(57)【要約】【課題】十分な防食性を有し、かつ製造が容易で安価な燃料電池用金属部材及びその製造方法を提供し、さらにこの燃料電池用金属部材を有する燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子膜３を一対の電極２、４で挟みこんだセル本体５と接して配置されるセパレータ１０は、金属基材１３の表面に、スパッタ法により形成されたＰｔメッキ膜１２が形成されている。Ｐｔメッキ膜１２が形成されている主表面に続く端面１６は切断面１６とされ、該端面１６において、金属基材１３の一部が露出している。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんだセル本体と接して配置される燃料電池用金属部材であって、
金属基材の表面に、該金属基材よりも貴で、かつ該金属基材の腐食反応における酸素還元反応及び水素イオン還元反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒が、前記金属基材の一部が露出する形態で接触してなることを特徴とする燃料電池用金属部材。
【請求項２】
前記金属基材は、ｐＨ１、温度８０℃の硫酸溶液中にて測定されるアノード分極曲線において、少なくとも活性態電位域と不動態電位域とが形成され、不動態電位域でのアノード電流密度が１００μＡ／ｃｍ２以下となる材質にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項３】
前記金属基材は、少なくともＣｒを含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項４】
前記金属基材は、含有されるＣｒの含有量をＷＣｒ（質量％）とし、Ｍｏの含有量をＷＭｏ（質量％）として、ＷＣｒ＋３．３ＷＭｏ≧１０を満足するＦｅ基合金又はＮｉ基合金にてなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項５】
前記金属基材上に、前記金属触媒にてなる金属膜が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項６】
前記金属膜は、前記金属触媒のメッキ膜として形成されており、該メッキ膜が形成されているメッキ膜領域には、前記金属基材の露出領域が分散形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項７】
前記金属基材の少なくとも表層部に、前記金属触媒が、その一部が露出する形態にて含有されてなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項８】
前記金属触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ及びＯｓから選ばれる１種以上の金属を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項９】
前記金属触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｏから選ばれる１種以上とＰｔとよりなる合金を含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項１０】
燃料電池の使用中に、ｐＨが１〜６となる硫酸酸性の環境下に配置されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項１１】
電解質としての固体高分子膜と、その第一主表面で接触して配置される板状の電極の、第二主表面と接触して配置され、金属基材の前記電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部の先端が前記電極と接触し、凹部が前記電極に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためのガス流通路とされるセパレータであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項１２】
電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんでなるセル本体と、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の燃料電池用金属部材とを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんだセル本体と接して配置される燃料電池用金属部材の製造方法であって、
板状の金属基材の主表面に、該金属基材よりも貴で、かつ該金属基材の腐食反応における酸素還元反応及び水素イオン還元反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒を含む金属膜を形成したのち、前記金属基材を、部材の外形線を反映する切断予定線に沿って切断して成形することを特徴とする燃料電池用金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用金属部材とその製造方法及び燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−６８１２９号公報
【特許文献２】
特開２０００−０２１４１８号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２８９１４号公報
【０００３】
