JP2019186121A - バイポーラプレート - Google Patents
バイポーラプレート Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019186121A JP2019186121A JP2018077567A JP2018077567A JP2019186121A JP 2019186121 A JP2019186121 A JP 2019186121A JP 2018077567 A JP2018077567 A JP 2018077567A JP 2018077567 A JP2018077567 A JP 2018077567A JP 2019186121 A JP2019186121 A JP 2019186121A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- bipolar plate
- tio
- coating film
- substrate
- composite oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 13
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 21
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 20
- 239000010408 film Substances 0.000 description 29
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- -1 titanium alloy Chemical class 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020012 Nb—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】耐食性及び導電性に優れ、しかも、低コストなバイポーラプレートを提供すること。【解決手段】バイポーラプレートは、基板と、前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜とを備えている。前記被覆膜は、ＭxＴｉＯ2+(y/2)xで表される組成を有するＴｉＯ系複合酸化物を含む。但し、Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素。ｘは、１／２〜２。ｙは、Ｍの原子価に等しい値。前記被覆膜は、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)x、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)x、及びＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか１以上のＴｉＯ系複合酸化物を含むものが好ましい。【選択図】なし
Description
本発明は、バイポーラプレートに関し、さらに詳しくは、固体高分子形燃料電池用セパレータ、固体高分子形（ＰＥＭ）水電解装置用バイポーラプレートなどに用いられるバイポーラプレートに関する。
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒を含む電極（触媒層＋ガス拡散層）が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡの両面には、さらに、ガス流路を備えた集電体（セパレータともいう）が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなＭＥＡと集電体からなる単セルが複数個積層された構造（燃料電池スタック）を備えている。このような燃料電池のアノード及びカソードに、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すると、カソードにおいて水が生成すると同時に、電力を取り出すことができる。
一方、ＰＥＭ水電解装置は、燃料電池とほぼ同様の構造を備えているが、燃料電池とは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、酸素極に水を供給し、電極間に電力を供給すると、水の電気分解が進行し、水素及び酸素を取り出すことができる。
なお、ＰＥＭ水電解装置において、ＭＥＡの両面に配置される部材は、一般に、バイポーラプレート（複極板）と呼ばれている。本発明において、ＰＥＭ水電解装置に用いられるバイポーラプレート（狭義のバイポーラプレート）を指す時は、「ＰＥＭ水電解装置用バイポーラプレート」という。
一方、単に「バイポーラプレート」という時は、広義のバイポーラプレート、すなわち、ＭＥＡの用途を問わず、ＭＥＡの両面に配置される導電性部材の総称を表す。
一方、単に「バイポーラプレート」という時は、広義のバイポーラプレート、すなわち、ＭＥＡの用途を問わず、ＭＥＡの両面に配置される導電性部材の総称を表す。
固体高分子形燃料電池及びＰＥＭ水電解装置において、電解質膜には、通常、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸膜が用いられている。そのため、バイポーラプレートは、使用中に強酸性雰囲気に曝される。使用中にバイポーラプレートの表面が酸化され、電極との接触面に高抵抗層が形成されると、電極反応又は電解反応が阻害される。
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、チタン合金板とステンレス鋼板の積層板からなる複極板を備えた水電解槽が開示されている。
同文献には、
（ａ）複極板としてチタン合金を用いる場合、陰極側を白金メッキして水素脆化を防止する必要があるが、白金メッキを施しても水素脆化を完全に防止できない点、及び、
（ｂ）ステンレス鋼板が陰極側に来るように積層板を配置すると、チタン合金の水素脆化防止のために複極板の陰極側を白金メッキする必要がなくなる点、
が記載されている。
