JP2008108685A - Manufacturing method of fuel cell separator, fuel cell separator, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、携帯電話やパソコンなどの携帯機器、家庭用燃料電池、燃料電池自動車などに用いられる固体高分子型燃料電池用のTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy for a polymer electrolyte fuel cell used for portable devices such as mobile phones and personal computers, household fuel cells, fuel cell vehicles, etc. The present invention relates to a battery separator and a fuel cell.
固体高分子型燃料電池(以下、単に「燃料電池」という。)は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだものを単一セルとして、セパレータあるいはバイポーラプレートと呼ばれる電極を介して、前記した単一セルを複数重ね合わせて構成されている。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a “fuel cell”) has a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode as a single cell, and is connected to an electrode called a separator or a bipolar plate. Thus, a plurality of the aforementioned single cells are overlapped.
この燃料電池用のセパレータ(以下、単に「セパレータ」という。)は、接触抵抗が小さいこと、およびそれが加工され、セパレータとして使用されている期間中、長期に渡って接触抵抗を小さく維持できることが要求される。また、加工性および強度の点を加味して、アルミニウム(Al)合金、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル(Ni)合金、チタン(Ti)合金などの金属材料を適用することが従来から検討されている。 This fuel cell separator (hereinafter simply referred to as “separator”) has low contact resistance, and can maintain low contact resistance over a long period of time during which it is processed and used as a separator. Required. In addition, in consideration of workability and strength, it has been conventionally studied to apply metal materials such as aluminum (Al) alloy, stainless steel (SUS), nickel (Ni) alloy, titanium (Ti) alloy and the like. Yes.
また、鋭意、セパレータの検討が重ねられていく中で、接触抵抗が大きくなるのを抑制して良好な導電性を確保するための技術がいくつか提案されている。
例えば、特許文献1には、SUSやTi合金などの金属製のセパレータの表面に金めっき層を形成する技術が提案されており、例えば、特許文献2には、SUSやTi合金などの金属製のセパレータの表面に貴金属または貴金属の合金の皮膜(貴金属皮膜)を付着させる技術が提案されている。
In addition, as a result of diligent research on separators, several techniques have been proposed for ensuring good electrical conductivity by suppressing an increase in contact resistance.
For example,
しかしながら、従来から適用が検討されているこれらのセパレータは、使用していくうちに、その表面に酸化皮膜等が形成されるので、接触抵抗が大きくなって導電性が著しく悪化してしまうという問題があった。そのため、これらのセパレータは、長期に渡って良好な導電性を維持することは困難であった。 However, these separators, which have been studied for application in the past, have a problem that, as they are used, an oxide film or the like is formed on the surface thereof, so that the contact resistance increases and the conductivity is significantly deteriorated. was there. Therefore, it has been difficult for these separators to maintain good conductivity over a long period of time.
また、特許文献1に記載の技術は、セパレータを製造する工程に不動態皮膜を除去する工程がないので金めっき層の密着性が悪くなるとともに、不動態皮膜によって接触抵抗が大きくなるという問題がある。
Moreover, since the technique described in
また、特許文献2に記載の技術は、不動態皮膜を除去するために、SUSやTi合金の基板の表面を機械的に研磨しながら貴金属である白金(Pt)を腐食反応により析出させて貴金属層を形成する処理を行っている。かかる処理を行うと、不動態被膜が除去された部分にPtが析出するため接触抵抗は低下する(すなわち、導電性が良好となる)ものの、ピンホール(基板が部分的に表面に表れた箇所をいう)が形成されるなど、均一かつ緻密な貴金属層が形成されないために、燃料電池のような酸性雰囲気で使用されると当該ピンホールからSUSやTiが溶出し、燃料電池の発電特性が劣化するという欠点がある。また、不動態皮膜を除去する操作が複雑であるという欠点もある。
In addition, the technique described in
本発明の課題は、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することのできる燃料電池用セパレータを製造することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供すること、これによって製造された燃料電池用セパレータ、および当該燃料電池用セパレータを用いた燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell separator capable of manufacturing a fuel cell separator capable of stably maintaining a low contact resistance over a long period of time. An object of the present invention is to provide a fuel cell separator and a fuel cell using the fuel cell separator.
前記した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、TiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する形成工程と、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に、前記凹部を形成した基板を浸漬して、前記基板の表面に前記貴金属の粒子を析出させて付着させる付着工程と、前記粒子が付着した基板を熱処理することで前記基板の表面に、前記貴金属を含んでなる島状の結晶を形成する熱処理工程と、を含むことを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention forms a gas flow path for flowing gas over at least a part of the surface of a substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy. Forming a recess for forming the substrate, and forming a substrate on which the recess is formed in an acid solution containing at least one kind of noble metal ions selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au. An adhesion step of immersing and precipitating the particles of the noble metal on the surface of the substrate, and an island-like crystal containing the noble metal on the surface of the substrate by heat-treating the substrate to which the particles are adhered And a heat treatment step for forming the film.
このように、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、複雑な工程を行うことなく、形成工程によってガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成した後に、付着工程を行うことによって貴金属のイオンを含有する酸溶液に基板をするだけで簡易に貴金属の粒子を基板の表面に付着させることができる。そして、付着工程後に熱処理工程を行うだけで、表面に付着させた貴金属の粒子同士を凝集させて島状の結晶とすることができ、さらに、基板と島状の結晶とを一体化させることができるので、高い導電性を得ることができる。したがって、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することができる。また、貴金属の粒子が付着していない部分は、熱処理により酸化皮膜が形成されるので、酸性雰囲気で使用されても基板のTiが溶出することがない。そのため、燃料電池の発電特性が劣化しない燃料電池用セパレータを製造することができる。 As described above, the manufacturing method of the fuel cell separator according to the present invention performs the adhering step after forming the recess for forming the gas flow path through which the gas flows in the forming step without performing a complicated step. Thus, it is possible to easily attach the noble metal particles to the surface of the substrate simply by placing the substrate on an acid solution containing noble metal ions. Then, by simply performing a heat treatment step after the attaching step, the noble metal particles attached to the surface can be aggregated to form island-like crystals, and further, the substrate and the island-like crystals can be integrated. Therefore, high conductivity can be obtained. Accordingly, the contact resistance can be kept low and stable over a long period of time. Further, since the oxide film is formed by heat treatment in the portion where noble metal particles are not adhered, Ti of the substrate does not elute even when used in an acidic atmosphere. Therefore, a fuel cell separator that does not deteriorate the power generation characteristics of the fuel cell can be manufactured.
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、前記熱処理工程における熱処理の温度が300〜800℃であるのが好ましい。
このように、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、熱処理工程における熱処理の温度を特定の範囲に制限することによって、貴金属を含んでなる島状の結晶を適度な大きさで形成することができるとともに、貴金属の元素とTiを相互かつ適度に拡散させることができる。
In the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, the heat treatment temperature in the heat treatment step is preferably 300 to 800 ° C.
As described above, the method for manufacturing a separator for a fuel cell according to the present invention forms island-shaped crystals containing a noble metal with an appropriate size by limiting the temperature of the heat treatment in the heat treatment step to a specific range. In addition, it is possible to diffuse the noble metal element and Ti mutually and appropriately.
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、前記熱処理工程における酸素分圧が0.133Pa(1×10-3Torr)以下であるのが好ましい。
このように、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、熱処理工程における酸素分圧を特定の範囲に制限することによって、酸化Tiの生成量の低減、つまり、酸化皮膜の厚さの低減を図ることができる。
In the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, the oxygen partial pressure in the heat treatment step is preferably 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr) or less.
Thus, the fuel cell separator manufacturing method of the present invention reduces the amount of Ti oxide produced, that is, the thickness of the oxide film, by limiting the oxygen partial pressure in the heat treatment process to a specific range. Can be planned.
前記した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用セパレータは、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板を、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に浸漬し、前記酸溶液に浸漬した前記基板を熱処理して得られたことを特徴としている。
このように、本発明の燃料電池用セパレータは、貴金属のイオンを含有する酸溶液に浸漬され、熱処理されることによって、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持するための、貴金属を含んでなる島状の結晶を形成している。
In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell separator according to the present invention is for a fuel cell made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path for allowing a gas to flow through at least a part of the surface is formed. The substrate as a separator is immersed in an acid solution containing ions of at least one kind of noble metal selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and Au, and the substrate immersed in the acid solution is heat treated. It is characterized by having been obtained.
As described above, the fuel cell separator of the present invention includes a noble metal for maintaining a low and stable contact resistance over a long period of time by being immersed in an acid solution containing noble metal ions and heat-treated. An island-like crystal is formed.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記熱処理の温度が300〜800℃であるのが好ましい。
このように、熱処理の温度を特定の範囲に制限することによって、貴金属を含んでなる島状の結晶を適度な大きさで形成することができるとともに、貴金属の元素とTiを相互かつ適度に拡散させることができる。
In the fuel cell separator according to the present invention, the heat treatment temperature is preferably 300 to 800 ° C.
In this way, by limiting the temperature of the heat treatment to a specific range, it is possible to form island-like crystals containing noble metals with an appropriate size and to diffuse the noble metal elements and Ti mutually and appropriately. Can be made.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記熱処理における酸素分圧が0.133Pa(1×10-3Torr)以下であるのが好ましい。
このように、酸素分圧を特定の範囲に限定することによって、酸化Tiの生成量の低減、つまり、不動態皮膜の厚さの低減を図ることができる。
The fuel cell separator according to the present invention preferably has an oxygen partial pressure in the heat treatment of 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr) or less.
Thus, by limiting the oxygen partial pressure to a specific range, it is possible to reduce the amount of Ti oxide produced, that is, to reduce the thickness of the passive film.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる島状の結晶を有し、かつ、前記島状の結晶と前記基板の間に、前記貴金属の元素と前記基板のTiとが相互に拡散した拡散層を有することを特徴としている。
本発明の燃料電池用セパレータは、このような拡散層を有しているので、基板と島状の結晶との間の電気抵抗(接触抵抗)が高くならないようにすることができる。また、このような拡散層を有することによって島状の結晶と基板とを結合する結合力を高くすることができるので、島状の結晶と基板との密着性をよくすることができる。
The fuel cell separator according to the present invention is formed on the surface of a substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path for allowing gas to flow through at least a part of the surface is formed. Having an island-shaped crystal containing at least one or more kinds of noble metals selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and Au, and between the island-shaped crystal and the substrate, It has a diffusion layer in which a noble metal element and Ti of the substrate diffuse each other.
Since the separator for a fuel cell of the present invention has such a diffusion layer, the electrical resistance (contact resistance) between the substrate and the island-like crystal can be prevented from becoming high. Further, by having such a diffusion layer, it is possible to increase the bonding force for bonding the island-shaped crystal and the substrate, so that the adhesion between the island-shaped crystal and the substrate can be improved.
本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記基板の表面における前記島状の結晶が形成されていない部分は、前記基板の表面のTiが熱処理工程時に酸化されてなる酸化皮膜を形成しているのが好ましい。
前記したように、本発明の燃料電池用セパレータは、基板の表面に特定の貴金属を含んでなる島状の結晶が形成されているので、良好な導電性と耐食性を備えることができる。そして、基板の表面に酸化皮膜が形成されているのでピンホールなどが形成されることがない。そのため、燃料電池のような酸性雰囲気で使用されても、ピンホールからTiが溶出し、燃料電池の発電特性が劣化することもない。
In the fuel cell separator according to the present invention, the portion where the island-like crystals are not formed on the surface of the substrate forms an oxide film in which Ti on the surface of the substrate is oxidized during the heat treatment step. Is preferred.
As described above, the fuel cell separator according to the present invention has excellent conductivity and corrosion resistance because the island-shaped crystal containing the specific noble metal is formed on the surface of the substrate. And since the oxide film is formed in the surface of a board | substrate, a pinhole etc. are not formed. Therefore, even when used in an acidic atmosphere such as a fuel cell, Ti does not elute from the pinhole, and the power generation characteristics of the fuel cell do not deteriorate.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記島状の結晶が形成された基板の表面をSEM/EDX分析で測定したときにおける前記島状の結晶を形成する前記貴金属の量が0.1at%以上であるのが好ましい。
本発明の燃料電池用セパレータは、その表面をSEM/EDX分析で測定したときの前記貴金属の量を一定の値以上に規制することによって確実に接触抵抗を低くすることができる。
In the fuel cell separator according to the present invention, the amount of the noble metal that forms the island-shaped crystal when the surface of the substrate on which the island-shaped crystal is formed is measured by SEM / EDX analysis is 0.1 at% or more. Is preferred.
The fuel cell separator of the present invention can reliably reduce the contact resistance by regulating the amount of the noble metal to a certain value or more when the surface is measured by SEM / EDX analysis.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の基板の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる島状の結晶が形成され、かつ当該島状の結晶と前記基板の間に、ルチル型結晶およびブルッカイト型結晶の少なくとも一方を含有する酸化チタン層が形成されていることを特徴としている。 The separator for a fuel cell according to the present invention has a Ru, Rh, Pd, or the like formed on the surface of a substrate made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path through which gas flows is provided on at least a part of the surface. An island-shaped crystal containing at least one kind of noble metal selected from Os, Ir, Pt and Au is formed, and a rutile-type crystal and a brookite-type crystal are formed between the island-shaped crystal and the substrate. A titanium oxide layer containing at least one is formed.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、島状の結晶と前記基板の間にルチル型結晶およびブルッカイト型結晶の少なくとも一方を含有する酸化チタン層を形成しているので、さらに接触抵抗を低くすることができる。つまり、導電性を向上させることができる。 In the fuel cell separator according to the present invention, a titanium oxide layer containing at least one of a rutile type crystal and a brookite type crystal is formed between the island-like crystal and the substrate, so that the contact resistance is further reduced. Can do. That is, conductivity can be improved.
また、本発明の燃料電池は、前記した燃料電池用セパレータを用いるのが好ましい。本発明の燃料電池は、前記した燃料電池用セパレータを用いているので、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することができる。 The fuel cell of the present invention preferably uses the fuel cell separator described above. Since the fuel cell separator of the present invention uses the above-described fuel cell separator, the contact resistance can be maintained stably over a long period of time.
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することのできる燃料電池用セパレータを製造することができる。特に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法では、付着工程と熱処理工程を行うだけであるので、簡易な操作で燃料電池用セパレータを製造することができる。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータは、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することができる。
また、本発明に係る燃料電池は、接触抵抗を長期に渡って低く、安定して維持することができる。
The method for producing a fuel cell separator according to the present invention can produce a fuel cell separator capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time and stably. In particular, in the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, since only the adhesion step and the heat treatment step are performed, the fuel cell separator can be produced by a simple operation.
In addition, the fuel cell separator according to the present invention has a low contact resistance over a long period of time and can be stably maintained.
In addition, the fuel cell according to the present invention has a low contact resistance over a long period of time and can be stably maintained.
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池を実施するための最良の形態について適宜図面を参照して説明する。参照する図面において図1は、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を説明するフローチャートである。図2の(a)および(b)は、本発明に係る燃料電池用セパレータの断面図である。図3は、接触抵抗の測定方法を説明する説明図である。図4は、基板の表面に形成したガス流路の形状の一例を示す図である。図5は、本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を展開した様子を示す図である。
なお、参照する図面において、符号S1は、形成工程を示し、符号S2は、付着工程を示し、符号S3は、熱処理工程を示し、符号1は、燃料電池用セパレータを示し、符号2は、基板を示し、符号3は、島状の結晶を示し、符号4は、酸化皮膜を示し、符号5は、拡散層を示し、符号10は、単セルを示し、符号11は、ガス流路を示し、符号12は、ガス拡散層を示し、符号13は、固体高分子膜を示し、符号20は、燃料電池を示す。
Next, the best mode for carrying out the method for manufacturing a fuel cell separator, the fuel cell separator and the fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a flowchart for explaining the steps of the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention. FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views of a fuel cell separator according to the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method of measuring contact resistance. FIG. 4 is a diagram showing an example of the shape of the gas flow path formed on the surface of the substrate. FIG. 5 is a diagram showing a state in which a part of a fuel cell using the fuel cell separator of the present invention is developed.
In the drawings to be referred to, reference numeral S1 indicates a forming process, reference numeral S2 indicates an adhesion process, reference numeral S3 indicates a heat treatment process,
まず、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
図1に示すように、本発明の燃料電池用セパレータ1の製造方法は、形成工程S1と、付着工程S2と、熱処理工程S3と、を含んでなる。
First, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention is demonstrated.
As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the
形成工程S1は、TiまたはTi合金製の燃料電池用セパレータとしての基板2の表面の少なくとも一部に、水素ガスや空気などのガスを流通させるガス流路11(図4、図5参照)を形成するための凹部を形成する。ここで、基板2の表面とは、基板2の外側をなす面をいい、いわゆる表面、裏面、側面が含まれる。
ここで、基板2の表面の少なくとも一部にガス流路を形成するための装置は、特に限定されるものではなく、所定の目的を果たすことのできる従来公知の装置を適宜に用いることができる。
なお、この形成工程S1に先立って、基板2の縦幅、横幅、厚さなどをあらかじめ設定した寸法や形状に形成しておくのが好ましい。
In the forming step S1, a gas flow path 11 (see FIGS. 4 and 5) for circulating a gas such as hydrogen gas or air is provided on at least a part of the surface of the
Here, the apparatus for forming the gas flow path on at least a part of the surface of the
Prior to the formation step S1, it is preferable to form the
付着工程S2では、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上のイオンを含有する酸溶液に、凹部を形成したTiまたはTi合金製の基板2を浸漬して、前記した貴金属の粒子を基板2の表面に析出させて付着させる。
In the attaching step S2, the
基板2としては、JIS H 4600に規定される1種〜4種の純Tiの基板や、Ti−Al、Ti−Ta、Ti−6Al−4V、Ti−Pd、α合金などのTi合金の基板を挙げることができる。しかし、本発明において用いることのできる基板2としては、これらに限定されることはなく、他の金属元素等を含有してなるTi合金のであっても好適に用いることができる。
As the
Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuといった貴金属(Noble metal)は、不動態皮膜を形成しないにも拘らず耐食性に優れていること、遷移金属であるので導電性に優れていること、および、これらの貴金属元素は互いに似通った性質を有していることなどが知られている。したがって、これらの中から適宜に選択された貴金属を用いることによって、良好な耐食性と導電性を具備することができる。
なお、かかる貴金属は、1種類で用いてもよく、2種類以上を混合して用いることができることはいうまでもない。
Noble metals such as Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and Au are excellent in corrosion resistance even though they do not form a passive film, and are excellent in conductivity because they are transition metals. It is known that these noble metal elements have properties similar to each other. Therefore, by using a noble metal appropriately selected from these, it is possible to have good corrosion resistance and conductivity.
In addition, it cannot be overemphasized that this noble metal may be used by 1 type, and can mix and
基板2の表面に前記した貴金属の粒子を付着させる好適な手法としては、例えば、置換めっき法などの貴金属のイオンを含有する酸溶液に浸漬して、貴金属のイオンが析出して形成される貴金属の粒子を当該基板2の表面に付着させる手法を挙げることができる。
As a suitable technique for attaching the above-mentioned noble metal particles to the surface of the
この場合に用いる酸溶液としては、例えば、フッ酸と硝酸の混酸水溶液を用いるのが好ましい。
フッ酸と硝酸の混酸水溶液は、フッ酸と硝酸を1:2〜1:20の割合で混合するのが好ましい。
また、フッ酸の濃度は、0.005〜0.5%、硝酸の濃度は、0.01〜10%とするのが好ましい。
このような混合割合および濃度であれば、貴金属のイオンを含有し、かつ基材となる材料を溶解する能力を好適に保持させることができる。
なお、本発明においては、前記した貴金属のイオンを含有し、かつ基材となる材料を溶解する能力のある溶液であればこれに限定されるものではなく、例えば、塩酸溶液、硫酸溶液、リン酸溶液、ギ酸溶液、シュウ酸溶液などの酸溶液を用いることもできる。
As the acid solution used in this case, for example, a mixed acid aqueous solution of hydrofluoric acid and nitric acid is preferably used.
In the mixed acid aqueous solution of hydrofluoric acid and nitric acid, hydrofluoric acid and nitric acid are preferably mixed at a ratio of 1: 2 to 1:20.
The concentration of hydrofluoric acid is preferably 0.005 to 0.5%, and the concentration of nitric acid is preferably 0.01 to 10%.
With such a mixing ratio and concentration, it is possible to suitably retain the ability to dissolve the material that contains the noble metal ions and serves as the base material.
In the present invention, the solution is not limited to this as long as it contains the above-mentioned noble metal ions and has the ability to dissolve the material to be the base material. An acid solution such as an acid solution, a formic acid solution, or an oxalic acid solution can also be used.
ここで、酸溶液中に含有させる貴金属の濃度は、10〜50ppmとするのが好ましい。酸溶液中に含有させる貴金属の濃度が10ppm未満であると、貴金属のイオンの生成量が少ないので、貴金属のイオンが析出して基板2の表面に貴金属の粒子として付着する量も少なくなる。したがって、接触抵抗を十分に低減することができないおそれがある。一方、酸溶液中に含有させる貴金属の濃度が50ppmを超えるとコスト的な観点から好ましくない。
Here, the concentration of the noble metal contained in the acid solution is preferably 10 to 50 ppm. If the concentration of the noble metal contained in the acid solution is less than 10 ppm, the amount of noble metal ions produced is small, and therefore the amount of noble metal ions that precipitate and adhere to the surface of the
次に、熱処理工程S3は、前記した貴金属の粒子を付着させた基板2を熱処理することで、貴金属を含んでなる島状の結晶3を形成し、燃料電池用セパレータ1を製造する。熱処理することによって、基板2の表面に付着させた貴金属の粒子同士を凝集、つまり貴金属の粒子を固体状態のまま結合(焼結)させて島状の結晶3を形成する。また、熱処理工程S3を行うことによって、島状の結晶3と基板2の間に、貴金属の元素と基板2のTiとが相互に拡散した拡散層5を具備させることができる。
Next, in the heat treatment step S3, the
熱処理前の基板2の表面に形成されている不動態皮膜は、熱処理によって一部または全部が結晶化する。この結晶化の際に、貴金属を含んでなる島状の結晶3直下の不動態皮膜は、酸素の供給が島状の結晶3によって遮断されるため、酸素がTi母材中に拡散して薄くなり、かつ酸素が欠乏した酸化チタン(酸素欠乏傾斜構造を有する酸化チタン)に変化する。この結晶化した酸化チタンは、化学量論比よりも酸素が欠乏すると導電性が高くなるn型半導体となる。つまり、熱処理によって島状の結晶3直下の不動態皮膜の導電性を向上させることができる。このような酸化チタンの結晶構造としては、ルチル型結晶若しくはブルッカイト型結晶を挙げることができる。なお、ルチル型結晶とは、ルチル結晶と同じ結晶構造を有する結晶をいい、ブルッカイト型結晶とは、ブルッカイト結晶と同じ結晶構造を有する結晶をいう。なお、このような酸素欠乏型のルチル型結晶およびブルッカイト型結晶を有する酸化皮膜4は、酸素分圧をより低くして熱処理を行うほど得られやすく、貴金属の島状の結晶3で被覆された箇所などの、より酸素の少ない条件で熱処理を行うとさらに得やすい。
そして、さらに熱処理を続けるか、若しくは熱処理温度を高くすることにより、熱処理前の不動態皮膜や、前記のようにして形成された導電性の高い酸化チタンの層が消失して、島状の結晶3と基板2の間に貴金属の元素とTiが相互に拡散した拡散層5が形成される。
A part or all of the passive film formed on the surface of the
Further, by continuing the heat treatment or increasing the heat treatment temperature, the passive film before the heat treatment and the layer of titanium oxide having high conductivity formed as described above disappear, and the island-like crystals A diffusion layer 5 in which a noble metal element and Ti are mutually diffused is formed between 3 and the
熱処理工程S3における熱処理の温度は、300〜800℃とするのが好ましい。
熱処理の温度が300℃未満であると、基板2の表面に付着させた貴金属の粒子同士が融合しにくいために、貴金属を含んでなる島状の結晶3を形成しにくくなり、当該島状の結晶3を所望の大きさにすることが困難となる。そのため、良好な耐食性および導電性を得ることができないおそれがある。また、基板2中への酸素の拡散速度が遅く、不動態皮膜を消滅させるのに時間がかかり好ましくない。
The temperature of the heat treatment in the heat treatment step S3 is preferably 300 to 800 ° C.
When the temperature of the heat treatment is less than 300 ° C., the noble metal particles attached to the surface of the
一方、熱処理の温度が800℃を超えると、貴金属とTiが相互に拡散しすぎてしまうため、ほとんど全ての貴金属の元素が基板2のTi中に拡散することとなり、表面に島状の結晶3が残存しない状態となる。また、かかる状態で熱処理炉から取り出すと、基板2の表面にTiの酸化皮膜4が過度に厚く形成されるおそれがあり、接触抵抗を低減することができず、良好な導電性を得ることができない場合がある。また、炉内雰囲気中における酸素によってTiの酸化が促進され、貴金属の元素と基板2のTiとでなる拡散層5が形成された場合であっても、その下側(例えば、拡散層5と基板2との間)に酸化皮膜4が形成され、導電性が低下するおそれがある。
なお、熱処理の温度は、350〜750℃とするのがより好ましい。
On the other hand, when the temperature of the heat treatment exceeds 800 ° C., the noble metal and Ti diffuse too much to each other, so almost all the elements of the noble metal diffuse into the Ti of the
In addition, it is more preferable that the temperature of heat processing shall be 350-750 degreeC.
また、熱処理工程S3における熱処理時間は、熱処理の温度にもよるが1〜60分間とするのが好ましい。
熱処理時間が1分間未満であると、基板2の表面に付着させた貴金属の粒子同士が十分に凝集することができないために、所望する島状の結晶3を形成しにくくなり、当該島状の結晶3を所望の大きさにすることが困難となる。また、島状の結晶3の下部において、貴金属の元素と基板2のTiとの拡散が不十分であり、島状の結晶3と基板2とを結合する結合力を十分に得られないおそれがある。そのため、良好な耐食性および導電性を得ることができないおそれがある。
一方、熱処理時間が60分間を超えると、もはや所望の島状の結晶3が形成されているためそれ以上の効果は望めず、経済的な観点から好ましくないだけでなく、熱処理の温度にもよるが、貴金属とTiが相互に拡散しすぎてしまうこともあるため好ましくない。
The heat treatment time in the heat treatment step S3 is preferably 1 to 60 minutes although it depends on the temperature of the heat treatment.
If the heat treatment time is less than 1 minute, the noble metal particles adhered to the surface of the
On the other hand, when the heat treatment time exceeds 60 minutes, the desired island-
熱処理工程S3における酸素分圧は、用いる貴金属の種類によって適宜設定するのが好ましい。先に挙げた貴金属のうち、Pd、Ru、Rh、Os、Irは酸素分圧が高いと酸化して接触抵抗が高くなる。
なお、本発明において酸素分圧とは、熱処理工程S3を行う熱処理炉内における酸素の占める圧力(なお、本発明において大気の組成は、窒素:酸素がおおよそ4:1で構成されていることとする。)をいう。
The oxygen partial pressure in the heat treatment step S3 is preferably set as appropriate depending on the type of noble metal used. Among the noble metals mentioned above, Pd, Ru, Rh, Os, and Ir are oxidized and the contact resistance is increased when the oxygen partial pressure is high.
In the present invention, the oxygen partial pressure is the pressure occupied by oxygen in the heat treatment furnace in which the heat treatment step S3 is performed (in the present invention, the composition of the atmosphere is that nitrogen: oxygen is approximately 4: 1). ).
具体的には、貴金属がRu,Rh,Pd,Os,およびIrから選択される少なくとも1種以上である場合は、酸素分圧を0.133Pa(1×10-3Torr)以下とするのが好ましい。
熱処理工程S3における酸素分圧が0.133Pa(1×10-3Torr)を超えると、熱処理を行う雰囲気中の酸素が多すぎるため、貴金属を含んでなる島状の結晶3が凝集される場合であっても、その熱処理時に基板2の表面のTiが酸化して酸化皮膜4が過度に厚く形成されたり、酸化皮膜4が拡散層5と基板2との間にも形成されたりすることがあり、接触抵抗を低減することができず、良好な導電性を得ることができないおそれがある。なお、酸素分圧は低いほど好ましく、より好ましくは0.0133Pa(1×10-4Torr)以下、さらに好ましくは0.00133Pa(1×10-5Torr)以下である。
Specifically, when the noble metal is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os, and Ir, the oxygen partial pressure should be 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr) or less. preferable.
When the oxygen partial pressure in the heat treatment step S3 exceeds 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr), there is too much oxygen in the atmosphere in which the heat treatment is performed, so that the island-
なお、低い酸素分圧条件下であっても、雰囲気中に酸素が存在する限りTiは酸化される。しかし、前記したような低い酸素分圧条件下であればTiの酸化が進みすぎることはないので、仮に基板2上に島状の結晶3が形成されない箇所があったとしても、当該箇所には適度な酸化皮膜4が形成されることになる。
つまり、酸性雰囲気下で使用されるような場合であっても、島状の結晶3が形成された箇所は良好な導電性を有しつつ、当該島状の結晶3によって良好な耐食性を具備し、島状の結晶3が形成されなかった箇所は酸化皮膜4が形成されることになるので、耐食性が悪くなることはない。
Even under low oxygen partial pressure conditions, Ti is oxidized as long as oxygen is present in the atmosphere. However, since the oxidation of Ti does not proceed excessively under the low oxygen partial pressure conditions as described above, even if there is a place where the island-
That is, even when used in an acidic atmosphere, the portion where the island-
これに対し、AuやPtは酸化しないため、大気圧近傍の圧力で熱処理することができる。したがって、貴金属がPtおよびAuから選択される少なくとも1種以上である場合は、酸素分圧を大気圧における酸素分圧以下とすることができる。
なお、高温で酸化させてなる酸化チタン層の耐食性が不動態皮膜の耐食性よりも優れていることが知られている。
そのため、島状の結晶3と酸化皮膜4とを有する燃料電池用セパレータ1は、酸性雰囲気下で使用されるような場合であっても、貴金属を含んでなる島状の結晶3が形成された箇所は良好な導電性を有しつつ、当該島状の結晶3によって良好な耐食性を具備することができ、島状の結晶3が形成されなかった箇所は酸化皮膜4が形成されることになるので、耐食性が悪くなることはない。
On the other hand, since Au and Pt are not oxidized, heat treatment can be performed at a pressure near atmospheric pressure. Therefore, when the noble metal is at least one selected from Pt and Au, the oxygen partial pressure can be made equal to or lower than the oxygen partial pressure at atmospheric pressure.
It is known that the corrosion resistance of the titanium oxide layer oxidized at a high temperature is superior to that of the passive film.
Therefore, even when the
なお、熱処理の温度、熱処理の時間および酸素分圧のなどの熱処理の条件は、用いる貴金属の種類に応じて適宜に設定するのがよい。
また、貴金属の粒子を付着したTiまたはTi合金製の基板2の熱処理は、炉内を減圧できる電気炉やガス炉などの従来公知の熱処理炉を用いることにより行うことができる。
Note that the heat treatment conditions such as the heat treatment temperature, the heat treatment time, and the oxygen partial pressure are suitably set according to the type of the noble metal used.
Further, the heat treatment of the Ti or
ここで、Tiを母材とする通常の製品は、その表面に非晶質の不動態皮膜が形成されていること、および、かかる不動態皮膜によって、母材中のTiが水素と結合して脆化するのを防止していることが知られている。そのため、例えば、25℃、0.1MPa(1気圧)程度の使用条件であれば、前記した不動態皮膜が水素の吸収を阻止することにより母材中のTiと水素とが結合するのを阻止することができ、これにより脆化しにくくなっている。
しかしながら、燃料電池用のセパレータのように、高温高圧(例えば、80〜120℃、0.2〜0.3MPa)の使用条件で水素に曝されると、前記した不動態皮膜は非晶質であるので、水素の吸収を十分に阻止することが困難であり、母材中のTiが、吸収した水素と結合して脆化するおそれがある。
Here, a normal product using Ti as a base material has an amorphous passive film formed on the surface thereof, and Ti in the base material is bonded to hydrogen by the passive film. It is known to prevent embrittlement. Therefore, for example, under the use conditions of about 25 ° C. and about 0.1 MPa (1 atm), the above-described passive film prevents hydrogen from being absorbed, thereby preventing Ti and hydrogen in the base material from being combined. This makes it difficult to become brittle.
However, when exposed to hydrogen at high temperature and high pressure (eg, 80 to 120 ° C., 0.2 to 0.3 MPa) like a separator for a fuel cell, the above-described passive film is amorphous. Therefore, it is difficult to sufficiently prevent hydrogen absorption, and Ti in the base material may be combined with the absorbed hydrogen to be embrittled.
これに対し、本発明のように、300〜800℃で熱処理されて形成される酸化皮膜4は、ルチル型結晶およびブルッカイト型結晶のうち少なくとも一方を含むため、水素の吸収を阻止する効果(単に「水素吸収阻止効果」という。)が、非晶質の不動態皮膜よりも高い。したがって、前記したような高温高圧下で水素に曝された場合であっても、基板2の母材中のTiが水素と結合せず、母材の脆化が起こりにくい。なお、前記した水素吸収阻止効果は、大気圧条件のような高酸素分圧下での熱処理でも得ることができるが、当該水素吸収阻止効果と導電性を兼備させるためには、本発明の熱処理工程S3の酸素分圧を0.133Pa(1×10-3Torr)以下にするのが好ましい。
On the other hand, the oxide film 4 formed by heat treatment at 300 to 800 ° C. as in the present invention contains at least one of a rutile type crystal and a brookite type crystal, and therefore has an effect of preventing hydrogen absorption (simply "Hydrogen absorption prevention effect") is higher than amorphous passive film. Therefore, even when exposed to hydrogen under high temperature and high pressure as described above, Ti in the base material of the
ここで、用いる貴金属の種類によっては、水素を吸収する元素もあるため、貴金属の島状の結晶3と基板2が接触している部分については、熱処理時に形成させる酸化皮膜4を完全に消失させないよう、熱処理温度や熱処理時間を調整して、島状の結晶3と基板2(母材)との間、つまり、島状の結晶3の直下(島状の結晶3の下に拡散層5が形成されている場合には拡散層5の直下(すなわち、界面))に、0.5〜10nm程度の薄い酸化皮膜4(以下、このような酸化皮膜4を「酸化チタン層41」と称する。)を残存させるようにすることで、当該薄い酸化皮膜4(酸化チタン層41)によって水素吸収阻止効果と導電性とを兼備させることができる。なお、かかる酸化チタン層41は、島状の結晶3で被覆されており、より酸素の少ない条件で形成されているため、前記したように酸化皮膜4よりもルチル型結晶およびブルッカイト型結晶の少なくとも一方を多く含有し得る。
Here, depending on the type of noble metal used, there is an element that absorbs hydrogen, so that the oxide film 4 formed during the heat treatment is not completely lost at the portion where the noble metal island-
以上、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態を説明したが、以下に説明するような実施形態であっても好適に実施することが可能である。
例えば、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に、TiまたはTi合金製の基板2を浸漬して、この基板2の表面に貴金属の粒子を析出させて付着させる付着工程と、貴金属の粒子を析出させて付着させた基板2の表面の少なくとも一部に、例えば、プレス加工等によって、ガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する形成工程と、凹部を形成した基板2を熱処理することで、この基板2の表面に貴金属を含んでなる島状の結晶3を形成する熱処理工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法とすることができる。
As mentioned above, although one Embodiment of the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on this invention was described, even if it is embodiment described below, it can implement suitably.
For example, the
また、例えば、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に、TiまたはTi合金製の基板2を浸漬して、この基板2の表面に貴金属の粒子を析出させて付着させる付着工程と、貴金属の粒子を析出させて付着させた基板2を熱処理することで、この基板2の表面に貴金属を含んでなる島状の結晶3を形成する熱処理工程と、島状の結晶3を形成した基板2の表面の少なくとも一部に、例えば、プレス加工等によって、ガスを流通させるガス流路を形成するための凹部を形成する形成工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法とすることもできる。
Further, for example, the
次に、前記した本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造された本発明に係る燃料電池用セパレータ1について詳細に説明する。
図2(a)に示すように、本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、表面の少なくとも一部にガスを流通させるガス流路11(図4参照)を形成するための凹部が形成されたTiまたはTi合金製の基板2の表面に、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる島状の結晶3を形成した構成となっている。
この島状の結晶3は、前記したように、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に、凹部を形成した基板2を浸漬して、基板2の表面に貴金属の粒子を析出させて付着させ、熱処理することによって得られるものであり、その詳細は前述したとおりであるので、その説明を省略する。
Next, the
As shown in FIG. 2 (a), the
As described above, the island-shaped
島状の結晶3は、100nm以上10μm以下の大きさであるのが好ましい。
貴金属を含んでなる島状の結晶3の大きさが100nm未満であると、直径が小さいため良好な導電性を得ることができないおそれがある。一方、貴金属を含んでなる島状の結晶3の大きさが10μmを超えると、基板2のTiと密着性が悪くなり、脱落するおそれがある。
なお、島状の結晶3の高さ(厚さ)は、50〜1000nmとするのが好ましい。
The island-shaped
If the size of the island-shaped
The height (thickness) of the island-
また、かかる島状の結晶3と基板2の間に、貴金属の元素と基板2のTiとが相互に拡散した拡散層5を有するのが好ましい。前述したように、貴金属を含んでなる島状の結晶3によって良好な導電性と耐食性を得る一方で、拡散層5によって島状の結晶3と基板2との間の電気抵抗(接触抵抗)が高くならないようにしている。また、このような拡散層5を有することによって島状の結晶3と基板2とを結合する結合力を高くすることができるので、島状の結晶3と基板2との密着性をよくすることができる。
Moreover, it is preferable to have a diffusion layer 5 in which a noble metal element and Ti of the
なお、拡散層5の好適な厚さは2〜10nmである。拡散層5の厚さがこれらの範囲内であれば、前記した効果を好適に奏することができる。
拡散層5を前記した厚さとするには、適切な条件で熱処理を実施することで具現される。適切な条件の熱処理は、前記した熱処理の温度や熱処理の時間の範囲内で、用いる貴金属の種類に応じて適宜実験等して定めることが好ましい。
The preferred thickness of the diffusion layer 5 is 2 to 10 nm. If the thickness of the diffusion layer 5 is within these ranges, the above-described effects can be suitably achieved.
The thickness of the diffusion layer 5 can be realized by performing a heat treatment under appropriate conditions. It is preferable that the heat treatment under appropriate conditions is determined by an appropriate experiment or the like in accordance with the type of the noble metal used within the range of the heat treatment temperature and the heat treatment time.
また、本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、図2(a)に示すように、基板2の表面における島状の結晶3が形成されていない部分は、基板2の表面のTiが酸化されてなる酸化皮膜4を形成していることが好ましい。酸化皮膜4によって良好な耐食性を得ることができるからである。
この酸化皮膜4の厚さは、1〜50nmであるのが好ましい。
酸化皮膜4の厚さが1nm未満であると、酸化皮膜4の厚さが十分でないために酸性雰囲気での使用によりピンホールが形成され、基板2のTiが溶出し、燃料電池に用いた場合に発電特性が劣化するおそれがある。
一方、酸化皮膜4の厚さが50nmを超えるということは、Tiの酸化が進みすぎていたことを意味するものであるため、例えば、拡散層5と基板2との間に酸化皮膜4が形成され、導電性が低下するおそれがある。
なお、酸化皮膜4の厚さは、例えば、SEM/EDX(エネルギ分散型X線回折分析装置付き走査電子顕微鏡)などを用いることによって測定することができる。
Further, in the
The thickness of the oxide film 4 is preferably 1 to 50 nm.
When the thickness of the oxide film 4 is less than 1 nm, the thickness of the oxide film 4 is not sufficient, so that pinholes are formed by use in an acidic atmosphere, and Ti of the
On the other hand, the fact that the thickness of the oxide film 4 exceeds 50 nm means that the oxidation of Ti has progressed too much. For example, the oxide film 4 is formed between the diffusion layer 5 and the
The thickness of the oxide film 4 can be measured by using, for example, SEM / EDX (scanning electron microscope with energy dispersive X-ray diffraction analyzer).
なお、燃料電池用セパレータ1の表面に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶3の形成量は、SEM/EDX分析を行うことによって測定することができる。
本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、島状の結晶3が形成された当該基板1の表面を、例えば、加速電圧:20kV、倍率:5000倍(視野:およそ9×11μm)の条件でSEM/EDX分析したときにおける島状の結晶3を形成する貴金属の量が0.1at%(原子パーセント)以上であるのが好ましい。
SEM/EDX分析したときにおける島状の結晶3を形成する貴金属の量が0.1at%未満であると、燃料電池用セパレータ1に形成される島状の結晶3の量が少なくなるため、導電性が悪くなる。
一方、SEM/EDX分析したときにおける島状の結晶3を形成する貴金属の量について上限はないものの、生産コストの観点から10at%以下とするのが好ましい。
In addition, the formation amount of the island-
The
When the amount of the noble metal that forms the island-shaped
On the other hand, although there is no upper limit on the amount of the noble metal that forms the island-
また、本発明に係る燃料電池用セパレータ1が前記した酸化チタン層41を含む場合は、例えば、図2(b)に示すように、Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属を含んでなる島状の結晶3が形成され、かつこの島状の結晶3と基板2(つまり、母材)の間、より具体的には、島状の結晶3の直下、拡散層5が形成されている場合には、拡散層5と基板2との間に、前記した酸化チタン層41が形成される。
Further, when the
次に、前記した本発明に係る燃料電池について適宜図面を参照して説明する。
図5に示すように、本発明に係る燃料電池20は、前記した本発明に係る燃料電池用セパレータ1を用いて作製したものであり、以下のようにして作製することができる。
例えば、TiまたはTi合金製の基板2を所定数用意し、この所定数用意した基板2を縦幅95.2mm×横幅95.2mm×厚さ19mmといった所定の寸法とするとともに、その基板2の表面の中央部に機械加工やエッチング等によって、例えば、溝幅0.6mm、溝深さ0.5mmの凹部を形成して、図4に示すような形状のガス流路11を形成する。そして、凹部を形成した基板2を、前記した付着工程S2および熱処理工程S3を行うことで燃料電池用セパレータ1を所定数製造する。
Next, the fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
As shown in FIG. 5, the fuel cell 20 according to the present invention is manufactured using the above-described
For example, a predetermined number of
次いで、図5に示すように、所定数製造した燃料電池用セパレータ1を、例えば、2枚用いてガス流路11が形成された面を対面させて配置し、ガス流路11が形成されたそれぞれの面に、ガスを膜上に均一に拡散させるためのカーボンクロスCなどのガス拡散層12を配置し、一方のガス拡散層12と他方のガス拡散層12の間に白金触媒を表面に塗布した固体高分子膜13を挟んで単セル10を作製する。同様にして複数作製した単セル10を複数積層してセルスタック(不図示)とし、これに燃料電池に必要なその他の部品の取付け、および接続等を行うことにより、良好な発電性能と耐久性を有する本発明に係る燃料電池(固体高分子型燃料電池)20を作製することができる。
Next, as shown in FIG. 5, for example, two
なお、燃料電池20に用いられる固体高分子膜13は、カソード極で生成したプロトンをアノード極へと移動する働きを有する膜であれば特に限定されることなく使用することができ、例えば、スルホン基をもったフッ素系の高分子膜を好適に用いることができる。
The
このようにして作製された燃料電池20は、アノード極として配置された燃料電池用セパレータ1に、ガス流路11を介して燃料ガス(例えば、純度99.999%の水素ガス)を導入し、カソード極として配置された燃料電池用セパレータ1に、ガス流路11を介して空気を導入する。このとき燃料電池20は、全体を80℃程度に加熱保温して、前記した水素ガスおよび空気を加温された水中を通すことにより露点温度を80℃に調整するのが好ましい。また、燃料ガス(水素ガス)および空気は、例えば、2026hPa(2気圧)の圧力で導入するとよい。
The fuel cell 20 thus manufactured introduces fuel gas (for example, hydrogen gas with a purity of 99.999%) into the
燃料電池20は、このようにしてアノード極に水素ガスを導入することによって、ガス拡散層12により固体高分子膜13に対して均一に供給され、当該固体高分子膜13で下記式(1)の反応が生じる。
H2→2H++2e-・・・(1)
一方、燃料電池20は、カソード極に空気を導入することによって、ガス拡散層12により固体高分子膜13に対して均一に供給され、当該固体高分子膜13で下記式(2)の反応が生じる。
4H++O2+4e-→H2O・・・(2)
このように、固体高分子膜13で前記式(1)、(2)の反応が起こることにより、理論的には約1.2Vの電圧が得られる。
The fuel cell 20 is uniformly supplied to the
H 2 → 2H + + 2e − (1)
On the other hand, the fuel cell 20 is uniformly supplied to the
4H + + O 2 + 4e − → H 2 O (2)
As described above, the reaction of the above formulas (1) and (2) occurs in the
ここで、本発明に係る燃料電池20は、前記したように、少なくとも貴金属を含んでなる島状の結晶3が形成された本発明に係る燃料電池用セパレータ1を用いているので、従来の金属製のセパレータを使用した燃料電池と比較して良好な耐食性および導電性を有せしめることが可能となる。
Here, as described above, the fuel cell 20 according to the present invention uses the
次に、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータ、および燃料電池について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを対比して具体的に説明する。
<実施例A>
JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi基板(幅20mm×20mm、厚さ1mm)を9枚用意し、アセトン中で超音波洗浄した後、Au,Pt,Pdをそれぞれ1、10、50ppm含有するように調整した酸溶液(0.02%フッ酸、0.2%硝酸)に20分間浸漬して、置換めっきによりそれぞれのTi基板上にAu,Pt,Pdを含んでなる粒子を島状に析出させた(以下、これらを表1に示すように貴金属種および濃度ごとに試験板1〜9とする)。
Next, the fuel cell separator manufacturing method, the fuel cell separator, and the fuel cell according to the present invention are specifically described by comparing an example that satisfies the requirements of the present invention with a comparative example that does not satisfy the requirements of the present invention. explain.
<Example A>
Nine Ti substrates (width 20 mm × 20 mm,
その後、それぞれの貴金属の粒子を析出させた試験板1〜9を、熱処理炉を用いて下記の熱処理条件で熱処理した。AuおよびPtを用いた試験板1〜6は、大気雰囲気中で500℃、5分間の熱処理を行った。また、Pdを用いた試験板7〜9は、0.665Pa(5×10-3Torr)で500℃、30分間の熱処理を行った。
Thereafter, the
そして、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、前記した処理を行った試験板1〜9(なお、図3において、燃料電池用セパレータ1として表わされている箇所に試験板1〜9を配置する。)の両面をカーボンクロスC,Cではさみ、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極31,31を用いて荷重98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源32を用いて1Aの電気を通電し、当該カーボンクロスC,C間に印加される電圧を電圧計33で測定して接触抵抗を算出した。なお、接触抵抗は、15mΩ・cm2以下を合格とした。
And the test plates 1-9 which performed the above-mentioned process using the contact resistance measuring apparatus 30 shown in FIG. 3 (In addition, in FIG. 3, the
さらに、当該試験板1〜9を80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後、接触抵抗測定装置30を用いて前記の条件で再び接触抵抗を測定した。
Furthermore, after the
また、熱処理を行った試験板1〜9に対し、SEM/EDX(エネルギ分散型X線回折分析装置付き走査電子顕微鏡)分析を行うことにより、試験板1〜9のそれぞれの表面に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶の貴金属の量を分析した。なお、分析条件は、加速電圧20kV、倍率5000倍(視野9×11μm)であった。かかる分析は、試験板1〜9のそれぞれについて5箇所測定し、その平均値を求めて貴金属の量[at%]とした。
Moreover, it formed in each surface of the test plates 1-9 by performing SEM / EDX (scanning electron microscope with an energy dispersive X-ray diffraction analyzer) with respect to the heat-treated test plates 1-9. The amount of noble metal in the island-like crystals comprising the noble metal was analyzed. The analysis conditions were an acceleration voltage of 20 kV and a magnification of 5000 times (field of view: 9 × 11 μm). In this analysis, five points were measured for each of the
用いた貴金属種、酸溶液に含有される貴金属の濃度[ppm]、浸漬した時間[分間]、硫酸浸漬前の接触抵抗[mΩ・cm2]、硫酸1000時間浸漬後の接触抵抗[mΩ・cm2]および貴金属の量[at%]を表1に示す。
また、貴金属を含んでなる島状の結晶とTi基板との界面構造を調べるため、試験板9の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。なお観察条件は、試料厚さ約100nm、加速電圧200kV、倍率150万倍とした。
Precious metal species used, concentration of precious metal contained in acid solution [ppm], immersion time [minute], contact resistance before sulfuric acid immersion [mΩ · cm 2 ], contact resistance after 1000 hours of sulfuric acid immersion [mΩ · cm 2 ] and the amount of noble metal [at%] are shown in Table 1.
Further, in order to examine the interface structure between the island-like crystal containing the noble metal and the Ti substrate, the cross section of the test plate 9 was observed with a transmission electron microscope (TEM). The observation conditions were a sample thickness of about 100 nm, an acceleration voltage of 200 kV, and a magnification of 1.5 million times.
表1に示すように、試験板2,3,5,6,8,9は、酸溶液に含有される貴金属の濃度、かかる酸溶液に浸漬した時間、および熱処理条件が本発明の要件を満たしていたので、Ti基板に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶の量(貴金属の量)が0.40at%以上であることがわかった。
また、硫酸水溶液に浸漬する前の接触抵抗が4.5mΩ・cm2以下であり、低い接触抵抗を有することが分かった。
さらに、硫酸水溶液に1000時間浸漬した後の接触抵抗が6.5mΩ・cm2以下であり、低い接触抵抗を有していたことから、安定して長期間低い接触抵抗を維持できることが分かった。
また、TEMによる観察の結果から、Pdを含んでなる島状の結晶と基板との間に厚さ約3〜5nmの酸化チタンの層があることを確認することができた。さらに、ビーム径を約1nmに絞って行った電子線回折(ナノディフラクション)により、酸化チタン層の結晶構造を調べたところ、ルチル型結晶およびブルッカイト型結晶が含まれていることがわかった。
As shown in Table 1, the
Moreover, it was found that the contact resistance before dipping in the sulfuric acid aqueous solution is 4.5 mΩ · cm 2 or less, and the contact resistance is low.
Furthermore, the contact resistance after being immersed in an aqueous sulfuric acid solution for 1000 hours was 6.5 mΩ · cm 2 or less, and the contact resistance was low, so that it was found that the contact resistance could be stably maintained for a long time.
Moreover, from the result of observation by TEM, it was confirmed that there was a titanium oxide layer having a thickness of about 3 to 5 nm between the island-like crystal containing Pd and the substrate. Furthermore, when the crystal structure of the titanium oxide layer was examined by electron diffraction (nano-diffraction) performed with the beam diameter reduced to about 1 nm, it was found that rutile crystal and brookite crystal were included.
一方、試験板1,4,7は、酸溶液に含有される貴金属の濃度が本発明の要件を満たしていなかったため、Ti基板に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶の量(貴金属の量)が0.08at%以下と低くなった。また、そのために硫酸水溶液に浸漬する前の接触抵抗が30.5mΩ・cm2以上、および硫酸水溶液に1000時間浸漬した後の接触抵抗が156.2mΩ・cm2以上と高くなることが分かった。
On the other hand, the
なお、JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi基板(幅20mm×20mm、厚さ1mm)に貴金属の粒子を付着せず、かつ熱処理を行わない試験板を用意し、試験板1〜9と同様に、80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬する前後の接触抵抗を、前記と同様に接触抵抗測定装置30を用いて測定した。
その結果、80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬する前の接触抵抗は49.5mΩ・cm2であり、80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後の接触抵抗は1572.5mΩ・cm2であった。
In addition, a test plate is prepared in which no precious metal particles adhere to a Ti substrate (width 20 mm × 20 mm,
As a result, the contact resistance before immersing in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (pH 2) for 1000 hours was 49.5 mΩ · cm 2 , and the contact resistance after immersing in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (pH 2) for 1000 hours was 1572. It was 5 mΩ · cm 2 .
<実施例B>
JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi基板(幅20mm×20mm、厚さ1mm)を11枚用意し、アセトン中で超音波洗浄した後、Au,Pdをそれぞれ20ppm含有するように調整した酸溶液(0.02%フッ酸、0.2%硝酸)に20分間浸漬して、置換めっきによりそれぞれのTi基板上にAu,Pdを含んでなる粒子を島状に析出させた。そして、その後、それぞれのTi基板について下記の表2に示す熱処理条件(圧力条件、熱処理温度および熱処理時間)で熱処理を行った。なお、表2に示すように、Auを析出させたTi基板は、大気雰囲気中で250℃、300℃、500℃、700℃、850℃で各5分間の熱処理を行った。一方、Pdを析出させたTi基板では、0.665Pa(5×10-3Torr)で250℃、300℃、500℃、700℃、850℃で各30分間の熱処理を行った(以下、これらを表2に示すように貴金属種および熱処理条件ごとに試験板10〜20とする)。
<Example B>
Prepare 11 Ti substrates (width 20mm x 20mm, thickness 1mm) made of one kind of pure Ti as defined in JIS H 4600, ultrasonically wash in acetone, and contain 20 ppm each of Au and Pd. Were immersed in an acid solution (0.02% hydrofluoric acid, 0.2% nitric acid) for 20 minutes, and particles containing Au and Pd were deposited in an island shape on each Ti substrate by displacement plating. . Then, each Ti substrate was subjected to heat treatment under the heat treatment conditions (pressure conditions, heat treatment temperature and heat treatment time) shown in Table 2 below. As shown in Table 2, the Ti substrate on which Au was deposited was heat-treated at 250 ° C., 300 ° C., 500 ° C., 700 ° C., and 850 ° C. for 5 minutes in the air atmosphere. On the other hand, on the Ti substrate on which Pd was deposited, heat treatment was performed at 0.665 Pa (5 × 10 −3 Torr) at 250 ° C., 300 ° C., 500 ° C., 700 ° C., and 850 ° C. for 30 minutes (hereinafter referred to as these). As test plates 10 to 20 for each noble metal species and heat treatment conditions as shown in Table 2).
AuまたはPdを析出させた試験板10〜20を熱処理した後、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、前記した処理を行った試験板10〜20の両面をカーボンクロスC,Cではさみ、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極31,31を用いて荷重98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源32を用いて1Aの電気を通電し、当該カーボンクロスC,C間に印加される電圧を電圧計33で測定して接触抵抗を算出した。
After heat-treating the test plates 10 to 20 on which Au or Pd is deposited, both surfaces of the test plates 10 to 20 subjected to the above-described treatment are made of carbon cloth C and C using the contact resistance measuring device 30 shown in FIG. Further, the outside is pressurized with a load 98 N (10 kgf) using copper electrodes 31, 31 with a contact area of 1 cm 2 , 1 A electricity is applied using a DC
さらに、当該試験板10〜20を80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後、接触抵抗測定装置30を用いて前記の条件で再び接触抵抗を測定した。 Furthermore, after the test plates 10 to 20 were immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, the contact resistance was measured again using the contact resistance measuring device 30 under the above conditions.
また、熱処理を行った試験板10〜20に対し、SEM/EDX(エネルギ分散型X線回折分析装置付き走査電子顕微鏡)分析を行うことにより、試験板10〜20のそれぞれの表面に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶の貴金属の量を分析した。なお、分析条件は、加速電圧20kV、倍率5000倍(視野9×11μm)であった。かかる分析は、試験板10〜20のそれぞれについて5箇所測定し、その平均値を求めて貴金属の量[at%]とした。 Moreover, it formed in each surface of the test plates 10-20 by performing SEM / EDX (scanning electron microscope with an energy dispersion type | mold X-ray diffraction analyzer) with respect to the test plates 10-20 which heat-processed. The amount of noble metal in the island-like crystals comprising the noble metal was analyzed. The analysis conditions were an acceleration voltage of 20 kV and a magnification of 5000 times (field of view: 9 × 11 μm). In this analysis, five points were measured for each of the test plates 10 to 20, and the average value was obtained as the amount of noble metal [at%].
用いた貴金属種、圧力条件、熱処理温度[℃]、熱処理時間[分間]、硫酸浸漬前の接触抵抗[mΩ・cm2]、硫酸1000時間浸漬後の接触抵抗[mΩ・cm2]および貴金属の量[at%]を表2に示す。 Precious metal species used, pressure conditions, heat treatment temperature [° C.], heat treatment time [minutes], contact resistance before sulfuric acid immersion [mΩ · cm 2 ], contact resistance after sulfuric acid 1000 hour immersion [mΩ · cm 2 ] and precious metal The amount [at%] is shown in Table 2.
表2に示すように、試験板11〜13,17〜19は、圧力条件、熱処理温度、および熱処理時間が本発明の要件を満たしていたので、Ti基板に形成された貴金属を含んでなる島状の結晶の量(貴金属の量)が0.88at%以上であることがわかった。
また、硫酸水溶液に浸漬する前の接触抵抗が12mΩ・cm2以下であり、低い接触抵抗を有することが分かった。
さらに、硫酸水溶液に浸漬した後の接触抵抗が14.5mΩ・cm2以下であり、低い接触抵抗を有していたことから、安定して長期間低い接触抵抗を維持できることが分かった。
As shown in Table 2, since the
Further, it was found that the contact resistance before dipping in the sulfuric acid aqueous solution was 12 mΩ · cm 2 or less, and the contact resistance was low.
Furthermore, since the contact resistance after being immersed in sulfuric acid aqueous solution was 14.5 mΩ · cm 2 or less and had low contact resistance, it was found that low contact resistance can be stably maintained for a long time.
一方、試験板10,14〜16,20は、圧力条件、熱処理温度、および熱処理時間のいずれかが本発明の要件を満たしていなかったので、Ti基板の不動態皮膜を除去できなかったか、貴金属を含んでなる島状の結晶を形成する貴金属が形成されたか、または当該島状の結晶の下部(拡散層の下部)に酸化皮膜が形成されたことが原因で接触抵抗が高くなることが分かった。具体的には、硫酸水溶液に浸漬する前の接触抵抗が13.5mΩ・cm2以上、および硫酸水溶液に浸漬した後の接触抵抗が25.3mΩ・cm2以上と高くなることが分かった。 On the other hand, since any of the pressure conditions, the heat treatment temperature, and the heat treatment time did not satisfy the requirements of the present invention for the test plates 10, 14 to 16, 20, the passive film on the Ti substrate could not be removed, or noble metal It was found that the contact resistance was increased due to the formation of a noble metal that formed an island-shaped crystal containing or an oxide film formed under the island-shaped crystal (under the diffusion layer). It was. Specifically, it was found that the contact resistance before being immersed in the sulfuric acid aqueous solution was 13.5 mΩ · cm 2 or more and the contact resistance after being immersed in the sulfuric acid aqueous solution was 25.3 mΩ · cm 2 or more.
<実施例C>
JIS H 4600に規定される1種の純TiでなるTi基板(幅2cm×5cm、厚さ0.2mm)を8枚用意し、アセトン中で超音波洗浄した後、AuまたはPtをそれぞれ20ppm含有するように調整した酸溶液(0.02%フッ酸、0.2%硝酸)に20分間浸漬して、置換めっきによりそれぞれのTi基板の表面上にAuまたはPtからなる粒子を島状に析出(付着)させた(試験板21〜28)。
そして、このうち試験板22、26を、下記表3に示すように、大気圧条件下(酸素分圧2.13×104Pa)、500℃の熱処理温度、1分間の熱処理時間の熱処理を行った。
また、試験板23、24、27、28を真空熱処理炉に入れて0.00133Pa(1×10-5Torr)まで真空排気した後、500℃まで加熱し、乾燥空気を導入して炉内の酸素分圧を下記表3に示すように、0.133Pa(1×10-3Torr)、0.00133Pa(1×10-5Torr)のいずれかとなるように調整し、かかる酸素分圧下、500℃の熱処理温度30分間の熱処理時間の熱処理を行った。
なお、比較対照として、試験板21、25については、下記表3に示す熱処理条件の熱処理を行わなかった。
<Example C>
Eight Ti substrates (
Of these, as shown in Table 3 below, the test plates 22 and 26 were subjected to heat treatment under atmospheric pressure conditions (oxygen partial pressure 2.13 × 10 4 Pa), a heat treatment temperature of 500 ° C., and a heat treatment time of 1 minute. went.
Moreover, after putting the test plates 23, 24, 27, and 28 into a vacuum heat treatment furnace and evacuating them to 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr), they are heated to 500 ° C., and dry air is introduced into the furnace. As shown in Table 3 below, the oxygen partial pressure is adjusted to be either 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr) or 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr). Heat treatment was performed at a heat treatment temperature of 30 ° C. for 30 minutes.
For comparison, the test plates 21 and 25 were not subjected to heat treatment under the heat treatment conditions shown in Table 3 below.
そして、このようにして処理した試験板21〜28の接触抵抗(mΩ・cm2)を、<実施例A>および<実施例B>に記載した条件と同じ条件で測定して算出した。
また、試験板21〜28を、水と、0.3MPa(3atm)の水素と、が入った密閉容器の気相部に入れ、これを120℃で加熱することにより、湿度約100%に加湿した純水素(純度99.99%)雰囲気中(以下、単に「加湿した純水素雰囲気中」という。)で500時間暴露した後、不活性ガス(Ar)気流中で、黒鉛るつぼ中に入れた試料をすずと共に黒鉛抵抗加熱方式によって加熱融解することで水素を他のガスと共に抽出し、抽出したガスを分離カラムに通して水素を他のガスと分離し、分離した水素を熱伝導度検出器に搬送して水素による熱伝導度の変化を測定する(不活性ガス溶融−ガスクロマトグラフ法)ことにより、試験板21〜28中の水素濃度(ppm)を測定した。
接触抵抗および試験板21〜28中の水素濃度(表3において、「試験板中の水素濃度」と示す。)を、前記した熱処理条件等とともに下記表3に示す。なお、接触抵抗は12mΩ・cm2以下を合格とし、Ti基板中の水素濃度は70ppm以下を合格とした。
The contact resistances (mΩ · cm 2 ) of the test plates 21 to 28 thus treated were measured and calculated under the same conditions as those described in <Example A> and <Example B>.
Further, the test plates 21 to 28 are put in a gas phase part of a sealed container containing water and 0.3 MPa (3 atm) of hydrogen, and heated at 120 ° C. to humidify to about 100% humidity. After being exposed for 500 hours in a pure hydrogen (purity 99.99%) atmosphere (hereinafter, simply referred to as “humidified pure hydrogen atmosphere”), and then placed in a graphite crucible in an inert gas (Ar) stream. The sample is heated and melted together with tin by the graphite resistance heating method to extract hydrogen together with other gases, the extracted gas is passed through a separation column to separate hydrogen from other gases, and the separated hydrogen is detected as a thermal conductivity detector. The hydrogen concentration (ppm) in the test plates 21 to 28 was measured by measuring the change in thermal conductivity caused by hydrogen (inert gas melting-gas chromatograph method).
The contact resistance and the hydrogen concentration in the test plates 21 to 28 (shown as “hydrogen concentration in the test plate” in Table 3) are shown in Table 3 below together with the heat treatment conditions described above. Note that the contact resistance was 12 mΩ · cm 2 or less, and the hydrogen concentration in the Ti substrate was 70 ppm or less.
ここで、JIS H 4600に規定される1種の純Ti材に含まれている水素の濃度は、通常およそ20〜40ppmである。
表3に示すように、表3に示す熱処理条件で熱処理を行わなかった試験板21、25は、接触抵抗およびTi基板中の水素濃度がいずれも高い値となり、良好な結果を得ることができなかった。
これに対し、表3に示すように、2.13×104Pa、0.133Pa、または0.00133Paの酸素分圧で熱処理を行った試験板22〜24、26〜28は、いずれも接触抵抗およびTi基板中の水素濃度の値が低く、良好な結果を得ることができた。
Here, the concentration of hydrogen contained in one kind of pure Ti material specified in JIS H 4600 is usually about 20 to 40 ppm.
As shown in Table 3, the test plates 21 and 25 that were not heat-treated under the heat treatment conditions shown in Table 3 have high values of contact resistance and hydrogen concentration in the Ti substrate, and good results can be obtained. There wasn't.
On the other hand, as shown in Table 3, the test plates 22 to 24 and 26 to 28 subjected to heat treatment at an oxygen partial pressure of 2.13 × 10 4 Pa, 0.133 Pa, or 0.00133 Pa are all in contact. The resistance and the hydrogen concentration in the Ti substrate were low, and good results could be obtained.
<実施例C>の結果から、試験板22〜24、26〜28は、熱処理によって接触抵抗を低くすることができたこと、および、加湿した純水素雰囲気中に500時間暴露した場合であっても、水素を吸収しないことが確認された。 From the results of <Example C>, the test plates 22 to 24 and 26 to 28 were able to reduce the contact resistance by heat treatment and were exposed to a humidified pure hydrogen atmosphere for 500 hours. It was also confirmed that hydrogen was not absorbed.
<実施例D>
次に、<実施例D>では、前記した試験板9のTi基板を用いて作製したセパレータを使用した場合における発電試験を行った。
まず、縦幅95.2mm×横幅95.2mm×厚さ19mmのサイズのTi基板を2枚用意し、その表面の中央部に機械加工によって溝幅0.6mm、溝深さ0.5mmのガス流路を図4に示す形状に作製した。そして、ガス流路を形成したTi基板の面上に、<実施例A>と同様の方法・条件で塩化パラジウムの塗布と、熱処理とを行ってセパレータを作製した。
<Example D>
Next, in <Example D>, a power generation test was performed in the case of using a separator manufactured using the Ti substrate of the test plate 9 described above.
First, two Ti substrates each having a length of 95.2 mm × width of 95.2 mm × thickness of 19 mm are prepared, and a gas having a groove width of 0.6 mm and a groove depth of 0.5 mm is machined at the center of the surface. The flow path was produced in the shape shown in FIG. Then, on the surface of the Ti substrate on which the gas flow path was formed, palladium chloride was applied and heat-treated under the same method and conditions as in <Example A> to produce a separator.
そして、作製した2枚のセパレータを固体高分子型の燃料電池(Electrochem社製、燃料電池セルEFC−05−01SP)に、以下のようにして組み込んで発電試験を行った。
まず、図5に示すように、作製した2枚のセパレータを、ガス流路が形成された面を対面させて配置し、ガス流路が形成されたそれぞれの面にカーボンクロスを配置し、これらのカーボンクロスの間に固体高分子膜を挟んで発電試験用の燃料電池を作製した。
Then, the produced separator was incorporated into a solid polymer fuel cell (manufactured by Electrochem, fuel cell EFC-05-01SP) as follows, and a power generation test was performed.
First, as shown in FIG. 5, the two separators prepared were placed with the surfaces on which the gas flow paths were formed facing each other, and the carbon cloth was placed on each surface on which the gas flow paths were formed. A fuel cell for power generation test was fabricated by sandwiching a solid polymer film between the carbon cloths.
前記のようにして作製した燃料電池のアノード極側に導入する燃料ガスとして純度99.999%の水素ガスを用い、カソード極側に導入するガスとして空気を用いた。
燃料電池は全体を80℃に加熱保温して、水素ガスおよび空気を、加温された水中を通すことにより露点温度を80℃に調整して、2気圧の圧力で前記の燃料電池に導入した。
Hydrogen gas having a purity of 99.999% was used as the fuel gas introduced into the anode electrode side of the fuel cell produced as described above, and air was used as the gas introduced into the cathode electrode side.
The entire fuel cell was heated and maintained at 80 ° C., and hydrogen gas and air were passed through heated water to adjust the dew point temperature to 80 ° C. and introduced into the fuel cell at a pressure of 2 atm. .
そして、セル性能測定用システム(スクリブナ社製890CL)を用いて、セパレータに流れる電流を300mA/cm2とし100時間発電させて電圧の変化を測定した。
その結果、試験板9のTi基板のセパレータの発電初期の電圧および100時間発電させた後の電圧は、ともに0.61Vであり、電圧の変化は認められなかった。
Then, using a cell performance measurement system (890CL manufactured by Scribner), the current flowing through the separator was set to 300 mA / cm 2 and power was generated for 100 hours to measure the change in voltage.
As a result, the initial voltage of the separator of the Ti substrate of the test plate 9 and the voltage after 100 hours of power generation were both 0.61 V, and no voltage change was observed.
また、比較対象として、試験板9のTi基板のセパレータに換えて、従来から用いられているグラファイトセパレータ(Electrochem社製、FC−05−MP)を配置して燃料電池を作製し、前記と同じ条件で発電試験を行った。
その結果、発電初期の電圧および100時間発電させた後の電圧は、ともに0.61Vであり、試験板9のTi基板のセパレータと全く同様の結果となった。
In addition, as a comparison object, instead of the Ti substrate separator of the test plate 9, a conventionally used graphite separator (manufactured by Electrochem, FC-05-MP) is arranged to produce a fuel cell, which is the same as described above. A power generation test was conducted under the conditions.
As a result, the voltage at the initial stage of power generation and the voltage after power generation for 100 hours were both 0.61 V, and the result was exactly the same as that of the Ti substrate separator of the test plate 9.
以上の結果から、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造されたTiまたはTi合金製の基板は、金属製のセパレータであっても、グラファイトセパレータと同等の性能を示すことが分かった。 From the above results, it was found that the substrate made of Ti or Ti alloy produced by the method for producing a fuel cell separator of the present invention exhibits the same performance as a graphite separator even if it is a metallic separator.
以上、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池について最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。 The fuel cell separator manufacturing method, the fuel cell separator and the fuel cell according to the present invention have been described in detail with reference to the preferred embodiments and examples. However, the gist of the present invention is limited to the contents described above. The scope of rights should be broadly interpreted based on the claims. Needless to say, the contents of the present invention can be widely modified and changed based on the above description.
S1 形成工程
S2 付着工程
S3 熱処理工程
1 燃料電池用セパレータ
2 基板
3 島状の結晶
4 酸化被膜
5 拡散層
10 単セル
11 ガス流路
12 ガス拡散層
13 固体高分子膜
20 燃料電池
S1 formation process S2 adhesion process S3
Claims (11)
Ru,Rh,Pd,Os,Ir,PtおよびAuから選択される少なくとも1種以上の貴金属のイオンを含有する酸溶液に、前記凹部を形成した基板を浸漬して、前記基板の表面に前記貴金属の粒子を析出させて付着させる付着工程と、
前記粒子が付着した基板を熱処理することで前記基板の表面に、前記貴金属を含んでなる島状の結晶を形成する熱処理工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming step for forming a recess for forming a gas flow path through which gas flows in at least part of the surface of the substrate as a fuel cell separator made of Ti or Ti alloy;
The substrate having the recesses is dipped in an acid solution containing ions of at least one or more kinds of noble metals selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and Au, and the noble metal is immersed on the surface of the substrate. An adhesion step of depositing and adhering particles of
A heat treatment step of forming an island-like crystal containing the noble metal on the surface of the substrate by heat-treating the substrate to which the particles are attached;
The manufacturing method of the separator for fuel cells characterized by including these.
前記島状の結晶と前記基板の間に、前記貴金属の元素と前記基板のTiとが相互に拡散した拡散層を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, on the surface of a substrate as a separator for a fuel cell made of Ti or Ti alloy in which a recess for forming a gas flow path for allowing gas to flow through at least a part of the surface is formed. Having an island-shaped crystal containing at least one or more kinds of noble metals selected from Pt and Au, and
A fuel cell separator comprising a diffusion layer in which the element of the noble metal and Ti of the substrate are diffused between the island-shaped crystals and the substrate.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2469634A4 (en) * | 2009-08-21 | 2014-12-03 | Hyundai Hysco | METAL SEPARATOR PLATE FOR A FUEL CELL HAVING A COATING FILM FORMED ON THE SURFACE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
| EP3139431A4 (en) * | 2014-06-16 | 2017-12-13 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Titanium material for separator of polymer electrolyte fuel cell, separator comprising same, and polymer electrolyte fuel cell equipped therewith |
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2007
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