(57)【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、
Ａｕよりも卑な金属で少なくともＣｒを含有し、かつ、含有されるＣｒの含有量をＷCr（重量％）とし、Ｍｏの含有量をＷMo（重量％）として、ＷCr＋３．３ＷMo≧１０を満足するＦｅ基合金又はＮｉ基合金にてなる板状の金属基材の主表面にＡｕ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、前記切断面の前記金属基材が露出している面の幅が１ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用金属部材。
【請求項２】
前記電極は板状であり、その第一主表面で前記固体高分子膜に接触しているものであって、前記電極の第二主表面に接触して配置されるとともに、該電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部が前記電極に接触し、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に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項３】
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又は２に記載の燃料電池用金属部材。
【請求項４】
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】
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４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６】
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、
Ａｕよりも卑な金属で少なくともＣｒを含有し、かつ、含有されるＣｒの含有量をＷCr（重量％）とし、Ｍｏの含有量をＷMo（重量％）として、ＷCr＋３．３ＷMo≧１０を満足するＦｅ基合金又はＮｉ基合金にてなる板状の金属基材の表面にＡｕ膜を形成したのち、部材の外形線を反映した切断予定線に沿って切断面の前記金属基材が露出している面の幅が１ｍｍ以下となるように切断加工することにより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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、溶融炭酸塩形燃料電池および固体酸化物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、燃料電池自動車や定置用コジェネレーションシステム、あるいはモバイル用途等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膜の表裏に、白金触媒担持のカーボン微粒子を固定した電極によりはさみこんで、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を形成し、これをガス拡散層（カーボンペーパー）と反応ガスの供給溝を形成したセパレータではさんで単位電池としている。そして、通常これらの単位電池は電気的に直列に複数接続され、スタックが形成される。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、反応ガスを供給す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、凹部に反応ガスが供給され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金属製のものも研究・試用されている。
【０００３】
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の固体高分子電解質膜には、スルホン酸基が含まれており、またイオン伝導性を示す為には水分が必要であるが、この水分がセパレータに接触すると、スルホン酸基の影響でｐＨが下がり、燃料電池の発電環境下でこのセパレータの腐食が進行してしまうのである。セパレータが腐食すると、溶出した金属イオンによって固体高分子電解質膜が劣化したり、その部分での電気抵抗が増加してしまい、内部抵抗増大によって燃料電池の出力が低下してしまう。
【０００４】
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号公報には、ステンレス鋼等の金属にてなるセパレータの表面にＡｕメッキを所定厚さ施したものが開示されている。特にこれらの中でも、特開２００１−６８１２９号公報には、セパレータの表面に形成された金メッキのピンホールをローラー加圧して封止したり、樹脂により封止したりすることで、ピンホールの影響を軽減し、セパレータの防食性を向上させようとしたものが開示されている。一方で、特開平１０−２２８９１４号公報においては、セパレータをなす金属基材の、電極と直接接触する領域に、膜厚が０．０１〜０．０６μｍと比較的薄いＡｕメッキを部分的に形成することにより、防食性を維持しつつ電極との接触抵抗を低減できるセパレータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開２００１−６８１２９号公報に開示されているセパレータは、Ａｕメッキの前に下地メッキを行い、Ａｕメッキに形成されるピンホールをなくすために、比較的厚いＡｕメッキを形成し、さらに形成されたＡｕメッキに対してローラー加圧して製造されているので、製造工程が多くなるとともに、Ａｕの使用量も多くなる。一方、特開平１０−２２８９１４号公報に開示されているものにおいても、Ａｕメッキを電極と直接接触する部分に部分的に形成しているため、製造工程の簡略化という点で不利である。また、電極と接触しない凹部（ガス流通路とされる）にはＡｕメッキが形成されていないので、この領域に水溜りが形成されたときの防食性が十分に得られない可能性がある。さらに、特開２００１−６８１２９号公報及び特開平１０−２２８９１４号公報に開示されている燃料電池用セパレータは、両方ともセパレータとなる金属基材を切断した後にＡｕメッキを形成しており、分断された個々の金属基材に対してメッキ処理を行なわなければならないという製造工程上の不便さがある。
【０００７】
本発明は、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。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００８】
