JP4904772B2 - 燃料電池用セパレータとその製造方法、および導電性耐食金属材 - Google Patents

燃料電池用セパレータとその製造方法、および導電性耐食金属材 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータとその製造方法、および導電性耐食金属材に関し、特に、電気化学的に過酷な条件下である燃料電池環境においても優れた耐食性および導電性を有し、さらに良好な二次加工性を備えた燃料電池用セパレータとその製造方法、および導電性耐食金属材に関する。
燃料電池は、化学変化を直接に電気エネルギーに変えることができることから高効率であり、また、大気汚染物質（ＮＯｘ、ＳＯｘ等）の排出量が少なく地球環境に優しいという特長を有する。この燃料電池には、固体高分子電解質型（ＰＥＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）等があり、特に、固体高分子電解質型燃料電池は、将来、自動車や一般家庭等の電力用として普及することが期待されている。
図５は、固体高分子電解質型燃料電池の概略構成を示す。この固体高分子電解質型燃料電池２００は、複数個のセルを縦（図中の上下方向）に接続して構成されており、１つのセルは、両面に所定間隔に形成された溝２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ、２０２Ｄを有する平板状の一対のセパレータ２０１Ａ、２０１Ｂと、セパレータ２０１Ａ、２０１Ｂの中間位置に配設された電解質膜２０３と、電解質膜２０３とセパレータ２０１Ｂの間に配設された空気極２０４と、電解質膜２０３とセパレータ２０１Ａの間に配設された燃料極２０５とを有する。
セパレータ２０１Ａ、２０１Ｂは、空気極２０４と燃料極２０５との間を電気的に接続するとともに、燃料と空気（酸化剤）が混ざらないようにするための部材である。溝２０２Ｂ、２０２Ｄは、上下に連結されたセルの燃料および空気の通路として用いられる。
電解質膜２０３は、高分子電解質膜を用いて構成されている。空気極２０４は、多孔質支持層２０４ａと、空気極触媒層２０４ｂを備えて構成され、燃料極２０５は、多孔質支持層２０５ａと、燃料極触媒層２０５ｂを備えて構成されている。
図５において、空気極２０４に空気２０８を接触させ、同時に燃料極２０５に燃料としての水素ガス２０７を接触させると、燃料極２０５上で水素ガス２０７が水素イオンと電子に分かれる。この水素イオンは電解質膜２０３内を水と一体になって空気極２０４側へ移動し、一方の電子は外部回路を経由して空気極２０４側へ移動する。空気極２０４では、酸素（Ｏ２／２）、電子（２ｅ−）、および水素イオン（２Ｈ＋）が反応して、水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
燃料電池のセパレータ２０１Ａ、２０１Ｂには、還元雰囲気や酸化雰囲気のガスに対する耐食性、および高い電子導電性が要求される。そこで、従来は素材として黒鉛系の材料が主に用いられていたが、現在では、複雑で高精度の加工が可能な金属材も用いられている。例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）をベースにし、その表面にＴｉ、Ｃｒ等の窒化物を含有し、かつＮ含有量が表面から内部に向かうに従って減少する構造の保護膜を形成し、導電性および防食用をもたせた構成のセパレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、耐食性の金属材料のみ、あるいは他の金属材料の表面に耐食性金属材料を有する複合材料で形成したセパレータ基材に、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ等の貴金属による導電性接点層を０．０００５〜０．０１μｍ未満の厚みに形成し、耐食性および導電性が得られるようにしたセパレータも知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、ＳＵＳ、Ａｌ等の金属による基部の両面にＭｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗの内のいずれかを用いてクラッド層を形成し、更に高温の炭素、珪素または窒素の化合物ガスの雰囲気中におき、侵炭処理、侵ケイ処理または窒化処理を施して表層部をセラミック化して、高い導電性と耐食性を備えるようにしたメタルセパレータも知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−３５３５３１号公報（［００１６］、図２） 特開２００４−１５８４３７号公報（［００３７］〜［００４１］、図１、図２） 特開２０００−３２３１４８号公報（［００１６］、図２）
