JP6649675B2 - Conductive member, method for producing the same, fuel cell separator and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池に関する。特に金属基材上に耐高電位腐食性を有する中間層と表面炭素層を有するセパレータにおいて、耐高電位腐食性を確保しつつ、中間層と導電性炭素層との密着性を向上させることができる導電部材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a conductive member, a method for producing the same, a fuel cell separator using the same, and a polymer electrolyte fuel cell. In particular, in a separator having an intermediate layer having high potential corrosion resistance and a surface carbon layer on a metal substrate, it is possible to improve the adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer while ensuring high potential corrosion resistance. The present invention relates to a method for manufacturing a conductive member.
固体高分子形燃料電池(PEFC)は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、高分子電解質膜、これを挟持する一対(アノード、カソード)の触媒層、およびこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対(アノード、カソード)のガス拡散層、を含む膜電極接合体を有する。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのMEAと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells exhibiting a power generation function are stacked. Each of the single cells includes a polymer electrolyte membrane, a pair of (anode and cathode) catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of (anode and cathode) gas diffusion layers for dispersing a supply gas sandwiching these. Including a membrane electrode assembly. The MEA of each unit cell is electrically connected to the MEA of the adjacent unit cell via a separator. By stacking and connecting the single cells in this manner, a fuel cell stack is formed. Then, this fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a fuel cell stack, the separator exerts a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition, a gas channel is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as a gas supply unit for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the anode and the cathode, respectively.
PEFCの発電メカニズムを簡単に説明すると、PEFCの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス(例えば水素ガス)が供給され、カソード側に酸化剤ガス(例えば大気、酸素)が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。 To briefly explain the power generation mechanism of the PEFC, during the operation of the PEFC, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, atmosphere or oxygen) is supplied to the cathode side. As a result, at each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds, and electricity is generated.
導電性が要求される燃料電池用セパレータとしては、従来のカーボンセパレータや導電性樹脂セパレータから金属セパレータへの代替が進みつつある。これは、金属セパレータが優れた強度、導電性を有することによりスタックの小型化が図れるためである。近年、金属セパレータの課題である腐食による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下を防止するため、金属基材上に耐腐食性を有する層を積層したセパレータが開発されている。例えば、金属基材上に、負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させて乾式成膜法により中間層を形成し、その中間層上に導電性炭素層を形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。当該文献では、乾式成膜法での中間層成膜時の初期に、低いバイアス電圧で成膜を開始して基材との界面の粗さを低減し、その後バイアス電圧を高い値に移行させ柱状晶を太く成長させる。ここで、導電性炭素膜は、中間層の柱状晶の柱径のまま成長する。このように、中間層の柱状結晶の柱径を大きくすることで、中間層の隙間及びその上に存在する導電性炭素膜の欠陥を減らし、水の進入を防止することで各界面での酸化を抑制し、接触抵抗の増加を抑制できる。 As a separator for a fuel cell requiring conductivity, a conventional carbon separator or a conductive resin separator is being replaced with a metal separator. This is because the stack can be miniaturized by the metal separator having excellent strength and conductivity. In recent years, separators in which a layer having corrosion resistance is laminated on a metal base material have been developed in order to prevent a decrease in conductivity due to corrosion, which is a problem of the metal separator, and a reduction in output of the stack due to the corrosion. For example, a technique has been proposed in which a negative bias voltage is changed from a low value to a high value on a metal substrate to form an intermediate layer by a dry film formation method, and a conductive carbon layer is formed on the intermediate layer. (For example, see Patent Document 1). In this document, at the initial stage of forming an intermediate layer by a dry film forming method, film formation is started with a low bias voltage to reduce the roughness of the interface with the substrate, and thereafter, the bias voltage is shifted to a high value. The columnar crystals grow thick. Here, the conductive carbon film grows with the column diameter of the columnar crystal in the intermediate layer. As described above, by increasing the column diameter of the columnar crystals in the intermediate layer, the gaps in the intermediate layer and the defects of the conductive carbon film existing thereon are reduced, and the penetration of water is prevented, so that oxidation at each interface is prevented. And an increase in contact resistance can be suppressed.
しかしながら、耐高電位腐食性に優れるチタン窒化物、炭化物、炭窒化物によって中間層を形成すると、導電性炭素層との密着性が十分ではない。このため、セパレータの耐食性のさらなる向上や、接触抵抗の増加のさらなる低減が求められていた。 However, if the intermediate layer is formed of titanium nitride, carbide, or carbonitride having excellent high-potential corrosion resistance, the adhesion to the conductive carbon layer is not sufficient. For this reason, further improvement in the corrosion resistance of the separator and further reduction in the increase in the contact resistance have been required.
そこで、本発明は、上記従来技術に鑑みなされたもので、耐高電位腐食性に優れた中間層と導電性炭素層との密着性が高い導電部材であって、その優れた導電性を十分に確保しつつ、接触抵抗の増大を抑制できる導電部材の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above prior art, and is a conductive member having a high adhesion between an intermediate layer having excellent high-potential corrosion resistance and a conductive carbon layer, and having sufficient conductivity. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a conductive member capable of suppressing an increase in contact resistance while ensuring the above.
本発明者らは、従来の導電性炭素層では耐高電位腐食性に優れるチタン窒化物などの中間層との密着性が低い原因を検討した。従来の導電性炭素層は高いバイアス電圧の下で成膜されるため硬質なチタン窒化物などの中間層により炭素が跳ね返り成膜が困難になるとの考えの下に、導電性炭素層の成膜方法を検討した。その結果、導電性炭素層形成工程においてバイアス電圧を低い値から高い値に変化させることで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have studied the cause of the low adhesion between the conventional conductive carbon layer and an intermediate layer such as a titanium nitride having excellent high potential corrosion resistance. Since the conventional conductive carbon layer is formed under a high bias voltage, the carbon layer rebounds due to an intermediate layer such as hard titanium nitride, which makes the film difficult to form. The method was examined. As a result, the inventors have found that the above problem can be solved by changing the bias voltage from a low value to a high value in the conductive carbon layer forming step, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の導電部材の製造方法は、負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させて導電性炭素層を中間層上に形成することを特徴とする。 That is, the method for manufacturing a conductive member according to the present invention is characterized in that the conductive carbon layer is formed on the intermediate layer by changing the negative bias voltage from a low value to a high value.
本発明の方法によると、中間層と導電性炭素層との密着性を向上できる。したがって、本発明の方法に従って製造される導電部材は、その優れた導電性を十分に確保しつつ、接触抵抗の増加を抑制でき、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さい導電部材(セパレータ5)が提供できる。ここで、本発明の方法により中間層と導電性炭素層との密着性を向上できるメカニズムは不明であるが、以下のように推測される。なお、本発明は、下記推測に限定されない。すなわち、低いバイアス電圧で成膜すると硬質なチタン窒化物、炭化物、炭窒化物等の中間層上に柔軟なsp3炭素を多く含むDLC炭素膜が形成され、高いバイアス電圧で表層部を成膜するときの炭素の衝突が緩和され、安定な膜を作製することができる。また、低いバイアス電圧だとチタン窒化物の凹凸への炭素の付回りを向上でき緻密な膜が得られる。一方、バイアス電圧が高いと衝突による跳ね返りとグラファイト化により、中間層との密着性に寄与しにくくなる。よって、本発明の方法によると接触抵抗が低くかつ、中間層と導電性炭素層との密着性が良好な導電部材を得ることができる。 According to the method of the present invention, the adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer can be improved. Therefore, the conductive member manufactured according to the method of the present invention can suppress an increase in contact resistance while sufficiently securing its excellent conductivity, and has a small contact resistance with another member (eg, MEA). (Separator 5) can be provided. Here, the mechanism by which the method of the present invention can improve the adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer is unknown, but is presumed as follows. Note that the present invention is not limited to the following assumption. That is, if the film is formed at a low bias voltage, a flexible DLC carbon film containing a large amount of sp 3 carbon is formed on an intermediate layer of a hard titanium nitride, carbide, carbonitride, etc., and the surface layer is formed at a high bias voltage. In this case, the collision of carbon is reduced, and a stable film can be manufactured. Further, when the bias voltage is low, the rotation of carbon to the irregularities of the titanium nitride can be improved, and a dense film can be obtained. On the other hand, if the bias voltage is high, it is difficult to contribute to the adhesion to the intermediate layer due to the rebound due to collision and the graphitization. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to obtain a conductive member having low contact resistance and good adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer.
(導電部材の製造方法)
本発明の導電部材の製造方法は、金属基材上に、周期律表の第4族の金属(例えば、Ti、Zr、Nf)、第5族の金属(例えば、V、Nb、Ta)、第6族の金属(例えば、Cr、Mo、W)の炭化物、窒化物および炭窒化物よりなる群から選ばれてなる少なくとも1種からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に導電性炭素層を形成する工程とを有し、前記中間層上に導電性炭素層を形成する工程は、負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させることを含むことを特徴とするものである。本発明に係る導電部材の製造方法としては、成膜時に用いる乾式成膜法(スパッタリング等)の装置の設定値を変えるだけの簡便な方法で、その優れた導電性を十分に確保しつつ、接触抵抗の増加を抑制し得る導電部材を実現し得るものである。
(Method of manufacturing conductive member)
In the method for producing a conductive member according to the present invention, a metal of Group 4 of the periodic table (for example, Ti, Zr, Nf), a metal of Group 5 (for example, V, Nb, Ta), Forming an intermediate layer of at least one selected from the group consisting of carbides, nitrides, and carbonitrides of Group 6 metals (for example, Cr, Mo, W); and forming a conductive layer on the intermediate layer. Forming a conductive carbon layer on the intermediate layer, the step of forming a conductive carbon layer on the intermediate layer includes changing a negative bias voltage from a low value to a high value. is there. As a method for manufacturing a conductive member according to the present invention, a simple method of simply changing a set value of an apparatus of a dry film forming method (sputtering or the like) used at the time of film formation, while sufficiently securing its excellent conductivity, A conductive member capable of suppressing an increase in contact resistance can be realized.
本実施形態は、乾式成膜法において導電性炭素層形成時における負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させることを有することを特徴とするものである。 The present embodiment is characterized in that a negative bias voltage at the time of forming a conductive carbon layer is changed from a low value to a high value in a dry film formation method.
ここで、乾式成膜法でのバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させるとは、途中で高い値から低い値に変化させる過程を含まず、例えば、図5A〜図5D等のようなパターンが挙げられる。具体的には、低い値から高い値へ1段で変化させたり(図5A)、低い値から高い値へ連続的に変化させたり(図5B)、低い値から高い値へ多段階で変化させたり(図5C)といったパターンが挙げられる。また低い値から高い値へ連続的に多段階で変化させたりしてもよい(図5D)。なお、上述したように、本願明細書において、「負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させる」とは、所定の範囲で、連続的にまたは段階的にバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させればよい。このため、バイアス電圧の変化過程に、途中に定常状態(バイアス電圧を保持した状態)を含むものであってもよい。ただし、バイアス電圧の変化は常に上昇または定常状態をとり、バイアス電圧の変化過程はバイアス電圧が低下する状態を含まない。 Here, changing the bias voltage in the dry film forming method from a low value to a high value does not include a process of changing the bias voltage from a high value to a low value on the way, for example, a pattern shown in FIGS. 5A to 5D or the like. Is mentioned. Specifically, it is changed in one step from a low value to a high value (FIG. 5A), continuously changed from a low value to a high value (FIG. 5B), or changed in multiple steps from a low value to a high value. Pattern (FIG. 5C). Alternatively, the value may be continuously changed from a low value to a high value in multiple steps (FIG. 5D). As described above, in the present specification, “change the negative bias voltage from a low value to a high value” means that the bias voltage is continuously or stepwise changed from a low value to a high value within a predetermined range. Should be changed to Therefore, the process of changing the bias voltage may include a steady state (a state in which the bias voltage is held) in the middle. However, the change in the bias voltage always rises or takes a steady state, and the process of changing the bias voltage does not include a state in which the bias voltage decreases.
低いバイアス電圧で成膜すると硬質な中間層上に柔軟なsp3炭素を多く含むDLC炭素膜が形成され、高いバイアス電圧で表層部を成膜するときの炭素の衝突を緩和し、成膜しやすくなる。また、低いバイアス電圧だと中間層の凹凸への付回りを向上できる。一方、最初から200V以上といった高いバイアス電圧で行うと衝突による跳ね返りにより膜が形成できない、あるいはグラファイト化により中間層との密着性に寄与しにくくなる。 When the film is formed with a low bias voltage, a DLC carbon film containing a large amount of soft sp 3 carbon is formed on the hard intermediate layer, and the collision of carbon when forming the surface layer portion with a high bias voltage is reduced, and the film is formed. It will be easier. In addition, when the bias voltage is low, the rotation of the intermediate layer to the unevenness can be improved. On the other hand, if a high bias voltage such as 200 V or more is used from the beginning, a film cannot be formed due to rebound due to collision, or it is difficult to contribute to adhesion to the intermediate layer due to graphite.
したがって、導電性炭素層膜厚のうち中間層近傍は低いバイアス電圧で成膜し、グラファイト構造の形成を抑制することで中間層との接着性が改善される。導電性炭素層形成工程の初期のバイアス電圧としては、0Vより高い電圧であればよく、通常0Vより高く50V以下の範囲であれば、中間層と導電性炭素層との間の密着性向上の効果が得られる。 Therefore, in the conductive carbon layer film thickness, the vicinity of the intermediate layer is formed at a low bias voltage to suppress the formation of the graphite structure, thereby improving the adhesion to the intermediate layer. The initial bias voltage in the conductive carbon layer forming step may be a voltage higher than 0 V, and is usually higher than 0 V and 50 V or less, in order to improve the adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer. The effect is obtained.
より緻密で中間層との密着性が高い、中間層近傍の導電性炭素層を得る方法としては、中間層成膜後の導電性炭素層成膜開始時、および導電性炭素層形成中の基材温度を一定の範囲に制御することが挙げられる。ここで、炭素膜は、約400℃以上ではグラファイト化して、膜としての形態を保持しにくいまたは保持できない。このため、中間層の成膜を開始してから成膜終了までの成膜工程中の温度を上記温度未満に保持することが好ましい。また、成膜時の表層温度は、炭素同士の衝突により上昇する可能性がある。上記点を考慮すると、成膜工程中の基材温度は、350℃未満が好ましく、より好ましくは、300℃以下であり、さらに好ましくは270℃以下である。なお、上記温度範囲の下限は、特に制限されないが、例えば、100℃以上が好ましく、150℃以上がより好ましい。このような温度範囲であれば、中間層上に形成された導電性炭素層が温度によってグラファイト化することを抑制することができる。 Methods for obtaining a conductive carbon layer in the vicinity of the intermediate layer, which is denser and has high adhesion to the intermediate layer, include a method for forming the conductive carbon layer after the formation of the intermediate layer and a method for forming the conductive carbon layer during the formation of the conductive carbon layer. Controlling the material temperature within a certain range can be mentioned. Here, the carbon film is graphitized at about 400 ° C. or higher, and it is difficult or impossible to maintain the form as a film. For this reason, it is preferable to keep the temperature during the film formation process from the start of the formation of the intermediate layer to the end of the film formation below the above-mentioned temperature. Further, the surface layer temperature during film formation may increase due to collision between carbons. In consideration of the above points, the substrate temperature during the film formation step is preferably lower than 350 ° C, more preferably 300 ° C or lower, and further preferably 270 ° C or lower. In addition, the lower limit of the said temperature range is not specifically limited, For example, 100 degreeC or more is preferable and 150 degreeC or more is more preferable. Within such a temperature range, it can be suppressed that the conductive carbon layer formed on the intermediate layer is graphitized by the temperature.
上記のように導電性炭素層を成膜したとき、導電性炭素層の表層部と中間層の間には、中間層と良好な密着性を示す導電性炭素層領域が形成される。この領域を本願では「境界層」と呼ぶ。 When the conductive carbon layer is formed as described above, a conductive carbon layer region showing good adhesion to the intermediate layer is formed between the surface layer of the conductive carbon layer and the intermediate layer. This region is referred to as a “boundary layer” in the present application.
本発明の導電性炭素層が有する境界層としては、R値(=ID/IG)が、1.3未満であることが好ましく、より好ましくは1.2以下であり、さらに好ましくは1.1以下である。なお、導電性炭素層中の境界層のR値の下限は特に制限されないが、例えば、0.6以上が好ましく、0.7以上がより好ましい。R値が、このような範囲であれば、グラファイト構造の形成による密着性の阻害を十分に抑えられる観点から好ましい。ここで、「導電性炭素層中の境界層」は、低いバイアス電圧をかけて形成された層を意図し、その厚みは、特に限定されず、中間層と導電性炭素層との接着性に応じて適宜調製することができる。本明細書において、R値(=ID/IG)は、下記実施例で測定される値を意味する。 As the boundary layer of the conductive carbon layer of the present invention, the R value (= I D / I G ) is preferably less than 1.3, more preferably 1.2 or less, further preferably 1 or less. .1 or less. The lower limit of the R value of the boundary layer in the conductive carbon layer is not particularly limited, but is preferably, for example, 0.6 or more, and more preferably 0.7 or more. When the R value is in such a range, it is preferable from the viewpoint that the inhibition of adhesion due to the formation of the graphite structure can be sufficiently suppressed. Here, the “boundary layer in the conductive carbon layer” intends a layer formed by applying a low bias voltage, and the thickness thereof is not particularly limited, and the thickness is not limited to the adhesiveness between the intermediate layer and the conductive carbon layer. It can be appropriately prepared according to the requirements. In this specification, the R value (= ID / IG ) means a value measured in the following examples.
