(57)【要約】【課題】ステンレス鋼などからなり且つ隣接し合う金属セパレータ同士を強固に且つ確実に接合した燃料電池用バイポーラ金属セパレータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）などからなり厚さが約０．１ｍｍの鋼板Ｐ０における基板１の表・裏面４，５を脱脂を含めて洗浄する工程Ｓ１と、係る基板１の脱脂・洗浄された表・裏面４，５に酸処理を施して、不動態皮膜２を除去する工程Ｓ２と、上記基板１の不動態皮膜２が除去された表・裏面４，５に対し、Ａｕ層（貴金属の薄膜層）３を電解メッキなどにより、０．５〜６０ｎｍの厚みで被覆して金属セパレータ用素板Ｐ１を製造する工程Ｓ３と、係る素板Ｐ１における表面４に反応ガスの流路６をプレス成形して金属セパレータＰ２を得る工程Ｓ４と、一対の金属セパレータＰ２を対向させ隣接する裏面５同士の薄膜層３，３を半田などのロウ材を介してロウ付けする工程、を含む、燃料電池用バイポーラ金属セパレータＰ３の製造方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなり、表面および裏面を有し、且つ表面に反応ガスの流路が形成された基板において、表面の全体または少なくとも該表面における反応ガスの流路同士間の凸部の一部に貴金属の薄膜層が被覆され、裏面の全体または少なくとも該裏面におけるロウ付け部分を含む一部に、厚みが０．５〜６０ｎｍである貴金属の薄膜層が被覆された一対の燃料電池用金属セパレータと、
一対の上記燃料電池用金属セパレータが対向する裏面同士を接合するロウ付け部分と、を備え、
上記ロウ付け部分におけるロウ材の直下には、上記貴金属の薄膜層がなく、且つ係るロウ材と上記基板の表層とが直に接合された接合部分が含まれている、
ことを特徴とする燃料電池用バイポーラ金属セパレータ。
【請求項２】
前記基板の裏面に被覆される貴金属の薄膜層の厚みは、１〜２０ｎｍである、
請求項１に記載の燃料電池用バイポーラ金属セパレータ。
【請求項３】
前記ロウ付け部分のロウ材と前記基板の表層とが直に接合された接合部分は、前記ロウ材と基板との界面における面積の少なくとも３０％以上である、
請求項１または２に記載の燃料電池用バイポーラ金属セパレータ。
【請求項４】
ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなる基板において、追って反応ガスの流路が形成される表面の全体またはその一部、および追って前記反応ガスの流路が形成されない裏面の全体またはその一部を洗浄する工程と、
上記基板の洗浄された表・裏面の全体またはこれらの一部を酸処理して、不動態皮膜を除去する工程と、
上記基板の不動態皮膜が除去された表・裏面の全体またはこれらの一部に対し、貴金属の薄膜層を上記基板に直に被覆する工程と、
上記貴金属の薄膜層が被覆された基板をプレス成形して、係る基板の表面に反応ガスの流路を形成する燃料電池用金属セパレータを成形する工程と、
一対の上記燃料電池用金属セパレータの裏面同士を対向させ、係る裏面間で隣接する貴金属の薄膜層を含む部分同士間にロウ材を配置する工程と、
上記ロウ材をその融点よりも高い温度に加熱して、該ロウ材に接する貴金属の薄膜層を拡散吸収し、且つ当該ロウ材と隣接する一対の基板とを直にロウ付けする工程と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用バイポーラ金属セパレータの製造方法。
【請求項５】
ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなる基板において、追って反応ガスの流路が形成される表面の全体またはその一部、および追って前記反応ガスの流路が形成されない裏面の全体またはその一部を洗浄する工程と、
上記基板の洗浄された表・裏面の全体またはこれらの一部に対しイオンビームを照射して、不動態皮膜を除去する工程と、
上記基板の不動態皮膜が除去された表・裏面の全体またはこれらの一部に対し、貴金属をスパッタリングして、上記基板に直に貴金属の薄膜層を被覆する工程と、
上記貴金属の薄膜層が被覆された基板をプレス成形して、係る基板の表面に反応ガスの流路を形成する燃料電池用金属セパレータを成形する工程と、
一対の上記燃料電池用金属セパレータの裏面同士を対向させ、係る裏面間で隣接する貴金属の薄膜層を含む部分同士間にロウ材を配置する工程と、
上記ロウ材をその融点よりも高い温度に加熱して、該ロウ材に接する貴金属の薄膜層を拡散吸収し、且つ当該ロウ材と隣接する一対の基板とを直にロウ付けする工程と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用バイポーラ金属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、隣接する一対の金属セパレータ同士を強固且つ確実に接合した燃料電池用金属バイポーラ金属セパレータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、単位セルの燃料電池は、固体高分子膜およびその両面に触媒層を介して形成されたガス拡散層からなる膜電極接合体と、その両面に配置され且つ反応ガス流路を有する一対のセパレータとから構成されている。係るセパレータには、プレス成形性に優れた金属セパレータが検討されおり、例えば、耐食性に優れたステンレス鋼板をプレス成形したものが有力視されている。
