JP2007012634A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電部の高い導電性と非発電部の高い耐食性の双方を両立させることができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】金属組織中に導電性介在物を有する金属板を光輝焼鈍した後に、発電部の表面に導電性介在物を突出させる表面処理を施し、これによって発電部の表面に導電性を具備させるとともに、非発電部の表面に光輝焼鈍によって酸化被膜を形成して耐食性を具備させる。さらに非発電部の表面に不動態化処理を施して不動態被膜を形成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池が備えるセパレータの製造方法に関する。
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
上記セパレータは、負極側の水素ガスの触媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化による軽量・コンパクト化が可能である点で有利であるとされている。金属製のセパレータは、例えば、表面に導電経路を形成する導電性介在物が分散・露出したステンレス鋼からなる薄板を素材とし、この素材板をプレス成形して断面凹凸状に成形したものが挙げられる。
このような金属製セパレータにおいては、断面凹凸状に成形された部分が発電部とされるが、通常、この発電部の周囲には、平坦な縁状の非発電部が一体に成形されている。断面凹凸状の発電部は、溝と凸部とが交互に連続しており、溝がガス流路や冷媒流路を構成し、凸部が電極構造体のガス拡散電極に接触させられる。また、非発電部は、例えば燃料ガス等の供給口または排出口が設けられたり、冷媒流通用の穴が形成されたりする。
このような発電部と非発電部とを有する従来の金属製セパレータにおいては、非発電部は耐食性を有していることが望ましいが、一方、発電部は、電極構造体に対する接触抵抗を低減させて導電性を高くし、これによって発電性能を向上させる上で、耐食性を有していることより導電性を有していることが要求される。したがって、セパレータを製造する上では、非発電部の耐食性を保証するために全体の耐食性を上げて発電部の導電性を犠牲にするか、もしくは非発電部の耐食性を犠牲にして全体の耐食性を下げて発電部の発電性能を高めるかのいずれかの方策を採らざるを得なかった。
よって本発明は、発電部の高い導電性と非発電部の高い耐食性の双方を両立させることができる燃料電池用セパレータを製造する方法を提供することを目的としている。
本発明は、発電部の外周側に非発電部を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、金属組織中に導電性介在物を有する１枚の金属板を光輝焼鈍した後に、前記発電部の表面に導電性介在物を突出させる表面処理を施し、これによって前記発電部の表面に導電性を具備させるとともに、前記非発電部の表面に光輝焼鈍によって酸化被膜を形成して耐食性を具備させることを特徴としている。
本発明によれば、例えば、金属組織中に導電性介在物を有するステンレス鋼板を素材とし、この素材を光輝焼鈍を行うことにより、表面に耐食性に優れる酸化被膜を形成する。次いで、この素材からセパレータを成形し、発電部の表面の母材を除去して表面に導電性介在物を突出させることにより、本発明のセパレータを得ることができる。発電部は、表面に導電性介在物が突出していることにより、この導電性介在物が導電経路として有効に働き、電極構造体に対する接触抵抗が低減して発電性能の向上が図られる。非発電部の表面は、酸化被膜が形成されており、耐食性が十分に確保される。また、酸化被膜を形成した非発電部の表面をさらに不動態化処理して不動態被膜を形成してもよい。
本発明によれば、発電部の導電性が高まる一方、導電性とは相反する耐食性を非発電部に付与することができ、その結果、発電部の高い導電性と非発電部の高い耐食性の双方が両立した燃料電池用セパレータを得ることができるといった効果を奏する。
次に、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る正方形状の金属製セパレータである。このセパレータ１は、ステンレス鋼からなる薄板をプレス成形して得られたものであって、中央部に正方形状の発電部１０Ａが形成され、この発電部１０Ａの周囲に縁状の発電部２０Ａが形成されている。図２に示すように、発電部１０Ａは断面の輪郭が台形の凹凸が面方向に連続した波板状を呈しており、非発電部２０Ａは平板状である。発電部１０Ａにおいては、両面の溝がガス流路１１とされ、溝間の凸部１２の突端面が、図示せぬ電極構造体のガス拡散電極に接触させられる。
