JP2004232070A - 燃料電池セパレータ用部材およびセパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】電極等と接する接触面と流路溝の底部分の距離が数十ミクロンの薄い流路溝を備える燃料電池用セパレータを精度よくかつ低コストで提供すること、さらに、薄型セパレータを提供する。
【解決手段】一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を用いる。
【選択図】 図３
【解決手段】一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を用いる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子型燃料電池等の燃料電池に用いられるセパレータに関して、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータに用いられる非晶質金属薄帯および部材、およびセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
省エネ、有害物質の低排出化などの要求から、近年燃料電池が次世代のエネルギー源として期待され、さまざまな方式の燃料電池およびこの燃料電池に用いられるセパレータが実用化に向け多くの研究が行われている。特に１５０℃以下の温度領域で動作する高分子イオン交換膜型の燃料電池は、発電出力密度が高く、小型化が実現できることから、家庭用、車載用、家電、モバイル用の燃料電池として好ましく、期待されている。
【０００３】
高分子イオン交換型燃料電池の例では、一般に固体電解質である高分子の両面を電極およびガス拡散層もしくは、電極と集電体ではさみ、これを反応ガスと空気を供給する流路を施した平板状のセパレータを介して積層された構造となっている。
【０００４】
固体電解質としては一般にスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換膜等が用いられ、電極にはカーボンブラックに撥水材と貴金属微粒子触媒を分散したもの等により形成されている。
【０００５】
反応ガスは水素ガスが供給され、電解質の片面側から水素が供給され、水素ガスが酸化されて発生したプロトンが電解質中を通過し、水分子と結合してＨ３Ｏ＋となり、正極側に移動する。正極側においては、ガス流路から供給されたエアー中の酸素が水素の酸化反応により発生する電子を得て、電解質中のプロトンと結合してＨ２Ｏとなる。この反応を継続されて電気を発生することができる。
【０００６】
この反応過程において、電解質中には酸（Ｈ＋）が多量に存在し、かつ水（Ｈ２Ｏ）発生による水蒸気、水が存在するために、電解質内部、電極近傍においては強酸性となる。このような環境下にセパレータは組み込まれるため、酸への耐食性が優れ、かつ電気伝導度が高く、ガス漏れのない気密性が求められている。さらに、今後多くの用途へ展開され、特に小型携帯機器等へ応用される場合には薄型であり、かつ高強度が要求される。
【０００７】
従来の燃料電池に用いられているセパレータには、特開２００２−２３１２６１号公報（特許文献１）に開示されているようなアモルファスカーボン材料もしくはアモルファスカーボン材料を樹脂と複合化し、成型後炭化処理したもの等が用いられている。
【０００８】
あるいは、特開２００１−３５７８５９号公報（特許文献２）には、金属材料母材からなり、電極または集電体との接触面及びガス流路溝を有する電池セパレータであって、当該接触面上には金属等の導電性皮膜が形成されており、当該導電性皮膜の構造または機能が当該金属母材との接触界面から電極または集電体との接触界面の間で連続的に変化していることを特徴とする燃料電池用セパレータが開示されており、電極等と接触する最表面のみに耐食性に優れる金属を連続的に組成、結晶構造を変化させた被膜をスパッタリング等によって製造されている。
【特許文献１】特開２００２−２３１２６１号公報
【特許文献２】特開２００１−３５７８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来のカーボン系セパレータでは、加工時に機械加工が必要であり、加工コストが掛かる、さらにカーボン材料であるがために機械的強度が弱い、さらに、ガス流路を形成するために流路溝の底となる構造を作る厚さを確保する必要があるために、薄型化が困難である等の課題があった。
【００１０】
一方、金属材料母材を用いてスパッタリング等を施す方法では、金属母材の電極等と接触する最表面に連続的な組成および結晶構造を変化させた被膜を付与するための工程が複雑でる。
【００１１】
本発明の目的は、金属母材の溝加工において、電極等と接する接触面と流路溝の底部分の距離が数十ミクロンの薄い流路溝を備える燃料電池用セパレータを精度よくかつ低コストで提供すること、さらに、薄型セパレータを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、必要な電気伝導度を有し、酸の耐蝕性に優れ、高強度で薄板形成可能なＮｉ系の非晶質金属薄帯を用いることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
さらに、セパレータのガス流路溝の底部分に本発明の非晶質金属薄帯もしくは樹脂を付与したセパレータに用いられる部材を用いる、あるいは前記部材を積み重ねた積層構造としたセパレータを形成することにより、ガス流路溝の底部分の厚みが数十〜数百ミクロンで作製可能となるため、高強度で、薄型化が可能となるセパレータ材料を提供できることを見出し、本発明に至った。
【００１４】
すなわち、本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１５】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１６】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＮｂ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）で表され、かつＹの内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲であり、燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１７】
前記非晶質金属薄帯に樹脂を付与したことを特徴とする部材は、燃料電池のセパレータに用いることができる。
