KR20110086059A

KR20110086059A - 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 그것을 사용한 연료 전지용 세퍼레이터, 및 연료 전지 스택

Info

Publication number: KR20110086059A
Application number: KR1020117011186A
Authority: KR
Inventors: 요시타카 시부야
Original assignee: 제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-07-27
Also published as: CN102227841B; JPWO2010061694A1; CA2744844A1; WO2010061694A1; JP5313264B2; CN102227841A; CA2744844C; US20110262825A1; US9123920B2; KR101301831B1

Abstract

티탄 기재 표면에 Au 층 또는 Au 를 함유하는 층을 강고하고 또한 균일하게 형성 가능하여, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 도전성·내식성 및 내구성도 확보할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 제공한다.
Ti 기재 (2) 의 표면에, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn 및 Bi 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종류 이상의 금속으로 이루어지는 제 1 성분과 Au 의 합금층 (6), 또는 Au 단독층 (8) 이 형성되고, 합금층 또는 Au 단독층과 Ti 기재 사이에, Ti, O 및 제 1 성분을 함유하고, Au 20 질량％ 미만의 중간층 (2a) 이 존재하고, 합금층 또는 Au 단독층에 있어서, 최표면으로부터 하층을 향해 두께 1 ㎚ 이상이고 Au 50 질량％ 이상인 영역 혹은 최표면으로부터 하층을 향해 두께 3 ㎚ 이상이고 Au 10 ％ 질량％ 이상 50 질량％ 미만인 영역을 갖고, 또는 Au 단독층은 두께 1 ㎚ 이상인 연료 전지용 세퍼레이터 재료이다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터 재료, 그것을 사용한 연료 전지용 세퍼레이터, 및 연료 전지 스택 {FUEL CELL SEPARATOR MATERIAL, FUEL CELL SEPARATOR USING SAME, AND FUEL CELL STACK}

본 발명은, 표면에 Au 또는 Au 합금 (Au 를 함유하는 층) 이 형성된 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 그것을 사용한 연료 전지용 세퍼레이터, 및 연료 전지 스택에 관한 것이다.

고체 고분자형의 연료 전지용 세퍼레이터로서 종래는 카본판에 가스 유통로를 형성한 것이 사용되고 있었지만, 재료 비용이나 가공 비용이 크다는 문제가 있다. 한편, 카본판 대신에 금속판을 사용하는 경우, 고온에서 산화성의 분위기에 노출되기 때문에 부식이나 용출이 문제가 된다. 이와 같은 면에서, Ti 판 표면에 Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir 및 Pt 등에서 선택되는 귀금속과 Au 의 합금을 스퍼터 성막하여 도전 부분을 형성하는 기술이 알려져 있다 (특허문헌 1). 또한 특허문헌 1 에는, Ti 표면에 상기 귀금속의 산화물을 성막하는 것이 기재되어 있다.

한편, Ti 기재의 산화 피막 상에, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 등으로 이루어지는 중간층을 개재하여 Au 막을 형성하는 연료 전지용 세퍼레이터가 알려져 있다 (특허문헌 2). 이 중간층은, 기재 산화막과의 밀착성, 즉 O (산소 원자) 와의 결합성이 양호함과 함께, 금속 또는 반금속이기 때문에 Au 막과의 밀착성, 결합성이 양호한 것으로 되어 있다.

또, 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 애노드에 공급하는 연료 가스로서 취급이 용이한 메탄올을 사용하는 다이렉트 메탄올형 연료 전지 (DMFC (direct methanol fuel cell)) 도 개발되어 있다. DMFC 는, 메탄올로부터 직접 에너지 (전기) 를 취출할 수 있기 때문에, 개질기 등이 불필요하여 연료 전지의 소형화에 대응할 수 있어 휴대 기기의 전원으로서도 유망시되고 있다.

DMFC 의 구조로는, 이하의 2 개가 제안되어 있다. 먼저 제 1 구조는, 단셀 (고체 고분자형 전해질막을 연료극과 산소극에 의해 사이에 끼운 막전극 접합체 (이하, MEA 라고 한다) 을 적층한 적층형 (액티브형) 구조이다. 제 2 구조는, 단셀을 평면 방향으로 복수개 배치한 평면형 (패시브형) 구조이다. 이들 구조는, 모두 단셀을 복수개 직렬로 연결한 것 (이하, 스택이라고 한다) 인데, 이 중, 패시브형 구조는, 연료 가스 (연료 액체) 나 공기 등을 셀 내에 공급하기 위한 능동적인 연료 이송 수단을 필요로 하지 않기 때문에, 추가적인 연료 전지의 소형화가 유망시되고 있다 (특허문헌 3).

그런데, 연료 전지용 세퍼레이터는, 전기 전도성을 갖고, 각 단셀을 전기적으로 접속시켜, 각 단셀에서 발생한 에너지 (전기) 를 집전함과 함께, 각 단셀에 공급하는 연료 가스 (연료 액체) 나 공기 (산소) 의 유로가 형성되어 있다. 이 세퍼레이터는, 인터 커넥터, 바이폴러 플레이트, 집전체라고도 칭해진다.

그리고, DMFC 용 집전체에 요구되는 조건은, 수소 가스를 사용하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터와 비교하면 많다. 즉, 통상적인 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 황산 수용액에 대한 내식성에 추가하여, 연료인 메탄올 수용액에 대한 내식성, 및 포름산 수용액에 대한 내식성이 필요하다. 포름산은, 애노드 촉매 상에서 메탄올로부터 수소 이온이 생성될 때에 발생하는 부생성물이다.

이와 같이 DMFC 작동 환경하에서는, 종래의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터에 사용하는 재료를 꼭 그대로 적용할 수 있다고는 할 수 없다.

일본 공개특허공보 2001-297777호 일본 공개특허공보 2004-185998호 일본 공개특허공보 2005-243401호

그러나, 상기한 특허문헌 1 에 기재된 기술의 경우, 밀착성이 양호한 Au 합금막을 얻기 위해서는, 티탄 기재 표면의 산화 피막을 제거하는 처리가 필요하고, 산화 피막의 제거가 불충분한 경우에는 귀금속막의 밀착성이 저하된다는 문제가 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 기재 표면의 산화 피막의 표면에 도전성 박막을 형성하는 것이 규정되어 있는데, 예를 들어, 티탄 기재 표면에 산화 피막을 남긴 채로, Au 를 성막하고자 하면 균일하게 성막되지 않는다. 특히, 습식의 금 도금에서는 도금의 전착 형상이 입자상으로, 티탄 기재 표면에 산화 피막이 남아 있으면, 티탄 기재 표면의 일부에 비도금 부분이 되는 부분이 발생한다. 또, 특허문헌 2 에는, 밀착성을 향상시키기 위해서, 중간층을 형성하는 것도 규정되어 있지만, 단순히 중간층을 형성하는 것만으로는 충분한 밀착성, 및 연료 전지의 세퍼레이터로서 필요한 내식성이나 내구성을 얻을 수 없다.

특허문헌 3 에 기재된 기술은, 구리판의 양면에 스테인리스를 클래드 가공 한 기재에 수지를 피복한 것으로, 내식성이 우수하다고는 할 수 없다.

즉, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 티탄 기재 표면에 Au 를 함유하는 고내식성의 도전 성막을 높은 밀착성으로 성막할 수 있고, 연료 전지 작동 환경하에서도 높은 내구성을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 그것을 사용한 연료 전지용 세퍼레이터, 및 연료 전지 스택의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은 여러 가지 검토한 결과, Ti 기재의 표면에 Ti, O 및 소정의 금속을 함유하는 중간층을 형성시키고, 중간층 상에 합금층 또는 Au 단독층을 형성시킴으로써, Au (합금) 층을 Ti 상에 강고하고 또한 균일하게 형성할 수 있고, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 내식성이나 내구성도 확보할 수 있음을 알아냈다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, Ti 기재의 표면에, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn 및 Bi 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종류 이상의 금속으로 이루어지는 제 1 성분과 Au 의 합금층, 또는 Au 단독층이 형성되고, 상기 합금층 또는 상기 Au 단독층과 상기 Ti 기재 사이에, Ti, O 및 상기 제 1 성분을 함유하고, Au 20 질량％ 미만의 중간층이 존재하고, 상기 합금층 또는 상기 Au 단독층에 있어서, 최표면으로부터 하층을 향해 두께 1 ㎚ 이상이고 Au 50 질량％ 이상인 영역 혹은 최표면으로부터 하층을 향해 두께 3 ㎚ 이상이고 Au 10 ％ 질량％ 이상 50 질량％ 미만인 영역을 갖고, 또는 상기 Au 단독층은 두께 1 ㎚ 이상이다.

상기 중간층은, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상이고 또한 상기 제 1 성분이 20 질량％ 이상 함유되는 1 ㎚ 이상의 층으로서 존재하는 것이 바람직하다.

상기 합금층과 상기 중간층 사이에, 상기 제 1 성분으로 이루어지는 금속층이 5 ㎚ 이하 형성되어 있거나, 또는 상기 금속층이 형성되어 있지 않은 것이 바람직하다.

