JP2001236967A - Separator for solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Separator for solid polymer electrolyte fuel cell

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JP2001236967A
JP2001236967A JP2000049334A JP2000049334A JP2001236967A JP 2001236967 A JP2001236967 A JP 2001236967A JP 2000049334 A JP2000049334 A JP 2000049334A JP 2000049334 A JP2000049334 A JP 2000049334A JP 2001236967 A JP2001236967 A JP 2001236967A
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JP
Japan
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separator
fuel cell
polymer electrolyte
solid polymer
layer
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Application number
JP2000049334A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Okuda
伸之 奥田
Soichiro Okubo
総一郎 大久保
Hisanori Ohara
久典 大原
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a solid polymer electrolyte having high electric conductivity and high corrosion resistance. SOLUTION: In a fuel cell, a unit holding a solid polymer electrolyte layer and a catalyst electrode layer arranged on either side of the solid polymer electrolyte layer between a gas dispersing electrode and a separator on either external side thereof is used as a single cell, and a plurality of such cells are laminated to form a laminated body for a fuel cell. The separator consists of a coated layer and a metal base substance. The coated surface layer has a multi-layer construction consisting of two or more metal nitrided membrane layers of different types.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、良好な耐食性およ
び導電性を有し、かつ内部抵抗の低い固体高分子電解質
型燃料電池用セパレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell separator having good corrosion resistance and conductivity and low internal resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有するエネルギを直
接電気に変換する装置として知られている。その中でも
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する
燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、
1対の電極に供給し、両極で起こる電気化学的反応によ
って、起電力と熱とを同時に発生させるものである。
2. Description of the Related Art A fuel cell is known as a device for directly converting energy of fuel into electricity. Among them, a fuel cell using a solid polymer electrolyte is composed of a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air.
It is supplied to a pair of electrodes and generates an electromotive force and heat simultaneously by an electrochemical reaction occurring at both electrodes.

【0003】本燃料電池の単一セルの構造は、例えば、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層、次に、この触媒反応層の両外面に、
燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を
併せ持つ2種類の拡散層、この拡散層と触媒反応層とを
併せて電極としており、それぞれ燃料極(アノード)と
空気極(カソード)と呼ばれている。さらにその両面に
ガスケットを介してセパレータが併設され、セパレータ
の電極側の面には燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤ガ
スの流路が形成されている。これらの燃料電池セルおよ
びセパレータにより単一の燃料電池のユニットが形成さ
れるが、燃料電池は単一セルあたりの起電力が低いた
め、通常は複数のユニットの積層体(スタック)として
用いられる。
The structure of a single cell of the present fuel cell is, for example,
On both surfaces of the polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, a catalytic reaction layer mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and then on both outer surfaces of the catalytic reaction layer,
Two types of diffusion layers having both gas permeability and oxidant gas permeability and electronic conductivity, and the diffusion layer and the catalytic reaction layer are combined to form electrodes, each of which has a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). being called. Further, a separator is provided on both sides of the separator via a gasket, and a flow path for an oxidizing gas such as a fuel gas or oxygen is formed on a surface on the electrode side of the separator. These fuel cells and the separator form a single fuel cell unit. However, the fuel cell has a low electromotive force per single cell, and therefore is usually used as a stack of a plurality of units.

【0004】このような燃料電池の動作原理において、
セパレータは各セル間を電気的に接続させるため、良好
な導電性を有していなければならない。また燃料ガスや
酸化剤ガスの温度は80〜90℃の高温状態であり、セ
パレータはそれぞれのガスに曝されるために、高い耐食
性や耐酸化性が要求される。そこで一般的にはカーボン
材料をセパレータに用いることが検討されている(TOYO
TA Technical ReviewVol.47,No.2,Nov.1997第70頁〜
第75頁、および特開平7−272731号公報)。
In the operation principle of such a fuel cell,
The separator must have good conductivity in order to electrically connect the cells. Further, the temperature of the fuel gas and the oxidizing gas is in a high temperature state of 80 to 90 ° C., and since the separator is exposed to each gas, high corrosion resistance and oxidation resistance are required. Therefore, it is generally considered to use carbon material for the separator (TOYO
TA Technical Review Vol. 47, No. 2, Nov. 1997, p. 70-
75, and JP-A-7-272731).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の電池スタックを備えた固体高分子電解質
型燃料電池用セパレータにおいては、次に示すような問
題点があった。
However, the solid polymer electrolyte fuel cell separator provided with the conventional battery stack as described above has the following problems.

