KR101107862B1

KR101107862B1 - 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막, 그 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지

Info

Publication number: KR101107862B1
Application number: KR1020097012734A
Authority: KR
Inventors: 도시끼 사또; 쥰 스즈끼; 요시노리 이또; 히로따까 이또; 신이찌 다니후지
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2012-01-31
Also published as: WO2008075591A1; US20100035118A1; US8231990B2; CN101578728A; CN101578728B; KR20090081024A; EP2104169A1; EP2104169A4

Abstract

본 발명은, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 포함하고, 상기한 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지에도 관한 것이다. 본 발명에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막은, 내식성이 우수하고, 또한 접촉 저항이 낮고, 그 낮은 접촉 저항을 부식 분위기 중에 있어서도 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있고, 또한 생산성이 우수한 것이다.

합금 피막, 연료 전지, 금속 세퍼레이터, 전압계, 카본 크로스

Description

연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막, 그 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지 {ALLOY COATING FILM FOR METAL SEPARATOR OF FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, SPUTTERING TARGET MATERIAL, METAL SEPARATOR AND FUEL CELL}

본 발명은, 예를 들어 휴대 전화, 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 기기, 가정용 연료 전지, 연료 전지 자동차 등에 사용되는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막, 그 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지는, 고체 고분자 전해질막을 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 끼운 것을 단셀로 하여, 세퍼레이터(혹은 바이폴라 플레이트)라 불리는 전극을 통해 단셀을 복수개 중첩하여 구성된다.

이 연료 전지용 세퍼레이터를 구성하는 재료에는, 낮은 접촉 저항과, 그 낮은 접촉 저항이 세퍼레이터로서의 사용 중에 장기간 유지되는 특성이 요구된다. 그로 인해, 종래부터, 가공성 및 강도의 면도 함께, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 니켈 합금, 티탄 합금 등의 금속 재료의 적용이 검토되고 있다.

또한, 연료 전지 내는 pH가 2 내지 4인 산성의 부식 분위기로 되어 있어, 세 퍼레이터에 사용되는 재료에는 산성 분위기 중에서도 낮은 접촉 저항을 유지하는 내식성(내산성)도 요구된다.

스테인리스나 티탄 등의 금속은, 표면에 부동태 피막을 형성함으로써 양호한 내식성을 나타내므로, 연료 전지의 세퍼레이터용 재료로서 검토되고 있다. 그러나, 이 부동태 피막은 전기 저항이 크기 때문에, 스테인리스나 티탄 등의 금속을 그대로 연료 전지의 세퍼레이터로서 사용하면, 산성 분위기 중에서 그 표면에 형성되는 부동태 피막에 의해 도전성이 현저하게 열화될 우려가 있다. 이로 인해, 사용 당초의 접촉 저항이 낮아도, 그 낮은 접촉 저항을 세퍼레이터로서의 사용 중에 장기간 유지할 수 없어, 접촉 저항이 경시적(經時的)으로 높아져 전류 손실을 초래해 버린다는 문제가 있다. 또한, 부식에 의해 재료로부터 용출되는 금속 이온에 의해 전해질막을 열화시키는 등의 문제도 있다.

이와 같은 문제에 대해, 접촉 저항의 증가를 억제하여 도전성을 장기간에 걸쳐서 유지시키기 위해, 각종 금속 세퍼레이터가 종래부터 제안되어 있다. 예를 들어, 스테인리스나 티탄 등의 금속 세퍼레이터 표면에 금 도금을 실시한 것(특허 문헌 1), 스테인리스, 티탄 등으로 이루어지는 기판의 표면의 산화 피막을 제거한 후, 귀금속 또는 귀금속 합금을 부착시킨 것(특허 문헌 2), 스테인리스 기판 표면에 내산성 금속 피막을 형성하고, 그 위에 귀금속 피막을 형성한 것(특허 문헌 3) 등이 제안되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 평10-228914호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2001-6713호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2001-93538호 공보

그러나, 일본 특허 출원 공개 평10-228914호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2001-6713호 공보 혹은 일본 특허 출원 공개 제2001-93538호 공보에 기재된 발명의 세퍼레이터재는, 세퍼레이터로서의 사용 기간 중에 기판으로부터의 피막의 박리나 금속 용출에 의해 충분한 내식성을 발휘할 수 없고, 접촉 저항을 낮게 할 수 없고, 또한 사용 당초는 낮은 접촉 저항을 나타내도, 그 낮은 접촉 저항을 연료 전지 내의 부식 분위기 중에 있어서 장기간에 걸쳐서 유지할 수 없다는 등의 결점이 있었다. 또한, 종래의 도금 등에 의해 피막을 형성하는 경우에는, 부동태 피막을 제거하기 위해 시간이 걸리거나, 번잡한 공정이 필요해지므로, 생산성이 저하된다는 결점이 있다.

따라서, 본 발명의 과제는, 내식성이 우수하고, 또한 접촉 저항이 낮고, 그 낮은 접촉 저항을 부식 분위기 중에 있어서도 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있고, 또한 생산성이 우수한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막, 그 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지를 제공하는 것에 있다.

즉, 본 발명은 이하의 (1) 내지 (18)에 관한 것이다.

(1) Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 포함하고, 상기의 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막.

(2) 스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내에 금속 기판을 설치하는 설치 공정과,

상기 설치 공정에서 설치한 상기 금속 기판의 표면의 적어도 일부에, 스퍼터링법에 의해, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를, 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35/65 내지 95/5의 비율로 포함하고, 막 두께가 2㎚ 이상인 합금 피막을 형성하는 성막 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.

(3) 상기 성막 공정 후, 상기 합금 피막을 형성한 금속 기판을 열처리하는 열처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.

(4) 상기 열처리 공정에 있어서의 열처리의 온도가 150 내지 800℃인 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.

(5) 상기 열처리를 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압을 갖는 분위기 하에서 행하는 것을 특징으로 하는 상기 (4)에 기재된 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.

(6) 상기 성막 공정은 상기 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하여 행하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.

(7) 상기 (2) 내지 상기 (6) 중 어느 하나에 기재된 제조 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막.

(8) 금속 기판의 표면에, 상기 (1) 또는 상기 (7)에 기재된 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 형성하여 얻어진 것을 특징으로 하는 연료 전지용 금속 세퍼레이터.

(9) 상기 금속 기판이, 그 표면의 적어도 일부에 가스를 유통시키는 가스 유로를 형성하는 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터.

(10) 상기 금속 기판이 티탄, 티탄기 합금, 알루미늄, 알루미늄기 합금 및 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (8) 또는 상기 (9)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터.

(11) 금속 기판을, 스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내에 설치하는 설치 공정과,

상기 설치 공정에서 설치한 상기 금속 기판의 표면에, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 포함하고, 상기 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상인 합금 피막을 스퍼터링법에 의해 형성하는 성막 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(12) 상기 설치 공정 전에, 상기 금속 기판의 표면의 적어도 일부에 가스를 유통시키는 가스 유로를 형성하기 위한 오목부를 형성하는 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (11)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(13) 상기 성막 공정 후, 상기 합금 피막을 형성한 금속 기판을 열처리하는 열처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (11) 또는 상기 (12)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(14) 상기 열처리의 온도가 150 내지 800℃인 것을 특징으로 하는 상기 (13)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(15) 상기 열처리를 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압을 갖는 분위기 하에서 행하는 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(16) 상기 성막 공정은 상기 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하여 행하는 것을 특징으로 하는 상기 (11)에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.

(17) 상기 (8) 내지 상기 (10) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.

