JP2010140782A - Separator for fuel cell, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, and in particular, a separator used for each unit cell of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected, and a method for producing such a separator. About.
燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の5種類に分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCとも言う)も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を2種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとも言う)が注目されている。
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. It is classified by type, use, etc. Recently, solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, solid polymer electrolyte fuel cells, and alkaline aqueous fuel cells are mainly used depending on the type of electrolyte used. Generally, it is classified into five types.
These fuel cells use hydrogen gas generated from methane or the like as a fuel. Recently, a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known. Yes.
In such a fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell having a structure in which a solid polymer membrane is sandwiched between two types of catalyst and these members are sandwiched between a gas diffusion layer (GDL) and a separator. (Hereinafter also referred to as PEFC) is attracting attention.
このPEFCにおいては、固体高分子電解質膜の両側に、空気極(酸素極)、燃料極(水素極)を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造となっている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着被膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている(特許文献1、2、3)。
As such a separator, a metal separator is preferable from the viewpoint of cost and strength, but there is a problem in corrosion resistance. For this reason, metal separators formed with a conductive electrodeposition coating to impart corrosion resistance have been developed (
しかしながら、電着被膜を金属基板上に形成した従来の金属セパレータでは、電着被膜の形成時に発生する水素ガスや、熱硬化時の出ガス等によりピンホールが生じる可能性が高く、また、厚みムラによる薄い部位が生じ易く、耐食性の劣化、接続抵抗の増大を来たすという問題があった。特に、金属基板としてアルミニウム等の耐食性の低い金属を使用した場合、ピンホールの発生は燃料電池用セパレータとして使用する上で大きな問題となっている。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供することを目的とする。
However, in a conventional metal separator in which an electrodeposition coating is formed on a metal substrate, there is a high possibility that pinholes will occur due to hydrogen gas generated during the formation of the electrodeposition coating, outgassing during thermosetting, etc. Thin portions due to unevenness are likely to occur, and there is a problem that the corrosion resistance is deteriorated and the connection resistance is increased. In particular, when a metal having low corrosion resistance such as aluminum is used as the metal substrate, the generation of pinholes is a serious problem when used as a fuel cell separator.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a separator for a fuel cell that is excellent in strength and corrosion resistance and has low connection resistance, and a method for manufacturing the same.
このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、少なくとも一方の面に溝部を有する金属基板と、該金属基板の表裏両面および前記溝部を含む全面を被覆するように電着により形成された導電性樹脂層とを備え、該導電性樹脂層のうち金属基板の表裏両面を被覆する領域は導電性樹脂層に生じている微細凹部に耐食性樹脂層が充填されて平坦面が形成されており、前記溝部を被覆する領域を含む前記導電性樹脂層の他の領域は耐食性樹脂層で被覆されており、前記導電性樹脂層は導電材料を含有しており、前記耐食性樹脂層は電気絶縁性であるような構成とした。 In order to achieve such an object, the separator of the present invention is formed by electrodeposition so as to cover a metal substrate having a groove on at least one surface and both the front and back surfaces of the metal substrate and the entire surface including the groove. A region of the conductive resin layer that covers both the front and back surfaces of the metal substrate is formed by filling a fine recess formed in the conductive resin layer with a corrosion-resistant resin layer to form a flat surface. And the other region of the conductive resin layer including the region covering the groove is covered with a corrosion-resistant resin layer, the conductive resin layer contains a conductive material, and the corrosion-resistant resin layer is electrically insulated. It was set as the structure which is sex.
また、本発明のセパレータは、複数の貫通孔を有する金属基板と、該金属基板の表裏両面および前記貫通孔の壁面を含む全面を被覆するように電着により形成された導電性樹脂層とを備え、該導電性樹脂層のうち金属基板の表裏両面を被覆する領域は導電性樹脂層に生じている微細凹部に耐食性樹脂層が充填されて平坦面が形成されており、前記貫通孔の壁面を被覆する領域を含む前記導電性樹脂層の他の領域は耐食性樹脂層で被覆されており、前記導電性樹脂層は導電材料を含有しており、前記耐食性樹脂層は電気絶縁性であるような構成とした。 The separator of the present invention comprises a metal substrate having a plurality of through holes, and a conductive resin layer formed by electrodeposition so as to cover both the front and back surfaces of the metal substrate and the entire surface including the wall surfaces of the through holes. A region of the conductive resin layer that covers both the front and back surfaces of the metal substrate is formed with a flat surface formed by filling a fine recess formed in the conductive resin layer with a corrosion-resistant resin layer, and the wall surface of the through hole The other region of the conductive resin layer including the region covering the surface is covered with a corrosion-resistant resin layer, the conductive resin layer contains a conductive material, and the corrosion-resistant resin layer is electrically insulating. The configuration was
本発明の他の態様として、前記金属基板は、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金のいずれかからなるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも1種であるような構成とした。
As another aspect of the present invention, the metal substrate is made of any one of stainless steel, aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, titanium, titanium alloy, magnesium, magnesium alloy, iron, and iron nickel alloy. .
As another aspect of the present invention, the conductive material is configured to be at least one of carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals.
