KR20220050778A - 세퍼레이터 및 세퍼레이터의 제조 방법 - Google Patents

세퍼레이터 및 세퍼레이터의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

내식성이 높고, 저렴한 연료 전지용 세퍼레이터 및 당해 세퍼레이터를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터이며, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율이, 일정한 값 이상인, 상기 연료 전지용 세퍼레이터, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

세퍼레이터 및 세퍼레이터의 제조 방법{SEPARATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING SEPARATOR}
본 발명은, 세퍼레이터 및 세퍼레이터의 제조 방법, 구체적으로는 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 연료 가스(수소)와 산화제 가스(산소)의 반응에 의해 기전력을 발생하는 단셀을 소정수만큼 적층한 스택 구조를 갖는다. 단셀은, 전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드의 전극층(촉매층 및 가스 확산층)을 구비하는 막 전극 접합체와, 당해 막 전극 접합체의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터를 갖는다.
세퍼레이터는, 단셀을 전기적으로 직렬 접속하는 기능 그리고 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 서로 차단하는 격벽으로서의 기능을 갖는다.
이와 같은 세퍼레이터에 대해서, 다양한 연구가 행해지고 있다.
예를 들어 특허문헌 1에는, 금속 기재층과, 상기 금속 기재층의 적어도 한쪽의 주표면에 위치하는, 도전성 탄소를 포함하는 도전성 탄소층을 갖는 도전 부재이며, 상기 도전성 탄소층의 라만 산란 분광 분석에 의해 측정된 D 밴드 피크 강도(ID)와 G 밴드 피크 강도(IG)의 강도비 R(ID/IG)이 1.3 이상인, 도전 부재가 개시되어 있고, 또한, 당해 도전 부재에는, 상기 금속 기재층과 상기 도전성 탄소층 사이에, 주상 구조 중간층이 개재하는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 금속 기재층과, 상기 금속 기재층 상에 형성되는 치밀 배리어층과, 상기 치밀 배리어층 상에 형성되는 중간층과, 상기 중간층 상에 형성되는 도전성 박막층을 갖는 도전 부재가 개시되어 있고, 또한, 당해 도전 부재에 있어서의 중간층은, 결정 배향성이 높은 주상 구조를 나타내는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 연료 전지용 세퍼레이터의 재료로서의, 순티타늄으로 이루어지는 모재와, 상기 모재 상에 형성된 티타늄 산화물 피막과, 상기 티타늄 산화물 피막 상에 형성된 탄소재층을 구비하는 티타늄재이며, 당해 티타늄재의 표층에 대해서 입사각 0.3°의 박막 X선 회절 분석에서, I(002)/I(101)이 0.8 이상이며, c/a가 1.598 이상이며, 상기 티타늄 산화물 피막은, C 및 N의 1종 이상을 포함하는, 티타늄재(단, I(101):α-Ti상의 (101)면에 의한 피크 강도, I(002):α-Ti상의 (002)면에 의한 피크 강도, a:α-Ti상의 a축 방향의 격자 상수, c:α-Ti상의 c축 방향의 격자 상수임)가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2010-153353호 공보 일본 특허 공개 제2010-129303호 공보 일본 특허 공개 제2019-214781호 공보
연료 전지용의 세퍼레이터는, 발생한 전류를 인접한 셀에 흘리는 역할도 담당하고 있다. 따라서, 세퍼레이터를 구성하는 기재에는, 높은 도전성이 요구된다. 또한, 그 높은 도전성이 연료 전지의 셀 내부의 고온ㆍ산성 분위기 속에 있어서도 장기간 유지되도록, 높은 내식성도 또한 요구된다.
그 때문에, 세퍼레이터를 구성하는 기재로서는, 순티타늄이나 티타늄 합금을 사용하는 경우가 많고, 이것은, 세퍼레이터 제조에 있어서의 비용 상승의 큰 요인의 하나로 되어 있다.
그래서, 고도전성 및 고내식성을 갖는 저렴한 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하기 위해서는, 금속 기재로서 저렴한 재료를 사용하고, 당해 금속 기재의 표면 상에, 내식성을 담보하기 위한 티타늄층(중간층), 또한 중간층의 표면 상에 도전성을 담보하기 위한 도전층(표면층)을 각각 성막하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 이와 같은 티타늄층 및 도전층이 성막된 연료 전지용 세퍼레이터에는, 내식성 개선의 여지가 있었다.
따라서, 본 발명은 내식성이 높고, 저렴한 연료 전지용 세퍼레이터 및 당해 세퍼레이터를 제조하는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제의 해결 수단을 여러가지 검토한 결과, 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석(XRD)에 의해 얻어지는 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 각각의 피크 강도를, 각각의 결정 격자면(「격자면」, 「회절면」이라고도 말함)의 상대 강도(「이론 회절 강도」라고도 말함)로 나눔으로써 각각의 피크의 (피크 강도/상대 강도)를 얻은 결과, (100)면, (002)면 및 (101)면의 (피크 강도/상대 강도)의 합계에 대한 (100)면의 (피크 강도/상대 강도)의 비율(배향 비율)이 일정한 값 이상으로 되었을 때, 연료 전지용 세퍼레이터의 내식성이 높아지는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터이며,
세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율이, 16.9% 이상인,
상기 연료 전지용 세퍼레이터.