【００１８】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であり、燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯又はそれを用いた部材が用いられることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００１９】
本発明は、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、当該接触面が、上記記載の非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００２０】
本発明は、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、当該接触面および流路溝が非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（非晶質合金薄帯）
本発明のセパレータに使用される非晶質金属薄帯および部材に用いられる材料としては、Ｎｉ系の非晶質金属薄帯が用いられる。これらの非晶質金属薄帯は、通常溶融金属を急冷ロールを用いて、急冷して得られる。通常は５〜２００μｍの厚さであり、好ましくは２０〜６０μｍの厚さの薄帯が用いられる。
【００２２】
薄帯の組成は、酸の耐蝕性に優れるものが用いられるが、好ましくは以下の組成の非晶質金属薄帯が用いられる。
【００２３】
一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０ここでａ，ｂは原子％）で表される。
【００２４】
Ｘ元素は本発明に用いる非晶質金属薄帯を製造する上で、非晶質化のために結晶化速度を低減するために有効な元素である。Ｘ元素が３．５原子％より少ないと、非晶質化が低下して一部結晶質が混在し、また、３０原子％を超えると、非晶質構造は得られるものの合金薄帯の機械的強度が低下し、連続的な薄帯が得られなくなる。したがって、Ｘ元素の量ａは、４＜ａ≦３０であることが好ましく、さらに好ましくは、４≦ａ≦１５である。
【００２５】
ｃの値はＮｉの量が多いほど酸への耐食性に優れるが、原料コストは高いため、Ｆｅの置換により低コスト化できる。したがって、好ましくは０≦ｃ≦０．２、さらに好ましくは０≦ｃ≦０．１である。
【００２６】
Ｙ元素は、本発明に用いる非晶質金属薄帯の耐食性向上に効果がある。この中で特に有効な元素は、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ｐｔ，Ｒｈである。Ｙ元素の添加量は３０％以上になると、耐食性の効果はあるが、薄帯の機械的強度が脆弱になるため、０≦ｂ≦５０であることが好ましい。さらに好ましい範囲は、０≦ｂ≦３０である。
【００２７】
さらに、耐食性が優れ、非晶質化が容易となる組成は以下の組成が好ましい。
【００２８】
一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＮｂ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）で表され、かつＹ元素の内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲がより好ましい。
さらに好ましくは、０≦ｂ≦２０かつＹ元素の内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲がより好ましい。
【００２９】
また、前記非晶質金属薄帯は、例えば、所望組成の金属を調合したものを高周波溶解炉等を用いて溶融し、均一な溶融体としたものを、不活性ガス等でフローして、急冷ロールに吹き付けて、急冷して得られる。このさい、単ロール法でも双ロール法いずれも用いることができる。
【００３０】
また、厚さは５〜２００μｍであり、好ましくは２０〜６０μｍの薄帯が用いられる。
（前記非晶質金属薄帯に樹脂を付与したセパレータに用いられる部材）
本発明に用いられる樹脂は、一般の樹脂を用いることができるが、ガラス転移温度が８０℃以上の耐熱性樹脂を用いることが好ましい。
ガラス転移温度が８０℃以下の低い樹脂では、燃料電池の動作において使用環境によっては使用時の温度にて樹脂が軟化してしまい、ガス流路の気密性が損なわれることがある。
【００３１】
本発明のセパレータに用いられる部材に用いられる樹脂のガラス転移温度は８０℃以上が好ましく、１２０℃以上がされに好ましく、１５０℃以上がさらに好ましい。特に熱可塑性の樹脂を用いることにより積層接着加工が容易なセパレータに用いられる積層体を用いることができる。
【００３２】
具体的な樹脂としては、ポリイミド系樹脂、ケイ素含有樹脂、ケトン系樹脂、ポリアミド系樹脂、液晶ポリマー，ニトリル系樹脂，チオエ−テル系樹脂，ポリエステル系樹脂，アリレ−ト系樹脂，サルホン系樹脂，イミド系樹脂，アミドイミド系樹脂を挙げることができる。これらのうちポリイミド系樹脂，スルホン系樹脂、アミドイミド系樹脂を用いるのが好ましい。
【００３３】
本発明において、前記非晶質金属薄帯への樹脂の付与は以下の方法で行われるが、樹脂を付与できる方法であれば特に限定されるものではない。樹脂は磁性基材の片面のみ，または，両面の少なくとも一部に付与する。また、積層されて用いられる場合には、積層部には樹脂が全面に付与したものが好ましく用いられる。
【００３４】
また、付与する面において均一にむらなく塗膜されることが好ましいが，例えば，
部材が積層された積層体を作製する場合は，熱プレス，または熱ロ−ル、高周波溶着などで積層することで積層構造を自由に設計することができる。
【００３５】
本発明における非晶質金属薄帯の片面または両面の少なくとも一部に樹脂を付着する場合、粉末状樹脂、もしくは溶媒に樹脂を溶解させた溶液または、ペースト状の形態がある。樹脂を溶解させた溶液を用いる場合は，ロ−ルコ−タなどの塗工装置を用いて非晶質金属薄帯に付与して行うことができる。この場合，付与工程で用いる溶液の粘度は，０．００５Ｐａ・ｓ以下の粘度では，粘性が低くなり過ぎるため非晶質金属薄帯上から流れてしまい薄板上に十分な塗膜量が得られず，極めて薄い塗膜になってしまう。また，この場合膜厚を厚くするために，付与速度を極めて遅くすると何度も重ね塗りが必要になるため，生産効率の低下が生じ実用的ではない。一方，粘度が，２００Ｐａ・ｓ以上になると，高粘度のため，非晶質金属薄帯上に薄い塗膜を形成するための膜厚の制御が極めて難しくなる。したがって，樹脂を溶媒により溶解させた溶液による付与の場合，付与時の樹脂の粘度は０．００５〜２００Ｐａ・ｓの濃度範囲が好ましい。さらには，０．０１〜５０Ｐａ・ｓの濃度範囲が好ましく，より好ましくは，０．０５〜５Ｐａ・ｓの範囲にある方が良い。
