特許 7011920 燃料電池用分離板及び燃料電池用分離板のコーティング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-19

(45)【発行日】2022-02-10

(54)【発明の名称】燃料電池用分離板及び燃料電池用分離板のコーティング方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0228 20160101AFI20220203BHJP

   H01M 8/0213 20160101ALI20220203BHJP

   C23C 8/38 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 28/04 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 16/50 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 16/02 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 16/26 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 14/02 20060101ALI20220203BHJP

   C23C 14/48 20060101ALI20220203BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20220203BHJP

   H01M 8/021 20160101ALN20220203BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0228

H01M8/0213

C23C8/38

C23C28/04

C23C16/50

C23C16/02

C23C16/26

C23C14/02 Z

C23C14/48 A

H01M8/0206

H01M8/021

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2017204903

(22)【出願日】2017-10-24

(65)【公開番号】P2018073824

(43)【公開日】2018-05-10

【審査請求日】2020-07-10

(31)【優先権主張番号】10-2016-0138365

(32)【優先日】2016-10-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(73)【特許権者】

【識別番号】500518050

【氏名又は名称】起亞株式会社

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(73)【特許権者】

【識別番号】517372335

【氏名又は名称】ドンウー エイチエスティ カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】李 承 求

(72)【発明者】

【氏名】洪 雄 杓

(72)【発明者】

【氏名】金 甫 ギョン

(72)【発明者】

【氏名】朴 貞 研

(72)【発明者】

【氏名】呉 昇 貞

(72)【発明者】

【氏名】呂 寅 雄

(72)【発明者】

【氏名】盧 水 晶

(72)【発明者】

【氏名】李 俊 錫

(72)【発明者】

【氏名】鄭 元 基

(72)【発明者】

【氏名】安 承 均

【審査官】上野 文城

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１４６６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２４８１０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１４８６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－０１１５３８１（ＫＲ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０８３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４８５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０２９７７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０１２４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２２８

Ｈ０１Ｍ ８／０２１３

Ｃ２３Ｃ ８／３８

Ｃ２３Ｃ ２８／０４

Ｃ２３Ｃ １６／５０

Ｃ２３Ｃ １６／０２

Ｃ２３Ｃ １６／２６

Ｃ２３Ｃ １４／０２

Ｃ２３Ｃ １４／４８

Ｈ０１Ｍ ８／０２０６

Ｈ０１Ｍ ８／０２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属母材を準備する段階と、
前記金属母材の表面に炭素拡散妨害イオンを侵入させて、前記金属母材の表面から金属母材の内部方向にイオン侵入層を形成する段階と、
前記イオン侵入層上に炭素前駆体ガス中の炭素原子をプラズマで励起させ、前記炭素前駆体ガスを３乃至３０体積％含む雰囲気で炭素コーティング層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項2】

前記金属母材を準備する段階の後に、
前記金属母材の表面に形成された酸化被膜を除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項3】

前記イオン侵入層を形成する段階において、前記炭素拡散妨害イオンは、窒素又はホウ素イオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項4】

前記イオン侵入層を形成する段階は、３００乃至５５０℃において１０乃至１２０分間行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項5】

前記イオン侵入層を形成する段階は、イオン形成ガスを１０体積％以上含む雰囲気で行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項6】

前記イオン侵入層を形成する段階は、プラズマ又はイオン注入により前記炭素拡散妨害イオンを侵入させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項7】

前記炭素コーティング層を形成する段階は、３００乃至５５０℃で行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板のコーティング方法。

【請求項8】

金属母材と、
前記金属母材の表面から金属母材の内部方向に形成され、炭素拡散妨害イオンを５乃至３０重量％及び炭素原子を５乃至８５重量％含むイオン侵入層と、
前記イオン侵入層上に形成された炭素コーティング層と、を含むことを特徴とする燃料電池用分離板。

【請求項9】

前記イオン侵入層は、前記炭素拡散妨害イオンが前記金属母材の金属原子の間に介在していることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。

