JP4854992B2 - 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
固体高分子型燃料電池1は、電解質となる固体高分子膜2と、この固体高分子膜2の両面に設けられた炭素微粒子と貴金属超微粒子からなる触媒電極部3と、この触媒電極部3で発生した電力を電流として取り出すとともに、触媒電極部3へ反応ガスである酸素主体ガスまたは水素主体ガスを供給する機能を持ったフェルト状炭素繊維集合体からなるカレントコレクター(通称カーボンペーパー4)と、カーボンペーパー4から電流を受けるとともに、酸素主体ガスと水素主体ガスを隔離するセパレータ5とが積層されて構成されている。
例えば、ステンレス表面とカーボンペーパーとの接触抵抗を低減するために、ステンレスの焼鈍過程でステンレス中のCrをクロム炭化物として析出させ、ステンレス表面に形成される不動態被膜表面から露出したクロム炭化物を介してカーボンペーパーから受ける電流の通電性を高める方法(例えば、特許文献5参照)や、ステンレス表面にSiC、B4C、TiO2等の導電性化合物粒子が分散している塗膜を設けた後、このステンレスを非酸化性雰囲気下で300〜1100℃に加熱し、塗膜主要成分を分解・消失させたり、表面に炭化物系導電性セラミクスを被覆することにより、ステンレス表面に前記導電性化合物粒子を形成させる方法(例えば、特許文献6、7参照)が知られている。しかし、これらの方法は、ステンレス表面に導電性化合物を形成させるために長時間加熱処理する工程が必要であるため、セパレータの生産性低下、製造コスト増加の問題があった。また、焼鈍過程でステンレス中のCrをクロム炭化物として析出させる方法では、特に焼鈍時間が十分でない場合に鋼中のクロム炭化物周辺においてクロム欠乏層が生じ、この領域で局部的に耐食性の低下が生じたり、ステンレスをプレス成形してセパレータ表面のガス流路を形成するなどの際に、クロム炭化物が起点となってステンレス表面に割れが発生するなどが懸念される。
例えば、M23C6型、M4C型、もしくはMC型であって、金属元素(M)がクロム、鉄、ニッケル、モリブデン、タングステン、ボロンの1種以上を含んでいる導電性硬質粒子を基材表面に埋め込み、分散・露出させたチタンあるいはチタン合金製セパレータ(例えば、特許文献22参照)や、M23C6型、M4C型、M2C型、MC型炭化物系金属介在物およびM2B型硼化物系金属介在物のうち1種以上であって、金属元素(M)がクロム、モリブデン、タングステンの一種以上である、導電性硬質粒子を基材表面に埋め込み、分散・露出させ、かつ表面粗さが中心線平均粗さRaで0.06〜5μmであるステンレス鋼およびステンレス鋼製セパレータ(例えば、特許文献23参照)、がそれぞれ提案されている。
(1)導電性化合物粒子が固着された表層部を有するステンレス鋼またはチタンからなる固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記導電性化合物粒子が、VB、V 8 C 7 およびVNのうちの1種または2種以上からなり、平均粒径が0.01〜20μmであり、かつ表層に形成された金属酸化物の粒子全体に対する質量比率が30%以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
(2)ステンレス鋼またはチタンを成形加工した後、VB、V 8 C 7 およびVNのうちの1種または2種以上からなり、かつ平均粒径が0.01〜20μmである導電性化合物粒子を超硬コア粒子表面に被覆した粒子を、前記ステンレス鋼またはチタン表面に投射するブラスト加工を施した後、pHが2〜5、温度が40〜80℃の条件で酸洗処理を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
(3)前記超硬コア粒子の平均粒径が200μm以下であることを特徴とする上記(2)記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
(4)前記ブラスト加工における投射圧力が0.4MPa以下であることを特徴とする上記(2)または(3)に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
前述の通り、図1に示す固体高分子型燃料電池1の構成部材であるセパレータ5は、その基本特性として、導電性、特にカーボンペーパー4からの電流を受ける際に、セパレータ5表面とカーボンペーパー4との接触抵抗が小さいことが要求される。
本発明者らは、従来技術の確認試験などから、従来から知られるステンレス鋼またはチタン表層部に導電性化合物粒子を固着したセパレータは、固体高分子型燃料電池の使用経過とともに、セパレータ表面とカーボンペーパーとの接触抵抗が大きくなり、これに起因して燃料電池の起電力が低下することを確認した。そして、この起電力の低下原因は、燃料電池の使用時に、ステンレス製セパレータ表層部またはチタン製セパレータ表層部に固着した導電性化合物粒子がイオン溶出した後、導電性化合物粒子の表面に酸化物を形成することにより、導電性化合物粒子の導電性が劣化するためであることが判明した。
