JP2023079636A - Separator for solid polymer fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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祐樹 長尾
Yuki Nagao
シリ ホ
Shiri Ho
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Abstract

To provide a separator for a solid polymer fuel cell which has excellent corrosion resistance and a low interface contact resistance value, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: A method for manufacturing a separator 40 for a solid polymer fuel cell includes: a first nickel plating step of applying nickel plating to a metal plate 100 by immersing it in a first nickel plating solution containing hydrochloric acid and nickel chloride, thereby forming a first nickel layer 120 on the metal plate 100; and a second nickel plating step of applying nickel plating to the metal plate 100 having the first nickel layer 120 formed thereon by immersing it in a second nickel plating solution containing nickel sulfate and boric acid, thereby forming a second nickel layer 130 thicker than the first nickel layer 120 on the first nickel layer 120.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell separator and a manufacturing method thereof.

固体高分子形燃料電池はCO削減の効果が高く、家庭用の電源、自動車用の電源などとして利用されている。 Polymer electrolyte fuel cells are highly effective in reducing CO 2 , and are used as power sources for households, automobiles, and the like.

固体高分子形燃料電池は、負極と、正極と、これらの電極の上に設けられたセパレータと、を含む。負極は水素と反応し、正極は水や酸素と反応するため、それらの周囲は強い酸性又はアルカリ性となる。このため、セパレータは、酸又はアルカリにより腐食されやすく、耐腐食性に優れていることが必要となる。また、固体高分子形燃料電池で生成した電力を低損失で外部回路に供給するために、セパレータの界面接触抵抗値は低いことが好ましい。 A polymer electrolyte fuel cell includes a negative electrode, a positive electrode, and a separator provided on these electrodes. Since the negative electrode reacts with hydrogen and the positive electrode reacts with water and oxygen, their surroundings become strongly acidic or alkaline. Therefore, the separator needs to be easily corroded by acid or alkali and have excellent corrosion resistance. In order to supply the power generated by the polymer electrolyte fuel cell to an external circuit with low loss, the interfacial contact resistance of the separator is preferably low.

特許文献1には、固体高分子形燃料電池で使用される耐腐食性のセパレータが開示されている。このセパレータは、アルミニウム基板と、銅層と、錫層と、チタン、バナジウムなどから形成された金属層とが積層された構成を備える。 Patent Literature 1 discloses a corrosion-resistant separator used in polymer electrolyte fuel cells. This separator has a structure in which an aluminum substrate, a copper layer, a tin layer, and a metal layer made of titanium, vanadium, or the like are laminated.

特開2011-198573号公報JP 2011-198573 A

特許文献1に開示されたセパレータは、その表面が腐食されることで、表面の材料組織が変化し、伝導性が失われるため、界面接触抵抗値が高くなるという問題がある。 The separator disclosed in Patent Literature 1 has a problem that the interfacial contact resistance value is increased because the surface is corroded, the surface material structure is changed, and the conductivity is lost.

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、耐腐食性に優れ、界面接触抵抗値が低い固体高分子形燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell separator having excellent corrosion resistance and low interfacial contact resistance, and a method for producing the same.

本発明は以下のとおりである。
[1]本発明に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法は、塩酸と塩化ニッケルとを含む第1のニッケルめっき溶液に金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、前記金属板の上に第1のニッケル層を形成する第1のニッケルめっき処理工程と、硫酸ニッケルとホウ酸とを含む第2のニッケルめっき溶液に前記第1のニッケル層が形成された前記金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、前記第1のニッケル層の上に前記第1のニッケル層よりも厚い第2のニッケル層を形成する第2のニッケルめっき処理工程と、を含む。
The present invention is as follows.
[1] A method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention comprises: immersing a metal plate in a first nickel plating solution containing hydrochloric acid and nickel chloride to apply nickel plating; and immersing the metal plate having the first nickel layer in a second nickel plating solution containing nickel sulfate and boric acid. and a second nickel plating step of nickel plating to form a second nickel layer on the first nickel layer that is thicker than the first nickel layer.

また、[2]前記第1のニッケルめっき溶液の塩酸濃度は、2.0mol/L以上3.5mol/L以下であり、前記第1のニッケルめっき溶液の塩化ニッケル濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であり、前記第2のニッケルめっき溶液の硫酸ニッケル濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であり、前記第2のニッケルめっき溶液のホウ酸濃度は、0.10mol/L以上1.50mol/L以下である、ようにしてもよい。 [2] The first nickel plating solution has a hydrochloric acid concentration of 2.0 mol/L or more and 3.5 mol/L or less, and the first nickel plating solution has a nickel chloride concentration of 0.5 mol/L. 2.0 mol/L or less, the second nickel plating solution has a nickel sulfate concentration of 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less, and the second nickel plating solution has a boric acid concentration of , 0.10 mol/L or more and 1.50 mol/L or less.

また、[3]前記第1のニッケルめっき溶液に前記金属板を浸漬する際の前記第1のニッケルめっき溶液の温度は、15℃以上50℃以下であり、前記第2のニッケルめっき溶液に前記第1のニッケル層が形成された前記金属板を浸漬する際の前記第2のニッケルめっき溶液の温度は、45℃以上65℃以下である、ようにしてもよい。 [3] The temperature of the first nickel plating solution when the metal plate is immersed in the first nickel plating solution is 15° C. or higher and 50° C. or lower, and the second nickel plating solution has the above The temperature of the second nickel plating solution when immersing the metal plate having the first nickel layer formed thereon may be 45° C. or higher and 65° C. or lower.

また、[4]前記第1のニッケルめっき処理工程は、電解めっき工程であり、電流密度は0.15A/cm以上0.4A/cm以下であり、前記第2のニッケルめっき処理工程は、電解めっき工程であり、電流密度は0.15A/cm以上0.4A/cm以下である、ようにしてもよい。 [4] The first nickel plating step is an electrolytic plating step, the current density is 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less, and the second nickel plating step is , an electroplating process, and the current density is 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less.

また、[5]前記金属板は、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンからなる群から選ばれる1種から構成される、ようにしてもよい。 [5] The metal plate may be made of one selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, magnesium, and titanium.

また、[6]本発明に係る固体高分子形燃料電池用セパレータは、金属板と、前記金属板の上に形成された第1のニッケル層と、前記第1のニッケル層の上に形成された第2のニッケル層と、を備え、前記第1のニッケル層の厚さが0.01μm以上1.0μm以下であり、前記第2のニッケル層の厚さが2.0μm以上であり、腐食電流密度が0.001μA/cm以上1.100μA/cm以下であり、界面接触抵抗値が0.01mΩ・cm以上1.00mΩ・cm以下である。 [6] A polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention comprises a metal plate, a first nickel layer formed on the metal plate, and a layer formed on the first nickel layer. a second nickel layer, wherein the thickness of the first nickel layer is 0.01 μm or more and 1.0 μm or less, the thickness of the second nickel layer is 2.0 μm or more, and corrosion is prevented The current density is 0.001 μA/cm 2 or more and 1.100 μA/cm 2 or less, and the interfacial contact resistance value is 0.01 mΩ·cm 2 or more and 1.00 mΩ·cm 2 or less.

また、[7][6]に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータは、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後の界面接触抵抗値が10.0mΩ・cm以下である。 Further, the polymer electrolyte fuel cell separator according to [7] and [6] has an interfacial contact resistance value of 10.0 mΩ·cm 2 or less after being immersed in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70°C. be.

また、[8]前記金属板は、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンからなる群から選ばれる1種から構成される、ようにしてもよい。 [8] The metal plate may be made of one selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, magnesium, and titanium.

本発明によれば、耐腐食性に優れ、界面接触抵抗値が低い固体高分子形燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the separator for polymer electrolyte fuel cells which is excellent in corrosion resistance and has a low interfacial contact resistance value, and its manufacturing method can be provided.

この発明の実施形態に係る第1のニッケルめっき処理工程で使用するめっき処理装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a plating apparatus used in a first nickel plating process according to an embodiment of the invention; FIG. この発明の実施形態に係る第2のニッケルめっき処理工程で使用するめっき処理装置の概略図である。It is a schematic diagram of a plating processing apparatus used in the second nickel plating processing step according to the embodiment of the present invention. この発明の実施形態に係る第2のニッケルめっき処理工程で使用することができる他のめっき処理装置の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of another plating apparatus that can be used in the second nickel plating process according to the embodiment of the invention; 固体高分子形燃料電池用セパレータの概略上面図である。1 is a schematic top view of a polymer electrolyte fuel cell separator; FIG. 図4のV-V線矢視断面図である。5 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG. 4; FIG. アニオン交換型固体高分子形燃料電池の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an anion exchange polymer electrolyte fuel cell; FIG. (a)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの構成とターフェルプロット(固体高分子形燃料電池用セパレータが酸化還元反応により変化した電流の対数値と電位との関係でプロットしたもの)との関係を示す図であり、(b)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの腐食電位、腐食電流密度、アノード・ターフェル定数、カソード・ターフェル定数、及び分極抵抗を示した図である。(a) shows the structure of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example and the comparative example and the Tafel plot (the relationship between the logarithmic value of the current changed by the oxidation-reduction reaction of the polymer electrolyte fuel cell separator and the potential) (b) shows the relationship between the corrosion potential, corrosion current density, anode Tafel constant, cathode Tafel constant, and cathode Tafel constant of polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples. and polarization resistance. (a)~(d)は、実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの接触角を示す図である。(a) to (d) are diagrams showing contact angles of polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples. 実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの構成と界面接触抵抗値との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the configuration of polymer electrolyte fuel cell separators and interfacial contact resistance values according to Examples and Comparative Examples. (a)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における通電時間とターフェルプロットとの関係を示す図であり、(b)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの腐食電位、腐食電流密度、アノード・ターフェル定数、及びカソード・ターフェル定数を示した図である。(a) is a diagram showing the relationship between the energization time and the Tafel plot in the second nickel plating treatment process of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example and the comparative example, and (b) is a diagram showing the relationship between the Tafel plot FIG. 3 is a diagram showing the corrosion potential, corrosion current density, anode Tafel constant, and cathode Tafel constant of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example. 実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における通電時間と界面接触抵抗値との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the energization time and the interfacial contact resistance value in the second nickel plating process of the polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples. (a)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における処理温度とターフェルプロットとの関係を示す図であり、(b)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの腐食電位、腐食電流密度、アノード・ターフェル定数、及びカソード・ターフェル定数を示した図である。(a) is a diagram showing the relationship between the treatment temperature and Tafel plot in the second nickel plating treatment step of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example and the comparative example, and (b) is a diagram showing the relationship between the treatment temperature and the Tafel plot. FIG. 3 is a diagram showing the corrosion potential, corrosion current density, anode Tafel constant, and cathode Tafel constant of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example. 実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における処理温度と界面接触抵抗値との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the treatment temperature and the interface contact resistance value in the second nickel plating treatment step of polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples. (a)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における参照電極(銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極))に対する金属板の電位とターフェルプロットとの関係を示す図であり、(b)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの腐食電位、腐食電流密度、アノード・ターフェル定数、及びカソード・ターフェル定数を示した図である。(a) shows the potential of the metal plate with respect to the reference electrode (silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode)) and Tafel in the second nickel plating process of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example and the comparative example. FIG. 10B is a diagram showing the relationship between plots, and (b) shows the corrosion potential, corrosion current density, anode Tafel constant, and cathode Tafel constant of separators for polymer electrolyte fuel cells according to Examples and Comparative Examples. It is a diagram. 実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第2のニッケルめっき処理工程における参照電極(銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極))に対する金属板の電位と界面接触抵抗値との関係を示すグラフである。Potential and interfacial contact resistance of the metal plate with respect to the reference electrode (silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode)) in the second nickel plating process of the polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples. is a graph showing the relationship of (a)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第1のニッケルめっき処理工程における第1のニッケルめっき溶液の塩酸濃度とターフェルプロットとの関係を示す図であり、(b)は実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの腐食電位、腐食電流密度、アノード・ターフェル定数、及びカソード・ターフェル定数を示した図である。(a) is a diagram showing the relationship between the hydrochloric acid concentration of the first nickel plating solution and the Tafel plot in the first nickel plating process of the polymer electrolyte fuel cell separator according to the example and the comparative example; b) is a diagram showing the corrosion potential, corrosion current density, anode Tafel constant, and cathode Tafel constant of separators for polymer electrolyte fuel cells according to Examples and Comparative Examples. 実施例及び比較例に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの第1のニッケルめっき処理工程における第1のニッケルめっき溶液の塩酸濃度と界面接触抵抗値との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the hydrochloric acid concentration of the first nickel plating solution and the interfacial contact resistance value in the first nickel plating treatment step for polymer electrolyte fuel cell separators according to Examples and Comparative Examples.

