JP5152537B2 - 固体高分子型燃料電池材料とその製造方法、ならびにそれを用いた燃料電池用金属部材及び燃料電池 - Google Patents
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Description
上記セパレータの耐食性を向上させるため、これまで、セパレータを構成するステンレス鋼などからなるベース金属板の表面に、当該ベース金属よりも耐食性の高いAu、Ptなどの貴金属の被膜を、メッキや蒸着によって被覆したものが用いられていた。
その結果、貴金属の被膜の表面における凹部や上記結晶粒界の付近では、充分な耐食性が得られず、これらの部分から当該セパレータの内部に向かって腐食が進行し易くなる、という問題があった。
また、平滑化工程を経て貴金属を被覆した後、更にRmaxが1.5μm以下のロールで圧延すると、一層厚さが均一で且つ高い密着性の皮膜が得られる。この際、圧下率は前記と同様であっても良い。
図1は、本発明の燃料電池用金属部材が使用される燃料電池の概要を説明するものである。該燃料電池1は、電解質として固体高分子膜3を採用した固体高分子形燃料電池1である。具体的に、固体高分子膜3はスルホン酸基を含むフッ素樹脂とすることができる。該燃料電池1は、固体高分子膜3を挟む一対の電極2、4を有し、該固体高分子膜3と電極2、4とによりなるセル本体5を有する。そして、電極2、4は、その第一主表面2a、4aにて固体高分子膜3と接触しており、第二主表面2b、4bと接触する形態で電極2、4の外側に板状のセパレータ10が配置されている。該セパレータ10はこのセル本体5を直列的に接続する役割を有するとともに、セル本体5に燃料ガス及び空気ガスを供給するために配置されている。本実施の形態においては、このセパレータ10が本発明の燃料電池用金属部材である。なお、セル本体5とセパレータ10との間に、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを防止するために、ガスケットが配置されるが、図1では省略している。なお、これらセル本体5とセパレータ10とを単位セルUとして、この単位セルUが冷却水流通基板11(グラファイト等の導電性材料からなる)を介して、複数積層されて燃料電池スタック1とされる。単位セルUはたとえば50〜400個程度積層され、その積層体の両端に、単位セルUと接触する側から、導電性シート9、集電板8、絶縁シート7及び締め付け板6がそれぞれ配置されて、燃料電池スタック1とされる。集電板8と複数のセパレータ10とは直列に接続され、複数のセル本体5からの電流が集められることになる。本明細書においては、上記単位セルUと燃料電池スタック1とを燃料電池の概念に含むとする。なお、図1においては、導電性シート9、集電板8、絶縁シート7及び締め付け板6等、それぞれの部材が離間した状態で描かれているが、これらの部材は、例えばボルト等により互いに固定されている。
前記オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316L:Fe基合金)からなり且つ厚みが0.2mmで縦・横40×50mmの板材1を8枚用意した。これらの表面2および裏面3の表面粗度(Rmax)を測定し、その結果を表1に示した。
このうち、2枚の板材(実施例5,6)1は、予め表面2および裏面3に電解研磨による平滑化工程を行って上記表面粗度を測定した。
次に、8枚の板材1の表面2および裏面3に、同じメッキ条件でAuの皮膜4a,4bを厚み20nmにして被覆して8枚の積層板5を得た。
次いで、上記平滑化工程を経た2枚のうちの1枚(実施例6)と比較例2とを除く、残り6枚の積層板5について、圧下率10%の冷間圧延を1パスで行って素板8を得た。係る圧延後における上記表面粗度を測定して、表1中に示した。
以上の各例の素板(8)または積層板(5)について、耐食性試験を施した。
この耐食性試験は、0.1wt%の硫酸溶液(pH2)0.4リットルを環流しながら沸騰させた雰囲気中に、上記各例の板を個別に168時間(7日間)保持した後、上記溶液中に溶出したFeイオンおよびNiイオンを、原子吸光光度法により分析し、上記各イオンの溶出量を0.4リットル当たりの重量で算出するものである。その結果についても、各例ごとに表1に示した。
一方、比較例1は、Auメッキ前の表面粗度(Rmax)が2.2μmであったにも拘わらず、圧延後の表面粗度(Rmax)が1.8μmと高かったため、FeイオンおよびNiイオンの双方の溶出量がそれぞれ上記基準を若干上回った。
更に、Auメッキのみを施し平滑化および圧延をしなかった比較例2は、FeイオンおよびNiイオンの双方の溶出量が著しく高くなった。
以上のような実施例1〜6の結果によって、本発明の効果が裏付けられたことが容易に理解されよう。
また、上記電池材料によれば、前記セパレータなどとして著しい腐食環境下に長時間にわたり曝されても、優れた耐食性を一層確実に発揮できる。
また、上記電池材料の製造方法によれば、前記板材の表面に微少な凹凸の表面を伴って被覆された貴金属の被膜を、表面粗度Rmaxで1.5μm以下の平滑な表面に確実にすることができる。
更に、本発明における第2の上記電池材料の製造方法によれば、前記板材の表面が予め平坦化されているため、前記貴金属の被膜も平滑にして被覆することができる。
2 表面
3 裏面(表面)
4a,4b Au(貴金属)の皮膜
4ax,4ay 上記皮膜の表面
8 素板(固体高分子型燃料電池材料)
10 セパレータ(固体高分子型燃料電池材料)
Claims (10)
- Fe基合金、Ni基合金、Ti、またはTi基合金の板材と、表面粗度がRmaxで1.5μm以下のロールで圧延された前記板材の表面及び裏面の少なくとも一方に被覆された貴金属の皮膜とからなり、上記板材における皮膜表面の表面粗度がRmaxで1.5μm以下である、
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池材料。 - 前記貴金属で被覆された板材には複数の凸条と凹条とが裏腹の関係で形成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池材料。 - 前記電池材料は、耐食性試験にてFeイオン溶出量が0.15mg/0.4リットル以下で且つNiイオン溶出量が0.01mg/0.4リットル以下である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体高分子型燃料電池材料。
- Fe基合金、Ni基合金、Ti、またはTi基合金からなる板材の表面に貴金属の皮膜を被覆する被覆工程と、
表面に貴金属の皮膜が被覆された上記板材を、表面粗度がRmaxで1.5μm以下である一対のロール間で圧延する圧延工程と、を含む、
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池材料の製造方法。 - 前記圧延工程は、圧下率1%以上にして行われる、
ことを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電池材料の製造方法。 - Fe基合金、Ni基合金、Ti、またはTi基合金からなる板材の表面粗度を、表面粗度がRmaxで1.5μm以下のロールを用いて圧延することにより、Rmaxにおいて1.5μm以下にする平滑化工程と、
上記板材の表面に貴金属の皮膜を被覆する被覆工程と、を含む、
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池材料の製造方法。 - さらに、前記被覆工程において前記貴金属の皮膜が被覆された板材に対して、プレスによる塑性加工により複数の凸条と凹条とを裏腹の関係で形成するプレス工程と、を含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の固体高分子型燃料電池材料の製造方法。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池材料を用いて構成され、電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんだセル本体と接して配置されることを特徴とする燃料電池用金属部材。
- 前記電極は板状であり、その第一主表面で前記固体高分子膜に接触しているものであって、前記電極の第二主表面に接触して配置されるとともに、該電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部が前記電極に接触し、凹部が前記電極に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためのガス流通路とされるセパレータであることを特徴とする請求項8記載の燃料電池用金属部材。
- 電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんでなるセル本体と、請求項8又は9に記載の燃料電池用金属部材とを有することを特徴とする燃料電池。
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