JP5332550B2 - Conductive member, method for producing the same, fuel cell separator and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Conductive member, method for producing the same, fuel cell separator and polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conductive member capable of suppressing and preventing the corrosion of a separator base material for a fuel cell, by suppressing and preventing permeation of water molecules to a separator base-material side. <P>SOLUTION: The conductive member includes a base material layer, made of metals, a dense barrier layer 53 formed on the metallic base material layer 52, an intermediate layer 54 formed on the dense barrier layer, and a conductive thin film layer 55 formed on the intermediate layer. Since permeation of water molecules generated in an electrode to a separator base material side is suppressed and is prevented by using the conductive member, superior conductivity is ensured, and corrosion resistance is further improved. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、導電部材、その製造方法、ならびにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a conductive member, a method for producing the same, and a fuel cell separator and a polymer electrolyte 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。各単セルは、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(電極触媒層);およびさらにこれらを挟持する、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(GDL)、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。かような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、隣接する単セルどうし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 single cell includes a polymer electrolyte membrane; a pair of (anode, cathode) catalyst layers (electrode catalyst layer) sandwiching the polymer electrolyte membrane; and a pair (anode, cathode) for dispersing the supply gas sandwiching them A membrane electrode assembly (MEA) including a gas diffusion layer (GDL); And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. In this way, a single cell is stacked and connected to form a fuel cell stack. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a 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, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, air or 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の構成材料としては、従来、金属、カーボン、または導電性樹脂などが知られている。これらのうち、カーボンセパレータや導電性樹脂セパレータでは、ガス流路形成後の強度をある程度確保すべく、厚さを比較的大きく設定する必要がある。その結果、これらのセパレータを用いた燃料電池スタックの全体の厚さも大きくなってしまう。かようなスタックの大型化は、特に小型化が求められている車載用PEFCなどにおいては、好ましくない。   Conventionally, metals, carbon, or conductive resins are known as constituent materials for fuel cell separators that require electrical conductivity. Among these, in the carbon separator and the conductive resin separator, it is necessary to set the thickness relatively large in order to secure the strength after forming the gas flow path to some extent. As a result, the overall thickness of the fuel cell stack using these separators also increases. Such an increase in the size of the stack is not preferable particularly in an in-vehicle PEFC that requires a reduction in size.

一方、金属セパレータは強度が比較的大きいため、厚さを比較的小さくすることが可能である。また、導電性にも優れることから、金属セパレータを用いるとMEAとの接触抵抗を低減させうるという利点もある。その反面、金属材料では腐食(例えば、生成水や運転時に生じる電位差などに起因するもの)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という問題が生じる場合がある。よって、金属セパレータでは、その優れた導電性を確保しつつ、耐食性をも向上させることが求められている。   On the other hand, since the metal separator has a relatively high strength, the thickness can be made relatively small. Moreover, since it is excellent also in electroconductivity, when a metal separator is used, there also exists an advantage that contact resistance with MEA can be reduced. On the other hand, in metal materials, there may be a problem that the conductivity is lowered due to corrosion (for example, due to generated water or a potential difference generated during operation), and the output of the stack is lowered accordingly. Therefore, the metal separator is required to improve the corrosion resistance while ensuring its excellent conductivity.

例えば、特許文献1には、基材と導電性薄膜との間に基材の酸化皮膜を形成する技術が開示されている。これにより、導電性を確保するとともに基材を構成する金属の溶解が抑制され、導電性および耐久性に優れた燃料電池用セパレータが提供されうる、としている。また、特許文献1には、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との間に密着性を高める中間層を形成することが開示されている。これにより、基材の酸化皮膜と導電性薄膜との密着性を高めることができる、と記載されている。ここで、中間層をスパッタリング法で作製している。
特開2004−185998号公報
For example, Patent Document 1 discloses a technique for forming an oxide film on a base material between the base material and a conductive thin film. Thereby, while ensuring electroconductivity, melt | dissolution of the metal which comprises a base material is suppressed, and it is supposed that the separator for fuel cells excellent in electroconductivity and durability can be provided. Patent Document 1 discloses forming an intermediate layer that enhances adhesion between an oxide film of a substrate and a conductive thin film. This describes that the adhesion between the oxide film of the substrate and the conductive thin film can be enhanced. Here, the intermediate layer is formed by a sputtering method.
JP 2004-185998 A

しかしながら、特許文献1によるように、スパッタリング法で作製される中間層は結晶配向性が高い層となる。このため、特許文献1のセパレータを用いた燃料電池では、電極で生成した水分子が結晶間の隙間からセパレータ基材側に浸入して、セパレータ基材の腐食を誘発しやすい。また、基材表面に配置される酸化皮膜はそれ自身が絶縁性の高い層であるため、セパレータの厚さ方向の導電性が低下してしまう。   However, as disclosed in Patent Document 1, the intermediate layer produced by the sputtering method is a layer having high crystal orientation. For this reason, in the fuel cell using the separator of Patent Document 1, water molecules generated by the electrodes easily enter the separator substrate side through the gaps between the crystals, and the separator substrate is easily corroded. Moreover, since the oxide film disposed on the substrate surface itself is a highly insulating layer, the conductivity in the thickness direction of the separator is lowered.

そこで本発明は、金属からなる基材層とその表面に配置された導電性薄膜層とを有する導電部材において、セパレータ基材側への水分子の浸入を抑制・防止することにより、セパレータ基材の腐食を抑制・防止できる手段を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a separator base material by suppressing and preventing water molecules from entering the separator base side in a conductive member having a base layer made of metal and a conductive thin film layer disposed on the surface thereof. It aims at providing the means which can suppress and prevent the corrosion of.

本発明者らは、金属基材層と中間層との間に緻密な層を配置することで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have found that the above problem can be solved by arranging a dense layer between the metal substrate layer and the intermediate layer, and have completed the present invention.

かような本発明の導電部材は、金属基材層と、前記金属基材層上に形成される緻密バリア層と、前記緻密バリア層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される導電性薄膜層と、を有する。そして、緻密バリア層は、中間層に比して低い結晶配向性を有する。   The conductive member of the present invention is formed on the metal base layer, the dense barrier layer formed on the metal base layer, the intermediate layer formed on the dense barrier layer, and the intermediate layer. A conductive thin film layer. The dense barrier layer has a lower crystal orientation than the intermediate layer.

本発明によれば、電極で生成した水分子のセパレータ基材側への水分子の浸入を抑制・防止することにより、金属セパレータの優れた導電性を十分に確保しつつ、耐食性がより一層向上した導電部材が提供されうる。   According to the present invention, the corrosion resistance is further improved while sufficiently securing the excellent electrical conductivity of the metal separator by suppressing / preventing the penetration of water molecules into the separator substrate side of the water molecules generated by the electrode. An electrically conductive member can be provided.

(導電部材)
本発明の導電部材は、金属基材層と、前記金属基材層上に形成される緻密バリア層と、前記緻密バリア層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される導電性薄膜層と、を有し、前記緻密バリア層は、中間層に比して低い結晶配向性を有する、導電部材である。
(Conductive member)
The conductive member of the present invention includes a metal base layer, a dense barrier layer formed on the metal base layer, an intermediate layer formed on the dense barrier layer, and a conductive formed on the intermediate layer. The dense barrier layer is a conductive member having a lower crystal orientation than the intermediate layer.

従来では、金属基材層と導電性薄膜層との密着性を高めるために、これらの層間に、中間層をスパッタリング法によって設けていた(特許文献1 段落「0023」)。しかしながら、中間層をスパッタリング法によって形成する場合には、中間層は、結晶配向性が高い柱状構造を呈し、結晶(柱)間には隙間が多く生じる。一方、導電性薄膜層が炭素材料で形成される場合には、導電性薄膜層は、電極側で生成した水を通過しやすい。また、このようにして導電性薄膜層を通過した水は、中間層にくるが、上記したように、中間層は結晶配向性が高い柱状構造を有している。このため、導電性薄膜層を通過した水分子は結晶(柱)間の隙間をも容易に通過して、金属基材層に到達する。金属基材層は、一般的に、鉄、チタン、アルミニウムおよび銅並びにこれらの合金をはじめとする金属で作製される。このため、金属基材層は、ある程度の耐食性はあるものの、長期間かつ電位にさらされた状態では、徐々に水により腐食され、耐久性に問題があった。   Conventionally, in order to improve the adhesion between the metal substrate layer and the conductive thin film layer, an intermediate layer is provided between these layers by sputtering (Patent Document 1, paragraph “0023”). However, when the intermediate layer is formed by a sputtering method, the intermediate layer has a columnar structure with high crystal orientation, and many gaps are generated between crystals (columns). On the other hand, when the conductive thin film layer is formed of a carbon material, the conductive thin film layer easily passes water generated on the electrode side. Further, the water that has passed through the conductive thin film layer in this way comes to the intermediate layer, and as described above, the intermediate layer has a columnar structure with high crystal orientation. For this reason, the water molecules that have passed through the conductive thin film layer easily pass through the gaps between the crystals (columns) and reach the metal substrate layer. The metal substrate layer is generally made of a metal including iron, titanium, aluminum and copper and alloys thereof. For this reason, although the metal substrate layer has a certain degree of corrosion resistance, the metal substrate layer is gradually corroded by water when exposed to an electric potential for a long period of time, resulting in a problem in durability.

これに対して、本発明は、金属基材層と中間層との間に、結晶配向性の低い緻密バリア層を配置することを特徴とする。これにより、電極側で生成した水は、導電性薄膜層は通過するものの、結晶配向性の低い緻密バリア層ではほとんど通過しない。このため、緻密バリア層を超えて通過する水分子はほとんど存在しない、即ち、金属基材層は水に曝される危険性がほとんどない。このため、本発明の導電部材は、長期間かつ電位にさらされた状態であっても、水による腐食をほとんど受けない。このため、本発明の導電部材をセパレータとして使用する燃料電池は、金属セパレータの優れた導電性を十分に確保しつつ、優れた耐久性を発揮できる。   On the other hand, the present invention is characterized in that a dense barrier layer having a low crystal orientation is disposed between the metal substrate layer and the intermediate layer. As a result, water generated on the electrode side passes through the conductive thin film layer but hardly passes through the dense barrier layer having low crystal orientation. For this reason, there are almost no water molecules that pass through the dense barrier layer, that is, the metal substrate layer has almost no risk of being exposed to water. For this reason, the conductive member of the present invention is hardly corroded by water even when it is exposed to an electric potential for a long time. For this reason, the fuel cell using the conductive member of the present invention as a separator can exhibit excellent durability while sufficiently securing the excellent conductivity of the metal separator.

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not restrict | limited only to the following embodiment. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

図1は、本発明の1つの実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。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、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. 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) (anode gas diffusion layer 4a and 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 a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

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1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1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. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. 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、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1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。セパレータ(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 separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (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PEFC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 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.

図2は、図1のうち、セパレータ5の部分の概略構成を示す断面図である。本実施形態において、セパレータ5を構成する導電部材は、金属基材層52と、緻密バリア層53と、中間層54と、導電性薄膜層55とを有する。なお、PEFC1において、セパレータ5は、導電性薄膜層55がMEA10側に位置するように、配置される。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the separator 5 in FIG. In the present embodiment, the conductive member constituting the separator 5 includes a metal base layer 52, a dense barrier layer 53, an intermediate layer 54, and a conductive thin film layer 55. In PEFC1, the separator 5 is disposed such that the conductive thin film layer 55 is located on the MEA 10 side.

以下、本実施形態のセパレータ5の各構成要素について詳説する。   Hereinafter, each component of the separator 5 of this embodiment is explained in detail.

[金属基材層]
金属基材層52は、セパレータ5を構成する導電部材の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
[Metal base material layer]
The metal base layer 52 is a main layer of a conductive member that constitutes the separator 5 and contributes to ensuring conductivity and mechanical strength.

金属基材層52を構成する金属について特に制限はなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられうる。金属基材層の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム並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が含まれる。なかでも、金属基材層はステンレス、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。さらに、特にステンレスを金属基材層として用いると、ガス拡散層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。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成される金属基材層自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性により、耐久性が維持されうる。   There is no restriction | limiting in particular about the metal which comprises the metal base material layer 52, What was conventionally used as a constituent material of a metal separator can be used suitably. As a constituent material of a metal base material layer, iron, titanium, aluminum, and these alloys are mentioned, for example. 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 a metal base material layer is comprised from stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy. Furthermore, in particular, when stainless steel is used as the metal base material layer, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion base material which is a constituent material of the gas diffusion layer can be sufficiently ensured. As a result, even if moisture enters the gaps between the rib shoulder film and the like, durability can be maintained due to the corrosion resistance of the oxide film formed on the metal base layer itself made of stainless steel.

