(57)【要約】【課題】  加工性及び耐腐食性が向上した、燃料電池用金属系セパレータを提供する。【解決手段】  固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータである。【選択図】図２
2005068551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
温度１３０℃及びｐＨ値３の水素飽和溶液中における腐食速度が２０μＡ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記非晶質合金の破壊靭性が５［ｋｓｉ］・［ｉｎｃｈ１／２］（５．４９［ＭＰａ］・［ｍ１／２］）以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記非晶質合金の弾性限界が１％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記非晶質合金の組成が（Ｚｒ，Ｇａ）ａ（Ｔｉ，Ｐ，Ｗ）ｂ（Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｃ）ｃ（Ｎｉ）ｄ（Ｃｕ）ｅ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｐｄ）ｆ（Ｂｅ，Ｓｉ，Ｂ）ｇ（Ａｌ）ｈの一般式で表示され、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈを１００原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃは１５〜７５原子％、ｄ＋ｅ＋ｆは５〜７５原子％、ｇ＋ｈは０〜５０原子％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記非晶質合金の組成がＺｒ４１Ｔｉ１４Ｎｉ１０Ｃｕ１２.５Ｂｅ２２.５、Ｆｅ７２Ａｌ５Ｇａ２Ｐ１１Ｃ６Ｂ４またはＦｅ７２Ａｌ７Ｚｒ１０Ｍｏ５Ｗ２Ｂ１５であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記アノード及び前記カソードの一面と接触している電解質膜と、
前記アノード及び前記カソードのうち一つに隣接し、前記アノードまたは前記カソードの前記電解質膜に接触している面に対向する面に配置され、固体状の非晶質合金を含有するセパレータと、を含む燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータは、温度１３０℃及びｐＨ値３の水素飽和溶液中における腐食速度が２０μＡ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記非晶質合金の破壊靭性が５［ｋｓｉ］・［ｉｎｃｈ１／２］（５．４９［ＭＰａ］・［ｍ１／２］）以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記非晶質合金の弾性限界が１％以上であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記非晶質合金の組成が（Ｚｒ，Ｇａ）ａ（Ｔｉ，Ｐ，Ｗ）ｂ（Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｃ）ｃ（Ｎｉ）ｄ（Ｃｕ）ｅ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｐｄ）ｆ（Ｂｅ，Ｓｉ，Ｂ）ｇ（Ａｌ）ｈの一般式で表示され、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈを１００原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃは１５〜７５原子％、ｄ＋ｅ＋ｆは５〜７５原子％、ｇ＋ｈは０〜５０原子％であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記非晶質合金の組成がＺｒ４１Ｔｉ１４Ｎｉ１０Ｃｕ１２.５Ｂｅ２２.５、Ｆｅ７２Ａｌ５Ｇａ２Ｐ１１Ｃ６Ｂ４またはＦｅ７２Ａｌ７Ｚｒ１０Ｍｏ５Ｗ２Ｂ１５であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
非晶質合金に変換される非晶質合金形成用溶湯を製造する段階と、
前記溶湯を、得ようとするセパレータ状のモールドキャビティを有するモールドに注入する段階と、
非晶質合金を形成するために、前記モールドキャビティ内の溶湯を臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させる段階と、
を含む、固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１４】
