(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレーター母材をステンレス鋼製として、その表面に、塊状または板状或いは箔状の金、若しくは金が耐熱高分子シートに蒸着されている転写フィルムを接触させつつ超音波を印加して、ステンレス鋼製のセパレーター母材の表面に前記した高耐食を有する低接触抵抗体の薄層を形成させることを特徴とする燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法。
【請求項２】
超音波の周波数を、１０ＫＨｚ以上とする請求項１に記載の燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法。
【請求項３】
超音波を印加するときの加圧を、０．９８ＭＰａ以下とする請求項１または２に記載の燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法。
【請求項４】
前処理として、セパレーター母材の表面を粗化処理を行なっておくことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法。
【請求項５】
カーボンペーパーとの接触抵抗が、接触面圧０．０９８ＭＰａ以上において２０ｍΩ・ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安価で高性能な燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。これらの燃料電池は電解質が異なっているが、水素と酸素の電気化学反応によって起電力を得ることにおいては同じである。燃料電池はアノード極とカソード極とが電解質を挟んで１つのセルを形成し、これが積層されており、積層された各セル間には各セル間を電気的に接続させ、また、各セルへ供給される反応ガスの分離作用を行なうセパレーターが設置されている。
【０００３】
このセパレーターとしては、カーボン材が主として使用されているが、カーボン製は要求されるセパレーター形状にするために、母材からの削り出しや圧粉成形などを行っており、従って、生産性が低くまた製造コストが高かった。また、燃料電池を小型化する場合、セパレーターも薄肉にする必要があるため強度の点で問題がある。そこで、セパレーターとしてチタン製のものも一部使用されているが、チタンは素材が高価であって低コスト化には限界がある。
このため、生産性が高くて安価であり、しかも、強度があって小型、軽量化が可能な材料であるステンレスやアルミニウムなどの金属を母材とした金属製セパレーターが特開平１０−２２８９１４号公報、特開２０００ー１０６１９７号公報などにより提案されているが、このような金属を母材とする場合には、電極カーボンとの接触抵抗を低下させ且つ耐食性をもたせるために、貴金属やその合金などのメッキを施す必要がある。このメッキは通常のメッキとは異なり金属表面に生成されている不動態膜を除去後に即時にメッキしなければならないため、湿式においては、脱脂工程、洗浄工程、表面活性化工程、洗浄工程、メッキ工程、洗浄工程、乾燥工程と多くの工程を経なければならず、また、ＰＶＤやＣＶＤは装置自体が大型になるという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとするところは前記したような問題を解決して、生産性が高いうえに強度があって小型、軽量化が可能であり、しかも、安価なステンレス鋼を母材として使用しながら、その表面に高耐食性で対カーボン低接触抵抗性の金を簡単な設備で簡便に付着することにより、高性能なうえに極めて安価な燃料電池用のセパレーターを提供できるようにした高耐食性を有する燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記のような課題を解決した本発明は、セパレーター母材を安価な金属製として、その表面に、カーボンペーパーとの接触抵抗を低下させる高耐食を有する、塊状または板状或いは箔状の金、若しくは金が耐熱高分子シートに蒸着されている転写フィルムを接触させつつ超音波を印加して、ステンレス鋼製のセパレーター母材の表面に前記した高耐食を有する金の薄層を形成させることを特徴とする燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法を基本とし、これを請求項１の発明とする。
【０００６】
また、前記した発明において、超音波の周波数を１０ＫＨｚ以上とする発明を請求項２に係る発明とし、前記した各発明において、超音波を印加するときのセパレーター母材への加圧を０．９８ＭＰａ以下とする発明を請求項３に係る発明とする。
【０００７】
さらに、前記した各発明において、超音波を印加する前処理として、セパレーター母材の表面に粗化処理を行なっておくようにした発明を請求項４に係る発明とし、前記した各発明において、カーボンペーパーとの接触抵抗を、接触面圧０．０９８ＭＰａ  以上において２０ｍΩ・ｃｍ２以下とする発明を請求項５に係る発明とする。