しかし、従来のセパレータによれば、セパレータの軽量化という要求に対して十分と言えるものではなかった。セパレータを軽量化するためには、例えば、コア材として、導電性に優れ、かつ軽量な金属材であるＡｌ、Ｍｇ等の金属やその合金材の使用を挙げることができるが、これらの材料は耐食性が不十分であり、電池環境のような過酷な条件下で溶出（腐食）し易く、そのままの使用は困難である。
ここで、コア材として純Ａｌや低濃度Ａｌ合金（Ａｌ以外の合金成分が低濃度）を用い、直接接触する耐食被覆材としてＴｉを選定した場合、ＴｉとＡｌの変形抵抗の差異が大きいことから、Ｔｉ／Ａｌのクラッド加工は極めて困難であるという問題がある。
また、Ａｌ合金またはＭｇ合金をコア材として用い、直接接触する耐食被覆材としてＴｉを選定した場合には、Ｔｉクラッド層との界面に脆い化合物層が生成し易いために、薄肉のクラッド加工材を安定して製造することが難しく、短尺品（小さいサンプル）を作ることは可能でも、長尺品を歩留良く製造する（量産する）ことは困難であるという問題がある。
さらに、Ａｌ合金またはＭｇ合金にＴｉを直接クラッド加工した板材料にプレス加工を施し、セパレータに成型加工すると、Ｔｉクラッド層との界面に生成した化合物層に起因すると考えられるクラックが発生して接合部分に局部的な剥離等を生じ、良好な成型が不可能（加工性が不十分）になる。
従って、本発明の目的は、電気化学的に過酷な条件下である燃料電池環境においても優れた耐食性および導電性を有し、かつセパレータの軽量化が可能であり、さらには良好な加工性を備えた燃料電池用セパレータとその製造方法、および当該燃料電池用セパレータ等に使用できる導電性耐食金属材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、マグネシウム合金によるコアと、前記コアの少なくとも片側に配置されるチタンまたはチタン合金による被覆層と、前記コアと前記被覆層とを一体化する接合金属層とを有する燃料電池用セパレータであって、
前記接合金属層は、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金からなり、かつ、
前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
また、本発明は、上記目的を達成するため、マグネシウム合金によるコアと、前記コアの少なくとも片側に配置されるチタンまたはチタン合金による被覆層と、前記コアと前記被覆層とを一体化する接合金属層とを有する導電性耐食金属材であって、前記接合金属層は、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金であり、さらに、前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする導電性耐食金属材を提供する。
また、本発明は、上記目的を達成するため、マグネシウム合金によるコアの少なくとも片側表面に、チタンまたはチタン合金による被覆層を、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金からなる接合金属層を介して、圧延によるクラッド加工する第１の工程と、前記被覆層の前記コアとの接合面とは反対側表面に導電性の保護被膜を形成する第２の工程とを有し、かつ、前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
また、本発明は、上記目的を達成するため、予めチタンまたはチタン合金による被覆層の片側表面に導電性の保護被膜を形成し、反対側表面に接合金属膜を形成する第１の工程と、コア、前記被覆層、および接合金属層の全体の厚みが０．０５〜２ｍｍを満たすように、前記被覆層とマグネシウム合金による前記コアとを、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金による前記接合金属層を介して圧延によるクラッド加工する第２の工程とを有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を提供する。
本発明によれば、電気化学的に過酷な条件下である燃料電池環境においても優れた耐食性および導電性を有し、かつセパレータの軽量化が可能であり、さらには良好な加工性を備えた燃料電池用セパレータおよび当該燃料電池用セパレータ等に使用できる導電性耐食金属材を得ることができる。
