JP5205814B2 - 燃料電池用金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池に関するものである。

燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などが知られている。

通常、これら燃料電池は、燃料極、電解質、空気極をこの順に積層した電解質電極接合体を、セパレータを介して多数段積層し、スタックの形で発電に供される。

一般に、セパレータは、電解質電極接合体の電極（燃料極、空気極）と対向する領域に凹凸部を有している。そして、この凹凸部のうち、凸部は、電極表面と接触し、凹部は、電極表面と接触することなく、反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）の流路とされる。

この種のセパレータは、発電時に、腐食環境下に曝されるので、耐食性が要求される。とりわけ、電解質としてスルホン酸基などの強酸基を有する高分子電解質を用いるＰＥＦＣに適用される場合には、強酸性雰囲気に曝されることから、高い耐食性が要求される。また、セパレータは、発電による電気を取り出す必要があるため、接触抵抗が低いことも同時に要求される。

近年、上記セパレータとしては、金属製のものが各種提案されている。例えば、特許文献１には、Ｆｅ基合金などの金属板表面に金などの貴金属層を全面被覆し、これらを５％以上の圧下率で圧延加工してクラッド化した後、ガスを流すための溝を形成したＰＥＦＣ用金属セパレータが開示されている。

また、例えば、特許文献２には、ステンレス鋼板をプレス成形することにより、その内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成し、この膨出成形部の膨出先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メッキ層を形成したＰＥＦＣ用金属セパレータが開示されている。

この特許文献２では、プレス成形後、膨出成形部の膨出先端側端面に部分メッキが施されることにより、上記金メッキ層が形成される。

特開２００２−２６０６８１号公報 特開平１０−２２８９１４号公報

しかしながら、従来の燃料電池用金属セパレータは、次のような問題があった。

すなわち、特許文献１に記載の金属セパレータは、金属板表面に貴金属層が被覆され、これらが５％以上の圧下率で圧延加工されてクラッド化されているので、高い耐食性を有し、接触抵抗も低い。

しかしながら、この金属セパレータは、金属板の全面に均一に貴金属層が被覆されているので、その分コストがかかるといった問題があった。

これに対し、特許文献２の金属セパレータは、膨出成形部の膨出先端側端面にのみ金メッキ層が形成されているので、一見、コスト的に有利であると考えられる。

ところが、この金属セパレータは、プレス成形後、凸部のみに選択的に金メッキを施す必要がある。そのため、高精度のメッキ技術が必要となり、製造が難しく、その分コストが高くなる。したがって、全体として見れば、コスト的に不利である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、高い耐食性、低い接触抵抗を有し、低コスト化を図ることが可能な燃料電池用金属セパレータを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、不動態化する金属より構成された板状の金属基材と、上記金属基材の両面に部分的に被覆された貴金属層と、電解質電極接合体の電極と対向する領域に塑性加工により形成された凹凸部とを備え、その両面が上記電極と接触して使用されるセパレータであって、その両面それぞれ、上記電極と接触する接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率が、２０％以上１００％以下の範囲内とされており、かつ、上記電極と接触しない非接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ上記電極と接触する接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされていることを要旨とする。

また、本発明に係る他の燃料電池用金属セパレータは、不動態化する金属より構成された板状の金属基材と、上記金属基材の両面に部分的に被覆された貴金属層と、電解質電極接合体の電極と対向する領域に塑性加工により形成された凹凸部とを備え、その一方面が上記電極と接触して使用されるセパレータであって、その一方面については、上記電極と接触する接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率が、２０％以上１００％以下の範囲内とされており、かつ、上記電極と接触しない非接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ上記電極と接触する接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされているとともに、その他方面については、上記凹凸部全面に占める貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ上記電極と接触する接触面に占める上記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされていることを要旨とする。

ここで、上記金属基材および貴金属層は、圧縮加工されていると良い。

また、上記貴金属層の厚みは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内にあると良い。

また、上記金属基材を構成する金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉおよびこれらの合金から選択される１種または２種以上であると良い。

また、上記貴金属層を構成する貴金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕおよびこれらの合金から選択される１種または２種以上であると良い。

また、上記金属基材の露出部には、酸処理、過酸化物処理およびオゾン処理から選択される１種または２種以上の防食処理により、不動態皮膜が形成されていると良い。

一方、本発明に係る燃料電池は、上記燃料電池用金属セパレータを有することを要旨とする。

本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、不動態化する金属より構成された板状の金属基材の両面に、部分的に貴金属層が被覆されており、セパレータ各面における貴金属層の被覆面積率が特定範囲内とされている。

上記燃料電池用金属セパレータによれば、金属基材と貴金属層との間で局部電池が形成される。そのため、通常、金属基材単体であれば、その電位が活性態域となって腐食を生じる場合であっても、その金属基材の電位が活性態域から不動態域にシフトする。これにより、腐食環境下に金属基材が部分的に露出されていても、高い耐食性を発揮することができる。また、上記貴金属層の存在により、高い導電性が確保され、電解質電極接合体との接触抵抗も低くなる。

