(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方側面に、アノードを挟んで、これに当接して燃料ガス流路が形成されたセパレータ板材が、同他方側面には、カソードを挟んで、これに当接して酸化ガス流路が形成されたセパレータ板材が配置された構造の単一発電モジュールを複数個重ね合わせて圧接組み立てしてなる固体高分子形燃料電池において、上記セパレータ板材を、質量％で、
Ｆｅ：２５〜３５％、
Ｃｒ：１５〜２５％、
Ｔｉ：０．１〜３％、
Ｂ：０．０１〜１％、
を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなる組成、並びにオーステナイトの素地に金属硼化物が分散分布した組織を有するＮｉ基合金で構成したことを特徴とする、すぐれた接面通電性を長期に亘って発揮する固体高分子形燃料電池の高強度Ｎｉ基合金製セパレータ板材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた接面通電性を経時的低下なく、長期に亘って発揮し、かつ高強度を有し、燃料電池の軽量化および小型化に不可欠の薄肉化を可能とする固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という）のＮｉ基合金製セパレータ板材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に上記燃料電池が、図１，２に示される通り、単セルと呼ばれる単一発電モジュールを複数個重ね合わせて圧接組み立てた構造をもち、かつ前記単セルが、固体高分子電解質膜の一方側面に、アノード（水素極）を挟んでセパレータ板材が当接され、また前記固体高分子電解質膜の他方側面には、カソード（酸素極または空気極）を挟んで、同じくセパレータ板材が当接され、さらに前記セパレータ板材における前記アノードとの当接面には燃料ガス流路、前記カソードとの当接面には酸化ガス流路が形成された構造をもつことはよく知られるところである。
また、上記の燃料電池は、セパレータ板材のアノード側に形成された燃料ガス流路を通常約８０℃の水素ガスが流れ、同カソード側の酸化ガス流路を同じく約８０℃の大気と燃料電池の反応生成物である水蒸気との混合ガスが流れることによって発電機能を発揮することも知られている。
さらに、上記の通り燃料電池のセパレータ板材のカソード当接面は、約８０℃の水蒸気と大気との混合ガスからなる酸化性ガス流に曝されるが、このカソード当接面に酸化膜が形成されるようになると、接面通電性が著しく低下して、電池機能低下の原因となることから、セパレータ板材の形成にはすぐれた耐食性を有する各種の材料が用いられており、かかる材料の中で、良好な耐食性を示す材料として、質量％（以下、％は質量％を示す）で、
Ｆｅ：２５〜３５％、
Ｃｒ：１５〜２５％、
を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなる組成を有するオーステナイト単相組織のＮｉ基合金が注目され、このＮｉ基合金で形成された燃料電池のセパレータ板材が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の燃料電池の高性能化に対する要求は強く、これに伴い、これの構造部材であるセパレータ板材は一段と苛酷な腐食条件下での使用を余儀なくされる傾向にあるが、上記の耐食性の良好な従来Ｎｉ基合金製セパレータ板材の場合でも、苛酷な腐食条件下では耐食性が不十分であるため経時的に接面通電性が低下し、比較的短時間で使用寿命に至るのが避けられず、さらに燃料電池の軽量化および小型化に対する要求も強く、この結果セパレータ板材にも薄肉化が強く求められているが、これをあまり薄肉化すると、上記の通り単セルの相互間の接触抵抗を低くする、すなわち良好な接面通電性を確保する目的で、通常２〜３ＭＰａ程度の圧力で締め付け圧接された状態で実用に供されることと相俟って、強度不足が原因で、塑性変形してしまい、十分満足な薄肉化を図ることができないのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に耐食性の良好な上記の従来Ｎｉ基合金製セパレータ板材に着目し、これの一段の耐食性向上および強度向上を図るべく研究を行なった結果、前記従来Ｎｉ基合金製セパレータ板材を構成するＮｉ基合金に合金成分としてＴｉおよびＢ（硼素）を含有させて、
Ｆｅ：２５〜３５％、
Ｃｒ：１５〜２５％、
Ｔｉ：０．１〜３％、
Ｂ：０．０１〜１％、
