JP2022035419A - Fuel cell separator - Google Patents

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Daichi Miyazaki
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Hiroshi Yanagimoto
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Abstract

To provide a method which can manufacture a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance.SOLUTION: There is provided a manufacturing method of a fuel cell separator comprising at least: a metal base; and a carbon nanotube (CNT)-containing layer which is formed on the metal base and contains CNT. The manufacturing method includes steps of: preparing the metal base; providing, on the metal base, slurry which contains at least silicon alkoxide, the CNT, a dispersant, and a solvent; and forming the CNT-containing layer by heating and curing, in a non-oxidizing atmosphere, the metal base provided with the slurry.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池セパレータに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell separator.

燃料電池は、水素及び酸素を電気化学的に反応させて起電力を得る。燃料電池の発電に伴って生じる生成物は、原理的に水のみである。それゆえ、地球環境への負荷がほとんどない、クリーンな発電システムとして注目されている。 Fuel cells obtain electromotive force by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. In principle, water is the only product produced by the power generation of fuel cells. Therefore, it is attracting attention as a clean power generation system with almost no load on the global environment.

燃料電池は、電解質膜の両面に電極触媒層が配置された、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly)(以下、「MEA」とも記載する)を基本単位として構成される。燃料電池の運転時には、アノード(燃料極)側の電極触媒層に水素を含む燃料ガスを、カソード(空気極)側の電極触媒層に酸素を含む酸化ガスを、それぞれ供給することにより、起電力を得る。アノードでは酸化反応が、カソードでは還元反応が進行し、外部回路に起電力を供給する。 The fuel cell is configured with a membrane electrode assembly (hereinafter, also referred to as "MEA") in which electrode catalyst layers are arranged on both sides of the electrolyte membrane as a basic unit. During operation of the fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the electrode catalyst layer on the anode (fuel electrode) side, and an oxidation gas containing oxygen is supplied to the electrode catalyst layer on the cathode (air electrode) side. To get. An oxidation reaction proceeds at the anode and a reduction reaction proceeds at the cathode, supplying electromotive force to an external circuit.

燃料電池においては、通常は、MEAの各電極触媒層の外側にガス拡散層が配置され、ガス拡散層の外側にセパレータがさらに配置されて、燃料電池セルが構成される。燃料電池は、通常は、所望の電力に基づき、必要となる複数の燃料電池セルの組み合わせ(以下、「燃料電池スタック」とも記載する)として使用される。 In a fuel cell, usually, a gas diffusion layer is arranged outside each electrode catalyst layer of the MEA, and a separator is further arranged outside the gas diffusion layer to form a fuel cell. The fuel cell is usually used as a combination of a plurality of required fuel cell cells (hereinafter, also referred to as "fuel cell stack") based on a desired electric power.

セパレータは、各燃料電池セルに供給される燃料ガス及び空気を遮断するだけでなく、外部への電流伝達部としても機能する。このため、セパレータには、気密性だけでなく、導電性、耐腐食性及び熱伝導性が要求される。従来、セパレータには、カーボン基材が使用されてきたが、近年では、高い導電性を確保するべく、金属基材の表面に導電性皮膜を配置した材料も使用される。 The separator not only shuts off the fuel gas and air supplied to each fuel cell, but also functions as a current transmission unit to the outside. Therefore, the separator is required to have not only airtightness but also conductivity, corrosion resistance and thermal conductivity. Conventionally, a carbon base material has been used for the separator, but in recent years, a material in which a conductive film is arranged on the surface of a metal base material is also used in order to secure high conductivity.

燃料電池セパレータとして、例えば、特許文献1は、金属基材と該金属基材の表面に設けられる表面層とを備える燃料電池用セパレータであって、前記表面層には、炭素系導電材とSi系バインダーとが含まれており、前記表面層において、前記炭素系導電材の表面被覆率は90%以上、前記Si系バインダーの比率は40%以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータを開示している。特許文献1では、炭素系導電材により高い導電性が確保され得ることが記載されている。 As the fuel cell separator, for example, Patent Document 1 is a fuel cell separator provided with a metal base material and a surface layer provided on the surface of the metal base material, and the surface layer includes a carbon-based conductive material and Si. A fuel cell separator containing a system binder and having a surface coverage of the carbon-based conductive material of 90% or more and a Si-based binder ratio of 40% or more in the surface layer. It is disclosed. Patent Document 1 describes that high conductivity can be ensured by a carbon-based conductive material.

特開2019-133838号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-133838

上述のように、燃料電池セパレータには、燃料電池の発電性能を高めるために、高い導電性が求められている。具体的には、燃料電池セパレータには、セパレータと隣接する電極との接触抵抗、或いはセパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を低減することが重要である。なお、高い導電性とは、接触抵抗が低いことを意味する。また、燃料電池セパレータには、高い導電性に加えて、優れた耐腐食性も求められる。すなわち、燃料電池セパレータは、使用時、塩化物イオンやフッ化物イオンを含む低pHの生成水(腐食性液)に接するため、燃料電池セパレータには、そのような腐食環境下においても耐久性を有することが求められる。特許文献1では、上述の通り、炭素系導電材及びSi系バインダーを含む表面層が金属基材の上に形成された燃料電池セパレータが開示されているが、耐腐食性の観点からさらなる改良の余地があった。 As described above, the fuel cell separator is required to have high conductivity in order to enhance the power generation performance of the fuel cell. Specifically, it is important for the fuel cell separator to reduce the contact resistance between the separator and the adjacent electrode or the contact resistance between the separator and the adjacent gas diffusion layer. In addition, high conductivity means that the contact resistance is low. Further, the fuel cell separator is required to have excellent corrosion resistance in addition to high conductivity. That is, since the fuel cell separator is in contact with low pH generated water (corrosive liquid) containing chloride ions and fluoride ions during use, the fuel cell separator is durable even in such a corrosive environment. It is required to have. As described above, Patent Document 1 discloses a fuel cell separator in which a surface layer containing a carbon-based conductive material and a Si-based binder is formed on a metal base material, but further improvement is made from the viewpoint of corrosion resistance. There was room.

そこで、本開示の目的は、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを製造できる方法を提供することである。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method capable of producing a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance.

本開示は、以下の実施形態を包含する。 The present disclosure includes the following embodiments.

(1) 金属基材と、金属基材の上に形成され及びカーボンナノチューブ(CNT)を含むCNT含有層とを少なくとも備える、燃料電池セパレータの製造方法であって、
金属基材を用意する工程、
シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを金属基材の上に配置する工程、及び
スラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程
を含む、燃料電池セパレータの製造方法。
(2) CNT含有層におけるCNTの表面被覆率が、90%以上である、(1)に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(3) CNT含有層の膜厚が、1~2μmである、(1)又は(2)に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(4) 非酸化雰囲気が、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気である、(1)~(3)のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(5) 不活性ガス雰囲気が、窒素ガス雰囲気又はArガス雰囲気である、(4)に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(6) さらに、
金属基材の上にチタン含有層を配置する工程、及び
チタン含有層の上に炭素層を配置する工程
を含み、
スラリーは、炭素層の上に配置される、(1)~(5)のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(7) さらに、
金属基材の上に銀含有層を配置する工程
を含み、
スラリーは、銀含有層の上に配置される、(1)~(5)のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータの製造方法。
(1) A method for manufacturing a fuel cell separator, comprising at least a metal base material and a CNT-containing layer formed on the metal base material and containing carbon nanotubes (CNTs).
The process of preparing a metal base material,
A step of arranging a slurry containing at least silicon alkoxide, CNT, a dispersant and a solvent on a metal substrate, and heating and curing the metal substrate on which the slurry is arranged in a non-oxidizing atmosphere to form a CNT-containing layer. A method for manufacturing a fuel cell separator, which comprises a step of making a fuel cell separator.
(2) The method for manufacturing a fuel cell separator according to (1), wherein the surface coverage of CNTs in the CNT-containing layer is 90% or more.
(3) The method for manufacturing a fuel cell separator according to (1) or (2), wherein the CNT-containing layer has a film thickness of 1 to 2 μm.
(4) The method for manufacturing a fuel cell separator according to any one of (1) to (3), wherein the non-oxidizing atmosphere is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere.
(5) The method for manufacturing a fuel cell separator according to (4), wherein the inert gas atmosphere is a nitrogen gas atmosphere or an Ar gas atmosphere.
(6) Furthermore
It includes a step of arranging a titanium-containing layer on a metal substrate and a step of arranging a carbon layer on the titanium-containing layer.
The method for manufacturing a fuel cell separator according to any one of (1) to (5), wherein the slurry is arranged on a carbon layer.
(7) Furthermore
Including the step of arranging the silver-containing layer on the metal substrate,
The method for producing a fuel cell separator according to any one of (1) to (5), wherein the slurry is arranged on the silver-containing layer.