以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「実施形態」という。)について詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (only henceforth "embodiment") for implementing this invention is demonstrated in detail. The following embodiments are exemplifications for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be appropriately modified and implemented within the scope of the gist thereof.

[固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法]
実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法は、塩酸と塩化ニッケルとを含む第1のニッケルめっき溶液に金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、金属板の上に第1のニッケル層を形成する第1のニッケルめっき処理工程と、ホウ酸と硫酸ニッケルとを含む第2のニッケルめっき溶液に第1のニッケル層が形成された金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、第1のニッケル層の上に第1のニッケル層よりも厚い第2のニッケル層を形成する第2のニッケルめっき処理工程と、を含む。
[Manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell separator]
A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell separator according to an embodiment comprises: immersing a metal plate in a first nickel plating solution containing hydrochloric acid and nickel chloride to apply nickel plating; The metal plate having the first nickel layer formed thereon is immersed in a first nickel plating treatment step for forming a nickel layer, and a second nickel plating solution containing boric acid and nickel sulfate to perform nickel plating. and a second nickel plating step of forming a second nickel layer on the one nickel layer, the second nickel layer being thicker than the first nickel layer.

以下、各処理工程の詳細を順に説明する。
(第1のニッケルめっき処理工程)
第1のニッケルめっき処理工程においては、めっき処理装置10を使用する。めっき処理装置10は、図1に示すように、めっき浴槽部150と、制御計測部160と、を備える。
The details of each processing step will be described below in order.
(First nickel plating process)
A plating apparatus 10 is used in the first nickel plating process. The plating apparatus 10 includes a plating bath section 150 and a control measurement section 160, as shown in FIG.

めっき浴槽部150は、固体高分子形燃料電池用セパレータを形成するために、原材料である金属板(ワーク)100の上に第1のニッケル層を形成するための第1のニッケルめっき溶液153を収容するめっき浴槽151と、めっき浴槽151を加温するヒータ152と、を含む。 The plating bath section 150 supplies a first nickel plating solution 153 for forming a first nickel layer on a metal plate (work) 100 as a raw material in order to form a polymer electrolyte fuel cell separator. It includes a plating bath 151 to accommodate and a heater 152 to heat the plating bath 151 .

めっき浴槽151には、第1のニッケルめっき溶液153が満たされている。第1のニッケルめっき溶液153には、ニッケルイオンを溶出するニッケル板140、ニッケルめっきされる金属板100、及び、温度計167が浸漬されている。 A plating bath 151 is filled with a first nickel plating solution 153 . A nickel plate 140 for eluting nickel ions, a metal plate 100 to be nickel-plated, and a thermometer 167 are immersed in the first nickel plating solution 153 .

金属板100は、固体高分子形燃料電池用セパレータの材料となる平面視矩形の金属板である。金属板100は、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンからなる群から選ばれる1種から構成される。なお、実施形態の金属板100の形状は平面視矩形を例にして説明しているが、形状は適宜選択することができる。金属板100の厚みは、適宜選択することができる。 The metal plate 100 is a metal plate having a rectangular shape in a plan view and serving as a material for a polymer electrolyte fuel cell separator. Metal plate 100 is made of one selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, magnesium, and titanium. In addition, although the shape of the metal plate 100 of the embodiment has been described as being rectangular in plan view, the shape can be appropriately selected. The thickness of the metal plate 100 can be selected as appropriate.

ニッケル板140は、第1のニッケルめっき溶液153中にニッケルイオンを供給するものである。金属板100の上に第1のニッケル層を効率よく形成する観点から、ニッケルの純度が99%以上であることが好ましい。ニッケル板140の厚みや形状は、適宜選択することができる。 The nickel plate 140 supplies nickel ions into the first nickel plating solution 153 . From the viewpoint of efficiently forming the first nickel layer on the metal plate 100, the purity of nickel is preferably 99% or more. The thickness and shape of the nickel plate 140 can be selected as appropriate.

ヒータ152は、めっき浴槽151を加熱することができる装置であれば特に限定されず、例えば、電熱ヒータ、めっき浴槽151全体を加熱するウォターバス、オイルバスなどが挙げられる。 The heater 152 is not particularly limited as long as it can heat the plating bath 151, and examples thereof include an electric heater, a water bath for heating the entire plating bath 151, an oil bath, and the like.

制御計測部160は、計測部161と、電源部162と、制御部163とを含む。 Control measurement unit 160 includes measurement unit 161 , power supply unit 162 , and control unit 163 .

計測部161は、温度計167と電流計168の測定データを取り込む。 The measurement unit 161 takes in measurement data of the thermometer 167 and the ammeter 168 .

温度計167は、第1のニッケルめっき溶液153の温度を計測する。電流計168は、電源部162、ニッケル板140、金属板100、電源部162の順で流れる電流を計測する。 A thermometer 167 measures the temperature of the first nickel plating solution 153 . Ammeter 168 measures the current flowing through power supply unit 162 , nickel plate 140 , metal plate 100 , and power supply unit 162 in that order.

電源部162は、外部電源170からの電力を用いて、制御部163の制御に従って、ヒータ152に電力を供給する。また、電源部162は、外部電源170からの電力を用いて、制御部163の制御に従って、金属板100とニッケル板140との間に印加する電圧を制御する。 The power supply unit 162 uses the power from the external power supply 170 to supply power to the heater 152 according to the control of the control unit 163 . In addition, power supply section 162 uses power from external power supply 170 to control the voltage applied between metal plate 100 and nickel plate 140 according to the control of control section 163 .

電源部162は、例えば、制御部163の制御に従って、外部電源170からの電圧をヒータ152に印加する電圧に変換する第1のDC/DCコンバータと、制御部163の制御に従って、外部電源170の電圧を金属板100とニッケル板140との間に印加する電圧に変換する第2のDC/DCコンバータと、から構成される。 The power supply unit 162 includes, for example, a first DC/DC converter that converts the voltage from the external power supply 170 into a voltage to be applied to the heater 152 under the control of the control unit 163, and the external power supply 170 under the control of the control unit 163. and a second DC/DC converter for converting the voltage into a voltage applied between the metal plate 100 and the nickel plate 140 .

外部電源170は、例えば、バッテリ、ACアダプタなどから構成され、電源部162に電力を供給する。 The external power supply 170 is composed of, for example, a battery, an AC adapter, etc., and supplies power to the power supply unit 162 .

制御部163は、コンピュータなどから構成される。制御部163には、計測部161を介して、温度計167と電流計168との測定データが供給される。 The control unit 163 is configured by a computer or the like. Measurement data of the thermometer 167 and the ammeter 168 are supplied to the control unit 163 via the measurement unit 161 .

制御部163は、温度計167の測定温度に基づいて、例えば、PID(Proportional-Integral-Differentia)制御により、第1のニッケルめっき溶液153の温度を、例えば、45℃以上65℃以下のほぼ一定温度に維持するように、電源部162を制御する。電源部162は、制御部163の制御に従って、ヒータ152に供給する電圧を調整し、第1のニッケルめっき溶液153の温度をほぼ一定値に維持する。 Based on the temperature measured by the thermometer 167, the control unit 163, for example, by PID (Proportional-Integral-Differentia) control, keeps the temperature of the first nickel plating solution 153 substantially constant at, for example, 45° C. or higher and 65° C. or lower. The power supply unit 162 is controlled to maintain the temperature. The power supply unit 162 adjusts the voltage supplied to the heater 152 under the control of the control unit 163 to maintain the temperature of the first nickel plating solution 153 at a substantially constant value.

また、制御部163は、電流計168の測定値に基づいて、例えば、PID制御により、金属板100に流れる単位面積あたりの電流をめっきに適した0.15A/cm以上0.4A/cm以下のほぼ一定値に維持するように、電源部162を制御する。電源部162は、制御部163の制御に従って、金属板100とニッケル板140との間に印加する電圧を調整し、金属板100の電流密度を調整する。 In addition, based on the measured value of the ammeter 168, the control unit 163 adjusts the current per unit area flowing through the metal plate 100 to 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm suitable for plating, for example, by PID control. The power supply unit 162 is controlled so as to maintain a substantially constant value of 2 or less. Power supply unit 162 adjusts the voltage applied between metal plate 100 and nickel plate 140 under the control of control unit 163 to adjust the current density of metal plate 100 .

第1のニッケルめっき溶液153は、金属板100の上にニッケルイオンを析出させるための溶液である。第1のニッケルめっき溶液153は、塩酸(HCl)と、塩化ニッケル(NiCl)と、を含む水溶液である。第1のニッケルめっき溶液153の塩酸濃度は、金属板100の上に第1のニッケル層を効率よく形成する観点から、2.0mol/L以上3.5mol/L以下であることが好ましく、3.0mol/L以上3.5mol/L以下であることがより好ましい。塩化ニッケル濃度は、金属板100の上に第1のニッケル層を効率よく形成する観点から、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上1.5mol/L以下であることがより好ましい。 The first nickel plating solution 153 is a solution for depositing nickel ions on the metal plate 100 . The first nickel plating solution 153 is an aqueous solution containing hydrochloric acid (HCl) and nickel chloride (NiCl 2 ). From the viewpoint of efficiently forming the first nickel layer on the metal plate 100, the concentration of hydrochloric acid in the first nickel plating solution 153 is preferably 2.0 mol/L or more and 3.5 mol/L or less. 0 mol/L or more and 3.5 mol/L or less is more preferable. From the viewpoint of efficiently forming the first nickel layer on the metal plate 100, the nickel chloride concentration is preferably 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less, and 0.5 mol/L or more. It is more preferably 5 mol/L or less.