(2) 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (002)면의 비율이, 61.0% 이하인, (1)에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터.
(3) 금속 기재가 스테인리스인, (1) 또는 (2)에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터.
(4) 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이며,
티타늄층이, 스퍼터링법을 사용하여, 이하:
(a) UBM 코일 전류값이 6.5A 내지 10A이거나, 또는
(b) 금속 기재에 대한 바이어스 전압값이 -700V 초과 -150V 이하인
조건 하에서 금속 기재 상에 성막되는,
상기 방법.
(5) 금속 기재가 요철 형상을 갖는 (4)에 기재된 방법.
본 발명에 의해, 내식성이 높고, 저렴한 연료 전지용 세퍼레이터 및 당해 세퍼레이터를 제조하는 방법이 제공된다.
도 1은 유로 형상을 갖는 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석 측정 방법에 있어서의, A) 적절한 예 및 B) 부적절한 예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 미러 지수면과 형성되는 형상 및 단면 형상의 모식도이다.
도 3은 실시예 1에 있어서의 A) OK품 및 B) NG품의 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 용출량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 있어서의 A) OK품 및 B) NG품의 SEM 화상이다.
도 5는 실시예 1에 있어서의, A) OK품의 SEM 화상, B) OK품의 티타늄층의 XRD 회절 패턴이다.
도 6은 실시예 1에 있어서의, A) NG품의 SEM 화상, B) NG품의 티타늄층의 XRD 회절 패턴이다.
도 7은 실시예 2에 있어서의, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (100)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 3에 있어서의, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (002)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 4에 있어서의, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 실시예 4의 연료 전지용 세퍼레이터의, 볼록 부분(4), 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분(5) 및 오목 부분(6)의 SEM 화상이다.
도 11은 실시예 5에 있어서의, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 다양하게 변경한 조건 하에서, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 12는 실시예 5의 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 각 금속 기재에 대한 바이어스 전압값에 있어서의 각 부분의 SEM 화상이다.
도 13은 실시예 5에 있어서의, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압(단위:-V)과, 도 12의 SEM 화상의 결과로부터 측정한 경사 부분의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예 6에 있어서의, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, UBM 코일 전류값 및 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 다양하게 변경한 조건 하에서, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시한다.
도 15는 실시예 6에 있어서의, UBM 코일 전류값과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예 6에 있어서의, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값(단위:-V)과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는, 적절히 도면을 참조하여 본 발명의 특징을 설명한다. 도면에서는, 명확화를 위해 각 부의 치수 및 형상을 과장하고 있고, 실제의 치수 및 형상을 정확하게 묘사하고 있지는 않다. 그 때문에, 본 발명의 기술적 범위는, 이들 도면에 표시된 각 부의 치수 및 형상에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 세퍼레이터 및 세퍼레이터의 제조 방법은, 하기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 당업자가 행할 수 있는 변경, 개량 등을 실시한 다양한 형태로 실시할 수 있다.
본 발명은 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터이며, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율(배향 비율)이 일정한 값 이상인, 상기 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서의 연료 전지용 세퍼레이터는, 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있다.
여기서, 금속 기재는, 티타늄보다도 저렴한 재료로 이루어지는 금속 기재이다. 금속 기재로서는, 스테인리스[SUS(철, 크롬, 니켈)]제, 철제 등의 판상의 기재를 들 수 있다. 금속 기재로서는 스테인리스가 바람직하다.
스테인리스로서는, 내식성이 높은 SUS316, SUS316L보다도 저렴한 SUS447, SUS304 등을 들 수 있다.
금속 기재가 저렴한 재료임으로써, 금속 기재로서 순티타늄 및 티타늄 합금을 사용하는 것보다도 티타늄 사용량을 저감시킬 수 있고, 비용을 낮출 수 있다.
금속 기재의 두께는, 한정되지 않지만, 통상 0.01㎜ 내지 1.0㎜, 바람직하게는 0.05㎜ 내지 0.5㎜이다.
금속 기재의 두께가 상기 범위임으로써, 원료 비용을 억제하고, 물리적인 내구성을 담보할 수 있다.
금속 기재는, 통상 반응 가스인 H2, O2나, 냉각 매체인 냉각수 등의 유체를 송달하기 위한 요철 형상을 갖는다. 금속 기재의 요철 형상에 있어서의 요철의 차는, 금속 기재의 두께를 제외하고, 통상 10㎛ 내지 500㎛이다. 또한, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 금속 기재에 성막되어 있는 티타늄층 및 도전층의 두께는, 금속 기재의 두께와 비교해서 얇으므로, 연료 전지용 세퍼레이터의 형상은 금속 기재의 요철 형상에 의존한다.
금속 기재의 표면 상에 성막되어 있는 티타늄을 포함하는 티타늄층에 있어서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율(배향 비율)은 16.9% 이상, 바람직하게는 20.0% 이상이다.
