(57)【要約】【課題】耐食性及び加工性に優れたセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金によるコア材２１と、このコア材２１の片面又は両面にクラッドされたチタン又はチタン合金による被覆層２２を備えて構成される。この構成により、比較的低温度によりコア材を焼きなますことが可能になり、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上するため、通路を形成するためのプレスを行っても被覆層におけるクラックの発生を最小にでき、深い流路の成形が可能になる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金によるコア材と、
前記コア材の少なくとも片面にクラッドされたチタン又はチタン合金による被覆層を備えることを特徴とするセパレータ用耐食金属クラッド材料。
【請求項２】
前記被覆層は、金、貴金属、導電性セラミック、又は炭素がコーティングされていることを特徴とする請求項１記載のセパレータ用耐食金属クラッド材料。
【請求項３】
クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金の少なくとも片面にチタン又はチタン合金による被覆層を圧延によりクラッドしてクラッド材を作製する工程と、
前記クラッド材に７００〜８５０℃で熱処理を施す工程を含むことを特徴とするセパレータ用耐食金属クラッド材料の製造方法。
【請求項４】
前記クラッド材を作製する工程は、前記被覆層表面の酸化物を除去した後に、金、貴金属、導電性セラミック、又は炭素が前記被覆層にコーティングされる処理を含むことを特徴とする請求項３記載のセパレータ用耐食金属クラッド材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池などに用いられるセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法に関し、特に、耐食性及び成形性に優れるセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、固体高分子型燃料電池の模式的構成を示す。
固体高分子型（ＰＥＦＣ）燃料電池１は、後述する燃料極と空気極を備えた単セルからなり、必要とする出力電圧に相当するセル個数が一列に配置される。各セルの発電出力は、直列に接続して取り出される。１つのセル９は、セル間の仕切りとなるセパレータ２、セル間に配置された固体高分子電解質膜３、この固体高分子電解質膜３の片面に設けられた燃料極（水素極、負極、又は、アノードとも言う）４、固体高分子電解質膜３の他方の面に設けられた空気極（酸素極、正極、又はカソードとも言う）５を備えて構成されている。
【０００３】
セパレータ２は水素供給用通路（溝）６を有し、隣接するセパレータ７は酸素供給用通路（溝）８を有している。水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ外部から図示せぬ供給路を通して水素供給用通路６及び酸素供給用通路８に導かれ、それぞれ燃料極４及び空気極５に供給される。固体高分子電解質膜３は、パーフロロカーボンスルフォン酸膜等による高分子イオン交換膜が用いられ、その両面には電極（白金系の触媒を添加）が接合されている。燃料極４及び空気極５には、多孔質炭素膜が用いられている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池１は、水素ガスを燃料、酸素ガスを酸化剤とし、水の電気分解と逆の反応を生じさせて電気エネルギーを生成する。
燃料極４側においては、次式に示す反応が生じる。
Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−                 （１）
また、空気極５側では、次式に示す反応が生じる。
１／２Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋２ｅ−  →Ｈ２Ｏ    （２）
更に、全反応は次式で表される。
Ｈ２  ＋１／２Ｏ２  →Ｈ２Ｏ            （３）
【０００５】
上式に示すように、燃料極４に水素イオンＨ＋  が生じるため、セパレータ２，７は耐酸性を有する必要がある。また、セパレータ２，７は、空気極５側において酸素に晒されるため、耐酸化性を有する必要もある。このようにセパレータ２，７には耐食性が要求される。さらに、セパレータ２，７の電気抵抗は、燃料電池の内部抵抗を低く抑えるために、低抵抗であることが望ましい。
【０００６】
従来、セパレータ２，７は、黒鉛を切削、又は黒鉛を樹脂モールドして製作されていたが、コストが高いため、プレス加工などで安価に製造できる金属材料のセパレータが望まれている。金属材料の場合、例えば、金属材料のコア材を覆う保護層にＴｉ（チタン）、Ｔｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｚｒ合金、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｈｆ合金、Ｖ（バナジウム）、Ｖ合金、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｂ合金、Ｔａ（タンタル）、及びＴａ合金の窒化物を用いたセパレータが用いられ、前記保護層により、耐食性を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
或いは、ステンレス鋼を基材とし、この基材表面にＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｉ−Ｃｒ合金のいずれかによる耐酸性皮膜を設け、更に、耐酸性皮膜上にＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）のいずれかによる導電性皮膜を形成してセパレータを製作し、ステンレス基材からの金属イオンの溶出を防止したものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−６６９４号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３５３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセパレータ用金属材料によると、耐食層（例えば、Ｔｉ）に欠陥があった場合、コア材から金属イオンが溶出し、溶出した金属イオンが固体高分子電解質膜（高分子イオン交換膜）と反応してＨ＋イオン伝導性を劣化させ、電池特性を低下させることになる。このため、耐食層に欠陥があることは許されない。しかし、セパレータの製作に際し、水素等の燃料ガスや空気等の酸化ガスを流すための溝（流路）をプレス加工で設けようとすると、その溝が深い場合、耐食層に塑性加工によるクラックを生じることがある。クラックが生じれば、十分な耐食性を確保することは困難になる。
