(57)【要約】      （修正有）【課題】硫酸雰囲気に対する耐食性を十分に確保でき、かつ、金属被覆部にピンホール等がを生じても、孔食に対する耐食性にも十分に優れた燃料電池用金属セパレータを提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータ１０は、９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、Ｆｅを加えた合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるようにＦｅを含有し、さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有する本体合金からなる本体部１３と、該本体部１３の表面を覆うとともに本体合金よりも貴な金属からなる金属被覆部１２とを有する。【選択図】図３
2005340163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料板材により形成され、燃料電池の固体高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、前記電極層との間にガス流路を形成するとともに、
前記金属材料板材が、
９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、
１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、
１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、
０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成するＦｅとを含有し、
さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有する本体合金からなる本体部と、該本体部の表面を覆うとともに前記本体合金よりも電気化学的に貴な金属からなる金属被覆部とを有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記本体合金は、０．１質量％以上０．８質量％以下のＮを含有する請求項１記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記本体合金は、０．０４質量％以上０．１質量％未満のＮを含有する請求項１記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
前記本体合金は、１５質量％以上２５質量％以下のＣｒを含有する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
前記金属材料板材の前記金属被覆部を施した表面の孔食電位（ＶＣ）が４００ｍＶ  ｖｓ  ＳＣＥ以上である請求項１ないし請求項４のいずれか１項にに記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項６】
前記金属被覆部がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ及びＰｄのいずれかを主成分に構成される請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項７】
前記金属被覆部の厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項８】
前記金属被覆部の厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である請求項７記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項９】
前記金属材料板材の前記固体高分子電解質膜に積層される側の主表面に、前記ガス流路を形成するための凹部が形成されてなる請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１０】
前記凹部が板金プレス加工により形成されたものである請求項９記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記本体合金からなる本体合金板材により前記本体部を形成する本体部形成工程と、
前記本体合金板材の表面に前記金属被覆部を形成する被覆工程とを有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータの前記本体合金として使用され、
９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、
１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、
１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、
０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成するＦｅとを含有し、
さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有することを特徴とする燃料電池用金属素材。
【請求項１３】
固体高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして前記第一電極層上に積層されるとともに、前記凹部により燃料ガス用のガス流路を形成する第一セパレータと、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして前記第二電極層上に積層されるとともに、前記凹部により酸化剤ガス用のガス流路を形成する第二セパレータと、
を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法、燃料電池用金属素材及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００２−３４８６４０号公報
【０００３】
従来、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体電解質形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池等、種々の燃料電池が提案されている。これらのうち固体高分子形燃料電池は固体高分子電解質膜を使用するものであり、低温動作が可能であり、小型化及び軽量化も容易なので、燃料電池自動車等への搭載用として検討されている。具体的には、プロトンを輸送するための固体高分子電解質膜を一対の電極層により挟んで単位電池を形成するとともに、該電極層の表面に燃料ガス（水素）あるいは酸化剤ガス（空気）を流すための流路層を形成したセパレータを積層配置する。該セパレータの板面には、電極層との間にガスを流すための流路（凹部）が形成される。また、セパレータは、単位電池の電極層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される必要がある。
【０００４】
従来、該セパレータの材質としては、カーボンを主体とするものが用いられてきた。上記のごとく、燃料電池用のセパレータは、ガス流路形成用に複雑な凹凸を板面に形成する必要がある。従って、その形状加工を固体カーボン素材からの削り出しで行なうのは、製造効率を考慮すれば全く現実的でない。従って、従来は、カーボン粉末に熱可塑性樹脂などの高分子材料からなるバインダーを配合し、射出成形等で望みの形状を得るようにしていた。しかし、このようにして得られるカーボン製のセパレータは、絶縁性のバインダーを相当量含有するため導電性に乏しく、内部抵抗が増大しやすいため、多数（例えば１００個以上）の単位電池を積層して用いる場合には、出力電流が著しく低下する問題がある。また、燃料電池の小型化薄型化を図る場合、セパレータの厚さもなるべく小さくすることが望ましいが、上記のカーボンセパレータは強度に乏しく、１〜２ｍｍ程度が厚さ縮小の限界であった。
【０００５】
そこで、特許文献１には、導電性や強度及び加工性の観点においてより良好な金属セパレータが開示されている。具体的にはステンレス鋼板材を本体部として、該本体部にさらにＡｕ等の貴金属被覆（例えばメッキ）が施されてなる。ステンレス鋼は、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの添加により不動態形成を促進して耐食性を付与したＦｅ系材料であるが、貴金属被覆（例えばメッキ）が必要となる理由は２つある。まず、ステンレス鋼は、不動態皮膜形成により本来的には一般のＦｅ系材料より良好な耐食性を有するが、燃料電池特有の強酸性環境、特に硫酸酸性環境での耐食性が必ずしも十分でなく、ステンレス鋼単独でセパレータを構成すると、腐食進行に伴い内部抵抗が経時的に増加しやすい問題がある。この場合、セパレータとセル本体との接触抵抗増加のほか、溶出した金属の拡散による固体高分子電解質膜の劣化も内部抵抗増加の要因となる。そこで、貴金属被膜の形成により耐食性を補うのである。他方、ステンレス鋼の表面に形成される不動態皮膜は酸化物を主体とする絶縁性の被膜であり、セパレータの耐食性は向上させる半面、セル本体との接触抵抗ひいては電池の内部抵抗を増加させる要因ともなる。しかし、導電性が高く、かつ酸化劣化しにくい貴金属層を形成すれば、セパレータとセル本体との接触抵抗を軽減することができ、また、高い信頼性を得ることができる。
【０００６】
ところで、燃料電池は、将来的にはガソリン車を置き換える燃料電池自動車用としての大きな潜在需要が見込まれているが、各構成部品の性能及び耐久性の改善のほか、製造コストの削減も本格的な普及の鍵を握っている。金属セパレータの耐食性と接触抵抗とをともに向上させる最も簡便な方法は、セパレータ表面に形成する貴金属皮膜の厚さを増加させることである。しかし、製造コスト削減を前提とすれば貴金属皮膜をむやみに厚くできないことは自明であり、Ａｕなどの高価な材料を採用する場合には、貴金属皮膜の厚さはむしろ可及的に小さくしたい要請がある（例えば、厚くとも５００ｎｍまで）。従って、貴金属皮膜を最小限の厚さに留めつつ、セパレータとして必要な耐食性は十分に確保しなければならないため、本体部に対しても一定以上の耐食性を有した材質を採用することが必須である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ステンレス鋼を燃料電池用セパレータに適用した場合、以下のような問題がある。すなわち、貴金属被覆層を薄く形成した場合、図１０に示すように、メッキ層が不連続（例えばアイランド状）となって本体部の露出を生じやすくなる。また、ある程度被覆層を厚く形成した場合も、図１１に示すごとく、エッチピットや異物残留等のさまざまな要因により、被覆層にはピンホールが生じやすく、該ピンホール部においても本体部の露出部を生じる。こうした露出部が生ずると、硫酸雰囲気下での腐食とは別に、いわゆる孔食が進みやすくなる場合がある。該孔食は、腐食雰囲気中に塩素成分が存在すると特に進みやすく、該塩素の混入源としては、燃料電池の酸素源として大気を使用する場合、その大気中に含まれる塩分（例えば海水など）や、冷却水などに使用される水道水中の塩素などが考えられる。
【０００８】
孔食は、ステンレス鋼の不動態化皮膜層を破壊しつつ進行する腐食形態であり、ピンホール等の本体部の露出部にて貴金属被覆部と下地のステンレス鋼との異相界面が露出していると、局部電池形成により一層その進行が加速される問題がある。つまり、硫酸雰囲気下での腐食防止を図るために積極形成していた貴金属被覆部が、局部電池形成により、孔食の観点からは却って腐食を助長してしまう結果につながるのである。しかし、局部電池形成防止のために貴金属被覆部を省略すれば、硫酸雰囲気に対する耐食性を確保できなくなることは、言うまでもない。
【０００９】
本発明の課題は、貴金属等の金属被覆部を有することで硫酸雰囲気に対する耐食性を十分に確保でき、かつ、該金属被覆部に不可避的なピンホール等を生じているにもかかわらず、孔食に対する耐食性にも十分に優れた燃料電池用金属セパレータと製造方法、及びそれに使用する燃料電池用金属素材と、該燃料電池用金属セパレータを用いた燃料電池とを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池用金属セパレータは、
金属材料板材により形成され、燃料電池の固体高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、電極層との間にガス流路を形成するとともに、
金属材料板材が、
９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、
１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、
１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、
０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成するＦｅとを含有し、
さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有する本体合金からなる本体部と、該本体部の表面を覆うとともに本体合金よりも電気化学的に貴な金属からなる金属被覆部とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池用金属素材は、上記本発明の燃料電池用金属セパレータの本体合金として使用され、
９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、
１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、
１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、
０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成するＦｅとを含有し、
さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有することを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、上記本発明の燃料電池用金属セパレータとして第一電極層上に積層されるとともに、凹部により燃料ガス用のガス流路層を形成する第一セパレータと、上記本発明の燃料電池用金属セパレータとして第二電極層上に積層されるとともに、凹部により酸化剤ガス用のガス流路層を形成する第二セパレータと、
を有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、上記本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
本体合金からなる本体合金板材により本体部を形成する本体部形成工程と、
本体合金板材の表面に金属被覆部を形成する被覆工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池用金属素材においては、本体部をなす本体合金の組成が、上記組成範囲のＣｒ及びＭｏに加え、９質量％以上３０質量％以下のＮｉを含有する。この組成により、金属被覆部に不可避的なピンホールが形成されていても、硫酸雰囲気下での耐食性を十分に確保することができ、硫酸腐食による本体合金の溶出等が生じにくくなり、ひいては燃料電池に組み込んだときの、セパレータ腐食進行による、電池内部抵抗の経時的な増加を効果的に抑制できる。また、金属被覆部の形成によりセル本体との接触抵抗を十分に軽減できる。さらに、オーステナイト系ステンレス鋼の組成となるので加工性が良好であり、燃料電池用金属セパレータ特有の溝付き形状等へのプレス加工によるクラック発生も生じにくい。
【００１５】
そして、本体合金の必須成分として上記組成範囲のＣｒ及びＭｏに加え、０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮを添加し、さらに前述の定義式に基づくピッティングインデックスＰＩの値が３０以上となるように組成調整することにより、硫酸雰囲気下での耐食性だけでなく、金属被覆部を形成した状態でのピンホール部での孔食、特に塩素を含有した雰囲気下での孔食発生を極めて効果的に抑制することができる。この観点において、金属材料板材の金属被覆部を施した表面の孔食電位（ＶＣ）が４００ｍＶ  ｖｓ  ＳＣＥ以上であることが望ましい。
【００１６】
ＰＩの値は、本体合金の耐孔食性の程度を定量的に表す指標となる。不動態皮膜形成の主体を担うＣｒやＭｏもＰＩを増加させ、特に、Ｍｏは同じ添加量でもＣｒの３倍以上ＰＩの増加に寄与するので、特許文献１（表１：番号２）のように、Ｍｏ含有量を高めつつＣｒとＭｏとの合計含有量を一定以上に増加させれば、ＰＩの値を３０以上に確保することはできる。しかし、ＣｒとＭｏとの合計含有量を極端に増やしすぎると素材の加工性が悪化し、例えば板素材を溝付き形状にプレス加工する際などにクラックや割れなどを生じやすくなる問題がある。特許文献１が採用する素材は、Ｎｉ含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼の組成を有しており、硫酸酸性下での耐食性を十分に確保できない。また、ＣｒとＭｏとの合計含有量のみでＰＩが３０以上となるように調整しようとすれば、フェライト系マトリックスの固溶硬化が著しくなり、加工性の悪化が避けがたい。
【００１７】
しかし、本発明の燃料電池用金属素材によると、上記のようにＮｉ含有量を増加させることで、硫酸酸性下での耐食性向上を問題なく図ることができる。また、一定範囲のＮを添加することでＣｒとＭｏとの合計含有量をそれほど増加させることなく耐孔食性も大幅に向上し、Ｎｉ添加によりマトリックスがオーステナイト相となることとも相俟って、加工性も極めて良好である。また、Ｎ自身もオーステナイト相安定化に寄与する。
【００１８】
なお、本発明において、「不可避的なピンホールを有する金属被覆部」とは、金属被覆部に覆われた金属材料板材の表面に面積２０００ｍｍ２の腐食評価領域を定め、ピンホール特定用の複合サイクル試験として、図１２に示した塩水噴霧−乾燥−湿潤のサイクルを、通常よりも孔食がはるかに発生しやすい条件である３０サイクル実施して、円相当径５μｍ以上の孔食が５個／ｍｍ２以上、５００個／ｍｍ２以下、の密度にて発生する金属被覆部のことをいう。
【００１９】
以下、本発明における組成及び組成以外の数値限定要件について、その臨界的意味につき説明する。本体合金の組成限定理由は、以下の通りである。
（１）Ｎｉ：９質量％以上３０質量％以下
Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であり、また、不動態皮膜を強化する働きも有する。フェライト相生成元素であるＣｒ及びＭｏに対し、オーステナイト相生成元素であるＮとのバランスで添加する必要がある。Ｎｉ含有量が９質量％未満ではオーステナイト相の安定化を図れなくなり、また、硫酸酸性雰囲気下での耐食性を十分に確保できなくなる。しかし、Ｎｉは高価であり、過剰に添加しても効果が飽和するため、コストを考慮してその上限を３０質量％とする。なお、Ｎｉは、より望ましくは１０質量％以上２０質量％以下の範囲で添加するのがよい。
【００２０】
（２）Ｃｒ：１５質量％以上３０質量％以下
Ｃｒは不動態形成元素であり、硫酸酸性下での耐食性改善とともに、ＰＩを増加させ耐孔食性を向上させる働きをなす。Ｃｒ含有量が１５質量％未満では、本体部の硫酸酸性下での耐食性とともに耐孔食性を十分に確保できない。他方、Ｃｒ含有量が３０質量％を超えると、Ｃｒがフェライト生成元素であるためにオーステナイト安定化元素であるＮｉの含有量をより高めなければならなくなりコストアップを招く。また、素材の加工性も悪化する。なお、加工性改善の観点においては、Ｃｒの含有量は、１５質量％以上２５質量％以下とするのがよい。また、Ｃｒの含有量は、さらに望ましくは２０質量％以上２５質量％以下の範囲で添加するのがよい。
【００２１】
（３）Ｍｏ：１．５質量％以上６質量％以下
Ｍｏは、Ｃｒよりも少ない添加量で、Ｃｒ添加による効果をより強化する働きをなし、特にＰＩの増加ひいては耐孔食性の向上に顕著に寄与する。含有量が１．５質量％未満では本体部の耐食性、特に硫酸雰囲気下での耐食性と耐孔食性とを十分に確保できない。他方、６質量％を超えるＭｏを添加しても耐食性向上の効果が飽和するとともに、高価な元素のため製造コストの高騰を招く。また加工性も悪くなる。Ｍｏ含有量は、より望ましくは２質量％以上４質量％以下とするのがよい。
【００２２】
なお、加工性改善の観点からは、ＣｒとＭｏとの合計含有量を２９質量％以下、より望ましくは２６質量％以下とするのがよい。
【００２３】
（４）Ｎ：０．０４質量％以上０．８質量％以下
ＮはＰＩの増加ひいては耐孔食性の向上に最も顕著に寄与する。また、オーステナイト相安定化元素でもある。含有量が０．０４質量％未満では、耐孔食性の向上効果に乏しく、０．８質量％を超えた添加は素材の硬さが過剰に増加し、加工性の悪化につながる。また、０．８質量％を超えるＮ含有量は、加圧溶解炉などの特殊な溶解設備が必要となり、コストアップにつながる。耐孔食性改善効果をより顕著なものとするには、Ｎ含有量は、０．１質量％含有させることが望ましく、加工性の確保とのバランスも考慮したより望ましいＮ含有量は０．２質量％以上０．５質量％以下である。他方、耐孔食性改善効果よりも加工性の確保をより優先したい場合は、Ｎ含有量を０．０４質量％以上０．１質量％未満とすることが望ましい。
【００２４】
（５）ＰＩ：３０以上４４以下
ＰＩが３０未満では、不可避的なピンホールが形成された金属被覆部の形成により、局部電池効果が重畳する状況下では、孔食の発生を十分に防止することができなくなる。なお、ＰＩに寄与する３成分（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ）を全て許容上限値に増加させたとき、ＰＩは最大値４４となる。ＰＩの値は、より望ましくは３３以上、より望ましくは３５以上とするのがよい。
【００２５】
（６）Ｆｅ：Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成する。
Ｆｅはマトリックスの主成分元素である。Ｆｅは、不可避不純物とともに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有量に対する残部の全てを構成するものとすることができる。他方、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有量に対する残部組成の一部が、他の副成分によって占められていてもよいが、上記本発明の効果が損なわれないよう、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率は９０質量％以上（１００質量％以下）とする。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率は９０質量％未満では、本体合金の耐食性の劣化や、加工性の悪化を招くことにつながる。
【００２６】
例えば、本体合金を、９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、を含有するものとして構成する場合、Ｆｅの含有量は３３．２質量％以上７４．４質量％以下とする。Ｆｅの含有率が７４．４量％を超えると、ＰＩ３０以上の条件を充足しつつ上記添加元素の必要な添加量を確保することが不可能となる。また、３３．２質量％未満の添加量では、上記添加元素の一部又は全部が過剰となり、コストアップや過剰添加時の前述の不具合を招くことにつながる。Ｆｅの含有率は、より望ましくは５０質量％以上７０質量％以下とするのがよい。
【００２７】
なお、本体合金には、上記以外の副成分を、加工性や耐食性の過度の低下を招かない範囲内で、他の添加元素や不可避的な不純物を含有することができる。
（７）Ｃ：０．００５質量％以上０．０５質量％以下
Ｃは、材料の強度向上を目的として添加することができる。Ｃ含有量が０．００５質量％未満では強度向上効果が顕著でない。他方、Ｃ含有量が０．０５質量％を超えると材料の硬度が増加しすぎ、加工性の低下を招くことにつながる。Ｃ含有量は、より望ましくは０．０１質量％以上０．０３質量％以下とするのがよい。
（８）Ｍｎ：１０質量％以下
Ｍｎは、精錬時における脱酸元素としても有用であり、不可避的に含有されることも多い。Ｍｎ含有量が過剰になると、材料の硬度が増加しすぎ加工性を阻害するので、１０質量％を上限とする。Ｍｎ含有量は、より望ましくは０．１質量％以上７質量％以下とするのがよい。
（９）Ｃｕ：５質量％以下
Ｃｕは耐食性を向上させるのに有効である。また、Ｎを添加した組成では冷間加工性を向上する効果もある。しかしながら、過剰に添加させると熱間加工性が低下するため、含有させる場合は３質量％以下の範囲で調整する。Ｃｕ含有量は、より望ましくは０．１質量％以上３質量％以下とするのがよい。
（１０）Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＨｆから選ばれる１種又は２種以上：０．０１〜０．５質量％
Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、及びＨｆは炭窒化物を形成して鋼の結晶粒を微細化し、強靭性を高める効果があるため、それぞれ０．５質量％までの範囲で添加することができる。なお強靭性を高める効果を明瞭にするためには、０．０１質量％以上含有させるのが望ましい。
【００２８】
一方、積極添加される上記成分以外にも、一定量までであれば、以下のような不可避不純物が含有されていても問題はない。以下、主要な不純物元素の許容上限値は以下の通りである。
Ｓｉ：１．０質量％以下
Ｓｉは脱酸元素として有用である。含有率が１．０質量％を超えると成形性が低下するので、上限を１．０質量％とする。脱酸剤として十分な効果を得るためには０．０５質量％以上の添加が好ましい。
Ｐ：０．０３０質量％以下
上限を超えると熱間加工性が悪くなる。低いほど望ましい。
Ｓ≦０．０１０質量％以下
上限を超えると、熱間加工性等に悪影響を及ぼす有害な硫化物を生ずる。低いほど望ましい。
【００２９】
金属被覆部は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ及びＰｄのいずれかを主成分（５０質量％以上）に構成することができる。Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ及びＰｄはいずれも導電性と耐食性の双方に優れ、かつ、メッキ（特に、電解メッキあるいは無電解メッキなどの化学メッキ法）や、蒸着、スパッタリングあるいはイオンプレーティング（特に、プラズマを用いた物理的方法）などの気相成膜法による被覆形成も容易である。金属被覆部の厚さが１ｎｍ未満になると、金属被覆部による接触抵抗低減効果あるいは耐食性改善効果が不十分となる。他方、金属被覆部を、５００ｎｍを超える厚さに形成することは材料コストの高騰につながる。金属被覆部の厚さは、望ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするのがよい。この場合、金属被覆部は、図１０に示すごとく、本体部の主表面を部分的に露出させる形態で被覆するものとなっていてもよい。当然、金属被覆部の厚さをこのように小さくできることで、製造コストの大幅な削減を図ることができる。
【００３０】
また、金属材料板材の固体高分子電解質膜に積層される側の主表面には、ガス流路を形成するための凹部を形成することができる。この凹部を加工により形成する際に、上記組成の本体合金を採用していることで、特に屈曲の大きくなる凹部底のコーナーないしエッジ部分にクラック等を生じにくくなる。該効果は、凹部が板金プレス加工により形成される場合に著しい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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、燃料電池の一例を積層形態にて模式的に説明するものである。該燃料電池１は、固体高分子電解質膜３を採用した固体高分子形燃料電池である。具体的に、固体高分子電解質膜３はスルホン酸基を含むフッ素樹脂にて形成され、これを挟む形で一対の電極層２，４を有し、該固体高分子電解質膜３と電極２，４とによりなる単位電池本体５を有する。単位電池本体５は、具体的には、固体高分子電解質膜３の第一主表面３ａを覆う第一電極層２と、同じく第二主表面３ｂを覆う第二電極層４と、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第一電極層２上に積層されるとともに、凹部２１により燃料ガス用のガス流路を形成する第一セパレータ１０ａと、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第二電極層４上に積層されるとともに、凹部２１により酸化剤ガス用のガス流路を形成する第二セパレータ１０ｂとを有する。なお、単位電池本体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。
【００３２】
図２及び図３は、セパレータ１０ａ，１０ｂ（以下、両者を総称する場合、「セパレータ１０」と記載する）の概略を示す平面図及び側面拡大断面図である。図２に示すように、セパレータ１０は金属板材にて形成され、図３に示すように、その主表面には、凸凹が形成されている。図１に示すように凸部２０の先端にて電極２，４と接触する。他方、凹部２１は電極層２，４との間にガス流路を形成する。本実施形態では、図２に示すように、凹部２１は、凸部２０に挟まれた蛇行溝形態で形成され、その両端がガス入口２２及びガス出口２３とされる。
【００３３】
図１に戻り、単位電池本体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、カーボン等の導電体からなる冷却水流通基板１１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は例えば２０〜４００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、複数の単位電池本体５からの電流が集められることになる。
【００３４】
セパレータ１０を構成する金属材料板材は、９質量％以上３０質量％以下のＮｉと、１５質量％以上３０質量％以下のＣｒと、１．５質量％以上６質量％以下のＭｏと、０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計含有率が９０質量％以上１００質量％以下となるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの合計に対する残部組成を形成するＦｅとを含有し、さらに、Ｃｒの含有率をＷCr（質量％）、Ｍｏの質量含有率をＷMo（質量％）、Ｎの含有率をＷN（質量％）として、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整された組成を有する本体合金からなる本体部１３と、該本体部１３の表面を覆うとともに本体合金よりも貴な金属からなる厚さ１ｎｍ以上５００ｎｍ以下（望ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下）の金属被覆部１２とを有する。金属被覆部は、本実施形態ではＡｕメッキ層である。
【００３５】
さらに、０．０４質量％以上０．８質量％以下のＮを含有しつつ、ＰＩ＝ＷCr＋３．３ＷMo＋１６ＷNにて表されるピッティングインデックスＰＩの値が３０以上４４以下の値に調整されることで、特に塩素が含有された雰囲気下において、金属被覆部１２に形成されたピンホールにおける孔食が進行することを効果的に抑制することができる。
【００３６】
以下、セパレータ１０の製造方法の一例について説明する。まず、本体合金を上記所期の組成となるように溶解し、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延さらに熱処理を経て板材（本体部）１３にする。次に、該板材１３の主表面にＡｕメッキを施し金属被覆部１２を形成する。図５は、板材１３に電解Ａｕメッキを施す装置の概略を示すものである。メッキ槽Ｂ内には、例えばシアン化金カリウムを含有したメッキ浴ＳＬが建浴されている。メッキ浴ＳＬ内にて板材１３の両面にカソード電極５５，５５が対向配置され、メッキ電源１２０により板材１３側がアノードとなるように通電することにより、Ａｕメッキ層からなる金属被覆部１２を形成できる。
【００３７】
次に、メッキ後の板材１３に、凹凸形成のための金型プレス加工を冷間加工により行なう。まず、図６の工程１に示すように、転写すべき凹凸パターン５１ａを有するプレス用金型５１，５１の間に板材１３を配置する。そして、工程２に示すように、金型５１，５１を相対的に接近させ、板材１３を両金型５１，５１間にて加圧することにより、凹凸パターンが転写される。その後、工程３に示すようにプレス用金型５１，５１を離間させる。なお、凹凸転写のための金型プレス加工と、金属被覆部１２を形成するための被覆工程とは順序を逆転させてもよい。
【００３８】
例えば、図７に示すように、板材１３に複数個のセパレータの凹凸パターンを転写しておき、また、それら複数個のセパレータの凹凸パターンを一括して金属被覆部１２で覆うことができる。この場合、メッキ済み板材１７を切断予定線ＣＬに沿って切断することにより、個別の燃料電池用セパレータ１０’を得ることができる。なお、メッキ済み板材１７の切断は、図８に示すように、該メッキ済み板材１７を台座２０上に載置してメッキ済み板材１７の表面に切断刃１９を当接させ、この切断刃１９をメッキ済み板材１７に対して押しつけながら切断することができる。メッキ済み板材１７において、切断面となる側面１６に沿って金属被覆部１２が伸び、該側面１６の一部を覆う延長被覆部１２ｅが形成される。これにより、側面１６のうち本体部１３の露出面を縮小でき、ひいては該露出面の幅を１ｍｍ以下とすることができる。
【実施例】
【００３９】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、表１に示す種々の組成の合金インゴットを、高周波誘導溶解炉を用いて溶製し、次いで、熱間鍛造後、熱間圧延、冷間圧延及び熱処理を繰り返して、本体部となるべき厚さ０．１１ｍｍの板とした。次に、該板の両面に、周知の電解Ａｕメッキにより厚さ４０ｎｍにてＡｕメッキ層（金属被覆部）を形成した。前述のピンホール特定試験により特定される、寸法５μｍ以上の孔食（つまり、ピンホール）の発生密度は、１０個／ｍｍ２〜１００個／ｍｍ２であった。該Ａｕメッキ後の板は、その後、図２に示す溝状形態の凹部を金型プレス加工にて形成した。なお、凹部の幅は１．０ｍｍ、深さは０．６ｍｍとした。その後、剪断式カッターにてメッキ後の板材を個々のセパレータに切断分離した（平面形状：５０ｍｍ×４０ｍｍの長方形状）。
【００４０】
切断後の各セパレータ試料は、拡大鏡にて凹部底のエッジなどにクラックを生じていないかどうかを目視確認し、クラックが認められなかったものを成形性良好（○）、クラックが認められたものを成形性不良（×）として判定した。また、各セパレータ試料に対し、以下の試験を行った。
（１）孔食電位（ＶＣ）の測定：
溝加工前の板材から寸法１５ｍｍ×１５ｍｍの試験片を採取し、ＪＩＳ：Ｇ０５７７に規定された方法にて、孔食電位（ＶＣ）を測定した。なお、ＶＣは、当該規格のＶ’Ｃ１０として測定を行っている。
【００４１】
（２）複合サイクル試験：
溝加工前の板材から寸法４０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、図１２に示した塩水噴霧−乾燥−湿潤を１サイクルとして、計６サイクル試験を行い、試験後の孔食の有無を目視判定した。判定条件は、以下の通りである：
「○（良）」：孔食認められず
「△（可）」：薄い錆のみ発生（孔食が比較的小さく、少ない）
「×（不可）」：全面濃い錆が発生（孔食が大きく深い）
【００４２】
（３）硫酸溶液中での腐食試験
溝加工前の板材から寸法４０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、硫酸溶液に浸漬して試験前後の腐食消耗率を測定した。硫酸溶液はｐＨ１、温度１００℃であり、浸漬時間を１６８時間として、腐食後の金属イオン溶出量を測定し評価した。溶出イオン量０．１ｍｇ以下のものを良好（○）、０．１ｍｇを超えるものを不良（×）として判定した。
（４）加工性評価
溝加工後に、拡大鏡にて凹部底のエッジなどにクラックを生じていないかどうかを目視確認し、クラックが認められなかったものを良好（○）、クラックがごく僅かにとどまっていたものを可（△）、クラックが認められたものを不良（×）として判定した。以上の結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2005340163.tif 000003
【００４４】
以上のごとく、本発明の燃料電池用金属素材を用いて作成した発明例のセパレータは、硫酸耐食性と耐孔食性とのいずれにも優れ、かつ、加工性も良好であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の燃料電池の積層形態の一例を示す側面図。
【図２】図１の燃料電池に使用する本発明の燃料電池用金属セパレータの一例を示す平面図。
【図３】図２のセパレータの一部断面を拡大して示す図。
【図４】その切断面の状態を拡大して示す模式図。
【図５】金属被覆部をメッキ形成するための装置の模式図。
【図６】凹部形成の金型プレス加工の工程説明図。
【図７】複数個のセパレータを１枚の板材から切断分離する形で製造する工程の概念説明図。
【図８】切断工程の第一例を示す模式図。
【図９】同じく第二例を示す模式図。
【図１０】金属被覆部を薄く形成した場合に形成される露出部の概念を示す図。
【図１１】金属被覆部に形成されるピンホールの概念を示す図。
【図１２】ピンホール特定用の複合サイクル試験の条件説明フロー図。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池
２，４  電極層
３  固体高分子電解質膜
１０ａ、１０ｂ  燃料電池用金属セパレータ
１２  金属被覆部
１３  本体部
２１  凹部
【図１】
2005340163.tif 000004
【図２】
2005340163.tif 000005
【図３】
2005340163.tif 000006
【図４】
2005340163.tif 000007
【図５】
2005340163.tif 000008
【図６】
2005340163.tif 000009
【図７】
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【図８】
2005340163.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2005340163.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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