JP2020056071A - 高耐食性、高通電性を有する金属材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い耐食性を要求される燃料電池スタック用部材や電気抵抗が低く高い通電性を要求される金属材（基材）として最適な高耐食性、高通電性を有する金属材料の提供。【解決手段】 金属製部材からなる基材表面に、溶射によりタングステンカーバイド層又はニッケルカーバイド層を形成するか、又は、前記基材表面にタングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを塗布した後、当該タングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを圧延又はプレスにより加圧して基材表面に埋め込む。【選択図】 図３

Description

本発明は、高い耐食性を要求される燃料電池スタック用部材や電気抵抗が低く高い通電性を要求される金属材（基材）として最適な高耐食性、高通電性を有する金属材料及びその製造方法に係り、より詳しくは、基材（例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属材や、溶射によるアモルファス合金からなる積層体等）の表面に特殊な処理を施すことにより耐食性及び通電性の優れた金属材を得ることができる技術に関するものである。

従来、燃料電池スタック用部材（端子板やセパレータ等）等に使用される金属製部材としては、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、Ｎｉ−鉄合金等の高耐食性を有する金属材が使用される。しかし、ステンレス鋼やチタン等の一般金属部材を、例えば燃料電池スタック用部材の端子板やセパレータ等に使用する場合、単位電池の電極との接触抵抗が大きいという問題点がある。又、燃料電池スタックは、水素と酸素の化学反応を起こして電気を取り出す構造上、端子板やセパレータには高い耐食性が求められる。一方で化学反応で起きた電気ロスを抑えるため通電性も求められる。しかし、耐食性を高めた金属材料は一般的に電気抵抗が高いため、高い通電性を得ることができないという問題点がある。
そこで、かかる問題点を解消するために、例えば、特許文献１には、ステンレス鋼やチタン等の一般金属部材の表面に金メッキを施した燃料電池用セパレータが開示されている。この燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼等の金属製部材の表面の、単位電池の電極との接触面に直接金メッキを施したもので、金メッキの作用によりセパレータと電極との接触抵抗が低下することにより、セパレータと電極との間で電子の導通が良好となるとされたものである。又、特許文献２には、鋼片の段階で電気抵抗を下げるボロンを混合、析出させることにより、接触電気抵抗を低減させた金属セパレータ用ステンレス鋼が開示されている。

しかしながら、上記した特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータや、特許文献２に開示されている金属セパレータ用ステンレス鋼には、以下に記載する問題がある。

即ち、特許文献１に開示されている技術によれば、燃料電池用セパレータに金メッキが施されているので、セパレータと電極との接触抵抗が低下するため、セパレータから電極への電子の導通が良好となり、燃料電池の出力電圧が大きくなるとされているが、例えばその表面に酸化被膜を備えたステンレス鋼をそのままセパレータに用いても、耐食性が十分でなく金属の溶出が起こり、担持触媒の被毒が発生することや、溶出後に生成する腐食生成物によりセパレータの接触抵抗が増加するという問題もあるため、金属製部材からなる燃料電池用セパレータには、製造コストを度外視した金メッキが施されているのである。次に、特許文献２に開示されているセパレータの場合は、ボロン含有ステンレス鋼を採用するため、変形抵抗が高く、熱間圧延工程やプレス成形工程での割れ防止を考慮した複雑な加工工程が必要となるという問題がある。
このように、特許文献１、２に開示されている技術は、耐食性と通電性を両立させるために燃料電池用スタック部品には酸化被膜除去や金メッキといった複雑な２次加工、３次加工が必要となり、製造コストが高くつくのみならず、そのような複雑な加工処理を加えても高耐食性及び高通電性の両特性を十分に備えた金属材料を得ることは容易ではなかった。

特開平１０−２２８９１４号公報 特開２００９−２１５６５５号公報

本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、高い耐食性を要求される燃料電池スタック用部材や電気抵抗が低く高い通電性を要求される金属材（基材）として最適な高耐食性、高通電性を有する金属材料と、該金属材料を低コストで製造することができる製造方法を提案しようとするものである。

