JP2009076303A - 燃料電池用複合金属材及びその製造方法、並びに燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑え、低コストで製造を簡単にしてコア面が直接腐食雰囲気に触れることがない燃料電池用セパレータを始めとした燃料電池用複合金属材を提供する。
【解決手段】金属からなるコア２の表面を、耐食性を有する金属からなる被覆層３，３で覆い、これらコア２と被覆層３，３を貫通する貫通孔４を形成した燃料電池用複合金属材１において、貫通孔４のコア内周面に、貫通孔４の被覆層内周面よりも凹んだ凹部５を形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合金属材料の加工技術に係り、特に、コアを耐食金属被覆して貫通孔を形成した燃料電池用複合金属材及びその製造方法、並びに燃料電池用セパレータに関する。

従来、複数の金属を接合させるなどした複合金属材料は、さまざまに応用されている。特に、表面にＴｉを用いた材料は、燃料電池用セパレータ材として、厳しい腐食環境での使用を目的に、開発が行われている。

Ｔｉを表面に用いた燃料電池用セパレータに関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００６−２１０３２０号公報 特開２００５−１５８４４１号公報

現在、耐食金属としては、たとえばＴｉなどが代表的な材料であるが、燃料電池用セパレータに関して、コストの点で非常に高く、汎用的に用いることは困難であることから、本発明者らは、耐食金属材を表皮のみに使い、コア材は廉価な材料とクラッド接合した複合金属を用いたセパレータの開発を続けている。

このようなセパレータでは、燃料電池の発電用燃料ガスや酸化剤ガスである空気は、電池特性を高めるため、加湿させた状態（例えば、高濃度のメタノール＋空気極で生成した水）で使用されるのが一般的である。これら発電用燃料ガスや酸化剤ガスは、セパレータに開けた貫通孔を通してＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電極付き電解質膜構造体）に到達される。

しかしながら、従来の燃料電池用金属複合材における貫通孔の加工では、その内周面（端面）にコア金属が露出しており、結露による水滴の発生や、燃料ガス、酸化剤ガスに含まれる不純物イオンによるｐＨ変化により、コア金属の溶出が起こりえる。

このように現状では、セパレータに貫通孔が必要となり、燃料系ガス流路や、酸化剤（空気）のガス流路にコア金属が露出する部分が生じていた。露出面をカバーする方法として、金属セパレータの端面処理に関しては、特許文献２などに見られるように開口部の防食対策としてフィルム状被覆材を接着処理している公知例がある。

しかし、特許文献２のように個別に開口部の周囲部を覆うためには、部品点数の増加、組み立てコストが高くなる場合がある。また、この方法で封止を確実に行うには、開口部を樹脂フィルムが大きくふさいだり、開口部の周りがフィルム分だけ厚くなり、組み立て設計が困難になりやすい。

ところで、現状このような材料系において、コア材にステンレスなどの耐食金属材を用いて製作した燃料電池用セパレータについては、特に端面処理をしなくても耐久性に関して大きな問題は生じていないが、コア金属にＡｌを使用した軽量セパレータの場合、コア溶出がステンレスに比べて大幅に増加する可能性があり、注意を要する。

そこで、本発明の目的は、部品点数の増加を抑え、低コストで製造が簡単であり、コア面が直接腐食雰囲気に触れることがない燃料電池用セパレータを始めとした燃料電池用複合金属材及びその製造方法、並びに燃料電池用セパレータを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、金属からなるコアの表面を、耐食性を有する金属からなる被覆層で覆い、これらコアと被覆層を貫通する貫通孔を形成した燃料電池用複合金属材において、上記貫通孔のコア内周面に、上記貫通孔の被覆層内周面よりも凹んだ凹部を形成した燃料電池用複合金属材である。

