JP5369492B2 - Separator for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, and in particular, a separator used for each unit cell of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected, and a method for producing such a separator. About.
燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の5種類に分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCとも言う)も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を2種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとも言う)が注目されている。
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. It is classified by type, use, etc. Recently, solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, solid polymer electrolyte fuel cells, and alkaline aqueous fuel cells are mainly used depending on the type of electrolyte used. Generally, it is classified into five types.
These fuel cells use hydrogen gas generated from methane or the like as a fuel. Recently, a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known. Yes.
In such a fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell having a structure in which a solid polymer membrane is sandwiched between two types of catalyst and these members are sandwiched between a gas diffusion layer (GDL) and a separator. (Hereinafter also referred to as PEFC) is attracting attention.
このPEFCにおいては、固体高分子電解質膜の両側に、空気極(酸素極)、燃料極(水素極)を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造がとられている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着塗膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている(特許文献1、2、3)。
As such a separator, a metal separator is preferable from the viewpoint of cost and strength, but there is a problem in corrosion resistance. For this reason, metal separators that have been provided with corrosion resistance by forming a conductive electrodeposition coating have been developed (
しかしながら、上述のような電着塗膜を金属基材上に直接形成した金属セパレータでは、金属基材として、酸化被膜を生じ易いアルミニウムのような基材を使用した場合、酸化被膜を除去する工程中、若しくは、除去後の洗浄、搬送中に酸化被膜が再生され、金属基材と電着塗膜との接続抵抗が大きいものになるという問題があった。さらに、アルミニウムに電着塗膜を直接形成する場合、電着塗膜にムラ、カケ、ピンホール等の欠陥が生じ易く均一な電着塗膜の形成が困難であるとともに、電着塗膜にピンホールがあると電着工程中にアルミニウムが急激に腐食され危険であるという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供することを目的とする。
However, in the case of the metal separator in which the electrodeposition coating film as described above is directly formed on the metal base material, when a base material such as aluminum that easily generates an oxide film is used as the metal base material, the step of removing the oxide film There has been a problem that the oxide film is regenerated during cleaning or after transporting or during transportation, and the connection resistance between the metal substrate and the electrodeposition coating film is increased. Furthermore, when an electrodeposition coating is directly formed on aluminum, defects such as unevenness, chipping and pinholes are likely to occur in the electrodeposition coating, and it is difficult to form a uniform electrodeposition coating. If there is a pinhole, there is a problem that aluminum is rapidly corroded during the electrodeposition process.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a separator for a fuel cell that is excellent in strength and corrosion resistance and has low connection resistance, and a method for manufacturing the same.
このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、金属基体と、第1中間層、第3中間層、第2中間層を介して前記金属基体を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層とを備え、前記金属基体はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第1中間層はニッケルめっき層または銅めっき層であり、前記第2中間層はスズめっき層またはスズ合金めっき層であり、前記第3中間層は前記第1中間層と前記第2中間層との間に介在し、銅めっき層またはニッケルめっき層であるとともに、前記第1中間層とは異なる金属からなり、前記樹脂層は導電材料を含有するような構成とした。 In order to achieve such an object, the separator of the present invention is formed by electrodeposition so as to cover the metal substrate through the metal substrate and the first intermediate layer, the third intermediate layer, and the second intermediate layer. A conductive resin layer, wherein the metal substrate is aluminum or an aluminum alloy, the first intermediate layer is a nickel plating layer or a copper plating layer, and the second intermediate layer is a tin plating layer or a tin alloy plating The third intermediate layer is interposed between the first intermediate layer and the second intermediate layer, is a copper plating layer or a nickel plating layer, and is made of a metal different from the first intermediate layer. The resin layer is configured to contain a conductive material.
本発明の他の態様として、前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、複数の貫通孔を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料は、カーボン粒子、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、耐食性金属の少なくとも1種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記スズ合金めっき層は、スズ−ニッケル、スズ−銅、スズ−コバルト、スズ−銀、スズ−亜鉛、スズ−金、スズ−ビスマスのいずれかのスズ合金めっき層であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記スズ合金めっき層は、スズ−ニッケルからなり厚みが0.3〜2μmの範囲であるような構成とした。
As another aspect of the present invention, the metal substrate is configured to have a groove on at least one surface.
As another aspect of the present invention, the metal substrate is configured to have a plurality of through holes.
As another aspect of the present invention, the conductive material is configured to be at least one of carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals.
As another aspect of the present invention, the tin alloy plating layer is a tin alloy plating layer of any one of tin-nickel, tin-copper, tin-cobalt, tin-silver, tin-zinc, tin-gold, and tin-bismuth. It was set as such a structure.
As another aspect of the present invention, the tin alloy plating layer is made of tin-nickel and has a thickness in the range of 0.3 to 2 μm.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基体にジンケート処理を施し、次いで、ニッケルめっき層または銅めっき層からなる第1中間層を前記金属基体上に形成し、該第1中間層上に銅めっき層またはニッケルめっき層からなり、かつ、前記第1中間層とは異なる金属からなる第3中間層を形成し、スズめっき層またはスズ合金めっき層からなる第2中間層を前記第3中間層上に形成し、その後、前記第2中間層上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層を形成するような構成とした。 In the method for producing a fuel cell separator of the present invention, a metal substrate made of aluminum or an aluminum alloy is subjected to a zincate treatment, and then a first intermediate layer made of a nickel plating layer or a copper plating layer is formed on the metal substrate. A second intermediate layer made of a copper plating layer or a nickel plating layer and made of a metal different from the first intermediate layer is formed on the first intermediate layer, and is made of a tin plating layer or a tin alloy plating layer. An intermediate layer is formed on the third intermediate layer , and then the resin layer is formed on the second intermediate layer by electrodeposition using an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in a resin having electrodeposition properties. It was set as the structure which forms.