［本発明の実施の形態］
（燃料電池用セパレータの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを示す。この燃料電池用セパレータ１は、塑性変形に対する抵抗力を表す変形抵抗がＴｉ材に対して少ない軽量金属材による板状のコア１１と、このコア１１の両面に形成された一対の接合金属層１２Ａ、１２Ｂと、この接合金属層１２Ａ、１２Ｂの表面に形成された一対の被覆層１３Ａ、１３Ｂと、この被覆層１３Ａ、１３Ｂの表面に形成された保護被膜１４Ａ、１４Ｂとを有する。
コア１１としては、塑性変形に対する抵抗力を表す変形抵抗がＴｉ材（被覆層１３Ａ、１３Ｂ）に対して少なく、軽量金属であるＡｌ合金またはＭｇ合金を用い、好ましくは、Ａｌ−Ｍｇ合金を用いることができる。合金には、Ｃｒ、Ｍｎ等を含むことができ、具体的には、４．４Ｍｇ−０．７Ｍｎ−０．１５Ｃｒ−残Ａｌを一例として示すことができる。
コア１１は、塑性加工とともに硬化する性質（加工硬化）を有している。また、被覆層１３Ａ、１３Ｂも加工硬化する傾向がある。従って、コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂの変形抵抗を近い値にしておけば、硬度はバランスよく上昇する。コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂとの変形抵抗比（被覆層の変形抵抗／コアの変形抵抗）が１に近いほど加工性が良く、望ましくは、当該変形抵抗比を０．５〜２．５の範囲とする。より望ましくは、当該変形抵抗比を０．７〜２．０の範囲とする。さらに望ましくは、当該変形抵抗比を０．８〜１．５の範囲とする。変形抵抗比は、例えば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）の比として求められる。
接合金属層１２Ａ、１２Ｂとしては、コア１１および被覆層１３Ａ、１３Ｂよりも低い変形抵抗を有する金属を用いることができる。接合金属層１２Ａ、１２Ｂは、クラッド加工に際し、加工性を悪くする脆い化合物層（例えば、Ｔｉ−Ｍｇ化合物、Ｍｇ酸化物であり、クラッド材の延性を極度に低下させる。それらの生成（形成）は、下層（コア１１）からのＭｇの拡散に起因すると考えられる。）を界面に形成させない（形成を抑制する）ためのものであり、純Ａｌ、またはＭｇを実質的に含まないＡｌ合金等の金属を好適なものとして用いることができる。ここで、「Ｍｇを実質的に含まない」とは、前述した脆い化合物層の形成が無視できるほど少ない（加工性に悪影響を与えない）状態となる程度のＭｇ含有量の範囲をいうものとする。すなわち、接合金属層１２Ａ、１２Ｂには、コア１１および被覆層１３Ａ、１３Ｂよりも低い変形抵抗を有し、脆い化合物層の形成を抑制する（無視できるほど少なくする）作用を有する金属であれば好適なものとして用いることができる。
被覆層１３Ａ、１３Ｂとしては、導電性および耐食性に優れるＴｉまたはＴｉ合金を用いる。被覆層１３Ａ、１３Ｂはクラッド層を形成しており、接合金属層１２Ａ、１２Ｂを含めた、コア１１とクラッド層からなる全体の厚みは、０．０５〜２ｍｍである。この内、被覆層１３Ａ、１３Ｂが、厚みの５〜３０％を占めるように構成している。
保護被膜１４Ａ、１４Ｂは、被覆層１３Ａ、１３Ｂの酸化防止（導電性確保）のために設けられるもので、ナノ金属膜による導電処理被膜である。保護被膜１４Ａ、１４Ｂは、貴金属ナノ膜のほか、黒鉛系塗膜、窒化膜のいずれか、または、これらの内の２以上の組合せであってもよい。
（燃料電池用セパレータの製造方法）
次に、本実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における工程の１例を示す。同図中、Ｓはステップを表している。
まず、コア１１となるＡｌ合金板またはＭｇ合金板、好ましくはＡｌ−Ｍｇ合金板の上下面に純Ａｌシートを接合金属層１２Ａ、１２Ｂとしてクラッド圧延し、Ａｌ／Ａｌ−Ｍｇ合金（Ａｌ合金、Ｍｇ合金）／Ａｌのクラッド板を形成する（Ｓ１０１）。
次に、前記クラッド板の上下に、被覆層１３Ａ、１３ＢとなるＴｉの耐食金属シートをクラッド圧延して、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｌ−Ｍｇ合金（Ａｌ合金、Ｍｇ合金）／Ａｌ／Ｔｉの５層クラッド板を形成する（Ｓ１０２）。
