発明によるセパレータを用いた燃料電池の構成を示す展開斜視図。 他の実施例における多孔質体の流路板を用いたセパレータの展開斜視図。 （ａ）は被覆金属板とそれの両面に積層された流路板重ね合わせたセパレータの平面図であり、（ｂ）はその断面図。 スリットを設けた被覆金属板による実施例３におけるセパレータを示す展開斜視図。 被覆金属板のスリットと流路板との位置関係を示す斜視図。 （ａ）は実施例３によるセパレータの断面図、（ｂ）は（ａ）の点線ｃの拡大断面図、（ｃ）は他の例における点線ｃの拡大断面図。 実施例４における燃料電池の積層順序を示す展開図。 （ａ）は被覆金属板に流路板を導電性塗料で接着したときのセパレータの断面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線ｄの拡大断面図。 一体化ＭＥＡの断面図。

符号の説明

１…セパレータ、２…流路板、３…被覆金属板、４…ガスケット、５…一体化ＭＥＡ、６…冷却水用流路板、７…ガス拡散層、８…集電板、９…絶縁板、１０…エンドプレート、１１…充填材、１０１…マニホールド（セパレータ）、１２０…導電性接着剤、２０１…マニホールド（流路板）、２０２…流路溝、１０３…平坦部、３０１…マニホールド（被覆金属板）、３０３…被覆層、３０４…基板、３１０…スリット、４０１…マニホールド（ガスケット）。

Claims (6)

1. 流体ガスあるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成された導電性平板と、該導電性平板を挟んで重ねられた一対の導電性流路板とを有し、該導電性流路板には前記マニホールドからの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成され、前記導電性平板の両面に接する前記導電性流路板を投射したときに、前記二つの導電性流路板が重なり合う部位に前記導電性平板の一部にスリットが形成され、前記導電性流路板が前記スリット内で互いに接触して導通しているか、導電性充填剤がスリット内に充填されて導通していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記導電性平板が金属製であって、該導電性平板の表面の全部あるいは少なくとも前記蛇行状貫通溝と接する部位に前記導電性平板を防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１記載セパレータにおいて、前記導電性流路板が導電性を有する多孔質体であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１に記載のセパレータにおいて、前記導電性平板にステンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金から選ばれる最外層を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 請求項２に記載のセパレータにおいて、前記被覆層が、フッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体あるいは共重合体から選ばれる樹脂バインダと、１種類以上の炭素を含む導電材とから構成されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6. 請求項２に記載のセパレータにおいて、前記被覆層が導電性と防食性を有し、前記導電性流路板と該被覆層とが一体化されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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