また、金属基材の両面全体を貴金属層で被覆する場合に比較して、高価な貴金属の使用量を削減することができる。そのため、低コスト化を図ることが可能になる。さらに、この燃料電池用金属セパレータは、板状の金属基材に予め貴金属層を部分的に被覆した後、凹凸部を形成するなどして製造することができる。したがって、従来の金属セパレータに比較して、簡易に製造しやすく、製造コスト面でも有利である。

ここで、金属基材と貴金属層とが圧縮加工されている場合には、両者の密着力が向上する。

また、腐食試験後の引き剥がし試験による貴金属層の剥離面積率が、５０％以下である場合には、金属基材と貴金属層との密着力に優れる。そのため、高い耐食性、低い接触抵抗を維持しやすく、耐久性に優れる。

また、貴金属層の厚みが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内にある場合には、耐食性、導電性およびコストとのバランスに優れる。

また、凸部に被覆されている貴金属層のうち、少なくとも一部分が、凹部に被覆されている貴金属層よりも厚みが厚く形成されている場合には、次の利点がある。すなわち、凸部は、電解質電極接合体の電極や、隣接して配置される金属セパレータとの接触部位になる。したがって、接触部位は、できる限り導電性が高いことが望ましい。そのため、凸部に被覆されている貴金属層のうち、少なくとも一部分の厚みを、凹部に被覆されている貴金属層の厚みよりも厚く形成することにより、全体的に貴金属層の厚みを薄くしていった場合でも、他部材との接触抵抗を低くしやすくなる。それ故、高い耐食性、低い接触抵抗を維持しつつ、より一層の低コスト化を図ることが可能になる。

この際、上記厚みが厚く形成されている部分が、面積率で、上記接触面に占める貴金属層の被覆面積率の５％以上ある場合には、上記作用効果を得やすくなるからである。

また、金属基材の露出部に、上記防食処理により不動態皮膜が形成されている場合には、耐食性をより向上させることができる。

一方、本発明に係る燃料電池によれば、上記燃料電池用金属セパレータを用いているので、金属セパレータの腐食による電気抵抗の増加や、溶出イオンによる電解質の劣化などが生じ難い。そのため、良好な電池性能が得られる。また、従来よりも、低コスト化を図ることが可能となる。

以下、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ、燃料電池について詳細に説明する。なお、以下では、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータを「本セパレータ」と、本実施形態に係る燃料電池を「本燃料電池」ということがある。

１．本セパレータ
本セパレータは、金属製である。したがって、金属を使用できる温度で作動する燃料電池であれば、何れの種類の燃料電池にも適用可能である。本セパレータが適用される燃料電池の種類としては、具体的には、例えば、ＰＥＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣなどを例示することができる。

とりわけ、本セパレータは、ＰＥＦＣに好適に適用することができる。ＰＥＦＣは、電解質中に強酸性基を含有しているので、厳しい腐食環境下になりやすく、高い耐食性が要求されるからである。

上記燃料電池は、基本的には、電解質の両面に電極が接合された電解質電極接合体を有している。例えば、ＰＥＦＣの場合、その電解質電極接合体は、通常、膜状の高分子電解質の両面に、それぞれ、触媒層、ガス拡散層がこの順に積層された電極を備えている（いわゆる、膜／電極接合体である。）。

本セパレータは、燃料電池が有する電解質電極接合体の電極と接触して使用される。なお、上記「電極と接触」とは、本セパレータが電解質電極接合体の電極と直接接触する場合のみならず、他の導電性部材を介して間接的に接触する場合も含む。

図１は、本セパレータの外観の一例を模式的に示した図である。図１に示すように、本セパレータ１０は、板状の金属基材１２と、貴金属層１４と、凹凸部１６とを備えている。

本セパレータは、金属基材の両面に貴金属層が部分的に被覆されており、セパレータ各面における貴金属層の被覆面積率が特定範囲内にされているところに最大の特徴を有している。なお、図１中、上側の面を表面、下側の面を裏面とすると、裏面側の貴金属層は図示されていないが、ここでは、表面側と同様に裏面側にも貴金属層が被覆されているものとする。

本セパレータにおいて、上記貴金属層の被覆面積率は、本セパレータの両面が、電解質電極接合体の電極と接触して使用される場合と、本セパレータの一方面だけが、電解質電極接合体の電極と接触して使用される場合とにより異なる。

本セパレータにおいて、上記凹凸部は、電解質電極接合体の電極と対向する領域に少なくとも形成されている。通常、金属セパレータの両面を使用するか、片面を使用するかは、この凹凸部の形態によって決定される。

金属セパレータでは、研削加工などにより凹凸部が形成されるカーボンセパレータと異なり、板状の金属基材を塑性変形させることにより、上記凹凸部が形成されることが多い。塑性変形により簡易に凹凸部を形成できることが、金属セパレータの一つの利点だからである。

したがって、例えば、図２に拡大して示すように、凹凸部１６は、表面側の凸部１６ａが、裏面側では凹部１６ｃとなっており、一方、表面側の凹部１６ｂが、裏面側では凸部１６ｄとなっていることが多い。

そして、表面側の凹部を、反応ガスが環流するガス流路として使用した場合、凹凸部の具体的な形態によっては、裏面側の凹部を、ガス流路として使用できるときと、使用できないときが生じる。