請求項２の発明は、上記貫通孔の被覆層内周面が孔内側に折れ曲がっている請求項１記載の燃料電池用複合金属材である。

請求項３の発明は、上記凹部に、上記コアの溶出を防止する樹脂などの溶出防止材を充填した請求項１または２記載の燃料電池用複合金属材である。

請求項４の発明は、金属からなるコアの表面を、耐食性を有する金属からなる被覆層で覆い、これらコアと被覆層を貫通する貫通孔を形成する燃料電池用複合金属材の製造方法において、上記貫通孔を形成した後、その部分をエッチングし、上記貫通孔のコア内周面に、上記貫通孔の被覆層内周面よりも凹んだ凹部を形成する燃料電池用複合金属材の製造方法である。

請求項５の発明は、上記凹部を形成した後、上記貫通孔の被覆層内周面をポンチで押し、上記貫通孔のコア内周面から張り出した張り出し部を孔内側に折り曲げる請求項４記載の燃料電池用複合金属材の製造方法である。

請求項６の発明は、上記凹部に、陽極酸化処理、さらにベーマイト処理を行う請求項４または５記載の燃料電池用複合金属材の製造方法である。

請求項７の発明は、請求項１〜３いずれかに記載した燃料電池用複合金属材を用いた燃料電池用セパレータである。

本発明によれば、燃料電池用セパレータを始めとした燃料電池用金属複合材加工品の寿命が向上し、コア素材の選択の幅が広がる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示す燃料電池用金属複合材の平面図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池用複合金属材１は、板状の金属からなるコア２の表裏面を、耐食性を有する金属からなる被覆層（耐食被覆層）３，３で覆い、これらコア２と被覆層３，３を厚さ方向（図１（ａ）では紙面法線方向、図１（ｂ）では上下方向）に貫通する貫通孔４を複数個形成したものである。

図１では、貫通孔４として、平面視で円形に形成したものを用い、これを金属材本体１ｂの角部よりやや内側に４個形成した例を示した。また、金属材本体１ｂの中央部には、折り曲げ加工やプレス成型により、金属材本体１ｂの表裏面の両側に突出するように、ガス流路となる溝を有する凹凸部１ｒを形成した。

コア２は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｂの純金属あるいはその合金か、ステンレスあるいはステンレスとの複合金属の中から選ばれる。各被覆層３は、Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ、あるいはその合金か、ステンレスなどの耐食性を有する金属からなる。

本実施形態では、コアの軽量化を考慮し、コア２にＡｌあるいはＡｌ合金からなるものを用い、被覆層の耐食性、耐熱性を考慮し、各被覆層３にＴｉあるいはＴｉ合金からなるものを用いた。

より詳細な一例としては、コア２として厚さ０．２ｍｍのＡｌ合金（５０００番台：Ｍｇ系合金）、各被覆層３として厚さ０．０３ｍｍのＴｉを用いた薄肉クラッド材を、金型プレスにて成型し（貫通孔４の形成は、プレス成型と同時でも、プレス成型後でもよい）、後述する凹部５形成前の金属材本体１ｂを作製した。

コア２としては、軽量化や入手容易さのためにＡｌやＡｌ合金が望ましいが、ステンレス材、Ｎｉ，Ｃｕなど、一般的な金属材料であればかまわない。ただし、被覆層３に対して、後述する酸溶液（酸性溶液）、もしくはアルカリ溶液（アルカリ性溶液）などのエッチング液に溶出しやすいものがよい。つまり、コア２と被覆層３を同様にエッチングした際に、（コアエッチング量）＞（被覆層エッチング量）となるものであれば、被覆層が飛び出し、コア２の露出を防止もしくは縮小できるため、いかなる金属であってもよい。

各被覆層３としては、ＴｉやＴｉ合金の他、耐食性に優れれば、ステンレス合金でもかまわないし、Ｔａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｎｉまたはその合金、化合物でも、使用目的の電池特性に対して影響が許容できれば、これらを用いることはかまわない。

