WO2002023654A1 - Separator for low-temperature type fuel cell and production method therefor - Google Patents

Separator for low-temperature type fuel cell and production method therefor Download PDF

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Tsutomu Miyano
Takeshi Shimizu
Keiji Izumi
Yoshikazu Morita
Shinichi Kamoshida
Toshiki Kingetsu
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Nisshin Steel Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a separator for a fuel cell that operates at a low temperature, such as a polymer electrolyte fuel cell.
  • polymer electrolyte fuel cells can operate at temperatures below 100 ° C and have the advantage of being able to start up in a short time.
  • each member is made of a solid material, the structure is simple, maintenance is easy, and it can be applied to applications exposed to vibration and impact.
  • it has advantages such as high power density, suitable for miniaturization, high fuel efficiency, and low noise. Because of these advantages, applications for electric vehicles are being studied.
  • NO x almost no generation of SO x, very clean to the environment as such generation of C0 2 is semi-reduced Become something.
  • Solid polymer fuel cells utilize the fact that a solid polymer resin membrane having a proton exchange group in the molecule functions as a proton-conducting electrolyte. Similar to other types of fuel cells, solid polymer membranes The structure is such that a fuel gas such as hydrogen flows on one side and an oxidizing gas such as air flows on the other side.
  • an oxidizing electrode 2 and a fuel electrode 3 are joined to both sides of the solid polymer membrane 1, and a separator 5 is opposed to each via a gasket 4 (FIG. 1A).
  • An air supply port 6 and an air discharge port 7 are formed in the separator 5 on the oxidation electrode 2 side, and a hydrogen supply port 8 and a hydrogen discharge port 9 are formed in the separator 5 on the fuel electrode 3 side.
  • a plurality of grooves 10 extending in the flow direction of the hydrogen g and the oxygen or air o are formed in the separator 5 for the conduction and uniform distribution of the hydrogen g and the oxygen or air o.
  • the cooling water w sent from the water supply port 11 is separated.
  • a water cooling mechanism that circulates through the inside of the separator 5 and then discharges through the drain port 12 is incorporated in the separator 5.
  • the hydrogen g sent from the hydrogen supply port 8 into the gap between the fuel electrode 3 and the separator 5 becomes protons that have emitted electrons, passes through the solid polymer membrane 1, receives electrons on the oxidation electrode 2 side, and It burns with oxygen or air o passing through the gap between 2 and separator 5. Therefore, when a load is applied between the oxidation electrode 2 and the fuel electrode 3, electric power can be extracted.
  • the solid polymer film sandwiched between the separators 5, 5 is defined as one unit, and the amount of power that can be extracted is increased by stacking multiple cells.
  • the resistance of the separator 5 has a large effect on the power generation efficiency.
  • separators with good conductivity and low contact resistance are required, and graphite separators are used as in the case of phosphate fuel cells.
  • the graphite separator cuts a graphite block into a predetermined shape and forms various holes and grooves by cutting.
  • the cost of materials and processing is high, causing the price of fuel cells to rise as a whole and reducing productivity.
  • a separator made of graphite which is brittle in material, is likely to be damaged when subjected to vibration or impact. Therefore, it has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-180883 to produce a separator from a metal plate by pressing or punching.
  • the oxidation electrode 2 side through which oxygen or air o passes is in an acidic atmosphere having an acidity of pH 2-3. Metal materials that can withstand such a strongly acidic atmosphere and satisfy the characteristics required for a separator have not been put to practical use so far.
  • a metal material that can withstand a strong acid may be an acid-resistant material such as stainless steel. These materials exhibit acid resistance due to a strong passivation film formed on the surface, but the passivation film increases surface resistance and contact resistance. When the contact resistance increases, a large amount of Joule heat is generated in the contact area, resulting in large heat loss and fuel Reduce the power generation efficiency of the battery.
  • stainless steel separators can be used instead of graphite, taking advantage of the excellent corrosion resistance inherent in stainless steel. From such a viewpoint, the present applicant disperses carbon particles in an island shape on the surface of stainless steel, thereby eliminating the need to use expensive materials, and ensuring good and low conductivity while maintaining acid resistance. It was introduced that a separator exhibiting contact resistance can be obtained (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 11-121018, 11-126621, and 11-121).