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、Ａｕよりも卑な金属で少なくともＣｒを含有し、かつ、含有されるＣｒの含有量をＷCr（重量％）とし、Ｍｏの含有量をＷMo（重量％）として、ＷCr＋３．３ＷMo≧１０を満足するＦｅ基合金又はＮｉ基合金にてなる板状の金属基材の主表面にＡｕ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もに、切断面の金属基材が露出している面の幅が１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
そして、上記のような燃料電池用金属部材を製造するための本発明の方法は、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、Ａｕよりも卑な金属で少なくともＣｒを含有し、かつ、含有されるＣｒの含有量をＷCr（重量％）とし、Ｍｏの含有量をＷMo（重量％）として、ＷCr＋３．３ＷMo≧１０を満足するＦｅ基合金又はＮｉ基合金にてなる板状の金属基材の表面にＡｕ膜を形成したのち、部材の外形線を反映した切断予定線に沿って切断面の金属基材が露出している面の幅が１ｍｍ以下となるように切断加工することにより成形することを特徴とする。
【００１１】
従来、防食性を増すためにセパレータとなる金属基材の表面にＡｕ膜を形成する際に、金属基材を例えばセパレータの形状に成形したのちに、Ａｕ膜を形成していたのは、以下の理由によるものと考えられる。つまり、金属基材にＡｕ膜を形成したのちに、該金属基材を成形すると、既に形成されているＡｕ膜にクラックが生じたり、金属基材を切断したときに切断面が形成され、これらの領域で金属基材が露出してしまう結果、露出する金属基材が腐食してしまうと考えられていたからである。実際に、前述した公報においても、Ａｕメッキに形成されるピンホールは、金属基材が露出する部分であり、この部分で金属基材の腐食が進行するため、これらの露出部は敬遠されるべきものであるという主張がされている。
【００１２】
そこで、本発明者は、以下のような実験を試みた。すなわち、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１００ｎｍ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℃の硫酸溶液であり、浸漬時間は１６８時間とした。そして、該実験後の金属基材の切断面を観察した。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、燃料電池のセル本体部と接触して配置される金属部材において、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。そして、本発明者は、金属基材にＡｕ膜を形成した後に、該金属基材を切断しても、上記の実験で示された通り、防食性の十分な燃料電池用金属基材が得られることを見出し、本発明の完成に至った。このような方法を採用すれば、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Ａｕ膜を形成することができるので、Ａｕ膜の形成工程を簡略化することができる。さらに、このように製造される本発明の燃料電池用金属部材においては、例えば電極と直接接触するような領域、あるいは水分を含んだ酸化剤ガス（例えば空気）等の腐食環境に直接接触する領域に、金属基材が露出する部分があっても、防食性が良好に得られるので、ピンホールの形成を抑制するために、Ａｕ膜の形成後にローラー加圧を行ったり、比較的厚い（例えば１μｍ程度）Ａｕ膜を形成したりする必要もない。そのため、より一層製造が簡便となるとともに、使用されるＡｕの量を軽減することができ、安価な燃料電池用金属部材を実現することができる。そして、金属部材の切断面において、金属基材の露出する面の幅が１ｍｍ以下であれば、金属基材の腐食を十分に抑制することができることがわかった。金属基材の露出する面の幅が１ｍｍを超えると、切断面における金属基材の露出領域が広くなりすぎ、該切断面において十分な防食性を実現することができない。
【００１３】
さらに、上記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、燃料電池の電極は板状であり、その第一主表面で固体高分子膜に接触しているものであって、電極の第二主表面に接触して配置されるとともに、電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部が電極に接触し、凹部が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する可能性がある。さらに、電解質としての固体高分子膜から硫酸イオンが溶出することもあるので、特に腐食されやすい部材である。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。
【００１４】
なお、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、Ａｕよりも卑な金属にて構成される板状の金属基材の電極と対向する主表面に凹凸が形成されており、この凸部の先端が電極と接触し、凹部が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して使用され、金属基材の、電極と接触する凸部の先端面と、該先端面以外の主表面領域とのいずれにも膜厚１〜５００ｎｍのＡｕ膜が形成されているようにすることもできる。
【００１５】
前述にて説明したように、例えば電極と直接接触するような、腐食が起こり易い領域において、金属基材が露出している部分があっても、金属基材の腐食は進行しないが、腐食が懸念される領域にＡｕ膜が全く形成されていないと、金属基材は十分に防食されない。そのため、特開平１０−２２８９１４号公報に開示されている燃料電池用セパレータのように、電極と接触するように配置され、電極と接触する側の主表面に凹凸が形成されているようなセパレータにおいて、電極と接触しない、例えば電極に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス流通路となる凹部に、Ａｕ膜が形成されていないと、この部分が腐食される可能性がある。そこで、このような領域にもＡｕ膜を形成するようにすれば、該領域の腐食を抑制することができる。なお、このように電極と直接接触しないような領域においても、この領域が完全にＡｕ膜にて覆われている必要はなく、ピンホールやクラック等、金属基材の露出部が存在していてもよい。そのため、形成されるＡｕ膜の膜厚を、ピンホールの形成が生じ易い５００ｎｍ以下と比較的薄い範囲に設定することができる。しかし、膜厚が１ｎｍ未満では、Ａｕ膜の形成量が少なすぎ、金属基材の腐食を十分に防止することはできない。一方で、５００ｎｍを超えると、Ａｕの使用量が増すとともに、製造にも時間がかかるので、本発明の目的にそぐわないものとなる。