【０００８】
すなわち、本発明は燃料電池を構成する単位セルのセパレーター母材を安価に入手可能なステンレス鋼製としてその表面にカーボンペーパーとの接触抵抗を低下させる高耐食を有する金の薄層を超音波により固相接合させる点に特徴を有しているが、その具体的手段としては、ステンレス鋼製のセパレーター母材の表面に低接触抵抗体として対カーボン低接触抵抗性の、塊状または板状或いは箔状の金そのものを重ねるか、対カーボン低接触抵抗性の金が蒸着されている耐熱高分子フィルムをその蒸着層側がセパレーター母材表面側となるようにして重ねたうえ、超音波接合装置の反対極側となるアンビル（架台）にセパレーター母材をセットし、音極部となるホーンチップ（超音波拡大伝達子）を圧着して超音波を印加することにより、セパレーター母材の表面と高耐食を有する対カーボン低接触抵抗性の金を超音波により互いに微振動させて数万Ｇに至る振動加速で相互の界面で振動摩擦を生じさせ、セパレーター母材の表面の不動態皮膜を破壊してセパレーター母材の真表面にカーボンペーパーとの接触抵抗を低下させ、高耐食を有する金を接合するのである。
【０００９】
この場合、前記したホーンチップによる印加圧力や超音波の周波数は、セパレーター母材の材質によって不動態皮膜の厚みが異なるうえにセパレーター母材の硬さや厚みによっても条件は異なるから特に限定されることはないが、通常は超音波の周波数は１０ＫＨｚ以上の範囲において、使用するセパレーター母材に応じた最適な条件を選択するものとし、また、印加圧力は高いほどセパレーター母材と高耐食を有する低接触抵抗体としての対カーボン低接触抵抗性の金との密着性は上昇するが、あまり印加圧力は高いとセパレーターが変形するので、０．９８ＭＰａ以下の範囲で最適な条件を選択することが好ましい。
【００１０】
また、セパレーター母材の表面に接合させる高耐食を有する低接触抵抗体としては塊状または板状或いは箔状の金そのものでもよいが、金を耐熱高分子フィルムに蒸着させた転写フィルムを用いることが特に好ましい。その理由は、超音波固相接合は摩擦による接合であるため、塊状または板状或いは箔状の金属そのものではこれがホーンチップとの間でも接合するおそれがあり、効率よくセパレーター母材の表面に接合することができないことがあるからである。なお、前記した転写フィルムの母材をポリエステル樹脂フィルムなどの耐熱高分子フィルムとするのは、ホーンチップとの間で発生する摩擦による発熱を極力抑えるように滑り性をよくし、接合された高耐食を有する低接触抵抗金属の表面が摩擦熱で溶け、フィルムの残留物が発生することをなくすためである。
【００１１】
なお、セパレーター母材の種類によっては超音波を印加する前処理としてセパレーター母材の表面に粗化処理を行なっておくことが好ましい。その理由は、超音波接合では接合材料の界面が振動して摩擦熱が発生して行なわれるので接合面の摩擦係数が関係してくるためであって、特に、セパレーター母材がステンレス鋼のような硬質材であるので、比較的低加圧による接合界面の変形は起こり難く、接合材との密着性の低下や振動による表面の変形が起こり難いからである。なお、この粗化処理はラッピング加工、機械加工、ブラスト加工その他表面を粗化できる手段であればよいが、特に、ブラスト加工は加工の方向性がなく一様な加工面が得られるので最適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態として２つの実施例を挙げて説明する。
〔実施例１〕
水素と酸素を分離し且つ集電作用をする金属製のセパレーター母材として直径３０mm、厚さ４．０mm、０．３mm、０．１mmのステンレス鋼板(JIS SUS３１６) よりなる円板を用いるとともに、カーボンペーパーとの接触抵抗を低下させる高耐食を有する低接触抵抗体として平均厚さ０．０５μm の金が厚さ２０μm のポリエステルフィルムに真空蒸着されている転写フィルムを用いて試料を作成した。まず、前記円板の片面にブラスト機で♯1000のホワイトアランダムを０．３MPa の圧力で噴射してRa0.25μｍの表面粗さに前処理した。次に、前記した円板をその前処理により粗化された表面が表側となるようにして超音波接合装置のアンビルに設置するとともに、前記した転写フィルムをその金蒸着面が円板の前処理により粗化されている表面と接するように被せた。続いて、ホーンチップがアンビルおよび転写フィルムが被せられた円板とを挟むようにして０．１９６MPa の圧力で印加しながら２０KHZ の超音波を発振させることによって、ステンレス鋼板よりなる円板表面に金の薄層を接合した。
このようにして得られた試料は、表１に示すように、転写フィルムに蒸着した金の厚みと、接合された低接触抵抗体としての金の厚みとがほぼ同等であり、１００％近い効率で金がステンレス鋼板よりなる円板表面に転写接合されていた。
また、残されたフィルムには全く溶解がなかった。
また、前記した各試料とカーボンペーパーとの接触抵抗値を接触面圧０．０９８MPa にて測定したところ２０ｍΩ・cm2 以下であった。
【００１３】
【表１】
0004580113.tif 000002
