(57)【要約】【課題】電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用の安価なセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】オーステナイト系ステンレスを加工する第１の工程と、第１の工程によって加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する第２の工程と、第２の工程によって処理されたオーステナイト系ステンレスを４００〜６８０℃の温度で浸炭する第３の工程と、第３の工程によって浸炭されたオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する第４の工程とを用いて固体高分子型燃料電池のセパレータが製造される。【選択図】図１
2011243327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、
オーステナイト系ステンレスを加工する第１の工程と、
前記第１の工程によって加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する第２の工程と、
前記第２の工程によって処理されたオーステナイト系ステンレスを４００〜６８０℃の温度で浸炭する第３の工程と、
前記第３の工程によって浸炭されたオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する第４の工程とを備えるセパレータの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された製造方法によって製造されたセパレータを備える固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造方法およびその製造方法によって製造されたセパレータを用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを電気化学的に反応させることにより、電気を取り出す燃料電池は、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を大きく低減することが可能な技術であると共に、従来の内燃機関に比べて効率が高く、静粛性に優れ、さらに、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘおよびＰＭ等の排出量が少ないという特徴を有している。
【０００３】
このため、燃料電池は、クリーンなエネルギー変換装置として国際的にも研究開発が精力的に進められており、これまでに、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等が開発されている。
【０００４】
このような状況の下、近年、自動車用および家庭用等の小型の発電に適した燃料電池として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池が注目されるようになったのは、性能が一段と向上した固体高分子電解質膜を用いることによって電池の出力密度が飛躍的に向上し、高効率という従来からの燃料電池の特性に加え、小型化および低温作動が可能になったからである。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、数十〜数百個の単位電池を直列に接続して所要電力を得る。そして、単位電池は、固体高分子電解質膜と、アノード側ガス拡散電極と、カソード側ガス拡散電極と、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを備える。アノード側ガス拡散電極およびカソード側ガス拡散電極は、固体高分子電解質膜の両側に配置される。アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散電極に接して配置され、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散電極に接して配置される。
【０００６】
このような、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、隣り合う単位電池間を電気的に接続する集電体としての役目だけでなく、単位電池の外壁構造部材としても機能し、さらに、水素および空気をそれぞれアノード側ガス拡散電極またはカソード側ガス拡散電極へ供給する通路としても機能する。
【０００７】
したがって、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、機械強度、導電性、および固体高分子型燃料電池の置かれる腐食環境に対する耐食性が要求される。
【０００８】
従来、生産性の向上を目的としてステンレスからなるセパレータが用いられている。しかし、ステンレスは、その表面に不働態被膜を形成することによって耐食性が向上するが、電気抵抗が低くなる。
【０００９】
そこで、従来、電気抵抗を低減するために、表面に金をメッキしたステンレスからなるセパレータが知られている（特許文献１）。また、導電性を有する炭化物系金属または硼化物系金属を表面に析出させたステンレスからなるセパレータが知られている（特許文献２）。更に、導電性炭素膜を表面に形成した金属部材からなるセパレータが知られている（特許文献３）。そして、導電性炭素膜は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタリングによって形成される。
【００１０】
一方、耐食性の向上を目的として、表面をチタンまたはチタン合金によって被覆したフェライト系ステンレス合金からなるセパレータが知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３２０５６号公報
【特許文献３】特開２００８−１４４２４５号公報
【特許文献４】特開２００５−２４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献１に開示されたセパレータは、ステンレスの表面に金をメッキして作製されるため、高価であるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献２に開示されたセパレータは、炭化物系金属または硼化物系金属をステンレスの表面に析出して作製されるため、耐食性が低いという問題がある。
【００１４】
更に、特許文献３においては、導電性炭素膜は、ＥＣＲスパッタリングによって形成されるため、セパレータが高価になるという問題がある。
【００１５】
更に、特許文献４においては、ステンレスと異なる材料からなる被覆層をステンレスの表面に形成する必要があり、セパレータが高価になるという問題がある。
【００１６】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用の安価なセパレータの製造方法を提供することである。
【００１７】
また、この発明の別の目的は、貴金属を用いずに、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた安価なセパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明によれば、セパレータの製造方法は、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、オーステナイト系ステンレスを加工する第１の工程と、第１の工程によって加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する第２の工程と、第２の工程によって処理されたオーステナイト系ステンレスを４００〜６８０℃の温度で浸炭する第３の工程と、第３の工程によって浸炭されたオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する第４の工程とを備える。
【００１９】
また、この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、請求項１に記載された製造方法によって製造されたセパレータを備える。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の実施の形態によるセパレータの製造方法によれば、オーステナイト系ステンレスの加工、フッ化処理、浸炭処理、および酸による洗浄を順次行なうことによって、セパレータが製造される。その結果、浸炭硬化層がオーステナイト系ステンレスの表面に形成され、フッ素を含む層がオーステナイト系ステンレスの最表面に形成される。そして、製造されたセパレータは、優れた耐食性、およびカーボンセパレータとほぼ同等の低い接触抵抗を有する。また、製造されたセパレータは、母材であるオーステナイト系ステンレスの表面に他の材料からなる被覆層を形成する工程を経て製造されるものではない。
【００２１】
従って、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する固体高分子型燃料電池のセパレータを安価に提供できる。
【００２２】
また、この発明の実施の形態によれば、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する安価なセパレータを用いて固体高分子型燃料電池が作製される。
【００２３】
従って、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する安価なセパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態によるセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】図１に示すステップＳ２，Ｓ３における処理を行なう処理装置の概略図である。
【図３】各種処理後のオーステナイト系ステンレスのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【図４】オーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す図である。
【図５】アノード分極曲線の測定結果を示す図である。
【図６】図１に示す製造方法によって製造したセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図７】固体高分子型燃料電池の出力特性を示す図である。
【図８】固体高分子型燃料電池のインピーダンスプロットを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２６】
図１は、この発明の実施の形態によるセパレータの製造方法を示すフローチャートである。図１を参照して、セパレータの製造が開始されると、オーステナイト系ステンレスを加工する（ステップＳ１）。この場合、オーステナイト系ステンレスは、例えば、切削加工またはプレス加工によって加工される。この加工によって、水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を流す流路が形成され、セパレータが製造される。
【００２７】
そして、加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する（ステップＳ２）。
【００２８】
その後、フッ素ガス雰囲気中で処理されたオーステナイト系ステンレスを４００〜６８０℃の温度で浸炭処理する（ステップＳ３）。
【００２９】
引き続いて、浸炭処理後のオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する（ステップＳ４）。これによって、セパレータが製造される。
【００３０】
この発明の実施の形態において、オーステナイト系ステンレスとは、１〜３重量％のモリブデンを含むＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３１７、５〜６重量％のモリブデンと、オーステナイト安定化元素である０．１〜０．４重量％の窒素（Ｎ）と、２２〜２５重量％のニッケル（Ｎｉ）とを含むステンレス、およびモリブデンを含まず、１３〜２５重量％のクロム（Ｃｒ）と、８〜２２重量％のＮｉとを含むＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１０等を言う。
【００３１】
図２は、図１に示すステップＳ２，Ｓ３における処理を行なう処理装置の概略図である。図２を参照して、処理装置１００は、マッフル炉１と、真空ポンプ１３と、排ガス処理装置１４と、ボンベ１５，１６と、流量計１７と、バルブ１８とを備える。マッフル炉１は、外殻２と、ヒータ３と、内容器４と、ガス導入管５と、排気管６と、モータ７と、ファン８と、かご１１とを含む。かご１１は、金網製である。
【００３２】
オーステナイト系ステンレスからなるステンレス製品１０をマッフル炉１のかご１１内に入れ、ボンベ１６を流路に接続してＮＦ３等のフッ素系ガスを流量計１７、バルブ１８およびガス導入管５を介してマッフル炉１内に導入し、加熱しながらステンレス製品１０をフッ化処理する。
【００３３】
その後、マッフル炉１内に導入したフッ素系ガスを真空ポンプ１３によって排気管６から排気し、排ガス処理装置１４内でフッ素系ガスを無毒化して外部へ放出する。
【００３４】
次に、ボンベ１５を流路に接続し、Ｈ２ガス、ＣＯガスおよびＣＯ２ガスからなる浸炭用ガスを流量計１７、バルブ１８およびガス導入管５を介してマッフル炉１内に導入して浸炭処理を行なう。
【００３５】
その後、排気管６および排ガス処理装置１４を経由してガスを外部へ排出する。この一連の作業により、フッ化処理および浸炭処理が行なわれる。
【００３６】
このようなフッ化処理および浸炭処理を行なうことによって、オーステナイト系ステンレスの表面に「炭素」の拡散浸透層（浸炭硬化層）が均一に形成される。この浸炭硬化層は、母相であるオーステナイト相中に、多量の炭素原子が固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度が向上し、しかも母材以上の耐食性を発揮する。
【００３７】
フッ化処理および浸炭処理の詳細について説明する。代表的なオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６板片をサンプルとして用い、図２に示す処理装置１００のマッフル炉１内にＳＵＳ３１６を入れてフッ化処理および浸炭処理を行なった。
【００３８】
より具体的には、ＮＦ３＋Ｎ２（ＮＦ３：１０体積％、Ｎ２：９０体積％）のフッ素系ガス雰囲気中において、ＳＵＳ３１６を３５０℃で２０分間、フッ化処理を行なう。そして、フッ素系ガスをマッフル炉１から排気したのち、浸炭用ガスであるＣＯ＋ＣＯ２＋Ｈ２からなる混合ガス（ＣＯ：３８体積％＋ＣＯ２：２体積％＋Ｈ２：６０体積％）をマッフル炉１内に導入し、４５０℃で１８時間保持し、浸炭処理を行なった。
【００３９】
この浸炭処理を行なったＳＵＳ３１６をＪＩＳ  ２３７１の塩水噴霧試験に供した結果、４８０時間を越えても全く発錆しなかった。また、浸炭処理によって形成された浸炭硬化層は、ステンレス組織の耐腐食試験に用いられるビルラ試薬（酸性ピクリン酸アルコール溶液）でもエッチングされなかった。
【００４０】
オーステナイト系ステンレスの種類および浸炭処理の温度を変化させて調査した結果、浸炭処理の温度は、６８０℃以下が適していることが分かった。浸炭処理の温度が６８０℃を超えると、オーステナイト系ステンレスの芯部の軟化が極端に生じ易くなる上、浸炭硬化層の耐食性が大幅に低下することが確認された。従って、耐食性の観点からは、浸炭処理の温度は、６８０℃以下の温度が好ましく、５００℃以下の温度がより好ましく、４００〜５００℃の温度が更に好ましい。
【００４１】
その結果、この発明の実施の形態においては、図１のステップＳ２に示すように、４００〜６８０℃の温度でオーステナイト系ステンレスの浸炭処理が行なわれる。
【００４２】
また、図１のステップＳ３に示す酸による洗浄は、次の条件によって行なわれる。５体積％ＨＦ＋２５体積％ＨＮＯ３からなる溶液にオーステナイト系ステンレスを常温で２０分間、浸漬して浸炭処理後のオーステナイト系ステンレスを洗浄する。
【００４３】
なお、酸による洗浄は、５０℃に加熱した状態で行なってもよい。また、洗浄に用いる酸としては、フッ酸、硝酸、塩酸および硫酸等の各種の酸が用いられる。そして、これらの酸は、単独で用いられてもよいし、硝酸＋フッ酸、硝酸＋塩酸、および硫酸＋硝酸等の混合液として用いられてもよい。また、硝酸および硫酸等の電解溶液を使用した電解処理を行なってもよい。
【００４４】
図３は、各種処理後のオーステナイト系ステンレスのＸ線光電子分光の測定結果を示す図である。
【００４５】
図３の（ａ）は、図１に示すステップＳ２〜Ｓ４の処理を実施したオーステナイト系ステンレスのＸ線光電子分光の測定結果である。また、図３の（ｂ）は、図１に示すステップＳ１〜Ｓ３の処理後に表面研磨処理を実施したオーステナイト系ステンレスのＸ線光電子分光の測定結果である。更に、図３の（ｃ）は、図１に示すステップＳ１のみの処理を実施したオーステナイト系ステンレスのＸ線光電子分光の測定結果である。
【００４６】
なお、表面研磨処理は、０．５ＭＰａの空気圧下において、アルミナの微粉末を１〜２分間程度、吹き付けることによって行なわれた。また、図３に示す時間は、Ａｒイオンによるエッチング時間である。
【００４７】
図３を参照して、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、６０ｓまでのエッチング時間の範囲において、フッ素に起因するピークが６８５．５ｅＶ付近に観測された（（ａ）参照）。これは、図１のステップＳ２に示すフッ化処理において使用したフッ素が残留しているためであると考えられる。
【００４８】
一方、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および研磨処理を行なったオーステナイト系ステンレスは、フッ素に起因するピークが観測されなかった（図３の（ｂ）参照）。これは、研磨処理によって、フッ素を含む層が除去されたためであると考えられる。
【００４９】
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、５００秒以上のエッチングを行なってもフッ素に起因するピーク（６８８ｅＶ付近のピーク）が観測され続ける（図３の（ｃ）参照）。従って、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスに比べ、非常に厚い被膜が生成されていると考えられる。
【００５０】
このように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、その表面層にフッ素を含む層が存在することが分かった。
【００５１】
図４は、オーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す図である。図４において、縦軸は、電圧を表し、横軸は、電流密度を表す。また、直線群ｋ１は、生のオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群ｋ２は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群ｋ３（三角）は、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群ｋ４（三角を除く）は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群ｋ５は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。
【００５２】
なお、図４に示す電圧と電流密度との関係は、４端子法を用いて次の方法によって測定された。燃料電池のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）に用いられるカーボンペーパー（ＥＣ−ＴＰ１−０６０Ｔ）をオーステナイト系ステンレスの片面に接触させ、約１ＭＰａの圧力をオーステナイト系ステンレスに印加し、±１［Ａ／ｃｍ２］の電流密度の範囲で０．２［Ａ／ｃｍ２／ｓ］の走査速度で電流密度を走査して電圧と電流密度との関係が測定された。
【００５３】
図４を参照して、生のオーステナイト系ステンレスは、約４１ｍΩ・ｃｍ２の接触抵抗を有する（直線群ｋ１参照）。
【００５４】
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、約０．９Ω・ｃｍ２の高い接触抵抗を有する（直線源ｋ２参照）。
【００５５】
更に、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスは、約３ｍΩ・ｃｍ２の接触抵抗を有する（直線群ｋ３参照）。
【００５６】
更に、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、約３ｍΩ・ｃｍ２の接触抵抗を有する（直線群ｋ４参照）。
【００５７】
更に、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスは、約９０ｍΩ・ｃｍ２の接触抵抗を有する（直線群ｋ５参照）。
【００５８】
なお、図４においては、図示されていないが、カーボンセパレータについて同様の測定を行なった結果、接触抵抗は、２ｍΩ・ｃｍ２であった。
【００５９】
フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、Ｘ線光電子分光の測定結果から被膜が特に厚い（図３の（ｃ）参照）ことから、約０．９Ω・ｃｍ２の大きい接触抵抗は、被膜が厚いことに対応している。
【００６０】
フッ化処理に続いて浸炭処理を行なうことで被膜の厚みが薄くなり、結果として接触抵抗が小さくなる。また、接触抵抗を低減するためには、フッ化処理に続いて浸炭処理を行なうことが重要である。
【００６１】
このように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、カーボンセパレータとほぼ同等の低い接触抵抗を有する。これは、上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスの最表面にフッ素を含む層が存在するためであると考えられる。
【００６２】
従って、オーステナイト系ステンレスに対してフッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なうことによって、低い接触抵抗を有するオーステナイト系ステンレスが得られることが分かった。
【００６３】
図５は、アノード分極曲線の測定結果を示す図である。図５において、縦軸は、電流密度を表し、横軸は、参照電極に対する電位を表す。また、曲線ｋ６は、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線ｋ７は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線ｋ８は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線ｋ９は、生のオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線ｋ１０は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。
【００６４】
なお、図５に示すアノード分極曲線は、Ａｇ／ＡｇＣｌからなる参照電極、白金からなる対極および各オーステナイト系ステンレスを１Ｎの硫酸水溶液からなる電解質溶液に浸漬し、その後、２４時間が経過したときの自然電位を掃引開始電位とし、室温、２０ｍＶ／ｓの掃引速度で測定された。
【００６５】
図５を参照して、０．９Ｖ付近までの比較的平坦な領域は、不働態域と呼ばれる。そして、この不働態域で観測される電流は、不働態維持電流と呼ばれ、不働態被膜の化学溶解により減少した分を補修するために使われる。不働態維持電流が小さい程、化学溶解が遅く、耐食性が高い。
【００６６】
また、図５において、１Ｖ付近よりも右側の領域は、過不働領域と呼ばれる。そして、この過不働領域では、不働態被膜の酸化溶解が起きる。この過不働領域における電流値の立上りが高電位側にある方が望ましい。
【００６７】
フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ６）は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）よりも不働態維持電流が大きい。また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ１０）も、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）よりも不働態維持電流が大きい。
【００６８】
しかし、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ６）は、２回目以降の電位走査においては、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）に近い応答を示す。従って、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ６）は、不働態維持電流が大きいのではなく、フッ化処理および浸炭処理の際に生成した表面生成物の酸化除去による電流が流れていると考えられる。酸洗は、表面に生成した易酸化性物質の除去に効果があると考えられる。
【００６９】
フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）は、不働態維持電流がオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）よりも減少している。これは、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）の表面が比較的粗面であるのに対し、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）の表面は、研磨仕上げにより平滑化されているため、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）の見かけの単位面積当たりの実表面積は、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）よりも小さく、実表面積当たりの電流密度がオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）およびオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）で同じであるなら、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）の見かけの単位面積当たりの電流、即ち、電流密度は、オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）よりも減少することになるからである。
【００７０】
オーステナイト系ステンレス（曲線ｋ７）およびオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ８）は、基準となるオーステナイト系ステンレス（曲線ｋ９）の挙動に比較的近いことから、浸炭処理は、上述した実験条件において、１Ｖまでの電位域であれば、基材の耐食性に悪影響を及ぼさないと考えられる。
【００７１】
上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、優れた耐食性と、低い接触抵抗を有することが分かった。そして、このオーステナイト系ステンレスは、異なる材料からなる被覆層が表面に形成されない。
【００７２】
従って、図１に示す製造方法を用いてセパレータを製造することによって、優れた耐食性と、低い接触抵抗とを有する安価なセパレータを提供できる。
【００７３】
そして、図１に示すように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なった後、表面研磨をせずにセパレータを製造することが重要である。表面研磨をしなければ、フッ素を含む層が除去されず（図３参照）、セパレータは、低い接触抵抗（図４参照）と、優れた耐食性（図５参照）とを有するからである。
【００７４】
図６は、図１に示す製造方法によって製造したセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。図６を参照して、固体高分子型燃料電池２００は、固体高分子電解質膜１１０と、ガス拡散電極１２０，１３０と、セパレータ１４０，１５０と、ガスケット１６０，１７０とを備える。
【００７５】
ガス拡散電極１２０は、その一主面に触媒１８０を担持し、触媒１８０が固体高分子電解質膜１１０の一方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の一方側に配置される。また、ガス拡散電極１３０は、その一主面に触媒１９０を担持し、触媒１９０が固体高分子電解質膜１１０の他方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の他方側に配置される。
【００７６】
セパレータ１４０は、図１に示す製造方法によって製造され、ガス拡散電極１２０の一主面（触媒１８０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。セパレータ１５０は、図１に示す製造方法によって製造され、ガス拡散電極１３０の一主面（触媒１９０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。
【００７７】
ガスケット１６０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１４０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１４０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。ガスケット１７０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１５０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１５０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。
【００７８】
固体高分子電解質膜１１０は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極１２０，１３０の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒１８０，１９０の各々は、白金（Ｐｔ）または白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ）からなる。ガスケット１６０，１７０の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等である。
【００７９】
固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された電子ｅ−と水素イオンＨ＋とのうち、水素イオンＨ＋のみを触媒１９０側へ通過させる。ガス拡散電極１２０は、セパレータ１４０から供給された水素ガスを触媒１８０へ拡散させる。触媒１８０は、ガス拡散電極１２０に供給された水素ガスを電子ｅ−と水素イオンＨ＋とに分離する。
【００８０】
ガス拡散電極１３０は、セパレータ１５０から供給された空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散させる。触媒１９０は、固体高分子電解質膜１１０から供給された水素イオンＨ＋と、ガス拡散電極１３０から供給された電子ｅ−と空気（または酸素）とを反応させ、水を生成する。
【００８１】
セパレータ１４０は、ガス拡散電極１２０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１４０Ａを有する。そして、セパレータ１４０は、ガス供給溝１４０Ａを介して水素ガスをガス拡散電極１２０に供給する。
【００８２】
セパレータ１５０は、ガス拡散電極１３０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１５０Ａを有する。そして、セパレータ１５０は、ガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）をガス拡散電極１３０に供給する。
【００８３】
固体高分子型燃料電池１００が発電する動作について説明する。セパレータ１４０のガス供給溝１４０Ａを介して水素がガス拡散電極１２０へ供給されると、ガス拡散電極１２０は、水素ガスを触媒１８０へ拡散し、触媒１８０は、水素を水素イオンＨ＋と電子ｅ−とに分離する。
【００８４】
そうすると、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された水素イオンＨ＋および電子ｅ−のうち、水素イオンＨ＋のみを透過して触媒１９０へ供給する。一方、電子ｅ−は、触媒１８０からガス拡散電極１２０を介してセパレータ１４０へ移動し、セパレータ１４０から外部の負荷（図示せず）を介してセパレータ１５０へ流れる。そして、セパレータ１５０は、電子ｅ−をガス拡散電極１３０へ供給する。
【００８５】
また、空気（または酸素）がセパレータ１５０のガス供給溝１５０Ａを介してガス拡散電極１３０へ供給される。そして、ガス拡散電極１３０は、空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散し、電子ｅ−を触媒１９０へ供給する。
【００８６】
そうすると、水素イオンＨ＋、空気（または酸素）および電子ｅ−は、触媒１９０の助けを借りて反応し、水になる。
【００８７】
このようにして、固体高分子型燃料電池２００は発電する。
【００８８】
図７は、固体高分子型燃料電池の出力特性を示す図である。図７において、縦軸は、セル電圧を表し、横軸は、電流密度および電流を表す。
【００８９】
また、黒三角は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。
【００９０】
更に、白丸は、フッ化処理、浸炭処理、および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。
【００９１】
更に、黒四角は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。
【００９２】
更に、白菱形は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。
【００９３】
なお、図７に示す出力特性は、６５℃の露点および７０℃の運転温度における発電時の出力特性である。
【００９４】
図７を参照して、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池（比較用）のセル電圧は、電流密度の増加に伴って急激に低下する（黒三角参照）。
【００９５】
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池（比較用）の出力特性は、非常に低い（白菱形参照）。
【００９６】
一方、フッ化処理、浸炭処理、および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池２００のセル電圧は、電流密度の増加に伴って緩やかに低下する（白丸参照）。そして、固体高分子型燃料電池２００のセル電圧は、各電流密度において、固体高分子型燃料電池（比較用）のセル電圧よりも高く、固体高分子型燃料電池２００のセル電圧と固体高分子型燃料電池（比較用）のセル電圧との差は、電流密度の増加に伴って大きくなる。また、固体高分子型燃料電池２００のセル電圧は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のセル電圧とほぼ同等である（白丸および黒四角参照）。
【００９７】
従って、固体高分子型燃料電池２００は、出力特性が固体高分子型燃料電池（比較用）よりも高く、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池と同等であることが分かった。
【００９８】
図８は、固体高分子型燃料電池のインピーダンスプロットを示す図である。図８において、縦軸および横軸は、インピーダンスを表す。また、曲線ｋ１１は、固体高分子型燃料電池２００のインピーダンスプロットを示す。曲線ｋ１２，ｋ１４は、固体高分子型燃料電池（比較用）のインピーダンスプロットを示す。曲線ｋ１３は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のインピーダンスプロットを示す。
【００９９】
なお、図８に示すインピーダンスプロットは、０．０８［Ａ／ｃｍ２］の電流密度における発電時のインピーダンスプロットである。
【０１００】
図８を参照して、固体高分子型燃料電池２００のＲｓ１は、５．９ｍΩであり（曲線ｋ１１参照）、固体高分子型燃料電池（比較用）のＲｓ２は、４８ｍΩであり（曲線ｋ１２参照）、固体高分子型燃料電池（比較用）のＲｓ４は、９３ｍΩであり（曲線ｋ１４参照）であり、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のＲｓ３は、５．０ｍΩである（曲線ｋ１３参照）。
【０１０１】
Ｒｓ１〜Ｒｓ３は、セパレータの接触抵抗を反映したものである。また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のＲｓ４は、接触抵抗が大きいことを反映している。従って、固体高分子型燃料電池２００の接触抵抗は、固体高分子型燃料電池（比較用）の接触抵抗よりも小さく、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の接触抵抗とほぼ同等である。
【０１０２】
その結果、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータは、固体高分子型燃料電池というデバイスにおいて低い接触抵抗を有することが実証された。
【０１０３】
上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、浸炭硬化層を表面側に有し、フッ素を含む層を最表面に有する。その結果、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータは、優れた耐食性、および低い接触抵抗を有する。そして、固体高分子型燃料電池２００は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータの低い接触抵抗によって、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池とほぼ同等の出力特性を有する。また、固体高分子型燃料電池２００は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータの優れた耐食性によって、信頼性が高い。
【０１０４】
従って、図１に示す製造方法を用いることによって、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを安価に提供できる。
【０１０５】
また、上述したように、固体高分子型燃料電池のセパレータに適したオーステナイト系ステンレスを製造するには、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行ない、酸洗後の表面研磨を行なわないことが重要である。
【０１０６】
表面研磨を行なえば、固体高分子型燃料電池の出力特性が低下し（図７の黒三角参照）、Ｒｓが４８ｍΩと大きくなるからである。
【０１０７】
また、フッ化処理のみでは、固体高分子型燃料電池の出力特性が非常に低下し（図７の白菱形参照）、Ｒｓが９３ｍΩと非常に大きくなるからである。
【０１０８】
そして、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なうことによって、固体高分子型燃料電池のセパレータに適したオーステナイト系ステンレスが製造されることは、本願の発明者によって見出されたものである。
【０１０９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
この発明は、固体高分子型燃料電池用のセパレータの製造方法に適用される。また、この発明は、セパレータを備えた固体高分子型燃料電池に適用される。
【符号の説明】
【０１１１】
１  マッフル炉、２  外殻、３  ヒータ、４  内容器、５  ガス導入管、６  排気管、７  モータ、８  ファン、１０  ステンレス製品、１１  かご、１３  真空ポンプ、１４  排ガス処理装置、１５，１６  ボンベ、１７  流量計、１８  バルブ、１００  処理装置、１１０  固体高分子電解質膜、１２０，１３０  ガス拡散電極、１４０，１５０  セパレータ、１４０Ａ，１５０Ａ  ガス供給溝、１６０，１７０  ガスケット、１８０，１９０  触媒、２００  固体高分子型燃料電池。
【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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