燃料電池セパレータ
【課題】簡便な方法によって、セパレータに存在する欠陥部の燃料電池特性（接触抵抗など）への影響を抑制する表面処理を提供する。
【解決手段】金属基材６と、前記金属基材６の少なくとも一方の面に形成され、欠陥部８が存在する表面処理層７とから構成され、前記金属基材６の少なくとも一方の面に表面処理層７を形成させた後、電気化学的方法または化学的方法により、金属基材６からのイオン溶出を抑制する処理を行うことによって得られる、燃料電池セパレータ。
【解決手段】金属基材６と、前記金属基材６の少なくとも一方の面に形成され、欠陥部８が存在する表面処理層７とから構成され、前記金属基材６の少なくとも一方の面に表面処理層７を形成させた後、電気化学的方法または化学的方法により、金属基材６からのイオン溶出を抑制する処理を行うことによって得られる、燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。燃料電池は、陽極および負極一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記（１）および（２）の反応が行われる。
【０００３】
【数１】
【０００４】
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
従来、燃料電池用のセパレータは耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製が用いられてきたが、近年出力密度を向上させるために薄肉化が求められている。更に、低コスト化を狙って金属製のセパレータが用いられるようになってきた。しかしながら、金属製セパレータは燃料電池作動環境下における耐食性が劣り、そのまま用いる場合も抵抗値が高いために発電性能がカーボンに比べて低下するという問題があった。そのため、金属表面に何らかの処理が施される場合が多い。上述の目的で表面処理を行った従来技術としては、例えば特許文献１、および特許文献２が挙げられる。
【０００６】
金属基材表面に導電性と耐食性とを備えた表面処理（例えばメッキ処理）を行って金属基材上に表面処理層を形成させる場合、処理層が厚いとセパレータ厚みが増加することになる。その結果として電池自体の厚みが増え、体積あたりの出力密度が低下することになる。また、処理層が厚いことは処理材料のコスト増加にもつながり、安価なセパレータを提供することが難しいという問題があった。
【０００７】
上記問題に鑑み、表面処理層をできるだけ薄くする試みがなされているが、これに伴って表面処理層の欠陥部（ピンホール部）が発生する。この欠陥部（ピンホール部）をどのように扱うかについて種々検討が行われている。特に、金属表面にメッキ処理をする場合、表面処理層の欠陥部をどのように封孔処理するかについて、従来様々な方法で検討されている。例えば、特許文献３では、欠陥部を樹脂で封止することや、表面処理層をローラ加圧により欠陥部を押しつぶすことにより、欠陥部を封孔処理する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−００２４１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献３】特開２００１−６８１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、燃料電池車のように１台あたり５００〜１０００枚のセパレータを搭載している場合、全数の欠陥部を確実に封孔処理することは非常に困難であり、またセパレータ製造時の作業効率性も劣る。したがって、表面処理層の欠陥部を封孔処理することには限界がある。
【０００９】
そこで本発明では、簡便な方法によって、セパレータに存在する欠陥部の燃料電池特性（接触抵抗など）への影響を抑制する表面処理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】
【００１０】
本発明者らは、金属基材露出部にイオン溶出を抑制する処理を行うことによって、表面処理層の欠陥の存在を許容しつつ、燃料電池における接触抵抗を抑制でき、簡便に特性の優れたセパレータを得ることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接触抵抗の増加を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、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。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池の一実施形態（第１実施形態とも称する）である固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略図である。固体高分子電解質膜２の両面に触媒層３（アノード触媒層およびカソード触媒層）を配置し、それらを挟持するようにガス拡散層（ＧＤＬ）４（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）を配置させて、膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は最終的に、導電性を有する一対のセパレータ５により挟持されて、ＰＥＦＣの単セルを構成する。実際はセパレータ５と電解質膜２の間、ならびに電池１と隣り合う別の電池との間でガスシールを配置するが、本概略図では省略する。セパレータ５は、０．５ｍｍ以下の薄板をプレスによって波型に成形することによって得られ、そこに反応ガスや冷却水を流す。以上のように、セパレータ５は、各ＭＥＡを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流すガス流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
【００１４】
図２は、図１のセパレータ５部分の拡大図である。また図３は図２の一部をさらに拡大した図である。本実施形態で使用するセパレータ５にはステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ 厚さ０．１ｍｍ）を金属基材６として用いて、その両面に表面処理層７を配置するものを用いている。表面処理層は、電池のサイズ縮小とコスト低減の目的から薄いほど好ましいが、表面処理層が薄い場合、ピンホールやキズ等の欠陥部が存在する。図３において、欠陥部は、表面処理層において、金属基材から表面処理層が脱離した空隙部を指す。該欠陥部が存在することにより、金属基材上に表面処理が施されていない部分、すなわち金属基材露出部８（以降、基材露出部とも呼ぶ）が形成されることとなる。本実施形態においては、基材露出部８は、電気化学的処理により、金属基材からのイオン溶出を抑制する処理が行われている。なお、本発明において、「金属基材からのイオン溶出を抑制する処理」とは、以下の意味である。燃料電池に本発明のセパレータを適用した場合に、燃料電池の腐食環境下において、処理を行わなかったセパレータと比較して、イオン、特に金属基材がステンレスの場合にはＦｅイオンの溶出が抑制される処理を指す。
【００１５】
電解質膜として、パーフルオロスルホン酸型の膜を使用する場合、膜から種々の酸性イオンが溶出すること、また電池に加湿ガスを投入することから、電池内は湿潤の弱酸性腐食環境下にある。このため、金属セパレータの導電性および耐食性の双方を良好にするために、金属セパレータにメッキなどの表面処理層が形成される。しかしながら、上述したように表面処理層を薄くした場合、欠陥部が発生する。燃料電池内の腐食環境下では、欠陥部から金属イオンが溶出し、発生した金属イオンが表面に溶出すると、表面処理層上や金属基材上に酸化膜を形成し、絶縁皮膜として作用する。このため、セパレータと隣接するＧＤＬとの間の接触抵抗が増加する。また、鉄などの金属イオンは、フェントン反応によって電解質の分解を促進する作用を持つため、鉄イオンが欠陥部から溶出すると、電解質の劣化が生じ、これによって発電特性の低下をもたらすことが判明した。
【００１６】
そして、欠陥部からのイオン溶出を抑制する処理（以降、イオン溶出抑制処理とも称する）を予め金属基材に行うことにより、接触抵抗の増加が抑制されるとともに、電解質の劣化による発電性能の低下も抑制される。さらに、欠陥部はもともとセパレータに求められる通電機能を果たしていないため、本発明のようにイオン溶出抑制処理を行うことで接触抵抗増加と電解質劣化を抑制できることをも見出した。
【００１７】
なお、金属基材に電気化学的処理を行うことにより、界面抵抗が減少することは依然から知られていた（特表２００４−５０６３０１号公報）。特表２００４−５０６３０１号に記載の方法は、金属基材に電気化学的処理を行って、表面の鉄イオンの含有量を低減させた後に表面処理を行っている（特表２００４−５０６３０１号公報、請求項１４、段落「００１８」）。したがって、セパレータの形態として、上記特表２００４−５０６３０１号の構造は、金属基材６上に、電気化学的処理により基材表面が改質された改質層が形成され、さらに改質層上に表面処理層が形成された構造となる。しかしながら、特表２００４−５０６３０１号に記載のように、電気化学的処理を行った後に、表面処理を行うと、以下のような問題が生ずる。電気化学的処理により、金属基材の表面が荒れると、その後に表面処理を行っても、均一な表面処理がされにくくなる。これにより、表面処理層に存在する欠陥部が過度に増大し、燃料電池に適用した場合、燃料電池の腐食環境下でのイオン溶出が大きくなる。例えば、表面処理層としてメッキを用いた場合、表面粗さとメッキの被覆率には反比例の相関がある。金属基材の凹凸が大きいと、メッキの際、凸の先端に電流が集まりやすいため、凸に集中的にメッキが載ってしまい、凹部等にはメッキが載らないことがある。ナノオーダーでは、かような現象が大きいと考えられ、結果としてイオン溶出量が増加すると考えられる。この結果、ＧＤＬとの接触抵抗が増加する。
【００１８】
一方、本願発明のように、表面処理後に、電気化学的処理を行うことによって、選択的に表面露出部近傍のみにイオン溶出抑制処理を行うことによって、ＧＤＬとの接触抵抗の増加が抑制されたセパレータを得ることができる。なお、基材露出部は微細な点であるため、加工には特に影響が少ないものと考えられる。
【００１９】
本発明においては、金属基材からイオン溶出を抑制する電気化学的処理または化学的処理が行われる。上記イオン溶出を抑制する処理は、基材に表面処理を行った後に行われる。したがって、かような処理が行われるのは、金属基材表面全体ではなく、基材露出部およびその近傍に限定される。
【００２０】
金属基材がステンレスである場合、金属基材露出部の、Ｆｅ元素比率は、金属基材のＦｅ元素比率よりも低いことが好ましい。かようなセパレータは、好ましくは、表面処理層が形成されたステンレスに対して、電解質劣化に顕著な感度をもつＦｅイオンを優先的に溶出させる条件で電気化学的処理または化学的処理を行うことによって得られる。このように、表面処理層が形成されたステンレスに予めＦｅイオンが優先的に溶出する処理を行うことによって、燃料電池に適用した場合のセパレータ欠陥部からのイオン溶出が抑制される。Ｆｅイオンは酸化鉄もしくは水酸化鉄として表面処理上を覆うため、ＧＤＬとの接触抵抗を増加させる問題があり、イオン溶出の抑制により抵抗増加も抑制できる。また、イオン溶出の抑制により、電解質の劣化に伴う電池の発電性能低下を防止することができる。
【００２１】
また、金属基材露出部の、Ｆｅ／Ｃｒの元素比率は、金属基材のＦｅ／Ｃｒの元素比率よりも低いことが好ましい。これによりイオン溶出の抑制を効果的に行うことができる。燃料電池内の腐食環境下ではＣｒのイオン溶出性は無いか極めて微量である。すなわち、Ｃｒはステンレスを構成する元素のうち最もイオン溶出性が低い。本発明において基材露出部におけるＣｒの比率を上げることで、同部位からのイオン溶出を抑えることが出来る。基材露出部における、Ｆｅ元素比率を減少させる処理と、Ｆｅ／Ｃｒ元素比率を増加させる処理とは、同一の処理であってもよいし、異なる処理であってもよい。生産効率の観点からは、同一の処理で行うことが好ましい。同一処理の一例としては、Ｆｅ溶出がＣｒ溶出よりも大きい条件での電気化学的処理が挙げられる。
【００２２】
金属基材露出部での金属基材に対するＦｅ元素比率の減少率は特に限定されるものではないが、金属基材に対して、基材露出部のＦｅ元素減少比率が好ましくは１〜１０％、より好ましくは１〜５％となるように、処理を行うことが好ましい。また、金属基材露出部でのＦｅ／Ｃｒ元素比率の増加は特に限定されるものではないが、金属基材に対して、基材露出部のＦｅ／Ｃｒ元素比が２．８〜３．９％、より好ましくは１．５〜３．９％となるように、処理を行うことが好ましい。基材露出部の元素比の確認は、公知のオージェ電子分光法を用い、イオンスパッタと組み合わせた深さ方向の元素比率を金属基材のそれと比較することで確認することが出来る。
