燃料電池用セパレータ及び燃料電池
【課題】燃料電池用セパレータにおいて、表面に形成された導電性被膜の密着性をより向上させることである。
【解決手段】燃料電池用セパレータ２０は、チタンで成形される金属基体２４と、表面に形成され、導電性を有する導電性被膜３０とを備える。導電性被膜３０は、導電性粒子を含み、導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。そして、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが更に好ましい。
【解決手段】燃料電池用セパレータ２０は、チタンで成形される金属基体２４と、表面に形成され、導電性を有する導電性被膜３０とを備える。導電性被膜３０は、導電性粒子を含み、導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。そして、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが更に好ましい。
【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及び燃料電池に係り、特に、金属材料で製造された燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に、酸化剤ガスである空気中の酸素を電気化学反応させて、電気エネルギを作りだしている。そして、水素と酸素とが電気化学反応した結果、水が生成される。
【０００３】
燃料電池の種類には、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。このような固体高分子型の燃料電池は、移動体、例えば、車両等の動力源として用いられている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池は、複数の単セル、集電板、エンドプレート等を積層して組み立てられる。そして、燃料電池の単セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。ここで、燃料電池用セパレータは、金属材料またはカーボン材料等を機械加工等することにより製造される。
【０００５】
特許文献１には、チタン基材の表面に、金めっき部と非めっき部とを有し、この金めっき部が直径１００ｎｍ以下、１ｎｍ以上の島状でチタン基材の表面に点在している金めっき構造体及びこの金めっき構造体からなる燃料電池用セパレータが示されている。
【０００６】
特許文献２には、下地処理を施していないステンレス鋼板の表面に、金が面積率２．３〜９４％で被覆された燃料電池用金属製セパレータが示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７０８８号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料電池用セパレータをチタン等の金属材料で製造する場合には、一般的に、金（Ａｕ）等の電気伝導性の高い導電体をセパレータ表面に形成して、例えば、ガス拡散層等との間の接触抵抗を低減させている。しかし、チタン等の金属材料と、金（Ａｕ）等の導電体とは材料が異なるので、導電体で形成される導電性被膜の密着性が十分に得られない場合がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、表面に形成された導電性被膜の密着性をより向上させる燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、チタンで成形される金属基体と、表面に形成され、導電性を有する導電性被膜と、を備える燃料電池用セパレータであって、導電性被膜は、導電性粒子を含み、導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子は、金粒子であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、酸化物層は、チタン酸化物層であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、上記の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、導電体の粒径を制御することにより、表面に形成された導電性被膜の密着性をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、燃料電池の単セル１０の断面を示す図である。燃料電池の単セル１０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６と、セパレータ２０とを含んで構成される。このうち電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを一体化したものは、一般的に、膜電極接合体２２(Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ)と呼ばれている。
【００１９】
電解質膜１２は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜１２の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。
【００２０】
触媒層１４は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層１４は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。
【００２１】
ガス拡散層１６は、燃料ガスである、例えば、水素ガスと、酸化剤ガスである、例えば、空気とを触媒層１４に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層１６には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体２２は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを積層し、例えば、ヒートプレス等することにより製造することができる。
【００２２】
セパレータ２０は、膜電極接合体２２のガス拡散層１６に積層され、隣設する単セル（図示せず）における燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能を有している。また、セパレータ２０は、隣設する単セル（図示せず）を電気的に接続する機能を有している。セパレータ２０には、燃料ガスや酸化剤ガスが流れるガス流路や、単セル１０を冷却するＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）や冷却水等の冷却媒体を流す冷却媒体流路等が形成される。
【００２３】
図２は、燃料電池用セパレータ２０の断面を示す図である。セパレータ２０は、金属基体２４と、導電性被覆３０とを含んで構成される。
【００２４】
金属基体２４は、チタン（Ｔｉ）で成形されることが好ましい。チタンは、機械的強度が高く、その表面に安定な酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）からなる不働態膜等の不活性皮膜が形成されるため、優れた耐食性を有するからである。ここで、チタンには、純チタンだけでなく、チタン合金も含まれる。勿論、他の条件次第では、金属基体２４には、チタンに限定されることなく、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料を用いることができる。ステンレス鋼には、ニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）等が含有されており、このような含有成分が溶出する可能性があるが、表面に安定な酸化物（ＣｒＯ2、ＣｒＯ、Ｃｒ2Ｏ3等）からなる不働態膜等の不活性皮膜が形成されるため耐食性に優れるからである。金属基体２４は、例えば、チタンシート等をガス流路または冷却水流路を形成するため凹凸状に加工して成形される。勿論、金属基体２４の形状は、凹凸状に限定されることはない。
