JP5292578B2 - 燃料電池用金属セパレータ、燃料電池用金属セパレータの製造方法、及び燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用金属セパレータ、その製造方法、及び燃料電池に係り、特に電極との間で燃料流路及び酸化剤流路を形成し、且つ集電機能を有する燃料電池用金属セパレータであって、耐食性、導電性に優れた燃料電池用金属セパレータに関する。
従来、一般的に、燃料電池用セパレータとしては、基材として強度、導電性に優れたカーボン系材料やステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、アルミニウム等の金属材料が使用されている。
カーボン系材料からなるセパレータは、耐食性に優れ、且つ電気伝導性が高いという利点を有する。しかしながら、カーボン系材料は非常に脆いため、セパレータの表面に流路を形成すべく切削加工等を施すことは容易ではなく、量産が困難であった。
一方、上記金属材料からなるセパレータは、カーボン系材料のセパレータと比較して強度、延性に優れている。このため、プレス加工により流路を形成し易く、量産も容易であるという利点がある。しかしながら、固体電解質型燃料電池においては、セパレータは高温の水蒸気や腐食性環境下に曝されるため腐食を起こし易い。このため、セパレータ表面と電極との接触抵抗が大きくなり、セパレータの集電性能が低下するという問題がある。
これに対して、従来は、セパレータの構成材料である金属材料の表面に耐食性に優れた金、白金、パラジウム等の貴金属材料をコーティングした材料が検討されている（例えば、特許文献１、２）。
また、本出願人は、特許文献３において、金属平板上に炭素系材料を含む樹脂からなる被覆層を形成し、耐食性を向上させることを提案している。
特開２００６−２６９０９０号公報
特開２００４−２９６３８１号公報
ＷＯ２００６／１３５１０８Ａ１
しかしながら、特許文献１、２のようにめっき自体に耐食性を持たせるためには、めっき層を比較的厚く形成（めっき使用量を多く）する必要があった。このため、コストが高くなるという問題があった。
一方、特許文献３では、被覆層と金属平板との間の電気抵抗を一層低減することが要求されている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、低コストで、充分な耐食性と導電性とが得られる燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、最外層にストライクめっきが１〜１００ｎｍの膜厚になるように施された金属平板と、該金属平板上に直接形成され、炭素材料と樹脂とを含む被覆層と、を備えたことを特徴とする燃料電池用金属セパレータを提供する。
請求項１によれば、金属平板の最外層は、ストライクめっきにより酸化皮膜が除去されると共に、導電性の高いストライクめっき層が形成される。これにより、金属平板と被覆層との間の電気抵抗を低減できる。また、上記ストライクめっきが施された金属平板上に炭素系材料と樹脂とを含む被覆層が形成されるので、金属平板に充分な耐食性を持たせることができる。このように、低コストで、充分な耐食性と導電性とを有する金属セパレータを得ることができる。
請求項２は請求項１において、前記ストライクめっきは、ニッケルストライクめっきであることを特徴とする。
請求項２によれば、充分な導電性が得られ、且つ比較的低コストである点で、ニッケルストライクめっきが好ましい。
請求項１によれば、被覆層を形成することで金属平板に充分な耐食性を付与できる。このため、ストライクめっきは少なくとも導電性を向上できる程度の厚さに形成されればよい。したがって、めっき使用量を少なくでき、低コスト化できる。また、ストライクめっきの膜厚は５〜５０ｎｍであることがより好ましく、２〜３ｎｍでも導電性を十分に向上させることができる。
請求項３は請求項１又は２において、前記金属セパレータの厚さ方向の面積抵抗は１〜１５ｍΩｃｍ２であることを特徴とする。
請求項３によれば、面積抵抗が１〜１５ｍΩｃｍ２であるので、金属セパレータとしての充分な導電性を得ることができる。
請求項４は請求項１〜３の何れか１項において、前記金属平板は、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。
請求項４によれば、金属平板としてオーステナイト系ステンレス鋼のような耐食性の高い金属を使用することで、金属セパレータとしての耐食性を一層向上させることができる。
請求項５は請求項１〜４の何れか１項において、前記被覆層の厚さは５〜１００μｍであることを特徴とする。
