(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつ低コストの燃料電池セパレータを提供する。【解決手段】燃料電池セパレータ１であって、セパレータ基材によって形成された基層３と、この基層３の上に形成され基層３表面に連続して設けられた金属層４と、この金属層４の上に形成された金属窒化物層５と、を有する。この燃料電池セパレータ１は、セパレータ基材の表面に金属層４を形成し、次にこの金属層４の上に物理気相成長法により金属窒化物層５を形成することによって得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ基材によって形成された基層と、
前記基層の上に形成され前記基層表面に連続して設けられた金属層と、
前記金属層の上に形成された金属窒化物層と、を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記金属窒化物層は、クロム窒化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記金属層は、クロムを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
セパレータ基材の表面に金属層を形成し、
次に前記金属層の上に物理気相成長法により金属窒化物層を形成することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記金属層を、物理気相成長法、又はめっきにより形成することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、用いるセパレータの接触抵抗を低減し、耐久性を上げる目的で、セパレータの表面に直接窒化物層を設けたものが提案されている。
【０００３】
例えば、ステンレス鋼板の表面に導電性セラミック層を形成した燃料電池セパレータが提案されている（特許文献１参照）。また、セパレータ基材の表面に異なる種類の２層以上の金属窒化層を形成した燃料電池セパレータが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２３７８３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３６９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、窒化物は硬いという特性を有するため、窒化物層を厚くできない。このため、窒化物層にピンホール等の膜欠陥が生じやすく、長期間の使用によって耐食性を維持できないという問題がある。このため、基材の材料には耐食性の優れたステンレス鋼やチタンに限定され、安価なアルミニウム等を用いることができない。
【０００５】
また、ステンレス鋼と窒化物層とでは材質の硬さの差が大きい。このため、基材表面に形成した窒化物層の基材との密着性が悪く、長期間の使用によって窒化物層がはがれ、耐久性が悪いという問題がある。
【０００６】
さらに、セパレータの量産性及び低コスト化のためには、ロール材のまま表面処理した後にセパレータ形状に成形するという工順が不可欠である。しかしながら、窒化物は伸びが小さいため、プレス等による成形により窒化物層が割れて基材が露出し、イオン溶出量が多くなるという問題がある。このように、工順がプレス成形の後に表面処理の順番に限定されるため、生産性が悪く、コストが高いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る燃料電池セパレータは、セパレータ基材によって形成された基層と、この基層の上に形成され基層表面に連続して設けられた金属層と、この金属層の上に形成された金属窒化物層と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、セパレータ基材の表面に金属層を形成し、次にこの金属層の上に物理気相成長法により金属窒化物層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、接触抵抗が低く、耐食性にも優れかつ製造コストが安い燃料電池セパレータを提供できる。
【００１０】
また、本発明によれば、上記のように接触抵抗が低く耐食性にも優れかつコストの安い燃料電池セパレータの製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ１の平面図である。図２は、燃料電池セパレータ１の要部の拡大図である。燃料電池セパレータ１は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルと交互に複数個積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば動力源として燃料電池電気自動車に搭載される。
【００１３】
各単セルは、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両側に燃料電池セパレータ１を配置して、燃料電池セパレータ１内部にガス流路を画成する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（ナフィオン1128（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。単セルと燃料電池セパレータ１とを積層した後、両端部にエンドフランジを配置して、外周部を締結ボルトにより締結して燃料電池スタックを構成する。また、燃料電池スタックには、各単セルに水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【００１４】
図１、２に示した燃料電池セパレータ１の詳細を説明する。燃料電池セパレータ１は、セパレータ基材の表面部３ａを表面処理することにより得られ、セパレータ基材によって形成された基材の未処理層である基層３と、この基層３の上に形成され、基層３の表面に連続して設けられた金属層４と、この金属層４の上に形成された金属窒化物層５を有する。金属層４は基材の表面部３ａ全域を覆うように緻密に形成されており、金属層４の上には物理気相成長法により金属窒化物層５が形成されている。金属層４の下面４ａはセパレータ基材の表面部３ａ、つまり、基層３と接しており、金属層４の上面４ｂは、金属窒化物層５の下面５ａと接触している。燃料電池セパレータ１には、プレス成形により断面矩形状の燃料又は酸化剤の溝状の流路２が形成されている。流路２と流路２との間には、流路２と流路２とで画成された平板部を備え、流路２及び平板部の外面に沿って金属窒化物層５が延在する。平板部は、燃料電池セパレータ１と単セルとを交互に積層した際に隣接する固体高分子膜上のガス拡散層に接触し、ガス拡散層との間に燃料ガスの流路を画成する。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ１は、基層３と金属窒化物層５との間に金属層４をはさむ構成とすることによって、金属窒化物層５にピンホールができた場合であっても金属層４が耐食性を示すため、燃料電池セパレータ１の耐食性は維持される。前述したように、金属窒化物の単層膜の場合には、ピンホールのないコーティング作製が難しいため、長期間の使用によって耐食性が悪くなる。これに対し、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ１では、金属層４を有するため、この点を解消することができる。また、金属は窒化物と比較して伸びがよいため、最外層の金属窒化物層５が割れても、金属層４は割れないため基層３が露出しない。このため、基層３からのイオン溶出量が低く抑えられ、耐久性がよい。
【００１６】
また、金属層４を有することにより、基材の材料として耐食性の優れたステンレス鋼やチタンに限定されず、安価なアルミニウム等を用いることができる。このため、低コスト化をはかることができる。基材としてアルミニウム材を使用した場合、アルミニウムは軽量であるため、燃料電池の軽量化がはかれる。更に、接触抵抗が低い金属窒化物層５を表面に設けた構成としたため、接触抵抗が低い燃料電池セパレータを提供することができる。また、基層３と金属窒化物層５との間の金属層４により、基層３と金属窒化物層５との密着性が良くなるため、長期間の使用によって金属窒化物層５がはがれにくくなり、耐久性が良くなる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ１は、セパレータ基材の表面に金属層４を形成し、次にこの金属層４の上に物理気相成長法（ＰＶＤ）により金属窒化物層５を形成することによって得られる。この方法を用いた場合、ロール材のまま表面処理した後成形するという工順が成立するため、量産性がよく、低コストである。このように、本発明によれば、上記のように接触抵抗が低く耐食性にも優れかつコストの安い燃料電池セパレータの製造が可能となる。
【００１８】
金属層４は、セパレータ基材の表面部３ａを物理気相成長法、又はめっきすることにより形成する。金属層を基材表面に形成する方法であれば方法は問わない。例えば、電気めっき、蒸着が挙げられる。蒸着のうち、真空めっきの一つであるＰＶＤを用いることができる。ＰＶＤによる成膜では、まずセパレータ基材の表面から酸化物皮膜を除去するために、アルゴンで表面をスパッタクリーニングする。次いで、アルゴンと共に窒素ガスを導入し、金属層を成膜する。ＰＶＤを用いると、セパレータ基材の表面に容易に金属層を形成することが可能となる。
【００１９】
基層３を形成する基材は、例えば、ステンレス鋼材、チタン材、アルミニウム材などの金属基材が挙げられる。これらの金属材料は軽いため、燃料電池の軽量化、ひいては燃料電池自動車の軽量化及び省エネ化をはかることができる。また、これらの材料は、表面処理によって金属層を形成しやすい。ステンレス鋼材は、用途によってマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系及び析出硬化系のいずれも使用可能である。チタン材は、純チタン及びチタン合金のいずれも使用可能であり、アルミニウム材は、純アルミニウム及びアルミニウム合金のいずれも使用可能である。
【００２０】
金属層４は、クロムを含むことが好ましい。クロムは耐食性がよいため、金属層４がクロムを含む場合には燃料電池セパレータ１からのイオン溶出量が少なくなる。また、クロムは基材としてステンレス鋼材、チタン材、アルミニウム材を用いた場合、基材と金属窒化物との硬さの中間に位置するため、金属層４がクロムを含む場合には更に基層３と金属窒化物層５との密着性がよくなり、長期間の使用にも膜が剥離しないため耐久性が良くなる。また、クロムは金属窒化物と比較して伸びがよいため、最外層の金属窒化物が割れても、クロム層は割れず、またクロム層はピンホールが少ないため基層３が露出しない。よって、燃料電池セパレータ１からのイオン溶出量が低く抑えられ、耐久性が良くなる。
【００２１】
金属窒化物層５は、クロム窒化物を含むことが好ましい。クロム窒化物は低抵抗であるため、燃料電池セパレータの導電性が良くなる。また、クロム窒化物は耐食性がよいため、イオン溶出量が少なくなる。
【００２２】
金属窒化物層５は、上述のようにセパレータ基材の表面に金属層４を形成した後に、金属層４の上にＰＶＤにより形成する。この場合、クロムはスパッタレートが速いため、生産性がよく、低コストであるまた、ＰＶＤはピンホールなどの欠陥の少ないコーティングが可能なため、導電性、耐食性がよい金属窒化物層が得られる。
【００２３】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法によれば、接触抵抗が低く、耐食性にも優れかつ製造コストが安い燃料電池セパレータが得られる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した燃料電池スタックは、発電性能に優れ、この燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池車両の燃費向上を図ることができる。また、燃料電池車両だけではなく、電気エネルギーが要求される航空機その他の機関や静置型燃料電池に適用することも可能である。
【実施例】
【００２４】
次に、実施例１〜実施例３及び比較例１〜比較例３について説明する。各実施例は、本発明に係る燃料電池セパレータの有効性を調べたもので、原材料に対して異なる条件下で処理して各試料を調製したものであり、例示した実施例に限定されるものではない。
【００２５】
＜試料の調製＞
各実施例及び比較例では、基材としてＪＩＳ規格のＳＵＳ３１６Ｌ真空焼鈍材（厚さ０．１ｍｍ）を用いた。脱脂洗浄した後、基材表面にコーティングを行った。コーティングは、アルゴンガスによるスパッタクリーニングの工程、アルゴンガス雰囲気下（０．１Ｐａ〜１０Ｐａ）、温度２００℃、バイアス電圧２００Ｖで金属層を形成する工程、及びアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気下（０．１Ｐａ〜１０Ｐａ）、温度２００℃、バイアス電圧２００Ｖで金属窒化層を形成する工程の３工程を有する。
【００２６】
実施例１、２、３は、表１に示すようにコーティング時の窒素分圧を０．０２Ｐａ〜１．００Ｐａの範囲でそれぞれ設定した。また、比較例１金属層のみ、比較例２は金属窒化物層のみの構成とした。比較例６はコーティングを行わず、ステンレス基材そのままとした。
【表１】
2010086897.tif 000003
【００２７】
得られた試料に対して接触抵抗を測定した後、腐食試験を行い、再度接触抵抗を測定した。
【００２８】
＜接触抵抗値の測定＞
得られた試料の中央近傍から３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに試料を切り出し、この試料の接触抵抗を測定した。測定装置にはアルバック理工株式会社製  圧力負荷接触電気抵抗測定装置ＴＲＳ−２０００ＳＳ型を用いた。図３に示すように、電極１１ａ、１１ｂとサンプル１２との間にカーボンペーパ１３ａ、１３ｂを介在させて、電極１１ａ／カーボンペーパ１３ａ／サンプル１２／カーボンペーパ１３ｂ／電極１１ｂの構成とした。この組み立て品一式に電流計、電圧計及び直流電源を接続した。測定面圧１．０ＭＰａにて１Ａ／ｃｍ２の電流を流した際の電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ株式会社製カーボンペーパＴＧＰ−Ｈ−０９０  厚さ０．２６ｍｍ、かさ密度０．４９ｇ／ｃｍ３、厚さ方向体積抵抗率０．０７Ω・ｃｍ２）を用いた。電極は、直径φ１０のＣｕ製電極を用いた。
【００２９】
＜腐食試験＞
試料を３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに切り出した後、ｐＨ４の硫酸水溶液中で、温度８０℃で７０時間浸漬した。
【００３０】
＜結果＞
実施例１〜実施例３及び比較例１〜比較例３で得られた結果について、表２に腐食試験前後の接触抵抗を示す。
【表２】
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【００３１】
比較例３に示すように、基材表面処理を行わない場合には、基材表面に酸化物膜があるため、腐食試験前後共に接触抵抗は高かった。実施例１〜実施例３に示すように、基材の表面に金属層と金属窒化物層を形成した多層構造の場合には、腐食後も接触抵抗を低く抑えられた。これに対し、比較例１の金属窒化物単層の場合には、腐食前の抵抗は実施例１〜実施例３の多層構造と同等だったが、金属窒化物層はピンホール等の欠陥が多い構造のため、腐食試験中に金属窒化物層に酸素が浸入し、腐食後の接触抵抗は高くなった。また、比較例２の金属の単層の場合には、金属層表面に酸化皮膜が形成されるため、腐食前、腐食後共に接触抵抗が高くなった。
【００３２】
以上より、実施例１〜実施例３で得られた試料は、腐食試験前後共に接触抵抗は低く維持でき、耐食性にも優れる。また、実施例１〜実施例３で得られた試料は、表面処理工程が容易である。このように、本発明の実施の形態に係るセパレータは低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備え、低コストで得られることがわかった。このセパレータを用いることにより、燃料電池の出力を高い状態で維持することができ、耐久性も向上することが示された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータの要部の拡大図である。
【図３】各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…燃料電池セパレータ
２…流路
３…基層
３ａ…表面部
４…金属層
４ａ…下面
４ｂ…上面
５…金属窒化物層
５ａ…下面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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