(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．００８〜０．２質量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０質量％，Ｍｎ：０．１〜５．０質量％，Ｎｉ：５．０〜２５．３質量％，Ｃｒ：１４〜３５質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼、またはＣ：０．００８〜０．２質量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０質量％，Ｍｎ：０．１〜５．０質量％，Ｎｉ：２．０〜６．１質量％，Ｃｒ：１７〜３５質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼を基材とし、その表面に炭化珪素および炭化硼素の１種または２種からなる被覆層を形成したことを特徴とする低温型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
さらに、Ｍｏ：０．２〜７質量％，Ｃｕ：０．１〜５質量％，Ｎ：０．０２〜０．５質量％の１種または２種以上を含むステンレス鋼を基材とした請求項１記載の低温型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
被覆層がさらに０．０１〜１０質量％の窒素および０．０５〜１０質量％の酸素の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２記載の低温型燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池等の低温で作動する燃料電池の金属セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、プロトン導電性を示す高分子樹脂膜を電解質とする燃料電池であり、将来のクリーン・エネルギー源として注目を浴びている。本燃料電池は各部材が固体材料で構成されており、かつ室温での低温作動も可能なため起動・停止が容易であり、メンテナンス性に優れるのみならず、高電流密度、高出力密度が得られるので、これらの長所を活かしたコンパクトな可搬電源、特に自動車用電源としての開発が進められている。
【０００３】
本燃料電池の単一のセルは、高分子電解質膜の両面にそれぞれ燃料極および空気（酸素）極を接合したものであり、その両側にガスケットを介してセパレータが配設される。セパレータには通常グラファイト（黒鉛）板が用いられており、その電極側の面には燃料もしくは空気の流路が形成され、その逆の面またはその内部には冷却水の流路が設けられている。これらの燃料電池セルおよびセパレータにより単一の燃料電池のユニットが形成されるが、燃料電池は単一のセル当たりの起電力が低いため、通常は複数のユニットの積層体（スタック）として用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
積層体の燃料電池の場合には、多数のセパレータを介して電力が取り出されるため、セパレータ自体による電圧降下およびそれに伴うジュール熱の発生が大きな問題となり、セパレータ材料の特性としては、良導電性かつ低接触抵抗が要求される。また、固体高分子電解質型燃料電池の空気極側はｐＨが２〜３の強酸性雰囲気であり、セパレータ材料には耐食性も要求される。これらの諸特性を満足する材料として、従来より上述のグラファイトが用いられてきたが、この材料には以下に記す問題があった。
【０００５】
グラファイト製セパレータは、その素材費自体が高価であるのみならず、燃料ガスの流路等を切削加工により形成するため加工費も高く、かつ生産性も低い。また、グラファイトは材質的に脆く、機械的衝撃に弱いため、可搬電源として使用する場合には注意が必要である。そこで、これらの欠点を解消することを目的として、特開平８−１８０８８３号公報では、金属板にプレス加工やパンチング加工を施してセパレータを作成することが提案されている。
【０００６】
金属材料は良導電体であるので、セパレータに用いる場合には、強酸性雰囲気下での耐食性および接触抵抗が問題となる。これらの両特性を満足する金属としては、ＡｕやＰｔ等の貴金属があるが、これらは非常に高価な材料であり、セパレータに用いることはコスト的に困難である。
強酸の溶液中で良好な耐食性を示す実用的な金属材料としては、ステンレス鋼をはじめとする各種の耐酸性材料がある。しかし、これらの材料は、酸性環境下においてその表面に絶縁体である不動態皮膜が強固に生成するために、接触抵抗が高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解消するために案出されたものであり、炭化物、炭酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物等の導電性セラミックスをステンレス鋼基材の表面に被覆することにより、強酸性環境下において良好な耐食性、良導電性および低接触抵抗を示す金属製セパレータ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】