상기 금속층의 두께가 얇을수록, 내식성이 향상된다.

상기 합금층 중의 Au 의 비율이 하층측으로부터 상층측을 향해 증가하는 것이 바람직하다. 상기 합금층의 표면에 Au 단독층이 형성되어 있으면, 가혹한 연료 전지 환경하에서 세퍼레이터가 사용되어도 양호한 내식성, 도전성 및 내구성을 나타낸다.

상기 Ti 기재는, Ti 와 상이한 기재 표면에 두께 10 ㎚ 이상의 Ti 피막을 형성하여 이루어지는 것이어도 된다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, 고체 고분자형 연료 전지 또는 다이렉트 메탄올형 고체 고분자형 연료 전지에 바람직하게 사용된다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 사용하여 상기 Ti 기재에 미리 프레스 가공에 의해 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로를 형성한 후, 상기 합금층 또는 Au 단독층을 형성하여 이루어진다.

또, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 사용하여 상기 Ti 기재에 상기 합금층 또는 Au 단독층을 형성한 후, 프레스 가공에 의해 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로를 형성하여 이루어진다.

본 발명의 연료 전지 스택은, 상기 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 또는 상기 연료 전지용 세퍼레이터를 사용한 것이다.

본 발명에 의하면, Ti 기재의 표면에 Ti, O, 및 소정의 금속을 함유하는 중간층을 형성시키고, 중간층 상에 합금층 또는 Au 단독층을 형성시킴으로써, Au 층 또는 Au 를 함유하는 층을 Ti 상에 강고하고 또한 균일하게 형성시킬 수가 있어, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 내식성, 도전성 및 내구성도 확보할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 단면 FE-TEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 단면의 STEM 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 6 은 본 발명의 실시 형태에 관련된 연료 전지 스택 (단셀) 의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 실시 형태에 관련된 세퍼레이터의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 8 은 본 발명의 실시 형태에 관련된 개스킷의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 9 는 본 발명의 실시 형태에 관련된 평면형 연료 전지 스택의 단면도이다.
도 10 은 평면형 연료 전지용 세퍼레이터의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 11 은 열처리 후의 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 단면의 XPS 분석 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 대해 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서 ％ 란, 특별히 언급하지 않는 이상 질량％ (질량％) 를 나타내는 것으로 한다.

또, 본 발명에 있어서 「연료 전지용 세퍼레이터」란, 전기 전도성을 갖고, 각 단셀을 전기적으로 접속시켜, 각 단셀에서 발생한 에너지 (전기) 를 집전함과 함께, 각 단셀로 공급하는 연료 가스 (연료 액체) 나 공기 (산소) 의 유로가 형성된 것을 말한다. 세퍼레이터는, 인터 커넥터, 바이폴러 플레이트, 집전체라고도 한다.

따라서, 상세하게는 후술하지만, 연료 전지용 세퍼레이터로서 판상의 기재 표면에 요철 형상의 유로를 형성한 세퍼레이터 외에, 상기한 패시브형 DMFC 용 세퍼레이터와 같이 판상의 기재 표면에 가스나 메탄올의 유로 구멍이 개구된 세퍼레이터를 포함한다.

<제 1 실시 형태>

이하, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 대해 설명한다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, Ti 기재 (2) 의 표면에 중간층 (2a) 을 개재하여 금속층 (4) 이 형성되고, 금속층 (4) 의 표면에 합금층 (6) 이 형성되어 있다. 금속층 (4) 은 상기 금속 (바람직하게는 중간층의 제 1 성분과 동일) 으로 주로 이루어진다.

연료 전지용 세퍼레이터 재료는 내식성과 도전성이 요구되고, 기재에는 내식성이 요구된다. 이 때문에 기재에는 내식성이 양호한 티탄재를 사용한다.

Ti 기재는 무구한 티탄재여도 되는데, Ti 와 상이한 기재 표면에 두께 10 ㎚ 이상의 Ti 피막을 형성한 것이어도 된다. Ti 와 상이한 기재로는 스테인리스강이나 알루미늄을 들 수 있고, 이들 표면에 Ti 를 피복함으로써, 티탄과 비교하여 내식성이 낮은 스테인리스강이나 알루미늄의 내식성을 향상시킬 수 있다. 단, 내식성 향상 효과는 Ti 를 10 ㎚ 이상 피복하지 않으면 얻을 수 없다.

Ti 기재 (2) 의 재질은 티탄이면 특별히 제한되지 않는다. 또, Ti 기재 (2) 의 형상도 특별히 제한되지 않고, 제 1 성분 및 금을 스퍼터할 수 있는 형상이면 되는데, 세퍼레이터 형상으로 프레스 성형하는 것을 생각하면, Ti 기재의 형상은 판재인 것이 바람직하고, Ti 기재 전체의 두께가 10 ㎛ 이상의 판재인 것이 바람직하다.

중간층 (2a) 에 함유되는 O (산소) 는, Ti 기재 (2) 를 공기 중에 방치함으로써 자연스럽게 형성되지만, 산화 분위기에서 적극적으로 O 를 형성해도 된다.

<합금층>

Ti 기재 (2) 상에, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn 및 Bi 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종류 이상의 금속으로 이루어지는 제 1 성분과 Au 의 합금층 (6) 이 형성된다. 이 합금층은, Ti 기재에 Au 의 특성 (내식성, 도전성 등) 이나 내수소 취성을 부여하기 위한 것이다.

제 1 성분으로서 선택되는 상기 금속은, a) 산소와 결합하기 쉽고, b) Au 와 합금을 구성하고, c) 수소를 흡수하기 어려운 성질을 갖고 있어, 합금층에 상기한 기능을 부여함과 함께, 중간층을 형성하여 합금층과 Ti 기재의 밀착성을 향상시킨다.

상기 금속은 전위-pH 도 (圖) 로부터 Au 보다 산화 용이성이며, 또 수소를 흡수하기 어려운 특성을 이용하여, 상기 제 1 성분을 이하의 중간층의 구성 원소로서 사용한다. 또 제 1 성분은 단일 원소로 이루어져 있어도 되고, 복수의 원소로 이루어져 있어도 되는데, 내식성, 도전성 및 내구성의 관점에서 Cr, Mo 가 바람직하다.

합금층은, 후술하는 STEM 분석에 의해 확인할 수 있고, STEM 분석에 의해 최표면으로부터 하층을 향해 Au 50 질량％ 이상이고 두께 1 ㎚ 이상을 갖는 부분으로서, 이하의 중간층보다 상층에 위치하는 부분을 합금층으로 한다. 합금층의 두께는 1 ∼ 100 ㎚ 인 것이 바람직하다. 합금층의 두께가 1 ㎚ 미만이면, Ti 기재 상에 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 내식성을 확보할 수 없어지는 경우가 있다. 합금층의 두께가 보다 바람직하게는 2 ㎚ 이상, 더욱 바람직하게는 4 ㎚ 이상이다.

또, 제 1 성분과 Au 를 성막 후에 열처리를 해도 된다. 열처리를 실시하면, 산화와 확산이 진행되어, 표층의 Au 농도가 내려가, 50 질량％ 미만이 되는 경우도 있다. 그러나, 최표면으로부터 하층을 향해 두께 3 ㎚ 이상이고 Au 10 ％ 질량％ 이상 50 질량％ 미만인 영역이 존재하면, 티탄이 표면층에 확산되지 않고, 합금층으로서의 기능을 다한다.

도 11 에, Ti 기재 상에 Cr : 2 ㎚ , Au : 2 ㎚ 를 성막한 후, 160 ℃ × 24.6 시간 열처리를 실시하여 얻은 층구조의 단면의 XPS (X 선 광전자 분광) 프로파일을 나타낸다. 또한, 160 ℃ × 24.6 시간은, 연료 전지로서 40 만 시간 (약 40 년간) 의 사용을 상정한 상태이다. 도 11 에 의하면, Au 10 ％ 질량％ 이상 50 질량％ 미만의 영역 (도 11 의 부호 B) 이 두께 3 ㎚ 이상 형성되어 있음을 알 수 있다.

또한, 도 11 은, XPS 분석에 의한 깊이 (Depth) 프로파일이며, XPS 에 의해 Au, Ti, O, Cr 의 농도 분석을 실시하여 표면층의 층구조를 결정하였다. XPS 장치로는, 알박·파이 주식회사 제조 5600 MC 를 사용하여 도달 진공도 : 6.5 × 10^-8 ㎩, 여기원 : 단색화 AlK, 출력 : 300 W, 검출 면적 : 800 ㎛ Φ, 입사각 : 45 도, 취출각 : 45 도, 중화총 없음으로 하여, 이하의 스퍼터 조건으로, 측정했다.