前記固体状の非晶質合金は、温度１３０℃及びｐＨ値３の水素飽和溶液中における腐食速度が２０μＡ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記固体状の非晶質合金の破壊靭性が５［ｋｓｉ］・［ｉｎｃｈ１／２］（５．４９［ＭＰａ］・［ｍ１／２］）以上であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記固体状の非晶質合金の弾性限界が１％以上であることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記固体状の非晶質合金の組成が（Ｚｒ，Ｇａ）ａ（Ｔｉ，Ｐ，Ｗ）ｂ（Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｃ）ｃ（Ｎｉ）ｄ（Ｃｕ）ｅ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｐｄ）ｆ（Ｂｅ，Ｓｉ，Ｂ）ｇ（Ａｌ）ｈの一般式で表示され、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈを１００原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃは１５〜７５原子％、ｄ＋ｅ＋ｆは５〜７５原子％、ｇ＋ｈは０〜５０原子％であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記固体状の非晶質合金の組成がＺｒ４１Ｔｉ１４Ｎｉ１０Ｃｕ１２.５Ｂｅ２２.５、Ｆｅ７２Ａｌ５Ｇａ２Ｐ１１Ｃ６Ｂ４またはＦｅ７２Ａｌ７Ｚｒ１０Ｍｏ５Ｗ２Ｂ１５であることを特徴とする請求項１７に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に係り、さらに詳細には燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の作動メカニズムは、水素、天然ガス、メタノールのような燃料をアノードで酸化させて電子及び水素イオンを生成させることから始まる。アノードにおいて生成した水素イオンは、電解質膜を通じてカソードに移動し、一方、アノードにおいて生成した電子は、導線を通じて外部の回路に供給される。カソードに到達した水素イオンは、外部回路を通じてカソードに到達した電子、及び酸素（空気中の酸素を含む）と結合して水を生成する。
【０００３】
燃料電池は、発電効率が高く、環境親和的な次世代エネルギー転換装置として脚光を浴びている。燃料電池は、使われる電解質の種類によって、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に区分されうる。このような燃料電池の種類によって、作動温度、構成部品の材質が変わる。
【０００４】
これらのうち、ＰＥＭＦＣは、燃料電池の作動温度としては比較的低い温度である約８０〜１２０℃で作動され、非常に高い電力密度を有しうるため、自動車用、家庭用などの電力源として適用されうる。バイポーラプレートは、小さくて軽く、かつ低コストのＰＥＭＦＣを得るために改善の必要がある必須構成部品の一つである。
【０００５】
ＰＥＭＦＣの主な構成要素としては、バイポーラプレート、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）がある。ＭＥＡは、燃料の酸化が起こるアノード、酸化剤の還元が起こるカソード、及びアノードとカソードとの間に位置する電解質膜を含む。電解質膜は、アノードにおいて生成した水素イオンをカソードに伝達させるためにイオン伝導性を有し、アノード及びカソードを電気的に絶縁するための絶縁性を有する。
【０００６】
当該技術分野において公知のように、バイポーラプレートは、燃料及び空気が流れる流路を備えており、ＭＥＡ間の電子移動のための電子伝導体としての役割を果たす。したがって、バイポーラプレートは、燃料と空気とを分離できるように非多孔性であり、電気伝導性に優れ、燃料電池の温度を制御するために十分な熱伝導率を有し、燃料電池を固定する力に耐えるほどの十分な機械的強度を有し、水素イオンに対する耐腐食性を有するといった要求を満足しなければならない。
【０００７】
従来、ＰＥＭＦＣのバイポーラプレートの材料としては、主にグラファイトプレートが使用されていた。この際、燃料流路及び空気流路は、主にフライス加工によって形成されていた。グラファイトプレートは、電気伝導性に優れ、腐食に強いという利点を有しているが、グラファイトプレート自体のコスト及びフライス加工のコストが、バイポーラプレートのコスト上昇の主な要因となっていた。その上、グラファイトプレートは割れやすいため、２〜３ｍｍ以下の厚さに加工することが容易でない。このようなグラファイト系バイポーラプレートの厚さによって、数十ないし数百個の単位電池よりなる燃料電池スタックを小型化するには限界があった。
【０００８】
バイポーラプレートの加工コスト及び厚さを減少させるために、バイポーラプレートの代替材料として、炭素−高分子複合材料や金属が提案されている。
【０００９】
前者の場合、圧縮成形または射出成形方法のような成形方法を適用することによって、バイポーラプレートの量産が容易になり、加工コストが節減されうる。しかし、電気伝導性、機械的強度及びガス気密性のような、バイポーラプレートとして備えなければならない物性を確保するのはまだ困難である。
【００１０】
