JP2023049705A - Method for manufacturing separator for fuel cell, and separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator and a fuel cell separator.
近年、クリーンで発電効率の高い次世代の発電装置が望まれており、酸素及び水素の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池に対する期待が高まっている。
燃料電池の種類の１つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）では、プロトン導電性を有するイオン交換膜の１つである固体高分子膜（以下、プロトン交換膜ともいう）からなる電解質層の両側に、白金等の金属触媒を担持する一対の電極が配置されて膜・電極積層体が構成されており、膜・電極積層体の両側に、膜・電極積層体の外周部を挟持するように一対の燃料電池用セパレータが配置されて単セルが構成される。
このような燃料電池では、単セルが形成できる電位差が小さいため、電圧を高め利用しやすいように複数の単セルを直列にスタックして用いられる。そのため、単セルの空気極、燃料極を互いに分離するとともに、電流を通過させるセパレータが重要な機能を果たしている。
セパレータには、空気と水素が互いに混ざらないような高い気密性、電力のロスとならないような高い導電性、及び、セルに加わる電位差によって電蝕が起きないような高い耐食性が必要である。
このような特性を備える素材としては貴金属類が挙げられるが、燃料電池１台当たりの使用量が多く、コストが高いため、低コストの素材を用いた様々なセパレータが提案されている。
In recent years, there has been a demand for next-generation power generators that are clean and have high power generation efficiency, and expectations are rising for fuel cells that directly convert the chemical energy of oxygen and hydrogen into electrical energy.
In a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which is one type of fuel cell, an electrolyte made of a solid polymer membrane (hereinafter also referred to as a proton exchange membrane), which is one of ion exchange membranes having proton conductivity A pair of electrodes supporting a metal catalyst such as platinum is arranged on both sides of the layer to form a membrane/electrode laminate, and the outer periphery of the membrane/electrode laminate is sandwiched on both sides of the membrane/electrode laminate. A pair of fuel cell separators are arranged so as to form a unit cell.
In such a fuel cell, since the potential difference that can be formed by a single cell is small, a plurality of single cells are stacked in series so as to increase the voltage and make it easier to use. Therefore, a separator that separates the air electrode and the fuel electrode of the single cell from each other and allows current to pass through performs an important function.
Separators are required to have high airtightness to prevent air and hydrogen from mixing with each other, high electrical conductivity to prevent power loss, and high corrosion resistance to prevent electrolytic corrosion due to the potential difference applied to the cell.
Materials with such characteristics include noble metals, but the amount used per fuel cell is large and the cost is high. Therefore, various separators using low-cost materials have been proposed.
特許文献１には、導電性と気体不透過性とに優れた燃料電池用セパレータとして、アルミニウムなどの金属基材と、該金属基材を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層と、該樹脂層を被覆する撥水性薄膜とを備え、前記樹脂層は導電材料を含有することを特徴とする燃料電池用のセパレータが記載されている。 In Patent Document 1, as a fuel cell separator excellent in conductivity and gas impermeability, a metal substrate such as aluminum and a conductive resin formed by electrodeposition so as to cover the metal substrate are disclosed. and a water-repellent thin film covering the resin layer, wherein the resin layer contains a conductive material.
金属を燃料電池用セパレータとして使用すると、表面が酸化し、酸化物が異物となったり酸化膜形成によって導電性を低下させることがある。
本発明では、金属からなるセパレータの表面の酸化を抑制し、酸化膜の形成を防止して、性能の優れた燃料電池用セパレータを製造することができる燃料電池用セパレータの製造方法、及び、燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
When a metal is used as a fuel cell separator, the surface may be oxidized, and the oxide may become a foreign substance, or the conductivity may be lowered due to the formation of an oxide film.
In the present invention, a fuel cell separator manufacturing method capable of suppressing oxidation of the surface of a separator made of metal and preventing formation of an oxide film to manufacture a fuel cell separator having excellent performance, and a fuel An object of the present invention is to provide a battery separator.
前記課題を解決するための本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、金属からなる支持体を、第１の電解液中に浸漬するとともに、前記支持体を陽極側として電流を流し、前記支持体の表面をクリーニングする逆電解工程と、前記支持体を導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の第２の電解液中に浸漬するとともに、前記支持体を陽極側として電流を流し、前記導電材粒子及び前記樹脂粒子を前記支持体に付着させるアニオン電着工程と、前記樹脂粒子を加熱して前記支持体に融着させて被覆層を形成する融着工程と、を行うことを特徴とする。 The method for producing a fuel cell separator of the present invention for solving the above-mentioned problems includes immersing a support made of metal in a first electrolytic solution, and applying an electric current to the support with the support facing the anode side. a reverse electrolysis step of cleaning the surface of the body; immersing the support in a basic second electrolytic solution in which conductive material particles and resin particles are dispersed; An anion electrodeposition step of attaching the conductive material particles and the resin particles to the support, and a fusion bonding step of heating the resin particles to fuse them to the support to form a coating layer. and
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、金属からなる支持体の表面を陽極側として電流を流し、支持体の表面をクリーニングしているので酸化膜を除去することができる。さらに導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の第２の電解液中に浸漬するとともに前記支持体を陽極側として電流を流し、前記導電材粒子及び前記樹脂粒子を前記支持体に付着させるアニオン電着工程を行い、樹脂粒子を加熱し融着させ被覆層を形成している。このような工程を経ると、支持体に酸化膜が形成される前に支持体の表面に被覆層が形成されるので、支持体が大気に接することなく酸化膜が形成されず、高い導電率を有する燃料電池用セパレータを得ることができる。
また、被覆層は導電材粒子を有しているので、燃料電池用セパレータの表面と支持体間の導通も確保できる。
燃料電池用セパレータの全体の強度は支持体が確保しているので、被覆層には厚さ及び高い強度は特に必要ではなく、厚さの薄い軽量な燃料電池用セパレータを得ることができる。
According to the method for producing a fuel cell separator of the present invention, an electric current is applied to the surface of the support made of metal as the anode side, and the surface of the support is cleaned, so that the oxide film can be removed. Furthermore, the anion is immersed in a second basic electrolytic solution in which the conductive material particles and the resin particles are dispersed, and the support is used as the anode side, and a current is passed through to cause the conductive material particles and the resin particles to adhere to the support. An electrodeposition step is performed to heat and fuse resin particles to form a coating layer. Through such a process, a coating layer is formed on the surface of the support before the oxide film is formed on the support. It is possible to obtain a fuel cell separator having
In addition, since the coating layer contains the conductive particles, it is possible to ensure electrical continuity between the surface of the fuel cell separator and the support.
Since the support secures the strength of the fuel cell separator as a whole, the coating layer does not need to be particularly thick and strong, and a thin and lightweight fuel cell separator can be obtained.
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は以下の態様であることが好ましい。
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記逆電解工程と、前記アニオン電着工程とは、連続して行うことが好ましい。
逆電解工程で支持体の表面の酸化膜を除去したのちにそのままアニオン電着工程を行うので、支持体の表面に酸化膜が形成される前に表面を樹脂粒子で覆い被覆層を形成することができる。そのため、燃料電池用セパレータの抵抗が上昇することをより防止できる。
Moreover, it is preferable that the manufacturing method of the fuel cell separator of the present invention has the following aspects.
