JP2023071352A

JP2023071352A - METHOD FOR MANUFACTURING SEPARATOR FOR FUEL CELL

Info

Publication number: JP2023071352A
Application number: JP2021184067A
Authority: JP
Inventors: 唯衣中嶋; Yui Nakajima; 崇逢坂; Takashi Aisaka; 大地宮崎; Daichi Miyazaki; 仁谷野; Hitoshi Yano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-23

Abstract

【課題】セパレータ基材に金属皮膜を均一に成膜することができる燃料電池用のセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】金属製の基材から燃料電池用のセパレータを製造する方法であって、基材を一対の第１の金型を用いてプレス成形することにより、燃料電池に流れる流体の流路となる溝部が形成されたセパレータ基材を準備する工程Ｓ１と、プレス成形時の基材の表層の塑性流動に起因して、溝部の表面に覆い被さるように形成されたひだ状部分を有したセパレータ基材に対して、セパレータ基材における溝部の形状を維持しつつ、ひだ状部分を潰すように、一対の第２の金型を用いて溝部の表面を平坦にする工程Ｓ２と、平坦にされたセパレータ基材にターゲット源で生成された成膜用粒子を蒸着させて、セパレータ基材の表面に金属皮膜を成膜する工程Ｓ３と、を含む。【選択図】図４A method for manufacturing a separator for a fuel cell is provided, which can uniformly form a metal film on a separator base material. A method for manufacturing a separator for a fuel cell from a metal base material, wherein the base material is press-molded using a pair of first molds to form a flow path for a fluid flowing through the fuel cell. A step S1 of preparing a separator base material having grooves formed thereon, and a fold-like portion formed so as to cover the surface of the grooves due to plastic flow of the surface layer of the base material during press molding A step S2 of flattening the surface of the groove using a pair of second molds so as to crush the pleated portions while maintaining the shape of the groove in the separator base, and flattening the surface and a step S3 of depositing film-forming particles generated by the target source on the separated separator substrate to form a metal coating on the surface of the separator substrate. [Selection drawing] Fig. 4

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a separator for fuel cells.

従来から、複数の単セルを積層して構成される燃料電池が知られている。この燃料電池の各単セルは、膜電極接合体をセパレータで挟み込んだ構造となっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」ともいう）と、電解質膜の両面に接合されたアノード側触媒層およびカソード側触媒層とからなる。膜電極接合体は、必要に応じて、アノード側触媒層およびカソード側触媒層の表面にガス拡散層を有してもよい。膜電極接合体を挟み込んだ一対のセパレータは、膜電極接合体に水素ガスとエアとを供給し、供給した水素ガスとエアとを排出する流通口と流路とを有する。 BACKGROUND ART Conventionally, a fuel cell configured by stacking a plurality of unit cells is known. Each unit cell of this fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators. A membrane electrode assembly consists of a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter also referred to as "electrolyte membrane"), and an anode side catalyst layer and a cathode side catalyst layer bonded to both sides of the electrolyte membrane. The membrane electrode assembly may have gas diffusion layers on the surfaces of the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer, if necessary. A pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly has flow ports and channels for supplying hydrogen gas and air to the membrane electrode assembly and for discharging the supplied hydrogen gas and air.

当該燃料電池は、発電時に、各単セルが腐食環境に晒される。このため、金属製のセパレータ基材は、その表面に、耐食性を有する金属皮膜を形成することが一般的である（例えば特許文献１）。特許文献１には、セパレータの形状にプレス成形したセパレータ基材を準備する準備工程と、当該セパレータ基材の表面を研磨する研磨工程と、研磨したセパレータ基材の表面にチタン皮膜を成膜する成膜工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法が記載されている。また、特許文献１には、研磨工程においてセパレータ基材を研磨することにより、セパレータ基材を平滑にすることが記載されている。 Each single cell of the fuel cell is exposed to a corrosive environment during power generation. For this reason, it is common to form a metal film having corrosion resistance on the surface of a metallic separator base material (for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a preparation step of preparing a separator base material press-molded into the shape of a separator, a polishing step of polishing the surface of the separator base material, and a titanium film is formed on the surface of the polished separator base material. A method for manufacturing a fuel cell separator is described, including a film-forming step. Further, Patent Document 1 describes polishing the separator base material in the polishing process to make the separator base material smooth.

特開２０２１－２６８３９号公報JP 2021-26839 A

しかしながら、特許文献１に記載の研磨処理では、セパレータ基材を十分に平滑に研磨できないことがあった。このため、当該製造方法では、プレス成形したセパレータ基材の表面に、成膜用粒子を蒸着させて金属皮膜を被覆する場合、この金属皮膜を均一に成膜できないことがあった。 However, in the polishing process described in Patent Document 1, the separator base material could not be polished sufficiently smoothly. For this reason, in the manufacturing method, when the surface of the press-molded separator base material is coated with a metal film by evaporating film-forming particles, the metal film cannot be uniformly formed in some cases.

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セパレータ基材に金属皮膜を均一に成膜することができる燃料電池用のセパレータの製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a separator for a fuel cell, which can uniformly form a metal film on a separator base material.

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、燃料電池に流れる流体の流路となる溝部が形成されたセパレータ基材をプレス成形により成形した際に、プレス成形時の基材の表層の塑性流動に起因して、溝部の表面に覆い被さるようにひだ状部分が形成されていることを発見した。そして、発明者らは、溝部の表面に対するひだ状部分の段差（高さ）により、溝部の表面に金属皮膜が均一に成膜されていないことを知得した。 As a result of extensive studies, the inventors have found that when a separator base material having grooves that serve as flow paths for fluid flowing in a fuel cell is formed by press molding, the plastic flow of the surface layer of the base material during press molding does not occur. It has been found that the fold-like portion is formed so as to cover the surface of the groove due to the above. Then, the inventors have learned that the metal film is not uniformly formed on the surface of the groove due to the step (height) of the fold-like portion with respect to the surface of the groove.

本発明は、発明者らの上記知得に基づくものであり、本発明に係る燃料電池用のセパレータの製造方法は、金属製の基材から燃料電池用のセパレータを製造する方法であって、前記基材を一対の第１の金型を用いてプレス成形することにより、前記燃料電池に流れる流体の流路となる溝部が形成されたセパレータ基材を準備する工程と、前記プレス成形時の前記基材の表層の塑性流動に起因して、前記溝部の表面に覆い被さるように形成されたひだ状部分を有したセパレータ基材に対して、前記セパレータ基材における前記溝部の形状を維持しつつ、前記ひだ状部分を潰すように、一対の第２の金型を用いて前記溝部の表面を平坦にする工程と、平坦にされた前記セパレータ基材にターゲット源で生成された成膜用粒子を蒸着させて、前記セパレータ基材の表面に金属皮膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする。 The present invention is based on the above knowledge of the inventors, and a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention is a method for manufacturing a fuel cell separator from a metal substrate, a step of press-molding the substrate using a pair of first molds to prepare a separator substrate in which grooves serving as flow paths for fluid flowing in the fuel cell are formed; Due to the plastic flow of the surface layer of the base material, the shape of the groove part in the separator base material is maintained with respect to the separator base material having the fold-like portion formed so as to cover the surface of the groove part. while flattening the surface of the groove using a pair of second molds so as to crush the pleated portion; and a step of depositing particles to form a metal film on the surface of the separator base material.

本発明によれば、プレス成形時の基材の表層の塑性流動に起因して、溝部の表面に形成されたひだ状部分を有したセパレータ基材に対して、当該溝部の形状を維持しつつ、ひだ状部分を潰すように、一対の第２の金型を用いて溝部の表面を平坦にする工程を含む。このため、セパレータ基材を準備する工程において、セパレータ基材にひだ状部分が形成された場合であっても、セパレータ基材の溝部形状を変えることなく、一対の第２の金型を用いてひだ状部分を潰すことができる。よって、金属皮膜を成膜する工程において、平坦に加工されたセパレータ基材に対して成膜用粒子を蒸着させることができるので、セパレータ基材の表面に金属皮膜を均一に成膜することができる。 According to the present invention, a separator base material having pleated portions formed on the surface of the grooves due to plastic flow of the surface layer of the base material during press molding, while maintaining the shape of the grooves. and flattening the surfaces of the grooves using a pair of second molds so as to crush the pleated portions. Therefore, in the step of preparing the separator base material, even if the separator base material is formed with folds, the pair of second molds can be used without changing the groove shape of the separator base material. The folds can be crushed. Therefore, in the step of forming the metal film, the film-forming particles can be vapor-deposited on the flatly processed separator base material, so that the metal film can be uniformly formed on the surface of the separator base material. can.

