(57)【要約】  本発明の燃料電池用セパレータは、Ａｌを７０質量％以上含む基材１と、基材上に形成されたＴｉを含む下地層２と、下地層上に形成されたＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層３と、中間層上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層４とを備える。本発明の燃料電池用セパレータは、アルミニウムを主成分として含む基材を用いていながら、耐食性に優れる。
2008059950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを７０質量％以上含む基材と、
前記基材上に形成されたＴｉを含む下地層と、
前記下地層上に形成されたＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層と、
前記中間層上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層と
を備える燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記下地層の厚さは０．２μｍ以上である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記中間層の厚さは０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ＴｉＮｘのｘは１．０以下であり、ＴｉＯｙのｙは２．０以下である、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記導電性金属層の厚さは０．０５μｍ以上である、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記導電性金属層の厚さは０．１０μｍ以下であり、前記下地層および前記中間層の厚さの合計は０．５μｍ以上である、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記導電性金属層の厚さは０．１０μｍ以下であり、前記中間層の厚さは０．３μｍ以上である、請求項６に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
（ａ）Ａｌを７０ｗｔ％以上含む基材を用意する工程と、
（ｂ）前記基材の表面を清浄化する工程と、
（ｃ）前記清浄化された前記基材の表面に、Ｔｉを含む下地層を蒸着法で形成する工程と、
（ｄ）前記下地層上に、ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層を蒸着法で形成する工程と、
（ｅ）前記中間層上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層を形成する工程とを包含する燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｃ）および（ｄ）における前記蒸着法は、スパッタリング法またはイオンプレーティング法である、請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）の後で且つ前記工程（ｃ）の前に、前記基材の表面の酸化膜を少なくとも部分的に除去する工程をさらに包含する、請求項８または９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ａ）はアルミダイキャスト合金から形成された基材を用意する工程であって、
前記工程（ｃ）の前に、３００℃以上３５０℃以下の温度で真空加熱処理を行なう工程をさらに包含し、
前記工程（ｃ）および（ｄ）は前記真空加熱処理の温度以下で行われる、請求項８から１０のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータ（集電板）に関し、特に自動車電源、携帯機器用電源、分散電源などに用いられる固体高分子型燃料電池に好適なセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電効率が高く、環境への負荷も低いなどの観点から次世代のエネルギー源として燃料電池に関する研究が活発に行なわれている。【０００３】
燃料電池は燃料である水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す発電装置である。燃料電池は使用する電解質の種類に応じて固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ、メタノールを用いるＤＭＦＣ含む）に分類される。中でもＰＥＦＣ，ＤＭＦＣは他のタイプの燃料電池に比べ、作動温度が約７０〜９０℃と低く、ＰＥＦＣで１ｋＷ、ＤＭＦＣで数百Ｗ程度も高効率の発電が可能であることから自動車へ携帯機器などへの適用が期待されている。特にＤＭＦＣは小型であり携帯機器への適用が精力的に研究されている。【０００４】
以下、図４を参照しながら、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の構造および原理を説明する。【０００５】
図４（ａ）は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の最小構成単位であるセル（電池）部分２０の構造を模式的に示す斜視図であり、図４（ｂ）は、ＰＥＦＣの原理を示す模式図である。【０００６】