이온종 : Ar+

가속 전압 : 3 kV

소인 (掃引) 영역 : 3 ㎜ × 3 ㎜

레이트 : 2.0 ㎚ /min (SiO₂ 환산)

또한, XPS 에 의한 농도 검출은, 지정 원소의 합계를 100 질량％ 로 하여 각 원소의 농도 (질량％) 를 분석했다. 또, XPS 분석에서 두께 방향으로 1 ㎚ 의 거리란, XPS 분석에 의한 차트의 가로축의 거리 (SiO₂ 환산에 의한 거리) 이다.

여기서, 연료 전지를 운전하면, 세퍼레이터재에 셀 온도 (PEFC 의 경우 : 80 ∼ 90 ℃) 와 동등한 온도가 가해진다. 그리고 세퍼레이터재가 긴 기간 그 열에 노출되면, 세퍼레이터재 구성 금속이 확산되어, 세퍼레이터재의 전지 특성 (접촉 저항이나 내식성 등) 이 열화할 가능성이 있다. 그래서 연료 전지를 장기간 운전했을 경우의 세퍼레이터재 구조와 전지 특성을 가속 시험에 의해 평가할 필요가 생긴다. 또, 연료 전지의 내구 시간은, 가정용에서 9 만 시간, 자동차용에서 5 천 시간이라고 되어 있다. 그래서 가정용의 9 만 시간보다 대폭 긴 40 만 시간 (셀 온도 90 ℃ 시) 운전 상당의 열부하 [대기 가열 처리] 를, 확산 계수 D, 확산층 (및 시간 t 와의 관계식((=(Dt)^0.5) 으로부터 산출하면, 가속 시험의 조건이 160 ℃ × 24.6 시간이 된다.

합금층의 두께가 100 ㎚ 를 초과하면 성금화 (省金化) 를 도모할 수 없고, 비용 상승되는 경우가 있다.

또, 합금층에 있어서, 최표면으로부터 하층을 향하는 두께 1 ㎚ 이상인 영역의 Au 농도가 50 질량％ 미만인 경우, 또는 최표면으로부터 하층을 향하는 두께 3 ㎚ 이상인 영역의 Au 농도가 10 질량％ 미만인 경우, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 내식성을 확보할 수 없게 된다.

또한, 합금층 (6) 대신에 Au 단독층이 형성되어 있어도 된다. Au 단독층은, STEM 분석에 의해 Au 의 농도가 거의 100 wt％ 의 부분이며, Au 단독층의 두께가 1 ㎚ 이상인 것이 필요하다.

또, 합금층 (6) 의 중간층 측에 있어서, 주로 제 1 성분으로 이루어지는 조성 영역 (귀금속 영역) 을 갖고 있어도 된다.

<중간층>

합금층 (또는 Au 단독층) (6) 과 Ti 기재 (2) 사이에, Ti, O 및 상기 제 1 성분을 함유하고, Au 20 질량％ 미만의 중간층 (2a) 이 존재한다.

통상적으로, Ti 기재는 표면에 산화층을 갖고 있어, 산화되기 어려운 Au (함유) 층을 Ti 표면에 직접 형성시키는 것은 어렵다. 한편, 상기 금속은 Au 에 비해 산화되고 쉽고, Ti 기재의 표면에서 Ti 산화물 중의 O 원자와 산화물을 형성하여, Ti 기재 표면에 강고하게 결합하는 것으로 생각된다.

또, 상기 금속은 수소를 흡수하기 어렵다. 이러한 점에서, Au 를 함유한 도전성 막 (상기 합금층 또는 Au 단독층) 의 두께가 수 10 ㎚ 이하인 경우에는, 종래, 중간층으로서 단순히 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 등을 사용한 경우에 비해, Ti, O 및 상기 제 1 성분으로부터 중간층을 형성함으로써, 내구성이 양호한 세퍼레이터재를 제공할 수 있다.

또한 중간층에는 Au 는 함유되지 않는 편이 바람직하고, Au 가 20 질량％ 이상 함유되면 밀착성이 저하된다. 중간층 중의 Au 농도를 20 질량％ 미만으로 하기 위해서는, Ti 기재 상에, 제 1 성분 단체의 타깃, 또는 저 Au 농도의 제 1 성분-Au 합금 타깃을 사용하여 스퍼터하는 것이 바람직하다.

상기 중간층은, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상이고 또한 상기 제 1 성분이 20 질량％ 이상 함유되는 1 ㎚ 이상의 층으로서 존재하는 것이 바람직하다. 이 경우, 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 단면을 STEM (주사 투과 전자 현미경) 으로 분석했을 때, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상이고, 또한 상기 제 1 성분이 20 질량％ 이상 함유됨과 함께, Au 가 20 질량％ 이상 함유되는 영역이 두께 방향으로 1 ㎚ 이상 존재한다. 이와 같은 조성을 갖는 중간층의 두께의 상한은 한정되지 않지만, 제 1 성분의 비용면에서 100 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

여기서 STEM 분석은, STEM 장치에 부속되어 있는 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 분석기를 사용하여, 분석하고자 하는 부분 (라인) 및 원소를 지정하여, 각 부분에 있어서의 지정 원소의 농도를 EDS 에 의해 검출하는 것이다. 지정하는 원소는, Au, 제 1 성분, O, Ti 이며, 후술하는 제 2 성분을 사용한 경우에는 제 2 성분을 지정에 추가한다.

Ti, O 의 하한을 각각 10 질량％ 로 하고, 상기 제 1 성분의 하한을 20 질량％ 로 한 이유는, 상기 제 1 성분이 20 질량％ 미만인 부분은 Ti 기재의 표면에 가깝고, Ti 가 10 질량％ 미만인 부분은 합금층에 가깝게 되기 때문이고, 또, O 가 10 질량％ 미만인 부분은 제 1 성분과 Ti 가 O 원자와 충분한 산화물을 형성하고 있지 않고, 중간층으로서 기능하지 않는 것으로 생각되기 때문이다. 또, Ti, O는 각각 10 질량％ 에서 급격하게 감소하므로, 측정상에서 10 질량％ 를 하한으로 한다. Au 를 20 질량％ 미만으로 한 이유는 밀착성을 향상시키기 때문이다.

또한, STEM 분석에서 두께 방향으로 1 ㎚ 의 거리란, 주사 거리의 실 치수이다.

<금속층>

금속층 (4) 은 제 1 성분의 단독층이며, 합금층 및 중간층을 성막할 때에 제 1 성분의 일부가 티탄의 산화층으로 확산되어 중간층을 구성하고, 제 1 성분의 일부가 표면측으로 확산되어 Au 와 합금층을 구성하는데, 확산에 의해 소멸하지 않고 층으로서 남은 제 1 성분이 금속층 (4) 을 형성한다. 따라서, 금속층 (4) 은, 스퍼터 조건 (스퍼터 시간, 출력) 등을 바꿈으로써, 적절히 형성할 수 있다.

단, 금속층 (4) 이 존재하면 내식성 및 내구성을 열화시키는 경향이 있기 때문에 금속층 (4) 의 두께는 5 ㎚ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 ㎚ 이하이다.

또한, 금속층 (4) 중의 금속과 합금층 (6) 중의 제 1 성분은 동일한 원소여도 되고, 상이한 원소여도 되는데, 동일 원소로 하면, 제조가 간이해진다.

금속층 (4) 은, 후술하는 STEM 분석에 의해 확인할 수 있고, STEM 분석에 의해, 제 1 성분을 합계 70 질량％ 이상 갖는 부분의 두께를 금속층 (4) 의 두께로 한다.

본 발명에 있어서, 합금층 (6) 의 Au 농도가 10 ％ 인 깊이에 있어서의 O 농도가 30 질량％ 이하인 것이 바람직하다.

합금층 (6) 의 Au 농도가 10 ％ 인 깊이 부분은, 중간층 (2a) 과 합금층 (6) 의 경계 근방의 영역을 나타내는데, 이 부분의 O 농도가 높아지면 합금층 (6) 의 내식성이 저하되거나, 중간층 (2a) 과 합금층 (6) 의 밀착성이 저하되는 경우가 있기 때문이다.

합금층 중의 Au 의 비율이 하층측으로부터 상층측을 향해 증가하는 경사 조성으로 되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, Au 의 비율 (질량％) 은, 상기한 STEM 분석으로 구할 수 있다. 합금층 또는 Au 단독층의 두께는, STEM 분석에서의 주사 거리의 실 치수이다.

합금층을 경사 조성으로 하면, 합금층의 하층측에서는 Au 보다 산화 용이성의 제 1 성분의 비율이 많아져, Ti 기재 표면과의 결합이 강고해지는 한편, 합금층의 상층측에서는 Au 의 특성이 강해지므로, 내식성과 내구성이 향상된다.

<연료 전지용 세퍼레이터 재료의 제조>

연료 전지용 세퍼레이터 재료의 중간층의 형성 방법으로는, Ti 기재의 표면 Ti 산화막을 제거하지 않고, 이 기재에 제 1 성분을 타깃으로 하여 스퍼터 성막함으로써, 표면 Ti 산화막 중의 O 에 제 1 성분이 결합하여, 중간층을 형성할 수 있다. 또, Ti 기재 (2) 의 표면 Ti 산화막을 제거 후, 제 1 성분의 산화물을 타깃으로 하여 스퍼터 성막하는 것이나, Ti 기재 (2) 의 표면 Ti 산화막을 제거 후, 제 1 성분을 타깃으로 하여 산화 분위기에서 스퍼터 성막함으로써 중간층을 형성할 수 있다.

