JP2006190503A - 固体高分子型燃料電池用金属セパレータとその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレス成型が可能で安価な金属材料に固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ）用金属セパレータとして必要とされる十分な耐食性と電極基板との接触導電性とを両立する事ができる安価で且つ迅速に行える表面処理技術を確立する。
【解決手段】 ＰＥＦＣ用金属セパレータにおいて、金属表面の耐食性を担っている不動態被膜が電極基板となるカーボンペーパーとの接触抵抗を増加させている事に着目し、導電性粒子とゴム系バインダーを分散させたアルコール中に金属を浸漬またはその状態で電場を印加する事により、耐食性を低下させることなく、金属表面に導電性被覆層を形成させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下ＰＥＦＣと言う）の金属セパレータとその製造方法に関する。

ＰＥＦＣは、高発電効率、低温作動等の特徴を有し、環境調和性にも優れているため、自動車駆動用電源、携帯機器電源、据え置き型分散電源としての期待は年々高まりを見せているが、ＰＥＦＣの実用化には、低コスト化技術の開発が大きな課題となっており、特に電池系においては、低コスト電解質膜及びセパレータ材料の開発、水素製造装置においては、構造及び製造プロセスの改善と触媒の高性能化による低温化及び小型化等が重要な開発技術となる。

セパレータは、低コスト化が期待される構成部品の一つである。セパレータは、積層してスタックを作る際にセル間に介在させる板状の部品であり、表面には燃料ガスと酸化剤ガスを電極に送り込む為の案内溝が設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを接触させない役割を持っている。また、セパレータに必要な条件としては、導電性（接触抵抗が充分に低い事）、劣化（腐食）しない事、気体不透過である事、十分な強度・寸法安定性を有する事、量産可能な事である。

従来からの樹脂含浸黒鉛材を用いたグラファイト製セパレータは、高耐食性と高電気伝導性などの長所を持っている一方で、切削法によって成形している為、量産性が悪く、高価なものとなっている。

また、グラファイト製セパレータを薄肉化すると強度が落ちてしまう為、ある程度の厚さが必要とされる事から、結果としてセルサイズが大型化してしまうという問題点を有している。

セパレータの薄肉化・低コスト化という観点から、プレス成形が可能である金属セパレータの研究・開発が行われており（特開平０７−１６１３６５号公報）、試作したセパレータをＰＥＦＣ内に組み込み評価した結果、金属セパレータの候補材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等が検討されており、中でもステンレス鋼は、安価で且つ耐食性が高いため、ＰＥＦＣ用金属セパレータ材料として最も期待されている。

しかしながら、表面処理をしていないステンレス鋼をそのままセパレータとして使用すると、電気絶縁性の不働態被膜が時間の経過と共に成長し、電極基板／ステンレス鋼の接触抵抗が増加する為、多量のジュール熱が発生し、大きな熱損失となる事から、ステンレス鋼表面の改質が必須となっている。

このステンレス鋼表面を改質して接触抵抗を小さくする方法として、例えば金属表面に貴金属をコーティングする方法があり（特開平０５−１８２６７９号公報）、その代表的なコーティング法として貴金属メッキ法がある（特開平１０−２２８９１４号公報）。貴金属は電極基板となるカーボンペーパーとの接触抵抗が小さく、しかも、耐食性に優れた材料である。

また、他の改質法として導電性粒子をコーティングすることが従来から知られており、例えば、導電性粒子をステンレス鋼表面に直接分散させ、それを圧延と熱処理によって固着させる方法（特開平１１−１２１０１８号公報）やイオンプレーティング法（特開２００１−３２５９６６号公報）がある。

更に、バインダーを含む導電性粒子を金属表面に塗装するという手法もあり、例えば、樹脂と導電性炭化物を混合する事により、ディッピング、スプレー、ハケ塗り、電着により塗装を施し、導電性粒子層を焼き付ける方法もある（特開２００４−１１１０７９号公報）。
特開平０７−１６１３６５号公報 特開平０５−１８２６７９号公報 特開平１０−２２８９１４号公報 特開平１１−１２１０１８号公報 特開２００１−３２５９６６号公報 特開２００４−１１１０７９号公報

ステンレス鋼は、その表面に形成された緻密な不働態被膜によって耐食性を有するが、その不働態被膜が電極基板となるカーボンペーパーとの接触抵抗を高くする事により、ステンレス鋼／電極基板で多量のジュール熱が発生し、大きな熱損失となる事から、ＰＥＦＣの発電効率を低下させてしまう。

そこで、ステンレス鋼をＰＥＦＣ用セパレータとして用いる場合には、ＰＥＦＣの発電効率の損失を防ぐ為に、ステンレス鋼の表面に安定な導電性粒子を介在させ、電子の通路を設ける事が必要となるのである。

この事から、前記貴金属のメッキ法が知られているが、このメッキ法では、メッキ層にピンホールなどの欠陥を含み、この欠陥を起点に孔食等の局部腐食が発生してしまうという欠点がある。また、ステンレス鋼へのメッキでは密着性の高い鍍膜を安定して得る事が難しい事に加え、貴金属メッキである為、非常に高価なものになってしまう事である。