図４（ａ）に示すように、燃料電池のセル２０は、中央にイオン交換膜（固体高分子膜）１１を有し、その両側に、燃料極（水素極、アノード側）１２および空気極（または酸素極、カソード側）１３の２つの電極が配置されている。イオン交換膜１１は、プロトン（Ｈ+）を燃料極１２から空気極１３へ移動させるための膜である。イオン交換膜１１は、両側に電極触媒層１４ａ、１４ｂを有していることが多く、イオン交換膜１１と電極触媒層１４ａ、１４ｂとは総称して、膜・電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。燃料極１２および空気極１３の外側には、それぞれ、ガスケット１５ａ、１５ｂを介してセパレータ１６ａ、１６ｂが配置され、ＭＥＡとセパレータ１６ａとの間を水素（アノード側）が移動し、ＭＥＡ２０とセパレータ１６ｂとの間を酸素（カソード側）が移動する（図４（ｂ）を参照）。セパレータ１６ａ、１６ｂの表面には、水素や酸素の反応ガスが通過する溝が形成されている。【０００７】
図４（ｂ）に示すように、アノード側では、セパレータ１６ａの表面の溝を通って水素（Ｈ2）が供給され、燃料極１２によって電極触媒層１４ａへ均一に拡散される。電極触
媒層１４ａ上では、下式（１）の反応によってＨ2がＨ+となり、イオン交換膜１１を通過してカソード側の電極触媒層１４ｂへ移動する。一方、カソード側では、セパレータ１６ｂの表面の溝を通って酸素（Ｏ2）が供給され、空気極１３によって電極触媒層１４ｂへ
均一に拡散される。電極触媒層１４ｂ上では、このようにして拡散されたＯ2と、アノー
ド側からイオン交換膜１１中を移動してきたＨ+との間で、下式（２）の反応が起こり、
Ｈ2Ｏが生成する。
Ｈ2 →  ２Ｈ+ ＋  ２ｅ-                  ・・・  式（１）
２Ｈ+ ＋  １／２Ｏ2 ＋  ２ｅ- →  Ｈ2Ｏ   ・・・  式（２）【０００８】
このとき、アノード側で生成した電子（ｅ-）によって発電が行われる。従って、セパ
レータには、酸素や水素の反応ガスを電極触媒層１４ａに効率よく供給することなどが求められている。【０００９】
上記の構成を備えたセル（単位セル）は電力量に応じて複数積層されたスタックの形態で用いられる。この場合、セパレータは単位セルと単位セルの仕切り板として作用するため、セルとセルとの間で燃料極のガス（水素）と空気極のガス（酸素）とが混合しないようにすることなどが求められている。【００１０】
このような観点からセパレータにはガス透過性が小さいこと、導電性に優れること、接触抵抗が低いこと、耐食性に優れることなどが要求されている。特に耐食性と導電性に対する要請は最近、益々強くなっており、耐食性の評価基準として「セパレータをｐＨが約１の硫酸溶液に浸漬しても錆が発生しないこと」等が挙げられている。【００１１】
このような特性を有するセパレータ材料として  カーボン材料が汎用されている。しかしながら、カーボン材料は靭性に乏しく脆いため、加工が困難であり、加工コストが高いという問題がある。【００１２】
そこで近年ではカーボン材料の代わりに、加工が容易で加工コストも安価な金属材料、特にステンレス材料をセパレータ用材料として検討されている。【００１３】
たとえばステンレス鋼に白金や金などの金属膜をめっきしたセパレータが提案されている。ステンレス鋼の表面にはＣｒが酸素と結合した酸化被膜（不働態膜）が生成されるため耐食性が優れるが接触抵抗が大きくそのままではセパレータ材料として使用できない。そのため耐食性および導電性に優れた白金や金などの貴金属によってステンレス鋼の表面を被覆することが考えられるが不働態膜と金属膜の密着性は非常に悪いため、ステンレス鋼の表面に貴金属膜を直接形成することは困難である。【００１４】
そこでエッチングなどによって不働態膜を完全に除去した後、必要に応じてＮｉなどの金属を含む下地めっき層を形成してから貴金属をめっきする方法が用いられていた。さらに、例えば特許文献１では、高耐食を目指して下地にＴａ、Ｚｒ、Ｔｉ層の金属層を形成する方法が提案されている。また、本出願人は、特許文献２に、Ｔａなどの金属層と鋼との間に、酸素と、金属層を構成する金属原子および鋼中に含まれるＦｅおよびＣｒとを含む中間層を形成することによって耐食性をさらに改善できることを開示している。
【特許文献１】特開２００１−９３５３８号公報
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ  ２００６／０８２７３４Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
最近では、燃料電池の軽量化に対するニーズが高まっており、ステンレス鋼に代えてアルミニウムを用いることが望まれている。しかしながら、アルミニウムは両性金属であり、ステンレス鋼よりも腐食しやすいため、前述の評価基準を満たす耐食性を得ることはさらに難しい。【００１６】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、アルミニウムを主成分として含む基材を用いて、耐食性に優れた燃料電池用のセパレータを提供すること、およびそのようなセパレータの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の燃料電池用セパレータは、Ａｌを７０質量％以上含む基材と、前記基材上に形成されたＴｉを含む下地層と、前記下地層上に形成されたＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層と、前記中間層上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層とを備えることを特徴とする。【００１８】
