(57)【要約】【課題】ガス流路断面のリブ山肩部における表層貴金属層の微小クラック及びこれに伴う下地母材の露出を防止でき、耐食性の低下を防止した燃料電池用セパレータ及び製造方法、本セパレータを使用した燃料電池スタック並びに燃料電池車両を提供する。【解決手段】金属板製の燃料電池用セパレータ１であって、材料として圧延したクラッド合金薄板を用い、クラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有し、ガス流路部の主要なガス流路方向（方向Ｘ）とクラッド合金薄板の圧延方向（方向Ｙ）とにより形成される角度が、±４５°以上であることを特徴とする。【選択図】図１  
2005100813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを流通させるガス流路と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、
材料として圧延したクラッド合金薄板を用い、前記クラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有し、
前記ガス流路部の主要なガス流路方向と前記クラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度が、±４５°以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記主要なガス流路方向と前記クラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度は、±７０°以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記ガス流路部は、ガス流路が蛇行すると共に、ガス流路を複数平行に配置した直線部と前記直線部のガス流路溝に対してほぼ直角にガス流路溝が曲がるコーナー部とを有するサーペンタイン型流路を構成しており、
前記主要なガス流路方向は、前記直線部のガス流路方向であ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セパレータ。
【請求項４】
前記ガス流路部は、ガス拡散層に反応ガスを供給する供給用ガス流路とガス拡散層から反応ガスを回収する排出用ガス流路とを独立に形成し、前記供給用ガス流路と排出用ガス流路とを交互に平行に多数配置した直線部を備えたインターディジテート型流路を構成しており、
前記主要なガス流路方向は、前記直線部のガス流路方向であ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セパレータ。
【請求項５】
ガスを流通させるガス流路と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、
材料として圧延したクラッド合金薄板を用い、前記クラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有し、
前記クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向に近いガス流路と、直角方向に近いガス流路と、の断面形状が異なることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記ガス流路部の断面形状において、クラッド合金薄板の圧延方向に対して直角方向に近いガス流路のリブ山肩部及び溝底隅部の曲率半径は、平行方向に近いガス流路よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記ガス流路部の断面形状において、クラッド合金薄板の圧延方向に対して直交方向に近いガス流路の溝縦壁部における斜面の角度は、平行方向に近いガス流路よりも小さいことを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記金属板は、鉄基合金、Ni基合金、Ti基合金及びステンレス合金の中から選択される１種又は２種以上を組み合わせた合金から形成される母材と、この母材上に耐食性かつ導電性の表面処理を施して形成された被覆層と、を有することを特徴とする請求項１又は５に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記金属板は、母材上に０．０１μｍ〜０．０５μｍの厚さの貴金属層を形成して、５％〜１５％の圧下率で圧延加工してクラッド化したクラッド合金薄板であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
前記母材は、オーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
電解質膜の両面にそれぞれ酸化剤極及び燃料極を形成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の酸化剤極側に配置した酸化剤極側セパレータと、前記膜電極接合体の燃料極側に配置した燃料極側セパレータと、を有し、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した単セルを複数個積層し、各単セル間に冷却水流路を形成した燃料電池スタックであって、前記酸化剤極側セパレータ及び燃料極側セパレータは、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを特徴とする燃料電池車両。
【請求項１３】
金属板の表面上に貴金属層を形成して５％〜１５％の圧下率により圧延加工を施してクラッド化して、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きいクラッド合金薄板を用いて、前記ガス流路部の主要なガス流路方向と前記クラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度を±４５°以上としてクラッド合金薄板を延伸する予備プレス成形工程と、
