JP2020149907A - セパレータ用金属材料、燃料電池のセパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストであり、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することが可能なセパレータ用金属材料を提供する。【解決手段】燃料電池のセパレータに用いられるセパレータ用金属材料１である。このセパレータ用金属材料１は、Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が１９質量％以上のステンレス鋼基材２と、ステンレス鋼基材２上に設けられ、金属の炭化物、窒化物及び硼化物からなる群から選択される１種以上の金属化合物から形成されるセラミックス層４と、ステンレス鋼基材２とセラミックス層４との間に設けられ、セラミックス層４に含まれる金属から形成される金属層３と、セラミックス層４上に設けられ、炭素系導電材７及びＳｉ系バインダー６を含む炭素系導電層５とを有する。炭素系導電層５は、炭素系導電材７の表面被覆率が９０％以上、Ｓｉ系バインダー６の比率が４０質量％以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、セパレータ用金属材料、燃料電池のセパレータ及び燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両面に電極が接合された膜−電極接合体と、酸素や水素などの流通経路が形成されたセパレータとが交互に配置された構造を有する。セパレータに用いられる材料としては、従来、ステンレス、チタン、チタン合金などの金属が一般に用いられている。これらの金属は、表面に不動態皮膜が形成されるため、耐食性に優れる一方、導電性が低下する。燃料電池では、セパレータと電極との間で電子のやり取りが行われるため、セパレータの導電性が低い場合、セパレータと電極との間の接触抵抗が高くなり、通電時の発熱、電圧降下などの問題が生じる。

また、燃料電池が電気自動車の搭載用電源として用いられる場合、その性能が長時間にわたって低下しないことが要求される。そのため、この燃料電池のセパレータには、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持し得ることが必要とされる。

セパレータの導電性を高める方法として、ステンレス鋼などの基材の表面に、窒化チタンなどの導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、窒化チタンなどの導電性セラミックスは耐食性が低い。そのため、導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜を表面に有する基材から形成されたセパレータは、使用時間の経過とともに表面の導電性セラミックスが酸化し、導電性が徐々に低下してしまう。

また、セパレータの導電性を高める方法として、基材の表面に導電性析出物を露出させる方法も提案されている（例えば、特許文献２及び３）。
しかしながら、この方法も上記と同様に、導電性析出物の耐食性が低いため、セパレータの表面の導電性析出物が酸化してしまい、導電性が徐々に低下してしまう。

一方、基材（金属部品）の表面に形成された窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜の酸化を防止するために、窒化チタン皮膜よりも先に酸化されるＳｎなどの元素を酸化抑制元素として皮膜に含有させる方法が提案されている（例えば、特許文献４）。
しかしながら、この方法は、酸化抑制元素を優先的に酸化させることで窒化チタンの酸化を抑制することができるものの、窒化チタン自体の耐食性が低いため、結局は使用時間の経過とともに表面の窒化チタン皮膜も酸化し、導電性が徐々に低下してしまう。

また、セパレータの導電性を高める方法として、基材（金属製部材）の表面に金などの貴金属のめっきを行う方法も提案されている（例えば、特許文献５）。
しかしながら、この方法は、貴金属を用いるため、コスト高となってしまう。

さらに、セパレータの導電性を高める方法として、カーボン粒子をバインダー樹脂中に分散させたコーティング層を金属板の表面に形成する方法も提案されている（例えば、特許文献６）。
しかしながら、このコーティング層は、カーボン粒子の表面被覆率が低いため、カーボン粒子とその隣接する部材（電極）との接触部分が少なく、接触抵抗が高くなる傾向にある。また、バインダー樹脂を用いているため、生成水などの腐食液が浸透し易い。この腐食液の浸透が進むと、コーティング層と金属基材との界面に酸化皮膜が生成し、接触抵抗が低下する原因となる。

特開平１１−１６２４７９号公報 特開２００１−３２０５６号公報 特開２００４−２７３３７０号公報 特開２００２−７５３９８号公報 特開平１０−２２８９１４号公報 特表２０１１−５０８３７６号公報