請求項５によれば、被覆層の厚さを５〜１００μｍとすることで金属平板に充分な耐食性を付与できる。このため、ストライクめっきは少なくとも導電性を向上できる程度の厚さに形成されればよい。したがって、めっき使用量を少なくでき、低コスト化できる。なお、被覆層の厚さは３０〜７０μｍとすることがより好ましい。
請求項６は請求項１〜５の何れか１項において、前記被覆層上に、流路を形成するための流路形成部材が配置されたことを特徴とする。
請求項６によれば、流路を、被覆層を形成した金属平板上に流路形成部材を配置して形成するので、金属平板自体に残留応力が生じるのを抑制できる。これにより、残留応力に起因する応力腐食割れを抑制できる。
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、請求項１〜６の何れか１項に記載の金属セパレータの製造方法であって、金属平板の最外層にストライクめっきを１〜１００ｎｍの膜厚になるように施す工程と、該金属平板上に直接、炭素及び樹脂を含む被覆層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供する。
なお、ストライクめっきの種類は、特に限定されないが、例えば金、銅、ニッケル等が挙げられる。
請求項８は請求項７において、前記ストライクめっきは、ニッケルストライクめっきであることを特徴とする。
請求項９は請求項７又は８において、前記被覆層は、炭素系材料を含む樹脂を熱圧着することにより形成することを特徴とする。
請求項９によれば、炭素系材料を含む樹脂を熱圧着することにより被覆層を形成するので、該被覆層を緻密に形成できる。したがって、金属平板に充分な耐食性を付与できる。
請求項１０は請求項７〜９の何れか１項において、前記被覆層上に流路形成部材を配置することにより流路を形成する工程を備えたことを特徴とする。
請求項１０によれば、流路を、被覆層を形成した金属平板上に流路形成部材を配置して形成するので、金属平板自体に残留応力が生じるのを抑制できる。これにより、残留応力に起因する応力腐食割れを抑制できる。
本発明の請求項１１は前記目的を達成するために、固体高分子電解質膜を挟む一対の電極と、該一対の電極を挟持し、且つ前記一対の電極に原料を供給するための流路を備えた一対の金属セパレータと、よりなる単電池を積層した燃料電池であって、前記金属セパレータは、請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータであることを特徴とする燃料電池を提供する。
請求項１１によれば、本発明に係る金属セパレータを用いることで、電気抵抗に伴う電圧降下を低減できると共に、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
本発明によれば、低コストで、充分な耐食性と導電性とが得られる金属セパレータを提供できる。
以下、添付図面に従って本発明に係る金属セパレータ及びその製造方法の好ましい実施の形態について説明する。
まず、本発明に係る金属セパレータの一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における金属セパレータの構成を示す断面模式図である。図１に示すように、金属セパレータ１０は、主に、金属平板１２と、該金属平板の表面に施されたニッケルストライクめっき層１４と、該ニッケルストライクめっき層１４上に形成され、炭素系材料を含む樹脂からなる耐食性の被覆層１６と、該被覆層１６上に配され、原料等を供給・排出する流路を形成する流路形成部材１８と、より構成されている。なお、本実施形態では、金属平板１２の片面にニッケルストライクめっき層１４等を形成する例で説明するが、これに限定されるものではなく、金属平板１２の両面にニッケルストライクめっき層１４等を形成できることはいうまでもない。
金属平板１２としては、特に限定はないが、例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼等の薄板が使用できる。中でも、金属平板１２としては、耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。金属平板１２の厚さは、用途にもよるが０．０３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
