JP2016143596A - Conductive member, manufacturing method thereof and fuel cell separator using the same, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電部材、その製造方法、ならびにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池用セパレータ等に使用される導電部材の耐食性を向上させるための技術に関する。 The present invention relates to a conductive member, a method for producing the same, and a fuel cell separator and a polymer electrolyte fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to a technique for improving the corrosion resistance of a conductive member used for a fuel cell separator or the like.
固体高分子形燃料電池(PEFC)は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、高分子電解質膜、これを挟持する一対(アノード、カソード)の触媒層、およびこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対(アノード、カソード)のガス拡散層、を含む膜電極接合体(MEA)を有する。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのMEAと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. Each of the single cells includes a polymer electrolyte membrane, a pair of (anode, cathode) catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of (anode, cathode) gas diffusion layers sandwiching them for dispersing the supply gas. A membrane electrode assembly (MEA) is included. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. In this way, a single cell is stacked and connected to form a fuel cell stack. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a fuel cell stack, the separator exhibits a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition to this, a gas flow path is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively.
PEFCの発電メカニズムを簡単に説明すると、PEFCの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス(例えば水素ガス)が供給され、カソード側に酸化剤ガス(例えば大気、酸素)が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。 Briefly explaining the power generation mechanism of the PEFC, during operation of the PEFC, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, air or oxygen) is supplied to the cathode side. As a result, in each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds to generate electricity.
導電性が要求される燃料電池用セパレータとしては、従来のカーボンセパレータや導電性樹脂セパレータから金属セパレータへの代替が進みつつある。これは、金属セパレータが優れた強度、導電性を有することによりスタックの小型化が図れるためである。 As separators for fuel cells that require electrical conductivity, replacement of conventional carbon separators and conductive resin separators with metal separators is progressing. This is because the size of the stack can be reduced because the metal separator has excellent strength and conductivity.
近年、金属セパレータの課題である腐食による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下を防止するため、金属基材上に耐腐食性を有する層を積層したセパレータが開発されている。 In recent years, a separator in which a layer having corrosion resistance is laminated on a metal substrate has been developed in order to prevent a decrease in conductivity due to corrosion, which is a problem of a metal separator, and a decrease in output of a stack accompanying this.
例えば、特許文献1ではチタン基材上に、チタン窒化物またはチタン炭化物からなる硬化層、貴金属からなる導電性膜を順次積層させてなる燃料電池セパレータ用材料が提案されている。当該文献によると、このような材料を用いて燃料電池用セパレータを構成することにより、耐食性と導電性とを両立させつつ、セパレータの強度を向上させることができる、としている。 For example, Patent Document 1 proposes a fuel cell separator material in which a hardened layer made of titanium nitride or titanium carbide and a conductive film made of noble metal are sequentially laminated on a titanium base material. According to the document, by using such a material to constitute a fuel cell separator, it is possible to improve the strength of the separator while achieving both corrosion resistance and conductivity.
しかしながら、本発明者らが上記特許文献1に記載の材料から構成されるセパレータを用いて燃料電池を製造し、運転を行ったところ、チタン窒化物またはチタン炭化物からなる硬化層が腐食する場合があることが判明した。 However, when the present inventors manufactured and operated a fuel cell using a separator made of the material described in Patent Document 1, the hardened layer made of titanium nitride or titanium carbide may corrode. It turned out to be.
そこで本発明は、十分な耐食性を有する導電部材を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a conductive member having sufficient corrosion resistance.
本発明者らが鋭意研究を行ったところ、金属基材と貴金属層との間に、特定の元素をドープさせたTiO2を含む中間層を設けることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the above problem can be solved by providing an intermediate layer containing TiO 2 doped with a specific element between the metal substrate and the noble metal layer. The present invention has been completed.
すなわち、本発明の導電性部材は、金属基材と、金属基材上に形成された少なくとも1層の中間層と、中間層上に形成された貴金属層とを有する。貴金属層は、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含む。そして、中間層は、MドープTiO2(Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す)を含むことを特徴とする。 That is, the conductive member of the present invention has a metal substrate, at least one intermediate layer formed on the metal substrate, and a noble metal layer formed on the intermediate layer. The noble metal layer includes at least one noble metal selected from the group consisting of Au, Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt. And the intermediate layer is made of M-doped TiO 2 (M is Nb, Ta, Mo, W, Fe, Ge, Sn, Bi, Al, Si, Zr, Co, Cr, Ni, V, Mn, P and B) It represents at least one doping element selected from the group consisting of:
本発明によれば、金属基材上に、特定のドーピング元素がドープされたTiO2を含む中間層と、貴金属層とを順次積層させることにより、電位が印加された条件下での腐食が抑制される。よって、燃料電池のセパレータ等の用途に適用可能な、十分な耐食性を有する導電部材を提供することが可能となる。 According to the present invention, an intermediate layer containing TiO 2 doped with a specific doping element and a noble metal layer are sequentially laminated on a metal substrate, thereby suppressing corrosion under a condition where a potential is applied. Is done. Therefore, it is possible to provide a conductive member having sufficient corrosion resistance that can be applied to uses such as a separator of a fuel cell.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
本明細書では、「金属基材」を単に「基材」、「燃料電池用セパレータ」を単に「セパレータ」とも称する。 In the present specification, “metal substrate” is also simply referred to as “substrate”, and “fuel cell separator” is also simply referred to as “separator”.
<導電部材>
本発明の一形態によると、金属基材と、金属基材上に形成された少なくとも1層の中間層と、中間層上に形成された貴金属層とを有する導電部材が提供される。貴金属層は、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含む。そして、中間層は、MドープTiO2(Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す)を含むことを特徴とする。
<Conductive member>
According to an aspect of the present invention, there is provided a conductive member having a metal base, at least one intermediate layer formed on the metal base, and a noble metal layer formed on the intermediate layer. The noble metal layer includes at least one noble metal selected from the group consisting of Au, Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt. And the intermediate layer is made of M-doped TiO 2 (M is Nb, Ta, Mo, W, Fe, Ge, Sn, Bi, Al, Si, Zr, Co, Cr, Ni, V, Mn, P and B) It represents at least one doping element selected from the group consisting of:
図1は本発明の一実施形態に係る導電部材の基本構成を示す断面図である。図1によると導電部材20は、ステンレス鋼からなる金属基材21の両面に、NbドープTiO2からなる中間層23と、Auからなる貴金属層25とが、順次積層された構成を有する。 FIG. 1 is a sectional view showing a basic configuration of a conductive member according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 1, the conductive member 20 has a configuration in which an intermediate layer 23 made of Nb-doped TiO 2 and a noble metal layer 25 made of Au are sequentially laminated on both surfaces of a metal base material 21 made of stainless steel.
