(57)【要約】【課題】金属ガラスセパレータの生産性を向上させ、製造コストを削減することができる金属ガラスセパレータの製造方法を提供すること。【解決手段】溶融状態の合金１２を金型２６内部に射出し、金型２６内部の合金１２を、合金１２が結晶化しない程度の冷却速度で、合金１２のガラス遷移温度以下まで冷却することによって、金属ガラスからなるセパレータ１０を製造する。金属ガラスセパレータ１０を射出成形により製造することで、原料合金の坩堝内設置、溶解、成形工程を数分で行うことが可能になるため、金属ガラスセパレータの生産効率が向上し、その結果、製造コストを大幅に削減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融状態の合金を金型内部に射出し、前記金型内部の合金を、該合金が結晶化しない程度の冷却速度で、該合金のガラス遷移温度以下まで冷却することによって、金属ガラスからなるセパレータを得ることを特徴とする、
金属ガラスセパレータの製造方法。
【請求項２】
前記金属ガラスが、Ｃｕ基非晶質合金である、請求項１の金属ガラスセパレータの製造方法。
【請求項３】
前記Ｃｕ基非晶質合金が、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏのいずれかである、請求項２の金属ガラスセパレータの製造方法。
【請求項４】
前記Ｃｕ基非晶質合金が、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｔａ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ−Ｔａのいずれかである、請求項２の金属ガラスセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池のセルに組込まれるセパレータの製造方法の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」という。）は、高分子電解質膜からなる電極に、反応ガス（水素・酸素）を供給して発電する装置である。
図２は、燃料電池を構成する最小ユニットであるセルＣの斜視図である。
燃料電池のセルＣは、触媒層と多孔質支持層からなる２つの電極Ｅ１，Ｅ２（アノード、及びカソード）、電極Ｅ１，Ｅ２間に挿入される電解質Ｄ、及び電極Ｅ１，Ｅ２の外側に配置されたセパレータ１００からなる。
上記構成のセルＣでは、１つにつき１Ｖ弱の電圧しか得られないので、実際の燃料電池としては、通常、数十〜数百のセルＣを直列に積層したものが使用されている。
【０００３】
図３は、燃料電池に使用される従来のセパレータ１００の正面図である。
プレート状のセパレータ１００の両面に、図３に示すように、幅、及び深さが０．５〜２ｍｍ程度の多数の溝１２０が設けられており、この溝１２０は、反応ガスの流路、及び反応によって発生した水の排出路として機能する。溝１２０の周囲には、シール用溝１２１が設けられている。
多数のセルＣが積層されてなる燃料電池において、上記のセパレータ１００は、各セルＣ間の仕切り板としてだけでなく、溝１２０を介して隣合う電極Ｅ１（又はＥ２）に反応ガスを供給したり、反応に伴って発生した水を外部に排出するために設けられている。
また、セパレータ１００は、セルＣで発生した電気を外部に伝達するための役割も果たしている。
【０００４】
従って、燃料電池のセパレータ１００としては、電極Ｅ１，Ｅ２（アノード側、カソード側）に供給される反応ガスが混合しないようにガス遮蔽性が高く、反応ガスによって腐食されることがないように耐蝕性・耐酸化性に優れ、軽量で、且つ、導電性を有し、さらに、積層した各セルＣの荷重に耐え得る強度を具えていることが要求される。また、燃料電池を小型化するためには、セパレータ１００をできるだけ薄くする必要がある。
【０００５】
上記特性を満たすセパレータ１００の材料として、従来から、等方性カーボンが使用されている。しかし、より小型で高出力の燃料電池を開発するために、セパレータを薄くすると機械的強度及び成形性に限界があった。そこで、現在では、セパレータを薄くしても機械強度、成形性に優れた、金属を母材とするセパレータの開発が進められている。
【０００６】
ところが、金属を母材とするセパレータを用いる場合、燃料電池内の水によって金属が腐食するという問題がある。
また、金属表面には不働態層が形成されるためカーボン材料に比べて接触抵抗が高く、そのような金属セパレータに通電された場合には電圧降下が大きくなり、燃料電池の性能低下を招くおそれがある。
【０００７】
上記の問題に対して、例えば、セパレータに用いる母材の金属にステンレス鋼を用い、その表面をサンドブラスト等により粗面化する方法や、表面に金メッキを施す方法がある。これらの技術によれば、母材の金属にステンレス鋼が用いられるので耐食性に優れるとともに、母材表面の粗面化や金メッキにより接触抵抗が低下する。しかし、表面を粗面化する方法では、電力を発生する反応中にセパレータが酸化雰囲気となるため、使用中に腐食されてしまうという問題がある。また、金メッキを用いる方法は貴金属を用いるためにコスト高となる。
【０００８】
上述した金属セパレータの問題を解決するために、以下に説明する非晶質合金を材質に用いた燃料電池用セパレータの開発が行われている。
「非晶質合金」とは、多元素合金の或る種のものを溶融し、これを急速冷却することにより得られる、結晶構造を持たない合金であり、薄帯状、フィラメント状、粉粒体状など、種々の形状を有することがよく知られている。