本発明のセパレータは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基体と導電性の樹脂層との間に、ニッケルめっき層または銅めっき層からなる第1中間層とスズめっき層またはスズ合金めっき層からなる第2中間層とが介在するので、金属基体と樹脂層との接続抵抗が小さく、燃料電池の発電能力向上が可能であるとともに、高い強度と優れた耐食性を具備する。また、スズ合金めっき層がスズ−ニッケルからなり、その厚みが0.3〜2μmの範囲である場合、本発明のセパレータは良好な折り曲げ加工適性を具備したものとなる。さらに、第3中間層を備える場合、耐食性が更に向上し、燃料電池の発電能力、耐久性が更に向上するという効果が奏される。
本発明のセパレータの製造方法では、導電性の樹脂層を金属基体上に電着により形成する前に、金属基体上に第1中間層と第2中間層を形成するので、電着工程での金属基体の腐食が防止されるとともに、均一な樹脂層が形成され、これにより、金属基体と樹脂層との接続抵抗が小さく密着強度が高いものとなる。また、第1中間層と第2中間層との間に第3中間層を形成する場合、第1中間層と第2中間層との密着性が更に向上し、より耐久性の高いセパレータの製造が可能となる。
The separator of the present invention comprises a first intermediate layer comprising a nickel plating layer or a copper plating layer and a tin plating layer or a tin alloy plating layer between a metal substrate comprising aluminum or an aluminum alloy and a conductive resin layer. Since the two intermediate layers are interposed, the connection resistance between the metal substrate and the resin layer is small, the power generation capability of the fuel cell can be improved, and high strength and excellent corrosion resistance are provided. Moreover, when the tin alloy plating layer is made of tin-nickel and the thickness is in the range of 0.3 to 2 μm, the separator of the present invention has good bending workability. Furthermore, when the third intermediate layer is provided, the corrosion resistance is further improved, and the power generation capacity and durability of the fuel cell are further improved.
In the separator manufacturing method of the present invention, the first intermediate layer and the second intermediate layer are formed on the metal substrate before the conductive resin layer is formed on the metal substrate by electrodeposition. Corrosion of the metal substrate is prevented, and a uniform resin layer is formed, whereby the connection resistance between the metal substrate and the resin layer is small and the adhesion strength is high. In addition, when the third intermediate layer is formed between the first intermediate layer and the second intermediate layer, the adhesion between the first intermediate layer and the second intermediate layer is further improved, and a more durable separator is manufactured. Is possible.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[セパレータ]
図1は、本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。図1において、本発明のセパレータ1は、金属基体2と、この金属基体2の両面に形成された溝部3と、金属基体2の両面を被覆するように第1中間層4、第2中間層5を介して電着により形成された樹脂層6とを備えており、樹脂層6は導電材料を含有するものである。
金属基体2が有する溝部3は、セパレータ1が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部3の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基体2の一方の面のみに溝部3を備えるものであってもよい。このような溝部3の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基体2の表裏で、溝部3の形状が異なるものであってもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Separator]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an embodiment of a separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 1, a
When the
図2は、本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。図2において、本発明のセパレータ11は、金属基体12と、この金属基体12に形成された複数の貫通孔13と、これらの貫通孔13の内壁面を含む金属基体12の両面を被覆するように第1中間層14、第2中間層15を介して電着により形成された樹脂層16とを備え、樹脂層16は導電材料を含有している。
金属基体12が有する貫通孔13は、セパレータ11が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔13の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 2, the
The through-
本発明のセパレータ1,11を構成する金属基体2,12の材質は、純アルミニウム(1000系)、アルミニウム合金である。アルミニウム合金としては、例えば、アルミニウムの2000系、5000系、6000系、7000系等が挙げられる。
セパレータ1,11を構成する第1中間層4,14は、金属基体2,12と第2中間層5,15、樹脂層6,16との接続抵抗を低減する作用をなし、また、金属基体2,12に酸化被膜が生じることを防止する作用をなすものである。このような第1中間層4,14は、ニッケルめっき層あるいは銅めっき層とすることができ、厚みは、例えば、0.1〜10μm程度の範囲で適宜設定することができる。第1中間層4,14の厚みが0.1μm未満であると、上記のような作用が十分に発現されず、一方、厚みが10μmを超えると、平坦性、作業性が低下し、また、製造コストも高くなり好ましくない。
また、セパレータ1,11を構成する第2中間層5,15は、金属基体2,12と樹脂層6,16との密着性を向上させ、セパレータの強度、耐久性を向上させる作用をなすものである。このような第2中間層5,15は、スズめっき層またはスズ合金めっき層とすることができ、スズ合金めっき層としては、スズ−ニッケル、スズ−銅、スズ−コバルト、スズ−銀、スズ−亜鉛、スズ−金、スズ−ビスマスのいずれかのスズ合金めっき層とすることが好ましい。第2中間層5,15の厚みは、例えば、0.3〜5μm程度の範囲で適宜設定することができる。第2中間層5,15の厚みが0.3μm未満であると、上記のような作用が十分に発現されず、一方、厚みが5μmを超えると、平坦性、作業性が低下し、また、割れが発生し易くなり好ましくない。特に、第2中間層5,15がスズ−ニッケルのスズ合金めっき層である場合、厚みを0.3〜2μmの範囲とすることによりセパレータ1,11に良好な折り曲げ加工適性を付与することができる。
The
The first
The second
セパレータ1,11を構成する樹脂層6,16は、導電性を有するとともに、金属基体2,12に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層6,16は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
The resin layers 6 and 16 constituting the
Examples of the anionic synthetic polymer resin include acrylic resin, polyester resin, maleated oil resin, polybutadiene resin, epoxy resin, polyamide resin, polyimide resin, etc., and these can be used alone or as a mixture of any combination. Can be used. Moreover, you may use together said crosslinking | crosslinked resin, such as anionic synthetic polymer resin and a melamine resin, a phenol resin, and a urethane resin. On the other hand, examples of the cationic synthetic polymer resin include acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, polybutadiene resin, polyamide resin, polyimide resin, and the like. These can be used alone or as a mixture of any combination. Can do. Moreover, you may use together said cationic synthetic polymer resin and crosslinkable resin, such as a polyester resin and a urethane resin.