第1のニッケルめっき溶液153は、ヒータ152により加温され、例えば、15℃以上50℃以下、望ましくは、20℃以上35℃以下に維持されている。 The first nickel plating solution 153 is heated by the heater 152 and maintained at, for example, 15° C. or higher and 50° C. or lower, preferably 20° C. or higher and 35° C. or lower.

次に、めっき処理装置10により金属板100の上に第1のニッケル層を形成する工程を説明する。 Next, the process of forming the first nickel layer on the metal plate 100 by the plating processing apparatus 10 will be described.

図1に示すようにワークに相当する金属板100とニッケル板140を、第1のニッケルめっき溶液153に浸漬する。 As shown in FIG. 1, a metal plate 100 and a nickel plate 140 corresponding to works are immersed in a first nickel plating solution 153 .

この状態で、制御部163は電源部162を起動して、金属板100に負極性、ニッケル板140に正極性の電圧を印加する。すると、ニッケル板140中のニッケル原子は、電子を放出してニッケルイオンとなり、第1のニッケルめっき溶液153に溶出する。放出された電子は、電源部162を介して金属板100に流れ込み、過剰電子となる。溶出したニッケルイオンは、正に帯電しており、負極性の金属板100に引き寄せられ、金属板100の過剰電子と結合して、表面に析出する。これにより金属板100上に第1のニッケル層が形成される。 In this state, the control unit 163 activates the power supply unit 162 to apply a negative voltage to the metal plate 100 and a positive voltage to the nickel plate 140 . Then, the nickel atoms in the nickel plate 140 emit electrons, become nickel ions, and are eluted into the first nickel plating solution 153 . The emitted electrons flow into the metal plate 100 via the power supply section 162 and become excess electrons. The eluted nickel ions are positively charged, attracted to the negatively charged metal plate 100, combined with excess electrons of the metal plate 100, and deposited on the surface. A first nickel layer is thus formed on the metal plate 100 .

処理の間、制御部163は、第1のニッケルめっき溶液153の温度を15℃以上50℃以下、望ましくは、20℃以上35℃以下の一定に保つために、電源部162を介してヒータ152の発熱量を制御する。また、制御部163は、処理の間、電流計168で測定される電流値が、金属板100に流れる単位面積あたりの電流を0.15A/cm以上0.4A/cm以下に相当するほぼ一定値となるように、電源部163を介して、金属板100とニッケル板140との間に印加する電圧を制御する。 During the process, the controller 163 controls the heater 152 via the power supply 162 to keep the temperature of the first nickel plating solution 153 constant between 15° C. and 50° C., preferably between 20° C. and 35° C. control the calorific value of In addition, the control unit 163 determines that the current value measured by the ammeter 168 during the process corresponds to the current per unit area flowing through the metal plate 100 of 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less. The voltage applied between the metal plate 100 and the nickel plate 140 is controlled via the power supply unit 163 so that the voltage is substantially constant.

制御部163は、通電時間をカウントし、第1のニッケル層が厚さ0.01μm以上1.0μm以下の所定の厚さに達したタイミングに相当するカウント値に達すると、電源部162を制御して通電を停止する。これにより、第1のニッケル層の成長は停止する。 The control unit 163 counts the energization time, and when the count value reaches the timing when the first nickel layer reaches a predetermined thickness of 0.01 μm or more and 1.0 μm or less, the power supply unit 162 is controlled. to turn off the power. This stops the growth of the first nickel layer.

第1のニッケル層の成長時間、即ち、通電時間は、金属板100を流れる電流の電流密度と、第1のニッケルめっき溶液153の温度、及び、第1のニッケルめっき溶液153中の塩酸濃度と塩化ニッケル濃度、形成するニッケル層の厚さに応じて変化する。このため、予め、実験、シミュレーションなどにより通電時間を求めておき、この通電時間だけ通電したところで、通電を停止するようにすればよい。例えば、第1のニッケルめっき溶液153の塩酸濃度が3.5mol/L、及び塩化ニッケル濃度が1.0mol/Lであり、金属板100のサイズが10×20mmで、電流が0.35Aであるときに、30秒以上120秒以下であることが好ましく、40秒以上70秒以下がより好ましい。 The growth time of the first nickel layer, that is, the energization time depends on the current density of the current flowing through the metal plate 100, the temperature of the first nickel plating solution 153, and the concentration of hydrochloric acid in the first nickel plating solution 153. The concentration of nickel chloride varies depending on the thickness of the nickel layer to be formed. Therefore, the energization time is obtained in advance by experiment, simulation, or the like, and the energization is stopped when the energization is performed for this energization time. For example, the first nickel plating solution 153 has a hydrochloric acid concentration of 3.5 mol/L and a nickel chloride concentration of 1.0 mol/L, the size of the metal plate 100 is 10×20 mm, and the current is 0.35 A. Sometimes, it is preferably 30 seconds or more and 120 seconds or less, more preferably 40 seconds or more and 70 seconds or less.

上述の第1のニッケルめっき処理工程を経た金属板100は、金属板100の上に形成された第1のニッケル層120を備える。 The metal plate 100 that has undergone the first nickel plating process described above has a first nickel layer 120 formed on the metal plate 100 .

なお、第1のニッケルめっき処理工程におけるニッケルめっきは、ストライクめっきとも呼ばれる。 Nickel plating in the first nickel plating process is also called strike plating.

(第2のニッケルめっき処理工程)
次に、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法の第2のニッケルめっき処理工程について説明する。
(Second nickel plating process)
Next, the second nickel plating step of the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell separator according to the embodiment will be described.

第2のニッケルめっき処理工程においては、めっき処理装置20を使用する。めっき処理装置20は、めっき浴槽部150内の第1のニッケルめっき液153を第2のニッケルめっき溶液154に置換している点以外はめっき処理装置10と実質同一である。 A plating apparatus 20 is used in the second nickel plating process. The plating apparatus 20 is substantially the same as the plating apparatus 10 except that the first nickel plating solution 153 in the plating bath section 150 is replaced with the second nickel plating solution 154 .

第2のニッケルめっき溶液154は、第1のニッケル層120の上にニッケルイオンを析出させるための溶液であり、硫酸ニッケル(NiSO)と、ホウ酸(HBO)と、を含む水溶液である。硫酸ニッケル濃度は、第2のニッケル層を第1のニッケル層120の上に効率よく形成する観点から、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましく、0.75mol/L以上1.25mol/L以下であることがより好ましい。ホウ酸濃度は、第2のニッケル層を第1のニッケル層120の上に効率よく形成する観点から、0.10mol/L以上1.50mol/L以下であることが好ましく、0.25mol/L以上0.75mol/L以下であることがより好ましい。 The second nickel plating solution 154 is a solution for depositing nickel ions on the first nickel layer 120, and is an aqueous solution containing nickel sulfate ( NiSO4 ) and boric acid ( H3BO3 ). is. From the viewpoint of efficiently forming the second nickel layer on the first nickel layer 120, the nickel sulfate concentration is preferably 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less, and 0.75 mol/L. It is more preferable that it is more than or equal to 1.25 mol/L or less. From the viewpoint of efficiently forming the second nickel layer on the first nickel layer 120, the boric acid concentration is preferably 0.10 mol/L or more and 1.50 mol/L or less, and 0.25 mol/L. More preferably, it is 0.75 mol/L or less.

制御部163は、第2のニッケルめっき溶液154の温度を、例えば、45℃以上65℃以下のほぼ一定温度に維持するように、電源部162を制御する。 The control unit 163 controls the power supply unit 162 so as to maintain the temperature of the second nickel plating solution 154 at a substantially constant temperature of, for example, 45°C or higher and 65°C or lower.

また、制御部163は、電源部162、ニッケル板140、金属板100、電源部162の順で流れる電流を、金属板100に流れる単位面積あたりの電流を0.15A/cm以上0.4A/cm以下のほぼ一定値に維持するように、電源部162を制御する。 Further, the control unit 163 sets the current flowing through the power supply unit 162, the nickel plate 140, the metal plate 100, and the power supply unit 162 in this order so that the current per unit area flowing through the metal plate 100 is 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A. /cm 2 or less.

次に、めっき処理装置20により第1のニッケル層120の上に第2のニッケル層を形成する工程を説明する。 Next, the process of forming the second nickel layer on the first nickel layer 120 by the plating processing apparatus 20 will be described.

第1のニッケル層120が形成されている金属板100とニッケル板140を、第2のニッケルめっき溶液154に浸漬する。 The metal plate 100 having the first nickel layer 120 formed thereon and the nickel plate 140 are immersed in a second nickel plating solution 154 .

この状態で、制御部163は電源部162を起動して、金属板100に負極性、ニッケル板140に正極性の電圧を印加する。すると、ニッケル板140中のニッケル原子は、電子を放出してニッケルイオンとなり、第2のニッケルめっき溶液154に溶出する。溶出したニッケルイオンは、負極性の金属板100に引き寄せられ、金属板100の過剰電子と結合して、第1のニッケル層120の上に析出する。これにより第1のニッケル層120上に第2のニッケル層が形成される。 In this state, the control unit 163 activates the power supply unit 162 to apply a negative voltage to the metal plate 100 and a positive voltage to the nickel plate 140 . Then, the nickel atoms in the nickel plate 140 emit electrons, become nickel ions, and are eluted into the second nickel plating solution 154 . The eluted nickel ions are attracted to the negatively charged metal plate 100 , combine with excess electrons on the metal plate 100 , and deposit on the first nickel layer 120 . A second nickel layer is thereby formed on the first nickel layer 120 .

処理の間、制御部163は、第2のニッケルめっき溶液154の温度を45℃以上65℃以下、望ましくは、55℃以上60℃以下の一定に保つために、電源部162を介してヒータ152の発熱量を制御する。また、制御部163は、処理の間、電流計168で測定される電流値が、金属板100に流れる単位面積あたりの電流を0.15A/cm以上0.4A/cm以下に相当するほぼ一定値となるように、電源部163を介して、金属板100とニッケル板140との間に印加する電圧を制御する。 During the process, the controller 163 controls the heater 152 via the power supply 162 to keep the temperature of the second nickel plating solution 154 constant between 45° C. and 65° C., preferably between 55° C. and 60° C. control the calorific value of In addition, the control unit 163 determines that the current value measured by the ammeter 168 during the process corresponds to the current per unit area flowing through the metal plate 100 of 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less. The voltage applied between the metal plate 100 and the nickel plate 140 is controlled via the power supply unit 163 so that the voltage is substantially constant.

制御部163は、第2のニッケル層が厚さ2.0μm以上の所定の厚さに達したタイミングで、電源部162を制御して通電を停止する。これにより、第2のニッケル層の成長は停止する。 The control unit 163 controls the power supply unit 162 to stop energization at the timing when the second nickel layer reaches a predetermined thickness of 2.0 μm or more. This stops the growth of the second nickel layer.

