JP4275899B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用セパレータは、電気的及び腐食環境におかれる一つの構造物として取り扱われており、燃料電池用セパレータの材料には軽量、機械的強度、電気伝導性及び耐食性が求められ、大量使用されるためコストの低減が強く望まれている。従来、グラファイト、天然若しくは人口黒鉛、アモルファスカーボン、膨張黒鉛などのカーボン系材料や、ステンレス鋼、アルミニウム合金又はチタン合金などを使用した燃料電池用セパレータが知られている。カーボン系材料は、軽くて強度を有するが脆くて加工が困難であり、カーボン自体のコストが非常に高く、燃料電池用セパレータとして大量に使用する際にはコストに問題があった。このため、ステンレス鋼、アルミニウム合金又はチタン合金を使用した燃料電池用セパレータが製造されている。
【０００３】
特開平10-228914号公報には、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼などに金めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されており、特開平8-180883号公報にはステンレス鋼又はチタン合金をプレス加工によって形成した燃料電池用セパレータが開示されており、特開2000-309854号公報にはオーステナイト系ステンレス鋼からなる燃料電池用セパレータが開示されている。ステンレス鋼は、強度を有し加工に問題はないが、カーボンに比べて６倍程度の重量があるため電池自体の重量が増加して、鉄道車両や自動車などに搭載することが困難である。また、アルミニウム合金及びチタン合金は、強度がありステンレス鋼に比べて軽量であるがめっきなどの処理が必要になる。
【０００４】
一方、マグネシウム合金は、アルミニウム合金よりも軽くて強度があり電気導電性を有する材料であるため、アルミニウム合金製の燃料電池用セパレータよりも軽量なセパレータを提示できる可能性がある。このため、マグネシウム合金製の燃料電池用セパレータを製造する際のマグネシウム合金の加工方法、材料の選定及び表面処理技術が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開2000-58080号公報には、流体通路を有するマグネシウム合金製の基板の表面に保護層が形成された燃料電池用セパレータが開示されている。このマグネシウム合金の加工方法は、ダイカスト、機械加工、エッチング又はチクソモールディング法である。マグネシウム合金としては、板として使用する場合には、JIS H 4201に規定されている１種，４種，５種又は７種が開示され、ダイカストとして使用する場合にはJIS H 5303に規定されている記号MD1A，MD1B又はMD1Dが開示されている。防食方法としては、保護層がカーボン又は炭化ケイ素の場合には、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は蒸着法が開示されており、保護層がニッケル、クロム又はスズの場合には無電解めっき法又は電気めっき法が開示されている。
【０００６】
特開2000-164225号公報には、ダイカスト法により鋳造されたマグネシウム合金製の燃料電池用セパレータが開示されている。このマグネシウム合金としては、アルミニウム、亜鉛、マンガン、希土類金属などを合金塑性とする１２種類が開示され、防食方法としては物理蒸着法、めっき又は塗装によってニッケルなどの金属、炭化物又は窒化物を被覆する方法が開示されている。
【０００７】
特開2000-106196号公報には、２〜１０重量％のアルミニウム合金を含有する半溶融状態のマグネシウム合金を射出成形した燃料電池用セパレータが開示されている。防食方法としては、金めっき、銀めっき又はクロムめっきによって表面を被覆し保護する方法が記載されている。
【０００８】
しかし、このような従来のマグネシウム合金製の燃料電池用セパレータでは、薄板状に形成して表面に流通路を形成することが困難であり、金型と材料の双方を加熱して加工するため、製品に反りや割れが発生するおそれがあった。
【０００９】
この発明の課題は、加工が容易で割れや反りがなく、機械的強度、電気伝導性、耐食性に優れ軽量でありコストを低減す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ことである。
【００１０】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１２】
請求項３の発明は、アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５５３〜６２３Ｋ、押し出し比率１４対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１４】
請求項５の発明は、アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、冷間圧延後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、圧下率１０〜１５％で冷間圧延後の前記マグネシウム合金を温度４７３〜５００Ｋで１０時間時効処理し、前記マグネシウム合金を圧下率１０〜１５％で冷間圧延し、前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１６】
請求項７の発明は、アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度６７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記熱間加工工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、前記超塑性鍛造工程は、前記熱間押し出し加工後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１８】
請求項９の発明は、アルミニウム８．５〜９．５重量％、亜鉛０．４５〜０．９重量％、マンガン０．１７〜０．４重量％、鉄０．０１重量％以下、ケイ素０．０５重量％以下、銅０．０３重量％以下、ニッケル０．００１重量％以下、希土類金属０．１〜０．３重量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記押し出し加工後に前記マグネシウム合金を温度４７３〜５７３Ｋで１０時間時効処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２０】