クラッド化は、圧延のほか、静水圧押出し等により塑性加工的にクラッドすることにより行うこともできる。ここで、塑性加工的にクラッドするとは、クラッド加工（クラッディング）により一体化されることを意味する。本実施の形態においては、コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂとが接合金属層１２Ａ、１２Ｂを介して一体化されることを意味する。
次に、接合熱処理（Ｓ１０３）、仕上圧延（Ｓ１０４）、焼鈍熱処理（Ｓ１０５）、および表面導電処理（保護被膜１４Ａ、１４Ｂの形成）（Ｓ１０６）を順次実施することにより、燃料電池用セパレータ１として使用可能な平板状の軽量導電性耐食金属材が完成する。この軽量導電性耐食金属材にプレス加工などの二次加工を施すことにより（Ｓ１０７）、図５に示したような燃料電池に用いることのできるセパレータ２０１Ａ、２０１Ｂが得られる。
なお、接合熱処理（Ｓ１０３）を行う理由は、クラッド層界面における構成金属原子間の化学結合性（主に金属結合）を高め、接合性を向上させるためである。また、焼鈍熱処理（Ｓ１０５）は、クラッド材の延性を高める効果がある。焼鈍熱処理（Ｓ１０５）の工程は、加工硬化の程度に応じて適宜実施する。
図３は、クラッド圧延（クラッド加工）時の模式図を示す。図３において、圧延機３０は、上下に配置された一対の圧延ロール３０Ａ、３０Ｂを備えて構成されており、一対の圧延ロール３０Ａ、３０Ｂの間には、コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂからなる被圧延材３１が挿通され、クラッド圧延が行われる。
図３の（ａ）は比較例であり、この被圧延材３１は、被覆層１３Ａ、１３Ｂのみが施され、接合金属層１２Ａ、１２Ｂは施されていない。これに対し、図３の（ｂ）は、図１に示した構成の燃料電池セパレータ１に相当し、コア１１と、このコア１１の両面に、接合金属層１２Ａ、１２Ｂと被覆層１３Ａ、１３Ｂからなるクラッド層３３Ａ、３３Ｂが形成された被圧延材３４となっている。なお、図３においては、（ａ）、（ｂ）共に、保護被膜１４Ａ、１４Ｂを設けない状態で圧延を行っている。
図３（ａ）に示す現象は、圧延異常を示しており、リップルと呼ばれる欠陥（変形異常）の進行により表層破断３２が生じた状態を示している。なお、リップルとは、複合材（図３では被圧延材３１）の表層界面（接合界面）部分が波状に異常変形することを意味する。一方、図３の（ｂ）に示す被圧延材３４は、圧延が正常に行われ、リップルおよび表層破断は発生していない。
リップルは、接合金属層１２Ａ、１２Ｂを設けない場合に発生しやすく、健全加工の条件範囲を極度に狭めることになる。従って、接合金属層１２Ａ、１２Ｂは、必須の構成要素である。
同様のリップル現象は、最初のクラッド圧延に限らず、その後の圧延工程においても発生する場合がある。その際においても、接合金属層の効果は大きい。
（燃料電池用セパレータの別の製造方法）
図４は、図２とは別の本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を示す。同図中、Ｓはステップを表している。
まず、予め被覆層１３Ａ、１３ＢとなるＴｉまたはＴｉ合金シートの片側表面に導電性の保護被膜１４Ａ、１４Ｂ、および反対表面に純Ａｌの接合金属層１２Ａ、１２Ｂ（例えば、厚さ０．０５〜１μｍ程度）を気相成膜法により形成する（Ｓ２０１）。
次に、Ｓ２０１で形成した被覆層１３Ａ、１３Ｂとコア１１となるＡｌ合金板またはＭｇ合金板（好ましくはＡｌ−Ｍｇ合金板）とを、接合金属層１２Ａ、１２Ｂを介してクラッド圧延して、保護被膜／Ｔｉ／Ａｌ／Ａｌ−Ｍｇ合金（Ａｌ合金、Ｍｇ合金）／Ａｌ／Ｔｉ／保護被膜の７層構造のクラッド板を形成する（Ｓ２０２）。
次に、接合熱処理（Ｓ２０３）、仕上圧延（Ｓ２０４）、および焼鈍熱処理（Ｓ２０５）を順次実施することにより、燃料電池用セパレータ１として使用可能な平板状の軽量導電性耐食金属材が完成する。この軽量導電性耐食金属材にプレス加工などの二次加工を施すことにより（Ｓ２０６）、図５に示すような燃料電池に用いることのできるセパレータ２０１Ａ、２０１Ｂが得られる。なお、焼鈍熱処理（Ｓ２０５）の工程は、加工硬化の程度に応じて適宜実施する。
（本発明の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）被覆層１３Ａ、１３Ｂと変形抵抗の差異が少ないＡｌ合金あるいはＭｇ合金をコア１１に用い、コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂの間に所定の接合金属層１２Ａ、１２Ｂを設け、さらに被覆層１３Ａ、１３Ｂの表面に保護被膜１４Ａ、１４Ｂを設けた構成により、耐食性および導電性に優れ、軽量で、良好な加工性を備えた燃料電池用セパレータを得ることができる。