例えば、特許文献１には、チタン合金板とステンレス鋼板の積層板からなる複極板を備えた水電解槽が開示されている。
同文献には、
（ａ）複極板としてチタン合金を用いる場合、陰極側を白金メッキして水素脆化を防止する必要があるが、白金メッキを施しても水素脆化を完全に防止できない点、及び、
（ｂ）ステンレス鋼板が陰極側に来るように積層板を配置すると、チタン合金の水素脆化防止のために複極板の陰極側を白金メッキする必要がなくなる点、
が記載されている。
従来、ＰＥＭ水電解装置用バイポーラプレートとして、白金メッキしたチタン合金、チタン合金とステンレス鋼板の積層板などが提案されている。しかし、白金及びチタン合金はいずれも高価であるため、使用量を極力少なくするのが好ましい。また、メッキプロセスも高コストプロセスであるため、被覆膜の成膜には低コストプロセスを用いるのが好ましい。しかし、高価な材料の使用量が少なく、かつ、高コストなプロセスを用いることなく製造が可能な、バイポーラプレートが提案された例は、従来にはない。
本発明が解決しようとする課題は、耐食性及び導電性に優れ、しかも、低コストなバイポーラプレートを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係るバイポーラプレートは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
（２）前記被覆膜は、次の式（１）で表される組成を有するＴｉＯ系複合酸化物を含む。
ＭxＴｉＯ2+(y/2)x ・・・（１）
但し、
Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素、
ｘは、１／２〜２、
ｙは、Ｍの原子価に等しい値。
（１）前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
（２）前記被覆膜は、次の式（１）で表される組成を有するＴｉＯ系複合酸化物を含む。
ＭxＴｉＯ2+(y/2)x ・・・（１）
但し、
Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素、
ｘは、１／２〜２、
ｙは、Ｍの原子価に等しい値。
ＴｉＯ系複合酸化物は、耐食性及び導電性に優れている。また、ＴｉＯ系複合酸化物は、貴金属含有量が少ない又は含まないため、低コストである。さらに、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜は、比較的低コストなスパッタ法により成膜することができる。そのため、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜をバイポーラプレートの被覆膜に適用すれば、耐食性及び導電性に優れ、しかも低コストなバイポーラプレートを得ることができる。
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． バイポーラプレート］
本発明に係るバイポーラプレートは、以下の構成を備えている。
（１）前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
（２）前記複合酸化物は、ＴｉＯ系複合酸化物を含む。
［１． バイポーラプレート］
本発明に係るバイポーラプレートは、以下の構成を備えている。
（１）前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
（２）前記複合酸化物は、ＴｉＯ系複合酸化物を含む。
［１．１． 基板］
基板の形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。バイポーラプレートには、通常、発電用燃料、酸化剤、電解用原料、あるいは反応生成物を流通させるためのガス流路が設けられている。
基板の形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。バイポーラプレートには、通常、発電用燃料、酸化剤、電解用原料、あるいは反応生成物を流通させるためのガス流路が設けられている。
バイポーラプレートは、ＭＥＡの電極と、負荷（燃料電池の場合）又は電源（水電解装置の場合）との間で電子の授受を行う必要がある。そのため、バイポーラプレートには、一般にＭＥＡの使用環境に耐える高い耐食性に加えて、高い導電性が求められる。
但し、本発明においては、被覆膜に高耐食性、かつ、高導電性の複合酸化物が用いられるため、基板は、少なくともＭＥＡの使用環境に耐える耐食性を持つものであれば良く、必ずしも導電性材料である必要はない。
基板の材料としては、例えば、
（ａ）チタン合金、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、モリブデン、クロムなどの金属、
（ｂ）カーボン、
（ｃ）エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどのプラスチック材料、及び、プラスチック材料をガラス、カーボン、樹脂等の繊維で強化した繊維強化樹脂などの高分子材料
などがある。
但し、本発明においては、被覆膜に高耐食性、かつ、高導電性の複合酸化物が用いられるため、基板は、少なくともＭＥＡの使用環境に耐える耐食性を持つものであれば良く、必ずしも導電性材料である必要はない。
基板の材料としては、例えば、
（ａ）チタン合金、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、モリブデン、クロムなどの金属、
（ｂ）カーボン、
（ｃ）エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどのプラスチック材料、及び、プラスチック材料をガラス、カーボン、樹脂等の繊維で強化した繊維強化樹脂などの高分子材料
などがある。
［１．２． 被覆膜］
［１．２．１． 材料］
被覆膜は、高耐食・高導電性の複合酸化物からなる。本発明において、複合酸化物は、ＴｉＯ系複合酸化物を含む。本発明において、「ＴｉＯ系複合酸化物」とは、次の式（１）で表される組成を有する複合酸化物をいう。
ＭxＴｉＯ2+(y/2)x ・・・（１）
但し、
Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素、