上述した非晶質合金のうち、ガラス遷移を示し、広い過冷却液体温度域（結晶化温度Ｔxとガラス遷移温度Ｔgとの差ΔＴxで定義されるもの）及び大きな換算ガラス化温度（ガラス遷移温度Ｔgと毎分５Ｋの加熱速度で示差熱量分析を行うことにより得られる合金液相線温度Ｔlの比で定義され、非晶質形成能力を示す 数値）を有するものは、一般的に金属ガラスと呼ばれ、結晶化に対する高い安定性を示し、大きな非晶質形成能を有することが知られており、金型鋳造法等によりバルク状非晶質材を製造することが可能である。
これら非晶質合金は、酸化の開始点となる結晶粒界がないことから、燃料電池内の水によって金属が腐食することを抑制することができ、強度や導電性についても従来のカーボン系の材料よりも優れている。
【０００９】
この金属ガラスを燃料電池のセパレータに用いた例として、溶融状態から単ロール又は双ロール法でＮｉ基非晶質合金薄帯を成形し、これに樹脂を塗膜又は積層し、打抜き加工又は機械加工により、ガス流路及び生成水排水のための溝付けを行って製造されたセパレータが特許文献１に開示されている。
また、溶融状態から単ロール法又は双ロール法によりＮｉ基非晶質合金薄帯を成形し、これを過冷却液体温度域で、温間プレスにより溝付けを行って製造されたセパレータ、及び溶融金属を金型に流し込み、急速冷却して非晶質化させ、過冷却液体温度域で鍛造加工を施すことによって製造されたセパレータが特許文献２に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２３２０７０号公報
【特許文献２】特開２００４−２７３３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１及び特許文献２においては、非晶質合金薄帯に溝付けを行う工程があるため、製造に比較的多くの時間と手間がかかり、生産性の点で問題がある。
また、特許文献２における溶湯鍛造の場合、溶融した金属を雌型に注ぎ、雄型で押すという手順のため、金属ガラス製造に必須の急冷作業が困難である、大型のもの又は肉厚が薄いものには適用が難しく表面形状等の精度が低い、雄型で押した際に溶湯があふれる等の問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の問題に鑑み、従来よりも金属ガラスセパレータの生産性を向上させ、製造コストを削減することができる金属ガラスセパレータの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、溶融状態の合金を金型内部に射出し、前記金型内部の合金を、該合金が結晶化しない程度の冷却速度で、該合金のガラス遷移温度以下まで冷却することによって、金属ガラスからなるセパレータを得ることを特徴とする、金属ガラスセパレータの製造方法により、前記の課題を解決した。
前記金属ガラスは、Ｃｕ基非晶質合金であることが好ましく、特にＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｔａ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ−Ｔａのいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の金属ガラスセパレータの製造方法では、溶融金属を水冷の金型内に射出することにより、溶融金属をガラス遷移温度Ｔg以下に急速冷却して非晶質化させると同時に、成形も行われるため、再び過冷却液体温度域ΔＴxまで加熱して成形を行う必要がない。
従って、原料合金の坩堝内設置、溶解、成形工程を数分で行うことが可能になるため、従来の金属ガラスセパレータの製造方法よりも、金属ガラスセパレータの生産効率が飛躍的に向上し、その結果、製造コストを大幅に削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の金属ガラスセパレータの製造方法を、図１に基づいて説明する。
なお、本明細書中の「金属ガラス」とは非晶質合金を意味する。
図１は、本発明の金属ガラスセパレータの製造方法の一例を示す概略図である。本発明の製造方法においては、原料合金を溶融し、この溶融金属を金型内に射出し、金型との接触により溶融金属を急速冷却して非晶質化し、金属ガラスセパレータを得る。
【００１６】
本発明に用いられる金属ガラスは、固体高分子型燃料電池のセパレータの使用環境に適したものであり、加工性・機械的性質のみならず、耐食性・導電性にも優れるＣｕ基非晶質合金が好ましい。具体的にはＣｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｏのいずれかであり、より具体的には、Ｃｕ50−Ｚｒ25−Ｔｉ15−Ｃｏ10、Ｃｕ50−Ｚｒ25−Ｔｉ15−Ｎｉ10、Ｃｕ50−Ｚｒ22−Ｔｉ18−Ｎｉ5−Ｃｏ5（各組成は原子％）の組成を有するＣｕ基非晶質合金が好ましい。
その他に使用可能なＣｕ基非晶質合金としては、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｔａ、Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−Ｎｂ−Ｔａのいずれかであり、具体的には、本発明者らが先に出願した特願２００４−４１４０９２に開示されているＣｕ100-a-bＺｒaＡｌb（式中、３０≦ａ≦６０、０≦ｂ ≦１５）により表されるＣｕ基非晶質合金、又は前記Ｚｒ又はＡｌの一部が、Ｎｂ及び／又はＴａ（それぞれ最大１０原子％）で置換されたＣｕ基非晶質合金が好ましい。