【００１６】
上記のような燃料電池用金属部材において、腐食環境に晒されることになる領域に、通常では腐食するはずの金属基材が露出していても金属基材が腐食しないのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、燃料電池の各部材として配置されたとき、該燃料電池のために腐食環境となる領域で、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。この局部電池により、金属基材の腐食環境中における電極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。
図７Ａ、図７Ｂを用いてさらに詳細に説明する。図７Ａ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、この腐食領域に金属基材だけが存在する場合、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。図７Ｂ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、カソード極における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となる。この電極電位Ｅ２が、図７Ａに示すように、不働態域であれば、金属基材が露出していても、ｐＨ１の環境中で、金属基材の腐食は抑制されるのである。
【００１７】
上記のような機構により、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Ａｕ膜との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Ａｕ膜を形成するのは、さらなるコストの上昇を招き好ましくない。
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】
なお、金属基材の腐食が抑制されるのは、Ａｕ膜と金属基材とが、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が、燃料電池に組みこまれたときに、該金属部材の表面と接触するような部材の表面にＡｕ膜を形成しておき、両者が燃料電池にアセンブリされたときに、金属基材とＡｕ膜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、不動態電位域を形成する金属基材を採用し、その表面にはＡｕ膜を形成しないようにする。
【００１９】
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。
【００２０】
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、固体高分子膜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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の燃料電池の一構成例を示す概略図。
【図２Ａ】本発明の燃料電池用金属部材の一構成例を示す第一概略図。
【図２Ｂ】本発明の燃料電池用金属部材の一構成例を示す第二概略図。
【図２Ｃ】本発明の燃料電池用金属部材の一構成例を示す第三概略図。
【図３】金属基材の表面にＡｕ膜を形成するための装置を示す概略図。
【図４】本発明の製造方法を概念的に示す模式図。
【図５Ａ】帯状部材の切断方法の第一例を説明する図。
【図５Ｂ】帯状部材の切断方法の第二例を説明する図。
【図６Ａ】帯状部材の切断方法の第三例を説明する図。
【図６Ｂ】帯状部材の切断方法の第四例を説明する図。
【図７Ａ】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第一図。
【図７Ｂ】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第二図。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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形燃料電池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（グラファイト等の導電性材料からなる）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５０〜４００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。
【００２３】
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の燃料電池用金属部材としてのセパレータ１０の概略を示すものである。図２Ａ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２Ｂに示すように、セパレータ１０は、金属基材１３の主表面にＡｕ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Ａｕ膜１２が形成されている。さらに、Ａｕ膜１２の膜厚は１〜５００ｎｍとされている。また、Ａｕ膜１２はＡｕメッキ膜１２である。
さらに、金属基材１３の電極２、４と接触しない領域を非接触領域としたとき、この非接触領域の９０％以上が、Ａｕメッキ膜１２が形成されているＡｕメッキ領域とされている。このように、電極との非接触領域にＡｕメッキ膜１２が９０％以上形成されているので、例えば、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが流通する凹部においても、該酸化剤ガスや、固体高分子膜３から溶出する硫酸イオンに基づく腐食を抑制することができる。
さらに、セパレータ１０は、図２Ｃ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、Ａｕ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。金属基材１３が露出している面の幅は１ｍｍ以下となっている。
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７Ｂ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。
【００２４】