請求項１１の発明は、亜鉛４．８〜６．２質量％、ジルコニウム０．４５〜０．８質量％、銅０．０３質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３〜７７３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度６２１Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間圧延加工し、前記熱処理工程は、前記熱間圧延加工後に前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋで３０分間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記超塑性鍛造加工後の前記マグネシウム合金の表面にセラミックス層又は金属めっき層を形成する保護層形成工程（＃３００）を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
燃料電池１は、酸化及び還元反応のエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池１は、鉄道車両、自動車などの移動体や、設置用小型分散電源などに使用される固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池である。燃料電池１は、図１に示すように、複数の単位電池２と、両端部の単位電池２を固定する一対の端部固定板３と、単位電池２を並べた状態で一対の端部固定板３に固定する取付棒４と、一対の端部固定板３を支持する支持板５などから構成されている。
【００３６】
図２は、この発明の実施形態に係る燃料電池の単位電池の構成図である。
単位電池２は、燃料電池１を構成する単位燃料電池セルである。単位電池２は、図２に示すように、例えば水素イオン交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜などからなる固体高分子膜６と、この固体高分子膜６の一方の表面に積層され、粒子状の白金触媒と黒鉛粉などからなる燃料電極膜（アノード（水素極））７と、この固体高分子膜６の他方の表面に積層され、粒子状の白金触媒と黒鉛粉などからなる酸化剤電極膜（カソード（酸素極））８と、燃料電極膜７の表面に積層されたセパレータ９と、酸化剤電極膜８の表面に積層されたセパレータ１０と、セパレータ９，１０の表面に形成された保護層１１，１２などから構成されている。
【００３７】
図３は、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの外観図であり、図３（Ａ）は図２に示すIII-IIIA側から見た図であり、図３（Ｂ）は図２に示すIII-IIIB側から見た図である。
セパレータ９，１０は、隣接する単位電池２の間に設置されて燃料ガスや酸化性ガスを遮断する部材である。セパレータ９，１０は、固体高分子膜６、燃料電極膜７及び酸化剤電極膜８を積み重ねた状態で両側から挟み込み単位電池２の隔壁として機能するとともに、電導性、耐食性、熱伝導性などの機能も有する。セパレータ９，１０は、マグネシウム合金又はアルミニウム合金などの超塑性合金によって形成されている。ここで、超塑性とは、材料に対してある温度とひずみ速度を与えた場合に、材料の伸びが１００％以上にもなる現象である。セパレータ９には、図３（Ａ）に示すように、水素ガス又は水素含有ガス（燃料ガス）が流れる流路溝９ａと、取付棒４が貫通する取付孔９ｂが形成されている。セパレータ１０には、図３（Ｂ）に示すように、空気のような酸化性ガスが流れる流路溝１０ａと、取付棒４が貫通する取付孔１０ｂが形成されている。セパレータ９，１０は、図３に示すように、例えば外観形状が正方形であり厚さが２〜５ｍｍであり、流路溝９ａ，１０ａは深さが０．５〜１ｍｍ、幅が１〜３ｍｍである。
【００３８】
保護層１１，１２は、セパレータ９，１０の表面を保護する部分である。保護層１１，１２は、セパレータ９，１０の全面に形成されたセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層などである。
【００３９】
次に、この発明の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する。
水素ガス又は水素含有ガスが流路溝９ａに流れると燃料電極膜７に水素が供給され、酸化性ガスが流路溝１０ａに流れると酸化剤電極膜８に酸素が供給される。燃料電極膜７の触媒によって水素が水素イオンになって、固体高分子膜６内を移動すると、酸化剤電極膜８の触媒によって酸素と反応して水となる。この過程で燃料電極膜７から酸化剤電極膜８に電子が移動して直流電流が発生し、この電流が外部に出力される。反応後の空気、酸素などのキャリアガスとともに、酸化剤電極膜８側で生成された反応水が流路溝１０ａから排出される。
【００４０】
次に、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明する。図４は、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。
加熱工程＃１００は、超塑性合金を加熱する工程である。この加熱工程＃１００は、熱間押し出し又は熱間圧延などの塑性加工によって超塑性合金を熱間加工する熱間加工工程＃１１０と、焼鈍又は時効処理などによって超塑性合金を熱処理する熱処理工程＃１２０とを含む。熱間押し出しは、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率（加工率）１〜７％で実施することが好ましく、熱間圧延は温度５８３Ｋ、１〜２パス、圧下率１〜２０％で実施することが好ましい。塑性加工後に必要がある場合には、焼鈍又は時効処理による熱処理を実施する。焼鈍は、温度５７３〜７７３Ｋで１〜１０時間程度行うことが好ましく、時効処理は温度４７３〜５７３Ｋで１０時間程度行うことが好ましい。加熱工程＃１００では、熱間加工工程＃１１０の前に熱処理工程＃１２０を実施してもよく、熱間加工工程＃１１０又は熱処理工程＃１２０のいずれか一方の工程を省略してもよい。また、加熱工程＃１００では、熱間加工工程＃１１０を省略して、超塑性合金を冷間圧延などの塑性加工によって冷間加工した後に熱処理工程＃１２０を行ってもよい。冷間圧延は、室温で圧下率１０〜２０％で実施することが好ましい。
【００４１】
