導電部材、その製造方法、燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池
【課題】優れた導電性及び耐食性を有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、該工程（１）の後に実施され、該金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、該工程（２）の後に実施され、該中間層上に導電層を形成する工程（３）と、を含む導電部材の製造方法であって、該工程（２）において、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する。
【解決手段】金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、該工程（１）の後に実施され、該金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、該工程（２）の後に実施され、該中間層上に導電層を形成する工程（３）と、を含む導電部材の製造方法であって、該工程（２）において、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電部材、その製造方法、燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池に関する。
更に詳細には、本発明は、金属基材と、金属基材上に形成された所定の中間層と、中間層上に形成された導電層とを有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。各単セルは、（１）高分子電解質膜、（２）これを挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される。）、（３）更にこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。
そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。
そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能し得る。このような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セル同士を電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。
【０００３】
ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス。）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素。）が供給される。その結果、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、下記（１）及び（２）の反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソード側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００５】
金属セパレータはカーボンセパレータや導電性樹脂セパレータと比較して強度が高いため、厚みを比較的小さくすることが可能である。また、導電性にも優れることから、金属セパレータを用いるとＭＥＡとの接触抵抗を低減させ得るという利点もある。その反面、金属材料では腐食（例えば、生成水や運転時に生じる電位差などに起因するもの。）による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下という問題が生じる場合がある。よって、金属セパレータでは、その優れた導電性を確保しつつ、耐食性を向上させることが求められている。
【０００６】
これに対して、金属セパレータの基材と導電性薄膜との間に基材の酸化皮膜を形成する技術が開示されている（特許文献１参照。）。これにより、導電性を確保すると共に基材を構成する金属の溶解が抑制され、導電性及び耐久性に優れた燃料電池用セパレータが提供され得る、ということが記載されている。また、特許文献１には、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との間に密着性を高める中間層を形成することが開示されている。これにより、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との密着性を高めることができる、ということが記載されている。ここで、中間層はスパッタリング法で作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】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、特許文献１に記載の従来技術においては、基材表面に配置される酸化皮膜自体が絶縁性の高いものであるため、セパレータの厚み方向の導電性が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。
そして、その目的とするところは、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。
そして、その結果、金属基材と導電層との間に所定の中間層を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の導電部材は、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【００１２】
また、本発明の導電部材の製造方法は、金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、該工程（１）の後に実施され、該金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、該工程（２）の後に実施され、該中間層上に導電層を形成する工程（３）と、を含む導電部材の製造方法であって、該工程（２）において、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する。
【００１３】
更に、本発明の燃料電池セパレータは、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が電解質側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【００１４】
更にまた、本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えた固体高分子形燃料電池であって、該アノードセパレータ及び該カソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属基材と導電層との間に、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成することなどとしたため、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る導電部材の一例の概略構成を示す断面図である。
【図３】Ｒ＝１．０〜１．２の導電層を有する導電部材（導電部材Ａ）の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した写真（倍率：４０万倍）（ａ）、及びＲ＝１．６の導電層を有する導電部材（導電部材Ｂ）の断面をＴＥＭにより観察した写真（倍率：４０万倍）（ｂ）である。
【図４】（ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの３回対称パターンを示す模式図（ａ）、平均ピークの２回対称パターンを示す模式図（ｂ）、及び平均ピークの対称性を示さないパターンを示す模式図（ｃ）である。
【図５】導電部材Ｂを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ０°、６０°、及び１８０°としたときのラマンスペクトルを示すグラフ（ａ）、及び導電部材Ｂについての回転異方性測定の平均ピークを示すグラフ（ｂ）である。
【図６】スパッタリング法で、バイアス電圧及び成膜方式を変化させることにより導電性炭素層のビッカース硬度を異ならせたいくつかの導電部材における、導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるｓｐ３比の値との関係を示す図である。
【図７】Ｒ値が１．３以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性薄膜層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。
【図８】実施例１において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図９】実施例１において作製した導電部材の断面を、ＥＤＸにより組成分析を行った結果を示すグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）である。
【図１０】実施例２において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１１】実施例２において作製した導電部材の断面を、ＥＤＸにより組成分析を行った結果を示すグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）である。
【図１２】実施例３において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１３】実施例１で作製した中間層の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１４】接触抵抗を測定するのに用いた測定装置の概要を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の導電部材、その製造方法、燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池について詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（導電部材の例、燃料電池用セパレータの例）
２．第２の実施形態（導電部材の製造方法の例）
３．第３の実施形態（固体高分子形燃料電池の例）
【００１８】
＜１．第１の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る導電部材は、金属基材と、金属基材上に形成された中間層と、中間層上に形成された導電層とを有するものである。
そして、中間層が、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００１９】
燃料電池用セパレータの金属基材は、一般的に、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、これらの合金などによって作製されている。金属基材は、ある程度の耐食性はあるものの、長期間且つ電位にさらされた状態では、徐々に水により腐食されるため、耐食性に改善の余地があった。
そこで、特許文献１においては、金属基材に水を到達させないように、金属基材の表面に酸化皮膜を配置することが提案されている。また、金属基材の酸化皮膜と導電層との密着性を高めるために、これらの層間に、中間層をスパッタリング法によって設けている。特許文献１におけるスパッタリング法によって中間層を形成する場合には、中間層が結晶配向性が高い柱状構造を呈し、結晶（柱）間には隙間が多く生じるため、水の通過を抑制することは困難である。
したがって、金属基材の耐食性を考慮すると、絶縁性が高い酸化皮膜であっても除去することができない。
【００２０】
これに対して、本発明は、酸化皮膜が除去された金属基材と導電層との間に、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を配置したものである。
これにより、金属基材と導電層との密着性が確保される。また、例えば燃料電池の電極側で生成した水は、導電層を通過する場合はあるものの、結晶化が抑制された中間層ではピンホールなどの欠陥を大幅に減らすことができるため、殆ど通過しない。このため、中間層を超えて通過する水分子は殆ど存在しない。すなわち、金属基材は水にさらされることが殆どない。
このため、本発明の導電部材は、長期間かつ電位にさらされた状態であっても、水による腐食を殆ど受けない。このため、本発明の導電部材は、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。
なお、結晶化抑制成分によってピンホールなどの欠陥が大幅に減少するのは以下のようなメカニズムによるものと考えている。
結晶化抑制成分である原子が金属基材の構成成分と導電層の構成成分とから構成される結晶構造における原子配列を乱すため、結晶性が低下し、非晶質構造となりやすい。これにより、結晶粒界自体が減少するため、結晶粒界を基点に発生しやすいピンホールなどの欠陥を大幅に減少することができる。但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る導電部材を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例の概略構成を示す断面図である。ＰＥＦＣ１は、固体高分子電解質膜１１と、これを挟持する一対の触媒層（アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃ）とを有する。
そして、固体高分子電解質膜１１と触媒層（１３ａ、１３ｃ）との積層体は、さらに、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）（アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃ）により挟持されている。
このように、固体高分子電解質膜１１、一対の触媒層（１３ａ、１３ｃ）及び一対のガス拡散層（１５ａ、１５ｃ）は、積層された状態で膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を構成する。
【００２３】
ＰＥＦＣ１において、ＭＥＡ１０はさらに、一対のセパレータ（アノードセパレータ２０ａ及びカソードセパレータ２０ｃ）により挟持されている。
図１において、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）は、図示したＭＥＡ１０の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のＭＥＡが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するＰＥＦＣ（図示せず）のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてＭＥＡは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。
なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）と固体高分子電解質膜１１との間や、ＰＥＦＣ１とこれと隣接する他のＰＥＦＣとの間にガスシール部が配置されるが、図１ではこれらの記載を省略する。
【００２４】
セパレータ（２０ａ、２０ｃ）は、例えば、厚さ０．５ｍｍ以下の薄板にプレス処理を施すことで図１に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側から見た凸部はＭＥＡ１０と接触している。これにより、ＭＥＡ１０との電気的な接続が確保される。また、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側から見た凹部（セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとＭＥＡとの間の空間）は、ＰＥＦＣ１の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ２０ａのガス流路ＧＰａには燃料ガス（例えば、水素など）を流通させ、カソードセパレータ２０ｃのガス流路ＧＰｃには酸化剤ガス（例えば、空気など）を流通させる。
【００２５】
一方、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側とは反対の側から見た凹部は、ＰＥＦＣ１の運転時にＰＥＦＣを冷却するための冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒流路ＣＰとされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド（図示せず）が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。このような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度を確保することができる。
【００２６】
図２は、図１のうち、セパレータ２０の部分の概略構成を示す断面図である。つまり、図２は、本発明の一実施形態に係る導電部材の一例の概略構成を示す断面図である。
同図に示すように、セパレータ２０を構成する導電部材は、金属基材２１と、金属基材２１上に形成された中間層２３と、中間層２３上に形成された導電層２５とを有する。
また、中間層２３は、金属基材２１の構成成分と導電層２５の構成成分と該中間層２３における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００２７】
以下、本実施形態の導電部材（セパレータ２０）の各構成要素について詳細に説明する。
【００２８】
［金属基材］
金属基材２１は、導電部材（セパレータ２０）を構成する基材であり、導電性及び機械的強度の確保に寄与する。
【００２９】
金属基材２１を構成する金属については特に制限されるものではなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものを適宜用いることができる。
金属基材の構成材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金を挙げることができる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンス、加工容易性などの観点から用いることが好ましい。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。
【００３０】
中でも、金属基材はステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成されることが好ましい。更に、特にステンレスやアルミニウム合金を金属基材として用いると、ガス拡散層の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性を十分に確保することができる。また、アルミニウムやアルミニウム合金は、比重が小さいため、軽量化を図ることができるという利点もある。
【００３１】
アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、アルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などを挙げることができる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）などがアルミニウム合金に含まれ得る。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはＡ１０８５Ｐ、Ａ１０５０Ｐが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはＡ３００３Ｐ、Ａ３００４Ｐが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはＡ５０５２Ｐ、Ａ５０８３Ｐが挙げられる。一方で、燃料電池用セパレータとしては、機械的な強度や成形性が求められる場合があるため、上記の合金種に加えて、合金の調質を適宜選択することができる。なお、金属基材２１がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは９５質量％以上であり、より好ましくは９７質量％以上であり、更に好ましくは９９質量％以上である。
【００３２】