ニッケルストライクめっき層１４は、金属平板１２表面の被覆層１６との界面に形成されており、金属平板１２と被覆層１６との導電性を高める機能を有する。一般的に、ニッケルストライクめっきは、金等の耐食性の高い貴金属めっき等の下地層として使用される。しかしながら、本実施形態では、被覆層１６が優れた耐食性を有するので、必ずしもニッケルストライクめっき層１４に耐食性を持たせる必要はない。このため、ニッケルストライクめっき層１４は、金属平板１２の残留応力を低減する上でも、薄層に形成されることが好ましい。具体的には、ニッケルストライクめっき層１４の膜厚は１〜１００ｎｍであることが好ましく、５〜５０ｎｍであることがより好ましく、２〜３ｎｍでも充分に電気抵抗を低減できる。また、ニッケルストライクめっき層１４は、金属平板１２の面全体を均一に被覆する必要はないが、平均膜厚で１ｎｍ以上あればよい。
なお、ニッケルストライクめっきに限らず、その他のストライクめっき、例えば、銅（Ｃｕ）ストライクめっき、金（Ａｕ）ストライクめっき等も採用できる。
被覆層１６は、金属平板１２の腐食を防止するための保護層として機能する。被覆層１６は、導電材（炭素系材料）を均一に分散させた緻密な樹脂層状に形成されている。金属平板１２の耐食性を重視する上で、被覆層１６における導電材の含有量は６０〜８０質量％とすることが好ましい。また、集電性を損なわないようにする観点から、体積固有抵抗（厚さ方向）を５０ｍΩｃｍ以下とすることが好ましい。
流路形成部材１８は、原料等が流れる流路を形成し、且つ電極体（ＭＥＡ）との導通を確保するよう機能する。このため、流路形成部材１８は、高導電性の導電材又は該導電材を含有する樹脂より形成されている。電極体との導通を重視する上で、流路形成部材１８における導電材の含有量は６０〜８５質量％とし、且つ体積固有抵抗を２０ｍΩｃｍ以下とすることが好ましい。
被覆層１６及び流路形成部材１８に使用される樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ゴム系樹脂、フラン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂等が挙げられる。
導電材としては、導電性、分散性、コスト、取り扱い性の点で優れる炭素系導電材が好ましい。炭素系導電材としては、例えば、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、ダイヤモンド被覆カーボンブラック、炭化ケイ素、炭化チタン、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が使用できる。また、導電材は、上記炭素系導電材だけでなく、金属酸化物、窒化物やほう化物等も使用できる。
次に、このように構成された金属セパレータの製造方法について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態における金属セパレータの製造工程を説明する断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、脱脂処理した金属平板１２を用意する。たとえば、金属平板がステンレス鋼である場合、ステンレス鋼板の表面が不動態皮膜で皮膜されており、その不動態皮膜の表面には空気中の埃や人間の手の油等による汚れが付着している。そこで、金属平板１２を脱脂処理することにより、金属平板表面の汚れを除去する。
次いで、図２（ｂ）に示すように、金属平板１２の表面にニッケルストライクめっきを施す。これにより、金属平板１２上の不動態皮膜を取り除き、金属平板表面を活性化させると共に、導電性の高いニッケルストライクめっき層１４を形成する。
このとき、めっき浴組成としては、例えば、塩化ニッケル２００〜３００ｇ／Ｌ、塩酸５０〜１２０ｇ／Ｌを含み、電流密度は５〜１５Ａ／ｄｍ2とすることができる（参考文献：日本鍍金材料協同組合 ２００６年度版めっき技術要覧）。ニッケルストライクめっきの膜厚は、５ｎｍ以上であることが好ましいが、２〜３ｎｍでも被覆層１８と金属平板１２表面の間の電気抵抗を充分に低減することができる。
めっき時間は、ニッケルストライクめっきの膜厚が２〜３ｎｍ以上形成できる時間に設定されることが好ましく、例えば、電流密度３Ａ／ｄｍ２以上で５〜１０秒以上とすることが好ましい。
次いで、図２（ｃ）に示すように、ニッケルストライクめっき層１４上に被覆層１６を形成する。
被覆層１６は、例えば、炭素系材料を含む樹脂溶液又は樹脂シートを、樹脂の軟化温度以上又は硬化温度域で加圧しながら塑性変形させること（熱圧着法）により形成する。このような熱圧着法としては、例えば、ホットプレスやホットロール等を採用できる。被覆層１６の膜厚は、金属平板１２の腐食を確実に抑制する観点から、５〜１００μｍとすることが好ましく、３０〜７０μｍとすることがより好ましい。
このとき、金属平板１２の外層に、極薄のニッケルストライクめっき層１４が形成されているので、被覆層１６と金属平板１２の間の導通を飛躍的に向上させることができる。