【００２５】
導電性被膜３０は、導電性を有し、金属基体２４の表面に被覆される。導電性被膜３０を、例えば、ガス拡散層１６と接触する金属基体表面に被覆することにより、ガス拡散層１６とセパレータ２０との間の接触抵抗をより小さくすることができる。
【００２６】
導電性被膜３０は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の導電性粒子で形成されることが好ましい。これらの金属材料は、電気伝導率が高いので、接触抵抗をより小さくすることができるからである。これらの金属材料の中でも、金（Ａｕ）は、耐食性に優れており、電気伝導率が大きいので、導電性被膜３０を形成する金属材料としてより好ましい。また、導電性被膜３０は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の合金からなる導電性粒子で形成されてもよい。
【００２７】
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。導電性粒子の平均粒径が１ｎｍ以上であるのは、粒径が１ｎｍより小さい場合には、導電性粒子の形成が難しく、セパレータ２０の製造コストが高くなるからである。導電性粒子の粒径が１００ｎｍ以下であるのは、粒径が１００ｎｍより大きい場合には、導電性粒子と金属基体２４との接触面積低下等により、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性が低下するからである。また、粒径が１００ｎｍより大きい場合には、金（Ａｕ）等の使用量が多くなり、セパレータ２０の製造コストが高くなるからである。
【００２８】
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが更に好ましい。導電性粒子の平均粒径が１０ｎｍ以下の場合には、導電性粒子と金属基体２４との接触面積増加等により、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性がより向上し、導電性粒子の粒径が５ｎｍ以下の場合には、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性が更に向上するからである。また、導電性粒子の粒径が１０ｎｍ以下の場合には、金属基体表面をより緻密に被覆することができるので、金属基体表面を被覆する被覆率（金属基体表面の単位面積当たりにおける導電性粒子が付着した面積の割合）がより高くなるからである。
【００２９】
ここで、導電性粒子の粒径は、例えば、各々粒子の最大粒径とすることができる。勿論、導電性粒子の粒径は、各々粒子の平均粒径としてもよい。また、導電性粒子の粒径は、例えば、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope;TEM）や走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope;SEM）等で測定することができる。勿論、導電性粒子の粒径測定方法には、上記方法に限定されることなく、他の方法を用いてもよい。
【００３０】
チタンで成形された金属基体２４と、導電性被膜３０との間には、酸化物層４２を設けることが好ましい。図３は、金属基体２４と導電性被膜３０との間に酸化物層４２を設けた燃料電池用セパレータ４０を示す図である。金属基体２４と導電性被膜３０との間に酸化物層４２を設けることにより、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性を更に向上させることができる。ここで、酸化物層４２は、チタンの酸化物であるチタン酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）で形成されることが好ましい。図４は、純チタンで成形した金属基体２４と金（Ａｕ）被膜との間にチタン酸化物層４２を設けた燃料電池用セパレータ４０の断面におけるＴＥＭ写真である。金属基体２４の表面が酸化されて生成したチタン酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）を酸化物層４２とすることにより、金属基体２４と酸化物層４２との密着性が向上するからである。また、チタン酸化物層４２の厚みは、５ｎｍから２００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
次に、燃料電池用セパレータ２０の製造方法について説明する。
【００３２】
図５は、燃料電池用セパレータ２０の製造方法を示すフローチャートである。燃料電池用セパレータ２０の製造方法は、金属基体成形工程（Ｓ１０）と、前処理工程（Ｓ１２）と、コーティング工程（Ｓ１４）と、熱処理工程（Ｓ１６）とを含んで構成される。
【００３３】
金属基体成形工程（Ｓ１０）は、チタン等の金属材料で金属基体２４を成形する工程である。金属基体２４の成形は、一般的な、切削加工等の機械加工またはプレス加工等の塑性加工により行うことができる。勿論、金属基体２４の成形は、上記加工方法に限定されることはない。
【００３４】
前処理工程（Ｓ１２）は、チタン等で成形された金属基体２４を脱脂処理または酸洗処理して前処理する工程である。金属基体２４を脱脂することにより、金属基体表面に付着した油等を除去することができる。脱脂処理は、アルカリ脱脂やアルカリ電解脱脂等で行うことができる。金属基体２４は、脱脂後、金属基体表面に付着した酸化物等を除去するために酸洗処理される。酸洗処理は、例えば、硝酸とフッ化水素酸とを混合した硝ふっ酸液に金属基体２４を浸漬させて行われる。なお、金属基体表面に所定膜厚のチタン酸化物等からなる酸化物層４２を設ける場合には、酸化物を残すため酸洗処理時間を短縮等して調整される。勿論、金属基体２４の脱脂処理または酸洗処理は、上記処理方法に限定されることなく、他の処理方法で行ってもよい。
【００３５】
コーティング工程（Ｓ１４）は、前処理された金属基体２４に、金（Ａｕ）等の導電性被膜３０をコーティングする工程である。金（Ａｕ）粒子等のコーティングには、例えば、電解めっき法を用いることができる。電解めっき法には、一般的な、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の電解めっき法が用いられる。例えば、導電性被膜３０として金（Ａｕ）被膜を金属基体表面に被覆する場合には、シアン化金カリウム等を含む金めっき浴を使用することができ、銀（Ａｇ）被膜を金属基体表面に被覆する場合には、シアン化銀等を含む銀めっき浴を使用することができる。また、導電性被膜３０を形成する金（Ａｕ）粒子等の導電性粒子の粒径は、電流密度、めっき処理時間、スズ（Ｓｎ），タンタル（Ｔａ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ）系材料等の添加剤等で制御される。
【００３６】