【請求項10】

前記炭素拡散妨害イオンは、窒素又はホウ素イオンを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。

【請求項11】

前記イオン侵入層の厚さは、３０乃至３００ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。

【請求項12】

前記炭素コーティング層の厚さは、１０乃至１０００ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。

【請求項13】

前記炭素コーティング層の密度は、２．０ｇ／ｃｍ^３乃至３．０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用分離板のコーティング方法及び燃料電池用分離板に係り、より詳しくは、炭素コーティング層の結合力が向上した燃料電池用分離板及び燃料電池用分離板のコーティング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックは、電極膜、分離板、ガス拡散層、及びガスケットのような繰り返し積層される部品、並びにスタックモジュールを締結するのに必要な締結機構、スタックを保護するエンクロージャ（Ｅｎｃｌｏｓｅｒ）、車両とのインタフェースに必要な部品、及び高電圧コネクタなどのような非繰り返し部品に分けられる。
燃料電池スタックは、水素及び空気中の酸素が反応して、電気、水、及び熱を放出する装置である。従って、燃料電池スタックは、高電圧の電気、水、及び水素が同じ場所に共存することになり、多くの危険要素を内包している。

【0003】

特に、燃料電池分離板は、燃料電池の駆動時に発生する水素陽イオンが直接接触するので、腐食に対する抵抗性が更に強くに要求される。例えば、表面処理していない金属分離板を用いた時には、金属の腐食はもちろん、金属表面に生成した酸化物が電気絶縁体として作用して電気伝導性を低下させる。この時、解離されて溶出した金属陽イオンがＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を汚染させて燃料電池の性能を減少させる。

【0004】

燃料電池スタックを構成する要素部品のうち、最も重要な部品である燃料電池分離板には、低い接触抵抗と腐食性が要求される。現在使用中の金属分離板は、優れた電気伝導性を有しているが、高い腐食性を有して耐久性が低下するという問題点があり、多くの研究者は、金属分離板をコーティングすることにより特性を向上させることによって問題を解決する努力をしている。

【0005】

コーティング素材のうち、カーボンは、高い電気伝導性と低い腐食性を有する。しかし、大容量化が可能なプラズマ化学気相蒸着法（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したカーボンコーティングには、高い反応温度が要求されるので、工程中の高温によって、金属分離板の表面に炭素原子が侵入及び拡散して母材とカーボンコーティング層との間の結合を弱くする。このため、カーボン層は、密着力が弱くなりまた緻密度が低くなるために、燃料電池の駆動環境で接触抵抗及び腐食特性を低下させる要因となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平１０－７４５２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の一実施例は、燃料電池用分離板のコーティング方法を提供する。
また、本発明の他の実施例は、燃料電池用分離板を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施例による燃料電池用分離板のコーティング方法は、金属母材を準備する段階と、金属母材の表面に炭素拡散妨害イオンを侵入させて、金属母材の表面から金属母材の内部方向にイオン侵入層を形成する段階と、イオン侵入層上に炭素前駆体ガス中の炭素原子をプラズマで励起させ、前記炭素前駆体ガスを３乃至３０体積％含む雰囲気で炭素コーティング層を形成する段階と、を含むことを特徴とする。

【0009】

前記金属母材を準備する段階の後に、金属母材の表面に形成された酸化被膜を除去する段階を更に含んでもよい。
前記イオン侵入層を形成する段階において、炭素拡散妨害イオンは、窒素又はホウ素イオンを含むことができる。

【0010】

前記イオン侵入層を形成する段階は、３００～５５０℃で１０～１２０分間行われることが好ましい。
前記イオン侵入層を形成する段階は、イオン形成ガスを１０体積％以上含む雰囲気で行われることができる。
前記イオン侵入層を形成する段階は、プラズマ又はイオン注入により炭素拡散妨害イオンを侵入させるものであってもよい。

【0011】

前記炭素コーティング層を形成する段階は、３００～５５０℃で行われることが好ましい。

【0012】

本発明の一実施例による燃料電池用分離板は、金属母材と、金属母材の表面から金属母材の内部方向に形成され、炭素拡散妨害イオンを５乃至３０重量％及び炭素原子を５乃至８５重量％含むイオン侵入層と、イオン侵入層上に形成された炭素コーティング層と、を含むことを特徴とする。