前記クラッド合金薄板を所定の波形形状にプレス成形してガス流路部を形成する仕上げプレス成形工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、マルチパス・サーペンタイン型あるいはインターディジテート型のガス流路パターンを形成した固体高分子電解質型の燃料電池用セパレータ及びその製造方法、燃料電池スタック並びにこれを搭載した燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料である水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。化学エネルギを電気エネルギに直接変換できるため、燃料電池の発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高い。また、化石燃料を使用しないため資源の枯渇が問題とならず、発電に伴い排気ガスが生じない等の利点を有するため、燃料電池は地球環境保護の観点からも注目されている。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を使用して、高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は、比較的低温で作動し、発電効率も高いため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【０００４】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを含み、燃料電池スタックは、基本単位となる単セルを複数個積層して加圧保持した後、両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより固定して一体に構成される。
【０００５】
図１５は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図１５に示す単セル３０は、固体高分子電解質膜３１の両側に酸素極３２及び水素極３３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極３２及び水素極３３は、反応膜３４及びガス拡散層３５（GDL: gas diffusion layer）を備えた２層構造であり、反応膜３４は固体高分子電解質膜３１側に形成される。酸素極３２及び水素極３３の両側には、酸素極側セパレータ３６及び水素極側セパレータ３７を各々設置し、各セパレータ３６,３７により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路を形成している。
【０００６】
上記構成の単セルは、固体高分子電解質膜３１の両側に酸素極３２，水素極３３を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を構成し、膜電極接合体の両側にセパレータ３６,３７を配置する。酸素極３２及び水素極３３はポーラス状であり、その内部をガスや水が通過する。上記単セルから構成される燃料電池では、水素極側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸素極側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜３１と反応膜３４との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。  
上記構成の燃料電池スタックにおいて、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散膜３５を介して反応膜３４側に供給され、水素極側及び酸素極側の反応膜３４において反応が起こる。
【０００７】
[化１]
水素極側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-            ・・・式（１）
酸素極側：(１/２)Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  →Ｈ2 Ｏ・・・式（２）
水素極３３側に水素ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、２Ｈ+ と２ｅ-とが生成する。２Ｈ+は、水和状態で固体高分子電解質膜３１内を移動して酸素極３２側に流れ、２ｅ- は負荷３８を通って水素極３３から酸素極３２に流れる。酸素極３２側では、２Ｈ+と２ｅ-  と供給された酸素ガスとにより、式（２）の反応が進行して、電力が生成する。
【０００８】
上記燃料電池スタックに使用されるセパレータは、各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良好であり、かつ、構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、セパレータは、水素ガスと酸素ガスとを隔離するものであるため、水素ガスや酸素ガスの反応ガスに対してのガス気密性が高いことが必要である。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は、８０[℃]〜９０[℃]と高温であり、セパレータは高温状態のガスに晒されるため、水素ガス及び酸素ガスの酸化還元反応に対する耐食性が要求される。
【０００９】
例えば、原材料であるカーボンをプレート状に成形し、その両面側に反応ガス流路を形成したセパレータが開示されている（非特許文献１参照）。
【００１０】
図１６は、プレート状のカーボン製セパレータを使用した単セルの構成を示す断面図である。図１６に示すように、固体高分子電解質膜３９の両面側に酸素極４０及び水素極４１を設置して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両面側にセパレータ４２,４３を配置している。
【００１１】
しかしながら、セパレータをカーボン製にすると、セパレータとガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗は低く、この点からは優れているが、金属製のセパレータと比較すると強度が低かった。自動車等の移動体車両に燃料電池を搭載するために、セパレータの厚さを薄肉化し、燃料電池を小型化するという要求があるが、セパレータの厚さを薄肉化するためには限界があり、少なくとも１[ｍｍ]〜５[ｍｍ]程度の厚さが必要であった。
【００１２】
そこで、近年、燃料電池の小型化及び低コスト化を実現するために、金属薄板をプレス成形して、断面が連続した波型形状を有するセパレータを使用する試みがなされている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【００１３】
