JP2005183008A

JP2005183008A - 燃料電池用金属製セパレータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005183008A
Application number: JP2003417459A
Authority: JP
Inventors: Masao Utsunomiya; 政男宇都宮; Teruyuki Otani; 輝幸大谷; Takashi Kuwayama; 貴司桑山; Takahiro Takai; 貴裕高井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止し、ひいては、セパレータの接触抵抗の低下を防止した燃料電池用金属製セパレータを提供する。
【解決手段】耐食性を有する素材板の表面に導電性介在物が突出し、上記導電性介在物の上方に金の被覆層を備え、上記導電性介在物と上記金の被覆層との間に、上記導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の金属製セパレータ及びその製造方法に係り、特に、素材板からの金の被覆層の剥離を防止することにより、セパレータの接触抵抗の低下を防止して、高い発電効率を長時間にわたって維持する燃料電池の開発技術に関する。

固体高分子型燃料電池は、平板状の電極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。電極は、一対のガス拡散電極板（正極板と負極板）の間にイオン交換樹脂等からなる電解質層が挟まれた三層構造をなす。セパレータには、ガス拡散電極板との間にガスを流通させるガス通路が形成されている。このような燃料電池においては、例えば、負極側のガス拡散電極板に面するガス通路に酸素や空気等の酸化性ガスを流通させることによって電気化学反応を誘引し、電気を発生させる。

ところで、上記セパレータの材料としては、焼成された等方性黒鉛にフェノール等の樹脂を含浸させたガス不浸透性黒鉛材料や、フェノール等の樹脂によって部品形状を成形後焼成させたアモルファスカーボン材料が挙げられる。また、樹脂と黒鉛とからなる複合成形材料等の黒鉛系材料や、ステンレス鋼又はチタン合金等の高耐食性金属材料も使用されている。さらに、金又は白金等の貴金属系めっきを表面に被覆した金属材料等の金属系材料も使用されている。

このような各種材料を使用するセパレータにおいては、例えば、正極、負極及びこれら正負極間に介在された電解質を備えた燃料電池モジュールの両側に配置され、ガス流通用の溝部が形成され、少なくとも上記溝部表面にフッ素樹脂又はフッ化黒鉛粒子が共析した貴金属複合めっき皮膜を形成した燃料電池用金属セパレータが提案されている（特許文献１参照）。また、貴金属皮膜を形成した金属板の表面に平行且つ直線状の多数本のガス流通路溝を設けたセパレータ板と、セパレータ板の周縁を固定する耐熱性且つ耐酸性のプラスチック枠部とからなり、プラスチック枠部には、ガス流通路管、誘導凹溝等が形成されている、固体高分子型燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献２参照）。これら特許文献１，２に記載されているセパレータは、共に、金属製の素材板の表面に金めっきを被覆したものである。

特開２０００−３６３０９号公報（要約書）特開２００３−２２３９０５号公報（要約書）

しかしながら、上記特許文献１，２に記載されたセパレータにおいては、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板に対する密着性が低下し、これによりセパレータの接触抵抗が上昇し、高い発電効率を長時間にわたって維持することができないという問題があった。

本発明は、上記従来技術が抱える問題を解決すべくなされたものであり、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止し、これによりセパレータの接触抵抗の低下を防止した燃料電池用金属製セパレータ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止する手段について鋭意、研究を重ねた。その結果、上記特許文献１，２に記載された技術により得られる通常のセパレータにおいては、導電性介在物と金の被覆層との間に、導電性介在物の成分と金とからなる化合物層は確認されないが、金めっき後に、さらに不活性ガス雰囲気で熱処理を施した場合には、導電性介在物と金の被覆層との間に、導電性介在物の金属元素（導電性介在物がＣｒ_２Ｂの場合はＣｒ）と金とが混在している領域が存在するとの知見を得た。これは、導電性介在物と金の被覆層との間に、導電性介在物の成分から金へとその成分が連続的に変化する化合物層が生成するためである。また、本発明者等は、このような化合物層が形成された場合には、導電性介在物と金との密着性が向上し、金の被覆層の素材板からの剥離が防止されるとの知見を得た。さらに、本発明者等は、上記導電性介在物として、Ｃｒ_２Ｂ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ又はＣｒＣ等を使用した場合に、それぞれ熱処理を施すことによって金との化合物が好適に形成されることを確認した。なお、導電性介在物と金の被覆層との間に上記化合物層が形成されているか否かは、表面を深さ方向にスパッタリングしながらオージェ分析を行い、表面から深さ方向の元素分析を行えば確認することができる。

本発明の燃料電池用金属製セパレータは、以上の知見に基づいてなされたものであり、耐食性を有する素材板の表面に導電性介在物が突出し、上記導電性介在物の上方に金の被覆層を備え、上記導電性介在物と上記金の被覆層との間に、上記導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を備えることを特徴としている。

また、本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造方法は、上記燃料電池用金属製セパレータを好適に製造する方法であって、導電性介在物が突出する素材板の表面に不動態化処理を施し、次いで下地処理を施さずに上記導電性介在物上に直接金めっきを行って金の被覆層を形成し、さらに不活性ガス中で加熱処理を行なって上記導電性介在物と上記金の被覆層との間に、上記導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を形成することを特徴としている。

本発明によれば、導電性介在物と金の被覆層との間に、導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を形成することにより、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止し、ひいては、セパレータの接触抵抗の低下を防止することができる。従って、本発明のセパレータを使用した燃料電池は、高い発電効率を長時間にわたって維持することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造過程において、その要部を示す概念図である。本発明の燃料電池用金属製セパレータを製造する際には、先ず、導電性介在物が突出する素材板の表面に不動態化処理を施し、次いで下地処理を施さずに導電性介在物上に直接金めっきを施して導電性介在物上に金の被覆層を形成する。この状態では、図１（ａ）に示すように、導電性介在物上に金の被覆層が積載されている。また、図１（ｂ）に図１（ａ）の要部を拡大して示すように、導電性介在物と金の被覆層との間には、他の層は存在しない。

次いで、金属製セパレータに不活性ガス中で加熱処理を施すことにより、図１（ｂ）に示す部分が図１（ｃ）に示すように変化する。即ち、この状態では、図１（ｃ）に示すように、導電性介在物と金の被覆層との間に、導電性介在物の成分と金とからなる化合物層が形成されている。以上に示した、上記加熱処理による化合物層の生成によって、導電性介在物と金の被覆層との間には、導電性介在物の成分から金へとその成分が連続的に変化する化合物層が介在することとなる。このため、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止することができ、ひいては、セパレータの接触抵抗の低下を防止することができる。

次に、本発明の実施例を説明する。
Ａ．セパレータの製造
［比較例］
表１に示す成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を厚さ０．２ｍｍまで圧延し、この圧延鋼から１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形状の薄板を切り出して得た。次に、この薄板をプレス成形して、図２に示すようなセパレータの素材板を得た。この素材板は、中央に断面凹凸状の発電部を有し、その周囲に平坦な縁部を有している。また、この素材板は、成分中のＢが、Ｍ_２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ_２３（Ｃ，Ｂ）_６型の硼化物として金属組織中に析出しており、これら硼化物がセパレータの表面に導電経路を形成する導電性介在物である。

次いで、素材板の両面に不動態化処理を施して素材板の表面に強固な酸化被膜を形成した。不動態化処理は、素材板をアセトンで１０分間脱脂洗浄後、５０℃に保持した５０ｗｔ％硝酸液浴の中に１０分間浸漬することによって行った。不動態化処理後は常温水による１０分間の洗浄を２回行い、この後、乾燥させた。次に、素材板の両面に金めっきを行った。金めっきは、３０℃に保持し、電流密度が１Ａ／ｄｍ^２に設定された青化金（３ｇ／Ｌ）のめっき浴に１０分間浸漬することにより行った。金めっき後、常温水による１０分間の水洗を２回行い、比較例のセパレータを得た。

［本発明例］
上記比較例のセパレータを作製する際に採用した、不動態化処理、洗浄、乾燥、金めっき及び水洗を行なった後、さらに、３００℃のＡｒ雰囲気中で３，５，１０，２０，１００分間熱処理を行なって本発明例１〜５のセパレータを得た。各本発明例では、この熱処理により、上記比較例では確認されなかったＡｕ−Ｃｕ化合物層が、導電性介在物と金の被覆層との間に存在することが確認された。この化合物層の一例（熱処理時間１０分：本発明例３）について、Ａｕ／（Ａｕ＋Ｃｒ）及びＣｒ／（Ａｕ＋Ｃｒ）と金の被覆層の界面付近からの距離との関係を図３に示す。また、上記熱処理時間と化合物層の厚さとの関係を表２に示す。

Ｂ．比較例及び本発明例についての、初期接触抵抗の測定
接触面圧１０ｋｇ／ｃｍ^２、２５℃の時の初期接触抵抗をそれぞれ測定した。これらの結果を表３及び図４に示す。

表３及び図４によれば、熱処理を施してＡｕ−Ｃｒ化合物層が形成された各セパレータ（本発明例１〜５）と、熱処理を施さずに化合物層が確認されないセパレータ（比較例）とについて、初期接触抵抗の値に差異はないことが判る。

Ｃ．比較例及び本発明例についての、通電後の接触抵抗の測定
７５℃での通電を４時間行なった後、２５℃で１時間放置するテストを２５０サイクル、計１２５０時間の耐久テストを行った。接触抵抗の測定は接触面圧を１０ｋｇ／ｃｍ^２とし、２５℃で行った。この結果を表３及び図４に併記する。

表３及び図４によれば、熱処理を施していない（Ａｕ−Ｃｒ化合物層が確認されない）比較例については、耐久後の接触抵抗は著しく上昇することが判る。一方、熱処理を施した（Ａｕ−Ｃｒ化合物層が１ｎｍ以上の）各本発明例については、接触抵抗の上昇はほとんど見られないことが判る。これは、熱処理を施して、導電性介在物と金の被覆層との間にＡｕ−Ｃｒ化合物層を形成することにより、導電性介在物と金の被覆層との密着性が向上し、金の被覆層の剥離が防止されるためである。

本発明の燃料電池用金属製セパレータは、燃料電池の発電時において、金の被覆層の素材板からの剥離を防止し、ひいては、セパレータの接触抵抗の低下を防止することができるため、高い発電効率を長時間にわたって維持することが要請されている各種電源として使用することができ、特に、自動車産業、電機機器産業、並びに通信産業等の幅広い分野で使用することができる。

本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造過程において、その要部を示す概念図であり、（ａ）は熱処理前のセパレータの要部を示し、（ｂ）は(ａ）の一部を示す拡大図であり、（ｃ）は、熱処理後の（ｂ）に対応する部分を示す。比較例及び各本発明例で製造されるセパレータの素材板の写真である。本発明例３の化合物層について、Ａｕ／（Ａｕ＋Ｃｒ）及びＣｒ／（Ａｕ＋Ｃｒ）と金の被覆層の界面付近からの距離との関係を示すグラフである。比較例及び本発明例１〜５についての、初期接触抵抗及び通電後の接触抵抗と、Ａｕ−Ｃｒ化合物層の厚さとの関係を示すグラフである。

Claims

耐食性を有する素材板の表面に導電性介在物が突出し、前記導電性介在物の上方に金の被覆層を備える燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記導電性介在物と前記金の被覆層との間に、前記導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を備えることを特徴とする燃料電池用金属製セパレータ。
導電性介在物が突出する素材板の表面に不動態化処理を施し、次いで下地処理を施さずに前記導電性介在物上に直接金めっきを行って金の被覆層を形成し、さらに不活性ガス中で加熱処理を行なって前記導電性介在物と前記金の被覆層との間に、前記導電性介在物の成分と金とからなる化合物層を形成することを特徴とする燃料電池用金属製セパレータの製造方法。