또한, 스퍼터 시, Ti 기재의 표면 Ti 산화막을 적당히 제거하고, 기재 표면의 클리닝을 목적으로서 역스퍼터 (이온 에칭) 를 실시해도 된다. 역스퍼터는, 예를 들어 RF 100 W 정도의 출력으로, 아르곤 압력 0.2 ㎩ 정도로 하여 아르곤 가스를 기재에 조사하여 실시할 수 있다.

중간층의 Au 는, 이하의 합금층을 형성하기 위한 Au 스퍼터에 의해, Au 원자가 중간층에 들어가 있음으로써 중간층 내에 포함되어진다. 또, 제 1 성분과 Au 를 함유하는 합금 타깃을 사용하여 Ti 기재 표면에 스퍼터 성막하여도 된다.

합금층의 형성 방법으로는, 예를 들어 상기한 스퍼터에 의해 Ti 기재 상에 제 1 성분을 성막한 후, 제 1 성분막 상에 Au 를 스퍼터 성막할 수 있다. 이 경우, 스퍼터 입자는 고에너지를 갖기 때문에, 제 1 성분막만이 Ti 기재 표면에 성막되어 있어도, 그곳에 Au 를 스퍼터함으로써, 제 1 성분막에 Au 가 들어가, 합금층이 된다. 또, 이 경우, 합금층 중의 Au 의 비율이 하층측으로부터 상층측을 향해 증가하는 경사 조성이 된다.

Ti 기재 표면에 최초로 제 1 성분과 Au 중 Au 농도가 낮은 합금 타깃을 사용하여 스퍼터 성막하고, 그 후, 제 1 성분과 Au 중 Au 농도가 높은 합금 타깃을 사용하여 스퍼터 성막하여도 된다.

<제 2 실시 형태>

다음으로, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 대해 설명한다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, Ti 기재 (2) 의 표면에 중간층 (2a) 이 형성되고, 중간층 (2a) 상에 합금층 (6) 이 형성되어 이루어진다.

Ti 기재 (2) 및 합금층 (6) 은, 제 1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다. 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, 제 1 실시 형태에 있어서의 금속층 (4) 이 존재하지 않는 상태이며, 제 1 실시 형태보다 내식성이 우수하다.

제 2 실시 형태에 있어서도, 합금층 (6) 의 Au 농도가 10 ％ 인 깊이에 있어서의 O 농도가 30 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 합금층 (6) 의 Au 농도가 10 ％ 인 깊이 부분은, 중간층 (2a) 과 합금층 (6) 의 경계 근방의 영역을 나타내는데, 이 부분의 O 농도가 높아지면, 합금층 (6) 의 내식성이 저하되거나 중간층 (2a) 과 합금층 (6) 의 밀착성이 저하되는 경우가 있기 때문이다.

제 2 실시 형태에 있어서도, 제 1 실시 형태와 동일하게, 합금층의 두께는 1 ∼ 100 ㎚ 인 것이 바람직하다.

도 3 은, 제 2 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료의 단면의 실제의 FE-TEM (전해 방사형 투과 전자 현미경) 이미지를 나타낸다.

Cr 과 Au 로 이루어지는 합금층 (6) 이 균일한 층 (도면의 흑색 화상 부분) 을 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 3 에 있어서의 합금층 (6) 의 위치 (C) (흰색 동그라미) 에 있어서의 조성은 EDX (에너지 분산형 형광 X 선 분석) 로부터 Cr : 43 질량％, Au : 57 질량％ 이며, 합금층 (6) 의 위치 (D) 에 있어서의 조성은 Cr : 32 질량％ , Au : 68 질량％ 였다. 요컨대, 합금층의 Au 농도는 하층측으로부터 상층측을 향해 증가한 것으로 되었다. 또한, 위치 (A) 의 조성은 Ti 를 나타내고, 위치 (B) 의 조성은 Ti 기재 표면의 Ti 산화 피막층 (EDX 에 의해 Ti 와 O 를 검출) 을 나타낸다. 단, 이 산화 피막층이 제 1 성분 (Cr) 을 함유하는지의 여부는 EDX 로는 판정할 수 없다.

< 제 3 실시 형태>

다음으로, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 대해 설명한다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 제 3 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료는, Ti 기재 (2) 의 표면에 중간층 (2a) 을 개재하여 합금층 (6) 이 형성되고, 합금층 (6) 의 표면에 Au 단독층 (8) 이 형성되어 있다. Ti 기재 (2) 및 합금층 (6) 은, 제 1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

Au 단독층 (8) 은, 스퍼터 조건 (스퍼터 시간, 출력) 등을 바꿈으로써, 적절히 형성할 수 있다.

또한, 제 1 및 제 3 실시 형태의 층구성을 조합하고, Ti 기재 (2) 의 표면에, 중간층 (2a) 을 개재하여 금속층 (4), 합금층 (6), Au 단독층 (8) 을 이 순서로 형성한 층구조로 해도 된다.

본 발명의 실시 형태에 관련된 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 의하면, Au (합금) 층을 Ti 상에 강고하고 또한 균일하게 형성시킬 수 있고, 이 층이 도전성, 내식성 및 내구성을 갖기 때문에, 연료 전지용 세퍼레이터 재료로서 바람직하다. 또, 본 발명의 실시 형태에 의하면, Au (합금) 층을 스퍼터 성막하면 이 층이 균일한 층이 되므로, 습식의 금 도금에 비해 표면이 평활해져, Au 를 불필요하게 사용하지 않아도 된다는 이점이 있다.

<연료 전지용 세퍼레이터>

다음으로, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 사용한 연료 전지용 세퍼레이터에 대해 설명한다. 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기한 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 소정 형상으로 가공하여 이루어지고, 연료 가스 (수소) 또는 연료 액체 (메탄올), 공기 (산소), 냉각수 등을 흘리기 위한 반응 가스 유로 또는 반응 액체 유로 (홈이나 개구) 가 형성되어 있다.

<적층형 (액티브형) 연료 전지용 세퍼레이터>

도 6 은, 적층형 (액티브형) 연료 전지의 단셀의 단면도를 나타낸다. 또한, 도 6 에서는 후술하는 세퍼레이터 (10) 의 외측에 각각 집전판 (140A, 140B) 이 배치되어 있는데, 통상적으로, 이 단셀을 적층하여 스택을 구성했을 경우, 스택의 양단에만 1 쌍의 집전판이 배치된다.

그리고, 세퍼레이터 (10) 는 전기 전도성을 갖고, 후술하는 MEA 에 접하여 집전 작용을 가지며, 각 단셀을 전기적으로 접속하는 기능을 갖는다. 또, 후술하는 바와 같이, 세퍼레이터 (10) 에는 연료 가스나 공기 (산소) 의 유로가 되는 홈이 형성되어 있다.

도 6 에 있어서, 고체 고분자 전해질막 (20) 의 양측에 각각 애노드 전극 (40) 과 캐소드 전극 (60) 이 적층되어 막전극 접합체 (MEA ; Membrane Electrode Assembly) (80) 가 구성되어 있다. 또, 애노드 전극 (40) 과 캐소드 전극 (60) 의 표면에는, 각각 애노드측 가스 확산막 (90A), 캐소드측 가스 확산막 (90B) 이 각각 적층되어 있다. 본 발명에 있어서 막전극 접합체라고 하는 경우, 가스 확산막 (90A, 90B) 을 포함한 적층체라고 해도 된다. 또, 예를 들어 애노드 전극 (40) 이나 캐소드 전극 (60) 의 표면에 가스 확산층이 형성되어 있는 등의 경우에는, 고체 고분자 전해질막 (20), 애노드 전극 (40), 캐소드 전극 (60) 의 적층체를 막전극 접합체라고 칭해도 된다.

MEA (80) 의 양측에는, 가스 확산막 (90A, 90B) 에 각각 대향하도록 세퍼레이터 (10) 가 배치되고, 세퍼레이터 (10) 가 MEA (80) 을 협지하고 있다. MEA (80) 측의 세퍼레이터 (10) 표면에는 유로 (10L) 가 형성되어, 후술하는 개스킷 (12), 유로 (10L), 및 가스 확산막 (90A) (또는 90 B) 으로 둘러싸인 내부 공간 (20) 안을 가스가 출입할 수 있게 되어 있다.

그리고, 애노드 전극 (40) 측의 내부 공간 (20) 에는 연료 가스 (수소 등) 가 흐르고, 캐소드 전극 (60) 측의 내부 공간 (20) 에 산화성 가스 (산소, 공기 등) 가 흐름으로써, 전기 화학 반응이 발생하게 되어 있다.

