(57)【要約】【課題】  導電性のある硬質粒子のＭＥＡに対する接触面積を増やし、導電性に優れた燃料電池用金属セパレータの加工方法を提供することを課題とする。【解決手段】  ＳＴ０１：ステンレス母材に、粒状の導電性のある硬質粒子を含有させたステンレス鋼材を準備する。ＳＴ０２：ステンレス鋼材を所定の厚さに圧延する。ＳＴ０３：圧延したステンレス鋼材をセパレータ半完成品にプレス成形を施す工程である。ＳＴ０４：セパレータ半完成品をベルト研削し、表面の変質層を除去し、硬質粒子の露出面を平坦化する。ＳＴ０５：ベルト研削後のセパレータ半完成品を砥石研削し、ステンレス母材のみを削って仕上げる。【効果】  導電性のある硬質粒子の被接触部材に対する接触面積を増やし、導電性のある硬質粒子の突出表面を被接触部材に確実に接触させることで、導電性のある硬質粒子の被接触部材に対する接触抵抗を下げることができるという利点がある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材に硬質粒子を含有させてなる金属板に塑性加工を施して形状を整え、得られた塑性加工物の表面を研削加工により削って平坦化すると共に前記硬質粒子を露出させ、得られた研削加工物の表面を砥石により仕上げて前記硬質粒子を突出させる燃料電池用金属セパレータの加工方法において、
前記砥石は、前記金属母材より硬くて且つ前記硬質粒子より軟らかい砥粒と、ビトリファイドボンドからなる結合剤とを主構成要素にし、砥石の乾燥工程では砥石を圧縮させないで製造し、得られた多孔質砥石を用いることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性の硬質粒子を含有させた燃料電池用金属セパレータの加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータは、固体高分子形燃料電池の１個の膜／電極接合体（以後、ＭＥＡと記す。）の両側に配置して１単位の発電装置（スタック）を形成するためのものである。この燃料電池用セパレータとしては、固体高分子形燃料電池の発電装置を積層化する際に、積層時の加圧力に対する強度や積層後の小型化が有利な金属材料が有力視されている。
【０００３】
従来、このような燃料電池用金属セパレータとして、ステンレス製のものが知られており、その材料となるステンレス鋼材の圧延変質層の除去方法について検討されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１６０４７２公報（第７頁、図４）
【０００４】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）は工程図、（ｂ）は工程補足説明図、（ｃ）〜（ｅ）は各工程のステンレス鋼材断面図である。
【０００５】
まず、（ｂ）を参照しつつ、（ａ）の工程を説明する。ＳＴ×××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０１：素材として、導電物（Ｃｒ２Ｂ）を含有するステンレス鋼材１００を準備する。
ＳＴ１０２：ステンレス鋼材１００を圧延する。
【０００６】
ＳＴ１０３：ステンレス鋼材１００の圧延後の圧延材１０１をプレス型１０２、１０３でプレス成形し、圧延材１０１に複数の溝を形成する。
【０００７】
ＳＴ１０４：ロールブラシ１０４、１０５間に溝成形後のプレス材１０６を通し、アルミナ砥粒１０７を使用しながら、圧延工程で圧延材１０１の表層部にできた変質層を除去するとともに、プレス材１０６の表面を所定の表面粗さに加工する。
以上で、変質層が無く、所定の表面粗さとしたステンレス鋼材製のセパレータ１０８ができる。
【０００８】
（ｃ）で、圧延材１０１の母材１０９に圧延時の影響で変質層１１０ができた状態を示す。１１１・・・（・・・は複数を示す。以下同じ。）は硬質粒子からなる導電物である。
【０００９】
（ｄ）で、（ａ）に示したＳＴ１０４においてプレス材１０６の変質層１１０｛（ｃ）参照｝のみを除去した中間部材１１２の状態を示す。
（ｅ）で、（ａ）に示したＳＴ１０４において表面粗さ調整を終えた状態、すなわちセパレータ１０８の表面を所定の表面粗さに加工した状態を示す。
【００１０】
しかし、特許文献１のステンレス鋼材の圧延変質層の除去方法では、アルミナ砥粒１０７を使いロールブラシ１０４、１０５の間をプレス材１０６を通すことで、変質層を除去するとともに、プレス材１０６の表面を所定の表面粗さに加工したセパレータ１０８を造ることはできるが、硬質粒子からなる導電物１１１の表面を平坦化することが困難であった。
【００１１】
セパレータ１０８に含まれた導電物１１１の表面を平担化することができない場合は、セパレータ１０８をＭＥＡに接触させても接触面積が小さくなり、セパレータ１０８の接触抵抗が大きくなり、発電装置の導電性が劣り、性能が低下するという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、導電性のある硬質粒子のＭＥＡに対する接触面積を増やし、導電性に優れた燃料電池用金属セパレータの加工方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る発明は、金属母材に硬質粒子を含有させてなる金属板に塑性加工を施して形状を整え、得られた塑性加工物の表面を研削加工により削って平坦化すると共に硬質粒子を露出させ、得られた研削加工物の表面を砥石により仕上げて硬質粒子を突出させる燃料電池用金属セパレータの加工方法において、
砥石は、金属母材より硬くて且つ硬質粒子より軟らかい砥粒と、ビトリファイドボンドからなる結合剤とを主構成要素にし、砥石の乾燥工程では砥石を圧縮させないで製造し、得られた多孔質砥石を用いることを特徴とする。
【００１４】
砥粒が金属母材より硬くて且つ硬質粒子より軟らかい性質の砥石でセパレータを仕上げる。金属母材のみを削り、硬質粒子を突出させることができる。一部が突出する硬質粒子は先端が、前工程の研削加工で平坦化している。この平坦面は砥石で丸くなることはない。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、先端が平坦な硬質粒子を、傷めずに金属簿材から一部を突出させることができる。突出した硬質粒子の平坦面がＭＥＡに良好に接触し、電気的な接触抵抗を下げる役割を果たす。
すなわち、導電性のある硬質粒子のＭＥＡに対する接触面積を増やし、導電性に優れた燃料電池用金属セパレータの加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。  
図１は本発明に係る燃料電池用金属セパレータの加工方法を説明するフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。また、各ステップの右に参照図を付記した。
【００１７】
ＳＴ０１：ステンレス母材に、粒状の導電性のある硬質粒子を含有させたステンレス鋼材を準備する。
ＳＴ０２：ステンレス鋼材を所定の厚さに圧延する。
【００１８】
ＳＴ０３：圧延したステンレス鋼材をセパレータ半完成品にプレス成形する。
ＳＴ０４：セパレータ半完成品をベルト研削し、表面の変質層を除去し、硬質粒子の露出面を平坦化する。
【００１９】
ＳＴ０５：ベルト研削後のセパレータ半完成品を砥石研削し、ステンレス母材のみを削って仕上げる。
以上のステップ（工程）により、セパレータの完成品を得ることができる。
【００２０】
図２はステンレス鋼材を圧延する工程を説明する図である。
（ａ）で、準備したステンレス鋼材１０は、ステンレス母材１１に粒状の導電性のある硬質粒子１２・・・を含有させたものである。
【００２１】
（ｂ）で、ステンレス鋼材１０に接触させた上下のロール１５、１６を矢印Ａ、矢印Ａの如く回転させ、ステンレス鋼材１０を矢印Ｂの如く所定の厚さｔ１に冷間圧延することで圧延材を得る。
この圧延の際に、圧延の影響で、ステンレス鋼材１０の表層１７、１７の導電性のある硬質粒子１２・・・が砕かれることが考えられる。
このため、圧延材１９の表層１８、１８（以後、変質層とする）には、砕かれて小さくなった導電性のある硬質粒子１２・・・が存在する。
【００２２】
図３は圧延材をセパレータ半完成品にプレス成形を施す工程を説明する図である。
（ａ）で、圧延材１９をプレス成形機２０の下型２２に載せ、上型２１を矢印Ｃの如く下げて、プレス成形する。
【００２３】
（ｂ）で、圧延材１９のプレス成形により得られたステンレス鋼製のセパレータ半完成品３０を示す。５ａ部は後述の図５で詳しく説明する。
このセパレータ半完成品３０を凹凸状に形成することで、凹状の部位を、ガスや水を導くための溝３１・・・とし、凸状の部位を図示しないＭＥＡの両面に接触する凸部３２・・・（すなわち、接触部）とする。
ここで、セパレータ半完成品３０の凸部３２・・・のみの接触抵抗を小さくすればよいので、セパレータ半完成品３０の両面全域の接触抵抗を小さくする必要はない。