好ましい態様としては、一対の第２の金型のうち、溝部の表面を平坦にする部分の表面粗さは、一対の第１の金型のうち、溝部を成形する部分の表面粗さよりも小さい。これにより、セパレータ基材を準備する工程において形成されたひだ状部分を、一対の第２の金型のうち溝部の表面を平坦にする部分を用いて、より確実に潰すことができる。 In a preferred embodiment, the surface roughness of the portion of the pair of second molds that flattens the surface of the groove is smaller than the surface roughness of the portion of the pair of first molds that molds the groove. . As a result, the pleated portions formed in the step of preparing the separator base material can be more reliably crushed by using the portions of the pair of second molds that flatten the surfaces of the grooves.

本発明によれば、セパレータ基材に金属皮膜を均一に成膜することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a metal film can be uniformly formed into a film on a separator base material.

本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたセパレータを含む燃料電池を模式的に示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view schematically showing a fuel cell including a separator manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the invention; FIG. 図１に示す燃料電池の単セルを模式的に示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing a single cell of the fuel cell shown in FIG. 1; 図１及び図２に示すセパレータを模式的に示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing the separator shown in FIGS. 1 and 2; 本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程を説明する図面である。It is drawing explaining the manufacturing process of the manufacturing method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセパレータ基材を準備する工程において、一対の第１の金型を用いたプレス成形によりセパレータ基材を成形している状態を説明する模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which a separator base material is formed by press molding using a pair of first molds in a step of preparing a separator base material according to the embodiment of the present invention. 図５のＡ部を拡大して模式的に示す部分拡大図である。6 is a partially enlarged view schematically showing an enlarged portion A of FIG. 5; FIG. セパレータの流路の一部を拡大して示すものであり、表面にひだ状部分の模様が形成されている状態を示すＳＥＭ画像である。It is an enlarged view of a part of the flow path of the separator, and is an SEM image showing a state in which a pleat-like pattern is formed on the surface. 図７のＣ－Ｃに沿う断面を観察したＳＥＭ画像である。FIG. 8 is an SEM image of a cross section along CC in FIG. 7; 本発明の実施形態に係る溝部の表面を平坦にする工程において、一対の第２の金型を用いてひだ状部分が潰された状態を示す模式的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state in which folds are crushed using a pair of second molds in the step of flattening the surfaces of the grooves according to the embodiment of the present invention. 図９のＢ部を拡大して示す部分拡大図であり、図６に示すひだ状部分が潰される変化を模式的に示すものである。9. It is the elements on larger scale which expand and show the B section of FIG. 9, and show typically the change by which the fold-shaped part shown in FIG. 6 is crushed. 本発明の実施形態に係る金属皮膜を成膜する工程を説明する模式的な図である。It is a typical figure explaining the process of forming a metal film concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る導電皮膜を成膜する工程を説明する模式的な図である。It is a typical figure explaining the process of forming a conductive film concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係るセパレータと比較例に係るセパレータとの腐食試験の結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of a corrosion test on a separator according to an example of the invention and a separator according to a comparative example;

以下、本発明の実施形態について図面を参照し説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１から図３を参照して、本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたセパレータ１２を含む燃料電池１について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたセパレータ１２を含む燃料電池１を模式的に示す部分断面図である。図２は、図１に示す燃料電池１の単セル１０を模式的に示す分解斜視図である。図３は、図１及び図２に示すセパレータ１２を模式的に示す部分断面図である。 A fuel cell 1 including a separator 12 manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing a fuel cell 1 including a separator 12 manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the invention. FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the single cell 10 of the fuel cell 1 shown in FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing the separator 12 shown in FIGS. 1 and 2. FIG.

本明細書において、「セパレータ１２」とは、図１及び図２に示すように単セル１０に組み込まれた状態のものをいう。また、「セパレータ基材１２ａ」とは、後述するように、成膜用粒子Ｐ１の衝突によってチタン皮膜（金属皮膜）１２ｔが成膜される前の状態のものをいう。つまり、「セパレータ基材１２ａ」は、後述する一対の第１の金型４０によりプレス成形された後の状態のもの、及び、後述する一対の第２の金型５０により加工された後の状態のものを含む。また、「基材（図示せず）」とは、一対の第１の金型４０によりプレス成形される前の状態の薄板材又は箔材を意味する。 As used herein, the term "separator 12" refers to a separator assembled into the single cell 10 as shown in FIGS. Further, the "separator base material 12a" refers to the state before the titanium film (metal film) 12t is formed by the collision of the film-forming particles P1, as will be described later. That is, the "separator base material 12a" is in a state after being press-molded by a pair of first molds 40 described later, and in a state after being processed by a pair of second molds 50 described later. including those of Further, the “base material (not shown)” means a thin plate material or a foil material before being press-molded by the pair of first molds 40 .

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１では、基本単位である単セル１０が複数積層されている。単セル１０は、エアに含まれる酸素ガスと、燃料ガスである水素ガスとの電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。エアは、大気のことであり、たとえばコンプレッサ（図示せず）により圧縮されたエアが燃料電池１に供給される。また、高圧タンク（図示せず）に充填された水素ガスが、燃料電池１に供給される。 As shown in FIG. 1, in the fuel cell 1 according to this embodiment, a plurality of unit cells 10, which are basic units, are stacked. The single cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force through an electrochemical reaction between oxygen gas contained in air and hydrogen gas, which is fuel gas. Air is atmospheric air, and air compressed by a compressor (not shown) is supplied to the fuel cell 1, for example. Also, hydrogen gas filled in a high-pressure tank (not shown) is supplied to the fuel cell 1 .

図２に示すように、燃料電池１を構成する単セル１０は、発電アセンブリ１７と、発電アセンブリ１７を挟持する一対のセパレータ１２、１２とを備えている。発電アセンブリ１７は、電極－ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）１１と、ＭＥＧＡ１１の外周を囲う樹脂フレーム１４とを備えている。 As shown in FIG. 2, the single cell 10 that constitutes the fuel cell 1 includes a power generation assembly 17 and a pair of separators 12, 12 that sandwich the power generation assembly 17. As shown in FIG. The power generation assembly 17 includes an electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA) 11 and a resin frame 14 that surrounds the MEGA 11 .

図１に示すように、ＭＥＧＡ１１は、高分子電解質膜１１ａと、この両面に接合された触媒層１１ｂ、１１ｃと、触媒層１１ｂ、１１ｃに接合されたガス拡散層１１ｄ、１１ｄと、を備えている。ＭＥＧＡ１１が配置された部分が単セル１０の発電領域となっている。 As shown in FIG. 1, the MEGA 11 includes a polymer electrolyte membrane 11a, catalyst layers 11b and 11c bonded to both sides of the membrane, and gas diffusion layers 11d and 11d bonded to the catalyst layers 11b and 11c. there is The portion where the MEGA 11 is arranged is the power generation area of the single cell 10 .

高分子電解質膜１１ａは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。触媒層１１ｂ、１１ｃは、たとえば白金などの触媒を担持した、たとえば多孔質のカーボン素材により形成される。高分子電解質膜１１ａの一方側に配置された触媒層１１ｂが燃料電池１のアノードとなり、他方側の触媒層１１ｃが燃料電池１のカソードとなる。ガス拡散層１１ｄは、たとえばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。 The polymer electrolyte membrane 11a is composed of a proton-conducting ion-exchange membrane made of a solid polymer material. The catalyst layers 11b and 11c are made of, for example, a porous carbon material carrying a catalyst such as platinum. The catalyst layer 11b arranged on one side of the polymer electrolyte membrane 11a becomes the anode of the fuel cell 1, and the catalyst layer 11c on the other side becomes the cathode of the fuel cell 1. FIG. The gas diffusion layer 11d is formed of a conductive member having gas permeability, such as a porous carbon material such as carbon paper or carbon cloth, or a porous metal material such as metal mesh or metal foam.