さて、燃料電池用金属複合材１では、各貫通孔４のコア内周面に、各貫通孔４の上下部に位置する各被覆層３内周面よりも凹んだ凹部５がそれぞれ形成される。すなわち、コア内周面の上下には、各貫通孔４の孔中心に向かって各被覆層３が張り出した張り出し部３ｐ，３ｐが形成される。

さらに、各凹部５には、燃料電池用金属複合材１の使用時、動作時、保管時などにコア２の溶出を防止する樹脂などの溶出防止材６がそれぞれ充填される。溶出防止材６は、各貫通孔４において、コア２が露出しないように凹部５に充填すればよい。

図１（ｂ）では、各被覆層３の張り出し部３ｐ，３ｐの端面から若干凹む（窪む）ように、凹部５に溶出防止材６を充填した例を示した。

次に、燃料電池用金属複合材１の製造方法の一例を説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、コア２と被覆層３からなる金属材本体１ｂに、各貫通孔４を形成した後、その内周面に露出したコア２を表面層（当初の露出面）より内側に加工するため、これら貫通孔４部分を化学的エッチングし、図２（ｂ）に示すように、各貫通孔４のコア２の内周面に、各貫通孔４の被覆層３，３内周面よりも凹んだ凹部５を形成する。化学的エッチングは、酸溶液やアルカリ溶液などのエッチング液を用いたエッチングとした。

より詳細には、図２（ａ）の金属材本体１ｂを水酸化ナトリウムの１Ｎの水溶液に５分間浸漬した。これにより、コア材のみを水酸化ナトリウム水溶液中に溶出させ、コア部分を上下の被覆層３，３よりも窪ませ、図２（ｂ）の凹部５を形成した。

このときのコア２、各被覆層３，３の状態を図６に示す。ただし、図６では状態をよりよく示すために、貫通孔ではなく、金属材本体１ｂの周辺部の角部をエッチングした部分を示した。このコア部をくぼませた状態（凹部５を形成した後）で、図１（ｂ）に示すように、凹部５に粘度を調整した樹脂などの溶出防止材６として、アラルタイト（エポキシ樹脂を主剤とし、ポリアミドアミンを硬化剤とした２成分タイプの接着剤）を注入した。これにより、凹部５に溶出防止材６を充填でき、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した燃料電池用複合金属材１が得られる。

また、凹部５を形成した後、溶出防止材６の充填に先立ち、凹部５に陽極酸化処理、さらに、樹脂充填剤（無機フィラー）としてのベーマイト（アルミナ１水和物、あるいは水酸化酸化アルミニウム）を充填するベーマイト処理を行ってもよい。

第１の実施形態の作用を説明する。

燃料電池用複合金属材１は、各貫通孔４のコア内周面に、各貫通孔４の被覆層内周面よりも凹んだ凹部５を形成している。このため、燃料電池用複合金属材１では、コア内周面と被覆層内周面が一致した貫通孔を有する従来のものに比べ、コア２の溶出が起こりにくい。

さらに、燃料電池用複合金属材１は、コア露出面（凹部５形成前の貫通孔４のコア内周面）を保護するために、コア露出面を一旦エッチングなどで少し削るなどして凹部５を形成し、その凹部５に溶出防止材６を充填している。

これにより、燃料電池用複合金属材１は、コア２がＡｌやＡｌ合金などの耐食性が弱い金属であっても、コア面が腐食雰囲気に直接触れることがなく、結露による水滴の発生や、燃料ガス、酸化剤ガスに含まれる不純物イオンによるｐＨ変化にかかわらず、コア２の溶出を防止でき、燃料電池用セパレータを始めとした各種複合金属材加工品の寿命が向上する。

また、溶出すると燃料電池の動作に悪影響を与えるようなコア金属であっても、コア２の溶出を抑えることができるため、コア素材の選択の幅が広がる。

さらに、被覆層３は耐食金属材のため、エッチングされにくく、コア２のみをエッチングして被覆層３をコア２よりも孔中心側に張り出させることができ、コア金属がくぼむ形状となって凹部５が形成されることで、溶出防止材６をコア金属の露出部に効率よく充填できる。