より具体的には、図１に示すように、例えば、凹凸部がストレート形状であれば、表面側の凹部および裏面側の凹部ともにガス流路として使用することができる。そのため、本セパレータがこの種の凹凸部を有している場合には、本セパレータの表裏面が、電解質電極接合体の電極と接触して使用されることになる（以下、本セパレータのうち、このタイプのものを特に「両面セパレータ」ということがある。）。

これに対し、図示はしないが、凹凸部がサーペンタイン形状（例えば、シングルサーペンタイン形状、マルチサーペンタイン形状など）などである場合、表面側の凹部はガス流路として使用できるが、裏面側の凹部は、反応ガスを環流させることができないので、ガス流路として使用することができない。そのため、本セパレータがこの種の凹凸部を有している場合には、本セパレータの表面だけが、電解質電極接合体の電極と接触して使用されることになる（以下、本セパレータのうち、このタイプのものを特に「片面セパレータ」ということがある。）。また、片面セパレータは、通常２枚で１組とされ、片面セパレータの各裏面同士を合わせて使用される。

ここで、本セパレータは、金属基材の両面に貴金属層が部分的に被覆されており、セパレータ各面における貴金属層の被覆面積率が特定範囲内にされている。

具体的には、両面セパレータの場合、その表裏面それぞれにおいて、電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率は、その下限値が、２０％以上、好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上、最も好ましくは５０％以上である。一方、これら下限値と組み合わせ可能な上限値は、１００％以下、好ましくは９５％以下、より好ましくは９０％以下、最も好ましくは８５％以下である。

この際、上記「電極と接触する接触面」とは、例えば、図２では、凸部１６ａ、１６ｄの平坦面１８ａ、１８ｄがこれに該当する。また、上記「電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率」は、次式（１）により求めることができる。
電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_Ｃ［％］
＝（接触面内で被覆している貴金属層の合計面積）／（接触面の合計面積）×１００・・・（１）

また、電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率は、その下限値が、５％以上、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、最も好ましくは２０％以上である。一方、これら下限値と組み合わせ可能な上限値は、１００％未満、好ましくは９０％未満、より好ましくは８８％以下、最も好ましくは８５％以下である。

この際、上記「電極と接触しない非接触面」とは、例えば、図２では、凹部１６ｂ、１６ｃの底面１９ｂ、１９ｃ、側面２０ｂ、２０ｃがこれに該当する。また、上記「電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率」は、次式（２）により求めることができる。
電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_ＮＣ［％］
＝（非接触面内で被覆している貴金属層の合計面積）／（非接触面の合計面積）×１００・・・（２）

上記Ｓ_Ｃ が２０％未満になると、接触面の耐食性が低下する傾向が見られ、上記Ｓ_ＮＣが５％未満になると、非接触面の耐食性も低下する傾向が見られる。なお、上記Ｓ_Ｃの最下限値が、上記Ｓ_ＮＣの最下限値よりも高いのは、非接触面よりも接触面のほうが、より厳しい腐食環境になるためである。

一方、片面セパレータの場合、その表面については、電極と接触して使用されるので、上記両面セパレータの場合と同様に、貴金属層の被覆面積率Ｓ_Ｃ、Ｓ_ＮＣが規定される。

すなわち、その表面において、電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_Ｃは、その下限値が、２０％以上、好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上、最も好ましくは５０％以上である。一方、これら下限値と組み合わせ可能な上限値は、１００％以下、好ましくは９５％以下、より好ましくは、９０％以下、最も好ましくは、８５％以下である。

また、電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_ＮＣは、その下限値が、５％以上、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、最も好ましくは２０％以上である。一方、これら下限値と組み合わせ可能な上限値は、１００％未満、好ましくは９０％未満、より好ましくは８８％以下、最も好ましくは８５％以下である。

これに対し、片面セパレータの裏面は、基本的には、もう一つの片面セパレータの裏面と導通できれば良い。また、腐食環境もそれほど厳しくない。そのため、片面セパレータの裏面における貴金属層の被覆面積率は、その表面における、電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_ＮＣに準じて設定すれば良い。

具体的には、片面セパレータの裏面において、凹凸部全面に占める貴金属層の被覆面積率は、その下限値が、５％以上、好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上、最も好ましくは２０％以上である。一方、これら下限値と組み合わせ可能な上限値は、１００％未満、好ましくは９０％以下、より好ましくは８８％以下、最も好ましくは８５％以下である。

この際、上記「凹凸部全面に占める貴金属層の被覆面積率」は、次式（３）により求めることができる。
凹凸部全面に占める貴金属層の被覆面積率Ｓ_ＢＣ［％］
＝（凹凸部を被覆している貴金属層の合計面積）／（凹凸部の全表面積）×１００・・・（３）

上記Ｓ_ＢＣ が５％未満になると、単セル間の電気抵抗が大きくなって、燃料電池の発電性能が低下する傾向が見られる。

なお、本セパレータは、貴金属層の被覆面積率が上記特定範囲内にあれば、金属基材の表裏面上の貴金属層は、どのような形態で被覆されていても良い。好ましくは、本セパレータの製造を簡易にできるなどの観点から、貴金属層は、例えば、図１に示すような縞状形態など、パターン模様とされていると良い。