なお、図1の形態では、金属基材21の両面に、それぞれ同じ材料からなる中間層23および貴金属層25が形成されているが、一方の面と他方の面とでそれぞれ異なる材料からなる中間層23および貴金属層25を形成してもよいし、一方の面のみに中間層23および貴金属層25を形成し、他方の面は別の構成としてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 1, an intermediate layer 23 and a noble metal layer 25 made of the same material are formed on both surfaces of the metal base material 21, but an intermediate made of different materials on one surface and the other surface. The layer 23 and the noble metal layer 25 may be formed, or the intermediate layer 23 and the noble metal layer 25 may be formed only on one surface, and the other surface may have another configuration.
また、図1では金属基材21と中間層23、中間層23と貴金属層25が、互いに接するように積層されているが、金属基材21と中間層23との間、中間層23と貴金属層25との間に、他の層が設けられていてもよい。ただし、接触抵抗を低減させる観点から、中間層23と貴金属層25とが接するように積層されていることが好ましい。さらに、金属基材21と貴金属層25との間には、同じまたは異なる材料からなる2層以上の中間層23が設けられていてもよい。 In FIG. 1, the metal base material 21 and the intermediate layer 23, and the intermediate layer 23 and the noble metal layer 25 are laminated so as to be in contact with each other. Another layer may be provided between the layer 25. However, from the viewpoint of reducing contact resistance, the intermediate layer 23 and the noble metal layer 25 are preferably laminated so as to be in contact with each other. Further, two or more intermediate layers 23 made of the same or different materials may be provided between the metal substrate 21 and the noble metal layer 25.
以下、本形態の導電部材の各構成について説明する。以下では、導電部材を燃料電池のセパレータ材料として適用することを想定して説明するが、本形態の導電部材の用途はこれに限定されるものではなく、高いレベルの耐食性が要求される様々な用途に適用可能である。 Hereinafter, each structure of the electrically-conductive member of this form is demonstrated. In the following, description will be made assuming that the conductive member is applied as a separator material for a fuel cell. However, the use of the conductive member of the present embodiment is not limited to this, and various types of high corrosion resistance are required. Applicable for use.
[金属基材]
金属基材21は導電部材の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
[Metal base material]
The metal substrate 21 is a main layer of the conductive member, and contributes to ensuring conductivity and mechanical strength.
金属基材21を構成する金属は、特に制限されず、従来、金属セパレータの構成材料として用いられている金属などが適宜用いられうる。金属基材21の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム、ならびにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられうる。ここで、鉄合金にはステンレス鋼が含まれる。なかでも、金属基材21はステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されることが好ましい。特に、ステンレス鋼を金属基材21として用いると、導電部材をセパレータに適用した場合に、ガス拡散層(GDL)の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性が十分に確保されうる。 The metal which comprises the metal base material 21 is not restrict | limited in particular, The metal etc. which were conventionally used as a constituent material of a metal separator can be used suitably. Examples of the constituent material of the metal substrate 21 include iron, titanium, aluminum, and alloys thereof. These materials can be preferably used from the viewpoint of mechanical strength, versatility, cost performance, or processability. Here, the iron alloy includes stainless steel. Especially, it is preferable that the metal base material 21 is comprised from stainless steel, aluminum, or aluminum alloy. In particular, when stainless steel is used as the metal substrate 21, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion substrate, which is a constituent material of the gas diffusion layer (GDL), is sufficiently secured when the conductive member is applied to the separator. sell.
ステンレス鋼としては、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、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(L)、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鋼を用いることがより好ましい。また、ステンレス鋼中の鉄(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、ステンレス鋼中のクロム(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。 Examples of the stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of austenite include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), 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. 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%. Further, the content of chromium (Cr) in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.
一方、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、およびアルミニウム・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。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、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050、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。導電部材をセパレータに適用する場合には機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、金属基材21がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。 On the other hand, examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. The elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they are generally usable as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel can be included in the aluminum alloy. Specific examples of the aluminum alloy include A1050 and A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. When a conductive member is applied to a separator, mechanical strength and formability are also required, so that in addition to the above alloy types, alloy tempering can be selected as appropriate. In addition, when the metal base material 21 is comprised from the simple substance of titanium or aluminum, the purity of the said titanium or aluminum becomes like this. Preferably it is 95 mass% or more, More preferably, it is 97 mass% or more, More preferably, it is 99 mass % Or more.
金属基材21の厚さは、特に限定されない。加工容易性、機械的強度や、導電部材をセパレータに適用する場合の電池のエネルギー密度の向上等の観点より、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは80〜300μmであり、さらに好ましくは80〜200μmである。特に、構成材料としてステンレス鋼を用いた場合の金属基材21の厚さは、好ましくは80〜150μmである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材21の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。 The thickness of the metal substrate 21 is not particularly limited. From the viewpoints of ease of processing, mechanical strength, and improvement of the energy density of the battery when a conductive member is applied to the separator, it is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, and still more preferably 80 ~ 200 μm. In particular, the thickness of the metal substrate 21 when stainless steel is used as the constituent material is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, the thickness of the metal base material 21 when aluminum is used as a constituent material is preferably 100 to 300 μm. In the case of the above-described range, it is possible to achieve a suitable thinness with excellent processability while having sufficient strength.
[中間層]
中間層23は、導電部材において主に耐食性および導電性の確保に寄与する。
[Middle layer]
The intermediate layer 23 contributes mainly to securing corrosion resistance and conductivity in the conductive member.
本形態において中間層23はMドープTiO2を必須に含む。本明細書において、「MドープTiO2」とは、ドーピング元素MがドープされたTiO2を意味する。ここで、ドーピング元素Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種である。なかでも、Nb、Ta、MoおよびWからなる少なくとも1種であることが好ましい。これらの元素はTiよりも価電子が多いため、これらの元素をTiO2にドープすることにより、優れた導電性を発揮させることができる。 In this embodiment, the intermediate layer 23 essentially contains M-doped TiO 2 . In this specification, “M-doped TiO 2 ” means TiO 2 doped with the doping element M. Here, the doping element M is selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo, W, Fe, Ge, Sn, Bi, Al, Si, Zr, Co, Cr, Ni, V, Mn, P, and B. At least one. Especially, it is preferable that it is at least 1 type which consists of Nb, Ta, Mo, and W. Since these elements have more valence electrons than Ti, excellent conductivity can be exhibited by doping these elements into TiO 2 .
MドープTiO2中に含まれるドーピング元素Mの含有量の上限は、特に制限されないが、コストを抑える観点から、MドープTiO2の総質量に対し、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。なお、下限は、十分な導電性を確保する観点から、2質量%以上とすることが好ましい。 The upper limit of the content of the doping element M contained in the M-doped TiO 2 is not particularly limited, but is preferably 30% by mass or less with respect to the total mass of the M-doped TiO 2 and more preferably from the viewpoint of reducing costs. Is 10% by mass or less. In addition, it is preferable that a minimum shall be 2 mass% or more from a viewpoint of ensuring sufficient electroconductivity.
中間層23は、MドープTiO2以外の他の成分を含んでも構わないが、十分な耐食性および導電性を発揮させる観点から、MドープTiO2の含有量は、中間層23の総質量に対し、好ましくは90質量%以上であり、より好ましくは95質量%以上であり、さらに好ましくは98質量%以上であり、特に好ましくは99質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 The intermediate layer 23 may contain other components other than the M-doped TiO 2 , but from the viewpoint of exhibiting sufficient corrosion resistance and conductivity, the content of the M-doped TiO 2 is based on the total mass of the intermediate layer 23. Preferably, it is 90 mass% or more, More preferably, it is 95 mass% or more, More preferably, it is 98 mass% or more, Especially preferably, it is 99 mass% or more, Most preferably, it is 100 mass%.
なお、中間層23の組成(特にMドープTiO2の元素組成)は、当該中間層23を切り出し、硫酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ質量分析(IPC−MS)を行うことにより確認することができる。 The composition of the intermediate layer 23 (especially the elemental composition of M-doped TiO 2 ) should be confirmed by cutting out the intermediate layer 23 and dissolving it in sulfuric acid, followed by inductively coupled plasma mass spectrometry (IPC-MS). Can do.
中間層23の電気抵抗率は、5×102Ω・cm以下であることを必須とし、好ましくは1×10−1Ω・cm以下である。一方、下限値は特に制限されないが、一般に1×10−5Ω・cm以上程度である。このような電気抵抗率とするためには、後述の製造方法におけるアニール処理によって、MドープTiO2の結晶構造をアナターゼ型へと変換させることによって容易に達成することができる。 The electrical resistivity of the intermediate layer 23 is required to be 5 × 10 2 Ω · cm or less, and preferably 1 × 10 −1 Ω · cm or less. On the other hand, the lower limit is not particularly limited, but is generally about 1 × 10 −5 Ω · cm or more. Such an electrical resistivity can be easily achieved by converting the crystal structure of M-doped TiO 2 into an anatase type by an annealing process in the manufacturing method described later.
中間層23の厚さは、特に制限されないが、好ましくは100〜1000nmであり、より好ましくは150〜400nmであり、さらに好ましくは150〜300nmである。厚さが100nm以上であると、十分な耐食性を確保することができる。一方、厚さを1000nm以下とすることにより、コストを抑えることができる。 The thickness of the intermediate layer 23 is not particularly limited, but is preferably 100 to 1000 nm, more preferably 150 to 400 nm, and further preferably 150 to 300 nm. When the thickness is 100 nm or more, sufficient corrosion resistance can be ensured. On the other hand, the cost can be suppressed by setting the thickness to 1000 nm or less.
[貴金属層]
貴金属層25は貴金属を含み、導電部材において主に導電性の確保に寄与する。特に貴金属層25が最表層に存在する場合は、他の部材の接触抵抗を低減させる機能を有する。
[Precious metal layer]
The noble metal layer 25 contains a noble metal and contributes mainly to securing conductivity in the conductive member. In particular, when the noble metal layer 25 is present in the outermost layer, it has a function of reducing the contact resistance of other members.
貴金属層25を構成する貴金属は、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtの少なくとも1種を含む。なかでも、耐食性に優れるという観点から、Au、IrおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含むことが好ましい。 The noble metal constituting the noble metal layer 25 includes at least one of Au, Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt. Especially, it is preferable that at least 1 sort (s) of noble metals selected from the group which consists of Au, Ir, and Pt is included from a viewpoint of being excellent in corrosion resistance.
貴金属層25の厚さは、特に制限されないが、好ましくは10〜100nmであり、より好ましくは20〜50nmである。厚さが10nm以上であると、十分な導電性を確保することができる。一方、厚さを100nm以下とすることにより、コストを抑えることができる。 The thickness of the noble metal layer 25 is not particularly limited, but is preferably 10 to 100 nm, and more preferably 20 to 50 nm. When the thickness is 10 nm or more, sufficient conductivity can be ensured. On the other hand, the cost can be suppressed by setting the thickness to 100 nm or less.
本形態の導電部材は、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。導電部材の用途としては、後述の燃料電池用セパレータや、他の燃料電池部品(集電板、バスバー、ガス拡散基材、MEA)、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本形態の導電部材は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、高いレベルの耐食性を発揮するという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。 The conductive member of this embodiment can be used for various applications that require both conductivity and corrosion resistance. Applications of the conductive member include a fuel cell separator described later, other fuel cell components (current collector plate, bus bar, gas diffusion substrate, MEA), electronic component contacts, and the like. In another preferred embodiment, the conductive member of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the effect of the present invention of exhibiting a high level of corrosion resistance can be remarkably exhibited.
<導電部材の製造方法>
本形態の導電部材の製造方法は、特に制限されず、公知の知見を適宜参照して製造することができるが、好ましい製造方法の一例として、以下の方法が挙げられる。すなわち、本発明の一形態にかかる導電部材の製造方法は、金属基材と、金属基材上に形成されたMドープTiO2を含む中間層前駆体と、中間層前駆体表面に形成された貴金属層とを有する積層体を、真空条件下、250〜500℃でアニール処理する工程を含む。ここで、中間層を構成するMドープTiO2および貴金属層を構成する貴金属は、上述の導電部材で説明したのと同様である。以下では、まず金属基材、中間層前駆体、貴金属層とを順次有する積層体の製造方法について簡単に説明した後、当該積層体をアニール処理する工程について説明する。
<Method for producing conductive member>
Although the manufacturing method of the electrically-conductive member of this form is not restrict | limited in particular, Although it can manufacture with reference to a well-known knowledge suitably, the following methods are mentioned as an example of a preferable manufacturing method. That is, the method for manufacturing a conductive member according to one embodiment of the present invention is formed on a metal base, an intermediate layer precursor containing M-doped TiO 2 formed on the metal base, and an intermediate layer precursor surface. A step of annealing the laminate having the noble metal layer at 250 to 500 ° C. under vacuum. Here, the M-doped TiO 2 constituting the intermediate layer and the noble metal constituting the noble metal layer are the same as described in the conductive member described above. In the following, first, a method for manufacturing a laminate having a metal substrate, an intermediate layer precursor, and a noble metal layer in order will be briefly described, and then a step of annealing the laminate will be described.
積層体は、金属基材と、金属基材上に形成されたMドープTiO2を含む中間層前駆体と、中間層前駆体表面に形成された貴金属層とを有する。本明細書において、「中間層前駆体」とは、MドープTiO2を含む層であって、電気抵抗率が高い(1×103Ω・cm以上である)ものを意味する。MドープTiO2膜はスパッタリング法などの公知の手法を用いて形成されるが、形成直後はアモルファス状であり、導電性に乏しい。このようなアモルファス状のMドープTiO2膜を所定の条件下でアニール処理すると、MドープTiO2がアナターゼ型結晶構造へと相転移することにより十分な導電性が得られるのである。すなわち、中間層前駆体中のMドープTiO2はアモルファス状であり、中間層中のMドープTiO2はアナターゼ型結晶構造を有する。なお、中間層前駆体または中間層中に含まれる中間体層MドープTiO2の結晶構造はXRDによって確認することが可能である。 The laminate includes a metal substrate, an intermediate layer precursor containing M-doped TiO 2 formed on the metal substrate, and a noble metal layer formed on the surface of the intermediate layer precursor. In the present specification, the “interlayer precursor” means a layer containing M-doped TiO 2 and having a high electrical resistivity (1 × 10 3 Ω · cm or more). The M-doped TiO 2 film is formed using a known method such as sputtering, but immediately after the formation, it is amorphous and has poor conductivity. When such an amorphous M-doped TiO 2 film is annealed under predetermined conditions, the M-doped TiO 2 undergoes a phase transition to an anatase type crystal structure, thereby obtaining sufficient conductivity. That is, the M-doped TiO 2 in the intermediate layer precursor is amorphous, and the M-doped TiO 2 in the intermediate layer has an anatase crystal structure. The crystal structure of the intermediate layer precursor or the intermediate layer M-doped TiO 2 contained in the intermediate layer can be confirmed by XRD.
金属基材上に中間層前駆体を形成する方法は、特に制限されず、公知のMドープTiO2成膜法を適宜採用することができる。MドープTiO2成膜法としては、例えば、スパッタリング法、アークイオンプレーティング、化学気相成長(CVD)等が挙げられる。このうち、膜の緻密性、他元素の混入の観点から、スパッタリング法を用いて中間層前駆体を形成することが好ましい。MドープTiO2成膜法として、スパッタリング法を用いることにより、膜が緻密になるとともに、真空中での処理のため、ほかの元素が混入しにくくなる。 The method for forming the intermediate layer precursor on the metal substrate is not particularly limited, and a known M-doped TiO 2 film forming method can be appropriately employed. Examples of the M-doped TiO 2 film forming method include sputtering, arc ion plating, chemical vapor deposition (CVD), and the like. Among these, it is preferable to form the intermediate layer precursor using a sputtering method from the viewpoint of denseness of the film and mixing of other elements. By using the sputtering method as the M-doped TiO 2 film forming method, the film becomes dense and other elements are less likely to be mixed due to the treatment in vacuum.
次に、中間層前駆体表面に貴金属層を形成する。貴金属層を形成する方法も、特に制限されず、公知の手法を適宜採用することができる。貴金属層の形成方法としては、例えば、スパッタリング、真空蒸着法、アークイオンプレーティング、メッキ等が挙げられる。このうち、膜の緻密性、経済性の観点から、真空蒸着法、スパッタリングを用いて貴金属層を形成することが好ましい。貴金属層の形成方法として、スパッタリングを用いる場合、欠陥が少なく、緻密な貴金属膜が作成でき、膜厚をnmレベルで制御できる。 Next, a noble metal layer is formed on the surface of the intermediate layer precursor. The method for forming the noble metal layer is not particularly limited, and a known method can be appropriately employed. Examples of the method for forming the noble metal layer include sputtering, vacuum evaporation, arc ion plating, plating, and the like. Among these, it is preferable to form a noble metal layer using a vacuum evaporation method and sputtering from a viewpoint of the denseness of a film | membrane, and economical efficiency. When sputtering is used as the method for forming the noble metal layer, a dense noble metal film with few defects can be formed, and the film thickness can be controlled at the nm level.
次に、上記方法により得られた積層体を真空条件下、250〜500℃でアニール処理する。アニール処理に用いられる装置は、特に制限されず、シースヒータ、ランプヒータ等が使用されうる。 Next, the laminated body obtained by the above method is annealed at 250 to 500 ° C. under vacuum conditions. The apparatus used for the annealing treatment is not particularly limited, and a sheath heater, a lamp heater, or the like can be used.
アニール処理は、真空条件下で行われる。本明細書において「真空条件下」とは、真空度が1×10-1Pa以上であることを意味し、好ましくは1×10-3Pa以上である。アニール処理を上記よりも低い真空度で行った場合、MドープTiO2中に酸素(O)が入り込み、導電性が低下するおそれがある。一方、真空度の上限値は特に制限されないが、一般に10−8Pa以下である。 The annealing process is performed under vacuum conditions. In this specification, “under vacuum” means that the degree of vacuum is 1 × 10 −1 Pa or more, preferably 1 × 10 −3 Pa or more. When the annealing treatment is performed at a lower degree of vacuum than the above, oxygen (O) may enter the M-doped TiO 2 and the conductivity may be reduced. On the other hand, the upper limit of the degree of vacuum is not particularly limited, but is generally 10 −8 Pa or less.
アニール処理の温度は、250〜500℃であり、好ましくは300〜450℃の範囲である。温度が250℃未満であると、MドープTiO2の結晶性が悪くなるおそれがある。一方、温度が500℃を超えるとMドープTiO2の結晶がルチル型になるおそれがあり、また金属基材の機械特性にも悪影響を及ぼすおそれがある。 The temperature of annealing treatment is 250-500 degreeC, Preferably it is the range of 300-450 degreeC. If the temperature is lower than 250 ° C., the crystallinity of M-doped TiO 2 may be deteriorated. On the other hand, if the temperature exceeds 500 ° C., the crystal of M-doped TiO 2 may be rutile, and the mechanical properties of the metal substrate may be adversely affected.
アニール処理の時間は、特に制限されないが、好ましくは0.5〜60分間であり、より好ましくは1〜30分間である。時間が60分間以上の場合、処理時間が長く、生産性が悪くなる。一方、時間が0.5分間以下であると、MドープTiO2の結晶性が悪くなる。なお、アニール処理の時間は、アニール処理の温度によって適宜調整されうる。アニール処理装置としてランプヒータを使用する場合は、比較的短い時間でアナターゼ結晶のMドープTiO2を得ることができるが、シースヒータを使用する場合はアナターゼ結晶とするまでに比較的長い時間を要する。 The annealing time is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 60 minutes, and more preferably 1 to 30 minutes. When the time is 60 minutes or more, the processing time is long and the productivity is deteriorated. On the other hand, if the time is 0.5 minutes or less, the crystallinity of M-doped TiO 2 is deteriorated. The annealing time can be appropriately adjusted depending on the annealing temperature. When a lamp heater is used as the annealing treatment apparatus, M-doped TiO 2 of anatase crystals can be obtained in a relatively short time. However, when a sheath heater is used, a relatively long time is required to obtain an anatase crystal.
本形態の製造方法では、上記のように中間層前駆体の状態のまま(すなわちMドープTiO2がアモルファス状のまま)、その表面に貴金属層を積層させた後に、アニール処理を行うことを特徴としている。このような順序を経ることによって、中間層前駆体を形成した後に直ちにアニール処理をして中間層を形成し、その表面に貴金属層を積層させるよりも、中間層と貴金属層との密着性が向上し、接触抵抗を低減させることができる。 In the manufacturing method of the present embodiment, the annealing process is performed after the noble metal layer is laminated on the surface of the intermediate layer precursor as described above (that is, the M-doped TiO 2 remains amorphous). It is said. Through this sequence, the intermediate layer and the noble metal layer are more adhesive than the intermediate layer precursor formed immediately after the intermediate layer precursor is formed, and the intermediate layer is formed on the surface. The contact resistance can be reduced.
<燃料電池用セパレータ、固体高分子形燃料電池>
上述の導電性部材は、特に電位が印加された条件下においても腐食されにくいという特性を有しているため、燃料電池用(特に固体高分子形燃料電池用)のセパレータとして好適に使用される。すなわち、本発明の他の一実施形態によると、上記導電部材から構成される、燃料電池用セパレータが提供される。また、本発明のさらに他の一実施形態によると、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池が提供される。ここで、アノードセパレータまたはカソードセパレータの少なくとも一方に、上記燃料電池用セパレータが適用される。膜電極接合体は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層およびカソード触媒層、ならびにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を含む。さらに、燃料電池用セパレータが凹凸状に形成されてなり、当該凸部が前記膜電極接合体と接触し、当該凹部が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するためのガス流路とされてなる。本形態の燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池は、セパレータ材料として上述の導電部材を用いることにより、運転時の電位によっても腐食が起こりにくく、接触抵抗を低く抑えることがでる。そのため、長期間にわたって、優れた電池性能を発揮させることが可能となる。
<Fuel cell separator, polymer electrolyte fuel cell>
Since the above-mentioned conductive member has a characteristic that it is not easily corroded even under a condition where a potential is applied, it is suitably used as a separator for a fuel cell (especially for a polymer electrolyte fuel cell). . That is, according to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell separator composed of the conductive member. According to still another embodiment of the present invention, there is provided a solid polymer fuel cell having a membrane electrode assembly and a pair of anode separator and cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly. Here, the fuel cell separator is applied to at least one of the anode separator and the cathode separator. The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layers and a cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of anode gas diffusion layers and a cathode gas diffusion layer sandwiching them. Further, the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, the convex portion comes into contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion serves as a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas. In the fuel cell separator and the polymer electrolyte fuel cell of this embodiment, by using the above-described conductive member as the separator material, corrosion is unlikely to occur due to the potential during operation, and the contact resistance can be kept low. Therefore, it is possible to exhibit excellent battery performance over a long period of time.
図2は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を模式的に表す断面図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. To do.
PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図2において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図2ではこれらの記載を省略する。 In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 2, the separators (5a, 5c) are illustrated so as to be located at both ends of the illustrated MEA. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.
セパレータ(5a、5c)は、上述の導電部材にプレス処理を施すことで図2に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路6として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) can be obtained by forming the concavo-convex shape as shown in FIG. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 It functions as the flow path 6. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.
一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFC1を冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。 On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC 1 during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.
なお、図2に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路6および冷媒流路7の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。以下、固体高分子形燃料電池を構成する各部材について説明する。 In addition, in embodiment shown in FIG. 2, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape or a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path 6 and the refrigerant flow path 7 can be exhibited. There may be. Hereinafter, each member constituting the solid polymer fuel cell will be described.
[電解質層]
電解質膜は、固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte membrane is composed of a solid polymer electrolyte membrane 2. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.
固体高分子電解質膜2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膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜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を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜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膜が用いられる。 The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane 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 improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.
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膜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 membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity 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.
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、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、成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 electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance between the strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
[触媒層]
触媒層3(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
[Catalyst layer]
The catalyst layer 3 (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) is a layer in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.
触媒層3は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。 The catalyst layer 3 includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.
アノード触媒層3a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3c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およびこれらの合金などから選択されうる。 The catalyst component used in the anode catalyst layer 3a is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the hydrogen oxidation reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used for the cathode catalyst layer 3c 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 may be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .
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、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。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3aに用いられる触媒成分およびカソード触媒層3cに用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およ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る。よって、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3aおよびカソード触媒層3c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、適宜選択されうる。 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. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 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 3a and the catalyst component used for the cathode catalyst layer 3c can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c do not have to be the same, and can be 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および大きさが採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、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 adopted. However, the shape of 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、および触媒成分と他の部材との間で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 transfer of electrons between the catalyst component and another member.
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20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/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、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程度、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 viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 nm. About 100 nm is preferable.
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、電極触媒における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 amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
触媒層3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。例えば、上述した電解質層2を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層3にも添加されうる。 The catalyst layer 3 contains 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, the above-described ion exchange resin constituting the electrolyte layer 2 can be added to the catalyst layer 3 as a polymer electrolyte.
[ガス拡散層(GDL)]
ガス拡散層4(ガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータ5(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5c)のガス流路6(燃料ガス流路6a、酸化剤ガス流路6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層3(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
[Gas diffusion layer (GDL)]
The gas diffusion layer 4 (gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) passes through the gas flow path 6 (fuel gas flow path 6a, oxidant gas flow path 6c) of the separator 5 (anode separator 5a, cathode separator 5c). The function of promoting the diffusion of the gas (fuel gas or oxidant gas) supplied to the catalyst layer 3 (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) and the function of an electron conduction path are provided.
ガス拡散層4(4a、4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。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および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。ガス拡散層4の基材の厚さは、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。ガス拡散層4の基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The material which comprises the base material of the gas diffusion layer 4 (4a, 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the base material of the gas diffusion layer 4 may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the base material of the gas diffusion layer 4 is within such a range, the balance between the mechanical strength and the diffusibility of gas, water, etc. can be controlled appropriately.
ガス拡散層4は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。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 layer 4 preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層4は、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(マイクロポーラス層;MLP、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。 In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer 4 includes a carbon particle layer (microporous layer; MLP, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。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用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層3との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, the contact property with the catalyst layer 3 can be improved.
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、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うる。 Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.
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、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、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 mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited and 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. Good.
[セパレータ]
セパレータ5(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5c)は、固体高分子形燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータ5は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータ5のそれぞれにはガス流路6および冷却流路7が設けられていることが好ましい。
[Separator]
The separator 5 (anode separator 5a, cathode separator 5c) has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single polymer electrolyte fuel cells are connected in series to form a fuel cell stack. Have The separator 5 also has a function as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, it is preferable that each of the separators 5 is provided with a gas flow path 6 and a cooling flow path 7 as described above.
本形態のセパレータ5は、上述の導電部材から構成される。なお、セパレータ5の厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。 The separator 5 of this embodiment is composed of the above-described conductive member. The thickness and size of the separator 5 and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.
本形態の固体高分子形燃料電池の製造方法は、特に制限されず、本技術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 solid polymer fuel cell of this embodiment is not particularly limited, and can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge in this technical field.
固体高分子形燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、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、第2級ブタノール、第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などが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。 The fuel used when operating the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.
なお、本形態の燃料電池用セパレータは、優れた耐食性および導電性を有するため、上述の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池にも適用可能である。他の燃料電池の種類としては、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましい。上記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。 In addition, since the separator for fuel cells of this embodiment has excellent corrosion resistance and conductivity, it can be applied to fuel cells other than the above-described polymer electrolyte fuel cells. Examples of other types of fuel cells include phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid electrolyte fuel cells (SOFC), and alkaline fuel cells (AFC). Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.
本発明を、以下の実施例および比較例によってさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに限定されるわけではない。 The present invention is described in further detail by the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
<導電部材の製造>
[実施例1]
金属基材として、ステンレス鋼からなる薄板(SUS316、厚さ100μm)を準備した。当該基材を真空チャンバーに設置し、真空条件下(10−3Pa)でArガスを導入し、Arイオンを発生させ、基材表面を叩くことによって、表面の酸化被膜を除去した(イオンボンバード処理)。このような処理を基材の両表面について行った。
<Manufacture of conductive members>
[Example 1]
A thin plate (SUS316, thickness 100 μm) made of stainless steel was prepared as a metal substrate. The base material was placed in a vacuum chamber, Ar gas was introduced under vacuum conditions (10 −3 Pa), Ar ions were generated, and the surface of the base material was beaten to remove the surface oxide film (ion bombardment). processing). Such a treatment was performed on both surfaces of the substrate.
次に、真空度を0.3〜1.0Paに調整し、スパッタリング法により、基材の両表面にNbドープTiO2からなる中間層前駆体(厚さ400nm)を成膜した。 Next, the degree of vacuum was adjusted to 0.3 to 1.0 Pa, and an intermediate layer precursor (thickness 400 nm) made of Nb-doped TiO 2 was formed on both surfaces of the substrate by sputtering.
さらに、スパッタリングにより、中間層前駆体の両表面にAuからなる貴金属層(厚さ50nm)を成膜した。 Further, a noble metal layer (thickness: 50 nm) made of Au was formed on both surfaces of the intermediate layer precursor by sputtering.
そして、チャンバー内の真空度を10−3Pa、温度を300℃に調整し、10分間アニール処理を行った。アニール処理完了後、チャンバー内を大気圧に戻し、導電部材を取り出した。 And the vacuum degree in a chamber was adjusted to 10 <-3 > Pa, temperature was adjusted to 300 degreeC, and the annealing process was performed for 10 minutes. After the annealing treatment was completed, the inside of the chamber was returned to atmospheric pressure, and the conductive member was taken out.
得られた導電部材の中間層をICP−MSにより分析したところ、Nbの含有量はNbドープTiO2の総質量に対し、4質量%であった。また、中間層の電気抵抗率を抵抗率計により測定したところ、1×10−1Ω・cmであった。 The intermediate layer of the obtained conductive member were analyzed by ICP-MS, the content of Nb is based on the total weight of Nb-doped TiO 2, it was 4% by weight. Moreover, when the electrical resistivity of the intermediate layer was measured with a resistivity meter, it was 1 × 10 −1 Ω · cm.
なお、中間層の電気抵抗率の測定方法は、以下の方法により行った。すなわち、本実施例と同じ成膜条件で中間層を絶縁のガラス基板に形成し、三菱化学アナリテックロレスタGP MCP−T610型抵抗率計を用いて4端子法で電気抵抗率を測定した。 In addition, the measuring method of the electrical resistivity of an intermediate | middle layer was performed with the following method. That is, an intermediate layer was formed on an insulating glass substrate under the same film formation conditions as in this example, and the electrical resistivity was measured by a four-terminal method using a Mitsubishi Chemical Analytech Loresta GP MCP-T610 type resistivity meter.
[比較例1]
金属基材として、ステンレス鋼からなる薄板(SUS316、厚さ100μm)を準備した。当該基材を真空チャンバーに設置し、真空条件下(10−3Pa)でArガスを導入し、Arイオンを発生させ、基材表面を叩くことによって、表面の酸化被膜を除去した(イオンボンバード処理)。
[Comparative Example 1]
A thin plate (SUS316, thickness 100 μm) made of stainless steel was prepared as a metal substrate. The base material was placed in a vacuum chamber, Ar gas was introduced under vacuum conditions (10 −3 Pa), Ar ions were generated, and the surface of the base material was beaten to remove the surface oxide film (ion bombardment). processing).
次に、チャンバー内にArガスおよびN2ガスを導入することによって、真空度を0.3〜1.0Paに調整し、スパッタリング法により、基材表面にTiNからなる層(厚さ500nm)を成膜した。 Next, the degree of vacuum is adjusted to 0.3 to 1.0 Pa by introducing Ar gas and N 2 gas into the chamber, and a layer made of TiN (thickness 500 nm) is formed on the surface of the substrate by sputtering. A film was formed.
さらに、蒸着法により、TiN層の表面にAuからなる貴金属層(厚さ50nm)を成膜した。 Further, a noble metal layer (thickness 50 nm) made of Au was formed on the surface of the TiN layer by vapor deposition.
そして、チャンバー内を大気圧に戻し、導電部材を取り出した。 Then, the inside of the chamber was returned to atmospheric pressure, and the conductive member was taken out.
<腐食試験>
上記実施例および比較例で作製した導電部材を、3cm×3cmの正方形に切り出し、切断面にシリコンゴムを用いてマスキング処理を施し、試験片とした。そして、試験片を試験溶液(pH3の希硫酸水溶液、80℃)に浸漬し、試験片に1.2V超の定電位を印加し、18時間にわたって試験片の外観を観察するとともに、定電位における電流特性を測定した。なお、測定には、電気化学測定システムとして、ポテンショスタットを用いた。
<Corrosion test>
The conductive members produced in the above examples and comparative examples were cut into 3 cm × 3 cm squares, and the cut surfaces were masked using silicon rubber to obtain test pieces. Then, the test piece is immersed in a test solution (pH 3 dilute sulfuric acid aqueous solution, 80 ° C.), a constant potential exceeding 1.2 V is applied to the test piece, and the appearance of the test piece is observed over 18 hours. Current characteristics were measured. For the measurement, a potentiostat was used as an electrochemical measurement system.
さらに、上記比較例で作製した導電部材については、試験片に印加する定電位を1.2Vとした場合についても同様の観察および測定を行った。 Further, for the conductive member produced in the comparative example, the same observation and measurement were performed when the constant potential applied to the test piece was 1.2V.
なお、燃料電池の化学反応の起電力は一般に1.2V程度であり、寒冷地など0℃以下の温度下で起動する場合は1.2V超となることがある。したがって、導電部材を燃料電池のセパレータ材料として適用するためには、このような電位がかかった状況でも、十分な耐食性を有することが必要であると考えられる。 The electromotive force of the chemical reaction of the fuel cell is generally about 1.2 V, and may exceed 1.2 V when starting at a temperature of 0 ° C. or lower such as in a cold district. Therefore, in order to apply the conductive member as a separator material for a fuel cell, it is considered necessary to have sufficient corrosion resistance even in a situation where such a potential is applied.
結果を図3および4に示す。図3の試験片の外観写真によると、比較例1の導電部材は、表面が変色しており、腐食が進行していたのに対し、実施例1の導電部材は、表面の変色が極僅かであり、腐食がほとんど起こっていないことが確認された。 The results are shown in FIGS. According to the appearance photograph of the test piece in FIG. 3, the surface of the conductive member of Comparative Example 1 was discolored and corrosion progressed, whereas the surface of the conductive member of Example 1 was slightly discolored. It was confirmed that almost no corrosion occurred.
図4に定電位における電流特性を表すグラフを示す。グラフの縦軸は、観測された電流密度値のうち最も大きな値を1とした場合の相対電流密度値を示し、横軸は腐食試験開始からの経過時間を示す。腐食により導電部材からイオンが溶出すると電流が流れるため、当該値が大きいほどより腐食が進行したことを意味する。グラフより、比較例1の導電部材では、試験期間の全体にわたって電流が観測され、継続的に腐食が進行したことが確認された。一方、実施例1の導電部材は、試験期間の相対電流密度値がほぼ0であり、比較例1に比べて腐食がほとんど起こっていないことが確認された。なお、下記表1に、腐植試験開始から0.5時間後、9時間後、18時間後のそれぞれの時点での相対電流密度値(比較例1の1.2V超印加の場合の値を1とする)を示す。 FIG. 4 shows a graph showing current characteristics at a constant potential. The vertical axis of the graph shows the relative current density value when the largest value among the observed current density values is 1, and the horizontal axis shows the elapsed time from the start of the corrosion test. Since current flows when ions are eluted from the conductive member due to corrosion, the larger the value, the more the corrosion has progressed. From the graph, in the conductive member of Comparative Example 1, current was observed throughout the test period, and it was confirmed that corrosion progressed continuously. On the other hand, the conductive member of Example 1 had a relative current density value of approximately 0 during the test period, and it was confirmed that there was almost no corrosion compared to Comparative Example 1. In Table 1 below, the relative current density values at the time points 0.5 hours, 9 hours, and 18 hours after the start of the humus test (the value in the case of applying over 1.2 V in Comparative Example 1 is 1). ).
<接触抵抗測定>
上記腐食試験前後の導電部材について、積層方向の接触抵抗を以下の方法で測定した。具体的には、図5に示すように、各導電部材(セパレータ5)の両側を1対のガス拡散基材(ガス拡散層4a、4c)で挟持し、得られた積層体の両側をさらに1対の電極(触媒層3a、3c)で挟持し、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体を1MPaの荷重で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に1Aの定電流を流し、1MPaの荷重をかけた時の通電量および電圧値から当該積層体の接触抵抗値を算出した。結果を下記表2に示す。表2の各数値は、比較例1の1.2V超印加の場合における腐食試験後の値を1とした相対値である。
<Contact resistance measurement>
For the conductive members before and after the corrosion test, the contact resistance in the stacking direction was measured by the following method. Specifically, as shown in FIG. 5, both sides of each conductive member (separator 5) are sandwiched between a pair of gas diffusion base materials (gas diffusion layers 4a and 4c), and both sides of the obtained laminate are further A measuring apparatus was configured by sandwiching between a pair of electrodes (catalyst layers 3a, 3c), connecting a power source to both ends thereof, and holding the entire laminate including the electrodes with a load of 1 MPa. The contact resistance value of the laminate was calculated from the energization amount and voltage value when a constant current of 1 A was passed through the measuring apparatus and a load of 1 MPa was applied. The results are shown in Table 2 below. Each numerical value in Table 2 is a relative value where the value after the corrosion test in the case of applying a voltage exceeding 1.2 V in Comparative Example 1 is 1.
表2に示すように、腐食試験前においては比較例1の方が実施例1よりも接触抵抗値が小さいが、試験後においては腐食が少ない実施例1の方が腐食の多い比較例1よりも接触抵抗値が小さくなることが示された。特に腐食試験での印加電位が1.2V超の場合において比較すると、比較例1では著しく腐食が進行したため、試験後の接触抵抗値は極めて高い値となることが確認された。 As shown in Table 2, the contact resistance value of Comparative Example 1 was smaller than that of Example 1 before the corrosion test, but Example 1 with less corrosion after the test was more than Comparative Example 1 with much corrosion. In addition, it was shown that the contact resistance value becomes small. In particular, when the applied potential in the corrosion test is higher than 1.2 V, it was confirmed that the contact resistance value after the test was extremely high because the corrosion progressed remarkably in Comparative Example 1.
1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3 触媒層、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5 セパレータ、
5a アノードセパレータ、
5c カソードセパレータ、
6a アノードガス流路、
6c カソードガス流路、
7 冷媒流路、
10 膜電極接合体(MEA)、
20 導電部材、
21 金属基材、
23 中間層、
25 貴金属層。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3 catalyst layer,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5 separator,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
20 conductive member,
21 metal substrate,
23 middle layer,
25 Noble metal layer.
Claims (7)
前記金属基材上に形成された少なくとも1層の中間層と、
前記中間層上に形成された貴金属層と、
を有し、
前記中間層は、MドープTiO2を含み、この際、Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表し、
前記貴金属層は、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含み、
前記中間層の電気抵抗率は5×102Ω・cm以下である、導電部材。 A metal substrate;
At least one intermediate layer formed on the metal substrate;
A noble metal layer formed on the intermediate layer;
Have
The intermediate layer includes M-doped TiO 2 , where M is Nb, Ta, Mo, W, Fe, Ge, Sn, Bi, Al, Si, Zr, Co, Cr, Ni, V, Mn, Represents at least one doping element selected from the group consisting of P and B;
The noble metal layer includes at least one noble metal selected from the group consisting of Au, Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt,
The electrically conductive member whose electrical resistivity of the said intermediate | middle layer is 5 * 10 < 2 > ohm * cm or less.
前記金属基材上に形成された、MドープTiO2(Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す)を含む中間層前駆体と、
前記中間層前駆体表面に形成された、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含む貴金属層と、
を有する積層体を、真空条件下、250〜500℃でアニール処理する工程を含む、導電部材の製造方法。 A metal substrate;
M-doped TiO 2 (M is Nb, Ta, Mo, W, Fe, Ge, Sn, Bi, Al, Si, Zr, Co, Cr, Ni, V, Mn, formed on the metal substrate. An intermediate layer precursor comprising at least one doping element selected from the group consisting of P and B);
A noble metal layer comprising at least one noble metal selected from the group consisting of Au, Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt formed on the surface of the intermediate layer precursor;
The manufacturing method of the electrically-conductive member including the process of annealing at 250-500 degreeC the laminated body which has this.
前記膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池であって、
前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの少なくとも一方が、請求項6に記載の燃料電池用セパレータであり、
この際、前記燃料電池用セパレータが凹凸状に形成されてなり、当該凸部が前記膜電極接合体と接触し、当該凹部が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するためのガス流路とされてなる、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layer and cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a pair of anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer sandwiching them;
A polymer electrolyte fuel cell having a pair of anode separator and cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly,
At least one of the anode separator or the cathode separator is a fuel cell separator according to claim 6,
At this time, the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, the convex portion is in contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion is a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas. A polymer electrolyte fuel cell.
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