本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて、少なくとも一方の面に溝部を有する金属基板の表裏両面および前記溝部を含む全面を被覆するように金属基板上に電着にて導電性樹脂層を形成する工程と、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて、前記導電性樹脂層を被覆するように電着にて耐食性樹脂層を形成する工程と、該耐食性樹脂層のうち金属基板の表裏両面に位置する前記導電性樹脂層を被覆する領域のみを除去して導電性樹脂層を露出させて平坦面を形成する工程と、を有するような構成とした。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention uses an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in a resin having electrodeposition properties, and both the front and back surfaces of a metal substrate having grooves on at least one surface and the grooves. Forming a conductive resin layer on the metal substrate by electrodeposition so as to cover the entire surface including the electrodeposition, and electrodeposition so as to cover the conductive resin layer using an electrically insulating and corrosion-resistant electrodeposition paint A step of forming a corrosion-resistant resin layer, and removing only regions of the corrosion-resistant resin layer covering the conductive resin layers located on both the front and back surfaces of the metal substrate to expose the conductive resin layer, thereby forming a flat surface. And a forming step.
また、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて、複数の貫通孔を有する金属基板の表裏両面および前記貫通孔の壁面を含む全面を被覆するように金属基板上に電着にて導電性樹脂層を形成する工程と、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて、前記導電性樹脂層を被覆するように電着にて耐食性樹脂層を形成する工程と、該耐食性樹脂層のうち金属基板の表裏両面に位置する前記導電性樹脂層を被覆する領域のみを除去して導電性樹脂層を露出させて平坦面を形成する工程と、を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記耐食性樹脂層は、電着にて前記導電性樹脂層を被覆するように耐食電着塗料を付着させた後、熱処理を施して耐食電着塗料を熱フローさせて形成するような構成とした。
Further, the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention uses an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in an electrodepositable resin, and both the front and back surfaces of a metal substrate having a plurality of through holes and the penetration A step of forming a conductive resin layer on the metal substrate by electrodeposition so as to cover the entire surface including the wall surface of the hole, and a coating of the conductive resin layer using an electrically insulating and corrosion-resistant electrodeposition paint. Forming a corrosion-resistant resin layer by electrodeposition, and removing only the region of the corrosion-resistant resin layer covering the conductive resin layer located on both the front and back surfaces of the metal substrate to expose the conductive resin layer. And a step of forming a flat surface.
As another aspect of the present invention, the corrosion-resistant resin layer is formed by depositing a corrosion-resistant electrodeposition paint so as to cover the conductive resin layer by electrodeposition, and then heat-treating the corrosion-resistant electrodeposition paint to heat flow. It was set as the structure which forms.
本発明のセパレータは、金属基板を被覆する導電性樹脂層により耐食性が付与され、さらに、導電性樹脂層のうち金属基板の表裏両面を被覆する領域では、導電性樹脂層に生じている微細凹部に耐食性樹脂層が充填されて平坦面が形成されているので、金属基板の表裏両面において安定した耐食性が維持されとともに、セパレータの表面接触抵抗がより低減され、また、溝部あるいは貫通孔の壁面を被覆する領域を含む導電性樹脂層の他の領域は耐食性樹脂層で被覆されているので、これらの領域での耐食性がより高いものとなり、これにより、高い強度と優れた耐食性を具備したものとなる。 The separator of the present invention is provided with corrosion resistance by the conductive resin layer covering the metal substrate. Further, in the region of the conductive resin layer covering both the front and back surfaces of the metal substrate, the fine recesses generated in the conductive resin layer. Since a flat surface is formed by being filled with a corrosion-resistant resin layer, stable corrosion resistance is maintained on both the front and back surfaces of the metal substrate, and the surface contact resistance of the separator is further reduced. Other regions of the conductive resin layer including the region to be coated are coated with the corrosion-resistant resin layer, so that the corrosion resistance in these regions is higher, thereby providing high strength and excellent corrosion resistance. Become.
本発明のセパレータの製造方法では、導電性樹脂層を電着により形成し、その後、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて、導電性樹脂層を被覆するように電着にて耐食性樹脂層を形成するので、電着による導電性樹脂層の形成段階でピンホールや厚みの薄い部位である微細凹部が生じても、電着による耐食性樹脂層の形成により微細凹部が確実に埋められとともに、導電性樹脂層が耐食性樹脂層により被覆され、その後、金属基板の表裏両面を被覆する耐食性樹脂層のみが除去されて導電性樹脂層が露出した平坦面が形成され、他の領域の耐食性樹脂層はそのまま残されるので、優れた耐食性を具備したセパレータの製造が可能である。 In the method for producing a separator of the present invention, a conductive resin layer is formed by electrodeposition, and thereafter, an electrically insulating and corrosion-resistant electrodeposition coating is used to coat the conductive resin layer so as to cover the conductive resin layer. Therefore, even if a pinhole or a fine recess that is a thin part is formed in the formation step of the conductive resin layer by electrodeposition, the fine recess is surely filled by the formation of the corrosion-resistant resin layer by electrodeposition, The conductive resin layer is coated with a corrosion-resistant resin layer, and thereafter, only the corrosion-resistant resin layer covering both the front and back surfaces of the metal substrate is removed to form a flat surface with the conductive resin layer exposed, and the other areas of the corrosion-resistant resin layer Is left as it is, it is possible to produce a separator having excellent corrosion resistance.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[セパレータ]
図1は本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図であり、図2は図1において鎖線で囲まれた部位の拡大部分断面図である。図1および図2において、本発明のセパレータ1は、金属基板2と、この金属基板2の両面に形成された溝部3と、金属基板2の表面2A、裏面2B、および、溝部3を含む金属基板2の全面を被覆するように電着により形成された導電性樹脂層4とを備えている。また、この導電性樹脂層4のうち金属基板2の表面2A、裏面2Bを被覆する領域は、導電性樹脂層4に生じている微細凹部4aに耐食性樹脂層5aが充填されて平坦面が形成されている。さらに、導電性樹脂層4の他の領域、すなわち、溝部3、金属基板2の端面2Cを被覆する領域は、耐食性樹脂層5bで被覆されている。そして、導電性樹脂層4は導電材料を含有しており、耐食性樹脂層5a,5bは電気絶縁性である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Separator]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an embodiment of a separator for a fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of a portion surrounded by a chain line in FIG. 1 and 2, a
また、図3は本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図であり、図4は図3において鎖線で囲まれた部位の拡大部分断面図である。図3および図4において、本発明のセパレータ11は、金属基板12と、この金属基板12に形成された複数の貫通孔13と、金属基板12の表面12A、裏面12B、および、貫通孔13の壁面を含む金属基板12の全面を被覆するように電着により形成された導電性樹脂層14とを備えている。また、この導電性樹脂層14のうち金属基板12の表面12A、裏面12Bを被覆する領域は、導電性樹脂層14に生じている微細凹部14aに耐食性樹脂層15aが充填されて平坦面が形成されている。さらに、導電性樹脂層14の他の領域、すなわち、貫通孔13の壁面、金属基板12の端面12Cを被覆する領域は、耐食性樹脂層15bで被覆されている。そして、導電性樹脂層14は導電材料を含有しており、耐食性樹脂層15a,15bは電気絶縁性である。
3 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the separator for a fuel cell of the present invention, and FIG. 4 is an enlarged partial cross-sectional view of a portion surrounded by a chain line in FIG. 3 and 4, the
セパレータ1,11を構成する金属基板2,12の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金等が挙げられる。
金属基板2が有する溝部3は、セパレータ1が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部3の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基板2の一方の面のみに溝部3を備えるものであってもよい。このような溝部3の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基板2の表裏で、溝部3の形状が異なるものであってもよい。
The material of the
When the
また、金属基板12が有する貫通孔13は、セパレータ11が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔13の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
セパレータ1を構成する導電性樹脂層4とセパレータ11を構成する導電性樹脂層14は、導電性を有するとともに、金属基板2,12に耐食性を付与するためのものであり、例えば、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。また、本発明において、導電性樹脂層4,14に生じている微細凹部4a,14aは、図2、図4に示すように、導電性樹脂層4,14の形成段階で生じたピンホールや厚みの薄い部位である。したがって、微細凹部4a,14aの個数、位置には何ら規定はなく、微細凹部4a,14aが導電性樹脂層4,14に存在しない場合も本発明の範疇となる。
Further, the through
The
耐食性樹脂層5a,15aは、上述のような導電性樹脂層4,14に生じている微細凹部4a,14aを充填して、微細凹部4a,14aにおける導電性樹脂層4,14の耐食性低下を抑制するものであり、また、耐食性樹脂層5b,15bは、溝部3や貫通孔13の壁面、金属基板2,12の端部2C,12Cに位置する導電性樹脂層4,14を被覆して耐食性を更に向上させるものである。このような耐食性樹脂層5a,15aおよび耐食性樹脂層5b,15bは、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて形成することができる。耐食電着塗料を構成する樹脂としては、例えば、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂等を挙げることができる。
電着により形成された導電性樹脂層4,14の厚みは、1〜50μm、好ましくは10〜30μmの範囲とすることができる。導電性樹脂層4,14の厚みが1μm未満であると、ピンホールや厚みムラ等の欠陥箇所の発生頻度が高過ぎて、耐食性樹脂層5a,15aによる修復が不完全となるおそれがある。また、導電性樹脂層4,14の厚みが50μmを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、製造コストの増大を来すことがあり好ましくない。
The corrosion-
The thickness of the
一方、耐食性樹脂層5a,15aの厚みは、微細凹部4a,14aに充填されて導電性樹脂層4,14の表面を平坦面とするに足る厚みであればよく、したがって、耐食性樹脂層5a,15aの厚みは導電性樹脂層4,14の厚み以下となる。また、耐食性樹脂層5b,15bは、耐食性樹脂層5a,15aによる微細凹部4a,14aの充填が可能な厚みであればよく、例えば、導電性樹脂層4,14の厚み以上であり、上限は30μm、好ましくは10μm程度である。耐食性樹脂層5a,15aの厚みが30μmを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、製造コストの増大を来すことがあり好ましくない。
On the other hand, the thickness of the corrosion-
導電性樹脂層4,14に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の含有率は、導電性樹脂層4,14に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、30〜70重量%の範囲で設定することができる。
Examples of the conductive material contained in the
このような本発明では、金属基板2,12を被覆する導電性樹脂層4,14により耐食性が付与される。また、導電性樹脂層4,14のうち金属基板2,12の表裏両面を被覆する領域では、導電性樹脂層4,14に生じている微細凹部4a,14aに耐食性樹脂層5a,15aが充填されて平坦面が形成されているので、金属基板2,12の表裏両面における耐食性が確実に発現されるとともに、セパレータの表面接触抵抗が低減される。さらに、溝部3あるいは貫通孔13の壁面を被覆する領域を含む導電性樹脂層4,14の他の領域は耐食性樹脂層5b、15bで被覆されているので、これらの領域での耐食性がより高いものとなり、これにより、セパレータ1,11は高い強度と優れた耐食性を具備したものとなる。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
In the present invention, corrosion resistance is imparted by the
The above-described embodiments of the separator of the present invention are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
[セパレータの製造方法]
次に、本発明のセパレータの製造方法について説明する。
図5は、図1及び図2に示されるセパレータ1を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。本発明の製造方法では、まず、金属板材2′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト7,7を形成し、このレジスト7,7をマスクとして両面から金属板材2′をエッチングして溝部3,3を形成する(図5(A))。その後、レジスト7,7を剥離して金属基板2を得る(図5(B))。
次に、この金属基板2の全面(図示例では、表面2A、裏面2B、端面2Cおよび溝部3)に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いた電着により成膜し、その後、硬化させて導電材料を含有した導電性樹脂層4を形成する(図5(C))。
[Manufacturing method of separator]
Next, the manufacturing method of the separator of this invention is demonstrated.
FIG. 5 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the
Next, on the entire surface of the metal substrate 2 (in the illustrated example, the
導電性樹脂層4の形成に使用するアニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
Examples of the anionic synthetic polymer resin used for forming the
Further, in order to impart tackiness to the above-described synthetic polymer resin having electrodeposition properties, a tackifier resin such as rosin, terpene, and petroleum resin may be added as necessary.
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
また、使用する導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層に導電性を付与するために好適である。
Such an electrodepositable synthetic polymer resin is subjected to electrodeposition in a state where it is neutralized with an alkaline or acidic substance and solubilized in water, or in an aqueous dispersion state. That is, the anionic synthetic polymer resin is neutralized with amines such as trimethylamine, diethylamine, dimethylethanolamine and diisopropanolamine, and inorganic alkalis such as ammonia and caustic potash. The cationic synthetic polymer resin is neutralized with an acid such as formic acid, acetic acid, propionic acid, or lactic acid. The neutralized water-soluble polymer resin is used in a state of being diluted in water as a water-dispersed type or a dissolved type.
In addition, examples of the conductive material used include carbon materials such as carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals, but if an acid-resistant and conductive material is obtained, It is not limited to these conductive materials. In particular, fine fibrous carbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns are suitable for imparting conductivity to the resin layer.
上記のような導電性樹脂層4の形成は、導電性樹脂層4にピンホールや厚みムラによる薄い部位を生じないように電着条件を設定して行われるが、電着被膜の形成時に発生する水素ガスや、熱硬化時の出ガス等によりピンホールや厚みムラによる薄い部位等の微細凹部4aが生じる場合がある。
次いで、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて、導電性樹脂層4を被覆するように電着にて耐食性樹脂層5を形成し(図5(D))。その後、耐食性樹脂層5のうち金属基板2の表面2Aと裏面2Bに位置する導電性樹脂層4を被覆する領域のみを除去して、導電性樹脂層4を露出させて平坦面を形成する(図5(E))。これにより、導電性樹脂層4のうち金属基板2の表面2A、裏面2Bを被覆する領域は、導電性樹脂層4に生じている微細凹部4aに耐食性樹脂層5が耐食性樹脂層5aとして充填された状態で平坦面が形成される。また、導電性樹脂層4の他の領域、すなわち、溝部3、金属基板2の端面2Cを被覆する領域は、耐食性樹脂層5がそのまま残された耐食性樹脂層5bで被覆されたものとなり、セパレータ1が得られる。
The formation of the
Next, a corrosion-
耐食電着塗料としては、例えば、上述の導電性樹脂層4の形成で挙げたような電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂を含有する塗料を使用することがでる。
また、耐食性樹脂層5は、電着にて導電性樹脂層を被覆するように耐食電着塗料を付着させた後、熱処理を施して耐食電着塗料を熱フローさせて形成してもよい。この場合、耐食性樹脂層5bの形成に用いる樹脂の溶融温度は、導電性樹脂層4を構成する樹脂の溶融温度よりも低いことが好ましく、例えば、導電性樹脂層4を構成する樹脂の溶融温度との温度差が5〜30℃程度となるものを適宜選択して使用することができる。また、耐食電着塗料を導電性樹脂層4上に付着させた後の熱処理は、導電性樹脂層4を構成する樹脂の溶融温度よりも低く、使用する耐食性樹脂の溶融温度よりも高い温度で行われ、加熱手段には特に制限はない。
As the corrosion-resistant electrodeposition paint, for example, a paint containing various anionic or cationic synthetic polymer resins having electrodeposition properties as mentioned in the formation of the
Alternatively, the corrosion-
また、耐食性樹脂層5のうち金属基板2の表面2Aと裏面2Bに位置する導電性樹脂層4を被覆する領域のみの除去は、バフ研磨機、ロール式研磨機等を用いた研削により行うことができる。
図6は、図3および図4に示されるセパレータ11を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。図6において、金属板材12′の両面にフォトリソグラフィーにより、複数の開口部を有し、かつ、各開口部は金属板材12′を介して対向するように位置しているパターン形状のレジスト17,17を形成する。次いで、このレジスト17,17をマスクとして両面から金属板材12′をエッチングして複数の貫通孔13を穿設する(図6(A))。その後、レジスト17,17を剥離して金属基板12を得る(図6(B))。
貫通孔13の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
Moreover, the removal of only the area | region which coat | covers the
FIG. 6 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the
The through-
次に、この金属基板12の全面(図示例では、表面12A、裏面12B、端面12Cおよび貫通孔13の内壁面)に、導電性樹脂層14を形成する(図6(C))。この導電性樹脂層14の形成は、上述の導電性樹脂層4の形成と同様に行うことができ、導電性樹脂層14にピンホールや厚みムラによる薄い部位を生じないように電着条件を設定して行われる。しかし、電着被膜の形成時に発生する水素ガスや、熱硬化時の出ガス等によりピンホールや厚みムラによる薄い部位等の微細凹部14aが生じる場合がある。
次いで、導電性樹脂層14を被覆するように、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて電着により耐食性樹脂層15を形成する(図6(D))。この耐食性樹脂層15の形成は、上述の耐食性樹脂層5の形成と同様に行うことができる。
Next, the
Next, the corrosion-
次に、耐食性樹脂層15のうち金属基板12の表面12Aと裏面12Bに位置する導電性樹脂層14を被覆する領域のみを除去して、導電性樹脂層14を露出させて平坦面を形成する(図6(E))。これにより、導電性樹脂層14のうち金属基板12の表面12A、裏面12Bを被覆する領域は、導電性樹脂層14に生じている微細凹部14aに耐食性樹脂層15が耐食性樹脂層15aとして充填された状態で平坦面が形成される。また、導電性樹脂層14の他の領域、すなわち、貫通孔13の内壁面、金属基板12の端面12Cを被覆する領域は、耐食性樹脂層15がそのまま残された耐食性樹脂層15bで被覆されたものとなり、セパレータ11が得られる。尚、耐食性樹脂層15のうち金属基板12の表面12Aと裏面12Bに位置する導電性樹脂層14を被覆する領域のみの除去は、バフ研磨機、ロール式研磨機等を用いた研削により行うことができる。
Next, only the area | region which coat | covers the
このような本発明のセパレータの製造方法では、導電性樹脂層4,14を電着により形成し、その後、電気絶縁性の耐食電着塗料を用いて、導電性樹脂層4,14を被覆するように電着にて耐食性樹脂層5,15を形成するので、電着による導電性樹脂層4,14の形成段階でピンホールや厚みの薄い部位である微細凹部4a,14aが生じても、電着による耐食性樹脂層15の形成により微細凹部4a,14aが確実に埋められとともに、導電性樹脂層4,14が耐食性樹脂層5,15により被覆される。その後、金属基板の表裏両面を被覆する耐食性樹脂層5,15のみが除去されて、微細凹部4a,14aが耐食性樹脂層5a,15aで充填された導電性樹脂層4,14が露出した平坦面が形成され、他の領域の耐食性樹脂層15はそのまま耐食性樹脂層5b,15bとして残されるので、優れた耐食性を具備したセパレータの製造が可能である。
上述のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
In such a separator manufacturing method of the present invention, the
The above-described embodiments of the separator manufacturing method are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.
[本発明のセパレータを用いた燃料電池の例]
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図7〜図10を参照して説明する。図7は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図8は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図であり、図9および図10は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図7〜図10において、高分子電解質型燃料電池21は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)31とセパレータ41とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
MEA31は、図8に示されるように、高分子電解質膜32の一方の面に配設された触媒層33とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)34とからなる燃料極(水素極)35と、高分子電解質膜32の他方の面に配設された触媒層36とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)37とからなる空気極(酸素極)38を備えている。
[Example of fuel cell using separator of the present invention]
Here, an example of a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a partial configuration diagram for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 8 is a diagram for explaining a membrane electrode assembly constituting the polymer electrolyte fuel cell. FIG. 10 is a perspective view showing the state in which the separator of the polymer electrolyte fuel cell and the membrane electrode assembly are separated from different directions.
7 to 10, the polymer
As shown in FIG. 8, the
セパレータ41は、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Aと、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に冷却水用溝部44bを備えたセパレータ41Bと、一方の面に冷却水用溝部43bを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Cとからなっている。このようなセパレータ41A,41B,41Cは、本発明のセパレータであり、図1に示されるような導電性樹脂層4と耐食性樹脂層5a,5bが形成されているが、図示例では、省略している。
The separator 41 has a fuel
各セパレータ41A,41B,41Cと上記の高分子電解質膜32の所定位置には、2個の燃料ガス供給孔45a,45b、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46b、2個の冷却水供給孔47a,47bが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ41Aの酸化剤ガス供給用溝部44aが形成されている面に、MEA31の空気極(酸素極)38が当接し、セパレータ41Bの燃料ガス供給用溝部43aが形成されている面に、MEA31の燃料極(水素極)35が当接するように、また、セパレータ41Bの冷却水用溝部44bが形成された面とセパレータ41Cの冷却水用溝部43bが形成された面とが当接するように、各セパレータ41A,41B,41Cと単位セルであるMEA31が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池21が構成されている。このように積層された状態で、上記の2個の燃料ガス供給孔45a,45bはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46bはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、2個の冷却水供給孔47a,47bはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。
Two fuel
また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図11〜図13を参照して説明する。図11は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図12は図11に示される高分子電解質型燃料電池のA−A線での縦断面図であり、図13は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
図11および図12に示されるように、高分子電解質型燃料電池51は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)61とセパレータ71A,71Bとからなる単位セル52を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分(図11では4個分)の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル52の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部55を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部55のくり抜き部に単位セル52を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル52と絶縁部55とを平面状に設けているものである。
Another example of a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 is a plan view for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 12 is a longitudinal sectional view taken along the line AA of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. FIG. 2 is a view for explaining a membrane electrode assembly constituting a polymer electrolyte fuel cell.
As shown in FIGS. 11 and 12, the polymer
この高分子電解質型燃料電池51は、絶縁部55のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部57cを設けている。そして、この表裏接続部57cを、接続配線57aを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ71A(例えば、燃料極側セパレータ)に接続し、また、接続配線57bを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ71B(例えば、空気極側セパレータ)に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Aと、他方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Bには、配線75,76が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を4個としているが、単位セルの個数には制限はない。
The polymer
In the illustrated example, the number of unit cells is four, but the number of unit cells is not limited.
絶縁部55は、接続部57(接続配線57a,57bおよび表裏接続部57c)で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部55の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部55は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部57の表裏接続部57cとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部57cは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
The insulating
As the front and
また、MEA61は、図13に示されるように、高分子電解質膜62の一方の面に配設された触媒層63とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)64とからなる燃料極(水素極)65と、高分子電解質膜62の他方の面に配設された触媒層66とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)67とからなる空気極(酸素極)68を備えている。
セパレータ71A,71Bは、図3に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基板に導電性樹脂層14と耐食性樹脂層15a,15bを有するものである。
As shown in FIG. 13, the
The
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[実施例1]
金属板材として、厚み0.8mmのSUS304(80mm×80mm)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
<溝部の形成>
次に、このSUS304の両面に、感光材料(カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物)をディップコート法により塗布して厚み7μmの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により60秒間照射)、現像(40℃温水をスプレー)してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してステンレス板の両面から70℃に加熱した塩化第二鉄溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、80℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基板を得た。
Next, the present invention will be described in more detail by showing specific examples.
