JP2009238497A - Fuel cell separator - Google Patents

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Tomokatsu Himeno
友克 姫野
Atsushi Miyazawa
篤史 宮澤
Motoi Yaginuma
基 柳沼
Keisuke Yamamoto
啓介 山本
Yasue Tanaka
安栄 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell separator having a high conductivity, corrosion resistance, and adhesion. <P>SOLUTION: This is the fuel cell separator 5 which has a metal substrate layer and a carbon layer containing conductive carbon and metal particles. The separator 5 includes the metal substrate layer 6 and the carbon layer 9 containing metal particles 7 and conductive carbon 8. Then, the carbon layer 9 is formed on the metal substrate layer 6. Since the metal particles 7 which tend to be easily oxidized exist in the carbon layer 9 together with the conductive carbon 8, the metal particles 7 are oxidized earlier than metal atoms to constitute the metal substrate layer 6. Thereby, formation of an oxide film on the surface of the metal substrate layer 6 is suppressed, and increase of contact resistance as a separator can be suppressed. Furthermore, since the metal particles 7 and the conductive carbon 8 exist in mixed state in the carbon layer 9, internal stress of the carbon layer 9 itself is alleviated, and as a result, high adhesion with the metal substrate layer 6 being a foundation layer can be obtained, and reduction of resistance value of the battery and a long term stability can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator.

固体高分子形燃料電池は、1つのセル(単セル)が積層された構造となっている。さらにその単セルは固体高分子形電解質層とその両側に設けられた(電極)触媒層、さらにその両側に供給ガスを分散させるガス拡散層、さらにその外側に設けられたセパレータにより構成されている。   The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which one cell (single cell) is laminated. Further, the single cell is composed of a solid polymer electrolyte layer, (electrode) catalyst layers provided on both sides thereof, a gas diffusion layer for dispersing supply gas on both sides thereof, and a separator provided on the outside thereof. .

上記単セルにおいて、陽極には燃料ガス(例えば水素ガス)を、陰極には酸化剤ガス(例えば大気、酸素)を供給し、陽極と陰極それぞれにおいて、下記電気化学反応を起こすことにより、電気を生み出している。   In the unit cell, fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode, oxidant gas (for example, air or oxygen) is supplied to the cathode, and electricity is generated by causing the following electrochemical reaction in each of the anode and the cathode. Producing.

Figure 2009238497
Figure 2009238497

このような環境下において用いるセパレータは、良好な導電性と高い耐食性を持ち合わせていなければならない。従来、燃料電池用セパレータには切削グラファイトやカーボンと樹脂の混合物等のカーボン材料が主に用いられてきた。しかし機械的強度に優れないため、薄肉化が困難であり、比較的厚いセパレータにしなければならず、燃料電池の積層体のサイズの大きくなってしまう問題があった。   The separator used in such an environment must have good conductivity and high corrosion resistance. Conventionally, carbon materials such as cutting graphite and a mixture of carbon and resin have been mainly used for fuel cell separators. However, since the mechanical strength is not excellent, it is difficult to reduce the thickness, and a relatively thick separator has to be used, resulting in a problem that the size of the fuel cell stack increases.

そこで、カーボン材料に代わる材料として金属製セパレータの検討が進められており、金属基材に対する耐食性や高価な金属を使用しない表面処理などが進められている。その中で、金属基材に炭素層を被覆し、良好な導電性と耐食性を兼ね備えている金属セパレータがいくつか提案されている。   In view of this, metal separators are being studied as a substitute for carbon materials, and corrosion resistance to metal substrates and surface treatment without using expensive metals are being promoted. Among them, several metal separators have been proposed in which a metal substrate is coated with a carbon layer and have both good conductivity and corrosion resistance.

例えば、金属基板表面に導電性グラファイトからなる皮膜が形成している複合金属材料セパレータが開示されている(特許文献1)。ガスフロースパッタリング法により金属基材上に導電性グラファイトが付着しており、低い抵抗値、及び高い密着性(碁盤目剥離試験の結果)を有している。   For example, a composite metal material separator in which a film made of conductive graphite is formed on the surface of a metal substrate is disclosed (Patent Document 1). Conductive graphite is deposited on the metal substrate by gas flow sputtering, and has a low resistance value and high adhesion (result of cross-cut peel test).

また、任意のセパレータ基材に耐食性に優れた導電性硬質炭素膜をコーティングすることにより、腐食によるセパレータ表面での接触抵抗の増大を抑制できる旨が開示されている(特許文献2)。   Further, it is disclosed that an increase in contact resistance on the separator surface due to corrosion can be suppressed by coating an arbitrary separator base material with a conductive hard carbon film having excellent corrosion resistance (Patent Document 2).

また、基材に対して炭素層を形成しているが、セパレータ基材に負の高電圧を印加しつつ、セパレータ基材表面に乾式成膜法により炭素層を形成する旨が開示されている(特許文献3)。かかる方法によれば、炭素層の内部まで確実にグラファイト化することができ、得られるセパレータは、化学的に高い安定性とともに、高い導電性を有しうる。
特開2004−235091号公報 国際公開第01/006585号パンフレット 特開2006−286457号公報
Moreover, although the carbon layer is formed with respect to the base material, it is disclosed that the carbon layer is formed on the surface of the separator base material by a dry film forming method while applying a negative high voltage to the separator base material. (Patent Document 3). According to such a method, even the inside of the carbon layer can be reliably graphitized, and the obtained separator can have high conductivity as well as high chemical stability.
JP 2004-235091 A International Publication No. 01/006585 Pamphlet JP 2006-286457 A

しかしながら、金属基材層(金属基板)上に形成した炭素層に対し、セルを積層する際のスタッキングによる荷重の際、またはガス流路などを形成するためのプレス成型の際に、クラックやピンホールなどの欠陥が生じる場合がある。かかる場合、炭素層自体の耐食性は保たれている反面、酸性水の侵入によって、金属基材層表面に酸化による腐食が生じ、セパレータとしての接触抵抗が悪化(増大)するという問題があった。   However, cracks and pins may be applied to the carbon layer formed on the metal base layer (metal substrate) when subjected to a load due to stacking when the cells are stacked or during press molding to form a gas flow path or the like. Defects such as holes may occur. In such a case, while the corrosion resistance of the carbon layer itself is maintained, there is a problem that corrosion due to oxidation occurs on the surface of the metal base layer due to the penetration of acidic water, and the contact resistance as a separator deteriorates (increases).

また、炭素層自体が高い耐食性を有していても、金属基材層として使用されるステンレスやアルミニウム等の金属は酸化しやすい。そのため、得られるセパレータは、初期こそ低い接触抵抗を示すものの、次第に金属基材層表面に酸化皮膜が形成され、接触抵抗の増大を招くという問題があった。   Moreover, even if the carbon layer itself has high corrosion resistance, metals such as stainless steel and aluminum used as the metal base layer are easily oxidized. Therefore, although the obtained separator shows low contact resistance in the initial stage, there is a problem that an oxide film is gradually formed on the surface of the metal base layer, resulting in an increase in contact resistance.

そこで本発明の目的は、高い導電性、耐食性及び密着性を有する燃料電池用セパレータを提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell separator having high conductivity, corrosion resistance and adhesion.

上記目的を達成するための本発明は、金属基材層と、導電性炭素及び金属粒子を混合状態で含有する炭素層とを含む燃料電池用セパレータを提供する。   The present invention for achieving the above object provides a fuel cell separator including a metal base layer and a carbon layer containing conductive carbon and metal particles in a mixed state.

本発明によれば、炭素層中に予め、酸化されやすい金属粒子を分散しておくことにより、酸性水が金属基材層に到達する前に金属粒子の酸化物が形成されやすい状態とし、これにより金属基材層表面の酸化皮膜形成を抑制することができる。また、炭素層中に金属粒子が導入されることによって、膜応力が緩和され、炭素層と金属基材層との密着性も向上する。結果として、本発明の燃料電池用セパレータを用いることにより、高い導電性、耐食性及び密着性が得られる。   According to the present invention, the metal particles that are easily oxidized are dispersed in the carbon layer in advance so that the oxide of the metal particles is easily formed before the acidic water reaches the metal base layer. Thus, formation of an oxide film on the surface of the metal substrate layer can be suppressed. Further, by introducing metal particles into the carbon layer, the film stress is relaxed, and the adhesion between the carbon layer and the metal substrate layer is improved. As a result, high conductivity, corrosion resistance, and adhesion can be obtained by using the fuel cell separator of the present invention.

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings.