また、導電性被膜３０のコーティング手段には、上述した電解めっき法に限定されることなく、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、塗布法、インクジェット法等の他のコーティング手段を用いてもよい。物理蒸着法（ＰＶＤ法）では、スパッタリング法、イオンプレーティング法等で金（Ａｕ）等をコーティングすることができる。塗布法では、金（Ａｕ）等の粒子を有機溶剤等のバインダー中に分散させてスラリーを作製し、金（Ａｕ）等の粒子が分散したスラリーを塗布してコーティングすることができる。また、インクジェット法の場合には、金（Ａｕ）等の粒子を分散させたインクを用いて金属基体表面の所定位置にコーティングすることができる。
【００３７】
熱処理工程（Ｓ１６）は、金（Ａｕ）等の導電性被膜３０が形成された金属基体２４を熱処理する工程である。熱処理は、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性をより向上させる場合に行うことができる。金（Ａｕ）等の導電性被膜３０が形成された金属基体２４を、所定の温度で熱処理することにより、金属基体２４の金属と金（Ａｕ）等とが相互拡散し、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性が向上する。例えば、金属基体２４がチタン（Ｔｉ）で成形される場合には、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）等とが相互拡散し、チタンで成形された金属基体２４と金（Ａｕ）等の導電性被膜３０との密着性が向上する。
【００３８】
なお、上記構成では、凹凸状の燃料電池用セパレータ２０を用いた単セル１０について説明したが、単セルに用いられる燃料電池用セパレータは、凹凸状に限定されることなく、他の形状でもよい。図６は、燃料電池の単セル５０の断面を示す図である。なお、同様な要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。単セル５０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６と、ガス流路や冷却水流路等を形成する流路形成部材５２と、セパレータ６０とを含んで構成される。なお、流路形成部材５２には、チタンやステンレス鋼等を基材とした多孔体金属やエキスパンド金属等が使用される。
【００３９】
図７は、燃料電池用セパレータ６０における流路形成部材５２と対向する面を示す図である。セパレータ６０には、シート状の金属基体６２が使用される。そして、金属基体６２における流路形成部材５２と対向する面には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等からなる導電性被膜３０が設けられる。それにより、セパレータ６０と流路形成部材５２との間の接触抵抗の増加を抑え、導電性の低下が抑制される。
【００４０】
以上、上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜に含まれる導電性粒子の平均粒径を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより、これより大きい粒径の導電性粒子で被覆する場合よりも金属基体との接触面積が大きくなり、導電性被膜の密着性が向上する。また、金属基体表面をより緻密に被覆することができるので、金属基体表面の被覆率が向上する。更に、金（Ａｕ）等の使用量が少なくなり、燃料電池用セパレータの製造コストを抑えることができる。
【００４１】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜に含まれる導電性粒子の平均粒径を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることにより、導電性被膜の密着性、金属基体表面への被覆率をより向上させ、燃料電池用セパレータの製造コストをより抑えることができる。
【００４２】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜を金（Ａｕ）で形成することにより、導電性被膜の耐食性を更に高めて、接触抵抗をより低減することができる。
【００４３】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、金属基体と導電性被膜との間にチタン酸化物等で形成される酸化物層を設けることにより、導電性被膜の密着性をより向上させることができる。
【実施例】
【００４４】
金（Ａｕ）粒子を含む導電性被膜を、チタンで成形された金属基体表面に被覆して燃料電池用セパレータを製造し、導電性被膜の密着性等を評価した。
【００４５】
まず、密着性等の評価に使用した燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。燃料電池用セパレータの製造方法は、図５のフローチャートに示す製造工程で行った。金属基体を成形する金属材料には、純チタンを用いた。そして、純チタンで成形されたチタン基体をアルカリ電解脱脂等で脱脂した後、酸洗して前処理した。
【００４６】
次に、前処理したチタン基体に、金（Ａｕ）の導電性被膜をコーティングした。金（Ａｕ）被膜のコーティング方法は、電解めっきにはリン酸浴を使用した。そして、金含有量を０．５ｇ／ｌから１０ｇ／ｌ、電流密度を０．０１Ａ／ｄｍ2から１０Ａ／ｄｍ2、めっき処理時間を１秒間から１０分間と変化させて、チタン基体に形成される金（Ａｕ）粒子の粒径を制御した。
【００４７】
ここで、金（Ａｕ）粒子の平均粒径は、実施例１のセパレータでは１ｎｍ、実施例２のセパレータでは５ｎｍ、実施例３のセパレータでは１０ｎｍ、実施例４のセパレータでは１００ｎｍ、比較例１のセパレータでは５００ｎｍ、比較例２のセパレータでは１０００ｎｍとした。チタン基体に金（Ａｕ）被膜をコーティングした後、各々セパレータを２６０℃、９０分間で熱処理した。
【００４８】
製造した燃料電池用セパレータについて、金（Ａｕ）被膜の密着性を評価した。金（Ａｕ）被膜の密着性は、碁盤目試験法（ＪＩＳ Ｋ ５４００）により行った。図８は、金（Ａｕ）被膜の密着性評価結果を示すグラフである。図８に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に剥離数を取り、各々の剥離数を棒グラフで示した。なお、剥離数は、マス目１００個当たりにおける剥離したマス目の数を示す。
【００４９】
金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の剥離は少なく、更に、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１０ｎｍである金（Ａｕ）被膜が形成された実施例１から実施例３のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の剥離がほとんど見られなかった。これに対して、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が形成された比較例１及び比較例２のセパレータでは、マス目１００個当たり５個以上が剥離した。これらのことから、実施例１から実施例４のセパレータでは、比較例１及び比較例２のセパレータよりも、金（Ａｕ）被膜の密着性が向上した。また、金（Ａｕ）粒子の粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例３のセパレータ、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例２のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の密着性がより向上した。
【００５０】