一方、ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などを挙げることができる。オーステナイト系としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６（Ｌ）、ＳＵＳ３１７などが挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、ＳＵＳ３２９Ｊ１が挙げられる。マルテンサイト系としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０などが挙げられる。フェライト系としては、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸなどが挙げられる。析出硬化系としては、ＳＵＳ６３０が挙げられる。
【００３３】
中でも、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄（Ｆｅ）の含有率は、好ましくは６０〜８４質量％であり、より好ましくは６５〜７２質量％である。更に、ステンレス中のクロム（Ｃｒ）の含有率は、好ましくは１６〜２０質量％であり、より好ましくは１６〜１８質量％である。
【００３４】
金属基材２１の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、燃料電池のセパレータとして用いる場合、加工容易性及び機械的強度、並びにセパレータ自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点から、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましくは８０〜３００μｍであり、更に好ましくは８０〜２００μｍである。特に、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材２１の厚みは、好ましくは１００〜３００μｍである。一方、構成材料としてステンレスを用いた場合の金属基材２１の厚みは、好ましくは８０〜１５０μｍである。上記した範囲内の場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。
【００３５】
［中間層］
中間層２３は、金属基材２１上に配置される。この層の存在によって、金属基材２１と導電層２５との密着性を向上させることができる。また、例えば燃料電池の電極で生成した水が金属基材２１側に入り込むことを抑制・防止できる。したがって、中間層２３の配置により、導電部材（セパレータ２０）は、金属基材、酸化皮膜、中間層及び導電性薄膜を有する導電部材に比して、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。
本明細書において、「中間層」とは、金属基材と導電層との間に配置され、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む層を意味する。
このような中間層においては、導電層の構成成分が予め含まれているため、導電層に含まれる構成成分が金属基材内に拡散することによって生じる悪影響を小さくすることができる。
【００３６】
結晶化が抑制された中間層の好適例としては、非晶質構造並びに金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する準結晶構造のうち少なくとも一方を有するものを挙げることができる。
このような構造をとることによって、結晶粒界を起点に発生し易いピンホールなどの欠陥を抑制することができるため、中間層は例えば燃料電池の電極側で生成した水分子を通しにくい構造となる。
ここで、本発明において、「非晶質構造」とは、原子又は分子が規則正しい空間的配置をもつ結晶をつくらずに集合した構造をいう。このような構造は、例えば、Ｘ線回折装置にて測定した場合、ピークが観察されないときに、非晶質構造であると判断できる。
また、本発明において、「準結晶構造を有する中間層」とは、金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する中間層をいう。
なお、「結晶子径」とは、Ｘ線回折法におけるＳｃｈｅｒｒｅの方法によって算出される結晶子のサイズを意味する。
【００３７】
更に、上述した構造を有する中間層においては、上記３成分が層内において混合された状態（分散した状態）となっている場合が多く、結晶化が抑制されやすいため望ましい。
また、上述した構造を有する中間層においては、耐食性の向上という観点から、金属基材の成分が導電層側に露出しないように、金属基材側における存在比率を高くすることが好ましい。
【００３８】
中間層が、非晶質構造や準結晶構造を有する場合において、このような中間層を形成する方法は、特に制限されるものではない。例えば、中間層の形成方法を適宜選択することによって、適宜調節できる。より具体的には、中間層の平均結晶子径を、金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径に比して小さくすることによって、本発明における上記中間層が形成できる。
ここで、中間層の平均結晶子径と、金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径との大小関係は、中間層における結晶化の抑制が達成し得る限り特に制限されるものではない。好ましくは、中間層の平均結晶子径［Ｄ１（ｎｍ）］に対する金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径［Ｄ２（ｎｍ）］の比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．１以上１未満であり、より好ましくは０．１〜０．５である。このような範囲であれば、水分子が金属基材に実質的に到達しない程度にまで、中間層の結晶化を抑制することができる。また、各層の平均結晶子径も、上記大小関係を満たす限り特に制限されるものではない。なお、本明細書における「平均結晶子径」は、マック・サイエンス社製のＸ線回折装置にて測定した。好ましくは、中間層の平均結晶子径［Ｄ２（ｎｍ）］は、１０〜３０ｎｍ、より好ましくは１０〜２０ｎｍである。
【００３９】
中間層を構成する材料は、金属基材の構成成分と、導電層の構成成分と、当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、中間層を構成する材料としては、金属基材の構成成分として、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金などを挙げることができ、導電層の構成成分として、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、炭素（Ｃ）などを挙げることができ、結晶化抑制成分として、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）などの長周期周期律表の１８族の元素や、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半金属元素などを挙げることができる。
【００４０】
また、上記導電層の構成成分は、導電性の向上という観点から、金属基材の主構成成分以外の成分であることが望ましい。主構成成分とは、５０質量％以上含まれる構成成分をいう。
なお、導電層の構成成分のうち、クロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）といったイオン溶出の少ない金属、又はこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物などが好ましく用いられる。より好ましくは、クロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）、又はこれらの炭化物や窒化物が用いられる。特に、このようなイオン溶出の少ない金属や、その炭化物、窒化物などを用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。
【００４１】
また、上記結晶化抑制成分は、金属基材や導電層の機能を損なうことなく、中間層を非晶質化、又は金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有するようにする（微粒子化）ことができる。例えば、アルゴンが存在することにより、上記３成分が混合された中間層において原子配列が乱され、結晶性が低下し、非晶質構造を有し易くなる。
更に、金属基材や導電層の構成成分と結晶化抑制成分とが反応して化合物を形成してしまうと、化合物結晶となり、非晶質構造を有し難くなる。したがって、結晶化抑制成分としては、各層の構成成分と化合物を形成し難いものを適宜選択することが望ましい。
また、格子定数が両層の構成成分に近い場合、結晶構造を乱す効果が小さくなるため、格子定数の差が大きい結晶化抑制成分であることが望ましい。更にまた、結晶化抑制成分は、金属基材及び導電層の構成成分の原子半径に比べて、原子半径が大きいものであることが、導電性及び耐食性の向上の観点から好ましい。
【００４２】
中間層２３における結晶化抑制成分の割合については、特に限定されるものではない。好ましくは、１〜１０原子％である。中間層２３における結晶化抑制成分の割合がこのような範囲内であると、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。一方、中間層２３における結晶化抑制成分の割合が１原子％未満又は１０原子％超であると、中間層２３における結晶化を十分に抑制することができないことがある。
【００４３】
中間層２３の厚みは、特に限定されるものではない。ただし、燃料電池セパレータとして用いる場合の導電部材をより薄膜化することにより、燃料電池のスタックのサイズをできるだけ小さくするという観点からは、中間層２３の厚みは、好ましくは２０〜２００ｎｍである。中間層２３の厚みがこのような範囲内であると、中間層２３において高い導電性を保持することができる。また、金属基材の構成成分の溶出抑制に高い効果を発揮する。一方、中間層２３の厚みが２０ｎｍ未満であると、金属基材との密着力効果が小さく、膜応力による割れやそれによる腐食が進行し易くなる。また、中間層２３の厚みが２００ｎｍを超えると、結晶性が小さい分、電気抵抗が高い影響が顕著に表れてしまうことが考えられる。
【００４４】
中間層２３の硬さは、特に限定されるものではない。好ましくは、金属基材の硬さと導電層の硬さとの間の硬さを示すことが望ましい。中間層２３の硬さがこのような範囲内であると、界面の硬度差を可能なかぎり小さくすることができる。これによって、燃料電池セパレータとして使用する場合にかかる膜応力に対しても歪みが同程度になるため両層に対して高い密着性を確保することができる。具体的には、中間層の硬さがビッカース硬度で１００〜１０００Ｈｖであることが好ましい。
なお、「ビッカース硬度（Ｈｖ）」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。また、ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷及び除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Ｈｖが大きいほどその物質は硬いことを意味する。
【００４５】
また、本実施形態においては、金属基材２１のすべてが中間層２３により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、中間層２３により金属基材２１が被覆された面積の割合（被覆率）は１００％である。但し、このような形態のみに限定されず、被覆率は１００％未満であってもよい。中間層２３による金属基材２１の被覆率は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは８０〜１００％であり、更に好ましくは９０〜１００％であり、最も好ましくは１００％である。このような構成とすることにより、中間層２３により被覆されていない金属基材２１の露出部への水分子の浸入を有効に抑制・防止して、導電部材（特に、金属基材）の導電性・耐食性の低下が効果的に抑制され得る。なお、上記被覆率は、導電部材を積層方向から見た場合に中間層２３と重複する金属基材層２１の面積の割合を意味するものとする。
【００４６】
また、中間層２３の導電層２５側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。このような形態によれば、中間層２３上に配置される導電層２５の中間層２３に対する密着性をより一層向上させることができる。
更に、詳しくは後述するが、導電層２５の少なくとも最表面層が導電性炭素層であり、且つラマン散乱分光分析により測定されるＤバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が大きい（例えば、Ｒ値が２．０を超える）導電性炭素層である場合には、中間層２３と導電層２５との密着性効果が顕著に発現し得る。
【００４７】
［導電層］
導電層２５は、中間層２３上に配置される。ここで、導電層２５を構成する材料は、特に限定されるものではない。具体的には、導電層２５としては、金属層や炭素から形成された導電性炭素層などを挙げることができる。このうち、金属層を構成する材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）などが挙げられる。なお、導電性炭素層は、導電性炭素を含む層である。
これらのうち、例えば高い導電性と燃料電池環境下（０〜１．２Ｖ）の範囲で高い耐食性を有する金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの貴金属を含む金属層や、導電性炭素層が好ましい。
また、貴金属の使用量を抑え、コスト低減を図るという観点からは、導電層は、金属層と導電性炭素層との積層構造を有していることが望ましい。
このように、導電性炭素層の存在によって、導電部材の導電性を確保しつつ、導電性炭素層を含まない場合と比較して耐食性が改善され得る。以下、導電層２５において導電性炭素層を使用した場合の好ましい実施形態を説明する。
【００４８】
従来、不活性ガス雰囲気下で金属セパレータ基板に負高電圧を印加しつつ、基板表面に乾式成膜法により炭素系材料を用いて、金属セパレータの金属基材の一方の表面にグラファイト化された炭素からなる炭素層を形成する技術が提案された。この炭素層を有する燃料電池用セパレータは、耐食性及び導電性に優れるとされているものの、炭素層の有する結晶構造は様々であり、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因してセパレータ自体の耐食性や導電性も変動し得る。したがって、従来の燃料電池用セパレータは、未だ十分な耐食性・導電性が確保されているとは言えなかった。これに対して、導電性炭素層の結晶構造を特定な構造と調節することによって、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保できる。このような導電性炭素層を導電部材（特にセパレータ）に使用することにより、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材が提供できる。すなわち、導電性炭素層の結晶構造を、ラマン散乱分光分析により測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）により規定する。具体的には、強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）を１．３以上とすることが好ましい。以下、この要件について、より詳細に説明する。
【００４９】
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近及び１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる（結晶構造欠陥が増す）につれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される（なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される。）。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本実施形態においては、導電性炭素層の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００５０】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００５１】
上述したように、本実施形態において、Ｒ値は１．３以上であることが好ましい。Ｒ値は、より好ましくは１．４〜２．０であり、更に好ましくは１．４〜１．９であり、特に好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層が得られる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。更に、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である中間層との相性が良いため、密着性を一層向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施形態のようにＲ値を１．３以上とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。但し、以下のメカニズムはあくまでも推定に基づくものである。従って、以下のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような作用効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【００５３】
上述したように、Ｄバンドピーク強度が大きくなる（すなわち、Ｒ値が大きくなる。）ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼｓｐ２炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてｓｐ３炭素が増加することを意味する。ここで、Ｒ＝１．０〜１．２の導電性炭素層を有する導電部材（導電部材Ａ）の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した写真（倍率：４０万倍）を図３（ａ）に示す。同様に、Ｒ＝１．６の導電性炭素層を有する導電部材（導電部材Ｂ）の断面をＴＥＭにより観察した写真（倍率：４０万倍）を図３（ｂ）に示す。なお、これらの導電部材Ａ及び導電部材Ｂは、金属基材としてはＳＵＳ３１６Ｌを用い、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電性炭素層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、導電部材Ａにおける導電性炭素層の作製時において金属基材に対して印加したバイアス電圧は０Ｖである。導電部材Ｂにおける導電性炭素層の作製時において金属基材に対して印加したバイアス電圧は−１４０Ｖである。
【００５４】
図３（ｂ）に示すように、導電部材Ｂの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図３（ａ）に示す導電部材Ａの導電性炭素層においては、このような多結晶グラファイトの構造は確認できない。
【００５５】
ここで、「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面（六角網面）が積層した異方性のグラファイト結晶構造（グラファイトクラスター）を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンド様カーボン（ＤＬＣ；Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）の１種であるということもできる。
通常、単結晶グラファイトは、ＨＯＰＧ（高配向熱分解黒鉛）に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。Ｒ値を上述の値に制御することで、この乱れ具合（グラファイトクラスター量、サイズ）が適度に確保され、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスを確保することができる。その結果、金属基材に加えて導電性炭素層を別途設けたことによる導電性の低下が防止できると考えられる。
【００５６】
多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するｓｐ２炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、１次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。
【００５７】
ここで、本実施形態における導電性炭素層が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは１〜５０ｎｍ程度であり、より好ましくは２〜１０ｎｍである。グラファイトクラスターの平均直径がこのような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出され得る。
