JPH11121018A - 低温型燃料電池用セパレータ - Google Patents
低温型燃料電池用セパレータInfo
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- JPH11121018A JPH11121018A JP9280252A JP28025297A JPH11121018A JP H11121018 A JPH11121018 A JP H11121018A JP 9280252 A JP9280252 A JP 9280252A JP 28025297 A JP28025297 A JP 28025297A JP H11121018 A JPH11121018 A JP H11121018A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 耐酸性の良好なステンレス鋼基材にカーボン
粉末を分散圧着させることにより、導電性を改善した低
温型燃料電池用セパレータを得る。 【構成】 このセパレータは、ステンレス鋼を基材１３
とし、カーボンブラック，黒鉛粉末等のカーボン粒子を
基材表面に島状に分散圧着させている。カーボン粒子
は、拡散層を介して基材表面に接合されていることが好
ましい。 【効果】 接触抵抗が低いセパレータであるため、多数
のセルを積層した場合にも熱損失となるジュール熱の発
生が抑えられる。
粉末を分散圧着させることにより、導電性を改善した低
温型燃料電池用セパレータを得る。 【構成】 このセパレータは、ステンレス鋼を基材１３
とし、カーボンブラック，黒鉛粉末等のカーボン粒子を
基材表面に島状に分散圧着させている。カーボン粒子
は、拡散層を介して基材表面に接合されていることが好
ましい。 【効果】 接触抵抗が低いセパレータであるため、多数
のセルを積層した場合にも熱損失となるジュール熱の発
生が抑えられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
を始めとする低温で稼動する燃料電池のセパレータに関
する。
を始めとする低温で稼動する燃料電池のセパレータに関
する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池のなかでも、固体高分子型の燃
料電池は、１００℃以下の温度で動作可能であり、短時
間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体か
らなるため、構造が簡単でメンテナンスが容易である、
振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力
密度が高いため小型化に適し、燃料効率が高く、騒音が
小さい等の長所を備えている。これらの長所から、電気
自動車搭載用としての用途が検討されている。ガソリン
自動車と同等の走行距離を出せる燃料電池を自動車に搭
載できると、ＮＯx ，ＳＯx の発生がほとんどなく、Ｃ
Ｏ2 の発生が半減する等のように環境に対して非常にク
リーンなものになる。固体高分子型燃料電池は、分子中
にプロトン交換基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン導
電性電解質として機能することを利用したものであり、
他の形式の燃料電池と同様に固体高分子膜の一側に水素
等の燃料ガスを流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す
構造になっている。
料電池は、１００℃以下の温度で動作可能であり、短時
間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体か
らなるため、構造が簡単でメンテナンスが容易である、
振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力
密度が高いため小型化に適し、燃料効率が高く、騒音が
小さい等の長所を備えている。これらの長所から、電気
自動車搭載用としての用途が検討されている。ガソリン
自動車と同等の走行距離を出せる燃料電池を自動車に搭
載できると、ＮＯx ，ＳＯx の発生がほとんどなく、Ｃ
Ｏ2 の発生が半減する等のように環境に対して非常にク
リーンなものになる。固体高分子型燃料電池は、分子中
にプロトン交換基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン導
電性電解質として機能することを利用したものであり、
他の形式の燃料電池と同様に固体高分子膜の一側に水素
等の燃料ガスを流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す
構造になっている。
【０００３】具体的には、固体高分子膜１は、図１に示
すように両側に空気電極２及び水素電極３が接合され、
それぞれガスケット４を介してセパレータ５を対向させ
ている。空気電極２側のセパレータ５には空気供給口
６，空気排出口７が形成され、水素電極３側のセパレー
タ５には水素供給口８，水素排出口９が形成されてい
る。セパレータ５には、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの導
通及び均一分配のため、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの流
動方向に延びる複数の溝１０が形成されている。また、
発電時に発熱があるため、給水口１１から送り込んだ冷
却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた後、排水口１
２から排出させる水冷機構をセパレータ５に内蔵させて
いる。水素供給口８から水素電極３とセパレータ５との
間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出したプロトン
となって固体高分子膜１を透過し、空気電極２側で電子
を受け、空気電極２とセパレータ５との間隙を通過する
酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、空気電極２
と水素電極３との間に負荷をかけるとき、電力を取り出
すことができる。
すように両側に空気電極２及び水素電極３が接合され、
それぞれガスケット４を介してセパレータ５を対向させ
ている。空気電極２側のセパレータ５には空気供給口
６，空気排出口７が形成され、水素電極３側のセパレー
タ５には水素供給口８，水素排出口９が形成されてい
る。セパレータ５には、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの導
通及び均一分配のため、水素ｇ及び酸素又は空気ｏの流
動方向に延びる複数の溝１０が形成されている。また、
発電時に発熱があるため、給水口１１から送り込んだ冷
却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた後、排水口１
２から排出させる水冷機構をセパレータ５に内蔵させて
いる。水素供給口８から水素電極３とセパレータ５との
間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出したプロトン
となって固体高分子膜１を透過し、空気電極２側で電子
を受け、空気電極２とセパレータ５との間隙を通過する
酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、空気電極２
と水素電極３との間に負荷をかけるとき、電力を取り出
すことができる。
【０００４】燃料電池は、１セル当りの発電量が極く僅
かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレータ
５，５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数のセ
ルを積層することによって取出し可能な電力量を大きく
している。多数のセルを積層した構造では、セパレータ
５の抵抗が発電効率に大きな影響を及ぼす。発電効率を
向上させるためには、導電性が良好で接触抵抗の低いセ
パレータが要求され、リン酸塩型燃料電池と同様に黒鉛
質のセパレータが使用されている。黒鉛質のセパレータ
は、黒鉛ブロックを所定形状に切り出し、切削加工によ
って各種の孔や溝を形成している。そのため、材料費や
加工費が高く、全体として燃料電池の価格を高騰させる
と共に、生産性を低下させる原因になっている。しか
も、材質的に脆い黒鉛でできたセパレータでは、振動や
衝撃が加えられると破損する虞れが大きい。そこで、プ
レス加工やパンチング加工等によって金属板からセパレ
ータを作ることが特開平８−１８０８８３号公報で提案
されている。
かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレータ
５，５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数のセ
ルを積層することによって取出し可能な電力量を大きく
している。多数のセルを積層した構造では、セパレータ
５の抵抗が発電効率に大きな影響を及ぼす。発電効率を
向上させるためには、導電性が良好で接触抵抗の低いセ
パレータが要求され、リン酸塩型燃料電池と同様に黒鉛
質のセパレータが使用されている。黒鉛質のセパレータ
は、黒鉛ブロックを所定形状に切り出し、切削加工によ
って各種の孔や溝を形成している。そのため、材料費や
加工費が高く、全体として燃料電池の価格を高騰させる
と共に、生産性を低下させる原因になっている。しか
も、材質的に脆い黒鉛でできたセパレータでは、振動や
衝撃が加えられると破損する虞れが大きい。そこで、プ
レス加工やパンチング加工等によって金属板からセパレ
ータを作ることが特開平８−１８０８８３号公報で提案
されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素又は空気
ｏが通過する空気電極２側は、酸性度がｐＨ２〜３の酸
性雰囲気にある。このような強酸性雰囲気に耐え、しか
もセパレータに要求される特性を満足する金属材料は、
これまでのところ実用化されていない。たとえば、強酸
に耐える金属材料としてステンレス鋼等の耐酸性材料が
考えられる。これらの材料は、表面に形成した強固な不
動態皮膜によって耐酸性を呈するものであるが、不動態
皮膜によって表面抵抗や接触抵抗が高くなる。接触抵抗
が高くなると、接触部分で多量のジュール熱が発生し、
大きな熱損失となり、燃料電池の発電効率を低下させ
る。他の金属板でも、接触抵抗を高くする酸化膜が常に
存在するものがほとんどである。
ｏが通過する空気電極２側は、酸性度がｐＨ２〜３の酸
性雰囲気にある。このような強酸性雰囲気に耐え、しか
もセパレータに要求される特性を満足する金属材料は、
これまでのところ実用化されていない。たとえば、強酸
に耐える金属材料としてステンレス鋼等の耐酸性材料が
考えられる。これらの材料は、表面に形成した強固な不
動態皮膜によって耐酸性を呈するものであるが、不動態
皮膜によって表面抵抗や接触抵抗が高くなる。接触抵抗
が高くなると、接触部分で多量のジュール熱が発生し、
大きな熱損失となり、燃料電池の発電効率を低下させ
る。他の金属板でも、接触抵抗を高くする酸化膜が常に
存在するものがほとんどである。
【０００６】表面に酸化皮膜や不動態皮膜を形成しない
金属材料としては、Ａｕが知られている。Ａｕは、酸性
雰囲気にも耐えるが、非常に高価な材料であるため燃料
電池のセパレータ材としては実用的でない。Ｐｔは、酸
化皮膜や不動態皮膜が形成されにくい金属材料であり、
酸性雰囲気にも耐えるが、Ａｕと同様に非常に高価な材
料であるため実用的でない。本発明は、このような問題
を解消すべく案出されたものであり、カーボン粒子をス
テンレス鋼表面に島状に分布させることにより、耐酸性
を確保しながら良好な導電性及び低い接触抵抗を示すセ
パレータを提供することを目的とする。
金属材料としては、Ａｕが知られている。Ａｕは、酸性
雰囲気にも耐えるが、非常に高価な材料であるため燃料