先ず、上記の固体高分子型燃料電池用セパレータにおける限定理由を以下に説明する。
(導電性化合物粒子の種類)
上述したように、本発明において、固体高分子型燃料電池用セパレータの表層部に固着された導電性化合物粒子は、酸性水溶液中で多くても1個のOH基しか有しない水和金属イオンを形成する金属元素からなる導電性化合物粒子とする。導電性化合物粒子を構成する金属元素を、酸性水溶液中で多くても1個のOH基しか有しない水和金属イオンを形成する金属元素とすることにより、燃料電池使用時に導電性化合物が溶出した後、水和金属イオン同士の脱水縮合反応による金属酸化物の生成を防止できる。その結果、燃料電池使用時の導電性化合物粒子の導電性劣化による起電力の低下を抑制することが可能となる。
導電性化合物粒子の平均粒径が0.01ミクロン未満では、導電性化合物粒子によるセパレータ表面の接触抵抗の低下効果が十分に得られず、固体高分子型燃料電池用セパレータとして目的とする低接触抵抗が得られない。
上記理由から、本発明において、導電性化合物粒子の平均粒径は、0.01〜20μmとした。
導電性化合物粒子の表層に形成された金属酸化物は、導電性化合物粒子によるセパレータ表面の接触抵抗の低下作用を阻害する。導電性化合物粒子の表層に形成された金属酸化物の粒子全体に対する質量比率が30%を超えると、上記導電性化合物粒子の作用が顕著に阻害され、結果的に固体高分子型燃料電池用セパレータとして目的とする低接触抵抗が得られない。
上記理由から、本発明において、導電性化合物粒子の表層に形成された金属酸化物の粒子全体に対する質量比率は、30%以下とした。
(固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法)
(ブラスト処理)
本発明では、ステンレス鋼またはチタンを成形加工した後、その表造部に導電性化合物粒子を固着する方法として、ステンレス鋼表層部またはチタン表層部にブラスト処理を施すことにより行う。
なお、上記導電性化合物粒子は、上述した理由から、VB、V8C7およびVNのうちの1種または2種以上からなる導電性化合物とすることが好ましい。
酸洗処理は、上述したブラスト処理後に、上述した理由から、上記本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの表層部に固着させる導電性化合物粒子の表層に形成された金属酸化物の粒子全体に対する質量比率を30%以下とするために、本発明では、酸洗処理の条件を、pHが2〜5、温度が40〜80℃とする必要がある。
対カーボンペーパー接触抵抗値を、面圧10kgf/cm2において測定した。測定された接触抵抗の値が15mΩcm2以下である場合を接触抵抗が合格であるとし、15mΩcm2を超えた場合を接触抵抗が不合格とした。
2 固体高分子膜
3 触媒電極部
4 カーボンペーパー
5 セパレータ
6 アノード側
7 カソード側
8 水素ガス
9 空気
10 電子
Claims (4)
- 導電性化合物粒子が固着された表層部を有するステンレス鋼またはチタンからなる固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、
前記導電性化合物粒子が、VB、V 8 C 7 およびVNのうちの1種または2種以上からなり、平均粒径が0.01〜20μmであり、かつ表層に形成された金属酸化物の粒子全体に対する質量比率が30%以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。 - ステンレス鋼またはチタンを成形加工した後、VB、V 8 C 7 およびVNのうちの1種または2種以上からなり、かつ平均粒径が0.01〜20μmである導電性化合物粒子を超硬コア粒子表面に被覆した粒子を、前記ステンレス鋼またはチタン表面に投射するブラスト加工を施した後、pHが2〜5、温度が40〜80℃の条件で酸洗処理を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記超硬コア粒子の平均粒径が200μm以下であることを特徴とする請求項2記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記ブラスト加工における投射圧力が0.4MPa以下であることを特徴とする請求項2または3に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
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