次に、金（Ａｕ）被膜の被覆性について評価した。金（Ａｕ）被膜の被覆性は、チタン基体に金（Ａｕ）被膜した各々セパレータを、ＳＥＭまたは金属顕微鏡等で観察することにより評価した。図９は、金（Ａｕ）被膜の被覆性評価結果を示すグラフである。図９に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に被覆率を取り、各々セパレータの被覆率を棒グラフで示した。なお、被覆率（％）は、チタン基体の単位面積あたりに対する金（Ａｕ）被膜された面積の割合で求めた。
【００５１】
金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータでは、被覆率は７０％以上であった。それに対して、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された比較例１及び比較例２のセパレータでは、被覆率が７０％未満であった。また、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１０ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例３のセパレータでは、被覆率８０％以上であり、金（Ａｕ）被膜の被覆性がより向上した。
【００５２】
次に、燃料電池用セパレータの接触抵抗について評価した。図１０は、セパレータにおける接触抵抗の測定方法を示す図である。金属治具７０にガス拡散層材７２を取り付けた後、２つのガス拡散層材７２の間に試験片７４である各々セパレータを挟み、所定の面圧を加えて密着させた。そして、１Ａの電流を所定時間流したときの導電性被膜または導電性薄膜層が設けられた面とガス拡散層材の面との間の電圧を測定し、セパレータとガス拡散層材７２との間の接触抵抗を求めた。
【００５３】
図１１は、セパレータにおける接触抵抗の測定結果を示すグラフである。図１１に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に接触抵抗値（ｍΩ・ｃｍ2）を取り、各々セパレータの接触抵抗値を棒グラフで示した。図１１に示すように、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータ、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された比較例１及び比較例２のセパレータのいずれのセパレータも接触抵抗値が目標値１０（ｍΩ・ｃｍ2）以下であった。このことから、いずれの燃料電池用セパレータも優れた導電性を示した。
【００５４】
次に、金（Ａｕ）被覆のコストについて評価した。金（Ａｕ）被覆のコストは、１ｎｍから１０００ｎｍの各々平均粒子径の金（Ａｕ）粒子をチタン基体表面に均一に積層したときの使用量を求めて算出した。図１２は、金（Ａｕ）被膜のコスト評価結果を示す図である。図１２に示すように、横軸に金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に金（Ａｕ）被覆のコストを取り、１ｎｍから１０００ｎｍの平均粒子径の金（Ａｕ）粒子を使用した場合のコストを棒グラフで示した。なお、金（Ａｕ）被覆のコストは、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径１ｎｍのコストを１として、各平均粒子径のコストを相対値で示した。
【００５５】
図１２から明らかなように、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである場合には、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである場合よりも低コストであった。また、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることにより、より低コストとなった。これらのことから、実施例１から実施例４のセパレータは、比較例１及び比較例２のセパレータよりも低コストで製造できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池の単セルの断面を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、燃料電池用セパレータの断面を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を設けた燃料電池用セパレータを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、純チタンで成形した金属基体と金（Ａｕ）被膜との間にチタン酸化物層を設けた燃料電池用セパレータの断面におけるＴＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施の形態において、燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の他の実施の形態において、燃料電池の単セルの断面を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態において、燃料電池用セパレータにおける流路形成部材と対向する面を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜の密着性評価結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜の被覆性評価結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態において、セパレータにおける接触抵抗の測定方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態において、セパレータにおける接触抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜のコスト評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、５０ 単セル、１２ 電解質膜、１４ 触媒層、１６ ガス拡散層、２０、４０、６０ セパレータ、２２ 膜電極接合体、２４、６２ 金属基体、３０ 導電性被膜、４２ 酸化物層、５２ 流路形成部材、７０ 金属治具、７２ ガス拡散層材、７４ 試験片。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池に係り、特に、金属材料で製造された燃料電池用セパレータ及びそれを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に、酸化剤ガスである空気中の酸素を電気化学反応させて、電気エネルギを作りだしている。そして、水素と酸素とが電気化学反応した結果、水が生成される。
【０００３】
燃料電池の種類には、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。このような固体高分子型の燃料電池は、移動体、例えば、車両等の動力源として用いられている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池は、複数の単セル、集電板、エンドプレート等を積層して組み立てられる。そして、燃料電池の単セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。ここで、燃料電池用セパレータは、金属材料またはカーボン材料等を機械加工等することにより製造される。
【０００５】
特許文献１には、チタン基材の表面に、金めっき部と非めっき部とを有し、この金めっき部が直径１００ｎｍ以下、１ｎｍ以上の島状でチタン基材の表面に点在している金めっき構造体及びこの金めっき構造体からなる燃料電池用セパレータが示されている。