例えば、スタック型燃料電池の気密性を高めるため、互いに隣接する単位燃料電池のアノードセパレータとカソードセパレータとを、両者の周縁部ごとの表面に予め窒化層を形成した後、係る周縁部同士間をレーザ溶接して、前記窒化層を平滑化する燃料電池スタック、および燃料電池用セパレータの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７３４２２号公報（第１〜２８頁、図３，４）
【０００４】
しかしながら、ステンレス鋼からなる金属セパレータ同士をレーザ溶接する場合、予めそれらの表面にＣｒ酸化物（例えば、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｒ(ＯＨ)３など）からなる極く薄い不動態皮膜が生成されているため、形成される溶接部にＣｒ炭化物が析出することなどに起因して、隣接する金属セパレータ同士を接合した場合、接合前の耐食性を十分に維持することができない。更に、上記溶接部付近の耐食性が低下すると共に、レーザ溶接時の高熱によって、各金属セパレータに反りが生じ易くなる。しかも、係る反りを防ぐため、溶接カ所および溶接面積を増やすと、更に耐食性が低下すると共に、製作コストおよび時間が増加する、という問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなり且つ隣接し合う一対の金属セパレータ同士を強固且つ確実に接合でき、安価に製造できる燃料電池用金属バイポーラ金属セパレータおよびにその製造方法を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、発明者らによる鋭意研究および実験などに基づいて得られたもので、ステンレス鋼などからなり且つ隣接し合う一対の金属セパレータ同士の接合を、前記不動態皮膜がなく且つ極薄の貴金属の薄膜層を被覆した表面同士間においてロウ付けする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の燃料電池用バイポーラ金属セパレータ素板（請求項１）は、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなり、表面および裏面を有し、且つ表面に反応ガスの流路が形成された基板において、表面の全体または少なくとも該表面における反応ガスの流路同士間の凸部の一部に貴金属の薄膜層が被覆され、裏面の全体または少なくとも該裏面におけるロウ付け部分を含む一部に、厚みが０．５〜６０ｎｍである貴金属の薄膜層が被覆された一対の燃料電池用金属セパレータと、該一対の燃料電池用金属セパレータが対向する裏面同士を接合するロウ付け部分と、を備え、係るロウ付け部分におけるロウ材の直下には、上記貴金属の薄膜層がなく、且つ係るロウ材と上記基板の表層とが直に接合された接合部分が含まれている、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、表面に反応ガスの流路が形成され且つ該表面側に必要な導電性を付与された一対の前記金属セパレータの裏面同士を隣接させて、ハンダ付けなどのロウ付けする際に、前記極く薄い貴金属の薄膜層同士を対向させ、これらの間にロウ材を挟んでロウ付けすることで、一対の金属セパレータの基板を強固且つ確実に接合できる。従って、燃料電池に用いられるバイポーラ金属セパレータを容易且つ安価に提供可能となる。
前記金属セパレータの裏面に被覆する薄膜層の厚みを０．５ｎｍ未満とすると、実用的な表面処理技術では、厚みがバラ付くおそれが生じ、且つ部分的には不動態皮膜の生成を抑止できなくなるおそれがある。一方、上記薄膜層の厚みを６０ｎｍ超とすると、後述するロウ付け時に、ロウ材中に貴金属の薄膜層が厚さ全体において拡散できず、基板の裏面に一部の薄膜層が残留して、接合強度にバラツキが生じる。そのため、裏面側における貴金属の薄膜層の厚みを前記範囲とした。
【０００８】
尚、前記基板となるステンレス鋼には、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が含まれ、オーステナイト系のステンレス鋼は、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１などである。
一方、前記基板となるＦｅ−Ｎｉ系合金には、Ｆｅ−４３質量％Ｎｉ−２３質量％Ｃｒ−２．７質量％Ｍｏ（例えば、ＩＮＣＯＬＯＹ８２５）などが含まれる。更に、前記Ｎｉ基合金には、６１．６質量％Ｎｉ−２１．９質量％Ｃｒ−８．９質量％Ｍｏ−３．８質量％Ｆｅ−３．６質量％Ｎｂ（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５）などが含まれる。
また、前記貴金属には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｕの何れか、あるいはこれらの何れかをベースとする合金が含まれる。
更に、前記薄膜層には、電解メッキによるメッキ層、あるいはスパッタリングによるスパッタ層などが含まれる。
【０００９】
また、前記基板の表面の一部とは、追って電極と接触する反応ガスの流路間の凸部の頂面全体、あるいは該凸部の頂面の一部分で且つ導電性が確保される面積を有する部分を指す。
更に、前記基板の裏面の一部とは、ロウ付けされた前記接合部を含む裏面の一部分を指す。
また、前記接合部分は、ロウ付け後のロウ材と基板との界面全体(１００％)のほか、係るロウ付けされた界面のうち、少なくとも面積率で３０％以上、望ましくは４０％以上、より望ましくは５０％以上でロウ材と基板とが直に接合されている部位を指す。