超塑性鍛造工程＃２００は、加熱工程＃１００後の超塑性合金を超塑性鍛造加工する工程である。この超塑性鍛造工程＃２００では、塑性加工後又は熱処理後の超塑性合金が薄板状のセパレータ９，１０に成形されるとともに、このセパレータ９，１０の表面に流路溝９ａ，１０ａが同時に成形される。超塑性鍛造加工を実施する場合には、鉄鋼材料製で流路溝が形成された金型を温度４７３〜７２３Ｋに加熱して大気中で超塑性合金に押し付け、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／Ｓで板材を均一に延ばすことが好ましい。
【００４２】
保護層形成工程＃３００は、超塑性鍛造工程＃２００後の超塑性合金の表面にセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層を形成する工程である。保護層形成工程＃３００では、TiCなどのセラミックス層が化学蒸着されたり、膜厚０．１〜０．５ｍｍで導電性水ガラスが塗布されたり、金、銀又はクロムなどの金属めっき層が形成される。
【００４３】
この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータには、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、セパレータ９，１０を超塑性合金によって形成したので、セパレータ９，１０を容易に成形加工することができ、接触電気抵抗が小さく機械的強度や電気伝導性に優れたセパレータ９，１０を製造することができる。
【００４４】
(2) この実施形態では、超塑性挙動を示すマグネシウム合金によってセパレータ９，１０を形成するので、燃料電池１の軽量化を図ることができるとともに、セパレータ９，１０を安価に製造することができる。特に、自動車に比べて重量がある鉄道車両の軽量化を図ることができる。また、マグネシウム合金はリサイクル性に優れているため、鉄道車両に近年要求されるているリサイクル化を容易に実現することができる。
【００４５】
(3) この実施形態では、超塑性合金の表面にセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層を形成したので、セパレータ９，１０を加熱してこれらの保護層１１，１２を簡単に剥離して、剥離後のセパレータ９，１０のリサイクル化を図ることができる。
【００４６】
(4) この実施形態では、超塑性合金を超塑性鍛造によって加工するので、鍛造加工後のセパレータ９，１０の割れや反りの発生を抑えることができる。従来の燃料電池用セパレータの製造方法では金型と材料を加熱していたが、この実施形態では金型のみを加熱するため、セパレータ９，１０の割れや反りの発生をおさえることができる。また、従来の燃料電池用セパレータでは薄板加工と溝加工とが別工程で行っていたが、この実施形態では超塑性合金を簡単に薄板状に成形することができるとともに、複雑な流路溝９ａ，１０ａを薄板成形と同時に容易に成形することができる。
【００４７】
【実施例】
次に、この発明の実施例について説明する。
（合金の選択）
表１は、燃料電池用セパレータとして選択したマグネシウム合金である。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１に示すように、燃料電池用セパレータを開発するにあたって、超塑性挙動を示す合金として、アルミニウム、亜鉛、マンガン、鉄及び希土類金属（RE）を中心に化学成分が調整された実施例１〜５までの５種類のマグネシウム合金を選択した。なお、表１に示す数値範囲が上限値以下の合金成分については、この合金成分を少なくとも含む意味である。実施例１〜５には、いずれも大阪富士工業株式会社製のマグネシウム合金の板材を使用し、実施例１は合金種別がＡＺ３１の押出型材であり、実施例２は合金種別がＡＺ６１の押出型材であり、実施例３は合金種別がＡＺ９１の鋳造板材であり、実施例４は合金種別がＺＫ６０の押出型材であり、実施例５は合金種別がＺＫ６１の鋳造板材である。実施例１〜５の合金は、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＺＫ６０及びＺＫ６１のマグネシウム合金のそれぞれに、希土類元素を所定の割合で添加したものである。
【００５０】
（加工方法）
表２は、燃料電池用セパレータとして選択したマグネシウム合金の加工方法と加工後の燃料電池用セパレータの評価である。
【００５１】
【表２】
【００５２】
（実施例１）
先ず、表１に示す実施例１〜８を熱間押し出し、熱間圧延又は冷間圧延により塑性加工して厚さ６ｍｍの板材を作成した。実施例１については、加工方法Ａ，Ｂを実施した。加工方法Ａについては、温度５７３〜７７３Ｋで１時間焼鈍処理した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｂについては、温度５５３〜６２３Ｋ、押し出し比率１４対１で熱間押し出し加工した後に、温度５７３〜７７３Ｋで１０時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５３】
（実施例２）
実施例２については、加工方法Ｃ，Ｄを実施した。加工方法Ｃについては、圧下率１０〜１５％で冷間圧延した後に温度４７３〜５００Ｋで１０時間時効処理してから超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｄについては、温度６７３Ｋで１０時間焼鈍処理した後に温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工をしてから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５４】
（実施例３）
実施例３については、加工方法Ｅ，Ｆを実施した。加工方法についてＥは、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｆについては、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に温度４７３〜５７３Ｋで１０時間時効処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５５】
（実施例４）