また、図１、図２では、本セパレータが、断面略台形状の凹凸部を有する場合について例示しているが、凹凸部の形状は、これに限定されるものではない。例えば、これ以外にも、図３に示すような、断面略四角形状の凹凸部や、図４に示すような、断面略半円形状の凹凸部（図では、電極と接触する部位が平坦面である場合を例示しているが、半円形状であっても良い。好ましくは、前者である。）などを有していても良い。

また、凹凸部のピッチ、凸部の幅、凹部の幅、凹部の溝深さなども、特に限定されることなく、適宜設定することができる。

本セパレータにおいて、上記金属基材は、不動態化する金属より構成されている。なお、本願において、金属とは、金属単体のみならず、合金も含む。

上記金属基材を構成する金属としては、具体的には、例えば、Ｆｅ、Ｆｅ基合金、Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｔｉ基合金、Ａｌ、Ａｌ基合金などを例示することができる。これらは１種または２種以上含まれていても良い。

これらのうち、耐食性、強度などに優れるなどの観点から、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｔｉ基合金が好ましい。また、Ｆｅ基合金の中では、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が耐食性に優れており、加工性、コストなどの観点からも好適である。

より具体的には、上記フェライト系ステンレス鋼としては、低コスト化などの観点から、ＳＵＳ４３０（質量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃｒ：１６〜１８％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）などが挙げられる。

他にも、上記フェライト系ステンレス鋼としては、低コスト化などの観点から、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：１８〜２１％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなるステンレス鋼（以下、これを「ＦＫ１鋼」ということがある。）などが挙げられる。

一方、オーステナイト系ステンレス鋼としては、低コスト化などの観点から、ＳＵＳ３０１（質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：６〜８％、Ｃｒ：１６〜１８％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）、ＳＵＳ３０４（質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：８〜１０．５％、Ｃｒ：１８〜２０％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）、ＳＵＳ３１６（質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：１０〜１４％、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｍｏ：２〜３％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）、ＳＵＳ３１６Ｌ（質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：１２〜１５％、Ｃｒ：１６〜１８％、Ｍｏ：２〜３％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）、高成形性などの観点から、ＳＵＳＸＭ７（質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｕ：３〜４％、Ｎｉ：８．５〜１０．５％、Ｃｒ：１７〜１９％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなる）などが挙げられる。

他にも、上記オーステナイト系ステンレス鋼としては、高耐食性などの観点から、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：５〜７％、Ｎｉ：８〜１２％、Ｃｒ：２１〜２５％、Ｍｏ：１〜３％、Ｎ：０．４〜０．６％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなるステンレス鋼（以下、これを「ＡＫ１鋼」ということがある。）、高成形性などの観点から、質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｍｎ：１〜３％、Ｎｉ：１２〜１６％、Ｃｒ：１４〜１８％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなるステンレス鋼（以下、これを「ＡＫ２鋼」ということがある。）などが挙げられる。

上記金属基材の厚みは、耐食性、強度、軽量化などを考慮して適宜選択することができる。金属基材の厚みとしては、具体的には、例えば、その好ましい上限値として、１．０ｍｍ、０．８ｍｍ、０．５ｍｍなどを例示することができる。一方、これら好ましい上限値と組み合わせ可能な好ましい下限値として、具体的には、例えば、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍなどを例示することができる。

上記金属基材は、一層または複数層よりなっていても良い。複数層からなる場合、各層は、それぞれ同じ金属より構成されていても良いし、異なる金属より構成されていても良い。

また、本セパレータにおいて、上記貴金属層を構成する貴金属としては、具体的には、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓなどの貴金属単体、これらの合金、すなわち、貴金属同士の合金、貴金属と卑金属との合金などを例示することができる。これらは１種または２種以上含まれていても良い。

これらのうち、耐食性、導電性などに優れる観点から、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの合金が好ましい。より好ましくは、Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｔ合金などである。これらは１種または２種以上含まれていても良い。

上記貴金属層の厚みは、耐食性、接触抵抗、コストなどを考慮して適宜選択することができる。貴金属層の厚みとしては、具体的には、例えば、その好ましい上限値として、１０００ｎｍ、５００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍなどを例示することができる。一方、これら好ましい上限値と組み合わせ可能な好ましい下限値として、具体的には、例えば、１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍなどを例示することができる。

上記貴金属層は、一層または複数層よりなっていても良い。複数層からなる場合、各層は、それぞれ同じ貴金属より構成されていても良いし、異なる貴金属より構成されていても良い。

また、凸部に被覆されている貴金属層と、凹部に被覆されている貴金属層とは、同じ厚みであっても良いし、異なる厚みであっても良い。両者の厚みを異ならせる場合、好ましくは、凹部に被覆されている貴金属層の厚みよりも、凸部に被覆されている貴金属層の厚みが厚くされていると良い。凸部は、電極や隣接するセパレータなどと接触する接触部位になるため、接触抵抗の低減を図りやすくなるからである。

この場合、貴金属層の厚みが厚く形成されている部分は、凸部に被覆されている貴金属層の一部であっても良いし、全部であっても良い。基本的には、接触部位に要求される導通性の大きさなどを考慮して、厚膜化する部位を任意に選択することができる。

