JP2003187829A - 燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法Info
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- ing And Chemical Polishing (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 曲げ加工によって導電性介在物が脱落したり
導電性介在物と母材との境界に割れが発生したりする不
具合が抑制され、セパレータとしての機能が確保される
燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法を提供
する。 【解決手段】 セパレータの素材板の表面にエッチング
を行うことにより、導電性介在物を母材表面に突出さ
せ、かつ、その導電性介在物を山状に盛り上がった母材
の山頂部から突出させ、この素材板をプレス成形する。
導電性介在物と母材との境界に割れが発生したりする不
具合が抑制され、セパレータとしての機能が確保される
燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法を提供
する。 【解決手段】 セパレータの素材板の表面にエッチング
を行うことにより、導電性介在物を母材表面に突出さ
せ、かつ、その導電性介在物を山状に盛り上がった母材
の山頂部から突出させ、この素材板をプレス成形する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池が備える金属製セパレータおよびその製造方法に関
する。
電池が備える金属製セパレータおよびその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、平板状の電極
構造体（ＭＥＡ：Membrane ElectrodeAssembly）の両側
にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、
複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構
成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極
（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオ
ン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造であ
る。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の
外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパ
レータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように
積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス
流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池
によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス
流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電
極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流す
と電気化学反応が起こり、電気が発生する。
構造体（ＭＥＡ：Membrane ElectrodeAssembly）の両側
にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、
複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構
成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極
（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオ
ン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造であ
る。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の
外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパ
レータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように
積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス
流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池
によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス
流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電
極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流す
と電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】上記セパレータは、負極側の水素ガスの触
媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、
外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する
必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属
系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属
系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化
による軽量・コンパクト化が可能である点で有利である
とされている。金属製のセパレータは、例えば、表面に
導電経路を形成する導電性介在物が分散・露出したステ
ンレス鋼からなる薄板を素材とし、この素材板をプレス
成形して上記ガス流路や冷媒流路を形成したものが挙げ
られる。
媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、
外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する
必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属
系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属
系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化
による軽量・コンパクト化が可能である点で有利である
とされている。金属製のセパレータは、例えば、表面に
導電経路を形成する導電性介在物が分散・露出したステ
ンレス鋼からなる薄板を素材とし、この素材板をプレス
成形して上記ガス流路や冷媒流路を形成したものが挙げ
られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記ガス流路や冷媒流
路は、素材板を断面凹凸状に曲げ加工して得られる表裏
の溝で構成されるが、曲げ加工によって角となるＲ部の
外面側においては引っ張り応力によって表面の伸び量が
大きくなるので、母材と導電性介在物との界面に割れが
生じやすい。図１（ｂ）は、このような現象を模式的に
示しており、素材板１０を曲げ加工して成形したセパレ
ータ１０ＡのＲ部の外面側においては、母材２０と導電
性介在物３０との界面に割れが生じている。この割れが
生じると、導電性介在物が脱落したり、割れを起点とす
る隙間腐食が起こったりしてセパレータとしての機能の
低下を招くことになる。
路は、素材板を断面凹凸状に曲げ加工して得られる表裏
の溝で構成されるが、曲げ加工によって角となるＲ部の
外面側においては引っ張り応力によって表面の伸び量が
大きくなるので、母材と導電性介在物との界面に割れが
生じやすい。図１（ｂ）は、このような現象を模式的に
示しており、素材板１０を曲げ加工して成形したセパレ
ータ１０ＡのＲ部の外面側においては、母材２０と導電
性介在物３０との界面に割れが生じている。この割れが
生じると、導電性介在物が脱落したり、割れを起点とす
る隙間腐食が起こったりしてセパレータとしての機能の
低下を招くことになる。
【０００５】よって本発明は、曲げ加工によって導電性
介在物が脱落したり導電性介在物と母材との境界に割れ
が発生したりする不具合が抑制され、セパレータとして
の機能が確保される燃料電池用金属製セパレータおよび
その製造方法を提供することを目的としている。
介在物が脱落したり導電性介在物と母材との境界に割れ
が発生したりする不具合が抑制され、セパレータとして
の機能が確保される燃料電池用金属製セパレータおよび
その製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用金属
製セパレータは、金属組織中に導電性介在物を有する燃
料電池用金属製セパレータであって、母材表面に導電性
介在物が突出しており、かつ、その導電性介在物は、山
状に盛り上がった母材の山頂部から突出していることを
特徴としている。
製セパレータは、金属組織中に導電性介在物を有する燃
料電池用金属製セパレータであって、母材表面に導電性
介在物が突出しており、かつ、その導電性介在物は、山
状に盛り上がった母材の山頂部から突出していることを
特徴としている。
【０００７】本発明によれば、導電性介在物が突出する
側の表面が凸となるように曲げ加工された場合、導電性
介在物の周囲の母材は山状に形成されていて伸び量が大
きくならず、したがって、母材と導電性介在物との界面
に割れが生じにくい。図１（ａ）はこのような作用を模
式的に示しており、素材板１０の表面には母材２０が山
状に盛り上がっており、その山頂部から導電性介在物３