Further, in order to impart tackiness to the above-described synthetic polymer resin having electrodeposition properties, a tackifier resin such as rosin, terpene, and petroleum resin may be added as necessary.
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着により形成された樹脂層6,16の厚みは、0.1〜100μm、好ましくは3〜30μmの範囲とすることができる。樹脂層6,16の厚みが0.1μm未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、100μmを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
Such an electrodepositable synthetic polymer resin is subjected to electrodeposition in a state where it is neutralized with an alkaline or acidic substance and solubilized in water, or in an aqueous dispersion state. That is, the anionic synthetic polymer resin is neutralized with amines such as trimethylamine, diethylamine, dimethylethanolamine and diisopropanolamine, and inorganic alkalis such as ammonia and caustic potash. The cationic synthetic polymer resin is neutralized with an acid such as formic acid, acetic acid, propionic acid, or lactic acid. The neutralized water-soluble polymer resin is used in a state of being diluted in water as a water-dispersed type or a dissolved type.
The thickness of the resin layers 6 and 16 formed by electrodeposition can be in the range of 0.1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm. If the thickness of the resin layers 6 and 16 is less than 0.1 μm, good corrosion resistance may not be ensured due to the occurrence of pinholes, etc. If the thickness exceeds 100 μm, the occurrence of cracks after drying and solidification and production This is not preferable because of problems such as deterioration in performance and high cost.
樹脂層6,16に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、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等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、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等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層6,16に導電性を付与するために好適である。樹脂層6,16における導電材料の含有量は、樹脂層6,16に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、10〜90重量%の範囲で設定することができる。 Examples of the conductive material contained in the resin layers 6 and 16 include carbon materials such as carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals. If it is obtained, it is not limited to these conductive materials. In particular, fine fibrous carbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns are suitable for imparting conductivity to the resin layers 6 and 16. The content of the conductive material in the resin layers 6 and 16 can be set as appropriate according to the conductivity required for the resin layers 6 and 16, and can be set in the range of 10 to 90% by weight, for example.
尚、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等の微細繊維状炭素材料は、ナノテクノロジーの素材として、複合材料、電子デバイス等の種々の分野に適用が期待されているものであり、これらをフィラーとして複合材料に用いた場合には、これらが有する物性を複合材料に付与することができる。例えば、カーボンナノチューブは、導電性、耐酸性、加工性、機械的強度等の面で優れており、フィラーとして複合材料に用いられた場合には、このようなカーボンナノチューブの優れた物性を複合材料に付与することができる。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
Fine fibrous carbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns are expected to be applied to various fields such as composite materials and electronic devices as nanotechnology materials. When used as a composite material, the physical properties of these can be imparted to the composite material. For example, carbon nanotubes are excellent in terms of electrical conductivity, acid resistance, workability, mechanical strength, etc. When used as a filler in a composite material, the carbon nanotube has excellent physical properties. Can be granted.
The above-described embodiments of the separator of the present invention are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、上述のセパレータ1,11において、第1中間層4,14と第2中間層5,15との間に、銅めっき層またはニッケルめっき層である第3中間層であって、第1中間層4,14とは異なる金属からなる層を介在させてもよい。したがって、金属基体上に、ニッケルめっき層(第1中間層)、銅めっき層(第3中間層)、スズめっき層またはスズ合金めっき層(第2中間層)の順に積層されているセパレータ、あるいは、金属基体上に、銅めっき層(第1中間層)、ニッケルめっき層(第3中間層)、スズめっき層またはスズ合金めっき層(第2中間層)の順に積層されているセパレータとすることができる。このように第3中間層が第1中間層と第2中間層との間に介在することにより、第1中間層と第2中間層との密着性が向上してセパレータの耐食性が更に向上する。これにより、燃料電池の発電能力、耐久性が更に向上する。このような第3中間層の厚みは、例えば、0.03〜5μm程度の範囲で適宜設定することができる。第3中間層の厚みが0.03μm未満であると、第3中間層を設けたことによる上記のような作用が十分に発現されず、一方、厚みが5μmを超えると、平坦性、作業性が低下し、また、製造コストも高くなり好ましくない。
For example, in the
[セパレータの製造方法]
次に、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法について説明する。
図3は、図1に示されるセパレータ1を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材2′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト7,7を形成し、このレジスト7,7をマスクとして両面から金属板材2′をエッチングして溝部3,3を形成する(図3(A))。その後、レジスト7,7を剥離して金属基体2を得る(図3(B))。
次に、この金属基体2の両面に、ニッケルめっき層あるいは銅めっき層である第1中間層4を形成する(図3(C))。この第1中間層4は、まず、金属基体2にジンケート処理を施し、次いで、無電解めっき、あるいは電気めっきを行うことにより形成する。このように形成された第1中間層4は、金属基体2に酸化被膜が再生されることを防止し、後工程で形成される第2中間層5および樹脂層6と、金属基体2との接続抵抗を低減する。
[Manufacturing method of separator]
Next, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention is demonstrated.