更に、前記バイポーラ金属セパレータにおいて、ロウ付けされた一対の基板の裏面には、前記ロウ付けされた接合部分以外の全面またはその一部に貴金属の薄膜層が被覆（残留）していても良い。
加えて、前記一対の金属セパレータ間に挟まれ且つそれらの裏面側の前記接合部を含む凸部間の凹部同士からなる空間は、追って形成されるスタック型燃料電池における冷却水などの循環路に活用される。
【００１０】
また、本発明には、前記基板の裏面に被覆される貴金属の薄膜層の厚みは、１〜２０ｎｍである、燃料電池用バイポーラ金属セパレータ（請求項２）も含まれる。
これによれば、前記金属セパレータの基板の裏面に安定した厚みの薄膜層として被覆できると共に、ロウ付け時に当該ロウ材中に、貴金属の薄膜層を厚み全体において確実に拡散させることが可能となる。
【００１１】
更に、本発明には、前記ロウ付け部分のロウ材と前記基板の表層とが直に接合された接合部分は、前記ロウ材と基板との界面における面積の少なくとも３０％以上である、燃料電池用バイポーラ金属セパレータ素板（請求項３）も含まれる。
これによれば、基板の裏面の表層とロウ材との界面のうち、少なくとも３０％以上の面積率で両者が直にロウ付けにて接合され、残部には貴金属の薄膜層が存在している。即ち、一対の金属セパレータを、それぞれの貴金属の薄膜層同士を臨接して配置し、これらの間に挟んだロウ材でロウ付けした際に、例えば、Ａｕメッキ層からなる極薄の薄膜層のＡｕ原子がロウ材中にほとんど拡散される部分が生じると共に、当該ロウ材と各基板とを直にロウ付けできる。従って、一対の金属セパレータが強固にロウ付けされたバイポーラ金属セパレータを、確実且つ安価に提供することが可能となる。
尚、前記基板とロウ材とが直にロウ付けされる接合部分は、望ましくは両者の界面の４０％以上、より望ましくは５０％以上である。
【００１２】
一方、本発明による第１の燃料電池用バイポーラ金属セパレータの製造方法（請求項４）は、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなる基板において、追って反応ガスの流路が形成される表面の全体またはその一部、および追って前記反応ガスの流路が形成されない裏面の全体またはその一部を洗浄する工程と、上記基板の洗浄された表・裏面の全体またはこれらの一部を酸処理して、不動態皮膜を除去する工程と、上記基板の不動態皮膜が除去された表・裏面の全体またはこれらの一部に対し、貴金属の薄膜層を上記基板に直に被覆する工程と、上記貴金属の薄膜層が被覆された基板をプレス成形して、係る基板の表面に反応ガスの流路を形成する燃料電池用金属セパレータを成形する工程と、一対の前記燃料電池用金属セパレータの裏面同士を対向させ、係る裏面間で隣接する貴金属の薄膜層を含む部分同士間にロウ材を配置する工程と、係るロウ材をその融点よりも高い温度に加熱して、該ロウ材に接する貴金属の薄膜層を拡散吸収し、且つ当該ロウ材と隣接する一対の基板とを直にロウ付けする工程と、を含む、ことを特徴とする。
【００１３】
これによれば、前記基板における裏面側の表層と貴金属の薄膜層との間には、前記不動態皮膜がなく、上記基板と薄膜層とが直に接する部分が含まれている。このため、プレス成形された一対の金属セパレータをロウ付けする際に、反応ガス流路が形成されていない裏面に被覆された極く薄い貴金属の薄膜層同士を隣接させ、これらの間にロウ材を挟み、比較的低温度でロウ付けすることで、金属セパレータ同士を強固且つ確実に接合できる。従って、燃料電池に用いられ、反りが少ないバイポーラ金属セパレータを容易且つ安価に提供することが可能となる。
尚、前記洗浄には、脱脂処理も含まれている。また、前記不動態皮膜は、Ｃｒ酸化物（例えば、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｒ(ＯＨ)３など）である。更に、前記基板の裏面側に被覆する貴金属の薄膜層の厚みは、望ましくは０．５〜６０ｎｍ、より望ましくは１〜２０ｎｍ、更に望ましくは３〜１０ｎｍである。また、前記ロウ付けには、ハンダ（半田）付けも含まれる。
加えて、前記洗浄、酸処理、および貴金属の薄膜層を被覆する３つの工程と、プレスする工程とは、後者を先に行った後で、前者を行う順序としても良い。
【００１４】
更に、本発明による第２の燃料電池用バイポーラ金属セパレータの製造方法（請求項５）は、ステンレス鋼、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、またはＮｉ基合金からなる基板において、追って反応ガスの流路が形成される表面の全体またはその一部、および追って前記反応ガスの流路が形成されない裏面の全体またはその一部を洗浄する工程と、上記基板の洗浄された表・裏面の全体またはこれらの一部に対しイオンビームを照射して不動皮態膜を除去する工程と、上記基板の不動皮態膜が除去された表・裏面の全体またはこれらの一部に対し、貴金属をスパッタリングして、上記基板に直に貴金属の薄膜層を被覆する工程と、上記貴金属の薄膜層が被覆された基板をプレス成形して、係る基板の表面に反応ガスの流路を形成する燃料電池用金属セパレータを成形する工程と、一対の上記燃料電池用金属セパレータの裏面同士を対向させ、係る裏面間で隣接する貴金属の薄膜層を含む部分同士間にロウ材を配置する工程と、上記ロウ材をその融点よりも高い温度に加熱して、該ロウ材に接する貴金属の薄膜層を拡散吸収し、且つ当該ロウ材と隣接する一対の基板とを直にロウ付けする工程と、を含む、ことを特徴とする。
【００１５】