後者の場合、使われた金属の腐食によって、膜汚染の発生及び接触抵抗の増加という深刻な問題点があらわれた。金属はバイポーラプレートとして必要な物性をほとんど備えており、材料コスト及び加工コストが非常に低い。ＰＥＭＦＣにおいて、バイポーラプレートの材料が金属に代替されると、バイポーラプレートのコストはグラファイトプレートの場合と比較して１／１００以下に下がると予想される。しかし、燃料電池内部の酸性環境で起こる腐食問題によって、金属はバイポーラプレートの材料として適当ではないことが知られている。例えば、ステンレス鋼、Ｔｉ合金、またはＮｉ合金を使用して製造されたバイポーラプレートを採用したＰＥＭＦＣは、グラファイトバイポーラプレートを採用した燃料電池と比較して、１０００時間の性能試験における性能は劣る。
【００１１】
金属バイポーラプレートの耐腐食性を向上させるために、耐腐食性の表面コーティングを適用する方法が知られている。例えば、ＴｉＮのような耐腐食性及び電気伝導性が優秀な材料を、Ｔｉまたはステンレス鋼よりなるバイポーラプレートの本体の表面にコーティングする。しかし、このような耐腐食性コーティングにおいては、単に少数の欠陥またはピンホールが存在しても、その欠陥及びピンホールから始まる腐食は経時的に順次拡大し、バイポーラプレートに部分的に穴を形成させ、それにより燃料電池システム全体の故障をもたらす。
【００１２】
一般的に、金属はいかなる環境でも腐食をするが、その腐食速度は金属が置かれた環境によって大きく変わる。ＰＥＭＦＣの作動温度（すなわち、約８０〜約１２０℃）、カソードにおいて電気化学反応により生成する水、バイポーラプレートと接触する酸性の電解質、ＭＥＡと接触するバイポーラプレートにおいて形成される裂け目、水素環境などが、金属の腐食を加速させる。このような環境で燃料電池の寿命間に耐えられる金属材料を選定することは非常に難しい。
【００１３】
金属バイポーラプレートの腐食は、バイポーラプレート自体の欠陥を誘発させるだけでなく、金属イオンの電解質膜への拡散による電解質被毒現象を起こす。電解質が被毒されれば、電解質の水素イオン伝導度が低下し、それにより燃料電池の性能も低下する。
【００１４】
バイポーラプレートと関連した前記の議論は、エンドプレート、冷却プレート及びセパレータにも同一に適用される。
【００１５】
当該分野において公知のように、エンドプレートは、その一面にのみ燃料または酸化剤のための流路が形成されている電子伝導性のプレートであって、燃料電池スタックの両末端に位置するＭＥＡに付着される。
【００１６】
当該分野において公知のように、冷却プレートは、その一面には燃料または酸化剤のための流路が形成されており、他の面には冷却流体のための流路が形成されている電子伝導性のプレートである。
【００１７】
当該分野において公知のように、セパレータは、アノード及びカソードが流路を有している場合に、アノード及びカソードの反応物、特にガス性反応物（例えば、酸素、水素など）を物理的に分離し、隣接する単位電池を電気的に連結するために使われる。したがって、セパレータは、ガス透過性が低く、電気伝導度に優れ、耐腐食性にも優れ、かつ、優れた熱伝導性をも有していなければならない。
【００１８】
本明細書では、このようなセパレータを“狭義のセパレータ”と称し、“セパレータ”という用語は、バイポーラプレート、エンドプレート、冷却プレート及び狭義のセパレータを包括する意味として使われる。
【００１９】
これまで主にＰＥＭＦＣの場合についてセパレータの問題点を説明したが、セパレータに関連したそのような問題点はＰＡＦＣ、ＤＭＦＣに対しても同様に発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明が解決しようとする技術的課題は、加工性及び耐腐食性が向上した、燃料電池用金属系セパレータを提供することである。
【００２１】
本発明が解決しようとする技術的課題は、加工性及び耐腐食性が向上した、燃料電池用金属系セパレータを含む燃料電池を提供することである。
【００２２】
また、本発明が解決しようとする技術的課題は、加工性及び耐腐食性が向上した、燃料電池用セパレータの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記課題を解決するために本発明では、固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータを提供する。
【００２４】
本発明の提供する燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記アノード及び前記カソードの一面と接触している電解質膜と、前記アノード及び前記カソードのうち一つに隣接し、前記アノードまたは前記カソードの前記電解質膜に接触している面に対向する面に配置され、固体状の非晶質合金を含有するセパレータと、を含む。
【００２５】
前記課題を解決するために本発明ではまた、非晶質合金形成用溶湯を製造する段階と、前記溶湯を、得ようとするセパレータ状のモールドキャビティを提供するモールドに注入する段階と、前記モールドキャビティ内の前記溶湯を、非晶質形成のための臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させる段階と、を含む、固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータを製造する方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明において、燃料電池用セパレータの材料として固体状の非晶質合金を使用することによって、従来の金属材料セパレータの最も深刻な問題点である腐食現象を克服でき、従来の高コストのグラファイトセパレータに代えることができ、その上、従来のグラファイトセパレータよりさらに薄い厚さを具現できるので、燃料電池の電力密度をさらに向上させうる。