実施例４については、加工方法Ｇ，Ｈ，Ｉを実施した。加工方法Ｇについては、温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｈについては、温度５８３〜７７３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工した後に温度６２１Ｋで１０時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｉについては、温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間圧延加工した後に温度５８３Ｋで０．５時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５６】
（実施例５）
実施例５については、加工方法Ｊを実施した。加工方法Ｊは、温度５５３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。
【００５７】
図５は、この発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの外観図である。
図５に示す燃料電池用セパレータ９０は、実施例１のマグネシウム合金を温度５５３Ｋ、押し出し比率７％で熱間押し出し加工した後に温度５７３Ｋで１０時間時効処理して得られた板材に、超塑性鍛造加工によって流路溝９０ａ及び取付孔９０ｂを成形したものである。この燃料電池用セパレータ９０は、製品寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍであり、燃料電池用セパレータ９０の板表面には深さ０．５ｍｍ、幅２ｍｍの寸法で流路溝９０ａが加工されている。表２に示すように、この実施例１については、超塑性鍛造加工後の製品に割れや反りがなく極めて良好であり、実施例２〜５についても実施例１に次いで良好であった。
【００５８】
マグネシウム合金を超塑性鍛造加工するためには、結晶粒や粒界析出物を制御する必要がある。この実施例では、マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する前の前処理として熱処理を実施することによって、結晶粒を５ミクロン以下に微細化することができ、粒界及び粒内析出物の制御を行うことができた。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、燃料電池用セパレータを超塑性合金によって形成したので、加工が容易で割れや反りがなく、機械的強度、電気伝導性、耐食性に優れ軽量でありコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図２】この発明の実施形態に係る燃料電池の単位電池の構成図である。
【図３】この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの外観図であり、（Ａ）は図２に示すIII-IIIA側から見た図であり、（Ｂ）は図２に示すIII-IIIB側から見た図である。
【図４】この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。
【図５】この発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの外観図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 単位電池
６ 固体高分子膜
７ 燃料電極膜
８ 酸化剤電極膜
９，１０ セパレータ
９ａ，１０ａ 流路溝
１１，１２ 保護層
９０ 燃料電池用セパレータ
＃１００ 加熱工程
＃１１０ 熱間加工工程
＃１２０ 熱処理工程
＃２００ 超塑性鍛造工程
＃３００ 保護層形成工程
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用セパレータは、電気的及び腐食環境におかれる一つの構造物として取り扱われており、燃料電池用セパレータの材料には軽量、機械的強度、電気伝導性及び耐食性が求められ、大量使用されるためコストの低減が強く望まれている。従来、グラファイト、天然若しくは人口黒鉛、アモルファスカーボン、膨張黒鉛などのカーボン系材料や、ステンレス鋼、アルミニウム合金又はチタン合金などを使用した燃料電池用セパレータが知られている。カーボン系材料は、軽くて強度を有するが脆くて加工が困難であり、カーボン自体のコストが非常に高く、燃料電池用セパレータとして大量に使用する際にはコストに問題があった。このため、ステンレス鋼、アルミニウム合金又はチタン合金を使用した燃料電池用セパレータが製造されている。
【０００３】
特開平10-228914号公報には、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼などに金めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されており、特開平8-180883号公報にはステンレス鋼又はチタン合金をプレス加工によって形成した燃料電池用セパレータが開示されており、特開2000-309854号公報にはオーステナイト系ステンレス鋼からなる燃料電池用セパレータが開示されている。ステンレス鋼は、強度を有し加工に問題はないが、カーボンに比べて６倍程度の重量があるため電池自体の重量が増加して、鉄道車両や自動車などに搭載することが困難である。また、アルミニウム合金及びチタン合金は、強度がありステンレス鋼に比べて軽量であるがめっきなどの処理が必要になる。
【０００４】
一方、マグネシウム合金は、アルミニウム合金よりも軽くて強度があり電気導電性を有する材料であるため、アルミニウム合金製の燃料電池用セパレータよりも軽量なセパレータを提示できる可能性がある。このため、マグネシウム合金製の燃料電池用セパレータを製造する際のマグネシウム合金の加工方法、材料の選定及び表面処理技術が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開2000-58080号公報には、流体通路を有するマグネシウム合金製の基板の表面に保護層が形成された燃料電池用セパレータが開示されている。このマグネシウム合金の加工方法は、ダイカスト、機械加工、エッチング又はチクソモールディング法である。マグネシウム合金としては、板として使用する場合には、JIS H 4201に規定されている１種，４種，５種又は７種が開示され、ダイカストとして使用する場合にはJIS H 5303に規定されている記号MD1A，MD1B又はMD1Dが開示されている。防食方法としては、保護層がカーボン又は炭化ケイ素の場合には、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は蒸着法が開示されており、保護層がニッケル、クロム又はスズの場合には無電解めっき法又は電気めっき法が開示されている。
