燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法
【課題】本発明の目的は、耐腐食性と電気伝導度が優れている燃料電池用金属セパレータを提供することにある。
【解決手段】流路チャンネル１６が形成されている金属基材１５と、金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７とを含む。
【解決手段】流路チャンネル１６が形成されている金属基材１５と、金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に係り、特に、軽量であり、耐腐食性と電気伝導性に優れた燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関するものである。なお、電極接触面として、アノード面とカソード面を持つ二極式セパレータプレートが多く使われるが、以下では、アノード面とカソード面のうち、１面だけを抽象化し、‘セパレータ’と称して説明する。したがって、１面のみが請求項に記述されている場合も、二極式セパレータプレートのいずれか１面を技術範囲に含んでいる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素を燃料とし、酸素との化学反応エネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。このような燃料電池は、化石エネルギーを代替することができる清浄エネルギー源であって、単位電池の積層によってスタックを構成することにより、多様な定格出力を形成することができる長所を有し、小型リチウム電池に比べて４〜１０倍のエネルギー密度を示すので、小型及び移動用携帯電源として注目されている。
【０００３】
燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質型燃料電池（例えば、プロトン交換膜型）や直接酸化型燃料電池がある。直接酸化型燃料電池において、燃料としてメタノールを使用する場合は直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）という。
【０００４】
高分子電解質型燃料電池はエネルギー密度の大きく、出力が高いという長所を有しているが、水素ガスの取り扱いに注意しなければならず、燃料ガスの水素を生産するために、メタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とするという問題点がある。
【０００５】
これに反し、直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低いので常温で運転可能であり、特別な燃料改質装置を必要としないという長所がある。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、電極接合体とセパレータからなる単位セルが数個乃至数十個まで積層された構造を有する。電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を介してアノード（別名“燃料極”又は“酸化電極”という）とカソード（別名“空気極”又は“還元電極”という）が位置する構造を有する。
【０００７】
燃料電池で電気を発生させる原理は、燃料が燃料極であるアノードに供給されてアノードの触媒に吸着し、酸化され水素イオンと電子を生成して、この時に発生した電子は、外部回路を通って酸化極のカソードに到達し、水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに伝達される。カソードに酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオン、及び電子がカソードの触媒上で反応して、水を生成すると同時に電気を発生させる。
【０００８】
セパレータは、燃料と酸化剤を各々アノードとカソードに供給する役割、電流を収集する役割、燃料と酸化剤の直接接触による爆発、燃焼などの危険性を防止する役割を果たすために、気体透過率は低く、電気伝導性は優れていなければならない。
【０００９】
現在、セパレータの材料としては黒鉛が多く使用されており、特に、黒鉛を機械的粉砕法により微細化してマイクロメーター単位の大きさを有する粒子にし、これを高分子樹脂に混合して複合材料として用いている。
【００１０】
しかし、従来の方法では、所望の水準の電気伝導度を得るために数十重量％以上の黒鉛を使用しなければならないため、セパレータの材料自体の重量及び粘度が増加して攪拌及び成形が難しくなり、最終のセパレータ複合材料の強度及び耐久性、安定性も好ましい水準になり難い。
【００１１】
このような問題点を解決するために、黒鉛セパレータを代替するための金属セパレータに対する研究が進められてきた。金属セパレータは、エッチングによる加工が可能であり、低価格でありながらも強度が優れている長所を有する。しかし、金属及び合金系物質を燃料電池用セパレータとして用いる場合、一酸化炭素、酸素、及び各種の酸性雰囲気で金属の表面が腐食され、酸化被膜を形成するため、燃料電池の性能が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、耐腐食性と電気伝導度が優れている燃料電池用金属セパレータを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明のまた他の目的は、燃料電池用金属セパレータを含む燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述した目的を達成するために、本発明の燃料電池用金属セパレータは、流路チャンネルが形成されている金属基材と、金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜と、金属基材の流路チャンネルが形成された面と電気伝導性金属窒化物コーティング膜との間に形成される接着力増加用金属層とを含むことを要旨とする。
【００１６】
本発明の燃料電池用金属セパレータはまた、電気伝導性金属窒化物と金属とを混合形態に含み、流路チャンネルが形成されていることを要旨とする。
【００１７】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、金属基材の流路チャンネルが形成された面に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、接着力増加用金属層上に電気伝導性金属窒化物をコーティングする段階とを含むことを要旨とする。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、電気伝導性金属窒化物と金属粉末をバインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階とを含むことを要旨とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む電極接合体、及び電極接合体の両面に配置される金属セパレータを含むことを要旨とする。
【発明の効果】
【００２０】
従来品に比して、作動時間の増大に伴う出力電圧低下を軽減する硬化がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、大きく３種類の実施の形態に示すことができる。
【００２２】