さらに、前述したように、セパレータの特性として、ガス拡散電極等の構成材料との間の接触電気抵抗が低く、水素ガス及び酸素ガスの酸化還元反応に対して耐食性を有することが要求される。このため、金属板表面に貴金属層を形成して、５％以上の圧下率で圧延加工を施してクラッド化したクラッド合金薄板を所定形状にプレス成形し、水素ガス又は酸素ガスを流通させるガス通路を形成したセパレータが開示されている（特許文献３及び特許文献４参照）。
【００１４】
本技術によれば、基材上に貴金属層を被覆し、基材及び貴金属層の両者を圧延したため、両者の密着力が高くクラッド材と同程度の密着力を得られる。また、貴金属層のポーラス構造を緻密化でき、さらにピンホールが閉孔して耐食性が良くなる。このため、圧延後に塑性加工処理を施しても貴金属層が剥離することがない。また、圧延により耐食性が向上するため、貴金属層を薄肉化することにより低コスト化でき、貴金属層の形成によりガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗を低くすることができる。
【非特許文献１】「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」（株）技術情報協会１９９９年発行（第９２頁）
【特許文献１】特開２０００−３２３１４９号公報（第４頁、第１図）
【特許文献２】特開２００２−１９０３０５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献３】特開２００２−２６０６８１号公報（第３頁、第２図）
【特許文献４】特開２００２−２５４１８０号公報（第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、金属板上に貴金属層を形成して５[％]以上の圧下率で軽圧延加工してクラッド化したクラッド合金薄板を使用し、所定形状にプレス成形した場合には、特に、強加工されるガス流路部断面形状のリブ山肩部において、下地母材に局所的に過大な伸び歪みが生じていた。そして、下地母材に歪みが生じると、表層に形成した貴金属層が追随できず、貴金属層に数[μｍ]×数十 [μｍ]程度程度の多数の微小クラックが発生してしまい、微小クラックの発生部位で下地母材が露出してしまっていた。その結果、下地母材の表面に貴金属層を形成した割には、耐食性を向上することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明者は、金属板の表面上に貴金属層を形成し、５[％]以上の圧下率により圧延加工を施したクラッド合金薄板を使用し、プレス成形して所定形状のガス流路を構成したセパレータとする場合に、セパレータ断面のリブ山肩部において耐食性が低下する原因を調査した。具体的には、プレス成形の方法やガス流路部の断面形状と、貴金属層に発生する微小クラックと、の関係について鋭意研究を重ねて、耐食性が低下する原因を調査した。
【００１７】
一般的には、通常のフェライト系鋼板の冷間圧延材では、圧延により結晶粒が圧延方向に伸びると、圧延方向に対して直角方向よりも平行方向における伸びが大きくなり、加工性が良くなるという現象が知られている。しかし、セパレータの材料として軽圧延加工を施したクラッド合金薄板を使用すると、クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向及び直角方向における強度と塑性変形とが異なり、材料自体に異方性が存在することが判った。そして、材料の異方性に起因して、圧延方向に対して直角方向にガス流路を形成する場合に比べ、圧延方向に対して平行方向にガス流路を形成すると、貴金属層に微小クラックが発生し易く、微小クラックの発生に伴い下地母材である金属板が露出して、耐食性が低下してしまうことが判った。
【００１８】
そこで、クラッド合金薄板の異方性に着目して、クラッド合金薄板と主要なガス流路方向とにより形成される角度を直角に近づけてプレス成形し、セパレータを構成することにより、リブ山肩部での微小クラックの発生を低減できることを見出した。
【００１９】
さらに、クラッド合金薄板の異方性に着目し、クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向に近いガス流路を、成形が容易な断面形状とすることにより、リブ山肩部での微小クラックの発生を抑制して、耐食性の低下を防止できることを見出したものである。
【００２０】
また、セパレータを成形する際、材料を延伸する予備プレス成形工程を１段以上と、所定の形状とするプレス成形工程との２段以上の多段プレス成形を行い、予備プレス成形工程において十分に材料を延伸し、プレス成形工程にてセパレータの面方向に引張応力ではなく圧縮応力を作用させてリブ山肩部を曲げ加工することにより、耐食性の低下を防止できることも見出した。
【００２１】
すなわち、第１の発明である燃料電池用セパレータは、ガスを流通させるガス流路と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、材料として圧延したクラッド合金薄板を用い、前記クラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有し、前記ガス流路部の主要なガス流路方向と前記クラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度が、±４５°以上であることを要旨とする。
【００２２】
また、第２の発明である燃料電池用セパレータは、ガスを流通させるガス流路と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、材料として圧延したクラッド合金薄板を用い、前記クラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有し、前記クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向に近いガス流路と、直角方向に近いガス流路と、の断面形状が異なることを要旨とする。
【００２３】