【０００６】
特開2000-164225号公報には、ダイカスト法により鋳造されたマグネシウム合金製の燃料電池用セパレータが開示されている。このマグネシウム合金としては、アルミニウム、亜鉛、マンガン、希土類金属などを合金塑性とする１２種類が開示され、防食方法としては物理蒸着法、めっき又は塗装によってニッケルなどの金属、炭化物又は窒化物を被覆する方法が開示されている。
【０００７】
特開2000-106196号公報には、２〜１０重量％のアルミニウム合金を含有する半溶融状態のマグネシウム合金を射出成形した燃料電池用セパレータが開示されている。防食方法としては、金めっき、銀めっき又はクロムめっきによって表面を被覆し保護する方法が記載されている。
【０００８】
しかし、このような従来のマグネシウム合金製の燃料電池用セパレータでは、薄板状に形成して表面に流通路を形成することが困難であり、金型と材料の双方を加熱して加工するため、製品に反りや割れが発生するおそれがあった。
【０００９】
この発明の課題は、加工が容易で割れや反りがなく、機械的強度、電気伝導性、耐食性に優れ軽量でありコストを低減す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ことである。
【００１０】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１２】
請求項３の発明は、アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５５３〜６２３Ｋ、押し出し比率１４対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１４】
請求項５の発明は、アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、冷間圧延後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、圧下率１０〜１５％で冷間圧延後の前記マグネシウム合金を温度４７３〜５００Ｋで１０時間時効処理し、前記マグネシウム合金を圧下率１０〜１５％で冷間圧延し、前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１６】
請求項７の発明は、アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度６７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記熱間加工工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、前記超塑性鍛造工程は、前記熱間押し出し加工後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１８】
請求項９の発明は、アルミニウム８．５〜９．５重量％、亜鉛０．４５〜０．９重量％、マンガン０．１７〜０．４重量％、鉄０．０１重量％以下、ケイ素０．０５重量％以下、銅０．０３重量％以下、ニッケル０．００１重量％以下、希土類金属０．１〜０．３重量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記押し出し加工後に前記マグネシウム合金を温度４７３〜５７３Ｋで１０時間時効処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２０】
請求項１１の発明は、亜鉛４．８〜６．２質量％、ジルコニウム０．４５〜０．８質量％、銅０．０３質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程（＃１１０）と、前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程（＃１２０）と、前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程（＃２００）とを含む燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３〜７７３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工し、前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度６２１Ｋで１０時間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間圧延加工し、前記熱処理工程は、前記熱間圧延加工後に前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋで３０分間焼鈍処理し、前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０ -5 〜１×１０ -1 ／ｓで超塑性鍛造加工することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記超塑性鍛造加工後の前記マグネシウム合金の表面にセラミックス層又は金属めっき層を形成する保護層形成工程（＃３００）を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
燃料電池１は、酸化及び還元反応のエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池１は、鉄道車両、自動車などの移動体や、設置用小型分散電源などに使用される固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池である。燃料電池１は、図１に示すように、複数の単位電池２と、両端部の単位電池２を固定する一対の端部固定板３と、単位電池２を並べた状態で一対の端部固定板３に固定する取付棒４と、一対の端部固定板３を支持する支持板５などから構成されている。
【００３６】
図２は、この発明の実施形態に係る燃料電池の単位電池の構成図である。
単位電池２は、燃料電池１を構成する単位燃料電池セルである。単位電池２は、図２に示すように、例えば水素イオン交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜などからなる固体高分子膜６と、この固体高分子膜６の一方の表面に積層され、粒子状の白金触媒と黒鉛粉などからなる燃料電極膜（アノード（水素極））７と、この固体高分子膜６の他方の表面に積層され、粒子状の白金触媒と黒鉛粉などからなる酸化剤電極膜（カソード（酸素極））８と、燃料電極膜７の表面に積層されたセパレータ９と、酸化剤電極膜８の表面に積層されたセパレータ１０と、セパレータ９，１０の表面に形成された保護層１１，１２などから構成されている。