図１は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。図示のように、本発明の第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０は、アノード面またはカソード面の流路チャンネル１６が形成されている金属基材１５、及び金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７を含む。この時、電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるのが好ましい。コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さの増加によるそれ以上の長所を得られない。
【００２３】
図２は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。図示のように、本発明の第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０は、第１の実施の形態における燃料電池用金属セパレータ１０の構造以外に、電気伝導性金属窒化物コーティング膜２７と金属基材２５の流路チャンネル２６が形成された面との間に、接着力増加のために接着力増加用金属層２８をさらに含む。
【００２４】
この時、接着力増加用金属層２８は、平均厚さが１０Å乃至１００００Åであるのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００２５】
第２の実施の形態の接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。クロムの酸化物は他の金属酸化物に比べて電気伝導度が優れているので、接触力増加の効果以外にも、酸化物形成の後にも電気伝導度の低下を防止することができるという長所がある。
【００２６】
図３は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。図３に示したように、本発明の第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０は、電気伝導性金属窒化物３７と金属３５を混合形態に含み、流路チャンネル３６が形成されていて、それ自体が燃料電池用金属セパレータを成している。例えば、所定の形状に金属粉と電気伝導性金属窒化物粉末の混合物を焼結したような物であり、両粉末とバインダの混合物を塗布し固化させてもよい。この時、電気伝導性金属窒化物３７と金属３５の含量比は、重量比で２０：８０乃至８０：２０であるのが好ましい。電気伝導性金属窒化物と金属の含量比が重量比で２０：８０未満であると耐腐食性が落ち、８０：２０を超えると電気伝導度が低下する。
【００２７】
第１乃至第３の実施の形態において、最終的に形成された流路チャンネル１６、２６、３６は必要に応じて多様な模様に成形加工できるが、深さが２０００μｍ以下、幅が３０００μｍ以下であるのが好ましく、深さが４００乃至１０００μｍ、幅が５００乃至１５００μｍであるのがさらに好ましい。深さが２０００μｍを超えたり幅が３０００μｍを超えると、燃料電池の小型化が難しくなる。
【００２８】
本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に使用される電気伝導性金属窒化物３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている金属窒化物である。
【００２９】
電気伝導性金属窒化物３７は、１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超える場合には、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００３０】
電気伝導性金属窒化物３７はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。電気伝導性金属窒化物３７の電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００３１】
このような物性を有する電気伝導性金属窒化物３７は、通常金属セパレータに使用される金属であり、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステインレススチルからなる群より選択される１種以上の金属または２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上のものである。
【００３２】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０を構成する金属基材１５、２５は、通常金属セパレータに使用される金属を含み、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含む。
【００３３】
第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０は、金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面に電気伝導性金属窒化物３７をスラリーコーティングして製造することができる。
【００３４】
この時、電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるのが好ましい。電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さ増加によるそれ以上の長所を得られない。
【００３５】
電気伝導性金属窒化物３７のコーティング法としては、スピンコーティング、スプレー噴射、又はウォッシュコート方法のような通常のスラリーコーティング方法を含む。スラリーコーティング方法は通常よく知られている技術であるので、本発明では詳細な説明を省略する。
【００３６】
また、第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０を製造する方法は、第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０における電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７と金属基材１５の接着性を増加させるために、電気伝導性金属窒化物コーティング膜２７のスラリーコーティングをする前に、接着力増加用金属層２８をコーティングする段階をさらに含む。
【００３７】
この時、接着力増加用金属層２８は、通常の真空蒸着法又はスピンコーティング、スプレー噴射、又はウォッシュコート方法などのスラリーコーティング法によりコーティングすることができ、平均厚さが１０Å乃至１００００Åになるようにコーティングするのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００３８】
接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、又はクロムなどより選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。
【００３９】
第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０を製造する方法は、電気伝導性金属窒化物３７と金属粉末３５をバインダーが溶解された有機溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階を含む。
【００４０】
この時、電気伝導性金属窒化物３７と金属粉末３５は、２０：８０乃至８０：２０の重量比で混合されるのが好ましい。また、スラリーの製造に使用される有機溶媒及びバインダーは、通常のスラリーコーティング用バインダー及び有機溶媒の中で一つ以上を選択して用いることができ、特には限定されない。
【００４１】
第１乃至第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に使用される電気伝導性金属窒化物３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている電気伝導性金属窒化物を使用することができる。
