JP2001357859A

JP2001357859A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2001357859A
Application number: JP2000177541A
Authority: JP
Inventors: Koretomo Ko; 云智高; Akira Kunimoto; 晃国元
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐食性を有する金属製燃料電池用セパ
レータを提供する。【解決手段】金属母材からなり、電極又は集電体との
接触面及び反応ガス通気溝を有し、該接触面上には金
属、酸化物、窒化物、炭化物又はカーボンを主成分とす
る導電性被膜が形成されており、その導電性被膜の構造
又は機能が金属母材との接触界面から電極又は集電体と
の接触界面の間で連続的に変化している燃料電池用セパ
レータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タに関し、特に自動車の動力用車載燃料電池に使用でき
るセパレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は燃料から電気へのエネルギー
変換効率が高く有害物質を排出しないため、次世代の発
電装置として注目されている。特に150℃以下の温度領
域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池は盛んに研
究されており、数年後の実用化が見込まれている。この
燃料電池は比較的低い温度で作動でき、発電の出力密度
が高く、小型化が可能であるため家庭用や車載用の燃料
電池として適している。

【０００３】高分子イオン交換膜型燃料電池は通常、固
体電解質膜の両面に燃料電極及び酸素電極（空気電極）
を固定して単電池（セル）を形成し、これを燃料ガスと
空気を供給する通気溝を設けた板状セパレータを介して
積層することにより構成される。一般に固体電解質膜と
してはスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜
等が用いられ、電極はカーボンブラックに撥水材PTFEと
貴金属微粒子触媒を分散したもの等により形成する。水
素−酸素燃料電池が作動する際には、水素ガスが酸化さ
れて生じたプロトンが電解質中に進入し水分子と結合し
てH₃O⁺となり、正極側に移動する。正極側では通気溝か
ら導入された酸素が水素の酸化反応により発生する電子
を得て、電解質中のプロトンと結合し水となる。これら
の反応過程を継続することにより電気エネルギーを連続
的に取り出すことができる。この単電池の理論起電力は
1.2Vであるが、実際には電極の分極、反応ガスのクロス
オーバー（燃料ガスが電解質を透過して空気電極に漏れ
る現象）、電極及び集電体の接触抵抗による電圧降下等
の原因で、出力電圧は0.6〜0.8V程度である。従って、
実用的な出力を得るためには、セパレータを介して数十
の単電池をスタックし直列的に接続する必要がある。

【０００４】前述の発電原理から解るように、電解質中
にはH⁺が多く存在するので、水又は水蒸気が多量に存在
する電解質内部と電極の近傍では強酸性となる。また正
極側で酸素がH⁺と結合して水を生成するが、電池の作動
状態によっては過酸化水素が生成する場合がある。セパ
レータはこのような環境下に組み込まれるので、電気伝
導性及び気密性に加えて、高い化学的・電気化学的安定
性（耐食性）を有することが要求される。

【０００５】従来の燃料電池用セパレータの多くは黒鉛
板を機械加工したものである。黒鉛セパレータは電気抵
抗が低く耐食性が高い反面、機械強度が低く加工コスト
が高い。車載用燃料電池に用いるセパレータは高い機械
強度を有し低コストで加工可能であることが要求される
ので、現状の黒鉛セパレータをそのまま車載用燃料電池
に適用することは困難である。近年、黒鉛粉末を樹脂と
混合して射出成形し、更に高温焼成することによりセパ
レータを製造する方法が検討されているが、得られる焼
成体の密度が低いため気密性が悪いという問題がある。
このセパレータを樹脂で浸漬し炭化再焼成することによ
って密度を高めることは可能であるが、製造工程が煩雑
になる。加えて、このように製造されたセパレータの接
触電気抵抗は従来の黒鉛セパレータより数倍大きく、電
池の出力電圧低下が避けられない。

【０００６】黒鉛セパレータ以外に、金属からなるセパ
レータも検討されている。金属セパレータはバルク電気
抵抗が低く、高い気密性及び機械強度を有し、加工コス
トの低減が容易である。また、セパレータの厚さを薄く
できるので小型化が容易である。更に、アルミニウムの
ような低比重金属材料を用いると燃料電池を一層軽量化
することができる。しかしながら、金属セパレータにお
いては、母材の金属そのものが腐食しやすいという問題
がある。特にアルミニウム母材は非常に腐食速度が大き
いことが報告されている（R. L. Rorup, et al., Mate
r. Res. Soc. Symp. Proc., 393 (1995)等）。また、腐
食により生成した金属イオンが電解質膜に進入すると、
膜のイオン伝導性が低下し電池の性能に影響を与える恐
れがある。