【0013】

前記イオン侵入層は、炭素拡散妨害イオンが金属母材の金属原子の間に介在していてもよい。
前記イオン侵入層は、炭素拡散妨害イオンを５～３０重量％含むことが好ましい。
前記イオン侵入層は、炭素原子を５～８５重量％含んでもよい。

【0014】

前記炭素拡散妨害イオンは、窒素又はホウ素イオンを含むことができる。
前記イオン侵入層の厚さは、３０～３００ｎｍであってもよい。
前記炭素コーティング層の厚さは、１０～１０００ｎｍであることができる。
炭素コーティング層の密度は、２．０ｇ／ｃｍ^３～３．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

【発明の効果】

【0015】

本発明の一実施例によれば、イオン侵入層の存在によって、炭素コーティング層の結合力が向上する。
本発明の一実施例によれば、イオン侵入層の存在によって、炭素コーティング層の密度が増加する。
本発明の一実施例によれば、低い接触抵抗及び低い腐食電位特性が示される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施例による燃料電池用分離板の断面の模式図である。

【図2】本発明の一実施例による燃料電池用分離板の断面の模式図である。

【図3】イオン侵入層なしに炭素コーティング層を形成した燃料電池用分離板の断面の模式図である。

【図4】実施例１で製造した燃料電池用分離板の炭素コーティング層表面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図5】実施例１で製造した燃料電池用分離板のグロー放電発光分光分析（ＧＤ－ＯＥＳ、Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の結果である。

【図6】比較例で製造した燃料電池用分離板の炭素コーティング層表面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図7】実施例１で製造した燃料電池用分離板の密着力評価後の光学顕微鏡（ＯＭ）写真である。

【図8】比較例で製造した燃料電池用分離板の密着力評価後の光学顕微鏡（ＯＭ）写真である。

【図9】実施例１～４及び比較例で製造した燃料電池用分離板の接触抵抗評価の結果である。

【図10】実施例１～４及び比較例で製造した燃料電池用分離板の腐食電流密度評価の結果である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の利点及び特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付した図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能である。本実施例は、単に本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。明細書全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を指し示す。

【0018】

ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは、他の部分の上にあるか、その間に別の部分が介在していてもよい。対照的にある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に別の部分は介在しない。

【0019】

従って、いくつかの実施例において、よく知られた技術は、本発明が曖昧に解釈されるのを避けるために具体的に説明されない。別の定義がなければ、本明細書で使用されるすべての用語（技術及び科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に共通して理解できる意味で使用できるはずである。明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素を更に包含できることを意味する。また、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。

【0020】

図１は、本発明の一実施例による燃料電池用分離板の断面の模式図を示す。
図１に示すように、一実施例による燃料電池用分離板１００は、金属母材１０と、金属母材１０の表面から金属母材１０の内部方向に形成され、炭素拡散妨害イオン２１を含むイオン侵入層２０と、イオン侵入層２０上に形成された炭素コーティング層３０とを含む。

【0021】

図１の燃料電池用分離板１００の断面は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
以下、燃料電池用分離板１００の各構成別に詳細に説明する。

【0022】

金属母材１０は、燃料電池用分離板１００に用いられる金属母材１０を制限なく使用可能である。具体的には、ステンレス鋼板を用いてもよい。より具体的には、ＳＵＳ３００系鋼板を用いてもよい。

【0023】

本発明の一実施例では、金属母材１０の表面から金属母材１０の内部方向に形成され、炭素拡散妨害イオン２１を含むイオン侵入層２０を含むことで炭素コーティング層３０の結合力と密度を向上させることによって、結果的に燃料電池用分離板１００の低い接触抵抗と腐食電位特性とを達成する。

【0024】

図２は、本発明の一実施例による燃料電池用分離板の断面の模式図を示す。
図２に示すように、炭素拡散妨害イオン２１を含むイオン侵入層２０を形成した場合は、炭素拡散妨害イオン２１が金属原子１１の間に介在する。以降、炭素コーティング層３０の形成のために炭素原子３１を注入しても、炭素拡散妨害イオン２１によって炭素原子３１が金属母材１０の内部に拡散するのが妨げられる。