(18) 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조에 사용하는 스퍼터링용 타겟재이며,

Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소로 이루어지고, 양자의 원자비(귀금속 원소/비귀금속 원소)가 35/65 내지 95/5인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 타겟재.

상기 (1)에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막에서는, 귀금속이라 불리는 금속 원소 중에서도, 산화 분위기 중에 있어서 그 표면에 산화 피막을 형성하지 않는 원소인 Au 및 Pt와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로부터 선택되는, 내식성이 우수하고 또한 산소, 질소, 탄소와 결합하기 쉬운 비귀금속 원소를 합금화시킴으로써, 고가의 귀금속의 사용량을 억제할 수 있는 동시에 Au나 Pt의 응집을 방지하고, 또한 금속 기판과의 밀착성을 향상시켜, 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율을 특정 범위로 함으로써, 고온ㆍ산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있다. 또한, 막 두께를 2㎚ 이상으로 함으로써, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 표면 피막으로서, 핀 홀의 형성을 방지하여 기판이 노출되지 않도록 하고, 전기 저항이 큰 부동태 피막의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 핀 홀 부분으로부터의 기재의 부식이나 금속 용출도 방지할 수 있다.

상기 (2)에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법에서는, 성막 공정에 의해, 금속 기판의 표면의 적어도 일부에, 스퍼터링법에 의해, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 포함하는 피막을 형성함으로써, 고가인 귀금속의 사용량을 억제하는 동시에, 도전성과 내식성을 겸비한 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 성막 공정을 스퍼터링법에 의해 행함으로써, 형성되는 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율을 안정적으로 제어하는 것이 가능한데다가, 2㎚ 정도의 매우 얇은 피막을 균일하고, 또한 치밀한 막으로서 성막하는 것이 가능하다.

상기 (5)에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법에 따르면, 열처리 공정에 있어서의 산소 분압을 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율에 따라서, 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압으로 조정함으로써, 얻어지는 합금 피막의 도전성과 내식성을 높일 수 있다.

상기 (6)에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법에 따르면, 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하면서 성막함으로써, 동일한 장치에서 성막과 열처리를 동시에 행할 수 있으므로, 보다 생산성을 높일 수 있다.

상기 (7)에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막은, 상기 (2) 내지 상기 (6) 중 어느 하나에 관한 제조 방법으로 제조되므로, 고가의 귀금속의 사용량을 억제하는 동시에, 도전성과 내식성을 겸비하고, 또한 저비용으로 제조할 수 있다.

상기 (8)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터는, 금속 기판의 표면에 형성된, 상기 (1) 또는 상기 (7)에 관한 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 가짐으로써, 고온ㆍ산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있다.

상기 (9)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터는, 가스 유로를 형성하는 오목부를 갖는 금속 기판의 표면의 적어도 일부에 적층된, 상기 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 가짐으로써, 고온ㆍ산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있다.

상기 (10)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터에 있어서, 이들 티탄, 티탄 기 합금, 알루미늄, 알루미늄기 합금 및 스테인리스강은, 내식성이 높고, 가공성도 우수하므로, 연료 전지용 세퍼레이터를 형성하기 위한 금속 재료로서 적합하다.

상기 (11)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 금속 기판의 표면에 상기 성막 공정에 의해 합금 피막을 형성하여, 도전성과 내식성이 우수한 금속 세퍼레이터를 제조할 수 있다.

상기 (12)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 가스 유로를 형성하는 오목부를 갖는 금속 기판의 표면의 적어도 일부에 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 형성하므로, 오목부가 형성된 금속 기판이라도, 고온ㆍ산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있는 금속 세퍼레이터를 제조할 수 있다.

상기 (13) 또는 (14)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에 따르면, 이와 같은 상기 열처리 공정에 의해 합금 피막을 형성한 금속 기판을 열처리하면, 또한 도전성과 내식성이 우수한 금속 세퍼레이터를 제조할 수 있다.

상기 (15)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에 따르면, 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율에 따라서, 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압으로 조정함으로써, 얻어지는 합금 피막의 도전성과 내식성을 높일 수 있다.

상기 (16)에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에 따르면, 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하면서 성막함으로써, 동일한 장치로 성막과 열처리를 동시에 행할 수 있으므로, 보다 생산성을 높일 수 있다.

상기 (17)에 관한 연료 전지는, 상기 (8) 내지 상기 (10) 중 어느 하나에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터를 사용하고 있으므로, 양호한 내식성 및 도전성을 갖는다.

상기 (18)에 관한 스퍼터링용 타겟재는, 상기한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조에 사용하여 원하는 피막 조성의 합금 피막을 안정시켜 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

본 발명의 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막은 접촉 저항이 낮기 때문에 도전성이 우수하다. 또한, 내식성이 우수하므로, 낮은 접촉 저항을 부식 분위기 중에 있어서도 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법은, 상기한 도전성과 내식성이 우수한 금속 세퍼레이터 합금 피막을, 합금 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해 형성함으로써, 양호한 피막 조성 재현성과 양호한 생산성으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터는, 상기 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 표면에 가짐으로써, 도전성과 내식성이 우수하고, 또한 생산성이 우수하다.

또한, 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법은, 상기한 금속 세퍼레이터 합금 피막을, 합금 타겟을 사용한 스퍼터링법에 의해 금속 기판의 표면에 형성함으로써, 도전성과 내식성이 우수한 동시에, 양호한 피막 조성 재현성과 양호한 생산성을 유지하여 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 연료 전지는, 상기한 금속 세퍼레이터를 사용하므로, 양호한 내식성 및 도전성을 갖는다.

또한, 본 발명의 스퍼터링 타겟재는, 상기한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조시에, 원하는 피막 조성의 합금 피막을 안정시켜 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법의 공정을 설명하는 흐름도이다.

도 2의 (A)는 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 평면도, 도 2의 (B)는 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 일부 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터를 사용한 연료 전지의 구성을 설명하는 분해 사시도이다.

도 4는 접촉 저항의 측정 방법을 설명하는 도면이다.

[부호의 설명]

S1 : 형성 공정

S2 : 설치 공정

S3 : 성막 공정

S4 : 열처리 공정

1, 31 : 금속 세퍼레이터

2 : 금속 기판

3 : 합금 피막

10 : 단셀

20 : 연료 전지

21 : 가스 유로

22 : 가스 도입구

32 : 고체 고분자막

33 : 카본 크로스

41 : 시험판

42 : 카본 크로스

43 : 구리 전극

44 : 직류 전류 전원

45 : 전압계

이하, 본 발명에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막 및 그 제조 방법, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 및 연료 전지의 실시 형태, 상기 합금 피막의 성막에 사용되는 스퍼터링 타겟재에 대해, 적절하게 도면을 참조하여 설명한다. 참조하는 도면에 있어서, 도 1은 본 발명에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법의 공정을 설명하는 흐름도이다. 도 2에 있어서, (A)는 본 발명에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 평면도, (B)는 그 일부의 확대 단면도이다. 도 3은 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터를 사용한 연료 전지의 일부를 전개한 모습을 도시하는 도면이다. 도 4는 접촉 저항의 측정 방법을 설명하는 도면이다.

본 발명에 관한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막[도 2의 (B) 참조, 이하, 단순히「합금 피막」이라 하는 경우도 있음](3)은, 귀금속 원소와 비귀금속 원소를 포함하는 합금으로 구성된다.

합금 피막(3)을 형성하는 귀금속 원소로서는, 산화 분위기 중에 있어서 그 표면에 산화 피막을 형성하지 않고, 산화 분위기 하에서도 도전성을 양호하게 유지할 수 있고, 또한 내식성이 우수한 금속이므로, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종이 사용된다.