これによれば、前記基板における裏面側の表層と貴金属の薄膜層との間には、前記不動態皮膜がなく、上記基板と薄膜層とが直に接する部分が含まれている。このため、プレス成形して得られる一対の金属セパレータを隣接させ且つロウ付けする際に、前記貴金属の薄膜同士を対向・接近させ、これらの間にロウ材を挟み、比較的低温度でロウ付けすることで、係るロウ材を介して金属セパレータ同士を強固且つ確実にロウ付けできる。しかも、前記イオンビームを照射するドライエッチング工程とスパッタリング工程とは、同じスパッタ装置内で連続して行えるので、前記第１の製造方法よりも実質的少ない工程により、燃料電池に用いるバイポーラ金属セパレータを反りを少なくして容易且つ安価に製造することが可能となる。
尚、前記洗浄、ドライエッチング、およびスパッタリングの３工程と、プレスする工程とは、プレスを先に行った後で、上記３工程を行う順序としても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の燃料電池用バイポーラ金属セパレータに用いる一形態の燃料電池用金属セパレータＰ２を示し、その表面４と直交する視覚に沿った正面図である。図２は、図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面図、図３は、図１中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った断面図である。
燃料電池用金属セパレータ（以下、単に金属セパレータと言う）Ｐ２は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）からなり板厚が約０．１ｍｍの薄板をプレス成形したもので、図１〜図３に示すように、ほぼ正方形を呈する基板１と、その表面４と、裏面５と、を備えている。尚、係るセパレータＰ２の素材は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金あるいはＮｉ基合金でも良い。
金属セパレータＰ２の表面４におけるほぼ中央部には、複数の反応ガスの流路６、これらの間を区画する複数の凸部７、各流路６の両端に位置してほぼ長方形に凹んだ一対のヘッダー部１０，１１、一方のヘッダー部１０の一端に連通し且つ中央に供給孔１３を開設したガス供給部１２、および他方のヘッダー部１１の一端に連通し且つ中央に排出孔１５を開設したガス排出部１４が設けられている。
一方、金属セパレータＰ２の裏面５におけるほぼ中央部には、前記各凸部７および各流路６の裏返し部分である複数の凹部８および凸部９が位置している。
【００１７】
図１〜図３に示すように、金属セパレータＰ２の表面４における外周側には、幅の狭い周縁１８、その内側の全周に沿って隣接する凹部１７、およびその内側の全周に沿って隣接する幅の広い凸部１６が形成され、係る凸部１６に囲まれて、前記流路６、凸部７、ヘッダー部１０，１１、ガス供給部１２、およびガス排出部１４が位置している。
一方、金属セパレータＰ２の裏面５における外周側には、前記周縁１８と、前記凹部１７および凸部１６の裏返し部分である凸部および凹部が形成され、これらに囲まれて、前記凹部８および凸部９などが位置している。
図１，図２に示すように、個々の反応ガスの流路６は、平面視でほぼ細長いＮ字形を呈し、その両側に位置する凸部７は、それぞれ平面視が逆向きのほぼ細長いＮ字形を呈している。また、各流路６の中間には、平面視がほぼＵ字形である一対のＵターン部ｕが位置している。尚、上記流路６を流れる反応ガスは、水素などの燃料ガス、または空気などの酸化剤ガスである。
【００１８】
図１中の一点鎖線部分および図２中の一点鎖線部分Ｚ１の模式的な部分拡大断面図で示すように、金属セパレータＰ２の表面４全体および裏面５全体には、前記ステンレス鋼またはＦｅ−Ｎｉ系合金からなる基板１の両面全体に、それぞれ０．５〜６０ｎｍの厚みでＡｕ層（貴金属の薄膜層）３が被覆されている。図２中で示すように、基板１と各Ａｕ層３との間には、通常、ステンレス鋼材などの表面に生成されるＣｒ酸化物からなる不動態皮膜がなく、基板１と各Ａｕ層３とが直に接触している。
尚、図２中の一点鎖線部分Ｚ２の模式的な部分拡大断面図で示すように、Ａｕ層３は、金属セパレータＰ２の表面４において、少なくとも、前記反応ガスの流路６を区画する凸部７の頂面全体のみ（表面の一部）、あるいは係る頂面の一部分のみ（表面の一部）に被覆した形態とし、裏面５のうち、各流路６の反対側に位置する凸部９の頂面全体のみ（裏面の一部）としたり、係る頂面で且つ後述するロウ付け部を含む一部分（裏面の一部）のみに被覆した形態としても良い。係る一部に被覆する形態の場合、Ａｕ層３が被覆された面では、該Ａｕ層３と基板１とが直に接触しているが、それ以外の面では基板１の表層に次述する不動態皮膜が生成されている。
【００１９】
ここで、本発明の燃料電池用バイポーラ金属セパレータＰ３を得るための第１および第２の製造方法を、図４〜図９に沿って説明する。尚、図４，図５中の金属セパレータＰ２は、若干簡略化して図示されている。
図４は、第１の製造方法の前段階に関する。図４中の最上端における左右の一点鎖線の各枠内で模式的に示すように、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）あるいはＦｅ−Ｎｉ系合金（例えば、ＩＮＣＯＬＯＹ８２５）からなる厚みが約０．１ｍｍの素鋼板Ｐ０は、所定量のＣｒおよびＮｉなどを含む基板１であり、その表・裏面４，５全体には、厚みが数ｎｍ程度のＣｒ酸化物（例えば、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｒ(ＯＨ)３など）からなる不動態皮膜２が形成されている。
