(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に導電性介在物が析出したオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に導電性介在物が露出し、その露出する導電性介在物上にのみ選択的に金が析出し、導電性介在物が露出している部分以外の部分は不動態化処理によって形成した酸化皮膜で覆われていることを特徴とする燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項２】
前記導電性介在物が表面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項３】
内部に導電性介在物が析出したオーステナイト系ステンレス鋼板の表面を不動態化処理によって形成した酸化皮膜で覆い、該表面から導電性介在物が露出する素材板の表面に、下地処理を施さず直接金めっきを行うことにより、表面に露出した導電性介在物にのみ選択的に金を析出させ、導電性介在物が露出している部分以外の部分に酸化皮膜が残っていることを特徴とする燃料電池用金属製セパレータの製造方法。
【請求項４】
単位面積当たりの金の量が０．００２６ｍｇ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池が備える金属製セパレータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】
上記セパレータは、負極側の水素ガスの触媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化による軽量・コンパクト化が可能である点で有利であるとされている。金属製のセパレータは、ステンレス鋼やチタン合金等の耐食性を有する金属材料からなる薄板をプレス加工して断面凹凸状に成形したものが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ステンレス鋼からなるセパレータを用いた場合、黒鉛系のセパレータを用いた場合に比べて電極構造体との接触抵抗が大きい。接触抵抗の増大は発電性能の低下につながるので、接触抵抗を低減させるために、表面にめっきなどの手段で金を被覆させることが行われている。しかしながら、この場合には金の使用量が多く、高価なものになってしまうといった問題があった。また、金めっきは通常、ステンレス鋼との密着性を高めるためにニッケルめっきによる下地処理を行っているが、金めっきにピンホール等の欠陥が生じていると、下地処理の成分であるニッケルが溶出する。ニッケルの溶出は電解質膜のイオン交換量の低下などの性能低下を招き、さらには金めっきの剥離や接触抵抗の増大といった問題も生じさせることになる。このような問題を回避するために、下地処理を行わず、直接金めっきを行うと、金めっきの密着性が低下して剥離が生じ、やはり接触抵抗の増大を招く。
【０００５】
よって本発明は、金めっき等の金の被覆による接触抵抗の低減効果を最大限に引き出すことができるとともに、金の使用量を少なくしてコストの低減が図られる燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用金属製セパレータは、内部に導電性介在物が析出したオーステナイト系ステンレス鋼板の表面に導電性介在物が露出し、その露出する導電性介在物上にのみ選択的に金が析出し、導電性介在物が露出している部分以外の部分は不動態化処理によって形成した酸化皮膜で覆われていることを特徴としている。本発明では、表面に露出する導電性介在物上にのみ、金が析出している。導電性介在物は、導電経路を形成して接触抵抗を低減させる役割を果たす。この導電性介在物の表面には酸化被膜が存在しないので金の密着性が格段に高く、このため、金の剥離が抑えられて接触抵抗がより一層低減する。また、導電性介在物上にのみ、金が析出しているので、金の使用量が少なくて済み、コストの低減が図られる。
【０００７】
本発明では、セパレータの表面から導電性介在物が突出している形態を含む。この形態によれば、導電性介在物が電極構造体に接触する割合が増大するので、接触抵抗をさらに低減させることができる。
【０００８】
次に、本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造方法は、上記本発明のセパレータを好適に製造する方法であって、内部に導電性介在物が析出したオーステナイト系ステンレス鋼板の表面を不動態化処理によって形成した酸化皮膜で覆い、該表面から導電性介在物が露出する素材板の表面に、下地処理を施さず直接金めっきを行うことにより、表面に露出した導電性介在物にのみ選択的に金を析出させ、導電性介在物が露出している部分以外の部分に酸化皮膜が残っていることを特徴としている。このように、下地処理を施さず素材板の表面に直接金めっきを行うことにより、金めっきにピンホール等の欠陥があっても下地成分の溶出が起こらない。このため、金めっきが剥離しにくくなり、低い接触抵抗が確保される。
【０００９】
本発明の金属材料としては、導電経路を形成する導電性介在物が金属組織中に分散するステンレス鋼板が好適に用いられ、具体的には、例えば次の組成を有するステンレス鋼板が好適に用いられる。すなわち、Ｃ：０．１５ｗｔ％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．０１〜２．５ｗｔ％、Ｐ：０．０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０１ｗｔ％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｎ：０．３ｗｔ％以下、Ｃｕ：０〜３ｗｔ％、Ｎｉ：７〜５０ｗｔ％、Ｃｒ：１７〜３０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜７ｗｔ％、残部がＦｅ，Ｂおよび不可避的不純物であり、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢが次式を満足している。
Ｃｒ（ｗｔ％）＋３×Ｍｏ（ｗｔ％）−２．５×Ｂ（ｗｔ％）≧１７
このステンレス鋼板によれば、Ｂが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として表面に析出し、これら硼化物が導電性介在物である。
【００１０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
Ａ．セパレータの製造
［実施例１］
表１に示す成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を厚さ０．２ｍｍまで圧延し、この圧延鋼から１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形状の薄板を必要数切り出して得た。次に、これら薄板をプレス成形して、図１に示すようなセパレータの素材板を得た。この素材板は、中央に断面凹凸状の発電部を有し、その周囲に平坦な縁部を有している。また、この素材板は、成分中のＢが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として金属組織中に析出しており、これら硼化物がセパレータの表面に導電経路を形成する導電性介在物である。
【００１１】
【表１】
0004274737.tif 000002
【００１２】
次いで、素材板の両面を不動態化処理して母材表面に強固な酸化被膜を形成した。不動態化処理は、素材板をアセトンで１０分間脱脂洗浄後、５０℃に保持した５０ｗｔ％硝酸液浴の中に１０分間浸漬することによって行った。不動態化処理後は常温水による１０分間の洗浄を２回行い、この後、乾燥させた。次に、素材板の両面に金めっきを行った。金めっきは、３０℃に保持し、電流密度が０．１Ａ／ｄｍ２に設定された青化金（３ｇ／Ｌ）のめっき浴に浸漬することにより行った。この場合、浸漬時間を１分、２分、３分、４分、７分、１０分の６種類として、浸漬時間が長いほど単位面積当たりの金の量が多くなるようにした。金めっき後、常温水による１０分間の水洗を２回行い、実施例１に係る６種類のセパレータを得た。実施例１の各セパレータは、導電性介在物が表面に露出しているが、突出はしていない。
【００１３】
［実施例２］
不動態化処理の前に、素材板の両面に塩化鉄による溶削処理を行って母材表面を５μｍ除去し、導電性介在物を突出させた以外は実施例１と同様にして素材板を得、この素材板に、実施例１と同様の方法で金めっきを行い、実施例２のセパレータを得た。なお、この場合の金めっきの処理時間は１０分とした。
【００１４】
［比較例］
材料を、導電性介在物が析出していないＳＵＳ３１６Ｌとし、かつ、不動態化処理の代わりに、素材板をアセトンで１０分間脱脂洗浄後、３０℃、１０％塩酸中で１０分間浸漬し表面の酸化被膜を除去する処理を行った以外は、上記実施例１と同様にして、比較例の６種類のセパレータを得た。
【００１５】
Ｂ．表面の観察
上記６種類の実施例１のセパレータのうち、金めっき処理の時間が１０分のものの表面を顕微鏡で観察した。図２はそのＳＥＭ写真であり、金めっきによって、母材表面に分散して析出する導電性介在物上に粒子状の金が優先的に析出していることが判る。
【００１６】
Ｃ．単位面積あたりの金の量の測定
上記６種類の実施例１のセパレータと、上記６種類の比較例のセパレータにつき、単位面積あたりの金の量を、次のようにして測定した。実施例１および比較例のセパレータを王水に溶解させ、その溶液中に含まれる金の量を誘導結合プラズマ発光分光分析装置（セイコー電子工業製  ＳＰＳ−４０００型）を用いて定量分析し、その値から単位面積あたりの金の量を算出した。その結果を表２（実施例１）および表３（比較例）に示す。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
【表３】
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【００１９】
Ｄ．初期の接触抵抗の測定
６種類の実施例１および比較例のセパレータにつき、次の方法で初期の接触抵抗を測定した。２枚のセパレータで電極構造体のガス拡散層の表面を構成するカーボンペーパーを挟み、これを２枚の電極板で挟み、さらに電極板に対するセパレータの面圧が５ｋｇ／ｃｍ２になるように荷重をかけ、試験体をセットした。そして、２枚の電極板間に電流を流し、セパレータ間の電圧降下から接触抵抗を求めた。表２および図３はその結果を示しており、金が同量である場合、実施例１のセパレータの方が接触抵抗が低いことが認められた。また、単位面積当たりの金の量が０．００２６ｍｇ／ｃｍ２確保されていれば、接触抵抗を大幅に低減させることができることが判った。
【００２０】
Ｅ．長時間通電後の接触抵抗の測定
単位面積当たりの金の量が０．０２０２ｍｇ／ｃｍ２の実施例１および０．０２０５ｍｇ／ｃｍ２の比較例のセパレータを用いて、電極板に対するセパレータの面圧が５ｋｇ／ｃｍ２、１０ｋｇ／ｃｍ２、１５ｋｇ／ｃｍ２、２０ｋｇ／ｃｍ２と変えた試験体をそれぞれセットし、初期および１０００時間通電後の接触抵抗を、上記と同じ方法で測定した。図４は実施例１のセパレータによる接触抵抗、図５は比較例のセパレータによる接触抵抗である。これら図で明らかなように、実施例１のセパレータでは、１０００時間通電後も接触抵抗はほとんど増大しなかったが、比較例のセパレータによると１０００時間通電後には接触抵抗の増大が認められた。
【００２１】
Ｆ．導電性介在物が突出したセパレータの接触抵抗の測定
上記実施例２のセパレータを用いて、上記と同様に面圧を４種類とした試験体をセットし、初期および１０００時間通電後の接触抵抗を測定した。図６はその結果を示しており、これによると、実施例２のセパレータでは実施例１のセパレータよりもさらに接触抵抗が低減している。これは、セパレータの表面から導電性介在物が突出していることにより、導電性介在物がカーボンペーパーに接触する割合が実施例１のものよりも増大しているからと推察される。このように導電性介在物を突出させることにより、接触抵抗の大幅な低減が図られることが確かめられた。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐食性を有する表面に導電性介在物が露出し、その露出する導電性介在物上に選択的に金が析出していることにより、金による接触抵抗の低減効果を最大限に引き出すことができるとともに、金の使用量を少なくしてコストの低減が図られるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例で製造されるセパレータの写真である。
【図２】  実施例のセパレータのＳＥＭ写真である。
【図３】  実施例および比較例のセパレータにおける単位面積当たりの金の量と接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】  実施例のセパレータにおける長時間通電後の接触抵抗の変化を示すグラフである。
【図５】  比較例のセパレータにおける長時間通電後の接触抵抗の変化を示すグラフである。
【図６】  他の実施例のセパレータにおける長時間通電後の接触抵抗の変化を示すグラフである。
【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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