또한, 비귀금속 원소로서는, 그 표면에 부동태 피막을 형성하여 고내식성을 나타내고, 또한 산소, 질소, 탄소와 결합하기 쉬운 금속이므로, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 사용된다. 이들 고내식성을 갖는 비귀금속 원소와 상기 귀금속 원소를 포함하는 합금 피막(3)은 도전성과 내식성을 겸비하고, 또한 Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종을 사용함으 로써 귀금속 원소의 사용량을 저감시키는 동시에, 금속 기판(2)과의 밀착성을 향상시켜 피막의 응집을 방지할 수 있다.

본 발명의 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막(3)에 있어서, 상기 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율은, 원자비로 35/65 내지 95/5이며, 보다 바람직하게는 원자비로 35/65 내지 85/15이고, 더욱 바람직하게는 35/65 내지 80/20이다. 통상, 기판 상에 Au나 Pt의 귀금속만의 피막을 얇게 형성한 경우, 고온ㆍ산성 분위기 중(예를 들어 80℃ㆍ1mol/l의 황산 중)에서는 귀금속의 응집이 일어나고, 기판의 일부가 노출되어 기판의 용해가 일어나, 머지않아 귀금속의 피막이 기판으로부터 박리될 우려가 있다. 이에 대해, 본 발명의 합금 피막(3)에서는, Au나 Pt의 귀금속 원소와, 고내식성의 비귀금속 원소를 합금화함으로써 Au나 Pt를 포함하는 피막의 응집을 방지하고, 고온ㆍ산성 분위기에 있어서도 장기간 양호한 도전성과 내식성을 발휘할 수 있다.

귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 95%를 초과하는 경우, 고온ㆍ산성 분위기 중에서의 응집을 충분히 억제할 수 없어, 고온ㆍ산성 분위기에 장기간 노출되면 합금 피막(3)의 응집이 일어나 금속 기판(2)이 노출되어, 금속 기판(2)의 용해나 합금 피막(3)의 박리의 우려가 있다. 또한, 표면이나 그 주변의 합금 피막(3)과 금속 기판(2)의 계면에 두꺼운 산화 피막이 형성되어, 도전성이 열화될 우려가 있다. 한편, 귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35% 미만인 경우, 합금 피막(3)의 응집은 일어나지 않지만, 합금 피막(3)의 표면에 형성되는 산화 피막의 면적률이나 그 두께가 증가하여, 도전성이 열화될 우려가 있다.

본 발명의 금속 세퍼레이터용 합금 피막(3)의 막 두께는 2㎚ 이상인 것을 필요로 한다. 합금 피막(3)의 막 두께가 2㎚ 미만인 경우에는, 합금 피막(3)에 핀 홀이 많이 형성되어 버리므로 금속 기판(2)이 노출되는 부분이 발생하고, 세퍼레이터로서 사용할 때에 노출 부분의 표면이나 그 주변의 합금 피막(3)과 금속 기판(2)의 계면에 두꺼운 산화 피막이 형성되어, 도전성이 열화될 우려가 있다. 또한, 합금 피막(3)의 막 두께는, 5㎚ 이상인 것이 보다 바람직하고, 7㎚ 이상인 것이 특히 바람직하다. 한편, 합금 피막(3)의 막 두께의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 성막에 필요로 하는 시간과 비용의 면에서 500㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법은, 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에 있어서의 설치 공정 S2와, 성막 공정 S3을 포함하고 있고, 보다 바람직하게는 그 후에 열처리 공정 S4를 포함하는 방법이다. 이 성막 공정 S3 및 열처리 공정 S4에 대해서는, 후술하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법에 있어서 설명한다.

다음에, 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터(1)의 제조 방법은, 설치 공정 S2와, 성막 공정 S3을 포함하여 이루어지고, 보다 바람직하게는 그 후에 열처리 공정 S4를 포함하는 방법이다. 또한, 설치 공정 S2 전에 형성 공정 S1을 포함해도 좋다. 이하에서는, 형성 공정 S1을 포함하는 연료 전지용 금속 세퍼레이터(1)의 제조 방법에 대해 설명하는 것으로 한다.

형성 공정 S1은, 금속 기판(2)의 표면의 적어도 일부에, 수소 가스나 공기 등의 가스를 유통시키는 가스 유로(21)[도 2의 (A) 참조]를 형성하기 위한 오목부를 형성한다. 여기서, 금속 기판(2)의 표면이라 함은, 금속 기판(2)의 외측을 이루는 면을 말하고, 소위 표면, 이면, 측면이 포함된다. 이 형성 공정 S1에 앞서, 금속 기판(2)의 세로 폭, 가로 폭, 두께 등을 미리 설정한 치수나 형상으로 형성해 두는 것이 바람직하다.

여기서, 금속 기판(2)의 표면의 적어도 일부에 가스 유로(21)를 형성하기 위한 장치는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 소정의 목적을 달성할 수 있는 종래 공지의 장치를 적절하게 사용할 수 있다.

또한, 이 형성 공정 S1을 행하지 않는 경우에는, 표면에 오목부가 형성되어 있지 않은, 표면이 평면인 금속 기판으로 이루어지는 연료 전지용 금속 세퍼레이터를 제조할 수 있다.

금속 기판(2)으로서는, JIS H 4600으로 규정되는 1종 내지 4종의 순티탄이나, Ti-Al, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd 등의 Ti 합금, SUS304, SUS316 등의 스테인리스강, 순알루미늄, 알루미늄 합금 등의 알루미늄재 등을 사용할 수 있다. 비용의 면에서는 알루미늄재나 스테인리스강이 우위지만, 내식성의 면에서는 순티탄이나 티탄 합금이 유리하다. 또한, 스테인리스로부터 약간 용출되는 Fe 이온에 의한 연료 전지의 고체 고분자막의 열화를 방지하는 점에서는, 순티탄이나 티탄 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

설치 공정 S2는, 형성 공정 S1에서 오목부를 형성한 금속 기판(2)을, 스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내의 소정 위치에 설치하는 공정이다. 또한, 상기한 본 발명에 관한 스퍼터링 타겟재도 이 설치 공정 S1에서 당해 장치의 챔버 내의 소정 위치에 설치하는 것은 물론이다.

성막 공정 S3은, 오목부가 형성되고, 설치 공정 S2에서 스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내에 설치된 금속 기판(2)의 표면[금속 기판(2)의 표면 전체 또는 표면의 일부]에, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 포함하는 합금 피막(3)[도 2의 (B) 참조]을 형성하는 공정이다. 또한, 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 합금 피막의 성막 공정 S3 전에, 부동태 피막 등의, 금속 기판(2)의 제조 공정에 유래하여 형성된 표면층을 제거해도 좋다.

이 성막 공정 S3에 있어서, 상기 귀금속 원소와 비귀금속 원소를 포함하는 합금 피막(3)의 성막은 스퍼터링법에 의해 행해진다. 스퍼터링법에서의 성막은 상온 내지 수백도의 온도에서 행할 수 있고, 금속 기판(2)에 미치는 손상을 적게 할 수 있어, 균일하게 치밀한 피막을 안정되게 성막할 수 있는 이점이 있다.

또한, 스퍼터링법에 의해, 상기 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율을 넓은 범위에서 자유롭게 제어 가능한 동시에 막 두께도 용이하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 도금으로도 합금 피막(3)을 형성할 수 있지만, 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 조합에 따라서는 그 함유 비율에 제한이 있거나, 도금액 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 농도 관리가 번잡한 등의 단점이 있어 공업적으로는 실용성이 부족하다. 한편, 스퍼터링법에서는 함유 비율도 제한 없이 용이하게 변화시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기한 바와 같이 상기 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율이나 막 두께를 넓은 범위에서 제어하여 스퍼터링을 행하여, 얻어진 합금 피막의 피막 조성을 검토하여, 상기 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 바람직한 함유 비율을 결정한 후에는, 그 함유 비율의 합금 타겟재를 제작하여 스퍼터링에 사용함으로써 안정된 조성의 합금 피막(3)을 얻을 수 있다.