そして、被覆層１６上に流路形成部材１８を配置して流路を形成する。流路形成部材１８は、例えば、炭素系材料を含む樹脂溶液を射出成形法、金型成形法、フォトリソグラフィ法等で製造したものを使用できる。フォトリソグラフィ法を採用する場合は、上記樹脂溶液として、炭素系材料を含む感光性ドライフィルムや液状レジスト等が使用できる。なお、流路形成部材１８は、被覆層１６上で直接成形してもよいし、予め成形した流路形成部材１８を被覆層１６上に配置してもよい。
これにより、例えば、金属平板１２がステンレス鋼である場合、ニッケルストライクめっきを施すことで、面積抵抗を、従来（めっきなし）の１２〜１４ｍΩｃｍ２から６〜８ｍΩｃｍ２程度まで大幅に低減できる。
次に、本発明に係る金属セパレータの適用例について説明する。図３（Ａ）は、本発明に係る金属セパレータを組み込んだ燃料電池の単セル部分の一例を示す部分分解斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）において組み立てられた状態でのＡ−Ａ線断面図である。なお、同図において、金属セパレータの両面に流路を形成する例であり、表面（上面）がアノード側、裏面（下面）がカソード側を示す。以下、カソード側については、アノード側と同様の構成を有するので、その詳細な説明は省略する。
図３に示すように、燃料電池２０は、電極膜接合体（ＭＥＡ）２２が一対の金属セパレータ２４、２４により挟持されて構成される。
電極膜接合体（ＭＥＡ）２２は、図３（Ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２２Ｍが、アノード電極２２Ａ、カソード電極２２Ｃにより挟まれた構造となっている。アノード電極２２Ａ、カソード電極２２Ｃは、例えば、白金、白金−ルテニウム等の触媒が多孔質導電材（例えば、カーボンペーパー等）上に保持されている。
金属セパレータ２４は、外層にニッケルストライクめっき層２６が形成された金属平板２８と、該金属平板２８表面を被覆する被覆層３０と、被覆層３０上に配され、流路３１を形成する多孔質の流路形成部材３２と、より構成されている。金属セパレータ２４表面の周囲には、ガスケット３４が形成されており、これにより単セル内部がシールできるように構成されている。
金属セパレータ２４の流路入口には、燃料電池２０を構成する各アノード側の金属セパレータ２４に燃料を分配供給する供給マニホールド３６が連通している。同様に、金属セパレータ２４の流路出口には、各アノード側の金属セパレータ２４から残留燃料又は反応生成物を回収する回収マニホールド３８が連通している。
このように構成された燃料電池２０では、例えば、供給マニホールド３６より供給された水素ガス等の燃料は、流路３１を通じてアノード電極２２Ａに供給される（矢印参照）。そして、アノード電極２２Ａに供給されなかった残留燃料や反応生成物は、回収マニホールド３８より回収される。なお、符号３６’、３８’はそれぞれ酸化剤の供給マニホールド、回収マニホールドを示しており、これらは各カソード側の金属セパレータに対して酸化剤を供給又は回収できるように構成されている。
このように、本発明に係る金属セパレータを用いることにより、金属セパレータの電気抵抗に起因する電圧降下を低減できるので、発電効率を向上できる。さらに、被覆層により金属セパレータの腐食を確実に抑制できる。
なお、流路形状等は、図３の態様に限定されることはなく、例えば、蛇行流路、ストレート状流路などでもよい。また、燃料も水素ガスに限らず、例えば、メタノール等の液体燃料でもよい。
以上、本発明に金属セパレータ及びその製造方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
たとえば、本実施形態では、金属平板表面にニッケルストライクめっきを施す例を示したが、これに限定されず、例えば、金（Ａｕ）ストライクめっき、銅（Ｃｕ）ストライクめっきを施すこともできる。また、金属平板の表面に直接、スパッタや蒸着のようなドライプロセスを適用してもよい。
また、本実施形態では、流路形成部材を金属平板上に配置して流路を形成する例を示したが、例えば、液圧成形法等の残留応力を極力小さくする方法で金属平板を変形させ、流路を形成してもよい。また、本実施形態では、燃料や酸化剤を流通させる流路を備えた金属セパレータについて示したが、これに限定されず、例えば、冷却水を流通させる流路を備えた金属セパレータにも本発明を適用できる。
以下、実施例を挙げて本発明の特徴を更に具体的に説明するが、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
（試験１−１）
本発明に係るニッケルストライクめっきを施した金属セパレータ１０について、面積抵抗を測定した。
本発明に係るニッケルストライクめっきを施した金属セパレータ１０について、面積抵抗を測定した。
