JP2007311334A - Separator for fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
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となっている。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、電着塗膜を金属基材上に形成した従来の金属セパレータでは、電着塗膜にピンホールが発生したり、厚みムラによる薄い部位が生じ易く、耐食性の劣化、接続抵抗の増大を来たす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 conventional metal separator in which the electrodeposition coating film is formed on the metal substrate, pinholes are easily generated in the electrodeposition coating film, and thin portions due to thickness unevenness are likely to occur, resulting in deterioration of corrosion resistance and increase in connection resistance. There was a problem of coming.
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、該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で多層構造の樹脂層とを備え、該樹脂層は導電材料を含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、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、多層構造の前記樹脂層は、熱処理を施されたものであ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、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金のいずれかからな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、多層構造の前記樹脂層は、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか1種からなる金属層を層間に備えるような構成とした。
In order to achieve such an object, the separator of the present invention includes a metal substrate and a conductive and multi-layered resin layer formed by electrodeposition so as to cover the metal substrate. It was set as the structure containing a conductive material.
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 resin layer having a multilayer structure is configured to be heat-treated.
As another aspect of the present invention, the metal substrate is made of stainless steel, aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, titanium, titanium alloy, magnesium, magnesium alloy, iron, or iron nickel alloy. .
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 resin layer having a multilayer structure is provided with a metal layer formed of any one of gold, platinum, tin, tin alloy, silver, copper, nickel, palladium, ruthenium, and rubidium between the layers. The configuration was
本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、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、金属基体上に電着にて樹脂層を形成する工程を複数回行って多層構造の樹脂層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層の形成毎に、樹脂層に熱処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理の温度は、前記樹脂層の材料の5%重量減少温度をT(℃)としたときに、130〜(T−30)℃の範囲内であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理を施した後に、プラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも1種の処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を形成した後に、該樹脂層にプラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも1種の処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層を、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか1種からなる金属層を介して積層形成するような構成とした。
The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a plurality of steps of forming a resin layer on a metal substrate by electrodeposition using an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in an electrodepositable resin. It was set as the structure which repeats and forms the resin layer of a multilayer structure.
As another aspect of the present invention, the resin layer is heat-treated every time the resin layers constituting the multilayer resin layer are formed.
In another embodiment of the present invention, the temperature of the heat treatment is within a range of 130 to (T-30) ° C. when a 5% weight reduction temperature of the resin layer material is T (° C.). The configuration.
As another aspect of the present invention, after the heat treatment, at least one treatment of plasma etching, excimer laser irradiation, resin selective etching, ultraviolet irradiation, and surface polishing is performed.
As another aspect of the present invention, after forming a resin layer having a multilayer structure, the resin layer is subjected to at least one treatment of plasma etching, excimer laser irradiation, resin selective etching, ultraviolet irradiation, and surface polishing. did.
As another embodiment of the present invention, each resin layer constituting the resin layer having a multilayer structure is formed of a metal layer made of any one of gold, platinum, tin, tin alloy, silver, copper, nickel, palladium, ruthenium, and rubidium. It was set as the structure which laminates | stacks through this.
本発明のセパレータは、導電性の樹脂層が多層構造を有しているので、個々の樹脂層にピンホールや厚みムラが存在しても、そのような部位は多層構造を構成する他の樹脂層により打ち消され、高い強度と優れた耐食性を具備したものとなる。また、多層構造の樹脂層が熱処理を施されたものである場合には、ピンホールや厚みムラの薄い部位が埋められ均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備することになる。さらに、多層構造の樹脂層がプラズマエッチング処理を施されたものである場合には、この樹脂層に含有される導電材料がプラズマエッチング処理面に露出して各樹脂層間の接続抵抗がより低減され、また、多層構造の各樹脂層の層間に金属層を備える場合にも、各樹脂層間の接続抵抗がより低減される。 In the separator of the present invention, since the conductive resin layer has a multilayer structure, even if pinholes and thickness unevenness exist in the individual resin layers, such a portion is another resin that constitutes the multilayer structure. It is canceled out by the layer and has high strength and excellent corrosion resistance. Further, when the resin layer having a multilayer structure is heat-treated, pinholes and thin portions with uneven thickness are filled and become uniform, and higher strength and excellent corrosion resistance are provided. Furthermore, when the resin layer having a multilayer structure is subjected to plasma etching treatment, the conductive material contained in the resin layer is exposed to the plasma etching treatment surface, and the connection resistance between the resin layers is further reduced. Also, when a metal layer is provided between the resin layers of the multilayer structure, the connection resistance between the resin layers is further reduced.
