JP2000067881A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
燃料電池用セパレータInfo
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 良好な電気伝導性および耐食性を有し、また
生産性が高く、生産コストの安価な燃料電池用セパレー
タを提供する。 【解決手段】 単電池１の平板状電極６と協働してガス
流路７を形成する燃料電池用セパレータ２は、低電気抵
抗性金属板９と、その金属板９を被覆してガス流路形成
面ａを構成する非晶質炭素膜１０とよりなる。非晶質炭
素膜１０の水素含有量ＣH は、その膜１０の電気伝導性
を高めるべく、１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設定され
る。
生産性が高く、生産コストの安価な燃料電池用セパレー
タを提供する。 【解決手段】 単電池１の平板状電極６と協働してガス
流路７を形成する燃料電池用セパレータ２は、低電気抵
抗性金属板９と、その金属板９を被覆してガス流路形成
面ａを構成する非晶質炭素膜１０とよりなる。非晶質炭
素膜１０の水素含有量ＣH は、その膜１０の電気伝導性
を高めるべく、１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設定され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単電池の平板状電
極と協働してガス流路を形成する燃料電池用セパレータ
に関する。
極と協働してガス流路を形成する燃料電池用セパレータ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種のセパレータは、良好な電気伝導
性、耐食性等を要求されるため、従来はグラファイトよ
り構成されている。
性、耐食性等を要求されるため、従来はグラファイトよ
り構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらグラファ
イトは硬さが高いため機械加工性が悪く、例えば複数の
ガス流路用溝を形成する場合に多くの時間を要し、した
がってセパレータの生産性が低く、生産コストが高い、
という問題があった。
イトは硬さが高いため機械加工性が悪く、例えば複数の
ガス流路用溝を形成する場合に多くの時間を要し、した
がってセパレータの生産性が低く、生産コストが高い、
という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は良好な電気伝導
性および耐食性を有し、また生産性が高く、生産コスト
の安価な前記セパレータを提供することを目的とする。
性および耐食性を有し、また生産性が高く、生産コスト
の安価な前記セパレータを提供することを目的とする。
【０００５】前記目的を達成するため本発明によれば、
単電池の平板状電極と協働してガス流路を形成する燃料
電池用セパレータにおいて、低電気抵抗性金属板と、そ
の金属板を被覆してガス流路形成面を構成する非晶質炭
素膜とよりなり、その非晶質炭素膜の水素含有量ＣH が
１原子％≦ＣH ≦２０原子％である燃料電池用セパレー
タが提供される。
単電池の平板状電極と協働してガス流路を形成する燃料
電池用セパレータにおいて、低電気抵抗性金属板と、そ
の金属板を被覆してガス流路形成面を構成する非晶質炭
素膜とよりなり、その非晶質炭素膜の水素含有量ＣH が
１原子％≦ＣH ≦２０原子％である燃料電池用セパレー
タが提供される。
【０００６】前記構成において、金属板は低電気抵抗性
であり、また水素含有量ＣH を前記のように設定された
非晶質炭素膜の電気抵抗も低い。よって、セパレータは
良好な電気伝導性を有する。また非晶質炭素膜は優れた
耐食性を有するので、それにより金属板を被覆してガス
流路形成面を構成すると、セパレータは良好な耐食性を
示す。さらに金属板は機械加工性が良く、一方、非晶質
炭素膜は各種薄膜形成技術により能率良く形成されるの
で、セパレータの生産性を高め、生産コストを低減し得
る。
であり、また水素含有量ＣH を前記のように設定された
非晶質炭素膜の電気抵抗も低い。よって、セパレータは
良好な電気伝導性を有する。また非晶質炭素膜は優れた
耐食性を有するので、それにより金属板を被覆してガス
流路形成面を構成すると、セパレータは良好な耐食性を
示す。さらに金属板は機械加工性が良く、一方、非晶質
炭素膜は各種薄膜形成技術により能率良く形成されるの
で、セパレータの生産性を高め、生産コストを低減し得
る。
【０００７】ただし、水素含有量ＣH がＣH ＜１原子％
では非晶質炭素膜の電気絶縁性が増し、一方、ＣH ＞２