<第1実施形態>
図1は、本発明の一実施形態である燃料電池のうち、固体高分子形燃料電池(PEFC)の基本構成を示す概略図である。固体高分子電解質層2の両面に触媒層3(アノード触媒層及びカソード触媒層)を配置し、それらを挟持するようにガス拡散層(GDL)4(アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層)を配置させて、膜電極接合体(MEA)が形成される。MEAは最終的に、導電性を有する一対のセパレータ5により挟持されて、PEFCの単セルを構成する。実際はセパレータ5と電解質層2の間、並びに電池1と隣り合う別の電池との間でガスシールを配置するが、本概略図では省略する。セパレータ5は、0.5mm以下の薄板をプレスによって波形に成形することによって得られ、そこに反応ガスや冷却水を流す。以上のように、セパレータ5は、各MEAを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流すガス流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) among fuel cells according to an embodiment of the present invention. A catalyst layer 3 (anode catalyst layer and cathode catalyst layer) is disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte layer 2, and a gas diffusion layer (GDL) 4 (anode side gas diffusion layer and cathode side gas diffusion layer) is sandwiched therebetween. ) To form a membrane electrode assembly (MEA). The MEA is finally sandwiched between a pair of conductive separators 5 to form a PEFC single cell. Actually, a gas seal is disposed between the separator 5 and the electrolyte layer 2 and between the battery 1 and another battery adjacent to the battery 1, but is omitted in this schematic diagram. The separator 5 is obtained by forming a thin plate of 0.5 mm or less into a corrugated shape by pressing, and a reaction gas or cooling water is allowed to flow there. As described above, the separator 5 includes a gas flow path and a manifold through which different fluids such as a fuel gas, an oxidant gas, and a refrigerant flow in addition to the function of electrically connecting the MEAs in series. It also has the function of maintaining the desired strength.

図2は、図1のうち、セパレータ5の部分の概略構成を示す断面図である。セパレータ5は、金属基材層6と、金属粒子7及び導電性炭素8を含有する炭素層9とを含む。そして、炭素層9は、金属基材層6上に形成されてなる。炭素層9中に、導電性炭素8と併せて比較的酸化されやすい金属粒子7を存在させることによって、金属基材層6を構成する金属原子よりも金属粒子7が先に酸化される。これにより、金属基材層6表面での酸化皮膜の生成を抑制し、セパレータとしての接触抵抗の増大を抑えることができる。また、炭素層9において、金属粒子7と導電性炭素8とが混合状態で存在することにより、炭素層9自体の内部応力が緩和される結果、下地である金属基材層6との高い密着性が得られ、電池の抵抗値の低下や長期安定性が得られる。以下、セパレータ5の各構成要素について詳説する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the separator 5 in FIG. The separator 5 includes a metal base layer 6 and a carbon layer 9 containing metal particles 7 and conductive carbon 8. The carbon layer 9 is formed on the metal base layer 6. The presence of the metal particles 7 that are relatively easily oxidized together with the conductive carbon 8 in the carbon layer 9 causes the metal particles 7 to be oxidized earlier than the metal atoms constituting the metal base layer 6. Thereby, the production | generation of the oxide film in the metal base material layer 6 surface can be suppressed, and the increase in the contact resistance as a separator can be suppressed. Further, in the carbon layer 9, since the metal particles 7 and the conductive carbon 8 exist in a mixed state, the internal stress of the carbon layer 9 itself is alleviated. Performance, and a reduction in battery resistance and long-term stability. Hereinafter, each component of the separator 5 will be described in detail.

まず、金属基材層6を構成する材料(元素)は、特に限定されることはないが、後述する金属粒子7との関係で選択されることが好ましい。具体的には、前記材料は、酸化容易性の観点でいうと、金属粒子7と同等、またはより酸化されにくい金属元素からなることが好ましい。さらに、前記材料は、金属粒子7と同じ金属元素、及びより貴な金属元素の少なくとも1種からなることがより好ましい。このような材料の例として、アルミニウム(Al)もしくはその合金、ステンレス、チタンまたはマグネシウムなどが挙げられる。なかでも、好ましくはステンレス、アルミニウムもしくはその合金、チタン、より好ましくはアルミニウムもしくはその合金、またはステンレスである。アルミニウムの純度は好ましくは97%以上であり、より好ましくは99%以上である。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、上述と同様、金属粒子7と同じ金属元素、及びより貴な金属元素の少なくとも1種からなることがより好ましい。具体例として、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛及びニッケルなどが挙げられる。また、ステンレス中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、該ステンレス中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。   First, although the material (element) which comprises the metal base material layer 6 is not specifically limited, It is preferable to select in relation with the metal particle 7 mentioned later. Specifically, in terms of easy oxidation, the material is preferably made of a metal element that is equivalent to or less easily oxidized than the metal particles 7. Furthermore, the material is more preferably composed of at least one of the same metal element as the metal particles 7 and a noble metal element. Examples of such a material include aluminum (Al) or an alloy thereof, stainless steel, titanium, or magnesium. Among these, stainless steel, aluminum or an alloy thereof, titanium, more preferably aluminum or an alloy thereof, or stainless steel is preferable. The purity of aluminum is preferably 97% or more, and more preferably 99% or more. About elements other than aluminum in an aluminum alloy, it is more preferable to consist of at least 1 sort (s) of the same metal element as the metal particle 7, and a more noble metal element like the above-mentioned. Specific examples include copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel. Moreover, the content rate of iron (Fe) in stainless steel becomes like this. Preferably it is 60-84 mass%, More preferably, it is 65-72 mass%. Furthermore, the chromium (Cr) content in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, more preferably 16 to 18% by mass.

前記ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、及び析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、SUS201、SUS202、SUS301、SUS302、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316、SUS317が挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、SUS329J1が挙げられる。マルテンサイト系としては、SUS403、SUS420が挙げられる。フェライト系としては、SUS405、SUS430、SUS430LXが挙げられる。析出硬化系としては、SUS630が挙げられる。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。   Examples of the stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of the austenitic system include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316, and SUS317. Examples of the austenite-ferrite type include SUS329J1. Examples of the martensite system include SUS403 and SUS420. Examples of the ferrite type include SUS405, SUS430, and SUS430LX. Examples of the precipitation hardening system include SUS630. Among these, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316.

前記アルミニウムの合金としては、純アルミニウム系、及びアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。純アルミニウム系としてはA1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。なかでも、A1050Pの純アルミニウム系のアルミニウム合金を用いることがより好ましい。   Examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. Examples of the pure aluminum system include A1050P, examples of the aluminum / manganese system include A3003P and A3004P, and examples of the aluminum / magnesium system include A5052P and A5083P. Among these, it is more preferable to use an A1050P pure aluminum-based aluminum alloy.

また、金属基材層6の厚さは、加工容易性及び機械的強度の観点より、50〜500μmであることが好ましく、80〜200μmであることがより好ましい。   Moreover, it is preferable that it is 50-500 micrometers from the viewpoint of workability and mechanical strength, and, as for the thickness of the metal base material layer 6, it is more preferable that it is 80-200 micrometers.

続いて、金属粒子7を構成する元素は、特に限定されることはないが、上述したように、金属基材層6を構成する材料(金属原子)との関係で選択されることが好ましい。具体的には、前記金属粒子7は、酸化容易性の観点でいうと、金属基材層6を構成する金属原子と同等、またはより酸化されやすい金属原子からなることが好ましい。さらに、金属粒子7は、金属基材層6を構成する元素と同じ金属元素、及びより卑な金属元素の少なくとも1種からなることが好ましい。かかる場合、金属基材層6を構成する材料(金属原子)に優先して金属粒子7が酸化される。これにより、金属基材層6表面での酸化皮膜の生成を抑制し、セパレータとしての接触抵抗の増大を抑えることができる。   Subsequently, the element constituting the metal particle 7 is not particularly limited, but is preferably selected in relation to the material (metal atom) constituting the metal base layer 6 as described above. Specifically, in terms of easy oxidation, the metal particles 7 are preferably made of metal atoms that are equivalent to or more easily oxidized than the metal atoms constituting the metal base layer 6. Furthermore, it is preferable that the metal particle 7 consists of at least 1 sort (s) of the same metal element as the element which comprises the metal base material layer 6, and a base metal element. In such a case, the metal particles 7 are oxidized in preference to the material (metal atoms) constituting the metal base layer 6. Thereby, the production | generation of the oxide film in the metal base material layer 6 surface can be suppressed, and the increase in the contact resistance as a separator can be suppressed.

さらに、イオン化傾向の大小関係の観点から、金属粒子7を構成する元素と、金属基材層6を構成する元素との組み合わせについていえば、金属粒子7がアルミニウム及び/またはチタンであって金属基材層6がステンレスからなることが好ましい。あるいは、金属粒子7がアルミニウム及び/またはマグネシウムであって金属基材層6がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。かような組み合わせの場合、前記接触抵抗の増大を一層顕著に抑えることができる。   Further, from the viewpoint of the magnitude relationship of the ionization tendency, regarding the combination of the elements constituting the metal particles 7 and the elements constituting the metal substrate layer 6, the metal particles 7 are aluminum and / or titanium and the metal group. The material layer 6 is preferably made of stainless steel. Or it is preferable that the metal particle 7 is aluminum and / or magnesium, and the metal base material layer 6 consists of aluminum or an aluminum alloy. In such a combination, the increase in the contact resistance can be suppressed more remarkably.