（ロ）コア１１と被覆層１３Ａ、１３Ｂの間に、コア１１および被覆層１３Ａ、１３Ｂよりも低い変形抵抗を有する金属である純Ａｌ、又はＭｇを実質的に含まないＡｌ合金による接合金属層１２Ａ、１２Ｂを配設し、加工性を悪くする脆弱的な化合物層の形成を抑制したことより、薄肉かつ軽量で、良好な加工性を備えた燃料電池用セパレータを得ることができる。例えば、従来のＳＵＳ系のセパレータと比較し、同サイズであれば約１／２の質量に軽量化できる。
（ハ）軽量化が可能になったため、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）あるいは直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の金属セパレータとしての利用に最適であり、これにより移動体用燃料電池電源及び定置型燃料電池電源等の小型軽量化が期待できる。
（ニ）上記実施の形態の製造方法によれば、加工仕上りの健全性が良好であり、セパレータの特性としても問題のない燃料電池用セパレータを得ることができる。特に、図４に示した製造方法によれば、表面導電処理膜（保護被膜）の形成方法が気相成膜法による場合、表面導電処理膜（保護被膜）と接合金属層がともに気相成膜法による連続作業でできるため、高品質・高性能なセパレータを効率的に製造できる。
［本発明の他の実施の形態］
本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態においては、クラッドはコア１１の両面に設けたが、用途、使用環境等によっては、片面のみの処理でもよい。場合によっては、コア１１の片面が露出していてもよい。
また、クラッド層の形成方法（加工方法）として、冷間クラッド圧延による方法を説明したが、温間、熱間によるクラッド圧延、あるいは、真空クラッド圧延でもよく、また、静水圧押出し等の押出し法による塑性加工手法による形成方法でもよい。
さらに、上記実施の形態により得られた軽量導電性耐食金属材は、燃料電池用セパレータへの用途に限定されるものではなく、例えば、電気導電材、電気接点材、電磁波遮蔽体、電気化学電極、帯電防止材等において導電性と耐食性を要するコンポーネント用の材料としても使用できる。特に、耐食性環境の厳しい条件下で、導電性を要求されるコンポーネント材に最適である。特に、管理系外に金属イオンが溶出してはいけないようなクリーン環境要求下で使用することが可能であり、具体的には、固体高分子型燃料電池、メタノール燃料電池等のセパレータ等への適用に最適である。
次に、本発明の実施例について説明する。
〔実施例１、参考例１〜５、比較例１〜２〕
表１〜表４に示す構成材を用いて、図２に示した本実施の形態の製造方法に基づいて燃料電池用セパレータに用いることができる軽量導電性耐食金属材を製造した。表２〜表４は、使用した構成材（Ａｌ合金材、Ｍｇ合金材及びＴｉ材）の成分組成をそれぞれ示し、被覆層としてはＴｉ材（Ｔ−１からＴ−３の３種）を用い、コアとしては純Ａｌ材，Ａｌ合金材（Ａ−１からＡ−５の５種）と、Ｍｇ合金材（Ｍ−１）を用い、接合金属層としては純Ａｌ材（Ａ−１）を用いた。
まず、出発材料として厚み１ｍｍのコア素材を用意し、構成材の厚み比率が被覆層２０％、接合金属層５％、コア７５％となるように、接合金属層と被覆層をクラッド圧延して接合した。コア材が純ＡｌあるいはＡｌ合金の場合は、接着金属層を介してＴｉ材（被覆層）と冷間でクラッド加工（接合）し、コア材がＭｇ合金の場合は、温間にてクラッド接合した。その後、接合熱処理、仕上圧延して、全体厚み０．３ｍｍ（０．３ｍｍｔ）の板材に加工し、貴金属のナノ膜による表面導電処理をして軽量導電性耐食金属材を製造した（ｔは板厚を意味する記号）。
変形抵抗比（硬さ比）の測定、並びに加工健全性、コア材の金属イオンの溶出の有無の評価を行い、結果を表１に示した。
被覆層とコアの変形抵抗比（被覆層の変形抵抗／コアの変形抵抗）は、軟化材（Ｏ材）の室温（ＲＴ）におけるビッカース硬さ（Ｈｖ）の比として測定した。
加工健全性は、欠陥及び延性について、欠陥無かつ延性良好を○、軽度のリップル発生を△、表層破断発生（重度のリップル発生）を×として示した。なお、リップルの有無の確認は、圧延加工した板材の長手方向（圧延方向）に垂直な断面において、光学顕微鏡による観察（目視）で判定した。