【００２７】
また、本発明によって非晶質合金を含むセパレータは、グラファイトセパレータに比べて、材料費及び加工費が非常に低い。したがって、本発明のセパレータを使用すれば、燃料電池製作コストのうちセパレータが占めるコストを非常に低くでき、それにより燃料電池製作コストを顕著に低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２９】
図１は、燃料電池スタック１００の一部を構成する燃料電池１１０の全体的な構成を概念的に示している。燃料電池１１０は、セパレータ１１１，１１５を有している。燃料電池１１０は、アノード１１２とカソード１１４との間に位置する電解質膜１１３を有している。電解質膜１１３は、アノード及びカソードの一面と接触している。また、燃料電池１１０は、アノード１１２及びカソード１１４のうち一つに隣接した少なくとも一つのセパレータを有している。この少なくとも一つのセパレータは、前記アノードまたは前記カソードの前記電解質膜に接触している面に対向する面に配置されている。セパレータ１１１，１１５は固体状の非晶質合金を含有している。
【００３０】
図１の具体例において、セパレータ１１１，１１５は、燃料または酸化剤の流路を有しており、アノード１１２及びカソード１１４に隣接して位置する。図１の形態に制限されず、種々の当業者に周知の燃料電池の具体例が実施されうる。このため、ここではこれ以上詳細に説明しない。
【００３１】
図２の２００に示すように、本発明はまた、固体状の非晶質合金を含有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。この方法は、非晶質合金に変換される非晶質合金形成用溶湯を製造する段階２１１と、前記溶湯を、得ようとするセパレータ状のモールドキャビティを有するモールドに注入する段階２１２と、非晶質合金を形成するために、前記モールドキャビティ内の溶湯を臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させる段階２１３とを含む。
【００３２】
固体状の非晶質合金は、結晶質金属材料に比べて機械的強度及び耐腐食性が非常に強いことが判明した。また、非晶質合金は、例えば、約７５０℃のような、比較的低温でも液体状態で存在でき、プラスチック材料のようにモールディングにより成形されうるので、加工性が非常に優秀な材料である。
【００３３】
本発明においては、セパレータの材料として固体状の非晶質合金を使用することによって、従来の金属材料セパレータの最も深刻な問題点である腐食現象を克服でき、従来の高コストのグラファイトセパレータに代えることができ、その上、従来のグラファイトセパレータより薄くかつ軽いため、燃料電池の電力密度をさらに向上させうる。
【００３４】
また、本発明のセパレータは、非晶質合金に由来する優秀な機械的物性を保有しているので、グラファイトセパレータよりさらに効果的に燃料電池に適用されうる。例えば、電気伝導度、熱伝導度、弾性限界、破壊靭性、ガス気密性、水に対する非湿潤性、降伏強度のような物性値の点で、本発明のセパレータはグラファイトセパレータよりも優れた特性を有する。
【００３５】
さらに具体的には、ＰＥＭＦＣに使われるセパレータ材料は、一般的に、１０−７［ｍｂａｒ・Ｌ］／［ｓ・ｃｍ２］以下のガス透過度、１０Ｓ／ｃｍ以上の電気伝導度、および２０Ｗ／［ｍ・Ｋ］以上の熱伝導度のような物性を有し、さらにその表面に電気伝導性を有する酸化物層を有することが望ましい。本発明のセパレータは、このような物性を充足させるのに十分である。しかし、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、これらの特性を有していなかったとしても、そのことを理由として本発明の技術的範囲から除外されることはない。
【００３６】
本発明で使用可能な非晶質合金に対して特別な制限はなく、具体的には、次のような非晶質合金が使用されうる。
【００３７】
例えば、米国特許第５，２８８，３４４号に開示された組成を有する非晶質合金が使用されうる。この文献には、（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）ａ１ＥＴＭａ２（Ｃｕ１−ｙＮｉｙ）ｂ１ＬＴＭｂ２Ｂｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２及びｃは原子％であり、ＥＴＭは、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一つの前周期遷移金属であり、この際、Ｃｒの原子分率は０．２ａ１以下であり、ＬＴＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択される後周期遷移金属であり、ａ２は０〜０．４ａ１であり、ｘは０〜０．４であり、ｙは０〜１であり、この際、（ｉ）ｘが０〜０．１５である場合には、（ａ１＋ａ２）は３０〜７５％、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％、ｂ２は０〜２５％、ｃは６〜４７％であり、（ｉｉ）ｘが０．１５〜０．４である場合には、（ａ１＋ａ２）は３０〜７５％、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％、ｂ２は０〜２５％、ｃは５〜４７％である。この非晶質合金は、微量のＡｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＢをさらに含みうる。
