JP2018159116A - Fuel cell separator and method for manufacturing the same - Google Patents
Fuel cell separator and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018159116A JP2018159116A JP2017057668A JP2017057668A JP2018159116A JP 2018159116 A JP2018159116 A JP 2018159116A JP 2017057668 A JP2017057668 A JP 2017057668A JP 2017057668 A JP2017057668 A JP 2017057668A JP 2018159116 A JP2018159116 A JP 2018159116A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- relaxation layer
- fuel cell
- carbon film
- sodium
- base material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Electroplating And Plating Baths Therefor (AREA)
- Electroplating Methods And Accessories (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】密着性及び導電性にすぐれた炭素皮膜を備えた燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】基材25の少なくとも一表面に、有機添加剤を含む水溶液を用いて電解析出により緩和層29を形成する工程と、前記緩和層29を形成した基材25を水素雰囲気下で熱処理する工程と、前記緩和層29の表面を電解析出により炭素皮膜30で被覆する工程とを備え、前記緩和層29を形成する工程は、前記有機添加剤が、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、アミン塩、第4級アンモニウム塩、ベタイン型化合物の群より選ばれる1種以上の基本構造を有し、炭化水素分子鎖が単鎖で結合した炭素数が25以下の有機化合物を用い、添加量が0.1〜15g/Lであり、厚さが0.1μm以上5μm以下の緩和層29を形成し、炭素皮膜30で被覆する工程は、厚さが0.1μm以上10μm以下の前記炭素皮膜30で被覆する。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell separator provided with a carbon film having excellent adhesion and conductivity, and a method for producing the same. SOLUTION: A step of forming a relaxation layer 29 on at least one surface of a base material 25 by electrolytic deposition using an aqueous solution containing an organic additive, and the base material 25 on which the relaxation layer 29 is formed under a hydrogen atmosphere. The heat treatment step and the step of coating the surface of the relaxation layer 29 with the carbon film 30 by electrolytic deposition are performed. In the step of forming the relaxation layer 29, the organic additive is a carboxylate salt or a sulfonate salt. An organic compound having a basic structure of at least one selected from the group consisting of a sulfate ester salt, an amine salt, a quaternary ammonium salt, and a betaine-type compound, and having 25 or less carbon atoms with a single hydrocarbon molecular chain bonded In the step of forming a relaxation layer 29 having a thickness of 0.1 μm or more and 5 μm or less and coating with a carbon film 30, the thickness is 0.1 μm or more and 10 μm or more. The following carbon coating 30 is used for coating. [Selection diagram] Figure 2
Description
本発明は、燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method for producing the same.
燃料電池は、水素と酸素を反応させ、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、電解質と、2つの電極と、2つのセパレータとを備え、電解質の両側に電極を配置し、さらに電極の両側にセパレータを配置した構成をセルと呼ぶ。電解質の種類に応じた複数種の燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池(PEFC又はPEMFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)は、他に比べて低い発電温度(常温〜約100℃)で発電できるので、注目されている。 A fuel cell reacts hydrogen and oxygen to convert chemical reaction energy into electrical energy. A fuel cell includes an electrolyte, two electrodes, and two separators. A configuration in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte and separators are arranged on both sides of the electrodes is called a cell. Among a plurality of types of fuel cells depending on the type of electrolyte, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC or PEMFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) has a lower power generation temperature (from room temperature to about 100). Because it can generate electricity at ℃), it is attracting attention.
PEFCは、膜−電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)を、セパレータによって挟み込んだ基本構造を有し、セパレータ間に起電力を生じさせる。通常、PEFCは上記基本構造の燃料電池セルを直列に複数(数百個)接続して使用される。 The PEFC has a basic structure in which a membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators, and generates an electromotive force between the separators. Usually, PEFC is used by connecting a plurality (hundreds) of fuel cells of the above basic structure in series.
セパレータは、燃料電池セル同士を仕切る他に、水素と酸素をガス拡散層の全面に渡って流す、発生した電流を隣の燃料電池セルへ流すなどの役割がある。したがってセパレータは、導電性、耐食性(酸、湿度等)、ガス遮断性、機械特性などの特性が要求される。 In addition to partitioning the fuel cells, the separator plays a role of flowing hydrogen and oxygen over the entire surface of the gas diffusion layer and flowing the generated current to the adjacent fuel cells. Therefore, the separator is required to have properties such as conductivity, corrosion resistance (acid, humidity, etc.), gas barrier properties, and mechanical properties.
セパレータには、電子伝導性が良好であること、両極の酸素と水素の分離性が良好であること、MEAとの接触抵抗が低いこと、さらに、燃料電池内の環境での耐久性が良好であることなどが求められる。MEAのガス拡散層(Gas Diffusion Layer、GDL)は、一般に、炭素繊維を集積したカーボンペーパで構成されているので、セパレータには、対カーボン接触導電性が良好であることが求められる。 The separator has good electronic conductivity, good separation between oxygen and hydrogen at both electrodes, low contact resistance with MEA, and good durability in the environment inside the fuel cell. Something is required. A gas diffusion layer (Gas Diffusion Layer, GDL) of MEA is generally composed of carbon paper in which carbon fibers are integrated. Therefore, the separator is required to have good conductivity with respect to carbon.
セパレータには、カーボンセパレータと金属セパレータがあり、カーボンセパレータが主流である。金属セパレータは、脆性であるカーボンセパレータに比べ強度と延性が高く、加工性に優れる。したがって金属セパレータは、プレス加工で、金属セパレータ用の材料に割れを生じることなくガス流路(突起部と溝部)を成形できるので、量産可能である。 The separator includes a carbon separator and a metal separator, and the carbon separator is the mainstream. A metal separator has higher strength and ductility than a brittle carbon separator, and is excellent in workability. Therefore, the metal separator can be mass-produced because the gas flow path (protrusions and grooves) can be formed by press working without cracking the material for the metal separator.
また、金属セパレータは、カーボンセパレータに比べ、強度と延性が高く加工性に優れるので、薄型化が可能である。したがって金属セパレータは、燃料電池をコンパクト化できるので、燃料電池の量産化と普及には、対カーボン接触導電性の良好な金属セパレータの実用化が必須である。 In addition, since the metal separator has higher strength and ductility than the carbon separator and is excellent in workability, it can be thinned. Therefore, since the metal separator can make the fuel cell compact, the practical use of a metal separator having good conductivity with respect to carbon is indispensable for mass production and spread of the fuel cell.
金属セパレータ用の材料として、ステンレス鋼やチタンが知られているが、そのままでは、対カーボン接触抵抗が大きいので、これを小さくするための技術が数多く提案されている(例えば、特許文献1参照)。金属セパレータとしては、AuやPtなどの貴金属を用いたもの、上記貴金属を表面にめっきしたもの、上記貴金属を使用しないもの、などがある。 As a material for the metal separator, stainless steel and titanium are known. However, since the contact resistance against carbon is large as it is, many techniques for reducing this have been proposed (for example, see Patent Document 1). . Examples of the metal separator include those using a noble metal such as Au and Pt, those plated with the noble metal on the surface, and those not using the noble metal.
貴金属を使用しない金属セパレータとして、図3に示すように、チタン合金箔101と、チタン合金箔101の表面に形成された不導体皮膜102と、不導体皮膜102表面に形成された樹脂層103とを備える金属セパレータ100が開示されている(例えば、特許文献2)。上記特許文献2では、チタン合金箔101の表面を所定の条件で処理することにより、不導体皮膜102中にTiOを生成させ導電性皮膜を形成している。さらに樹脂層103は、Agなどの導電性粒子を含んでおり、耐食性を向上している。
As shown in FIG. 3, as a metal separator that does not use a noble metal, a
また貴金属を使用しない金属セパレータとして、図4に示すように、チタン製基材106と、チタン製基材106の表面に形成された炭素固溶層107と、炭素固溶層107の表面に形成された炭素層108とを備える金属セパレータ105が開示されている(例えば、特許文献3)。上記特許文献3には、チタン製基材106の表面にプラズマ浸炭法により炭素元素を固溶させて炭素固溶層107を形成し、その炭素固溶層107表面にプラズマCVD法を用いて炭素層108を成膜することにより、密着性を向上させる構造が開示されている。
Further, as a metal separator not using a noble metal, as shown in FIG. 4, a
さらに図5に示すように、金属箔111表面が炭素層112で被覆され、耐食性、導電性等の機能が付与された金属構造材110が知られている。特許文献4には、金属箔111の表面に、溶融塩を用いた電気化学プロセスによって炭素層112を形成することができること、常圧、低電圧、簡便で、かつ、安価な製造装置、原理的に水素を含まない炭素層112を得ることができること、その結果、高い導電性と、密着性が得られること、が開示されている。
Further, as shown in FIG. 5, a
しかしながら上記特許文献2の場合、TiOの生成は表面成分にチタン成分が存在する場合に限られたものであるとともに、腐食環境下でセパレータの耐久性を保持するには、このようなチタン合金表面と親和性の高い樹脂(結合剤)を用いる必要があり、密着性と耐食性の観点から金属と樹脂の間にプライマー処理と接着層が必要となり、その結果電気抵抗が高くなってしまう、という問題がある。 However, in the case of the above-mentioned Patent Document 2, the generation of TiO is limited to the case where a titanium component is present in the surface component, and in order to maintain the durability of the separator in a corrosive environment, the surface of such a titanium alloy is used. It is necessary to use a resin (binder) that has high affinity with the resin, and from the viewpoint of adhesion and corrosion resistance, a primer treatment and an adhesive layer are required between the metal and the resin, resulting in a high electrical resistance. There is.
上記特許文献3の場合、CVDやPVDのような気相成長法は、いずれも大型のチャンバー内の条件制御が複雑であるとともにバッチ式生産であるため量産化に不向きであるといった課題がある。また、原料は基本的に炭化水素を用いるため、水素を含んだ炭素質皮膜が得られやすく、膜の密着性が低下する課題もある。 In the case of Patent Document 3, the vapor phase growth method such as CVD or PVD has a problem that the condition control in a large chamber is complicated and batch production is unsuitable for mass production. Moreover, since the raw material basically uses hydrocarbons, it is easy to obtain a carbonaceous film containing hydrogen, and there is a problem that the adhesion of the film is lowered.
また本発明者らは上記特許文献4に記載の溶融塩を用いた電気化学プロセスによる炭素皮膜を形成する追試実験を行ったところ、電気抵抗は低下し導電性が向上するものの、冷熱変化が繰り返される環境下では良好な密着性が得られなくなり、導電性を保持する耐久性が担保できない、という問題が生じることがわかった。この原因は、金属箔と炭素皮膜の熱膨張差が影響することによるものと考えられるため、金属箔と炭素皮膜との熱膨張差を緩和し、密着性の低下を抑制することが重要である。 In addition, the present inventors conducted a follow-up experiment for forming a carbon film by an electrochemical process using the molten salt described in Patent Document 4 described above, and although the electrical resistance was lowered and the conductivity was improved, the change in cooling and heating was repeated. It has been found that good adhesion cannot be obtained in an environment, and the durability to maintain conductivity cannot be secured. The cause of this is thought to be due to the effect of the difference in thermal expansion between the metal foil and the carbon film. Therefore, it is important to reduce the difference in thermal expansion between the metal foil and the carbon film and suppress the decrease in adhesion. .
そのため、本発明者らは、金属箔の熱膨張と炭素皮膜の熱膨張の間の範囲となる導電性の金属層を形成することにより、金属箔と炭素皮膜の熱膨張差を緩和する方法を考え付いた。 Therefore, the present inventors have developed a method of reducing the difference in thermal expansion between the metal foil and the carbon film by forming a conductive metal layer that is in the range between the thermal expansion of the metal foil and the carbon film. I thought.
しかしながら、緩和層を形成する工程の後、炭素皮膜で被覆した場合、炭素皮膜にヤケが生じ密着性が低下することが明らかとなった。この原因は、水溶液を用いて緩和層となるめっき処理を施す場合、安定した皮膜を得るために一般的に種々の有機添加剤を用いており、これら有機添加剤はめっき膜中に取り込まれる事が知られている。これら皮膜中の有機添加剤が、高温溶融塩を用いる電気化学プロセスにより炭素皮膜で被覆する過程でヤケとなっていることが問題の原因であることがわかった。 However, after the step of forming the relaxation layer, when it was covered with a carbon film, it became clear that the carbon film was burned and the adhesion decreased. The reason for this is that when an aqueous solution is used for plating to form a relaxation layer, various organic additives are generally used to obtain a stable film, and these organic additives are incorporated into the plating film. It has been known. It was found that the organic additives in these films were burned during the process of coating with a carbon film by an electrochemical process using a high-temperature molten salt.
本発明者らは、鋭意工夫の結果、緩和層形成後に緩和層内に残存している有機添加剤を、水素雰囲気中で熱処理することにより除去することを発想し、さらに、効率良く除去するための緩和層形成方法とその構造を見出した。 As a result of diligent efforts, the inventors of the present invention have conceived that the organic additive remaining in the relaxation layer after the formation of the relaxation layer is removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere, and more efficiently removed. The relaxation layer forming method and its structure were found.
本発明は、密着性及び導電性にすぐれた炭素皮膜を備えた燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the separator for fuel cells provided with the carbon membrane excellent in adhesiveness and electroconductivity, and its manufacturing method.
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、基材の少なくとも一表面に、有機添加剤を含む水溶液を用いて電解析出により緩和層を形成する工程と、前記緩和層を形成した基材を水素雰囲気下で熱処理する工程と、前記緩和層の表面を電解析出により炭素皮膜で被覆する工程とを備え、前記緩和層を形成する工程は、前記有機添加剤が、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、アミン塩、第4級アンモニウム塩、ベタイン型化合物の群より選ばれる1種以上の基本構造を有し、炭化水素分子鎖が単鎖で結合した炭素数が25以下の有機化合物を用い、添加量が0.1〜15g/Lであり、厚さが0.1μm以上5μm以下の前記緩和層を形成し、前記炭素皮膜で被覆する工程は、厚さが0.1μm以上10μm以下の前記炭素皮膜で被覆する。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a relaxation layer on at least one surface of a substrate by electrolytic deposition using an aqueous solution containing an organic additive, and a substrate on which the relaxation layer is formed. And a step of coating the surface of the relaxation layer with a carbon film by electrolytic deposition, wherein the step of forming the relaxation layer includes the step of forming the relaxation layer with the organic additive being a carboxylate salt or sulfone salt. Having at least one basic structure selected from the group consisting of acid salts, sulfuric acid ester salts, amine salts, quaternary ammonium salts, and betaine type compounds, and having 25 or less carbon atoms in which hydrocarbon molecular chains are bonded in a single chain The step of forming the relaxation layer having an addition amount of 0.1 to 15 g / L using an organic compound and having a thickness of 0.1 μm to 5 μm and covering with the carbon film has a thickness of 0.1 μm. The carbon film of 10 μm or less To cover.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、基材と、前記基材の一表面上の緩和層と、前記緩和層表面を被覆した炭素皮膜とを備える燃料電池用セパレータであって、前記緩和層の厚さが0.1μm以上5μm以下、前記炭素皮膜の厚さが0.1μm以上10μm以下であり、テープ試験による前記炭素皮膜の剥離がなく、表面の接触抵抗が20mΩ・cm2以下である。 A fuel cell separator according to the present invention is a fuel cell separator comprising a base material, a relaxation layer on one surface of the base material, and a carbon film covering the surface of the relaxation layer. The thickness is 0.1 μm or more and 5 μm or less, the thickness of the carbon film is 0.1 μm or more and 10 μm or less, the carbon film is not peeled by a tape test, and the contact resistance of the surface is 20 mΩ · cm 2 or less.
