JP4719948B2

JP4719948B2 - 固体高分子型燃料電池用セパレータ

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Publication number: JP4719948B2
Application number: JP17001299A
Authority: JP
Inventors: 由弘中井; 豪太郎田中; 健史宮崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2019-06-16
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびその製造方法に関し、特に、高分子電解質膜を有する固体電解質型燃料電池である固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に使用するセパレータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスを燃料とし、酸素ガスを酸化剤とする固体高分子型燃料電池は、たとえば図１に示すようなセル構造を有する。セル１０において、高分子電解質膜１１の両側には、触媒が付与された負極（水素極）１２および正極（酸素極）１３が設けられ、さらにそれらを挟むように、セパレータ１４および１５が設けられる。セパレータ１４および１５は、それぞれ、水素供給用通路（溝）１６および酸素供給用通路（溝）１７を有する。水素ガスおよび酸素ガスは、それぞれ外から供給孔（図示省略）を介して通路１６および１７に導かれ、それぞれ負極１２および正極１３に供給される。
負極側では、次式で示す反応が起こり、
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
正極では、次式で示す反応が起こり、
１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全反応は、次式で表される。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
上で示すように、負極では、Ｈ⁺が生じるため、セパレータは、耐酸性を有する必要がある。また、セパレータは、正極側において酸素に晒されるため、耐酸化性を有する必要がある。このようにセパレータには、耐食性が要求される。さらに、燃料電池の内部抵抗を低く抑えるため、セパレータの電気抵抗は、低いことが望ましい。加えて、寸法（特に厚み）の精度、平坦度（そりが少ないこと）、気密性（ガスの透過防止）、加工性、強度、軽量であること、低コスト等が、セパレータに要求される。
【０００３】
従来、固体高分子型燃料電池用セパレータの材料として、黒鉛が有力であるとされてきた。しかし、黒鉛は、次のような欠点を有している。黒鉛のセパレータは、切削加工により形成されるため、その加工費は極めて高く、そのコストの低減には限界がある。自動車等の車両に搭載する燃料電池では、低コストであることが最も重要な課題の１つであるため、この点で黒鉛のセパレータは不利である。また、黒鉛は脆く、したがって、振動の多い用途、たとえば自動車等の車両に搭載する燃料電池において、割れの発生が懸念される。黒鉛は、耐久性の点でも不利である。
【０００４】
一方、通常の加工された金属材料は、加工性、強度、コストの点で有利であるが、耐食性に劣り、使用している間にその電気抵抗が増加し、燃料電池の特性を劣化させてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の１つの目的は、上述した従来技術の課題に鑑み、以下の点を有する固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することである。
（１）良好な耐食性。
（２）使用の間、電気抵抗の変化が少ない。
（３）良好な加工性。
（４）低コスト。
（５）高い疲労強度および良好な耐久性。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明により、高分子電解質膜に積層される正極または負極に酸化剤または燃料を供給するための通路を有するセパレータであって、金属材料層と、金属材料層を覆う保護層とからなるセパレータが提供される。このセパレータにおいて、金属材料層は、少なくとも保護層と接する部分に、１０μｍ以上の平均結晶粒径を有する該金属材料の多結晶組織を有し、かつ保護層は、金属窒化物を含有する。さらに、保護層におけるＮ含量は、保護層の表面から内部にいくにしたがって減少しており、保護層の、金属材料層との境界領域には、金属窒化物が含まれない。
【００１０】