애노드 전극 (40) 과 가스 확산막 (90A) 의 둘레 가장자리의 외측은, 이들의 적층 두께와 거의 동일한 두께의 프레임 형상의 시일 부재 (31) 로 둘러싸여 있다. 또, 시일 부재 (31) 와 세퍼레이터 (10) 의 둘레 가장자리 사이에는, 세퍼레이터에 접하고 대략 프레임 형상의 개스킷 (12) 이 설치되어, 개스킷 (12) 이 유로 (10L) 를 둘러싸게 되어 있다. 또한, 세퍼레이터 (10) 의 외면 (MEA (80) 측과 반대측의 면) 에는 세퍼레이터 (10) 에 접하여 집전판 (140A) (또는 (140B)) 이 적층되고, 집전판 (140A) (또는 (140B)) 과 세퍼레이터 (10) 의 둘레 가장자리 사이에 대략 프레임 형상의 시일 부재 (32) 가 개장 (介裝) 되어 있다.

시일 부재 (31) 및 개스킷 (12) 은, 연료 가스 또는 산화 가스가 셀 외부로 누설되는 것을 방지하는 시일을 형성한다. 또, 단셀을 복수 적층하여 스택으로했을 경우, 세퍼레이터 (10) 의 외면과 집전판 (140A) (또는 (140B)) 사이의 공간 (21) 에는 공간 (20) 과 다른 가스 (공간 (20) 에 산화성 가스가 흐르는 경우, 공간 (21) 에는 수소가 흐른다) 가 흐른다. 따라서, 시일 부재 (32) 도 셀 외부로 가스가 누설되는 것을 방지하는 부재로서 사용된다.

그리고, MEA (80) (및 가스 확산막 (90A, 90B)), 세퍼레이터 (10), 개스킷 (12), 집전판 (140A, 140B) 을 포함하여 연료 전지 셀이 구성되고, 복수의 연료 전지 셀을 적층하여 연료 전지 스택이 구성된다.

다음으로, 세퍼레이터 (10) 의 구조에 대해 평면도 7 을 참조하여 설명한다. 세퍼레이터 (10) 는, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료로부터 프레스 가공에 의해 직사각형상으로 성형되고, 세퍼레이터 (10) 의 상단 가장자리 (상변) 에는, 연료 가스 도입 구멍 (10x) 이 좌측으로 개구되어 있다. 또, 세퍼레이터 (10) 의 하단 가장자리 (하변) 에는, 연료 가스 배출 구멍 (10y) 이 우측으로 개구되어 있다.

또한, 세퍼레이터 (10) 의 상변으로부터 하변을 향하는 방향 (도 7 의 상하 방향) 으로 평행하게 연장되는 복수의 직선 형상 유로 홈 (10L) 이 프레스 가공 등에 의해 형성되어 있다. 직선 형상 유로 홈 (10L) 은, 가스류에 평행류를 발생시킨다.

또, 이 실시 형태에서는, 직선 형상 유로 홈 (10L) 의 시작단 및 종료단은 세퍼레이터 (10) 의 외측 가장자리까지 도달하지 않아, 세퍼레이터 (10) 의 외주 가장자리에는 직선 형상 유로 홈 (10L) 이 형성되지 않는 평탄부가 존재한다. 또, 이 실시 형태에서는, 인접하는 직선 형상 유로 홈 (10L) 은 각각 등간격으로 위치하고 있지만, 부등간격이어도 된다.

또, 세퍼레이터 (10) 의 대향하는 측단 가장자리 (측변) 에는, 각각 위치 결정 구멍 (10f) 이 개구되어 있다.

또한, 유로 홈은 직선뿐만이 아니라 곡선이어도 되고, 또, 각 유로홈은 반드시 서로 평행하지 않아도 된다. 또, 곡선으로는, 예를 들어 만곡선 외에, S자 형상이어도 된다.

유로 홈의 형성을 용이하게 하는 면에서는, 서로 평행한 직선이 바람직하다.

세퍼레이터 (10) 의 두께는, 프레스 성형성의 면에서 10 ㎛ 이상인 것이 바람직하지만, 비용면에서 200 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 개스킷 (12) 의 구조에 대해, 평면도 8 을 참조하여 설명한다.

개스킷 (12) 은 예를 들어 테플론 (등록 상표) 으로 이루어지는 시트상이며, 외측 가장자리가 세퍼레이터 (10) 와 거의 동일한 크기의 직사각형상 프레임체로서, 그 내부 가장자리가 연료 가스 도입 구멍 (10x), 배출 구멍 (10y), 및 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 둘러싸는 대략 직사각형상으로 형성되고, 개스킷 (12) 의 내부 공간에 있어서 연료 가스 도입 구멍 (10x), 배출 구멍 (10y), 및 직선 형상 유로 홈 (10L) 이 연통하게 되어 있다.

또한, 개스킷 (12) 이 대향하는 측단 가장자리 (측변) 에는, 각각 위치 결정구멍 (12f) 이 개구되어, 세퍼레이터 (10) 의 위치 결정 구멍 (10f) 과 겹치도록 개스킷 (12) 을 적층함으로써, 세퍼레이터 (10) 와 개스킷 (12) 의 상대 위치를 규정한다.

개스킷 (12) 의 재료로는, 내식성, 연료 전지의 가동 온도인 80 ∼ 90 ℃ 에서의 내열성을 갖는 테플론 (등록 상표), 내식성과 도전성을 갖는 귀금속을 성막한 금속판 (티탄, 스테인리스, 알루미늄 등의 시트), 또는 카본 재료를 사용할 수 있다. 개스킷 (12) 의 두께는 세퍼레이터 (10) 의 요철 형상에 따라서 상이한데, 세퍼레이터의 홈 높이 (프레임부와 오목부 혹은 볼록부의 고저차) 와 동등 이상의 두께로 할 필요가 있다. 예를 들어, 세퍼레이터의 홈 높이가 0.5 ㎜ 인 경우, 개스킷의 두께는 0.5 ㎜ 로 한다.

다음으로, 개스킷 (12) 의 형상을 보다 상세하게 설명한다. 개스킷 (12) 의 상측 내부 가장자리 (12c) 는 직선 형상 유로 홈의 상단 (10L1) 보다 약간 상측에 위치하고, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 흐르는 가스가 반환하여 180 도 방향을 바꾸기 위한 공간이 형성되어 있다. 또, 상측 내부 가장자리 (12c) 의 좌단부는 외측으로 연장되어, 세퍼레이터 (10) 의 연료 가스 도입 구멍 (10x) 이 개스킷 (12) 내에 표출되도록 되어 있다.

동일하게, 개스킷 (12) 의 하측 내부 가장자리 (12d) 은 직선 형상 유로 홈의 하단 (10L2) 보다 약간 하측에 위치하고, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 흐르는 가스가 반환하여 180 도 방향을 바꾸기 위한 공간이 형성되어 있다. 또, 하측 내부 가장자리 (12d) 의 우단부는 외측으로 연장되어, 세퍼레이터 (10) 의 연료 가스 배출 구멍 (10y) 이 개스킷 (12) 내에 표출되도록 되어 있다.

또한, 상측 내부 가장자리 (12c) 중 연료 가스 도입 구멍 (10x) 을 향해 연장되는 부분에 인접하는 위치에는 내측을 향해 편상의 분할 부재 (12e1) 가 연장되어 있다. 또, 상측 내부 가장자리 (12c) 중 분할 부재 (12e1) 로부터 소정 거리만큼 우측의 위치에는, 내측을 향해 다른 편상의 분할 부재 (12e2) 가 연장되어 있다. 그리고, 분할 부재 (12e1, 12e2) 의 선단은 직선 형상 유로 홈의 상단 (시작단 또는 종료단에 상당) (10L1) 에 접하고 있다.

동일하게, 하측 내부 가장자리 (12d) 중 분할 부재 (12e1) 에 대향하는 위치로부터 소정 거리만큼 우측의 위치에는, 내측을 향해 편상의 분할 부재 (12e3) 가 연장되어 있다. 또, 하측 내부 가장자리 (12d) 중 분할 부재 (12e2) 에 대향하는 위치로부터 소정 거리만큼 우측이고, 연료 가스 배출 구멍 (10y) 을 향해 연장되는 부분에 인접하는 위치에는, 내측을 향해 편상의 분할 부재 (12e4) 가 연장되어 있다. 그리고, 분할 부재 (12e3, 12e4) 의 선단은 직선 형상 유로 홈의 하단 (시작단 또는 종료단에 상당) (10L2) 에 접하고 있다.

또, 개스킷 (12) 이 대향하는 내부 가장자리 (12c, 12d) 으로부터 각각 연장되는 분할 부재 (12e1 ∼ 12e4) 는, 도 8 의 좌측으로부터, 분할 부재 (12e1) (상측 내부 가장자리 (12c)), (12e3) (하측 내부 가장자리 (12d)), (12e2) (상측 내부 가장자리 (12c)), (12e4) (하측 내부 가장자리 (12d)) 의 순서로 배치되어 있다.

