JP2002170582A

JP2002170582A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002170582A
Application number: JP2000368531A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Morita; 芳和守田; Shinichi Kamoshita; 真一鴨志田; Toshiki Kanazuki; 俊樹金月; Keiji Izumi; 圭二和泉; Takeshi Takahashi; 剛高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【目的】低接触抵抗及び高耐食性を両立させた燃料電
池用ステンレス鋼製セパレータを得る。【構成】この燃料電池用セパレータは、ガス拡散電極
と接触する表面部分にカーボン拡散層を介してカーボン
層が形成され、残りの表面部分に不動態皮膜が形成され
たステンレス鋼板を基材としている。カーボン拡散層及
びカーボン層は、所定のセパレータ形状に成形されたス
テンレス鋼板の表面部分にカーボン系塗料を塗布し、還
元性ガス雰囲気中で６００〜１０００℃に加熱すること
により形成される。

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ステンレス鋼製
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、ＮＯｘ，ＳＯｘ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。

【０００３】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導電性電解
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。具体的には、固体高分子膜１は、両側に酸化
極２及び燃料極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（図１ａ）。酸化
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、燃料極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。

【０００４】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１２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から燃料極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、酸化極２
側で電子を受け、酸化極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、酸化
極２と燃料極３との間に負荷をかけるとき、電力を取り
出すことができる。

【０００５】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、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（図１ｂ）。多
数のセルを積層した構造では、セパレータ５の抵抗が発
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、導電性が良好で接触抵抗の低いセパレータが要
求され、リン酸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。

【０００６】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、量産化
が困難なことから、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８−１８０８８３号公報で提
案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】金属製セパレータは、
耐衝撃性，ガス不透過性等、セパレータの要求特性を満
足し、強度面でもカーボン質セパレータに比較して信頼
性が格段に高い。しかし、従来の金属製セパレータは、
固体高分子型燃料電池用としての使用可能性が示されて
いるものの、セパレータに要求される電気伝導性及び耐
食性の双方を十分に満足する材料が提案されていない。

【０００８】因みに、耐食材料として代表的なステンレ
ス鋼は表面に生成している強固な不動態皮膜によって優
れた耐食性を発現するが、不動態皮膜によって接触電気
抵抗が大きくなる。金属を基材とするセパレータで電気
伝導性及び耐食性を両立させるためには、優れた耐食性
を呈するコーティング層の形成が考えられる。実際、特
開平８−１８０８８３号公報では、貴金属のコーティン
グが紹介されている。しかし、高価な貴金属コーティン
グは、電池セルのコストを上昇させる原因であり、経済
面から燃料電池の普及に制約を加える。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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、ステンレス鋼表
面に生成している不動態皮膜に起因する優れた耐食性を
活用すると共に、酸化極及び燃料極（以下、ガス拡散電
極という）に接触する部分にカーボン層を形成すること
により接触電気抵抗を大幅に低下し、耐食性及び低電気
抵抗を両立させたステンレス鋼製セパレータを提供する
こと目的とする。

【００１０】本発明の燃料電池用セパレータは、その目
的を達成するため、ガス拡散電極と接触する表面部分に
カーボン拡散層を介してカーボン層が形成され、残りの
表面部分に不動態皮膜が形成されたステンレス鋼板を基
材とし、前記カーボン拡散層及び前記カーボン層は、所
定形状に成形された後のステンレス鋼板に設けられたも
のであることを特徴とする。

【００１１】この燃料電池用セパレータは、セパレータ
形状に成形したステンレス鋼板の表面に不動態皮膜を生
成させ、ガス拡散電極と接触する表面部分にカーボン系
塗料を塗布し、還元性ガス雰囲気中で６００〜１０００
℃に加熱することによりカーボン拡散層及びカーボン層
をステンレス鋼板表面に形成することにより製造され
る。

【００１２】

【実施の形態】セパレータ基材には、フェライト系，オ
ーステナイト系，二相系等の各種ステンレス鋼板が使用
される。燃料ガス及び酸化ガス流路をもつ所定セパレー
タ形状にステンレス鋼板をプレス成形した後、脱脂，洗
浄等の前処理を施し、カーボン系塗料を塗布し、加熱焼
成によってカーボン層を形成する。必要に応じ、粗面化
処理を施すことにより、ステンレス鋼板に対するカーボ
ン層の密着性を向上させるため、必要に応じて電解エッ
チング，化学エッチング，超音波ホーニング，ショット
ブラスト等の粗面化処理を施すこともできる。