０が突出している。そして、素材板１０を曲げ加工して
成形したセパレータ１０ＡのＲ部の外面側においては、
導電性介在物３０の周囲の母材は山状に形成されている
ので、引っ張り応力が緩和されて表面の伸び量は大きく
ならず、母材２０と導電性介在物３０との界面に割れが
生じにくい。よって、曲げ加工によって、導電性介在物
が脱落したり、割れを起点とする隙間腐食が起こったり
する不具合が抑制され、セパレータとしての機能が確保
される。
側の表面が凸となるように曲げ加工された場合、導電性
介在物の周囲の母材は山状に形成されていて伸び量が大
きくならず、したがって、母材と導電性介在物との界面
に割れが生じにくい。図１（ａ）はこのような作用を模
式的に示しており、素材板１０の表面には母材２０が山
状に盛り上がっており、その山頂部から導電性介在物３
０が突出している。そして、素材板１０を曲げ加工して
成形したセパレータ１０ＡのＲ部の外面側においては、
導電性介在物３０の周囲の母材は山状に形成されている
ので、引っ張り応力が緩和されて表面の伸び量は大きく
ならず、母材２０と導電性介在物３０との界面に割れが
生じにくい。よって、曲げ加工によって、導電性介在物
が脱落したり、割れを起点とする隙間腐食が起こったり
する不具合が抑制され、セパレータとしての機能が確保
される。
【０００８】次に、本発明の燃料電池用金属製セパレー
タの製造方法は、上記本発明のセパレータを好適に製造
する方法であって、セパレータの素材板の表面にエッチ
ングを行うことにより、前記導電性介在物を母材表面に
突出させ、かつ、その導電性介在物を山状に盛り上がっ
た母材の山頂部から突出させ、この素材板をプレス成形
することを特徴としている。
タの製造方法は、上記本発明のセパレータを好適に製造
する方法であって、セパレータの素材板の表面にエッチ
ングを行うことにより、前記導電性介在物を母材表面に
突出させ、かつ、その導電性介在物を山状に盛り上がっ
た母材の山頂部から突出させ、この素材板をプレス成形
することを特徴としている。
【０００９】上記製造方法におけるエッチングとして
は、塩化鉄のシャワリングによる化学的エッチング、あ
るいはウェットブラストによる物理的エッチングが好適
である。これらエッチング法により、導電性介在物の周
囲の母材がエッチングされにくく、導電性介在物が母材
の山頂部から突出した状態になりやすい。従来、導電性
介在物を素材板の表面から突出させる処理方法は、例え
ば、化学的エッチングとしては硝フッ酸浴への浸漬が挙
げられ、物理的エッチングとしてはドライ式のサンドブ
ラストが挙げられるが、これらによるエッチング力より
も、本発明の塩化鉄のシャワリングやウェットブラスト
によるエッチング力の方が比較的弱い。このため、導電
性介在物の周囲の母材はエッチングされにくく、山状に
形成されるのである。
は、塩化鉄のシャワリングによる化学的エッチング、あ
るいはウェットブラストによる物理的エッチングが好適
である。これらエッチング法により、導電性介在物の周
囲の母材がエッチングされにくく、導電性介在物が母材
の山頂部から突出した状態になりやすい。従来、導電性
介在物を素材板の表面から突出させる処理方法は、例え
ば、化学的エッチングとしては硝フッ酸浴への浸漬が挙
げられ、物理的エッチングとしてはドライ式のサンドブ
ラストが挙げられるが、これらによるエッチング力より
も、本発明の塩化鉄のシャワリングやウェットブラスト
によるエッチング力の方が比較的弱い。このため、導電
性介在物の周囲の母材はエッチングされにくく、山状に
形成されるのである。
【００１０】なお、本発明に係るセパレータの材質とし
ては、導電性介在物を有するオーステナイト系ステンレ
ス鋼板が挙げられる。具体的には、表１に示す各成分
と、残部がＦｅ，Ｂおよび不可避的不純物とを含有し、
かつ、ＣｒおよびＢが次の（１）式を満足している。 Ｃｒ（ｗｔ％）＋３×Ｍｏ（ｗｔ％）−２．５×Ｂ（ｗｔ％）≧１７…（１） そして、Ｂが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ
２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として表面に析出してお
り、これら硼化物が、セパレータの表面に導電経路を形
成する導電性介在物である。
ては、導電性介在物を有するオーステナイト系ステンレ
ス鋼板が挙げられる。具体的には、表１に示す各成分
と、残部がＦｅ，Ｂおよび不可避的不純物とを含有し、
かつ、ＣｒおよびＢが次の（１）式を満足している。 Ｃｒ（ｗｔ％）＋３×Ｍｏ（ｗｔ％）−２．５×Ｂ（ｗｔ％）≧１７…（１） そして、Ｂが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ
２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として表面に析出してお
り、これら硼化物が、セパレータの表面に導電経路を形
成する導電性介在物である。
【００１１】
【表１】
【００１２】
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。
Ａ．セパレータの製造
［実施例１］表２に示す各成分と、残部がＦｅおよび不
