JP2003123783A - 低温型燃料電池用ステンレス鋼製セパレータ - Google Patents
低温型燃料電池用ステンレス鋼製セパレータInfo
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Abstract
増加が少なく、発電効率の向上に有効な低温型燃料電池
用ステンレス鋼製セパレータを提供する。 【構成】 このステンレス鋼製セパレータは、燃料電池
の燃料極に対向するステンレス鋼板の表面に導電性セラ
ミックス層が形成され、酸化極に対向する前記ステンレ
ス鋼板の表面に不動態皮膜が形成されている。導電性セ
ラミックス層としては、TiN,,TiC,CrC,T
aC,B4C,SiC,WC,TiN,ZrN,Cr
N,HfC等があり、スパッタリング,蒸着等によって
ステンレス鋼板表面に形成される。酸化極に対向するス
テンレス鋼板の表面は、交番電解エッチングで粗面化処
理した後で硝酸浸漬することにより不動態皮膜を形成す
ることが好ましい。
Description
を始め、低温稼動可能な燃料電池のセパレータに関す
る。
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、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、CO2
の発生が半減する等、環境に対して非常にクリーンな動
力源になる。
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の両側に酸化極
2及び燃料極3を接合し、それぞれガスケット4を介し
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に水素供給口8,水素排
出口9が形成されている。
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。
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(図1
b)により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、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。
する酸化極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。酸性雰囲気に耐え、接触抵
抗の低い金属材料としてAu,Pt等の貴金属が知られ
ているが、非常に高価な材料であることから燃料電池用
セパレータとして実用的な材料とはいえない。また、N
iは、Au,Ptに比較すると非常に安価で、優れた電
子伝導体でもあるが、pH2〜3の酸性雰囲気における
耐食性が不足する。
テンレス鋼に代表される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。表面抵抗や接触抵抗に及ぼ
す不動態皮膜の影響が抑制されると、ステンレス鋼本来
の優れた耐食性を活用し、黒鉛質に代わるステンレス鋼
製セパレータが使用可能になる。このような観点から、
Auめっき層やTiN被覆層(特開平11−16247
8号公報)をステンレス鋼表面に形成することにより接
触抵抗を下げる方法が開発されている。しかし、Auめ
っきは高価なものであり、TiN被覆したステンレス鋼
製セパレータでは起動から数十時間で燃料電池の出力が
低下する。
細なピットを設けることにより表面接触抵抗が減少する
ことを見出し、特願2000−276893号として出
願した。多数の微細なピットは、たとえば塩化第二鉄水
溶液中でステンレス鋼板を交番電解エッチングすること
により形成される。接触抵抗は、微細ピットの形成によ
り約10〜20mΩ・cm2に低下するが、Auめっき
レベルまで下がらず、多数のセルユニットをスタックし
た場合におけるジュール熱の発生等により熱損失が依然
として無視できない状況である。
題を解消すべく案出されたものであり、TiN被覆層の
形成及び粗面化処理による接触抵抗の低下を燃料極側と
酸化極側とで使い分けることにより、接触抵抗を低下さ
せると共に電池特性の劣化を防止できるステンレス鋼製
セパレータを提供することを目的とする。
セパレータは、その目的を達成するため、燃料電池の燃
料極に対向するステンレス鋼板の表面に導電性セラミッ
クス層が形成され、酸化極に対向する前記ステンレス鋼
板の表面に不動態皮膜が形成されていることを特徴とす
る。導電性セラミックス層としては、TiN,,Ti
C,CrC,TaC,B4C,SiC,WC,TiN,
ZrN,CrN,HfC等があり、スパッタリング,蒸
着等によってステンレス鋼板表面に形成される。酸化極
に対向するステンレス鋼板の表面は、交番電解エッチン
グで粗面化処理した後で硝酸浸漬することにより不動態