이 합금 피막(3)의 스퍼터링법에 의한 성막 공정 S3은, 금속 기판(2)을 150 내지 800℃로 가열하면서 합금 피막(3)을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법에 따르면 동일 장치 내에서 동시에 열처리를 행할 수 있으므로 생산성이 향상된다.

이 스퍼터링법에 의한 성막은, 아르곤 가스 분위기 하, 압력 0.133 내지 1.33㎩의 조건에서 행하는 것이 바람직하다.

또한, 이 합금 피막(3)에 있어서, 그 합금 피막(3) 내의 조직 구조에 대해서는 충분히 명백하지는 않지만, 조성이 합금 피막(3) 중의 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율로서 나타내고 있는 비율[이하, 합금 피막(3)의 평균 조성]과 동등한 합금상(合金相) 외에, 합금 피막(3)의 평균 조성보다도 귀금속 원소가 농화된 상(相)(귀금속 원소 농화상)이나, 비귀금속 원소가 농화된 상(비귀금속 원소 농화상)이 포함될 수 있다.

비귀금속 원소 농화상이 표면에 노출되어 있는 경우, 그 부분은 표면으로부 터 내부에 산화 피막(부동태 피막을 포함함)을 형성하여 우수한 내식성을 발휘한다. 이 부분은 도전성이 떨어진다고 생각되지만, 내식성이 우수하고 또한 산화 피막이 형성되기 어려운 귀금속 원소 농화상이 표면에 노출됨으로써 도전성을 확보할 수 있어, 내식성과 도전성을 겸비할 수 있다고 생각된다. 또한, 귀금속 원소 농화상은, 응집하기 어려운 비귀금속 원소 농화상이나 거기에 형성된 산화 피막 중에 매립되어 있으므로, 응집, 탈락하기 어려워, 도전성을 장시간 유지할 수 있을 것이라 생각된다.

본 발명의 합금 피막(3)은 성막 공정 S3까지에서도 충분한 도전성과 내식성을 갖지만, 열처리 공정 S4를 부가함으로써 더욱 우수한 특성이 얻을 수 있다.

열처리 공정 S4의 열처리의 온도는 150℃ 이상이 바람직하다. 합금 피막(3)과 금속 기판(2) 사이에 존재하는 부동태 피막 등의 계면층을 박막화시킴으로써 도전성이 향상되고, 또한 합금 피막(3)의 막 응력이 완화되고, 및/또는 합금 피막(3)과 금속 기판(2) 사이에 원자의 확산이 일어나므로 밀착성이 향상된다. 또한, 금속 기판(2)의 단부면부 등의 합금 피막(3)이 부착되기 어려운 부분에 산화 피막이 형성되어, 그 부분의 내식성이 향상되는 이점이 있다.

한편, 열처리 온도가 800℃를 초과하면, 비귀금속 원소 농화상의 표면에 형성하는 산화 피막이 합금 피막(3)의 표면에 차지하는 면적률이 증가하고, 또한 그 두께가 증가함으로써 도전성이 열화되고, 및/또는 합금 피막(3)이 응집하므로 내식성이 열화되는, 등의 이유로부터 우수한 접촉 저항을 얻을 수 없게 된다고 생각할 수 있다. 따라서, 열처리 공정 S4의 열처리 온도는 150℃ 내지 800℃인 것이 바람 직하다. 또한, 열처리 온도는 보다 바람직하게는 150℃ 내지 650℃이고, 가장 바람직하게는 200 내지 650℃이다.

본 발명에 있어서, 금속 기판(2)과 합금 피막(3) 사이에 형성되는 층[계면층(도시하지 않음)]이 밀착성, 도전성, 내식성을 겸비하고 있으면, 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 합금 피막(3)을 형성하는 비귀금속(Ti, Zr, Nb, Hf, Ta)은 산소에 부가하여, 질소나 탄소 등과도 결합하기 쉬우므로, 금속 기판(2)의 표면에 탄화물이나 질화물이 존재해도 부동태 피막이 존재하는 경우와 마찬가지로 우수한 밀착성을 얻을 수 있다.

즉, 본 발명에 있어서, 상기 계면층이 Zr, Hf, Nb, Ta, Ti로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물(부동태 피막을 포함함), 질화물, 산질화물, 산탄화물, 탄질화물, 산탄질화물, 및 이들 중에서 선택되는 2종 이상의 물질의 혼합물인 경우에 같은 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 계면층은, PVD법(스퍼터링법, 진공 증착법, 이온 플레이팅법 등)으로 당해 계면층이 되는 피막을 성막한 후에, 합금 피막(3)을 성막함으로써 형성할 수 있다. 또한, 계면층은, 합금 피막(3)의 성막 전의 금속 기판(2)의 표면층에 유래하고 있어도 같은 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 표면층은, 예를 들어 열간 가공 마무리나 냉간 가공 마무리에 의해 얻는 방법, 산 세척하여 부동태 피막을 형성하는 방법, 양극 산화에 의해 양극 산화 피막을 형성하는 방법, 대기중이나 산소가 존재하는 분위기 중에서의 열처리로 산화 피막을 형성하는 방법, 그 밖의 일반적인 표면 처리 방법으로 형성되는 표면층이라 도 좋다.

또한, 이들 산화 피막 등의 계면층이 없는 경우에도, 물론, 우수한 도전성, 밀착성, 내식성을 얻을 수 있다. 또한, 성막 전의 금속 기판(2)의 표면은 평활한 쪽이 핀 홀의 발생을 억제하여, 밀착성과 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

열처리 공정 S4는, 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압(대기 분위기 하에 있어서의 산소 분압 이하)을 갖는 분위기 하에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서 산소 분압이라 함은, 열처리 공정 S4를 행하는 열처리로 내에 있어서의 산소가 차지하는 압력(또한, 본 발명에 있어서 대기의 조성은, 질소:산소가 대략 4:1로 구성되어 있는 것으로 함)을 말한다. 예를 들어, 합금 피막(3)의 막 두께가 3 내지 5㎚로 비교적 얇은 경우에는, 산소 분압이 대기 분위기에 있어서의 산소 분압 이하의 분위기 중에서 1 내지 15분 정도의 단시간의 열처리를 하는 것이 바람직하고, 합금 피막(3)이 50㎚ 이상이면 대기 분위기에서 10 내지 50분 정도 열처리해도 양호한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 귀금속 원소의 함유량이 원자비로 약 5 내지 25%의 범위의 합금 피막(3)을 고온도(예를 들어, 500℃)에서 열처리한 경우, 산소 분압이 낮을수록 보다 우수한 도전성과 내식성을 얻을 수 있는 등, 합금 피막(3)의 막 두께와 귀금속 원소의 함유 비율에 의해 산소 분압, 온도, 시간을 적절하게 조정하는 것이 좋다. 또한, 낮은 산소 분압 조건 하라도, 현실적으로 도달 가능한 진공도에서는, 비귀금속 원소 농화상이 합금 피막(3)의 표면에 노출되어 있는 경우, 그 표면에 산화 피막이 형성되므로, 합금 피막은 도전성을 확보하면서, 내식성을 발휘할 수 있다. 산소 분압은, 바람직하게는 13.33㎩ 이하, 더욱 바람직하게는 1.33㎩ 이하이다.