第2のニッケル層の成長時間、即ち、通電時間は、金属板100を流れる電流の電流密度と、第2のニッケルめっき溶液154の温度、及び、第2のニッケルめっき溶液154中の硫酸ニッケル(NiSO)濃度とホウ酸(HBO)濃度に応じて変化する。このため、予め、実験、シミュレーションなどにより求めておく。例えば、第2のニッケルめっき溶液154の硫酸ニッケル濃度が2.0mol/L、及びホウ酸濃度が0.75mol/Lであり、金属板100のサイズが10×20mmで、電流が0.35Aであるときに、1000秒以上1400秒以下であることが好ましく、1100秒以上1300秒以下であることがより好ましい。 The growth time of the second nickel layer, that is, the energization time depends on the current density of the current flowing through the metal plate 100, the temperature of the second nickel plating solution 154, and the nickel sulfate in the second nickel plating solution 154 ( NiSO 4 ) and boric acid (H 3 BO 3 ) concentrations. Therefore, it is determined in advance by experiments, simulations, or the like. For example, the second nickel plating solution 154 has a nickel sulfate concentration of 2.0 mol/L and a boric acid concentration of 0.75 mol/L, the size of the metal plate 100 is 10×20 mm, and the current is 0.35 A. At one time, it is preferably 1000 seconds or more and 1400 seconds or less, more preferably 1100 seconds or more and 1300 seconds or less.

このようにして、図4及び図5に示すような、矩形平板状で、金属板100と、金属板100の上に形成された第1のニッケル層120と、第1のニッケル層120の上に形成された第2のニッケル層130を備える固体高分子形燃料電池用セパレータ40が得られる。この固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、第1のニッケルめっき処理工程と第2のニッケルめっき処理工程を順次実行するため、金属板100と第1のニッケル層120との密着性、及び、第1のニッケル層120と第2のニッケル層130との密着性が高くなる。また、第1のニッケル層120は酸性溶液やアルカリ性溶液による金属板100の腐食を防止するため、固体高分子形燃料電池用セパレータ40は耐腐食性に優れる。また、第1のニッケル層120が金属板100の表面を活性化するため、第1のニッケル層120よりも緻密な第2のニッケル層130が形成され、界面接触抵抗値が低いという特性を有する。 In this way, as shown in FIGS. 4 and 5, the metal plate 100, the first nickel layer 120 formed on the metal plate 100, and the first nickel layer 120 are formed in the shape of a rectangular flat plate. Thus, a polymer electrolyte fuel cell separator 40 having a second nickel layer 130 formed on the surface is obtained. Since the polymer electrolyte fuel cell separator 40 sequentially performs the first nickel plating process and the second nickel plating process, the adhesion between the metal plate 100 and the first nickel layer 120, and Adhesion between the first nickel layer 120 and the second nickel layer 130 is enhanced. In addition, since the first nickel layer 120 prevents corrosion of the metal plate 100 by an acid solution or an alkaline solution, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 is excellent in corrosion resistance. In addition, since the first nickel layer 120 activates the surface of the metal plate 100, the second nickel layer 130 is formed more densely than the first nickel layer 120, and the interfacial contact resistance value is low. .

第1のニッケルめっき処理工程において、ニッケル板140の代わりに、白金(Pt)などの貴金属で被覆された金属板を用いることができる。この場合、第1のニッケルめっき溶液153に存在するニッケルイオンを一定にするために、塩化ニッケル(NiCl)を第1のニッケルめっき溶液153に定期的に添加する必要がある。 In the first nickel plating process, a metal plate coated with a noble metal such as platinum (Pt) can be used instead of the nickel plate 140 . In this case, nickel chloride (NiCl 2 ) should be added to the first nickel plating solution 153 periodically to keep the nickel ions present in the first nickel plating solution 153 constant.

第2のニッケルめっき処理工程においても、ニッケル板140の代わりに、白金(Pt)などの貴金属で被覆された金属板を用いることができる。この場合、第2のニッケルめっき溶液154に存在するニッケルイオンを一定にするために、硫酸ニッケル(NiSO)を第2のニッケルめっき溶液154に定期的に添加する必要がある。 Also in the second nickel plating process, a metal plate coated with a noble metal such as platinum (Pt) can be used instead of the nickel plate 140 . In this case, nickel sulfate (NiSO 4 ) should be added to the second nickel plating solution 154 periodically to keep the nickel ions present in the second nickel plating solution 154 constant.

第1のニッケルめっき処理工程において、金属板100を第1のニッケルめっき溶液153に浸漬する前に、金属板100の表面を粗くする粗化処理工程を更に含んでもよい。金属板100の表面を粗化することにより、第1のニッケル層と金属板100との密着性が向上する。金属板100の表面を粗くする方法としては、例えば、小さな砂粒を金属板100の表面に吹き付けて表面を荒らす方法や、目の細かい紙やすりで金属板100の表面を磨く方法が挙げられる。目の細かい紙やすりの番手は、C800(#800)、C2000(#2000)が挙げられる。 The first nickel plating process may further include a roughening process for roughening the surface of the metal plate 100 before the metal plate 100 is immersed in the first nickel plating solution 153 . By roughening the surface of the metal plate 100, the adhesion between the first nickel layer and the metal plate 100 is improved. Methods for roughening the surface of the metal plate 100 include, for example, a method of roughening the surface by spraying small grains of sand onto the surface of the metal plate 100 and a method of polishing the surface of the metal plate 100 with fine sandpaper. Examples of fine sandpaper counts include C800 (#800) and C2000 (#2000).

金属板100の表面の油分を除去する観点から第1のニッケルめっき溶液153に浸漬する前に、金属板100の表面を、アセトン、メチルエチルケトンなどの有機溶剤で洗浄してもよい。これにより金属板100の上にニッケルめっきが形成されやすくなる。また、洗浄は、超音波を使うことが好ましく、粗化処理工程を含む場合は粗化処理工程の後に洗浄することが好ましい。 From the viewpoint of removing oil from the surface of the metal plate 100, the surface of the metal plate 100 may be washed with an organic solvent such as acetone or methyl ethyl ketone before being immersed in the first nickel plating solution 153. This facilitates formation of nickel plating on the metal plate 100 . In addition, ultrasonic waves are preferably used for cleaning, and when a roughening treatment step is included, cleaning is preferably performed after the roughening treatment step.

金属板100を第1のニッケルめっき溶液153に浸漬する前に、金属板100を、塩酸濃度1.0mol/Lの水溶液に浸漬し、その後、体積換算でエタノールと水とが50:50の割合で含まれる溶液で洗浄してもよい。これにより、金属板100の表面が化学的に改質され、第1のニッケル層120と金属板100との密着性が向上する。この処理を行う場合は、第1のニッケルめっき処理工程の直前で行うことがより好ましい。 Before immersing the metal plate 100 in the first nickel plating solution 153, the metal plate 100 is immersed in an aqueous solution having a hydrochloric acid concentration of 1.0 mol/L, and then ethanol and water are mixed at a volumetric ratio of 50:50. may be washed with a solution containing Thereby, the surface of the metal plate 100 is chemically modified, and the adhesion between the first nickel layer 120 and the metal plate 100 is improved. When this treatment is performed, it is more preferable to perform it immediately before the first nickel plating treatment step.

第2のニッケルめっき溶液154に代わる別の溶液としては、塩化ニッケル(II)と硫酸ニッケルとスルファミン酸ニッケルとを含む水溶液、塩化ニッケル(II)と硫酸ニッケルと硝酸ニッケル(II)とを含む水溶液、塩化ニッケル(II)とスルファミン酸ニッケルとホウ酸とを含む水溶液、が挙げられる。 Alternative solutions to the second nickel plating solution 154 include an aqueous solution containing nickel(II) chloride, nickel sulfate, and nickel sulfamate, and an aqueous solution containing nickel(II) chloride, nickel sulfate, and nickel(II) nitrate. , an aqueous solution containing nickel(II) chloride, nickel sulfamate and boric acid.

実施形態の第1及び第2のニッケルめっき処理工程において、温度及び電流を一定にして説明したが、時間軸上で温度及び電流を変化させてもよい。 Although the temperature and current are constant in the first and second nickel plating processes of the embodiment, the temperature and current may be changed on the time axis.

実施形態において、第2のニッケルめっき処理工程を電解めっきを例に説明したが、無電解ニッケルめっきで第1のニッケル層120の上に第2のニッケル層を形成してもよい。無電解ニッケルめっきによるめっき処理装置30は、例えば、図3に示すように、めっき浴槽部159と、温度計320と、を備える。 In the embodiment, the second nickel plating process is explained using electrolytic plating as an example, but the second nickel layer may be formed on the first nickel layer 120 by electroless nickel plating. A plating processing apparatus 30 for electroless nickel plating includes, for example, a plating bath section 159 and a thermometer 320, as shown in FIG.

めっき浴槽部159は、金属板100の上に形成された第1のニッケル層120の上に、更に第2のニッケル層を形成するための第3のニッケルめっき溶液310を収容するめっき浴槽158と、めっき浴槽158を加温するヒータ157と、を含む。 The plating bath section 159 includes a plating bath 158 containing a third nickel plating solution 310 for further forming a second nickel layer on the first nickel layer 120 formed on the metal plate 100 . , and a heater 157 for heating the plating bath 158 .

めっき浴槽158には、第3のニッケルめっき溶液310が収容されている。第3のニッケルめっき溶液310には、第1のニッケル層120が形成された金属板100、及び、第3のニッケルめっき溶液310の温度を計測する温度計320が浸漬されている。 Plating bath 158 contains a third nickel plating solution 310 . A metal plate 100 having a first nickel layer 120 formed thereon and a thermometer 320 for measuring the temperature of the third nickel plating solution 310 are immersed in the third nickel plating solution 310 .

ヒータ157は、めっき浴槽158を加熱する。 A heater 157 heats the plating bath 158 .

第3のニッケルめっき溶液310は、ニッケルイオンと、次亜リン酸塩と、を含む水溶液である。第3のニッケルめっき溶液310は、ニッケルが第1のニッケル層120の上に析出する反応が進むと、水溶液中のニッケルイオン及び次亜リン酸塩の濃度が低下するため、硫酸ニッケル、次亜リン酸塩、及び、pH調節剤としての水酸化ナトリウムを添加することが好ましい。 The third nickel plating solution 310 is an aqueous solution containing nickel ions and hypophosphite. The third nickel plating solution 310 contains nickel sulfate and hypophosphite because the concentrations of nickel ions and hypophosphite in the aqueous solution decrease as the reaction in which nickel deposits on the first nickel layer 120 progresses. Preference is given to adding phosphate and sodium hydroxide as a pH adjuster.