先ず、上記素鋼板Ｐ０を界面活性剤入りの洗浄水や純水中で洗浄して、表・裏面に付着した塵埃類を除去し、更に水酸化ナトリウム水溶液中、あるいはアセトンなどの有機溶液中に浸漬して、その表・裏面４，５に付着した油脂類を除去する脱脂する洗浄工程（Ｓ１）を行う。
【００２０】
次に、洗浄された前記素鋼板Ｐ０を、混酸（主に硫酸、硝酸、塩酸の混合液）、塩酸、または硫酸中に浸漬する酸処理を施す工程（Ｓ２）を行う。その結果、図４中の左側の枠内に示すように、表・裏面４，５の全体から不動態皮膜２が除去された基板１のみとなる。尚、図４中の右側の枠内に示すように、マスキングによる酸洗処理を施すことで、表・裏面４，５の一部から不動態皮膜２が除去された基板１としても良い。
次いで、係る基板１の表・裏面４，５全体、または一部に対し、電解Ａｕメッキを施し、Ａｕメッキ層（貴金属の薄膜層）３を被覆する工程（Ｓ３）を行う。その結果、図４中の一点鎖線の各枠内および一点鎖線部分Ｕ１，Ｕ２で示すように、基板１の表・裏面４，５の全体、またはそれらの一部に、厚みが０．５〜６０ｎｍのＡｕメッキ層３が被覆された金属セパレータ素板Ｐ１が得られる。
【００２１】
尚、前記酸処理の工程（Ｓ２）からＡｕメッキ層３を被覆する工程（Ｓ３）までの作業は、アルゴンまたは窒素などの非酸化性雰囲気中で行われる。また、前記基板１の表面４および裏面５の一部のみにＡｕメッキ層３を被覆する場合には、表面４および裏面５における他の面をマスキングした状態で、前記電解Ａｕスメッキなどを行う。
更に、表・裏面４，５にＡｕメッキ層３が被覆された金属セパレータ素板Ｐ１を、図示しない一対のプレス型間に挿入してプレス成形する工程（Ｓ４）を行う。その結果、図４中の最下端に示すように、表面４のほぼ中央部に反応ガスの流路６、凸部７、およびＵターン部ｕなどが形成され、裏面５のほぼ中央部に凹部８や凸部９などが形成された前記同様の金属セパレータＰ２が形成される。
【００２２】
図５は、本発明の燃料電池用バイポーラ金属セパレータＰ３を得るための第２の製造方法における前段階に関する。
図５中の最上段に示すように、素鋼板Ｐ０を、界面活性剤入り洗浄液に接触させ、更に水酸化ナトリウム水溶液、あるいはアセトン中に浸漬して、表・裏面４，５を脱脂および洗浄し、表層に付着していた汚れや油脂類などを除去する洗浄工程（Ｓ１）を行う。
次いで、表・裏面４，５が洗浄された素鋼板Ｐ０を、高真空のスパッタ装置内に搬入し、Ａｒなどのイオンガスによるイオンビームを照射して、図５中の二段目の左右の各枠内に示すように、表・裏面４，５の全体または一部に形成されている不動態皮膜２を、所要の厚み（例えば、約２０ｎｍ）で除去するドライエッチング工程（Ｓ５）を行う。
【００２３】
引き続き、ドライエッチング直後の素鋼板Ｐ０の表・裏面４，５の全体、あるいはそれらの一部に対し、前記スパッタ装置内において、ターゲットとして配置したＡｕ（貴金属）を蒸着させるスパッタリングを施す工程（Ｓ６）を行う。その結果、図５中の三段目の左右の各枠内に示すように、基板１の表・裏面４，５の全面、またはそれらの一部に、厚みが０．５〜６０ｎｍであるＡｕスパッタ層（貴金属の薄膜層）３が直に被覆された金属セパレータ素板Ｐ１が得られる。
そして、基板１の表・裏面４，５の全面、あるいはそれらの一部にＡｕスパッタ層３が被覆された金属セパレータ素板Ｐ１に対し、前記同様のプレス工程（Ｓ４）を施す。その結果、図５中の最下段に示すように、前記同様の金属セパレータＰ２が得られる。
【００２４】
図６〜図８は、本発明の第１および第２の製造方法に共通するバイポーラ金属セパレータＰ３の製造方法の後段階に関する。
先ず、図６に示すように、一対の金属セパレータＰ２を、それらの前記流路６が形成されていない裏面５，５が対向するように接近させる。予め、一方の金属セパレータＰ２の裏面５における凸部９の頂面や、ヘッダー部１０の裏面には、ペースト状の半田（ロウ材）Ｒが線状、点状、あるいは面状に塗布されている。
尚、上記半田（ロウ材）Ｒは、前記Ａｕ（貴金属）の薄膜層３の上に位置している。また、本発明に用いるロウ材Ｒには、上記半田（Ｐｂ−Ｓｎ）に替えて、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系などの低融点合金からなるペースト状あるいはプリフォーム材を用いても良い。
【００２５】
図６中の一点鎖線部分Ｖを拡大した図７の左側の部分拡大断面図で示すように、ペースト状の前記半田Ｒを、一対の金属セパレータＰ２における各裏面５の全体に被覆されたＡｕの薄膜層（Ａｕメッキ層またはＡｕスパッタ層）３，３間に挟むように配置する。係る状態で、一対の金属セパレータＰ２を拘束し、約２００℃で数秒間加熱した。
その結果、図７中で白抜きの矢印の右側に示すように、半田Ｒは、一旦溶融した後、凝固して圧縮される。同時に、上記加熱によってＡｕの薄膜層３中のＡｕ原子が、隣接する半田Ｒ中に拡散するため、凝固後の半田Ｒは、一対の金属セパレータＰ２の各基板１と直にロウ付け（接合）された。
一方、図８の左側の部分拡大断面図で示するように、ペースト状の前記半田Ｒを、一対の金属セパレータＰ２における各裏面５の一部に被覆されたＡｕの薄膜層３，３間に挟んで配置しても良い。係る状態で、一対の金属セパレータＰ２を拘束し、約２００℃で数秒間加熱した。