さらに、第３の発明である燃料電池スタックは、電解質膜の両面にそれぞれ酸化剤極及び燃料極を形成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の酸化剤極側に配置した酸化剤極側セパレータと、前記膜電極接合体の燃料極側に配置した燃料極側セパレータと、を有し、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した単セルを複数個積層し、各単セル間に冷却水流路を形成した燃料電池スタックであって、前記酸化剤極側セパレータ及び燃料極側セパレータは、上記記載の燃料電池用セパレータであることを要旨とする。
【００２４】
また、第４の発明である燃料電池車両は、上記燃料電電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを要旨とする。
【００２５】
さらに、第５の発明である燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板の表面上に貴金属層を形成して５％〜１５％の圧下率により圧延加工を施してクラッド化して、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きいクラッド合金薄板を用いて、前記ガス流路部の主要なガス流路方向と前記クラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度を±４５°以上としてクラッド合金薄板を延伸する予備プレス成形工程と、前記クラッド合金薄板を所定の波形形状にプレス成形してガス流路部を形成する仕上げプレス成形工程と、を有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００２６】
第１の発明及び第２の発明である燃料電池用セパレータによれば、クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向のガス流路において顕著になるガス流路断面のリブ山肩部で発生する貴金属層の微小クラックの発生と微小クラックの発生に伴う下地母材の露出による耐食性の低下を防止することができる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池スタックによれば、小型化及び低コスト化できると共に、発電性能を高めることができる。
【００２８】
さらに、本発明の燃料電池車両によれば、小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、電気伝導性が良好で、構成材料との接触抵抗が低いだけでなく、耐食性の優れたセパレータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の燃料電池用セパレータ及びその製造方法、燃料電池スタック並びに燃料電池車両について、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した燃料電池電気自動車の例を挙げて第１実施形態から第４実施形態までを用いて説明する。
【００３１】
＜第１実施形態（図１〜図８、表１〜表２）＞
本発明の実施の形態では、インターディジテート型及びサーペンタイン型のガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」とする。）を例に挙げて説明する。また、燃料電池用セパレータの製造方法において、燃料電池用セパレータの主要なガス流路方向とクラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度を種々変えてプレス成形を行い、耐食性を評価した。なお、サーペンタイン型のガス流路は、１パス当り３本のガス流路溝を備えた５パス・サーペンタイン型である。
【００３２】
図１は、インターディジテート型のガス流路を形成したセパレータ１のガス流路面側の上面図であり、図２は、その断面形状を示す模式図である。
【００３３】
図１に示すように、インターディジテート型流路を形成したセパレータ１は、中央に発電部としてのガス流路部２を形成している。ガス流路部２は、電流を導通させる凸形状のリブ山３とリブ山３に隣接した凹形状のガス流路４とを交互に形成して凹凸形状としており、ガス流路４は、供給用ガス流路４aと排出用ガス流路４bとにより構成される。供給用ガス流路４aは、図示しないガス拡散層に反応ガスを供給するために一端をガスマニホールド５aに接続して外部に開口し他端を閉口している。排出用ガス流路４bは、図示しないガス拡散層から反応ガスを回収するために一端をガスマニホールド５bに接続して外部に開口し他端を閉口している。供給用ガス流路４aと排出用ガス流路４bとは、各々独立して形成され、供給用ガス流路４aと排出用ガス流路４bとを交互に平行に多数配置して直線部を構成している。さらに、ガス流路部２外周には、ビード部６を形成している。
【００３４】
なお、ここで、インターディジテート型のセパレータ１において、「主要なガス流路方向」とは、図１に示す方向Ｘを意味し、供給用ガス流路４aと排出用ガス流路４bとが多数交互に平行に配置された直線部のガス流路方向である。図１に示すＹ−Ｙ’断面図によりセパレータ１を断面から観察すると、図２に示すように連続した波型形状を有する。
【００３５】
図３は、セパレータ１のガス流路部２を模式的に示す斜視図であり、本図に示すように、ガス流路部２は、リブ山平坦部７からリブ山斜面部８を介してガス流路溝底部９が連続しており、リブ山平坦部７及びガス流路溝底部９が略平行に配置される。図４は、図３に示すガス流路部２の断面図であり、本図に示すように、セパレータは、リブ山平坦部幅Ｌ１、リブ山斜面部の面方向幅Ｌ２、ガス流路溝幅Ｌ３、セパレータ１の板厚t、ガス流路溝の深さdの形状である。
【００３６】
図５は、サーペンタイン型のガス流路を形成したセパレータのガス流路面側の上面図である。なお、図１に示したセパレータ１と同一箇所には同一符号を付してその説明を省略する。図５に示すように、セパレータ１０は、ガス流路４の両端をガスマニホールド５a,５bに連結しており、一方のガスマニホールド５aから他端のガスマニホールド５bまでに５パス構成している。ガス流路２は、１パス当り３本のガス流路１１を平行に配置して、直線部１２と、直線部１２のガス流路１１に対してほぼ直角に曲がるコーナー部１３と、を備えており、隣接するパスのガス流路１１はコーナー部１３で連結している。なお、ここで、サーペンタイン型のガス流路を形成したセパレータ１０において、「主要なガス流路方向」とは、図５に示す方向Ｃを意味し、直線部６のガス流路１１の方向である。また、図５に示す方向Ｄは、後述するクラッド合金薄板の圧延方向である。
【００３７】