【００３６】
本発明における液状樹脂の付与方法としては，コ−タを用いた方法，例えば，ロ−ルコ−タ法，グラビアコ−タ法，エアドクタコ−タ法，ブレ−ドコ−タ法，ナイフコ−タ法，ロッドコ−タ法，キスコ−タ法，ビ−ドコ−タ法，キャストコ−タ法，ロ−タリ−スクリ−ン法や，液状樹脂中に非晶質金属薄帯を浸漬しながらコ−テイングする浸漬コ−テング方法，液状樹脂を非晶質金属薄帯にオリフィスから落下させコ−テイングするスロットオリフィスコ−タ法などで行うことができる。その他，バ−コ−ド方法や霧吹きの原理を用いて液状樹脂を霧上に非晶質金属薄帯に吹き付けるスプレ−コ−ティング法や，スピンコ−テング法，電着コ−テング法，あるいはスパッタ法のような物理的な蒸着法，ＣＶＤ法のような気相法など非晶質金属薄帯上に樹脂を付与できる方法なら如何なる方法を用いても良い。
【００３７】
また，本発明における非晶質金属薄帯の片面または両面の少なくとも一部に付着させる樹脂として，ペ−スト状樹脂を使用する場合は，主として非晶質金属薄帯を切断等したものを積層する場合に用いることが好ましい。そのため，樹脂は溶媒に溶解した溶液のような流動性よりは仮接着固定や仮止めができる粘度があれば良く，ポッティングや刷毛塗りなどの方法で付与することができる。したがって，樹脂の粘度としては，５Ｐａ・ｓ以上の粘度であることが好ましい。一方，粉末状の樹脂を用いる場合は，例えば，金型を用いて非晶質金属薄帯の積層体を作製する時に粉末状・ペレット状の樹脂を充填または散布して熱プレス成型などにより非晶質金属薄帯の積層体を作製する場合に用いることができる。
【００３８】
（セパレータ）
本発明の非晶質金属薄帯および部材をセパレータに用いられる場合、ガス流路溝と流路溝の底が形成され一体化されて用いられる。この際、ガス流路溝を形成される壁の最上面の表面は、電極またはガス拡散層または集電体と接触し、耐食性と導電性が要求されるため、本発明の非晶質金属薄帯、もしくは、樹脂を付与したセパレータに用いられる部材の場合には、樹脂の付与されてない部分が前記流路溝を形成される壁の最上面になるように構成されて作製される。
【００３９】
セパレータのガス流路溝の形成は以下の方法で実施することができる。図１に示すようなガス流路溝が施されたセパレータの場合は、図２に示すように本発明の非晶質金属薄帯または部材を、電極またはガス拡散層または集電体と接触する最上面にガス流路が形成されたものと組み合わせてセパレータを構成することができる。部材を用いる場合には、電極またはガス拡散層または集電体と接触する部分には少なくとも樹脂を付与しない。流路の構造は以下の方法によって加工されるが、所望の形状に加工が可能であれば特に製造方法は限定されるわけではない。
【００４０】
また、流路の構造は、外部からのガス導入口とガス流路となる連続したもしくはいくつかに分断された溝形状からなり、用いられるセパレータの目的、種類等によってそれぞれ設計される。
【００４１】
ガス流路溝加工の方法は、機械加工、エッチング加工、打抜き加工等で実施することができる。特に打抜き加工ではコスト面でメリットがある方法である。
【００４２】
また、流路溝を形成するセパレータの最表面は前記非晶質金属薄帯もしくは樹脂を付与したセパレータに用いられる部材の樹脂の付与されてない部分が用いられるが、その下の構造体には、通常の金属、樹脂等を使用してもよい。例えば、ＳＵＳ薄板に凹状のガス流路溝加工を施した薄い平板の上面に本発明の非晶質金属薄帯を接着してセパレータを作製することができる。
【００４３】
また、本発明のセパレータに用いられる部材を積層して用いる場合には以下の方法で使用される。
【００４４】
図１に示すような例のガス流路が形成されたセパレータを通常の金属薄板を用いた加工においては、数十ミクロンを残して機械加工等することは加工上困難である。そこで、本発明の非晶質金属薄帯を積層構造にすることによって、薄型のセパレータを作製することができる。特に、流路溝の底部分を薄帯の１枚もしくは数枚の厚みにすることができ、数十から数百ミクロン程度の流路溝の底を形成することが出来る。
【００４５】
たとえば、非晶質金属薄帯に接着性の樹脂を付与した部材に、所望の流路を加工し、ガス流路溝に必要な厚みになるように所望の枚数を積層し、流路溝の底部も同様に加工したものを積層接着することによって、例えば図３のようなセパレータを構成できる。例えば３８ミクロンの非晶質金属薄帯を用いて、流路溝を２５０μｍとした場合には、非晶質金属薄帯の片面に樹脂を付与したセパレータ基材に流路溝を加工した６枚、および流路溝底部にガス導入口を加工した１枚、もしくは複数枚を積層することによってセパレータを作製することが出来る。
（耐熱性樹脂）
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について示す。
【００４７】
【実施例１】
非晶質金属薄帯として，ハネウェル社製、ロウ付け剤ＭＢＦ８０（商品名）、幅５０．８ｍｍ 厚み約３８μｍであるＮｉ８０．８Ｃｒ１５．２Ｂ４の組成を持つ非晶質金属薄帯を使用した。この薄帯の片面全面にＥ型粘度計で測定し、約０．３Ｐａ・ｓの粘度のポリアミド酸溶液を付与し，１４０℃で乾燥後、２６０℃でキュアし、非晶質金属薄帯の片面に約６ミクロンの耐熱樹脂（ポリイミド樹脂）を付与した部材を作製した。
【００４８】
ここで、用いたポリアミド酸溶液は、溶媒にジメチルアセトアミドを用いて希釈した。このポリアミド酸は、３，３’−ジアミノジフェニルエーテルと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸ニ無水物を１：０．９８の割合でジメチルアセトアミド溶媒中で室温にて縮重合して得られたものである。
【００４９】
この部材を巾０．６ｍｍの溝加工および外形を４００×４０ｍｍに打抜き加工を施し、６枚積層し、さらに流路溝の底部には外形を合わせた形状に打抜き、ガス流路端の底部に穴をあけてガス導入口およびガス排出口とした。
【００５０】
このセパレータはガス流路の溝深さ２５０μｍ、厚さ０．３ｍｍと薄型化が実現できている。
【００５１】
さらにこのセパレータを曲げ強度を測るため３点曲げを施したが、セパレータが変形し破壊しなかった。さらに、ケヤキ板の上に５０ｃｍの高さから落下試験を実施したが破壊しなかた。すなわち靭性が高く、高強度であることがわかる。
【００５２】
【実施例２〜８】