図２に示すように、樹脂フレーム１４の長手方向Ｌの両側には、水素ガス、エア、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍に個別に供給するとともに、供給された水素ガス、エア、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍から排出するための６つの流通口１４ａ～１４ｆが形成されている。具体的には、樹脂フレーム１４の一方側には、水素ガスが流通する水素流通口１４ａと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｂと、エアが流通するエア流通口１４ｃとが、順に設けられている。また、樹脂フレーム１４の他方側には、エアが流通するエア流通口１４ｄと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｅと、水素ガスが流通する水素流通口１４ｆとが、順に設けられている。各流体が流れる一対の流通口は、一方がＭＥＧＡ１１またはその近傍への供給用の流通口となっており、他方がＭＥＧＡ１１またはその近傍からの排出用の流通口となっている。たとえば、一方の水素流通口１４ａがＭＥＧＡ１１への供給用の流通口となっており、他方の水素流通口１４ｆがＭＥＧＡ１１からの排出用の流通口となっている。水素流通口１４ａと、水素流通口１４ｆとは、樹脂フレーム１４の対角に配置されているので、水素ガスを、発電領域の対角に流通させることができる。 As shown in FIG. 2, on both sides of the resin frame 14 in the longitudinal direction L, hydrogen gas, air, and cooling water are individually supplied to the MEGA 11 or its vicinity, and the supplied hydrogen gas, air, and cooling water are supplied to the MEGA 11 or its vicinity. Six circulation ports 14a to 14f are formed for discharging water from the MEGA 11 or its vicinity. Specifically, on one side of the resin frame 14, a hydrogen flow port 14a through which hydrogen gas flows, a cooling water flow port 14b through which cooling water flows, and an air flow port 14c through which air flows are provided in this order. It is On the other side of the resin frame 14, an air flow port 14d through which air flows, a cooling water flow port 14e through which cooling water flows, and a hydrogen flow port 14f through which hydrogen gas flows are provided in this order. . Of the pair of flow ports through which each fluid flows, one is a flow port for supply to the MEGA 11 or its vicinity, and the other is a flow port for discharge from the MEGA 11 or its vicinity. For example, one hydrogen flow port 14 a serves as a flow port for supplying hydrogen to the MEGA 11 , and the other hydrogen flow port 14 f serves as a flow port for discharging from the MEGA 11 . Since the hydrogen flow port 14a and the hydrogen flow port 14f are arranged diagonally in the resin frame 14, hydrogen gas can be circulated diagonally in the power generation area.

図２に示すように、セパレータ１２は、平面視においてＭＥＧＡ１１と同じ長方形状に形成されている。セパレータ１２のＭＥＧＡ１１と当接する部分には、たとえば長手方向Ｌに沿って多数のセパレータ溝部（流路）１５が形成され、これにより、図１に示すように、燃料ガス、エア、および冷却水が流れる流路１５ａ～１５ｃが形成される。セパレータ溝部１５は、セパレータ１２の長辺に沿って形成されている。具体的には、一方の触媒層１１ｂ側のガス拡散層１１ｄとセパレータ１２との間に画成される流路が、水素ガスが流通する流路１５ａである。他方の触媒層１１ｃ側のガス拡散層１１ｄとセパレータ１２との間に画成される流路が、エアが流通する流路１５ｂである。セパレータ１２同士の間に形成される流路が、冷却水が流通する流路１５ｃである。本実施形態では、一方の流路１５ａに水素ガスが供給され、他方の流路１５ｂにエアが供給されると、単セル１０内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。 As shown in FIG. 2, the separator 12 is formed in the same rectangular shape as the MEGA 11 in plan view. A large number of separator grooves (channels) 15 are formed, for example, along the longitudinal direction L in a portion of the separator 12 that abuts on the MEGA 11. As a result, fuel gas, air, and cooling water flow as shown in FIG. Flow channels 15a to 15c are formed. The separator groove portion 15 is formed along the long side of the separator 12 . Specifically, the channel defined between the gas diffusion layer 11d on the one catalyst layer 11b side and the separator 12 is the channel 15a through which the hydrogen gas flows. A channel defined between the gas diffusion layer 11d on the other catalyst layer 11c side and the separator 12 is a channel 15b through which air flows. A channel formed between the separators 12 is a channel 15c through which cooling water flows. In this embodiment, when hydrogen gas is supplied to one channel 15a and air is supplied to the other channel 15b, an electrochemical reaction occurs in the single cell 10 to generate an electromotive force.

さらに、セパレータ１２の長手方向Ｌの両側には、水素ガス、エア、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍に個別に供給するとともに、供給された水素ガス、エア、および冷却水を、ＭＥＧＡ１１またはその近傍から排出するための６つの流通口１４ａ～１４ｆが形成されている。これらの流通口は、樹脂フレーム１４の流通口１４ａ～１４ｆに対応した位置に、対応する各流通口と同じ大きさに形成されている。図２では、樹脂フレーム１４の流通口１４ａ～１４ｆに対応するセパレータ１２の流通口１４ａ～１４ｆには、樹脂フレーム１４の流通口１４ａ～１４ｆと同じ符号を付している。具体的には、セパレータ１２の一方側には、水素ガスが流通する水素流通口１４ａと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｂと、エアが流通するエア流通口１４ｃとが、順に形成されている。また、セパレータ１２の他方側には、エアが流通するエア流通口１４ｄと、冷却水が流通する冷却水流通口１４ｅと、水素ガスが流通する水素流通口１４ｆとが、順に形成されている。各流体が流れる流通口は、一方がＭＥＧＡ１１またはその近傍への供給用の流通口となっており、他方がＭＥＧＡ１１またはその近傍からの排出用の流通口となっている。たとえば、一方の水素流通口１４ａがＭＥＧＡ１１への供給用の流通口となっており、他方の水素流通口１４ｆがＭＥＧＡ１１からの排出用の流通口となっている。水素流通口１４ａと、水素流通口１４ｆとは、セパレータ１２の対角に配置されているので、水素ガスを、ＭＥＧＡ１１の対角に流通させることができる。 Furthermore, on both sides of the separator 12 in the longitudinal direction L, hydrogen gas, air, and cooling water are individually supplied to the MEGA 11 or its vicinity, and the supplied hydrogen gas, air, and cooling water are supplied to the MEGA 11 or its vicinity. Six circulation ports 14a to 14f are formed for discharge from the vicinity. These flow holes are formed at positions corresponding to the flow holes 14a to 14f of the resin frame 14 and have the same size as the corresponding flow holes. In FIG. 2, the flow ports 14a to 14f of the separator 12 corresponding to the flow ports 14a to 14f of the resin frame 14 are assigned the same reference numerals as the flow ports 14a to 14f of the resin frame 14. FIG. Specifically, on one side of the separator 12, a hydrogen flow port 14a through which hydrogen gas flows, a cooling water flow port 14b through which cooling water flows, and an air flow port 14c through which air flows are formed in this order. ing. On the other side of the separator 12, an air flow port 14d through which air flows, a cooling water flow port 14e through which cooling water flows, and a hydrogen flow port 14f through which hydrogen gas flows are formed in this order. One of the circulation ports through which each fluid flows is a circulation port for supply to the MEGA 11 or its vicinity, and the other is a circulation port for discharge from the MEGA 11 or its vicinity. For example, one hydrogen flow port 14 a serves as a flow port for supplying hydrogen to the MEGA 11 , and the other hydrogen flow port 14 f serves as a flow port for discharging from the MEGA 11 . Since the hydrogen flow ports 14 a and 14 f are arranged diagonally on the separator 12 , the hydrogen gas can flow diagonally on the MEGA 11 .

