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JP7613340B2 - Manufacturing method of fuel cell separator - Google Patents
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Description

本開示は、燃料電池セパレータの製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for manufacturing a fuel cell separator.

燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ構造体を単セルとして備える。また、燃料電池は、ガス(水素、酸素等)の流路となる溝が成膜されたセパレータ(バイポーラプレートとも呼ばれる)を介して前記単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。燃料電池は、スタックあたりのセル数を増やすことで、出力を高くすることができる。 A fuel cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode as a single cell. The fuel cell is also configured as a stack in which multiple single cells are stacked via separators (also called bipolar plates) that have grooves that serve as flow paths for gases (hydrogen, oxygen, etc.). The output of a fuel cell can be increased by increasing the number of cells per stack.

燃料電池用のセパレータは、発生した電流を冷却水が流れる面を介して隣のセルに流す役割も担っている。そのため、セパレータを構成するセパレータ材には、導電性が要求される。 The separators for fuel cells also play a role in passing the generated electric current to the adjacent cell through the surface through which the cooling water flows. Therefore, the separator material that constitutes the separator must be electrically conductive.

燃料電池セパレータとして、例えば、特許文献1は、基材上にチタン膜又は窒化チタン膜を成膜した燃料電池セパレータの製造方法を開示している。具体的には、特許文献1は、セパレータ用基材を準備する第1工程と、前記セパレータ基材表面に所定値以下のバイアス電圧を印加しつつドライコート法によってTi膜またはTiN膜を成膜する第2工程とを含むことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法を開示している。 As an example of a fuel cell separator, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a fuel cell separator in which a titanium film or titanium nitride film is formed on a substrate. Specifically, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a fuel cell separator, which includes a first step of preparing a substrate for a separator, and a second step of forming a Ti film or TiN film by a dry coating method while applying a bias voltage of a predetermined value or less to the surface of the separator substrate.

また、特許文献2は、金属基材層と、前記金属基材層の少なくとも一方の主表面に位置する、導電性炭素を含む導電性炭素層と、を有する導電部材であって、前記導電性炭素層の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1.3以上である、導電部材を開示している。また、特許文献2は、金属基材層と導電性炭素層との間に柱状構造中間層が介在する形態を開示しており(例えば請求項3)、該中間層の材料として、チタンが挙げられている。 Patent Document 2 discloses a conductive member having a metal substrate layer and a conductive carbon layer containing conductive carbon located on at least one of the main surfaces of the metal substrate layer, in which the intensity ratio R (I D /I G ) of the D band peak intensity (I D ) to the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopy of the conductive carbon layer is 1.3 or more. Patent Document 2 also discloses a form in which a columnar structure intermediate layer is interposed between the metal substrate layer and the conductive carbon layer (e.g., claim 3), and titanium is listed as the material of the intermediate layer.

特開2008-34113号公報JP 2008-34113 A 特開2010-153353号公報JP 2010-153353 A

燃料電池セパレータには、流路となる溝を成膜するために、凹凸の流路形状を有する金属基材が用いられる。ここで、本発明者らは、凹凸の流路形状を有する金属基材にスパッタリング法によりチタンからなるチタン層を成膜した場合、凸部に成膜されるチタン層の膜厚と、凹部に成膜されるチタン層の膜厚とで差が生じることを知得した。具体的には、凹部に成膜されるチタン層の膜厚が凸部に成膜されるチタン層の膜厚よりも小さくなることを知得した。耐食性の観点からは、凹部に成膜されるチタン層の膜厚も一定以上に確保されることが望ましい。しかし、凹部に成膜されるチタン層の膜厚を大きくしようとすると、凸部に成膜されるチタン層の膜厚も必要以上に大きくなってしまうため、コスト増に繋がる。そのため、凹部に成膜されるチタン層の膜厚を凸部に成膜されるチタン層の膜厚に近付け得るチタン層の成膜方法の開発が望まれていた。 In fuel cell separators, a metal substrate having an uneven flow path shape is used to form grooves that serve as flow paths. Here, the inventors have found that when a titanium layer made of titanium is formed on a metal substrate having an uneven flow path shape by a sputtering method, a difference occurs between the thickness of the titanium layer formed on the convex parts and the thickness of the titanium layer formed on the concave parts. Specifically, they have found that the thickness of the titanium layer formed on the concave parts is smaller than the thickness of the titanium layer formed on the convex parts. From the viewpoint of corrosion resistance, it is desirable to ensure that the thickness of the titanium layer formed on the concave parts is also at least a certain level. However, if the thickness of the titanium layer formed on the concave parts is increased, the thickness of the titanium layer formed on the convex parts will also be larger than necessary, which will lead to increased costs. Therefore, there has been a demand for the development of a titanium layer forming method that can bring the thickness of the titanium layer formed on the concave parts closer to the thickness of the titanium layer formed on the convex parts.

そこで、本開示の目的は、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、従来に比べて均一にチタン層を成膜することができる、燃料電池セパレータの製造方法を提供することである。 Therefore, the objective of this disclosure is to provide a method for manufacturing a fuel cell separator that can form a titanium layer more uniformly than conventional methods on a metal substrate having an uneven flow path shape.

上述の通り、本発明者らは、凹凸の流路形状を有する金属基材に一般的なスパッタリング法によりチタンからなるチタン層を成膜した場合、凹部に成膜されるチタン層の膜厚が凸部に成膜されるチタン層の膜厚よりも小さくなることを知得した。スパッタリング法は、通常、減圧下でターゲットとしての原料を衝撃等により被膜対象とする金属基材表面に飛ばして物理的に薄膜を成膜させる方法であるが、減圧した状態であってもスパッタガスが雰囲気中に存在する。金属基材の凸部と凹部とでは、ターゲットまでの距離に差があり、凹部に原料分子が届くまでは、凸部に比べてその差の分だけ障害となる分子が多く存在することになる。そのため、凹部、特に凹部の底に届く原料分子が凸部に届く原料分子よりも少なくなり、凹部に成膜される層の膜厚が凸部に成膜される層の膜厚よりも小さくなるものと推測される。なお、当該推測により本実施形態が限定されることはない。 As described above, the inventors have found that when a titanium layer made of titanium is formed on a metal substrate having an uneven flow path shape by a general sputtering method, the thickness of the titanium layer formed on the concave portion is smaller than the thickness of the titanium layer formed on the convex portion. The sputtering method is usually a method in which a raw material as a target is blown onto the surface of the metal substrate to be coated by impact or the like under reduced pressure to physically form a thin film, but even in a reduced pressure state, sputtering gas is present in the atmosphere. There is a difference in the distance to the target between the convex portion and the concave portion of the metal substrate, and until the raw material molecules reach the concave portion, there are more molecules that become obstacles by that difference compared to the convex portion. Therefore, it is presumed that the number of raw material molecules that reach the concave portion, especially the bottom of the concave portion, is smaller than the raw material molecules that reach the convex portion, and the thickness of the layer formed on the concave portion is smaller than the thickness of the layer formed on the convex portion. Note that this presumption does not limit the present embodiment.

そこで、本発明者らは、鋭意検討したところ、所定の条件下でスパッタリング法によりチタン層を成膜することにより、凹部に成膜されるチタン層の膜厚を凸部に成膜されるチタン層の膜厚に近付けることができることを知得した。 The inventors conducted extensive research and discovered that by forming a titanium layer by sputtering under specified conditions, the thickness of the titanium layer formed on the recessed portions can be made closer to the thickness of the titanium layer formed on the protruding portions.