を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなる組成をもつものとしたＮｉ基合金でセパレータ板材を構成すると、この結果のＮｉ基合金製セパレータ板材は、これを構成するＮｉ基合金がオーステナイトの素地に長さ方向の径で０．５〜１０μｍ程度の寸法を有する金属硼化物が分散分布した組織をもつものとなり、前記金属硼化物は素地のオーステナイトに比して上記の酸化ガス流路雰囲気で著しくすぐれた耐食性を発揮し、かつ導電性のすぐれたものであることから、前記素地のオーステナイトの酸化が進行し、素地部分の接面通電性が経時的に低下するようになっても、前記金属硼化物によって、すぐれた接面通電性が長期に亘って確保されるようになり、さらにＴｉおよびＢ成分の素地固溶によって素地強度が著しく向上し、実用に際して付加される単セルの締め付け圧接圧力下においてもすぐれた耐塑性変形性を示す、という研究結果を得たのである。
【０００５】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、固体高分子電解質膜の一方側面に、アノードを挟んで、これに当接して燃料ガス流路が形成されたセパレータ板材が、同他方側面には、カソードを挟んで、これに当接して酸化ガス流路が形成されたセパレータ板材が配置された構造の単一発電モジュールを複数個重ね合わせて圧接組み立てしてなる燃料電池において、前記セパレータ板材を、
Ｆｅ：２５〜３５％、
Ｃｒ：１５〜２５％、
Ｔｉ：０．１〜３％、
Ｂ：０．０１〜１％、
を含有し、残りがＮｉと不可避不純物からなる組成、並びにオーステナイトの素地に金属硼化物が分散分布した組織を有するＮｉ基合金で構成してなる、すぐれた接面通電性を長期に亘って発揮する燃料電池の高強度Ｎｉ基合金製セパレータ板材に特徴を有するものである。
【０００６】
つぎに、この発明のセパレータ板材において、これを構成するＮｉ基合金の組成を上記の通りに定めた理由を説明する。
（ａ）Ｆｅ
Ｆｅ成分には、ＮｉおよびＣｒ成分と共に素地のオーステナイトを形成し、圧延加工性を向上させると共に、耐食性および導電性のすぐれた金属硼化物を形成し、これが素地に分散分布することによってすぐれた接面通電性を長期に亘って保持する作用があるが、その含有量が２５％未満では前記の作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が３５％を越えると耐食性が急激に低下するようになることから、その含有量を２５〜３５％と定めた。
【０００７】
（ｂ）Ｃｒ
Ｃｒ成分には、上記の通りＮｉおよびＦｅと共に素地のオーステナイトを形成し、前記素地の耐食性を向上させるほか、同じく素地に分散分布する金属硼化物を形成して、すぐれた接面通電性を長期に亘って保持する作用があるが、その含有量が１５％未満では前記の作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が２５％を越えると圧延加工性が低下するようになることから、その含有量を１５〜２５％と定めた。
【０００８】
（ｃ）Ｔｉ
Ｔｉ成分には、その一部が素地のオーステナイトに固溶して、強度を向上させ、かつその主要部分は上記の通り金属硼化物を形成して接面通電性の向上に寄与するほか、前記金属硼化物の形成を促進する作用があるが、その含有量が０．１％未満では前記の作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が３％を越えると圧延加工性が低下するようになることから、その含有量を０．１〜３％と定めた。
【０００９】
（ｄ）Ｂ
Ｂ成分には、その僅かな一部が素地に固溶して、素地の強度向上に寄与するが、その大部分は上記の通り素地に長さ方向の径で０．５〜１０μｍの寸法で分散分布する耐食性および導電性のすぐれた金属硼化物を形成して、接面通電性の経時的低下を抑制し、長期に亘ってすぐれた発電機能を保持する作用があるが、その含有量が０．０１％未満では金属硼化物の形成が不十分で前記の作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が１％を越えると、金属硼化物の形成が多くなり過ぎて圧延加工性に低下傾向が現れるようになることから、その含有量を０．０１〜１％と定めた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明のセパレータ板材を実施例により具体的に説明する。
