JP5419816B2 - 燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、金属薄板の表面にＡｕめっき層が形成された燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックに関する。

固体高分子型の燃料電池用セパレータは電気伝導性を有し、燃料電池の各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー（電気）を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス（燃料液体）や空気（酸素）の流路が形成されている。このセパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
このような燃料電池用セパレータとして、従来はカーボン板にガス流通路を形成したものが使用されていたが、材料コストや加工コストが大きいという問題がある。一方、カーボン板の代わりに金属板を用いる場合、発電環境下で金属が腐食し、その溶出イオンが膜電極接合体に取り込まれることで発電性能を低下させるという問題や、金属表面に絶縁性の不動態化被膜が生成することでガス拡散膜とセパレータ間の接触抵抗が増大し発電性能を低下させる問題があった。このようなことから、ステンレス鋼板製の波形セパレータの頂部にＡｕめっきを０．０１〜０．０６μｍ被覆する技術や（特許文献１、２）、ステンレス鋼板の表面にＡｕ，Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔ等から選ばれる貴金属をスパッタ成膜して導電部分を形成する技術（特許文献３）が知られている。
又、ステンレス鋼板の表面に、点状又は島状に１０ｎｍ（０．０１９ｍｇ／ｃｍ^２）程度の金めっきを施す技術（特許文献４）や、ステンレス鋼板の表面に酸化被膜を形成後に金めっきを施す技術（特許文献５）が報告されている。

特開平１０−２２８９１４号公報 特開平９−２２７０８号公報 特開２００１−２９７７７７号公報 特開２００４−２９６３８１号公報（０００７） 特開２００７−２５７８８３号公報

しかしながら、コスト低減のために金めっきの厚みが２０ｎｍ未満に薄くなると、被膜欠陥が生じ易くなり、燃料電池用セパレータの耐食性を十分に確保できないという問題がある。特に、燃料電池用セパレータは酸性雰囲気に置かれるため、耐食性の点で厳しい環境下にある。
又、特許文献４記載の技術は、ステンレス鋼と金との間で異種金属間接触腐食が起こらないように、９０℃、ｐＨ３の硫酸に対するステンレス鋼単体の自然電位を０．４８Ｖとすることから、金の重量を１．７６ｍｇ／ｃｍ^２以下にしている。その結果、金めっき皮膜を均一でなく、あえて島状に形成しているが、一般的にはステンレス鋼等の金属薄板の露出部分が多いと、薄板からの溶出イオン量が多くなり、発電性能を低下させる問題がある。
すなわち、本発明は、金属薄板表面に形成するＡｕめっき層の厚みが薄くても耐食性に優れ、コストを低減した燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池スタックの提供を目的とする。更に、成形した２枚のセパレータ材料を張り合わせ、一方に燃料ガスを流し、他方には酸化性ガスを流し、さらに張り合わせた中間部には冷却水を流すバイポーラ型のセパレータの場合、ガス側と冷却水側では必要とする耐食性が異なっているが、本発明は、金属薄板表面に必要最小限の金の膜をつけることで、コストを低減した燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池スタックの提供も目的とする。

本発明の燃料電池用セパレータ材料は、金属薄板の一方の面に、厚み０．５〜４ｎｍの第１Ａｕめっき層が形成され、該金属薄板の他の面に前記第１Ａｕめっき層より厚い第２Ａｕめっき層が形成され、前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層の断面をそれぞれ透過電子顕微鏡で観察した場合に、前記金属薄板の露出している部分と、該金属薄板の露出していない部分とにおいて、透過電子顕微鏡像における前記露出していない部分の水平方向の合計長さを前記金属薄板の露出していない部分の面積とみなし、全測定領域の合計長さを全測定面積とみなし、{（前記露出していない部分の水平方向の合計長さ）／（全測定領域の合計長さ）}×１００（％）によって表される被覆率がいずれも８０％以上である。