ｘは、１／２〜２、
ｙは、Ｍの原子価に等しい値。
［１．２．１． 材料］
被覆膜は、高耐食・高導電性の複合酸化物からなる。本発明において、複合酸化物は、ＴｉＯ系複合酸化物を含む。本発明において、「ＴｉＯ系複合酸化物」とは、次の式（１）で表される組成を有する複合酸化物をいう。
ＭxＴｉＯ2+(y/2)x ・・・（１）
但し、
Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素、
ｘは、１／２〜２、
ｙは、Ｍの原子価に等しい値。
式（１）中、ｘは、複合酸化物を構成する陽イオンの数を表し、高耐食性、高導電性を示す物質で、１／２〜２の範囲内の値を取る。
ＴｉＯ系複合酸化物は、いずれも、燃料電池環境下又は水電解装置環境下における耐食性が高く、かつ、導電性も高いので、バイポーラプレートの被覆膜として好適である。被覆膜は、これらのいずれか１種のＴｉＯ系複合酸化物を含むものでも良く、あるいは、２種以上を含むものでも良い。
被覆膜を構成する複合酸化物は、特に、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)x、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)x、及びＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか１以上のＴｉＯ系複合酸化物が好ましい。これは、これらの複合酸化物は、いずれもＴｉの耐久性と、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉの導電性とを併せ持つためである。
ＴｉＯ系複合酸化物は、いずれも、燃料電池環境下又は水電解装置環境下における耐食性が高く、かつ、導電性も高いので、バイポーラプレートの被覆膜として好適である。被覆膜は、これらのいずれか１種のＴｉＯ系複合酸化物を含むものでも良く、あるいは、２種以上を含むものでも良い。
被覆膜を構成する複合酸化物は、特に、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)x、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)x、及びＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか１以上のＴｉＯ系複合酸化物が好ましい。これは、これらの複合酸化物は、いずれもＴｉの耐久性と、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉの導電性とを併せ持つためである。
被覆膜は、実質的にＴｉＯ系複合酸化物のみからなるものが好ましいが、高耐食性及び高導電性を阻害しない限りにおいて、他の相が含まれていても良い。
他の相としては、例えば、
（ａ）不可避的不純物、
（ｂ）高耐食性物質、
などがある。
他の相としては、例えば、
（ａ）不可避的不純物、
（ｂ）高耐食性物質、
などがある。
［１．２．２． 被覆膜の形成位置］
基板が導電性材料からなる場合、被覆膜は、基板の全面に形成されていても良く、あるいは、電極との接触面にのみ形成されていても良い。基板には、通常、ガス流路を形成するための凹凸が形成されており、バイポーラプレートは凸部を介して電極と接触する。このような場合、電極との非接触面に高抵抗層が形成されたとしても電子の授受に支障はないので、少なくとも電極との接触面（凸部の先端面）に被覆膜を形成すれば良い。
一方、基板が導電性材料でない場合、電子の授受は被覆膜を介して行われる。このような場合には、被覆膜は、電極との接触面だけでなく、電極と負荷又は電源との間で電子の授受が可能となる位置に形成する必要がある。
基板が導電性材料からなる場合、被覆膜は、基板の全面に形成されていても良く、あるいは、電極との接触面にのみ形成されていても良い。基板には、通常、ガス流路を形成するための凹凸が形成されており、バイポーラプレートは凸部を介して電極と接触する。このような場合、電極との非接触面に高抵抗層が形成されたとしても電子の授受に支障はないので、少なくとも電極との接触面（凸部の先端面）に被覆膜を形成すれば良い。
一方、基板が導電性材料でない場合、電子の授受は被覆膜を介して行われる。このような場合には、被覆膜は、電極との接触面だけでなく、電極と負荷又は電源との間で電子の授受が可能となる位置に形成する必要がある。
［１．３． 用途］
本発明に係るバイポーラプレートは、
（ａ）固体高分子形燃料電池用セパレータ、
（ｂ）ＰＥＭ水電解装置用バイポーラプレート、
などに用いることができる。
本発明に係るバイポーラプレートは、
（ａ）固体高分子形燃料電池用セパレータ、
（ｂ）ＰＥＭ水電解装置用バイポーラプレート、
などに用いることができる。
［２． バイポーラプレートの製造方法］
バイポーラプレートは、所定の形状を有する基板の表面に、所定のパターンで被覆膜を形成することにより製造することができる。
被覆膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、めっき法、プラズマ法、ＣＶＤ法などがある。これらの中でも、スパッタリング法は、他の方法と比べて低コストであり、大面積の成膜も容易であるので、被覆膜の形成方法として好適である。
バイポーラプレートは、所定の形状を有する基板の表面に、所定のパターンで被覆膜を形成することにより製造することができる。
被覆膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、めっき法、プラズマ法、ＣＶＤ法などがある。これらの中でも、スパッタリング法は、他の方法と比べて低コストであり、大面積の成膜も容易であるので、被覆膜の形成方法として好適である。
［３． 作用］
ＴｉＯ系複合酸化物は、耐食性及び導電性に優れている。また、ＴｉＯ系複合酸化物は、貴金属含有量が少ない又は含まないため、低コストである。さらに、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜は、比較的低コストなスパッタ法により成膜することができる。そのため、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜をバイポーラプレートの保護膜に適用すれば、耐食性及び導電性に優れ、しかも低コストなバイポーラプレートを得ることができる。