図３に示すように、セパレータ１２は、金属製のセパレータ基材１２ａと、セパレータ基材１２ａの表面に形成されたチタン皮膜（金属皮膜）１２ｔと、チタン皮膜１２ｔの表面に形成された炭素皮膜１２ｓとを含む。 As shown in FIG. 3, the separator 12 includes a metallic separator base material 12a, a titanium coating (metal coating) 12t formed on the surface of the separator base material 12a, and a carbon coating formed on the surface of the titanium coating 12t. 12s.

セパレータ基材１２ａは、セパレータ１２のベースとなる部材であり、例えばＳＵＳ３０４（ＪＩＳ規格）のオーステナイト系ステンレス鋼の基材（薄板材または箔材）から、１回又は２回以上のプレス成形により成形されたものである。なお、本明細書では、１回のプレス成形により、セパレータ基材１２ａが成形される場合を説明する。セパレータ基材１２ａは、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４４７（ＪＩＳ規格）、Ｔｉ等から形成されてもよい。セパレータ基材１２ａの厚さは、例えば２０μｍ～４００μｍであり、好ましくは１００μｍ以下である。 The separator base material 12a is a member that serves as the base of the separator 12. For example, the base material (thin plate material or foil material) of SUS304 (JIS standard) austenitic stainless steel is formed by press molding once or twice or more. It is what was done. In this specification, the case where the separator base material 12a is molded by one press molding will be described. The separator base material 12a may be made of, for example, SUS316, SUS447 (JIS standard), Ti, or the like. The thickness of the separator base material 12a is, for example, 20 μm to 400 μm, preferably 100 μm or less.

燃料電池１の発電時、各単セル１０は腐食環境（高電位且つ低ｐＨ環境）に曝される。このような腐食環境下で燃料電池１が作動し続けた場合、例えばステンレス製のセパレータ基材１２ａから鉄が溶出することがある。溶出した鉄は、ＭＥＧＡ１１を劣化させ、ひいては燃料電池１の性能を低下させることがある。このため、セパレータ基材１２ａは、当該セパレータ基材１２ａよりも耐食性の高い金属皮膜（例えばチタン）で成膜されている。金属皮膜としてのチタン皮膜１２ｔは、セパレータ基材１２ａの金属の溶出量（即ち鉄の溶出量）を抑制し、セパレータ１２の耐食性を向上させる。チタン皮膜１２ｔの材料としては、純チタンまたはチタン合金を挙げることができる。成膜方法としては、チタン皮膜１２ｔを成膜することができればよく、例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の物理蒸着法（ＰＶＤ）を挙げることができる。チタン皮膜１２ｔの膜厚は、例えば６０ｎｍから２５０ｎｍであることが好ましい。 During power generation of the fuel cell 1, each single cell 10 is exposed to a corrosive environment (high potential and low pH environment). If the fuel cell 1 continues to operate in such a corrosive environment, iron may elute from, for example, the separator base material 12a made of stainless steel. The eluted iron deteriorates the MEGA 11, which in turn may reduce the performance of the fuel cell 1. Therefore, the separator base material 12a is formed of a metal film (for example, titanium) having higher corrosion resistance than the separator base material 12a. The titanium film 12t as a metal film suppresses the amount of metal eluted from the separator base material 12a (that is, the amount of iron eluted) and improves the corrosion resistance of the separator 12. FIG. As a material of the titanium film 12t, pure titanium or a titanium alloy can be mentioned. As a film formation method, it is sufficient that the titanium film 12t can be formed, and examples thereof include physical vapor deposition (PVD) such as sputtering, vacuum deposition, and ion plating. The film thickness of the titanium film 12t is preferably 60 nm to 250 nm, for example.

また、炭素皮膜１２ｓは、セパレータ１２の導電性を向上させる導電皮膜である。炭素皮膜１２ｓは、たとえば、カーボンをターゲットとして上述した物理蒸着法（ＰＶＤ）により成膜することができる。 Also, the carbon film 12 s is a conductive film that improves the conductivity of the separator 12 . The carbon film 12s can be formed by, for example, physical vapor deposition (PVD) using carbon as a target.

次いで、本実施形態に係る製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method according to this embodiment will be described.

図４は、本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程を説明する図面である。本実施形態に係る製造方法は、金属製の基材（図示せず）から燃料電池１用のセパレータ１２を製造する方法である。図４に示すように、当該製造方法は、セパレータ基材１２ａを準備する工程Ｓ１と、準備されたセパレータ基材１２ａを平坦にする工程Ｓ２と、平坦にされたセパレータ基材１２ａの表面にチタン皮膜（金属皮膜）１２ｔを成膜する工程Ｓ３と、チタン皮膜１２ｔの表面に炭素皮膜（導電皮膜）１２ｓを成膜する工程Ｓ４と、を含む。 FIG. 4 is a drawing explaining the manufacturing process of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. The manufacturing method according to the present embodiment is a method of manufacturing the separator 12 for the fuel cell 1 from a metal substrate (not shown). As shown in FIG. 4, the manufacturing method includes a step S1 of preparing a separator base material 12a, a step S2 of flattening the prepared separator base material 12a, and a titanium film on the surface of the flattened separator base material 12a. It includes a step S3 of forming a film (metal film) 12t and a step S4 of forming a carbon film (conductive film) 12s on the surface of the titanium film 12t.

図５は、本発明の実施形態に係るセパレータ基材１２ａを準備する工程Ｓ１において、一対の第１の金型４０を用いたプレス成形によりセパレータ基材１２ａを成形している状態を説明する模式的な断面図である。図６は、図５のＡ部を拡大して模式的に示す部分拡大図である。 FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which the separator base material 12a is formed by press molding using a pair of first molds 40 in step S1 of preparing the separator base material 12a according to the embodiment of the present invention. is a typical cross-sectional view. 6 is a partially enlarged view schematically showing an enlarged portion A of FIG. 5. FIG.

セパレータ基材を準備する工程Ｓ１では、基材（図示せず）を一対の第１の金型４０（後述する第１の下型４１及び第１の上型４３）を用いてプレス成形することにより、基材溝部（溝部）２８が形成されたセパレータ基材１２ａを準備する。基材溝部２８は、燃料電池１に流れる流体のセパレータ溝部（流路）１５となる。図５に示すように、一対の第１の金型４０は、第１の下型４１及び第１の上型４３を備えている。第１の下型４１及び第１の上型４３は、例えばセパレータ１２の形状（図１）と同様の形状（例えば波形）を有していてもよい。なお、第１の下型４１及び第１の上型４３は、実現すべきセパレータ１２の形状を達成できるものであればよく、セパレータ１２の形状と同様の形状を有しなくてもよい。当該工程Ｓ１では、第１の下型４１は基台（図示せず）に固定されており、第１の上型４３を下降させることで基材を所定の応力Ｆ１でプレスするものであってよい。上述したように、本明細書では、セパレータ基材１２ａを一回のプレス成形により準備する場合を説明する。しかしながら、例えば、一次プレス成形で複数の基材溝部２８を粗く成形した後、二次プレス成形で基材溝部２８を完成させることにより、セパレータ基材１２ａを準備してもよい。なお、当該工程Ｓ１は、その工程自体に、一対の第１の金型４０を用いて基材をプレス成形することを含んでもよいし、含まなくてもよい。 In the step S1 of preparing a separator base material, a base material (not shown) is press-molded using a pair of first molds 40 (a first lower mold 41 and a first upper mold 43, which will be described later). Thus, the separator base material 12a having the base material grooves (grooves) 28 formed therein is prepared. The substrate groove portion 28 serves as a separator groove portion (flow path) 15 for the fluid flowing through the fuel cell 1 . As shown in FIG. 5 , the pair of first molds 40 has a first lower mold 41 and a first upper mold 43 . The first lower mold 41 and the first upper mold 43 may have, for example, a shape (for example, corrugated) similar to the shape of the separator 12 (FIG. 1). The first lower mold 41 and the first upper mold 43 need not have the same shape as the separator 12 as long as they can achieve the desired shape of the separator 12 . In the step S1, the first lower mold 41 is fixed to a base (not shown), and the first upper mold 43 is lowered to press the substrate with a predetermined stress F1. good. As described above, this specification describes the case where the separator base material 12a is prepared by one press molding. However, the separator base material 12a may be prepared by, for example, roughly forming the plurality of base material grooves 28 by primary press molding and then completing the base material grooves 28 by secondary press molding. It should be noted that the step S1 may or may not include press-molding the base material using the pair of first molds 40 in the step itself.

