(57)【要約】【課題】耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用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】本発明に係る燃料電池用金属セパレータ１は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材２を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、金属基材２の表面に、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜３と、この耐酸性金属皮膜３の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜４とを有する構成とした。本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１と、導電性合金皮膜を成膜する工程Ｓ２とを含んでなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、
前記金属基材の表面に、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜と、
この耐酸性金属皮膜の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜と、
を有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料でなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記金属基材の表面に、ＰＶＤ法によって、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜を成膜する工程と、
前記耐酸性金属皮膜の上に、ＰＶＤ法によって、Ａｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜を成膜する工程と、を含み、
前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程は、前記ＰＶＤ法において、前記金属基材を５０℃以上に加熱しつつ、−５０Ｖ以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に耐酸性金属皮膜を成膜させることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記ＰＶＤ法がイオンプレーティング法またはスパッタリング法であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池用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、例えば、携帯電話やパソコンなどの携帯機器、家庭用燃料電池、燃料電池自動車などに用いられる固体高分子型の燃料電池用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】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだものを単一セルとして、セパレータ（あるいはバイポーラプレート）と呼ばれる電極を介して単一セルを複数個重ね合わせて構成される。
【０００３】
この燃料電池用のセパレータ材料には、接触抵抗（電極とセパレータ表面との間で、界面現象のために電圧降下が生じることをいう。）が低く、それがセパレータとしての使用中に長期間維持されるという特性が要求される。この点、従来から、加工性および強度の面も合わせて、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などの金属材料の適用が検討されている。
【０００４】
また、燃料電池内は酸性の腐食雰囲気となるため、セパレータに用いられる材料には酸性雰囲気中でも低い接触抵抗を長時間維持する耐酸性も要求される。
【０００５】
ステンレス鋼やチタン合金などの金属は、表面に不動態皮膜を形成することによって良好な耐食性を示すため、燃料電池用のセパレータ用材料として検討されている。しかしながら、この不動態皮膜は接触抵抗（電気抵抗）が大きいため、ステンレス鋼やチタン合金などの金属をそのまま燃料電池セパレータとして使用すると、酸性雰囲気中でその表面に形成される不動態皮膜により導電性が著しく劣化する傾向がある。
【０００６】
そのため、接触抵抗の上昇を抑制して導電性を維持させようとする技術が幾つか提案されている。
例えば、特許文献１には、ステンレス鋼やチタンなどの基材の表面にＡｕめっき層を１０から６０ｎｍを付着させたセパレータが提案されている。
また、特許文献２には、ステンレス鋼の基板の上に、Ｔａなどを用いて耐酸性金属皮膜を形成し、その上に貴金属皮膜を形成したセパレータが提案されている。
さらに、特許文献３には、金属基材自身の酸化皮膜と、最表層の金属、貴金属またはカーボンから成る導電性薄膜を形成した金属セパレータや、これら酸化皮膜と導電性薄膜との間に、これらの密着性（密着強度）を向上させるＴａ、Ｚｒ、Ｎｂなどの中間層を形成させた金属セパレータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−９３５３８号公報
【特許文献３】特開２００４−１８５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来から検討されているステンレス鋼やチタン合金などの金属は、前記したように酸性雰囲気中でその表面に不動態皮膜を形成するため導電性が著しく劣化する傾向がある。そのため、セパレータとして使用した場合、使用当初の接触抵抗が低くても、そのような接触抵抗の低い状態を長期間維持することができず、接触抵抗が経時的に上昇して電流損失を招いてしまうという問題があった。また、腐食した場合、材料から溶出する金属イオンにより電解質膜を劣化させるなどの問題もあった。