その結果、図８中で白抜きの矢印の右側に示すように、半田Ｒは、一旦溶融した後、凝固して圧縮されると同時に、上記加熱によってＡｕの薄膜層３中のＡｕ原子が、隣接する半田Ｒ中に拡散するため、凝固後の半田Ｒは、一対の金属セパレータＰ２の各基板１と直にロウ付け（接合）された。
【００２６】
前記直接ロウ付けされた接合部分は、基板１と半田（ロウ材）Ｒとの界面で、少なくとも３０％以上、望ましくは４０％以上、より望ましくは５０％以上あると良い。また、前記基板１と半田Ｒとの直接的なロウ付けは、Ａｕメッキ層３の厚みが０．５〜６０ｎｍ、望ましくは１〜２０ｎｍという極く薄い薄膜であるため、前述した拡散を可能としたことに起因している。しかも、比較的低い加熱温度帯において一対の金属セパレータＰ２を強固で確実にロウ付けできる。
そして、上記半田付け（ロウ付け）によって、図９の断面図で示すように、一対の金属セパレータＰ２を、それらの流路６が互いに直交するように対向および接近させた裏面５，５間で、低融点の半田Ｒを介してロウ付けしたことで、各金属セパレータＰ２の表面４，４側における反応ガスの流路６などを直交するように配置したバイポーラ金属セパレータＰ３が得られた。
【００２７】
以上のような本発明のバイポーラ金属セパレータＰ３とその製造方法によれば、前記金属セパレータ素板Ｐ１をプレス成形した一対の金属セパレータＰ２を隣接させ、ハンダ付けなどのロウ付けする際に、極く薄いＡｕ（貴金属）の薄膜層３，３同士を対向させ、これらの間に半田（ロウ材）Ｒを挟んで半田（ロウ）付けすることで、不動態皮膜２を介することなく、且つ比較的低温度で半田付けされた半田Ｒのみを介して、金属セパレータＰ２，２の基板１，１同士を強固且つ確実に接合できる。従って、反りが少なく耐食性を有する一対の金属セパレータＰ２を、強固に接合したバイポーラ金属セパレータＰ３を容易且つ安価に提供できる。
【００２８】
図１０は、前記バイポーラ金属セパレータＰ３を用いて、単位セルの燃料電池Ｂ１を製作する工程に関する。
先ず、図１０中の右側の黒い矢印で示すように、一対のバイポーラ金属セパレータＰ３の間に、中央の高分子膜体２０と、その両側に配置する一対の電極２６とを挟持する。上記高分子膜体２０は、全体が前記金属セパレータＰ２とほぼ同じ大きさの膜材で、中央部の固体高分子膜２２と、その周囲を囲む枠形の補強シール部２４とからなる。また、上記一対の電極２６は、一方がアノード電極で、他方がカソード電極である。係る電極２６は、例えば、シート状の炭素繊維からなり、上記膜体２０に接する側に主にＰｔ微粒子を担持させたカーボン触媒を塗布したもの、あるいは、上記膜体２０に接する部分にＰｔ微粒子を担持させたカーボン触媒を塗布した上にカーボン繊維を載せたものである。
【００２９】
前記高分子膜体２０の両面に電極２６をそれぞれ添着し、その外側に一対のバイポーラ金属セパレータＰ３を接触させ、それらの周辺部間にシール材を挟み、図示しないボルトを貫通させ、且つ当該ボルトの雄ネジ部にナットを締結する。
その結果、図１０中の白抜きの矢印の左側に示すように、高分子膜体２０の両面に電極２６およびバイポーラ金属セパレータＰ３を対称に固定した単位セルの燃料電池Ｂ１が得られる。
更に、図１１に示すように、単位セルの上記燃料電池Ｂ１を、複数個厚み方向に沿って積層し且つ固定することで、スタック型の燃料電池Ｂ２を得ることができる。係る燃料電池Ｂ２では、互いに隣接し合う単位セルの燃料電池Ｂ１ごとにおける一方のバイポーラ金属セパレータＰ３を共有している。
【００３０】
前記燃料電池Ｂ１，Ｂ２によれば、固体高分子膜２２を挟む一方側の金属セパレータＰ３の流路６を流れる水素（燃料ガス：反応ガス）は、隣接するアノード電極２６に接触して水素イオンと電子とに分解され、係る電子は、図示しない外部の回路を通過する際に発電に利用された後、他方側のカソード電極２６に送られる。一方、固体高分子膜２２を挟む他方側の金属セパレータＰ３の流路６を流れる空気（酸化剤ガス：反応ガス）は、隣接するカソード電極２６に接触した際に、空気中の酸素がイオン化すると同時に、固体高分子膜２２を通過した上記水素イオンと、上記電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
以上の作用を繰り返すことで、水素と空気とを用いて、発電を継続且つ安定して行うことが可能となる。
【実施例】
【００３１】
ここで、本発明の具体的な実施例について、以下に説明する。
予め、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなり、厚さ：０．１ｍｍ、縦・横１００×１００ｍｍの試験用素板を９０枚用意した。これらのうち、７６枚の素板の表・裏面４，５全体または表・裏面４，５の一部に対し、前記洗浄工程、酸処理工程、および電解Ａｕメッキ（Ｓ１〜Ｓ３）工程を同じ条件にて施し、表１〜３に示すように、厚み３ｎｍ，５ｎｍ，８ｎｍ，１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、または３０ｎｍのＡｕメッキ層（貴金属の薄膜層）３を被覆した。残り１４枚の素板は、そのままとした。尚、表１〜３中の「両面一部」とは、少なくとも、素板の裏面に形成される凸部９の頂面となる部分にＡｕメッキ層３が被覆されることを示す。
【００３２】
次に、前記９０枚の試験用素板に対し、それぞれ同じプレス型を用いて、表面４に同じ寸法の複数の前記流路６、凸部７、ヘッダー部１０，１１などを、裏面５に凹部８および凸部９などを成形して、９０枚の金属セパレータを成形した。