上記2種類の組み合わせについて、以下で具体的に説明する。まず、前者の組み合わせによれば、燃料電池スタックにおける荷重やプレス成型などの機械的強度やコストを考慮した場合、セパレータ中の金属基材層6の材料として、上記ステンレスが挙げられる。また、ステンレスよりも卑な金属であって安定な酸化物を形成するものとしてアルミニウム(Al)及び/またはチタン(Ti)が挙げられる。金属粒子7をAl及び/またはTiとすることにより、金属粒子7の酸化が金属基材層6の表面における酸化に優先して行われる。これにより、低い初期接触抵抗を保持しながら接触抵抗の増大を抑制することができ、耐食性が向上しうる。一方、後者の組み合わせでは、金属基材層6の材料として上記アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いた場合、それと同じ金属か、それに対して卑な金属であって安定な酸化物を形成するものとして上記Al及び/またはマグネシウム(Mg)が挙げられる。金属粒子7をAl及び/またはMgとすることにより、金属粒子7の酸化が金属基材層6の表面における酸化に優先して行われる。特に、Al(またはその合金)は、金属の中でも軽量であって高い展性を有すること等に起因して利便性が高い上、電気伝導性に優れているため、金属基材層6の材料として用いるメリットが非常に大きい。これにより、低い初期接触抵抗を保持しながら接触抵抗の増大を抑制することができ、耐食性が向上しうる。   The above two types of combinations will be specifically described below. First, according to the former combination, when the mechanical strength such as the load in the fuel cell stack, press molding, and the cost are taken into consideration, the above-mentioned stainless steel is used as the material of the metal base layer 6 in the separator. Moreover, aluminum (Al) and / or titanium (Ti) is mentioned as a metal which is a base metal than stainless steel and forms a stable oxide. By making the metal particles 7 Al and / or Ti, the oxidation of the metal particles 7 is performed in preference to the oxidation on the surface of the metal base layer 6. Thereby, an increase in contact resistance can be suppressed while maintaining a low initial contact resistance, and corrosion resistance can be improved. On the other hand, in the latter combination, when the above-mentioned aluminum or aluminum alloy is used as the material of the metal base layer 6, the above-mentioned Al is used as the same metal or a base metal to form a stable oxide. And / or magnesium (Mg). By making the metal particles 7 Al and / or Mg, the metal particles 7 are oxidized in preference to the oxidation on the surface of the metal base layer 6. In particular, Al (or an alloy thereof) is a material of the metal base layer 6 because it is highly convenient due to its light weight and high malleability among metals, and has excellent electrical conductivity. The merit to use as is very large. Thereby, an increase in contact resistance can be suppressed while maintaining a low initial contact resistance, and corrosion resistance can be improved.

このように、金属粒子7は、下地となる金属基材層6を構成する金属よりも卑な金属、すなわち標準電極電位が低い金属として、炭素層9中に分散していることが好ましい。かかる場合、下地となる金属基材層6を構成する金属の表面酸化皮膜の形成よりも優先的に、炭素層9中の金属粒子7が酸化物を形成するからである。逆に、貴な金属の場合、下地となる金属基材層6を構成する金属の酸化を促進することとなり、好ましくない。しかし、炭素層9中に予め酸化されやすい金属粒子7を分散混合化しておくことにより、金属基材層6に酸素が到達する手前で炭素中の金属粒子7が酸化物を形成されやすい状態とすることができる。これにより、金属基材層6から炭素層9の表層部までの全体的な抵抗の増大を抑制することができる。また、金属粒子7には、炭素層9の内部応力を緩和する効果もあるため、下地となる金属基材層6との密着性を向上することができ、セパレータとしての接触抵抗を顕著に低下できる。   Thus, it is preferable that the metal particles 7 are dispersed in the carbon layer 9 as a base metal, that is, a metal having a lower standard electrode potential, than the metal constituting the metal base layer 6 serving as a base. In such a case, the metal particles 7 in the carbon layer 9 form oxides preferentially over the formation of the surface oxide film of the metal constituting the metal base layer 6 that is the base. On the other hand, a noble metal is not preferable because it promotes oxidation of the metal constituting the metal base layer 6 serving as a base. However, by dispersing and mixing the metal particles 7 that are easily oxidized in the carbon layer 9 in advance, the metal particles 7 in the carbon easily form oxides before the oxygen reaches the metal base layer 6. can do. Thereby, the increase in the whole resistance from the metal base material layer 6 to the surface layer part of the carbon layer 9 can be suppressed. Further, since the metal particles 7 also have an effect of relieving the internal stress of the carbon layer 9, it is possible to improve the adhesion with the metal base layer 6 as a base, and the contact resistance as a separator is remarkably reduced. it can.

また、金属粒子7を用いる他の利点として、炭素層9中、金属粒子7と導電性炭素8とが混合状態で存在する場合、炭素層9自体の内部応力が緩和される結果として、下地である金属基材層6との高い密着性が得られ、電池の抵抗値の低下や長期安定性が得られる。   In addition, as another advantage of using the metal particles 7, when the metal particles 7 and the conductive carbon 8 exist in a mixed state in the carbon layer 9, the internal stress of the carbon layer 9 itself is relaxed as a result. High adhesion to a certain metal substrate layer 6 is obtained, and a reduction in battery resistance and long-term stability are obtained.

また、金属粒子7の平均粒子径は、0.2〜20nmであることが好ましく、0.5〜10nmであることがより好ましく、0.5〜5nmであることがさらに好ましい。平均粒子径が0.2nm以上の場合、金属粒子7の犠牲的な酸化が生じやすくなり、金属基材層6表面での酸化皮膜の生成を一層効果的に抑制できるため、電池の耐久性をより向上させることができる。一方、平均粒子径が20nm以下の場合、金属粒子7が酸化物を生成しても、金属粒子7の外側のみならず、その内部まで酸化皮膜が形成される可能性が高くなるため、金属粒子7をより高い効率で無駄なく活用することができる。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。また「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。   Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the metal particle 7 is 0.2-20 nm, It is more preferable that it is 0.5-10 nm, It is further more preferable that it is 0.5-5 nm. When the average particle diameter is 0.2 nm or more, sacrificial oxidation of the metal particles 7 is likely to occur, and generation of an oxide film on the surface of the metal base layer 6 can be more effectively suppressed. It can be improved further. On the other hand, when the average particle diameter is 20 nm or less, even if the metal particles 7 generate an oxide, there is a high possibility that an oxide film is formed not only outside but also inside the metal particles 7. 7 can be utilized more efficiently and without waste. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline. In addition, as the value of “average particle size”, the average value of the particle size of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as is assumed to be adopted.

炭素層9中の金属粒子7の含有率については、1〜50質量%であることが好ましく、5〜20質量%であることがより好ましい。金属粒子7の含有率が1質量%以上の場合、金属粒子7の犠牲的な酸化が、炭素層9と金属基材層6との界面における酸化に優先して起こり、セパレータとしての接触抵抗の増大を効果的に抑制することができる。一方、金属粒子7の含有率が50質量%以下の場合、炭素層9自体の導電性を阻害することなく、炭素層9中で金属粒子7の酸化物が形成されうる。   About the content rate of the metal particle 7 in the carbon layer 9, it is preferable that it is 1-50 mass%, and it is more preferable that it is 5-20 mass%. When the content of the metal particles 7 is 1% by mass or more, sacrificial oxidation of the metal particles 7 takes precedence over the oxidation at the interface between the carbon layer 9 and the metal base layer 6, and the contact resistance of the separator is reduced. The increase can be effectively suppressed. On the other hand, when the content of the metal particles 7 is 50% by mass or less, the oxide of the metal particles 7 can be formed in the carbon layer 9 without inhibiting the conductivity of the carbon layer 9 itself.

続いて、導電性炭素8として使用可能な炭素素材は、セパレータとしての接触抵抗を増大させない限りにおいて特に限定されることはない。ラマン散乱分光分析により測定された、炭素層9の強度比が所定の範囲内にある場合、前記接触抵抗の増大を顕著に抑制させることができる。よって、導電性炭素8として用いる炭素素材は、炭素層9が前記所定の範囲内の強度比を有するように選択することが好ましい。   Subsequently, the carbon material usable as the conductive carbon 8 is not particularly limited as long as the contact resistance as a separator is not increased. When the intensity ratio of the carbon layer 9 measured by Raman scattering spectroscopy is within a predetermined range, an increase in the contact resistance can be remarkably suppressed. Therefore, the carbon material used as the conductive carbon 8 is preferably selected so that the carbon layer 9 has an intensity ratio within the predetermined range.

ラマン分光法は、ラマン散乱光を解析することにより試料の構造解析を行うものであり、かかる分析手法をラマン散乱分光分析という。炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近及び1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークを通常G−バンドという。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれ、通常D−バンドと呼ばれる1350cm−1付近のピークが現れてくる(厳密にはダイヤモンドのピークは1333cm−1であり、D−バンドとは区別する)。D−バンド及びG−バンドの強度比R(I/I)は炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造結欠陥性)、sp結合比率を示しているとされている。すなわち、セパレータとしての接触抵抗の指標とすることができ、炭素層9の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 Raman spectroscopy is a method for analyzing the structure of a sample by analyzing Raman scattered light, and this analysis method is called Raman scattering spectroscopy. When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Graphite with high crystallinity has a single peak in the vicinity of 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as G-band. On the other hand, as crystallinity decreases (crystal structure defects increase), a peak near 1350 cm −1 , which is usually called a D-band, appears (strictly, the peak of diamond is 1333 cm −1 , and the D-band Are distinct). The intensity ratio R (I D / I G ) of the D -band and G-band indicates the graphite cluster size of the carbon material, the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), and the sp 2 bond ratio. Yes. That is, it can be used as an index of contact resistance as a separator, and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the carbon layer 9.

R値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、D−バンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(I)と、G−バンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(I)との相対的強度比、つまりピーク面積比(I/I)を算出することにより求められる。IはD−バンドピーク強度と、IはG−バンドピーク強度と、それぞれ呼ばれることもある。すなわち、D−バンドの比率を増加させることにより、炭素原子のsp結合の比率が増加し、セパレータとしての接触抵抗を一層低減することができる。該ピーク面積は以下のラマン分光測定により求められたものを採用することができる。 The R value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the relative intensity ratio between the peak intensity (I D ) of 1300 to 1400 cm −1 called D-band and the peak intensity (I G ) of 1500 to 1600 cm −1 called G-band, that is, the peak It is calculated | required by calculating an area ratio ( ID / IG ). And I D is D- band peak intensity, I G is a G- band peak intensity, also referred to, respectively. That is, by increasing the ratio of the D-band, the ratio of sp 2 bonds of carbon atoms increases, and the contact resistance as a separator can be further reduced. The peak area can be determined by the following Raman spectroscopic measurement.

(ラマン分光測定)
ラマンスペクトルは、測定装置として、Holo Lab 5000R(KaiserOptical System Inc.製)を使用し、室温、露光30秒×積算5回、以下の条件にて測定した。
(Raman spectroscopy measurement)
The Raman spectrum was measured using a Holo Lab 5000R (manufactured by Kaiser Optical System Inc.) as a measuring apparatus under the following conditions at room temperature, exposure 30 seconds × total 5 times.

Figure 2009238497
Figure 2009238497

導電性炭素8の原料として、固体グラファイトを用いた。そして、加速電圧(V)を変化させて、様々なR値(I/I)におけるセパレータとしての接触抵抗を求めた。なお、接触抵抗の測定方法について説明すると、2つの対向する銅電極棒の間にガス拡散基材−金属基材−ガス拡散基材で挟み込み、一定電流を通電させたときの電圧値を読み取り、貫通抵抗を算出している。このとき基材とガス拡散基材との接触部が2箇所あるため、測定値の1/2を接触抵抗としている(ガス拡散基材や金属基材のバルク抵抗も含まれているが、バルク抵抗の値は非常に小さく無視することができるため、ここでは無視している)。 Solid graphite was used as a raw material for the conductive carbon 8. Then, the acceleration voltage (V) was changed to determine the contact resistance as a separator at various R values (I D / I G ). The contact resistance measurement method will be described. The voltage value when a constant current is passed between the two opposing copper electrode rods sandwiched between the gas diffusion base material-metal base material-gas diffusion base material, The penetration resistance is calculated. At this time, since there are two contact portions between the base material and the gas diffusion base material, 1/2 of the measured value is set as the contact resistance (the bulk resistance of the gas diffusion base material and the metal base material is included, but the bulk The value of the resistance is very small and can be ignored, so it is ignored here).

結果を図3に示す。図3の縦軸は最小接触抵抗値に対する相対接触抵抗値の割合を示す。図3より、本発明者らは、炭素層9の強度比(R値)が所定の範囲内にある場合、炭素層9中の炭素原子のsp結合の比率が増加するため、炭素層9の導電性が向上し、接触抵抗を一層低減できることを見出した。炭素層9のR値(I/I)についての前記所定の範囲は、好ましくは1.4以上であり、より好ましくは1.4〜2.0である。1.4以上の場合、高い導電性を有する炭素層9が得られる。なお、図3におけるグラフの臨界点は約1.4である。一方、2.0以下の場合、グラファイト成分の減少を抑制することができるとともに、炭素層9自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である金属基材層6との密着性を一層向上させることができる。 The results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 3 indicates the ratio of the relative contact resistance value to the minimum contact resistance value. From FIG. 3, the present inventors show that when the strength ratio (R value) of the carbon layer 9 is within a predetermined range, the ratio of sp 2 bonds of carbon atoms in the carbon layer 9 increases. It has been found that the electrical conductivity is improved and the contact resistance can be further reduced. The predetermined range for the R value (I D / I G ) of the carbon layer 9 is preferably 1.4 or more, and more preferably 1.4 to 2.0. In the case of 1.4 or more, the carbon layer 9 having high conductivity is obtained. In addition, the critical point of the graph in FIG. 3 is about 1.4. On the other hand, in the case of 2.0 or less, the reduction of the graphite component can be suppressed and the increase of the internal stress of the carbon layer 9 itself can be suppressed, and the adhesiveness with the metal base material layer 6 as the base is further improved. Can be made.

導電性炭素8としては、カーボンブラック、グラファイト、フラーレン、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、カーボンフィブリル、などが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。導電性炭素8の構造・形状に起因した、炭素層9と金属基材層6との接触抵抗の低下という観点からいえば、グラファイトまたはカーボンナノチューブが好ましい。また、上記炭素材料は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   Examples of the conductive carbon 8 include carbon black, graphite, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon fibril. Specific examples of carbon black include ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, or thermal black. Carbon black may be subjected to a graphitization treatment. From the viewpoint of reducing the contact resistance between the carbon layer 9 and the metal base layer 6 due to the structure and shape of the conductive carbon 8, graphite or carbon nanotubes are preferable. Moreover, the said carbon material may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

また、導電性炭素8の材料が粒子状の場合の平均粒子径は、特に限定されないが、炭素層9の厚さを抑える観点から、好ましくは1〜100nm、より好ましくは5〜20nmである。   Moreover, the average particle diameter when the material of the conductive carbon 8 is particulate is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 nm, more preferably 5 to 20 nm from the viewpoint of suppressing the thickness of the carbon layer 9.

導電性炭素8の材料がカーボンナノチューブなどの繊維状の場合の直径は、特に限定されないが、好ましくは0.4〜100nm、より好ましくは1〜20nmである。一方、前記繊維状の場合の長さは、特に限定されないが、5〜200nm、より好ましくは10〜100nmである。そして、前記繊維状の場合のアスペクト比は、特に限定されないが、1〜500nm、より好ましくは2〜100nmである。上記した範囲内にある場合、炭素層9の厚さを好適に抑えることができる。また、炭素層9中の導電性炭素8の含有率については、50〜99質量%であることが好ましく、80〜98質量%であることがより好ましく、80〜95質量%であることが特に好ましい。上記した範囲内にある場合、得られるセパレータは、導電性、耐食性及び密着性を高い値でバランス良く併有しうる。   The diameter when the material of the conductive carbon 8 is in the form of a fiber such as a carbon nanotube is not particularly limited, but is preferably 0.4 to 100 nm, more preferably 1 to 20 nm. On the other hand, although the length in the case of the said fibrous form is not specifically limited, 5-200 nm, More preferably, it is 10-100 nm. And the aspect ratio in the case of the said fibrous form is although it does not specifically limit, It is 1-500 nm, More preferably, it is 2-100 nm. When it exists in the above-mentioned range, the thickness of the carbon layer 9 can be suppressed suitably. Moreover, about the content rate of the electroconductive carbon 8 in the carbon layer 9, it is preferable that it is 50-99 mass%, it is more preferable that it is 80-98 mass%, and it is especially 80-95 mass%. preferable. When it exists in an above-described range, the obtained separator can have electroconductivity, corrosion resistance, and adhesiveness with a high value and a good balance.

続いて、炭素層9について説明する。炭素層9における、ラマン散乱分光分析により測定された強度比の好ましい範囲については上述した通りである。   Next, the carbon layer 9 will be described. The preferred range of the intensity ratio measured by Raman scattering spectroscopy in the carbon layer 9 is as described above.

炭素層9は、金属基材層6の少なくとも一方の表面上に存在すればよいが、本発明における所望の効果を一層高く発揮する上で、両面上に存在することが好ましい。   The carbon layer 9 may be present on at least one surface of the metal base layer 6, but is preferably present on both surfaces in order to achieve the desired effect of the present invention higher.

炭素層9の膜厚は、好ましくは0.005〜1μmであり、より好ましくは0.01〜0.2μmである。上記範囲内にある場合、低い初期接触抵抗を有する上に、接触抵抗の増大も抑制することができ、耐食性が向上しうる。より詳細にいえば、0.005μm以上の場合、金属基材層6に対する炭素層9の表面被覆率が増大し、炭素層9を均一で連続的な層として形成することができ、金属基材層6の表面における凹凸などの起伏の発生を抑制できる。また、炭素層9中に含まれる金属粒子7が炭素層9の最表面に露出することを防止することができ、金属基材層6の表面に酸化皮膜が形成することを抑制することができる。したがって、炭素層9全体における導電パスが減少し、結果として接触抵抗を一層低下させることができる。一方、1μm以下の場合、炭素層9の膜応力(内部応力)の発生を防止し、金属基材層6に対する密着性を顕著に向上させることができる。また、厚さ方向の初期抵抗自体を低下することができるとともに、薄膜効果に起因して炭素層9の内部応力が発生することなく、クラック等の発生を防止することもでき、結果として接触抵抗の低下を促進させることができる。   The film thickness of the carbon layer 9 is preferably 0.005 to 1 μm, more preferably 0.01 to 0.2 μm. When it exists in the said range, while having low initial contact resistance, the increase in contact resistance can also be suppressed and corrosion resistance can improve. More specifically, in the case of 0.005 μm or more, the surface coverage of the carbon layer 9 with respect to the metal substrate layer 6 increases, and the carbon layer 9 can be formed as a uniform and continuous layer. Generation of undulations such as irregularities on the surface of the layer 6 can be suppressed. Moreover, it can prevent that the metal particle 7 contained in the carbon layer 9 is exposed to the outermost surface of the carbon layer 9, and can suppress that an oxide film forms on the surface of the metal base material layer 6. . Therefore, the conductive path in the entire carbon layer 9 is reduced, and as a result, the contact resistance can be further reduced. On the other hand, when the thickness is 1 μm or less, generation of film stress (internal stress) of the carbon layer 9 can be prevented, and adhesion to the metal base layer 6 can be remarkably improved. In addition, the initial resistance in the thickness direction itself can be reduced, and the occurrence of cracks and the like can be prevented without causing internal stress of the carbon layer 9 due to the thin film effect, resulting in contact resistance. Can be reduced.

炭素層9は、上述の通り、主に金属粒子7及び導電性炭素8が含まれてなるが、その他の材料を含んでもよい。前記その他の材料として、例えば、PTFE等の撥水性物質などが挙げられる。   As described above, the carbon layer 9 mainly includes the metal particles 7 and the conductive carbon 8, but may include other materials. Examples of the other materials include water-repellent substances such as PTFE.

また、金属基材層6と炭素層9との間に、金属、金属窒化物及び金属炭化物よりなる群から選択される一種以上で構成される中間層を設けてもよい。金属基材層6と炭素層9との間に中間層を設けることで、炭素層9の密着性を向上させることができる。金属基材層6上に直接、炭素層9をコーティング等すると、良好な密着性が得られない場合がある。具体的には、R値が上記した好ましい範囲の上限を超えると、下地である金属基材層6と炭素層9とが好適に密着しない可能性がある。かような場合に、中間層を挿入することによって、金属基材層6と炭素層9とを好適に密着させることができる。中間層を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限されることはない。例えば、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)などのイオン溶出の少ない金属、それらの金属窒化物及びそれらの金属炭化物、炭窒化物などが挙げられる。好ましくは、クロム(Cr)、チタン、などのイオン溶出の少ない金属、それらの金属窒化物及びそれらの金属炭化物である。特に、前記イオン溶出の少ない金属(並びにその金属窒化物及び金属炭化物)を用いた場合、セパレータの耐食性を向上させることができる。中間層の厚さは、特に制限されることはないが、セパレータの厚さをより薄くすることにより、燃料電池の積層体のサイズをできるだけ小さくするという観点からいえば、5〜1,000nmであることが好ましく、10〜200nmであることがより好ましい。さらに、中間層が金属基材層6と炭素層9との間に存在するため、中間層を構成する材料もまた、炭素層9中の金属粒子7と同様に、中間層を構成する材料(金属)の酸化が金属基材層6の表面における酸化に優先して行われることが好ましい。したがって、中間層を構成する材料(金属)は、金属基材層6を構成する元素と同じ金属元素、及びより卑な金属元素の少なくとも1種からなり、かつ、金属粒子7と同じ金属元素、及びより貴な金属元素の少なくとも1種からなることが好ましい。例えば、金属粒子7を構成する元素と、中間層を構成する元素と、金属基材層6を構成する元素との好ましい組み合わせについて説明する。金属粒子7がアルミニウム及び/またはチタンであり、中間層がクロム(Cr)、チタン(Ti)アルミニウム(Al)からなり、かつ金属基材層6がステンレスからなることが好ましい。あるいは、金属粒子7がアルミニウム及び/またはマグネシウムであり、中間層がクロム(Cr)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)からなり、かつ金属基材層6がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。   Further, an intermediate layer composed of one or more selected from the group consisting of metal, metal nitride, and metal carbide may be provided between the metal base layer 6 and the carbon layer 9. By providing the intermediate layer between the metal substrate layer 6 and the carbon layer 9, the adhesion of the carbon layer 9 can be improved. If the carbon layer 9 is coated directly on the metal base layer 6, good adhesion may not be obtained. Specifically, when the R value exceeds the upper limit of the preferable range described above, the metal base material layer 6 and the carbon layer 9 as the base may not be suitably adhered. In such a case, the metal base layer 6 and the carbon layer 9 can be suitably adhered by inserting the intermediate layer. The material constituting the intermediate layer is not particularly limited as long as it provides the above adhesion. For example, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb), hafnium (Hf), their metal nitrides and their metal carbides, And carbonitride. Preferred are metals with low ion elution such as chromium (Cr) and titanium, their metal nitrides and their metal carbides. In particular, when the metal with little ion elution (and its metal nitride and metal carbide) is used, the corrosion resistance of the separator can be improved. The thickness of the intermediate layer is not particularly limited, but from the viewpoint of reducing the size of the fuel cell stack as much as possible by reducing the thickness of the separator, it is 5 to 1,000 nm. It is preferable that it is 10 to 200 nm. Furthermore, since the intermediate layer exists between the metal base layer 6 and the carbon layer 9, the material constituting the intermediate layer is also the material constituting the intermediate layer (like the metal particles 7 in the carbon layer 9). The oxidation of (metal) is preferably performed in preference to the oxidation on the surface of the metal base layer 6. Therefore, the material (metal) constituting the intermediate layer is composed of at least one of the same metal element as the element constituting the metal base layer 6 and the base metal element, and the same metal element as that of the metal particle 7; And at least one of noble metal elements. For example, a preferable combination of an element constituting the metal particle 7, an element constituting the intermediate layer, and an element constituting the metal substrate layer 6 will be described. It is preferable that the metal particles 7 are aluminum and / or titanium, the intermediate layer is made of chromium (Cr), titanium (Ti) aluminum (Al), and the metal base layer 6 is made of stainless steel. Alternatively, the metal particles 7 are aluminum and / or magnesium, the intermediate layer is made of chromium (Cr), titanium (Ti), aluminum (Al), magnesium (Mg), and the metal base layer 6 is aluminum or an aluminum alloy. Preferably it consists of.

中間層は、金属基材層6の少なくとも一方の表面上に存在すればよいが、本発明における所望の効果を一層高く発揮する上で、両面上に存在することが好ましい。なお、中間層が金属基材層6の両面上に存在する場合には、それぞれの中間層の表面上に炭素層9がさらに設けられることとなる。   The intermediate layer may be present on at least one surface of the metal base layer 6, but is preferably present on both surfaces in order to achieve the desired effect of the present invention at a higher level. In addition, when an intermediate | middle layer exists on both surfaces of the metal base material layer 6, the carbon layer 9 will be further provided on the surface of each intermediate | middle layer.

炭素層9は、金属粒子7及び導電性炭素8をターゲットとして、金属基材層6上に成膜して形成することができる。その際、スパッタ法もしくはアークイオンプレーティング法などの物理的蒸着(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法を利用することが好ましい。前記スパッタ法として、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、などが挙げられる。かような炭素層9の形成方法を用いることにより、水素含有量の少ない炭素層9を形成することができる。したがって、炭素原子同士の結合(sp)の割合を増加させることができ、優れた導電性が得られる。 The carbon layer 9 can be formed by forming a film on the metal substrate layer 6 using the metal particles 7 and the conductive carbon 8 as targets. At that time, it is preferable to use a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method or an arc ion plating method, or an ion beam vapor deposition method such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, and a dual magnetron sputtering method. By using such a method for forming the carbon layer 9, the carbon layer 9 having a low hydrogen content can be formed. Therefore, the ratio of bonds (sp 2 ) between carbon atoms can be increased, and excellent conductivity can be obtained.

<第2実施形態>
本発明の一実施形態によれば、燃料電池用セパレータの製造方法が得られる。燃料電池用セパレータの各構成要素の材料などの諸条件については、上記第1実施形態で説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。前記製造方法は、特に限定されるものではないが、処理手順の数例を以下に記載する。
Second Embodiment
According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a fuel cell separator is obtained. Since various conditions such as the material of each component of the fuel cell separator are as described in the first embodiment, description thereof is omitted here. Although the said manufacturing method is not specifically limited, Several examples of a processing procedure are described below.

まず、第一の例として、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン及び苛性アルカリ剤など)を用いて、金属基材層6の表面の脱脂及び洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、及び電力が30〜50W程度でありうる。   First, as a first example, the surface of the metal base layer 6 is degreased and washed using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichloroethylene, and a caustic alkali agent). Examples of the treatment include ultrasonic cleaning. The ultrasonic cleaning conditions may be a processing time of about 1 to 10 minutes, a frequency of about 30 to 50 kHz, and a power of about 30 to 50 W.

続いて、金属基材層6の表面(両面)に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜の除去方法については、酸による洗浄処理、電位を印加した溶解処理、またはイオンボンバード処理などがありうる。   Subsequently, the oxide film formed on the surface (both sides) of the metal base layer 6 is removed. As a method for removing the oxide film, there may be a cleaning treatment with an acid, a dissolution treatment applying a potential, or an ion bombardment treatment.

次に、上記第1実施形態で挙げたスパッタ法などを用いて炭素層9を成膜する。例えば、固体グラファイトなどの導電性炭素8とAlなどの金属粒子7とをターゲットとして使用し、基材に負のバイアス電圧を好ましくは50〜300Vで印加しながら、金属基材層6の両面にAl粒子が分散されてなる所望の膜厚の炭素層9を成膜する。このようにして、本発明の燃料電池用セパレータが得られる。   Next, the carbon layer 9 is formed using the sputtering method described in the first embodiment. For example, the conductive carbon 8 such as solid graphite and the metal particles 7 such as Al are used as targets, and a negative bias voltage is preferably applied to the substrate at 50 to 300 V while the both sides of the metal substrate layer 6 are applied. A carbon layer 9 having a desired film thickness in which Al particles are dispersed is formed. In this way, the fuel cell separator of the present invention is obtained.

本発明の燃料電池用セパレータは、構成要素である炭素層9と金属基材層6との関係性を特徴の1つとする。上述のように金属基材層6の表面から予め酸化皮膜や不純物などを除去した後、導電性炭素8と金属粒子7とを真空中、金属基材層6上に原子レベルで堆積させていき、炭素層9を成膜させる。これにより、直接付着した炭素層9と金属基材層6との界面及びその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって密着力を発揮し、さらには長期間に亘って密着性を保持することができる。   The separator for a fuel cell according to the present invention is characterized by the relationship between the carbon layer 9 and the metal base layer 6 as constituent elements. After removing the oxide film and impurities from the surface of the metal base layer 6 in advance as described above, the conductive carbon 8 and the metal particles 7 are deposited on the metal base layer 6 at the atomic level in a vacuum. Then, the carbon layer 9 is formed. As a result, the interface between the carbon layer 9 and the metal substrate layer 6 directly attached and the vicinity thereof exerts an adhesive force by intermolecular force or a slight carbon atom intrusion, and further provides adhesion over a long period of time. Can be held.

炭素層9を金属基材層6上に直接成膜する場合に、下地となる金属基材層6と比較して極端に硬度の高い炭素層9をコーティングすると、炭素層9に内部応力が生じ、炭素層9と金属基材層6との間で剥離が生じやすくなりうる。そのため、金属基材層6を構成する金属元素に比較的近い硬度の炭素層9をコーティングすることが好ましい。   When the carbon layer 9 is directly formed on the metal base layer 6, if the carbon layer 9 having extremely high hardness as compared with the metal base layer 6 serving as a base is coated, internal stress is generated in the carbon layer 9. Further, peeling may easily occur between the carbon layer 9 and the metal base layer 6. Therefore, it is preferable to coat the carbon layer 9 having a hardness relatively close to the metal element constituting the metal base layer 6.

次に、第二の例として、上記第一の例と同様にして、金属基材層6の表面の脱脂及び洗浄処理、並びに酸化皮膜の除去を行う。続いて、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb),ハフニウム(Hf)などのイオン溶出の少ない金属、それらの金属窒化物及びそれらの金属炭化物をターゲットとする。マグネトロンスパッタ法、UBMS法などにより上記ターゲットを用いて、該金属基材層6の表面上に中間層の皮膜を形成する。さらに、該中間層上に、上記第一の例と同様に、炭素層9を成膜する。このようにして、本発明の中間層を有する燃料電池用セパレータが得られる。   Next, as a second example, the surface of the metal base layer 6 is degreased and washed, and the oxide film is removed as in the first example. Subsequently, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb), hafnium (Hf), their metal nitrides and their metal carbides Target. A film of an intermediate layer is formed on the surface of the metal base layer 6 using the above target by magnetron sputtering, UBMS, or the like. Further, a carbon layer 9 is formed on the intermediate layer as in the first example. In this way, a fuel cell separator having the intermediate layer of the present invention is obtained.

<第3実施形態>
本発明の一実施形態によれば、上記第1実施形態の燃料電池用セパレータ、または上記第2実施形態の製造方法により得られる燃料電池用セパレータを用いてなる、燃料電池が得られる。本発明の燃料電池用セパレータは、固体高分子形(PEFC)、リン酸形(PAFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)、固体電解質形(SOFC)またはアルカリ形(AFC)などの各種の燃料電池に使用可能である。好ましくは、後述する車両に対して好適に使用可能な固体高分子形(PEFC)の燃料電池である。
<Third Embodiment>
According to one embodiment of the present invention, a fuel cell is obtained using the fuel cell separator of the first embodiment or the fuel cell separator obtained by the manufacturing method of the second embodiment. The fuel cell separator according to the present invention includes various fuel cells such as a solid polymer type (PEFC), a phosphoric acid type (PAFC), a molten carbonate type (MCFC), a solid electrolyte type (SOFC), and an alkaline type (AFC). Can be used. Preferably, it is a polymer electrolyte (PEFC) fuel cell that can be suitably used for a vehicle described later.

以下、燃料電池用セパレータ以外の燃料電池の構成を詳細に説明するが、本発明はセパレータに特徴を有するものであって、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材は従来公知のものを使用することができる。   Hereinafter, the configuration of the fuel cell other than the fuel cell separator will be described in detail. However, the present invention has a feature in the separator, and members other than the separator constituting the fuel cell are conventionally known ones. Can do.

[電解質層]
電解質層としては、従来公知の電解質層を用いることができるが、好ましくは、高分子電解質層である。高分子電解質層は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質層と炭化水素系高分子電解質層とに大別される。フッ素系高分子電解質層を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系高分子電解質層が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質層が用いられる。
[Electrolyte layer]
As the electrolyte layer, a conventionally known electrolyte layer can be used, and a polymer electrolyte layer is preferable. The polymer electrolyte layer is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte layer and a hydrocarbon-based polymer electrolyte layer depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte layer include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte layers are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolyte layers composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers are used. It is done.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質層が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte layers are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

高分子電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、制限されないが、通常5〜300μm程度である。前記厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the polymer electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not limited, but is usually about 5 to 300 μm. When the thickness is in such a range, the balance between strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[触媒層]
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性触媒担体、及び電解質を有する。
[Catalyst layer]
The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte.

アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択されうる。   The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Can be done.

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分及びカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、アノード触媒層及びカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層及びカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as the cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 to 70. It is preferable to use atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the anode catalyst layer and the catalyst component used for the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分との電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。   The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the exchange of electrons with the catalyst component.

触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、(電極)触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoints of easy loading, catalyst utilization, and (electrode) catalyst layer thickness control within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, preferably It may be about 10 to 100 nm.

触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The supported amount of the catalyst component can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、前述の高分子電解質層を構成するイオン交換樹脂が前記高分子電解質として触媒層に添加されうる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, an ion exchange resin constituting the polymer electrolyte layer can be added to the catalyst layer as the polymer electrolyte.

[ガス拡散層]
アノード及びカソードにおける各電極は、上述した(電極)触媒層の他にガス拡散層を有していてもよい。前記ガス拡散層は、(電極)触媒層の電解質層が接する面とは反対の面に配置される。
[Gas diffusion layer]
Each electrode in the anode and the cathode may have a gas diffusion layer in addition to the above-mentioned (electrode) catalyst layer. The gas diffusion layer is disposed on a surface opposite to the surface of the (electrode) catalyst layer that is in contact with the electrolyte layer.

(電極)触媒層及びガス拡散層を有する電極において、(電極)触媒層はガス拡散層上に形成されてもよい他、ガス拡散層中の一部に(電極)触媒層が形成されていてもよい。後者の場合、後述するガス拡散基材の所望する部位に、電極触媒及び電解質材料が含浸されたものなどが挙げられる。   In the electrode having the (electrode) catalyst layer and the gas diffusion layer, the (electrode) catalyst layer may be formed on the gas diffusion layer, or the (electrode) catalyst layer is formed in a part of the gas diffusion layer. Also good. In the case of the latter, the thing which the electrode catalyst and the electrolyte material were impregnated to the site | part which the gas diffusion base material mentioned later mentions is mentioned.

前記ガス拡散層は、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状のガス拡散基材からなるものなどが挙げられる。   The gas diffusion layer is not particularly limited, and known ones can be used in the same manner, for example, a sheet-like gas diffusion group having conductivity and porosity such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric. The thing which consists of materials is mentioned.

前記ガス拡散基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。   The thickness of the gas diffusion base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm.

前記ガス拡散基材には、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水剤を含んでいてもよい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion base material may contain a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記ガス拡散基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   In order to further improve water repellency, the gas diffusion layer may have a carbon particle layer made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the gas diffusion base material.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記ガス拡散基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the gas diffusion base material. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層におけるカーボン粒子と、撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   The mixing ratio between the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜500μmとするのがよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 1000 μm, more preferably 50 to 500 μm.

また、本発明の燃料電池の製造方法は特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見を適宜参照することにより製造可能である。   The method for producing the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of fuel cells.

前記燃料電池の燃料の種類としては、特に限定されず、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2級ブタノール、3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールを用いることができる。なかでも高出力化が可能である点で、水素とメタノールが好ましく挙げられる。   The fuel type of the fuel cell is not particularly limited, and is hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol. Can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferred because they can increase the output.

さらに、燃料電池が所望する電圧などを得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

<第4実施形態>
本発明の一実施形態によれば、上記第1実施形態の燃料電池用セパレータ、上記第2実施形態の製造方法により得られる燃料電池用セパレータ、または上記第3実施形態の燃料電池を用いてなる車両が得られる。本発明の燃料電池の用途としては特に制限されないが、発電性能に優れることから、自動車などの車両における駆動用電源として用いられることが好ましい。
<Fourth embodiment>
According to one embodiment of the present invention, the fuel cell separator of the first embodiment, the fuel cell separator obtained by the manufacturing method of the second embodiment, or the fuel cell of the third embodiment is used. A vehicle is obtained. Although it does not restrict | limit especially as a use of the fuel cell of this invention, Since it is excellent in electric power generation performance, it is preferable to use as a drive power supply in vehicles, such as a motor vehicle.

[実施例1]
ステンレス(SUS316L)からなる膜厚100μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、前処理としてエタノール液中で3分間超音波洗浄した。その後、さらに真空チャンバーに金属基材層を設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行い、表面の酸化皮膜を除去した。前記前処理及び前記イオンボンバード処理は、いずれも金属基材層の両面について行った。
[Example 1]
A separator plate (metal substrate layer) made of stainless steel (SUS316L) and having a film thickness of 100 μm was subjected to ultrasonic cleaning in ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Then, the metal base material layer was further installed in the vacuum chamber, the ion bombardment process by Ar gas was performed, and the surface oxide film was removed. The pretreatment and the ion bombardment treatment were both performed on both surfaces of the metal base layer.

次に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、固体グラファイトとAlとをターゲットとして使用し、該金属基材層に負バイアス電圧を150V印加する。該電圧を印加しながら、金属基材層の両面において、Al粒子(平均粒子径10nm)が分散してなる膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。また、該炭素層のR値(I/I)は1.5であった。炭素層中の、金属粒子の含有率は10質量%であり、導電性炭素の含有率は90質量%であった。なお、全ての実施例及び比較例において、固体グラファイトは同じものを使用した。 Next, by using unbalanced magnetron sputtering (UBMS), solid graphite and Al are used as targets, and a negative bias voltage of 150 V is applied to the metal substrate layer. While applying the voltage, a carbon layer having a film thickness of 0.2 μm formed by dispersing Al particles (average particle diameter: 10 nm) was formed on both surfaces of the metal substrate layer. In addition, the R value (I D / I G ) of the carbon layer was 1.5. The content rate of the metal particles in the carbon layer was 10% by mass, and the content rate of conductive carbon was 90% by mass. In all examples and comparative examples, the same solid graphite was used.

[実施例2]
ステンレス(SUS316L)からなる膜厚100μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Example 2]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a thickness of 100 μm made of stainless steel (SUS316L).

次に、UBMS法により、Crをターゲットとして使用し、該金属基材層の両面に膜厚0.2μmのCr皮膜(中間層)を形成させた。さらに、該中間層上に、実施例1と同様に、膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。該炭素層のR値(I/I)は1.5であった。炭素層中の、金属粒子の含有率は10質量%であり、導電性炭素の含有率は90質量%であった。 Next, Cr was used as a target by the UBMS method, and a 0.2 μm-thick Cr film (intermediate layer) was formed on both surfaces of the metal substrate layer. Further, a carbon layer having a thickness of 0.2 μm was formed on the intermediate layer in the same manner as in Example 1. The carbon layer had an R value (I D / I G ) of 1.5. The content rate of the metal particles in the carbon layer was 10% by mass, and the content rate of conductive carbon was 90% by mass.

[実施例3]
Al合金(A1050)からなる膜厚200μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Example 3]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a film thickness of 200 μm made of an Al alloy (A1050).

次に、UBMS法により、固体グラファイトとMgとをターゲットとして使用し、該金属基材層に負バイアス電圧を150V印加しながら、金属基材層の両面において、Mg粒子(平均粒子径15nm)が分散してなる膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。該炭素層のR値(I/I)は1.4であった。炭素層中の、金属粒子の含有率は10質量%であり、導電性炭素の含有率は90質量%であった。 Next, by UBMS method, using solid graphite and Mg as targets, while applying a negative bias voltage of 150 V to the metal substrate layer, Mg particles (average particle diameter of 15 nm) are formed on both surfaces of the metal substrate layer. A carbon layer having a thickness of 0.2 μm formed by dispersion was formed. The carbon layer had an R value (I D / I G ) of 1.4. The content rate of the metal particles in the carbon layer was 10% by mass, and the content rate of conductive carbon was 90% by mass.

[実施例4]
Al合金(A1050)からなる膜厚200μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Example 4]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a film thickness of 200 μm made of an Al alloy (A1050).

次に、実施例1と同様にして膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。該炭素層のR値(I/I)は1.5であった。炭素層中の、金属粒子の含有率は10質量%であり、導電性炭素の含有率は90質量%であった。 Next, a carbon layer having a thickness of 0.2 μm was formed in the same manner as in Example 1. The carbon layer had an R value (I D / I G ) of 1.5. The content rate of the metal particles in the carbon layer was 10% by mass, and the content rate of conductive carbon was 90% by mass.

[実施例5]
Al合金(A1050)からなる膜厚200μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Example 5]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a film thickness of 200 μm made of an Al alloy (A1050).

次に、実施例2と同様にして膜厚0.2μmのCr皮膜(中間層)及び膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。該炭素層のR値(I/I)は1.5であった。炭素層中の、金属粒子の含有率は10質量%であり、導電性炭素の含有率は90質量%であった。 Next, a Cr film (intermediate layer) having a thickness of 0.2 μm and a carbon layer having a thickness of 0.2 μm were formed in the same manner as in Example 2. The carbon layer had an R value (I D / I G ) of 1.5. The content rate of the metal particles in the carbon layer was 10% by mass, and the content rate of conductive carbon was 90% by mass.

[比較例1]
ステンレス(SUS316L)からなる膜厚100μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Comparative Example 1]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a thickness of 100 μm made of stainless steel (SUS316L).

次に、固体グラファイトのみをターゲットとして使用した点を除き、実施例1と同様にして膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。該炭素層のR値(I/I)は1.5であった。 Next, a carbon layer having a thickness of 0.2 μm was formed in the same manner as in Example 1 except that only solid graphite was used as a target. The carbon layer had an R value (I D / I G ) of 1.5.

[比較例2]
Al合金(A1050)からなる膜厚200μmのセパレータ板(金属基材層)を用い、実施例1と同様に前処理及びイオンボンバード処理を行った。
[Comparative Example 2]
Pretreatment and ion bombardment treatment were performed in the same manner as in Example 1 using a separator plate (metal substrate layer) having a film thickness of 200 μm made of an Al alloy (A1050).

次に、固体グラファイトのみをターゲットとして使用した点を除き、実施例1と同様にして膜厚0.2μmの炭素層を成膜した。   Next, a carbon layer having a thickness of 0.2 μm was formed in the same manner as in Example 1 except that only solid graphite was used as a target.

<接触抵抗測定>
図4に示すように、上記の実施例及び比較例において成膜したセパレータの両側にガス拡散層を設け、その両側を電極で挟み込み、1MPaの荷重をかけた時の通電量及び電圧値から接触抵抗値を算出した。結果を図5及び図7に示す。
<Contact resistance measurement>
As shown in FIG. 4, gas diffusion layers are provided on both sides of the separators formed in the above examples and comparative examples, and both sides are sandwiched by electrodes, and contact is made based on the energization amount and voltage value when a load of 1 MPa is applied. The resistance value was calculated. The results are shown in FIGS.

<耐食試験>
上記実施例にて成膜されたセパレータを30mm×30mmサイズに切り出し、pH4以下に常に維持させた80℃の酸性水に100時間浸漬し、浸漬試験前後の接触抵抗値を測定した。結果を図5〜8にまとめた。なお、図5及び7では、比較例1で得られたセパレータの接触抵抗値を1.0とした時の、実施例1及び2で得られたセパレータの接触抵抗値の比を示している。一方、図6及び8では、比較例2で得られたセパレータの接触抵抗値を1.0とした時の、実施例3〜5で得られたセパレータの接触抵抗値の比を示している。
<Corrosion resistance test>
The separator formed into a film in the said Example was cut out to 30 mm x 30 mm size, and it immersed in 80 degreeC acidic water always maintained at pH 4 or less for 100 hours, and measured the contact resistance value before and behind an immersion test. The results are summarized in FIGS. 5 and 7 show the ratio of the contact resistance values of the separators obtained in Examples 1 and 2 when the contact resistance value of the separator obtained in Comparative Example 1 is 1.0. 6 and 8 show the ratio of the contact resistance values of the separators obtained in Examples 3 to 5 when the contact resistance value of the separator obtained in Comparative Example 2 is 1.0.

Figure 2009238497
Figure 2009238497

上記の結果より、本発明による、炭素層に所定の金属粒子を含むセパレータは、従来のセパレータと比較して、少なくとも耐食性及び導電性に極めて優れていることが明らかとなった。かかる結果について詳述する。   From the above results, it has been clarified that the separator containing the predetermined metal particles in the carbon layer according to the present invention is extremely excellent in at least corrosion resistance and conductivity as compared with the conventional separator. This result will be described in detail.

従来型のセパレータ(例えば、比較例1、2)の場合、金属基板(金属基材層)上に直接、導電性炭素の皮膜(炭素層)が形成された構成を有する。しかし、金属基板と導電性炭素皮膜との良好な密着性が得られず、初期の接触抵抗値が高いことに加え、金属基板と導電性炭素皮膜との界面での腐食が進行しやすい。   In the case of a conventional separator (for example, Comparative Examples 1 and 2), a conductive carbon film (carbon layer) is directly formed on a metal substrate (metal base layer). However, good adhesion between the metal substrate and the conductive carbon film cannot be obtained, the initial contact resistance value is high, and corrosion at the interface between the metal substrate and the conductive carbon film tends to proceed.

また、従来型のセパレータに、金属基板と導電性炭素の皮膜との間の密着性を向上させるために、Cr等の導電性材料からなる中間層を設けるという構成もありうる。しかし、密着性が向上する反面、スタッキングによる荷重に起因して発生するクラックやピンホールからの酸性水の侵入によって、金属基板表面での酸化による腐食が進行し、接触抵抗が増大する。   In addition, an intermediate layer made of a conductive material such as Cr may be provided on the conventional separator in order to improve the adhesion between the metal substrate and the conductive carbon film. However, although the adhesion is improved, corrosion due to oxidation on the surface of the metal substrate proceeds due to cracks generated due to the load caused by stacking and the penetration of acidic water from the pinhole, and the contact resistance increases.

結局、従来型のセパレータは、スタッキングによる荷重やプレス成型の際にクラックや傷が発生すると、セル内における酸性水の侵入により金属基板表面の酸化による腐食が生じ、セパレータとしての接触抵抗の悪化(増大)を回避することが困難であった。   After all, in the case of conventional separators, when cracks or scratches occur during stacking loads or press molding, the corrosion of metal substrate surfaces due to the penetration of acidic water in the cell causes deterioration of contact resistance as a separator ( Increase) was difficult to avoid.

これに対し、本発明の燃料電池用セパレータは、炭素層に所定の金属粒子が含まれた構成を有することを特徴の1つとする。前記構成に起因して、スタッキングによる荷重やプレス成型の際にクラックや傷が発生しても、セル内に侵入した「酸性成分」は、金属基材層に到達する前に、炭素層中の前記所定の金属粒子と反応して酸化物を形成する。このように、前記酸性成分は、いわば「捕捉」される。したがって、本発明によれば、前記酸性成分が金属基材層表面に到達して酸化皮膜を形成するという問題が生じることなく、金属基材層からセパレータの表層部までの抵抗増大を効果的に抑制することができる。   On the other hand, the fuel cell separator of the present invention has a configuration in which predetermined metal particles are included in the carbon layer. Due to the above-described configuration, even if cracks or scratches occur during stacking load or press molding, the `` acidic component '' that has penetrated into the cell is in the carbon layer before reaching the metal substrate layer. It reacts with the predetermined metal particles to form an oxide. Thus, the acidic component is so-called “trapped”. Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively increase the resistance from the metal substrate layer to the surface layer of the separator without causing the problem that the acidic component reaches the surface of the metal substrate layer to form an oxide film. Can be suppressed.

本発明の一実施形態である燃料電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the fuel cell which is one Embodiment of this invention. 図1のセパレータ部分の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the separator part of FIG. 炭素層の接触抵抗とI/Iとの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the contact resistance and the I D / I G of the carbon layer. 接触抵抗の測定方法の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the measuring method of contact resistance. 各実施例及び比較例で得られたセパレータと接触抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the separator obtained by each Example and the comparative example, and a contact resistance value. 各実施例及び比較例で得られたセパレータと接触抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the separator obtained by each Example and the comparative example, and a contact resistance value. 各実施例及び比較例で得られたセパレータと接触抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the separator obtained by each Example and the comparative example, and a contact resistance value. 各実施例及び比較例で得られたセパレータと接触抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the separator obtained by each Example and the comparative example, and a contact resistance value.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池単位ユニット、
2 電解質層、
3 触媒層、
4 ガス拡散層、
5 セパレータ、
6 金属基材層、
7 金属粒子、
8 導電性炭素、
9 炭素層。
1 fuel cell unit,
2 electrolyte layer,
3 catalyst layer,
4 Gas diffusion layer,
5 separator,
6 metal substrate layer,
7 metal particles,
8 conductive carbon,
9 Carbon layer.

Claims (11)

金属基材層と、
金属粒子及び導電性炭素を含有する炭素層とを含む、燃料電池用セパレータ。
A metal substrate layer;
A fuel cell separator comprising a carbon layer containing metal particles and conductive carbon.
前記金属粒子は、前記金属基材層を構成する元素と同じ金属元素、及びより卑な金属元素の少なくとも1種からなる、請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。   2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the metal particles are composed of at least one of the same metal element as the element constituting the metal base layer and a base metal element. 前記金属粒子はアルミニウム及び/またはチタンであり、前記金属基材層はステンレスからなる、請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the metal particles are aluminum and / or titanium, and the metal base layer is made of stainless steel. 前記金属粒子はアルミニウム及び/またはマグネシウムであり、前記金属基材層はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the metal particles are aluminum and / or magnesium, and the metal base layer is made of aluminum or an aluminum alloy. 前記炭素層において、ラマン散乱分光分析により測定されたD−バンドピーク強度I及びG−バンドピーク強度Iの強度比R=I/Iが1.4以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。 In the carbon layer is the intensity ratio R = I D / I G of the Raman scattering D- band peak intensity was measured spectrophotometrically I D and G- band peak intensity I G is 1.4 or more, claim 1 5. The fuel cell separator according to claim 4. 前記炭素層の厚さは0.005〜1μmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   6. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the carbon layer has a thickness of 0.005 to 1 μm. 前記金属基材層と前記炭素層との間に、金属、金属窒化物及び金属炭化物よりなる群から選択される一種以上で構成される中間層を設ける、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The intermediate layer comprised by 1 or more types selected from the group which consists of a metal, a metal nitride, and a metal carbide between the said metal base material layer and the said carbon layer is provided. A separator for a fuel cell as described in 1. 前記炭素層は、前記金属粒子及び前記導電性炭素をターゲットとして、スパッタ法、アークイオンプレーティング法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法により、前記金属基材層上に成膜してなる層である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The carbon layer is formed on the metal substrate layer by sputtering, arc ion plating, or filtered cathodic vacuum arc (FCVA) using the metal particles and the conductive carbon as targets. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the separator is a layer. 前記金属粒子の平均粒子径は0.2〜20nmである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 8, wherein the metal particles have an average particle diameter of 0.2 to 20 nm. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータを用いてなる、燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell separator according to claim 1. 請求項10に記載の燃料電池を用いてなる、車両。   A vehicle comprising the fuel cell according to claim 10.
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