このセパレータ１の素材であるステンレス鋼板は、金属組織中に導電性介在物を有するものであって、発電部１０Ａの表面（ここでは表裏面を一括して表面と称する）にはその導電性介在物が突出している。この導電性介在物が、導電経路として有効に働く。一方、非発電部２０Ａの表面には、素材のままの状態で酸化被膜が形成されている。
セパレータ１の素材であるステンレス鋼板としては、例えば次の成分を有するものが好適である。すなわち、Ｃ：０．１５ｗｔ％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．０１〜２．５ｗｔ％、Ｐ：０．０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０１ｗｔ％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｎ：０．３ｗｔ％以下、Ｃｕ：０〜３ｗｔ％、Ｎｉ：７〜５０ｗｔ％、Ｃｒ：１７〜３０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜７ｗｔ％、残部がＦｅ，Ｂおよび不可避的不純物であり、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢが次式を満足している。
Ｃｒ（ｗｔ％）＋３×Ｍｏ（ｗｔ％）−２．５×Ｂ（ｗｔ％）≧１７
このステンレス鋼板によれば、Ｂが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として表面に析出し、これら硼化物が導電性介在物である。
次に、本発明に係る上記セパレータ１の製造方法の一例を説明する。
（１）圧延
冷間圧延と光輝焼鈍を繰り返すことによってステンレス鋼板を所定の厚さ（例えば０．２ｍｍ）に伸ばして素材を得る。通常、光輝焼鈍は、アンモニア分解ガスやＨ２＋Ｎ２の混合ガス等の不活性ガス中で、所定温度／時間で加熱する熱処理であり、酸化被膜が表面に形成されるのを防ぐために、酸素が存在しない雰囲気で行うものである。しかしながら本発明では、不活性ガスであるＮ２雰囲気に酸素をわずかに導入し、酸素がわずかに存在する雰囲気にて光輝焼鈍を行うことにより、ステンレス鋼板の表面に耐食性に優れる酸化被膜を形成する。例えば、酸素分圧を０．００１気圧、窒素分圧を０．９９９気圧として光輝焼鈍を行うことにより、耐食性に優れる酸化被膜を形成することができる。
（２）次に、所定寸法に切り出した素材をプレス成形し、発電部１０Ａと非発電部２０Ａを有するセパレータ素材を得る。
（３）続いて、発電部１０Ａの表面のみに、導電性介在物を突出させる処理を施して、発電部１０Ａの表面から導電性介在物を突出させる。導電性介在物を突出させる表面処理としては、電解エッチング等の電気化学的方法、エッチング等の化学的方法、切削やサンドブラスト等の物理的方法等によって、表面の母材を除去する方法が挙げられる。
上記方法によれば、発電部１０Ａの表面は、導電性介在物が突出して導電性が高くなっており、一方、非発電部２０Ａの表面は、酸化被膜がそのまま残存していることにより高い耐食性を示す。なお、非発電部２０Ａの耐食性をより高めたい場合には、発電部１０Ａをマスキングした状態で非発電部２０Ａの表面のみを不動態化処理して非発電部２０Ａの表面に不動態被膜を形成する方法が挙げられる。不動態化処理は、酸性浴に浸漬するなどの方法で行うことができる。
上記セパレータ１によれば、発電部１０Ａの表面は、導電性介在物が突出していることによって電極構造体に対する接触抵抗が低いものとなり、高い導電性を有している。一方の非発電部２０Ａの表面は、酸化被膜が形成されていることによって高い耐食性を示す。したがって、発電部１０Ａの高い導電性と非発電部２０Ａの高い耐食性の双方が両立するものとなっている。
本発明の一実施形態に係るセパレータの平面図である。 一実施形態のセパレータの一部断面図である。
符号の説明
１…セパレータ
１０Ａ…発電部
１１…ガス流路
１２…凸部
２０Ａ…非発電部

Claims (2)

  1. 発電部の外周側に非発電部を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
    金属組織中に導電性介在物を有する１枚の金属板を光輝焼鈍した後に、前記発電部の表面に導電性介在物を突出させる表面処理を施し、
    これによって前記発電部の表面に導電性を具備させるとともに、前記非発電部の表面に光輝焼鈍によって酸化被膜を形成して耐食性を具備させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
  2. 前記非発電部の表面に不動態化処理を施して不動態被膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
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