이와 같이, 개스킷 (12) 의 대향하는 내부 가장자리로부터 각각 연장되는 분할 부재는 서로 지그재그 형상으로 배치되어 있으므로, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 흐르는 가스 유로가 분할 부재 근방에서 반환하여 사행 유로를 구성하게 된다.

구체적으로는, 연료 가스 도입 구멍 (10x) 으로부터 세퍼레이터 (10) 내에 도입된 가스는, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 도 8 의 하방향으로 흐르는데, 분할 부재 (12e3) 가 1 개의 유로 홈 (10L) 의 하단에 접하고 있기 때문에, 이 유로 홈 (10L) 을 따른 흐름이 억제된다. 또, 유로 홈 (10L) 을 횡단하는 흐름은, 원래 억제되고 있다. 따라서, 분할 부재 (12e3) 가 접하고 있는 유로 홈 (10L) 은, 가스가 가로 방향 (도 8 의 우측향) 으로 숏컷하는 흐름과 세로 방향으로의 흐름을 모두 방지하는 제방으로서 기능하고, 이 때문에, 가스류는 분할 부재 (12e3) 근방에서 반환하여 180 도 방향을 바꾸어, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 상방향으로 흐른다. 다음으로, 분할 부재 (12e1, e2) 가 동일하게 가로 방향의 숏컷류를 방지하기 때문에, 가스류는 분할 부재 (12e2) 근방에서 반환하여 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 하방향으로 흐른다. 이하 동일하게 하여, 가스류는 분할 부재 (12e4) 근방에서 반환하여, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따른 후, 개스킷 (12) 의 우측 내부 가장자리 (측부 가장자리) 이 숏컷류를 방지하기 때문에, 이 부분에서 반환한 후, 직선 형상 유로 홈 (10L) 을 따라 연료 가스 배출 구멍 (10y) 에 배출된다.

또한, 1 개의 분할 부재가 접하고 있는 유로 홈의 개수는, 세퍼레이터의 크기나 유로 홈의 크기 (폭) 에도 의존하므로 특별히 한정되지 않지만, 너무 개수가 많아지면 가스의 흐름에 기여하는 홈이 줄어들게 되므로, 바람직하게는 1 ∼ 3 개로 한다.

이상과 같이, 가공이 용이한 개스킷의 형상에 의해 세퍼레이터 내의 가스 유로가 사행 유로가 되도록 구성하고 있기 때문에, 세퍼레이터에 복잡한 유로를 형성할 필요가 없고, 세퍼레이터 자체의 유로 형상을 간단하게 하여, 생산성을 해치지 않고 가스의 흐름을 개선하여 연료 전지의 발전 특성을 향상시킬 수 있다. 요컨대, 세퍼레이터의 유로에 의한 평행류를, 개스킷의 형상에 의해 사행류 (서펜타인) 로 바꿀 수 있다.

단, 세퍼레이터의 유로 홈으로서 물론 서펜타인 (사행) 형상으로 연결되는 것을 사용하여도 되고, 유로 홈의 형상은 한정되지 않는다.

도 6 에 나타내는 적층형 (액티브형) 연료 전지는, 상기한 수소를 연료로서 사용하는 연료 전지 외에, 메탄올을 연료로서 사용하는 DMFC 에도 적용할 수 있다.

<평면형 (패시브형) 연료 전지용 세퍼레이터>

도 9 는, 평면형 (패시브형) 연료 전지의 단셀의 단면도를 나타낸다. 또한, 도 6 에서는 후술하는 세퍼레이터 (10) 의 외측에 각각 집전판 (140A, 140B) 이 배치되어 있는데, 통상적으로, 이 단셀을 적층하여 스택을 구성했을 경우, 스택의 양단에만 1 쌍의 집전판이 배치된다.

또한, 도 9 에 있어서, MEA (80) 의 구성은 도 6 의 연료 전지와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다 (도 9 에서는, 가스 확산막 (90A, 90B) 의 기재를 생략하고 있지만, 가스 확산막 (90A, 90B) 을 갖고 있어도 된다).

도 9 에 있어서, 세퍼레이터 (100) 는 전기 전도성을 갖고, MEA 에 접하여 집전 작용을 가지며, 각 단셀을 전기적으로 접속하는 기능을 갖는다. 또, 후술하는 바와 같이, 세퍼레이터 (100) 에는 연료 액체나 공기 (산소) 의 유로가 되는 구멍이 형성되어 있다.

세퍼레이터 (100) 는, 단면이 크랭크 형상이 되도록, 길이가 긴 평판 형상의 기재의 중앙 부근에 단차부 (100s) 를 형성하여 이루어지고, 단차부 (100s) 를 사이에 두고 상방에 위치하는 상측편 (100b) 과 단차부 (100s) 를 사이에 두고 하방에 위치하는 하측편 (100a) 을 갖는다. 단차부 (100s) 는 세퍼레이터 (100) 의 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되어 있다.

그리고, 복수의 세퍼레이터 (100) 를 길이 방향으로 나열하여, 인접하는 세퍼레이터 (100) 의 하측편 (100a) 과 상측편 (100b) 사이에 공간을 형성시키고, 이 공간에 MEA (80) 을 개장시킨다. 2 개의 세퍼레이터 (100) 에 의해 MEA (80) 가 사이에 끼인 구조체가 단셀 (300) 이 된다. 이와 같이 하여, 복수의 MEA (80) 가 세퍼레이터 (100) 를 개재하여 직렬로 접속된 스택이 구성된다.

도 10 은, 세퍼레이터 (100) 의 상면도를 나타낸다. 하측편 (100a) 과 상측편 (100b) 에는 각각 복수개의 구멍 (100h) 이 개구되어, 산소 (공기) 의 반응 가스 유로나 메탄올의 반응 액체 유로가 되고 있다.

이 스택에 있어서, 도 9 의 상방으로부터 공기 (산소) 를 흘리면, 세퍼레이터 (100) 의 구멍 (100h) 을 통해 MEA (80) 의 캐소드 전극 (60) 측에 산소가 접촉하여, 반응을 일으키게 된다. 한편, 도 9 의 하방으로부터 메탄올을 흘리면, 세퍼레이터 (100) 의 구멍 (100h) 을 통해 MEA (80) 의 애노드 전극 (40) 측에 메탄올이 접촉하여, 반응이 일으키게 된다. 또한, 메탄올은, 도 9 의 하방의 탱크 (메탄올 카트리지) (200) 로부터 공급된다.

도 9 에 나타내는 평면형 (패시브형) 연료 전지는, 상기한 메탄올을 연료로서 사용하는 DMFC 외에, 수소를 연료로서 사용하는 연료 전지에도 적용할 수 있다. 또, 평면형 (패시브형) 연료 전지용 세퍼레이터의 개구부의 형상이나 개수는 한정되지 않고, 개구부로서 상기한 구멍 외에, 슬릿이어도 되고, 세퍼레이터 전체가 망 형상이어도 된다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 프레스 가공에 의한 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로가 미리 상기 Ti 기재에 형성되어 있으면 바람직하다. 이와 같이 하면, 후공정에서 반응 가스 유로 (반응 액체 유로) 를 형성할 필요가 없고, 중간층이나 합금층 등을 형성하기 전의 Ti 기재를 프레스 가공함으로써, 용이하게 반응 가스 유로 (반응 액체 유로) 를 형성할 수 있으므로, 생산성이 향상된다.

또, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, Ti 기재 표면에 합금층 또는 Au 단독층을 형성한 연료 전지용 세퍼레이터 재료에 대해, 후에 프레스 가공에 의해 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로를 형성해도 된다. 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료는 합금층이나 Au 단독층이 Ti 기재 표면에 강고하게 밀착되어 있으므로, 피막 형성 후에 프레스 가공해도 피막이 박리되지 않고 반응 가스 유로 (반응 액체 유로) 를 형성할 수 있어 생산성이 향상된다.

또한, 반응 가스 유로 (반응 액체 유로) 형성을 위한 프레스 가공을 하기 위해서는, 연료 전지용 세퍼레이터 재료로서 Ti 기재의 두께를 10 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. Ti 기재의 두께의 상한은 한정되지 않지만, 비용면에서 200 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

<연료 전지용 스택>

본 발명의 연료 전지용 스택은, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 또는 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터를 사용하여 이루어진다.

연료 전지용 스택은, 1 쌍의 전극에 의해 전해질을 사이에 끼운 셀을 복수개 직렬로 접속한 것으로, 각 셀의 사이에 연료 전지용 세퍼레이터가 개장되어 연료 가스나 공기를 차단한다. 연료 가스 (H₂) 가 접촉하는 전극이 연료극 (애노드) 이고, 공기 (O₂) 가 접촉하는 전극이 공기극 (캐소드) 이다.

연료 전지용 스택의 구성예는, 이미 도 6 및 도 9 에서 설명한 바와 같지만, 이것에 한정되지 않는다.