【００２３】
基材露出部とは、最表面部を指すが、基材露出部から極めて僅かな領域（深さ）（例えば数ｎｍ）の表面処理層の下域まで上記処理が行われることが好ましい。イオン溶出抑制処理の対象となる深さは酸化皮膜や不純物が存在する最表面から深さ３０ｎｍ以下程度であることが好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以下の深さである。最表面から深い内部まで処理をするには処理時間が掛かるため、後述する連続処理には適していないと考えられる。つまり、最表面から好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の範囲の金属基材部分が、好ましくはＦｅ元素比率が減少し、より好ましくはＦｅ／Ｃｒ元素比率が低くなる。また、本発明は基材露出部の電気化学的または化学的なイオン溶出抑制処理を行っている。このため、少なくとも基材露出部全体が処理されていることが好ましい。
【００２４】
本発明における電気化学的処理、または化学的処理は、イオン溶出を抑制する処理であれば特に限定されない。用いられる金属基材によって、イオン溶出を抑制する処理は異なり、処理条件は適宜設定することができる。電気化学的処理としては、酸性下での電解処理；対極（および参照極）を設けて金属基材側に電圧もしくは電流を印加する処理などが挙げられ、化学的方法としては、酸性処理；硫酸、塩酸、硝酸等の酸性水溶液中での化学溶解処理などが挙げられる。また、表面処理を溶液中で連続的に実施する場合（例えば、メッキ処理など）、電気化学的処理または化学的処理を同時に連続して行うことができる。
【００２５】
金属基材がステンレスである場合、電気化学的処理は、ステンレスの電位が不働態域から過不働態に掛からない範囲で設定することで、イオン（特にＦｅおよび／またはＣｒイオン）溶出のコントロールが容易に出来る。金属の電位が過不働態域ではステンレスを構成する元素比に従って全ての元素が溶出してしまい、Ｃｒの比率増加を得ることが出来ない虞れがある。また、不働態域より低い電位であると、所望の金属イオンが溶出しない虞れがある。
【００２６】
また、表面処理層が貴金属メッキである場合、酸性水溶液中での電解処理を行うことが好ましい。かような処理により、金属基材露出部における、ＦｅおよびＣｒイオンの溶出を制御することができる。一方、表面処理層が貴金属およびカーボン等を含む塗布層である場合には、表面処理層の剥離を抑制する観点から、剥離を発生させない領域での電位印加を行うか、自然電位にて酸性溶液（ｐＨ１〜４）に浸漬させる処理が好ましい。
【００２７】
なお、酸性にするために用いられる酸としては、特に限定されず、硫酸、塩酸、硝酸、クロム酸、シュウ酸、リン酸等を適宜用いることができる。
【００２８】
電気化学的処理の具体例を挙げるとすると、金属基材がオーステナイト系ステンレスである場合、ｐＨ１〜４の酸性水溶液中で、０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）、好ましくは０．１〜０．８５Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である。金属基材は、表面に酸化皮膜を形成しているが、皮膜の状態は、材料の製造方法や条件によってわずかに異なっている。しかしながら、上記範囲で電気化学的処理を行えば、金属基材露出部における、ＦｅおよびＣｒイオンの溶出を容易に制御することができる。
【００２９】
本発明に用いられる金属基材としては、通常金属セパレータとして用いられるものであれば特に限定されず、ステンレスが挙げられる。加工性の観点から、ステンレスであることが好ましい。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、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１７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が挙げられる。フェライト系としては、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸが挙げられる。析出硬化系としては、ＳＵＳ６３０が挙げられる。中でも、成形性と汎用性の観点から、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等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。
【００３０】
金属基材の厚さとしては特に限定されるものではないが、セパレータとしての機能を発揮するためには、通常５０〜２００μｍ程度である。
【００３１】
表面処理層は、金属基材の耐食性を向上させる目的で形成される。表面処理層を構成する材料としては、貴金属、カーボン（カーボンブラック、グラファイト、非晶質カーボン、炭素繊維など）、およびこれらを２種以上を混合した材料などが挙げられる。耐食性および導電性の観点から、表面処理層は例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属を主成分とすることが好ましい。ここで主成分とは、５０質量％以上であることを意味し、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８５質量％以上、さらに好ましくは９５質量％以上である。
【００３２】
表面処理層は、例えば、貴金属をメッキ（電解メッキ、無電解メッキ）、蒸着、スパッタリング、またはイオンプレーティングなどの気相成膜法によって、形成することができる。また、貴金属を主成分とし、他カーボン等の導電性材やこれらを結着するバインダー樹脂を混合させた塗料を作製し、金属基材上に塗布して、表面処理層を形成させてもよい。具体的には、バインダ、貴金属、カーボン、硬化促進剤等を溶媒（水、アルコール等）に分散させたスラリーを金属基材の表面に塗布し、乾燥させた後、ロールプレス等の手法を用いてプレス処理を施すことによって得られる。ここで用いられるカーボンとしては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などが挙げられる。カーボンの粒子径としては、表面処理層の厚さを抑える意味から、粒子径が小さいほど好ましく、平均粒子径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度であることが好ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粒子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ものとする。また「平均粒子径」の値としては、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粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。
【００３３】
表面処理層は、金属基材の少なくとも一方に形成される。表面処理層の機能から、少なくともガス拡散層側に形成されることが好ましく、双方に形成されることが好ましい。
【００３４】
表面処理層の厚さは特に限定されるものではないが、上限は８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以下であることがより好ましい。これは以下の理由による。
【００３５】
図４は、表面処理層の厚さ（横軸、単位ｍｍ）と表面被覆率（縦軸、単位％）との関係を示している。金属基材としては、ＳＵＳ３１６Ｌ（厚さ０．１ｍｍ）を用いている。図４において、表面処理としては、金メッキ（表面処理Ａ）ならびに金およびカーボンブラック（平均一次粒子径約２５ｎｍ）を１：１（質量比）で含む導電性塗料（表面処理Ｂ）を用いている。図４から理解されるように、表面処理層の厚さが一定以下の場合、金属基材が被覆層によって被覆されず、欠陥部が生ずる。なお、被覆率はＡＥＳ（オージェ電子分光法）による面マッピングと、画像解析によって例えば基材金属の組成比の高いＦｅの面内分布割合を算出することで得ることができる。
【００３６】
また、図５は、表面被覆率（横軸、単位％）を変更した場合の、セパレータとＧＤＬとの間の接触抵抗（縦軸、単位ｍΩ／ｃｍ２）を示した図である。表面処理Ａ、Ｂともに被覆率の減少とともに、接触抵抗が増加する傾向がある。図４および図５から理解されるように、表面処理層が８０ｎｍ以下の場合、欠陥部が存在するようになり、接触抵抗が増加するため、かような場合に本願発明の効果が顕著に発揮される。
【００３７】
なお、マクロ的な被覆率が同一であった場合、接触抵抗の大小はミクロな接点の数や接点を構成する材料の比抵抗、すなわち表面処理層自体の比抵抗に依存する。図５において、接触抵抗の差が出ている理由として、比抵抗が表面処理Ｂ＞表面処理Ａであることが一要因であると考えられる。また、図４において、表面処理Ａおよび表面処理Ｂともに表面処理層の厚さを下げると被覆率が低下する傾向があるが、表面処理Ｂは表面処理Ａに対して同一の厚さでも被覆率が低い傾向がある材料である。表面処理層の厚さと被覆率の関係は表面処理材の特性（粘性、濡れ性、処理方法など）によってそれぞれ変わりうる。
【００３８】
表面処理層の厚さの下限は特に限定されるものではないが、表面処理層の機能を発揮させるためには、５ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００３９】
本発明の燃料電池セパレータの製造方法は、特に限定されるものではないが、処理手順の一例を以下に記載する。
【００４０】
まず、金属基材であるステンレスプレートを適切な溶媒（例えば、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン、苛性アルカリ剤等）を用いてプレート表面の脱脂および洗浄を行う。続いて、プレート表面に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜の除去は酸洗や、電位を印加して溶解することも可能である。
【００４１】
次に、表面処理を行う。表面処理は通常公知の方法で行われる。この際、表面処理は、金属基材の少なくとも一方、好ましくは双方に処理を行う。
【００４２】
本発明においては、表面処理後に電気化学的処理または化学的処理を、金属基材からのイオン溶出を抑制する条件で、電気化学的または化学的処理を、表面処理層が形成された金属基材に行う。電気化学的処理としては、金属基材を電極によって挟んでもよいし、電解質浴に浸漬し、所定の電圧または電流を金属基材と補助電極との間に通してもよい。処理条件は、金属基材によって異なり、好ましい形態であるステンレスの場合は、前述したとおりである。処理は、通常室温（２０〜２５℃）〜６０℃で行われ、また処理時間としては、電流値とメッキ種から決定される析出速度と必要メッキ厚との関係から決定され、通常数秒〜数十分程度、好ましくは連続的に効率よく処理のできる数秒〜１０分以内である。
【００４３】
上記電気化学的または化学的処理を行った後、金属基材を脱イオン水又は弱アルカリ性の脱イオン水で洗浄し、乾燥することによって、本発明のセパレータを得ることができる。
【００４４】
以下、セパレータ以外の燃料電池の構成を詳細に説明するが、本発明はセパレータに特徴を有するものであって、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材は従来公知のものを使用することができる。
【００４５】
［電解質膜］
電解質膜としては、従来公知の電解質膜を用いることができるが、好ましくは、高分子電解質膜である。高分子電解質膜は、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上の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。
【００４６】
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、か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。
【００４７】
高分子電解質膜の厚さは、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、制限されないが、通常５〜３００μｍ程度である厚さがか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および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。