【0006】まず、セパレータにカーボン板を備えた固
体高分子電解質型燃料電池では、カーボン材料が靱性に
乏しいため、機械的衝撃、振動、圧縮以外の応力が存在
する条件下、例えば自動車などに搭載する際には、振動
によるセパレータの破損が問題とされていた。そこで、
セパレータとしての強度を保つためには、比較的厚いカ
ーボン板からなるセパレータを用いる必要がある反面、
電池スタックをコンパクト化するためには、単位セルの
厚さを薄くすることが重要である。このようにカーボン
板からなるセパレータを用いた場合には、薄くすること
に限界があるため、コンパクト化が難しいという問題が
あった。
[0006] First, in a solid polymer electrolyte fuel cell having a separator provided with a carbon plate, the carbon material is poor in toughness, so that it is mounted on a vehicle, for example, under conditions where stresses other than mechanical shock, vibration and compression exist. In such a case, it has been considered that the separator is damaged by vibration. Therefore,
In order to maintain the strength as a separator, it is necessary to use a separator made of a relatively thick carbon plate,
In order to make the battery stack compact, it is important to reduce the thickness of the unit cell. When a separator made of a carbon plate is used as described above, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the separator because there is a limit in reducing the thickness.

【0007】また、カーボン板の機械加工は難しいた
め、カーボン材料を使用したセパレータの加工コストが
高価となり、低コスト化が難しいといった問題がある。
さらに、カーボン板は、熱伝導率がアルミニウム、ステ
ンレス、銅などの金属板に比較して悪いために、各単位
セルを冷却するための冷却プレートが大きくなるなると
いった問題点があり、コンパクト化が難しいといった問
題点があった。
[0007] Further, since machining of a carbon plate is difficult, there is a problem that machining cost of a separator using a carbon material is high, and it is difficult to reduce the cost.
Furthermore, since the carbon plate has a poorer thermal conductivity than a metal plate of aluminum, stainless steel, copper, etc., there is a problem that a cooling plate for cooling each unit cell becomes large. There was a problem that it was difficult.

【0008】そこで、良好な電気伝導性を持ち集電性能
を有すると共に、高熱伝導率を有する金属板を用いる方
法が検討されている。しかしながら、電極反応による約
1Vの電位、また供給される空気及び水素と水蒸気を含
んだ80℃前後のガスにセパレータが曝されることにな
り、環境条件が厳しいため、要求される耐食性を持つ金
属あるいは合金材料は高価なものが多い。比較的安価な
ステンレス鋼やアルミ合金では耐食性が不十分であるた
め、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解がおこりや
すく、金属板が腐食すると、電極部とセパレータとの間
の接触抵抗が次第に上昇する。それに伴い、ジュール熱
が発生し、多数のセルを積層した燃料電池スタックの発
電効率が次第に低下したり、電池スタックの温度が上昇
しやすくなる、という課題があった。
[0008] Therefore, a method of using a metal plate having good electrical conductivity and current collecting performance and having high thermal conductivity has been studied. However, since the separator is exposed to a potential of about 1 V due to the electrode reaction and to a gas at about 80 ° C. containing supplied air and hydrogen and water vapor, the environmental conditions are severe, and the metal having the required corrosion resistance is required. Alternatively, many alloy materials are expensive. Relatively inexpensive stainless steel and aluminum alloys have insufficient corrosion resistance, so if they are used for a long period of time, the metal plate is likely to corrode and melt. Gradually rise. As a result, Joule heat is generated, and the power generation efficiency of the fuel cell stack in which a large number of cells are stacked gradually decreases, and the temperature of the battery stack tends to increase.