실시예

<시료의 제작>

Ti 기재로서 두께 100 ㎛ 의 공업용 순수티탄재 (JIS 1 종) 를 사용하여 FIB (집속 이온 빔 가공) 에 의한 전처리를 했다. FE-TEM (전해 방사형 투과 전자 현미경) 에 의한 에너지 분산형 형광 X 선 분석 (EDX) 에 의해 관찰한 결과, Ti 기재의 표면에는 미리 약 6 ㎚ 의 티탄 산화물층이 형성되고 있던 것을 확인했다.

또, 일부의 실시예에서는, 두께 100 ㎛ 공업용 순스테인리스강재 (SUS316L)에 대해, 표 1, 2 에 나타내는 소정 두께의 Ti 를 피복한 것을 사용했다 (Ti 피복재). Ti 의 피복은, 전자빔 증착 장치 (알박 제조, MB05-1006) 를 사용한 진공 증착에 의해 실시하였다.

다음으로, Ti 기재의 티탄 산화물층의 표면에, 스퍼터법을 사용하여 소정의 목표 두께가 되도록, 각각 Cr, Mo (금속막) 를 성막했다. 타깃으로는 순 Cr, 순 Mo 를 사용하였다. 다음으로, 스퍼터법을 사용하여 소정의 목표 두께가 되도록 Au 를 성막했다. 타깃으로는 순 Au 를 사용하였다.

목표 두께는 이하와 같이 정했다. 먼저, 미리 티탄 기재에 스퍼터로 대상물 (예를 들어 Cr) 을 성막하고, 형광 X 선 막두께계 (Seiko Instruments 제조 SEA5100, 콜리메이터 0.1 ㎜Φ) 로 실제의 두께를 측정하여, 이 스퍼터 조건에 있어서의 스퍼터 레이트 (㎚ /min) 를 파악했다. 그리고, 스퍼터 레이트에 기초하여, 두께 1 ㎚ 가 되는 스퍼터 시간을 계산하고, 이 조건으로 스퍼터를 실시했다.

Cr, Mo 및 Au 의 스퍼터는, 주식회사 알박 제조의 스퍼터 장치를 사용하여 출력 DC50W 아르곤 압력 0.2 ㎩의 조건에서 실시했다.

<층구조의 측정>

얻어진 시료의 단면의 실제의 FE-TEM (전해 방사형 투과 전자 현미경) 이미지를 관찰하여, 이미지 중에서 EDX 분석하고자 하는 위치를 지정하고, 그 부분의 EDX 분석을 실시함으로써, 시료 중의 각층의 조성을 분석했다.

FE-TEM 장치로는, 히타치 제작소 제조의 HF-2000 FE-TEM 을 사용하여 가속 전압 200 kV, 배율 10 만배, 70 만배로 관찰했다. 또, EDX 장치는, 상기 FE-TEM 장치에 부속된 EDAX 사 제조 Genesis 시리즈를 사용하여, 분석 에리어 1 ㎚ 로 분석했다.

도 3 은, 시료의 단면 FE-TEM 을 나타낸다. Cr 과 Au 로 이루어지는 합금층 (6) 이 균일한 층을 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 2 에 있어서의 합금층 (6) 의 위치 C 에 있어서의 조성은 EDX 로부터 Cr : 43 질량％, Au :

57 질량％ 이며, 합금층 (6) 의 위치 D 에 있어서의 조성은 Cr : 32 질량％, Au : 68 질량％ 였다. 요컨대, 합금층의 Au 농도는 하층측으로부터 상층측을 향해 증가한 것이 되었다. 또한, 위치 A 의 조성은 Ti 를 나타내고, 위치 B 의 조성은 Ti 기재 표면의 Ti 산화 피막층 (또는 중간층) 을 나타냈다.

또, 시료의 Ti 기재 표면 근방의 단면을 STEM (주사 투과 전자 현미경) 로 분석하여, Ti, O 및 Cr 의 농도를 검출했다. STEM 으로는, 히타치 제작소 제조의 HD-2000STEM 을 사용하여, 가속 전압 200 kV, 배율 90 만배, n 수 3 시야로서 측정했다.

또한, STEM 에 의한 농도 검출은, 검출 원소로부터 카본을 제외하고, 지정 원소의 합계 100 질량％ 로서 각 원소의 농도 (질량％) 를 분석했다. 또, STEM 분석에서 두께 방향으로 1 ㎚ 의 거리란, STEM 분석에 의한 차트 (도 4) 의 가로축의 거리이다.

동일하게 하여, 시료의 최표면측의 단면을 STEM 으로 분석했다.

도 4 는, 시료 단면의 실제의 STEM 이미지를 나타낸다.

Ti 기재 (2) 의 표면에, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상 함유되고, 또한 Cr 이 20 질량％ 이상 함유됨과 함께, Au 가 20 질량％ 미만인 중간층 (2a) 이 1 ㎚ 이상 존재하는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 중간층을 정의하기 위해서 Ti, O 등의 농도를 규정하고 있다. 따라서, 중간층의 경계는 편의상 Ti, O 농도에 의해 정해지기 때문에, 중간층과 그 상하의 층 (예를 들어 Ti 기재 (2)) 사이에, 중간층과도 상이하고, Ti 기재와도 상이한 층이 개재하는 경우도 있다.

<각 시료의 제작>

티탄 기재 (순 Ti, Ti 피복재) 에, 스퍼터 시의 Cr 막, Mo 막 및 Au 막의 목표 두께를 여러 가지 변경하여 실시예 1 ∼ 14 의 시료를 제작했다.

비교예 20 으로서 스퍼터 대신에, 습식 도금에 의해, Ti 기재 표면에 Au 층을 50 ㎚ 형성했다. 습식 도금은, 기재의 침지 탈지, 수세, 산세, 수세, 활성 화 처리, 수세를 순서로 실시한 후, 금 도금하고, 추가로 수세, 열처리를 실시했다.

비교예 21, 22 로서 스퍼터 시에 각각 Au 막, Cr 막만 성막했다.

비교예 23 으로서 스퍼터 시의 Cr 막의 목표 두께를 0.5 ㎚ 로 저감하여 성막했다. 비교예 24 로서 스퍼터 시의 Au 막의 목표 두께를 0.5 ㎚ 로 저감하여 성막했다. 비교예 25 로서 Ti 기재 (순Ti) 를 스퍼터하기 전에 불화물 함유 전처리액에 침지하여, 기재 표면의 산화물을 제거하고 나서 스퍼터한 것 이외에는, 실시예 13 과 동일하게 하여 Cr 막 및 Au 막을 성막했다.

<평가>

각 시료에 대해 이하의 평가를 실시했다.

A. 밀착성

각 시료의 최표층의 합금층에 1 ㎜ 간격으로 바둑판 눈금을 그린 후, 점착성 테이프를 접착시키고, 다시 각 시험편을 180°구부려 원 상태로 되돌리고, 구부림부의 테이프를 급속히 또한 강하게 당겨 벗기는 박리 시험을 실시했다.

박리가 전혀 없는 경우를 ○ 로 하고, 일부라도 박리가 있으면 육안으로 인정되었을 경우를 × 로 했다.

B. 성막 형상

각 시료의 단면의 FE-TEM 이미지를 촬영하여, 표면에 수 ㎚ 에서 수백 ㎚ 의 입자가 모인 요철 구조가 관찰되었을 경우를 입자상으로 하고, 입자상에 비해 표면이 평활한 경우를 층 형상으로 했다.

C. 접촉 저항

접촉 저항의 측정은, 시료 전체면에 하중을 가하는 방법으로 실시하였다. 먼저, 40 × 50 ㎜ 의 판상 시료의 편측에 카본 페이퍼를 적층하고, 추가로 그 시료와 카본 페이퍼의 외측에 각각 Cu/Ni/Au 판을 적층했다. Cu/Ni/Au 판은 두께 10 ㎜ 의 구리판에 1.0 ㎛ 두께의 Ni 하지 도금을 하고, Ni 층 상에 0.5 ㎛ 의 Au 도금한 재료이며, Cu/Ni/Au 판의 Au 도금면이 시료나 카본 페이퍼에 접하도록 배치했다.

또한 Cu/Ni/Au 판의 외측에 각각 테플론 (등록 상표) 판을 배치하고, 각 테플론 (등록 상표) 판의 외측으로부터 로드 셀로 압축 방향으로 10 kg/㎠ 의 하중을 가했다. 이 상태에서, 2 장의 Cu/Ni/Au 판 사이에 전류 밀도 100 mA/㎠ 의 정전류를 흘렸을 때, Cu/Ni/Au 판 사이의 전기 저항을 4 단자법으로 측정했다.

또, 접촉 저항은, 이하의 4 개의 조건에 의해 수용액 350 cc 중에 시료 (40 ㎜ × 50 ㎜) 를 침지한 내식 시험의 전후에서 각각 측정했다.