FIG. 3 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the
Next, a first
次いで、第1中間層4上に、スズめっき層あるいはスズ合金めっき層である第2中間層5を形成する(図3(D))。この第2中間層5は、無電解めっき、あるいは電気めっきにより形成することができる。このように形成された第2中間層5は、後工程で電着形成される樹脂層6にムラ、カケ、ピンホール等の欠陥が発生するのを抑制し、また、樹脂層6の密着性を向上させる。
次に、第2中間層5上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層6を形成する(図3(E))。このように形成された樹脂層6は、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。これにより、本発明のセパレータ1が得られる。
Next, a second
Next, a film is formed on the second
図4は、図2に示されるセパレータ11を例として本発明のセパレータの製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材12′の両面に、フォトリソグラフィーにより複数の開口部を有するレジスト17,17を形成し、このレジスト17,17をマスクとして両面から金属板材12′をエッチングして複数の貫通孔13を穿設する(図4(A))。レジスト17,17の複数の開口部は、それぞれ金属板材12′を介して対向するように位置している。その後、レジスト17,17を剥離して金属基体12を得る(図4(B))。
貫通孔13の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
次に、貫通孔13の内壁面を含む金属基体12に、ニッケルめっき層あるいは銅めっき層である第1中間層14を形成する(図4(C))。この第1中間層14の形成は、上述の実施形態での第1中間層4の形成と同様に行うことができる。
FIG. 4 is a process diagram for explaining the separator manufacturing method of the present invention, taking the
The through-
Next, the first
次いで、第1中間層14を被覆するように、第2中間層15を形成する(図4(D))。この第2中間層15の形成も、上述の実施形態での第2中間層5の形成と同様に行うことができる。
次に、第2中間層15上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層16を形成する(図4(E))。これにより、セパレータ11が得られる。
上述のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
Next, the second
Next, a film is formed on the second
The above-described embodiments of the separator manufacturing method are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、上述のように、第1中間層4,14と第2中間層5,15との間に、銅めっき層またはニッケルめっき層である第3中間層であって、第1中間層4,14とは異なる金属からなる層を介在させる場合、第1中間層4,14を形成した後、この第1中間層4,14上に銅めっき層またはニッケルめっき層からなる第3中間層を形成し、その後、第3中間層上に第2中間層5,15を形成する。第3中間層の形成は、無電解めっき、あるいは電気めっきにより行うことができ、この第3中間層は、第1中間層4,14と第2中間層5,15との密着性を向上させる。
For example, as described above, a third intermediate layer that is a copper plating layer or a nickel plating layer between the first
[本発明のセパレータを用いた燃料電池の例]
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図5〜図8を参照して説明する。図5は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図6は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。また、図7および図8は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図5〜図8において、高分子電解質型燃料電池21は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)31とセパレータ41とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
[Example of fuel cell using separator of the present invention]
Here, an example of a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a partial configuration diagram for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 6 is a diagram for explaining the membrane electrode assembly constituting the polymer electrolyte fuel cell. FIG. 7 and FIG. 8 are perspective views showing the state in which the separator of the polymer electrolyte fuel cell and the membrane electrode assembly are separated from different directions.
5 to 8, the polymer
MEA31は、図6に示されるように、高分子電解質膜32の一方の面に配設された触媒層33とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)34とからなる燃料極(水素極)35と、高分子電解質膜32の他方の面に配設された触媒層36とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)37とからなる空気極(酸素極)38を備えている。
セパレータ41は、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Aと、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に冷却水用溝部44bを備えたセパレータ41Bと、一方の面に冷却水用溝部43bを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Cとからなっている。このようなセパレータ41A,41B,41Cは、本発明のセパレータであり、その両面に、図1に示されるように第1中間層、第2中間層を介して樹脂層が形成されているが、図示例では、省略している。
As shown in FIG. 6, the
The separator 41 has a fuel
各セパレータ41A,41B,41Cと上記の高分子電解質膜32の所定位置には、2個の燃料ガス供給孔45a,45b、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46b、2個の冷却水供給孔47a,47bが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ41Aの酸化剤ガス供給用溝部44aが形成されている面に、MEA31の空気極(酸素極)38が当接し、セパレータ41Bの燃料ガス供給用溝部43aが形成されている面に、MEA31の燃料極(水素極)35が当接するように、また、セパレータ41Bの冷却水用溝部44bが形成された面とセパレータ41Cの冷却水用溝部43bが形成された面とが当接するように、各セパレータ41A,41B,41Cと単位セルであるMEA31が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池21が構成されている。このように積層された状態で、上記の2個の燃料ガス供給孔45a,45bはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46bはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、2個の冷却水供給孔47a,47bはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。
Two fuel
また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図9〜図11を参照して説明する。図9は、高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図10は、図9に示される高分子電解質型燃料電池のA−A線での縦断面図である。また、図11は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。 Another example of the polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a plan view for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 10 is a longitudinal sectional view taken along line AA of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. Moreover, FIG. 11 is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly which comprises a polymer electrolyte type fuel cell.
