JP2017021908A - 燃料電池用導電部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池用導電部材の製造方法を説明する。
本実施形態の燃料電池用導電部材5において、基材31の構成材料としては、金属が好ましく、鉄、チタン、およびアルミニウム並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る。金属基材31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31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31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。所望の厚さのこれらの材料を準備し、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンおよび苛性アルカリ剤など)を用いて、材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。続いて、基材31の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化被膜の除去を行なう。酸化被膜を除去するための手法としては、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、またはイオンボンバード処理などが挙げられる。
中間層32を構成する材料としては、周期律表の第4族の金属(Ti、Zr、Hf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、および、第6族の金属(Cr、Mo、W)、並びにこれらの炭化物、窒化物および炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属の窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、下地の基材の防食効果に加えて、耐高電位腐食性が高いチタンまたはクロムの、窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。これらの材料を使用することによって起動停止時等に発生する局所的な高電位などから導電部材を保護することができる。また、これらの金属材料は不動態被膜の形成により、露出部が存在していたとしても、それ自体の溶出はほとんど見られない点においても特に有用である。
ステンレス鋼からなる板厚100μmの金属板を基材の構成材料として用いた。この金属板を、前処理としてエタノール液中で3分間超音波洗浄した。その後、真空チャンバーに金属基材を設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行い、表面の酸化被膜を除去した。前処理及びイオンボンバード処理は、いずれも金属基材の両面について行った。
実施例1において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図4に示すように、実施例1において成膜した導電部材(金属セパレータ3)の両側を1対のガス拡散基材(ガス拡散層2a、2b)で挟持し、得られた積層体の両側をさらに1対の電極1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及び電圧値から当該積層体の接触抵抗値(a.u.)を算出した。接触抵抗値は、実施例5の値を1.0とした場合の相対値である。
実施例2〜4では、炭素被膜の成膜条件をそれぞれ下記表1に記載の条件とした以外は、実施例1と同様にして、導電部材を製造した。得られた導電部材は、実施例1と同様にして、接触抵抗を測定した。測定結果は、下記表1および図5に示した。
比較例1〜8では、炭素被膜の成膜条件をそれぞれ下記表1に記載の条件とした以外は、実施例1と同様にして、導電部材を製造した。比較例4〜5については、基材を通じて中間層に負電圧を印加しなかった(Floating)。比較例7については、基材を通じて中間層に負パルス電圧を印加した。基材と共に中間層に印加した負パルス電圧は、周波数500Hz、パルス幅160μsとし、炭素原料電極に印加した負パルス電圧とのディレイタイミングは40μsであった。得られた導電部材は、実施例1と同様にして、接触抵抗を測定した。測定結果は、下記表1および図5に示した。
・溶液:pH3希硫酸液
・温度:80℃
・試験時間(浸漬時間):18h
・印加電位:1.0V。
2a、2b ガス拡散層、
3、5 導電部材、
10 成膜装置、
11 真空チャンバー、
14 炭素原料電極、
15 アルゴンガス管、
16 アルゴンガス導入ポート、
17 パルス電源、
18 DC電源、
31 基材、
32 中間層、
33 導電性炭素層、
A 負電圧、
B 周期、
C パルス幅。
Claims (7)
- 基材と、前記基材上に位置し、周期律表の第4属の金属、第5属の金属、および第6属の金属、ならびにこれらの炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選択される少なくとも1種を含む中間層と、前記中間層上に位置する導電性炭素層とを有する燃料電池用導電部材の製造方法であって、
前記導電性炭素層を、スパッタ用雰囲気ガスを導入した真空チャンバー内で、炭素原料電極に負パルス電圧を印加することにより前記炭素原料電極近傍にプラズマを発生させ、スパッタリングにより、前記炭素原料電極と間隔を隔てて対向配置された前記中間層上に炭素被膜を堆積させて形成し、
前記中間層には負電圧が印加され、前記負パルス電圧E1に対する前記負パルス電圧E1と前記中間層電極の負電圧E2との差の比 |(E1−E2)|/E1 が15%以下である、燃料電池用導電部材の製造方法。 - 前記負パルス電圧E1は前記中間層の負電圧E2よりも大きい、請求項1に記載の燃料電池用導電部材の製造方法。
- 前記負パルス電圧E1および前記中間層の負電圧E2は共に800V以上である、請求項1または2に記載の燃料電池用導電部材の製造方法。
- 前記中間層に直流電圧を印加する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用導電部材の製造方法。
- 前記負パルス電圧は、周波数が500Hz〜2000Hzであり、パルス幅が50μs〜400μsである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用導電部材の製造方法。
- 前記基材表面にボンバード処理を行い、中間層を形成することを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用導電部材の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法により得られた燃料電池用導電部材を有する燃料電池用セパレータ。
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JP6472026B2 (ja) | 2019-02-20 |
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