めっき処理装置30を用いた第2のニッケルめっき処理工程において、第2のニッケル層は、第1のニッケル層120の上に、以下のように形成される。ニッケルイオンと還元剤としての例えば次亜リン酸とを含む第3のニッケルめっき溶液310の中に、第1のニッケル層120が形成された金属板100を浸漬すると、次亜リン酸から電子が放出される。この電子がニッケルイオンと結合し、金属としてのニッケルが第1のニッケル層120の上に析出する。これにより第1のニッケル層120の上に第2のニッケル層が形成される。 In the second nickel plating process using the plating apparatus 30, the second nickel layer is formed on the first nickel layer 120 as follows. When the metal plate 100 having the first nickel layer 120 formed thereon is immersed in a third nickel plating solution 310 containing nickel ions and, for example, hypophosphorous acid as a reducing agent, electrons are released from the hypophosphorous acid. released. These electrons combine with nickel ions, and nickel as metal is deposited on the first nickel layer 120 . A second nickel layer is thereby formed on the first nickel layer 120 .

第1のニッケル層120が形成された金属板100を第3のニッケルめっき溶液310に浸漬する時間は、第2のニッケル層を第1のニッケル層よりも厚くする観点から、60分以上120分以下であることが好ましく、80分以上100分以下であることがより好ましい。 The time for immersing the metal plate 100 having the first nickel layer 120 formed thereon in the third nickel plating solution 310 is from 60 minutes to 120 minutes from the viewpoint of making the second nickel layer thicker than the first nickel layer. It is preferably 80 minutes or longer and 100 minutes or shorter.

第3のニッケルめっき溶液310の温度は、第2のニッケル層を第1のニッケル層120の上に効率よく形成する観点から、70℃以上90℃以下であることが好ましい。 From the viewpoint of efficiently forming the second nickel layer on the first nickel layer 120, the temperature of the third nickel plating solution 310 is preferably 70° C. or higher and 90° C. or lower.

第3のニッケルめっき溶液310に代わる別の溶液としては、硫酸ニッケルと還元剤としてのジメチルアミンボランと酸化剤としてのクエン酸三ナトリウムとpH調節剤としての水酸化ナトリウムとを含む水溶液が挙げられる。この水溶液中でニッケルめっきを施す場合の条件は、温度が70℃、pHが8~10である。 Alternative solutions to the third nickel plating solution 310 include aqueous solutions containing nickel sulfate, dimethylamine borane as a reducing agent, trisodium citrate as an oxidizing agent, and sodium hydroxide as a pH adjusting agent. . The conditions for nickel plating in this aqueous solution are a temperature of 70° C. and a pH of 8-10.

[固体高分子形燃料電池用セパレータ]
次に、上述の製造方法により製造された固体高分子形燃料電池用セパレータ40について説明する。固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、プロトン交換型の高分子電解質膜を使用するプロトン交換型固体高分子形燃料電池のセパレータ、及び、アニオン交換型の高分子電解質膜を使用するアニオン交換型固体高分子形燃料電池のセパレータとして用いることができる。固体高分子形燃料電池用セパレータは、第1のニッケル層よりも第2のニッケル層が厚く耐腐食性を有するため、特にアニオン交換型固体高分子形燃料電池のセパレータとして好適に用いることができる。
[Separator for polymer electrolyte fuel cell]
Next, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 manufactured by the manufacturing method described above will be described. The polymer electrolyte fuel cell separator 40 is a proton exchange type polymer electrolyte fuel cell separator using a proton exchange type polymer electrolyte membrane, and an anion exchange type separator using an anion exchange type polymer electrolyte membrane. It can be used as a separator for polymer electrolyte fuel cells. Since the polymer electrolyte fuel cell separator has a second nickel layer thicker than the first nickel layer and has corrosion resistance, it can be suitably used as a separator for an anion exchange polymer electrolyte fuel cell. .

以下、図6に示すアニオン交換型固体高分子形燃料電池50を例に説明する。アニオン交換型固体高分子形燃料電池50は、アノード電極400と、カソード電極420と、高分子電解質膜410と、固体高分子形燃料電池用セパレータ41と、固体高分子形燃料電池用セパレータ42と、を備える。 An anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 shown in FIG. 6 will be described below as an example. The anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 includes an anode electrode 400, a cathode electrode 420, a polymer electrolyte membrane 410, a polymer electrolyte fuel cell separator 41, and a polymer electrolyte fuel cell separator 42. , provided.

アノード電極400は、高分子電解質膜410から近い順に、アノード触媒層43と、ガス拡散層45と、が積層された構成を備える。 The anode electrode 400 has a configuration in which an anode catalyst layer 43 and a gas diffusion layer 45 are laminated in order from the polymer electrolyte membrane 410 .

カソード電極420は、高分子電解質膜410から近い順に、カソード触媒層44と、ガス拡散層46と、が積層された構成を備える。 The cathode electrode 420 has a configuration in which a cathode catalyst layer 44 and a gas diffusion layer 46 are laminated in order from the polymer electrolyte membrane 410 .

アノード触媒層43の一例としては、20% Platinum on Vulcan XC-72R(FC Catalyst社製)が挙げられる。 An example of the anode catalyst layer 43 is 20% Platinum on Vulcan XC-72R (manufactured by FC Catalyst).

カソード触媒層44の一例としては、20% Platinum on Vulcan XC-72R(FC Catalyst社製)が挙げられる。 An example of the cathode catalyst layer 44 is 20% Platinum on Vulcan XC-72R (manufactured by FC Catalyst).

ガス拡散層45及びガス拡散層46の一例としては、炭素繊維から構成される多孔質シート(カーボンペーパー)、具体的には、TGP-H-030(東レ社製)、TGP-H-060(東レ社製)が挙げられる。 Examples of the gas diffusion layer 45 and the gas diffusion layer 46 include a porous sheet (carbon paper) made of carbon fiber, specifically TGP-H-030 (manufactured by Toray Industries, Inc.), TGP-H-060 ( manufactured by Toray Industries, Inc.).

高分子電解質膜410の一例としては、FFA3アニオン交換膜(Fumatech社製)が挙げられる。 An example of the polymer electrolyte membrane 410 is FFA3 anion exchange membrane (manufactured by Fumatech).

固体高分子形燃料電池用セパレータ41及び固体高分子形燃料電池用セパレータ42
は、それぞれ、固体高分子形燃料電池セパレータ40から構成される。ただし、隣接するアノード電極400又はカソード電極420との接触面に、燃料431、燃料433を流すための凹形状の溝が形成されている。
Polymer electrolyte fuel cell separator 41 and polymer electrolyte fuel cell separator 42
are each composed of a polymer electrolyte fuel cell separator 40 . However, concave grooves for flowing the fuel 431 and the fuel 433 are formed on the contact surface with the adjacent anode electrode 400 or cathode electrode 420 .

次に、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50が起電力を生ずる仕組みを説明する。 Next, the mechanism by which the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 generates an electromotive force will be described.

カソード電極420側において、外部から供給された酸素(O)や水(HO)などの燃料431は、固体高分子形燃料電池用セパレータ42の厚さ方向に設けられた図示しない燃料流路を通過し、ガス拡散層46側に到達し、固体高分子形燃料電池用セパレータ42に形成された凹形状の溝を経由して、ガス拡散層46の主面全体に広がりながらガス拡散層46を通過し、カソード触媒層44へ到達する。燃料431(酸素と水)は、カソード触媒層44において以下の反応をする。 On the cathode electrode 420 side, a fuel 431 such as oxygen (O 2 ) or water (H 2 O) supplied from the outside flows through a fuel flow (not shown) provided in the thickness direction of the polymer electrolyte fuel cell separator 42 . It passes through the path, reaches the gas diffusion layer 46 side, passes through the recessed grooves formed in the polymer electrolyte fuel cell separator 42, and spreads over the entire main surface of the gas diffusion layer 46. 46 to reach the cathode catalyst layer 44 . Fuel 431 (oxygen and water) undergoes the following reactions in cathode catalyst layer 44 .

+2HO+4e→4OH
ここで、eは電子を表し、OHは、水酸化物イオンを表す。
この反応により、水酸化物イオンが生成される。生成された水酸化物イオンは、高分子電解質膜410を移動して、アノード触媒層43に到達する。また、反応せずに残った燃料432は、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50の外に排出される。
O 2 +2H 2 O+4e →4OH
Here, e represents an electron and OH represents a hydroxide ion.
This reaction produces hydroxide ions. The generated hydroxide ions move through the polymer electrolyte membrane 410 and reach the anode catalyst layer 43 . Also, the remaining fuel 432 that has not reacted is discharged outside the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 .

アノード電極400側において、外部から供給された水素(H)などの燃料433は、固体高分子形燃料電池用セパレータ41の厚さ方向に設けられた図示しない燃料流路を通過し、ガス拡散層45側に到達する。燃料433は、固体高分子形燃料電池用セパレータ41に形成された凹形状の溝を経由して、ガス拡散層45の主面全体に広がりながらガス拡散層45を通過し、アノード触媒層43へ到達する。アノード触媒層43に到達した燃料433と、カソード触媒層44から高分子電解質膜410を経由してアノード触媒層43に到達した水酸化物イオンとがアノード触媒層43において以下の反応をする。 On the anode electrode 400 side, a fuel 433 such as hydrogen (H 2 ) supplied from the outside passes through a fuel channel (not shown) provided in the thickness direction of the polymer electrolyte fuel cell separator 41, and gas diffusion occurs. The layer 45 side is reached. The fuel 433 passes through the concave grooves formed in the polymer electrolyte fuel cell separator 41 , spreads over the entire main surface of the gas diffusion layer 45 , passes through the gas diffusion layer 45 , and reaches the anode catalyst layer 43 . reach. The fuel 433 reaching the anode catalyst layer 43 and the hydroxide ions reaching the anode catalyst layer 43 from the cathode catalyst layer 44 via the polymer electrolyte membrane 410 react in the anode catalyst layer 43 as follows.

2H+4OH→4HO+4e
この反応により、水と電子が発生する。電子は、方向440に流れ、外部回路430を経由して、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50に戻り、上述した反応を繰り返す。生成された水と反応せずに残った燃料434は、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50の外に排出される。
2H 2 +4OH →4H 2 O+4e
This reaction generates water and electrons. The electrons flow in direction 440 and return to anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 via external circuit 430 to repeat the reactions described above. The remaining fuel 434 that has not reacted with the produced water is discharged out of the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 .

このように、カソード電極420に面する固体高分子形燃料電池用セパレータ42、及びアノード電極400に面する固体高分子形燃料電池用セパレータ41は、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50の内部で発生した水酸化物イオンと接触するため、腐食されやすい。 Thus, the polymer electrolyte fuel cell separator 42 facing the cathode electrode 420 and the polymer electrolyte fuel cell separator 41 facing the anode electrode 400 are located inside the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 . It is easily corroded because it comes into contact with the hydroxide ions generated in the

実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40(41、42)は、金属板100の上に、第1のニッケル層120、第2のニッケル層130の順でめっき層が形成され、第1のニッケル層120よりも第2のニッケル層130が厚いため耐腐食性を有する。よって、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50に適した固体高分子形燃料電池用セパレータとなる。 In the polymer electrolyte fuel cell separator 40 (41, 42) according to the embodiment, a first nickel layer 120 and a second nickel layer 130 are plated on a metal plate 100 in this order. Since the second nickel layer 130 is thicker than the first nickel layer 120, it is corrosion resistant. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment is a polymer electrolyte fuel cell separator suitable for the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 .