【００４２】
電気伝導性金属窒化物３７は１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超えると、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００４３】
電気伝導性金属窒化物３７はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。電気伝導性金属窒化物３７の電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００４４】
このような物性を有する電気伝導性金属窒化物３７は、通常金属セパレータに使用される金属であり、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金であり、より好ましくは窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上のものである。
【００４５】
また、第１乃至第３の実施の形態の製造に使用される金属基材１５、２５又は金属粉末３５としては、一般的に金属セパレータの材料として使用される金属を用いることができ、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を使用することができる。
【００４６】
本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０は、いずれか特定の構造の燃料電池に限定されず、多様な形態の燃料電池に用いることができ、好ましくは、高分子電解質型燃料電池又は直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）に用いられることができる。
【００４７】
図４は、本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。ただし、本発明の燃料電池のスタックが図４の形態にのみ限られるわけではない。
【００４８】
図４を参照すれば、本発明の燃料電池スタック４０は、高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む膜−電極接合体４１、及び膜−電極接合体の両面に配置されるセパレータ４２あるいは本発明のセパレータ構造を有する二極式セパレータプレートを含む。
【００４９】
膜−電極接合体４１は、燃料中に存在する水素と空気中の酸素を酸化/還元させて電気を発生させる部分に相当し、セパレータ４２は、燃料と空気を電極接合体に供給する役割を果たす。
【００５０】
膜−電極接合体４１は、燃料電池用電解質膜、電解質膜の一面に形成されるカソード触媒層、電解質膜の他の一面に形成されるアノード触媒層、並びにカソード触媒層及びアノード触媒層の外側面に接して形成される気体拡散層を含むのが好ましく、必要に応じて、カソード触媒層及びアノード触媒層と気体拡散層との間に微細気孔層をさらに含むこともできる。
【００５１】
膜−電極接合体４１は、両側面を成すアノードとカソード触媒層との間に電解質膜が介された構造を有する。
【００５２】
アノードは、セパレータ４２を通して燃料の供給を受ける部分であって、電子と水素イオンに変換させる触媒層と、燃料の円滑な移動のための気体拡散層とを含む。
【００５３】
また、カソードは、セパレータ４２を通して酸化剤の供給を受ける部分であって、還元反応により水を生成する触媒層と、酸化剤の円滑な移動のための気体拡散層とを含む。そして、電解質膜は、厚さが５０〜２００μｍであるポリマー電解質であって、アノードの触媒層で生成された水素イオンをカソードの触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
【００５４】
セパレータ４２は、膜−電極接合体４１のアノードとカソードとを直列に接続させる伝導体の機能を有する。また、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な燃料と酸化剤をアノードとカソードに供給する通路の機能も有する。このために、セパレータ４２の表面には、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な反応物を供給する流路チャンネルが形成される。
【００５５】
より具体的に、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１を隔ててその両側に各々配置されて、 膜−電極接合体４１のアノード及びカソードに密着する。
【００５６】
以下では、本発明の好ましい実施例を記載する。ただし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎないものであって、本発明が下記の実施例によって限られるわけではない。
【００５７】
［実施例］
（実施例１）
（窒化チタン（ＴｉＮ）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＮスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００５８】
また、ポリ（過フッ化スルホン酸）高分子電解質膜の両面に、白金触媒を含む電極が形成された燃料電池用電極接合体を用意し、燃料電池用金属セパレータを電極接合体の両面に配置し、組立てて燃料電池を製造した。
【００５９】
（実施例２）
（窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.６、ｙ＝０.４）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉ０.６Ａｌ０.４Ｎ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉ０.６Ａｌ０.４Ｎスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６０】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６１】
（実施例３）
（窒化チタン（ＴｉＮ）スラリーコーティング膜と接着力増加用金属層とを含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーをステンレススチール金属基材の接着力増加用金属層上に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＮスラリーコーティング膜と接着力増加用金属層とを含む燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６２】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６３】
（実施例４）
（窒化チタン（ＴｉＮ）と金属が混合された燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇとステンレススチール粉末５０ｇを混合して金属セパレータ製造用スラリーを製造した。スラリーを、流路チャンネル模様が形成された鋳型に注ぎ、乾燥して、ＴｉＮとステンレススチールが混合された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６４】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６５】
（比較例１）
（燃料電池用ステンレススチールセパレータ）
流路チャンネルが形成された燃料電池用ステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材をセパレータとして用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６６】