前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、硫酸水素ナトリウムを伝導塩として含むｐＨ１．０以下のＡｕめっき浴により電気めっきされていることが好ましい。
前記第２Ａｕめっき層の厚みが７ｎｍ以上であることが好ましい。
前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、前記金属薄板の両面にそれぞれ対向する電極を用いて湿式めっきされ、該両面で異なる電流を流してめっきされていることが好ましい。
前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、それぞれ前記金属薄板の表面の一部に形成されていてもよい。

前記金属薄板がステンレス鋼からなることが好ましく、オーステナイト系ステンレス鋼からなることがより好ましい。
前記金属薄板の厚さが０．０５〜０．３ｍｍであることが好ましい。
前記Ａｕめっき層が封孔処理されていることが好ましい。
前記封孔処理は、メルカプト系水溶液中で前記Ａｕめっき層を電解処理してなることが好ましい。
本発明の燃料電池用セパレータ材料は固体高分子形燃料電池又はダイレクトメタノール型固体高分子形燃料電池に用いられることが好ましい。

本発明の燃料電池用セパレータは、前記燃料電池用セパレータ材料を用い、前記第２Ａｕめっき層側が空気極及び燃料極側に向いているものである。
本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池用セパレータ材料を用い、前記第２Ａｕめっき層側が空気極及び燃料極側に向いているものである。

本発明によれば、金属薄板表面に形成するＡｕめっき層の厚みが薄くても耐食性を向上させ、コストを低減することができる。

第１Ａｕめっき層の断面のＴＥＭ像を示す図である。 金属薄板上の金の被覆状態（ＴＥＭ像）を模式的に表した図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタック（単セル）の断面図である。 バイポーラ型セパレータの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る平面型燃料電池スタックの断面図である。 燃料電池用セパレータ材料を用いた単セルによる発電試験を行ったときの、時間に対する出力電圧を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。なお、本発明において％とは、特に断らない限り、質量％を示すものとする。
又、本発明において「燃料電池用セパレータ」とは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー（電気）を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス（燃料液体）や空気（酸素）の流路が形成されたものをいう。セパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
従って、詳しくは後述するが、燃料電池用セパレータとして、板状の基材表面に凹凸状の流路を設けたセパレータの他、上記したパッシブ型ＤＭＦＣ用セパレータのように板状の基材表面にガスやメタノールの流路孔が開口したセパレータを含む。

＜金属薄板＞
燃料電池用セパレータ材料は耐食性と導電性が要求され、その基材（金属薄板）には耐食性が求められる。このため金属薄板には耐食性が良好で比較的低コストなステンレス鋼、より好ましくはオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。
オーステナイト系ステンレス鋼の種類は特に制限されないが、例えば、ＪＩＳに規格するＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０１を挙げることができる。
金属薄板の形状も特に制限されず、Ａｕをめっきできる形状であればよいが、セパレータ形状にプレス成形することから板材であることが好ましく、特に厚みが０．０５〜０．３ｍｍの板材であることが好ましい。金属薄板の厚みが０．０５ｍｍ未満の場合、成形後のセパレータの剛性が低く、燃料電池スタック組み立て時にセパレータの変形が起こりやすく、組み立て工数の増大やセパレータロスが大きくなる場合がある。一方、金属薄板の厚みが厚くなるとセパレータの剛性は向上するが、厚みが０．３ｍｍを超えても必要とされるセパレータの剛性は飽和すると共にスタックの重量増につながる場合がある。

又、Ａｕめっき層を平滑に成膜する観点から、金属薄板の表面も平滑化，清浄化するとよい。
金属薄板の表面を平滑化するために、例えばロール表面粗さをＲａ≦０．０５μｍにしたロール用いて仕上げ圧延をし、清浄化するために、仕上げ焼鈍は光輝焼鈍を施すとよい。さらに、焼鈍炉内の送りロールは、通常はカーボンロールであるが、焼鈍時にカーボンロールから薄板へのカーボン付着が懸念されるためセラミックロールを用いるとよく、薄板の表面が酸化しないよう、炉内雰囲気は水素と窒素とし、その比率は例えば９：１とするとよい。

