JP2003297380A - 燃料電池用ステンレス鋼製セパレータ - Google Patents

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、燃料極３に対
向する鋼板表面が酸洗処理され、酸化極２に対向する鋼
板表面が電解エッチング等の粗面化処理されている。粗
面化処理は、酸洗，不動態化処理の前又は後の何れで施
してもよい。或いは、酸洗，不動態化処理を施すことな
く、粗面化処理された鋼板表面を酸化極２側に使用でき
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
問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、ＣＯ
₂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９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
ス鋼は表面の不動態皮膜によって優れた耐食性を発現す
るが、自然発生した不動態皮膜や吸着層では接触電気抵
抗を増大させる。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。カーボン質皮膜の
形成による接触抵抗の低減も検討されているが、工程が
煩雑であることから製造コストが高くなりやすい。

【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、酸化極に対向す
るステンレス鋼表面では不動態皮膜に起因する優れた耐
食性を活用すると共に粗面化処理で接触抵抗を下げ、燃
料極側では酸洗によってステンレス鋼表面を改質するこ
とにより接触抵抗を大幅に低下し、耐食性及び低接触抵
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、燃料極に対向する鋼板表面が酸洗処
理され、酸化極に対向する鋼板表面が粗面化処理されて
いることを特徴とする。酸洗処理に続いて、不動態化処
理してもよい。また、酸化極側鋼板表面は、粗面化処理
の前後に酸洗，或いは更に不動態化処理することもでき
る。

【００１１】

【作用】本発明者等は、燃料電池雰囲気に曝されるステ
ンレス鋼製セパレータの要求特性を種々調査検討した。
燃料電池の酸化極２側及び燃料極３側では腐食環境が異
なることから、それぞれの腐食環境に対応した材料構成
が要求される。具体的には、ステンレス鋼製セパレータ
の表面に変質層や脆弱な酸化皮膜が存在すると、燃料電
池起動時に変質層や酸化皮膜が溶解・流出し電池性能が
低下する。したがって、ガス拡散電極との低接触抵抗を
維持すると共にイオン交換膜への金属イオンの侵入を防
ぐため、腐食による金属イオンの溶出を抑制することが
ポイントとなる。酸化極２，燃料極３に対するセパレー
タ５の接触抵抗は、導電性のよいめっきを施すことによ
り低減できる。しかし、金属めっきでは、燃料極３側で
溶解した金属イオンが固体高分子膜１に浸透してプロト
ン輸送能を低下させ、酸化極２側で酸化して却って接触
抵抗が増加する傾向を示す。金属イオンの溶出やめっき
層の酸化は貴金属めっきによって抑制できるが、セパレ
ータ５が高価になる。

【００１２】他方、ステンレス鋼表面は、発生する水素
イオンに曝される燃料極３側では不動態皮膜が徐々に溶
解して最終的には金属表面が現れるため、電池使用開始
から接触抵抗が低下する。そのため、酸洗処理で不動態
皮膜，脆弱な酸化皮膜，表面変質層をステンレス鋼板か
ら予め除去しておくことにより、電池使用初期における
抵抗に起因する出力損失が防止でき、金属イオンの溶出
も抑制される。なかでも、酸洗後の不動態化処理で形成
される皮膜は、自然発生した不動態皮膜に比較してＣｒ
が濃化した健全な極薄い皮膜であり、金属イオンの溶出
抑制に有効である。不動態皮膜自体は絶縁性の皮膜であ
るが、接触抵抗の低下は極薄い皮膜を介して生じるトン
ネル電流に起因するものと推察される。

【００１３】しかし、酸化性雰囲気に曝される酸化極２
側では、不動態皮膜が成長して接触抵抗が増加するの
で、粗面化処理が必要となる。粗面化処理によって不動
態皮膜が改質され、酸化極２に対する馴染み性が向上し
低接触抵抗状態が維持される。このように、酸洗処理，
場合によっては更に不動態化処理した鋼板表面を燃料極
３側とし、粗面化処理した鋼板表面を酸化極２側とする
と、燃料電池雰囲気に適合した低コストのステンレス鋼
製セパレータが得られる。

【００１４】

【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、酸洗処理する。酸洗処理には、硫
酸，塩酸等の非酸化性酸液が使用される。たとえば、硫
酸酸洗では、１０〜５０質量％，５０〜７０℃の硫酸浴
にステンレス鋼板を浸漬する。酸洗によりステンレス鋼
板の表面から脆弱な酸化皮膜，不動態皮膜，Ｃｒ欠乏層
等の変質層が除去され、美麗な表面状態のステンレス鋼
板が得られる。

【００１５】酸洗されたステンレス鋼板は、必要に応じ
て不動態化処理される。不動態化処理としては濃硝酸へ
の浸漬が代表的な処理方法であり、たとえば１０〜６０
質量％。４０〜６０℃の濃硝酸浴に酸洗後のステンレス
鋼板を数分〜数時間浸漬する。不動態化処理によって薄
くＣｒリッチの皮膜が形成されるため、酸化極２，燃料
極３に対する接触抵抗が小さく、耐食性が向上する。酸
洗処理、或いは更に不動態化処理されたステンレス鋼板
は、酸化極２に対向する表面が選択的に粗面化処理され
る。不動態化処理の前に、ステンレス鋼板の酸化極２側
表面を粗面化処理してもよい。或いは、酸洗・不動態化
処理を施さず、粗面化処理したままの鋼板表面を酸化極
２側に使用することも可能である。