本開示の構成により、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを製造できる方法を提供することができる。 According to the configuration of the present disclosure, it is possible to provide a method capable of producing a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance.

本実施形態の製造方法により製造される燃料電池セパレータの構成例を示す模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of this embodiment. 本実施形態の製造方法により製造される燃料電池セパレータの構成例を示す模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of this embodiment. 本実施形態の製造方法により製造される燃料電池セパレータの構成例を示す模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of this embodiment.

本実施形態は、金属基材と、金属基材の上に形成され及びカーボンナノチューブ(CNT)を含むCNT含有層とを少なくとも備える、燃料電池セパレータの製造方法であって、金属基材を用意する工程、シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを金属基材の上に配置する工程、及びスラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程を含む、燃料電池セパレータの製造方法である。 The present embodiment is a method for manufacturing a fuel cell separator, which comprises at least a metal base material and a CNT-containing layer formed on the metal base material and containing carbon nanotubes (CNTs), and prepares the metal base material. A step of arranging a slurry containing at least silicon alkoxide, CNT, a dispersant and a solvent on a metal substrate, and a step of arranging the metal substrate on which the slurry is arranged by heating in a non-oxidizing atmosphere to cure the CNT-containing layer. It is a method of manufacturing a fuel cell separator including a step of forming the above.

本実施形態により、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを製造できる方法を提供することができる。具体的には、本実施形態では、シリコンアルコキシド及びCNTを含むスラリーを非酸化雰囲気下で加熱して硬化させることにより、CNT含有層を形成する。CNT含有層を非酸化雰囲気下で焼成することにより、バインダーの分解を抑制し、膜の緻密性及び液浸透バリア性を向上することができる。その結果、生成水の浸透を抑制することができ、金属基材からの金属イオンの溶出を抑えることができる。したがって、本実施形態により、高い導電性とともに、優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを製造することができる。 The present embodiment can provide a method capable of producing a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance. Specifically, in the present embodiment, the CNT-containing layer is formed by heating and curing the slurry containing silicon alkoxide and CNT in a non-oxidizing atmosphere. By firing the CNT-containing layer in a non-oxidizing atmosphere, decomposition of the binder can be suppressed, and the denseness of the membrane and the liquid permeation barrier property can be improved. As a result, the permeation of the generated water can be suppressed, and the elution of metal ions from the metal substrate can be suppressed. Therefore, according to this embodiment, it is possible to manufacture a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance.

以下、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present embodiment will be described.

図1は、本実施形態の一態様により製造される燃料電池セパレータ100の構成を説明するための模式的断面図である。図1において、燃料電池セパレータ100は、金属基材101と、金属基材101の上に配置されたCNT含有層102とを含む。CNT含有層102は、カーボンナノチューブ(CNT)103及びシリコンアルコキシドから構成されるマトリックス層104を含む。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the fuel cell separator 100 manufactured by one aspect of the present embodiment. In FIG. 1, the fuel cell separator 100 includes a metal base material 101 and a CNT-containing layer 102 arranged on the metal base material 101. The CNT-containing layer 102 includes a matrix layer 104 composed of carbon nanotubes (CNTs) 103 and silicon alkoxide.

(基材用意工程)
本実施形態に係る製造方法は、金属基材を用意する工程を含む。
(Base material preparation process)
The manufacturing method according to the present embodiment includes a step of preparing a metal base material.

金属基材を構成する金属は、特に制限されるものではないが、例えば、鉄、アルミニウム、又はこれらの合金等が挙げられる。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又は加工容易性等の観点から好ましく用いられ得る。鉄合金にはステンレスが含まれ得る。本実施形態において、金属基材は、ステンレス基材であることが好ましい。ステンレス基材は、コストパフォーマンスに優れ、また、ガス拡散層等との接触面の導電性を十分に確保し易い。ステンレス基材としては、特に制限されるものではないが、例えば、オーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト二相系、マルテンサイト系、又は析出硬化系等が挙げられる。 The metal constituting the metal base material is not particularly limited, and examples thereof include iron, aluminum, and alloys thereof. These materials can be preferably used from the viewpoints of mechanical strength, versatility, cost performance, ease of processing and the like. Iron alloys may include stainless steel. In the present embodiment, the metal base material is preferably a stainless steel base material. The stainless steel base material is excellent in cost performance, and it is easy to sufficiently secure the conductivity of the contact surface with the gas diffusion layer or the like. The stainless steel substrate is not particularly limited, and examples thereof include austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, austenitic / ferrite two-phase stainless steel, martensitic stainless steel, and precipitation hardening stainless steel.

金属基材の厚さは、加工容易性、機械的強度、並びにセパレータの薄膜化による電池エネルギー密度の向上等の観点を考慮して適宜選択されるが、例えば、0.05~0.5mmである。厚さがこの範囲であると、セパレータの軽量化及び薄型化の要求を満足し易く、セパレータ材としての強度及びハンドリング性を備える。そのため、セパレータ材をセパレータの形状にプレス加工することが比較的容易となる。金属基材の形状は、コイル状に巻かれた長尺帯状であってもよく、所定の寸法に切断された枚葉紙状であってもよい。 The thickness of the metal base material is appropriately selected in consideration of ease of processing, mechanical strength, and improvement of battery energy density by thinning the separator, and is, for example, 0.05 to 0.5 mm. be. When the thickness is within this range, it is easy to satisfy the demands for weight reduction and thinning of the separator, and it has strength and handleability as a separator material. Therefore, it is relatively easy to press the separator material into the shape of the separator. The shape of the metal base material may be a long strip wound in a coil shape or a sheet of paper cut to a predetermined size.

(塗布工程)
本実施形態に係る製造方法は、シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを金属基材の上に配置する工程を含む。
(Applying process)
The production method according to the present embodiment includes a step of arranging a slurry containing at least silicon alkoxide, CNT, a dispersant and a solvent on a metal substrate.

本実施形態では、CNT含有層は、ゾルゲル法を用いて形成されることが好ましい。ゾルゲル法を用いることにより、耐久性に優れたCNT含有層を得ることができ、また、CNTをCNT含有層中に良好に分散させて固定することができる。 In the present embodiment, the CNT-containing layer is preferably formed by using the sol-gel method. By using the sol-gel method, a CNT-containing layer having excellent durability can be obtained, and CNTs can be well dispersed and fixed in the CNT-containing layer.

CNTは、グラファイトの単層面が筒状の構造を有するカーボン材料を意味する。通常は、1層の筒状の構造を有するCNTを単層CNTと、2層の筒状の構造を有するCNTを2層CNTと、3層以上の筒状の構造を有するCNTを多層CNTと、それぞれ分類することができる。通常は、CNTを含む導電性皮膜において、CNTの層数が増加すると導電性が向上し得る。CNT含有層に含まれるCNTは、前記いずれの構造を有してもよい。 CNT means a carbon material having a cylindrical structure on a single-walled surface of graphite. Usually, a CNT having a single-layer tubular structure is a single-walled CNT, a CNT having a two-layer tubular structure is a two-walled CNT, and a CNT having three or more tubular structures is a multi-walled CNT. , Can be classified individually. Normally, in a conductive film containing CNTs, the conductivity can be improved as the number of layers of CNTs increases. The CNT contained in the CNT-containing layer may have any of the above-mentioned structures.

CNTは、安定した接触抵抗に寄与し得る。また、CNTは、分散剤を用いることにより、CNT含有層全体に亘って均一に分散させることができる。CNTの長さは、1μm~数十μmであることが好ましい。CNTの長さは1μm~90μmであることが好ましい。CNTの長さが1μm以上である場合、導電経路が増加し、接触抵抗を低下させ易い。CNTの長さが90μm以下である場合、CNTの凝集を抑制することができ、その結果、CNTを均一に分散させ易くなる。 CNTs can contribute to stable contact resistance. Further, the CNTs can be uniformly dispersed over the entire CNT-containing layer by using a dispersant. The length of the CNT is preferably 1 μm to several tens of μm. The length of the CNT is preferably 1 μm to 90 μm. When the length of the CNT is 1 μm or more, the conductive path increases and the contact resistance tends to decrease. When the length of the CNT is 90 μm or less, the aggregation of the CNT can be suppressed, and as a result, the CNT can be easily dispersed uniformly.

CNTのスラリー中の含有量は、得られるCNT含有層におけるCNTの表面被覆率が90%以上となるように調整されることが好ましい。すなわち、CNT含有層におけるCNTの表面被覆率は、90%以上であることが好ましい。CNT含有層におけるCNTの表面被覆率が90%以上である場合、電子伝導性パスを効果的に確保することができ、接触抵抗を下げることができる。それゆえ、前記範囲の表面被覆率のCNTを含むCNT含有層を備えることにより、本態様の燃料電池セパレータは、高い導電性を有することができる。 The content of the CNTs in the slurry is preferably adjusted so that the surface coverage of the CNTs in the obtained CNT-containing layer is 90% or more. That is, the surface coverage of CNTs in the CNT-containing layer is preferably 90% or more. When the surface coverage of CNTs in the CNT-containing layer is 90% or more, the electron conductive path can be effectively secured and the contact resistance can be lowered. Therefore, the fuel cell separator of this embodiment can have high conductivity by providing the CNT-containing layer containing the CNTs having the surface coverage in the above range.

CNT含有層におけるCNTの表面被覆率は、限定するものではないが、以下の手順で測定することができる。レーザー顕微鏡を用いて、燃料電池セパレータの表面観察を実施する。観察像に対して、CNTの有無の観点で2値化し、CNTが覆っている割合を被覆率(面積%)として算出する。 The surface coverage of CNTs in the CNT-containing layer is not limited, but can be measured by the following procedure. The surface of the fuel cell separator is observed using a laser microscope. The observed image is binarized from the viewpoint of the presence or absence of CNT, and the ratio covered by CNT is calculated as the coverage ratio (area%).

シリコンアルコキシド(アルコキシシラン)としては、特に制限されるものではないが、例えば、テトラエトキシシラン[Si(OC)]、テトラメトキシシラン[Si(OCH)]、メチルトリエトキシシラン[CHSi(OC)]、メチルトリメトキシシラン[CHSi(OCH)]、エチルメトキシシラン[CSi(OCH)]、又はエチルトリエトキシシラン[CSi(OC)]等が挙げられる。好ましくは、テトラエトキシシラン又はテトラメトキシシランである。シリコンアルコキシドは、1種を単独で用いてもよく、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The silicon alkoxide (alkoxysilane) is not particularly limited, but for example, tetraethoxysilane [Si (OC 2 H 5 ) 4 ], tetramethoxysilane [Si (OCH 3 ) 4 ], and methyltriethoxysilane. [CH 3 Si (OC 2 H 5 ) 3 ], Methyltrimethoxysilane [CH 3 Si (OCH 3 ) 3 ], Ethylmethoxysilane [C 2 H 5 Si (OCH 3 ) 3 ], or Ethyltriethoxysilane [ C 2 H 5 Si (OC 2 H 5 ) 3 ] and the like can be mentioned. Preferably, it is tetraethoxysilane or tetramethoxysilane. The silicon alkoxide may be used alone or in combination of two or more.

分散剤は、CNTを分散させる機能を有する分散剤を含む。分散剤としては、例えば、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、又は非イオン界面活性剤等が挙げられる。分散剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The dispersant includes a dispersant having a function of dispersing CNTs. Examples of the dispersant include anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, nonionic surfactants and the like. As the dispersant, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.

溶媒は、シリコンアルコキシドを溶解するものであれば特に制限されるものではない。溶媒としては、アルコールを用いることが好ましい。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n-プロピルアルコール、イソブチルアルコール、n-ブチルアルコール、sec-ブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、又はジアセトンアルコール等が挙げられる。好ましくは、エタノールである。溶媒は、シリコンアルコキシドの反応を促進するため、水を含んでもよい。水を含むことにより加水分解が進み、反応を促進させることができる。溶媒は、好ましくは、アルコールと水との混合溶媒である。 The solvent is not particularly limited as long as it dissolves silicon alkoxide. It is preferable to use alcohol as the solvent. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, isobutyl alcohol, n-butyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, diacetone alcohol and the like. Ethanol is preferred. The solvent may contain water to accelerate the reaction of the silicon alkoxide. By containing water, hydrolysis can proceed and the reaction can be promoted. The solvent is preferably a mixed solvent of alcohol and water.

スラリーは、シリコンアルコキシド以外にも、その他の樹脂を含んでもよい。その他の樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、メラミン系樹脂、又はフッ素系樹脂等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。このような樹脂は、CNT含有層の硬化を促進するための硬化剤も含むことができる。スラリーは、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。エポキシ樹脂を含むことにより、CNT含有層と基材との密着力を向上させることができる。 The slurry may contain other resins in addition to the silicon alkoxide. Examples of other resins include epoxy resins, acrylic resins, phenolic resins, urethane resins, melamine resins, fluororesins and the like. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type. Such a resin can also contain a curing agent for accelerating the curing of the CNT-containing layer. The slurry preferably contains an epoxy resin. By containing the epoxy resin, the adhesion between the CNT-containing layer and the base material can be improved.

一実施形態において、シリコンアルコキシド及び溶媒を含むSi系バインダー溶液を用いてスラリーを調製してもよい。Si系バインダー溶液を用いる場合、Si系バインダー溶液にCNT及び分散剤を添加して混合すれば、スラリーを容易に調製することができる。Si系バインダー溶液は、シリコンアルコキシドを主成分として含むことが好ましい。主成分とは、スラリー中で最も高い含有量で存在する成分を意味する。場合によっては、Si系バインダー溶液は、Si系バインダー溶液に含まれる溶媒以外の成分において、シリコンアルコキシドを主成分として含むことが好ましい。Si系バインダーは、シリコンアルコキシド以外にも、その他の樹脂を含んでもよい。その他の樹脂としては、上述のものを例示することができる。Si系バインダー溶液のスラリー中の含有量は、好ましくは、40質量%以上であり、好ましくは40~60質量%の範囲である。Si系バインダー溶液の含有量が40質量%以上である場合、燃料電池使用環境下で腐食液の浸透を効果的に阻害することができる。腐食液の浸透が進行すると、金属基材と表面処理膜との間の界面に酸化膜が成長して、セパレータとGDLとの間の接触抵抗が上昇する可能性がある。それゆえ、Si系バインダー溶液の含有量を40質量%以上とすることにより、燃料電池セパレータに耐腐食性を効果的に付与することができる。 In one embodiment, a slurry may be prepared using a Si-based binder solution containing silicon alkoxide and a solvent. When a Si-based binder solution is used, a slurry can be easily prepared by adding CNT and a dispersant to the Si-based binder solution and mixing them. The Si-based binder solution preferably contains silicon alkoxide as a main component. The main component means a component present in the highest content in the slurry. In some cases, the Si-based binder solution preferably contains silicon alkoxide as a main component in the components other than the solvent contained in the Si-based binder solution. The Si-based binder may contain other resins in addition to the silicon alkoxide. Examples of other resins include those described above. The content of the Si-based binder solution in the slurry is preferably 40% by mass or more, preferably in the range of 40 to 60% by mass. When the content of the Si-based binder solution is 40% by mass or more, the permeation of the corrosive liquid can be effectively inhibited in the environment where the fuel cell is used. As the permeation of the corrosive liquid progresses, an oxide film may grow on the interface between the metal substrate and the surface treatment film, and the contact resistance between the separator and the GDL may increase. Therefore, by setting the content of the Si-based binder solution to 40% by mass or more, corrosion resistance can be effectively imparted to the fuel cell separator.

スラリーは、所定の材料をディゾルバー又はビーズミル等の当該技術分野で通常使用される手段によって均一に分散させることにより調製することができる。 The slurry can be prepared by uniformly dispersing the predetermined material by means commonly used in the art such as a dissolver or a bead mill.

スラリーの塗布方法としては、例えば、ディッピングコーティング法、スピンコーティング法、バーコータコーティング法、又はスプレーコーティング法等が挙げられる。 Examples of the slurry coating method include a dipping coating method, a spin coating method, a bar coater coating method, a spray coating method, and the like.

スラリーの塗膜は、通常、後の焼成工程に先立って溶媒等の揮発性物質を除去する乾燥処理が行われる。 The coating film of the slurry is usually subjected to a drying treatment for removing volatile substances such as a solvent prior to the subsequent firing step.

(焼成工程)
本実施形態に係る製造方法は、スラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程を含む。
(Baking process)
The production method according to the present embodiment includes a step of heating and curing the metal substrate on which the slurry is arranged in a non-oxidizing atmosphere to form a CNT-containing layer.

本実施形態において、焼成は、非酸化雰囲気下で行われる。非酸化雰囲気下で焼成することにより、膜構成成分の分解が抑制され、膜の緻密性を向上することができ、その結果、液浸透に対するバリア性を向上することができる。そのため、本実施形態で得られるCNT含有層は、生成水の浸透が抑制され、その結果、金属基材からの金属イオンの溶出を抑制することができる。 In this embodiment, firing is performed in a non-oxidizing atmosphere. By firing in a non-oxidizing atmosphere, decomposition of the membrane constituents can be suppressed, the denseness of the membrane can be improved, and as a result, the barrier property against liquid permeation can be improved. Therefore, the CNT-containing layer obtained in the present embodiment suppresses the permeation of the generated water, and as a result, the elution of metal ions from the metal substrate can be suppressed.

非酸化雰囲気は、例えば、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気である。不活性ガス雰囲気としては、例えば、窒素ガス雰囲気又はArガス雰囲気等が挙げられる。 The non-oxidizing atmosphere is, for example, an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. Examples of the inert gas atmosphere include a nitrogen gas atmosphere and an Ar gas atmosphere.

加熱温度は、特に制限されるものではないが、例えば、250℃以上450℃以下である。加熱温度は、好ましくは310℃以上400℃以下であり、好ましくは320℃以上である。本実施形態において、非酸化雰囲気下で加熱するため、加熱温度を高くしても樹脂等の膜構成成分の分解を抑制することができる。加熱温度が310℃以上である場合、分散剤を効率的に揮発又は分解することができ、分散剤のCNT含有層中への残留を抑制することができる。その結果、CNTの導電ネットワークが阻害されず、低い接触抵抗を得ることができる。また、加熱温度が400℃以下である場合、樹脂の熱劣化を抑制することができる。その結果、CNT含有層の耐水性及び耐腐食性を向上することができる。 The heating temperature is not particularly limited, but is, for example, 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. The heating temperature is preferably 310 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and preferably 320 ° C. or higher. In the present embodiment, since the film is heated in a non-oxidizing atmosphere, decomposition of film constituents such as resin can be suppressed even if the heating temperature is raised. When the heating temperature is 310 ° C. or higher, the dispersant can be efficiently volatilized or decomposed, and the residue of the dispersant in the CNT-containing layer can be suppressed. As a result, the conductive network of CNTs is not disturbed, and low contact resistance can be obtained. Further, when the heating temperature is 400 ° C. or lower, thermal deterioration of the resin can be suppressed. As a result, the water resistance and corrosion resistance of the CNT-containing layer can be improved.

加熱時間は、特に制限されるものではないが、例えば、5~30分の範囲である。加熱時間が5分以上である場合、シリコンアルコキシドを十分に硬化させることができる。また、加熱時間が30分以下である場合、シリコンアルコキシドの樹脂劣化を防ぐことができる。 The heating time is not particularly limited, but is, for example, in the range of 5 to 30 minutes. When the heating time is 5 minutes or more, the silicon alkoxide can be sufficiently cured. Further, when the heating time is 30 minutes or less, deterioration of the silicone alkoxide resin can be prevented.

焼成は、例えば、焼成炉を用いて行うことができる。 The firing can be performed using, for example, a firing furnace.

得られたCNT含有層の膜厚は、1~2μmであることが好ましい。CNT含有層の膜厚をこの範囲とすることにより、高い導電性及び優れた耐腐食性を確保しつつ、生産コストを抑制することができる。 The film thickness of the obtained CNT-containing layer is preferably 1 to 2 μm. By setting the film thickness of the CNT-containing layer within this range, it is possible to suppress the production cost while ensuring high conductivity and excellent corrosion resistance.

以上の工程により、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを得ることができる。 Through the above steps, a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance can be obtained.

得られる燃料電池セパレータは、GDLに対する接触抵抗が、好ましくは、10mΩcm以下であり、5mΩcm以下である。燃料電池セパレータのGDLに対する接触抵抗は、限定するものではないが、例えば、以下の手順で測定することができる。燃料電池セパレータの成膜面とGDLとを重ね合わせ、所定(例えば、1MPa)の荷重をかける。その状態で、所定(例えば、1A)の電流を流し、セパレータ及びGDL間の電圧を測定する。測定した電圧値を抵抗値に換算し、さらに評価面積を乗して、接触抵抗を算出する。耐腐食性評価は、燃料電池使用環境を想定して行うことができる。まず、燃料電池セパレータを、強酸性腐食液に浸漬させる。セパレータを浸漬させた状態で、セパレータと電極との間に所定(例えば、0.9V)の定電圧の電位を掛ける。一定時間経過後に、前記と同様の手順で測定した接触抵抗を、耐食試験後接触抵抗値とする。用いる強酸性腐食液は、例えば、pH3のフッ素(F)及び塩素(Cl)を含む強酸性溶液である。 The obtained fuel cell separator has a contact resistance to GDL of preferably 10 mΩcm 2 or less, and 5 mΩ cm 2 or less. The contact resistance of the fuel cell separator to the GDL is not limited, but can be measured, for example, by the following procedure. The film-forming surface of the fuel cell separator and GDL are overlapped with each other, and a predetermined load (for example, 1 MPa) is applied. In that state, a predetermined current (for example, 1 A) is passed and the voltage between the separator and the GDL is measured. The measured voltage value is converted into a resistance value, and the evaluation area is further multiplied to calculate the contact resistance. Corrosion resistance evaluation can be performed assuming the environment in which the fuel cell is used. First, the fuel cell separator is immersed in a strongly acidic corrosive liquid. With the separator immersed, a potential of a predetermined (for example, 0.9V) constant voltage is applied between the separator and the electrode. After a lapse of a certain period of time, the contact resistance measured by the same procedure as described above is taken as the contact resistance value after the corrosion resistance test. The strong acid corrosive liquid used is, for example, a strong acid solution containing fluorine (F) and chlorine (Cl) at pH 3.

本実施形態の一態様は、さらに、金属基材の上にチタン含有層を配置する工程、及びチタン含有層の上に炭素層を配置する工程を含み、スラリーは、炭素層の上に配置される。すなわち、本実施形態の一態様は、金属基材を用意する工程、金属基材の上にチタン含有層を配置する工程、チタン含有層の上に炭素層を配置する工程、シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを炭素層の上に配置する工程、及びスラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程を含む。この態様のように、金属基材の表面に、チタン(Ti)を含むチタン含有層及び炭素(C)を含む炭素層からなる中間層を配置し、さらに中間層の表面に、CNTを含むCNT含有層を配置させることにより、腐食環境下であってもGDLとの間の接触抵抗を低減した燃料電池セパレータが得られる。それゆえ、当該構成を有する燃料電池セパレータは、高い導電性及び優れた耐腐食性を有することができる。 One embodiment of the present embodiment further comprises a step of arranging the titanium-containing layer on the metal substrate and a step of arranging the carbon layer on the titanium-containing layer, and the slurry is arranged on the carbon layer. To. That is, one embodiment of the present embodiment includes a step of preparing a metal base material, a step of arranging a titanium-containing layer on the metal base material, a step of arranging a carbon layer on the titanium-containing layer, silicon alkoxide, CNT, and the like. It includes a step of arranging a slurry containing at least a dispersant and a solvent on a carbon layer, and a step of heating and curing the metal substrate on which the slurry is arranged in a non-oxidizing atmosphere to form a CNT-containing layer. As in this embodiment, an intermediate layer composed of a titanium-containing layer containing titanium (Ti) and a carbon layer containing carbon (C) is arranged on the surface of a metal base material, and CNTs containing CNTs are further arranged on the surface of the intermediate layer. By arranging the content layer, a fuel cell separator having reduced contact resistance with GDL can be obtained even in a corrosive environment. Therefore, the fuel cell separator having such a configuration can have high conductivity and excellent corrosion resistance.

図2は、当該態様により製造される燃料電池セパレータ200の構成を説明するための模式的断面図である。図2において、燃料電池セパレータ200は、金属基材201と、金属基材201の上に配置されたチタン含有層205、チタン含有層205の上に配置された炭素層206と、炭素層206の上に配置されたCNT含有層202とを含む。CNT含有層202は、カーボンナノチューブ(CNT)203及びシリコンアルコキシドから構成されるマトリックス層204を含む。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the fuel cell separator 200 manufactured according to the embodiment. In FIG. 2, the fuel cell separator 200 includes a metal base material 201, a titanium-containing layer 205 arranged on the metal base material 201, a carbon layer 206 arranged on the titanium-containing layer 205, and a carbon layer 206. Includes the CNT-containing layer 202 disposed above. The CNT-containing layer 202 includes a matrix layer 204 composed of carbon nanotubes (CNT) 203 and silicon alkoxide.

本態様の燃料電池セパレータにおいて、チタン含有層は、チタン又はチタン合金を含み、場合により炭素又は窒素を含んでもよい。チタン合金に含まれ得る金属としては、チタン以外に、例えば、アルミニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、パラジウム、又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。具体的には、チタン合金としては、例えば、Ti-Al、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-6Al-4V、又はTi-Pd等が挙げられる。チタン含有中間層は、金属基材の上に、直接的に、すなわち、金属基材と接して形成されることが好ましい。チタン含有層を備えることにより、本態様の燃料電池セパレータにおいて、金属基材由来の金属イオン溶出を抑制することができ、また、炭素(C)を含む炭素層と高い親和性で接合することができる。例えば、本態様の燃料電池セパレータにおいて、金属基材を構成する材料としてステンレスを用いる場合、チタン含有層を備えることにより、燃料電池使用環境下で腐食液が浸透して鉄イオンが溶出し、燃料電池セル中の発電膜を被毒することを抑制し得る。また、チタンとステンレスとは親和性が高いので、該金属基材の表面に炭素を含む炭素層又はCNT含有層を配置する場合と比較して、金属基材及びチタン含有層との間を高い親和性で接合することができる。それゆえ、前記特徴を有するチタン含有層を備えることにより、本態様の燃料電池セパレータは、高い導電性及び耐腐食性を有することができる。 In the fuel cell separator of this embodiment, the titanium-containing layer contains titanium or a titanium alloy, and may optionally contain carbon or nitrogen. Examples of the metal that can be contained in the titanium alloy include aluminum, niobium, tantalum, vanadium, palladium, or a combination thereof, in addition to titanium. Specifically, examples of the titanium alloy include Ti-Al, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd and the like. The titanium-containing intermediate layer is preferably formed on the metal substrate directly, that is, in contact with the metal substrate. By providing the titanium-containing layer, in the fuel cell separator of this embodiment, the elution of metal ions derived from the metal substrate can be suppressed, and the fuel cell separator can be bonded to the carbon layer containing carbon (C) with high affinity. can. For example, in the fuel cell separator of this embodiment, when stainless steel is used as the material constituting the metal base material, by providing the titanium-containing layer, the corrosive liquid permeates and the iron ions are eluted in the fuel cell usage environment, and the fuel is fueled. It is possible to suppress the poisoning of the power generation film in the battery cell. Further, since titanium and stainless steel have a high affinity, the distance between the metal base material and the titanium-containing layer is higher than in the case where a carbon-containing carbon layer or a CNT-containing layer is arranged on the surface of the metal base material. It can be joined by affinity. Therefore, by providing the titanium-containing layer having the above-mentioned characteristics, the fuel cell separator of this embodiment can have high conductivity and corrosion resistance.

チタン含有層の膜厚は、30~500nmの範囲であることが好ましく、100~200nmの範囲であることがより好ましい。チタン含有層の膜厚が30nm以上である場合、金属基材とCNTを含むCNT含有層との間の界面の抵抗を効果的に抑制することができる。また、チタン含有層の膜厚が500nm以下である場合、膜応力の上昇による金属基材に対する密着力の低下を効果的に抑制することができる。 The film thickness of the titanium-containing layer is preferably in the range of 30 to 500 nm, and more preferably in the range of 100 to 200 nm. When the thickness of the titanium-containing layer is 30 nm or more, the resistance at the interface between the metal substrate and the CNT-containing layer containing CNT can be effectively suppressed. Further, when the film thickness of the titanium-containing layer is 500 nm or less, it is possible to effectively suppress the decrease in the adhesion to the metal substrate due to the increase in the film stress.

本態様の燃料電池セパレータにおいて、炭素層は、炭素(C)を含む。炭素は耐酸性が高いことから、炭素を含む炭素層を備えることにより、本態様の燃料電池セパレータにおいて、接触抵抗の上昇を抑制することができる。例えば、本態様の燃料電池セパレータにおいて、炭素層を備えることにより、燃料電池使用環境下で腐食液が炭素層まで浸透しても、金属基材及びチタン含有層の表面の変質を抑制し得る。それゆえ、炭素層を備えることにより、本態様の燃料電池セパレータは、高い導電性を有することができる。炭素層は、チタン含有層の上に、直接的に、すなわち、チタン含有層と接して形成されていることが好ましい。 In the fuel cell separator of this embodiment, the carbon layer contains carbon (C). Since carbon has high acid resistance, it is possible to suppress an increase in contact resistance in the fuel cell separator of this embodiment by providing a carbon layer containing carbon. For example, by providing the carbon layer in the fuel cell separator of the present embodiment, even if the corrosive liquid permeates to the carbon layer in the fuel cell usage environment, deterioration of the surface of the metal base material and the titanium-containing layer can be suppressed. Therefore, by providing the carbon layer, the fuel cell separator of this embodiment can have high conductivity. The carbon layer is preferably formed on the titanium-containing layer directly, that is, in contact with the titanium-containing layer.

炭素層の膜厚は、10~500nmの範囲であることが好ましく、30~50nmの範囲であることがより好ましい。炭素層の膜厚が10nm以上である場合、金属基材とCNTを含むCNT含有層との間の界面における抵抗の上昇を効果的に抑制することができる。また、炭素層の膜厚が500nm以下である場合、膜応力の増加を効果的に抑制することができる。 The film thickness of the carbon layer is preferably in the range of 10 to 500 nm, and more preferably in the range of 30 to 50 nm. When the film thickness of the carbon layer is 10 nm or more, an increase in resistance at the interface between the metal substrate and the CNT-containing layer containing CNT can be effectively suppressed. Further, when the film thickness of the carbon layer is 500 nm or less, an increase in film stress can be effectively suppressed.

チタン含有層及び炭素層の成膜方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、スパッタリング法若しくはイオンプレーティング法等の物理気相成長(PVD)法、又はフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法等のイオンビーム蒸着法等が挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、又はECRスパッタリング法等が挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法等が挙げられる。なかでも、スパッタリング法又はイオンプレーティング法を用いることが好ましい。これらの手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp2混成炭素)の割合を増加させることができ、優れた導電性が達成され得る。 The method for forming the titanium-containing layer and the carbon layer is not particularly limited, but is, for example, a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method or an ion plating method, or a filtered cascade vacuum arc (filtered cascade vacuum arc). Examples thereof include an ion beam vapor deposition method such as the FCVA) method. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, a dual magnetron sputtering method, an ECR sputtering method and the like. Moreover, as an ion plating method, an arc ion plating method and the like can be mentioned. Above all, it is preferable to use the sputtering method or the ion plating method. According to these methods, a carbon layer having a low hydrogen content can be formed. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp2 hybrid carbon) can be increased, and excellent conductivity can be achieved.

また、スパッタリング法において、バイアス電圧等を制御することで得られる膜質を制御することもできる。チタン含有層、炭素層をスパッタリング法により成膜する場合、スパッタリング時に金属基材に対して負のバイアス電圧を印加してもよい。これにより、チタン含有層又は炭素層を緻密に形成でき、耐腐食性を高めることができる。炭素層の成膜時に印加される負のバイアス電圧の大きさは、特に制限されるものではないが、例えば、5~50Vであり、又は10~40Vである。 Further, in the sputtering method, it is also possible to control the film quality obtained by controlling the bias voltage and the like. When the titanium-containing layer and the carbon layer are formed by a sputtering method, a negative bias voltage may be applied to the metal substrate during sputtering. Thereby, the titanium-containing layer or the carbon layer can be formed densely, and the corrosion resistance can be enhanced. The magnitude of the negative bias voltage applied during the formation of the carbon layer is not particularly limited, but is, for example, 5 to 50 V or 10 to 40 V.

前記で説明した各工程を実施することにより、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを得ることができる。 By carrying out each step described above, a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance can be obtained.

本実施形態の一態様は、さらに、金属基材の上に銀含有層を配置する工程を含み、スラリーは、銀含有層の上に配置される。すなわち、本実施形態の一態様は、金属基材を用意する工程、金属基材の上に銀含有層を配置する工程、シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを銀含有層の上に配置する工程、及びスラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程を含む。銀含有層は優れた導電性を有するため、この態様のように、金属基材の表面に、銀含有層からなる中間層を配置し、さらに中間層の表面に、CNTを含むCNT含有層を配置することにより、腐食環境下であってもGDLとの間の接触抵抗を低減した燃料電池セパレータが得られる。それゆえ、当該構成を有する燃料電池セパレータは、高い導電性及び優れた耐腐食性を有することができる。 One embodiment of the present embodiment further comprises the step of arranging the silver-containing layer on the metal substrate, and the slurry is arranged on the silver-containing layer. That is, one aspect of the present embodiment is a step of preparing a metal base material, a step of arranging a silver-containing layer on the metal base material, and a slurry containing at least silicon alkoxide, CNT, a dispersant and a solvent in the silver-containing layer. It includes a step of arranging on the top and a step of heating and curing the metal substrate on which the slurry is placed in a non-oxidizing atmosphere to form a CNT-containing layer. Since the silver-containing layer has excellent conductivity, an intermediate layer made of a silver-containing layer is arranged on the surface of the metal base material as in this embodiment, and a CNT-containing layer containing CNT is further provided on the surface of the intermediate layer. By arranging the fuel cell separator, a fuel cell separator having reduced contact resistance with the GDL can be obtained even in a corrosive environment. Therefore, the fuel cell separator having such a configuration can have high conductivity and excellent corrosion resistance.

図3は、当該態様により製造される燃料電池セパレータ300の構成を説明するための模式的断面図である。図3において、燃料電池セパレータ300は、金属基材301と、金属基材301の上に配置された銀含有層307、銀含有層307の上に配置されたCNT含有層302とを含む。CNT含有層302は、カーボンナノチューブ(CNT)303及びシリコンアルコキシドから構成されるマトリックス層304を含む。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the fuel cell separator 300 manufactured according to the embodiment. In FIG. 3, the fuel cell separator 300 includes a metal base material 301, a silver-containing layer 307 arranged on the metal base material 301, and a CNT-containing layer 302 arranged on the silver-containing layer 307. The CNT-containing layer 302 includes a matrix layer 304 composed of carbon nanotubes (CNT) 303 and silicon alkoxide.

銀含有層は、銀又は銀合金を含み、場合により炭素又は窒素を含むことが好ましい。銀含有層が銀合金を含む場合、合金を形成する金属としては、例えば、金、銅、又は錫等が挙げられる。 The silver-containing layer contains silver or a silver alloy, and preferably contains carbon or nitrogen. When the silver-containing layer contains a silver alloy, examples of the metal forming the alloy include gold, copper, tin, and the like.

銀含有層の膜厚は、好ましくは10nm~500nmであり、好ましくは20~200nmである。銀含有層の膜厚が10nm以上である場合、金属基材とCNT含有層との間の界面における抵抗の上昇を効果的に抑制することができる。また、銀含有層の膜厚が500nm以下である場合、膜応力の増加を効果的に抑制することができる。 The film thickness of the silver-containing layer is preferably 10 nm to 500 nm, preferably 20 to 200 nm. When the film thickness of the silver-containing layer is 10 nm or more, an increase in resistance at the interface between the metal substrate and the CNT-containing layer can be effectively suppressed. Further, when the film thickness of the silver-containing layer is 500 nm or less, an increase in film stress can be effectively suppressed.

銀含有層は、例えば、めっき法、スパッタリング法若しくはイオンプレーティング法等の物理気相成長(PVD)法によって形成することができる。中でも、めっき法が好ましく、この場合、銀含有層は、銀めっき又は銀合金めっきを含む。銀又は銀合金を含む銀含有層を備えることにより、接触抵抗を低減することができる。例えば、金属基材を構成する材料としてステンレスを用いる場合、銀又は銀合金を含む銀含有層を備えることにより、ステンレス不働態膜との界面に比べ、接触抵抗を抑制し得る。それゆえ、前記特徴を有する銀含有層を形成することにより、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを提供することができる。 The silver-containing layer can be formed by, for example, a physical vapor deposition (PVD) method such as a plating method, a sputtering method or an ion plating method. Among them, the plating method is preferable, and in this case, the silver-containing layer includes silver plating or silver alloy plating. Contact resistance can be reduced by providing a silver-containing layer containing silver or a silver alloy. For example, when stainless steel is used as a material constituting a metal base material, the contact resistance can be suppressed as compared with the interface with the stainless steel inactive film by providing a silver-containing layer containing silver or a silver alloy. Therefore, by forming the silver-containing layer having the above-mentioned characteristics, it is possible to provide a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance.

前記で説明した各工程を実施することにより、高い導電性及び優れた耐腐食性を有する燃料電池セパレータを得ることができる。 By carrying out each step described above, a fuel cell separator having high conductivity and excellent corrosion resistance can be obtained.

以下に、本実施形態について実施例を用いて説明する。但し、本開示の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to examples. However, the technical scope of the present disclosure is not limited to these examples.

[実施例1]
まず、Si系バインダー溶液にCNT及び分散剤を添加して混合し、スラリーを調製した。スラリーの組成について、Si系バインダー溶液の含有量は60質量%、CNTの含有量は20質量%、分散剤の含有量は20質量%であった。次に、金属基材(ステンレス基材)の表面にPVD法にてチタン含有層を成膜した。次に、チタン含有層の表面にPVD法にて炭素層を成膜した。次に、炭素層の表面にスラリーを塗工し、窒素ガス雰囲気下において370℃で30分間加熱し、塗膜を硬化させた。以上の工程により、燃料電池セパレータE1を得た。なお、チタン含有層の膜厚は170nm、炭素層の膜厚は30nmであった。また、CNT含有層の膜厚は、2μmであった。
[Example 1]
First, CNT and a dispersant were added to the Si-based binder solution and mixed to prepare a slurry. Regarding the composition of the slurry, the content of the Si-based binder solution was 60% by mass, the content of CNT was 20% by mass, and the content of the dispersant was 20% by mass. Next, a titanium-containing layer was formed on the surface of the metal substrate (stainless steel substrate) by the PVD method. Next, a carbon layer was formed on the surface of the titanium-containing layer by the PVD method. Next, the slurry was applied to the surface of the carbon layer and heated at 370 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere to cure the coating film. Through the above steps, the fuel cell separator E1 was obtained. The thickness of the titanium-containing layer was 170 nm, and the film thickness of the carbon layer was 30 nm. The film thickness of the CNT-containing layer was 2 μm.

[実施例2]
スラリーの塗布量を減らしたこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータE2を作製した。CNT含有層の膜厚は、1μmであった。
[Example 2]
The fuel cell separator E2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the slurry applied was reduced. The film thickness of the CNT-containing layer was 1 μm.

[比較例1]
大気雰囲気下において300℃で加熱したこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータC1を作製した。
[Comparative Example 1]
A fuel cell separator C1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell was heated at 300 ° C. in an atmospheric atmosphere.

[比較例2]
スラリーの塗布量を減らしたこと以外は、比較例1と同様にして燃料電池セパレータC2を作製した。CNT含有層の膜厚は、1μmであった。
[Comparative Example 2]
The fuel cell separator C2 was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the amount of the slurry applied was reduced. The film thickness of the CNT-containing layer was 1 μm.

[分析]
(CNTの表面被覆率の測定)
レーザー顕微鏡を用いて、各サンプルのセパレータの表面観察を実施した。観察像に対して、CNTの有無の観点で2値化し、CNTが覆っている割合を被覆率(面積%)として算出した。
[analysis]
(Measurement of CNT surface coverage)
The surface of the separator of each sample was observed using a laser microscope. The observed image was binarized from the viewpoint of the presence or absence of CNT, and the ratio covered by CNT was calculated as the coverage ratio (area%).

[評価]
(接触抵抗)
各サンプルのセパレータの成膜面とGDL(東レ社製、TGP-H-060)とを重ね合わせ、1MPaの荷重を掛けた。その状態で、1Aの電流を印加し、セパレータ及びGDL間の電圧を測定した。測定した電圧値を抵抗値に換算し、さらに評価面積を乗して、初期接触抵抗を算出した。
[evaluation]
(Contact resistance)
The film-forming surface of the separator of each sample and GDL (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-060) were overlapped and a load of 1 MPa was applied. In that state, a current of 1 A was applied and the voltage between the separator and the GDL was measured. The measured voltage value was converted into a resistance value, and the evaluation area was further multiplied to calculate the initial contact resistance.

(耐腐食性)
耐食試験は、燃料電池使用環境を想定して行った。まず、作製した各サンプルのセパレータを、強酸性腐食液に浸漬させた。セパレータを浸漬させた状態で、セパレータと電極との間に0.9Vの定電圧を掛けた。60時間経過後にセパレータを腐食液から取り出した。用いた強酸性腐食液は、pH3のフッ素(F)及び塩素(Cl)を含む強酸性溶液であった。
(Corrosion resistance)
The corrosion resistance test was conducted assuming a fuel cell usage environment. First, the separator of each prepared sample was immersed in a strong acid corrosive solution. With the separator immersed, a constant voltage of 0.9 V was applied between the separator and the electrode. After 60 hours, the separator was removed from the corrosive liquid. The strong acid corrosive liquid used was a strong acid solution containing fluorine (F) and chlorine (Cl) at pH 3.

耐食試験後接触抵抗については、耐食試験後のセパレータの接触抵抗を上述と同様の手順で測定した。 Regarding the contact resistance after the corrosion resistance test, the contact resistance of the separator after the corrosion resistance test was measured by the same procedure as described above.

金属イオンの溶出量については、本試験例では、鉄イオンを対象とした。耐食試験後の腐食液における単位体積(L)あたりの金属イオンの溶出量(μg)をICP-MS(誘導結合プラズマ質量分析法)にて測定し、mol量に換算した。金属イオンの溶出量(mol)を評価面積(cm)及び時間(hr)で徐し、腐食液量(L)を乗じることにより、金属イオンの溶出量を算出した。 Regarding the elution amount of metal ions, iron ions were targeted in this test example. The elution amount (μg) of metal ions per unit volume (L) in the corrosive liquid after the corrosion resistance test was measured by ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) and converted into mol amount. The elution amount of the metal ion (mol) was gradually increased by the evaluation area (cm 2 ) and the time (hr), and multiplied by the amount of the corrosive liquid (L) to calculate the elution amount of the metal ion.

[結果及び考察]
各サンプルのセパレータを作製する際の製造条件(焼成雰囲気、焼成温度)、得られたセパレータのCNT含有層の膜厚、表面被覆率、初期接触抵抗、耐食試験後接触抵抗、金属イオン溶出量の結果を表1に示す。
[Results and discussion]
Production conditions (firing atmosphere, firing temperature) when preparing the separator for each sample, film thickness of the CNT-containing layer of the obtained separator, surface coverage, initial contact resistance, contact resistance after corrosion resistance test, metal ion elution amount. The results are shown in Table 1.

Figure 2022035419000002
Figure 2022035419000002

表1に示されるように、いずれの例においても良好な初期接触抵抗及び耐食試験後接触抵抗が得られたが、大気雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した比較例1及び2では金属イオン溶出量が比較的大きかった一方で、窒素ガス雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した実施例1及び2では金属イオン溶出量が小さかった。また、同じCNT含有層の膜厚(2μm)を有する実施例1及び比較例1で比較しても、窒素ガス雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した実施例1の金属イオン溶出量の方が、大気雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した比較例1の金属イオン溶出量よりも小さくなった。また、同様に、同じCNT含有層の膜厚(1μm)を有する実施例2及び比較例2で比較しても、窒素ガス雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した実施例2の金属イオン溶出量の方が、大気雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した比較例2の金属イオン溶出量よりも小さくなった。これにより、窒素ガス等の非酸化雰囲気下で加熱してCNT含有層を形成することにより、高い導電性だけでなく、優れた耐腐食性を付与することができることがわかる。 As shown in Table 1, good initial contact resistance and contact resistance after the corrosion resistance test were obtained in all the examples, but in Comparative Examples 1 and 2 in which the CNT-containing layer was formed by firing in an air atmosphere, the metal was obtained. While the amount of ion elution was relatively large, the amount of metal ion elution was small in Examples 1 and 2 in which the CNT-containing layer was formed by firing in a nitrogen gas atmosphere. Further, even when compared in Example 1 and Comparative Example 1 having the same CNT-containing layer thickness (2 μm), the amount of metal ion elution of Example 1 in which the CNT-containing layer was formed by firing in a nitrogen gas atmosphere. It was smaller than the amount of metal ion elution of Comparative Example 1 in which the CNT-containing layer was formed by firing in an air atmosphere. Similarly, when compared with Example 2 and Comparative Example 2 having the same CNT-containing layer thickness (1 μm), the metal ions of Example 2 formed by firing in a nitrogen gas atmosphere to form a CNT-containing layer. The elution amount was smaller than the metal ion elution amount of Comparative Example 2 in which the CNT-containing layer was formed by firing in an air atmosphere. From this, it can be seen that by heating in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas to form a CNT-containing layer, not only high conductivity but also excellent corrosion resistance can be imparted.

[実施例3]
まず、Si系バインダー溶液にCNT及び分散剤を添加して混合し、スラリーを調製した。スラリーの組成について、Si系バインダー溶液の含有量は60質量%、CNTの含有量は20質量%、分散剤の含有量は20質量%であった。次に、金属基材(ステンレス基材)の表面にめっき法にて銀含有層を成膜した。次に、銀含有層の表面にスラリーを塗工し、窒素ガス雰囲気下において370℃で30分間加熱し、塗膜を硬化させた。以上の工程により、燃料電池セパレータE3を得た。なお、銀含有層の膜厚は30nmであった。また、CNT含有層の膜厚は、2μmであった。
[Example 3]
First, CNT and a dispersant were added to the Si-based binder solution and mixed to prepare a slurry. Regarding the composition of the slurry, the content of the Si-based binder solution was 60% by mass, the content of CNT was 20% by mass, and the content of the dispersant was 20% by mass. Next, a silver-containing layer was formed on the surface of the metal substrate (stainless steel substrate) by a plating method. Next, the slurry was applied to the surface of the silver-containing layer and heated at 370 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere to cure the coating film. Through the above steps, a fuel cell separator E3 was obtained. The film thickness of the silver-containing layer was 30 nm. The film thickness of the CNT-containing layer was 2 μm.

[実施例4]
スラリーの塗布量を減らしたこと以外は、実施例3と同様にして燃料電池セパレータE4を作製した。CNT含有層の膜厚は、1μmであった。
[Example 4]
The fuel cell separator E4 was produced in the same manner as in Example 3 except that the amount of the slurry applied was reduced. The film thickness of the CNT-containing layer was 1 μm.

[比較例3]
大気雰囲気下において300℃で加熱したこと以外は、実施例3と同様にして燃料電池セパレータC3を作製した。CNT含有層の膜厚は、3μmであった。
[Comparative Example 3]
A fuel cell separator C3 was produced in the same manner as in Example 3 except that the fuel cell was heated at 300 ° C. in an atmospheric atmosphere. The film thickness of the CNT-containing layer was 3 μm.

[比較例4]
スラリーの塗布量を減らしたこと以外は、比較例3と同様にして燃料電池セパレータC4を作製した。CNT含有層の膜厚は、1μmであった。
[Comparative Example 4]
The fuel cell separator C4 was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that the amount of the slurry applied was reduced. The film thickness of the CNT-containing layer was 1 μm.

[分析]
上述と同じ方法により、CNTの表面被覆率を測定した。
[analysis]
The surface coverage of CNTs was measured by the same method as described above.

[評価]
上述と同じ方法により、初期接触抵抗、耐食試験後接触抵抗、金属イオン溶出量を測定した。
[evaluation]
The initial contact resistance, the contact resistance after the corrosion resistance test, and the amount of metal ion elution were measured by the same method as described above.

[結果及び考察]
各サンプルのセパレータを作製する際の製造条件(焼成雰囲気、焼成温度)、得られたセパレータのCNT含有層の膜厚、表面被覆率、初期接触抵抗、耐食試験後接触抵抗、金属イオン溶出量の結果を表2に示す。
[Results and discussion]
Production conditions (firing atmosphere, firing temperature) when preparing the separator for each sample, film thickness of the CNT-containing layer of the obtained separator, surface coverage, initial contact resistance, contact resistance after corrosion resistance test, metal ion elution amount. The results are shown in Table 2.

Figure 2022035419000003
Figure 2022035419000003

表2に示されるように、上述の実施例1~2及び比較例1~2の結果と同様に、いずれの例においても良好な初期接触抵抗及び耐食試験後接触抵抗が得られたが、大気雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した比較例3及び4では金属イオン溶出量が比較的大きかった一方で、窒素ガス雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した実施例3及び4では金属イオン溶出量が小さかった。また、同じCNT含有層の膜厚(1μm)を有する実施例4及び比較例4で比較しても、窒素ガス雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した実施例4の金属イオン溶出量の方が、大気雰囲気下で焼成してCNT含有層を形成した比較例4の金属イオン溶出量よりも小さくなった。これにより、窒素ガス等の非酸化雰囲気下で加熱してCNT含有層を形成することにより、高い導電性だけでなく、優れた耐腐食性を付与することができることがわかる。 As shown in Table 2, similar to the results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 described above, good initial contact resistance and post-corrosion resistance test contact resistance were obtained in each of the examples, but the atmosphere. In Comparative Examples 3 and 4 in which the CNT-containing layer was formed by firing in an atmosphere, the amount of metal ions eluted was relatively large, while in Examples 3 and 4 in which the CNT-containing layer was formed by firing in a nitrogen gas atmosphere. The amount of metal ion elution was small. Further, even when compared in Example 4 and Comparative Example 4 having the same CNT-containing layer thickness (1 μm), the amount of metal ion elution of Example 4 in which the CNT-containing layer was formed by firing in a nitrogen gas atmosphere. It was smaller than the amount of metal ion elution of Comparative Example 4 in which the CNT-containing layer was formed by firing in an air atmosphere. From this, it can be seen that by heating in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas to form a CNT-containing layer, not only high conductivity but also excellent corrosion resistance can be imparted.

以上、本実施形態を詳述してきたが、本開示の具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本開示に含まれるものである。 Although the present embodiment has been described in detail above, the specific configuration of the present disclosure is not limited to this embodiment, and even if there are design changes within the scope of the gist of the present disclosure, they are the present. It is included in the disclosure.

本開示は、前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び/又は置換をすることが可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present disclosure in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the configurations described. In addition, it is possible to add, delete, and / or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

本明細書中に記載した数値範囲の上限値及び/又は下限値は、それぞれ任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。例えば、数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、数値範囲の上限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、また、数値範囲の下限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。 The upper limit value and / or the lower limit value of the numerical range described in the present specification can be arbitrarily combined to specify a preferable range. For example, an upper limit value and a lower limit value of a numerical range can be arbitrarily combined to specify a preferable range, an upper limit value of a numerical range can be arbitrarily combined to specify a preferable range, and a lower limit of a numerical range can be specified. A preferable range can be defined by arbitrarily combining the values.

100:燃料電池セパレータ、101:金属基材、102:CNT含有層、103:CNT、104:マトリックス層、200:燃料電池セパレータ、201:金属基材、202:CNT含有層、203:CNT、204:マトリックス層、205:チタン含有層、206:炭素層、300:燃料電池セパレータ、301:金属基材、302:CNT含有層、303:CNT、304:マトリックス層、307:銀含有層 100: Fuel cell separator, 101: Metal substrate, 102: CNT-containing layer, 103: CNT, 104: Matrix layer, 200: Fuel cell separator, 201: Metal substrate, 202: CNT-containing layer, 203: CNT, 204 : Matrix layer, 205: Titanium-containing layer, 206: Carbon layer, 300: Fuel cell separator, 301: Metal substrate, 302: CNT-containing layer, 303: CNT, 304: Matrix layer, 307: Silver-containing layer

Claims (1)

金属基材と、金属基材の上に形成され及びカーボンナノチューブ(CNT)を含むCNT含有層とを少なくとも備える、燃料電池セパレータの製造方法であって、
金属基材を用意する工程、
シリコンアルコキシド、CNT、分散剤及び溶媒を少なくとも含むスラリーを金属基材の上に配置する工程、及び
スラリーが配置された金属基材を非酸化雰囲気下で加熱して硬化させ、CNT含有層を形成する工程
を含む、燃料電池セパレータの製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell separator, comprising: a metal substrate and a CNT-containing layer formed on the metal substrate and containing carbon nanotubes (CNTs).
The process of preparing a metal base material,
A step of arranging a slurry containing at least silicon alkoxide, CNT, a dispersant and a solvent on a metal substrate, and heating and curing the metal substrate on which the slurry is arranged in a non-oxidizing atmosphere to form a CNT-containing layer. A method for manufacturing a fuel cell separator, which comprises a step of making a fuel cell separator.
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