図9および図10に示されるように、高分子電解質型燃料電池51は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)61とセパレータ71A,71Bとからなる単位セル52を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分(図9では4個分)の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル52の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部55を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部55のくり抜き部に単位セル52を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル52と絶縁部55とを平面状に設けているものである。
As shown in FIGS. 9 and 10, the polymer
この高分子電解質型燃料電池51は、絶縁部55のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部57cを設けている。そして、この表裏接続部57cを、接続配線57aを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ71A(例えば、燃料極側セパレータ)に接続し、また、接続配線57bを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ71B(例えば、空気極側セパレータ)に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Aと、他方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Bには、配線75,76が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を4個としているが、単位セルの個数には制限はない。
The polymer
In the illustrated example, the number of unit cells is four, but the number of unit cells is not limited.
絶縁部55は、接続部57(接続配線57a,57bおよび表裏接続部57c)で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部55の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部55は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部57の表裏接続部57cとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部57cは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
The insulating
As the front and
また、MEA61は、図11に示されるように、高分子電解質膜62の一方の面に配設された触媒層63とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)64とからなる燃料極(水素極)65と、高分子電解質膜62の他方の面に配設された触媒層66とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)67とからなる空気極(酸素極)68を備えている。
セパレータ71A,71Bは、図2に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基体に第1中間層、第2中間層を介して導電性の樹脂層を有するものである。
In addition, as shown in FIG. 11, the
The
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[参考例1]
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmのアルミニウム合金(A5052P)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト(ニチゴー・モートン(株)製)をラミネートして35μm厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により15秒間照射)、現像(30℃の2%炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー)してレジストを形成した。
Next, the present invention will be described in more detail by showing specific examples.
[ Reference Example 1]
An aluminum alloy (A5052P) having a size of 80 mm × 80 mm and a thickness of 0.8 mm was prepared as a metal plate material, and the surface was degreased.
Next, a dry film resist (manufactured by Nichigo Morton Co., Ltd.) is laminated on both surfaces of the aluminum alloy to form a 35 μm-thick photosensitive resist layer, and then exposed through a photomask for forming a groove ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 15 seconds) and developing (spraying a 2% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 30 ° C.).
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から45℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、50℃の5%炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基体を得た。
次に、上記の金属基体に対して、硝酸水溶液を用いて前処理を施し、次いで、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層(厚み0.05μm)を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
(亜鉛置換処理の条件)
・使用浴 : ジンケート浴(メルテックス(株)製 アルモンEN)
・液温 : 30℃
・処理時間 : 20秒
Next, a ferric chloride aqueous solution heated to 45 ° C. was sprayed from both sides of the aluminum alloy through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with a 5% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 50 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering with a deflection width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.
Next, pretreatment is performed on the above metal substrate using an aqueous nitric acid solution, and then zinc replacement treatment is performed under the following conditions to form a zinc alloy layer (thickness 0.05 μm), including the groove portion. Formed on top.
(Conditions for zinc replacement treatment)
・ Use bath: Zincate bath (Mertex Co., Ltd. ALMON EN)
・ Liquid temperature: 30 ℃
・ Processing time: 20 seconds
次いで、亜鉛合金層上に、下記の電気めっき条件でニッケルめっき層(厚み1μm)を形成して第1中間層とした。
(電気めっき条件)
・使用浴 : 塩化ニッケル浴(シプレイ(株)製 AZ111)
・pH : 2〜5
・電流密度 : 10A/dm2
・液温 : 40℃
Next, a nickel plating layer (
(Electroplating conditions)
-Bath used: Nickel chloride bath (AZ111 manufactured by Shipley Co., Ltd.)
・ PH: 2-5
・ Current density: 10 A / dm 2
・ Liquid temperature: 40 ℃
次に、上記の第1中間層上に、下記の電気めっき条件でスズ−ニッケル合金めっき層(厚み1μm)を形成して第2中間層とした。
(電気めっき条件)
・使用浴 : スズ−ニッケル浴(荏原ユージライト(株)製 EBALOY SNI)
・pH : 2
・電流密度 : 0.3A/dm2
・液温 : 55℃
Next, a tin-nickel alloy plating layer (
(Electroplating conditions)
・ Use bath: Tin-nickel bath (EBALOY SNI manufactured by Sugawara Eugene Corporation)
・ PH: 2
・ Current density: 0.3 A / dm 2
・ Liquid temperature: 55 ℃
次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック(Cabot(株)製 Vulcan XC−72)を樹脂固形分に対して75重量%添加し分散させて、電着液とした。この電着液を20℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間40mm、電圧50Vで1分間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥(150℃、3分間)し、さらに、窒素雰囲気中で180℃、1時間の加熱硬化処理を施した。これにより、第2中間層上に厚み15μmの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。 Subsequently, carbon black (Vulcan XC-72 manufactured by Cabot Co., Ltd.) as a conductive material was added to and dispersed in the epoxy electrodeposition liquid by 75% by weight with respect to the resin solid content to obtain an electrodeposition liquid. The electrodeposition liquid was stirred at 20 ° C., and the metal substrate was immersed in the electrodeposition solution, electrodeposition was performed at a gap of 40 mm and a voltage of 50 V for 1 minute, and the pulled metal substrate was washed with pure water. Then, it dried with hot air (150 degreeC, 3 minutes) with the dryer, and also heat-hardened at 180 degreeC for 1 hour in nitrogen atmosphere. Thereby, a resin layer having a thickness of 15 μm was formed on the second intermediate layer, and a separator was obtained.
尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル(エポキシ当量910)1000重量部を撹拌下に70℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル463重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン80.3重量部を加えて100℃で2時間反応させてアミンエポキシ付加物(A)を調製した。
また、コロネートL(日本ポリウレタン(株)製 ジイソシアネート:NCO13%の不揮発分75重量%)875重量部にジブチル錫ラウレート0.05重量部を加え50℃に加熱し、これに2−エチルヘキサノール390重量部を添加し、その後、120℃で90分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル130重量部で希釈した成分(B)を得た。
次に、上記のアミンエポキシ付加物(A)1000重量部と成分(B)400重量部からなる混合物を、氷酢酸30重量部で中和した後、脱イオン水570重量部を用いて希釈し、不揮発分50重量%の樹脂Aを調製した。この樹脂A200.2重量部(樹脂成分86.3容量)、脱イオン水583.3重量部、およびジブチル錫ラウレート2.4重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
The epoxy electrodeposition solution used was prepared as follows.
First, 1000 parts by weight of diglycidyl ether of bisphenol A (epoxy equivalent 910) was dissolved in 463 parts by weight of ethylene glycol monoethyl ether while maintaining the temperature at 70 ° C. with stirring, and further 80.3 parts by weight of diethylamine was added to 100 parts. An amine epoxy adduct (A) was prepared by reacting at 2 ° C. for 2 hours.
Coronate L (manufactured by Nippon Polyurethane Co., Ltd. diisocyanate:
Next, the mixture consisting of 1000 parts by weight of the above-described amine epoxy adduct (A) and 400 parts by weight of component (B) is neutralized with 30 parts by weight of glacial acetic acid, and then diluted with 570 parts by weight of deionized water. A resin A having a nonvolatile content of 50% by weight was prepared. An epoxy electrodeposition solution was prepared by blending 200.2 parts by weight of this resin A (resin component 86.3 volumes), 583.3 parts by weight of deionized water, and 2.4 parts by weight of dibutyltin laurate.
作製した上記のセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を下記の条件で観察した。その結果、ピンホールが存在しないことが確認された。
(ピンホールの観察条件)
80℃、1モル硫酸水溶液中で、−2V〜+2V VS.NHEの範囲で貴な方向に
電位を走査させて電流応答を調査し、電流応答が1μA/cm2以下の場合を
ピンホールなしと判断する。
The presence or absence of pinholes in the resin layer of the produced separator was observed under the following conditions. As a result, it was confirmed that there was no pinhole.
(Pinhole observation conditions)
In 80 ° C, 1 molar sulfuric acid aqueous solution, the electric potential is scanned in the noble direction in the range of -2V to + 2V VS.NHE, and the current response is investigated. If the current response is 1μA / cm 2 or less, there is no pinhole. to decide.
また、作製した上記のセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定した結果、3.5mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
(電気抵抗の測定方法)
セパレータをガス拡散層(東レ(株)製 TGP−H−060 190μm厚)
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ5mmの電極
で挟み込んで圧着(圧力:20kgf/cm2)し、電極間の抵抗を測定する。
Moreover, as a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the produced separator by the following method, it was 3.5 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
(Measurement method of electrical resistance)
Separator gas diffusion layer (TGP-H-060 190μm thickness manufactured by Toray Industries, Inc.)
Between the two electrodes, and further sandwiched between 5 mm thick copper-plated copper electrodes (pressure: 20 kgf / cm 2 ) to measure the resistance between the electrodes.
[参考例2]
第2中間層として、下記の電気めっき条件でスズめっき層(厚み1μm)を形成した他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : スルホン酸塩浴(メルテックス(株)製 ソルダロンST-200)
・pH : 4.5〜6.0
・電流密度 : 1A/dm2
・液温 : 40℃
作製したセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を、参考例1と同様の条件で観察した結果、ピンホールが存在しないことが確認された。
また、このセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、4.6mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
[ Reference Example 2]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a tin plating layer (
(Electroplating conditions)
・ Use bath: Sulfonate bath (Meltex Co., Ltd. Soldalon ST-200)
・ PH: 4.5-6.0
・ Current density: 1 A / dm 2
・ Liquid temperature: 40 ℃
As a result of observing the presence or absence of pinholes in the resin layer of the produced separator under the same conditions as in Reference Example 1, it was confirmed that no pinholes were present.
Further, the electrical resistance of front-back conduction in this separator was measured by the same method as in Reference Example 1. As a result, it was 4.6 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
[参考例3]
第2中間層として、下記の電気めっき条件でスズ−コバルトめっき層(厚み1μm)を形成した他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : 硫酸第一スズ浴(日本化学産業(株)製 ピロアイSCプロセス)
・pH : 1〜2
・電流密度 : 0.5A/dm2
・液温 : 40℃
作製したセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を、参考例1と同様の条件で観察した結果、ピンホールが存在しないことが確認された。
また、このセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、3.1mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
[ Reference Example 3]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a tin-cobalt plating layer (
(Electroplating conditions)
-Bath used: stannous sulfate bath (Pyroeye SC process, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.)
・ PH: 1-2
・ Current density: 0.5 A / dm 2
・ Liquid temperature: 40 ℃
As a result of observing the presence or absence of pinholes in the resin layer of the produced separator under the same conditions as in Reference Example 1, it was confirmed that no pinholes were present.
Moreover, the electrical resistance of the front and back conduction in this separator was measured by the same method as in Reference Example 1. As a result, it was 3.1 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
[参考例4]
第1中間層として、下記の無電解銅めっき条件で銅めっき層(厚み1μm)を形成した他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(無電解銅めっき条件)
・使用浴 : 無電解銅めっき浴(メルテックス(株)製 メルプレートCV-5100)
・液温 : 50℃
・めっき時間: 900秒
作製したセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を、参考例1と同様の条件で観察した結果、ピンホールが存在しないことが確認された。
また、このセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、2.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
[ Reference Example 4]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a copper plating layer (thickness: 1 μm) was formed as the first intermediate layer under the following electroless copper plating conditions.
(Electroless copper plating conditions)
・ Use bath: Electroless copper plating bath (Melplate CV-5100 manufactured by Meltex Co., Ltd.)
・ Liquid temperature: 50 ℃
-Plating time: 900 seconds As a result of observing the presence or absence of pinholes in the resin layer of the produced separator under the same conditions as in Reference Example 1, it was confirmed that no pinholes were present.
Moreover, the electrical resistance of the front and back conduction in this separator was measured by the same method as in Reference Example 1. As a result, it was 2.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
[比較例1]
第2中間層を形成せず、ニッケルめっき層(参考例1の第1中間層)のみを中間層とした他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
作製したセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を、参考例1と同様の条件で観察した結果、ピンホールの存在が確認され、さらに、金属基体が一部腐食されていることが確認された。
[Comparative Example 1]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the second intermediate layer was not formed and only the nickel plating layer (first intermediate layer in Reference Example 1) was used as the intermediate layer.
As a result of observing the presence or absence of pinholes in the resin layer of the manufactured separator under the same conditions as in Reference Example 1, it was confirmed that pinholes were present and that the metal substrate was partially corroded.
[比較例2]
第1中間層、第2中間層を形成せず、代わりに中間層として下記の電気めっき条件でニッケル−銅めっき層(厚み3μm)を形成した他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : 硫酸銅浴(日本化学産業(株)製 硫酸銅)
・pH : 2
・電流密度 : 0.3A/dm2
・液温 : 50℃
作製したセパレータの樹脂層におけるピンホールの有無を、参考例1と同様の条件で観察した結果、ピンホールの存在が確認され、さらに、金属基体が一部腐食されていることが確認された。
[Comparative Example 2]
In the same manner as in Reference Example 1, except that the first intermediate layer and the second intermediate layer were not formed, and instead a nickel-copper plating layer (
(Electroplating conditions)
-Bath used: Copper sulfate bath (Copper sulfate manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.)
・ PH: 2
・ Current density: 0.3 A / dm 2
・ Liquid temperature: 50 ℃
As a result of observing the presence or absence of pinholes in the resin layer of the manufactured separator under the same conditions as in Reference Example 1, it was confirmed that pinholes were present and that the metal substrate was partially corroded.
[実施例1]
第1中間層(ニッケルめっき層)上に、下記の電気めっき条件で銅めっき層(厚み0.5μm)を形成して第3中間層とし、この第3中間層上に第2中間層(スズ−ニッケル合金めっき層)を形成した他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : 硫酸銅浴(日本化学産業(株)製 硫酸銅)
・pH : 2
・電流密度 : 0.3A/dm2
・液温 : 50℃
このように作製したセパレータを用いて下記のように燃料電池を作製しI−V特性の評価を行って出力を測定した結果、0.61Wであった。
[Example 1 ]
A copper plating layer (thickness 0.5 μm) is formed on the first intermediate layer (nickel plating layer) under the following electroplating conditions to form a third intermediate layer, and the second intermediate layer (tin) is formed on the third intermediate layer. A separator was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that a nickel alloy plating layer was formed.
(Electroplating conditions)
-Bath used: Copper sulfate bath (Copper sulfate manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.)
・ PH: 2
・ Current density: 0.3 A / dm 2
・ Liquid temperature: 50 ℃
A fuel cell was produced as described below using the separator produced in this manner, the IV characteristics were evaluated, and the output was measured. The result was 0.61 W.
一方、上述の参考例1で作製したセパレータを用いて同様に燃料電池を作製し、出力を測定した結果、0.38Wであった。
この結果から、第1中間層と第2中間層の間に第3中間層を介在させることにより燃料電池の発電能力が更に向上することが確認された。
(I−V特性の評価)
作製したセパレータと下記の膜電極複合体(MEA)と燃料電池セルとを使用
して単セル構造の燃料電池を作製し、下記の実験条件にてI−V特性の評価を
行った。
(使用材料)
・MEA :アノード触媒=Pt/C 50重量%(田中貴金属工業(株)製)
Pt担持量=0.3mg/cm2
カソード触媒=Pt/C 50重量%(田中貴金属工業(株)製)
Pt担持量=0.3mg/cm2
電解質=Nafion112(デュポン(株)製)
電極面積=25cm2
・燃料電池セル:JARI(財団法人 日本自動車研究所)製標準セル
(実験条件)
・アノードガス : 純水素(利用率70%、露点80℃)
・カソードガス : 空気(利用率40%、露点70℃)
・セル温度 : 80℃
・電流密度 : 0〜1A/cm2
On the other hand, a fuel cell was similarly produced using the separator produced in Reference Example 1 described above, and the output was measured. As a result, it was 0.38 W.
From this result, it was confirmed that the power generation capability of the fuel cell was further improved by interposing the third intermediate layer between the first intermediate layer and the second intermediate layer.
(Evaluation of IV characteristics)
Using the produced separator, the following membrane electrode assembly (MEA), and a fuel cell, a single-cell fuel cell was produced, and the IV characteristics were evaluated under the following experimental conditions.
(Materials used)
MEA: anode catalyst = Pt / C 50% by weight (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.)
Pt loading = 0.3 mg / cm 2
Cathode catalyst = Pt / C 50% by weight (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.)