材質ＳＵＳ３０４、厚さ０．２ｍｍで、サイズが１５０ｍｍ×２００ｍｍの金属平板１２を使用した。この金属平板１２の表面を脱脂処理した後、以下の条件でニッケルストライクめっき層１４を形成した。
（ニッケルストライクめっき条件）
めっき浴組成：塩化ニッケル ２４０ｇ/Ｌ
塩酸 ６０〜１００ｇ/Ｌ
電流密度 ：３Ａ／ｄｍ２
めっき時間 ：２０秒
めっき膜厚 ：１４ｎｍ
このように、ニッケルストライクめっき（Ｎｉ−ｓｔめっき）を施した金属平板１２を５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに切断し、図４に示すように、２枚のカーボンペーパー４２、４２で挟み、これを更に２枚の電極板（銅板）４４、４４で挟み、試験体４０にセットした。そして、金属平板１２に対する電極板４４の面圧が１ＭＰａになるように荷重をかけ、２枚の電極板４４、４４間に電流を流し、電極板４４、４４間の電圧降下から金属平板１２の厚さ方向の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
めっき浴組成：塩化ニッケル ２４０ｇ/Ｌ
塩酸 ６０〜１００ｇ/Ｌ
電流密度 ：３Ａ／ｄｍ２
めっき時間 ：２０秒
めっき膜厚 ：１４ｎｍ
このように、ニッケルストライクめっき（Ｎｉ−ｓｔめっき）を施した金属平板１２を５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに切断し、図４に示すように、２枚のカーボンペーパー４２、４２で挟み、これを更に２枚の電極板（銅板）４４、４４で挟み、試験体４０にセットした。そして、金属平板１２に対する電極板４４の面圧が１ＭＰａになるように荷重をかけ、２枚の電極板４４、４４間に電流を流し、電極板４４、４４間の電圧降下から金属平板１２の厚さ方向の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
次いで、上記金属平板１２上に、以下の条件で膜厚５０μｍの被覆層１６を形成した。この被覆層１６を形成した金属平板１２を図４に示す試験体４０にセットし、面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｂ）。
（被覆層１６の形成条件）
組成：黒鉛 ７４質量％、エポキシ樹脂 ２６質量％
ホットプレス条件：１９０℃、１０ＭＰａ、３０分
さらに、上記被覆層１６を形成した金属平板１２上に、以下の条件で作製した高さ０．５ｍｍの流路形成部材１８を配置した。この流路形成部材１８を配置した金属平板１２を図４に示す試験体４０にセットし、面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｃ）。
組成：黒鉛 ７４質量％、エポキシ樹脂 ２６質量％
ホットプレス条件：１９０℃、１０ＭＰａ、３０分
さらに、上記被覆層１６を形成した金属平板１２上に、以下の条件で作製した高さ０．５ｍｍの流路形成部材１８を配置した。この流路形成部材１８を配置した金属平板１２を図４に示す試験体４０にセットし、面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｃ）。
（流路形成部材１８の形成条件）
組成：黒鉛 ８１質量％、エポキシ樹脂 １９質量％
この結果を表１に示す。
組成：黒鉛 ８１質量％、エポキシ樹脂 １９質量％
この結果を表１に示す。
（試験１−２）
ニッケルストライクめっきを施していない未処理の金属平板１２を用いた以外は、試験１−１と同様に金属平板１２の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
ニッケルストライクめっきを施していない未処理の金属平板１２を用いた以外は、試験１−１と同様に金属平板１２の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
また、上記未処理の金属平板１２上に、膜厚５０μｍの被覆層１６を試験１−１と同様の条件で形成し、面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｂ）。
この結果を表１に示す。
（試験１−３）
ニッケルストライクめっきを施さず、表面をブラスト処理した金属平板１２を用いた以外は、試験１−１と同様に金属平板１２の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
ニッケルストライクめっきを施さず、表面をブラスト処理した金属平板１２を用いた以外は、試験１−１と同様に金属平板１２の面積抵抗（面積抵抗Ａ）を測定した。