【００３７】
図３は、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの外観図であり、図３（Ａ）は図２に示すIII-IIIA側から見た図であり、図３（Ｂ）は図２に示すIII-IIIB側から見た図である。
セパレータ９，１０は、隣接する単位電池２の間に設置されて燃料ガスや酸化性ガスを遮断する部材である。セパレータ９，１０は、固体高分子膜６、燃料電極膜７及び酸化剤電極膜８を積み重ねた状態で両側から挟み込み単位電池２の隔壁として機能するとともに、電導性、耐食性、熱伝導性などの機能も有する。セパレータ９，１０は、マグネシウム合金又はアルミニウム合金などの超塑性合金によって形成されている。ここで、超塑性とは、材料に対してある温度とひずみ速度を与えた場合に、材料の伸びが１００％以上にもなる現象である。セパレータ９には、図３（Ａ）に示すように、水素ガス又は水素含有ガス（燃料ガス）が流れる流路溝９ａと、取付棒４が貫通する取付孔９ｂが形成されている。セパレータ１０には、図３（Ｂ）に示すように、空気のような酸化性ガスが流れる流路溝１０ａと、取付棒４が貫通する取付孔１０ｂが形成されている。セパレータ９，１０は、図３に示すように、例えば外観形状が正方形であり厚さが２〜５ｍｍであり、流路溝９ａ，１０ａは深さが０．５〜１ｍｍ、幅が１〜３ｍｍである。
【００３８】
保護層１１，１２は、セパレータ９，１０の表面を保護する部分である。保護層１１，１２は、セパレータ９，１０の全面に形成されたセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層などである。
【００３９】
次に、この発明の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する。
水素ガス又は水素含有ガスが流路溝９ａに流れると燃料電極膜７に水素が供給され、酸化性ガスが流路溝１０ａに流れると酸化剤電極膜８に酸素が供給される。燃料電極膜７の触媒によって水素が水素イオンになって、固体高分子膜６内を移動すると、酸化剤電極膜８の触媒によって酸素と反応して水となる。この過程で燃料電極膜７から酸化剤電極膜８に電子が移動して直流電流が発生し、この電流が外部に出力される。反応後の空気、酸素などのキャリアガスとともに、酸化剤電極膜８側で生成された反応水が流路溝１０ａから排出される。
【００４０】
次に、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明する。図４は、この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。
加熱工程＃１００は、超塑性合金を加熱する工程である。この加熱工程＃１００は、熱間押し出し又は熱間圧延などの塑性加工によって超塑性合金を熱間加工する熱間加工工程＃１１０と、焼鈍又は時効処理などによって超塑性合金を熱処理する熱処理工程＃１２０とを含む。熱間押し出しは、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率（加工率）１〜７％で実施することが好ましく、熱間圧延は温度５８３Ｋ、１〜２パス、圧下率１〜２０％で実施することが好ましい。塑性加工後に必要がある場合には、焼鈍又は時効処理による熱処理を実施する。焼鈍は、温度５７３〜７７３Ｋで１〜１０時間程度行うことが好ましく、時効処理は温度４７３〜５７３Ｋで１０時間程度行うことが好ましい。加熱工程＃１００では、熱間加工工程＃１１０の前に熱処理工程＃１２０を実施してもよく、熱間加工工程＃１１０又は熱処理工程＃１２０のいずれか一方の工程を省略してもよい。また、加熱工程＃１００では、熱間加工工程＃１１０を省略して、超塑性合金を冷間圧延などの塑性加工によって冷間加工した後に熱処理工程＃１２０を行ってもよい。冷間圧延は、室温で圧下率１０〜２０％で実施することが好ましい。
【００４１】
超塑性鍛造工程＃２００は、加熱工程＃１００後の超塑性合金を超塑性鍛造加工する工程である。この超塑性鍛造工程＃２００では、塑性加工後又は熱処理後の超塑性合金が薄板状のセパレータ９，１０に成形されるとともに、このセパレータ９，１０の表面に流路溝９ａ，１０ａが同時に成形される。超塑性鍛造加工を実施する場合には、鉄鋼材料製で流路溝が形成された金型を温度４７３〜７２３Ｋに加熱して大気中で超塑性合金に押し付け、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／Ｓで板材を均一に延ばすことが好ましい。
【００４２】
保護層形成工程＃３００は、超塑性鍛造工程＃２００後の超塑性合金の表面にセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層を形成する工程である。保護層形成工程＃３００では、TiCなどのセラミックス層が化学蒸着されたり、膜厚０．１〜０．５ｍｍで導電性水ガラスが塗布されたり、金、銀又はクロムなどの金属めっき層が形成される。
【００４３】
この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータには、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、セパレータ９，１０を超塑性合金によって形成したので、セパレータ９，１０を容易に成形加工することができ、接触電気抵抗が小さく機械的強度や電気伝導性に優れたセパレータ９，１０を製造することができる。
【００４４】
(2) この実施形態では、超塑性挙動を示すマグネシウム合金によってセパレータ９，１０を形成するので、燃料電池１の軽量化を図ることができるとともに、セパレータ９，１０を安価に製造することができる。特に、自動車に比べて重量がある鉄道車両の軽量化を図ることができる。また、マグネシウム合金はリサイクル性に優れているため、鉄道車両に近年要求されるているリサイクル化を容易に実現することができる。
【００４５】
(3) この実施形態では、超塑性合金の表面にセラミックス層、導電性水ガラス層又は金属めっき層を形成したので、セパレータ９，１０を加熱してこれらの保護層１１，１２を簡単に剥離して、剥離後のセパレータ９，１０のリサイクル化を図ることができる。
【００４６】