表１に示した組成の非晶質金属薄帯を用い、実施例１と同様の方法でセパレータを作製し、同様の評価を行った結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【比較例１】
カーボン板１ｍｍ厚さのものを使用し、機械加工により溝形成を行った。実施例１と同様の形状にするには、カーボン板を０．３ｍｍに加工する必要があるが、機械加工時に割れてしまうため、加工困難であった。さらに、流路溝加工時には底部分を５０μｍ程度の厚みを残してザグリ加工をＮＣ加工にて実施したが、割れが発生し、加工不可能であった。
【００５５】
【比較例２】
比較例１と同様に１ｍｍ厚さのカーボン板に０．５ｍｍの溝加工を行い、セパレータを形成した。
【００５６】
このセパレータは、薄型化できない上に、機械強度が低く実施例１と同様の落下試験では破壊し、機械高度が低い。
【００５７】
【実施例９】
非晶質金属薄帯にＮｉ ８０．８ Ｃｒ１５．２ Ｂ４ 組成の薄帯を用いた。用いる樹脂の前駆体に１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼンと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸ニ無水物を１：０．９７の割合でジメチルアセトアミド溶媒中で室温にて縮重合して得られたポリアミド酸を使用して、実施例１と同様に前記非晶質金属薄帯の片面に付与した。この部材を用いて、実施例１と同様にセパレータを作製した後、０．１Ｎの硫酸溶液に浸漬し、セパレータの重量減少量を測定した。その結果重量減少は誤差範囲で減少はなく、良好な耐食性を有していた。
【００５８】
【比較例３】
非晶質金属薄帯にＦｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３組成の薄帯を用いて、実施例１ と同様にセパレータを作製し、同様に硫酸溶液に２４時間浸漬した後の重量減少量は２％であり、腐食が発生し、酸への耐久性に劣っていた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の非晶質金属薄帯は、酸の耐食性と導電性を兼ね備えた高強度のセパレータ用部材であるため、本発明の非晶質金属薄帯または部材をもちいることにより、酸の耐食性と導電性を兼ね備えた、生産性の良いセパレータを提供でき、さらに、本発明の非晶質金属薄帯および部材を用いることにより、ガス流路溝の底の厚みを薄くすることができ、高強度の薄型セパレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溝加工が施されたセパレータの断面の外観図である。
【図２】本発明の非晶質金属薄帯がセパレータの最表面に付与されている一例である。
【図３】本発明の非晶質金属薄帯または部材が積層されたセパレータの一例
【符号の簡単な説明】
１．セパレータ
１１．ガス流路
１２．ガス流路の溝の底 （厚さｄ）
２．本発明のセパレータ
２１．金属材料
２２．本発明の非晶質金属薄帯または部材
３．本発明のセパレータ
３１．非晶質金属薄帯
３２．樹脂層
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子型燃料電池等の燃料電池に用いられるセパレータに関して、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータに用いられる非晶質金属薄帯および部材、およびセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
省エネ、有害物質の低排出化などの要求から、近年燃料電池が次世代のエネルギー源として期待され、さまざまな方式の燃料電池およびこの燃料電池に用いられるセパレータが実用化に向け多くの研究が行われている。特に１５０℃以下の温度領域で動作する高分子イオン交換膜型の燃料電池は、発電出力密度が高く、小型化が実現できることから、家庭用、車載用、家電、モバイル用の燃料電池として好ましく、期待されている。
【０００３】
高分子イオン交換型燃料電池の例では、一般に固体電解質である高分子の両面を電極およびガス拡散層もしくは、電極と集電体ではさみ、これを反応ガスと空気を供給する流路を施した平板状のセパレータを介して積層された構造となっている。
【０００４】
固体電解質としては一般にスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換膜等が用いられ、電極にはカーボンブラックに撥水材と貴金属微粒子触媒を分散したもの等により形成されている。
【０００５】
反応ガスは水素ガスが供給され、電解質の片面側から水素が供給され、水素ガスが酸化されて発生したプロトンが電解質中を通過し、水分子と結合してＨ３Ｏ＋となり、正極側に移動する。正極側においては、ガス流路から供給されたエアー中の酸素が水素の酸化反応により発生する電子を得て、電解質中のプロトンと結合してＨ２Ｏとなる。この反応を継続されて電気を発生することができる。
【０００６】
この反応過程において、電解質中には酸（Ｈ＋）が多量に存在し、かつ水（Ｈ２Ｏ）発生による水蒸気、水が存在するために、電解質内部、電極近傍においては強酸性となる。このような環境下にセパレータは組み込まれるため、酸への耐食性が優れ、かつ電気伝導度が高く、ガス漏れのない気密性が求められている。さらに、今後多くの用途へ展開され、特に小型携帯機器等へ応用される場合には薄型であり、かつ高強度が要求される。
【０００７】
従来の燃料電池に用いられているセパレータには、特開２００２−２３１２６１号公報（特許文献１）に開示されているようなアモルファスカーボン材料もしくはアモルファスカーボン材料を樹脂と複合化し、成型後炭化処理したもの等が用いられている。
【０００８】
あるいは、特開２００１−３５７８５９号公報（特許文献２）には、金属材料母材からなり、電極または集電体との接触面及びガス流路溝を有する電池セパレータであって、当該接触面上には金属等の導電性皮膜が形成されており、当該導電性皮膜の構造または機能が当該金属母材との接触界面から電極または集電体との接触界面の間で連続的に変化していることを特徴とする燃料電池用セパレータが開示されており、電極等と接触する最表面のみに耐食性に優れる金属を連続的に組成、結晶構造を変化させた被膜をスパッタリング等によって製造されている。
【特許文献１】特開２００２−２３１２６１号公報