【０００６】
特許文献２には、下地処理を施していないステンレス鋼板の表面に、金が面積率２．３〜９４％で被覆された燃料電池用金属製セパレータが示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７０８８号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料電池用セパレータをチタン等の金属材料で製造する場合には、一般的に、金（Ａｕ）等の電気伝導性の高い導電体をセパレータ表面に形成して、例えば、ガス拡散層等との間の接触抵抗を低減させている。しかし、チタン等の金属材料と、金（Ａｕ）等の導電体とは材料が異なるので、導電体で形成される導電性被膜の密着性が十分に得られない場合がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、表面に形成された導電性被膜の密着性をより向上させる燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、チタンで成形される金属基体と、表面に形成され、導電性を有する導電性被膜と、を備える燃料電池用セパレータであって、導電性被膜は、導電性粒子を含み、導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、導電性粒子は、金粒子であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、酸化物層は、チタン酸化物層であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、上記の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、導電体の粒径を制御することにより、表面に形成された導電性被膜の密着性をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、燃料電池の単セル１０の断面を示す図である。燃料電池の単セル１０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６と、セパレータ２０とを含んで構成される。このうち電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを一体化したものは、一般的に、膜電極接合体２２(Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ)と呼ばれている。
【００１９】
電解質膜１２は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜１２の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。
【００２０】
触媒層１４は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層１４は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。
【００２１】
ガス拡散層１６は、燃料ガスである、例えば、水素ガスと、酸化剤ガスである、例えば、空気とを触媒層１４に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層１６には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体２２は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを積層し、例えば、ヒートプレス等することにより製造することができる。
【００２２】
セパレータ２０は、膜電極接合体２２のガス拡散層１６に積層され、隣設する単セル（図示せず）における燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能を有している。また、セパレータ２０は、隣設する単セル（図示せず）を電気的に接続する機能を有している。セパレータ２０には、燃料ガスや酸化剤ガスが流れるガス流路や、単セル１０を冷却するＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）や冷却水等の冷却媒体を流す冷却媒体流路等が形成される。
【００２３】
図２は、燃料電池用セパレータ２０の断面を示す図である。セパレータ２０は、金属基体２４と、導電性被覆３０とを含んで構成される。
【００２４】
金属基体２４は、チタン（Ｔｉ）で成形されることが好ましい。チタンは、機械的強度が高く、その表面に安定な酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）からなる不働態膜等の不活性皮膜が形成されるため、優れた耐食性を有するからである。ここで、チタンには、純チタンだけでなく、チタン合金も含まれる。勿論、他の条件次第では、金属基体２４には、チタンに限定されることなく、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料を用いることができる。ステンレス鋼には、ニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）等が含有されており、このような含有成分が溶出する可能性があるが、表面に安定な酸化物（ＣｒＯ2、ＣｒＯ、Ｃｒ2Ｏ3等）からなる不働態膜等の不活性皮膜が形成されるため耐食性に優れるからである。金属基体２４は、例えば、チタンシート等をガス流路または冷却水流路を形成するため凹凸状に加工して成形される。勿論、金属基体２４の形状は、凹凸状に限定されることはない。
【００２５】
導電性被膜３０は、導電性を有し、金属基体２４の表面に被覆される。導電性被膜３０を、例えば、ガス拡散層１６と接触する金属基体表面に被覆することにより、ガス拡散層１６とセパレータ２０との間の接触抵抗をより小さくすることができる。
【００２６】
導電性被膜３０は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の導電性粒子で形成されることが好ましい。これらの金属材料は、電気伝導率が高いので、接触抵抗をより小さくすることができるからである。これらの金属材料の中でも、金（Ａｕ）は、耐食性に優れており、電気伝導率が大きいので、導電性被膜３０を形成する金属材料としてより好ましい。また、導電性被膜３０は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の合金からなる導電性粒子で形成されてもよい。
【００２７】
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。導電性粒子の平均粒径が１ｎｍ以上であるのは、粒径が１ｎｍより小さい場合には、導電性粒子の形成が難しく、セパレータ２０の製造コストが高くなるからである。導電性粒子の粒径が１００ｎｍ以下であるのは、粒径が１００ｎｍより大きい場合には、導電性粒子と金属基体２４との接触面積低下等により、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性が低下するからである。また、粒径が１００ｎｍより大きい場合には、金（Ａｕ）等の使用量が多くなり、セパレータ２０の製造コストが高くなるからである。
【００２８】