【０００９】
また、特許文献１に記載された技術では、燃料電池内の厳しい酸性雰囲気中に曝された場合、Ａｕめっき層が剥落することで基材の接触抵抗が増大し、燃料電池の性能が低下する恐れがあった。
【００１０】
また、特許文献２に記載された技術では、耐酸性金属皮膜に用いられるＴａ、Ｚｒ、Ｎｂは何れも融点が１８００℃を超える高融点金属であるために通常のスパッタリング法を用いてこれを形成すると、当該耐酸性金属皮膜にピンホールが形成される。耐酸性金属皮膜の上に形成されるＡｕ等の貴金属皮膜は耐酸性金属皮膜のピンホールを残したまま成膜されるため、酸性雰囲気中でピンホールから基材の金属が溶出する恐れがあった。また、Ｔａ等の耐酸性金属皮膜とＡｕ等の貴金属皮膜とは、テープ剥離試験でも容易に剥落するほど密着性が悪く、燃料電池のセパレータとして使用すると、使用時の振動等によってガス拡散層（カーボンクロス）との間で生じる摩擦などによりＡｕ等の貴金属皮膜が剥落し、燃料電池の性能が劣化する恐れがあった。
【００１１】
そして、特許文献３に記載された技術では、酸化皮膜の上に中間層を形成させた場合、これらの密着性が悪いため、導電性薄膜が剥落する恐れがあった。また、酸化皮膜と導電性薄膜との間にＴａ、Ｚｒ、Ｎｂなどの高融点金属を用いて中間層を形成すると、特許文献２と同様、中間層にピンホールが形成される恐れがあり、ここから金属基材が溶出する恐れもあった。また、導電性薄膜が貴金属の場合は密着性が悪く剥がれる恐れがあった。
【００１２】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータおよび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】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、前記金属基材の表面に、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜と、この耐酸性金属皮膜の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜と、を有する構成とした。
【００１４】
このように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、金属基材の表面に、優れた耐酸性を有するＺｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる耐酸性金属皮膜を有しているので金属基材の溶出を防止することができる。また、かかる燃料電池用金属セパレータは、耐酸性金属皮膜の上に、前記した非貴金属と、耐酸性に優れるだけでなく酸性雰囲気下で酸化皮膜を形成しないＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属と、を含んでなる導電性合金皮膜をさらに有することで優れた耐酸性を備えつつ、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性を向上させることができるので接触抵抗を低くすることが可能となる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記導電性合金皮膜中の非貴金属の組成を５〜６５原子％としているため、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性をより高くすることができるので、摩擦などによって導電性合金皮膜が耐酸性金属皮膜から剥離するおそれを少なくすることができ、また接触抵抗をより低くすることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記耐酸性金属皮膜の膜厚を５ｎｍ以上１００ｎｍ未満としているため、ピンホールの形成を確実に防止し、金属基材を露出しにくくすることで金属基材の溶出を防止することができる。すなわち、より優れた耐酸性を備えさせることができる。
【００１７】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記導電性合金皮膜の膜厚を２ｎｍ以上としているため、優れた耐酸性を備えつつ、より確実に接触抵抗を低くすることが可能となる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料であるのが好ましい。
このようにすれば、優れた耐酸性を備えつつ、接触抵抗の低い純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅または銅合金製の燃料電池用金属セパレータとすることができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、前記金属基材の表面に、ＰＶＤ法によって、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜を成膜する工程と、前記耐酸性金属皮膜の上に、ＰＶＤ法によって、Ａｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜を成膜する工程と、を含み、前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程は、前記ＰＶＤ法において、前記金属基材を５０℃以上に加熱しつつ、−５０Ｖ以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に耐酸性金属皮膜を成膜させる。
