JP2008171667A

JP2008171667A - FUEL CELL SEPARATOR AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL SEPARATOR

Info

Publication number: JP2008171667A
Application number: JP2007003373A
Authority: JP
Inventors: Motoi Yaginuma; 基柳沼; Yosuke Fukuyama; 陽介福山; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤; Takahito Osada; 貴仁長田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】表面に貴金属層が配されている金属セパレータのシールの接着性を向上させるとともに、接着できるシール材の種類を増やし汎用性を向上させる。
【解決手段】基材用金属で形成された基層１５と、この基層１５上に形成された貴金属を含む表層１６と、この表層１６に密着するシール部（シール部材）６とを備える燃料電池のセパレータＳであって、表層１６は、基材用金属と貴金属とが混合された混合層１７を有する。
【選択図】図７[PROBLEMS] To improve the adhesiveness of a seal of a metal separator having a noble metal layer disposed on the surface, and to increase versatility by increasing the types of sealing materials that can be bonded.
A fuel cell includes a base layer 15 formed of a base metal, a surface layer 16 including a noble metal formed on the base layer 15, and a seal portion (seal member) 6 that is in close contact with the surface layer 16. In the separator S, the surface layer 16 includes a mixed layer 17 in which a base metal and a noble metal are mixed.
[Selection] Figure 7

Description

この発明は、燃料電池のセパレータ及び燃料電池のセパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method of manufacturing a fuel cell separator.

燃料電池システムは、燃料により発生する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムである。このシステムは、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、陽極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。これら一対の電極の電解質膜側表面では、下記の電気化学反応が行われ、この反応を利用して電気エネルギーを取り出す。各電極では各々（１）、（２）反応が行われる。 A fuel cell system is a system that directly converts chemical energy generated by fuel into electrical energy. This system supplies a fuel gas containing hydrogen to an anode of a pair of electrodes provided with an electrolyte membrane in between, and an oxidant gas containing oxygen to the other cathode. The following electrochemical reaction is performed on the electrolyte membrane side surface of the pair of electrodes, and electric energy is taken out using this reaction. In each electrode, (1) and (2) reactions are performed.

陽極（アノード）反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリン、アルコール及び天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等が知られている。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気を直接陰極側に吸気し利用されている。 Anode reaction: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Cathode reaction: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (2)
As the fuel gas supplied to the anode, a method of directly supplying from a hydrogen storage device, for example, a method of supplying a hydrogen-containing gas obtained by reforming fuel such as gasoline, alcohol and natural gas is known. As a hydrogen storage device, a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like are known. As the fuel gas supplied to the cathode, air is generally used by directly sucking air to the cathode side.

従来より、電解質膜及び電極を備えた燃料電池セル間を分離し、かつ電気を集電するセパレータとしては、耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製のセパレータが用いられている。しかしながら、近年出力密度を向上させるために、セパレータの薄肉化が求められており、更により安価であるため、加工性及びコスト性に富んだ金属製のセパレータが用いられるようになっている。一方、金属製セパレータは燃料電池作動環境下における腐食による劣化が懸念されている。また、セパレータをそのまま用いる場合には、セパレータ表面に形成される酸化皮膜等の影響で接触抵抗の値が高くなるため、カーボンセパレータに比べて発電性能が低下するという問題がある。このため、セパレータ基材の金属表面には、貴金属を表面にメッキ又はクラッドする等の表面処理が必要となる。しかしながら、このような貴金属表面処理セパレータでは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の漏洩を防止するためのシール樹脂部材と、セパレータ表面の貴金属との接着性が、鉄及びステンレス等を基材としたセパレータと比べて低い。そこで、接着性を上げるために、シール部材とセパレータとの間にプライマ層を設ける技術が開示されている（特許文献１参照。）。また、セパレータにおいて、シール部材が当接する部分の剛性を増加させ、シール性能を維持する技術が開示されている（特許文献２参照。）。
特開特開２００３−２２０６６４号公報特開２００５−３１７５０５号公報 Conventionally, a carbon separator having both corrosion resistance and conductivity has been used as a separator that separates fuel cells including an electrolyte membrane and electrodes and collects electricity. However, in recent years, in order to improve the output density, it has been required to reduce the thickness of the separator, and since it is much cheaper, a metal separator having high workability and cost is being used. On the other hand, metal separators are concerned about deterioration due to corrosion in the fuel cell operating environment. Further, when the separator is used as it is, the value of the contact resistance is increased due to the influence of an oxide film or the like formed on the separator surface, so that there is a problem that the power generation performance is lowered as compared with the carbon separator. For this reason, a surface treatment such as plating or cladding a noble metal on the surface is required on the metal surface of the separator substrate. However, in such a noble metal surface-treated separator, the adhesion between the sealing resin member for preventing leakage of fuel gas, oxidant gas and cooling medium and the noble metal on the separator surface is made of iron, stainless steel or the like as a base material. Low compared to the separator. Therefore, a technique for providing a primer layer between a seal member and a separator in order to improve adhesiveness is disclosed (see Patent Document 1). In addition, a technique for increasing the rigidity of the portion of the separator where the seal member abuts and maintaining the sealing performance is disclosed (see Patent Document 2).
JP, 2003-220664, A JP 2005-317505 A