【００１０】
コア材にステンレス鋼を用いた場合、クラックが生じても、ある程度耐食性を維持することができる。しかし、耐食性が十分であるとは言えないので、ステンレス鋼のコア材の表面により耐食性に優れたＴｉを被覆することが考えられる。この場合において、ステンレス鋼は、焼きなまし熱処理温度が一般的に高い。また、Ｔｉクラッドステンレス鋼を所定の板厚まで圧延した場合、プレスを行う前に焼きなまし熱処理が必要になる。例えば、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ３０４をコア材に使用すると、１０００℃以上の熱処理温度が必要になる。このような高い温度で熱処理を行った場合、ステンレス鋼の鉄分と被覆層のＴｉが反応し、界面に金属間化合物の厚い層が生成される。金属間化合物は非常に脆く、金属間化合物が厚く生成した複合材は、プレス時に金属間化合物のクラックを起点として被覆層に多数のクラックを発生する。ステンレス鋼は、Ｔｉよりも耐食性が劣るため多数のクラックが生じれば、Ｔｉで被覆したことの効果が低減することになる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、耐食性及び加工性に優れたセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金によるコア材と、前記コア材の少なくとも片面にクラッドされたチタン又はチタン合金による被覆層を備えることを特徴とするセパレータ用耐食金属クラッド材料を提供する。
【００１３】
この構成によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金は、比較的低温度によりコア材を焼きなますことができ、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、通路を形成するためのプレスを行っても被覆層にクラックを発生させることがない。
【００１４】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金の少なくとも片面にチタン又はチタン合金による被覆層を圧延によりクラッドしてクラッド材を作製する工程と、前記クラッド材に７００〜８５０℃で熱処理を施す工程を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【００１５】
この方法によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材とすることにより、その後に実施される通路形成の際、７００〜８５０℃という低温度によりコア材を焼きなますことができるため、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、通路を形成するためのプレスを行っても被覆層にクラックを発生させることがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料をプレス加工して製作された燃料電池用セパレータを示す。図１は、図２のセパレータ２を上面方向から見た場合の横断面に相当する。そして、以下においては、図２に示した固体高分子型燃料電池に適用した場合について説明する。
【００１７】
セパレータ２０は、コア材２１と、このコア材２１の両面（又は片面）にＴｉによる被覆層２２を設けた複合材となっている。更に、必要に応じて、被覆層２２（Ｔｉ）の導電性を高めるため、被覆層２２にＡｕ（金）等をコーティングする。この複合材は成形によって両面に溝が設けられ、水素供給用通路２３及び酸素供給用通路２４が形成される。コア材２１には、Ｃｒを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金が用いられる。１１〜２０％のＣｒを含むフェライト系ステンレス合金は、オーステナイト系ステンレスに比べ、比較的低温度で焼きなますことができる。なお、Ｃｒが１１％以下ではステンレスとしての耐食性が十分でなく、また、２０％以上では焼きなまし熱処理温度（以下、熱処理温度という）が高くなるため好ましくない。
【００１８】
熱処理温度は７００〜８５０℃が最適であり、これにより金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上し、プレス時のチタン層のクラックを防止することができる。仮にクラックが発生したとしても、その発生数はオーステナイト系ステンレスのときに比べて大幅に減少するので、溶出量としては小さく高分子イオン交換膜の性能を落とすことがない。７００℃以下の温度では、Ｔｉによる被覆層２２を十分焼きなますことができず、成形加工が難しくなり、被覆層２２に多数のクラックを発生する。また、８５０℃以上の温度では、金属間化合物が厚く生成するため、７００℃以下の場合と同様に多くのクラックが発生する。また、上記温度範囲で複合材を熱処理すれば、ステンレス鋼によるコア材も焼きなますことができる。
【００１９】
上記の構成により、本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料を用いて製作された燃料電池用セパレータは、以下の特性を備えることが可能になる。
（１）良好な耐食性を有する。
（２）経年による電気抵抗の変化が少ない。
（３）良好な加工性を有する。
（４）低コストが可能。
（５）高い疲労強度及び良好な耐久性を備える。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について説明する。