【０００７】特開平11-162478号は、貴金属を金属セパ
レータの全表面にメッキすることにより、耐食性を改善
する手法を開示している。この手法はセパレータ性能に
関しては問題が無いが、高コスト化を招き実用的ではな
い。コスト低減のためには貴金属メッキ層を薄くする必
要があるが、湿式メッキの際に層厚を薄くすると微細な
ピンホールが発生し腐食の原因となり、また乾式メッキ
（蒸着、スパッタ等）では生産効率が悪く、被膜の均一
性も悪化してしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、優れ
た耐食性を有する金属製燃料電池用セパレータを提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、構造又は機能が連続的に変化し
ている導電性被膜を有する金属製燃料電池用セパレータ
は優れた耐食性を示すことを発見し、本発明に想到し
た。

【００１０】すなわち、本発明の燃料電池用セパレータ
は金属母材からなり、電極又は集電体との接触面及び反
応ガス通気溝を有し、電極又は集電体との接触面上には
金属、酸化物、窒化物、炭化物又はカーボンを主成分と
する導電性被膜が形成されており、該導電性被膜の構造
又は機能が金属母材との接触界面から電極又は集電体と
の接触界面の間で連続的に変化していることを特徴とす
る。

【００１１】本発明の燃料電池用セパレータの好ましい
実施態様においては、例えば導電性被膜の(A)組成、(B)
結晶構造、又は(C)多孔度が金属母材との接触界面から
電極又は集電体との接触界面の間で連続的に変化してい
る。

【００１２】上記(A)の場合、金属母材との接触界面に
おける導電性被膜の組成が金属母材の構成元素を20重量
％以上含むのが好ましい。また、電極又は集電体との接
触界面における導電性被膜の組成がAu、Pt、Pd、Ir又は
Rhを30重量％以上含むのが好ましい。

【００１３】上記(B)の場合、金属母材との接触界面に
おける導電性被膜の結晶構造が非晶質構造又は準非晶質
構造であり、電極又は集電体との接触界面における導電
性被膜の結晶構造が結晶質構造であるのが好ましい。ま
たこの場合では導電性被膜の主成分がカーボンであるの
が好ましく、金属母材との接触界面における導電性被膜
のX線回折パターンの、2θで30〜50°に認められるピー
クの半価幅は5.84°以下であるのが好ましい。

【００１４】上記(C)の場合、金属母材との接触界面に
おける導電性被膜の多孔度が５％以下であり、電極又は
集電体との接触界面における導電性被膜の多孔度が20％
以上であるのが好ましい。

【００１５】導電性被膜の厚みは0.5〜30μmであるのが
好ましい。また、上記金属母材はアルミニウム又はアル
ミニウム合金からなる金属板であるのが好ましく、その
場合は上記反応ガス通気溝の表面にアルマイト被膜を形
成するのが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用セパレータは
金属母材からなり、電極又は集電体との接触面及び反応
ガス通気溝を有する。セパレータの電極又は集電体との
接触面上には導電性被膜を形成する。本発明のセパレー
タは様々な燃料電池に使用でき、特に自動車の動力用車
載燃料電池に好適に利用できる。以下、本発明の燃料電
池用セパレータを図面を用いて詳述するが、本発明はそ
れらに限定されず本発明の趣旨を変更しない限り種々の
変更を加えることができる。

【００１７】図１は本発明の燃料電池用セパレータを含
む燃料電池の一例を示す部分概略図である。図１の燃料
電池は固体電解質２とその両側に設けられたアノード３
及びカソード４からなる単電池１を、セパレータ５を介
して積層して構成されている。積層の両端は外部回路
（図示せず）に接続する。電極とセパレータとの間には
集電体を設置してもよい。以下、本発明のセパレータの
各構成要素について説明する。

【００１８】[1]金属母材本発明ではセパレータ母材として金属母材を用いる。金
属母材としては炭素鋼板、SUS鋼板等の一般的な金属板
を用いてよい。セパレータを自動車の車載燃料電池に適
用する場合は、金属母材としてアルミニウム、チタニウ
ム、マグネシウム等の軽量で比強度が高い金属又はその
合金からなる金属板を用いるのが好ましい。中でも、ア
ルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板が特に
好ましい。反応ガスのクロスオーバー（燃料ガスが電解
質を透過して空気電極に漏れる現象）を防ぐために、貫
通孔等の欠陥の無い金属板を使用するのが好ましい。金
属母材の厚さは特に限定されないが、車載燃料電池に用
いる場合は0.5〜３mmとするのが好ましい。