＜第１Ａｕめっき層＞
本発明においては、金属薄板の両面にＡｕめっき層が形成されている。そのうち、第１Ａｕめっき層は厚み０．５〜４ｎｍの均一な層である。
燃料電池用セパレータのうち、発電環境下に晒される面（空気極側、燃料極側）の腐食が激しく、この面に耐食性の金めっきを施している。しかしながら、燃料電池用セパレータにおいて、空気極及び燃料極側と反対面も徐々に腐食が進行することが判明した。この反対面には、例えば反応熱を低下させる冷却媒体（水道水等）が流れる。
そこで、本発明者らは、冷却媒体側のかかる緩やかな腐食を防止するのに必要な最も薄いＡｕめっき厚さを検討したところ、厚み０．５ｎｍ以上の均一な層とすればよいことを見出した。従って、第１Ａｕめっき層の厚みは、耐食性の観点から０．５ｎｍ以上とし、コストの点から４ｎｍ以下とする。又、第１Ａｕめっき層の厚みが４ｎｍを超えても上記した緩やかな腐食を防止する効果が飽和する。

又、第１Ａｕめっき層の厚みが４ｎｍ以下と薄い場合、Ａｕめっき層が点状や島状となって金属薄板の露出部分が多くなる。一般に金属薄板の露出部分が多いと、ステンレス鋼製の薄板からの溶出イオン量が多くなり、発電性能を低下させる問題がある。このようなことから、第１Ａｕめっき層を均一に形成する必要がある。
第１Ａｕめっき層、及び後述する第２Ａｕめっき層の厚みは、電解法、蛍光Ｘ線膜厚計および断面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像で算出することができる。蛍光Ｘ線膜厚計としては、例えばエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製のＳＥＡ５１００を用いることができる。図１に本発明例１の第１Ａｕめっき層の断面ＴＥＭ像（倍率１３９０００倍）を示す。

ここで、本発明において、第１Ａｕめっき層、及び後述する第２Ａｕめっき層が「均一」であることは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によるめっき層の断面観察（１０００００倍以上、通常、１３９０００倍）で判定することができる。具体的には、めっき層の断面のＴＥＭ像において、（素地である金属薄板の露出していない部分の面積）／（全測定面積）で表される金の被覆率が８０％以上であれば、Ａｕめっき層が「均一」であるとする。
図２のように金属薄板上の金の被覆状態（ＴＥＭ像）を模式的に表した場合、金属薄板の露出している部分が領域Ｂ、Ｄであり、金属薄板の露出していない部分が領域Ａ，Ｃ，Ｅである。従って、ＴＥＭ像における領域Ａ，Ｃ，Ｅの水平方向の合計長さ（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）を金属薄板の露出していない部分の面積とみなし、全測定領域の合計長さ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ）を全測定面積とみなし、{（Ａ＋Ｃ＋Ｅ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ）}×１００（％）によって金の被覆率を算出することができる。

第１Ａｕめっき層を均一に形成する方法としては、硫酸水素ナトリウムを伝導塩として含むｐＨ１．０以下のＡｕめっき浴により電気めっきすることが挙げられる。この場合、Ａｕめっき浴の組成としては、Ａｕ塩、硫酸水素ナトリウム、及び必要に応じてその他の添加剤を含むものを用いることができる。Ａｕ塩としては、シアン化金塩、非シアン系の金塩（塩化金等）等を用いることができ、Ａｕ塩の金濃度は１〜１００ｇ／Ｌ程度とすることができる。又、硫酸水素ナトリウムの濃度は、５０〜１００ｇ／Ｌ程度とすることができる。
ｐＨ１．０以下の酸性Ａｕめっき浴を用いると、金属薄板としてステンレス鋼を用いた場合に、表面のＣｒ酸化皮膜が除去されやすく、Ａｕめっき層の密着性が向上する。さらにめっきの際に水素が多量に発生してステンレス表面が活性化され、Ａｕが付着しやすくなる。
また、酸性Ａｕめっき浴を用い、ステンレス鋼等の金属薄板表面に直接（ダイレクトに）Ａｕめっきすることが好ましい。従来からコネクタ材では基材にＮｉ下地めっきを行った後、Ａｕめっきを施しているが、発電環境下ではＮｉが腐食するため、Ｎｉ下地めっきなしに基材に直接Ａｕめっきすることが望ましい。