電池のセパレータ材としては実用的でない。Ｐｔは、酸
化皮膜や不動態皮膜が形成されにくい金属材料であり、
酸性雰囲気にも耐えるが、Ａｕと同様に非常に高価な材
料であるため実用的でない。本発明は、このような問題
を解消すべく案出されたものであり、カーボン粒子をス
テンレス鋼表面に島状に分布させることにより、耐酸性
を確保しながら良好な導電性及び低い接触抵抗を示すセ
パレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の低温型燃料電池
用セパレータは、その目的を達成するため、ステンレス
鋼を基材とし、基材表面にカーボン粒子を島状に分散さ
せていることを特徴とする。カーボン粒子は、圧下率
０．１〜５０％でステンレス鋼基材を圧延することによ
り、ステンレス鋼基材に圧着され、密着性，耐剥離性が
向上する。更に、カーボン粒子を圧着した後のステンレ
ス鋼基材を加熱処理すると、カーボン粒子は、ステンレ
ス鋼基材との間に形成された拡散層を介して基材表面に
接合されるため、密着性が一層向上する。カーボン粒子
としては、カーボンブラック又は黒鉛粉末が使用され
る。
用セパレータは、その目的を達成するため、ステンレス
鋼を基材とし、基材表面にカーボン粒子を島状に分散さ
せていることを特徴とする。カーボン粒子は、圧下率
０．１〜５０％でステンレス鋼基材を圧延することによ
り、ステンレス鋼基材に圧着され、密着性，耐剥離性が
向上する。更に、カーボン粒子を圧着した後のステンレ
ス鋼基材を加熱処理すると、カーボン粒子は、ステンレ
ス鋼基材との間に形成された拡散層を介して基材表面に
接合されるため、密着性が一層向上する。カーボン粒子
としては、カーボンブラック又は黒鉛粉末が使用され
る。
【０００８】
【作用】本発明の低温型燃料電池用セパレータは、カー
ボンブラック，黒鉛粉末等のカーボン粒子をステンレス
鋼基材の表面に島状に分布させている。なかでも、カー
ボンブラック及び黒鉛粉末は、純度が高く、不純物に起
因する酸化膜や他の皮膜を生成させる等の問題がない。
また、高純度であることから、耐酸性にも優れ、燃料電
池の固体高分子膜を汚染することもない。この点、石
油，石炭等の未燃焼生成物である煤やタールでは、多量
に含まれている不純物に起因して酸化膜や他の皮膜が生
成し易い。更に、不純物によって固体高分子膜が汚染さ
れ、燃料電池自体の性能を低下させる虞れもある。カー
ボン粒子は、表面に酸化膜を生成することがなく、低い
接触抵抗及び優れた耐酸性を示す。また、セパレータと
接触する空気電極や水素電極等が主としてカーボン系の
材料でできていることから、カーボン粒子を付着させた
ステンレス鋼基材は電極に対する馴染みが良く、接触抵
抗を一層低下させる。そのため、多数のセルを積層した
構造の燃料電池であっても、ジュール熱が少なく、発電
効率が向上する。
ボンブラック，黒鉛粉末等のカーボン粒子をステンレス
鋼基材の表面に島状に分布させている。なかでも、カー
ボンブラック及び黒鉛粉末は、純度が高く、不純物に起
因する酸化膜や他の皮膜を生成させる等の問題がない。
また、高純度であることから、耐酸性にも優れ、燃料電
池の固体高分子膜を汚染することもない。この点、石
油，石炭等の未燃焼生成物である煤やタールでは、多量
に含まれている不純物に起因して酸化膜や他の皮膜が生
成し易い。更に、不純物によって固体高分子膜が汚染さ
れ、燃料電池自体の性能を低下させる虞れもある。カー
ボン粒子は、表面に酸化膜を生成することがなく、低い
接触抵抗及び優れた耐酸性を示す。また、セパレータと
接触する空気電極や水素電極等が主としてカーボン系の
材料でできていることから、カーボン粒子を付着させた
ステンレス鋼基材は電極に対する馴染みが良く、接触抵
抗を一層低下させる。そのため、多数のセルを積層した
構造の燃料電池であっても、ジュール熱が少なく、発電
効率が向上する。
【０００９】
【実施の形態】黒鉛粒子は、カーボンブラックに比較し
て粒径が大きく、図２（ａ）に示すようにステンレス鋼
基材１３の表面に個々の黒鉛粒子１４を分散付着させる
ことができる。たとえば、黒鉛粉末を付着させたフェル
ト状の布又はフェルト状の布を巻き付けたロールをステ
ンレス鋼基材１３に擦り付けることによって、黒鉛粒子
１４が分散付着する。次いで、通常のロール対を用いて
圧下率０．１〜５０％で圧延すると、黒鉛粒子１４がス
テンレス鋼基材１３に圧着される。カーボンブラックの
場合も、同様な方法によってステンレス鋼基材１３に圧
着される。黒鉛粒子１４が圧着したステンレス鋼基材１
３を加熱し、ステンレス鋼基材１３と黒鉛粒子１４との
間に拡散層１５を形成すると（図２ｂ）、ステンレス鋼
基材１３に対する黒鉛粒子１４の密着性が改善される。
密着性が向上した黒鉛粒子１４は、基材表面がダイスで
擦られるプレス加工，コルゲート加工等によっても基材
表面から脱落することがない。また、拡散層１５を介し
てステンレス鋼基材１３と確実に導通が取れるため、接
触抵抗も一層低下する。
て粒径が大きく、図２（ａ）に示すようにステンレス鋼
基材１３の表面に個々の黒鉛粒子１４を分散付着させる
ことができる。たとえば、黒鉛粉末を付着させたフェル
ト状の布又はフェルト状の布を巻き付けたロールをステ
ンレス鋼基材１３に擦り付けることによって、黒鉛粒子
１４が分散付着する。次いで、通常のロール対を用いて
圧下率０．１〜５０％で圧延すると、黒鉛粒子１４がス
テンレス鋼基材１３に圧着される。カーボンブラックの
場合も、同様な方法によってステンレス鋼基材１３に圧
着される。黒鉛粒子１４が圧着したステンレス鋼基材１
３を加熱し、ステンレス鋼基材１３と黒鉛粒子１４との
間に拡散層１５を形成すると（図２ｂ）、ステンレス鋼
基材１３に対する黒鉛粒子１４の密着性が改善される。
密着性が向上した黒鉛粒子１４は、基材表面がダイスで
擦られるプレス加工，コルゲート加工等によっても基材
表面から脱落することがない。また、拡散層１５を介し
てステンレス鋼基材１３と確実に導通が取れるため、接
触抵抗も一層低下する。
【００１０】カーボンブラックは、通常、粒径が１μｍ