本発明によれば、炭素皮膜にヤケ等の欠陥が生じないので、緩和層と炭素皮膜の密着性及び導電性にすぐれた炭素皮膜を備えた燃料電池用セパレータを得ることができる。 According to the present invention, since defects such as burns do not occur in the carbon film, it is possible to obtain a fuel cell separator provided with a carbon film having excellent adhesion and conductivity between the relaxing layer and the carbon film.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(全体構成)
燃料電池は、図1に示すように、電解質12と、2つの電極11,13と、2つの燃料電池用セパレータ(以下、「セパレータ」という)22,24とを有する燃料電池セル10を複数備え、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する。電極11,13は、それぞれ触媒層14,16とガス拡散層18,20とを有する。燃料電池セル10は、電解質12の両側に電極11,13を配置し、さらに電極11,13の両側にセパレータ22,24を配置した構成を有する。
(overall structure)
As shown in FIG. 1, the fuel cell includes a plurality of
セパレータ22,24は、図2Aに示すように、板状の基材25と、基材25の少なくとも一表面、本図の場合、両面に形成された緩和層29と、緩和層29を覆う炭素皮膜30とを備える。セパレータ22,24は、図2Bに示すように、炭素皮膜30の表面に、ガス流路26,28を有する流路層32を有することとしてもよい。流路層32は、加工が容易な導電性樹脂に形成することとしてもよい。
As shown in FIG. 2A, the
基材25は、炭素皮膜30で被覆する際の溶融塩熱処理に対する耐性、及び耐水素性を有する。さらに基材25は、導電性に優れていることが好ましい。基材25は、例えば、Al、Ag、Au、Be、Ca、Cd、Co、Cu、Fe、In、Ir、Li、Mg、Mo、Na、Ni、Os、Pd、Pt、Rh、Ru、Sn、W、Zn、又はこれらの合金の中から選択することができる。また、基材25は、炭素皮膜30の熱膨張係数(約4×10−6/K)との兼ね合いから、Al、Ag、Au、Be、Ca、Co、Cu、Fe、In、Ir、Mg、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rh、Ru、Sn、W、又はこれらの合金が、より好適である。基材25は、入手の容易さから、Al、Ag、Au、Co、Cu、Fe、In、Ir、Mg、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rh、Ru、Sn、W、又はこれらの合金がさらに好ましい。基材25は、Al、Cu、Fe、Mg、Ni、Sn、又はこれらの合金のいずれかが最も好ましい。基材25の表面粗さの最大高さRmaxは、5μm未満が好ましい。基材25の表面粗さの最大高さRmaxが5μm以上の場合、緩和層29の未被覆部が生じやすくなる。基材25の表面粗さの最大高さRmaxは、レーザー顕微鏡により測定した値とする。
The
緩和層29は、基材25と炭素皮膜30の熱膨張差による基材25と炭素皮膜30の密着性の低下を抑制する役割を有する。緩和層29は、Ag、Au、Cu、Fe、In、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru、Snの中から選択することができる。緩和層29は、密着性の低下をより確実に抑制する上で、Ag、Au、Cu、Fe、Ni、Pd、Pt、Rh、Ruのいずれかであるのが好ましい。緩和層29は、耐水素性の観点から、Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Rh、Ruのいずれかであるのがより好ましい。緩和層29は、入手の容易さの観点から、Cu又はNiであるのが最も好ましい。
The
緩和層29の厚さは、0.1μm以上5μm以下である。緩和層29は、厚さが0.1μm未満であれば、熱膨張緩和の効果を得ることはできないが、厚さが0.1μm以上であれば、基材25と炭素皮膜30の熱膨張差を緩和することができる。緩和層29は、厚さが5μm以下の場合、熱膨張緩和の効果を得つつ、後の水素熱処理によって膜内に残存する有機添加剤が除去可能である。厚さが5μm超の場合、熱処理を行っても緩和層29内に有機化合物が残存し、炭素皮膜30で被覆する際の溶融塩熱処理において、高い確率でヤケが生じる。ここでヤケとは、皮膜が黒ずんでしまう現象をいう。緩和層の厚さは、層形成後の基材を樹脂に埋め込んだ後、基材表面に対し垂直方向に研磨した試料を用いて、走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で5000倍の3視野を観察し、各視野画像において任意の3箇所をそれぞれ測定し、合計9箇所の厚みを平均した値とする。
The thickness of the
緩和層29の表面粗さの最大高さRmaxは、0.1μm以上10μm以下であるのが好ましい。緩和層29は、上記範囲の表面粗さを有することにより、炭素皮膜30との密着性を向上することができる。緩和層29の表面粗さの最大高さRmaxは、レーザー顕微鏡により測定した値とする。
The maximum height Rmax of the surface roughness of the
緩和層29は、基材25に対する被覆率が55%以上であるのが好ましく、100%であるのが最も好ましい。被覆率は、緩和層29を形成した後の基材25を(希塩酸などの)酸性水溶液中に5分以上浸漬し洗浄した後、光学顕微鏡や走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で観察し、1cm角の画像データを取り込み2値化した画像に基づいて算出した、基材25の表面積に対する変色した箇所を未被覆部の表面積とした面積比とする。1個の基材25に対し任意の3か所において算出した値の平均値を、当該基材25の被覆率とする。
The
緩和層29は、結晶粒径が30nm以上であるのが好ましい。有機化合物は結晶粒の間(粒界)に残存していると推定される。このため、結晶粒径が大きいほど粒界が少なくなり、ガスのアクセス・脱離が容易になるため有機化合物を除去しやすくなる。緩和層29の結晶粒径は、厚さの上限と同様、5μm以下である。
The
炭素皮膜30は、緩和層29に対する被覆率が100%であるのが、良好な耐食性を得る上で必要である。炭素皮膜30の厚さは、0.1μm以上10μm以下である。炭素皮膜30は、厚さが0.1μm未満の場合、緩和層29に対する被覆率100%を達成できない場合がある。炭素皮膜は、厚さが10μm超の場合、表面の凹凸が大きくなり、セパレータ22,24として不適切である。炭素皮膜の厚さは、被覆後の基材を樹脂に埋め込んだ後、基材表面に対し垂直方向に研磨した試料を用いて、SEMで5000倍の3視野を観察し、各視野画像において任意の3箇所をそれぞれ測定し、合計9箇所の厚みを平均した値とする。
The
基材25上に緩和層29を電解めっきにより形成する際、安定しためっき皮膜を得るため、めっき浴に有機化合物を含む有機添加剤を添加する必要がある。有機添加剤に含まれる有機化合物の一部は、緩和層29に残存する。緩和層29に残存した有機化合物は、高温溶融塩電解中で炭素皮膜30を被覆する際、炭素皮膜30にヤケ等の欠陥を生じさせる。このような欠陥は、セパレータ22,24において、基材25と炭素皮膜30の密着性低下や、表面の接触抵抗の増大の原因となる。
When the
本実施形態のセパレータ22,24は、有機化合物の含有量が、1.0mg/cm2以下であることにより、炭素皮膜30にヤケ等の欠陥が生じず、緩和層29と炭素皮膜30の密着性を向上することができる。有機化合物の含有量は、昇温脱離ガス質量分析法により、セパレータ22,24を大気雰囲気で室温から1000℃まで加熱し、その際に脱離する炭素量(分子に換算)を単位面積(1cm2)あたりで算出した値とする。
In the
本実施形態のセパレータ22,24は、ヤケ等の欠陥がないので、表面の接触抵抗を20mΩ・cm2以下に低減することができる。接触抵抗は、セパレータ22,24上にガス拡散層を構成するカーボンペーパを重ね、Auめっきされた銅板で両側から挟み、4端子法により、面圧10kg/cm2の荷重を加えながら1Aの電流を印加して測定した電圧から求めた値とする。
Since the
(製造方法)
次にセパレータ22,24の製造方法を説明する。セパレータ22,24は、基材25の表面に緩和層29を形成する工程と、緩和層29を形成した基材25を水素雰囲気下で熱処理する工程と、緩和層29の表面を炭素皮膜30で被覆する工程とにより、製造することができる。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
まず、基材25の表面に緩和層29を形成する工程について説明する。緩和層29は、電解析出により形成することができる。電解析出に用いるめっき浴は、有機添加剤を含む水溶液を用いる。
First, the process of forming the
有機添加剤は、基板表面(めっき面)の濡れ性向上や基板表面で発生する水素ガスの脱離性向上による無めっき部分(ピット欠陥)の防止作用と、めっき表面に緩やかに分子が吸脱着することによりめっき反応を制御する作用とが複合的に生じることで安定しためっき層を得る効果がある。基板表面には少なからず表面粗さとなる凹凸が存在する為、上述のようなめっき反応制御により、凹部で析出反応・核生成が進み、凸部の析出抑制により、均一かつ平滑な膜が形成され、安定しためっき層が得られる。この効果が得られる分子として主に界面活性剤(カチオン性、アニオン性、両性、非イオン性などに分類)と高分子化合物(ゼラチン、ポリエチレングリコールなど)が知られているが、本実施形態においては、比較的大きい分子を用いると緩和層29中に残存しやすいため、低分子量の界面活性剤である必要がある。
Organic additives improve the wettability of the substrate surface (plated surface) and prevent the non-plated part (pit defects) by improving the detachability of hydrogen gas generated on the substrate surface, and molecules adsorb and desorb gently on the plated surface. By doing so, there is an effect of obtaining a stable plating layer by generating a composite action of controlling the plating reaction. Since the surface of the substrate has a lot of irregularities that become surface roughness, the plating reaction control as described above causes the precipitation reaction and nucleation to proceed in the recesses, and the formation of a uniform and smooth film by suppressing the precipitation of the protrusions. A stable plating layer can be obtained. As the molecules that can obtain this effect, surfactants (categorized into cationic, anionic, amphoteric, nonionic, etc.) and polymer compounds (gelatin, polyethylene glycol, etc.) are mainly known. Since a relatively large molecule tends to remain in the
すなわち有機添加剤は、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、アミン塩、第4級アンモニウム塩、ベタイン型化合物の群より選ばれる1種以上の基本構造を有し、炭化水素分子鎖が単鎖で結合した炭素数が25以下の有機化合物を用いる。有機添加剤は、1分子量あたり二重結合が5個以下であるのがより好ましい。 That is, the organic additive has at least one basic structure selected from the group consisting of carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, amine salt, quaternary ammonium salt, and betaine type compound, and the hydrocarbon molecular chain is An organic compound having a carbon number of 25 or less bonded in a single chain is used. More preferably, the organic additive has 5 or less double bonds per molecular weight.
分子量が小さい有機添加剤として具体的には、例えば、ぎ酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、プロピオン酸ナトリウム、酪酸ナトリウム、吉草酸ナトリウム、カプロン酸ナトリウム、エナント酸ナトリウム、カプリル酸ナトリウム、ペラルゴン酸ナトリウム、カプリン酸ナトリウム、ウンデカン酸ナトリウム、ラウリン酸ナトリウム、トリデカン酸ナトリウム、ミリスチン酸ナトリウム、ペンタデカン酸ナトリウム、パルミチン酸ナトリウム、マルガリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、ノナデカン酸ナトリウム、イコサン酸ナトリウム、ヘンイコサン酸ナトリウム、ドコサン酸ナトリウム、トリコサン酸ナトリウム、テトラコサン酸ナトリウム、ペンタコサン酸ナトリウム、スルホン酸ナトリウム、メタンスルホン酸ナトリウム、エタンスルホン酸ナトリウム、プロパンスルホン酸ナトリウム、ブタンスルホン酸ナトリウム、ペンタンスルホン酸ナトリウム、ヘキサンスルホン酸ナトリウム、ヘプタンスルホン酸ナトリウム、オクタンスルホン酸ナトリウム、ノナンスルホン酸ナトリウム、デカンスルホン酸ナトリウム、ウンデカンスルホン酸ナトリウム、ドデカンスルホン酸ナトリウム、トリデカンスルホン酸ナトリウム、テトラデカンスルホン酸ナトリウム、ペンタデカンスルホン酸ナトリウム、ヘキサデカンスルホン酸ナトリウム、ヘプタデカンスルホン酸ナトリウム、オクタデカンスルホン酸ナトリウム、ノナデカンスルホン酸ナトリウム、イコサンスルホン酸ナトリウム、ヘンイコサンスルホン酸ナトリウム、ドコサンスルホン酸ナトリウム、トリコサンスルホン酸ナトリウム、テトラコサンスルホン酸ナトリウム、ペンタコサンスルホン酸ナトリウム、メチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、エチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、プロピルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ブチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ペンチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヘキシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヘプチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ノニルベンゼンスルホン酸ナトリウム、デシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ウンデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、トリデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、テトラデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ペンタデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヘキサデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヘプタデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、オクタデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ノナデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、メチル硫酸ナトリウム、エチル硫酸ナトリウム、プロピル硫酸ナトリウム、ブチル硫酸ナトリウム、ペンチル硫酸ナトリウム、ヘキシル硫酸ナトリウム、ヘプチル硫酸ナトリウム、オクチル硫酸ナトリウム、ノニル硫酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、ウンデシル硫酸ナトリウム、ラウリル(ドデシル)硫酸ナトリウム、トリデシル硫酸ナトリウム、テトラデシル硫酸ナトリウム、ペンタデシル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ヘプタデシル硫酸ナトリウム、オクタデシル硫酸ナトリウム、ノナデシル硫酸ナトリウム、イコサニル硫酸ナトリウム、ヘンイコサニル硫酸ナトリウム、ドコサニル硫酸ナトリウム、トリコサニル硫酸ナトリウム、テトラコサニル硫酸ナトリウム、ペンタコサニル硫酸ナトリウム、メチルアミン塩酸塩、エチルアミン塩酸塩、プロピルアミン塩酸塩、ブチルアミン塩酸塩、ペンチルアミン塩酸塩、ヘキシルアミン塩酸塩、ヘプチルアミン塩酸塩、オクチルアミン塩酸塩、ノニルアミン塩酸塩、デシルアミン塩酸塩、ウンデシルアミン塩酸塩、ドデシルアミン塩酸塩、トリデシルアミン塩酸塩、テトラデシルアミン塩酸塩、ペンタデシルアミン塩酸塩、ヘキサデシルアミン塩酸塩、ヘプタデシルアミン塩酸塩、オクタデシルアミン塩酸塩、ノナデシルアミン塩酸塩、イコサニルアミン塩酸塩、ヘンイコサニルアミン塩酸塩、ドコサニルアミン塩酸塩、トリコサニルアミン塩酸塩、テトラコサニルアミン塩酸塩、ペンタコサニルアミン塩酸塩、ジメチルアミン塩酸塩、トリメチルアミン塩酸塩、塩化テトラメチルアンモニウム、塩化エチルトリメチルアンモニウム、塩化プロピルトリメチルアンモニウム、塩化ブチルトリメチルアンモニウム、塩化ペンチルトリメチルアンモニウム、塩化ヘキシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘプチルトリメチルアンモニウム、塩化オクチルトリメチルアンモニウム、塩化ノニルトリメチルアンモニウム、塩化デシルトリメチルアンモニウム、塩化ウンデシルトリメチルアンモニウム、塩化ドデシルトリメチルアンモニウム、塩化トリデシルトリメチルアンモニウム、塩化テトラデシルトリメチルアンモニウム、塩化ペンタデシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘプタデシルトリメチルアンモニウム、塩化オクタデシルトリメチルアンモニウム、塩化ノナデシルトリメチルアンモニウム、塩化イコシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘンイコシルトリメチルアンモニウム、塩化ドコシルトリメチルアンモニウムを用いることができる。また、上記第4級アンモニウムに、上記カルボン酸や、上記スルホン酸、上記硫酸エステルが結合し、正電荷と負電荷を同一分子内の隣り合わない位置に持つベタイン型化合物(例えば、オクタデシルアミノメチルジメチルスルホプロピルベタインなど)も用いることができる。これら有機添加剤を少なくとも1種以上混合したものを用いてもよい。なお、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩の各塩はナトリウム以外のアルカリ金属類であっても良い。なお、第4級アンモニウム塩は塩化物に限らず臭化物、水酸化物でも良い。有機添加剤の添加量は、めっき浴全体に対し、0.1〜15g/L、好ましくは0.1〜5g/Lである。 