여기서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석 측정 방법으로서는, 종래의 측정 방법을 사용할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석 측정 방법에서는, 측정 대상이 되는 세퍼레이터 표면은, X선 회절 분석의 측정에 적합한 부분(곡률을 갖지 않는 부분, 예를 들어 평면 부분, 또는, 곡률을 갖지 않는 방향)이다.
예를 들어, 측정 대상이 되는 세퍼레이터가 유로 형상을 갖는 경우, 입사 X선은, 회절 X선이 세퍼레이터 유로의 곡률에 관한 정보를 포함하지 않도록, 세퍼레이터에 입사된다. 일례로서, 도 1에, 유로 형상을 갖는 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석 측정 방법에 있어서의, A) 적절한 예 및 B) 부적절한 예를 나타낸다. 또한, 도 1에 있어서, S는, 세퍼레이터 유로 형상 단면을 나타낸다. 도 1의 A)에서는, X선은 y축 방향(유로 방향과 수직 방향)에서 세퍼레이터의 볼록 부분(톱 부분)에 입사되고, 입사된 X선은, 세퍼레이터에 있어서 y축 방향으로 회절된다. 도 1의 A)의 경우, 입사 X선은, 세퍼레이터의 볼록 부분에 있어서 유로 방향과 수직 방향으로 입사되어 있으므로, 얻어지는 회절 X선은 세퍼레이터의 유로 형상에 기초하는 곡률의 영향을 포함하지 않는다. 한편, 도 1의 B)에서는, X선은 x축 방향(유로 방향과 평행 방향)에서 세퍼레이터의 볼록 부분(톱 부분)에 입사되고, 입사된 X선은, 세퍼레이터에 있어서 x축 방향으로 회절된다. 도 1의 B)의 경우, 입사 X선은, 세퍼레이터의 볼록 부분에 있어서 유로 방향과 평행 방향으로 입사되어 있으므로, 얻어지는 회절 X선은 세퍼레이터의 유로 형상에 기초하는 곡률의 영향을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서의 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석 측정 방법에서는, 세퍼레이터가 유로 형상을 갖는 경우, 도 1의 A)에 의한 측정 방법을 사용한다.
티타늄에서 유래되는 각 격자면의 상대 강도는, 이론 회절 강도(회절 강도의 이론값)를 의미하고, 티타늄의 결정 구조로부터 계산 가능한 일반적인 이론값이다. 즉, 티타늄에서 유래하는 (100)면의 상대 강도는, X선을(100)면에 조사했을 때 이론적으로 얻어지는 회절 강도이며, 티타늄에서 유래하는 (002)면의 상대 강도는, X선을 (002)면에 조사했을 때 이론적으로 얻어지는 회절 강도이며, 티타늄에서 유래하는 (101)면의 상대 강도는, X선을 (101)면에 조사했을 때 이론적으로 얻어지는 회절 강도이다. 여기서, 각 격자면에 조사하는 X선은, 동일한 X선이다. 따라서, 티타늄에서 유래되는 각 격자면의 상대 강도는, 동일한 X선을 각 격자면에 조사했을 때 얻어지는, 각 격자면의 이론 회절 강도의 비(즉, (100)면의 이론 회절 강도: (002)면의 이론 회절 강도: (101)면의 이론 회절 강도)로서 표현할 수도 있다. 또한, 티타늄에서 유래되는 각 격자면의 상대 강도는, 동일한 X선을 조사했을 때의 이론 회절 강도이므로, XRD가 동일한 X선을 사용하여 측정되는 한, 사용하는 XRD 장치, X선의 종류에는 기본적으로 의존하지 않는 고유값이다.
따라서, 예를 들어 티타늄에서 유래하는 (101)면의 상대 강도를 (100)으로 했을 때, 티타늄에서 유래하는 (100)면의 상대 강도는 25로 계산할 수 있고, 티타늄에서 유래하는 (002)면의 상대 강도는 30으로 계산할 수 있다(즉, (100)면의 이론 회절 강도:(002)면의 이론 회절 강도:(101)면의 이론 회절 강도=25:30:100).
이상에 의해, 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율(배향 비율)은 이하의 식으로 표시된다.
(100)면의 비율(배향 비율)(%)
={((100)면의 피크 강도/(100)면의 상대 강도)/[((100)면의 피크 강도/(100)면의 상대 강도)+((002)면의 피크 강도/(002)면의 상대 강도)+((101)면의 피크 강도/(101)면의 상대 강도)]}×100
또한, 금속 기재의 표면 상에 성막되어 있는 티타늄을 포함하는 티타늄층에 있어서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 티타늄에서 유래하는 (002)면의 비율(배향 비율)은, 통상 61.0% 이하, 바람직하게는 40.0% 이하이다.
티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 티타늄에서 유래하는 (002)면의 비율(배향 비율)은 상기와 마찬가지로, 이하의 식으로 표시된다.
(002)면의 비율(배향 비율)(%)
={((002)면의 피크 강도/(002)면의 상대 강도)/[((100)면의 피크 강도/(100)면의 상대 강도)+((002)면의 피크 강도/(002)면의 상대 강도)+((101)면의 피크 강도/(101)면의 상대 강도)]}×100
금속 기재의 표면 상에 성막되어 있는 티타늄을 포함하는 티타늄층에 있어서, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면 및/또는 (002)면의 비율(배향 비율)이 상기 범위의 값을 가짐으로써, 고내식성인 연료 전지용 세퍼레이터가 된다. 또한, 내식성에 대해서는, 연료 전지용 세퍼레이터의 용출성 시험에 있어서의 철(Fe) 용출량에 의해 확인할 수 있다.