本発明者らは、高い耐食性を要求される燃料電池スタック用部材や電気抵抗が低く高い通電性を要求される金属材に関して、耐食性と通電性を両立させるために酸化被膜除去や金メッキといった複雑な２次加工、３次加工等の複雑な加工処理を必要とせずに、高耐食性と高通電性の両特性を備える金属材料を得る手段について種々研究を重ねた結果、金属製部材からなる基材の表面に炭素系添加剤であるタングステンカーバイド又はニッケルカーバイドの層を形成することにより、耐食性を維持したまま通電性を付与できることを見出した。
即ち、本発明に係る高耐食性、高通電性を有する金属材料は、金属製部材からなる基材の表面に溶射又は埋め込みにより炭素系添加剤、即ち、タングステンカーバイド又はニッケルカーバイドの層を形成することにより耐食性及び通電性の優れた金属材を得ることができる技術であり、その高耐食性、高通電性を有する金属材料は、金属製部材からなる基材表面に、溶射により形成したタングステンカーバイド又はニッケルカーバイドの層を有することを特徴とし、又、他の高耐食性、高通電性を有する金属材料は、金属製部材からなる基材表面に、プレスや圧延等の加圧により埋め込んだタングステンカーバイド又はニッケルカーバイドの層を有することを特徴とする。

本発明に係る高耐食性、高通電性を有する金属材料の製造方法は、金属製部材からなる基材表面に溶射によりタングステンカーバイド又はニッケルカーバイドの層を形成することを特徴とし、又、他の方法として、金属製部材からなる基材表面にタングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを塗布した後、当該タングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを加圧して基材表面に埋め込むことを特徴とする。さらに、別の方法として、前記金属製部材からなる基材が燃料電池スタック用端子板の場合は、当該端子板の片面のみに溶射によりタングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを形成することを特徴とし、又、前記金属製部材からなる基材が燃料電池スタック用セパレータの場合は、当該セパレータの両面にタングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを塗布した後、圧延又はプレスにより該タングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを加圧して当該セパレータ表面に埋め込むことを特徴とする。

本発明における基材としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属材の他、溶射によるアモルファス合金からなる積層体等を用いることができる。

又、炭素系添加剤としてタングステンカーバイドやニッケルカーバイドを用いたのは、複雑な加工工程を経ることなく耐食性を維持したまま通電性を付与できるためである。

本発明において、基材表面へのカーバイドの層の形成手段として、溶射方式と、塗布した後にプレスや圧延による加圧方式を用いたのは、以下に示す理由による。
即ち、溶射方式を採用したのは、カーバイドの層の形成時間が短く一定の厚みを形成し易いためである。又、塗布と加圧方式を採用したのは、添加剤の熱影響が小さく添加剤の特性をそのまま付与し易いためである。

本発明の金属材料は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属材の他、溶射によるアモルファス合金からなる積層体等の基材表面に溶射又はプレスや圧延によりニッケルカーバイドやタングステンカーバイド層を有するので、耐食性を維持したまま通電性を付与できるという優れた特徴を有する。特に、金属製部材からなる基材の表面にカーバイド層を埋め込むことで、耐腐食が高い材質が有する特性を保持したまま電気抵抗を下げることができる。又、本発明の金属材料の製造方法によれば、酸化被膜の除去や金メッキ等の複数の加工工程を経ることなく簡易な手段で耐食性を維持したまま通電性を付与できるので、高耐食性、高通電性を有する金属材料を低コストで製造することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施例である燃料電池スタック用端子板を示す概略縦断面図である。 本発明の他の実施例である燃料電池スタック用セパレータを示す概略縦断面図である。 図１に示す燃料電池スタック用端子板の製造方法の一実施例を示す概略説明図である。 図２に示す燃料電池スタック用セパレータの製造方法の一実施例を示す概略説明図である。 図１に示す燃料電池スタック用端子板の高温高圧腐食促進時間（経過時間）と接触抵抗の関係を示す図である。 図２に示す燃料電池スタック用セパレータの加重と抵抗の関係を示す図である。