上記の各形状のガス流路を形成した燃料電池用セパレータ１,１０は、いずれも下地母材である金属板の両面に耐食性かつ導電性の表面処理を施して被覆層を形成したクラッド合金薄板から構成される。以下、具体的に各材料について説明する。
【００３８】
下地母材である金属板としては、鉄基合金、Ni基合金、Ti基合金及びステンレス合金の中から選択される１種又は２種以上を組み合わせた合金から形成すると良く、このような種類の合金を使用することにより、燃料電池の小型化に適した強度を有し、耐食性かつ生産性の優れた燃料電池セパレータを低コストにより提供することができる。
【００３９】
上記鉄基合金の中でも、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼板を使用することが最も好ましく、耐食性及び生産性に優れると共に、燃料電池の発電効率を好適に維持するための低接触抵抗を有する燃料電池セパレータを低コストにより提供することができる。
【００４０】
被覆層は、下地母材である金属板上に耐食性かつ導電性の表面処理を施して形成した貴金属であり、より具体的には、金属板上に厚さ０．０１[μｍ]〜０．０５[μｍ]の貴金属層を形成したものである。貴金属層の厚さを０．０１[μｍ]〜０．０５[μｍ]の範囲としたが、貴金属層の厚さが０．０１[μｍ]未満になると耐食性が低下してしまい、０．０５[μｍ]を超えるとコストが高騰するためである。そして、下地母材である金属板上に貴金属層を形成して上で、５[％] 〜１５[％]の圧下率で圧延加工し、クラッド化したクラッド合金薄板を用いている。なお、圧下率を５[％] 〜１５[％]と規定したが、圧下率が５[％]未満になると、貴金属層の欠陥が大きくなり耐食性が低下し、圧下率が１５[％]を超えると、所定の厚さにすることができないからである。
【００４１】
貴金属層は、金(Au)、プラチナ(Pt)又は銀(Ag)等の貴金属から構成することが好ましい。金属板上に貴金属層を形成することにより、耐食性及び生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００４２】
上記構成のセパレータ１,１０は、以下に示す製造方法により製造される。
【００４３】
まず、母材として、Fe基合金、Ni基合金、Ti基合金及びステンレス合金の中から選択される１種又は２種以上を組み合わせた合金板を準備し、母材の両面に金(Au)等の貴金属により０．０１〜０．０５[μｍ]の厚さの貴金属層を形成する。その後、５[％]以上の圧延率により圧延して、クラッド合金薄板を作製する。
【００４４】
貴金属層を簿材上に形成する方法は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ処理、ＣＶＤ処理及び電気めっき、無電解めっき等のめっき処理が挙げられる。また、圧延は、母材と貴金属層との密着力を向上させて、貴金属層のポーラス構造を緻密化すると共に、ピンホールを閉孔して耐食性を向上させるものであり、通常使用される圧延ロールを用いて圧延することができる。
【００４５】
作製したクラッド合金薄板は、圧延方向に対して平行方向と直角方向とにおける引張強度及び伸びが同等であり、圧延方向に対して直角方向の降伏点が平行方向よりも大きく、かつ、圧延方向に対して平行方向の加工硬化係数が直角方向よりも大きい特性を有する。そして、ガス流路部の主要なガス流路方向とクラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角度を、±４５°以上、より好ましくは、±７０°以上として配置し、張り出し成形により断面が波型形状のセパレータとした。なお、ここで張り出し成形とは、材料を伸ばすための予備プレス成形工程を１段と、所定の形状を得るための仕上げプレス成形工程を１段と、を備えた多段プレス成形のことを言う。
【００４６】
以下、実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例２を用いて説明する。  
実施例１〜実施例６
各実施例では、t０.１１[ｍｍ]のSUS316L溶体化処理(BA)材の薄板の両面に、厚さ０.０３[μｍ]のAuメッキを施し、これを圧下率１０[％]で冷間圧延加工を施してクラッド化した、厚さ０.１[ｍｍ]のクラッド合金薄板を使用した。
【００４７】
次に、クラッド合金薄板について、寸法１５０[ｍｍ]×１５０[ｍｍ]に切り出した後、ガス流路部２（アクティブエリア）寸法を１００[ｍｍ]×１００[ｍｍ]とした流路を張り出し成形して、セパレータとした。張り出し成形する際に、クラッド合金薄板の圧延方向と、主要なガス流路方向とに形成される角度を変化させた。より、具体的には、実施例１では、図１に示すクラッド合金薄板の圧延方向（方向Ｚ）と、主要なガス流路方向（方向Ｘ）と、により形成される角度を９０ [°]とし、実施例２は７０[°]の角度とし、実施例３は４５[°]の角度として変化させた。また、実施例４は、図５に示すクラッド合金薄板の圧延方向（方向Ｄ）と、主要なガス流路方向（方向Ｃ）と、により形成される角度を９０ [°]とし、実施例５は７０[°]の角度とし、実施例６は４５[°]の角度として変化させた。
【００４８】
また、予備プレス成形工程後の成形高さは０．８２[ｍｍ]とし、仕上げプレス成形工程後の製品の成形高さは０．６０[ｍｍ]とした。また、リブ山平坦部幅Ｌ１は０．８[ｍｍ]、リブ山斜面幅Ｌ２は０．１[ｍｍ]、流路溝幅Ｌ３は１．２[ｍｍ]であり、周辺部のプレス成形加工を受けていない部分の板厚ｔ４は、０．１[ｍｍ]とした。
【００４９】
比較例１〜比較例２
比較例１及び比較例２では、クラッド合金薄板の圧延方向と、主要なガス流路方向とにより形成される角度を、本発明の範囲外としたものであり、具体的には、０[°]、３０[°]と変化させた。その他は、上述した実施例１〜実施例６と同様の方法により各セパレータを作製した。
【００５０】
上記実施例１で作製したセパレータのガス流路部における断面形状を光学顕微鏡写真により撮影し、その断面写真を図６に示した。図６に示すように、ガス流路部の断面形状におけるガス拡散層と接触する側のリブ山肩部１４の板厚が最も薄く、曲率が最も小さい部位が存在していた。
【００５１】