コア材の金属イオンの溶出の有無の試験は、０．３ｍｍｔの板材表面の一部を除いてエポキシ樹脂に埋め込んだ（板材端面を被覆保護した）試料を硫酸水溶液（ｐＨ２、８０℃）に１００時間浸漬した後、水溶液中の金属イオンを誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ、Inductively coupled plasma - atomic emission spectroscopy）により測定する方法で行った。コア材の金属イオンの検出無を○、検出有を×として示した。
Figure 0004904772
Figure 0004904772
Figure 0004904772
Figure 0004904772
表１に示したように、コアに、硬さ比の大きい比較例１の純Ａｌ材（Ａ−１）と比較例２のＡｌ−Ｍｎ合金材（Ａ−２）を用いた場合、クラッド圧延及びその後の仕上圧延が順調にできず、リップル、表層クラック（表層破断）が発生した。一方、実施例１および参考例１〜５のＡｌ−Ｍｇ合金材（Ａ−３、Ａ−４）、Ａｌ−Ｃｕ合金材（Ａ−５）及びＭｇ合金材（Ｍ−１）をコアとした場合は、硬さ比が１に近く、加工性（加工健全性）に問題はなかった。
また、表層クラック（表層破断）が発生した比較例１および比較例２からはコア材の金属イオン（Ａｌイオン）が検出されたが、実施例１および参考例１〜５においては検出されなかった。このことは、加工健全性が耐食性に強く影響を及ぼすことを示している。
また、被覆層としては、Ｔ−１、Ｔ−２、Ｔ−３の３種のチタン材を用いたが、加工上、特性上、特に問題はなかった。変形抵抗が比較的低いＴｉ材とＡｌ−Ｍｇ合金材あるいはＭｇ合金材との組合せが、燃料電池用耐食金属材として有効である。
〔参考例６〜９、比較例３〜７〕
表５に示す構成材・構成比を用いて、図２に示した本実施の形態の製造方法に基づいて燃料電池用セパレータに用いることができる軽量導電性耐食金属材を製造した。表５中のＴ−１、Ａ−１〜Ａ−４は、上記の表２および表４において示した成分組成と同一である。
加工健全性、材料コストの高低、および長期電池特性（１０００時間、セパレータの耐食性・耐久性の試験）の評価を行い、結果を表５に示した。
加工健全性は、欠陥及び延性について、欠陥無かつ延性良好を○、軽度のリップル発生を△、表層破断発生（重度のリップル発生）を×として示した。なお、リップルの有無の確認は、圧延加工した板材の長手方向（圧延方向）に垂直な断面において、光学顕微鏡による観察（目視）で判定した。
材料コストの高低は、コスト安（Ｔｉ材の１/３以下）を○、コスト高（Ｔｉ材の１/３より高価）を×で示している。また、表中の「−」は、「評価せず」を示している。
長期電池特性試験（１０００時間）は、製造した軽量導電性耐食金属材に二次加工（プレス加工）を施し、固体高分子用の燃料電池セパレータを作製した後、別途用意したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と組合わせることにより燃料電池セルを作製し、発電試験を行った。なお、ＭＥＡは、溶液（シグマアルドリッジジャパン社製、Nafion５％溶液）に分散させた（燃料極および空気極）触媒（田中貴金属工業株式会社製、TEC10V50E）を電解質膜（デュポン社製、Nafion 112）に塗布、ホットプレスで接合させる方法により作製した。このとき、燃料極側、空気極側共に白金量が０．４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布厚みを調整した。また、発電試験の条件は、燃料（水素ガス）利用率を７０％、酸化剤（空気中の酸素ガス）の利用率を４０％とし、定電流密度通電（電流密度＝０．２５Ａ／ｃｍ２）とした。発電試験結果は、電池特性の劣化が見られず安定であったもの（出力電圧の低下率が１０ｍＶ／ｋｈ以下もの）を○、電池特性の劣化が見られたもの（出力電圧の低下率が１０ｍＶ／ｋｈより大きいもの）を×として示した。
Figure 0004904772
表５より、接合金属層が無い場合、薄肉材では（０．５ｍｍｔを下回ると）、健全品が得られていないことが判る（ｔは板厚を意味する記号）。また、接合金属層として、純Ａｌ、Ａｌ-Ｍｎ合金を用いた場合、厚さ０．５ｍｍｔ乃至０．０５ｍｍｔの薄肉化が可能であった。また、被覆層のＴｉ構成比（厚み）については、５％以上で健全品が得られている。なお、Ｔｉ構成比（厚み）が３０％以上では、Ｔｉが高価であるためにコスト面で不利になると考えられる。
また、参考例６〜９について長期電池特性の試験を実施したところ、１０００時間発電でも、電池特性の劣化が見られず安定であったことから、本発明による燃料電池セパレータ（軽量導電性耐食金属材）は、電気化学的に過酷な条件下である燃料電池環境においても優れた耐食性と耐久性を有し、かつ良好な加工性を備えた（プレス加工による二次加工を施しても欠陥が発生しない）ことを確認した。