[Example 1]
As the metal plate material, SUS304 (80 mm × 80 mm) having a thickness of 0.8 mm was prepared, and the surface was degreased.
<Formation of groove>
Next, a photosensitive material (a mixture of casein and ammonium dichromate) is applied to both surfaces of this SUS304 by a dip coating method to form a 7 μm-thick coating film, which is exposed through a photomask for groove formation ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 60 seconds) and developing (spraying with hot water at 40 ° C.).
Next, a ferric chloride solution heated to 70 ° C. was sprayed from both sides of the stainless steel plate through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with an aqueous caustic soda solution at 80 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering at a runout width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.
<導電性樹脂層の形成>
次に、金属基板に対して、40℃の塩酸水溶液(水9部に35%塩酸1部を添加)を用いて前処理を施し水洗した。
次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック(Cabot(株)製 Vulcan XC−72)を樹脂固形分100重量部に対して75重量部添加し分散させて、電着液とした。
この電着液を20℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基板を浸漬し、極間40mm、電圧50Vで30秒間電着を行い、引き上げた金属基板を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥(150℃、3分間)し、さらに、窒素雰囲気中で180℃、1時間の熱処理を施した。これにより、金属基板を被覆するように厚み20μmの導電性樹脂層が形成された。この導電性樹脂層を構成するエポキシ樹脂の溶融温度は160℃であった。また、形成した導電性樹脂層の表面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察した結果、微細凹部(直径が10〜100μmの円形のピンホール、あるいは、厚みムラによる薄い部位)が、平均で10個/mm2の割合で存在するものであった。
<Formation of conductive resin layer>
Next, the metal substrate was pretreated with an aqueous hydrochloric acid solution at 40 ° C. (1 part of 35% hydrochloric acid was added to 9 parts of water) and washed with water.
Next, 75 parts by weight of carbon black (Vulcan XC-72 manufactured by Cabot Co., Ltd.) as a conductive material was added to and dispersed in the epoxy electrodeposition liquid with respect to 100 parts by weight of the resin solids to obtain an electrodeposition liquid.
The electrodeposition liquid was stirred at 20 ° C., the metal substrate was immersed in the electrodeposition solution, electrodeposition was performed at a gap of 40 mm and a voltage of 50 V for 30 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water. Then, it dried with hot air (150 degreeC, 3 minutes) with the dryer, and also heat-processed at 180 degreeC for 1 hour in nitrogen atmosphere. As a result, a conductive resin layer having a thickness of 20 μm was formed so as to cover the metal substrate. The melting temperature of the epoxy resin constituting this conductive resin layer was 160 ° C. Moreover, as a result of observing the surface of the formed conductive resin layer with a scanning electron microscope (SEM), the average number of fine concave portions (circular pinholes having a diameter of 10 to 100 μm or thin portions due to uneven thickness) was 10 / Mm 2 was present.
尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル(エポキシ当量910)1000重量部を撹拌下に70℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル463重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン80.3重量部を加えて100℃で2時間反応させてアミンエポキシ付加物(A)を調製した。
また、コロネートL(日本ポリウレタン(株)製 ジイソシアネート:NCO13%の不揮発分75重量%)875重量部にジブチル錫ラウレート0.05重量部を加え50℃に加熱し、これに2−エチルヘキサノール390重量部を添加し、その後、120℃で90分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル130重量部で希釈した成分(B)を得た。
次に、上記のアミンエポキシ付加物(A)1000重量部と成分(B)400重量部からなる混合物を、氷酢酸30重量部で中和した後、脱イオン水570重量部を用いて希釈し、不揮発分50重量%の樹脂Aを調製した。この樹脂A200.2重量部(樹脂成分86.3容量)、脱イオン水583.3重量部、およびジブチル錫ラウレート2.4重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
The epoxy electrodeposition solution used was prepared as follows.
First, 1000 parts by weight of diglycidyl ether of bisphenol A (epoxy equivalent 910) was dissolved in 463 parts by weight of ethylene glycol monoethyl ether while maintaining the temperature at 70 ° C. with stirring, and further 80.3 parts by weight of diethylamine was added to 100 parts. An amine epoxy adduct (A) was prepared by reacting at 2 ° C. for 2 hours.
Coronate L (manufactured by Nippon Polyurethane Co., Ltd. diisocyanate:
Next, the mixture consisting of 1000 parts by weight of the above-described amine epoxy adduct (A) and 400 parts by weight of component (B) is neutralized with 30 parts by weight of glacial acetic acid, and then diluted with 570 parts by weight of deionized water. A resin A having a nonvolatile content of 50% by weight was prepared. An epoxy electrodeposition solution was prepared by blending 200.2 parts by weight of this resin A (resin component 86.3 volumes), 583.3 parts by weight of deionized water, and 2.4 parts by weight of dibutyltin laurate.
<耐食性樹脂層の形成>
耐食電着塗料として(関西ペイント(株)製 エレクロンKG400)を準備し、この耐食電着塗料を20℃に保って撹拌し、この中に上記の導電性樹脂層で被覆された金属基板を浸漬し、極間700mm、電圧200Vで60秒間電着を行い、引き上げた金属基板を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥(150℃、3分間)し、さらに、窒素雰囲気中で140℃、20分の熱処理を施した。これにより、導電性樹脂層を被覆するように厚み15μmの耐食性樹脂層が形成され、上記の導電性樹脂層に存在していた微細凹部は完全に耐食性樹脂層で充填された状態であった。尚、この耐食性樹脂層を構成する樹脂の溶融温度は130℃であった。
<Formation of corrosion-resistant resin layer>
Prepare an anti-corrosion electrodeposition paint (Electron KG400, manufactured by Kansai Paint Co., Ltd.), stir the anti-corrosion electrodeposition paint at 20 ° C., and immerse the metal substrate covered with the conductive resin layer in this Then, electrodeposition was performed at a gap of 700 mm and a voltage of 200 V for 60 seconds, and the pulled metal substrate was washed with pure water. Then, it dried with hot air (150 degreeC, 3 minutes) with the dryer, and also heat-processed for 140 minutes at 140 degreeC in nitrogen atmosphere. As a result, a corrosion-resistant resin layer having a thickness of 15 μm was formed so as to cover the conductive resin layer, and the fine recesses present in the conductive resin layer were completely filled with the corrosion-resistant resin layer. The melting temperature of the resin constituting this corrosion resistant resin layer was 130 ° C.
<耐食性樹脂層の研削>
上記のように形成した耐食性樹脂層のうち金属基板の表面と裏面に位置する導電性樹脂層を被覆する領域のみをバフ研磨機を用いて研削除去して、導電性樹脂層を露出させて平坦面を形成した。このように形成された導電性樹脂層の平坦面では、導電性樹脂層に生じていた微細凹部に耐食性樹脂層が充填された状態であった。また、導電性樹脂層の他の領域、すなわち、溝部、金属基板の端面を被覆する領域は、耐食性樹脂層で被覆された状態であった。これにより、セパレータを得た。
<Grinding of corrosion-resistant resin layer>
Of the corrosion-resistant resin layer formed as described above, only the region covering the conductive resin layer located on the front and back surfaces of the metal substrate is ground and removed using a buffing machine, and the conductive resin layer is exposed and flattened. A surface was formed. On the flat surface of the conductive resin layer formed in this way, the corrosion-resistant resin layer was filled in the fine recesses generated in the conductive resin layer. Moreover, the other area | region, ie, the area | region which coat | covers the groove part and the end surface of a metal substrate, was the state coat | covered with the corrosion-resistant resin layer. This obtained the separator.
作製した上記のセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定した結果、20mΩ・cm2であり、電気抵抗が低いことが確認された。
(電気抵抗の測定方法)
セパレータをガス拡散層(東レ(株)製 TGP−H−060 190μm厚)
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ5mmの電極
で挟み込んで圧着(圧力:20kgf/cm2)し、電極間の抵抗を測定する。
As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the produced separator by the following method, it was 20 mΩ · cm 2 , and it was confirmed that the electrical resistance was low.
(Measurement method of electrical resistance)
Separator gas diffusion layer (TGP-H-060 190μm thickness manufactured by Toray Industries, Inc.)
Between the two electrodes, and further sandwiched between 5 mm thick copper-plated copper electrodes (pressure: 20 kgf / cm 2 ) to measure the resistance between the electrodes.
また、上記のセパレータについて、下記の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
(耐食性試験の条件)
5%の塩水に塩化第二銅(二水和物)0.027重量%を添加した噴霧試験液を
用い、噴霧槽内の温度を50℃としてキャス(CASS)試験を行い、1000
時間後に赤錆の発生が見られない場合を、耐食性が良好であるとする。
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the above-described separator under the following conditions, it was confirmed that the separator had good corrosion resistance.
(Conditions for corrosion resistance test)
Using a spray test solution in which 0.027% by weight of cupric chloride (dihydrate) was added to 5% salt water, a CASS test was conducted at a temperature of 50 ° C. in the spray tank.
When the occurrence of red rust is not observed after a certain period of time, the corrosion resistance is considered good.
[実施例2]
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmのアルミニウム合金(P5052A)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト(ニチゴー・モートン(株)製)をラミネートして35μm厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により15秒間照射)、現像(30℃の2%炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー)してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から45℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、50℃の5%炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基板を得た。
[Example 2]
An aluminum alloy (P5052A) having a size of 80 mm × 80 mm and a thickness of 0.8 mm was prepared as a metal plate material, and the surface was degreased.
Next, a dry film resist (manufactured by Nichigo Morton Co., Ltd.) is laminated on both surfaces of the aluminum alloy to form a 35 μm-thick photosensitive resist layer, and then exposed through a photomask for forming a groove ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 15 seconds) and developing (spraying a 2% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 30 ° C.).
Next, a ferric chloride aqueous solution heated to 45 ° C. was sprayed from both sides of the aluminum alloy through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with a 5% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 50 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering at a runout width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.
次に、上記の金属基板に対して、硝酸水溶液を用いて前処理(不動態膜除去)を施し、水洗した。
次に、上記の金属基板に対して、実施例1と同様にして、導電性樹脂層を形成した。形成した導電性樹脂層の表面を実施例1と同様に観察した結果、微細凹部(直径が10〜100μmの円形のピンホール、あるいは、厚みムラによる薄い部位)が、平均で15個/mm2の割合で存在するものであった。
次いで、実施例1と同様にして、導電性樹脂層を被覆するように耐食性樹脂層を形成し、その後、耐食性樹脂層のうち金属基板の表面と裏面に位置する導電性樹脂層を被覆する領域のみをバフ研磨機を用いて研削除去して、セパレータを得た。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、17mΩ・cm2であり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
Next, pretreatment (passivation film removal) was performed on the above metal substrate using an aqueous nitric acid solution, followed by washing with water.
Next, a conductive resin layer was formed on the metal substrate in the same manner as in Example 1. As a result of observing the surface of the formed conductive resin layer in the same manner as in Example 1, the average number of fine concave portions (circular pinholes having a diameter of 10 to 100 μm or thin portions due to uneven thickness) was 15 / mm 2. Existed at a rate of.
Next, in the same manner as in Example 1, a corrosion-resistant resin layer is formed so as to cover the conductive resin layer, and then the region of the corrosion-resistant resin layer that covers the conductive resin layers located on the front and back surfaces of the metal substrate. Only a buffing machine was used to grind and remove to obtain a separator.
As a result of measuring the electrical resistance of the front and back conduction in the separator produced as described above by the same method as in Example 1, it was 17 mΩ · cm 2 , and it was confirmed that the electrical resistance was low.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the separators under the same conditions as in Example 1, it was confirmed that the separators had good corrosion resistance.
[比較例1]
導電性樹脂層の形成までを行い、耐食性樹脂層の形成とバフ研磨機を用いた研削を行わない他は、実施例1と同様にして、セパレータを作製した。
作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、30mΩ・cm2であり、実施例1のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、600時間経過で赤錆が発生しており、実施例1のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。
[Comparative Example 1]
A separator was produced in the same manner as in Example 1, except that the conductive resin layer was formed and the formation of the corrosion-resistant resin layer and grinding using a buffing machine were not performed.
As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the produced separator by the same method as in Example 1, it was 30 mΩ · cm 2 , which was larger than that of the separator in Example 1.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the above-mentioned separator under the same conditions as in Example 1, red rust was generated after 600 hours, and the corrosion resistance was inferior to that of the separator in Example 1.
[比較例2]
導電性樹脂層の形成までを行い、耐食性樹脂層の形成とバフ研磨機を用いた研削を行わない他は、実施例2と同様にして、セパレータを作製した。
作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、27mΩ・cm2であり、実施例2のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、24時間経過で酸化アルミニウムが生成しており、実施例2のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。
[Comparative Example 2]
A separator was produced in the same manner as in Example 2, except that the conductive resin layer was formed and the formation of the corrosion-resistant resin layer and grinding using a buffing machine were not performed.
The electrical resistance of front and back conduction in the produced separator was measured by the same method as in Example 1. As a result, it was 27 mΩ · cm 2 , which was higher than that of the separator in Example 2.
Moreover, as a result of conducting a corrosion resistance test on the above-described separator under the same conditions as in Example 1, aluminum oxide was produced after 24 hours, and the corrosion resistance was inferior to that of the separator in Example 2.
[比較例3]
実施例1と同様にして、溝部を備えた金属基板を作製した。
また、実施例1と同様にして電着液を調製した。
この電着液を20℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基板を浸漬し、極間40mm、電圧50Vで1分間電着を行い、引き上げた金属基板を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥(150℃、3分間)し、さらに、窒素雰囲気中で180℃、1時間の熱処理を施した。これにより、金属基板を被覆するように厚み40μmの導電性樹脂層が形成され、セパレータが得られた。形成した導電性樹脂層は、実施例1における導電性樹脂層よりも厚みが大きいものであり、この導電性樹脂層の表面を実施例1と同様に観察した結果、微細凹部(直径が10〜100μmの円形のピンホール、あるいは、厚みムラによる薄い部位)が、平均で30個/mm2の割合で存在するものであった。
[Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 1, a metal substrate provided with a groove was produced.
Further, an electrodeposition solution was prepared in the same manner as in Example 1.
The electrodeposition solution was stirred at 20 ° C., the above metal substrate was immersed in the electrodeposition solution, electrodeposition was performed at a gap of 40 mm and a voltage of 50 V for 1 minute, and the pulled metal substrate was washed with pure water, and then dried. And dried with hot air (150 ° C., 3 minutes), and further subjected to heat treatment at 180 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. As a result, a conductive resin layer having a thickness of 40 μm was formed so as to cover the metal substrate, and a separator was obtained. The formed conductive resin layer is thicker than the conductive resin layer in Example 1. As a result of observing the surface of this conductive resin layer in the same manner as in Example 1, fine recesses (diameter of 10 to 10) were observed. 100 μm circular pinholes or thin portions due to uneven thickness) existed at an average rate of 30 / mm 2 .
このように作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例1と同様の方法で測定した結果、40mΩ・cm2であり、実施例1のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
また、上記のセパレータについて、実施例1と同様の条件で耐食性試験を行った結果、1000時間経過で赤錆が発生しており、比較例1のセパレータよりは耐食性が高いものの、実施例1のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。
As a result of measuring the electrical resistance of conduction between the front and back surfaces of the separator thus produced by the same method as in Example 1, it was 40 mΩ · cm 2 , which was larger than that of the separator in Example 1.
Moreover, about the said separator, as a result of performing a corrosion resistance test on the conditions similar to Example 1, red rust has generate | occur | produced in 1000 hours progress, and although the corrosion resistance is higher than the separator of the comparative example 1, the separator of Example 1 The corrosion resistance was inferior to that.
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。 The present invention can be applied to the manufacture of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected.
1,11…セパレータ
2,12…金属基板
3…溝部
4,14…導電性樹脂層
5,5a,5b,15,15a,15b…耐食性樹脂層
13…貫通孔
21,51…高分子電解質型燃料電池
31,61…膜電極複合体(MEA)
41A,41B,41C,71A,71B…セパレータ
DESCRIPTION OF
41A, 41B, 41C, 71A, 71B ... separator
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