燃料電池としては、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池等がある。これらのうちで固体高分子形燃料電池は、低温の作動が可能であり小型化及び軽量化が容易であるので、燃料電池自動車への搭載が考えられている。この固体高分子形燃料電池は、プロトンを輸送するための固体高分子電解質を、一対の電極によりはさみこんで単位電池としている。そして、通常これらの単位電池を電気的に直列に接続するためのセパレータが、電極の外側に配置されている。このセパレータには、電極に燃料ガス（水素ガス）あるいは酸化剤ガス（空気）を接触させるために、燃料ガスを導通させるための凹凸が形成されており、セパレータに形成される凸部と電極の表面が接触して、凹部に燃料ガスが導通するようになっている。セパレータの材質としては、従来、カーボン製のものが通常用いられてきたが、燃料電池のコスト低下、小型化及び軽量化を実現するためにステンレス鋼製のものも使用されている。
【０００４】
ところで、ステンレス鋼等の金属製のセパレータを採用すると、以下のような問題が生じる可能性がある。つまり、固体高分子形燃料電池は電解質に水分を含んでおり、この水分がセパレータに接触すると、このセパレータの腐食が進行してしまうのである。また、酸化剤ガスが直接接触するような領域においても腐食がおこりやすい。セパレータが腐食すると、その部分での電気抵抗が増加してしまい、燃料電池の出力が低下してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、セパレータの腐食を防止するために、様々な工夫が試みられている。例えば、特開２００１−６８１２９号公報、特開２０００−０２１４１８号公報、特開平１０−２２８９１４号公報等には、ステンレス鋼等の金属にてなるセパレータの表面を、例えばＡｕメッキ等のステンレス鋼よりも貴な耐食性金属膜により覆うことにより、ステンレス鋼と腐食環境とが直接接触しないようにして、ステンレス鋼の腐食を防止する技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、ステンレス鋼が耐食性金属膜により完全に覆われるようにしようとすると、耐食性金属膜を例えばメッキにより形成する場合など、薄い耐食性金属膜ではピンホールやクラックが形成され、ステンレス鋼が露出する場合があるので、耐食性金属膜を厚く形成する必要がある。また、特開２００１−６８１２９号公報に開示されているように、耐食性金属膜を形成した後に、該金属膜に形成されるピンホールやクラックを、ローラ加圧して封止したり、あるいは樹脂により封止したりする工程が必要となる。このように、ステンレス鋼をそれよりも貴な金属にて完全に覆うようにするには、均質な金属膜を形成するために膜厚を厚くする必要があったり、クラックやピンホールの形成を抑制したりして、ステンレス鋼が露出しないように細心の注意を払う必要がある。さらに、製造工程が多くなるとともに、使用される金属材料も多くなるので、製造能率の低下及びコストの増加を招く。
【０００７】
本発明は、上記課題を鑑みて、十分な防食性を有し、かつ製造が容易で安価な燃料電池用金属部材及びその製造方法を提供し、さらにこの燃料電池用金属部材を有する燃料電池を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池用金属部材は、電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんだセル本体と接して配置される燃料電池用金属部材であって、金属基材の表面に、該金属基材よりも貴で、かつ該金属基材の腐食反応における酸素還元反応及び水素イオン還元反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒が、金属基材の一部が露出する形態で接触してなることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、本発明を完成させるにあたり、以下のような実験を試みた。すなわち、燃料電池用のセパレータとなる金属基材の材質としてＳＵＳ３１６Ｌを採用し、その金属基材をセパレータの形状に成形するまえに、該金属基材の表面に膜厚５０ｎｍ程度のＡｕ膜を形成し、その後該金属基材を腐食液に浸漬した。セパレータの端面は切断面とされ、該切断面において金属基材の露出している領域が存在する。腐食液は、ｐＨが２、温度が１００℃の硫酸水溶液であり、浸漬時間は１６８時間とした。この条件は、燃料電池のセパレータが晒される可能性のある環境を想定したものであり、上記ＳＵＳ３１６Ｌ単体にて構成される金属基材では、その表面での腐食が進行する条件である（以下、金属基材の腐食が進行する可能性のある環境を腐食環境とする）。しかし、該実験後の金属基材の切断面を観察すると、金属基材が露出している切断面においても、金属基材の変色等は起こっておらず、金属基材の腐食は観察されなかった。この結果より、金属基材の表面が腐食環境中に露出していても、Ａｕ膜がその領域に存在していれば、該金属基材の露出領域が必ずしも腐食されるわけではないことがわかる。
【００１０】
金属基材が露出しているにも拘わらず、金属基材の腐食が進行しなかったのは、以下のような理由によるものと考えられる。すなわち、腐食環境と接する領域に、Ａｕ膜が形成されており、かつ、金属基材が露出していると、この金属基材とＡｕ膜とで局部電池が形成される。この局部電池の電位により、金属基材の腐食環境中における腐食電位が不働態域に移り、金属基材の表面が不働態化して、金属基材の表面における腐食が抑制される結果となる。
【００１１】