そこで、本実施形態の態様例は以下の通りである。 Therefore, examples of this embodiment are as follows:

(1) 凹凸の流路形状を有する金属基材の上にチタンからなるチタン層を有する燃料電池セパレータの製造方法であって、
金属基材に負のバイアス電圧を印加したスパッタリング法により、金属基材の上にチタン層を成膜する工程を含み、
スパッタガス圧力が、0.5Pa以下であり、
負のバイアス電圧が、150V以上である、製造方法。
(2) 負のバイアス電圧が、150V以上1280V以下である、(1)に記載の製造方法。
(3) 負のバイアス電圧が、150V以上500V以下である、(1)又は(2)に記載の製造方法。
(4) チタンを主成分とするスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行う、(1)~(3)のいずれか1つに記載の製造方法。
(5) スパッタガスとしてアルゴンを用いる、(1)~(4)のいずれか1つに記載の製造方法。
(6) 成膜されるチタン層が、平坦構造を有し、チタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しない、(1)~(5)のいずれか1つに記載の製造方法。
(7) 金属基材の凸部に成膜されるチタン層の膜厚Aに対する凹部に成膜されるチタン層の膜厚Bの比(B/A)が、0.8以上である、(1)~(6)のいずれか1つに記載の製造方法。
(8) 金属基材が、ステンレス基材である、(1)~(7)のいずれか1つに記載の製造方法。
(9) 成膜されるチタン層の上に炭素からなるカーボン層を成膜する工程をさらに含む、(1)~(8)のいずれか1つに記載の製造方法。
(1) A method for manufacturing a fuel cell separator having a titanium layer made of titanium on a metal substrate having an uneven flow channel shape, comprising the steps of:
The method includes the step of depositing a titanium layer on a metal substrate by a sputtering method in which a negative bias voltage is applied to the metal substrate;
The sputtering gas pressure is 0.5 Pa or less,
The manufacturing method, wherein the negative bias voltage is 150V or more.
(2) The manufacturing method according to (1), wherein the negative bias voltage is 150 V or more and 1280 V or less.
(3) The manufacturing method according to (1) or (2), wherein the negative bias voltage is 150 V or more and 500 V or less.
(4) The manufacturing method according to any one of (1) to (3), in which sputtering is carried out using a sputtering target containing titanium as a main component.
(5) The manufacturing method according to any one of (1) to (4), wherein argon is used as the sputtering gas.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the formed titanium layer has a flat structure and has no boundary or gap extending from the surface of the titanium layer to the surface of the metal substrate.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the ratio (B/A) of the thickness A of the titanium layer formed on the protruding portions of the metal substrate to the thickness B of the titanium layer formed on the recessed portions is 0.8 or more.
(8) The method according to any one of (1) to (7), wherein the metal substrate is a stainless steel substrate.
(9) The manufacturing method according to any one of (1) to (8), further comprising the step of depositing a carbon layer made of carbon on the deposited titanium layer.

本開示により、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、従来に比べて均一にチタン層を成膜することができる、燃料電池セパレータの製造方法を提供することができる。 This disclosure provides a method for manufacturing a fuel cell separator that can form a titanium layer more uniformly than conventional methods on a metal substrate with an uneven flow path shape.

本実施形態に係る燃料電池セパレータの層構成の例を説明するための模式的断面図である。2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a layer structure of a fuel cell separator according to the present embodiment. FIG. 本実施形態に係る燃料電池セパレータの層構成の例を説明するための模式的断面図である。2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a layer structure of a fuel cell separator according to the present embodiment. FIG. 本実施形態に係る燃料電池セパレータの形状の例を説明するための模式的断面図である。3A to 3C are schematic cross-sectional views illustrating examples of the shape of a fuel cell separator according to the present embodiment. 本実施形態に係る燃料電池セパレータの形状の例を説明するための模式的断面図である。3A to 3C are schematic cross-sectional views illustrating examples of the shape of a fuel cell separator according to the present embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成例を説明するための模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining a configuration example of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 実施例1によるセパレータE1の断面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a cross section of separator E1 according to Example 1. 比較例1によるセパレータC1の断面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a cross section of a separator C1 according to Comparative Example 1.

本実施形態は、凹凸の流路形状を有する金属基材の上にチタンからなるチタン層を有する燃料電池セパレータの製造方法であって、金属基材に負のバイアス電圧を印加したスパッタリング法により、金属基材の上にチタン層を成膜する工程を含み、スパッタガス圧力が、0.5Pa以下であり、負のバイアス電圧が、150V以上である、製造方法である。 This embodiment is a method for manufacturing a fuel cell separator having a titanium layer made of titanium on a metal substrate having an uneven flow path shape, and includes a process for forming a titanium layer on the metal substrate by a sputtering method in which a negative bias voltage is applied to the metal substrate, in which the sputtering gas pressure is 0.5 Pa or less and the negative bias voltage is 150 V or more.

本実施形態により、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、従来に比べて均一にチタン層を成膜することができる。また、本実施形態により、耐食性に優れるチタン層を成膜することができる。凹部に成膜されるチタン層の膜厚を凸部に成膜されるチタン層の膜厚に近付けることができる理由は、以下のように推測される。スパッタガス圧力が0.5Pa以下であるという条件は、金属基材への到達の障害となるスパッタガスが減少するため、原料分子が凹部に到達し易くなり、また、負のバイアス電圧が150V以上であるという条件は、スパッタリングターゲットから放出された粒子が高エネルギーを有し、スパッタガスに衝突したとしても進路方向を大きく変えずに凹部まで到達し易くなるためと考えられる。なお、当該推測により、本実施形態が限定されることはない。 According to this embodiment, a titanium layer can be formed more uniformly on a metal substrate having an uneven flow path shape than in the past. In addition, according to this embodiment, a titanium layer with excellent corrosion resistance can be formed. The reason why the thickness of the titanium layer formed on the recessed portion can be made closer to the thickness of the titanium layer formed on the protruding portion is presumed to be as follows. The condition that the sputtering gas pressure is 0.5 Pa or less reduces the sputtering gas that hinders the material molecules from reaching the metal substrate, making it easier for the material molecules to reach the recessed portion, and the condition that the negative bias voltage is 150 V or more is thought to be because the particles emitted from the sputtering target have high energy and can easily reach the recessed portion without changing their course direction even if they collide with the sputtering gas. Note that this presumption does not limit this embodiment.

