JP2009238691A - 燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、及び燃料電池用セパレータ材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス鋼基材表面にＡｕ層又はＡｕを含む層を強固かつ均一に形成可能で、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できる燃料電池用セパレータ材料を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼基材２の表面に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ及びＰｔからなる群より選択される少なくとも１種類以上のＡｕより易酸化性の貴金属からなる第１成分とＡｕとの合金層６が形成され、合金層は、Ａｕを４０質量％以上含有し、かつ第１成分の含有量がＡｕ>第１成分を満たし、合金層とステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるＦｅを含み，Ｏを１０質量％以上，第１成分を１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量が第１成分≧Ａｕを満たす中間層２ａが形成されている燃料電池用セパレータ材料である。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面にＡｕ又はＡｕ合金（Ａｕを含む層）が形成された燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ、及び燃料電池スタックに関する。

固体高分子型の燃料電池用セパレータは電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー（電気）を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス（燃料液体）や空気（酸素）の流路が形成されている。このセパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
このような燃料電池用セパレータとして、従来はカーボン板にガス流通路を形成したものが使用されていたが、材料コストや加工コストが大きいという問題がある。一方、カーボン板の代わりに金属板を用いる場合、高温で酸化性の雰囲気に曝されるために腐食や溶出が問題となる。このようなことから、ステンレス鋼板の表面にＡｕ，Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔ等から選ばれる貴金属とＡｕとの合金をスパッタ成膜して導電部分を形成する技術が知られている（特許文献１）。
一方、ステンレス鋼基材の酸化被膜の上に、Ｔｉ，Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等からなる中間層を介してＡｕ膜を形成する燃料電池用セパレータが知られている（特許文献２）。この中間層は、基材酸化膜との密着性、すなわちＯ（酸素原子）との結合性が良いとともに、金属または半金属のためにＡｕ膜との密着性、結合性が良いとされている。
又、ステンレス鋼板の表面に、下地処理を施さずに酸性浴にて金めっきを施す燃料電池用金属製セパレータが報告されている（特許文献３）。

特開２００１−２９７７７７号公報 特開２００４−１８５９９８号公報 特開２００４−２９６３８１号公報

しかしながら、上記した特許文献１記載の技術の場合、密着性の良いＡｕ合金膜を得るためには、ステンレス鋼表面の酸化皮膜を取り除く処理が必要であり、酸化被膜の除去が不充分な場合は貴金属膜の密着性が低下するという問題がある。
又、特許文献２記載の技術の場合、腐食性環境で使用すると、導電性薄膜の厚みが数１０ｎｍ以下の場合、中間層を構成する（半）金属が腐食性環境下で耐食性がないため溶出し、接触抵抗が高くなる場合がある。一方、特許文献３記載の技術の場合、湿式の金めっきの電着形状が粒状であり、金めっきの付着量が少ないと、基材表面の一部に非めっき部分となる部分が生じる。そのため、基材表面全体を均一に金めっきするためには、Ａｕの付着量を多くする必要がある。

すなわち、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ステンレス鋼基材表面にＡｕを含む高耐食性の導電性膜を高い密着性で成膜することができる燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、及び燃料電池用セパレータ材の製造方法の提供を目的とする。

本発明者らは種々検討した結果、ステンレス鋼基材の表面にＦｅ、Ｏ及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にＡｕを含む層を形成させることで、含Ａｕ（合金）層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成可能であり、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できることを見出した。
上記の目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材の表面に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ及びＰｔからなる群より選択される少なくとも１種類以上のＡｕより易酸化性の貴金属からなる第１成分とＡｕとの合金層、又はＡｕ単独層が形成され、前記合金層又はＡｕ単独層は、Ａｕを４０質量％以上含有し、かつ前記第１成分の含有量がＡｕ>前記第１成分を満たしかつ、厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記合金層又はＡｕ単独層と前記ステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるＦｅを含み，Ｏを１０質量％以上含有し，前記第１成分を１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量が前記第１成分≧Ａｕを満たし厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の中間層が形成されている。

