JP2005166396A - 金属ガラスセパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価に、且つ、簡便に、耐腐食性、強度、導電性に優れた金属ガラスセパレータを製造すること。
【解決手段】金属ガラスシート１０を、チェインバー３０内の溝形状の凹凸が設けられた金型２０内に配置し、ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで、金属ガラスシート１０及び金型２０を加熱し、ホットプレスにより、金属ガラスシート１０に溝を成形することで、耐腐食性、強度、導電性に優れた金属ガラスセパレータを、比較的安価に、且つ、簡便に製造することができる。ホットプレスを用いて、金属ガラスシートに溝を形成することで、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、セパレータの製造コストを小さくすることができる。また、シート面積、溝の高さ、シート厚さ等の加工寸法を比較的大きくとることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池のセルに組込まれるセパレータの製造方法の技術分野に属する。

固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と呼ぶ。）は、高分子電解質膜からなる電極に、反応ガス（水素・酸素）を供給して発電する装置である。
図２は、燃料電池を構成する最小ユニットであるセルＣの斜視図である。
燃料電池のセルＣは、触媒層と多孔質支持層からなる２つの電極Ｅ１，Ｅ２（アノード、及びカソード）、電極Ｅ１，Ｅ２間に挿入される電解質Ｄ、及び電極Ｅ１，Ｅ２の外側に配置されたセパレータ１００からなる。
上記構成のセルＣでは、１つにつき１Ｖ弱の電圧しか得られないので、実際の燃料電池としては、通常、数十〜数百のセルＣを直列に積層したものが使用されている。

図３は、燃料電池に使用される従来のセパレータ１００の正面図である。
プレート状のセパレータ１００の両面に、図３に示すように、幅、及び深さが０．５〜２ｍｍ程度の多数の溝１２０が設けられており、この溝１２０は、反応ガスの流路、及び反応によって発生した水の排出路として機能する。
多数のセルＣが積層されてなる燃料電池において、上記のセパレータ１００は、各セルＣ間の仕切り板としてだけでなく、溝１２０を介して隣合う電極Ｅ１（又はＥ２）に反応ガスを供給したり、反応に伴って発生した水を外部に排出するために設けられている。
また、セパレータ１００は、セルＣで発生した電気を外部に伝達するための役割も果たしている。

従って、燃料電池のセパレータ１００としては、電極Ｅ１，Ｅ２（アノード側、カソード側）に供給される反応ガスが混合しないようにガス遮蔽性が高く、反応ガスによって腐食されることがないように耐蝕性・耐酸化性に優れ、軽量で、且つ、導電性を有し、さらに、積層した各セルＣの荷重に耐え得る強度を具えていることが要求される。
また、燃料電池を小型化するためには、セパレータ１００をできるだけ薄くする必要がある。

上記特性を満たすセパレータ１００の材料として、従来から、等方性カーボンが使用されている。しかし、より小型で高出力の燃料電池を開発するためには、セパレータを薄くすると機械的強度及び成形性に限界があった。そこで、現在では、セパレータを薄くしても機械強度、成形性に優れた、金属を母材とするセパレータの開発が進められている。

ところが、金属を母材とするセパレータを用いる場合には、以下の２点が問題となる。第１点は、金属の特性に由来する耐食性の低さである。一般的な燃料電池においては、燃料電池の反応下においては水が存在するが、金属はこのように水を含む雰囲気下では腐食されやすいという問題がある。

第２点は、金属の特性に由来する高い接触抵抗（低い導電性）が挙げられる。金属表面には不働態層が形成されるためカーボン材料に比べて接触抵抗が高く、そのような金属セパレータに通電された場合には電圧降下が大きくなり、燃料電池の性能低下を招くおそれがある。

このような問題に対して、例えば、セパレータに用いる母材の金属にステンレス鋼を用い、その表面をサンドブラスト等により粗面化する技術がある（第１の従来技術）。この技術によると、母材の金属にステンレス鋼が用いられるので耐食性に優れるとともに、母材表面の粗面化により接触抵抗が低下する。また、特許文献１には、セパレータの母材にステンレス鋼を用い、その表面に金メッキを施す技術が開示されている（第２の従来技術）。この技術によれば、耐食性、導電性に優れた金が母材表面にメッキされるので、金の特性により耐食性が向上するとともに、接触抵抗を低減することができる。

しかし、第１の従来技術は、電力を発生する反応中にセパレータが酸化雰囲気となるため、使用中に腐食されてしまうという問題がある。
また、第２の従来技術は、金メッキを用いることからコスト高になってしまうという問題を有する。

そこで、ステンレス鋼からなる母材の表面に、アモルファス金属からなる導電性粒子を物理蒸着法により積層させて、厚さ１〜５０μｍの多孔質層を形成することで、耐食性・導電性を向上させた燃料電池用セパレータが、特許文献２に開示されている。

このセパレータは、母材が金属からなるので、セパレータの厚みを薄くしても強度を保つことができる。また、導電性粒子が融着されて形成されることにより、導電性粒子が剥離しにくい上、多孔質層とされているので、アノード又はカソードと積層して押圧された場合には、アノード又はカソードの接触面積が増大し、電極に対する接触抵抗が低減される。
また、母材表面に形成された多孔質層を構成する材質の少なくとも一部にアモルファス金属を含むので、前記燃料電池用セパレータは耐食性にも優れている。
特開平１０−２２８９１４号公報 特開２００１−３２５９６６号公報