【0009】この問題に対して、例えば特開平10−3
08226号公報によれば、セパレータ基体がアルミニ
ウム、鉄、ステンレス鋼等によって構成され、その表面
のうちの少なくともガス拡散電極との接触面にカーボン
を含む膜を付着させたことを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池が提案されている。しかしながらこのよう
なカーボン膜は機械的強度が低い、すなわち膜硬度が低
いために、車載時の振動などによってカーボン膜が損傷
し、耐食性が損なわれるという問題があった。
To solve this problem, see, for example, JP-A-10-3
According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 08226, the solid substrate is characterized in that the separator substrate is made of aluminum, iron, stainless steel, or the like, and a carbon-containing film is attached to at least a surface of the surface that contacts the gas diffusion electrode. Molecular electrolyte fuel cells have been proposed. However, since such a carbon film has low mechanical strength, that is, low film hardness, there is a problem that the carbon film is damaged by vibrations during mounting on a vehicle and the corrosion resistance is impaired.

【0010】また、例えば、特開平10−12246号
公報、特開平10−162842号公報、特開平11−
162478号公報、特開平11−162479号公報
等には、金属窒化物膜等をコーティングすることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。
しかしながら、各種窒化物の単層膜では膜の内部残留応
力が大きく、膜形成時に発生する膜割れや剥がれあるい
はピンホールなどの膜欠陥が生じやすく、長期間にわた
って使用するには耐食性を維持しにくい問題があった。
Also, for example, JP-A-10-12246, JP-A-10-162842, and JP-A-11-162.
JP-A-162478 and JP-A-11-162479 disclose a solid polymer electrolyte fuel cell characterized by being coated with a metal nitride film or the like.
However, a single-layer film of various nitrides has a large internal residual stress in the film, and tends to cause film defects such as film cracking, peeling or pinholes generated during film formation, and it is difficult to maintain corrosion resistance for long-term use. There was a problem.

【0011】本発明は、以上のような従来の技術に鑑み
てなされたものであり、耐食性に優れた内部抵抗の小さ
な固体高分子電解質型燃料電池用セパレータを提供する
ことを目的としている。
The present invention has been made in view of the above prior art, and has as its object to provide a solid polymer electrolyte fuel cell separator having excellent corrosion resistance and low internal resistance.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子電解
質型燃料電池用セパレータは、固体高分子電解質層と、
その両面に配置された触媒電極層を両外面からガス拡散
電極及びセパレータによって挟み込んだユニットを単セ
ルとし、この単セルを複数積層して燃料電池積層体を形
成した構造からなる燃料電池において使用するセパレー
タが、被覆層と金属基体とからなり、前記表面被覆層が
異なる種類の金属窒化物膜の2層以上からなる多層構造
であることを特徴とするセパレータである。さらには、
前記表面被覆層のうち、少なくとも最表面層が、導電性
の金属窒化物膜であることが好ましい。
According to the present invention, there is provided a separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising: a solid polymer electrolyte layer;
A unit in which the catalyst electrode layers disposed on both surfaces are sandwiched between the gas diffusion electrodes and the separator from both outer surfaces is a single cell, and the unit is used in a fuel cell having a structure in which a plurality of such single cells are stacked to form a fuel cell stack. The separator is characterized in that the separator has a multilayer structure including a coating layer and a metal substrate, and the surface coating layer includes two or more layers of different types of metal nitride films. Moreover,
It is preferable that at least the outermost surface layer of the surface coating layer is a conductive metal nitride film.

【0013】本発明によれば、耐食性に優れた導電性の
金属窒化物膜を任意の金属セパレータ基体に被覆するた
めに、腐食によるセパレータ表面での接触抵抗の上昇を
防ぐことができる。
According to the present invention, since an arbitrary metal separator substrate is coated with a conductive metal nitride film having excellent corrosion resistance, an increase in contact resistance on the separator surface due to corrosion can be prevented.

【0014】また、本発明において、セパレータ基体
は、車載用燃料電池として十分な機械的強度を持ち、さ
らに加工性、電気伝導性、熱伝導性などが良好な金属で
あれば良く、特に限定されるものではない。また、形状
は特に限定されるものではないが、車載用燃料電池とし
て十分な強度を持った構造となる形状が望ましい。
Further, in the present invention, the separator substrate may be a metal having sufficient mechanical strength as a fuel cell for a vehicle, and further having good workability, electrical conductivity, thermal conductivity, and the like. Not something. Further, the shape is not particularly limited, but a shape having a structure having sufficient strength as a vehicle-mounted fuel cell is desirable.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail.