また、燃料電池セパレータは、使用時、塩化物イオンやフッ化物イオンを含む低pHの生成水(腐食性液)に接するため、燃料電池セパレータには、優れた耐食性が求められる。そのため、金属基材上に成膜されるチタン層の質も、耐食性の観点から改善が望まれていた。例えば、特許文献2に記載されるような柱状構造を有するチタン層の場合、柱と柱の間に金属基材表面に通ずる境目又は隙間が存在し、その境目又は隙間から腐食液が侵入し、金属基材を腐食させてしまう可能性がある。驚くべきことに、本実施形態に係る製造方法により得られるチタン層は、柱状構造に見られるようなチタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しない平坦構造を有するため、耐食性に優れることを知得した。本実施形態の条件のスパッタリング法によりチタン層を成膜することにより、基材到達後に左右方向に移動して近くのチタン粒子と結合し緻密な膜を生成したと考えられる。すなわち、スパッタガス圧力が低いほど、また、負のバイアス電圧が大きいほど、スパッタリングターゲットから放出された粒子が高エネルギーのまま金属基材に到達しやすく、金属基材の表面上で近くのチタン粒子と出会い、結合して緻密な膜を生成するため、チタン層の構造が柱状構造より緻密な平坦構造となったものと考えられる。なお、当該推測により、本実施形態が限定されることはない。以上の方法で作製したチタン層は、平坦構造を有し、柱状構造に見られるようなチタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しないため、耐食性に優れている。そのため、本実施形態に係る製造方法により、耐食性に優れるチタン層を成膜することができる。 In addition, since fuel cell separators come into contact with low-pH generated water (corrosive liquid) containing chloride ions and fluoride ions during use, fuel cell separators are required to have excellent corrosion resistance. Therefore, the quality of the titanium layer formed on the metal substrate has been desired to be improved from the viewpoint of corrosion resistance. For example, in the case of a titanium layer having a columnar structure as described in Patent Document 2, there is a boundary or gap between the columns that leads to the metal substrate surface, and the corrosive liquid may penetrate through the boundary or gap and corrode the metal substrate. Surprisingly, it has been found that the titanium layer obtained by the manufacturing method according to this embodiment has a flat structure in which there is no boundary or gap from the titanium layer surface to the metal substrate surface as seen in the columnar structure, and therefore has excellent corrosion resistance. It is believed that by forming a titanium layer by the sputtering method under the conditions of this embodiment, the titanium particles move in the left and right directions after reaching the substrate and combine with nearby titanium particles to form a dense film. That is, the lower the sputtering gas pressure and the higher the negative bias voltage, the easier it is for the particles emitted from the sputtering target to reach the metal substrate while retaining their high energy, and they meet and bond with nearby titanium particles on the surface of the metal substrate to form a dense film, which is thought to be why the titanium layer has a flat structure that is denser than the columnar structure. Note that this embodiment is not limited by this assumption. The titanium layer produced by the above method has a flat structure and has excellent corrosion resistance because there are no boundaries or gaps that connect the titanium layer surface to the metal substrate surface, as seen in the columnar structure. Therefore, the manufacturing method according to this embodiment can form a titanium layer with excellent corrosion resistance.

以下、本実施形態の詳細について説明する。 The details of this embodiment are explained below.

本実施形態は、凹凸の流路形状を有する金属基材の上にチタンからなるチタン層を有する燃料電池セパレータの製造方法に関する。 This embodiment relates to a method for manufacturing a fuel cell separator having a titanium layer on a metal substrate having an uneven flow path shape.

まず、本実施形態に係る製造方法に関する燃料電池セパレータ並びに燃料電池の構成について、適宜図面を参照して説明する。 First, the configuration of the fuel cell separator and fuel cell according to the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to the appropriate drawings.

図1Aは、本実施形態に係る燃料電池セパレータの層構成の例を説明するための模式的断面図である。図1Aに示すように、燃料電池セパレータ1001は、金属基材101上に成膜されたチタン層102を有する。チタン層102は、それ自体が燃料電池セパレータの表面を構成してもよいし、中間層として存在し、チタン層102の上にさらに他の層が成膜されてもよい。図1Bは、本実施形態に係る燃料電池セパレータの層構成の例を説明するための模式的断面図であって、チタン層102の上に導電性層としてカーボン層103が形成されている形態を有する燃料電池セパレータ1002を示している。チタン層102は、金属基材101の少なくとも一方の面に成膜されており、両面に成膜されていてもよい。 1A is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the layer structure of a fuel cell separator according to this embodiment. As shown in FIG. 1A, a fuel cell separator 1001 has a titanium layer 102 formed on a metal substrate 101. The titanium layer 102 may constitute the surface of the fuel cell separator itself, or may exist as an intermediate layer, and other layers may be formed on the titanium layer 102. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the layer structure of a fuel cell separator according to this embodiment, and shows a fuel cell separator 1002 having a configuration in which a carbon layer 103 is formed as a conductive layer on the titanium layer 102. The titanium layer 102 is formed on at least one surface of the metal substrate 101, and may be formed on both surfaces.

図2A及び図2Bは、燃料電池セパレータの金属基材の形状例を示す模式的断面図である。金属基材の形状が燃料電池セパレータの形状となる。図2Aに示される金属基材101a及び図2Bに示される金属基材101bは、それぞれ波形に形成されており、凹部と凸部の繰り返し構造からなる。両金属基材は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。後述するように、この凹部の空間及び凸部の空間がガスや冷却水の流路として機能し得る。なお、本実施形態において、チタン層が成膜されている面を上に向けてセパレータを水平面に配置した場合に、下側に凹む部分を凹部として把握することができ、上側に突出する部分を凸部として把握し得る。 2A and 2B are schematic cross-sectional views showing examples of the shape of the metal substrate of a fuel cell separator. The shape of the metal substrate determines the shape of the fuel cell separator. Metal substrate 101a shown in FIG. 2A and metal substrate 101b shown in FIG. 2B are each formed in a corrugated shape and have a repeated structure of concave and convex portions. Both metal substrates have almost the same shape when viewed from the front side and the back side. As described later, the spaces in the concave and convex portions can function as flow paths for gas and cooling water. In this embodiment, when the separator is placed on a horizontal surface with the surface on which the titanium layer is formed facing up, the portions that are concave downward can be understood as concave portions, and the portions that protrude upward can be understood as convex portions.

図2Aにおける金属基材101aの形状は、波の形状が角張っておらず、凹部及び凸部ともに丸形の波が連続している。図2Bにおける金属基材101bの形状は、波の形状が略等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。金属基材としては、凹部と凸部の繰り返し構造からなる流路形状、すなわち、凹凸の流路形状を有するものであれば特に制限されるものではない。 The shape of the metal substrate 101a in FIG. 2A is not angular, and both the concave and convex portions have continuous round waves. The shape of the metal substrate 101b in FIG. 2B is an approximately isosceles trapezoid, with flat crests and angular ends at equal angles. There are no particular limitations on the metal substrate, so long as it has a flow path shape consisting of a repeating structure of concaves and convex portions, that is, an uneven flow path shape.

燃料電池は、発電体と該発電体の両面に配置される燃料電池セパレータから構成される単セルの積層体を備える。複数の単セルは、積層方向に積層され、各単セルは電気的に直列に接続される。図3は、本実施形態に係る燃料電池の構成例を説明するための模式的断面図であり、例示としての燃料電池10の要部の断面図である。図3に示すように、燃料電池10には、基本単位である単セル1が複数積層されている。各単セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と燃料ガス(例えば水素)との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。単セル1は、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)7が両側に配置された膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により挟持されている。 The fuel cell comprises a stack of unit cells, each of which is made up of a power generating body and fuel cell separators arranged on both sides of the power generating body. A plurality of unit cells are stacked in the stacking direction, and each unit cell is electrically connected in series. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the configuration of a fuel cell according to this embodiment, and is a cross-sectional view of a main part of an exemplary fuel cell 10. As shown in FIG. 3, the fuel cell 10 has a plurality of unit cells 1, which are basic units, stacked. Each unit cell 1 is a solid polymer fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidant gas (e.g., air) and a fuel gas (e.g., hydrogen). The single cell 1 includes a membrane electrode & gas diffusion layer assembly (MEGA) 2 with gas diffusion layers (GDL: Gas Diffusion Layer) 7 arranged on both sides, and a separator 3 that contacts the MEGA 2 to separate the MEGA 2. In this embodiment, the MEGA 2 is sandwiched between a pair of separators 3, 3.