【００１９】[2]電極又は集電体との接触面本発明のセパレータは電極又は集電体との接触面を有す
る。該接触面の形状は、燃料電池の電極又は一次集電体
のカーボンペーパー、カーボンクロス等と接触するため
に適した形状であればよく、図面により限定されない。

【００２０】図１に示すように、セパレータ母材の電極
又は集電体との接触面上には導電性被膜７を形成する。
導電性被膜は該接触面のみに形成してもよく、セパレー
タ母材の全表面に形成してもよい。導電性被膜は金属、
酸化物、窒化物、炭化物又はカーボンを主成分とする。
これらの材料を含む混合物を使用してもよい。これらは
導電性を有する材料であればよく特に限定されない。導
電性被膜の材料として使用可能な酸化物としてはITO、Z
nO、SnO₂、In₂O₃等が挙げられる。炭化物としては炭化
ケイ素、炭化ニオブ、炭化タングステン等が使用でき
る。炭化物導電性被膜は接触抵抗が小さく良好な耐食性
及び耐酸化性を有するので、セパレータの保護膜として
も作用する。カーボンとしてはCVDによる黒鉛膜、DLC膜
（ダイヤモンドライクカーボン膜）等が使用できる。ま
た黒鉛粉に撥水剤を添加したものを塗布してもよい。電
極がカーボンブラックに微量のPtを添加したもの等から
なる場合、カーボン被膜を用いると接触なじみが良い。

【００２１】本発明においては、上記導電性被膜の構造
又は機能が金属母材との接触界面から電極又は集電体と
の接触界面の間で連続的に変化している。即ち、本発明
のセパレータにおいては、導電性被膜の組成、結晶構
造、多孔度等を金属母材側と電極（集電体）側の間で変
化させることにより耐食性、導電性等の機能を変化させ
る。本発明でいう「連続的な変化」には、一部に段階的
な変化を含む準連続的な変化も含まれる。組成等の構成
が連続的に変化した被膜を形成すると、一層ごとに積層
する方式と異なり層間の隙間や腐食等が発生しにくい。

【００２２】導電性被膜の膜厚は0.5〜30μmとするのが
好ましく、１〜20μmとするのがより好ましい。膜厚が
0.5μmより小さいと金属母材の耐食性が不充分となり、
30μmより大きいと被膜が剥離しやすくなるため好まし
くない。以下、本発明によるセパレータの好ましい実施
態様として、導電性被膜の(A)組成、(B)結晶構造、又は
(C)多孔度が金属母材との接触界面から電極又は集電体
との接触界面の間で変化している例を詳細に説明する。

【００２３】(A)組成金属材料同士又は導電性材料同士を接触させると電気抵
抗が生じる。この電気抵抗は各材料のバルク抵抗と接触
界面の接触抵抗を含む。殆どの導電性材料においては、
バルク電気抵抗はあまり高くなく接触界面の電気抵抗が
高い。このことは導電性材料の表面に酸化層が常に存在
すること、異なる材料の表面エネルギーによって電位障
壁が生成すること、表面組成がバルクと異なること等に
由来する。

【００２４】本発明では、図２に例として示すように導
電性被膜７を金属母材との接触界面側の最下部7a、中間
部7b〜7e、及び電極との接触界面側の最上部7fにより構
成してよい。最下部7a及びその近傍は耐食性に優れた材
料Aを主成分とするのが好ましく、最上部7f及びその近
傍は接触抵抗が低い材料Bを主成分とするのが好まし
い。材料Aの接触抵抗は高くてもよい。また、最下部7a
及びその近傍はセパレータ母材との密着性がよい緻密な
材料により形成するのが、ピンホールや表面欠陥による
母材の腐食を大幅に低減でき、好ましい。このように、
本発明のセパレータに形成する導電性被膜の組成は目的
に応じて様々な材料から適宜選択できるので、耐食性向
上と接触抵抗低減を両立することができる。なお、図２
中では各部7a〜7fが段階的に積層されたように模式的に
示すが、これらは実際にはその組成が金属母材側から電
極又は集電体側の間で連続的に変化している単一の被膜
である。以下、導電性被膜の金属母材と接する部分を
「最下部」、電極又は集電体と接する部分を「最上部」
と称するが、これらは段階的に積層された層を表すもの
ではなく、連続的に構造又は機能が変化した単一の被膜
中の一部分を表す。

【００２５】前述のように、金属母材に白金族貴金属被
膜をメッキして耐食性を改善する方法が知られている。
この方法においてコストを抑えるためには白金族貴金属
被膜を薄くする必要があるが、一般に貴金属メッキ層を
薄くするとピンホールの発生等によって充分な耐食性が
得られない。即ち、母材表面が貴金属被膜により完全に
被覆されれば貴金属の化学安定性により母材の腐食は抑
えられるが、被膜にピンホールや欠陥等があると、母材
と被膜の電極電位差が大きく貴金属の触媒活性が高いた
めに還元反応が非常に進行しやすく、セパレータの腐食
が避けられない。本発明では、最上部の主成分を貴金属
とし、該最上部と金属母材との間の部分の主成分を耐食
性に優れた材料とすることにより、金属母材と貴金属被
膜の電気化学的電極電位差を緩和し腐食速度を低減でき
る。その結果、ピンホール又は表面欠陥による母材の腐
食を大幅に低減することができる。つまり本発明では、
単に物理的に隔離することにより腐食を抑制するのみな
らず、電気化学的に耐食性を向上させることができる。

【００２６】上記最下部及びその近傍は、Pd、Ru、Ag、
Zr、Cr、B、Ni、Ti及びSnからなる群から選ばれる金属
又はその合金、酸化物若しくは窒化物、炭化物、或いは
カーボンを主成分とするのが好ましい。このような材料
を用いることにより被膜コストを大幅に低減できる。ま
た、最下部の組成は金属母材の構成元素を20重量％以上
含むのが好ましく、30重量％以上含むのがより好まし
い。これにより導電性被膜の剥離を抑制することがで
き、セパレータ電極接触面の耐食性の向上及び低コスト
化が可能となる。

【００２７】一方、上記最上部及びその近傍は、電極と
の接触抵抗が低く耐食性に優れた材料を主成分とするの
がより好ましい。そのような材料としては、Au、Pt、P
d、Ir、Ru、Rh及びAgからなる群から選ばれる金属若し
くはその合金、炭化物、カーボン等が挙げられる。最上
部の組成はAu、Pt、Pd、Ir又はRhを20重量％以上含むの
が好ましく、30重量％以上含むのが特に好ましい。

【００２８】導電性被膜の組成が金属母材との接触界面
から電極又は集電体との接触界面の間で連続的に変化し
ているセパレータは、例えば２種以上の被膜組成を含む
浴液中に金属母材を浸漬し、２種以上の析出電解電圧を
サイクリックに印加しデューティ比を変えながら湿式電
解メッキすることで作成できる。またドライプロセスと
しては、膜組成のソース（例えばスパッタリングではタ
ーゲット）からの蒸発量の比率を連続的に変える方法等
が適用できる。

【００２９】導電性被膜の組成が連続的に変化している
セパレータの特に好ましい実施態様においては、金属母
材がアルミニウムからなり、導電性被膜の最下部のAl含
有率が30重量％以上であり、最上部のAu含有率が30重量
％以上である。このような燃料電池用セパレータによれ
ば、電池セルを小型化及び軽量化でき、加えて電極接触
抵抗の大幅な低減、耐食性の向上及び低コスト化が可能
となる。

【００３０】(B)結晶構造導電性被膜の結晶構造を金属母材との接触界面から電極
又は集電体との接触界面の間で連続的に変化させる場
合、金属母材との接触界面における導電性被膜の結晶構
造を非晶質構造又は準非晶質構造とし、電極又は集電体
との接触界面における導電性被膜の結晶構造を結晶質構
造とするのが好ましい。なお、本発明では「準非晶質」
とはX線回折パターンにおいて明確な結晶ピークを持た
ないが、幾つかのブロードな回折ピークが得られるもの
を意味する。また、この場合は導電性被膜の主成分がカ
ーボンであるのが好ましい。例えば、最下部及びその近
傍は緻密で導電性がやや低い準非晶質の硬質カーボンに
より形成し、順次結晶性を増し、最上部及びその近傍で
は結晶質黒鉛カーボンとすればよい。このとき、カーボ
ン導電性被膜最下部のX線回折パターンの、2θで30〜50
°に認められるピークの半価幅は5.84°以下であるのが
好ましい。即ち、非晶質又は準非晶質の硬質カーボンに
より耐食性を確保し、最上部を結晶質黒鉛カーボンとす
ることで電極との接触抵抗を低減することができる。