また、本発明のセパレータの製造方法では、導電性の樹脂層を電着により形成する工程を複数回行って多層構造の樹脂層を形成するので、各樹脂層の形成段階でピンホールや厚みの薄い部位が生じても、他の樹脂層により埋められ、優れた耐食性を具備し、接続抵抗の低い多層構造の樹脂層の形成が可能である。また、各樹脂層の形成毎に熱処理を施すことにより、ピンホールや厚みムラの薄い部位に膜が流動して均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備する樹脂層の形成が可能となる。さらに、多層構造の樹脂層にプラズマエッチング処理を施することにより、各樹脂層に含有される導電材料が露出して各樹脂層間の接続抵抗を更に低減することができ、また、多層構造の各樹脂層の層間に金属層を配設することによっても、各樹脂層間の接続抵抗を低減することができる。 Further, in the separator manufacturing method of the present invention, the process of forming the conductive resin layer by electrodeposition is performed a plurality of times to form a multi-layered resin layer. Even if a thin part is formed, it is filled with another resin layer, and it is possible to form a resin layer having a multilayer structure having excellent corrosion resistance and low connection resistance. Also, by applying heat treatment for each resin layer formation, the film flows into pinholes and thin areas with uneven thickness and becomes uniform, enabling the formation of resin layers with higher strength and excellent corrosion resistance. It becomes. Furthermore, by conducting a plasma etching process on the resin layer having a multilayer structure, the conductive material contained in each resin layer is exposed and the connection resistance between the resin layers can be further reduced. The connection resistance between the resin layers can also be reduced by disposing a metal layer between the resin layers.
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電着により形成された樹脂層5とを備えている。そして、樹脂層5は、多層構造であるとともに、導電材料を含有するものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Separator]
FIG. 1 is a partial sectional view showing an embodiment of a separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 1, a
また、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電着により形成された樹脂層15とを備えている。そして、樹脂層15は、多層構造であるとともに、導電材料を含有するものである。
セパレータ1,11を構成する金属基体2,12の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金等が挙げられる。
FIG. 2 is a partial sectional view showing another embodiment of the separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 2, the
The material of the
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。
When the
また、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。
セパレータ1,11を構成する多層構造の樹脂層5,15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5,15は、例えば、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、成膜工程を複数回繰り返すことにより多層構造とされている。樹脂層5,15の多層構造は、2層以上であれば特に制限はないが、例えば、2層構造〜5層構造とすることが好ましい。
Further, the through
The resin layers 5 and 15 having a multilayer structure constituting the
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。
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多層構造の樹脂層5,15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5,15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 5 and 15 having a multilayer structure 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 5 and 15 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.
多層構造の樹脂層5,15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5,15に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の樹脂層5,15における含有量は、樹脂層5,15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、30〜90重量%の範囲で設定することができる。
Examples of the conductive material contained in the
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。 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.
本発明では、多層構造の樹脂層5,15が熱処理を施されたものであってもよい。熱処理は、例えば、樹脂層5,15の材料の5%重量減少温度をT(℃)としたときに、130〜(T−30)℃の範囲で行うことができる。このような熱処理を施した多層構造の樹脂層5,15は、構成する各樹脂層におけるピンホールや厚みムラの薄い部位が、積層される他の樹脂層により埋められ、樹脂層5,15全体として均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を発現する。上記の熱処理の温度が130℃未満では、熱処理の効果が十分に得られず、また、(T−30)℃を超えると、樹脂層の材料が脆くなったり、材料痩せが生じるので好ましくない。
尚、上記の材料の5%重量減少温度T(℃)とは、材料の熱重量分析において、室温(25℃)での重量に対する重量減少が5%に達した温度を意味する。ここで、熱重量分析は試料を窒素雰囲気中に置き、5℃/分の速度で昇温して測定する。以下においても同様である。
In the present invention, the resin layers 5 and 15 having a multilayer structure may be heat-treated. The heat treatment can be performed, for example, in the range of 130 to (T-30) ° C. when the 5% weight reduction temperature of the material of the resin layers 5 and 15 is T (° C.). In the resin layers 5 and 15 having a multilayer structure subjected to such heat treatment, pinholes and thin portions with uneven thickness in each resin layer are filled with other laminated resin layers, and the resin layers 5 and 15 as a whole. As a result, it exhibits higher strength and superior corrosion resistance. If the temperature of the heat treatment is less than 130 ° C., the effect of the heat treatment cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds (T-30) ° C., the material of the resin layer becomes brittle or material thinning is not preferable.
The 5% weight reduction temperature T (° C.) of the above material means a temperature at which the weight reduction with respect to the weight at room temperature (25 ° C.) reaches 5% in the thermogravimetric analysis of the material. Here, thermogravimetric analysis is performed by placing the sample in a nitrogen atmosphere and raising the temperature at a rate of 5 ° C./min. The same applies to the following.
また、本発明のセパレータでは、例えば、多層構造の樹脂層5,15が、金属層を層間に備えるものであってもよい。金属層としては、例えば、金、白金、錫、錫合金(例えば、錫ニッケル合金)、銀、銅、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか1種からなるものが好ましい。このような構成とすることにより、多層構造の樹脂層5,15を構成する各樹脂層間の接続抵抗がより低いものとなる。尚、金属層の形成は、例えば、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により行うことができ、金属層の厚みは、例えば、0.003〜0.1μm程度の範囲で適宜設定することができる。上記の金属層の厚みが0.003μm未満では、金属層を設ける効果が十分に得られず、また、厚みが0.1μmを超えると、生産性低下やコスト増大を生じるので好ましくない。
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。
In the separator of the present invention, for example, the resin layers 5 and 15 having a multilayer structure may be provided with a metal layer between the layers. The metal layer is preferably made of, for example, one of gold, platinum, tin, tin alloy (for example, tin nickel alloy), silver, copper, palladium, ruthenium, and rubidium. With such a configuration, the connection resistance between the resin layers constituting the resin layers 5 and 15 having a multilayer structure is further reduced. The metal layer can be formed by, for example, a vacuum film formation method such as sputtering, ion plating, or vacuum deposition, an electroplating method, an electroless plating method, or the like. It can set suitably in the range of about 003-0.1 micrometer. If the thickness of the metal layer is less than 0.003 μm, the effect of providing the metal layer cannot be sufficiently obtained, and if the thickness exceeds 0.1 μm, the productivity is lowered and the cost is increased.
The above-described embodiments of the separator of the present invention are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
[セパレータの製造方法]
次に、本発明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。本発明の製造方法では、まず、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(図3(A))、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(B))。その後、レジスト7,7を剥離して金属基体2を得る(図3(C))。
次に、この金属基体2の両面に、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する工程を複数回繰り返し、その後、硬化させて多層構造の樹脂層5を形成する(図3(D))。この電着による成膜工程の繰り返し回数は、多層構造の樹脂層5の厚み、樹脂材料、導電材料の含有量等を考慮して適宜設定することができ、例えば、2〜5回とすることができる。このように、複数回の成膜工程により多層構造の樹脂層5を形成するので、各樹脂層の成膜段階でピンホールや厚みの薄い部位が生じても、このような部位は他の樹脂層により埋められ、多層構造の樹脂層5全体として優れた耐食性を具備し、接続抵抗の低いものとなる。
[Manufacturing method of separator]
Next, the manufacturing method of the separator of this invention is demonstrated.
FIG. 3 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the
Next, a step of forming a film by electrodeposition on both surfaces of the
また、本発明では、多層構造の樹脂層5を構成する各樹脂層の成膜毎に、樹脂層に熱処理を施してもよい。この熱処理の温度は、樹脂層5の材料の5%重量減少温度をT(℃)としたときに、130〜(T−30)℃の範囲内で適宜設定することができる。このような熱処理を施すことにより、ピンホールや厚みムラの薄い部位に膜が流動して均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備する樹脂層の形成が可能となる。上記の熱処理の温度が130℃未満では、熱処理の効果が十分に得られず、また、(T−30)℃を超えると、樹脂層の材料が脆くなったり、材料痩せが生じるので好ましくない。
また、本発明では、各樹脂層の成膜毎に、上記のような熱処理を施した後、さらに、プラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも1種の処理を施してもよい。あるいは、各樹脂層の成膜毎に、上記のような熱処理を施して多層構造の樹脂層5を形成した後、この多層構造の樹脂層5に対してプラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも1種の処理を施してもよい。このようなプラズマエッチング処理を施することにより、処理面に導電材料が露出して、多層構造の樹脂層5の接続抵抗を更に低減することができる。
Moreover, in this invention, you may heat-process a resin layer for every film-forming of each resin layer which comprises the
In the present invention, after each heat treatment of each resin layer, the above heat treatment is performed, and then at least one treatment of plasma etching, excimer laser irradiation, resin selective etching, ultraviolet irradiation, and surface polishing is further performed. You may give it. Alternatively, after each of the resin layers is formed, the heat treatment as described above is performed to form the
また、本発明では、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層を、金属層を介して積層するようにしてもよい。この場合の金属層は、例えば、金、白金、錫、錫合金(例えば、錫ニッケル合金)、銀、銅、パラジウム、ルテニウム、ルビジウム等の材料を使用し、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により形成することができる。形成する金属層の厚みは、例えば、0.03〜0.1μm程度の範囲で適宜設定することができる。このように金属層を介して各樹脂層を成膜することにより、各樹脂層間の接続抵抗を更に低減することができる。 Moreover, in this invention, you may make it laminate | stack each resin layer which comprises the resin layer of a multilayer structure through a metal layer. In this case, the metal layer is made of, for example, gold, platinum, tin, tin alloy (for example, tin-nickel alloy), silver, copper, palladium, ruthenium, rubidium, sputtering, ion plating, vacuum deposition, etc. The film can be formed by the vacuum film formation method, the electrolytic plating method, the electroless plating method, or the like. The thickness of the metal layer to be formed can be appropriately set within a range of about 0.03 to 0.1 μm, for example. Thus, by forming each resin layer through the metal layer, the connection resistance between the resin layers can be further reduced.
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製造方法を説明するための工程図である。図4において、金属板材12′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17,17を形成する(図4(A))。このレジスト17,17は複数の開口部を有し、各開口部は金属板材12′を介して対向するように位置している。次いで、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(B))。その後、レジスト17,17を剥離して金属基体12を得る(図4(C))。
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。
FIG. 4 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the
The through-
次に、貫通孔13の内壁面を含む金属基体12に、多層構造の樹脂層15を形成する(図4(D))。この多層構造の樹脂層15の形成は、上述の多層構造の樹脂層5の形成と同様に行うことができる。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, a
The above-described embodiments of the separator manufacturing method are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
[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り、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. 8 is a perspective view 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に示されるような多層構造の樹脂層5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り、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。
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。
Another example of the polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. 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. FIG. 2 is a view for explaining a membrane electrode assembly constituting a polymer electrolyte fuel cell.
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導電性で多層構造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。
[実施例1]
金属板材として、厚み0.8mmのSUS304(80mm×80mm)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このSUS304の両面に、感光材料(カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物)をディップコート法により塗布して厚み7μmの塗膜を形成し、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60秒間照射)、現像(40℃温水をスプレー)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.
[Example 1]
As the metal plate material, SUS304 (80 mm × 80 mm) having a thickness of 0.8 mm was prepared, and the surface was degreased.
Next, a photosensitive material (a mixture of casein and ammonium dichromate) is applied to both surfaces of this SUS304 by a dip coating method to form a 7 μm-thick coating film, which is exposed through a photomask for groove formation ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 60 seconds) and developing (spraying with hot water at 40 ° C.).