皮膜を形成することが好ましい。
ンレス鋼製セパレータを燃料電池に組み込み、接触抵
抗,電池性能等を調査した。その結果、無垢のステンレ
ス鋼板をセパレータに使用した場合に比較して、TiN
被覆層によって接触抵抗が大きく低減していた。接触抵
抗の低減は、TiNが導電性の良好なセラミックスであ
り、ステンレス鋼のように電気伝導性に劣る不動態皮膜
を表面に形成しない結果である。
料電池の性能を低下させる要因の一つに、ステンレス鋼
製セパレータから溶出した金属イオンによって電極触媒
やイオン交換膜が汚染されることが挙げられる。すなわ
ち、酸性水溶液に接触するセパレータ表面から金属イオ
ンが溶出し、長期的には電極触媒やイオン交換膜を汚染
し,電池性能を低下させる。
が生成する燃料極側は、水素イオンよりもイオン化傾向
の大きな材料が溶解しやすい環境にある。この点、水素
イオンよりもイオン化傾向の小さな材料でステンレス鋼
をコーティングすることにより金属イオンの溶出が抑制
される。イオン化傾向の小さな金属材料には、Au,P
t等の貴金属やCu等があるが、貴金属は高価な材料で
あることからコスト面で問題があり、Cuは燃料電池雰
囲気下での耐酸性に乏しい。この点、TiN,TiC,
CrC,TaC,B4C,SiC,WC,TiN,Zr
N,CrN,HfC等の導電性セラミックス層は、金属
イオンを溶出させることが少なく燃料電池雰囲気下で十
分な耐酸性を呈し、しかも蒸着,スパッタリング等の気
相コーティングによって容易に成膜できる。
ス鋼製セパレータを組み込んだ燃料電池では、起動から
数十時間で出力が低下する傾向がみられる。出力低下し
た燃料電池を解体してステンレス鋼製セパレータを観察
したところ、酸化極に対向するセパレータ表面に腐食が
検出された。この結果から、NよりもOに対するTiの
親和力が強く、酸素が存在する環境では表面酸化によっ
てTiN被覆層が電気伝導性の低い酸化物に変化するこ
とにより接触抵抗が上昇し、出力低下が引き起こされた
ことが窺われる。したがって、酸化極に対向するステン
レス鋼表面に形成したTiN被覆層は有効とはいえず、
燃料極側に比較して一層優れた耐食性が要求される。そ
こで、本発明では、ステンレス鋼板表面に形成される不
動態皮膜によって耐食性の要求を満足させている。
表面を粗面化処理しておくと、接触抵抗の低下にも有効
である。粗面化処理としては、塩化第二鉄水溶液中での
交番電解エッチングが好ましい。電解粗面化により接触
抵抗が低下する理由は、次のように推察される。ステン
レス鋼の表面は、酸化物,水酸化物等からなる不動態皮
膜で覆われている。このステンレス鋼表面を交番電解エ
ッチングすると、先ずアノード電解によって不動態皮膜
にピットが発生する。続くカソード電解でH2が発生す
ると、フラットな部分に比較してピット内部では一時的
にFe3++3OH-→Fe(OH)3の反応が起きる領域ま
でpHが上昇する。続くアノード電解では、ピットの内
壁を覆っているFe(OH)3が保護膜fとして作用し、
すでに形成されているピットの内部よりもH2の発生に
より活性化されたフラットな部分が優先的に溶解する。
その結果、新たなピットがフラットな部分に形成される
(図2)。
より、多数の微細なピットdがステンレス鋼全面にわた
って均一に形成され、ピットdの周縁に微細突起pが林
立した表面形態になる(図3)。ピットd及び微細突起
pの上に形成される保護膜fは、ステンレス鋼板の表面
に通常形成される酸化皮膜と異なり、多量のFeを含み
溶解しやすい部分が電解エッチングで除去されることに
よって生成した粗面化面に形成された皮膜であって、膜
厚が不均一で一部に微小な皮膜欠陥も存在するが、表面
にCrが濃化されるために耐食性が向上する。
ス鋼板を黒鉛質の酸化極2(図1)に重ね合わせて加圧
すると、黒鉛に比較して硬質の微細突起pが酸化極2の
内部に押し込まれ、良好な密着状態でステンレス鋼板が
酸化極2に接触する。また、酸化極2に微細突起pが押
し込まれる際、単なるスタック圧だけでなく微細突起p
に当たる部分では電極の弾性変形応力も加わるため、非
常に良好な密接状態が得られる。したがって、粗面化し
ていないステンレス鋼板に比較して,接触抵抗が低減す
る。また、保護膜fの膜厚が不均一で一部に皮膜欠陥が
あることも、接触抵抗の低減に有利に働くと考えられ
る。なお,保護膜fに皮膜欠陥があることから,燃料電
池環境でFeの溶出を完全に防止することはできない
が、Crリッチな表面層になっているため腐食の発生が
抑えられ、接触抵抗が著しく増加することもない。
レス鋼板には、燃料電池雰囲気で必要とする耐食性を呈
する限り鋼種に特段の制約が加わるものではなく、各種
のフェライト系,オーステナイト系,二相系等のステン
レス鋼板がある。使用するステンレス鋼板としては、必
要な耐酸性を確保する上で12質量%以上のCrを含
み、燃料電池の組立てを考慮すると板厚が0.1〜0.