【００３１】このような導電性被膜は、プラズマCVD等
の気相反応の成膜条件を調整することにより形成でき
る。

【００３２】(C)多孔度導電性被膜の多孔度を金属母材との接触界面から電極又
は集電体との接触界面の間で連続的に変化させることに
よっても、大きな効果が得られる。即ち、膜欠陥の影響
を避けるために導電性被膜の膜厚を大きくすると膜歪み
により膜の剥離やクラック等が生じやすいが、金属板近
傍では導電性被膜を緻密な構造とし順次多孔質とするこ
とで、膜中に層間界面を生ずること無く膜歪みを抑制す
ることができる。

【００３３】金属母材との接触界面における導電性被膜
の多孔度を５％以下とし、電極又は集電体との接触界面
における導電性被膜の多孔度を20％以上とすると、膜の
歪みからくる膜剥離やクラックの発生を大幅に低減する
ことが可能となり、好ましい。

【００３４】このような導電性被膜は、スパッタリング
等の成膜条件を調整することにより形成できる。

【００３５】[3]反応ガス通気溝図１に示すように、本発明の燃料電池用セパレータ５は
反応ガス通気溝８及び９を有する。通常、反応ガス通気
溝９とアノード３により形成される通路には燃料ガスが
供給され、反応ガス通気溝８とカソード４により形成さ
れる通路には酸化剤ガスが供給される。反応ガス通気溝
は機械加工、プレス、精密鋳造、化学研磨（エッチン
グ）、電解研磨等の方法により所定パターンに形成すれ
ばよい。反応ガス通気溝の形状は図中ではコ字型とした
が、電極に接する部分に反応ガス用通路が形成できる形
状であれば特に限定されず、反応ガス通気抵抗が小さ
く、且つ発電効率が高くなるように設定するのが好まし
い。通常、各反応ガス通気溝の深さは0.2〜２mmとする
のが好ましく、幅は0.5〜５mmとするのが好ましい。

【００３６】図１に示すように、セパレータの耐食性及
び耐酸化性を向上させるために、反応ガス通気溝８及び
９の表面には通気溝保護膜６を形成するのが好ましい。
導電性被膜の上記最下部をセパレータの全面に形成し、
通気溝保護膜としてもよい。通気溝保護膜は金属母材を
酸化したり、耐食性物質を湿式メッキ法、溶射法、スパ
ッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法等によ
り積層して形成できる。通気溝保護膜の膜厚は0.5〜20
μmとするのが好ましい。

【００３７】金属母材としてアルミニウム又はアルミニ
ウム合金からなる金属板を用いる場合には、上記反応ガ
ス通気溝の表面に通気溝保護膜として化学的及び物理的
に安定なアルマイト被膜を形成するのが好ましい。アル
マイト被膜は陽極酸化法等により形成でき、例えば電解
液としてシュウ酸、硫酸、クロム酸等の水溶液を用いて
電解することにより、γ-アルミナ被膜を母材表面に形
成すればよい。

【００３８】

【実施例】以下、実施例により本発明をより詳細に説明
するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【００３９】実施例１表１に示す各セパレータ母材（1mm×150mm×150mm）
に、プレス加工により深さ1.0mm及び幅3.0mmの反応ガス
通気溝を形成した。次にこれを脱脂・洗浄し、前処理等
の工程を経た後、電解電圧及び電解パルスのデューティ
比を調整しながら電解メッキすることにより、Au/Niの
重量比を0/100（最下部）から100/0（最上部）に連続的
に変化させたAu-Ni傾斜組成被膜を形成し、本発明のセ
パレータを作成した。Au-Ni傾斜組成被膜の厚みは約５
μmであった。なお、本実施例においてはセパレータの
ガス通気溝内面にも同様にAu-Ni傾斜組成被膜を形成し
た。

【００４０】100重量部のカーボンブラックに15重量部
のPtペースト（Pt：90重量％）を添加し、更に15重量部
のテフロン（登録商標）粒子（平均粒径：0.2μm）を撥
水剤として添加して電極用ペーストを調製した。この電
極用ペーストをプロトン伝導性高分子固体電解質膜（Na
fion）に塗布し乾燥した。これをカーボンクロスで挟
み、更に２枚の上記セパレータで挟み込んで、本発明の
セパレータを含む燃料電池（単電池）1a及び1bをそれぞ
れ作製した。セパレータの締め付け圧力は10kg/cm²とし
た。

【００４１】上記Au-Ni傾斜組成被膜に換えて、重量比A
u/Niがそれぞれ0/100、25/75、50/50、75/25、100/0のA
u-Ni層を母材側から順に積層したAu-Ni積層被膜を形成
したこと以外は上記燃料電池1a及び1bと同様に、比較用
の燃料電池1a'及び1b'を作製した。また、従来の黒鉛セ
パレータ（導電性被膜なし）を用いた比較用燃料電池1
c'も同様に作製した。

【００４２】得られた燃料電池に対して、アノード側の
反応ガス通気溝に加湿した模擬燃料ガス（70％H₂、15％
CO₂、15％H₂O）を供給し、カソード側通気溝に酸化剤と
して空気を供給して発電性能安定性を評価した。本実施
例では燃料電池セルを２時間作動後１時間停止するサイ
クルで駆動し、評価は約25日間行った。各燃料電池のセ
パレータ母材、導電性被膜の種類、初期発電電圧、25日
間作動後の発電電圧、及び25日間作動後のセパレータ電
極接触面の耐腐食状況を表１に併せて示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１より、組成の異なる層を積層した導電
性被膜を有するセパレータ（燃料電池1a'及び1b'）には
腐食や膜の剥離がみられたのに対して、導電性被膜の組
成を連続的に変化させた本発明のセパレータは良好な耐
食性を示し、該セパレータを用いた燃料電池1a及び1b
は、従来の黒鉛セパレータを用いた燃料電池1c'と同等
の優れた発電性能を有することがわかる。

【００４５】実施例２純度99.6％のアルミニウム金属板（1mm×150mm×150m
m）に、プレス加工により深さ1.0mm及び幅3.0mmの反応
ガス通気溝を形成した。これをシュウ酸水溶液中、陽極
酸化し、次いで沸騰水に30分間浸漬し、乾燥して母材表
面に通気溝保護膜として膜厚12μmのアルマイト被膜を
形成した。次にセパレータの電極接触面の平坦度を向上
させるために、電極接触面をラッピング研磨し、洗浄し
た。この工程により電極接触面上に形成された絶縁性ア
ルマイト被膜は除去された。続いて、上記燃料電池1a及
び1bに用いたセパレータの場合と同様の方法により電極
接触面のみに表２に示す導電性被膜を形成し、本発明の
セパレータをそれぞれ作製した。ただし、炭化物、酸化
物又はカーボンを用いた場合は、ターゲットを用いたRF
スパッタリング法により導電性被膜を形成した。なお、
表２中で例えば「最下部：Ni、最上部：Au」と示す場合
は、導電性被膜のアルミニウム母材に接する部分の組成
がNiであり、電極接触界面に近づくにつれてNiの組成比
が連続的に減少し、同時にAuの組成比が連続的に増加
し、電極に接する部分では被膜の組成がAuであることを
表す。得られた本発明のセパレータを用いて、上記実施
例１と同様に燃料電池2a〜2pを作製した。

【００４６】得られた燃料電池2a〜2pの発電性能安定性
を上記実施例１と同様に評価した。ただし、評価は14日
間行った。各燃料電池の最下部の組成、最上部の組成、
初期発電電圧、14日間作動後の発電電圧、及び14日間作
動後のセパレータの耐腐食状況を表２に併せて示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】表２より、セパレータ母材としてアルミニ
ウム金属板を用いた場合にも本発明のセパレータは優れ
た耐食性を示し、該セパレータを用いた燃料電池は高い
発電性能を有することがわかる。

【００４９】実施例３表３に示す最下部におけるAl含有率及び最上部における
Au含有率を有するAl-Auからなる導電性被膜を形成した
こと以外は上記実施例２と同様に、本発明のセパレータ
を含む燃料電池3a〜3pをそれぞれ作製した。ただし、Al
-Au導電性被膜はAlターゲットとAuターゲットの２元同
時RFスパッタリングにより形成した。このとき、個々の
ターゲットの成膜パワー及びT/S距離を変えることで、
組成が連続的に変化するように制御した。スパッタガス
としては純アルゴンガスを用いた。形成された導電性被
膜の組成は、別基板に同時に成膜した被膜を溶解し、プ
ラズマ発光分光分析により決定した。

【００５０】得られた燃料電池3a〜3pの発電性能安定性
を上記実施例１と同様に評価した。ただし、評価は15日
間行った。各燃料電池の、導電性被膜最下部のAl含有
率、最上部のAu含有率、初期発電電圧、15日間作動後の
発電電圧、及び15日間作動後のセパレータの耐腐食状況
を表３に併せて示す。

【００５１】

【表３】

【００５２】表３より、母材としてアルミニウム金属板
を用いた本発明のセパレータにおいては、導電性被膜の
最下部のAl含有率が好ましくは16.81重量％以上、より
好ましくは28.90重量％以上であると、良好な密着性が
得られることがわかる。また、最上部のAu含有率は29.4
8重量％以上とすると、良好な発電性能安定性が得られ
非常に好ましいことがわかる。

【００５３】実施例４表４に示す多孔度を有するPt-Ir(30重量％)導電性被膜
を上記実施例３と同様にRFスパッタリング法により形成
したこと以外は上記実施例２と同様に、本発明のセパレ
ータを含む燃料電池4a〜4d及び比較用の燃料電池4a'を
それぞれ作製した。ただし、例えば表４中「０〜45％」
と示す場合（燃料電池4a）は、Pt-Ir導電性被膜の最下
部を多孔度０％とし、スパッタガス圧と温度を調節する
ことにより多孔度を連続的に変化させ、最上部を多孔度
45％としたことを表す。比較用の燃料電池4a'に用いた
セパレータでは、Pt-Ir導電性被膜最下部の多孔度を23
％に一定とした。

【００５４】得られた燃料電池4a〜4d及び4a'の発電性
能安定性を上記実施例１と同様に評価した。ただし、評
価は14日間行った。各燃料電池のセパレータに形成した
導電性被膜の組成、導電性被膜の多孔度、初期発電電
圧、14日間作動後の発電電圧、及び14日間作動後のセパ
レータの耐腐食状況を表４に併せて示す。

【００５５】

【表４】

【００５６】表４より、導電性被膜の多孔度を連続的に
変化させた本発明のセパレータは優れた耐食性を示し、
該セパレータを用いた燃料電池4a〜4dは高い発電性能を
有することがわかる。

【００５７】実施例５導電性被膜として、表５に示す結晶構造を有するカーボ
ン被膜を形成したこと以外は上記実施例２と同様に、本
発明のセパレータを含む燃料電池5a並びに比較用燃料電
池5a'及び5b'をそれぞれ作製した。ただし、カーボン被
膜はプラズマCVD装置を使用し、カーボン源としてCH₄を
用いて形成した。なお、燃料電池4aに用いた本発明のセ
パレータにおいては、導電性被膜の最下部は導電性には
劣るが緻密で硬質の準非晶質構造とし、その結晶構造を
連続的に変化させ、最上部は導電性の高い結晶質黒鉛カ
ーボン膜とした。

【００５８】得られた燃料電池5a、5a'及び5b'の発電性
能安定性を上記実施例１と同様に評価した。ただし、評
価は25日間行った。各燃料電池の、カーボン導電性被膜
の結晶構造、初期発電電圧、25日間作動後の発電電圧、
及び25日間作動後のセパレータの電極接触面耐腐食状況
を表５に併せて示す。

【００５９】

【表５】

【００６０】表５より、緻密な非晶質カーボン膜を形成
したセパレータを含む燃料電池5a'ではカーボン被膜の
導電性が低いために発電性能が悪化しており、黒鉛結晶
構造を持つカーボン被膜を形成したセパレータ（燃料電
池5b'）は膜強度と密度が低いために母材の腐食が発生
しているのに対し、カーボン導電性被膜の結晶構造を準
非晶質構造から結晶質構造に変化させた本発明のセパレ
ータは優れた耐食性を示し、該セパレータを用いた燃料
電池5aは高い発電性能を有することがわかる。

【００６１】本実施例で得た非晶質カーボン被膜と黒鉛
結晶（Graphite）被膜のX線回折パターンを図３に示
す。2θで26〜27゜付近にみられる黒鉛結晶構造カーボ
ン膜の（003）面の回折ピークに比べ、非晶質カーボン
膜の回折ピーク（2θで40゜近傍）は非常にブロードで
ある。従って、結晶性の低いカーボン被膜は電子伝導度
が低いので、導電性被膜として用いるためには適度な結
晶性を持つ（即ち適度な電子伝導性を有する）ことが必
要である。上記燃料電池5aに用いた本発明のセパレータ
においては、最下部に適度な電子伝導性を持つ硬質カー
ボン膜を形成し、最上部に近づくにつれ電極との接触抵
抗が極めて小さい黒鉛結晶構造膜に連続的に変化させる
ことで、良好な耐食性と電極接触抵抗の低減が共に可能
となった。