導電性炭素層のR値は、中間層と導電性炭素層の高い接着性を確保する観点から、中間層の最表面から表層部に近づくにつれて徐々に大きくなることが好ましい。表層部のR値は、1.3以上であることが好ましく、より好ましくは1.4以上、さらに好ましくは1.5以上である。表層部のR値が1.3以上であれば、表層部の導電性が確保でき、接触抵抗を十分に小さくできる。なお、導電性炭素層中の表層部のR値の上限は特に制限されないが、例えば、2.0以下が好ましく、1.9以下がより好ましい。ここで、「導電性炭素層中の表層部」は、高いバイアス電圧をかけて形成された層を意図する。導電性炭素層中の表層部の厚みは、前記境界層と同様に、特に限定されず、導電性や中間層との接着性などに応じて適宜調整することができる。 From the viewpoint of ensuring high adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer, the R value of the conductive carbon layer preferably gradually increases from the outermost surface of the intermediate layer to the surface layer. The R value of the surface layer portion is preferably 1.3 or more, more preferably 1.4 or more, and even more preferably 1.5 or more. When the R value of the surface layer is 1.3 or more, the conductivity of the surface layer can be ensured, and the contact resistance can be sufficiently reduced. In addition, the upper limit of the R value of the surface layer portion in the conductive carbon layer is not particularly limited, but is, for example, preferably 2.0 or less, more preferably 1.9 or less. Here, the “surface layer portion in the conductive carbon layer” intends a layer formed by applying a high bias voltage. The thickness of the surface layer portion in the conductive carbon layer is not particularly limited, as in the case of the boundary layer, and can be appropriately adjusted according to conductivity, adhesion to the intermediate layer, and the like.
以上が、本発明に係る導電部材の製造方法の主な特徴部分の説明であり、その他の製造方法(工程など)に関しては、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、セパレータを構成する導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、後述する導電部材の項で説明するため、ここでは説明を省略する。 The above is the description of the main features of the method for manufacturing a conductive member according to the present invention. Other manufacturing methods (steps and the like) can be manufactured by appropriately referring to conventionally known methods. . Hereinafter, a preferred embodiment for manufacturing a conductive member will be described, but the technical scope of the present invention is not limited to only the following embodiments. In addition, since various conditions such as the material of each component of the conductive member forming the separator will be described in the section of the conductive member described later, the description is omitted here.
まず、金属基材31の構成材料として、所望の厚さのアルミニウム板、チタン板、ステンレス板などを準備する。次いで、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンおよび苛性アルカリ剤など)を用いて、準備した金属基材31の構成材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。 First, an aluminum plate, a titanium plate, a stainless steel plate, or the like having a desired thickness is prepared as a constituent material of the metal base 31. Next, the surface of the prepared constituent material of the metal base material 31 is degreased and cleaned using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichloroethylene, and a caustic agent). Examples of the treatment include ultrasonic cleaning. The conditions of the ultrasonic cleaning include a processing time of about 1 to 10 minutes, a frequency of about 30 to 50 kHz, and a power of about 30 to 50 W.
続いて、金属基材31の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、またはイオンボンバード処理などが挙げられる。 Subsequently, the oxide film formed on the surface (both surfaces) of the constituent material of the metal base material 31 is removed. Examples of a technique for removing the oxide film include a washing treatment with an acid, a dissolution treatment by applying an electric potential, and an ion bombardment treatment.
次に、本発明では、図2に示す形態の導電性炭素層33を有する導電部材(セパレータ5)を製造するには、上述した導電性炭素層33の成膜工程の前に、金属基材31の少なくとも一方の主表面、好ましくは両表面に、中間層32を成膜する工程を行なう。この際、中間層32を成膜する手法としては、導電性炭素層33の成膜について後述するのと同様の手法好ましくは乾式成膜法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層32の構成材料に変更する必要がある。特に好ましくは、中間層32は、特開2010−287542号公報に記載される方法に従って形成されることが好ましい。当該方法によって形成される中間層は、耐腐食性に優れ、接触抵抗の増加を抑制できる。 Next, in the present invention, in order to manufacture the conductive member (separator 5) having the conductive carbon layer 33 in the form shown in FIG. A step of forming the intermediate layer 32 on at least one main surface, preferably both surfaces, of the substrate 31 is performed. At this time, as a method of forming the intermediate layer 32, a method similar to that described later for forming the conductive carbon layer 33, preferably a dry film forming method can be adopted. However, it is necessary to change the target to the constituent material of the intermediate layer 32. Particularly preferably, the intermediate layer 32 is preferably formed according to the method described in JP-A-2010-287542. The intermediate layer formed by the method has excellent corrosion resistance and can suppress an increase in contact resistance.
特に本発明では、乾式成膜法にて導電性炭素層33成膜時における負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させる。これにより導電性炭素層33のR値を制御することができ、中間層近傍にはR値が1.3未満の境界層が形成され、中間層と反対側にはR値が1.3以上の表層部が形成される。初期の低いバイアス電圧としては、上述のように0Vより高い電圧であればよく、通常0Vより高く50V以下の範囲であればよい。高いバイアス電圧としては、200V以上が好ましく、より好ましくは200以上500V以下、さらに好ましくは200V以上300V以下である。すなわち、導電性炭素層の形成時の負のバイアス電圧を50V以下から200V以上へ変化させることが好ましい。このような範囲であれば、R値が十分に高い表層部を得ることができ、接触抵抗が低い導電部材を得ることができる。このようにバイアス電圧を低い値から高い値に変化させることにより、中間層近傍から表層部に向かって、R値が低い値から高い値に徐々に変化する導電性炭素層33が得られる。 In particular, in the present invention, the negative bias voltage at the time of forming the conductive carbon layer 33 by the dry film forming method is changed from a low value to a high value. Thereby, the R value of the conductive carbon layer 33 can be controlled, a boundary layer having an R value of less than 1.3 is formed near the intermediate layer, and the R value is 1.3 or more on the opposite side to the intermediate layer. Is formed. The initial low bias voltage may be a voltage higher than 0 V as described above, and may be a range usually higher than 0 V and 50 V or less. The high bias voltage is preferably 200 V or more, more preferably 200 or more and 500 V or less, and still more preferably 200 V or more and 300 V or less. That is, it is preferable to change the negative bias voltage at the time of forming the conductive carbon layer from 50 V or less to 200 V or more. Within such a range, a surface layer portion having a sufficiently high R value can be obtained, and a conductive member having low contact resistance can be obtained. By changing the bias voltage from a low value to a high value in this manner, a conductive carbon layer 33 whose R value gradually changes from a low value to a high value from the vicinity of the intermediate layer toward the surface layer is obtained.
バイアス電圧が低いほどAr+イオンによる成膜中の押し込み効果が小さく、炭素原子の衝突のエネルギーは低い。そのため硬く、化学的に安定なチタン窒化物、炭化物、炭窒化物などの中間層32上に炭素原子を積層し、膜としての形態を保つことができる。バイアス電圧を高くするとAr+イオンによる炭素のエネルギーが大きくなることで炭素原子は膜に積層されずに跳ね返ることで膜としての形態を保てず、粉末状になり表面に残る。もしくは膜としての形態を保てたとしても粒界などに隙間を持つような緻密でない膜構造体となるため密着不良をおこす場合がある。 The lower the bias voltage is, the smaller the pushing effect during film formation by Ar + ions is, and the lower the collision energy of carbon atoms is. Therefore, carbon atoms can be laminated on the hard and chemically stable intermediate layer 32 of titanium nitride, carbide, carbonitride, or the like, and the form as a film can be maintained. When the bias voltage is increased, the energy of carbon due to Ar + ions increases, and the carbon atoms bounce off instead of being stacked on the film, so that the shape of the film cannot be maintained, and the film becomes powdery and remains on the surface. Alternatively, even if the form of the film can be maintained, a poorly-formed film structure having a gap at a grain boundary or the like may cause poor adhesion.
したがって、中間層32近傍はバイアス電圧を低い値に制御しながら成膜することにより、中間層との密着性に寄与しないグラファイトへの変化を抑制できるため、中間層に対する密着性が高い導電性炭素層を得ることができる。 Therefore, by forming a film in the vicinity of the intermediate layer 32 while controlling the bias voltage to a low value, it is possible to suppress the change to graphite that does not contribute to the adhesion to the intermediate layer. Layers can be obtained.
そして、その後の成膜においては、表層部に近づくにつれて高いバイアス電圧を印加し、伝導度の高いグラファイト構造を持つ表層部を形成することにより、中間層との高い密着性および高い導電性を有する導電性炭素層を得ることができる。 Then, in the subsequent film formation, a high bias voltage is applied as approaching the surface layer, and a surface layer having a highly conductive graphite structure is formed, thereby having high adhesion to the intermediate layer and high conductivity. A conductive carbon layer can be obtained.
上記した金属基材31の表面に研磨処理を施した後、あるいは負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させる手法を用いる中間層32を成膜する工程では、前記中間層32は、スパッタリング法により形成する手法(皮膜を形成するコーティング処理)を行うのがよい。本発明の構造を持つ金属基材31、中間層32、導電性炭素層33からなる導電部材を形成するためには、導電性炭素層33はスパッタリング法が好適とされ、プロセス上、その前に行う中間層32の成膜についても、同様なドライプロセス、特にスパッタリング法にて行うことが望ましいためである。かかる中間層32により、導電性炭素層33を密着不良なく成膜することが可能となるため、高い導電性と耐食性を得ることができる。また導電性炭素膜と同方式にて成膜できるため、製造プロセス費を低コストにすることが可能となる。 After the above-described polishing process is performed on the surface of the metal base material 31, or in the step of forming the intermediate layer 32 using a method of changing a negative bias voltage from a low value to a high value, the intermediate layer 32 is formed by sputtering. It is preferable to perform a method of forming by a method (coating treatment for forming a film). In order to form a conductive member composed of the metal base material 31, the intermediate layer 32, and the conductive carbon layer 33 having the structure of the present invention, the conductive carbon layer 33 is preferably formed by a sputtering method. This is because the formation of the intermediate layer 32 to be performed is desirably performed by a similar dry process, particularly, a sputtering method. The intermediate layer 32 allows the conductive carbon layer 33 to be formed without poor adhesion, so that high conductivity and corrosion resistance can be obtained. In addition, since the film can be formed in the same manner as the conductive carbon film, the manufacturing process cost can be reduced.
また、負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させて中間層32を成膜する工程等を含む場合、金属基材31の表面に研磨処理等の前処理を施した後、基材31の表面にスパッタリング法により皮膜を形成するコーティング処理を行うのが望ましい。これは、中間層32が柱状晶等からなる場合、研磨処理により基材粗さが小さくなると、柱状晶の核生成サイトの数が少なくなり、個々の柱状晶を太くできるためである。このような中間層を使用することにより金属基材と酸性溶液が接するのを防止でき、耐腐食性を向上させることができる。ここで、前処理としては、研磨処理の他にも、一般的に実施されている項目が広く採用できる。例えば、電解研磨、ラップ処理、マイクロショット処理などが適用可能である。 In the case where a step of forming the intermediate layer 32 by changing the negative bias voltage from a low value to a high value is included, the surface of the metal substrate 31 is subjected to a pre-treatment such as polishing, It is desirable to perform a coating treatment for forming a film on the surface of the film by a sputtering method. This is because, when the intermediate layer 32 is made of a columnar crystal or the like, the number of nucleation sites of the columnar crystal is reduced and the individual columnar crystal can be thickened if the substrate roughness is reduced by the polishing treatment. By using such an intermediate layer, contact between the metal substrate and the acidic solution can be prevented, and the corrosion resistance can be improved. Here, as the pre-treatment, items generally performed can be widely adopted in addition to the polishing treatment. For example, electropolishing, lapping, micro shot processing, and the like can be applied.
次に、上記の処理を施した金属基材31の構成材料の表面に、中間層32、導電性炭素層33を順に成膜する。使用するターゲットとしては、例えば、上述した中間層32の構成材料(例えば、チタン金属)、導電性炭素層33の構成材料(例えば、固体グラファイト)を使用することができる。まずチタン金属をターゲットとして使用し、窒素ガスを系内に導入しながら金属基材に対して負のバイアス電圧を印加してスパッタリングを行うことでチタン窒化物被膜を金属基材31の両表面上に形成する。次に、固体グラファイトをターゲットとして使用し、バイアス電圧を低い値から高い値に変化させることによって境界層33aおよび表層部33bを有する導電性炭素層33を得ることができる。このようにして金属基材31上に中間層32、導電性炭素層33を順次形成することができる。 Next, an intermediate layer 32 and a conductive carbon layer 33 are sequentially formed on the surface of the constituent material of the metal substrate 31 that has been subjected to the above processing. As a target to be used, for example, the above-described constituent material of the intermediate layer 32 (for example, titanium metal) and the constituent material of the conductive carbon layer 33 (for example, solid graphite) can be used. First, using a titanium metal as a target, sputtering is performed by applying a negative bias voltage to the metal substrate while introducing a nitrogen gas into the system, so that a titanium nitride film is formed on both surfaces of the metal substrate 31. Formed. Next, the conductive carbon layer 33 having the boundary layer 33a and the surface layer portion 33b can be obtained by using solid graphite as a target and changing the bias voltage from a low value to a high value. Thus, the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 can be sequentially formed on the metal substrate 31.
中間層32及び導電性炭素層33を積層(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、乾式成膜法として、例えば、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ECRスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、乾式成膜法であるスパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましい。かような手法によれば、表層部として水素含有量の少ない乱層構造のグラファイト構造を形成することができる。その結果、表層部のR値を上昇させることができ、優れた導電性が達成されうる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材31へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、中間層32結晶構造を制御したり、成膜される各層の膜質をコントロールしたりできるという利点もある。 As a method preferably used for laminating (forming a film) the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33, a physical vapor deposition (PVD) such as a sputtering method or an ion plating method may be used as a dry film forming method. Or an ion beam evaporation method such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, a dual magnetron sputtering method, and an ECR sputtering method. In addition, examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Among them, it is preferable to use a sputtering method and an ion plating method which are dry film forming methods. According to such a method, a graphite structure having a turbostratic structure with a small hydrogen content can be formed as a surface layer portion. As a result, the R value of the surface layer can be increased, and excellent conductivity can be achieved. In addition to this, there is an advantage that film formation can be performed at a relatively low temperature, and damage to the metal base material 31 can be minimized. Further, according to the sputtering method, there is an advantage that the crystal structure of the intermediate layer 32 can be controlled and the quality of each layer to be formed can be controlled by controlling the bias voltage and the like.
ここで、中間層32、導電性炭素層33の成膜を乾式成膜法であるスパッタリング法により行なう場合には、上記した通り、スパッタリング時に金属基材31に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような実施形態によれば、イオン照射効果によって、上記した中間層32のように結晶構造の制御ができ、導電性炭素層33の構造を境界層と表層部で変化させることができる。これにより、耐腐食性向上に寄与する中間層の形成や本発明における導電性炭素層のように高い密着性と低い接触抵抗を両立し得る導電性炭素層を得ることができる。 Here, when forming the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 by a sputtering method which is a dry film forming method, as described above, a negative bias voltage is applied to the metal base 31 at the time of sputtering. Good. According to such an embodiment, the crystal structure can be controlled as in the above-described intermediate layer 32 by the ion irradiation effect, and the structure of the conductive carbon layer 33 can be changed between the boundary layer and the surface layer. As a result, it is possible to form an intermediate layer that contributes to the improvement of corrosion resistance, and to obtain a conductive carbon layer that can achieve both high adhesion and low contact resistance like the conductive carbon layer in the present invention.
中間層32は、上述のように金属基材31の防食効果を高めることができ、アルミニウムのような腐食しやすい金属の場合でも、セパレータの金属基材31として適用できる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、中間層32を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。 The intermediate layer 32 can enhance the anticorrosion effect of the metal base material 31 as described above, and can be applied as the metal base material 31 of the separator even in the case of a corrosive metal such as aluminum. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the applied negative bias voltage is not particularly limited, and a voltage that can form the intermediate layer 32 can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50-500V, more preferably 100-300V.
本発明に係る導電性炭素層33は、境界層による中間層との高い密着性を有しつつ、表層部は優れた導電性を発揮しうることから、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さい導電部材(セパレータ5)が提供されうる。導電性炭素層33では、上記の通り、導電性炭素層33成膜時における負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させる手法を用いる。具体的には、後述する実施例のように導電性炭素層33成膜時の初期では、中間層32との間に隙間や欠陥を生じないように低いバイアス電圧(0Vより高ければよく、0V超〜50V)で成膜を開始し、その後バイアス電圧を高い値(通常200〜500V、好ましくは200〜300V)に移行させ導電性が高い乱層構造のグラファイトに変化させればよい。 The conductive carbon layer 33 according to the present invention has high adhesion to the intermediate layer due to the boundary layer, and the surface layer portion can exhibit excellent conductivity. A conductive member (separator 5) having small contact resistance can be provided. As described above, in the conductive carbon layer 33, a method of changing the negative bias voltage at the time of forming the conductive carbon layer 33 from a low value to a high value is used. More specifically, in the initial stage of the formation of the conductive carbon layer 33 as in the example described later, a low bias voltage (higher than 0 V, 0 V The film formation may be started at an ultra-high voltage of 50 V, and then the bias voltage may be shifted to a high value (usually 200 to 500 V, preferably 200 to 300 V) to change the graphite into a highly conductive graphite having a turbostratic structure.
なお、中間層32及び導電性炭素層33の成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。また、UBMS法により導電性炭素層33を成膜する場合には、予め同様の装置及び製法で中間層32を形成しておき、その上に導電性炭素層33を形成することが好ましい。これにより、下地層との密着性に優れる中間層32及び導電性炭素層33が形成されうる。ただし、他の手法によって中間層32を形成し、異なる装置や製法にて導電性炭素層33を成膜するようにしても良い。この場合であっても、金属基材31との密着性に優れる中間層32、更には導電性炭素層33が形成されうる。 It should be noted that specific conditions such as other conditions at the time of forming the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. When the conductive carbon layer 33 is formed by the UBMS method, it is preferable that the intermediate layer 32 is formed in advance by a similar apparatus and manufacturing method, and the conductive carbon layer 33 is formed thereon. Thereby, the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 having excellent adhesion to the underlayer can be formed. However, the intermediate layer 32 may be formed by another method, and the conductive carbon layer 33 may be formed by a different apparatus or manufacturing method. Even in this case, the intermediate layer 32 having excellent adhesion to the metal substrate 31 and the conductive carbon layer 33 can be formed.
上述した手法によれば、金属基材31の両表面に中間層32、更には導電性炭素層33が形成された導電部材が製造されうる。金属基材31の両面に中間層32、更には導電性炭素層33が形成されてなる導電部材を製造するには、市販の適当な成膜装置(両面同時スパッタ成膜装置およびこれを用いたスパッタ成膜方法)を用いてもよいし、別途、金属基材31の両表面に中間層32、更には導電性炭素層33が成膜可能なスパッタリング装置や作成して、成膜を施してもよいなど特に制限されるものではない。また、コスト的には、有利とはいえないが、金属基材31の一方の主表面に中間層32、更には導電性炭素層33を成膜し、ついで金属基材31の他方の主表面に対して、上述したのと同様の手法によって、中間層32、導電性炭素層33を順次形成してもよい。あるいは、まず、クロムなどの金属材料をターゲットとした装置内で、金属基材31の一方の主表面に中間層32を成膜し、続いて、上記工程により成膜された中間層32と対向する主表面とは異なる主表面に中間層32を成膜する工程を行なう。続いて、ターゲットをカーボンに切り替えて、同じ装置内部で、金属基材31の一方の主表面に形成された中間層32上に導電性炭素層33を成膜し、続いて、上記工程により成膜された導電性炭素層33と対向する主表面とは異なる主表面にと対向する主表面とは異なる主表面に、導電性炭素層33を成膜する工程を行なえばよい。このように、金属基材31の両表面への中間層32の成膜や、該中間層32表面に導電性炭素層33を成膜する手法としても、金属基材31の一表面への中間層32や導電性炭素層33の成膜について上述したのと同様の手法(但し、工数は半減可能である)が採用されうるなど、特に制限されるものではない。 According to the above-described method, a conductive member having the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 formed on both surfaces of the metal base 31 can be manufactured. In order to manufacture a conductive member in which the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 are formed on both surfaces of the metal base material 31, a commercially available appropriate film forming apparatus (a double-sided simultaneous sputtering film forming apparatus and the same) was used. Sputtering method) may be used, or a sputtering device or a sputtering device capable of forming the intermediate layer 32 and further the conductive carbon layer 33 on both surfaces of the metal substrate 31 may be separately formed. It is not particularly limited. Although not advantageous in terms of cost, an intermediate layer 32 and further a conductive carbon layer 33 are formed on one main surface of the metal base material 31, and then the other main surface of the metal base material 31 is formed. On the other hand, the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 may be sequentially formed by the same method as described above. Alternatively, first, the intermediate layer 32 is formed on one main surface of the metal substrate 31 in an apparatus targeting a metal material such as chromium, and then, the intermediate layer 32 is opposed to the intermediate layer 32 formed in the above-described process. The step of forming the intermediate layer 32 on a main surface different from the main surface to be performed is performed. Subsequently, the target is switched to carbon, and a conductive carbon layer 33 is formed on the intermediate layer 32 formed on one main surface of the metal base material 31 in the same apparatus. A step of forming the conductive carbon layer 33 on a main surface different from the main surface opposite to the main surface opposite to the formed conductive carbon layer 33 may be performed. As described above, as a method of forming the intermediate layer 32 on both surfaces of the metal substrate 31 and a method of forming the conductive carbon layer 33 on the surface of the intermediate layer 32, the intermediate layer 32 may be formed on one surface of the metal substrate 31. The method for forming the layer 32 and the conductive carbon layer 33 is not particularly limited, for example, a method similar to that described above (however, the number of steps can be reduced by half) can be adopted.
(導電部材)
本発明の導電部材は、金属基材と、前記金属基材上に金属窒化物、炭化物、または炭窒化物を含む中間層とが設けられ、前記中間層上に導電性炭素層が被覆されている導電部材である。前記導電性炭素層は、その形成工程に低いバイアス電圧から高いバイアス電圧に変化させる工程を含むことを特徴としている。該工程により中間層近傍に中間層との密着性が良好な境界層が形成され、最表層部は高い導電性を有する。中間層の材料としてチタン窒化物その他の第4族の金属、第5族の金属、第6族の金属の炭化物、窒化物および炭窒化物を使用することは、導電部材の耐食性を向上させる観点から有効である。
(Conductive member)
The conductive member of the present invention is provided with a metal substrate and an intermediate layer containing metal nitride, carbide, or carbonitride on the metal substrate, and a conductive carbon layer is coated on the intermediate layer. Conductive member. The conductive carbon layer is characterized in that the step of forming the conductive carbon layer includes a step of changing from a low bias voltage to a high bias voltage. By this step, a boundary layer having good adhesion to the intermediate layer is formed near the intermediate layer, and the outermost layer has high conductivity. The use of titanium nitride and other Group 4 metals, Group 5 metals, Group 6 metals carbides, nitrides and carbonitrides as the material of the intermediate layer improves the corrosion resistance of the conductive member. Valid from.
しかし、他の部材との接触抵抗低減等のために、中間層上に導電性炭素層を形成した場合、中間層と導電性炭素層との間の密着性を確保することが困難であった。この原因は、従来の導電性炭素層の形成工程で一定の高いバイアス電圧を印加していたことにある。このような方法で作製された導電性炭素層は乱層構造のグラファイトの比率が大きいためR値が高く、チタン窒化物といった上記の材料との高い密着性が得られない。 However, when a conductive carbon layer is formed on the intermediate layer to reduce contact resistance with other members, it has been difficult to secure adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer. . The reason is that a constant high bias voltage was applied in the conventional conductive carbon layer forming process. The conductive carbon layer manufactured by such a method has a high R value due to a large ratio of graphite having a turbostratic structure, and cannot obtain high adhesion to the above-mentioned materials such as titanium nitride.
そこで、本発明では、導電性炭素層形成工程においてバイアス電圧を低い値から高い値に変化させる工程を含む。このように導電性炭素層を形成する工程において、初期の低いバイアス電圧で行うとsp3炭素が多く残った導電性炭素層が得られ、衝突エネルギーが小さいため中間層の凹凸への付回りが良く緻密になる。このようなsp3炭素を多く含む柔らかい炭素層の上に高いバイアス電圧で接触抵抗が低い表層部を積層することで、炭素の衝突が緩和され安定な膜を作製することができる。よって、接触抵抗が低くかつ、中間層と導電性炭素層との密着性が良好な導電部材を得ることができる。本発明に係る導電性部材の表面をSEMにより観察すると、図9Aに示すように中間層の粒界部分に隙間が非常に少ないことがわかる。一方、従来の製法では、中間層が硬質なチタン窒化物の様な材料の場合、導電性炭素層がグラファイト化するため、中間層表面に緻密な膜を形成することができない。結果、図9Bに示すように中間層と導電性炭素層との間に隙間が生じる。 Therefore, the present invention includes a step of changing the bias voltage from a low value to a high value in the conductive carbon layer forming step. In the process of forming the conductive carbon layer in this manner, if the process is performed at an initial low bias voltage, a conductive carbon layer in which a large amount of sp 3 carbon remains is obtained, and the collision energy is small, so that the rotation of the intermediate layer to unevenness is reduced. Become well dense. By stacking a surface layer having a low contact resistance with a high bias voltage on such a soft carbon layer containing a large amount of sp 3 carbon, a collision of carbon is reduced and a stable film can be manufactured. Therefore, a conductive member having low contact resistance and good adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer can be obtained. Observation of the surface of the conductive member according to the present invention by SEM reveals that there are very few gaps at the grain boundary portion of the intermediate layer as shown in FIG. 9A. On the other hand, in the conventional manufacturing method, when the intermediate layer is made of a material such as hard titanium nitride, the conductive carbon layer is graphitized, so that a dense film cannot be formed on the surface of the intermediate layer. As a result, a gap is generated between the intermediate layer and the conductive carbon layer as shown in FIG. 9B.
かように、本発明の導電部材の構成によれば、中間層と導電性炭素層の表層部との間に両層との接着性が良好な境界層を設けることで、中間層と導電性炭素層の間に形成される隙間や欠陥を低減することができる。さらに、導電性炭素層の剥離や隙間の発生を抑制することにより、水の侵入を抑制する機能を付与することができる。その結果、金属基材の防食効果を高めることができる。このような防食性能を有することにより本発明に係る導電部材は、アルミニウムのような軽量で安価な反面、腐食しやすい金属を金属基材として使用した場合でも、セパレータとして長期間安定して使用できる。即ち、中間層と導電性炭素層の表層部の間に境界層を設けることで、表層部の高い導電性を有しつつ、中間層と導電性炭素層との高い密着性を得ることができる。さらには中間層と導電性炭素層との間の隙間や欠陥の生成を抑制することにより水の進入を防止し、各部材の酸化を抑制し、接触抵抗の増加を抑制することができる。 As described above, according to the configuration of the conductive member of the present invention, by providing the boundary layer having good adhesion between the intermediate layer and the surface layer of the conductive carbon layer, the intermediate layer and the conductive layer Gaps and defects formed between the carbon layers can be reduced. Further, a function of suppressing intrusion of water can be provided by suppressing peeling of the conductive carbon layer and generation of gaps. As a result, the anticorrosion effect of the metal base can be enhanced. By having such anticorrosive performance, the conductive member according to the present invention can be used stably as a separator for a long period of time even when a lightweight and inexpensive metal such as aluminum is used as a metal substrate, even when a corrosive metal is used as a metal substrate. . That is, by providing the boundary layer between the intermediate layer and the surface layer of the conductive carbon layer, it is possible to obtain high adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer while having high conductivity of the surface layer. . Furthermore, by suppressing the generation of gaps and defects between the intermediate layer and the conductive carbon layer, it is possible to prevent water from entering, suppress oxidation of each member, and suppress an increase in contact resistance.
以下、添付した図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to only the following embodiments. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of description, and may be different from the actual ratios.
図1は、本発明に係る導電部材の代表的な一実施形態である金属セパレータを用いてなる燃料電池の基本構成、詳しくは固体高分子型の燃料電池(PEFC)のセルユニットの基本構成のみを模式的に示す断面概略図である
図1に示す燃料電池(PEFC)のセルユニット1では、固体高分子電解質膜2の両面に触媒層3(アノード用3a及びカソード用3b)を配置されている。そして、それら固体高分子電解質膜2と触媒層3(3a、3b)との積層体は、さらにこれらを挟持するように、ガス拡散層4(アノード用4a及びカソード用4b)を配置させて、膜電極接合体(MEA)9が形成されている。MEA(Membrane Electrode Assembly)9は最終的に、導電性を有する一対の金属セパレータ5(アノード用5aおよびカソード用5b)により挟持されて、PEFCの単セルユニット1を構成する。図1において、金属セパレータ5(アノード用5a及びカソード用5b)は、MEA9の両面(両側)に位置するように図示されている。ただし、MEA9が複数積層されてなる燃料電池スタックでは、金属セパレータ5は、隣接するPEFCのセルユニット1(図3参照)のための金属セパレータ5としても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEA9は、金属セパレータ5を介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、金属セパレータ(5a、5b)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFCのセルユニット1とこれと隣接する他のPEFCのセルユニット1との間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する(図3、図4参照)。
FIG. 1 shows a basic configuration of a fuel cell using a metal separator, which is a typical embodiment of a conductive member according to the present invention, specifically, only a basic configuration of a cell unit of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). In a cell unit 1 of a fuel cell (PEFC) shown in FIG. 1, catalyst layers 3 (anode 3a and cathode 3b) are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 2. I have. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layer 3 (3a, 3b) is further provided with a gas diffusion layer 4 (anode 4a and cathode 4b) so as to sandwich them. A membrane electrode assembly (MEA) 9 is formed. An MEA (Membrane Electrode Assembly) 9 is finally sandwiched by a pair of conductive metal separators 5 (anode 5a and cathode 5b) to form a single cell unit 1 of PEFC. In FIG. 1, the metal separators 5 (anode 5a and cathode 5b) are illustrated as being located on both sides (both sides) of the MEA 9. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs 9 are stacked, the metal separator 5 is generally also used as the metal separator 5 for the adjacent PEFC cell unit 1 (see FIG. 3). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs 9 are sequentially stacked with the metal separator 5 interposed therebetween to form a stack. In an actual fuel cell stack, between a metal separator (5a, 5b) and a solid polymer electrolyte membrane 2, or between a cell unit 1 of PEFC and a cell unit 1 of another PEFC adjacent thereto. Although a gas seal portion is provided, these descriptions are omitted in FIG. 1 (see FIGS. 3 and 4).
金属セパレータ5(5a、5b)のMEA9側から見た凸部はMEA9と接触している。これにより、MEA9との電気的な接続が確保される。また、金属セパレータ5(5a、5b)のMEA9側から見た凹部(金属セパレータ5の有する凹凸状の形状に起因して生じる金属セパレータ5とMEA9との間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路5aaには燃料ガス5ag(例えば、水素や水素含有ガスなど)を流通させ、カソードセパレータ5bのガス流路5bbには酸化剤ガス5bg(例えば、空気やO2含有ガスなど)を流通させる。 The convex portions of the metal separator 5 (5a, 5b) viewed from the MEA 9 side are in contact with the MEA 9. Thereby, an electrical connection with the MEA 9 is ensured. The concave portion (the space between the metal separator 5 and the MEA 9 generated due to the uneven shape of the metal separator 5) seen from the MEA 9 side of the metal separator 5 (5a, 5b) is a gas when the PEFC 1 is operated. Function as a gas flow path for flowing the gas. Specifically, a fuel gas 5ag (for example, hydrogen or a hydrogen-containing gas) flows through the gas flow path 5aa of the anode separator 5a, and an oxidant gas 5bg (for example, air) flows through the gas flow path 5bb of the cathode separator 5b. and such as O 2 containing gas) circulating.
一方、金属セパレータ5(5a、5b)のMEA9側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒8w(例えば、冷却水、水)を流通させるための冷媒流路8とされる。さらに、金属セパレータ5(5a、5b)には通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際にPEFCの各セル(ユニット1)を連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタック200の機械的強度が確保されうる(図3、4参照)。 On the other hand, the concave portion viewed from the side opposite to the MEA 9 side of the metal separator 5 (5a, 5b) is a refrigerant for flowing the refrigerant 8w (for example, cooling water, water) for cooling the PEFC during the operation of the PEFC1. Channel 8 is provided. Further, the metal separator 5 (5a, 5b) is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as connecting means for connecting each cell (unit 1) of the PEFC when forming a stack. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack 200 can be ensured (see FIGS. 3 and 4).
実際の燃料電池(PEFC)では、金属セパレータ5と電解質膜2の端部の周囲(周縁部)の間、並びに燃料電池のセルユニット1と隣り合う別のセルユニット1との間でガスシールを配置するが、本概略図では省略する。燃料電池用セパレータ5は、本発明に係る導電部材の一実施形態である金属セパレータ5でも、例えば厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで、図1に示すような凹凸状の形状(波型)のガス流路5aa、5bb及び冷媒流路8に成形し、そこ(ガス流路5aa、5bb)に燃料ガス5ag(水素や水素含有ガス)や酸化剤ガス5bg(空気やO2含有ガス)や冷却水8wを流す。 In an actual fuel cell (PEFC), a gas seal is formed between the metal separator 5 and the periphery (peripheral edge) of the end of the electrolyte membrane 2 and between the cell unit 1 of the fuel cell and another cell unit 1 adjacent thereto. Although they are arranged, they are omitted in this schematic diagram. The fuel cell separator 5 is a metal separator 5 which is an embodiment of the conductive member according to the present invention. For example, by performing a pressing process on a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less, the unevenness as shown in FIG. Shaped (corrugated) gas flow paths 5aa, 5bb and refrigerant flow path 8 are formed (gas flow paths 5aa, 5bb) into fuel gas 5ag (hydrogen or hydrogen-containing gas) or oxidizing gas 5bg (air or O2). 2 containing gas) and 8 w of cooling water.
以上のように、金属セパレータ5は、各MEA9を直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガス5agおよび酸化剤5bgガス並びに冷媒8wといった異なる流体を流すガス流路5aa、5bbや冷媒流路8やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能も有する。また、電解質膜2には、通常、パーフルオロスルホン酸型の膜を使用することから、膜から溶出する種々の酸性イオンと電池に加湿ガスを投入することから、電池内は湿潤の弱酸性腐食環境下にある。 As described above, in addition to the function of electrically connecting the respective MEAs 9 in series, the metal separator 5 has the gas flow paths 5aa, 5bb and the coolant flow path for flowing different fluids such as the fuel gas 5ag, the oxidant 5bg gas, and the coolant 8w. It has a path 8 and a manifold, and further has a function of maintaining the mechanical strength of the stack. In addition, since a perfluorosulfonic acid type membrane is usually used for the electrolyte membrane 2, various acidic ions eluted from the membrane and a humidifying gas are supplied to the battery, so that the inside of the battery has a weak acidic corrosion. Under the environment.
図2に示す本実施形態において、金属セパレータ5を構成する導電部材は、金属基材31に中間層32と導電性炭素層33とが順に積層された構成を有する。そして、導電性炭素層は、中間層近傍の境界層33aと表層部33bとからなる。なお、PEFCのセルユニット1において、金属セパレータ5は、導電性炭素層31がMEA9側に位置するように、配置される(図2、図3、図4参照)。 In the present embodiment shown in FIG. 2, the conductive member constituting the metal separator 5 has a configuration in which an intermediate layer 32 and a conductive carbon layer 33 are sequentially laminated on a metal base material 31. The conductive carbon layer includes a boundary layer 33a near the intermediate layer and a surface layer 33b. In the PEFC cell unit 1, the metal separator 5 is arranged such that the conductive carbon layer 31 is located on the MEA 9 side (see FIGS. 2, 3, and 4).
図2に示すように、本発明に係る導電部材の代表的な一実施形態である燃料電池(PEFC)の金属セパレータ5の断面構成としては、金属セパレータ5の金属基材31の両主面(表面)に中間層32と最表層部の導電性炭素層33が配置されている。金属基材31に例えばSUS316Lのような耐食性に優れたステンレスを用いた場合、金属基材31自体が燃料電池内の酸性環境下に耐えられるため、酸による腐食を防ぐことを主な目的とするならば中間層32の要求はそれほど厳しくない。しかしながら、燃料電池の起動停止時などにセル内で局所的に高電位が発生することがある。高電位に対する防食性を考慮すると上記のチタン窒化物などの材料が従来の金属からなる中間層以上に好適である。 As shown in FIG. 2, the sectional configuration of the metal separator 5 of the fuel cell (PEFC), which is a typical embodiment of the conductive member according to the present invention, includes two main surfaces ( The intermediate layer 32 and the outermost conductive carbon layer 33 are disposed on the surface. When stainless steel having excellent corrosion resistance, such as SUS316L, is used for the metal base 31, the main purpose is to prevent corrosion by acid, because the metal base 31 itself can withstand the acidic environment in the fuel cell. Then, the requirements of the intermediate layer 32 are not so severe. However, a high potential may be locally generated in the cell when the fuel cell is started or stopped. Considering the corrosion resistance to high potentials, the above materials such as titanium nitride are more suitable than the conventional intermediate layer made of metal.
しかし、中間層として耐高電位腐食性に優れるチタン窒化物などの材料を使用した場合、接触抵抗低減等のために中間層上に形成される導電性炭素層との密着性が乏しくなる。この原因としては、従来のR値が高い導電性炭素層に多く含まれる乱層構造のグラファイトが中間層との接着性に寄与しないことが考えられた。 However, when a material such as titanium nitride having excellent high-potential corrosion resistance is used as the intermediate layer, the adhesion to the conductive carbon layer formed on the intermediate layer becomes poor to reduce contact resistance and the like. It is considered that the cause is that graphite having a turbostratic structure, which is often contained in the conventional conductive carbon layer having a high R value, does not contribute to the adhesion to the intermediate layer.
そこで、本発明では中間層近傍の導電性炭素層のR値を表層部に比べて低く制御することにより、チタン窒化物などの中間層材料に対して高い密着性を有する境界層を形成している。 Therefore, in the present invention, by controlling the R value of the conductive carbon layer near the intermediate layer to be lower than that of the surface layer, a boundary layer having high adhesion to the intermediate layer material such as titanium nitride is formed. I have.
これにより、低い接触抵抗を有しつつ、中間層との高い密着性を有する導電部材を得ることができる。また、本発明に係る導電部材は、導電性炭素層の剥離が抑制され、導電性炭素層の接触抵抗の増大や金属基材の腐食につながるセパレータ内部への水の浸透を抑制しうる。その結果、所期の優れた電池性能を長期間安定して、発現、保持し得る。 Thus, a conductive member having low contact resistance and high adhesion to the intermediate layer can be obtained. Further, the conductive member according to the present invention can suppress the peeling of the conductive carbon layer, and can suppress the permeation of water into the inside of the separator, which leads to an increase in the contact resistance of the conductive carbon layer and corrosion of the metal base material. As a result, the desired excellent battery performance can be stably developed, maintained for a long period of time.
以下、本実施形態の金属セパレータ5の各構成要素について詳説する。 Hereinafter, each component of the metal separator 5 of the present embodiment will be described in detail.
[金属基材]
金属基材31は、金属セパレータ5を構成する導電部材の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
[Metal base material]
The metal base material 31 is a main layer of a conductive member constituting the metal separator 5, and contributes to securing conductivity and mechanical strength.
金属基材31を構成する金属について特に制限はなく、従来、金属セパレータ5の構成材料として用いられているものが適宜用いられうる。金属基材31の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられうる。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、金属基材31はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されることが好ましい。ステンレスを金属基材31として用いると、ガス拡散層(GDL)4の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性が十分に確保されうる。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成される金属基材31自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性により、耐久性が維持されうる。ここでGDL4は、GDL4(4a、4b)に面圧が直接かかる部分(金属セパレータ5と接触部分;リブ部分)と、直接はかからない部分(接触していない部分;流路部分)とからなり、上記リブ肩部は、上記金属セパレータ5と接触部分;リブ部分の肩部(コーナー部)をさす。 The metal constituting the metal base 31 is not particularly limited, and any metal conventionally used as a constituent material of the metal separator 5 can be appropriately used. Examples of the constituent material of the metal base material 31 include iron, titanium, aluminum, and alloys thereof. These materials can be preferably used from the viewpoint of mechanical strength, versatility, cost performance, ease of processing, and the like. Here, stainless steel is included in the iron alloy. In particular, the metal base 31 is preferably made of stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy. When stainless steel is used as the metal substrate 31, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion substrate, which is a constituent material of the gas diffusion layer (GDL) 4, can be sufficiently ensured. As a result, even if moisture penetrates into the gap between the films at the rib shoulders, the durability can be maintained by the corrosion resistance of the oxide film generated on the metal base material 31 made of stainless steel itself. Here, the GDL 4 is composed of a portion where the surface pressure is directly applied to the GDL 4 (4a, 4b) (a contact portion with the metal separator 5; a rib portion) and a portion not directly applied (a portion not in contact; a flow channel portion), The rib shoulder portion refers to a portion in contact with the metal separator 5; a shoulder portion (corner portion) of the rib portion.
ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、SUS201、SUS202、SUS301、SUS302、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316(L)、SUS317が挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、SUS329J1が挙げられる。マルテンサイト系としては、SUS403、SUS420が挙げられる。フェライト系としては、SUS405、SUS430、SUS430LXが挙げられる。析出硬化系としては、SUS630が挙げられる。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、ステンレス中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。 Examples of stainless steel include austenitic, martensitic, ferritic, austenitic / ferritic, and precipitation hardening stainless steels. Examples of the austenitic system include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), and SUS317. SUS329J1 is mentioned as an austenitic ferrite type | system | group. SUS403 and SUS420 are mentioned as a martensite system. SUS405, SUS430, and SUS430LX are examples of ferrite. As the precipitation hardening system, SUS630 is given. Among them, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316. The content of iron (Fe) in the stainless steel is preferably from 60 to 84% by mass, and more preferably from 65 to 72% by mass. Further, the content of chromium (Cr) in stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.
一方、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、およびアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050、A1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。一方で、金属セパレータ5には機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、金属基材31がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。 On the other hand, examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum-manganese, and aluminum-magnesium. Elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they can be generally used as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel may be included in the aluminum alloy. Specific examples of aluminum alloys include A1050 and A1050P as pure aluminum-based alloys, A3003P and A3004P as aluminum-manganese-based alloys, and A5052P and A5083P as aluminum-magnesium-based alloys. On the other hand, since the metal separator 5 is also required to have mechanical strength and formability, the tempering of the alloy can be appropriately selected in addition to the above-mentioned alloy types. When the metal substrate 31 is composed of a simple substance of titanium or aluminum, the purity of the titanium or aluminum is preferably 95% by mass or more, more preferably 97% by mass or more, and further preferably 99% by mass. % Or more.
金属基材31の厚さは、特に限定されない。加工容易性および機械的強度、並びにセパレータ5自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点より、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは80〜300μmであり、さらに好ましくは80〜200μmである。特に、構成材料としてステンレスを用いた場合の金属基材31の厚さは、好ましくは80〜150μmである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材31の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、金属セパレータ5として十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。 The thickness of the metal substrate 31 is not particularly limited. It is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, and still more preferably 80 to 300 μm, from the viewpoints of ease of processing and mechanical strength, and improvement of the energy density of the battery by making the separator 5 itself thinner. 200200 μm. In particular, when stainless steel is used as a constituent material, the thickness of the metal base 31 is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, when aluminum is used as a constituent material, the thickness of the metal base 31 is preferably 100 to 300 μm. When the thickness is in the above range, the metal separator 5 has sufficient strength, but is excellent in workability and can achieve a suitable thickness.
なお、例えば燃料電池用セパレータ5等の構成材料として十分な強度を提供するという観点からは、金属基材31は、ガス遮断性が高い材料から構成されることが好ましい。燃料電池のセパレータ5はセル同士を仕切る役割を担っているため、セパレータ5を挟んで両側で異なるガスが流れる構成となる(図3参照)。したがって、PEFCのセルユニット1のそれぞれのセルの隣り合うガスの混合やガス流量の変動をなくすという観点から、金属基材31はガス遮断性が高いほど好ましいのである。 In addition, for example, from the viewpoint of providing sufficient strength as a constituent material of the fuel cell separator 5 and the like, the metal base material 31 is preferably made of a material having high gas barrier properties. Since the separator 5 of the fuel cell plays a role of separating cells from each other, different gas flows on both sides of the separator 5 (see FIG. 3). Therefore, from the viewpoint of eliminating the mixing of the gas adjacent to each cell of the cell unit 1 of the PEFC and the fluctuation of the gas flow rate, the higher the gas barrier property of the metal substrate 31, the more preferable.
[導電性炭素層]
導電性炭素層33は、導電性炭素を含む層である。この層の存在によって、金属セパレータ5を構成する導電部材の導電性を確保しつつ、金属基材31のみの場合と比較して耐食性が改善されうる。本発明においては、導電性炭素層形成時にバイアス電圧を低い値から高い値に変化させることによって中間層界面に中間層との密着性が良好な境界層が形成され、導電性炭素層の表面には導電性が高い表層部が形成されうる。
[Conductive carbon layer]
The conductive carbon layer 33 is a layer containing conductive carbon. Due to the presence of this layer, the corrosion resistance can be improved as compared with the case where only the metal base material 31 is used, while ensuring the conductivity of the conductive member constituting the metal separator 5. In the present invention, a boundary layer having good adhesion with the intermediate layer is formed at the interface of the intermediate layer by changing the bias voltage from a low value to a high value during the formation of the conductive carbon layer. Can form a highly conductive surface layer.
導電性炭素層33は、ラマン散乱分光分析により測定される、Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)により規定される。境界層と表層部のR値を一定の領域に制御することによって、中間層と導電性炭素層との密着性の向上、接触抵抗の低減、耐腐食性といった効果が増大される。以下、より詳細に説明する。 Conductive carbon layer 33 is measured by a Raman scattering spectroscopic analysis is defined by the intensity ratio of the D-band peak intensity (I D) and G-band peak intensity (I G) R (I D / I G). By controlling the R value of the boundary layer and the surface layer to a certain region, effects such as improvement in adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer, reduction in contact resistance, and corrosion resistance are increased. Hereinafter, this will be described in more detail.
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近および1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333cm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp2結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、導電性炭素層33の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層33の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 When a carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks usually occur around 1350 cm -1 and around 1584 cm -1 . Highly crystalline graphite has a single peak around 1584 cm −1 , which peak is commonly referred to as the “G band”. On the other hand, as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase), a peak around 1350 cm −1 appears. This peak is usually referred to as "D band" (the diamond peak is strictly at 1333 cm < -1 > and is distinguished from the D band). The intensity ratio R ( ID / IG ) between the D-band peak intensity ( ID ) and the G-band peak intensity ( IG ) is determined by the graphite cluster size of the carbon material, the degree of disorder of the graphite structure (crystal structure defect), It used as an index, such as sp 2 bond ratio. That is, in the present invention, it can be used as an index of the contact resistance of the conductive carbon layer 33, and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the conductive carbon layer 33.
R(ID/IG)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(ID)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(IG)との相対的強度比(ピーク面積比(ID/IG))を算出することにより求められる。 R (I D / I G) value, using a microscopic Raman spectrometer, is calculated by measuring the Raman spectra of the carbon material. Specifically, the relative intensity ratio (peak area ratio (peak area ratio (I G )) of a peak intensity ( ID ) of 1300 to 1400 cm −1 called D band and a peak intensity (IG) of 1500 to 1600 cm −1 called G band. I D / I G )).
上述したように、本実施形態において、表層部のR値は1.3以上であることが好ましく、より好ましくは1.4〜2.0であり、さらに好ましくは1.4〜1.9であり、特に好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、導電性が十分に確保された表層部が得られる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層33自体の内部応力の増大をも抑制でき、境界層との密着性を一層向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, the R value of the surface portion is preferably 1.3 or more, more preferably 1.4 to 2.0, and still more preferably 1.4 to 1.9. Yes, particularly preferably 1.5 to 1.8. When the R value is 1.3 or more, a surface layer portion having sufficient conductivity can be obtained. Further, when the R value is 2.0 or less, the decrease in the graphite component can be suppressed. Further, an increase in the internal stress of the conductive carbon layer 33 itself can be suppressed, and the adhesion with the boundary layer can be further improved.
また、境界層のR値は1.3未満であることが好ましく、より好ましくは1.2以下であり、さらに好ましくは1.1以下である。R値が1.3未満であればsp3炭素を多く含む境界層を得ることができ、高いバイアス電圧で境界層上に表層部を成膜することができる。 Further, the R value of the boundary layer is preferably less than 1.3, more preferably 1.2 or less, and still more preferably 1.1 or less. When the R value is less than 1.3, a boundary layer containing a large amount of sp 3 carbon can be obtained, and the surface layer can be formed on the boundary layer with a high bias voltage.
なお、本実施形態のように表層部のR値を1.3以上または境界層のR値を1.3未満とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。ただし、以下の推定メカニズムは本発明の技術的範囲をいかようにも限定することはない。 The mechanism by which the above-described effects can be obtained by setting the R value of the surface layer portion to 1.3 or more or the R value of the boundary layer to less than 1.3 as in the present embodiment is estimated as follows. I have. However, the following estimation mechanism does not limit the technical scope of the present invention in any way.
多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するsp2炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。よって、本発明に係る導電性炭素層は、低い接触抵抗を確保しつつ、中間層と導電性炭素層との高い密着性を有する。 In polycrystalline graphite, since the graphene surface is formed by bonding of sp 2 carbon atoms constituting the graphite cluster, conductivity is ensured in the surface direction of the graphene surface. Therefore, the conductive carbon layer according to the present invention has high adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer while ensuring low contact resistance.
ここで、本発明に係る導電性炭素層の表層部である多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは1〜50nm程度であり、より好ましくは2〜10nmである。グラファイトクラスターの平均直径がかような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層33の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出されうる。 Here, the size of the graphite cluster constituting the polycrystalline graphite which is the surface portion of the conductive carbon layer according to the present invention is not particularly limited. For example, the average diameter of the graphite cluster is preferably about 1 to 50 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average diameter of the graphite cluster is within such a range, it is possible to prevent the conductive carbon layer 33 from being thickened while maintaining the crystal structure of the polycrystalline graphite. Here, the “diameter” of the graphite cluster means the largest distance among the distances between any two points on the contour line of the cluster. The average diameter value of the graphite cluster is calculated as an average value of the diameter of the cluster observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It can be calculated.
なお、本実施形態では導電性炭素層33は多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層33は多結晶グラファイト以外の材料をも含みうる。導電性炭素層33に含まれうる多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層33に含まれうる炭素材料以外の材料としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、インジウム(In)等の貴金属;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性物質;導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、1種のみが用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 In the present embodiment, the conductive carbon layer 33 may be composed of only polycrystalline graphite, but the conductive carbon layer 33 may include a material other than polycrystalline graphite. Examples of carbon materials other than polycrystalline graphite that can be included in the conductive carbon layer 33 include carbon black, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon fibril. Further, specific examples of carbon black include, but are not limited to, Ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, and thermal black. The carbon black may be subjected to a graphitization treatment. Materials other than the carbon material that can be included in the conductive carbon layer 33 include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), and indium. A noble metal such as (In); a water-repellent substance such as polytetrafluoroethylene (PTFE); and a conductive oxide. As the material other than polycrystalline graphite, only one kind may be used, or two or more kinds may be used in combination.
導電性炭素層33の厚さ(但し、突起状粒子33aを除く;平均値)は、特に制限されない。ただし、好ましくは1〜1000nmであり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。導電性炭素層33の厚さがかような範囲内の値であれば、ガス拡散基材とセパレータ5との間に十分な導電性を確保することができる。また、金属基材31に対して高い耐食機能を持たせることができるという有利な効果を奏しうる。なお、本実施形態では、導電性炭素層33は導電部材(セパレータ5)の一方の主表面にのみ存在させてもよいが、好ましくは図2などに示すように、導電部材(セパレータ5)の他の主表面にも(即ち、導電部材の両表面に)導電性炭素層33が存在した構成とするのが望ましい。これは、導電部材(導電性炭素層33)の両表面において、中間層32を介して金属基材31と、導電性炭素層33との密着性を確保しつつ、基材の防食効果をより一層維持できるためである。 The thickness of the conductive carbon layer 33 (however, excluding the protruding particles 33a; average value) is not particularly limited. However, it is preferably from 1 to 1000 nm, more preferably from 2 to 500 nm, and still more preferably from 5 to 200 nm. If the thickness of the conductive carbon layer 33 is within such a range, sufficient conductivity between the gas diffusion base material and the separator 5 can be ensured. In addition, the metal substrate 31 can have an advantageous effect of having a high corrosion resistance function. In the present embodiment, the conductive carbon layer 33 may be present only on one main surface of the conductive member (separator 5), but preferably, as shown in FIG. It is preferable that the conductive carbon layer 33 be present on other main surfaces (that is, on both surfaces of the conductive member). This is because, on both surfaces of the conductive member (conductive carbon layer 33), the metal substrate 31 and the conductive carbon layer 33 are kept in close contact with each other via the intermediate layer 32, and the anticorrosion effect of the substrate is improved. This is because it can be further maintained.
本実施形態においては、中間層32を介して金属基材31のすべてが、導電性炭素層33により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電性炭素層33により金属基材31が被覆された面積の割合(被覆率)は100%である。ただし、かような形態のみには限定されず、被覆率は100%未満であってもよい。導電性炭素層33による金属基材31の被覆率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは100%である。かような構成とすることにより、導電性炭素層33により被覆されていない、金属基材31の露出部への酸化皮膜の形成に伴う導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。なお、本実施形態のように、中間層32が金属基材31と導電性炭素層33との間に介在する場合、上記被覆率は、導電部材(金属セパレータ5)を積層方向から見た場合に導電性炭素層33と重複する金属基材31の面積の割合を意味するものとする。 In the present embodiment, the entirety of the metal substrate 31 is covered with the conductive carbon layer 33 via the intermediate layer 32. In other words, in the present embodiment, the ratio (coverage) of the area where the metal substrate 31 is covered with the conductive carbon layer 33 is 100%. However, it is not limited only to such a form, and the coverage may be less than 100%. The coverage of the metal substrate 31 with the conductive carbon layer 33 is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, further preferably 90% or more, and most preferably 100%. With such a configuration, a decrease in conductivity and corrosion resistance due to formation of an oxide film on an exposed portion of the metal substrate 31 that is not covered with the conductive carbon layer 33 can be effectively suppressed. In the case where the intermediate layer 32 is interposed between the metal base material 31 and the conductive carbon layer 33 as in the present embodiment, the above-mentioned coverage is determined when the conductive member (metal separator 5) is viewed from the laminating direction. Means the ratio of the area of the metal substrate 31 overlapping the conductive carbon layer 33.
[中間層]
図2に示すように、本実施形態において、セパレータ5を構成する導電部材は、中間層32を有する。この中間層32は、酸性水溶液と金属基材の接触防止や、金属基材31からのイオンの溶出を防止するという機能を有する。特に、導電性炭素層のR値が上述した好ましい範囲の上限値を超える場合に、中間層32を設けることによる効果は顕著に発現する。ただし、R値が上述した好ましい範囲に含まれる場合であっても中間層32が設けられうることは当然である。他の観点からは、中間層32の設置による上述した作用効果は、金属基材31がアルミニウムまたはその合金といった酸性条件下で耐腐食性が低い材料から構成される場合により一層顕著に発現する。以下、導電部材に中間層32が設けられた場合の好ましい形態について説明する。
[Intermediate layer]
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the conductive member forming the separator 5 has an intermediate layer 32. The intermediate layer 32 has a function of preventing contact between the acidic aqueous solution and the metal base material and preventing elution of ions from the metal base material 31. In particular, when the R value of the conductive carbon layer exceeds the upper limit of the preferable range described above, the effect of providing the intermediate layer 32 is remarkably exhibited. However, it goes without saying that the intermediate layer 32 can be provided even when the R value is within the above-described preferred range. In other respects, the above-described operation and effect provided by the provision of the intermediate layer 32 are more remarkably exhibited when the metal substrate 31 is made of a material having low corrosion resistance under acidic conditions such as aluminum or an alloy thereof. Hereinafter, a preferred embodiment in the case where the intermediate layer 32 is provided on the conductive member will be described.
中間層32を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限はない。例えば、周期律表の第4族の金属(Ti、Zr、Nf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、第6族の金属(Cr、Mo、W)の炭化物、窒化物および炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属の窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、下地の金属基材の防食効果に加えて、耐高電位腐食性が高いチタン窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。これらの材料を使用することによって起動停止時等に発生する局所的な高電位などから導電部材を保護することができる。また、これらの金属材料は不動態皮膜の形成により、露出部が存在していたとしても、それ自体の溶出はほとんど見られない点においても特に有用である。特に金属基材が、アルミニウムまたはその合金等の耐腐食性が低い金属で構成された金属基材31の場合、界面付近に到達した水分により腐食が進行する。その結果、金属基材31全体の膜厚方向の導電性が悪化する。このような理由から中間層を設けることは導電部材の耐食性付与に有効である。 The material forming the intermediate layer 32 is not particularly limited as long as it provides the above-mentioned adhesion. For example, carbides, nitrides, and metals of Group 4 metals (Ti, Zr, Nf), Group 5 metals (V, Nb, Ta), and Group 6 metals (Cr, Mo, W) of the periodic table. And carbonitrides. Of these, nitrides, carbides, or carbonitrides of metals such as tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb), and hafnium (Hf) with low ion elution are preferably used. More preferably, in addition to the anticorrosion effect of the underlying metal base material, titanium nitride, carbide, or carbonitride having high high-potential corrosion resistance is used. By using these materials, the conductive member can be protected from a local high potential or the like generated at the time of starting and stopping. Further, these metal materials are particularly useful in that even if an exposed portion is present due to the formation of a passivation film, elution of the metal material itself is hardly observed. In particular, when the metal base is a metal base 31 made of a metal having low corrosion resistance, such as aluminum or an alloy thereof, corrosion proceeds due to moisture that has reached near the interface. As a result, the conductivity of the entire metal substrate 31 in the thickness direction is deteriorated. For this reason, providing an intermediate layer is effective for imparting corrosion resistance to the conductive member.
中間層32の膜厚さは、特に制限されない。ただし、セパレータ5をより薄膜化することにより、燃料電池のスタックのサイズをできるだけ小さくするという観点からは、中間層32の膜厚さは、好ましくは0.01〜10μmであり、より好ましくは0.05〜5μmであり、さらに好ましくは0.02〜5μmであり、特に0.1〜1μmである。中間層32の厚さが0.01μm以上であれば、均一な層が形成され、金属基材31の耐食性を効果的に向上させることが可能となる。一方、中間層32の厚さが10μm以下であれば、中間層32の膜応力の上昇が抑えられ、金属基材31に対する皮膜追従性の低下やこれに伴う剥離・クラックの発生が防止されうる。 The thickness of the intermediate layer 32 is not particularly limited. However, from the viewpoint of making the size of the fuel cell stack as small as possible by making the separator 5 thinner, the thickness of the intermediate layer 32 is preferably 0.01 to 10 μm, more preferably 0 to 10 μm. 0.05-5 μm, more preferably 0.02-5 μm, especially 0.1-1 μm. If the thickness of the intermediate layer 32 is 0.01 μm or more, a uniform layer is formed, and the corrosion resistance of the metal base 31 can be effectively improved. On the other hand, if the thickness of the intermediate layer 32 is 10 μm or less, an increase in the film stress of the intermediate layer 32 is suppressed, and a decrease in film followability to the metal base material 31 and the occurrence of peeling and cracks due to this can be prevented. .
また、中間層32の、導電性炭素層33側の表面は、ナノレベルで粗くなっていることが好ましい。かような形態によれば、中間層32上に緻密に成膜される境界層と中間層32との密着性をより一層向上させることができる。このような中間層としては、柱状結晶構造を有している中間層が挙げられる。 It is preferable that the surface of the intermediate layer 32 on the side of the conductive carbon layer 33 is roughened at the nano level. According to such an embodiment, the adhesion between the boundary layer formed densely on the intermediate layer 32 and the intermediate layer 32 can be further improved. Examples of such an intermediate layer include an intermediate layer having a columnar crystal structure.
さらに、中間層32の熱膨張率が、金属基材31を構成する金属の熱膨張率と近い値であると、中間層32と金属基材31との密着性は向上する。ただし、かような形態では中間層32と導電性炭素層33との密着性が低下する場合がある。同様に、中間層32の熱膨張率が導電性炭素層33の熱膨張率と近い値であると、中間層32と金属基材31との密着性が低下する場合がある。これらを考慮して、中間層32の熱膨張率(αmid)、金属基材31の熱膨張率(αsub)、および導電性炭素層33の熱膨張率を(αc)は、αsub>αmid>αcの関係を満足することが好ましい。 Further, when the coefficient of thermal expansion of the intermediate layer 32 is close to the coefficient of thermal expansion of the metal constituting the metal substrate 31, the adhesion between the intermediate layer 32 and the metal substrate 31 is improved. However, in such a form, the adhesion between the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 may be reduced. Similarly, if the coefficient of thermal expansion of the intermediate layer 32 is close to the coefficient of thermal expansion of the conductive carbon layer 33, the adhesion between the intermediate layer 32 and the metal base 31 may be reduced. In consideration of these, the coefficient of thermal expansion (α mid ) of the intermediate layer 32, the coefficient of thermal expansion (α sub ) of the metal substrate 31, and the coefficient of thermal expansion (α c ) of the conductive carbon layer 33 are represented by α sub. > Α mid > α c is preferably satisfied.
なお、中間層32は、金属基材31の両表面に存在することが望ましいが、本発明の所期の効果を損なわない適用箇所などへの利用の場合には、いずれか一方の表面上にのみ存在するようにしてもよい。ただし、導電性炭素層33が金属基材31の一方の主表面にのみ存在する場合には、中間層32は、金属基材31と導電性炭素層33との間に存在する。また、導電性炭素層33は、上述したように金属基材31の両面に存在する場合もある。かような場合には、中間層32は、金属基材31と双方の導電性炭素層33との間にそれぞれ介在することが好ましい。金属基材31といずれか一方の導電性炭素層33との間にのみ中間層32が存在する場合には、当該中間層32は、PEFC1においてMEA9側に配置されることとなる導電性炭素層33と金属基材31との間に存在することが好ましい(図1、図3、図4等参照)。 It is desirable that the intermediate layer 32 be present on both surfaces of the metal base material 31. However, in the case where the intermediate layer 32 is used for an application location that does not impair the intended effect of the present invention, the intermediate layer 32 is provided on one of the surfaces. There may be only one. However, when the conductive carbon layer 33 exists only on one main surface of the metal base material 31, the intermediate layer 32 exists between the metal base material 31 and the conductive carbon layer 33. Further, the conductive carbon layer 33 may be present on both surfaces of the metal base 31 as described above. In such a case, it is preferable that the intermediate layer 32 be interposed between the metal base material 31 and both conductive carbon layers 33, respectively. When the intermediate layer 32 exists only between the metal substrate 31 and any one of the conductive carbon layers 33, the intermediate layer 32 is a conductive carbon layer to be disposed on the MEA 9 side in the PEFC1. It is preferably present between 33 and the metal substrate 31 (see FIGS. 1, 3 and 4).
図6は、本発明の導電部材、特に中間層32、導電性炭素層33の各層のいずれか少なくとも1層、好ましくはこれら各層を順にスパッタリング法を用いて成膜(形成)するための製造装置の平面概略図である。ここでは、スパッタリング装置として、実施例でも用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法に適用し得る装置を示している。 FIG. 6 shows a manufacturing apparatus for forming (forming) at least one layer of the conductive member of the present invention, in particular, the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33, and preferably these layers in order by sputtering. FIG. Here, as the sputtering apparatus, an apparatus applicable to the unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method used in the embodiment is shown.
図7は、本発明の導電部材、特に中間層32、導電性炭素層33の各層のいずれか少なくとも1層、好ましくはこれら各層を順にアークイオンプレーティング(AIP)法を用いて成膜(形成)するための製造装置の平面概略図である。但し、図6及び図7中には、凹凸プレス前の平板型の金属セパレータ5に替えて、既存の円盤状のウエハをセットした例を示している。 FIG. 7 shows the conductive member of the present invention, in particular, at least one layer of each of the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33, and preferably, each of these layers is sequentially formed (formed) by an arc ion plating (AIP) method. FIG. 2 is a schematic plan view of a manufacturing apparatus for performing the above steps. However, FIGS. 6 and 7 show an example in which an existing disk-shaped wafer is set in place of the flat metal separator 5 before the uneven pressing.
図6及び図7に示す装置300、400を用いてそれぞれスパッタリングする場合、金属セパレータ5が回転するテーブル301、401に1枚ないし複数枚配置され、各金属セパレータ5の表裏に成膜するために、各金属セパレータ5自身も、回転するテーブルの回転面(回転軸)と直行する方向に回転する。回転するテーブル301、401の金属セパレータ5それぞれの矢印方法は、回転面(軸)同士が相互に直行する回転の方向を示す。 When sputtering is performed using the apparatuses 300 and 400 shown in FIGS. 6 and 7, one or a plurality of metal separators 5 are arranged on the rotating tables 301 and 401, respectively. Also, each metal separator 5 itself also rotates in a direction perpendicular to the rotation surface (rotation axis) of the rotating table. The arrow method of each of the metal separators 5 of the rotating tables 301 and 401 indicates the direction of rotation where the rotating surfaces (axes) are perpendicular to each other.
図6及び図7に示す真空チャンバー303、403内は10−1〜10−2Torrレベルで保持され、必要に応じて。給気口305、405より、N2、Ar等のガス(図示せず)を導入することが出来る。不要な雰囲気ガスや余分なガスソースは、真空チャンバー303、403内の所定の圧力(真空圧等)を制御すべく、排気口307、407より適宜排気される。 The inside of the vacuum chambers 303 and 403 shown in FIGS. 6 and 7 is maintained at a level of 10 -1 to 10 -2 Torr, and as needed. Gases (not shown) such as N 2 and Ar can be introduced from the air supply ports 305 and 405. Unnecessary atmosphere gases and extra gas sources are appropriately exhausted from exhaust ports 307 and 407 in order to control a predetermined pressure (vacuum pressure or the like) in the vacuum chambers 303 and 403.
真空チャンバー303、403並びに各金属セパレータ5を保持するテーブル301、401自体には温調設備が接続され、温度調節もすることが出来る。 Temperature control equipment is connected to the vacuum chambers 303 and 403 and the tables 301 and 401 that hold the metal separators 5, and the temperature can be adjusted.
まず、図6及び図7に示す各金属セパレータ5表面をArイオンボンバード(逆スパッタ)にて金属セパレータ5表層部に存在する酸化皮膜を取り除く。酸化皮膜は数オングストロームの厚さで形成されるため、除去時間は数秒〜数分で良い。本実施形態では導電性炭素層33の成膜前に中間層32としてチタン窒化物を配置する。このため、チャンバー301、401内にはTiターゲット(スパッタリングターゲット(Ti))309、409を配置し、窒素雰囲気下でスパッタリングを実施する。チタン窒化物による中間層32形成後、続けて同一チャンバー301、401内に配置したカーボン)ターゲット(スパッタリングターゲット(C))311、411を用いて導電性炭素層33を形成する。導電性炭素層33の形成においては、図6に示すように、導電性炭素層形成時における負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させてなる各種パターンにて行っても良い。この他にも、各金属セパレータ5のバイアス電圧や温度、真空度等を変更して続けて形成することが出来る。中間層32の形成においても、バイアス電圧等を所定の値で変えることなく一定で行っても良いし、2回またはそれ以上変更して(連続的に変えながらでもよい)成膜を行っても良い。この他にも、各金属セパレータ5のバイアス電圧や温度、真空度等を変更して続けて形成することが出来る。 First, the surface of each metal separator 5 shown in FIGS. 6 and 7 is subjected to Ar ion bombardment (reverse sputtering) to remove an oxide film present on the surface of the metal separator 5. Since the oxide film is formed with a thickness of several angstroms, the removal time may be several seconds to several minutes. In this embodiment, a titanium nitride is disposed as the intermediate layer 32 before the conductive carbon layer 33 is formed. Therefore, Ti targets (sputtering targets (Ti)) 309 and 409 are arranged in the chambers 301 and 401, and sputtering is performed in a nitrogen atmosphere. After the formation of the intermediate layer 32 made of titanium nitride, the conductive carbon layer 33 is subsequently formed using carbon (targets (sputtering targets (C))) 311, 411 disposed in the same chambers 301, 401. In forming the conductive carbon layer 33, as shown in FIG. 6, various patterns may be used in which the negative bias voltage during the formation of the conductive carbon layer is changed from a low value to a high value. In addition, the metal separators 5 can be continuously formed by changing the bias voltage, temperature, degree of vacuum, and the like. Also in the formation of the intermediate layer 32, the bias voltage or the like may be constant without changing the bias voltage or the like at a predetermined value, or may be changed twice or more (although it may be changed continuously). good. In addition, the metal separators 5 can be continuously formed by changing the bias voltage, temperature, degree of vacuum, and the like.
尚、導電性炭素層33を図7に示す装置を用いて、アークイオンプレーティング(AIP)で形成する場合、ターゲットは図6と同様に、ターゲット(スパッタリングターゲット(C))411を使用することが出来るが、アーク放電向けの別の蒸着源413を配置することで、同一チャンバー401内で真空度を落とすことなしに成膜することが可能である。図7に示す装置を用いてAIP法による導電性炭素層33の形成においても、所定の特性を有する導電性炭素層33を得るために、アーク電源415の条件(電圧・電流)や真空度、温度、バイアス電圧等を、所定の値で変えることなく一定で行っても良いし、適宜を変更して形成することが出来る。 When the conductive carbon layer 33 is formed by arc ion plating (AIP) using the apparatus shown in FIG. 7, the target (sputtering target (C)) 411 should be used as in FIG. However, by arranging another evaporation source 413 for arc discharge, it is possible to form a film in the same chamber 401 without reducing the degree of vacuum. Also in forming the conductive carbon layer 33 by the AIP method using the apparatus shown in FIG. 7, in order to obtain the conductive carbon layer 33 having predetermined characteristics, the conditions (voltage / current) of the arc power supply 415, the degree of vacuum, The temperature, the bias voltage, and the like may be constant without changing a predetermined value, or the temperature, the bias voltage, and the like may be changed appropriately.
導電性炭素層33の形成は、例えば、図6及び図7の装置を用いて、中間層32の蒸着後に、ターゲットを取り替えた後、バイアス(電圧)、温度、真空度、供給ガス量(分圧)の少なくとも1つ以上を変えて、同一の装置、手法を用いて同一バッチもしくは工程上で形成するのが望ましい。これは、導電性炭素層33は、中間層32の成膜後に連続的に形成することができるためであり、同一の成膜プロセス上で形成できるため、低コストになる点で優れている。 The conductive carbon layer 33 is formed, for example, by using the apparatus shown in FIGS. 6 and 7 and after replacing the target after the deposition of the intermediate layer 32, by applying a bias (voltage), a temperature, a degree of vacuum, and a supply gas amount (minute). It is desirable to form at least one of the pressures in the same batch or process using the same apparatus and method. This is because the conductive carbon layer 33 can be formed continuously after the formation of the intermediate layer 32 and can be formed on the same film formation process, which is advantageous in that the cost is reduced.
本発明では、中間層32、導電性炭素層33は、図6に示す装置を用いてスパッタリングにて形成するか、図7に示す装置を用いてAIP法もしくはECRスパッタリング法にて形成するのが望ましい。これは、中間層32、導電性炭素層33を乾式成膜法であるスパッタリング法やAIP法を使うことで、導電性炭素層33の一方の面から他方の面への導電パスが確保されることにより、優れた導電性を十分に確保しつつ、耐食性がより一層向上した導電部材が提供されうる点で優れている。また、金属基材31と導電性炭素層33との間に中間層32を有する導電部材において、その優れた導電性を十分に確保しつつ、接触抵抗の増加を抑制する手段が提供されうる点で優れている。 In the present invention, the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33 are formed by sputtering using the apparatus shown in FIG. 6 or formed by AIP or ECR sputtering using the apparatus shown in FIG. desirable. This is because a conductive path from one surface of the conductive carbon layer 33 to the other surface is secured by using a sputtering method or an AIP method, which is a dry film forming method, for the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33. This is excellent in that a conductive member with further improved corrosion resistance can be provided while sufficiently ensuring excellent conductivity. Further, in the conductive member having the intermediate layer 32 between the metal base material 31 and the conductive carbon layer 33, a means for suppressing an increase in contact resistance while sufficiently securing excellent conductivity can be provided. Is excellent.
中間層32、導電性炭素層33の成膜では、固体ソース(例えば、グラファイトカーボン)が望ましい。ガスソースでは、現在用いられているガス種ではいいものができにくい。これは水素が膜内に入るためである(その結果、導電性が低下する)。 In forming the intermediate layer 32 and the conductive carbon layer 33, a solid source (for example, graphite carbon) is desirable. With gas sources, it is difficult to produce good ones with currently used gas types. This is because hydrogen enters the film (as a result, conductivity decreases).
なお、ターゲット309、311、409、411、413のサイズ並びに個数は、金属セパレータ5のサイズや処理量等によって適宜調整できる。 In addition, the size and the number of the targets 309, 311, 409, 411, and 413 can be appropriately adjusted according to the size of the metal separator 5, the throughput, and the like.
本発明では、金属セパレータ5だけでなく、導電性と耐食性が必要とされる構成部品の表面であれば、何処にでも適応が可能である。例えば、複数のセルを積層したスタック20の両端に配置する集電板30、40(図3参照)や、ガス拡散層(GDL)4、電圧をモニタリングする際の端子接続部(図示せず。図4の出力端子37、47参照)などが挙げられる。 In the present invention, the present invention is applicable not only to the metal separator 5 but also to any surface of a component requiring conductivity and corrosion resistance. For example, current collecting plates 30 and 40 (see FIG. 3) disposed at both ends of a stack 20 in which a plurality of cells are stacked, a gas diffusion layer (GDL) 4, and a terminal connection portion (not shown) for monitoring a voltage. 4 (see output terminals 37 and 47).
本実施形態では、乾式成膜法において、金属基材上に中間層を形成する際に、該乾式成膜法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法が好ましい。但し、これらになんら制限されるものではなく、上記した従来公知の各種成膜技術を利用することができる。 In the present embodiment, when the intermediate layer is formed on the metal substrate in the dry film forming method, the dry film forming method is preferably a sputtering method or an ion plating method. However, the present invention is not limited thereto, and various conventionally known film forming techniques described above can be used.
以下、図1〜図4等を参照しつつ、本実施形態の導電部材から構成されるセパレータを用いたPEFCの構成要素について説明する。ただし、本発明はセパレータを構成する導電部材に特徴を有するものである。よって、PEFCにおけるセパレータの形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。図3は、図1の燃料電池のユニットセル構成を複数積層してなる燃料電池スタック構成の一例を説明するための断面概略図であり、図4は、図3の燃料電池スタック構成の斜視図である。 Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 4 and the like, the components of the PEFC using the separator composed of the conductive member of the present embodiment will be described. However, the present invention is characterized by a conductive member constituting the separator. Therefore, the specific form such as the shape of the separator in the PEFC and the specific form of the members other than the separator constituting the fuel cell can be appropriately modified with reference to conventionally known knowledge. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a fuel cell stack configuration in which a plurality of unit cell configurations of the fuel cell in FIG. 1 are stacked, and FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell stack configuration in FIG. It is.
[電解質層]
電解質層は、例えば、図1、図3に示す形態のように固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、複数のセルユニット1等から構成されるPEFCの運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3bへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガス5agとカソード側に供給される酸化剤ガス5bgとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane 2 as shown in FIGS. 1 and 3. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively transmitting protons generated in the anode catalyst layer 3a to the cathode catalyst layer 3b along the film thickness direction during the operation of the PEFC including the plurality of cell units 1 and the like. Having. Further, the solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas 5ag supplied to the anode side and the oxidant gas 5bg supplied to the cathode side from being mixed.
固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。 The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin as a constituent material. Examples of the ion exchange resin constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride Perfluorocarbon sulfonic acid-based polymers and the like can be mentioned. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably a fluorine-based polymer electrolyte composed of a perfluorocarbonsulfonic acid-based polymer. A membrane is used.
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). From the viewpoint of manufacturing that raw materials are inexpensive, the manufacturing process is simple, and material selectivity is high, these hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes are preferably used. In addition, only one kind of the above-mentioned ion exchange resin may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Further, the present invention is not limited to only the above-described materials, and other materials may be used.
電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、成膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance between the strength during film formation, the durability during use, and the output characteristics during use can be appropriately controlled.
[触媒層]
図1、図3に示す触媒層3(アノード触媒層3a、カソード触媒層3b)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3bでは酸素の還元反応が進行する。
[Catalyst layer]
The catalyst layers 3 (anode catalyst layer 3a and cathode catalyst layer 3b) shown in FIGS. 1 and 3 are layers in which a battery reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3b.
触媒層3は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。 The catalyst layer 3 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.
アノード触媒層3aに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層3bに用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。 The catalyst component used for the anode catalyst layer 3a is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer 3b is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層3aに用いられる触媒成分およびカソード触媒層3bに用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3bの触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。 Among them, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of the metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. Note that an alloy is generally a metal element obtained by adding one or more metal elements or non-metal elements, and is a general term for an alloy having metallic properties. The alloy structure includes eutectic alloys, which are so-called mixtures in which the component elements are separate crystals, those in which the component elements are completely dissolved and in solid solution, and those in which the component elements are intermetallic compounds or compounds of metals and nonmetals. Some of them are formed, and any of them may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the anode catalyst layer 3a and the catalyst component used for the cathode catalyst layer 3b can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, the description of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer has the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3b do not need to be the same, and can be appropriately selected so as to exert the above-described desired action.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of known catalyst components can be adopted. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle size of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the simplicity of the loading can be appropriately controlled. In the present invention, the “average particle diameter of the catalyst particles” refers to the crystallite diameter determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction, or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。 The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and as an electron conduction path involved in transfer of electrons between the catalyst component and another member.
触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 The catalyst carrier has only to have a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and have sufficient electron conductivity, and it is preferable that the main component is carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite, and the like. Here, “the main component is carbon” means that a carbon atom is contained as a main component, and is a concept that includes both of a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, "consisting substantially of carbon atoms" means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is permissible.
触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be any specific surface area sufficient to highly disperse and support the catalyst component, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, and more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is within such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.
触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm程度、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。 Although the size of the catalyst carrier is not particularly limited, the average particle diameter is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 from the viewpoint of simplicity of loading, catalyst utilization, and controlling the thickness of the catalyst layer in an appropriate range. The thickness is preferably about 100 nm.
触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。 In an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier, the amount of the catalyst component supported is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, based on the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst carrier and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component carried on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
触媒層3には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上述した電解質層2を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層3に添加されうる。 The catalyst layer 3 contains an ion-conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, the ion exchange resin constituting the electrolyte layer 2 described above can be added to the catalyst layer 3 as a polymer electrolyte.
[ガス拡散層(GDL)]
図31に示すガス拡散層4(ガス拡散層4a、カソードガス拡散層4b)は、金属セパレータ5(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5b)のガス流路(燃料ガス流路5aa、酸化剤ガス流路5bb)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層3(アノード触媒層3a、カソード触媒層3b)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
[Gas diffusion layer (GDL)]
The gas diffusion layer 4 (gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4b) shown in FIG. 31 is formed of a gas flow path (fuel gas flow path 5aa, oxidant gas flow path) of the metal separator 5 (anode separator 5a, cathode separator 5b). 5bb) has a function of promoting the diffusion of the gas (fuel gas or oxidizing gas) supplied to the catalyst layer 3 (anode catalyst layer 3a, cathode catalyst layer 3b) and a function as an electron conduction path.
ガス拡散層4(4a、4b)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。ガス拡散層4の基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。ガス拡散層4の基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The material constituting the base material of the gas diffusion layer 4 (4a, 4b) is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, a conductive and porous sheet material such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric may be used. The thickness of the base material of the gas diffusion layer 4 may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, and may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the base material of the gas diffusion layer 4 is within such a range, the balance between the mechanical strength and the diffusivity of gas, water, and the like can be appropriately controlled.
ガス拡散層4は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer 4 preferably contains a water repellent for the purpose of further increasing the water repellency and preventing the flooding phenomenon and the like. Examples of the water repellent include, but are not particularly limited to, fluorine-based high-molecular compounds such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples include a molecular material, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層4は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MLP、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。 In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer 4 is provided with a carbon particle layer (microporous layer; MLP, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the catalyst layer side of the substrate. May be provided.
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層4との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately used. Among them, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black can be preferably used because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. This makes it possible to obtain a high drainage property due to the capillary force, and also to improve the contact property with the catalyst layer 4.
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。 Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellents as described above. Among them, a fluorine-based polymer material can be preferably used because it is excellent in water repellency, corrosion resistance during an electrode reaction, and the like.
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜500μmとするのがよい。 The mixing ratio between the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. Is good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited and may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 1000 μm, and more preferably 50 to 500 μm. Good.
[セパレータ]
図1、図3に示す金属セパレータ5については、後述する実施例にて説明したとおりである。
[Separator]
The metal separator 5 shown in FIGS. 1 and 3 is as described in the embodiments described later.
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。本実施形態の導電部材が用いられうる燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品(集電板、バスバー、ガス拡散基材、MEA)、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、導電性および耐食性の両立を図るという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。
[セルユニットの基本的な構成]
図1、図3において、固体高分子型燃料電池の単セル(セルユニット)1の基本的な構成は、固体高分子電解質膜2の両側に、燃料極側電極触媒層3aおよび燃料極側ガス拡散層4aからなる燃料極と、酸素極側電極触媒層3bおよび酸素極側ガス拡散層4bからなる酸素極とが、それぞれ対向して配置されてなるMEA9を有しており、さらにMEA9を、燃料極側セパレータ5aおよび酸素極側セパレータ5bで挟持されてなるものである。また、MEAに供給される燃料ガス5ag(水素含有ガス)および酸化剤ガス5bg(空気)は、燃料極側セパレータ5aおよび酸素極側セパレータ5bに、燃料極側電極触媒層3aおよび酸素極側電極触媒層3bと対向する面にそれぞれ複数箇所形成された燃料ガス流路5aaおよび酸化剤ガス流路5bbなどを介して供給される。
The conductive member of the present embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. However, the application of the conductive member of the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cell separators such as a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid electrolyte fuel cell (SOFC), and an alkaline fuel cell (AFC) It can also be used as In addition to the fuel cell separator, it can be used for various applications in which both conductivity and corrosion resistance are required. Applications other than the fuel cell separator in which the conductive member of the present embodiment can be used include, for example, other fuel cell components (current collectors, bus bars, gas diffusion base materials, MEAs), and contacts of electronic components. . In another preferred embodiment, the conductive member of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the function and effect of the present invention of achieving both conductivity and corrosion resistance can be remarkably exhibited.
