WO2003028133A1

WO2003028133A1 - Separateur de pile a combustible

Info

Publication number: WO2003028133A1
Application number: PCT/JP2002/007396
Authority: WO
Inventors: Teruyuki Ohtani; Makoto Tsuji; Masao Utsunomiya
Original assignee: Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-04-03
Also published as: US20040146767A1; JP2003092118A; DE10297249B4; DE10297249T5; CA2450703C; CA2450703A1; US7014938B2

Description

明細書燃料電池用セパレ一夕技術分野

本発明は、固体高分子型燃料電池を構成するセパレー夕に関する。背景技術

固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（M E A： Membrane E l ec t rode As s emb ly) の両側にセパレ一夕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（力ソード）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ィ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、セパレー夕は、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ゃ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。

上記セパレ一夕は、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、セパレ一夕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高耐食性を備えた金属材料によ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。

ところで、このようなセパレー夕が置かれる環境因子としては、以下の 3つの因子が挙げられる。

①温度：燃料電池の可動温度は常温から 1 8 0 °C程度であるから、セパレー夕もこの温度域にさらされる。

② p H :燃料電池内では、酸素と水素が反応して水が生成される。この水は水蒸気の形で生成されるが、セパレー夕に形成されているガス流路上で温度が低下すると、液滴としてセパレ一夕に付着する。また、この付着水の量が増加すると、電極構造体とセパレ一夕との間に水が滞留する。そして、電極構造体に付着した水は、容易に電解質膜に接触する。このため、電解質膜中の置換基の遊離等が発生し、付着水中に水素イオンが発生してその付着水の p Hが低下する。燃料電池の置換基としては、スルホン基が一般的であり、上記付着水としては、例えば硫酸等の酸性を呈する。

ここで上記置換基を説明すると、燃料電池内では、水素ガス供給側（アノード側）の触媒上で水素から生成した水素イオンを酸化性ガス供給側（力ソード側）に移送することにより、力ソード触媒に水素イオンを供給する。そして、カソ一ド触媒上で酸化性ガスと反応して水を生成する作用を駆動力として、連続的に発電が行われる。そのため、燃料電池の電解質膜は、アノード側から力ソード側へ水素イオンを移動させることができる陽イオン導電型の電解質膜でなければならない。そのため、電解質膜分子の側鎖には、水素イオンと結合する形の結合基が存在しなければならない。燃料電池では、電解質膜の分子の一部を水素イオンと結合する酸型の置換基を配することにより、上記機能を満足している。この置換基は酸型であるため、電解質膜から遊離すると酸を生成する。一般に、電解質膜の水素イオンの移送効率を高める上で、この置換基には水素イオンとの結合力が高い強酸型が用いられ、このため、遊離して酸を生成し、生成した酸は低 p Hとなる。

③電位：セパレ一夕は、燃料ガス側および酸化性ガス側に配置され、それぞれが電池の正極および負極となる。これら 2つのセパレ一夕間には、反応で生じる起電力が電位差として生じる。一般的に、燃料ガスに水素を、酸化性ガスに酸素を用いる燃料電池において起電力で生じる電位差は、次の理由により最大 1 . 2 V程度発生する。すなわち、水素と酸素により水を生成する化学反応で得られる起電力は、燃料電池の稼動温度域では理論的な計算から 1 . 2 V程度とされており、実際の発電においてもこれと同様で、 1 ~ 1 . 2 V程度を発生する。高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス板をセパレー夕に用いた場合では、起電力が 0. 9 Vあたりを超えると金属イオンの溶出速度が大きくなつてしまい、腐食の発生を招く。

燃料電池用のセパレ一夕は、上記のように温度、 pH、電位の各因子とも、きわめて腐食しやすい条件であるため、金属製のセパレ一夕を用いた場合、例えそれが高耐食性を有する材料（例えば S US 3 1 6 L) であっても腐食しやすい。したがって、金属製のセパレー夕には、燃料電池の稼動環境にあってきわめて高い耐食性が求められる。また、金属製のセパレー夕には、この他に、断面凹凸状としてガス流路ゃ冷媒流路を形成するためのプレス加工が容易であることや、発電電圧の低下を防ぐ点から他部材との接触抵抗がきわめて小さいことが求められる。さらに、 1つの燃料電池スタックには、場合によっては数百枚のセパレー夕が用いられるので、低コストであることも必要となってくる。

そこで、プレス加工が容易なステンレス鋼板の表面に、高耐食性金属をメツキしたものが燃料電池用セパレー夕として望ましいとされる。ここで、ステンレス鋼の SUS 3 1 6 L, C u, Ag, P t , A uの耐食性を、温度 90°C、 H 3 の硫酸溶液、 1. 2 Vの条件による腐食電流密度をそれぞれ測定することにより比較を行ったところ、 SUS 3 1 6 L : 1 56 A/cm², C u ： 9 8 x A/ cm²、 A g ： 38 A/cm². P t : 18 A/cm², Au ： 2 A/ c m²、であった。燃料電池として実用的な耐久性を確保する上では、腐食電流密度は 1 0 i AZcm²以下であることが望ましく、したがって、その条件を満たす元素は金であることが判る。したがって、ステンレス鋼板等の素材に金メッキを施したものが、燃料電池用セパレ一タとして有望である。

ところが、ステンレス鋼に通常の方法で金メッキを施した場合にあっては、金メツキがステンレス鋼に物理的に付着しているだけの状態であるから、密着性はそれほど高くないと言える。したがって、断面凹凸状で、その屈曲部の Rがきわめて小さいセパレ一タをプレス加工により成形した場合、密着性の不足により金メツキに剥離や割れが発生しやすい。剥離が発生すると、金メッキと母材であるステンレス鋼板との間の接触抵抗が増加し、低接触抵抗性を満足できない。そして、剥離した金メッキが脱落したり、プレス加工によりメツキ層に割れが生じた場合、露出したステンレス鋼板が容易に腐食されるので、燃料電池として必要な耐食性を満足することができない。発明の開示

よって本発明は、塑性加工後の金の被覆層に剥離や割れが発生せず、その結果耐食性および耐久性の大幅な向上が図られる燃料電池用セパレ一夕を提供することを目的としている。

本発明では、ステンレス鋼板等の金属板の表面に金の被覆層が形成されたセパレ一タを塑性加工した際に、塑性加工部の最も伸びが発生する最小曲げと、金の被覆層の厚さから、金の被覆層に剥離や割れが生じない金の被覆層の厚さを規定するものである。第 1図に示すように、金属板 1の最小曲げ Rを r (urn) 、金の被覆層 2の厚さを d ( m) とした場合、金の被覆層 2の表面断面 B— B' の伸び量と、金属板 1と金の被覆層 2との界面断面 A— A ' の伸び量の比率は、

( r +d) /rで表される。本発明者は、この比率が 1. 025以下である場合に、金の被覆層に生じる剥離や割れを大幅に抑えることができることを見い出し、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セパレータは、金属板の表面に金の被覆層が形成され、塑性加工によって成形された燃料電池用セパレー夕において、塑性加工部分の最小曲げ Rを r ( rn) 、金の被覆層の厚さを d ( m) とした場合、 r および dが（r +d) / ΐ≤ 1. 025を満たすことを特徴としている。ただし、セパレ一タは接触抵抗が小さいことが求められるので、最小曲げ R： rをなるベく小さくして接触面積を大きくする必要があり、したがって、最小曲げ R ： rを

50 m≤ r≤ 1000 mの範囲に規定する。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明に係る式（r + d) Zr (r :最小曲げ R、 d :金メッキ層の厚さ）を説明するためのセパレー夕の塑性加工部の断面図である。

第 2図は、本発明の実施例の最小曲げ R ： r ( m) および金メッキ層の厚さ d (Mm) についての（r + d) / rの値と金メッキ層に発生した亀裂の面積率との関係を示す線図である, 発明を実施するための最良の形態

以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

第 1表に示す組成を有するステンレス鋼（SUS 3 1 6 Lに相当）からなる、 1 0 Ommx 10 Omm、厚さ 0. 2 mmの正方形板状の試験片を多数用意した試験片（ステンレス鋦板）の組成単位（重量％)

第 1表

これら試験片の表面に、適宜に厚さを変えて金メッキ層を形成した。金メッキ層の浴塩は、シアン化金 K： 1 2 g/ 1、クェン酸 K： 1 25 g/ 1、 EDTA C o塩： 3 g/ lであり、浴塩温度、電流密度、時間を適宜に変えることで、金メツキ層の厚さを調整した。次に、金メッキ層の厚さが異なる試験片を 1つのグループとし、各グループごとに、曲げ加工部の最小 Rが異なる金型を用いて金メツキ層が外側になるように曲げ加工を施した。金型の種類は、曲げ加工部の最小 R ： rが、 50 m、 1 00 ΠΊ, 200 /zm、 400 m, 700 Mm, 1 0 00 mの 6種類とした。

曲げ加工後に、試験片の金メッキ層に生じた亀裂の面積率を調べた。そして、最小曲げ Rを r ( m) 、金の被覆層の厚さを d ( m) とした場合の（ r + d) rの値と亀裂の面積率との関係を調べた。その結果を第 2図に示す。第 2図で明らかなように、（ +€1) / 1"の値が1. 025以下では亀裂面積率が 0あるいはそれに近似し、し 025を超えると亀裂面積率は著しく上昇することが認められる。よって、（ r + d) rの値が 1. 025以下の最小曲げ Rと金メッキ層の厚さとの関係を満足する場合において、金メッキ層の剥離や割れが防止されて耐食性および耐久性の大幅な向上が図られるセパレー夕を得ることができることが確かめられた。

Claims

請求の範囲

1. 金属板の表面に金の被覆層が形成され、塑性加工によって成形された.燃料電池用セパレー夕において、塑性加工部の最小曲げ Rを r (^m) 、金の被覆層の厚さを d ( rn) とした場合、 rおよび dが

( r + d) / r≤ 1. 025 (ただし、 50 w m≤ r≤ 1000 m) を満たすことを特徴とする燃料電池用セパレー夕。