ステンレスとしては、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を用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄(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 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%. Furthermore, 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A1050、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。一方で、セパレータ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、金属基材層52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 A1050 and A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. On the other hand, since the separator is also required to have mechanical strength and formability, the tempering of the alloy can be appropriately selected in addition to the above alloy types. In addition, when the metal base material layer 52 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, 99 It is at least mass%.

金属基材層52の厚さは、特に限定されない。加工容易性および機械的強度、並びにセパレータ自体を薄膜化することによる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を用いた場合の金属基材層52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層52の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。   The thickness of the metal base layer 52 is not particularly limited. From the viewpoint of ease of processing and mechanical strength, and improvement of the energy density of the battery by thinning the separator itself, it is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, still more preferably 80 to 200 μm. In particular, the thickness of the metal base layer 52 when stainless steel is used as the constituent material is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, the thickness of the metal base layer 52 when aluminum is used as a constituent material is preferably 100 to 300 μm. When it is within the above range, it has excellent strength as a separator and is excellent in processability and can achieve a suitable thickness.

なお、例えば燃料電池用セパレータ等の構成材料として十分な強度を提供するという観点からは、金属基材層52は、ガス遮断性が高い材料から構成されることが好ましい。燃料電池のセパレータはセル同士を仕切る役割を担っているため、セパレータを挟んで両側で異なるガスが流れる構成となる。したがって、それぞれのセルの隣り合うガスの混合やガス流量の変動をなくすという観点から、金属基材層52はガス遮断性が高いほど好ましいのである。   For example, from the viewpoint of providing sufficient strength as a constituent material for a fuel cell separator or the like, the metal base layer 52 is preferably made of a material having a high gas barrier property. Since the separator of the fuel cell plays a role of partitioning cells, different gas flows on both sides of the separator. Therefore, from the viewpoint of eliminating the mixing of adjacent gases in each cell and the fluctuation of the gas flow rate, the metal base layer 52 is preferably as the gas barrier property is higher.

[緻密バリア層]
緻密バリア層53は、金属基材層52上に配置される。この層の存在によって、電極で生成した水が金属基材層52側に入り込むことを抑制・防止できる。ゆえに、緻密バリア層53の配置により、セパレータ5を構成する導電部材は、導電性を確保しつつ、金属基材層52、中間層54及び導電性薄膜層55のみを有する導電部材に比して、耐食性が改善されうる。
[Dense barrier layer]
The dense barrier layer 53 is disposed on the metal base layer 52. Due to the presence of this layer, it is possible to suppress / prevent water generated by the electrode from entering the metal substrate layer 52 side. Therefore, due to the arrangement of the dense barrier layer 53, the conductive member constituting the separator 5 is more conductive than the conductive member having only the metal base layer 52, the intermediate layer 54, and the conductive thin film layer 55 while ensuring conductivity. Corrosion resistance can be improved.

このように結晶配向性の低い緻密バリア層を、金属基材層と中間層との間に配置することにより、電極側で生成した水は、導電性薄膜層55は容易に通過するものの、緻密バリア層はほとんど通過しない。このため、中間層54や金属基材層52までには、水がほとんど到達しないため、導電部材の腐食を有効に抑制・防止できる。   By disposing the dense barrier layer having low crystal orientation in this manner between the metal base material layer and the intermediate layer, the water generated on the electrode side can easily pass through the conductive thin film layer 55, although The barrier layer hardly passes. For this reason, since water hardly reaches the intermediate layer 54 and the metal base layer 52, the corrosion of the conductive member can be effectively suppressed / prevented.

本明細書において、「緻密バリア層」とは、水分子や溶出イオンが通過しない程度に緻密である層を意味し、具体的には、空隙率が10%以下、より好ましくは7%以下である層を意味する。なお、緻密バリア層の空隙率の下限は、水分子が通過しない程度であれば特に制限されない。具体的には、緻密バリア層の空隙率の下限は、0.5%程度、より好ましくは0.7%でありうる。ここで、「空隙率」は、層の表面および断面をSEMにより画像解析を行ない、層中の緻密バリア層を構成する金属、半金属、金属の炭化物、または金属の窒化物が占める面積率(%)を測定することによって求められる。   In the present specification, the “dense barrier layer” means a layer that is so dense that water molecules and eluted ions do not pass through. Specifically, the porosity is 10% or less, more preferably 7% or less. It means a certain layer. The lower limit of the porosity of the dense barrier layer is not particularly limited as long as water molecules do not pass therethrough. Specifically, the lower limit of the porosity of the dense barrier layer can be about 0.5%, more preferably 0.7%. Here, the “porosity” refers to the area ratio of the metal, semimetal, metal carbide, or metal nitride constituting the dense barrier layer in the layer by performing image analysis on the surface and cross section of the layer with SEM ( %).

本発明において、緻密バリア層は、中間層に比して低い結晶配向性を有することが好ましい。このような構造をとることによって、緻密バリア層は電極側で生成した水分子を通しにくい構造となる。ここで、「結晶配向性」とは、多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指す。このため、「結晶配向性が高い」とは、多結晶である構造物中で各結晶軸が同じような方向に(平行して)存在することを意味する。逆に、「結晶配向性が低い」とは、多結晶である構造物中で各結晶軸が様々な方向で存在することを意味する。また、このような結晶配向性の程度(結晶配向度)は、一般には実質的に配向性のないと考えられる粉末X線回折などによって標準データとされたJCPDS(ASTM)データを指標として判断されうる。例えば、「結晶配向度(%)」は、WAXD測定により、(121)面に関するデバイリングの強度分布のピーク強度から求められる。   In the present invention, the dense barrier layer preferably has a lower crystal orientation than the intermediate layer. By adopting such a structure, the dense barrier layer has a structure in which water molecules generated on the electrode side are difficult to pass through. Here, “crystal orientation” refers to the degree of orientation of crystal axes in a polycrystalline structure. Therefore, “high crystal orientation” means that each crystal axis exists in the same direction (in parallel) in a polycrystalline structure. On the other hand, “low crystal orientation” means that each crystal axis exists in various directions in a polycrystalline structure. The degree of crystal orientation (degree of crystal orientation) is generally determined by using JCPDS (ASTM) data, which is standard data by powder X-ray diffraction, which is considered to have substantially no orientation, as an index. sell. For example, “degree of crystal orientation (%)” is obtained from the peak intensity of the Debye intensity distribution on the (121) plane by WAXD measurement.

緻密バリア層が、中間層に比して低い結晶配向性を有する場合において、中間層に比して低い結晶配向性となるように、緻密バリア層を形成する方法は、特に制限されない。例えば、緻密バリア層各層の平均結晶子径や形成方法を適宜選択することによって、適宜調節できる。より具体的には、緻密バリア層の平均結晶子径を、中間層の平均結晶子径に比して小さくすることによって、本発明に係る上記緻密バリア層が形成できる。ここで、緻密バリア層の平均結晶子径と、中間層の平均結晶子径と、の大小関係は、上記結晶配向性が達成しうる限り特に制限されない。好ましくは、中間層の平均結晶子径[D(nm)]に対する前記緻密バリア層の平均結晶子径[D(nm)]の比(D/D)が、0.1以上1未満であり、より好ましくは0.1〜0.5である。このような範囲であれば、水分子が金属基材層に実質的に到達しない程度にまで、緻密バリア層の結晶配向性を低くすることができる。また、各層の平均結晶子径もまた、上記大小関係を満たす限り特に制限されない。なお、本明細書における「平均結晶子径」は、マック・サイエンス社製のX線回折装置にて測定した。好ましくは、緻密バリア層の平均結晶子径[D(nm)]は、10〜30nm、より好ましくは10〜20nmである。また、中間層の平均結晶子径[D(nm)]は、好ましくは30〜100nm、より好ましくは30〜50nmである。ここで、「結晶子径」とは、X線回折法におけるScherreの方法によって算出される結晶子のサイズを意味する。 In the case where the dense barrier layer has a lower crystal orientation than the intermediate layer, the method for forming the dense barrier layer is not particularly limited so that the dense barrier layer has a lower crystal orientation than the intermediate layer. For example, it can be appropriately adjusted by appropriately selecting the average crystallite size and the forming method of each dense barrier layer. More specifically, the dense barrier layer according to the present invention can be formed by making the average crystallite size of the dense barrier layer smaller than the average crystallite size of the intermediate layer. Here, the magnitude relationship between the average crystallite size of the dense barrier layer and the average crystallite size of the intermediate layer is not particularly limited as long as the crystal orientation can be achieved. Preferably, the ratio (D 2 / D 1 ) of the average crystallite diameter [D 2 (nm)] of the dense barrier layer to the average crystallite diameter [D 1 (nm)] of the intermediate layer is 0.1 or more and 1 It is less than 0.1, More preferably, it is 0.1-0.5. Within such a range, the crystal orientation of the dense barrier layer can be lowered to the extent that water molecules do not substantially reach the metal substrate layer. Moreover, the average crystallite diameter of each layer is not particularly limited as long as the above-described size relationship is satisfied. The “average crystallite diameter” in this specification was measured with an X-ray diffractometer manufactured by Mac Science. Preferably, the average crystallite diameter [D 2 (nm)] of the dense barrier layer is 10 to 30 nm, more preferably 10 to 20 nm. Moreover, the average crystallite diameter [D 1 (nm)] of the intermediate layer is preferably 30 to 100 nm, more preferably 30 to 50 nm. Here, the “crystallite diameter” means the crystallite size calculated by the Scherre method in the X-ray diffraction method.

本発明において、緻密バリア層を構成する材料は、特に制限されない。具体的には、緻密バリア層を構成する材料としては、周期律表の第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)などの金属;Si及びB等の、半金属;上記金属の合金、炭化物及び窒化物などが挙げられる。これらのうち、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好ましく用いられる。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、上述したイオン溶出の少ない金属またはその炭化物もしくは窒化物を用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。なお、上記緻密バリア層を構成する材料は単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   In the present invention, the material constituting the dense barrier layer is not particularly limited. Specifically, the materials constituting the dense barrier layer include metals of Group 4 metals (Ti, Zr, Nf), Group 5 metals (V, Nb, Ta), and Group 6 metals of the periodic table. Metals such as (Cr, Mo, W); semimetals such as Si and B; alloys, carbides and nitrides of the above metals. Among these, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb) or hafnium (Hf), or nitrides, carbides or carbonitrides thereof. The product is preferably used. More preferably, Cr or Ti, or a carbide or nitride thereof is used. In particular, when the above-described metal with little ion elution or a carbide or nitride thereof is used, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved. In addition, the material which comprises the said dense barrier layer may be used independently, or may be used with the form of 2 or more types of mixtures.

ここで、緻密バリア層を構成する材料は、下記に詳述する中間層を構成する材料(金属、金属の炭化物または金属の窒化物)の熱膨張率と同等または以下であることが好ましい。一般的に、導電性薄膜層は熱膨張しにくく、金属基材層は熱膨張しにくい。このため、上記したような熱膨張率となるように、緻密バリア層及び中間層を構成する材料を選択することにより、金属基材層、緻密バリア層、緻密バリア層及び導電性薄膜層各層の熱による膨張収縮の差を抑制して、各層の剥離などを防止できる。また、このような場合には、中間層と緻密バリア層との密着性を向上することもできる。   Here, the material constituting the dense barrier layer is preferably equal to or less than the thermal expansion coefficient of the material (metal, metal carbide or metal nitride) constituting the intermediate layer described in detail below. In general, the conductive thin film layer is hardly thermally expanded, and the metal substrate layer is hardly thermally expanded. For this reason, by selecting the material constituting the dense barrier layer and the intermediate layer so as to have the above-described thermal expansion coefficient, each of the metal base material layer, the dense barrier layer, the dense barrier layer, and the conductive thin film layer is formed. A difference in expansion and contraction due to heat can be suppressed, and peeling of each layer can be prevented. In such a case, the adhesion between the intermediate layer and the dense barrier layer can also be improved.

または、緻密バリア層を構成する材料は、下記に詳述する中間層を構成する材料(金属、金属の炭化物または金属の窒化物)と同等程度に金属的に貴である、あるいは上記中間層の材料に比して金属的に貴であることが好ましい。これにより、緻密バリア層と中間層とで電位差が生じにくく、金属基材層をより有効に保護して、導電部材の耐食性を向上できる。   Alternatively, the material constituting the dense barrier layer is metally noble to the same extent as the material (metal, metal carbide or metal nitride) constituting the intermediate layer described in detail below, or of the intermediate layer It is preferable that the metal is noble compared to the material. Thereby, a potential difference is hardly generated between the dense barrier layer and the intermediate layer, the metal base material layer is more effectively protected, and the corrosion resistance of the conductive member can be improved.

緻密バリア層53の厚さは、特に制限されない。ただし、セパレータ5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は、緻密バリア層53の厚さは、好ましくは0.01〜10μmであり、より好ましくは0.05〜5μmであり、さらに好ましくは0.1〜2μmである。緻密バリア層53の厚さが0.01μm以上であれば、均一な層が形成され、金属基材層の耐食性を効果的に向上させることが可能となる。一方、緻密バリア層53の厚さが10μm以下であれば、緻密バリア層の膜応力の上昇が抑えられ、中間層や金属基材層に対する皮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 thickness of the dense barrier layer 53 is not particularly limited. However, from the viewpoint of making the fuel cell stack as small as possible by making the separator 5 thinner, the thickness of the dense barrier layer 53 is preferably 0.01 to 10 μm, more preferably 0. 0.05 to 5 μm, and more preferably 0.1 to 2 μm. If the thickness of the dense barrier layer 53 is 0.01 μm or more, a uniform layer is formed, and the corrosion resistance of the metal base layer can be effectively improved. On the other hand, if the thickness of the dense barrier layer 53 is 10 μm or less, an increase in the film stress of the dense barrier layer can be suppressed, and the follow-up performance of the intermediate layer and the metal substrate layer may be deteriorated, and peeling / cracking associated therewith may occur. Can be prevented.

また、本実施形態においては、金属基材層52のすべてが緻密バリア層53により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、緻密バリア層53により金属基材層52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。緻密バリア層53による金属基材層52の被覆率は、好ましくは60%以上であり、より好ましくは80〜100%であり、さらに好ましくは90〜100%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、緻密バリア層53により被覆されていない金属基材層52の露出部への水分子の浸入を有効に抑制・防止して、導電部材(特に、金属基材層)の導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。なお、上記被覆率は、導電部材(セパレータ5)を積層方向から見た場合に緻密バリア層53と重複する金属基材層52の面積の割合を意味するものとする。   In the present embodiment, all of the metal base layer 52 is covered with the dense barrier layer 53. In other words, in the present embodiment, the ratio (coverage) of the area where the metal base layer 52 is covered with the dense barrier layer 53 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 base layer 52 by the dense barrier layer 53 is preferably 60% or more, more preferably 80 to 100%, still more preferably 90 to 100%, and most preferably 100%. . By adopting such a configuration, it is possible to effectively suppress / prevent water molecules from entering the exposed portion of the metal base layer 52 that is not covered with the dense barrier layer 53, and to prevent the conductive member (in particular, the metal base layer). ) Can be effectively suppressed. In addition, the said coverage shall mean the ratio of the area of the metal base material layer 52 which overlaps with the dense barrier layer 53, when a conductive member (separator 5) is seen from a lamination direction.

[中間層]
中間層54は、緻密バリア層53上に配置される。ここで、中間層54は、緻密バリア層53と導電性薄膜層55との密着性を向上させるという機能や、金属基材層52からのイオンの溶出を防止するという機能を有する。特に、中間層54の設置による上述した作用効果は、緻密バリア層53が上記したような金属その合金から構成される場合に顕著に発現する。また、下記に詳述するが、導電性薄膜層55が導電性炭素を含みかつラマン散乱分光分析により測定されたDバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)が大きい(例えば、R値が2.0を超える)導電性炭素層である場合には、中間層54を設けることにより導電性薄膜層55との密着性効果が顕著にも発現しうる。
[Middle layer]
The intermediate layer 54 is disposed on the dense barrier layer 53. Here, the intermediate layer 54 has a function of improving adhesion between the dense barrier layer 53 and the conductive thin film layer 55 and a function of preventing elution of ions from the metal base layer 52. In particular, the above-described operation and effect due to the installation of the intermediate layer 54 is remarkably exhibited when the dense barrier layer 53 is made of the above-described metal or alloy thereof. In addition, as will be described in detail below, the intensity ratio between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopic analysis in which the conductive thin film layer 55 contains conductive carbon. In the case where the conductive carbon layer has a large R (I D / I G ) (for example, R value exceeds 2.0), the adhesion effect with the conductive thin film layer 55 can be obtained by providing the intermediate layer 54. It can be remarkably expressed.

中間層54を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限はない。例えば、周期律表の第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)、並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、上述したイオン溶出の少ない金属またはその炭化物もしくは窒化物を用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。なお、上記中間層を構成する材料は単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The material constituting the intermediate layer 54 is not particularly limited as long as it provides the above adhesion. For example, Group 4 metals (Ti, Zr, Nf) of the periodic table, Group 5 metals (V, Nb, Ta), Group 6 metals (Cr, Mo, W), and their carbides, Examples thereof include nitrides and carbonitrides. 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 the above-described metal with little ion elution or a carbide or nitride thereof is used, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved. In addition, the material which comprises the said intermediate | middle layer may be used independently, or may be used with the form of 2 or more types of mixtures.

中間層54の厚さは、特に制限されない。ただし、セパレータ5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は、中間層54の厚さは、好ましくは0.01〜10μmであり、より好ましくは0.05〜5μmであり、さらに好ましくは0.1〜1μmである。中間層54の厚さが0.01μm以上であれば、均一な層が形成され、金属基材層の耐食性を効果的に向上させることが可能となる。一方、中間層54の厚さが10μm以下であれば、中間層の膜応力の上昇が抑えられ、金属基材層に対する皮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 thickness of the intermediate layer 54 is not particularly limited. However, from the viewpoint of making the size of the fuel cell stack as small as possible by making the separator 5 thinner, the thickness of the intermediate layer 54 is preferably 0.01 to 10 μm, more preferably 0.00. It is 05-5 micrometers, More preferably, it is 0.1-1 micrometers. If the thickness of the intermediate layer 54 is 0.01 μm or more, a uniform layer is formed, and the corrosion resistance of the metal substrate layer can be effectively improved. On the other hand, if the thickness of the intermediate layer 54 is 10 μm or less, an increase in the film stress of the intermediate layer can be suppressed, and a decrease in film followability with respect to the metal substrate layer and the occurrence of peeling / cracking associated therewith can be prevented.

また、中間層54の、導電性薄膜層55側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。かような形態によれば、中間層54上に成膜される導電性薄膜層55の、中間層54に対する密着性をより一層向上させうる。   In addition, the surface of the intermediate layer 54 on the conductive thin film layer 55 side is preferably rough at the nano level. According to such a form, the adhesiveness of the conductive thin film layer 55 formed on the intermediate layer 54 to the intermediate layer 54 can be further improved.

上述したように、中間層54を構成する材料の熱膨張率が、緻密バリア層53を構成する材料の熱膨張率以下であると、中間層と緻密バリア層との密着性などを向上することができる。ただし、かような形態では中間層54と導電性薄膜層55との密着性が低下する場合がある。同様に、中間層54の熱膨張率が導電性薄膜層55の熱膨張率と同等または以下であると、中間層54と導電性薄膜層55との密着性が低下する場合がある。これらを考慮して、金属基材層を構成する材料の熱膨張率(αsub)、緻密バリア層を構成する材料の熱膨張率(αden)、中間層を構成する材料の熱膨張率(αmid)、および導電性薄膜層を構成する材料の熱膨張率を(α)は、下記関係を満足することが好ましい。 As described above, when the thermal expansion coefficient of the material constituting the intermediate layer 54 is equal to or lower than the thermal expansion coefficient of the material constituting the dense barrier layer 53, adhesion between the intermediate layer and the dense barrier layer is improved. Can do. However, in such a form, the adhesion between the intermediate layer 54 and the conductive thin film layer 55 may decrease. Similarly, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 54 is equal to or less than the thermal expansion coefficient of the conductive thin film layer 55, the adhesion between the intermediate layer 54 and the conductive thin film layer 55 may decrease. Considering these, the coefficient of thermal expansion (α sub ) of the material constituting the metal base layer, the coefficient of thermal expansion (α den ) of the material constituting the dense barrier layer, the coefficient of thermal expansion ( It is preferable that (α mid ) and the coefficient of thermal expansion of the material constituting the conductive thin film layer (α c ) satisfy the following relationship.

[導電性薄膜層]
導電性薄膜層55は、中間層54上に配置される。ここで、導電性薄膜層55を構成する材料は、特に制限されない。具体的には、導電性薄膜層55は、金属薄膜層および炭素から形成された導電性炭素層などが挙げられる。このうち、金属薄膜層を構成する材料としては、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)などが挙げられる。また、導電性炭素層は、導電性炭素を含む層である。これらのうち、導電性炭素層が好ましい。導電性炭素層の存在によって、セパレータ5を構成する導電部材の導電性を確保しつつ、導電性炭素層を含まない場合と比較して耐食性が改善されうる。以下、導電性薄膜層55として導電性炭素層を使用した場合の好ましい実施形態を説明する。
[Conductive thin film layer]
The conductive thin film layer 55 is disposed on the intermediate layer 54. Here, the material constituting the conductive thin film layer 55 is not particularly limited. Specifically, the conductive thin film layer 55 includes a metal thin film layer and a conductive carbon layer formed from carbon. Among these, as a material which comprises a metal thin film layer, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), etc. are mentioned. The conductive carbon layer is a layer containing conductive carbon. Of these, a conductive carbon layer is preferred. The presence of the conductive carbon layer can improve the corrosion resistance as compared with the case where the conductive carbon layer is not included while ensuring the conductivity of the conductive member constituting the separator 5. Hereinafter, a preferred embodiment when a conductive carbon layer is used as the conductive thin film layer 55 will be described.

従来、不活性ガス雰囲気下でセパレータ基板に負高電圧を印加しつつ、基板表面に乾式成膜法により炭素系材料を用いて、金属セパレータの金属基材の一方の表面にグラファイト化された炭素からなる炭素層を形成する技術が提案された。この炭素層を有する燃料電池セパレータは、耐食性および導電性に優れるとされているものの、炭素層の有する結晶構造は様々であり、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因してセパレータ自体の耐食性や導電性も変動しうる。ゆえに、従来の燃料電池セパレータは、未だ十分な耐食性・導電性が確保されているとはいえなかった。これに対して、導電性炭素層の結晶化構造を特定な構造と調節することによって、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保できる。このような導電性炭素層を導電部材(特にセパレータ)に使用することにより、優れた導電性を十分に確保しつつ、耐食性がより一層向上した導電部材が提供できる。すなわち、導電性炭素層の結晶構造を、ラマン散乱分光分析により測定される、Dバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)により規定する。具体的には、強度比R(I/I)を1.3以上とすることが好ましい。以下、当該構成要件について、より詳細に説明する。 Conventionally, while applying a negative high voltage to the separator substrate in an inert gas atmosphere, carbonized material is applied to one surface of the metal base of the metal separator using a carbon-based material by a dry film forming method on the substrate surface. A technique for forming a carbon layer comprising: Although the fuel cell separator having this carbon layer is said to be excellent in corrosion resistance and conductivity, the crystal structure of the carbon layer is various, and if the crystal structure of the carbon layer is different, this causes the separator itself. Corrosion resistance and conductivity can also vary. Therefore, it cannot be said that the conventional fuel cell separator still has sufficient corrosion resistance and conductivity. On the other hand, by adjusting the crystallization structure of the conductive carbon layer to a specific structure, a conductive path from one surface of the conductive carbon layer to the other surface can be secured. By using such a conductive carbon layer for a conductive member (especially a separator), it is possible to provide a conductive member with further improved corrosion resistance while sufficiently ensuring excellent conductivity. That is, the crystalline structure of the conductive carbon layer is determined by the intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopy. Stipulate. Specifically, the intensity ratio R (I D / I G ) is preferably set to 1.3 or more. Hereinafter, the configuration requirement will be described in more detail.

炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近および1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333bm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp2結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本実施形態においては、導電性炭素層の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Highly crystalline graphite has a single peak near 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as the “G band”. On the other hand, a peak near 1350 cm −1 appears as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase). This peak is usually referred to as the “D band” (note that the peak of diamond is strictly 1333 bm −1 and is distinct from the D band). The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) is the graphite cluster size of the carbon material and the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), It is used as an indicator such as sp2 bond ratio. That is, in this embodiment, it can be used as an index of contact resistance of the conductive carbon layer, and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the conductive carbon layer.

R(I/I)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(I)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(I)との相対的強度比(ピーク面積比(I/I))を算出することにより求められる。 The R (I D / I G ) value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the peak intensity of 1300~1400Cm -1 called the D band (I D), the relative intensity ratio of the peak intensity of 1500~1600Cm -1 called G band (I G) (peak area ratio ( I D / I G )).

上述したように、本実施形態において、R値は1.3以上であることが好ましい。R値は、より好ましくは1.4〜2.0であり、さらに好ましくは1.4〜1.9であり、特に好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層が得られる。また、R値が2.0以下であれば、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、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である中間層との密着性を一層向上させることができる。   As described above, in the present embodiment, the R value is preferably 1.3 or more. The R value is more preferably 1.4 to 2.0, still more preferably 1.4 to 1.9, and particularly preferably 1.5 to 1.8. If this R value is 1.3 or more, a conductive carbon layer having sufficient conductivity in the stacking direction can be obtained. Moreover, if R value is 2.0 or less, the reduction | decrease of a graphite component can be suppressed. Furthermore, the increase in internal stress of the conductive carbon layer itself can be suppressed, and the adhesion with the intermediate layer as the base can be further improved.

なお、本実施形態のようにR値を1.3以上とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。ただし、以下の推定メカニズムは本発明の技術的範囲をいかようにも限定することはない。   In addition, the mechanism by which the above-mentioned effect is acquired by making R value 1.3 or more like this embodiment is estimated as follows. However, the following estimation mechanism does not limit the technical scope of the present invention in any way.

上述したように、Dバンドピーク強度が大きくなる(すなわち、R値が大きくなる)ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼsp2炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてsp3炭素が増加することを意味する。ここで、R=1.0〜1.2の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材A)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)を図3Aに示す。同様に、R=1.6の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材B)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)を図3Bに示す。なお、これらの導電部材Aおよび導電部材Bは、金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、導電部材Aにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は0Vである。導電部材Bにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は−140Vであった。   As described above, increasing the D-band peak intensity (that is, increasing the R value) means an increase in crystal structure defects in the graphite structure. In other words, it means that the sp3 carbon increases in the highly crystalline graphite composed of almost only the sp2 carbon. Here, a photograph (magnification: 400,000 times) of a cross section of a conductive member (conductive member A) having a conductive carbon layer of R = 1.0 to 1.2 observed with a transmission electron microscope (TEM) is shown in FIG. 3A. Shown in Similarly, the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the electrically-conductive member (conductive member B) which has the conductive carbon layer of R = 1.6 by TEM is shown to FIG. 3B. The conductive member A and the conductive member B use SUS316L as a metal base layer, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.00) on the surface. 2 μm) was sequentially formed by sputtering. In addition, the bias voltage applied to the metal base layer at the time of producing the conductive carbon layer in the conductive member A is 0V. The bias voltage applied to the metal base layer during the production of the conductive carbon layer in the conductive member B was −140V.

図3Bに示すように、導電部材Bの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図3Aに示す導電部材Aの導電性炭素層においては、かような多結晶グラファイトの構造は確認できない。   As shown in FIG. 3B, it can be seen that the conductive carbon layer of the conductive member B has a structure of polycrystalline graphite. On the other hand, such a structure of polycrystalline graphite cannot be confirmed in the conductive carbon layer of the conductive member A shown in FIG. 3A.

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、ダイヤモンド様カーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)の1種であるということもできる。通常、単結晶グラファイトは、HOPG(高配向熱分解黒鉛)に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。R値を上述の値に制御することで、この乱れ具合(グラファイトクラスター量、サイズ)が適度に確保され、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保されうる。その結果、金属基材層に加えて導電性炭素層を別途設けたことによる導電性の低下が防止されうると考えられる。   Here, “polycrystalline graphite” microscopically has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which graphene surfaces (hexagonal network surfaces) are laminated, but macroscopically, a large number of such graphite structures. Is an isotropic crystal. Therefore, it can be said that the polycrystalline graphite is one type of diamond-like carbon (DLC). Normally, single crystal graphite has a disordered structure in which graphene surfaces are laminated even when viewed macroscopically, as represented by HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). On the other hand, the polycrystalline graphite has a graphite structure as an individual cluster, and has a turbostratic structure. By controlling the R value to the above-mentioned value, this degree of disorder (graphite cluster amount, size) can be ensured appropriately, and a conductive path from one surface to the other surface of the conductive carbon layer can be secured. As a result, it is considered that a decrease in conductivity due to the separate provision of a conductive carbon layer in addition to the metal substrate layer can be prevented.

多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するsp2炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、1次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。   In polycrystalline graphite, since the graphene surface is formed by the bonding of sp2 carbon atoms constituting the graphite cluster, conductivity is ensured in the plane direction of the graphene surface. Polycrystalline graphite is substantially composed of only carbon atoms, has a small specific surface area, and a small amount of bonded functional groups. For this reason, polycrystalline graphite has excellent resistance to corrosion by acidic water or the like. In addition, even in powders such as carbon black, primary particles are often formed by aggregates of graphite clusters, thereby exhibiting electrical conductivity. However, since the individual particles are separated, there are many functional groups formed on the surface, and corrosion due to acidic water or the like is likely to occur. In addition, even when a conductive carbon layer is formed with carbon black, there is a problem that the denseness as a protective film is lacking.

ここで、本実施形態の導電性炭素層が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは1〜50nm程度であり、より好ましくは2〜10nmである。グラファイトクラスターの平均直径がかような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出されうる。   Here, when the conductive carbon layer of the present embodiment is made of polycrystalline graphite, the size of the graphite cluster constituting the polycrystalline graphite is not particularly limited. As an example, the average diameter of the graphite cluster is preferably about 1 to 50 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average diameter of the graphite cluster is within such a range, it is possible to prevent the conductive carbon layer from becoming thick while maintaining the crystal structure of the polycrystalline graphite. Here, the “diameter” of the graphite cluster means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the cluster. Moreover, the average diameter value of the graphite cluster is expressed as an average value of the diameter of the cluster observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Can be calculated.

なお、本実施形態では導電性炭素層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 may be composed of only polycrystalline graphite, but the conductive carbon layer may include materials other than polycrystalline graphite. Examples of carbon materials other than polycrystalline graphite that can be included in the conductive carbon layer 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 include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium ( A noble metal such as In); a water repellent material such as polytetrafluoroethylene (PTFE); and a conductive oxide. As for materials other than polycrystalline graphite, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.

導電性薄膜層55の厚さは、特に制限されない。ただし、好ましくは1〜1000nmであり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。導電性薄膜層の厚さがかような範囲内の値であれば、ガス拡散基材とセパレータとの間に十分な導電性を確保することができる。また、金属基材層に対して高い耐食機能を持たせることができるという有利な効果を奏しうる。なお、本実施形態では、導電性薄膜層55は導電部材(セパレータ5)の一方の主表面にのみ存在する。ただし、場合によっては、導電部材(セパレータ5)の他の主表面にも導電性薄膜層55が存在してもよい。   The thickness of the conductive thin film layer 55 is not particularly limited. However, Preferably it is 1-1000 nm, More preferably, it is 2-500 nm, More preferably, it is 5-200 nm. When the thickness of the conductive thin film layer is a value within such a range, sufficient conductivity can be secured between the gas diffusion base material and the separator. Moreover, the advantageous effect that a high corrosion-resistant function can be given with respect to a metal base material layer can be show | played. In the present embodiment, the conductive thin film layer 55 exists only on one main surface of the conductive member (separator 5). However, in some cases, the conductive thin film layer 55 may also exist on the other main surface of the conductive member (separator 5).

以下、本実施形態の導電性薄膜層55におけるより好ましい実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。   Hereinafter, although more preferable embodiment in the electroconductive thin film layer 55 of this embodiment is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.

まず、導電性薄膜層55が導電性炭素層である場合のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示すことが好ましい。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。   First, with respect to Raman scattering spectroscopy when the conductive thin film layer 55 is a conductive carbon layer, from another viewpoint, the average peak measured by rotational anisotropy measurement of Raman scattering spectroscopy is a two-fold symmetrical pattern. It is preferable to show. Hereinafter, the measurement principle of rotational anisotropy measurement will be briefly described.

ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に360度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行なわれる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを10°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが360°回転するまで行なう。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、1周360°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Aに示すような3回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Bに示すような2回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質(アモルファス)状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図4Cに示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークガ2回対称パターンを示すということは、導電性炭素層を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層の積層方向とほぼ一致していることを意味する。かような形態によれば、導電性炭素層における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。   The rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis is performed by performing the Raman scattering spectroscopic measurement while rotating the measurement sample 360 degrees in the horizontal direction. Specifically, the surface of the measurement sample is irradiated with laser light, and a normal Raman spectrum is measured. Next, the measurement sample is rotated by 10 °, and the Raman spectrum is measured in the same manner. This operation is performed until the measurement sample rotates 360 °. And the average peak is obtained by calculating the average value of the peak intensities obtained in the measurement at each angle and displaying the 360 ° polar coordinate with one peak at the center. For example, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is parallel to the surface direction of the sample, a three-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4A can be seen. On the other hand, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is perpendicular to the surface direction of the sample, a two-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4B can be seen. When an amorphous carbon layer having no clear crystal structure is present on the surface of the sample, a pattern having no symmetry as shown in FIG. 4C is seen. Therefore, the fact that the average peak two-fold symmetry pattern measured by rotational anisotropy measurement indicates that the plane direction of the graphene surface constituting the conductive carbon layer is substantially coincident with the stacking direction of the conductive carbon layer. Means that. According to such a form, the conductivity in the conductive carbon layer is ensured by the shortest path, which is preferable.

ここで、当該回転異方性測定を行なった結果を図5Aおよび図5Bに示す。図5Aは、導電部材Bを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、および180°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図5Bは、上述した手法により得られた、導電部材Bについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図5Bに示すように、導電部材Bの回転異方性測定においては、0°および180°の位置にピークが見られた。これは、図4Bに示す2回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「2回対称パターンを示す」とは、図4Bおよび図5Bに示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が0である点を基準として180°対向する2つのピークが存在することを意味する。3回対称パターンで見られるピーク強度と2回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、かような定義が可能となる。   Here, the results of the rotational anisotropy measurement are shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A shows a Raman spectrum when the conductive member B is used as a measurement sample, and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 °, and 180 °, respectively. FIG. 5B shows the average peak of the rotational anisotropy measurement for the conductive member B obtained by the method described above. As shown in FIG. 5B, in the measurement of rotational anisotropy of the conductive member B, peaks were observed at 0 ° and 180 ° positions. This corresponds to the two-fold symmetry pattern shown in FIG. 4B. In this specification, the average peak measured by rotational anisotropy measurement of Raman scattering spectroscopic analysis “shows a two-fold symmetric pattern” means that, as shown in FIG. 4B and FIG. This means that there are two peaks that are 180 ° opposite to each other with the intensity being zero. Since the peak intensity seen in the 3-fold symmetrical pattern and the peak intensity seen in the 2-fold symmetrical pattern are supposed to show the same value in principle, such a definition is possible.

好ましい実施形態では、導電性薄膜層55のビッカース硬度が規定される。「ビッカース硬度(Hv)」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷および除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Hvが大きいほどその物質は硬いことを意味する。好ましい実施形態において、具体的には、導電性薄膜層55のビッカース硬度は、好ましくは1500Hv以下であり、より好ましくは1200Hv以下であり、さらに好ましくは1000Hv以下であり、特に好ましくは800Hv以下である。ビッカース硬度がかような範囲内の値であれば、導電性を有しないsp3炭素の過剰な混入が抑制され、導電性薄膜層55の導電性の低下が防止されうる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が50Hv以上であれば、導電性薄膜層55の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、他の層との密着性にも優れた導電部材(セパレータ)が提供されうる。かような観点から、導電性薄膜層55のビッカース硬度は、より好ましくは80Hv以上であり、さらに好ましくは100Hv以上であり、特に好ましくは200Hv以上である。   In a preferred embodiment, the Vickers hardness of the conductive thin film layer 55 is defined. “Vickers hardness (Hv)” is a value that defines the hardness of a substance, and is a value inherent to the substance. In this specification, the Vickers hardness means a value measured by a nanoindentation method. The nanoindentation method is a method in which the diamond indenter is continuously loaded and unloaded with a very small load on the sample surface, and the hardness is measured from the obtained load-displacement curve. Larger means that the substance is harder. In a preferred embodiment, specifically, the Vickers hardness of the conductive thin film layer 55 is preferably 1500 Hv or less, more preferably 1200 Hv or less, further preferably 1000 Hv or less, and particularly preferably 800 Hv or less. . When the Vickers hardness is within such a range, excessive mixing of sp3 carbon having no conductivity can be suppressed, and a decrease in conductivity of the conductive thin film layer 55 can be prevented. On the other hand, the lower limit value of the Vickers hardness is not particularly limited, but if the Vickers hardness is 50 Hv or more, the hardness of the conductive thin film layer 55 is sufficiently ensured. As a result, it is possible to provide a conductive member (separator) that can withstand impacts such as external contact and friction and has excellent adhesion to other layers. From such a viewpoint, the Vickers hardness of the conductive thin film layer 55 is more preferably 80 Hv or more, further preferably 100 Hv or more, and particularly preferably 200 Hv or more.

ここで、導電部材の金属基材層としてSUS316Lを準備し、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、バイアス電圧および成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られた導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を図6に示す。なお、図6では、ダイヤモンドはsp3比=100%であり、Hv10000となる。図6に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が1500Hv以下であると、sp3比の値が大きく低下することがわかる。また、sp3比の値が低下することで、導電部材の接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。   Here, SUS316L is prepared as a metal base layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) are sequentially formed on the surface by a sputtering method. It produced by forming. At this time, the Vickers hardness of the conductive carbon layer was changed by controlling the bias voltage and the film formation method. FIG. 6 shows the relationship between the Vickers hardness of the conductive carbon layer in the conductive member thus obtained and the value of the sp3 ratio in the conductive carbon layer. In FIG. 6, diamond has an sp3 ratio = 100%, which is Hv10000. From the results shown in FIG. 6, it can be seen that when the Vickers hardness of the conductive carbon layer is 1500 Hv or less, the value of the sp3 ratio is greatly reduced. Moreover, it is estimated that the value of the contact resistance of a conductive member also falls along with this, when the value of sp3 ratio falls.

さらに他の観点からは、導電性薄膜層55に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性薄膜層55に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はsp2からsp3へと変化して導電性を喪失し、導電性薄膜層55の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるC−H結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電性薄膜層55の硬度が低下し、最終的には導電部材の機械的強度や耐食性が低下してしまう。かような観点から、導電性薄膜層55における水素原子の含有量は、導電性薄膜層55を構成する全原子に対して、好ましくは30原子%以下であり、より好ましくは20原子%以下であり、さらに好ましくは10原子%以下である。ここで、導電性薄膜層55における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法(ERDA)により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。かような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映する。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定されうる。   From another viewpoint, it is preferable that the amount of hydrogen atoms contained in the conductive thin film layer 55 is also taken into consideration. That is, when the conductive thin film layer 55 contains a hydrogen atom, the hydrogen atom is bonded to a carbon atom. Then, the hybrid orbital of carbon atoms bonded with hydrogen atoms changes from sp2 to sp3 and loses conductivity, and the conductivity of the conductive thin film layer 55 decreases. Further, when the C—H bond in the polycrystalline graphite is increased, the continuity of the bond is lost, the hardness of the conductive thin film layer 55 is lowered, and finally the mechanical strength and corrosion resistance of the conductive member are lowered. . From such a viewpoint, the content of hydrogen atoms in the conductive thin film layer 55 is preferably 30 atomic percent or less, more preferably 20 atomic percent or less, based on all atoms constituting the conductive thin film layer 55. More preferably, it is 10 atomic% or less. Here, as the value of the hydrogen atom content in the conductive thin film layer 55, a value obtained by elastic recoil scattering analysis (ERDA) is adopted. In this method, a measurement sample is tilted, and a helium ion beam is incident shallowly, thereby detecting an element ejected forward. Since the nucleus of a hydrogen atom is lighter than the incident helium ion, if a hydrogen atom is present, the nucleus is ejected forward. Since such scattering is elastic scattering, the energy spectrum of the ejected atom reflects the mass of the nucleus. Therefore, the content of hydrogen atoms in the measurement sample can be measured by measuring the number of nuclei of ejected hydrogen atoms with a solid detector.

ここで、図7は、上述したR値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性薄膜層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図7に示すように、導電性薄膜層における水素原子の含有量が30原子%以下であると、導電部材の接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図7に示す実験において、導電部材の金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性薄膜層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電性薄膜層における水素原子の含有量を変化させた。   Here, FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the contact resistance of several conductive members having conductive thin film layers having different hydrogen atom contents although the R value is 1.3 or more. is there. As shown in FIG. 7, when the content of hydrogen atoms in the conductive thin film layer is 30 atomic% or less, the value of the contact resistance of the conductive member is significantly reduced. In the experiment shown in FIG. 7, SUS316L was used as the metal base material layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive thin film layer (thickness: 0.2 μm) on this surface. ) Were sequentially formed by a sputtering method. At this time, the hydrogen atom content in the conductive thin film layer was changed by controlling the film formation method and the amount of hydrocarbon gas.

本実施形態においては、金属基材層52のすべてが(緻密バリア層53や中間層54を介してではあるものの)、導電性薄膜層55により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電性薄膜層55により金属基材層52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。導電性薄膜層55による金属基材層52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、導電性薄膜層52により被覆されていない、金属基材層52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、上記被覆率は、導電部材(セパレータ5)を積層方向から見た場合に導電性薄膜層55と重複する金属基材層52の面積の割合を意味するものとする。   In the present embodiment, all of the metal base layer 52 (although through the dense barrier layer 53 and the intermediate layer 54) is covered with the conductive thin film layer 55. In other words, in the present embodiment, the ratio (coverage) of the area where the metal base layer 52 is covered with the conductive thin film layer 55 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 base layer 52 by the conductive thin film layer 55 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 layer 52 which is not coat | covered with the electroconductive thin film layer 52 can be suppressed effectively. In addition, the said coverage shall mean the ratio of the area of the metal base material layer 52 which overlaps with the electroconductive thin film layer 55, when a conductive member (separator 5) is seen from a lamination direction.

(導電部材の製造方法)
上述した実施形態の導電部材を製造する方法について特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、セパレータ5を構成する導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
(Method for producing conductive member)
There is no restriction | limiting in particular about the method of manufacturing the electrically-conductive member of embodiment mentioned above, It can manufacture by referring a conventionally well-known method suitably. Hereinafter, although preferable embodiment for manufacturing an electroconductive member is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form. In addition, since various conditions such as the material of each component of the conductive member constituting the separator 5 are as described above, the description thereof is omitted here.

すなわち、下記工程を有する、本発明の導電部材の製造方法が提供される。まず、メッキ、溶射、CVDまたは塗布により、金属基材層(金属基材層の主表面)上に緻密バリア層を形成する[工程(1)]。次に、スパッタリング法またはイオンプレーティング法により、前記緻密バリア層(緻密バリア層の主表面)上に中間層を形成する[工程(2)]。さらに、スパッタリング法およびイオンプレーティング法により、前記中間層(中間層の主表面)上に導電性薄膜層を形成する[工程(3)]。   That is, the manufacturing method of the electrically-conductive member of this invention which has the following process is provided. First, a dense barrier layer is formed on a metal substrate layer (main surface of the metal substrate layer) by plating, thermal spraying, CVD, or coating [Step (1)]. Next, an intermediate layer is formed on the dense barrier layer (main surface of the dense barrier layer) by sputtering or ion plating [Step (2)]. Furthermore, a conductive thin film layer is formed on the intermediate layer (main surface of the intermediate layer) by sputtering and ion plating [Step (3)].

[工程(1)]
まず、金属基材層の構成材料として、所望の厚さのステンレス板やアルミニウム板などの金属板を準備する。次いで、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、準備した金属基材層の構成材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。
[Step (1)]
First, a metal plate such as a stainless plate or an aluminum plate having a desired thickness is prepared as a constituent material of the metal base layer. Next, the surface of the constituent material of the prepared metal base layer is degreased and washed using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichlorethylene, and caustic agent). Examples of the treatment include ultrasonic cleaning. As conditions for ultrasonic cleaning, the processing time is about 1 to 10 minutes, the frequency is about 30 to 50 kHz, and the power is about 30 to 50 W.

続いて、金属基材層の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、特に制限されないが、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、またはイオンボンバード処理などが挙げられる。   Subsequently, the oxide film formed on the surface (both sides) of the constituent material of the metal base layer is removed. The technique for removing the oxide film is not particularly limited, and examples thereof include an acid cleaning process, a dissolution process by applying a potential, and an ion bombardment process.

または、アルカリ浸漬洗浄、アルカリによる酸化皮膜除去(アルカリエッチング)、ふっ酸混酸液による表面活性化を行ない、その後亜鉛置換浴にてジンケート処理を行なう方法が好ましく使用される。ジンケート処理条件は、特に制限されないが、例えば、浴温度10〜40℃、浸漬時間20〜90秒である。なお、上記酸化皮膜の除去工程は省略されてもよい。   Alternatively, a method in which alkali immersion cleaning, removal of an oxide film with alkali (alkali etching), surface activation with a hydrofluoric acid mixed acid solution, and subsequent zincate treatment in a zinc replacement bath are preferably used. Although the zincate treatment conditions are not particularly limited, for example, the bath temperature is 10 to 40 ° C. and the immersion time is 20 to 90 seconds. Note that the oxide film removal step may be omitted.

上記処理(金属板の表面の脱脂・洗浄処理や酸化皮膜除去処理)は、金属板の少なくとも緻密バリア層を形成する面について行なうことが好ましいが、より好ましくは金属板の両面について行なう。   The treatment (degreasing / cleaning treatment or oxide film removal treatment on the surface of the metal plate) is preferably performed on at least the surface of the metal plate on which the dense barrier layer is formed, but more preferably on both surfaces of the metal plate.

次に、上記処理を施した金属基材層の構成材料の表面に、緻密バリア層を形成(成膜)する。ここで、緻密バリア層の形成(成膜)方法は、上記したように結晶配向性が低くなるような方法であれば特に制限されないが、メッキ、溶射、CVD(Chemical Vapor Deposition)、及び塗布が使用される。好ましくは、メッキにより、緻密バリア層を金属基材層の構成材料の表面に形成(成膜)する。   Next, a dense barrier layer is formed (deposited) on the surface of the constituent material of the metal base layer subjected to the above treatment. Here, the method for forming (depositing) the dense barrier layer is not particularly limited as long as the crystal orientation is low as described above, but plating, thermal spraying, CVD (Chemical Vapor Deposition), and coating are not limited. used. Preferably, the dense barrier layer is formed (formed) on the surface of the constituent material of the metal base layer by plating.

また、メッキ条件としては、上記したような緻密バリア層が形成(成膜)できるような条件であれば特に制限されず、公知の条件が使用され、使用される緻密バリア層の構成材料の種類や量などによって異なる。例えば、Crメッキ処理条件は、電流密度が3〜10A/dm、浴温度20〜60℃、電析時間30〜120分である。このような条件によって、上記したような緻密バリア層が容易に形成されうる。 The plating conditions are not particularly limited as long as the above-described dense barrier layer can be formed (film formation), and known conditions are used, and the type of constituent material of the dense barrier layer to be used. It depends on the amount and quantity. For example, Cr plating treatment conditions are a current density of 3 to 10 A / dm 2 , a bath temperature of 20 to 60 ° C., and an electrodeposition time of 30 to 120 minutes. Under such conditions, the dense barrier layer as described above can be easily formed.

このような方法によって、結晶配向性の低い球状あるいは粒状組織(表面凸部)を有する緻密バリア層が金属基材層上に形成できる。ここで、緻密バリア層の球状/粒状組織の大きさは、水分子を通過しない程度に細かいことが好ましい。具体的には、緻密バリア層の球状/粒状組織(表面凸部)の平均結晶子径は、好ましくは10〜30nm、より好ましくは10〜20nmである。このような大きさであると、水分子の浸入を有効に抑制・防止できる。本明細書において、「緻密バリア層の球状/粒状組織の平均結晶子径」とは、X線回折によるピーク強度比の半値幅より算出した。   By such a method, a dense barrier layer having a spherical or granular structure (surface convex portion) with low crystal orientation can be formed on the metal substrate layer. Here, the size of the spherical / granular structure of the dense barrier layer is preferably fine enough not to pass water molecules. Specifically, the average crystallite diameter of the spherical / granular structure (surface protrusion) of the dense barrier layer is preferably 10 to 30 nm, more preferably 10 to 20 nm. With such a size, the penetration of water molecules can be effectively suppressed / prevented. In this specification, the “average crystallite diameter of the spherical / granular structure of the dense barrier layer” was calculated from the half width of the peak intensity ratio by X-ray diffraction.

[工程(2)]
次に、上記工程(1)で形成(成膜)された緻密バリア層上に、中間層を形成(成膜)する。ここで、中間層の形成(成膜)方法は、上記したように結晶配向性がある程度高くなるような方法であれば特に制限されないが、スパッタリング法およびイオンプレーティング法が使用される。スパッタリング法が好ましい。
[Step (2)]
Next, an intermediate layer is formed (film formation) on the dense barrier layer formed (film formation) in the step (1). Here, the method for forming (depositing) the intermediate layer is not particularly limited as long as the crystal orientation is improved to some extent as described above, but a sputtering method and an ion plating method are used. A sputtering method is preferred.

中間層を形成(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法がある。なお、中間層は、他の方法、例えば、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によっても形成(成膜)することができる。しかし、高い結晶配向性などを考慮すると、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。ここで、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。かような手法によれば、結晶配向性の高い層が形成できる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、緻密バリア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、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。   As a method suitably used for forming (depositing) the intermediate layer, there is a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method or an ion plating method. The intermediate layer can also be formed (film formation) by other methods, for example, an ion beam evaporation method such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method. However, in view of high crystal orientation, it is preferable to use a sputtering method and an ion plating method, and it is particularly preferable to use a sputtering method. Here, examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, and a dual magnetron sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. According to such a method, a layer having high crystal orientation can be formed. In addition to this, the film can be formed at a relatively low temperature, and there is an advantage that damage to the dense barrier layer can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like.

なお、中間層をスパッタリング法やイオンプレーティング法で緻密バリア層上に形成する場合には、緻密バリア層と中間層との境界部分は、緻密バリア層由来の緻密で結晶性の低い部分と、中間層由来の結晶性の高い柱状の部分とが、共存するような構造となっている場合がある。このような共存部分が存在したとしても、緻密で結晶性の低い緻密バリア層および結晶性の高い柱状構造を有する中間層が上記したような厚みで配置されていれば、本発明による効果は十分達成できる。   When the intermediate layer is formed on the dense barrier layer by sputtering or ion plating, the boundary portion between the dense barrier layer and the intermediate layer is a dense and low crystallinity portion derived from the dense barrier layer, There may be a structure in which a columnar portion having high crystallinity derived from the intermediate layer coexists. Even if such coexisting portions exist, if the dense barrier layer having a low crystallinity and the intermediate layer having a columnar structure having a high crystallinity are arranged with the thickness as described above, the effect of the present invention is sufficient. Can be achieved.

このような方法によって、緻密バリア層に比して結晶配向性が高い柱状構造を有する中間層が緻密バリア層上に形成できる。ここで、中間層の柱状組織の大きさは、特に制限されないが、緻密バリア層や導電性薄膜層との密着性などを考慮すると、上記緻密バリア層の球状/粒状組織(表面凸部)の大きさよりも大きいことが好ましい。具体的には、中間層の柱状組織(表面凸部)の平均サイズは、好ましくは10〜100nm、より好ましくは30〜100nmである。このような大きさであると、緻密バリア層や導電性薄膜層との密着性などを十分達成できる。本明細書において、「中間層の柱状組織の平均サイズ」とは、中間層の断面をSEMにより画像解析から算出した。   By such a method, an intermediate layer having a columnar structure having higher crystal orientation than the dense barrier layer can be formed on the dense barrier layer. Here, the size of the columnar structure of the intermediate layer is not particularly limited, but considering the adhesion to the dense barrier layer or the conductive thin film layer, the spherical / granular structure (surface convex portion) of the dense barrier layer is considered. It is preferable that it is larger than the size. Specifically, the average size of the columnar structure (surface convex portion) of the intermediate layer is preferably 10 to 100 nm, more preferably 30 to 100 nm. With such a size, sufficient adhesion with the dense barrier layer and the conductive thin film layer can be achieved. In this specification, “the average size of the columnar structure of the intermediate layer” is calculated from image analysis of the cross section of the intermediate layer by SEM.

[工程(3)]
次に、上記工程(2)で形成(成膜)された中間層上に、導電性薄膜層を形成(成膜)する。ここで、導電性薄膜層の形成(成膜)方法は、特に制限されない。例えば、導電性薄膜層が導電性炭素層である場合には、上述した導電性薄膜層の構成材料(例えば、グラファイト)をターゲットとして、中間層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、導電性薄膜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薄膜層と中間層とのあるいは緻密バリア層と中間層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。
[Step (3)]
Next, a conductive thin film layer is formed (deposited) on the intermediate layer formed (deposited) in the step (2). Here, the method for forming (depositing) the conductive thin film layer is not particularly limited. For example, when the conductive thin film layer is a conductive carbon layer, a layer containing conductive carbon is laminated on the intermediate layer at the atomic level using the above-described constituent material of the conductive thin film layer (for example, graphite) as a target. By conducting (film formation), a conductive thin film layer can be formed. As a result, the adhesion between the directly attached conductive thin film layer and the intermediate layer or the interface between the dense barrier layer and the intermediate layer and the vicinity thereof is maintained for a long period of time due to intermolecular force and slight carbon atoms entering. sell.

導電性炭素を積層(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、例えば、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、または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、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp2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、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、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。   As a method suitably used for laminating (depositing) conductive carbon, for example, physical vapor deposition (PVD) methods such as sputtering or ion plating, or filtered cathodic vacuum arc (FCVA) And ion beam deposition methods. 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. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Of these, the sputtering method and the ion plating method are preferably used, and the sputtering method is particularly preferably used. According to such a method, a carbon layer with a low hydrogen content can be formed. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp2 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 intermediate layer can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like.

ここで、導電性薄膜層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に中間層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような形態によれば、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薄膜層が成膜されうる。このような導電性薄膜層は優れた導電性を発揮しうることから、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さい導電部材(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、導電性薄膜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。   Here, when the conductive thin film layer is formed by sputtering, a negative bias voltage may be applied to the intermediate layer during sputtering. According to such a form, a conductive thin film layer having a structure in which graphite clusters are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Since such an electroconductive thin film layer can exhibit the outstanding electroconductivity, the electroconductive member (separator) with small contact resistance with another member (for example, 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 thin film 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.

なお、図2に示す形態の導電部材(セパレータ)を製造するには、上述した導電性炭素層の成膜工程の前に、金属基材層の少なくとも一方の主表面に中間層を成膜する工程を行なう。この際、中間層を成膜する手法としては、導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層の構成材料に変更する必要がある。   In order to manufacture the conductive member (separator) having the form shown in FIG. 2, an intermediate layer is formed on at least one main surface of the metal base layer before the conductive carbon layer forming step described above. Perform the process. At this time, as the method for forming the intermediate layer, the same method as described above for the formation of the conductive carbon layer may be employed. However, it is necessary to change the target to the constituent material of the intermediate layer.

上述した手法によれば、金属基材層52、緻密バリア層53、中間層54、及び導電性薄膜層55が順次形成された導電部材が製造されうる。なお、上記手法では、金属基材層52の片面にのみ、緻密バリア層53、中間層54及び導電性薄膜層を形成したが、金属基材層52の両面に上記各層が形成されてなる導電部材を製造するには、金属基材層52の他方の面に対して、上記と同様の手法を適用すればよい。   According to the above-described method, a conductive member in which the metal base layer 52, the dense barrier layer 53, the intermediate layer 54, and the conductive thin film layer 55 are sequentially formed can be manufactured. In the above method, the dense barrier layer 53, the intermediate layer 54, and the conductive thin film layer are formed only on one side of the metal base layer 52. However, the conductive layer is formed by forming the above layers on both sides of the metal base layer 52. In order to manufacture the member, the same method as described above may be applied to the other surface of the metal base layer 52.

本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。すなわち、本発明は、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、並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5に記載の燃料電池用セパレータであり、この際、前記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ことを特徴とする、固体高分子形燃料電池が提供される。   The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. That is, the present invention provides 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, 6. A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of anode separator and cathode separator sandwiching a membrane electrode assembly, wherein at least one of the anode separator or the cathode separator is a fuel cell separator according to claim 5. In this case, 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 circulates fuel gas or oxidant gas. Thus, a polymer electrolyte fuel cell is provided.

本発明の導電部材をPEFCのセパレータに使用する場合、本発明の導電部材は、アノード及びカソードのいずれか一方のセパレータに使用されればよい。しかし、特にカソード側で水が多量に生成することなどを考慮すると、本発明の導電部材を少なくともカソードセパレータとして使用することが好ましい。より好ましくは、本発明の導電部材を、カソードセパレータ及びアノードセパレータ双方に使用する。なお、本発明では、緻密バリア層は、双方のセパレータについて金属基材層の全面にわたって被覆されている必要はない。ただし、金属基材層への水の浸入抑制・防止効果を考慮すると、カソードセパレータでの被覆率の方が、アノードセパレータでの被覆率と同等以上であることが好ましい。これにより、より多量の水が生成するカソード側での水分子の浸入を有効に抑制・防止して、導電部材(特に、金属基材層)の導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。具体的には、カソードセパレータ側に対するアノードセパレータ側での緻密バリア層による金属基材層の被覆率の大小関係は、アノードセパレータ側での被覆率を100とすると、カソード側は、好ましくは60〜100であり、より好ましくは80〜100である。   When the conductive member of the present invention is used for a PEFC separator, the conductive member of the present invention may be used for any one of an anode and a cathode. However, considering the fact that a large amount of water is generated particularly on the cathode side, it is preferable to use the conductive member of the present invention as at least a cathode separator. More preferably, the conductive member of the present invention is used for both the cathode separator and the anode separator. In the present invention, the dense barrier layer does not need to be covered over the entire surface of the metal substrate layer for both separators. However, in consideration of the effect of suppressing / preventing water permeation into the metal substrate layer, the coverage with the cathode separator is preferably equal to or higher than the coverage with the anode separator. This effectively suppresses / prevents intrusion of water molecules on the cathode side where a larger amount of water is generated, and effectively suppresses the decrease in conductivity / corrosion resistance of the conductive member (particularly the metal substrate layer). sell. Specifically, the magnitude relationship of the coverage of the metal base material layer with the dense barrier layer on the anode separator side with respect to the cathode separator side is preferably 60 to 60 on the cathode side, assuming that the coverage on the anode separator side is 100. 100, more preferably 80-100.

また、カソード側及びアノード側セパレータのそれぞれの面方向についても、緻密バリア層は必ずしも金属基材層の全面にわたって(被覆率100%で)形成される必要はない。好ましくは、緻密バリア層は、各セパレータの面内分布として、連続的にもしくは2領域以上の分割領域で、ガス流れ方向に対して下流側ほど、高い被覆率になるように、金属基材層上に形成(成膜)される。これは、カソード及びアノード双方において、ガス流れ方向に対して下流側ほど、水が多量に生成することを考慮したものである。ゆえに、このような配置とすることによって、水の生成量に応じて緻密バリア層が金属基材層上に形成され、水分子の浸入をより有効に抑制・防止して、導電部材(特に、金属基材層)の導電性・耐食性の低下をより効果的に抑制できる。   Further, the dense barrier layer does not necessarily have to be formed over the entire surface of the metal base layer (with a coverage of 100%) in the respective surface directions of the cathode side and anode side separators. Preferably, the dense barrier layer has a metal base layer so that the in-plane distribution of each separator is continuously or in divided regions of two or more regions, so that the downstream side of the gas flow direction has a higher coverage. Formed on top (film formation). This considers that a large amount of water is generated at the cathode and the anode toward the downstream side with respect to the gas flow direction. Therefore, by adopting such an arrangement, a dense barrier layer is formed on the metal substrate layer according to the amount of water generated, and more effectively suppresses / prevents intrusion of water molecules, The decrease in conductivity and corrosion resistance of the (metal substrate layer) can be more effectively suppressed.

本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、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)などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。本実施形態の導電部材が用いられうる燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品(集電板、バスバー、ガス拡散基材、MEA)、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、導電性および耐食性の両立を図るという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。   The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. However, the use of the conductive member of the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cell separators such as phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid electrolyte fuel cell (SOFC) or alkaline fuel cell (AFC) Can also be used. In addition to the fuel cell separator, the separator can be used in various applications that require both conductivity and corrosion resistance. Examples of uses other than the fuel cell separator in which the conductive member of the present embodiment can be used include other fuel cell components (current collector plate, bus bar, gas diffusion base material, MEA), contacts of electronic components, and the like. . In another preferred embodiment, the conductive member of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the effect of the present invention of achieving both conductivity and corrosion resistance can be remarkably exhibited.

以下、図1を参照しつつ、本実施形態の導電部材から構成されるセパレータを用いたPEFCの構成要素について説明する。ただし、本発明はセパレータを構成する導電部材に特徴を有するものである。よって、PEFCにおけるセパレータの形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。   Hereinafter, with reference to FIG. 1, components of the PEFC using the separator constituted by the conductive member of the present embodiment will be described. However, the present invention is characterized by the conductive member constituting the separator. Therefore, specific forms such as the shape of the separator in the PEFC and specific forms of members other than the separator constituting the fuel cell can be appropriately modified with reference to conventionally known knowledge.

[電解質層]
電解質層は、例えば、図1に示す形態のように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 layer is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane 2 as shown in FIG. 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、製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 of 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 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer 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、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層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、アノード触媒層およびカソード触媒層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 in the anode catalyst layer and the catalyst component used in the cathode catalyst layer 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 and the cathode catalyst layer 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、本発明における「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 catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a 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5〜200nm程度、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 viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 nm. About 100 nm is preferable.

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 ion exchange resin which comprises the electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.

[ガス拡散層]
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)は、セパレータのガス流路(6a、6c)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(3a、3c)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]
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied via the gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.

ガス拡散層(4a、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。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。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 (4a, 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. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate 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;MPL、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; MPL, 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。   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. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。   The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.

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 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.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

上述したPEFC1や燃料電池スタックは、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータ5を用いている。したがって、当該PEFC1や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。なお、図1に示す形態のPEFC1において、セパレータ5は、平板状の導電部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、かような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板(金属基材層)に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって導電性薄膜層(および必要に応じて中間層)を形成することで、セパレータとしてもよい。   The PEFC 1 and the fuel cell stack described above use the separator 5 made of a conductive member having excellent conductivity and corrosion resistance. Therefore, the PEFC 1 and the fuel cell stack have excellent output characteristics and durability, and can maintain good power generation performance over a long period of time. In addition, in PEFC1 of the form shown in FIG. 1, the separator 5 is shape | molded by the uneven | corrugated shape by performing a press process with respect to a flat conductive member. However, it is not limited only to such a form. For example, an uneven shape constituting a gas channel or a coolant channel is formed in advance by cutting a flat metal plate (metal substrate layer), and the conductive thin film is formed on the surface by the above-described method. It is good also as a separator by forming a layer (and intermediate | middle layer as needed).

本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。   The PEFC 1 of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The above-mentioned PEFC1 and fuel cell stack are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.

すなわち、本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。   That is, the PEFC 1 of this embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example.

図11は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概念図である。図11に示すように、燃料電池スタック61を燃料電池車60のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車60の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック61を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタック61を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタック61は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。   FIG. 11 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the fuel cell stack of the above-described embodiment. As shown in FIG. 11, in order to mount the fuel cell stack 61 on a vehicle such as the fuel cell vehicle 60, for example, the fuel cell stack 61 may be mounted under the seat at the center of the vehicle body of the fuel cell vehicle 60. If it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. Depending on the case, the place where the fuel cell stack 61 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack 61 of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The PEFC 1 and the fuel cell stack 61 described above are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.

以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。   Hereinafter, although the effect by this invention is demonstrated using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

[参考例1]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板について、pH10のアルカリ水溶液中に50℃で10分間、浸漬洗浄を行なった。次に、このアルミニウム板を、硝酸(酸)によるエッチングを行なって、酸化皮膜を除去した。さらに、アルミニウム板を、ふっ酸混酸液による表面活性化を行なった後、亜鉛置換浴にてジンケート処理を行なった。なお、この際、ジンケート処理条件は、浴温度25℃、浸漬時間30秒である。また、上記前記処理は、アルミニウム板の両面について行なった。
[Reference Example 1]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. The aluminum plate was immersed and washed in an alkaline aqueous solution having a pH of 10 at 50 ° C. for 10 minutes. Next, this aluminum plate was etched with nitric acid (acid) to remove the oxide film. Further, the aluminum plate was subjected to surface activation with a hydrofluoric acid mixed acid solution and then subjected to a zincate treatment in a zinc substitution bath. In this case, the zincate treatment conditions are a bath temperature of 25 ° C. and an immersion time of 30 seconds. Moreover, the said process was performed about both surfaces of the aluminum plate.

次に、上記前処理を行なったアルミニウム板について、サージェント浴にてクロム(Cr)メッキを行ない、緻密バリア層を形成した。この際、メッキ処理条件は、電流密度4A/dm、浴温度35℃、電析時間1時間であり、膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層(Crメッキ)を形成した。 Next, the aluminum plate subjected to the above pretreatment was subjected to chromium (Cr) plating in a sergeant bath to form a dense barrier layer. At this time, plating conditions were a current density of 4 A / dm 2 , a bath temperature of 35 ° C., an electrodeposition time of 1 hour, and a dense barrier layer (Cr plating) made of Cr having a thickness of 2 μm was formed.

このようにして形成された緻密バリア層について、X線回折法におけるScherreの方法によってX線回折装置(マックサイエンス社製)を用いて、平均結晶子径を測定したところ、15nmであった。   With respect to the dense barrier layer thus formed, the average crystallite diameter was measured using an X-ray diffractometer (manufactured by Mac Science) by the method of Scherre in the X-ray diffraction method.

また、このようにして形成された緻密バリア層について、断面をSEMにより画像解析を行ない、層中の緻密バリア層を構成するCrの占める面積率を測定することによって、空隙率を求めたところ、1%以下であった。   Further, for the dense barrier layer formed in this manner, the cross section was subjected to image analysis by SEM, and the area ratio occupied by Cr constituting the dense barrier layer in the layer was determined to determine the porosity, 1% or less.

[参考例2]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板について、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したアルミニウム板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもアルミニウム板の両面に対して行なった。
[Reference Example 2]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This aluminum plate was subjected to ultrasonic cleaning in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned aluminum plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the aluminum plate.

次に、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、Crをターゲットとして、アルミニウム板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、アルミニウム板に0.2μmの厚さのCrからなる中間層を形成した。   Next, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method is used to apply a negative bias voltage of 50 V to the aluminum plate using Cr as a target, and from 0.2 μm thick Cr to the aluminum plate. An intermediate layer was formed.

このようにして形成された中間層について、参考例1と同様にして平均結晶子径を測定したところ、30nmであった。また、この中間層について、参考例1と同様にして空隙率を求めたところ、7%であった。   With respect to the intermediate layer thus formed, the average crystallite size was measured in the same manner as in Reference Example 1. As a result, it was 30 nm. Further, when the porosity of this intermediate layer was determined in the same manner as in Reference Example 1, it was 7%.

ここで、参考例1の結果と参考例2の結果とを比較することによって、参考例1で形成した緻密バリア層は、本例で形成した中間層に比して、空隙率が低いことが分かる。また、参考例1で形成した緻密バリア層の平均結晶子径[D(nm)]は、本例で形成した中間層の平均結晶子径[D(nm)]に比して、小さい(D/D=0.5)。一方、結晶配向度(結晶配向性)と平均結晶子径とは相関関係があるため、参考例1で形成した緻密バリア層は、本例で形成した中間層に比して、結晶配向性が低いことが考察される。また、平均結晶子径を調節することによって、各層の結晶配向度(結晶配向性)を容易に調節できることもまた、考察される。 Here, by comparing the result of Reference Example 1 and the result of Reference Example 2, the dense barrier layer formed in Reference Example 1 has a lower porosity than the intermediate layer formed in this example. I understand. The average crystallite diameter [D 2 (nm)] of the dense barrier layer formed in Reference Example 1 is smaller than the average crystallite diameter [D 1 (nm)] of the intermediate layer formed in this example. (D 2 / D 1 = 0.5 ). On the other hand, since there is a correlation between the degree of crystal orientation (crystal orientation) and the average crystallite diameter, the dense barrier layer formed in Reference Example 1 has a higher crystal orientation than the intermediate layer formed in this example. It is considered low. It is also considered that the degree of crystal orientation (crystal orientation) of each layer can be easily adjusted by adjusting the average crystallite diameter.

上記に加えて、上記参考例1及び2で作製された緻密バリア層及び中間層の断面を、TEMにより画像解析を行なった結果を、図8A(参考例1)および図8B(参考例2)に示す。図8A及び8Bから、参考例1の緻密バリア層は粒状組織を有するのに対して、参考例2の中間層は、柱状組織を有することが分かる。また、この図からも、参考例1の緻密バリア層の方が、参考例2の中間層に比して緻密であることが分かり、この結果は、上記空隙率の結果と一致するものである。   In addition to the above, the results of image analysis of the cross sections of the dense barrier layer and the intermediate layer prepared in Reference Examples 1 and 2 by TEM are shown in FIG. 8A (Reference Example 1) and FIG. 8B (Reference Example 2). Shown in 8A and 8B, the dense barrier layer of Reference Example 1 has a granular structure, whereas the intermediate layer of Reference Example 2 has a columnar structure. Also from this figure, it can be seen that the dense barrier layer of Reference Example 1 is denser than the intermediate layer of Reference Example 2, and this result is consistent with the above-described porosity result. .

同様にして、上記参考例1及び2で作製された緻密バリア層及び中間層について、各層の表面をSEMにより画像解析を行ない、その結果を図9A(参考例1)および図9B(参考例2)に示す。図9A及び9Bから、参考例1の緻密バリア層では細かい粒状組織が形成されているのに対して、参考例2の中間層では一定間隔の隙間のある凸部が形成していることもわかる。また、図9Bから、中間層の柱状組織の平均サイズは約50nmであることが分かった。   Similarly, for the dense barrier layer and the intermediate layer prepared in Reference Examples 1 and 2, the surface of each layer was subjected to image analysis by SEM, and the results are shown in FIG. 9A (Reference Example 1) and FIG. 9B (Reference Example 2). ). From FIGS. 9A and 9B, it can be seen that the fine barrier layer of Reference Example 1 has a fine granular structure, whereas the intermediate layer of Reference Example 2 has convex portions with gaps of constant intervals. . Further, from FIG. 9B, it was found that the average size of the columnar structure of the intermediate layer was about 50 nm.

[実施例1]
参考例1に記載の方法と同様にして、金属基材層の両面に、膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層(Crメッキ、平均結晶子径=15nm)を形成した。次に、形成された緻密バリア層に対して、参考例2に記載の方法と同様にして、UBMS法により、Crをターゲットとして、負のバイアス電圧(50V)を印加しながら、0.2μmの厚さのCrからなる中間層(平均結晶子径=30nm)を形成した。同様の操作を繰り返して、双方の緻密バリア層上に0.2μmの厚さのCrからなる中間層を形成した。これにより、0.2μmの厚さのCrからなる中間層;膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層;金属基材層;膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層;0.2μmの厚さのCrからなる中間層の5層の積層体を作製した。
[Example 1]
In the same manner as described in Reference Example 1, a dense barrier layer (Cr plating, average crystallite diameter = 15 nm) made of Cr having a thickness of 2 μm was formed on both surfaces of the metal substrate layer. Next, with respect to the formed dense barrier layer, in the same manner as the method described in Reference Example 2, while applying a negative bias voltage (50 V) using Cr as a target by UBMS method, 0.2 μm An intermediate layer (average crystallite diameter = 30 nm) made of Cr having a thickness was formed. The same operation was repeated to form an intermediate layer made of Cr having a thickness of 0.2 μm on both dense barrier layers. Thus, an intermediate layer made of Cr with a thickness of 0.2 μm; a dense barrier layer made of Cr with a thickness of 2 μm; a metal substrate layer; a dense barrier layer made of Cr with a thickness of 2 μm; a thickness of 0.2 μm A laminate of five intermediate layers made of Cr was produced.

この積層体の、面方向で30mm×30mmの大きさに切断し、側面を、シリコン材でマスキングして、サンプル(1)を調製した。   The laminate was cut into a size of 30 mm × 30 mm in the surface direction, and the side surface was masked with a silicon material to prepare sample (1).

[比較例1]
参考例1に記載の方法と同様にして、金属基材層の両面に、膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層(Crメッキ)を形成した。これを、面方向で30mm×30mmの大きさに切断し、側面を、シリコン材でマスキングして、サンプル(2)を調製した。
[Comparative Example 1]
In the same manner as described in Reference Example 1, a dense barrier layer (Cr plating) made of Cr having a thickness of 2 μm was formed on both surfaces of the metal substrate layer. This was cut into a size of 30 mm × 30 mm in the surface direction, and the side surface was masked with a silicon material to prepare a sample (2).

[比較例2]
参考例2に記載の方法と同様にして、金属基材層の両面に、0.2μmの厚さのCrからなる中間層を形成した。これを、面方向で30mm×30mmの大きさに切断し、側面を、シリコン材でマスキングして、サンプル(3)を調製した。
[Comparative Example 2]
In the same manner as described in Reference Example 2, an intermediate layer made of Cr having a thickness of 0.2 μm was formed on both surfaces of the metal substrate layer. This was cut into a size of 30 mm × 30 mm in the surface direction, and the side surface was masked with a silicon material to prepare a sample (3).

[評価:耐食性試験]
上記実施例1、ならびに比較例1及び2で作製したサンプル(1)、(2)、(3)について、以下のような実験を行なって、アルミニウムイオンの溶出量を試験した。すなわち、上記サンプル(1)、(2)及び(3)を、それぞれ、硫酸水溶液(pH 4)70mL中に、80℃で100時間、浸漬した。なお、上記硫酸水溶液は、燃料電池においてセパレータが曝される環境を模擬したものである。また、一般的に、燃料電池運転時の温度が80℃であるため、試験温度を80℃に設定した。
[Evaluation: Corrosion resistance test]
For the samples (1), (2), and (3) prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the following experiment was conducted to test the elution amount of aluminum ions. That is, the samples (1), (2) and (3) were each immersed in 70 mL of an aqueous sulfuric acid solution (pH 4) at 80 ° C. for 100 hours. The sulfuric acid aqueous solution simulates the environment where the separator is exposed in the fuel cell. In general, since the temperature during operation of the fuel cell is 80 ° C., the test temperature was set to 80 ° C.

100時間経過後の、硫酸水溶液中に溶出したアルミニウムイオンの量(ppm)を、ICP−MS(Inductively−Coupled Plasma−Mass Spectrometry;誘導結合プラズマ)−質量分析法)によって分析した。その結果を下記表1に示す。   After 100 hours, the amount (ppm) of aluminum ions eluted in the sulfuric acid aqueous solution was analyzed by ICP-MS (Inductively-Coupled Plasma-Mass Spectrometry) -mass spectrometry). The results are shown in Table 1 below.

[実施例2]
参考例1に記載の方法と同様にして、金属基材層の一方の面に、膜厚2μmのCrからなる緻密バリア層(Crメッキ、平均結晶子径=15nm)を形成した。次に、形成された緻密バリア層に対して、参考例2に記載の方法と同様にして、UBMS法により、Crをターゲットとして、負のバイアス電圧(50V)を印加しながら、0.2μmの厚さのCrからなる中間層(平均結晶子径=30nm)を形成した。
[Example 2]
In the same manner as described in Reference Example 1, a dense barrier layer (Cr plating, average crystallite diameter = 15 nm) made of Cr having a thickness of 2 μm was formed on one surface of the metal base layer. Next, with respect to the formed dense barrier layer, in the same manner as the method described in Reference Example 2, while applying a negative bias voltage (50 V) using Cr as a target by UBMS method, 0.2 μm An intermediate layer (average crystallite diameter = 30 nm) made of Cr having a thickness was formed.

さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、中間層に対して100Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、中間層上に、0.2μmの厚さの導電性薄膜層を形成した。これにより、本実施例の導電部材を作製した。   Further, a conductive thin film layer having a thickness of 0.2 μm was formed on the intermediate layer by applying a negative bias voltage of 100 V to the intermediate layer by using the solid graphite as a target by the UBMS method. . Thus, the conductive member of this example was produced.

この導電部材の断面を、TEMにより画像解析を行なった結果を、図10に示す。図10から、本発明の導電部材では、緻密バリア層は粒状組織に形成されるのに対して、中間層は柱状組織に形成されており、緻密バリア層の方が中間層に比してより緻密であることが分かる。この結果は、上記空隙率の結果と一致するものである。   FIG. 10 shows the result of image analysis of the cross section of the conductive member by TEM. From FIG. 10, in the conductive member of the present invention, the dense barrier layer is formed in a granular structure, whereas the intermediate layer is formed in a columnar structure, and the dense barrier layer is more in comparison with the intermediate layer. It turns out that it is precise. This result is consistent with the porosity result.

本発明の1つの実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. 図1のうち、セパレータ5の部分の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the part of the separator 5 among FIG. R=1.0〜1.2の導電性薄膜層を有する導電部材(導電部材A)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the electrically-conductive member (electrically-conductive member A) which has the electroconductive thin film layer of R = 1.0-1.2 with the transmission electron microscope (TEM). R=1.6の導電性薄膜層を有する導電部材(導電部材B)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the section of the conductive member (conductive member B) which has the conductive thin film layer of R = 1.6 by TEM. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの3回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 3 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの2回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定において、平均ピークの対称性を示さないパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pattern which does not show the symmetry of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. 導電部材Bを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、および180°としたときのラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum when the electrically conductive member B is used as a measurement sample and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 ° and 180 °, respectively. 導電部材Bについての回転異方性測定の平均ピークを示すグラフである。5 is a graph showing an average peak of rotational anisotropy measurement for conductive member B. スパッタリング法で、バイアス電圧および成膜方式を変化させることにより導電性炭素層のビッカース硬度を異ならせたいくつかの導電部材における、導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を示す図である。Values of the Vickers hardness of the conductive carbon layer and the sp3 ratio of the conductive carbon layer in several conductive members having different Vickers hardness of the conductive carbon layer by changing the bias voltage and the film formation method by sputtering. It is a figure which shows the relationship. R値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性薄膜層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the contact resistance about several electrically-conductive members which have an electroconductive thin film layer from which content of hydrogen atom differs although R value is 1.3 or more. 参考例1で作製した緻密バリア層の断面を、TEMにより画像解析を行なった結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having image-analyzed the cross section of the dense barrier layer produced in Reference Example 1 by TEM. 参考例2で作製した中間層の断面を、TEMにより画像解析を行なった結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having image-analyzed the cross section of the intermediate | middle layer produced in Reference Example 2 by TEM. 参考例1で作製した緻密バリア層の表面を、SEMにより画像解析を行なった結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having image-analyzed the surface of the dense barrier layer produced in Reference Example 1 by SEM. 参考例2で作製した中間層の表面を、SEMにより画像解析を行なった結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having image-analyzed the surface of the intermediate | middle layer produced in Reference Example 2 by SEM. 実施例2で作製した導電部材の断面を、TEMにより画像解析を行なった結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having image-analyzed the cross section of the electrically-conductive member produced in Example 2 by TEM. 本発明の一実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概念図である。It is a conceptual diagram of the vehicle carrying the fuel cell stack of one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
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、
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)、
5 セパレータ、
52 金属基材層、
53 緻密バリア層、
54 中間層、
55 導電性薄膜層、
60 燃料電池車、
61 燃料電池スタック。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
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),
5 separator,
52 metal substrate layer,
53 dense barrier layer,
54 Middle layer,
55 conductive thin film layer,
60 Fuel cell vehicle,
61 Fuel cell stack.

Claims (9)

金属基材層と、前記金属基材層上に形成される緻密バリア層と、前記緻密バリア層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される導電性薄膜層と、を有し、
前記緻密バリア層は、中間層に比して低い結晶配向性を有し、かつ前記中間層の平均結晶子径[D 1 (nm)]に対する前記緻密バリア層の平均結晶子径[D 2 (nm)]の比(D 2 /D 1 )が0.1以上1未満である、導電部材。
A metal substrate layer, a dense barrier layer formed on the metal substrate layer, an intermediate layer formed on the dense barrier layer, and a conductive thin film layer formed on the intermediate layer. And
The dense barrier layer has a lower crystal orientation than the intermediate layer, and the average crystallite diameter [D 2 ( D) of the dense barrier layer with respect to the average crystallite diameter [D 1 (nm)] of the intermediate layer. nm)] in a ratio (D 2 / D 1 ) of 0.1 or more and less than 1 .
前記緻密バリア層は、Cr、W、Ti、Mo、Nb及びHfから選ばれる金属、前記金属の窒化物、前記金属の炭化物、ならびに前記金属の炭窒化物からなる群より選択される少なくとも一種からなる、請求項1に記載の導電部材。 The dense barrier layer is at least one selected from the group consisting of a metal selected from Cr, W, Ti, Mo, Nb and Hf, a nitride of the metal, a carbide of the metal, and a carbonitride of the metal. It becomes conductive member according to claim 1. 前記中間層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及びWから選ばれる金属、前記金属の炭化物、前記金属の窒化物、ならびに前記金属の炭窒化物からなる群より選択される少なくとも一種からなる、請求項1または2に記載の導電部材。   The intermediate layer is selected from the group consisting of a metal selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo and W, a carbide of the metal, a nitride of the metal, and a carbonitride of the metal. The conductive member according to claim 1 or 2, comprising at least one of the above. 前記金属基材層の構成材料が、鉄、チタン、アルミニウム、および銅ならびにこれらの合金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1〜3のいずれか1項に記載の導電部材。   The conductive member according to any one of claims 1 to 3, wherein the constituent material of the metal base layer is at least one selected from the group consisting of iron, titanium, aluminum, copper, and alloys thereof. 前記導電性薄膜層は、導電性炭素層である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の導電部材。   The conductive member according to claim 1, wherein the conductive thin film layer is a conductive carbon layer. メッキ、溶射、CVDまたは塗布により、金属基材層上に緻密バリア層を形成し;
スパッタリング法またはイオンプレーティング法により、前記緻密バリア層上に中間層を形成し;および
前記中間層上に導電性薄膜層を形成する、
ことを有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の導電部材の製造方法。
Forming a dense barrier layer on the metal substrate layer by plating, spraying, CVD or coating;
Forming an intermediate layer on the dense barrier layer by sputtering or ion plating; and forming a conductive thin film layer on the intermediate layer;
The manufacturing method of the electrically-conductive member of any one of Claims 1-5 which has a thing.
前記導電性薄膜層の成膜をスパッタリング法により行ない、スパッタリング時に中間層に負のバイアス電圧を印加する、請求項6に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 6, wherein the conductive thin film layer is formed by a sputtering method, and a negative bias voltage is applied to the intermediate layer at the time of sputtering. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の導電部材または請求項6または7に記載の方法によって製造される導電部材から構成される、燃料電池用セパレータ。   The separator for fuel cells comprised from the electrically-conductive member of any one of Claims 1-5, or the electrically-conductive member manufactured by the method of Claim 6 or 7. 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、並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8に記載の燃料電池用セパレータであり、この際、前記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、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 pair of anode separator and cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
9. At least one of the anode separator or the cathode separator is the fuel cell separator according to claim 8, wherein the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, and the convex portion is the membrane electrode joint. A solid polymer fuel cell, which is in contact with a body, and the recess is a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas.
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