しかしながら、上記技術では、シール樹脂材が限定される等の問題がある。また、シール部材とセパレータとの間にプライマ層を配する場合、セルピッチが増加することで出力密度やコストに対して大きな課題が生じる。 However, the above technique has a problem that the sealing resin material is limited. Further, when a primer layer is disposed between the seal member and the separator, a large problem arises with respect to output density and cost due to an increase in cell pitch.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る燃料電池のセパレータは、基材用金属で形成された基層と、この基層上に形成された貴金属を含む表層と、この表層に密着するシール部とを備える燃料電池のセパレータであって、表層は、基材用金属と貴金属とが混合された混合層を有することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a fuel cell separator according to the present invention includes a base layer formed of a base metal, and a surface layer including a noble metal formed on the base layer. A separator for a fuel cell comprising a seal portion in close contact with the surface layer, wherein the surface layer has a mixed layer in which a base metal and a noble metal are mixed.

本発明に係る燃料電池根セパレータの製造方法は、材用金属で形成された基層と、この基層上に形成された貴金属を含む表層とを備える燃料電池のセパレータを熱処理して、基材用金属と貴金属とが混合された混合層を、表層のシール密着部に形成することを特徴とする。 A method for producing a fuel cell root separator according to the present invention includes a base layer formed of a metal for a material and a fuel cell separator including a surface layer including a noble metal formed on the base layer, and a base metal A mixed layer in which a noble metal is mixed is formed in a seal adhesion portion of the surface layer.

本発明によれば、貴金属層と基材との混合層を備えることにより、セパレータ表層の貴金属純度を相対的に低下させ、シールの接着性が向上した燃料電池のセパレータが提供される。また、接着可能なシール材の種類が増加し、汎用性が向上した燃料電池のセパレータが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the separator of the fuel cell which provided the mixed layer of a noble metal layer and a base material, reduced the noble metal purity of the separator surface layer relatively, and improved the adhesiveness of the seal is provided. Moreover, the kind of the sealing material which can be adhere | attached increases and the separator of the fuel cell which improved versatility is provided.

本発明によれば、簡便な方法により、シールの接着性が向上した燃料電池のセパレータを製造することが可能となる。 According to the present invention, a fuel cell separator with improved seal adhesion can be produced by a simple method.

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータ及び燃料電池のセパレータの製造方法を説明する。本発明の実施の形態では、セパレータを固体高分子形電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池に適用した例を示す。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池のセパレータＳを備える燃料電池スタック１の要部平面図である。図２は、燃料電池スタック１の要部展開断面図である。図３は、図２のＡ部断面図である。図４は、燃料電池スタック１の要部断面図である。図５は、燃料電池スタック１の要部断面図である。図６は、金属ごとのシール接着性を示す棒グラフである。図７は、図３のＢ部断面図である。図８は、燃料電池のセパレータＳの断面図である。 Hereinafter, a fuel cell separator and a method for manufacturing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention will be described. In the embodiment of the present invention, an example in which a separator is applied to a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane is shown. FIG. 1 is a plan view of a main part of a fuel cell stack 1 including a fuel cell separator S according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded cross-sectional view of the main part of the fuel cell stack 1. FIG. 3 is a cross-sectional view of part A of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of the fuel cell stack 1. FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of the fuel cell stack 1. FIG. 6 is a bar graph showing seal adhesion for each metal. 7 is a cross-sectional view of part B of FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of the separator S of the fuel cell.

本発明の実施形態に係る燃料電池のセパレータＳを備える燃料電池スタック１は、図２に示すように、電解質膜９と電極触媒層１０により構成される電解質膜電極接合体１１（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、電解質膜電極接合体１１を挟持するように配置されたガス拡散層１２と、このガス拡散層１２を挟持する用に配置されたセパレータＳ_１とから構成され、これが、単位ユニット、つまり、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルとなる。単セルは、直列に複数積層して燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１内で積層されるこれらの要素は、積層方向両端にそれぞれ設けられた一対の集電板（不図示）を締結ボルト（不図示）によって締結することにより固定される。なお、図２において、セパレータＳ_２は、単セルを構成するセパレータＳ_１に隣接する他の単セルを構成するセパレータを表している。セパレータＳ_１とセパレータＳ_２により、冷却媒体を流す冷却媒体流路１３が形成されている。また、セパレータＳ_１とガス拡散層１２との間には、燃料ガスや酸化剤ガスを流すガス流路１４が形成されている。 As shown in FIG. 2, a fuel cell stack 1 including a fuel cell separator S according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane electrode assembly 11 (MEA: Membrane electrode) composed of an electrolyte membrane 9 and an electrode catalyst layer 10. and assembly), and disposed gas diffusion layer 12 so as to sandwich the membrane electrode assembly 11 is composed of arranged separator S ₁ Metropolitan in use to sandwich the gas diffusion layer 12, which is basic unit, That is, it becomes a single cell as a basic unit for generating power by an electrochemical reaction. A plurality of single cells are stacked in series to constitute the fuel cell stack 1. These elements stacked in the fuel cell stack 1 are fixed by fastening a pair of current collecting plates (not shown) provided at both ends in the stacking direction with fastening bolts (not shown). In FIG. 2, the separator S ₂ represents a separator of another unit cell adjacent to the separator S ₁ constituting the unit cell. The separator S ₁ and the separator S _2, the cooling medium passage 13 is formed for flowing a cooling medium. Between the separator S ₁ and the gas diffusion layer 12, the gas flow path 14 for flowing fuel gas and oxidant gas are formed.