【００５８】
なお、本実施形態では導電性炭素層は多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層は多結晶グラファイト以外の材料をも含み得る。導電性炭素層に含まれ得る多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層に含まれ得る炭素材料以外の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、インジウム（Ｉｎ）等の貴金属；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性物質；導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、１種のみが用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
【００５９】
導電層２５の厚みは、特に限定されるものではない。但し、好ましくは１〜１０００ｎｍであり、より好ましくは２〜５００ｎｍであり、更に好ましくは５〜２００ｎｍである。導電層の厚みがこのような範囲内の値であれば、例えば燃料電池用セパレータとして導電部材を適用した場合に、ガス拡散基材との間に十分な導電性を確保することができる。また、金属基材に対して高い耐食性を持たせることができるという有利な効果を奏し得る。なお、本実施形態では、中間層２３及び導電層２５は金属基材２１の一方の主表面にのみ存在する。但し、場合によっては、金属基材２１の他の主表面にも中間層２３及び導電層２５が存在してもよい。
【００６０】
以下、本実施形態における導電層２５のより好ましい実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。
【００６１】
まず、導電層２５が導電性炭素層である場合のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、２回対称パターンを示すことが好ましい。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。
【００６２】
ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に３６０度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行なわれる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを１０°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが３６０°回転するまで行なう。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、１周３６０°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ａ）に示すような３回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ｂ）に示すような２回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質（アモルファス）状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ｃ）に示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークが２回対称パターンを示すということは、導電性炭素層を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層の積層方向とほぼ一致していることを意味する。このような形態によれば、導電性炭素層における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。
【００６３】
ここで、当該回転異方性測定を行なった結果を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。図５（ａ）は、導電部材Ｂを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ０°、６０°及び１８０°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図５（ｂ）は、上述した手法により得られた、導電部材Ｂについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図５（ｂ）に示すように、導電部材Ｂの回転異方性測定においては、０°及び１８０°の位置にピークが見られた。これは、図４（ｂ）に示す２回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「２回対称パターンを示す」とは、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が０である点を基準として１８０°対向する２つのピークが存在することを意味する。３回対称パターンで見られるピーク強度と２回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、このような定義が可能となる。
【００６４】
導電層２５の硬さは特に限定されるものではない。但し、導電層２５のビッカース硬度は、好ましくは１５００Ｈｖ以下であり、より好ましくは１２００Ｈｖ以下であり、更に好ましくは１０００Ｈｖ以下であり、特に好ましくは８００Ｈｖ以下である。ビッカース硬度がこのような範囲内の値であれば、導電性を有しないｓｐ３炭素の過剰な混入が抑制され、導電層２５の導電性の低下を防止することができる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が５０Ｈｖ以上であれば、導電層２５の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、他の層との密着性にも優れた導電部材を提供することができる。このような観点から、導電層２５のビッカース硬度は、より好ましくは８０Ｈｖ以上であり、さらに好ましくは１００Ｈｖ以上であり、特に好ましくは２００Ｈｖ以上である。
【００６５】
ここで、導電部材の金属基材としてＳＵＳ３１６Ｌを準備し、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電性炭素層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、バイアス電圧及び成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られた導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるｓｐ３比の値との関係を図６に示す。なお、図６では、ダイヤモンドはｓｐ３比＝１００％であり、Ｈｖ１００００となる。図６に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が１５００Ｈｖ以下であると、ｓｐ３比の値が大きく低下することがわかる。また、ｓｐ３比の値が低下することで、導電部材の接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。
【００６６】
更に他の観点からは、導電性炭素層に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性炭素層に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はｓｐ２からｓｐ３へと変化して導電性を喪失し、導電層２５の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるＣ−Ｈ結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電層２５の硬度が低下し、最終的には導電部材の機械的強度や耐食性が低下してしまう。このような観点から、導電層２５における水素原子の含有量は、導電層２５を構成する全原子に対して、好ましくは３０原子％以下であり、より好ましくは２０原子％以下であり、更に好ましくは１０原子％以下である。ここで、導電層２５における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法（ＥＲＤＡ）により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。このような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映する。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定され得る。
【００６７】
ここで、図７は、上述したＲ値が１．３以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図７に示すように、導電層における水素原子の含有量が３０原子％以下であると、導電部材の接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図７に示す実験において、導電部材の金属基材としてはＳＵＳ３１６Ｌを用い、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電層における水素原子の含有量を変化させた。
【００６８】
本実施形態においては、金属基材２１のすべてが（中間層２３を介してではあるものの）、導電層２５により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電層２５により金属基材２１が被覆された面積の割合（被覆率）は１００％である。ただし、このような形態のみには限定されず、被覆率は１００％未満であってもよい。導電層２５による金属基材２１の被覆率は、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは８０％以上であり、更に好ましくは９０％以上であり、最も好ましくは１００％である。このような構成とすることにより、導電層２５により被覆されていない、金属基材２１の露出部への中間層の形成に伴う導電性・耐食性の低下を効果的に抑制することができる。なお、上記被覆率は、導電部材を積層方向から見た場合に導電層２５と重複する金属基材２１の面積の割合を意味するものとする。
【００６９】
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられ得る。その代表例が固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のセパレータである。
ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、ＰＥＦＣ以外にも、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に使用可能である。本実施形態の導電部材が用いられ得る燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品（集電板、バスバー、ガス拡散基材、ＭＥＡ）、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境及び通電環境の下で使用される。このような環境下で用いると、導電性及び耐食性の両立を図るという本発明の作用効果を顕著に発現させることができる。
【００７０】
＜２．第２の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る導電部材の製造方法は、金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、工程（１）の後に実施され、金属基材上に金属基材の構成成分と導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する工程（２）と、工程（２）の後に実施され、中間層上に導電層を形成する工程（３）とを含む導電部材の製造方法である。
【００７１】
上述した実施形態の導電部材を製造する方法については特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態にのみ限定されるものではない。また、導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００７２】
すなわち、下記工程を有する、本発明の導電部材の製造方法が提供される。まず、金属基材の酸化皮膜を除去する［工程（１）］。次に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、酸化皮膜を除去した金属基材（金属基材の主表面）上に中間層を形成する［工程（２）］。更に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、中間層（中間層の主表面）上に導電層を形成する［工程（３）］。
【００７３】
［工程（１）］
まず、金属基材の構成材料として、所望の厚みのステンレス板やアルミニウム板などの金属板を準備する。次いで、適当な溶媒（例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン、苛性アルカリ剤など。）を用いて、準備した金属基材の構成材料の表面の脱脂及び洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が１〜１０分間程度、周波数が３０〜５０ｋＨｚ程度、及び電力が３０〜５０Ｗ程度である。
【００７４】
続いて、金属基材の構成材料の表面（両面）に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、特に制限されないが、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、イオンボンバード処理などが挙げられる。
【００７５】
上記処理（金属板の表面の脱脂・洗浄処理や酸化皮膜除去処理）は、金属板の少なくとも中間層を形成する面について行なうことが好ましいが、より好ましくは金属板の両面について行なう。
【００７６】
次に、上記処理を施した金属基材の構成材料の表面に、中間層を形成（成膜）する。ここで、中間層の形成（成膜）方法は、上記したように結晶化が抑制されるような方法であれば特に制限されないが、スパッタリング法やイオンプレーティング法が使用される。スパッタリング法が好ましい。
【００７７】
中間層を形成（成膜）するのに好適に用いられる手法としては、スパッタリング法又はイオンプレーティング法などの物理気相成長（ＰＶＤ）法がある。なお、中間層は、他の方法、例えば、フィルタードカソーディックバキュームアーク（ＦＣＶＡ）法などのイオンビーム蒸着法などによっても形成（成膜）することができる。ここで、スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。
このような手法によっても、上記説明した３成分（金属基材の構成成分、導電層の構成成分及び中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分）を含むものであれば、非結晶構造や準結晶構造を有する中間層が形成できる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。具体的には、スパッタリング法において、バイアス電圧を高くすることによって、例えば、結晶化抑制成分として気体であるアルゴンやクリプトンなどの１８族元素の雰囲気中、導電層の構成成分からなるターゲットのみを用いることによっても、上記説明した３成分を含む中間層を形成することができる。また、スパッタリング法において、通常のバイアス電圧であっても、金属基材の構成成分や導電層の構成成分、結晶化抑制成分などのターゲットを適宜組み合わせることによっても所望の中間層を形成してもよい。
このような方法によって、非晶質構造や準結晶構造を有する中間層が金属基材上に形成できる。
【００７８】
［工程（３）］
次に、上記工程（２）で形成（成膜）された中間層上に、導電層を形成（成膜）する。ここで、導電層の形成（成膜）方法は、特に制限されない。例えば、導電層が導電性炭素層である場合には、上述した導電層の構成材料（例えば、グラファイト）をターゲットとして、中間層上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層（成膜）することにより、導電層を形成することができる。これにより、直接付着した導電層と中間層とのあるいは中間層と金属基材の界面及びその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性を保持することができる。
【００７９】
導電性炭素を積層（成膜）するのに好適に用いられる手法としては、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理気相成長（ＰＶＤ）法、又はフィルタードカソーディックバキュームアーク（ＦＣＶＡ）法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法やイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。このような手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合（ｓｐ２混成炭素）の割合を増加させることができ、優れた導電性を達成することができる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、中間層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。
【００８０】
ここで、導電層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に中間層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。このような形態によれば、イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電層を成膜することができる。このような導電層は優れた導電性を発揮することができることから、他の部材（例えば、ＭＥＡ）との接触抵抗の小さい導電部材（セパレータ）を提供することができる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ（絶対値）は特に制限されず、導電層を成膜可能な電圧を採用することができる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは５０〜５００Ｖであり、より好ましくは１００〜３００Ｖである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。
【００８１】
なお、図２に示す形態の導電部材（セパレータ２０）を製造するには、上述した導電性炭素層の成膜工程の前に、金属基材の少なくとも一方の主表面に中間層を成膜する工程を行なう。この際、中間層を成膜する手法としては、導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層の構成材料に変更する必要がある。
【００８２】
上述した手法によれば、金属基材２１、中間層２３及び導電層２５が順次形成された導電部材を製造することができる。なお、上記手法では、金属基材２１の片面にのみ、中間層２３及び導電層２５を形成したが、金属基材２１の両面に上記各層が形成されてなる導電部材を製造するには、金属基材２１の他方の面に対して、上記と同様の手法を適用すればよい。
【００８３】
＜３．第３の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えた固体高分子形燃料電池である。 そして、アノードセパレータ及びカソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、金属基材上に形成された中間層と、中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、中間層が、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００８４】
上記本発明の一実施形態に係る導電部材は、種々の用途に用いることができる。その代表例が図１に示すＰＥＦＣのセパレータである。
以下、図１を参照しつつ、上記本発明の一実施形態に係る導電部材から構成されるセパレータを用いたＰＥＦＣの構成要素について説明する。ただし、本発明はセパレータを構成する導電部材に特徴を有するものである。よって、ＰＥＦＣにおけるセパレータの形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施され得る。