[Basic configuration of cell unit]
1 and 3, the basic structure of a single cell (cell unit) 1 of the polymer electrolyte fuel cell is such that a fuel electrode side electrode catalyst layer 3a and a fuel electrode side gas are provided on both sides of a polymer electrolyte membrane 2. The fuel cell includes the MEA 9 in which the fuel electrode including the diffusion layer 4a and the oxygen electrode including the oxygen electrode-side electrode catalyst layer 3b and the oxygen electrode-side gas diffusion layer 4b are arranged to face each other. It is sandwiched between the fuel electrode side separator 5a and the oxygen electrode side separator 5b. Further, the fuel gas 5ag (hydrogen-containing gas) and the oxidizing gas 5bg (air) supplied to the MEA are supplied to the fuel electrode side electrode catalyst layer 3a and the oxygen electrode side electrode 5a on the fuel electrode side separator 5a and the oxygen electrode side separator 5b. The fuel gas is supplied via a fuel gas flow path 5aa and an oxidizing gas flow path 5bb formed at a plurality of locations on the surface facing the catalyst layer 3b.
前記セルユニット(単セル)1を燃料電池(スタック)20に用いるには、前記単セル1を単独または2以上積層したスタック(積層スタック)を、さらに前記単セル1ないし積層スタックの厚さ方向の両側(両端)から一対のエンドプレート、すなわち燃料極側エンドプレート70および酸素極側エンドプレート80で締結することにより用いられる(図4参照のこと)。 In order to use the cell unit (single cell) 1 for a fuel cell (stack) 20, a stack (laminated stack) in which the single cells 1 are singly or two or more stacked is further added in the thickness direction of the single cell 1 or the stacked stack. Are used by fastening a pair of end plates from both sides (both ends), that is, a fuel electrode side end plate 70 and an oxygen electrode side end plate 80 (see FIG. 4).
燃料電池スタック20の構成(集電板30、40で挟持された部分とする)として、より詳しくは、図3に示すように、複数の燃料電池の単セル(セルユニット)1が積層されたスタック部20を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、適用が好ましい。また、本発明の燃料電池を搭載してなる車両では、燃料電池(PEFC等)の金属セパレータ5、集電板30、40等の構成部品(導電部材)を通じて薄肉化、低コスト化が図れ、燃料電池の出力密度の向上に寄与し得る。そのため、車両重量の軽減や車両コストの低減が図れ、また同じ体積の燃料電池を搭載した際に、より長い走行距離を走ることができ、また加速性能のなどの向上にもつながる。 More specifically, as a configuration of the fuel cell stack 20 (a portion sandwiched between the current collecting plates 30 and 40), as shown in FIG. 3, a single cell (cell unit) 1 of a plurality of fuel cells is stacked. It has a stack unit 20 and is used as a power supply. The use of the power source is, for example, for stationary use, for consumer portable devices such as mobile phones, for emergency use, for outdoor use such as a power source for leisure and construction, and for mobile objects such as automobiles with limited installation space. In particular, the power supply for a mobile body is preferably applied since a high output voltage is required after a relatively long operation stop. Further, in the vehicle equipped with the fuel cell of the present invention, the thickness and cost can be reduced through the components (conductive members) such as the metal separator 5 and the current collectors 30 and 40 of the fuel cell (PEFC or the like). This can contribute to improvement of the output density of the fuel cell. Therefore, the weight of the vehicle and the cost of the vehicle can be reduced, and when a fuel cell of the same volume is mounted, a longer mileage can be run, and the acceleration performance is also improved.
本発明の燃料電池の単セル(セルユニット)1では、燃料電池(PEFC)の金属セパレータ5、集電板30、40等の構成部品(導電部材)を通じて薄肉化、低コスト化が図れ、スタック20を形成した際に、燃料電池スタック20の出力密度の向上に寄与し得るものである。加えて、燃料電池の金属セパレータ5、集電板30、40等の構成部品(導電部材)の耐食性にも優れ、燃料電池スタック20の耐久性(長寿命化)も図れる。 In the single cell (cell unit) 1 of the fuel cell according to the present invention, the thickness and cost can be reduced through the components (conductive members) such as the metal separator 5 and the current collectors 30 and 40 of the fuel cell (PEFC), and the stack is reduced. When the fuel cell stack 20 is formed, the power density of the fuel cell stack 20 can be improved. In addition, the components (conductive members) such as the metal separator 5 and the current collectors 30 and 40 of the fuel cell are excellent in corrosion resistance, and the durability (extended life) of the fuel cell stack 20 can be achieved.
スタック部20の両側には、集電板30、40、絶縁板50、60およびエンドプレート70、80が配置される。集電板30、40は、緻密質カーボンや銅板やアルミ板などガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部20で生じた起電力を出力するための出力端子37、47が設けられている。絶縁板50、60は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。 Current collecting plates 30, 40, insulating plates 50, 60 and end plates 70, 80 are arranged on both sides of the stack section 20. The current collector plates 30 and 40 are formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon, a copper plate, or an aluminum plate, and are provided with output terminals 37 and 47 for outputting an electromotive force generated in the stack unit 20. Have been. The insulating plates 50 and 60 are formed from an insulating member such as rubber or resin.
ここで、上記集電板30、40として、上記したカーボン等に変えて、薄肉化、低コスト化の観点から、ステンレスよりも薄肉軽量化に優れる反面、耐食性に乏しい銅板やアルミ板等を集電板30、40に用いる場合には、本発明の構成を採用することができる。かかる構成とすることで、中間層32で液滴の浸入による基材31の腐食を防止しつつ、導電性炭素層33最表面で抵抗低減を図った導電部材を形成できる。その結果、金属製集電板30、40の導電性を維持したまま酸性雰囲気下に曝されても化学的安定性を維持することが出来る。詳しくは、電気抵抗(ここでは、図3に示すように、セパレータ5との接触抵抗)の増加を発生させることなく、ピンホール等の欠陥に対するイオン溶出性の抑制も効果的に行える表面処理を施した集電板30、40を提供することができる。 Here, instead of the above-mentioned carbon and the like, the current collector plates 30 and 40 are made of a copper plate or an aluminum plate which is thinner and lighter than stainless steel, but has poor corrosion resistance, from the viewpoint of thinning and cost reduction. When used for the electric plates 30, 40, the configuration of the present invention can be adopted. With such a configuration, it is possible to form a conductive member in which resistance is reduced on the outermost surface of the conductive carbon layer 33 while preventing corrosion of the base material 31 due to intrusion of droplets in the intermediate layer 32. As a result, the chemical stability can be maintained even when the metal current collector plates 30 and 40 are exposed to an acidic atmosphere while maintaining the conductivity. Specifically, a surface treatment capable of effectively suppressing ion elution against defects such as pinholes without increasing the electrical resistance (here, as shown in FIG. 3, the contact resistance with the separator 5). The provided current collector plates 30 and 40 can be provided.
また、図1、図4に示すように、エンドプレート70、80は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート70、80は、燃料ガス5ag(例えば、水素)、酸化剤ガス5bg(例えば、酸素)および冷却水8wを流通させるために、燃料ガス流路(水素含有ガス流路)5aa、酸化剤ガス流路(酸素ガス流路)5bb及び冷却水流路(冷媒流路)8に連通してなる、燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガス導入口74、酸化剤ガス排出口75、冷却水導入口77、および冷却水排出口78を有する。 Further, as shown in FIGS. 1 and 4, the end plates 70 and 80 are formed of a rigid material, for example, a metal material such as steel. The end plates 70 and 80 are provided with a fuel gas flow path (hydrogen-containing gas flow path) 5aa and a oxidizing gas for flowing the fuel gas 5ag (eg, hydrogen), the oxidizing gas 5bg (eg, oxygen), and the cooling water 8w. A fuel gas inlet 71, a fuel gas outlet 72, an oxidizing gas inlet 74, and an oxidizing gas outlet, which communicate with the gas flow path (oxygen gas flow path) 5bb and the cooling water flow path (refrigerant flow path) 8. 75, a cooling water inlet 77, and a cooling water outlet 78.
図4に示すように、スタック部20、集電板30、40、絶縁板50、60およびエンドプレート70、80の四隅には、タイロッド90が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド90は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット(図示せず)が螺合され、燃料電池スタック200の内部(スタック部20)をエンドプレート70、80により締結する。スタック形成のための荷重は、燃料電池単セル(セルユニット)1(MEA9)の積層方向に作用し、燃料電池単セル(セルユニット)1を押し圧状態に保持する。 As shown in FIG. 4, through holes through which tie rods 90 are inserted are arranged at four corners of the stack section 20, the current collecting plates 30 and 40, the insulating plates 50 and 60, and the end plates 70 and 80. The tie rod 90 has a nut (not shown) screwed into a male screw portion formed at the end thereof, and fastens the inside of the fuel cell stack 200 (the stack portion 20) with the end plates 70 and 80. The load for forming the stack acts in the stacking direction of the single fuel cell (cell unit) 1 (MEA 9), and holds the single fuel cell (cell unit) 1 in a pressed state.
図4に示すように、タイロッド90は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、燃料電池単セル201同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド90の設置本数は、4本(四隅)に限定されない。タイロッド90の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である
図1、図3に示すように、燃料電池単セル(セルユニット)1は、上述したように、MEA9、セパレータ5a、5bを有し、更にガスケット(図示せず)を有してなる構成が望ましい。MEA9は、電解質膜2と、電解質膜2を挟んで配置される燃料極側電極(触媒層3a及びガス拡散層4a)及び酸素極側電極(触媒層3b及びガス拡散層4b)を有する。セパレータ5a、5bは、MEA9の外面に配置される。セパレータ5aは、燃料ガス5agを流通させるための流路5aaを有し、エンドプレート70に配置される燃料ガス導入口71および燃料ガス排出口72に接続されている。セパレータ5bは、酸化剤ガス5bgを流通させるための流路5bbを有し、エンドプレート80に配置される酸化剤ガス導入口74および酸化剤ガス排出口75に接続されている。
As shown in FIG. 4, the tie rod 90 is formed of a rigid material, for example, a metal material such as steel, and has an insulated surface to prevent an electric short circuit between the fuel cell single cells 201. Having a part. The number of tie rods 90 to be installed is not limited to four (four corners). The fastening mechanism of the tie rod 90 is not limited to screwing, and other means can be applied. As shown in FIGS. 1 and 3, the single fuel cell (cell unit) 1 is , MEA 9, separators 5a and 5b, and a gasket (not shown). The MEA 9 includes the electrolyte membrane 2, and a fuel electrode side electrode (catalyst layer 3 a and gas diffusion layer 4 a) and an oxygen electrode side electrode (catalyst layer 3 b and gas diffusion layer 4 b) which are arranged with the electrolyte membrane 2 interposed therebetween. The separators 5a and 5b are arranged on the outer surface of the MEA 9. The separator 5a has a flow path 5aa through which the fuel gas 5ag flows, and is connected to the fuel gas inlet 71 and the fuel gas outlet 72 arranged on the end plate 70. The separator 5b has a flow path 5bb through which the oxidizing gas 5bg flows, and is connected to the oxidizing gas inlet 74 and the oxidizing gas outlet 75 arranged on the end plate 80.
なお、図1、図3に示すように、セパレータ5a、5bは、冷却水8wを流通させるための流路8を有しており、エンドプレート70、80に配置される冷却水導入口77および冷却水排出口78に接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 3, the separators 5 a and 5 b have a flow path 8 for flowing the cooling water 8 w, and the cooling water introduction ports 77 and The cooling water outlet 78 is connected.
次に、ガスケットは、MEA9の表面に位置する電極の外周を、取り囲むように配置されるシール部材であり、接着層(図示せず)を介して、MEA9の電解質膜2の外面に固定される構成を有していてもよい。ガスケットは、セパレータ5とMEA9とのシール性を確保する機能を有している。なお、必要に応じて用いられる接着層は、接着性を確保することを考慮すると、ガスケットの形状に対応し、電解質膜の全周縁部に、額縁状に配置されることが好ましい。 Next, the gasket is a sealing member disposed so as to surround the outer periphery of the electrode located on the surface of the MEA 9 and is fixed to the outer surface of the electrolyte membrane 2 of the MEA 9 via an adhesive layer (not shown). It may have a configuration. The gasket has a function of ensuring a sealing property between the separator 5 and the MEA 9. In addition, it is preferable that the adhesive layer used as necessary corresponds to the shape of the gasket and is arranged in a frame shape on the entire periphery of the electrolyte membrane in consideration of securing the adhesiveness.
また、図4に示すように、本発明の導電部材を用いてなる燃料電池スタック200では、集電板30、40に貫通した状態で形成されるマニホールド(アノード(燃料ガス5ag)、カソード(酸化剤ガス5bg)ならびに冷却水8wそれぞれの入り口出口1箇所ずつ計6箇所)の貫通部内壁にも、中間層32を形成するのが望ましい実施形態である。即ち、マニホールドの貫通部内壁では、導電性が不要であるため、金メッキのような表面処理層を設けることなく、中間層32を形成するのが望ましい。これにより、マニホールドの貫通部の基材の腐食を効果的に防止できる点で極めて有効である。 As shown in FIG. 4, in the fuel cell stack 200 using the conductive member of the present invention, a manifold (anode (fuel gas 5ag), a cathode (oxidation gas) formed so as to penetrate the current collector plates 30 and 40 is formed. In a preferred embodiment, the intermediate layer 32 is also formed on the inner wall of the penetrating portion of each of the agent gas 5bg) and the cooling water 8w, one at the inlet and one at the outlet. That is, since conductivity is not required on the inner wall of the through portion of the manifold, it is preferable to form the intermediate layer 32 without providing a surface treatment layer such as gold plating. This is extremely effective in that corrosion of the base material in the through portion of the manifold can be effectively prevented.
以上が、本発明の導電部材を用いてなる燃料電池スタック200の構成の概要であり、金属セパレータ5及び集電板30、40以外にも、導電性と耐食性を必要とする燃料電池の構成部品(導電部材)については、本発明の構成を採用し得るものである。これにより、当該燃料電池の構成部品(導電部材)、ひいては燃料電池スタックの薄肉・軽量化を図ることができ、出力密度を向上させることに貢献し得るものである。更に、低コスト化にもつながる為、価格低減が強く求められている燃料電池車に搭載する電池要素技術としても有用である。 The above is the outline of the configuration of the fuel cell stack 200 using the conductive member of the present invention. In addition to the metal separator 5 and the current collectors 30 and 40, the components of the fuel cell that require conductivity and corrosion resistance As for the (conductive member), the configuration of the present invention can be adopted. This makes it possible to reduce the thickness and weight of the components (conductive members) of the fuel cell and the fuel cell stack, thereby contributing to improving the output density. Furthermore, it is also useful as a battery element technology to be mounted on a fuel cell vehicle, for which cost reduction is strongly required, because it leads to cost reduction.
本発明の燃料電池の製造方法は、金属セパレータ5(特に上記した中間層32の製造方法を除いては)特に制限されず、燃料電池の分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造可能である。 The method for manufacturing the fuel cell of the present invention is not particularly limited, except for the metal separator 5 (especially except for the above-described method for manufacturing the intermediate layer 32), and can be manufactured by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of fuel cells. It is.
燃料電池を運転する際に用いられる燃料ガス5ag(水素含有ガス)の種類としては、上記した説明中では水素を例に挙げて説明したが、特に限定されない。水素以外にも、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2級ブタノール、3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールを用いることができる。なかでも高出力化が可能である点で、水素とメタノールが好ましく挙げられる。 Although the type of the fuel gas 5ag (hydrogen-containing gas) used when operating the fuel cell has been described using hydrogen as an example in the above description, it is not particularly limited. In addition to hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, and diethylene glycol can be used. Among them, hydrogen and methanol are preferred because high output can be achieved.
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、金属セパレータ5を介して膜電極接合体(MEA9)を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタック200を形成してもよい(図3、図4参照)。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Further, a fuel cell stack 200 having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies (MEA 9) are stacked via a metal separator 5 and connected in series may be formed so that a desired voltage or the like can be obtained by the fuel cell. 3 and 4). The shape and the like of the fuel cell are not particularly limited, and may be appropriately determined so as to obtain desired cell characteristics such as a desired voltage.
本発明の燃料電池の用途としては特に制限されないが、発電性能に優れることから、自動車などの車両における駆動用電源として用いられることが好ましい。 Although the use of the fuel cell of the present invention is not particularly limited, it is preferably used as a driving power source in a vehicle such as an automobile because of its excellent power generation performance.