MEGA2は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)4と、この両面に配置されたガス拡散層7、7とを含む。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極6、6とから構成される。電解質膜5は、例えば、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電極6は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜5の一方側に配置された電極6がアノードとして機能し、他方側の電極6がカソードとして機能する。ガス拡散層7は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成される。ガス透過性を有する導電性部材としては、例えば、カーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、又は金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等が挙げられる。 The MEGA2 includes a membrane electrode assembly (MEA) 4 and gas diffusion layers 7, 7 arranged on both sides of the MEA. The membrane electrode assembly 4 is composed of an electrolyte membrane 5 and a pair of electrodes 6, 6 joined to sandwich the electrolyte membrane 5. The electrolyte membrane 5 is, for example, a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material. The electrodes 6 are formed of, for example, a porous carbon material carrying a catalyst such as platinum. The electrode 6 arranged on one side of the electrolyte membrane 5 functions as an anode, and the electrode 6 on the other side functions as a cathode. The gas diffusion layer 7 is formed of a conductive material having gas permeability. Examples of the conductive material having gas permeability include carbon porous bodies such as carbon paper or carbon cloth, or metal porous bodies such as metal mesh or foam metal.

MEGA2は、燃料電池10の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のガス拡散層7に接触している。また、ガス拡散層7が存在しない場合には、膜電極接合体4が発電部であり、この場合には、セパレータ3は、膜電極接合体4に接触している。したがって、燃料電池10の発電部は、膜電極接合体4を含むものであり、セパレータ3に接触する。 The MEGA2 is the power generation part of the fuel cell 10, and the separator 3 is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA2. If the gas diffusion layer 7 is not present, the membrane electrode assembly 4 is the power generation part, and in this case, the separator 3 is in contact with the membrane electrode assembly 4. Therefore, the power generation part of the fuel cell 10 includes the membrane electrode assembly 4, and is in contact with the separator 3.

セパレータ3は、金属基材(例えばステンレス基材)を有する板状の部材である。金属基材は、導電性やガス不透過性等に優れている。図3において、セパレータ3の発電部側の面がMEGA2のガス拡散層7と当接し、他方の面が隣接する他のセパレータ3と当接している。 The separator 3 is a plate-shaped member having a metal substrate (e.g., a stainless steel substrate). The metal substrate has excellent electrical conductivity and gas impermeability. In FIG. 3, the surface of the separator 3 on the power generation side is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2, and the other surface is in contact with another adjacent separator 3.

図3において、各セパレータ3は、波形に形成されており、凹凸の流路形状を有する。図3におけるセパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触している。 In FIG. 3, each separator 3 is formed in a wave shape, and has an uneven flow path shape. The shape of the separator 3 in FIG. 3 is an isosceles trapezoid, the crest of the wave is flat, and both ends of the crest are angular at equal angles. Each separator 3 has approximately the same shape whether viewed from the front or back. The top of the separator 3 is in surface contact with one gas diffusion layer 7 of MEGA2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of MEGA2.

一方の電極(すなわちアノード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極(すなわちカソード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。 The gas flow path 21 defined between the gas diffusion layer 7 on one electrode (i.e., anode) 6 side and the separator 3 is a flow path through which fuel gas flows, and the gas flow path 22 defined between the gas diffusion layer 7 on the other electrode (i.e., cathode) 6 side and the separator 3 is a flow path through which oxidizer gas flows. When fuel gas is supplied to one of the gas flow paths 21 facing each other via the cell 1 and oxidizer gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the cell 1, generating an electromotive force.

さらに、あるセル1と、それに隣接するもう一つのセル1とは、アノードとなる電極6とカソードとなる電極6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もう一つのセル1のカソードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間(冷却剤流路)23には、セル1を冷却する冷媒(例えば水)が流通する。 Furthermore, a certain cell 1 and another adjacent cell 1 are arranged with the anode electrode 6 and the cathode electrode 6 facing each other. Also, the top of the rear side of the separator 3 arranged along the anode electrode 6 of a certain cell 1 is in surface contact with the top of the rear side of the separator 3 arranged along the cathode electrode 6 of the other cell 1. A refrigerant (e.g., water) that cools the cell 1 flows through the space (coolant flow path) 23 defined between the separators 3, 3 that are in surface contact between two adjacent cells 1.

本実施形態において、セパレータの発電部側の面上にチタン層が成膜されることが好ましい。上述の通り、燃料電池セパレータは、使用時、塩化物イオンやフッ化物イオンを含む低pHの生成水(腐食性液)に接するため、燃料電池セパレータには、優れた耐食性が求められる。そのため、チタン層は、セパレータの発電部側の面上に成膜されることが好ましい。 In this embodiment, it is preferable that a titanium layer is formed on the surface of the separator facing the power generation section. As described above, when the fuel cell separator is in use, it comes into contact with low-pH generated water (corrosive liquid) that contains chloride ions and fluoride ions, so the fuel cell separator is required to have excellent corrosion resistance. Therefore, it is preferable that a titanium layer is formed on the surface of the separator facing the power generation section.

上述の通り、本実施形態において、チタン層の上に、他の層が成膜されてもよい。他の層としては、導電性及び/又は耐腐食性を向上させる観点から、適宜選択することができる。他の層としては、炭素からなるカーボン層が好ましく成膜される。炭素からなるカーボン層は、膜強度が高いため優れた耐久性を有し、また、優れた導電性を有するためセパレータの接触抵抗を低減することができる。また、ステンレス基材等の金属基材とチタン層の密着性及びチタン層とカーボン層の密着性は、それぞれ良好であるため、チタン層がカーボン層を金属基材により強固に結合することができ、その結果、カーボン層の膜強度のさらなる向上に繋がり、セパレータの接触抵抗の低減に寄与し得る。また、本実施形態により得られる平坦構造を有するチタン層の耐食性が付加されることで、セパレータの耐食性を格段に向上させることができる。 As described above, in this embodiment, another layer may be formed on the titanium layer. The other layer can be appropriately selected from the viewpoint of improving the electrical conductivity and/or corrosion resistance. As the other layer, a carbon layer made of carbon is preferably formed. The carbon layer made of carbon has excellent durability due to its high film strength, and can reduce the contact resistance of the separator due to its excellent electrical conductivity. In addition, since the adhesion between the titanium layer and the metal substrate such as a stainless steel substrate and the adhesion between the titanium layer and the carbon layer are both good, the titanium layer can bond the carbon layer more firmly to the metal substrate, which leads to a further improvement in the film strength of the carbon layer and can contribute to a reduction in the contact resistance of the separator. In addition, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved by adding the corrosion resistance of the titanium layer having a flat structure obtained by this embodiment.

本実施形態において、発電部はガス拡散層を含むことが好ましく、また、セパレータのカーボン層は、発電部としてのMEGAのガス拡散層に接触していることが好ましい。 In this embodiment, it is preferable that the power generation unit includes a gas diffusion layer, and it is also preferable that the carbon layer of the separator is in contact with the gas diffusion layer of the MEGA serving as the power generation unit.

金属基材を構成する金属は、特に制限されるものではないが、例えば、鉄、アルミニウム、又はこれらの合金等が挙げられる。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又は加工容易性等の観点から好ましく用いられ得る。鉄合金にはステンレスが含まれ得る。本実施形態において、金属基材は、ステンレス基材であることが好ましい。金属基材がステンレス基材である場合、ガス拡散層等との接触面の導電性が十分に確保され得る。ステンレス基材としては、特に制限されるものではないが、例えば、オーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト二相系、マルテンサイト系、又は析出硬化系等が挙げられる。 The metal constituting the metal substrate is not particularly limited, but examples thereof include iron, aluminum, and alloys thereof. These materials are preferably used from the viewpoints of mechanical strength, versatility, cost performance, ease of processing, and the like. The iron alloy may include stainless steel. In this embodiment, the metal substrate is preferably a stainless steel substrate. When the metal substrate is a stainless steel substrate, the electrical conductivity of the contact surface with the gas diffusion layer, etc. can be sufficiently ensured. The stainless steel substrate is not particularly limited, but examples thereof include austenitic, ferritic, austenitic-ferritic two-phase, martensitic, and precipitation hardened substrates.