【００３８】
米国特許第５，２８８，３４４号にはまた、（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）ａ１ＥＴＭａ２（Ｃｕ１−ｙＮｉｙ）ｂ１ＬＴＭｂ２Ｂｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３及びｃは原子％であり、ＥＴＭは、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一つの前周期遷移金属であり、この際、Ｃｒの原子分率は０．２ａ１以下であり、ＬＴＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択される後周期遷移金属であり、この際、ａ２は０〜０．４ａ１であり、ｘは０．４〜１であり、ｙは０〜１であり、（ｂ１＋ｂ２）が１０〜４３％である場合には、３ｃは（１００−ｂ１−ｂ２）以下であり、この際、（ｉ）ｘが０．４〜０．６である場合には、（ａ１＋ａ２）は３５〜７５％、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％、ｂ２は０〜２５％、ｃは５〜４７％であり、（ｉｉ）ｘが０．６〜０．８である場合には、（ａ１＋ａ２）は３８〜７５％、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％、ｂ２は０〜２５％、ｃは５〜４２％であり、（ｉｉｉ）ｘが０．８〜１である場合には、（ａ１＋ａ２）は３８〜７５％、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％、ｂ２は０〜２５％、ｃは５〜３０％である。この非晶質合金は、微量のＡｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＢをさらに含みうる。
【００３９】
米国特許第５，２８８，３４４号にはまた、（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）ａ（Ｃｕ１−ｙＮｉｙ）ｂＢｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ、ｂ及びｃは原子％であり、ｘは０〜０．４であり、ｙは０〜１であり、この際、（ｉ）ｘが０〜０．１５である場合には、ａは３０〜７５％、ｂは５〜５２％、ｃは６〜４７％であり、（ｉｉ）ｘが０．１５〜０．４である場合には、ａは３０〜７５％、ｂは５〜５２％、ｃは５〜４７％である。
【００４０】
米国特許第５，２８８，３４４号にはまた、（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）ａ（Ｃｕ１−ｙＮｉｙ）ｂＢｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ、ｂ及びｃは原子％であり、ｘは０．４〜１であり、ｙは０〜１であり、ｂが１０〜４３％である場合には、３ｃは（１００−ｂ）以下であり、この際、（ｉ）ｘが０．４〜０．６である場合には、ａは３５〜７５％、ｂは５〜５２％、ｃは５〜４７％であり、（ｉｉ）ｘが０．６〜０．８である場合には、ａは３８〜７５％、ｂは５〜５２％、ｃは５〜４２％であり、（ｉｉｉ）ｘが０．８〜１である場合には、ａは３８〜７５％、ｂは５〜５２％、ｃは５〜３０％である。
【００４１】
米国特許第５，２８８，３４４号にはまた、（（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ）ｘＥＴＭ１−ｘ）ａ（Ｃｕ１−ｙＮｉｙ）ｂ１ＬＴＭｂ２Ｂｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ、ｂ１、ｂ２及びｃは原子％であり、（（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ）ＥＴＭ）部分のＴｉの原子分率は０．７未満であり、ｘは０．８〜１であり、ＬＴＭは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択される後周期遷移金属であり、ＥＴＭは、Ｖ、Ｎｂ、Ｙ、Ｎｄ、Ｇｄ、その他の希土類金属、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される前周期遷移金属であり、ａは３０〜７５％であり、（ｂ１＋ｂ２）は５〜５２％であり、ｃは６〜４５％である。
【００４２】