Ａｕめっきの条件としては、電流密度が低いと金属薄板の凸部に電流が集中してめっき層が均一になり難く、又、めっき浴温が低いとめっき層が均一になり難い傾向にある。
又、めっき液中の金濃度は１〜４ｇ／Ｌが好ましく、より好ましくは１．３〜１．７ｇ／Ｌである。金濃度が１ｇ／Ｌ未満であると、電流効率が低下してめっき層が均一になり難い傾向にある。

又、省金化の観点から、燃料電池用セパレータ材料を燃料電池用セパレータに加工した際に電極との接触面となる部分等、導電性が必要となる部分のみに第１Ａｕめっき層、及び後述する第２Ａｕめっき層を施すことも可能である。

＜第２Ａｕめっき層＞
金属薄板のうち第１Ａｕめっき層の形成面と反対側の面に第２Ａｕめっき層が形成されている。第２Ａｕめっき層は、第１Ａｕめっき層より厚い均一な層である。
燃料電池用セパレータにおいて、空気極及び燃料極側の面は発電環境下に晒されるために腐食が激しく、第１Ａｕめっき層より厚いＡｕめっきを施す必要がある。
第２Ａｕめっき層の厚みは第１Ａｕめっき層より厚くする必要があり、例えば５ｎｍ以上とすることができるが、耐食性の観点から７ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、コストの点から第２Ａｕめっき層の厚みを４０ｎｍ以下とするのが好ましい。又、第２Ａｕめっき層の厚みが４０ｎｍを超えても腐食を防止する効果が飽和する。
第２Ａｕめっき層についても均一な層とすることで、Ａｕめっき層が点状や島状となって金属薄板が露出するような部分を減少させ、特にステンレス鋼製の薄板からの溶出イオン量を低下させることができる。

金属薄板の両面に第１Ａｕめっき層及び第２Ａｕめっき層を形成する方法は特に限定されないが、両面で異なる電流を流して（第１Ａｕめっき層よりも第２Ａｕめっき層の電流値が高い）湿式電気めっきすることが好ましい。

＜封孔処理＞
Ａｕめっき層が封孔処理されていることが好ましい。Ａｕめっき層に被膜欠陥が存在しても、封孔処理によってこの欠陥を埋め、耐食性を維持することができる。Ａｕめっきの封孔処理は各種の方法が知られているが、メルカプト系水溶液中でＡｕめっき層を電解処理するのが好ましい。メルカプト系水溶液は、メルカプト基含有化合物を水に溶解したものであり、メルカプト基含有化合物としては、例えば特開２００４−２６５６９５号公報に記載されたメルカプトベンゾチアゾール誘導体が挙げられる。

＜燃料電池用セパレータ＞
次に、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池用セパレータについて説明する。燃料電池用セパレータは、上記した燃料電池用セパレータ材料を所定形状に加工してなり、燃料ガス（水素）又は燃料液体（メタノール）、空気（酸素）、冷却水等を流すための反応ガス流路又は反応液体流路（溝や開口）が形成されている。
そして、上記した燃料電池用セパレータ材料のうち、第２Ａｕめっき層側が空気極及び燃料極側に向いている。

＜積層型（アクティブ型）燃料電池用セパレータ＞
図３は、積層型（アクティブ型）燃料電池の単セルの断面図を示す。なお、図３では後述するセパレータ１０の外側にそれぞれ集電板１４０Ａ，１４０Ｂが配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
そして、セパレータ１０は電気伝導性を有し、後述するＭＥＡに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ１０には燃料ガスや空気（酸素）の流路となる溝が形成されている。

図３において、固体高分子電解質膜２０の両側にそれぞれアノード電極４０とカソード電極６０とが積層されて膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）８０が構成されている。又、アノード電極４０とカソード電極６０の表面には、それぞれアノード側ガス拡散膜９０Ａ、カソード側ガス拡散膜９０Ｂがそれぞれ積層されている。本発明において膜電極接合体という場合、ガス拡散膜９０Ａ、９０Ｂを含んだ積層体としてもよい。

ＭＥＡ８０の両側には、ガス拡散膜９０Ａ、９０Ｂにそれぞれ対向するようにセパレータ１０が配置され、セパレータ１０がＭＥＡ８０を挟持している。ＭＥＡ８０側のセパレータ１０表面には流路１０Ｌが形成され、後述するガスケット１２、流路１０Ｌ、及びガス拡散膜９０Ａ（又は９０Ｂ）で囲まれた内部空間２０内をガスが出入可能になっている。
そして、アノード電極４０側の内部空間２０には燃料ガス（水素等）が流れ、カソード電極６０側の内部空間２０に酸化性ガス（酸素、空気等）が流れることにより、電気化学反応が生じるようになっている。

アノード電極４０とガス拡散膜９０Ａの周縁の外側は、これらの積層厚みとほぼ同じ厚みの枠状のシール部材３１で囲まれている。又、シール部材３１とセパレータ１０の周縁との間には、セパレータに接して略枠状のガスケット１２が介装され、ガスケット１２が流路１０Ｌを囲むようになっている。さらに、セパレータ１０の外面（ＭＥＡ８０側と反対側の面）にはセパレータ１０に接して集電板１４０Ａ（又は１４０Ｂ）が積層され、集電板１４０Ａ（又は１４０Ｂ）とセパレータ１０の周縁との間に略枠状のシール部材３２が介装されている。
シール部材３１及びガスケット１２は、燃料ガス又は酸化ガスがセル外に漏れるのを防止するシールを形成する。又、単セルを複数積層してスタックにした場合、セパレータ１０の外面と集電板１４０Ａ（又は１４０Ｂ）との間の空間２１には空間２０と異なるガス（空間２０に酸化性ガスが流れる場合、空間２１には水素が流れる）が流れる。従って、シール部材３２もセル外にガスが漏れるのを防止する部材として使われる。

そして、ＭＥＡ８０（及びガス拡散膜９０Ａ、９０Ｂ）、セパレータ１０、ガスケット１２、集電板１４０Ａ、１４０Ｂを含んで燃料電池セルが構成され、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックが構成される。

バイポーラ型セパレータの構造は、図３、図４に示すように、成形した２枚のセパレータ材料の接触部同士をレーザー溶接等により張り合わせ、一方に燃料ガス、他方には酸化性ガスを流し、張り合わせた中間部には冷却水を流す構造になっている。

図３に示す積層型（アクティブ型）燃料電池は、上記した水素を燃料として用いる燃料電池のほか、メタノールを燃料として用いるＤＭＦＣにも適用することができる。

＜平面型（パッシブ型）燃料電池用セパレータ＞
図５は、平面型（パッシブ型）燃料電池の単セルの断面図を示す。なお、図５ではセパレータ１００の外側にそれぞれ集電板１４０が配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
なお，図５において、ＭＥＡ８０の構成は図３の燃料電池と同一であるので同一符号を付して説明を省略する（図５では、ガス拡散膜９０Ａ、９０Ｂの記載を省略しているが、ガス拡散膜９０Ａ、９０Ｂを有していてもよい）。