また、前記の如く導電性粒子をステンレス鋼表面に直接分散させた後、圧延と熱処理によって固着させる方法やイオンプレーティング法では、装置及びその設備費用が大掛かりとなってしまう。

更に、バインダーを用いて導電性粒子を固定させる方法として、ディッピング、スプレー、ハケ塗り、静電塗装、電着塗装などが知られているが、これらの塗装方法では、バインダーの種類と分散媒との組み合わせによって作業性が悪くなる。

特に、高粘度の塗料を使用すると、塗膜の厚さの制御が容易でない上、乾燥に時間がかかるなどの問題点がある。

また、分散媒に水を使用すると、乾燥に時間がかかる事や電着塗装時に水の電気分解が生じるなどの問題点がある。

一方、分散媒として有機溶剤を使用すると、その種類によってはバインダーが上手く分散しない場合もある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたもので、安定で緻密な導電性被覆層を低コストで且つ迅速にステンレス鋼表面に形成させる事を可能にしたＰＥＦＣ用金属セパレータとその製造方法を提供するものである。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータは、分散媒としてアルコールを使用した分散浴中に導電性粒子およびゴム系バインダーを分散させ、この分散浴中において表面処理する事により得るようにしたものである。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータは、分散媒としてアルコールを使用した分散浴中に導電性粒子およびゴム系バインダーを分散させ、この分散浴中において表面処理を行って得るようにした事から、ステンレス鋼をこの分散浴に浸漬させるだけでも、ステンレス鋼の耐食性を低下させる事なく、ステンレス鋼表面に導電性被覆層を形成させる事が可能となった。更に、ステンレス鋼に適当な電圧を印加する場合は、非常に短時間で導電性被覆層の形成が出来る上にその被覆層の厚さを自由に制御する事が可能となった。

また、分散媒にアルコールを使用している為、ステンレス鋼を分散浴から引き出すと同時に、ほぼ乾燥するので乾燥処理が不要となった。

これらの事から、ステンレス鋼本来の耐食性を活かし、電極基板となるカーボンペーパーとの接触抵抗を低くしたＰＥＦＣ用金属セパレータを安価で且つ迅速に提供する事が可能となった。

本発明による分散浴を用いる事により、前記電着塗装に限定する事なく、ディッピング、スプレー、ハケ塗り、静電塗装などの塗装法を用いても、同様の効果が得られた。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータとその製造方法の最良形態について説明すると、金属セパレータの基材としてオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼を使用し、その基材の表面粗度をＲ_ｙ０．２〜０．３μｍに仕上げたものをアセトン、メタノールの順に超音波洗浄を行う。

次いで、分散媒に２−プロパノール、導電性粒子に炭化タングステン、ゴム系バインダーにジエン系バインダーを使用し、これらを混合する事により分散浴とする。

そして、前記分散浴中における導電性粒子の分散比を０．３６ｗｔ％、また、ゴム系バインダーとしてのジエン系バインダーの分散比を０．２７ｗｔ％とし、超音波振動させる事で充分に分散させ、前記ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼による基材を浸漬させ、白金対極を使用し、前記基材表面に２分間、５００Ｖの電圧を印加する事で導電性被覆層を形成するようにしたものである。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータとその製造方法の実施例１について説明すると、その金属セパレータの基材としてオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼を用い、その基材の表面粗度をＲ_ｙ０．２〜０．３μｍに仕上げたものをアセトン、メタノールの順に超音波洗浄を行なった。

次いで、分散媒とするアルコール類はメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールなどのアルコールの内、２−プロパノール（和光純薬工業株式会社 特級）を選定し、導電性粒子には、カーボン、炭化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化タングステン、窒化チタンなどの内、炭化タングステン（ニラコ製 純度９９．５％ 粒径１μ）を選定し、ゴム系バインダーには、ジエン系、アクリレート系の内、ジエン系バインダー（ＢＭ−４００Ｂ 日本ゼオン製）を選定し、これらを混合する事により分散浴とした。

そして、前記分散浴中における導電性粒子の分散比を０．０７〜０．７ｗｔ％、また、ジエン系バインダーの分散比を０．０５〜０．５ｗｔ％とし、これらを任意の分散比で分散媒中に混合し、超音波振動させる事で充分に分散させた。次いで、導電性被覆層を形成させるため、ディピング、スプレー、ハケ塗り、静電塗装、電着塗装などの表面処理の内、電着塗装法を用いて、前記ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の基材を浸漬させ、白金対極を使用し、図１に示すように、前記基材表面に任意の時間、電圧を印加する事で図２のような導電性被覆層を電着塗装により形成した。

２−プロパノール中に炭化タングステンを０．３６ｗｔ％、ジエン系バインダーを０．２７ｗｔ％分散させ、ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の表面に２分間、５００Ｖの電圧を印加する事により形成した導電性被覆層と電極基板となるカーボンペーパー間の接触抵抗を図３のように交流４端子法により評価した結果を図４に示す。接触圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の時、未処理のＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼が１３０ｍΩ・ｃｍ^２であったのに対し、導電性被覆層が形成させたＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼は１０ｍΩ・ｃｍ^２となり、カーボンセパレータの母材である樹脂含浸黒鉛材（東海カーボン製）の９ｍΩ・ｃｍ^２に近い値となった。

特に腐食性が厳しいと言われている酸素極電位域を模擬する為に、図５に示すように、３５３Ｋ、空気飽和の０．０５Ｍ Ｎａ_２ＳＯ_４＋２ｐｐｍＦ⁻水溶液（ｐＨ＝２）中で、６００ｍＶ ｖｓ．ＳＣＥで８時間の条件により、導電性被覆層を形成させたＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の定電位分極測定を行った結果、全面腐食や局部腐食に起因する電流密度の増加は観察されなかった。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータとその製造方法の実施例２について説明すると、前記実施例１において開示した分散浴中のジエン系バインダーをアクリレート系バインダー（ＢＭ−５００Ｂ 日本ゼオン製）に置き換え、電着塗装によりＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の表面へ導電性被覆層を形成した。

前記実施例１において開示した電着塗装条件で、ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼表面上に形成した導電性被覆層と電極基板となるカーボンペーパー間の接触抵抗を交流４端子法により評価した結果、接触圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の時、未処理のＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼が１３０ｍΩ・ｃｍ^２であったのに対し、導電性被覆層が形成させたＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼は、１５ｍΩ・ｃｍ^２となり、カーボンセパレータの母材である樹脂含浸黒鉛材（東海カーボン製）の９ｍΩ・ｃｍ^２に近い値となった。

特に腐食性が厳しいと言われている酸素極電位域を模擬する為に、３５３Ｋ、空気飽和の０．０５Ｍ Ｎａ_２ＳＯ_４＋２ｐｐｍＦ⁻水溶液（ｐＨ＝２）中で、６００ｍＶ ｖｓ．ＳＣＥで８時間の条件により、導電性被覆層を形成させたＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の定電位分極測定を行った結果、全面腐食や局部腐食に起因する電流密度の増加は観察されなかった。

本発明によるＰＥＦＣ用金属セパレータは、ステンレス鋼本来の耐食性を活かし、アルコール中でステンレス鋼表面上に導電性被覆層を形成させる事により、セパレータ／電極基板との接触抵抗を小さくでき、安価で且つ迅速に提供する事が出来る。

導電性粒子の電着塗装時間と電着塗膜量の関係を示す図。電着塗装条件は、基板：ＳＵＳ３１０Ｓ、電圧：５００Ｖ、分散媒：２−プロパノール、導電性粒子：炭化タングステン、バインダー：ＢＭ−４００Ｂである。 ステンレス鋼上に形成した導電性被覆層を示す図。 交流４端子による接触抵抗の測定方法を示す図。 電着塗装時間の違いによる接触抵抗と荷重の関係を示す図。（３種類の電着塗装時間と接触抵抗との関係を表す） 電着塗装条件は、図１と同様である。塗装時間は、▲：３００ｓｅｃ、●：１２０ｓｅｃ▲黒四角▼：６０ｓｅｃ、である。 材質及び表面処理の違いによる接触抵抗と荷重の関係を示す図。（本法の表面処理と他材質との接触抵抗の比較を表す） □：ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼、○：ＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼＋導電性被覆層、△：Ｇ３４７Ｂ（グラファイト）である。なお、電着塗装条件は、基板：ＳＵＳ３１０Ｓ、電圧：５００Ｖ、塗装時間：１２０ｓｅｃ、分散媒：２−プロパノール、導電性粒子：炭化タングステン、バインダー：ＢＭ−４００Ｂである。 本法による炭化タングステンを電着塗装したＳＵＳ３１０Ｓステンレス鋼の電流密度と経時変化を示す図。電着塗装条件は、図５と同様である。

符号の説明

１…ステンレス鋼
２…導電性被覆層
３…ロードセル
４…絶縁板
５…金メッキ銅板
６…カーボンペーパー

Claims (7)

1. 分散媒としてアルコールを使用した分散浴中に、導電性粒子およびゴム系バインダーを分散させ、表面処理した事を特徴とする固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
2. 前記分散浴中において、ディッピング、スプレー、ハケ塗り、静電塗装、電着塗装により表面処理した事を特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
3. 前記分散浴中の分散媒が、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールの内１種類以上のアルコールである事を特徴とする請求項１〜２記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
4. 前記分散浴中の導電性粒子が、カーボン、炭化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化タングステン、窒化チタンの内１種類以上の導電性粒子を用いた事を特徴とする請求項１〜３記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
5. 前記分散浴中のゴム系バインダーが、ジエン系またはアクリレート系である事を特徴とする請求項１〜４記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
6. 前記分散浴中の導電性粒子の分散比が０．０７〜０．７ｗｔ％、ゴム系バインダーの分散比が０．０５〜０．５ｗｔ％である事を特徴とする請求項１〜５記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータ。
7. 請求項１〜６記載の固体高分子型燃料電池用金属セパレータの製造方法。

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