次に、実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例２の各セパレータについて、図６に示したセパレータのリブ山肩部の板厚が最も薄く、曲率が最も小さい部位である、ガス拡散層と接触するガス流路部を切り出して、リブ山肩部での貴金属層の微小クラックの発生及び微小クラックの発生に伴う下地母材の露出を調査した。切り出したセパレータの一部をｎ−ヘキサンにより超音波洗浄した後、オージェ電子分光分析を行った。オージェ電子分光分析は、電界放射型オージェ電子分光分析装置（PHI製Model680）を使用して、電子線加速電圧１０[kV]、ビーム径〜Φ３５[ｎｍ]、測定領域を１６０[μｍ]×２００[μｍ]（５００倍）、２５６×２５６ピクセルの条件として測定したものである。本測定条件下において、表層であるAu及び下地母材であるステンレスの主元素であるFeについて元素マッピングを行うと共に、分析位置と同一視野のSEM（走査型電子顕微鏡）観察像を取得した。なお、数十ｎｍ程度の薄い表層である貴金属層の破断及び貴金属層の破断に伴う下地母材露出の判別には、検出深さの深いEPMA（電子線プローブ微小分析）等では的確な判断ができないため、オージェ電子分光分析を行ったものである。
【００５２】
[面積率の測定]
電子分光分析では、情報を検出できる深さは数 [ｎｍ]程度であるので、Auマッピング結果でAuが検出されない部分とFeマッピング結果でFeが検出された部分の位置、形状が合致している場合には、表層のAu層が破断してしまい、下地母材であるステンレスが露出していると判別することができる。
【００５３】
取得したSEM観察像及びオージェ電子分光分析での元素マッピング結果から、表層であるAu層が破断して下地母材であるステンレスが露出した箇所の面積率を測定した。なお、面積率の測定は、下地母材であるステンレスが露出した箇所の面積を測定し、セパレータ表面の全面積に対する割合を算出して下地母材の露出面積率[％]を求めた。その結果を表１に示す。
【００５４】
[耐食性の評価]
さらに、上記実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例２から得られた各セパレータのガス流路部を切り出して、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いて、表層である貴金属層の微小な破断の発生に伴う下地母材の露出による耐食性の低下の度合いを評価した。
【００５５】
燃料電池では、酸素極側では水素極側に比較して、最大で１[V]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させて、プロトン伝導性を利用するものであり強酸性を示す。このため、定電位電解試験において、電位をかけた状態で一定時間保持し、一定時間が経過する間の腐食電流密度及び溶液中に溶け出した金属イオン量により耐食性を評価した。なお、定電位電解試験の条件は、溶液液性として硫酸酸性ｐH２とし、温度８０[℃]、電位１[V]ｖｓSHE及び一定の保持時間を１００[ｈｒ]とした。また、試験片は、電極部を３[cm]角になるように旗棹型試験片を切り出し、切り出した端面、及び、裏面をマスキング材でシールし、表側の２．５[cm]角が電極部となるよう作製した。この定電位電解100[hr]保持後の溶液中に溶出した金属元素量をICP-mass分析により定量し、溶け出した金属元素量を電極面積で除した単位電極面積当り溶出元素量、及び、試験中の腐食電流密度(腐食電流を電極面積で除した値[μA/cm2])にて、耐食性を評価した。
【００５６】
定電位電解試験の結果から、成形前における平板状態のクラッド化薄板に対する耐食性悪化倍率を求めた。なお、耐食性悪化倍率は、それぞれの実施例及び比較例について、単位電極面積当りの溶出元素量を測定し、成形前の平板状態での単位電極面積当り溶出元素量にて除した値である。その結果を表１に示す。
【表１】
2005100813.tif 000003
表１に示すように、主要なガス流路方向と、クラッド合金薄板の圧延方向と、により形成される角度を４５[°]以上とした実施例１〜実施例６の各セパレータは、角度を４５[°]未満とした比較例１〜比較例４の各セパレータに比べて、下地母材の露出面積率が低く、耐食性悪化倍率も低くできることが判明した。特に、主要なガス流路方向と、クラッド合金薄板の圧延方向と、により形成される角度を７０°以上とした実施例１及び実施例４のセパレータでは、特に、下地母材の露出面積率も低く、耐食性悪化倍率を低く抑えられることが判明した。
【００５７】
さらに、上述した実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例２で使用した各クラッド合金薄板の強度特性を評価するために、引張試験を行った。具体的には、t０.１１[ｍｍ]のSUS316L溶体化処理(BA)材の薄板材の両面に、厚さ０.０３[μｍ]のAuメッキを施し、これを圧下率１０[％]の冷間圧延にてクラッド化した、厚さ０.１[ｍｍ]のクラッド合金薄板について、クラッド合金薄板の圧延方向と平行方向、及び圧延方向と直角方向の各方向に関し、それぞれクラッド合金薄板の向きを変えて引張試験を行った。引張試験によって得られた荷重−伸び線図から、クラッド合金薄板の降伏応力、引張強度、引張歪み、加工硬化係数(n値)及び塑性係数Ｆの諸特性を求め、その結果を表２に示し、さらに、図７及び図８に応力−歪線図を示した。
【表２】
2005100813.tif 000004
表２に示すように、本実施の形態で使用したクラッド合金薄板の圧延方向及び直角方向について、引張強度及び引張歪み等の値をみると、強度特性に異方性は認められない。これに対し、図７及び図８に示す応力−歪線図を観察すると、圧延方向に対して平行方向である場合に降伏応力が若干低く、加工硬化係数は若干大きな値であり、圧延方向に対して平行方向及び直角方向での差異が認められた。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態で使用するクラッド合金薄板は、圧延方向と平行方向における降伏応力が低く、加工硬化係数が大きいため、主要なガス流路方向とクラッド合金薄板の圧延方向とにより形成される角を±４５°以上とすることにより、ガス流路断面のリブ山肩部における表層貴金属層の微小クラック及びこれに伴う下地母材の露出を防止でき、耐食性の低下を防止することができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、１パス当り３本のガス流路溝を備えたガス流路を構成した５パス・サーペンタイン型のセパレータを例示したが、サーペンタイン型の流路を構成したセパレータに限定されるものではなく、直線部及びコーナー部のガス流路部を形成した他の形状のガス流路部としたセパレータであっても良い。