本発明によるセパレータにおいて、金属窒化物は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｈｆ、Ｈｆ合金、Ｖ、Ｖ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金、ＴａおよびＴａ合金の窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも１種とすることができる。
【００１１】
本発明によるセパレータにおいて、金属材料は、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、ＴｉおよびＴｉ合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種とすることができる。
【００１２】
好ましい一つの態様において、金属窒化物は、Ｔｉの窒化物であり、かつ保護層は、Ｔｉの窒化物としてＴｉＮおよびＴｉ₂Ｎの少なくとも１種を含む。もう一つの好ましい態様において、金属窒化物は、Ｃｒの窒化物であり、かつ保護層は、Ｃｒの窒化物としてＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、ＣｒＮ₂およびＣｒ（Ｎ₃）₃よりなる群から選ばれた少なくとも１種を含む。
【００１３】
また、本発明により、金属材料は、第１の金属を含み、金属窒化物は、第１の金属と異なる第２の金属の窒化物であり、かつ金属窒化物は、第１の金属上に堆積された第２の金属を窒化することにより形成されたものであるセパレータを提供することができる。この場合、第１の金属は、ステンレス鋼とすることができ、かつ第２の金属は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＣｒおよびＣｒ合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明によるセパレータは、金属を使用する。金属は、塑性加工等により、高い精度で加工することができ、しかも、コストの低減に寄与する。本発明では、この金属の少なくとも表面に、平均結晶粒径が１０μｍ以上の多結晶組織を形成させる。このような結晶組織は、比較的高い導電率を有し、耐食性を有する。後に具体的に示すように、１０μｍ以上の平均結晶粒径を有する組織は、導電率および耐食性の点で、顕著な効果をセパレータにもたらし、その結果、長期の温度サイクルを伴う環境下での燃料電池の使用において出力特性の低下が抑えられる。一方、平均結晶粒径が１０μｍより小さい場合、そのような顕著な効果は得られない。平均結晶粒径が１０μｍ以上の組織は、セパレータを構成する金属材料の一部（耐食性が問題となる酸化剤または燃料に接触すべき表面部分を少なくとも含む）に設けてもよいし、当該金属材料全体が、そのような組織を有していてもよい。金属材料組織における平均結晶粒径は、たとえば、ＪＩＳによる求積法によって求めることができる。
【００１５】
本発明によるセパレータにおいて、平均結晶粒径が１０μｍ以上の金属組織は、加工組織を実質的に残存させていない再結晶組織であることが好ましい。平均結晶粒径が１０μｍ以上の金属組織は、一般に、当該金属の加工後、当該金属の融点（絶対温度）の約１／３〜１／２程度の温度で加熱することにより、得ることができる。そのような加熱により、加工における塑性変形によって生じた欠陥、転位等が解消され、再結晶が起こり、加工組織が再結晶組織に置き換わる。本発明において、耐食性を有する組織の好ましい平均結晶粒径の範囲は、１０μｍ〜１００μｍであり、より好ましい範囲は、２０μｍ〜５０μｍである。
【００１６】
また、本発明において、平均結晶粒径が１０μｍ以上の金属組織の表面を金属窒化物を含む保護層で覆ってもよい。窒化物を含む保護層は、セパレータの耐食性にさらに寄与し、使用の間の電気抵抗の上昇を効果的に阻止する。この保護層は、金属の窒化処理、あるいは、スパッタリング、ＣＶＤ等の蒸着等によって形成できる。さらに、この保護層において、Ｎ含量（またはＮ濃度）は保護層の表面から内部にいくにしたがって減少することが好ましい。すなわち、保護層において、金属窒化物の含量または濃度は、表面から内部にいくにしたがって減少いていることが好ましい。このような組成を有する保護層は、下地の金属との密着性がよく、下地から剥離しにくい。また、急激な組成変化が抑制された保護膜は、高い疲労強度を有し、使用中に亀裂が発生しにくく、良好な耐久性を有することができる。
【００１７】
図２は、本発明によるセパレータの断面構造の一例を示す。燃料ガスまたは酸化剤ガスのための通路５を有するセパレータ１は、金属材料からなる。この金属材料の全体または少なくとも通路５を形成する表面部分１ａは、平均結晶粒径が１０μｍ以上の多結晶組織、好ましくは再結晶組織からなる。
【００１８】