更に、表１〜３に示すように、上記９０枚の金属セパレータから、一対のセパレータＡ，Ｂの組み合わせを行い、実施例１〜１８，２２〜３５と比較例１〜１３の組を作った。各例の組ごとに、一対のセパレータＡ，Ｂの各裏面５で対向する複数の凸部９を接近させ、これらの頂面に被覆されたＡｕメッキ層３，３間に、０．９×０．９ｍｍの半田ペーストを１．８ｍｍ間隔で且つ縦横４０×４０ｍｍの範囲において塗布し、更に約２００℃のリフロー炉に通して半田（ロウ）付けした。
【００３３】
そして、半田付けして得られた各例ごとのバイポーラ金属セパレータにおける一対の金属セパレータＡ，Ｂを平面方向に沿って離間するように、両手で引っ張った。その結果、一対のセパレータが簡単に離れるか、僅かの力で離れた例を「×」とし、強く引っ張っても離れなかった例を「○」として表１〜３に示した。
表１〜３に示すように、実施例１〜１８，２２〜３５は、それぞれ一対の金属セパレータＡ，Ｂを強く引っ張っても何れも離れなかった。係る結果は、金属セパレータＡ，Ｂ共に、予め厚み３〜３０ｎｍのＡｕメッキ層３が半田付けする側の面に被覆されていたため、半田Ｒと金属セパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合された部分を有していたことによる、ものと推定される。
一方、表１〜３に示すように、比較例１〜１３は、一対金属セパレータＡ，Ｂが簡単に離れるか、あるいは僅かの力で離れた。係る結果は、セパレータＡ，Ｂの半田付けした面にＡｕメッキ層３が被覆されておらず、且つＣｒ酸化物を含む不動態皮膜２が生成されていたため、半田ＲとセパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合されなかった、ことによると推定される。
【００３４】
【表１】
2009152177.tif 000003
【００３５】
【表２】
2009152177.tif 000004
【００３６】
【表３】
2009152177.tif 000005
【００３７】
別途に、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（ＩＮＣＯＬＯＹ８２５）からなり、厚さ：０．１ｍｍ、縦・横１００×１００ｍｍの試験用素板を３２枚用意した。これらのうち、２４枚の素板の両面または片面の中央部（一部）に対し、前記洗浄工程、酸処理工程、および電解Ａｕメッキ（Ｓ１〜Ｓ３）工程を同じ条件で施し、表４に示すように、厚み３ｎｍ、１０ｎｍ、または３０ｎｍのＡｕメッキ層（貴金属の薄膜）３を被覆した。残り８枚の素板は、そのままとした。
次に、上記３２枚の試験用素板に対し、前記と同じプレス型を用いて、前記同様の前記流路６、凸部７、ヘッダー部１０，１１、凹部８、および凸部９などを成形して、３２枚の金属セパレータを成形した。
【００３８】
次いで、表４に示すように、上記３２枚の金属セパレータから、一対のセパレータＡ，Ｂの組み合わせを行い、実施例３６〜４４と比較例１４〜２０の組を作った。各例の組ごとに、一対のセパレータＡ，Ｂの各裏面５で対向する複数の凸部９を隣接させ、これらの頂面に被覆されたＡｕメッキ層３，３間に、０．９×０．９ｍｍのＰｂフリー半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金）のペーストを１．８ｍｍ間隔で且つ縦横４０×４０ｍｍの範囲において塗布し、更に約２４０℃のリフロー炉に通してロウ（半田）付けした。
得られた各例ごとのバイポーラ金属セパレータの一対の金属セパレータＡ，Ｂを前記同様に引っ張り、一対の素板が簡単に離れるか、僅かの力で離れた例を「×」とし、強く引っ張っても離れなかった例を「○」として、表４に示した。
【００３９】
表４に示すように、実施例３６〜４４は、それぞれ一対の金属セパレータＡ，Ｂを強く引っ張っても何れも離れなかった。係る結果は、金属セパレータＡ，Ｂ共に、予め厚み３〜３０ｎｍのＡｕメッキ層３がロウ付けする側の面に被覆されていたため、半田Ｒと金属セパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合された部分を有していたことによる、ものと推定される。
一方、表４に示すように、比較例１４〜２０は、一対金属セパレータＡ，Ｂが簡単に離れるか、あるいは僅かの力で離れた。係る結果は、セパレータＡ，Ｂのロウ付けした面にＡｕメッキ層３が被覆されておらず、且つＣｒ酸化物を含む不動態皮膜が生成されていたため、前記半田ＲとセパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合されなかったことによる、ものと推定される。
【００４０】
【表４】
2009152177.tif 000006
【００４１】
更に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなり、厚さ：０．１ｍｍ、縦・横１００×１００ｍｍの試験用素板を３０枚用意し、そのうち、２４枚の素板の表・裏面４，５全体または表・裏面４，５の一部に対し、前記洗浄工程、ドライエッチング工程、およびＡｕスパッタリング（Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６）工程を同じ条件にて施し、表５に示すように、厚み１０ｎｍ，３０ｎｍ，または１００ｎｍのＡｕスパッタ層（貴金属の薄膜層）３を被覆した。残り６枚の素板は、そのままとした。
次に、上記３０枚の試験用素板に対し、前記と同じプレス型を用いて、前記同様の金属セパレータを成形した。