実施例１及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性を測定して、その結果を図５に示した。
【００６７】
図５に示されたように、本発明の実施例１によって製造された燃料電池用金属セパレータは耐腐食性及び電気伝導度が優れていて、これを含む燃料電池は、作動時間による電圧維持効果が優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図２】接着力増加用金属層をさらに含む本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。
【図５】実施例１及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性グラフである。
【符号の説明】
【００６９】
４０ 燃料電池スタック
４１ 膜−電極接合体
１０、２０、３０、４２ 燃料電池用金属セパレータ
１５、２５ 金属基材
３５ 金属粉末
１６、２６、３６ 流路チャンネル
１７、２７ 電気伝導性金属窒化物コーティング膜
３７ 電気伝導性金属窒化物
２８ 接着力増加用金属層
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に係り、特に、軽量であり、耐腐食性と電気伝導性に優れた燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関するものである。なお、電極接触面として、アノード面とカソード面を持つ二極式セパレータプレートが多く使われるが、以下では、アノード面とカソード面のうち、１面だけを抽象化し、‘セパレータ’と称して説明する。したがって、１面のみが請求項に記述されている場合も、二極式セパレータプレートのいずれか１面を技術範囲に含んでいる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素を燃料とし、酸素との化学反応エネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。このような燃料電池は、化石エネルギーを代替することができる清浄エネルギー源であって、単位電池の積層によってスタックを構成することにより、多様な定格出力を形成することができる長所を有し、小型リチウム電池に比べて４〜１０倍のエネルギー密度を示すので、小型及び移動用携帯電源として注目されている。
【０００３】
燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質型燃料電池（例えば、プロトン交換膜型）や直接酸化型燃料電池がある。直接酸化型燃料電池において、燃料としてメタノールを使用する場合は直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）という。
【０００４】
高分子電解質型燃料電池はエネルギー密度の大きく、出力が高いという長所を有しているが、水素ガスの取り扱いに注意しなければならず、燃料ガスの水素を生産するために、メタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とするという問題点がある。
【０００５】
これに反し、直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低いので常温で運転可能であり、特別な燃料改質装置を必要としないという長所がある。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、電極接合体とセパレータからなる単位セルが数個乃至数十個まで積層された構造を有する。電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を介してアノード（別名“燃料極”又は“酸化電極”という）とカソード（別名“空気極”又は“還元電極”という）が位置する構造を有する。
【０００７】
燃料電池で電気を発生させる原理は、燃料が燃料極であるアノードに供給されてアノードの触媒に吸着し、酸化され水素イオンと電子を生成して、この時に発生した電子は、外部回路を通って酸化極のカソードに到達し、水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに伝達される。カソードに酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオン、及び電子がカソードの触媒上で反応して、水を生成すると同時に電気を発生させる。
【０００８】
セパレータは、燃料と酸化剤を各々アノードとカソードに供給する役割、電流を収集する役割、燃料と酸化剤の直接接触による爆発、燃焼などの危険性を防止する役割を果たすために、気体透過率は低く、電気伝導性は優れていなければならない。
【０００９】
現在、セパレータの材料としては黒鉛が多く使用されており、特に、黒鉛を機械的粉砕法により微細化してマイクロメーター単位の大きさを有する粒子にし、これを高分子樹脂に混合して複合材料として用いている。
【００１０】
しかし、従来の方法では、所望の水準の電気伝導度を得るために数十重量％以上の黒鉛を使用しなければならないため、セパレータの材料自体の重量及び粘度が増加して攪拌及び成形が難しくなり、最終のセパレータ複合材料の強度及び耐久性、安定性も好ましい水準になり難い。
【００１１】
このような問題点を解決するために、黒鉛セパレータを代替するための金属セパレータに対する研究が進められてきた。金属セパレータは、エッチングによる加工が可能であり、低価格でありながらも強度が優れている長所を有する。しかし、金属及び合金系物質を燃料電池用セパレータとして用いる場合、一酸化炭素、酸素、及び各種の酸性雰囲気で金属の表面が腐食され、酸化被膜を形成するため、燃料電池の性能が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、耐腐食性と電気伝導度が優れている燃料電池用金属セパレータを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明のまた他の目的は、燃料電池用金属セパレータを含む燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述した目的を達成するために、本発明の燃料電池用金属セパレータは、流路チャンネルが形成されている金属基材と、金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜と、金属基材の流路チャンネルが形成された面と電気伝導性金属窒化物コーティング膜との間に形成される接着力増加用金属層とを含むことを要旨とする。
【００１６】
本発明の燃料電池用金属セパレータはまた、電気伝導性金属窒化物と金属とを混合形態に含み、流路チャンネルが形成されていることを要旨とする。
【００１７】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、金属基材の流路チャンネルが形成された面に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、接着力増加用金属層上に電気伝導性金属窒化物をコーティングする段階とを含むことを要旨とする。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、電気伝導性金属窒化物と金属粉末をバインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階とを含むことを要旨とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む電極接合体、及び電極接合体の両面に配置される金属セパレータを含むことを要旨とする。