【００１３】カーボン系塗料としては、優れた導電性を
呈するカーボン粒子又はカーボン粒子前躯体が分散され
ているものであれば良く、含有量や分散媒に制約を受け
るものではない。カーボン粒子としては、粒状黒鉛やカ
ーボンブラック等が使用される。たとえば、カーボン粒
子を有機分散媒に分散させた導電性カーボン系インク等
の塗料であっても、加熱焼成時に有機分散媒が分解・消
失するので、有機物残渣のないカーボン拡散層及びカー
ボン層がステンレス鋼板表面に形成される。また、還元
雰囲気中での加熱処理のため、有機分散媒の分解で生じ
たＣはカーボン層の一部になる。

【００１４】カーボン系塗料は、スプレー塗装，刷毛塗
り，印刷，転写等、適宜の方法でステンレス鋼板の所定
表面部分に塗布される。塗布後、還元性ガス雰囲気中で
６００〜１０００℃に加熱することによりステンレス鋼
板とカーボン粒子との間で相互拡散反応が生じ、カーボ
ン拡散層が形成される。このカーボン拡散層を介してカ
ーボン層が形成されるため、ステンレス鋼基材に対する
カーボン層の密着性が向上する。また、接触抵抗増加の
原因である不動態皮膜が消失し、電気伝導性の良いステ
ンレス鋼基材とカーボン粒子が拡散しているため、実質
上の接触抵抗がステンレス鋼基材上に形成されたカーボ
ン層の呈する値となる。加熱雰囲気としては、ステンレ
ス鋼基材とカーボン層との間で強固な結合層を得るた
め、Ｈ₂，Ｈ₂−Ｎ₂等の還元性雰囲気が好ましい。ステ
ンレス鋼板／カーボン粒子の相互拡散反応は加熱温度６
００℃以上で顕著に促進されるが、特に表面が平滑なス
テンレス鋼板を使用するとき１０００℃を超える加熱温
度ではカーボン層が剥離しやすくなる。

【００１５】

【作用】金属製セパレータは、材質にもよるがカーボン
製に比較して比抵抗が小さく、電気伝導性に優れてい
る。しかし、金属板の表面には電気抵抗の高い酸化皮膜
が通常生成している。特に、過酷な腐食雰囲気に曝され
る燃料電池用セパレータでは腐食反応が進行し、表面抵
抗を増加させる酸化皮膜が成長しやすい。生成した酸化
皮膜は、セパレータとガス拡散電極との接触抵抗を増大
させ、結果として燃料電池の発熱損失が大きくなる。カ
ーボン系塗料を塗布することにより接触抵抗の低いカー
ボン層をセパレータ基材表面に形成することも検討され
ている。しかし、カーボン層を形成しただけでは、十分
に低い接触抵抗が得られない。また、カーボン層を形成
したステンレス鋼板をセパレータ形状に成形すると、密
着性が不充分なカーボン層がステンレス鋼板から脱落し
やすい。

【００１６】そこで、本発明においては、セパレータ形
状に成形したステンレス鋼を酸洗及び不動態化処理し、
カーボン系塗料を塗布した後、還元ガス雰囲気中で６０
０〜１０００℃の温度に加熱することによって拡散層を
形成させ、カーボン層とセパレータ基材との接触抵抗を
低下させ、電気伝導性を改善している。カーボン系塗料
は、ガス拡散電極に接触するセパレータの表面部分のみ
に塗布される。具体的には、ステンレス鋼板を矩形波状
に成形してセパレータ基材２１とし、ガス拡散電極２２
に接するセパレータ基材２１の表面部分２１ａにカーボ
ン系塗料を塗布し、側面部分２１ｂは無垢のステンレス
鋼表面とする（図２）。ステンレス鋼板とカーボン層２
４を加熱拡散させることにより、ステンレス鋼表面に形
成されていた不動態皮膜が消失し、電気伝導性が改善さ
れる。

【００１７】ステンレス鋼基材にカーボンを拡散させて
カーボン拡散層２３を形成した部分の耐食性は、不動態
皮膜が消失しているため、直上に形成されているカーボ
ン層２４のバリア効果によって確保される。したがっ
て、カーボン層２４層が厚いほど、耐食性が良好といえ
る。しかし、カーボン層２４の厚みは、コスト，加工性
等の観点からの制約を受ける。具体的には、厚いカーボ
ン層２４を形成すると、コーティング後の加熱やスタッ
クの組立て時にカーボン層が剥離しやすくなり、カーボ
ン層２４の欠陥部を起点としてステンレス鋼が腐食する
場合がある。逆に、薄いカーボン層２４では、十分な遮
蔽効果が得られず耐食性に劣る。この点、耐食性の確保
及び経済性の面からカーボン拡散層２３を形成すること
は好ましいことではなく、電気伝導性が要求される部
分、換言するとガス拡散電極２１との接触部だけにカー
ボン拡散層２３を形成することが好ましい。