4mmの範囲にあるものが好ましい。
態皮膜によって燃料電池雰囲気下でも十分な耐酸性を呈
するが、接触抵抗を低下させる上でステンレス鋼板の表
面,裏面の何れか一方が粗面化処理することが好まし
い。粗面化処理ではFe(OH) 3の保護膜としての作用
を利用して多数のピットを形成することから、NO3 -,
SO4 2-等のイオンを多量に含まない塩化第二鉄水溶液
中での交番電解エッチングが採用される。NO3 -,SO
4 2-等のイオンが多量に含まれると、ステンレス鋼の酸
化反応が促進しピットdの形成に支障をきたし、必要と
する粗面化状態が得られない。
液中でのCl-イオンの分解反応を抑えるためアノード
電流密度を10.0kA/m2以下にすることが好まし
い。10.0kA/m2を超えるアノード電流密度で
は、Cl-イオンの分解反応が顕著になり、作業効率及
び作業環境が悪化する。また、ピットdの周縁に多数の
微細突起pが林立した表面状態にするため、アノード通
電時間を0.05〜1秒の範囲に設定することが好まし
い。
2を発生させてフラット部分を活性化すること及びピッ
トdの内壁にFe(OH)3保護膜fを形成させることを
狙っていることから、H2発生を伴う電流密度が必要で
ある。しかし、カソード電流密度が大きすぎると、過剰
なH2発生によってステンレス鋼表面が必要以上に活性
化されるため、ピットdの内壁に生成したFe(OH)3
保護膜fが除去され、ピットdが浅くなると共に微細突
起pが林立した表面状態が得られない。このようなこと
から、カソード電流密度を0.1〜1kA/m2の範囲
に設定し、カソード通電時間を0.01秒以上に設定す
ることが好ましい。
はアノード電解で0.05〜1秒,カソード電解で0.
01秒以上であるが、工業規模での交番電源を考慮する
とアノード電解とカソード電解との通電時間を1:1に
することがコスト面で有利である。この場合には、交番
電解のサイクルを0.5〜10Hzに設定することが好
ましい。交番電解エッチングを20秒以上継続すると、
必要とする粗面化状態が得られる。20秒に達しない交
番電解エッチングでは、ステンレス鋼表面にピット未発
生部分が残り、接触抵抗が十分に低下せず、低温型燃料
電池用セパレータに適用できないことがある。逆に、1
20秒を超える長時間の交番電解エッチングを施して
も、粗面化形態及び接触抵抗に大きな改善がみられな
い。
面には、TiN,,TiC,CrC,TaC,B4C,
SiC,WC,TiN,ZrN,CrN,HfC等の導
電性セラミックス層が蒸着,スパッタリング等の気相コ
ーティング法で形成される。たとえば、イオン化蒸着に
よる成膜では、先ずステンレス鋼基板の表面から酸化物
皮膜を除去するため、アルゴン雰囲気中でイオンビーム
照射して基板表面を前処理する。次いで、アルゴンと共
に窒素をチャンバに導入し、各種金属をイオン蒸着す
る。
蒸着による成膜と同様にアルゴンスパッタリングでステ
ンレス鋼基板表面から酸化物皮膜を除去した後、アルゴ
ン+窒素の雰囲気下で各種金属をスパッタリングするこ
とにより窒化物皮膜を得る。窒素に代えアセチレンガス
をチャンバに導入すると、炭化物皮膜が得られる。耐食
性に優れたセラミック皮膜を得る場合には、ステンレス
鋼基板と皮膜との結合を良好にし、欠陥の少ない緻密な
皮膜を形成させることが重要である。そのための手段と
しては、ステンレス鋼が鋭敏化しない温度域でステンレ
ス鋼基板を加熱する方法が好適である。
ス層が形成されたステンレス鋼板をセパレータとして燃
料電池に組み込む場合、粗面化された面を酸化極側、導
電性セラミックス層が形成された面を燃料極側にして燃
料電池を組み立てる。腐食環境が厳しい酸化極側では、
ステンレス鋼本来の耐食性が活用され、且つ粗面化によ
る低接触抵抗が利用される。腐食環境が比較的穏やかな
燃料極では、導電性セラミックス層によって一層の低接
触抵抗化が図られ、金属イオンの溶出も抑制される。そ
の結果、ジュール発熱による損失や電池性能の劣化が抑
えられ、長期間にわたって高い発電効率を示す燃料電池
が得られる。
工した後、マグネトロンスパッタリング法で膜厚0.0
8μmのTi層,次いで膜厚0.3μmのTiN層をス
テンレス鋼板の両面に形成したステンレス鋼製セパレー
タ(燃料極側)及びカーボン製セパレータ(酸化極側)
の組合せ。 (2) TiN被覆層を形成しないSUS304ステンレス
鋼製セパレータ(燃料極側)及びカーボン製セパレータ
(空気極側)の組合せ。
TiN被覆層を形成したSUS304ステンレス鋼製セ
パレータ(空気極側)の組合せ。 (4) 燃料極に対向するSUS304ステンレス鋼表面に
膜厚0.3μmのTiN被覆層を形成し、酸化極に対向
する表面に平均膜厚30Åの不動態皮膜を形成したステ
ンレス鋼製セパレータ。 (5) 燃料極に対向するSUS304ステンレス鋼表面に
膜厚0.3μmのTiN被覆層を形成し、酸化極に対向
する表面を粗面化処理した後で平均膜厚20Åの不動態
皮膜を形成したステンレス鋼製セパレータ。粗面化処理
では、ステンレス鋼板をFe3+:55g/l,液温:5
7.5℃の塩化第二鉄水溶液に浸漬し、アノード電流密
度:3.0kA/m2,カソード電流密度:0.5kA
/m2,処理時間60秒,交番サイクル5サイクルの条
件下で交番電解エッチングした。
化極側に組み込み、燃料電池を組み立てた。燃料ガスと
して水素、酸化ガスとして空気を使用し、燃料電池を電
流密度0.5A/cm2で100時間連続運転した。何
れの燃料電池でも、連続運転中の出力低下は検出されな
かった。次いで、ステンレス鋼製セパレータの腐食状態
を観察すると共に、カーボン電極に対する接触抵抗を測
定した。表1の調査結果にみられるように、酸化極側を
TiNコーティングしたステンレス鋼製セパレータを用
いた燃料電池(No.1)は、カーボンコーティングに次
いで低い接触抵抗を示し、カーボンコーティングした燃
料極側の腐食も検出されなかった。
ス鋼製セパレータを用いた燃料電池(No.2)は、酸化
極側の接触抵抗が高く、燃料極側では酸化皮膜の溶解に
より接触抵抗は低下したがTiNレベルまでは下がらな
かった。この場合、酸化極側,燃料極側の何れも腐食が
検出されなかった。酸性環境となる酸化極側をTiNコ
ーティングしたステンレス鋼製セパレータを用いた燃料
電池(No.3)では、TiNに腐食が発生し、接触抵抗
も増加した。
製セパレータを用いた燃料電池(No.4)では、不動態
皮膜により酸化極側の腐食は抑制されたが、大きな接触
抵抗を示した。酸化極側に不動態化処理及び粗面化処理
を施したステンレス鋼製セパレータを用いた燃料電池
(No.5)では、粗面化処理による接触抵抗の低減効果
が発現しており、燃料極側,酸化極側共に腐食が発生し
なかった。
TiN被覆層を形成し、酸化極側に不動態皮膜を形成し
たステンレス鋼製セパレータを組み込んだ燃料電池は、
過酷な腐食環境に曝される酸化極側でも接触抵抗の増加
が少なく、長時間運転後においても高い発電効率を示す
ことが判る。更に、不動態皮膜の形成に先立って粗面化
処理した(5)のステンレス鋼製セパレータは、接触抵抗
が一層低下しており、過酷な腐食環境に曝される酸化極
側にカーボン製セパレータを使用する(1)の組合せに匹
敵する電池性能を呈し、長期間にわたって高い発電効率
を呈する。しかも、脆弱なカーボンを必要とせず同じス
テンレス鋼製セパレータを用いて燃料電池が組み立てら
れることから、振動や衝撃に対して強い抵抗力を示す燃
料電池が得られる。
燃料電池用ステンレス鋼製セパレータは、燃料極に対向
する面に導電性セラミックス層を形成することによって
接触抵抗を低下させ、空気極側に不動態皮膜を形成する
ことによって耐酸性を付与している。不動態皮膜は、電
池性能に悪影響を及ぼす金属イオンの溶出を防止する上
でも効果がある。そのため、このステンレス鋼製セパレ
ータを組み込んだ燃料電池は、長期間にわたって高位に
安定した電池性能を呈する。
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)
粗面化する過程を説明する模式図
Claims (3)
- 【請求項1】 燃料電池の燃料極に対向するステンレス
鋼板の表面に導電性セラミックス層が形成され、酸化極
に対向する前記ステンレス鋼板の表面に不動態皮膜が形
成されていることを特徴とする低温型燃料電池用ステン
レス鋼製セパレータ。 - 【請求項2】 導電性セラミックス層がTiN,Ti
C,CrC,TaC,B4C,SiC,WC,TiN,
ZrN,CrN,HfCの1種又は2種以上からなる請
求項1記載の低温型燃料電池用ステンレス鋼製セパレー
タ。 - 【請求項3】 粗面化処理されたステンレス鋼板の表面
に不動態皮膜が形成されている請求項1記載の低温型燃
料電池用ステンレス鋼製セパレータ。
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