【００８５】
［高分子電解質層］
高分子電解質層は、例えば、図１に示す形態のように固体高分子電解質膜１１から構成される。この固体高分子電解質膜１１は、ＰＥＦＣ１の運転時にアノード触媒層１３ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層１３ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜１１は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００８６】
固体高分子電解質膜１１は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
【００８７】
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。
【００８８】
高分子電解質層の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されるものではない。高分子電解質層の厚みは、通常は５〜３００μｍ程度である。高分子電解質層の厚みがこのような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御され得る。
【００８９】
［触媒層］
触媒層（アノード触媒層１３ａ、カソード触媒層１３ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層１３ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層１３ｃでは酸素の還元反応が進行する。
【００９０】
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、及び電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。
【００９１】
アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属及びこれらの合金などから選択することができる。
【００９２】
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分及びカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択され得る。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用及びカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層及びカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
【００９３】
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが採用され得る。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍである。触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定することができる。
【００９４】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。
【００９５】
触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
【００９６】
触媒担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇである。触媒担体の比表面積がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
【００９７】
触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。
【００９８】
触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％である。触媒成分の担持量がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御され得る。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
【００９９】
触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、上述した高分子電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加され得る。
【０１００】
［ガス拡散層］
ガス拡散層（アノードガス拡散層１５ａ、カソードガス拡散層１５ｃ）は、セパレータのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）を介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の触媒層（１３ａ、１３ｃ）への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
【０１０１】
ガス拡散層（１５ａ、１５ｃ）の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚みは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚みがこのような範囲内の値であれば、機械的強度とガス及び水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【０１０２】
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【０１０３】
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ、図示せず）を基材の触媒層側に有するものであってもよい。
【０１０４】
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用され得る。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられ得る。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【０１０５】
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。
【０１０６】
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚みについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【０１０７】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
【０１０８】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを用いることができる。中でも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【０１０９】
更に、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【０１１０】
上述したＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータ２０を用いている。したがって、当該ＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。なお、図１に示す形態のＰＥＦＣ１において、セパレータ２０は、平板状の導電部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、このような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板（金属基材）に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって中間層及び導電層を形成することで、セパレータとしてもよい。
【０１１１】
本実施形態のＰＥＦＣ１やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載させることができる。上述したＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れるため、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両を提供することができる。
【実施例】
【０１１２】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１１３】
（実施例１）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１１４】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して２５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み５０ｎｍ）を形成した。
【０１１５】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１１６】
（実施例２）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１１７】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み２５ｎｍ）を形成した。
【０１１８】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１１９】
（実施例３）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１２０】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み３０ｎｍ）を形成した。
【０１２１】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１２２】
［導電部材の構成成分の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、金属基材、中間層及び導電層の構成成分の測定を行った。導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果及びＥＤＸにより組成分析を行った結果を、図８〜図１２に示す。図８〜図１２から、中間層は、金属基材の構成成分であるアルミニウムと導電層の構成成分であるクロムと中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分であるアルゴンとを含む。
なお、実施例１の中間層におけるアルゴンの割合は、５原子％であった。また、実施例２においては、ＥＤＸによる組成分析の結果では、アルゴンの割合が２原子％である中間層のような部分が形成されていることが分かる。更に、実施例３においては、ＥＤＸによる組成分析の結果では、アルゴンの割合が３原子％である中間層のような部分が形成されていることが分かる。
【０１２３】
［中間層の構造の観察］
上記実施例１において作製した導電部材について、中間層の構造の観察を行った。中間層の断面をＴＥＭにより画像解析を行った結果を、図１３に示す。図８、図９及び図１３から、中間層は、金属基材の構成成分であるアルミニウムと導電層の構成成分であるクロムと中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分であるアルゴンとを含む混合層を形成しており、結晶構造とは異なる、非晶質構造又は準結晶構造を有することが分かる。
なお、上記実施例２及び３において作製した導電部材についても、中間層の構造の観察を行ったが、結晶構造とは異なる、非晶質構造又は準結晶構造を有することが確認できなかった。また、５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加した実施例２においては、中間層ができるものの、粒界を起点にピンホール発生が生じ始めている。一方、実施例１においては、粒界を起点にした亀裂は生じていない。
【０１２４】
［Ｒ値の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、導電性炭素層のＲ値の測定を行なった。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層のラマンスペクトルを計測した。そして、１３００〜１４００ｃｍ−１に位置するバンド（Ｄバンド）のピーク強度（ＩＤ）と、１５００〜１６００ｃｍ−１に位置するバンド（Ｇバンド）のピーク強度（ＩＧ）とのピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ）を算出して、Ｒ値とした。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２５】
表１に示すように、各実施例において作製した導電部材における導電性炭素層のラマン散乱分光分析により測定されたＤバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値（表１では、「Ｄ／Ｇ」として表記している。以下では、単に「Ｒ値」とも略記する。）は、いずれも１．３以上であった。
【０１２６】
［導電性炭素層における水素原子の含有量の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、弾性反跳散乱分析法（ＥＲＤＡ）により、導電性炭素層における水素原子の含有量を測定した。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２７】
［金属基材、中間層及び導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、ナノインデンテーション法により、金属基材、中間層及び導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）の測定を行なった。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２８】
表１に示すように、各実施例において作製した導電部材において、中間層のビッカース硬度の値は金属基材のビッカース硬度の値と導電性炭素層のビッカース硬度の値との間であることが分かる。
また、表１に示すように、各実施例において作製した導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）は、いずれも１５００Ｈｖ以下であった。
【０１２９】
［接触抵抗の測定］
上記各例において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図１４に示すように、作製した導電部材（セパレータ２０）の両側を一対のガス拡散基材（ガス拡散層１５ａ、１５ｂ）で挟持し、得られた積層体の両側を更に一対の電極（触媒層１３ａ、１３ｂ）で挟持し、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体に１ＭＰａの荷重で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に１Ａの定電流を流し、１ＭＰａの荷重をかけた時の通電量及び電圧値から、当該積層体の接触抵抗値を算出した。
【０１３０】
また、上記で接触抵抗値を測定した後、酸性水に対する浸漬試験を行ない、同様に接触抵抗値を測定した。なお、具体的には、上記各例において作製した導電部材（セパレータ２０）を３０ｍｍ×３０ｍｍのサイズに切り出し、８０℃の温度の酸性水（ｐＨ６以下）に１００時間浸漬する浸漬試験を行った。
得られた結果を下記の表１に示す。なお、表１中の「接触抵抗相対値」とは、初期における接触抵抗値を１としたときの、浸漬後における接触抵抗値を示す相対値である。
【０１３１】
【表１】
【０１３２】
表１に示すように、本発明の範囲に属する各実施例において作製した導電部材は、浸漬試験後であっても、接触抵抗が極めて小さい値に抑えられる。これにより、結晶化抑制成分が中間層に含まれると、ピンホールなどの欠陥が大幅に減少して、耐食性が向上し、また、耐久後（浸漬後）の密着性が向上していることが分かる。
すなわち、本発明の導電部材は、優れた導電性及び耐食性を有することが分かる。また、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータを用いると、ＰＥＦＣは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。
【０１３３】
また、導電性が要求される燃料電池用セパレータの構成材料としては、従来、金属、カーボン、導電性樹脂などが知られている。これらのうち、カーボンセパレータや導電性樹脂セパレータでは、ガス流路形成後の強度をある程度確保するため、厚みを比較的大きく設定する必要がある。一方、金属セパレータは強度が比較的高いため、厚みを比較的小さくすることが可能である。従って、本発明の導電部材やそれを用いた燃料電池用セパレータは、燃料電池スタックの小型化が求められている車載用ＰＥＦＣなどに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１ 固体高分子電解質膜
１３ａ アノード触媒層
１３ｃ カソード触媒層
１５ａ アノードガス拡散層
１５ｃ カソードガス拡散層
２０ セパレータ
２０ａ アノードセパレータ
２０ｃ カソードセパレータ
２１ 金属基材
２３ 中間層
２５ 導電層
ＧＰａ アノードガス流路
ＧＰｃ カソードガス流路
ＣＰ 冷媒流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電部材、その製造方法、燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池に関する。
更に詳細には、本発明は、金属基材と、金属基材上に形成された所定の中間層と、中間層上に形成された導電層とを有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。各単セルは、（１）高分子電解質膜、（２）これを挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される。）、（３）更にこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。
そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。
そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能し得る。このような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セル同士を電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。
【０００３】
ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス。）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素。）が供給される。その結果、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、下記（１）及び（２）の反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソード側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００５】
金属セパレータはカーボンセパレータや導電性樹脂セパレータと比較して強度が高いため、厚みを比較的小さくすることが可能である。また、導電性にも優れることから、金属セパレータを用いるとＭＥＡとの接触抵抗を低減させ得るという利点もある。その反面、金属材料では腐食（例えば、生成水や運転時に生じる電位差などに起因するもの。）による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下という問題が生じる場合がある。よって、金属セパレータでは、その優れた導電性を確保しつつ、耐食性を向上させることが求められている。
【０００６】