具体的には、この工程Ｓ１では、燃料電池１に流れる流体（ガス、エア、冷却水）の流路１５ａ～１５ｃとなる直線状の基材溝部（溝部）２８が、溝幅方向に間隔を空けて複数形成されたセパレータ基材１２ａを準備する。セパレータ基材１２ａの基材溝部２８は、セパレータ基材１２ａにチタン皮膜１２ｔ及び炭素皮膜１２ｓが形成されることにより、セパレータ１２のセパレータ溝部１５となる。図５に示すように、セパレータ基材１２ａは、基材溝部２８ごとに、溝底壁２０から溝開口に向かって広がるように傾斜した一対の溝側壁２２、２２を含むように成形される。なお、基材溝部２８の夫々は、溝底壁２０と対向する位置に溝開口を有する。基材溝部２８の夫々は、溝底壁２０及び一対の溝側壁２２、２２ａにより画定される溝である。溝側壁２２、２２ａは、一端側で溝底壁２０に接続されている。基材溝部２８は、図５に示すように紙面に対して垂直な方向に延びている。 Specifically, in this step S1, linear substrate grooves (grooves) 28, which serve as flow paths 15a to 15c for fluids (gas, air, cooling water) flowing through the fuel cell 1, are spaced apart in the groove width direction. A plurality of separator substrates 12a formed with spaces are prepared. The substrate groove portion 28 of the separator substrate 12a becomes the separator groove portion 15 of the separator 12 by forming the titanium film 12t and the carbon film 12s on the separator substrate 12a. As shown in FIG. 5, the separator base material 12a is formed so that each base material groove portion 28 includes a pair of groove side walls 22, 22 that are inclined so as to widen from the groove bottom wall 20 toward the groove opening. In addition, each of the substrate groove portions 28 has a groove opening at a position facing the groove bottom wall 20 . Each of the substrate groove portions 28 is a groove defined by a groove bottom wall 20 and a pair of groove side walls 22, 22a. The groove side walls 22, 22a are connected to the groove bottom wall 20 at one end side. The substrate groove 28 extends in a direction perpendicular to the plane of the paper as shown in FIG.

また、セパレータ基材１２ａにおいて、隣り合う基材溝部２８同士の間には、頂壁２４が形成されている。頂壁２４は、隣り合う基材溝部２８の溝側壁２２、２２の他端側を接続するものである。頂壁２４は、溝底壁２０に対し、溝幅方向にオフセットして位置付けられている。このように、本実施形態におけるセパレータ基材１２ａは、溝底壁２０、溝側壁２２、頂壁２４、溝側壁２２、溝底壁２０が繰り返し設けられ、図５に示すように等脚台形の波形形状を有している。 In addition, top walls 24 are formed between adjacent substrate grooves 28 in the separator substrate 12a. The top wall 24 connects the other end sides of the groove side walls 22 , 22 of the adjacent substrate grooves 28 . The top wall 24 is offset in the groove width direction with respect to the groove bottom wall 20 . As described above, the separator base material 12a in the present embodiment has the groove bottom wall 20, the groove side wall 22, the top wall 24, the groove side wall 22, and the groove bottom wall 20 repeatedly provided, and as shown in FIG. It has a corrugated shape.

ここで、発明者らは、工程Ｓ１において、薄板状の基材をプレス成形することにより、基材溝部２８を有するセパレータ基材１２ａを成形する際、プレス成形時の基材の表層の塑性流動に起因して、基材溝部２８の表面２８ａに覆い被さるようにひだ状部分１３が形成され、この部分の近傍でチタン皮膜１２ｔの断絶が生じることを発見した（図６参照）。 Here, in step S1, the inventors press-molded a thin plate-shaped substrate to form the separator substrate 12a having the substrate groove 28. As a result, it was found that the fold-like portion 13 was formed so as to cover the surface 28a of the substrate groove portion 28, and the titanium coating 12t was discontinued in the vicinity of this portion (see FIG. 6).

まず、プレス成形時にひだ状部分１３が形成される点について説明する。上述したセパレータ基材１２ａは、一対の第１の金型４０の内部で、基材の降伏応力を超える極めて大きな応力Ｆ１でプレス成形することにより、図５に示すような波形に成形される。このようなプレス成形を実施する際、基材の表層と第１の上型４３（例えば、第１の上型４３のうち、一対の溝側壁２２、２２を成形する部分）との間で摺動が生じる。この場合、プレス成形の条件（例えば、プレス圧力、プレス速度、加工温度等）によっては、基材の表層において、図６の矢印Ｄ１の方向への塑性流動が生じることがある。この塑性流動に起因して、例えば図６に示すように、基材溝部２８の表面２８ａに覆い被さるように、ひだ状部分１３が形成されることがある。図６からは、ひだ状部分１３の先端部分１３ａが、基材溝部２８の表面２８ａに陰となる部分１３ｂを作ることが理解される。 First, the formation of the pleated portions 13 during press molding will be described. The separator base material 12a described above is press-molded in a pair of first molds 40 with a very large stress F1 exceeding the yield stress of the base material, thereby forming a wave shape as shown in FIG. When performing such press molding, sliding is performed between the surface layer of the base material and the first upper mold 43 (for example, the portion of the first upper mold 43 that forms the pair of groove side walls 22, 22). motion occurs. In this case, depending on press molding conditions (for example, press pressure, press speed, processing temperature, etc.), plastic flow may occur in the direction of arrow D1 in FIG. 6 in the surface layer of the substrate. Due to this plastic flow, fold-like portions 13 may be formed so as to cover the surfaces 28a of the substrate grooves 28, as shown in FIG. 6, for example. From FIG. 6, it can be seen that the tip portions 13a of the pleated portions 13 create shaded portions 13b on the surface 28a of the substrate groove portion 28. FIG.

そして、発明者らは、基材溝部２８の表面２８ａに対するひだ状部分１３の段差（即ち高さ）Ｈ、及び、基材溝部２８の表面２８ａにおける陰となる部分１３ｂに起因して、基材溝部２８の表面２８ａにチタン皮膜１２ｔが均一に成膜されないことを知得した。図７は、セパレータ１２のセパレータ溝部１５の一部を拡大して示す部分拡大図であり、表面にひだ状部分１３の模様が形成されている状態を示すＳＥＭ画像である。図８は、図７のＣ－Ｃに沿う断面を観察したＳＥＭ画像である。図８に示すひだ状部分１３の高さＨは、０．３μｍである。なお、この例では、ひだ状部分１３は、最大で０．７μｍの高さを有することが観察された。 The inventors found that the height difference (i.e., the height) H of the pleated portion 13 with respect to the surface 28a of the substrate groove 28 and the shaded portion 13b on the surface 28a of the substrate groove 28 caused the substrate It has been found that the titanium film 12t is not uniformly formed on the surface 28a of the groove 28. FIG. FIG. 7 is a partially enlarged view showing an enlarged portion of the separator groove portion 15 of the separator 12, and is an SEM image showing a state in which the pattern of the pleated portions 13 is formed on the surface. FIG. 8 is an SEM image obtained by observing a cross section along CC in FIG. The height H of the folds 13 shown in FIG. 8 is 0.3 μm. In this example, it was observed that the folds 13 had a maximum height of 0.7 μm.

