JPH11273693A - 低温型燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な耐酸性および導電性を有し、かつ接触
抵抗の低い低温型燃料電池用金属製セパレータを得る。 【解決手段】 耐酸性に優れた良導体であるステンレス
鋼を基材として、その表面に耐酸性に優れ、かつ接触抵
抗の低い導電性の酸化チタンを被覆することにより、プ
レス成形等の可能な金属製セパレータを提供する。

Description

【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ｐ
Ｈ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、導電性の酸化チタンをステンレ
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、ステンレス鋼を基材とし、
その表面に主としてＴｉＯ2よりなる導電性の酸化チタ
ンの被覆層を形成した低温型燃料電池用セパレータであ
って、該被覆層が導電性を付与するための不純物を含有
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】また、本発明においては、ステンレス鋼基
材の表面に、不純物としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍ
ｎ、ＭｏおよびＣｕの１種または２種以上を含む導電性
の酸化チタンを被覆した低温型燃料電池用セパレータが
提供される。さらに、本発明においては、ステンレス鋼
基材の表面に、不純物として基材より拡散したステンレ
ス鋼の構成成分の１種または２種以上を含む導電性の酸
化チタンを被覆した低温型燃料電池用セパレータが提供
される。

【００１０】

【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Ｔ
ｉＯ2よりなる導電性チタン酸化物の被覆層を形成した
ものである。ＴｉＯ2としては、アナターゼ型またはル
チル型の結晶性のもの、または非晶質のもの、の何れで
も良い。また、被覆層は、非化学量論組成で酸素欠損タ
イプの酸化チタンであるＴｉＯx（ｘ＜２）を一部含む
ものであっても良い。

【００１１】ＴｉＯ2は本質的に生成過程で混入する不
可避的不純物を含むものであるが、その電気的性質は半
導体である。本発明の場合には、良好な導電性を確保す
るために、酸化チタン被覆層中に不純物金属イオンもし
くは非金属イオンを積極的に導入する。なお、格子欠陥
の導入によっても被覆層の導電性が増加するが、熱的に
不安定であるので、不純物イオンの添加が好ましい。な
お、酸化チタン被覆層は耐酸性が高く、強酸環境下で殆
ど溶解しない。また、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。

【００１２】被覆層自体の導電性を改良するために、被
覆層中に各種不純物イオンを含有させる。これらの不純
物の添加は、被覆層自体の体積抵抗率を低下させるが、
１０質量％を超えると被覆層表面に不純物元素の酸化物
が形成され、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。被覆層中に不純物イオン
を含有させる方法としては、被覆層形成の際、同時に不
純物を含有させる方法、または、被覆層形成後に加熱し
て、下地のステンレス鋼基材の構成元素を被覆層中に拡
散させる方法等がある。

【００１３】被覆層中に含有させる不純物イオンとして
は、被覆層の体積抵抗率を低下させるものであれば何れ
でも良いが、基材であるステンレス鋼と被覆層との密着
性向上のために、ステンレス鋼の構成成分であるＦｅ、
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＣｕの１種または
２種以上が好ましい。被覆層形成後の加熱により、ステ
ンレス鋼基材の構成成分を被覆層中に拡散させて不純物
とする場合には、上記の不純物イオンに加え、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｗ、希土類元素等の金属イオン、およびＣ、Ｎ等の
非金属イオンなど、通常ステンレス鋼の構成成分であ
り、かつ酸化チタン被覆層に含有されることにより、そ
の導電性を向上させるものが包含される。本発明におい
て、導電性チタン酸化物被覆層とは、その体積抵抗率が
１０2Ω・ｍ以下のものをいう。

【００１４】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、０．００５μｍ〜５μｍ
が好ましい。０．００５μｍ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。５μｍ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。

【００１５】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。

【００１６】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：１
４〜３５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％、Ｓ
ｉ：０．０５〜５．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎ
ｉ：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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】本発明のセラミックス被覆層は、ゾルゲル
法等の湿式法および各種の物理蒸着法、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。

【００２０】

【実施例】表１に示した組成のステンレス鋼を基材とし
て、高周波スパッタ蒸着法により酸化チタン被覆層を形
成した。ターゲットとして、酸化チタンのターゲットを
使用した。なお、被覆層の面内の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０．０１μｍである。放電ガスにはＡｒを使
用したが、被覆層の酸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酸素ガスを少量導入し
た。

【００２１】また、同一の基材を用い、ゾルゲル法によ
り酸化チタン被覆層を形成した。出発物質としてＴｉイ
ソプロポキシドを用い、ディップコーティング法により
ゾル溶液を被覆した後、４５０℃で焼成して酸化チタン
被覆層を得た。ゾルゲル被覆層中にＦｅ、ＣｒまたはＮ
ｉを添加する場合には、出発溶液にこれらの金属のアル
コキシドを添加した。基材であるステンレス鋼の構成成
分を被覆層中に拡散する場合には、Ｎ2−７５％Ｈ2中、
１０００℃で１０秒間加熱した。

【００２２】

【表１】

【００２３】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。

【００２４】

【表２】

【００２５】表2の結果より明らかな様に、導電性の酸
化チタン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。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。

【００２６】

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有吉 康実 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所表面処理研究部内 (72)発明者 斎藤 実 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所表面処理研究部内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼を基材とし、その表面に主と
   してＴｉＯ2よりなる導電性の酸化チタンの被覆層を形
   成した低温型燃料電池用セパレータであって、該被覆層
   が導電性を付与するための不純物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。
2. 【請求項２】不純物がＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、
   ＭｏおよびＣｕの１種または２種以上であることを特徴
   とする請求項1記載の低温型燃料電池用セパレータ。
3. 【請求項３】不純物が基材より拡散したステンレス鋼の
   構成成分の１種または２種以上であ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。