JP2018006300A - Metal separator for fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal separator for a fuel cell which can maintain low contact resistance in a corrosive environment.SOLUTION: A metal separator 20 for a fuel cell includes: a metal substrate 21; a chromium oxycarbide layer 23 formed on the surface of the metal substrate 21; and a conductive layer 25 formed on the chromium oxycarbide layer 23. The metal separator 20 for a fuel cell is so configured that the conductive layer 25 is a diamond-like carbon (DLC) layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータ及びこれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell metal separator and a fuel cell using the same.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルは、それぞれ、高分子電解質膜、これを挟持する一対(アノード、カソード)の触媒層、およびこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対(アノード、カソード)のガス拡散層、を含む膜電極接合体(MEA)を有する。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして、単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セル同士を電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのMEAと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. Each of the single cells includes a polymer electrolyte membrane, a pair of (anode and cathode) catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of (anode and cathode) gas diffusion layers sandwiching them and dispersing the supply gas, The membrane electrode assembly (MEA) containing this is included. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. In this way, a fuel cell stack is configured by stacking and connecting single cells. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In the fuel cell stack, the separator exhibits a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition to this, a gas flow path is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively.

PEFCの発電メカニズムを簡単に説明すると、PEFCの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給され、カソード側に酸化剤ガス(例えば、大気、酸素)が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。   Briefly explaining the power generation mechanism of the PEFC, during operation of the PEFC, fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and oxidant gas (for example, atmospheric air, oxygen) is supplied to the cathode side. . As a result, in each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds to generate electricity.

導電性が要求される燃料電池用セパレータとしては、従来のカーボンセパレータや導電性樹脂セパレータからSUS(ステンレス鋼)等の金属セパレータへの代替が進みつつある。これは、金属セパレータが優れた強度および導電性を有することによりスタックの小型化が図れるためである。近年、金属セパレータの課題である腐食による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下を防止するため、金属基材上に耐腐食性を有する層を積層した金属セパレータが開発されている。   As separators for fuel cells that require electrical conductivity, replacement of conventional carbon separators and conductive resin separators with metal separators such as SUS (stainless steel) is progressing. This is because the size of the stack can be reduced because the metal separator has excellent strength and conductivity. In recent years, metal separators in which a layer having corrosion resistance is laminated on a metal substrate have been developed in order to prevent the decrease in conductivity due to corrosion, which is a problem of metal separators, and the decrease in stack output associated therewith. .

例えば、特許文献1では、金属基板の少なくとも一方の主面上に、ダイヤモンドライクカーボン層(DLC層)、クロムオキシカーバイド層(Cr層)の順に積層されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータが提案されている。これにより、DLC層をクロムオキシカーバイド層で被覆・保護することでDLC層の溶解を抑制することができるというものである。 For example, Patent Document 1 is characterized in that a diamond-like carbon layer (DLC layer) and a chromium oxycarbide layer (Cr x C y O z layer) are laminated in this order on at least one main surface of a metal substrate. A fuel cell metal separator has been proposed. Thereby, dissolution of the DLC layer can be suppressed by covering and protecting the DLC layer with the chromium oxycarbide layer.

特開2012−146616号公報JP 2012-146616 A

しかしながら、特許文献1に記載の金属セパレータでは、燃料電池用金属セパレータに要求される高い耐食性、電気伝導性等を有することが知られていた最表層のクロムオキシカーバイド層が腐食環境で変質し、低い接触抵抗が維持できないという課題があった。   However, in the metal separator described in Patent Document 1, the outermost chromium oxycarbide layer, which has been known to have high corrosion resistance and electrical conductivity required for a fuel cell metal separator, is altered in a corrosive environment, There was a problem that low contact resistance could not be maintained.

そこで本発明は、腐食環境において、低い接触抵抗を維持し得る燃料電池用金属セパレータ及びこれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a metal separator for a fuel cell that can maintain a low contact resistance in a corrosive environment, and a fuel cell using the same.

上記課題は、金属基材と、前記金属基材上に形成されたクロムオキシカーバイド層と、前記クロムオキシカーバイド層上に形成された導電性層と、を有することを特徴とする金属セパレータ及びこれを用いた燃料電池により解決される。   The object is to provide a metal separator having a metal substrate, a chromium oxycarbide layer formed on the metal substrate, and a conductive layer formed on the chromium oxycarbide layer, and the metal separator. It is solved by a fuel cell using

本発明の金属セパレータでは、クロムオキシカーバイド層を導電性層で被覆・保護することで、クロムオキシカーバイド層が腐食環境で変質するのを抑制し、低い接触抵抗が維持でき、十分な耐食性を発現できる。これにより、耐食性を持ち、低い接触抵抗を実現し得る燃料電池用金属セパレータ及びこれを用いた燃料電池を提供できるものである。   In the metal separator of the present invention, by covering and protecting the chromium oxycarbide layer with a conductive layer, the chromium oxycarbide layer can be prevented from being altered in a corrosive environment, low contact resistance can be maintained, and sufficient corrosion resistance is exhibited. it can. Accordingly, it is possible to provide a metal separator for a fuel cell that has corrosion resistance and can realize a low contact resistance, and a fuel cell using the same.

一実施形態による燃料電池用金属セパレータの積層構造の基本構成を示す断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the basic composition of the laminated structure of the metal separator for fuel cells by one Embodiment. 燃料電池用金属セパレータの導電性炭素層(DLC層)を形成するための直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS法)で用いられる成膜装置の一例を説明するための上面模式図である。It is an upper surface schematic diagram for demonstrating an example of the film-forming apparatus used with the direct current magnetron sputtering method (DCMS method) for forming the electroconductive carbon layer (DLC layer) of the metal separator for fuel cells. 図2の真空チャンバ(容器)の壁を省略し、各部材の電位関係(真空チャンバ内の電源系統)を模式的に示した部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing the potential relationship (power supply system in the vacuum chamber) of each member, omitting the wall of the vacuum chamber (container) of FIG. 燃料電池用金属セパレータの導電性炭素層(DLC層)を形成するための大電力パルススパッタリング法(HiPIMS法)で用いられる成膜装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the film-forming apparatus used with the high power pulse sputtering method (HiPIMS method) for forming the electroconductive carbon layer (DLC layer) of the metal separator for fuel cells. HiPIMS法において炭素原料電極に印加する負パルス電圧の波形を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the waveform of the negative pulse voltage applied to a carbon raw material electrode in HiPIMS method. 固体高分子形燃料電池の基本構成を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell. 接触抵抗を測定するための測定装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the measuring apparatus for measuring contact resistance. 腐食試験前の金属セパレータを用いて行った接触抵抗測定での測定面圧と接触抵抗との関係を示すグラフ図面である。It is a graph which shows the relationship between the measurement surface pressure and contact resistance in the contact resistance measurement performed using the metal separator before a corrosion test. 腐食試験後の金属セパレータを用いて行った接触抵抗測定での測定面圧と接触抵抗との関係を示すグラフ図面である。It is a graph which shows the relationship between the measurement surface pressure and contact resistance in the contact resistance measurement performed using the metal separator after a corrosion test. 実施例1のクロムオキシカーバイド層を形成後の金属基板を用いてオージェ電子分光分析(AES分析)を行い、金属基板試料表面(クロムオキシカーバイド層)の深さ方向(表面から1000nmまでの深さ)の分析結果を示す図面である。Auger electron spectroscopic analysis (AES analysis) was performed using the metal substrate after the chromium oxycarbide layer of Example 1 was formed, and the depth direction (depth from the surface to 1000 nm) of the metal substrate sample surface (chromium oxycarbide layer) It is drawing which shows the analysis result of).

以下、添付した図面を参照しながら、好ましい実施形態について説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

[燃料電池用金属セパレータ]
本実施形態の燃料電池用金属セパレータは、基材と、前記基材上に形成されたクロムオキシカーバイド層と、前記クロムオキシカーバイド層上に形成された導電性層と、を有することを特徴とするものである。かかる構成を有することにより、上記した発明の効果を有効に発現し得るものである。
[Metal separator for fuel cells]
The metal separator for a fuel cell according to this embodiment has a base material, a chromium oxycarbide layer formed on the base material, and a conductive layer formed on the chromium oxycarbide layer. To do. By having such a configuration, the above-described effects of the invention can be effectively expressed.

図1は、本実施形態の燃料電池用金属セパレータ(以下、単に金属セパレータとも称する)の積層構造の一態様を示す断面概略図である。図1に示す金属セパレータ20は、金属基材21と、金属基材21の両面に形成(成膜)されたクロムオキシカーバイド層23と、クロムオキシカーバイド層23上に形成(成膜)された導電性層25とを有する。図1では、導電性層25が、クロムオキシカーバイド層23上に、導電性中間層25a、導電性炭素層(DLC層)25bの順に形成(成膜)された2層(積層被膜)構造の例を示している。但し、本実施形態では、かかる2層(積層被膜)構造に特に制限されるものではなく、導電性層25が、導電性炭素層(DLC層)25bからなる1層(単層被膜)構造(図示せず)であってもよい。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a laminated structure of a metal separator for a fuel cell (hereinafter also simply referred to as a metal separator) according to this embodiment. A metal separator 20 shown in FIG. 1 is formed (deposited) on a metal substrate 21, a chromium oxycarbide layer 23 (deposited) formed on both surfaces of the metal substrate 21, and a chromium oxycarbide layer 23. And a conductive layer 25. In FIG. 1, the conductive layer 25 has a two-layer (laminated film) structure in which a conductive intermediate layer 25a and a conductive carbon layer (DLC layer) 25b are formed (film formation) in this order on the chromium oxycarbide layer 23. An example is shown. However, in this embodiment, it is not particularly limited to such a two-layer (laminated coating) structure, and the conductive layer 25 is a one-layer (single-layer coating) structure composed of a conductive carbon layer (DLC layer) 25b ( (Not shown).

本実施形態の金属セパレータにより上記効果が得られる理由について、詳細は不明であるが、以下のように考えられる。   The details of the reason why the above effect is obtained by the metal separator of the present embodiment are not clear, but are considered as follows.

本発明者らは、金属基板表面上のクロムオキシカーバイド層を導電性層(DLC層)で被覆・保護することで、クロムオキシカーバイド層が腐食環境で変質し、低い接触抵抗が維持できないという課題を解決し得ることを見出した。これにより、クロムオキシカーバイド層本来の性能である、燃料電池用金属セパレータに要求される耐食性、低い接触抵抗、電気伝導性、加工性、強度、軽量性等の性能を有効に発現することができることがわかった。   The present inventors have a problem that the chromium oxycarbide layer is altered in a corrosive environment by covering and protecting the chromium oxycarbide layer on the surface of the metal substrate with a conductive layer (DLC layer), and low contact resistance cannot be maintained. I found out that it could be solved. As a result, it is possible to effectively develop the performance inherent in the chromium oxycarbide layer, such as corrosion resistance, low contact resistance, electrical conductivity, workability, strength, and lightness required for a metal separator for fuel cells. I understood.

更に、金属基板上にDLC層を形成した構成では、最表層のDLC層が腐食環境において自然電位+1Vのとき、1時間以内に完全に溶解してSUS基板の金属イオンが溶出するという課題が示されている(特許文献1の実施例参照)。かかる最表層の導電性層(DLC層)が溶解するという課題に対しては、特許文献1のようにクロムオキシカーバイド層で被覆・保護する構成が必要かつ有効であると考えられていた。ところが金属基板と導電性層(DLC層)の間にクロムオキシカーバイド層を設けたことで、意外にも腐食環境下、最も過酷な環境に晒される最表層のDLC層の溶解を抑制できる(DLC溶解抑制効果を有する)という予期し得ない効果が得られることを見出した。(この作用メカニズムの詳細は不明である)。その結果、最表層の導電性層(DLC層)が腐食環境でも安定な保護層として機能(作用)することにより、クロムオキシカーバイド層の変質による接触抵抗の上昇を防止することができる(十分な耐食性を発現できる)。更に金属基板からの金属イオンの溶出を効果的に防止できる(この点でも十分な耐食性を発現できる)ことがわかった。   Furthermore, in the configuration in which the DLC layer is formed on the metal substrate, when the outermost DLC layer has a natural potential of +1 V in a corrosive environment, there is a problem that the metal ions of the SUS substrate are eluted by being completely dissolved within one hour. (See the example of Patent Document 1). In order to solve the problem that the outermost conductive layer (DLC layer) is dissolved, it has been considered that a configuration of covering and protecting with a chromium oxycarbide layer as in Patent Document 1 is necessary and effective. However, by providing a chromium oxycarbide layer between the metal substrate and the conductive layer (DLC layer), it is surprisingly possible to suppress dissolution of the outermost DLC layer that is exposed to the harshest environment in a corrosive environment (DLC It has been found that an unexpected effect of having a dissolution inhibiting effect is obtained. (The details of this mechanism of action are unknown). As a result, the outermost conductive layer (DLC layer) functions (acts) as a stable protective layer even in a corrosive environment, thereby preventing an increase in contact resistance due to alteration of the chromium oxycarbide layer (sufficiently). Corrosion resistance can be expressed). Furthermore, it has been found that the elution of metal ions from the metal substrate can be effectively prevented (sufficient corrosion resistance can also be exhibited in this respect).

上記したように本実施形態に係る金属セパレータでは、金属基材と、前記金属基材上に形成されたクロムオキシカーバイド層と、前記クロムオキシカーバイド層上に形成された導電性層とを有することで、十分な耐食性を持ち、低い接触抵抗を実現できる。なお、上記メカニズムは推測によるものであり、本実施形態の金属セパレータがこれに制限されるものではない。   As described above, the metal separator according to this embodiment includes a metal base, a chromium oxycarbide layer formed on the metal base, and a conductive layer formed on the chromium oxycarbide layer. With sufficient corrosion resistance, low contact resistance can be realized. In addition, the said mechanism is based on estimation and the metal separator of this embodiment is not restrict | limited to this.

以下、本実施形態の金属セパレータの構成要素について説明する。   Hereafter, the component of the metal separator of this embodiment is demonstrated.

[導電性層25]
本実施形態の金属セパレータ20を構成する導電性層25として、導電性炭素層25bを有するのが好ましい。更に必要に応じて、導電性中間層25aを有していてもよいし、更に他の導電性層を有していてもよい。以下、好適な導電性層25である導電性炭素層25bと、これと併用可能な導電性中間層25aについて説明するが、従来公知の他の導電性層と併用してもよいことは言うまでもない。また、導電性炭素層25bは、1層(単層被膜)構造であってもよいし、2層以上の(積層被膜)構造であってもよい。本実施形態では、導電性層25(導電性炭素層25b、任意の導電性中間層25a)、更には金属基材及びクロムオキシカーバイド層を含めた構成がいずれも導電性を有する必要がある。かよって、導電性層を含めた金属セパレータが導電性を有するとは、金属セパレータの接触抵抗(測定方法は実施例参照)が、腐食環境に晒される前(実施例の腐食試験前)では、測定面圧1MPaで10mΩ・cm以下、好ましくは5mΩ・cm以下であればよい(図8A参照)。腐食環境に晒された状態(実施例の腐食試験後)では、測定面圧1MPaで50mΩ・cm以下、好ましくは30mΩ・cm以下であればよい(図8B参照)。
[Conductive layer 25]
As the conductive layer 25 constituting the metal separator 20 of the present embodiment, it is preferable to have a conductive carbon layer 25b. Further, if necessary, the conductive intermediate layer 25a may be included, or another conductive layer may be included. Hereinafter, the conductive carbon layer 25b which is a suitable conductive layer 25 and the conductive intermediate layer 25a which can be used in combination with the conductive carbon layer 25b will be described, but it goes without saying that the conductive carbon layer 25b may be used in combination with other conventionally known conductive layers. . The conductive carbon layer 25b may have a single layer (single layer coating) structure or a two or more layer (laminated coating) structure. In the present embodiment, the configuration including the conductive layer 25 (conductive carbon layer 25b, optional conductive intermediate layer 25a), and further the metal substrate and the chromium oxycarbide layer needs to have conductivity. Therefore, the metal separator including the conductive layer has conductivity when the contact resistance of the metal separator (refer to the example for the measurement method) is exposed to the corrosive environment (before the corrosion test of the example) It may be 10 mΩ · cm 2 or less, preferably 5 mΩ · cm 2 or less at a measurement surface pressure of 1 MPa (see FIG. 8A). In a state exposed to corrosive environments (after the corrosion test of Example), measured surface pressure 1MPa 50mΩ · cm 2 or less, as long preferably 30 m [Omega] · cm 2 or less (see FIG. 8B).

[導電性炭素層25b]
導電性炭素層25bは導電性炭素を含む層である。この導電性炭素層25bは、クロムオキシカーバイド層23や導電性中間層25aとの密着性を向上させることができる。更にクロムオキシカーバイド層23を被覆・保護することで、クロムオキシカーバイド層23が腐食環境で変質するのを抑制し、低い接触抵抗が維持でき、十分な耐食性を発現できる。これにより、クロムオキシカーバイド層本来の性能である、燃料電池用金属セパレータに要求される耐食性、低い接触抵抗、電気伝導性、加工性、強度、軽量性等の性能を有効に発現することができる。また本実施形態の金属セパレータでは、最表層の導電性層(DLC層)が腐食環境でも安定な保護層として機能(作用)することにより、クロムオキシカーバイド層の変質による接触抵抗の上昇を防止することができる(十分な耐食性を発現できる)。更に金属基板からの金属イオンの溶出を効果的に防止できる(この点でも十分な耐食性を発現できる)。導電性炭素の例としては、多結晶グラファイトが挙げられる。ここで「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面(六角網面)が積層した異方性のグラファイト結晶構造(グラファイトクラスター)を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンドライクカーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)の1種であるということもできる。導電性炭素層25bとして使用することができるのは、導電性を有するダイヤモンドライクカーボン層(DLC層)である。詳しくは、抵抗率10Ω・cm以下の導電性を有するDLC層であれば、厚さ1μmの層を形成すると、1平方センチメートル当たりの抵抗値は1mΩ以下となり、実用上は問題なく使用することができる。より低い接触抵抗(例えば、10mΩ・cm以下)にするためにはDLC層の抵抗率を0.1Ω・cm以下とすることが望ましい。
[Conductive carbon layer 25b]
The conductive carbon layer 25b is a layer containing conductive carbon. The conductive carbon layer 25b can improve adhesion to the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a. Furthermore, by covering and protecting the chromium oxycarbide layer 23, the chromium oxycarbide layer 23 can be prevented from being altered in a corrosive environment, low contact resistance can be maintained, and sufficient corrosion resistance can be exhibited. As a result, it is possible to effectively express the performance inherent in the chromium oxycarbide layer, such as corrosion resistance, low contact resistance, electrical conductivity, workability, strength, and lightness required for the metal separator for fuel cells. . In the metal separator of this embodiment, the outermost conductive layer (DLC layer) functions (acts) as a stable protective layer even in a corrosive environment, thereby preventing an increase in contact resistance due to alteration of the chromium oxycarbide layer. (Can exhibit sufficient corrosion resistance). Furthermore, elution of metal ions from the metal substrate can be effectively prevented (sufficient corrosion resistance can also be exhibited in this respect). An example of conductive carbon is polycrystalline graphite. Here, “polycrystalline graphite” has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which a graphene surface (hexagonal network surface) is laminated microscopically. Aggregated isotropic crystal. Therefore, it can also be said that polycrystalline graphite is a kind of diamond-like carbon (DLC). A conductive diamond-like carbon layer (DLC layer) can be used as the conductive carbon layer 25b. Specifically, in the case of a DLC layer having conductivity of 10 Ω · cm or less, when a layer having a thickness of 1 μm is formed, the resistance value per square centimeter is 1 mΩ or less, and can be used without any problem in practice. . In order to obtain a lower contact resistance (for example, 10 mΩ · cm 2 or less), it is desirable that the resistivity of the DLC layer be 0.1 Ω · cm or less.

本実施形態では導電性炭素層25bは多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層25bは多結晶グラファイト以外の材料をも含みうる。導電性炭素層25bに含まれうる多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層25bに含まれうる炭素材料以外の材料としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、インジウム(In)等の貴金属;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性物質;導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、1種のみが用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。   In the present embodiment, the conductive carbon layer 25b may be composed of only polycrystalline graphite, but the conductive carbon layer 25b may include materials other than polycrystalline graphite. Examples of carbon materials other than polycrystalline graphite that can be included in the conductive carbon layer 25b include carbon black, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils. Specific examples of carbon black include, but are not limited to, ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, or thermal black. Carbon black may be subjected to a graphitization treatment. Examples of materials other than the carbon material that can be included in the conductive carbon layer 25b include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), and indium. Examples thereof include noble metals such as (In); water-repellent substances such as polytetrafluoroethylene (PTFE); and conductive oxides. As for materials other than polycrystalline graphite, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.

導電性炭素層(DLC層)25bの形成(成膜)方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の製造方法を利用することができ、湿式成膜法および乾式成膜法のいずれも利用することができる。例えば、湿式成膜法としては、カーボンペースト(グラファイト等の炭素材料の粉(粉末)+樹脂バインダー+溶媒)を塗布する方法(塗布法)等を用いることができる。上記グラファイト等の炭素材料の粉(粉末)の平均粒子径としては、本実施形態の作用効果を損なわない範囲であれば特に制限されるものではないが、50〜130nmの範囲が好ましい。また、上記樹脂バインダーとしては、本実施形態の作用効果を損なわない材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が例示できるが、これらに制限されるものではない。さらに、上記溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水等が例示できるが、これらに制限されるものではない。さらに、上記グラファイト等の炭素材料の粉(粉末)と樹脂バインダーの配合比率(質量比)としては、本実施形態の作用効果を損なわない範囲であれば特に制限されるものではないが、上記グラファイト等の炭素材料の粉(粉末)配合量は固形成分の30〜70質量%の範囲が好ましい。また樹脂バインダーの配合量も固形成分の30〜70質量%の範囲が好ましい。導電性炭素層(DLC層)25bを形成(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、乾式成膜法が好ましい。導電性炭素層の乾式成膜法による形成(成膜)方法は、特に制限されない。例えば、導電性炭素層25bの構成材料(例えば、グラファイト)をターゲットとして、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層(成膜)することにより、導電性炭素層を形成することができる。これにより、直接付着した導電性炭素層25bとクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)との界面およびその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性が保持されうる。かかる乾式成膜法の具体例としては、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法;熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、プラズマCVD法、光CVD法等の化学気相成長(CVD)法などが挙げられる。またフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ECRスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。かような手法によれば、表層部として水素含有量の少ない炭素層(特に乱層構造のグラファイト構造)を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp混成炭素)の割合を増加させることができ、優れた導電性が達成されうる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材やクロムオキシカーバイド層や導電性中間層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、クロムオキシカーバイド層や導電性中間層の結晶構造を制御したり、成膜される各層の膜質をコントロールしたりできるという利点もある。 The formation (film formation) method of the conductive carbon layer (DLC layer) 25b is not particularly limited, and a conventionally known production method can be used. Either a wet film formation method or a dry film formation method can be used. Can also be used. For example, as a wet film forming method, a method of applying carbon paste (carbon material powder (powder) + resin binder + solvent) such as graphite (coating method) can be used. The average particle size of the powder (powder) of the carbon material such as graphite is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present embodiment, but a range of 50 to 130 nm is preferable. In addition, the resin binder is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present embodiment, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVdF, polytetrafluoroethylene (PTFE), The solvent is not limited to these, and examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and water, but are not limited to these. The blending ratio (mass ratio) of the material powder (powder) and the resin binder is not particularly limited as long as the effects of the present embodiment are not impaired. The amount of the powder) is preferably in the range of 30 to 70% by mass of the solid component, and the amount of the resin binder is also 30 to 70% by mass of the solid component. As a method suitably used for forming (depositing) the conductive carbon layer (DLC layer) 25b, a dry deposition method is preferable. For example, a layer containing conductive carbon is formed on the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a) using the constituent material (for example, graphite) of the conductive carbon layer 25b as a target. By laminating (depositing) at the atomic level, a conductive carbon layer can be formed, whereby the directly adhered conductive carbon layer 25b and chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a) are formed. The interfacial force and the vicinity thereof can be maintained for a long period of time by intermolecular forces and slight carbon atom intrusion. And physical vapor deposition (PVD) methods such as sputtering and ion plating; and chemical vapor deposition (CVD) methods such as thermal CVD (chemical vapor deposition), plasma CVD, and photo-CVD. Examples of the ion beam deposition method include a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method, etc. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, a dual magnetron sputtering method, and an ECR sputtering method. In addition, examples of the ion plating method include an arc ion plating method, etc. Among them, it is preferable to use a sputtering method and an ion plating method. It is particularly preferred to use a ring method. According to such a technique, a carbon layer with a low hydrogen content (particularly a graphite structure with a turbulent layer structure) can be formed as the surface layer portion. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp 2 hybrid carbon) can be increased, and excellent conductivity can be achieved. In addition to this, the film can be formed at a relatively low temperature, and there is an advantage that damage to the metal substrate, the chromium oxycarbide layer, and the conductive intermediate layer can be minimized. Furthermore, according to the sputtering method, by controlling the bias voltage and the like, there are advantages that the crystal structure of the chromium oxycarbide layer and the conductive intermediate layer can be controlled, and the film quality of each layer to be formed can be controlled. .

ここで、導電性炭素層25bの成膜を乾式成膜法であるスパッタリング法により行なう場合には、上記した通り、スパッタリング時に金属基材21に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような実施形態によれば、イオン照射効果によって、上記したクロムオキシカーバイド層23や導電性中間層25aのように結晶構造の制御ができ、導電性炭素層25bの構造を境界層と表層部で変化させることができる。これにより、耐腐食性向上に寄与するクロムオキシカーバイド層や導電性中間層の形成や本実施形態における導電性炭素層のように高い密着性と低い接触抵抗を両立し得る導電性炭素層(DLC層)を得ることができる。   Here, when the conductive carbon layer 25b is formed by sputtering, which is a dry film formation method, a negative bias voltage may be applied to the metal substrate 21 during sputtering as described above. According to such an embodiment, the ion structure can control the crystal structure like the above-described chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a, and the structure of the conductive carbon layer 25b can be changed from the boundary layer to the surface layer portion. Can be changed. As a result, a conductive carbon layer (DLC) that can achieve both high adhesion and low contact resistance, such as the formation of a chromium oxycarbide layer and a conductive intermediate layer that contributes to improved corrosion resistance and the conductive carbon layer in this embodiment. Layer).

さらに、上記イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電性炭素層(DLC層)が成膜されうる。このような導電性炭素層25bは、クロムオキシカーバイド層23や導電性中間層25aとの高い密着性を有しつつ、表層部は優れた耐食性、導電性を発揮しうることから、燃料電池の他の部材(MEA等)との接触抵抗の小さい導電部材(金属セパレータ)が提供されうる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性炭素層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。さらに導電性炭素層25bでは、導電性炭素層25b成膜時における(負の)バイアス電圧を低い値から高い値へ変化させる手法を用いてもよい。具体的には、導電性炭素層25b成膜時の初期では、クロムオキシカーバイド層23や導電性中間層25aとの間に隙間や欠陥を生じないように低いバイアス電圧(0Vより高ければよく、0V超〜50V)で成膜を開始する。その後バイアス電圧を高い値(通常200〜500V、好ましくは200〜300V)に移行させ導電性が高いDLC層に変化させてもよい。或いは、一定のバイアス電圧(通常50〜500V、好ましくは100〜300V)とする手法を用いてもよい。この場合にも、クロムオキシカーバイド層23や導電性中間層25aが金属基材21との間に介在することで、隙間や欠陥を生じ難く、導電性が高い導電性炭素層(DLC層)とすることができる。   Furthermore, a conductive carbon layer (DLC layer) having a structure in which graphite clusters are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Such a conductive carbon layer 25b has high adhesion to the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a, and the surface layer portion can exhibit excellent corrosion resistance and conductivity. A conductive member (metal separator) having a low contact resistance with another member (such as MEA) can be provided. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming a conductive carbon layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. Further, for the conductive carbon layer 25b, a method of changing the (negative) bias voltage from the low value to the high value when forming the conductive carbon layer 25b may be used. Specifically, at the initial stage of forming the conductive carbon layer 25b, a low bias voltage (higher than 0 V is sufficient so as not to cause a gap or a defect between the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a. The film formation starts at 0V to 50V). Thereafter, the bias voltage may be shifted to a high value (usually 200 to 500 V, preferably 200 to 300 V) to change to a DLC layer having high conductivity. Alternatively, a method of setting a constant bias voltage (usually 50 to 500 V, preferably 100 to 300 V) may be used. Also in this case, since the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a are interposed between the metal base material 21 and the conductive carbon layer (DLC layer) having high conductivity that hardly causes gaps and defects. can do.

この他にも、導電性炭素層(DLC層)25bの形成(成膜)方法としては、マグネトロンスパッタリング法を好適に用いることができる。図2は、マグネトロンスパッタリング法の1種である、直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS法)で用いられる成膜装置の1例を説明するための上面模式図である。図3は、図2の真空チャンバ(容器)の壁を省略し、各部材の電位関係(真空チャンバ内の電源系統)を模式的に示した部分断面図である。   In addition, a magnetron sputtering method can be suitably used as a method for forming (depositing) the conductive carbon layer (DLC layer) 25b. FIG. 2 is a schematic top view for explaining an example of a film forming apparatus used in a direct current magnetron sputtering method (DCMS method), which is a kind of magnetron sputtering method. FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing the potential relationship (power supply system in the vacuum chamber) of each member with the wall of the vacuum chamber (container) of FIG. 2 omitted.

直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS法)で用いられる成膜装置は、図2に示すように、1つの真空チャンバ601内に、複数のターゲット(カソード)6101〜6104が設置されている。真空チャンバ601内は10−1〜10−2Torrレベルで保持され、必要に応じて、給気口(図示せず)より、N、Ar等のガス(図示せず)を導入することが出来る。不要な雰囲気ガスや余分なガスソースは、真空チャンバ601内の所定の圧力(真空圧等)を制御すべく、排気口(図示せず)より適宜排気される。これにより多層膜を連続的に成膜することができる。このような多層膜を連続形成可能な成膜装置を用いることで、一度真空チャンバ601内を高真空にしたのち、真空を解除することなく、クロムオキシカーバイド層を形成した基材501上に、例えば、導電性中間層(Cr層)(図示せず)と導電性炭素層(DLC層)(図示せず)を連続的に成膜することができる。このためクロムオキシカーバイド層を形成した基材501上に導電性中間層(Cr層)と導電性炭素層(DLC層)を積層して成膜する際の時間が短くて済む。 As shown in FIG. 2, a film forming apparatus used in a direct current magnetron sputtering method (DCMS method) has a plurality of targets (cathodes) 6101 to 6104 installed in one vacuum chamber 601. The inside of the vacuum chamber 601 is maintained at a 10 −1 to 10 −2 Torr level, and a gas such as N 2 or Ar (not shown) may be introduced from an air supply port (not shown) as necessary. I can do it. Unnecessary atmospheric gas and excess gas source are appropriately exhausted from an exhaust port (not shown) in order to control a predetermined pressure (vacuum pressure or the like) in the vacuum chamber 601. Thereby, a multilayer film can be continuously formed. By using such a film forming apparatus capable of continuously forming a multilayer film, the inside of the vacuum chamber 601 is once made into a high vacuum, and then the substrate 501 on which the chromium oxycarbide layer is formed without releasing the vacuum. For example, a conductive intermediate layer (Cr layer) (not shown) and a conductive carbon layer (DLC layer) (not shown) can be continuously formed. Therefore, the time required for forming the conductive intermediate layer (Cr layer) and the conductive carbon layer (DLC layer) on the base material 501 on which the chromium oxycarbide layer is formed can be shortened.

各ターゲット6101〜6104の裏面にはそれぞれ独立した磁気回路6201〜6204が配置されている。   Independent magnetic circuits 6201 to 6204 are arranged on the back surfaces of the targets 6101 to 6104, respectively.

真空チャンバ601内には、複数の基材501を固定し、均一な成膜を実現するための回転ステージ650が設けられている。回転ステージ650が回転することで、各ターゲット6101〜6104からのスパッタリングによる成膜が行われる。   A rotary stage 650 is provided in the vacuum chamber 601 for fixing a plurality of base materials 501 and realizing uniform film formation. By rotating the rotary stage 650, film formation by sputtering from each of the targets 6101 to 6104 is performed.

また、図3に示すように、基材501(回転ステージ650)と各ターゲット6101〜6104は、それぞれ独立した電源656および655に接続されている。基材501には回転ステージ650からバイアスが印加される。これにより各ターゲット6101〜6104に対する基材501のバイアスを自在に制御可能としている。なお、図3においては、ターゲット6101の場合を示したが、他の各ターゲット6102〜6104も同様に、それぞれ独立した電源に接続されている。また、DC電源655や各ターゲット6101(〜6104)と真空チャンバ601との間は絶縁体670で電気的に絶縁(遮断)されており、真空チャンバ601は接地されている。   Further, as shown in FIG. 3, the substrate 501 (rotation stage 650) and the targets 6101 to 6104 are connected to independent power sources 656 and 655, respectively. A bias is applied to the substrate 501 from the rotary stage 650. Thereby, the bias of the base material 501 with respect to each target 6101 to 6104 can be freely controlled. 3 shows the case of the target 6101, the other targets 6102 to 6104 are also connected to independent power sources in the same manner. Further, the DC power source 655 and each target 6101 (˜6104) and the vacuum chamber 601 are electrically insulated (blocked) by an insulator 670, and the vacuum chamber 601 is grounded.

直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS法)では、上記した成膜装置を用いて、ターゲット6101の位置に導電性炭素層(DLC層)成膜用ターゲット(例えば、グラファイトターゲット)、ターゲット6103の位置に、導電性中間層(Cr層)成膜用ターゲット(例えば、Crターゲット)を配置して、初めに、導電性中間層(Cr層)を成膜後、その上から導電性炭素層(DLC層)を連続して成膜することができる。各成膜時のスパッタ条件(成膜条件)のうち、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、各層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。なお、導電性炭素層(DLC層)だけを直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS)で製膜する場合には、ターゲット6103の位置にも、導電性炭素層(DLC層)成膜用ターゲット(例えば、グラファイトターゲット)を設けてもよい。   In the direct current magnetron sputtering method (DCMS method), a conductive carbon layer (DLC layer) film formation target (for example, a graphite target) is formed at the position of the target 6101 and the conductive film is formed at the position of the target 6103 using the film formation apparatus described above. A conductive intermediate layer (Cr layer) deposition target (for example, a Cr target) is disposed, and after first forming a conductive intermediate layer (Cr layer), a conductive carbon layer (DLC layer) is formed thereon. Films can be continuously formed. Of the sputtering conditions (film formation conditions) at the time of each film formation, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming each layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. When only the conductive carbon layer (DLC layer) is formed by DC magnetron sputtering (DCMS), the conductive carbon layer (DLC layer) deposition target (for example, graphite) is also formed at the position of the target 6103. Target) may be provided.

なお、このような成膜装置は、あくまでも直流マグネトロンスパッタリング法(DCMS法)で用いられる成膜装置の1例であり、本実施形態がこのような成膜装置を用いることに限定されるものではない。もちろん直流マグネトロンスパッタリング法(DCM法S)を実施する際には単層膜をスパッタする装置を用い、導電性中間層(Cr層)と導電性炭素層(DLC層)を別々に成膜してもよい。或いは、任意な導電性中間層(Cr層)を設けることなく、導電性炭素層(DLC層)のみを成膜してもよい。   Note that such a film forming apparatus is merely an example of a film forming apparatus used in a DC magnetron sputtering method (DCMS method), and the present embodiment is not limited to using such a film forming apparatus. Absent. Of course, when the direct current magnetron sputtering method (DCM method S) is performed, an apparatus for sputtering a single layer film is used, and a conductive intermediate layer (Cr layer) and a conductive carbon layer (DLC layer) are separately formed. Also good. Alternatively, only the conductive carbon layer (DLC layer) may be formed without providing any conductive intermediate layer (Cr layer).

この他にも、導電性炭素層(DLC層)25bの形成(成膜)方法としては、例えば、特開2010−024476号公報に記載の製造方法を用いることも好ましい態様の1つである。かかる製造方法により、抵抗率10mΩ・cm以下、好ましくは0.1Ω・cm以下の導電性炭素層25b(DLC層)を得ることができるためである。この他にも、例えば、大電力パルススパッタリング法(以下、HiPIMS法と称する)を用いることもできる。HiPIMS法を採用することにより、接触抵抗の低い導電性炭素層(DLC層)25bを高い成膜レートで成膜することができる点で好ましい態様の1つである。更にグラファイト構造の形成によるクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)との密着性の阻害を十分に抑えられる点でも好ましい態様の1つである。この他にも、例えば、アークイオンプレーティング法等が挙げられる。導電性炭素層(DLC層)25bに接するようにクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)を形成した場合の導電性炭素層(DLC層)25b及びクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)の密着性の観点からは、HiPIMS法が好ましい。以下では、このHiPIMS法について説明する。   In addition to this, as a method for forming (depositing) the conductive carbon layer (DLC layer) 25b, for example, the use of the manufacturing method described in JP 2010-024476 A is also one preferred embodiment. This is because the conductive carbon layer 25b (DLC layer) having a resistivity of 10 mΩ · cm or less, preferably 0.1 Ω · cm or less can be obtained by this manufacturing method. In addition, for example, a high power pulse sputtering method (hereinafter referred to as HiPIMS method) can be used. By adopting the HiPIMS method, this is one of the preferable aspects in that the conductive carbon layer (DLC layer) 25b having a low contact resistance can be formed at a high film formation rate. Furthermore, it is one of the preferred embodiments in that the inhibition of adhesion with the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a) due to the formation of the graphite structure can be sufficiently suppressed. In addition to this, for example, an arc ion plating method and the like can be mentioned. When the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a) is formed so as to be in contact with the conductive carbon layer (DLC layer) 25b, the conductive carbon layer (DLC layer) 25b and the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive) From the viewpoint of the adhesion of the intermediate layer 25a), the HiPIMS method is preferred. Below, this HiPIMS method is demonstrated.

図4は、HiPIMS法で用いられる成膜装置の一例を模式的に示した概略図である。成膜装置100は、真空チャンバ11と、真空チャンバ11内に設置された炭素原料電極14と間隔を隔てて対向配置された金属基材21とを備えている。金属基材21上には、クロムオキシカーバイド層23(更に必要に応じて導電性中間層25a)が配置されている。炭素原料電極14には、パルス電圧(負電圧)を印加するための、基板原料電極用パルス電源(HiPIMS電源)17が接続されている。金属基材21には、DC電源18が接続されている。真空チャンバ11は、接地されている。また、真空チャンバ11には、外部から、スパッタ用雰囲気ガスであるアルゴンガスを導入するためのアルゴンガス管15が、アルゴンガス導入ポート16を経て導入されている。   FIG. 4 is a schematic view schematically showing an example of a film forming apparatus used in the HiPIMS method. The film forming apparatus 100 includes a vacuum chamber 11 and a metal base material 21 that is disposed to face the carbon source electrode 14 disposed in the vacuum chamber 11 with a space therebetween. A chromium oxycarbide layer 23 (and a conductive intermediate layer 25a as necessary) is disposed on the metal substrate 21. The carbon source electrode 14 is connected to a substrate source electrode pulse power source (HiPIMS power source) 17 for applying a pulse voltage (negative voltage). A DC power source 18 is connected to the metal substrate 21. The vacuum chamber 11 is grounded. An argon gas pipe 15 for introducing argon gas, which is a sputtering atmosphere gas, is introduced into the vacuum chamber 11 from the outside via an argon gas introduction port 16.

成膜装置100においては、真空チャンバ11内にアルゴンガスが導入され、炭素原料電極(ターゲット)14に、スパッタリング用パルス電源17からパルス電圧が印加される。これにより、アルゴンガスが電離し、炭素原料電極(ターゲット)14近傍にプラズマが発生する。このプラズマにより、炭素原料の炭素原子がスパッタされる。HiPIMS法では高いパルス電圧を印加するためプラズマの密度が高くなり、スパッタされた炭素原子もイオン化され得る。金属基材21に負バイアス電圧をかけることにより、このような炭素イオンを引き付け、炭素被膜として堆積させる。これにより、高速の成膜レートが実現でき、得られた炭素膜は緻密で接触抵抗の低いものとなる。さらに、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)に負バイアス電圧が印加されていることにより、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)近傍の水分が蒸発し、堆積する炭素被膜中に水分が含まれなくなる。これによっても、炭素被膜の接触抵抗が低下する。   In the film forming apparatus 100, argon gas is introduced into the vacuum chamber 11, and a pulse voltage is applied to the carbon source electrode (target) 14 from the sputtering pulse power supply 17. As a result, the argon gas is ionized, and plasma is generated in the vicinity of the carbon source electrode (target) 14. By this plasma, carbon atoms of the carbon raw material are sputtered. In the HiPIMS method, since a high pulse voltage is applied, the plasma density is increased, and sputtered carbon atoms can be ionized. By applying a negative bias voltage to the metal substrate 21, such carbon ions are attracted and deposited as a carbon film. Thereby, a high deposition rate can be realized, and the obtained carbon film is dense and has low contact resistance. Further, when a negative bias voltage is applied to the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a), moisture near the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a) evaporates and deposits carbon. Moisture is not contained in the coating. This also reduces the contact resistance of the carbon coating.

クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)に負バイアス電圧を印加する基材用電源としては、DC電源、RF電源、パルス電源等のいずれを用いてもよいが、DC電源18が好ましい。すなわち、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)に直流電圧を印加することが好ましい。DC電源18により、一定の負バイアス電圧をかけることにより、金属基板21が一定して炭素イオンを引き付けることができ、接触抵抗をはじめとする膜質の制御が可能となるためである。パルス電源を用いる場合には、炭素イオンを効率的に引き付けるため、炭素原料電極用のパルス電源17のパルス電圧と同期させることが好ましい。   As the substrate power source for applying a negative bias voltage to the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a), any of a DC power source, an RF power source, a pulse power source and the like may be used, but the DC power source 18 is preferable. . That is, it is preferable to apply a DC voltage to the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a). This is because by applying a constant negative bias voltage from the DC power source 18, the metal substrate 21 can attract carbon ions constantly, and the film quality including contact resistance can be controlled. When using a pulse power supply, it is preferable to synchronize with the pulse voltage of the pulse power supply 17 for the carbon source electrode in order to attract carbon ions efficiently.

炭素原料電極14に印加する負パルス電圧E1は、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)の負バイアス電圧よりも大きいことが好ましい。負パルス電圧E1が負バイアス電圧よりも大きいことで、密着性の良い炭素被膜を製造することができる。   The negative pulse voltage E1 applied to the carbon raw material electrode 14 is preferably larger than the negative bias voltage of the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a). When the negative pulse voltage E1 is higher than the negative bias voltage, a carbon film with good adhesion can be produced.

また、炭素原料電極14に印加する負パルス電圧E1およびクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)に印加する負バイアス電圧は、共に好ましくは800V以上、より好ましくは900V以上の負電圧である。パルス電圧E1が800V以上の負電圧であると、プラズマの密度が高くなり、スパッタリングされた炭素原子もイオン化される。負バイアス電圧が800V以上の負電圧であると、発生した炭素原子イオンを引き付けるため、成膜レートが高速となり、炭素被膜も緻密化され、接触抵抗の低い炭素被膜とできる。また、パルス電圧E1が800V以上であると、堆積した炭素被膜の膜剥がれを防ぐ効果もある。負パルス電圧E1と負バイアス電圧との差は、100V以上であることが好ましい。負パルス電圧E1および負バイアス電圧の上限には特に制限はない。   The negative pulse voltage E1 applied to the carbon raw material electrode 14 and the negative bias voltage applied to the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a) are both preferably 800V or higher, more preferably 900V or higher. is there. When the pulse voltage E1 is a negative voltage of 800 V or more, the plasma density increases and the sputtered carbon atoms are also ionized. When the negative bias voltage is a negative voltage of 800 V or more, the generated carbon atom ions are attracted, so that the film formation rate is increased, the carbon film is densified, and a carbon film with low contact resistance can be obtained. Further, when the pulse voltage E1 is 800 V or more, there is an effect of preventing film peeling of the deposited carbon film. The difference between the negative pulse voltage E1 and the negative bias voltage is preferably 100 V or more. There is no particular limitation on the upper limits of the negative pulse voltage E1 and the negative bias voltage.

図5は、炭素原料電極14に印加する電圧の波形を模式的に示した図である。図5に示す波形において、負電圧Aの絶対値がE1である。図5中、炭素原料電極14に印加する負パルス電圧E1は、周波数(パルス電源の周波数)が好ましくは500〜2000Hz、より好ましくは500〜1500Hzであり、パルス幅Cが好ましく50〜400μs、より好ましくは50〜200μsである。周波数が500Hz以上であれば、成膜レートが向上し、十分な成膜レートで炭素被膜を堆積することができる。一方、現在使用可能な電源によって2000Hzが上限値となるが、周波数の上限には特に制限はない。   FIG. 5 is a diagram schematically showing the waveform of the voltage applied to the carbon source electrode 14. In the waveform shown in FIG. 5, the absolute value of the negative voltage A is E1. In FIG. 5, the negative pulse voltage E1 applied to the carbon raw material electrode 14 has a frequency (frequency of the pulse power source) of preferably 500 to 2000 Hz, more preferably 500 to 1500 Hz, and a pulse width C of preferably 50 to 400 μs. Preferably it is 50-200 microseconds. When the frequency is 500 Hz or more, the film formation rate is improved, and the carbon film can be deposited at a sufficient film formation rate. On the other hand, 2000 Hz is the upper limit depending on the power source that is currently available, but there is no particular upper limit on the frequency.

パルス幅Cが50μs以上であれば、十分な速度で成膜ができる。一方、電源容量上の制限からは400μsが上限値となるが、パルス幅Cの上限には特に制限はない。また、パルスの周期Bとパルス幅Cとの比であるduty(C/B×100(%))は、0<duty<100%であれば、十分な速度で成膜ができる。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。   When the pulse width C is 50 μs or more, the film can be formed at a sufficient speed. On the other hand, 400 μs is the upper limit due to the limitation on the power supply capacity, but the upper limit of the pulse width C is not particularly limited. Further, if the duty (C / B × 100 (%)), which is the ratio between the pulse period B and the pulse width C, is 0 <duty <100%, the film can be formed at a sufficient rate. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably.

真空チャンバ11に導入されるスパッタ用雰囲気ガスとしては、アルゴン、クリプトン、酸素、炭化水素系ガスまたはこれらの混合ガスのいずれかである。このうち、特にアルゴンガスを好ましく用いることができる。   The sputtering atmosphere gas introduced into the vacuum chamber 11 is argon, krypton, oxygen, hydrocarbon-based gas, or a mixed gas thereof. Of these, argon gas can be particularly preferably used.

また、金属基材21は、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)を備え、炭素被膜を形成させるための基板としても機能する。金属基材21の構成材料は、後述する金属(合金)材料が好ましい。本実施形態のように基材21の構成材料が金属(合金)である場合、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)を形成する前に、金属基材21の表面をイオンボンバード処理(酸化膜除去処理)することが特に好ましい。イオンボンバード処理とは、イオン化したアルゴンガス等を金属表面にたたき付けて洗浄する方法である。これにより、金属基材表面に形成された酸化膜や水酸化膜などの不動態被膜を破壊することができる。表面をイオンボンバード処理することにより、金属基材21表面へのクロムオキシカーバイド層23の密着性を向上させることができ、更に接合抵抗が大きくなるのを効果的に防止することができる点で優れている。上記酸化膜除去処理(イオンボンバード処理など)は、HiPIMS法以外の他の成膜方法にも適用し得るものである。   Moreover, the metal base material 21 is provided with the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a), and also functions as a substrate for forming a carbon film. The constituent material of the metal substrate 21 is preferably a metal (alloy) material described later. When the constituent material of the base material 21 is a metal (alloy) as in the present embodiment, the surface of the metal base material 21 is subjected to ion bombarding before the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a) is formed. (Oxide film removal treatment) is particularly preferable. The ion bombardment treatment is a method in which ionized argon gas or the like is struck against a metal surface for cleaning. Thereby, a passive film such as an oxide film or a hydroxide film formed on the surface of the metal substrate can be destroyed. By performing ion bombardment on the surface, the adhesion of the chromium oxycarbide layer 23 to the surface of the metal substrate 21 can be improved, and further, it is possible to effectively prevent an increase in bonding resistance. ing. The oxide film removal process (ion bombardment process, etc.) can be applied to film forming methods other than the HiPIMS method.

以上が、HiPIMS法で導電性炭素層(DLC層)を成膜(形成)する場合の成膜条件の一例(第1のHiPIMS法)であるが、上記以外の成膜条件でも導電性炭素層(DLC層)を成膜可能である。例えば、HiPIMS法で導電性炭素層(DLC層)を成膜する場合の成膜条件の他の一例(第2のHiPIMS法)としては、印加する負のバイアス電圧は、700〜1200Vであることが好ましい。このような範囲の負のバイアス電圧を印加することにより、Arイオンが炭素被膜(導電性炭素層;DLC層)の表面により衝突するようになり、炭素被膜(導電性炭素層;DLC層)の表面がダングリングボンドを有しやすくなる。したがって、自由に移動できる電子が多くなるため、形成された導電性炭素層(DLC層)と他の部材(特に燃料電池の他の構成部材)とはオーミック接触するようになり、積層方向の接触抵抗が低減する点で優れている。かように積層方向の接触抵抗が低減されることで、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層(DLC層)となり、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層(DLC層)自体の内部応力の増大をも抑制することができ、導電性炭素層25b全体とクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)との密着性をより一層向上させることができる点でも優れている。 The above is one example of film formation conditions (first HiPIMS method) in the case where a conductive carbon layer (DLC layer) is formed (formed) by the HiPIMS method. (DLC layer) can be formed. For example, as another example of film formation conditions (second HiPIMS method) when forming a conductive carbon layer (DLC layer) by the HiPIMS method, the negative bias voltage to be applied is 700 to 1200 V. Is preferred. By applying a negative bias voltage in such a range, Ar + ions collide with the surface of the carbon coating (conductive carbon layer; DLC layer), and the carbon coating (conductive carbon layer; DLC layer). The surface of the film tends to have dangling bonds. Accordingly, since more electrons can freely move, the formed conductive carbon layer (DLC layer) and other members (especially other constituent members of the fuel cell) come into ohmic contact and contact in the stacking direction. Excellent in reducing resistance. Thus, by reducing the contact resistance in the stacking direction, a conductive carbon layer (DLC layer) in which the conductivity in the stacking direction is sufficiently secured is obtained, and the reduction of the graphite component can be suppressed. Furthermore, the increase in internal stress of the conductive carbon layer (DLC layer) itself can be suppressed, and the adhesion between the entire conductive carbon layer 25b and the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a) can be further increased. It is also excellent in that it can be further improved.

導電性炭素層(DLC層)25bは、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)に最も近い層であるが、好ましくはクロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)と導電性炭素層(DLC層)25bとが接している形態である。   The conductive carbon layer (DLC layer) 25b is a layer closest to the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a), and preferably has conductivity with the chromium oxycarbide layer 23 (or conductive intermediate layer 25a). The carbon layer (DLC layer) 25b is in contact with the carbon layer.

導電性炭素層(DLC層)25bの膜厚は特に制限されないが、好ましくは20〜80nmである。安定した導電性炭素層(DLC層)形成及び成膜時間が長くなり過ぎないようにする観点から、より好ましくは20〜50nmである。導電性炭素層(DLC層)25bの膜厚がかような範囲であれば、上記した発明の効果(上記した作用メカニズムによる効果)を十分に発揮し得る。   The film thickness of the conductive carbon layer (DLC layer) 25b is not particularly limited, but is preferably 20 to 80 nm. From the viewpoint of preventing the formation of a stable conductive carbon layer (DLC layer) and the deposition time from becoming too long, the thickness is more preferably 20 to 50 nm. If the film thickness of the conductive carbon layer (DLC layer) 25b is in such a range, the above-described effects (effects by the above-described action mechanism) can be sufficiently exhibited.

なお、本実施形態においては、導電性炭素層25bは金属セパレータ20の一方の主表面にのみ存在させてもよい。しかしながら、好ましくは図1などに示すように、金属セパレータ20の他の主表面にも(即ち、金属基材21の両表面に)導電性炭素層25bが存在した構成とするのが好ましい。これは、金属基材21の両表面において、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)を介して金属基材21と、導電性炭素層25bとの密着性を確保しつつ、腐食環境においても金属基材21の耐食性(防食効果)をより一層維持できるためである。   In the present embodiment, the conductive carbon layer 25 b may exist only on one main surface of the metal separator 20. However, preferably, as shown in FIG. 1 and the like, it is preferable that the conductive carbon layer 25b exists on the other main surface of the metal separator 20 (that is, on both surfaces of the metal substrate 21). This is because, on both surfaces of the metal substrate 21, the adhesion between the metal substrate 21 and the conductive carbon layer 25b is ensured through the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a), and the corrosive environment. This is because the corrosion resistance (anticorrosion effect) of the metal substrate 21 can be further maintained.

本実施形態においては、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)を介して金属基材21のすべてが、導電性炭素層25bにより被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電性炭素層25bにより金属基材21が被覆された面積の割合(被覆率)は100%である。ただし、かような形態のみには限定されず、被覆率は100%未満であってもよい。導電性炭素層25bによる金属基材21の被覆率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは100%である。かような構成とすることにより、導電性炭素層25bにより被覆されていない、金属基材21の露出部への酸化皮膜の形成に伴う導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。なお、本実施形態のように、クロムオキシカーバイド層23(ないし導電性中間層25a)が金属基材21と導電性炭素層25bとの間に介在する場合には、上記被覆率は、金属セパレータ20を積層方向から見た場合に、導電性炭素層25bと重複する金属基材21の面積の割合を意味するものとする。   In the present embodiment, all of the metal substrate 21 is covered with the conductive carbon layer 25b through the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a). In other words, in this embodiment, the ratio (coverage) of the area where the metal base material 21 is covered with the conductive carbon layer 25b is 100%. However, it is not limited only to such a form, and the coverage may be less than 100%. The coverage of the metal substrate 21 by the conductive carbon layer 25b is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and most preferably 100%. By setting it as such a structure, the fall of electroconductivity and corrosion resistance accompanying the formation of the oxide film in the exposed part of the metal base material 21 which is not coat | covered with the conductive carbon layer 25b can be suppressed effectively. When the chromium oxycarbide layer 23 (or the conductive intermediate layer 25a) is interposed between the metal substrate 21 and the conductive carbon layer 25b as in the present embodiment, the coverage is determined by the metal separator. When 20 is viewed from the stacking direction, it means the ratio of the area of the metal substrate 21 overlapping the conductive carbon layer 25b.

また、図1に示す導電性炭素層25bは、上記したように単層構造であってもよいし、成膜条件を変えて形成した2つの層が積層された2層構造であってもよい。この場合、例えば、上記した第1のHiPIMS法により成膜(形成)した層と、上記した第2のHiPIMS法により成膜(形成)した層が積層された2層構造の導電性炭素層25b等が例示できる。ただし、本実施形態の金属セパレータはこの形態には限定されず、3層以上の積層構造である導電性炭素層(DLC層)を有していてもよい。上記した第1のHiPIMS法により成膜(形成)した層や上記した第2のHiPIMS法により成膜(形成)した層以外の他の導電性炭素層の例としては、例えば、第1のHiPIMS法により成膜(形成)した層と同様の膜質を有する層や第2のHiPIMS法により成膜(形成)した層と同様の膜質を有する層が挙げられる。その他の導電性炭素層の層順や層数は特に制限されない。   Further, the conductive carbon layer 25b shown in FIG. 1 may have a single-layer structure as described above, or may have a two-layer structure in which two layers formed by changing film formation conditions are stacked. . In this case, for example, the conductive carbon layer 25b having a two-layer structure in which the layer formed (formed) by the first HiPIMS method and the layer formed (formed) by the second HiPIMS method are stacked. Etc. can be exemplified. However, the metal separator of this embodiment is not limited to this form, and may have a conductive carbon layer (DLC layer) having a laminated structure of three or more layers. Examples of the conductive carbon layer other than the layer formed (formed) by the first HiPIMS method and the layer formed (formed) by the second HiPIMS method are, for example, the first HiPIMS. Examples thereof include a layer having the same film quality as the layer formed (formed) by the method and a layer having the same film quality as the layer formed (formed) by the second HiPIMS method. The order of the other conductive carbon layers and the number of layers are not particularly limited.

[導電性中間層25a]
本実施形態において、金属セパレータ20は、クロムオキシカーバイド層23上(クロムオキシカーバイド層23と導電性炭素層(DLC層)25bとの間)に、必要に応じて、導電性層25を構成する層として、導電性中間層25aを有していてもよい。この導電性中間層25aは、金属基材21上のクロムオキシカーバイド層23と導電性炭素層25bとの密着性を向上させるという機能や、金属基材21やクロムオキシカーバイド層23からのイオンの溶出を防止するという機能を有する点で優れている。導電性中間層25aの好ましい層数は、1〜5層である。
[Conductive intermediate layer 25a]
In the present embodiment, the metal separator 20 forms the conductive layer 25 on the chromium oxycarbide layer 23 (between the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive carbon layer (DLC layer) 25b) as necessary. As a layer, you may have the electroconductive intermediate | middle layer 25a. This conductive intermediate layer 25a has a function of improving the adhesion between the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive carbon layer 25b on the metal substrate 21, and the ion of the metal substrate 21 and the chromium oxycarbide layer 23. It is excellent in that it has a function of preventing elution. The preferred number of layers of the conductive intermediate layer 25a is 1 to 5 layers.

導電性中間層25aを構成する材料としては、上記の密着性の付与やイオンの溶出防止の機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、長周期型周期表の第4族の金属(Ti、Zr、Nf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、第6族の金属(Cr、Mo、W)、ならびにこれらの炭化物、窒化物および炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属、またはこれらの窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、CrもしくはTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物が用いられる。特に、CrもしくはTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物を用いる場合、導電性中間層25aの役割として、上側の導電性炭素層25bとの密着性確保と、下側の金属基材21及びクロムオキシカーバイド層23の防食効果がある。特にCrおよびTi、なかでもCrの場合、不動態皮膜の形成により、露出部が存在していたとしても、それ自体の溶出がほとんど見られないという観点から、特に有用である。   The material constituting the conductive intermediate layer 25a is not particularly limited as long as it has a function of imparting adhesion and preventing ion elution. For example, Group 4 metals (Ti, Zr, Nf), Group 5 metals (V, Nb, Ta), Group 6 metals (Cr, Mo, W) in the long-period periodic table, and these Examples thereof include carbides, nitrides, carbonitrides, and the like. Among these, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb) or hafnium (Hf), or their nitrides, carbides or charcoal are preferable. Nitride is used. More preferably, Cr or Ti, or a carbide or nitride thereof is used. In particular, when Cr or Ti, or their carbides or nitrides are used, the role of the conductive intermediate layer 25a is to ensure adhesion to the upper conductive carbon layer 25b, to lower the metal base material 21 and the chromium oxy There is an anticorrosive effect of the carbide layer 23. In particular, Cr and Ti, especially Cr, are particularly useful from the viewpoint that even if an exposed portion is present due to the formation of a passive film, the elution of itself is hardly observed.

導電性中間層25aの形成方法としては、乾式成膜法が好ましい。かかる乾式成膜法の具体例としては、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法;熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、プラズマCVD法、光CVD法、プラズマCVD法等の化学気相成長(CVD)法などが挙げられる。また、フィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法なども挙げられる。スパッタリング法としては、直流マグネトロンスパッタリング(DCMS)法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、デュアルマグネトロンスパッタリング法、電子サイクロトロン共鳴スパッタリング(ECRスパッタリング)法などが挙げられる。イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでもスパッタリング法またはイオンプレーティング法を用いることが好ましい。かような方法であれば、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材21及びクロムオキシカーバイド層23へのダメージを最小限に抑えることができる。さらにスパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、導電性中間層25aの結晶構造を制御したり、膜質をコントロールしたりできるという利点もある。   As a method for forming the conductive intermediate layer 25a, a dry film forming method is preferable. Specific examples of such a dry film forming method include, for example, a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method and an ion plating method; a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a plasma CVD method, a photo CVD method, and a plasma CVD method. Examples thereof include chemical vapor deposition (CVD) methods. Moreover, ion beam vapor deposition methods, such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method, are also mentioned. Examples of the sputtering method include a direct current magnetron sputtering (DCMS) method, an unbalanced magnetron sputtering method, a dual magnetron sputtering method, and an electron cyclotron resonance sputtering (ECR sputtering) method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Among these, it is preferable to use a sputtering method or an ion plating method. With such a method, film formation is possible at a relatively low temperature, and damage to the metal substrate 21 and the chromium oxycarbide layer 23 can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the crystal structure of the conductive intermediate layer 25a can be controlled and the film quality can be controlled by controlling the bias voltage and the like.

導電性中間層25aは、上述のように金属基材21やクロムオキシカーバイド層23の防食効果を高めることができ、アルミニウムのような腐食しやすい金属の場合でも、金属セパレータの金属基材21として適用できる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性中間層25aを成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。   As described above, the conductive intermediate layer 25a can enhance the anticorrosion effect of the metal base material 21 and the chromium oxycarbide layer 23. Even in the case of a corrosive metal such as aluminum, the conductive intermediate layer 25a is used as the metal base material 21 of the metal separator. Applicable. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming the conductive intermediate layer 25a can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V.

なお、導電性中間層25a及び導電性炭素層25bの成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。また、UBMS法により導電性炭素層25bを成膜する場合には、予め同様の装置及び製法で導電性中間層25aを形成しておき、その上に導電性炭素層25bを形成することが好ましい。これにより、下地層との密着性に優れる導電性中間層25a及び導電性炭素層25bが形成されうる。ただし、他の手法によって導電性中間層25aを形成し、異なる装置や製法にて導電性炭素層25bを成膜するようにしても良い。この場合であっても、クロムオキシカーバイド層23との密着性に優れる導電性中間層25a、更には導電性炭素層25bが形成されうる。   Note that specific forms such as other conditions at the time of forming the conductive intermediate layer 25a and the conductive carbon layer 25b are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. Further, when the conductive carbon layer 25b is formed by the UBMS method, it is preferable to form the conductive intermediate layer 25a in advance by the same apparatus and manufacturing method, and form the conductive carbon layer 25b thereon. . As a result, the conductive intermediate layer 25a and the conductive carbon layer 25b having excellent adhesion to the base layer can be formed. However, the conductive intermediate layer 25a may be formed by other methods, and the conductive carbon layer 25b may be formed by a different apparatus or manufacturing method. Even in this case, the conductive intermediate layer 25a having excellent adhesion to the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive carbon layer 25b can be formed.

必要に応じて用いられる導電性中間層25aは1層以上であれば、その層数は特に制限されない。また、必要に応じて用いられる導電性中間層25aの膜厚も特に制限されない。ただし、金属セパレータ20をより薄膜化することにより、燃料電池のスタックのサイズをできるだけ小さくするという観点から、導電性中間層25aの膜厚(2層以上の場合はその総厚)は、好ましくは10nm〜10μmであり、より好ましくは15nm〜5μmである。また、さらに好ましくは20nm〜5μmであり、特に好ましくは100nm〜2μmである。安定した導電性中間層形成及び成膜時間が長くなり過ぎないようにするの観点から、最も好ましくは100〜200nmである。導電性中間層25aの膜厚が10nm以上であれば、均一な層が形成され、金属基材21及びクロムオキシカーバイド層23の耐食性を効果的に向上させることが可能となる。一方、導電性中間層25aの膜厚が10μm以下であれば、導電性中間層25aの膜応力の上昇が抑えられ、金属基材21やクロムオキシカーバイド層23や導電性炭素層25bに対する被膜追従性の低下やこれに伴う剥離・クラックの発生が防止されうる。   The number of conductive intermediate layers 25a used as necessary is not particularly limited as long as it is one or more. Further, the thickness of the conductive intermediate layer 25a used as necessary is not particularly limited. However, from the viewpoint of making the fuel cell stack as small as possible by making the metal separator 20 thinner, the thickness of the conductive intermediate layer 25a (the total thickness in the case of two or more layers) is preferably The thickness is 10 nm to 10 μm, and more preferably 15 nm to 5 μm. Further, it is more preferably 20 nm to 5 μm, and particularly preferably 100 nm to 2 μm. The thickness is most preferably 100 to 200 nm from the viewpoint of stable formation of the conductive intermediate layer and preventing the film formation time from becoming too long. If the film thickness of the conductive intermediate layer 25a is 10 nm or more, a uniform layer is formed, and the corrosion resistance of the metal substrate 21 and the chromium oxycarbide layer 23 can be effectively improved. On the other hand, if the film thickness of the conductive intermediate layer 25a is 10 μm or less, the increase in the film stress of the conductive intermediate layer 25a is suppressed, and the film follows the metal substrate 21, the chromium oxycarbide layer 23, and the conductive carbon layer 25b. Deterioration and the occurrence of peeling and cracking associated therewith can be prevented.

また、図1に示す導電性層25は、導電性中間層25aおよび導電性炭素層25bがそれぞれ1層ずつ積層された2層構造であるが、本実施形態の金属セパレータはこの形態には限定されず、3層以上の積層構造である導電性層25を有していてもよい。導電性中間層25aおよび導電性炭素層25b以外の他の導電性層の例としては、導電性中間層25aと同様の膜質を有する層や電性炭素層25bと同様の膜質を有する層が挙げられる。その他の導電性層の層順や層数は特に制限されない。   The conductive layer 25 shown in FIG. 1 has a two-layer structure in which one conductive intermediate layer 25a and one conductive carbon layer 25b are stacked, but the metal separator of this embodiment is limited to this form. Alternatively, the conductive layer 25 having a laminated structure of three or more layers may be included. Examples of other conductive layers other than the conductive intermediate layer 25a and the conductive carbon layer 25b include a layer having the same film quality as the conductive intermediate layer 25a and a layer having the same film quality as the conductive carbon layer 25b. It is done. The order of the other conductive layers and the number of layers are not particularly limited.

[クロムオキシカーバイド(Cr)層23]
本実施形態において、金属セパレータ20は、金属基材21上(金属基材21と導電性層25との間)に、クロムオキシカーバイド層23を有することを特徴とするものである。このクロムオキシカーバイド層23は、金属基材21と導電性層25との密着性を向上させるという機能や、金属基材21からのイオンの溶出を防止するという機能を有する点で優れている。本実施形態では、上記したように、クロムオキシカーバイド層23を形成する前に、予めイオンボンバード処理を行うことで金属基材21表面に形成された酸化膜や水酸化膜などの不動態被膜を破壊するのが好ましい。
[Chromium oxycarbide (Cr x C y O z ) layer 23]
In the present embodiment, the metal separator 20 has a chromium oxycarbide layer 23 on the metal substrate 21 (between the metal substrate 21 and the conductive layer 25). The chromium oxycarbide layer 23 is excellent in that it has a function of improving the adhesion between the metal substrate 21 and the conductive layer 25 and a function of preventing elution of ions from the metal substrate 21. In the present embodiment, as described above, before the chromium oxycarbide layer 23 is formed, a passive film such as an oxide film or a hydroxide film formed on the surface of the metal substrate 21 by performing ion bombardment in advance. It is preferable to destroy.

クロムオキシカーバイド層23の抵抗率は約0.2mΩ・cmである。クロムオキシカーバイド層23の厚さは特定されるものではない。クロムオキシカーバイド層の膜厚は厚いほど金属基板からの金属イオンの溶出を低減させることが可能である。さらに、クロムオキシカーバイド層の膜厚が厚ければ金属セパレータとしての強度が増大する。また所定の厚さ以上あれば、上記作用効果を損なうことなく有効に発現し得るため好ましい。このような観点から、クロムオキシカーバイドの膜厚は、好ましくは0.5nm以上、より好ましくは2nm以上、さらに好ましくは3nm以上、特に好ましくは5nm以上、なかでも好ましくは10nm以上、最も好ましくは30nm以上であり、5μm以下、好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下、さらに好ましくは500nm以下、特に好ましくは200nm以下、なかでも好ましくは100nm以下、とりわけ好ましくは50nm以下、もっとも好ましくは20nm以下の範囲である。そして、好ましくは0.5nm以上200nm以下の範囲の厚さで、より好ましくは0.5nm以上100nm以下、更に好ましくは0.5nm以上50nm以下の厚さで、さらに好ましくは0.5nm以上20nm以下の厚さで用いられる。但し上記した効果を損なうことなく有効に発現し得る厚さであれば、上記に規定する範囲に特に制限されるものではない。   The resistivity of the chromium oxycarbide layer 23 is about 0.2 mΩ · cm. The thickness of the chromium oxycarbide layer 23 is not specified. The thicker the chromium oxycarbide layer is, the more the metal ions can be eluted from the metal substrate. Further, if the chromium oxycarbide layer is thick, the strength as a metal separator increases. Moreover, if it is more than predetermined thickness, since it can express effectively, without impairing the said effect, it is preferable. From such a viewpoint, the film thickness of chromium oxycarbide is preferably 0.5 nm or more, more preferably 2 nm or more, further preferably 3 nm or more, particularly preferably 5 nm or more, particularly preferably 10 nm or more, and most preferably 30 nm. 5 μm or less, preferably 2 μm or less, more preferably 1 μm or less, further preferably 500 nm or less, particularly preferably 200 nm or less, particularly preferably 100 nm or less, particularly preferably 50 nm or less, most preferably 20 nm or less. It is. The thickness is preferably in the range of 0.5 nm to 200 nm, more preferably 0.5 nm to 100 nm, still more preferably 0.5 nm to 50 nm, and still more preferably 0.5 nm to 20 nm. Used in thickness. However, the thickness is not particularly limited to the above range as long as the thickness can be effectively expressed without impairing the above-described effects.

また、(層23を構成する又は主成分とする)クロムオキシカーバイドは、クロム、炭素、酸素からなる化合物で二つの面心立方副格子からなる塩化ナトリウム(NaCl)型結晶に類似の立方晶である。ここでNaCl型結晶に類似の立方晶とは、NaCl型結晶のように2つの面心立方副格子から構成されるが、1つの面心立方副格子は必ずしも単一の元素で占有されていない立方晶をいう。プラズマCVD法で作成されるクロムオキシカーバイドの格子定数は0.410nmでCrと書かれるCr、C、Oの組成比率(x、y、z)は、X線光電子分光(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)法による組成分析で(0.5、0.25、0.25)である。(Japanese Journal of Applied Physics, Vol.28, pp.1450−1454 (1989)(非特許文献1という)参照。)。一般に、製法および成膜条件の違いにより、格子定数、化学組成には、ばらつきが生じる。例えば、反応性スパッタリング法で、成膜条件を種々変えて作成した格子定数0.42nmの3つのクロムオキシカーバイド膜が開示されている。(Journal of the American Ceramic Society, Vol.84, pp.1763−1766 (2001)(非特許文献2という)参照。)。それら3つの試料のCr、C、Oの組成比率(x、y、z)は、電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro−Analyzer)法による組成分析では(0.368、0.215、0.417)、(0.298、0.045、0.666)、(0.38、0.20、0.421)である。プラズマCVD法および反応性スパッタリング法で作成された格子定数は、0.01nm程度の製法による変動幅を考慮すると、好ましくは0.40nm以上0.43nm以下であり、より好ましくは0.41nm以上0.42nm以下である。また、クロムの組成比率xは成膜装置、製法等による変動を考慮して好ましくは0.298以上0.50以下である。一般に表面分析法による定量分析の誤差は大きく、X線光電子分光法で10%程度(例えば、特開平8−110313号公報参照。)、電子線マイクロアナライザ法で約1%といわれている。(例えば、笠田洋文“EPMAのしくみと試料分析例 by KASADA”、[online]、平成14年10月、鳥取大学技術部、[平成26年1月29日検索]、インターネット<URL:http://www.eng. tottori−u.ac.jp/〜www_tec/epma/epma.html>参照。)。このような測定誤差も考慮すれば、クロムの組成比率xは0.28以上0.60以下である。 Chromium oxycarbide (which constitutes layer 23 or is the main component) is a cubic crystal similar to a sodium chloride (NaCl) type crystal composed of two face-centered cubic sublattices composed of chromium, carbon and oxygen. is there. Here, the cubic crystal similar to the NaCl type crystal is composed of two face centered cubic sublattices like the NaCl type crystal, but one face centered cubic sublattice is not necessarily occupied by a single element. A cubic crystal. The lattice constant of chromium oxycarbide prepared by the plasma CVD method is 0.410 nm and the composition ratio (x, y, z) of Cr, C, O written as Cr x C y O z is X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). : X-ray Photoelectron Spectroscopy) (0.5, 0.25, 0.25) by composition analysis. (See Japan Journal of Applied Physics, Vol. 28, pp. 1450-1454 (1989) (referred to as non-patent document 1).). In general, the lattice constant and chemical composition vary due to differences in manufacturing method and film forming conditions. For example, three chromium oxycarbide films having a lattice constant of 0.42 nm prepared by changing the film formation conditions by reactive sputtering are disclosed. (See Journal of the American Ceramic Society, Vol. 84, pp. 1763-1766 (2001) (referred to as non-patent document 2)). The composition ratios (x, y, and z) of Cr, C, and O of these three samples are (0.368, 0.215, 0) in the composition analysis by an electron probe microanalyzer (EPMA: Electron Probe Micro-Analyzer) method. .417), (0.298, 0.045, 0.666), (0.38, 0.20, 0.421). The lattice constant created by the plasma CVD method and the reactive sputtering method is preferably not less than 0.40 nm and not more than 0.43 nm, more preferably not less than 0.41 nm and not more than 0, considering the fluctuation range due to the manufacturing method of about 0.01 nm. .42 nm or less. In addition, the chromium composition ratio x is preferably 0.298 or more and 0.50 or less in consideration of variation due to a film forming apparatus, a manufacturing method, and the like. In general, the error of quantitative analysis by surface analysis is large, which is said to be about 10% by X-ray photoelectron spectroscopy (for example, see JP-A-8-110313) and about 1% by electron beam microanalyzer method. (For example, Hirofumi Kasada “EPMA Structure and Sample Analysis by KASADA”, [online], October 2002, Tottori University Engineering Department, [searched January 29, 2014], Internet <URL: http: // /Www.eng.tottori-u.ac.jp/~www_tec/epma/epma.html>). Considering such a measurement error, the chromium composition ratio x is not less than 0.28 and not more than 0.60.

クロムオキシカーバイドは、NaCl型に類似の立方晶で、2つの面心立方副格子からなる。そのうち1つの副格子はX線回折データから確認されているとおり、Crで占められている。他の副格子はCとOで占められているといえる(上記非特許文献1参照。)。このことから、成膜方法および成膜条件の違いによる組成範囲の広がり効果も勘案すると、クロムオキシカーバイドにおいてクロムの組成比率xは0.28以上0.60以下、炭素と酸素は合わせて残りを占めるといえる。また、格子定数の範囲も成膜方法の違いを勘案して、0.40以上0.43nm以下をとるといえる。また、クロムの組成比率xが0.28以上少であれば、電気伝導性が低下を防止することができる。またクロムの組成比率xが0.60以下であれば、十分な耐食性を維持することができる。   Chromium oxycarbide is a cubic crystal similar to the NaCl type and consists of two face-centered cubic sublattices. One of the sublattices is occupied by Cr as confirmed from the X-ray diffraction data. It can be said that other sublattices are occupied by C and O (see Non-Patent Document 1 above). Therefore, in consideration of the effect of expanding the composition range due to the difference in film formation method and film formation conditions, the chromium composition ratio x in chromium oxycarbide is 0.28 or more and 0.60 or less, and the remaining carbon and oxygen remain together. It can be said that it occupies. In addition, it can be said that the range of the lattice constant is 0.40 or more and 0.43 nm or less in consideration of the difference in the film formation method. Further, if the chromium composition ratio x is less than 0.28, the electrical conductivity can be prevented from being lowered. Moreover, if the chromium composition ratio x is 0.60 or less, sufficient corrosion resistance can be maintained.

また、炭素の組成比率y、酸素の組成比率zに関しては、クロムの組成比率xを1とした場合に、炭素の組成比率yは、1/6〜16/6、好ましくは1/6〜8/6であり、酸素の組成比率zは、1/6〜16/6、好ましくは1/6〜8/6であるのが好ましい。即ち、CrC1/6〜16/61/6〜16/6が好ましい。特にy+z=3/2であるのがより好ましい。ただし、かかる範囲に制限されるものではない。 Further, regarding the carbon composition ratio y and the oxygen composition ratio z, when the chromium composition ratio x is 1, the carbon composition ratio y is 1/6 to 16/6, preferably 1/6 to 8 / 6, and the oxygen composition ratio z is preferably 1/6 to 16/6, and more preferably 1/6 to 8/6. That is, CrC 1/6 to 16/6 O 1/6 to 16/6 is preferable. In particular, y + z = 3/2 is more preferable. However, it is not limited to such a range.

また、クロムオキシカーバイドは、硫酸、塩酸中で非常に高い耐食性を示し、また、電気伝導度は2MS/mで、ステンレス鋼(SUS304)と同等の電気伝導性を有する。一般に皮膜としては、ヘキサカルボニルクロムを不完全分解することによって、もしくは金属クロムと、二酸化炭素、メタン等の炭化水素を原料として、プラズマ雰囲気下で合成することによって、層(膜)の形状で得ることができる。前者のヘキサカルボニルクロムの不完全分解は、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、プラズマCVD法、または光CVD法によってなされ、プラズマCVD法が一般的である。後者のプラズマ合成は、反応性スパッタリング法、または反応性イオンプレーティング法等でなされる。   Chromium oxycarbide exhibits very high corrosion resistance in sulfuric acid and hydrochloric acid, and has an electric conductivity of 2 MS / m, which is equivalent to that of stainless steel (SUS304). In general, a film is obtained in the form of a layer (film) by incomplete decomposition of hexacarbonylchromium or by synthesis in a plasma atmosphere using metallic chromium and hydrocarbons such as carbon dioxide and methane as raw materials. be able to. The former incomplete decomposition of hexacarbonylchromium is performed by a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a plasma CVD method, or a photo CVD method, and a plasma CVD method is generally used. The latter plasma synthesis is performed by a reactive sputtering method or a reactive ion plating method.

このクロムオキシカーバイドの結晶子の大きさは、成膜方法及び成膜条件によって異なる。プラズマCVD法で種々の成膜条件でヘキサカルボニルクロムを不完全分解して作製したクロムオキシカーバイド膜では、結晶子の大きさは、8nm以上80nm以下であることがX線回折で知られている(上記非特許文献1参照。)。結晶子の大きさと膜硬度、すなわち膜内部の残留応力との間には相関関係があり、結晶子が大きいほど硬度が高くなる。結晶子の大きさが80nmの場合m硬度はビッカース硬度で20GPa程度である。したがって、結晶子の大きさが80nm以下であれば、残留応力が高くなることもなく、密着性低下や剥離などを効果的ン防止することができ、コーティングする上で好ましい。一方、結晶子が8nm以上であれば、非晶質部分が含まれてくることもないので、本来のクロムオキシカーバイドの優れた性質が如何なく発揮することができる点で好ましい。したがって、結晶子の大きさは、成膜法や成膜条件の違いを考慮して、8nm以上80nm以下より範囲が広い5nm以上100nm以下と考えられるが、より好ましくは10nm以上80nm以下であり、さらに好ましくは20nm以上60nm以下である。   The size of the crystallites of chromium oxycarbide varies depending on the film forming method and the film forming conditions. It is known from X-ray diffraction that the size of crystallites is 8 nm or more and 80 nm or less in a chromium oxycarbide film produced by incomplete decomposition of hexacarbonyl chromium under various film formation conditions by plasma CVD. (See Non-Patent Document 1 above.) There is a correlation between the size of the crystallite and the film hardness, that is, the residual stress inside the film, and the larger the crystallite, the higher the hardness. When the crystallite size is 80 nm, the m hardness is about 20 GPa in terms of Vickers hardness. Therefore, if the size of the crystallite is 80 nm or less, the residual stress does not increase, and adhesion reduction and peeling can be effectively prevented, which is preferable for coating. On the other hand, if the crystallite is 8 nm or more, an amorphous part is not included, which is preferable in that the excellent properties of the original chromium oxycarbide can be exhibited. Therefore, the size of the crystallite is considered to be 5 nm to 100 nm, which is wider than 8 nm to 80 nm in consideration of the difference in film forming method and film forming conditions, but more preferably 10 nm to 80 nm. More preferably, it is 20 nm or more and 60 nm or less.

クロムオキシカーバイド層23の形成方法としては、上記したように乾式成膜法を用いるのが好ましい。かかる乾式成膜法の具体例としては、例えば、(反応性)スパッタリング法や(反応性)イオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法;熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、プラズマCVD法、光CVD法、プラズマCVD法等の化学気相成長(CVD)法などが挙げられる。また、フィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法なども挙げられる。スパッタリング法としては、直流マグネトロンスパッタリング(DCMS)法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、デュアルマグネトロンスパッタリング法、電子サイクロトロン共鳴スパッタリング(ECRスパッタリング)法などが挙げられる。イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでもスパッタリング法またはイオンプレーティング法を用いることが好ましい。かような方法であれば、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材21へのダメージを最小限に抑えることができる。さらにスパッタリング法またはイオンプレーティング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、クロムオキシカーバイド層23の組成や結晶構造を制御したり、膜質をコントロールしたりできるという利点もある。   As a method for forming the chromium oxycarbide layer 23, it is preferable to use the dry film forming method as described above. Specific examples of the dry film forming method include, for example, physical vapor deposition (PVD) method such as (reactive) sputtering method and (reactive) ion plating method; thermal CVD (chemical vapor deposition) method, plasma CVD. And chemical vapor deposition (CVD) methods such as a photo CVD method and a plasma CVD method. Moreover, ion beam vapor deposition methods, such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method, are also mentioned. Examples of the sputtering method include a direct current magnetron sputtering (DCMS) method, an unbalanced magnetron sputtering method, a dual magnetron sputtering method, and an electron cyclotron resonance sputtering (ECR sputtering) method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Among these, it is preferable to use a sputtering method or an ion plating method. With such a method, film formation is possible at a relatively low temperature, and damage to the metal substrate 21 can be minimized. Furthermore, according to the sputtering method or the ion plating method, there is an advantage that the composition and crystal structure of the chromium oxycarbide layer 23 and the film quality can be controlled by controlling the bias voltage and the like.

クロムオキシカーバイド層23の形成方法として好適なスパッタリング法やイオンプレーティング法としては、特に制限されるものではないが、例えば、特開2016−044321公報に記載の形成方法等を適宜利用することができる。即ち、上記公報ではイオンプレーティング装置(上記公報の図2参照;文中の符号は省略する)を用いるクロムオキシカーバイド層を形成(成膜)するものである。かかるイオンプレーティング装置は、内部で被覆処理を行うための炉と、炉の外部に設けられる集束コイルと、炉内でプラズマ状態を生成するためのプラズマガンと、被膜用原料(蒸発源)を設置するためのルツボと、プラズマとなった被膜用原料を被覆させる金属基材を保持する基材保持部とを備える。なお、炉には、内部を所定真空度に維持するために排気ポンプに接続される排気口、反応ガスの導入口などが設けられる。   A sputtering method or an ion plating method suitable as a method for forming the chromium oxycarbide layer 23 is not particularly limited. For example, the formation method described in JP-A-2006-044321 can be appropriately used. it can. That is, the above publication forms (deposits) a chromium oxycarbide layer using an ion plating apparatus (see FIG. 2 of the above publication; reference numerals in the text are omitted). Such an ion plating apparatus includes a furnace for performing a coating treatment inside, a focusing coil provided outside the furnace, a plasma gun for generating a plasma state in the furnace, and a coating material (evaporation source). A crucible for installation and a base material holding part for holding a metal base material that coats the raw material for film that has become plasma are provided. The furnace is provided with an exhaust port connected to an exhaust pump, a reaction gas introduction port, and the like in order to maintain the inside at a predetermined degree of vacuum.

上記装置を用いたクロムオキシカーバイド層23の形成方法としては、まず金属基材および蒸発源となる固形のクロムがそれぞれ、基材保持部およびルツボに設置される。そして、炉内を排気ポンプを用いて適切な真空度(たとえば0.04〜0.08Pa)に調節した上で、ルツボに設置した固形のクロムをプラズマガンを用いて、アルゴンガスを導入して高電圧の印加によりプラズマ状態を生成しながら、反応ガスの導入口から炉内に導入した反応ガスである炭酸ガスと反応させることにより、金属基材の表面上にクロムオキシカーバイド層が被覆、形成(成膜)される。本実施形態によれば、スパッタリング法やイオンプレーティング法によりクロムオキシカーバイド層を形成することで、優れた密着性を得ることができ、耐食性および耐摩耗性をより向上させることができる。さらに、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、短時間で簡易に連続して積層することができる。   As a method for forming the chromium oxycarbide layer 23 using the above-described apparatus, first, a solid base material serving as a metal base material and an evaporation source is placed on a base material holding part and a crucible, respectively. And after adjusting the inside of the furnace to an appropriate degree of vacuum (for example, 0.04 to 0.08 Pa) using an exhaust pump, argon gas is introduced into the solid chromium installed in the crucible using a plasma gun. A chromium oxycarbide layer is coated and formed on the surface of the metal substrate by reacting with carbon dioxide, which is a reaction gas introduced into the furnace from the reaction gas inlet, while generating a plasma state by applying a high voltage. (Film formation). According to the present embodiment, by forming the chromium oxycarbide layer by a sputtering method or an ion plating method, excellent adhesion can be obtained, and corrosion resistance and wear resistance can be further improved. Furthermore, it can be continuously laminated easily in a short time by a sputtering method or an ion plating method.

また、クロムオキシカーバイド層23の形成方法として、特開2012−146616号公報に記載の形成方法(放電プラズマCVD法)などを用いることもできる。上記公報の形成方法(放電プラズマCVD法)では、プラズマ処理容器内に金属基板を設置する。次に非酸化性ガス雰囲気中で前記金属基板を100℃乃至450℃に加熱する第1工程と、金属基板表面をプラズマ処理する第2工程と、放電プラズマCVDによる金属基板表面にクロムオキシカーバイド層を形成する第3工程とにより成膜することができる。同一プラズマ処理装置内で第1工程から第3工程まで原料ガスを切り替えることによって実施することができる特長を有する。   In addition, as a method for forming the chromium oxycarbide layer 23, a formation method (discharge plasma CVD method) described in JP 2012-146616 A may be used. In the forming method (discharge plasma CVD method) described in the above publication, a metal substrate is placed in a plasma processing container. Next, a first step of heating the metal substrate to 100 ° C. to 450 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere, a second step of plasma treating the surface of the metal substrate, and a chromium oxycarbide layer on the metal substrate surface by discharge plasma CVD It can form into a film by the 3rd process of forming. It has a feature that can be implemented by switching the source gas from the first step to the third step in the same plasma processing apparatus.

プラズマ処理装置(上記公報の図1参照)を用い、複数枚の金属基板をほぼ平行、等間隔に配置し、奇数番目の金属基板を電気的に結線して第1の基板電極とし、偶数番目の金属基板を電気的に結線して第2の基板電極とし、第1の基板電極と2の基板電極を一対の基板電極としてコンデンサを介して高周波電源から高周波電力を給電して放電プラズマを発生させ、且つバイアス電源からローパスフィルタを介して両基板電極に交互に負のバイアス電圧を給電して第2工程から第3工程を実施する。   Using a plasma processing apparatus (see FIG. 1 of the above publication), a plurality of metal substrates are arranged substantially in parallel and at equal intervals, and odd-numbered metal substrates are electrically connected to form a first substrate electrode. A metal substrate is electrically connected to form a second substrate electrode, and the first substrate electrode and the second substrate electrode are used as a pair of substrate electrodes to generate a discharge plasma by supplying high frequency power from a high frequency power source through a capacitor. In addition, a negative bias voltage is alternately supplied from the bias power source to both substrate electrodes via a low-pass filter, and the second to third steps are performed.

第1工程では、プラズマ処理容器内を真空排気した高真空中、又はアルゴンガス、窒素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で、プラズマ処理装置内に設置した加熱手段によって金属基板を所定温度に加熱する。この工程では、金属基板表面の酸化反応を抑制しながら100℃以上に加熱して十分にガス出しする。   In the first step, the metal substrate is heated to a predetermined temperature by heating means installed in the plasma processing apparatus in a high vacuum in which the plasma processing chamber is evacuated or in a non-oxidizing gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas. To do. In this step, the gas is sufficiently discharged by heating to 100 ° C. or higher while suppressing the oxidation reaction on the surface of the metal substrate.

第2工程では、プラズマ処理容器内に不活性ガス、例えばアルゴンガス又はアルゴンガスと水素の混合ガス等の非酸化性ガスを導入し、一対の基板電極に高周波電力を給電して放電プラズマを発生させ、同時に負のバイアス電圧を印加して金属基板の両面をイオン照射して基板表面の酸化被膜や付着物を除去する。高周波電源には、例えば周波数13.56MHz、出力300W〜3kWを有するものを使用することができる。また、バイアス電圧として一対の基板電極に交互に波高値300V〜5kVの負の脈流電圧又は/及び負のパルス電圧を印加する必要がある。その為に交流電圧発生器の出力電圧を変圧器の一次側に給電し、二次側の出力電圧をダイオードによって両波整流して負の脈流電圧を発生させ、ローパスフィルタを介して前記一対の基板電極に脈流電圧を交互に給電することができる。交流電圧の周波数は、特定されるものではないが、50Hz乃至200kHzが好適である。更に、好ましくは1kHz乃至100kHzである。   In the second step, an inert gas, for example, non-oxidizing gas such as argon gas or a mixed gas of argon gas and hydrogen is introduced into the plasma processing vessel, and high frequency power is supplied to a pair of substrate electrodes to generate discharge plasma. At the same time, a negative bias voltage is applied to irradiate both surfaces of the metal substrate with ions to remove the oxide film and deposits on the substrate surface. For example, a high frequency power source having a frequency of 13.56 MHz and an output of 300 W to 3 kW can be used. In addition, it is necessary to alternately apply a negative pulsating voltage or / and a negative pulse voltage having a peak value of 300 V to 5 kV to the pair of substrate electrodes as a bias voltage. For this purpose, the output voltage of the AC voltage generator is fed to the primary side of the transformer, the output voltage on the secondary side is rectified in both waves by a diode to generate a negative pulsating voltage, and the pair of voltages is passed through a low-pass filter. The pulsating voltage can be alternately supplied to the substrate electrodes. The frequency of the AC voltage is not specified, but 50 Hz to 200 kHz is preferable. Furthermore, it is preferably 1 kHz to 100 kHz.

第3工程では、プラズマ処理容器内に設置した金属基板を250℃〜450℃に加熱し、原料ガスとしてクロムヘキサカルボニルガスを導入して、金属基板である一対の基板電極に高周波電力を給電して放電プラズマを発生させ、金属基板表面にクロムオキシカーバイド層23を形成する。この際、金属基板は250℃〜450℃の温度に保持し、−200V〜−500Vの前記バイアス電圧を印加すればよい。   In the third step, a metal substrate installed in the plasma processing vessel is heated to 250 ° C. to 450 ° C., chromium hexacarbonyl gas is introduced as a source gas, and high frequency power is supplied to a pair of substrate electrodes that are metal substrates. A discharge plasma is generated to form a chromium oxycarbide layer 23 on the surface of the metal substrate. At this time, the metal substrate may be held at a temperature of 250 ° C. to 450 ° C., and the bias voltage of −200 V to −500 V may be applied.

また、クロムオキシカーバイド層23の形成方法として、特開2006−278040号公報に記載の形成方法(CVD法)などを用いることもできる。上記公報の形成方法では、ヘキサカルボニルクロム原料として化学蒸着法により、金属基板上にクロムオキシカーバイド又はクロムオキシカーバイドを主成分とする層(被膜)を形成することにより、金属セパレータを製造することができる。あるいはクロム及び炭素含有ガスを原料として反応性プラズマ処理により、金属板上にクロムオキシカーバイド又はクロムオキシカーバイドを主成分とする層(被膜)を形成することにより、金属セパレータを製造することができる。本実施形態のクロムオキシカーバイド層23には、上記形成方法で得られる、クロムオキシカーバイド又はクロムオキシカーバイドを主成分とする層も含まれるものである。   In addition, as a method for forming the chromium oxycarbide layer 23, a formation method (CVD method) described in JP-A-2006-278040 can also be used. In the formation method of the above publication, a metal separator can be produced by forming a layer (coating) containing chromium oxycarbide or chromium oxycarbide as a main component on a metal substrate by chemical vapor deposition as a hexacarbonylchromium raw material. it can. Alternatively, a metal separator can be produced by forming chromium oxycarbide or a layer (coating) mainly composed of chromium oxycarbide on a metal plate by reactive plasma treatment using chromium and carbon-containing gas as raw materials. The chromium oxycarbide layer 23 of the present embodiment includes a layer mainly composed of chromium oxycarbide or chromium oxycarbide obtained by the above forming method.

上記化学蒸着法は、ヘキサカルボニルクロムを原料とする熱CVD、プラズマCVD、あるいはレーザーCVDを指す。また、上記反応性プラズマ処理とはクロム及び二酸化炭素を原料とする反応性スパッタリング、反応性イオンプレーティング、反応性レーザー蒸着を指す。この場合、原料は、二酸化炭素の代わりに一酸化炭素を用いても良いし、他に補助ガスとして、酸素、炭化水素、希ガスを用いることもできる。   The chemical vapor deposition method refers to thermal CVD, plasma CVD, or laser CVD using hexacarbonyl chromium as a raw material. The reactive plasma treatment refers to reactive sputtering, reactive ion plating, and reactive laser deposition using chromium and carbon dioxide as raw materials. In this case, carbon monoxide may be used as a raw material instead of carbon dioxide, and oxygen, hydrocarbons, or a rare gas may be used as an auxiliary gas.

上記クロムオキシカーバイド又はクロムオキシカーバイドを主成分とする層(被膜)としては、クロムオキシカーバイドが最も優れたものであるが、クロムオキシカーバイドからなる層(被膜)中に、モリブデンオキシカーバイド又はタングステンオキシカーバイドを90質量%以下の範囲で含有させても良い。   As the above-mentioned chromium oxycarbide or a layer (coating) containing chromium oxycarbide as a main component, chromium oxycarbide is the most excellent, but molybdenum oxycarbide or tungsten oxycarbide is contained in the layer (coating) made of chromium oxycarbide. Carbide may be contained in a range of 90% by mass or less.

すなわち、クロムオキシカーバイドを主成分とする層(被膜)においては、クロムオキシカーバイドを少なくとも10質量%以上含有させる必要がある。上記クロムオキシカーバイドを主成分とするという記述は、必ずクロムオキシカーバイドを含有するという意味において使用するものであり、50質量%以上を含有させるという意味ではない。   That is, in the layer (coating) containing chromium oxycarbide as a main component, it is necessary to contain at least 10% by mass of chromium oxycarbide. The above description that the main component is chromium oxycarbide is used in the sense that it always contains chromium oxycarbide, and does not mean that 50% by mass or more is contained.

このように、モリブデンオキシカーバイド又はタングステンオキシカーバイドを添加する場合は、金属基板に対する密着強度の向上や、用途に応じて層(被膜)の硬質性及び耐食性の制御が可能となるという効果がある。   Thus, when molybdenum oxycarbide or tungsten oxycarbide is added, there are effects that the adhesion strength to the metal substrate can be improved and the hardness and corrosion resistance of the layer (coating film) can be controlled depending on the application.

上述した各種の手法(形成方法)によれば、金属基材21の両表面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)が形成された金属セパレータ20が製造されうる。金属基材21の両面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)が形成されてなる金属セパレータ20を製造するには、市販の適当な成膜装置(両面同時スパッタ成膜装置およびこれを用いたスパッタ成膜方法)を用いてもよい。或いは、別途、金属基材21の両表面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)が成膜可能なスパッタリング装置を作製して成膜を施してもよいなど、特に制限されるものではない。また、コスト的には、有利とはいえないが、金属基材21の一方の主表面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を成膜する。ついで金属基材21の他方の主表面に対して、上述したのと同様の手法によって、クロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を順次形成してもよい。あるいは、まず、クロムなどの金属材料をターゲットとした装置内で、金属基材21の一方の主表面にクロムオキシカーバイド層23、更には任意の導電性中間層25a(原料ガスは切り替える)を成膜する。続いて、上記工程により成膜されたクロムオキシカーバイド層23、導電性中間層25aと対向する主表面とは異なる主表面にクロムオキシカーバイド層23、更には任意の導電性中間層25a(原料ガスは切り替える)を成膜する工程を行なう。続いて、ターゲットをカーボンに切り替えて、同じ装置内部で、金属基材21の一方の主表面に形成されたクロムオキシカーバイド層23ないし導電性中間層25a上に導電性炭素層25bを成膜する。続いて、上記工程により成膜された導電性炭素層25bと対向する主表面とは異なる主表面にと対向する主表面とは異なる主表面に、導電性炭素層25bを成膜する工程を行なえばよい。このように、金属基材21の両表面へのクロムオキシカーバイド層23、更には任意の導電性中間層25aの成膜や、該クロムオキシカーバイド層23ないし導電性中間層25a表面に導電性炭素層25bを成膜する手法としても、金属基材21の一表面へのクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)の成膜について上述したのと同様の手法(但し、工数は半減可能である)が採用されうるなど、特に制限されるものではない。   According to the various methods (formation methods) described above, the chromium oxycarbide layer 23 and further the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed on both surfaces of the metal substrate 21. The manufactured metal separator 20 can be manufactured. In order to manufacture the metal separator 20 in which the chromium oxycarbide layer 23 and further the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed on both surfaces of the metal substrate 21, a commercially available product is used. An appropriate film forming apparatus (double-sided simultaneous sputtering film forming apparatus and sputter film forming method using the same) may be used. Alternatively, a sputtering apparatus capable of forming a chromium oxycarbide layer 23 and further a conductive layer 25 (an arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) on both surfaces of the metal substrate 21 is manufactured separately. There is no particular limitation such as film formation. Moreover, although it cannot be said that it is advantageous in terms of cost, the chromium oxycarbide layer 23 and further the conductive layer 25 (an arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b are formed on one main surface of the metal substrate 21. ). Next, a chromium oxycarbide layer 23 and further a conductive layer 25 (an arbitrary conductive intermediate layer 25a and a conductive carbon layer 25b) are formed on the other main surface of the metal substrate 21 by the same method as described above. May be formed sequentially. Alternatively, first, a chromium oxycarbide layer 23 and an optional conductive intermediate layer 25a (the source gas is switched) are formed on one main surface of the metal substrate 21 in an apparatus targeting a metal material such as chromium. Film. Subsequently, the chromium oxycarbide layer 23 formed on the main surface different from the main surface facing the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive intermediate layer 25a formed by the above-described process, and an optional conductive intermediate layer 25a (raw material gas). Is switched). Subsequently, the target is switched to carbon, and the conductive carbon layer 25b is formed on the chromium oxycarbide layer 23 or the conductive intermediate layer 25a formed on one main surface of the metal substrate 21 in the same apparatus. . Subsequently, the step of forming the conductive carbon layer 25b on the main surface different from the main surface facing the main surface different from the main surface facing the conductive carbon layer 25b formed by the above-described step can be performed. That's fine. As described above, the chromium oxycarbide layer 23 on the both surfaces of the metal substrate 21 and the formation of an arbitrary conductive intermediate layer 25a, and the conductive carbon on the surface of the chromium oxycarbide layer 23 or the conductive intermediate layer 25a. As a method of forming the layer 25b, the chromium oxycarbide layer 23 on the one surface of the metal substrate 21 and further the conductive layer 25 (the optional conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed. There is no particular limitation such that the same method as described above (however, the man-hour can be halved) can be adopted.

なお、本実施形態では、金属基材21の両面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を形成した金属セパレータ20を燃料電池に用いるのが好ましい。ただし、燃料電池スタックの両端部の金属セパレータでは、片面のみにクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25を形成した構成であってもよい。これは、燃料電池スタックの両端部の金属セパレータの外側の面(片面)は、プレート等が接することから、腐食環境に晒されないため、当該金属セパレータの外側の面(片面)には、クロムオキシカーバイド層23や導電性層25を設けなくてもよいためである。但し、部品点数の軽減や部品と取り違えを防止する観点からは、燃料電池スタックには、全て共通の金属セパレータ(両面にクロムオキシカーバイド層23、更には導電性層25を形成した金属セパレータ)を用いてもよい。   In the present embodiment, the metal separator 20 in which the chromium oxycarbide layer 23 and further the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed on both surfaces of the metal base 21 are used as the fuel cell. It is preferable to use for. However, the metal separators at both ends of the fuel cell stack may have a structure in which the chromium oxycarbide layer 23 and further the conductive layer 25 are formed only on one side. This is because the outer surfaces (one side) of the metal separators at both ends of the fuel cell stack are not exposed to a corrosive environment because the plates and the like are in contact with each other. This is because the carbide layer 23 and the conductive layer 25 may not be provided. However, from the standpoint of reducing the number of parts and preventing the confusion with the parts, the fuel cell stack is provided with a common metal separator (a metal separator having a chromium oxycarbide layer 23 and further a conductive layer 25 formed on both sides). It may be used.

[金属基材21]
本実施形態の金属セパレータ20において、金属基材21を構成する材料は、特に制限されず、従来、金属セパレータの構成材料として用いられている金属などが適宜採用される。具体的には、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム、ならびにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられうる。ここで、鉄合金にはステンレス鋼が含まれる。なかでも、金属基材21はステンレス鋼(SUS)、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されることが好ましい。特に、ステンレス鋼(SUS)を金属基材21として用いると、金属セパレータ20を燃料電池に適用した場合に、ガス拡散層(GDL)の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性が十分に確保されうる。
[Metal base material 21]
In the metal separator 20 of this embodiment, the material which comprises the metal base material 21 is not restrict | limited in particular, The metal etc. which were conventionally used as a constituent material of a metal separator are employ | adopted suitably. Specific examples include iron, titanium, and aluminum, and alloys thereof. These materials can be preferably used from the viewpoint of mechanical strength, versatility, cost performance, or processability. Here, the iron alloy includes stainless steel. Especially, it is preferable that the metal base material 21 is comprised from stainless steel (SUS), aluminum, or an aluminum alloy. In particular, when stainless steel (SUS) is used as the metal substrate 21, when the metal separator 20 is applied to a fuel cell, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion substrate that is a constituent material of the gas diffusion layer (GDL). Can be secured sufficiently.

ステンレス鋼としては、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(L)、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。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼を用いることがより好ましい。また、ステンレス鋼中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、ステンレス鋼中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。   Examples of the stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of austenite include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), and SUS317. Examples of the austenite-ferrite type include SUS329J1. Examples of the martensite system include SUS403 and SUS420. Examples of the ferrite type include SUS405, SUS430, and SUS430LX. Examples of the precipitation hardening system include SUS630. Among these, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316. Moreover, the content rate of iron (Fe) in stainless steel becomes like this. Preferably it is 60-84 mass%, More preferably, it is 65-72 mass%. Further, the content of chromium (Cr) in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.

一方、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、およびアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。表面処理部材をセパレータに適用する場合には機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、基材21がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。   On the other hand, examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. The elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they are generally usable as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel can be included in the aluminum alloy. Specific examples of the aluminum alloy include A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. When the surface-treated member is applied to a separator, mechanical strength and formability are also required. Therefore, in addition to the above alloy types, the tempering of the alloy can be appropriately selected. In addition, when the base material 21 is comprised from the simple substance of titanium or aluminum, the purity of the said titanium or aluminum becomes like this. Preferably it is 95 mass% or more, More preferably, it is 97 mass% or more, More preferably, it is 99 mass% That's it.

金属基材21の厚さは、特に限定されない。加工容易性、機械的強度や、金属セパレータ20を燃料電池に適用する場合の電池のエネルギー密度の向上等の観点より、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは80〜300μmであり、さらに好ましくは80〜200μmである。特に、構成材料としてステンレス鋼(SUS)を用いた場合の金属基材21の厚さは、好ましくは80〜150μmである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材21の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成することができる。   The thickness of the metal substrate 21 is not particularly limited. From the viewpoint of ease of processing, mechanical strength, and improvement of battery energy density when the metal separator 20 is applied to a fuel cell, it is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, and still more preferably Is 80-200 μm. In particular, the thickness of the metal substrate 21 when stainless steel (SUS) is used as the constituent material is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, the thickness of the metal base material 21 when aluminum is used as a constituent material is preferably 100 to 300 μm. In the case of the above-mentioned range, it is excellent in processability and has a suitable thickness while having a sufficient strength.

金属基材21を用いる際は、材料の表面の脱脂および洗浄処理を行うことが好ましい。具体的には、所望の厚さのこれらの材料を準備し、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンおよび苛性アルカリ剤など)を用いて、材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。洗浄処理としては、超音波洗浄等が挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。続いて、金属基材21の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化被膜の除去を行うことが好ましい。酸化被膜を除去するための手法としては、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、または上述のイオンボンバード処理等が挙げられる。   When using the metal base material 21, it is preferable to degrease and clean the surface of the material. Specifically, these materials having a desired thickness are prepared, and the surface of the material is degreased and cleaned using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichlorethylene, and caustic agent). Process. Examples of the cleaning treatment include ultrasonic cleaning. The ultrasonic cleaning conditions are a processing time of about 1 to 10 minutes, a frequency of about 30 to 50 kHz, and a power of about 30 to 50 W. Subsequently, it is preferable to remove the oxide film formed on the surface (both sides) of the constituent material of the metal substrate 21. Examples of the method for removing the oxide film include an acid cleaning treatment, a dissolution treatment by applying a potential, or the above-described ion bombardment treatment.

[金属セパレータの製造方法]
金属セパレータの製造方法としては、金属基材21の表面に、クロムオキシカーバイド層23、導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を順に成膜する方法が挙げられる。各層の形成方法は上記で説明した通りであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
[Production method of metal separator]
Examples of the method for producing the metal separator include a method in which a chromium oxycarbide layer 23 and a conductive layer 25 (any conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are sequentially formed on the surface of the metal substrate 21. . Since the method for forming each layer is as described above, detailed description thereof is omitted here.

上述した手法によれば、金属基材21の両表面にクロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)が形成された金属セパレータが製造されうる。また、コスト的には有利とはいえないが、金属基材21の一方の主表面にクロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を成膜する。次いで金属基材21の他方の主表面に対して、同様の手法によって、クロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を順次形成してもよい。   According to the above-described method, a metal separator in which the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed on both surfaces of the metal base 21 can be manufactured. . Although not advantageous in terms of cost, a chromium oxycarbide layer 23 and a conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) are formed on one main surface of the metal substrate 21. Film. Next, the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (the arbitrary conductive intermediate layer 25a and the conductive carbon layer 25b) are sequentially formed on the other main surface of the metal base 21 by the same method. Good.

また、本実施形態では、クロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)は、金属基材21の一方の主表面にのみ存在させてもよい。好ましくは図1などに示すように、金属基材21の他の主表面にも(すなわち、金属基材21の両表面に)クロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)が存在した構成とするのが好ましい。これは、金属セパレータ20の両表面において、クロムオキシカーバイド層23を介して金属基材21と、導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)との密着性を確保しつつ、金属基材21の耐食性及び低い接触抵抗をより一層維持できるためである。   Further, in the present embodiment, the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a and conductive carbon layer 25b) may exist only on one main surface of the metal substrate 21. . Preferably, as shown in FIG. 1 and the like, the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (an optional conductive intermediate layer) are also formed on the other main surface of the metal substrate 21 (that is, on both surfaces of the metal substrate 21). 25a and conductive carbon layer 25b) are preferably present. This ensures adhesion between the metal substrate 21 and the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a, conductive carbon layer 25b) via the chromium oxycarbide layer 23 on both surfaces of the metal separator 20. However, the corrosion resistance and low contact resistance of the metal substrate 21 can be further maintained.

[固体高分子形燃料電池]
上述の金属セパレータは、積層方向の接触抵抗が低く、特に電位が印加された条件(なかでも腐食環境)下においても腐食されにくいという特性を有しているため、燃料電池用、特に固体高分子形燃料電池用金属セパレータとして好適に使用される。すなわち、他の一実施形態によると、上記金属セパレータから構成される、燃料電池用、特に固体高分子形燃料電池用金属セパレータが提供される。また、さらに他の一実施形態によると、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池が提供される。ここで、アノードセパレータまたはカソードセパレータの少なくとも一方に、上記燃料電池用セパレータが適用される。膜電極接合体は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層およびカソード触媒層、ならびにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を含む。さらに、燃料電池用セパレータが凹凸状に形成されてなり、当該凸部が前記膜電極接合体と接触し、当該凹部が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するためのガス流路とされてなる。本実施形態の燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池は、セパレータ材料として上述の金属セパレータを用いることにより、運転時の電位によっても腐食が起こりにくく、接触抵抗を低く抑えることができる。そのため、長期間にわたって、優れた電池性能を発揮させることが可能となる。
[Polymer fuel cell]
The metal separator described above has low contact resistance in the laminating direction and has a characteristic that it is not easily corroded even under a condition where a potential is applied (especially a corrosive environment). It is suitably used as a metal separator for a fuel cell. That is, according to another embodiment, there is provided a metal separator for a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, comprising the metal separator. According to yet another embodiment, there is provided a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly and a pair of anode separator and cathode separator that sandwich the membrane electrode assembly. Here, the fuel cell separator is applied to at least one of the anode separator and the cathode separator. The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layers and a cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of anode gas diffusion layers and a cathode gas diffusion layer sandwiching them. Further, the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, the convex portion comes into contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion serves as a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas. In the fuel cell separator and the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, by using the above-described metal separator as a separator material, corrosion hardly occurs even with an electric potential during operation, and contact resistance can be kept low. Therefore, it is possible to exhibit excellent battery performance over a long period of time.

図6は、一実施形態による固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を模式的に表す断面図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体は、さらに一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (the anode gas diffusion layer 4a and the cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. To do.

PEFC1において、MEA10は、さらに一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図6において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図6ではこれらの記載を省略する。   In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 6, the separators (5a, 5c) are illustrated so as to be located at both ends of the illustrated MEA. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.

セパレータ(5a、5c)は、上述の金属セパレータにプレス処理を施すことで図6に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。或いは、金属基板にプレス処理を施して凹凸状の形状に成形したのち、この金属基板の両表面にクロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を形成することで、金属セパレータ(5a、5c)としてもよい。前者の場合、金属基材21、クロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)の各層間の密着着性が高く、プレス処理を施してもクロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)に影響なく、凹凸状の形状に成形することができる。また、後者の場合、凹凸状の形状の金属基板の両表面(特に凹凸状の形状のどの面)にもムラなく、均一(均質)にクロムオキシカーバイド層23及び導電性層25(任意の導電性中間層25a、導電性炭素層25b)を成膜、形成することができる。   The separators (5a, 5c) are obtained by molding the above metal separator into a concavo-convex shape as shown in FIG. Alternatively, after pressing the metal substrate to form a concavo-convex shape, a chromium oxycarbide layer 23 and a conductive layer 25 (an arbitrary conductive intermediate layer 25a, conductive carbon layer 25b are formed on both surfaces of the metal substrate. ) To form metal separators (5a, 5c). In the former case, the adhesion between the layers of the metal substrate 21, the chromium oxycarbide layer 23, and the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a, conductive carbon layer 25b) is high, and even if press treatment is performed. It can be formed into a concavo-convex shape without affecting the chromium oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (arbitrary conductive intermediate layer 25a, conductive carbon layer 25b). Further, in the latter case, the chrome oxycarbide layer 23 and the conductive layer 25 (arbitrary conductivity) are uniformly (homogeneously) uniform on both surfaces (particularly, any surface of the concavo-convex shape) of the concavo-convex shape metal substrate. The conductive intermediate layer 25a and the conductive carbon layer 25b) can be formed and formed.

セパレータ5(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The convex part seen from the MEA side of the separator 5 (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFC1を冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC 1 during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

上述の金属セパレータが、図6に示すような燃料電池用(特に固体高分子形燃料電池用)セパレータとして使用される場合、導電性層25、特に導電性炭素層25bが、ガス拡散層と接するよう配置されることが好ましい。   When the above-described metal separator is used as a separator for a fuel cell (particularly for a polymer electrolyte fuel cell) as shown in FIG. 6, the conductive layer 25, particularly the conductive carbon layer 25b is in contact with the gas diffusion layer. It is preferable that they are arranged.

なお、図6に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路7の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。以下、固体高分子形燃料電池を構成する各部材について説明する。   In addition, in embodiment shown in FIG. 6, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path 7 can be exhibited. May be. Hereinafter, each member constituting the solid polymer fuel cell will be described.

<電解質層>
電解質膜は、固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
<Electrolyte layer>
The electrolyte membrane is composed of a solid polymer electrolyte membrane 2. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.

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。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

電解質層の厚さは、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、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、成膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance between the strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

<触媒層>
触媒層(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
<Catalyst layer>
The catalyst layers (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.

触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。   The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.

アノード触媒層3a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3c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これらの合金などから選択されうる。   The catalyst component used in the anode catalyst layer 3a is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the hydrogen oxidation reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used for the cathode catalyst layer 3c is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it may be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素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3aに用いられる触媒成分およびカソード触媒層3cに用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用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る。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c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、適宜選択されうる。   Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the anode catalyst layer 3a and the catalyst component used for the cathode catalyst layer 3c can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

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採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径が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、本明細書における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present specification is the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as an average value.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。   The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member.

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。   Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

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20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/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。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を好ましくは5〜200nm程度、より好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoints of easy loading, catalyst utilization, and catalyst layer thickness control within an appropriate range, the average particle size is preferably about 5 to 200 nm, more preferably. Is preferably about 10 to 100 nm.

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、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

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。例えば、上述した電解質層2を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層にも添加されうる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the above-described ion exchange resin constituting the electrolyte layer 2 can be added to the catalyst layer as a polymer electrolyte.

<ガス拡散層(GDL)>
ガス拡散層は、セパレータのガス流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
<Gas diffusion layer (GDL)>
The gas diffusion layer has a function of accelerating diffusion of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the gas flow path of the separator to the catalyst layer and a function as an electron conduction path.

ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。ガス拡散層の基材の厚さは、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。ガス拡散層の基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer (Anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. Although the thickness of the base material of a gas diffusion layer should just be determined suitably in consideration of the characteristic of the gas diffusion layer obtained, what is necessary is just to be about 30-500 micrometers. If the thickness of the base material of the gas diffusion layer is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MLP、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MLP, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。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用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。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うる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜500μmとするのがよい。   The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited and may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 1000 μm, more preferably 50 to 500 μm. Good.

<セパレータ>
セパレータ(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5c)は、固体高分子形燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、金属セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。
<Separator>
The separators (anode separator 5a and cathode separator 5c) have a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single polymer electrolyte fuel cells are connected in series to form a fuel cell stack. Have. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the metal separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path.

本実施形態のセパレータは、上述の金属セパレータ20から構成される。なお、金属セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。   The separator of this embodiment is composed of the metal separator 20 described above. The thickness and size of the metal separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

本形態の固体高分子形燃料電池の製造方法は、特に制限されず、本技術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。   The method for producing the solid polymer fuel cell of this embodiment is not particularly limited, and can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge in this technical field.

固体高分子形燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.

なお、本実施形態の燃料電池用金属セパレータは、優れた耐食性および導電性を有するため、上述の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池にも適用可能である。他の燃料電池の種類としては、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましい。上記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。   In addition, since the metal separator for fuel cells of this embodiment has excellent corrosion resistance and conductivity, it can be applied to fuel cells other than the above-described polymer electrolyte fuel cells. Examples of other types of fuel cells include phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid electrolyte fuel cells (SOFC), and alkaline fuel cells (AFC). Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.

以下、本実施形態の燃料電池用金属セパレータを、さらに実施例を通して具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例には限定されない。   Hereinafter, although the metal separator for fuel cells of this embodiment is demonstrated concretely further through an Example, this embodiment is not limited to the following Examples.

(実施例1)
SUS304BAからなる板厚0.1mmの金属板(テストピース)を金属基材として用いた。この金属板を、前処理としてエタノール液中で3分間超音波洗浄した。その後、真空チャンバに金属板を設置し、アルゴンガスによるイオンボンバード処理(アルゴンプラズマを立てて、基板にバイアス電圧300〜450Vを印加して基板をたたく処理)を行い、表面の酸化被膜を除去した。前処理およびイオンボンバード処理は、いずれも金属板の両面について行った。
Example 1
A metal plate (test piece) made of SUS304BA and having a thickness of 0.1 mm was used as a metal substrate. This metal plate was subjected to ultrasonic cleaning in ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. After that, a metal plate was installed in the vacuum chamber, and ion bombardment treatment with argon gas was performed (argon plasma was generated and a bias voltage of 300 to 450 V was applied to the substrate to strike the substrate) to remove the oxide film on the surface. . Both the pretreatment and the ion bombardment treatment were performed on both surfaces of the metal plate.

次に、イオンプレーティング法(上記した特開2016−044321公報に記載の装置および形成方法)により、イオンボンバード処理後の金属板(金属基材)は、イオンプレーティング装置(上記公報の図2の装置)を用いて、厚さ5μmのクロムオキシカーバイド層を成膜した。すなわち、まず上記金属基材および蒸発源となる固形のクロムがそれぞれ、基材保持部およびルツボに設置した。そして、炉内を排気ポンプを用いて適切な真空度(0.04〜0.08Pa)に調節した上で、ルツボに設置した固形のクロムをプラズマガンを用いて、アルゴンガスを導入して高電圧の印加によりプラズマ状態を生成しながら、反応ガスの導入口から炉内に導入した反応ガスである炭酸ガスと反応させることにより、金属基材の表面上にクロムオキシカーバイド層を被覆、形成(成膜)した。成膜条件としては、プラズマ電流180A、バイアス電圧が−150V、真空度が0.04〜0.08Pa、導入されるアルゴンガスの流量が約20sccm、導入される炭酸ガスの流量が約100sccm、炉内温度約400℃、成膜(コーティング)時間は上記膜厚となるまで(概ね60分程度)とした。クロムオキシカーバイド層の成膜も、金属板(金属基材)の両面について行った。   Next, the metal plate (metal substrate) after the ion bombarding treatment is obtained by an ion plating apparatus (FIG. 2 of the above publication) by an ion plating method (the apparatus and forming method described in JP-A-2006-044321 described above). Was used to form a chromium oxycarbide layer having a thickness of 5 μm. That is, first, the metal base material and solid chromium serving as an evaporation source were placed on the base material holding part and the crucible, respectively. Then, after adjusting the inside of the furnace to an appropriate degree of vacuum (0.04 to 0.08 Pa) using an exhaust pump, the solid chromium placed in the crucible is introduced into the argon gas using a plasma gun to increase the pressure. A chromium oxycarbide layer is coated and formed on the surface of a metal substrate by reacting with carbon dioxide, which is a reactive gas introduced into the furnace from the reactive gas inlet, while generating a plasma state by applying a voltage ( Film formation). The film forming conditions are as follows: plasma current 180A, bias voltage −150 V, vacuum degree 0.04 to 0.08 Pa, introduced argon gas flow rate about 20 sccm, introduced carbon dioxide flow rate about 100 sccm, furnace The inner temperature was about 400 ° C., and the film formation (coating) time was set to the above film thickness (approximately 60 minutes). The chromium oxycarbide layer was also formed on both sides of the metal plate (metal substrate).

次に、クロムオキシカーバイド層上に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、金属基材に対して(負の)バイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用し、クロムオキシカーバイド層を成膜した金属基材の両面に膜厚0.05μm(50nm)のダイヤモンドライクカーボン層(DLC層)を成膜し、金属セパレータ1を作製した。ダイヤモンドライクカーボン層(DLC層)成膜時の印加した電圧及び時間は、バイアス電圧300Vで上記膜厚となるまで(概ね5分間程度)保持した。この際、投入パワーは4kW、アルゴンガス(キャリアガス)は150sccmとした。   Next, a solid graphite is used as a target while applying a (negative) bias voltage to the metal substrate by an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method on the chromium oxycarbide layer. A diamond-like carbon layer (DLC layer) having a film thickness of 0.05 μm (50 nm) was formed on both surfaces of the metal base material on which the metal separator 1 was formed, and the metal separator 1 was produced. The applied voltage and time during the formation of the diamond-like carbon layer (DLC layer) were held at a bias voltage of 300 V until the film thickness was reached (approximately 5 minutes). At this time, the input power was 4 kW, and the argon gas (carrier gas) was 150 sccm.

(実施例2)
実施例1において、イオンボンバード処理を実施しなかった以外は、実施例1と同様にして、金属セパレータ2を作製した。
(Example 2)
In Example 1, a metal separator 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the ion bombardment treatment was not performed.

(比較例1)
実施例2において、ダイヤモンドライクカーボン層(DLC層)を成膜、形成しなかった以外は、実施例1と同様にして、金属セパレータ3を作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 2, a metal separator 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that a diamond-like carbon layer (DLC layer) was not formed or formed.

<接触抵抗の測定>
以下に示す腐食試験前後の金属セパレータについて、接触抵抗を以下の方法で測定した。具体的には、図7に示すように、上記実施例および比較例で作製した金属セパレータ5の両側を1対のガス拡散基材(ガス拡散層4a、4c)で挟持し、得られた積層体の両側をさらに1対の電極26a、26cで挟持した。そして、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体を所定の面圧(0.5、1.0、1.5,2.0MPaの荷重)で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に1Aの定電流を流し、所定の面圧をかけた時の通電量および電圧値から当該積層体の接触抵抗値を算出した。なお、上記測定は、各面圧ごとに繰り返し3回行った。3回測定した時の平均値で接触抵抗値を判断した。
<Measurement of contact resistance>
For the metal separators before and after the corrosion test shown below, the contact resistance was measured by the following method. Specifically, as shown in FIG. 7, both sides of the metal separator 5 produced in the above examples and comparative examples are sandwiched between a pair of gas diffusion base materials (gas diffusion layers 4a and 4c), and the obtained laminate is obtained. Both sides of the body were further clamped by a pair of electrodes 26a, 26c. And the power supply was connected to the both ends, the whole laminated body containing an electrode was hold | maintained with the predetermined surface pressure (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 MPa load), and the measuring apparatus was comprised. . The contact resistance value of the laminate was calculated from the energization amount and voltage value when a constant current of 1 A was passed through the measuring device and a predetermined surface pressure was applied. The above measurement was repeated three times for each surface pressure. The contact resistance value was judged from the average value when measured three times.

腐食試験前後の金属セパレータ1〜3を用いて行った接触抵抗測定での測定面圧と接触抵抗との関係を示すグラフを図8A、図8Bに示す。なお、腐食試験後でも、実施例1、2の金属セパレータ1、2では殆ど接触抵抗値が同じであったことから、図8Bには、実施例2及び比較例1の金属セパレータ2、3で得られた結果のみを示している。   The graph which shows the relationship between the measurement surface pressure and the contact resistance in the contact resistance measurement performed using the metal separators 1 to 3 before and after the corrosion test is shown in FIGS. 8A and 8B. Even after the corrosion test, the metal separators 1 and 2 of Examples 1 and 2 had almost the same contact resistance value. Therefore, FIG. 8B shows the metal separators 2 and 3 of Example 2 and Comparative Example 1. Only the results obtained are shown.

図8A、図8Bから分かるように、実施例1、2の金属セパレータ1、2は、比較例1の金属セパレータ3に比して、腐食環境においても、接触抵抗が低く、耐食性に優れることが分かった。このことから、本実施例の金属セパレータでは、クロムオキシカーバイド層を導電性層(DLC層)で被覆・保護することで、クロムオキシカーバイド層が腐食環境で変質するのを抑制し、低い接触抵抗が維持でき、十分な耐食性を発現できる。また、金属基板と導電性層(DLC層)の間にクロムオキシカーバイド層を設けることで、腐食環境下において、最も過酷な環境に晒される最表層のDLC層の溶解も抑制できる十分な耐食性を発現できる)という、予期し得ない効果が得られた。その結果、最表層の導電性層(DLC層)が腐食環境でも安定な保護層として機能(作用)することにより、クロムオキシカーバイド層の変質による接触抵抗の上昇や金属基板からの金属イオンの溶出を効果的に防止できる(十分な耐食性を発現できる)ことがわかった。これらにより、耐食性を持ち、低い接触抵抗を実現し得る金属セパレータ及びこれを用いた燃料電池を提供できるものである。   As can be seen from FIGS. 8A and 8B, the metal separators 1 and 2 of Examples 1 and 2 have lower contact resistance and excellent corrosion resistance than the metal separator 3 of Comparative Example 1 even in a corrosive environment. I understood. For this reason, in the metal separator of this example, the chromium oxycarbide layer is covered and protected with a conductive layer (DLC layer), thereby suppressing deterioration of the chromium oxycarbide layer in a corrosive environment and low contact resistance. Can be maintained, and sufficient corrosion resistance can be exhibited. In addition, by providing a chromium oxycarbide layer between the metal substrate and the conductive layer (DLC layer), sufficient corrosion resistance can be suppressed to prevent dissolution of the outermost DLC layer exposed to the harshest environment in a corrosive environment. An unexpected effect of being able to express) was obtained. As a result, the outermost conductive layer (DLC layer) functions (acts) as a stable protective layer even in a corrosive environment, resulting in increased contact resistance due to alteration of the chromium oxycarbide layer and elution of metal ions from the metal substrate. It can be effectively prevented (sufficient corrosion resistance can be expressed). Accordingly, it is possible to provide a metal separator having corrosion resistance and capable of realizing a low contact resistance, and a fuel cell using the metal separator.

詳しくは、図8Aより、腐食環境に晒されない状態(腐食試験前)では、クロムオキシカーバイド層は、DLC層をつけなくても低い接触抵抗を実現できることがわかった(図8Aの実施例1、2と比較例1とを対比参照のこと)。   Specifically, from FIG. 8A, it was found that the chromium oxycarbide layer can realize a low contact resistance without a DLC layer in a state where it is not exposed to a corrosive environment (before the corrosion test) (Example 1, FIG. 8A). 2 and Comparative Example 1 for comparison).

また、クロムオキシカーバイド層単独では、腐食環境に晒された状態(腐食試験後)で変質し、低い接触抵抗が維持できず、接触抵抗上昇が発生し、耐食性が不十分であることがわかった(図8Bの実施例2と比較例1とを対比参照のこと)。   In addition, it was found that the chromium oxycarbide layer alone deteriorates when exposed to a corrosive environment (after a corrosion test), low contact resistance cannot be maintained, contact resistance increases, and corrosion resistance is insufficient. (Refer to the comparison between Example 2 and Comparative Example 1 in FIG. 8B).

図8Aより、腐食環境に晒されない状態(腐食試験前)では、酸化膜除去を実施しても、実施しなくても、クロムオキシカーバイド層を成膜した状態で大気に暴露しても、ほぼ同じ接触抵抗であることがわかった(図8Aの実施例1、2を対比参照のこと)。ここで、大気に暴露とは、イオンプレーティング装置でクロムオキシカーバイド層を成膜後、該装置からDLC成膜のためにスパッタリング装置に移し替える過程で、室内(大気中)に短時間(4時間程度)保管した際の大気への暴露をいう。このことから、クロムオキシカーバイド層を成膜後は、再酸化の懸念が不要であることも分かった。   From FIG. 8A, in the state where it is not exposed to the corrosive environment (before the corrosion test), even if the oxide film is removed or not, even if it is exposed to the atmosphere with the chromium oxycarbide layer formed, The same contact resistance was found (refer to Examples 1 and 2 in FIG. 8A). Here, exposure to the atmosphere refers to a process in which a chromium oxycarbide layer is formed by an ion plating apparatus and then transferred to a sputtering apparatus for DLC film formation from the apparatus to a room (in the atmosphere) for a short time (4 (Approx. Hours) Exposure to the atmosphere when stored. From this, it was also found that there is no need for re-oxidation after the chromium oxycarbide layer is formed.

<腐食試験>
上記実施例および比較例で作製した金属セパレータを、上記した<接触抵抗の測定>により、腐食試験前の接触抵抗値を測定した後、酸性水に対する腐食試験(浸漬試験)を行ない、上記した<接触抵抗の測定>により腐食試験後の接触抵抗値を測定した。なお、腐食試験(浸漬試験)として、具体的には、上記実施例および比較例で作製した金属セパレータを30mm×30mmサイズに切り出し、試験片とした。この試験片を、試験溶液(pH3の希硫酸水溶液、液温80℃)1000mlに浸漬し、試験片に1.0Vの定電位を印加し、4時間にわたって試験片の外観を観察するとともに、定電位における電流特性を測定した。なお、測定には、電気化学測定システムとして、ポテンショスタットを用いた。
<Corrosion test>
After measuring the contact resistance value before the corrosion test according to the above <Measurement of contact resistance>, the metal separators produced in the above examples and comparative examples were subjected to a corrosion test (immersion test) against acidic water. Measurement of contact resistance> The contact resistance value after the corrosion test was measured. In addition, specifically as a corrosion test (immersion test), the metal separator produced by the said Example and comparative example was cut out to 30 mm x 30 mm size, and it was set as the test piece. This test piece is immersed in 1000 ml of a test solution (pH 3 dilute sulfuric acid aqueous solution, liquid temperature 80 ° C.), a constant potential of 1.0 V is applied to the test piece, and the appearance of the test piece is observed for 4 hours. Current characteristics at potential were measured. For the measurement, a potentiostat was used as an electrochemical measurement system.

上記腐食試験条件は以下の通りである。   The corrosion test conditions are as follows.

1)溶 液 :0.5mM HSO(pH3相当)
2)液 温 :80℃
3)液 量 :1000ml
4)雰囲気 :大気平衡
5)定電位保持 :1.0Vvs.SHE(平板) SCEを用いて換算。
1) Solution: 0.5 mM H 2 SO 4 (corresponding to pH 3)
2) Liquid temperature: 80 ° C
3) Liquid volume: 1000ml
4) Atmosphere: Atmospheric equilibrium 5) Constant potential holding: 1.0 Vvs. SHE (flat plate) Converted using SCE.

6)低電位保持時間:4時間
7)繰返し数 :n1(1回)
8)試験片形状 :30mm角。
6) Low potential holding time: 4 hours 7) Number of repetitions: n1 (once)
8) Specimen shape: 30 mm square.

(腐食試験溶液の溶出分析方法)
試料(上記腐食試験後の溶液;腐食液)を、下記の装置により分析に可能となる濃度になるまで希釈した後、50mlを採取し、ICP質量分析法によりCr、Fe、Niの定量分析を行った。
(Elution analysis method for corrosion test solutions)
After diluting the sample (solution after the above corrosion test; corrosive solution) to a concentration that allows analysis using the following equipment, 50 ml is taken and quantitative analysis of Cr, Fe, Ni is performed by ICP mass spectrometry. went.

・装置:パーキンエルマー製、ICP質量分析装置ELAN DRC II。   Device: Perkin Elmer ICP mass spectrometer ELAN DRC II.

溶出分析結果を下記表1に示す。   The results of elution analysis are shown in Table 1 below.

上記表1の結果から、DLC層の有無で、溶出金属量に差はほとんど見られないことが確認された。このことから、SUS基板とDLC層の間にクロムオキシカーバイド層を設けることで、腐食環境下において、最も過酷な環境に晒される最表層のDLC層の溶解も抑制できる(十分な耐食性を発現できる)という、予期し得ない効果が得られることがわかった。その結果、最表層のDLC層が腐食環境でも安定な保護層として機能(作用)することにより、クロムオキシカーバイド層の変質による接触抵抗の上昇やSUS基板からの金属イオン(Cr、Fe、Ni等)の溶出を効果的に防止できることがわかった。これにより、十分な耐食性を発現できる。なお、クロムオキシカーバイド層単独では、金属基板からの金属イオンの溶出は防げるものの、DLC層が腐食環境でも安定な保護層として機能(作用)することがないため、腐食環境(腐食試験後)で変質し、接触抵抗上昇が発生し耐食性が不十分であった。(図8Bの実施例2と比較例1とを対比参照のこと)。   From the results in Table 1 above, it was confirmed that there was almost no difference in the amount of eluted metal with and without the DLC layer. Therefore, by providing a chromium oxycarbide layer between the SUS substrate and the DLC layer, dissolution of the outermost DLC layer exposed to the harshest environment can be suppressed in a corrosive environment (sufficient corrosion resistance can be expressed). It was found that an unexpected effect was obtained. As a result, the outermost DLC layer functions (acts) as a stable protective layer even in a corrosive environment, thereby increasing contact resistance due to alteration of the chromium oxycarbide layer and metal ions (Cr, Fe, Ni, etc.) from the SUS substrate. It was found that elution of) can be effectively prevented. Thereby, sufficient corrosion resistance can be expressed. Although the chromium oxycarbide layer alone can prevent the elution of metal ions from the metal substrate, the DLC layer does not function (act) as a stable protective layer even in a corrosive environment. Alteration occurred, contact resistance increased, and corrosion resistance was insufficient. (Refer to the comparison between Example 2 and Comparative Example 1 in FIG. 8B).

<オージェ電子分光分析(AES分析)>
実施例1のクロムオキシカーバイド層(実施例2及び比較例1も同じ成膜条件でクロムオキシカーバイド層を作製したため、実施例1を共通サンプルとして採用した)を形成後の金属基板を用いてオージェ電子分光分析(AES分析)を行った。
<Auger electron spectroscopy analysis (AES analysis)>
Using the metal substrate after forming the chromium oxycarbide layer of Example 1 (Example 2 and Comparative Example 1 were also used as a common sample because the chromium oxycarbide layer was produced under the same film forming conditions). Electron spectroscopic analysis (AES analysis) was performed.

(分析装置)
電界放射型オージェ電子分光(FE−AES)装置(米Physical Electronics社製SAM−680)を用いた。
(Analysis equipment)
A field emission Auger electron spectroscopy (FE-AES) apparatus (SAM-680 manufactured by Physical Electronics, USA) was used.

(測定条件)
電子ビームエネルギー;5keV
スパッタイオン種;Ar とした。
(Measurement condition)
Electron beam energy: 5 keV
Sputter ion species: Ar + .

(深さ方向分析結果)
金属基板試料表面(クロムオキシカーバイド層)の深さ方向(表面から1000nmまでの深さ)の分析結果を図9に示す。縦軸は装置付属の感度係数を用いて算出した原子百分率である。横軸の深さはSiO換算値である。今回使用したスパッタイオンのエッチングレートは4.94nm/minであった。
(Depth direction analysis results)
FIG. 9 shows the analysis result in the depth direction (depth from the surface to 1000 nm) of the metal substrate sample surface (chromium oxycarbide layer). The vertical axis represents the atomic percentage calculated using the sensitivity coefficient attached to the device. The depth of the horizontal axis is a SiO 2 converted value. The etching rate of sputter ions used this time was 4.94 nm / min.

図9より、クロムオキシカーバイド層の元素組成は、炭素の組成比率が30〜40%、酸素の組成比率が15〜30%で、残部がクロムの組成比率となることがわかる。   From FIG. 9, it can be seen that the chromium oxycarbide layer has an elemental composition of 30 to 40% for carbon, 15 to 30% for oxygen, and the balance of chromium for the remainder.

1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3 触媒層、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5 セパレータ、
5a アノードセパレータ、
5c カソードセパレータ、
6a アノードガス流路、
6c カソードガス流路、
7 冷媒流路、
10 膜電極接合体(MEA)、
11 真空チャンバ、
14 炭素原料電極、
15 アルゴンガス管、
16 アルゴンガス導入ポート、
17 パルス電源、
18 DC電源、
20 金属セパレータ、
21 金属基材、
23 クロムオキシカーバイド層、
25 導電性層、
25a 導電性中間層、
25b 導電性炭素層、
26a、26c 電極、
100 HiPIMS法で用いられる成膜装置、
501 基材、
600 DCMS法で用いられる成膜装置、
601 真空チャンバ、
6101〜6104 ターゲット(カソード)、
6201〜6204 磁気回路、
650 回転ステージ、
655、656 電源、
670 絶縁体。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3 catalyst layer,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5 separator,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
11 vacuum chamber,
14 Carbon raw material electrode,
15 Argon gas tube,
16 Argon gas introduction port,
17 Pulse power supply,
18 DC power supply,
20 metal separator,
21 metal substrate,
23 Chromium oxycarbide layer,
25 conductive layer,
25a conductive intermediate layer,
25b conductive carbon layer,
26a, 26c electrodes,
A film forming apparatus used in the 100 HiPIMS method;
501 substrate,
600 Film forming apparatus used in DCMS method,
601 vacuum chamber;
6101-6104 target (cathode),
6201-6204 magnetic circuit,
650 rotary stage,
655, 656 power supply,
670 Insulator.

Claims (3)

金属基材と、前記金属基材表面上に形成されたクロムオキシカーバイド層と、前記クロムオキシカーバイド層上に形成された導電性層と、を有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。   A metal separator for a fuel cell, comprising: a metal substrate; a chromium oxycarbide layer formed on the surface of the metal substrate; and a conductive layer formed on the chromium oxycarbide layer. 前記導電性層が、ダイヤモンドライクカーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)層であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。   The metal separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the conductive layer is a diamond-like carbon (DLC) layer. 高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層およびカソード触媒層、ならびにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池であって、
前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの少なくとも一方が、請求項1または2に記載の燃料電池用金属セパレータであり、
この際、前記燃料電池用金属セパレータが凹凸状に形成されてなり、当該凸部が前記膜電極接合体と接触し、当該凹部が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するためのガス流路とされてなる、固体高分子形燃料電池。
A polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layer and cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a pair of anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer sandwiching them;
A polymer electrolyte fuel cell having a pair of anode separator and cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly,
At least one of the anode separator or the cathode separator is a metal separator for a fuel cell according to claim 1 or 2,
At this time, the metal separator for a fuel cell is formed in a concavo-convex shape, the convex portion comes into contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion serves as a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas. A polymer electrolyte fuel cell.
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