金属基材の厚さは、加工容易性、機械的強度、並びにセパレータの薄膜化による電池エネルギー密度の向上等の観点を考慮して適宜選択されるが、例えば、0.05~1mmである。厚さがこの範囲であると、セパレータの軽量化及び薄型化の要求を満足し易く、セパレータ材としての強度及びハンドリング性を備える。 The thickness of the metal substrate is appropriately selected taking into consideration ease of processing, mechanical strength, and the improvement of battery energy density by thinning the separator, and is, for example, 0.05 to 1 mm. If the thickness is within this range, it is easy to satisfy the requirements for a lightweight and thin separator, and has the strength and handleability required as a separator material.

本実施形態に係る製造方法は、金属基材に負のバイアス電圧を印加したスパッタリング法により、金属基材の上にチタン層を成膜する工程を含み、スパッタガス圧力が、0.5Pa以下であり、負のバイアス電圧が、150V以上である。 The manufacturing method according to this embodiment includes a step of forming a titanium layer on a metal substrate by a sputtering method in which a negative bias voltage is applied to the metal substrate, the sputtering gas pressure is 0.5 Pa or less, and the negative bias voltage is 150 V or more.

当該工程により、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、凹部に成膜されるチタン層の膜厚を凸部に成膜されるチタン層の膜厚に近付けて、均一にチタン層を成膜することができる。また、当該工程で成膜されるチタン層は、平坦構造を有し、柱状構造に見られるようなチタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しないため、耐食性に優れている。 This process allows the titanium layer to be formed uniformly on a metal substrate having an uneven flow path shape, with the thickness of the titanium layer formed on the recesses being close to the thickness of the titanium layer formed on the protrusions. In addition, the titanium layer formed in this process has a flat structure and has excellent corrosion resistance because there are no boundaries or gaps connecting the titanium layer surface to the metal substrate surface, as is the case with columnar structures.

チタン層は、金属基材上に直接的に、すなわち、金属基材(例えばステンレス基材)と接して成膜されていることが好ましい。 The titanium layer is preferably formed directly on the metal substrate, i.e., in contact with the metal substrate (e.g., a stainless steel substrate).

チタン層の膜厚は、特に制限されるものではないが、例えば、0.1~1000nmであり、好ましくは10nm~500nmであり、好ましくは30~300nmである。 The thickness of the titanium layer is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 1000 nm, preferably 10 nm to 500 nm, and more preferably 30 to 300 nm.

チタン層は、実質的に純チタンから構成されることが好ましい。チタンの純度は、99重量%以上であることが好ましく、99.9重量%以上であることが好ましい。 The titanium layer is preferably composed of substantially pure titanium. The purity of the titanium is preferably 99% by weight or more, and more preferably 99.9% by weight or more.

チタン層の成膜方法としては、スパッタリング法であれば特に制限されるものではない。スパッタリング法としては、例えば、DCスパッタリング法、RFスパッタリング法、ACスパッタリング法、DCマグネトロンスパッタリング法、RFマグネトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、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リング法、又はECRスパッタリング法等が挙げられる。これらのなかでも、DC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法を用いることが好ましい。 The method for forming the titanium layer is not particularly limited as long as it is a sputtering method. Examples of sputtering methods include DC sputtering, RF sputtering, AC sputtering, DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, ion beam sputtering, unbalanced magnetron sputtering (UBMS), dual magnetron sputtering, and ECR sputtering. Of these, it is preferable to use DC sputtering and unbalanced magnetron sputtering.

当該工程におけるスパッタリング法によるチタン層の成膜において、スパッタガス圧力を0.5Pa以下に、且つ負のバイアス電圧を150V以上に設定する。このような条件によりチタン層を成膜することにより、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、凹部に成膜されるチタン層の膜厚と凸部に成膜されるチタン層の膜厚の差を低減させてチタン層を成膜することができる。また、耐食性に優れる、平坦構造を有するチタン層を成膜することができる。 In this process, when forming the titanium layer by sputtering, the sputtering gas pressure is set to 0.5 Pa or less, and the negative bias voltage is set to 150 V or more. By forming the titanium layer under these conditions, it is possible to form the titanium layer on the metal substrate having an uneven flow path shape, reducing the difference in thickness between the titanium layer formed in the recesses and the titanium layer formed in the protrusions. It is also possible to form a titanium layer having a flat structure with excellent corrosion resistance.

金属基材に印加される負のバイアス電圧は、150V以上である。負のバイアス電圧を150V以上に設定することにより、凹部に成膜されるチタン層の膜厚と凸部に成膜されるチタン層の膜厚の差を効果的に低減することができ、また、平坦構造を有するチタン層を形成することができる。金属基材に印加される負のバイアス電圧は、200V以上であることが好ましく、250V以上であることが好ましく、300V以上であることが好ましい。金属基材に印加される負のバイアス電圧は、1280V以下であることが好ましく、1200V以下であることが好ましく、1100V以下であることが好ましく、1000V以下であることが好ましく、900V以下であることが好ましく、800V以下であることが好ましく、700V以下であることが好ましく、600V以下であることが好ましく、500V以下であることが好ましい。負のバイアス電圧を1280V以下に設定することにより、過剰な膜厚の減少を避けることができる。 The negative bias voltage applied to the metal substrate is 150V or more. By setting the negative bias voltage to 150V or more, the difference between the thickness of the titanium layer formed on the concave portion and the thickness of the titanium layer formed on the convex portion can be effectively reduced, and a titanium layer having a flat structure can be formed. The negative bias voltage applied to the metal substrate is preferably 200V or more, preferably 250V or more, and preferably 300V or more. The negative bias voltage applied to the metal substrate is preferably 1280V or less, preferably 1200V or less, preferably 1100V or less, preferably 1000V or less, preferably 900V or less, preferably 800V or less, preferably 700V or less, preferably 600V or less, and preferably 500V or less. By setting the negative bias voltage to 1280V or less, excessive reduction in film thickness can be avoided.

成膜工程におけるスパッタガス圧力は、0.5Pa以下である。スパッタガス圧力を0.5Pa以下に設定することにより、凹部に成膜されるチタン層の膜厚と凸部に成膜されるチタン層の膜厚の差を効果的に低減することができ、また、柱状構造ではなく平坦構造を有するチタン層を成膜できる。上述の通り、平坦構造は、柱状構造に見られるようなチタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しないため、耐食性に優れている。スパッタガス圧力は、0.4Pa以下であることが好ましく、0.3Pa以下であることが好ましく、0.2Pa以下であることが好ましく、0.1Pa以下であることが好ましく、0.08Pa以下であることが好ましい。 The sputtering gas pressure in the film formation process is 0.5 Pa or less. By setting the sputtering gas pressure to 0.5 Pa or less, the difference in thickness between the titanium layer formed on the recessed portion and the titanium layer formed on the protruding portion can be effectively reduced, and a titanium layer having a flat structure rather than a columnar structure can be formed. As described above, the flat structure has excellent corrosion resistance because there is no boundary or gap from the titanium layer surface to the metal substrate surface as seen in the columnar structure. The sputtering gas pressure is preferably 0.4 Pa or less, preferably 0.3 Pa or less, preferably 0.2 Pa or less, preferably 0.1 Pa or less, and preferably 0.08 Pa or less.