次いで、上記のレジストを介してステンレス板の両面から70℃に加熱した塩化第二鉄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、80℃の苛性ソーダ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、金属基体に対して、40℃の塩酸水溶液(水9部に35%塩酸1部を添加)を用いて前処理を施し水洗した。
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。
Next, a ferric chloride solution heated to 70 ° C. was sprayed from both sides of the stainless steel plate through the resist, and half-etching was performed to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with an aqueous caustic soda solution at 80 ° 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, the metal substrate was pretreated with an aqueous hydrochloric acid solution at 40 ° C. (1 part of 35% hydrochloric acid was added to 9 parts of water) and washed with water.
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.
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30秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。この操作を更に1回繰り返し、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時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み15μmの2層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。 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 30 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water. This operation was further repeated once, followed by hot air drying (150 ° C., 3 minutes) with a dryer, and further heat treatment was performed at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thereby, a resin layer having a two-layer structure having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the metal substrate, 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。
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:
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。 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、5.9mΩ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。
As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the produced separator by the following method, it was 5.9 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.
また、上記のセパレータについて、下記の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
(耐食性試験の条件)
5%の塩水に塩化第二銅(二水和物)0.027重量%を添加した噴霧試験液を
用い、噴霧槽内の温度を50℃としてキャス(CASS)試験を行い、1000
時間後に赤錆の発生が見られない場合を、耐食性が良好であるとする。
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the above-described separator under the following conditions, it was confirmed that the separator had good corrosion resistance.
(Conditions for corrosion resistance test)
Using a spray test solution in which 0.027% by weight of cupric chloride (dihydrate) was added to 5% salt water, a CASS test was conducted at a temperature of 50 ° C. in the spray tank.
When the occurrence of red rust is not observed after a period of time, it is assumed that the corrosion resistance is good.
[実施例2]
実施例1と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例1と同様にして電着液を調製した。
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30秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、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時間の熱処理を施した。この操作を更に1回繰り返した。これにより、金属基体を被覆するように厚み15μmの2層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
このように作製したセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.9mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a metal substrate having a groove was produced.
Further, an electrodeposition solution was prepared in the same manner as in Example 1.
The electrodeposition solution was stirred at 20 ° C., 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 30 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water, and then dried. And dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), and further subjected to heat treatment at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. This operation was repeated once more. Thereby, a resin layer having a two-layer structure having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the metal substrate, and a separator was obtained.
About the separator produced in this way, the electrical resistance of front and back conduction was measured by the same method as in Example 1. As a result, it was 4.9 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例3]
実施例1と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例1と同様にして電着液を調製した。
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30秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、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、次いで、下記の条件でプラズマエッチング処理を施した。この操作を更に1回繰り返した。これにより、金属基体を被覆するように厚み15μmの2層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
(プラズマエッチング処理条件)
・基板温度 : 70℃
・RFパワー : 600W
・導入ガス : 酸素(O2)
・エッチングガス圧力 : 30Pa
・エッチング時間 : 5分
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a metal substrate having a groove was produced.
Further, an electrodeposition solution was prepared in the same manner as in Example 1.
The electrodeposition solution was stirred at 20 ° C., 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 30 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water, and then dried. Was dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), further subjected to heat curing treatment at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then plasma etching treatment was performed under the following conditions. This operation was repeated once more. Thereby, a resin layer having a two-layer structure having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the metal substrate, and a separator was obtained.
(Plasma etching conditions)
-Substrate temperature: 70 ° C
・ RF power: 600W
・ Introduced gas: Oxygen (O 2 )
・ Etching gas pressure: 30Pa
・ Etching time: 5 minutes
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.2mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 4.2 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例4]
実施例1と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例1と同様にして電着液を調製した。
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30秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、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時間の熱処理を施した。
[Example 4]
In the same manner as in Example 1, a metal substrate having a groove was produced.
Further, an electrodeposition solution was prepared in the same manner as in Example 1.
The electrodeposition solution was stirred at 20 ° C., 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 30 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water, and then dried. And dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), and further subjected to heat treatment at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.
次いで、この熱処理面上に下記の条件でスパッタリング法により金の薄膜からなる金属層(厚み0.005μm)を形成した。
(金属層形成条件)
・基板温度 : 70℃
・RFパワー : 600W
・導入ガス : アルゴンガス
・ガス導入圧力 : 50Pa
・スパッタ時間 : 20秒
Next, a metal layer (thickness 0.005 μm) made of a gold thin film was formed on the heat-treated surface by sputtering under the following conditions.
