JP2009021140A - Separator for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池の技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell technology.
一般的に燃料電池は、電解質膜の両側を挟持する一対の電極(アノード極、カソード極)を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。アノード極は、アノード極触媒層及び拡散層、カソード極は、カソード極触媒層及び拡散層を有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。 Generally, a fuel cell has a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes (anode electrode and cathode electrode) sandwiching both sides of an electrolyte membrane, and a pair of fuel cell separators sandwiching both sides of the membrane-electrode assembly. . The anode electrode has an anode electrode catalyst layer and a diffusion layer, and the cathode electrode has a cathode electrode catalyst layer and a diffusion layer. At the time of power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode is hydrogen gas, and the cathode gas supplied to the cathode electrode is oxygen gas, a reaction to form hydrogen ions and electrons is performed on the anode electrode side. The electrons reach the cathode electrode through an external circuit through the electrolyte membrane to the cathode electrode side. On the other hand, on the cathode side, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate moisture, and energy is released.
上記燃料電池用セパレータには、カーボンを基材としたもの、金属を基材としたもの等が挙げられる。 Examples of the fuel cell separator include those based on carbon and those based on metal.
金属を基材とした燃料電池用セパレータは、カーボンを基材とした燃料電池用セパレータと比較して、機械強度、成形性の点で優れているが、腐食し易い。金属を基板とした燃料電池用セパレータが腐食すると、金属基板から溶出する溶出成分により、電解質膜の劣化、膜−電極アッセンブリへのコンタミ等により、燃料電池の性能低下を招く場合がある。 A fuel cell separator using a metal as a base material is superior in mechanical strength and formability as compared with a fuel cell separator using a carbon base material, but is easily corroded. When the separator for a fuel cell using a metal as a substrate corrodes, the elution component eluted from the metal substrate may cause deterioration of the performance of the fuel cell due to deterioration of the electrolyte membrane, contamination with the membrane-electrode assembly, or the like.
例えば、特許文献1には、金属基材の腐食を抑制するために、金属基材上に貴金属によって構成される貴金属コート層と、貴金属コート層上に炭素材料によって構成されるカーボンコート層とを有する燃料電池用セパレータが提案されている。
For example,
また、例えば、特許文献2には、金属基材の腐食を抑制するために、金属基材上に金属系導電性塗料によって構成される第一塗装層と、第一塗装層上に黒鉛系導電性塗料によって構成される第二塗装層とを備える燃料電池用セパレータが提案されている。
Further, for example, in
金属基材の腐食を抑制するための耐食層(例えば、貴金属コート層)は、燃料電池の発電時に生成する水と接触しても、ほとんど腐食することはない。 A corrosion-resistant layer (for example, a noble metal coat layer) for suppressing the corrosion of the metal substrate hardly corrodes even when it comes into contact with water generated during power generation of the fuel cell.
しかし、耐食層は、一般的にめっき、蒸着等により形成されるため、ピンホールレスの耐食層を形成することは困難であり、燃料電池の発電時に生成する水分が、経年的に耐食層内に浸透(ピンホール等を通過)して、金属基材を腐食させる場合がある。 However, since the corrosion-resistant layer is generally formed by plating, vapor deposition, or the like, it is difficult to form a pinholeless corrosion-resistant layer. The metal base material may be corroded by penetrating into the metal (passing through a pinhole or the like).
従来、上記のような耐食層の寿命は、金属基材から溶出する溶出成分を検出することによって検知されるが、検知した際には、既に金属基材から溶出成分が溶出した後であり、電解質膜の劣化、膜−電極アッセンブリへのコンタミ等が発生している場合がある。 Conventionally, the lifetime of the corrosion-resistant layer as described above is detected by detecting an elution component that elutes from the metal substrate, but when it is detected, the elution component is already eluted from the metal substrate, Deterioration of the electrolyte membrane, contamination of the membrane-electrode assembly, etc. may occur.
本発明は、金属基材の腐食を抑制する耐食層の寿命を金属基材が腐食する前に検知することを可能とする燃料電池用セパレータ及び燃料電池である。 The present invention is a fuel cell separator and a fuel cell that can detect the life of a corrosion-resistant layer that suppresses corrosion of a metal substrate before the metal substrate corrodes.