이 열처리 공정 S4는, 노 내를 감압할 수 있는 전기로나 가스로 등의 종래 공지의 열처리로를 사용함으로써 행할 수 있다.

본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지 세퍼레이터(1)는, 상기한 바와 같이 금속 기판(2)의 표면에 도전성과 내식성을 만족하는 합금 피막(3)을 갖고 있으므로, 연료 전지용 금속 세퍼레이터로서 적절하게 사용할 수 있다.

다음에, 상기한 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 의해 제조된 본 발명에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(1)에 대해 상세하게 설명한다.

도 2의 (A) 및 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터(1)는 표면의 적어도 일부에 가스를 유통시키는 가스 유로(21)를 형성하기 위한 오목부가 형성된 금속 기판(2)의 표면에, 상기한 본 발명의 금속 세퍼레이터용 합금 피막(3)을 형성한 구조를 갖는 것이다.

다음에, 본 발명에 관한 연료 전지에 대해 적절하게 도면을 참조하여 설명한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 연료 전지(20)는, 2매의 카본 크로스(33, 33) 사이에 고체 고분자막(32)을 끼우고, 또한 카본 크로스(33, 33)의 외측에 상기한 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터(31, 31)를 적층한 구조를 갖는 단셀(10)을 복수 셀 중첩한 구조를 갖는 것이다.

이 연료 전지(20)는, 예를 들어 티탄 또는 티탄 합금제의 금속 기판(2)을 소 정수 준비하고, 이 소정수 준비한 금속 기판(2)을 세로 폭 95.2㎜×가로 폭 95.2㎜×두께 19㎜ 등의 소정의 치수로 하는 동시에, 그 기판(2)의 표면의 중앙부에 기계 가공이나 에칭 등에 의해, 예를 들어 홈 폭 0.6㎜, 홈 깊이 0.5㎜의 오목부를 형성하여, 도 3에 나타내는 바와 같은 형상의 가스 유로(21)를 형성한다. 그리고, 오목부를 형성한 금속 기판(2)을 사용하여, 상기한 성막 공정 S3 및 열처리 공정 S4를 행함으로써 연료 전지용 금속 세퍼레이터(1)를 소정수 제조할 수 있다.

계속해서, 도 3에 도시한 바와 같이, 소정수 제조한 연료 전지용 세퍼레이터(31)를, 예를 들어 2매 사용하여 가스 유로(21)가 형성된 면을 대면시켜 배치하고, 가스 유로(21)가 형성된 각각의 면에, 가스를 막 상에 균일하게 확산시키기 위한 카본 크로스(33) 등으로 이루어지는 가스 확산층을 배치하고, 한쪽의 가스 확산층과 다른 쪽의 가스 확산층 사이에 백금 촉매를 표면에 도포한 고체 고분자막(32)을 끼워 단셀(10)을 형성한다. 마찬가지로 하여 복수 제작한 단셀(10)을 복수 적층하여 셀 스택(도시하지 않음)으로 하고, 이에 연료 전지에 필요한 그 밖의 소정의 부품의 설치, 및 접속 등을 행함으로써, 양호한 내식성 및 도전성을 갖는 본 발명에 관한 연료 전지(고체 고분자형 연료 전지)(20)를 제작할 수 있다.

또한, 연료 전지(20)에 사용되는 고체 고분자막(32)은, 캐소드극에서 생성한 프로톤을 애노드극으로 이동하는 작용을 갖는 막이면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있고, 예를 들어 술폰기를 가진 불소계의 고분자막을 적절하게 사용할 수 있다.

이와 같이 하여 제작된 연료 전지(20)는 애노드극으로서 배치된 연료 전지용 금속 세퍼레이터(31)에, 가스 유로를 통해 연료 가스(예를 들어, 순도 99.999%의 수소 가스)를 도입하고, 캐소드극으로서 배치된 연료 전지용 금속 세퍼레이터(31)에, 가스 유로를 통해 공기를 도입한다. 이때 연료 전지(20)는, 전체를 80℃ 정도로 가열 보온하여, 상기한 수소 가스 및 공기를 가온된 수중(水中)을 통과시킴으로써 이슬점 온도를 80℃로 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 가스(수소 가스) 및 공기는, 예를 들어 2026h㎩(2기압)의 압력으로 도입하면 된다.

연료 전지(20)는, 이와 같이 하여 애노드극에 수소 가스를 도입함으로써, 가스 확산층에 의해 고체 고분자막(32)에 대해 균일하게 공급되어, 당해 고체 고분자막(32)에서 하기 화학식 1의 반응이 일어난다.

한편, 연료 전지(20)는 캐소드극에 공기를 도입함으로써, 가스 확산층에 의해 고체 고분자막(32)에 대해 균일하게 공급되어, 당해 고체 고분자막(32)에서 하기 화학식 2의 반응이 일어난다.

이와 같이, 고체 고분자막(32)에서 상기 화학식 1, 화학식 2의 반응이 일어남으로써, 이론적으로는 약 1.2V의 전압을 얻을 수 있다.

여기서, 본 발명에 관한 연료 전지(20)는, 상기한 바와 같이, 본 발명에 관한 연료 전지용 금속 세퍼레이터(1)를 사용하고 있으므로, 종래의 금속제의 세퍼레 이터를 사용한 연료 전지와 비교하여 양호한 내식성 및 도전성을 발휘시키는 것이 가능해진다.

본 발명의 스퍼터링용 타겟재(도시하지 않음)는, 상기 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막(3)을 형성하기 위해, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소를 양자의 원자비(귀금속 원소/비귀금속 원소)가 35/65 내지 95/5가 되도록 구성된 것이다. 소규모의 생산을 행할 때에는 귀금속 원소의 타겟 상에 비귀금속 원소의 칩, 혹은 비귀금속 원소의 타겟 상에 귀금속 원소의 칩을 부착하여 스퍼터링용 타겟재로서 사용함으로써 조성을 바꾼 합금 피막을 형성할 수도 있지만, 이 방법에서는 성막한 피막의 합금 조성의 재현성이 나빠질 경우가 있다. 따라서, 금속 세퍼레이터용 합금 피막(3)의 양산시에 대량의 합금 피막을 형성하기 위해서는, 실험적으로 조성 검토를 행한 후에, 원하는 조성의 합금 타겟을 제작하여 합금 피막(3)을 성막하는 것이 바람직하다.

또한, 합금을 구성하는 원소의 종류에 따라서는 합금 타겟 조성과 합금막 조성에 어긋남이 발생하는 경우가 있다. 이는, 원소의 종류에 따라서는 스퍼터링 중에 각 원자가 타겟재의 표면으로부터 금속 기판(2)을 향해 이동하는 동안에, Ar 이온과의 충돌에 의해 산란하여 금속 기판(2)의 밖으로 나오게 되는 것이 주된 이유라 생각된다. 그러나, 본 발명에서 선택한 귀금속 원소와 비귀금속 원소에서는 그와 같은 산란은 일어나기 어렵고, 타겟재와 같은 조성의 합금 피막(3)을 얻을 수 있다고 생각된다.

본 발명의 스퍼터링용 타겟재는, 분말 야금법이나 용융법에 의해 제조할 수 있지만, 조합하는 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 융점이나 비중에 큰 차가 있는 경우나, 서로 고용하기 어려운 원소의 조합의 경우에는 용융법으로 제조하는 것은 곤란하기 때문에, 분말 야금법으로 제조하는 것이 바람직하다. 그 경우는,「원료 분말 혼합→형 충전→형 탈기→HIP(열간 정수압 브레스) 소결→탈형→단조→압연→기계 가공→배킹 플레이트로의 본딩」이라는 프로세스로 제조할 수 있다.