上述したPEFCのセルユニット1や燃料電池スタック200は、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成される金属セパレータ5を用いている。したがって、当該PEFCのセルユニット1や燃料電池スタック200は出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。なお、図1に示す形態のPEFCのセルユニット1において、金属セパレータ5は、平板状の導電部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、かような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板(金属基材31)に対して切削処理を施すことによりガス流路5ag、5bgや冷媒流路8を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって導電性炭素層33(および必要に応じて中間層32)を形成することで、金属セパレータ5としてもよい。 The above-described PEFC cell unit 1 and fuel cell stack 200 use the metal separator 5 composed of a conductive member having excellent conductivity and corrosion resistance. Therefore, the PEFC cell unit 1 and the fuel cell stack 200 are excellent in output characteristics and durability, and can maintain good power generation performance for a long period of time. In the cell unit 1 of the PEFC shown in FIG. 1, the metal separator 5 is formed into an uneven shape by performing a pressing process on a flat conductive member. However, it is not limited only to such a form. For example, by performing a cutting process on a flat metal plate (metal base material 31), irregularities forming the gas flow paths 5ag and 5bg and the refrigerant flow path 8 are formed in advance, and the above-described method is applied to the surface thereof. By forming the conductive carbon layer 33 (and the intermediate layer 32 as necessary), the metal separator 5 may be formed.
本実施形態のPEFCのセルユニット1やこれを用いた燃料電池スタック200は、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。 The PEFC cell unit 1 of the present embodiment and the fuel cell stack 200 using the same can be mounted, for example, as a drive power supply in a vehicle.
燃料電池スタック200を燃料電池車のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック200を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のPEFCのセルユニット1や燃料電池スタック200を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFCのセルユニット1や燃料電池スタック200は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。 In order to mount the fuel cell stack 200 on a vehicle such as a fuel cell vehicle, for example, the fuel cell stack 200 may be mounted under a seat in the center of the vehicle body of the fuel cell vehicle. If installed under the seat, the interior space and trunk room can be widened. In some cases, the place where the fuel cell stack 200 is mounted is not limited to below the seat, but may be below the rear trunk room or in the engine room in front of the vehicle. Thus, the vehicle on which the above-described PEFC cell unit 1 and fuel cell stack 200 are mounted is also included in the technical scope of the present invention. The above-described PEFC cell unit 1 and fuel cell stack 200 are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided for a long period of time.
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。 Hereinafter, the effects of the present invention will be described using examples and comparative examples, but the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
オーステナイト系ステンレスからなる板厚100μmのセパレータ板を用い、前処理としてエタノール液中で3分間超音波洗浄した後、さらに真空チャンバーに金属基材を設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行い、表面の酸化皮膜を除去した。前記前処理及び前記イオンボンバード処理は、いずれも金属基材の両面について行った。
[Example 1]
Using a separator plate made of austenitic stainless steel and having a thickness of 100 μm, after ultrasonic cleaning in an ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment, further installing a metal substrate in a vacuum chamber, performing ion bombardment treatment with Ar gas, and performing surface treatment. The oxide film of was removed. Both the pretreatment and the ion bombardment treatment were performed on both surfaces of the metal substrate.
次に、アークイオンプレーティング法(あるいはスパッタリング法)により、Tiをターゲットとして使用し、窒素ガスを導入しながら金属基材に対して負のバイアス電圧を印加し膜厚0.5μmのTiN皮膜からなる中間層を金属基材の両面に形成させた。中間層成膜時の温度は、200℃であり、電圧印加パターンは、50Vで一定である。 Next, a negative bias voltage is applied to the metal substrate while introducing nitrogen gas by using a Ti as a target by an arc ion plating method (or a sputtering method) to form a TiN film having a thickness of 0.5 μm. An intermediate layer was formed on both sides of the metal substrate. The temperature during the formation of the intermediate layer is 200 ° C., and the voltage application pattern is constant at 50 V.
次に上記中間層の上に、スパッタリング法により、金属基材に対して負のバイアス電圧を印加しながら、固体グラファイトをターゲットとして使用し、中間層を成膜した金属基材の両面に膜厚0.02μmの導電性炭素層を成膜した。導電性炭素層成膜時の温度および電圧印加パターンは、バイアス電圧の初期値50Vで5分間保持した後、最終電圧200Vまでの7分で昇圧し、最終電圧200Vで3分間保持した。剥離試験、接触抵抗の値は下記表1に示した。 Next, while applying a negative bias voltage to the metal substrate by the sputtering method on the intermediate layer, using solid graphite as a target, the film thickness is formed on both surfaces of the metal substrate on which the intermediate layer is formed. A conductive carbon layer having a thickness of 0.02 μm was formed. The temperature and voltage application pattern at the time of forming the conductive carbon layer were maintained at the initial value of the bias voltage of 50 V for 5 minutes, then increased to a final voltage of 200 V for 7 minutes, and maintained at the final voltage of 200 V for 3 minutes. The values of the peel test and the contact resistance are shown in Table 1 below.
本実施例では、図8Aに示す外観写真から明らかなように導電部材の前面に光沢があり、全面成膜できている。また、表1に示すように、得られた導電性炭素層は低い接触抵抗を有しながら中間層との高い密着性を有していることが理解できる。 In this example, as is clear from the appearance photograph shown in FIG. 8A, the front surface of the conductive member has gloss and the entire surface can be formed. Further, as shown in Table 1, it can be understood that the obtained conductive carbon layer has high adhesion to the intermediate layer while having low contact resistance.
また、図9Aに示す表面SEM観察写真から明らかなように粒界等にも隙間がなく緻密な膜形態となっていることがわかる。 In addition, as is clear from the surface SEM observation photograph shown in FIG. 9A, it is understood that there is no gap in the grain boundaries and the like, and the film has a dense film form.
[実施例2]
実施例1の導電性炭素層を形成する工程において、バイアス電圧の初期値50Vでの保持時間を15分とし、最終電圧200Vまでの昇圧時間を10分とし、最終電圧200Vでの保持時間を5分とした以外は、同様にして導電部材を作成した。
[Example 2]
In the step of forming the conductive carbon layer in Example 1, the holding time at the initial value of the bias voltage of 50 V was 15 minutes, the boosting time to the final voltage of 200 V was 10 minutes, and the holding time at the final voltage of 200 V was 5 minutes. A conductive member was prepared in the same manner, except that the amount was changed.
本実施例のように低電圧での成膜時間を長くとり、昇圧に時間をかけることにより導電性炭素層の低い接触抵抗を維持しながら中間層との密着性を向上させることができる。 As in this embodiment, by increasing the film formation time at a low voltage and increasing the pressure, it is possible to improve the adhesion to the intermediate layer while maintaining a low contact resistance of the conductive carbon layer.
[実施例3]
実施例1の導電性炭素層を形成する工程において、最終電圧を300Vとした以外は、同様にして導電部材を作製した。
[Example 3]
A conductive member was produced in the same manner as in Example 1, except that the final voltage was set to 300 V in the step of forming the conductive carbon layer.
本実施例のように最終電圧を高く設定することによって表層部のグラファイト化度を高くすることができ、表層部の接触抵抗低減の観点から有利である。 By setting the final voltage high as in this embodiment, the degree of graphitization of the surface layer can be increased, which is advantageous from the viewpoint of reducing the contact resistance of the surface layer.
[比較例1]
実施例1の導電性炭素層を成膜するときのバイアス印加パターンを、150Vにて15分間とした以外は同様にして導電部材を作製した。
[Comparative Example 1]
A conductive member was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the bias application pattern when forming the conductive carbon layer was set to 150 V for 15 minutes.
本比較例では、図8Bの外観写真から明らかなように中央付近で粉末状になっており膜ができていない。これはバイアス電圧の値が、境界層を形成するには高過ぎるためと考えられる。 In this comparative example, as is clear from the appearance photograph of FIG. This is probably because the value of the bias voltage is too high to form the boundary layer.
また、図8Bにおいて粉末状になっていない部分の表面SEM観察写真を示した図9Bから明らかなように、粒界等にも隙間がなく緻密な膜形態となっていることがわかる。 Further, as is clear from FIG. 9B which shows a surface SEM observation photograph of a portion that is not in a powder form in FIG. 8B, it is understood that the film has a dense film form with no gaps in the grain boundaries and the like.
[比較例2]
比較例1において、導電性炭素層を成膜する直前の基材温度を350℃とし、バイアス電圧の値を50Vとした以外は同様にして導電部材を作製した。
[Comparative Example 2]
A conductive member was produced in the same manner as in Comparative Example 1, except that the substrate temperature immediately before forming the conductive carbon layer was 350 ° C. and the bias voltage was 50 V.
本比較例のバイアス電圧の値は、R値が低く中間層との密着性が良好な境界層としての炭素層を成膜するのに好ましい。しかし、温度が高いためグラファイト化が進行し、中間層と導電性炭素層との接着性が確保できない。 The value of the bias voltage in this comparative example is preferable for forming a carbon layer as a boundary layer having a low R value and good adhesion to the intermediate layer. However, the graphitization proceeds due to the high temperature, and the adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer cannot be ensured.
[比較例3]
比較例1の導電性炭素層を成膜するときのバイアス印加パターンを、50Vとした以外は同様にして導電部材を作製した。
[Comparative Example 3]
A conductive member was produced in the same manner as in Comparative Example 1, except that the bias application pattern when forming the conductive carbon layer was 50 V.
本比較例では、R値が低く中間層との密着性が良好な境界層として機能しうる炭素層を中間層上に成膜することができる。しかし、このような炭素層はグラファイト化度が低いため接触抵抗が高くなっている。 In this comparative example, a carbon layer having a low R value and capable of functioning as a boundary layer having good adhesion to the intermediate layer can be formed on the intermediate layer. However, such a carbon layer has a high degree of contact resistance due to a low degree of graphitization.
[接触抵抗の測定]
上記の実施例1〜3、および比較例3において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図10に示すように、上記の実施例1〜3、および比較例3において成膜した導電部材(金属セパレータ5)の両側を1対のガス拡散基材(ガス拡散層4a、4b)で挟持し、得られた積層体の両側をさらに1対の電極(触媒層3a、3b)で挟持し、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体に1MPaの荷重で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に1Aの定電流を流し、1MPaの荷重をかけた時の通電量及び電圧値から当該積層体の接触抵抗値を算出した。
[Measurement of contact resistance]
With respect to the conductive members manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3, the contact resistance in the stacking direction of the conductive members was measured. Specifically, as shown in FIG. 10, both sides of the conductive member (metal separator 5) formed in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 are paired with a gas diffusion base material (gas diffusion layer 4 a). , 4b), the both sides of the obtained laminate are further sandwiched by a pair of electrodes (catalyst layers 3a, 3b), a power source is connected to both ends thereof, and a load of 1 MPa is applied to the entire laminate including the electrodes. While holding, a measuring device was configured. A constant current of 1 A was passed through this measuring device, and the contact resistance value of the laminate was calculated from the amount of current and the voltage value when a load of 1 MPa was applied.
表1に示すように、実施例1〜3において作製した導電部材の接触抵抗は、いずれも1mΩ・cm2であった。一方、比較例3においては5mΩ・cm2であった。 As shown in Table 1, the contact resistances of the conductive members manufactured in Examples 1 to 3 were all 1 mΩ · cm 2 . On the other hand, in Comparative Example 3, it was 5 mΩ · cm 2 .
[R値の測定]
上記の各実施例1〜3および導電性炭素層を成膜できた比較例3において作製した導電部材について、導電性炭素層33のR値を表層部と中間層について測定した。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層33のラマンスペクトルを計測した。そして、1300〜1400cm−1に位置するバンド(Dバンド)のピーク強度(ID)と、1500〜1600cm−1に位置するバンド(Gバンド)のピーク強度(IG)とのピーク面積比(ID/IG)を算出し、R値とした。得られた結果を下記の表1に示す。
[Measurement of R value]
The R value of the conductive carbon layer 33 was measured for the surface layer portion and the intermediate layer for the conductive members prepared in the above Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 in which the conductive carbon layer could be formed. Specifically, first, the Raman spectrum of the conductive carbon layer 33 was measured using a microscopic Raman spectrometer. Then, the peak intensity of the bands (D-band) located 1300~1400cm -1 (I D), the peak area ratio of the peak intensity (I G) of band (G-band) located 1500~1600cm -1 ( I D / I G ) was calculated and used as the R value. The results obtained are shown in Table 1 below.
表1に示すように、実施例1〜3において作製した導電部材における表層部33bのR値は、いずれも1.3以上であった。また、実施例1〜3および比較例3の境界層のR値は、いずれも1.3未満であった。 As shown in Table 1, the R value of the surface layer portion 33b in the conductive members produced in Examples 1 to 3 was 1.3 or more. The R values of the boundary layers of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 were all less than 1.3.
1、201 固体高分子形燃料電池(PEFC)の単セル(ユニットセル)、
2 電解質膜(固体高分子電解質膜)、
3 触媒層、
3a アノード触媒層(燃料極側電極触媒層)、
3b カソード触媒層(酸素極側電極触媒層)、
4 ガス拡散層(GDL)、
4a アノードガス拡散層(燃料極側ガス拡散層)、
4b カソードガス拡散層(酸素極側ガス拡散層)、
5 セパレータ(金属セパレータ)、
5a アノードセパレータ(燃料極側セパレータ)、
5b カソードセパレータ(酸素極側セパレータ)、
5aa アノード側ガス流路、
5bb カソード側ガス流路、
5ag 燃料ガス、
5bg 酸化剤ガス、
8 冷却水流路(冷媒流路)、
8w 冷却水(冷媒)、
9 膜−電極接合体(MEA)、
20 スタック部(積層スタック)、
30、40 集電板、
31 金属基材、
32 中間層、
33 導電性炭素層、
33a 境界層、
33b 表層部、
37、47 出力端子、
50、60 絶縁板、
70 燃料極側エンドプレート、
80 酸素極側エンドプレート、
71 燃料ガス導入口、
72 燃料ガス排出口、
74 酸化剤ガス導入口、
75 酸化剤ガス排出口、
77 冷却水導入口、
78 冷却水排出口、
90 タイロッド、
200 燃料電池(スタック)。
1,201 Single cell (unit cell) of polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane),
3 catalyst layer,
3a anode catalyst layer (fuel electrode side electrode catalyst layer),
3b cathode catalyst layer (oxygen electrode side electrode catalyst layer),
4 gas diffusion layer (GDL),
4a anode gas diffusion layer (fuel electrode side gas diffusion layer),
4b cathode gas diffusion layer (oxygen electrode side gas diffusion layer),
5 separator (metal separator),
5a anode separator (fuel electrode side separator),
5b cathode separator (oxygen electrode side separator),
5aa anode side gas flow path,
5bb cathode side gas flow path,
5ag fuel gas,
5bg oxidant gas,
8 cooling water flow path (refrigerant flow path),
8w cooling water (refrigerant),
9 membrane-electrode assembly (MEA),
20 stack part (laminated stack),
30, 40 current collector,
31 metal substrate,
32 middle layers,
33 conductive carbon layer,
33a boundary layer,
33b surface layer,
37, 47 output terminals,
50, 60 insulating plate,
70 fuel electrode side end plate,
80 oxygen electrode side end plate,
71 fuel gas inlet,
72 fuel gas outlet,
74 oxidant gas inlet,
75 oxidant gas outlet,
77 cooling water inlet,
78 cooling water outlet,
90 tie rods,
200 Fuel cell (stack).
Claims (4)
金属基材上に、周期律表の第4族の金属、第5族の金属、第6族の金属の炭化物、窒化物および炭窒化物よりなる群から選ばれてなる少なくとも1種からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に導電性炭素層を形成する工程とを有し、
前記中間層上に導電性炭素層を形成する工程は、
負のバイアス電圧を低い値から高い値へ変化させることを含み、
前記導電性炭素層を形成する工程は、前記導電性炭素層の成膜を継続しつつ、前記金属基材に印加する負のバイアス電圧を50V以下から200V以上へ連続的に、または段階的に変化させる工程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。 In the dry film forming method,
An intermediate made of at least one selected from the group consisting of carbides, nitrides and carbonitrides of metals belonging to Group 4 of the periodic table, metals of Group 5 and metals of Group 6 on a metal substrate. Forming a layer;
Forming a conductive carbon layer on the intermediate layer,
The step of forming a conductive carbon layer on the intermediate layer,
Changing the negative bias voltage from a low value to a high value,
In the step of forming the conductive carbon layer, the negative bias voltage applied to the metal base material is continuously or stepwise increased from 50 V or less to 200 V or more while continuing to form the conductive carbon layer. A method for producing a fuel cell separator, comprising a step of changing the fuel cell separator.
前記境界層のID/IGが0.7〜1.1の領域を有し、ただし、前記境界層のI D /I G は0.7以上、かつ1.3未満であり、
前記表層部は、ID/IGが1.3以上である、燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator in which a metal substrate and an intermediate layer made of titanium nitride are provided on the metal substrate, and a conductive carbon layer is coated on the intermediate layer, wherein the conductive carbon layer Consists of only the boundary layer in contact with the intermediate layer and the surface layer ,
The I D / I G bordering Sakaiso has an area of 0.7 to 1.1, however, I D / I G of the boundary layer is 0.7 or more and less than 1.3,
Table layer part is I D / I G is 1.3 or more, the fuel cell separator.
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