また、上記厚みが厚く形成されている部分は、面積率で、好ましくは、接触面に占める貴金属層の被覆面積率の５％以上、より好ましくは、１０％以上、さらに好ましくは、２０％以上あると良い。

また、本セパレータにおいて、上記金属基材および貴金属層は、密着性を向上させるなどの観点から、圧縮加工が施されていると良い。

この場合、上記圧縮加工は、金属基材および貴金属層の両者の合計厚みを、好ましくは０．１％以上、より好ましくは１％以上、さらにより好ましくは５％以上の圧縮率で圧縮するものであると良い。

また、本セパレータにおいて、腐食試験後の引き剥がし試験による上記貴金属層の剥離面積率は、好ましくは５０％以下、より好ましくは４５％以下、さらにより好ましくは４０％以下であると良い。金属基材と貴金属層との密着力に優れることから、高い耐食性、低い接触抵抗を維持しやすく、耐久性に優れるからである。

この際、上記「腐食試験」は、ｐＨ２の沸騰硫酸溶液中に１６８時間にわたり保持するものである。また、上記「引き剥がし試験」は、ＪＩＳ Ｚ０２３７に準拠しており、上記「貴金属層の剥離面積率」は、この引き剥がし試験（１８０度引き剥がし）に用いる粘着テープにより剥離された貴金属層の面積割合であり、次式（４）により求めることができる。
貴金属層の剥離面積率［％］
＝（粘着テープにより剥離された貴金属層の面積）／（粘着テープにより剥離された貴金属層および剥離されなかった貴金属層の合計面積）×１００・・・（４）

また、本セパレータにおいて、金属基材の露出部には、より耐食性を向上させるなどの観点から、防食処理により不動態皮膜が形成されていても良い。

上記防食処理としては、具体的には、例えば、酸処理、過酸化物処理、オゾン処理などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用されていても良い。

２．本セパレータの製造方法
次に、上記構成を有する本セパレータの製造方法の一例（以下、これを「本製造方法」ということがある。）について説明する。

本製造方法は、基本的に、上記板状の金属基材の両面に貴金属層を部分的に被覆する被覆工程と、部分的に貴金属層が被覆された板状の金属基材を塑性変形させて凹凸部を形成する凹凸部形成工程とを有している。好ましくは、上記被覆工程と凹凸部形成工程との間に、金属基材および貴金属層の両者を圧縮加工する圧縮加工工程をさらに有していると良い。以下、これら各工程について順に説明する。

本製造方法において、被覆工程は、板状の金属基材の両面にそれぞれ、予め貴金属層を部分的に被覆する工程である。この被覆工程では、両面セパレータ、片面セパレータの何れを製造するかにより、金属基材の表裏面に被覆する貴金属層の被覆面積率を異ならせることになる。

この際、貴金属層の被覆形態は、後の凹凸部形成工程において、凹凸部が形成された後の貴金属層の被覆面積率が、上述した特定割合の範囲内になっておれば、特に限定されるものではない。凹凸部のピッチ、凸部の幅、凹部の幅、凹部の溝深さなどを予め考慮して、上記貴金属層の被覆形態を設定すれば良い。

上記貴金属層の被覆形態としては、貴金属層の被覆面積率を調節しやすいなどの観点から、パターン模様を採用すると良い。また、上記貴金属層の被覆形態は、表裏面において、同じであっても良いし、異なっていても良い。

図５〜図１１は、凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の各種被覆形態の一例を模式的に示した図である。貴金属層の被覆形態としては、具体的には、例えば、縞状形態（図５）、斜め縞状形態（図６）、放射縞状形態（図７）、多角形（例えば、三角形、四角形、菱形、平行四辺形など）、円形、楕円形、略星形、略十字形、略Ｙ字形、略バツ字形など（以下、まとめて「多角形等」という。）が離間されて縦横に並んだ形態（図８、但し、四角形状の場合を例示）、多角形等が離間され、各多角形等が交互にずれて並んだ形態（図９、但し、四角形状の場合を例示）、千鳥格子状形態（図１０）、三角形および／または台形が交互に並んだ形態（図１１、但し、三角形状の場合を例示）などを例示することができる。

なお、図５などに示すように、上記縞（ストライプ）の一例として直線状の場合を例示したが、特に限定されるものではなく、波状や不定形状などであっても良い。これらは１つまたは２つ以上組み合わされていても良い。

また、上記以外にも、渦巻状形態、的状形態、斑点状形態など、種々の形態を用いることができる。

また、上記図５〜図１０は、貴金属層の幅などを、被覆面積率との関係から厳密に示したものでなはない。

これらのうち、貴金属層の被覆面積率を調節しやすいなどの観点から、図５、図８、図１０などに示すパターン模様を好適に採用することができる。なお、例えば、図５に示す縞状形態を採用した場合には、例えば、図１に示すように貴金属層が被覆されている本セパレータを得ることができる。

また、貴金属層の被覆方法としては、具体的には、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、レーザーアブレーションなの物理的気相成長法（ＰＶＤ）、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤなどの化学的気相成長法（ＣＶＤ）、電解めっき、無電解めっきなどのめっき法などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用しても良い。