(4) この実施形態では、超塑性合金を超塑性鍛造によって加工するので、鍛造加工後のセパレータ９，１０の割れや反りの発生を抑えることができる。従来の燃料電池用セパレータの製造方法では金型と材料を加熱していたが、この実施形態では金型のみを加熱するため、セパレータ９，１０の割れや反りの発生をおさえることができる。また、従来の燃料電池用セパレータでは薄板加工と溝加工とが別工程で行っていたが、この実施形態では超塑性合金を簡単に薄板状に成形することができるとともに、複雑な流路溝９ａ，１０ａを薄板成形と同時に容易に成形することができる。
【００４７】
【実施例】
次に、この発明の実施例について説明する。
（合金の選択）
表１は、燃料電池用セパレータとして選択したマグネシウム合金である。
【００４８】
【表１】
表１に示すように、燃料電池用セパレータを開発するにあたって、超塑性挙動を示す合金として、アルミニウム、亜鉛、マンガン、鉄及び希土類金属（RE）を中心に化学成分が調整された実施例１〜５までの５種類のマグネシウム合金を選択した。なお、表１に示す数値範囲が上限値以下の合金成分については、この合金成分を少なくとも含む意味である。実施例１〜５には、いずれも大阪富士工業株式会社製のマグネシウム合金の板材を使用し、実施例１は合金種別がＡＺ３１の押出型材であり、実施例２は合金種別がＡＺ６１の押出型材であり、実施例３は合金種別がＡＺ９１の鋳造板材であり、実施例４は合金種別がＺＫ６０の押出型材であり、実施例５は合金種別がＺＫ６１の鋳造板材である。実施例１〜５の合金は、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＺＫ６０及びＺＫ６１のマグネシウム合金のそれぞれに、希土類元素を所定の割合で添加したものである。
【００５０】
（加工方法）
表２は、燃料電池用セパレータとして選択したマグネシウム合金の加工方法と加工後の燃料電池用セパレータの評価である。
【００５１】
【表２】
（実施例１）
先ず、表１に示す実施例１〜８を熱間押し出し、熱間圧延又は冷間圧延により塑性加工して厚さ６ｍｍの板材を作成した。実施例１については、加工方法Ａ，Ｂを実施した。加工方法Ａについては、温度５７３〜７７３Ｋで１時間焼鈍処理した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｂについては、温度５５３〜６２３Ｋ、押し出し比率１４対１で熱間押し出し加工した後に、温度５７３〜７７３Ｋで１０時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５３】
（実施例２）
実施例２については、加工方法Ｃ，Ｄを実施した。加工方法Ｃについては、圧下率１０〜１５％で冷間圧延した後に温度４７３〜５００Ｋで１０時間時効処理してから超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｄについては、温度６７３Ｋで１０時間焼鈍処理した後に温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工をしてから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５４】
（実施例３）
実施例３については、加工方法Ｅ，Ｆを実施した。加工方法についてＥは、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｆについては、温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に温度４７３〜５７３Ｋで１０時間時効処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５５】
（実施例４）
実施例４については、加工方法Ｇ，Ｈ，Ｉを実施した。加工方法Ｇについては、温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｈについては、温度５８３〜７７３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工した後に温度６２１Ｋで１０時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。加工方法Ｉについては、温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間圧延加工した後に温度５８３Ｋで０．５時間焼鈍処理してから超塑性鍛造加工を実施した。
【００５６】
（実施例５）
実施例５については、加工方法Ｊを実施した。加工方法Ｊは、温度５５３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工した後に超塑性鍛造加工を実施した。
【００５７】
図５は、この発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの外観図である。
図５に示す燃料電池用セパレータ９０は、実施例１のマグネシウム合金を温度５５３Ｋ、押し出し比率７％で熱間押し出し加工した後に温度５７３Ｋで１０時間時効処理して得られた板材に、超塑性鍛造加工によって流路溝９０ａ及び取付孔９０ｂを成形したものである。この燃料電池用セパレータ９０は、製品寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍであり、燃料電池用セパレータ９０の板表面には深さ０．５ｍｍ、幅２ｍｍの寸法で流路溝９０ａが加工されている。表２に示すように、この実施例１については、超塑性鍛造加工後の製品に割れや反りがなく極めて良好であり、実施例２〜５についても実施例１に次いで良好であった。
【００５８】
マグネシウム合金を超塑性鍛造加工するためには、結晶粒や粒界析出物を制御する必要がある。この実施例では、マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する前の前処理として熱処理を実施することによって、結晶粒を５ミクロン以下に微細化することができ、粒界及び粒内析出物の制御を行うことができた。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、燃料電池用セパレータを超塑性合金によって形成したので、加工が容易で割れや反りがなく、機械的強度、電気伝導性、耐食性に優れ軽量でありコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図２】この発明の実施形態に係る燃料電池の単位電池の構成図である。