また、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、金属板100の上に、第1のニッケル層120、第2のニッケル層130の順でめっき層が形成され、第1のニッケル層120よりも第2のニッケル層130が厚いため、界面接触抵抗値が0.01mΩ・cm以上1.00mΩ・cm以下と低くなる。このため、アニオン交換型固体高分子形燃料電池50で生成した電力を低損失で外部回路430に供給することができる。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment, plating layers are formed in the order of the first nickel layer 120 and the second nickel layer 130 on the metal plate 100, and the first nickel layer Since the second nickel layer 130 is thicker than the layer 120, the interfacial contact resistance value is as low as 0.01 mΩ·cm 2 or more and 1.00 mΩ·cm 2 or less. Therefore, the power generated by the anion exchange polymer electrolyte fuel cell 50 can be supplied to the external circuit 430 with low loss.

また、固体高分子形燃料電池用セパレータ40を構成する第1のニッケル層120の厚さが0.1μm以上1.0μm以下であり、第1のニッケル層120の上に形成された第2のニッケル層130の厚さが2.0μm以上であることにより、固体高分子形燃料電池用セパレータ40の腐食電流密度が0.001μA/cm以上1.100μA/cm以下、界面接触抵抗値が0.01mΩ・cm以上1.00mΩ・cm以下、固体高分子形燃料電池用セパレータ40を70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後の界面接触抵抗値が10.0mΩ・cm以下となる。ここで、水酸化ナトリウム水溶液の温度と濃度は、アニオン交換型固体高分子形燃料電池内部のアルカリ存在下における状況を再現したものである。 Further, the thickness of the first nickel layer 120 constituting the polymer electrolyte fuel cell separator 40 is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less, and the second nickel layer 120 formed on the first nickel layer 120 has a thickness of 0.1 μm or more and 1.0 μm or less. Since the thickness of the nickel layer 130 is 2.0 μm or more, the corrosion current density of the polymer electrolyte fuel cell separator 40 is 0.001 μA/cm 2 or more and 1.100 μA/cm 2 or less, and the interfacial contact resistance value is 0.01 mΩ·cm 2 or more and 1.00 mΩ·cm 2 or less, and the interfacial contact resistance value after immersing the polymer electrolyte fuel cell separator 40 in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70° C. is 10.0 mΩ·cm 2 . cm 2 or less. Here, the temperature and concentration of the aqueous sodium hydroxide solution reproduce the situation in the presence of alkali inside the anion exchange polymer electrolyte fuel cell.

以上、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、耐腐食性に優れ、界面接触抵抗値が低いものとなる。また、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法により、固体高分子形燃料電池用セパレータ40を提供することができる。 As described above, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment has excellent corrosion resistance and a low interfacial contact resistance value. Further, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 can be provided by the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell separator according to the embodiment.

以下の実施例及び比較例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples, but the present invention is in no way limited by the following examples.

(実施例p4)
実施例p4のサンプルは以下の手順で作製した。まず、実施例p4のサンプルを構成する金属板としてステンレス板を準備し、前処理を行った。次に、第1のニッケルめっき処理、第2のニッケルめっき処理の順でステンレス板にめっきを施し、実施例p4のサンプルを得た。
(Example p4)
A sample of Example p4 was produced by the following procedure. First, a stainless steel plate was prepared as a metal plate constituting the sample of Example p4 and subjected to pretreatment. Next, the stainless plate was plated in the order of the first nickel plating treatment and the second nickel plating treatment to obtain a sample of Example p4.

(1)前処理
金属板としてステンレス板(厚さ1mm、SS304)を準備し、10×20mmの正方形に切り出して、その表面を、紙やすりC800番で削った。その後、アセトン及びメタノールで洗浄した。次に、ステンレス板の表面に形成されている酸化膜を除去するために、ステンレス板を1mol/Lの塩酸水溶液に10分間浸漬した。その後、超音波洗浄装置(ASONE社製US-1R)を用いて15分間洗浄し、真空定温乾燥器(東京理化器械社製VOM-1000)を用いて乾燥させた。このステンレス板を前処理後のステンレス板とした。
(1) Pretreatment A stainless steel plate (1 mm thick, SS304) was prepared as a metal plate, cut into a square of 10×20 mm, and the surface thereof was sanded with sandpaper No. C800. After that, it was washed with acetone and methanol. Next, in order to remove the oxide film formed on the surface of the stainless plate, the stainless plate was immersed in a 1 mol/L hydrochloric acid aqueous solution for 10 minutes. Then, it was washed for 15 minutes using an ultrasonic cleaner (US-1R manufactured by ASONE) and dried using a vacuum constant temperature dryer (VOM-1000 manufactured by Tokyo Rikakikai Co., Ltd.). This stainless steel plate was used as a stainless plate after pretreatment.

(2)第1のニッケルめっき処理
前処理後のステンレス板、及びニッケル板を、制御計測機としての電気化学分析器(BAS社製701C)の3電極(対極、参照電極、作用電極)システムに接続し、3.5mol/Lの塩酸(HCl)と1.0mol/Lの塩化ニッケル(NiCl)と含む水溶液が満たされた容器に浸漬した。ここで、ニッケル板は対極として使用し、銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)は参照電極として使用し、ステンレス板は作用電極として使用した。次に、水溶液の温度が23℃、電流-0.35A、参照電極に対するステンレス板(作用電極)の電位が-1.0V、60秒間の条件で前処理後のステンレス板にニッケルめっきを施した。その後、脱イオン水で洗浄して、ステンレス板の上に第1のニッケル層が形成されたステンレス板を得た。また、カラー3Dレーザ顕微鏡VK-9700(キーエンス社製)で第1のニッケル層の厚さを測定したところ、0.1μm以上1.0μm以下であった。なお、ステンレス板の電位を測定するために3電極システムに接続して第1のニッケルめっき処理を行った。また、電流は、3電極(対極、参照電極、作用電極)システムであるため-0.35Aの条件で行った。
(2) First nickel plating treatment The stainless plate after pretreatment and the nickel plate are applied to a three-electrode (counter electrode, reference electrode, working electrode) system of an electrochemical analyzer (701C manufactured by BAS) as a control measuring instrument. It was connected and immersed in a container filled with an aqueous solution containing 3.5 mol/L hydrochloric acid (HCl) and 1.0 mol/L nickel chloride (NiCl 2 ). Here, a nickel plate was used as a counter electrode, a silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode) was used as a reference electrode, and a stainless steel plate was used as a working electrode. Next, the pretreated stainless steel plate was nickel-plated under the conditions that the temperature of the aqueous solution was 23° C., the current was −0.35 A, the potential of the stainless steel plate (working electrode) with respect to the reference electrode was −1.0 V, and the duration was 60 seconds. . Thereafter, the stainless plate was washed with deionized water to obtain a stainless steel plate having a first nickel layer formed thereon. Further, when the thickness of the first nickel layer was measured with a color 3D laser microscope VK-9700 (manufactured by Keyence Corporation), it was 0.1 μm or more and 1.0 μm or less. In addition, in order to measure the potential of the stainless steel plate, the first nickel plating treatment was performed by connecting to a three-electrode system. In addition, the current was set at −0.35 A because of the 3-electrode (counter electrode, reference electrode, working electrode) system.

(3)第2のニッケルめっき処理
第1のニッケルめっき処理がされたステンレス板、及びニッケル板を、制御計測機として電気化学分析器(BAS社製701C)の3電極(対極、参照電極、作用電極)システムに接続し、1mol/Lの硫酸ニッケル(NiSO)と0.5mol/Lのホウ酸(HBO)とを含む水溶液が満たされた容器に浸漬した。ここで、ニッケル板は対極として使用し、銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)は参照電極として使用し、ステンレス板は作用電極として使用した。次に、水溶液の温度が60℃に達したら、電流-0.35A、参照電極に対するステンレス板(作用電極)の電位が-1.0V、1200秒間の条件で第1のニッケルめっき処理がされたステンレス板にニッケルめっきを施した。その後、超純水で洗浄し、真空定温乾燥機で23℃、120分で乾燥させ、第1のニッケル層の上に第2のニッケル層が形成されたステンレス板を得た。これをサンプルとした。また、段差計DEKTAK 3030(Dektak社製)で第1のニッケル層の厚さ及び第2のニッケル層の厚さの合計厚さを測定したところ、17.0μmであった。なお、ステンレス板の電位を測定するために3電極システムに接続して第2のニッケルめっき処理を行った。また、電流は、3電極(対極、参照電極、作用電極)システムであるため-0.35Aの条件で行った。
(3) Second nickel plating treatment The stainless steel plate and the nickel plate subjected to the first nickel plating treatment are used as a control measuring instrument for an electrochemical analyzer (701C manufactured by BAS) with three electrodes (counter electrode, reference electrode, working electrode). The electrode) was connected to a system and immersed in a container filled with an aqueous solution containing 1 mol/L nickel sulfate (NiSO 4 ) and 0.5 mol/L boric acid (H 3 BO 3 ). Here, a nickel plate was used as a counter electrode, a silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode) was used as a reference electrode, and a stainless steel plate was used as a working electrode. Next, when the temperature of the aqueous solution reached 60° C., the first nickel plating was performed under the conditions of -0.35 A current, -1.0 V potential of the stainless steel plate (working electrode) with respect to the reference electrode, and 1200 seconds. Nickel plating was applied to the stainless steel plate. Then, it was washed with ultrapure water and dried in a vacuum constant temperature dryer at 23° C. for 120 minutes to obtain a stainless steel plate having a second nickel layer formed on the first nickel layer. This was used as a sample. Further, when the total thickness of the first nickel layer and the second nickel layer was measured with a step meter DEKTAK 3030 (manufactured by Dektak), it was 17.0 μm. In addition, in order to measure the potential of the stainless steel plate, a second nickel plating treatment was performed by connecting to a three-electrode system. In addition, the current was set at −0.35 A because of the 3-electrode (counter electrode, reference electrode, working electrode) system.

(比較例p1~比較例p3、及び比較例p24~比較例p31)
比較例p1~比較例p3及び比較例p24~比較例p31のサンプルを、表1~表2に示す第1のニッケルめっき処理の条件及び第2のニッケルめっき処理の条件に従い、実施例p4と同じ作製手順で作製した。
(Comparative Example p1 to Comparative Example p3, and Comparative Example p24 to Comparative Example p31)
The samples of Comparative Examples p1 to p3 and Comparative Examples p24 to p31 were subjected to the same conditions as in Example p4 according to the conditions of the first nickel plating treatment and the conditions of the second nickel plating treatment shown in Tables 1 and 2. It was produced according to the production procedure.

Figure 2023079636000002
Figure 2023079636000002

Figure 2023079636000003
Figure 2023079636000003

次に、サンプルの腐食電流密度、サンプルとカーボンペーパーとの間における界面接触抵抗値、及びサンプルの接触角の測定方法について説明する。 Next, the method for measuring the corrosion current density of the sample, the interfacial contact resistance value between the sample and the carbon paper, and the contact angle of the sample will be described.