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、低コストであり、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することが可能なセパレータ用金属材料及び燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。
また、本発明は、セパレータと電極との間の接触抵抗の上昇を長時間にわたって抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、ステンレス鋼基材のＣｒ及びＭｏの合計含有量、及びステンレス鋼基材上に形成する層の種類が、耐食性及び接触抵抗と密接に関係しているという知見に基づき、Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が特定の範囲にあるステンレス鋼基材上に、所定の金属層、セラミックス層及び炭素系導電層を順次形成することで、耐食性及び接触抵抗を向上させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、燃料電池のセパレータに用いられるセパレータ用金属材料であって、
Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が１９質量％以上のステンレス鋼基材と、
前記ステンレス鋼基材上に設けられ、金属の炭化物、窒化物及び硼化物からなる群から選択される１種以上の金属化合物から形成されるセラミックス層と、
前記ステンレス鋼基材と前記セラミックス層との間に設けられ、前記セラミックス層に含まれる前記金属から形成される金属層と、
前記セラミックス層上に設けられ、炭素系導電材及びＳｉ系バインダーを含む炭素系導電層であって、前記炭素系導電材の表面被覆率が９０％以上、Ｓｉ系バインダーの比率が４０質量％以上である炭素系導電層と
を有するセパレータ用金属材料である。

また、本発明は、前記セパレータ用金属材料から形成された、燃料電池のセパレータである。
さらに、本発明は、前記セパレータを有する燃料電池である。

本発明によれば、低コストであり、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することが可能なセパレータ用金属材料及び燃料電池のセパレータを提供することができる。
また、本発明によれば、セパレータと電極との間の接触抵抗の上昇を長時間にわたって抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るセパレータ用金属材料の模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係るセパレータ用金属材料の模式的な断面図である。
図１に示すように、本実施形態のセパレータ用金属材料１は、ステンレス鋼基材２と、ステンレス鋼基材２上に設けられた金属層３と、金属層３上に設けられたセラミックス層４と、セラミックス層４上に設けられた炭素系導電層５とを有する。

ステンレス鋼基材２は、ステンレス鋼から形成される基材である。ステンレス鋼は、Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が１９質量％以上である。その理由は次の通りである。
燃料電池の内部では、Ｈ₂とＯ₂との反応によってＨ₂Ｏが発生し、環境中に存在する塩素を取り込んで、塩化物イオンを含有する酸性溶液となることがある。燃料電池のセパレータは、ガスが流れる細かな流路が形成されており、この流路に塩化物イオンを含有する酸性溶液が入ると、セパレータの基材が腐食し易くなる。その結果、金属層３、セラミックス層４及び炭素系導電層５のいずれかの間で剥離が生じ、接触抵抗が劣化してしまう。セパレータの使用環境下で耐食性が良好で接触抵抗が低下しない基材の条件を検討したところ、Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が１９質量％以上であると、耐食性が劣化せず、接触抵抗が劣化し難いということがわかった。そこで、本実施形態のセパレータ用金属材料１では、ステンレス鋼基材２のＣｒ及びＭｏの合計含有量を１９質量％以上に規定した。

ステンレス鋼基材２に用いられるステンレス鋼は、Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が上記の範囲であれば特に限定されず、耐食性、加工性、製造性などの特性を阻害しない範囲において当該技術分野において公知の成分を含むことができる。
例えば、ステンレス鋼としてフェライト系ステンレス鋼を用いる場合、フェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｓｉ：２質量％以下、Ｍｎ：２質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下、Ｃｕ：２質量％以下、Ｔｉ：１質量％以下、Ｎｂ：１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ａｌ：６質量％以下、Ｎ：０．０３質量％以下、Ｂ：０．０１質量％以下などを含むことができる。

また、ステンレス鋼としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合、オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｓｉ：４質量％以下、Ｍｎ：３質量％以下、Ｎｉ：６〜３０質量％、Ｃｕ：４質量％以下、Ｔｉ：１質量％以下、Ｎｂ：１質量％以下、Ｖ：１質量％以下、Ａｌ：０．５質量％以下、Ｎ：０．３質量％以下、Ｂ：０．０１質量％以下、Ｓｎ：１質量％以下、Ｃｏ：１質量％以下、Ｚｎ：１質量％以下などを含むことができる。

なお、フェライト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼のいずれにおいても、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、Ｓ、Ｐ、Ｏなどの意図的に配合していない成分のことを意味する。
また、ステンレス鋼として市販品を用いることもできる。例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓなどをオーステナイト系ステンレス鋼として用いることができる。また、ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４５Ｊ１、ＳＵＳ４４７Ｊ１などをフェライト系ステンレス鋼として用いることができる。

金属層３は、ステンレス鋼基材２とセラミックス層４との間の接着性（密着性）を向上させる層である。ステンレス鋼基材２上にセラミックス層４を直接形成した場合、両者の接着性が低いため、ステンレス鋼基材２からセラミックス層４が剥離し易くなる。その結果、剥離した部分を起点として腐食が進行し、導電性が低下（接触抵抗が増大）してしまう。そこで、このような問題を解決するために、ステンレス鋼基材２とセラミックス層４との間に金属層３が設けられる。

金属層３は、セラミックス層４との親和性の観点から、セラミックス層４に含まれる金属から形成される。ただし、金属層３は、この金属元素の純粋な層でなくてもよく、Ａｌ、Ｏ、Ｎ、Ｃなどの不純物を含んでいてもよい。
金属としては、特に限定されないが、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＬａが好ましい。これらの金属は、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの金属であれば、金属層３の耐食性とともにセラミックス層４の導電性を高めることができる。
特に好ましい実施形態において、金属層３はチタン（Ｔｉ）層又はクロム（Ｃｒ）層である。このような層であれば、一般的な成膜装置によって金属層３を形成することができる上、原料コストも低く抑えることができる。

金属層３の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．００１μｍ以上、より好ましくは０．００５μｍ以上である。このような厚みであれば、ステンレス鋼基材２と金属層３との間の接着性を十分に向上させることができるため、耐食性及び導電性を長時間にわたって維持することが可能になる。一方、金属層３の厚みの上限は、典型的に１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下である。

セラミックス層４は、金属の炭化物、窒化物及び硼化物からなる群から選択される１種以上の金属化合物から形成される。ただし、セラミックス層４は、この金属化合物の純粋な層でなくてもよく、Ａｌ、Ｏ、Ｎ、Ｃなどの不純物を含んでいてもよい。セラミックス層４を設けることにより、セパレータ用金属材料１の導電性を高めることができる。
特に好ましい実施形態において、セラミックス層４は、炭化チタン層、窒化チタン層、炭化クロム層又は窒化クロム層である。このような層であれば、一般的な成膜装置によってセラミックス層４を形成することができる上、原料コストも低く抑えることができる。

セラミックス層４の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．００１μｍ以上、より好ましくは０．０１μｍ以上である。このような厚みであれば、セパレータ用金属材料１の導電性を十分に高めることができる。一方、セラミックス層４の厚みの上限は、典型的に１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下である。

炭素系導電層５は、炭素系導電材７とＳｉ系バインダー６とを含む。
炭素系導電材７としては、溶液に分散可能であり且つ燃料電池使用環境下で溶出しないものであれば良く、例えばカーボンナノチューブ、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛などのカーボン粒子などが挙げられる。好ましい実施形態では、炭素系導電材７としてカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴ（Carbon nanotube）という）が用いられる。炭素系導電材７にＣＮＴを用いることにより、ＣＮＴの優れた分散性を利用することで、炭素系導電層５全体にＣＮＴを均一に分散させることができるため、安定した接触抵抗を確保することができる。
Ｓｉ系バインダー６としては、特に限定されないが、無機Ｓｉ系バインダーが好ましい。

ＣＮＴの長さは、特に限定されないが、１μｍ〜数十μｍであることが好ましい。好ましい実施形態では、ＣＮＴの長さは、以下の理由から１μｍ〜９０μｍに設定される。すなわち、ＣＮＴの長さが１μｍより小さいと、導電経路が減少して接触抵抗が高くなるため、導電性が低下することがある。一方、ＣＮＴの長さが９０μｍを超えると、ＣＮＴの凝集が生じ易くなる（換言すればＣＮＴの塊が発生し易くなる）結果、ＣＮＴを炭素系導電層５中に均一に分散させ難くなくなることがある。

炭素系導電層５において、ＣＮＴの表面被覆率は９０％以上である。このような範囲にＣＮＴの表面被覆率を制御することにより、電子伝導パスを確保することができるため、初期の接触抵抗を下げることができる。
ここで、「ＣＮＴの表面被覆率」とは、炭素系導電層５の表面積に対するＣＮＴの面積の割合のことを指す。
ＣＮＴの表面被覆率は、例えば、レーザー顕微鏡を用いて表面観察を行い、観察像に対してＣＮＴの有無の観点から２値化し、その２値化した画像に基づいてＣＮＴが被覆している割合を表面被覆率として算出することができる。

また、炭素系導電層５において、Ｓｉ系バインダー６の比率は４０質量％以上である。このような範囲にＳｉ系バインダー６の比率を制御することにより、腐食液の浸透を防ぐことができるため、腐食環境下の接触抵抗を下げることができる。その結果、初期の接触抵抗及び腐食環境下での接触抵抗を低減させることが可能になる。一方、Ｓｉ系バインダー６の比率の上限は、特に限定されないが、好ましくは７０質量％、より好ましくは６５質量％、さらに好ましくは６３質量％、最も好ましくは６０質量％である。
ここで、「Ｓｉ系バインダーの比率」とは、炭素系導電層５の全質量に対するＳｉ系バインダーの比率のことを指す。

炭素系導電層５の厚さは、特に限定されないが、３μｍ〜１０μｍの範囲であることが好ましい。炭素系導電層５の厚さが３μｍよりも小さくなると、耐食性が低下する恐れがある。一方、炭素系導電層５の厚さが１０μｍを超えると、コスト増加を招く。

上記のような構成を有する本実施形態のセパレータ用金属材料１は、当該技術分野において公知の方法を用いて製造することができる。例えば、本実施形態のセパレータ用金属材料１は、次の方法を用いて製造することができる。
まず、ステンレス鋼基材２上に金属層３を公知の成膜方法によって形成する。公知の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリングやアークイオンプレーティングなどのＰＶＤ法を用いることができる。スパッタリングでは、真空中でプラズマを発生させ、イオン化されたガス（窒素、アルゴンなど）をターゲット（成膜材料の金属）にぶつけることでエネルギーを得た金属原子を空間へ飛散させ、ステンレス鋼基材２に蒸着させることによって成膜することができる。また、アークイオンプレーティングでは、真空雰囲気において、ターゲット（成膜材料の金属）をカソードとし、アノードとの間で真空アーク放電を発生させ、ターゲット表面から金属を蒸発、イオン化させて、ステンレス鋼基材２に成膜することができる。

次に、金属層３上にセラミックス層４を公知の成膜方法によって形成する。公知の成膜方法としては、特に限定されず、金属層３と同様の方法を用いることができる。スパッタリングを用いる場合、例えば、金属ターゲットに反応性ガスを供給して行う反応性スパッタリングや、ターゲットをセラミックス層４の材料に変更することにより、セラミックス層４を形成することができる。また、アークイオンプレーティングを用いる場合、真空アーク放電によってターゲット（セラミックス層４に含まれる金属）を蒸発、イオン化させる際に、窒素や酸素などの反応性ガスを供給して反応させることにより、セラミックス層４を形成することができる。

次に、セラミックス層４上に公知の成膜方法を用いて炭素系導電層５を形成する。具体的には、炭素系導電材７（例えば、ＣＮＴ）を分散させたＳｉ系バインダー６の溶液を、セラミックス層４の表面に塗工した後、加熱処理することで形成することができる。塗工方法としては、特に限定されず、例えば、バーコーター、スピンコートロールコート、スプレーコートなどの公知の方法を用いることができる。また、加熱温度は、使用する炭素系導電材７及びＳｉ系バインダー６の種類に応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。
なお、Ｓｉ系バインダー６の溶液には、炭素系導電材７（例えば、ＣＮＴ）の分散性を高める観点から分散剤を添加してもよい。分散剤としては、特に限定されないが、例えばアニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン系界面活性剤などを用いることができる。

上記のようにして製造される本実施形態のセパレータ用金属材料１は、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することができる。
本実施形態のセパレータ用金属材料１は、酸素や水素などの流通経路を形成する加工を行うことにより、燃料電池のセパレータとすることができる。このセパレータは、上記のセパレータ用金属材料１を材料として用いているため、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することができる。
本実施形態のセパレータ用金属材料１から形成されたセパレータは、燃料電池に用いることができる。この燃料電池は、上記のような特性を有するセパレータを用いているため、セパレータと電極との間の接触抵抗の上昇を長時間にわたって抑制することができる。

以下、本発明について実施例を用いて詳細に説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
表１の組成を有する厚み０．１ｍｍのステンレス鋼を基材として準備した。なお、鋼種Ａ、Ｂ、Ｃ及びＧはオーステナイト系ステンレス鋼、鋼種Ｄ、Ｅ及びＦはフェライト系ステンレス鋼である。

次に、ステンレス鋼基材上に、表２に示す金属層及びセラミックス層、並びに炭素系導電層を順次形成することによってセパレータ用金属材料を得た。金属層の厚みは、０．０５μｍ、セラミックス層の厚みは０．２μｍ、炭素系導電層の厚みは３μｍに調整した。表２中、金属層及びセラミックス層については使用した材料の種類を表す。なお、金属層又はセラミックス層を形成しなかったものは×と表す。また、炭素系導電層については、形成したものを〇、形成しなかったものを×と表す。金属層及びセラミックス層の形成方法はスパッタリングを用い、各層の材料をターゲットとして用いた。また、炭素系導電層は、次のようにして形成した。まず、Ｓｉ系バインダーの溶液にＣＮＴ及び分散剤を入れ、攪拌し混ぜ合わせた。その際に、分散剤の比率を調整することによって、Ｓｉ系バインダー比率が４０質量％、ＣＮＴ表面被覆率が９０％となるように調整した。次に、得られた溶液をセラミックス層の表面に滴下し、バーコーターを用いて塗工して塗膜を形成した後、３００℃で３０分加熱して塗膜を硬化させることにより、炭素系導電層を形成した。

得られたセパレータ用金属材料について下記の接触抵抗の評価を行った。
＜接触抵抗の評価＞
セパレータ用金属材料を、Ｆ^-濃度３ｐｐｍ、ｐＨ３の８０℃の酸性溶液中に浸漬し、０．７Ｖ ｖｓ． Ａｇ/ＡｇＣｌの定電位にて２４時間電圧を印加した後、Ｆ^-濃度３ｐｐｍ、Ｃｌ^-濃度１０ｐｐｍ、ｐＨ３の８０℃の酸性溶液に浸漬し、０．７Ｖ ｖｓ． Ａｇ/ＡｇＣｌの定電位にて２４時間さらに電圧を印加する耐久性試験を行った。この耐久性試験を行う前後のセパレータ用金属材料の接触抵抗を、４端子法を用いて評価した。その結果を表２に示す。耐久性試験前後の接触抵抗は、１０ｍΩ・ｃｍ²未満で良好、１０ｍΩ・ｃｍ²以上２０ｍΩ・ｃｍ²未満でやや良好、２０ｍΩ・ｃｍ²以上で劣ると判断することができる。

表２に示されるように、所定のステンレス鋼基材上に所定の金属層、セラミックス層及び炭素系導電層を順次形成した本発明例のセパレータ用金属材料（試験Ｎｏ．４〜６、１２、１６、１９及び２０）は、接触抵抗が小さく、耐久性試験をしても接触抵抗がほとんど変化しなかった。
これに対して、ステンレス鋼基材のＣｒ及びＭｏの合計含有量が低かったり、ステンレス鋼基材に所定の３つの層を形成していない比較例のセパレータ用金属材料（試験Ｎｏ．１〜３、７〜１１、１３〜１５、１７、１８、２１及び２２）は、接触抵抗が高かったり、抵抗接触が低くても耐久性試験後に接触抵抗が増加してしまった。

（実施例２）
この実施例では、金属層及びセラミックス層の厚みを変化させてセパレータ用金属材料を作製し、その評価を行った。
まず、実施例１で用いた鋼種Ｇのステンレス鋼を基材として用い、Ｔｉ層（金属層）、ＴｉＮ層（セラミックス層）及び炭素系導電層を順次形成した。Ｔｉ層及びＴｉＮ層の厚みは表３に示す値に調整した。また、炭素系導電層の厚みは３μｍに調整した。表３中、炭素系導電層については、形成したものを〇、形成しなかったものを×と表す。金属層及びセラミックス層の形成方法はスパッタリングを用い、各層の材料をターゲットとして用いた。また、炭素系導電層は、実施例１と同様の条件で形成した。

得られたセパレータ用金属材料について、上記と同様にして接触抵抗の評価を行った。その結果を表３に示す。

表３に示されるように、Ｔｉ層（金属層）の厚みを０．００５μｍ以上、及び／又はＴｉＮ層（セラミックス層）の厚みを０．０１μｍ以上にすることにより、耐久性試験後の接触抵抗が小さくなる傾向があった。一方、炭素系導電層を形成しない場合、Ｔｉ層（金属層）及びＴｉＮ層（セラミックス層）の厚みを変化させても、耐久性試験後の接触抵抗が増加した。

（実施例３）
この実施例では、金属層及びセラミックス層の種類を変化させてセパレータ用金属材料を作製し、その評価を行った。
まず、各鋼種のステンレス鋼基材上に、表４に示す金属層及びセラミックス層、並びに炭素系導電層を順次形成した。金属層の厚みは、０．０５μｍ、セラミックス層の厚みは０．２μｍ、炭素系導電層の厚みは３μｍに調整した。表４中、金属層及びセラミックス層については使用した材料の種類を表す。なお、セラミックス層を形成しなかったものは×と表す。金属層及びセラミックス層の形成方法はスパッタリングを用い、各層の材料をターゲットとして用いた。また、炭素系導電層は、実施例１と同様の条件で形成した。

得られたセパレータ用金属材料について、上記と同様にして接触抵抗の評価を行った。その結果を表４に示す。

表４に示されるように、所定のステンレス鋼基材上に所定の金属層、セラミックス層及び炭素系導電層を順次形成した本発明例のセパレータ用金属材料（試験Ｎｏ．３６〜３８、４０〜４２及び４４〜４６）は、接触抵抗が小さく、耐久性試験をしても接触抵抗がほとんど変化しなかった。
これに対して、所定のセラミックス層を形成していない比較例のセパレータ用金属材料（試験Ｎｏ．３５、３９及び４３）は、初期の接触抵抗が高く、また、耐久性試験後に接触抵抗が増加してしまった。

（実施例４）
この実施例では、炭素系導電層の形態を変化させてセパレータ用金属材料を作製し、その評価を行った。
まず、実施例１で用いた鋼種Ｇのステンレス鋼を基材として用い、Ｔｉ層（金属層）、ＴｉＮ層（セラミックス層）及び炭素系導電層を順次形成した。Ｔｉ層、ＴｉＮ層及び炭素系導電層の厚みは０．１μｍ、０．３μｍ及び１０μｍにそれぞれ調整した。
また、炭素系導電層は、次のようにして形成した。まず、Ｓｉ系バインダー溶液にＣＮＴ及び分散剤を入れ、攪拌し混ぜ合わせた。その際、溶液の固形分中のＣＮＴ比率を２０質量％に設定すると共に、分散剤の比率を表５に示す値に制御することによって、表５に示すＳｉ系バインダーの比率及びＣＮＴの表面被覆率となるように調整した。次に、得られた溶液をセラミックス層の表面に滴下し、バーコーターを用いて塗工して塗膜を形成した後、３００℃で３０分加熱して塗膜を硬化させることにより、炭素系導電層を形成した。

得られたセパレータ用金属材料について、上記と同様にして接触抵抗の評価を行った。その結果を表５に示す。

表５に示されるように、ＣＮＴ（炭素系導電材）の表面被覆率を９０％以上、Ｓｉ系バインダーの比率を４０質量％以上とすることで、接触抵抗が小さく、耐久性試験をしても接触抵抗が変化し難くなった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、低コストであり、長時間にわたって耐食性に優れると共に低い接触抵抗を維持することが可能なセパレータ用金属材料及び燃料電池のセパレータを提供することができる。また、本発明によれば、セパレータと電極との間の接触抵抗の上昇を長時間にわたって抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。

１ セパレータ用金属材料
２ ステンレス鋼基材
３ 金属層
４ セラミックス層
５ 炭素系導電層
６ Ｓｉ系バインダー
７ 炭素系導電材

Claims (9)

1. 燃料電池のセパレータに用いられるセパレータ用金属材料であって、
   Ｃｒ及びＭｏの合計含有量が１９質量％以上のステンレス鋼基材と、
   前記ステンレス鋼基材上に設けられ、金属の炭化物、窒化物及び硼化物からなる群から選択される１種以上の金属化合物から形成されるセラミックス層と、
   前記ステンレス鋼基材と前記セラミックス層との間に設けられ、前記セラミックス層に含まれる前記金属から形成される金属層と、
   前記セラミックス層上に設けられ、炭素系導電材及びＳｉ系バインダーを含む炭素系導電層であって、前記炭素系導電材の表面被覆率が９０％以上、Ｓｉ系バインダーの比率が４０質量％以上である炭素系導電層と
   を有するセパレータ用金属材料。
2. 前記金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、及びＬａからなる群から選択される少なくとも一種である、請求項１に記載のセパレータ用金属材料。
3. 前記セラミックス層は、炭化チタン層、窒化チタン層、炭化クロム層又は窒化クロム層である、請求項１又は２に記載のセパレータ用金属材料。
4. 前記金属層は、チタン層又はクロム層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセパレータ用金属材料。
5. 前記セラミックス層の厚みが０．０１μｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセパレータ用金属材料。
6. 前記金属層の厚みが０．００５μｍ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセパレータ用金属材料。
7. 前記炭素系導電材がカーボンナノチューブである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセパレータ用金属材料。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のセパレータ用金属材料から形成された、燃料電池のセパレータ。
9. 請求項８に記載のセパレータを有する燃料電池。

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