【００６０】
＜第２実施形態（図９〜図１０、表３）＞
本実施形態では、１パス当り３本のガス流路溝を有するサーペンタイン型のガス流路を形成した燃料電池用セパレータを例に挙げて説明する。
【００６１】
本実施形態に係るサーペンタイン型のガス流路を形成した燃料電池用セパレータは、第１実施形態で示した図５に示したセパレータと同様であり、使用したクラッド合金薄板は、第１実施形態で使用した材料及び製造方法は同様とした。
【００６２】
本発明の実施の形態に係るセパレータは、クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向に近いガス流路と、直角方向に近いガス流路と、の断面を異なる形状としたものである。そして、上記セパレータにおけるガス流路部の断面形状において、クラッド合金薄板の圧延方向に対して直角方向に近いガス流路のリブ山肩部及び溝底隅部の曲率半径を平行方向に近いガス流路よりも小さくすることが好ましい。さらに、上記セパレータにおけるガス流路部の断面形状において、クラッド合金薄板の圧延方向に対して直交方向に近いガス流路の溝縦壁部における斜面の角度、より具体的には、リブ山斜面とガス流路溝の深さ方向とにより形成される角度を平行方向に近いガス流路よりも小さいことが好ましい。以下、実施例及び比較例により説明する。
【００６３】
実施例
本実施例では、クラッド合金薄板の圧延方向に対し平行方向に近いガス流路と、圧延方向に対し直角方向に近いガス流路と、の断面形状を変えた。
【００６４】
材料は、第１実施形態で使用した材料と同様とし、t０.１１[ｍｍ]のSUS316L溶体化処理(BA)材の薄板材の両面に、厚さ０.０３[μｍ] のAuメッキを施し、これを圧下率１０[％]の冷間圧延にてクラッド化した厚さ０.１[ｍｍ]のクラッド合金薄板を使用した。なお、クラッド合金薄板の圧延方向は、直線部６のガス流路１１の流路方向である主要なガス流路方向に対して直角方向とした。
【００６５】
本実施例で作製したセパレータのガス流路部の断面形状を図９に示す。図９（ａ）は、図１のA-A’断面図であり、クラッド合金薄板の圧延方向に対し直角方向のガス流路の断面形状を模式的に示す図である。図９（ａ）に示すように、ガス流路の断面形状における各寸法は、リブ山平坦部幅（Ｌ１）０．８[ｍｍ]、リブ山斜面幅（Ｌ２）０．１[ｍｍ]、流路溝幅（Ｌ３）１．２[ｍｍ]、リブ山肩部の外側曲率半径０．２５[ｍｍ]とした。
【００６６】
また、図９（ｂ）は図１のB-B’断面図であり、クラッド合金薄板の圧延方向と平行方向のガス流路の断面形状を模式的に示す図である。図９（ｂ）に示すように、ガス流路断面の各寸法は、リブ山平坦部幅（Ｌ１）０．７[ｍｍ]、リブ山縦壁部の斜面幅（Ｌ２）０．２[ｍｍ]、流路溝幅（Ｌ３）１．１[ｍｍ]、リブ山肩部の外側曲率半径０．３５[ｍｍ]である。そして、図９（ｂ）に示すセパレータは、図９（ａ）に示すセパレータのガス流路に比べてリブ山縦壁部が寝ており、つまり、リブ山縦壁部の傾斜が緩やかであり、リブ山肩部の曲率半径が大きい。
【００６７】
比較例
本比較例では、クラッド合金薄板の圧延方向と平行に近い方向におけるガス流路と、クラッド合金薄板の圧延方向と直角に近い方向におけるガス流路と、の断面形状をほぼ同様とした。その他は、前述した実施例と同様とした。
【００６８】
本比較例で作製したセパレータのガス流路部の断面形状を図１０に示す。図１０（ａ）は、図１のA-A’断面図であり、クラッド合金薄板の圧延方向に対して直角方向のガス流路の断面形状を模式的に示す図である。また、図１０（b）は、図１のB-B’断面図であり、クラッド合金薄板の圧延方向に対して平行方向のガス流路の断面形状を模式的に示す図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す各ガス流路の断面形状は同じであり、リブ山平坦部幅（Ｌ１）０．８[ｍｍ]、リブ山斜面幅（Ｌ２）０．１[ｍｍ]、流路溝幅（Ｌ３）１．２[ｍｍ]、リブ山肩部の外側曲率半径０．２５[ｍｍ]とした。
【００６９】
作製した実施例及び比較例の各セパレータについて、圧延方向と平行な方向のガス流路部の、ガス拡散層と接触する側の凸部肩部の最も板厚が薄くなり、曲率が最も小さくなった部位について、オージェ電子分光分析を行うと共に、分析位置と同一視野のSEM（走査型電子顕微鏡）観察像を取得した。オージェ電子分光分析及び走査型電子顕微鏡での観察像から、Au層が破断して、下地母材であるステンレスが露出した部分の面積率を測定した。また、実施例及び比較例の各セパレータ中央のガス流路部を切り出して、定電位電解試験を行い、耐食性を評価すると共に定電位電解試験結果から成形前の平板状態のクラッド合金薄板に対する耐食性悪化倍率を求めた。なお、各試験条件は、第１実施形態に示した試験条件と同様とした。その結果を表３に示す。
【表３】
2005100813.tif 000005
表３に示すように、比較例では、下地母材であるステンレスが露出した箇所の面積率が１．０[％]であり、耐食性悪化倍率も１．４５と高い値になっていたが、実施例では比較例に比べて面積率が低く、また、耐食性悪化倍率も低い値であった。
【００７０】
以上説明したように、本発明の実施の形態において使用したセパレータの材料であるクラッド合金薄板は、圧延方向と直角方向で応力歪線図が異なり、圧延方向に対して平行方向における降伏応力が低く、加工硬化係数が大きい。このため、圧延方向に対して平行方向に近いガス流路と、直角方向に近い方向のガス流路との断面形状を異なるものとすることにより、ガス流路断面のリブ山肩部で貴金属層の微小クラックの発生を防ぎ、これに伴う下地母材の露出を防止してセパレータの耐食性低下を防ぐことができる。
【００７１】
＜第３実施形態（図１１〜図１３）＞
本実施形態では、第１実施形態で作製した燃料電池用セパレータを用いて単セルを形成し、単セルを複数個積層して燃料電池スタックとし、燃料電池を構成した。
【００７２】