図１〜図４において、１は燃料電池スタック用端子板、１−１は基材、２はニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層、３は溶射装置、１１は燃料電池スタック用セパレータ、１１−１は基材、１２はニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層、１３はプレス装置をそれぞれ示す。

即ち、図１に示す燃料電池スタック用端子板１は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼や、溶射によるアモルファス合金からなる積層体等の金属製部材からなる基材１−１の片面のみに、ニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層２が形成されている。この燃料電池スタック用端子板１に施すカーバイド層２の厚さは制限されないが、実験の結果、１５〜３０μｍとすることが望ましい。その理由は、１５μｍ未満では電気抵抗の低下効果が低く、他方、３０μｍを超えると作業性の低下、ニッケルカーバイドやタングステンカーバイドの脱落、電気抵抗の上昇等が発生するためである。
なお、ニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層２は基材１−１の片面のみに限らず両面に形成してもよく、適宜選択することができる。

又、図２に示す燃料電池スタック用セパレータ１１は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼や、溶射によるアモルファス合金からなる積層体等の金属製部材からなる基材１１−１の両面に、ニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層１２が埋め込まれた状態で形成されている。この燃料電池スタック用セパレータ１１に施すカーバイド層１２の厚さも前記図１に示す燃料電池スタック用端子板１と同様に制限されないが、実験の結果、前記燃料電池スタック用端子板と同じ１５〜３０μｍとすることが望ましい。又、その理由も、前記燃料電池スタック用端子板と同様に、１５μｍ未満では電気抵抗の低下効果が低く、他方、３０μｍを超えると作業性の低下、ニッケルカーバイドやタングステンカーバイドの脱落、電気抵抗の上昇等が発生するためである。

次に、図１に示す燃料電池スタック用端子板１の製造方法を図３に基づいて説明する。
この燃料電池スタック用端子板１の製造方法は、基材表面へのカーバイドの層の形成手段として、溶射方式を採用したもので、図３に示すように、水平に保持された基材１−１の上方に配設された溶射装置３により、基材１−１の片面に例えばニッケルカーバイド又はタングステンカーバイド２−１を溶射して、所望厚さのニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層２を形成する。

又、図２に示す燃料電池スタック用セパレータ１１の製造方法を図４に基づいて説明すると、セパレータの場合は貫通抵抗の改善のために基材の両面にカーバイド層を形成するため、ニッケルカーバイド又はタングステンカーバイドをバインダー等の接着媒体に混ぜて基材１１−１の両面に塗布した後、プレス装置１３の上下一対の加圧板１３−１の間に当該基材１１−１を水平に保持した状態で前記加圧板１３−１にて基材１１−１の両面に所定の大きさの面圧を加えると、基材１１−１の両面にカーバイドが埋め込まれ、密着性良好なニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層１２が形成される。
なお、プレス装置１３に替えて圧延機を用いても、基材１１−１の両面に埋め込まれた密着性良好なニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層１２が形成された燃料電池スタック用セパレータ１１を製造することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で変更・実施することは、全て本発明の技術的範囲に含まれる。

ＳＳ４００にアモルファス合金層を形成した基材（サイズ：厚さ３ｍｍ、長さ２５６ｍｍ、幅１５６ｍｍ）の片面に、溶射によりニッケルカーバイド層（層厚２５μｍ）を形成した燃料電池スタック用端子板（本発明１）と、アルミニウムにアモルファス合金層を形成した基材（本発明１と同じサイズ）の片面に、溶射によりニッケルカーバイド層（本発明１と同じ層厚）を形成したもの（本発明２）の高温高圧腐食促進時間（経過時間）と接触抵抗を調べた結果を本発明１、本発明２として図５に示す。
なお、図５には、比較のため、アルミニウムにアモルファス合金層を形成した基材単体（本発明１、２と同じサイズ）（比較例１）の高温高圧腐食促進時間（経過時間）と接触抵抗を調べた結果も併せて示す。また、図５において接触抵抗：３０ｍΩ・ｃｍ^２のラインは高耐食性、高導電性を有する判定基準値を示している。
本実施例１における腐食試験及び接触抵抗測定は、まず専用の密封容器に水とサンプルを封入し、１５０℃を保持する炉内に入れ、１週間毎（約１６８時間）にサンプルを取り出し、乾燥させた後、抵抗測定器により端子を燃料電池スタック用端子板の層成形側に接触させて電圧を測定し、その電圧測定値を用いて接触抵抗値（ｍΩ・ｃｍ^２）を算出した。