成膜工程において、金属基材の凸部に成膜されるチタン層の膜厚Aに対する凹部に成膜されるチタン層の膜厚Bの比(B/A)は、0.8以上であることが好ましく、0.85以上であることが好ましく、0.9以上であることが好ましい。金属基材の凸部に成膜されるチタン層の膜厚Aは、具体的には、凸部のうち最も高い部分である頂部におけるチタン層の膜厚を測定し得ることにより得ることができる。また、凹部に成膜されるチタン層の膜厚Bは、具体的には、凹部のうち最も低い部分である底部におけるチタン層の膜厚を測定し得ることにより得ることができる。チタン層の膜厚は、セパレータの断面をSEM等により観察し、断面における凸部(又は凹部)における少なくとも10箇所の膜厚の平均値として得ることができる。 In the film-forming process, the ratio (B/A) of the thickness A of the titanium layer formed on the convex parts of the metal substrate to the thickness B of the titanium layer formed on the concave parts is preferably 0.8 or more, more preferably 0.85 or more, and even more preferably 0.9 or more. The thickness A of the titanium layer formed on the convex parts of the metal substrate can be obtained by measuring the thickness of the titanium layer at the top, which is the highest part of the convex parts. The thickness B of the titanium layer formed on the concave parts can be obtained by measuring the thickness of the titanium layer at the bottom, which is the lowest part of the concave parts. The thickness of the titanium layer can be obtained by observing the cross section of the separator using a SEM or the like, and averaging the thicknesses of at least 10 points on the convex parts (or concave parts) in the cross section.

使用するスパッタリングターゲットは、チタンからなることが好ましい。純度についても高い方が好ましく、金属不純物の含有量は、1重量%未満が好ましく、0.1重量%未満が好ましく、0.01重量%未満が好ましい。 The sputtering target used is preferably made of titanium. It is also preferable that the purity is high, and the content of metal impurities is preferably less than 1% by weight, preferably less than 0.1% by weight, and preferably less than 0.01% by weight.

成膜前の成膜装置内の真空度は、3×10-5Pa以下とすることが好ましく、1×10-5Pa以下とすることが好ましい。真空度をより低圧にすることで、成膜時に残留気体が不純物として混入しにくくなり、薄膜の質が向上する。 The degree of vacuum in the film formation apparatus before film formation is preferably 3×10 −5 Pa or less, and more preferably 1×10 −5 Pa or less. By setting the degree of vacuum at a lower pressure, residual gas is less likely to be mixed in as an impurity during film formation, improving the quality of the thin film.

チタン層の成膜前に金属基材を前処理してもよい。金属基材の前処理を実施することにより、金属基材表面の付着の障害となるものを除去することができる。前処理方法は、逆スパッタ処理、酸処理、UV処理などが例示されるが、処理後に不純物などの再付着を防止する観点において、逆スパッタ処理が好ましい。逆スパッタ処理とはスパッタリングターゲット側ではなく、金属基材側にプラズマ化した原子を衝突させることで、表面をクリーニングする方法である。こうした仕組みを利用することにより、基材表面を洗浄し、外気に触れずに成膜室に送ることで、基材表面の清浄度を保ったまま成膜が可能となる。逆スパッタ処理をするに当たり、逆スパッタされた不純物が成膜室に付着することを防ぐ目的で、成膜室とは別に処理をすることが好ましい。逆スパッタ処理のガス種として、例えば、アルゴンや窒素、酸素などを用いることが可能である。 The metal substrate may be pretreated before the deposition of the titanium layer. By carrying out the pretreatment of the metal substrate, it is possible to remove any impurities that may impede adhesion to the surface of the metal substrate. Examples of pretreatment methods include reverse sputtering, acid treatment, and UV treatment, but reverse sputtering is preferred from the viewpoint of preventing re-adhesion of impurities after treatment. Reverse sputtering is a method of cleaning the surface by colliding plasma atoms with the metal substrate, rather than the sputtering target. By utilizing this mechanism, the substrate surface is cleaned and sent to the deposition chamber without exposure to the outside air, making it possible to deposit a film while maintaining the cleanliness of the substrate surface. When performing reverse sputtering, it is preferable to perform the treatment separately from the deposition chamber in order to prevent reverse sputtered impurities from adhering to the deposition chamber. For example, argon, nitrogen, oxygen, etc. can be used as the gas species for reverse sputtering.

スパッタガスは、特に制限されるものではないが、例えば、アルゴンを用いることができる。また、アルゴンを含む混合ガスを用いてもよい。 The sputtering gas is not particularly limited, but for example, argon can be used. A mixed gas containing argon can also be used.

放電時の電力としては、電力密度が0.5W/cm以上20W/cm以下であることが好ましく、1W/cm以上10W/cm以下であることが好ましい。電力密度の計算は放電時にかける電力をスパッタリングターゲットの面積で除したものである。 The power density during discharge is preferably 0.5 W/cm 2 or more and 20 W/cm 2 or less, and more preferably 1 W/cm 2 or more and 10 W/cm 2 or less. The power density is calculated by dividing the power applied during discharge by the area of the sputtering target.

スパッタリングターゲットから金属基材までの距離は、特に制限されるものではないが、例えば、100~250mmであり、好ましくは、180~220mmである。 The distance from the sputtering target to the metal substrate is not particularly limited, but is, for example, 100 to 250 mm, and preferably 180 to 220 mm.

上述の通り、チタン層の上に、他の層が成膜されてもよい。他の層としては、導電性及び/又は耐腐食性を向上させる観点から、適宜選択することができ、他の層としては、炭素からなるカーボン層が好ましく挙げられる。 As described above, another layer may be formed on the titanium layer. The other layer may be appropriately selected from the viewpoint of improving electrical conductivity and/or corrosion resistance, and a preferred example of the other layer is a carbon layer made of carbon.

カーボン層は、炭素からなり、結晶構造及び/又はアモルファス構造から構成され、多結晶グラファイト構造を含み得る。カーボン層は、チタン層の上に、直接的に、すなわち、チタン層と接して成膜されていることが好ましい。カーボン層は、セパレータの最上層であることが好ましい。カーボン層は、樹脂等の他の材料を実質的に含まない。 The carbon layer is made of carbon and is composed of a crystalline structure and/or an amorphous structure, and may include a polycrystalline graphite structure. The carbon layer is preferably formed directly on, i.e., in contact with, the titanium layer. The carbon layer is preferably the top layer of the separator. The carbon layer is substantially free of other materials such as resin.

カーボン層の膜厚は、特に制限されるものではないが、例えば、0.1~1000nmであり、好ましくは10nm~500nmであり、好ましくは15~200nmである。 The thickness of the carbon layer is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 1000 nm, preferably 10 nm to 500 nm, and more preferably 15 to 200 nm.

