燃料電池用金属セパレータ、燃料電池用金属セパレータの製造方法及び燃料電池
【課題】貴金属膜が薄いにも拘わらず十分な耐食性を有し、製造容易な燃料電池用金属セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータは、これを構成する金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料の板状の母材と、該母材の表面を覆い母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有する。また、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、図の右に示すように、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きい。
【解決手段】燃料電池用セパレータは、これを構成する金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料の板状の母材と、該母材の表面を覆い母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有する。また、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、図の右に示すように、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータ、燃料電池用金属セパレータの製造方法及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００１−６８１２９号公報
【特許文献２】特開２０００−０２１４１８号公報
【特許文献３】特開平１０−２２８９１４号公報
【０００３】
従来、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池あるいは固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池が提案されている。これらのうち固体高分子形燃料電池は高分子電解質膜を使用するものであり、低温動作が可能であり、小型化及び軽量化も容易なので、燃料電池自動車等への搭載用として検討されている。具体的には、プロトンを輸送するための高分子電解質膜を一対の電極層により挟んで単位電池を形成するとともに、該電極層の表面に燃料ガス（水素ガス）あるいは酸化剤ガス（空気）の流路層を形成するためのセパレータを積層配置する。該セパレータの板面には、電極層との間にガス流路層を形成する凹部が形成される。また、セパレータは、単位電池の電極層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される必要がある。具体的には、加工性と導電性及び強度を両立させるために、セパレータを金属にて形成する燃料電池構造が種々提案されている（例えば特許文献１〜３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高分子電解質膜を用いる燃料電池においては、プロトン導電性を示す電解質として、スルホン酸基など強酸性を示す官能基を有した高分子材料が使用されており、高分子材料に含浸されている水分とともに酸性成分が染み出して、セパレータを酸アタックする問題がある。上記特許文献に例示された金属セパレータは、例えば特許文献１〜３に開示されたものは、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼を用いるものであり、強酸性環境、特に硫酸酸性環境での耐食性が十分でなく、セパレータの腐食進行に伴い内部抵抗が経時的に増加しやすい問題がある。
【０００５】
上記特許文献１〜３では、ステンレス鋼製の板材にさらにＡｕ等の貴金属メッキを施して、耐食性を補う工夫がなされているが、効果は必ずしも十分ではない。その理由としては、通常の貴金属メッキでは、貴金属膜と母材との密着力が低く、ピンホール等のメッキ欠陥も少なくないため、腐食による剥離等が生じやすくなっているものと考えられる。これを解決するために、貴金属メッキ層の層厚を増大させることも考えられるが、高価な貴金属の使用量が増えるのでコスト面を考慮すれば現実的でない。他方、母材と貴金属膜との密着性を向上させるために熱処理を行なうと、貴金属膜層の厚さが非常に小さいため、通常の材料では下地のバルクに瞬時に拡散してしまい、表層部に十分な貴金属膜が残留せず、効果が損なわれてしまう問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、貴金属膜が薄いにも拘わらず十分な耐食性を有し、しかも製造が容易な燃料電池用金属セパレータとその製造方法、及びそれを用いた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及び発明の効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために本発明の燃料電池用金属セパレータは、金属板材からなり、燃料電池の高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、電極層との間にガス流路層を形成する凹部が板面に形成されてなり、かつ金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材と、該母材の表面を覆うとともに、母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有する。また、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、図６右に示すように、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きいことを特徴とする。なお、図中、ＣＮは貴金属濃度、ＣＭは母材金属成分濃度をそれぞれ示す。
【０００８】
また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第一電極層上に積層されるとともに、凹部により燃料ガス用のガス流路層を形成する第一セパレータと、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第二電極層上に積層されるとともに、凹部により酸化剤ガス用のガス流路層を形成する第二セパレータと、を有することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、上記本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、母材となる金属板材の表面に２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さで、貴金属含有量が９０質量％以上（望ましくは９５質量％以上）の貴金属メッキ層を形成する貴金属メッキ層形成工程と、貴金属メッキ層を形成後の母材に対し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で１００℃以上６００℃以下の温度にて５分以内の熱処理を行なう熱処理工程とをこの順序で実施することにより、貴金属メッキ層を主要部と貴金属濃度遷移部とを有する貴金属被覆部となすことを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の、燃料電池用の金属セパレータの製造方法においては、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料からなる板状の母材の表面に、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の薄膜にて貴金属メッキ層を形成する。不動態皮膜が形成される母材と貴金属メッキ層との密着性は元来良好ではないが、本発明では、これに、１００℃以上６００℃以下という低温で５分以内の短時間にて、真空中又は不活性ガス雰囲気中での熱処理を施す。このような低温短時間の特殊な熱処理を施すことにより、貴金属メッキ層は、貴金属含有量を８５質量％以上に維持した貴金属被覆層として、これを十分な厚さで残留させることができ、しかも母材との間の金属成分も貴金属被覆層側の一様に拡散して、密着力が飛躍的に高められる。
【００１１】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、上記の製法の結果物としてはじめて実現可能となったものであり、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、貴金属濃度が８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度から母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部とが明確に識別される。そして、主要部は、拡散金属成分の含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であって貴金属含有率が８５質量％以上９９.８質量％以下であり、かつ該主要部の厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きいものとなる。
【００１２】
主要部の貴金属濃度が８５質量％未満では硫酸酸性下での耐食性を十分に確保することができなくなり、貴金属濃度が９９.８質量％を超えると、大量の貴金属メッキが必要となる。主要部の貴金属濃度は、望ましくは９５質量％以上９９.５質量％以下であるのがよい。また、主要部の拡散金属成分の含有量は、同様の理由により、０.２質量％以上１５質量％以下となっている必要があり、望ましくは０.５質量％以上５質量％以下であるのがよい。
【００１３】
また、主要部の厚さが１ｎｍ未満では硫酸酸性下での耐食性を十分に確保することができなくなり、１００ｎｍを超えると貴金属被膜の形成コストが高騰する問題を生ずる。主要部の厚さは、望ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに望ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのがよい。
【００１４】
本発明の製造方法における前記熱処理の温度が高すぎたり、熱処理時間が長すぎたりした場合、図７に示すように、母材と貴金属メッキ層との間の成分拡散が過度に生じる結果、貴金属被覆層の主要部の厚さが、該主要部の貴金属濃度から母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部の厚さよりも小さくなってしまう（図７では、主要部が成分拡散によりほぼ消失している）。その結果、得られる貴金属被覆層中の貴金属濃度が十分（具体的には、８５質量％以上）確保できないか、あるいは貴金属濃度が十分となっている部分の厚さが十分（具体的には１ｎｍ以上）確保できなくなってしまうことにつながる。換言すれば、主要部の厚さが貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きくなるように熱処理の条件を調整することによって、貴金属被覆層による硫酸酸性下での耐食性付与効果を十分に発揮させることが可能となるのである。
【００１５】
貴金属メッキ層を形成後の母材に対する熱処理の温度が１００℃未満になると、得られる貴金属被覆部の密着性が著しく損なわれる。他方、熱処理温度が６００℃を超えると、母材から貴金属メッキ層への成分拡散が著しくなり、得られる金属被覆層において、主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に維持すること、及び主要部の厚さを貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きく維持すること、のいずれも不能となり、耐食性が著しく損なわれることにつながる。熱処理の温度は３００℃以上５００℃以下に設定するのがよい。熱処理の時間が５分を超えると、母材から貴金属メッキ層への成分拡散が著しくなり、得られる貴金属被覆層において、主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に維持すること、及び主要部の厚さを貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きく維持すること、のいずれも不能となり、耐食性が著しく損なわれることにつながる。なお、熱処理時間の下限値は、熱処理の設定温度によっても異なるが、少なくとも１０秒以上（望ましくは２０秒以上）に設定するのがよい。
【００１６】
熱処理の方法としては、上記温度域での保持時間が過剰とならないように、例えば加熱処理後の急冷が可能な連続炉や、あるいは、貴金属メッキ層側を赤外線加熱源により急速加熱するイメージ炉あるいはハロゲンランプ加熱炉を用いる方法が望ましい。また、本発明の製造方法によれば、不動態皮膜上の貴金属被覆層の密着力を大幅に高めることが可能である。従って、貴金属メッキ層の形成方法は、スパッタリング（グロー放電スパッタリング又は高周波スパッタリング）や真空蒸着などの気相成膜法を採用することも可能であるし、不動態皮膜の形成がより促進される化学メッキ法（電解メッキあるいは無電解メッキ）により貴金属メッキ層を形成することも十分可能である。後者の場合、貴金属メッキ層の形成工程をより簡便かつ安価に実施することができる。
【００１７】
次に、図５に示すように、貴金属被覆層において貴金属濃度遷移部の厚さｔＴは、母材と貴金属メッキ層との間の成分拡散に由来した拡散層ｔＤの厚さを含むものであり、該拡散層の厚さｔＤ０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であるのがよい。拡散層の厚さｔＤが０．５ｎｍ未満では貴金属被覆層と母材との密着力が十分に確保できない場合があり、５ｎｍを超えると、本体部の貴金属濃度が不足して硫酸酸性下での耐食性を十分に確保できなくなる場合がある。拡散層の厚さｔＤは、望ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とするのがよい。
【００１８】
貴金属メッキ層を形成する母材表面の平滑性確保には一定の限界があり、形成する貴金属メッキ層の厚さが１００ｎｍ以下になると、得られる貴金属被覆層の厚さに対して、母材の表面粗さレベルを無視することができなくなる。この場合、貴金属被覆層を、表面側からスパッタリングにより深さ方向にエッチングしつつ、オージェ電子分光分析法により貴金属濃度を測定した場合、図５の示すように、表面粗さ影響を受ける母材表層近傍では、貴金属が主体となる領域と母材が主体となる領域とがまだらに混在した形で分析され、その区間で貴金属濃度が母材内部に向けて漸減することが考えられる。貴金属濃度遷移部の厚さｔＴは、上記拡散層の厚さｔＤと、母材表面粗さの影響を受ける分析上の遷移領域との厚さｔＲとが合算されたものとして表れる。セパレータとしてのシール性を考慮すれば、母材表面の粗さは、原子間力顕微鏡による１μｍ×ｌμｍ測定面積における面粗さのＲＭＳ（二乗平均平方根：Root Mean Square）表示で、１００ｎｍ以下となっていることが望ましい。これらのことを考慮して、貴金属濃度遷移部の望ましい厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定するのがよい。
【００１９】
上記のことからも明らかなように、図６左に示すように、貴金属メッキ層を形成後において熱処理を施す前であっても、貴金属濃度遷移部は、分析上の遷移領域に対応した厚さで存在している。そして、熱処理を施せば、貴金属濃度遷移部にはさらに拡散層の厚みが加わる。本発明においては、図６右に示すように、熱処理による拡散層の形成は必須であるが、貴金属濃度遷移部の厚さと主要部の厚さとの大小関係に反転が生じないように、その形成厚さを制限する点が重要であり、これを実現可能とするのが、本発明の製造方法に定めた熱処理条件であるといえる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法においては、貴金属メッキ層形成工程にて、母材となる金属板材の表面に２ｎｍを超え１０１ｎｍ以下の厚さで貴金属含有量が８６質量％以上（１００質量％を含む）の貴金属メッキ層を形成する。形成する貴金属メッキ層の厚さが２ｎｍ未満では、得られる貴金属被覆層の主要部の厚さを１ｎｍ以上に確保することができない。また、貴金属メッキ層の厚さが１００ｎｍを超えることはコストアップにつながる。貴金属メッキ層の厚さは、望ましくは４ｎｍ以上２５ｎｍ以下、さらに望ましくは６ｎｍ以上１５ｎｍ以下とするのがよい。
【００２１】
他方、貴金属メッキ層の貴金属含有量が８６質量％未満になると、得られる貴金属被覆層の主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に確保することが困難となり、耐食性確保が難しくなる。貴金属メッキ層の貴金属の含有量は、望ましくは９１質量％以上、より望ましくは９６質量％以上であるのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の燃料電池の一例を積層形態にて模式的に説明するものである。該燃料電池１は、高分子電解質膜３を採用した固体高分子形燃料電池である。具体的に、高分子電解質膜３を挟む形で一対のガス拡散層を含む電極層２，４を有し、該高分子電解質膜３と電極２，４とによりなる単位電池本体５を有する。具体的には、高分子電解質膜３の第一主表面３ａを覆う第一電極層２と、同じく第二主表面３ｂを覆う第二電極層４と、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第一電極層２上に積層されるとともに、凹部２１により燃料ガス用のガス流路を形成する第一セパレータ１０ａと、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第二電極層４上に積層されるとともに、凹部２１により酸化剤ガス用のガス流路を形成する第二セパレータ１０ｂとを有する。なお、単位電池本体５とセパレータ１０との間に、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを防止するために、ガスケットが配置されるが、図１では省略している。
【００２３】
高分子電解質膜３は、プロトン導電性を高めるために、スルホン酸基を有する高分子材料により構成することができる。特に、高分子電解質膜自体の導電性と耐久性を向上させる観点から、スルホン酸基を有するフッ素樹脂を採用することが望ましい。この場合、スルホン酸基の由来した硫酸酸性成分が水分とともに溶出しやすくなるが、前述の組成の金属材料は、硫酸酸性雰囲気下での耐食性が非常に良好であり、金属セパレータに適用した場合に、腐食による内部抵抗の経時的増加も十分に抑制され、長期にわたって良好な発電能力を維持できるので、例えば自動車用電源としても好適に採用可能である。なお、スルホン酸基を有する高分子材料としては、市販品であればＮＡＦＩＯＮ（商標名）を代表的なものとして例示でき、また、特開２００２−３１３３５５号、特開平１０−４０７３７号あるいは特開平９−１０２３２２号に開示されたものも使用できる。
【００２４】
図２Ａ及び図２Ｂは、セパレータ１０ａ，１０ｂの概略を示すものである。図２Ａに示すように、セパレータ１０ａ，１０ｂは板状に形成され、その主表面に、凸凹が形成されており、凸部１４の先端側が電極に接触する形態となっている。他方、凹部２１は電極層２，４（図１）との間にガス流路を形成する。本実施形態では、凹部２１は、凸部１４に挟まれた蛇行溝形態で二形成され、その両端がガス入口２２及びガス出口２３とされる。
【００２５】
図１に戻り、単位電池本体５とセパレータ１０とを単位セルＵとして、この単位セルＵが、カーボン等の導電体からなる冷却水流通基板１１を介して、複数積層されて燃料電池スタック１とされる。単位セルＵは例えば５０〜４００個程度積層され、その積層体の両端に、単位セルＵと接触する側から、導電性シート９、集電板８、絶縁シート７及び締め付け板６がそれぞれ配置されて、燃料電池スタック１とされる。集電板８と複数のセパレータ１０とは直列に接続され、複数の単位電池本体５からの電流が集められることになる。
【００２６】
図２Ｂに示すように、セパレータ１０ａ，１０ｂは金属板材からなり、該金属板材は、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材１０Ｍと、該母材１０Ｍの表面を覆うとともに、母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層１０Ｇとを有するものである。また、図６右に示すように、貴金属被覆層１０Ｇの表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層１０Ｇは、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きい。
【００２７】
貴金属被覆層１０Ｇの主成分（最も質量含有率の高い成分）となる貴金属は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＲｈの１種又は２種以上にて構成される。このうち、Ａｕ、Ｐｔはいずれも導電性と耐食性の双方に優れ、かつ、メッキ（特に、電解メッキあるいは無電解メッキなどの化学メッキ法）による被覆形成も容易である。特に、Ａｕは耐食性に優れているので好適に採用できる。なお、貴金属被覆層は、最終的に得られる貴金属被覆層の耐食性が過度に損なわれない範囲にて、種々の不純物成分あるいは希釈成分（例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｂ）などが、１０質量％を上限として含有されていてもよい。
【００２８】
他方、母材をなす金属材料は、大気中にて不動態皮膜を形成する金属材料であれば限定されないが、価格及び板材への加工の容易性を考慮して、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０等）、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６等）、Ｎｉ基耐熱合金（Inconel600、625等）、Ｎｉ−Ｆｅ基耐熱合金Incoloy800、825等）、及び純Ｔｉ又はＴｉ合金（Ti-4Al-6V等）のいずれかで構成される。電極層２，４との間にガス流路層を形成する凹部２１は、上記金属板材の板厚方向の屈曲に基づいて形成されたものである。板材の板厚は０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。
【００２９】
母材の板面は、貴金属被覆層によって全面が覆われていてもよいし、被覆面積率が２０％以上確保されている状態であれば、部分的（例えば散点状）に覆われている形態を採用することも可能である。不動態皮膜が形成される素材により母材を構成することで、母材の表面が一部露出する形になっていても、十分な耐食性を確保することができる。これは、貴金属被覆層と母材バルクとの腐食電位差により局部電池が形成され、それによる腐食電流が母材表面の不動態化を促進するためであると考えられる。
【００３０】
以下、セパレータ１０ａ（１０ｂ）の製造方法について説明する。
まず、図３Ａに示すように、圧延等により製造された母材１０Ｍの板材に、貴金属メッキ層として、例えばＡｕメッキ層メッキを、厚さ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下（望ましくは４ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに望ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）となるように、スパッタリング、真空蒸着、電解メッキ、あるいは無電解メッキにより形成する。そして、上記母材１０Ｍ及びＡｕメッキ層１０Ｇ’からなる板材に対し、Ａｕメッキ層１０Ｇの側から、赤外線ランプを熱源とするイメージ炉６４により、到達目標温度１００℃以上６００℃以下（望ましくは３００℃以上５００℃以下）、加熱時間（つまり、赤外線ランプへのパワー供給時間）を５分以下（例えば１分以上３分以下）に設定して熱処理を行なう。なお、図３Ｂに示すように、上記の板材４５を連続炉５０により加熱し、加熱後の板材を冷却装置４７（個々では、水等の冷媒を噴霧するシャワー式冷却装置を例示しているが、これに限られるものではない）により急冷するようにしてもよい。この場合の加熱時間は、連続炉５０の加熱ゾーンの長さと、板材４５の搬送速度によって決定される。この熱処理により、前述のごとくＡｕメッキ層１０Ｇには母材金属成分が拡散し、主要部（母材からの拡散金属成分の濃度が１質量％以上１５質量％以下）と貴金属濃度遷移部とからなるＡｕ被覆層となる。
【００３１】
Ａｕメッキ層は薄いため少なからぬ膜欠陥（クラック又はピンホール）が存在し、熱処理が終了した後も該膜欠陥は残留しつづける。そこで、熱処理が終了した後、このクラック又はピンホールからなる膜欠陥に露出している母材表面の不動態皮膜を強化するための酸処理を行なう。該酸処理は、上記板材を、例えば硝酸（濃度２０％以上６３％以下）や硝酸と硫酸との混酸（硝酸濃度：２０％以上５０％以下、硫酸の濃度１％以上１０％以下）に浸漬することにより実施できる。
【００３２】
酸処理の終了した板材４５は、カッター等で切断された後、図５に示すように、プレス用金型５１，５１を有したプレス装置へ移送して、前述の凹凸を形成するためのプレス加工を行ない、最終的なセパレータ１０が得られる。プレス加工は冷間加工によって実施される。
（１）貴金属メッキ層の形成→熱処理→酸処理→プレス加工
の順で実施したが、プレス加工の実施順序はこれに限られるものではなく、
（２）貴金属メッキ層の形成→プレス加工→熱処理→酸処理
（３）貴金属メッキ層の形成→熱処理→プレス加工→酸処理
（４）プレス加工→貴金属メッキ層の形成→熱処理→酸処理
のような実施順も可能である。ただし、プレス加工時の貴金属メッキ層の剥離を生じにくくする観点から、（１）、（３）の工程実施順が推奨される。
【００３３】
なお、図２Ｂでは、貴金属被覆層（貴金属被覆層）１０Ｇをセパレータの両面に形成しているが、図１において、高分子電解質膜３と接しない側の貴金属被覆層を省略することも可能である。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、表１に示すごとく、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４）あるいはＮｉ−Ｆｅ基耐熱合金（Incoloy825）種々の母材（厚さ０.１ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍの薄板材）を用意した。母材の表面には、高周波スパッタリングによりＡｕメッキ層を種々の厚さにて形成し、図３Ｂに示すイメージ炉により１００℃〜７００℃の種々の温度で１分熱処理した（比較のため、熱処理を施さない試験品も作製した）。この母材を２００ｍｍ角に切断し、冷間プレス加工により図２の形状の凹凸を形成し、セパレータの試験品を得た。また、一部の試験品については、硝酸（濃度３０％、温度６０℃）に３０分浸漬した後水洗・乾燥することにより、酸処理（不動態化処理）を実施した。
【００３５】
上記のようにして得られたセパレータにつき、Ａｕ被覆層の側から深さ方向にエッチングしつつオージェ電子分光分析を行ない、Ａｕと母材成分（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等）の深さ方向の濃度分布を測定するとともに、その測定プロファイルから、Ａｕ被覆層の主要部の厚さｔ１と、濃度遷移部の厚さｔ２とを測定し、さらに主要部中の母材からの拡散成分濃度を測定した。また、耐食性は、セパレータを１ｍａｓｓ％硫酸水溶液６００ｍｌ中に入れ、沸騰状態で１週間保持し、腐食液中に溶出した金属イオン量をＩＣＰプラズマ発光分光分析を用いて分析した。以上の結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
実施例品については、いずれも良好な耐食性が実現していることがわかる。図８は、それぞれ実施例５，６及び比較例２に係る試験品の、オージェ電子分光分析法による各成分の深さ方向分析プロファイルである。熱処理温度が６００℃を超えた比較例２の試験品では、主要部の厚さｔ１と濃度遷移部ｔ２との大小関係が実施例とは反転していることがわかる。また、実施例５，６はＡｕ被覆層の外観が黄金色を維持していたが、比較例２は黄金色が喪失し、母材と同じ色をしていた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の燃料電池を積層形態にて模式的に示す図。
【図２Ａ】図１の燃料電池に使用する本発明の金属セパレータの実施形態を示す平面図
【図２Ｂ】図２Ａの金属セパレータの拡大断面図。
【図３Ａ】本発明の金属セパレータの製造工程説明図。
【図３Ｂ】図３Ａに続く工程説明図。
【図４】図３Ｂに続く工程説明図。
【図５】貴金属被覆層の断面模式図。
【図６】貴金属被覆層の深さ方向濃度プロファイルを、熱処理前後で比較して示す模式図。
【図７】過剰な熱処理により、貴金属被覆層へ母材からの成分拡散が進みすぎた状態での深さ方向濃度プロファイルを示す模式図。
【図８】実施例５，６及び比較例２の、オージェ電子分光法による深さ方向濃度プロファイルを比較して示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１ 燃料電池
２ 第一電極層
３ 高分子電解質膜
４ 第二電極層
１０ａ 第一セパレータ
１０ｂ 第二セパレータ
１０Ｇ’Ａｕメッキ層（貴金属メッキ層）
１０Ｇ Ａｕ被覆層（貴金属被覆層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータ、燃料電池用金属セパレータの製造方法及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００１−６８１２９号公報
【特許文献２】特開２０００−０２１４１８号公報
【特許文献３】特開平１０−２２８９１４号公報
【０００３】
従来、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池あるいは固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池が提案されている。これらのうち固体高分子形燃料電池は高分子電解質膜を使用するものであり、低温動作が可能であり、小型化及び軽量化も容易なので、燃料電池自動車等への搭載用として検討されている。具体的には、プロトンを輸送するための高分子電解質膜を一対の電極層により挟んで単位電池を形成するとともに、該電極層の表面に燃料ガス（水素ガス）あるいは酸化剤ガス（空気）の流路層を形成するためのセパレータを積層配置する。該セパレータの板面には、電極層との間にガス流路層を形成する凹部が形成される。また、セパレータは、単位電池の電極層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される必要がある。具体的には、加工性と導電性及び強度を両立させるために、セパレータを金属にて形成する燃料電池構造が種々提案されている（例えば特許文献１〜３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高分子電解質膜を用いる燃料電池においては、プロトン導電性を示す電解質として、スルホン酸基など強酸性を示す官能基を有した高分子材料が使用されており、高分子材料に含浸されている水分とともに酸性成分が染み出して、セパレータを酸アタックする問題がある。上記特許文献に例示された金属セパレータは、例えば特許文献１〜３に開示されたものは、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼を用いるものであり、強酸性環境、特に硫酸酸性環境での耐食性が十分でなく、セパレータの腐食進行に伴い内部抵抗が経時的に増加しやすい問題がある。
【０００５】
上記特許文献１〜３では、ステンレス鋼製の板材にさらにＡｕ等の貴金属メッキを施して、耐食性を補う工夫がなされているが、効果は必ずしも十分ではない。その理由としては、通常の貴金属メッキでは、貴金属膜と母材との密着力が低く、ピンホール等のメッキ欠陥も少なくないため、腐食による剥離等が生じやすくなっているものと考えられる。これを解決するために、貴金属メッキ層の層厚を増大させることも考えられるが、高価な貴金属の使用量が増えるのでコスト面を考慮すれば現実的でない。他方、母材と貴金属膜との密着性を向上させるために熱処理を行なうと、貴金属膜層の厚さが非常に小さいため、通常の材料では下地のバルクに瞬時に拡散してしまい、表層部に十分な貴金属膜が残留せず、効果が損なわれてしまう問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、貴金属膜が薄いにも拘わらず十分な耐食性を有し、しかも製造が容易な燃料電池用金属セパレータとその製造方法、及びそれを用いた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及び発明の効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために本発明の燃料電池用金属セパレータは、金属板材からなり、燃料電池の高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、電極層との間にガス流路層を形成する凹部が板面に形成されてなり、かつ金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材と、該母材の表面を覆うとともに、母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有する。また、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、図６右に示すように、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きいことを特徴とする。なお、図中、ＣＮは貴金属濃度、ＣＭは母材金属成分濃度をそれぞれ示す。
【０００８】
また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第一電極層上に積層されるとともに、凹部により燃料ガス用のガス流路層を形成する第一セパレータと、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第二電極層上に積層されるとともに、凹部により酸化剤ガス用のガス流路層を形成する第二セパレータと、を有することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、上記本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、母材となる金属板材の表面に２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さで、貴金属含有量が９０質量％以上（望ましくは９５質量％以上）の貴金属メッキ層を形成する貴金属メッキ層形成工程と、貴金属メッキ層を形成後の母材に対し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で１００℃以上６００℃以下の温度にて５分以内の熱処理を行なう熱処理工程とをこの順序で実施することにより、貴金属メッキ層を主要部と貴金属濃度遷移部とを有する貴金属被覆部となすことを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の、燃料電池用の金属セパレータの製造方法においては、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料からなる板状の母材の表面に、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の薄膜にて貴金属メッキ層を形成する。不動態皮膜が形成される母材と貴金属メッキ層との密着性は元来良好ではないが、本発明では、これに、１００℃以上６００℃以下という低温で５分以内の短時間にて、真空中又は不活性ガス雰囲気中での熱処理を施す。このような低温短時間の特殊な熱処理を施すことにより、貴金属メッキ層は、貴金属含有量を８５質量％以上に維持した貴金属被覆層として、これを十分な厚さで残留させることができ、しかも母材との間の金属成分も貴金属被覆層側の一様に拡散して、密着力が飛躍的に高められる。
【００１１】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、上記の製法の結果物としてはじめて実現可能となったものであり、貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層は、貴金属濃度が８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度から母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部とが明確に識別される。そして、主要部は、拡散金属成分の含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であって貴金属含有率が８５質量％以上９９.８質量％以下であり、かつ該主要部の厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きいものとなる。
【００１２】
主要部の貴金属濃度が８５質量％未満では硫酸酸性下での耐食性を十分に確保することができなくなり、貴金属濃度が９９.８質量％を超えると、大量の貴金属メッキが必要となる。主要部の貴金属濃度は、望ましくは９５質量％以上９９.５質量％以下であるのがよい。また、主要部の拡散金属成分の含有量は、同様の理由により、０.２質量％以上１５質量％以下となっている必要があり、望ましくは０.５質量％以上５質量％以下であるのがよい。
【００１３】
また、主要部の厚さが１ｎｍ未満では硫酸酸性下での耐食性を十分に確保することができなくなり、１００ｎｍを超えると貴金属被膜の形成コストが高騰する問題を生ずる。主要部の厚さは、望ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに望ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのがよい。
【００１４】
本発明の製造方法における前記熱処理の温度が高すぎたり、熱処理時間が長すぎたりした場合、図７に示すように、母材と貴金属メッキ層との間の成分拡散が過度に生じる結果、貴金属被覆層の主要部の厚さが、該主要部の貴金属濃度から母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部の厚さよりも小さくなってしまう（図７では、主要部が成分拡散によりほぼ消失している）。その結果、得られる貴金属被覆層中の貴金属濃度が十分（具体的には、８５質量％以上）確保できないか、あるいは貴金属濃度が十分となっている部分の厚さが十分（具体的には１ｎｍ以上）確保できなくなってしまうことにつながる。換言すれば、主要部の厚さが貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きくなるように熱処理の条件を調整することによって、貴金属被覆層による硫酸酸性下での耐食性付与効果を十分に発揮させることが可能となるのである。
【００１５】
貴金属メッキ層を形成後の母材に対する熱処理の温度が１００℃未満になると、得られる貴金属被覆部の密着性が著しく損なわれる。他方、熱処理温度が６００℃を超えると、母材から貴金属メッキ層への成分拡散が著しくなり、得られる金属被覆層において、主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に維持すること、及び主要部の厚さを貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きく維持すること、のいずれも不能となり、耐食性が著しく損なわれることにつながる。熱処理の温度は３００℃以上５００℃以下に設定するのがよい。熱処理の時間が５分を超えると、母材から貴金属メッキ層への成分拡散が著しくなり、得られる貴金属被覆層において、主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に維持すること、及び主要部の厚さを貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きく維持すること、のいずれも不能となり、耐食性が著しく損なわれることにつながる。なお、熱処理時間の下限値は、熱処理の設定温度によっても異なるが、少なくとも１０秒以上（望ましくは２０秒以上）に設定するのがよい。
【００１６】
熱処理の方法としては、上記温度域での保持時間が過剰とならないように、例えば加熱処理後の急冷が可能な連続炉や、あるいは、貴金属メッキ層側を赤外線加熱源により急速加熱するイメージ炉あるいはハロゲンランプ加熱炉を用いる方法が望ましい。また、本発明の製造方法によれば、不動態皮膜上の貴金属被覆層の密着力を大幅に高めることが可能である。従って、貴金属メッキ層の形成方法は、スパッタリング（グロー放電スパッタリング又は高周波スパッタリング）や真空蒸着などの気相成膜法を採用することも可能であるし、不動態皮膜の形成がより促進される化学メッキ法（電解メッキあるいは無電解メッキ）により貴金属メッキ層を形成することも十分可能である。後者の場合、貴金属メッキ層の形成工程をより簡便かつ安価に実施することができる。
【００１７】
次に、図５に示すように、貴金属被覆層において貴金属濃度遷移部の厚さｔＴは、母材と貴金属メッキ層との間の成分拡散に由来した拡散層ｔＤの厚さを含むものであり、該拡散層の厚さｔＤ０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であるのがよい。拡散層の厚さｔＤが０．５ｎｍ未満では貴金属被覆層と母材との密着力が十分に確保できない場合があり、５ｎｍを超えると、本体部の貴金属濃度が不足して硫酸酸性下での耐食性を十分に確保できなくなる場合がある。拡散層の厚さｔＤは、望ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とするのがよい。
【００１８】
貴金属メッキ層を形成する母材表面の平滑性確保には一定の限界があり、形成する貴金属メッキ層の厚さが１００ｎｍ以下になると、得られる貴金属被覆層の厚さに対して、母材の表面粗さレベルを無視することができなくなる。この場合、貴金属被覆層を、表面側からスパッタリングにより深さ方向にエッチングしつつ、オージェ電子分光分析法により貴金属濃度を測定した場合、図５の示すように、表面粗さ影響を受ける母材表層近傍では、貴金属が主体となる領域と母材が主体となる領域とがまだらに混在した形で分析され、その区間で貴金属濃度が母材内部に向けて漸減することが考えられる。貴金属濃度遷移部の厚さｔＴは、上記拡散層の厚さｔＤと、母材表面粗さの影響を受ける分析上の遷移領域との厚さｔＲとが合算されたものとして表れる。セパレータとしてのシール性を考慮すれば、母材表面の粗さは、原子間力顕微鏡による１μｍ×ｌμｍ測定面積における面粗さのＲＭＳ（二乗平均平方根：Root Mean Square）表示で、１００ｎｍ以下となっていることが望ましい。これらのことを考慮して、貴金属濃度遷移部の望ましい厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定するのがよい。
【００１９】
上記のことからも明らかなように、図６左に示すように、貴金属メッキ層を形成後において熱処理を施す前であっても、貴金属濃度遷移部は、分析上の遷移領域に対応した厚さで存在している。そして、熱処理を施せば、貴金属濃度遷移部にはさらに拡散層の厚みが加わる。本発明においては、図６右に示すように、熱処理による拡散層の形成は必須であるが、貴金属濃度遷移部の厚さと主要部の厚さとの大小関係に反転が生じないように、その形成厚さを制限する点が重要であり、これを実現可能とするのが、本発明の製造方法に定めた熱処理条件であるといえる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法においては、貴金属メッキ層形成工程にて、母材となる金属板材の表面に２ｎｍを超え１０１ｎｍ以下の厚さで貴金属含有量が８６質量％以上（１００質量％を含む）の貴金属メッキ層を形成する。形成する貴金属メッキ層の厚さが２ｎｍ未満では、得られる貴金属被覆層の主要部の厚さを１ｎｍ以上に確保することができない。また、貴金属メッキ層の厚さが１００ｎｍを超えることはコストアップにつながる。貴金属メッキ層の厚さは、望ましくは４ｎｍ以上２５ｎｍ以下、さらに望ましくは６ｎｍ以上１５ｎｍ以下とするのがよい。
【００２１】
他方、貴金属メッキ層の貴金属含有量が８６質量％未満になると、得られる貴金属被覆層の主要部の貴金属濃度を８５質量％以上に確保することが困難となり、耐食性確保が難しくなる。貴金属メッキ層の貴金属の含有量は、望ましくは９１質量％以上、より望ましくは９６質量％以上であるのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の燃料電池の一例を積層形態にて模式的に説明するものである。該燃料電池１は、高分子電解質膜３を採用した固体高分子形燃料電池である。具体的に、高分子電解質膜３を挟む形で一対のガス拡散層を含む電極層２，４を有し、該高分子電解質膜３と電極２，４とによりなる単位電池本体５を有する。具体的には、高分子電解質膜３の第一主表面３ａを覆う第一電極層２と、同じく第二主表面３ｂを覆う第二電極層４と、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第一電極層２上に積層されるとともに、凹部２１により燃料ガス用のガス流路を形成する第一セパレータ１０ａと、本発明の燃料電池用金属セパレータとして構成され、第二電極層４上に積層されるとともに、凹部２１により酸化剤ガス用のガス流路を形成する第二セパレータ１０ｂとを有する。なお、単位電池本体５とセパレータ１０との間に、燃料ガス及び酸化剤ガスのリークを防止するために、ガスケットが配置されるが、図１では省略している。
【００２３】
高分子電解質膜３は、プロトン導電性を高めるために、スルホン酸基を有する高分子材料により構成することができる。特に、高分子電解質膜自体の導電性と耐久性を向上させる観点から、スルホン酸基を有するフッ素樹脂を採用することが望ましい。この場合、スルホン酸基の由来した硫酸酸性成分が水分とともに溶出しやすくなるが、前述の組成の金属材料は、硫酸酸性雰囲気下での耐食性が非常に良好であり、金属セパレータに適用した場合に、腐食による内部抵抗の経時的増加も十分に抑制され、長期にわたって良好な発電能力を維持できるので、例えば自動車用電源としても好適に採用可能である。なお、スルホン酸基を有する高分子材料としては、市販品であればＮＡＦＩＯＮ（商標名）を代表的なものとして例示でき、また、特開２００２−３１３３５５号、特開平１０−４０７３７号あるいは特開平９−１０２３２２号に開示されたものも使用できる。
【００２４】
図２Ａ及び図２Ｂは、セパレータ１０ａ，１０ｂの概略を示すものである。図２Ａに示すように、セパレータ１０ａ，１０ｂは板状に形成され、その主表面に、凸凹が形成されており、凸部１４の先端側が電極に接触する形態となっている。他方、凹部２１は電極層２，４（図１）との間にガス流路を形成する。本実施形態では、凹部２１は、凸部１４に挟まれた蛇行溝形態で二形成され、その両端がガス入口２２及びガス出口２３とされる。
【００２５】
図１に戻り、単位電池本体５とセパレータ１０とを単位セルＵとして、この単位セルＵが、カーボン等の導電体からなる冷却水流通基板１１を介して、複数積層されて燃料電池スタック１とされる。単位セルＵは例えば５０〜４００個程度積層され、その積層体の両端に、単位セルＵと接触する側から、導電性シート９、集電板８、絶縁シート７及び締め付け板６がそれぞれ配置されて、燃料電池スタック１とされる。集電板８と複数のセパレータ１０とは直列に接続され、複数の単位電池本体５からの電流が集められることになる。
【００２６】
図２Ｂに示すように、セパレータ１０ａ，１０ｂは金属板材からなり、該金属板材は、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材１０Ｍと、該母材１０Ｍの表面を覆うとともに、母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層１０Ｇとを有するものである。また、図６右に示すように、貴金属被覆層１０Ｇの表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、貴金属被覆層１０Ｇは、貴金属濃度ＣＮが８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度ＣＡから母材のバルク貴金属濃度ＣＢに向けて貴金属濃度ＣＮを漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別される。主要部は、拡散金属成分ＣＦの含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さｔ１が１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって貴金属濃度遷移部の厚さｔ２よりも大きい。
【００２７】
貴金属被覆層１０Ｇの主成分（最も質量含有率の高い成分）となる貴金属は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＲｈの１種又は２種以上にて構成される。このうち、Ａｕ、Ｐｔはいずれも導電性と耐食性の双方に優れ、かつ、メッキ（特に、電解メッキあるいは無電解メッキなどの化学メッキ法）による被覆形成も容易である。特に、Ａｕは耐食性に優れているので好適に採用できる。なお、貴金属被覆層は、最終的に得られる貴金属被覆層の耐食性が過度に損なわれない範囲にて、種々の不純物成分あるいは希釈成分（例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｂ）などが、１０質量％を上限として含有されていてもよい。
【００２８】
他方、母材をなす金属材料は、大気中にて不動態皮膜を形成する金属材料であれば限定されないが、価格及び板材への加工の容易性を考慮して、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０等）、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６等）、Ｎｉ基耐熱合金（Inconel600、625等）、Ｎｉ−Ｆｅ基耐熱合金Incoloy800、825等）、及び純Ｔｉ又はＴｉ合金（Ti-4Al-6V等）のいずれかで構成される。電極層２，４との間にガス流路層を形成する凹部２１は、上記金属板材の板厚方向の屈曲に基づいて形成されたものである。板材の板厚は０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。
【００２９】
母材の板面は、貴金属被覆層によって全面が覆われていてもよいし、被覆面積率が２０％以上確保されている状態であれば、部分的（例えば散点状）に覆われている形態を採用することも可能である。不動態皮膜が形成される素材により母材を構成することで、母材の表面が一部露出する形になっていても、十分な耐食性を確保することができる。これは、貴金属被覆層と母材バルクとの腐食電位差により局部電池が形成され、それによる腐食電流が母材表面の不動態化を促進するためであると考えられる。
【００３０】
以下、セパレータ１０ａ（１０ｂ）の製造方法について説明する。
まず、図３Ａに示すように、圧延等により製造された母材１０Ｍの板材に、貴金属メッキ層として、例えばＡｕメッキ層メッキを、厚さ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下（望ましくは４ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに望ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下）となるように、スパッタリング、真空蒸着、電解メッキ、あるいは無電解メッキにより形成する。そして、上記母材１０Ｍ及びＡｕメッキ層１０Ｇ’からなる板材に対し、Ａｕメッキ層１０Ｇの側から、赤外線ランプを熱源とするイメージ炉６４により、到達目標温度１００℃以上６００℃以下（望ましくは３００℃以上５００℃以下）、加熱時間（つまり、赤外線ランプへのパワー供給時間）を５分以下（例えば１分以上３分以下）に設定して熱処理を行なう。なお、図３Ｂに示すように、上記の板材４５を連続炉５０により加熱し、加熱後の板材を冷却装置４７（個々では、水等の冷媒を噴霧するシャワー式冷却装置を例示しているが、これに限られるものではない）により急冷するようにしてもよい。この場合の加熱時間は、連続炉５０の加熱ゾーンの長さと、板材４５の搬送速度によって決定される。この熱処理により、前述のごとくＡｕメッキ層１０Ｇには母材金属成分が拡散し、主要部（母材からの拡散金属成分の濃度が１質量％以上１５質量％以下）と貴金属濃度遷移部とからなるＡｕ被覆層となる。
【００３１】
Ａｕメッキ層は薄いため少なからぬ膜欠陥（クラック又はピンホール）が存在し、熱処理が終了した後も該膜欠陥は残留しつづける。そこで、熱処理が終了した後、このクラック又はピンホールからなる膜欠陥に露出している母材表面の不動態皮膜を強化するための酸処理を行なう。該酸処理は、上記板材を、例えば硝酸（濃度２０％以上６３％以下）や硝酸と硫酸との混酸（硝酸濃度：２０％以上５０％以下、硫酸の濃度１％以上１０％以下）に浸漬することにより実施できる。
【００３２】
酸処理の終了した板材４５は、カッター等で切断された後、図５に示すように、プレス用金型５１，５１を有したプレス装置へ移送して、前述の凹凸を形成するためのプレス加工を行ない、最終的なセパレータ１０が得られる。プレス加工は冷間加工によって実施される。
（１）貴金属メッキ層の形成→熱処理→酸処理→プレス加工
の順で実施したが、プレス加工の実施順序はこれに限られるものではなく、
（２）貴金属メッキ層の形成→プレス加工→熱処理→酸処理
（３）貴金属メッキ層の形成→熱処理→プレス加工→酸処理
（４）プレス加工→貴金属メッキ層の形成→熱処理→酸処理
のような実施順も可能である。ただし、プレス加工時の貴金属メッキ層の剥離を生じにくくする観点から、（１）、（３）の工程実施順が推奨される。
【００３３】
なお、図２Ｂでは、貴金属被覆層（貴金属被覆層）１０Ｇをセパレータの両面に形成しているが、図１において、高分子電解質膜３と接しない側の貴金属被覆層を省略することも可能である。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、表１に示すごとく、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４）あるいはＮｉ−Ｆｅ基耐熱合金（Incoloy825）種々の母材（厚さ０.１ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ３００ｍｍの薄板材）を用意した。母材の表面には、高周波スパッタリングによりＡｕメッキ層を種々の厚さにて形成し、図３Ｂに示すイメージ炉により１００℃〜７００℃の種々の温度で１分熱処理した（比較のため、熱処理を施さない試験品も作製した）。この母材を２００ｍｍ角に切断し、冷間プレス加工により図２の形状の凹凸を形成し、セパレータの試験品を得た。また、一部の試験品については、硝酸（濃度３０％、温度６０℃）に３０分浸漬した後水洗・乾燥することにより、酸処理（不動態化処理）を実施した。
【００３５】
上記のようにして得られたセパレータにつき、Ａｕ被覆層の側から深さ方向にエッチングしつつオージェ電子分光分析を行ない、Ａｕと母材成分（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等）の深さ方向の濃度分布を測定するとともに、その測定プロファイルから、Ａｕ被覆層の主要部の厚さｔ１と、濃度遷移部の厚さｔ２とを測定し、さらに主要部中の母材からの拡散成分濃度を測定した。また、耐食性は、セパレータを１ｍａｓｓ％硫酸水溶液６００ｍｌ中に入れ、沸騰状態で１週間保持し、腐食液中に溶出した金属イオン量をＩＣＰプラズマ発光分光分析を用いて分析した。以上の結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
実施例品については、いずれも良好な耐食性が実現していることがわかる。図８は、それぞれ実施例５，６及び比較例２に係る試験品の、オージェ電子分光分析法による各成分の深さ方向分析プロファイルである。熱処理温度が６００℃を超えた比較例２の試験品では、主要部の厚さｔ１と濃度遷移部ｔ２との大小関係が実施例とは反転していることがわかる。また、実施例５，６はＡｕ被覆層の外観が黄金色を維持していたが、比較例２は黄金色が喪失し、母材と同じ色をしていた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の燃料電池を積層形態にて模式的に示す図。
【図２Ａ】図１の燃料電池に使用する本発明の金属セパレータの実施形態を示す平面図
【図２Ｂ】図２Ａの金属セパレータの拡大断面図。
【図３Ａ】本発明の金属セパレータの製造工程説明図。
【図３Ｂ】図３Ａに続く工程説明図。
【図４】図３Ｂに続く工程説明図。
【図５】貴金属被覆層の断面模式図。
【図６】貴金属被覆層の深さ方向濃度プロファイルを、熱処理前後で比較して示す模式図。
【図７】過剰な熱処理により、貴金属被覆層へ母材からの成分拡散が進みすぎた状態での深さ方向濃度プロファイルを示す模式図。
【図８】実施例５，６及び比較例２の、オージェ電子分光法による深さ方向濃度プロファイルを比較して示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１ 燃料電池
２ 第一電極層
３ 高分子電解質膜
４ 第二電極層
１０ａ 第一セパレータ
１０ｂ 第二セパレータ
１０Ｇ’Ａｕメッキ層（貴金属メッキ層）
１０Ｇ Ａｕ被覆層（貴金属被覆層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板材からなり、燃料電池の高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、前記電極層との間にガス流路を形成する凹部が板面に形成されてなり、かつ前記金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材と、該母材の表面を覆うとともに、前記母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有し、
前記貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、前記貴金属被覆層は、貴金属濃度が８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度から前記母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別されるとともに、
前記主要部は、前記拡散金属成分の含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さが１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって前記貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きいことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記貴金属がＡｕである請求項１記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記母材をなす金属材料が、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基又はＦｅ基耐熱合金、Ｔｉ又はＴｉ合金からなる請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記母材となる金属板材の表面に２ｎｍを超え１００ｎｍ以下の厚さで、貴金属含有量が８６質量％以上の貴金属メッキ層を形成する貴金属メッキ層形成工程と、前記貴金属メッキ層を形成後の前記母材に対し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で１００℃以上６００℃以下の温度にて５分以内の熱処理を行なう熱処理工程とをこの順序で実施することにより、前記貴金属メッキ層を前記主要部と前記貴金属濃度遷移部とを有する前記貴金属被覆部となすことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記貴金属メッキ層形成工程において、前記貴金属メッキ層をスパッタ又は電気メッキにて形成する請求項４記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記貴金属被覆部はクラック又はピンホールよりなる膜欠陥を有するものであり、前記熱処理工程の後、該膜欠陥に露出する前記主要部の表面の不動態皮膜を強化する酸処理工程を実施する請求項４記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記酸処理において硝酸を含有する酸を使用する請求項５記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項８】
高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、前記第一電極層上に積層されるとともに、前記凹部により燃料ガス用のガス拡散層を形成する第一セパレータと、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、前記第二電極層上に積層されるとともに、前記凹部により酸化剤ガス用のガス拡散層を形成する第二セパレータと、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
金属板材からなり、燃料電池の高分子電解質膜を覆う電極層上に片側の板面を積層することにより、前記電極層との間にガス流路を形成する凹部が板面に形成されてなり、かつ前記金属材料板材が、大気中にて表面に不動態皮膜が形成される金属材料にて構成された板状の母材と、該母材の表面を覆うとともに、前記母材からの拡散金属成分を含有する貴金属被覆層とを有し、
前記貴金属被覆層の表層側から貴金属濃度をオージェ電子分光分析法により深さ方向に分析したときに、前記貴金属被覆層は、貴金属濃度が８５質量％以上９９.８質量％の範囲内で深さ方向に一定となる主要部と、該主要部の貴金属濃度から前記母材のバルク貴金属濃度率に向けて貴金属濃度を漸減させる貴金属濃度遷移部とが識別されるとともに、
前記主要部は、前記拡散金属成分の含有量が０.２質量％以上１５質量％以下であり、かつ厚さが１ｎｍを超え１００ｎｍ以下であって前記貴金属濃度遷移部の厚さよりも大きいことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記貴金属がＡｕである請求項１記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記母材をなす金属材料が、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基又はＦｅ基耐熱合金、Ｔｉ又はＴｉ合金からなる請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記母材となる金属板材の表面に２ｎｍを超え１００ｎｍ以下の厚さで、貴金属含有量が８６質量％以上の貴金属メッキ層を形成する貴金属メッキ層形成工程と、前記貴金属メッキ層を形成後の前記母材に対し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で１００℃以上６００℃以下の温度にて５分以内の熱処理を行なう熱処理工程とをこの順序で実施することにより、前記貴金属メッキ層を前記主要部と前記貴金属濃度遷移部とを有する前記貴金属被覆部となすことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記貴金属メッキ層形成工程において、前記貴金属メッキ層をスパッタ又は電気メッキにて形成する請求項４記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記貴金属被覆部はクラック又はピンホールよりなる膜欠陥を有するものであり、前記熱処理工程の後、該膜欠陥に露出する前記主要部の表面の不動態皮膜を強化する酸処理工程を実施する請求項４記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記酸処理において硝酸を含有する酸を使用する請求項５記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項８】
高分子電解質膜と、その第一主表面を覆う第一電極層と、同じく第二主表面を覆う第二電極層と、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、前記第一電極層上に積層されるとともに、前記凹部により燃料ガス用のガス拡散層を形成する第一セパレータと、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータとして構成され、前記第二電極層上に積層されるとともに、前記凹部により酸化剤ガス用のガス拡散層を形成する第二セパレータと、
を有することを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３２３９８８（Ｐ２００７−３２３９８８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５３５６３（Ｐ２００６−１５３５６３）
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
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