<腐食電流密度>
腐食電流密度の測定は、高性能電気化学測定システム(Bio-logic社製VMP300)の3電極システムを用いて行った。3電極システムを構成する3つの電極(対極、参照電極、作用電極)として、白金メッシュを対極として使用し、塩化カリウム(KCl)で飽和された飽和カロメル電極(SCE電極)、又は銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)を参照電極として使用し、サンプルを作用電極として使用した。測定は、各電極を70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液が満たされた容器に浸漬させた状態で、ポテンシャルスキャン速度を1mV/sに設定して行った。腐食電流密度の数値は、Bio-logic社製の解析ソフトEC-labを用いて読み取った。
<Corrosion current density>
The corrosion current density was measured using a three-electrode system of a high-performance electrochemical measurement system (Bio-logic VMP300). A saturated calomel electrode saturated with potassium chloride (KCl) (SCE electrode), or silver/silver chloride, using a platinum mesh as the counter electrode, for the three electrodes (counter electrode, reference electrode, working electrode) that make up a three-electrode system. The electrode (Ag/AgCl electrode) was used as the reference electrode and the sample as the working electrode. The measurement was performed by setting the potential scan rate to 1 mV/s while each electrode was immersed in a container filled with a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70°C. The numerical value of the corrosion current density was read using analysis software EC-lab manufactured by Bio-logic.

<界面接触抵抗値(ICR)>
界面接触抵抗値の測定は、2450ソースメータ(ケースレー社製)及び2182Aナノボルトメータ(ケースレー社製)を用いて行った。まず、カーボンペーパー(東レ社製TGP-H-030)を銅板(厚さ1mm)とサンプルとの間に挟み込み、その後、全圧1.4MPaの荷重を加えた状態で、1mAの電流を流し、サンプルとカーボンペーパーとの間の電圧を測定することにより、界面接触抵抗値を測定した。
<Interfacial contact resistance value (ICR)>
The interfacial contact resistance value was measured using a 2450 source meter (manufactured by Keithley) and a 2182A nanovoltmeter (manufactured by Keithley). First, carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was sandwiched between a copper plate (thickness 1 mm) and the sample, and then a current of 1 mA was applied with a load of 1.4 MPa in total pressure applied. Interfacial contact resistance values were measured by measuring the voltage between the sample and the carbon paper.

また、実施例及び比較例では、耐腐食性を確認するために、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬する前のサンプルの界面接触抵抗値(以下、界面接触抵抗値、又は浸漬前の界面接触抵抗値ともいう。)、及び、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に90分浸漬した後のサンプルの界面接触抵抗値(以下、浸漬後の界面接触抵抗値ともいう。)を測定した。なお、浸漬した後のサンプルは、超純水で洗浄し、真空定温乾燥機で23℃、120分で乾燥させたものを使用した。 In addition, in the examples and comparative examples, in order to confirm the corrosion resistance, the interfacial contact resistance value of the sample before being immersed in a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution at 70 ° C. (hereinafter referred to as the interfacial contact resistance value or immersion Also referred to as the interfacial contact resistance value before), and the interfacial contact resistance value of the sample after being immersed in a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution at 70 ° C. for 90 minutes (hereinafter also referred to as the interfacial contact resistance value after immersion. ) was measured. The immersed sample was washed with ultrapure water and dried in a vacuum constant temperature dryer at 23° C. for 120 minutes.

<接触角>
接触角は、接触角計(協和界面科学社製BM-501)を用いて測定した。接触角の測定前にサンプルの表面の埃を除去した後、接触角計のサンプルホルダーに設置した。次に、シリンジをゆっくり押して2.0μLの水滴をサンプル表面に滴下した。接触角は、水滴とサンプルの表面とがなす角度とし、協和界面科学社製の解析ソフトFAMASを用いて読み取った。
<Contact angle>
The contact angle was measured using a contact angle meter (BM-501 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). After removing dust from the surface of the sample before measuring the contact angle, the sample was placed in the sample holder of the contact angle meter. Next, the syringe was slowly pushed to drop a water droplet of 2.0 μL onto the surface of the sample. The contact angle was defined as the angle between the water droplet and the surface of the sample, and was read using analysis software FAMAS manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.

(実験結果)
表1及び図7(b)に示すように、実施例p4は腐食電流密度(Icorr(μA/cm))が0.973μA/cmであり、ステンレス板の上に第1のニッケル層のみが形成された比較例p2、ステンレス板の上に第2のニッケル層のみが形成された比較例p3、めっき処理がされていないステンレス板のみの比較例p1に比べて小さくなることがわかった。なお、腐食電流密度が小さいほど耐腐食性に優れていることを示す。
(Experimental result)
As shown in Table 1 and FIG. 7(b), Example p4 has a corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )) of 0.973 μA/cm 2 and only the first nickel layer on the stainless steel plate. was formed, comparative example p3 in which only the second nickel layer was formed on the stainless steel plate, and comparative example p1 in which only the stainless steel plate was not plated. It should be noted that the smaller the corrosion current density, the better the corrosion resistance.

ここで、図7(a)のグラフは、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に対極、参照電極、及び作用電極を浸漬させたときの酸化還元反応で変化した電流の対数値と作用電極の電位との関係を、高性能電気化学測定システムを用いてプロットしたものである。このプロットはターフェルプロットと呼ばれる。また、縦軸は上述した電流の対数値(Log(i/mA))であり、横軸は作用電極の電位(V)である。また、電流の対数値がもっとも小さくなったときの作用電極の電位(V)、即ち、酸化速度と還元速度が等しいときの電位が腐食電位である。なお、図7(a)の作用電極の電位(V)において対比する参照電極はSCE電極を用いたが、図10(a)、図12(a)、図14(a)、図16(a)の作用電極の電位(V)において対比する参照電極は銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)を用いた。 Here, the graph of FIG. 7(a) shows the logarithmic value of the current changed by the oxidation-reduction reaction when the counter electrode, the reference electrode, and the working electrode are immersed in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70° C. and the action. The relationship with the electrode potential is plotted using a high performance electrochemical measurement system. This plot is called a Tafel plot. The vertical axis is the logarithmic value of the current (Log(i/mA)), and the horizontal axis is the potential (V) of the working electrode. The corrosion potential is the potential (V) of the working electrode when the logarithmic value of the current is the smallest, that is, the potential when the oxidation rate and the reduction rate are equal. The SCE electrode was used as the reference electrode for comparing the potential (V) of the working electrode in FIG. 7(a). ), a silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode) was used as a reference electrode for comparison in the potential (V) of the working electrode of ).

図7(a)で求められた腐食電位は、図7(b)に示すEcorr(mV vs.SCE)と呼ばれ、数値が高いほど耐腐食性が良好となる。また、βa(mV)はアノード・ターフェル定数を表し、βc(mV)はカソード・ターフェル定数を表す。βa(mV)及びβc(mV)は、図7(a)に示すターフェルプロットから求められ、高性能電気化学測定システムの3電極システム内において、電流を10倍にする前と後の電圧差を測定した値であり、腐食電流密度(Icorr(μA/cm))を算出する際に使用される。また、Rp(Ωcm)は分極抵抗を表し、腐食電位(Ecorr(mV vs.SCE))近傍のごく狭い範囲における分極曲線の接線の傾きである。 The corrosion potential obtained in FIG. 7(a) is called Ecorr (mV vs. SCE) shown in FIG. 7(b), and the higher the value, the better the corrosion resistance. βa (mV) represents the anodic Tafel constant, and βc (mV) represents the cathode Tafel constant. βa (mV) and βc (mV) are obtained from the Tafel plot shown in FIG. It is a measured value and is used when calculating the corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )). Rp (Ωcm 2 ) represents the polarization resistance, which is the slope of the tangential line of the polarization curve in a very narrow range near the corrosion potential (Ecorr (mV vs. SCE)).

上述したグラフの意味、及び用語の説明は、他の図においても同じである。 The meaning of the graphs and the explanation of the terms described above are the same for other drawings.

また、表1及び図8に示すように、実施例p4は接触角が101.7度であり、比較例p1、比較例p2、比較例p3に比べて大きくなることがわかった。 Further, as shown in Table 1 and FIG. 8, the contact angle of Example p4 was 101.7 degrees, which was found to be larger than those of Comparative Examples p1, p2, and p3.

また、表1及び図9に示すように、実施例p4は、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬する前の界面接触抵抗値が0.75mΩ・cmであり、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後の界面接触抵抗値は3.7mΩ・cmであり、比較例p1、比較例p2、比較例p3と比べて小さくなることがわかった。 In addition, as shown in Table 1 and FIG. 9, Example p4 had an interfacial contact resistance value of 0.75 mΩ cm before being immersed in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70°C. The interfacial contact resistance value after immersion in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution was 3.7 mΩ·cm 2 , which was found to be smaller than those of Comparative Examples p1, p2, and p3.

さらに、第2のニッケルめっき溶液に、第1のニッケル層が形成されたステンレス板を浸漬させ、第2のニッケルめっき溶液の硫酸ニッケル濃度及びホウ酸濃度、及び、ステンレス板に流れる電流を一定にした状態で通電時間を変えたときの固体高分子形燃料電池用セパレータ40の腐食電流密度、界面接触抵抗値、及び接触角の違いを見た。表2、図10(b)及び図11に示すように、実施例p4の腐食電流密度(Icorr(μA/cm))は、比較例P24に比べて約1/5となった。また、通電時間が1200秒である実施例p4の界面接触抵抗値(ICR(mΩ・cm))は、通電時間が400秒である比較例p24、通電時間が800秒である比較例p25に比べて約1/3以下となった。 Furthermore, the stainless steel plate on which the first nickel layer is formed is immersed in the second nickel plating solution, and the nickel sulfate concentration and boric acid concentration of the second nickel plating solution and the current flowing through the stainless steel plate are kept constant. Differences in corrosion current density, interfacial contact resistance value, and contact angle of the polymer electrolyte fuel cell separator 40 were observed when the energization time was changed in this state. As shown in Table 2, FIG. 10(b) and FIG. 11, the corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )) of Example p4 was about 1/5 of that of Comparative Example P24. Further, the interfacial contact resistance value (ICR (mΩ·cm 2 )) of Example p4 in which the energization time is 1200 seconds is lower than that of Comparative Example p24 in which the energization time is 400 seconds and Comparative Example p25 in which the energization time is 800 seconds. It became about 1/3 or less compared.

さらに、第2のニッケルめっき溶液の温度を変えたときの固体高分子形燃料電池用セパレータ40の腐食電流密度、界面接触抵抗値、及び接触角の違いを見た。表2、図12(b)及び図13に示すように、実施例p4の腐食電流密度(Icorr(μA/cm))は、比較例p26に比べて約1/4となった。また、温度が60℃である実施例p4の界面接触抵抗値(ICR(mΩ・cm))は、温度が25℃である比較例p26に比べて約1/3以下となった。 Further, differences in corrosion current density, interfacial contact resistance value, and contact angle of the polymer electrolyte fuel cell separator 40 were observed when the temperature of the second nickel plating solution was changed. As shown in Table 2, FIG. 12(b) and FIG. 13, the corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )) of Example p4 was about 1/4 that of Comparative Example p26. Further, the interfacial contact resistance value (ICR (mΩ·cm 2 )) of Example p4 at a temperature of 60°C was about 1/3 or less of that of Comparative Example p26 at a temperature of 25°C.

さらに、第2のニッケルめっき処理工程において、ステンレス板とニッケル板との距離を10mm、ステンレス板に流れる電流を-0.35Aにした状態で、参照電極に対するステンレス板(作用電極)の電位を変えたときの固体高分子形燃料電池用セパレータ40の腐食電流密度、界面接触抵抗値、及び接触角の違いを見た。表2、図14(b)及び図15に示すように、実施例p4の腐食電流密度(Icorr(μA/cm))は、比較例p28に比べて約3/5となった。電位が-1.0Vである実施例p4の界面接触抵抗値(ICR(mΩ・cm))は、電位が-0.5Vである比較例p28に比べて約1/4以下となった。 Furthermore, in the second nickel plating step, the potential of the stainless steel plate (working electrode) with respect to the reference electrode was changed with the distance between the stainless steel plate and the nickel plate being 10 mm and the current flowing through the stainless steel plate being -0.35 A. Differences in corrosion current density, interfacial contact resistance value, and contact angle of the polymer electrolyte fuel cell separator 40 were observed. As shown in Table 2, FIG. 14(b) and FIG. 15, the corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )) of Example p4 was about 3/5 of that of Comparative Example p28. The interfacial contact resistance value (ICR (mΩ·cm 2 )) of Example p4 with a potential of -1.0V was about 1/4 or less of that of Comparative Example p28 with a potential of -0.5V.

さらに、第1のニッケルめっき溶液中の塩酸濃度を変えたときの固体高分子形燃料電池用セパレータ40の腐食電流密度、界面接触抵抗値、及び接触角の違いを見た。表2、図16(b)及び図17に示すように、実施例p4の腐食電流密度(Icorr(μA/cm))は、比較例p30に比べて約3/5となった。塩酸濃度が3.5mol/Lである実施例p4の界面接触抵抗値(ICR(mΩ・cm))は、塩酸濃度が1.0mol/Lである比較例p30に比べて約1/3以下となった。 Further, differences in corrosion current density, interfacial contact resistance value, and contact angle of polymer electrolyte fuel cell separator 40 were observed when the concentration of hydrochloric acid in the first nickel plating solution was varied. As shown in Table 2, FIGS. 16(b) and 17, the corrosion current density (Icorr (μA/cm 2 )) of Example p4 was about 3/5 of that of Comparative Example p30. The interfacial contact resistance value (ICR (mΩ·cm 2 )) of Example p4 with a hydrochloric acid concentration of 3.5 mol/L is about 1/3 or less compared to Comparative Example p30 with a hydrochloric acid concentration of 1.0 mol/L. became.

以上のことから、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、強アルカリの存在下において腐食電流密度が1.100μA/cm以下であることから、特に固体高分子形燃料電池用セパレータの周囲が強アルカリとなるアニオン交換型固体高分子形燃料電池において、腐食性に優れた固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することができる。 From the above, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment has a corrosion current density of 1.100 μA/cm 2 or less in the presence of a strong alkali. It is possible to provide a highly corrosive separator for an anion-exchange polymer electrolyte fuel cell in which the periphery of the separator is strongly alkaline.

また、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液が満たされた容器に浸漬する前の界面接触抵抗値が1.00mΩ・cm以下であり、70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液が満たされた容器に浸漬した後の界面接触抵抗値が10.0mΩ・cm以下であることから、固体高分子形燃料電池で生成された電気を損失することなく外部回路へ供給することができる。 Further, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment has an interfacial contact resistance value of 1.00 mΩ·cm 2 or less before being immersed in a container filled with a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70°C. , and the interfacial contact resistance value after being immersed in a container filled with a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70°C is 10.0 mΩ cm 2 or less, so it is generated in the polymer electrolyte fuel cell. can be supplied to an external circuit without loss of electricity.

さらに、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、固体高分子形燃料電池内部で生成した水が固体高分子形燃料電池用セパレータの表面に付着しても、接触角が大きいため、効率よく排出することができる。 Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment has a large contact angle even if water generated inside the polymer electrolyte fuel cell adheres to the surface of the polymer electrolyte fuel cell separator. , can be discharged efficiently.

従って、実施形態に係る固体高分子形燃料電池用セパレータ40は、耐腐食性に優れ、界面接触抵抗値が低い固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することができる。 Therefore, the polymer electrolyte fuel cell separator 40 according to the embodiment can provide a polymer electrolyte fuel cell separator having excellent corrosion resistance and a low interfacial contact resistance value.

以上、本発明によれば、耐腐食性に優れ、界面接触抵抗値が低い固体高分子形燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell separator having excellent corrosion resistance and a low interfacial contact resistance value, and a method for producing the same.

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変更が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broader spirit and scope of the invention. Moreover, the embodiment described above is for explaining the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.

10、20、30 めっき処理装置、
100 金属板、120 第1のニッケル層、130 第2のニッケル層、
140 ニッケル板、
150 めっき浴槽部、151 めっき浴槽、153 第1のニッケルめっき溶液、154 第2のニッケルめっき溶液、310 第3のニッケルめっき溶液、152 ヒータ、
160 制御計測部、161 計測部、162 電源部、163 制御部、
170 外部電源、
168 電流計、
167、320 温度計、
40、41、42 固体高分子形燃料電池用セパレータ、
43 アノード触媒層、44 カソード触媒層
45、46 ガス拡散層
431、432、433、434 燃料、
50 アニオン交換型固体高分子形燃料電池、
400 アノード電極、420 カソード電極、
410 高分子電解質膜、430 外部回路、440 方向。
10, 20, 30 plating equipment,
100 metal plate, 120 first nickel layer, 130 second nickel layer,
140 nickel plate,
150 plating bath part, 151 plating bath, 153 first nickel plating solution, 154 second nickel plating solution, 310 third nickel plating solution, 152 heater,
160 control and measurement unit, 161 measurement unit, 162 power supply unit, 163 control unit,
170 external power supply;
168 ammeter,
167, 320 thermometers,
40, 41, 42 polymer electrolyte fuel cell separator,
43 anode catalyst layer 44 cathode catalyst layer 45, 46 gas diffusion layer 431, 432, 433, 434 fuel,
50 anion exchange polymer electrolyte fuel cell,
400 anode electrode, 420 cathode electrode,
410 polymer electrolyte membrane, 430 external circuit, 440 directions.

Claims (8)

塩酸と塩化ニッケルとを含む第1のニッケルめっき溶液に金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、前記金属板の上に第1のニッケル層を形成する第1のニッケルめっき処理工程と、
硫酸ニッケルとホウ酸とを含む第2のニッケルめっき溶液に前記第1のニッケル層が形成された前記金属板を浸漬してニッケルめっきを施し、前記第1のニッケル層の上に前記第1のニッケル層よりも厚い第2のニッケル層を形成する第2のニッケルめっき処理工程と、
を含む固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
a first nickel plating step of immersing a metal plate in a first nickel plating solution containing hydrochloric acid and nickel chloride to apply nickel plating to form a first nickel layer on the metal plate;
The metal plate having the first nickel layer formed thereon is immersed in a second nickel plating solution containing nickel sulfate and boric acid for nickel plating, and the first nickel layer is coated with the first nickel layer. a second nickel plating step to form a second nickel layer thicker than the nickel layer;
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator comprising:
前記第1のニッケルめっき溶液の塩酸濃度は、2.0mol/L以上3.5mol/L以下であり、
前記第1のニッケルめっき溶液の塩化ニッケル濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であり、
前記第2のニッケルめっき溶液の硫酸ニッケル濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であり、
前記第2のニッケルめっき溶液のホウ酸濃度は、0.10mol/L以上1.50mol/L以下である、
請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
The first nickel plating solution has a hydrochloric acid concentration of 2.0 mol/L or more and 3.5 mol/L or less,
The nickel chloride concentration of the first nickel plating solution is 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less,
The second nickel plating solution has a nickel sulfate concentration of 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less,
The boric acid concentration of the second nickel plating solution is 0.10 mol/L or more and 1.50 mol/L or less.
2. The method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1.
前記第1のニッケルめっき溶液に前記金属板を浸漬する際の前記第1のニッケルめっき溶液の温度は、15℃以上50℃以下であり、
前記第2のニッケルめっき溶液に前記第1のニッケル層が形成された前記金属板を浸漬する際の前記第2のニッケルめっき溶液の温度は、45℃以上65℃以下である、
請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
The temperature of the first nickel plating solution when the metal plate is immersed in the first nickel plating solution is 15° C. or higher and 50° C. or lower,
The temperature of the second nickel plating solution when the metal plate on which the first nickel layer is formed is immersed in the second nickel plating solution is 45 ° C. or higher and 65 ° C. or lower.
3. The method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1 or 2.
前記第1のニッケルめっき処理工程は、電解めっき工程であり、電流密度は0.15A/cm以上0.4A/cm以下であり、
前記第2のニッケルめっき処理工程は、電解めっき工程であり、電流密度は0.15A/cm以上0.4A/cm以下である、
請求項1から3のいずれか1項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
The first nickel plating process is an electrolytic plating process, and the current density is 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less,
The second nickel plating process is an electrolytic plating process, and the current density is 0.15 A/cm 2 or more and 0.4 A/cm 2 or less.
4. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3.
前記金属板は、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンからなる群から選ばれる1種から構成される、請求項1から4のいずれか1項に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。 5. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1, wherein the metal plate is made of one selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, magnesium, and titanium. . 金属板と、
前記金属板の上に形成された第1のニッケル層と、
前記第1のニッケル層の上に形成された第2のニッケル層と、を備え、
前記第1のニッケル層の厚さが0.01μm以上1.0μm以下であり、
前記第2のニッケル層の厚さが2.0μm以上であり、
腐食電流密度が0.001μA/cm以上1.100μA/cm以下であり、
界面接触抵抗値が0.01mΩ・cm以上1.00mΩ・cm以下である、
固体高分子形燃料電池用セパレータ。
a metal plate;
a first nickel layer formed on the metal plate;
a second nickel layer formed on the first nickel layer;
The thickness of the first nickel layer is 0.01 μm or more and 1.0 μm or less,
The second nickel layer has a thickness of 2.0 μm or more,
Corrosion current density is 0.001 μA/cm 2 or more and 1.100 μA/cm 2 or less,
The interfacial contact resistance value is 0.01 mΩ cm 2 or more and 1.00 mΩ cm 2 or less,
Separator for polymer electrolyte fuel cells.
70℃の1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後の界面接触抵抗値が10.0mΩ・cm以下である、請求項6に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。 7. The polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 6, wherein the interfacial contact resistance value after being immersed in a 1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution at 70[deg.] C. is 10.0 m[Omega].cm <2> or less. 前記金属板は、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム、及びチタンからなる群から選ばれる1種から構成される、請求項6又は7に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
8. The polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 6, wherein said metal plate is made of one selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, magnesium and titanium.
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