ある実施形態において、前記下地層の厚さは０．２μｍ以上である。前記下地層の厚さは１０μｍ以下であることが好ましい。【００１９】
ある実施形態において、前記中間層の厚さは０．１μｍ以上２．０μｍ以下である。【００２０】
ある実施形態において、ＴｉＮｘのｘは１．０以下であることが好ましく、ＴｉＯｙのｙは２．０以下であることが好ましい。【００２１】
ある実施形態において、前記導電性金属層の厚さは０．０５μｍ以上である。【００２２】
ある実施形態において、前記導電性金属層の厚さは０．１０μｍ以下であり、前記下地層および前記中間層の厚さの合計は０．５μｍ以上である。【００２３】
ある実施形態において、前記導電性金属層の厚さは０．１０μｍ以下であり、前記中間層の厚さは０．３μｍ以上である。【００２４】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、（ａ）Ａｌを７０ｗｔ％以上含む基材を用意する工程と、（ｂ）前記基材の表面を清浄化する工程と、（ｃ）前記清浄化された前記基材の表面に、Ｔｉを含む下地層を蒸着法で形成する工程と、（ｄ）前記下地層上に、ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層を蒸着法で形成する工程と、（ｅ）前記中間層上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層を形成する工程とを包含することを特徴とする。【００２５】
ある実施形態において、前記工程（ｃ）および（ｄ）における前記蒸着法は、スパッタリング法またはイオンプレーティング法である。【００２６】
ある実施形態において、前記工程（ｂ）の後で且つ前記工程（ｃ）の前に、前記基材の表面の酸化膜を少なくとも部分的に除去する工程をさらに包含する。【００２７】
ある実施形態において、前記工程（ａ）はアルミダイキャスト合金から形成された基材を用意する工程であって、前記工程（ｃ）の前に、３００℃以上３５０℃以下の温度で真空加熱処理を行なう工程をさらに包含し、前記工程（ｃ）および（ｄ）は前記真空加熱処理の温度以下で行われる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の燃料電池用セパレータは、アルミニウム基材上に、アルミニウムおよびアルミニウム酸化物に対する密着性に優れたＴｉ層を有し、さらにその上にＴｉとの反応性および密着性に優れたＴｉの窒化物層または酸化物層を有し、最表面にＡｕまたはＰｔ層を有しているので、優れた耐食性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の燃料電池用セパレータの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は実施例１の試料の外観を示す写真であり、（ａ）は耐食試験前の状態を示し、（ｂ）は耐食試験後の状態を示す（３０倍）。
【図３】（ａ）および（ｂ）は比較例１の試料の外観を示す写真であり、（ａ）は耐食試験前の状態を示し、（ｂ）は耐食試験後の状態を示す（３０倍）。
【図４】（ａ）は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の最小構成単位であるセル（電池部分）２０の構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、ＰＥＦＣの原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  Ａｌ含有基材
１ａ  Ａｌ含有合金
１ｂ  Ａｌ酸化物層
２  Ｔｉ層
３  ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙ
４  ＡｕまたはＰｔ
１１  イオン交換膜（固体高分子膜）
１２  燃料極（水素極）
１３  空気極（酸素極）
１４ａ、１４ｂ  電極触媒層
１５ａ、１５ｂ  ガスケット
１６ａ、１６ｂ  セパレータ
２０  燃料電池のセル
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下図面を参照して本発明による実施形態の燃料電池用セパレータの構造を説明する。本発明者は、後に実施例の一部を示して説明するように、種々の膜構成のセパレータを試作して、その耐食性を評価した結果、本発明に想到した。以下に本発明による実施形態の燃料電池用セパレータの構造およびその作用・効果を説明するが、これらの説明は本発明を限定するものではない。【００３２】
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の燃料電池用セパレータの構造を模式的に示す断面図である。【００３３】
図１（ａ）に示す燃料電池用セパレータ１０は、Ａｌを７０質量％以上含む基材１と、基材１上に形成されたＴｉを含む下地層２と、下地層上に形成されたＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層３と、中間層３上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層４とを備える。【００３４】
基材１は、例えば、Ａｌを７０質量％以上含むアルミニウム合金（アルミニウム単体も含む）から形成される基板である。アルミニウム合金はいわゆるアルミダイキャスト（鋳型鋳造合金）を含む。アルミニウムを７０質量％以上含む合金はステンレス鋼に比べて比重が小さいので、燃料電池の軽量化に寄与する。特に、多数のセルを組み合わせる用途（例えば、福祉自動車両の燃料電池では１００に近い数のセルがスタックされる）に好適に用いられる。特に、アルミダイキャストは、所望の形状のものを優れた量産性で製造できるので、好ましい。なお、Ａｌの含有量が７０質量％未満であると、Ａｌの性質が反映されず、後述する作用・効果が得られないことがある。【００３５】
Ｔｉを含む下地層２は、典型的にはＴｉ層であり、清浄な基材１の表面に蒸着法によって形成される。Ｔｉは、Ａｌとの密着性に優れる上に、Ａｌ酸化物（典型的にはＡｌ2Ｏ3）との密着性にも優れる。したがって、図１（ａ）に示すように、Ａｌを７０質量％以上含むアルミニウム合金から形成された基材１上にＴｉ層を直接形成した構造に限られず、図１（ｂ）に示すように、Ａｌを７０質量％以上含むアルミニウム合金から形成された本体部分１ａの表面にＡｌ酸化物層１ｂが存在していても、良好な密着性を有する。アルミダイキャストの表面には比較的厚いＡｌ酸化物層が形成されているが、これを完全に除去しなくても、良好な密着性を得ることができるので、高い製造効率を得ることが出来る。但し、Ａｌ酸化物層の厚さが１０μｍ以上になると、Ｔｉ層２との密着性が低下するので好ましくない。【００３６】
Ｔｉ層２の厚さは０．２μｍ以上であることが好ましい。Ｔｉ層２の厚さが０．２μｍ未満であると、十分な耐食性が得られない。なお、Ｔｉ層２の厚さに特に上限はない。経済性を考慮すると１０μｍ以下であることが好ましい。厚さが１０μｍを超えても、応力や割れが発生することが無く、本発明者の実験によると、少なくとも約２０μｍの厚さまではこれらの問題は発生しない。【００３７】
Ｔｉ層を含む下地層２の上に形成される中間層３は、ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む。ＴｉＮｘやＴｉＯｙはＴｉとの反応性が高く、且つ、ＡｕおよびＰｔとの密着性が高く、緻密な膜ができるので好ましい。中間層２の厚さは０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。厚さが０．１μｍよりも薄いと十分な耐食性を得ることができないことがある。また、厚さが２．０μｍを越えると応力に起因する割れが発生することがある。【００３８】
ＴｉＮｘのｘは１．０以下であることが好ましい。耐食性の観点からｘは０．５以上であることが好ましく、０．７以上１．０以下であることが更に好ましい。一方、ＴｉＯｙのｙは２．０以下であることが好ましい。耐食性の観点からは、１．０以上であることが好ましく、１．２以上２．０以下であることが更に好ましい。但し、中間層３をＴｉＯｙで形成する場合、ＴｉＯＨを含まないことが好ましく、水分を含まない真空中で形成することが好ましい。【００３９】
ＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層４は、典型的にはＡｕ層またはＰｔ層である。ＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層４は、高い導電性を有するとともに、ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層３との密着性に優れる。十分な導電性を得るためには、導電性金属層の厚さは０．０５μｍ以上であることが好ましい。なお、耐食性の観点からは、導電性金属層の厚さが０．１０μｍ以下の場合、下地層２および中間層３の厚さの合計は０．５μｍ以上であることが好ましく、このとき、中間層３の厚さは０．３μｍ以上であることが好ましい。【００４０】
図１（ａ）に示した燃料電池用セパレータ１０または図１（ｂ）に示した燃料電池用セパレータ１０’は、例えば、以下のようにして製造することができる。【００４１】
まず、Ａｌを７０ｗｔ％以上含む基材１を用意する。市販されているＡｌ合金、例えば、ＪＩＳ規格１０００番代の高純度Ａｌや、ＪＩＳ規格５０００番代のＡｌ、さらには、アルミダイキャストを用いることが出来る。【００４２】
次に、基材１の表面を清浄化する。例えば、有機溶剤を用いた脱脂および酸洗浄を行い、基材１の清浄な表面を露出する。このとき、必要に応じて、酸化膜を除去する。酸化膜は完全に除去する必要は無いが、例えばＡｌ酸化膜の厚さが１０μｍを越えると、下地層（Ｔｉ層）２との密着性が十分得られないことがある。従って、下地層２を形成する前に、必要に応じて、基材１の表面の酸化膜を少なくとも部分的に除去する。酸化膜の除去は、例えば、Ａｒガス雰囲気中（減圧）で陰イオンスパッタリングによって行う。【００４３】
その後、清浄化された基材１の表面に、Ｔｉを含む下地層２を蒸着法で形成する。蒸着法としては、スパッタリング法またはイオンプレーティング法が生産性の観点から好ましい。【００４４】
続いて、下地層２上に、ＴｉＮｘまたはＴｉＯｙを含む中間層３を蒸着法で形成する。下地層３と同様に、スパッタリング法またはイオンプレーティング法を用いることが好ましい。また、下地層２と中間層３の形成を同じ真空チャンバ内で行うことが好ましい。【００４５】
最後に、中間層３上に形成されたＡｕまたはＰｔを含む導電性金属層４を形成する。導電性金属層４もスパッタリング法またはイオンプレーティング法で形成される。酸化物層を除去する工程から、最後の導電性金属層４を形成する工程までの一連のプロセスを同一の真空チャンバ内で行うことが好ましい。【００４６】
なお、基材１としてアルミダイキャスト合金から形成された基材を用いる場合、アルミダイキャスト合金に含まる水分等の不純物を、下地層２を形成する工程の前に除去することが好ましい。この工程は、例えば、３００℃以上３５０℃以下の温度で真空加熱処理することによって行なわれる。この場合、下地層２を形成する工程以下の工程は、真空加熱処理の温度以下で行うことが好ましい。【００４７】
次に、実施例および比較例を示して、本発明による実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法、構造および耐食性を説明する。【００４８】
耐食性試験は、以下の条件で行った。【００４９】
各試料（燃料電池用セパレータを模擬したＡｌ基材のＡｕコーティング品）をｐＨ１の硫酸溶液（３５℃）に浸漬した。浸漬後１０００時間および１５００時間における錆の発生を実体顕微鏡（倍率３０倍）で観察した。ｐＨ１の硫酸溶液に１０００時間浸漬したときに、錆の発生が全く見られないものを「耐食性に優れる」ということにする。評価結果を表１に示す。また、下記の実施例１の試料の外観を示す写真を図２に示し、比較例１の試料の外観を示す写真を図３に示す。それぞれの図において、（ａ）は耐食試験前の状態を示し、（ｂ）は耐食試験後の状態を示す（３０倍）。表１の結果および図２、図３から明らかなように、本発明による実施例の燃料電池用セパレータは高い耐食性を有する。また、導電性は、表面抵抗計（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製１９６Ｓｙｓｔｅｍ  ＤＭＭ）で評価した結果、実施例１〜１４の試料は全て十分な導電性を有することを確認した。【００５０】
（実施例１）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００５１】
Ａｌ基材の表面の脱脂および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００５２】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを１０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００５３】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて、厚さ０．５μｍのＴｉ層を形成した。【００５４】
次にＮ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件で
アークイオンプレーティング法にて厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００５５】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ  バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて、厚さ０．１μｍのＡｕ層を形成した。【００５６】
（実施例２）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００５７】
Ａｌ基材の表面の脱脂および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００５８】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを１０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００５９】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて、厚さ０．２μｍのＴｉ層を形成した。【００６０】
次に、Ｎ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
でアークイオンプレーティング法にて、厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００６１】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて、厚さ０．１μｍのＡｕ層を形成した。【００６２】
（実施例３）
Ａｌ基材として、アルミダイカスト（Ｓｉ１０質量％、Ｆｅ１質量％、Ｃｕ２質量％、Ａｌ残部）の基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００６３】
Ａｌ基材の表面を清浄にするために、ブラスト処理、脱脂、および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００６４】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを２０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００６５】
次いで、１×１０-3Ｐａまで真空引きした後、３２０〜３５０℃にＡｌ基材を加熱して１時間、ガス出しを行なった。【００６６】
その後、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．３μｍのＴｉ層を形成した。【００６７】
次に、Ｎ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
で、アークイオンプレーティング法にて厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００６８】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて厚さ０．１μｍのＡｕ層を形成した。【００６９】
（実施例４）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００７０】
Ａｌ基材の表面の脱脂し（酸洗浄は行わず）、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００７１】
まず、２×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて陰極スパッタリングを１分間行った。スパッタリング後の表面には、厚さが約０．０２μｍの酸化膜が存在した。【００７２】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．５μｍのＴｉ層を形成した。【００７３】
次に、Ｎ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００７４】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて、厚さ０．１μｍのＡｕ層を形成した。【００７５】
（実施例５）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００７６】
Ａｌ基材の表面の脱脂および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００７７】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを１０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００７８】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．３μｍのＴｉ層を形成した。【００７９】
次に、Ｎ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００８０】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて厚さ０．１μｍのＡｕ層を形成した。【００８１】
（実施例６）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００８２】
Ａｌ基材の表面の脱脂および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００８３】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを１０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００８４】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．３μｍのＴｉ層を形成した。【００８５】
次に、Ｎ2ガス圧１５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．１μｍのＴｉＮｘ層を形成した。【００８６】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＰｔに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−７０Ｖ、基板温度２００℃にて厚さ０．３μｍのＰｔ層を形成した。【００８７】
（実施例７）
Ａｌ基材として、ＪＩＳ規格１１００材（純度９９％以上）のＡｌ基材（４０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。【００８８】
Ａｌ基材の表面の脱脂および酸洗浄を行ない、乾燥後、真空チャンバ内にＡｌ基材をセットした。【００８９】
まず、２〜５×１０-1ＰａのＡｒガス雰囲気にて、陰極スパッタリングを１０分間行って表面の酸化膜を除去した。【００９０】
次に、ＴｉをターゲットとしてＡｒガス圧２×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２８０℃の条件でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．５μｍのＴｉ層を形成した。【００９１】
次に、Ｏ2ガス圧２５×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−１００Ｖ、基板温度２８０℃の条件
でアークイオンプレーティング法にて厚さ０．２μｍのＴｉＯｙ層を形成した。【００９２】
その後、真空チャンバ内のターゲットをＡｕに交換し、Ａｒガス圧３×１０-1Ｐａ、バイアス電圧−８０Ｖ、基板温度２００℃にて厚さ０．２μｍのＡｕ層を形成した。【００９３】
（実施例８）
ＴｉＮｘ層の厚さを０．３μｍにしたこと以外は、実施例２と同様の方法で試料を作製した。【００９４】
（実施例９）
Ｔｉ層の厚さを０．１μｍにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で試料を作製した。【００９５】
（実施例１０）
ＴｉＮｘ層の厚さを０．０６μｍにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で試料を作製した。【００９６】
（実施例１１）
Ａｕ層の厚さを０．０４μｍにしたこと以外は、実施例５と同様の方法で試料を作製した。【００９７】
（実施例１２）
真空中で３２０〜３５０℃にて１時間加熱しないこと以外は、実施例３と同様の方法で試料を作製した。【００９８】
（実施例１３）
アークイオンプレーティング法でＴｉＮ層を形成する際にＮ2ガス圧５×１０-1Ｐａとしたこと以外は実施例２と同様の方法で試料を作製した。ＴｉＮｘのｘは０．５であった。なお、上記実施例１〜６および８〜１２のＴｉＮｘのｘは０．９であった。【００９９】
（実施例１４）
アークイオンプレーティング法でＴｉＯ層を形成する際にＯ2ガス圧１５×１０-1Ｐａとしたこと以外は実施例７と同様の方法で試料を作製した。ＴｉＯｙのｙは１．０であった。なお、実施例７のＴｉＯｙのｙは１．６であった。【０１００】
（比較例１）
Ｔｉ層およびＴｉＮｘ層を形成しないこと以外は、実施例１と同様の方法で試料を作製した。【０１０１】
（比較例２）
ＴｉＮｘ層を形成しないこと以外は、実施例１と同様の方法で試料を作製した。【０１０２】
【表１】
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【０１０３】
比較例１の結果から分かるように、下地層であるＴｉ層および中間層であるＴｉＮｘ層を設けないと、Ａｌ基材と導電性金属層であるＡｕ層との密着性は不十分で、Ａｕ層が剥離してしまう。また、比較例２の結果から分かるように、Ｔｉ層を設けても、中間層であるＴｉＮｘ層を設けないと、錆の発生を抑制できない。これは、ＴｉＮｘ層がＡｕ層との密着性に優れるとともに緻密であるためと考えられる。【０１０４】
実施例１〜１４はいずれも比較例１および２よりも優れた耐食性を有している。なお、実施例１および２と実施例９の結果から分かるように、Ｔｉ層の厚さは０．２μｍ以上であることが好ましい。また、実施例２と実施例８との比較から分かるように、ＴｉＮｘ層の厚さを０．３μｍ以上とし、Ｔｉ層とＴｉＮｘ層との厚さの合計を０．５μｍ以上とすることによって、耐食性がさらに向上する。この効果は、Ａｕ層の厚さが０．１μｍ以下のときに顕著に見られる。【０１０５】
また、実施例１と実施例４との比較から分かるように、Ａｌ基材の表面に酸化膜が残存していてもＴｉ層と十分な密着性が得られる。【０１０６】
また、実施例１と実施例１０との比較から分かるように、ＴｉＮｘ層の厚さは０．１μｍ以上であることが好ましい。【０１０７】
また、実施例５と実施例１１との比較から分かるように、Ａｕ層の厚さは０．０５μｍ以上あることが好ましい。【０１０８】
また、実施例３と実施例１２との比較から分かるように、Ａｌ基材としてアルミダイキャストを用いる場合は、Ｔｉ層の形成前に、真空加熱処理を行ない、その後の工程は真空加熱処理の温度以下で行うことが好ましい。真空加熱処理の温度は３００℃以上３５０℃以下であることが好ましい。３００℃未満であると不純物を除去する効果が十分に得られないことがあり、３５０℃を越えるとＡｌ基材に変形が生じることがある。【０１０９】
また、実施例６から分かるように、導電性金属層として、Ａｕ層だけでなく、Ｐｔ層を用いることができる。【０１１０】
さらに、実施例７および実施例１４からわかるように、中間層として、ＴｉＮｘ層だけでなく、ＴｉＯｙ層を用いることができる。【０１１１】
なお、上記実施例１〜６および８〜１２で形成したＴｉＮｘ層の組成は、ＴｉＮ0.9であった。種々検討した結果、ＴｉＮｘのｘは１．０以下であることが好ましい。ｘが１．０を越えると膜の歪みが大きくなる問題がある。また、耐食性の観点からは、実施例１３の結果からわかるように、ｘは０．５以上であることが好ましい。また、ｘを０．７以上１．０以下とすることによって耐食性を更に向上させることができる。【０１１２】
また、実施例７で形成したＴｉＯｙ層の組成は、ＴｉＯ1.6であった。種々検討した結果、ＴｉＯｙのｙは２．０以下であることが好ましい。耐食性の観点からは、実施例１４の結果からわかるように、ｙは１．０以上であることが好ましい。また、ｙを１．２以上２．０以下とすることによって耐食性を更に向上させることができる。また、上記実施例７および１４で形成したＴｉＯｙ層はＴｉＯＨを含んでいないことを確認した。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の燃料電池用セパレータは耐食性および導電性に優れているので、自動車用電源、携帯機器用電源、分散電源などに幅広く用いることができる。特に、多数のセルをスタックして用いる燃料電池に好適に用いられる。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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