【００６２】実施例６プラズマ成膜条件を調節することにより導電性被膜最下
部の結晶構造を変え、膜厚約６μmのカーボン導電性被
膜を形成したこと以外は上記燃料電池5aの場合と同様
に、本発明のセパレータを含む燃料電池6a〜6fをそれぞ
れ作製した。ここで、各燃料電池に用いたセパレータの
導電性被膜最下部の結晶性は、表６に示す粉末X線回折
（Cu-kα）により得られた回折ピークの半価幅により評
価した。

【００６３】得られた燃料電池6a〜6fの発電性能安定性
を上記実施例１と同様に評価した。ただし、評価は25日
間行った。各燃料電池の、導電性被膜最下部の粉末X線
回折ピークの半価幅、初期発電電圧、25日間作動後の発
電電圧、及び25日間作動後のセパレータの電極接触面耐
腐食状況を表６に併せて示す。

【００６４】

【表６】

【００６５】表６より、結晶構造が連続的に変化してい
るカーボン導電性被膜を形成する場合は、導電性被膜最
下部の粉末X線回折ピークの半価幅が5.84°以下である
のが好ましく、5.25°以下であるのがより好ましいこと
がわかる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の燃料電池
用セパレータは金属板を母材として用いるため、従来の
黒鉛セパレータに比べ非常に軽量であり、量産性が高く
加工コストを低減できる。加えて本発明においては、電
極又は集電体との接触面上に金属母材との接触界面から
電極又は集電体との接触界面の間で構造又は機能が連続
的に変化している導電性被膜を形成することにより、低
コストで優れた耐食性を有するセパレータを得ることが
できる。本発明のセパレータを用いた燃料電池は高い発
電性能安定性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による燃料電池用セパレー
タを含む燃料電池の一例を示す部分概略図である。

【図２】本発明の他の実施例による燃料電池用セパレ
ータを示す概略図、及びその導電性被膜の構造を示す部
分拡大図である。

【図３】本発明のセパレータの導電性被膜として使用
できるカーボン被膜のX線回折パターンの例を示す模式
図である。

【符号の説明】

１・・・単電池２・・・固体電解質３・・・アノード４・・・カソード５・・・セパレータ６・・・通気溝保護膜７・・・導電性被膜 7a・・・最下部 7b、7c、7d、7e・・・中間部 7f・・・最上部８、９・・・反応ガス通気溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属母材からなり、電極又は集電体との
接触面及び反応ガス通気溝を有する燃料電池用セパレー
タにおいて、前記接触面上には金属、酸化物、窒化物、
炭化物又はカーボンを主成分とする導電性被膜が形成さ
れており、前記導電性被膜の構造又は機能が前記金属母
材との接触界面から電極又は集電体との接触界面の間で
連続的に変化してい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
において、前記導電性被膜の組成が前記金属母材との接
触界面から前記電極又は集電体との接触界面の間で連続
的に変化してい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
において、前記金属母材との接触界面における前記導電
性被膜の組成が前記金属母材の構成元素を20重量％以上
含む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２又は３に記載の燃料電池用セパ
レータにおいて、前記電極又は集電体との接触界面にお
ける前記導電性被膜の組成がAu、Pt、Pd、Ir又はRhを30
重量％以上含む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に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記導電性被膜の結晶構造が前記金属母材と
の接触界面から前記電極又は集電体との接触界面の間で
連続的に変化してい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
において、前記金属母材との接触界面における前記導電
性被膜の結晶構造が非晶質構造又は準非晶質構造であ
り、前記電極又は集電体との接触界面における前記導電
性被膜の結晶構造が結晶質構造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６に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記導電性被膜がカーボンを主成分とするこ
とを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】請求項７に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記金属母材との接触界面における前記導電
性被膜のX線回折パターンの、2θで30〜50°に認められ
るピークの半価幅が5.84°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９】請求項１に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記導電性被膜の多孔度が前記金属母材との
接触界面から前記電極又は集電体との接触界面の間で連
続的に変化していることを特徴とする燃料電池用セパレ
ータ。
【請求項10】請求項９に記載の燃料電池用セパレータ
において、前記金属母材との接触界面における前記導電
性被膜の多孔度が５％以下であり、前記電極又は集電体
との接触界面における前記導電性被膜の多孔度が20％以
上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項11】請求項１〜10のいずれかに記載の燃料電
池用セパレータにおいて、前記導電性被膜の厚みが0.5
〜30μmであることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ。
【請求項12】請求項１〜11のいずれかに記載の燃料電
池用セパレータにおいて、前記金属母材がアルミニウム
又はアルミニウム合金からなる金属板であり、前記反応
ガス通気溝の表面にはアルマイト被膜が形成されている
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。