米国特許第５，２８８，３４４号にはまた、（（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ）ｘＥＴＭ１−ｘ）ａＣｕｂ１Ｎｉｂ２ＬＴＭｂ３Ｂｅｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ｘは原子分率であり、ａ、ｂ１、ｂ２、ｂ３及びｃは原子％であり、ＬＴＭは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択される後周期遷移金属であり、ｘは０．５〜０．８であり、ＥＴＭは、Ｖ、Ｎｂ、Ｙ、Ｎｄ、Ｇｄ、その他の希土類金属、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される前周期遷移金属であり、この際、（ｉ）ＥＴＭがＹ、Ｎｄ、Ｇｄ、及びその他の希土類金属からなる群から選択される場合には、ａは３０〜７５％であり、（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）は６〜５０％であり、ｂ３は０〜２５％であり、ｂ１は０〜５０％であり、ｃは６〜４５％であり、（ｉｉ）ＥＴＭがＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される場合には、ａは３０〜６０％であり、（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）は１０〜５０％であり、ｂ３は０〜２５％であり、ｂ１は０〜ｘ（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）／２であり、ｃは１０〜４５％であり、（ｉｉｉ）ＥＴＭがＶ及びＮｂからなる群から選択される場合には、ａは３０〜６５％であり、（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）は１０〜５０％であり、ｂ３は０〜２５％であり、ｂ１は０〜ｘ（ｂ１＋ｂ２＋ｂ３）／２であり、ｃは１０〜４５％である。
【００４３】
米国特許第５，６１８，３５９号には、５〜２０原子％のＴｉ、８〜４２原子％のＣｕ、３０〜５７原子％のＺｒ及びＨｆからなる群から選択される前周期遷移金属、そして４〜３７原子％のＮｉ及びＣｏからなる群から選択される後周期遷移金属を含む非晶質合金が開示されている。
【００４４】
米国特許第５，６１８，３５９号にはまた、Ｔｉａ（ＥＴＭ）ｂ（Ｃｕ１−ｘ（ＬＴＭ）ｘ）ｘの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ＥＴＭはＺｒ及びＨｆからなる群から選択され、ＬＴＭはＮｉ及びＣｏからなる群から選択され、ｘは原子分率であり、ａ、ｂ及びｃは原子％であり、ａは１９〜４１％であり、ｂは４〜２１％であり、ｃは４９〜６４％であり、２＜ｘ・ｃ＜１４であり、ｂ＜１０＋（１１／１７）・（４１−ａ）であり、この際、（ｉ）４９％＜ｃ＜５０％である場合には、ｘ・ｃ＜８であり、（ｉｉ）５０％＜ｃ＜５２％である場合には、ｘ・ｃ＜９であり、（ｉｉｉ）５２％＜ｃ＜５４％である場合には、ｘ・ｃ＜１０であり、（ｉｖ）５４％＜ｃ＜５６％である場合には、ｘ・ｃ＜１２であり、（ｖ）５６％＜ｃである場合には、ｘ・ｃ＜１４である。
【００４５】
米国特許第５，６１８，３５９号にはまた、（ＥＴＭ１−ｘＴｉｘ）ａＣｕｂ（Ｎｉ１−ｙＣｏｙ）ｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ＥＴＭはＺｒ及びＨｆからなる群から選択され、ｘ及びｙは原子分率であり、ａ、ｂ及びｃは原子％であり、ｘは０．１〜０．３であり、ｙ・ｃは０〜１８であり、ａは４７〜６７％であり、ｂは８〜４２％であり、ｃは４〜３７％であり、この際、（ｉ）ａが６０〜６７％であり、ｃが１３〜３２％である場合には、ｂ≧８＋（１２／７）・（ａ−６０）であり、（ｉｉ）ａが６０〜６７％であり、ｃが４〜１３％である場合には、ｂ≧２０＋（１９／１０）・（７６−ａ）であり、（ｉｉｉ）ａが４７〜５５％であり、ｃが１１〜３７％である場合には、ｂ≦８＋（３４／８）・（５５−ａ）である。
【００４６】
米国特許第５，７３５，９７５号には、４５〜６５原子％のＺｒ、５〜１５原子％のＺｎ、４〜７．５原子％のＴｉ及びＮｂからなる群から選択される金属、そして残量として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及び１０原子％以下のＦｅからなる群から選択される金属を含む非晶質合金が開示されているが、この際、Ｃｕ対（Ｎｉ＋Ｃｏ）の比率は１：２〜２：１である。
【００４７】
米国特許第５，７３５，９７５号にはまた、５２．５〜５７．５原子％のＺｒ、約５原子％のＴｉ及びＮｂからなる群から選択される金属、７．５〜１２．５原子％のＺｎ、１５〜１９．３原子％のＣｕ、そして、１１．６〜１６．４原子％のＮｉ及びＣｏからなる群から選択される金属を含有する非晶質合金が開示されている。
【００４８】
米国特許第５，７３５，９７５号にはまた、５６〜５８原子％のＺｒ、５原子％のＮｂ、７．５〜１２．５原子％のＺｎ、１３．８〜１７原子％のＣｕ、そして、１１.２〜１４原子％のＮｉ及びＣｏからなる群から選択される金属を含む非晶質合金が開示されている。