以下の微粒子であり、凝集し易い。この場合には、図２
（ｃ）に示すようにカーボンブラックの凝集物１６とし
てステンレス鋼基材１３の表面に付着させる。凝集物１
６は、黒鉛粒子１４と同様に分散圧着させた後で加熱拡
散することにより、ステンレス鋼基材１３との間に拡散
層１５を形成させ、ステンレス鋼基材１３に対する密着
性を向上させることができる。黒鉛粒子１４及びカーボ
ンブラックの凝集物１６は、図２に示すようにステンレ
ス鋼基材１３の表面に島状に分布させることが好適であ
る。すなわち、島状に分布させることにより、曲げ，伸
び等の変形を伴う加工時に生じる応力が黒鉛粒子１４や
カーボンブラックの凝集物１６に蓄積されないため、ス
テンレス鋼基材１３から黒鉛粒子１４やカーボンブラッ
クの凝集物１６が脱落し或いは剥離することが防止され
る。逆に、ステンレス鋼基材１３の全面に黒鉛粒子１４
やカーボンブラックの凝集物１６をコーティングし、そ
れぞれの粒子が結合しているような場合では、加工時に
応力の逃げ場がなく界面に蓄積されるため、黒鉛粒子１
４やカーボンブラックの凝集物１６が剥離・脱落し易く
なる。
以下の微粒子であり、凝集し易い。この場合には、図２
（ｃ）に示すようにカーボンブラックの凝集物１６とし
てステンレス鋼基材１３の表面に付着させる。凝集物１
６は、黒鉛粒子１４と同様に分散圧着させた後で加熱拡
散することにより、ステンレス鋼基材１３との間に拡散
層１５を形成させ、ステンレス鋼基材１３に対する密着
性を向上させることができる。黒鉛粒子１４及びカーボ
ンブラックの凝集物１６は、図２に示すようにステンレ
ス鋼基材１３の表面に島状に分布させることが好適であ
る。すなわち、島状に分布させることにより、曲げ，伸
び等の変形を伴う加工時に生じる応力が黒鉛粒子１４や
カーボンブラックの凝集物１６に蓄積されないため、ス
テンレス鋼基材１３から黒鉛粒子１４やカーボンブラッ
クの凝集物１６が脱落し或いは剥離することが防止され
る。逆に、ステンレス鋼基材１３の全面に黒鉛粒子１４
やカーボンブラックの凝集物１６をコーティングし、そ
れぞれの粒子が結合しているような場合では、加工時に
応力の逃げ場がなく界面に蓄積されるため、黒鉛粒子１
４やカーボンブラックの凝集物１６が剥離・脱落し易く
なる。
【００１１】カーボン系粒子を分散付着させる基材とし
ては、耐酸性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼や
オーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼が使用
される。基材の要求特性としては、酸化性雰囲気の酸に
よる腐食だけではなく、非酸化性の酸による腐食にも耐
えることが必要であることから、Ｃｒに加えてＮｉを合
金成分として添加することにより耐酸性を向上させる。
使用可能なオーステナイト系ステンレス鋼は、１４〜３
５重量％のＣｒ濃度及び５〜６０重量％のＮｉ濃度をも
つ。たとえば、Ｃ：０．００８〜０．３重量％，Ｓｉ：
０．０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．５〜５．０重量
％，Ｎｉ：５〜６０重量％，Ｃｒ：１４〜３５重量％を
含む組成をもつものが使用される。使用可能なオーステ
ナイト・フェライト二相系ステンレス鋼は、１７〜３５
重量％のＣｒ濃度及び２〜９重量％のＮｉ濃度をもつ。
たとえば、Ｃ：０．００８〜０．３重量％，Ｓｉ：０．
０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．１〜５．０重量％，Ｎ
ｉ：２．０〜６０重量％，Ｃｒ：１７〜３５重量％を含
む組成をもつものが使用される。
ては、耐酸性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼や
オーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼が使用
される。基材の要求特性としては、酸化性雰囲気の酸に
よる腐食だけではなく、非酸化性の酸による腐食にも耐
えることが必要であることから、Ｃｒに加えてＮｉを合
金成分として添加することにより耐酸性を向上させる。
使用可能なオーステナイト系ステンレス鋼は、１４〜３
５重量％のＣｒ濃度及び５〜６０重量％のＮｉ濃度をも
つ。たとえば、Ｃ：０．００８〜０．３重量％，Ｓｉ：
０．０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．５〜５．０重量
％，Ｎｉ：５〜６０重量％，Ｃｒ：１４〜３５重量％を
含む組成をもつものが使用される。使用可能なオーステ
ナイト・フェライト二相系ステンレス鋼は、１７〜３５
重量％のＣｒ濃度及び２〜９重量％のＮｉ濃度をもつ。
たとえば、Ｃ：０．００８〜０．３重量％，Ｓｉ：０．
０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．１〜５．０重量％，Ｎ
ｉ：２．０〜６０重量％，Ｃｒ：１７〜３５重量％を含
む組成をもつものが使用される。
【００１２】基材のＣｒ濃度が１４重量％未満では、酸
化性の酸による腐食雰囲気中での耐酸性が低い。逆に、
３５重量％を超えるＣｒ濃度では、ステンレス鋼の変形
抵抗が大きく、プレス加工等の加工が困難になる。Ｎｉ
濃度が２重量％未満では、非酸化性の酸による腐食雰囲
気中での耐酸性が低い。この耐酸性は、Ｎｉ含有量６０
重量％で飽和し、それ以上添加しても増量に見合った効
果がみられず、材料コストの上昇を招く。基材の耐酸性
を更に高めるため、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎ等の１種又は２種以
上を添加しても良い。すなわち、単位面積当りの電流値
を上げて出力密度を増加させる燃料電池では、ｐＨが低
下することから、より耐酸性に優れたステンレス鋼基材
が必要になる。そこで、Ｍｏ：０．２〜７重量％，Ｃ
ｕ：０．１〜５重量％，Ｎ：０．０２〜０．５重量％の
１種又は２種以上を添加することにより耐酸性を改善す