図１１は、燃料電池スタックの一部を模式的に示した断面図である。図１１に示すように、燃料電池スタック１５は、単セル１６を複数個積層したものであり、各単セル１６間の内部に冷却水流路１７を形成したバイポーラプレート構造を有する。各単セル１６は、固体高分子型電解質膜１８の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層１９と燃料極を有するガス拡散層２０とを形成して膜電極接合体（MEA）とし、膜電極接合体の酸化剤極側に酸化剤極側セパレータ２１を配置して内部に酸化剤ガス流路２２を形成し、膜電極接合体の燃料極側に燃料極側セパレータ２３を配置して内部に燃料ガス流路２４を形成している。
【００７３】
固体高分子型電解質膜１８としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２８（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。
【００７４】
上記燃料電池スタック１５は、例えば、以下の手順により組み立てることができる。
【００７５】
まず、準備した酸化剤極側セパレータ２１及び燃料極側セパレータ２３上に、固体高分子電解質膜１８と酸化剤極及び燃料極を有する各ガス拡散層１９,２０を備えた膜電極接合体（MEA）を重ね合わせて、交互にセパレータ２１,２３と膜電極接合体とを複数重ね合わせて積層した。積層後、図１２に示すように、両端部にエンドフランジ２５を配置して外周部を締結ボルト２６により締結して、燃料電池スタック２７を構成した。図１３は、燃料電池スタック２４を斜視的に示す図である。
【００７６】
本実施形態によれば、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを使用して燃料電池スタックを組み立てることにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、燃料電池スタック及び燃料電池を小型化することができる。
【００７７】
＜第４実施形態（図１４）＞
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、第２実施形態により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
【００７８】
図１４は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図１４(a)は電気自動車の側面図、図１４(b)は電気自動車の上面図であり、図１４(b)に示すように、車体２８前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部２９を形成している。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、エンジンコンパートメント部２９内に燃料電池スタック２７を搭載している。
【００７９】
本実施形態によれば、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電性能の良い燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタックを車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。
【００８１】
さらに、本実施形態によれば、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。
【００８２】
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図であり、インターディジテート型のガス流路を形成したセパレータのガス流路面側の上面図である。
【図２】図１に示すセパレータの断面形状を示す模式図である。
【図３】図１に示すセパレータのガス流路部を模式的に示す斜視図である。
【図４】図１に示すセパレータのガス流路部の断面形状を示す模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態を説明する図であり、図５は、サーペンタイン型のガス流路を形成したセパレータのガス流路面側の上面図である。
【図６】実施例１で作製したセパレータのガス流路部における断面形状を示す光学顕微鏡写真である。
【図７】圧延方向におけるクラッド合金薄板の引張試験により得られた応力−歪線図である。
【図８】圧延方向と直角方向におけるクラッド合金薄板の引張試験により得られた応力−歪線図である。
【図９】本発明の第２実施形態を説明する図であり、本実施例で作製したセパレータのガス流路部の断面形状を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態を説明する図であり、本比較例で作製したセパレータのガス流路部の断面形状を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態を説明する図であり、燃料電池スタックの外観を示す構成図である。
【図１２】本発明の第３実施形態を説明する図であり、燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図１３】燃料電池スタックを斜視的に示す図である。
【図１４】本発明の第４実施形態を説明する図であり、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の上面図である。
【図１５】従来における、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【図１６】従来における、プレート状のカーボン製セパレータを使用した単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…セパレータ,
２…ガス流路部,
３…リブ山,
４a…供給用ガス流路,
４b…供給用ガス流路,
５a, ５b…ガスマニホールド,
６…ビード部,
【図１】
2005100813.tif 000006
【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】
2005100813.tif 000011
【図７】
2005100813.tif 000012
【図８】
2005100813.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005100813.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
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