セパレータ基材１２ａにひだ状部分１３が形成された状態で、チタン皮膜１２ｔ及び炭素皮膜１２ｓを成膜すると、図７に示すように、セパレータ１２の表面にうろこ状の模様が観察される。図７に示すうろこ状の部分を線Ｃ－Ｃに沿う断面で切断すると、図８の断面が観察される。図８からは、セパレータ基材１２ａの表面（即ち基材溝部２８の表面２８ａ）において、チタン皮膜１２ｔが断絶する部分６０が生じていることを理解できる。 When the titanium film 12t and the carbon film 12s are formed on the separator base material 12a in which the pleated portions 13 are formed, a scale-like pattern is observed on the surface of the separator 12 as shown in FIG. When the scaly portion shown in FIG. 7 is cut along the line CC, the cross section of FIG. 8 is observed. From FIG. 8, it can be understood that the surface of the separator base material 12a (that is, the surface 28a of the base groove portion 28) has a portion 60 where the titanium coating 12t is discontinued.

次に、ひだ状部分１３の近傍でチタン皮膜１２ｔの断絶が生じる理由について説明する。チタン皮膜１２ｔの断絶部分６０が生じる理由は、主に２つ想定される。一つ目の理由は、ひだ状部分１３の高さＨ（例えば０．３μｍ）がチタン皮膜１２ｔの膜厚（６０ｎｍから２５０ｎｍ）よりも高いことである。二つ目の理由は、例えば真空蒸着によりセパレータ基材１２ａにチタン皮膜１２ｔを成膜する場合、ターゲット源で生成された成膜用のチタン粒子Ｐ１が、ひだ状部分１３の先端部分１３ａと基材溝部２８の表面２８ａとの間に形成された陰となる部分１３ｂ（図６参照）に到達できないことである。そして、チタン皮膜１２ｔの断絶部分６０が生じると、この断絶部分６０からセパレータ基材１２ａの溶出が生じることがある。セパレータ基材１２ａから溶出した鉄は、ＭＥＧＡ１１を劣化させることになり好ましくない。 Next, the reason why the titanium film 12t is broken in the vicinity of the pleated portion 13 will be explained. There are mainly two reasons for the occurrence of the discontinuous portion 60 of the titanium coating 12t. The first reason is that the height H (for example, 0.3 μm) of the pleated portion 13 is higher than the film thickness (60 nm to 250 nm) of the titanium coating 12t. The second reason is that when the titanium film 12t is formed on the separator base material 12a by, for example, vacuum deposition, the titanium particles P1 for film formation generated by the target source are attached to the tip portions 13a of the pleated portions 13 and the base. The reason is that the shadow portion 13b (see FIG. 6) formed between the material groove portion 28 and the surface 28a cannot be reached. Then, when the discontinuous portion 60 of the titanium film 12t occurs, the separator base material 12a may be eluted from the discontinuous portion 60 in some cases. The iron eluted from the separator base material 12a deteriorates the MEGA 11, which is not preferable.

そこで、本実施形態では、準備されたセパレータ基材１２ａを平坦にする工程Ｓ２を実施する。図９は、本発明の実施形態に係る基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする工程において、一対の第２の金型５０を用いてひだ状部分１３が潰された状態を示す模式的な断面図である。図１０は、図９のＢ部を拡大して示す部分拡大図であり、図６に示すひだ状部分１３が潰された状態を模式的に示すものである。 Therefore, in the present embodiment, the step S2 of flattening the prepared separator base material 12a is performed. FIG. 9 is a schematic diagram showing a state in which the pleated portions 13 are crushed using a pair of second molds 50 in the step of flattening the surface 28a of the substrate groove portion 28 according to the embodiment of the present invention. It is a sectional view. FIG. 10 is a partially enlarged view showing the enlarged portion B of FIG. 9, and schematically shows a state in which the fold-like portion 13 shown in FIG. 6 is crushed.

基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする工程Ｓ２では、セパレータ基材１２ａにおける基材溝部２８の形状を維持しつつ、ひだ状部分１３を潰すように、一対の第２の金型５０を用いて基材溝部２８の表面を平坦にする。この工程Ｓ２は、プレス成形時の基材の表層の塑性流動に起因して、基材溝部２８の表面２８ａに覆い被さるように形成されたひだ状部分１３を有したセパレータ基材１２ａに対して実施される。図９に示すように、一対の第２の金型５０は、第２の下型５１及び第２の上型５３を備えている。第２の下型５１及び第２の上型５３は、セパレータ１２の形状（図１）と同様の形状（例えば波形）を有している。一対の第２の金型５０のうち、基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分の形状と、一対の第１の金型４０のうち、基材溝部２８を成形する部分の形状とは、同じ形状であってもよい。一対の第２の金型５０のうち、基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分の表面粗さは、一対の第１の金型４０のうち、基材溝部２８を成形する部分の表面粗さよりも小さい。例えば、一対の第２の金型５０のうち、基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分の表面粗さはＲａ０．１μｍ以下、好ましくはＲａ０．０５μｍ以下である。また、例えば、一対の第１の金型４０のうち、基材溝部２８を成形する部分の表面粗さはＲａ０．２μｍである。なお、一対の第２の金型５０のうち、基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分とは、基材溝部２８においてひだ状部分１３が形成され易い部分、例えば基材溝部２８における溝側壁２２を意味する。 In the step S2 of flattening the surfaces 28a of the base material grooves 28, a pair of second molds 50 are used so as to crush the pleated portions 13 while maintaining the shape of the base material grooves 28 in the separator base material 12a. to flatten the surface of the substrate groove 28 . This step S2 is performed on the separator base material 12a having the pleated portions 13 formed so as to cover the surfaces 28a of the base material grooves 28 due to the plastic flow of the surface layer of the base material during press molding. be implemented. As shown in FIG. 9 , the pair of second molds 50 has a second lower mold 51 and a second upper mold 53 . The second lower mold 51 and the second upper mold 53 have a shape (for example, corrugated) similar to the shape of the separator 12 (FIG. 1). The shape of the portion of the pair of second molds 50 that flattens the surface 28a of the substrate groove 28 and the shape of the portion of the pair of first molds 40 that molds the substrate groove 28 , may be of the same shape. The surface roughness of the portion of the pair of second molds 50 that flattens the surface 28a of the substrate groove 28 is the same as the surface roughness of the portion of the pair of first molds 40 that molds the substrate groove 28. Less than roughness. For example, the surface roughness of the portion of the pair of second molds 50 that flattens the surface 28a of the substrate groove 28 is Ra 0.1 μm or less, preferably Ra 0.05 μm or less. Further, for example, the surface roughness of the portion of the pair of first molds 40 where the substrate groove portion 28 is formed is Ra 0.2 μm. Note that, of the pair of second molds 50, the portion that flattens the surface 28a of the substrate groove portion 28 is a portion of the substrate groove portion 28 where the pleated portion 13 is easily formed, for example, a groove in the substrate groove portion 28. side wall 22;

具体的には、この工程Ｓ２では、工程Ｓ１においてセパレータ基材１２ａに形成されたひだ状部分１３を、一対の第２の金型５０を用いて潰すことにより、セパレータ基材１２ａを平坦にする。例えば、当該工程Ｓ２では、基台（図示せず）に固定された第２の下型５１に、準備されたセパレータ基材１２ａを設置する。そして、第２の下型５１に対し第２の上型５３を下降させることにより、セパレータ基材１２ａに所定の応力Ｆ２を加えてよい。応力Ｆ２は、ひだ状部分１３を潰すために十分な大きさであればよく、一対の第１の金型４０において基材に加えられた応力Ｆ１（図５）より小さい。具体的には、応力Ｆ２は、セパレータ基材１２ａの降伏応力よりも小さく設定される。これにより、図１０に示すように、セパレータ基材１２ａにおける基材溝部２８の形状を維持しつつひだ状部分１３が潰され、ひいては基材溝部２８の表面２８ａが平坦になる。この結果、チタン皮膜１２ｔを成膜する工程Ｓ３において、チタン皮膜１２ｔの断絶部分６０が生じることが回避される。 Specifically, in this step S2, the pleated portions 13 formed in the separator base material 12a in step S1 are crushed using a pair of second molds 50, thereby flattening the separator base material 12a. . For example, in step S2, the prepared separator base material 12a is placed on a second lower mold 51 fixed to a base (not shown). Then, by lowering the second upper mold 53 with respect to the second lower mold 51, a predetermined stress F2 may be applied to the separator substrate 12a. The stress F2 may be large enough to crush the pleated portions 13, and is smaller than the stress F1 (FIG. 5) applied to the substrate in the pair of first molds 40. FIG. Specifically, the stress F2 is set smaller than the yield stress of the separator base material 12a. As a result, as shown in FIG. 10, the folded portions 13 are crushed while maintaining the shape of the substrate grooves 28 in the separator substrate 12a, and the surfaces 28a of the substrate grooves 28 are flattened. As a result, in the step S3 of forming the titanium film 12t, the generation of the discontinuous portion 60 of the titanium film 12t is avoided.

