(57)【要約】【課題】比較的安価に、且つ、簡便に、耐久性及び耐食性に優れた金属ガラスセパレータを製造すること。【解決手段】ダイ３０内に金属ガラス粉末１０を入れ、金属ガラス粉末１０を溝形状の凹凸が設けられたパンチ４０で加圧しながらパンチ４０を通して金属ガラス粉末１０に通電して焼結させることで、耐食性及び耐久性に優れた金属ガラスセパレータを、簡便に、且つ、短時間で製造することができる。通電焼結により、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、金属ガラスセパレータの製造コストを抑えることができる。また、シート面積、溝の高さ、シート厚さ等の加工寸法を比較的大きくとることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイ内に金属ガラス粉末を入れ、
該金属ガラス粉末を溝形状の凹凸が設けられたパンチで加圧しながら該パンチを通して前記金属ガラス粉末に通電して焼結させることを特徴とする、
金属ガラスセパレータの製造方法。
【請求項２】
ダイ内に金属ガラス粉末と金属板を、前記金属ガラス粉末が前記金属板の両面側にあるように配置し、
該金属ガラス粉末を溝形状の凹凸が設けられたパンチで加圧しながら該パンチを通して前記金属ガラス粉末に通電して焼結させることを特徴とする、
金属ガラス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、固体高分子型燃料電池のセルに組込まれるセパレータの製造方法の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と呼ぶ。）は、高分子電解質膜からなる電極に、反応ガス（水素・酸素）を供給して発電する装置である。
図３は、燃料電池を構成する最小ユニットであるセルＣの斜視図である。
燃料電池のセルＣは、触媒層と多孔質支持層からなる２つの電極Ｅ１，Ｅ２（アノード、及びカソード）、電極Ｅ１，Ｅ２間に挿入される電解質Ｄ、及び電極Ｅ１，Ｅ２の外側に配置されたセパレータ１００からなる。
上記構成のセルＣでは、１つにつき１Ｖ弱の電圧しか得られないので、実際の燃料電池としては、通常、数十〜数百のセルＣを直列に積層したものが使用されている。
【０００３】
図４は、燃料電池に使用される従来のセパレータ１００の正面図である。
プレート状のセパレータ１００の両面に、図４に示すように、幅、及び深さが０．５〜２ｍｍ程度の多数の溝１２０が設けられており、この溝１２０は、反応ガスの流路、及び反応によって発生した水の排出路として機能する。
多数のセルＣが積層されてなる燃料電池において、上記のセパレータ１００は、各セルＣ間の仕切り板としてだけでなく、溝１２０を介して隣合う電極Ｅ１（又はＥ２）に反応ガスを供給したり、反応に伴って発生した水を外部に排出するために設けられている。
また、セパレータ１００は、セルＣで発生した電気を外部に伝達するための役割も果たしている。
【０００４】
従って、燃料電池のセパレータ１００としては、電極Ｅ１，Ｅ２（アノード側、カソード側）に供給される反応ガスが混合しないようにガス遮蔽性が高く、反応ガスによって腐食されることがないように耐蝕性・耐酸化性に優れ、軽量で、且つ、導電性を有し、さらに、積層した各セルＣの荷重に耐え得る強度を具えていることが要求される。
また、燃料電池を小型化するためには、セパレータ１００をできるだけ薄くする必要がある。
【０００５】
上記特性を満たすセパレータ１００の材料として、従来から、等方性カーボンが使用されている。しかし、より小型で高出力の燃料電池を開発するために、セパレータを薄くすると機械的強度及び成形性に限界があった。そこで、現在では、セパレータを薄くしても機械強度、成形性に優れた、金属を母材とするセパレータの開発が進められている。
【０００６】
ところが、金属を母材とするセパレータを用いる場合には、以下の２点が問題となる。第１点は、金属の特性に由来する耐食性の低さである。一般的な燃料電池の反応下においては水が存在するが、金属はこのように水を含む雰囲気下では腐食されやすいという問題がある。
【０００７】
第２点は、金属の特性に由来する高い接触抵抗（低い導電性）が挙げられる。金属表面には不働態層が形成されるためカーボン材料に比べて接触抵抗が高く、そのような金属セパレータに通電された場合には電圧降下が大きくなり、燃料電池の性能低下を招くおそれがある。
【０００８】
このような問題に対して、例えば、セパレータに用いる母材の金属にステンレス鋼を用い、その表面をサンドブラスト等により粗面化する技術がある（第１の従来技術）。この技術によると、母材の金属にステンレス鋼が用いられるので耐食性に優れるとともに、母材表面の粗面化により接触抵抗が低下する。また、特許文献１には、セパレータの母材にステンレス鋼を用い、その表面に金メッキを施す技術が開示されている（第２の従来技術）。この技術によれば、耐食性、導電性に優れた金が母材表面にメッキされるので、金の特性により耐食性が向上するとともに、接触抵抗を低減することができる。
【０００９】
しかし、第１の従来技術は、電力を発生する反応中にセパレータが酸化雰囲気となるため、使用中に腐食されてしまうという問題がある。
また、第２の従来技術は、金メッキを用いることからコスト高になってしまうという問題を有する。
【００１０】
そこで、ステンレス鋼からなる母材の表面に、アモルファス金属からなる導電性粒子を物理蒸着法により積層させて、厚さ１〜５０ミクロンの多孔質層を形成することで、耐食性・導電性を向上させた燃料電池用セパレータが、特許文献２に開示されている。
【００１１】
このセパレータは、母材が金属からなるので、セパレータの厚みを薄くしても強度を保つことができる。また、導電性粒子が融着されて形成されることにより、導電性粒子が剥離しにくい上、多孔質層とされているので、アノード又はカソードと積層して押圧された場合には、アノード又はカソードの接触面積が増大し、電極に対する接触抵抗が低減される。
また、母材表面に形成された多孔質層を構成する材質の少なくとも一部にアモルファス金属を含むので、前記燃料電池用セパレータは耐食性にも優れている。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、この特許文献２のセパレータは、物理蒸着法により、アモルファス金属を積層しなければならないため、製造に手間がかかるという問題を有する。
【００１３】
これに対し、アーク溶解等でボタン状金属ガラスを製造し、単ロールでシート状に加工し、さらにホットプレスで溝形状の凹凸を設けた金属ガラスセパレータがある。
しかし、この金属ガラスセパレータは、特許文献２の金属ガラスセパレータと比べ、やや工程は簡略化されてはいるものの、製造に比較的多くの時間と手間がかかり、満足できるものではなかった。
本発明は、上述の問題に鑑み、比較的安価に、且つ、簡便に、耐久性及び耐食性に優れた金属ガラスセパレータを製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１に、ダイ内に金属ガラス粉末を入れ、
該金属ガラス粉末を溝形状の凹凸が設けられたパンチで加圧しながら該パンチを通して前記金属ガラス粉末に通電して焼結させる金属ガラスセパレータの製造方法により、第２に、
ダイ内に金属ガラス粉末と金属板を、前記金属ガラス粉末が前記金属板の両面側にあるように配置し、
該金属ガラス粉末を溝形状の凹凸が設けられたパンチで加圧しながら該パンチを通して前記金属ガラス粉末に通電して焼結させる金属ガラスセパレータの製造方法により、前記の課題を解決した。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、通電焼結により、高温加熱せずに電気を利用して粉末表面を活性化させることができることから、物理蒸着法や、ホットプレスによるものよりも、耐食性及び耐久性に優れた金属ガラスセパレータを、簡便に、且つ、短時間で製造することができる。
【００１６】
また、通電焼結により、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、金属ガラスセパレータの製造コストを抑えることができる。
また、本発明の製造方法によれば、シート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ、溝の最大高さ：１．０ｍｍ、金属ガラスシートの最大厚さ：２５０ミクロンの加工が可能であり、加工可能寸法を比較的大きくとることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の第１の金属ガラスセパレータの製造方法を、図１に基づいて説明する。
本発明の第１の金属ガラスセパレータの製造方法は、以下の工程からなる。
（工程１）金属ガラス粉末１０を、チェインバー内の成形ダイ３０内に入れる。
（工程２）金属ガラス粉末１０を溝形状の凹凸が設けられたパンチ４０の加圧力で圧縮しながら、パンチ４０を通して金属ガラス粉末１０に通電して、ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで、金属ガラス粉末１０を昇温させ通電焼結させる。
【００１８】
ところで、金属ガラスセパレータに必要な凹凸の溝形状を形成するには、金属ガラス粉末１０をガラス遷移温度と結晶化温度の間の温度まで加熱する必要がある。これは、金属ガラス粉末１０の温度がガラス遷移温度以下であると十分な延性が得られず、結晶化温度以上であると結晶化が起こり、金属ガラス（過冷却による液体状態の金属）ではなく一般の多結晶金属となり、結晶間の結晶粒界が腐食の起点となり、セパレータに必要な耐食性が得られないためである。
【００１９】
通電焼結は、高温加熱せずに電気を利用して粉末表面を活性化させるので、結晶化温度が低い金属ガラス粉末の特性を維持でき、金属ガラスの焼結に適している。
一方、例えば、ホットプレス、熱間静水圧加圧法等の高温加圧焼結は、高温の焼結温度まで金属ガラス粉末を加熱する必要があるので、金属ガラス粉末の焼結には適さない。
【００２０】
金属ガラスの組成としては、鉄を主成分とした組成、ニッケルを主成分とした組成、アルミニウムを主成分とした組成等を適宜選択できる。
また、表面の酸化を防ぐため、加熱・成形は、不活性雰囲気中でなされることが好ましい。これは、チェインバー内を不活性ガスで充填することで実現される。また、製造される金属ガラスセパレータの厚さは、５０〜２５０ミクロンであることが望ましい。
【００２１】
本発明の第２の金属ガラスセパレータの製造方法を、図２に基づいて説明する。
本発明の第２の金属ガラスセパレータの製造方法は、以下の工程からなる。
（工程１）金属ガラス粉末１２と金属板２０を、金属ガラス粉末１２が金属板２０の両面に来るように、チェインバー内の成形ダイ３０内に配置する。
（工程２）金属ガラス粉末１２を溝形状の凹凸が設けられたパンチ４０の加圧力で圧縮しながら、パンチ４０を通して金属ガラス粉末１２に通電して、ガラス遷移温度と結晶化温度の間まで金属ガラス粉末１２を昇温させ通電焼結させる。
【００２２】
第２の金属ガラスセパレータの製造方法における金属板２０の材料としては、ステンレス、鉄、アルミニウム等を用いることができる。また、芯板として金属板を用いること以外は、第１の金属ガラスセパレータの製造方法と同様であり、詳細な説明は省略する。
第２の金属ガラスセパレータの製造方法によっても、第１の金属ガラスセパレータの製造方法と同様に、耐食性及び耐久性に優れた金属ガラスセパレータが得られる。
【００２３】
従来、固体高分子型燃料電池のセパレータとして、ステンレス鋼からなるものやステンレス鋼に金メッキをしてなるものがあるが、ステンレス鋼の場合、電力が発生する反応中にセパレータが酸化雰囲気となるため、使用中に腐食されてしまうという問題があり、また、金メッキを施すと今度はコスト高になってしまうという問題がある。
【００２４】
本発明の金属ガラスセパレータは、金属ガラスが理論的には酸化の開始点となる結晶粒界がないことから、腐食を抑えることができる。また、強度や電気伝導性についても現在使われているカーボン系の材料よりも優れている。また、通電焼結を用いた本発明の製造方法は、カーボン材料を用いた場合や、金属ガラスシートをホットプレスする場合より、工程を少なくすることができることから、製造コストを抑えることができる。
【００２５】
本発明の金属ガラスセパレータの製造方法によれば、以下の比較的大きいサイズの加工が可能となることが確認された。
金属ガラスシート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ
溝の最大高さ：１．０ｍｍ
金属ガラスシートの最大厚さ：２５０ミクロン
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、通電焼結により、高温加熱せずに電気を利用して粉末表面を活性化させることができることから、物理蒸着法や、ホットプレスによるものよりも、耐食性及び耐久性に優れた金属ガラスセパレータを、簡便に、且つ、短時間で製造することができる。
【００２７】
また、通電焼結により、金属ガラスセパレータの大量生産が可能になることから、金属ガラスセパレータの製造コストを抑えることができる。
また、本発明の製造方法によれば、シート最大面積：５００ｍｍ×５００ｍｍ、溝の最大高さ：１．０ｍｍ、金属ガラスシートの最大厚さ：２５０ミクロンの加工が可能であり、加工可能寸法を比較的大きくとることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の金属ガラスセパレータの製造方法を示す断面図。
【図２】本発明の第２の金属ガラスセパレータの製造方法を示す断面図。
【図３】燃料電池を構成する最小ユニットであるセルの斜視図。
【図４】燃料電池に使用されるセパレータの正面図。
【符号の説明】
【００２９】
１０，１２：金属ガラス粉末
２０：金属板
３０：ダイ
４０：パンチ
【図１】
2005294102.tif 000003
【図２】
2005294102.tif 000004
【図３】
2005294102.tif 000005
【図４】
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