【発明の効果】
【００２０】
従来品に比して、作動時間の増大に伴う出力電圧低下を軽減する硬化がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、大きく３種類の実施の形態に示すことができる。
【００２２】
図１は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。図示のように、本発明の第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０は、アノード面またはカソード面の流路チャンネル１６が形成されている金属基材１５、及び金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７を含む。この時、電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるのが好ましい。コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さの増加によるそれ以上の長所を得られない。
【００２３】
図２は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。図示のように、本発明の第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０は、第１の実施の形態における燃料電池用金属セパレータ１０の構造以外に、電気伝導性金属窒化物コーティング膜２７と金属基材２５の流路チャンネル２６が形成された面との間に、接着力増加のために接着力増加用金属層２８をさらに含む。
【００２４】
この時、接着力増加用金属層２８は、平均厚さが１０Å乃至１００００Åであるのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００２５】
第２の実施の形態の接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。クロムの酸化物は他の金属酸化物に比べて電気伝導度が優れているので、接触力増加の効果以外にも、酸化物形成の後にも電気伝導度の低下を防止することができるという長所がある。
【００２６】
図３は、本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。図３に示したように、本発明の第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０は、電気伝導性金属窒化物３７と金属３５を混合形態に含み、流路チャンネル３６が形成されていて、それ自体が燃料電池用金属セパレータを成している。例えば、所定の形状に金属粉と電気伝導性金属窒化物粉末の混合物を焼結したような物であり、両粉末とバインダの混合物を塗布し固化させてもよい。この時、電気伝導性金属窒化物３７と金属３５の含量比は、重量比で２０：８０乃至８０：２０であるのが好ましい。電気伝導性金属窒化物と金属の含量比が重量比で２０：８０未満であると耐腐食性が落ち、８０：２０を超えると電気伝導度が低下する。
【００２７】
第１乃至第３の実施の形態において、最終的に形成された流路チャンネル１６、２６、３６は必要に応じて多様な模様に成形加工できるが、深さが２０００μｍ以下、幅が３０００μｍ以下であるのが好ましく、深さが４００乃至１０００μｍ、幅が５００乃至１５００μｍであるのがさらに好ましい。深さが２０００μｍを超えたり幅が３０００μｍを超えると、燃料電池の小型化が難しくなる。
【００２８】
本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に使用される電気伝導性金属窒化物３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている金属窒化物である。
【００２９】
電気伝導性金属窒化物３７は、１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超える場合には、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００３０】
電気伝導性金属窒化物３７はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。電気伝導性金属窒化物３７の電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００３１】
このような物性を有する電気伝導性金属窒化物３７は、通常金属セパレータに使用される金属であり、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステインレススチルからなる群より選択される１種以上の金属または２種以上の金属の合金であり、より好ましくは、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上のものである。
【００３２】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０を構成する金属基材１５、２５は、通常金属セパレータに使用される金属を含み、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含む。
【００３３】
第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０は、金属基材１５の流路チャンネル１６が形成された面に電気伝導性金属窒化物３７をスラリーコーティングして製造することができる。
【００３４】
この時、電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるのが好ましい。電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７の厚さが０.１μｍ未満であると腐食防止効果が充分でなく、１００μｍを超えると、厚さ増加によるそれ以上の長所を得られない。
【００３５】
電気伝導性金属窒化物３７のコーティング法としては、スピンコーティング、スプレー噴射、又はウォッシュコート方法のような通常のスラリーコーティング方法を含む。スラリーコーティング方法は通常よく知られている技術であるので、本発明では詳細な説明を省略する。
【００３６】
また、第２の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ２０を製造する方法は、第１の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０における電気伝導性金属窒化物コーティング膜１７と金属基材１５の接着性を増加させるために、電気伝導性金属窒化物コーティング膜２７のスラリーコーティングをする前に、接着力増加用金属層２８をコーティングする段階をさらに含む。
【００３７】
この時、接着力増加用金属層２８は、通常の真空蒸着法又はスピンコーティング、スプレー噴射、又はウォッシュコート方法などのスラリーコーティング法によりコーティングすることができ、平均厚さが１０Å乃至１００００Åになるようにコーティングするのが好ましい。接着力増加用金属層２８の平均厚さが１０Å未満であると接着力が充分でなく、１００００Åを超えると、それ以上の接着力増加の効果が現れない。
【００３８】
接着力増加用金属層２８に使用される金属の好ましい例としては、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、又はクロムなどより選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金などが挙げられ、その中でもクロムが最も好ましい。
【００３９】
第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ３０を製造する方法は、電気伝導性金属窒化物３７と金属粉末３５をバインダーが溶解された有機溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階を含む。
【００４０】
この時、電気伝導性金属窒化物３７と金属粉末３５は、２０：８０乃至８０：２０の重量比で混合されるのが好ましい。また、スラリーの製造に使用される有機溶媒及びバインダーは、通常のスラリーコーティング用バインダー及び有機溶媒の中で一つ以上を選択して用いることができ、特には限定されない。
【００４１】
第１乃至第３の実施の形態による燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０に使用される電気伝導性金属窒化物３７は、耐腐食性と電気伝導度が優れている電気伝導性金属窒化物を使用することができる。
【００４２】
電気伝導性金属窒化物３７は１６μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのが好ましく、１０μＡ/ｃｍ２以下の腐食性を有するのがさらに好ましく、腐食性が０μＡ/ｃｍ２であるのが最も好ましい。腐食性を示す数値は、金属の腐食過程で発生する電流の量を示すものであって、腐食性が０である場合には金属の腐食が発生しないので最も好ましく、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２を超えると、電気伝導度が落ちるので好ましくない。
【００４３】
電気伝導性金属窒化物３７はまた、１００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのが好ましく、２００Ｓ/ｃｍ以上の電気伝導度を有するのがさらに好ましく、２００Ｓ/ｃｍ乃至１０５Ｓ/ｃｍの電気伝導度を有するのが最も好ましい。電気伝導性金属窒化物３７の電気伝導度が１００Ｓ/ｃｍ未満であると、燃料電池用金属セパレータとしての性能を発揮することができない。
【００４４】
このような物性を有する電気伝導性金属窒化物３７は、通常金属セパレータに使用される金属であり、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金であり、より好ましくは窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上のものである。
【００４５】
また、第１乃至第３の実施の形態の製造に使用される金属基材１５、２５又は金属粉末３５としては、一般的に金属セパレータの材料として使用される金属を用いることができ、好ましくは、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、インジウム及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属、又は２種以上の金属の合金を使用することができる。
【００４６】
本発明の燃料電池用金属セパレータ１０、２０、３０は、いずれか特定の構造の燃料電池に限定されず、多様な形態の燃料電池に用いることができ、好ましくは、高分子電解質型燃料電池又は直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）に用いられることができる。
【００４７】
図４は、本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。ただし、本発明の燃料電池のスタックが図４の形態にのみ限られるわけではない。
【００４８】
図４を参照すれば、本発明の燃料電池スタック４０は、高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に配置される燃料電池用電極とを含む膜−電極接合体４１、及び膜−電極接合体の両面に配置されるセパレータ４２あるいは本発明のセパレータ構造を有する二極式セパレータプレートを含む。
【００４９】
膜−電極接合体４１は、燃料中に存在する水素と空気中の酸素を酸化/還元させて電気を発生させる部分に相当し、セパレータ４２は、燃料と空気を電極接合体に供給する役割を果たす。
【００５０】
膜−電極接合体４１は、燃料電池用電解質膜、電解質膜の一面に形成されるカソード触媒層、電解質膜の他の一面に形成されるアノード触媒層、並びにカソード触媒層及びアノード触媒層の外側面に接して形成される気体拡散層を含むのが好ましく、必要に応じて、カソード触媒層及びアノード触媒層と気体拡散層との間に微細気孔層をさらに含むこともできる。
【００５１】
膜−電極接合体４１は、両側面を成すアノードとカソード触媒層との間に電解質膜が介された構造を有する。
【００５２】
アノードは、セパレータ４２を通して燃料の供給を受ける部分であって、電子と水素イオンに変換させる触媒層と、燃料の円滑な移動のための気体拡散層とを含む。
【００５３】
また、カソードは、セパレータ４２を通して酸化剤の供給を受ける部分であって、還元反応により水を生成する触媒層と、酸化剤の円滑な移動のための気体拡散層とを含む。そして、電解質膜は、厚さが５０〜２００μｍであるポリマー電解質であって、アノードの触媒層で生成された水素イオンをカソードの触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
【００５４】
セパレータ４２は、膜−電極接合体４１のアノードとカソードとを直列に接続させる伝導体の機能を有する。また、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な燃料と酸化剤をアノードとカソードに供給する通路の機能も有する。このために、セパレータ４２の表面には、膜−電極接合体４１の酸化/還元反応に必要な反応物を供給する流路チャンネルが形成される。
【００５５】
より具体的に、セパレータ４２は、膜−電極接合体４１を隔ててその両側に各々配置されて、 膜−電極接合体４１のアノード及びカソードに密着する。
【００５６】
以下では、本発明の好ましい実施例を記載する。ただし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎないものであって、本発明が下記の実施例によって限られるわけではない。
【００５７】
［実施例］
（実施例１）
（窒化チタン（ＴｉＮ）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＮスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００５８】
また、ポリ（過フッ化スルホン酸）高分子電解質膜の両面に、白金触媒を含む電極が形成された燃料電池用電極接合体を用意し、燃料電池用金属セパレータを電極接合体の両面に配置し、組立てて燃料電池を製造した。
【００５９】
（実施例２）
（窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.６、ｙ＝０.４）スラリーコーティング膜を含む燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉ０.６Ａｌ０.４Ｎ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーを、流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉ０.６Ａｌ０.４Ｎスラリーコーティング膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６０】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６１】
（実施例３）
（窒化チタン（ＴｉＮ）スラリーコーティング膜と接着力増加用金属層とを含む燃料電池用金属セパレータ）
流路チャンネルが形成されたステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材の流路チャンネルが形成された面にクロムをスパッタリングして、厚さ１００Åの接着力増加用金属層を形成させた後、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇを混合してコーティング用スラリーを製造し、コーティング用スラリーをステンレススチール金属基材の接着力増加用金属層上に塗布した後、乾燥して、１００μｍ厚さのＴｉＮスラリーコーティング膜と接着力増加用金属層とを含む燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６２】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６３】
（実施例４）
（窒化チタン（ＴｉＮ）と金属が混合された燃料電池用金属セパレータ）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）３.５ｇ、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）４８１.５ｇ、及びＴｉＮ５０ｇとステンレススチール粉末５０ｇを混合して金属セパレータ製造用スラリーを製造した。スラリーを、流路チャンネル模様が形成された鋳型に注ぎ、乾燥して、ＴｉＮとステンレススチールが混合された燃料電池用金属セパレータを製造した。
【００６４】
また、本実施例で製造された金属セパレータを使用したことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６５】
（比較例１）
（燃料電池用ステンレススチールセパレータ）
流路チャンネルが形成された燃料電池用ステンレススチール（３１６Ｌ）金属基材をセパレータとして用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で燃料電池を製造した。
【００６６】
実施例１及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性を測定して、その結果を図５に示した。
【００６７】
図５に示されたように、本発明の実施例１によって製造された燃料電池用金属セパレータは耐腐食性及び電気伝導度が優れていて、これを含む燃料電池は、作動時間による電圧維持効果が優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の燃料電池用金属セパレータの第１の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図２】接着力増加用金属層をさらに含む本発明の燃料電池用金属セパレータの第２の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用金属セパレータの第３の実施の形態を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの一例を示した分解斜視図である。
【図５】実施例１及び比較例１によって製造された燃料電池の作動時間による電圧特性グラフである。
【符号の説明】
【００６９】
４０ 燃料電池スタック
４１ 膜−電極接合体
１０、２０、３０、４２ 燃料電池用金属セパレータ
１５、２５ 金属基材
３５ 金属粉末
１６、２６、３６ 流路チャンネル
１７、２７ 電気伝導性金属窒化物コーティング膜
３７ 電気伝導性金属窒化物
２８ 接着力増加用金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路チャンネルが形成されている金属基材と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面と前記電気伝導性金属窒化物コーティング膜との間に形成される接着力増加用金属層
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記電気伝導性金属窒化物コーティング膜は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記接着力増加用金属層は、平均厚さが１０乃至１００００Åであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
前記接着力増加用金属層は、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
前記流路チャンネルの深さは２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項６】
前記流路チャンネルの深さは４００乃至１０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項７】
前記流路チャンネルの幅は３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項８】
前記流路チャンネルの幅は５００乃至１５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項９】
前記電気伝導性金属窒化物の電気伝導度は１００Ｓ/ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１０】
前記電気伝導性金属窒化物は、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１１】
前記電気伝導性金属窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上の電気伝導性金属窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１２】
前記金属基材は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１３】
電気伝導性金属窒化物と金属とを混合形態に含み、流路チャンネルが形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１４】
前記電気伝導性金属窒化物と前記金属の含量比は、重量比で２０：８０乃至８０：２０であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１５】
前記流路チャンネルの深さは２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１６】
前記流路チャンネルの深さは４００乃至１０００μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１７】
前記流路チャンネルの幅は３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１８】
前記流路チャンネルの幅は５００乃至１５００μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１９】
前記電気伝導性金属窒化物の電気伝導度は１００Ｓ/ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２０】
前記電気伝導性金属窒化物は、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２１】
前記電気伝導性金属窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上の電気伝導性金属窒化物であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２２】
前記金属は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２３】
金属基材の流路チャンネルが形成された面に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、
前記接着力増加用金属層上に電気伝導性金属窒化物をコーティングする段階
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２４】
前記接着力増加用金属層を、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金でコーティングすることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２５】
電気伝導性金属窒化物と金属粉末をバインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、
前記製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２６】
前記電気伝導性金属窒化物と前記金属粉末は、２０：８０乃至８０：２０の重量比で混合されることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項１】
流路チャンネルが形成されている金属基材と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面を覆ってスラリーコーティングされた電気伝導性金属窒化物コーティング膜と、
前記金属基材の流路チャンネルが形成された面と前記電気伝導性金属窒化物コーティング膜との間に形成される接着力増加用金属層
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記電気伝導性金属窒化物コーティング膜は、平均厚さが０.１乃至１００μｍであるであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記接着力増加用金属層は、平均厚さが１０乃至１００００Åであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
前記接着力増加用金属層は、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
前記流路チャンネルの深さは２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項６】
前記流路チャンネルの深さは４００乃至１０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項７】
前記流路チャンネルの幅は３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項８】
前記流路チャンネルの幅は５００乃至１５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項９】
前記電気伝導性金属窒化物の電気伝導度は１００Ｓ/ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１０】
前記電気伝導性金属窒化物は、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１１】
前記電気伝導性金属窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上の電気伝導性金属窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１２】
前記金属基材は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１３】
電気伝導性金属窒化物と金属とを混合形態に含み、流路チャンネルが形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１４】
前記電気伝導性金属窒化物と前記金属の含量比は、重量比で２０：８０乃至８０：２０であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１５】
前記流路チャンネルの深さは２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１６】
前記流路チャンネルの深さは４００乃至１０００μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１７】
前記流路チャンネルの幅は３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１８】
前記流路チャンネルの幅は５００乃至１５００μｍであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１９】
前記電気伝導性金属窒化物の電気伝導度は１００Ｓ/ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２０】
前記電気伝導性金属窒化物は、腐食性が１６μＡ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２１】
前記電気伝導性金属窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）、ホウ窒化チタン（ＴｉｍＢｎＮ：ｍ＝０.５〜０.７５、ｎ＝０.２５〜０.５）、及び窒化チタンアルミニウム（ＴｉｘＡｌｙＮ：ｘ＝０.５〜０.７５、ｙ＝０.２５〜０.５）からなる群より選択される１種以上の電気伝導性金属窒化物であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２２】
前記金属は、アルミニウム、チタン、ニオブ、クロム、錫、モリブデン、亜鉛、及びステンレススチールからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金を含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２３】
金属基材の流路チャンネルが形成された面に接着力増加用金属層をコーティングする段階と、
前記接着力増加用金属層上に電気伝導性金属窒化物をコーティングする段階
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２４】
前記接着力増加用金属層を、チタン、コバルト、ニッケル、モリブデン、及びクロムからなる群より選択される１種以上の金属又は２種以上の金属の合金でコーティングすることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２５】
電気伝導性金属窒化物と金属粉末をバインダーが溶解された溶媒に混合してセパレータ製造用スラリーを製造する段階と、
前記製造されたセパレータ製造用スラリーを鋳型に注いで乾燥して成形する段階
とを含むことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項２６】
前記電気伝導性金属窒化物と前記金属粉末は、２０：８０乃至８０：２０の重量比で混合されることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１５６３８５（Ｐ２００６−１５６３８５Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４０１５７（Ｐ２００５−３４０１５７）
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
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