(57)【要約】【課題】セルモニタ端子の挿抜時に生じる導電性炭素膜の剥がれや割れを抑制することができる燃料電池用セパレータを提供すること。【解決手段】セパレータ１における発電に関与する発電領域Ａ１以外の領域に設けられ、単セル１０の電圧を検出可能なセルモニタ端子３０が接続される端子取付部Ａ２１と、端子取付部Ａ２１に形成された導電性の炭素薄膜層Ｃと、を備え、炭素薄膜層Ｃの硬度が５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下である燃料電池用セパレータ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電要素である単セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、
セパレータ本体における発電に関与する発電領域以外の領域に設けられ、前記単セルの電圧を検出可能なセルモニタ端子が接続される端子接置面と、
前記端子接置面に形成された導電性の炭素薄膜層と、を備え、
前記炭素薄膜層の硬度が５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記炭素薄膜層の摩擦係数が０．１５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セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子型燃料電池は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、高分子電解質膜を挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される）、更にこれらを挟持して供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能し得る。
【０００３】
上記燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セル同士を電気的に接続する機能を発揮することに加え、セパレータにおけるＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。
【０００４】
ところで、上記のような燃料電池スタックを構成する各単セルのセパレータには、セルモニタの端子（セルモニタ端子）がその周縁の端子取り付け部に取り付けられている。このセルモニタ端子は、運転中の燃料電池セルの発電状況を監視し、その出力制御を行うだけでなく、異常な燃料電池セルの監視を行うことでメンテナンスが必要であることを知らせるという極めて重要な役割を担っている。
【０００５】
この端子取り付け部においては、セルモニタ端子へ発電電気を良好に、かつ長期に亘って通電させる必要があることから、優れた導電性と高い耐久性が要求されている。そこで、例えば下記特許文献１には、セパレータの端子取り付け部に、グラファイト化された炭素からなる炭素層（導電性炭素膜）を形成する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０９９３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載のセパレータにあっては、セパレータの端子取り付け部に導電性炭素膜が形成され、良好な導電性が確保されているものの、セパレータの端子取り付け部における繰り返し挿抜性やセルモニタ端子との接点部分における耐久性の観点での考慮がなされていない。このため、セルモニタ端子の挿抜時に導電性炭素膜の剥がれや割れが生じることがあった。このように、従来のセパレータには、改善すべき課題が依然として残っていた。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルモニタ端子の挿抜時に生じる導電性炭素膜の剥がれや割れを抑制することができる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池の発電要素である単セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、セパレータ本体における発電に関与する発電領域以外の領域に設けられ、前記単セルの電圧を検出可能なセルモニタ端子が接続される端子接置面と、前記端子接置面に形成された導電性の炭素薄膜層と、を備え、前記炭素薄膜層の硬度が５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池用セパレータでは、セルモニタ端子が接続される端子設置面に形成された導電性の炭素薄膜層の硬度を５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下と規定している。