【0016】本発明のセパレータを使用した固体高分子
電解質型燃料電池単セルの一実施形態の縦断面模式図を
図1に示す。図1において、1は固体高分子電解質膜
で、湿潤状態で良好な電気伝導性を示すプロトン伝導性
のイオン交換膜からなり、その両側に例えば白金などの
触媒を担持したカーボン粒子を混在した複数の細孔を有
する触媒電極層2,3が設けられ、更にその外側に設け
られたガス拡散電極4,5,更にその外側に設けられた
セパレータ6,7によって、一つのセル(単セル)が構
成される。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of one embodiment of a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane, which is composed of a proton-conductive ion-exchange membrane exhibiting good electric conductivity in a wet state, and a plurality of which includes carbon particles carrying a catalyst such as platinum on both sides thereof. One cell (single cell) is formed by the gas diffusion electrodes 4, 5, which are further provided outside, and the separators 6, 7, which are further provided outside thereof. Be composed.

【0017】このようなセルにおいて、基体10をプレ
ス成形、打ち抜き加工などの機械加工等によりセパレー
タとして必要な形状に成形されたセパレータの片面はガ
ス拡散電極4との間で、燃料ガス経路8が形成されてお
り、他面はガス拡散電極5との間で、酸化剤ガス経路9
が形成されている。ガス流路8を通してガス拡散電極4
には水素を含む燃料ガスを、ガス流路9を通してガス拡
散電極5には酸素を含む酸化剤ガスを流すと、各々、触
媒電極層2,3および固体高分子電解質を介して電気化
学的反応が進行して電子が発生する。この電子を、触媒
電極層からガス拡散電極、ガス拡散電極からセパレータ
という経路で外部回路へ取り出すことにより電気エネル
ギーが発生する。また単セルで発生可能な電圧は1ボル
ト前後であり、実際に使用される場面では複数の単セル
を積層した燃料電池スタックとして用いている。
In such a cell, the base 10 is formed into a required shape as a separator by mechanical processing such as press forming, punching or the like. One side of the separator is provided between the gas diffusion electrode 4 and the fuel gas path 8. The other surface is formed between the gas diffusion electrode 5 and the oxidant gas path 9.
Are formed. Gas diffusion electrode 4 through gas passage 8
When a fuel gas containing hydrogen flows through the gas flow path 9 and an oxidizing gas containing oxygen flows into the gas diffusion electrode 5 through the gas flow path 9, the electrochemical reaction occurs via the catalyst electrode layers 2 and 3 and the solid polymer electrolyte, respectively. Proceeds to generate electrons. By extracting these electrons from the catalyst electrode layer to a gas diffusion electrode and from the gas diffusion electrode to a separator through an external circuit, electric energy is generated. Further, the voltage that can be generated in a single cell is around 1 volt, and in actual use, the cell is used as a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked.

【0018】セパレータの表面被覆層11のうち、少な
くともガス拡散電極と接触する最表面層が、導電性の金
属窒化物膜であることが好ましい。これは、金属窒化物
膜自身が極めて優れた耐食性を有しており、表面に不動
態被膜などの高抵抗の物質を生じることがないためであ
る。
It is preferable that at least the outermost surface layer of the separator surface coating layer 11 in contact with the gas diffusion electrode is a conductive metal nitride film. This is because the metal nitride film itself has extremely excellent corrosion resistance and does not produce a high-resistance substance such as a passive film on the surface.

【0019】さらには、表面被覆層11として金属窒化
物膜の中でも低抵抗の金属窒化物膜を単独で形成した単
層膜が好ましく、高抵抗の金属窒化物膜は本用途には適
していない。抵抗率(電気抵抗率)としては、燃料電池
全体の抵抗を低く抑え、エネルギを効率良く取り出すた
めに、10Ωcm以下であることが好ましい。10Ωc
mを上回ると接触抵抗が高くなるために好ましくない。
なお抵抗率は、絶縁性の基材(例えばシリカガラス)の
表面に測定対象膜をコーティングし、4端子法と呼ばれ
る測定法で測定した値である。
Further, a single-layer film formed of a low-resistance metal nitride film alone among the metal nitride films as the surface coating layer 11 is preferable, and a high-resistance metal nitride film is not suitable for this application. . The resistivity (electrical resistivity) is preferably 10 Ωcm or less in order to suppress the resistance of the entire fuel cell and extract energy efficiently. 10Ωc
If it exceeds m, it is not preferable because the contact resistance increases.
The resistivity is a value measured by coating the surface of an insulating base material (for example, silica glass) with a film to be measured and measuring it by a measuring method called a four-terminal method.