本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を示す工程図である。 クラッド圧延時の異常現象を示し、（ａ）はクラッド圧延時における異常発生を示す説明図、（ｂ）は正常なクラッド圧延を示す説明図である。 図２とは別の本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を示す工程図である。 固体高分子電解質型燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。
符号の説明
１ 燃料電池用セパレータ
１１ コア
１２Ａ、１２Ｂ 接合金属層
１３Ａ、１３Ｂ 被覆層
１４Ａ、１４Ｂ 保護被膜
３０ 圧延機
３０Ａ、３０Ｂ 圧延ロール
３１、３４ 被圧延材
３２ 表層破断
２００ 固体高分子電解質型燃料電池
２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ、２０２Ｄ 溝
２０１Ａ、２０１Ｂ セパレータ
２０３ 電解質膜
２０４ 空気極
２０５ 燃料極
２０４ａ、２０５ａ 多孔質支持層
２０４ｂ 空気極触媒層
２０５ｂ 燃料極触媒層

Claims (7)

  1. マグネシウム合金によるコアと、前記コアの少なくとも片側に配置されるチタンまたはチタン合金による被覆層と、前記コアと前記被覆層とを一体化する接合金属層とを有する燃料電池用セパレータであって、
    前記接合金属層は、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金からなり、かつ、
    前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
  2. 前記コアと前記被覆層との変形抵抗比（被覆層の変形抵抗／コアの変形抵抗）がビッカース硬さ（Ｈｖ）の比として０．５〜２．５の範囲であること特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 前記被覆層は、前記コアとの接合面とは反対側表面に導電性の保護被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 前記保護被膜は、貴金属ナノ膜、黒鉛系塗膜、窒化膜のいずれか、または、これらの内の２以上の組合せであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
  5. マグネシウム合金によるコアと、前記コアの少なくとも片側に配置されるチタンまたはチタン合金による被覆層と、前記コアと前記被覆層とを一体化する接合金属層とを有する導電性耐食金属材であって、
    前記接合金属層は、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金であり、さらに、
    前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする導電性耐食金属材。
  6. マグネシウム合金によるコアの少なくとも片側表面に、チタンまたはチタン合金による被覆層を、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金からなる接合金属層を介して、圧延によるクラッド加工する第１の工程と、
    前記被覆層の前記コアとの接合面とは反対側表面に導電性の保護被膜を形成する第２の工程とを有し、かつ、
    前記コア、前記被覆層、および前記接合金属層は、全体の厚みが０．０５〜２ｍｍであり、前記厚みの５〜３０％を前記被覆層が占めることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
  7. 予めチタンまたはチタン合金による被覆層の片側表面に導電性の保護被膜を形成し、反対側表面に接合金属膜を形成する第１の工程と、
    コア、前記被覆層、および接合金属層の全体の厚みが０．０５〜２ｍｍを満たすように、前記被覆層とマグネシウム合金による前記コアとを、前記コアおよび前記被覆層よりも低い変形抵抗を有する金属である純アルミニウム、又はマグネシウムを実質的に含まないアルミニウム合金による前記接合金属層を介して圧延によるクラッド加工する第２の工程とを有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。
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