さらに、特開２００２−２５６４０１号に開示されているＣｕ100-a-b（Ｚｒ ＋Ｈｆ)aＴｉb又はＣｕ100-a-b-c-d（Ｚｒ＋Ｈｆ)aＴｉbＭcＴd[式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔａ、希土類元素よりなる群から選択される１種又は２種以上の元素、Ｔは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕよりなる群から選択される１種又は２種以上の元素であり、a、b、c、dは原子％で、５＜a≦55、0≦b≦45、30＜a＋b≦60、0.5≦c≦5、0≦d≦10である。] で示される組成を有する非晶質相を体積百分率で９０％以上含むＣｕ基非晶質合金、及び特開２００４−９１８６８号に開示されているＣｕ100-a-b（Ｚｒ，Ｈ ｆ）a（Ａｌ，Ｇａ）b［式中、ａ、ｂは原子％で、３５原子％≦ａ≦５０原子％、２原子％≦ｂ≦１０原子％である］で示される組成を有する非晶質相を体積百分率で９０％以上含むＣｕ基非晶質合金等を挙げることができる。
【００１７】
本発明で使用する射出成形装置２０は、図１に示すような公知の金属用射出成形機であり、射出装置２１と型締装置（図示せず）及びこれらに駆動力を供給する電気・油圧装置（図示せず）とその制御装置（図示せず）等からなる。溶融金属の酸化を防止するために、チェインバー３０内を真空引きし、アルゴンガス等の不活性雰囲気にする。以下、金属ガラスセパレータの製造方法を工程別に説明する。
【００１８】
（工程１）原料合金１１を所期の組成となるように配合し、坩堝２２を用いて高周波誘導溶解炉等の溶解炉２３内にてレーザービームにより合金を融解し、高周波で攪拌することにより溶融金属１２（溶融状態の合金）とする。次に、溶解炉２３を回転させて溶融金属１２をホッパー２４に注入する。
【００１９】
（工程２）溶融金属１２をホッパー２４からシリンダ２５内に投入し、シリンダ２５内の溶融金属１２を押出し、金型２６の内部（以下、「キャビティ２７」という。）に射出する。溶融金属１２は、水冷の金型２６と接触することにより、ガラス遷移温度Ｔg以下にまで急速に冷却されて凝固し、非晶質化する。
【００２０】
なお、射出時の溶融金属１２の温度は、合金の融点等により異なるが、Ｃｕ基非晶質合金の場合には、１０００℃〜１３００℃であることが好ましい。
また、溶融金属１２の冷却速度は、キャビティ２７の容量、セパレータの厚さ、表面積によって変わるが、溶融金属１２が結晶化しない程度の冷却速度であればよい。例えば、厚さ０．２ｍｍ、表面積６３０ｃｍ2の場合のセパレータを製 造する場合、溶融金属１２の冷却速度は、１００℃／秒以上であることが好ましい。
【００２１】
（工程３）金型２６を開き、キャビティ２７に対応した形状の凹凸を有する金属ガラス成形体、すなわち、金属ガラスからなるセパレータ１０を取り出す。なお、金属ガラスセパレータ１０の厚さは、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。本発明の方法により製造された金属ガラスセパレータ１０は、金属ガラスが酸化の開始点となる結晶粒界がないことから、燃料電池内の水によって金属が腐食することを抑制することができる。また、強度や導電性についても従来のカーボン系の材料よりも優れている。
【００２２】
従来の溶湯鍛造による金属ガラスセパレータの製造方法では、雌型の金型に溶融金属を流し込み雄型の金型で押すことにより、溶融金属をガラス遷移温度Ｔg以下に急速冷却して非晶質化し、過冷却液体温度域ΔＴxで雄型の加圧を継続す ることにより金属ガラスセパレータを得ていた。また、温間プレスによる製造方法においては、単ロール急冷法により金属ガラスシートを成形し、これを過冷却液体温度域ΔＴxまで加熱してプレスすることにより溝付けを行っていた。
【００２３】
これらに対して、本発明の金属ガラスセパレータの製造方法では、溶融金属１２を水冷の金型２６内（すなわち、キャビティ２７）に射出することにより、溶融金属１２をガラス遷移温度Ｔg以下に急速冷却して非晶質化させると同時に、 成形も行われる。すなわち、急速冷却して非晶質化させた後に、再び過冷却液体温度域ΔＴxまで加熱して成形を行う必要がない。
従って、単ロールによるシート成形後に温間プレスする製造方法と比べて、工程を少なくすることができる。
また、射出成形は、セパレータのような薄く大型なものの製造に適しており、溶湯鍛造と比較して精度の高い成形品が得られ、歩留まりが高くなる。
【００２４】
以上説明したように、本発明の金属ガラスセパレータの製造方法によれば、原料合金の坩堝内設置、溶解、成形工程を数分で行うことが可能であるため、従来の金属ガラスセパレータの製造方法よりも、金属ガラスセパレータの生産効率が飛躍的に向上し、その結果、製造コストを大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の金属ガラスセパレータの製造方法の一例を示す概略図。
【図２】燃料電池を構成する最小ユニットであるセルの斜視図。
【図３】燃料電池に使用されるセパレータの正面図。
【符号の説明】
【００２６】
１０：金属ガラスセパレータ
１２：溶融金属
２６：金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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