이와 같은 스퍼터링용 타겟재를 사용하면, 막 조성이 안정된 합금 피막(3)을 성막할 수 있고, 성능이 안정된 연료 전지의 금속 세퍼레이터(31) 및 연료 전지(20)를 제공할 수 있다.

본 발명의 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막 및 그 제조 방법, 금속 세퍼레이터 및 연료 전지에 대해, 본 발명의 요건을 만족하는 실시예와 본 발명의 요건을 만족하지 않는 비교예를 대비하여 구체적으로 설명한다.

<제1 내지 제8 실시예, 제1 내지 제7 비교예>

JIS H 4600에 규정되는 1종의 순티탄으로 이루어지는 티탄제 기판[20×50×0.15㎜, 산술 평균 거칠기(Ra)=15㎚]을 아세톤으로 초음파 세정한 후, 챔버 내의 기판대에 설치하였다. 그리고, 합금 피막 형성용 타겟으로서 귀금속 원소의 타겟에 비귀금속 원소의 칩, 혹은 비귀금속 원소의 타겟에 귀금속 원소의 칩[어떤 것을 사용할지는, 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율(표 1 내지 표 5 중에서는 「귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율」이라 표시)(원자비)에 따라 다름]을 부착한 타겟을 챔버 내의 전극에 설치한 후, 챔버 내를 0.00133㎩ 이하의 진공으로 배기하였다.

여기서, 기판의 표면은 표면 거칠기 측정 장치(Dektak 6M)를 사용하여 측정하고, 측정에서 얻어진 거칠기 곡선으로부터 20㎛의 범위를 선택하여 Ra를 산출하였다.

다음에, Ar 가스를 챔버 내에 도입하여, 챔버 내의 압력이 0.266㎩가 되도록 조정하였다. 그 후, 타겟에 출력 100W, 주파수 13.56㎐의 RF(고주파)를 인가하여 아르곤 플라즈마를 발생시킴으로써 스퍼터링을 행하고, 기판의 한 면에 원하는 조성의 합금 피막을 성막하였다. 또한 기판을 뒤집어, 같은 방법으로 성막하였다.

여기서, 타겟이나 칩에 사용하는 금속 원소종을 바꿈으로써 합금 피막에 있어서의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 조합을, 또한 타겟에 부착하는 칩의 매수를 바꿈으로써 합금 피막에 있어서의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율을 바꾸고, 또한 성막 시간을 바꾸어 막 두께를 제어하고, 표 1에 나타내는 합금 피막을 성막하였다.

계속해서, 합금 피막을 성막한 기판을, 0.00665Pa의 진공 분위기 중에서, 500℃에서 5분간 열처리하여 시험판을 얻었다.

얻어진 시험판에 대해, 합금 피막 중 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율(원자비), 합금 피막의 막 두께, 및 열처리 전후의 접촉 저항을 측정하였다. 또한, 산성 분위기 중에서의 내식성의 지표로서, 황산 침지 후의 접촉 저항을 측정하였다.

귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율의 측정

얻어진 시험판의 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율(원자비)을, ICP(Inductively Coupled Plasma : 유도 결합 플라즈마) 발광 분석법에 의해 측정하였다. 여기서, 합금 피막과 기판을 함께 용해할 수 있는 산 용액을 사용하여 시험판을 용해시키고, 얻어진 용해액 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 농도를 측정하여, 그 합을 100%로 규격화하여 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율(원자비)을 산출하였다. 또한, 비귀금속 원소가 Ti인 경우에는, Si 웨이퍼 기판에 합금막을 성막하여 측정을 행하였다.

열처리 전후의 접촉 저항의 측정

금속 기판의 표면에 합금 피막을 형성한 직후의 시험판(열처리 전)과, 합금 피막을 형성한 후, 열처리를 행한 시험판(열처리 후)에 대해, 도 4에 나타내는 접촉 저항 측정 장치를 사용하여, 열처리 전후의 접촉 저항을 측정하였다. 즉, 시험판(41)의 양면을 2매의 카본 크로스(42, 42) 사이에 끼우고, 또한 그 외측을 접촉 면적 1㎠의 2매의 구리 전극(43, 43) 사이에 끼워 하중 98N(10kgf)으로 가압하고, 직류 전류 전원(44)을 사용하여 1A의 전류를 통전하고, 카본 크로스(42, 42) 사이에 가해지는 전압을 전압계(45)로 측정하여 접촉 저항을 구하였다.

황산 수용액 침지 후의 접촉 저항

시험판(41)을 그 단부면 부분 등의 합금 피막이 형성되지 않은 부분을 마스킹 하여, 85℃의 황산 수용액(10mmol/l)에 500시간 침지 후, 황산 수용액으로부터 취출하여, 세정, 건조 후, 마스킹재를 제거한 후, 상기와 같은 방법으로 접촉 저항을 측정하였다. 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항이 15mΩㆍ㎠ 이하인 경우를 합 격으로 하였다.

각 시험판의 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율(원자비) 및 합금 피막의 막 두께, 열처리 전후의 접촉 저항 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항의 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

제3 비교예와 제5 비교예의 시험판에서는, 귀금속의 함유 비율이 많다. 그로 인해, 열처리 후의 접촉 저항은 낮지만, 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항이 증가하고 있어, 산성 분위기에 있어서의 내식성이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 황산 수용액에의 침지 중에 합금 피막의 응집이 일어나, 기판과 합금막의 계면에 두꺼운 산화 피막이 형성되었기 때문이라 생각된다.

제2 비교예 및 제4 비교예의 시험판에서는, 열처리 전은 접촉 저항이 비교적 낮은 값이지만, 합금 피막의 막 두께가 얇기 때문에, 열처리에 의해 산화가 지나치게 진행되어 접촉 저항의 증가가 보였다. 또한, 제2 비교예 및 제4 비교예의 시험판은, 황산 수용액에의 침지 후에 접촉 저항의 증가가 보였다. 합금 피막의 막 두께가 얇기 때문에, 핀 홀 등 기판이 노출되어 있는 부분이 많고, 기판과 합금막의 계면에 두꺼운 산화 피막이 형성되었기 때문이라 생각된다.

제6 비교예 및 제7 비교예의 시험판에서는, Ag는 85℃, 10mmol/l의 황산 수용액 중에서 산화 또는 일부가 용해되어, 접촉 저항의 증가가 일어난 것이라 생각된다.

이에 대해, 제1 실시예 내지 제8 실시예의 시험판에서는, 합금 피막 중의 귀금속의 함유 비율과 막 두께에 의해 성능이 변화되지만, 양호한 도전성과 내식성을 나타냈다.

<제9 실시예 내지 제16 실시예, 제8 비교예 내지 제12 비교예>

SUS304로 이루어지는 기판(20×50×1㎜, Ra=12㎚)을 아세톤 중에서 세정한 후, 제1 실시예와 같은 스퍼터링 방법에 의해 표 2에 나타내는 귀금속 원소의 함유 비율과 막 두께를 갖는 합금 피막을 성막하였다. 계속해서, 합금 피막을 성막한 기판을, 0.00665㎩의 진공 분위기 중에서, 500℃에서 5분간, 열처리하여 시험판을 얻었다.

얻어진 시험판에 대해, 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율, 열처리 전후 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항을, 제1 실시예와 같은 방법에 따라서 측정하였다.