カーボン層の成膜方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、スパッタリング法若しくはイオンプレーティング法等の物理気相成長(PVD)法、又はフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法等のイオンビーム蒸着法等が挙げられる。なかでも、スパッタリング法又はイオンプレーティング法を用いることが好ましい。スパッタリング法としては、例えば、イオンビームスパッタリング法、DCスパッタリング法、RCスパッタリング法、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リング法、又はECRスパッタリング法等が挙げられる。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等が挙げられる。特にカーボン層の成膜には、イオンプレーティング法を用いることが好ましく、アークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。これらの手法によれば、水素含有量の少ないカーボン層を成膜することができる。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得る。 The method for forming the carbon layer is not particularly limited, but examples thereof include physical vapor deposition (PVD) methods such as sputtering or ion plating, or ion beam deposition methods such as filtered cathodic vacuum arc (FCVA). Among them, it is preferable to use the sputtering method or ion plating method. Examples of the sputtering method include ion beam sputtering, DC sputtering, RC sputtering, magnetron sputtering, unbalanced magnetron sputtering (UBMS), dual magnetron sputtering, and ECR sputtering. Examples of the ion plating method include the arc ion plating method. In particular, it is preferable to use the ion plating method for forming the carbon layer, and it is preferable to use the arc ion plating method. According to these methods, it is possible to form a carbon layer with a low hydrogen content. As a result, it is possible to increase the proportion of bonds between carbon atoms (sp2 hybrid carbon), and excellent conductivity can be achieved.

また、スパッタリング法において、バイアス電圧等を制御することで得られる膜質を制御することもできる。スパッタリング法により層を成膜する場合、スパッタリング時に基材に対して負のバイアス電圧を印加してもよい。これにより、層を緻密に成膜でき、耐腐食性を高めることができる。カーボン層の成膜時に印加される負のバイアス電圧の大きさは、特に制限されるものではないが、例えば、5~50Vであり、又は10~40Vである。 In addition, in the sputtering method, the quality of the film obtained can be controlled by controlling the bias voltage, etc. When forming a layer by the sputtering method, a negative bias voltage may be applied to the substrate during sputtering. This allows the layer to be formed densely and improves corrosion resistance. The magnitude of the negative bias voltage applied when forming the carbon layer is not particularly limited, but is, for example, 5 to 50 V, or 10 to 40 V.

燃料電池において、フッ化物イオンは、パーフルオロスルホン酸系ポリマーのようなフッ素系電解質樹脂から発生し易い。そのため、燃料電池がフッ素系電解質樹脂を含む固体電解質膜を用いる場合、本実施形態の燃料電池セパレータが特に有用となる。フッ素系電解質樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマー等が挙げられ、具体的には、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等を挙げることができる。これらのなかでも、プロトン導電性に優れるため、ナフィオン(商品名、デュポン社製)を好適に用いることができる。 In fuel cells, fluoride ions are easily generated from fluorine-based electrolyte resins such as perfluorosulfonic acid polymers. Therefore, when a fuel cell uses a solid electrolyte membrane containing a fluorine-based electrolyte resin, the fuel cell separator of this embodiment is particularly useful. Examples of fluorine-based electrolyte resins include perfluorosulfonic acid polymers, and specific examples include Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.). Among these, Nafion (trade name, manufactured by DuPont) is preferably used because of its excellent proton conductivity.

以上の本実施形態により、凹凸の流路形状を有する金属基材に上に、従来に比べて均一にチタン層を成膜することができ、また、耐食性に優れるチタン層を成膜することができる。 By using this embodiment, it is possible to form a titanium layer on a metal substrate having an uneven flow path shape more uniformly than in the past, and also to form a titanium layer with excellent corrosion resistance.

以下に、本実施形態について実施例を用いて説明する。 The following describes this embodiment using examples.

[実施例1]
金属基材として、凹凸の流路形状が成膜されたステンレス基材(SUS304)を用意した。ステンレス基材は、図2Aに示されるような波形状を有し、凹部と凸部の繰り返し構造からなる。隣接する2つの凸部の各頂部間の距離は1.3mmであり、凹部の底部と凸部の頂部の垂直方向の距離(深さ)は、0.5mmであった。
[Example 1]
A stainless steel substrate (SUS304) on which a concave-convex flow path shape was formed was prepared as the metal substrate. The stainless steel substrate had a corrugated shape as shown in FIG. 2A, and was composed of a repeated structure of concaves and convexities. The distance between the tops of two adjacent convexities was 1.3 mm, and the vertical distance (depth) between the bottom of the concave and the top of the convex was 0.5 mm.

そして、スパッタリング装置(製品名:FC1500、IHIハウザーテクノコーティングス社製)を使用し、ステンレス基材上にチタン層を成膜した。具体的には、まず、ステンレス基材を装置の反応容器内に配置した後、反応容器内を真空にし、内部ヒーターにて昇温させた。次に、プラズマ化したArガスでスパッタに使用する純Tiカソードターゲットをエッチング(クリーニング)した。また、ステンレス基材の表面に存在する不動態を除去するために、プラズマ化したArガスでステンレス基材をエッチングした。次に、上述の純Tiカソードターゲットを用い、チタン層を下記条件のアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により成膜した。次に、チタン層の上に、下記条件のアークイオンプレーティング(AIP)によりカーボン層を成膜し、セパレータE1を作製した。 Then, a titanium layer was formed on the stainless steel substrate using a sputtering device (product name: FC1500, manufactured by IHI Hauser Techno Coatings Co., Ltd.). Specifically, the stainless steel substrate was first placed in the reaction vessel of the device, and then the reaction vessel was evacuated and heated by an internal heater. Next, the pure Ti cathode target used for sputtering was etched (cleaned) with plasma Ar gas. In addition, in order to remove the passivation present on the surface of the stainless steel substrate, the stainless steel substrate was etched with plasma Ar gas. Next, using the above-mentioned pure Ti cathode target, a titanium layer was formed by unbalanced magnetron sputtering under the following conditions. Next, a carbon layer was formed on the titanium layer by arc ion plating (AIP) under the following conditions to produce separator E1.

(チタン層の成膜条件)
狙い膜厚:150nm
処理温度:140℃
スパッタガス:Ar
スパッタガス流量:380sccm
スパッタガス圧力:0.5Pa
バイアス電圧:-150V
周波数:40kHz
Tiカソード出力:35kW
公転速度:0.5rpm
基板とターゲットとの距離:190mm
(Titanium layer deposition conditions)
Target film thickness: 150 nm
Treatment temperature: 140°C
Sputtering gas: Ar
Sputtering gas flow rate: 380 sccm
Sputtering gas pressure: 0.5 Pa
Bias voltage: -150V
Frequency: 40kHz
Ti cathode output: 35 kW
Revolution speed: 0.5 rpm
Distance between substrate and target: 190 mm

(カーボン層の成膜条件)
狙い膜厚:150nm
処理温度:140℃
スパッタガス圧力:0.5Pa
スパッタガス(投入ガス):Ar
スパッタガス流量:380sccm
電圧値:-250V
周波数:40kHz
Cカソード出力:80A
公転速度:4.0rpm
(Carbon layer formation conditions)
Target film thickness: 150 nm
Treatment temperature: 140°C
Sputtering gas pressure: 0.5 Pa
Sputtering gas (input gas): Ar
Sputtering gas flow rate: 380 sccm
Voltage value: -250V
Frequency: 40kHz
C cathode output: 80A
Revolution speed: 4.0 rpm

[実施例2]
バイアス電圧を-200Vに設定したこと以外は、実施例1と同様の方法により、セパレータE2を作製した。
[Example 2]
A separator E2 was produced in the same manner as in Example 1, except that the bias voltage was set to −200V.

[実施例3]
バイアス電圧を-300Vに設定したこと以外は、実施例1と同様の方法により、セパレータE3を作製した。
[Example 3]
A separator E3 was produced in the same manner as in Example 1, except that the bias voltage was set to −300V.