【００１６】粗面化処理には、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が採
用される。なかでも、塩化第二鉄水溶液を用いた交番電
解エッチングによるとき、アノード電解及びカソード電
解が繰り返され、周縁に微細突起のある多数の微細ピッ
トが表面全域にわたって形成され、接触抵抗が大きく低
下した表面状態に改質される。交番電解エッチングは、
アノード電流密度１０.０ｋＡ／ｍ²以下，アノード通電
時間０.０５〜１秒，カソード電流密度０.１〜１ｋＡ／
ｍ²，カソード通電時間０.０１秒以上，交番サイクル
０.５〜１０Ｈｚの条件が好ましい。このようにして、
酸洗，或いは更に不動態化処理された表面を燃料極３側
とし、粗面化処理された表面を酸化極２側とするとき、
燃料電池内の雰囲気に適した表面状態にステンレス鋼板
が改質され、腐食性雰囲気に耐え金属イオンの溶出が抑
制された燃料電池用ステンレス鋼製セパレータが低コス
トで製造される。

【００１７】

【実施例】表１の組成をもつオーステナイト系及びフェ
ライト系ステンレス鋼の２Ｄ仕上げ材をセパレータ基材
に使用した。セパレータ基材に酸洗，不動態化処理，粗
面化処理を単独で、或いは複合して施した。

【００１８】

【００１９】酸洗処理は、セパレータ基材を３０質量％
硫酸水溶液（６０℃）に５分間浸漬する条件を採用し
た。不動態化処理は、３０質量％硝酸水溶液（６０℃）
に２時間浸漬する条件を採用した。粗面化処理は、表２
に示す条件下の電解エッチングを採用した。一部のセパ
レータ基材では、酸洗後に不動態化処理することなく粗
面化処理した後、同じ条件下の不動態化処理を施した。

【００２０】

【００２１】表面処理されたセパレータ基材を７０℃の
水素雰囲気及び空気雰囲気中で９０時間の湿潤試験に供
し、湿潤試験前後においてガス拡散電極に対する接触抵
抗の変化を調査した。なお、接触抵抗は、セパレータ基
材から切り出された試験片に荷重１０ｋｇｆ／ｃｍ²で
カーボン電極を接触させ、ステンレス鋼板／カーボン電
極間の接触抵抗を測定した。測定結果を表３に示す。

【００２２】

【００２３】次いで、各種表面処理状態でのセパレータ
基材を酸化極２，燃料極３に接触させて、燃料電池を組
み立てた。組立て直後に酸化極２及び燃料極３側の和と
しての接触抵抗を測定すると共に、燃料電池を１００時
間連続運転した後で接触抵抗を同様に測定した。表４，
５の測定結果にみられるように、酸化極２に対向する鋼
板表面を選択的に粗面化処理したステンレス鋼板をセパ
レータ基材に使用するとき、接触抵抗の増加が抑えら
れ、長期間にわたって発電効率の高い燃料電池が得られ
ることが確認される。これに対し、選択的な粗面化処理
を施すことなく、鋼板両面共に酸洗又は不動態化処理し
たステンレス鋼板をセパレータ基材に使用した比較例で
は、接触抵抗が大幅に増加しており、連続運転後に発電
効率が大きく低下することが判る。また、本発明に従っ
た各種表面処理の組合せでは、電池セルからの排水に金
属イオンが検出されなかった。

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【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、耐食性に優れたステンレス鋼をセパ
レータ基材に使用するとき、ｐＨ値の低い過酷な腐食雰
囲気に曝される酸化極側を粗面化処理することによりセ
パレータ／酸化極の接触抵抗が増加することを抑え、溶
出金属イオンの浸透による固体高分子膜の劣化が懸念さ
れる燃料極側を酸洗，或いは更に不動態化処理すること
により金属イオンの溶出を抑えている。このようにし
て、酸化極，燃料極それぞれに適した表面状態に改質す
るとき、ステンレス鋼本来の優れた耐食性が活用され、
しかもセパレータ／酸化極又は燃料極の接触抵抗が低く
維持されるため、長期間にわたって高い発電．効率を維
持する燃料電池に適したセパレータが得られる。

【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）

【符号の説明】

１：固体高分子膜 ２：酸化極 ３：燃料極
５：セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── 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 清水 剛 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 宮野 勉 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 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 (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 梶川 義明 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 児玉 幸多 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 BB10 CC03 CC08 EE08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極に対向する鋼板表面が酸洗処理さ
   れ、酸化極に対向する鋼板表面が粗面化処理されている
   ことを特徴とする燃料電池用ステンレス鋼製セパレー
   タ。
2. 【請求項２】 燃料極に対向する鋼板表面が酸洗処理及
   び不動態化処理されている請求項１記載の燃料電池用ス
   テンレス鋼製セパレータ。