JP2000277133A

JP2000277133A - 低温型燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2000277133A
Application number: JP11080879A
Authority: JP
Inventors: Masanori Matsuno; 雅典松野; Yoshikazu Morita; 芳和守田; Minoru Saito; 実斎藤; Takeshi Takahashi; 剛高橋; Yuichi Yatsugami; 裕一八神
Original assignee: Toyota Motor Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP3645118B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐酸性の良好なフェライト系ステンレス鋼基
材にカーボン粉末を分散付着させることにより、導電性
を改善した低温型燃料電池用セパレータを得る。【構成】このセパレータは、フェライト系ステンレス
鋼を基材１３とし、カーボンブラック，黒鉛粉末等のカ
ーボン粒子を基材表面に島状に分散付着させている。カ
ーボン粒子は、拡散層を介して基材表面に接合されてい
ることが好ましい。【効果】接触抵抗が低いセパレータであるため、多数
のセルを積層した場合にも熱損失となるジュール熱の発
生が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
を始めとする低温で稼動する燃料電池のセパレータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池のなかでも、固体高分子型の燃
料電池は、１００℃以下の温度で動作可能であり、短時
間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体か
らなるため、構造が簡単でメンテナンスが容易であり、
振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力
密度が高いため小型化に適し、燃料効率が高く、騒音が
小さい等の長所を備えている。これらの長所から、電気
自動車搭載用としての用途が検討されている。ガソリン
自動車と同等の走行距離を出せる燃料電池を自動車に搭
載できると、ＮＯ_x ，ＳＯ_x の発生がほとんどなく、Ｃ
Ｏ₂ の発生が半減する等のように環境に対して非常にク
リーンなものになる。固体高分子型燃料電池は、分子中
にプロトン交換基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン伝
導性電解質として機能することを利用したものであり、
他の形式の燃料電池と同様に固体高分子膜の一側に水素
等の燃料ガスを流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す
構造になっている。

【０００３】具体的には、固体高分子膜１は、図１に示
すように両側に空気電極２及び水素電極３が接合され、
それぞれガスケット４を介してセパレータ５を対向させ
ている。空気電極２側のセパレータ５には空気供給口
６，空気排出口７が形成され、水素電極３側のセパレー
タ５には水素供給口８，水素排出口９が形成されてい
る。セパレータ５には、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの導
通及び均一分配のため、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの流
動方向に延びる複数の溝１０が形成されている。また、
発電時に発熱があるため、給水口１１から送り込んだ冷
却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた後、排水口１
２から排出させる水冷機構をセパレータ５に内蔵させて
いる。水素供給口８から水素電極３とセパレータ５との
間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出したプロトン
となって固体高分子膜１を透過し、空気電極２側で電子
を受け、空気電極２とセパレータ５との間隙を通過する
酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、空気電極２
及び水素電極３とに接触する各セパレータ５，５から電
流を取り出し、負荷を接続するとき、電力を取り出すこ
とができる。

【０００４】燃料電池は、１セル当りの発電量が極く僅
かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレータ
５，５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数のセ
ルを積層することによって取出し可能な電力量を大きく
している。多数のセルを積層した構造では、空気電極２
及び水素電極３と各セパレータ５，５との接触抵抗が発
電効率に大きな影響を及ぼす。発電効率を向上させるた
めには、導電性が良好で、空気電極２及び水素電極３と
の接触抵抗の低いセパレータが要求され、リン酸塩型燃
料電池と同様に黒鉛質のセパレータが使用されている。
黒鉛質のセパレータは、黒鉛ブロックを所定形状に切り
出し、切削加工によって各種の孔や溝を形成している。
そのため、材料費や加工費が高く、全体として燃料電池
の価格を高騰させると共に、生産性を低下させる原因に
なっている。しかも、材質的に脆い黒鉛でできたセパレ
ータでは、振動や衝撃が加えられると破損する虞れが大
きい。そこで、プレス加工やパンチング加工等によって
金属板からセパレータを作ることが特開平８−１８０８
８３号公報で提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素又は空気
ｏが通過する空気電極２側は、酸性度がｐＨ２〜３の酸
性雰囲気にある。このような強酸性雰囲気に耐え、しか
もセパレータに要求される特性を満足する金属材料は、
これまでのところ実用化されていない。たとえば、強酸
に耐える金属材料としてステンレス鋼等の耐酸性材料が
考えられる。これらの材料は、表面に形成した強固な不
動態皮膜によって耐酸性を呈するものであるが、不動態
皮膜によって表面抵抗や接触抵抗が高くなる。接触抵抗
が高くなると、接触部分で多量のジュール熱が発生し、
大きな熱損失となり、燃料電池の発電効率を低下させ
る。他の金属板でも、接触抵抗を高くする酸化膜が常に
存在するものがほとんどである。

