(57)【要約】【課題】本発明は、軽量であり、耐腐食性と電気伝導性に優れている燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法と、これを含む燃料電池スタックを提供する。【解決手段】流路チャンネル１６が形成されている金属基材１５、及び金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を覆っている電気伝導性腐食防止コーティング膜１７を含み、電気伝導性コーティング膜１７は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路チャンネルが形成されている金属基材と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆っている電気伝導性腐食防止コーティング膜と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面と前記電気伝導性腐食防止コーティング膜の間に形成される接着力増加用金属層とを含み、
前記電気伝導性腐食防止コーティング膜は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上の腐食防止物質を含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記腐食防止コーティング膜の平均厚さは０.１乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記接着力増加用金属層の平均厚さは１０乃至１００００Åであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
前記接着力増加用金属層は、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
前記流路チャンネルの深さは２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項６】
前記流路チャンネルの深さは４００乃至１０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項７】
前記流路チャンネルの幅は３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項８】
前記流路チャンネルの幅は５００乃至１５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項９】
前記腐食防止物質は電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１０】
前記腐食防止物質は腐食性が１６μＡ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１１】
前記金属炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、及び炭化タングステン（ＷＣ）からなる群より選択される１種以上の炭化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１２】
前記金属酸化物は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）からなる群より選択される１種以上の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１３】
前記金属ホウ化物は、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、及びホウ化クロム（ＣｒＢ２）からなる群より選択される１種以上のホウ化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１４】
前記金属基材は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１５】
電気伝導性腐食防止物質と金属を混合形態に含み、流路チャンネルが形成され、前記電気伝導性腐食防止物質は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上のものであることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１６】
流路チャンネルが形成された金属基材に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、
前記接着力増加用金属層上に金属炭化物、金属酸化物及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上の電気伝導性腐食防止物質を蒸着又は湿式コーティングする段階
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項１７】
前記接着力増加用金属層は、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金でコーティングすることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項１８】
前記金属炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、及び炭化タングステン（ＷＣ）からなる群より選択される１種以上の電気伝導性金属炭化物であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項１９】
前記金属酸化物は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）からなる群より選択される１種以上の酸化物であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２０】
前記金属ホウ化物は、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、及びホウ化クロム（ＣｒＢ２）からなる群より選択される１種以上のホウ化物であることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２１】
前記蒸着は、スパッタリング、熱蒸発、電子線蒸発、プラズマ気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）、及び化学気相蒸着法（ＣＶＤ）からなる群より選択される１種以上の蒸着法で実施することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２２】
前記金属基材は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２３】
電気伝導性腐食防止物質と金属粉末を、バインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、
前記製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階とを含み、
前記電気伝導性腐食防止物質は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上のものであることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２４】
高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む膜−電極接合体、及び前記膜−電極接合体の両面に配置される請求項１に記載の金属セパレータを含むことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法とこれを含む燃料電池スタックに係り、特に、軽量であり、耐腐食性と電気伝導性に優れている燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法と、これを含む燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然気体のような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の化学反応エネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。このような燃料電池は、化石エネルギーを代替することができる清浄エネルギー源であって、単位電池の積層によってスタックを構成することにより、多様な範囲の出力を出すことができる長所を有し、小型リチウム電池に比べて４〜１０倍のエネルギー密度を示すので、小型及び移動用携帯電源として注目されている。
【０００３】
燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質型燃料電池、直接酸化型燃料電池がある。前記直接酸化型燃料電池において、燃料としてメタノールを使用する場合は直接メタノール燃料電池という。
【０００４】
高分子電解質型燃料電池はエネルギー密度の大きく、出力が高いという長所を有しているが、水素ガスの取り扱いに注意しなければならず、燃料ガスの水素を生産するために、メタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とするという問題点がある。
【０００５】
これに反し、直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低いので常温で運転可能であり、特別な燃料改質装置を必要としないという長所がある。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ）とセパレータ（又は二極式プレートともいう）からなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造を有する。膜−電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を隔ててアノード（別名“料極”又は“酸化電極”という）とカソード（別名“空気極”又は“還元電極”という）が位置する構造を有する。
【０００７】
燃料電池で電気を発生させる原理は、燃料が燃料極であるアノードに供給されてアノードの触媒に吸着し、酸化反応によって燃料が酸化されて水素イオンと電子を生成し、この時に発生した電子は、外部回路に沿って酸化極のカソードに到達し、水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに伝達される。カソードに酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオン、及び電子がカソードの触媒中で反応して、水を生成すると同時に電気を発生させる。
【０００８】
セパレータは、燃料と酸化剤を各々アノードとカソードに供給する役割、電流を収集する役割、燃料と酸化剤の直接接触による爆発、燃焼などの危険性を防止する役割を果たすので、気体透過率は低く、電気伝導性は優れていなければならない。
【０００９】
現在、セパレータの材料としては黒鉛が多く使用されており、特に、黒鉛を機械的粉砕法により微細化してマイクロメーター単位の大きさを有する粒子にし、これを高分子樹脂に混合して複合材料として用いている。
【００１０】
しかし、従来の方法では、所望の水準の電気伝導度を得るために数十重量％以上の黒鉛を使用しなければならないため、セパレータの材料自体の重量及び粘度が増加して攪拌及び成形が難しくなり、最終のセパレータ複合材料の強度及び耐久性、安定性も好ましい水準になり難い。
【００１１】
このような問題点を解決するために、黒鉛セパレータを代替するための金属セパレータに対する研究が進められてきた。金属セパレータは、エッチングによる加工が可能であり、低価格でありながらも強度が優れているた長所を有する。しかし、金属及び合金系物質を燃料電池用セパレータとして用いる場合、一酸化炭素、酸素、及び各種の酸性雰囲気で金属の表面が腐食され、酸化被膜を形成するため、燃料電池の性能が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、耐腐食性と電気伝導度が優れている燃料電池用金属セパレータを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、前記燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明のまた他の目的は、前記燃料電池用金属セパレータを含む燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述した目的を達成するために、本発明の燃料電池用金属セパレータは、流路チャンネルが形成されている金属基材と、金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆っている電気伝導性腐食防止コーティング膜と、金属基材の流路チャンネルが形成された面と電気伝導性腐食防止コーティング膜の間に形成される接着力増加用金属層とを含み、電気伝導性腐食防止コーティング膜は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上の腐食防止物質を含むことを要旨とする。
【００１６】
本発明の燃料電池用金属セパレータはまた、電気伝導性腐食防止物質と金属を混合形態に含み、流路チャンネルが形成され、電気伝導性腐食防止物質は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上のものであることを要旨とする。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、流路チャンネルが形成された金属基材に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、接着力増加用金属層上に金属炭化物、金属酸化物及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上の電気伝導性腐食防止物質を蒸着又は湿式コーティングする段階とを含むことを要旨とする。
【００１８】
本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法はまた、電気伝導性腐食防止物質と金属粉末を、バインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階とを含み、電気伝導性腐食防止物質は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上のものであることを要旨とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む膜−電極接合体、及び膜−電極接合体の両面に配置される前述した金属セパレータを含むことを要旨とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、軽量であり、耐腐食性及び電気伝導度が優れているので燃料電池に使用されるのに適しており、特に、蒸着による金属セパレータの製造方法は、微細な流路チャンネルが形成された金属セパレータにもコーティング膜の形成を可能にして燃料電池の小型化に適しており、工程が簡便であり、生産性を高めることができるという長所がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、大別して３種の実施の形態で示すことができる。
【００２２】
図１は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。図１に示したように、本発明の第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０は、板状の金属基材１５を用い、その片面（単極式プレートの場合）または両面（二極式プレートの場合）に流路チャンネル１６が形成されていて、金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を、全面的に又は流路チャンネル１６内面のみに、電気伝導性腐食防止コーティング膜１７が覆っている。この時、電気伝導性腐食防止コーティング膜１７の平均厚さは０.１乃至１００μｍであるのが好ましい。電気伝導性腐食防止コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さ増加によるそれ以上の長所を得られない。電気伝導性腐食防止コーティング膜１７が流路チャンネル１６内面のみを覆う場合には、流路間のリブ外面（ＭＥＡ接触面）に金（Ａｕ）メッキなどの防食加工を施すことが望ましいが、第２の実施の形態に記す接着力増加用金属層２８で代用してもよい。なお通常は、単極式プレートをスタックの端部に使い、二極式は隣接する膜−電極接合体を接続するために使う。
【００２３】
図２は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。図２に示したように、本発明の第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０は、第１の実施の形態ににおける燃料電池用金属セパレータ１０の構造以外に、電気伝導性腐食防止コーティング膜２７と金属基材２５の流路チャンネル２６が形成された面との間に、接着力増加のための接着力増加用金属層２８をさらに含む。
【００２４】
この時、接着力増加用金属層２８は、平均厚さが１０Å乃至１００００Åであるのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００２５】
第２の実施の形態の接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。クロムの酸化物は、他の金属酸化物に比べて電気伝導度が優れているので、接触力増加の効果と共に、酸化物形成後にも電気伝導度低下が防止できるという長所がある。
【００２６】
図３は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。図３に示したように、本発明の第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０は、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物からなる群より選択される１種以上の電気伝導性腐食防止物質３７と金属３５を混合形態に含み、流路チャンネル３６が形成されて、それ自体で燃料電池用金属セパレータを構成している。
【００２７】
この時、電気伝導性腐食防止物質３７と金属３５の含量比は、重量比で２０：８０乃至８０：２０であるのが好ましい。電気伝導性腐食防止物質３７と金属３５の含量比が重量比で２０：８０未満であると耐腐食性が落ち、８０：２０を超えると電気伝導度が低下する。
【００２８】
第１乃至第３の実施の形態において、最終に形成される流路チャンネル１６、２６及び３６は必要に応じて多様な模様に成形加工できるが、深さが２０００μｍ以下であるのが好ましく、４００乃至１０００μｍであるのがさらに好ましい。また、流路チャンネル１６、２６及び３６の幅は３０００μｍ以下であるのが好ましく、５００乃至１５００μｍであるのがさらに好ましい。深さが２０００μｍを超えたり、幅が３０００μｍを超えると、燃料電池の小型化が難しくなる。
【００２９】
[電気伝導性腐食防止物質の選定]
また、第１乃至第３の実施の形態において、燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に含まれる電気伝導性腐食防止物質３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている特徴を有する。
【００３０】
電気伝導性腐食防止物質３７としては、金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物が好ましく用いられる。電気伝導性腐食防止物質３７は、１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超えると、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００３１】
金属炭化物、金属酸化物、及び金属ホウ化物はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。これらの電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００３２】
金属炭化物、金属酸化物及び金属ホウ化物の金属としては通常金属セパレータに使用される金属が用いられ、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステインレススチルからなる群より選択される１種以上の金属または２種以上の金属の合金を含む。
【００３３】
このような物性を有する金属炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）及び炭化タングステン（ＷＣ）からなる群より選択される１種以上のものであるのが好ましい。
【００３４】
また、このような物性を有する金属酸化物の具体例としては、ディスプレイパネル分野で透明電極として使用可能な全ての金属酸化物が挙げられ、好ましくは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）からなる群より選択される１種以上のものがある。
【００３５】
また、このような物性を有する金属ホウ化物の好ましい例としては、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、及びホウ化クロム（ＣｒＢ２）からなる群より選択される１種以上のものがある。
【００３６】
[金属材料の選定]
また、腐食防止物質と共に本発明の燃料電池用金属セパレータ１０，２０、３０を構成する金属基材１５，２５又は金属粉末３５は、通常金属セパレータに使用される金属を含み、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を含む。
【００３７】
[電気伝導性腐食防止物質のコーティング]
本発明の第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータは、流路チャンネル１６が形成された金属基材１５に電気伝導性腐食防止コーティング膜１７を蒸着又は湿式コーティングして製造することができる。
【００３８】
この時、電気伝導性腐食防止コーティング膜１７の平均厚さは０.１乃至１００μｍになるようにするのが好ましい。コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さ増加によるそれ以上の長所を得られない。
【００３９】
蒸着は通常の蒸着方法を全て用いることができ、好ましくは、スパッタリング、熱蒸発、電子線蒸発、プラズマ気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）又は化学気相蒸着法（ＣＶＤ）などより選択される一つの方法を用いることができ、また、２種類以上の方法を順に用いることもできる。
【００４０】
また、湿式コーティング法は、スラリーコーティング、スプレー噴射、又はスクリーンコーティング方法などを用いることができ、より好ましくはスラリーコーティング法を用いることができるが、湿式コーティング方法は通常よく知られている技術であるので、本発明では詳細な説明を省略する。
【００４１】
[接着力増加用金属層について]
また、第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０の製造方法は、第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０の電気伝導性腐食防止コーティング膜１７と金属基材１５との接着性を増加させるために、蒸着又は湿式コーティングをする前に、接着力増加用金属層２８をコーティングする段階をさらに含む。
【００４２】
この時、接着力増加用金属層２８は、通常の蒸着法又はスラリーコーティング法、スプレー噴射、又はスクリーンコーティング方法などの湿式コーティング法でコーティングすることができ、平均厚さが１０Å乃至１００００Åになるようにするのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００４３】
接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。
【００４４】
また、第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０を製造する方法は、電気伝導性腐食防止物質３７と金属粉末３５をバインダーが溶解された有機溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階を含む。
【００４５】
この時、電気伝導性腐食防止物質３７と金属粉末３５は、２０：８０乃至８０：２０の重量比で混合されるのが好ましい。また、スラリーの製造に使用される有機溶媒及びバインダーは、通常のスラリーコーティング用バインダー及び有機溶媒の中で一つ以上を選択して用いることができ、特に限定されない。
【００４６】
第１の実施の形態乃至第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に使用される電気伝導性腐食防止物質３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている特徴を有する。
【００４７】
電気伝導性腐食防止物質３７は１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超えると、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００４８】
電気伝導性腐食防止物質３７はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。電気伝導性腐食防止物質３７の電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００４９】
このような物性を有する電気伝導性腐食防止物質３７中の金属炭化物は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）及び炭化タングステン（ＷＣ）からなる群より選択される１種以上のものであるのが好ましい。
【００５０】
また、金属酸化物の具体例としては、ディスプレイパネル分野で透明電極として使用可能な全ての金属酸化物を用いることができ、好ましくは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）からなる群より選択される一つ又は二つ以上の混合物を使用することができる。
【００５１】
また、このような物性を有する金属ホウ化物の好ましい例としては、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、及びホウ化クロム（ＣｒＢ２）からなる群より選択される１種以上のものがある。
【００５２】
第１乃至第３の実施の形態の燃料電池用金属セパレータ１０，２０、３０に使用される金属基材１５、２５又は金属粉末３５としては、一般的に金属セパレータの材料として使用される金属基材又は金属粉末を用いることができ、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を含む金属基材又は金属粉末を使用することができる。
【００５３】
[スタックの構成]
本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０は、いずれか特定の構造の燃料電池に限定されず、多様な形態の燃料電池に用いられることができ、好ましくは、高分子電解質型燃料電池又は直接酸化型燃料電池、特に、直接メタノール型燃料電池に用いられることができる。図４は、本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。ただし、本発明の燃料電池スタックが図４の形態にのみ限られるわけではない。
【００５４】
図４を参照すれば、本発明の燃料電池スタック４０は、高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む膜−電極接合体４１、及び膜−電極接合体４１の両面に配置されるセパレータ４２を含む。
【００５５】
膜−電極接合体（ＭＥＡ）４１は、燃料中に存在する水素と空気中の酸素を酸化/還元させて電気を発生させる部分に相当し、セパレータ４２は、燃料と空気を膜−電極接合体４１に供給する役割を果たす。
【００５６】
膜−電極接合体４１は、燃料電池用電解質膜、電解質膜の一面に形成されるカソード触媒層、電解質膜の他の一面に形成されるアノード触媒層、カソード触媒層及びアノード触媒層の外側面に接して形成される気体拡散層（ＧＤＬ）を含むのが好ましく、必要に応じて、カソード触媒層及びアノード触媒層と気体拡散層との間に微細気孔層（ＭＰＬ）をさらに含むこともできる。
【００５７】
膜−電極接合体４１は、両側面を成すアノードとカソードとの間に電解質膜が介された構造を有する。
【００５８】
アノードは、セパレータ４２を通して燃料の供給を受ける部分であって、電子と水素イオンに変換させる触媒層と、電子と水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層とを含む。
【００５９】
また、カソードは、セパレータ４２を通して酸化剤の供給を受ける部分であって、還元反応によって水を生成する触媒層と、酸化剤の円滑な移動のための気体拡散層とを含む。そして、電解質膜は、厚さが５０〜２００μｍであるポリマー電解質であって、アノードの触媒層で生成された水素イオンをカソードの触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
【００６０】
セパレータ４２は、膜−電極接合体４１のアノードとカソードとを直列に接続させる伝導体の機能を有する。また、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な燃料と酸化剤をアノードとカソードとに供給する通路の機能も有する。このために、セパレータ４２の表面には、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な反応物を供給する流路チャンネルが形成される。
【００６１】
より具体的に、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１を隔ててその両側に各々配置されて、膜−電極接合体４１のアノード及びカソードに密着する。
【００６２】
以下では、本発明の好ましい実施例を説明する。ただし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例にすぎず、本発明が下記の実施例によって限られるわけではない。
【００６３】
［実施例］
[炭化物使用の実施例]
（実施例１）
（炭化タングステン（ＷＣ）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に炭化タングステン（ＷＣ）をスパッタリングして、３０μｍ厚さのＷＣコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６４】
また、ポリ（過フッ化スルホン酸）高分子電解質膜の両面に、白金触媒を含む電極が形成された燃料電池用膜−電極接合体を用意し、燃料電池用金属セパレータを膜−電極接合体の両面に配置し、組立てて、燃料電池を製造した。
【００６５】
（実施例２）
（炭化チタン（ＴｉＣ）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に炭化チタン（ＴｉＣ）をスパッタリングして、３０μｍ厚さのＴｉＣコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６６】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６７】
（実施例３）
（炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にＺｒＣをスパッタリングして、３０μｍ厚さのＺｒＣコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６８】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６９】
（実施例４）
（炭化ハフニウム（ＨｆＣ）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にＨｆＣをスパッタリングして、３０μｍ厚さのＨｆＣコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００７０】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００７１】
（実施例５）
（炭化タングステン（ＷＣ）コーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、平均厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、炭化タングステン（ＷＣ）を３０μｍ厚さにスパッタリングして、ＷＣコーティング膜と接着力増加用金属層が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００７２】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００７３】
（実施例６）
（炭化タングステン（ＷＣ）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及び炭化タングステン（ＷＣ）５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、前記コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＷＣスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００７４】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００７５】
（実施例７）
（炭化タングステン（ＷＣ）スラリーコーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及び炭化タングステン（ＷＣ）５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーをステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の接着力増加用金属層の上に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＷＣスラリーコーティング膜と１００Å厚さの接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００７６】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００７７】
（比較例１）
（燃料電池用ステンレススチールセパレータ）
流路チャンネルが形成された燃料電池用ステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材をセパレータとして用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００７８】
実施例１、５、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性を測定して、その結果を図５に示した。
【００７９】
[酸化物使用の実施例]
（実施例８）
（ＩＴＯコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にＩＴＯをスパッタリングして、３０μｍ厚さのＩＴＯコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００８０】
また、ポリ（過フッ化スルホン酸）高分子電解質膜の両面に、白金触媒を含む電極が形成された燃料電池用膜−電極接合体を用意し、燃料電池用金属セパレータを膜−電極接合体の両面に配置し、組立てて、燃料電池を製造した。
【００８１】
（実施例９）
（ＩＺＯコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にＩＺＯをスパッタリングして、３０μｍ厚さのＩＺＯコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００８２】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００８３】
（実施例１０）
（ＡＺＯコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にＡＺＯをスパッタリングして、３０μｍ厚さのＡＺＯコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００８４】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００８５】
（実施例１１）
（ＩＴＯコーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、平均厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ＩＴＯを３０μｍ厚さにスパッタリングして、ＩＴＯコーティング膜と接着力増加用金属層が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００８６】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００８７】
（実施例１２）
（ＩＴＯスラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＩＴＯ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＩＴＯスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００８８】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００８９】
（実施例１３）
（ＩＴＯスラリーコーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＩＴＯ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、前記コーティング用スラリーをステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の接着力増加用金属層の上に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＩＴＯスラリーコーティング膜と１００Å厚さの接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００９０】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００９１】
（実施例１４）
（ＩＴＯと金属が混合された燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＩＴＯ５０ｇとステンレススチール粉末５０ｇを混合して、金属セパレータ製造用スラリーを製造した。スラリーを流路チャンネル模様が形成された鋳型に注ぎ、乾燥して、ＩＴＯとステンレススチールが混合された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００９２】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例８と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００９３】
実施例８、１１、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性を測定して、その結果を図６に示した。
【００９４】
[ホウ化物使用の実施例]
（実施例１５）
（ホウ化チタン（ＴｉＢ２）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にホウ化チタン（ＴｉＢ２）をスパッタリングして、３０μｍ厚さのＴｉＢ２コーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００９５】
また、ポリ（過フッ化スルホン酸）高分子電解質膜の両面に、白金触媒を含む電極が形成された燃料電池用膜−電極接合体を用意し、燃料電池用金属セパレータを膜−電極接合体の両面に配置し、組立てて、燃料電池を製造した。
【００９６】
（実施例１６）
（ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）をスパッタリングして、３０μｍ厚さのＺｒＢ２コーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００９７】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００９８】
（実施例１７）
（ホウ化クロム（ＣｒＢ２）コーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にホウ化クロム（ＣｒＢ２）をスパッタリングして、３０μｍ厚さのＣｒＢ２コーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００９９】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【０１００】
（実施例１８）
（ホウ化チタン（ＴｉＢ２）コーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、平均厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）を３０μｍ厚さにスパッタリングして、ＴｉＢ２コーティング膜と接着力増加用金属層が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【０１０１】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【０１０２】
（実施例１９）
（ホウ化チタン（ＴｉＢ２）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＢ２５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、前記コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＢ２スラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【０１０３】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【０１０４】
（実施例２０）
（ホウ化チタン（ＴｉＢ２）スラリーコーティング膜と接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＢ２５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、前記コーティング用スラリーをステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の接着力増加用金属層の上に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＢ２スラリーコーティング膜と１００Å厚さの接着力増加用金属層を含む燃料電池用金属セパレータを製造した。
【０１０５】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【０１０６】
（実施例２１）
（ホウ化チタン（ＴｉＢ２）と金属が混合された燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＢ２５０ｇとステンレススチール粉末５０ｇを混合して、金属セパレータ製造用スラリーを製造した。スラリーを流路チャンネル模様が形成された鋳型に注ぎ、乾燥して、ＴｉＢ２とステンレススチールが混合された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【０１０７】
また、このように製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１５と同様な方法で燃料電池を製造した。
【０１０８】
実施例１５、１８、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性を測定して、その結果を図７に示した。
【０１０９】
図５乃至図７のように、本発明の実施例によって製造された燃料電池用金属セパレータは耐腐食性及び電気伝導度が優れていて、これを含む燃料電池は、作動時間による電圧維持効果が優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図２】接着力増加用金属層をさらに含む本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。
【図５】実施例１、実施例５、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性グラフである。
【図６】実施例８、実施例１１、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性グラフである。
【図７】実施例１５、実施例１８、及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性グラフである。
【符号の説明】
【０１１１】
１０、２０、３０  燃料電池用金属セパレータ
１５、２５  金属基材
３５  金属粒子
１６、２６、３６  流路チャンネル
１７、２７  電気伝導性腐食防止コーティング膜
３７  電気伝導性腐食防止物質
２８  接着力増加用金属層
４０  燃料電池スタック
４１  膜−電極接合体
４２  セパレータ
【図１】
2006156386.tif 000003
【図２】
2006156386.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006156386.tif 000006
【図５】
2006156386.tif 000007
【図６】
2006156386.tif 000008
【図７】
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