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JP2008198565A - Metal separator for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Metal separator for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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JP2008198565A
JP2008198565A JP2007034917A JP2007034917A JP2008198565A JP 2008198565 A JP2008198565 A JP 2008198565A JP 2007034917 A JP2007034917 A JP 2007034917A JP 2007034917 A JP2007034917 A JP 2007034917A JP 2008198565 A JP2008198565 A JP 2008198565A
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Japan
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metal
fuel cell
film layer
thin film
metal thin
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Withdrawn
Application number
JP2007034917A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinobu Takagi
忍 高木
Takeo Hisada
建男 久田
Masayoshi Futo
正義 布藤
Ryoichi Nobeyoshi
良一 延吉
Atsushi Kodama
篤志 児玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daido Steel Co Ltd
Nippon Mining Holdings Inc
Nikko Kinzoku KK
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
Nikko Kinzoku KK
Nikko Fuji Electronics Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Daido Steel Co Ltd, Nikko Kinzoku KK, Nikko Fuji Electronics Co Ltd filed Critical Daido Steel Co Ltd
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Abstract

【課題】反応ガス流路である凹溝に水滴が生じず、ガス閉塞を起こしにくい燃料電池用金属セパレータ、およびこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】例えば、ステンレス鋼(SUS316L)などの金属薄板からなり、少なくとも一方の表面3に反応ガス流路となる複数の凹溝4を有するベース板2と、係るベース板2の上記複数の凹溝4を有する表面3において、少なくとも複数の凹溝6に被覆した厚みが1〜100nmの貴金属薄膜層20と、係る貴金属薄膜層20の内部に分散され、少なくとも複数の凹溝4の表面3における水の接触角を50度以下とする親水性を有する金属酸化物(例えば、SiO)の微粉末22と、を含む、燃料電池用金属セパレータ1a。
【選択図】 図4
A metal separator for a fuel cell in which water droplets are not generated in a concave groove which is a reaction gas flow path and gas clogging is hardly caused, and a solid polymer fuel cell using the same.
For example, a base plate 2 made of a thin metal plate such as stainless steel (SUS316L) and having a plurality of concave grooves 4 serving as a reaction gas flow path on at least one surface 3, and the plurality of the base plate 2 On the surface 3 having the concave grooves 4, the noble metal thin film layer 20 having a thickness of 1 to 100 nm covering at least the plural concave grooves 6 and the inside of the noble metal thin film layer 20 are dispersed, and at least the surface 3 of the plural concave grooves 4 A metal separator 1a for a fuel cell, comprising a fine powder 22 of a metal oxide (for example, SiO 2 ) having a hydrophilic property with a water contact angle of 50 ° or less.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、反応ガスが流れるガス流路のガス閉塞が生じにくい燃料電池用金属セパレータおよびこれを用いた固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell metal separator and a polymer electrolyte fuel cell using the same, in which gas clogging of a gas flow path through which a reaction gas flows hardly occurs.

燃料電池用金属セパレータは、反応ガスに対して耐食性を有し且つ隣接する電極との接触抵抗が小さいことが求められている。
このため、ステンレス薄板をプレス成形して、その内周部に多数の凹凸からなる膨出成形部を形成し、係る膨出成形部の先端側端面(電極との接触面)に厚さが0.01〜0.02μmのAuメッキ層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、基材となる金属板の表面全体に、Ag、窒化クロム、白金族の複合酸化物などをメッキ処理によって被覆した燃料電池用セパレータも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
A fuel cell metal separator is required to have corrosion resistance to a reaction gas and to have low contact resistance with an adjacent electrode.
For this reason, a stainless steel thin plate is press-molded to form a bulging molded portion having a large number of irregularities on its inner peripheral portion, and the tip end side surface (contact surface with the electrode) of the bulging molded portion has a thickness of 0. A fuel cell separator in which an Au plating layer of 0.01 to 0.02 μm is formed has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
There has also been proposed a fuel cell separator in which the entire surface of a metal plate serving as a base material is coated with Ag, chromium nitride, a platinum group composite oxide, or the like by plating (see, for example, Patent Document 2).

特開平10−228914号公報(第1〜4頁、図1〜図3)JP-A-10-228914 (pages 1 to 4, FIGS. 1 to 3) 特開平11−162478号公報(第1〜8頁、図1)Japanese Patent Laid-Open No. 11-162478 (pages 1 to 8, FIG. 1)

しかしながら、特許文献1,2のように、金属セパレータにAuメッキやAgメッキなどを施すと、プレス成形された反応ガス流路の凹溝において、AuやAg自体が撥水性を示すため、凹溝の周囲における水分が係る凹溝の内面に付着した後、徐々に凝集し易くなり、やがて水滴が生じる。係る水滴が大きくなると、上記凹溝を塞ぐため、反応ガスが流れなくなるガス閉塞を招来し、発電が停止するおそれがある、という問題があつた。   However, as described in Patent Documents 1 and 2, when Au plating or Ag plating is applied to the metal separator, Au or Ag itself exhibits water repellency in the recessed groove of the press-formed reaction gas channel. After water adheres to the inner surface of the groove, the water gradually aggregates and eventually drops of water. When such water droplets become large, the above-mentioned concave groove is closed, which causes a gas blockage in which the reaction gas does not flow, and there is a problem that power generation may stop.

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、反応ガス流路である凹溝に水滴が生じず、ガス閉塞を起こしにくい燃料電池用金属セパレータ、およびこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供する、ことを課題とする。   MEANS TO SOLVE THE PROBLEM The present invention solves the problems described in the background art, a metal separator for a fuel cell in which water droplets are not generated in a concave groove as a reaction gas flow path, and gas clogging is difficult to occur, and a solid polymer fuel using the same It is an object to provide a battery.

課題を解決するための手段および発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

本発明は、前記課題を解決するため、発明者らによる鋭意研究の結果、反応ガス流路である凹溝の表面を親水性にする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の燃料電池用金属セパレータ(請求項1)は、金属薄板からなり、少なくとも一方の表面に反応ガス流路となる複数の凹溝を有するベース板と、係るベース板の上記複数の凹溝を有する表面において、少なくとも複数の凹溝に被覆した貴金属薄膜層と、係る貴金属薄膜層の内部に分散され、少なくとも複数の凹溝の表面における水の接触角を50度以下とする親水性を有する金属酸化物の微粉末と、を含む、ことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has been conceived in view of making the surface of the groove, which is a reaction gas flow path, hydrophilic, as a result of intensive studies by the inventors.
That is, the fuel cell metal separator of the present invention (Claim 1) is made of a thin metal plate, and has a base plate having a plurality of concave grooves serving as a reaction gas flow path on at least one surface, and the plurality of the base plate. On the surface having the groove, the noble metal thin film layer coated on at least the plurality of grooves and the hydrophilicity dispersed within the noble metal thin film layer so that the contact angle of water on the surface of at least the plurality of grooves is 50 degrees or less And a metal oxide fine powder having the following.

これによれば、前記貴金属薄膜層の内部には、前記凹溝の表面における水の接触角を50度以下とする親水性を有する金属酸化物の微粉末が分散されている。このため、複数の前記凹溝の表面は、親水性となるので、係る凹溝に反応ガスが流れた際にも、水分が付着しつつ凝集して水滴となりにくくなる。この結果、複数の凹溝を水滴が塞ぐ事態が生じにくくなるため、反応ガスが流れなくなるガス閉塞を確実に防止ないし低減できる。従って、安定した発電が可能な燃料電池を提供することに貢献できる。
前記水の接触角が50度を超えると、前記凹溝の表面に被覆された前記貴金属薄膜層の親水性が低下し、撥水性を呈するおそれがあるため、係る範囲を除外した。望ましい水の接触角は30度以下、より望ましくは25度以下である。
According to this, in the inside of the noble metal thin film layer, a fine powder of hydrophilic metal oxide having a water contact angle of 50 degrees or less on the surface of the groove is dispersed. For this reason, since the surfaces of the plurality of grooves are hydrophilic, even when a reaction gas flows through the grooves, the water adheres and aggregates, making it difficult to form water droplets. As a result, a situation in which water droplets block the plurality of concave grooves is less likely to occur, so that gas blockage in which the reaction gas does not flow can be reliably prevented or reduced. Therefore, it can contribute to providing a fuel cell capable of stable power generation.
If the contact angle of water exceeds 50 degrees, the hydrophilicity of the noble metal thin film layer coated on the surface of the groove is lowered and water repellency may be exhibited, so this range was excluded. Desirable water contact angle is 30 degrees or less, more desirably 25 degrees or less.

尚、前記金属薄板は、Fe、Ni、またはTi、あるいは、これらの何れかをベースとする合金からなり、望ましくは、Fe基合金のオーステナイト系ステンレス鋼(例えば、SUS316L,SUS304)からなるものが推奨される。
また、前記金属薄板の厚みは、0.2mm以下、望ましくは、0.1mm以下が推奨される。
更に、前記ベース板における複数の凹溝は、前記金属薄板の内周部において、例えば、プレス成形により互いに平行に設けられ、これらの同じ方向(ストレート型)または隣接するごとに交互に逆向きの方向(マルチサーペンタイン型)に反応ガスが流される。隣接する凹溝間には凸条が位置し、複数の凹溝の長手方向の端部には、反応ガスのためのUターン溝、分流用溝、あるいは合流用溝が配置されている。
加えて、前記貴金属薄膜層は、例えば、電解金属メッキやスパッタリングなどにより被覆され、マスキングにより前記凹溝の内面にのみ被覆するほか、隣接する前記凹溝間に位置する凸条を含めたベース板のほぼ表面全体、あるいは表面および裏面のほぼ全体に被覆しても良い。
The metal thin plate is made of Fe, Ni, Ti, or an alloy based on any of these, and preferably made of an austenitic stainless steel (eg, SUS316L, SUS304) of an Fe-based alloy. Recommended.
The thickness of the thin metal plate is 0.2 mm or less, preferably 0.1 mm or less.
Further, the plurality of concave grooves in the base plate are provided in parallel to each other by, for example, press molding in the inner peripheral portion of the thin metal plate, and alternately reverse in the same direction (straight type) or adjacent to each other. A reactive gas is flowed in the direction (multi-serpentine type). A ridge is located between the adjacent grooves, and a U-turn groove, a diversion groove, or a merging groove for the reaction gas is disposed at the longitudinal ends of the plurality of grooves.
In addition, the noble metal thin film layer is coated by, for example, electrolytic metal plating or sputtering, and is coated not only on the inner surface of the groove by masking, but also includes a base plate including a ridge located between the adjacent grooves. You may coat | cover almost the whole surface of this, or the whole surface and back surface.

また、本発明には、前記貴金属薄膜層の厚みは、1〜100nmである、燃料電池用金属セパレータ(請求項2)も含まれる。
これによれば、金属メッキなどの実用的な技術で安定して被覆できると共に、前記凹溝の容積を過度に圧迫せず、反応ガスの流量を相応に確保でき、且つコスト高も回避することが可能となる。
尚、上記貴金属薄膜層の厚みが1nm未満では、薄過ぎて実用的な技術では安定して被覆することが困難であり、一方、上記厚みが100nmを越えると、前記凹溝の容積を過度に圧迫すると共に、コスト高になり得るため、これらの範囲を除外したものである。係る貴金属薄膜層の望ましい厚みは、3〜50nm、より望ましくは、5〜20nmである。
付言すれば、前記貴金属薄膜層は、前記金属薄板の表面に被覆された後、圧下率が0.2〜10%の圧縮加工を受けたものである、燃料電池用金属セパレータも本発明に含めることが可能である。望ましい圧下率は、1%以上であり、より望ましくは、5%以上である。
The present invention also includes a fuel cell metal separator (Claim 2) in which the noble metal thin film layer has a thickness of 1 to 100 nm.
According to this, it can be stably coated with a practical technique such as metal plating, the volume of the concave groove is not excessively pressed, the flow rate of the reaction gas can be appropriately secured, and the high cost can be avoided. Is possible.
In addition, if the thickness of the noble metal thin film layer is less than 1 nm, it is too thin to be stably coated with practical technology. On the other hand, if the thickness exceeds 100 nm, the volume of the concave groove is excessively increased. These ranges are excluded because they can be costly and costly. A desirable thickness of the noble metal thin film layer is 3 to 50 nm, and more desirably 5 to 20 nm.
In other words, the noble metal thin film layer is coated on the surface of the metal thin plate and then subjected to a compression process with a rolling reduction of 0.2 to 10%. A fuel cell metal separator is also included in the present invention. It is possible. A desirable rolling reduction is 1% or more, and more desirably 5% or more.

更に、本発明には、前記貴金属薄膜層は、Au、Pt、Pd、Ruの何れか、またはこれらの一つをベースとする合金、あるいは上記金属元素の2種以上の合金からなる、燃料電池用金属セパレータ(請求項3)も含まれる。
これによれば、反応ガスによる腐食を確実に防止できると共に、金属メッキやスパッタリングなどの実用的な技術により、貴金属薄膜層の被覆が、所望の厚みで安定して可能となる。尚、上記合金には、例えば、Au−Coが挙げられる。
Further, according to the present invention, the noble metal thin film layer is made of any one of Au, Pt, Pd, and Ru, an alloy based on one of them, or an alloy of two or more of the above metal elements. Also included are metal separators (claim 3).
According to this, corrosion by the reaction gas can be surely prevented, and the precious metal thin film layer can be stably coated with a desired thickness by a practical technique such as metal plating or sputtering. Examples of the alloy include Au—Co.

また、本発明には、前記親水性を有する金属酸化物の微粉末は、SiO、TiO、Al、Bi、CeO、CoO、CuO、Fe、Ho、ITO(酸化インジウム スズ)、Mn、SnO、Y、またはZnOの微粒子からなる、燃料電池用金属セパレータ(請求項4)も含まれる。
これによれば、前記凹溝の表面を被覆する貴金属薄膜層を、確実に且つ低コストで親水性にすることが可能となる。
更に、本発明には、前記親水性の微粉末の平均粒径は、前記貴金属薄膜層の厚みの50%以下である、燃料電池用金属セパレータ(請求項5)も含まれる。
これによれば、親水性の微粉末を貴金属薄膜層の内部全体に比較的均一に分散し、係る貴金属薄膜層を確実に親水性とすることができる。
尚、上記微粉末の平均粒径が貴金属薄膜層の厚みの50%を越えると、係る微粉末が均一に分散されにくくなり、貴金属薄膜層の親水性が表面の場所ごとにバラ付くおそれがあるため、係る範囲を除外した。貴金属薄膜層の厚みに対する上記微粉末の望ましい平均粒径は、25%以下、より望ましくは20%以下である。
In the present invention, the fine powder of the metal oxide having hydrophilicity is SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CeO 2 , CoO, CuO, Fe 2 O 3 , Ho 2. A fuel cell metal separator (Claim 4) comprising fine particles of O 3 , ITO (indium tin oxide), Mn 3 O 4 , SnO 2 , Y 2 O 3 , or ZnO is also included.
According to this, it becomes possible to make the noble metal thin film layer covering the surface of the concave groove hydrophilic at a low cost.
Furthermore, the present invention includes a fuel cell metal separator (Claim 5) in which the average particle size of the hydrophilic fine powder is 50% or less of the thickness of the noble metal thin film layer.
According to this, the hydrophilic fine powder can be dispersed relatively uniformly throughout the noble metal thin film layer, and the noble metal thin film layer can be reliably made hydrophilic.
When the average particle diameter of the fine powder exceeds 50% of the thickness of the noble metal thin film layer, the fine powder is difficult to be uniformly dispersed, and the hydrophilicity of the noble metal thin film layer may vary depending on the surface location. Therefore, this range was excluded. The desirable average particle diameter of the fine powder with respect to the thickness of the noble metal thin film layer is 25% or less, more desirably 20% or less.

一方、本発明の固体高分子形燃料電池(請求項6)は、前記金属セパレータを互いに平行に少なくとも一対配列し、これらの間に固体高分子膜を挟んでいる、ことを特徴とする。これによれば、ガス閉塞が生じにくい前記金属セパレータを少なくとも一対用いる。このため、一方の金属セパレータの凹溝内を流れる燃料ガス、例えば、水素は、固体高分子膜の隣接するアノード電極に接触して、水素イオンと電子とに分解され、係る電子が外部回路を経る際に発電を生じた後、固体高分子膜の反対側のカソード電極に送られる。一方、他方の金属セパレータの凹溝を流れる酸化剤ガス、例えば、空気が上記カソード電極に接触した際に、含有する酸素と固体高分子膜を貫通した上記水素イオンと上記電子とが反応して水が形成され、排出される。従って、安定した発電を確保することが可能となる。   On the other hand, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention (Claim 6) is characterized in that at least a pair of the metal separators are arranged in parallel with each other, and a polymer electrolyte membrane is sandwiched therebetween. According to this, at least a pair of the metal separators that hardly cause gas blockage is used. For this reason, the fuel gas, for example, hydrogen, which flows in the concave groove of one metal separator, comes into contact with the adjacent anode electrode of the solid polymer film and is decomposed into hydrogen ions and electrons, and these electrons pass through the external circuit. Then, after generating electricity, it is sent to the cathode electrode on the opposite side of the solid polymer membrane. On the other hand, when an oxidant gas, for example, air, flowing through the concave groove of the other metal separator contacts the cathode electrode, the oxygen contained therein reacts with the hydrogen ions penetrating the solid polymer film and the electrons. Water is formed and discharged. Therefore, stable power generation can be ensured.

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1は、本発明における一形態の燃料電池用金属セパレータ(以下、単に金属セパレータと称する)1aを示す正面図である。
金属セパレータ1aは、例えば、厚さが約0.1mmのステンレス鋼(SUS316Lなど)からなる金属薄板であり、図1に示すように、全体がほぼ正方形を呈するベース板2の表面3において、周辺部を除く内周部に、後述する反応ガスの流路となる複数の凹溝4が平行に形成されている。
In the following, the best mode for carrying out the present invention will be described.
FIG. 1 is a front view showing a fuel cell metal separator (hereinafter simply referred to as a metal separator) 1a according to an embodiment of the present invention.
The metal separator 1a is, for example, a thin metal plate made of stainless steel (SUS316L or the like) having a thickness of about 0.1 mm. As shown in FIG. A plurality of concave grooves 4 serving as reaction gas flow paths, which will be described later, are formed in parallel on the inner peripheral portion excluding the portion.

図1で左右に隣接する凹溝4,4間には、独立した細長い凸条5が手前側に突出すると共に、複数の凹溝4の上方と下方とには、分流用溝6または合流用溝6が個別に形成されている。係る分流用溝6の左上には、隘路を介して供給孔8を中心部に有する凹み7が連通し、合流用溝6の右下には、隘路を介して排出孔9を中心部に有する凹み7が連通している。以上の凹溝4,凸条5,分流・合流用溝6,凹み7は、上記金属薄板を例えばプレス成形することで形成される。尚、凹溝4の幅と凸条5の幅とをほぼ同一としても良い。
図1中の矢印で示すように、左上の凹み7の供給孔8から導入された反応ガスは、合流用溝6、複数の凹溝4、および合流用溝6を流れた後、右下の凹み7の排出孔9から外部に排出される。少なくとも、合流用溝6、複数の凹溝4、および合流用溝6の表面は、後述するように、水の接触角を50度以下とされている。
In FIG. 1, an independent elongated ridge 5 protrudes between the right and left concave grooves 4 and 4, and a diversion groove 6 or a merging groove is provided above and below the plurality of concave grooves 4. The grooves 6 are individually formed. A recess 7 having a supply hole 8 at its center is communicated with the upper left portion of the diversion groove 6 via a bottleneck, and a discharge hole 9 is provided at the center of the lower right of the merge groove 6 via a bottleneck. The recess 7 is in communication. The concave grooves 4, the ridges 5, the diversion / merging grooves 6, and the dents 7 are formed by press-molding the metal thin plate, for example. The width of the groove 4 and the width of the ridge 5 may be substantially the same.
As shown by the arrows in FIG. 1, the reaction gas introduced from the supply hole 8 of the upper left recess 7 flows through the joining groove 6, the plurality of recessed grooves 4, and the joining groove 6, and then the lower right It is discharged from the discharge hole 9 of the recess 7 to the outside. At least the surface of the merging groove 6, the plurality of concave grooves 4, and the merging groove 6 has a water contact angle of 50 degrees or less, as will be described later.

図2は、異なる形態の金属セパレータ1bの正面図を示し、前記同様の金属薄板からなる長方形のベース板2の表面3において、周辺部を除く内周部に、後述する反応ガスの流路となる複数の凹溝14が平行に形成されている。
図2で左右に隣接する凹溝14,14間には、手前に突出する細長い凸条15がそれぞれ平行にして形成され、隣接する凸条15,15の頂面は、交互に上端または下端をベース板2の表面3の平坦部と面一として連結されている。図2に示すように、左右に隣接する凹溝14,14の上端部または下端部には、ほぼ半円形のUターン溝16が連続して形成されている。
FIG. 2 shows a front view of a metal separator 1b of a different form, and on the surface 3 of a rectangular base plate 2 made of the same metal thin plate as described above, a reaction gas flow path, which will be described later, is provided on the inner peripheral portion excluding the peripheral portion. A plurality of concave grooves 14 are formed in parallel.
In FIG. 2, between the concave grooves 14, 14 adjacent to the left and right, elongated ridges 15 projecting forward are formed in parallel, and the top surfaces of the adjacent ridges 15, 15 alternately have upper ends or lower ends. It is connected with the flat part of the surface 3 of the base plate 2 as flush. As shown in FIG. 2, a substantially semicircular U-turn groove 16 is continuously formed at the upper end or lower end of the concave grooves 14 adjacent to the left and right.

図2で左端に位置するの凹溝14の上端には、ほぼ半円形の溝端12が位置し、その中心部に供給孔18が穿孔されており、図2で右端に位置するの凹溝14の下端には、ほぼ半円形の溝端17が位置し、その中心部に排出孔19が穿孔されている。尚、凹溝14の幅と凸条15の幅とをほぼ同一としても良い。
図2中の矢印で示すように、溝端12の供給孔18から導入された反応ガスは、複数の凹溝14および複数のUターン溝16をほぼジグザグ状に流れた後、溝端17の排出孔19から外部に排出される。少なくとも、係る凹溝14およびUターン溝16の表面は、後述するように、水の接触角を50度以下とされている。
A substantially semicircular groove end 12 is located at the upper end of the concave groove 14 located at the left end in FIG. 2, and a supply hole 18 is perforated at the center thereof. The concave groove 14 located at the right end in FIG. A substantially semicircular groove end 17 is located at the lower end of the tube, and a discharge hole 19 is formed in the center thereof. The width of the groove 14 and the width of the ridge 15 may be substantially the same.
As indicated by the arrows in FIG. 2, the reaction gas introduced from the supply hole 18 at the groove end 12 flows in a substantially zigzag manner through the plurality of concave grooves 14 and the plurality of U-turn grooves 16, and then the discharge hole at the groove end 17. 19 is discharged to the outside. At least the surfaces of the concave groove 14 and the U-turn groove 16 have a water contact angle of 50 degrees or less, as will be described later.

図3は、図1中のX−X線の矢視および図2中のY−Yの矢視に沿った断面図である。図3に示すように、ベース板2の表面3には、前記複数の凹溝4(14)および複数の凸条5(15)が交互に形成されている。このため、ベース板2の裏面(表面)3aには、上記凹溝4(14)とほぼ相似形の凸条4a(14a)、および凸条5(15)とほぼ相似形の凹溝5a(15)が交互に位置している。
尚、凹溝4(14)の幅と凸条5(15)の幅とをほぼ同一としても良く、該形態のベース板2の裏面3aには、凹溝4(14)とほぼ断面の凸条4a(14a)、および凸条5(15)とほぼ断面の凹溝5a(15)が交互に形成される。
3 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 1 and along the line YY in FIG. As shown in FIG. 3, the plurality of concave grooves 4 (14) and the plurality of ridges 5 (15) are alternately formed on the surface 3 of the base plate 2. For this reason, the back surface (front surface) 3a of the base plate 2 has a groove 4a (14a) substantially similar to the groove 4 (14) and a groove 5a (similar to the protrusion 5 (15) ( 15) are located alternately.
The width of the groove 4 (14) and the width of the ridge 5 (15) may be substantially the same, and the groove 3 (14) and the convex of the cross section are formed on the back surface 3a of the base plate 2 in this form. The strips 4a (14a), the strips 5 (15), and the concave grooves 5a (15) having a substantially cross section are formed alternately.

図4は、図3中の一点鎖線部分Zの部分拡大図である。図4で例示するように、金属セパレータ1a(1b)は、少なくとも凹溝4(14)の表面3に厚みtが1〜100nmの貴金属薄膜層20が被覆されている。係る貴金属薄膜層20は、Au、Pt、Pd、Ruの何れか、またはこれらの一つをベースとする合金、例えばAu−Co系合金、あるいは上記金属元素の2種以上を含む合金からなる。貴金属薄膜層20は、電解金属(Au)メッキまたはスパッタリングによって、ベース板2の表面3全体、または、マスキングにより露出した凹溝4(14)などの表面3に対し、ほぼ均一な厚みで被覆される。
尚、貴金属薄膜層20は、金属メッキなどにて被覆された後、圧下(加工)率が0.2〜10%の圧縮加工を施すことで、ベース板2との密着性が高められる。
FIG. 4 is a partially enlarged view of a one-dot chain line portion Z in FIG. As illustrated in FIG. 4, in the metal separator 1a (1b), at least the surface 3 of the concave groove 4 (14) is coated with a noble metal thin film layer 20 having a thickness t of 1 to 100 nm. The noble metal thin film layer 20 is made of any one of Au, Pt, Pd, and Ru, or an alloy based on one of them, such as an Au—Co alloy, or an alloy containing two or more of the above metal elements. The noble metal thin film layer 20 is coated with a substantially uniform thickness on the entire surface 3 of the base plate 2 or the surface 3 such as the recessed groove 4 (14) exposed by masking by electrolytic metal (Au) plating or sputtering. The
The noble metal thin film layer 20 is coated with metal plating or the like, and then subjected to compression processing with a reduction (processing) rate of 0.2 to 10%, whereby the adhesion to the base plate 2 is enhanced.

図4に示すように、貴金属薄膜層20の内部には、その表面における水の接触角を50度以下とする親水性の金属酸化物の微粉末22が多数分散されている。
係る微粉末22は、例えば、SiOまたはTiO(金属酸化物)の微粒子からなり、その平均粒径は、貴金属薄膜層20の厚みtの50%以下、望ましくは25%以下、より望ましくは20%以下とされる。係る平均粒径とすることで、係る微粉末22は、貴金属薄膜層20の内部に比較的均一に分散されると共に、貴金属薄膜層20の表面における水の接触角を50度以下、望ましくは30度以下、より望ましくは25度以下にすることができる。尚、上記微粉末22は、Al、Bi、CeO、CoO、CuO、Fe、Ho、ITO(酸化インジウム スズ)、Mn、SnO、Y、またはZnOの何れかとしていも良い。
以上のように、金属薄膜層20の表面における水の接触角を50度以下とすることで、付近の水分が付着・凝集して水滴となりにくく、凹溝4(14)内を次述する反応ガスがスムーズに流れるため、ガス閉塞を生じにくくできる。
As shown in FIG. 4, a large number of fine powders 22 of hydrophilic metal oxide having a contact angle of water of 50 degrees or less on the surface are dispersed in the noble metal thin film layer 20.
The fine powder 22 is made of, for example, fine particles of SiO 2 or TiO 2 (metal oxide), and the average particle diameter thereof is 50% or less of the thickness t of the noble metal thin film layer 20, desirably 25% or less, and more desirably. 20% or less. By setting such an average particle size, the fine powder 22 is relatively uniformly dispersed inside the noble metal thin film layer 20, and the contact angle of water on the surface of the noble metal thin film layer 20 is 50 degrees or less, preferably 30. It is possible to set the angle to be equal to or less than 25 degrees, more desirably 25 degrees or less. The fine powder 22 is made of Al 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CeO 2 , CoO, CuO, Fe 2 O 3 , Ho 2 O 3 , ITO (indium tin oxide), Mn 3 O 4 , SnO 2 , Either Y 2 O 3 or ZnO may be used.
As described above, when the contact angle of water on the surface of the metal thin film layer 20 is set to 50 degrees or less, the water in the vicinity hardly adheres and aggregates to form water droplets, and the reaction described below in the groove 4 (14) is as follows. Since gas flows smoothly, it is difficult to cause gas blockage.

図5は、本発明の固体高分子形燃料電池(以下、単に燃料電池と称する)28,30に関する。
図5の左側の概略図で示すように、固体高分子膜24の各側面に、例えば、炭素繊維からなるアノード電極25、および同様なカソード電極26を積層する。尚、上記固体高分子膜24は、例えば、スルホン酸基を含むフッ素樹脂からなる。
上記固体高分子膜24の両側には、前記凹溝4(14)および凸条5(15)を有する表面3を対向させた一対の金属セパレータ1a(1b)が対称に配置され、図中の矢印で示すように、固体高分子膜24の両側面に、上記電極25,26を覆うようにして、金属セパレータ1a(1b)を積層する。尚、これらは、周辺部を図示しないボルト・ナットなどで、上記積層状態を保って固定される。
FIG. 5 relates to the polymer electrolyte fuel cells (hereinafter simply referred to as fuel cells) 28 and 30 of the present invention.
As shown in the schematic diagram on the left side of FIG. 5, for example, an anode electrode 25 made of carbon fiber and a similar cathode electrode 26 are laminated on each side surface of the solid polymer film 24. The solid polymer film 24 is made of, for example, a fluororesin containing a sulfonic acid group.
On both sides of the solid polymer film 24, a pair of metal separators 1a (1b) facing the surface 3 having the concave grooves 4 (14) and the ridges 5 (15) are arranged symmetrically in the figure. As indicated by the arrows, the metal separator 1a (1b) is laminated on both sides of the solid polymer film 24 so as to cover the electrodes 25 and 26. In addition, these are fixed with the bolts and nuts, etc., not shown in the periphery thereof while maintaining the above-described laminated state.

その結果、図5の中央の概略図で示すように、一対の金属セパレータ1a(1b)の表面3,3間に、上記電極25,26を有する固体高分子膜24の両側面が挟まれて積層された単位セルの燃料電池28が形成される。
更に、単位セルの上記燃料電池28を、複数個厚み方向に沿って積層し且つ固定することによって、図5の右側の概略図で示すように、スタック型の燃料電池30が形成される。
尚、隣接する金属セパレータ1a(1b)の前記凹溝4(14)同士間や、固体高分子膜24を挟んだ金属セパレータ1a(1b)の凹溝4(14)同士間は、図示しない迂回流路を介して連通している。また、前述した凹溝4(14)の幅と凸条5(15)の幅とをほぼ同一とした形態の金属セパレータ1a(1b)では、裏面3a側の凹溝5a(15a)も反応ガスの流路として活用できるため、隣接する固体高分子膜24,24の間に1枚の金属セパレータ1a(1b)を挟んだ形態のスタック型の燃料電池30とすることも可能である。
As a result, as shown in the schematic diagram in the center of FIG. 5, both side surfaces of the solid polymer film 24 having the electrodes 25 and 26 are sandwiched between the surfaces 3 and 3 of the pair of metal separators 1a (1b). Stacked unit cell fuel cells 28 are formed.
Further, by stacking and fixing a plurality of the fuel cells 28 of the unit cell along the thickness direction, a stack type fuel cell 30 is formed as shown in the schematic diagram on the right side of FIG.
In addition, between the said recessed grooves 4 (14) of the adjacent metal separator 1a (1b) and between the recessed grooves 4 (14) of the metal separator 1a (1b) which pinched | interposed the solid polymer film 24, it is a detour which is not shown in figure. It communicates via a flow path. Further, in the metal separator 1a (1b) in which the width of the concave groove 4 (14) and the width of the ridge 5 (15) are substantially the same, the concave groove 5a (15a) on the back surface 3a side is also reactive gas. Therefore, it is possible to provide a stack type fuel cell 30 in which one metal separator 1a (1b) is sandwiched between adjacent solid polymer membranes 24, 24.

ここで、単位セルの前記燃料電池28を例として、その作用を説明する。
図5中央で左側の金属セパレータ1a(1b)の凹溝4(14)を流れる燃料ガス、例えば、水素は、固体高分子膜24側の隣接するアノード電極25に接触して、水素イオンと電子とに分解される。係る電子は、外部回路を通過する際に発電を生じた後、固体高分子膜25の反対側のカソード電極26に送られる。
一方、図5中央で右側の金属セパレータ1a(1b)の凹溝4(14)を流れる酸化剤ガス、例えば、空気は、上記カソード電極26に接触した際に、含有する酸素と固体高分子膜24を貫通した上記水素イオンと上記電子とが反応して水となる。係る水は、直ちに外部に排水される。
Here, the operation of the fuel cell 28 of the unit cell will be described as an example.
The fuel gas, for example, hydrogen flowing through the concave groove 4 (14) of the metal separator 1a (1b) on the left side in the center of FIG. 5 comes into contact with the adjacent anode electrode 25 on the solid polymer film 24 side, and hydrogen ions and electrons. And decomposed. Such electrons generate power when passing through an external circuit, and are then sent to the cathode electrode 26 on the opposite side of the solid polymer film 25.
On the other hand, when the oxidant gas, for example, air, flowing through the concave groove 4 (14) of the right metal separator 1a (1b) in the center of FIG. The hydrogen ions penetrating 24 and the electrons react to form water. Such water is immediately drained to the outside.

以上の水素や空気などの反応ガスが、金属セパレータ1a(1b)の凹溝4(14)を流れる際に、係る凹溝4(14)の内面は、前記SiOまたはTiOの微粒子22が内部に均一に分散されたことで、前記金属薄膜層20の表面における水の接触角を50度以下とされている。このため、例えば、付近の水分が凹溝4(14)の内面に付着しても、球形状の水滴として凝集されずに、平坦な形状の付着水となる。このため、各凹溝4(14)内において、従来のようなガス閉塞を生じることなく、水素などの反応ガスをスムーズに送給・循環させることができる。従って、前記燃料電池28によれば、安定した発電を行うことが可能となる。尚、この点については、スタック型の前記燃料電池30も同様である。 When the above reactive gas such as hydrogen or air flows through the concave groove 4 (14) of the metal separator 1a (1b), the inner surface of the concave groove 4 (14) has the fine particles 22 of SiO 2 or TiO 2. By being uniformly dispersed inside, the contact angle of water on the surface of the metal thin film layer 20 is set to 50 degrees or less. For this reason, for example, even if nearby water adheres to the inner surface of the concave groove 4 (14), the water does not aggregate as spherical water droplets, and becomes flat adhering water. For this reason, reaction gas such as hydrogen can be smoothly fed and circulated in each concave groove 4 (14) without causing the conventional gas clogging. Therefore, according to the fuel cell 28, stable power generation can be performed. In this regard, the same applies to the stack type fuel cell 30.

ここで、本発明の具体的な実施例について、比較例と併せて説明する。
ステンレス鋼(SUS316L)からなり、厚みが0.1mmの金属薄板を、複数対用意した。係る金属薄板の表面(3)に対し、Auメッキ液中、Ptメッキ液中、または、Au−Coメッキ液中において、表1に示す異なる平均粒径のSiOまたはTiO(親水性の金属酸化物の微粉末:22)を分散させた状態で、電解金属メッキを個別に施して、表1に示す膜厚の貴金属薄膜層(20)を被覆した。尚、一対の金属薄板には、上記微粉末(22)を使用しなかった。
また、各対ごとの金属薄板において、貴金属薄膜層(20)の厚みに対するSiOまたはTiOの平均粒径の割合を算出し、これらを表1に示した。
更に、貴金属薄膜層(20)が被覆された複数対の金属薄板と、前記微粉末(22)を使用していない一対の金属薄板とついて、それぞれ表面における接触角を測定し、その結果を「濡れ性」として表1に示した。
Here, specific examples of the present invention will be described together with comparative examples.
A plurality of pairs of metal thin plates made of stainless steel (SUS316L) and having a thickness of 0.1 mm were prepared. With respect to the surface (3) of the thin metal plate, SiO 2 or TiO 2 (hydrophilic metal having different average particle diameters shown in Table 1 in Au plating solution, Pt plating solution, or Au—Co plating solution. With the oxide fine powder: 22) dispersed, electrolytic metal plating was applied individually to coat the noble metal thin film layer (20) having the thickness shown in Table 1. In addition, the said fine powder (22) was not used for a pair of metal thin plate.
Moreover, in the metal thin plate for each pair, the ratio of the average particle diameter of SiO 2 or TiO 2 to the thickness of the noble metal thin film layer (20) was calculated, and these are shown in Table 1.
Further, the contact angle on the surface of each of the pair of metal thin plates coated with the noble metal thin film layer (20) and the pair of metal thin plates not using the fine powder (22) was measured. It was shown in Table 1 as “Wettability”.

貴金属薄膜層(20)が被覆された前記複数対の金属薄板を、同じプレス型によりプレス成形して、深さ0.5mm、平均幅0.9mmの断面がほぼ逆台形である複数の凹溝(4)と、これらの間の凸条(5)とを含む反応ガス流路を、ベース板(2)の表面(3)に有する複数対の金属セパレータ(1a)を成形した。
また、前記微粉末(22)を使用していない一対の金属薄板に対しても、上記と同じプレス成形を施して比較例1となる一対の金属セパレータとした。
次いで、スルホン酸基を含む同じフッ素樹脂からなり、同じ厚みである複数の固体高分子膜(24)の両側面に、それぞれ同じ厚みおよび大きさの触媒層と炭素繊維層とを含むアノード電極(25)およびカソード電極(26)を積層した。
次に、上記電極(25,26)が積層された複数の固体高分子膜(24)の両側面に、前記複数対の金属セパレータ(1a)を、一対ずつ積層・固定して、複数の単セルの燃料電池(28)を形成した。また、1枚の固体高分子膜(24)の両側面にも、比較例1である一対の金属セパレータを積層して、比較例1である単セルの燃料電池を形成した。
The plurality of pairs of metal thin plates coated with the noble metal thin film layer (20) are press-molded by the same press die, and a plurality of concave grooves having a depth of 0.5 mm and an average width of 0.9 mm and a substantially inverted trapezoidal cross section. A plurality of pairs of metal separators (1a) having a reaction gas flow path including (4) and a ridge (5) between them on the surface (3) of the base plate (2) were formed.
The pair of metal thin plates not using the fine powder (22) was also subjected to the same press forming as described above to form a pair of metal separators as Comparative Example 1.
Next, an anode electrode comprising a catalyst layer and a carbon fiber layer having the same thickness and size on both side surfaces of a plurality of solid polymer membranes (24) made of the same fluororesin containing sulfonic acid groups and having the same thickness ( 25) and the cathode electrode (26) were laminated.
Next, a plurality of pairs of metal separators (1a) are stacked and fixed on both sides of a plurality of solid polymer membranes (24) on which the electrodes (25, 26) are stacked, so that a plurality of single polymer films (24) are stacked. A cell fuel cell (28) was formed. Also, a pair of metal separators of Comparative Example 1 were laminated on both side surfaces of one solid polymer membrane (24) to form a single cell fuel cell of Comparative Example 1.

Figure 2008198565
Figure 2008198565

複数の前記燃料電池(28)と比較例1の燃料電池とについて、燃料ガス:水素(利用率70%)、酸化剤ガス:空気(利用率40%)、加湿温度:アノード側(25)とカソード側(26)で80℃、および、セル温度:80℃の条件により、各々発電試験を行い、50mA/秒の掃引速度におけるI−V特性を測定した。
そして、複数の上記燃料電池(28)と比較例1の燃料電池とについて、個別に発電試験を行い、1A/cm・hrの出力時におけるセル電圧(V)を測定すると共に、発電中にガス閉塞を生じたか否かの結果を、それぞれ表1に示した。
表1によれば、実施例1〜10の燃料電池28によれば、何れもセル電圧が約0.49V以上となった。
For the plurality of fuel cells (28) and the fuel cell of Comparative Example 1, fuel gas: hydrogen (utilization rate 70%), oxidant gas: air (utilization rate 40%), humidification temperature: anode side (25) A power generation test was performed on the cathode side (26) under the conditions of 80 ° C. and cell temperature: 80 ° C., and the IV characteristics at a sweep rate of 50 mA / sec were measured.
A plurality of the fuel cells (28) and the fuel cell of Comparative Example 1 are individually subjected to a power generation test to measure a cell voltage (V) at an output of 1 A / cm 2 · hr, and during power generation The results of whether or not gas clogging occurred are shown in Table 1, respectively.
According to Table 1, according to the fuel cells 28 of Examples 1 to 10, the cell voltages were all about 0.49 V or more.

一方、比較例1〜5の燃料電池では、何れもセル電圧が約0.3V以下となった。
実施例1〜10の燃料電池28は、表1に示すように、貴金属薄膜層20の厚みに対するSiOまたはTiOの平均粒径の割合が、何れも50%以下と比較的均一に分散され、貴金属薄膜層20の表面における水の接触角が30度以下の親水性であったため、それぞれの金属セパレータ1aの凹溝4内でガス閉塞を生じなかった、ものと推定される。
On the other hand, in all the fuel cells of Comparative Examples 1 to 5, the cell voltage was about 0.3 V or less.
In the fuel cells 28 of Examples 1 to 10, as shown in Table 1, the ratio of the average particle diameter of SiO 2 or TiO 2 with respect to the thickness of the noble metal thin film layer 20 is relatively uniformly dispersed at 50% or less. Since the contact angle of water on the surface of the noble metal thin film layer 20 was hydrophilic of 30 degrees or less, it is presumed that no gas clogging occurred in the concave grooves 4 of the respective metal separators 1a.

一方、比較例1〜5の燃料電池は、表1に示すように、貴金属薄膜層20の厚みに対するSiOまたはTiOの平均粒径の割合が、何れも50%超と比較的不均一な分散となり、貴金属薄膜層20の表面における水の接触角が60度以上の撥水性であったため、それぞれの金属セパレータの凹溝4内でガス閉塞を生じていた、ものと推定される。
以上の実施例1〜10によって、本発明の効果が裏付けられたことが容易に理解される。
On the other hand, in the fuel cells of Comparative Examples 1 to 5, as shown in Table 1, the ratio of the average particle diameter of SiO 2 or TiO 2 with respect to the thickness of the noble metal thin film layer 20 is relatively non-uniform, both exceeding 50%. It was presumed that gas was blocked in the concave grooves 4 of each metal separator because the contact angle of water on the surface of the noble metal thin film layer 20 was water repellency of 60 degrees or more.
It is easily understood that the effects of the present invention are supported by the above Examples 1-10.

前記実施例の作用・効果は、前記金属セパレータ1bを用いた際にも、ほぼ同様となることは、明らかである。
尚、本発明の前記金属セパレータ1a,1bは、固体高分子形以外の燃料電池(例えば、燐酸型燃料電池)にも適用することが可能である。
Obviously, the functions and effects of the above embodiment are almost the same when the metal separator 1b is used.
The metal separators 1a and 1b of the present invention can also be applied to fuel cells other than the solid polymer type (for example, phosphoric acid type fuel cells).

本発明の一形態の金属セパレータを示す正面図。The front view which shows the metal separator of one form of this invention. 異なる形態の金属セパレータを示す正面図。The front view which shows the metal separator of a different form. 図1中のX−X線の矢視および図2中のY−Yの矢視に沿った断面図。Sectional drawing along the arrow of XX in FIG. 1, and the arrow of YY in FIG. 図3中の一点鎖線部分Zの部分拡大図。The elements on larger scale of the dashed-dotted line part Z in FIG. 本発明の固体高分子形燃料電池の組立前後を示す概略図。Schematic which shows before and after the assembly of the polymer electrolyte fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b…金属セパレータ
2……………ベース板
3……………表面
4,14……凹溝
20…………貴金属薄膜層
22…………金属酸化物の微粉末
t……………貴金属薄膜層の厚み
28,30…固体高分子形燃料電池
1a, 1b ... Metal separator 2 ......... Base plate 3 ......... Surface 4,14 ... Concave groove 20 ......... Precious metal thin film layer 22 ......... Metal oxide fine powder t …… ......... Thickness of noble metal thin film layer 28,30 ... Solid polymer fuel cell

Claims (6)

金属薄板からなり、少なくとも一方の表面に反応ガス流路となる複数の凹溝を有するベース板と、
上記ベース板の上記複数の凹溝を有する表面において、少なくとも複数の凹溝に被覆した貴金属薄膜層と、
上記貴金属薄膜層の内部に分散され、少なくとも複数の凹溝の表面における水の接触角を50度以下とする親水性を有する金属酸化物の微粉末と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
A base plate made of a thin metal plate and having a plurality of concave grooves serving as reaction gas flow paths on at least one surface;
On the surface of the base plate having the plurality of grooves, a noble metal thin film layer covering at least the plurality of grooves,
A metal oxide fine powder having a hydrophilic property that is dispersed within the noble metal thin film layer and has a contact angle of water of at least 50 degrees on the surface of the plurality of grooves,
A metal separator for a fuel cell.
前記貴金属薄膜層の厚みは、1〜100nmである、
請求項1に記載の燃料電池用金属セパレータ。
The noble metal thin film layer has a thickness of 1 to 100 nm.
The metal separator for fuel cells according to claim 1.
前記貴金属薄膜層は、Au、Pt、Pd、Ruの何れか、またはこれらの一つをベースとする合金、あるいは上記金属元素の2種以上の合金からなる、
請求項1または2に記載の燃料電池用金属セパレータ。
The noble metal thin film layer is made of any one of Au, Pt, Pd, Ru, an alloy based on one of these, or an alloy of two or more of the above metal elements.
The metal separator for fuel cells according to claim 1 or 2.
前記親水性を有する金属酸化物の微粉末は、SiO、TiO、Al、Bi、CeO、CoO、CuO、Fe、Ho、ITO(酸化インジウム スズ)、Mn、SnO、Y、またはZnOの微粒子からなる、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
The fine powder of metal oxide having hydrophilicity, SiO 2, TiO 2, Al 2 O 3, Bi 2 O 3, CeO 2, CoO, CuO, Fe 2 O 3, Ho 2 O 3, ITO ( indium oxide Tin), Mn 3 O 4 , SnO 2 , Y 2 O 3 , or ZnO fine particles,
The metal separator for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
前記親水性の微粉末の平均粒径は、前記貴金属薄膜層の厚みの50%以下である、
請求項1乃至4の何れか一項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
The average particle diameter of the hydrophilic fine powder is 50% or less of the thickness of the noble metal thin film layer.
The metal separator for fuel cells according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5の何れかの前記金属セパレータを互いに平行に少なくとも一対配列し、これらの間に固体高分子膜を挟んでいる、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
At least a pair of the metal separators according to any one of claims 1 to 5 are arranged in parallel to each other, and a solid polymer film is sandwiched therebetween.
A polymer electrolyte fuel cell characterized by the above.
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