【００２０】
このように、耐酸性金属皮膜を成膜する工程で金属基材を加熱しつつ電圧印加することで、金属基材上に緻密な耐酸性金属皮膜を成膜することができ、金属基材の溶出を防止することができる。また、耐酸性金属皮膜の上に導電性合金皮膜を成膜することで優れた耐酸性を備えつつ、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性を向上させることにより接触抵抗を低くした燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記導電性合金皮膜を成膜する工程において、前記導電性合金皮膜中の非貴金属の組成を５〜６５原子％としているため、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性をより高くすることができるので、摩擦などによって導電性合金皮膜が耐酸性金属皮膜から剥離するおそれを少なくすることができ、また接触抵抗をより低くすることが可能となる。また、前記耐酸性金属皮膜の膜厚を５ｎｍ以上１００ｎｍ未満となるまで成膜しているため、ピンホールの形成を防止し、金属基材を露出しにくくすることができ、より優れた耐酸性を備えた燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【００２２】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記導電性合金皮膜を成膜する工程において、前記導電性合金皮膜の膜厚を２ｎｍ以上となるまで成膜しているため、優れた耐酸性を備えつつ、より接触抵抗の低い燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程における前記金属基材の加熱条件を５０℃以上、かつ前記金属基材への電圧印加条件を−（マイナス）５０Ｖ以下としているので、耐酸性金属皮膜のピンホールが形成されにくくなり、良好な耐酸性金属皮膜が得られ、金属基材の金属溶出を防止する燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【００２４】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記ＰＶＤ法がイオンプレーティング法またはスパッタリング法であるのが好ましい。
このようにイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いて成膜工程や析出工程を行なうと、発生したプラズマすなわち電離気体によって基材の周囲にプラスにイオン化した粒子（析出させる粒子の一部やアルゴンガス粒子）を存在させることができる。また、基材にマイナスの電圧を印加することで発生するクーロン力により、イオン化した粒子が基材に衝突し、イオン化した粒子がもつ運動エネルギを基材に熱エネルギとして与えるため、基材表面に付着した析出粒子の表面拡散を活発にし、緻密な耐酸性金属皮膜を成膜が可能となる。
【００２５】
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料とするのが好ましい。
このようにすれば、優れた耐酸性を備えつつ、接触抵抗の低い純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅または銅合金製の燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗を低くすることができる。
本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る燃料電池用金属セパレータの断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法のフローを示すフロー図である。
【図３】（ａ）は、一般的に行われている成膜条件のスパッタリング法で金属基材の上にＴａを成膜した様子を撮影した走査型顕微鏡像であり、（ｂ）は、本発明で既定する特定の成膜条件のスパッタリング法で金属基材の上にＴａを成膜した様子を撮影した走査型顕微鏡像である。
【図４】成膜装置の構成を示す説明図である。
【図５】接触抵抗の測定方法を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、適宜図１を参照して本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について詳細に説明する。なお、図１は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ１は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路（不図示）が形成される金属基材２を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、金属基材２の表面に、耐酸性金属皮膜３と、導電性合金皮膜４と、を有してなる。
【００３０】
金属基材２は、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料を用いると、導電性に優れているので好適である。具体的には、ＪＩＳ  Ｈ  ４６００に規定される１種から４種の純チタンの基材や、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−ＰｄなどのＴｉ合金、またはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレス材や、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金の基材を使用することができる。