【００２４】
したがって、図１に示したＳＴ０４のセパレータ半完成品をベルト研削して表面の変質層を除去し、硬質粒子の露出面を平坦化する工程と、ＳＴ０５のベルト研削後のセパレータ半完成品を砥石研削し、ステンレス母材のみを削って仕上げる工程において、セパレータ３０の凸部３２のみを処理すればよい。
これにより、処理時間の短縮化と、研削砥石の摩耗などによる損耗を低減することが可能となる。
【００２５】
図４は本発明に係るベルト研削機を説明する図であり、ベルト研削機４０は、縦に配置した２つのロール４１、４２と、これらロール４１、４２に掛渡したベルト４３と、下方側のロール４２の下方に一定の隙間を空けて備えた複数のロール４４・・・とからなる装置である。
【００２６】
このベルト研削機４０を使ってセパレータ半完成品３０の凸部３２・・・を研削する場合は、ロール４２及びこのロール４２に掛けたベルト４３とロール４４・・・との隙間にセパレータ半完成品３０を挿入し、ロール４１、４２を矢印Ｄの如く回転させると、セパレータ半完成品３０の凸部３２・・・の一部をベルト４３で研削しながら、セパレータ半完成品３０の下部に接触したロール４４・・・を矢印Ｅの如く回転させ、セパレータ半完成品３０を矢印Ｆの如くゆっくり送り進め、セパレータ半完成品３０のすべての凸部３２・・・を研削することができる。
【００２７】
図５はプレス成形及びベルト研削後のセパレータ半完成品の凸部断面図である。
（ａ）は図３の５ａ部拡大図を示す。
プレス成形後のセパレータ半完成品３０の凸部３２は、ステンレス母材１１に導電性のある硬質粒子１２・・・を含有したもので、プレス成形によりできた厚さｔ２の変質層１８に、圧延の際に砕かれた小さな導電物５１・・・を含む。
【００２８】
（ｂ）で、ベルト研削で変質層１８を除去した後の凸部３２は、研削面５２に小さな導電物５１を残し、ステンレス母材１１の内部に導電性のある硬質粒子１２・・・を含む。
小さな導電物５１が研削面５２に残ると、図示しないＭＥＡに接触する導電性のある部分の接触面積が小さくなり、完成したセパレータの導電性を良好に保つことが難しい。
そこで、ベルト研削をさらに進め、厚さｔ３だけ研削し、ステンレス母材１１の内部に含む導電性のある硬質粒子１２・・・の表面を出し、セパレータの導電性を良好に保つことを試みた。
【００２９】
（ｃ）で、ベルト研削を進めた凸部３２は、ステンレス母材１１の表面５３に出た導電性のある硬質粒子１２・・・の露出面５４が平坦化された。
以上のように、図４に示すベルト研削機４０を用いることによって、セパレータ半完成品３０の凸部３２の表面５３及び導電性のある硬質粒子１２の露出面５４を容易に平坦化することができる。
【００３０】
図６は本発明に係る砥石研削機を説明する図である。
（ａ）で、砥石研削機６０は、定盤６１と、この定盤６１に載せたワーク載置台６２と、多孔質砥石６３と、この多孔質砥石６３を矢印Ｇのごとく回転させる回転軸６４と、砥石６３の下面６５とセパレータ半完成品３０との間に研磨液６７を噴射するクーラントノズル６６とからなる平面研削装置である。
【００３１】
（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図を示す。
多孔質砥石６３は、図示しないステンレス母材１１より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２・・・より軟らかい砥粒７１・・・と、ビトリファイドボンド７２からなる結合剤とを主構成要素にし、砥石の乾燥工程では砥石を圧縮させないで製造し、多数の気孔７３・・・を含有させたものである。
【００３２】
砥粒７１・・・をステンレス母材１１より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２・・・より軟らかくすることで、ステンレス母材１１から突出した導電性のある硬質粒子１２・・・の脱落が防止する。
また、砥粒７１・・・をステンレス母材１１より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２・・・より軟らかくすることで、ステンレス母材１１のみを削り、表面を平坦化した導電性のある硬質粒子１２・・・を突出させることで、被接触部材に対する導電性のある硬質粒子１２・・・の接触面積を増す。
【００３３】
多孔質砥石６３は、気孔７３・・・が有るために、研削時の研削カスをこの気孔７３・・・内に吸収し、砥石の研削性を向上させる。
また、砥粒７１が硬質粒子１２を脱落させる位の力が加わった場合、砥粒７１の保持力が弱いので砥粒７１が脱落する。この結果、硬質粒子１２の脱落を防止することができる。
【００３４】
図７は砥石研削前後のセパレータの凸部断面図であり、得られたセパレータ８０の凸部８１では、ステンレス母材１１の砥石研削面８２から露出した導電性のある硬質粒子１２・・・の露出面５４が平坦化された状態である。
表面仕上げを砥石で行う場合は、図示しない砥粒７１・・・をステンレス母材１１より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２・・・より軟らかくすることで、ステンレス母材１１から突出した導電性のある硬質粒子１２・・・の脱落を防止する。
【００３５】
また、表面仕上げを砥石で行う場合は、図示しない砥粒７１・・・をステンレス母材１１より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２・・・より軟らかくすることで、ステンレス母材１１のみを削り、表面を平坦化した導電性のある硬質粒子１２・・・を突出させることで、被接触部材に対する導電性のある硬質粒子１２・・・の接触面積を増す。
【００３６】
図８は本発明に係るセパレータの凸部を被接触部材に接触させた状態を説明する図であり、セパレータ８０の凸部８１は、導電性のある硬質粒子１２・・・の露出面５４・・・がステンレス母材１１の砥石研削面８２からｔ５だけ頭出しすることで、導電性のある硬質粒子１２・・・の露出面５４・・・をＭＥＡ８５の一方の面８６に確実に接触させる。
【００３７】
ここで、導電性のある硬質粒子１２・・・の露出面５４・・・を確実に露出させることで、露出面５４・・・のＭＥＡ８５との接触面積Ｓ・・・を大きく確保できる。
また、導電性のある硬質粒子１２・・・は、セパレータ８０の導電性を高めるための物質である。導電性のある硬質粒子１２・・・のＭＥＡ８５に対する接触面積Ｓ・・・を増やし、導電性のある硬質粒子１２・・・の突出表面をＭＥＡ８５に確実に接触させることで、導電性のある硬質粒子１２・・・のＭＥＡ８５に対する接触抵抗を下げることができる。
したがって、セパレータ８０のＭＥＡ８５に対する接触抵抗を小さく抑えることができる。
【００３８】
尚、本発明における燃料電池用金属セパレータ８０の加工方法で用いる砥石は、金属母材より硬くて且つ導電性のある硬質粒子１２より軟らかい砥粒７１と、ビトリファイドボンド７２からなる結合剤とを主構成要素にし、砥石の乾燥工程では砥石を圧縮させないで製造し、得られた多孔質砥石６３を用いればよく、砥粒７１の種類を特に問わない。
また、ビトリファイドボンド７２からなる結合剤の原料や種類は特に問わない。
さらに、導電性のある硬質粒子１２はその種類を特に問わない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の燃料電池用金属セパレータの加工方法は、四輪車の燃料電池に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池用金属セパレータの加工方法を説明するフローチャートである。
【図２】ステンレス鋼材を圧延する工程を説明する図である。
【図３】圧延材をセパレータ半完成品にプレス成形を施す工程を説明する図である。
【図４】本発明に係るベルト研削機を説明する図である。
【図５】プレス成形及びベルト研削後のセパレータ半完成品の凸部断面図である。
【図６】本発明に係る砥石研削機を説明する図である。
【図７】砥石研削前後のセパレータの凸部断面図である。
【図８】本発明に係るセパレータの凸部を被接触部材に接触させた状態を説明する図である。
【図９】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１…ステンレス母材  、１２…導電性のある硬質粒子  、１９…圧延材  、３０…セパレータ半完成品  、３２…凸部  、６０…砥石研削機  、６３…多孔質砥石  、６７…研磨液  、７１…砥粒  、７２…ビトリファイドボンド  、７３…気孔  、８０…セパレータ  、８２…砥石研削面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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