도 2에, 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 미러 지수면과 형성되는 형상 및 단면 형상의 모식도를 나타낸다. 도 2로부터, 티타늄에서 유래하는 (100)면의 비율이 증가하는 것은, 티타늄층에 있어서 평탄 구조를 갖는 티타늄의 비율이 증가하는 것을 의미하고, 티타늄에서 유래하는 (002)면의 비율이 감소하는 것은, 티타늄층에 있어서 주상 구조를 갖는 티타늄의 비율이 감소하는 것을 의미한다.
금속 기재의 표면 상에 성막되어 있는 티타늄을 포함하는 티타늄층은, 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면의 배향 비율이 상기 범위인 한, 다른 성분, 예를 들어 C, N, H, O, Ar, Ag, Mo, Rh, Pd, Pt, Pb, Ru, Al, Ni, Co를 포함해도 된다. 티타늄을 포함하는 티타늄층은, 티타늄으로 이루어지는 티타늄층인 것이 바람직하다.
금속 기재의 표면 상에 성막되어 있는 티타늄을 포함하는 티타늄층에 의해, 내식성이 담보된다.
티타늄층의 두께는, 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서의 각 부분, 예를 들어 도전 부분, 시일 부재 배치 부분 등에 요구되는 성능에 의존하므로, 한정되지 않지만, 도전 부분 등의 내식성이 요구되는 부분에서는, 평균 두께로, 30㎚ 내지 800㎚, 바람직하게는 50㎚ 내지 300㎚이다. 티타늄층의 평균 두께는, 예를 들어 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 관찰에 의한 평균값에 의해 산출할 수 있다.
티타늄층의 두께를 상기 범위로 함으로써, 티타늄 사용량의 삭감 효과를 얻음과 함께, 원하는 내식성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는, 통상 티타늄층의 표면 상에 도전성을 담보하기 위한 도전층을 갖는다.
도전층은, 당해 기술 분야에 있어서 공지의 것이어도 되고, 예를 들어 카본층이어도 된다.
본 발명에 있어서의 연료 전지용 세퍼레이터는 연료 전지 셀(단셀)의 구성 요소이며, 막 전극 접합체(전해질막, 해당 전해질막의 양면에 배치되는 애노드 및 캐소드의 전극층)의 양면에 배치된다.
본 발명에 의해 제조된 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 셀은, 고체 고분자형 연료 전지 등의 각종 전기 화학 디바이스에 있어서 사용할 수 있다.
본 발명의 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터는, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여, (a) UBM 코일 전류값, 또는 (b) 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 일정 범위로 제어한 조건 하에서 금속 기재 상에 성막함으로써 제조할 수 있다.
여기서, 금속 기재로서는, 상기에서 설명한 것을 사용할 수 있다.
금속 기재로서는, 미리 최종적인 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 프레스된 요철 형상을 갖는 금속 기재를 사용하는 것이 바람직하다.
금속 기재로서 미리 프레스된 요철 형상을 갖는 금속 기재를 사용함으로써, 티타늄층 및 도전층 성막 후에, 또다시 프레스를 하지 않고, 연료 전지용 세퍼레이터를 얻을 수 있다.
스퍼터링법이란, 물리 증착(Physical Vapor Deposition:PVD)법의 일종이며, 스퍼터링법으로서, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터법(UBMS)을 들 수 있다.
언밸런스드 마그네트론 스퍼터(UBMS)법은, 스퍼터 캐소드의 자장을 의도적으로 비평형으로 함으로써, 기재에 대한 플라스마 조사를 강화한 스퍼터링 방식에 의해 치밀한 박막의 형성이 가능하게 된다.
스퍼터링법에 대해서는, 이하에서 설명하는 조건 이외의 조건, 예를 들어 장치 챔버 내의 초기 진공도, 금속 기재 표면의 클리닝 조건(예를 들어, 아르곤 봄버드먼트 처리의 조건), 플라스마 생성용 가스의 조건, 성막 시간, 성막 온도 등은, 당해 기술 분야에서 알려져 있는 조건(예를 들어, 국제 공개 제2015/068776호를 참조)을 사용할 수 있다. 또한, 성막 시간이 길수록 막 두께가 두꺼워지므로, 성막 시간을 조정함으로써, 원하는 막 두께를 얻을 수 있다.
스퍼터링법에 있어서, (a) 플라스마의 강도를 제어하는 UBM 코일 전류값은, 6.5A 내지 10A이며, 바람직하게는 7.0A 내지 9.0A이다.
