JPH11260383A

JPH11260383A - 低温型燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11260383A
Application number: JP10056906A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fukui; 康福居; Masanori Matsuno; 雅典松野; Hideo Miyake; 日出男三宅; 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: JP3980154B2

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１３
とし、拡散層１５を介してＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等
の付着層１４が形成されている。付着層１４は、化合物
粒子を分散させた塗膜を基材表面に設けた後、非酸化性
雰囲気中で３００〜１１００℃に加熱して塗膜成分を分
解・消失させることにより形成される。加熱処理に先立
って、塗膜を設けたステンレス鋼基材１３を圧延するこ
ともできる。【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、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セパレータ及び
その製造方法に関する。

【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。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。

【０００６】また、水素や空気の流通路となる多数の溝
１０やフランジをプレス加工，パンチング加工等で形成
するため、セパレータに使用される金属材料に高度の加
工性が要求される。加工性は、金属表面に有機高分子膜
を形成し或いは潤滑剤を塗布することによって改善でき
る。しかし、有機高分子膜又は潤滑剤中の吸着分子によ
って接触抵抗が高くなり、多数の燃料電池を積層したと
きに多量のジュール熱が発生し、電力損失を引き起し燃
料電池の発電効率が低下する原因となる。しかも、潤滑
剤を塗布して金属材料を成形加工する場合、後工程とし
て脱脂洗浄が必要になり、工程数の増加を招くばかりで
なく、廃液処理にも多額の費用負担がかかる。更に有機
溶剤やフロン系の溶剤で脱脂すると、大気中への溶剤の
飛散による環境悪化の虞れもある。他方、有機皮膜を金
属表面に形成すると潤滑剤なしで成形加工できるが、金
属材料の接触抵抗が高くなることに加え、酸性環境での
耐食性がない有機皮膜が剥離，溶解する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】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，Ｂ
₄Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子を分散させ且つ付着させ
た塗膜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。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、ステンレス鋼基材の拡散層を介して結合された
ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ及びＴｉＯ₂ から選ばれた１種又は２種
以上の化合物粒子が基材表面に島状に分散しており、該
化合物粒子が化合物分散塗膜の加熱処理で塗膜成分を分
解・消失させて生成されたものであることを特徴とす
る。ステンレス鋼基材の表面に形成された化合物粒子層
には、塗膜の分解・消失残渣を残存させることが好まし
い。この低温型燃料電池用セパレータは、ＳｉＣ，Ｂ₄
Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子を分散させた塗料をステン
レス鋼基材に塗布し、非酸化性雰囲気中３００〜１１０
０℃に加熱処理して塗膜成分を分解・消失させることに
より製造される。加熱処理に先立って、塗装されたステ
ンレス鋼基材を圧下率０．１〜５０％で圧延することも
できる。

【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、ステンレス鋼１３を基材とし、ＳｉＣ，
Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子の付着層１４が形成さ
れている。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。付着層１４は、化合物粒
子を分散させた塗膜の塗膜成分を加熱処理で分解・消失
させることにより形成されたものである。粒径１μｍ以
上の比較的大きな粒子では、ステンレス鋼基材１３表面
に個々の粒子として付着している（図２ａ）。粒径１μ
ｍの比較的微粒の化合物粒子では、多数の化合物粒子が
集まった凝集層１６が形成される（図２ｃ）。本件明細
書では、凝集層を包含する意味で「付着層」を使用して
いる。

【０００９】付着層１４又は凝集層１６は、塗膜成分を
分解・消失させる加熱処理時にステンレス鋼基材と拡散
反応するため、ステンレス鋼基材１３との間に拡散層１
５を形成している。拡散層１５は、ステンレス鋼基材に
対する化合物粒子の付着強度を向上させる。そのため、
加工成形等によってステンレス鋼基材１３に曲げ，伸び
等の変形が生じた場合でも付着層１４又は凝集層１６に
応力が蓄積されることがなく、付着層１４又は凝集層１
６がステンレス鋼基材１３から剥離することが抑制され
る。したがって、ステンレス鋼基材１３は、セパレータ
として必要な形状に加工される。加工性は、化合物粒子
分散塗膜を形成した後、加熱処理に先立って圧延するこ
とにより更に向上させることができる。

【００１０】ＳｉＣ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子
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、抵抗値が比較的高い化
合物粒子を使用した場合でも、加熱処理で塗膜成分を分
解・消失させるとき、ステンレス鋼基材１３からＦｅ，
Ｃｒ等のステンレス鋼成分が拡散するため、形成された
付着層１４又は凝集層１６の抵抗値が低下する。抵抗値
は、カーボン系の塗膜残渣を付着層１４又は凝集層１６
に残留させることによっても低下する。この点では、塗
膜を分解・消失させる加熱雰囲気を非酸化性雰囲気で加
熱して塗膜を分解・消失されることが好ましい。非酸化
性雰囲気としては、窒素，Ａｒ等の不活性雰囲気や水素
等の還元性雰囲気が使用される。加熱温度は、塗膜や化
合物粒子の種類によって異なるが、３００〜１１００℃
の範囲で設定される。

【００１１】

【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基材１３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。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％，Ｎ
ｉ：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％，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】付着層１４又は凝集層１６は、ＳｉＣ，Ｂ
₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ から選ばれた１種又は２種以上の化合物
粒子を分散させた塗料をステンレス鋼基材１３に塗布
し、非酸化性雰囲気中で３００〜１１００℃に加熱処理
することにより形成される。化合物粒子を分散する塗料
は、加熱処理によって分解し、ステンレス鋼基材１３か
ら消失する。分解・消失を促進させる上では、塗料の種
類が特に制約されるものではないが、ポリエステル系塗
料，アクリル系塗料，ポリオレフィン系塗料，ポリウレ
タン系塗料，それらの混合塗料等が使用される。塗料１
００重量部に対し化合物粒子を０．０１〜２０重量部の
割合で配合することが好ましい。化合物粒子の配合量が
０．０１重量部に満たないと、十分に化合物粒子が分散
した付着層１４が形成されず、ステンレス鋼基材１３の
接触抵抗が十分に低下しない。逆に、２０重量部を超え
る多量の化合物粒子を配合すると、塗装が困難になり、
塗装できたとしても下地ステンレス鋼に対する良好な密
着性が得られなくなる。化合物粒子分散塗料は、ステン
レス鋼基材１３に対する付着層１４の密着性を確保する
上から、５μｍ以下の膜厚でステンレス鋼基材１３に施
すことが好ましい。膜厚が５μｍを超える塗膜では、加
熱処理時に発生するガスの圧力で塗膜が剥離する虞れが
ある。

【００１４】化合物粒子が分散した塗膜が形成されたス
テンレス鋼基材１３は、窒素，窒素＋水素，アルゴン等
の非酸化性雰囲気中で３００〜１１００℃に加熱処理さ
れる。塗膜に分散している化合物粒子は、非酸化性の加
熱雰囲気で加熱されるため、酸化されることなくステン
レス鋼基材１３の表面に残る。また、加熱によって化合
物粒子と下地鋼との間に拡散が生じ、拡散層１５を介し
て化合物粒子が結合された付着層１４が形成される。塗
膜に含まれている樹脂等の有機化合物は、加熱処理によ
って分解し、一部が分解残渣として基材１３及び化合物
粒子の表面に残る。残留している分解残渣は、プレス加
工，パンチング加工等の際に潤滑剤として働き、ステン
レス鋼基材１３の加工性を向上させる。また、有機物質
に由来するカーボン系の残渣であるため、セパレータの
接触抵抗を低下させることにも有効に作用する。

【００１５】加熱処理に先立って、塗膜が形成されたス
テンレス鋼基材１３に圧下率０．１〜５０％の圧延を施
すことにより、塗膜に含まれている化合物粒子のステン
レス鋼基材１３に対する密着性を改善することもでき
る。圧延により密着性が改善された化合物粒子は、後続
する加熱処理段階で下地鋼との間の拡散反応を促進さ
せ、ステンレス鋼基材１３に対する付着層１４の結合力
を向上させると共に、接触抵抗も効果的に低下させる。
ただし、圧下率が０．１％未満では、圧延による密着性
の改善が顕著でない。逆に５０％を超える圧下率では、
下地ステンレス鋼が過度に変形し、塗膜を剥離させるこ
とがある。また、拡散反応促進効果は、圧下率５０％で
飽和し、それ以上に圧下率を高めてもそれに見合った効
果の改善がみられない。

【００１６】

【実施例】実施例１：表１に示した成分・組成をもつ３
種類ステンレス鋼を基材として使用した。

【００１７】

【００１８】ステンレス鋼基材１３に塗布する塗料とし
て、化合物粒子としてＳｉＣ，Ｂ₄Ｃ及びＴｉＯ₂ を分
散させたアクリル系水性塗料を調製した。塗料を０．２
〜１．２μｍの膜厚でステンレス鋼基材１３に塗布した
後、窒素雰囲気中で秒間加熱した。この加熱処理によっ
て塗膜中の有機物が分解し、一部が粒子状カーボンとな
って基材表面に残留した。有機物が分解した後に残って
いる化合物粒子は、下地鋼との間で拡散反応し、拡散層
１５を介しステンレス鋼基材１３に結合された平均厚み
０．０１〜１．０μｍの付着層１４となった。このとき
の塗料に対する化合物配合量，塗布条件，加熱処理条件
等を表２に示す。

【００１９】

【００２０】化合物粒子の付着層１４及び凝集層１６が
形成され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１０ｋ
ｇ／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、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。

【００２１】表３の調査結果にみられるように、化合物
粒子の付着層１４及び凝集層１６を形成したステンレス
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。これに対し、無垢のステンレス鋼板を使
用した試験番号１６〜１８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１９，
２０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２１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。

【００２２】

【００２３】実施例２：表１に示した鋼種Ｂのステンレ
ス鋼に付着層形成条件１及び３でＳｉＣ又はＴｉＯ₂ 分
散塗料を塗布した後、加熱処理に先立って表４に示す圧
下率で冷間圧延した。次いで、実施例１と同じ条件下で
加熱処理し、塗料中の有機成分を分解除去した。このよ
うにして化合物粒子の付着層１４及び凝集層１６が形成
されたステンレス鋼基材１３について、実施例１と同様
に接触抵抗及び耐酸性を調査した。調査結果を示す表４
を表３と対比するとき、加熱処理に先立つ冷間圧延によ
って接触抵抗が一層低くなっており、圧下率に応じて接
触抵抗が大きく低下していることが判る。

【００２４】

【００２５】

【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、Ｓｉ
Ｃ，Ｂ₄ Ｃ，ＴｉＯ₂ 等の化合物粒子の付着層をステン
レス鋼基材表面に設けている。ステンレス鋼表面に化合
物粒子の付着層があるため、導電性及び低接触抵抗に優
れ、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ジュール熱の発生が少
なく、発電効率の高い燃料電池が形成される。しかも、
基材として耐食性に優れたステンレス鋼を使用している
ため、過酷な腐食雰囲気においても優れた耐久性を示す
燃料電池が得られる。このようにして、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】化合物粒子の結合層及び付着層が形成された
ステンレス鋼基材

【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：化合物粒子の結合層
１５：拡散層１６：化合物粒子の凝集層

───────────────────────────────────────────────────── 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】ステンレス鋼基材の拡散層を介して結合
されたＳｉＣ，Ｂ₄Ｃ及びＴｉＯ₂ から選ばれた１種又
は２種以上の化合物粒子が基材表面に島状に分散してお
り、該化合物粒子が化合物分散塗膜の加熱処理で塗膜成
分を分解・消失させて生成されたものである低温型燃料
電池用セパレータ。
【請求項２】塗膜の分解・消失残渣であるカーボンが
化合物粒子の間に残存している請求項１記載の低温型燃
料電池用セパレータ。
【請求項３】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分散させた塗料をス
テンレス鋼基材に塗布し、非酸化性雰囲気中３００〜１
１００℃に加熱処理して塗膜成分を分解・消失させるこ
とを特徴とする低温型燃料電池用セパレータの製造方
法。
【請求項４】加熱処理に先立って塗装されたステンレ
ス鋼基材を圧下率０．１〜５０％で圧延する請求項３記
載の低温型燃料電池用セパレータの製造方法。