조건 1 : 황산 수용액 (욕온 80 ℃, 농도 0.5 g/ℓ, 침지 시간 240 시간)

조건 2 : 메탄올 수용액 (욕온 80 ℃, 농도 400 g/ℓ, 침지 시간 240 시간)

조건 3 : 포름산 수용액 A (욕온 80 ℃, 농도 1 g/ℓ, 침지 시간 240 시간)

조건 4 : 포름산 수용액 B (욕온 80 ℃, 농도 9 g/ℓ, 침지 시간 240 시간)

또한, DMFC 의 경우, 조건 2 ∼ 4 는 조건 1 (통상적인 고체 고분자형 연료 전지의 내식성 시험 조건) 에 추가되어, 통상적인 고체 고분자형 연료 전지와 비교하면 평가해야 할 내식성 시험 환경이 많아진다.

또, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 대표적인 특성은, 저접촉 저항 (10 mΩ·㎠ 이하), 사용 환경에서의 내식성 (내식 시험 후에도 저접촉 저항이고, 유해한 이온의 용출이 없음 (시험에 의한 이온 농도 ≤ 0.1 ％)) 의 2 개이다. 또한, 이온의 용출은 ICP 로 분석했다.

D. 내구성

상기 각 실시예 및 비교예의 시료를 세퍼레이터 재료로서 사용하여 세퍼레이터를 제작했다. 이 세퍼레이터를 소정의 연료 전지 (PEFC) 에 집어 넣고, 1000 시간 (전류 밀도 : 0.5 A/㎠, 셀 온도 : 80 ℃, 수소 가스 유량 : 220 SCCM, 수소 가스 버블러 온도 : 80 ℃, 공기 유량 : 1080 SCCM, 공기 버블러 온도 : 80 ℃) 의 연속 발전 시험을 실시하여 시료의 내구성을 평가했다. 평가는, 내구성 시험(연속 발전 시험) 전후의 시료 (세퍼레이터) 의 외관의 일부에 변색이나 변형이 있는 것을, 각각 「변색 있음」, 「변형 있음」으로 하여, 내구성이 떨어져 있는 것으로 간주했다. 내구성 시험 전후에서 세퍼레이터의 외관이 변함없는 경우에는 「변화 없음」으로 하여, 내구성이 우수한 것으로 간주했다. 또한 파단된 시료 (세퍼레이터) 를 분석하면, 반드시 티탄 수소화물 석출물을 확인할 수 있다.

또한, 상기 각 실시예 및 비교예의 시료 중, 밀착성의 평가가 × 인 것에 대해서는, 시료 중 밀착성이 양호한 부위를 선택해 잘라내어 세퍼레이터를 제작하고, 내구성을 평가했다.

표 1 ∼ 표 4 에 결과를 나타낸다. 또한, 표 1 ∼ 표 4 에 있어서, 중간층의 두께, 최표층의 두께, 금속층 두께는, 모두 STEM 분석을 3 지점에 대해 실시한 값의 평균치로 했다.

표 1 ∼ 표 4 로부터 분명한 바와 같이, 합금층과 Ti 기재 사이에, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상 함유되고, 또한 Cr 등의 제 1 성분이 20 질량％ 이상 함유됨과 함께, Au 가 20 질량％ 미만인 중간층이 1 ㎚ 이상 존재하는 실시예 1 ∼ 14 의 경우, 각 층의 밀착성이 우수하고, 또, 스퍼터에 의해 성막한 합금층 또는 Au 층 (최표층) 은 평활한 층 형상이 되었다. 또한, 각 실시예의 경우, 내식 시험 전후에서 시료의 접촉 저항이 변화하지 않아, 내구성 시험 전후의 외관도 변하지 않아, 내식성, 도전성 및 내구성이 우수한 것으로 되었다. 또, 순 Ti 기재를 대신하여 두께 10 ㎚ 이상의 Ti 피복재를 사용한 실시예 10 의 경우도, 다른 실시예와 동등한 내식성과 도전성을 얻을 수 있었다.

또한, 각 실시예 1 ∼ 13 의 경우, 최표면으로부터 하층을 향하는 Au 50 질량％ 이상인 영역의 두께는 모두 1 ㎚ 이상이었다. 또, 실시예 14 의 경우, 최표면으로부터 하층을 향하는 Au 50 질량％ 이상인 영역의 두께는 0 이었지만, 최표면으로부터 하층을 향하는 Au 10 질량％ 이상 50 질량％ 미만인 영역의 두께가 3 ㎚ 이상이며, 다른 실시예와 동등한 내식성과 도전성을 얻을 수 있었다.

또, 금속층의 두께가 5 ㎚ 를 초과한 실시예 8, 9 의 경우, 내식 시험 후의 금속 용출량이 다른 실시예보다 약간 많아졌다. 단, 실시예 8, 9 의 경우도 실용상에는 문제없다.

Au 층을 습식 도금으로 형성한 비교예 20 의 경우, 최표층이 입자상이 되어, Au 의 사용량이 많아졌다.

Au 만을 스퍼터한 비교예 21 의 경우, 중간층이 형성되지 않고 밀착성이 열화됐다. 한편, Cr 만을 스퍼터한 비교예 22 의 경우, 최표층이 Au 를 함유하지 않고, 내식 시험 후에 접촉 저항이 대폭 증대되었다. 이것은, 최표층이 Au 를 함유하지 않기 때문에 내식성이 열화됐기 때문인 것으로 생각된다.

Cr 막의 목표 두께를 0.5 ㎚ 로 저감하여 스퍼터한 비교예 23 의 경우도, 중간층의 두께가 1 ㎚ 미만이 되어 밀착성이 열화되고, 내구 시험 후의 세퍼레이터는 수소 취화를 일으켜 변형했다.

Au 막의 목표 두께를 0.5 ㎚ 로 저감하여 스퍼터한 비교예 24 의 경우, 최표면으로부터 하층을 향하는 Au 50 질량％ 이상인 영역의 두께가 1 ㎚ 미만으로 얇아, 내식 시험 후에 접촉 저항이 대폭 증대했다.

Ti 기재 (순 Ti) 표면의 산화물을 제거하고 나서 스퍼터한 비교예 25 의 경우, 중간층의 두께가 1 ㎚ 미만이라도 밀착성이 양호한 피막을 얻을 수 있었지만, 기재 표면의 산화층이 얇기 때문에, 내식성이 약간 나쁘고, 내식성 시험 후의 접촉 저항이 증가하여, 티탄의 금속 용출량도 약간 많았다.

2 Ti 기재
2a 중간층
4 금속층 (제 1 성분의 단독층)
6 합금층
8 Au 단독층
10, 100 세퍼레이터
10L, 10LB (가스) 유로
10L1, 10LB1 유로 홈의 시작단
10L2, 10LB2 유로 홈의 종료단
12, 12B 개스킷
12c, 12d 개스킷의 내부 가장자리
12e1 ∼ 12e4 분할 부재
12eb1 ∼ 12eb4 개스킷 유로
20 고체 고분자 전해질막
40 애노드 전극
60 캐소드 전극
80 막전극 접합체 (MEA)
100h (세퍼레이터의) 구멍

Claims

Ti 기재의 표면에, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn 및 Bi 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종류 이상의 금속으로 이루어지는 제 1 성분과 Au 의 합금층, 또는 Au 단독층이 형성되고,
상기 합금층 또는 상기 Au 단독층과 상기 Ti 기재 사이에, Ti, O 및 상기 제 1 성분을 함유하고, Au 20 질량％ 미만의 중간층이 존재하고,
상기 합금층 또는 상기 Au 단독층에 있어서, 최표면으로부터 하층을 향해 두께 1 ㎚ 이상이고 Au 50 질량％ 이상인 영역 혹은 최표면으로부터 하층을 향해 두께 3 ㎚ 이상이고 Au 10 질량％ 이상 50 질량％ 미만인 영역을 갖고, 또는 상기 Au 단독층은 두께 1 ㎚ 이상인 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항에 있어서,
상기 중간층은, Ti, O 가 각각 10 질량％ 이상이고 또한 상기 제 1 성분이 20 질량％ 이상 함유되는 1 ㎚ 이상의 층으로서 존재하는 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 합금층과 상기 중간층 사이에, 상기 제 1 성분으로 이루어지는 금속층이 5 ㎚ 이하 형성되어 있거나, 또는 상기 금속층이 형성되어 있지 않은 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금층 중의 Au 의 비율이 하층측으로부터 상층측을 향해 증가하는 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금층의 표면에 Au 단독층이 형성되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti 기재는, Ti 와 상이한 기재 표면에 두께 10 ㎚ 이상의 Ti 피막을 형성하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터 재료
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
고체 고분자형 연료 전지에 사용되는 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 7 항에 있어서,
다이렉트 메탄올형 고체 고분자형 연료 전지에 사용되는 연료 전지용 세퍼레이터 재료.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 사용한 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 Ti 기재에 미리 프레스 가공에 의해 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로를 형성한 후, 상기 합금층 또는 Au 단독층을 형성하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터 재료를 사용한 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 Ti 기재에 상기 합금층 또는 Au 단독층을 형성한 후, 프레스 가공에 의해 반응 가스 유로 및/또는 반응 액체 유로를 형성하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터 재료, 또는 제 9 항 또는 제 10 항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터를 사용한 연료 전지 스택.