可避的不純物とを含有する厚さ０．２ｍｍのオーステナ
イト系ステンレス鋼板を、１００ｍｍ×１００ｍｍの正
方形状に切り出してセパレータの素材板を得た。次い
で、この素材板の両面に、４０℃に保持したボーメ度４
０゜Ｂｅ（重液用ボーメ度）の塩化第二鉄溶液のシャワ
ーを、吹き付け圧１ｋｇ／ｃｍ２で３０秒間吹き付け、
化学的エッチングを行った。次に、素材板を５０ｔｏｎ
のプレス荷重でプレス成形し、実施例１のセパレータを
得た。
可避的不純物とを含有する厚さ０．２ｍｍのオーステナ
イト系ステンレス鋼板を、１００ｍｍ×１００ｍｍの正
方形状に切り出してセパレータの素材板を得た。次い
で、この素材板の両面に、４０℃に保持したボーメ度４
０゜Ｂｅ（重液用ボーメ度）の塩化第二鉄溶液のシャワ
ーを、吹き付け圧１ｋｇ／ｃｍ２で３０秒間吹き付け、
化学的エッチングを行った。次に、素材板を５０ｔｏｎ
のプレス荷重でプレス成形し、実施例１のセパレータを
得た。
【００１３】
【表２】
【００１４】［実施例２］素材板の両面へのエッチング
を、粒径０．３ｍｍのアルミナ粒を砥粒として水に混入
したウェットブラストを吹き付け圧１ｋｇ／ｃｍ２で２
０秒間吹き付ける物理的エッチングとした以外は、実施
例１と同様にして、実施例２のセパレータを得た。
を、粒径０．３ｍｍのアルミナ粒を砥粒として水に混入
したウェットブラストを吹き付け圧１ｋｇ／ｃｍ２で２
０秒間吹き付ける物理的エッチングとした以外は、実施
例１と同様にして、実施例２のセパレータを得た。
【００１５】［比較例１］素材板の両面へのエッチング
として、３０℃に保持された硝酸：２０％、フッ酸：８
％の噴流撹拌状態の硝フッ酸浴へ素材板を３０分間浸漬
する化学的エッチングを行った以外は、実施例１と同様
にして、比較例１のセパレータを得た。
として、３０℃に保持された硝酸：２０％、フッ酸：８
％の噴流撹拌状態の硝フッ酸浴へ素材板を３０分間浸漬
する化学的エッチングを行った以外は、実施例１と同様
にして、比較例１のセパレータを得た。
【００１６】［比較例２］素材板の両面へのエッチング
として、粒径０．３ｍｍのアルミナ粒を砥粒としたドラ
イ式のサンドブラストを吹き付け圧２ｋｇ／ｃｍ２で１
０秒間吹き付ける物理的エッチングとした以外は、実施
例１と同様にして、比較例２のセパレータを得た。
として、粒径０．３ｍｍのアルミナ粒を砥粒としたドラ
イ式のサンドブラストを吹き付け圧２ｋｇ／ｃｍ２で１
０秒間吹き付ける物理的エッチングとした以外は、実施
例１と同様にして、比較例２のセパレータを得た。
【００１７】図２は、上記実施例および比較例によって
成形されるセパレータの全体平面を示している。また、
図３は、セパレータの凹凸成形部分の一部断面および設
計寸法を示している。
成形されるセパレータの全体平面を示している。また、
図３は、セパレータの凹凸成形部分の一部断面および設
計寸法を示している。
【００１８】Ｂ．表層断面の観察
上記実施例１，２および比較例１，２のセパレータの表
層部分の断面を、顕微鏡によって観察した。図４は実施
例１のセパレータ、図５は比較例１のセパレータのそれ
ぞれ顕微鏡写真である。実施例１のセパレータは、導電
性介在物が山状に盛り上がった母材の山頂部から突出し
ていることがよく判る。一方、比較例１のセパレータ
は、母材の表面がほぼ平坦で、導電性介在物がその表面
から突出している。なお、顕微鏡観察の結果、実施例２
のセパレータの表層部分は実施例１のセパレータと同様
の状態であり、また、比較例２のセパレータの表層部分
は比較例１のセパレータと同様の状態であった。
層部分の断面を、顕微鏡によって観察した。図４は実施
例１のセパレータ、図５は比較例１のセパレータのそれ
ぞれ顕微鏡写真である。実施例１のセパレータは、導電
性介在物が山状に盛り上がった母材の山頂部から突出し
ていることがよく判る。一方、比較例１のセパレータ
は、母材の表面がほぼ平坦で、導電性介在物がその表面
から突出している。なお、顕微鏡観察の結果、実施例２
のセパレータの表層部分は実施例１のセパレータと同様
の状態であり、また、比較例２のセパレータの表層部分
は比較例１のセパレータと同様の状態であった。
【００１９】Ｃ．割れ発生率の測定
実施例１，２および比較例１，２のセパレータにつき、
プレス成形によって曲げ加工されるＲ部を含むようにし
て、１０ｍｍ×２０ｍｍの試験片をワイヤーカット法に
より切り出して得た。これら試験片を、２０ｍｍ断面が
観察面となるように、油圧式自動樹脂埋め機で直径３０
ｍｍの円柱状熱硬化型フェノール樹脂に埋め込んだ。こ
の試験片の観察面を、耐水研磨紙を用いて粗さ♯６０
０、♯１０００の順に研磨した。次いで、ダイヤモンド
ペーストを３μｍ、０．２５μｍの順で用いて試験片の
観察面をバフ研磨し、鏡面に仕上げた。この試験片の観
察面を、倒立型金属顕微鏡によって４００倍の倍率で撮
像し、得られた写真から、周囲に割れが発生していない
導電性介在物の個数（ａ）と、周囲に割れが発生してい
る導電性介在物の個数（ｂ）とを計測した。そして、ａ
＋ｂが１０００となるまで計測し、ａ，ｂの数値を以下
の（２）式にあてはめて割れ発生率を求めた。 割れ発生率（％）＝｛ｂ／（ａ＋ｂ）｝×１００…（２）