このように、工程Ｓ１及び工程Ｓ２を経て製造されたセパレータ基材１２ａは、ステージ（図示せず）に取付けられた後、ターゲット源（図示せず）に対向する位置に搬送される。図１１は、本発明の実施形態に係るチタン皮膜１２ｔを成膜する工程Ｓ３を説明する模式的な図である。図１１に示すように、本工程Ｓ３では、平坦にされたセパレータ基材１２ａにターゲット源で生成された成膜用粒子（チタン粒子）Ｐ１を蒸着させて、セパレータ基材１２ａ（即ち、溝底壁２０、一対の溝側壁２２、２２、頂壁２４）の表面にチタン皮膜１２ｔを成膜する。セパレータ基材１２ａの表面にチタン皮膜１２ｔを成膜することにより、セパレータ１２の耐食性が向上する。したがって、セパレータ基材１２ａの材料よりも耐食性が高い材料が、金属皮膜として成膜される。成膜方法としては、上述したように、スパッタリング、真空蒸着、またはイオンプレーティング等の物理蒸着法（ＰＶＤ）が挙げられる。 Thus, the separator base material 12a manufactured through steps S1 and S2 is attached to a stage (not shown) and then transported to a position facing a target source (not shown). FIG. 11 is a schematic diagram illustrating the step S3 of forming the titanium film 12t according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, in this step S3, the film-forming particles (titanium particles) P1 generated by the target source are vapor-deposited on the flattened separator substrate 12a, and the separator substrate 12a (that is, the groove bottom A titanium coating 12t is deposited on the surfaces of the wall 20, the pair of groove side walls 22, 22, and the top wall 24). By forming the titanium film 12t on the surface of the separator base material 12a, the corrosion resistance of the separator 12 is improved. Therefore, a material having higher corrosion resistance than the material of the separator base material 12a is deposited as the metal film. Examples of film forming methods include physical vapor deposition (PVD) such as sputtering, vacuum deposition, and ion plating, as described above.

さらに、本実施形態では、炭素皮膜１２ｓを成膜する工程（Ｓ４）を実施する。図１２は、本発明の実施形態に係る炭素皮膜（導電皮膜）１２ｓを成膜する工程を説明する模式的な図である。この工程（Ｓ４）では、セパレータ１２の導電性を高めるため、チタン皮膜１２ｔの上に炭素皮膜１２ｓを成膜する。炭素皮膜１２ｓは、例えばカーボンをターゲットとして上述した物理蒸着法（ＰＶＤ）により成膜する。 Furthermore, in this embodiment, the step (S4) of forming the carbon film 12s is carried out. FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a step of forming a carbon film (conductive film) 12s according to the embodiment of the present invention. In this step (S4), a carbon film 12s is formed on the titanium film 12t in order to increase the conductivity of the separator 12. As shown in FIG. The carbon film 12s is formed by physical vapor deposition (PVD), for example, using carbon as a target.

次いで、本実施形態に係る燃料電池１用のセパレータ１２の製造方法の作用、効果について説明する。 Next, the operation and effects of the method for manufacturing the separator 12 for the fuel cell 1 according to this embodiment will be described.

上述したように、本実施形態に係る製造方法によれば、プレス成形時に形成されたひだ状部分１３を有したセパレータ基材１２ａに対して、基材溝部２８の形状を維持しつつ、ひだ状部分１３を潰すように、一対の第２の金型５０を用いて基材溝部２８の表面を平坦にする。このため、工程Ｓ１において、セパレータ基材１２ａにひだ状部分１３が形成された場合であっても、基材溝部２８の形状を変えることなく、一対の第２の金型５０を用いてひだ状部分１３を潰すことができる。よって、工程Ｓ３において、平坦に加工されたセパレータ基材１２ａに対してチタン粒子Ｐ１を蒸着させることができるので、セパレータ基材１２ａの表面にチタン皮膜１２ｔを均一に成膜することができる。 As described above, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the separator substrate 12a having the pleated portions 13 formed during press molding is folded while maintaining the shape of the substrate grooves 28. A pair of second molds 50 are used to flatten the surface of the substrate groove 28 so as to crush the portion 13 . Therefore, in step S1, even if the pleated portions 13 are formed in the separator base material 12a, the pleated portions are formed using the pair of second molds 50 without changing the shape of the substrate grooves . Part 13 can be collapsed. Therefore, in step S3, the titanium particles P1 can be vapor-deposited on the separator base material 12a that has been flattened, so that the titanium film 12t can be uniformly formed on the surface of the separator base material 12a.

また、本実施形態に係る製造方法によれば、一対の第２の金型５０のうち、基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分の表面粗さは、一対の第１の金型４０のうち、基材溝部２８を成形する部分の表面粗さよりも小さい。これにより、工程Ｓ１において形成されたひだ状部分１３を、一対の第２の金型５０のうち基材溝部２８の表面２８ａを平坦にする部分を用いて、より確実に潰すことができる。 Further, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the surface roughness of the portion of the pair of second molds 50 that flattens the surface 28a of the substrate groove portion 28 is the same as that of the pair of first molds 40. Among these, the surface roughness is smaller than the surface roughness of the portion where the substrate groove portion 28 is formed. As a result, the pleated portions 13 formed in step S1 can be more reliably crushed by using the portions of the pair of second molds 50 that flatten the surface 28a of the substrate groove portion 28. As shown in FIG.

また、本実施形態に係る製造方法によれば、基材溝部２８の表面２８ａが平坦にされた状態で、セパレータ基材１２ａにチタン皮膜１２ｔを成膜することができる。このため、工程Ｓ３において、チタン皮膜１２ｔの断絶部分６０が生じることが回避される。この結果、セパレータ基材１２ａの溶出が抑制され、ひいてはＭＥＧＡ１１の劣化を抑制することができる。 Further, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the titanium film 12t can be formed on the separator base material 12a in a state in which the surface 28a of the base material groove portion 28 is flattened. Therefore, in step S3, it is avoided that the discontinuous portion 60 of the titanium film 12t is generated. As a result, elution of the separator base material 12a is suppressed, and deterioration of the MEGA 11 can be suppressed.

本発明を以下の実施例により説明する。 The invention is illustrated by the following examples.

［実施例］
セパレータ基材として、厚さ１００μｍ、表面粗さＲａ０．２μｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ３０４）製の平板を、表面粗さＲａ０．２μｍの一対の第１の金型を用いて、図５に示す基材溝部の形状にプレス成形したものを準備した。その後、図９に示すように、表面粗さＲａ０．１μｍの一対の第２の金型を用いて、当該セパレータ基材の基材溝部を平坦にする工程を実施した。次に、平坦にされたセパレータ基材に対し、スパッタリングによりチタン皮膜を成膜した。この際、基材溝部の溝側壁におけるチタン皮膜の膜厚が４０ｎｍ～２１３ｎｍとなる複数のサンプルを準備した（図１３の丸印参照）。さらに、各サンプルのチタン皮膜上に炭素皮膜を成膜するため、カーボンをターゲット源として真空蒸着を実施し、５０ｎｍの炭素皮膜を成膜した。このようにして得られたセパレータ製品を、燃料電池セパレータに対応する試験片とした。 [Example]
A flat plate made of austenitic stainless steel (JIS standard: SUS304) with a thickness of 100 μm and a surface roughness of Ra of 0.2 μm was used as a separator base material, and a pair of first molds with a surface roughness of Ra of 0.2 μm were used. 5 was prepared by press-molding into the shape of the base material groove portion. After that, as shown in FIG. 9, a step of flattening the substrate grooves of the separator substrate was carried out using a pair of second molds having a surface roughness Ra of 0.1 μm. Next, a titanium film was formed by sputtering on the flattened separator base material. At this time, a plurality of samples were prepared in which the film thickness of the titanium film on the groove side wall of the substrate groove portion was 40 nm to 213 nm (see circles in FIG. 13). Furthermore, in order to form a carbon film on the titanium film of each sample, vacuum deposition was performed using carbon as a target source to form a carbon film of 50 nm. The separator product thus obtained was used as a test piece corresponding to a fuel cell separator.