【０００６】表面に酸化皮膜や不動態皮膜を形成しない
金属材料としては、Ａｕが知られている。Ａｕは、酸性
雰囲気にも耐えるが、非常に高価な材料であるため燃料
電池のセパレータ材としては実用的でない。Ｐｔは、酸
化皮膜や不動態皮膜が形成されにくい金属材料であり、
酸性雰囲気にも耐えるが、Ａｕと同様に非常に高価な材
料であるため実用的でない。本発明は、このような問題
を解消すべく案出されたものであり、カーボン粒子をス
テンレス鋼表面に島状に分布させることにより、耐酸性
を確保しながら良好な導電性及び低い接触抵抗を示すセ
パレータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の低温型燃料電池
用セパレータは、その目的を達成するため、基材として
耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋼を使用し、基
材表面にカーボン粒子を島状に分散付着させていること
を特徴とする。カーボン粒子を分散付着した後のステン
レス鋼基材を加熱処理すると、カーボン粒子と基材との
界面にある基材の酸化皮膜が部分的に破壊され、カーボ
ンの拡散によりステンレス鋼基材の表面に拡散層が形成
される。この場合、カーボンが拡散層を介して基材表面
に接合されるため、密着性及び耐剥離性が一層向上し、
粒子と基材との間の抵抗が低減される。カーボン粒子と
しては、カーボンブラック又は黒鉛粉末が使用される。

【０００８】

【作用】本発明の低温型燃料電池用セパレータは、カー
ボンブラック，黒鉛粉末等のカーボン粒子をフェライト
系ステンレス鋼基材の表面に島状に分布させている。フ
ェライト系ステンレス鋼を基材としているので、カーボ
ン粒子が付着していない部分では、表面に形成される酸
化クロムの不動態膜が強固であるため、使用環境下で十
分な耐酸性をもつ。一方、カーボンブラック及び黒鉛粉
末は、純度が高く、不純物に起因する酸化膜や他の皮膜
を生成させる等の問題がない。また、高純度であること
から、耐酸性にも優れ、燃料電池の固体高分子膜を汚染
することもない。この点、石油，石炭等の未燃焼生成物
である煤やタールでは、多量に含まれている不純物に起
因して酸化膜や他の皮膜が生成し易い。更に、不純物に
よって固体高分子膜が汚染され、燃料電池自体の性能を
低下させる虞れもある。カーボン粒子自体は、表面に酸
化膜を生成することがなく、優れた耐酸性を示し、主と
してカーボン系材料でできた空気電極及び水素電極に対
する馴染みも良い。また、空気電極及び水素電極がセパ
レータと接触する際、基材表面からカーボン粒子が突出
しているため接触部分に圧力が集中すること，カーボン
は崩壊しやすいため接触部分で粒子が押しつぶされ十分
な接触面積が確保できること等により、接触抵抗を一層
低下させる。そのため、多数のセルを積層した構造の燃
料電池であっても、ジュール熱が少なく、発電効率が向
上する。

【０００９】

【実施の形態】黒鉛粒子は、カーボンブラックに比較し
て粒径が大きく、図２（ａ）に示すようにステンレス鋼
基材１３の表面に個々の黒鉛粒子１４を分散付着させる
ことができる。たとえば、黒鉛粉末を付着させたフェル
ト状の布又はフェルト状の布を巻き付けたロールをステ
ンレス鋼基材１３に擦り付けることによって、黒鉛粒子
１４が分散付着する。カーボンブラックの場合も、同様
な方法によってステンレス鋼基材１３に付着される。黒
鉛粒子１４が付着したステンレス鋼基材１３を加熱し、
ステンレス鋼基材１３と黒鉛粒子１４との間に拡散層１
５を形成すると（図２ｂ）、ステンレス鋼基材１３に対
する黒鉛粒子１４の密着性が改善される。密着性が向上
した黒鉛粒子１４は、基材表面がダイスで擦られるプレ
ス加工，コルゲート加工等によっても基材表面から脱落
することがない。また、拡散層１５を介してステンレス
鋼基材１３と確実に導通が取れるため、接触抵抗も一層
低下する。