【図３】この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの外観図であり、（Ａ）は図２に示すIII-IIIA側から見た図であり、（Ｂ）は図２に示すIII-IIIB側から見た図である。
【図４】この発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。
【図５】この発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの外観図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 単位電池
６ 固体高分子膜
７ 燃料電極膜
８ 酸化剤電極膜
９，１０ セパレータ
９ａ，１０ａ 流路溝
１１，１２ 保護層
９０ 燃料電池用セパレータ
＃１００ 加熱工程
＃１１０ 熱間加工工程
＃１２０ 熱処理工程
＃２００ 超塑性鍛造工程
＃３００ 保護層形成工程
Claims (14)
- アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１時間焼鈍処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - アルミニウム２．５〜３．５質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．０５〜０．４質量％以上、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、カルシウム０．０４質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程と、
前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５５３〜６２３Ｋ、押し出し比率１４対１で熱間押し出し加工し、
前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度５７３〜７７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
冷間圧延後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱処理工程は、圧下率１０〜１５％で冷間圧延後の前記マグネシウム合金を温度４７３〜５００Ｋで１０時間時効処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - アルミニウム５．５〜７．２質量％、亜鉛０．５〜１．５質量％、マンガン０．１５〜０．４質量％、鉄０．０１質量％以下、ケイ素０．１０質量％以下、銅０．１０質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１〜０．３質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程と、
前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱処理工程は、前記マグネシウム合金を温度６７３Ｋで１０時間焼鈍処理し、
前記熱間加工工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、
前記超塑性鍛造工程は、前記熱間押し出し加工後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - アルミニウム８．５〜９．５重量％、亜鉛０．４５〜０．９重量％、マンガン０．１７〜０．４重量％、鉄０．０１重量％以下、ケイ素０．０５重量％以下、銅０．０３重量％以下、ニッケル０．００１重量％以下、希土類金属０．１〜０．３重量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程と、
前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５４３〜７７３Ｋ、押し出し比率６４対１で熱間押し出し加工し、
前記熱処理工程は、前記押し出し加工後に前記マグネシウム合金を温度４７３〜５７３Ｋで１０時間時効処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記時効処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 亜鉛４．８〜６．２質量％、ジルコニウム０．４５〜０．８質量％、銅０．０３質量％以下、ニッケル０．００５質量％以下、希土類金属０．１質量％、残りがマグネシウムであるマグネシウム合金によって形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記マグネシウム合金を熱間加工する熱間加工工程と、
前記熱間加工後の前記マグネシウム合金を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理後の前記マグネシウム合金を超塑性鍛造加工する超塑性鍛造工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３〜７７３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間押し出し加工し、
前記熱処理工程は、前記熱間押し出し加工後にこのマグネシウム合金を温度６２１Ｋで１０時間焼鈍処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記熱間加工工程は、前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋ、押し出し比率１００対１で熱間圧延加工し、
前記熱処理工程は、前記熱間圧延加工後に前記マグネシウム合金を温度５８３Ｋで３０分間焼鈍処理し、
前記超塑性鍛造工程は、前記焼鈍処理後に前記マグネシウム合金を金型温度４７３〜７２３Ｋ、ひずみ速度２×１０-5〜１×１０-1／ｓで超塑性鍛造加工すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記超塑性鍛造加工後の前記マグネシウム合金の表面にセラミックス層又は金属めっき層を形成する保護層形成工程を含むこと、
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
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