図３は、本発明によるセパレータの断面構造のもう一つの例を示す。燃料ガスまたは酸化剤ガスのための通路２５を有するセパレータ２０において、金属材料層２１は、金属窒化物を主成分とする保護層２２で覆われている。保護層２２において、Ｎまたは窒化物の含量または濃度は、図４（ａ）に示すように段階的に減少してもよいし、図４（ｂ）に示すように連続的に（単調に）減少してもよい。また、保護層において、Ｎまたは窒化物の含量または濃度は、図４（ｃ）に示すように深さ方向に対してほぼ一定でもよい。図４（ｃ）の場合、ほぼ均一な組成の窒化物膜が金属層上に形成されている。特定的には、保護層２２は、いわゆる傾斜組成膜であることが好ましい。好ましい態様において、保護層の最表面において、Ｎ含量または窒化物含量は最大である。好ましい１つの態様において、保護層の最表面では、金属の略全体が窒化されており、一方、内部では窒化物と金属の複合材料層が形成され、保護層２２と金属材料層２１の境界領域では、窒化物は、ほとんど含まれなくなる。複合材料層において、窒化物の濃度または体積率は、内部にいくにしたがって減少し、金属の濃度または体積率は、内部にいくにしたがって増加する。
【００１９】
保護層２２に含まれる金属種と金属材料層２１に含まれる金属種とは、同じでもよいし、異なっていてもよい。両者が同じ場合、用意した金属材料をその表面から窒化することにより、保護層を得ることができる。両者が異なる場合、たとえば、用意した金属材料上に他の金属を堆積し、堆積された金属を窒化することにより、保護層を得ることができる。いずれの場合も、金属材料層は、平均結晶粒径が１０μｍ以上の組織を有する。両者が同じ例を図５に示す。図５に示すセパレータ４０において、金属材料層４１は、Ｔｉからなる。保護層４２は、Ｔｉの窒化物（ＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎ）を主成分とし、その表面はＴｉの窒化物、特にＴｉＮで占められる一方、内部は、Ｔｉの窒化物とＴｉとの複合体であり、Ｎ含量は、内部にいくにしたがって減少する。セパレータ４０の表面および裏面には、それぞれ燃料および酸化剤のための通路４５ａおよび４５ｂが形成されている。両者が異なる例を図６に示す。図６に示すセパレータ５０において、金属材料層５１は、アルミニウムまたはステンレス鋼からなる。保護層５２は、Ｔｉの窒化物（ＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎ）またはＣｒの窒化物（ＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、ＣｒＮ₂、Ｃｒ（Ｎ₃）₃）を主成分とし、その表面は窒化物で占められる一方、内部は、窒化物とＴｉまたはＣｒとの複合体であり、Ｎ含量は、内部にいくにしたがって減少する。セパレータ５０の表面および裏面には、それぞれ燃料および酸化剤のための通路５５ａおよび５５ｂが形成されている。
【００２０】
また、本発明によるセパレータにおいて、金属材料層は、１種の金属材料からなってもよいし、２種以上の金属材料からなってもよい。図７は、複数種の金属材料を使用した例を示す。セパレータ６０において、第１の金属材料６１ａ上に第２の金属材料６１ｂが重ねられている。第２の金属材料６１ｂが、窒化物を含む保護層６２で覆われる。たとえば、第１の金属材料をステンレス鋼またはＡｌとし、第２の金属材料をＴｉとすることができる。このような構造において、少なくとも第２の金属材料は、平均結晶粒径が１０μｍ以上の結晶組織を有する。
【００２１】
本発明によるセパレータにおいて、金属材料は、１０^-4Ω・ｃｍ以下の電気抵抗を有することが好ましく、１０^-5Ω・ｃｍ以下がより好ましい。金属材料は、たとえば、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、ＴｉおよびＴｉ合金よりなる群から選ぶことができる。セパレータを形成する金属材料の厚みは、０．２〜２．０ｍｍとすることができ、好ましくは、０．５〜１．０ｍｍとすることができる。一方、保護層の窒化物は、たとえば、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｈｆ、Ｈｆ合金、Ｖ、Ｖ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金、ＴａおよびＴａ合金の窒化物よりなる群から選ぶことができる。特に、電気抵抗の低い窒化物が好ましく、１０〜１０００×１０^-6の電気抵抗を有する窒化物が好ましく、１０〜５００×１０^-6の電気抵抗を有する窒化物がより好ましい。耐食性、低い電気抵抗、低い成膜コストの観点から、Ｔｉの窒化物（ＴｉＮの電気抵抗は２２〜１３０×１０^-6）およびＣｒの窒化物（Ｃｒの電気抵抗は６４０×１０^-6）がより好ましい。窒化物を含む保護層の厚みは、３〜５００μｍとすることができ、好ましくは、５〜５０μｍとすることができる。
【００２２】