次いで、表５に示すように、上記３０枚の金属セパレータから、一対のセパレータＡ，Ｂの組み合わせを行い、実施例４５〜５０と比較例２１〜２９の組を作った。各例の組ごとに、一対のセパレータＡ，Ｂの各裏面５で対向する複数の凸部９を隣接させ、これらの頂面に被覆されたＡｕスパッタ層３，３間に、前記同様の半田ペーストを塗布した後、約２００℃のリフロー炉に通して半田（ロウ）付けした。
得られた各例ごとのバイポーラ金属セパレータの一対の金属セパレータＡ，Ｂを前記同様に引っ張り、簡単に離れるか、僅かの力で離れた例を「×」とし、強く引っ張っても離れなかった例を「○」として、表５に示した。
【００４２】
【表５】
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【００４３】
表５に示すように、実施例４５〜５０は、それぞれ一対の金属セパレータＡ，Ｂを強く引っ張っても何れも離れなかった。係る結果は、金属セパレータＡ，Ｂ共に、予め厚み１０〜３０ｎｍのＡｕスパッタ層３がロウ付けする側の面に被覆されていたため、半田Ｒと金属セパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合された部分を有していたことによる、ものと推定される。
一方、表５に示すように、比較例２１〜２９は、一対の金属セパレータＡ，Ｂが簡単に離れるか、あるいは僅かの力で離れた。このうち、比較例２１〜２４，２８，２９は、セパレータＡ，Ｂのロウ付けした面にＡｕスパッタ層３が被覆されておらず、且つＣｒ酸化物を含む不動態皮膜が生成されていたため、前記半田ＲとセパレータＡ，Ｂの基板１とが直に接合されなかったことによる、ものと推定される。更に、※印を付けた比較例２５〜２７は、ロウ付けはできたが、金属セパレータＡ，Ｂを強く引っぱった際に簡単に離れた。該剥離した界面を観察した結果、半田Ｒが基板１にまで達していず、残っていたＡｕスパッタ層３を介して半田付け(ロウ付け)されていたことによる、ものと推定された。
前記のような実施例１〜１８，２２〜５０によって、本発明のバイポーラ金属セパレータＰ３の効果が裏付けられた。
【００４４】
尚、本発明は、前述した形態および実施例に限定されるものではない。
例えば、前記基板となるステンレス鋼は、オーステナイト系のステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１など）の他、オーステナイト・フェライト系、あるいは析出硬化系のステンレス鋼としても良い。
また、前記貴金属の薄膜層は、Ａｕに限らず、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｕの何れか、あるいはこれらをベースとする合金からなるメッキ層などとしても良い。
更に、前記金属セパレータに成形する反応ガスの流路は、対向する一対のヘッダー部の間に、互いに平行な複数の直線形状を呈して配置する形態としても良い。
加えて、一対の金属セパレータをロウ付けするロウ材は、前記半田に限らず、各種の低融点合金からなるペースト、あるいはプリフォーム材としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に用いる一形態の金属セパレータを示す正面図。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面図。
【図３】図１中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った断面図。
【図４】本発明のバイポーラ金属セパレータの第１の製造方法を示す流れ図。
【図５】本発明のバイポーラ金属セパレータの第２の製造方法を示す流れ図。
【図６】本発明のバイポーラ金属セパレータの製造工程を示す概略断面図。
【図７】図６中の一点鎖線部分Ｖの一形態を模式的に示す部分拡大断面図。
【図８】図６中の一点鎖線部分Ｖの異なる形態を模式的に示す部分拡大断面図。
【図９】本発明の燃料電池用バイポーラ金属セパレータを示す断面図。
【図１０】上記バイポーラ金属セパレータを用いて単位セルの燃料電池を製作する工程を示す概略図。
【図１１】上記バイポーラ金属セパレータを用いてスタック型の燃料電池を製作する工程を示す概略図。
【符号の説明】
【００４６】
１……基板
２……不動態皮膜
３……Ａｕメッキ層／Ａｕスパッタ層（貴金属の薄膜層）
４……表面
５……裏面
６……反応ガスの流路
Ｐ２…金属セパレータ
Ｐ３…バイポーラ金属セパレータ
Ｒ……半田（ロウ材）
Ｓ１…洗浄工程
Ｓ２…酸処理工程
Ｓ３…Ａｕメッキ工程
Ｓ４…プレス工程
Ｓ５…ドライエッチング工程
Ｓ６…Ａｕスパッタリング工程
【図１】
2009152177.tif 000008
【図２】
2009152177.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009152177.tif 000012
【図６】
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【図７】
2009152177.tif 000014
【図８】
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【図９】
2009152177.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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