図１に示すように、燃料電池のセパレータＳは、複数の単セルをつなげた際に酸化剤ガスマニホールドとして機能する酸化剤ガスマニホールド穴２と、複数の単セルをつなげた際に冷却媒体マニホールドとして機能する冷却媒体マニホールド穴３と、複数の単セルをつなげた際に燃料ガスマニホールドとして機能する燃料ガスマニホールド穴４とを備える。図１、図３、図４及び図５に示すように、各マニホールド穴２、３、４の周囲には、冷却媒体及びガスの漏洩防止のためのシール部材（シール部）６ａ、及び、単セルの反応面側に不必要なガス及び冷却媒体の混入を防止するためのシール部材６ｂが配置され、セパレータＳの表面のシール密着部５と密着している。また、図１に示すように、燃料電池のセパレータＳの反応面Ｓｒには、ガス流路７と、ガス流路７を画成するリブ山８とを有する。燃料電池のセパレータＳは、金属板のプレス加工により成形され、折り曲げの角部にはそれぞれ若干のＲが付くが、紙面上では略記してある。セパレータＳの反応面周囲にも、各種ガス及び冷却媒体漏洩防止のためのシール部材６が配置されている。図４に示すように、燃料電池スタック１には、各種ガス及び冷却媒体を流す流路１８が画成される。 As shown in FIG. 1, the separator S of the fuel cell includes an oxidant gas manifold hole 2 that functions as an oxidant gas manifold when a plurality of single cells are connected, and a cooling medium manifold when the plurality of single cells are connected. And a coolant medium manifold hole 3 that functions as a fuel gas manifold hole 4 that functions as a fuel gas manifold when a plurality of single cells are connected. As shown in FIGS. 1, 3, 4, and 5, around each manifold hole 2, 3, 4, there is a seal member (seal part) 6 a for preventing leakage of the cooling medium and gas, and a single unit. A seal member 6b is disposed on the reaction surface side of the cell to prevent unnecessary gas and cooling medium from entering, and is in close contact with the seal contact portion 5 on the surface of the separator S. Further, as shown in FIG. 1, the reaction surface Sr of the separator S of the fuel cell has a gas flow path 7 and a rib crest 8 that defines the gas flow path 7. The separator S of the fuel cell is formed by pressing a metal plate, and each bent corner has a slight R, but is abbreviated on the paper surface. Around the reaction surface of the separator S, a seal member 6 for preventing leakage of various gases and cooling medium is also disposed. As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 1 has a flow path 18 through which various gases and a cooling medium flow.

シール部材６は、セパレータＳの表面金属との適度な接着性に加え、金属セパレータ特有の入力変位に追従できるだけのゴム性質が要求される。このため、シール部材６は、シリコーン系、オレフィン系及び軟質エポキシ系から選択される樹脂によって成形されていることが好ましい。シール部材６の材質をこれらの軟質系樹脂に限定することにより、金属セパレータ特有の入力変位に追従できるゴム性質と、シール部材６とセパレータＳとの接着性を確保することができる。 The seal member 6 is required to have a rubber property that can follow the input displacement peculiar to the metal separator, in addition to appropriate adhesion to the surface metal of the separator S. For this reason, it is preferable that the seal member 6 is formed of a resin selected from silicone, olefin, and soft epoxy. By limiting the material of the seal member 6 to these soft resins, it is possible to ensure the rubber property that can follow the input displacement unique to the metal separator and the adhesion between the seal member 6 and the separator S.