本発明によるセパレータは、圧延加工等の塑性加工により適当な厚みにされた金属材料を適当な大きさに切出した後、プレス加工等の塑性加工により、酸化剤または燃料のための通路を含む適当な形状を金属材料につけ、次いで、上記塑性加工による加工組織を、熱処理により、平均結晶粒径が１０μｍ以上の再結晶組織に変えることによって製造することができる。
【００２３】
また、本発明により保護層を有するセパレータは、たとえば、図８（ａ）〜８（ｃ）に示すような方法により製造することができる。まず、図８（ａ）に示すように燃料または酸化剤の流路となる溝７５および必要に応じて孔などのその他の形状（図示せず）を有する金属板７１を調製する。溝等の必要な形状は金属板をプレス加工等の塑性加工することによって得ることができる。次いで、必要に応じて熱処理等により歪みを除去し、さらに必要に応じてプラズマエッチング等により金属板の表面を覆う酸化膜を除去する。次に図８（ｂ）に示すように、加工された金属板７１の清浄な表面から窒化処理を施す。上述した歪み除去のための熱処理または窒化処理における加熱工程において、平均結晶粒径が１０μｍ以上の再結晶組織を形成することができる。窒化処理は、窒素雰囲気下での加熱、プラズマ窒化法等の種々の窒化法により行なうことができる。特に、プラズマ窒化法は、アンモニア分解ガスやシアン化合物を用いた窒化法より、緻密な窒化膜を形成できる点で有利である。プラズマ窒化法では、たとえば、０．１〜１０Ｔｏｒｒの窒素混合ガス雰囲気下で、炉体を陽極、被処理物を陰極とし、数百ボルトの直流電圧を両極間に印加する。その結果、グロー放電が生じ、ネオンサインに似た柔らかい光が被処理物を覆い、その際、イオン化されたガス成分が、高速に加速され、被処理物に衝突し、加熱およびスパッタリング作用等により、窒化が進行する。窒素混合雰囲気には、たとえば、Ｎ₂：ＮＨ₃：ＣＯ₂＝１：１：０．０７の組成物を使用し、処理温度は、たとえば、５００〜１０００℃である。窒化処理の結果、金属板７１の表面が窒化され、図８（ｃ）に示すように、金属窒化物を主成分とする保護膜７２が形成される。
【００２４】
また、本発明によるセパレータは、図９（ａ）〜（ｄ）に示すような方法により製造してもよい。まず、図９（ａ）に示すように、表面が平坦な金属板８１を用意する。次いで、図９（ｂ）に示すように、金属板８１上に金属層８２を形成する。この工程は、クラッド、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電気めっき等のめっきなどにより行なうことができる。Ｔｉ層を形成する場合、クラッド、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤが好ましく、Ｃｒ層を形成する場合、クラッド、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電気めっきが好ましい。Ｃｒ層の形成は、安価に行なえる電気めっきを利用できるので、有利である。次いで、必要に応じて平滑化を行なった後、図９（ｃ）に示すように、溝８５などの必要な形状を有するよう金属板８１をプレス等により加工する。その後、必要に応じて熱処理等により歪みを除去し、さらに必要に応じて金属層８２の表面にできた酸化膜をプラズマエッチング等によって除去する。次いで、窒化処理を行ない、図９（ｄ）に示すように、金属層を窒化して、保護層９２を形成する。窒化は、上述と同様の方法により行なうことができる。このように、金属層を窒化することにより、良好な耐食性を有する窒化膜を安価に得ることができる。上述した窒化処理における加熱工程において、金属層に平均結晶粒径が１０μｍ以上の再結晶組織を形成することができる。
【００２５】
本発明によれば、０．２〜２．０ｍｍ、好ましくは０．５〜１．０ｍｍの厚みを有する比較的薄いセパレータを提供できる。また、本発明によれば、１００〜５００ｃｍ²の面積、好ましくは２００〜３００ｃｍ²の面積を有するセパレータを高い加工精度で提供できる。このようなセパレータは、４００枚程度のセルを有する燃料電池、特に自動車等の車両用の燃料電池に好適である。
【００２６】
【実施例】
参考例１
圧延加工した厚み１ｍｍのＳＵＳ３０４板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出し、プレス加工により溝つけを行なった。次いで、加工されたＳＵＳ板を１０８０℃の温度で１時間熱処理した後、急冷してセパレータを得た。得られたセパレータについてステンレス鋼の平均結晶粒径を求積法により算出したところ３０μｍであった。
【００２７】
実施例１