【0025】

これによって、金属母材１０の内部には、炭素原子がほとんど拡散せず、相対的に金属母材１０の最表面（つまり、イオン侵入層２０）に炭素原子３１が多量存在する。金属母材１０の最表面に存在する炭素原子３１が炭素コーティング層３０内の炭素原子３１と炭素－炭素結合３２し、これによって、炭素コーティング層３０と金属母材１０との結合力が向上する。

【0026】

また、炭素原子３１が金属母材１０の内部に拡散する量が少なくなり、同一の炭素原子を供給しても、炭素コーティング層３０内の炭素原子３１の量が相対的に増加し、炭素コーティング層３０の密度が向上する。このように炭素コーティング層３０の結合力と密度が向上するので、燃料電池用分離板１００の低い接触抵抗と腐食電位特性とを達成することができる。

【0027】

図３は、イオン侵入層なしに炭素コーティング層を形成した燃料電池用分離板の断面の模式図である。
図３に示すようにイオン侵入層２０を別途に形成しない場合は、炭素原子３１が金属原子１１の間を通過して金属母材１０の内部に拡散し、金属母材１０の最表面には炭素原子３１が少量しか存在しなくなる。結果的に、金属母材１０の最表面に存在する炭素原子３１と炭素コーティング層３０の炭素原子３１との間の炭素－炭素結合３２が少なくなって、炭素コーティング層３０と金属母材１０との結合力が弱くなる。
また、多量の炭素原子３１が金属母材１０の内部に拡散するので、炭素コーティング層３０の密度も低くなる。

【0028】

このように、本発明の一実施例は、炭素拡散妨害イオン２１を金属母材１０の金属原子１１の間に介在させたイオン侵入層２０を形成することにより、燃料電池用分離板１００の低い接触抵抗と低い腐食電位特性とを達成することができる。この時、金属原子１１は、前述したステンレス鋼板に存在する金属原子、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はモリブデン（Ｍｏ）原子となってもよい。炭素拡散妨害イオン２１が金属原子１１の間に介在したとの意味は、炭素拡散妨害イオン２１が格子構造内に侵入又は固溶することを意味する。更に具体的には、オーステナイト面心立方構造（ＦＣＣ）の格子内に侵入又は固溶することを意味する。

【0029】

イオン侵入層２０は、炭素拡散妨害イオン２１を５～３０重量％含んでもよい。炭素拡散妨害イオン２１が過度に少なくなった時には、炭素拡散妨害効果が十分でないことがある。また、炭素拡散妨害イオン２１が過度に多くなった時には表面が硬化し、外部衝撃による剥離が発生して耐久性が低下することがある。従って、前述した範囲に炭素拡散妨害イオン２１を含むことが好ましい。

【0030】

また、炭素コーティング層３０の形成時に、炭素原子３１の一部がイオン侵入層２０に拡散して、炭素原子３１がイオン侵入層２０内に５～８５重量％含まれる。炭素原子３１がイオン侵入層２０内に過度に少なくなった時は、炭素コーティング層３０内の炭素原子３１との炭素－炭素結合３２が少なくなって、炭素コーティング層３０の結合力が問題となり得る。また、イオン侵入層２０内に炭素原子３１が過度に多くなった時は、炭素コーティング層３０の密度が低くなり得る。従って、前述した範囲に炭素原子３１を含むことが好ましい。

【0031】

炭素拡散妨害イオン２１は、金属原子１１の間に介在して炭素原子３１の拡散を妨害できるイオンであれば、制限なく使用可能である。具体的には、原子番号２０以下のイオンを用いてもよい。より具体的には、炭素拡散妨害イオン２１として、窒素又はホウ素イオンを含んでもよい。

【0032】

イオン侵入層２０の厚さは、３０～３００ｎｍであってもよい。イオン侵入層２０の厚さが薄すぎると、炭素拡散妨害効果が十分でないことがある。イオン侵入層２０の厚さが厚すぎると、窒素原子が過度に多く侵入した時の硬度が増加して、外部衝撃で破れやすくなるという現象が発生し得る。