【００１０】カーボンブラックは、通常、粒径が１μｍ
以下の微粒子であり、凝集し易い。この場合には、図２
（ｃ）に示すようにカーボンブラックの凝集物１６とし
てステンレス鋼基材１３の表面に付着させる。凝集物１
６は、黒鉛粒子１４と同様に分散付着させた後で加熱拡
散することにより、ステンレス鋼基材１３との間に拡散
層１５を形成させ、ステンレス鋼基材１３に対する密着
性を向上させることができる。カーボン粒子の分散付着
に先立って、ステンレス鋼基材１３の表面を適度の粗さ
に研磨しても密着性の向上に有効である。黒鉛粒子１４
及びカーボンブラックの凝集物１６は、図２に示すよう
にステンレス鋼基材１３の表面に島状に分布させること
が好適である。すなわち、島状に分布させることによ
り、曲げ，伸び等の変形を伴う加工時に生じる応力が黒
鉛粒子１４やカーボンブラックの凝集物１６に蓄積され
ないため、ステンレス鋼基材１３から黒鉛粒子１４やカ
ーボンブラックの凝集物１６が脱落し或いは剥離するこ
とが防止される。逆に、ステンレス鋼基材１３の全面に
黒鉛粒子１４やカーボンブラックの凝集物１６をコーテ
ィングし、それぞれの粒子が結合しているような場合で
は、加工時に応力の逃げ場がなく界面に蓄積されるた
め、黒鉛粒子１４やカーボンブラックの凝集物１６が剥
離・脱落し易くなる。

【００１１】カーボン系粒子を分散付着させる基材とし
ては、耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋼が使用
される。基材の要求特性としては、酸化性雰囲気の酸に
よる腐食に耐えることが必要である。Ｃｒ濃度２０重量
％以上のフェライト系ステンレス鋼の腐食速度は、セパ
レータの使用環境下で、一旦、不動態皮膜が形成される
と急激に減少し、十分低い腐食速度をもつ。使用可能な
フェライト系ステンレス鋼は、２０〜３５重量％のＣｒ
濃度をもつ。たとえば、Ｃ：０．００１〜０．３重量
％，Ｓｉ：０．０２〜５．０重量％，Ｍｎ：０．５〜
５．０重量％，Ｃｒ：２０〜３５重量％を含む組成をも
つものが使用される。

【００１２】基材のＣｒ濃度が２０重量％未満では、酸
化性の酸による腐食雰囲気中での耐酸性が低い。逆に、
３５重量％を超えるＣｒ濃度では、ステンレス鋼の変形
抵抗が大きく、プレス加工等の加工が困難になる。基材
の耐酸性を更に高めるため、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎ等の
１種又は２種以上を添加しても良い。すなわち、単位面
積当りの電流値を上げて出力密度を増加させる燃料電池
では、ｐＨが低下することから、より耐酸性に優れたス
テンレス鋼基材が必要になる。そこで、Ｎｉ：０．１〜
４重量％，Ｍｏ：０．２〜７重量％，Ｃｕ：０．１〜５
重量％，Ｎ：０．０２〜０．５重量％の１種又は２種以
上を添加することにより耐酸性を改善する。また、場合
によっては、少量のＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等の添加によって
も耐酸性を高めることができる。