스퍼터링법에 있어서의 UBM 코일 전류값을 상기 범위로 함으로써, 성막 입자인 티타늄 입자를 고에너지 상태로 금속 기재 상에 도달시킬 수 있으므로, 가령 금속 기재로서 요철 형상을 갖는 금속 기재를 사용했다고 해도, 금속 기재의 볼록 부분(톱 부분), 오목 부분(보텀 부분) 및 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분 모두에 있어서, 치밀화된 티타늄층을 갖는 고내식성인 연료 전지용 세퍼레이터, 특히는, 상기에서 설명한 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면 및/또는 (002)면의 비율(배향 비율)이 상기 범위의 값을 갖는 고내식성인 연료 전지용 세퍼레이터를 안정적으로 얻을 수 있다.
또한/혹은, 스퍼터링법에 있어서, (b) 금속 기재에 대한 바이어스 전압은, -700V 초과 -150V 이하이다. 또한, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터법에서는, 캐소드(음극)로서의 타깃(즉, 티타늄)과, 애노드(양극)로서의 금속 기재 사이에서 글로우 방전을 발생시켜서, 불활성 가스의 플라스마, 예를 들어 Ar 플라스마를 형성하고, Ar 플라스마 중의 플러스로 이온화한 Ar 이온이 타깃 원자를 튕겨서, 타깃 원자를 가속시켜서 금속 기재 표면 상에 성막하므로, 금속 기재에는 바이어스 전압으로서 마이너스(부)의 전압을 인가한다. 또한, 본 명세서에서는, 부의 바이어스 전압의 고저를 표현하는 경우에, 0V에 의해 가까운 쪽의 바이어스 전압을 「바이어스 전압이 높다」라고 표현한다.
금속 기재로서 요철 형상을 갖는 금속 기재를 사용하는 경우, 스퍼터링법에 있어서의 금속 기재에 대한 바이어스 전압이 낮을수록, 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분에 있어서 형성되는 티타늄층의 두께가 얇아지는 경향이 있다. 따라서, 스퍼터링법에 있어서의 금속 기재에 대한 바이어스 전압을 상기 범위로 함으로써, 성막 입자인 티타늄 입자를 고에너지 상태로 금속 기재 상에 도달시킬 수 있으므로, 가령 금속 기재로서 요철 형상을 갖는 금속 기재를 사용했다고 해도, 금속 기재의 볼록 부분(톱 부분), 오목 부분(보텀 부분) 및 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분 모두에 있어서, 치밀화된 티타늄층을 갖는 고내식성인 연료 전지용 세퍼레이터, 특히는, 상기에서 설명한 세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면 및/또는 (002)면의 비율(배향 비율)이 상기 범위의 값을 갖는 고내식성인 연료 전지용 세퍼레이터를 안정적으로 얻을 수 있다.
스퍼터링법에 있어서, 티타늄 원료인 티타늄 타깃과 금속 기재, 특히 금속 기재의 볼록 부분(톱 부분)의 거리는, 통상 10㎝±1㎝이다.
또한, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은, 통상 티타늄층의 표면 상에 도전성을 담보하기 위한 도전층을 성막하기 위한 공정을 더 포함한다.
도전층, 예를 들어 카본층을 성막하기 위한 공정은, 당해 기술 분야에 있어서 공지된 공정, 예를 들어 아크 이온 플레이팅(AIP)법을 사용할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명에 따른 몇 가지의 실시예에 대해서 설명하지만, 본 발명을 이러한 실시예에 나타내는 것에 한정하는 것을 의도한 것은 아니다.
실시예 1:내식성 OK품과 내식성 NG품의 비교 실험
금속 기재로서 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 미리 프레스한 스테인리스(SUS304)를 사용하였다. SUS 표면 상의 부동태를 Ar 에칭으로 제거한 후, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여 SUS 상에 성막하고, 그 후 도전층으로서의 카본층을, AIP법을 사용하여 티타늄층 상에 성막함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하였다. 얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 내식성의 평가로서의 금속 용출량 시험을 실시하고, 금속 용출량이 적은 세퍼레이터(OK품)와 철(Fe)의 용출량이 많은 세퍼레이터(NG품)를 선정하였다. 그 후, OK품 및 NG품의 각각에 대해서, 티타늄층의 결정 구조를 SEM 및 XRD에 의해 평가하였다.
여기서, 내식성의 평가로서의 금속 용출량 시험에서는, 일본 공업 규격의 금속 재료의 전기 화학적 고온 부식 시험 방법(JIS Z2294)에 준한 정전위 부식 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 온도 80℃로 조정된 황산 수용액 중에, 각 샘플을 침지시킨 상태에서, 0.9V vs SHE의 전위를 일정하게 유지시키고, 당해 정전위 부식 시험 후에, 당해 시험 전후의 용액 중 금속량의 차로부터, 당해 황산 수용액 중에 용출된 세퍼레이터의 금속 기재 성분의 금속 용출량을 ICP 분석 장치에 의해 측정하였다. 또한, 황산 수용액에는 불화물 이온 농도가 3ppm이 되도록 NaF를 용해시킨 것을 사용하였다. 또한, 정전위 부식 시험의 시간은 60시간으로 하였다.
XRD는, 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1의 A)에 기재된 방법에 의해, 세퍼레이터의 볼록 부분(톱 부분)에 있어서, y축의 방향에서 측정하였다. 또한, XRD로서는, 가부시키가이샤 리가쿠제의 SmartLab(X선:CuKα)을 사용하였다.