る。また、場合によっては、少量のＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等
の添加によっても耐酸性を高めることができる。
化性の酸による腐食雰囲気中での耐酸性が低い。逆に、
３５重量％を超えるＣｒ濃度では、ステンレス鋼の変形
抵抗が大きく、プレス加工等の加工が困難になる。Ｎｉ
濃度が２重量％未満では、非酸化性の酸による腐食雰囲
気中での耐酸性が低い。この耐酸性は、Ｎｉ含有量６０
重量％で飽和し、それ以上添加しても増量に見合った効
果がみられず、材料コストの上昇を招く。基材の耐酸性
を更に高めるため、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎ等の１種又は２種以
上を添加しても良い。すなわち、単位面積当りの電流値
を上げて出力密度を増加させる燃料電池では、ｐＨが低
下することから、より耐酸性に優れたステンレス鋼基材
が必要になる。そこで、Ｍｏ：０．２〜７重量％，Ｃ
ｕ：０．１〜５重量％，Ｎ：０．０２〜０．５重量％の
１種又は２種以上を添加することにより耐酸性を改善す
る。また、場合によっては、少量のＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等
の添加によっても耐酸性を高めることができる。
【００１３】
【実施例】下地として、表１に示す成分・組成をもつス
テンレス鋼板を使用し、カーボンブラックとして平均粒
径０．０５μｍのものを使用し、黒鉛粉末として平均粒
径３μｍのものを使用した。
テンレス鋼板を使用し、カーボンブラックとして平均粒
径０．０５μｍのものを使用し、黒鉛粉末として平均粒
径３μｍのものを使用した。
【００１４】
【００１５】カーボンブラック又は黒鉛粉末をまぶした
フェルトでステンレス鋼板の表面を摺擦し、付着量５〜
１０ｍｇ／ｍ2 でカーボンブラック又は黒鉛粉末を分散
付着させた。カーボンブラックは、平均粒径が小さいこ
とから粒子の凝集物１６としてステンレス鋼基材１３の
表面に分散付着していた。黒鉛粉末では凝集を生じるこ
となく、個々の黒鉛粒子１４としてステンレス鋼基材１
３の表面に分散付着していた。次いで、カーボンブラッ
クの凝集物１６又は黒鉛粒子１４のステンレス鋼基材１
３に対する密着性を改善するため、ロールを用いてステ
ンレス鋼基材１３を圧下率２〜３％で圧延した。これに
より、カーボンブラックの凝集物１６又は黒鉛粒子１４
がステンレス鋼基材１３に圧着された。更に、一部のも
のについては、７００℃に１０秒間加熱することによ
り、カーボンブラックの凝集物１６又は黒鉛粒子１４と
ステンレス鋼基材１３との間に拡散層１５を生成させ
た。
フェルトでステンレス鋼板の表面を摺擦し、付着量５〜
１０ｍｇ／ｍ2 でカーボンブラック又は黒鉛粉末を分散
付着させた。カーボンブラックは、平均粒径が小さいこ
とから粒子の凝集物１６としてステンレス鋼基材１３の
表面に分散付着していた。黒鉛粉末では凝集を生じるこ
となく、個々の黒鉛粒子１４としてステンレス鋼基材１
３の表面に分散付着していた。次いで、カーボンブラッ
クの凝集物１６又は黒鉛粒子１４のステンレス鋼基材１
３に対する密着性を改善するため、ロールを用いてステ
ンレス鋼基材１３を圧下率２〜３％で圧延した。これに
より、カーボンブラックの凝集物１６又は黒鉛粒子１４
がステンレス鋼基材１３に圧着された。更に、一部のも
のについては、７００℃に１０秒間加熱することによ
り、カーボンブラックの凝集物１６又は黒鉛粒子１４と
ステンレス鋼基材１３との間に拡散層１５を生成させ
た。
【００１６】カーボン粉末を分散付着させたステンレス
鋼基材１３について、接触抵抗及び耐酸性を調査した。
接触抵抗に関しては、荷重１０ｋｇ／ｃｍ2 でステンレ
ス鋼基材１３にカーボン電極材を接触させ、両者の間の
接触抵抗を測定した。耐酸性に関しては、ステンレス鋼
基材１３を浴温９０℃，ｐＨ２の硫酸水溶液に浸漬し、
腐食減量を測定した。比較のため、カーボン粉末を付着
させないサンプル，鋼種Ａのステンレス鋼基材に膜厚５
μｍのＮｉめっき，Ｃｕめっき及びＣｒめっきを施した
サンプルについて、同様に接触抵抗及び耐酸性を調査し
た。カーボン粉末を分散圧着したステンレス鋼基材１３
の接触抵抗及び耐酸性を表２に、更に加熱処理により拡
散層１５を形成したステンレス鋼基材１３の接触抵抗及
び耐酸性を表３に示す。
鋼基材１３について、接触抵抗及び耐酸性を調査した。
接触抵抗に関しては、荷重１０ｋｇ／ｃｍ2 でステンレ
ス鋼基材１３にカーボン電極材を接触させ、両者の間の
接触抵抗を測定した。耐酸性に関しては、ステンレス鋼
基材１３を浴温９０℃，ｐＨ２の硫酸水溶液に浸漬し、
腐食減量を測定した。比較のため、カーボン粉末を付着
させないサンプル，鋼種Ａのステンレス鋼基材に膜厚５
μｍのＮｉめっき，Ｃｕめっき及びＣｒめっきを施した
サンプルについて、同様に接触抵抗及び耐酸性を調査し
た。カーボン粉末を分散圧着したステンレス鋼基材１３
の接触抵抗及び耐酸性を表２に、更に加熱処理により拡
散層１５を形成したステンレス鋼基材１３の接触抵抗及
び耐酸性を表３に示す。
【００１７】表２から明らかなように、カーボン粉末を
分散付着させた試験番号１〜６のステンレス鋼基材は、
何れも接触抵抗が低く、耐酸性に優れており、燃料電池
用セパレータに要求される特性を備えていることが判
る。接触抵抗は、表３の試験番号１３〜１８にみられる
ように、加熱処理で拡散層１５を形成させることにより
更に低下していることが判る。これに対し、カーボン系
粉末が付着していない試験番号７〜９のステンレス鋼板
は、何れも接触抵抗が高く、燃料電池用セパレータとし
て使用できなかった。他方、Ｎｉめっき及びＣｒめっき
を施した試験番号１０，１２のステンレス鋼板は、接触
抵抗が低いものの、腐食減量が大きく、ｐＨの低い強酸
性雰囲気で使用される燃料電池用セパレータとしては不
適当であった。Ｃｕめっきを施した試験番号１１のステ
ンレス鋼板は、接触抵抗及び耐酸性の双方が悪いことか
ら、燃料電池用セパレータとしては不適当であった。
分散付着させた試験番号１〜６のステンレス鋼基材は、
何れも接触抵抗が低く、耐酸性に優れており、燃料電池
用セパレータに要求される特性を備えていることが判
る。接触抵抗は、表３の試験番号１３〜１８にみられる
ように、加熱処理で拡散層１５を形成させることにより
更に低下していることが判る。これに対し、カーボン系
粉末が付着していない試験番号７〜９のステンレス鋼板
は、何れも接触抵抗が高く、燃料電池用セパレータとし
て使用できなかった。他方、Ｎｉめっき及びＣｒめっき
を施した試験番号１０，１２のステンレス鋼板は、接触
抵抗が低いものの、腐食減量が大きく、ｐＨの低い強酸
性雰囲気で使用される燃料電池用セパレータとしては不
適当であった。Ｃｕめっきを施した試験番号１１のステ
ンレス鋼板は、接触抵抗及び耐酸性の双方が悪いことか
ら、燃料電池用セパレータとしては不適当であった。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明のセパレ
ータは、耐酸性の良好なステンレス鋼を基材とし、カー
ボン粉末を基材表面に分散圧着させることによって導電
性を改善している。そのため、多数のセルを積層した構
造をもつ低温型燃料電池用のセパレータとして使用する
とき、強酸性雰囲気においても腐食が少ない優れた耐久
性を示すと共に、多数のセルを積層したときに発生しが
ちな熱損失を抑制し、発電効率の高い燃料電池を形成す
ることが可能になる。また、金属製のセパレータである
ことから、材料コストや製造コスト等を下げ、生産性良
く製造できる。
ータは、耐酸性の良好なステンレス鋼を基材とし、カー
ボン粉末を基材表面に分散圧着させることによって導電
性を改善している。そのため、多数のセルを積層した構
造をもつ低温型燃料電池用のセパレータとして使用する
とき、強酸性雰囲気においても腐食が少ない優れた耐久
性を示すと共に、多数のセルを積層したときに発生しが
ちな熱損失を抑制し、発電効率の高い燃料電池を形成す
ることが可能になる。また、金属製のセパレータである
ことから、材料コストや製造コスト等を下げ、生産性良
く製造できる。
【図１】 従来の固体高分子膜を電解質として使用した
燃料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜
視図（ｂ）
燃料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜
視図（ｂ）
【図２】 黒鉛粉末を分散付着させたステンレス鋼基材
（ａ），加熱処理で拡散層を生成させたステンレス鋼基
材（ｂ），カーボンブラックの凝集物を分散付着させた
ステンレス鋼基材（ｃ）及びカーボンブラックの凝集物
と基材との間に拡散層を生成されたステンレス鋼基材
（ｄ）
（ａ），加熱処理で拡散層を生成させたステンレス鋼基
材（ｂ），カーボンブラックの凝集物を分散付着させた
ステンレス鋼基材（ｃ）及びカーボンブラックの凝集物
と基材との間に拡散層を生成されたステンレス鋼基材
（ｄ）
１：固体高分子膜 ２：空気電極 ３：水素電極
４：ガスケット ５：セパレータ ６：空気供給口 ７：空気排出口
８：水素供給口 ９：水素排出口 １０：溝 １１：給水口 １
２：排水口 １３：ステンレス鋼基材 １４：黒鉛
粒子 １５：拡散層 １６：カーボンブラックの凝
集物
４：ガスケット ５：セパレータ ６：空気供給口 ７：空気排出口
８：水素供給口 ９：水素排出口 １０：溝 １１：給水口 １
２：排水口 １３：ステンレス鋼基材 １４：黒鉛
粒子 １５：拡散層 １６：カーボンブラックの凝
集物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 実 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内
Claims (4)
- 【請求項１】 ステンレス鋼を基材とし、基材表面にカ
ーボン粒子を島状に分散させている低温型燃料電池用セ
パレータ。 - 【請求項２】 圧下率０．１〜５０％でステンレス鋼基
材を圧延することによりカーボン粒子が基材表面に圧着
されている請求項１記載の低温型燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項３】 カーボン粒子が拡散層を介して基材表面
に接合されている請求項１又は２記載の低温型燃料電池
用セパレータ。 - 【請求項４】 カーボン粒子がカーボンブラック又は黒
鉛粉末である請求項１〜３の何れかに記載の低温型燃料
電池用セパレータ。
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|---|---|---|---|
| JP28025297A JP3904690B2 (ja) | 1997-10-14 | 1997-10-14 | 低温型燃料電池用セパレータ |
| RU2000110129/09A RU2180977C2 (ru) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | Сепаратор низкотемпературного топливного элемента (варианты) и способ его изготовления |
| US09/529,146 US6440598B1 (en) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | Separator for low temperature type fuel cell and method of production thereof |
| BRPI9815251-3A BR9815251B1 (pt) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | separador para uma célula de combustìvel de baixa temperatura e processo para a fabricação do mesmo. |
