JP2008204876A - 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属基板上に被覆層を有する燃料電池用セパレータであって、前記被覆層は、アモルファスカーボン層と導電部とを有する。
【選択図】図3
Description
アモルファスカーボン層形成工程では、物理蒸着法又は化学蒸着法を用いて金属基板上にアモルファスカーボン層を形成する。具体的には、黒鉛(固体)等を原料として、公知のスパッタリング法、フィルタードアークイオンプレーティング法、又は後述するフィルターレスアークイオンプレーティング法等を用いて、アモルファスカーボン層を形成することができる。又は、炭化水素系化合物(液体、気体)を原料として、公知のプラズマCVD法、イオン化蒸着法によってもアモルファスカーボン層を形成することができる。
導電部形成工程では、物理蒸着法又は化学蒸着法を用いて金属基板上に導電部を形成する。具体的には、Au、Pt、Ag、Co等の貴金属、黒鉛(固体)等のカーボン材料を原料として、公知のインクジェット法、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法、プラズマCVD法、イオン化蒸着法、又は後述するフィルターレスアークイオンプレーティング法等を用いて導電部を形成することができる。
<実施例1〜8>
図7に示すようなフィルターレスアークイオンプレーティング装置3を用いて、図3(イ)に示すような被覆層を形成した。具体的には、カーボン材をターゲット54として用い、陽極56との間でアーク放電させ、金属基板50としてのチタン板にバイアス電圧50Vを印加し、アモルファスカーボン層及び導電部としての黒鉛部を有する被覆層をチタン板上に形成した。これを実施例1とした。また、実施例2〜8は、実施例1のバイアス電圧に代えて、バイアス電圧150V印加、バイアス電圧200V印加、バイアス電圧250V印加、バイアス電圧500V印加、バイアス電圧750V印加、バイアス電圧1000V印加、バイアス電圧印加無しとしたものである。
スパッタリング法により、カーボン材をターゲットとして用い、チタン板にアモルファスカーボン層を形成したものを比較例1とした。また、フィルタードアークイオンプレーティング法により、カーボン材をターゲットとして用いて、陽極との間でアーク放電させ、アモルファスカーボン層を形成したものを比較例2とした。また、チタン板にAuめっきをしたものを比較例3とした。
所定寸法(2cm×2cm)に裁断した各実施例をそれぞれ2枚用意し、各実施例のうち被覆層を形成した面と面とを重ね、それらの両外側を銅板により挟持し、荷重1MPaを加え、一般的に用いられる交流4端子法(電流1A)を用いて、上記各実施例同士の接触抵抗(同種材接触抵抗)を測定した。また、所定寸法(2cm×2cm)に裁断した各実施例とカーボンペーパ(拡散層)とを用意し、各実施例のうち被覆層を形成した面と拡散層(カーボンペーパ)とを重ね、それらの両外側を銅板により挟持し、荷重1MPaを加え、一般的に用いられる交流4端子法(電流1A)を用いて、上記各実施例と拡散層との接触抵抗(拡散層接触抵抗)を測定した。また、上記各比較例も同様の方法で測定した。
電解液として80℃の硫酸水溶液(pH4)300mlに対極(Pt板(4cm×4cm))、参照極(Pt板(4cm×4cm))及び作用電極(各実施例(4cm×4cm))を浸漬させ、スタンダードボルタンメトリツール(北斗電工株式会社製、SV−100)を用いて、保持電位1000mV(vs.SHE)、測定時間50時間として、上記各実施例の腐食電流値を測定した。また、上記各比較例も同様の方法で測定した。
実施例2,8を走査型電子顕微鏡写真により撮影した。図9(イ)は、実施例2、図9(ロ)は、実施例8の走査型電子顕微鏡写真である。また、実施例3も走査型電子顕微鏡写真により撮影した(不図示)。上記得られた写真中のアモルファスカーボン層の面積(50μm×50μm)から粒径が1μm未満、1μ以上〜3μm未満、3μmの黒鉛部の個数を目視により求め、1μm2当たりの個数に換算した結果を表1にまとめた。
図7に示すようなフィルターレスアークイオンプレーティング装置3を用いて、以下のように被覆層を形成した。カーボン材をターゲット54として用い、陽極56との間でアーク放電させ、金属基板50としてのチタンの多孔体にバイアス電圧150Vを印加し、アモルファスカーボン層及び黒鉛部を有する被覆層をチタンの多孔体上に形成した。これを実施例9とした。
また、フィルタードアークイオンプレーティング法により、カーボンをターゲットとして用いて、陽極との間でアーク放電させ、チタンの多孔体に、アモルファスカーボン層を形成したものを比較例4とした。チタンの多孔体にAuめっきをしたものを比較例5とした。
スパッタリング法により、チタンをターゲットとして用い、チタン基板上にチタン層(膜厚2.5nm)を形成した。次に、図7に示すようなフィルターレスアークイオンプレーティング装置3を用いて、以下のように被覆層を形成した。カーボン材をターゲット54として用い、陽極56との間でアーク放電させ、金属基板50としてのチタン板にバイアス電圧250Vを印加し、アモルファスカーボン層及び黒鉛部を有する被覆層をチタン層上に形成した。これを実施例10とした。また、実施例11〜13は、チタン層の膜厚をそれぞれ、7.5nm,25nm,50nmとする以外は、実施例10と同様である。
実施例10〜13をそれぞれ1000個用意し、それらにセロハンテープを貼った後、セロハンテープを剥離し、被覆層の状態を目視により観察した。
Claims (17)
- 金属基板上に被覆層を有する燃料電池用セパレータであって、
前記被覆層は、アモルファスカーボン層と導電部とを有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 請求項1記載の燃料電池用セパレータであって、前記導電部は、黒鉛粒子から構成される黒鉛部であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項2記載の燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛部は、前記アモルファスカーボン層表面から前記黒鉛部の少なくとも一部が露出した状態で配置されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項3記載の燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛部は、島状に分散配置されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項4記載の燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛部のうち粒径が1μm未満の黒鉛部は、前記アモルファスカーボン層1μm2当たりに12.6個以上存在することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項4記載の燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛部のうち粒径が1μm以上〜3μm未満の黒鉛部は、前記アモルファスカーボン層1μm2当たりに1.8個以上存在することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項4記載の燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛部のうち粒径が3μm以上の黒鉛部は、前記アモルファスカーボン層1μm2当たりに0.1個以上存在することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項2〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータであって、前記アモルファスカーボン層の膜厚は、30nm〜10μmの範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項2〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータであって、前記被覆層の腐食電流値が1.5μA/cm2以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項2〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータであって、前記金属基板の材質はチタンであり、前記金属基板と前記被覆層との間に前記金属基板のチタンよりチタン純度の高いチタンを材質とするチタン層を配置することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 請求項10記載の燃料電池用セパレータであって、前記チタン層の膜厚は、25nm〜10μmの範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
- 金属基板上に被覆層を有する燃料電池用セパレータを備える燃料電池であって、
前記被覆層は、アモルファスカーボン層と導電部とを有することを特徴とする燃料電池。 - 物理蒸着法又は化学蒸着法を用いて金属基板上にアモルファスカーボン層を形成するアモルファスカーボン層形成工程と、前記物理蒸着法又は前記化学蒸着法と同一若しくは異なる方法を用いて前記アモルファスカーボン層に導電部を形成する導電部形成工程とを備えることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項13記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記アモルファスカーボン層形成工程及び前記導電部形成工程の物理蒸着法は、フィルターレスアークイオンプレーティング法であり、前記フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて前記アモルファスカーボン層を形成するとともに、前記導電部としての黒鉛部を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項14記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記アモルファスカーボン層及び前記黒鉛部を形成する際に、前記金属基板に印加するバイアス電圧が、150V〜1000Vの範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項15記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記アモルファスカーボン層及び前記黒鉛部を形成する際に、前記金属基板に印加するバイアス電圧が、150V〜250Vの範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項13〜16のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法により得られた燃料電池用セパレータ。
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