Specific examples of organic additives having a small molecular weight include sodium formate, sodium acetate, sodium propionate, sodium butyrate, sodium valerate, sodium caproate, sodium enanthate, sodium caprylate, sodium pelargonate, capric acid. Sodium, sodium undecanoate, sodium laurate, sodium tridecanoate, sodium myristate, sodium pentadecanoate, sodium palmitate, sodium margarate, sodium stearate, sodium nonadecanoate, sodium icosanoate, sodium heicosanoate, sodium docosanoate, Sodium tricosanoate, sodium tetracosanoate, sodium pentacosanoate, sodium sulfonate, sodium methanesulfonate, Sodium sulfonate, sodium propanesulfonate, sodium butanesulfonate, sodium pentanesulfonate, sodium hexanesulfonate, sodium heptanesulfonate, sodium octanesulfonate, sodium nonanesulfonate, sodium decanesulfonate, sodium undecanesulfonate, dodecane Sodium sulfonate, sodium tridecane sulfonate, sodium tetradecane sulfonate, sodium pentadecane sulfonate, sodium hexadecane sulfonate, sodium heptadecane sulfonate, sodium octadecane sulfonate, sodium nonadecane sulfonate, sodium icosane sulfonate, Henko Sodium sulfonate, sodium docosan sulfonate, tricosan sulfonate Acid sodium, sodium tetracosansulfonate, sodium pentacosansulfonate, sodium methylbenzenesulfonate, sodium ethylbenzenesulfonate, sodium propylbenzenesulfonate, sodium butylbenzenesulfonate, sodium pentylbenzenesulfonate, sodium hexylbenzenesulfonate, Sodium heptylbenzenesulfonate, sodium octylbenzenesulfonate, sodium nonylbenzenesulfonate, sodium decylbenzenesulfonate, sodium undecylbenzenesulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium tridecylbenzenesulfonate, sodium tetradecylbenzenesulfonate , Sodium pentadecylbenzenesulfonate, hexadecyl Sodium benzenesulfonate, sodium heptadecylbenzenesulfonate, sodium octadecylbenzenesulfonate, sodium nonadecylbenzenesulfonate, sodium sulfate, sodium methyl sulfate, sodium ethyl sulfate, sodium propyl sulfate, sodium butyl sulfate, sodium pentyl sulfate, hexyl sulfate Sodium, sodium heptyl sulfate, sodium octyl sulfate, sodium nonyl sulfate, sodium decyl sulfate, sodium undecyl sulfate, sodium lauryl (dodecyl) sulfate, sodium tridecyl sulfate, sodium tetradecyl sulfate, sodium pentadecyl sulfate, sodium hexadecyl sulfate, sodium heptadecyl sulfate, octadecyl Sodium sulfate, sodium nonadecyl sulfate, icosanyl sulfate Sodium, sodium heicosanyl sulfate, sodium docosanyl sulfate, sodium tricosanyl sulfate, sodium tetracosanyl sulfate, sodium pentacosanyl sulfate, methylamine hydrochloride, ethylamine hydrochloride, propylamine hydrochloride, butylamine hydrochloride, pentylamine hydrochloride, hexylamine hydrochloride, Heptylamine hydrochloride, octylamine hydrochloride, nonylamine hydrochloride, decylamine hydrochloride, undecylamine hydrochloride, dodecylamine hydrochloride, tridecylamine hydrochloride, tetradecylamine hydrochloride, pentadecylamine hydrochloride, hexadecylamine Hydrochloride, heptadecylamine hydrochloride, octadecylamine hydrochloride, nonadecylamine hydrochloride, icosanylamine hydrochloride, heicosanylamine hydrochloride, docosanylamine hydrochloride Tricosanylamine hydrochloride, tetracosanylamine hydrochloride, pentacosanylamine hydrochloride, dimethylamine hydrochloride, trimethylamine hydrochloride, tetramethylammonium chloride, ethyltrimethylammonium chloride, propyltrimethylammonium chloride, butyltrimethylammonium chloride, chloride Pentyltrimethylammonium chloride, hexyltrimethylammonium chloride, heptyltrimethylammonium chloride, octyltrimethylammonium chloride, nonyltrimethylammonium chloride, decyltrimethylammonium chloride, undecyltrimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium chloride, tridecyltrimethylammonium chloride, tetradecyltrimethyl chloride Ammonium, pentadecyltrimethylammonium chloride, Hexadecyltrimethylammonium chloride, heptadecyltrimethylammonium chloride, octadecyltrimethylammonium chloride, nonadecyltrimethylammonium chloride, icosyltrimethylammonium chloride, heicosyltrimethylammonium chloride, and docosyltrimethylammonium chloride can be used. In addition, the carboxylic acid, the sulfonic acid, and the sulfate ester are bonded to the quaternary ammonium, and a betaine type compound (for example, octadecylaminomethyl) having a positive charge and a negative charge at non-adjacent positions in the same molecule. Dimethylsulfopropyl betaine etc.) can also be used. A mixture of at least one of these organic additives may be used. In addition, each salt of carboxylate, sulfonate, and sulfate ester salt may be an alkali metal other than sodium. The quaternary ammonium salt is not limited to chloride, but may be bromide or hydroxide. The addition amount of the organic additive is 0.1 to 15 g / L, preferably 0.1 to 5 g / L with respect to the entire plating bath.
めっき浴は、さらに光沢剤(平滑剤)として、サッカリンや、ブチンジオールを添加してもよい。添加量は特に限定されないが、例えば、サッカリンの添加量は数g〜10数g/L、ブチンジオールの添加量は0.1〜0.3g/Lである。 The plating bath may further contain saccharin or butynediol as a brightener (smoothing agent). Although the addition amount is not particularly limited, for example, the addition amount of saccharin is several g to several tens g / L, and the addition amount of butynediol is 0.1 to 0.3 g / L.