しかし、この特許文献２のセパレータは、物理蒸着法により、アモルファス金属を積層しなければならないため、製造に手間がかかるという問題を有する。
本発明は、上述の問題に鑑み、比較的安価に、且つ、簡便に、耐腐食性、強度、導電性に優れた金属ガラスセパレータを製造することを目的とする。

なお、固体高分子型燃料電池に使用される燃料電池セパレータに金属ガラスを用いるためには、燃料・反応ガス供給及び生成水排出のために、溝を設ける必要があるが、金属ガラスは、通常シート状や管状で使用されるものであり、溝を設けることは余り行われていなかった。
本発明は、ホットプレスにより、比較的安価に、且つ、簡便に、金属ガラスシートに溝を設けることに成功したものである。

本発明は、溝形状の凹凸が設けられた金型内に、金属ガラスのシートを配置し、ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで前記金属ガラスのシート及び前記金型を加熱し、金属ガラスのもつ優れた過冷却液体領域における粘性流動特性を利用することにより、ホットプレスで前記金属ガラスシートに溝を成形することを特徴とする金属ガラスセパレータの製造方法によって、前記の課題を解決した。

本発明によれば、ホットプレスという簡便な方法により、金属ガラスシートに直接溝を設けることができることから、従来のカーボン材料からなるセパレータよりも、耐腐食性、強度、導電性に優れた金属ガラスセパレータを、比較的安価に、且つ、簡便に製造することができる。

また、ホットプレスを用いて、金属ガラスシートに溝を形成することで、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、金属ガラスセパレータの製造コストを小さくすることができる。
また、本発明の製造方法によれば、シート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ、溝の最大高さ：１．０ｍｍ、金属ガラスシートの最大厚さ：２５０μｍの加工が可能であり、加工可能寸法を比較的大きくとることができる。

本発明の金属ガラスセパレータの製造方法を、図１に基づいて説明する。
本発明の金属ガラスセパレータの製造方法は、以下の工程からなる。
（工程１）金属ガラスシート１０を、チェインバー３０内の溝形状の凹凸が設けられた金型２０内に配置する。
（工程２）ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで、金属ガラスシート１０及び金型２０を加熱する。
（工程３）ホットプレスにより、金属ガラスシート１０に溝を成形する。

ところで、金属ガラスシート１０にセパレータに必要な凹凸の溝形状を形成するには、金属ガラスシート１０及び金型２０をガラス遷移温度と結晶化温度の間の温度まで加熱する必要がある。これは、金属ガラスシート１０の温度がガラス遷移温度以下であると十分な延性が得られず、結晶化温度以上であると結晶化が起こり、金属ガラス（過冷却による液体状態の金属）ではなく一般の多結晶金属となり、結晶間の結晶粒界が腐食の起点となり、セパレータに必要な耐食性が得られないためである。

ここで、表面の酸化を防ぐため、加熱・成形は、不活性雰囲気中でなされることが好ましい。これは、チェインバー３０内を不活性ガスで充填することで実現される。また、金属ガラスシート１０の厚さは、５０〜２５０μｍであることが望ましい。

従来、固体高分子型燃料電池のセパレータとして、ステンレス鋼からなるものやステンレス鋼に金メッキをしてなるものがあるが、ステンレス鋼の場合、電力を発生する反応中にセパレータが酸化雰囲気となるため、使用中に腐食されてしまうという問題があり、また、金メッキを施すと今度はコスト高になってしまうという問題がある。

本発明の金属ガラスセパレータは、金属ガラスが理論的には酸化の開始点となる結晶粒界がないことから、腐食を抑えることができる。また、強度や電気伝導性についても現在使われているカーボン系の材料よりも優れている。また、カーボン材料を用いた場合より、工程を少なくすることができることから、製造コストを抑えることができる。

本発明の金属ガラスセパレータの製造方法によれば、以下の比較的大きいサイズの加工が可能となることが確認された。
金属ガラスシート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ
溝の最大高さ：１．０ｍｍ
金属ガラスシートの最大厚さ：２５０μｍ

以上説明したように、本発明によれば、ホットプレスという簡便な方法により金属ガラスシートに直接溝を設けることができることから、従来のカーボン材料からなるセパレータよりも、耐腐食性、強度、導電性に優れた金属ガラスセパレータを、比較的安価に、且つ、簡便に製造することができる。

また、ホットプレスを用いることで、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、金属ガラスセパレータの製造コストを小さくすることができる。
そして、本発明の製造方法によれば、シート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ、溝の最大高さ：１．０ｍｍ、金属ガラスシートの最大厚さ：２５０μｍの加工が可能であり、加工可能寸法を比較的大きくとることができるという効果を奏する。

本発明の金属ガラスセパレータの製造方法の説明図。 燃料電池を構成する最小ユニットであるセルの斜視図。 燃料電池に使用されるセパレータの正面図。

符号の説明

１０：金属ガラスシート ２０：金型 ３０：チェインバー

Claims (3)

1. 溝形状の凹凸が設けられた金型内に、金属ガラスシートを配置し、
   ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで前記金属ガラスシート及び前記金型を加熱し、ホットプレスにより前記金属ガラスシートに溝を成形することを特徴とする、
   金属ガラスセパレータの製造方法。
2. 不活性雰囲気中で加熱・成形がなされる、請求項１の金属ガラスセパレータの製造方法。
3. 前記金属ガラスシートの厚さが５０〜２５０μｍである、請求項１又は２の金属ガラスセパレータの製造方法。
   
   

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