これに対して、金属セパレータの基材と導電性薄膜との間に基材の酸化皮膜を形成する技術が開示されている（特許文献１参照。）。これにより、導電性を確保すると共に基材を構成する金属の溶解が抑制され、導電性及び耐久性に優れた燃料電池用セパレータが提供され得る、ということが記載されている。また、特許文献１には、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との間に密着性を高める中間層を形成することが開示されている。これにより、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との密着性を高めることができる、ということが記載されている。ここで、中間層はスパッタリング法で作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】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、特許文献１に記載の従来技術においては、基材表面に配置される酸化皮膜自体が絶縁性の高いものであるため、セパレータの厚み方向の導電性が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。
そして、その目的とするところは、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。
そして、その結果、金属基材と導電層との間に所定の中間層を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の導電部材は、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【００１２】
また、本発明の導電部材の製造方法は、金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、該工程（１）の後に実施され、該金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、該工程（２）の後に実施され、該中間層上に導電層を形成する工程（３）と、を含む導電部材の製造方法であって、該工程（２）において、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する。
【００１３】
更に、本発明の燃料電池セパレータは、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が電解質側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであって、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【００１４】
更にまた、本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えた固体高分子形燃料電池であって、該アノードセパレータ及び該カソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、該中間層が、該金属基材の構成成分と該導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属基材と導電層との間に、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成することなどとしたため、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る導電部材の一例の概略構成を示す断面図である。
【図３】Ｒ＝１．０〜１．２の導電層を有する導電部材（導電部材Ａ）の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した写真（倍率：４０万倍）（ａ）、及びＲ＝１．６の導電層を有する導電部材（導電部材Ｂ）の断面をＴＥＭにより観察した写真（倍率：４０万倍）（ｂ）である。
【図４】（ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの３回対称パターンを示す模式図（ａ）、平均ピークの２回対称パターンを示す模式図（ｂ）、及び平均ピークの対称性を示さないパターンを示す模式図（ｃ）である。
【図５】導電部材Ｂを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ０°、６０°、及び１８０°としたときのラマンスペクトルを示すグラフ（ａ）、及び導電部材Ｂについての回転異方性測定の平均ピークを示すグラフ（ｂ）である。
【図６】スパッタリング法で、バイアス電圧及び成膜方式を変化させることにより導電性炭素層のビッカース硬度を異ならせたいくつかの導電部材における、導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるｓｐ３比の値との関係を示す図である。
【図７】Ｒ値が１．３以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性薄膜層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。
【図８】実施例１において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図９】実施例１において作製した導電部材の断面を、ＥＤＸにより組成分析を行った結果を示すグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）である。
【図１０】実施例２において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１１】実施例２において作製した導電部材の断面を、ＥＤＸにより組成分析を行った結果を示すグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）である。
【図１２】実施例３において作製した導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１３】実施例１で作製した中間層の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果を示す写真である。
【図１４】接触抵抗を測定するのに用いた測定装置の概要を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の導電部材、その製造方法、燃料電池用セパレータ及び固体高分子形燃料電池について詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（導電部材の例、燃料電池用セパレータの例）
２．第２の実施形態（導電部材の製造方法の例）
３．第３の実施形態（固体高分子形燃料電池の例）
【００１８】
＜１．第１の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る導電部材は、金属基材と、金属基材上に形成された中間層と、中間層上に形成された導電層とを有するものである。
そして、中間層が、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００１９】
燃料電池用セパレータの金属基材は、一般的に、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、これらの合金などによって作製されている。金属基材は、ある程度の耐食性はあるものの、長期間且つ電位にさらされた状態では、徐々に水により腐食されるため、耐食性に改善の余地があった。
そこで、特許文献１においては、金属基材に水を到達させないように、金属基材の表面に酸化皮膜を配置することが提案されている。また、金属基材の酸化皮膜と導電層との密着性を高めるために、これらの層間に、中間層をスパッタリング法によって設けている。特許文献１におけるスパッタリング法によって中間層を形成する場合には、中間層が結晶配向性が高い柱状構造を呈し、結晶（柱）間には隙間が多く生じるため、水の通過を抑制することは困難である。
したがって、金属基材の耐食性を考慮すると、絶縁性が高い酸化皮膜であっても除去することができない。
【００２０】
これに対して、本発明は、酸化皮膜が除去された金属基材と導電層との間に、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を配置したものである。
これにより、金属基材と導電層との密着性が確保される。また、例えば燃料電池の電極側で生成した水は、導電層を通過する場合はあるものの、結晶化が抑制された中間層ではピンホールなどの欠陥を大幅に減らすことができるため、殆ど通過しない。このため、中間層を超えて通過する水分子は殆ど存在しない。すなわち、金属基材は水にさらされることが殆どない。
このため、本発明の導電部材は、長期間かつ電位にさらされた状態であっても、水による腐食を殆ど受けない。このため、本発明の導電部材は、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。
なお、結晶化抑制成分によってピンホールなどの欠陥が大幅に減少するのは以下のようなメカニズムによるものと考えている。
結晶化抑制成分である原子が金属基材の構成成分と導電層の構成成分とから構成される結晶構造における原子配列を乱すため、結晶性が低下し、非晶質構造となりやすい。これにより、結晶粒界自体が減少するため、結晶粒界を基点に発生しやすいピンホールなどの欠陥を大幅に減少することができる。但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る導電部材を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例の概略構成を示す断面図である。ＰＥＦＣ１は、固体高分子電解質膜１１と、これを挟持する一対の触媒層（アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃ）とを有する。
そして、固体高分子電解質膜１１と触媒層（１３ａ、１３ｃ）との積層体は、さらに、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）（アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃ）により挟持されている。
このように、固体高分子電解質膜１１、一対の触媒層（１３ａ、１３ｃ）及び一対のガス拡散層（１５ａ、１５ｃ）は、積層された状態で膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を構成する。
【００２３】
ＰＥＦＣ１において、ＭＥＡ１０はさらに、一対のセパレータ（アノードセパレータ２０ａ及びカソードセパレータ２０ｃ）により挟持されている。
図１において、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）は、図示したＭＥＡ１０の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のＭＥＡが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するＰＥＦＣ（図示せず）のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてＭＥＡは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。
なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）と固体高分子電解質膜１１との間や、ＰＥＦＣ１とこれと隣接する他のＰＥＦＣとの間にガスシール部が配置されるが、図１ではこれらの記載を省略する。
【００２４】
セパレータ（２０ａ、２０ｃ）は、例えば、厚さ０．５ｍｍ以下の薄板にプレス処理を施すことで図１に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側から見た凸部はＭＥＡ１０と接触している。これにより、ＭＥＡ１０との電気的な接続が確保される。また、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側から見た凹部（セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとＭＥＡとの間の空間）は、ＰＥＦＣ１の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ２０ａのガス流路ＧＰａには燃料ガス（例えば、水素など）を流通させ、カソードセパレータ２０ｃのガス流路ＧＰｃには酸化剤ガス（例えば、空気など）を流通させる。
【００２５】
一方、セパレータ（２０ａ、２０ｃ）のＭＥＡ側とは反対の側から見た凹部は、ＰＥＦＣ１の運転時にＰＥＦＣを冷却するための冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒流路ＣＰとされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド（図示せず）が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。このような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度を確保することができる。
【００２６】
図２は、図１のうち、セパレータ２０の部分の概略構成を示す断面図である。つまり、図２は、本発明の一実施形態に係る導電部材の一例の概略構成を示す断面図である。
同図に示すように、セパレータ２０を構成する導電部材は、金属基材２１と、金属基材２１上に形成された中間層２３と、中間層２３上に形成された導電層２５とを有する。
また、中間層２３は、金属基材２１の構成成分と導電層２５の構成成分と該中間層２３における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００２７】
以下、本実施形態の導電部材（セパレータ２０）の各構成要素について詳細に説明する。
【００２８】
［金属基材］
金属基材２１は、導電部材（セパレータ２０）を構成する基材であり、導電性及び機械的強度の確保に寄与する。
【００２９】
金属基材２１を構成する金属については特に制限されるものではなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものを適宜用いることができる。
金属基材の構成材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金を挙げることができる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンス、加工容易性などの観点から用いることが好ましい。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。
【００３０】
中でも、金属基材はステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成されることが好ましい。更に、特にステンレスやアルミニウム合金を金属基材として用いると、ガス拡散層の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性を十分に確保することができる。また、アルミニウムやアルミニウム合金は、比重が小さいため、軽量化を図ることができるという利点もある。
【００３１】
アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、アルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などを挙げることができる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）などがアルミニウム合金に含まれ得る。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはＡ１０８５Ｐ、Ａ１０５０Ｐが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはＡ３００３Ｐ、Ａ３００４Ｐが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはＡ５０５２Ｐ、Ａ５０８３Ｐが挙げられる。一方で、燃料電池用セパレータとしては、機械的な強度や成形性が求められる場合があるため、上記の合金種に加えて、合金の調質を適宜選択することができる。なお、金属基材２１がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは９５質量％以上であり、より好ましくは９７質量％以上であり、更に好ましくは９９質量％以上である。
【００３２】
一方、ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などを挙げることができる。オーステナイト系としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６（Ｌ）、ＳＵＳ３１７などが挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、ＳＵＳ３２９Ｊ１が挙げられる。マルテンサイト系としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０などが挙げられる。フェライト系としては、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸなどが挙げられる。析出硬化系としては、ＳＵＳ６３０が挙げられる。
【００３３】
中でも、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄（Ｆｅ）の含有率は、好ましくは６０〜８４質量％であり、より好ましくは６５〜７２質量％である。更に、ステンレス中のクロム（Ｃｒ）の含有率は、好ましくは１６〜２０質量％であり、より好ましくは１６〜１８質量％である。
【００３４】
金属基材２１の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、燃料電池のセパレータとして用いる場合、加工容易性及び機械的強度、並びにセパレータ自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点から、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましくは８０〜３００μｍであり、更に好ましくは８０〜２００μｍである。特に、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材２１の厚みは、好ましくは１００〜３００μｍである。一方、構成材料としてステンレスを用いた場合の金属基材２１の厚みは、好ましくは８０〜１５０μｍである。上記した範囲内の場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。
【００３５】
［中間層］
中間層２３は、金属基材２１上に配置される。この層の存在によって、金属基材２１と導電層２５との密着性を向上させることができる。また、例えば燃料電池の電極で生成した水が金属基材２１側に入り込むことを抑制・防止できる。したがって、中間層２３の配置により、導電部材（セパレータ２０）は、金属基材、酸化皮膜、中間層及び導電性薄膜を有する導電部材に比して、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。
本明細書において、「中間層」とは、金属基材と導電層との間に配置され、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む層を意味する。
このような中間層においては、導電層の構成成分が予め含まれているため、導電層に含まれる構成成分が金属基材内に拡散することによって生じる悪影響を小さくすることができる。
【００３６】
結晶化が抑制された中間層の好適例としては、非晶質構造並びに金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する準結晶構造のうち少なくとも一方を有するものを挙げることができる。
このような構造をとることによって、結晶粒界を起点に発生し易いピンホールなどの欠陥を抑制することができるため、中間層は例えば燃料電池の電極側で生成した水分子を通しにくい構造となる。
ここで、本発明において、「非晶質構造」とは、原子又は分子が規則正しい空間的配置をもつ結晶をつくらずに集合した構造をいう。このような構造は、例えば、Ｘ線回折装置にて測定した場合、ピークが観察されないときに、非晶質構造であると判断できる。
また、本発明において、「準結晶構造を有する中間層」とは、金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する中間層をいう。
なお、「結晶子径」とは、Ｘ線回折法におけるＳｃｈｅｒｒｅの方法によって算出される結晶子のサイズを意味する。
【００３７】
更に、上述した構造を有する中間層においては、上記３成分が層内において混合された状態（分散した状態）となっている場合が多く、結晶化が抑制されやすいため望ましい。
また、上述した構造を有する中間層においては、耐食性の向上という観点から、金属基材の成分が導電層側に露出しないように、金属基材側における存在比率を高くすることが好ましい。
【００３８】
中間層が、非晶質構造や準結晶構造を有する場合において、このような中間層を形成する方法は、特に制限されるものではない。例えば、中間層の形成方法を適宜選択することによって、適宜調節できる。より具体的には、中間層の平均結晶子径を、金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径に比して小さくすることによって、本発明における上記中間層が形成できる。
ここで、中間層の平均結晶子径と、金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径との大小関係は、中間層における結晶化の抑制が達成し得る限り特に制限されるものではない。好ましくは、中間層の平均結晶子径［Ｄ１（ｎｍ）］に対する金属基材及び導電層のそれぞれの平均結晶子径［Ｄ２（ｎｍ）］の比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．１以上１未満であり、より好ましくは０．１〜０．５である。このような範囲であれば、水分子が金属基材に実質的に到達しない程度にまで、中間層の結晶化を抑制することができる。また、各層の平均結晶子径も、上記大小関係を満たす限り特に制限されるものではない。なお、本明細書における「平均結晶子径」は、マック・サイエンス社製のＸ線回折装置にて測定した。好ましくは、中間層の平均結晶子径［Ｄ２（ｎｍ）］は、１０〜３０ｎｍ、より好ましくは１０〜２０ｎｍである。
【００３９】
中間層を構成する材料は、金属基材の構成成分と、導電層の構成成分と、当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、中間層を構成する材料としては、金属基材の構成成分として、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金などを挙げることができ、導電層の構成成分として、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、炭素（Ｃ）などを挙げることができ、結晶化抑制成分として、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）などの長周期周期律表の１８族の元素や、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半金属元素などを挙げることができる。
【００４０】
また、上記導電層の構成成分は、導電性の向上という観点から、金属基材の主構成成分以外の成分であることが望ましい。主構成成分とは、５０質量％以上含まれる構成成分をいう。
なお、導電層の構成成分のうち、クロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）といったイオン溶出の少ない金属、又はこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物などが好ましく用いられる。より好ましくは、クロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）、又はこれらの炭化物や窒化物が用いられる。特に、このようなイオン溶出の少ない金属や、その炭化物、窒化物などを用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。
【００４１】
また、上記結晶化抑制成分は、金属基材や導電層の機能を損なうことなく、中間層を非晶質化、又は金属基材及び導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有するようにする（微粒子化）ことができる。例えば、アルゴンが存在することにより、上記３成分が混合された中間層において原子配列が乱され、結晶性が低下し、非晶質構造を有し易くなる。
更に、金属基材や導電層の構成成分と結晶化抑制成分とが反応して化合物を形成してしまうと、化合物結晶となり、非晶質構造を有し難くなる。したがって、結晶化抑制成分としては、各層の構成成分と化合物を形成し難いものを適宜選択することが望ましい。
また、格子定数が両層の構成成分に近い場合、結晶構造を乱す効果が小さくなるため、格子定数の差が大きい結晶化抑制成分であることが望ましい。更にまた、結晶化抑制成分は、金属基材及び導電層の構成成分の原子半径に比べて、原子半径が大きいものであることが、導電性及び耐食性の向上の観点から好ましい。
【００４２】
中間層２３における結晶化抑制成分の割合については、特に限定されるものではない。好ましくは、１〜１０原子％である。中間層２３における結晶化抑制成分の割合がこのような範囲内であると、優れた導電性及び耐食性を発揮することができる。一方、中間層２３における結晶化抑制成分の割合が１原子％未満又は１０原子％超であると、中間層２３における結晶化を十分に抑制することができないことがある。
【００４３】
中間層２３の厚みは、特に限定されるものではない。ただし、燃料電池セパレータとして用いる場合の導電部材をより薄膜化することにより、燃料電池のスタックのサイズをできるだけ小さくするという観点からは、中間層２３の厚みは、好ましくは２０〜２００ｎｍである。中間層２３の厚みがこのような範囲内であると、中間層２３において高い導電性を保持することができる。また、金属基材の構成成分の溶出抑制に高い効果を発揮する。一方、中間層２３の厚みが２０ｎｍ未満であると、金属基材との密着力効果が小さく、膜応力による割れやそれによる腐食が進行し易くなる。また、中間層２３の厚みが２００ｎｍを超えると、結晶性が小さい分、電気抵抗が高い影響が顕著に表れてしまうことが考えられる。
【００４４】
中間層２３の硬さは、特に限定されるものではない。好ましくは、金属基材の硬さと導電層の硬さとの間の硬さを示すことが望ましい。中間層２３の硬さがこのような範囲内であると、界面の硬度差を可能なかぎり小さくすることができる。これによって、燃料電池セパレータとして使用する場合にかかる膜応力に対しても歪みが同程度になるため両層に対して高い密着性を確保することができる。具体的には、中間層の硬さがビッカース硬度で１００〜１０００Ｈｖであることが好ましい。
なお、「ビッカース硬度（Ｈｖ）」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。また、ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷及び除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Ｈｖが大きいほどその物質は硬いことを意味する。
【００４５】
また、本実施形態においては、金属基材２１のすべてが中間層２３により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、中間層２３により金属基材２１が被覆された面積の割合（被覆率）は１００％である。但し、このような形態のみに限定されず、被覆率は１００％未満であってもよい。中間層２３による金属基材２１の被覆率は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは８０〜１００％であり、更に好ましくは９０〜１００％であり、最も好ましくは１００％である。このような構成とすることにより、中間層２３により被覆されていない金属基材２１の露出部への水分子の浸入を有効に抑制・防止して、導電部材（特に、金属基材）の導電性・耐食性の低下が効果的に抑制され得る。なお、上記被覆率は、導電部材を積層方向から見た場合に中間層２３と重複する金属基材層２１の面積の割合を意味するものとする。
【００４６】
また、中間層２３の導電層２５側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。このような形態によれば、中間層２３上に配置される導電層２５の中間層２３に対する密着性をより一層向上させることができる。
更に、詳しくは後述するが、導電層２５の少なくとも最表面層が導電性炭素層であり、且つラマン散乱分光分析により測定されるＤバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が大きい（例えば、Ｒ値が２．０を超える）導電性炭素層である場合には、中間層２３と導電層２５との密着性効果が顕著に発現し得る。
【００４７】
［導電層］
導電層２５は、中間層２３上に配置される。ここで、導電層２５を構成する材料は、特に限定されるものではない。具体的には、導電層２５としては、金属層や炭素から形成された導電性炭素層などを挙げることができる。このうち、金属層を構成する材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）などが挙げられる。なお、導電性炭素層は、導電性炭素を含む層である。
これらのうち、例えば高い導電性と燃料電池環境下（０〜１．２Ｖ）の範囲で高い耐食性を有する金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの貴金属を含む金属層や、導電性炭素層が好ましい。
また、貴金属の使用量を抑え、コスト低減を図るという観点からは、導電層は、金属層と導電性炭素層との積層構造を有していることが望ましい。
このように、導電性炭素層の存在によって、導電部材の導電性を確保しつつ、導電性炭素層を含まない場合と比較して耐食性が改善され得る。以下、導電層２５において導電性炭素層を使用した場合の好ましい実施形態を説明する。
【００４８】
従来、不活性ガス雰囲気下で金属セパレータ基板に負高電圧を印加しつつ、基板表面に乾式成膜法により炭素系材料を用いて、金属セパレータの金属基材の一方の表面にグラファイト化された炭素からなる炭素層を形成する技術が提案された。この炭素層を有する燃料電池用セパレータは、耐食性及び導電性に優れるとされているものの、炭素層の有する結晶構造は様々であり、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因してセパレータ自体の耐食性や導電性も変動し得る。したがって、従来の燃料電池用セパレータは、未だ十分な耐食性・導電性が確保されているとは言えなかった。これに対して、導電性炭素層の結晶構造を特定な構造と調節することによって、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保できる。このような導電性炭素層を導電部材（特にセパレータ）に使用することにより、優れた導電性及び耐食性を有する導電部材が提供できる。すなわち、導電性炭素層の結晶構造を、ラマン散乱分光分析により測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）により規定する。具体的には、強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）を１．３以上とすることが好ましい。以下、この要件について、より詳細に説明する。
【００４９】
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近及び１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる（結晶構造欠陥が増す）につれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される（なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される。）。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本実施形態においては、導電性炭素層の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００５０】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００５１】
上述したように、本実施形態において、Ｒ値は１．３以上であることが好ましい。Ｒ値は、より好ましくは１．４〜２．０であり、更に好ましくは１．４〜１．９であり、特に好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層が得られる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。更に、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である中間層との相性が良いため、密着性を一層向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施形態のようにＲ値を１．３以上とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。但し、以下のメカニズムはあくまでも推定に基づくものである。従って、以下のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような作用効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【００５３】
上述したように、Ｄバンドピーク強度が大きくなる（すなわち、Ｒ値が大きくなる。）ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼｓｐ２炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてｓｐ３炭素が増加することを意味する。ここで、Ｒ＝１．０〜１．２の導電性炭素層を有する導電部材（導電部材Ａ）の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した写真（倍率：４０万倍）を図３（ａ）に示す。同様に、Ｒ＝１．６の導電性炭素層を有する導電部材（導電部材Ｂ）の断面をＴＥＭにより観察した写真（倍率：４０万倍）を図３（ｂ）に示す。なお、これらの導電部材Ａ及び導電部材Ｂは、金属基材としてはＳＵＳ３１６Ｌを用い、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電性炭素層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、導電部材Ａにおける導電性炭素層の作製時において金属基材に対して印加したバイアス電圧は０Ｖである。導電部材Ｂにおける導電性炭素層の作製時において金属基材に対して印加したバイアス電圧は−１４０Ｖである。
【００５４】
図３（ｂ）に示すように、導電部材Ｂの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図３（ａ）に示す導電部材Ａの導電性炭素層においては、このような多結晶グラファイトの構造は確認できない。
【００５５】
ここで、「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面（六角網面）が積層した異方性のグラファイト結晶構造（グラファイトクラスター）を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンド様カーボン（ＤＬＣ；Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）の１種であるということもできる。
通常、単結晶グラファイトは、ＨＯＰＧ（高配向熱分解黒鉛）に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。Ｒ値を上述の値に制御することで、この乱れ具合（グラファイトクラスター量、サイズ）が適度に確保され、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスを確保することができる。その結果、金属基材に加えて導電性炭素層を別途設けたことによる導電性の低下が防止できると考えられる。
【００５６】
多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するｓｐ２炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、１次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。
【００５７】
ここで、本実施形態における導電性炭素層が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは１〜５０ｎｍ程度であり、より好ましくは２〜１０ｎｍである。グラファイトクラスターの平均直径がこのような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出され得る。
【００５８】
なお、本実施形態では導電性炭素層は多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層は多結晶グラファイト以外の材料をも含み得る。導電性炭素層に含まれ得る多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層に含まれ得る炭素材料以外の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、インジウム（Ｉｎ）等の貴金属；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性物質；導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、１種のみが用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
【００５９】
導電層２５の厚みは、特に限定されるものではない。但し、好ましくは１〜１０００ｎｍであり、より好ましくは２〜５００ｎｍであり、更に好ましくは５〜２００ｎｍである。導電層の厚みがこのような範囲内の値であれば、例えば燃料電池用セパレータとして導電部材を適用した場合に、ガス拡散基材との間に十分な導電性を確保することができる。また、金属基材に対して高い耐食性を持たせることができるという有利な効果を奏し得る。なお、本実施形態では、中間層２３及び導電層２５は金属基材２１の一方の主表面にのみ存在する。但し、場合によっては、金属基材２１の他の主表面にも中間層２３及び導電層２５が存在してもよい。
【００６０】
以下、本実施形態における導電層２５のより好ましい実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。
【００６１】
まず、導電層２５が導電性炭素層である場合のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、２回対称パターンを示すことが好ましい。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。
【００６２】
ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に３６０度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行なわれる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを１０°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが３６０°回転するまで行なう。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、１周３６０°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ａ）に示すような３回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ｂ）に示すような２回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質（アモルファス）状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図４（ｃ）に示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークが２回対称パターンを示すということは、導電性炭素層を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層の積層方向とほぼ一致していることを意味する。このような形態によれば、導電性炭素層における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。
【００６３】
ここで、当該回転異方性測定を行なった結果を図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。図５（ａ）は、導電部材Ｂを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ０°、６０°及び１８０°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図５（ｂ）は、上述した手法により得られた、導電部材Ｂについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図５（ｂ）に示すように、導電部材Ｂの回転異方性測定においては、０°及び１８０°の位置にピークが見られた。これは、図４（ｂ）に示す２回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「２回対称パターンを示す」とは、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が０である点を基準として１８０°対向する２つのピークが存在することを意味する。３回対称パターンで見られるピーク強度と２回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、このような定義が可能となる。
【００６４】
導電層２５の硬さは特に限定されるものではない。但し、導電層２５のビッカース硬度は、好ましくは１５００Ｈｖ以下であり、より好ましくは１２００Ｈｖ以下であり、更に好ましくは１０００Ｈｖ以下であり、特に好ましくは８００Ｈｖ以下である。ビッカース硬度がこのような範囲内の値であれば、導電性を有しないｓｐ３炭素の過剰な混入が抑制され、導電層２５の導電性の低下を防止することができる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が５０Ｈｖ以上であれば、導電層２５の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、他の層との密着性にも優れた導電部材を提供することができる。このような観点から、導電層２５のビッカース硬度は、より好ましくは８０Ｈｖ以上であり、さらに好ましくは１００Ｈｖ以上であり、特に好ましくは２００Ｈｖ以上である。
【００６５】
ここで、導電部材の金属基材としてＳＵＳ３１６Ｌを準備し、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電性炭素層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、バイアス電圧及び成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られた導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるｓｐ３比の値との関係を図６に示す。なお、図６では、ダイヤモンドはｓｐ３比＝１００％であり、Ｈｖ１００００となる。図６に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が１５００Ｈｖ以下であると、ｓｐ３比の値が大きく低下することがわかる。また、ｓｐ３比の値が低下することで、導電部材の接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。
【００６６】
更に他の観点からは、導電性炭素層に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性炭素層に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はｓｐ２からｓｐ３へと変化して導電性を喪失し、導電層２５の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるＣ−Ｈ結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電層２５の硬度が低下し、最終的には導電部材の機械的強度や耐食性が低下してしまう。このような観点から、導電層２５における水素原子の含有量は、導電層２５を構成する全原子に対して、好ましくは３０原子％以下であり、より好ましくは２０原子％以下であり、更に好ましくは１０原子％以下である。ここで、導電層２５における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法（ＥＲＤＡ）により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。このような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映する。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定され得る。
【００６７】
ここで、図７は、上述したＲ値が１．３以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図７に示すように、導電層における水素原子の含有量が３０原子％以下であると、導電部材の接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図７に示す実験において、導電部材の金属基材としてはＳＵＳ３１６Ｌを用い、この表面にＣｒからなる中間層（厚さ：０．２μｍ）及び導電層（厚さ：０．２μｍ）をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電層における水素原子の含有量を変化させた。
【００６８】
本実施形態においては、金属基材２１のすべてが（中間層２３を介してではあるものの）、導電層２５により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電層２５により金属基材２１が被覆された面積の割合（被覆率）は１００％である。ただし、このような形態のみには限定されず、被覆率は１００％未満であってもよい。導電層２５による金属基材２１の被覆率は、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは８０％以上であり、更に好ましくは９０％以上であり、最も好ましくは１００％である。このような構成とすることにより、導電層２５により被覆されていない、金属基材２１の露出部への中間層の形成に伴う導電性・耐食性の低下を効果的に抑制することができる。なお、上記被覆率は、導電部材を積層方向から見た場合に導電層２５と重複する金属基材２１の面積の割合を意味するものとする。
【００６９】
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられ得る。その代表例が固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のセパレータである。
ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、ＰＥＦＣ以外にも、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に使用可能である。本実施形態の導電部材が用いられ得る燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品（集電板、バスバー、ガス拡散基材、ＭＥＡ）、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境及び通電環境の下で使用される。このような環境下で用いると、導電性及び耐食性の両立を図るという本発明の作用効果を顕著に発現させることができる。
【００７０】
＜２．第２の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る導電部材の製造方法は、金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、工程（１）の後に実施され、金属基材上に金属基材の構成成分と導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する工程（２）と、工程（２）の後に実施され、中間層上に導電層を形成する工程（３）とを含む導電部材の製造方法である。
【００７１】
上述した実施形態の導電部材を製造する方法については特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態にのみ限定されるものではない。また、導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００７２】
すなわち、下記工程を有する、本発明の導電部材の製造方法が提供される。まず、金属基材の酸化皮膜を除去する［工程（１）］。次に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、酸化皮膜を除去した金属基材（金属基材の主表面）上に中間層を形成する［工程（２）］。更に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、中間層（中間層の主表面）上に導電層を形成する［工程（３）］。
【００７３】
［工程（１）］
まず、金属基材の構成材料として、所望の厚みのステンレス板やアルミニウム板などの金属板を準備する。次いで、適当な溶媒（例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン、苛性アルカリ剤など。）を用いて、準備した金属基材の構成材料の表面の脱脂及び洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が１〜１０分間程度、周波数が３０〜５０ｋＨｚ程度、及び電力が３０〜５０Ｗ程度である。
【００７４】
続いて、金属基材の構成材料の表面（両面）に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、特に制限されないが、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、イオンボンバード処理などが挙げられる。
【００７５】
上記処理（金属板の表面の脱脂・洗浄処理や酸化皮膜除去処理）は、金属板の少なくとも中間層を形成する面について行なうことが好ましいが、より好ましくは金属板の両面について行なう。
【００７６】
次に、上記処理を施した金属基材の構成材料の表面に、中間層を形成（成膜）する。ここで、中間層の形成（成膜）方法は、上記したように結晶化が抑制されるような方法であれば特に制限されないが、スパッタリング法やイオンプレーティング法が使用される。スパッタリング法が好ましい。
【００７７】
中間層を形成（成膜）するのに好適に用いられる手法としては、スパッタリング法又はイオンプレーティング法などの物理気相成長（ＰＶＤ）法がある。なお、中間層は、他の方法、例えば、フィルタードカソーディックバキュームアーク（ＦＣＶＡ）法などのイオンビーム蒸着法などによっても形成（成膜）することができる。ここで、スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。
このような手法によっても、上記説明した３成分（金属基材の構成成分、導電層の構成成分及び中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分）を含むものであれば、非結晶構造や準結晶構造を有する中間層が形成できる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。具体的には、スパッタリング法において、バイアス電圧を高くすることによって、例えば、結晶化抑制成分として気体であるアルゴンやクリプトンなどの１８族元素の雰囲気中、導電層の構成成分からなるターゲットのみを用いることによっても、上記説明した３成分を含む中間層を形成することができる。また、スパッタリング法において、通常のバイアス電圧であっても、金属基材の構成成分や導電層の構成成分、結晶化抑制成分などのターゲットを適宜組み合わせることによっても所望の中間層を形成してもよい。
このような方法によって、非晶質構造や準結晶構造を有する中間層が金属基材上に形成できる。
【００７８】
［工程（３）］
次に、上記工程（２）で形成（成膜）された中間層上に、導電層を形成（成膜）する。ここで、導電層の形成（成膜）方法は、特に制限されない。例えば、導電層が導電性炭素層である場合には、上述した導電層の構成材料（例えば、グラファイト）をターゲットとして、中間層上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層（成膜）することにより、導電層を形成することができる。これにより、直接付着した導電層と中間層とのあるいは中間層と金属基材の界面及びその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性を保持することができる。
【００７９】
導電性炭素を積層（成膜）するのに好適に用いられる手法としては、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理気相成長（ＰＶＤ）法、又はフィルタードカソーディックバキュームアーク（ＦＣＶＡ）法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法やイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。このような手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合（ｓｐ２混成炭素）の割合を増加させることができ、優れた導電性を達成することができる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、中間層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。
【００８０】
ここで、導電層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に中間層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。このような形態によれば、イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電層を成膜することができる。このような導電層は優れた導電性を発揮することができることから、他の部材（例えば、ＭＥＡ）との接触抵抗の小さい導電部材（セパレータ）を提供することができる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ（絶対値）は特に制限されず、導電層を成膜可能な電圧を採用することができる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは５０〜５００Ｖであり、より好ましくは１００〜３００Ｖである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。
【００８１】
なお、図２に示す形態の導電部材（セパレータ２０）を製造するには、上述した導電性炭素層の成膜工程の前に、金属基材の少なくとも一方の主表面に中間層を成膜する工程を行なう。この際、中間層を成膜する手法としては、導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層の構成材料に変更する必要がある。
【００８２】
上述した手法によれば、金属基材２１、中間層２３及び導電層２５が順次形成された導電部材を製造することができる。なお、上記手法では、金属基材２１の片面にのみ、中間層２３及び導電層２５を形成したが、金属基材２１の両面に上記各層が形成されてなる導電部材を製造するには、金属基材２１の他方の面に対して、上記と同様の手法を適用すればよい。
【００８３】
＜３．第３の実施形態＞
本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えた固体高分子形燃料電池である。 そして、アノードセパレータ及びカソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、金属基材上に形成された中間層と、中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、中間層が、金属基材の構成成分と導電層の構成成分と中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含むものである。
【００８４】
上記本発明の一実施形態に係る導電部材は、種々の用途に用いることができる。その代表例が図１に示すＰＥＦＣのセパレータである。
以下、図１を参照しつつ、上記本発明の一実施形態に係る導電部材から構成されるセパレータを用いたＰＥＦＣの構成要素について説明する。ただし、本発明はセパレータを構成する導電部材に特徴を有するものである。よって、ＰＥＦＣにおけるセパレータの形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施され得る。
【００８５】
［高分子電解質層］
高分子電解質層は、例えば、図１に示す形態のように固体高分子電解質膜１１から構成される。この固体高分子電解質膜１１は、ＰＥＦＣ１の運転時にアノード触媒層１３ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層１３ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜１１は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００８６】
固体高分子電解質膜１１は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
【００８７】
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。
【００８８】
高分子電解質層の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されるものではない。高分子電解質層の厚みは、通常は５〜３００μｍ程度である。高分子電解質層の厚みがこのような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御され得る。
【００８９】
［触媒層］
触媒層（アノード触媒層１３ａ、カソード触媒層１３ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層１３ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層１３ｃでは酸素の還元反応が進行する。
【００９０】
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、及び電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。
【００９１】
アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属及びこれらの合金などから選択することができる。
【００９２】
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分及びカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択され得る。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用及びカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層及びカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
【００９３】
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが採用され得る。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍである。触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定することができる。
【００９４】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。
【００９５】
触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
【００９６】
触媒担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇである。触媒担体の比表面積がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
【００９７】
触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。
【００９８】
触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％である。触媒成分の担持量がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御され得る。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
【００９９】
触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、上述した高分子電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加され得る。
【０１００】
［ガス拡散層］
ガス拡散層（アノードガス拡散層１５ａ、カソードガス拡散層１５ｃ）は、セパレータのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）を介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の触媒層（１３ａ、１３ｃ）への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
【０１０１】
ガス拡散層（１５ａ、１５ｃ）の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚みは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚みがこのような範囲内の値であれば、機械的強度とガス及び水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【０１０２】
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【０１０３】
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ、図示せず）を基材の触媒層側に有するものであってもよい。
【０１０４】
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用され得る。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられ得る。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【０１０５】
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。
【０１０６】
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚みについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【０１０７】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
【０１０８】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを用いることができる。中でも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【０１０９】
更に、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【０１１０】
上述したＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータ２０を用いている。したがって、当該ＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。なお、図１に示す形態のＰＥＦＣ１において、セパレータ２０は、平板状の導電部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、このような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板（金属基材）に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって中間層及び導電層を形成することで、セパレータとしてもよい。
【０１１１】
本実施形態のＰＥＦＣ１やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載させることができる。上述したＰＥＦＣ１や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れるため、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両を提供することができる。
【実施例】
【０１１２】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１１３】
（実施例１）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１１４】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して２５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み５０ｎｍ）を形成した。
【０１１５】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１１６】
（実施例２）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１１７】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み２５ｎｍ）を形成した。
【０１１８】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１１９】
（実施例３）
導電部材を構成する金属基材として、アルミニウム合金板（Ａ３００３Ｐ、厚み：２００μｍ）を準備した。このアルミニウム合金板を用い、前処理としてエタノール水溶液中で３分間超音波洗浄し、洗浄したアルミニウム合金板を真空チャンバ内に配置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行って、表面の酸化皮膜を除去した。
なお、上記前処理（洗浄及びイオンボンバード処理）は、いずれもアルミニウム合金板の両面について行った。
【０１２０】
次いで、アルゴン存在下、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面にアルミニウムとクロムとアルゴンを含む中間層（厚み３０ｎｍ）を形成した。
【０１２１】
更に、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、クロムをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の中間層の上に厚み０．３μｍの第２導電層（クロム層）を形成した。
しかる後、アルミニウム合金板に対して１４０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用したＵＢＭＳ法により、アルミニウム合金板の両面の第２導電層の上にそれぞれ０．１μｍの厚みの第１導電層を形成した。
これにより、本例の導電部材を作製した。
【０１２２】
［導電部材の構成成分の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、金属基材、中間層及び導電層の構成成分の測定を行った。導電部材の断面を、ＴＥＭにより画像解析を行った結果及びＥＤＸにより組成分析を行った結果を、図８〜図１２に示す。図８〜図１２から、中間層は、金属基材の構成成分であるアルミニウムと導電層の構成成分であるクロムと中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分であるアルゴンとを含む。
なお、実施例１の中間層におけるアルゴンの割合は、５原子％であった。また、実施例２においては、ＥＤＸによる組成分析の結果では、アルゴンの割合が２原子％である中間層のような部分が形成されていることが分かる。更に、実施例３においては、ＥＤＸによる組成分析の結果では、アルゴンの割合が３原子％である中間層のような部分が形成されていることが分かる。
【０１２３】
［中間層の構造の観察］
上記実施例１において作製した導電部材について、中間層の構造の観察を行った。中間層の断面をＴＥＭにより画像解析を行った結果を、図１３に示す。図８、図９及び図１３から、中間層は、金属基材の構成成分であるアルミニウムと導電層の構成成分であるクロムと中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分であるアルゴンとを含む混合層を形成しており、結晶構造とは異なる、非晶質構造又は準結晶構造を有することが分かる。
なお、上記実施例２及び３において作製した導電部材についても、中間層の構造の観察を行ったが、結晶構造とは異なる、非晶質構造又は準結晶構造を有することが確認できなかった。また、５０Ｖの大きさの負のバイアス電圧を印加した実施例２においては、中間層ができるものの、粒界を起点にピンホール発生が生じ始めている。一方、実施例１においては、粒界を起点にした亀裂は生じていない。
【０１２４】
［Ｒ値の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、導電性炭素層のＲ値の測定を行なった。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層のラマンスペクトルを計測した。そして、１３００〜１４００ｃｍ−１に位置するバンド（Ｄバンド）のピーク強度（ＩＤ）と、１５００〜１６００ｃｍ−１に位置するバンド（Ｇバンド）のピーク強度（ＩＧ）とのピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ）を算出して、Ｒ値とした。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２５】
表１に示すように、各実施例において作製した導電部材における導電性炭素層のラマン散乱分光分析により測定されたＤバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値（表１では、「Ｄ／Ｇ」として表記している。以下では、単に「Ｒ値」とも略記する。）は、いずれも１．３以上であった。
【０１２６】
［導電性炭素層における水素原子の含有量の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、弾性反跳散乱分析法（ＥＲＤＡ）により、導電性炭素層における水素原子の含有量を測定した。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２７】
［金属基材、中間層及び導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）の測定］
上記各実施例において作製した導電部材について、ナノインデンテーション法により、金属基材、中間層及び導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）の測定を行なった。得られた結果を下記の表１に示す。
【０１２８】
表１に示すように、各実施例において作製した導電部材において、中間層のビッカース硬度の値は金属基材のビッカース硬度の値と導電性炭素層のビッカース硬度の値との間であることが分かる。
また、表１に示すように、各実施例において作製した導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度（Ｈｖ）は、いずれも１５００Ｈｖ以下であった。
【０１２９】
［接触抵抗の測定］
上記各例において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図１４に示すように、作製した導電部材（セパレータ２０）の両側を一対のガス拡散基材（ガス拡散層１５ａ、１５ｂ）で挟持し、得られた積層体の両側を更に一対の電極（触媒層１３ａ、１３ｂ）で挟持し、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体に１ＭＰａの荷重で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に１Ａの定電流を流し、１ＭＰａの荷重をかけた時の通電量及び電圧値から、当該積層体の接触抵抗値を算出した。
【０１３０】
また、上記で接触抵抗値を測定した後、酸性水に対する浸漬試験を行ない、同様に接触抵抗値を測定した。なお、具体的には、上記各例において作製した導電部材（セパレータ２０）を３０ｍｍ×３０ｍｍのサイズに切り出し、８０℃の温度の酸性水（ｐＨ６以下）に１００時間浸漬する浸漬試験を行った。
得られた結果を下記の表１に示す。なお、表１中の「接触抵抗相対値」とは、初期における接触抵抗値を１としたときの、浸漬後における接触抵抗値を示す相対値である。
【０１３１】
【表１】
【０１３２】
表１に示すように、本発明の範囲に属する各実施例において作製した導電部材は、浸漬試験後であっても、接触抵抗が極めて小さい値に抑えられる。これにより、結晶化抑制成分が中間層に含まれると、ピンホールなどの欠陥が大幅に減少して、耐食性が向上し、また、耐久後（浸漬後）の密着性が向上していることが分かる。
すなわち、本発明の導電部材は、優れた導電性及び耐食性を有することが分かる。また、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータを用いると、ＰＥＦＣは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。
【０１３３】
また、導電性が要求される燃料電池用セパレータの構成材料としては、従来、金属、カーボン、導電性樹脂などが知られている。これらのうち、カーボンセパレータや導電性樹脂セパレータでは、ガス流路形成後の強度をある程度確保するため、厚みを比較的大きく設定する必要がある。一方、金属セパレータは強度が比較的高いため、厚みを比較的小さくすることが可能である。従って、本発明の導電部材やそれを用いた燃料電池用セパレータは、燃料電池スタックの小型化が求められている車載用ＰＥＦＣなどに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１ 固体高分子電解質膜
１３ａ アノード触媒層
１３ｃ カソード触媒層
１５ａ アノードガス拡散層
１５ｃ カソードガス拡散層
２０ セパレータ
２０ａ アノードセパレータ
２０ｃ カソードセパレータ
２１ 金属基材
２３ 中間層
２５ 導電層
ＧＰａ アノードガス流路
ＧＰｃ カソードガス流路
ＣＰ 冷媒流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする導電部材。
【請求項２】
上記中間層が、非晶質構造、並びに上記金属基材及び上記導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する準結晶構造のうち少なくとも一方を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の導電部材。
【請求項３】
上記金属基材が、アルミニウム又はアルミニウム合金である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導電部材。
【請求項４】
上記結晶化抑制成分が、ヘリウム、アルゴン、クリプトンからなる群より選ばれる少なくとも１種の１８族元素並びにホウ素、リン、ケイ素、炭素及びゲルマニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の半金属元素のうち少なくとも一方を含む、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の導電部材。
【請求項５】
金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、
上記工程（１）の後に実施され、上記金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、
上記工程（２）の後に実施され、上記中間層上に導電層を形成する工程（３）と、
を含む導電部材の製造方法であって、
上記工程（２）において、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する、ことを特徴とする導電部材の製造方法。
【請求項６】
金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が電解質側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであって、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、
上記膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、
を備えた固体高分子形燃料電池であって、
上記アノードセパレータ及び上記カソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層と、を有する導電部材であって、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする導電部材。
【請求項２】
上記中間層が、非晶質構造、並びに上記金属基材及び上記導電層のそれぞれの結晶子径より小さい結晶子径を有する準結晶構造のうち少なくとも一方を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の導電部材。
【請求項３】
上記金属基材が、アルミニウム又はアルミニウム合金である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導電部材。
【請求項４】
上記結晶化抑制成分が、ヘリウム、アルゴン、クリプトンからなる群より選ばれる少なくとも１種の１８族元素並びにホウ素、リン、ケイ素、炭素及びゲルマニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の半金属元素のうち少なくとも一方を含む、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の導電部材。
【請求項５】
金属基材の酸化皮膜を除去する工程（１）と、
上記工程（１）の後に実施され、上記金属基材上に中間層を形成する工程（２）と、
上記工程（２）の後に実施され、上記中間層上に導電層を形成する工程（３）と、
を含む導電部材の製造方法であって、
上記工程（２）において、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と当該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む中間層を形成する、ことを特徴とする導電部材の製造方法。
【請求項６】
金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が電解質側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであって、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層及びカソード触媒層、並びにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を有する膜電極接合体と、
上記膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、
を備えた固体高分子形燃料電池であって、
上記アノードセパレータ及び上記カソードセパレータのうち少なくとも一方が、金属基材と、該金属基材上に形成された中間層と、該中間層上に形成された導電層とを有する導電部材を、該導電層が膜電極接合体側に位置するように配置して用いる燃料電池用セパレータであり、
上記中間層が、上記金属基材の構成成分と上記導電層の構成成分と該中間層における結晶化を抑制する結晶化抑制成分とを含む、ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２１２０８（Ｐ２０１２−２１２０８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１６１０（Ｐ２０１０−１６１６１０）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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