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが更に好ましい。導電性粒子の平均粒径が１０ｎｍ以下の場合には、導電性粒子と金属基体２４との接触面積増加等により、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性がより向上し、導電性粒子の粒径が５ｎｍ以下の場合には、導電性被膜３０と金属基体２４との密着性が更に向上するからである。また、導電性粒子の粒径が１０ｎｍ以下の場合には、金属基体表面をより緻密に被覆することができるので、金属基体表面を被覆する被覆率（金属基体表面の単位面積当たりにおける導電性粒子が付着した面積の割合）がより高くなるからである。
【００２９】
ここで、導電性粒子の粒径は、例えば、各々粒子の最大粒径とすることができる。勿論、導電性粒子の粒径は、各々粒子の平均粒径としてもよい。また、導電性粒子の粒径は、例えば、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope;TEM）や走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope;SEM）等で測定することができる。勿論、導電性粒子の粒径測定方法には、上記方法に限定されることなく、他の方法を用いてもよい。
【００３０】
チタンで成形された金属基体２４と、導電性被膜３０との間には、酸化物層４２を設けることが好ましい。図３は、金属基体２４と導電性被膜３０との間に酸化物層４２を設けた燃料電池用セパレータ４０を示す図である。金属基体２４と導電性被膜３０との間に酸化物層４２を設けることにより、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性を更に向上させることができる。ここで、酸化物層４２は、チタンの酸化物であるチタン酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）で形成されることが好ましい。図４は、純チタンで成形した金属基体２４と金（Ａｕ）被膜との間にチタン酸化物層４２を設けた燃料電池用セパレータ４０の断面におけるＴＥＭ写真である。金属基体２４の表面が酸化されて生成したチタン酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3，ＴｉＯ2等）を酸化物層４２とすることにより、金属基体２４と酸化物層４２との密着性が向上するからである。また、チタン酸化物層４２の厚みは、５ｎｍから２００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
次に、燃料電池用セパレータ２０の製造方法について説明する。
【００３２】
図５は、燃料電池用セパレータ２０の製造方法を示すフローチャートである。燃料電池用セパレータ２０の製造方法は、金属基体成形工程（Ｓ１０）と、前処理工程（Ｓ１２）と、コーティング工程（Ｓ１４）と、熱処理工程（Ｓ１６）とを含んで構成される。
【００３３】
金属基体成形工程（Ｓ１０）は、チタン等の金属材料で金属基体２４を成形する工程である。金属基体２４の成形は、一般的な、切削加工等の機械加工またはプレス加工等の塑性加工により行うことができる。勿論、金属基体２４の成形は、上記加工方法に限定されることはない。
【００３４】
前処理工程（Ｓ１２）は、チタン等で成形された金属基体２４を脱脂処理または酸洗処理して前処理する工程である。金属基体２４を脱脂することにより、金属基体表面に付着した油等を除去することができる。脱脂処理は、アルカリ脱脂やアルカリ電解脱脂等で行うことができる。金属基体２４は、脱脂後、金属基体表面に付着した酸化物等を除去するために酸洗処理される。酸洗処理は、例えば、硝酸とフッ化水素酸とを混合した硝ふっ酸液に金属基体２４を浸漬させて行われる。なお、金属基体表面に所定膜厚のチタン酸化物等からなる酸化物層４２を設ける場合には、酸化物を残すため酸洗処理時間を短縮等して調整される。勿論、金属基体２４の脱脂処理または酸洗処理は、上記処理方法に限定されることなく、他の処理方法で行ってもよい。
【００３５】
コーティング工程（Ｓ１４）は、前処理された金属基体２４に、金（Ａｕ）等の導電性被膜３０をコーティングする工程である。金（Ａｕ）粒子等のコーティングには、例えば、電解めっき法を用いることができる。電解めっき法には、一般的な、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の電解めっき法が用いられる。例えば、導電性被膜３０として金（Ａｕ）被膜を金属基体表面に被覆する場合には、シアン化金カリウム等を含む金めっき浴を使用することができ、銀（Ａｇ）被膜を金属基体表面に被覆する場合には、シアン化銀等を含む銀めっき浴を使用することができる。また、導電性被膜３０を形成する金（Ａｕ）粒子等の導電性粒子の粒径は、電流密度、めっき処理時間、スズ（Ｓｎ），タンタル（Ｔａ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ）系材料等の添加剤等で制御される。
【００３６】
また、導電性被膜３０のコーティング手段には、上述した電解めっき法に限定されることなく、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、塗布法、インクジェット法等の他のコーティング手段を用いてもよい。物理蒸着法（ＰＶＤ法）では、スパッタリング法、イオンプレーティング法等で金（Ａｕ）等をコーティングすることができる。塗布法では、金（Ａｕ）等の粒子を有機溶剤等のバインダー中に分散させてスラリーを作製し、金（Ａｕ）等の粒子が分散したスラリーを塗布してコーティングすることができる。また、インクジェット法の場合には、金（Ａｕ）等の粒子を分散させたインクを用いて金属基体表面の所定位置にコーティングすることができる。
【００３７】
熱処理工程（Ｓ１６）は、金（Ａｕ）等の導電性被膜３０が形成された金属基体２４を熱処理する工程である。熱処理は、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性をより向上させる場合に行うことができる。金（Ａｕ）等の導電性被膜３０が形成された金属基体２４を、所定の温度で熱処理することにより、金属基体２４の金属と金（Ａｕ）等とが相互拡散し、金属基体２４と導電性被膜３０との密着性が向上する。例えば、金属基体２４がチタン（Ｔｉ）で成形される場合には、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）等とが相互拡散し、チタンで成形された金属基体２４と金（Ａｕ）等の導電性被膜３０との密着性が向上する。
【００３８】
なお、上記構成では、凹凸状の燃料電池用セパレータ２０を用いた単セル１０について説明したが、単セルに用いられる燃料電池用セパレータは、凹凸状に限定されることなく、他の形状でもよい。図６は、燃料電池の単セル５０の断面を示す図である。なお、同様な要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。単セル５０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６と、ガス流路や冷却水流路等を形成する流路形成部材５２と、セパレータ６０とを含んで構成される。なお、流路形成部材５２には、チタンやステンレス鋼等を基材とした多孔体金属やエキスパンド金属等が使用される。
【００３９】
図７は、燃料電池用セパレータ６０における流路形成部材５２と対向する面を示す図である。セパレータ６０には、シート状の金属基体６２が使用される。そして、金属基体６２における流路形成部材５２と対向する面には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等からなる導電性被膜３０が設けられる。それにより、セパレータ６０と流路形成部材５２との間の接触抵抗の増加を抑え、導電性の低下が抑制される。
【００４０】
