(57)【要約】【課題】  金属ガラス合金での優れた耐食性を活かした燃料電池用セパレータ一体型電極の製造方法を提供する。【解決手段】  金属ガラス合金粉末を金型に充填後、ガラス遷移温度と結晶化温度との間の温度でプレスストローク制御して多孔体を作製し、一方、他の金属ガラス合金粉末を金型に充填後上記温度間の条件にてセパレータ形状に成形し、該セパレータに設けた凹部に上記多孔体を配置後上記温度間の条件にて一体化焼結させて多孔質部材を形成することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ガラス合金粉末を金型に充填後、ガラス遷移温度と結晶化温度との間の温度でプレスストローク制御して多孔体を作製し、一方、他の金属ガラス合金粉末を金型に充填後上記温度間の条件にてセパレータ形状に成形し、該セパレータに設けた凹部に上記多孔体を配置後上記温度間の条件にて一体化焼結させて多孔質部材を形成することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ一体型電極の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極に一部を揆水処理した発泡金属を適用し、、電極のガス拡散性と導電性を向上させて燃料電池の発電性を向上させる技術が提案されている。また、固体高分子型燃料電池の集電極（ガス拡散層を兼用）に金属ワイヤーの網状構造をもつ金属多孔体を適用し、この金属多孔体の金属ワイヤー末端部分の二極板等に対する高い局在化圧を利用して接触抵抗を低減する技術が提案されている。
【０００３】
また、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極に金属メッシュのスクリーンを適用して集電性能とガス拡散性を向上させ、併せて燃料電池の小型軽量化を実現する技術が提案されている。さらに、特開２００４−２７３３５９号公報（特許文献１）に開示されているように、平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍで気孔率が８０％以上である３次元網目構造を有する金属多孔体と金属基体が固層拡散処理により接合された一体構造をなしている多孔質部材が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２７３３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体高分子型燃料電池のガス拡散電極は、ガス透過性の他、対強酸耐食性が求められている。一方、セパレータには対強酸耐食性の他、拡散電極に有効なガスを送り込む流路を安価に形成するための精密加工性が求められている。そして、一般的には電極とセパレータは個別に形成された後、機械的に一体化するのであるが電極とセパレータ間の接触抵抗によっては発電効率が低下することが課題となっている。そこで上述した特許文献１の場合には、確かに金属多孔体と金属箔などで形成される金属基体が一体化しているため、両者の接合部の接触抵抗が大幅に低減し、燃料電池のセパレータ兼用ガス拡散電極として使用すると発電性の向上が見られる。しかし、拡散処理に当たっては、９００〜１３００℃という高い拡散処理温度を必要とするという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、金属ガラス合金粉末を利用することを見出した。すなわち、金属ガラス合金はガラス遷移温度（Ｔｇ）から結晶化温度（Ｔｘ）までの過冷却液体領域で精密加工が可能であり、しかも、プレスストロークを制御することで空孔率を制御することが出来る。特に、コスト的に有利なＦｅ基やＮｉ基の金属ガラス合金の場合のガラス遷移温度、結晶化温度は最大６５０℃程度であることから、上記特許文献１のような高温を必要とせず、かつ金属ガラス合金粉末の非晶質性を保持したまま焼結することにより金属ガラス合金での優れた耐食性を活かすことが可能な燃料電池用セパレータ一体型電極の製造方法を提供するものである。
【０００６】
その発明の要旨とするところは、
金属ガラス合金粉末を金型に充填後、ガラス遷移温度と結晶化温度との間の温度でプレスストローク制御して多孔体を作製し、一方、他の金属ガラス合金粉末を金型に充填後上記温度間の条件にてセパレータ形状に成形し、該セパレータに設けた凹部に上記多孔体を配置後上記温度間の条件にて一体化焼結させて多孔質部材を形成することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法にある。
【発明の効果】
【０００７】
以上述べたように、本発明による金属ガラス合金を用いることによりセパレータと電極間の電気伝導性に優れ、かつ耐食性に優れた燃料電池用部材を工業的に、しかも安価に製造することが出来る極めて優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る多孔質部材の概略図である。この図１に示すように、多孔質部材１は金属基体２と金属多孔体３より構成され、金属基体２と金属多孔体３はいずれも金属ガラス合金より成り、この金属ガラス合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの１種または２種以上の元素を主成分とし、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちの１種または２種以上の元素からなり、例えば金属ガラス合金粉末（成分：Ｎｉ60Ｎｂ15Ｔｉ20Ｚｒ5 ）をＡｒガスアトマイズで作製し、非晶質となる粒径が５３μｍ以下の金属ガラス合金粉末から成る。