前記合金層中のＡｕの含有割合が基材側から表面側に向かって増加することが好ましい。
前記合金層の最表面にＡｕ単独層が形成されていることが好ましい。
Ａｕに代えて、前記貴金属のうち前記第１成分と異なる元素からなる第２成分とＡｕとを含むＡｕ合金を用いてもよい。

本発明の燃料電池セパレータは，前記燃料電池用セパレータ材料を用いたものである。
本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池セパレータを用いたものである。

本発明の燃料電池セパレータ用材料の製造方法は、前記燃料電池用セパレータ材料の製造方法であって、ステンレス鋼基材表面に乾式めっきにより前記第１成分を１〜１０ｎｍ被覆した後，乾式めっきによりＡｕ又はＡｕ合金を１〜１０ｎｍ被覆する。
前記乾式めっきがスパッタ法であることが好ましい。

本発明によれば、ステンレス鋼基材の表面にＦｅ、Ｏ、及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にＡｕを含む層又はＡｕ合金層を形成させることで、Ａｕ層又はＡｕを含む層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成させることができ、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できる。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。なお、本発明において％とは、特に断らない限り、質量％を示すものとする。
又、本発明において「燃料電池用セパレータ」とは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー（電気）を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス（燃料液体）や空気（酸素）の流路が形成されたものをいう。セパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
従って、燃料電池用セパレータとして、板状の基材表面に凹凸状の流路を設けたセパレータの他、上記したパッシブ型ＤＭＦＣ用セパレータのように板状の基材表面にガスやメタノールの流路孔が開口したセパレータを含む。
さらに、固体高分子形燃料電池としては、固体高分子を膜材料に用いて電極で挟んだ構造を有するものであればよく、用いる燃料にも特に限定はないが、燃料としては例えば水素やメタノールが挙げられる。

<第１の実施形態>
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図１に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材２の表面に中間層２ａが形成され、中間層２ａの上に合金層６が形成されてなる。

<ステンレス鋼基材>
燃料電池用セパレータ材料としては、耐食性が要求され、導電性膜となる合金層（Ａｕ単独層）には耐食性と導電性が求められる。このため、基材には耐食性が求められるためステンレス鋼材を用いる。
ステンレス鋼基材２の材質はステンレス鋼であれば特に制限されない。又、ステンレス鋼基材２の形状も特に制限されず、第１成分及び金をスパッタできる形状であればよいが、セパレータ形状にプレス成形することを考えると、ステンレス鋼基材の形状は板材であることが好ましく、ステンレス鋼基材全体の厚みが５０〜１５０μｍ以上の板材であることが好ましい。
中間層２ａに含まれるＯ（酸素）は、ステンレス鋼基材２を空気中に放置することにより自然に形成されるが、酸化雰囲気で積極的にＯを形成してもよい。

<合金層>
ステンレス鋼基材２の表面に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ及びＰｔからなる群より選択される少なくとも１種類以上のＡｕより易酸化性の貴金属からなる第１成分とＡｕとの合金層６が形成されている。この合金層は、Ａｕを４０質量％以上含有し、かつ前記第１成分の含有量がＡｕ>前記第１成分を満たしている。
合金層６は、ステンレス鋼基材にＡｕの特性（耐食性、導電性、装飾性等）を付与するためのものである。又、上記貴金属は、電位-ｐＨ図からＡｕより易酸化性であり、この特性を利用し、上記第１成分を以下の中間層の構成元素として用いる。第１成分は単一の元素から成っていてもよく、複数の元素から成っていてもよいが、コストが低く酸化物を形成し易いＰｄが好ましい。

合金層は、後述するＸＰＳ分析により確認することができる。合金層の厚みは１〜１０ｎｍである。合金層の厚みが１ｎｍ未満であると、ステンレス鋼基材上に燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。合金層の厚みが１０ｎｍを超えると省金化が図られずコストアップとなる。
又、合金層において、Ａｕ濃度が４０質量％未満であると、燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。

なお、合金層６の表面にＡｕ単独層が形成されていてもよい。又、合金層６が存在せず、以下の中間層の表面がすべてＡｕ単独層であってもよい。Ａｕ単独層は、ＸＰＳ分析によりＡｕの濃度がほぼ１００％の部分である。
又、合金層６の中間層側において、主に第１成分からなる組成領域（貴金属領域）を有していてもよい。

<中間層>
合金層（又はＡｕ単独層）６とステンレス鋼基材２との間に、ステンレス鋼の構成元素であるＦｅを含み，Ｏを１０質量％以上含有し，前記第１成分を１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量が前記第１成分≧Ａｕを満たし厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の中間層２ａが存在する。
通常、ステンレス鋼基材は表面に酸化層を有しており、酸化され難いＡｕ（含有）層をステンレス鋼表面に直接形成させるのは難しい。一方、上記貴金属はＡｕに比べて酸化され易く、ステンレス鋼基材の表面でＣｒ酸化物中のＯ原子と酸化物を形成し、ステンレス鋼基材表面に強固に結合するものと考えられる。
又、上記貴金属は耐食性が他の金属と比べ高い。これらの点で、Ａｕを含んだ導電性膜（上記合金層又はＡｕ単独層）の厚みが数１０ｎｍ以下の場合には、従来、中間層に用いられてきた元素であるＴｉ，Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等に比べ、前記第１成分を含む中間層の方が耐食性が高く、金属の溶出がない中間層を形成することができる。

前記中間層の厚みは耐食性の観点から１ｎｍ以上とし、厚みの上限は、第１成分のコストの点から１０ｎｍ以下である。
ここでＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）分析は、分析したい部分及び元素を指定し、深さ方向における指定元素の濃度を検出するものである。指定する元素は、Ａｕ、第１成分、Ｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒであり、後述する第２成分を用いた場合は第２成分を指定に加える。

Ｏの含有量を１０質量％以上とした理由は、Ｏの含有量が１０質量％未満である部分は、第１成分とＯ原子が充分な酸化物を形成しておらず、中間層として機能しないと考えられるからである。

合金層中のＡｕの割合が基材側から表面側に向かって増加する傾斜組成になっていることが好ましい。ここで、Ａｕの割合（質量％）は、上記したＸＰＳ分析で求めることができる。合金層又はＡｕ単独層の厚みは、ＸＰＳ分析でのスパッタレート（２．６ｎｍ／ｍｉｎ）から換算した値である。
合金層を傾斜組成とすると、合金層の基材側ではＡｕより易酸化性の第１成分の割合が多くなり、ステンレス鋼基材表面との結合が強固になる一方、合金層の表面側ではＡｕの特性が強くなるので、耐食性が向上する。

<燃料電池用セパレータ材料の製造>
燃料電池用セパレータ材料の中間層の形成方法としては、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去せずに、この基材表面に乾式めっきにより前記第１成分を被覆した後，乾式めっきによりＡｕ又はＡｕ合金を被覆する方法が挙げられる。
本発明においては、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去しないことで、表面酸化膜中のＯに第１の成分が結合し、中間層を形成することができる。又、基材２の表面酸化膜を除去後、第１の成分の酸化物を乾式めっきすることや、基材２の表面酸化膜を除去後、第１の成分をターゲットとし酸化雰囲気で乾式めっきすることによっても中間層を形成することができる。
乾式めっきによる第１成分の厚みは１〜１０ｎｍ程度とし，Ａｕ又はＡｕ合金の厚みは１〜１０ｎｍ程度とすることができる。
ここで、乾式めっきとしては、真空蒸着、イオンプレーティングやスパッタ等の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）を挙げることができるがこれらに限られない。

特に、乾式めっきがスパッタ法であることが好ましい。スパッタ法の場合、以下のようにして成膜することができる。
まず、ステンレス鋼基材の表面酸化膜を除去せずに、第１の成分をターゲットとしてスパッタ成膜することにより、表面酸化膜中のＯに第１の成分が結合し、中間層を形成することができる。又、基材２の表面酸化膜を除去後、第１の成分の酸化物をターゲットとしてスパッタ成膜することや、基材２の表面酸化膜を除去後、第１の成分をターゲットとし酸化雰囲気でスパッタ成膜することによっても中間層を形成することができる。
なお、スパッタの際、基材の表面酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ（イオンエッチング）を行ってもよい。逆スパッタは、例えばＲＦ１００Ｗ程度の出力で、アルゴン圧力０．２Ｐａ程度としてアルゴンガスを基材に照射して行うことができる。
中間層のＡｕは、以下の合金層を形成するためのＡｕスパッタにより、Ａｕ原子が中間層に入り込むことによって中間層内に含まれるようになる。又、第１成分とＡｕを含む合金ターゲットを用いて基材表面にスパッタ成膜してもよい。

合金層の形成方法としては、例えば上記したスパッタによりステンレス鋼基材上に第１成分を成膜した後、第１成分膜の上にＡｕをスパッタ成膜することができる。この場合、スパッタ粒子は高エネルギーを持つため、第１成分膜のみが基材表面に成膜されていても、そこにＡｕをスパッタすることにより、第１成分膜にＡｕが入り込み、合金層となる。又、この場合、合金層中のＡｕの割合が基材側から表面側に向かって増加する傾斜組成となる。
基材表面に最初に第１成分とＡｕのうちＡｕ濃度が低い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜し、その後、第１成分とＡｕのうちＡｕ濃度が高い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜してもよい。

<第２の実施形態>
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図３に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材２の表面に中間層２ａを介して貴金属層４が形成され、貴金属層４の表面に合金層６が形成されている。ステンレス鋼基材２及び合金層６は、第１の実施形態と同一であるので説明を省略する。
貴金属層４は上記貴金属（好ましくは中間層の第１成分と同一）から主として成り、第１成分がＡｕより酸化され易いため、酸化物層である中間層２ａとの結合性が高く、貴金属層４がない場合に比べ、合金層６とステンレス鋼基材２（中間層）との密着性が向上する。
貴金属層４は、スパッタ条件（スパッタ時間、出力）等を変えることにより、適宜形成することができる。
なお、貴金属層４中の貴金属と、合金層６中の第１成分とは同一の元素であってもよく、異なる元素であってもよいが、同一元素とすると、製造が簡易となる。

<第３の実施形態>
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図４に示すように、第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、ステンレス鋼基材２の表面に中間層２ａを介して合金層６が形成され、合金層６の表面にＡｕ単独層８が形成されている。ステンレス鋼基材２及び合金層６は、第１の実施形態と同一であるので説明を省略する。
Au単独層８は、スパッタ条件（スパッタ時間、出力）等を変えることにより、適宜形成することができる。

なお、第２及び第３の実施形態の層構成を組み合わせ、ステンレス鋼基材２の表面に、中間層２ａを介して貴金属層４、合金層６、Ａｕ単独層８をこの順に形成した層構造としてもよい。

Ａｕに代えて、前記貴金属のうち前記第１成分と異なる元素からなる第２成分とＡｕとのＡｕ合金を用いてもよい。この場合、中間層はＯ及び第１成分から主になるが、合金層は第１成分、第２成分及びＡｕから主になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料によれば、Ａｕ（合金）層をステンレス鋼基材上に強固かつ均一に形成させることができ、この層が導電性と耐食性を有することから、燃料電池用セパレータ材料として好適である。又、本発明の実施形態によれば、Ａｕ（合金）層をスパッタ成膜すればこの層が均一な層となるので、湿式の金めっきに比べて表面が平滑となり、Ａｕを無駄に使用しなくて済むという利点がある。

<燃料電池用セパレータ>
次に、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池用セパレータについて説明する。燃料電池用セパレータは、上記した燃料電池用セパレータ材料を所定形状に加工してなり、燃料ガス（水素）、空気（酸素）、冷却水等を流すための反応ガス流路（溝）が形成されている。
特に、燃料電池用セパレータにおいて、プレス加工による反応ガス流路が予め前記基材に形成されていると、後工程で反応ガス流路を形成する必要がなく、中間層や合金層等を形成する前の基材をプレス加工することで、容易に反応ガス流路を形成できるので、生産性が向上する。
又、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、基材表面に合金層又はＡｕ単独層を形成した燃料電池用セパレータ材料に対し、後からプレス加工によって反応ガス流路を形成してもよい。本発明の燃料電池用セパレータ材料は合金層やＡｕ単独層が基材表面に強固に密着しているので、被膜形成後にプレス加工しても被膜が剥がれずに反応ガス流路を形成でき、生産性が向上する。

なお、反応ガス流路形成のためのプレス加工をするためには、燃料電池用セパレータ材料として、基材の厚みを５０μｍ以上とすることが好ましい。基材の厚みの上限は限定されないが、コストの点から１５０μｍ以下とすることが望ましい。

<燃料電池用スタック>
本発明の燃料電池用スタックは、本発明の燃料電池用セパレータ材料、又は本発明の燃料電池用セパレータを用いてなる。
燃料電池用スタックは、１対の電極で電解質を挟み込んだセルを複数個直列に接続したものであり、各セルの間に燃料電池用セパレータが介装されて燃料ガスや空気を遮断する。燃料ガス（水素）が接触する電極が燃料極（アノード）であり、空気（酸素） が接触する電極が空気極（カソード）である。

<試料の作製>
ステンレス鋼基材として、厚み１００μｍのステンレス鋼材（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用い、ＦＩＢ（集束イオンビーム加工）による前処理をした。ＦＥ−ＴＥＭ（電解放射型透過電子顕微鏡）によるエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ）により観察したところ、ステンレス鋼基材の表面には予め約６ｎｍの酸化物層が形成されていたのを確認した。

次に、ステンレス鋼基材のステンレス鋼酸化物層の表面に、スパッタ法を用いて目標厚みが表１の値となるようにＰｄ（貴金属膜）を成膜した。なお、スパッタの際、基材の表面酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ（イオンエッチング）を行ってもよい。ターゲットには純Ｐｄを用いた。次に、スパッタ法を用いて目標厚みが表１の値となるようにＡｕを成膜し、実施例１〜９の試料を作製した。ターゲットには純Ａｕを用いた。

比較例１０として、スパッタの代わりに、湿式めっきにより、基材表面にＡｕ層を５０ｎｍ形成した。湿式めっきは、基材の電解脱脂、水洗、電解酸洗、水洗を順に行った後、金めっきを行った。
比較例１１、１２として、スパッタ時にそれぞれＡｕ膜、Ｐｄ膜のみ成膜した。
比較例１３として、Ｐｄ膜及びＡｕ膜を別個にスパッタする代わりに、Ｐｄ−Ａｕ合金（Ｐｄ７０質量％,Ａｕ３０質量％）を用いて成膜した。比較例１４として、Ｐｄ膜及びＡｕ膜を別個にスパッタする代わりに、Ｐｄ−Ａｕ合金（Ｐｄ５０質量％,Ａｕ５０質量％）を用いて成膜した。比較例１５として、Ｐｄ膜及びＡｕ膜を別個にスパッタする代わりに、Ｐｄ−Ａｕ合金（Ｐｄ３０質量％,Ａｕ７０質量％）を用いて成膜した。
比較例１６として、スパッタ時のＰｄ膜の目標厚みを０．５ｎｍに低減して成膜した。

目標厚みは以下のように定めた。まず、予めステンレス鋼基材にスパッタで対象物（例えばＰｄ）を成膜し、蛍光Ｘ線膜厚計（Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製ＳＥＡ５１００、コリメータΦ０．１ｍｍ）で実際の厚みを測定し、このスパッタ条件におけるスパッタレート（ｎｍ/ｍｉｎ）を把握した。そして、スパッタレートに基づき、厚み１ｎｍとなるスパッタ時間を計算し、この条件でスパッタを行った。
Ｐｄ及びＡｕのスパッタは、株式会社アルバック製のスパッタ装置を用い、出力ＤＣ５０Ｗ アルゴン圧力０．２Ｐａの条件で行った。

<層構造の測定>
試料のステンレス鋼基材表面をＸＰＳで深さ方向に分析し、Ｏ、Ｐｄ等の濃度を検出した。ＸＰＳとしては、アルバックファイ社製の５６００ＭＣを用い、スパッタ条件としてイオン種Ａｒ、加速電圧３ｋＶ、掃引領域３ｍｍ×３ｍｍ、スパッタレート２．６ｎｍ／ｍｉｎで測定した。
なお、ＸＰＳによる濃度検出は、指定元素の合計１００質量％として、各元素の濃度（質量％）を分析した。又、ＸＰＳ分析で厚み方向に１ｎｍの距離とは、ＸＰＳ分析によるチャート（図２）の横軸の約０．３８分に相当する。

図２は、試料の深さ方向のＸＰＳ分析結果である。
ステンレス鋼基材２の表面に、Ｆｅを含み，Ｏを１０質量％以上含有し，Ｐｄを１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量がＰｄ≧Ａｕを満たす中間層２ａが存在することがわかる。又、中間層２ａの表面側に、Ａｕを４０質量％以上含有し、かつＰｄの含有量がＡｕ>Ｐｄを満たすＰｄとＡｕの合金層が形成されていることがわかる。
又、上記合金層として定義される領域の厚みを、図２の横軸から換算すると、１．３ｎｍとなった。
なお、本発明においては、中間層を定義するために、Ｏ、第１成分等の濃度を規定している。従って、中間層の境界は便宜上Ｏ、第１成分濃度によって決められるため、中間層とその上下の層（例えば基材２）との間に、中間層ともステンレス鋼基材とも異なる層が介在する場合もある。

<評価>
各試料について以下の評価を行った。
Ａ．密着性
各試料の最表層の合金層に１ｍｍ間隔で碁盤の目を罫書いた後、粘着性テープをはり付け、さらに各試験片を１８０°曲げて元の状態に戻し、曲げ部のテープを急速にかつ強く引き剥がす剥離試験を行った。
剥離が全くない場合を○とし、耐食試験後に一部でも剥離があると目視で認められた場合を△とし、耐食試験前から一部でも剥離があると目視で認められた場合を×とした。
Ｂ．成膜形状
各試料の断面のＦＥ-ＴＥＭ像を撮影し、表面に数ｎｍから数百ｎｍの粒子が集まった凹凸構造が観察された場合を粒状とし、粒状に比べて表面が平滑な場合を層状とした。

Ｃ．接触抵抗
接触抵抗の測定は、試料全面に荷重を加える方法で行った。まず、４０×５０ｍｍの板状の試料の表裏にそれぞれカーボンペーパーを積層し、さらに表裏のカーボンペーパーの外側にそれぞれＣｕ／Ｎｉ／Ａｕ板を積層した。Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ板は厚み１０ｍｍの銅板に１．０μｍ厚のＮｉ下地めっきをし、Ｎｉ層の上に０．５μｍのＡｕめっきした材料であり、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ板のＡｕめっき面がカーボンペーパーに接するように配置した。
さらに、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ板の外側にそれぞれテフロン（登録商標）板を配置し、各テフロン（登録商標）板の外側からロードセルで圧縮方向に１０ｋｇ／ｃｍ^２の荷重を加えた。この状態で、２枚のＣｕ/Ｎｉ/Ａｕ板の間に電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２の定電流を流した時、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ板間の電気抵抗を４端子法で測定した。
又、接触抵抗は、以下の耐食試験の前後でそれぞれ行った。耐食試験は、浴温９０℃の硫酸水溶液（ｐＨ＝１．８、液量３５０ｃｃ）に各試料を１６８時間（１週間）浸漬して行った。

表１に結果を示す。なお、表１において、中間層の厚み、最表層の厚みは、いずれもＸＰＳ分析を２回行った値の平均値とした。又、中間層の厚み、最表層の厚みは±０．２５ｎｍの幅を持ち、例えば中間層が１．０ｎｍという場合、平均値が０．７５ｎｍ以上で１．２５ｎｍ未満のものをいうとする。但し、厚みが１０ｎｍ以上の場合は±０．５ｎｍの幅とする。

表１から明らかなように、合金層とステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるＦｅを含み，Ｏの最大ピークが１０質量％以上で，Ｐｄを１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量がＰｄ≧Ａｕを満たす中間層が存在する実施例１〜９の場合、各層の密着性に優れ、又、スパッタにより成膜した合金層又はＡｕ層（最表層）は平滑な層状となった。さらに、耐食試験前後で試料の接触抵抗が変化せず、耐食性と導電性が優れたものとなった。
なお、各実施例の場合、最表面から基材側に向かうＡｕ４０質量％以上の領域の厚みはいずれも１ｎｍ以上であった。

Ａｕ層を湿式めっきで形成した比較例１０の場合、最表層が粒状となり、Ａｕの使用量が多くなった。
Ａｕのみをスパッタした比較例１１の場合、中間層が形成されずに密着性が劣化した。一方、Ｐｄのみをスパッタした比較例１２の場合、最表層がＡｕを含まず、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、最表層がＡｕを含まないために耐食性が劣化したためと考えられる。
Ｐｄ-Ａｕ合金（Ｐｄ７０質量％）をターゲットとしてスパッタした比較例１３の場合も、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、Ｐｄ-Ａｕ合金中のＡｕの割合が少ないために最表層にＡｕを４０質量％以上含む層が形成されず、耐食性が劣化したためと考えられる。

Ｐｄ-Ａｕ合金（Ｐｄ５０質量％）をターゲットとしてスパッタした比較例１４、及びＰｄ-Ａｕ合金（Ｐｄ３０質量％）をターゲットとしてスパッタした比較例１５の場合、いずれも中間層の厚みが１ｎｍ未満となり、密着性が劣化した。
これは、Ｐｄ-Ａｕ合金中のＰｄの割合が少ないために中間層が充分に形成されなかったためと考えられる。
Ｐｄ膜の目標厚みを低減してスパッタした比較例１６の場合も、中間層の厚みが１ｎｍ未満となり、密着性が劣化した。

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の深さ方向のＸＰＳ分析結果を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。

符号の説明

２ ステンレス鋼基材
２ａ 中間層
４ 貴金属層
６ 合金層
８ Ａｕ単独層

Claims (8)

1. ステンレス鋼基材の表面に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ及びＰｔからなる群より選択される少なくとも１種類以上のＡｕより易酸化性の貴金属からなる第１成分とＡｕとの合金層、又はＡｕ単独層が形成され、
   前記合金層又はＡｕ単独層は、Ａｕを４０質量％以上含有し、かつ前記第１成分の含有量がＡｕ>前記第１成分を満たしかつ、厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
   前記合金層又はＡｕ単独層と前記ステンレス鋼基材との間に、ステンレス鋼の構成元素であるＦｅを含み，Ｏを１０質量％以上含有し，前記第１成分を１０質量％以上含有し，かつ，Ａｕの含有量が前記第１成分≧Ａｕを満たし厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の中間層が形成されている燃料電池用セパレータ材料。
2. 前記合金層中のＡｕの含有割合が基材側から表面側に向かって増加する請求項１に記載の燃料電池用セパレータ材料。
3. 前記合金層の最表面にＡｕ単独層が形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ材料。
4. Ａｕに代えて、前記貴金属のうち前記第１成分と異なる元素からなる第２成分とＡｕとを含むＡｕ合金を用いる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池セパレータ。
6. 請求項５に記載の燃料電池セパレータを用いた燃料電池スタック。
7. ステンレス鋼基材表面に乾式めっきにより前記第１成分を１〜１０ｎｍ被覆した後，乾式めっきによりＡｕ又はＡｕ合金を１〜１０ｎｍ被覆する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セパレータ用材料の製造方法。
8. 前記乾式めっきがスパッタ法である請求項７に記載の燃料電池セパレータ用材料の製造方法。

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