| DE69835440T DE69835440T2 (de) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | Separator für eine Brennstoffzelle vom Niedrigtemperatur-Typ und Verfahren zu dessen Herstellung |
| CA002299474A CA2299474C (en) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | A separator of a low-temperature fuel cell and manufacturing method thereof |
| PCT/JP1998/004607 WO1999019927A1 (en) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | Separator for low temperature type fuel cell and method of production thereof |
| EP98947841A EP1030393B1 (en) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | Separator for low temperature type fuel cell and method of production thereof |
| KR10-2000-7000540A KR100367338B1 (ko) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | 저온형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법 |
| CNB988098962A CN1135642C (zh) | 1997-10-14 | 1998-10-13 | 低温燃料电池隔板及其生产方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28025297A JP3904690B2 (ja) | 1997-10-14 | 1997-10-14 | 低温型燃料電池用セパレータ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11121018A true JPH11121018A (ja) | 1999-04-30 |
| JP3904690B2 JP3904690B2 (ja) | 2007-04-11 |
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ID=17622420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28025297A Expired - Fee Related JP3904690B2 (ja) | 1997-10-14 | 1997-10-14 | 低温型燃料電池用セパレータ |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001357862A (ja) * | 2000-06-15 | 2001-12-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | バイポーラプレートおよび固体高分子型燃料電池 |
| US6967065B1 (en) | 1998-11-25 | 2005-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Separator of proton exchange fuel cell and its manufacturing method |
| US7070877B2 (en) | 2002-04-03 | 2006-07-04 | Nisshin Steel Co., Ltd. | Stainless steel separator for low-temperature fuel cell |
| JP2006269256A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Equos Research Co Ltd | セパレータ用金属材料 |
| KR100714385B1 (ko) * | 2000-09-12 | 2007-05-04 | 닛신 세이코 가부시키가이샤 | 저온형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 |
| WO2007100131A1 (ja) | 2006-02-27 | 2007-09-07 | Nippon Steel Corporation | 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 |
| JP2008112736A (ja) * | 2000-01-14 | 2008-05-15 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ |
| WO2010041694A1 (ja) | 2008-10-07 | 2010-04-15 | 住友金属工業株式会社 | 固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼板およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
| JP2010126763A (ja) * | 2008-11-27 | 2010-06-10 | Sumitomo Metal Ind Ltd | ステンレス鋼材 |
