(57)【要約】【課題】  軽量で厚みが薄いにもかかわらず、曲げや張り出しなどの加工を行ってもクラックが生じることなく成形性に優れ、かつ耐食性にも優れた高成形性耐食複合材料を提供する。【解決手段】  ＳＵＳ４３０からなる芯材３の両面に設けた表層１の厚さを２０μｍとし、表層１中のチタンの結晶粒径を５μｍとして、表層１の厚み方向にチタンの結晶粒２が４個程度になるようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料を用いた芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を被覆してなり、前記表層の厚み方向に前記耐食性金属の結晶粒が複数個存在していることを特徴とする高成形性耐食複合材料。
【請求項２】
導電性材料を有する芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を被覆してなり、全体の厚さが０．３ｍｍ以下、表層の厚さが３０μｍ以下であって、かつ耐食性金属の結晶粒の粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする高成形性耐食複合材料。
【請求項３】
前記耐食性材料がチタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高成形性耐食複合材料。
【請求項４】
前記導電性材料が、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、鉄または鉄合金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高成形性耐食複合材料。
【請求項５】
導電性材料を用いた芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を塑性加工により被覆する工程と、導電性材料が焼鈍される温度にまで加熱、保持する時間が１０秒以内で、かつ熱処理温度の１／２の温度に冷却するまでの時間が１０秒以内の加熱冷却処理を行う工程とを備えることを特徴とする高成形性耐食複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記耐食性材料がチタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項５記載の高成形性耐食複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐食性と高成形性の双方が要求される燃料電池用セパレータ等に好適に利用できる高成形性耐食複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池用セパレータ等の高耐食性が要求される環境下では、ステンレス鋼、チタンといった金属材料が使われ、さらに、導電性、軽量化、安価材という機能を付加する意味で、銅、アルミニウム、鉄といった他種金属とのクラッド材、例えば、ＳＵＳ／Ａｌ，Ｔｉ／Ａｌ，Ｔｉ／Ｃｕ，Ｔｉ／Ｆｅといった複合材料が用いられている。
【０００３】
他種金属とのクラッド材を用いた燃料電池用セパレータの一例として特許文献１に示すものがある。
【０００４】
図５は、固体高分子型燃料電池用セパレータ２７の要部を示す断面図である。同図において、クラッド材２５が、安価で導電性の高い銅合金からなる芯材３の両面に夫々チタン層２１を被覆することにより構成されている。更に該クラッド材２５の両面にカーボン皮膜からなる防食層２３が形成されている。また、クラッド材２５には、紙面に垂直方向にわたって伸びる複数のカソードガス用の溝２６が形成され、反対側の面には、複数のアノードガス用の溝２８が形成されている。
【０００５】
上記クラッド材２５は、銅合金からなる芯材３の両面に、夫々チタン層１３を押出し又は圧延による塑性加工により被覆し、プレス加工によりカソードガス用の溝２６及びアノードガス用の溝２８を設けることにより形成することができる。また、カーボン皮膜の防食層２３は、チタン層２１の表面を研磨してからその上にコーティングされる。
【０００６】
上記クラッド材２５及びチタン層２１の厚さは、軽量化、コストの点からそれぞれ０．３ｍｍ以下、３０μｍ以下にすることが望まれる。しかし、クラッド材２５は上述した押出し又は圧延による塑性加工により加工硬化しているため、プレス加工による２次成形前に軟化を目的とした焼鈍を行う必要がある。通常、この軟化を目的とした焼鈍は、クラッド材の芯材が銅合金の場合、６００〜７００℃の温度で数時間程度行われる。
【特許文献１】特開２００２−３５８９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の熱処理条件で焼鈍を行うとチタン層２１におけるチタンの粒径は１０〜３０μｍ以上に成長するため、チタン層２１の厚みが３０μｍ以下になると、図６に示すようにチタン層２１の厚み方向にはチタン結晶粒２９が１個しか存在しない状態になる。金属の結晶粒は方位を持っており、特定の方向にしか変形しないことが知られている。特にチタンやチタン合金は結晶構造が六方晶であるため異方性が高い。このため、チタン層２１中に結晶粒が１個以下になると、変形できる方向と変形する方向との乖離が大きくなり、曲げや張り出しなどの２次成形を行うと、結晶粒界に大きな歪が生じて破断を生じ、クラックが生じてしまうという不都合があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、軽量で厚みが薄いにもかかわらず、曲げや張り出しなどの加工を行ってもクラックが生じることなく成形性に優れ、かつ耐食性にも優れた高成形性耐食複合材料とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記技術的課題に鑑み、本発明者らは鋭意研究を行った結果、クラッド材の芯材となる導電性金属が銅及び銅合金であれば６００〜７００℃、アルミ及びアルミ合金であれば５００〜６６０℃、鉄及び鉄合金であれば７００〜８５０℃の温度に常温から到達・保持する合計時間が１０秒以内である熱処理を行い、熱処理後直ちに熱処理温度の１／２の温度に冷却するまでの時間が１０秒以内なるよう冷却することで成形性が著しく改善することを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
即ち、本発明の高成形性耐食複合材料は、導電性材料を用いた芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を被覆してなり、前記表層の厚み方向に前記耐食性金属の結晶粒が複数個存在していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の高成形性耐食複合材料は、導電性材料を有する芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を被覆してなり、全体の厚さが０．３ｍｍ以下、表層の厚さが３０μｍ以下であって、かつ耐食性金属の結晶粒の粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
前記耐食性材料は、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
【００１３】
前記導電性材料は、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、鉄または鉄合金のいずれかとすることができる。
【００１４】
また、本発明の高成形性耐食複合材料の製造方法は、導電性材料を用いた芯材の表面に、耐食性材料からなる表層を塑性加工により被覆する工程と、導電性材料が焼鈍される温度にまで加熱、保持する時間が１０秒以内で、かつ熱処理温度の１／２の温度に冷却するまでの時間が１０秒以内の加熱冷却処理を行う工程とを備えることを特徴とする。かかる加熱冷却処理条件を採用することによって、表層の厚み方向に耐食性金属の結晶粒を複数個存在させることが可能となる。
【００１５】
前記耐食性材料は、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高成形性耐食複合材料は、導電性材料を用いた芯材の表面に被覆した耐食性材料からなる表層中に耐食性金属の結晶粒を複数個存在させて結晶粒の方位の影響を最小に抑えているので、軽量で厚みを薄くした場合に曲げや張り出しなどの加工を行ってもクラックが生じることなく成形性に優れたものとなる。このため、高耐食性と高成形性の両方が要求される燃料電池用セパレータ等に好適に利用できるものとなる。
【００１７】
また、本発明の高成形性耐食複合材料の製造方法は、導電性材料が焼鈍される温度にまで加熱、保持する時間が１０秒以内で、かつ熱処理温度の１／２の温度に冷却するまでの時間が１０秒以内として加熱冷却処理を行なっているので、結晶粒径成長を小さく抑えて、クラッド層に結晶粒を複数個以上生じさせることが可能となる。このため、変形によって早期にクラッド層が割れることを防止できる高成形性耐食複合材料を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る高成形性耐食複合材料の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る高成形性耐食複合材料を固体高分子型燃料電池用セパレータに用いた場合のセパレータの要部を示す断面図である。
【００１９】
同図において、ＳＵＳ４３０からなる芯材３の両面に、ＪＩＳ規格のＴＰ２７０Ｃに相当する純チタンからなる表層１が被覆されてクラッド材５とされている。また、クラッド材５には、紙面に垂直方向にわたって伸びる複数のカソードガス用の溝８が形成され、反対側の面には、複数のアノードガス用の溝９が形成されている。
【００２０】
ここで、表層１の厚さは２０μｍとされ、表層１中のチタンの結晶粒径は５μｍとされている。従って、図２に示すように、表層１の厚み方向にチタンの結晶粒２が４個あることになる。
【００２１】
次に、このような本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【００２２】
まず、芯材３の両面に表層１を冷間圧延クラッド法で接合し、更に、通常の冷間圧延で板厚を減少させて、図３に示すようなクラッド材５を得る。クラッド材５、表層１の厚さは、それぞれ０．２ｍｍ、２０μｍであり、表層１：芯材３：表層１の厚さの比は１：８：１とされている。
【００２３】
次に、圧延により加工硬化したクラッド材５に対して軟化を目的とした熱処理を施す。図４に、この熱処理を施すための熱処理装置の一例を示す。
【００２４】
図４に示す熱処理装置においては、クラッド材１９が移動する上流側から下流側にかけて、送り出しコイル１１、ソルトバス１３、冷却漕１５、巻き取りコイル１７が順次設けられている。ソルトバス１３では所定温度に加熱・溶融したソルトに直接浸漬して加熱処理を行い、冷却漕１５では冷却漕中の冷却材に直接浸漬して冷却処理を行うようになっている。
【００２５】
このような構成の熱処理装置において、上記の通り全体の厚さが０．２ｍｍであり、表層１：芯材３：表層１の厚さの比が１：８：１としたクラッド材１９を送り出しコイル１１から所定の速度で送り、７５０℃に加熱されたソルトバス１３に連続的に浸漬させて熱処理を行う。熱処理が完了したクラッド材１９は冷却槽１５において直ちに冷却された後、巻き取りコイル１７に巻き取られる。ソルトバス１３は、加熱・溶融したソルトに直接、浸漬して熱処理を行うので、熱の伝達効率が高く、短時間の昇温が可能である。従って、クラッド材１９の移動速度、ソルトバス１３の長さ等を調整することによって常温から熱処理温度に到達・保持する合計時間が１０秒以内で、熱処理後に熱処理温度の１／２の温度に冷却するまでの時間が１０秒以内になるようにすることが可能となる。本実施の形態では、昇温、熱処理、冷却までを１０秒以内に行うことにより、クラッド材５の表層１中のチタンの結晶粒径を５μｍとすることが可能であった。
【００２６】
また、熱処理温度はクラッド材５の芯材３が銅及び銅合金であれば６００〜７００℃、アルミ及びアルミ合金であれば５００〜６６０℃、鉄及び鉄合金であれば７００〜８５０℃が望ましい。これは芯材３が焼鈍される温度であり、かつ、芯材３の金属と表層１のチタンが反応して生成される硬い金属間化合物の厚みを１μｍ以下にできるからである。
【００２７】
上記の熱処理を施した後、プレス加工によりカソードガス用の溝８およびアノードガス用の溝９を設けることにより図１に示す固体高分子型燃料電池用セパレータを形成することができる。
【００２８】
本実施の形態では、熱処理を短時間で行うことによってチタンの結晶粒径成長を小さく抑えて、図２に示すように表層１にチタンの結晶粒２を複数個以上生じさせることによって、結晶粒の方位の影響を最小に抑えているので、プレス加工の際の変形によってもクラッド材５が割れることを防止できる。また、熱処理を短時間で行うことにより表層１のチタンと芯材３の金属との反応による硬い金属間化合物の発生も最小限にできるので、成形性の向上に寄与することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、表層１に純チタンを使用し、熱処理条件だけでチタン結晶粒の微細化を図ったが、チタンに結晶粒を微細化させる第２元素を添加したチタン合金を使用し、結晶粒の微細化を促進することもできる。
【実施例】
【００３０】
図３に示したクラッド材５において、全体の厚さを０．２ｍｍ、表層１の厚さを２０μｍ、表層１：芯材３：表層１の厚さの比を１：８：１とし、図４に示す熱処理装置を用いて、熱処理温度を７５０℃、昇温、熱処理、冷却までの合計時間を１０秒として、熱処理を施した。このようにして得られたクラッド材５にＪＩＳ−Ｚ−２２４７に準じたエリクセン試験を行い、成形性の評価を行った。結果を表１に示す。また比較のため、図４に示す熱処理装置において昇温、熱処理、冷却までの合計時間を３０秒として熱処理を行ったもの（比較例１）、及び従来の熱処理方法である真空焼鈍炉により熱処理時間を８時間としたもの（比較例２）の結果も合わせて示す。
【００３１】
【表１】
2006015705.tif 000003
【００３２】
上記結果より、本実施例による熱処理方法では、結晶粒径が小さいため、高いエリクセン値を有し優れた成形性を示したが、従来の真空焼鈍炉による熱処理法である比較例２では結晶粒が粗大化し、更にチタンからなる表層１と芯材３との間に金属間化合物も大量に生成してしまうため、エリクセン値が大幅に低下した。また、ソルトバスを用いて熱処理時間を３０秒とした比較例１の場合、比較例２よりはやや良い数値になるものの、本実施例のものに比べてエリクセン値はかなり低下していた。よって、本実施例による熱処理方法によって優れた成形性が得られることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用セパレータの要部を示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用セパレータにおける表層中のチタンの結晶粒径を示す概念図である。
【図３】本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用セパレータに用いられるクラッド材を示す断面図である。
【図４】本実施の形態において用いられる熱処理装置を示す説明図である。
【図５】従来の固体高分子型燃料電池用セパレータの要部を示す断面図である。
【図６】従来の固体高分子型燃料電池用セパレータにおけるチタン層中のチタンの結晶粒径を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  表層
２  結晶粒
３  芯材
５  クラッド材
７  セパレータ
１３  ソルトバス
１５  冷却槽
１９  クラッド材
【図１】
2006015705.tif 000004
【図２】
2006015705.tif 000005
【図３】
2006015705.tif 000006
【図４】
2006015705.tif 000007
【図５】
2006015705.tif 000008
【図６】
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