JP2003229146A - 燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法

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JP2003229146A
JP2003229146A JP2002025476A JP2002025476A JP2003229146A JP 2003229146 A JP2003229146 A JP 2003229146A JP 2002025476 A JP2002025476 A JP 2002025476A JP 2002025476 A JP2002025476 A JP 2002025476A JP 2003229146 A JP2003229146 A JP 2003229146A
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Teruyuki Otani
輝幸 大谷
Makoto Tsuji
誠 辻
Masao Utsunomiya
政男 宇都宮
Koji Kotani
耕爾 小谷
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 導電性介在物を有する金属材料を圧延して製
造される燃料電池用金属製セパレータにおいて、圧延に
よって表面に生成する導電性介在物の異常層の影響を受
けず、その結果として発電性能の向上が図られる燃料電
池用金属製セパレータおよびその製造方法を提供する。 【解決手段】 導電性介在物を有するステンレス鋼等の
金属材料を圧延して素材板を得、次いでこの素材板の表
面から板厚の2%以上を除去して表面を健全なものとす
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 ElectrodeAssembly)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としては、導電性介
在物が析出・分散するステンレス鋼を圧延して薄板と
し、この薄板をプレス成形により断面凹凸状に成形し
て、表裏面に形成された溝を上記ガス流路や冷媒流路と
したものが挙げられる。導電性介在物は、導電経路を形
成して発電性能の向上に寄与するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、導電性介在
物が析出・分散したステンレス鋼を圧延して薄板化する
と、その表面には、圧延によってきわめて微細に破砕さ
れた導電性介在物が凝集した異常層が生成する場合があ
る。この異常層が表面に存在するセパレータを用いて燃
料電池を構成し、その燃料電池を稼働させると、異常層
の導電性介在物が脱落して発電性能の低下を招いてい
た。
【0005】よって本発明は、導電性介在物を有する金
属材料を圧延して製造される燃料電池用金属製セパレー
タにおいて、圧延によって表面に生成する導電性介在物
の異常層の影響を受けず、その結果として発電性能の向
上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】本発明者は、圧延によっ
てセパレータの表面に生成する上記異常層の厚さは、全
体厚さの2%程度である知見を得たので、これに基づい
て本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の燃料
電池用金属製セパレータは、導電性介在物を有する金属
材料が圧延されてなり、さらに圧延後の表面が板厚の2
%以上除去されてその表面から導電性介在物が突出して
いることを特徴としている。
【0007】本発明の燃料電池用金属製セパレータによ
れば、金属材料の圧延後に、表面が板厚の2%以上除去
されているので、圧延によって表面に生成した導電性介
在物の異常層が除去されており、その表面は健全なもの
となって導電性介在物が突出している。このため、燃料
電池として構成されると、電極構造体に対する接触抵抗
が低減し、発電性能の向上が図られる。
【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製造する方
法として好適なものであって、導電性介在物を有する金
属材料を圧延して素材板を得、次いでこの素材板の表面
から板厚の2%以上を除去することを特徴としている。
表面を除去する方法としては、電解エッチング等の電気
化学的方法、エッチング等の化学的方法、切削やサンド
ブラスト等の物理的方法等が挙げられる。
【0009】なお、素材板を凹凸状にプレス成形して最
終的なセパレータ形状に成形する場合には、上記の表面
の除去処理は素材板のプレス成形の前後いずれのタイミ
ングであってもよい。また、そのようにプレス成形した
セパレータにあっては、電極構造体への接触部は凸部の
表面になるので、その場合には、本発明の表面の除去処
理を凸部表面のみに限定してもよい。さらに、耐食性を
向上させるために、最終的に表面を不動態化処理しても
よい。
【0010】本発明の金属材料としては、例えば次の組
成を有するステンレス鋼が好適に用いられる。すなわ
ち、C:0.15wt%以下、Si:0.01〜1.5
wt%、Mn:0.01〜2.5wt%、P:0.03
5wt%以下、S:0.01wt%以下、Al:0.0
01〜0.2wt%、N:0.3wt%以下、Cu:0
〜3wt%、Ni:7〜50wt%、Cr:17〜30
wt%、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(w
t%)≧17 このステンレス鋼板によれば、Bが、MBおよびMB
型の硼化物、M23(C,B)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。
【0011】
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。 A.素材板の製造 表1に示す各成分と、残部がFeおよび不可避的不純物
とを含有するステンレス鋼を、焼鈍工程を適宜はさみな
がら冷間圧延して、厚さ0.2mmの薄板を得た。次
に、この薄板から100mm×100mmの正方形状の
素材板を必要数切り出して得た。
【0012】
【表1】
【0013】B.表面の除去処理およびプレス成形 [実施例1]上記素材板の両面に対して次のウェットブ
ラスト処理を行い、両面を4μm除去した。粒径0.3
mmのアルミナ粒(不二製作所社製:フジランダムWA
♯300)を砥粒として水に混入し、この砥粒混合水を
吹き付け圧1kg/cmで20秒間吹き付けた。次
に、この素材板を所定のセパレータ形状にプレス成形し
て実施例1のセパレータを得た。 [実施例2]上記素材板を所定のセパレータ形状にプレ
ス成形した後に、実施例1と同様のウェットブラスト処
理を両面に対して行い、両面を4μm除去した実施例2
のセパレータを得た。
【0014】[実施例3]上記素材板の両面に対して次
の化学エッチング(硝フッ酸エッチング)処理を行い、
両面を5μm除去した。硝酸20%、フッ酸8%のエッ
チング液を30℃に保持するとともに噴流撹拌させ、こ
のエッチング浴中に素材板を30分間浸漬した。次に、
この素材板を所定のセパレータ形状にプレス成形して実
施例3のセパレータを得た。 [実施例4]上記素材板を所定のセパレータ形状にプレ
ス成形した後に、実施例3と同様の化学エッチングを両
面に対して行い、両面を5μm除去した実施例4のセパ
レータを得た。
【0015】[実施例5]上記素材板の両面に対して次
のサンドブラスト処理を行い、両面を10μm除去し
た。実施例1で用いたアルミナ粒を砥粒とし、これをド
ライ状態で吹き付け圧2kg/cmで10秒間吹き付
けた。次に、この素材板を所定のセパレータ形状にプレ
ス成形して実施例5のセパレータを得た。 [実施例6]上記素材板を所定のセパレータ形状にプレ
ス成形した後に、実施例5と同様のサンドブラスト処理
を両面に対して行い、両面を10μm除去した実施例6
のセパレータを得た。
【0016】[比較例1]上記素材板を所定のセパレー
タ形状にプレス成形したのみとし、両面が除去されてい
ないものを比較例1のセパレータとした。 [比較例2]両面の除去量を1.5μmとした以外は、
上記実施例1と同様にして比較例2のセパレータを得
た。 [比較例3]両面の除去量を1.5μmとした以外は、
上記実施例2と同様にして比較例3のセパレータを得
た。 [比較例4]両面の除去量を2.5μmとした以外は、
上記実施例1と同様にして比較例4のセパレータを得
た。 [比較例5]両面の除去量を2.5μmとした以外は、
上記実施例2と同様にして比較例5のセパレータを得
た。
【0017】なお、図1は上記実施例および比較例で得
られるプレス成形後のセパレータを示しており、このセ
パレータは、中央に断面凹凸状の集電部を有し、その周
囲に平坦な縁部を有している。
【0018】C.表面の観察 上記実施例1および比較例1のセパレータの表面を顕微
鏡で観察した。図2は実施例1のセパレータ、図3は比
較例1のセパレータの各表面の顕微鏡写真である。実施
例1のセパレータの表面には、5μm程度の粒径の破砕
されていない健全な導電性介在物が突出していた。一
方、比較例1のセパレータの表面は微細に破砕された導
電性介在物が凝集していた。
【0019】D.発電電圧の測定 上記実施例1〜6、比較例1〜5の各セパレータを用い
て、電極構造体(MEA)の両側にセパレータを積層し
た1つの燃料電池ユニットを構成し、このユニットを発
電させて、0.5A/cm発電時の発電電圧を、初期
(0時間)、10時間経過後、100時間経過後、10
00時間経過後、2000時間経過後、3000時間経
過後において、それぞれ測定した。その結果を、作製工
程(表面の除去処理とプレス成形の順序)、表面の除去
量と合わせて表2に示す。
【0020】
【表2】
【0021】表2で明らかなように、実施例のセパレー
タは発電3000時間経過後も初期と変わらない発電電
圧が維持されているのに対し、比較例のセパレータは時
間の経過とともに発電電圧の低下が認められ、したがっ
て、本発明の効果が確かめられた。
【0022】E.不動態化処理の影響 次に、最終的にセパレータの表面を不動態化処理した場
合の優位性について検証を行った。 [実施例7]上記素材板の両面に対し次の電解エッチン
グ処理を行い、両面をμm除去した。リン酸系電解エ
ッチング液(ジャスコ社製:6C016)を50℃に保
持するとともに、このエッチング液に電流密度0.12
5A/cmの電流を流し、このエッチング浴に素材板
を10分間浸漬した。次に、この素材板を所定のセパレ
ータ形状にプレス成形した。最後に、プレス成形したセ
パレータを、50℃に保持されている50wt%硝酸液
浴の中に10分間浸漬して、表面の不動態化処理を行
い、実施例7のセパレータを得た。
【0023】[比較例6]上記比較例1のセパレータに
対して、上記実施例7と同様の不動態化処理を行い、比
較例6のセパレータを得た。
【0024】上記実施例7、比較例1、比較例6の各セ
パレータを電極構造体に接触させ、電極構造体に対する
セパレータの接触抵抗を測定した。その結果を図4に示
す。また、上記実施例1、実施例7、比較例1の各セパ
レータの腐食電流密度を測定した。その結果を図5に示
す。これら図で明らかなように、接触抵抗および腐食電
流密度は、表面が不動態化処理された実施例7のセパレ
ータが最も低い値を示した。したがって、表面に不動態
化処理がなされたセパレータは、高い発電性能を示すこ
とが予想される。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
金属材料の圧延後に、表面を板厚の2%以上除去するこ
とにより、圧延によって表面に生成した導電性介在物の
異常層が除去され、その表面は健全なものとなって導電
性介在物が突出するので、電極構造体に対する接触抵抗
が低減し、発電性能の向上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表面の顕微鏡写真であ
る。
【図3】 本発明に対する比較例のセパレータの表面の
顕微鏡写真である。
【図4】 実施例で測定した接触抵抗を示すグラフであ
る。
【図5】 実施例で測定した腐食電流密度を示すグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇都宮 政男 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 小谷 耕爾 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB00 BB02 BB10 CC08 EE02 EE08 HH03

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性介在物を有する金属材料が圧延さ
    れてなり、さらに圧延後の表面が板厚の2%以上除去さ
    れてその表面から導電性介在物が突出していることを特
    徴とする燃料電池用金属製セパレータ。
  2. 【請求項2】 導電性介在物が表面から突出する燃料電
    池用金属製セパレータの製造方法であって、導電性介在
    物を有する金属材料を圧延して素材板を得、次いでこの
    素材板の表面から板厚の2%以上を除去することを特徴
    とする燃料電池用金属製セパレータの製造方法。
JP2002025476A 2001-12-05 2002-02-01 燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法 Withdrawn JP2003229146A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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