【００１３】

【実施例】基材として、表１に示す成分・組成をもつス
テンレス鋼板を使用し、平均粒径０．０５μｍのカーボ
ンブラック及び平均粒径３μｍの黒鉛粉末を使用した。

【００１４】

【００１５】カーボンブラック又は黒鉛粉末をまぶした
フェルトでステンレス鋼板の表面を摺擦し、付着量５〜
１０ｍｇ／ｍ² でカーボンブラック又は黒鉛粉末を分散
付着させた。カーボンブラックは、平均粒径が小さいこ
とから粒子の凝集物１６としてステンレス鋼基材１３の
表面に分散付着していた。黒鉛粉末では凝集を生じるこ
となく、個々の黒鉛粒子１４としてステンレス鋼基材１
３の表面に分散付着していた。次いで、７００℃に２秒
間加熱することにより、カーボンブラックの凝集物１６
又は黒鉛粒子１４とステンレス鋼基材１３との間に拡散
層１５を生成させた。なお、熱処理条件は、基材バルク
にまでカーボンが拡散しないように短めに設定した。

【００１６】カーボン粉末を分散付着させ、加熱処理し
たステンレス鋼基材１３について、接触抵抗及び耐酸性
を調査した。接触抵抗に関しては、荷重１０ｋｇ／ｃｍ
² でステンレス鋼基材１３にカーボン電極材を接触さ
せ、両者の間の接触抵抗を測定した。耐酸性に関して
は、ステンレス鋼基材１３を浴温９０℃，ｐＨ２の硫酸
水溶液に１６８時間浸漬し、腐食減量を測定した。比較
のため、カーボン粉末を付着させないサンプルについ
て、同様に接触抵抗及び耐酸性を調査した。カーボン粉
末を分散付着させ、更に加熱処理により拡散層１５を形
成したステンレス鋼基材１３の接触抵抗及び耐酸性を表
２に示す。

【００１７】表２から明らかなように、カーボン粉末を
分散付着し、さらに加熱処理により拡散層１５を形成し
た試験番号１〜４の基材は何れも接触抵抗が低く，耐酸
性に優れており、燃料電池用セパレータに要求される特
性を備えていることが判る。これに対し、カーボン系粉
末が付着していない試験番号５，６のステンレス鋼板
は、何れも接触抵抗が高く、燃料電池用セパレータとし
て使用できなかった。

【００１８】

【００１９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のセパレ
ータは、耐酸性の良好なフェライト系ステンレス鋼を基
材とし、カーボン粉末を基材表面に分散付着させ、さら
に熱処理をして拡散層を形成することによって導電性を
改善している。そのため、多数のセルを積層した構造を
もつ低温型燃料電池用のセパレータとして使用すると
き、強酸性雰囲気においても腐食が少ない優れた耐久性
を示すと共に、多数のセルを積層したときに発生しがち
な熱損失を抑制し、発電効率の高い燃料電池を形成する
ことが可能になる。また、Ｎｉを主成分としていない比
較的安価なステンレス鋼製のセパレータであることか
ら、材料コストや製造コスト等を下げ、生産性良く製造
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の固体高分子膜を電解質として使用した
燃料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜
視図（ｂ）

【図２】黒鉛粉末を分散付着させたステンレス鋼基材
（ａ），加熱処理で拡散層を生成させたステンレス鋼基
材（ｂ），カーボンブラックの凝集物を分散付着させた
ステンレス鋼基材（ｃ）及びカーボンブラックの凝集物
と基材との間に拡散層を生成されたステンレス鋼基材
（ｄ）

【符号の説明】１：固体高分子膜２：空気電極３：水素電極
４：ガスケット５：セパレータ６：空気供給口７：空気排出口
８：水素供給口９：水素排出口１０：溝１１：給水口１
２：排水口１３：ステンレス鋼基材１４：黒鉛
粒子１５：拡散層１６：カーボンブラックの凝
集物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者守田芳和大阪府堺市石津西町５番地日新製鋼株式会社技術研究所内 (72)発明者斎藤実大阪府堺市石津西町５番地日新製鋼株式会社技術研究所内 (72)発明者高橋剛愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者八神裕一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 EE05 EE06 EE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フェライト系ステンレス鋼を基材とし、
基材表面にカーボン粒子を島状に分散付着させている低
温型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】カーボン粒子が拡散層を介して基材表面
に接合されている請求項１記載の低温型燃料電池用セパ
レータ。
【請求項３】カーボン粒子がカーボンブラック又は黒
鉛粉末である請求項１又は２記載の低温型燃料電池用セ
パレータ。