【００４８】
［触媒層］
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性触媒担体、および電解質を有する。
【００４９】
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、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択されうる。
【００５０】
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、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する他の金属が１０〜７０原子％とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素また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また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およ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できる。以下の説明では、特記しない限り、アノード触媒層およ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り、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およ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、適宜選択される。
【００５１】
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および大きさが使用できるが、触媒成分は、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か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が適切に制御されうる。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、透過型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されうる。
【００５２】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分との電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。
【００５３】
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うることを意味する。
【００５４】
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か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が適切に制御されうる。
【００５５】
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、電極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、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。
【００５６】
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か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うる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定されうる。
【００５７】
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うるが、例えば、前述の高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂が前記高分子電解質として触媒層に添加されうる。
【００５８】
［ガス拡散層］
アノードおよびカソードにおける各電極は、上述した電極触媒層の他にガス拡散層４を有していてもよい。前記ガス拡散層は、電極触媒層の電解質膜が接する面とは反対の面に配置される。
【００５９】
電極触媒層およびガス拡散層を有する電極において、電極触媒層はガス拡散層上に形成されてもよい他、ガス拡散層中の一部に電極触媒層が形成されていてもよい。後者の場合、後述するガス拡散基材の所望する部位に、電極触媒および電解質材料が含浸されたものなどが挙げられる。
【００６０】
前記ガス拡散層は、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、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のガス拡散基材からなるものなどが挙げられる。
【００６１】
前記ガス拡散基材の厚さは、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。
【００６２】
前記ガス拡散基材には、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水剤を含んでいてもよい。前記撥水剤としては、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。
【００６３】
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記ガス拡散基材上に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を有するものであってもよい。
【００６４】
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、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挙げられる。
【００６５】
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記ガス拡散基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、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が好ましく用いられる。
【００６６】
前記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、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、９０：１０〜４０：６０程度とするのがよい。
【００６７】
前記カーボン粒子層の厚さは、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が、好ましくは１０〜１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍとするのがよい。
【００６８】
本発明の燃料電池の製造方法は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造可能である。
【００６９】
前記燃料電池の燃料の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では水素を例に挙げて説明したが、この他にも、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、２級ブタノール、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を用いることができる。なかでも高出力化が可能である点で、水素とメタノールが好ましく挙げられる。
【００７０】
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、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。
【００７１】
本発明の燃料電池の用途としては特に制限されないが、発電性能に優れることから、自動車などの車両における駆動用電源として用いられることが好ましい。
【実施例】
【００７２】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００７３】
（参考例１）
ＳＵＳ３１６Ｌの一般的なアノード分極曲線を図６に示す。ＳＵＳ３１６ＬはｐＨ１〜３の酸性水溶液中（大気開放、室温）においては、およそ０．３Ｖ以上１．０Ｖ以下の不働態域と、それ以上の過不働態域に大別できる。過不働態域では激しい溶解が起きており、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の全ての元素が溶出する。
【００７４】
そこで、図７に示すように０．１〜１．０Ｖ間で定電位保持した電解試験を行い、それぞれの条件で発生したＦｅイオン溶出量を示した。いずれのｐＨにおいても、０．１〜１．０Ｖの範囲内で適切な電位をかけると、Ｆｅイオンの溶解が起こることが確認できた。特に、ｐＨ１〜２の水溶液中では、０．１〜１．０Ｖ、２を超えて４以下のｐＨ、好ましくはｐＨ２．５〜３．５では、０．１〜０．８５Ｖの範囲の電位をかけると、Ｆｅイオン溶出の点から好ましい。なお、１．０Ｖを超えると、前述した過不動態溶解が発生する虞れがある。
【００７５】
このため、Ｆｅイオンを選択的に溶解させるためには過不働態域ではなく、０．１〜１．０Ｖ程度の電位域が有効である。
【００７６】
なお、ＳＵＳ３１６Ｌ自体の各構成元素の濃度や製造方法、表面処理時の酸化皮膜状態などによって電位やｐＨの最適な設定値や時間が異なると考えられるため、使用するＳＵＳ３１６Ｌ材に応じて適宜決定することが可能である。
【００７７】
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６ＬプレートをｐＨ１水溶液中で０．８５Ｖの電位をかけ、反応速度を上げるために８０℃として、１０分間保持したサンプルを参考例１とする。
【００７８】
図８は、参考例１において、電気化学的処理を行う前後のＡＥＳ深さ方向の分析結果を示したものである。Ｆｅ-１およびＣｒ-１はそれぞれ電気化学的処理実施前の各元素の深さ情報であり、Ｆｅ-２およびＣｒ-２は電気化学的処理実施後の深さ情報である。参考例１では、表層に近いＦｅイオンの元素濃度量が減少し、相対的にＣｒ濃度が上昇している結果が得られた。
【００７９】
なお、参考例１では、定電位電解によって処理をおこなっているが、表面処理層の種類や被覆率ならびに基材金属の種類によって必ずしも定電位電解でなくともよい。但し、酸性度条件と、水溶液に浸漬した場合の自然電位条件とからＦｅイオンの溶出挙動が変化すると考えられるため、適宜最適な条件を設定することが出来る。
【００８０】
（実施例１）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に厚さ１５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は７０％であった。また、この時点でのセパレータ（表面処理層＋金属基材）とＧＤＬ（東レ社製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０６０）との接触抵抗は、１０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８１】
なお、セパレータとＧＤＬとの接触抵抗の計測方法を図９に示す。２枚のＧＤＬでセパレータを挟持し、これらを電極によって挟む構成である。電極によって圧縮する面圧は燃料電池の積層条件をもとに決めることが出来るが、本実施例では１ＭＰａでの接触抵抗を計測した。電流および電圧端子は４端子法に従って取り付けられており、直流電流一定のもと、２枚のＧＤＬ間の電圧降下から抵抗を算出している。
【００８２】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ１）中で電位０．８５Ｖを掛け、反応速度を上げるために８０℃として、１０分間保持することによってセパレータを得た。
【００８３】