この機構を図６を用いてさらに詳細に説明する。図６（ａ）は、ある特定の金属基材における電位―ｐＨ図を模式的に示すものである。例えば、本発明の燃料電池用金属部材が配置される腐食環境が、ｐＨが１のとき、この腐食環境に金属基材のみが配置される場合、その水素標準電極を基準とする電極電位Ｅ（Ｖ）がＥ１（Ｖ）となるとする。この電極電位Ｅ１は、ｐＨが１において腐食域にあるので、この場合、この金属基材は腐食してしまう。しかしながら、腐食環境中において、金属基材が露出するように、Ａｕ膜を金属基材の表面に形成すると、この金属基材とＡｕ膜とにより、金属基材をアノード極、Ａｕ膜をカソード極とする局部電池が形成される。このとき、局部電池のアノード極では、Ｍ→Ｍｎ＋＋ｎｅ−で表される金属（Ｍ）の酸化反応が、カソード極では、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏで表される酸素還元反応及び２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２で表される水素イオン還元反応（以下、両者を合わせて単にカソード反応ともいう）が起こる。図６（ｂ）は、アノード分極曲線ｉａとカソード分極曲線ｉｃを示すものである。このときＡｕ膜は、カソード極においてカソード反応を促進させるような触媒として作用し、カソード反応電流が大きくなる結果、カソード分極曲線ｉｃが高電流側にシフトして、アノード極の電極電位がＥ２まで高くなる。そして、この電極電位Ｅ２が、図６（ａ）に示すように、金属基材の不働態域となり、金属基材が露出していても、ｐＨ１の環境中で、金属基材の腐食が抑制されるのである。
【００１２】
上記のような見解に至った本発明者は、上記の酸素還元反応及び水素イオン還元反応（カソード反応）において、Ａｕよりもさらに高い触媒活性を示す金属触媒をＡｕに代えて金属基材に接触させれば、上記カソード反応がより促進され（カソード反応電流ｉｃが大きくなり）、金属基材の腐食電位をさらに高めることができることを見出した。そして、金属基材表面にＡｕ膜が形成されている燃料電池用金属部材において、Ａｕの代わりに、上記カソード反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒を採用して、本発明の燃料電池用金属部材の完成に至ったのである。
【００１３】
金属基材の腐食電位が、金属触媒の影響によりどの程度高くなるかは、上記カソード反応の活性化に影響を与える（すなわち、腐食環境中に存在する）金属触媒の量に影響されるので、Ａｕよりも触媒活性の高い金属触媒を採用することにより、Ａｕよりも少ない量にて、同等の防食性を実現することができる。そのため、本発明によれば部材の低コスト化が期待できる。
【００１４】
さらに、本発明においては、通常では腐食されてしまうような金属基材を、その腐食電位を高めることにより不動態化させて、防食性を付与しようとするものであるので、金属基材の一部が、部材の表面に露出する必要がある。そのため、金属基材と腐食環境との間を完全に遮断させる必要もなく、金属基材が露出することに対して細心の注意を払わなくてもよい。そのため、製造能率の向上も期待できる。
【００１５】
例えば、本発明の燃料電池用金属部材は、金属基材上に、金属触媒にてなる金属膜が形成されてなるものとすることができる。このような構成では、従来の技術で説明したＡｕ膜の場合のように、Ａｕ膜に代えて本発明にかかる金属触媒にてなる金属膜を、金属基材上に形成すればよいので、容易に本発明を実現することができる。さらに、この構成を採用する場合、金属基材の露出が許容されるため、金属膜の膜厚を厚く形成する必要もないので、金属膜の膜厚を薄くすることができ、金属触媒の使用量を軽減できる。そのため、部材の低コスト化にも寄与することになる。そして、金属膜を薄く形成したとしても、その後に、ピンホールやクラック等の金属基材が露出する領域を軽減するための、ローラ加圧あるいは樹脂封止工程等の処置を行う必要が全く無く、製造能率の向上も期待できる。
【００１６】
また、金属触媒を金属基材の表面に接触させるために、本発明の燃料電池用金属部材は、金属基材の少なくとも表層部に、金属触媒が、その一部が露出する形態にて含有されてなるものとすることができる。このような構成によれば、金属基材の作製とともに、金属触媒が金属基材の表面に露出する形態を実現することができるという利点がある。例えば、金属基材を構成する構成成分と金属触媒の構成成分とを合金化させる方法を例示することができる。なお、このような方法に限らず、金属基材を作製後、該金属基材に対して、金属触媒の構成成分をイオン注入等により埋めこんで、金属基材表層部に金属触媒を含有させるようにしてもよい。
【００１７】
さらに、前述の機構により、腐食が抑制される金属基材としては、ｐＨ１、温度８０℃の硫酸溶液中にて測定されるアノード分極曲線において、少なくとも活性態電位域と不動態電位域とが形成され、不動態電位域でのアノード電流が１００μＡ／ｃｍ２以下となる材質にて構成されているものとすることができる。すなわち、ｐＨ１の環境下で少なくとも不動態域になるような電位の範囲が存在すれば、前述にて説明した金属触媒との接触による局部電池の形成により、腐食環境中でも、金属基材の電位が上昇して不働態域となることが可能である。
一方で、金属基材としては、ｐＨ１の条件でのアノード分極曲線に、活性態電位域が形成されているものを使用するのが好ましい。そもそもｐＨ１の環境中で、活性態電位域がないということは、その環境中で腐食されないことを示す。そのような金属は、一般的に高価であり、該金属にてなる金属基材に、さらに金属触媒を接触させるのは、さらなるコストの上昇を招き好ましくない。
さらに、不動態電位域において、アノード電流の電流密度が、１００μＡ／ｃｍ２以下であれば、腐食速度も十分に低く、十分な耐食性を有するものとすることができる。
【００１８】
一方、金属基材の腐食反応におけるカソード反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒としては、以下のものを例示することができる。すなわち、触媒金属は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓから選ばれる１種以上を含むものとすることができる。これらの金属が、前述のカソード反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示すのは、これらの金属の酸素過電圧及び水素過電圧がＡｕよりも小さいためである。また、金属基材の材質として、これらの金属触媒よりも、腐食環境中において卑なものを採用しておけば、金属触媒と金属基材との間で形成される局部電池において、金属触媒がカソード極として作用するので、該金属触媒の腐食は抑制される。
【００１９】
さらに、金属触媒としては、とりわけ酸素過電圧と水素過電圧の小さいものを採用することができる。すなわち、金属触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｏから選ばれる１種以上とＰｔとよりなる合金を含むものとすることができる。このような合金は、上記のカソード反応において、より一層高い触媒活性を示す。特に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｏから選ばれる１種以上の含有量が２５原子％であるＰｔ合金は、上記カソード反応において、さらに触媒活性が高い。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池用金属部材は、以下のような部材とすることができる。つまり、電解質としての固体高分子膜と、その第一主表面で接触して配置される板状の電極の、第二主表面と接触して配置され、金属基材の前記電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部の先端が前記電極と接触し、凹部が前記電極に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためのガス流通路とされるセパレータとすることができる。このように、セパレータはセル本体の電極に接触して配置されるので、電極に供給される燃料ガスや酸化剤ガスと接触して腐食され易い。また一端腐食が進行すると、該セパレータの抵抗が低下したり、溶融した構成成分が、固体高分子膜と接合して、固体高分子膜のイオン伝導性を低下させたりして、電池の出力が低下することになる。そのため、特に防食性を高める必要があり、本発明の好適な適用範囲となる。
【００２１】
なお、本発明の燃料電池用金属部材は、燃料電池の使用中に、ｐＨが１〜６となる硫酸酸性の環境下に配置されるものとすることができる。たとえば、固体高分子膜として、スルホン酸基を有するものが使用される場合がある。固体高分子膜は湿った状態で使用されるため、この場合、固体高分子から硫酸イオンが溶出することがある。そのため、この固体高分子膜の近傍に配置されるような金属部材が、硫酸酸性雰囲気にさらされる可能性もあり、ｐＨが１〜６の硫酸酸性雰囲気にて、金属基材の腐食が防止できれば、燃料電池用金属部材として、十分な防食性を有することになる。
【００２２】
さらに、本発明の燃料電池用金属部材は、金属基材の露出が許容されるので、以下のような構造を有するものとしてもよい。すなわち、金属基材は板状とされ、その主表面に金属触媒にてなる金属膜が形成されており、該主表面に続く端面が切断面とされるとともに、切断面の一部又は全部で金属基材が露出しているものとすることができる。従来では、金属基材が腐食環境中に露出することが敬遠されていたため、その主表面に続く端面での耐食性金属膜の形成形態にも注意を払う必要があった。端面は主表面に比べて金属膜が形成しにくいということもあるので、あらかじめ、厚めの金属膜を形成するという処置が必要になる場合もある。しかし、本発明では、主表面に続く端面に金属基材が露出していても、端面における金属基材の腐食は抑制されるので、該端面での金属膜の形態に注意を払う必要がない。そのため、製造能率のより一層の向上が期待できる。
【００２３】
上記のように、板状に形成される燃料電池用金属部材において、その端面に金属基材が露出しているようなものは、以下の本発明の方法により製造することができる。すなわち、本発明の燃料電池用金属部材の製造方法は、電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんだセル本体と接して配置される燃料電池用金属部材の製造方法であって、板状の金属基材の主表面に、該金属基材よりも貴で、かつ該金属基材の腐食反応における酸素還元反応及び水素イオン還元反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒を含む金属膜を形成したのち、金属基材を、部材の外形線を反映する切断予定線に沿って切断して成形することを特徴とする。このような方法によれば、例えば帯状の金属基材の表面のように、比較的広い範囲の領域に対して、一括して金属膜を形成することができるので、金属膜の形成工程を簡略化することができる。
【００２４】
さらに、上記のような本発明の燃料電池用金属部材を使用して、本発明の燃料電池を構成することができる。すなわち、本発明の燃料電池は、電解質としての固体高分子膜を一対の電極で挟みこんでなるセル本体と、本発明の燃料電池用金属部材とを有することを特徴とする。このような燃料電池は、それに使用される燃料電池用金属部材の腐食が防止されるので、十分な寿命を有するとともに、得られる電力も低下しにくい。さらに、より安価な部材にて構成することができるので、低コストの燃料電池を構成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の燃料電池用金属部材が使用される燃料電池の概要を説明するものである。該燃料電池１は、電解質として固体高分子膜３を採用した固体高分子型燃料電池１である。具体的に、固体高分子膜３はスルホン酸基を含むフッ素樹脂とすることができる。該燃料電池１は、固体高分子膜３を挟む一対の電極２、４を有し、該固体高分子膜３と電極２、４とによりなるセル本体５を有する。そして、電極２、４は、その第一主表面２ａ、４ａにて固体高分子膜３と接触しており、第二主表面２ｂ、４ｂと接触する形態で電極２、４の外側に板状のセパレータ１０が配置されている。該セパレータ１０はこのセル本体５を直列的に接続する役割を有するとともに、セル本体５に燃料ガス及び空気ガスを供給するために配置されている。
本実施の形態においては、このセパレータ１０が本発明の燃料電池用金属部材である。なお、セル本体５とセパレータ１０との間に、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを防止するために、ガスケットが配置されるが、図１では省略している。なお、これらセル本体５とセパレータ１０とを単位セルＵとして、この単位セルＵが冷却水流通基板１１を介して、複数積層されて燃料電池スタック１とされる。単位セルＵはたとえば５０〜５００個程度積層され、その積層体の両端に、単位セルＵと接触する側から、導電性シート９、集電板８、絶縁シート７及び締め付け板６がそれぞれ配置されて、燃料電池スタック１とされる。集電板８と複数のセパレータ１０とは直列に接続され、複数のセル本体５からの電流が集められることになる。本明細書においては、上記単位セルＵと燃料電池スタック１とを燃料電池の概念に含むものとする。なお、図１においては、導電性シート９、集電板８、絶縁シート７及び締め付け板６等、それぞれの部材が離間した状態で描かれているが、これらの部材は、例えばボルト等により互いに固定されている。
【００２６】
図２は、本発明の燃料電池用金属部材としてのセパレータ１０の一構成例を示すものである。図２（ａ）に示すように、セパレータ１０は板状に形成され、その主表面に、凸凹が形成されており、セパレータ１０の凸部１４の先端側が電極に接触する形態となっている。そして、セパレータ１０の凹部１５が、電極２、４に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するためのガス流通路２１（図１も参照）とされる。また、このガス流通路２１の両端に開口部が形成され、それぞれ反応ガス流入口２２、反応ガス流出口２３とされる。各セパレータ１０に形成される反応ガス流入口２２及び反応ガス流出口２３の位置が、それぞれ一致するようにセパレータ１０が積層される。さらに、図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０は、金属基材１３の主表面に、触媒金属としてのＰｔによりＰｔ膜１２が形成されてなるものであって、凸部１４の先端面１４ａに加えて、電極２、４と接触する予定のない凹部１５（非接触領域）の側面１５ａ及び底面１５ｂにもＰｔ膜１２が形成されている。
【００２７】
なお、触媒金属にてなる金属膜としてのＰｔ膜１２は、Ｐｔ（金属触媒）のメッキ膜１２とされ、該Ｐｔメッキ膜１２が形成されているＰｔメッキ領域では、金属基材の露出領域が分散形成されているものとされる。すなわち、Ｐｔメッキ領域には、ピンホールやクラック等の金属基材の露出領域が形成されている。このように、金属基材１３が露出しているので、この領域に、金属基材１３の不動態膜が形成され、金属基材１３の腐食が防止される。このように、金属膜としてのＰｔメッキ膜１２にピンホールやクラック等を敢えて形成するためには、Ｐｔメッキ膜１２の膜厚を、１０００ｎｍ以下とするのがよい。メッキによりＰｔ膜を形成した場合に、膜厚が１０００ｎｍを越えると、ピンホールやクラック等の金属基材１３の露出領域が埋まってしまい。金属基材１３の露出領域を形成するために、他の特別な処理をする必要も生じる。しかしながら、Ｐｔメッキを金属基材１３の表面に対して、部分的に行うようにしたり、あるいは、Ｐｔ膜１２が形成されたあとに、金属基材の露出領域を形成する方法を採用する場合は、さらに厚い膜厚のＰｔ膜１２を形成するようにしても良い。
【００２８】
さらに、セパレータ１０は、図２（ｃ）に示すように、その主表面１０ａに続く端面１６が切断面１６とされ、その切断面１６の一部において、Ｐｔメッキ膜１２が形成されておらず、セパレータ１０の金属基材１３が露出する領域が存在する。このような構成により、金属基材１３の露出部を形成する場合は、その製法も簡便であるために、好適に採用することができる。また、本実施の形態においては、端面１６において、その一部で金属基材１３が露出するようにしているが、本発明においては、端面１６の全部で金属基材１３が露出するようにしてもよい。なお、セパレータ１０を構成する金属基材１３は、前述したように、ｐＨ１の条件でアノード分極曲線を測定したとき、該アノード分極曲線に、図６（ｂ）に示すように、少なくとも活性態電位域と不動態電位域が形成されているものである。
【００２９】
さらに、金属基材１３は、具体的には、少なくともＣｒを含有するものとすることができる。Ｃｒは、不働態化する金属としてよく知られており、このＣｒが含有される金属基材においては、図６（ｂ）に示すアノード分極曲線において、不動態電位域を形成する。この場合、Ｃｒの含有量をＷＣｒ（重量％）として、Ｍｏの含有量をＷＭｏ（重量％）として、ＷＣｒ＋３．３ＷＭｏ≧１０を満足するのがさらに好ましい。このように、Ｃｒに加えてＭｏも金属の不働態化を促進するので、金属基材中に含有されていてもよい。そして、ＷＣｒ＋３．３ＷＭｏを不働態形成能としたとき、この不働態形成能が１０重量％以上であれば、ｐＨ１の腐食環境に晒されても、Ｐｔメッキ膜１２（金属触媒）との局部電池の形成で、電極電位が不働態電位域に移動するのに十分である。なお、金属基材１３を構成するＦｅ基合金としては、特にステンレス鋼とすることができる。そのほかにも、金属基材１３は、Ｔｉ、あるいはＴｉ基合金とすることもできる。
【００３０】
金属基材として採用できるステンレス鋼、Ｆｅ基合金あるいはＮｉ基合金、Ｔｉ、あるいはＴｉ基合金の具体例を以下に列挙する。
Ｔｉ又はＴｉ基合金：純Ｔｉ、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｌ。
ステンレス鋼：ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳＸＭ７、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｊ１、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳＪ５Ｌ。
Ｆｅ基合金：Ｉｎｃｏｌｏｙ　８００。
Ｎｉ基合金：Ｉｎｃｏｎｅｌ　６００、ＮＣＨ１。
【００３１】
以下、上記のようなセパレータ１０の製造方法について説明する。まず、金属基材１３は、あらかじめ帯状に形成されているものとする。そして、この帯状に形成されている金属基材１３の主表面に対してＰｔ膜１２を形成し、その後セパレータ１０としての形状に加工する。Ｐｔ膜１２は、電解メッキ法、スパッタ法等の公知の方法により形成される。このように、成形加工前において帯状の金属基材１７に対してＰｔメッキ膜１２を形成すれば、広い範囲に対して一括してＰｔメッキ膜１２を形成することができるので、製造能率の向上が期待できる。
【００３２】
また、本実施の形態においては、Ｐｔメッキ膜１２を選択的に形成する必要が無いので、そのための特別な処置は必要無く、金属基材１７の主表面全面にＰｔメッキ膜１２を形成すればよい。さらに、金属基材１３表面に、不均一なＰｔ膜を形成することもできるので、ピンホールやクラック等の金属基材１３の露出領域をＰｔ膜１２の形成工程にともない形成することも可能である。
【００３３】
上記のように、帯状の金属基材１７にＰｔメッキ膜１２を形成したのち、該金属基材１７を、図３に示すように、セパレータ１０の形状を反映した切断予定線１８に沿って切断する。これにより、主表面１０ａに続く端面１６が切断面１６とされる金属基材１０を得ることができる。こののち、個々に切り出された金属基材１０に対して、プレス加工することによって、主表面に凹凸を形成し、燃料電池用のセパレータ１０とすることができる。なお、このように、Ｐｔメッキ膜１２が形成された金属基材１７に対して、プレス加工により、凹凸を形成すると、Ｐｔメッキ膜１２にクラックが生じ、金属基材１３が露出する形態を実現することもできる。そのため、このような方法を採用する場合は、Ｐｔメッキ膜１２の膜厚をクラックの形成が許容される範囲で厚めに形成するようにしてもよい。
【００３４】
さらに、本実施の形態においては、金属基材１７を切断する際に、図４（ａ）に示すように、帯状の金属基材１７を台座２０上に載置して、金属基材１７の表面に切断刃１９を当接させ、この切断刃１９を金属基材１７に対して押しつけながら切断するようにしている。これにより、金属基材１３において、切断面１６とされる端面１６に沿って、Ｐｔメッキ膜１２が伸びて、該端面１６の一部を覆う形となる。特に上記の方法によれば、切断面１６（端面１６）の面積率にて５０％以上の部分を覆うことができる。このように、本実施の方法によれば、切断面１６（端面１６）の大部分がＰｔメッキ膜１２にて覆われることになり、かつ、切断面１６（端面１６）の一部において金属基材１３が露出する形態となる。さらに、Ｐｔメッキ膜１２が形成された金属基材１３を切断する場合は、図４（ｂ）に示すように、帯状の金属基材１７の両主表面にそれぞれ切断刃１９を当接させ、これらの対向する切断刃１９を互いに接近させるようにして、該金属基材１７を切断するようにしてもよい。これにより、図４（ａ）に示す方法と同様の効果を実現することができる。なお、本実施の形態においては、燃料電池用金属部材の端面１６（切断面１６）にＰｔ膜１２が一部形成されている場合について説明したが、端面１６（切断面１６）に金属基材１３の露出部が形成されていなくてもよい。
【００３５】
以上、本実施形態においては、金属基材１３の主表面全面に、Ｐｔメッキ膜１２を薄く形成して、Ｐｔがメッキされている領域（Ｐｔメッキ領域）中に、ピンホールやクラック等を敢えて形成するようにして、金属基材１３の露出領域を形成するようにしているが、金属基材１３の主表面全面ではなく、金属基材１３の主表面に部分的にＰｔメッキ膜１２を形成するようにしてもよい。この部分的に形成されるＰｔメッキ膜１２にはピンホールやクラック等の金属基材の露出領域が形成されていても形成されていなくてもどちらでもよい。
【００３６】
以上、本実施の形態においては、金属基材１３の表面に金属触媒としてのＰｔを金属膜として形成する場合について示したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、金属基材として、金属基材内部に、金属触媒をその一部が露出する形態にて含有させたものを採用することもできる。例えば、図５（ａ）に示すように、金属基材１３の表層部２７に、金属触媒粒子２６を分散的に形成させることができる。このとき、金属触媒粒子２６の一部が金属基材１３の表面に露出するようにする。また、図５（ｂ）に示すように、金属基材の構成成分と、金属触媒の構成成分とを合金化させて、その合金２８をセパレータ１０の形状に成形するようにしても同様の効果を発揮するものである。このとき、金属基材に含有させる金属触媒の含有量は、０．０００１質量％以上、５質量％以下とする。含有量が０．０００１質量％未満であると、含有量が少なすぎて、十分な触媒作用が得られない。一方、含有量が５質量％を超えると、使用する金属触媒の量が多くなりすぎて、部材の低コスト化を実現することができない。