【００４９】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書には、（Ｚｒ，Ｔｉ）ａ（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ）ｂの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ａは３０〜９５原子％、そしてｂは５〜７０原子％である。
【００５０】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書にはまた、（Ｚｒ，Ｔｉ）ａ（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ）ｂ（Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂ）ｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されているが、この際、ａは３０〜７５原子％、ｂは５〜６０原子％、そしてｃは０．０１〜５０原子％である。
【００５１】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書にはまた、（Ｚｒ，Ｔｉ）ａ（Ｎｉ，Ｃｕ）ｂ（Ｂｅ）ｃの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ａは４０〜７５原子％、ｂは５〜５０原子％、そしてｃは５〜５０原子％である。
【００５２】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書にはまた、（Ｚｒ）ａ（Ｎｉ，Ｃｕ）ｃ（Ａｌ）ｄの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ａは４０〜６５原子％、ｃは２０〜３０原子％、そしてｄは７．５〜１５原子％である。
【００５３】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書にはまた、（Ｚｒ）ａ（Ｎｂ，Ｔｉ）ｂ（Ｎｉ，Ｃｕ）ｃ（Ａｌ）ｄの化学式で表示される非晶質合金が開示されており、この際、ａは４０〜６５原子％、ｂは０．０１〜１０原子％、ｃは２０〜３０原子％、そしてｄは７．５〜１５原子％である。
【００５４】
米国特許出願公開第２００３−００６２８１１号明細書にはまた、Ｚｒ４１Ｔｉ１４Ｎｉ１０Ｃｕ１２.５Ｂｅ２２.５、Ｆｅ７２Ａｌ５Ｇａ２Ｐ１１Ｃ６Ｂ４及びＦｅ７２Ａｌ７Ｚｒ１０Ｍｏ５Ｗ２Ｂ１５の化学式で表示される非晶質合金が開示されている。
【００５５】
本発明で使用可能な非晶質合金のさらに他の例は、（Ｚｒ，Ｇａ）ａ（Ｔｉ，Ｐ，Ｗ）ｂ（Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｃ）ｃ（Ｎｉ）ｄ（Ｃｕ）ｅ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｐｄ）ｆ（Ｂｅ，Ｓｉ，Ｂ）ｇ（Ａｌ）ｈの一般式で表示される組成を有する非晶質合金であり、この際、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈを１００原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃは１５〜７５原子％、ｄ＋ｅ＋ｆは５〜７５原子％、ｇ＋ｈは０〜５０原子％、さらに望ましくは０．０１〜５０原子％である。その具体的な例としては、Ｚｒ４１Ｔｉ１４Ｎｉ１０Ｃｕ１２.５Ｂｅ２２.５、Ｆｅ７２Ａｌ５Ｇａ２Ｐ１１Ｃ６Ｂ４、Ｆｅ７２Ａｌ７Ｚｒ１０Ｍｏ５Ｗ２Ｂ１５がある。
【００５６】
セパレータの腐食速度は、燃料電池において直接的にも測定されうる。しかし、この場合には燃料電池の寿命に対応する時間だけ燃料電池を運転する必要がある。したがって、促進された燃料電池の環境下で短時間にセパレータの腐食速度を測定する方法が一般的に用いられている。促進されたＰＥＭＦＣの環境として、約８０〜１３０℃の作動温度で、水素または酸素により飽和されたｐＨ３ほどの電解質と接触させる。この際アノード及びカソードの電位は、各々０〜０．３Ｖ  ｖｓ  ＲＨＥおよび０．９〜１．２Ｖ  ｖｓ  ＲＨＥである。燃料電池環境で生じる電流は、腐食速度を予測する基準として使われる。
【００５７】
前記非晶質合金材料の腐食速度が所定のレベル以上に速ければ、燃料電池の作動期間の間に非晶質合金板が腐食されて金属イオンが分解し、金属板の厚さが薄くなることによって金属板が燃料電池作動期間の間にセパレータの役割を行えなくなり、機械的強度を喪失するため、燃料電池の安全性維持にも問題が発生する虞がある。
【００５８】
このような点を考慮して、温度１３０℃及びｐＨ値３の水素飽和溶液中における腐食速度が約２０μＡ／ｃｍ２以下である非晶質合金を使用することがさらに望ましい。
【００５９】
前記腐食速度は遅いほど有利であり、本発明ではその下限値を特別に限定していない。典型的には、本発明に使われる非晶質合金の腐食速度は、温度１３０℃及びｐＨ値３の水素飽和溶液中において、約１〜約２０μＡ／ｃｍ２ほどでありうる。
【００６０】
非晶質合金の破壊靭性が十分でなければ、金属板が自体の傷によって破壊されることを防止する抵抗力が弱くなって、場合によっては、燃料電池スタックの部品としては不適当である。