これらのうち、低コストであり、上記パターン模様を形成しやすいなどの観点から、めっき法が好ましい。なお、貴金属層を被覆する前には、必要に応じて、金属基材表面に形成された酸化物皮膜の除去処理、脱脂処理、洗浄処理など各種の前処理を１つまたは複数組み合わせて行っても良い。

なお、凸部に被覆されている貴金属層と凹部に被覆されている貴金属層との厚みを異ならせる場合には、厚くしたくない部分はマスキングをして、厚くする部分に対して、上記貴金属層の被覆方法を複数回繰り返し行えば良い。

本製造方法において、圧縮加工工程は、金属基材および貴金属層の両者を圧縮加工する工程であり、必要に応じて行うことができる。この工程を経た場合、両者はクラッド化されるため、密着力を向上させることができる。また、貴金属層が剥離しにくくなることから、後に凹凸部の加工もしやすくなる利点がある。

圧縮加工の方法としては、具体的には、例えば、圧延、プレスなどを例示することができる。この場合、圧縮加工は、金属基材および貴金属層の両者の合計厚みを、好ましくは０．１％以上、より好ましくは１％以上、さらにより好ましくは５％以上の圧縮率で圧縮すると良い。

本製造方法において、凹凸部形成工程は、部分的に貴金属層が被覆された板状の金属基材を塑性変形させて凹凸部を形成する工程である。なお、凹凸部の形状については、既に上述しているので、説明は省略する。

凹凸部を形成する方法としては、具体的には、例えば、所望形状の凹凸部に対応する転写面が形成された金型を用いて、部分的に貴金属層が被覆された板状の金属基材をプレスする方法、所望形状の凹凸部に対応する転写面が形成された２個のデザインロール間に、部分的に貴金属層が被覆された板状の金属基材を通す方法などを例示することができる。

本製造方法は、上記各工程以外にも、他の工程を有していても良い。例えば、圧縮加工工程の後に、さらに、圧縮加工によって金属基材などに生じた加工硬化を除去するための熱処理工程などを有していても良い。

３．本燃料電池
本燃料電池は、本セパレータを有している。本セパレータの構成としては、具体的には、例えば、上記両面セパレータを介して、電解質電極接合体を多数段積層した構成、２枚の上記片面セパレータの各裏面同士を合わせ、これを介して、電解質電極接合体を多数段積層した構成などを例示することができる。

なお、電解質電極接合体の構成は、上述した燃料電池の種類により異なるもので、すでに知られる構成のものを適宜採用すれば良い。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。

先ず、実施例１Ｒ〜６Ｒ、８Ｒ〜１７Ｒ、比較例１Ｒ〜２Ｒ、参考例７Ｒに係る両面セパレータ、実施例１Ｋ〜７Ｋ、９Ｋ〜１４Ｋ、比較例１Ｋ〜３Ｋ、参考例８Ｋに係る片面セパレータを作製した。

すなわち、表１、２に示す材質、板厚の各金属基材の表裏面に、表１、２に示す材質、厚みの各貴金属層を電気めっきにて部分的に被覆した。

この際、上記電気めっきは、後に形成する凹凸部の形状を考慮しつつ、表１、２に示した貴金属層の被覆面積率となるように、図５または図８のパターン模様を用いて、図１のように、金属基材の表裏面に、金属基材が露出される部位にマスキングをすることにより、凹凸部上に部分的にＡｕ膜を形成した。

次いで、部分的に貴金属層が被覆された板状の金属基材を、プレス成形することにより、図１に示したようなストレート状の凹凸部（ピッチ２．７ｍｍ、凸部の幅０．９ｍｍ、凹部の幅０．９ｍｍ、斜面の幅０．４５ｍｍ、凹部の深さ０．５ｍｍ）を形成し、３０ｍｍ角の各両面セパレータ、各片面セパレータを作製した。

なお、本実施例では、簡易に試験を行うため、両面セパレータ、片面セパレータともに、同じ凹凸部の形状とした。もっとも、実施例に係る両面セパレータ、片面セパレータともに表裏面における貴金属層の被覆面積率は、本願で規定される特定範囲内とされている。

次に、作製した各両面セパレータ、片面セパレータの接触抵抗の測定を行った。すなわち、一対のＡｕ電極の間に、その表裏面をカーボンペーパー（東レ製）で挟持した各セパレータを配置し、荷重５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２を負荷しつつ、印加電流１００ｍＡを流して電圧を測定した。そして、測定された電圧から接触抵抗を算出した。

次に、市販の膜／電極接合体（ガス拡散層は一体化されている）の両面を、一対の上記両面セパレータ、または、一対の上記片面セパレータにより挟持し、各ＰＥＦＣ単セルを作製した。なお、各両面セパレータ、片面セパレータは、ともにその表面側に膜／電極接合体が配置されている。また、各両面セパレータ、片面セパレータは、凸部の平坦面が膜／電極接合体の電極と接触しており、凹部の溝部分は膜／電極接合体の電極と接触していない。

次いで、上記各ＰＥＦＣ単セルにつき、１０００時間の発電試験を行った。この発電試験後、両面セパレータ、片面セパレータを取り外し、外観腐食の有無を目視にて確認した。また、発電時のセル抵抗も合わせて測定した。

なお、上記発電試験の発電条件は、出力電流密度：０．５Ａ／ｃｍ^２、燃料ガス：水素（流量０．５Ｌ／分、加湿温度７０℃）、酸化剤ガス：空気（流量２．０Ｌ／分、加湿温度７０℃）、単セル温度：７０℃とした。

表１、表２に、実施例１Ｒ〜６Ｒ、８Ｒ〜１７Ｒ、比較例１Ｒ〜２Ｒ、参考例７Ｒに係る両面セパレータ実施例１Ｋ〜７Ｋ、９Ｋ〜１４Ｋ、比較例１Ｋ〜３Ｋ、参考例８Ｋに係る片面セパレータの詳細構成と、上記試験結果を示す。なお、表１および表２中、貴金属層の厚みは、蛍光Ｘ線式膜厚測定法（ＪＩＳ Ｈ８５０１）に準拠して測定した値である。また、表１中、Ａｕ−Ｃｏは、Ａｕ９９ｗｔ％とＣｏ１ｗｔ％との合金メッキのことである。

表１および表２の結果から、次のことが分かる。すなわち、比較例１Ｒに係る両面セパレータは、ＭＥＡの電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率が０％であり、本願の規定範囲内にない。そのため、非接触面に錆が発生し、耐食性が劣っていた。

また、比較例２Ｒに係る両面セパレータは、ＭＥＡの電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率が１０％であり、本願の規定範囲内にない。そのため、接触面に錆が発生し、耐食性に劣っていた。

また、比較例１Ｋに係る片面セパレータは、ＭＥＡの電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率が０％であり、かつ、裏面側の凹凸部全体に占める貴金属層の被覆面積率も０％であり、本願の規定範囲内にない。そのため、セル抵抗が極めて高くなり、発電不能であった。

また、比較例２Ｋに係る片面セパレータは、ＭＥＡの電極と接触しない非接触面に占める貴金属層の被覆面積率が５％であり、かつ、裏面側の凹凸部全体に占める貴金属層の被覆面積率が０％であり、本願の規定範囲内にない。そのため、セル抵抗が極めて高くなり、発電不能であった。

また、比較例３Ｋに係る片面セパレータは、ＭＥＡの電極と接触する接触面に占める貴金属層の被覆面積率が１０％であり、本願の規定範囲内にない。そのため、接触面に錆が発生し、耐食性に劣っていた。また、ＭＥＡとの接触不良により、セル抵抗も高かった。

これらに対し、実施例に係る両面セパレータ、片面セパレータは、不動態化する金属より構成された板状の金属基材の表裏面に、部分的に貴金属層が被覆されており、セパレータ表裏面における貴金属層の被覆面積率が本願で規定される範囲内にある。そのため、ＰＥＦＣの厳しい腐食環境下に金属基材が部分的に露出されていても、高い耐食性を有し、接触抵抗も低いことが分かる。また、高価な貴金属層の使用量を削減できることから、低コスト化を図ることができることが分かる。

また、実施例に係る両面セパレータ、片面セパレータを組み込んだＰＥＦＣは、セル抵抗も比較的低く、良好な発電性能を有することが確認できた。

次に、実施例（又は参考例）１Ｒ〜１７Ｒに係る両面セパレータと同様の手順により、実施例１８Ｒ〜２９Ｒに係る両面セパレータを作製した。但し、表３に示すように、貴金属層の厚みは２０ｎｍもしくは３０ｎｍとした。また、表３に示すように、各金属基材および貴金属層を０．１％、１％、５％の圧下率で圧延し、クラッド化した。

次いで、各両面セパレータを用いて腐食試験を行った。すなわち、ｐＨ２の沸騰させた硫酸溶液中に、各両面セパレータを１６８時間保持し、溶液中に溶出した金属イオンを、原子吸光光度法により分析し、溶液１リットル当たりに含まれる重量を測定した。

また、上記腐食試験後、直ちに各両面セパレータに対し、ＪＩＳ Ｚ０２３７に準拠して引き剥がし試験を行った。すなわち、上記腐食試験後、硫酸溶液から取り出した各両面セパレータを超純水で洗浄した後、アセトン置換して乾燥させた。その後、各両面セパレータの表面に、粘着テープ（長さ５０ｍｍ×幅１８ｍｍ）を貼り付け、この粘着テープをセパレータ表面に沿って引き剥がした（１８０度引き剥がし）。そして粘着テープにより剥離された貴金属層の面積割合を測定し、貴金属層の剥離面積率を求めた。

表３に、実施例１８Ｒ〜２９Ｒに係る両面セパレータの詳細構成と、上記試験結果を示す。

表３によれば、次のことが分かる。すなわち、実施例１８Ｒ〜２９Ｒに係る両面セパレータは、圧延による圧縮加工により、金属基材と貴金属層とがクラッド化されている。

そのため、貴金属層の剥離面積率が５０％以下と、金属基材と貴金属層との密着力に優れていることが分かる。また、腐食試験による溶出イオン量も極めて少なくなっており、高い耐食性を有している。これらの結果から、金属基材と貴金属層とが圧縮加工されている場合には、高い耐食性を維持しやすく、耐久性に優れることが確認できた。