本発明の燃料電池用セパレータは、金属基材と、前記金属基材上に前記金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、前記中間層上に前記金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有する。 The separator for a fuel cell of the present invention has a metal base, an intermediate layer composed of a metal having a lower corrosion resistance than the metal base on the metal base, and a higher corrosion resistance than the metal base on the intermediate layer. And a corrosion-resistant layer made of metal or resin.
また、前記燃料電池用セパレータにおいて、前記中間層は、溶出してもコンタミ成分とならない金属により構成されることが好ましい。 In the fuel cell separator, it is preferable that the intermediate layer is made of a metal that does not become a contaminant component even if eluted.
また、前記燃料電池用セパレータにおいて、前記中間層は、電位−pH図内の水の安定領域において、前記金属基材より腐食領域の下限電位が低いか又は腐食領域のpHが酸性側にあることが好ましい。 Further, in the fuel cell separator, the intermediate layer has a lower potential of the corroded area lower than the metal base or the pH of the corroded area is on the acidic side in the stable region of water in the potential-pH diagram. Is preferred.
また、本発明は、燃料電池用セパレータを含む燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータは、金属基材と、前記金属基材上に前記金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、前記中間層上に前記金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有する。 Further, the present invention is a fuel cell including a fuel cell separator, wherein the fuel cell separator is an intermediate composed of a metal base material and a metal having a lower corrosion resistance than the metal base material on the metal base material. And a corrosion-resistant layer composed of a metal or a resin having higher corrosion resistance than the metal base material on the intermediate layer.
また、前記燃料電池において、前記燃料電池の発電時に生成する水の状態を検出する検出手段を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the fuel cell further includes detection means for detecting a state of water generated during power generation of the fuel cell.
本発明によれば、金属基材と、金属基材上に金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、中間層上に金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有することにより、耐食層の寿命を金属基材が腐食する前に検知することを可能とする燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a metal base, an intermediate layer composed of a metal having lower corrosion resistance than the metal base on the metal base, and a metal or resin having higher corrosion resistance than the metal base on the intermediate layer By having a corrosion-resistant layer, it is possible to provide a fuel cell separator and a fuel cell that can detect the life of the corrosion-resistant layer before the metal substrate corrodes.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池1は、電解質膜10の両側をアノード極12、カソード極14により挟持した膜−電極アッセンブリ16と、膜−電極アッセンブリ16の両外側を挟持する燃料電池用セパレータ18とを有する。また、本実施形態に係る燃料電池は、上記燃料電池1を単位セルとして、複数積層したものであってもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
アノード極12及びカソード極14はそれぞれ、触媒層20及び拡散層22を有する。
The
触媒層20は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層22又は電解質膜10上に成膜することにより形成される。拡散層22は、カーボンクロス等の多孔質材料等が用いられる。電解質膜10は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜等が用いられる。
The
本実施形態に係る燃料電池用セパレータについて説明する。 The fuel cell separator according to this embodiment will be described.
図2(イ)は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの一方の面の構成の一例を示す模式平面図であり、図2(ロ)は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの他方の面の構成の一例を示す模式平面図である。図2(イ),(ロ)に示すように、燃料電池用セパレータ18には、アノードガスマニホールド24a,24b、カソードガスマニホールド26a,26bが設けられている。また、図2(イ)に示すように、燃料電池用セパレータ18の一方の面には、アノードガス流路28を形成するリブ30、図2(ロ)に示すように、他方の面にはカソードガス流路32を形成するリブ30が設けられている。本実施形態では、燃料電池用セパレータ18の両面にガス流路(アノードガス流路28、カソードガス流路32)が形成された構成であるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、一方の面にのみガス流路が形成された構成であってもよい。
FIG. 2A is a schematic plan view showing an example of the configuration of one surface of the fuel cell separator according to the present embodiment, and FIG. 2B is the other side of the fuel cell separator according to the present embodiment. It is a schematic plan view which shows an example of a structure of this surface. 2A and 2B, the
アノードガスマニホールド24aは、燃料電池1内に供給されるアノードガスをアノードガス流路28に供給するための入口であり、アノードガスマニホールド24bは、アノードガス流路28からアノードガスを排出するための出口である。カソードガスマニホールド26aは、燃料電池1内に供給されるカソードガスをカソードガス流路32に供給するための入口であり、カソードガスマニホールド26bは、カソードガス流路32からカソードガスを排出するための出口である。
The
燃料電池の動作について図1、図2を用いて説明する。 The operation of the fuel cell will be described with reference to FIGS.
図1に示す燃料電池1の発電において、アノード極12側では、図2(イ)に示す燃料電池用セパレータ18のアノードガスマニホールド24aからアノードガス流路28にアノードガスが供給される。供給されたアノードガスは、アノードガス流路28を通り、図1に示すアノード極12(拡散層22、触媒層20)に供給され、発電に利用される。発電に利用されたアノードガスは、図2(イ)に示す燃料電池用セパレータ18のアノードガスマニホールド24bを介して、燃料電池1外へ排出される。一方カソード極14側では、図2(ロ)に示す燃料電池用セパレータ18のカソードガスマニホールド26aからカソードガス流路32にカソードガスが供給される。供給されたカソードガスは、カソードガス流路32を通り、図1に示すカソード極14(拡散層22、触媒層20)に供給され、発電に利用される。発電に利用されたカソードガスは、図2(ロ)に示す燃料電池用セパレータ18のカソードガスマニホールド26bを介して、燃料電池1外へ排出される。
In the power generation of the
上記でも説明したように、燃料電池1の発電によって水が生成される。そして、生成水は、膜−電極アッセンブリ16から図2(イ),(ロ)に示す燃料電池用セパレータ18の反応ガス流路(アノードガス流路28、カソードガス流路32)を通り、各マニホールド(アノードガスマニホールド24a,24b、カソードガスマニホールド26a,26b)から燃料電池1外へ排水される。特に、上記説明した反応ガス(アノードガス、カソードガス)が排出されるマニホールド(アノードガスマニホールド24b、カソードガスマニホールド26b)から燃料電池1外へ排水される。
As described above, water is generated by the power generation of the
図3は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成の一例を示す一部拡大模式断面図である。図3に示すように、燃料電池用セパレータ18は、金属基材34と、金属基材34上に形成される中間層36と、中間層36上に形成される耐食層38とを有する。
FIG. 3 is a partially enlarged schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell separator according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the
耐食層38は、主に金属基材34の腐食を抑制するものであるため、金属基材34より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される。中間層36は、主に、耐食層38の寿命により金属基材34が腐食する前に腐食(金属成分を溶出)するものであるため、金属基材34より耐食性の低い金属により構成される。
Since the corrosion-
本実施形態では、図3に示すように、金属基材34の両面に中間層36及び耐食層38を形成した構成を例としているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、上記でも説明したように、燃料電池用セパレータ18の一方の面にのみ反応ガス流路(アノードガス流路28又はカソードガス流路32)が形成されている場合には、反応ガス流路が形成される側の金属基材34面に中間層36及び耐食層38が形成されていてもよい。また、リブ30、反応ガス流路(アノードガス流路28、カソードガス流路32)、外周部40、マニホールド(アノードガスマニホールド24a,24b、カソードガスマニホールド26a,26b)内の金属基材34上全てに、中間層36を形成する必要はなく、腐食し易い箇所の金属基材34上に中間層36を形成してもよい。腐食し易い箇所としては、例えば、反応ガスを排出する出口としてのマニホールド(24b,26b)内の金属基材34上、及びその周辺の外周部40の金属基材34上が挙げられる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the configuration in which the
金属基材34は、燃料電池用セパレータ18に使用される金属基材として公知のものであれば、特に制限されるものではないが、耐強度性、耐食性等を有していることが好ましい。金属基材34を構成する材料としては、例えば、ステンレス鋼、銅及び銅合金、チタン及びチタン合金、ニッケル系基材、アルミ及びアルミ合金、マグネシウム合金、鉄等が挙げられる。金属基材34には、プレス成形等により上記説明した反応ガス流路(アノードガス流路28、カソードガス流路32)が形成され、打ち抜き加工等により上記説明したマニホールド(アノードガスマニホールド24a,24b、カソードガスマニホールド26a,26b)が形成される。
The
中間層36は、金属基材34より耐食性の低い金属により構成されるものである。金属基材34と中間層36の耐食性は、以下のように評価することができる。金属基材34を構成する金属板を例えばpH2、80℃の硫酸中に24時間浸漬し、硫酸中に溶出した金属イオンの量(μmol/cm2・day)を測定する。中間層36を構成する金属の金属板も同様の条件で、硫酸中に溶出した金属イオンの量を測定する。そして、金属イオンの溶出量の多い方が、耐食性の低い金属である。硫酸中に溶出した金属イオンの量は、ICP発光分光分析装置により検出することができる。また、電気化学的評価方法であるLSV(Linesr Sweep Voltammogram)によっても、耐食性を評価することができる。具体的には、負荷した電位における腐食電流を測定しながら、負荷電位をスイープしていくと、材料の耐食性は、腐食電流曲線の積分値で表され、そして、測定曲線が右下にあるほど耐食性が高いと評価することができる。
The
