JP2003197211A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
の双方を両立させることができる燃料電池用セパレータ
を提供する。 【解決手段】 金属組織中に導電性介在物を有するステ
ンレス鋼製のセパレータである。発電部10Aの表面に
導電性介在物を突出させる処理を施し、発電部10Aの
表面を低接触抵抗として導電性を高める。一方、非発電
部20Aの表面に酸化被膜を形成し、耐食性を確保す
る。
Description
電池が備えるセパレータに関する。
構造体(MEA:Membrane ElectrodeAssembly)の両側
にセパレータが積層された積層体が1ユニットとされ、
複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構
成される。電極構造体は、正極(カソード)および負極
(アノード)を構成する一対のガス拡散電極の間にイオ
ン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造であ
る。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の
外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパ
レータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように
積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス
流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池
によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス
流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電
極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流す
と電気化学反応が起こり、電気が発生する。
媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、
外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する
必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属
系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属
系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化
による軽量・コンパクト化が可能である点で有利である
とされている。金属製のセパレータは、例えば、表面に
導電経路を形成する導電性介在物が分散・露出したステ
ンレス鋼からなる薄板を素材とし、この素材板をプレス
成形して断面凹凸状に成形したものが挙げられる。
断面凹凸状に成形された部分が発電部とされるが、通
常、この発電部の周囲には、平坦な縁状の非発電部が一
体に成形されている。断面凹凸状の発電部は、溝と凸部
とが交互に連続しており、溝がガス流路や冷媒流路を構
成し、凸部が電極構造体のガス拡散電極に接触させられ
る。また、非発電部は、例えば燃料ガス等の供給口また
は排出口が設けられたり、冷媒流通用の穴が形成された
りする。
発電部とを有する従来の金属製セパレータにおいては、
非発電部は耐食性を有していることが望ましいが、一
方、発電部は、電極構造体に対する接触抵抗を低減させ
て導電性を高くし、これによって発電性能を向上させる
上で、耐食性を有していることより導電性を有している
ことが要求される。したがって、セパレータを製造する
上では、非発電部の耐食性を保証するために全体の耐食
性を上げて発電部の導電性を犠牲にするか、もしくは非
発電部の耐食性を犠牲にして全体の耐食性を下げて発電
部の発電性能を高めるかのいずれかの方策を採らざるを
得なかった。
発電部の高い耐食性の双方を両立させることができる燃
料電池用セパレータを提供することを目的としている。
レータは、発電部と非発電部とを有し、これら各部の少
なくとも表面の材質が互いに異なることを特徴としてい
る。本発明では、発電部と非発電部双方の少なくとも表
面の材質を適宜に選択することにより、発電部の導電性
を高める一方、導電性とは相反する耐食性を非発電部に
付与することができる。
とも表面が共に耐食性を有する材質からなり、さらに発
電部の表面が導電性を有している形態を含む。このよう
な構成は、例えばステンレス鋼板を用いることにより可
能である。すなわち、ステンレス鋼板自体は表面に酸化
被膜が形成されていることにより耐食性を有しているの
で、発電部のみに耐食性を弱める何らかの表面処理を施
して非発電部の表面と材質を変えることにより、発電部
に導電性を与えることができる。
性介在物を有する金属製であって、発電部の表面には導
電性介在物を突出させる処理がなされており、非発電部
の表面には酸化被膜もしくは不動態被膜が形成されてい
る形態を含む。このような構成も、上記ステンレス鋼板
が好適に適用される。例えば、金属組織中に導電性介在
物を有するステンレス鋼板でセパレータを成形し、発電
部の表面の母材を除去して表面に導電性介在物を突出さ
せることにより、本発明のセパレータを得ることができ
る。発電部は、表面に導電性介在物が突出していること
により、この導電性介在物が導電経路として有効に働
き、電極構造体に対する接触抵抗が低減して発電性能の
向上が図られる。非発電部の表面は、酸化被膜もしくは
不動態被膜が形成されており、耐食性が十分に確保され
る。
質を全く異質としたハイブリッド構造を採ることによっ
ても、本発明の効果を得ることができる。具体的には、
発電部を金属製とし、非発電部を樹脂製とした構成が挙
げられる。この場合、導電性を有する金属製の発電部
に、耐食性を有する樹脂製の非発電部を接合することに
よって本発明のセパレータを得ることができる。両者の
接合方法としては、例えば樹脂モールド等の方法を用い
ることができる。
実施形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係
る正方形状の金属製セパレータである。このセパレータ
1は、ステンレス鋼からなる薄板をプレス成形して得ら
れたものであって、中央部に正方形状の発電部10Aが
形成され、この発電部10Aの周囲に縁状の発電部20
Aが形成されている。図2に示すように、発電部10A
は断面の輪郭が台形の凹凸が面方向に連続した波板状を
呈しており、非発電部20Aは平板状である。発電部1
0Aにおいては、両面の溝がガス流路11とされ、溝間
の凸部12の突端面が、図示せぬ電極構造体のガス拡散
電極に接触させられる。
鋼板は、金属組織中に導電性介在物を有するものであっ
て、発電部10Aの表面(ここでは表裏面を一括して表
面と称する)にはその導電性介在物が突出している。こ
の導電性介在物が、導電経路として有効に働く。一方、
非発電部20Aの表面には、素材のままの状態で酸化被
膜が形成されている。
としては、例えば次の成分を有するものが好適である。
すなわち、C:0.15wt%以下、Si:0.01〜
1.5wt%、Mn:0.01〜2.5wt%、P:
0.035wt%以下、S:0.01wt%以下、A
l:0.001〜0.2wt%、N:0.3wt%以
下、Cu:0〜3wt%、Ni:7〜50wt%、C
r:17〜30wt%、Mo:0〜7wt%、残部がF
e,Bおよび不可避的不純物であり、かつ、Cr,Mo
およびBが次式を満足している。Cr(wt%)+3×
Mo(wt%)−2.5×B(wt%)≧17このステ
ンレス鋼板によれば、Bが、M2BおよびMB型の硼化
物、M23(C,B)6型の硼化物として表面に析出
し、これら硼化物が導電性介在物である。
を説明する。 (1)圧延 冷間圧延と光輝焼鈍を繰り返すことによってステンレス
鋼板を所定の厚さ(例えば0.2mm)に伸ばして素材
を得る。通常、光輝焼鈍は、アンモニア分解ガスやH2
+N2の混合ガス等の不活性ガス中で、所定温度/時間
で加熱する熱処理であり、酸化被膜が表面に形成される
のを防ぐために、酸素が存在しない雰囲気で行うもので
ある。しかしながら本発明では、不活性ガスであるN2
雰囲気に酸素をわずかに導入し、酸素がわずかに存在す
る雰囲気にて光輝焼鈍を行うことにより、ステンレス鋼
板の表面に耐食性に優れる酸化被膜を形成する。例え
ば、酸素分圧を0.001気圧、窒素分圧を0.999
気圧として光輝焼鈍を行うことにより、耐食性に優れる
酸化被膜を形成することができる。
プレス成形し、発電部10Aと非発電部20Aを有する
セパレータ素材を得る。 (3)続いて、発電部10Aの表面のみに、導電性介在
物を突出させる処理を施して、発電部10Aの表面から
導電性介在物を突出させる。導電性介在物を突出させる
表面処理としては、電解エッチング等の電気化学的方
法、エッチング等の化学的方法、切削やサンドブラスト
等の物理的方法等によって、表面の母材を除去する方法
が挙げられる。
は、導電性介在物が突出して導電性が高くなっており、
一方、非発電部20Aの表面は、酸化被膜がそのまま残
存していることにより高い耐食性を示す。なお、非発電
部20Aの耐食性をより高めたい場合には、発電部10
Aをマスキングした状態で非発電部20Aの表面のみを
不動態化処理して非発電部20Aの表面に不動態被膜を
形成する方法が挙げられる。不動態化処理は、酸性浴に
浸漬するなどの方法で行うことができる。
の表面は、導電性介在物が突出していることによって電
極構造体に対する接触抵抗が低いものとなり、高い導電
性を有している。一方の非発電部20Aの表面は、酸化
被膜が形成されていることによって高い耐食性を示す。
したがって、発電部10Aの高い導電性と非発電部20
Aの高い耐食性の双方が両立するものとなっている。
図3は他の実施形態のセパレータを示しており、このセ
パレータ2の基本構成は上記セパレータ1と同じで、発
電部10Bと非発電部20Bを有している。ここでは、
発電部10Bは上記セパレータ1と同様に表面に導電性
介在物が突出するステンレス鋼板が適用されているが、
非発電部20Bは樹脂を成形したものである。すなわち
このセパレータ2は、発電部10Bが金属製、非発電部
20Bが樹脂製で、両者が一体化されたハイブリッド構
造となっている。非発電部20Bを構成する樹脂として
は、例えばフェノール系樹脂等が好適に用いられる。図
4に示すように、樹脂からなる非発電部20Bは、発電
部10Bの外周縁に対し、樹脂成形と同時にモールドさ
れることにより、発電部10Bに一体に接合されてい
る。
電部10Bは、上記実施形態と同様に表面に導電性介在
物が突出していることによって電極構造体に対する接触
抵抗が低いものとなり、高い導電性を有している。一方
の非発電部20Bは、全体が樹脂製であることから高い
耐食性を示す。したがって、上記実施形態のセパレータ
1と同様に、発電部10Bの高い導電性と非発電部20
Bの高い耐食性の双方が両立するものとなっている。
用セパレータによれば、発電部と非発電部双方の少なく
とも表面の材質を適宜に選択することにより、発電部の
導電性を高める一方、導電性とは相反する耐食性を非発
電部に付与することができ、その結果、発電部の高い導
電性と非発電部の高い耐食性の双方を両立させることが
できるといった効果を奏する。
図である。
る。
面図である。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 発電部と非発電部とを有し、これら各部
の少なくとも表面の材質が互いに異なることを特徴とす
る燃料電池用セパレータ。 - 【請求項2】 前記発電部および前記非発電部の少なく
とも表面が共に耐食性を有する材質からなり、さらに発
電部の表面が導電性を有していることを特徴とする請求
項1に記載の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項3】 全体が金属組織中に導電性介在物を有す
る金属製であって、前記発電部の表面には前記導電性介
在物を突出させる処理がなされており、前記非発電部の
表面には酸化被膜もしくは不動態被膜が形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項4】 前記発電部は金属製であり、前記非発電
部は樹脂製であることを特徴とする請求項1に記載の燃
料電池用セパレータ。
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