【００６１】
このような点を考慮して、本発明に使われる非晶質合金は、約５［ｋｓｉ］・［ｉｎｃｈ１／２］（５．４９［ＭＰａ］・［ｍ１／２］）以上の破壊靭性を有することがさらに望ましい。
【００６２】
破壊靭性は強いほど有利であり、本発明ではその上限値を特別に限定していない。典型的には、本発明に使われる非晶質合金の破壊靭性は、通常、約５〜約２０［ｋｓｉ］・［ｉｎｃｈ１／２］（約５．４９〜約２２．０［ＭＰａ］・［ｍ１／２］）ほどである。
【００６３】
非晶質合金の弾性限界があまり低ければ、金属板が燃料電池スタックに加えられる圧縮圧力に耐えられずに変形されて元来の形態を維持できない虞がある。
【００６４】
このような点を考慮して、本発明に使われる非晶質合金は、約１％以上の弾性限界を有することがさらに望ましい。
【００６５】
弾性限界は高いほど有利であり、本発明ではその上限値を特別に限定していない。典型的には、本発明に使われる非晶質合金の弾性限界は約１〜約２％ほどでありうる。
【００６６】
本発明のセパレータは、ＰＡＦＣ、ＰＥＭＦＣ、ＤＭＦＣに効果的に適用されうる。本発明のセパレータの寸法、流路のパターンは当業者により具体的な適用システムによって容易に決定されうるので、本発明ではその具体的な説明を省略する。
【００６７】
グラファイトを使用したセパレータにおいて、２〜３ｍｍ未満の厚さを実現することはほぼ不可能であることが知られており、これにより、通常数十〜数百個のＭＥＡを積層して得られる燃料電池スタックの体積は大きくなる。また、グラファイトは割れやすいため、その取扱いも非常に難しい。一方、本発明の非晶質合金を含むセパレータは、例えば、約０．３ｍｍのような、非常に薄い厚さを有しうる。したがって、本発明のセパレータを使用すれば、燃料電池スタックの高さを、例えば、グラファイトセパレータを使用した燃料電池スタックの約１／２ほどまで低くしうる。一般的に、非晶質合金の密度はグラファイトの約３倍であるが、非晶質合金を使用した本発明のセパレータは薄い厚さを有しうるため、燃料電池スタックの重さにそれほど影響を与えない。
【００６８】
本発明の非晶質合金を含むセパレータは、グラファイトセパレータに比べて、材料コスト及び加工コストが非常に安い。したがって、本発明のセパレータを使用すれば、燃料電池の製作コストのうちセパレータが占めるコストを約１／１００以下まで下げることもできる。
【００６９】
本発明のセパレータは、例えば、本発明で提供する次のような方法によって製造されうる。
【００７０】
本発明で提供する、固体状の非晶質合金を含む燃料電池用セパレータを製造する方法は、非晶質合金に変換される非晶質合金形成用溶湯を製造する段階と、前記溶湯を、得ようとするセパレータ状のモールドキャビティを有するモールドに注入する段階と、非晶質合金を形成するために、前記モールドキャビティ内の溶湯を臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させる段階と、を含む。
【００７１】
非晶質合金材料は、通常、非活性気体環境下において、ガラス転移温度（Ｔｇ）より３０℃〜１００℃程度高い温度まで、２０℃／ｍｉｎ程度の速度で加熱され、溶湯となりうる。この溶湯をモールドに注入し、臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却することで、非晶質合金材料は過冷却液体状態を経て、固体状の非晶質合金へと変化する。なお、臨界冷却速度とは、ある物質がその速度よりも速い冷却速度で冷却された場合に、非晶質となる冷却速度をいう。この際の冷却速度は、臨界冷却速度以上であればよいが、１０６Ｋ／ｓｅｃよりも遅いことが好ましい。冷却方法は所望の非晶質合金の形態によって、冷たいモールドによって冷却される方法のほか、スプラット焼入れ、水冷却メルトスピニングなどが使用されうるが、これに制限されない。この結果、固体状の非晶質合金の典型的な密度は、約４．５〜約６．５ｇ／ｃｍ３ほどである。この方法で使用可能な非晶質合金に対して特別の制限はなく、その具体的な例は、前記の通りである。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の燃料電池用セパレータはＰＥＭＦＣ、ＤＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣに適用され、本発明によって前記セパレータを採用した燃料電池の電力密度及び経済性は非常に向上しうる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータを有する燃料電池の好ましい実施形態の全体的な構成を概略的に示す図面である。
【図２】本発明によるセパレータの製造方法の好ましい実施形態を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００    燃料電池スタック、
１１０    燃料電池、
１１１    セパレータ、
１１２    アノード、
１１３    電解質膜、
１１４    カソード、
１１５    セパレータ。
【図１】
2005068551.tif 000003
【図２】
2005068551.tif 000004