圧延加工した厚み０．５ｍｍのＳＵＳ４３０板（Ｆｅ−１８重量％Ｃｒ合金）を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出し、プレス加工により溝つけを行なった。次いで、その表面に電気めっきにより５０μｍの厚みのＣｒ層を形成した。クロムめっきには、１５０ｇ／ｌの無水クロム酸、２．０ｇ／ｌの硫酸、および１．５ｇ／ｌの硫酸クロムを含有し、１３．５のボーメ比重を有するめっき水溶液を用いた。溝つきＳＵＳ板をめっき浴につけ、５０℃の温度、１０Ａ／ｄｍ²の電流密度で電気めっきを行なった。その後、ＣｒめっきしたＳＵＳ４３０板を窒化した。窒化処理では、１Ｔｏｒｒの窒素混合ガス雰囲気下で、炉体を陽極、ＳＵＳ板を陰極とし、電極間に３００Ｖの直流電圧を印加した。この処理中、ＳＵＳ板は、６００℃に加熱され、窒素混合ガスとしてＮ₂：ＮＨ₃：ＣＯ₂＝１：１：０．０７の組成物が使用された。この処理によりＣｒ層が窒化され、保護皮膜を有するセパレータが得られた。
【００２８】
次いで、ＳＵＳ板を１０ｍｍ角のサイズに切出し、これを樹脂に埋め込み、研磨した後、その断面のＮ濃度の分布をＥＰＭＡ（エレクトロンプローブマイクロアナリシス）装置により測定した。その結果、図１０に示すように、Ｎの濃度は表面にいくほど高く、内部にいくにしたがってＮ濃度は減少し、約２０μｍほどの深さでＮが検出されなくなった。窒化物として、表面に近い部分にはＣｒＮが多く検出され、内部では、Ｃｒ₂Ｎが多く検出された。内部では、Ｃｒが残存していた。Ｃｒ窒化物を含有する皮膜の組織は緻密であった。また、Ｃｒに近いＳＵＳ４３０の部分およびＣｒの部分は、再結晶しており、それらの平均結晶粒径は約１２μｍであった。
【００２９】
実施例２
圧延加工した厚み１．０ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出し、その表面に溶射により１００μｍの厚みのＴｉ皮膜を形成した。次いで、プレス加工により、表面を滑らかにするとともに、溝付けを行なった。その後、Ｎ₂：ＮＨ₃：ＣＯ₂＝１：１：０．０７の組成を有する雰囲気下で、Ｔｉ被覆されたＳＵＳ板を９７３Ｋで５時間加熱して、表面に窒化膜を形成し、セパレータを得た。実施例１と同様にＥＰＭＡにより断面方向のＮ濃度の分布を測定した結果、図１１に示すように、表面から連続的にＮ濃度が低下し、約５０μｍの深さでＮがほぼ存在しなくなることが分かった。表面に近い部分は、ＴｉＮが優勢であり、内部では、Ｔｉ₂Ｎが検出された。図１１に示すように表面にいくほどＮ濃度が高い保護皮膜が得られた。ＳＵＳ３１０Ｓの組織は、加工組織をほとんど有さない再結晶組織であり、その平均結晶粒径は２０μｍであった。
【００３０】
実施例３
圧延加工した厚み０．８ｍｍのＳＵＳ３０４板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出し、その両面に溶射により１００μｍの厚みのＴｉ皮膜を形成した。次いで、プレス加工により、表面を滑らかにするとともに、溝付けを行なった。その後、Ｎ₂：ＮＨ₃：ＣＯ₂＝１：１：０．０７の組成を有する雰囲気下で、Ｔｉ被覆されたＳＵＳ板を４９０℃で５時間加熱して、表面に窒化膜を形成し、セパレータを得た。セパレータのステンレス鋼において少なくとも表面層は、再結晶組織であり、その平均結晶粒径は１７μｍであった。
【００３１】
実施例４
圧延加工した厚み０．９ｍｍのＳＵＳ３０４板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出し、プレス加工により溝つけを行なった。次いで、その表面に実施例１と同様に電気めっきにより５０μｍの厚みのＣｒ皮膜を形成した。その後Ｎ₂雰囲気下で、Ｃｒ被覆されたＳＵＳ板を１０４０℃で２時間加熱して、表面に窒化膜を形成し、セパレータを得た。セパレータのステンレス鋼は、加工組織をほとんど有さない再結晶組織であり、その平均結晶粒径は３５μｍであった。
【００３２】
比較例１
圧延加工した厚さ１ｍｍのＳＵＳ３０４板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出した後、プレス加工により溝つけを行ない、セパレータを得た。得られたセパレータにおいて、ＳＵＳは圧延加工組織を有していた。
【００３３】
比較例２
圧延加工した厚さ１ｍｍのＳＵＳ３０４板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに切出した後、プレス加工により溝つけを行なった。次いで、加工したＳＵＳ３０４板を４５０℃の温度で５時間加熱し、冷却してセパレータを得た。得られたセパレータにおいて、ステンレス鋼の平均結晶粒径は５μｍであった。
【００３４】