原料として、いずれも純度が９９．９％以上の高純度のＮｉ材、Ｆｅ材、Ｃｒ材、Ｔｉ材、およびＮｉ−Ｂ母合金材（Ｂ：１７％含有）を用い、真空高周波誘導溶解装置で溶解し、それぞれ所定の成分組成をもった溶湯を調整し、これを水冷銅鋳型に鋳造して厚さ：５ｍｍの板状インゴットとし、この板状インゴットに１２００℃の圧延開始温度での熱間圧延を繰り返し４回施して、厚さ：２ｍｍの熱延板とし、ついで前記熱延板に１１５０℃に１０分間保持後水冷の溶体化処理と５００℃に１０分間保持後空冷の焼戻し処理を施し、酸洗した後、冷間加工にて厚さが１ｍｍから０．１ｍｍづつ減少して０．１ｍｍまでの１０種類の板材を形成し、これらの冷延板に５００℃に１０分間保持後空冷の熱処理を施し、酸洗した状態で、５０ｍｍ×５０ｍｍの板材を切り出し、この板材の中央部にプレス加工にて燃料ガス流路および酸化ガス流路に相当する幅：５ｍｍ×深さ：３ｍｍの溝を５ｍｍ間隔で４本平行して形成することによりそれぞれ表１，２に示される成分組成をもったＮｉ基合金で構成された本発明セパレータ板材１〜１７および従来セパレータ板材１〜９を製造した。
【００１１】
なお、この結果得られた各種のセパレータ板材について、その組織を走査型電子顕微鏡（１０００倍）を用いて観測したところ、本発明セパレータ板材１〜  はいずれもオーステナイトの素地に長さ方向の径で０．５〜１０μｍの寸法を有する金属硼化物が分散分布した組織を示し、また、従来セパレータ板材１〜２１はいずれもオーステナイト単相からなる組織を示した。
【００１２】
ついで、上記の各種セパレータ板材の強度を評価する目的で、上記の厚さの異なる１０種類のセパレータ板材を、それぞれ平面寸法：１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、厚さ：３ｍｍのステンレス鋼板で上下方向から挟んで水平に設置した状態で、これに上方より燃料電池を構成する単セルの圧接組み立て圧力に相当する４ＭＰａの面圧を付加し、１分間保持後に取り出し、セパレータ板材におけるプレス成形溝に塑性変形が発生する板厚（塑性変形発生板厚）を測定した。この測定結果を表１，２に示した。
【００１３】
また、上記の各種セパレータ板材の接面通電性について、その経時変化を評価する目的で、上記の厚さが１ｍｍの各種セパレータ板材から寸法が３０ｍｍ×３０ｍｍの試験片を切り出し、この試験片表面に圧縮空気ノズルを用いて０．５ＭＰａの圧力で１８０番の粒度をもった炭化珪素砥粒を吹き付け、表面に微細な凹凸を形成して、接触表面積の増大を図り、この表面を３０℃の２０％ＨＣｌ水溶液で１分間エッチング処理した後、沸騰したイオン交換水で十分に洗浄し、完全に乾燥した状態で、セパレータ板材の酸化ガス流路が曝される酸化性雰囲気と同等の雰囲気、すなわち８０℃の大気飽和水蒸気雰囲気中に１０００時間、２０００時間、および３０００時間放置の腐食試験を行い、腐食試験後の接触電気抵抗値を測定した。
なお、接触電気抵抗値は、上記試験片：２枚を１組とし、これを厚さ：０．３ｍｍのカーボンペーパーを挟んで重ね合わせ、この重ね合わせた試験片を油圧プレスにて上下面から３ＭＰａの圧力で加圧した状態で１５Ａの直流電流を流し、前記試験片相互間の電位差を測定し、この測定電位差から接触電気抵抗値を算出した。この結果も表１，２に示した。
この場合、接触電気抵抗値の低い方がセパレータ板材の表面における腐食試験後の接面通電性がすぐれていることを示し、これとは反対に腐食試験後の接触電気抵抗値が高くなればなるほど接面通電性が低いことを示すものである。
【表１】
0003867573.tif 000002
【００１４】
【表２】
0003867573.tif 000003
【００１５】
【発明の効果】
表１，２に示される結果から、本発明セパレータ板材１〜１７は、いずれもオーステナイトの素地に分散分布する耐食性および導電性のすぐれた金属硼化物の存在によって、素地のオーステナイトが酸化して、この部分での接面通電性が低下しても、前記金属硼化物を通して良好な接面通電性を長期に亘って確保することができ、さらに合金成分として含有するＴｉおよびＢの素地への固溶によって高強度が確保されることから、薄肉化しても塑性変形が発生し難いのに対して、前記金属硼化物の形成がなく、ＴｉおよびＢの素地への固溶もない従来セパレータ板材１〜９においては、オーステナイト単相の酸化による全面的酸化膜の形成によって接面通電性が経時的に低下し、接触電気抵抗値の経時的増大は避けられず、さらに強度不足が原因で塑性変形し易く、満足な薄肉化を図ることができないことが明かである。
上述のように、この発明のセパレータ板材は、すぐれた接面通電性を長期に亘って発揮し、かつ薄肉化を可能とする高強度を有しているので、燃料電池の高性能化、並びに軽量化および小型化に大いに寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の概略斜視図である。
【図２】燃料電池の一部分解斜視図である。
【図１】
0003867573.tif 000004
【図２】
0003867573.tif 000005