アモルファスからなる基材（サイズ：厚さ０．４ｍｍ、Φ３０ｍｍ）の両面に、ニッケルカーバイドをバインダーに混ぜて基材の両面に塗布した後、プレス装置により基材の両面に２．２５トン（ｔ）のプレス装置圧を加えて製造し、当該基材の両面にニッケルカーバイド層を有する燃料電池スタック用セパレータのスタックを想定した際の影響を確認するための試験として加重と抵抗値の関係を調べた結果を図６に示す。なお、図６には、比較のため、アモルファス基材単体（添加加工なし）（比較例１）を併せて示す。
本実施例２における加重と抵抗測定は、まず専用の密封容器に水とサンプルを封入し、１５０℃を保持する炉内に入れ、１週間（約１６８時間）にサンプルを取り出し、乾燥させた後、抵抗測定器により端子を燃料電池スタック用セパレータ上下面の表面に接触させて端子に加重を行いその変化毎に電圧を測定し、その電圧測定値を用いて抵抗値（ｍΩ）を算出した。

図５及び図６に示すデータより明らかなように、本発明の実施例１の燃料電池スタック用端子板、同実施例２の燃料電池スタック用セパレータは共に、ニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層を有する本発明が、これらの層を有しない比較例に対し優位な結果が得られたことから、本発明の金属材料は、高い耐食性を要求される燃料電池スタック用部材や電気抵抗が低く高い通電性を要求される金属材料として優れていることがわかる。

１ 燃料電池スタック用端子板
１−１、１１−１ 基材
２、１２ ニッケルカーバイド層又はタングステンカーバイド層
２−１ ニッケルカーバイド又はタングステンカーバイド
３ 溶射装置
１１ 燃料電池スタック用セパレータ
１３ プレス装置
１３−１ 加圧板

Claims (8)

1. 金属製部材からなる基材表面に、溶射により形成したタングステンカーバイド層又はニッケルカーバイド層を有することを特徴とする高耐食性、高通電性を有する金属材料。
2. 金属製部材からなる基材表面に、プレスや圧延等の加圧により埋め込んだタングステンカーバイド層又はニッケルカーバイド層を有することを特徴とする高耐食性、高通電性を有する金属材料。
3. 前記基材として、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属材、又は、溶射によるアモルファス合金からなる積層体を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の高耐食性、高通電性を有する金属材料。
4. 前記金属材料が燃料電池スタック用端子板又は燃料電池用セパレータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高耐食性、高通電性を有する金属材料。
5. 金属製部材からなる基材表面に、溶射によりタングステンカーバイド層又はニッケルカーバイド層を形成することを特徴とする高耐食性、高通電性を有する金属材料の製造方法。
6. 金属製部材からなる基材表面にタングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを塗布した後、当該タングステンカーバイドあるいはニッケルカーバイドを圧延又はプレスにより加圧して基材表面に埋め込むことを特徴とする高耐食性、高通電性を有する金属材料の製造方法。
7. 前記基材として、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属材、又は、溶射によるアモルファス合金からなる積層体を用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の高耐食性、高通電性を有する金属材料の製造方法。
8. 前記金属材料が燃料電池スタック用端子板又は燃料電池用セパレータであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の高耐食性、高通電性を有する金属材料の製造方法。

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