결과를 도 3 내지 6에 나타낸다. 도 3에서는, A)는 OK품의 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 용출량을 나타내고, B)는 NG품의 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 용출량을 나타낸다. 도 4에서는, A)는 OK품의 SEM 화상을 나타내고, B)는 NG품의 SEM 화상을 나타낸다. 도 5에서는, A)는 OK품의 SEM 화상을 나타내고, B)는 OK품의 티타늄층의 XRD 회절 패턴을 나타낸다. 도 6에서는, A)는 NG품의 SEM 화상을 나타내고, B)는 NG품의 티타늄층의 XRD 회절 패턴을 나타낸다. 또한, 도 4 내지 6에 있어서, 1은 카본층을 나타내고, 2는 티타늄층(평탄 구조가 관측된 층, 이하 평탄 구조로 나타냄)을 나타내고, 2'는 티타늄층(평탄 구조가 관측되지 않았던, 또는 관측되었지만 피크가 작았던 층, 이하 주상 구조로 나타냄)을 나타내고, 3은 금속 기재를 나타낸다.
도 3 내지 6으로부터, 금속의 용출량이 적은 OK품은, XRD 회절 패턴에 있어서 (100)면이 관측되는 티타늄층(평탄 구조)(2)을 갖고, 철(Fe)의 용출량이 많은 NG품은, XRD에 있어서 (100)면이 관측되지 않거나, 또는 관측되었지만 피크가 작았던 티타늄층(주상 구조)(2')을 갖는 것을 알 수 있었다.
따라서, 티타늄층(2, 2')에 있어서, 평탄 구조를 갖는 티타늄이 증가하고, 주상 구조를 갖는 티타늄이 감소함으로써, 고내식성인, 금속의 용출량이 적은 연료 전지용 세퍼레이터가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
실시예 2:(100)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계
금속 기재로서 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 미리 프레스한 스테인리스(SUS304)를 사용하였다. SUS 표면 상의 부동태를 Ar 에칭으로 제거한 후, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여 SUS 상에 성막하고, 그 후 도전층으로서의 카본층을, AIP법을 사용하여 티타늄층 상에 성막함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하였다. 얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 상기의 금속 용출량 시험을 실시하고, 또한 티타늄층의 결정 구조를 XRD에 의해 평가하였다.
XRD 회절 패턴의 결과로부터, 각 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 배향 비율을, 상기한 바와 같이 산출하였다. 일례로서, 1개의 어느 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래되는 각 격자면의 배향 비율의 산출 방법을 하기에 나타낸다.
(1) X선 회절 분석(XRD) 장치(SmartLab(가부시키가이샤 리가쿠제), X선:CuKα)로, 도 1의 A)에 기재된 방법에 의해, 연료 전지용 세퍼레이터의 유로의 볼록 부분(톱 부분)을 분석하였다.
(2) 검출된 티타늄의 메인 회절 피크인 (100)면, (002)면 및 (101)면의 각 피크를, 분석 장치 내에서 피팅하고, 각 피크의 신호 강도를 산출하였다.
(3) 각 격자면에 따라 피크 강도는 다르며, 상대 강도가 존재하므로, 각 격자면의 피크 강도를 상대 강도(이론 회절 강도)로 나누었다. 또한, 각 격자면의 상대 강도로서 각 격자면의 이론 회절 강도를 사용하기 위한 사전 측정으로서, 고순도 Si의 분말 결정의 XRD를, 당해 측정에 있어서 사용한 XRD 장치(SmartLab(가부시키가이샤 리가쿠제), X선:CuKα)를 사용하여 측정하고, Si의 각 격자면의 실측된 피크 강도의 비와 이론 회절 강도의 비가 거의 동일해지는 것을 확인하였다.
(4) (3)에서 얻어진 각 격자면의 (피크 강도/상대 강도)를 각 격자면의 (피크 강도/상대 강도)의 합계로 나눔으로써, 각 격자면의 배향 비율을 산출하였다.
Figure pat00001
도 7에, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (100)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타낸다. 또한, 도 7에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 동일한 (100)면의 배향 비율 및 철(Fe) 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량만을 기재하고, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 동일한 (100)면의 배향 비율을 갖지만, 각각 다른 철(Fe) 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량을 기재하였다.
도 7로부터, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (100)면의 배향 비율이 16.9% 이상이 되면, 연료 전지용 세퍼레이터의 철 용출량이 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량 모두에 있어서 안정적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다.
실시예 3:(002)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계
실시예 2에 있어서 얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, XRD 회절 패턴의 결과로부터, 각 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (002)면의 배향 비율을, 상기한 바와 같이 산출하였다. 일례로서의 1개의 어느 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (002)면의 배향 비율의 산출 방법은, 상기 표 1을 참조하기 바란다.
도 8에, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (002)면의 배향 비율과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타낸다. 또한, 도 8에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 동일한 (002)면의 배향 비율 및 철(Fe) 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량만을 기재하고, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 동일한 (002)면의 배향 비율을 갖지만, 각각 다른 철(Fe) 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량을 기재하였다.