図５において、セパレータ１００は電気伝導性を有し、ＭＥＡに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ１００には燃料液体や空気（酸素）の流路となる孔が形成されている。
セパレータ１００は、断面がクランク形状になるよう、長尺平板状の基材の中央付近に段部１００ｓを形成してなり、段部１００ｓを介して上方に位置する上側片１００ｂと、段部１００ｓを介して下方に位置する下側片１００ａとを有する。段部１００ｓはセパレータ１００の長手方向に垂直な方向に延びている。
そして、複数のセパレータ１００を長手方向に並べ、隣接するセパレータ１００の下側片１００ａと上側片１００ｂとの間に空間を形成させ、この空間にＭＥＡ８０を介装する。２つのセパレータ１００でＭＥＡ８０が挟まれた構造体が単セル３００となる。このようにして、複数のＭＥＡ８０がセパレータ１００を介して直列に接続されたスタックが構成される。

図５に示す平面型（パッシブ型）燃料電池は、上記したメタノールを燃料として用いるＤＭＦＣのほか、水素を燃料として用いる燃料電池にも適用することができる。又、平面型（パッシブ型）燃料電池用セパレータの開口部の形状や個数は限定されず、開口部として上記した孔の他、スリットとしてもよく、セパレータ全体が網状であってもよい。

＜燃料電池用スタック＞
本発明の燃料電池用スタックは、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いてなる。
燃料電池用スタックは、１対の電極で電解質を挟み込んだセルを複数個直列に接続したものであり、各セルの間に燃料電池用セパレータが介装されて燃料ガスや空気を遮断する。燃料ガス(H₂)が接触する電極が燃料極(アノード)であり、空気(O₂) が接触する電極が空気極(カソード)である。
燃料電池用スタックの構成例は、既に図３及び図５で説明した通りであるが、これに限定されない。

＜試料の作製＞
表１、表２に示す各金属薄板を平滑化するためにロール表面粗さをＲａ＝０．０３μｍにしたロールを用いて仕上げ圧延した後、清浄化するために光輝焼鈍を施して作製した。さらに焼鈍炉内の送りロールはセラミックロールを用い、炉内雰囲気は水素と窒素とし、その比率は９：１とした。
こうして作製した各金属薄板を市販の脱脂液パクナ１０５を用いて電解脱脂後、ｐＨ０．５の硫酸水溶液中で酸洗して前処理した。
次に、以下のＡｕめっき浴を用い、酸洗後の各金属薄板に直接Ａｕめっきを行った。金属薄板の両面にそれぞれ対向して酸化イリジウム電極を配置し、各酸化イリジウム電極に異なる電流を流すことで、該金属薄板の両面に異なる電流が流れるようにした（第１Ａｕめっき層よりも第２Ａｕめっき層の電流値が高い）。そして、金属薄板のそれぞれの面に、表１、表２に示す厚みのＡｕめっき層を電気めっきした。このようにして、燃料電池用セパレータ材料を作製した。
Ａｕめっき液（シアン系）の組成；シアン化金塩（金濃度：１．５ｇ／Ｌ）、硫酸水素ナトリウム７０ｇ／Ｌ、ｐＨ０．９

なお、表１の各燃料電池用セパレータ材料は、金属薄板の各面の全面にそれぞれＡｕめっき層を形成させた。一方、表２の各燃料電池用セパレータ材料は、金属薄板のうち発電時のアクティブエリアに相当する部分にのみＡｕめっき層を形成させた。従って、表２の各燃料電池用セパレータ材料の評価は、Ａｕめっき層の形成されている部分を切出して行った。
以上のようにして作製した燃料電池用セパレータ材料表面の皮膜の均一性および耐食性を以下のように測定した。
＜皮膜の均一性＞
ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により試料の断面を観察して（１３９０００倍）判定した。素地を被覆する金の被覆率が８０％以上であればＡｕめっき層が「均一」であるとした。具体的には、試料の断面のＴＥＭ像において、金属薄板の露出していない部分の水平方向の合計長さＬ１を金属薄板の露出していない部分の面積とみなし、全測定領域の合計長さＬ２を全測定面積とみなし、（Ｌ１／Ｌ２）×１００（％）によって金の被覆率を算出した。