次に、実施例（又は参考例）１Ｒ〜１７Ｒに係る両面セパレータと同様の手順により、実施例３０Ｒ〜３３Ｒに係る両面セパレータ、比較例３Ｒに係る両面セパレータを作製した。これらセパレータは、貴金属層の厚みをより薄くすることにより、さらなる低コスト化を狙ったものである。

また、実施例３４Ｒ〜３５Ｒに係る両面セパレータ、比較例４Ｒに係る両面セパレータを作製した。これらセパレータは、実施例（又は参考例）１Ｒ〜１７Ｒに係る両面セパレータとほぼ同様の手順により作製されている。

但し、凸部に被覆されている貴金属層の一部分を、凹部に被覆されている貴金属層の厚みよりも厚く形成している（以下、「一部厚膜化」という。）。この一部厚膜化は、１回目の電気めっきにより、凹凸部の所定位置に所定厚みの貴金属層を形成した後、凸部の貴金属層の厚くしたい一部分を除いて、そこ以外をマスキングして、上記電気めっきを複数回繰り返し行うことにより行った。これらセパレータは、さらなる低コスト化を図りつつ、セル抵抗あるいは接触抵抗の改善を狙ったものである。

表４に、実施例３０Ｒ〜３５Ｒに係る両面セパレータ、比較例３Ｒ〜４Ｒに係る両面セパレータの詳細構成と、上記試験結果を示す。

その結果、一部厚膜化により、ベースとなる貴金属層の厚みを全体的に薄くして低コスト化を図りつつ、セル抵抗あるいは接触抵抗の改善を図ることが可能であることが確認できた。なお、部分厚膜化は、異なる材質の貴金属層を積層して行っても良いが、局部腐食を起こす可能性があるので、同じ材質の貴金属層を積層して行うのが好ましい。

以上、本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよび燃料電池について説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。

本セパレータの外観の一例を模式的に示した図である。 図１の本セパレータにおける凹凸部の断面の一部（但し、貴金属層は省略）を拡大して示した図である。 本セパレータに適用可能な他の凹凸部の断面の一部（但し、貴金属層は省略）を拡大して示した図である。 本セパレータに適用可能な他の凹凸部の断面の一部（但し、貴金属層は省略）を拡大して示した図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、縞状形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、斜め縞状形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、放射縞状形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、多角形等が離間されて縦横に並んだ形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、多角形等が離間され、各多角形および／または円形が交互にずれて並んだ形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、千鳥格子状形態の一例を模式的に示した平面図である。 凹凸部を形成する前に、板状の金属基材の表裏面に予め形成する貴金属層の被覆形態のうち、三角形および／または台形が交互に並んだ形態の一例を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池用金属セパレータ
１２ 金属基材
１４ 貴金属層
１６ａ 凸部（表面側）
１６ｂ 凹部（表面側）
１６ｃ 凹部（裏面側）
１６ｄ 凸部（裏面側）
１８ａ、ｄ 平坦面
１９ｂ、ｃ 底面
２０ｂ、ｃ 側面

Claims (8)

1. 不動態化する金属より構成された板状の金属基材と、
   前記金属基材の両面に部分的に被覆された貴金属層と、
   電解質電極接合体の電極と対向する領域に塑性加工により形成された凹凸部とを備え、その両面が前記電極と接触して使用される燃料電池用金属セパレータであって、
   その両面それぞれ、
   前記電極と接触する接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率が、２０％以上１００％以下の範囲内とされており、かつ、
   前記電極と接触しない非接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ前記電極と接触する接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
2. 不動態化する金属より構成された板状の金属基材と、
   前記金属基材の両面に部分的に被覆された貴金属層と、
   電解質電極接合体の電極と対向する領域に塑性加工により形成された凹凸部とを備え、その一方面が前記電極と接触して使用される燃料電池用金属セパレータであって、
   その一方面については、
   前記電極と接触する接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率が、２０％以上１００％以下の範囲内とされており、かつ、
   前記電極と接触しない非接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ前記電極と接触する接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされているとともに、
   その他方面については、
   前記凹凸部全面に占める貴金属層の被覆面積率が、５％以上８５％以下で、かつ前記電極と接触する接触面に占める前記貴金属層の被覆面積率よりも小さい範囲内とされていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
3. 前記金属基材および前記貴金属層は、圧縮加工されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
4. 前記貴金属層の厚みが、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池用金属セパレータ。
5. 前記金属基材を構成する金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉおよびこれらの合金から選択される１種または２種以上であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池用金属セパレータ。
6. 前記貴金属層を構成する貴金属は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕおよびこれらの合金から選択される１種または２種以上であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料電池用金属セパレータ。
7. 前記金属基材の露出部には、酸処理、過酸化物処理およびオゾン処理から選択される１種または２種以上の防食処理により、不動態皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の燃料電池用金属セパレータ。
8. 請求項１から７の何れかに記載の燃料電池用金属セパレータを有する燃料電池。

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