【００１８】セパレータ構造を想定すると、ガス拡散電
極２２に接する部分の面積は全セパレータ面積の１／３
以下であり、残りのガス及び生成水の搬送部では導電性
処理を施さない不動態皮膜又はカーボン層２４を形成す
る。セパレータ基材２１としては、比較的厚みのあるス
テンレス鋼板に張出し加工，プレス成形等で複数の条溝
を付けたものも使用できる（図３）。カーボン系塗料を
塗布したセパレータ基材２１を還元ガス雰囲気に置き、
６００〜１０００℃に加熱すると、カーボン系塗料の分
散媒が分解消失し、カーボン拡散層２３を介してカーボ
ン層２４が形成される。カーボン拡散層２３の形成によ
り、ガス拡散電極２２との接触抵抗が大幅に低減する。
カーボン拡散層２３の上に形成されているカーボン層２
４は、燃料電池のスタックを組み立てたとき、ステンレ
ス鋼製セパレータとガス拡散電極２２との間に挟まれ、
カーボン拡散層２３の欠落が抑制される。また、カーボ
ン拡散層２３を電池セル内の過酷な環境から遮断するこ
とにより、ステンレス鋼製セパレータの耐食性が維持さ
れる。

【００１９】カーボンを付着拡散させていない側面部分
２１ｂは、ステンレス鋼本来の防食機能を発揮させるた
め不動態皮膜を形成させている。本発明例では、プレ
ス，折曲げ加工等によってセパレータを作成した後、カ
ーボン系塗料を塗布するための前処理として酸洗及び不
動態化処理を施している。これらの前処理は、コーティ
ングしないセパレータ基材２１に健全な不動態皮膜を形
成させ、耐食性を向上させる効果を奏する。

【００２０】固体高分子型燃料電池では、小型で高効率
の出力を得るため電池本体に対する発電面積を大きく採
ることが検討されており、その結果としてセパレータ形
状が複雑になっており、プレス加工，フライス加工等で
基材表面が不規則に研削される。ステンレス鋼板をセパ
レータ基材２１とする場合、このような表面状態のまま
燃料電池スタックを作製すると短時間で腐食が発生し、
電池特性の低下につながる。この点、酸洗や不動態化処
理を施すと、ステンレス鋼表面に存在している汚れや押
込み疵等が除去されると共に、腐食に対するバリア効果
の優れた不動態皮膜が形成される。したがって、腐食の
起点がなくなり、発錆しがたいセパレータ基材２１とな
る。なかでも、硫酸浸漬による不動態化処理は、不動態
皮膜中にＣｒリッチなクロム酸化物層を形成し、環境遮
断性能を向上させる。

【００２１】また、水素気流中６００〜１０００℃に加
熱することにより、不動態皮膜の表面が還元作用を受
け、更にＣｒ量が富化された不動態皮膜が均一に形成さ
れ、セパレータの特性として要求される耐金属イオン溶
出性が向上する。この場合の加熱温度は６００〜１００
０℃としているが、可能な限りの高温加熱が好ましい。
低すぎる加熱温度ではクロム炭化物の形成に起因して耐
食性が低下し、１０００℃を超える加熱温度ではカーボ
ン層２４の剥離により加熱炉内が汚染される虞がある。

【００２２】カーボン拡散層２３及びカーボン層２４が
形成されたセパレータ基材２１を両側からガス拡散電極
２２でセパレータ基材２１を挟み込むと、燃料ガス流路
２５及び酸化性ガス流路２６が形成される。セパレータ
基材２１は、ガス拡散電極２２側ではカーボン拡散層２
３及びカーボン層２４を介した接触により接触抵抗が低
くなる。他方、燃料電池セル内の過酷な腐食雰囲気に曝
される側面部分２１ｂでは不動態皮膜が強化されている
ため、金属イオンの溶出が抑制される。

【００２３】

【実施例１】表１の組成をもつ各種ステンレス鋼板を張
出し加工した後、塩酸酸洗し，張出し部にカーボン系塗
料（ＣＨ１，十条ケミカル株式会社製）を塗布した。次
いで、１２０℃×１５分でカーボン系塗料をステンレス
鋼板に焼き付け、乾燥膜厚５μｍのカーボン層を形成し
た。焼付け直後に接触抵抗を測定したところ、酸洗直後
のステンレス鋼板より高い接触抵抗を示した。

【００２４】

【００２５】更に、カーボン層が形成されたセパレータ
基材を７５％Ｈ₂−Ｎ₂気流中に置き、加熱速度２０℃／
分で昇温し、７００℃又は９００℃に２秒間保持した
後、急冷した。加熱処理されたセパレータ基材の表面部
断面を観察すると、平均厚み０．１μｍのカーボン拡散
層を介し平均厚み３μｍのカーボン層が形成されてい
た。また、セパレータ基材の接触抵抗は、表２に示すよ
うに２〜３ｍΩ・ｃｍ²まで低減した。この値は、カー
ボンとほぼ同等の接触抵抗値である。同じ加熱処理であ
っても加熱温度が５００℃と低い場合には、十分なカー
ボン拡散層が形成されず、接触抵抗の大幅な低下はみら
れなかった。しかし、１０００℃と高すぎる温度で加熱
処理するとカーボン層の剥離が生じ、この場合にも接触
抵抗が十分に低下しなかった。

【００２６】側面部分２１ｂの耐食性は、カーボン拡散
層２３及びカーボン層２４が形成された部分と区別する
ため、未加工の基材に対して所定の酸洗，加熱を施した
後で評価した。耐食性試験では、９０℃の希硫酸水溶液
に試験片を浸漬し，重量減少率で耐食性を調査した。２
５℃でｐＨ２に調整した試験液を使用し、１６８時間浸
漬後の重量減少率が０．１ｇ／ｍ²以下を○，０．１ｇ
／ｍ²を超えるものを×と評価した。何れの実施例で
も、酸洗前の基材に比較して重量減少量が少なく、耐食
性の向上が確認された。

【００２７】

【００２８】

【実施例２】表１の鋼種Ｃを電解エッチングにより粗面
化した。電解エッチングには、Ｆｅ ³⁺を７５ｇ／ｌ含む
液温５０℃の塩化第二鉄水溶液を使用し、アノード電流
密度２．０ｋＡ／ｍ²，カソード電流密度２．０ｋＡ／
ｍ²，処理時間６０秒と一定した条件下で交番電流サイ
クル２．５Ｈｚで交番電解した。電解エッチングされた
ステンレス鋼板は、表面粗さがＲａ＝０．８μｍであっ
た。

【００２９】粗面化したステンレス鋼板をコルゲート加
工し、セパレータ形状に作製した。次いで、３０質量％
の硝酸溶液に浸漬して不動態化処理し、ガス拡散電極２
２との接触部にカーボン系塗料（ＣＨ−１）を塗布し焼
き付けた。カーボン系塗料焼付け後の接触抵抗は、粗面
化処理していないステンレス鋼に比較して小さくなって
おり、８ｍΩ・ｃｍ²であった。更に、カーボン層２４
が形成されたセパレータ基材２１を７５％Ｈ₂−Ｎ₂気流
中に置き、加熱速度２０℃／分で昇温し、９００℃に２
秒間保持した後、急冷した。熱処理されたセパレータ基
材２１の接触抵抗は、２．１ｍΩ・ｃｍ²と十分に低い
値であった。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の燃料電
池用セパレータは、基材に使用されるステンレス鋼板を
セパレータ形状に成形した後で、ガス拡散電極に接触す
る表面部分にカーボン系塗料を塗布して還元ガス雰囲気
中での加熱処理によってカーボン拡散層を介してカーボ
ン層を形成している。そのため、ガス拡散電極に接触す
る部分ではカーボンと同等の低い接触抵抗を示し、燃料
電池セル内の過酷な雰囲気に曝される部分では環境遮断
機能の高い不動態皮膜によってセパレータ基材が保護さ
れている。そのため、電気伝導性及び耐食性を両立させ
たステンレス鋼製セパレータとして使用され、燃料電池
の軽量化及び低コスト化が図られる。

【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】矩形波状に成形したステンレス鋼板のガス拡
散電極と接触する表面部分にカーボン拡散層及びカーボ
ン層を設けた例

【図３】複数の条溝を形成したステンレス鋼板のガス
拡散電極と接触する表面部分にカーボン拡散層及びカー
ボン層を設けた例

【符号の説明】

２１：セパレータ基材２１ａ：表面部分２１
ｂ：側面部分２２：ガス拡散電極２３：カーボ
ン拡散層２４：カーボン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鴨志田真一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)発明者金月俊樹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)発明者和泉圭二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Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB04 EE05 EE08 HH08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス拡散電極と接触する表面部分にカー
ボン拡散層を介してカーボン層が形成され、残りの表面
部分に不動態皮膜が形成されたステンレス鋼板を基材と
し、前記カーボン拡散層及び前記カーボン層は、所定形
状に成形された後のステンレス鋼板に設けられたもので
あることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】セパレータ形状に成形したステンレス鋼
板の表面に不動態皮膜を生成させ、ガス拡散電極と接触
する表面部分にカーボン系塗料を塗布し、還元性ガス雰
囲気中で６００〜１０００℃に加熱することによりカー
ボン拡散層及びカーボン層をステンレス鋼板表面に形成
することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方
法。