本実施例においては、コア材２１として、板状のフェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３０を用いた。冷間圧延法によって５０％以上の加工度を加えて純Ｔｉをコア材２１の両面にクラッドし、被覆層２２を形成した。被覆層２２は、更に数回の圧延を行って０．３ｍｍの厚みにした。Ｔｉ層：ステンレス層：Ｔｉ層の比率は１：８：１とした。このクラッド材を各温度で熱処理した後、プレス法により水素供給用通路２３と酸素供給用通路２４を成形した。通路２３，２４の深さは０．６ｍｍとした。更に、このような構成のセパレータ２０を用いて図２に示したような固体高分子型燃料電池を構成し、水素及び空気をそれぞれのセパレータ（２，７）に流して発電試験を行うことにより、溶出性のテストを行った。また、比較のため、コア材が純Ｆｅとオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３０４によるクラッド材についても同ように製作し、発電試験による溶出性を調査した。なお、Ｔｉクラッド材はそのままでは、すぐに表面に緻密な酸化膜を生じて導電性が低下してしまうため、導電性の確保を目的として約０．１μｍのＡｕ層を蒸着により表面に形成した。
【００２１】
表１は本発明による効果を調査した結果を示し、表２は比較例による効果を調査した結果を示す。なお、どちらも水素供給用通路２３と酸素供給用通路２４は深さ０．６ｍｍとした。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１から明らかなように、本実施例では、コア材２１にＳＵＳ４３０のステンレス鋼を用いたことにより、７００〜８５０℃の熱処理温度で焼きなますことができた。このため、金属間化合物の生成が抑えられ、クラックの発生数は１〜２個と非常に少なくすることができた。この程度のクラック数であれば、ＳＵＳ４３０自体が備える耐食性によって溶出量を十分に小さくでき、電池特性の低下が抑えられる。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
一方、表２から明らかなように、Ｔｉ／ＳＵＳ４３０／Ｔｉの構成による比較例１では、６５０℃と９００℃で熱処理を行ったが、この温度ではクラックが多数発生し、溶出によって電池特性が大きく低下した。更に、Ｔｉ／ＳＵＳ３０４／Ｔｉの構成の比較例２は、７５０℃の熱処理では焼きなますことができず、プレス時に被覆層２２に多数のクラックが生じた。また、比較例２において、焼きなましが可能な１０００℃で熱処理を行ったところ、厚い金属間化合物層が生じ、比較例２と同ようにプレス時に多数のクラックが生じた。多数のクラックが生じたことによってＳＵＳ３０４の溶出量が多くなり、電池特性の低下が見られた。また、比較例３のＴｉ／Ｆｅ／Ｔｉの構成では、７５０℃の熱処理で焼きなましできるため、金属間化合物の生成も少なく、Ｔｉ層のクラック数も少ないが、Ｆｅは耐食性に劣るため、僅かなクラック数でも大きな電池特性の低下がおきた。
【００２６】
上記の説明においては、導電性を確保するために被覆層２２にＡｕをコーティングしたが、被覆層２２（Ｔｉ）の導電性が保たれ、かつ、溶出しないコーティングであれば、Ｐｔ等の貴金属、ＴｉＮ、ＴｉＢ等の導電性セラミック、黒鉛等の炭素であっても構わない。
【００２７】
また、上記実施例においては、燃料ガスに水素を使用した固体高分子型燃料電池について説明したが、本発明に係るセパレータは、燃料としてメタノール等の液体を流す構成の燃料電池や他の方式の燃料電池に対しても適用可能である。或いは、酸素供給用通路や水素供給用通路のための溝を必要とするセパレータに適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明のセパレータ用耐食金属クラッド材料によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材に用いたことにより、比較的低温度によりコア材を焼きなますことが可能になり、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上するため、燃料電池用セパレータのガス通路を形成するためのプレスを行っても被覆層におけるクラックの発生を最小にでき、深い流路の成形が可能になる。また、フェライト系ステンレス合金によるコア材は、耐食性に優れるため、たとえクラックが発生しても金属イオンの溶出が防止され、高分子イオン交換膜の劣化を防止できるため、燃料電池の高寿命化を図ることができる。
【００２９】
また、本発明のセパレータ用耐食金属クラッド材料の製造方法によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材とし、このコア材にチタン又はチタン合金による被覆層を圧延によりクラッドしてクラッド材を作製し、このクラッド材に７００〜８５０℃で熱処理を施すようにしたので、７００〜８５０℃という低温度によりコア材を焼きなますことができる結果、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、ガス通路を形成するためのプレス加工を行っても被覆層にクラックの発生を最小にでき、深い流路の成形が可能になる。また、フェライト系ステンレス合金によるコア材は、耐食性に優れるため、たとえクラックが発生しても金属イオンの溶出が防止され、高分子イオン交換膜の劣化を防止できるため、燃料電池の高寿命化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料を用いて製作された燃料電池用セパレータを示す断面図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の模式的構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  固体高分子型（ＰＥＦＣ）燃料電池
２  セパレータ
３  固体高分子電解質膜
４  燃料極
５  空気極
６  水素供給用通路
７  セパレータ
８  酸素供給用通路
９  セル
２０  セパレータ
２１  コア材
２２  被覆層
２３  水素供給用通路
２４  酸素供給用通路
【図１】
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【図２】
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