Pt loading = 0.3 mg / cm 2
Electrolyte = Nafion112 (manufactured by DuPont)
Electrode area = 25 cm 2
-Fuel cell: JARI (Japan Automobile Research Institute) standard cell (experimental conditions)
・ Anode gas: Pure hydrogen (utilization rate 70%, dew point 80 ° C)
Cathode gas: Air (utilization rate 40%, dew point 70 ° C)
-Cell temperature: 80 ° C
・ Current density: 0 to 1 A / cm 2
[実施例2]
第1中間層(銅めっき層)上に、下記の電気めっき条件でニッケルめっき層(厚み0.5μm)を形成して第3中間層とし、この第3中間層上に第2中間層(スズ−ニッケル合金めっき層)を形成した他は、参考例4と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : 塩化ニッケル浴(シプレイ(株)製 AZ111)
・pH : 2〜5
・電流密度 : 10A/dm2
・液温 : 40℃
このように作製したセパレータを用いて、実施例1と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した結果、0.61Wであった。
一方、上述の参考例4で作製したセパレータを用いて同様に燃料電池を作製し、出力を測定した結果、0.44Wであった。
この結果から、第1中間層と第2中間層の間に第3中間層を介在させることにより燃料電池の発電能力が更に向上することが確認された。
[Example 2 ]
A nickel plating layer (thickness 0.5 μm) is formed on the first intermediate layer (copper plating layer) under the following electroplating conditions to form a third intermediate layer, and the second intermediate layer (tin) is formed on the third intermediate layer. A separator was prepared in the same manner as in Reference Example 4 except that a nickel alloy plating layer was formed.
(Electroplating conditions)
-Bath used: Nickel chloride bath (AZ111 manufactured by Shipley Co., Ltd.)
・ PH: 2-5
・ Current density: 10 A / dm 2
・ Liquid temperature: 40 ℃
Using the separator thus produced, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 and the output was measured. As a result, it was 0.61 W.
On the other hand, as a result of producing a fuel cell in the same manner using the separator produced in Reference Example 4 and measuring the output, it was 0.44 W.
From this result, it was confirmed that the power generation capability of the fuel cell was further improved by interposing the third intermediate layer between the first intermediate layer and the second intermediate layer.
[参考例5]
電気めっき条件を下記のように変更し、第2中間層(スズ−ニッケル合金めっき層)の厚みを2μmとした他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : スズ−ニッケル浴(荏原ユージライト(株)製 EBALOY SNI)
・pH : 2
・電流密度 : 0.3A/dm2
・液温 : 55℃
作製したセパレータの折り曲げ加工適性を下記の方法で評価した。その結果、第1中間層および第2中間層に割れを生じることなく折り曲げることが可能であり、良好な折り曲げ加工適性を具備していることが確認された。
[ Reference Example 5 ]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the electroplating conditions were changed as follows and the thickness of the second intermediate layer (tin-nickel alloy plating layer) was 2 μm.
(Electroplating conditions)
・ Use bath: Tin-nickel bath (EBALOY SNI manufactured by Sugawara Eugene Corporation)
・ PH: 2
・ Current density: 0.3 A / dm 2
・ Liquid temperature: 55 ℃
The folding separator suitability of the produced separator was evaluated by the following method. As a result, it was confirmed that the first intermediate layer and the second intermediate layer could be folded without causing cracks and had good bending workability.
また、上述の参考例1で作製したセパレータについて、同様に折り曲げ加工適性を評価した結果、良好な折り曲げ加工適性を具備していることが確認された。
(折り曲げ加工適性の評価方法)
折り曲げ部の半径が0.1mmとなるようにセパレータを90°折り曲げ、光学
顕微鏡を用いて、第1中間層および第2中間層における割れの有無を確認する。
Moreover, about the separator produced in the above-mentioned reference example 1, as a result of evaluating the bending workability similarly, it was confirmed that it has favorable bending workability.
(Evaluation method for bending workability)
The separator is bent 90 ° so that the radius of the bent portion is 0.1 mm, and the presence or absence of cracks in the first intermediate layer and the second intermediate layer is confirmed using an optical microscope.
[参考例6]
電気めっき条件を下記のように変更し、第2中間層(スズ−ニッケル合金めっき層)の厚みを3μmとした他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
(電気めっき条件)
・使用浴 : スズ−ニッケル浴(荏原ユージライト(株)製 EBALOY SNI)
・pH : 2
・電流密度 : 0.3A/dm2
・液温 : 55℃
作製したセパレータの折り曲げ加工適性を参考例5と同様に評価した。その結果、第2中間層に割れが見られ、参考例1、5のセパレータに比べて折り曲げ加工適性が劣ることが確認された。
[ Reference Example 6 ]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the electroplating conditions were changed as follows and the thickness of the second intermediate layer (tin-nickel alloy plating layer) was 3 μm.
(Electroplating conditions)
・ Use bath: Tin-nickel bath (EBALOY SNI manufactured by Sugawara Eugene Corporation)
・ PH: 2
・ Current density: 0.3 A / dm 2
・ Liquid temperature: 55 ℃
The aptitude of the produced separator was evaluated in the same manner as in Reference Example 5 . As a result, cracks were observed in the second intermediate layer, and it was confirmed that the bending workability was inferior to the separators of Reference Examples 1 and 5 .
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。 The present invention can be applied to the manufacture of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected.
1…セパレータ
2…金属基体
3…溝部
4…第1中間層
5…第2中間層
6…樹脂層
11…セパレータ
12…金属基体
13…貫通孔
14…第1中間層
15…第2中間層
16…樹脂層
21,51…高分子電解質型燃料電池
31,61…膜電極複合体(MEA)
41A,41B,41C,71A,71B…セパレータ
DESCRIPTION OF
41A, 41B, 41C, 71A, 71B ... separator
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