| US7807281B2 (en) | 2005-06-22 | 2010-10-05 | Nippon Steel Corporation | Stainless steel, titanium, or titanium alloy solid polymer fuel cell separator and its method of production and method of evaluation of warp and twist of separator |
| US7851107B2 (en) | 2002-12-04 | 2010-12-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell separator and production method therefor |
| JP2011077018A (ja) * | 2009-09-02 | 2011-04-14 | Kobe Steel Ltd | 燃料電池セパレータの製造方法 |
| JP2012028045A (ja) * | 2010-07-20 | 2012-02-09 | Kobe Steel Ltd | チタン製燃料電池セパレータおよびその製造方法 |
| JP2012028047A (ja) * | 2010-07-20 | 2012-02-09 | Kobe Steel Ltd | チタン製燃料電池セパレータの製造方法 |
| US9065081B2 (en) | 2009-08-03 | 2015-06-23 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Titanium material for solid polymer fuel cell separator use and method of production of same |
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| JP5108976B2 (ja) | 2011-02-14 | 2012-12-26 | 株式会社神戸製鋼所 | 燃料電池セパレータ |
| JP6122589B2 (ja) | 2012-07-20 | 2017-04-26 | 株式会社神戸製鋼所 | 燃料電池セパレータ |
| KR20160067959A (ko) | 2013-11-11 | 2016-06-14 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법 |
-
1997
- 1997-10-14 JP JP28025297A patent/JP3904690B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6967065B1 (en) | 1998-11-25 | 2005-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Separator of proton exchange fuel cell and its manufacturing method |
| JP2008112736A (ja) * | 2000-01-14 | 2008-05-15 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータ |
| JP2001357862A (ja) * | 2000-06-15 | 2001-12-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | バイポーラプレートおよび固体高分子型燃料電池 |
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| KR100714385B1 (ko) * | 2000-09-12 | 2007-05-04 | 닛신 세이코 가부시키가이샤 | 저온형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 |
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| US7070877B2 (en) | 2002-04-03 | 2006-07-04 | Nisshin Steel Co., Ltd. | Stainless steel separator for low-temperature fuel cell |
| US7851107B2 (en) | 2002-12-04 | 2010-12-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell separator and production method therefor |
| JP2006269256A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Equos Research Co Ltd | セパレータ用金属材料 |
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| US7807281B2 (en) | 2005-06-22 | 2010-10-05 | Nippon Steel Corporation | Stainless steel, titanium, or titanium alloy solid polymer fuel cell separator and its method of production and method of evaluation of warp and twist of separator |
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| JP2010126763A (ja) * | 2008-11-27 | 2010-06-10 | Sumitomo Metal Ind Ltd | ステンレス鋼材 |
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