なお、コストの点からは、純アルミニウムやアルミニウム合金、ステンレス鋼を用いると好ましく、耐酸性の点からは、純チタンやチタン合金を用いると好ましい。しかし、本発明の燃料電池用金属セパレータに用いることのできる金属基材２の金属材料としてはこれらに限定されるものではなく、金属製のセパレータとして燃料電池に用いることのできるその他の金属材料も用いることができることはいうまでもない。
【００３１】
金属基材２は、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路を、耐酸性金属皮膜３および導電性合金皮膜４を成膜する前にあらかじめ形成しておくのがよい。またさらに、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ１は、ガス流路が形成されていない、いわゆる平板セパレータであってもよいため、そのような平板セパレータとして用いる場合には、表面が平面の、つまり前記したガス流路の形成されていない平板の金属基材２を用いてもよい。
なお、かかるガス流路を形成する場合は、表面の少なくとも一部を従来公知のプレス加工、切削加工、エッチング処理などによって凹形状（凹部）を呈するように加工することで形成することができる。このようにすれば、燃料電池として組み上げたときにかかる凹部内にガスを流通させることができる。なお、ガス流路はどのような形状であってもよく、その形状は特に限定されない。
【００３２】
耐酸性金属皮膜３は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる。
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａは優れた耐酸性を呈する金属であるため、金属基材２上に、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属からなる耐酸性金属皮膜３を形成することで、金属基材２の金属の溶出を防止することができる。なお、耐酸性金属皮膜３に用いられる非貴金属は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａに限定されるものではなく、耐酸性に優れる金属であればどのような非貴金属でも用いることができる。例えば、Ｈｆや、Ａｌ、Ｐなどをドーピングして半導体化したＳｉなども用いることができる。
【００３３】
かかる耐酸性金属皮膜３の膜厚は、５ｎｍ以上とするのが好ましい。耐酸性金属皮膜３の膜厚が５ｎｍ未満であると、耐酸性金属皮膜３にピンホールが形成されやすいので、金属基材２の金属が溶出するおそれがある。耐酸性金属皮膜３の膜厚は、７ｎｍ以上とするのがより好ましい。一方、耐酸性金属皮膜３の膜厚の上限は特に限定されるものではないが、後記する耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１に要する時間とコストの点から５００ｎｍ以下とするのが好ましく、３００ｎｍ以下とするのがより好ましく、１００ｎｍ未満とするのがさらに好ましい。
【００３４】
導電性合金皮膜４は、前記した耐酸性金属皮膜３の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる。
ＡｕおよびＰｔは、耐酸性に優れるだけでなく、一般的に貴金属と呼ばれる金属元素の中でも、酸性雰囲気中においてその表面に酸化皮膜を形成しない元素であるため、酸性雰囲気下でも導電性を良好に保つことができる。なお、導電性合金皮膜４に用いられる貴金属は、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池のように、電圧（電位差）がせいぜい０．７Ｖ程度しか出ない燃料電池やそのような運転条件で運転される燃料電池においてはＡｕおよびＰｔに限定されるものではなく、耐酸性に優れ、酸性雰囲気中においてその表面に酸化皮膜を形成しない金属であればどのような貴金属でも用いることができる。例えば、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕなども用いることができる。
【００３５】
そして、導電性合金皮膜４中の非貴金属（Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上）の組成を５〜６５原子％とするのが好ましい。前記した組成で貴金属と非貴金属を合金化して合金皮膜を形成することにより、耐酸性金属皮膜３と導電性合金皮膜４との密着性を向上させることができるので、耐酸性金属皮膜３が導電性合金皮膜４から剥離するおそれを少なくすることができ、導電性を維持することが可能となる。さらに、導電性合金皮膜４の貴金属と非貴金属を前記した組成で合金化させて使用することにより、高価な貴金属の使用量を抑えることができ、かつ導電性と耐酸性を有する導電性合金皮膜を低コストで作製することができる。
【００３６】
導電性合金皮膜４中の非貴金属の組成が５原子％未満であると、導電性合金皮膜４と耐酸性金属皮膜３の密着性が悪いために、酸性雰囲気下に長期間曝されると導電性合金皮膜４が剥落するおそれがある。また、導電性合金皮膜４中の非貴金属の組成が６５原子％を超えると、表面に非貴金属の不動態皮膜が形成されるため、導電性が下がるおそれがある。導電性合金皮膜４中の非貴金属の組成は、１５〜５５原子％とするのがより好ましく、２５〜４５原子％とするのがさらに好ましい。
【００３７】
かかる導電性合金皮膜４の膜厚は、２ｎｍ以上とするのが好ましい。導電性合金皮膜４の膜厚が２ｎｍ未満であると、導電性合金皮膜４と耐酸性金属皮膜３の間に不動態皮膜が形成され、導電性合金皮膜４が剥落することによって接触抵抗が増加する。導電性合金皮膜４の膜厚は、５ｎｍ以上とするのが好ましく、７ｎｍ以上とするのがより好ましい。一方、導電性合金皮膜４の膜厚の上限は特に限定されるものではないが、後記する導電性合金皮膜を成膜する工程Ｓ２に要する時間とコストの点から５００ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００３８】