燃料電池用複合金属材１では、コア２のくぼみである凹部５により、従来のように何も加工しない貫通孔内周面に樹脂を設ける場合に比べ、凹部５に充填した溶出防止材６が表面張力で広がり、凹部５が未被覆になる（コア面が露出すること）が大幅に減少し、各貫通孔４のコア内周面の保護を、安定して再現よく実施できる。

また、第１の実施形態に係る製造方法によれば、凹部５形成前の金属材本体１ｂの貫通孔部分を化学的エッチングすることで、凹部５を簡単に形成できるため、コア２の溶出を防止した燃料電池用複合金属材１を、部品点数の増加を抑え、低コストで簡単に製造できる。

また、凹部５に陽極酸化処理することで、凹部５に面したコア内周面に酸化膜が形成され、さらにベーマイト処理を行うことで、酸化膜に溶出防止材６が密着するので、コア２の溶出をより確実に防止できる。

図１の燃料電池用複合金属材１の変形例として、図４に示す燃料電池用複合金属材４１のように、各被覆層３の張り出し部３ｐ，３ｐの端面から若干盛り上がるように、凹部５に溶出防止材６を充填してもよい。このときのコア２、各被覆層３，３の状態を図６と同様にして図７に示す。

次に、燃料電池用複合金属材１の使用例を、図３を用いて説明する。

図３に示すように、燃料電池用複合金属材１は、燃料電池セルスタック３１を構成する燃料電池用セパレータとして使用できる。図３では、燃料電池用複合金属材１を、図１（ａ）のような全体が平面視で正方形状ではなく、長方形状に形成し、さらに貫通孔４を平面視で略だ円形状（長孔状）に形成した例で示した。

燃料電池セルスタック３１は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、単セルＣを複数セル積層して構成される。この燃料電池セルスタック３１は、特に、ダイレクトメタノール法燃料電池（ＤＭＦＣ）として使用され、例えば、携帯電話機やノートパソコンなどの携帯機器に、ポータブル電源として搭載される。

単セルＣは、ガス流路を分離する燃料電池用セパレータ（バイポーラプレート）としての燃料電池用複合金属材１、中央部が開口した密封部材としてのガスケット３２、発電部３３、ガスケット３２、燃料電池用複合金属材１からなる。一方の燃料電池用複合金属材１の凹凸部１ｒが燃料ガス（ここでは、メタノールから生成した水素）のガス流路であり、他方の燃料電池用複合金属材１の凹凸部１ｒが酸化剤ガス（ここでは、空気）のガス流路である。

発電部３３は、ＭＥＡ（触媒層担体された高分子電解質膜）３３ｍと、その表裏面に設けられる電極としてのガス拡散層３４，３４とからなる。一方のガス拡散層３４が燃料極であり、他方のガス拡散層３４が空気極である。

このような燃料電池セルスタック３１のコストの大半をセパレータが占めているため、低コストで簡単に製造できる燃料電池用複合金属材１を燃料電池用セパレータに用いると、燃料電池の低コスト化に非常に有用である。また、燃料電池用複合金属材１は、ガスケット３２や発電部３３の枠体としても利用できる。

第２の実施形態を説明する。

図５（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池用複合金属材５１は、各貫通孔４において図２（ｂ）と同様にして凹部５を形成すると共に、これら貫通孔４の被覆層内周面（図２（ｂ）の張り出し部３ｐ，３ｐ）が孔内側に折れ曲がった折り曲げ部３ｆ，３ｆを形成しており、さらに、これら折り曲げ部３ｆ，３ｆと凹部５とで区画形成された部分に溶出防止材６を充填したものである。

燃料電池用複合金属材５１の製造方法では、まず、凹部５を形成した後、図５（ａ）に示すように各貫通孔４の被覆層内周面を、凹部５の内径よりもやや小さい径の先端を有するポンチで上下から孔内側に押し、張り出し部３ｐ，３ｐを孔内側に折り曲げ、折り曲げ部３ｆ，３ｆを形成する。

この折り曲げ部３ｆ，３ｆのみでもコア金属の腐食は大幅に低減されるため、有効であるが、これら折り曲げ部３ｆ，３ｆと凹部５とで区画形成された部分に溶出防止材６を充填すると、図５（ｂ）の燃料電池用複合金属材５１が得られる。

燃料電池用複合金属材５１では、図１の燃料電池用複合金属材１と同じ作用効果が得られる他、コア材エッチング後に、被覆層３，３の張り出し部３ｐ，３ｐ（図２（ｂ）参照）を孔内側に折り込み、折り曲げ部３ｆ，３ｆを形成することで、溶出防止材６の充填がさらに安定する。

上記実施形態では、化学的エッチングで凹部５を形成する例で説明したが、電解エッチングなどの電気化学的エッチングで凹部５を形成してもよい。この場合は、金属材本体１ｂをアノード電極とし、これを電解質に浸漬して正電位を印加してエッチングを行う。さらに、電解エッチング時に、凹部５に面したコア内周面の酸化を伴う陽極酸化処理を同時に行ってもよい。

また、被覆層３，３の上に、さらに別の導電性被覆処理を施したものにも、本発明を応用できるが、有機系の導電性塗料被覆など、エッチング液と反応したり、これに吸収されたりする可能性がある場合には、エッチング処理後、導電性表面処理をすることが望ましい。

図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示す燃料電池用複合金属材の平面図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）は、図１に示した燃料電池用複合金属材の製造方法の一例を示す断面図である。 図１に示した燃料電池用複合金属材を用いた固体高分子形燃料電池用セパレータと、固体高分子型燃料電池のスタック構造とを示す概略図である。 図１に示した燃料電池用複合金属材の変形例である主要部の断面図である。 図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用複合金属材の製造方法の一例を示す断面図、図５（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用複合金属材の主要部の断面図である。 コアをエッチングし、くぼみ加工した形状加工状態の写真である。 図６に樹脂を充填した状態の写真である。

符号の説明

１ 燃料電池用複合金属材
２ コア
３ 被覆層
４ 貫通孔
５ 凹部

Claims (7)

1. 金属からなるコアの表面を、耐食性を有する金属からなる被覆層で覆い、これらコアと被覆層を貫通する貫通孔を形成した燃料電池用複合金属材において、上記貫通孔のコア内周面に、上記貫通孔の被覆層内周面よりも凹んだ凹部を形成したことを特徴とする燃料電池用複合金属材。
2. 上記貫通孔の被覆層内周面が孔内側に折れ曲がっている請求項１記載の燃料電池用複合金属材。
3. 上記凹部に、上記コアの溶出を防止する樹脂などの溶出防止材を充填した請求項１または２記載の燃料電池用複合金属材。
4. 金属からなるコアの表面を、耐食性を有する金属からなる被覆層で覆い、これらコアと被覆層を貫通する貫通孔を形成する燃料電池用複合金属材の製造方法において、上記貫通孔を形成した後、その部分をエッチングし、上記貫通孔のコア内周面に、上記貫通孔の被覆層内周面よりも凹んだ凹部を形成することを特徴とする燃料電池用複合金属材の製造方法。
5. 上記凹部を形成した後、上記貫通孔の被覆層内周面をポンチで押し、上記貫通孔のコア内周面から張り出した張り出し部を孔内側に折り曲げる請求項４記載の燃料電池用複合金属材の製造方法。
6. 上記凹部に、陽極酸化処理、さらにベーマイト処理を行う請求項４または５記載の燃料電池用複合金属材の製造方法。
7. 請求項１〜３いずれかに記載した燃料電池用複合金属材を用いたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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