【0020】また、高抵抗の金属窒化物膜であっても低
抵抗の金属窒化物膜と組み合わせ、少なくともガス拡散
電極と接触する最表面層を低抵抗の金属窒化物膜とする
ことで、該表面被覆層の抵抗率を10Ωcm以下とする
ことが可能であり、このような金属窒化物膜の多層構造
膜であってもよい。
In addition, even if a high-resistance metal nitride film is combined with a low-resistance metal nitride film, at least the outermost surface layer in contact with the gas diffusion electrode is formed of a low-resistance metal nitride film. The resistivity of the surface coating layer can be set to 10 Ωcm or less, and a multilayer structure film of such a metal nitride film may be used.

【0021】また本願発明の金属窒化物膜は優れた密着
強度を有していると同時に膜硬度が高く、車載時の振動
などによる傷の発生が起きにくいために、信頼性の高い
セパレータを作ることができる。表面被覆層の金属窒化
物膜の硬度としてはマイクロビッカース硬度あるいはヌ
ープ硬度が8GPa以上であることが好ましい。このよ
うな高硬度膜を用いることで、車載時の振動などに対す
る耐久性が得られる。マイクロビッカース硬度は、ビッ
カース圧子を用いて押し込み荷重50g以下で測定した
硬度であり、ヌープ硬度は、ヌープ圧子を用いて押し込
み荷重50g以下で測定した硬度である。
Further, since the metal nitride film of the present invention has excellent adhesion strength and high film hardness, and scars are less likely to occur due to vibrations during vehicle mounting, a highly reliable separator is produced. be able to. As for the hardness of the metal nitride film of the surface coating layer, it is preferable that the micro Vickers hardness or the Knoop hardness is 8 GPa or more. By using such a high-hardness film, durability against vibrations and the like in a vehicle can be obtained. The micro-Vickers hardness is a hardness measured using a Vickers indenter at a pressing load of 50 g or less, and the Knoop hardness is a hardness measured using a Knoop indenter at a pressing load of 50 g or less.

【0022】さらには、表面被覆層が、2種類以上の金
属窒化物膜の多層構造を持ち、さらにその総膜厚が5μ
m以下であることが好ましく、周期律表のIVa、V
a、VIa族金属のうちのいずれか1種または2種以上
の元素を含有することが好ましい。
Further, the surface coating layer has a multilayer structure of two or more kinds of metal nitride films, and further has a total film thickness of 5 μm.
m, and preferably IVa, V in the periodic table.
It is preferable to contain any one or more of the a and VIa group metals.

【0023】金属窒化膜としてはTiN,CrNがその
代表的材料である。これらの膜は単層でもその作製方法
によっては十分な硬度を持つものが作製できるが、例え
ばTiNとCrNの多層構造にすることでさらに膜硬度
が向上する。また、単層膜の場合では、膜厚が10〜1
5μm以上でなければピンホールの少ないコーティング
膜は作製できないが、多層構造とすることにより、5μ
m以下の薄い膜厚でピンホールのほとんど存在しないコ
ーティング膜が作製でき、コスト低減にもつながる。
TiN and CrN are typical materials for the metal nitride film. These films can be made of a single layer having sufficient hardness depending on the manufacturing method. For example, a multilayer structure of TiN and CrN can further improve the film hardness. In the case of a single-layer film, the thickness is 10 to 1
If the thickness is not more than 5 μm, a coating film with few pinholes cannot be produced.
With a thin film thickness of less than m, a coating film having almost no pinholes can be produced, which leads to cost reduction.