ＴｉＯ系複合酸化物は、耐食性及び導電性に優れている。また、ＴｉＯ系複合酸化物は、貴金属含有量が少ない又は含まないため、低コストである。さらに、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜は、比較的低コストなスパッタ法により成膜することができる。そのため、ＴｉＯ系複合酸化物からなる薄膜をバイポーラプレートの保護膜に適用すれば、耐食性及び導電性に優れ、しかも低コストなバイポーラプレートを得ることができる。
ＴｉＯ系複合酸化物は、金属元素Ｍの種類によらず、高耐食性及び高導電性を示す。これは、以下の理由による。すなわち、ＴｉＯ系酸化物は、不動態皮膜と呼ばれる皮膜を形成しやすいため、化学的に安定で高耐食性を有する。さらに、金属元素Ｍを複合化することで、高導電性を発現する。
（実施例１）
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＮｂ−Ｔｉ複合酸化物ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ｎｂ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＮｂ−Ｔｉ複合酸化物ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ｎｂ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［２． 試験方法］
［２．１． 耐食試験］
１Ｌのセパラブルフラスコに０．０１Ｎ硫酸を８００ｍＬ入れた。これをマントルヒーターにセットし、８０℃まで加熱した。８０℃に保たれた硫酸に試料を浸漬し、試料に２．０Ｖの電圧を６時間印加した。
［２．２． 抵抗測定］
電圧印加前後の抵抗変化を測定するために、ロードセルで試料に１ＭＰａ加圧した。試料面に垂直方向に０〜０．５Ａの電流を流した時の電圧値を測定した。さらに、電圧値から接触抵抗を算出した。
［２．１． 耐食試験］
１Ｌのセパラブルフラスコに０．０１Ｎ硫酸を８００ｍＬ入れた。これをマントルヒーターにセットし、８０℃まで加熱した。８０℃に保たれた硫酸に試料を浸漬し、試料に２．０Ｖの電圧を６時間印加した。
［２．２． 抵抗測定］
電圧印加前後の抵抗変化を測定するために、ロードセルで試料に１ＭＰａ加圧した。試料面に垂直方向に０〜０．５Ａの電流を流した時の電圧値を測定した。さらに、電圧値から接触抵抗を算出した。
［３． 結果］
実施例１の場合、電圧印加前の接触抵抗は、５３ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、３６ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
実施例１の場合、電圧印加前の接触抵抗は、５３ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、３６ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
（実施例２）
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＡｕ−Ｔｉ複合酸化物ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ａｕ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＡｕ−Ｔｉ複合酸化物ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ａｕ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［２． 試験方法及び結果］
実施例１と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例１と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例２の場合、電圧印加前の接触抵抗は、６１ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、２６ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
実施例１と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例１と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例２の場合、電圧印加前の接触抵抗は、６１ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、２６ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
（実施例３）
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＢｉ−Ｔｉ複合酸化物ＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ｂｉ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［１． 試料の作製］
スパッタ法により、Ｔｉ基板（０．１×１００×５０ｍｍ、（株）ニラコ製）の表面にＢｉ−Ｔｉ複合酸化物ＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Ｂｉ及びＴｉを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、Ｏ2雰囲気とした。成膜後、Ｔｉ基板を切断し、１ｃｍ×２ｃｍの試料を得た。
［２． 試験方法及び結果］