＜第１Ａｕめっき層側の耐食性＞
固体高分子型燃料電池の発電時の冷却水側の腐食環境を想定して、以下の加速試験を行った。９０℃、６００ｍｌのｐＨ５に調整した１０質量ｐｐｍ塩素水溶液を用い、ｐＨは硫酸で調整し、塩素濃度は塩化ナトリウムで調整した。４０ｍｍ×５０ｍｍに切り出した各燃料電池用セパレータ材料を上記塩素水溶液に１６８時間浸漬した後引き上げた。その後、水溶液中のＦｅ、Ｎｉ、ＣｒイオンをＩＣＰ分析にて定量し、金属溶出量を測定した。
＜第２Ａｕめっき層側の耐食性＞
固体高分子型燃料電池の発電環境下の腐食環境を基に、以下の加速試験を行った。９５℃、６００ｍｌのｐＨ１硫酸水溶液に、４０×５０ｍｍに切り出した各燃料電池用セパレータ材料を１６８時間浸漬した後、引き上げた。その後、水溶液中のＦｅ、Ｎｉ、ＣｒイオンをＩＣＰ分析にて定量し、金属溶出量を測定した。

＜接触抵抗＞
電気接点シミュレータ（山崎精機研究所製のＣＲＳ−１）を用い、電圧レンジ２００ｍＶ、荷重１０ｇｆ、測定モードを一定荷重、測定長さ１ｍｍで各Ａｕめっき層の接触抵抗分布を測定した。サンプリング数は６００点で、その平均値を接触抵抗値として用いた。

燃料電池用セパレータに求められる代表的な特性は、使用環境での耐食性（有害な金属イオンの溶出がない）である。具体的には、第１Ａｕめっき層側の耐食性と第２Ａｕめっき層側の耐食性は金属イオンの溶出が０．０５ｍｇ／Ｌ以下であるこが望ましい。第１Ａｕめっき層側の耐食性が０．０５ｍｇ／Ｌを超えると、溶出した金属イオンによる冷却水への漏電（金属イオンの溶出に伴い冷却水の導電性が良くなることに起因して水中に電気が流れる）が生じ、又、第２Ａｕめっき層側の耐食性が０．０５ｍｇ／Ｌを超えると、溶出イオンが膜電極接合体に取り込まれることで、それぞれ発電性能を低下させる。

＜金属薄板の適正板厚＞
表３に示すように、厚みを０．０３〜０．３ｍｍまで変化させたステンレス鋼製の金属薄板を用い、巾１００ｍｍ、長さ５００ｍｍのセパレータ（溝形状；ピッチ２．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍのストレート溝）をプレス成形した。量産時の燃料電池連続組立ラインを想定して、成形したセパレータを１枚ずつ、手で掴んで右から左に１ｍ移動させる作業を１００枚分行うのに必要な時間と、その時に発生するセパレータの変形（折れ、曲がり）を目視で判定した。できる限り変形発生を抑えるため慎重に移動を行い、それでも不可避となった変形品の割合を算出した。
得られた結果を表１〜表３に示す。

表１、表２から明らかなように、金属薄板の片面（表面）に厚み０．５ｎｍ以上の均一な第１Ａｕめっき層が形成され、金属薄板の他の面（裏面）に第１Ａｕめっき層より厚い均一な第２Ａｕめっき層が形成されている各本発明例の場合、金属溶出量が少なく耐食性に優れるものとなった。
又、各本発明例は表面に金の皮膜が存在するため、接触抵抗が顕著に小さい（５０ｍΩ以下）。一般にバイポーラセパレータはレーザー溶接等で組み立てられ、溶接部は電気の通路となるが、本発明例のセパレータ材料は表面抵抗が小さいために電気がさらに通りやすくなり、燃料電池の性能向上につながる。