(Metal layer formation conditions)
-Substrate temperature: 70 ° C
・ RF power: 600W
・ Introduction gas: Argon gas ・ Gas introduction pressure: 50 Pa
・ Sputtering time: 20 seconds
次いで、再度、上記の条件で金属層上に電着により成膜を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、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時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み15μmの樹脂層/金属層/樹脂層からなる多層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.1mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
Next, again, the film was formed by electrodeposition on the metal layer under the above conditions, and the pulled-up metal substrate was washed with pure water, then dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), and further in a nitrogen atmosphere. Heat treatment was performed at 180 ° C. for 1 hour. Thereby, a resin layer having a multilayer structure of resin layer / metal layer / resin layer having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the metal substrate, and a separator was obtained.
As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 4.1 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例5]
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmのアルミニウム合金(P5052A)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。
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。
[Example 5]
An aluminum alloy (P5052A) 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.).
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.
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(不動態膜除去)を施し、水洗した。
次に、上記の金属基体に対して、実施例3と同様にして、厚み15μmの2層構造の樹脂層を形成してセパレータを得た。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.3mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
Next, pretreatment (passivation film removal) was performed on the metal substrate using an aqueous nitric acid solution, followed by washing with water.
Next, a resin layer having a two-layer structure having a thickness of 15 μm was formed on the metal substrate in the same manner as in Example 3 to obtain a separator.
As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 4.3 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例6]
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmの銅合金(銅−クロム−錫合金)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、この銅合金の両面に、感光材料(カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物)をディップコート法により塗布して厚み7μmの塗膜を形成し、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60秒間照射)、現像(40℃温水をスプレー)してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介して銅合金の両面から70℃に加熱した塩化第二銅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、80℃の苛性ソーダ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。
[Example 6]
A copper alloy (copper-chromium-tin alloy) 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 photosensitive material (a mixture of casein and ammonium dichromate) is applied to both surfaces of this copper alloy by a dip coating method to form a 7 μm thick coating film, and exposed through a photomask for forming groove portions. (Irradiated with a 5 kW mercury lamp for 60 seconds) and developed (sprayed with 40 ° C. hot water) to form a resist.
Next, a cupric chloride aqueous solution heated to 70 ° C. was sprayed from both sides of the copper alloy through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with an aqueous caustic soda solution at 80 ° 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.
次に、金属基体に対して、50℃の硫酸(硫酸1部に水5部を添加)を用いて前処理を施し水洗した。
次いで、金属基体上に、実施例3と同様にして、厚み15μmの2層構造の樹脂層を形成してセパレータを得た。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、3.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
Next, the metal substrate was pretreated with 50 ° C. sulfuric acid (5 parts of water added to 1 part of sulfuric acid) and washed with water.
Next, a resin layer having a two-layer structure having a thickness of 15 μm was formed on the metal substrate in the same manner as in Example 3 to obtain a separator.
As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 3.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例7]
プラズマエッチング処理に代えて、下記の大気圧プラズマエッチング処理を行った他は、実施例3と同様にして、セパレータを作製した。
(大気圧プラズマエッチング処理条件(装置:ヤマト科学(株)製))
・基板温度 : 25℃
・RFパワー : 400W
・導入ガス : He(98%)/H2(1%)/CF4(1%)混合ガス
・基板搬送速度 : 50mm/sec
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、3.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 7]
A separator was produced in the same manner as in Example 3 except that the following atmospheric pressure plasma etching process was performed instead of the plasma etching process.
(Atmospheric pressure plasma etching conditions (apparatus: manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.))
-Substrate temperature: 25 ° C
・ RF power: 400W
- introducing gas: He (98%) / H 2 (1%) / CF 4 (1%) mixed gas board conveying speed: 50 mm / sec
As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 3.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例8]
プラズマエッチング処理に代えて、下記のエキシマレーザー照射処理を行った他は、実施例3と同様にして、セパレータを作製した。
(エキシマレーザー照射処理条件)
・媒質 : XeCl
・発振波長 : 380nm
・パルスパワー : 125mJ(at 10Hz)
・最大平均出力 : 6W
・パルス幅 : 32nsec
・繰り返し周波数: 最大50Hz
・処理時間 : 15分
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.7mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 8]
A separator was produced in the same manner as in Example 3 except that the following excimer laser irradiation treatment was performed instead of the plasma etching treatment.
(Excimer laser irradiation treatment conditions)
・ Medium: XeCl
・ Oscillation wavelength: 380 nm
・ Pulse power: 125mJ (at 10Hz)
・ Maximum average output: 6W
・ Pulse width: 32nsec
・ Repetition frequency: Max 50Hz
-Processing time: 15 minutes As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 4.7 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例9]
プラズマエッチング処理に代えて、下記の紫外線照射処理を行った他は、実施例3と同様にして、セパレータを作製した。
(紫外線照射処理条件(装置:富士写真フィルム(株)製))
・基板温度 : 25℃
・紫外線照度 : 18mW/cm2(照射距離10mm、測定波長254nm)
・処理時間 : 30分
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、3.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 9]
A separator was produced in the same manner as in Example 3 except that the following ultraviolet irradiation treatment was performed instead of the plasma etching treatment.
(Ultraviolet irradiation treatment conditions (apparatus: manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd.))
-Substrate temperature: 25 ° C
UV illuminance: 18 mW / cm 2 (irradiation distance 10 mm, measurement wavelength 254 nm)
-Processing time: 30 minutes As a result of measuring the electrical resistance of front-back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 3.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[実施例10]
実施例1と同様にして、金属基体に2層構造の樹脂層を形成した。次いで、この樹脂層に、下記の樹脂選択エッチング処理を行ってセパレータを得た。
(樹脂選択エッチング処理)
2層構造の樹脂層を形成した金属基体を、樹脂エッチング液(ローム・アンド・
ハース社製 サーキュポジット MLB213)の10%希釈液(80℃)に
10分間浸漬し、その後、純水で洗浄し、80℃で30分間乾燥する。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、5.0mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 10]
In the same manner as in Example 1, a resin layer having a two-layer structure was formed on a metal substrate. Next, the resin layer was subjected to the following resin selective etching treatment to obtain a separator.
(Resin selective etching process)
A metal substrate on which a resin layer having a two-layer structure is formed is treated with a resin etching solution (Rohm and
It is immersed for 10 minutes in a 10% diluted solution (80 ° C.) of Circuposit MLB213) manufactured by Haas, and then washed with pure water and dried at 80 ° C. for 30 minutes.
As a result of measuring the electrical resistance of the front and back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 5.0 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the above-described separator under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separator had good corrosion resistance.
[実施例11]
実施例1と同様にして、金属基体に2層構造の樹脂層を形成した。次いで、この樹脂層に、下記の表面研磨処理を行ってセパレータを得た。
(表面研磨処理)
2層構造の樹脂層の表面を#400の研磨紙を用いて研磨する。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、4.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
[Example 11]
In the same manner as in Example 1, a resin layer having a two-layer structure was formed on a metal substrate. Next, this resin layer was subjected to the following surface polishing treatment to obtain a separator.
(Surface polishing treatment)
The surface of the two-layered resin layer is polished using # 400 polishing paper.
As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 4.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[比較例]
実施例1と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例1と同様にして電着液を調製した。
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時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み15μmの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
[Comparative example]
In the same manner as in Example 1, a metal substrate having a groove was produced.
Further, an electrodeposition solution was prepared in the same manner as in Example 1.
The electrodeposition solution was stirred at 20 ° C., 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, and then dried. And dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), and further subjected to heat treatment at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thereby, a resin layer having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the metal substrate, and a separator was obtained.
このように作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、8.4mΩであり、実施例1〜11のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、600時間経過で赤錆が発生しており、実施例1〜11のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。
As a result of measuring the electrical resistance of conduction between the front and back sides of the separator thus produced by the same method as in Example 1, it was 8.4 mΩ, which was higher than that of the separators in Examples 1 to 11. .
Moreover, about said separator, as a result of performing a corrosion resistance test on the same conditions as Example 1, red rust has generate | occur | produced in 600 hours progress, and the corrosion resistance was inferior compared with the separator of Examples 1-11. .
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
5…樹脂層
11…セパレータ
12…金属基体
13…貫通孔
15…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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