【特許文献２】特開２００１−３５７８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来のカーボン系セパレータでは、加工時に機械加工が必要であり、加工コストが掛かる、さらにカーボン材料であるがために機械的強度が弱い、さらに、ガス流路を形成するために流路溝の底となる構造を作る厚さを確保する必要があるために、薄型化が困難である等の課題があった。
【００１０】
一方、金属材料母材を用いてスパッタリング等を施す方法では、金属母材の電極等と接触する最表面に連続的な組成および結晶構造を変化させた被膜を付与するための工程が複雑でる。
【００１１】
本発明の目的は、金属母材の溝加工において、電極等と接する接触面と流路溝の底部分の距離が数十ミクロンの薄い流路溝を備える燃料電池用セパレータを精度よくかつ低コストで提供すること、さらに、薄型セパレータを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、必要な電気伝導度を有し、酸の耐蝕性に優れ、高強度で薄板形成可能なＮｉ系の非晶質金属薄帯を用いることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
さらに、セパレータのガス流路溝の底部分に本発明の非晶質金属薄帯もしくは樹脂を付与したセパレータに用いられる部材を用いる、あるいは前記部材を積み重ねた積層構造としたセパレータを形成することにより、ガス流路溝の底部分の厚みが数十〜数百ミクロンで作製可能となるため、高強度で、薄型化が可能となるセパレータ材料を提供できることを見出し、本発明に至った。
【００１４】
すなわち、本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１５】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１６】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＮｂ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）で表され、かつＹの内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲であり、燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯を提供する。
【００１７】
前記非晶質金属薄帯に樹脂を付与したことを特徴とする部材は、燃料電池のセパレータに用いることができる。
【００１８】
本発明は、一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であり、燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯又はそれを用いた部材が用いられることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００１９】
本発明は、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、当該接触面が、上記記載の非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００２０】
本発明は、電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、当該接触面および流路溝が非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（非晶質合金薄帯）
本発明のセパレータに使用される非晶質金属薄帯および部材に用いられる材料としては、Ｎｉ系の非晶質金属薄帯が用いられる。これらの非晶質金属薄帯は、通常溶融金属を急冷ロールを用いて、急冷して得られる。通常は５〜２００μｍの厚さであり、好ましくは２０〜６０μｍの厚さの薄帯が用いられる。
【００２２】
薄帯の組成は、酸の耐蝕性に優れるものが用いられるが、好ましくは以下の組成の非晶質金属薄帯が用いられる。
【００２３】
一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０ここでａ，ｂは原子％）で表される。
【００２４】
Ｘ元素は本発明に用いる非晶質金属薄帯を製造する上で、非晶質化のために結晶化速度を低減するために有効な元素である。Ｘ元素が３．５原子％より少ないと、非晶質化が低下して一部結晶質が混在し、また、３０原子％を超えると、非晶質構造は得られるものの合金薄帯の機械的強度が低下し、連続的な薄帯が得られなくなる。したがって、Ｘ元素の量ａは、４＜ａ≦３０であることが好ましく、さらに好ましくは、４≦ａ≦１５である。
【００２５】
ｃの値はＮｉの量が多いほど酸への耐食性に優れるが、原料コストは高いため、Ｆｅの置換により低コスト化できる。したがって、好ましくは０≦ｃ≦０．２、さらに好ましくは０≦ｃ≦０．１である。
【００２６】
Ｙ元素は、本発明に用いる非晶質金属薄帯の耐食性向上に効果がある。この中で特に有効な元素は、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ｐｔ，Ｒｈである。Ｙ元素の添加量は３０％以上になると、耐食性の効果はあるが、薄帯の機械的強度が脆弱になるため、０≦ｂ≦５０であることが好ましい。さらに好ましい範囲は、０≦ｂ≦３０である。
【００２７】
さらに、耐食性が優れ、非晶質化が容易となる組成は以下の組成が好ましい。
【００２８】
一般式（Ｎｉ１−ｃ Ｆｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＮｂ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）で表され、かつＹ元素の内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲がより好ましい。
さらに好ましくは、０≦ｂ≦２０かつＹ元素の内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲がより好ましい。
【００２９】
また、前記非晶質金属薄帯は、例えば、所望組成の金属を調合したものを高周波溶解炉等を用いて溶融し、均一な溶融体としたものを、不活性ガス等でフローして、急冷ロールに吹き付けて、急冷して得られる。このさい、単ロール法でも双ロール法いずれも用いることができる。
【００３０】
また、厚さは５〜２００μｍであり、好ましくは２０〜６０μｍの薄帯が用いられる。
（前記非晶質金属薄帯に樹脂を付与したセパレータに用いられる部材）
本発明に用いられる樹脂は、一般の樹脂を用いることができるが、ガラス転移温度が８０℃以上の耐熱性樹脂を用いることが好ましい。
ガラス転移温度が８０℃以下の低い樹脂では、燃料電池の動作において使用環境によっては使用時の温度にて樹脂が軟化してしまい、ガス流路の気密性が損なわれることがある。
【００３１】
本発明のセパレータに用いられる部材に用いられる樹脂のガラス転移温度は８０℃以上が好ましく、１２０℃以上がされに好ましく、１５０℃以上がさらに好ましい。特に熱可塑性の樹脂を用いることにより積層接着加工が容易なセパレータに用いられる積層体を用いることができる。
【００３２】
具体的な樹脂としては、ポリイミド系樹脂、ケイ素含有樹脂、ケトン系樹脂、ポリアミド系樹脂、液晶ポリマー，ニトリル系樹脂，チオエ−テル系樹脂，ポリエステル系樹脂，アリレ−ト系樹脂，サルホン系樹脂，イミド系樹脂，アミドイミド系樹脂を挙げることができる。これらのうちポリイミド系樹脂，スルホン系樹脂、アミドイミド系樹脂を用いるのが好ましい。
【００３３】
本発明において、前記非晶質金属薄帯への樹脂の付与は以下の方法で行われるが、樹脂を付与できる方法であれば特に限定されるものではない。樹脂は磁性基材の片面のみ，または，両面の少なくとも一部に付与する。また、積層されて用いられる場合には、積層部には樹脂が全面に付与したものが好ましく用いられる。
【００３４】
また、付与する面において均一にむらなく塗膜されることが好ましいが，例えば，
部材が積層された積層体を作製する場合は，熱プレス，または熱ロ−ル、高周波溶着などで積層することで積層構造を自由に設計することができる。
【００３５】
本発明における非晶質金属薄帯の片面または両面の少なくとも一部に樹脂を付着する場合、粉末状樹脂、もしくは溶媒に樹脂を溶解させた溶液または、ペースト状の形態がある。樹脂を溶解させた溶液を用いる場合は，ロ−ルコ−タなどの塗工装置を用いて非晶質金属薄帯に付与して行うことができる。この場合，付与工程で用いる溶液の粘度は，０．００５Ｐａ・ｓ以下の粘度では，粘性が低くなり過ぎるため非晶質金属薄帯上から流れてしまい薄板上に十分な塗膜量が得られず，極めて薄い塗膜になってしまう。また，この場合膜厚を厚くするために，付与速度を極めて遅くすると何度も重ね塗りが必要になるため，生産効率の低下が生じ実用的ではない。一方，粘度が，２００Ｐａ・ｓ以上になると，高粘度のため，非晶質金属薄帯上に薄い塗膜を形成するための膜厚の制御が極めて難しくなる。したがって，樹脂を溶媒により溶解させた溶液による付与の場合，付与時の樹脂の粘度は０．００５〜２００Ｐａ・ｓの濃度範囲が好ましい。さらには，０．０１〜５０Ｐａ・ｓの濃度範囲が好ましく，より好ましくは，０．０５〜５Ｐａ・ｓの範囲にある方が良い。
【００３６】
本発明における液状樹脂の付与方法としては，コ−タを用いた方法，例えば，ロ−ルコ−タ法，グラビアコ−タ法，エアドクタコ−タ法，ブレ−ドコ−タ法，ナイフコ−タ法，ロッドコ−タ法，キスコ−タ法，ビ−ドコ−タ法，キャストコ−タ法，ロ−タリ−スクリ−ン法や，液状樹脂中に非晶質金属薄帯を浸漬しながらコ−テイングする浸漬コ−テング方法，液状樹脂を非晶質金属薄帯にオリフィスから落下させコ−テイングするスロットオリフィスコ−タ法などで行うことができる。その他，バ−コ−ド方法や霧吹きの原理を用いて液状樹脂を霧上に非晶質金属薄帯に吹き付けるスプレ−コ−ティング法や，スピンコ−テング法，電着コ−テング法，あるいはスパッタ法のような物理的な蒸着法，ＣＶＤ法のような気相法など非晶質金属薄帯上に樹脂を付与できる方法なら如何なる方法を用いても良い。
【００３７】
また，本発明における非晶質金属薄帯の片面または両面の少なくとも一部に付着させる樹脂として，ペ−スト状樹脂を使用する場合は，主として非晶質金属薄帯を切断等したものを積層する場合に用いることが好ましい。そのため，樹脂は溶媒に溶解した溶液のような流動性よりは仮接着固定や仮止めができる粘度があれば良く，ポッティングや刷毛塗りなどの方法で付与することができる。したがって，樹脂の粘度としては，５Ｐａ・ｓ以上の粘度であることが好ましい。一方，粉末状の樹脂を用いる場合は，例えば，金型を用いて非晶質金属薄帯の積層体を作製する時に粉末状・ペレット状の樹脂を充填または散布して熱プレス成型などにより非晶質金属薄帯の積層体を作製する場合に用いることができる。
【００３８】
（セパレータ）
本発明の非晶質金属薄帯および部材をセパレータに用いられる場合、ガス流路溝と流路溝の底が形成され一体化されて用いられる。この際、ガス流路溝を形成される壁の最上面の表面は、電極またはガス拡散層または集電体と接触し、耐食性と導電性が要求されるため、本発明の非晶質金属薄帯、もしくは、樹脂を付与したセパレータに用いられる部材の場合には、樹脂の付与されてない部分が前記流路溝を形成される壁の最上面になるように構成されて作製される。
【００３９】
セパレータのガス流路溝の形成は以下の方法で実施することができる。図１に示すようなガス流路溝が施されたセパレータの場合は、図２に示すように本発明の非晶質金属薄帯または部材を、電極またはガス拡散層または集電体と接触する最上面にガス流路が形成されたものと組み合わせてセパレータを構成することができる。部材を用いる場合には、電極またはガス拡散層または集電体と接触する部分には少なくとも樹脂を付与しない。流路の構造は以下の方法によって加工されるが、所望の形状に加工が可能であれば特に製造方法は限定されるわけではない。
【００４０】
また、流路の構造は、外部からのガス導入口とガス流路となる連続したもしくはいくつかに分断された溝形状からなり、用いられるセパレータの目的、種類等によってそれぞれ設計される。
【００４１】
ガス流路溝加工の方法は、機械加工、エッチング加工、打抜き加工等で実施することができる。特に打抜き加工ではコスト面でメリットがある方法である。
【００４２】
また、流路溝を形成するセパレータの最表面は前記非晶質金属薄帯もしくは樹脂を付与したセパレータに用いられる部材の樹脂の付与されてない部分が用いられるが、その下の構造体には、通常の金属、樹脂等を使用してもよい。例えば、ＳＵＳ薄板に凹状のガス流路溝加工を施した薄い平板の上面に本発明の非晶質金属薄帯を接着してセパレータを作製することができる。
【００４３】
また、本発明のセパレータに用いられる部材を積層して用いる場合には以下の方法で使用される。
【００４４】
図１に示すような例のガス流路が形成されたセパレータを通常の金属薄板を用いた加工においては、数十ミクロンを残して機械加工等することは加工上困難である。そこで、本発明の非晶質金属薄帯を積層構造にすることによって、薄型のセパレータを作製することができる。特に、流路溝の底部分を薄帯の１枚もしくは数枚の厚みにすることができ、数十から数百ミクロン程度の流路溝の底を形成することが出来る。
【００４５】
たとえば、非晶質金属薄帯に接着性の樹脂を付与した部材に、所望の流路を加工し、ガス流路溝に必要な厚みになるように所望の枚数を積層し、流路溝の底部も同様に加工したものを積層接着することによって、例えば図３のようなセパレータを構成できる。例えば３８ミクロンの非晶質金属薄帯を用いて、流路溝を２５０μｍとした場合には、非晶質金属薄帯の片面に樹脂を付与したセパレータ基材に流路溝を加工した６枚、および流路溝底部にガス導入口を加工した１枚、もしくは複数枚を積層することによってセパレータを作製することが出来る。
（耐熱性樹脂）
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について示す。
【００４７】
【実施例１】
非晶質金属薄帯として，ハネウェル社製、ロウ付け剤ＭＢＦ８０（商品名）、幅５０．８ｍｍ 厚み約３８μｍであるＮｉ８０．８Ｃｒ１５．２Ｂ４の組成を持つ非晶質金属薄帯を使用した。この薄帯の片面全面にＥ型粘度計で測定し、約０．３Ｐａ・ｓの粘度のポリアミド酸溶液を付与し，１４０℃で乾燥後、２６０℃でキュアし、非晶質金属薄帯の片面に約６ミクロンの耐熱樹脂（ポリイミド樹脂）を付与した部材を作製した。
【００４８】
ここで、用いたポリアミド酸溶液は、溶媒にジメチルアセトアミドを用いて希釈した。このポリアミド酸は、３，３’−ジアミノジフェニルエーテルと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸ニ無水物を１：０．９８の割合でジメチルアセトアミド溶媒中で室温にて縮重合して得られたものである。
【００４９】
この部材を巾０．６ｍｍの溝加工および外形を４００×４０ｍｍに打抜き加工を施し、６枚積層し、さらに流路溝の底部には外形を合わせた形状に打抜き、ガス流路端の底部に穴をあけてガス導入口およびガス排出口とした。
【００５０】
このセパレータはガス流路の溝深さ２５０μｍ、厚さ０．３ｍｍと薄型化が実現できている。
【００５１】
さらにこのセパレータを曲げ強度を測るため３点曲げを施したが、セパレータが変形し破壊しなかった。さらに、ケヤキ板の上に５０ｃｍの高さから落下試験を実施したが破壊しなかた。すなわち靭性が高く、高強度であることがわかる。
【００５２】
【実施例２〜８】
表１に示した組成の非晶質金属薄帯を用い、実施例１と同様の方法でセパレータを作製し、同様の評価を行った結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
【比較例１】
カーボン板１ｍｍ厚さのものを使用し、機械加工により溝形成を行った。実施例１と同様の形状にするには、カーボン板を０．３ｍｍに加工する必要があるが、機械加工時に割れてしまうため、加工困難であった。さらに、流路溝加工時には底部分を５０μｍ程度の厚みを残してザグリ加工をＮＣ加工にて実施したが、割れが発生し、加工不可能であった。
【００５５】
【比較例２】
比較例１と同様に１ｍｍ厚さのカーボン板に０．５ｍｍの溝加工を行い、セパレータを形成した。
【００５６】
このセパレータは、薄型化できない上に、機械強度が低く実施例１と同様の落下試験では破壊し、機械高度が低い。
【００５７】
【実施例９】
非晶質金属薄帯にＮｉ ８０．８ Ｃｒ１５．２ Ｂ４ 組成の薄帯を用いた。用いる樹脂の前駆体に１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼンと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸ニ無水物を１：０．９７の割合でジメチルアセトアミド溶媒中で室温にて縮重合して得られたポリアミド酸を使用して、実施例１と同様に前記非晶質金属薄帯の片面に付与した。この部材を用いて、実施例１と同様にセパレータを作製した後、０．１Ｎの硫酸溶液に浸漬し、セパレータの重量減少量を測定した。その結果重量減少は誤差範囲で減少はなく、良好な耐食性を有していた。
【００５８】
【比較例３】
非晶質金属薄帯にＦｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３組成の薄帯を用いて、実施例１ と同様にセパレータを作製し、同様に硫酸溶液に２４時間浸漬した後の重量減少量は２％であり、腐食が発生し、酸への耐久性に劣っていた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の非晶質金属薄帯は、酸の耐食性と導電性を兼ね備えた高強度のセパレータ用部材であるため、本発明の非晶質金属薄帯または部材をもちいることにより、酸の耐食性と導電性を兼ね備えた、生産性の良いセパレータを提供でき、さらに、本発明の非晶質金属薄帯および部材を用いることにより、ガス流路溝の底の厚みを薄くすることができ、高強度の薄型セパレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溝加工が施されたセパレータの断面の外観図である。
【図２】本発明の非晶質金属薄帯がセパレータの最表面に付与されている一例である。
【図３】本発明の非晶質金属薄帯または部材が積層されたセパレータの一例
【符号の簡単な説明】
１．セパレータ
１１．ガス流路
１２．ガス流路の溝の底 （厚さｄ）
２．本発明のセパレータ
２１．金属材料
２２．本発明の非晶質金属薄帯または部材
３．本発明のセパレータ
３１．非晶質金属薄帯
３２．樹脂層
Claims (7)
- 一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯。
- 一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯。
- 一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＮｂ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦３０（ここでａ，ｂは原子％）で表され、かつＹの内少なくともＣｒが８原子％以上３０原子％以下、かつ、Ｐが１３原子％より少ない組成範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯。
- 前記請求項１から請求項３の非晶質金属薄帯に樹脂を付与したことを特徴とする燃料電池のセパレータ用部材。
- 一般式（Ｎｉ１−ｃＦｅｃ）１００−ａ−ｂＸａＹｂで表され、式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｇｅ，Ｐから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表し、ｃ，ａ，ｂは、それぞれ、０≦ｃ≦０．５、３．５＜ａ≦３０、０≦ｂ≦９０（ここでａ，ｂは原子％）の組成範囲であり、燃料電池用セパレータ用非晶質金属薄帯又はそれを用いた部材が用いられることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、前記接触面が、前記請求項１から請求項３記載の非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 電極または集電体またはガス拡散層との接触面および反応ガス流路溝を有する燃料電池用セパレータにおいて、前記接触面および流路溝が請求項１〜３記載の非晶質金属薄帯またはそれを用いた部材が用いられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006253089A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用メタルセパレータとその製造方法 |
| WO2012157712A1 (ja) * | 2011-05-19 | 2012-11-22 | 株式会社中山製鋼所 | 耐食性、通電性に優れたアモルファス合金およびその用途 |
| EP2608296A1 (fr) * | 2011-12-21 | 2013-06-26 | The Swatch Group Research and Development Ltd. | Collecteur de courant en métal amorphe |
| US20150340714A1 (en) * | 2012-12-07 | 2015-11-26 | Toyo Kohan Co., Ltd. | Separator for fuel cells, fuel cell, fuel cell stack, and method of manufacturing separator for fuel cells |
| CN109930087A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-06-25 | 常州世竟液态金属有限公司 | 一种锆基非晶合金表面纳米结构层的制备方法 |
| CN110006813A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-12 | 贵州师范大学 | 一种非晶态金属薄带腐蚀电极的制作方法 |
-
2003
- 2003-01-31 JP JP2003025191A patent/JP2004232070A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006253089A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用メタルセパレータとその製造方法 |
| WO2012157712A1 (ja) * | 2011-05-19 | 2012-11-22 | 株式会社中山製鋼所 | 耐食性、通電性に優れたアモルファス合金およびその用途 |
| JP2012241231A (ja) * | 2011-05-19 | 2012-12-10 | Nakayama Steel Works Ltd | 耐食性、通電性に優れたアモルファス合金およびその用途 |
| US10158120B2 (en) | 2011-12-21 | 2018-12-18 | The Swatch Group Research And Development Ltd | Amorphous metal current collector |
| EP2608296A1 (fr) * | 2011-12-21 | 2013-06-26 | The Swatch Group Research and Development Ltd. | Collecteur de courant en métal amorphe |
| WO2013092921A1 (fr) * | 2011-12-21 | 2013-06-27 | The Swatch Group Research And Development Ltd | Collecteur de courant en metal amorphe |
| CN104137312A (zh) * | 2011-12-21 | 2014-11-05 | 斯沃奇集团研究和开发有限公司 | 由非晶态金属制成的集电体 |
| US20150340714A1 (en) * | 2012-12-07 | 2015-11-26 | Toyo Kohan Co., Ltd. | Separator for fuel cells, fuel cell, fuel cell stack, and method of manufacturing separator for fuel cells |
| US10629917B2 (en) * | 2012-12-07 | 2020-04-21 | Toyo Kohan Co., Ltd. | Separator for fuel cells, fuel cell, fuel cell stack, and method of manufacturing separator for fuel cells |
| CN110006813A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-12 | 贵州师范大学 | 一种非晶态金属薄带腐蚀电极的制作方法 |
| CN110006813B (zh) * | 2019-04-08 | 2021-09-14 | 贵州师范大学 | 一种非晶态金属薄带腐蚀电极的制作方法 |
| CN109930087A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-06-25 | 常州世竟液态金属有限公司 | 一种锆基非晶合金表面纳米结构层的制备方法 |
| CN109930087B (zh) * | 2019-05-08 | 2021-04-02 | 常州世竟液态金属有限公司 | 一种锆基非晶合金表面纳米结构层的制备方法 |
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