【0033】

イオン侵入層２０は、プラズマ又はイオン注入により形成することができる。具体的なイオン侵入層２０の形成方法は、後述する燃料電池用分離板のコーティング方法に関連して具体的に説明する。
炭素コーティング層３０は、イオン侵入層２０上に形成される。炭素コーティング層３０によって、高い電気伝導性及び低い腐食特性を確保することができる。

【0034】

炭素コーティング層３０の厚さは、１０～１０００ｎｍであってもよい。炭素コーティング層３０の厚さが薄すぎると、高い電気伝導性と低い腐食特性を確保しにくいことがある。炭素コーティング層３０の厚さが厚すぎると、金属母材１０と炭素コーティング層３０との間の応力（Ｓｔｒｅｓｓ）増加による剥離現象が発生し得る。従って、前述した範囲に炭素コーティング層３０の厚さを調節することができる。更に具体的には、炭素コーティング層３０の厚さは、２０～１００ｎｍであってもよい。

【0035】

本発明の一実施例によれば、イオン侵入層２０によって、炭素コーティング層３０の密度を高めることができる。具体的には、炭素コーティング層３０の密度は、２．０ｇ／ｃｍ^３～３．０ｇ／ｃｍ^３となってもよい。

【0036】

本発明の一実施例による燃料電池用分離板１００のコーティング方法は、金属母材１０を準備する段階と、金属母材１０の表面に炭素拡散妨害イオン２１を侵入させて金属母材１０の表面から金属母材１０の内部方向にイオン侵入層２０を形成する段階と、イオン侵入層２０上に炭素コーティング層３０を形成する段階と、を含む。以下、各段階を具体的に説明する。

【0037】

まず、金属母材１０を準備する。金属母材１０は、燃料電池用分離板１００に用いられる金属母材１０を制限なく使用可能である。具体的には、ステンレス鋼板を用いてもよい。更に具体的には、ＳＵＳ３００系鋼板を用いてもよい。

【0038】

金属母材１０の表面には、空気との接触などによって酸化被膜が存在し得る。これは接触抵抗を増加させる原因となるので、金属母材１０の表面の酸化被膜を除去する段階を更に含んでもよい。除去方法としては、金属母材１０を昇温させて、アルゴンプラズマを加える方法を利用することができる。

【0039】

次に、金属母材１０の表面に炭素拡散妨害イオン２１を侵入させて、金属母材１０の表面から金属母材１０の内部方向にイオン侵入層２０を形成する。イオン侵入層２０の形成理由については前述したので、重複する説明は省略する。

【0040】

イオン侵入層２０を形成する段階は、プラズマ又はイオン注入により炭素拡散妨害イオン２１を侵入させるものであってもよい。
プラズマを用いる方法は、炭素拡散妨害イオン２１を形成するイオン形成ガス雰囲気でプラズマを用いて金属母材１０に炭素拡散妨害イオン２１を侵入させる方法である。イオン注入は、高いエネルギーを用いてイオンを加速させて基板に衝突させることで、イオンを母材の内部に侵入させる方法である。

【0041】

炭素拡散妨害イオン２１は、金属原子１１の間に介在して炭素原子３１の拡散を妨害できるイオンであれば、制限なく使用可能である。具体的には、原子番号２０以下のイオンを用いてもよい。更に具体的には、炭素拡散妨害イオン２１として、窒素又はホウ素イオンを含んでもよい。

【0042】

プラズマを用いる方法の場合、イオン形成ガスは、炭素拡散妨害イオン２１を含むガスを意味する。例えば、窒素ガス（Ｎ_２）、ボランガス（Ｂ_２Ｈ_６）などとなってもよい。イオン注入は、このようなイオン形成ガスを１０体積％以上含む雰囲気で行われる。イオン形成ガスが十分でない場合には、炭素拡散妨害イオン２１が適切に侵入しないことがある。雰囲気ガスの残部は、水素ガスであってもよい。