実施例１と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例１と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例３の場合、電圧印加前の接触抵抗は、５７ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、４４ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
実施例１と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例１と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例３の場合、電圧印加前の接触抵抗は、５７ｍΩｃｍ2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、４４ｍΩｃｍ2であった。以上の結果から、ＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xが固体高分子電解質（ＰＥＭ）を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
本発明に係るバイポーラプレートは、固体高分子形燃料電池用セパレータ、固体高分子形（ＰＥＭ）水電解装置用バイポーラプレートなどに使用することができる。
Claims (5)
- 以下の構成を備えたバイポーラプレート。
（１）前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
（２）前記被覆膜は、次の式（１）で表される組成を有するＴｉＯ系複合酸化物を含む。
ＭxＴｉＯ2+(y/2)ｘ ・・・（１）
但し、
Ｍは、Ｎｂ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＬａからなる群から選ばれるいずれか１以上の元素、
ｘは、１／２〜２、
ｙは、Ｍの原子価に等しい値。 - 前記被覆膜は、ＮｂxＴｉＯ2+(y/2)x、ＡｕxＴｉＯ2+(y/2)x、及びＢｉxＴｉＯ2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか１以上のＴｉＯ系複合酸化物を含む請求項１に記載のバイポーラプレート。
- 前記基板は、金属、カーボン、又は高分子材料からなる請求項１又は２に記載のバイポーラプレート。
- 前記被覆膜は、少なくとも電極との接触面に形成されている請求項１から３までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート。
- 固体高分子形燃料電池用セパレータ、又は、ＰＥＭ水電解装置用バイポーラプレートとして用いられる請求項１から４までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018077567A JP7163609B2 (ja) | 2018-04-13 | 2018-04-13 | バイポーラプレート |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018077567A JP7163609B2 (ja) | 2018-04-13 | 2018-04-13 | バイポーラプレート |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019186121A true JP2019186121A (ja) | 2019-10-24 |
| JP7163609B2 JP7163609B2 (ja) | 2022-11-01 |
Family
ID=68341788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018077567A Active JP7163609B2 (ja) | 2018-04-13 | 2018-04-13 | バイポーラプレート |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7163609B2 (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119061A (ja) * | 2002-09-24 | 2004-04-15 | Japan Storage Battery Co Ltd | 鉛蓄電池 |
| JP2008004498A (ja) * | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Mitsubishi Materials Corp | 酸化性環境下に長期間さらされても接触抵抗が増加することの少ない複合層被覆金属板 |
| JP2015515538A (ja) * | 2012-02-23 | 2015-05-28 | トレードストーン テクノロジーズ インク | 金属基板表面の被覆方法、電気化学的装置および燃料電池用プレート |
| WO2017082257A1 (ja) * | 2015-11-10 | 2017-05-18 | 新日鐵住金株式会社 | チタン材、セパレータおよび固体高分子形燃料電池 |
| JP2018049782A (ja) * | 2016-09-23 | 2018-03-29 | 新日鐵住金株式会社 | 金属材、セパレータ、セル、および燃料電池 |
| JP2018049701A (ja) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 株式会社東芝 | 固体電解質、リチウム電池、電池パック、及び車両 |
-
2018
- 2018-04-13 JP JP2018077567A patent/JP7163609B2/ja active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119061A (ja) * | 2002-09-24 | 2004-04-15 | Japan Storage Battery Co Ltd | 鉛蓄電池 |