また、Ａｕメッキ膜１２は、金属基材１３上に直接形成されている。一般的に金属の表面にＡｕをメッキする場合、金属基材とＡｕメッキ膜１２との間に下地メッキ膜を形成するのが通常である。この下地メッキにより、ピンホール等の形成のないＡｕメッキ膜１２が形成される。しかしながら、本発明においては、Ａｕメッキ膜１２に形成されるピンホールは抑制する必要がないので、下地メッキ膜なしにＡｕメッキ膜を形成することができる。このように形成された、燃料電池用金属部材としてのセパレータ１０においては、Ａｕメッキ膜１２が形成されているＡｕメッキ領域に、金属基材１３の露出領域が分散形成されている構造となる。これにより、製造工程が簡便となるとともに、コストの低下も実現することができる。
【００２５】
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１３においては、図７Ｂ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１３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、Ａｕメッキ膜１２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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Ａｕ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。Ａｕ膜は、電解メッキにより形成することができる。図３は、帯状の金属基材１７に対してＡｕ膜１２を電解メッキにより形成するための装置の概略を示すものである。メッキ浴槽Ｂ内にはメッキ浴ＳＬが収容されている。Ａｕメッキ膜１２を形成するためのメッキ浴ＳＬとしては、例えば、シアン化金カリウム溶液とすることができるが、これに限られるものではない。このようなメッキ浴槽Ｂ内に、送りロール５０により帯状の金属基材１７を導入し、メッキ浴槽Ｂの内部に保持されている電極５５、５５に通電しつつ、電極５５、５５の間に金属基材１７を送入することにより、導入された金属基材１７の表面にＡｕメッキ膜１２を形成することができる。このとき、浴温、溶液の濃度や金属基材１７の搬送速度等を調節して、膜厚が１〜５００ｎｍのＡｕメッキ膜１２が形成されるようにする。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Ａｕメッキ膜１２を形成すれば、広い範囲に対して一括してＡｕ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。また、本実施の形態においては、Ａｕ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Ａｕメッキ膜１２が形成される。
【００２８】
上記のように、帯状の金属基材１７にＡｕメッキ膜１２を形成したのち、該金属基材１７を、図４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。
【００２９】
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５Ａ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、Ａｕ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）において、金属基材１３が露出している面の幅を１ｍｍ以下とすることができる。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Ａｕ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の最小量が露出する形態となる。さらに、Ａｕ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５Ｂ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５Ａに示す方法よりもさらに小さい露出量とすることができる。
【００３０】
さらに、図５Ｂのように、金属基材１３の両面から切断刃１９により、金属基材１３を切断する場合、図６Ａのようにすることもできる。すなわち、図４に示す切断予定線において、該切断予定線周縁を、圧縮部材２５により薄くしておき、この薄くなった切断予定線に、切断刃１９を当接させるようにして、切断する。また、燃料電池用セパレータには、ガス流通口２３や、互いに重ね合せるときのためのアライメントホール等の開口部が形成される。このような開口部においては、図６Ｂのように、開口部２７が形成される領域の周辺を、圧縮部材２５により薄くしておき、この領域においてプレス２６により打ち抜き加工することにより形成することができる。なお、上記のように切断予定線周縁を薄くする場合、金属基材１３の厚さを０．１ｍｍ以下まで薄くしておくのがよい。図６Ａ、図６Ｂのような方法によれば、形成されるセパレータ１０の端面１６や、開口部２７の端面２８において、金属基材１３が露出する面の幅を１ｍｍ以下、さらには０．１ｍｍ以下とすることが可能となるのである。
【００３１】
さらに、図６Ｂのように開口部２７を上記のような方法により形成する場合は、形成される開口部２７と略相似形であって、寸法の大きい形状を軸断面の形状として有する棒部材２９を、形成されている開口部２７に、該断面形状と開口部２７の形状とが対応するように、開口部２７に差し込むのがよい。このようにすることで、開口部２７の端縁が、棒部材２９が指しこまれる向きに屈曲することになり、開口部２７の端面２８において、金属基材１３の露出領域をさらに減少させることができる。ひいては、金属基材１３が全く露出しないようにすることも可能である。なお、図６Ａに示す場合においても、同様に、端縁を丸めるようにしてもよい。
【００３２】
なお、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。
【００３３】
なお、金属基材１３の腐食が抑制されるのは、Ａｕ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Ａｕ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Ａｕ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Ａｕ膜１２を形成しないようにすることもできる。
【００３４】
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。
【００３５】
金属部材がセパレータ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８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Ａｕが膜状に形成されている。このように、Ａｕ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。
【００３６】
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れている。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。
【００３７】
Ａｕ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。Ａｕ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３０がセパレータ１０の一部の表面に接触することになる。
【００３８】
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Ａｕ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。
【００３９】
さらに、多孔性導電性シートは、金属触媒としてのＡｕより卑な金属にてなり、多孔性導電性シートの両面にＡｕ膜が担持されているもの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Ａｕより卑な金属と該金属触媒（Ａｕ）との合金にてなるものとすることができる。
【００４０】
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として形成されているものとしてもよい。
【００４１】
【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、表１に示す材質にて構成された金属基材をそれぞれ帯状に形成し、該帯状に形成された金属基材の表面に対して、図３に示す方法により、膜厚が１００ｎｍまでのＡｕメッキ膜を形成した。そして、Ａｕメッキ膜が形成された金属基材を、図５Ａに示す方法により切断し、さらにプレス加工を行って、図２Ａ〜図２Ｃ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。なお、切断面において、金属基材の露出している面の幅が１ｍｍ以下となっていた。これら作製されたそれぞれのセパレータに対し、硫酸溶液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。結果を表１に示す。金属基材の腐食、変色、及び硫酸溶液の変色が観察されなかったものを○、これらの腐食及び変色が観察されたものを×として評価している。
【００４２】
【表１】
0004802710.tif 000002
【００４３】
表１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。さらに、Ｃｒの単体にて金属基材を構成する場合でも、同様に金属基材の腐食及び変色が観察されなかった。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。試験環境中において、本実施例の金属基材とＡｕメッキ膜とで局部電池が形成される結果、金属基材の露出する表面に不働態膜が形成されたからだと考えられる。
【００４４】
次に、金属基材の材質として、ＳＵＳ３０４を採用して、帯状の金属基材の表面に、前述の方法と同様の方法により、Ａｕ膜を１００ｎｍ形成した。そして、該帯状の金属基材を、セパレータの形状に方法を変えて切断し、セパレータを作製した。得られたセパレータの切断面において、金属基材の露出している面の幅を調べたところ、表２に示すようになった。そして、これらのセパレータに対して、前述と同様の腐食試験を行った。結果を表２に合わせて示す。
【００４５】
【表２】
0004802710.tif 000003
【００４６】
表２より、セパレータの切断面において、金属基材が露出している面の幅が１ｍｍを超えるものは、金属基材の腐食が観察されたが、金属基材の露出している面の幅が１ｍｍ以下のものは、金属基材の腐食が全く観察されなかった。
【００４７】
次に、金属基材の材質として、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｌ及びＳＵＳ４３０の３種類を選択し、板厚０．２ｍｍ、５０ｍｍ×４０ｍｍの金属基材に、膜厚１００ｎｍのＡｕメッキ膜を、その被覆率を、５％、１０％、２０％、５０％、７０％、９０％と変えて形成した。そして、前述と同様の腐食試験を行って、金属基材が露出する領域における腐食及び変色を観察した。その結果、不働態形成能（ＷCr＋３．３ＷMo）の大きいＳＵＳ３１６Ｌでは、被覆率が５％で腐食及び変色が観察されたが、１０％以上では観察されなかった。一方、これよりも不働態形成能が低いＳＵＳ３０４Ｌにおいては、被覆率２０％以上で腐食が観察されず、さらに不働態形成能が低いＳＵＳ４３０では、被覆率が７０％以上で腐食が観察されなくなった。つまり、防食に必要なＡｕメッキ膜の形成量は、金属基材の不働態形成能に大きく依存し、金属基材の材質を選択することにより、Ａｕの使用量をさらに低減させることができる。
【００４８】
さらに、金属基材の材質として、ＳＵＳ３１６Ｌを採用して、Ａｕメッキ膜を全面に、その膜厚を０．５ｎｍ，１ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，５０ｎｍ，１００ｎｍ，５００ｎｍ，１０００ｎｍと変えた帯状の金属基材を用意した。そして、この金属基材をセパレータの形状に成形して、前述の腐食試験を行った。その結果、膜厚が０．５ｎｍでは、金属基材の露出領域において腐食及び変色が観察されたが、膜厚が１ｎｍ以上では、腐食及び変色は観察されなかった。
【符号の説明】
【００４９】
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  Ａｕ膜（Ａｕ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】
0004802710.tif 000004
【図２Ａ】
0004802710.tif 000005
【図２Ｂ】
0004802710.tif 000006
【図２Ｃ】
0004802710.tif 000007
【図３】
0004802710.tif 000008
【図４】
0004802710.tif 000009
【図５Ａ】
0004802710.tif 000010
【図５Ｂ】
0004802710.tif 000011
【図６Ａ】
0004802710.tif 000012
【図６Ｂ】
0004802710.tif 000013
【図７Ａ】
0004802710.tif 000014
【図７Ｂ】
0004802710.tif 000015
【図８】
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