【0043】

イオン侵入層２０を形成する段階は、３００～５５０℃で行われる。イオン侵入層２０を形成する段階の温度が低すぎると、炭素拡散妨害イオン２１が適切に侵入しにくくなり得る。イオン侵入層２０を形成する段階の温度が高すぎると、金属母材１０内の金属と炭素拡散妨害イオン２１とが反応して、腐食特性の低下及び接触抵抗が増加することがある。

【0044】

例えば、金属母材１０中のクロムと、炭素拡散妨害イオン２１の窒素と、が反応して、窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ）が形成されると、腐食特性が低下し、接触抵抗が増加することがある。本発明の一実施例では、低い温度でイオン侵入層２０を形成するので、高温で窒素を投入する浸窒工程とは異なる。従って、前述した範囲に温度を調節することが好ましい。

【0045】

イオン侵入層２０を形成する段階は、１０～１２０分間行われる。時間が短すぎると、炭素拡散妨害イオン２１が適切に侵入しにくくなり得る。時間を更に増加しても、炭素拡散妨害イオン２１の侵入量には限界がある。従って、前述した範囲に時間を調節することが好ましい。

【0046】

次に、イオン侵入層２０上に炭素コーティング層３０を形成する。炭素コーティング層３０を形成する方法としては、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を利用することができる。具体的には、炭素前駆体ガス中の炭素原子をプラズマで励起させて炭素コーティング層３０を形成する段階を含む。

【0047】

炭素コーティング層３０の形成は、炭素前駆体ガスを３～３０体積％含む雰囲気で行われる。炭素前駆体ガスの含有量が少なすぎる場合には、炭素コーティング層３０が適切に形成されないという問題が発生し得る。また、炭素前駆体ガスの含有量が多すぎる場合には、炭素コーティング層３０の圧縮残留応力が増加して、炭素コーティング層３０が剥離することがある。更に具体的には、炭素コーティング層３０の形成は、炭素前駆体ガスを１０～２０体積％含む雰囲気で行われる。この時の炭素前駆体ガスは、プラズマを加えて炭素原子を励起させられるガスを意味する。具体的には、炭化水素ガスであってもよい。更に具体的には、Ｃ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、又はＣ_２Ｈ_６を含んでもよい。炭素前駆体ガスの他に、残部はアルゴン又は水素ガスとなってもよい。

【0048】

炭素コーティング層３０を形成する段階は、３００～５５０℃で行われる。温度が低すぎる場合には、炭素コーティング層３０が適切に形成されないという問題が発生し得る。温度が高すぎる場合には、クロムカーバイド（Ｃｒ_７Ｃ_３）が形成され、腐食特性が低下するという問題が発生し得る。従って、前述した範囲に温度を調節することが好ましい。

【0049】

金属基材１０、イオン侵入層２０、及び炭素コーティング層３０に関するその他の説明は、前述した燃料電池用分離板１００に関連して詳細に記述したので、重複する説明は省略する。
本発明の一実施例による燃料電池用分離板は、耐食性と導電性とに優れて、燃料電池に有用に使用可能である。

【0050】

以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は、本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。

【0051】

実施例１
金属母材として、オーステナイト系ステンレススチールのＳＵＳ３１６Ｌを準備した。金属母材をアルゴン雰囲気で３００℃まで加熱した後、プラズマを加えて金属母材の表面に形成された酸化被膜を除去した。次いで、金属母材を４００℃まで加熱し、雰囲気ガスを窒素１５体積％及び水素８５体積％のガスに入れ替え、プラズマを加えて１０分間窒素イオンを侵入させた。更に、雰囲気ガスをアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）２０体積％及び水素８０体積％のガスに入れ替え、３０分間プラズマを加えて炭素コーティング層を形成した。
製造された燃料電池用分離板全体の厚さは５００ｎｍであった。

【0052】

図４は、実施例１で製造した燃料電池用分離板の炭素コーティング層表面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図１に示すような、緻密な炭素コーティング層が金属母材の表面全体に形成されたことを確認することができた。

【0053】

図５は、実施例１で製造した燃料電池用分離板のグロー放電発光分光分析（ＧＤ－ＯＥＳ、Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の結果である。