例えば、金属基材34にチタン(Ti)を用いる場合、中間層36は、Tiより耐食性の低い金属、例えば、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、セリウム(Ce)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ビスマス(Bi)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、タリウム(Tl)等により構成される。また、金属基材34に銅(Cu)を用いる場合、中間層36は、Cuより耐食性の低い金属、例えば、Sn、Ni、Fe、Cr、Zn、Al、Ce、Mg、Mn、Zr等により構成される。
For example, when titanium (Ti) is used for the
例えば、金属基材34にステンレス、銅合金、チタン合金等の合金を用いる場合、合金の組成によって耐食性が異なるため、中間層36を構成する金属は、その合金の組成によって、選択される。
For example, when an alloy such as stainless steel, a copper alloy, or a titanium alloy is used for the
例えば、金属基材34に用いられるステンレスには、オーステナイト系ステンレス鋼(鉄−クロム−ニッケル合金)、フェライト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)、マルテンサイト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)等がある。上記ステンレス鋼のうち、耐食性の高いオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合、中間層36は、オーステナイト系ステンレスより耐食性の低い金属、例えば、Ag,Cu,Sn,Ni,Fe,Cr,Zn,Al、Zr、Ce等により構成される。また、オーステナイト系ステンレス鋼より耐食性の劣るフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼を用いる場合、中間層36は、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼より耐食性の低い金属、例えば、Sn,Ni,Fe,Cr,Zn,Al,Mg、Mn、Zr、Ce等により構成される。
For example, the stainless steel used for the
中間層36を構成する金属は、必ずしも単金属である必要はなく、金属基材34より耐食性が低くければ、合金であってもよい。
The metal constituting the
また、中間層36は、金属基材34より耐食性の低い金属により構成され、その金属は、燃料電池1の発電によって生じる水と接触してもコンタミ成分とならないものであることが好ましい。反応ガス流路(アノードガス流路28、カソードガス流路32)、リブ30等に中間層36が設けられる場合には、中間層36の金属から溶出する溶出成分は、電解質膜10等に接触する機会が多い。そのため、中間層36は、コンタミ成分を溶出しない金属により構成されるものであることが好ましい。一方、反応ガスの出口のマニホールド(24b,26b)付近に中間層36が設けられる場合には、中間層36の金属から溶出する溶出成分がコンタミ成分であっても、電解質膜等には、ほとんど影響を与えない。
The
燃料電池1の発電によって生じる水と接触してもコンタミ成分とならない金属は、Mg、Zn、Ni、Cu、Al、Ti、Co、Mn、La、Ce等である。
Metals that do not become a contaminant component even when they come into contact with water generated by power generation of the
また、中間層36は、電位−pH図内の水の安定領域において、金属基材34より腐食領域の面積が大きい金属により構成されることが好ましい。
The
図4(イ)は、水の安定領域を示す電位−pH図の一例であり、図4(ロ)は、金属の電位−pH図を説明するための図である。電位−pH図とは、pHや電位の異なる環境下において、金属物質がどのような状態であるかを表すものである。図4(ロ)に示すように、金属は、電位、pHの変化により、腐食することによってエネルギ的に安定化する腐食領域、不動態形成によってエネルギ的に安定化する不動態領域、反応を起こさない状態がエネルギ的に安定である安定領域が存在するものである。金属の種類により、図4(ロ)に示す腐食領域、不動態領域、安定領域は異なる。 FIG. 4A is an example of a potential-pH diagram showing a stable region of water, and FIG. 4B is a diagram for explaining a potential-pH diagram of a metal. The potential-pH diagram represents the state of the metal material in environments with different pH and potential. As shown in FIG. 4 (b), the metal causes a corrosion region that is energetically stabilized by corrosion, a passive region that is energetically stabilized by passive formation, and a reaction due to changes in potential and pH. There is a stable region in which no state is energetically stable. Depending on the type of metal, the corrosion region, passive region, and stable region shown in FIG.