以上に説明した本発明に係る燃料電池用金属セパレータ１は、金属基材２の上に、優れた耐酸性を有する耐酸性金属皮膜３を有し、かつ、その上に耐酸性に優れるだけでなく酸性雰囲気下で酸化皮膜を形成しない導電性合金皮膜４をさらに有しているので、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗を低くすることができる。
【００３９】
このような燃料電池用金属セパレータ１は、後記する燃料電池用金属セパレータの製造方法によって好適に製造することができる。
以下、適宜図２を参照して、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法について説明する。なお、図２は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法のフローを示すフロー図である。
【００４０】
図２に示すように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材２を用いて製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１と、導電性合金皮膜を成膜する工程Ｓ２と、を含んでなる。
耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１は、成膜工程中にプラズマを発生するＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法によって、金属基材２の上にＺｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる耐酸性金属皮膜３を成膜する。なお、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を用いて成膜する理由、および耐酸性金属皮膜３の膜厚を５ｎｍ以上となるまで成膜すると好適である理由についてはすでに述べたとおりであるのでその説明を省略する。
【００４１】
耐酸性金属であるＺｒ、Ｎｂ、Ｔａはいずれも高融点金属であるため、プラズマを発生しないＰＶＤ法である真空蒸着法のような成膜方法で耐酸性金属皮膜を成膜すると、金属基材に飛来してきた粒子（原子またはイオンをいう。以下同じ。）が金属基材表面に付着し、結晶を形成して耐酸性金属皮膜となる際に、金属基材表面を拡散しにくく、ポーラスな膜となってピンホールを形成してしまう。そのため、例えば酸性溶液に浸漬した時、金属基材に耐酸性金属皮膜を成膜してあっても、ピンホール部分から酸性溶液が浸透していき、金属基材の金属が溶出してしまう。つまり、金属基材の金属が溶出するのを防ぐためには、耐酸性金属皮膜中のピンホールの形成をなくす必要がある。
したがって、ピンホールを形成しない緻密な耐酸性金属皮膜を成膜するには、プラズマを発生するＰＶＤ法であるイオンプレーティング法やスパッタリング法で成膜する必要がある。なお、かかるスパッタリング法としては、Unbalanced Magnetron Sputtering(UBMS)を用いるとより好適である。
【００４２】
この耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１は、金属基材２を加熱しつつ、電圧印加することにより金属基材２の上に耐酸性金属皮膜３を成膜させるが、このときの成膜条件としては、金属基材２の加熱条件を５０℃以上とし、かつ金属基材２の電圧印加条件を−（マイナス）５０Ｖ以下とするのが好ましい。かかる加熱条件および電圧印加条件を満たすＰＶＤ法を実施すれば、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ粒子にエネルギを与えて表面拡散を活発にし、金属基材表面上で動きやすくすることができるので、耐酸性合金皮膜を緻密化し、ピンホールを無くすことができる。つまり、金属基材２を加熱することによって金属基材表面に付着したＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ粒子に熱エネルギを与えることでＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ粒子の運動エネルギを高くし、表面拡散を活発にすることができる。
【００４３】
耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１における金属基材２の加熱条件が５０℃未満、または金属基材２への電圧印加条件が−（マイナス）５０Ｖよりも高いと、スパッタされて金属基材２上で表面拡散するスパッタ粒子のエネルギが低いため、耐酸性金属皮膜３にピンホールが多く形成される（後記する図３（ａ）を参照）。なお、金属基材２の加熱条件および電圧印加条件は、１００℃以上かつ−（マイナス）１００Ｖ以下とするのがより好ましく、２００℃以上かつ−（マイナス）２００Ｖ以下とするのがさらに好ましい。
【００４４】
耐酸性金属皮膜３に用いられるＺｒ、Ｎｂ、Ｔａを一般的に行われている成膜条件で、金属基材２に電圧を印加せず、且つ加熱をしないでスパッタリング法（つまり、プラズマを発生させないスパッタリング条件）で成膜した場合には、図３（ａ）に示すように、金属基材上の耐酸性金属皮膜にピンホールが形成される。
しかし、耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１において、金属基材２を５０℃以上で加熱するとともに、−（マイナス）５０Ｖ以下で電圧印加することでスパッタ粒子の表面拡散を加速させることで、ピンホールが形成されない、図３（ｂ）に示すような均一で緻密な耐酸性金属皮膜３を形成させることができる。なお、図３（ａ）は、従来から実施されている成膜工程の条件、つまり、純チタン製の金属基材を加熱せず、且つ電圧印加しないでＴａの耐酸性金属皮膜を成膜し、その断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で撮像したＴＥＭ像（倍率：７５０００倍）であり、（ｂ）は、前記した条件を満たす耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１を実施して純チタン製の金属基材上にＴａの耐酸性金属皮膜を成膜し、その断面をＴＥＭで撮像したＴＥＭ像（倍率：７５０００倍）である。なお、（ａ）（ｂ）ともに写真内のスケールバーは２００ｎｍを示す。
なお、図３（ａ）（ｂ）に示されている耐酸性金属皮膜は、下記表１に示す成膜条件で成膜したものである。
【００４５】
【表１】
2010045052.tif 000003
【００４６】
図３（ａ）に示すように、従来から実施されている成膜工程の条件で成膜された耐酸性金属皮膜は、Ｔａの結晶が金属基材から柱状に伸び、結晶粒界にピンホールが多数形成されていることがわかる。
一方、図３（ｂ）に示すように、前記した条件を満たす耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１で成膜された耐酸性金属皮膜は、Ｔａの結晶が緻密に形成され、結晶粒界にピンホールが形成されていないことがわかる。
なお、これらを８０℃、１Ｍの硫酸水溶液に１００時間浸漬して、重量減少量すなわち溶解量を測定したところ、図３（ａ）に示す耐酸性皮膜を成膜した金属基材は、０．０４ｍｇ／ｃｍ２の溶解が認められたが、図３（ｂ）に示す耐酸性皮膜を成膜した金属基材については重量の減少は全く認められなかった。このことから、本発明の耐酸性金属皮膜を成膜する工程Ｓ１による耐酸性金属皮膜が優れた耐酸性を示すことがわかる。
【００４７】
次に、導電性合金皮膜を成膜する工程Ｓ２は、ＰＶＤ法によって、耐酸性金属皮膜３の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含んでなる導電性合金皮膜４を成膜する。
なお、Ａｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、および、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を用いて成膜する理由、および導電性合金皮膜４の膜厚を２ｎｍ以上となるまで成膜すると好適である理由についてはすでに述べたとおりであるのでその説明を省略する。
また、導電性合金皮膜４の成膜は、合金化した皮膜の成膜も可能でありかつその組成も自由に制御することができるので、スパッタリング法によって行うのがより好ましい。
【００４８】
以上に説明した本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、金属基材２の上に、均一で緻密な耐酸性金属皮膜３を形成し、さらにその上に耐酸性と接触抵抗に優れた導電性合金皮膜４を成膜することにより、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータ１を製造することができる。
【実施例】
【００４９】
次に、本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを示して具体的に説明する。
【００５０】
［実施例Ａ］
ＪＩＳ  Ｈ  ４６００に規定される１種の純チタン製の金属基板（２ｃｍ×５ｃｍ×１ｍｍ）を１８枚用意してアセトンで超音波洗浄し、試験板とした。成膜は、下記表２に示す条件で、Unbalanced Magnetron Sputtering(UBMS)による成膜を実施した。成膜装置には、UBMS202装置（神戸製鋼製）を用いた。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
下記表３に示すように、耐酸性金属皮膜用のターゲットとしてＺｒ、Ｎｂ、Ｔａのいずれかをチャンバー内の一の電極に取り付けて使用した。また、導電性合金皮膜用のターゲットとしてＡｕまたはＰｔ上に、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａのチップを所定量貼り付けたものをチャンバー内の他の電極に取り付けて使用した。成膜装置の構成を図４に示す。なお、試験板は固定された台を公転し、さらに試験板を自転させることで試験板の両面、側面にも成膜を行なった。
表３に、試験板１〜１８の導電性合金皮膜に用いた貴金属種および非貴金属種と、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成（％）および膜厚（ｎｍ）、並びに耐酸性金属皮膜の非貴金属種と膜厚を示す。
【００５３】
【表３】
2010045052.tif 000005
【００５４】
なお、表３において、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成（原子％）は、ＩＣＰ発光分析法により測定した。ＩＣＰ発光分析法は、あらかじめ導電性合金皮膜を試験板に成膜したものを作製し、その試験板を、チタン製基板および導電性合金皮膜のいずれをも溶解できる酸溶液（王水・フッ酸混合溶液）で溶解させ、導電性合金皮膜を構成する貴金属元素と非貴金属元素の濃度を測定しておき、その結果をもとにした組成比（原子％）を明示した。なお、王水・フッ酸混合溶液は、溶液濃度がそれぞれ、塩酸３８％、硝酸７０％およびフッ酸４８％の酸溶液を用いて、塩酸３：硝酸１：フッ酸２＋蒸留水６の体積比となるようにして調製した。
導電性合金皮膜、耐酸性金属皮膜の膜厚は使用したターゲット毎に、スパッタレートを算出しその値から推測した値を示した。
【００５５】
表３に示す試験板１〜１８について、図５に示す接触抵抗測定装置３０を用いて荷重９８Ｎ（１０ｋｇｆ）を印加し接触抵抗を測定した。つまり、試験板１〜１８の両面をカーボンクロスＣ、Ｃではさみ、さらにその外側を接触面積１ｃｍ２の銅電極３１、３１を用いて９８Ｎで加圧し、直流電流電源３２を用いて１Ａの電流を通電し、当該カーボンクロスＣ、Ｃ間に印加される電圧を電圧計３３で測定し、接触抵抗を算出した。
【００５６】
また、試験板１〜１８について耐酸試験を行なった。その際、試験板１〜１８は金属基材の中央両面の１ｃｍ×１ｃｍの部分だけが露出するように他の部分はマスキングした。これを８０℃の硫酸水溶液（０．５ｍｏｌ／ｌ）に１００時間浸漬して、洗浄、乾燥後マスキング材を除去して１μｇまで測定可能なマイクロ天秤を使用して、重量減少量を測定し、その後、前記と同様にして接触抵抗装置３０を用いて接触抵抗を測定した。なお、熱処理後および硫酸浸漬後の接触抵抗は１５ｍΩ・ｃｍ２以下を合格とし、硫酸浸漬後の重量減少は０．０２ｍｇ／ｃｍ２以下を合格とした。
下記表４に、試験板１〜１８の硫酸浸漬後の接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）、硫酸浸漬後の重量減少（ｍｇ／ｃｍ２）を示す。
【００５７】
【表４】
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【００５８】
表４に示すように、試験板１〜４、９、１０、１３、１４、１７は、導電性合金皮膜に用いた貴金属種および非貴金属種と、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成（原子％）および膜厚（ｎｍ）、並びに耐酸性金属皮膜の非貴金属種と膜厚が本発明の要件を満たしていたので、硫酸浸漬後の接触抵抗および硫酸浸漬後の重量減少の結果が合格となった（実施例（表４の備考欄参照））。
【００５９】
一方、試験板６、１１は、導電性合金皮膜の非貴金属の組成が低いため、導電性合金皮膜と耐酸性金属皮膜の密着性が悪く、導電性合金皮膜が剥落して耐酸性金属皮膜の不動態皮膜が形成され、接触抵抗が増大した。
【００６０】
試験板５、１２、１８は、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成が多いために、耐酸性金属皮膜が表面に不動態皮膜を形成したため接触抵抗が増大し、合格とならなかった。（比較例（表４の備考欄参照））。
試験板７、１６は、耐酸性金属皮膜が薄いため、耐酸性金属皮膜にピンホールが形成されたことにより、金属基材が露出している部分が増えるため、硫酸浸漬後、試験板の重量減少が見られ、また金属基材表面に形成された酸化皮膜によって接触抵抗が増大し、合格とならなかった（比較例（表４の備考欄参照））。
試験板８、１５は、導電性合金皮膜が薄いため、導電性合金皮膜と耐酸性金属皮膜の間に不動態皮膜が形成され、当該部分が剥落したことにより接触抵抗が増大し、合格とならなかった（比較例（表４の備考欄参照））。
【００６１】
なお、ＪＩＳ  Ｋ  ５４００に準拠して、本発明の実施例である試験板１の表面にテープを貼って碁盤目テープ剥離試験を行ったところ、耐酸性金属皮膜および導電性合金皮膜の剥離は認められなかった。
【００６２】
［実施例Ｂ］
金属基材は［実施例Ａ］と同じ規格の純チタン製の金属基板を６枚用意し、下記表５に示す金属基材の加熱条件および金属基材の電圧印加条件で、導電性合金皮膜をＡｕ−Ｔａとし、その組成をＴａ４５原子％、膜厚を２０ｎｍ、耐酸性金属皮膜をＴａとし、その膜厚を１０ｎｍに固定して成膜させて試験板１９〜２４を作製した。
【００６３】
【表５】
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【００６４】
表５に示す条件で実施して作製した試験板１９〜２４を［実施例Ａ］と同じ条件で、硫酸浸漬後の接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）、および硫酸浸漬後の重量減少（ｍｇ／ｃｍ２）について評価を行った。結果を下記表６に示す。
【００６５】
【表６】
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【００６６】
試験板１９〜２１は、金属基材の加熱条件が５０℃以上であり、かつ金属基材の電圧印加条件が−（マイナス）５０Ｖ未満であったため、硫酸浸漬後の接触抵抗および硫酸浸漬後の重量減少の結果が合格となり、実施例となった（表６の備考欄参照）。
【００６７】
一方、試験板２２〜２４は、金属基材の加熱条件が５０℃未満であったため、または金属基材の電圧印加条件が−（マイナス）５０Ｖよりも大きかったため、耐酸性金属皮膜にピンホールが形成され、金属基材が露出し、これが酸性雰囲気に曝されて金属基材の金属が溶出した。そのため、硫酸浸漬後の重量が減少し、また、硫酸浸漬後の接触抵抗が増大し、合格とならなかった（比較例（表６の備考欄参照））。
【００６８】
以上、本発明の燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について、発明を実施するための最良の形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６９】
１      燃料電池用金属セパレータ
２      金属基材
３      耐酸性金属皮膜
４      導電性合金皮膜
Ｓ１    耐酸性金属皮膜を成膜する工程
Ｓ２    導電性合金皮膜を成膜する工程
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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