【００１４】
〔実施例２〕
前記した実施例１と同様の方法によって得た前処理により表面が粗化されているステンレス鋼板よりなる円板と転写フィルムとを用いて試料４〜６を作成した。これら試料を前記実施例１の場合と同様に重ねて周波数を４０KHZ の超音波を発振させることによりステンレス鋼板よりなる円板表面に低接触抵抗体としての金の薄層を接合した。このようにして得られた各試料も、表２に示すように、低接触抵抗体としての金が１００％近い効率でステンレス鋼板よりなる円板表面に転写接合され、また、残されたフィルムには全く溶解がなかった。
このようにして得られた各試料とカーボンペーパーとの接触抵抗値を接触面圧０．０９８MPa にて測定したところ、実施例１の場合と同様２０ｍΩ・cm2 以下であった。
【００１５】
【表２】
0004580113.tif 000003
なお、この実施例２と同じ転写フィルムを用いる一方、金属製のセパレーター母材として同じ大きさで表面に鏡面研磨してあるステンレス鋼板(JIS SUS３１６) を用いて前記同様にして試料を作成したところ、低接触抵抗体としての金の接合不良が見られ、金属製のセパレーター母材であっても材質によってはセパレーター母材の表面を粗化処理を行なっておかなくてはあまり好ましい結果は得られなかった。
【００１６】
〔参考例〕
まず、試料として同一面積の２枚の金板間にこれら金板と同一面積のカーボンペーパーを挟持させ、両金板間に種々の荷重を負荷して面圧を変化させ、両金板間に一定電流を通電してその時の電圧を測定し、この各試料の面積から電流密度を算出して各試料の前記した測定結果から各面圧での面抵抗率を算出して、金とカーボンペーパーとの接触抵抗値を得た。
【００１７】
〔比較例〕
金属製のセパレーターとして実施例１と同様、直径３０mm、厚さ４．０mm、０．３mm、０．１mmのステンレス鋼板(JIS SUS３１６) よりなる円板を処理のまま用い、この円板と、これと同じ大きさの金板との間に同一面積のカーボンペーパーを挟持させ、両試料間に種々の荷重を負荷して面圧を変化させてこのステンレス鋼板と金板間に一定電流を通電し、その時の電圧を測定してその結果から前記同様にしてステンレス鋼板とカーボンペーパーとの接触抵抗値を算出した。
その結果を前記した実施例１および参考例とともに図１にグラフで示し、実施例２および参考例とともに図２にグラフで示した。
【００１８】
前記した実施例１、２と参考例および比較例によれば、本発明方法により処理された前記実施例１、２に示したステンレス鋼板表面に高耐食を有する低接触抵抗体の薄層を超音波の印加により形成したものとカーボンペーパーとの各面圧での接触抵抗値は、最大面圧０．９８MPa において３〜５Ω・cm2 であって、同接触面圧における参考例として挙げた金とカーボンペーパーとの各面圧での接触抵抗値３〜４Ω・cm2 と殆ど変わらなかったのに対し、同接触面圧における比較例として挙げた未処理のステンレス鋼板とカーボンペーパーとの各面圧での接触抵抗値は３００〜５００Ω・cm2 であり、本発明方法により得られたものは比較例に示した未処理のステンレス鋼板を用いた場合の接触抵抗値の約１／１００であり、本発明方法によるものが金製のセパレータと変わらない性能を有していることが判る。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、燃料電池を形成する単位セルのセパレーターとして、生産性が高いうえに堅牢なステンレス鋼を用いる場合に、その表面に、カーボンペーパーとの接触抵抗を低下させる高耐食を有する、塊状または板状或いは箔状の金、若しくは金が耐熱高分子シートに蒸着されている転写フィルムを接触させつつ超音波を印加して、ステンレス鋼製のセパレーター母材の表面に前記した高耐食を有する低接触抵抗体の薄層を形成させることによって金板をセパレーターとした場合と殆ど変わらない低接触抵抗値を有するものとすることができるうえに、セパレーター母材に金などの高耐食性と対カーボン低接触抵抗体の薄層を被着形成する工程も、複雑なうえに装置が大掛かりで、しかも、廃液処理や工程廃水処理に手間のかかる湿式メッキを行なうことなく、超音波接合という高生産性で且つ簡便な方法で行なうことができる利点を有している。よって、本発明は高性能な燃料電池用のセパレーターを安価に提供できる高耐食性を有する燃料電池用低接触抵抗金属セパレーターの製造方法として業界の発展に寄与するところ極めて大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１と比較例および参考例における面圧と接触抵抗値との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例２と比較例および参考例における面圧と接触抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１】
0004580113.tif 000004
【図２】
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