Niからなる緩和層29を形成する場合のめっき浴の組成は、硫酸ニッケル:240〜300g/L、塩化ニッケル:45〜50g/L、ホウ酸:30〜80g/L、上記有機添加剤とすることができる。上記めっき浴を撹拌しながら、浴温を45℃〜90℃、電流密度を2〜8A/dm2とする条件でめっきをすることができる。ホウ酸の添加量は、40〜80g/Lとするとヤケをより確実に防ぐことができるので、好ましい。浴温は、60〜80℃であるのが好ましい。
The composition of the plating bath when forming the
Cuからなる緩和層29を形成する場合のめっき浴の組成は、硫酸銅:50〜200g/L、硫酸:50〜200g/L、塩化ナトリウム:60〜150mg/L、上記有機添加剤とすることができる。上記めっき浴を撹拌しながら、浴温を20〜50℃、電流密度を0.1〜8A/dm2とする条件でめっきをすることができる。
The composition of the plating bath when forming the
次に緩和層29を形成した基材25を水素雰囲気下で熱処理する工程について説明する。熱処理の工程は、反応容器中に供給される水素体積量が40〜3000mLであることが好ましい。例えば、雰囲気ガスとして4vol%未満のH2とArの混合ガスを500mL/分の流量で供給し、温度:120〜1000℃、時間:2分〜2.5時間とすることができる。熱処理の温度が120℃未満の場合、有機化合物が水素と反応しにくく、また上記反応により発生したH2Oを除去することが困難になる。熱処理の温度が1000℃超の場合、有機化合物と水素の反応速度は上限に達しているので、熱エネルギーの浪費につながる。熱処理の温度は、基材25の組織変化により機能低下やそり返りなどの変形を防ぐため、700℃以下であるのが好ましい。なお混合ガスは、Arに変えてN2またはHeを用いてもよい。
Next, the process of heat-treating the
続いて緩和層29の表面を炭素皮膜30で被覆する工程について説明する。緩和層29表面を炭素皮膜30で被覆する工程は、溶融塩を用いた公知の方法を適用することができる。例えば、電気炉と、電気炉内に設置されたホルダーと、ホルダーに設置された電解槽とを備える製造装置を用いる。製造装置は、さらにホルダー内に雰囲気ガスを導入する導入管と、ホルダー内の気体を排気する排気管を備える。電解槽は高純度アルミナるつぼを用いることができる。電解槽内では、アルカリ金属ハロゲン化物などを溶融させる。雰囲気ガスをホルダー内に循環させた状態で、溶融塩中に炭素皮膜30の原料となる炭酸イオン源(例えば炭酸カリウム)、もしくは、カーバイドイオン源(例えばカルシウムカーバイド)を添加し溶融塩浴とする。緩和層29を形成した基材25を電解槽内に設置した作用極に接続し、作用極、対極及び参照極に電気化学測定装置を接続する。この状態で電解を行うことにより、緩和層29表面に炭素皮膜30を析出させる。電解槽内の溶融塩は、炭酸塩に限らず、塩化物、臭化物、又はフッ化物でもよい。
Next, a process of coating the surface of the
(実施例)
上記製造方法の手順にしたがってセパレータを作製し、評価を行った。各試料の構成は、表1〜表4に示す通りである。実施例No.1〜55において、熱処理の工程は水素体積量が600mL、炭素皮膜で被覆する際の溶融塩浴は、LiClが59mol%、KClが41mol%、カーバイドイオン源としてCaC2が2mol%(外数)からなる混合物を450℃で溶融したものを用いた。炭素皮膜は、作用極に緩和層を形成した基材を、対極にアルミニウム板を接続して、電解析出し形成した。
(Example)
A separator was produced according to the procedure of the above production method and evaluated. The configuration of each sample is as shown in Tables 1 to 4. In Examples No. 1 to 55, the heat treatment step is 600 mL of hydrogen volume, the molten salt bath used when coating with a carbon film is 59 mol% LiCl, 41 mol% KCl, and 2 mol% CaC 2 as a carbide ion source. What melted the mixture which consists of (outside number) at 450 degreeC was used. The carbon film was formed by electrolytic deposition of a base material on which a relaxation layer was formed on the working electrode, and an aluminum plate connected to the counter electrode.
実施例No.56〜58は、炭素皮膜を形成する際の溶融塩浴において、炭酸イオン源として K2CO3を5mol%(外数)からなる混合物を450℃で溶融したものを用いた点を変更した。実施例No.59〜62は、熱処理の工程における水素体積量を変更した。 Examples Nos. 56 to 58 were prepared by melting a mixture of 5 mol% (external number) of K 2 CO 3 at 450 ° C. as a carbonate ion source in a molten salt bath when forming a carbon film. Changed. In Examples Nos. 59 to 62, the hydrogen volume in the heat treatment step was changed.
炭素皮膜の密着性は、外観検査によるヤケの程度、および、碁盤目テープ試験による剥離の程度で評価し、ヤケも剥離も生じていない場合は「2点」、ヤケはあるものの剥離が生じていない場合は「1点」、ヤケも剥離も生じている場合は「0点」とした。碁盤目テープ試験は、「JIS K5400−8.5」に従って、基材の表面に形成した炭素皮膜を1mm×1mmの碁盤目にクロスカット(100マス)し、接着テープ(ニチバン株式会社製、品番:CT24)をクロスカット部分に圧着した後、急激に引き剥がし、剥離の有無を確認した。判定は、100マスの内、1マスも膜が剥離していない場合を「1点」以上、1マスでも剥離している場合を「0点」として表した。 The adhesion of the carbon film was evaluated based on the degree of burn by the appearance inspection and the degree of peeling by the cross cut tape test. If there was no burn or peeling, “2 points”. When there was no burn, “1 point” was given, and when burns and peeling occurred, “0 point” was given. In the cross cut tape test, according to “JIS K5400-8.5”, the carbon film formed on the surface of the base material is cross-cut (100 squares) on a cross section of 1 mm × 1 mm, and an adhesive tape (manufactured by Nichiban Co., Ltd., product number) : CT24) was pressure-bonded to the crosscut portion, and then peeled off rapidly to confirm the presence or absence of peeling. In the determination, a case where no film is peeled out of 100 squares is expressed as “1 point” or more, and a case where even one square is peeled is expressed as “0 point”.
接触抵抗は、セパレータ22,24上にカーボンペーパを重ね、Auめっきされた銅板で両側から挟み、4端子法により、面圧10kg/cm2の荷重を加えながら1Aの電流を印加して測定した電圧から求めた。
The contact resistance was measured by stacking carbon paper on the
耐食性は、炭素皮膜が基材と緩和層を完全に被覆していることを確認するため、(JISG 0578「ステンレス鋼の塩化第二鉄腐食試験方法」で用いられる)N/20塩酸溶液に塩化第二鉄を溶解して塩酸酸性6%塩化第二鉄溶液を、試料の表面に直径1cm超になるように滴化し、約20℃に調温された室内で、48時間放置した後、洗浄する試験を行った。試験後の試料表面が、試験前の状態から変化していない場合は「2点」、変化している場合は「0点」とした。 Corrosion resistance is determined by chlorinating N / 20 hydrochloric acid solution (used in JISG 0578 “Method of Ferric Chloride Corrosion Test for Stainless Steel”) to confirm that the carbon film completely covers the base material and the relaxation layer. Dissolve ferric acid and drop the acidified 6% ferric chloride solution to the surface of the sample so that it has a diameter of more than 1 cm, leave it in a room adjusted to about 20 ° C for 48 hours, and wash it. A test was conducted. When the sample surface after the test did not change from the state before the test, it was set to “2 points”, and when changed, it was set to “0 point”.