原子％では、非晶質炭素膜に電気伝導性を付与するπ電
子が水素にトラップされるためその電気伝導性が低下す
る。
では非晶質炭素膜の電気絶縁性が増し、一方、ＣH ＞２
原子％では、非晶質炭素膜に電気伝導性を付与するπ電
子が水素にトラップされるためその電気伝導性が低下す
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１，２において、積層構造の単
電池１の上、下両側にそれぞれ平板状セパレータ２が配
設され、このような積層物を１ユニットとして、これを
複数段に積み重ねることによりスタック型燃料電池３が
構成される。単電池１は平板状電解質４と、その電解質
４を挟み、且つ電解質４との対向面に触媒５を有する一
対の平板状多孔質電極６とよりなる。各セパレータ２
は、単電池１の各多孔質電極６と協働してガス流路７を
形成すべく、複数の互に平行なガス流路用溝８を備えて
いる。
電池１の上、下両側にそれぞれ平板状セパレータ２が配
設され、このような積層物を１ユニットとして、これを
複数段に積み重ねることによりスタック型燃料電池３が
構成される。単電池１は平板状電解質４と、その電解質
４を挟み、且つ電解質４との対向面に触媒５を有する一
対の平板状多孔質電極６とよりなる。各セパレータ２
は、単電池１の各多孔質電極６と協働してガス流路７を
形成すべく、複数の互に平行なガス流路用溝８を備えて
いる。
【０００９】この燃料電池３においては、一方のセパレ
ータ２によるガス流路７に水素等の燃料を流通させて一
方の多孔質電極６に接触させ、また他方のセパレータ２
によるガス流路７には酸素等の酸化剤を流通させて他方
の多孔質電極６に接触させ、これにより生じる電気化学
反応を利用して電気エネルギを取出すものである。
ータ２によるガス流路７に水素等の燃料を流通させて一
方の多孔質電極６に接触させ、また他方のセパレータ２
によるガス流路７には酸素等の酸化剤を流通させて他方
の多孔質電極６に接触させ、これにより生じる電気化学
反応を利用して電気エネルギを取出すものである。
【００１０】各セパレータ２は同一の構造を有し、図３
に示すように、Ａｌ合金板等の低電気抵抗性金属板９
と、その金属板９の全表面を被覆してガス流路形成面ａ
を構成する厚さ０．５〜１０μｍの非晶質炭素膜１０と
よりなる。この場合、金属板９は、複数の互に平行な凹
条１１を有し、その凹条形成面ｂを非晶質炭素膜１０に
より被覆してガス流路形成面ａを構成すると、そのガス
流路形成面ａに、複数の凹条１１に対応した複数のガス
流路用溝８を具備させることができる。非晶質炭素膜１
０の水素含有量ＣH は１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設
定される。
に示すように、Ａｌ合金板等の低電気抵抗性金属板９
と、その金属板９の全表面を被覆してガス流路形成面ａ
を構成する厚さ０．５〜１０μｍの非晶質炭素膜１０と
よりなる。この場合、金属板９は、複数の互に平行な凹
条１１を有し、その凹条形成面ｂを非晶質炭素膜１０に
より被覆してガス流路形成面ａを構成すると、そのガス
流路形成面ａに、複数の凹条１１に対応した複数のガス
流路用溝８を具備させることができる。非晶質炭素膜１
０の水素含有量ＣH は１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設
定される。
【００１１】前記構成において、金属板９は低電気抵抗
性であり、また水素含有量ＣH を前記のように設定され
た非晶質炭素膜１０の電気抵抗も低い。よって、セパレ
ータ２は良好な電気伝導性を有する。また非晶質炭素膜
１０は優れた耐食性を有するので、それにより金属板９
の全表面を被覆することによってセパレータ２は良好な
耐食性を示す。さらに金属板９は機械加工性が良く、一
方、非晶質炭素膜１０は各種薄膜形成技術により能率良
く形成されるので、セパレータ２の生産性が高く、生産
コストが安価となる。
性であり、また水素含有量ＣH を前記のように設定され
た非晶質炭素膜１０の電気抵抗も低い。よって、セパレ
ータ２は良好な電気伝導性を有する。また非晶質炭素膜
１０は優れた耐食性を有するので、それにより金属板９
の全表面を被覆することによってセパレータ２は良好な
耐食性を示す。さらに金属板９は機械加工性が良く、一
方、非晶質炭素膜１０は各種薄膜形成技術により能率良
く形成されるので、セパレータ２の生産性が高く、生産
コストが安価となる。
【００１２】なお、非晶質炭素膜１０により金属板９の
全表面を被覆することは必須要件ではなく、例えば凹条
形成面ｂのみを被覆するようにしてもよい。また各電極
６がガス流路用溝を有する場合には、各セパレータ２
は、溝無しの平板状に形成される。
全表面を被覆することは必須要件ではなく、例えば凹条