【００３７】
さらに、上記本実施の形態においては、金属触媒としてＰｔを採用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、上記カソード反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示す金属触媒であれば、他のものを採用してもよい。
【００３８】
さらに、本実施の形態においては、燃料電池用金属部材として、セパレータ１０について説明しているが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料電池に使用され、腐食される可能性のある金属部材であれば、他のものにも適用することができる。
【００３９】
なお、金属基材１３の腐食が抑制されるのは、例えば、金属触媒としてのＰｔ膜１２と金属基材１３とが、腐食環境中にて互いに接触することで、局部電池が形成されるためである。そのため、燃料電池用金属部材をなす金属基材１３が、燃料電池に組みこまれたときに、該金属部材１３の表面と接触するような部材の表面にＰｔ膜１２を形成しておき、両者が燃料電池１にアセンブリされたときに、金属基材１３とＰｔ膜１２とが互いに接触するような形態を採用することも可能である。この場合、燃料電池用金属部材としては、前述のようにｐＨ１の条件で測定されたアノード分極曲線において、不動態電位域を形成する金属基材１３を採用し、その表面にはＰｔ膜１２を形成しないようにする。
【００４０】
すなわち、燃料電池１としては、電解質としての固体高分子膜３と、該固体高分子膜３の両側を挟みこむ一対の電極２、４とよりなるセル本体５を有し、かつ構成部材として金属部材を有する燃料電池１において、前記金属部材の表層部を構成する金属よりも貴で、かつ前記金属部材の表層部での腐食反応における酸素還元反応及び水素イオン還元反応を活性化させる金属触媒が、前記金属部材とは別の担持部材の表面に担持され、前記金属部材が前記金属触媒を介して前記担持部材と接しているものを採用することができる。
【００４１】
セパレータ１０の場合を挙げれば、以下のような構成を採用することができる。つまり、図１に示す単位セルＵにおいて、電極２、４のセパレータ１０と接触する側に、図７に示すように、ガス拡散層３２が設けられており、該ガス拡散層３２のセパレータ１０と接触する側に金属触媒としてのＰｔが膜状に形成されている。このように、Ｐｔ膜３０がセパレータ１０の表面に接触することによって、局部電池が形成され、セパレータ１０が、固体高分子膜３からの水分や酸化剤ガス等と直接接触しても該セパレータ１０の腐食が抑制される。このとき、ガス拡散層３２が担持部材とされる。
【００４２】
このガス拡散層３０は、セパレータ１０の凹部１５（ガス流通路２１）を介して、電極２、４に供給される燃料ガスあるいは酸化剤ガスが、電極２、４の固体高分子膜３と接触する側に形成されている触媒層３１に、より広い範囲で進入するようにするために設けられるものである。このガス拡散層３０を透過した燃料ガスあるいは酸化剤ガスが、触媒層３１に進入したとき、これらが酸化あるいは還元されて、起電力が生じる。触媒層３１には、電極２、４における電池反応（負極での酸化反応及び正極での還元反応）を活性化させる触媒が担持させている。この電池反応を活性化させる触媒としては、本実施の形態の場合、Ｐｔが採用されている。
【００４３】
Ｐｔ膜３０は、ガス拡散層３２の表面に、多孔質にて形成されているものとすることができる。Ｐｔ膜３０により、燃料ガスや酸化剤ガスの導通が遮断されてはいけないためである。そのため、ガス拡散層３２とセパレータ１０との接触する領域（セパレータ１０の凸部１４の先端面）において、金属触媒としてのＰｔ膜３０がセパレータ１０の一部の表面に接触することになる。
【００４４】
さらに、電極２、４とセパレータ１０との間に、図示しない多孔性導電性シートが、電極２、４とセパレータ１０とそれぞれ接触する形態で配置されており、多孔性導電性シートのセパレータ１０と接触する面に金属触媒としてのＰｔが膜上に形成され、該多孔性導電性シートが担持部材とされるものを例示することもできる。
【００４５】
さらに、多孔性導電性シートは、金属触媒としてのＰｔより卑な金属にてなり、多孔性導電性シートの両面にＰｔ膜が担持されていることを特徴とする燃料電池とすることができる。この場合、多孔性導電性シートが、金属触媒としてのＰｔより卑な金属と該金属触媒（Ｐｔ）との合金にてなるものとすることができる。
【００４６】
さらに、電極のセパレータと接触する側に、ガス拡散層が形成されており、該ガス拡散層が前記多孔性導電性シートに形成されているのがよい。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の効果を調べるために、以下の実験を行った。まず、金属基材の材質としてＳＵＳ３１６Ｌを採用し、帯状の金属基材を得た。そして、該帯状に形成された金属基材の表面に対して、金属触媒として、表１に示すものを採用して、それぞれ膜厚が５０ｎｍの金属膜を形成した。金属膜はスパッタにより形成されたメッキ層である。そして、各メッキ膜が形成された金属基材を、図４（ａ）に示す方法により切断し、さらにプレス加工を行って、図２に示すようなセパレータを作製した。セパレータは、５０ｍｍ×４０ｍｍの長方形状である。さらに金属基材の主表面に形成されるＰｔ膜が形成されている領域には、ピンホールやクラックの形成が観察された。これら作製されたそれぞれのセパレータに対し、硫酸酸性雰囲気中において腐食試験を行った。試験条件としては、以下の通りである。すなわち、ｐＨが２、温度が１００℃の硫酸溶液中に、上記のセパレータを１６８時間浸漬させた。このような硫酸酸性の雰囲気は、図１の燃料電池に使用されるセパレータが、燃料電池の使用中に晒される環境を想定したものである。そして、試料を取り出した後に、ピンホール、クラック、及びセパレータの切断面（端面）部における腐食及び変色の度合いを、外観観察又は硫酸溶液の変色を観察することにより評価した。また、金属触媒として上記の表１に示すものを採用するとともに、金属基材の表面に形成する金属膜の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍと変化させた場合に、上記と同様の腐食試験を行った。以上の結果を合わせて表１に示す。ピンホール及びクラック、切断面等の金属基材が露出する領域において、金属基材の腐食及び変色、あるいは浸漬液の変色等は見られないものを（○）として、金属基材の露出領域において、腐食及び変色が見られたものは（×）として評価している。
【００４８】
【表１】
2004095440.tif 000003
【００４９】
表１に示すように、上記カソード反応において、Ａｕよりも高い触媒活性を示すいずれの金属触媒を採用した場合であっても、ピンホール及びクラック、切断面等の金属基材が露出する領域において、金属基材の腐食及び変色、あるいは浸漬液の変色等は見られなかった。さらに、金属触媒としてＡｕを採用した場合には、膜厚が３ｎｍでは金属基材の露出領域において金属基材の腐食が観察されたが、その他の本実施例の金属触媒を採用した場合には、金属膜の膜厚を３ｎｍとしても、金属基材の腐食及び変色が観察されなかった。これにより、本実施例によれば、金属基材の表面に接触させる金属触媒の量を削減することができる。そのため、製造工程も短縮することができるとともに、部材の低コスト化にも寄与することになる。
【００５０】
なお、表１に示す本実施例の金属触媒の合金にてなる膜厚５０ｎｍの金属膜を、金属基材表面上にスパッタ法により形成し、その成形したセパレータにおいても、同様の腐食試験を行った。その結果、金属膜に形成されているピンホール及びクラックや、切断面における金属基材の露出領域において、金属基材の腐食が観察されたものはなかった。
【００５１】
さらに、金属基材として、ＳＵＳ３１６Ｌをベースに、表１に示す本実施例の金属触媒を金属換算で０．５質量％添加して合金化し、セパレータの形状に成形した。そして、成形されたセパレータに対して、さらなる防食性を付与する工程を行なわず、前述と同様の腐食試験を行った。その結果、表１に示すいずれの金属触媒を添加して合金化させたものでも、金属基材が腐食されるたものななく、十分な防食性が得られた。
【００５２】
次に、カーボンブラックに１０重量％担持した粒径２．５ｎｍの白金黒と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｏから選ばれる１種にてなる金属の硝酸塩とを、所定の比率で混合分散させ、９００℃、１時間、水素１０体積％、窒素９０体積％の還元雰囲気で焼成し、面心立方結晶構造で規則構造を持つ表１の合金粉末を得た。そして、これらの合金粉末をスプレーにて塗布し、金属基材の表面に被覆させた。この金属触媒にてなる金属膜の膜厚は４７ｎｍ程度である。このとき、金属膜に含まれるＰｔの密度は０．１０ｍｇ／ｃｍ２程度とされる。そして、上記と同様の腐食試験を行った。その結果、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｏから選ばれる１種を２５原子％含有し、残部がＰｔにてなるＰｔ基合金を金属触媒として採用する本実施例においても、金属基材の表面における腐食を防止できることがわかった。
【００５３】
次に、金属触媒としてＰｔを採用し、金属基材として表２に示すようなものを採用して、金属基材上に、Ｐｔにてなる膜厚５０ｎｍの金属膜を形成した。そして、上記と同様に腐食試験を行った。その結果を、表２に示す。
【００５４】
【表２】
2004095440.tif 000004
【００５５】
表２により、金属基材として、少なくともＣｒを含有し、さらにＷＣｒ＋３．３ＷＭｏ≧１０を満足するＦｅ基合金及びＮｉ基合金を採用した本実施例においては、金属基材の腐食及び変色は観察されなかった。一方、Ｃｒを含有しないＮｉ基合金（Ｍ４００）や、アルミニウム合金（Ａ５０５２）、Ｎｉ単体及び炭素鋼においては、金属基材の腐食及び変色が観察された。これは、本実施例の金属基材とＰｔメッキ膜とで局部電池が形成されることで、金属基材の露出する表面に不働態膜が形成されたことにより、金属基材の腐食が防止されたからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一構成例を示す概略図。
【図２】本発明の燃料電池用金属部材の一構成例を示す概略図。
【図３】本発明の製造方法を概念的に示す模式図。
【図４】帯状部材の切断方法を説明する図
【図５】金属基材の表面に金属触媒を接触させる一形態を示した図。
【図６】ある金属基材の電位―ｐＨ図及び分極曲線図を用いて金属基材の腐食が防止される機構を説明した図。
【図７】セパレータの表面と、Ａｕ膜とを接触させる一形態を示す模式図。
【符号の説明】
１、Ｕ　燃料電池
２、４　電極
３　固体高分子膜
５　セル本体
１０　セパレータ
１２　金属膜（Ｐｔメッキ膜）
１３、１７　金属基材
１４　凸部
１４ａ　凸部の先端面
１５　凹部
１８　切断予定線
２１　ガス流通路
【図１】
2004095440.tif 000005
【図２】
2004095440.tif 000006
【図３】
2004095440.tif 000007
【図４】
2004095440.tif 000008
【図５】
2004095440.tif 000009
【図６】
2004095440.tif 000010
【図７】
2004095440.tif 000011