【０００９】
上記金属ガラス合金粉末は、金属ガラス合金粉末の示差熱分析の結果、粉末の熱分析挙動の変曲点が３箇所観察され、最初の５１５℃の点は高温硬度計のデータと照合した結果、金属ガラスの軟化開始温度であった。また、次の５６５℃の点は一般的に言われているガラス遷移温度（Ｔｇ）であり、その次の６１５℃の点は結晶化温度（Ｔｘ）であることが分かった。
【００１０】
上述した知見に基づき、ガスアトマイズされた金属ガラス合金粉末は、特にガラス遷移温度（Ｔｇ）から結晶化温度（Ｔｘ）間での精密加工が可能となり、かつプレスストロークを制御することで空孔率を制御できることが分かった。この空孔率を制御できるプレスストロークの条件として、具体的にはプレス圧を２０〜６００ＭＰａとプレス温度５７０〜６００℃なる条件にて行う。この条件にて金属ガラス合金の平均孔径を５０μｍ〜１ｍｍ、空孔率を２０％以上の金属多孔体を得ることが出来た。
【００１１】
一方、同一の金属ガラス合金粉末をセパレータ成形時に金属多孔体電極に合った流路を刻んだ金型を使用することにより安価に精密セパレータとして加工する。すなわち、上記金型中に充填して、金属多孔体を得るのと同一温度条件にてセパレータ形状に１００％密度に加熱、成形を行った。この場合にＦｅ基やＮｉ基を主成分とする金属ガラス合金を用いることによりコスト的に有利で、しかも金属ガラス合金粉末の非晶質性を保ったまま焼結することにより、金属ガラス合金の優れた耐食性を活かすセパレータを得ることが出来た。
【００１２】
この凹部状とした金属基体２は、金属ガラス合金粉末を軟化開始温度である５１５℃以上、ガラス遷移温度５６５℃以下で一旦保持し、粉末が稠密充填されながら焼結体を形成し、非晶質領域での安定成形を可能とした。すなわち、加工後の部材密度を高め、かつ結晶質の形成をなくし、安定した加圧焼結を形成するため一旦保持した状態で仮焼結を行った。この仮焼結は軟化開始温度以上、ガラス遷移温度以下の温度域で行う。
【００１３】
その後、結晶化温度以下に昇温して加圧焼結する。本発明において、焼結を行う際の昇温速度は１０℃／分以上とすることが望ましい。また、その温度を結晶化温度以下としたのは、結晶化温度を超えると結晶相を生じることから、この結晶相を生じないために結晶化温度以下とした。また、焼結の際の圧力については、加圧力が低過ぎると焼結体を形成できないために、３０ＭＰａ以上とすることが望ましい。このようにして、金属ガラス合金粉末の非晶質性を保ち、かつ優れた耐食性を有する金属基体を得た。
【００１４】
このように、金属ガラス合金粉末を金型に充填後、ガラス遷移温度と結晶化温度との間の温度でプレスストローク制御して多孔体を作製し、一方、他の金属ガラス合金粉末を、図１に示すようなセパレータに設けた凹部状とした金型に充填後、上記温度間の条件にてセパレータ形状に１００％の密度に成形し金属基体２を形成する。この金属基体２に上記金属多孔体３を配置後、上記ガラス遷移温度と結晶化温度との間の条件にて一体化焼結させて多孔質部材１を製造した。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
ガスアトマイズなどによる流動性と充填性に優れた球状の金属ガラス合金粉末（成分：Ｎｉ60Ｎｂ15Ｔｉ20Ｚｒ5 ）を粒径５３μｍ以下に分級した粉末を使用し、この金属ガラス合金粉末０．６ｇを金型に充填後、プレス温度５８５℃、プレス圧５０ＭＰａなる条件によって金属多孔体（φ１０ｍｍ×１ｍｍt ）を得る。金属多孔体の平均孔径は２８μｍであった。一方、金属基体も金属多孔体と同様に、金属ガラス粉末をホットプレス成形する際に金型中に粉末を充填して昇温する際に金属ガラス合金粉末の軟化点（５１５℃）以上、ガラス遷移温度（５６５℃）以下の温度で一旦保持して金型中の粉末を仮焼結させた後、結晶化温度（６１５℃）以下に昇温してホットプレス成形することによって非晶質相の特徴を保った精密金属部材を高密度、高精度に得る。得られた金属基体の凹部に金属多孔体を挿入した後、再びプレス温度５９０℃、プレス圧２００ＭＰａなる条件によって一体化焼結して多孔質部材を得た。なお、耐食性の評価として、一体化焼結部材を硫酸沸騰腐食試験で、腐食速度１．０×１０-4（ｍｍ／ｙ）以下で孔食はみられなかった。
【００１６】
以上のように、本発明により金属ガラス合金粉末を使用することにより、金属ガラス合金粉末の特性である非晶質性を保ったまま焼結することで、この金属ガラス合金の優れた耐食性を活かすことが可能となり、しかも精密型転写性に優れ、セパレータ成形時に金属多孔体電極に合った流路を刻んだ金型を使用することにより安価に精密セパレータとして加工することが可能となる。すなわち、ガラス遷移温度以下での加工で多孔体、セパレータ共に金属ガラスのままで、再加熱加工をすることで一体化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る多孔質部材の概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  多孔質部材
２  金属基体
３  金属多孔体
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊
【図１】
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