本発明においては、上述の問題点を解決するために、Ｃ：０．００８〜０．２質量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０質量％，Ｍｎ：０．１〜５．０質量％，Ｎｉ：５．０〜２５．３質量％，Ｃｒ：１４〜３５質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼、またはＣ：０．００８〜０．２質量％，Ｓｉ：０．０５〜５．０質量％，Ｍｎ：０．１〜５．０質量％，Ｎｉ：２．０〜６．１質量％，Ｃｒ：１７〜３５質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるオーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼を基材とし、その表面に炭化珪素および炭化硼素の１種または２種からなる被覆層を形成したことを特徴とする低温型燃料電池用セパレータが提供される。それぞれの基材ステンレス鋼は、さらに、Ｍｏ：０．２〜７質量％，Ｃｕ：０．１〜５質量％，Ｎ：０．０２〜０．５質量％の１種または２種以上を含んでいても良い。
また、本発明においては、ステンレス鋼基材の被覆層がさらに０．０１〜１０質量％の窒素および０．０５〜１０質量％の酸素の１種または２種を含有することを特徴とする低温型燃料電池用セパレータが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明における低温型燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼基材の表面を、主として炭化物からなる導電性セラミックスにより被覆したものである。炭化物としては炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化硼素（Ｂ4ＣまたはＢ12Ｃ3）および炭化チタン（ＴｉＣ）の1種または２種以上の組合せが好ましい。なお、これらの炭化物の組成は回折法により同定されるものであり、化学式により示される厳密な量論組成のものに限定されるものではなく、組成範囲に多少の幅を有する。また、これらの炭化物は、生成過程で混入する不可避的不純物を含むものである。
【００１０】
これらの炭化物単体およびそれらの組合せの炭化物は、いずれも良好な導電性を有するものであり、かつ、耐酸性が高くて強酸環境下で殆ど溶解しない。また、これらの炭化物は強酸性環境下において、いずれもその表面に高抵抗の酸化皮膜が形成されず、低接触抵抗を保持するので、低温型燃料電池のセパレータ材料に好適である。
【００１１】
被覆層自体の導電性を改良するには、上述の炭化物被覆層中に窒素および酸素の１種または２種を含有させる。これらの元素の添加は、被覆層自体の体積抵抗率を低下させるが、１０質量％を超えると表面酸化物の形成による接触抵抗の増大が起こるので、その含有量は１０質量％以下が好ましい。
【００１２】
なお、本発明においては、被覆層の膜厚は特に限定するものではないが、０．０１μｍ〜２０μｍが好ましい。０．０１μｍ未満では被覆層が不連続になり易く、基材が一部露出するため接触抵抗が高くなり易い。２０μｍを超えると、被覆層が硬いため、プレス加工や曲げ加工等の際に被覆層内に高い応力が発生し、被覆層の剥離が発生し易くなる。
【００１３】
本発明のセパレータの基材には、耐酸性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼もしくはオーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼を使用する。セパレータ材料の要求特性として、酸化性の酸のみならず非酸化性の酸に対する耐食性も要求されるので、Ｃｒに加えてＮｉを添加することにより耐酸性を向上したステンレス鋼を基材とする。本発明のセパレータの場合、基材として耐酸性に優れたステンレス鋼を使用するため、被覆層中にピンホールやクラック等の欠陥が存在しても、十分な耐食性を有する。
【００１４】
本発明において、セパレータの基材として使用可能なオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃｒ：１４〜３５質量％（以下％は全て質量％）で、Ｎｉ：５〜６０％のものである。例えば、Ｃ：０．００８〜０．２％、Ｓｉ：０．０５〜５．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：５．０〜６０％、Ｃｒ：１４〜３５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものが使用される。
