JPH11126622A

JPH11126622A - 低温型燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JPH11126622A
Application number: JP9288928A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fukui; 康福居; Masanori Matsuno; 雅典松野; Minoru Saito; 実斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 1999-05-11
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JP3908359B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐酸性及び導電性に優れ、接触抵抗に起因す
るジュール熱の発生量を抑えた低温型燃料電池用金属製
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１５
とし、カーボン系粒子１３を分散させたＴａ，Ｔｉ又は
Ｔａ−Ｔｉ系のめっき層１４が基材表面に形成されてい
る。めっき層１４に分散させるカーボン系粒子１３とし
ては、カーボンブラック又は黒鉛粒子が使用される。【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。しかも、プレス成形，打ち抜き加工等
によってセパレータとして必要な形状に成形できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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金属製セパレー
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、ＮＯ_x ，ＳＯ_x 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。

【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。

【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、酸性
雰囲気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、カーボン粒子を分
散させたＴｉ，Ｔａ又はＴｉ−Ｔａ合金めっき層をステ
ンレス鋼表面に形成させることにより、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金属製セパ
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、カーボン系粒子が分散し、Ｔｉ，Ｔａ又
はＴｉ−Ｔａ合金からなるめっき層が基材表面に形成さ
れており、且つカーボン系粒子がめっき層の表層に露出
していることを特徴とする。Ｔｉ，Ｔａ又はＴｉ−Ｔａ
合金からなるめっき層に分散させるカーボン系粒子とし
ては、カーボンブラック又は黒鉛粒子が使用される。

【０００８】

【作用】本発明の低温型燃料電池用セパレータは、図２
に示すように、カーボンブラック，黒鉛粉末等のカーボ
ン系粒子１３が分散したＴｉ，Ｔａ又はＴｉ−Ｔａ合金
からなるめっき層１４をステンレス鋼基材１５の表面に
形成させている。このセパレータは、図１に示す固体高
分子型燃料電池の外に、アルカリ型燃料電池等の燃料電
池用セパレータとしても使用できる。カーボンブラック
や黒鉛粉末は、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ので、カーボン系
粒子１３として好適である。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。

【０００９】カーボン系粒子１３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。そのため、
カーボン系粒子を分散させためっき層１４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。したがっ
て、多数のセルを積層した構造の燃料電池であっても、
発生するジュール熱が少なく、発電効率が向上する。し
かも、カーボン系粒子１３をめっき層１４で担持してい
るため、プレス加工，打ち抜き加工等によってめっき層
１４からカーボン系粒子１３が脱落することが抑制され
る。したがって、めっき後のステンレス鋼基材は、セパ
レータとして必要な形状に加工される。

【００１０】

【実施の形態】本発明のセパレータは、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をステンレス鋼基材１５とし
て使用している。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。基材１５自体の耐酸性が優れているため、めっ
き層１４にピンホールやクラック等があって腐食性雰囲
気に曝された場合でも、十分な耐久性をもつセパレータ
となる。

【００１１】使用可能なオーステナイト系ステンレス鋼
は、１４〜３５重量％のＣｒ濃度及び５〜６０重量％の
Ｎｉ濃度をもつ。たとえば、Ｃ：０．００８〜０．２重
量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．１〜
５．０重量％，Ｎｉ：５．０〜６０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２〜６０重量％の
Ｎｉ濃度をもつ。たとえば、Ｃ：０．００８〜０．２重
量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０重量％，Ｍｎ：０．１〜
５．０重量％，Ｎｉ：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。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。

【００１２】基材の耐酸性を更に高めるため、Ｍｏ，Ｃ
ｕ，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、Ｍ
ｏ：０．２〜７重量％，Ｃｕ：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】ステンレス鋼基材１５の表面に、カーボン
系粒子１３を分散させためっき層１４を形成する。カー
ボン系粒子１３が分散しためっき層１４は、活性化処理
したステンレス鋼の表面にカーボン系粒子を散布した
後、スパッタリング蒸着法でＴａ蒸気，Ｔｉ蒸気の単独
又は両者を所定の流量比でステンレス鋼表面に導入し蒸
着させることにより形成される。Ｔａ及びＴｉは、微量
の酸素によって不動態化し、酸化性の酸及び非酸化性の
酸の双方に対して優れた耐食性を呈する。Ｔａ−Ｔｉ合
金も同様であり、非常に耐食性が高い。しかも、Ｔａ及
びＴｉは、炭素と反応し易く、カーボン系粒子１３を強
く支持できる。カーボン系粒子１３は、図２（ａ）に示
すように、表層に露出した状態でめっき層１４に分散さ
れている。カーボン系粒子１３の露出状態は、めっき層
１４の形成条件を調整することによって得られる。ま
た、カーボン系粒子１３の上に積層される金属層に密着
性が低いことから、金属層が自然に脱落するため、特別
な露出処理を必要とせずにカーボン系粒子１３を露出さ
せることもできる。金属層が脱落し難い場合、必要に応
じめっき層１４をブラッシングすると、カーボン系粒子
１３の上にある金属層が容易に除去される。

【００１４】比較的粒径の大きな黒鉛粒子をカーボン系
粒子１３として使用するとき、図２（ａ）に示すように
個々のカーボン系粒子１３がめっき層１４に分散する。
粒径の小さなカーボンブラックをカーボン系粒子１３と
して使用する場合、図２（ｂ）に示すようにカーボンブ
ラックが凝集体１６としてめっき層１４に分散する。蒸
着法で形成されためっき層１４は比較的薄いため、カー
ボン系粒子１３は、表層側とステンレス鋼基材１５との
間に直接的な導通路を形成する。また、めっき層１４に
分散しているカーボン系粒子１３によって、めっき層自
体の導電性も改善される。

【００１５】カーボン系粒子１３が接触抵抗及び導電性
を改善する作用は、めっき層１４に０．０１〜５００ｍ
ｇ／ｍ² の割合でカーボン系粒子１３を分散させるとき
顕著になる。分散量が０．０１ｍｇ／ｍ² 未満ではカー
ボン系粒子が少なすぎ、表面に露出する粒子が少なくな
り、他と接触するカーボン粒子の面積が少なく、十分な
接触抵抗改善効果が得られない。逆に、５００ｍｇ／ｍ
² を超える分散量では、接触抵抗の改善効果が飽和する
だけでなく、めっき層が脆くなり、剥離し易くなる。カ
ーボン系粒子１３を分散させためっき層１４は、酸化性
の酸及び非酸化性の酸に対して優れた耐酸性を示す。す
なわち、低温型燃料電池に組み込まれるセパレータは、
空気又は酸素ｏが流通する酸化性雰囲気に曝されると同
時に、隙間部分では酸素のない非酸化性雰囲気に曝され
る。めっき層１４は、このような雰囲気において優れた
耐酸性を示し、セパレータの耐久性を向上させる。

【００１６】

【実施例】表１に示した成分・組成をもつステンレス鋼
を基材とし、カーボン系粒子分散めっき層を基材表面に
蒸着めっきで形成した。

【００１７】

【００１８】カーボン系粒子として平均粒径２μｍの黒
鉛粉末及び平均粒径０．０３μｍのカーボンブラックを
使用した。真空チャンバ内でステンレス鋼板の表面を活
性化した後、カーボン系粒子をまぶしたフェルトでステ
ンレス鋼の表面を擦り、付着量５〜１５ｇ／ｍ² でカー
ボン系粒子をステンレス鋼表面に付着させた。次いで、
同じ真空チャンバ内で蒸着速度０．００４μｍ／秒でＴ
ａ，Ｔｉの単独又は両者を同時にスパッタリング蒸着し
た。形成されためっき層は、膜厚が０．５μｍであり、
黒鉛粒子又はカーボンブラックがそれぞれ図２（ａ）又
は（ｂ）に示すように分散していた。カーボン系粒子分
散めっき層が形成されたステンレス鋼基材１５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１５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１５を浴温９
０℃，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、めっきしていないステンレス鋼基材及
びＮｉめっき，Ｃｕめっき，Ｃｒめっきを施したステン
レス鋼基材についても、同様に接触抵抗及び耐酸性を調
査した。

【００１９】表２，３の調査結果にみられるように、カ
ーボン系粒子分散めっき層を形成した試験番号１〜１２
及び１９〜３６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。これに対し、
めっき層が形成されていない試験番号１３〜１５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。めっきを施したステン
レス鋼であっても、低い接触抵抗及び良好な耐食性を呈
するものが得られなかった。すなわち、Ｎｉめっき層が
形成された試験番号１６では耐食性が不足し、Ｃｕめっ
き層が形成された試験番号１７では接触抵抗が大きく耐
食性も不足していた。また、Ｃｒめっき層が形成された
試験番号１８では、耐食性が若干改善されているもの
の、接触抵抗が依然として大きな値を示した。

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【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
ボン系粒子を分散させたＴａ，Ｔｉ又はＴａ−Ｔｉ系の
めっき層を基材表面に形成することにより、導電性及び
耐酸性を改善している。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、プレス加工や打ち抜き
加工によって必要形状に加工されるため、材料コストや
製造コスト等を下げ、低温型燃料電池が生産性良く製造
される。

【図面の簡単な説明】

【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）

【図２】黒鉛粉末分散めっき層が形成されたステンレ
ス鋼基材（ａ）及びカーボンブラック分散めっき層が形
成されたステンレス鋼基材（ｂ）

【符号の説明】

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：黒鉛粒子１４：めっき層１５：ステンレ
ス鋼基材１６：カーボンブラックの凝集体

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼を基材とし、カーボン系粒
子が分散したＴｉ，Ｔａ又はＴｉ−Ｔａ合金からなるめ
っき層が基材表面に形成されており、且つカーボン系粒
子がめっき層の表層に露出している低温型燃料電池用セ
パレータ。
【請求項２】カーボン系粒子がカーボンブラック又は
黒鉛粒子である請求項１記載の低温型燃料電池用セパレ
ータ。