プレス成形によって曲げ加工されるＲ部を含むようにし
て、１０ｍｍ×２０ｍｍの試験片をワイヤーカット法に
より切り出して得た。これら試験片を、２０ｍｍ断面が
観察面となるように、油圧式自動樹脂埋め機で直径３０
ｍｍの円柱状熱硬化型フェノール樹脂に埋め込んだ。こ
の試験片の観察面を、耐水研磨紙を用いて粗さ♯６０
０、♯１０００の順に研磨した。次いで、ダイヤモンド
ペーストを３μｍ、０．２５μｍの順で用いて試験片の
観察面をバフ研磨し、鏡面に仕上げた。この試験片の観
察面を、倒立型金属顕微鏡によって４００倍の倍率で撮
像し、得られた写真から、周囲に割れが発生していない
導電性介在物の個数（ａ）と、周囲に割れが発生してい
る導電性介在物の個数（ｂ）とを計測した。そして、ａ
＋ｂが１０００となるまで計測し、ａ，ｂの数値を以下
の（２）式にあてはめて割れ発生率を求めた。 割れ発生率（％）＝｛ｂ／（ａ＋ｂ）｝×１００…（２）
【００２０】表３および図６は上記測定の結果を示して
いる。これら結果で明らかなように、実施例１，２のセ
パレータは比較例１，２のセパレータに比べると割れ発
生率が大幅に低く、よって本発明の効果が実証された。
なお、割れ発生率が２％以下である場合に、燃料電池用
セパレータとしての耐久性に問題はない。
いる。これら結果で明らかなように、実施例１，２のセ
パレータは比較例１，２のセパレータに比べると割れ発
生率が大幅に低く、よって本発明の効果が実証された。
なお、割れ発生率が２％以下である場合に、燃料電池用
セパレータとしての耐久性に問題はない。
【００２１】
【表３】
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セパレータの表面の山状に盛り上がった母材の山頂部か
ら導電性介在物を突出させるので、曲げ加工によって導
電性介在物が脱落したり導電性介在物と母材との境界に
割れが発生したりする不具合が抑制され、セパレータと
しての機能が確保されるといった効果を奏する。
セパレータの表面の山状に盛り上がった母材の山頂部か
ら導電性介在物を突出させるので、曲げ加工によって導
電性介在物が脱落したり導電性介在物と母材との境界に
割れが発生したりする不具合が抑制され、セパレータと
しての機能が確保されるといった効果を奏する。
【図１】 （ａ）は本発明のセパレータの製造方法によ
る作用を示す模式図、（ｂ）は従来方法によって生じる
欠陥を説明する模式図である。
る作用を示す模式図、（ｂ）は従来方法によって生じる
欠陥を説明する模式図である。
【図２】 本発明の実施例で製造されるセパレータの平
面写真である。
面写真である。
【図３】 本発明の実施例で製造されるセパレータの凹
凸成形部分の断面図である。
凸成形部分の断面図である。
【図４】 本発明の実施例１のセパレータの表層断面を
示す顕微鏡写真である。
示す顕微鏡写真である。
【図５】 本発明の比較例１のセパレータの表層断面を
示す顕微鏡写真である。
示す顕微鏡写真である。
【図６】 本発明の実施例の割れ発生率の結果を示す線
図である。
図である。
１０…素材板
１０Ａ…セパレータ
２０…母材
３０…導電性介在物
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 辻 誠
埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会
社本田技術研究所内
Ｆターム(参考） 4K057 WA02 WB01 WB02 WB03 WB08
WE08 WM04 WN10
5H026 AA06 BB02 BB06 BB10 CC03
EE08
Claims (4)
- 【請求項１】 金属組織中に導電性介在物を有する燃料
電池用金属製セパレータであって、母材表面に前記導電
性介在物が突出しており、かつ、その導電性介在物は、
山状に盛り上がった母材の山頂部から突出していること
を特徴とする燃料電池用金属製セパレータ。 - 【請求項２】 金属組織中に導電性介在物を有する燃料
電池用金属製セパレータの製造方法であって、セパレー
タの素材板の表面にエッチングを行うことにより、前記
導電性介在物を母材表面に突出させ、かつ、その導電性
介在物を山状に盛り上がった母材の山頂部から突出さ
せ、この素材板をプレス成形することを特徴とする燃料
電池用金属製セパレータの製造方法。 - 【請求項３】 前記エッチングは、塩化鉄のシャワリン
グによる化学的エッチングであることを特徴とする請求
項２に記載の燃料電池用金属製セパレータの製造方法。 - 【請求項４】 前記エッチングは、ウェットブラストに
よる物理的エッチングであることを特徴とする請求項２
に記載の燃料電池用金属製セパレータの製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001390216A JP2003187829A (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | 燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法 |
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