また、使用可能なオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼は、Ｃｒ：１７〜３５％で、Ｎｉ：２〜６０％のものである。例えば、Ｃ：０．００８〜０．２％、Ｓｉ：０．０５〜５．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：２．０〜６０％、Ｃｒ：１７〜３５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものが使用される。
【００１５】
基材のステンレス鋼のＣｒ濃度が、それぞれ上記の範囲の下限未満では、酸化性の酸に対する耐食性が十分ではない。また、Ｃｒ濃度が３５％を超えると、ステンレス鋼の変形抵抗が増大し、プレス成形等の加工が困難になる。Ｎｉ濃度がそれぞれ上記の範囲の下限未満では、非酸化性の酸に対する耐食性が十分ではなく、Ｎｉ濃度が６０％を超えると耐酸性向上の効果が飽和し、それ以上の添加はコストの上昇を招く。
【００１６】
燃料電池の電流密度を増加し、出力密度を増大させると、空気極側雰囲気のｐＨの低下が起こるため、高出力の低温型燃料電池のセパレータ材料では、さらに耐酸性を向上させる必要がある。この場合、ステンレス鋼基材にさらにＭｏ、ＣｕおよびＮの１種または２種以上を添加することが好ましい。具体的には、Ｍｏ：０．２〜７％、Ｃｕ：０．１〜５％、Ｎ：０．０２〜０．５％の１種または２種以上を添加する。いずれも、上記の範囲の下限値未満では添加の効果が十分ではなく、上限値を超えて添加しても添加の効果が飽和する。
【００１７】
本発明のセラミックス被覆層は、各種の物理蒸着法、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等の方法により形成される。物理蒸着法では、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法が好適である。
【００１８】
【実施例】
表１に示した組成のステンレス鋼を基材として、スパッタ蒸着法により各種の炭化物、炭酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物被覆層を形成した。ターゲットとして、単一の炭化物被覆の場合にはその炭化物のターゲットを使用し、混合炭化物被覆の場合には、炭化珪素、炭化硼素および炭化チタンを所定の割合で混在させたターゲットを使用した。なお、被覆層の面内の組成的な均一性を向上させるために、蒸着中は基材のステンレス鋼を回転させた。被覆層の膜厚は、いずれも０．５μｍである。
放電ガスにはＡｒを使用したが、被覆層の炭素が組成的に不足する場合には、スパッタ室内に反応性ガスとしてアセチレンガスを少量導入した。被覆層中に窒素および酸素の１種または２種を含有させる場合には、反応性ガスとして酸素および窒素の１種または２種を適宜導入した。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
得られた各種の被覆材について、接触抵抗および耐酸性について調査した結果を表2に示す。接触抵抗は、酸溶液に浸せきする前の各種被覆材表面に、荷重１０ｋｇｆ／ｃｍ2でカーボン電極材を接触させ、両者の間の接触抵抗を測定した。各種被覆材の耐酸性は、９０℃でｐＨ２の硫酸水溶液中での腐食減量により評価した。
なお、表2には比較材として基材ステンレス鋼自体、および基材鋼種Bにそれぞれ５μｍのＮｉ、ＣｕおよびＣｒめっきを施した材料について同様な測定を行なった結果も併せて示してある。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表2の結果より明らかな様に、炭化物系のセラミックス被覆を施したステンレス鋼は、いずれも接触抵抗が低く、かつ耐酸性も良好である。被覆層に窒素および／または酸素を含有させた場合には、接触抵抗が低くなっているが、これはＣよりも電子の多い窒素および／または酸素を加えたことにより電化密度が増加し、被覆層自体の体積抵抗率が低下することに関係するものと考えられる。
基材のステンレス鋼の場合には、接触抵抗が高いためそのままではセパレータ材料として不適である。Ｎｉめっき材およびＣｒめっき材は、接触抵抗は低いが耐酸性が悪く、Ｃｕめっき材は接触抵抗および耐酸性のいずれも悪いため、いずれもセパレータ材料として使用できない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明のセパレータは、良好な耐酸性、導電性および低接触抵抗を示すとともに、プレス加工等により容易に成形加工が可能なため、低温型燃料電池の製造コストを低減可能であり、かつ金属製のため、可搬電源としての使用時の安全性に優れたものである。