このセパレータに対して、耐食性試験を行った。耐食性試験は、サンプルを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬することにより行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、１０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８４】
（比較例１）
実施例１において、表面処理層を金属基材に形成後に、電気化学的処理を行わずに、耐食試験を行ったこと以外は、実施例１と同様に行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、１５ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８５】
以上の結果から、イオン溶出処理を行った実施例１および行っていない比較例１との比較から、表面処理層が形成されたセパレータにおいてみられるＧＤＬとの接触抵抗の増加がイオン溶出抑制処理によって抑制されることが確認された。
【００８６】
（実施例２）
平均一次粒子径が約２５ｎｍであるカーボンブラック、金粒子（平均粒子径１ｎｍ以下）、バインダとして液状のエポキシ樹脂、および粘度調整剤としての有機溶媒からなるスラリーを作製した。カーボンブラックと金粒子との混合質量比は、１：１である。該スラリーを厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に塗布し、加熱・乾燥して、厚さが２８ｎｍの表面処理層が形成された金属基材を得た。
【００８７】
このとき、メッキの被覆率は７０％であった。また、この時点でのセパレータ（表面処理層＋金属基材）とＧＤＬとの接触抵抗は、２０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８８】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ１）中で、８０℃、１時間保持することによってセパレータを得た。
【００８９】
このセパレータに対して、耐食性試験を行った。耐食性試験は、サンプルを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬することにより行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、２０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００９０】
（比較例２）
実施例２において、表面処理層を金属基材に形成後に、化学的処理を行わずに、耐食試験を行ったこと以外は、実施例２と同様に行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、２８ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００９１】
以上の結果から、イオン溶出処理を行った実施例２および行っていない比較例２との比較から、表面処理層が形成されたセパレータにおいてみられるＧＤＬとの接触抵抗の増加がイオン溶出処理によって抑制されることが確認された。
【００９２】
（実施例３）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に厚さ５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は３２％であった。
【００９３】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ２．５）中で電位０．８５Ｖを掛け、５０℃、１００時間保持することによってセパレータを得た。
【００９４】
このセパレータを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬し、水溶液中のＦｅ濃度を定量した。その結果、Ｆｅイオン溶出量は、７．２ｐｐｂであった。
【００９５】
（比較例３）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に硫酸水溶液（ｐＨ２．５）中で電位０．８５Ｖを掛け、５０℃、１００時間保持した。
【００９６】
次に、金属基材に厚さ５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は３２％であった。
【００９７】
このセパレータを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬した後、水溶液中のＦｅ濃度を定量した。その結果、Ｆｅイオン溶出量は、２６．０ｐｐｂであった。
【００９８】
以上の結果から、メッキ前に電解処理した比較例１は、メッキ後に電解処理した実施例３に比べてＦｅイオンの溶出量が多い結果となった。この原因として、メッキ前に電解処理した場合、イオンの溶出によってステンレス表面の粗さが増加するため、ナノオーダーのメッキを施す場合、ピンホールなどの欠陥量が増えるためであると考えられる。
【００９９】
（実施例４）
実際の燃料電池車向けセパレータはアノードとカソード両極合わせて５００〜１０００枚／台が必要になるため、低コスト化に向けて表面処理はバッチ式よりも連続での生産が好ましい。貴金属をメッキする場合の実施例を図１０を用いて説明する。
【０１００】
プレスしてセパレータを形成する金属素材１３をコイル１１から順送りにて送出しながら、一方のコイル１２にて巻き取りを行う。この間に各種処理を工程Ａ〜Ｆにて行う。なお、メッキ条件によって工程数はＡ〜Ｆに限ったものではなく、また１工程１槽に限ったものでもない。工程はプレートの予備洗浄ならびに酸化皮膜の除去、メッキ種によっては中間層の被覆、表面処理、洗浄ならびに乾燥等が一般的に行われているが、本実施例では中間層を配置せず、下記の手順で行うこととしている。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
なお、Ｂ→Ｃ工程で洗浄を組み込んだり、工程Ｅでコイルの送り速度や処理条件（処理速度）に合わせて工程Ｅの槽数を増やしたり、槽内での板の送りを工夫させることで、できるだけ処理槽内にプレートを浸漬できるのが望ましい。
【０１０３】
工程Ａでは公知の脱脂剤を用い、プレート表面の脱脂ならびに洗浄を行う。
【０１０４】
工程Ｂではプレート表面に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜の除去は酸洗や、電位を印加して溶解することも可能である。
【０１０５】
工程Ｃにおいて、表面処理を行う。図１０のような工程を取る際、処理は湿式が前提である。このため、例えば、表面処理剤の溶液中などにプレートを通過させる方式や、電解・無電解メッキといった公知の手段でも可能である。本実施例では、ＫＡｕ（ＣＮ）２およびＫＣＮ等を含み、ｐＨ３．６〜４．３の金メッキ液を、室温程度で１．５〜２Ａ／ｄｍ２程度の電流密度で電解を行うことにより金メッキを行った（陽極：Ｐｔメッキしたチタン材）。かような条件で生成されるメッキ速度を考慮し、工程Ｃ槽内をプレートが通過すると、目的の表面処理厚さとなるようにした。こうすることで、表層には極めて不純物の少ない高純度なメッキ層が形成された（純度＞９９．９％）。
【０１０６】
なお、ナノオーダー厚さでのメッキを行う場合、電流密度、コイルの送り速度、メッキ試薬濃度の低減、対極（図１１の符号２０）の構造などの調整によって行うことができる。
【０１０７】
また、表面処理層が塗料層である場合、図１０の工程Ｃにおいてメッキ処理ではなく、塗料浴槽中に浸漬されることでプレート表面に塗料が塗られる。塗料の厚さは工程Ｃでのプレート送り速度や塗料中のカーボン＋貴金属／樹脂濃度で変えることが出来る。ただし、塗料中に酸素が溶け込んでいるとステンレス表面が酸化するため塗布開始前に出来るだけ脱気することが望ましい。一例を示すと、導電性フィラーとして一次平均粒径２０ｎｍのカーボンブラック、バインダー樹脂として液状のエポキシ樹脂を用い、エポキシ樹脂が溶解する有機溶剤（希釈材 例えばエタノールなどのアルコール）をそれぞれ混合する。塗液の粘度と成膜性能とのバランスから各材料の濃度を決定する。
【０１０８】
工程Ｅでは、イオンが溶出する条件で自然浸漬を行う場合は所定の水溶液（例えば、酸性溶液）中を通過させることが好ましい。一方、所定の電圧または電流制御を行う場合は、図１１に示すように金属素材１３を電極２０によって挟むことや、浴槽自体も電極として処理することができる。
【０１０９】
実施例１にも記載したように、１０分程度の処理時間が掛かる場合、可能な限りプレートが溶液中にあることが望ましい。このため、図１０に示すように溶液層内でプレートを上下（左右）に往復させたり、槽自体のサイズを変えるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池の構成を示す概略図である。
【図２】図１の燃料電池のセパレータ断面を示す概略図である。
【図３】図１の燃料電池のセパレータ断面を示す概略図である。
【図４】表面処理層厚さと被覆率との関係を示す図である。
【図５】表面被覆率を変更した場合の、セパレータとＧＤＬとの間の接触抵抗を示した図である。
【図６】ＳＵＳ３１６Ｌのアノード分極曲線を示す図である。
【図７】定電解試験後のＦｅイオン溶出量を示す図である。
【図８】ＡＥＳ分析によるイオン溶出抑制処理前後のＦｅ、Ｃｒ深さ分析の結果を示す図である。
【図９】接触抵抗計測装置の一例を示す図である。
【図１０】基材金属コイルによる連続処理構成の一例を示す図である。
【図１１】電解処理の電極構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 燃料電池単位ユニット、
２ 電解質膜、
３ 触媒層、
４ ガス拡散層、
５ セパレータ、
６ 金属基材、
７ 表面処理層、
８ 表面露出部、
１０ 電極、
１１ 送り出しコイル、
１２ 巻取りコイル、
１３ 金属素材、
２０ 対極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。燃料電池は、陽極および負極一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記（１）および（２）の反応が行われる。
【０００３】
【数１】
【０００４】
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
従来、燃料電池用のセパレータは耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製が用いられてきたが、近年出力密度を向上させるために薄肉化が求められている。更に、低コスト化を狙って金属製のセパレータが用いられるようになってきた。しかしながら、金属製セパレータは燃料電池作動環境下における耐食性が劣り、そのまま用いる場合も抵抗値が高いために発電性能がカーボンに比べて低下するという問題があった。そのため、金属表面に何らかの処理が施される場合が多い。上述の目的で表面処理を行った従来技術としては、例えば特許文献１、および特許文献２が挙げられる。
【０００６】
金属基材表面に導電性と耐食性とを備えた表面処理（例えばメッキ処理）を行って金属基材上に表面処理層を形成させる場合、処理層が厚いとセパレータ厚みが増加することになる。その結果として電池自体の厚みが増え、体積あたりの出力密度が低下することになる。また、処理層が厚いことは処理材料のコスト増加にもつながり、安価なセパレータを提供することが難しいという問題があった。
【０００７】
上記問題に鑑み、表面処理層をできるだけ薄くする試みがなされているが、これに伴って表面処理層の欠陥部（ピンホール部）が発生する。この欠陥部（ピンホール部）をどのように扱うかについて種々検討が行われている。特に、金属表面にメッキ処理をする場合、表面処理層の欠陥部をどのように封孔処理するかについて、従来様々な方法で検討されている。例えば、特許文献３では、欠陥部を樹脂で封止することや、表面処理層をローラ加圧により欠陥部を押しつぶすことにより、欠陥部を封孔処理する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−００２４１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献３】特開２００１−６８１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、燃料電池車のように１台あたり５００〜１０００枚のセパレータを搭載している場合、全数の欠陥部を確実に封孔処理することは非常に困難であり、またセパレータ製造時の作業効率性も劣る。したがって、表面処理層の欠陥部を封孔処理することには限界がある。
【０００９】
そこで本発明では、簡便な方法によって、セパレータに存在する欠陥部の燃料電池特性（接触抵抗など）への影響を抑制する表面処理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】
【００１０】
本発明者らは、金属基材露出部にイオン溶出を抑制する処理を行うことによって、表面処理層の欠陥の存在を許容しつつ、燃料電池における接触抵抗を抑制でき、簡便に特性の優れたセパレータを得ることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接触抵抗の増加を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、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。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池の一実施形態（第１実施形態とも称する）である固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略図である。固体高分子電解質膜２の両面に触媒層３（アノード触媒層およびカソード触媒層）を配置し、それらを挟持するようにガス拡散層（ＧＤＬ）４（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）を配置させて、膜電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は最終的に、導電性を有する一対のセパレータ５により挟持されて、ＰＥＦＣの単セルを構成する。実際はセパレータ５と電解質膜２の間、ならびに電池１と隣り合う別の電池との間でガスシールを配置するが、本概略図では省略する。セパレータ５は、０．５ｍｍ以下の薄板をプレスによって波型に成形することによって得られ、そこに反応ガスや冷却水を流す。以上のように、セパレータ５は、各ＭＥＡを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流すガス流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
【００１４】
図２は、図１のセパレータ５部分の拡大図である。また図３は図２の一部をさらに拡大した図である。本実施形態で使用するセパレータ５にはステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ 厚さ０．１ｍｍ）を金属基材６として用いて、その両面に表面処理層７を配置するものを用いている。表面処理層は、電池のサイズ縮小とコスト低減の目的から薄いほど好ましいが、表面処理層が薄い場合、ピンホールやキズ等の欠陥部が存在する。図３において、欠陥部は、表面処理層において、金属基材から表面処理層が脱離した空隙部を指す。該欠陥部が存在することにより、金属基材上に表面処理が施されていない部分、すなわち金属基材露出部８（以降、基材露出部とも呼ぶ）が形成されることとなる。本実施形態においては、基材露出部８は、電気化学的処理により、金属基材からのイオン溶出を抑制する処理が行われている。なお、本発明において、「金属基材からのイオン溶出を抑制する処理」とは、以下の意味である。燃料電池に本発明のセパレータを適用した場合に、燃料電池の腐食環境下において、処理を行わなかったセパレータと比較して、イオン、特に金属基材がステンレスの場合にはＦｅイオンの溶出が抑制される処理を指す。
【００１５】
電解質膜として、パーフルオロスルホン酸型の膜を使用する場合、膜から種々の酸性イオンが溶出すること、また電池に加湿ガスを投入することから、電池内は湿潤の弱酸性腐食環境下にある。このため、金属セパレータの導電性および耐食性の双方を良好にするために、金属セパレータにメッキなどの表面処理層が形成される。しかしながら、上述したように表面処理層を薄くした場合、欠陥部が発生する。燃料電池内の腐食環境下では、欠陥部から金属イオンが溶出し、発生した金属イオンが表面に溶出すると、表面処理層上や金属基材上に酸化膜を形成し、絶縁皮膜として作用する。このため、セパレータと隣接するＧＤＬとの間の接触抵抗が増加する。また、鉄などの金属イオンは、フェントン反応によって電解質の分解を促進する作用を持つため、鉄イオンが欠陥部から溶出すると、電解質の劣化が生じ、これによって発電特性の低下をもたらすことが判明した。
【００１６】
そして、欠陥部からのイオン溶出を抑制する処理（以降、イオン溶出抑制処理とも称する）を予め金属基材に行うことにより、接触抵抗の増加が抑制されるとともに、電解質の劣化による発電性能の低下も抑制される。さらに、欠陥部はもともとセパレータに求められる通電機能を果たしていないため、本発明のようにイオン溶出抑制処理を行うことで接触抵抗増加と電解質劣化を抑制できることをも見出した。
【００１７】
なお、金属基材に電気化学的処理を行うことにより、界面抵抗が減少することは依然から知られていた（特表２００４−５０６３０１号公報）。特表２００４−５０６３０１号に記載の方法は、金属基材に電気化学的処理を行って、表面の鉄イオンの含有量を低減させた後に表面処理を行っている（特表２００４−５０６３０１号公報、請求項１４、段落「００１８」）。したがって、セパレータの形態として、上記特表２００４−５０６３０１号の構造は、金属基材６上に、電気化学的処理により基材表面が改質された改質層が形成され、さらに改質層上に表面処理層が形成された構造となる。しかしながら、特表２００４−５０６３０１号に記載のように、電気化学的処理を行った後に、表面処理を行うと、以下のような問題が生ずる。電気化学的処理により、金属基材の表面が荒れると、その後に表面処理を行っても、均一な表面処理がされにくくなる。これにより、表面処理層に存在する欠陥部が過度に増大し、燃料電池に適用した場合、燃料電池の腐食環境下でのイオン溶出が大きくなる。例えば、表面処理層としてメッキを用いた場合、表面粗さとメッキの被覆率には反比例の相関がある。金属基材の凹凸が大きいと、メッキの際、凸の先端に電流が集まりやすいため、凸に集中的にメッキが載ってしまい、凹部等にはメッキが載らないことがある。ナノオーダーでは、かような現象が大きいと考えられ、結果としてイオン溶出量が増加すると考えられる。この結果、ＧＤＬとの接触抵抗が増加する。
【００１８】
一方、本願発明のように、表面処理後に、電気化学的処理を行うことによって、選択的に表面露出部近傍のみにイオン溶出抑制処理を行うことによって、ＧＤＬとの接触抵抗の増加が抑制されたセパレータを得ることができる。なお、基材露出部は微細な点であるため、加工には特に影響が少ないものと考えられる。
【００１９】
本発明においては、金属基材からイオン溶出を抑制する電気化学的処理または化学的処理が行われる。上記イオン溶出を抑制する処理は、基材に表面処理を行った後に行われる。したがって、かような処理が行われるのは、金属基材表面全体ではなく、基材露出部およびその近傍に限定される。
【００２０】
金属基材がステンレスである場合、金属基材露出部の、Ｆｅ元素比率は、金属基材のＦｅ元素比率よりも低いことが好ましい。かようなセパレータは、好ましくは、表面処理層が形成されたステンレスに対して、電解質劣化に顕著な感度をもつＦｅイオンを優先的に溶出させる条件で電気化学的処理または化学的処理を行うことによって得られる。このように、表面処理層が形成されたステンレスに予めＦｅイオンが優先的に溶出する処理を行うことによって、燃料電池に適用した場合のセパレータ欠陥部からのイオン溶出が抑制される。Ｆｅイオンは酸化鉄もしくは水酸化鉄として表面処理上を覆うため、ＧＤＬとの接触抵抗を増加させる問題があり、イオン溶出の抑制により抵抗増加も抑制できる。また、イオン溶出の抑制により、電解質の劣化に伴う電池の発電性能低下を防止することができる。
【００２１】
また、金属基材露出部の、Ｆｅ／Ｃｒの元素比率は、金属基材のＦｅ／Ｃｒの元素比率よりも低いことが好ましい。これによりイオン溶出の抑制を効果的に行うことができる。燃料電池内の腐食環境下ではＣｒのイオン溶出性は無いか極めて微量である。すなわち、Ｃｒはステンレスを構成する元素のうち最もイオン溶出性が低い。本発明において基材露出部におけるＣｒの比率を上げることで、同部位からのイオン溶出を抑えることが出来る。基材露出部における、Ｆｅ元素比率を減少させる処理と、Ｆｅ／Ｃｒ元素比率を増加させる処理とは、同一の処理であってもよいし、異なる処理であってもよい。生産効率の観点からは、同一の処理で行うことが好ましい。同一処理の一例としては、Ｆｅ溶出がＣｒ溶出よりも大きい条件での電気化学的処理が挙げられる。
【００２２】
金属基材露出部での金属基材に対するＦｅ元素比率の減少率は特に限定されるものではないが、金属基材に対して、基材露出部のＦｅ元素減少比率が好ましくは１〜１０％、より好ましくは１〜５％となるように、処理を行うことが好ましい。また、金属基材露出部でのＦｅ／Ｃｒ元素比率の増加は特に限定されるものではないが、金属基材に対して、基材露出部のＦｅ／Ｃｒ元素比が２．８〜３．９％、より好ましくは１．５〜３．９％となるように、処理を行うことが好ましい。基材露出部の元素比の確認は、公知のオージェ電子分光法を用い、イオンスパッタと組み合わせた深さ方向の元素比率を金属基材のそれと比較することで確認することが出来る。
【００２３】
基材露出部とは、最表面部を指すが、基材露出部から極めて僅かな領域（深さ）（例えば数ｎｍ）の表面処理層の下域まで上記処理が行われることが好ましい。イオン溶出抑制処理の対象となる深さは酸化皮膜や不純物が存在する最表面から深さ３０ｎｍ以下程度であることが好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以下の深さである。最表面から深い内部まで処理をするには処理時間が掛かるため、後述する連続処理には適していないと考えられる。つまり、最表面から好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の範囲の金属基材部分が、好ましくはＦｅ元素比率が減少し、より好ましくはＦｅ／Ｃｒ元素比率が低くなる。また、本発明は基材露出部の電気化学的または化学的なイオン溶出抑制処理を行っている。このため、少なくとも基材露出部全体が処理されていることが好ましい。
【００２４】
本発明における電気化学的処理、または化学的処理は、イオン溶出を抑制する処理であれば特に限定されない。用いられる金属基材によって、イオン溶出を抑制する処理は異なり、処理条件は適宜設定することができる。電気化学的処理としては、酸性下での電解処理；対極（および参照極）を設けて金属基材側に電圧もしくは電流を印加する処理などが挙げられ、化学的方法としては、酸性処理；硫酸、塩酸、硝酸等の酸性水溶液中での化学溶解処理などが挙げられる。また、表面処理を溶液中で連続的に実施する場合（例えば、メッキ処理など）、電気化学的処理または化学的処理を同時に連続して行うことができる。
【００２５】
金属基材がステンレスである場合、電気化学的処理は、ステンレスの電位が不働態域から過不働態に掛からない範囲で設定することで、イオン（特にＦｅおよび／またはＣｒイオン）溶出のコントロールが容易に出来る。金属の電位が過不働態域ではステンレスを構成する元素比に従って全ての元素が溶出してしまい、Ｃｒの比率増加を得ることが出来ない虞れがある。また、不働態域より低い電位であると、所望の金属イオンが溶出しない虞れがある。
【００２６】
また、表面処理層が貴金属メッキである場合、酸性水溶液中での電解処理を行うことが好ましい。かような処理により、金属基材露出部における、ＦｅおよびＣｒイオンの溶出を制御することができる。一方、表面処理層が貴金属およびカーボン等を含む塗布層である場合には、表面処理層の剥離を抑制する観点から、剥離を発生させない領域での電位印加を行うか、自然電位にて酸性溶液（ｐＨ１〜４）に浸漬させる処理が好ましい。
【００２７】
なお、酸性にするために用いられる酸としては、特に限定されず、硫酸、塩酸、硝酸、クロム酸、シュウ酸、リン酸等を適宜用いることができる。
【００２８】
電気化学的処理の具体例を挙げるとすると、金属基材がオーステナイト系ステンレスである場合、ｐＨ１〜４の酸性水溶液中で、０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）、好ましくは０．１〜０．８５Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である。金属基材は、表面に酸化皮膜を形成しているが、皮膜の状態は、材料の製造方法や条件によってわずかに異なっている。しかしながら、上記範囲で電気化学的処理を行えば、金属基材露出部における、ＦｅおよびＣｒイオンの溶出を容易に制御することができる。
【００２９】
本発明に用いられる金属基材としては、通常金属セパレータとして用いられるものであれば特に限定されず、ステンレスが挙げられる。加工性の観点から、ステンレスであることが好ましい。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、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ２０２、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１７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が挙げられる。フェライト系としては、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０ＬＸが挙げられる。析出硬化系としては、ＳＵＳ６３０が挙げられる。中でも、成形性と汎用性の観点から、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等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。
【００３０】
金属基材の厚さとしては特に限定されるものではないが、セパレータとしての機能を発揮するためには、通常５０〜２００μｍ程度である。
【００３１】
表面処理層は、金属基材の耐食性を向上させる目的で形成される。表面処理層を構成する材料としては、貴金属、カーボン（カーボンブラック、グラファイト、非晶質カーボン、炭素繊維など）、およびこれらを２種以上を混合した材料などが挙げられる。耐食性および導電性の観点から、表面処理層は例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属を主成分とすることが好ましい。ここで主成分とは、５０質量％以上であることを意味し、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８５質量％以上、さらに好ましくは９５質量％以上である。
【００３２】
表面処理層は、例えば、貴金属をメッキ（電解メッキ、無電解メッキ）、蒸着、スパッタリング、またはイオンプレーティングなどの気相成膜法によって、形成することができる。また、貴金属を主成分とし、他カーボン等の導電性材やこれらを結着するバインダー樹脂を混合させた塗料を作製し、金属基材上に塗布して、表面処理層を形成させてもよい。具体的には、バインダ、貴金属、カーボン、硬化促進剤等を溶媒（水、アルコール等）に分散させたスラリーを金属基材の表面に塗布し、乾燥させた後、ロールプレス等の手法を用いてプレス処理を施すことによって得られる。ここで用いられるカーボンとしては、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などが挙げられる。カーボンの粒子径としては、表面処理層の厚さを抑える意味から、粒子径が小さいほど好ましく、平均粒子径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度であることが好ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粒子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ものとする。また「平均粒子径」の値としては、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粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。
【００３３】
表面処理層は、金属基材の少なくとも一方に形成される。表面処理層の機能から、少なくともガス拡散層側に形成されることが好ましく、双方に形成されることが好ましい。
【００３４】
表面処理層の厚さは特に限定されるものではないが、上限は８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以下であることがより好ましい。これは以下の理由による。
【００３５】
図４は、表面処理層の厚さ（横軸、単位ｍｍ）と表面被覆率（縦軸、単位％）との関係を示している。金属基材としては、ＳＵＳ３１６Ｌ（厚さ０．１ｍｍ）を用いている。図４において、表面処理としては、金メッキ（表面処理Ａ）ならびに金およびカーボンブラック（平均一次粒子径約２５ｎｍ）を１：１（質量比）で含む導電性塗料（表面処理Ｂ）を用いている。図４から理解されるように、表面処理層の厚さが一定以下の場合、金属基材が被覆層によって被覆されず、欠陥部が生ずる。なお、被覆率はＡＥＳ（オージェ電子分光法）による面マッピングと、画像解析によって例えば基材金属の組成比の高いＦｅの面内分布割合を算出することで得ることができる。
【００３６】
また、図５は、表面被覆率（横軸、単位％）を変更した場合の、セパレータとＧＤＬとの間の接触抵抗（縦軸、単位ｍΩ／ｃｍ２）を示した図である。表面処理Ａ、Ｂともに被覆率の減少とともに、接触抵抗が増加する傾向がある。図４および図５から理解されるように、表面処理層が８０ｎｍ以下の場合、欠陥部が存在するようになり、接触抵抗が増加するため、かような場合に本願発明の効果が顕著に発揮される。
【００３７】
なお、マクロ的な被覆率が同一であった場合、接触抵抗の大小はミクロな接点の数や接点を構成する材料の比抵抗、すなわち表面処理層自体の比抵抗に依存する。図５において、接触抵抗の差が出ている理由として、比抵抗が表面処理Ｂ＞表面処理Ａであることが一要因であると考えられる。また、図４において、表面処理Ａおよび表面処理Ｂともに表面処理層の厚さを下げると被覆率が低下する傾向があるが、表面処理Ｂは表面処理Ａに対して同一の厚さでも被覆率が低い傾向がある材料である。表面処理層の厚さと被覆率の関係は表面処理材の特性（粘性、濡れ性、処理方法など）によってそれぞれ変わりうる。
【００３８】
表面処理層の厚さの下限は特に限定されるものではないが、表面処理層の機能を発揮させるためには、５ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００３９】
本発明の燃料電池セパレータの製造方法は、特に限定されるものではないが、処理手順の一例を以下に記載する。
【００４０】
まず、金属基材であるステンレスプレートを適切な溶媒（例えば、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン、苛性アルカリ剤等）を用いてプレート表面の脱脂および洗浄を行う。続いて、プレート表面に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜の除去は酸洗や、電位を印加して溶解することも可能である。
【００４１】
次に、表面処理を行う。表面処理は通常公知の方法で行われる。この際、表面処理は、金属基材の少なくとも一方、好ましくは双方に処理を行う。
【００４２】
本発明においては、表面処理後に電気化学的処理または化学的処理を、金属基材からのイオン溶出を抑制する条件で、電気化学的または化学的処理を、表面処理層が形成された金属基材に行う。電気化学的処理としては、金属基材を電極によって挟んでもよいし、電解質浴に浸漬し、所定の電圧または電流を金属基材と補助電極との間に通してもよい。処理条件は、金属基材によって異なり、好ましい形態であるステンレスの場合は、前述したとおりである。処理は、通常室温（２０〜２５℃）〜６０℃で行われ、また処理時間としては、電流値とメッキ種から決定される析出速度と必要メッキ厚との関係から決定され、通常数秒〜数十分程度、好ましくは連続的に効率よく処理のできる数秒〜１０分以内である。
【００４３】
上記電気化学的または化学的処理を行った後、金属基材を脱イオン水又は弱アルカリ性の脱イオン水で洗浄し、乾燥することによって、本発明のセパレータを得ることができる。
【００４４】
以下、セパレータ以外の燃料電池の構成を詳細に説明するが、本発明はセパレータに特徴を有するものであって、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材は従来公知のものを使用することができる。
【００４５】
［電解質膜］
電解質膜としては、従来公知の電解質膜を用いることができるが、好ましくは、高分子電解質膜である。高分子電解質膜は、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上の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。
【００４６】
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、か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。
【００４７】
高分子電解質膜の厚さは、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、制限されないが、通常５〜３００μｍ程度である厚さがか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および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。
【００４８】
［触媒層］
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性触媒担体、および電解質を有する。
【００４９】
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、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択されうる。
【００５０】
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、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する他の金属が１０〜７０原子％とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素また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また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およ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できる。以下の説明では、特記しない限り、アノード触媒層およ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り、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およ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、適宜選択される。
【００５１】
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および大きさが使用できるが、触媒成分は、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か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が適切に制御されうる。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、透過型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されうる。
【００５２】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分との電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。
【００５３】
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うることを意味する。
【００５４】
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か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が適切に制御されうる。
【００５５】
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、電極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、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするとよい。
【００５６】
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か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うる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定されうる。
【００５７】
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うるが、例えば、前述の高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂が前記高分子電解質として触媒層に添加されうる。
【００５８】
［ガス拡散層］
アノードおよびカソードにおける各電極は、上述した電極触媒層の他にガス拡散層４を有していてもよい。前記ガス拡散層は、電極触媒層の電解質膜が接する面とは反対の面に配置される。
【００５９】
電極触媒層およびガス拡散層を有する電極において、電極触媒層はガス拡散層上に形成されてもよい他、ガス拡散層中の一部に電極触媒層が形成されていてもよい。後者の場合、後述するガス拡散基材の所望する部位に、電極触媒および電解質材料が含浸されたものなどが挙げられる。
【００６０】
前記ガス拡散層は、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、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のガス拡散基材からなるものなどが挙げられる。
【００６１】
前記ガス拡散基材の厚さは、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。
【００６２】
前記ガス拡散基材には、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水剤を含んでいてもよい。前記撥水剤としては、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。
【００６３】
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記ガス拡散基材上に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を有するものであってもよい。
【００６４】
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、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挙げられる。
【００６５】
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記ガス拡散基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、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が好ましく用いられる。
【００６６】
前記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、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、９０：１０〜４０：６０程度とするのがよい。
【００６７】
前記カーボン粒子層の厚さは、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が、好ましくは１０〜１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍとするのがよい。
【００６８】
本発明の燃料電池の製造方法は特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造可能である。
【００６９】
前記燃料電池の燃料の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では水素を例に挙げて説明したが、この他にも、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、２級ブタノール、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を用いることができる。なかでも高出力化が可能である点で、水素とメタノールが好ましく挙げられる。
【００７０】
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、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。
【００７１】
本発明の燃料電池の用途としては特に制限されないが、発電性能に優れることから、自動車などの車両における駆動用電源として用いられることが好ましい。
【実施例】
【００７２】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００７３】
（参考例１）
ＳＵＳ３１６Ｌの一般的なアノード分極曲線を図６に示す。ＳＵＳ３１６ＬはｐＨ１〜３の酸性水溶液中（大気開放、室温）においては、およそ０．３Ｖ以上１．０Ｖ以下の不働態域と、それ以上の過不働態域に大別できる。過不働態域では激しい溶解が起きており、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の全ての元素が溶出する。
【００７４】
そこで、図７に示すように０．１〜１．０Ｖ間で定電位保持した電解試験を行い、それぞれの条件で発生したＦｅイオン溶出量を示した。いずれのｐＨにおいても、０．１〜１．０Ｖの範囲内で適切な電位をかけると、Ｆｅイオンの溶解が起こることが確認できた。特に、ｐＨ１〜２の水溶液中では、０．１〜１．０Ｖ、２を超えて４以下のｐＨ、好ましくはｐＨ２．５〜３．５では、０．１〜０．８５Ｖの範囲の電位をかけると、Ｆｅイオン溶出の点から好ましい。なお、１．０Ｖを超えると、前述した過不動態溶解が発生する虞れがある。
【００７５】
このため、Ｆｅイオンを選択的に溶解させるためには過不働態域ではなく、０．１〜１．０Ｖ程度の電位域が有効である。
【００７６】
なお、ＳＵＳ３１６Ｌ自体の各構成元素の濃度や製造方法、表面処理時の酸化皮膜状態などによって電位やｐＨの最適な設定値や時間が異なると考えられるため、使用するＳＵＳ３１６Ｌ材に応じて適宜決定することが可能である。
【００７７】
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６ＬプレートをｐＨ１水溶液中で０．８５Ｖの電位をかけ、反応速度を上げるために８０℃として、１０分間保持したサンプルを参考例１とする。
【００７８】
図８は、参考例１において、電気化学的処理を行う前後のＡＥＳ深さ方向の分析結果を示したものである。Ｆｅ-１およびＣｒ-１はそれぞれ電気化学的処理実施前の各元素の深さ情報であり、Ｆｅ-２およびＣｒ-２は電気化学的処理実施後の深さ情報である。参考例１では、表層に近いＦｅイオンの元素濃度量が減少し、相対的にＣｒ濃度が上昇している結果が得られた。
【００７９】
なお、参考例１では、定電位電解によって処理をおこなっているが、表面処理層の種類や被覆率ならびに基材金属の種類によって必ずしも定電位電解でなくともよい。但し、酸性度条件と、水溶液に浸漬した場合の自然電位条件とからＦｅイオンの溶出挙動が変化すると考えられるため、適宜最適な条件を設定することが出来る。
【００８０】
（実施例１）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に厚さ１５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は７０％であった。また、この時点でのセパレータ（表面処理層＋金属基材）とＧＤＬ（東レ社製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０６０）との接触抵抗は、１０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８１】
なお、セパレータとＧＤＬとの接触抵抗の計測方法を図９に示す。２枚のＧＤＬでセパレータを挟持し、これらを電極によって挟む構成である。電極によって圧縮する面圧は燃料電池の積層条件をもとに決めることが出来るが、本実施例では１ＭＰａでの接触抵抗を計測した。電流および電圧端子は４端子法に従って取り付けられており、直流電流一定のもと、２枚のＧＤＬ間の電圧降下から抵抗を算出している。
【００８２】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ１）中で電位０．８５Ｖを掛け、反応速度を上げるために８０℃として、１０分間保持することによってセパレータを得た。
【００８３】
このセパレータに対して、耐食性試験を行った。耐食性試験は、サンプルを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬することにより行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、１０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８４】
（比較例１）
実施例１において、表面処理層を金属基材に形成後に、電気化学的処理を行わずに、耐食試験を行ったこと以外は、実施例１と同様に行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、１５ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８５】
以上の結果から、イオン溶出処理を行った実施例１および行っていない比較例１との比較から、表面処理層が形成されたセパレータにおいてみられるＧＤＬとの接触抵抗の増加がイオン溶出抑制処理によって抑制されることが確認された。
【００８６】
（実施例２）
平均一次粒子径が約２５ｎｍであるカーボンブラック、金粒子（平均粒子径１ｎｍ以下）、バインダとして液状のエポキシ樹脂、および粘度調整剤としての有機溶媒からなるスラリーを作製した。カーボンブラックと金粒子との混合質量比は、１：１である。該スラリーを厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に塗布し、加熱・乾燥して、厚さが２８ｎｍの表面処理層が形成された金属基材を得た。
【００８７】
このとき、メッキの被覆率は７０％であった。また、この時点でのセパレータ（表面処理層＋金属基材）とＧＤＬとの接触抵抗は、２０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００８８】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ１）中で、８０℃、１時間保持することによってセパレータを得た。
【００８９】
このセパレータに対して、耐食性試験を行った。耐食性試験は、サンプルを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬することにより行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、２０ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００９０】
（比較例２）
実施例２において、表面処理層を金属基材に形成後に、化学的処理を行わずに、耐食試験を行ったこと以外は、実施例２と同様に行った。耐食試験後の接触抵抗を測定した結果、２８ｍΩ／ｃｍ２であった。
【００９１】
以上の結果から、イオン溶出処理を行った実施例２および行っていない比較例２との比較から、表面処理層が形成されたセパレータにおいてみられるＧＤＬとの接触抵抗の増加がイオン溶出処理によって抑制されることが確認された。
【００９２】
（実施例３）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に厚さ５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は３２％であった。
【００９３】
次に、表面処理層が形成された金属基材を硫酸水溶液（ｐＨ２．５）中で電位０．８５Ｖを掛け、５０℃、１００時間保持することによってセパレータを得た。
【００９４】
このセパレータを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬し、水溶液中のＦｅ濃度を定量した。その結果、Ｆｅイオン溶出量は、７．２ｐｐｂであった。
【００９５】
（比較例３）
厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌプレート（金属基材）に硫酸水溶液（ｐＨ２．５）中で電位０．８５Ｖを掛け、５０℃、１００時間保持した。
【００９６】
次に、金属基材に厚さ５ｎｍの金メッキ（表面処理層）を施した。このとき、メッキの被覆率は３２％であった。
【００９７】
このセパレータを８０℃、ｐＨ４の硫酸水溶液中に１００時間浸漬した後、水溶液中のＦｅ濃度を定量した。その結果、Ｆｅイオン溶出量は、２６．０ｐｐｂであった。
【００９８】
以上の結果から、メッキ前に電解処理した比較例１は、メッキ後に電解処理した実施例３に比べてＦｅイオンの溶出量が多い結果となった。この原因として、メッキ前に電解処理した場合、イオンの溶出によってステンレス表面の粗さが増加するため、ナノオーダーのメッキを施す場合、ピンホールなどの欠陥量が増えるためであると考えられる。
【００９９】
（実施例４）
実際の燃料電池車向けセパレータはアノードとカソード両極合わせて５００〜１０００枚／台が必要になるため、低コスト化に向けて表面処理はバッチ式よりも連続での生産が好ましい。貴金属をメッキする場合の実施例を図１０を用いて説明する。
【０１００】
プレスしてセパレータを形成する金属素材１３をコイル１１から順送りにて送出しながら、一方のコイル１２にて巻き取りを行う。この間に各種処理を工程Ａ〜Ｆにて行う。なお、メッキ条件によって工程数はＡ〜Ｆに限ったものではなく、また１工程１槽に限ったものでもない。工程はプレートの予備洗浄ならびに酸化皮膜の除去、メッキ種によっては中間層の被覆、表面処理、洗浄ならびに乾燥等が一般的に行われているが、本実施例では中間層を配置せず、下記の手順で行うこととしている。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
なお、Ｂ→Ｃ工程で洗浄を組み込んだり、工程Ｅでコイルの送り速度や処理条件（処理速度）に合わせて工程Ｅの槽数を増やしたり、槽内での板の送りを工夫させることで、できるだけ処理槽内にプレートを浸漬できるのが望ましい。
【０１０３】
工程Ａでは公知の脱脂剤を用い、プレート表面の脱脂ならびに洗浄を行う。
【０１０４】
工程Ｂではプレート表面に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜の除去は酸洗や、電位を印加して溶解することも可能である。
【０１０５】
工程Ｃにおいて、表面処理を行う。図１０のような工程を取る際、処理は湿式が前提である。このため、例えば、表面処理剤の溶液中などにプレートを通過させる方式や、電解・無電解メッキといった公知の手段でも可能である。本実施例では、ＫＡｕ（ＣＮ）２およびＫＣＮ等を含み、ｐＨ３．６〜４．３の金メッキ液を、室温程度で１．５〜２Ａ／ｄｍ２程度の電流密度で電解を行うことにより金メッキを行った（陽極：Ｐｔメッキしたチタン材）。かような条件で生成されるメッキ速度を考慮し、工程Ｃ槽内をプレートが通過すると、目的の表面処理厚さとなるようにした。こうすることで、表層には極めて不純物の少ない高純度なメッキ層が形成された（純度＞９９．９％）。
【０１０６】
なお、ナノオーダー厚さでのメッキを行う場合、電流密度、コイルの送り速度、メッキ試薬濃度の低減、対極（図１１の符号２０）の構造などの調整によって行うことができる。
【０１０７】
また、表面処理層が塗料層である場合、図１０の工程Ｃにおいてメッキ処理ではなく、塗料浴槽中に浸漬されることでプレート表面に塗料が塗られる。塗料の厚さは工程Ｃでのプレート送り速度や塗料中のカーボン＋貴金属／樹脂濃度で変えることが出来る。ただし、塗料中に酸素が溶け込んでいるとステンレス表面が酸化するため塗布開始前に出来るだけ脱気することが望ましい。一例を示すと、導電性フィラーとして一次平均粒径２０ｎｍのカーボンブラック、バインダー樹脂として液状のエポキシ樹脂を用い、エポキシ樹脂が溶解する有機溶剤（希釈材 例えばエタノールなどのアルコール）をそれぞれ混合する。塗液の粘度と成膜性能とのバランスから各材料の濃度を決定する。
【０１０８】
工程Ｅでは、イオンが溶出する条件で自然浸漬を行う場合は所定の水溶液（例えば、酸性溶液）中を通過させることが好ましい。一方、所定の電圧または電流制御を行う場合は、図１１に示すように金属素材１３を電極２０によって挟むことや、浴槽自体も電極として処理することができる。
【０１０９】
実施例１にも記載したように、１０分程度の処理時間が掛かる場合、可能な限りプレートが溶液中にあることが望ましい。このため、図１０に示すように溶液層内でプレートを上下（左右）に往復させたり、槽自体のサイズを変えるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池の構成を示す概略図である。
【図２】図１の燃料電池のセパレータ断面を示す概略図である。
【図３】図１の燃料電池のセパレータ断面を示す概略図である。
【図４】表面処理層厚さと被覆率との関係を示す図である。
【図５】表面被覆率を変更した場合の、セパレータとＧＤＬとの間の接触抵抗を示した図である。
【図６】ＳＵＳ３１６Ｌのアノード分極曲線を示す図である。
【図７】定電解試験後のＦｅイオン溶出量を示す図である。
【図８】ＡＥＳ分析によるイオン溶出抑制処理前後のＦｅ、Ｃｒ深さ分析の結果を示す図である。
【図９】接触抵抗計測装置の一例を示す図である。
【図１０】基材金属コイルによる連続処理構成の一例を示す図である。
【図１１】電解処理の電極構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 燃料電池単位ユニット、
２ 電解質膜、
３ 触媒層、
４ ガス拡散層、
５ セパレータ、
６ 金属基材、
７ 表面処理層、
８ 表面露出部、
１０ 電極、
１１ 送り出しコイル、
１２ 巻取りコイル、
１３ 金属素材、
２０ 対極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、前記金属基材の少なくとも一方の面に形成され、欠陥部が存在する表面処理層とから構成され、前記金属基材の少なくとも一方の面に表面処理層を形成させた後、電気化学的方法または化学的方法により、金属基材からのイオン溶出を抑制する処理を行うことによって得られる、燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記金属基材がステンレスである、請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
欠陥部により表面処理層が脱離した金属基材露出部におけるＦｅ元素比率が、金属基材のＦｅ元素比率よりも減少している、請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記金属基材露出部の、Ｆｅ／Ｃｒの元素比率は、金属基材のＦｅ／Ｃｒの元素比率よりも低い、請求項２または３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記処理が、酸性水溶液中で、不働態電位域から過不働態域に掛からない範囲での電解処理である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記金属基材がオーステナイト系ステンレスであって、前記処理は、ｐＨ１〜４の水溶液中で０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記表面処理層が貴金属を主成分とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータを用いた燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池を搭載した車両。
【請求項１０】
金属基材の少なくとも一方の面に表面処理層を形成させる段階と、
金属基材からのイオン溶出を抑制する条件で、電気化学的または化学的処理を、表面処理層が形成された金属基材に行う段階と、
を含む、燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記電気化学的処理が、酸性水溶液中で、不働態電位域から過不働態域に掛からない範囲での電解処理である、請求項１０に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１２】
前記金属基材がオーステナイト系ステンレスであって、前記電気化学的処理は、ｐＨ１〜４の水溶液中で０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である、請求項１０または１１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１】
金属基材と、前記金属基材の少なくとも一方の面に形成され、欠陥部が存在する表面処理層とから構成され、前記金属基材の少なくとも一方の面に表面処理層を形成させた後、電気化学的方法または化学的方法により、金属基材からのイオン溶出を抑制する処理を行うことによって得られる、燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記金属基材がステンレスである、請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
欠陥部により表面処理層が脱離した金属基材露出部におけるＦｅ元素比率が、金属基材のＦｅ元素比率よりも減少している、請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記金属基材露出部の、Ｆｅ／Ｃｒの元素比率は、金属基材のＦｅ／Ｃｒの元素比率よりも低い、請求項２または３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記処理が、酸性水溶液中で、不働態電位域から過不働態域に掛からない範囲での電解処理である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記金属基材がオーステナイト系ステンレスであって、前記処理は、ｐＨ１〜４の水溶液中で０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記表面処理層が貴金属を主成分とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータを用いた燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池を搭載した車両。
【請求項１０】
金属基材の少なくとも一方の面に表面処理層を形成させる段階と、
金属基材からのイオン溶出を抑制する条件で、電気化学的または化学的処理を、表面処理層が形成された金属基材に行う段階と、
を含む、燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記電気化学的処理が、酸性水溶液中で、不働態電位域から過不働態域に掛からない範囲での電解処理である、請求項１０に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１２】
前記金属基材がオーステナイト系ステンレスであって、前記電気化学的処理は、ｐＨ１〜４の水溶液中で０．１〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＳＨＥ）での電解処理である、請求項１０または１１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２２４１５１（Ｐ２００９−２２４１５１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６６６０６（Ｐ２００８−６６６０６）
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【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２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【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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