炭素薄膜層の硬度を５ＧＰａ以上とすることで、炭素薄膜層の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができるので、例えばセルモニタ端子の挿抜時（セルモニタ端子の取り外しを行う時）においても炭素薄膜層の剥がれを抑制することができる。また、炭素薄膜層の硬度が高すぎると、セルモニタ端子の挿抜時に炭素薄膜層に割れが生じやすくなるものであるが、炭素薄膜層の硬度を１０ＧＰａ以下と規定することで、セルモニタ端子の挿抜時においても炭素薄膜層の割れを抑制することができる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池用セパレータでは、前記炭素薄膜層の摩擦係数が０．１５以下であることも好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セルモニタ端子の挿抜時に生じる導電性炭素膜の剥がれや割れを抑制することができる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るセパレータを適用した単セルを備えた燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るセパレータの概略構成を示す平面図である。
【図３】図２に示す円Ｗの拡大図である。
【図４】図２に示すセパレータにセルモニタ端子が接続される状態を説明するための図である。
【図５】摺動回数と摺動抵抗との関係について従来例と実施例とを比較した図である。
【図６】炭素薄膜層の硬度と摺動抵抗との関係について従来例と実施例とを比較した図である。
【図７】摩擦係数について従来例と実施例とを比較した図である。
【図８】ヤング率について従来例と実施例とを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態におけるセパレータを適用した燃料電池セル（単セル）を備えた燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１００は、発電要素である多数の単セル１０を積層したスタック構造となっている。燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セル１０と、酸化剤ガス供給マニホールド１１と、酸化剤ガス排出マニホールド１２と、燃料ガス供給マニホールド１３と、燃料ガス排出マニホールド１４と、冷却媒体供給マニホールド１５と、冷却媒体排出マニホールド１６とを備えている、なお、図１の例では、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層部分を表しており、その他の部分については省略している。
【００１７】
各単セル１０は、厚み方向に沿って形成された６つの貫通孔を備えており、単セル１０が積層された状態において、これら６つの貫通孔により、上述した６つのマニホールド１１〜１６が燃料電池スタック１００の内部に形成される。なお、貫通孔、マニホールドの個数や形状等は図１に示した例に限定されず、これらの個数等は適宜変更され得るものである。
【００１８】
酸化剤ガス供給マニホールド１１は、図示しないエアコンプレッサーから供給される酸化剤ガスとしての空気を、各単セル１０に供給する。酸化剤ガス排出マニホールド１２は、各単セル１０において用いられなかった余剰空気（カソード側オフガス）を排出する。燃料ガス供給マニホールド１３は、図示しない水素ガスタンクから供給される燃料ガスとしての水素ガスを、各単セル１０に供給する。燃料ガス排出マニホールド１４は、各単セル１０において用いられなかった余剰水素ガス（アノード側オフガス）を排出する。冷却媒体供給マニホールド１５は、各単セル１０に冷却媒体を供給する。冷却媒体排出マニホールド１６は、各単セル１０で用いられた冷却媒体を排出する。
【００１９】
続いて本発明の実施形態に係るセパレータについて説明する。図２は、図１に示した単セルに適用されるセパレータの概略構成を示す平面図である。
【００２０】
なお、上記単セル１０は、膜電極接合体（図示省略）と、当該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータ１（図２参照）等を少なくとも含む。膜電極接合体は、電解質膜と当該電解質膜を両面から挟む一対の電極とで構成され、一方の電極（アノード）には燃料ガスとしての水素ガス、他方の電極（カソード）には空気等の酸化剤ガスが供給される。これら水素ガス及び酸化剤ガスにより膜電極接合体内で電気化学反応が生じて単セル１０の起電力が得られるようになっている。
【００２１】
セパレータ１（セパレータ本体）について説明する。図２に示すように、セパレータ１は、矩形の外形形状を有している。セパレータ１の材料としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）やチタン等の金属製の薄板（セパレータ基材２）が用いられる。セパレータ１には、その厚さ方向に貫通する上述したマニホールド１１〜１６が形成されている。
【００２２】
セパレータ１について更に説明する。セパレータ１の中央部は、単セル１０の発電部に対応する発電領域Ａ１（図２の点線枠内領域）となっていて、この発電領域Ａ１の周囲が非発電領域Ａ２（図２のＡ１点線枠外領域）となっていて、この非発電領域Ａ２に上述したマニホールド１１〜１６用の開口が設置されている。具体的には、１１が酸化剤ガス供給マニホールドを形成する開口であり、１２が、酸化剤ガス排出マニホールドを形成する開口であり、１３が燃料ガス供給マニホールドを形成する開口であり、１４が燃料ガス排出マニホールドを形成する開口であり、１５が冷却媒体供給マニホールドを形成する開口であり、１６が冷却媒体排出マニホールドを形成する開口である。なお、セパレータ１に形成されるマニホールド用の開口の個数や形状は図２に示した例に限定されず、適宜変更することが可能である。また、図２に示すＡ１の領域が、本発明における、セパレータ本体における発電に関与する発電領域に相当する。
【００２３】
上記発電領域Ａ１及び非発電領域Ａ２には、図２に示すように、導電性に優れた炭素薄膜層Ｃが形成されている。この炭素薄膜層Ｃの形成方法としては、例えばＣＶＤ法による表面処理（アモルファスカーボン）が挙げられる。このように表面処理を施すことで、セパレータ基材２に用いられるチタンよりも炭素薄膜層Ｃの硬さが向上すると共に、摩擦係数が低減するため、セルモニタ端子３０（図４参照）の挿入性が向上する。
【００２４】
上記非発電領域Ａ２の一部分に設けられる端子取付部Ａ２１と、当該端子取付部Ａ２１に接続されるセルモニタ端子３０について説明する。図３は、端子取付部Ａ２１の概略平面図である。図４は、セルモニタ端子３０の接続を説明するための図である。より詳細には、図４（Ａ）は、セパレータ１の端子取付部Ａ２１に、セルモニタ端子３０を接続する前の状態を示す図であり、図４（Ｂ）は、セパレータ１の端子取付部Ａ２１に、セルモニタ端子３０を接続した状態を示す図である。セルモニタ端子３０には、Ｎｉメッキを使用した表面処理が施されている。
【００２５】
図３に示す端子取付部Ａ２１は、セルモニタ端子３０が接続される領域であり、当該端子取付部Ａ２１には、上述したように炭素薄膜層Ｃが形成されている。図４に示すようなクリップ形態のセルモニタ端子３０がセパレータ１の端子取付部Ａ２１の接点Ｐに取付けられる。図４において明らかなように、セルモニタ端子３０の取り外し時には、端子取付部Ａ２１において、セルモニタ端子３０とセパレータ１の表面とが摺動してセルモニタ端子３０の取り外しが行われる。
【００２６】
図４に示すセルモニタ端子３０の機能について以下に説明する。セルモニタ端子３０は、単セル１０毎又は複数セル毎の電圧を検出可能な機能を有し、また、運転中の単セル１０（燃料電池セル）の発電状況を監視し、その出力制御を行い、更には、異常な単セル１０の監視を行うことによってメンテナンスが必要であることを知らせるといった機能を有する。そのため、単セル１０で発電された発電電気は、セルモニタ端子３０に良好に導電されることを要し、端子取付部Ａ２１には、上述したように導電性に優れた炭素薄膜層Ｃが形成されている。
【００２７】
次に、炭素薄膜層を被膜したセパレータについて試験を行った結果を説明する。発明者らは、硬度５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下の炭素薄膜層Ｃを被膜したセパレータ１（実施例）にセルモニタ端子３０を取り付ける場合、及び、これ以外の硬度の炭素薄膜層を被膜したセパレータ１（従来例）にセルモニタ端子３０を取り付ける場合で、それぞれ摺動試験を行った。この摺動試験の結果、図５〜８に示す結果が得られた。
【００２８】
まず、摺動回数と摺動抵抗との関係について検証した結果を説明する。図５は、セルモニタ端子をセパレータに摺動させた時（セルモニタ端子の挿抜時）における、摺動回数と摺動抵抗について、実施例と従来例とを比較したグラフである。なお、摺動回数とは、セルモニタ端子３０の取り外しを行った回数（セルモニタ端子３０の挿抜回数）に相当し、摺動抵抗とは、セルモニタ端子３０をセパレータ１に対して摺動させる際に、セルモニタ端子３０に作用する抵抗に相当する。
【００２９】
図５に示すように、従来例においては、セパレータのセルモニタ端子取り付け部分に導電性カーボンの表面処理が施されていないため、摺動回数が増加するに伴い摺動抵抗が増加することが確認された。この摺動抵抗の増加は、セルモニタ端子を摺動させることにより、セルモニタ端子の表面処理に使用されたＮｉメッキがセパレータの表面に付着したことに起因するものである。一方、実施例においては、セルモニタ端子３０の摺動回数を増加させても摺動抵抗が増加しないことが確認された。このように実施例においては、端子取付部Ａ２１に表面処理が施されているため、セルモニタ端子３０の表面処理に使用されたＮｉメッキがセパレータ１の表面に付着することがなく、摺動抵抗を抑えることができる。
【００３０】
続いてセパレータに被膜される炭素薄膜層の硬度と摺動抵抗との関係について検証した結果を説明する。図６は、炭素薄膜層の硬度と摺動抵抗との関係について、実施例と従来例とを比較したグラフである。
【００３１】
図６に示す従来例１、２と実施例１〜３とのデータを比較すると、従来例における硬度（従来例１では炭素薄膜層の硬度が０ＧＰａ以上５ＧＰａ未満、従来例２では炭素薄膜層の硬度が１０ＧＰａより大きい）の炭素薄膜層を使用した場合の摺動抵抗よりも、実施例における硬度（５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下）の炭素薄膜層の摺動抵抗の方が小さく、従来例よりも実施例の方が摺動抵抗を低減できることが確認された。
【００３２】
同図に明らかなように、摺動抵抗の大きさを考慮すると、セパレータ１の端子取付部Ａ２１に形成される炭素薄膜層Ｃの硬度としては、５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下に規定することが好適である。なお、従来例１（炭素薄膜層の硬度が０ＧＰａ以上５ＧＰａ未満）では、炭素薄膜層の剥がれが生じ、従来例２（炭素薄膜層の硬度が１０ＧＰａより大きい）では、炭素薄膜層の割れが生じることが確認された。
【００３３】
続いて摩擦係数について検証した結果を説明する。図７は、摩擦係数について、実施例と従来例とを比較したグラフである。なお、この摩擦係数とは、セパレータとセルモニタ端子との接触面に働く摩擦力と、当該接触面に垂直に作用する圧力（垂直効力）との比を意味する。
【００３４】
図７に示すように、従来例と実施例との摩擦係数を比較すると、実施例の方が大幅に摩擦係数を低減できることが確認された。具体的には、実施例は、従来例よりも摩擦係数を約５０％以上低減できることが確認された。本実施形態におけるセパレータ１に被膜される炭素薄膜層Ｃの摩擦係数としては、０．１５以下であることが好適である。このような炭素薄膜層Ｃを用いることで、セルモニタ端子３０の挿抜性を向上させることが可能となる。
【００３５】
続いてヤング率について検証した結果を説明する。図８は、ヤング率について、実施例と従来例とを比較したグラフである。
【００３６】
図８に示すように、従来例と実施例とのヤング率を比較すると、従来例よりも実施例のヤング率が大幅に高いことが確認された。具体的には、実施例のヤング率は、従来例のヤング率よりも約１０００倍以上高いことが確認された。
【００３７】
以上のように、セルモニタ端子３０が接続される端子取付部Ａ２１に形成された導電性の炭素薄膜層Ｃの硬度を５ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下とすることで、摺動抵抗や摩擦係数を低減することができ、ヤング率を増加させることが可能となる。
【００３８】
炭素薄膜層Ｃの硬度を５ＧＰａ以上とすることで、炭素薄膜層Ｃの硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができるので、例えばセルモニタ端子３０の挿抜時（セルモニタ端子３０の取り外しを行う時）においても炭素薄膜層Ｃの剥がれを抑制することができる。また炭素薄膜層Ｃの硬度が高すぎると、セルモニタ端子３０の挿抜時に炭素薄膜層Ｃに割れが生じやすくなるものであるが、本実施形態では炭素薄膜層Ｃの硬度を１０ＧＰａ以下と上限値を設定しているため、セルモニタ端子３０の挿抜時においても炭素薄膜層Ｃの割れを抑制することができる。このように炭素薄膜層Ｃの硬度を規定することで、セパレータ１とセルモニタ端子３０との摺動耐久性や挿入性を向上させることができる。また端子取付部Ａ２１に炭素薄膜層Ｃが形成されているので、セパレータ１とセルモニタ端子３０との接続部分（接点Ｐ）が金属接触ではなくなり、結露水によるガルバニ電池が形成されず、接触抵抗を低減することができる。
【００３９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１：セパレータ
１０：単セル
１１：酸化剤ガス供給マニホールド
１２：酸化剤ガス排出マニホールド
１３：燃料ガス供給マニホールド
１４：燃料ガス排出マニホールド
１５：冷却媒体供給マニホールド
１６：冷却媒体排出マニホールド
３０：セルモニタ端子
１００：燃料電池スタック
Ａ１：発電領域
Ａ２：非発電領域
Ａ２１：端子取付部（端子接置面）
Ｃ：炭素薄膜層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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