각 시험판에 대해, 합금 피막 중의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율, 열처리 전후의 접촉 저항 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

제8 비교예, 제9 비교예, 제10 비교예, 제11 비교예 및 제12 비교예의 시험판에서는, 열처리 전은 접촉 저항이 비교적 낮지만, 합금 피막의 막 두께가 얇고, 열처리 후에 접촉 저항의 증가가 보였다. 또한, 이들 제8 비교예, 제9 비교예, 제10 비교예, 제11 비교예 및 제12 비교예의 시험판은 황산 수용액에의 침지 후에 접촉 저항의 증가가 보였다. 이는 합금 피막의 막 두께가 얇기 때문에, 핀 홀 등 기판이 노출되어 있는 부분이 많고, 기판과 합금 피막의 계면에 두꺼운 산화 피막이 형성되었기 때문이라 생각된다. 이에 대해, 제9 실시예 내지 제16 실시예의 시험판에서는, 합금 피막의 막 두께가 2㎚ 이상이며, 그 합금 피막 중의 귀금속의 함유 비율과 합금 피막의 막 두께에 따라서 성능이 변화되지만, 모두 양호한 도전성과 내식성을 나타냈다.

<제17 실시예 내지 제20 실시예, 제13 비교예, 제14 비교예>

JIS H 4600에 규정되는 1종의 순티탄으로 이루어지는 티탄제 기판(20×50×0.15㎜, Ra=15㎚)을 아세톤으로 초음파 세정한 후, 제1 실시예와 같은 스퍼터링 방법에 의해 표 3에 나타내는 귀금속 원소의 함유 비율과 막 두께를 갖는 합금 피막을 성막하였다. 그 후, 표 3에 나타내는 다양한 열처리 조건에서 열처리를 행하여, 시험판을 얻었다. 여기서, 산소 분압은 열처리로 내를 0.00133㎩가 될 때까지 진공 배기하고, 소정의 온도로 가열한 후, 표 3에 나타내는 산소 분압이 되도록 노 내를 배기하면서 산소를 도입하여 조정하였다. 각각의 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소의 함유 비율, 열처리 전후 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항을 제1 실시예와 같은 방법에 따라서 측정하였다.

각 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소와 비귀금속 원소의 함유 비율 및 막 두께, 열처리 전후의 접촉 저항 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

제13 비교예의 시험판에서는, 열처리 후에 접촉 저항의 증가가 확인되었다. 열처리 온도가 너무 높았기 때문에 합금 피막이 응집하여, 기판 표면에 두꺼운 산화 피막이 형성되었기 때문이라 생각된다.

제14 비교예의 시험판에서는, 열처리 후에 접촉 저항의 증가가 확인되었다. 합금 피막은 응집하지 않지만, 열처리 온도가 지나치게 높았기 때문에, 합금 피막 표면에 산화 피막이 두껍게 형성되고, 열처리 후의 접촉 저항이 현저하게 높아졌다고 생각된다. 이에 대해, 제17 실시예 내지 제20 실시예의 시험판에서는, 800℃ 미만의 온도에서 열처리하였으므로, 합금 피막 중의 귀금속의 함유 비율과 합금 피막의 막 두께에 따라서 성능이 변화하지만, 모두 양호한 도전성과 내식성을 나타냈다.

<제21 실시예 내지 제36 실시예, 제15 비교예 내지 제18 비교예>

JIS H 4600에 규정되는 1종의 순티탄으로 이루어지는 티탄제 기판(20×50×0.15㎜, Ra=15㎚)을 아세톤으로 초음파 세정한 후, 제1 실시예와 같은 스퍼터링 방법에 의해 합금 피막을 성막하였다. 또한, 모두 합금 피막 형성용 타겟의 귀금속 원소는 Au를 사용하고, 비귀금속 원소는 Ta를 사용하였다. 또한, 성막 시간을 조정하여 막 두께가 20㎚가 되도록 하였다. 그 후, 표 4에 나타내는 다양한 열처리 조건[열처리 분위기(Pa), 열처리 온도(℃)]에서 열처리를 행하여, 시험판을 얻었다. 열처리는 각 온도에서 5분간 유지하여 행하였다.

각각의 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소의 함유 비율(Au/Ta)(원자비), 열처리 전후 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항(mΩㆍ㎠)을 제1 실시예와 같은 방법에 따라서 측정하였다.

각각의 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율, 열처리 전후의 접촉 저항 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항의 측정 결과를, 열처리 조건과 함께 표 4에 나타낸다.

제15 비교예의 시험판은, 성막 후의 접촉 저항은, 이보다도 비귀금속 원소의 함유 비율이 낮은 것과 거의 변하지 않지만, 비귀금속 원소의 함유 비율이 높기 때문에 황산 수용액 침지 후에 접촉 저항이 증가하였다.

제16 비교예의 시험판은, 비귀금속 원소의 함유 비율이 높은 제15 비교예의 시험판을 대기압 조건 하, 비교적 낮은 열처리 조건에서 열처리한 것이다. 제16 비교예의 시험판은, 제15 비교예의 시험판보다도 황산 수용액 침적 후의 접촉 저항은 낮았지만 15mΩㆍ㎠를 초과하였다.

제17 비교예의 시험판은, 비귀금속 원소의 함유 비율이 높은 제15 비교예의 시험판을 대기압 조건 하, 비교적 높은 열처리 조건에서 열처리한 것이다. 제17 비교예의 시험판은, 열처리 후에 접촉 저항이 증가하였다. 또한, 황산 수용액 침적 후의 접촉 저항도 증가하였다.

제18 비교예의 시험판은, 제15 비교예의 시험판을 진공 중(0.00665Pa)에서 열처리한 것이다. 제18 비교예의 시험판은, 열처리 후의 접촉 저항은 15mΩㆍ㎠ 이하이지만, 황산 수용액 침적 후에 접촉 저항이 크게 증가하였다.

이에 대해, 제21 실시예 내지 제36 실시예의 시험판은, 합금 피막 중의 귀금속의 함유 비율과 열처리 조건에 의해 성능이 변화하지만, 양호한 도전성과 내식성을 나타냈다.

<제37 실시예, 제38 실시예, 제19 비교예>

경면 연마한 JIS H 4600에 규정되는 1종의 순티탄으로 이루어지는 티탄제 기판(20×50×0.15㎜, Ra=3㎚)을 아세톤으로 초음파 세정한 후, 제1 실시예와 같은 스퍼터링 방법에 의해 합금 피막을 성막하였다. 또한, 합금 피막 형성용 타겟의 귀금속 원소는 Au를 사용하고, 비귀금속 원소는 Ta를 사용하였다. 또한, 성막 시간을 조정하여 막 두께가 20㎚가 되도록 하였다. 그 후, 표 5에 나타내는 다양한 열처리 조건[열처리 분위기(Pa), 열처리 온도(℃)]에서 열처리를 행하여, 시험판을 얻었다. 열처리는, 각 온도에서 5분간 유지하였다.

각각의 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율(Au/Ta)(원자비), 열처리 전후 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항(mΩㆍ㎠)을 제1 실시예와 같은 방법에 따라서 측정하였다. 또한, 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항은, 각각의 시험판을 80℃의 황산 수용액(1mol/l)에 100시간 침지하여 접촉 저항을 측정하였다.

각각의 시험판의 합금 피막의 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율, 열처리 후의 접촉 저항 및 황산 수용액 침지 후의 접촉 저항의 측정 결과를 표 5에 나타낸다.

제19 비교예의 시험판은, 황산 수용액에의 침지 시험 후, 티탄 기판이 용해되었으므로 접촉 저항을 측정할 수 없었다. 순Au막이 응집ㆍ박리되어 티탄 기판이 노출, 용해된 것으로 생각된다.