一方、金属薄板の片面（表面）に第１Ａｕめっき層を形成しなかった比較例１、３、４、６、８の場合、金属溶出量が増大して耐食性が劣化した。
又、金属薄板の片面（表面）の第１Ａｕめっき層の厚みが０．５ｎｍ未満である比較例２、７，１０の場合も、金属溶出量が増大して耐食性が劣化した。
第１Ａｕめっき層を不均一に形成した比較例５、９、１１の場合も、金属溶出量が増大して耐食性が劣化した。なお、比較例５、９、１１は、特許文献４の実施例を参考にして作製した。

さらに、表３より、板厚が０．０５ｍｍ以上の金属薄板を用いた本発明例の場合、燃料電池の組立で発生するセパレータの変形品の割合は０となり、組立に要する作業時間の短時間化も達成できた。

次に、本発明例８と比較例２の各セパレータ材料をセパレータに成形した後、図３に示す単セルをそれぞれ作製し、この単セルによる発電試験を行なった。試験条件、及び時間に対する出力電圧を図６に示す。本発明例８のセパレータ材料を用いたセルは１０００ｈｒ安定して発電されたのに対し、比較例２のセパレータ材料を用いたセルは時間と共に出力電圧（発電性能）が劣化した。

１０、１００ セパレータ
１２、１２Ｂ ガスケット
２０ 固体高分子電解質膜
４０ アノード電極
６０ カソード電極
８０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）

Claims (14)

1. 金属薄板の一方の面に、厚み０．５〜４ｎｍの第１Ａｕめっき層が形成され、該金属薄板の他の面に前記第１Ａｕめっき層より厚い第２Ａｕめっき層が形成され、
   前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層の断面をそれぞれ透過電子顕微鏡で観察した場合に、前記金属薄板の露出している部分と、該金属薄板の露出していない部分とにおいて、透過電子顕微鏡像における前記露出していない部分の水平方向の合計長さを前記金属薄板の露出していない部分の面積とみなし、全測定領域の合計長さを全測定面積とみなし、{（前記露出していない部分の水平方向の合計長さ）／（全測定領域の合計長さ）}×１００（％）によって表される被覆率がいずれも８０％以上である燃料電池用セパレータ材料。
2. 前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、硫酸水素ナトリウムを伝導塩として含むｐＨ１．０以下のＡｕめっき浴により電気めっきされている請求項１に記載の燃料電池用セパレータ材料。
3. 前記第２Ａｕめっき層の厚みが７ｎｍ以上である請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ材料。
4. 前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、前記金属薄板の両面にそれぞれ対向する電極を用いて湿式めっきされ、該両面で異なる電流を流してめっきされている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
5. 前記第１Ａｕめっき層と前記第２Ａｕめっき層とは、それぞれ前記金属薄板の表面の一部に形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セパレータ材料。
6. 前記金属薄板がステンレス鋼からなる請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
7. 前記ステンレス鋼がオーステナイト系ステンレス鋼である請求項６に記載の燃料電池用セパレータ材料。
8. 前記金属薄板の厚さが０．０５〜０．３ｍｍである請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
9. 前記Ａｕめっき層が封孔処理されている請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
10. 前記封孔処理は、メルカプト系水溶液中で前記Ａｕめっき層を電解処理して行われる請求項９に記載の燃料電池用セパレータ材料。
11. 固体高分子形燃料電池に用いられる請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。
12. ダイレクトメタノール型固体高分子形燃料電池に用いられる請求項１１記載の燃料電池用セパレータ材料。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載のセパレータ材料を用い、前記第２Ａｕめっき層側が空気極及び燃料極側に向いている燃料電池用セパレータ。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料を用い、前記第２Ａｕめっき層側が空気極及び燃料極側に向いている燃料電池スタック。