(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、負極及びこれら正負極間に介在された電解質を備えた燃料電池モデュールの両側に配置され、ガス流通用の溝部が形成された燃料電池用金属セパレーターにおいて、当該セパレーター表面にフッ素樹脂が２〜３０ｖｏｌ％共析した銀複合めっき皮膜又は白金複合めっき皮膜を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に用いる金属セパレーターに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池などは、通常、正負極間にイオン交換膜等の電解質を介在させたモデュールの両側にガス流通用の溝部が形成された金属セパレーターを配設し、これを複数個並設した構成を有するが、この金属セパレーターとしては、従来、炭素板、金めっきや白金めっきしたステンレス板などが使用されている。
【０００３】
ところで、金属セパレーターに求められる特性は、図１を参照して説明すると、セパレーター１の表面（接触部２）での炭素紙４などとの接触抵抗が小さいこと、水素が酸化されて生じた水によってガスの流路（セパレーター１に形成された溝部３）が閉塞されず、水滴による妨害がなく、ガスの流通が良好であること、冷却水を流しても腐蝕しないことが要求され、更に耐食性が良好であること、低コストであること、軽量であること等も要求される。特に、接触抵抗が大きいと無駄な電圧を消費するので、セパレーターの接触抵抗はできるだけ小さくすること、またセパレーター溝の撥水性が悪いと、水が付着し、ガス流路が閉塞すると共に、空気極と電解質との境界にできる水分を除去しなければ、この水分が邪魔をした部分で、空気極の反応が進まなくなるので、撥水性が求められる。
【０００４】
しかし、セパレーターを炭素板で形成した場合、炭素板は導電性が優れておらず、プレス加工などができにくいので、切削加工してガス流通の溝を付けていたが、重量が大きく、切削加工費が高く、コスト高であるなどの欠点があった。また、溝部にフッ素樹脂被覆していたが、加工費が高くなる、被覆フッ素樹脂が剥離し易いなどの欠点があった。
【０００５】
一方、ＳＵＳなどの素材では、プレス加工はできるが、加工性が余りよくないので、素材に微小孔があく可能性があり、ガスが漏れ、ガスのセパレーターとしての性能を満足できなくなる可能性も大きい。そこで、エッチングで溝を切ると、重くて、コスト高になるという問題があった。
【０００６】
更に、上記の両者共に、溝部の撥水性は良好ではないという欠点があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、接触抵抗が低く、撥水性に優れ、しかも耐食性の良好な燃料電池用金属セパレーターを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明は、上記目的を達成するため、正極、負極及びこれら正負極間に介在された電解質を備えた燃料電池モデュールの両側に配置され、ガス流通用の溝部が形成された燃料電池用金属セパレーターにおいて、当該セパレーター表面にフッ素樹脂が２〜３０ｖｏｌ％共析した銀複合めっき皮膜又は白金複合めっき皮膜を形成したことを特徴とする燃料電池用金属セパレーターを提供する。
【０００９】
この場合、上記貴金属複合めっきは、溝部を含むセパレーター全体に施しても、溝部に貴金属複合めっきを施し、接触部に通常の金めっきなどを施してもよいが、セパレーター全体に貴金属複合めっきを施すことが、作業面、コスト面などから望ましい。
【００１０】
本発明のセパレーターは、Ｐｔ，Ａｇの貴金属マトリックス中にフッ素樹脂が均一に分散、共析、複合された貴金属複合めっき皮膜が形成されているため、接触抵抗が小さい上、撥水性が高く、溝部の撥水性が良好で、水分除去が容易になされ、溝に水が付着してガス流路を閉塞させるような不都合はなく、ガスの流通性が良好である。また、耐食性も優れたものである。
【００１１】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
【００１２】
本発明の燃料電池用金属セパレーターは、当該セパレーターの表面にフッ素樹脂が共析、分散された銀複合めっき皮膜又は白金複合めっき皮膜が形成されたものである。
【００１３】
ここで、このセパレーター素材としては、従来公知のものが用いられ、例えばアルミニウム、ステンレススチール、チタンなどを用いることができるが、軽量である等の点でアルミニウム板を素材とすることが好ましい。
【００１４】
このような金属素材に対して貴金属複合めっきを施す場合は、その素材の種類に応じた公知の前処理、例えばアルミニウム素材に対しては亜鉛置換処理、ステンレススチールやチタンの場合は酸を用いて酸化膜を除去した後、ウッドニッケルめっき液を用いたストライクニッケルめっき処理を行う。
【００１５】
この場合、このような前処理後、下地めっき皮膜を形成することができ、特にアルミニウムを亜鉛置換処理した場合は下地めっき皮膜を介して貴金属複合めっきを行うことが好ましい。この下地めっき皮膜としては、ニッケル又はニッケル−リン合金等のニッケル合金めっき皮膜を形成することができ、公知の電気ニッケルめっき或いは無電解ニッケルめっき法にて厚さ１〜５０μｍ程度の下地めっき膜を形成することができる。
【００１６】
貴金属複合めっきは、Ｐｔ，Ａｇの水溶性塩を含む公知の電気貴金属めっき液にフッ素樹脂からなる共析微粒子（撥水性微粒子）を分散した複合めっき液を用いて行うことができる。
【００１７】
ここで、共析微粒子として具体的には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（フルオロネイティッドエチレンプロピレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＣＴＦＥ（エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体）などのフッ素化した樹脂の微細粉（約０．１〜約３μｍ粒径）が好適に使用できる。
【００１８】
これらは水に濡れにくいために、公知の界面活性剤を使用して、公知の方法で分散させるとよい。分散及び共析のためには、カチオン界面活性剤が好適に使用できる。カチオン界面活性剤としては、疎水基として、長鎖の炭化水素基を持つもの及びパーフルオロアルキル基を有するものが使用できる。例えば、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルベンジルジメチルアンモニウムクロリド、パーフルオロアルキルトリメチルアンモニウムブロミドなどである。
【００１９】
なお、これら共析微粒子の使用量は適宜選定され、後述する複合量（共析量）が得られるような量で添加する。
【００２０】
上記貴金属複合めっき液を用いて複合めっきを行うに際し、共析させる分散粒子を分散させておくのに都合のよい液撹拌、液循環法を使用することが好ましい。めっき液は静置していると、下に沈殿したり、上に浮いたりするので、緩く液循環するのがよい。
【００２１】
めっき品物は、揺動すると、めっき外観が均一になり易い。その他、液温、ｐＨ、電流密度などのめっき条件は、共析粒子を含まないめっき液（マトリックスめっき液）と同様でよい。
【００２２】
このような貴金属複合めっき液を用いて得られるめっき皮膜は、貴金属マトリックス中に上記共析微粒子が均一に分散、共析されてなるものであるが、共析微粒子のめっき皮膜中への複合量（共析量）は約２〜３０ｖｏｌ％であることが好ましく、特に約１０ｖｏｌ％以上の複合量であると、撥水性が高いものである。また、このめっき皮膜は、その表面に共析微粒子が露頭しているものであるが、めっき皮膜を加熱して共析したフッ素樹脂を一部溶融すると、更に撥水性が向上する。
【００２３】
また、上記めっき皮膜の水との接触角は、フッ素樹脂を共析した場合は約１１０〜６０゜である。
【００２４】
なお、上記めっき皮膜の厚さも適宜選定されるが、０．２〜２０μｍ、特に１〜１５μｍである。
【００２５】
本発明においては、上記セパレーターの表面に上記貴金属複合めっき皮膜を形成するものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用金属セパレーターは、従来公知のセパレーターと同様の態様で使用することができ、特に固体高分子電解質型の燃料電池のセパレーターとして好適であるが、本発明のセパレーターは、接触抵抗が低く、また溝部の撥水性に優れ、良好なガス流通性が確保され、しかもマトリックスが貴金属であるため、耐食性にも優れるものである。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
外寸２００×１８４ｍｍのアルミニウム製ガス流通溝付セパレーターを常法に従って下記に示す前処理（亜鉛置換処理，上村工業（株）製ＡＺプロセスを使用）を行った後、下記組成の電気ニッケルめっき液を用いて２０μｍのニッケルめっき皮膜を形成し、その上に下記組成の電気白金複合めっき液を用いて０．５μｍの複合白金めっき皮膜を形成した。
0003620566.tif 000002
電気ニッケルめっき液及びめっき条件
硫酸ニッケル                                  ２８５ｇ／Ｌ
塩化ニッケル                                    ４５ｇ／Ｌ
硼酸                                            ４０ｇ／Ｌ
ｐＨ                                                ４．２
液温                                                ５５℃
撹拌                                              空気撹拌
陰極電流密度                                  ５Ａ／ｄｍ２
めっき時間                                        ２２分間
電気白金複合めっき液及びめっき条件
Ｈ２Ｐｔ（ＮＯ２）２ＳＯ４                  Ｐｔとして５ｇ／Ｌ
ＰＴＦＥ                                        ２０ｇ／Ｌ
ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド            ２ｇ／Ｌ
硫酸でｐＨ２とする
液温                                                ４０℃
陰極電流密度                                ０．５Ａ／ｄｍ２
陽極                                                  Ｐｔ
めっき時間                                          ４分間
撹拌                                ポンプ循環による液撹拌
【００２９】
得られた白金複合めっき皮膜は、白金中にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が均一に共析、分散しているもので、ＰＴＦＥの共析量は１５ｖｏｌ％であった。
【００３０】
このめっきしたセパレーターにカーボン板を載せ、面圧５ｋｇｆ／ｃｍ２でプレスし、このセパレーターのカーボン板との接触抵抗を測定した。その結果、抵抗は全て５〜２０ｍΩ×ｃｍ２であり、良好であった。更に、腐食環境として、７５℃での飽和水蒸気を含む空気に１００日間曝した後の接触抵抗を測定したが、接触抵抗の増大は５％以内であった。
【００３１】
次に、上記セパレーターを１６枚重ね、その間に、イオン交換膜を高分子電解質とし、その両側に公知の酸素電極、水素電極を配したモデュールを介装した燃料電池を作成し、１００時間の発電試験を行った。発電試験後に、上記セパレーターの接触抵抗を測定した結果、接触抵抗の増大は１０％以内であり、セパレーターに殆ど劣化がないことが判明した。
【００３２】
また、上記燃料電池は１００時間後も劣化は殆ど認められず、水素と酸素ガスの利用率が殆ど低下しないことが判明した。
【００３３】
更に、発電試験前後に、上記セパレーター（白金複合めっき皮膜）と水との接触角を測定した結果、接触角は９０〜１００°であり、撥水性は非常に良好であった。
【００３４】
［実施例２］
実施例１の白金複合めっきの替りに、下記組成の電気銀複合めっき液を用いて１０μｍの銀複合めっき皮膜を形成した以外は実施例１と同様にしてセパレーターを得た。
電気銀複合めっき液及びめっき条件
ＫＡｇ（ＣＮ）２                        Ａｇとして２０ｇ／Ｌ
ＫＣＮ（フリー）                                １５ｇ／Ｌ
炭酸カリウム                                    １５ｇ／Ｌ
ＰＴＦＥ                                        ３０ｇ／Ｌ
ドデシルベンジルジメチルアンモニウムクロリド      ３ｇ／Ｌ
液温                                                ２５℃
陰極電流密度                                    １Ａ／ｄｍ２
撹拌                                ポンプ循環による液撹拌
【００３５】
得られた銀複合めっき皮膜は、ＰＴＦＥが２０ｖｏｌ％共析しているものであり、実施例１と同様の燃料電池を組み立て、同様の試験を行った結果も、実施例１と同様であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池用金属セパレーターの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  セパレーター
２  接触部
３  溝部
４  炭素紙
【図１】
0003620566.tif 000003