이에 대해, 제37 실시예, 제38 실시예의 시험판은, 기판 표면을 평활화함으로써 합금 피막 중의 핀 홀 형성을 방지하고, 합금 피막은 적절한 함유 비율로써 Au와 Ta를 합금화하고 있으므로, 황산 수용액 침지 중이라도 금속 기판과의 밀착성이 손상되지 않고, 합금 피막이 응집하지 않고, 또한 합금 피막이 우수한 내식성을 갖고 있으므로, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

<제39 실시예>

본 발명의 금속 세퍼레이터를 연료 전지에 조립하여, 발전 시험을 행하였다.

금속 세퍼레이터는 이하의 순서로 제작하였다.

우선, 도 2의 (A)에 나타낸 바와 같이, 티탄판(95.2×95.2×19㎜)으로 이루어지는 금속 기판(2)의 표면 중앙부에 기계 가공에서 홈 폭 0.6㎜, 홈 깊이 0.5㎜의 가스 유로(21)를 형성하였다. 가스 유로(21)는 그 양단부에 수소 가스 또는 공기를 도입하기 위한 가스 도입구(22)를 갖는다.

합금 피막의 성막시에 있어서는, Au-Ta 합금 타겟을 제조하여, 그것을 사용하여 성막하였다. Au와 Ta의 분말을 Au 조성이 60원자%가 되도록 혼합하여, 형 충전, 형 탈기, HIP, 탈형, 단조, 압연, 및 기계 가공의 순으로 성형을 행하여, 외경 152.4㎜(6인치), 두께 5㎜의 원반형의 스퍼터링 타겟을 제조하였다.

다음에, 가스 유로(21)를 형성한 금속 기판(2)의 면 상에 상기 Au-Ta 스퍼터링 타겟을 사용하여, 제1 실시예와 같은 성막 조건에 의해 Au와 Ta로 이루어지는 합금 피막을 피막 두께가 20㎚가 되도록 성막하였다. 또한, 상기 스퍼터링 타겟을 사용하여 동일한 조건에서 순티탄 기판 상에 성막한 것으로 합금막 중의 Au 조성을 ICP 발광 분석법에 의해 측정한 결과, 타겟 조성과 대략 같은 61원자%인 것을 확인하였다.

계속해서, Au와 Ta로 이루어지는 합금 피막을 성막한 금속 기판(2)을, 0.00665㎩의 진공 분위기 중에 있어서 500℃에서 5분간, 열처리하여 금속 세퍼레이터를 제조하였다.

다음에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 금속 세퍼레이터(31, 31)를 일렉트로켐(Electrochem)사제의 시판의 연료 전지(EFC-05-01SP)(20)의 단셀(10)로 조립하였다. 도 3에 나타내는 연료 전지 셀에 있어서, 32는 고체 고분자막, 33은 카본 크로스이다.

다음에, 애노드극측 연료 가스로서 99.999%의 수소 가스를 사용하여, 캐소드극측 가스로서 공기를 사용하여 발전 시험을 행하였다. 이때, 연료 전지는, 전체를 80℃로 가열 보온하여, 수소 가스 및 공기를, 가온된 수중을 통과시킴으로써 이슬점 온도를 80℃로 조정하여, 2026h㎩(2기압)의 압력으로 연료 전지에 도입하였다.

그리고, 셀 성능 측정용 시스템(스크리브너사제 890CL)을 사용하여, 세퍼레이터에 흐르는 전류를 300㎃/㎠로 하여 100시간 발전시켜 전압 및 출력의 변화를 측정하였다.

그 결과, 티탄 기판의 세퍼레이터의 발전 초기의 전압 및 100시간 발전시킨 후의 전압은 모두 0.61V로, 전압의 변화는 확인되지 않았다.

또한, 비교 대상으로서, 티탄 기판의 세퍼레이터로 바꾸어, 종래부터 사용되고 있는 그라파이트 세퍼레이터(일렉트로켐사제, FC05-MP)를 배치하여 연료 전지를 제작하여, 상기와 동일 조건에서 발전 시험을 행하였다.

그 결과, 발전 초기의 전압 및 100시간 발전시킨 후의 전압은 모두 0.61V로, 티탄 기판의 세퍼레이터와 같은 결과가 되었다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 의해 제조된 세퍼레이터는, 금속제의 세퍼레이터라도 그라파이트 세퍼레이터와 동등한 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다.

본 발명을 특정 형태를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것은, 당업자에 있어서 명백하다.

또한, 본 출원은, 2006년 12월 21일자로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2006-344895호) 및 2007년 9월 21일자로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2007-245917호)을 기초로 하고 있어, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.

또한, 여기에 인용되는 모든 참조는 전체적으로 포함된다.

본 발명에 따르면, 내식성이 우수하고, 또한 접촉 저항이 낮아, 그 낮은 접촉 저항을 부식 분위기 중에 있어서도 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있고, 또한 생산성이 우수한 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막, 그 제조 방법 및 스퍼터링용 타겟재, 및 금속 세퍼레이터 및 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims

Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소로 이루어지고, 상기한 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상 500nm 이하인 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막.
스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내에 금속 기판을 설치하는 설치 공정과,

상기 설치 공정에서 설치한 상기 금속 기판의 표면의 적어도 일부에, 스퍼터링법에 의해, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소로 이루어지고, 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비로 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상 500nm 이하인 합금 피막을 형성하는 성막 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 성막 공정 후, 상기 합금 피막을 형성한 금속 기판을 열처리하는 열처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 열처리 공정에 있어서의 열처리의 온도가 150 내지 800℃인 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 열처리를 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압을 갖는 분위기 하에서 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 성막 공정은 상기 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하여 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이트용 합금 피막의 제조 방법.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는, 연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막.
금속 기판의 표면에, 제1항에 기재된 금속 세퍼레이터용 합금 피막을 형성하여 얻어진 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터.
제8항에 있어서, 상기 금속 기판이, 그 표면의 적어도 일부에 가스를 유통시키는 가스 유로를 형성하는 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 금속 기판이 티탄, 티탄기 합금, 알루미늄, 알루미늄기 합금 및 스테인리스강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터.
금속 기판을, 스퍼터링법을 실시하는 장치의 챔버 내에 설치하는 설치 공정과,

상기 설치 공정에서 설치한 상기 금속 기판의 표면에, Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소로 이루어지고, 상기 귀금속 원소/비귀금속 원소의 함유 비율이 원자비 35/65 내지 95/5이며, 막 두께가 2㎚ 이상 500nm 이하인 합금 피막을 스퍼터링법에 의해 형성하는 성막 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 설치 공정 전에, 상기 금속 기판의 표면의 적어도 일부에 가스를 유통시키는 가스 유로를 형성하기 위한 오목부를 형성하는 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 성막 공정 후, 상기 합금 피막을 형성한 금속 기판을 열처리하는 열처리 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 열처리의 온도가 150 내지 800℃인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 열처리를 2.1×10⁴㎩ 이하의 산소 분압을 갖는 분위기 하에서 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 성막 공정은 상기 금속 기판을 150 내지 800℃로 가열하여 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터의 제조 방법.
제8항 또는 제9항에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
연료 전지의 금속 세퍼레이터용 합금 피막의 제조에 사용하는 스퍼터링용 타겟재이며,

Au 및 Pt로부터 선택되는 적어도 1종의 귀금속 원소와, Ti, Zr, Nb, Hf 및 Ta로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 비귀금속 원소로 이루어지고, 양자의 원자비(귀금속 원소/비귀금속 원소)가 35/65 내지 95/5인 것을 특징으로 하는, 스퍼터링용 타겟재.