[比較例1]
バイアス電圧を0Vに設定したこと以外は、実施例1と同様の方法により、セパレータC1を作製した。
[Comparative Example 1]
A separator C1 was produced in the same manner as in Example 1, except that the bias voltage was set to 0V.

[比較例2]
スパッタガスの流量を調整してスパッタガス圧力を2.5Paとしたこと以外は、実施例1と同様の方法により、セパレータC2を作製した。
[Comparative Example 2]
A separator C2 was produced in the same manner as in Example 1, except that the sputtering gas pressure was set to 2.5 Pa by adjusting the flow rate of the sputtering gas.

[比較例3]
スパッタガスの流量を調整してスパッタガス圧力を5.0Paとしたこと以外は、実施例1と同様の方法により、セパレータC3を作製した。
[Comparative Example 3]
Separator C3 was produced in the same manner as in Example 1, except that the sputtering gas pressure was set to 5.0 Pa by adjusting the flow rate of the sputtering gas.

[評価]
(凸部と凹部の膜厚比)
得られたセパレータE1~E3及びC1~C3について、凸部と凹部におけるチタン層の膜厚を測定し、膜厚比を算出した。チタン層の膜厚は、セパレータ断面のSEM写真において、凸部の頂部及び凹部の底部について少なくとも各10箇所の膜厚をそれぞれ測定し、その平均値として膜厚を算出した。結果を下記表1に示す。
[evaluation]
(Film thickness ratio of convex and concave parts)
For the obtained separators E1 to E3 and C1 to C3, the thickness of the titanium layer at the convex and concave portions was measured, and the thickness ratio was calculated. The thickness of the titanium layer was measured at least 10 points on the tops of the convex portions and the bottoms of the concave portions in an SEM photograph of the separator cross section, and the thickness was calculated as the average value. The results are shown in Table 1 below.

(チタン層の構造)
得られたセパレータE1~E3及びC1~C3について、SEMによりチタン層の断面を観察し、構造を確認した。結果を下記表1に示す。また、図4に、実施例1によるセパレータE1の断面のSEM写真を示す。また、図5に、比較例1によるセパレータC1の断面のSEM写真を示す。
(Structure of titanium layer)
For the obtained separators E1 to E3 and C1 to C3, the cross section of the titanium layer was observed by SEM to confirm the structure. The results are shown in Table 1 below. Also, Fig. 4 shows an SEM photograph of the cross section of separator E1 according to Example 1. Also, Fig. 5 shows an SEM photograph of the cross section of separator C1 according to Comparative Example 1.

Figure 0007613340000001
Figure 0007613340000001

以上の結果より、本実施形態に係る製造方法により、凸部と凹部の膜厚比を大きくすることができる、特に膜厚比を0.80以上にすることができることが確認された。また、本実施形態に係る製造方法により、平坦構造を有するチタン層を得ることができることが確認された。具体的には、図4に示されるように、実施例で成膜されたチタン層は、柱状構造に見られるようなチタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しない平坦構造を有していた。この平坦構造は金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しないため、耐食性に優れる。一方、図5に示されるように、比較例で成膜されたチタン層は、柱状構造を有し、チタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在していた。 From the above results, it was confirmed that the manufacturing method according to this embodiment can increase the film thickness ratio of the convex portion to the concave portion, and in particular can increase the film thickness ratio to 0.80 or more. It was also confirmed that the manufacturing method according to this embodiment can obtain a titanium layer having a flat structure. Specifically, as shown in FIG. 4, the titanium layer formed in the example had a flat structure in which there were no boundaries or gaps from the titanium layer surface to the metal substrate surface, as seen in a columnar structure. This flat structure has excellent corrosion resistance because there are no boundaries or gaps leading to the metal substrate surface. On the other hand, as shown in FIG. 5, the titanium layer formed in the comparative example had a columnar structure, and there were boundaries or gaps leading from the titanium layer surface to the metal substrate surface.

本明細書中に記載した数値範囲の上限値及び/又は下限値は、それぞれ任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。例えば、数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、数値範囲の上限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、また、数値範囲の下限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。 The upper and/or lower limit values of the numerical ranges described in this specification can be arbitrarily combined to define a preferred range. For example, the upper and lower limit values of the numerical ranges can be arbitrarily combined to define a preferred range, the upper limit values of the numerical ranges can be arbitrarily combined to define a preferred range, and the lower limit values of the numerical ranges can be arbitrarily combined to define a preferred range.

以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本開示に含まれるものである。 Although this embodiment has been described in detail above, the specific configuration is not limited to this embodiment, and any design changes that do not deviate from the gist of this disclosure are included in this disclosure.

1:セル
2:MEGA
3:セパレータ
4:膜電極接合体(MEA)
5:電解質膜
6:電極
7:ガス拡散層
10:燃料電池
21:ガス流路
22:ガス流路
23:冷却剤流路
101:金属基材
101a:金属基材
101b:金属基材
102:チタン層
103:カーボン層
1001:燃料電池セパレータ
1002:燃料電池セパレータ
1: Cell 2: MEGA
3: Separator 4: Membrane electrode assembly (MEA)
5: Electrolyte membrane 6: Electrode 7: Gas diffusion layer 10: Fuel cell 21: Gas flow path 22: Gas flow path 23: Coolant flow path 101: Metal substrate 101a: Metal substrate 101b: Metal substrate 102: Titanium layer 103: Carbon layer 1001: Fuel cell separator 1002: Fuel cell separator

Claims (9)

凹凸の流路形状を有する金属基材の上にチタンからなるチタン層を有する燃料電池セパレータの製造方法であって、
金属基材に負のバイアス電圧を印加したスパッタリング法により、金属基材の上にチタン層を成膜する工程を含み、
スパッタガス圧力が、0.5Pa以下であり、
負のバイアス電圧が、150V以上である、製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell separator having a titanium layer made of titanium on a metal substrate having an uneven flow channel shape, comprising the steps of:
The method includes the step of depositing a titanium layer on a metal substrate by a sputtering method in which a negative bias voltage is applied to the metal substrate;
The sputtering gas pressure is 0.5 Pa or less,
The manufacturing method, wherein the negative bias voltage is 150V or more.
負のバイアス電圧が、150V以上1280V以下である、請求項1に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the negative bias voltage is 150 V or more and 1280 V or less. 負のバイアス電圧が、150V以上500V以下である、請求項1又は2に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the negative bias voltage is 150 V or more and 500 V or less. チタンを主成分とするスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行う、請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, in which sputtering is performed using a sputtering target whose main component is titanium. スパッタガスとしてアルゴンを用いる、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, in which argon is used as the sputtering gas. 成膜されるチタン層が、平坦構造を有し、チタン層表面から金属基材表面に通じる境目又は隙間が存在しない、請求項1~5のいずれか1項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 5, in which the formed titanium layer has a flat structure and there is no boundary or gap between the titanium layer surface and the metal substrate surface. 金属基材の凸部に成膜されるチタン層の膜厚Aに対する凹部に成膜されるチタン層の膜厚Bの比(B/A)が、0.8以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載の製造方法。 The method of any one of claims 1 to 6, wherein the ratio (B/A) of the thickness A of the titanium layer formed on the protruding parts of the metal substrate to the thickness B of the titanium layer formed on the recessed parts is 0.8 or more. 金属基材が、ステンレス基材である、請求項1~7のいずれか1項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal substrate is a stainless steel substrate. 成膜されるチタン層の上に炭素からなるカーボン層を成膜する工程をさらに含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の製造方法。
The method according to any one of claims 1 to 8, further comprising the step of depositing a carbon layer made of carbon on the deposited titanium layer.
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