【0054】

図５に示すように、２０ｎｍまで炭素を７０重量％以上含む炭素コーティング層が形成されることを確認し、その後、１００ｎｍまで窒素を５重量％～３０重量％含むイオン侵入層が形成されることを確認することができる。
炭素コーティング層の密度を測定した結果、２．６８ｇ／ｃｍ^３であることを確認した。

【0055】

実施例２
イオン侵入層の形成過程で窒素イオンを２０分間侵入させたことを除いて、実施例１と同様に製造した。

【0056】

実施例３
イオン侵入層の形成過程で窒素イオンを３０分間侵入させたことを除いて、実施例１と同様に製造した。

【0057】

実施例４
イオン侵入層の形成過程で窒素イオンを４０分間侵入させたことを除いて、実施例１と同様に製造した。

【0058】

比較例
金属母材として、オーステナイト系ステンレススチールのＳＵＳ３１６Ｌを準備した。金属母材をアルゴン雰囲気で３００℃まで加熱した後、プラズマを加えて金属母材の表面に形成された酸化被膜を除去した。雰囲気ガスをアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）２０体積％及び水素８０体積％に入れ替え、プラズマを加えて炭素コーティング層を形成した。
製造された燃料電池用分離板の総厚さは５００ｎｍであった。

【0059】

図６は、比較例で製造した燃料電池用分離板の炭素コーティング層表面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
図６に示すように、緻密な炭素コーティング層が形成されず、Ｉｓｌａｎｄ（島）状の炭素コーティング層が形成されたことを確認することができた。

【0060】

実験例１：密着力評価
実施例１及び比較例で製造された燃料電池用分離板を５０Ｎまで圧力を高めながら、密着力評価をし、その結果を図７及び図８に示した。
図７は、実施例１で製造した燃料電池用分離板の密着力評価後の光学顕微鏡（ＯＭ）写真であり、図８は、比較例で製造した燃料電池用分離板の密着力評価後の光学顕微鏡（ＯＭ）写真である。

【0061】

図７に示すように、実施例１で製造された燃料電池用分離板は、５０Ｎまで圧力を高めても剥離現象が観察されなかった。一方、図８に示されるように、比較例で製造された分離板は、８．２Ｎ（白線部分）以上に加圧した時、剥離現象が現れることを確認することができた。図中の白点部分が金属母材を表す。

【0062】

実験例２：接触抵抗及び腐食電流密度評価
実施例１～４及び比較例で製造した燃料電池用分離板の接触抵抗及び腐食電流密度を測定して、その結果を図９及び図１０に示した。
図９は、実施例１～４及び比較例で製造した燃料電池用分離板の接触抵抗評価の結果であり、図１０は、実施例１～４及び比較例で製造した燃料電池用分離板の腐食電流密度評価の結果である。

【0063】

ここで、接触抵抗は、２つの銅板の間に分離板と気体拡散層を位置させた後、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えた後、接触抵抗測定器で測定した。
また、腐食電流密度の測定は０．１Ｎ Ｈ_２ＳＯ_４＋２ｐｐｍ ＨＦ溶液を使用しており、溶液を６５℃に加熱した後、１時間Ａｉｒバブリング（ｂｕｂｂｌｉｎｇ）の後、－０．２５～１Ｖ ｖｓ ＳＣＥの範囲で測定し、カソード環境（０．６Ｖ ｖｓ ＳＣＥ）のデータを用いて物性の比較評価を行った。

【0064】

図９及び図１０に示すように、イオン侵入層を形成しない比較例の場合、実施例１～実施例４に比べて劣る接触抵抗及び腐食特性が現れることを確認することができた。
また、イオン侵入層形成工程の時間を増加させるのに従って接触抵抗が低くなり、腐食特性が優れていくことを確認することができた。

【0065】

本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造可能であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解するであろう。そのため、以上に述べた実施例はあらゆる面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。

【符号の説明】

【0066】

１００ 燃料電池用分離板
１０ 金属母材
１１ 金属原子
２０ イオン侵入層
２１ 炭素拡散妨害イオン
３０ 炭素コーティング層
３１ 炭素原子
３２ 炭素－炭素結合

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】