参考例１、実施例１〜４、ならびに比較例１および２のセパレータをそれぞれ用いて固体高分子型燃料電池セルを作製した。高分子電解質膜には、デュポン（du Pont）社製のナフィオン膜を使用し、電極にはカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の混合体を使用した。得られたセルサンプルについて連続出力試験を行ない、表１に示すような結果を得た。また、試験終了後に実施例１〜４のセパレータを観察した結果、錆の発生はなく、保護層は、十分にＳＵＳ板に密着していた。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、良好な耐食性を有し、使用の間、電気抵抗の変化が少ないセパレータを提供できる。本発明によるセパレータは、塑性加工等によって形成することができ、高い加工精度で作製できる。本発明によるセパレータは、高い疲労強度を有することができ、しかも長期にわたって少ない劣化で使用できる良好な耐久性を有することができる。また、本発明によるセパレータは、低コストで提供できる。本発明によるセパレータは、特に自動車等の車両用燃料電池に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明よるセパレータの一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明よるセパレータのもう一つの例を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるセパレータの保護層ついて、表面からの深さとＮ含量との関係の例を示す図である。
【図５】本発明よるセパレータのもう一つの例を示す概略断面図である。
【図６】本発明よるセパレータのさらなる例を示す概略断面図である。
【図７】本発明よるセパレータのさらなる例を示す概略断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるセパレータの製造方法の一例を示す概略断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるセパレータの製造方法のもう一つの例を示す概略断面図である。
【図１０】実施例１の保護層におけるＮ濃度分布を示す図である。
【図１１】実施例２の保護層におけるＮ濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１１高分子電解質膜
１２負極
１３正極
１、１４、１５、２０、４０、５０、６０セパレータ
２１、４１、５１、６１ａ、６１ｂ金属材料層
２２、４２、５２、６２、７２、９２保護層

Claims

高分子電解質膜に積層される正極または負極に酸化剤または燃料を供給するための通路を有するセパレータであって、
金属材料層と、
前記金属材料層を覆う保護層とからなり、
前記金属材料層は、少なくとも前記保護層と接する部分に、１０μｍ以上の平均結晶粒径を有する前記金属材料の多結晶組織を有し、かつ
前記保護層は、金属窒化物を含有し、
前記保護層におけるＮ含量は、前記保護層の表面から内部にいくにしたがって減少しており、
前記保護層の、前記金属材料層との境界領域には、前記金属窒化物が含まれないことを特徴とする、固体高分子型燃料電池用セパレータ。
前記金属窒化物は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｈｆ、Ｈｆ合金、Ｖ、Ｖ合金、Ｎｂ、Ｎｂ合金、ＴａおよびＴａ合金の窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ。
前記金属窒化物は、Ｔｉの窒化物であり、かつ
前記保護層は、前記Ｔｉの窒化物としてＴｉＮおよびＴｉ₂Ｎの少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ。
前記金属窒化物は、Ｃｒの窒化物であり、かつ
前記保護層は、前記Ｃｒの窒化物としてＣｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、ＣｒＮ₂およびＣｒ（Ｎ₃）₃よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ。
前記金属材料は、第１の金属を含み、
前記金属窒化物は、前記第１の金属と異なる第２の金属の窒化物であり、かつ
前記金属窒化物は、前記第１の金属上に堆積された前記第２の金属を窒化することにより形成されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセパレータ。
前記第１の金属は、ステンレス鋼であり、かつ
前記第２の金属は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＣｒおよびＣｒ合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項５に記載のセパレータ。
前記金属材料は、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、ＴｉおよびＴｉ合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセパレータ。