(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも貴金属の使用量を少なくしても、耐食性を有する耐食部材を提供すること。また、この耐食部材を用いた燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供すること。【解決手段】不働態化する金属または合金１０と、貴金属１２とを、導電性部材１４を介して電気的に接続した耐食部材とする。この際、金属または合金１０と貴金属１２との総表面積に占める貴金属１２の表面積の割合は、５％以上であることが好ましい。また、この耐食部材を用いて燃料電池用セパレータを構成する。また、この燃料電池用セパレータを用いて燃料電池を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不働態化する金属または合金と、貴金属とを、導電性部材を介して電気的に接続したことを特徴とする耐食部材。
【請求項２】
前記貴金属は、金、白金またはこれらを少なくとも１種以上含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の耐食部材。
【請求項３】
前記金属または合金と前記貴金属との総表面積に占める前記貴金属の表面積の割合は、５％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐食部材。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の耐食部材を用いた燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食部材ならびに燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ステンレス鋼などの耐食部材が必要となる用途が拡大している。例えば、燃料電池の分野において、耐食部材は、燃料極、電解質、空気極をこの順に積層した単セル間に介在させるセパレータの材料として使用されることがある。
【０００３】
セパレータは、単セルの燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとを分離するとともに各単セル間を電気的に接続する機能を有している。
【０００４】
そのため、セパレータは、構造部材としての強度を有し、ガス気密性、導電性などに優れる必要があるが、燃料電池の発電時において、セパレータは、高温酸化雰囲気に曝されることから、さらに耐食性に優れる必要がある。
【０００５】
また、電解質として、スルホン酸基などの強酸基を有する固体高分子電解質を用いる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）では、セパレータは、硫酸環境下などの強酸性雰囲気に曝される。
【０００６】
ところが、このような環境下では、ステンレス鋼単体の耐食性は十分ではない。そのため、セパレータ材料としてステンレス鋼を単独で使用した場合には、ステンレス鋼が腐食し、その腐食部分の電気抵抗が大きくなったり、ステンレス鋼からの溶出イオンにより電解質が劣化してイオン伝導性が低下したりして、電池性能が低下するといった問題があった。
【０００７】
この種の問題を改善するため、例えば、特許文献１には、ステンレス鋼板の表面に金メッキを施した耐食部材を、セパレータ材料として用いる点が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、ステンレス鋼板の表面に金をクラッド化した耐食部材を、セパレータ材料として用いる点が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００５−１００８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来の耐食部材は、ともに次のような問題があった。
【００１１】
すなわち、従来の耐食部材は、その手法はともかく、ステンレス鋼板などの表面に金が被覆されている。
【００１２】
金などの貴金属は、非常に高価なものであることから、その使用量が多いと材料コストが高くつく。とりわけ、燃料電池は、比較的高価な構成部材が多く、その高い材料コストが、燃料電池の普及を妨げる要因の一つにもなっている。したがって、燃料電池用セパレータなどに用いられる耐食部材には、耐食性を維持しつつ、金などの貴金属の使用量をできるだけ減らすことが望まれている。
【００１３】
ところで、貴金属の使用量を減らすには、貴金属の厚みを薄くすることが考えられる。しかしながら、工業的な規模で貴金属を薄く付けることは極めて難しい。また、貴金属の厚さが薄くなればなるほど、貴金属の密着力を確保し難くなったり、その膜質を確実に保証でき難くなるなどの問題が生じる。
【００１４】
特に、上述した燃料電池用セパレータでは、近年、貴金属の厚さが１００ｎｍ以下と極めて薄くなってきている。そのため、上記問題は顕著に発生することになる。
【００１５】
また、ステンレス鋼板などの表面に貴金属をめっきした耐食部材では、通常、めっき表面に多数のピンホールが形成されている。そのため、このピンホールを通じて母材成分が溶出しやすい。これを回避するため、高耐食性金属または合金を母材に用いると、母材表面に形成された不働態膜に起因して急激にめっきが難しくなり、不働態膜を除去しなければめっきを行うことができないなどといった不都合も生じる。
【００１６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来よりも貴金属の使用量を少なくしても、耐食性を有する耐食部材を提供することにある。
【００１７】
また、他の課題は、この耐食部材を用いた燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明に係る耐食部材は、不働態化する金属または合金と貴金属とを、導電性部材を介して電気的に接続したことを要旨とする。
【００１９】
ここで、上記貴金属としては、金、白金またはこれらを少なくとも１種以上含む合金を用いることが好ましい。
【００２０】
また、上記金属または合金と貴金属との総表面積に占める貴金属の表面積の割合は、５％以上であることが好ましい。
【００２１】
一方、本発明に係る燃料電池用セパレータは、上記耐食部材を用いたことを要旨とする。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池は、上記燃料電池用セパレータを用いたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る耐食部材は、不働態化する金属または合金と貴金属とを導電性部材を介して電気的に接続してなる。そのため、従来の耐食部材のように、貴金属により金属または合金表面を覆う必要がないので、貴金属の使用量を大幅に減らすことができ、低コスト化を図ることができる。
【００２４】
さらに、通常、金属または合金単体であれば、その電位が活性態域にあって腐食を生じる場合であっても、本発明に係る耐食部材では、金属または合金が、導電性部材を介して貴金属と電気的に接続されているので、その金属または合金の電位が活性態域から不働態域にシフトする。これにより、本発明に係る耐食部材は、強酸性雰囲気下にあっても、金属または合金の不働態化が促進され、優れた耐食性を発揮できる。
【００２５】
また、本発明に係る耐食部材によれば、例えば、予め貴金属をめっきした金属または合金を加工して部品を製造したり、金属または合金を加工して得た部品に後から貴金属をめっきしたりすることが不要となる。そのため、耐食部材自身またはこれを用いた部品などの製造工程を簡略化することができる。
【００２６】
この際、上記貴金属として、金、白金またはこれらを１種以上含む合金を用いた場合には、金属または合金の不働態化を促進する効果がとりわけ高いので、耐食性に一層優れる。
【００２７】
また、上記金属または合金と貴金属との総表面積に占める貴金属の表面積の割合が、５％以上である場合には、金属または合金の腐食量を極めて低くすることができる。
【００２８】
一方、本発明に係る燃料電池用セパレータは、上記耐食部材を用いているので、
構造部材としての強度、ガス気密性、導電性に優れることはもちろん、高い耐食性を有し、しかも、低コストである。
【００２９】
また、金属または合金と貴金属とが導電性部材により接続されているので、燃料電池スタックを製造しやすい。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池によれば、上記燃料電池用セパレータを用いているので、セパレータの腐食による電気抵抗の増加や、溶出イオンによる電解質の劣化などが生じ難い。そのため、電池性能を維持しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本実施形態に係る耐食部材、燃料電池用セパレータおよび燃料電池について詳細に説明する。なお、以下では、本実施形態に係る耐食部材を「本耐食部材」と、本実施形態に係る燃料電池用セパレータを「本セパレータ」と、本実施形態に係る燃料電池を「本燃料電池」ということがある。
【００３２】
１．本耐食部材
本耐食部材は、金属または合金と、貴金属とを、導電性部材を介して電気的に接続してなる。
【００３３】
本耐食部材において、上記金属または合金には、不働態化するものを用いる。不働態化する金属または合金としては、具体的には、例えば、Ｆｅ、Ｆｅ基合金、Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｔｉ、Ｔｉ基合金、Ａｌ、Ａｌ基合金などを例示することができる。
【００３４】
これらのうち、耐食性、加工性およびコストなどに優れる観点から、Ｆｅ基合金が好ましい。最も好ましくは、ステンレス鋼である。
【００３５】
また、上記金属または合金の形態は、板状、棒状、塊状など何れの形態であっても良い。
【００３６】
本耐食部材において、上記貴金属としては、具体的には、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒなどの単体金属、これらを少なくとも１種以上含んだ合金などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用しても良い。
【００３７】
これらのうち、金属または合金の不働態化を促進する効果がとりわけ高いなどの観点から、金、白金またはこれらを少なくとも１種以上含む合金が好ましい。
【００３８】
また、上記貴金属の形態は、板状、棒状、塊状など何れの形態であっても良く、さらに、他の基材上に上記貴金属がめっき、クラッド化などされたものであっても良い。
【００３９】
本耐食部材において、導電性部材は、上記金属または合金と、貴金属とを電気的に接続するためのものである。
【００４０】
導電性部材の材料としては、導電性があり、後述する本燃料電池の発電環境や使用雰囲気などに耐え得るものであれば良い。好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属、Ｃｕ、Ｃｏなどの元素、これらを少なくとも１種以上含んだ合金などを例示することができる。
【００４１】
これらのうち、貴金属またはこれら貴金属を少なくとも１種以上含む合金が好ましい。導電性部材も、腐食環境下に曝されることが多いので、耐食性に優れた材料を用いた方が有利だからである。
【００４２】
また、上記導電性部材の形態は、金属または合金と貴金属とを電気的に接続することができれば、線状、棒状、板状など何れの形態であっても良い。
【００４３】
これら形態のうち、可撓性に優れ、電気的接続の自由度などに優れることから、線状形態が好ましい。
【００４４】
また、上記導電性部材は、金属または合金と貴金属とに接触しているだけであっても良いし、溶接などにより少なくとも一方に接合されていても良い。上記導電性部材の形態などを考慮して適宜選択することができる。
【００４５】
ここで、本耐食部材において、上記金属または合金と貴金属との総表面積に占める貴金属の表面積の割合（以下、「貴金属の表面積割合」という。）は、５％以上、好ましくは、７％以上、より好ましくは、１０％以上であると良い。
【００４６】
貴金属の表面積割合が５％未満になると、金属または合金の不働態化が促進され難くなり、金属または合金の腐食量が急激に大きくなる傾向が見られる。
【００４７】
一方、貴金属の表面積割合を過度に大きくしたとしても、金属または合金の腐食量の抑制効果が飽和し、貴金属の使用量が多くなるだけである。したがって、貴金属の表面積割合の上限については、特に限定されるものではないが、一般的には、コストなどを考慮して、５０％以下、好ましくは、４０％以下、より好ましくは、２５％以下とするのが良い。
【００４８】
なお、上記貴金属の表面積割合を算出するにあたり、金属または合金と、貴金属とが、板状の形態であり、かつ、端面部の面積が平面部の面積に比較して極めて小さい場合などには、その端面部の面積などは除外し、貴金属の表面積割合を算出しても良い。
【００４９】
また、本耐食部材における、上記金属または合金と、貴金属と、導電性部材との電気的な接続形態としては、例えば、図１に示す接続形態を例示することができる。
【００５０】
すなわち、本耐食部材では、図１（ａ）に示すように、金属または合金１０と貴金属１２とが、１対１の関係で導電性部材１４により接続されていることが望ましい。また、図１（ｂ）に示すように、複数の金属または合金１０、１０…と単数の貴金属１２とが、導電性部材１４、１４…により接続されていても良い。また、図１（ｃ）に示すように、単数の金属または合金１０と複数の貴金属１２、１２…とが、導電性部材１４、１４…により接続されていても良い。
【００５１】
また、本耐食部材は、耐食性をより高めるなどの観点から、金属または合金の表面に、必要に応じて、防食塗料などが塗布されていても良い。
【００５２】
以上、本耐食部材について説明したが、本耐食部材は、その適用分野が特に限定されることはなく、低コスト、耐食性が要求される製品、部品などの材料として用いることができる。
【００５３】
特には、低コスト、優れた耐食性が要求される燃料電池用セパレータ材料として好適に用いることができる。以下、この場合について説明する。
【００５４】
２．本セパレータ、本燃料電池
本セパレータは、上述した本耐食部材を用いている。すなわち、本セパレータは、具体的には、例えば、本耐食部材が有する金属または合金部分をプレス加工などし、凹凸状のガス流路、ガス導入孔、ガス導出孔などを適宜形成して製造されるものである。
【００５５】
この際、本セパレータは、本耐食部材が有する金属または合金を先にプレス加工などしてガス流路などを形成し、その後に、金属または合金部分と貴金属とを導電性部材を介して電気的に接続して製造しても良いし、あるいは、予め、金属または合金と貴金属とを導電性部材を介して電気的に接続した後、金属または合金部分をプレス加工などしてガス流路などを形成し、本セパレータを製造するなどしても良い。
【００５６】
本セパレータにおいて、ガス流路などの形状やセパレータの厚さなどは、一般に知られる種々の形状、厚さなどを採用することができるものであり、特に限定されるものではない。
【００５７】
また、本セパレータは、通常、金属製セパレータを使用可能な温度域で発電可能とされる燃料電池であれば、いずれの種類の燃料電池に対しても適用することができる。
【００５８】
燃料電池の種類としては、具体的には、例えば、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸形燃料電池などを例示することができる。
【００５９】
これらのうち、硫酸環境下などの強酸性雰囲気に曝されることが多い固体高分子形燃料電池に好適に用いることができる。
【００６０】
一方、本燃料電池は、燃料極、電解質、空気極がこの順で積層された単セルを、本セパレータを介して複数積層した構成を備えている。
【００６１】
なお、単セルの構成は、燃料電池の種類により異なるもので、すでに一般に知られる構成のものを適宜採用することができる。
【００６２】
また、本燃料電池では、複数の本セパレータを用いることになるが、これら本セパレータのそれぞれには、１つまたは２つ以上の貴金属が導電性部材を介して接続されていても良い。もしくは、これら本セパレータの全てと、１つの貴金属とが導電性部材を介して接続されていても良い。または、これら本セパレータをいくつかのグループ単位に分け、各グループ中の本セパレータの全てと、１つの貴金属とが導電性部材を介して接続されていても良い。
【００６３】
好ましくは、後者２つの接続形態を選択すると良い。スタックを製造した後における導電性部材と貴金属との電気的接続が比較的簡単であるので、燃料電池の生産性などに優れるからである。
【００６４】
また、本セパレータを形成する金属または合金の表面には、必要に応じて、導電性塗料などが塗布されていても良い。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
１．腐食試験＜１＞
ＳＵＳ３１６Ｌ（板厚０．１ｍｍ）と、金（板厚０．１ｍｍ）とを、白金線を介して電気的に接続し、実施例１〜４に係る耐食部材を作製した。この際、ＳＵＳ３１６Ｌと金との総表面積に占める金の表面積の割合（＝金の表面積／（ＳＵＳ３１６Ｌの表面積＋金の表面積）×１００）は、それぞれ５％（実施例１）、９％（実施例２）、１７％（実施例３）、５０％（実施例４）とした。
【００６６】
一方、ＳＵＳ３１６Ｌ（板厚０．１ｍｍ）単体を比較例１に係る耐食部材とした。また、ＳＵＳ３１６Ｌ（板厚０．１ｍｍ）の全表面に金めっき（厚さ４０ｎｍ）を施したもの（封孔なし）を比較例２に係る耐食部材とした。これら比較例１および２の金の表面積割合は、それぞれ０％、１００％である。
【００６７】
実施例および比較例に係る耐食部材を模式的に表１に示す。なお、表１において、比較例２に係る耐食部材における点々は、ピンホールを模式的に示したものである。また、各金の表面積割合は、各板材の端面の表面積を含めずに算出した値である。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
次いで、これら実施例および比較例に係る耐食部材につき、硫酸腐食試験を行い、イオン溶出量を測定した。
【００７０】
すなわち、実施例および比較例に係る耐食部材を、沸騰硫酸溶液（硫酸濃度１ｗｔ％）中に１６８時間浸漬保持し、各耐食部材からのイオンの溶出量を測定した。この際、サンプル数は、ｎ＝２とした。また、イオン溶出量の測定は、IＣＰＶ−１０００（島津製作所製）を用い、プラズマを光源として発光分析法にて行った。
【００７１】
その結果を図２に示す。図２によれば、ＳＵＳ３１６Ｌ単体である比較例１に係る耐食部材に比較して、ＳＵＳ３１６Ｌと金とを白金線を介して電気的に接続した実施例１〜４に係る耐食部材は、イオン溶出量が少なく、耐食性に優れていることが分かる。特に、金の表面積割合が５％を越えたあたりから、イオン溶出量が極めて少なくなることが確認された。
【００７２】
また、実施例１〜４に係る耐食部材は、ＳＵＳ３１６Ｌの全表面に金めっきを施した比較例２に係る耐食部材に比較して、金の使用量が少ないにもかかわらず、硫酸環境下において比較例２に係る耐食部材と同等の耐食性を有していることが分かる。
【００７３】
以上の結果から、実施例１〜４に係る耐食部材によれば、従来より金の使用量を少なくでき、しかも十分な耐食性を確保することができることが確認できた。
【００７４】
これは、実施例１〜４に係る耐食部材では、ＳＵＳ３１６Ｌが白金線を介して金と電気的に接続されているので、ＳＵＳ３１６Ｌの電位が活性態域から不働態域にシフトし、これにより、硫酸環境下にあっても、ＳＵＳ３１６Ｌの不働態化が促進されたためであると推察される。
【００７５】
２．腐食試験＜２＞
次に、表２に示す各合金板（板厚０．２ｍｍ）と、各貴金属単体または貴金属合金（板厚０．２ｍｍ）とを白金線を介して電気的に接続し、実施例５〜１１に係る耐食部材を作製した。この際、各合金板と各貴金属単体または貴金属合金との総表面積に占める各貴金属単体または貴金属合金の表面積の割合は、２５％とした。
【００７６】
なお、実施例１０に係る耐食部材については、合金（ＳＵＳ３１６Ｌ）の表面にカーボン系の導電性塗料を塗布（塗布厚１０μｍ）した。
【００７７】
このカーボン系の導電性塗料は、例えば、本発明に係る耐食部材を用いて燃料電池用セパレータを作製した場合などにおいて、セパレータが形成される金属または合金部分により高い耐食性を付与するとともに、燃料電池の電極部分との接触抵抗を小さくするためのものである。ここでは、本発明に係る耐食部材にカーボン系の導電性塗料を塗布しても、問題がないことを確認することを目的としている。
【００７８】
一方、比較例については、表２に示す合金単独を、比較例３〜６に係る耐食部材とした。なお、比較例４に係る耐食部材については、実施例１０に係る耐食部材と同様にカーボン系の導電性塗料を塗布した。
【００７９】
次いで、これら実施例および比較例に係る耐食部材につき、硫酸濃度を０．１ｗｔ％とした以外は、同様にして、上述した硫酸腐食試験を行い、腐食量を測定した。
【００８０】
表２に、実施例および比較例に係る耐食部材の構成と、硫酸腐食試験の結果を示す。
【００８１】
【表２】
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【００８２】
表２によれば、比較例３〜５に係る耐食部材は、その腐食量が２０ｍｇ、比較例６に係る耐食部材は、その腐食量が２ｍｇを越えており、耐食性に劣ることが分かる。
【００８３】
これに対し、種々の成分を有する合金、貴金属および貴金属合金を用いた実施例５〜１１に係る耐食部材は、何れもその腐食量が０．１ｍｇ未満であり、優れた耐食性を有していることが確認できた。
【００８４】
３．燃料電池用セパレータ、燃料電池
次に、ＳＵＳ３１６Ｌ板（板厚０．１ｍｍ）をプレス加工してガス流路などを形成するとともに、ＳＵＳ３１６Ｌ板の端部と金板（板厚０．０２ｍｍ）とを白金線で電気的に接続し、実施例１２に係るセパレータを作製した。
【００８５】
この際、金の表面積割合は９％とした。また、白金線と各板材との接続は、スポット溶接により接合することにより行った。なお、セパレータのガス流路は、ピッチ２ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍとした。
【００８６】
一方、実施例１２係るセパレータの作製において、プレス加工後に、ＳＵＳ３１６Ｌ板表面に１μｍのＮｉめっき（下地めっき）を、その上に２μｍの金めっきを施し、ＳＵＳ３１６Ｌ板の端部と金板とを白金線で電気的に接続しなかった以外は、同様にして、比較例７に係るセパレータを作製した。
【００８７】
また、実施例１２係るセパレータの作製において、プレス加工後のＳＵＳ３１６Ｌをそのまま使用し、ＳＵＳ３１６Ｌ板の端部と金板とを白金線で電気的に接続しなかった以外は、同様にして、比較例８に係るセパレータとした。
【００８８】
次いで、実施例１２または比較例７、８に係るセパレータと膜電極接合体（ＭＥＡ）とを積層し、各固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を作製した。
【００８９】
次いで、各ＰＥＦＣにつき、２００時間発電試験を行い、それぞれのＭＥＡ内に存在する金属イオン量を測定した。この際、金属イオン量を測定は、上記と同様にして行った。
【００９０】
なお、発電試験は、電流密度：０．３Ａ／ｃｍ２、燃料ガス：水素（流量０．５Ｌ／分）、酸化剤ガス：空気（流量２．０Ｌ／分）、加湿温度：燃料極７０℃、空気極７０℃、単セル温度７０℃とした。表３にその結果を示す。
【００９１】
【表３】
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【００９２】
表３によれば、ガス流路などを形成したＳＵＳ３１６Ｌ板の端部と金板とを白金線で電気的に接続しなかった比較例７、８に係るセパレータを用いたＰＥＦＣは、ＭＥＡ内の全金属元素濃度が１０ｇ／１０ｃｍ２を越えていた。そのため、比較例７、８に係るセパレータは、耐食性に劣ると言える。
【００９３】
これらに対し、ガス流路などを形成したＳＵＳ３１６Ｌ板の端部と金板とを白金線で電気的に接続した実施例１２に係るセパレータを用いたＰＥＦＣは、ＭＥＡ内の全金属元素濃度が０．１μｇ／１０ｃｍ２未満と極めて少なかった。そのため、実施例１２に係るセパレータは、耐食性に優れていると言える。
【００９４】
以上の結果から、実施例１２に係るセパレータは、高い耐食性を有することが分かる。また、これを用いたＰＥＦＣは、セパレータの腐食による電気抵抗の増加や、溶出イオンによる電解質の劣化などが生じ難く、電池性能を維持しやすいことが確認できた。
【００９５】
以上、本発明に係る耐食部材、燃料電池用セパレータおよび燃料電池について説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に係る耐食部材における、金属または合金と、貴金属と、導電性部材の電気的な接続形態の一例を模式的に示した図である。
【図２】腐食試験＜１＞における、実施例に係る耐食部材の金の表面積割合とイオン溶出量との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０  金属または合金
１２  貴金属
１４  導電性部材
【図１】
2007095318.tif 000006
【図２】
2007095318.tif 000007