以上、上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜に含まれる導電性粒子の平均粒径を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより、これより大きい粒径の導電性粒子で被覆する場合よりも金属基体との接触面積が大きくなり、導電性被膜の密着性が向上する。また、金属基体表面をより緻密に被覆することができるので、金属基体表面の被覆率が向上する。更に、金（Ａｕ）等の使用量が少なくなり、燃料電池用セパレータの製造コストを抑えることができる。
【００４１】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜に含まれる導電性粒子の平均粒径を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることにより、導電性被膜の密着性、金属基体表面への被覆率をより向上させ、燃料電池用セパレータの製造コストをより抑えることができる。
【００４２】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、導電性被膜を金（Ａｕ）で形成することにより、導電性被膜の耐食性を更に高めて、接触抵抗をより低減することができる。
【００４３】
上記構成によれば、燃料電池用セパレータにおいて、金属基体と導電性被膜との間にチタン酸化物等で形成される酸化物層を設けることにより、導電性被膜の密着性をより向上させることができる。
【実施例】
【００４４】
金（Ａｕ）粒子を含む導電性被膜を、チタンで成形された金属基体表面に被覆して燃料電池用セパレータを製造し、導電性被膜の密着性等を評価した。
【００４５】
まず、密着性等の評価に使用した燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。燃料電池用セパレータの製造方法は、図５のフローチャートに示す製造工程で行った。金属基体を成形する金属材料には、純チタンを用いた。そして、純チタンで成形されたチタン基体をアルカリ電解脱脂等で脱脂した後、酸洗して前処理した。
【００４６】
次に、前処理したチタン基体に、金（Ａｕ）の導電性被膜をコーティングした。金（Ａｕ）被膜のコーティング方法は、電解めっきにはリン酸浴を使用した。そして、金含有量を０．５ｇ／ｌから１０ｇ／ｌ、電流密度を０．０１Ａ／ｄｍ2から１０Ａ／ｄｍ2、めっき処理時間を１秒間から１０分間と変化させて、チタン基体に形成される金（Ａｕ）粒子の粒径を制御した。
【００４７】
ここで、金（Ａｕ）粒子の平均粒径は、実施例１のセパレータでは１ｎｍ、実施例２のセパレータでは５ｎｍ、実施例３のセパレータでは１０ｎｍ、実施例４のセパレータでは１００ｎｍ、比較例１のセパレータでは５００ｎｍ、比較例２のセパレータでは１０００ｎｍとした。チタン基体に金（Ａｕ）被膜をコーティングした後、各々セパレータを２６０℃、９０分間で熱処理した。
【００４８】
製造した燃料電池用セパレータについて、金（Ａｕ）被膜の密着性を評価した。金（Ａｕ）被膜の密着性は、碁盤目試験法（ＪＩＳ Ｋ ５４００）により行った。図８は、金（Ａｕ）被膜の密着性評価結果を示すグラフである。図８に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に剥離数を取り、各々の剥離数を棒グラフで示した。なお、剥離数は、マス目１００個当たりにおける剥離したマス目の数を示す。
【００４９】
金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の剥離は少なく、更に、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１０ｎｍである金（Ａｕ）被膜が形成された実施例１から実施例３のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の剥離がほとんど見られなかった。これに対して、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が形成された比較例１及び比較例２のセパレータでは、マス目１００個当たり５個以上が剥離した。これらのことから、実施例１から実施例４のセパレータでは、比較例１及び比較例２のセパレータよりも、金（Ａｕ）被膜の密着性が向上した。また、金（Ａｕ）粒子の粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例３のセパレータ、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例２のセパレータでは、金（Ａｕ）被膜の密着性がより向上した。
【００５０】
次に、金（Ａｕ）被膜の被覆性について評価した。金（Ａｕ）被膜の被覆性は、チタン基体に金（Ａｕ）被膜した各々セパレータを、ＳＥＭまたは金属顕微鏡等で観察することにより評価した。図９は、金（Ａｕ）被膜の被覆性評価結果を示すグラフである。図９に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に被覆率を取り、各々セパレータの被覆率を棒グラフで示した。なお、被覆率（％）は、チタン基体の単位面積あたりに対する金（Ａｕ）被膜された面積の割合で求めた。
【００５１】
金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータでは、被覆率は７０％以上であった。それに対して、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された比較例１及び比較例２のセパレータでは、被覆率が７０％未満であった。また、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１０ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例３のセパレータでは、被覆率８０％以上であり、金（Ａｕ）被膜の被覆性がより向上した。
【００５２】
次に、燃料電池用セパレータの接触抵抗について評価した。図１０は、セパレータにおける接触抵抗の測定方法を示す図である。金属治具７０にガス拡散層材７２を取り付けた後、２つのガス拡散層材７２の間に試験片７４である各々セパレータを挟み、所定の面圧を加えて密着させた。そして、１Ａの電流を所定時間流したときの導電性被膜または導電性薄膜層が設けられた面とガス拡散層材の面との間の電圧を測定し、セパレータとガス拡散層材７２との間の接触抵抗を求めた。
【００５３】
図１１は、セパレータにおける接触抵抗の測定結果を示すグラフである。図１１に示すように、横軸に、各々セパレータ表面に被覆された金（Ａｕ）被膜を形成する金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に接触抵抗値（ｍΩ・ｃｍ2）を取り、各々セパレータの接触抵抗値を棒グラフで示した。図１１に示すように、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された実施例１から実施例４のセパレータ、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである金（Ａｕ）被膜が被覆された比較例１及び比較例２のセパレータのいずれのセパレータも接触抵抗値が目標値１０（ｍΩ・ｃｍ2）以下であった。このことから、いずれの燃料電池用セパレータも優れた導電性を示した。
【００５４】