In the method of manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, it is preferable that the reverse electrolysis step and the anion electrodeposition step are performed continuously.
After removing the oxide film on the surface of the support in the reverse electrolysis step, the anion electrodeposition step is carried out as it is. can be done. Therefore, it is possible to further prevent the resistance of the fuel cell separator from increasing.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記支持体は、アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金を支持体として使用していると、軽量で高い導電率の燃料電池用セパレータが得られる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the support is preferably aluminum or an aluminum alloy.
The use of aluminum or an aluminum alloy as the support provides a lightweight, highly conductive fuel cell separator.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記第１の電解液及び／又は前記第２の電解液は、ｐＨが８～１１であることが好ましい。第１の電解液及び／又は第２の電解液のｐＨが上記範囲であると、アニオン電着工程では、均一に導電材粒子が付着し良好な被覆層を得ることができる。また、逆電解工程では、アニオン電着工程と同等のｐＨであるので、支持体をそのまま浸漬しても電着液への悪影響を少なくすることができる。 In the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, it is preferable that the pH of the first electrolytic solution and/or the second electrolytic solution is 8-11. When the pH of the first electrolytic solution and/or the second electrolytic solution is within the above range, in the anionic electrodeposition step, the conductive material particles can adhere uniformly and a good coating layer can be obtained. In the reverse electrolysis process, the pH is the same as that in the anionic electrodeposition process, so that even if the support is immersed as it is, the adverse effect on the electrodeposition solution can be reduced.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記逆電解工程における電圧は１０～４０Ｖであることが好ましい。
逆電解工程における電圧が上記範囲であると一定のエッチングの速度（エッチングレート）が得られるとともに、気体を生成させるなど逆電解以外で消費されるエネルギーを少なくできエネルギーロスを少なくすることができる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the voltage in the reverse electrolysis step is preferably 10 to 40V.
When the voltage in the reverse electrolysis step is within the above range, a constant etching rate (etching rate) can be obtained, and energy consumption other than reverse electrolysis, such as gas generation, can be reduced, thereby reducing energy loss.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記アニオン電着工程における電圧は１０～８０Ｖであることが好ましい。
前記アニオン電着工程における電圧が上記範囲であると一定のアニオン電着の速度が得られるとともに、気体を生成させるなどアニオン電着以外で消費されるエネルギーを少なくできエネルギーロスを少なくすることができる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the voltage in the anion electrodeposition step is preferably 10 to 80V.
When the voltage in the anion electrodeposition step is within the above range, a constant anion electrodeposition speed can be obtained, and energy consumption other than anion electrodeposition, such as gas generation, can be reduced, thereby reducing energy loss. .
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記導電材粒子は、炭素系粒子であることが好ましい。
導電材粒子が炭素系粒子であると、高い導電率を有するとともに腐食に強いので耐食性のある燃料電池用セパレータを提供することができる。
また、導電材粒子として炭素系粒子を用いると、アニオン電着工程において分散しやすく、炭素系粒子が均一に分布した被覆層を得ることができる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the conductive particles are preferably carbon-based particles.
When the conductive material particles are carbon-based particles, they have high electrical conductivity and are resistant to corrosion, so that a corrosion-resistant fuel cell separator can be provided.
Further, when carbon-based particles are used as the conductive particles, they are easily dispersed in the anionic electrodeposition step, and a coating layer in which the carbon-based particles are uniformly distributed can be obtained.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記樹脂粒子はアルミニウム粒子を含むことが好ましい。
樹脂粒子がアルミニウム粒子を含んでいると、アルミニウム粒子が燃料電池用セパレータの表面から浸透してきた酸素や水と反応し、酸素や水の支持体の表面への到達を防止することができる。アルミニウム粒子は被覆層中に分散して存在するようになるので、水や酸素と反応し酸化物となった後でも被覆層に導電パスを確保でき、燃料電池用セパレータの抵抗の上昇を防止することができる。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention, it is preferable that the resin particles contain aluminum particles.
When the resin particles contain aluminum particles, the aluminum particles react with oxygen and water permeating from the surface of the fuel cell separator, and oxygen and water can be prevented from reaching the surface of the support. Since the aluminum particles are dispersed in the coating layer, even after reacting with water and oxygen to form an oxide, a conductive path can be secured in the coating layer, preventing an increase in the resistance of the fuel cell separator. be able to.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は、前記逆電解工程後、前記アニオン電着工程の前において１０～５０μｍであることが好ましい。
被覆層を形成する直前における支持体の表面の面粗さが上記範囲内であると、支持体と被覆層とを強固に接合することができる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the surface roughness (Ra) of the support is preferably 10 to 50 μm after the reverse electrolysis step and before the anion electrodeposition step.
When the surface roughness of the support immediately before forming the coating layer is within the above range, the support and the coating layer can be firmly bonded.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記被覆層は、厚さが１～１００μｍであることが好ましい。
被覆層の厚さが１μｍ以上であると、酸素や水の支持体の表面への到達を防止して支持体の酸化を好適に防ぐことができる。また、被覆層の厚さが１００μｍ以下であると導電性が好適に確保できる。
In the fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the coating layer preferably has a thickness of 1 to 100 μm.
When the thickness of the coating layer is 1 μm or more, it is possible to prevent oxygen and water from reaching the surface of the support, thereby suitably preventing oxidation of the support. Further, when the thickness of the coating layer is 100 μm or less, the conductivity can be suitably secured.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、前記支持体は、あらかじめ表面に流路パターンを有することが好ましい。
支持体があらかじめ表面に流路パターンを有するものであると、被覆層を形成したあとからプレス加工等によって変形させる工程がないので、形成された被覆層に損傷が加わらず、クラックなどによって支持体が露出することを防止できる。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention, it is preferable that the support has a flow channel pattern on its surface in advance.
If the support has a flow path pattern on the surface in advance, there is no step of deforming the coating layer by pressing or the like after forming the coating layer. can be prevented from being exposed.
また、本発明の燃料電池用セパレータは、金属からなる支持体と、前記支持体を覆う被覆層とからなり、前記被覆層は導電材粒子を含有する樹脂であることを特徴とする。 Further, the fuel cell separator of the present invention comprises a metal support and a coating layer covering the support, wherein the coating layer is a resin containing conductive material particles.
本発明の燃料電池用セパレータによれば、金属からなる支持体と、支持体を覆う被覆層とからなるので、使用中に金属の表面に酸化膜が形成されることを防止でき、セパレータにおける電力ロスを低減し、性能の優れたセパレータを提供することができる。
また、被覆層には導電材粒子を含有しているので、燃料電池用セパレータの表面と支持体間の導通も確保できる。
According to the fuel cell separator of the present invention, since it comprises a support made of metal and a coating layer covering the support, it is possible to prevent the formation of an oxide film on the surface of the metal during use. It is possible to reduce loss and provide a separator with excellent performance.
In addition, since the coating layer contains conductive particles, it is possible to ensure electrical continuity between the surface of the fuel cell separator and the support.
また、本発明の燃料電池用セパレータは以下の態様であることが好ましい。 Further, the fuel cell separator of the present invention preferably has the following aspects.
本発明の燃料電池用セパレータでは、前記支持体は、アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金を支持体として使用していると、軽量で高い導電率の燃料電池用セパレータが得られる。
In the fuel cell separator of the present invention, the support is preferably aluminum or an aluminum alloy.
The use of aluminum or an aluminum alloy as the support provides a lightweight, highly conductive fuel cell separator.
本発明の燃料電池用セパレータでは、前記導電材粒子は、炭素系粒子であることが好ましい。
導電材粒子が炭素系粒子であると、高い導電率を有するとともに腐食に強いので耐食性のある燃料電池用セパレータを提供することができる。
In the fuel cell separator of the present invention, the conductive particles are preferably carbon-based particles.
When the conductive material particles are carbon-based particles, they have high electrical conductivity and are resistant to corrosion, so that a corrosion-resistant fuel cell separator can be provided.
本発明の燃料電池用セパレータでは、前記被覆層はアルミニウム粒子を含むことが好ましい。
被覆層がアルミニウム粒子を含んでいると、アルミニウム粒子が燃料電池用セパレータの表面から浸透してきた酸素や水と反応し、酸素や水の支持体への到達を防止することができる。アルミニウム粒子は被覆層中に分散して存在するようになるので、水や酸素と反応した後でも被覆層に導電パスを確保でき、燃料電池用セパレータの抵抗の上昇を防止することができる。
In the fuel cell separator of the present invention, the coating layer preferably contains aluminum particles.
When the coating layer contains aluminum particles, the aluminum particles react with oxygen and water permeating from the surface of the fuel cell separator, thereby preventing oxygen and water from reaching the support. Since the aluminum particles are dispersed in the coating layer, a conductive path can be secured in the coating layer even after reacting with water or oxygen, and an increase in the resistance of the fuel cell separator can be prevented.
本発明の燃料電池用セパレータでは、前記支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は、１０～５０μｍであることが好ましい。
支持体の表面の面粗さが上記範囲内であると、支持体と被覆層とを強固に接合することができる。
In the fuel cell separator of the present invention, the surface roughness (Ra) of the support is preferably 10 to 50 μm.
When the surface roughness of the support is within the above range, the support and the coating layer can be firmly bonded.
本発明の燃料電池用セパレータでは、前記被覆層は、厚さが１～１００μｍであることが好ましい。
被覆層の厚さが１μｍ以上であると、酸素や水の支持体の表面への到達を防止して支持体の酸化を好適に防ぐことができる。また、被覆層の厚さが１００μｍ以下であると導電性が好適に確保できる。
In the fuel cell separator of the present invention, the coating layer preferably has a thickness of 1 to 100 μm.
When the thickness of the coating layer is 1 μm or more, it is possible to prevent oxygen and water from reaching the surface of the support, thereby suitably preventing oxidation of the support. Further, when the thickness of the coating layer is 100 μm or less, the conductivity can be suitably secured.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、金属からなる支持体の表面を陽極側として電流を流し、支持体の表面をクリーニングしているので酸化膜を除去することができる。さらに導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の第２の電解液中に浸漬するとともに前記支持体を陽極側として電流を流し、前記導電材粒子及び前記樹脂粒子を前記支持体に付着させるアニオン電着工程を行い、樹脂粒子を加熱し融着させ被覆層を形成している。このような工程を経ると、支持体に酸化膜が形成される前に支持体の表面に被覆層が形成されるので、支持体が大気に接することなく酸化膜が形成されず、高い導電率を有する燃料電池用セパレータを得ることができる。
また、被覆層は導電材粒子を有しているので、燃料電池用セパレータの表面と支持体間の導通も確保できる。
燃料電池用セパレータの全体の強度は支持体が確保しているので、被覆層には厚さ及び強度は特に必要ではなく、厚さの薄い軽量な燃料電池用セパレータを得ることができる。
According to the method for producing a fuel cell separator of the present invention, an electric current is applied to the surface of the support made of metal as the anode side, and the surface of the support is cleaned, so that the oxide film can be removed. Furthermore, the anion is immersed in a second basic electrolytic solution in which the conductive material particles and the resin particles are dispersed, and the support is used as the anode side, and a current is passed through to cause the conductive material particles and the resin particles to adhere to the support. An electrodeposition step is performed to heat and fuse resin particles to form a coating layer. Through such a process, a coating layer is formed on the surface of the support before the oxide film is formed on the support. It is possible to obtain a fuel cell separator having
In addition, since the coating layer contains the conductive particles, it is possible to ensure electrical continuity between the surface of the fuel cell separator and the support.
Since the support ensures the overall strength of the fuel cell separator, the thickness and strength of the coating layer are not particularly required, and a thin and lightweight fuel cell separator can be obtained.
本発明の燃料電池用セパレータによれば、金属からなる支持体と、支持体を覆う被覆層とからなるので、使用中に金属の表面に酸化膜が形成されることを防止でき、セパレータにおける電力ロスを低減し、性能の優れたセパレータを提供することができる。
また、被覆層には導電材粒子を含有しているので、燃料電池用セパレータの表面と支持体間の導通も確保できる。
According to the fuel cell separator of the present invention, since it comprises a support made of metal and a coating layer covering the support, it is possible to prevent the formation of an oxide film on the surface of the metal during use. It is possible to reduce loss and provide a separator with excellent performance.
In addition, since the coating layer contains conductive particles, it is possible to ensure electrical continuity between the surface of the fuel cell separator and the support.
（発明の詳細な説明）
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について、順に工程を説明する。
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法においては、「逆電解工程」「アニオン電着工程」「融着工程」が必須であるが、そのほかに必要に応じて「ブラスト処理工程」、「脱脂工程」、「水洗工程」、「パターン形成工程」などの工程を行ってもよい。
なお支持体に対するパターン形成工程は、支持体にパターンを形成する場合には必須であるが、被覆層のみの凹凸でパターンを形成する場合には不要である。
パターン形成工程は、どの段階で実施してもよいが、最初の工程として実施してもよいし、逆電解工程の直前でもよい。また、被覆層がパターン形成時の変形に耐えることができ、クラック等が出来ないようであれば、後述する融着工程の後で実施してもよい。
(Detailed description of the invention)
The steps of the method for manufacturing the fuel cell separator of the present invention will be described in order.
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention, the "reverse electrolysis process", the "anion electrodeposition process", and the "fusion process" are essential. , a “washing step”, and a “pattern forming step”.
The pattern forming step for the support is essential when forming a pattern on the support, but it is not necessary when forming a pattern only with the unevenness of the coating layer.
The pattern formation step may be performed at any stage, and may be performed as the first step or just before the reverse electrolysis step. Also, if the coating layer can withstand deformation during pattern formation and does not cause cracks or the like, it may be performed after the fusion bonding process described later.
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図１Ｄは、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示す工程フローである。
図１Ａは、必須のプロセスのみで構成され、支持体の表面に逆電解工程、アニオン電着工程、融着工程を経て被覆層が形成される。
図１Ｂは、逆電解工程の前にアルカリ脱脂工程、水洗工程が実施されたものである。図１Ｂに示す工程では、支持体の表面に付着した汚れを先に洗浄するので、効率よく逆電解工程を行うことができる。
図１Ｃは、さらにアルカリ脱脂工程の前にパターン形成工程を実施したものである。パターン形成工程では、プレス型の汚れが付着しやすいので、アルカリ脱脂工程、水洗工程を経ることにより、効率よく逆電解工程を行うことができる。
図１Ｄは、アルカリ脱脂工程の前にブラスト処理工程を実施したものである。ブラスト処理で付着した汚れに対してアルカリ脱脂、水洗工程を経ることによって効率よく逆電解工程を行うことができる。
1A, 1B, 1C, and 1D are process flows showing an example of the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention.
FIG. 1A is composed of only essential processes, in which a coating layer is formed on the surface of a support through a reverse electrolysis process, an anion electrodeposition process, and a fusion bonding process.
In FIG. 1B, the alkaline degreasing process and the water washing process are performed before the reverse electrolysis process. In the step shown in FIG. 1B, the contaminants adhering to the surface of the support are washed first, so that the reverse electrolysis step can be performed efficiently.
In FIG. 1C, a pattern forming step is further performed before the alkaline degreasing step. In the pattern forming process, dirt on the press mold tends to adhere, so the reverse electrolysis process can be efficiently performed by performing the alkaline degreasing process and the water washing process.
FIG. 1D shows the blasting process performed before the alkaline degreasing process. The reverse electrolysis process can be efficiently carried out by subjecting the dirt adhering to the blasting process to the alkaline degreasing and water washing processes.
以下、概ね工程の順に説明する。
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を模式的に示す工程図である。
図２Ａは、逆電解工程を模式的に示す模式図であり、図２Ｂは、アニオン電着工程を模式的に示す模式図である。図２Ｃは、融着工程を模式的に示す模式図である。
Hereinafter, the description will be given generally in the order of steps.
2A, 2B and 2C are process diagrams schematically showing the method of manufacturing the fuel cell separator of the present invention.
FIG. 2A is a schematic diagram schematically showing the reverse electrolysis step, and FIG. 2B is a schematic diagram schematically showing the anion electrodeposition step. FIG. 2C is a schematic diagram schematically showing the fusion bonding step.
［逆電解工程］
逆電解工程では、金属からなる支持体を、第１の電解液中に浸漬するとともに、支持体を陽極側として電流を流し、支持体の表面をクリーニングする。
まず、逆電解工程に供する支持体及び逆電解工程前に支持体に対して行う前処理について説明する。
[Reverse electrolysis process]
In the reverse electrolysis step, a support made of a metal is immersed in a first electrolytic solution, and an electric current is passed through the support with the support on the anode side to clean the surface of the support.
First, the support subjected to the reverse electrolysis step and the pretreatment performed on the support prior to the reverse electrolysis step will be described.
《支持体》
本発明の支持体は、金属からなる。金属としては特に限定されないが、例えばアルミニウム、チタンなどの両性金属、これらの金属を主成分とするアルミニウム合金、チタニウム合金のほか、ステンレスなどが挙げられる。
中でも、アルミニウム又はアルミニウム合金が支持体として好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金は、軽量である上に、導電率、熱伝導率が高く、燃料電池用セパレータとして使用することにより、セル間の抵抗を低下させることができる上に、燃料電池全体を軽量化でき、セルの温度コントロールが容易にでき、燃料電池用セパレータとして好適に使用することができる。
《Support》
The support of the present invention is made of metal. Although the metal is not particularly limited, examples thereof include amphoteric metals such as aluminum and titanium, aluminum alloys and titanium alloys containing these metals as main components, and stainless steel.
Among them, aluminum or an aluminum alloy is preferable as the support. Aluminum or aluminum alloys are lightweight and have high electrical and thermal conductivity. When used as separators for fuel cells, the resistance between cells can be reduced and the weight of the entire fuel cell can be reduced. The temperature of the cell can be easily controlled, and it can be suitably used as a fuel cell separator.
アルミニウム合金としては、例えばＡｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｎ系、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系のジェラルミンが利用できる。これらのアルミニウム合金は、アルミニウムに対し導電性が劣るものの強度が高いため薄くすることができ、セパレータを貫通する方向の抵抗を下げることができる。
１枚の燃料電池用セパレータは２つのセルに挟まれるか、１つのセルと集電板とに挟まれて用いられる。このため、燃料電池用セパレータの面積、すなわち支持体の面積は、セルの大きさとほぼ同じとなる。
支持体の大きさは、例えば、１０×１０～５００×５００ｃｍ程度であることが好ましい。厚さは例えば０．１～３ｍｍ程度であることが好ましい。なお、セパレータを貫通するように電流が流れるので、大電流の燃料電池ほど大きな面積を必要とする。
As the aluminum alloy, for example, Al--Cu, Al--Mn, Al--Si, Al--Mg, Al--Mg--Si or Al--Zn--Mg duralumin can be used. These aluminum alloys are inferior in conductivity to aluminum, but have high strength, so that they can be made thin, and the resistance in the direction of penetrating the separator can be reduced.
One sheet of fuel cell separator is sandwiched between two cells, or sandwiched between one cell and a collector plate. Therefore, the area of the fuel cell separator, that is, the area of the support is approximately the same as the size of the cell.
The size of the support is preferably, for example, about 10×10 to 500×500 cm. It is preferable that the thickness is, for example, about 0.1 to 3 mm. Since the current flows through the separator, a larger current fuel cell requires a larger area.
《パターン形成工程》
支持体は、平面で用いるのではなく、その表面に、燃料ガス、空気、冷却水の流路が形成されるよう変形させた流路パターンが形成されていてもよい。流路パターンは、高さ０．５～３ｍｍ程度の凹凸であることが好ましい。
変形の方法は、特に限定されないが、プレス成形、エッチング、機械加工などが適用できる。
パターン形成工程を最初の工程として実施する場合には、パターン形成工程で付着した汚れを除去できるので、切削液を使用する機械加工、離型剤を用いるプレス成形などを選択しても悪影響を少なくすることができる。
<<Pattern formation process>>
Instead of using a flat surface, the support may have a deformed flow path pattern formed on its surface to form flow paths for fuel gas, air, and cooling water. It is preferable that the flow path pattern is uneven with a height of about 0.5 to 3 mm.
The deformation method is not particularly limited, but press molding, etching, machining, etc. can be applied.
When the pattern formation process is performed as the first process, the stains attached during the pattern formation process can be removed, so even if you select machining using cutting fluid or press molding using a mold release agent, there will be less adverse effects. can do.
《ブラスト処理》
支持体は、圧延したままの板を使用してもよいが、被覆層の付着力が強くなるように表面を荒らし、表面積を増やすようブラスト処理を行ってもよい。
ブラスト処理は、例えばメディアとしてアルミナなどのセラミック粒子や、氷、ドライアイスを用いることができ、ショットブラスト、エアーブラストなどの方法で表面を荒らすことにより実施することができる。
《Blast treatment》
The support may be an as-rolled plate, or may be subjected to a blasting treatment to roughen the surface so as to increase the adhesion of the coating layer and increase the surface area.
The blasting treatment can be carried out by using, for example, ceramic particles such as alumina, ice, or dry ice as media, and roughening the surface by a method such as shot blasting or air blasting.
《アルカリ脱脂》
特にパターン形成後の支持体の表面には、汚れや圧延時に使用した油脂などが付着しているため、あらかじめ脱脂することが好ましい。
本発明では、後に塩基性の電解液（第２の電解液）を用いるアニオン電着工程を行うので、脱脂液が塩基性であれば、完全に除去せずそのまま逆電解工程、アニオン電着工程を行っても電解液のｐＨへの影響を少なくすることができる。
使用する脱脂液としては、例えばケイ酸ナトリウム、水酸化ナトリウムなどが利用できる。
支持体を脱脂液に浸漬することで、支持体の表面の油脂分が取り除かれる。なお、例えば脱脂液の温度は１５～６０℃、浸漬の時間は５～１５分、ｐＨは１２～１３とすることができる。
《Alkaline degreasing》
In particular, the surface of the support after pattern formation is contaminated with oils and fats used during rolling, so it is preferable to degrease in advance.
In the present invention, since the anion electrodeposition step using a basic electrolytic solution (second electrolytic solution) is performed later, if the degreasing solution is basic, it is not completely removed, and the reverse electrolysis step and the anion electrodeposition step are performed. can reduce the influence on the pH of the electrolytic solution.
Examples of degreasing liquids that can be used include sodium silicate and sodium hydroxide.
By immersing the support in the degreasing liquid, fats and oils on the surface of the support are removed. For example, the temperature of the degreasing liquid can be 15-60° C., the immersion time can be 5-15 minutes, and the pH can be 12-13.
《水洗》
アルカリ脱脂を行った後は、脱脂液を取り除く水洗工程を行ってもよい。アルカリ脱脂で取り除かれた汚れや、脱脂液が第１の電解液、第２の電解液に及ばないよう水洗工程を加えてもよい。アルカリ脱脂工程後に水洗工程を加えることにより、第１の電解液、第２の電解液の劣化を遅くすることができる。
《Flush》
After the alkaline degreasing, a water washing step for removing the degreasing liquid may be performed. A water washing process may be added so that dirt removed by alkaline degreasing and degreasing liquid do not reach the first electrolytic solution and the second electrolytic solution. By adding the water washing step after the alkaline degreasing step, deterioration of the first electrolytic solution and the second electrolytic solution can be slowed down.
《逆電解工程》
逆電解工程では、支持体の表面に形成された酸化膜を除去する。酸化膜は絶縁性であるので、支持体の導電性を低下させるように作用する。
逆電解工程では、第１の電解液中に支持体と、対称電極とを浸漬し、支持体を陽極、対称電極を陰極として通電し、逆電解する。逆電解によって、支持体の表面の酸化膜をエッチングし取り除くことができる。
図２Ａには、第１の電解液３０中に、支持体１０と、対称電極２０とを浸漬し、支持体１０を陽極、対称電極２０を陰極として通電し、逆電解する工程を示している。逆電解によって、支持体１０表面の酸化膜１１をエッチングし取り除くことができる。
逆電解工程で使用する第１の電解液はどのようなものを用いてもよく特に限定されないが、液層の成分に関しては、後のアニオン電着工程で使用する第２の電解液と同一の成分のものを使用することが望ましい。逆電解工程とアニオン電着工程を連続して行うことができる。
第１の電解液はそのｐＨが８～１１であることが好ましく、８．５～９．５であることがより好ましい。
逆電解工程では、電圧が１０～４０Ｖであることが好ましい。
逆電解工程における電圧が上記範囲であると十分なエッチングの速度（エッチングレート）が得られるととともに、エネルギーロスを少なくすることができる。
また、逆電解工程では、浴温度が２０～７０℃、電流密度１００～５００Ａ／ｍ２であることが好ましい。
《Reverse electrolysis process》
In the reverse electrolysis step, the oxide film formed on the surface of the support is removed. Since the oxide film is insulating, it acts to reduce the conductivity of the support.
In the reverse electrolysis step, the support and the symmetrical electrode are immersed in a first electrolytic solution, and current is applied to the support as the anode and the symmetrical electrode as the cathode for reverse electrolysis. By reverse electrolysis, the oxide film on the surface of the support can be etched and removed.
FIG. 2A shows a step of immersing the
The first electrolytic solution used in the reverse electrolysis step is not particularly limited, but the components of the liquid layer are the same as the second electrolytic solution used in the subsequent anion electrodeposition step. It is preferable to use the ingredients. A reverse electrolysis process and an anion electrodeposition process can be performed continuously.
The first electrolytic solution preferably has a pH of 8 to 11, more preferably 8.5 to 9.5.
In the reverse electrolysis step, the voltage is preferably 10-40V.
When the voltage in the reverse electrolysis step is within the above range, a sufficient etching speed (etching rate) can be obtained and energy loss can be reduced.
In the reverse electrolysis step, the bath temperature is preferably 20-70° C. and the current density is preferably 100-500 A/m 2 .
また、逆電解中は、支持体を振動させたり電解液を攪拌したりして、表面に形成された酸化膜を破壊するようにすることが好ましい。
また、逆電解工程では、機械的な加工でないため、微細な凹凸を形成することができる。さらに逆電解工程では、導電性の高い部分から逆電解が選択的に進行するので、酸化膜の表面の傷、穴から電解液が侵入し奥の方から逆電解が進行し、やがては酸化膜を除去するに至る。先に電解液が浸透した部分では凹部が深くなり、酸化膜の表面にある欠陥の分布に従った凹凸が形成されやすい。このため、機械的なブラスト処理による凹凸よりも細かく、全体の表面積が大きくなる凹凸を形成することができる。
Moreover, during the reverse electrolysis, it is preferable to break the oxide film formed on the surface by vibrating the support or stirring the electrolytic solution.
Further, since the reverse electrolysis process is not a mechanical process, it is possible to form fine unevenness. Furthermore, in the reverse electrolysis process, the reverse electrolysis proceeds selectively from the highly conductive portion, so the electrolytic solution penetrates through the scratches and holes on the surface of the oxide film, and the reverse electrolysis proceeds from the depths, eventually leading to the oxide film. up to the removal of In the portion where the electrolytic solution permeates first, the concave portion becomes deep, and unevenness is likely to be formed according to the distribution of defects on the surface of the oxide film. For this reason, it is possible to form irregularities that are finer than those produced by mechanical blasting and that increase the overall surface area.
アルミニウムは標準電極電位が低い（碑な金属）であるため、酸化膜も高い電圧を加えることにより除去することができる。また、両性金属であるため、化学種エッチングを行った場合、酸化又は水酸化物による不導体膜が生じてしまう。そのため、逆電解により酸化膜を除去するようにする。 Since aluminum has a low standard electrode potential (a rare metal), the oxide film can be removed by applying a high voltage. In addition, since it is an amphoteric metal, when chemical species etching is performed, a non-conducting film is formed by oxidation or hydroxide. Therefore, the oxide film is removed by reverse electrolysis.
支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は、逆電解工程後、アニオン電着工程の前において１０～５０μｍであることが好ましい。
被覆層を形成する直前における支持体の表面の面粗さが上記範囲内であると、支持体と被覆層とを強固に接合することができる。
支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は断面撮影または表面のレーザー顕微鏡による高さ測定から凹凸のパターンを取得し数値解析により測定することができる。
なお、レーザー顕微鏡では、測定面の正面からレーザー光線を当て、走査しながら光軸方向の距離情報が得られるので切断することなく最表面部分の断面形状が得られる。これに対し、被覆層が形成された後の支持体の断面形状は、実際に切断し表面を研磨することで得ることができる。
The surface roughness (Ra) of the support is preferably 10 to 50 μm after the reverse electrolysis step and before the anion electrodeposition step.
When the surface roughness of the support immediately before forming the coating layer is within the above range, the support and the coating layer can be firmly bonded.
The surface roughness (Ra) of the surface of the support can be measured by photographing a cross section or measuring the height of the surface with a laser microscope to obtain an uneven pattern and numerical analysis.
In the laser microscope, a laser beam is applied from the front of the surface to be measured, and distance information in the direction of the optical axis can be obtained while scanning, so the cross-sectional shape of the outermost surface can be obtained without cutting. On the other hand, the cross-sectional shape of the support after the coating layer is formed can be obtained by actually cutting and polishing the surface.
《アニオン電着工程》
アニオン電着工程では、表面の酸化膜が除去された支持体を導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の第２の電解液中に浸漬するとともに、支持体を陽極側として電流を流し、導電材粒子及び樹脂粒子を支持体に付着させる。
図２Ｂには、導電材粒子５０及び樹脂粒子６０を含む第２の電解液４０中に、表面の酸化膜が除去された支持体１０と、対称電極２０とを浸漬し、支持体１０を陽極、対称電極２０を陰極として通電し、導電材粒子５０及び樹脂粒子６０を支持体１０に付着させる工程を示している。
第２の電解液は導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の電解液である。
第２の電解液はそのｐＨが８～１１であることが好ましく、８．５～９．５であることがより好ましい。
《Anion electrodeposition process》
In the anion electrodeposition step, the support from which the surface oxide film has been removed is immersed in a basic second electrolytic solution in which conductive material particles and resin particles are dispersed, and current is passed through the support with the support on the anode side, Conductive particles and resin particles are attached to a support.
In FIG. 2B, the
The second electrolytic solution is a basic electrolytic solution in which conductive material particles and resin particles are dispersed.
The second electrolytic solution preferably has a pH of 8 to 11, more preferably 8.5 to 9.5.
導電材粒子は炭素系粒子が好ましく、炭素系粒子として、グラフェン、カーボンナノチューブ、黒鉛粒子が好ましい。黒鉛粒子が特に好ましい。黒鉛粒子は導電性、化学的安定性が高く、燃料電池用セパレータの被覆層として好適に利用できる。また、黒鉛粒子は、塩基性の電解液中で分散しやすく、均一な被覆層を形成することができる。導電材粒子の平均粒子径は１～１０μｍであることが望ましい。 The conductive material particles are preferably carbon-based particles, and the carbon-based particles are preferably graphene, carbon nanotubes, and graphite particles. Graphite particles are particularly preferred. Graphite particles have high electrical conductivity and chemical stability, and can be suitably used as a coating layer for fuel cell separators. In addition, graphite particles are easily dispersed in a basic electrolytic solution, and can form a uniform coating layer. The average particle size of the conductive material particles is desirably 1 to 10 μm.
樹脂粒子としては、アニオン性の樹脂を使用する。アニオン性の樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。 An anionic resin is used as the resin particles. Examples of anionic resins include acrylic resins, polyester resins, maleated oil resins, polybutadiene resins, epoxy resins, polyamide resins, polyimide resins, and the like. In addition, the above anionic synthetic polymer resin may be used in combination with a crosslinkable resin such as melamine resin, phenol resin, or urethane resin.
樹脂粒子はアルミニウム粒子を含むことが好ましい。樹脂粒子がアルミニウム粒子を含む形態としては、樹脂粒子の周囲をアルミニウムの膜で被覆した粒子、アルミニウム粒子の周囲を樹脂の膜で被覆した粒子が挙げられる。 The resin particles preferably contain aluminum particles. Examples of the form in which the resin particles contain aluminum particles include particles in which the periphery of resin particles is coated with an aluminum film, and particles in which the periphery of aluminum particles is coated with a film of resin.
導電材粒子と、樹脂粒子の体積比（導電材粒子：樹脂粒子）は、特に限定されないが２０：８０～８０：２０であることが好ましい。導電材粒子の比率を高くすると抵抗値を小さくすることができ、樹脂粒子の比率を高くすると、電解液の侵入を防止し、支持体の腐食を防止することができる。 The volume ratio of the conductive material particles and the resin particles (conductive material particles:resin particles) is not particularly limited, but is preferably 20:80 to 80:20. Increasing the ratio of the conductive material particles can reduce the resistance value, and increasing the ratio of the resin particles can prevent penetration of the electrolytic solution and corrosion of the support.
アニオン電着工程では、電圧が１０～８０Ｖであることが好ましく、３０～６０Ｖであることがより好ましい。
アニオン電着工程における電圧が上記範囲であると電極反応における気体生成が抑制され気孔のない膜を形成できる。
また、アニオン電着工程では、浴温度が２０～４０℃、電流密度１００～５００Ａ／ｍ２であることが好ましい。また、浴温度が２８～４０℃、電流密度１００～５００Ａ／ｍ２であることが好ましい。
アニオン電着工程で用いる第２の電解液は、液相成分に関しては逆電解工程で用いる第１の電解液と同一の成分であることが好ましい。すなわち、第２の電解液は、第１の電解液に導電材粒子及び樹脂粒子が含まれたものである。
In the anion electrodeposition step, the voltage is preferably 10-80V, more preferably 30-60V.
When the voltage in the anion electrodeposition step is within the above range, the generation of gas in the electrode reaction is suppressed and a pore-free film can be formed.
In the anion electrodeposition step, the bath temperature is preferably 20-40° C. and the current density is preferably 100-500 A/m 2 . Moreover, it is preferable that the bath temperature is 28 to 40° C. and the current density is 100 to 500 A/m 2 .
The liquid phase components of the second electrolytic solution used in the anion electrodeposition step are preferably the same as those of the first electrolytic solution used in the reverse electrolysis step. That is, the second electrolytic solution is the first electrolytic solution containing conductive material particles and resin particles.
逆電解工程と、アニオン電着工程とは、同一の電解液で連続して行うことが好ましい。
この場合、第２の電解液と第１の電解液で液相は同一成分である。例えば、逆電解工程では液相成分のみの第１の電解液で行い、アニオン電着工程ではさらに樹脂粒子、導電材粒子を添加し第２の電解液としたのちアニオン電着工程を実施することができる。
逆電解工程で支持体の表面の酸化膜を除去したのちにそのままアニオン電着工程を行うので、支持体の表面に酸化膜が形成される前に表面を樹脂粒子で覆い被覆層を形成することができる。そのため、燃料電池用セパレータの抵抗が上昇することをより防止できる。
It is preferable that the reverse electrolysis step and the anion electrodeposition step are continuously performed using the same electrolytic solution.
In this case, the second electrolytic solution and the first electrolytic solution have the same liquid phase components. For example, in the reverse electrolysis step, a first electrolytic solution containing only liquid phase components is used, and in the anion electrodeposition step, resin particles and conductive particles are further added to form a second electrolytic solution, and then the anion electrodeposition step is carried out. can be done.
After removing the oxide film on the surface of the support in the reverse electrolysis step, the anion electrodeposition step is carried out as it is. can be done. Therefore, it is possible to further prevent the resistance of the fuel cell separator from increasing.
《融着工程》
融着工程では、陽極側の支持体を一旦引き上げ、電解液を除去したのち熱を加えて樹脂粒子を導電材粒子ともに支持体上に融着させて被覆層を形成する。
図２Ｃには、融着工程を経て、支持体１０上に形成された被覆層７０を示している。
融着させる温度は特に限定されないが、例えば１００～１５０℃（３０ｍｉｎ）で融着することができる。また、導電材粒子の含有率が多い場合、単に熱を加えただけでは導電材粒子どうしが反発して密度が上がりにくいので加圧を併用してもよい。融着工程で加える圧力は例えば０．０１～１０ＭＰａであることが好ましい。
《Fusing process》
In the fusing step, the support on the anode side is lifted once, the electrolytic solution is removed, and then heat is applied to fuse the resin particles together with the conductive material particles onto the support to form a coating layer.
FIG. 2C shows the
The temperature for fusion bonding is not particularly limited, but fusion bonding can be performed at, for example, 100 to 150° C. (30 min). Moreover, when the content of the conductive material particles is high, the conductive material particles repel each other and the density is difficult to increase simply by applying heat. The pressure applied in the fusing process is preferably 0.01 to 10 MPa, for example.
融着工程で形成される被覆層は、厚さが１～１００μｍであることが好ましい。
被覆層の厚さが１μｍ以上であると、酸素や水の支持体の表面への到達を防止して支持体の酸化を好適に防ぐことができる。また、被覆層の厚さが１００μｍ以下であると導電性が好適に確保できる。
以上のプロセスを経て、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法が構成される。
The thickness of the coating layer formed in the fusion bonding step is preferably 1 to 100 μm.
When the thickness of the coating layer is 1 μm or more, it is possible to prevent oxygen and water from reaching the surface of the support, thereby suitably preventing oxidation of the support. Further, when the thickness of the coating layer is 100 μm or less, the conductivity can be suitably secured.
Through the processes described above, the method for manufacturing the fuel cell separator of the present invention is constructed.
続いて、本発明の燃料電池用セパレータについて説明する。
本発明の燃料電池用セパレータは、金属からなる支持体と、前記支持体を覆う被覆層とからなり、前記被覆層は導電材粒子を含有する樹脂であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
Next, the fuel cell separator of the present invention will be described.
A fuel cell separator according to the present invention comprises a metal support and a coating layer covering the support, wherein the coating layer is a resin containing conductive material particles. be.
図３は、本発明の燃料電池用セパレータの構成の一例を模式的に示す断面図である。
図３に示す燃料電池用セパレータ１は、金属からなる支持体１０と、支持体１０を覆う被覆層７０とからなる。
支持体はアルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。アルミニウム合金の具体例は上述の通りである。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the fuel cell separator of the present invention.
The fuel cell separator 1 shown in FIG. 3 comprises a
Preferably, the support is aluminum or an aluminum alloy. Specific examples of aluminum alloys are as described above.
被覆層７０は導電材粒子５０を含有する。被覆層７０のマトリックス部分は樹脂である。
被覆層７０は、厚さが１～１００μｍであることが好ましい。
また、図示していないが、被覆層はアルミニウム粒子を含んでいてもよい。
被覆層は、上述した樹脂粒子を支持体に付着させ、融着させることにより形成されたものである。
また、支持体と被覆層の間には酸化膜が存在せず、被覆層が支持体の表面に直接形成されている。
The
The
Also, although not shown, the coating layer may contain aluminum particles.
The coating layer is formed by adhering the resin particles described above to the support and fusing them.
Moreover, no oxide film exists between the support and the coating layer, and the coating layer is formed directly on the surface of the support.
図３に示す支持体１０には流路パターンとしての凸部８１と凹部８２が設けられている。
被覆層７０は流路パターンの凹凸に沿って設けられている。凹部に燃料ガス、空気、冷却水等の流体が流れることができる。
流路パターンは支持体に設けられていてもよく、設けられていなくてもよい。
なお、流路パターンとしての凹凸は逆電解工程により支持体の表面に設けられた凹凸とは異なる。
流路パターンとしての凹凸（凸部の最も高い位置と凹部の最も低い位置の高低差）は０．５～３ｍｍであることが好ましい。一方、支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は１０～５０μｍであることが好ましい。逆電解工程により支持体の表面に設けられた凹凸の方がその凹凸の程度が小さいことは明らかである。
支持体の表面の面粗さ（Ｒａ）は、被覆層を剥離したうえでレーザー顕微鏡により表面形状を測定した後、数値解析することによって得られる。支持体の表面の面粗さが上記範囲内であると、支持体と被覆層とを強固に接合することができる。
The
The
The flow path pattern may or may not be provided on the support.
It should be noted that the unevenness as the channel pattern is different from the unevenness provided on the surface of the support by the reverse electrolysis process.
The unevenness (height difference between the highest position of the convex portion and the lowest position of the concave portion) of the flow path pattern is preferably 0.5 to 3 mm. On the other hand, the surface roughness (Ra) of the support is preferably 10 to 50 μm. It is clear that the degree of unevenness provided on the surface of the support by the reverse electrolysis process is smaller.
The surface roughness (Ra) of the support can be obtained by peeling off the coating layer, measuring the surface shape with a laser microscope, and then performing numerical analysis. When the surface roughness of the support is within the above range, the support and the coating layer can be firmly bonded.
表面に空気中で形成された酸化膜を有するアルミニウムの支持板（５０ｍｍ×１００ｍｍ×０．３ｍｍ）を準備した。なお、支持板は、平板を用いた。 An aluminum support plate (50 mm x 100 mm x 0.3 mm) having an oxide film formed in air on its surface was prepared. A flat plate was used as the support plate.
《アルカリ脱脂工程》
用意した支持板をアルカリ溶液に浸漬し、アルカリ脱脂を行った。アルカリ溶液は、主成分がケイ酸ナトリウム、ｐＨは１２．５であり、温度は５０℃、浸漬時間は１０分であった。
《Alkaline degreasing process》
The prepared support plate was immersed in an alkaline solution to perform alkaline degreasing. The alkali solution contained sodium silicate as a main component, had a pH of 12.5, had a temperature of 50° C., and was immersed for 10 minutes.
《水洗工程》
アルカリ洗浄の終わった支持板を、水洗した。
《Water washing process》
The support plate after alkali cleaning was washed with water.
《逆電解工程》
水洗の終わった支持板および対称電極を第１の電解液に浸漬したあと、支持板が陽極となるように電流を流し、逆電解を実施した。
第１の電解液は、主成分がトリエチルアミン（１２ｗｔ％）２－ヘキシルエチレングリコール（４．１ｗｔ％）であり、ｐＨは９であった。逆電解の条件は、加えられた電圧が４０Ｖ、電流密度は３００Ａ／ｍ２、第１の電解液の温度は５０℃、逆電解の時間は１５分であった。
逆電解の終わった支持体につき、キーエンス製ワンショット３Ｄ測定器（レーザー顕微鏡：ＶＲ３２００）を用いて面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、２０．４μｍであった。
《Reverse electrolysis process》
After immersing the washed support plate and the symmetrical electrode in the first electrolytic solution, a current was applied so that the support plate became the anode, and reverse electrolysis was performed.
The first electrolytic solution had triethylamine (12 wt %) and 2-hexylethylene glycol (4.1 wt %) as main components and had a pH of 9. The conditions of the reverse electrolysis were as follows: applied voltage was 40 V, current density was 300 A/m 2 , temperature of the first electrolytic solution was 50° C., and reverse electrolysis time was 15 minutes.
The surface roughness (Ra) of the support after reverse electrolysis was measured using a keyence one-shot 3D measuring device (laser microscope: VR3200) and found to be 20.4 μm.
《アニオン電着工程》
逆電解の終わった支持板および対称電極を第２の電解液に浸漬した後、支持板が陽極となるように電流を流し、アニオン電着を実施した。
なお第２の電解液は、第１の電解液に平均粒子径２μｍの黒鉛粒子（２３ｗｔ％）、平均粒子径４μｍの樹脂粒子（０．７２ｗｔ％）を含有する水系ペーストをさらに２０％加えたものである。樹脂粒子の成分は、アクリル系樹脂であった。
第２の電解液は、ｐＨは９であった。アニオン電着の条件は、加えられた電圧が４０Ｖ、電流密度は３００Ａ／ｍ２、第２の電解液の温度は２８℃、アニオン電着の時間は３分であった。
《Anion electrodeposition process》
After the support plate and the symmetrical electrode after the reverse electrolysis were immersed in the second electrolytic solution, an electric current was applied so that the support plate became the anode, and anion electrodeposition was carried out.
The second electrolytic solution was obtained by adding 20% of aqueous paste containing graphite particles (23 wt%) with an average particle size of 2 µm and resin particles (0.72 wt%) with an average particle size of 4 µm to the first electrolytic solution. It is. The component of the resin particles was an acrylic resin.
The second electrolytic solution had a pH of 9. The conditions for anion electrodeposition were an applied voltage of 40 V, a current density of 300 A/m 2 , a temperature of the second electrolytic solution of 28° C., and anion electrodeposition time of 3 minutes.
《融着工程》
表面に樹脂粒子、黒鉛粒子の付着した支持板を乾燥させたのち、圧力０．１ＭＰａ、温度１４０℃で加圧し、樹脂を融着させ燃料電池用セパレータを得た。得られた被覆層の成分比は黒鉛粒子４０ｖｏｌ％、樹脂６０ｖｏｌ％であった。
図４は、実施例１で製造された燃料電池用セパレータの断面を模式的に示す断面図である。
《Fusing process》
After drying the support plate with resin particles and graphite particles adhering to the surface thereof, pressure was applied at a pressure of 0.1 MPa and a temperature of 140° C. to fuse the resin and obtain a fuel cell separator. The component ratio of the obtained coating layer was 40 vol % of graphite particles and 60 vol % of resin.
4 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the fuel cell separator manufactured in Example 1. FIG.
《比較例》
逆電解工程を行わなかった以外、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを得た。
なお、アニオン電着前の支持体に対して実施例１と同様に面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、４．２μｍであった。
<<Comparative example>>
A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 1, except that the reverse electrolysis step was not performed.
When the surface roughness (Ra) of the support before anion electrodeposition was measured in the same manner as in Example 1, it was 4.2 μm.
実施例及び比較例の燃料電池用セパレータを１０ＭＰａの圧力を加え測定電極（Ａｕ）で挟み、燃料電池用セパレータの支持体と測定電極間の抵抗を測定した。
実施例では８５Ωｃｍ２であったのに対し、比較例では３６０Ωｃｍ２であった。
この結果から、逆電解工程と連続してアニオン電着工程を行うことにより、支持体が空気にさらされて酸化膜が形成されることなく厚み方向に流れる電流の抵抗値を下げられることが確認された。
A pressure of 10 MPa was applied to the fuel cell separators of Examples and Comparative Examples, and the separators were sandwiched between measurement electrodes (Au), and the resistance between the fuel cell separator support and the measurement electrodes was measured.
While it was 85 Ωcm 2 in the example, it was 360 Ωcm 2 in the comparative example.
From this result, it was confirmed that the resistance value of the current flowing in the thickness direction can be lowered by performing the anion electrodeposition step continuously with the reverse electrolysis step, without the support being exposed to the air and forming an oxide film. was done.
１ 燃料電池用セパレータ
１０ 支持体
１１ 酸化膜
２０ 対称電極
３０ 第１の電解液
４０ 第２の電解液
５０ 導電材粒子
６０ 樹脂粒子
７０ 被覆層
８１ 凸部（流路パターン）
８２ 凹部（流路パターン）
1
82 recess (flow path pattern)
Claims (17)
前記支持体を導電材粒子及び樹脂粒子が分散した塩基性の第２の電解液中に浸漬するとともに、前記支持体を陽極側として電流を流し、前記導電材粒子及び前記樹脂粒子を前記支持体に付着させるアニオン電着工程と、
前記樹脂粒子を加熱して前記支持体に融着させて被覆層を形成する融着工程と、
を行うことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 a reverse electrolysis step of immersing a support made of a metal in a first electrolytic solution and applying an electric current with the support on the anode side to clean the surface of the support;
The support is immersed in a basic second electrolytic solution in which the conductive material particles and the resin particles are dispersed, and current is passed through the support with the support on the anode side, so that the conductive material particles and the resin particles are immersed in the support. Anion electrodeposition step to attach to
a fusing step of heating the resin particles to fuse them to the support to form a coating layer;
A method for producing a fuel cell separator, characterized by performing
前記被覆層は導電材粒子を含有する樹脂であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 Consisting of a metal support and a coating layer covering the support,
The fuel cell separator, wherein the coating layer is a resin containing conductive particles.
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