冷熱試験後の密着性は、冷熱試験20サイクル(−20℃と200℃)後に、碁盤目テープ試験による剥離の程度で評価し、100マスの内、1マスも膜が剥離していない場合(0/100)を「2点」、部分的に剥離が生じている場合(1〜25/100)を「1点」、剥離が多く生じている場合(26以上/100)を「0点」とした。 Adhesion after the thermal test is evaluated by the degree of peeling by the cross cut tape test after 20 cycles of the thermal test (−20 ° C. and 200 ° C.). 0/100) is “2 points”, when partial peeling occurs (1-25 / 100) is “1 point”, and when much peeling occurs (26 or more / 100), “0 points” It was.
実施例No.1〜55は、緩和層を形成する工程において、前記有機添加剤が、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、アミン塩、第4級アンモニウム塩、ベタイン型化合物の群より選ばれる1種以上の基本構造を有し、炭化水素分子鎖が単鎖で結合した炭素数が25以下の有機化合物を用い、添加量が0.1〜15g/Lであるめっき浴を用いて厚さが0.1μm以上5μm以下の前記緩和層を形成し、厚さが0.1μm以上10μm以下の前記炭素皮膜で被覆したことから、炭素皮膜の密着性、及び接触抵抗において、良好な結果が得られた。 In Examples Nos. 1 to 55, in the step of forming the relaxation layer, the organic additive is selected from the group consisting of carboxylate, sulfonate, sulfate ester, amine salt, quaternary ammonium salt, and betaine type compound. Using a plating bath having one or more selected basic structures, an organic compound having a hydrocarbon molecular chain bonded in a single chain and having 25 or less carbon atoms, and an addition amount of 0.1 to 15 g / L Since the relaxation layer having a thickness of 0.1 μm or more and 5 μm or less was formed and coated with the carbon film having a thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less, good results were obtained in the adhesion and contact resistance of the carbon film. was gotten.
実施例No.47、48は、緩和層の表面粗さの最大高さRmaxが0.1μm以上10μm以下の範囲外だったため、冷熱試験後において密着性が低下した。 In Examples No. 47 and 48, the maximum height Rmax of the surface roughness of the relaxation layer was outside the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, and thus the adhesion decreased after the cooling test.
実施例No.56〜58の結果から、炭酸イオン源としてK2CO3を用いた場合でも、炭素皮膜の密着性、及び電気抵抗において、良好な結果が得られることが、確認できた。 From the results of Example Nos. 56 to 58, it was confirmed that good results were obtained in the adhesion and electric resistance of the carbon film even when K 2 CO 3 was used as the carbonate ion source.
実施例No.59〜62の結果から、水素体積量が40〜3500mLの範囲で熱処理の工程を行うことにより、炭素皮膜の密着性、及び電気抵抗において、良好な結果が得られることが、確認できた。 From the results of Example Nos. 59 to 62, it was confirmed that good results can be obtained in the adhesion and electrical resistance of the carbon film by performing the heat treatment step in the range of 40 to 3500 mL of hydrogen volume. did it.
比較例No.1〜3、20は、添加剤を用いない、又は添加剤の濃度が下限未満で緩和層を形成したため、緩和層中に凸部への電流集中による焦げ付きが発生し、炭素皮膜の密着性、及び電気抵抗の少なくとも一方が低下した。 Comparative Examples Nos. 1 to 3 and 20 were not used with an additive, or because the concentration of the additive was less than the lower limit to form a relaxation layer, so that charring due to current concentration on the convex portion occurred in the relaxation layer, and the carbon film At least one of the adhesiveness and the electrical resistance decreased.
比較例No.4〜9は、添加剤の濃度が上限超、又は添加剤が規定外であったため、緩和層における有機化合物含有量が上限を超えてしまい、結果として炭素皮膜でヤケが生じた。 In Comparative Examples No. 4 to 9, since the concentration of the additive exceeded the upper limit or the additive was outside the specified range, the organic compound content in the relaxation layer exceeded the upper limit, resulting in burns in the carbon film. .
比較例No.10は、緩和層形成後の熱処理を行わなかったため、緩和層中に有機物が残存し、炭素皮膜でヤケが生じた。 In Comparative Example No. 10, since the heat treatment after the formation of the relaxation layer was not performed, organic substances remained in the relaxation layer, and the carbon film was burned.
比較例No.11は、緩和層形成後の熱処理を空気中で行ったため、有機物が燃焼する際に緩和層が酸化し、炭素皮膜との密着性が低下した。 In Comparative Example No. 11, since the heat treatment after the formation of the relaxation layer was performed in the air, the relaxation layer was oxidized when the organic substance burned, and the adhesion with the carbon film was reduced.
比較例No.12は、緩和層形成後の熱処理をAr雰囲気中で行ったため、有機物が燃焼せず、緩和層中に有機物が残存し、炭素皮膜でヤケが生じた。 In Comparative Example No. 12, since the heat treatment after the formation of the relaxation layer was performed in an Ar atmosphere, the organic matter did not burn, the organic matter remained in the relaxation layer, and the carbon film was burned.
比較例No.13、14は緩和層がないため、基材と炭素皮膜の熱膨張差により、冷熱試験後の密着性が低下した。 Since Comparative Examples No. 13 and 14 did not have a relaxation layer, the adhesion after the cooling test decreased due to the difference in thermal expansion between the substrate and the carbon film.
比較例No.15は、炭素皮膜がないため、比較例No.21は炭素皮膜の厚さが下限未満であったため、耐食性が得られなかった。比較例No.16、18は、緩和層の厚さが下限未満であったため、炭素層の密着性、及び冷熱試験後の密着性が低下した。比較例No.17、19は緩和層の厚さが上限を超えていたため、緩和層中に有機物が残存し、炭素皮膜でヤケが生じた。 Since Comparative Example No. 15 did not have a carbon film, Comparative Example No. 21 had a carbon film thickness less than the lower limit, and thus corrosion resistance could not be obtained. In Comparative Examples No. 16 and 18, since the thickness of the relaxation layer was less than the lower limit, the adhesion of the carbon layer and the adhesion after the cooling test were lowered. In Comparative Examples No. 17 and 19, since the thickness of the relaxation layer exceeded the upper limit, the organic matter remained in the relaxation layer, and the carbon film was burnt.
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
上記実施形態の場合、セパレータ22,24は、基材の両面に緩和層と、緩和層を覆う炭素皮膜とを備える場合について説明したが、本発明はこれに限らず、一方の表面にのみ緩和層と、緩和層を覆う炭素皮膜とを備えることとしてもよい。
In the case of the said embodiment, although the
緩和層を形成した基材を水素雰囲気下で熱処理する工程において、雰囲気ガスとして99%以上の高純度のH2ガスを使用することも可能である。また熱処理方法として、水素を20体積%含む不活性ガスを容積9Lの容器に充填し、基材を当該容器に設置して200℃で1時間保持することとしてもよい。 In the step of heat-treating the base material on which the relaxation layer is formed in a hydrogen atmosphere, it is possible to use 99% or more high-purity H 2 gas as the atmospheric gas. Further, as a heat treatment method, an inert gas containing 20% by volume of hydrogen may be filled in a 9 L container, and the base material may be placed in the container and held at 200 ° C. for 1 hour.
10 燃料電池セル
11,13 電極
12 電解質
14,16 触媒層
18,20 ガス拡散層
22,24 燃料電池用セパレータ(セパレータ)
25 基材
26,28 ガス流路
29 緩和層
30 炭素皮膜
32 流路層
DESCRIPTION OF
25
Claims (13)
前記緩和層を形成した基材を水素雰囲気下で熱処理する工程と、
前記緩和層の表面を電解析出により炭素皮膜で被覆する工程と
を備え、
前記緩和層を形成する工程は、前記有機添加剤が、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、アミン塩、第4級アンモニウム塩、ベタイン型化合物の群より選ばれる1種以上の基本構造を有し、炭化水素分子鎖が単鎖で結合した炭素数が25以下の有機化合物を用い、添加量が0.1〜15g/Lであり、厚さが0.1μm以上5μm以下の前記緩和層を形成し、
前記炭素皮膜で被覆する工程は、厚さが0.1μm以上10μm以下の前記炭素皮膜で被覆する
燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a relaxation layer by electrolytic deposition using an aqueous solution containing an organic additive on at least one surface of the substrate;
Heat-treating the base material on which the relaxation layer is formed in a hydrogen atmosphere;
Coating the surface of the relaxation layer with a carbon film by electrolytic deposition,
The step of forming the relaxation layer includes at least one basic structure in which the organic additive is selected from the group consisting of carboxylate, sulfonate, sulfate ester salt, amine salt, quaternary ammonium salt, and betaine type compound. And an organic compound having a carbon number of 25 or less, in which hydrocarbon molecular chains are bonded in a single chain, the addition amount is 0.1 to 15 g / L, and the thickness is 0.1 to 5 μm. Forming a layer,
The step of coating with the carbon film is a method for manufacturing a fuel cell separator that is coated with the carbon film having a thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less.
前記有機添加剤を含む水溶液が、硫酸ニッケル240〜300g/Lと、塩化ニッケル45〜50g/Lと、ホウ酸30〜80g/Lと、前記有機添加剤とを含み、
前記水溶液を撹拌しながら、浴温を45℃〜90℃、電流密度を2〜8A/dm2とする
請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 The step of forming the relaxation layer includes:
The aqueous solution containing the organic additive contains 240 to 300 g / L of nickel sulfate, 45 to 50 g / L of nickel chloride, 30 to 80 g / L of boric acid, and the organic additive.
The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 1 or 2 which sets bath temperature to 45 to 90 degreeC and current density to 2-8 A / dm < 2 >, stirring the said aqueous solution.
前記有機添加剤を含む水溶液が、硫酸銅50〜200g/Lと、硫酸50〜200g/Lと、塩化ナトリウム60〜150mg/Lと、前記有機添加剤とを含み、
前記水溶液を撹拌しながら、浴温を20℃〜50℃、電流密度を0.1〜8A/dm2とする
請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 The step of forming the relaxation layer includes:
The aqueous solution containing the organic additive includes copper sulfate 50 to 200 g / L, sulfuric acid 50 to 200 g / L, sodium chloride 60 to 150 mg / L, and the organic additive.
The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 1 or 2 which sets bath temperature to 20 to 50 degreeC, and sets current density to 0.1-8 A / dm < 2 >, stirring the said aqueous solution.
前記緩和層の厚さが0.1μm以上5μm以下、前記炭素皮膜の厚さが0.1μm以上10μm以下であり、
テープ試験による前記炭素皮膜の剥離がなく、
表面の接触抵抗が20mΩ・cm2以下である
燃料電池用セパレータ。 A separator for a fuel cell comprising a base material, a relaxation layer on one surface of the base material, and a carbon film covering the surface of the relaxation layer,
The thickness of the relaxation layer is 0.1 μm or more and 5 μm or less, and the thickness of the carbon film is 0.1 μm or more and 10 μm or less,
There is no peeling of the carbon film by the tape test,
A fuel cell separator having a surface contact resistance of 20 mΩ · cm 2 or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017057668A JP2018159116A (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017057668A JP2018159116A (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018159116A true JP2018159116A (en) | 2018-10-11 |
Family
ID=63796377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017057668A Pending JP2018159116A (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2018159116A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022065818A1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-31 | 미진테크 주식회사 | Fuel cell separator and method for manufacturing same |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000164228A (en) * | 1998-11-25 | 2000-06-16 | Toshiba Corp | Solid polymer electrolyte fuel cell separator and method for producing the same |
| JP2012021208A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Nissan Motor Co Ltd | Conductive member, method for manufacturing the same, separator for fuel cell, and solid polymer fuel cell |
| JP2014075287A (en) * | 2012-10-04 | 2014-04-24 | Kobe Steel Ltd | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
| JP2017021948A (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-26 | 昭和電工株式会社 | Separator material for fuel cell and manufacturing method of the same |
-
2017
- 2017-03-23 JP JP2017057668A patent/JP2018159116A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000164228A (en) * | 1998-11-25 | 2000-06-16 | Toshiba Corp | Solid polymer electrolyte fuel cell separator and method for producing the same |
| JP2012021208A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Nissan Motor Co Ltd | Conductive member, method for manufacturing the same, separator for fuel cell, and solid polymer fuel cell |
| JP2014075287A (en) * | 2012-10-04 | 2014-04-24 | Kobe Steel Ltd | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
| JP2017021948A (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-26 | 昭和電工株式会社 | Separator material for fuel cell and manufacturing method of the same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022065818A1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-31 | 미진테크 주식회사 | Fuel cell separator and method for manufacturing same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | In situ construction of multifunctional surface coatings on zinc metal for advanced aqueous zinc–iodine batteries | |
| Liu et al. | Degradation effects at the porous transport layer/catalyst layer interface in polymer electrolyte membrane water electrolyzer | |
| JP4825894B2 (en) | Fuel cell separator and method for producing the same | |
| US8778562B2 (en) | Method of depositing durable thin gold coating on fuel cell bipolar plates | |
| US9793554B2 (en) | Fuel cell separator and fuel cell | |
| JP6108054B1 (en) | Metal plate for separator of polymer electrolyte fuel cell and metal plate for manufacturing the same | |
| JP5888473B1 (en) | Composite metal foil for fuel cell separator, fuel cell separator, fuel cell, and method for producing composite metal foil for fuel cell separator | |
| Tsai et al. | The fabrication and characteristics of electroless nickel and immersion Au-polytetrafluoroethylene composite coating on aluminum alloy 5052 as bipolar plate | |
| Cooper et al. | Titanium nitride polyaniline bilayer coating for metallic bipolar plates used in polymer electrolyte fuel cells | |
| TWI515944B (en) | Stainless steel foil for separator between solid polymer fuel cell | |
| JP6028881B1 (en) | Titanium alloy, separator, and polymer electrolyte fuel cell | |
| Bai et al. | Surface modifications of aluminum alloy 5052 for bipolar plates using an electroless deposition process | |
| KR20100094948A (en) | Separator for fuel cell and manufacturing method therefor | |
| WO2006126613A1 (en) | Separator for fuel cell and method for producing same | |
| US10431832B2 (en) | Stainless-steel foil for separator of polymer electrolyte fuel cell | |
| McCay et al. | Soldering a gas diffusion layer to a stainless steel bipolar plate using metallic tin | |
| JP2018159116A (en) | Fuel cell separator and method for manufacturing the same | |
| WO2014050772A1 (en) | Silver plating material and method for manufacturing same | |
| RU2661132C1 (en) | Metal material and electric conductive component containing it | |
| JP6945424B2 (en) | Method of forming a conductive carbon film | |
| Singh et al. | Enhancing the durability of Au-coated Ti porous transport layers (PTLs) with a thin Pt top layer for PEM water electrolyzer applications | |
| EP3252856B1 (en) | Stainless steel sheet for separator of polymer electrolyte fuel cell | |
| EP4516957A1 (en) | Bipolar plate with a titanium nitride coating | |
| CN119866392A (en) | Coating method for electrolytic cell assembly | |
| JP2014192089A (en) | Separator for fuel cell and method of manufacturing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191107 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200817 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200825 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20210309 |