シール部材６と被着体であるセパレータＳとの接着には、主にシール部材６とセパレータＳの表面部分での分子間力が大きく影響する。すなわち、シール部材６が同じであるとしても、被着体であるセパレータＳの表面金属の種類により、その接着力は変わる。図６には、アルミニウム、ステンレス、鉄及び金それぞれの表面に、１００℃、１時間でシール部材を成形させた際の、金属とシール部材との間の接着力を示している。図６において、アルミニウムを用いた場合の接着力をＣ１、ステンレスを用いた場合の接着力をＣ２、鉄を用いた場合の接着力をＣ３、金を用いた場合の接着力をＣ４で示す。図６に示すように、一般的に、金、白金等の貴金属は、鉄、ステンレス、アルミニウム等の貴金属以外の金属と比較すると、金属とシール部材との接着力が弱い。したがって、耐食性及び導電性確保のためにステンレス材表面に貴金属をメッキ又はクラッドした貴金属表面処理セパレータでは、このままではセパレータＳとシール部材６との接着力が低下する。そこで、図７に示すように、セパレータＳの基層１５上に形成された表層１６において、シール部材６が接触するシール密着部５を、貴金属と基材金属との混合層１７とする。このように、シール密着部５において、貴金属の純度を落とすと共に、基材金属を表面に拡散させることにより、セパレータＳのシール密着部５とシール部材６との接着力を向上させる。 The adhesion between the sealing member 6 and the separator S, which is the adherend, is largely influenced by the intermolecular force mainly on the surface portion of the sealing member 6 and the separator S. That is, even if the seal member 6 is the same, the adhesive force varies depending on the type of surface metal of the separator S that is an adherend. FIG. 6 shows the adhesive force between the metal and the seal member when the seal member is formed on the surfaces of aluminum, stainless steel, iron and gold at 100 ° C. for 1 hour. In FIG. 6, the adhesive force when aluminum is used is indicated by C1, the adhesive force when stainless steel is used is indicated by C2, the adhesive force when iron is used is indicated by C3, and the adhesive force when gold is used is indicated by C4. As shown in FIG. 6, generally, noble metals such as gold and platinum have a weaker adhesive force between the metal and the seal member than metals other than noble metals such as iron, stainless steel, and aluminum. Therefore, in a noble metal surface-treated separator in which a noble metal is plated or clad on the surface of a stainless steel material in order to ensure corrosion resistance and conductivity, the adhesive force between the separator S and the seal member 6 is reduced as it is. Therefore, as shown in FIG. 7, in the surface layer 16 formed on the base layer 15 of the separator S, the seal contact portion 5 with which the seal member 6 contacts is a mixed layer 17 of noble metal and base metal. Thus, in the seal | sticker contact | adherence part 5, while reducing the purity of a noble metal and diffusing a base metal to the surface, the adhesive force of the seal | sticker contact | adherence part 5 of the separator S and the seal member 6 is improved.

このような混合層１７は、次の手順により形成される。つまり、基材用金属で形成された基層１５と、基層１５上に形成された貴金属を含む表層１６とを備える燃料電池のセパレータＳを熱処理して、基材用金属と貴金属とが混合された混合層１７を、表層１６のシール密着部５に形成する。このように、熱処理により基材の金属原子をセパレータＳの表層１６に拡散させることにより、シール密着部５を貴金属と基材金属との混合層１７とすることができる。そして、シール密着部５を混合層１７とすることで、セパレータＳの表層１６における貴金属濃度は減少するが、シール密着部５とシール部材６との接着力は向上する。このように、簡便な方法により、シール部材の接着性が向上した燃料電池のセパレータが得られる。 Such a mixed layer 17 is formed by the following procedure. That is, the separator S of the fuel cell including the base layer 15 formed of the base metal and the surface layer 16 including the noble metal formed on the base layer 15 was heat-treated to mix the base metal and the noble metal. The mixed layer 17 is formed on the seal adhesion portion 5 of the surface layer 16. In this way, by causing the metal atoms of the base material to diffuse into the surface layer 16 of the separator S by heat treatment, the seal adhesion portion 5 can be a mixed layer 17 of noble metal and base metal. And by making the seal | sticker adhesion part 5 into the mixed layer 17, although the noble metal density | concentration in the surface layer 16 of the separator S reduces, the adhesive force of the seal | sticker adhesion part 5 and the sealing member 6 improves. Thus, a fuel cell separator with improved adhesion of the sealing member can be obtained by a simple method.

熱処理は、２５０℃〜４００℃の温度で行うことが好ましい。熱処理温度を規定することにより、混合層１７の貴金属濃度を制御し適切なものとすることができる。 The heat treatment is preferably performed at a temperature of 250 ° C to 400 ° C. By defining the heat treatment temperature, the noble metal concentration of the mixed layer 17 can be controlled and made appropriate.

熱処理は、表層１６のシール密着部５に対して行い、熱処理は、レーザ照射又は電子ビーム照射にて行うことが好ましい。図８に、セパレータＳの貴金属を含む表層１６のシール密着部５に、レーザ１９を照射して熱処理する図を示す。セパレータＳの表層１６において、シール部材６と密着するシール密着部５となる箇所にレーザ１９又は電子ビーム照射にて熱処理を行うことで、セパレータＳの反応面Ｓｒへの熱影響を抑制し、シール密着部５にのみ混合層１７を形成する。レーザを照射する場合には、例えば、常温雰囲気にてセパレータ上方からシール密着部５にレーザー１９を照射することにより熱処理を行う。なお、レーザにはＹＡＧレーザを用い、熱処理時のレーザ出力は４００Ｗ、レーザの走査速度１００ｍｍ／ｓｅｃで走査することにより連続的に熱処理を行う。レーザ照射による熱処理は、所定の熱処理したい部位だけを限定して行えるため、シール成形前の処理工程を大幅に短縮することが可能である。また、レーザ光を走査することで連続的にシール密着部５だけを限定して熱処理することも可能である。さらに、シール密着部５以外への熱影響も極力抑えることが出来る。なお、熱処理は、ＣＯ_２レーザ及び電子ビーム照射により行うことも可能である。このように、シール密着部５にのみ熱処理を行うことで、シール密着部５とシール部材６との接着性を向上させ、燃料電池スタック１とした際にセル性能低下を抑えることができる。 The heat treatment is preferably performed on the seal adhesion portion 5 of the surface layer 16, and the heat treatment is preferably performed by laser irradiation or electron beam irradiation. FIG. 8 shows a view in which the seal contact portion 5 of the surface layer 16 containing the noble metal of the separator S is irradiated with a laser 19 for heat treatment. In the surface layer 16 of the separator S, a heat treatment is performed by irradiation with a laser 19 or an electron beam on a portion that becomes the seal contact portion 5 that is in close contact with the seal member 6, thereby suppressing the thermal effect on the reaction surface Sr of the separator S, and sealing The mixed layer 17 is formed only on the close contact portion 5. In the case of laser irradiation, for example, heat treatment is performed by irradiating the seal contact portion 5 with laser 19 from above the separator in a room temperature atmosphere. Note that a YAG laser is used as the laser, the laser output during the heat treatment is 400 W, and the heat treatment is continuously performed by scanning at a laser scanning speed of 100 mm / sec. Since the heat treatment by laser irradiation can be performed by limiting only a portion to be subjected to a predetermined heat treatment, it is possible to greatly shorten the treatment process before the seal molding. Further, it is possible to perform heat treatment by limiting only the seal contact portion 5 continuously by scanning with laser light. Furthermore, it is possible to suppress the thermal influence on the part other than the seal adhesion part 5 as much as possible. Note that the heat treatment can be performed by CO ₂ laser irradiation and electron beam irradiation. In this way, by performing heat treatment only on the seal contact portion 5, the adhesion between the seal contact portion 5 and the seal member 6 can be improved, and cell performance degradation can be suppressed when the fuel cell stack 1 is formed.

貴金属は、金、銀、白金、ルテニウム、パラジウム及びイリジウムから選択される金属を含み、基材用金属は、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、チタン、アルミニウム及び銅から選択される金属又はその金属の合金であることが好ましい。このように、セパレータの表面の貴金属とセパレータの基材を限定することで、耐食性及び発電性能を維持しながら接着力が得られる接着シールの種類を増やすことが可能となる。 The noble metal includes a metal selected from gold, silver, platinum, ruthenium, palladium, and iridium, and the base metal is a metal selected from iron, nickel, chromium, molybdenum, titanium, aluminum, and copper, or a metal thereof. An alloy is preferred. As described above, by limiting the noble metal on the surface of the separator and the base material of the separator, it is possible to increase the types of adhesive seals that can provide adhesive force while maintaining corrosion resistance and power generation performance.

セパレータＳは、表面からの深さが１０ｎｍの位置における貴金属元素の体積割合が、セル性能低下率では７０％以上、シール接着性試験では９５％以下であることが好ましい。貴金属と基材金属との混合層１７の表面付近の貴金属元素の濃度割合を規定し、シール密着部５の表面の状態をシールの接着性及び汎用性に対してより適切なものとすることができる。更に、貴金属濃度の低下がセル性能に与える影響を最小限に抑えることができる。 In the separator S, the volume ratio of the noble metal element at a position where the depth from the surface is 10 nm is preferably 70% or more in the cell performance reduction rate and 95% or less in the seal adhesion test. The concentration ratio of the noble metal element in the vicinity of the surface of the mixed layer 17 of the noble metal and the base metal is specified, and the surface state of the seal adhesion part 5 is made more appropriate for the adhesiveness and versatility of the seal. it can. Furthermore, it is possible to minimize the influence of the decrease in the noble metal concentration on the cell performance.

なお、本発明の実施の形態では、基材としてＳＵＳ３１６Ｌを用い、表面処理である貴金属メッキは公知の金メッキ処理を行った。この際、金メッキ層とＳＵＳ３１６Ｌ基材との密着性を向上させるため、金メッキ処理前に基材表面にニッケルメッキを施したが、基材金属と貴金属との混合層を形成する場合に特に問題とはならず、このニッケルメッキ層は図では省略してある。また、基材はＪＩＳ規格に沿った鋼材であっても良く、金属の組成を一部変更した合金であっても良く、さらには非合金な金属を選んでも構わない。更に、表面処理は貴金属によるメッキ、貴金属を含む表面処理材料の塗布によるものであっても構わなく、処理に必要な基材への前処理なども実施しても構わない。 In the embodiment of the present invention, SUS316L was used as the base material, and the precious metal plating as the surface treatment was performed by a known gold plating process. At this time, in order to improve the adhesion between the gold plating layer and the SUS316L base material, the surface of the base material was nickel-plated before the gold plating process, which is particularly problematic when a mixed layer of base metal and noble metal is formed. This nickel plating layer is not shown in the figure. Further, the base material may be a steel material in conformity with JIS standards, an alloy in which the composition of the metal is partially changed, or a non-alloy metal may be selected. Furthermore, the surface treatment may be performed by plating with a noble metal, application of a surface treatment material containing a noble metal, or pretreatment of a base material necessary for the treatment may be performed.

また、図１、図８では、シール密着部５にのみレーザ照射を行い、表層１６に混合層１７を成形し、流体として酸化剤ガスが通るカソードセパレータの反応面側を示したが、燃料ガス及び冷却媒体が通る場合も同様の処理が可能である。 1 and 8 show the reaction surface side of the cathode separator in which only the seal contact portion 5 is irradiated with laser, the mixed layer 17 is formed on the surface layer 16, and the oxidant gas passes as a fluid. The same processing can be performed when the cooling medium passes.

以上示したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータは、基材用金属で形成された基層と、この基層上に形成された貴金属を含む表層と、この表層に密着するシール部とを備える燃料電池のセパレータであって、表層は、基材用金属と貴金属とが混合された混合層を有するため、セパレータ表層の貴金属純度を相対的に低下させ、シールの接着性が向上した燃料電池のセパレータが提供される。また、接着可能なシール材の種類が増加し、汎用性が向上した燃料電池のセパレータが提供される。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法により、簡便な方法により、シールの接着性が向上した燃料電池のセパレータが得られる。 As described above, the separator for the fuel cell according to the embodiment of the present invention includes the base layer formed of the base metal, the surface layer including the noble metal formed on the base layer, and the seal that is in close contact with the surface layer. The surface layer has a mixed layer in which the base metal and the noble metal are mixed, so that the purity of the noble metal of the separator surface is relatively lowered and the adhesion of the seal is improved. A fuel cell separator is provided. Moreover, the kind of the sealing material which can be adhere | attached increases and the separator of the fuel cell which improved versatility is provided. In addition, the fuel cell separator with improved seal adhesion can be obtained by a simple method by the method for manufacturing a fuel cell separator according to the embodiment of the present invention.

以下、実施例１〜実施例３により本発明について更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples 1 to 3, but the scope of the present invention is not limited thereto.

実施例１
セパレータ表面の貴金属とセパレータ基材金属との混合層作成を、熱処理による金属原子拡散で実施するため、熱処理温度に対する混合層中の貴金属濃度を調べた。図９は、真空炉にて１時間熱処理した金メッキ板の表面混合層を、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）にて測定した場合の、深さ１０ｎｍにおける貴金属濃度を、熱処理温度に対してプロットした図である。測定条件は電子線加速電圧５ｋＶ、スパッタリング速度２６ｎｍ／ｍｉｎ、測定領域２０μｍ×１６μｍであり、測定点である深さ１０ｎｍは図１０に示すように混合層表面からの深さである。つまり、図１０において、基材金属３０の上に混合層３１が形成されており、混合層３１の上にはシール部材３２が接着されている。この混合層３１とシール部材３２との接触面３２ａを混合層３１の表面とし、接触面３２ａからの深さが１０ｎｍの位置を測定点３１ａとしている。 Example 1
In order to create a mixed layer of the noble metal on the separator surface and the separator base metal by metal atom diffusion by heat treatment, the concentration of the noble metal in the mixed layer with respect to the heat treatment temperature was examined. FIG. 9 is a graph plotting the precious metal concentration at a depth of 10 nm with respect to the heat treatment temperature when a surface mixed layer of a gold-plated plate heat-treated in a vacuum furnace is measured by Auger electron spectroscopy (AES). It is. The measurement conditions are an electron beam acceleration voltage of 5 kV, a sputtering rate of 26 nm / min, a measurement region of 20 μm × 16 μm, and a depth of 10 nm as a measurement point is a depth from the mixed layer surface as shown in FIG. That is, in FIG. 10, the mixed layer 31 is formed on the base metal 30, and the seal member 32 is bonded on the mixed layer 31. The contact surface 32a between the mixed layer 31 and the seal member 32 is used as the surface of the mixed layer 31, and the position where the depth from the contact surface 32a is 10 nm is the measurement point 31a.

熱処理温度が２５０℃の場合における測定点３１ａの金濃度は９５％となり、常温からこの温度までの大幅な金濃度の低下は確認されなかった。一方、２５０℃付近から高温側にかけて金濃度の低下が確認され、４００℃で熱処理を行った場合には、金濃度は約７０％にまで低下した。さらに、４２５℃で熱処理を行った場合には、金濃度は５５％となり、４００℃以上の高温域では金濃度の急激な低下が確認された。この結果から、２５０℃以上の温度域では金属原子の拡散により貴金属と基材金属との混合化が進むと考えられる。一方、金濃度が低下するとシール部材の接着力は向上するが、ＳＵＳ３１６Ｌ基材の影響が顕著になることによる発電時のセル性能の低下が予想される。したがって、金濃度低下によるシール部材との接着性向上、及びセル発電性能低下の両方から適切な熱処理温度を決める必要があり、熱処理は、２５０℃〜４００℃の温度で行うことが好ましい。 When the heat treatment temperature was 250 ° C., the gold concentration at the measurement point 31a was 95%, and no significant decrease in gold concentration from room temperature to this temperature was confirmed. On the other hand, a decrease in gold concentration was confirmed from about 250 ° C. to the high temperature side, and when heat treatment was performed at 400 ° C., the gold concentration decreased to about 70%. Further, when heat treatment was performed at 425 ° C., the gold concentration was 55%, and a rapid decrease in the gold concentration was confirmed at a high temperature range of 400 ° C. or higher. From this result, it is considered that in the temperature range of 250 ° C. or higher, mixing of the noble metal and the base metal proceeds due to diffusion of metal atoms. On the other hand, when the gold concentration is lowered, the adhesive force of the seal member is improved, but the cell performance during power generation is expected to be lowered due to the remarkable influence of the SUS316L base material. Therefore, it is necessary to determine an appropriate heat treatment temperature from both the improvement in adhesion to the seal member due to the decrease in gold concentration and the reduction in cell power generation performance, and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 250 ° C to 400 ° C.

実施例２
混合層の貴金属濃度がセル発電性能に与える影響を調べるため、実施例２では真空炉にて熱処理した金メッキ金属セパレータを用いて発電試験を行った。図１１は発電試験を行った際のセル電圧を、上記測定点３１ａにおける金濃度（貴金属元素の体積割合）に対してプロットした図である。つまり、図１１は、貴金属元素の体積割合とセル性能低下率との関係を表した図である。発電条件はアノード側水素ガス流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、カソード側酸素ガス流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、セル温度８０℃、負荷電流１Ａ／ｃｍ^２とした。ここで、金濃度７０％は熱処理温度４００℃での熱処理に相当する。 Example 2
In order to investigate the influence of the noble metal concentration of the mixed layer on the cell power generation performance, in Example 2, a power generation test was performed using a gold-plated metal separator heat-treated in a vacuum furnace. FIG. 11 is a diagram in which the cell voltage when the power generation test is performed is plotted against the gold concentration (volume ratio of the noble metal element) at the measurement point 31a. That is, FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the volume ratio of the noble metal element and the cell performance reduction rate. The power generation conditions were an anode-side hydrogen gas flow rate of 1.0 L / min, a cathode-side oxygen gas flow rate of 1.0 L / min, a cell temperature of 80 ° C., and a load current of 1 A / cm ² . Here, the gold concentration of 70% corresponds to the heat treatment at a heat treatment temperature of 400 ° C.

この結果から、金濃度１００％〜７０％までは、セル電圧の大きな低下は確認されなかった。一方、金濃度が７０％以下になると、基材であるＳＵＳ３１６Ｌの影響が大きくなり、基材表面に形成された不動態皮膜による抵抗分極のため、大幅な電位の低下が確認された。したがって、セル発電性能低下の観点から、混合層の貴金属濃度の下限値は少なくとも７０％までに抑える必要がある。また、そのための熱処理温度は４００℃以下とする必要がある。 From this result, a large decrease in the cell voltage was not confirmed up to a gold concentration of 100% to 70%. On the other hand, when the gold concentration was 70% or less, the influence of SUS316L as a base material was increased, and a significant decrease in potential was confirmed due to resistance polarization by a passive film formed on the surface of the base material. Therefore, from the viewpoint of cell power generation performance degradation, the lower limit value of the noble metal concentration of the mixed layer needs to be suppressed to at least 70%. Moreover, the heat processing temperature for that needs to be 400 degrees C or less.

実施例３
混合層の貴金属濃度がシール部材の接着力に与える影響を調べるため、実施例３では金メッキ板にオレフィン系の軟質シール樹脂を成形させたＴ字剥離試験を行った。図１２はＴ字剥離試験の模式図である。真空炉にて熱処理した金メッキ板４２、４３を、それぞれオレフィン系の軟質シール樹脂４１の両面に接着させ、金メッキ板４２、４３の一端４２ａ、４３ａをＴ字になるように曲げた。次に、引張試験機により、Ｔ字に曲げた基材端面４２ａ、４３ａを、金メッキ板４２、４３が軟質シール樹脂４１を挟むように接着した接着層に対して垂直方向、つまり、図１２において矢印ｘ、ｙ方向にそれぞれ引っ張り、剥離させた。図１２は、このＴ字剥離試験における軟質シール樹脂４１のシール材接着力を、金メッキ板４２、４３の混合層の表面から１０ｎｍの深さにおける金濃度に対してプロットした図である。図１３の縦軸は、軟質シール樹脂４１（シール部材）が成形されている部位の単位長さに対する引張力であり、シール部材の接着力を示している。 Example 3
In order to examine the influence of the noble metal concentration of the mixed layer on the adhesive strength of the seal member, in Example 3, a T-shaped peel test was performed in which an olefin-based soft seal resin was molded on a gold-plated plate. FIG. 12 is a schematic diagram of a T-shaped peel test. Gold-plated plates 42 and 43 heat-treated in a vacuum furnace were bonded to both surfaces of an olefin-based soft seal resin 41, respectively, and one ends 42a and 43a of the gold-plated plates 42 and 43 were bent so as to be T-shaped. Next, the substrate end faces 42a and 43a bent into T-shapes by a tensile tester are perpendicular to the adhesive layer where the gold-plated plates 42 and 43 are bonded so as to sandwich the soft seal resin 41, that is, in FIG. Each was pulled and peeled in the directions of arrows x and y. FIG. 12 is a diagram in which the sealing material adhesive force of the soft sealing resin 41 in this T-shaped peeling test is plotted against the gold concentration at a depth of 10 nm from the surface of the mixed layer of the gold plating plates 42 and 43. The vertical axis in FIG. 13 is the tensile force with respect to the unit length of the portion where the soft seal resin 41 (seal member) is molded, and indicates the adhesive force of the seal member.

金濃度が１００％に近い高純度の金に比べ、わずかではあるが、金濃度が低下した９５％では、接着力が大幅ぶ向上した。さらに、９５％以下では接着力に大きな差は見られなかった。なお、金濃度９５％は、熱処理温度２５０℃での熱処理に相当する。したがって、シール部材の接着力の観点から、混合層の貴金属濃度の上限値は９５％までに抑える必要がある。また、そのための熱処理温度は少なくとも２５０℃以上とする必要がある。 Compared to high-purity gold with a gold concentration close to 100%, the adhesion strength was greatly improved at 95% when the gold concentration decreased. Furthermore, at 95% or less, there was no significant difference in adhesive strength. Note that the gold concentration of 95% corresponds to a heat treatment at a heat treatment temperature of 250 ° C. Therefore, from the viewpoint of the adhesive strength of the seal member, the upper limit value of the noble metal concentration of the mixed layer needs to be suppressed to 95%. Moreover, the heat processing temperature for that needs to be made into at least 250 degreeC or more.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although the embodiment of the present invention has been described above, it should not be understood that the description and drawings that constitute part of the disclosure of the embodiment limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

本発明の実施形態に係る燃料電池のセパレータを備える燃料電池スタックの要部平面図である。It is a principal part top view of a fuel cell stack provided with the separator of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 燃料電池スタックの要部展開断面図である。It is a principal part expanded sectional view of a fuel cell stack. 図２のＡ部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of part A in FIG. 2. 燃料電池スタックの要部断面図である。図３の部分拡大図である。It is principal part sectional drawing of a fuel cell stack. FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. 燃料電池スタックの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a fuel cell stack. 金属ごとのシール接着性を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the sealing adhesiveness for every metal. 図３のＢ部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a B part in FIG. 3. 燃料電池のセパレータＳの断面図である。It is sectional drawing of the separator S of a fuel cell. 真空炉にて１時間熱処理した金メッキ板の表面混合層を、オージェ電子分光法にて測定した際の、深さ１０ｎｍにおける貴金属濃度を、熱処理温度に対してプロットした図である。It is the figure which plotted the noble metal density | concentration in depth of 10 nm when the surface mixed layer of the gold plating plate heat-processed in the vacuum furnace for 1 hour was measured with the Auger electron spectroscopy with respect to the heat processing temperature. 本発明の第五実施形態に係る燃料電池の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the fuel cell which concerns on 5th embodiment of this invention. 熱処理温度に対する混合層の表面深さ１０ｎｍでの貴金属濃度を示すグラフである。It is a graph which shows the noble metal density | concentration in the surface depth of 10 nm of the mixed layer with respect to heat processing temperature. シール材の剥離試験の模式図。The schematic diagram of the peeling test of a sealing material. 混合層の貴金属濃度に対するシール接着力を示すグラフである。It is a graph which shows the seal | sticker adhesive force with respect to the noble metal density | concentration of a mixed layer.

Explanation of symbols

Ｓセパレータ
Ｓｒ反応面
１燃料電池スタック
２酸化剤ガスマニホールド穴
３冷却媒体マニホールド穴
４燃料ガスマニホールド穴
５シール密着部
６シール部材
７ガス流路
８リブ山
９電解質膜
１０電極触媒層
１１電解質膜電極接合体
１２ガス拡散層
１３冷却媒体流路
１４ガス流路
１５基層
１６表層
１７混合層 S Separator Sr Reaction surface 1 Fuel cell stack 2 Oxidant gas manifold hole 3 Cooling medium manifold hole 4 Fuel gas manifold hole 5 Seal close contact part 6 Seal member 7 Gas flow path 8 Rib crest 9 Electrolyte membrane 10 Electrode catalyst layer 11 Electrolyte membrane electrode Bonded body 12 Gas diffusion layer 13 Cooling medium flow path 14 Gas flow path 15 Base layer 16 Surface layer 17 Mixed layer

Claims

A separator for a fuel cell comprising a base layer formed of a base metal, a surface layer containing a noble metal formed on the base layer, and a seal portion in close contact with the surface layer,
The said surface layer has a mixed layer with which the said metal for base materials and the said noble metal were mixed, The separator of the fuel cell characterized by the above-mentioned.

The noble metal includes a metal selected from gold, silver, platinum, ruthenium, palladium and iridium,
2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the base metal is a metal selected from iron, nickel, chromium, molybdenum, titanium, aluminum, and copper, or an alloy of the metal.

2. The separator according to claim 1, wherein a volume ratio of the noble metal element at a position where the depth from the surface is 10 nm is 70% or more in the cell performance reduction rate and 95% or less in the seal adhesion test. Item 3. A fuel cell separator according to Item 2.

4. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the seal portion is formed of a resin selected from a silicone system, an olefin system, and a soft epoxy system. 5.

A separator of a fuel cell including a base layer formed of a base metal and a surface layer including a noble metal formed on the base layer is heat-treated to form a mixed layer in which the base metal and the noble metal are mixed A method for producing a separator for a fuel cell, characterized in that the method is formed on a seal adhesion portion of the surface layer.

The method for manufacturing a separator for a fuel cell according to claim 5, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 250C to 400C.

The heat treatment is performed on the seal adhesion portion of the surface layer,
7. The method for manufacturing a fuel cell separator according to claim 5, wherein the heat treatment is performed by laser irradiation or electron beam irradiation.