形成面ｂのみを被覆するようにしてもよい。また各電極
６がガス流路用溝を有する場合には、各セパレータ２
は、溝無しの平板状に形成される。
【００１３】非晶質炭素膜１０には、ＳＰ２構造とＳＰ
３構造が混在すると考えられ、図４に示すラマンスペク
トルにおいて、１５５０cm-1付近のＧバンドと１４００
cm-1付近のＤバンドを中心にブロードなラマンバンドが
観測される。１４００cm-1付近のラマンバンドは格子振
動の状態密度のピークの極大の一つに対応し、格子の乱
れにより波数ベクトルの保存則が緩和されるために生ず
るものと解釈されており、それぞれのラマン強度比、つ
まりＧ／Ｄ比はＳＰ２構造とＳＰ３構造の存在比率によ
り変化する。１４００cm-1付近のラマンバンドはＳＰ２
構造の乱れにより増加するラマンバンドで、このバンド
の減少はＳＰ３比率の増加を表すものと考えられてい
る。つまり、Ｇ／Ｄ比はＳＰ３比率の増加と共に大きな
値を示す。
３構造が混在すると考えられ、図４に示すラマンスペク
トルにおいて、１５５０cm-1付近のＧバンドと１４００
cm-1付近のＤバンドを中心にブロードなラマンバンドが
観測される。１４００cm-1付近のラマンバンドは格子振
動の状態密度のピークの極大の一つに対応し、格子の乱
れにより波数ベクトルの保存則が緩和されるために生ず
るものと解釈されており、それぞれのラマン強度比、つ
まりＧ／Ｄ比はＳＰ２構造とＳＰ３構造の存在比率によ
り変化する。１４００cm-1付近のラマンバンドはＳＰ２
構造の乱れにより増加するラマンバンドで、このバンド
の減少はＳＰ３比率の増加を表すものと考えられてい
る。つまり、Ｇ／Ｄ比はＳＰ３比率の増加と共に大きな
値を示す。
【００１４】そこで、非晶質炭素膜１０のラマン分光分
析によるＧ／Ｄ比は、０．１≦Ｇ／Ｄ比≦２．０に設定
される。このＧ／Ｄ比は非晶質炭素膜１０のＳＰ３性を
示すものであり、これを前記のように設定することによ
って非晶質炭素膜１０に良好な電気伝導性を持たせるこ
とができる。
析によるＧ／Ｄ比は、０．１≦Ｇ／Ｄ比≦２．０に設定
される。このＧ／Ｄ比は非晶質炭素膜１０のＳＰ３性を
示すものであり、これを前記のように設定することによ
って非晶質炭素膜１０に良好な電気伝導性を持たせるこ
とができる。
【００１５】ただし、Ｇ／Ｄ比＜０．１では、非晶質炭
素膜１０のＳＰ２性が高くなって、その膜質が劣化し剥
離等を生じるおそれがある。一方、Ｇ／Ｄ比＞２．０で
は、非晶質炭素膜１０のＳＰ３性が高くなって、その膜
１０が電気絶縁体となる。
素膜１０のＳＰ２性が高くなって、その膜質が劣化し剥
離等を生じるおそれがある。一方、Ｇ／Ｄ比＞２．０で
は、非晶質炭素膜１０のＳＰ３性が高くなって、その膜
１０が電気絶縁体となる。
【００１６】以下、具体例について説明する。
【００１７】先ず、ＪＩＳ Ａ５０５２よりなるＡｌ合
金板より、縦、横３０mm、厚さ３mmで、且つ幅２mm、深
さ０．５mmの凹条１１を７本持つ金属板９を複数製作し
た。
金板より、縦、横３０mm、厚さ３mmで、且つ幅２mm、深
さ０．５mmの凹条１１を７本持つ金属板９を複数製作し
た。
【００１８】次いで、それら金属板９を用い、表１，２
に示す条件で、それらの全表面に非晶質炭素膜１０を形
成して複数のセパレータ２を得た。
に示す条件で、それらの全表面に非晶質炭素膜１０を形
成して複数のセパレータ２を得た。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】次に、非晶質炭素膜１０の例１〜８につい
て、水素含有量ＣH 、Ｇ／Ｄ比および電気抵抗を調べた
ところ、表３の結果を得た。
て、水素含有量ＣH 、Ｇ／Ｄ比および電気抵抗を調べた
ところ、表３の結果を得た。
【００２２】
【表３】
【００２３】表３から明らかなように、非晶質炭素膜１
０の電気伝導性を高めるためには、例３〜７のごとく、
水素含有量ＣH を１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設定す
ることが必要である。一方、Ｇ／Ｄ比は、非晶質炭素膜
１０の耐剥離性を向上させるためにはＧ／Ｄ比≧０．１
に設定することが必要であり、またその膜１０の電気伝
導性を考慮すると、Ｇ／Ｄ比≦２．０であることが望ま
しい、と言える。
０の電気伝導性を高めるためには、例３〜７のごとく、
水素含有量ＣH を１原子％≦ＣH ≦２０原子％に設定す
ることが必要である。一方、Ｇ／Ｄ比は、非晶質炭素膜
１０の耐剥離性を向上させるためにはＧ／Ｄ比≧０．１
に設定することが必要であり、またその膜１０の電気伝
導性を考慮すると、Ｇ／Ｄ比≦２．０であることが望ま
しい、と言える。
【００２４】薄膜形成技術としては、金属板９に対する
隠蔽性、膜厚の均一性等の点から、イオンビーム蒸着法