また、上記ブラスト処理した金属平板１２上に、膜厚５０μｍの被覆層１６を試験１−１と同様の条件で形成し、面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｂ）。
また、上記被覆層１６上に０．５ｍｍの流路形成部材１８を配置した状態で面積抵抗を測定した（面積抵抗Ｃ）。なお、流路形成部材１８は、試験１−１と同様の条件で形成した。
この結果を表１に示す。
表１に示すように、金属平板１２にニッケルストライクめっきを施した試験１−１が面積抵抗Ａ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても低かった。
これに対して、金属平板１２にニッケルストライクめっきを施さなかった試験１−２、１−３では、金属平板１２の表面をブラスト処理することで面積抵抗をいくらか低減できるものの、面積抵抗Ａ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても試験１−１より高いことがわかった。
以上のように、従来の未処理のステンレス鋼板では、高抵抗な酸化皮膜により面積抵抗が８００〜１０００ｍΩｃｍ２であったのを、ニッケルストライクめっきを施すことで３〜５ｍΩｃｍ２まで低減できることがわかった。
（試験２）
被覆層１６を試験１−１と同様の条件で形成した金属平板１２について、ニッケルストライクめっきのめっき時間ごとの面積抵抗を測定した。この結果を図５に示す。
被覆層１６を試験１−１と同様の条件で形成した金属平板１２について、ニッケルストライクめっきのめっき時間ごとの面積抵抗を測定した。この結果を図５に示す。
図５に示すように、被覆層１６が形成された金属平板１２において、ニッケルストライクめっき時間が５秒を超えると面積抵抗Ｂは約５ｍΩｃｍ２付近まで低下し、めっき時間がそれ以上になるとほぼ一定になった。
これにより、５秒程度の短いめっき時間でも、被覆層１６が形成された金属平板１２の面積抵抗を５ｍΩｃｍ２付近まで低減できることがわかった。
また、めっき時間ごとのニッケルストライクめっきの膜厚を、めっき前後の重量変化より算出した。この結果を図６に示す。
図６に示すように、ニッケルストライクめっきの膜厚は、めっき時間が１０秒以上で約５ｎｍ以上となることがわかった。
（試験３）
試験１−１と同様に作製した金属平板サンプルについて以下の腐食試験を行った。すなわち、試験１−１と同様に作製した金属平板サンプルを８５℃、２０００時間、９５％ＲＨの腐食雰囲気に曝す前、曝した後について、１モル硫酸溶液中でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ測定法）による電流−電位曲線を測定した。掃引速度は１０ｍＶ（ｖｓＲＨＥ）／秒で行い、０．６〜０．７Ｖ（ｖｓＲＨＥ）付近に鉄の酸化還元電流（腐食電流）が生じるかについて測定した。この結果を図７に示す。
試験１−１と同様に作製した金属平板サンプルについて以下の腐食試験を行った。すなわち、試験１−１と同様に作製した金属平板サンプルを８５℃、２０００時間、９５％ＲＨの腐食雰囲気に曝す前、曝した後について、１モル硫酸溶液中でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ測定法）による電流−電位曲線を測定した。掃引速度は１０ｍＶ（ｖｓＲＨＥ）／秒で行い、０．６〜０．７Ｖ（ｖｓＲＨＥ）付近に鉄の酸化還元電流（腐食電流）が生じるかについて測定した。この結果を図７に示す。
図７に示すように、腐食雰囲気に曝す前後において、ＣＶ曲線に大きな変化はみられず、いずれも０．６〜０．７Ｖ付近に鉄の酸化還元電流はみられなかった。これにより、金属平板のニッケルストライクめっき層上に形成した被覆層にはピンホール等の欠陥はなく、耐腐食性は問題ないことが確認できた。
（試験４−１）
試験１−１の金属セパレータ（ニッケルストライクめっき金属平板１２＋被覆層１６）を用いて、アノード側の運転環境を想定して、９０℃、９０％ＲＨの水素加湿雰囲気に曝したときの面積抵抗の変化を測定した。この結果を図８（Ａ）に示す。
試験１−１の金属セパレータ（ニッケルストライクめっき金属平板１２＋被覆層１６）を用いて、アノード側の運転環境を想定して、９０℃、９０％ＲＨの水素加湿雰囲気に曝したときの面積抵抗の変化を測定した。この結果を図８（Ａ）に示す。
（試験４−２）
試験１−３の金属セパレータ（ブラスト処理金属平板１２＋被覆層１６）を用いた以外は試験４−１と同様にした。この結果を図８（Ａ）に示す。
試験１−３の金属セパレータ（ブラスト処理金属平板１２＋被覆層１６）を用いた以外は試験４−１と同様にした。この結果を図８（Ａ）に示す。
（試験５−１）
試験１−１の金属セパレータ（ニッケルストライクめっき金属平板１２＋被覆層１６）を用いて、カソード側の運転環境を想定して、９０℃、９０％ＲＨの空気加湿雰囲気に曝したときの面積抵抗の変化を測定した。この結果を図８（Ｂ）に示す。