【0024】金属窒化物膜のコーティング方法として
は、固体金属を原料として用いたスパッタリング法ある
いはカソードアークイオンプレーティング法、イオン化
蒸着法、あるいは有機金属ガスを原料として用いたプラ
ズマCVD法であることが好ましい。これらの手法を用
いることで、優れた密着強度を付与することも同時に可
能である。
The method of coating the metal nitride film may be a sputtering method using a solid metal as a raw material, a cathode arc ion plating method, an ionization vapor deposition method, or a plasma CVD method using an organic metal gas as a raw material. preferable. By using these methods, it is possible to simultaneously provide excellent adhesion strength.

【0025】表面被覆層は、基材表面の全面または一部
を被覆し、少なくとも電極と接する面を被覆すれば良
く、厚さは均一でも良く、不均一でも良い。
The surface coating layer may cover the entire surface or a part of the surface of the substrate, and at least cover the surface in contact with the electrode. The thickness may be uniform or non-uniform.

【0026】(実施例1) 固体高分子電解質型燃料電
池用セパレータとして、SUS304を用いて、予めプ
レス成形により複数の平行な波形状の溝を表裏に形成し
た、セパレータ(縦150mmx横150mmx厚さ
0.3mm)基体の片面に、表1の膜材質・膜構造を持
った表面被覆層を、各種手法を用いてコーティングし
た。比較のため、SUS304からなるセパレータ基体
のみ(コーティングなし)のもの、この基体の片面にT
iNを1.0μmコーティングしたもの、金メッキを
5.0μmしたもの、鉛−カーボンの複合メッキを施し
たものも用意した。さらに、実際に燃料電池を組み立て
る前に、これらの表面被覆層をコーティングしたセパレ
ータとガス拡散電極とを軽く擦る操作を行ない、車載時
の振動による表面被覆層へのダメージを模擬した。ま
た、これらのセパレータと別途用意したガス拡散電極
(ポリテトラフルオロエチレンをバインダーとした多孔
質グラファイト板)、正極側にPt触媒、負極側にPt
−Ru触媒をそれぞれ被覆した厚さ100μmの固体高
分子電解質膜(デュポン社製のフッ素樹脂により形成さ
れたプロトン伝導性のイオン交換膜である商品名「ナフ
ィオン膜:Nafion115」)とを図1の構造にな
るように接触させて単セルを組み立て、水素と酸素を用
いて実際に発電させた。
Example 1 A separator (150 mm × 150 mm × thickness) in which a plurality of parallel corrugated grooves were previously formed on the front and back by press molding using SUS304 as a separator for a solid polymer electrolyte fuel cell. 0.3 mm) One surface of the substrate was coated with a surface coating layer having a film material and a film structure shown in Table 1 by using various methods. For comparison, only a separator substrate made of SUS304 (without coating), and T
One coated with iN at 1.0 μm, one coated with gold at 5.0 μm, and one coated with lead-carbon composite plating were also prepared. Furthermore, before actually assembling the fuel cell, the separator coated with the surface coating layer and the gas diffusion electrode were rubbed lightly to simulate the damage to the surface coating layer due to vibration during mounting on a vehicle. A gas diffusion electrode (porous graphite plate using polytetrafluoroethylene as a binder) prepared separately from these separators, a Pt catalyst on the positive electrode side, and a Pt catalyst on the negative electrode side
FIG. 1 shows a 100 μm-thick solid polymer electrolyte membrane coated with a Ru catalyst (a trade name “Nafion membrane: Nafion 115”, which is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluororesin manufactured by DuPont). A single cell was assembled by making contact so as to form a structure, and power was actually generated using hydrogen and oxygen.

【0027】発電時は電流密度0.1A/cm2の条件
で連続発電試験を行った。セパレータとガス拡散電極と
の間での内部抵抗値の経時変化については、発電前と所
定の時間発電した後で、図1における2〜6間の抵抗値
を測定し、初期の抵抗値を1として評価した。結果を表
2に示す。
During power generation, a continuous power generation test was performed under the conditions of a current density of 0.1 A / cm 2 . With respect to the change with time of the internal resistance value between the separator and the gas diffusion electrode, before and after power generation for a predetermined time, the resistance value between 2 and 6 in FIG. Was evaluated. Table 2 shows the results.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】[0029]

【表2】 [Table 2]

【0030】表1より明らかなように、本発明品は長時
間の発電動作において、特に100時間後の内部抵抗値
の上昇が少なく、長時間の安定性を示すことが判った。
これに対し、比較例では、表2から判るように、長時間
の発電動作により内部抵抗値の変化が大きく、燃料電池
用セパレータとして使用ための要求性能を満足しない。
As is evident from Table 1, the product of the present invention shows a small increase in the internal resistance value after 100 hours, and exhibits long-term stability in a long-term power generation operation.
On the other hand, in the comparative example, as can be seen from Table 2, the change in the internal resistance value is large due to the long-term power generation operation, and the performance required for use as a fuel cell separator is not satisfied.

【0031】(実施例2) 実施例1と同様に、固体高
分子電解質型燃料電池用セパレータとして、予めプレス
成形により複数の平行な波形状の溝を表裏に形成したJ
IS−H4000で規定された合金番号A5052のア
ルミニウム合金(アルミニウム合金量96重量%以上)
からなるセパレータ基体(縦150mmx横150mm
x厚さ0.5mm)の片面に、表3の膜材質・膜構造を
持った表面被覆層を、各種手法を用いてコーティングし
た。比較のため、SUS304からなるセパレータ基体
のみ(コーティングなし)のもの、この基体の片面にT
iNを1.0μmコーティングしたもの、金メッキを
5.0μmしたもの、鉛−カーボンの複合メッキを施し
たものも用意した。さらに、実際に燃料電池を組み立て
る前に、これらの表面被覆層をコーティングしたセパレ
ータとガス拡散電極とを軽く擦る操作を行ない、車載時
の振動による表面被覆層へのダメージを模擬した。ま
た、別途用意したこれらのセパレータとガス拡散電極
(ポリテトラフルオロエチレンをバインダーとした多孔
質グラファイト板)、固体高分子電解質(正極側にPt
触媒、負極側にPt−Ru触媒をそれぞれ被覆したも
の)とを図1の構造になるように接触させて単セルを組
み立て、水素と酸素を用いて実際に発電させた。
Example 2 In the same manner as in Example 1, as a separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, a plurality of parallel wavy grooves were previously formed on the front and back by press molding.
Aluminum alloy with alloy number A5052 specified by IS-H4000 (aluminum alloy content of 96% by weight or more)
Separator substrate consisting of (length 150 mm x width 150 mm
x thickness 0.5 mm) was coated with a surface coating layer having a film material and a film structure shown in Table 3 using various methods. For comparison, only a separator substrate made of SUS304 (without coating), and T
One coated with iN at 1.0 μm, one coated with gold at 5.0 μm, and one coated with lead-carbon composite plating were also prepared. Furthermore, before actually assembling the fuel cell, the separator coated with the surface coating layer and the gas diffusion electrode were rubbed lightly to simulate the damage to the surface coating layer due to vibration during mounting on a vehicle. Separately prepared separators, gas diffusion electrodes (porous graphite plates using polytetrafluoroethylene as a binder), solid polymer electrolytes (Pt
A single cell was assembled by contacting the catalyst and the Pt-Ru catalyst coated on the negative electrode side so that the structure shown in FIG. 1 was obtained, and power was actually generated using hydrogen and oxygen.

【0032】発電時は電流密度0.1A/cm2の条件
で連続発電試験を行った。セパレータとガス拡散電極と
の間での内部抵抗値の経時変化については、実施例1と
同じ方法で評価した。また全ての本発明品及び比較例に
ついて、実際に燃料電池を組み立てる前に、セパレータ
とガス拡散電極とを軽く擦る操作を行ない、車載時の振
動による表面被覆層へのダメージを模擬した。結果を表
4に示す。
During power generation, a continuous power generation test was performed under the conditions of a current density of 0.1 A / cm 2 . The change with time of the internal resistance value between the separator and the gas diffusion electrode was evaluated in the same manner as in Example 1. In addition, before actually assembling the fuel cell, an operation of lightly rubbing the separator and the gas diffusion electrode was performed on all of the products of the present invention and the comparative examples, thereby simulating damage to the surface coating layer due to vibration during vehicle mounting. Table 4 shows the results.

【0033】[0033]

【表3】 [Table 3]

【0034】[0034]

【表4】 [Table 4]

【0035】表3および表4より明らかなように、本発
明品は長時間の発電動作において、特に100時間後の
内部抵抗値の上昇が少なく、長時間の安定性を示すこと
が判った。これに対し、比較例では、表4から判るよう
に、長時間の発電動作により内部抵抗値の変化が大き
く、燃料電池用セパレータとして使用するための要求性
能を満足していない。
As is clear from Tables 3 and 4, it was found that the product of the present invention showed a small increase in the internal resistance after a long period of power generation operation, especially after 100 hours, and exhibited long-term stability. On the other hand, in the comparative example, as can be seen from Table 4, the change in the internal resistance was large due to the long-term power generation operation, and did not satisfy the required performance for use as a fuel cell separator.

【0036】以上本発明の具体的な実施の形態について
示したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるも
のではないことはいうまでもない。
Although specific embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明によれば、長期間にわたって高い
信頼性を有する固体高分子電解質型燃料電池用セパレー
タを得ることができ、有用である。
According to the present invention, a solid polymer electrolyte fuel cell separator having high reliability over a long period of time can be obtained and is useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のセパレータを組み込んだ固体高分子電
解質型燃料電池の単セルの構成例を示す縦断面模式図
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration example of a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell incorporating a separator of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子電解質膜 2,3 触媒電極層 4,5 ガス拡散電極 6,7 セパレータ 8 燃料ガス流路 9 酸化剤ガス流路 10 基体 11 表面被覆層 REFERENCE SIGNS LIST 1 solid polymer electrolyte membrane 2, 3 catalyst electrode layer 4, 5 gas diffusion electrode 6, 7 separator 8 fuel gas flow path 9 oxidizing gas flow path 10 substrate 11 surface coating layer

フロントページの続き (72)発明者 大原 久典 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB04 EE02 EE08 EE11 HH00 Continuation of the front page (72) Inventor Hisanori Ohara 1-1-1 Kunyokita, Itami-shi, Hyogo F-term (reference) in Itami Works, Sumitomo Electric Industries, Ltd. 5H026 AA06 BB04 EE02 EE08 EE11 HH00

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質層と、その両面に配置
された触媒電極層をガス拡散電極及びセパレータで挟み
込んだユニットを単セルとし、この単セルを複数積層し
て燃料電池積層体を形成した構造からなる燃料電池にお
いて使用する前記セパレータが、表面被覆層と金属基体
とからなり、前記表面被覆層が異なる種類の金属窒化物
膜の2層以上からなる多層構造であることを特徴とする
固体高分子電解質燃料電池用セパレータ。
1. A unit in which a solid polymer electrolyte layer and a catalyst electrode layer disposed on both surfaces thereof are sandwiched between a gas diffusion electrode and a separator are formed as a single cell, and a plurality of the single cells are stacked to form a fuel cell stack. Wherein the separator used in the fuel cell having the above-mentioned structure has a surface coating layer and a metal substrate, and the surface coating layer has a multilayer structure comprising two or more layers of different types of metal nitride films. Solid polymer electrolyte fuel cell separator.
【請求項2】 前記表面被覆層のうち少なくともガス拡
散電極と接触する部位の最表面層が、導電性の金属窒化
物膜であることを特徴とする請求項1記載の固体高分子
電解質型燃料電池用セパレータ。
2. The solid polymer electrolyte type fuel according to claim 1, wherein at least the outermost surface layer of the surface coating layer in contact with the gas diffusion electrode is a conductive metal nitride film. Battery separator.
【請求項3】 前記表面被覆層が、周期律表のIVa、
Va、VIa族元素のうちのいずれか1種または2種以
上の元素を含有することを特徴とする請求項1記載の固
体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
3. The method according to claim 1, wherein the surface coating layer is selected from the group consisting of:
2. The separator for a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the separator contains one or more of Va and VIa group elements.
【請求項4】 前記表面被覆層が、マイクロビッカース
硬度あるいはヌープ硬度で8GPa以上の硬さであるこ
とを特徴とする、請求項1記載の固体高分子電解質型燃
料電池用セパレータ。
4. The solid polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1, wherein the surface coating layer has a hardness of 8 GPa or more in micro Vickers hardness or Knoop hardness.
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