JPH11260382A

JPH11260382A - 低温型燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JPH11260382A
Application number: JP10056905A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fukui; 康福居; Masanori Matsuno; 雅典松野; Yasumi Ariyoshi; 康実有吉; Minoru Saito; 実斎藤
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1999-09-24
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: JP3980153B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐酸性の良好なステンレス鋼基材に化合物粒
子を分散付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、ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子１４又
はその凝集物１６を基材表面に島状に分散付着させてい
る。化合物粒子は、拡散層１５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

【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、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、ＳｉＣ，Ｂ₄Ｃ，
ＴｉＯ₂ 等の化合物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、ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ から選ばれた
１種又は２種以上の化合物粒子を島状に基材表面に分散
させていることを特徴とする。化合物粒子は、バフによ
る擦付けや圧着でステンレス鋼基材に付着させる。化合
物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、ステンレス鋼基材との間に形成された拡散層を介し
て基材表面に化合物粒子が接合されるため、密着性が一
層向上する。ＳｉＣ又はＢ₄ Ｃを使用する場合、化学量
論比から若干ずれたものが好ましい。

【０００８】

【作用】本発明の低温型燃料電池用セパレータは、Ｓｉ
Ｃ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物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。ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，Ｔ
ｉＯ₂ 等の化合物は、耐食性に優れ接触抵抗が低い。し
かも、硫黄や塩素等の腐食性成分をほとんど含んでいな
いため、ステンレス鋼基材の耐食性を劣化させることが
ない。これらの化合物は、半導体であり比較的高い抵抗
値を示す場合もあるが、加熱処理によってＣｒ，Ｆｅ等
のステンレス鋼成分が拡散すると抵抗値が下がる。ま
た、加熱拡散は、ステンレス鋼基材に対する化合物粒子
の付着性を改善する上でも有効である。このようにＳｉ
Ｃ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子を付着させて低接
触抵抗とするとき、多数のセルを積層した構造をもつ燃
料電池に組み込んだ場合、ジュール熱が少なくなり、発
電効率の高い燃料電池が得られる。

【０００９】

【実施の形態】ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒
子は、図２（ａ）に示すようにステンレス鋼基材１３の
表面に個々の化合物粒子１４を分散付着させることがで
きる。たとえば、化合物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、化合物粒子１４
が分散付着する。化合物粒子１４が付着したステンレス
鋼基材１３を加熱し、ステンレス鋼基材１３と化合物粒
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に対する化合物粒子１４の密着性が
改善される。密着性が向上した化合物粒子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】使用する化合物粒子が粒径１μｍ以下の微
粒子である場合、凝集し易い。この場合には、図２
（ｃ）に示すように化合物粒子の凝集物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１６は、
粒径の大きな化合物粒子１４と同様に分散付着させた後
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。化合物粒子１４
及び化合物粒子の凝集物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化合物粒
子１４や化合物粒子の凝集物１６に蓄積されないため、
ステンレス鋼基材１３から化合物粒子１４や化合物粒子
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の全面に化合物粒子１
４や化合物粒子の凝集物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、化合物粒子１４
や化合物粒子の凝集物１６が剥離・脱落し易くなる。

【００１１】化合物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、１４〜３５
重量％のＣｒ濃度及び５〜６０重量％のＮｉ濃度をも
つ。たとえば、Ｃ：０．００８〜０．３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。

【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、ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の
化合物粒子をステンレス鋼表面に塗布した。ＳｉＣとし
ては平均粒径３μｍ，０．７μｍの２種類、Ｂ₄ Ｃとし
ては平均粒径３μｍの１種類、ＴｉＯ₂ としては平均粒
径１μｍ及び０．０２μｍの２種類を使用した。混合粉
末としては、平均粒径３μｍのＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃを混合し
たものを使用した。

【００１４】

【００１５】各化合物粒子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４０〜８０ｍｇ／ｍ²
で化合物粒子を分散付着させた。また、ＳｉＣとＢ₄ Ｃ
を１：１の配合比で混合したものも、同様にステンレス
鋼表面に付着させた。粒径の小さな化合物粒子は、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。粒径の大きな化合物粉末では凝集を生じ
ることなく、個々の化合物粒子１４としてステンレス鋼
基材１３の表面に分散付着していた。更に、化合物粒子
１４又は凝集物１６の密着性を改善するため、ＳｉＣ，
Ｂ₄ Ｃでは８００℃に、ＴｉＯ₂ では１０００℃に数秒
間加熱することにより、化合物粒子の凝集物１６又は化
合物粒子１４とステンレス鋼基材１３との間に拡散層１
５を生成させた。

【００１６】化合物粒子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、化合物粒子を付着させ
ないサンプル，鋼種Ａのステンレス鋼基材に膜厚５μｍ
のＮｉめっき，Ｃｕめっき，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。

【００１７】表２から明らかなように、ＳｉＣ，Ｂ₄
Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子を分散付着させたステンレ
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、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た。これに対し、無
垢のステンレス鋼板を基材に使用した試験番号１９〜２
１では、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２２，２４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２３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】

【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、化合
物粒子を基材表面に分散付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】化合物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），化合物粒子の凝集物を分散付着させたステ
ンレス鋼基材（ｃ）及び化合物粒子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）

【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：ステンレス鋼基材１４：化合
物粒子１５：拡散層１６：化合物粒子の凝集物

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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼を基材とし、ＳｉＣ，Ｂ₄
Ｃ及びＴｉＯ₂ から選ばれた１種又は２種以上の化合物
粒子を基材表面に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】化合物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記載の低温型燃料電池用セパレ
ータ。
【請求項３】化合物粒子に基材からステンレス鋼成分
が化合物粒子に拡散している請求項１又は２記載の低温
型燃料電池用セパレータ。