表面にコーティング膜が形成された燃料電池用金属分離板及びその製造方法
【課題】本発明では、初期のみならず、燃料電池の作動環境で長時間使用する場合にも、耐食性及び電気伝導性に優れた燃料電池用金属分離板の製造方法が提供される。
【解決手段】本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、ステンレス鋼板母材を用意すること；前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること；及び前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成すること；を含む。
また、前記方法によって製造される表面にコーティング膜が形成された燃料電池用金属分離板も提供される。
【解決手段】本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、ステンレス鋼板母材を用意すること；前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること；及び前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成すること；を含む。
また、前記方法によって製造される表面にコーティング膜が形成された燃料電池用金属分離板も提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属分離板及びその製造方法に関するもので、より詳細には、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の分離板に使用され、耐食性、伝導性及びこれらに対する耐久性に優れる表面にコーティング膜が形成された高分子電解質燃料電池用金属分離板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単位セルは、電圧が低いことから実用性に劣るので、一般に数個〜数百個の単位セルを積層して使用する。単位セルの積層時、単位セル間の電気的接続を行い、反応ガスを分離させる役割をするものが分離板である。
【０００３】
分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と共に、燃料電池の核心部品であって、膜電極接合体と気体拡散層（ＧＤＬ）の構造的支持、発生した電流の収集及び伝達、反応ガスの輸送及び除去、反応熱を除去するための冷却水輸送などの多様な役割をする。
【０００４】
これによって、分離板が持つべき素材特性としては、優れた電気伝導性、熱伝導性、ガス密閉性、及び化学的安定性などがある。
【０００５】
このような分離板は、その素材として黒鉛系素材及び樹脂と黒鉛を混合した複合黒鉛材料を用いて製造してきた。
【０００６】
しかし、黒鉛系分離板は、強度及び密閉性が金属系素材に比べて低い特性を示し、特に、これを用いた分離板の製造時における高い工程費用及び低い量産性のため、最近は金属系分離板に対する研究が活発に進行されている。
【０００７】
分離板の素材として金属系を適用する場合、分離板の厚さ減少を通した燃料電池スタックの体積減少及び軽量化が可能であり、スタンピングなどを用いた製造が可能であるので、大量生産性を確保できるという長所がある。
【０００８】
しかし、燃料電池の使用時に発生する金属の腐食は、膜電極接合体の汚染を誘発し、燃料電池スタックの性能を低下させる要因として作用し得る。また、長時間使用するときの金属表面での厚い酸化膜の成長は、燃料電池の内部抵抗を増加させる要因として作用し得る。
【０００９】
燃料電池分離板用金属素材としては、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金及びニッケル合金などが候補材料として検討されている。このうちステンレス鋼は、比較的低廉な素材原価及び優れた耐食性などによって分離板の素材として多く注目されているが、依然として耐食性及び電気伝導性の側面で満足するほどの水準に達していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、初期のみならず、高温―多湿な燃料電池の作動環境に長時間露出する場合にも、耐食性及び接触抵抗がＤＯＥ（米国エネルギー省）基準を満足できる燃料電池用金属分離板及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明が達成しようとする技術的課題は、以上の言及した各技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から当業者に明確に理解されるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記燃料電池用金属分離板の製造方法は、ステンレス鋼板母材を用意すること、前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること、及び前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成することを含むことを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記不連続的なコーティング膜は、５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とし、前記熱処理は８０〜３００℃の温度範囲で行われることを特徴とし、前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とし、前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とし、前記熱処理は１０分〜３時間の範囲で行われることを特徴とし、前記熱処理は、真空状態、大気中及び酸素雰囲気のうちいずれか一つの条件で行われることを特徴とする。
【００１４】
併せて、本発明に係る燃料電池用金属分離板は、ステンレス鋼板母材と、前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜と、前記コーティング膜が形成されていない部分に形成される酸化膜とを含むことを特徴とする。
【００１５】
併せて、前記燃料電池用金属分離板の腐食電流は１μＡ／ｃｍ2以下で、接触抵抗は断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の値を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって製造される燃料電池用金属分離板は、初期のみならず、燃料電池の作動環境で長時間使用する場合にも、耐食性及び電気伝導性に非常に優れる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、価格が低廉な通常のステンレス鋼板母材を使用する場合にも、優れた耐久性を得られる表面処理が可能になり、金属分離板の製造単価を下げることができる。
【００１８】
本発明によって製造される燃料電池用金属分離板は、１μＡ／ｃｍ2以下の腐食電流、断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の接触抵抗値を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【図２】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図３】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図４】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図５】図３の断面を示した断面図である。
【図６】図４の断面を示した断面図である。
【図７】本発明に係るステンレス鋼板の接触抵抗を測定する接触抵抗測定装置を示した概略図である。
【図８】本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【図９】本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【図１０】本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【図１２】本発明に係る実施例１と比較例２に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、その他の各実施例の具体的な事項は、詳細な説明及び添付の各図面に含まれている。
【００２１】
また、図面において、層、膜又は各領域の大きさや厚さは、明細書の明確性のために誇張して記述したものであり、一つの膜又は層が他の膜又は層の「上に」形成されると記載した場合、前記一つの膜又は層が前記他の膜又は層の上に直接存在することもあり、それらの間に第３の他の膜又は層が介在することもある。
【００２２】
図１は、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【００２３】
図１を参照すると、ステンレス鋼板からなる母材を用意する段階（Ｓ１１０）と、ステンレス鋼板母材の表面に不連続的なコーティング膜を形成する段階（Ｓ１２０）とを行う。このとき、不連続的なコーティング膜は、ナノパーティクルからなり、金属分離板の伝導性及び耐食性を向上させる役割をする。しかし、不連続的な形態によってステンレス鋼板が直接露出する部分が形成されることがあり、このような部分では耐食性が低下し得るので、ステンレス鋼板を熱処理する段階（Ｓ１３０）を行い、不連続的なコーティング膜が形成されていない領域、すなわち、不連続的なコーティング膜間の領域に酸化膜をさらに形成する。
【００２４】
ここで、前記ナノパーティクルは１０ｎｍ〜１μｍの大きさを有する粒子をいい、伝導性向上のための経済的な側面を考慮して５〜５００μｇ／ｃｍ2の密度を有するようにコーティングされたため、不可避に不連続的な形態を有するようになる。すなわち、ステンレス鋼板母材の表面に密度の高いコーティング膜をさらに形成する場合、その費用が増加するようになる。
【００２５】
ところが、このような費用の最小化を目的とすると、不連続的なコーティング膜形態になる。
【００２６】
これによって、ステンレス鋼板母材の表面が直接露出する部分が発生するようになる。
【００２７】
併せて、ステンレス鋼板母材の表面が直接露出する部分に形成される酸化膜は、ステンレス鋼板内に含まれる各金属成分から選択された一つ以上の成分に対する酸化膜形態になる。
【００２８】
次に、前記のような工程の流れによる具体的な実施例を説明する。
【００２９】
まず、図２〜図４は、図１の各工程段階の工程斜視図である。併せて、図５は、図３の断面を示した断面図で、図６は、図４の断面を示した断面図である。
【００３０】
図２を参照すると、本発明に係る燃料電池用金属分離板を製造するための最初の段階で、ステンレス鋼板母材２００を用意する。
【００３１】
本工程段階で使用されるステンレス鋼板母材２００は、１６〜２８ｗｔ％のクロム成分を含むステンレス鋼板であることが望ましく、１８ｗｔ％内外のクロム成分を含むステンレス鋼板であることがより望ましい。
【００３２】
ステンレス鋼板母材２００を構成する具体的な成分としては、０．０８ｗｔ％以下の炭素（Ｃ）、１６〜２８ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、０．１〜２０ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、０．１〜６ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、０．１〜５ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、０．１〜２ｗｔ％のスズ（Ｓｎ）、０．１〜２ｗｔ％の銅及びその他残量として含まれる鉄（Ｆｅ）を挙げることができる。そして、より具体的な実施例として、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ ３１６Ｌ、０．２ｔを用いることが望ましい。
【００３３】
次に、図３は、ステンレス鋼板母材２００の表面に不連続的なコーティング膜２２０を形成する段階を行った状態を示したものである。以下では、不連続的なコーティング膜２２０を形成する理由を説明する。
【００３４】
ステンレス鋼板母材２００の表面が高温―多湿な燃料電池の作動環境で長時間露出する場合、ステンレス鋼板母材２００の表面に金属酸化物成分が形成される。ところが、金属酸化物は、耐食性を維持できるが、伝導性には漸次悪影響を及ぼすようになる。したがって、本発明では、耐食性及び伝導度の両方に優れた物質を用いて不連続的なコーティング膜２２０を形成する。その結果、初期のみならず、長時間使用時にも優れた耐食性と伝導性を有する燃料電池分離板を製造できるようになった。
【００３５】
本発明に適用された耐食性及び伝導度に優れた物質としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうちいずれか一つを使用することが望ましい。
【００３６】
併せて、不連続的なコーティング膜２２０の製造方法に対する実施例では、電解めっき、無電解めっき及びＰＶＤ工程から選択されたいずれか一つを使用することができる。このとき、不連続的なコーティング膜２２０のコーティング密度は５〜５００μｇ／ｃｍ2にすることが望ましい。
【００３７】
コーティング密度が５μｇ／ｃｍ2未満である場合、目標とする伝導性を確保できないおそれがあり、コーティング密度が５００μｇ／ｃｍ2を超える場合、コーティング量の増加分に比例するほどの伝導性向上効果が示されず、実効性が低下するという問題があり得る。したがって、本発明では、コーティング密度を決定する工程が重要な部分を占めており、その測定方法は下記のように行った。
【００３８】
本発明に係る金（Ａｕ）コーティング密度は、金ナノパーティクルコーティング鋼板母材（金属分離板）を王水３リットルに溶解させ、ＡＡＳ（Ａｔｏｍｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装備を用いて金イオン濃度を測定した後、下記のような数学式１を用いて計算した。
【００３９】
【数１】
【００４０】
このとき、コーティング膜２２０は、図３及び図５に示したように不連続的な形態で形成される。一般には、図示した形態のみでも、分離板が要求する目標特性を確保可能である。しかし、本発明で要求する１μＡ／ｃｍ2以下の腐食電流、断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の接触抵抗値を安定的に確保するためには、熱処理工程による酸化膜形成工程を行わなければならない。
【００４１】
図４は、酸化膜形成のために熱処理する工程を示した斜視図で、図６は図４の断面図である。
【００４２】
図４及び図６を参照すると、不連続的なコーティング膜２２０が形成されていない部分のステンレス鋼板母材２００の表面に熱処理工程による酸化膜２３０がさらに形成されたことが分かる。
【００４３】
このように、本発明に係る燃料電池用金属分離板は、不連続的なコーティング膜２２０及び酸化膜２３０によって完璧に遮断された形態を有するので、優れた耐食性を確保できるようになる。
【００４４】
ここで、熱処理工程は、８０〜３００℃の温度範囲で１０分〜３時間行うことが望ましい。また、雰囲気ガスは、真空状態、大気状態及び酸素ガス雰囲気のうち少なくとも一つの条件範囲以内であることが望ましい。
【００４５】
本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、以上説明した通りであり、上述した燃料電池用金属分離板の製造方法によると、初期のみならず、燃料電池の作動環境で長時間使用する場合にも、耐食性及び電気伝導性に非常に優れた分離板を製造することができる。
【００４６】
それに対する結果として、ステンレス鋼板母材２００と、ステンレス鋼板母材２００の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜２２０と、不連続的なコーティング膜２２０が形成されていない部分に形成される酸化膜２３０とを含む燃料電池用金属分離板構造が完成する。
【００４７】
以下では、本発明の実施例及び比較例に係る燃料電池用金属分離板及びその製造方法について説明する。そして、耐食性測定のために腐食電流を測定する方法及び伝導性測定のために接触抵抗を測定する方法について説明する。
【００４８】
本発明に係るステンレス鋼板母材として３１６Ｌを使用し、ステンレス鋼板母材の表面に不連続的なコーティング膜を形成することによって伝導性を確保し、熱処理工程による酸化膜を形成することによって耐食性を確保できるようにする。このとき、経済的でありながらも最適の効率を得られるコーティング膜形成及び酸化膜形成条件を得るために、次のような実験をした。
【００４９】
１．接触抵抗の測定
【００５０】
まず、伝導性測定のために接触抵抗を測定し、次のような接触抵抗測定装置を用いた。
【００５１】
図７は、本発明に係るステンレス鋼板の接触抵抗を測定する接触抵抗測定装置を示した概略図である。
【００５２】
図７を参照すると、ステンレス鋼板５００の接触抵抗を測定するとき、セル締結のための最適化された定数を得るために修正されたデイヴィス方法（Ｄａｖｉｅｓ ｍｅｔｈｏｄ）をステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ：ＳＳ）とカーボンペーパーとの間の接触抵抗を測定するために使用した。
【００５３】
接触抵抗は、４点法（ｆｏｕｒ―ｗｉｒｅ ｃｕｒｒｅｎｔ―ｖｏｌｔａｇｅ）測定原理を用いてＺａｈｎｅｒ社のＩＭ６装備で測定した。
【００５４】
測定方法は、定電流モードで測定領域０．５Ａの振幅及び２５ｃｍ2の電極面積を有するＤＣ電流を５Ａとし、１０ｋＨｚから１０ｍＨｚまでの範囲で接触抵抗を測定した。
【００５５】
カーボンペーパーとしてはＳＧＬ社の１０ＢＢを使用した。
【００５６】
前記接触抵抗測定装置５０は、カーボンペーパー５２０と、試片５００を挟んでそれぞれ上下に設けられる金がめっきされた銅プレート５１０と、前記銅プレート５１０に連結される電流供給装置５３０及び電圧測定装置５４０とを含んでいる。
【００５７】
前記試片５００に電流を供給できる電流供給装置５３０（Ｚａｈｎｅｒ社のＩＭ６）で、０．５Ａの振幅及び２５ｃｍ2の電極面積を有する５ＡのＤＣ電流を印加して電圧を測定した。
【００５８】
そして、前記接触抵抗測定装置５０の銅プレート５１０の上下には、前記試片５００、カーボンペーパー５２０及び銅プレート５１０が積層構造を有するように圧力を提供できる圧力器（Ｉｎｓｔｒｏｎ社のモデル５５６６、圧縮維持試験）を設ける。前記圧力器は、前記接触抵抗測定装置５０に５０〜１５０Ｎ／ｃｍ2の圧力を提供する。
【００５９】
このように設けられた接触抵抗測定装置５０で測定した結果は、下記の図８に示した。
【００６０】
図８は、本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【００６１】
図８では、本発明に係るコーティング膜による純粋な伝導特性を調査するために熱処理工程を行っていない。
【００６２】
金属としては金（Ａｕ）を使用し、コーティング密度（Ｍａｓｓ ｏｆ Ａｕ ｄｅｐｏｓｉｔ（μｇ／ｃｍ2））は３〜１０００μｇ／ｃｍ2の範囲にし、接触抵抗（ＩＲＣ）の目標値は１００Ｎ／ｃｍ2の圧力で断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2にした。
【００６３】
図８を参照すると、金（Ａｕ）コーティング密度が５〜５００μｇ／ｃｍ2の範囲で目標値範囲内の接触抵抗特性を示しており、５００μｇ／ｃｍ2と１０００μｇ／ｃｍ2を比較すると、抵抗減少値は極めて微々たるものであるので、金（Ａｕ）コーティング密度が５００μｇ／ｃｍ2を超える場合、コーティング量の増加のための費用に対比して効率が低下することが分かる。
【００６４】
したがって、本発明に係る不連続的なコーティング膜は、５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有するように形成することが望ましい。
【００６５】
次に、本発明に係る燃料電池用金属分離板に熱処理工程が及ぼす影響を測定するために、次のような腐食電流密度を測定した。
【００６６】
２．腐食電流密度の測定
【００６７】
本発明に係る燃料電池用金属分離板の腐食電流密度（以下、「腐食電流」という。）を測定する測定装備としてはＥＧ＆Ｇ ２７３Ａを使用した。腐食耐久性実験は、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）のシミュレーション環境下で行われた。
【００６８】
本発明に係るステンレス鋼板を腐食させる実験溶液としては、８０℃の０．１Ｎ Ｈ2ＳＯ4＋２ｐｐｍ ＨＦ溶液を使用し、Ｏ2バブリングを１時間行った後、ＯＣＰ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）−０．２５Ｖ〜１Ｖ ｖｓ ＳＣＥ範囲で測定した。
【００６９】
そして、ＰＥＦＣアノード環境に対して−０．２４Ｖ ｖｓ ＳＣＥ、カソード環境（ＳＣＥ：Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｃａｌｏｍｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に対して０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥで物性測定をした。
【００７０】
ここで、前記物性測定の比較は、燃料電池環境と類似したカソード環境の０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥの腐食電流データを通して比較・評価した。
【００７１】
前記アノード環境は、水素が膜―電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）で水素イオンと電子に分離される反応が生じる環境であり、前記カソード環境は、酸素が水素イオン及び電子と結合して水を生成する反応が生じる環境である。
【００７２】
ここで、前記のような条件のように、カソード環境は、その電位が高く、より苛酷な腐食条件であるので、カソード環境を基準にして耐食性を試験することが望ましい。
【００７３】
そして、高分子電解質燃料電池に適用するためには、ステンレス鋼板の腐食電流密度が１μＡ／ｃｍ2以下であることが望ましい。
【００７４】
図９は、本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【００７５】
図９では、純粋な耐食性特性を測定するために不連続的なコーティング膜は形成しておらず、５０℃〜４００℃の範囲内で３０分間熱処理工程を行った。このとき、腐食電流密度の目標値を１μＡ／ｃｍ2以下の値に設定して測定した結果、５０℃であるときに基準値を超えるようになり、８０℃以上の温度で目標とした耐食性を得ることができた。
【００７６】
併せて、３００℃と４００℃の温度を比較すると、腐食電流密度減少値が非常に微々たるものであった。熱処理工程で温度が増加するほど加熱のためのエネルギー消費が増加するが、３００℃を超える熱処理工程の場合、腐食電流密度減少値の変化がほとんどないので、その実効性が低下することが分かる。したがって、本発明に係る熱処理温度の範囲は８０〜３００℃に設定することが望ましい。
【００７７】
本発明では、前記のような実験を行い、本発明を実施するための最適な条件を確定し、以下では、前記条件を適用した具体的な実施例及び比較例を挙げてその適切性を評価する。
【００７８】
＜実施例及び比較例＞
【００７９】
実施例１
【００８０】
ステンレス素材（３１６Ｌ）の金属分離板に形成される不連続的な形態の金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５μｇ／ｃｍ2にした。そして、熱処理は８０℃、１５０℃、２００℃、３００℃、４００℃の温度でそれぞれ行い、コーティング密度を主要な特性とする意味で、これらを一つの実施例として表示した。最後に、熱処理は酸素雰囲気で３０分間行った。
【００８１】
実施例２
【００８２】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００８３】
実施例３
【００８４】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を１００μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００８５】
実施例４〜６
【００８６】
白金（Ｐｔ）（実施例４）、イリジウム（Ｉｒ）（実施例５）及びルテニウム（Ｒｕ）（実施例６）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、それぞれ真空雰囲気の８０℃で１０分間行った。
【００８７】
実施例７及び８
【００８８】
酸化イリジウム（Ｉｒ）（実施例７）及び酸化ルテニウム（Ｒｕ）（実施例８）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、それぞれ酸素雰囲気の１００℃で３時間行った。
【００８９】
比較例１
【００９０】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を１０００μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００９１】
比較例２
【００９２】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を３μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００９３】
比較例３
【００９４】
不連続的な形態の金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、大気雰囲気の５０℃で３０分間行った。
【００９５】
Ａ．燃料電池シミュレーション環境の腐食電流密度及び接触抵抗評価
【００９６】
（Ａ―１）シミュレーション環境の腐食電流密度評価
【００９７】
上述した実施例１、実施例２、実施例３、比較例１及び比較例２に係る燃料電池金属分離板の腐食電流密度評価のための環境シミュレーションには、ＥＧ＆Ｇ ２７３Ａを使用した。図９を参照して説明したように、熱処理は８０〜４００℃の温度で行い、８０℃の０．１Ｎ Ｈ2ＳＯ4＋２ｐｐｍ ＨＦ溶液に試片を装入し、Ｏ2バブリングを１時間行った後、試片に０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥの定電圧を印加した。一定時間の間定電圧を印加した後、試片の腐食電流密度を測定した。
【００９８】
図１０は、本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【００９９】
図１０で全ての実施例及び比較例を比較すると、金コーティング膜を形成した後、熱処理工程を行う場合、燃料電池用金属分離板の特性が比較的安定的に示されることが分かる。
【０１００】
また、比較例３の場合、図示してはいないが、腐食電流密度が１．７μＡ／ｃｍ2の値を示し、これは、各実施例の場合に比べて著しく高い腐食電流密度である。したがって、耐食性が著しく低下することが分かるが、その主要原因は、各実施例に比べて低い温度である５０℃で熱処理したためである。
【０１０１】
そして、金コーティングを厚く行った比較例１の場合、実施例３とほぼ同一の数値範囲を示しているので、費用増加分に対比して効率が微々たるものであり、実効性が低下することが分かる。
【０１０２】
（Ａ―２）シミュレーション環境の接触抵抗評価
【０１０３】
上述した実施例１、実施例２、実施例３、比較例１及び比較例２に係る燃料電池金属分離板の接触抵抗評価のための環境シミュレーションは、図８の場合と同一に行い、その結果を下記の図１１に示した。
【０１０４】
図１１は、本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【０１０５】
図１１を参照すると、本発明に係る不連続的なコーティング膜の形成時、コーティング密度の基準値を充足できなかった比較例２の場合、接触抵抗が非常に高く示されることから伝導性が非常に低下したことが分かる。
【０１０６】
また、本発明に係るコーティング密度の基準値を超えた比較例１の場合、実施例３の場合とほぼ同一の接触抵抗を示しているので、費用増加分に対比して効率が微々たるものであり、実効性が低下することが分かる。
【０１０７】
したがって、本発明では、上述した各評価結果を組み合わせ、燃料電池用金属分離板の製造に最適な条件を見出し、最終的に、それら結果を適用して製造した燃料電池用金属分離板の長期耐久性を評価した。
【０１０８】
Ｂ．燃料電池用金属分離板の長期耐久性評価
【０１０９】
（Ｂ―１）長期耐久性評価方法
【０１１０】
反応ガスの供給のためにサーペンタイン流路を有する分離板を使用し、分離板間に膜―電極接合体（Ｇｏｒｅ社のモデル５７１０）とガス拡散層（ＳＧＬ社のモデル１０ＢＡ）を置いた後、一定圧力で締結して燃料電池セルを製作した。
【０１１１】
燃料電池の性能評価は単位セルを用いて行ったが、燃料電池運転装置としてはＮＳＥ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｉｏｎ ７００Ｗ ｃｌａｓｓを使用し、燃料電池性能評価のための電子負荷装置としてＫＩＫＵＳＵＩ Ｅ―Ｌｏａｄを使用し、１Ａ／ｃｍ2で１５秒サイクルの電流を２０００時間まで持続的に印加した。
【０１１２】
反応ガスとしては水素と空気を使用し、流量は、電流によって水素１．５、空気２．０の化学量論比を一定に維持し、１００％の相対湿度で加湿した後で反応ガスを供給した。加湿器とセルの温度は６５℃に一定に維持し、大気圧条件下で性能を評価した。このとき、作動面積は２５ｃｍ2、作動圧力は１ａｔｍであった。
【０１１３】
（Ｂ―２）長期耐久性評価結果
【０１１４】
図１２は、本発明に係る実施例及び比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を示したグラフである。
【０１１５】
ここで、実施例２（コーティング密度５０μｇ／ｃｍ2）では、１５０℃の酸素雰囲気で３０分間熱処理した分離板を使用し、比較例２（コーティング密度３μｇ／ｃｍ2）では、１５０℃の酸素雰囲気で３０分間熱処理した分離板を使用した。そして、比較例３に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を比較して下記の図１２に示した。
【０１１６】
併せて、前記実施例４〜実施例８に対する長期耐久性評価を行い、その結果を下記の表１に示した。
【０１１７】
【表１】
【０１１８】
まず、図１２を参照すると、比較例２の場合、電流密度１Ａ／ｃｍ2を印加したときの発生電圧が０．５９Ｖ程度であって、実施例２の０．６９Ｖに比べて非常に低く、２，０００時間が経過した後にも類似する発生電圧差を示す。これは、比較例２の伝導性が実施例２の伝導性より低いことから示される結果である。すなわち、比較例２の場合、接触抵抗が著しく高いので、初期から著しく低い燃料電池性能を示している。
【０１１９】
そして、比較例３の場合、初期には実施例２に準じる発生電圧を示すが、時間の経過とともに発生電圧の低下が著しく生じる。このような結果は、伝導性が類似する一方、耐食性が低いことから示される結果である。
【０１２０】
次に、前記表１に示した結果から分かるように、本発明に係る全ての実施例は、類似する耐久性を有している。これは、図１２にも同一に示しており、各比較例と対比すると、著しく優れた燃料電池性能を示すことが分かる。
【０１２１】
したがって、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、価格が低廉な通常のステンレス鋼板母材を使用する場合にも、優れた耐久性を得られる表面処理が可能であり、金属分離板の製造単価を下げるとともに高効率の燃料電池を製造することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属分離板及びその製造方法に関するもので、より詳細には、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の分離板に使用され、耐食性、伝導性及びこれらに対する耐久性に優れる表面にコーティング膜が形成された高分子電解質燃料電池用金属分離板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単位セルは、電圧が低いことから実用性に劣るので、一般に数個〜数百個の単位セルを積層して使用する。単位セルの積層時、単位セル間の電気的接続を行い、反応ガスを分離させる役割をするものが分離板である。
【０００３】
分離板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と共に、燃料電池の核心部品であって、膜電極接合体と気体拡散層（ＧＤＬ）の構造的支持、発生した電流の収集及び伝達、反応ガスの輸送及び除去、反応熱を除去するための冷却水輸送などの多様な役割をする。
【０００４】
これによって、分離板が持つべき素材特性としては、優れた電気伝導性、熱伝導性、ガス密閉性、及び化学的安定性などがある。
【０００５】
このような分離板は、その素材として黒鉛系素材及び樹脂と黒鉛を混合した複合黒鉛材料を用いて製造してきた。
【０００６】
しかし、黒鉛系分離板は、強度及び密閉性が金属系素材に比べて低い特性を示し、特に、これを用いた分離板の製造時における高い工程費用及び低い量産性のため、最近は金属系分離板に対する研究が活発に進行されている。
【０００７】
分離板の素材として金属系を適用する場合、分離板の厚さ減少を通した燃料電池スタックの体積減少及び軽量化が可能であり、スタンピングなどを用いた製造が可能であるので、大量生産性を確保できるという長所がある。
【０００８】
しかし、燃料電池の使用時に発生する金属の腐食は、膜電極接合体の汚染を誘発し、燃料電池スタックの性能を低下させる要因として作用し得る。また、長時間使用するときの金属表面での厚い酸化膜の成長は、燃料電池の内部抵抗を増加させる要因として作用し得る。
【０００９】
燃料電池分離板用金属素材としては、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金及びニッケル合金などが候補材料として検討されている。このうちステンレス鋼は、比較的低廉な素材原価及び優れた耐食性などによって分離板の素材として多く注目されているが、依然として耐食性及び電気伝導性の側面で満足するほどの水準に達していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、初期のみならず、高温―多湿な燃料電池の作動環境に長時間露出する場合にも、耐食性及び接触抵抗がＤＯＥ（米国エネルギー省）基準を満足できる燃料電池用金属分離板及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明が達成しようとする技術的課題は、以上の言及した各技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から当業者に明確に理解されるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記燃料電池用金属分離板の製造方法は、ステンレス鋼板母材を用意すること、前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること、及び前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成することを含むことを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記不連続的なコーティング膜は、５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とし、前記熱処理は８０〜３００℃の温度範囲で行われることを特徴とし、前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とし、前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とし、前記熱処理は１０分〜３時間の範囲で行われることを特徴とし、前記熱処理は、真空状態、大気中及び酸素雰囲気のうちいずれか一つの条件で行われることを特徴とする。
【００１４】
併せて、本発明に係る燃料電池用金属分離板は、ステンレス鋼板母材と、前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜と、前記コーティング膜が形成されていない部分に形成される酸化膜とを含むことを特徴とする。
【００１５】
併せて、前記燃料電池用金属分離板の腐食電流は１μＡ／ｃｍ2以下で、接触抵抗は断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の値を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって製造される燃料電池用金属分離板は、初期のみならず、燃料電池の作動環境で長時間使用する場合にも、耐食性及び電気伝導性に非常に優れる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、価格が低廉な通常のステンレス鋼板母材を使用する場合にも、優れた耐久性を得られる表面処理が可能になり、金属分離板の製造単価を下げることができる。
【００１８】
本発明によって製造される燃料電池用金属分離板は、１μＡ／ｃｍ2以下の腐食電流、断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の接触抵抗値を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【図２】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図３】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図４】図１の各工程段階の工程斜視図である。
【図５】図３の断面を示した断面図である。
【図６】図４の断面を示した断面図である。
【図７】本発明に係るステンレス鋼板の接触抵抗を測定する接触抵抗測定装置を示した概略図である。
【図８】本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【図９】本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【図１０】本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【図１２】本発明に係る実施例１と比較例２に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、その他の各実施例の具体的な事項は、詳細な説明及び添付の各図面に含まれている。
【００２１】
また、図面において、層、膜又は各領域の大きさや厚さは、明細書の明確性のために誇張して記述したものであり、一つの膜又は層が他の膜又は層の「上に」形成されると記載した場合、前記一つの膜又は層が前記他の膜又は層の上に直接存在することもあり、それらの間に第３の他の膜又は層が介在することもある。
【００２２】
図１は、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【００２３】
図１を参照すると、ステンレス鋼板からなる母材を用意する段階（Ｓ１１０）と、ステンレス鋼板母材の表面に不連続的なコーティング膜を形成する段階（Ｓ１２０）とを行う。このとき、不連続的なコーティング膜は、ナノパーティクルからなり、金属分離板の伝導性及び耐食性を向上させる役割をする。しかし、不連続的な形態によってステンレス鋼板が直接露出する部分が形成されることがあり、このような部分では耐食性が低下し得るので、ステンレス鋼板を熱処理する段階（Ｓ１３０）を行い、不連続的なコーティング膜が形成されていない領域、すなわち、不連続的なコーティング膜間の領域に酸化膜をさらに形成する。
【００２４】
ここで、前記ナノパーティクルは１０ｎｍ〜１μｍの大きさを有する粒子をいい、伝導性向上のための経済的な側面を考慮して５〜５００μｇ／ｃｍ2の密度を有するようにコーティングされたため、不可避に不連続的な形態を有するようになる。すなわち、ステンレス鋼板母材の表面に密度の高いコーティング膜をさらに形成する場合、その費用が増加するようになる。
【００２５】
ところが、このような費用の最小化を目的とすると、不連続的なコーティング膜形態になる。
【００２６】
これによって、ステンレス鋼板母材の表面が直接露出する部分が発生するようになる。
【００２７】
併せて、ステンレス鋼板母材の表面が直接露出する部分に形成される酸化膜は、ステンレス鋼板内に含まれる各金属成分から選択された一つ以上の成分に対する酸化膜形態になる。
【００２８】
次に、前記のような工程の流れによる具体的な実施例を説明する。
【００２９】
まず、図２〜図４は、図１の各工程段階の工程斜視図である。併せて、図５は、図３の断面を示した断面図で、図６は、図４の断面を示した断面図である。
【００３０】
図２を参照すると、本発明に係る燃料電池用金属分離板を製造するための最初の段階で、ステンレス鋼板母材２００を用意する。
【００３１】
本工程段階で使用されるステンレス鋼板母材２００は、１６〜２８ｗｔ％のクロム成分を含むステンレス鋼板であることが望ましく、１８ｗｔ％内外のクロム成分を含むステンレス鋼板であることがより望ましい。
【００３２】
ステンレス鋼板母材２００を構成する具体的な成分としては、０．０８ｗｔ％以下の炭素（Ｃ）、１６〜２８ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、０．１〜２０ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、０．１〜６ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、０．１〜５ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、０．１〜２ｗｔ％のスズ（Ｓｎ）、０．１〜２ｗｔ％の銅及びその他残量として含まれる鉄（Ｆｅ）を挙げることができる。そして、より具体的な実施例として、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ ３１６Ｌ、０．２ｔを用いることが望ましい。
【００３３】
次に、図３は、ステンレス鋼板母材２００の表面に不連続的なコーティング膜２２０を形成する段階を行った状態を示したものである。以下では、不連続的なコーティング膜２２０を形成する理由を説明する。
【００３４】
ステンレス鋼板母材２００の表面が高温―多湿な燃料電池の作動環境で長時間露出する場合、ステンレス鋼板母材２００の表面に金属酸化物成分が形成される。ところが、金属酸化物は、耐食性を維持できるが、伝導性には漸次悪影響を及ぼすようになる。したがって、本発明では、耐食性及び伝導度の両方に優れた物質を用いて不連続的なコーティング膜２２０を形成する。その結果、初期のみならず、長時間使用時にも優れた耐食性と伝導性を有する燃料電池分離板を製造できるようになった。
【００３５】
本発明に適用された耐食性及び伝導度に優れた物質としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうちいずれか一つを使用することが望ましい。
【００３６】
併せて、不連続的なコーティング膜２２０の製造方法に対する実施例では、電解めっき、無電解めっき及びＰＶＤ工程から選択されたいずれか一つを使用することができる。このとき、不連続的なコーティング膜２２０のコーティング密度は５〜５００μｇ／ｃｍ2にすることが望ましい。
【００３７】
コーティング密度が５μｇ／ｃｍ2未満である場合、目標とする伝導性を確保できないおそれがあり、コーティング密度が５００μｇ／ｃｍ2を超える場合、コーティング量の増加分に比例するほどの伝導性向上効果が示されず、実効性が低下するという問題があり得る。したがって、本発明では、コーティング密度を決定する工程が重要な部分を占めており、その測定方法は下記のように行った。
【００３８】
本発明に係る金（Ａｕ）コーティング密度は、金ナノパーティクルコーティング鋼板母材（金属分離板）を王水３リットルに溶解させ、ＡＡＳ（Ａｔｏｍｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装備を用いて金イオン濃度を測定した後、下記のような数学式１を用いて計算した。
【００３９】
【数１】
【００４０】
このとき、コーティング膜２２０は、図３及び図５に示したように不連続的な形態で形成される。一般には、図示した形態のみでも、分離板が要求する目標特性を確保可能である。しかし、本発明で要求する１μＡ／ｃｍ2以下の腐食電流、断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2以下の接触抵抗値を安定的に確保するためには、熱処理工程による酸化膜形成工程を行わなければならない。
【００４１】
図４は、酸化膜形成のために熱処理する工程を示した斜視図で、図６は図４の断面図である。
【００４２】
図４及び図６を参照すると、不連続的なコーティング膜２２０が形成されていない部分のステンレス鋼板母材２００の表面に熱処理工程による酸化膜２３０がさらに形成されたことが分かる。
【００４３】
このように、本発明に係る燃料電池用金属分離板は、不連続的なコーティング膜２２０及び酸化膜２３０によって完璧に遮断された形態を有するので、優れた耐食性を確保できるようになる。
【００４４】
ここで、熱処理工程は、８０〜３００℃の温度範囲で１０分〜３時間行うことが望ましい。また、雰囲気ガスは、真空状態、大気状態及び酸素ガス雰囲気のうち少なくとも一つの条件範囲以内であることが望ましい。
【００４５】
本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、以上説明した通りであり、上述した燃料電池用金属分離板の製造方法によると、初期のみならず、燃料電池の作動環境で長時間使用する場合にも、耐食性及び電気伝導性に非常に優れた分離板を製造することができる。
【００４６】
それに対する結果として、ステンレス鋼板母材２００と、ステンレス鋼板母材２００の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜２２０と、不連続的なコーティング膜２２０が形成されていない部分に形成される酸化膜２３０とを含む燃料電池用金属分離板構造が完成する。
【００４７】
以下では、本発明の実施例及び比較例に係る燃料電池用金属分離板及びその製造方法について説明する。そして、耐食性測定のために腐食電流を測定する方法及び伝導性測定のために接触抵抗を測定する方法について説明する。
【００４８】
本発明に係るステンレス鋼板母材として３１６Ｌを使用し、ステンレス鋼板母材の表面に不連続的なコーティング膜を形成することによって伝導性を確保し、熱処理工程による酸化膜を形成することによって耐食性を確保できるようにする。このとき、経済的でありながらも最適の効率を得られるコーティング膜形成及び酸化膜形成条件を得るために、次のような実験をした。
【００４９】
１．接触抵抗の測定
【００５０】
まず、伝導性測定のために接触抵抗を測定し、次のような接触抵抗測定装置を用いた。
【００５１】
図７は、本発明に係るステンレス鋼板の接触抵抗を測定する接触抵抗測定装置を示した概略図である。
【００５２】
図７を参照すると、ステンレス鋼板５００の接触抵抗を測定するとき、セル締結のための最適化された定数を得るために修正されたデイヴィス方法（Ｄａｖｉｅｓ ｍｅｔｈｏｄ）をステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ：ＳＳ）とカーボンペーパーとの間の接触抵抗を測定するために使用した。
【００５３】
接触抵抗は、４点法（ｆｏｕｒ―ｗｉｒｅ ｃｕｒｒｅｎｔ―ｖｏｌｔａｇｅ）測定原理を用いてＺａｈｎｅｒ社のＩＭ６装備で測定した。
【００５４】
測定方法は、定電流モードで測定領域０．５Ａの振幅及び２５ｃｍ2の電極面積を有するＤＣ電流を５Ａとし、１０ｋＨｚから１０ｍＨｚまでの範囲で接触抵抗を測定した。
【００５５】
カーボンペーパーとしてはＳＧＬ社の１０ＢＢを使用した。
【００５６】
前記接触抵抗測定装置５０は、カーボンペーパー５２０と、試片５００を挟んでそれぞれ上下に設けられる金がめっきされた銅プレート５１０と、前記銅プレート５１０に連結される電流供給装置５３０及び電圧測定装置５４０とを含んでいる。
【００５７】
前記試片５００に電流を供給できる電流供給装置５３０（Ｚａｈｎｅｒ社のＩＭ６）で、０．５Ａの振幅及び２５ｃｍ2の電極面積を有する５ＡのＤＣ電流を印加して電圧を測定した。
【００５８】
そして、前記接触抵抗測定装置５０の銅プレート５１０の上下には、前記試片５００、カーボンペーパー５２０及び銅プレート５１０が積層構造を有するように圧力を提供できる圧力器（Ｉｎｓｔｒｏｎ社のモデル５５６６、圧縮維持試験）を設ける。前記圧力器は、前記接触抵抗測定装置５０に５０〜１５０Ｎ／ｃｍ2の圧力を提供する。
【００５９】
このように設けられた接触抵抗測定装置５０で測定した結果は、下記の図８に示した。
【００６０】
図８は、本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【００６１】
図８では、本発明に係るコーティング膜による純粋な伝導特性を調査するために熱処理工程を行っていない。
【００６２】
金属としては金（Ａｕ）を使用し、コーティング密度（Ｍａｓｓ ｏｆ Ａｕ ｄｅｐｏｓｉｔ（μｇ／ｃｍ2））は３〜１０００μｇ／ｃｍ2の範囲にし、接触抵抗（ＩＲＣ）の目標値は１００Ｎ／ｃｍ2の圧力で断面を基準にして１０ｍΩ・ｃｍ2にした。
【００６３】
図８を参照すると、金（Ａｕ）コーティング密度が５〜５００μｇ／ｃｍ2の範囲で目標値範囲内の接触抵抗特性を示しており、５００μｇ／ｃｍ2と１０００μｇ／ｃｍ2を比較すると、抵抗減少値は極めて微々たるものであるので、金（Ａｕ）コーティング密度が５００μｇ／ｃｍ2を超える場合、コーティング量の増加のための費用に対比して効率が低下することが分かる。
【００６４】
したがって、本発明に係る不連続的なコーティング膜は、５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有するように形成することが望ましい。
【００６５】
次に、本発明に係る燃料電池用金属分離板に熱処理工程が及ぼす影響を測定するために、次のような腐食電流密度を測定した。
【００６６】
２．腐食電流密度の測定
【００６７】
本発明に係る燃料電池用金属分離板の腐食電流密度（以下、「腐食電流」という。）を測定する測定装備としてはＥＧ＆Ｇ ２７３Ａを使用した。腐食耐久性実験は、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）のシミュレーション環境下で行われた。
【００６８】
本発明に係るステンレス鋼板を腐食させる実験溶液としては、８０℃の０．１Ｎ Ｈ2ＳＯ4＋２ｐｐｍ ＨＦ溶液を使用し、Ｏ2バブリングを１時間行った後、ＯＣＰ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）−０．２５Ｖ〜１Ｖ ｖｓ ＳＣＥ範囲で測定した。
【００６９】
そして、ＰＥＦＣアノード環境に対して−０．２４Ｖ ｖｓ ＳＣＥ、カソード環境（ＳＣＥ：Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｃａｌｏｍｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に対して０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥで物性測定をした。
【００７０】
ここで、前記物性測定の比較は、燃料電池環境と類似したカソード環境の０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥの腐食電流データを通して比較・評価した。
【００７１】
前記アノード環境は、水素が膜―電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）で水素イオンと電子に分離される反応が生じる環境であり、前記カソード環境は、酸素が水素イオン及び電子と結合して水を生成する反応が生じる環境である。
【００７２】
ここで、前記のような条件のように、カソード環境は、その電位が高く、より苛酷な腐食条件であるので、カソード環境を基準にして耐食性を試験することが望ましい。
【００７３】
そして、高分子電解質燃料電池に適用するためには、ステンレス鋼板の腐食電流密度が１μＡ／ｃｍ2以下であることが望ましい。
【００７４】
図９は、本発明に係る燃料電池用金属分離板に対する腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【００７５】
図９では、純粋な耐食性特性を測定するために不連続的なコーティング膜は形成しておらず、５０℃〜４００℃の範囲内で３０分間熱処理工程を行った。このとき、腐食電流密度の目標値を１μＡ／ｃｍ2以下の値に設定して測定した結果、５０℃であるときに基準値を超えるようになり、８０℃以上の温度で目標とした耐食性を得ることができた。
【００７６】
併せて、３００℃と４００℃の温度を比較すると、腐食電流密度減少値が非常に微々たるものであった。熱処理工程で温度が増加するほど加熱のためのエネルギー消費が増加するが、３００℃を超える熱処理工程の場合、腐食電流密度減少値の変化がほとんどないので、その実効性が低下することが分かる。したがって、本発明に係る熱処理温度の範囲は８０〜３００℃に設定することが望ましい。
【００７７】
本発明では、前記のような実験を行い、本発明を実施するための最適な条件を確定し、以下では、前記条件を適用した具体的な実施例及び比較例を挙げてその適切性を評価する。
【００７８】
＜実施例及び比較例＞
【００７９】
実施例１
【００８０】
ステンレス素材（３１６Ｌ）の金属分離板に形成される不連続的な形態の金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５μｇ／ｃｍ2にした。そして、熱処理は８０℃、１５０℃、２００℃、３００℃、４００℃の温度でそれぞれ行い、コーティング密度を主要な特性とする意味で、これらを一つの実施例として表示した。最後に、熱処理は酸素雰囲気で３０分間行った。
【００８１】
実施例２
【００８２】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００８３】
実施例３
【００８４】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を１００μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００８５】
実施例４〜６
【００８６】
白金（Ｐｔ）（実施例４）、イリジウム（Ｉｒ）（実施例５）及びルテニウム（Ｒｕ）（実施例６）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、それぞれ真空雰囲気の８０℃で１０分間行った。
【００８７】
実施例７及び８
【００８８】
酸化イリジウム（Ｉｒ）（実施例７）及び酸化ルテニウム（Ｒｕ）（実施例８）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、それぞれ酸素雰囲気の１００℃で３時間行った。
【００８９】
比較例１
【００９０】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を１０００μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００９１】
比較例２
【００９２】
金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を３μｇ／ｃｍ2にし、残りの条件は全て前記実施例１と同一にした。
【００９３】
比較例３
【００９４】
不連続的な形態の金（Ａｕ）コーティング膜のコーティング密度を５０μｇ／ｃｍ2にし、熱処理は、大気雰囲気の５０℃で３０分間行った。
【００９５】
Ａ．燃料電池シミュレーション環境の腐食電流密度及び接触抵抗評価
【００９６】
（Ａ―１）シミュレーション環境の腐食電流密度評価
【００９７】
上述した実施例１、実施例２、実施例３、比較例１及び比較例２に係る燃料電池金属分離板の腐食電流密度評価のための環境シミュレーションには、ＥＧ＆Ｇ ２７３Ａを使用した。図９を参照して説明したように、熱処理は８０〜４００℃の温度で行い、８０℃の０．１Ｎ Ｈ2ＳＯ4＋２ｐｐｍ ＨＦ溶液に試片を装入し、Ｏ2バブリングを１時間行った後、試片に０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥの定電圧を印加した。一定時間の間定電圧を印加した後、試片の腐食電流密度を測定した。
【００９８】
図１０は、本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の腐食電流評価を行った結果を示したグラフである。
【００９９】
図１０で全ての実施例及び比較例を比較すると、金コーティング膜を形成した後、熱処理工程を行う場合、燃料電池用金属分離板の特性が比較的安定的に示されることが分かる。
【０１００】
また、比較例３の場合、図示してはいないが、腐食電流密度が１．７μＡ／ｃｍ2の値を示し、これは、各実施例の場合に比べて著しく高い腐食電流密度である。したがって、耐食性が著しく低下することが分かるが、その主要原因は、各実施例に比べて低い温度である５０℃で熱処理したためである。
【０１０１】
そして、金コーティングを厚く行った比較例１の場合、実施例３とほぼ同一の数値範囲を示しているので、費用増加分に対比して効率が微々たるものであり、実効性が低下することが分かる。
【０１０２】
（Ａ―２）シミュレーション環境の接触抵抗評価
【０１０３】
上述した実施例１、実施例２、実施例３、比較例１及び比較例２に係る燃料電池金属分離板の接触抵抗評価のための環境シミュレーションは、図８の場合と同一に行い、その結果を下記の図１１に示した。
【０１０４】
図１１は、本発明に係る実施例と比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の接触抵抗評価を行った結果を示したグラフである。
【０１０５】
図１１を参照すると、本発明に係る不連続的なコーティング膜の形成時、コーティング密度の基準値を充足できなかった比較例２の場合、接触抵抗が非常に高く示されることから伝導性が非常に低下したことが分かる。
【０１０６】
また、本発明に係るコーティング密度の基準値を超えた比較例１の場合、実施例３の場合とほぼ同一の接触抵抗を示しているので、費用増加分に対比して効率が微々たるものであり、実効性が低下することが分かる。
【０１０７】
したがって、本発明では、上述した各評価結果を組み合わせ、燃料電池用金属分離板の製造に最適な条件を見出し、最終的に、それら結果を適用して製造した燃料電池用金属分離板の長期耐久性を評価した。
【０１０８】
Ｂ．燃料電池用金属分離板の長期耐久性評価
【０１０９】
（Ｂ―１）長期耐久性評価方法
【０１１０】
反応ガスの供給のためにサーペンタイン流路を有する分離板を使用し、分離板間に膜―電極接合体（Ｇｏｒｅ社のモデル５７１０）とガス拡散層（ＳＧＬ社のモデル１０ＢＡ）を置いた後、一定圧力で締結して燃料電池セルを製作した。
【０１１１】
燃料電池の性能評価は単位セルを用いて行ったが、燃料電池運転装置としてはＮＳＥ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｉｏｎ ７００Ｗ ｃｌａｓｓを使用し、燃料電池性能評価のための電子負荷装置としてＫＩＫＵＳＵＩ Ｅ―Ｌｏａｄを使用し、１Ａ／ｃｍ2で１５秒サイクルの電流を２０００時間まで持続的に印加した。
【０１１２】
反応ガスとしては水素と空気を使用し、流量は、電流によって水素１．５、空気２．０の化学量論比を一定に維持し、１００％の相対湿度で加湿した後で反応ガスを供給した。加湿器とセルの温度は６５℃に一定に維持し、大気圧条件下で性能を評価した。このとき、作動面積は２５ｃｍ2、作動圧力は１ａｔｍであった。
【０１１３】
（Ｂ―２）長期耐久性評価結果
【０１１４】
図１２は、本発明に係る実施例及び比較例に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を示したグラフである。
【０１１５】
ここで、実施例２（コーティング密度５０μｇ／ｃｍ2）では、１５０℃の酸素雰囲気で３０分間熱処理した分離板を使用し、比較例２（コーティング密度３μｇ／ｃｍ2）では、１５０℃の酸素雰囲気で３０分間熱処理した分離板を使用した。そして、比較例３に対する燃料電池シミュレーション環境の長期耐久性評価を行った結果を比較して下記の図１２に示した。
【０１１６】
併せて、前記実施例４〜実施例８に対する長期耐久性評価を行い、その結果を下記の表１に示した。
【０１１７】
【表１】
【０１１８】
まず、図１２を参照すると、比較例２の場合、電流密度１Ａ／ｃｍ2を印加したときの発生電圧が０．５９Ｖ程度であって、実施例２の０．６９Ｖに比べて非常に低く、２，０００時間が経過した後にも類似する発生電圧差を示す。これは、比較例２の伝導性が実施例２の伝導性より低いことから示される結果である。すなわち、比較例２の場合、接触抵抗が著しく高いので、初期から著しく低い燃料電池性能を示している。
【０１１９】
そして、比較例３の場合、初期には実施例２に準じる発生電圧を示すが、時間の経過とともに発生電圧の低下が著しく生じる。このような結果は、伝導性が類似する一方、耐食性が低いことから示される結果である。
【０１２０】
次に、前記表１に示した結果から分かるように、本発明に係る全ての実施例は、類似する耐久性を有している。これは、図１２にも同一に示しており、各比較例と対比すると、著しく優れた燃料電池性能を示すことが分かる。
【０１２１】
したがって、本発明に係る燃料電池用金属分離板の製造方法は、価格が低廉な通常のステンレス鋼板母材を使用する場合にも、優れた耐久性を得られる表面処理が可能であり、金属分離板の製造単価を下げるとともに高効率の燃料電池を製造することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼板母材を用意すること；
前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること；及び
前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成すること；を含むことを特徴とする燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項２】
前記不連続的なコーティング膜は５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理は８０〜３００℃の温度範囲で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項４】
前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項５】
前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理は１０分〜３時間の範囲で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理は、真空状態、大気中及び酸素雰囲気のうちいずれか一つの条件で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項８】
ステンレス鋼板母材；
前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜；及び
前記コーティング膜が形成されていない部分に形成される酸化膜；を含むことを特徴とする燃料電池用金属分離板。
【請求項９】
前記不連続的なコーティング膜は５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項１０】
前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項１１】
前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項１】
ステンレス鋼板母材を用意すること；
前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つで不連続的なコーティング膜を形成すること；及び
前記不連続的なコーティング膜が形成されたステンレス鋼板を熱処理し、前記コーティング膜が形成されていない部分に酸化膜を形成すること；を含むことを特徴とする燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項２】
前記不連続的なコーティング膜は５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理は８０〜３００℃の温度範囲で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項４】
前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項５】
前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理は１０分〜３時間の範囲で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理は、真空状態、大気中及び酸素雰囲気のうちいずれか一つの条件で行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項８】
ステンレス鋼板母材；
前記ステンレス鋼板母材の表面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）及び酸化イリジウム（ＩｒＯ2）のうち少なくとも一つの材質で形成される不連続的なコーティング膜；及び
前記コーティング膜が形成されていない部分に形成される酸化膜；を含むことを特徴とする燃料電池用金属分離板。
【請求項９】
前記不連続的なコーティング膜は５〜５００μｇ／ｃｍ2のコーティング密度を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項１０】
前記不連続的なコーティング膜はナノパーティクルからなることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項１１】
前記ステンレス鋼板母材は、炭素（Ｃ）０．０８ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）１６〜２８ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）０．１〜２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜６ｗｔ％、タングステン（Ｗ）０．１〜５ｗｔ％、スズ（Ｓｎ）０．１〜２ｗｔ％、銅（Ｃｕ）０．１〜２ｗｔ％及びその他残量として鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用金属分離板。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１３−５０１３４０（Ｐ２０１３−５０１３４０Ａ）
【公表日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２３５７３（Ｐ２０１２−５２３５７３）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００５５２５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２１８８１
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５０９１０７９３２）ヒュンダイ ハイスコ (20)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００５５２５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２１８８１
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５０９１０７９３２）ヒュンダイ ハイスコ (20)
【Ｆターム（参考）】
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