| JP2008004498A (ja) * | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Mitsubishi Materials Corp | 酸化性環境下に長期間さらされても接触抵抗が増加することの少ない複合層被覆金属板 |
| JP2015515538A (ja) * | 2012-02-23 | 2015-05-28 | トレードストーン テクノロジーズ インク | 金属基板表面の被覆方法、電気化学的装置および燃料電池用プレート |
| WO2017082257A1 (ja) * | 2015-11-10 | 2017-05-18 | 新日鐵住金株式会社 | チタン材、セパレータおよび固体高分子形燃料電池 |
| JP2018049701A (ja) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 株式会社東芝 | 固体電解質、リチウム電池、電池パック、及び車両 |
| JP2018049782A (ja) * | 2016-09-23 | 2018-03-29 | 新日鐵住金株式会社 | 金属材、セパレータ、セル、および燃料電池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7163609B2 (ja) | 2022-11-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Asri et al. | Coating of stainless steel and titanium bipolar plates for anticorrosion in PEMFC: A review | |
| CN101743657B (zh) | 用于燃料电池的双极板和燃料电池堆 | |
| CN108701841B (zh) | 层和层体系以及双极板、燃料电池和电解装置 | |
| KR102061922B1 (ko) | 전기 전도성이고 내부식성인 금속 표면 | |
| US20110033784A1 (en) | Electrode with a coating, method in production thereof and use of a material | |
| TW201721948A (zh) | 固體高分子形燃料電池之分隔件用金屬板及其製造用金屬板 | |
| TWI610490B (zh) | 固體高分子形燃料電池之分隔件用金屬板 | |
| US11133512B2 (en) | Bipolar plate | |
| JPH11162478A (ja) | 燃料電池用セパレータ | |
| CN111032903B (zh) | 涂层和层体系以及双极板、燃料电池和电解装置 | |
| KR100590552B1 (ko) | 연료전지용 금속제 분리판 및 그 내식처리방법 | |
| JP5573039B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびその製造方法 | |
| Odetola et al. | Electrodeposition of functional coatings on bipolar plates for fuel cell applications–a review | |
| CN114447356B (zh) | 一种亲水涂层及其制备方法 | |
| JP7200787B2 (ja) | 電極板 | |
| JP7163609B2 (ja) | バイポーラプレート | |
| JP6939747B2 (ja) | 電極板 | |
| KR102491289B1 (ko) | 고체 산화물 전지 스택을 위한 인터커넥트에 코팅의 부착 | |
| Frangini et al. | Anti-Corrosion methods for fuel cell metal bipolar plates: A review of recent patent literature | |
| JP7347033B2 (ja) | 電極板 | |
| US20230295820A1 (en) | Anode-side separator and water electrolyzer | |
| US20180323447A1 (en) | Titanium product, separator and polymer electrolyte fuel cell | |
| US20230231151A1 (en) | Layer system, bipolar plate comprising such a layer system, and fuel cell produced therewith | |
| Richards et al. | Review–Metallic bipolar plates and their usage in energy conversion systems | |
| TW201727980A (zh) | 燃料電池之分隔件用不銹鋼鋼板及其製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210125 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211124 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211214 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220112 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220329 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220920 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221003 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7163609 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |