JP4041308B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池が備えるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）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。
【０００３】
上記セパレータは、負極側の水素ガスの触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。
【０００４】
このような金属製セパレータにおいては、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような発電部と非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。
【０００６】
よって本発明は、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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電部と、この発電部の外周側に一体に設けられる非発電部とを有する燃料電池用セパレータであって、発電部と非発電部とが異なる材質で構成され、発電部が電導性部材からなり、非発電部が非電導性部材のみからなることを特徴としている。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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の一実施形態を説明していくが、その前に、一実施形態と基本構成は同じであるものの、本発明とは異なる図１に示すセパレータ１を、まず説明する。このセパレータ１は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２０Ａ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１０Ａ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。
【００１２】
このセパレータ１の素材であるステンレス鋼板は、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。
【００１３】
セパレータ１の素材であるステンレス鋼板としては、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、Ａｌ：０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｎ：０．３ｗｔ％以下、Ｃｕ：０〜３ｗｔ％、Ｎｉ：７〜５０ｗｔ％、Ｃｒ：１７〜３０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜７ｗｔ％、残部がＦｅ，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。
【００１４】
次に、上記セパレータ１の製造方法の一例を説明する。
（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。しかしながらこの場合では、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。
【００１５】
（２）次に、所定寸法に切り出した素材をプレス成形し、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。
【００１６】
上記方法によれば、発電部１０Ａの表面は、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１０Ａ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。
【００１７】
上記セパレータ１によれば、発電部１０Ａ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２０Ａの高い耐食性の双方が両立するものとなっている。
【００１８】
次に、本発明の一実施形態を説明する。
図３は一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。このセパレータ２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。
【００１９】
本実施形態のセパレータ２にあっては、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（すなわち樹脂のみからなる）ことから高い耐食性を示す。したがって、上記セパレータ１と同様に、発電部１０Ｂの高い導電性と非発電部２０Ｂの高い耐食性の双方が両立するものとなっている。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータによれば、発電部と、この発電部の外周側に一体に設けられる非発電部とを有する燃料電池用セパレータであって、発電部と非発電部とが異なる材質で構成され、発電部の表面が電導性を有し、非発電部が非電導性部材のみからなることを特徴とすることから、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 セパレータの基本的構成の一例を示す平面図である。
【図２】 図２に示したセパレータの一部断面図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係るセパレータの平面図である。
【図４】 一実施形態のセパレータの一部断面図である。
【符合の説明】
２…セパレータ
１０Ｂ…発電部
１１…ガス流路
１２…凸部
２０Ｂ…非発電部

Claims (2)

  1. 発電部と、この発電部の外周側に一体に設けられる非発電部とを有する燃料電池用セパレータであって、前記発電部と前記非発電部とが異なる材質で構成され、発電部の表面が電導性を有し、非発電部が非電導性部材のみからなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
  2. 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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