次に、金（Ａｕ）被覆のコストについて評価した。金（Ａｕ）被覆のコストは、１ｎｍから１０００ｎｍの各々平均粒子径の金（Ａｕ）粒子をチタン基体表面に均一に積層したときの使用量を求めて算出した。図１２は、金（Ａｕ）被膜のコスト評価結果を示す図である。図１２に示すように、横軸に金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を取り、縦軸に金（Ａｕ）被覆のコストを取り、１ｎｍから１０００ｎｍの平均粒子径の金（Ａｕ）粒子を使用した場合のコストを棒グラフで示した。なお、金（Ａｕ）被覆のコストは、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径１ｎｍのコストを１として、各平均粒子径のコストを相対値で示した。
【００５５】
図１２から明らかなように、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が１ｎｍから１００ｎｍである場合には、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径が５００ｎｍ、１０００ｎｍである場合よりも低コストであった。また、金（Ａｕ）粒子の平均粒子径を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、更に、１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることにより、より低コストとなった。これらのことから、実施例１から実施例４のセパレータは、比較例１及び比較例２のセパレータよりも低コストで製造できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池の単セルの断面を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、燃料電池用セパレータの断面を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を設けた燃料電池用セパレータを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、純チタンで成形した金属基体と金（Ａｕ）被膜との間にチタン酸化物層を設けた燃料電池用セパレータの断面におけるＴＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施の形態において、燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の他の実施の形態において、燃料電池の単セルの断面を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態において、燃料電池用セパレータにおける流路形成部材と対向する面を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜の密着性評価結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜の被覆性評価結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態において、セパレータにおける接触抵抗の測定方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態において、セパレータにおける接触抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態において、金（Ａｕ）被膜のコスト評価結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、５０ 単セル、１２ 電解質膜、１４ 触媒層、１６ ガス拡散層、２０、４０、６０ セパレータ、２２ 膜電極接合体、２４、６２ 金属基体、３０ 導電性被膜、４２ 酸化物層、５２ 流路形成部材、７０ 金属治具、７２ ガス拡散層材、７４ 試験片。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンで成形される金属基体と、
表面に形成され、導電性を有する導電性被膜と、
を備える燃料電池用セパレータであって、
導電性被膜は、導電性粒子を含み、
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ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】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ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３】
請求項２に記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上５ｎｍ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４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子は、金粒子であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータであって、
金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池用セパレータであって、
酸化物層は、チタン酸化物層であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
チタンで成形される金属基体と、
表面に形成され、導電性を有する導電性被膜と、
を備える燃料電池用セパレータであって、
導電性被膜は、導電性粒子を含み、
導電性粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ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】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ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３】
請求項２に記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子の粒径は、１ｎｍ以上５ｎｍ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４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータであって、
導電性粒子は、金粒子であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータであって、
金属基体と導電性被膜との間に酸化物層を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池用セパレータであって、
酸化物層は、チタン酸化物層であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２７２６２（Ｐ２０１０−２７２６２Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８４５９５（Ｐ２００８−１８４５９５）
【出願日】平成２０年７月１６日（２００８．７．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１６日（２００８．７．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
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