도 8로부터, 연료 전지용 세퍼레이터의 티타늄에서 유래하는 (002)면의 배향 비율이 61.0% 이하가 되면, 연료 전지용 세퍼레이터의 철 용출량이 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량 모두에 있어서 안정적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다.
실시예 4:요철 형상을 갖는 금속 기재에 대한 티타늄층의 성막 실험 1
금속 기재로서 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 미리 프레스한 요철 형상을 갖는 스테인리스(SUS304)를 사용하였다. SUS 표면 상의 부동태를 Ar 에칭으로 제거한 후, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여, UBM 코일 전류값을 4.0A로 하고, 금속 기재에 대한 바이어스 전압을 -75V로 한 조건 하에서 SUS 상에 성막하고, 그 후 도전층으로서의 카본층을, AIP법을 사용하여 티타늄층 상에 성막함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하였다.
도 9에, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시한다. 또한, 도 9에 있어서, 4는 볼록 부분(톱 부분)을 나타내고, 5는 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분을 나타내고, 6은 오목 부분(보텀 부분)을 나타내고, S는 세퍼레이터 유로 형상 단면을 나타내고, 7은 성막 입자(티타늄 입자)를 나타낸다.
얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 볼록 부분(4), 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분(5) 및 오목 부분(6)의 SEM 화상을 측정하였다. 도 10에 각 부분의 SEM 화상의 결과를 나타낸다. 또한, 도 10에 있어서, 1은 카본층을 나타내고, 2는 티타늄층(평탄 구조)을 나타내고, 2'는 티타늄층(주상 구조)을 나타내고, 3은 금속 기재를 나타낸다.
도 10으로부터, 볼록 부분(4) 및 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분(5)은 티타늄층(주상 구조)(2')을 나타내고, 오목 부분(6)은 티타늄층(평탄 구조)(2)을 나타내는 것, 즉, 금속 기재(3)가 요철 형상을 갖는 경우, 금속 기재(3)의 부분에 의해, 형성되는 티타늄층(2, 2')이 다른 것을 알 수 있었다.
즉, 스퍼터링법과 같은 고결정 금속막을 성막하는 방법에서는, 용출 기점이 될 수 있는 티타늄층(주상 구조)(2')이 형성되기 쉽고, 또한, 세퍼레이터 유로 형상과 같은 요철을 갖는 복잡한 구조에서는, 도 9와 같이 경사 부분(5)과 같은 입자(7)의 에너지가 미치기 어려운 부위에 있어서, 티타늄층(주상 구조)(2')의 형성이 촉진되는 것을 알 수 있었다.
실시예 5:요철 형상을 갖는 금속 기재에 대한 티타늄층의 성막 실험 2
금속 기재로서 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 미리 프레스한 요철 형상을 갖는 스테인리스(SUS304)를 사용하였다. SUS 표면 상의 부동태를 Ar 에칭으로 제거한 후, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여, UBM 코일 전류값을 6.5A로 하고, 금속 기재에 대한 바이어스 전압을 0V, -50V 또는 -250V로 한 조건 하에서 SUS 상에 성막하고, 그 후 도전층으로서의 카본층을, AIP법을 사용하여 티타늄층 상에 성막함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하였다.
도 11에, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 다양하게 변경한 조건 하에서, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시한다. 또한, 도 11에 있어서, 4는 볼록 부분(톱 부분)을 나타내고, 5는 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분을 나타내고, 6은 오목 부분(보텀 부분)을 나타내고, S는 세퍼레이터 유로 형상 단면을 나타내고, 7은 성막 입자(티타늄 입자)를 나타내고, 8은 금속 기재에 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원을 나타낸다.
얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 볼록 부분(4), 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분(5) 및 오목 부분(6)의 SEM 화상을 측정하였다. 도 12에 각 금속 기재에 대한 바이어스 전압값에 있어서의 각 부분의 SEM 화상의 결과를 나타낸다. 또한, 도 12에 있어서, 1은 카본층을 나타내고, 2는 티타늄층(평탄 구조)을 나타내고, 2'는 티타늄층(주상 구조)을 나타내고, 3은 금속 기재를 나타낸다.
또한, 도 13에, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압(단위:-V)과, 도 12의 SEM 화상의 결과로부터 측정한 경사 부분의 두께의 관계를 나타낸다.
도 12로부터, 금속 기재(3)가 요철 형상을 갖는 경우에는, 티타늄층(2, 2')의 성막에 있어서, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압이, 티타늄층(2, 2')의 결정 구조에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 또한, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압을 저하함으로써, 티타늄층(평탄 구조)(2)을 형성하기 쉬워지는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 13으로부터, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압을 저하함으로써, Ar 에칭의 효과에 의해 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분(5)의 막 두께도 또한 저하하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 당해 경사 부분(5)에 티타늄층(평탄 구조)(2)을 형성시키기 위해서는, 금속 기재(3)에 대한 바이어스 전압은, -700V 초과가 필요한 것을 알 수 있었다.