図4に示す水の安定領域(pH0〜14の間で、電位の上限が1.2V〜0.4V(vs.SHE)、下限が0V〜−0.8V(vs.SHE))は、水が安定に存在する領域であり、上記安定領域以外では、水は分解し、酸素及び水素が発生する。
The stable region of water shown in FIG. 4 (between
燃料電池1を構成する部材の劣化等により、燃料電池1の発電により生成する水のpHも酸性側等に変動する場合がある。すなわち、燃料電池1の発電時の環境は、図4に示す水の安定領域に含まれるものである。したがって、図4に示す電位−pH図の水の安定領域において、各金属が、腐食領域、不動態領域、安定領域のうちいずれかに属するかによって、その金属が燃料電池1の内部環境でどのような影響を受けるかを知ることができる。
The pH of water generated by the power generation of the
中間層36は、燃料電池1の内部環境において腐食する必要があるため、電位−pH図の水の安定領域内に腐食領域を有し、金属基材34より腐食領域の下限電位が低いか又は腐食領域のpHが酸性側にあることが好ましい。
Since the
中間層36の膜厚は、層としての形成が可能であり、電池性能に悪影響を及ぼさない範囲であれば特に制限されるものではないが、例えば、0.01〜10μmの範囲であることが好ましい。中間層36の膜厚が、0.01μmより薄いと、層としての形成が困難となり、金属基材34を覆うことができない場合がある。また、中間層36の膜厚が、10μmより厚いと、燃料電池用セパレータ18の接触抵抗の増加、剥離等を引き起こす場合がある。
The thickness of the
中間層36の形成は、公知の電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法、プラズマCVD法、イオンプレーティング法、インクジェット法等特に制限されるものではないが、中間層36を構成する金属の結合力を弱くし、金属成分を溶出させ易い(腐食させ易い)等の点で、スパッタリング法、プラズマCVD法、イオンプレーティング法、インクジェット法等の蒸着法により中間層36が形成されることが好ましい。
The formation of the
耐食層38は、金属基材34より耐食性の高い金属又は樹脂により構成されるものである。例えば、金属基材34にCu、Tiを使用する場合、耐食層38は、金属基材34より耐食性の高い金属、例えば、金(Au)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)等により構成される。また、上記説明したステンレス、銅合金、チタン合金等を用いる場合は、合金の組成により耐食性が異なるため、耐食層38を構成する金属は、その合金の組成によって、選択される。耐食性の評価は、上記説明した通りである。
The corrosion
例えば、ステンレス鋼のうち、耐食性の強いオーステナイト系ステンレス鋼(鉄−クロム−ニッケル合金)を金属基材34に用いる場合、耐食層38は、オーステナイト系ステンレスより耐食性の高い金属、例えば、Au、Pt、Ru、Ta、Nb等により構成される。また、フェライト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)、マルテンサイト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)等を金属基材34に用いる場合、耐食層38は、フェライト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)、マルテンサイト系ステンレス鋼(鉄−クロム合金)より耐食性の高い金属、例えば、Au、Pt、Ru、Ta、Nb、Ti等により構成される。
For example, when austenitic stainless steel (iron-chromium-nickel alloy) having strong corrosion resistance is used as the
耐食層38を構成する樹脂は、金属基材34より耐食性の高いものであれば特に制限されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリウレタン系樹脂、セルロース系樹脂、SBR等のゴム系、フェノール系樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンジオキシチオレン、ポリアミン、ポリピロール等の樹脂が挙げられる。また、耐食層38に導電性を持たせるため、上記樹脂にカーボン等を加える。金属と樹脂の耐食性の比較も上記と同様である。すなわち、耐食層38を構成する樹脂板を例えばpH2、80℃の硫酸中に24時間浸漬し、硫酸中に溶出した樹脂の量(μmol/cm2・day)を測定する。金属基材34を構成する金属板も上記同様に行う。そして、溶出量の多い方が、耐食性の低い金属である。硫酸中に溶出した樹脂の量は、ICP発光分光分析装置により検出することができる。また、電気化学的評価方法であるLSV(Linesr Sweep Voltammogram)によっても、耐食性を評価することができる。具体的には、負荷した電位における腐食電流を測定しながら、負荷電位をスイープしていくと、材料の耐食性は、腐食電流曲線の積分値で表され、そして、測定曲線が右下にあるほど耐食性が高いと評価することができる。
The resin constituting the corrosion-
耐食層38は、上記でも説明したように、主に金属基材34の腐食を抑制するためのものであるから、図4に示す電位−pH図の水の安定領域において、腐食領域を有さない金属により構成されていることが好ましい。このような金属は、例えば金(Au)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)等が挙げられる。また、金属は、水の安定領域において腐食領域を全く有していない必要はなく、水の安定領域内に腐食領域の面積が10%以内であるものであってもよい。
As described above, the corrosion-
耐食層38の膜厚は、金属基材34の腐食を抑制することができる範囲であれば特に制限されるものではないが、例えば、0.01μm以上であることが好ましい。耐食層38の膜厚が、0.01μmより薄いと、ピンホールが多く存在し、金属基材34の腐食を抑制することができない場合がある。
The thickness of the corrosion-
金属により構成される耐食層38の形成は、公知の電解めっき法、無電解めっき法、スパッタリング法、プラズマCVD法、イオンプレーティング法、インクジェット法等特に制限されるものではないが、耐食層38を構成する金属の結合力を強くし、耐食性を高めることができる点で、電解めっき法、無電解めっき法により耐食層が形成されることが好ましい。樹脂により構成される耐食層38の形成は、ディッピング、スプレー、ハケ塗り等特に制限されるものではない。
The formation of the corrosion-
以上のように、本実施形態に係る燃料電池は、金属基材上に金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、中間層上に金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有することにより、金属基材より中間層の方が腐食し易くなるため、耐食層の寿命を金属基材が腐食する前に検知することが可能となる。耐食層の寿命により中間層を構成する金属が溶出すると、燃料電池から排水される水の導電率の増加、pHが酸性側に移動、色の変化等が起こるため、排出された水分をサンプリングして、上記導電率等を調べることにより、耐食層の寿命を検知することができる。 As described above, the fuel cell according to the present embodiment includes an intermediate layer composed of a metal having a lower corrosion resistance than the metal substrate on the metal substrate, and a metal or resin having a higher corrosion resistance than the metal substrate on the intermediate layer. By having the corrosion resistant layer configured, the intermediate layer is more easily corroded than the metal base material, so that the life of the corrosion resistant layer can be detected before the metal base material corrodes. If the metal constituting the intermediate layer elutes due to the life of the corrosion-resistant layer, the conductivity of the water drained from the fuel cell will increase, the pH will move to the acidic side, the color will change, and so on. Thus, the lifetime of the corrosion-resistant layer can be detected by examining the conductivity and the like.
次に、本発明の他の実施形態に係る燃料電池について説明する。 Next, a fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described.
図5は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式図である。図5に示すように、燃料電池2は、複数の単位セル40と導電率検出器42とを有する。本実施形態では、単位セル40の数は特に制限されるものではない。また、単位セル40は、図1に示す燃料電池1と同様の構成であり、不図示であるが電解質膜の両側をアノード極、カソード極により挟持した膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両外側を挟持する燃料電池用セパレータとを有する。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fuel cell according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the
導電率検出器42は、燃料電池2の発電時に生成する水の導電率を検出するものである。上記でも説明したように、燃料電池2の発電時に生成する水が、燃料電池用セパレータの耐食層内に浸透し中間層に接触すると、中間層から金属成分が溶出するため、燃料電池2の発電時に生成する水の導電率が上昇する。すなわち、導電率検出器42により、燃料電池2の発電時に生成する水の導電率を検出し、導電率検出器42に設定した所定の導電率を超えた場合に、燃料電池用セパレータの耐食層の寿命であると判断することができる。
The
本実施形態では、燃料電池2の発電時に生成する水の状態を検出することができる検出手段であれば、必ずしも上記導電率検出器42に限定されるものではない。例えば、中間層から金属成分が溶出することにより、燃料電池2の発電時に生成する水のpHは、酸性側に移動する場合がある。そのため、燃料電池2の発電時に生成する水のpHを検出することができるpH検出器であってもよい。また、中間層から金属成分が溶出することにより、燃料電池の発電時に生成する水の色が変わる場合には、画像センサであってもよい。特定のイオン種に反応するイオン電極により、その電位変化によって検出してもよい。中間層を構成する金属に合わせて、燃料電池2の発電時に生成する水の状態は、中間層を構成する金属によって変わるため、変化した水の状態の検出に適した検出手段を選択することが好ましい。
In the present embodiment, the detection unit is not necessarily limited to the
以上のように、本実施形態の燃料電池は、金属基材上に金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、中間層上に金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有する燃料電池用セパレータと燃料電池の発電時に生成する水の状態を検出することができる検出手段とを備えることにより、耐食層の寿命を金属基材が腐食する前に検知することが可能となる。 As described above, the fuel cell of the present embodiment is configured by an intermediate layer made of a metal having a lower corrosion resistance than the metal substrate on the metal substrate, and a metal or resin having a higher corrosion resistance than the metal substrate on the intermediate layer. By providing a separator for a fuel cell having a corrosion resistant layer and a detecting means capable of detecting the state of water generated during power generation of the fuel cell, the life of the corrosion resistant layer is detected before the metal substrate corrodes. It becomes possible to do.
上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。 The fuel cell according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, a household power source, and the like.
1,2 燃料電池、10 電解質膜、12 アノード極、14 カソード極、16 膜−電極アッセンブリ、18 燃料電池用セパレータ、20 触媒層、22 拡散層、24a,24b アノードガスマニホールド、26a,26b カソードガスマニホールド、28 アノードガス流路、30 リブ、32 カソードガス流路、34 金属基材、36 中間層、38 耐食層、40 外周部、40 単位セル、42 導電率検出器。 1, 2 Fuel cell, 10 Electrolyte membrane, 12 Anode electrode, 14 Cathode electrode, 16 Membrane-electrode assembly, 18 Fuel cell separator, 20 Catalyst layer, 22 Diffusion layer, 24a, 24b Anode gas manifold, 26a, 26b Cathode gas Manifold, 28 Anode gas flow path, 30 Rib, 32 Cathode gas flow path, 34 Metal substrate, 36 Intermediate layer, 38 Corrosion resistant layer, 40 Outer periphery, 40 Unit cell, 42 Conductivity detector.
Claims (5)
前記金属基材上に前記金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、
前記中間層上に前記金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有する燃料電池用セパレータ。 A metal substrate;
An intermediate layer composed of a metal having a lower corrosion resistance than the metal substrate on the metal substrate;
A fuel cell separator having a corrosion resistant layer made of a metal or a resin having higher corrosion resistance than the metal base material on the intermediate layer.
前記燃料電池用セパレータは、金属基材と、前記金属基材上に前記金属基材より耐食性の低い金属により構成される中間層と、前記中間層上に前記金属基材より耐食性の高い金属又は樹脂により構成される耐食層とを有することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell including a fuel cell separator,
The fuel cell separator includes a metal base, an intermediate layer formed of a metal having lower corrosion resistance than the metal base on the metal base, and a metal having higher corrosion resistance than the metal base on the intermediate layer, or A fuel cell comprising a corrosion-resistant layer made of a resin.
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JP2009289707A (en) * | 2008-06-02 | 2009-12-10 | Nissan Motor Co Ltd | Separator for fuel cell |
CN101814615B (en) * | 2009-02-19 | 2012-10-31 | 株式会社神户制钢所 | Separator for fuel cell and manufacturing method therefor |
-
2007
- 2007-07-12 JP JP2007183614A patent/JP2009021140A/en not_active Withdrawn
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