試験１−１の金属セパレータ（ニッケルストライクめっき金属平板１２＋被覆層１６）を用いて、カソード側の運転環境を想定して、９０℃、９０％ＲＨの空気加湿雰囲気に曝したときの面積抵抗の変化を測定した。この結果を図８（Ｂ）に示す。
（試験５−２）
試験１−３の金属セパレータ（ブラスト処理金属平板１２＋被覆層１６）を用いた以外は試験５−１と同様にした。この結果を図８（Ｂ）に示す。
試験１−３の金属セパレータ（ブラスト処理金属平板１２＋被覆層１６）を用いた以外は試験５−１と同様にした。この結果を図８（Ｂ）に示す。
アノードを想定した運転環境においては、図８（Ａ）に示すように、本発明に係る金属セパレータを用いた試験４−１では、試験開始から１０００時間経過時点では、経過時間によらずほぼ一定で面積抵抗の増加はみられなかった。これに対して、試験４−２の金属セパレータでは、経過時間に対して面積抵抗が大幅に増加することがわかった。
カソードを想定した運転環境においては、図８（Ｂ）に示すように、本発明に係る金属セパレータを用いた試験５−１では、試験開始から５００時間経過時点では、面積抵抗の増加はみられなかった。これに対して、試験５−２の金属セパレータは、面積抵抗が試験開始直後から増加することがわかった。
このように、アノード、カソードのいずれにおいても、本発明に係る金属セパレータを長時間使用した際でも面積抵抗を低く維持することができ、耐久性に優れることがわかった。特に、アノードを想定した運転環境において、耐久性を著しく向上できることがわかった。
以上から、本発明を適用することで、金属セパレータが高い耐食性を有するとともに、少ないめっき使用量でも電気抵抗を大幅に低減できることが確認できた。
１０、２４…金属セパレータ、１２、２８…金属平板、１４、２６…ニッケルストライクめっき層、１６、３０…被覆層、１８、３２…流路形成部材、２０…燃料電池、２２…電極膜接合体（ＭＥＡ）、３６、３６’…供給マニホールド、３８、３８’…回収マニホールド
Claims (11)
- 最外層にストライクめっきが１〜１００ｎｍの膜厚になるように施された金属平板と、
該金属平板上に直接形成され、炭素材料と樹脂とを含む被覆層と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。 - 前記ストライクめっきは、ニッケルストライクめっきであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
- 前記金属セパレータの厚さ方向の面積抵抗は１〜１５ｍΩｃｍ２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
- 前記金属平板は、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
- 前記被覆層の厚さは５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
- 前記被覆層上に、流路を形成するための流路形成部材が配置されたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
- 請求項１〜６の何れか１項に記載の金属セパレータの製造方法であって、
金属平板の最外層にストライクめっきを１〜１００ｎｍの膜厚になるように施す工程と、
該金属平板上に直接、炭素及び樹脂を含む被覆層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。 - 前記ストライクめっきは、ニッケルストライクめっきであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
- 前記被覆層は、炭素材を含む樹脂を熱圧着することにより形成することを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
- 前記被覆層上に流路形成部材を配置することにより流路を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
- 固体高分子電解質膜を挟む一対の電極と、
該一対の電極を挟持し、且つ前記一対の電極に原料を供給するための流路を備えた一対の金属セパレータと、よりなる単電池を積層した燃料電池であって、
前記金属セパレータは、請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータであることを特徴とする燃料電池。
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