실시예 6:요철 형상을 갖는 금속 기재에 대한 티타늄층의 성막 실험 3
금속 기재로서 연료 전지용 세퍼레이터의 형상으로 미리 프레스한 요철 형상을 갖는 스테인리스(SUS304)를 사용하였다. SUS 표면 상의 부동태를 Ar 에칭으로 제거한 후, 티타늄층을, 스퍼터링법을 사용하여, UBM 코일 전류값 및 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 다양하게 변경한 조건 하에서 SUS 상에 성막하고, 그 후 도전층으로서의 카본층을, AIP법을 사용하여 티타늄층 상에 성막함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하였다.
도 14에, 성막 입자인 티타늄 입자를, 스퍼터링법을 사용하여, UBM 코일 전류값 및 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 다양하게 변경한 조건 하에서, 요철 형상을 갖는 금속 기재 상에 성막하는 모습을 모식적으로 도시한다. 또한, 도 14에 있어서, 4는 볼록 부분(톱 부분)을 나타내고, 5는 볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분을 나타내고, 6은 오목 부분(보텀 부분)을 나타내고, S는 세퍼레이터 유로 형상 단면을 나타내고, 7은 성막 입자(티타늄 입자)를 나타내고, 8은 금속 기재에 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원을 나타내고, 9는 UBM 코일 전류에 의해 강도가 제어된 플라스마를 나타낸다.
얻어진 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서, 상기의 금속 용출량 시험을 실시하였다.
도 15에, UBM 코일 전류값과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타내고, 도 16에, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값(단위:-V)과 철(Fe) 용출량의 관계를 나타낸다. 또한, 도 15 및 16에서는, UBM 코일 전류값 및 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 동일하게 하여 제조한 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 동일한 철 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량만을 기재하고, UBM 코일 전류값 및 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 동일하게 하여 제조한 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 다른 철 용출량을 나타낸 경우에는, 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량을 기재하였다. 예를 들어, 도 15에 있어서, UBM 코일 전류값이 4A인 경우에, 평균 용출량이 4점 존재하고, 최대 용출량 및 최소 용출량이 각각 3점 존재하는 것은, UBM 코일 전류값을 4A로 고정하고, 4개의 다른 금속 기재에 대한 바이어스 전압값에 의해 성막한 각각의 연료 전지용 세퍼레이터(즉, 4개의 조건에 의해 제조한 연료 전지용 세퍼레이터)에 있어서, 1개의 조건에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 동일한 철 용출량을 나타냈기 때문에, 평균 용출량만을 기재한 반면, 3개의 조건에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 다른 철 용출량을 나타냈기 때문에, 3개의 조건 각각의 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량을 기재했기 때문이다. 예를 들어, 도 16에 있어서, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값이 -75V인 경우에, 평균 용출량이 4점 존재하고, 최대 용출량 및 최소 용출량이 각각 2점 존재하는 것은, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값을 -75V에 고정하고, 4개의 다른 UBM 코일 전류값에 의해 성막한 연료 전지용 세퍼레이터(즉, 4개의 조건에 의해 제조한 연료 전지용 세퍼레이터)에 있어서, 2개의 조건에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 동일한 철 용출량을 나타냈기 때문에, 2개의 조건 각각의 평균 용출량만을 기재한 반면, 2개의 조건에서는, 2개 이상의 연료 전지용 세퍼레이터가, 각각 다른 철 용출량을 나타냈기 때문에, 2개의 조건 각각의 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량을 기재했기 때문이다.
도 15로부터, UBM 코일 전류값이 6.5A 내지 10A가 되면, 연료 전지용 세퍼레이터의 철 용출량이 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량 모두에 있어서 안정적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다.
도 16으로부터, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값이 -150V 이하가 되면, 연료 전지용 세퍼레이터의 철 용출량이 평균 용출량, 최대 용출량 및 최소 용출량 모두에 있어서 안정적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 실시예 5의 결과를 고려하면, 금속 기재에 대한 바이어스 전압값은 -700V 초과 -150V 이하가 바람직한 것을 알 수 있었다.
S:세퍼레이터 유로 형상 단면
1:카본층
2:티타늄층(평탄 구조)
2':티타늄층(주상 구조)
3:금속 기재
4:볼록 부분(톱 부분)
5:볼록 부분과 오목 부분 사이의 경사 부분
6:오목 부분(보텀 부분)
7:성막 입자(티타늄 입자)
8:금속 기재에 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원
9:UBM 코일 전류에 의해 강도가 제어된 플라스마

Claims (5)

  1. 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터이며,
    세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (100)면의 비율이, 16.9% 이상인,
    상기 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    세퍼레이터 표면의 X선 회절 분석에 있어서의 티타늄에서 유래하는 (100)면, (002)면 및 (101)면의 피크 강도를 각각 상대 강도로 나눈 값의 합계에 대한 (002)면의 비율이, 61.0% 이하인, 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    금속 기재가 스테인리스인, 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 금속 기재 상에 티타늄을 포함하는 티타늄층이 성막되어 있는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이며,
    티타늄층이, 스퍼터링법을 사용하여, 이하:
    (a) UBM 코일 전류값이 6.5A 내지 10A이거나, 또는
    (b) 금속 기재에 대한 바이어스 전압값이 -700V 초과 -150V 이하인
    조건 하에서 금속 기재 상에 성막되는,
    상기 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    금속 기재가 요철 형상을 갖는, 방법.
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