の方がＰ−ＣＶＤ法よりも優れていることが判明した。
隠蔽性、膜厚の均一性等の点から、イオンビーム蒸着法
の方がＰ−ＣＶＤ法よりも優れていることが判明した。
【００２５】次に、非晶質炭素膜１０の例６を有するセ
パレータ２を、ｐＨ３の濃硫酸に７２時間浸漬し、その
後非晶質炭素膜１０の腐食減量を求めたところ、それは
０．００１ｇと極めて少なく、したがって例６は、優れ
た耐食性を有することが判明した。比較のため、セラミ
ックスであるＣｒＮ、ＴｉＮおよびＺｒＮについて前記
同様のテストを行ってそれらの腐食減量を求めたとこ
ろ、それぞれ０．１７３ｇ、０．０６６ｇ、０．０２３
ｇであり、これらセラミックスは非晶質炭素膜１０に比
べて耐食性が大幅に低いことが判明した。
パレータ２を、ｐＨ３の濃硫酸に７２時間浸漬し、その
後非晶質炭素膜１０の腐食減量を求めたところ、それは
０．００１ｇと極めて少なく、したがって例６は、優れ
た耐食性を有することが判明した。比較のため、セラミ
ックスであるＣｒＮ、ＴｉＮおよびＺｒＮについて前記
同様のテストを行ってそれらの腐食減量を求めたとこ
ろ、それぞれ０．１７３ｇ、０．０６６ｇ、０．０２３
ｇであり、これらセラミックスは非晶質炭素膜１０に比
べて耐食性が大幅に低いことが判明した。
【００２６】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、前記のよ
うに構成することによって、良好な電気伝導性および耐
食性を有し、また生産性が高く、生産コストの安価な燃
料電池用セパレータを提供することができる。
うに構成することによって、良好な電気伝導性および耐
食性を有し、また生産性が高く、生産コストの安価な燃
料電池用セパレータを提供することができる。
【００２７】請求項２記載の発明によれば、前記効果に
加えて、非晶質炭素膜の耐剥離性を向上させた燃料電池
用セパレータを提供することができる。
加えて、非晶質炭素膜の耐剥離性を向上させた燃料電池
用セパレータを提供することができる。
【００２８】請求項３記載の発明によれば、前記諸効果
を全て備え、その上、均一な厚さを有し、且つ隠蔽性の
優れた非晶質炭素膜を持つ燃料電池用セパレータを提供
することができる。
を全て備え、その上、均一な厚さを有し、且つ隠蔽性の
優れた非晶質炭素膜を持つ燃料電池用セパレータを提供
することができる。
【図１】スタック型燃料電池の要部正面図である。
【図２】ユニットの分解斜視図である。
【図３】図２の３−３線拡大断面図である。
【図４】ラマンスペクトル図である。
１ 単電池 ２ セパレータ ６ 電極 ７ ガス流路 ９ 金属板 １０ 非晶質炭素膜 １１ 凹条 ａ ガス流路形成面 ｂ 凹条形成面
Claims (3)
- 【請求項１】 単電池（１）の平板状電極（６）と協働
してガス流路（７）を形成する燃料電池用セパレータ
（２）において、低電気抵抗性金属板（９）と、その金
属板（９）を被覆してガス流路形成面（ａ）を構成する
非晶質炭素膜（１０）とよりなり、その非晶質炭素膜
（１０）の水素含有量ＣH が１原子％≦Ｃ H ≦２０原子
％であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 前記非晶質炭素膜（１０）のラマン分光
分析によるＧ／Ｄ比が、０．１≦Ｇ／Ｄ比≦２．０であ
る、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項３】 単電池（１）の平板状電極（６）と協働
してガス流路（７）を形成する燃料電池用セパレータ
（２）において、複数のガス流路用溝（８）を得るため
の複数の凹条（１１）を備えた低電気抵抗性金属板
（９）と、前記金属板（９）の凹条形成面（ｂ）を被覆
してガス流路形成面（ａ）を構成すべく、イオンビーム
蒸着法により形成された非晶質炭素膜（１０）とよりな
り、その非晶質炭素膜（１０）の水素含有量ＣH が１原
子％≦ＣH ≦２０原子％であり、また前記非晶質炭素膜
（１０）のラマン分光分析によるＧ／Ｄ比が、０．１≦
Ｇ／Ｄ比≦２．０であることを特徴とする燃料電池用セ
パレータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10236894A JP2000067881A (ja) | 1998-08-24 | 1998-08-24 | 燃料電池用セパレータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10236894A JP2000067881A (ja) | 1998-08-24 | 1998-08-24 | 燃料電池用セパレータ |
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