  • the present invention has been devised to solve such a problem, and based on the knowledge that electrolytic resistance roughening of stainless steel greatly reduces contact resistance, a large number of cell units are laminated. It is another object of the present invention to provide a low-temperature fuel cell separator capable of extracting a sufficiently large amount of power without lowering the power generation efficiency.
  • the low-temperature fuel cell separator of the present invention has a surface morphology in which a large number of fine pits are formed over the entire surface of a stainless steel sheet, and fine projections stand around the pits.
  • the roughened surface morphology can be realized by alternating electrolytic etching in an aqueous ferric chloride solution.
  • the present inventors investigated and examined various effects of the surface condition of a stainless steel sheet used as a separator for a low-temperature fuel cell on contact resistance, and pursued a surface treatment method effective for lowering contact resistance.
  • a passivation film in which Cr is concentrated compared to the base material is formed on the surface, and the passivation film acts as a kind of resistor to increase the contact resistance.
  • the roughened stainless steel exhibited low contact resistance. Above all, it was found that when the surface was roughened by alternating electrolytic etching in an aqueous ferric chloride solution, the contact resistance was significantly reduced.
  • the stainless steel plate having such a surface morphology is used as a graphite oxide electrode 2 and a fuel electrode.
  • the alternating electrolytic etching is an effective surface roughening treatment for a steel sheet having a thickness of 0 ⁇ :! to about 0.4 mm used as a separator material.
  • a surface roughening treatment such as shot blasting or blasting is not suitable for a stainless steel plate having such a thickness.
  • the oxide film f formed on the stainless steel surface that has been subjected to the alternating electrolytic etching becomes a passivation film with a higher Cr concentration than the stainless steel that has been subjected to surface roughening treatment such as shot blasting and sand blasting. ing.
  • the separator can be used as a separator having excellent corrosion resistance.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating the internal structure of a fuel cell using a conventional solid polymer membrane as an electrolyte.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view of the fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a process of roughening the surface of a stainless steel plate by alternating electrolytic etching.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a surface morphology that has been electrolytically roughened.
  • Fig. 4 is a graph showing the change in contact resistance of the stainless steel separator incorporated in the fuel cell. Best Mode for Realizing the Invention
  • Stainless steel sheets used as low-temperature fuel cell separators are not restricted in steel type as long as they exhibit the required corrosion resistance in the fuel cell atmosphere. There is.
  • the stainless steel sheet used contains 12% by mass or more of Cr in order to ensure the required acid resistance, and has a plate thickness of 0.;! To 0.4 mm in consideration of fuel cell assembly. I like it.
  • alternating pitting in a ferric chloride aqueous solution is employed because a large number of pits d are formed by utilizing the action of Fe (OH) 3 as a protective film.
  • Aqueous solution of ferric chloride, N03-, S04 2 - it does not contain ions of a large amount of such favorable better les. ⁇ 03 one, the S04 is 2 first class of ion contained in a large amount, the oxidation reaction of the stainless steel to promote hamper the formation of pits d, can not be obtained roughening condition requiring.
  • the anode current density is preferably set to 10.0 kA / m 2 or less in order to suppress the decomposition reaction of C1 ions in an aqueous ferric chloride solution.
  • the anode conduction time it is preferable to set the anode conduction time in the range of 0.05 to 1 second in order to obtain a surface state in which many fine protrusions p stand on the periphery of the pit d.
  • force sword electrolysis aims to activate the flat part by generating H 2 on the stainless steel surface and to form a protective film f on the inner wall of pit d.
  • Current density accompanied by If the force current density is too high, excessive H2 generation will unnecessarily activate the stainless steel surface.
  • the Fe (OH) 3 protective film f formed on the inner wall of the pit d is removed, so that the pit d becomes shallower and the surface state in which the fine protrusions p stand is not obtained.
  • the appropriate energization time per cycle for alternating electrolysis is 0.05 to 1 second for anodic electrolysis and 0.01 seconds or more for cathodic electrolysis.
  • a 1: 1 ratio is advantageous in terms of cost.
  • Example 1
  • a stainless steel plate having the composition shown in Table 1 was used as a separator substrate, and each stainless steel plate was roughened by electrolytic etching.
  • a carbon electrode was brought into contact with the roughened stainless steel plate under a load of lOkgfZcm 2 , and the contact resistance between the stainless steel plate and the Z carbon electrode was measured.
  • the contact resistance was measured using the unroughened 2D material under the same conditions. As can be seen from the measurement results (initial values) in Table 2, it can be seen that the contact resistance has been significantly reduced due to electrolytic surface roughening.
  • the surface-treated stainless steel sheet was diluted with a dilute sulfuric acid aqueous solution at 90 ° C and pH2.
  • the contact resistance was increased according to the immersion time. Also in this case, when the stainless steel subjected to the surface roughening treatment was used as the separator base material, the contact resistance increased very little in both the dilute sulfuric acid immersion and the warm water immersion. Since the initial value of the contact resistance was too large to be used for fuel cells when the 2D as-is material was used as the separator base material, we did not investigate the increasing tendency of the contact resistance according to the immersion time.
  • a fuel cell was configured by sandwiching the stainless steel separator 5 with a roughened surface. Humidified hydrogen and oxygen were supplied to the fuel cell, and after operating at a current density of 0.5 A / m 2 for 100 hours, the separator 5 was taken out and the state of corrosion was investigated. As a result, no corrosion was detected in any of the separators 5 using any of the steel types A to D, and the increase in surface contact resistance was extremely small as shown in FIG. As described above, the separator for a low-temperature fuel cell of the present invention uses a stainless steel sheet having a surface morphology in which a large number of fine projections stand as a separator base material.

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Description

明 細 書
低温型燃料電池用セパレータ及びその製造方法
技術分野
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。
背景技術
燃料電池のなかでも、 固体高分子型の燃料電池は、 100°C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、 C02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。
具体的には、 固体高分子膜 1の両側に酸化極 2及び燃料極 3を接合し、 それ ぞれガスケット 4を介しセパレータ 5を対向させている （図 1A) 。 酸化極 2側 のセパレータ 5に空気供給口 6 , 空気排出口 7が形成され、 燃料極 3側のセパ レータ 5に水素供給口 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 12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から燃料極 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、 酸化極 2側で電子 を受け、 酸化極 2とセパレ一タ 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、 酸化極 2と燃料極 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。
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 1B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 層することにより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レ、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 つて各種の孔ゃ溝を形成している。 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つ 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。 酸素又は空気 oが通過する酸化極 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。
表面抵抗や接触抵抗に及ぼす不動態皮膜の影響が抑制されると、 ステンレス鋼 本来の優れた耐食性を活用し、 黒鉛質に代わるステンレス鋼製セパレータが使用 可能になる。 このような観点から、 本出願人は、 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、 高価な材料を使用する必要なく、 耐酸性を確 保しながら良好な導電性及ぴ低い接触抵抗を示すセパレータが得られることを紹 介した （特開平 11一 121018号公報， 特開平 11一 126621号公報， 特開平 11一
126622号公報)。
し力 し、 ステンレス鋼表面に対するカーボン粒子の付着は、 界面に拡散層を形 成することによって改善できるものの、 依然として付着力が十分でない。 そのた め、 ハンドリングや加工等の際にステンレス鋼表面から脱落するものもあり、 所 期の低接触抵抗化が得られないことがある。 また、 良好な密着度でカーボン粒子 を付着させるための工程が必要となり、 生産工数の増加を招く。 発明の開示
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、 ステンレス鋼 を電解粗面化することにより接触抵抗が大幅に低下するとの知見をベースにし、 多数のセルュニットを積層しても発電効率が低下することなく、 十分に大きな電 力量を取り出すことが可能な低温型燃料電池用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 ス鋼板の表面全域にわたって多数の微細なピットが形成され、 ピットの周縁に微 細突起が林立した表面形態をもつことを特徴とする。 粗面化された表面形態は、 塩化第二鉄水溶液中での交番電解ェツチングにより実現できる。 本発明者等は、 低温型燃料電池用セパレータとして使用されるステンレス鋼板 の表面状態が接触抵抗に及ぼす影響を種々調査検討し、 接触抵抗の低下に有効な 表面処理方法を追求した。 通常のステンレス鋼板では、 母材部に比較して C rが 濃化した不動態皮膜が表面に形成されており、 該不動態皮膜が一種の抵抗体とな つて接触抵抗を上げる。 他方、 粗面化処理したステンレス鋼は低い接触抵抗を示 すことを見出した。 なかでも、 塩化第二鉄水溶液中での交番電解エッチングによ り粗面化すると、 接触抵抗が大幅に低下することが判った。
電角军粗面化により接触抵抗が低下する理由は、 つぎのように推察される。 ステンレス鋼の表面は、 酸化物， 水酸化物等からなる不動態皮膜で覆われてい る。 このステンレス鋼表面を交番電解エッチングすると、 先ずアノード電解によ つて不動態皮膜にピットが発生する。 続く力ソード電解で H2が発生すると、 フ ラットな部分に比較してピッ ト内部では一時的に Fe3+ + 30H一→Fe(OH)3の反 応が起きる領域まで pHが上昇する。 続くアノード電解では、 ピッ トの內壁を覆 つている Fe(OH)3が保護膜 f として作用し、すでに形成されているピットの内部 よりも H2の発生により活性化されたフラットな部分が優先的に溶解する。 その 結果、 新たなピットがフラットな部分に形成される （図 2 )。
ァノード電解及び力ソ一ド電解の繰返しにより、 多数の微細なピット dがステ ンレス鋼全面にわたって均一に形成され、 ピット dの周縁に微細突起 pが林立し た表面形態になる （図 3 )。 ピット d及び微細突起 pの上に保護膜 f が形成され ているものの、 ステンレス鋼板の表面に通常形成される酸化皮膜と異なり、 電角？ エツチングで一旦溶解した後に再度形成されたものであるから膜厚が一定してお らず、 下地鋼 sに達する皮膜欠陥が無数に生じているものと考えられる。
このような表面形態になっているステンレス鋼板を黒鉛質の酸化極 2 , 燃料極
3 (図 1B) に重ね合わせて加圧すると、 黒鉛に比較して硬質の微細突起 pが酸 化極 2 , 燃料極 3の内部に押し込まれ、 良好な密着状態でステンレス鋼板が酸化 極 2 , 燃料極 3に接触する。 また、 酸化極 2 , 燃料極 3に微細突起 pが押し込ま れる際、 単なるスタック圧だけでなく微細突起 pに当たる部分では電極の弾性変 形応力も加わるため、 非常に良好な密接状態が得られる。 しかも、 保護膜 f に存 在するとみられる無数の皮膜欠陥を介しステンレス鋼板が酸化極 2 , 燃料極 3に 直接接触することが予想される。このようなことから接触抵抗が大幅に低下する。 保護膜 f を介さずに金属一黒鉛接触となる部分がステンレス鋼板表面に多数存 在し、 当該部分が通電サイ トとして働く。 そのため、 不動態皮膜が形成されがち なステンレス鋼板であっても低レ、接触抵抗で酸化極 2， 燃料極 3に接触させるこ とが可能となる。 また、 通電サイ ト以外の表面部には Cr リツチの保護 S莫 f が形 成されているので、 過酷な雰囲気に曝されても十分な耐食性を呈する。
交番電解エッチングは、 セパレータ材として使用される板厚 0·：!〜 0.4mm程度 鋼薄板に対して有効な粗面化処理である。他方、ショットブラスト， ト等の粗面化処理は、このような板厚のステンレス鋼板に適さない。 しかも、 交番電解エッチングされたステンレス鋼表面に生成している酸化皮膜 f は、 ショットブラスト， サンドブラスト等の粗面化処理が施されたステンレス鋼 に比較して、 Cr濃度の高い不動態皮膜になっている。 この点でも、 耐食性に優れ たセパレータとして使用できることが判る。 図面の簡単な説明
図 1Aは、 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 説明する断面図である。
図 1Bは、 同燃料電池の分解斜視図である。
図 2は、 交番電解エッチングでステンレス鋼板表面が粗面化する過程を説明す る模式図である。
図 3は、 電解粗面化された表面形態の模式図である。 図 4は、 燃料電池に組み込んだステンレス鋼製セパレータの接触抵抗の変化を 示すグラフである。 発明を実 ifeするための最良の形態
低温型燃料電池用セパレータとして使用されるステンレス鋼板には、 燃料電池 雰囲気で必要とする耐食性を呈する限り鋼種が制約されるものではなく、 各種の フェライト系， オーステナイト系， 二相系等のステンレス鋼板がある。 使用する ステンレス鋼板としては、 必要な耐酸性を確保する上で 1 2質量％以上の C rを 含み、 燃料電池の組立てを考慮すると板厚が 0.；!〜 0.4mmの範囲にあるものが好 ましレ、。
粗面化処理としては、 Fe(OH)3の保護膜としての作用を利用して多数のピット dを形成することから、 塩化第二鉄水溶液中での交番電解ェツチングが採用され る。 塩化第二鉄水溶液は、 N03—， S042—等のイオンを多量に含まないことが好 ましレ、。 Ν03一， S042一等のイオンが多量に含まれると、 ステンレス鋼の酸化反 応が促進しピット dの形成に支障をきたし、必要とする粗面化状態が得られない。 交番電解エッチングでは、 塩化第二鉄水溶液中での C1 イオンの分解反応を抑 えるためアノード電流密度を 10.0kA/m2以下にすることが好ましレ、。 lO.OkAZ m2を超えるアノード電流密度では、 C1イオンの分解反応が顕著になり、 作業効 率及び作業環境が悪化する。 また、 ピット dの周縁に多数の微細突起 pが林立し た表面状態にするため、 ァノード通電時間を 0.05〜1秒の範囲に設定することが 好ましい。
力ソード電解では、 前述したようにステンレス鋼表面に H2を発生させてフラ ット部分を活性化すること及びピット dの内壁に保護膜 f を形成させることを狙 つていることから、 H2発生を伴う電流密度が必要である。 し力 し、力ソード電流 密度が大きすぎると、 過剰な H2発生によってステンレス鋼表面が必要以上に活 性化されるため、 ピット dの内壁に生成した Fe(OH)3保護膜 f が除去され、 ピッ ト dが浅くなると共に微細突起 pが林立した表面状態が得られない。 このような こと力ゝら、 力ソード電流密度を 0.1〜lkA/m2の範囲に設定し、 力ソード通電時 間を 0.01秒以上に設定することが好ましい。
交番電解 1サイクル当たりの適正通電時間はアノード電解で 0.05〜1秒， カソ 一ド電解で 0.01秒以上である力 工業規模での交番電源を考慮するとアノード電 解と力ソード電解との通電時間を 1： 1 にすることがコスト面で有利である。 こ の場合には、 交番電解のサイクルを 0.5〜10Hzに設定することが好ましレ、。 交番電解エッチングを 20秒以上継続すると、 必要とする粗面化状態が得られ る。 20秒に達しない交番電解エッチングでは、 ステンレス鋼表面にピット未発生 部分が残り、 接触抵抗が十分に低下せず、 低温型燃料電池用セパレータに適用で きないことがある。 逆に、 120秒を超える長時間の交番電解エッチングを施して も、 粗面化形態及び接触抵抗に大きな改善がみられない。
次レ、で、 実施例によつて本発明を具体的に説明する。 実施例 1 ：
表 1の組成をもつステンレス鋼板をセパレータ基材に使用し、 各ステンレス鋼 板を電解ェッチングにより粗面化した。
ステンレス鋼 Aの電解エッチングには、 Fe3+： 20g/l, 液温 50°Cの塩化第二 鉄水溶液を用い、ァノード電流密度 3.0kA/m2, カソ一ド電流密度 0.2kA/m2, 処理時間 60秒， 交番電解サイクル 5Hzで交番電解する条件を採用した。
ステンレス鋼 Bの電解エッチングには、 Fe3+： 55g/l, 液温 57.5°Cの塩化第 二鉄水溶液を用い、 アノード電流密度 3.0kA/m2， 力ソード電流密度 l.OkAZ m2, 処理時間 60秒， 交番電解サイクル 5Hzで交番電解する条件を採用した。 ステンレス鋼 Cの電解エッチングには、 Fe3+： 30g/l， 液温 50°Cの塩化第二 鉄水溶液を用い、アノード電流密度 3.5kAZm2,カソード電流密度 O.SkAZm2, 処理時間 40秒， 交番電解サイクル 10Hzで交番電解する条件を採用した。
ステンレス鋼 Dの電解エッチングには、 Fe3+： 70g/l, 液温 62.5。Cの塩化第 二鉄水溶液を用い、 アノード電流密度 3.0kAZm2, 力ソード電流密度 l.OkAZ m2, 処理時間 60秒， 交番電解サイクル 5Hzで交番電解する条件を採用した。
1 ：実施例で使用したステンレス鋼板の組成
Figure imgf000010_0001
電解ェツチングされた各ステンレス鋼板の表面を顕微鏡観察したところ、 平均 径 2μηι， 平均深さ Ιμιηの微細なピット dが表面全域にわたって均等に形成され ており、 ピット dの周縁に高さ 2μπι程度の微細突起 ρが多数林立した表面形態 になっていた。
粗面化されたステンレス鋼板に荷重 lOkgfZcm2でカーボン電極を接触させ、 ステンレス鋼板 Zカーボン電極間の接触抵抗を測定した。 比較のため、 粗面化し ていない 2D材を用いて、同じ条件下で接触抵抗を測定した。表 2の測定結果（初 期値） にみられるように、 電解粗面化によって接触抵抗が大幅に低下しているこ とが半 IJる。
次いで、 粗面化処理したステンレス鋼板を温度 90°C, pH2 の希硫酸水溶液及 び温度 90°Cの温水に浸漬し、 浸漬時間に応じた接触抵抗の増加傾向を調査した。 この場合にも、 粗面化処理したステンレス鋼をセパレータ基材としたものでは、 希硫酸浸漬及び温水浸漬の何れにおいても接触抵抗の増加が極僅かであった。 な お、 2D まま材をセパレータ基材としたものでは、 接触抵抗の初期値が大きく燃 料電池用に使用できないことから、 浸漬時間に応じた接触抵抗の増加傾向を調査 しなかった。
表 2 ： 各セパレータ基材とカーボン電極との接触抵抗 セ (1£^ .(^12)
パレータ 接触抵抗
鋼種 腐食減量 き Ρ·Η· 試験液
R[Jゥ ォ 攝 I
初期値 168時間後
2 D材 181 一 一
希硫酸水溶液
粗面化処理材 16 16 0.00037
A
2D材 181 ―
温水
粗面化処理材 16 18
2D材 178
希硫酸水溶液
粗面化処理材 14 14 0.00033
B
2D材 178
温水
粗面化処理材 14 17
2D材 136
希硫酸水溶液
粗面化処理材 7 8 0.00026
C
2D材 136
温水
粗面化処理材 7 8
2D材 198
希硫酸水溶液
粗面化処理材 10 10 0.00011
D
2 D材 198
温水
粗面化処理材 10 10 交番電 ェッチングで粗面化されたステンレス鋼板表面を観察し、 鋼板表面に 生成している不動態皮膜の組成を ESCAにより定量した。測定結果を、未処理材 及ぴショットブラスト材と対比して表 3に示す。 本発明に従って粗面化処理され たステンレス鋼表面に生成している不動態皮膜は、 表 3から明らかなように Fe 濃度が低く、 Cr濃度の高い組成になっていた。 このことからしても、耐食性に優 れたセパレ一タとなることが判る。 表 3 ：粗面化処理の相違が不動態皮膜の組成に及ぼす影響
Figure imgf000012_0001
実施例 2 ：
固体高分子膜 1に酸化極 2及び燃料極 3を重ね合わせた薄膜電極：
粗面化処理したステンレス鋼製セパレータ 5で挟み、 燃料電池セルを構成した。 この燃料電池セルに加湿した水素及び酸素を供給し、 電流密度 0.5A/m2—定と して 100時間運転した後、セパレータ 5を取り出し腐食状況を調査した。 その結 果、 何れの鋼種 A〜Dを用いたセパレータ 5であっても、 腐食が検出されず、 表 面接触抵抗の増加も図 4に示すように極僅かであった。 以上に説明したように、 本発明の低温型燃料電池用セパレータは、 多数の微細 突起が林立した表面形態をもつステンレス鋼板をセパレ一タ基材に使用している。 酸化極， 燃料極等のカーボン電極にセパレータを重ね合わせて加圧するとき、 ス テンレス鋼板表面にある微細突起がカーボン電極の内部に押し込まれ、 セパレー タ Zカーボン電極の接触抵抗が大幅に低下する。 そのため、 ステンレス鋼本来の 優れた耐酸性， 耐食性が活用され、 発電効率の高い固体高分子型燃料電池が組み 立てられる。

Claims

請求の範囲 鋼板の表面全域にわたって多数の微細なピットが形成され、 ピッ トの周縁に微細突起が林立した表面形態をもつことを特徴とする低温型燃料電 池用セパレータ。
. 塩化第二鉄水溶液中での交番電解エッチングによりステンレス鋼板表面を粗 面化し、 多数の微細なピットの周縁に微細突起を林立させた表面形態にするこ 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。
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