［比較例］
表面粗さＲａ０．１μｍの一対の第２の金型を用いてセパレータ基材の基材溝部を平坦にする工程を実施していない以外は、実施例と同様にして比較例の試験片を作製した。なお、比較例に係る試験片は、基材溝部の溝側壁におけるチタン皮膜の膜厚が３１ｎｍ～２０８ｎｍとなるように準備されている。 [Comparative example]
A test piece of a comparative example was produced in the same manner as in the example except that the step of flattening the base groove of the separator base using a pair of second molds having a surface roughness Ra of 0.1 μm was not performed. bottom. The test piece according to the comparative example was prepared so that the film thickness of the titanium film on the groove side wall of the substrate groove portion was 31 nm to 208 nm.

［腐食試験（定電位腐食試験）］
腐食試験は、実施例及び比較例に係る試験片に対して、燃料電池環境下を模擬するように行った。具体的には、実施例及び比較例に係る試験片から、試験サンプル（６ｃｍ×６ｃｍ）を切り出し、希硫酸水溶液（ｐＨ３、８０℃）に試験サンプルを浸漬した。この状態で、白金板からなる対極と試験サンプル（試料極）とを電気的に接続することにより、対極と試料極との間に０．９Ｖの電位差を生じさせ、試験サンプルを腐食させた。試験中は、参照電極で試験サンプルの電位を一定に保持した。試験には、北斗電工製ポテンショスタットを使用した。また、試験サンプルの評価面積は１６ｃｍ^２（４ｃｍ×４ｃｍ）であり、試験時間は６０時間とした。 [Corrosion test (constant potential corrosion test)]
A corrosion test was performed on the test pieces according to the examples and the comparative examples so as to simulate a fuel cell environment. Specifically, test samples (6 cm×6 cm) were cut out from the test pieces according to Examples and Comparative Examples, and the test samples were immersed in a dilute sulfuric acid aqueous solution (pH 3, 80° C.). In this state, a counter electrode made of a platinum plate and a test sample (sample electrode) were electrically connected to generate a potential difference of 0.9 V between the counter electrode and the sample electrode, corroding the test sample. A reference electrode held the potential of the test sample constant during the test. A Hokuto Denko potentiostat was used for the test. The evaluation area of the test sample was 16 cm ² (4 cm×4 cm), and the test time was 60 hours.

［鉄（Ｆｅ）溶出量測定］
腐食試験において、試験サンプルを浸漬した浸漬液に溶出した鉄成分を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置を用いて測定した。得られた測定値を基に、耐久試験１時間における、試験サンプルの評価面積１ｃｍ^２当たりの鉄の溶出量を算出した。図１３は、本発明の実施例に係るセパレータ１２と比較例に係るセパレータとの腐食試験の結果を示すグラフである。 [Measurement of iron (Fe) elution amount]
In the corrosion test, the iron component dissolved in the immersion liquid in which the test sample was immersed was measured using an inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer. Based on the measured values obtained, the elution amount of iron per 1 cm ² of the evaluation area of the test sample was calculated in one hour of the durability test. FIG. 13 is a graph showing the results of a corrosion test on separators 12 according to examples of the present invention and separators according to comparative examples.

［結果・考察］
図１３のグラフから明らかなように、実施例に係る方法で製造されたセパレータは、比較例に係る方法で製造されたセパレータよりも、チタン皮膜の膜厚に関わらずＦｅ溶出量が低減していることが分かった。特に、チタン皮膜の膜厚が６０ｎｍから２２０ｎｍの範囲において、Ｆｅ溶出量が低減していることが分かった。このような結果が得られた理由としては、表面粗さＲａ０．１μｍの一対の第２の金型を用いて、基材溝部に形成されたひだ状部分を潰すことにより基材溝部の表面が平坦になったことが考えられる。つまり、基材溝部の表面が平坦になることにより、チタン皮膜の断絶が生じることなく、チタン皮膜を均一に成膜できていることが理由であると考えられる。 [Results/Discussion]
As is clear from the graph of FIG. 13, the separators manufactured by the method according to the example have a lower Fe elution amount than the separators manufactured by the method according to the comparative example, regardless of the thickness of the titanium film. I knew there was In particular, it was found that the Fe elution amount was reduced when the film thickness of the titanium film was in the range of 60 nm to 220 nm. The reason why such results were obtained is that a pair of second molds having a surface roughness Ra of 0.1 μm were used to crush the pleat-shaped portions formed in the base material grooves, so that the surfaces of the base material grooves were flattened. It is possible that it has flattened out. In other words, it is considered that the reason for this is that the surface of the substrate groove is flattened, so that the titanium film is formed uniformly without discontinuity of the titanium film.

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に係る製造方法に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせても良い。例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的態様によって適宜変更され得る。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the manufacturing methods according to the above embodiments, and all aspects included in the concept of the present invention and the scope of claims can be applied. include. Moreover, each configuration may be selectively combined as appropriate so as to achieve the above-described problems and effects. For example, the shape, material, arrangement, size, etc. of each component in the above embodiments may be changed as appropriate according to specific aspects of the present invention.

例えば、上述の実施形態では、セパレータ基材１２ａを準備する工程Ｓ１が、その工程自体に、一対の第１の金型４０を用いて基材をプレス成形することを含んでもよいし、含まなくてもよいと説明した。これは、当該工程Ｓ１が、工程Ｓ１自体の中で基材をプレス成形してセパレータ基材１２ａを準備すること、および、当該工程Ｓ１とは別の工程で基材をプレス成形し、成形された基材をセパレータ基材１２ａとして準備すること、の両方を含むことを意味する。 For example, in the above-described embodiment, the step S1 of preparing the separator base material 12a may or may not include press-molding the base material using the pair of first molds 40 in the process itself. explained that it is okay. This is because the step S1 prepares the separator base material 12a by press-molding the base material in the step S1 itself, and the base material is press-molded and molded in a process separate from the step S1. and preparing the base material as the separator base material 12a.

１：燃料電池、１２：セパレータ、１２ａ：セパレータ基材、１２ｔ：チタン皮膜（金属皮膜）、１３：ひだ状部分、１５：セパレータ溝部（流路）、２８：基材溝部（溝部）、２８ａ：表面、４０：一対の第１の金型、５０：一対の第２の金型、Ｐ１：チタン粒子（成膜用粒子） 1: Fuel cell, 12: Separator, 12a: Separator base material, 12t: Titanium film (metal film), 13: Folded portion, 15: Separator groove (channel), 28: Substrate groove (groove), 28a: surface, 40: a pair of first molds, 50: a pair of second molds, P1: titanium particles (particles for film formation)

Claims

A method for manufacturing a fuel cell separator from a metal substrate, comprising:
a step of press-molding the base material using a pair of first molds to prepare a separator base material having grooves formed thereon as flow paths for fluid flowing in the fuel cell;
With respect to a separator base material having a pleated portion formed to cover the surface of the groove part due to plastic flow of the surface layer of the base material during press molding, the groove part in the separator base material A step of flattening the surface of the groove using a pair of second molds so as to crush the pleated portion while maintaining the shape of
and depositing film-forming particles generated by a target source onto the flattened separator substrate to form a metal film on the surface of the separator substrate. separator manufacturing method.

The surface roughness of the portion of the pair of second molds that flattens the surface of the groove is smaller than the surface roughness of the portion of the pair of first molds that molds the groove, 2. The method of manufacturing a separator for a fuel cell according to claim 1, wherein: