JP4660161B2 - Manufacturing method of separator for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極を配置した単位セルを複数個積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記単位セル間に配置されて用いられる燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell separator used in a fuel cell stack formed by laminating a plurality of unit cells each having electrodes arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. .

燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類されるが、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、りん酸形燃料電池、固体高分子電解質形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池の5種類に分類させるのが一般的である。
なかでも、固体高分子膜を2種類の電極で挟み込み、更に、これらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子電解質形燃料電池は、100℃以下の低温で動作可能であり、小型化しやすく、短時間で起動する長所を備えているため注目され、自動車、家庭用及び携帯機器用の燃料電池として開発が進められている。
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. Recently, depending on the type of electrolyte used, it is largely divided into solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and solid polymer electrolytes. Generally, the fuel cell is classified into five types: a fuel cell and an alkaline aqueous fuel cell.
In particular, a solid polymer electrolyte fuel cell having a structure in which a solid polymer membrane is sandwiched between two types of electrodes and these members are sandwiched between separators can be operated at a low temperature of 100 ° C. or less, and is easily miniaturized. Since it has the advantage of starting in a short time, it has been attracting attention and is being developed as a fuel cell for automobiles, households and portable devices.

以下、周知の固体高分子電解質形燃料電池について、図面を参照しながら説明する。
第1図は、従来より用いられている固体高分子電解質形燃料電池の単電池の基本構成を模式的に示す部分断面図である。第1図において、1は固体高分子電解質膜、2は燃料極、3は酸化剤極、4はセパレータ、5は反応ガス流路、6は触媒層、7は多孔質のガス拡散層、8は単位セル、10は単電池である。
第1図に示すように、固体高分子電解質形燃料電池の単電池は、固体高分子電解質膜1の両主面に電極となる燃料極2と酸化剤極3を密接して配置して単位セル8を構成し、さらにその両外面にセパレータ4を配して単電池10を構成している。
セパレータ4は、燃料極2に燃料ガスを供給する反応ガス流路5と、酸化剤極3に酸化剤ガスを供給する反応ガス流路5とを備え、反応ガス流路5は、燃料極2あるいは酸化剤極3に面するように配置している。
燃料極2と酸化剤極3は、ともに白金等からなる触媒層6とこれを支持する多孔質のガス拡散層7とからなり、それぞれの触媒層6を固体高分子電解質膜1に密着させて配置している。
固体高分子電解質膜1は、イオン交換基としてスルフォン酸基を持つパーフルオロカーボンスルフォン酸構造を持つ薄膜などが用いられ、分子中にプロトン(水素イオン)交換基を備えており、プロトン導電性電解質として機能する。
Hereinafter, a known solid polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing a basic structure of a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell conventionally used. In FIG. 1, 1 is a solid polymer electrolyte membrane, 2 is a fuel electrode, 3 is an oxidizer electrode, 4 is a separator, 5 is a reaction gas flow path, 6 is a catalyst layer, 7 is a porous gas diffusion layer, 8 Is a unit cell, and 10 is a single cell.
As shown in FIG. 1, a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell is a unit in which a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 3 serving as electrodes are closely arranged on both main surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 1. A cell 8 is formed, and further separators 4 are arranged on both outer surfaces thereof to form a unit cell 10.
The separator 4 includes a reaction gas channel 5 that supplies a fuel gas to the fuel electrode 2 and a reaction gas channel 5 that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode 3. Or it arrange | positions so that the oxidizing agent electrode 3 may be faced.
Both the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are composed of a catalyst layer 6 made of platinum or the like and a porous gas diffusion layer 7 that supports the catalyst layer 6. The catalyst layer 6 is in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 1. It is arranged.
As the solid polymer electrolyte membrane 1, a thin film having a perfluorocarbon sulfonic acid structure having a sulfonic acid group as an ion exchange group is used, and a proton (hydrogen ion) exchange group is provided in the molecule. Function.

次にその動作を説明する。燃料極2に燃料ガスである水素を供給し、酸化剤極3に酸化剤ガスである酸素あるいは空気を供給すると、それぞれの触媒層6と固体高分子電解質膜1との界面に三相界面が形成され、以下のような電気化学反応が起こる。
燃料極 : H2 → 2H+ + 2e- (1)
酸化剤極: 2H+ + (1/2)O2 + 2e- → H2O (2)
すなわち、燃料極2でセパレータから供給された水素を酸化反応させてプロトンと電子とを生成せしめ、プロトンについては固体高分子電解質膜中1を移動させて酸化剤極3に供給すると共に、電子についてはセパレータ4を介して外部回路に取り出す。一方、酸化剤極3では、固体高分子電解質膜中1を移動してきたプロトン、外部回路からセパレータ4を介して供給される電子、及びセパレータ4から供給された酸素あるいは空気を反応させるもので、燃料極2で外部回路に取り出した電子が電流として仕事をする。
Next, the operation will be described. When hydrogen as a fuel gas is supplied to the fuel electrode 2 and oxygen or air as an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode 3, a three-phase interface is formed at the interface between each catalyst layer 6 and the solid polymer electrolyte membrane 1. The following electrochemical reaction takes place.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e− (1)
Oxidant electrode: 2H + + (1/2) O 2 + 2e− → H 2 O (2)
That is, the hydrogen supplied from the separator is oxidized at the fuel electrode 2 to generate protons and electrons, and the protons are moved through the solid polymer electrolyte membrane 1 to be supplied to the oxidant electrode 3 and the electrons are Is taken out to an external circuit through the separator 4. On the other hand, the oxidant electrode 3 reacts protons that have moved through the solid polymer electrolyte membrane 1, electrons supplied from an external circuit via the separator 4, and oxygen or air supplied from the separator 4. Electrons taken out to the external circuit at the fuel electrode 2 work as current.

この単電池で発生する電圧は1V以下であるので、実用的な電圧へ高めるために多数の単電池を積層し、電気的に直列に接続することによって、目的に合わせて起電力を大きくした燃料電池スタックを形成して使用される。以下、燃料電池スタックについて、図面を参照しながら説明する。第2図は、第1図のごとき単電池10を積層して形成される燃料電池スタックの構成を模式的に示す側面図である。第2図において、11は絶縁シート、12はエンドプレート、13は皿ネジ、14はナット、20は燃料電池スタックである。
第2図に示すように、燃料電池スタック20は、複数の単電池10を積層し、その外側に電気絶縁と熱絶縁の用を果たす絶縁シート11を配設したのち、エンドプレート12で挟み、皿ネジ13、ナット14を用いて締めつけ、加圧して保持されている。
Since the voltage generated in this single cell is 1 V or less, a fuel whose electromotive force is increased according to the purpose by stacking a large number of single cells and electrically connecting them in series in order to increase to a practical voltage. Used to form a battery stack. Hereinafter, the fuel cell stack will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a side view schematically showing a configuration of a fuel cell stack formed by stacking unit cells 10 as shown in FIG. In FIG. 2, 11 is an insulating sheet, 12 is an end plate, 13 is a countersunk screw, 14 is a nut, and 20 is a fuel cell stack.
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 20 is formed by laminating a plurality of single cells 10 and arranging an insulating sheet 11 for electrical insulation and thermal insulation on the outside thereof, and then sandwiching them between end plates 12, It is tightened using a countersunk screw 13 and a nut 14 and is held under pressure.

このような燃料電池スタックにおけるセパレータは、積層された単位セルの隣り合う単位セル間に介在し、隣り合う単位セル双方の電極と接触して両単位セルを電気的に接続するとともに反応ガスを分離する作用をなす。以下、燃料電池スタックにおけるセパレータついて、図面を参照しながら説明する。
第3図(a)は、燃料電池スタックにおけるセパレータの構成を模式的に示す側面図である。第3図(a)において、21は燃料ガスを供給するための反応ガス流路、22は酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路、30はセパレータである。第3図(a)に示すように、セパレータ30は、一方の面には隣接する一方の単位セルに燃料ガスを供給するための反応ガス流路21が形成され、他方の面には隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路22が形成されており、セパレータ面に沿って燃料ガスあるいは酸化剤ガスが供給される。
第3図(b)は、燃料電池スタックにおけるセパレータを一方の面から見た平面図である。第3図(b)において、23は反応ガス供給口、24は反応ガス排出口、25は反応ガス供給口連通孔、26は反応ガス排出口連通孔である。第3図(b)に示すように、セパレータ30は、その中央部に反応ガス流路21が配設されている。外部より供給される反応ガス、即ち水素等の燃料ガスあるいは空気等の酸化剤ガスは、上部に設けられた反応ガス供給口23より供給されて、反応ガス流路21を下側へと通流し、電気化学反応に寄与したのち、余剰のガスは下部に設けられた反応ガス排出口24より外部へと排出される。なお、反応ガス供給口連通孔25および反応ガス排出口連通孔26は、このセパレータ30に相対して配設されるセパレータへ通流される反応ガスの入口と出口に連通する孔で、これらの孔を通して通流することにより、積層された複数の単電池の各セパレータへ反応ガスが供給されることとなる。
The separator in such a fuel cell stack is interposed between adjacent unit cells of the stacked unit cells, contacts the electrodes of both adjacent unit cells, electrically connects both unit cells, and separates the reaction gas. To act. Hereinafter, the separator in the fuel cell stack will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 (a) is a side view schematically showing the configuration of the separator in the fuel cell stack. In FIG. 3 (a), 21 is a reaction gas channel for supplying fuel gas, 22 is a reaction gas channel for supplying oxidant gas, and 30 is a separator. As shown in FIG. 3 (a), the separator 30 has a reaction gas passage 21 for supplying fuel gas to one adjacent unit cell formed on one surface and is adjacent to the other surface. A reaction gas passage 22 for supplying an oxidant gas to the other unit cell is formed, and a fuel gas or an oxidant gas is supplied along the separator surface.
FIG. 3 (b) is a plan view of the separator in the fuel cell stack as seen from one side. In FIG. 3B, 23 is a reaction gas supply port, 24 is a reaction gas discharge port, 25 is a reaction gas supply port communication hole, and 26 is a reaction gas discharge port communication hole. As shown in FIG. 3 (b), the separator 30 is provided with a reaction gas channel 21 at the center thereof. A reaction gas supplied from the outside, that is, a fuel gas such as hydrogen or an oxidant gas such as air is supplied from a reaction gas supply port 23 provided in the upper portion, and flows downward through the reaction gas channel 21. After contributing to the electrochemical reaction, surplus gas is discharged to the outside through a reaction gas outlet 24 provided in the lower part. The reaction gas supply port communication hole 25 and the reaction gas discharge port communication hole 26 are holes that communicate with an inlet and an outlet of a reaction gas that flows to the separator disposed relative to the separator 30. By flowing through, the reaction gas is supplied to each separator of the plurality of stacked unit cells.

このセパレータには、燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止すると共に、燃料極での水素ガスの触媒反応により発生した電子を外部回路へ取り出す一方、外部回路からの電子を酸化剤極に供給する役割がある。そのため、セパレータには黒鉛系材料や金属系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化による軽量・コンパクト化が可能である点で有利であるとされている。金属製のセパレータとしては、ステンレス鋼やチタン合金等の耐食性を有する金属材料からなる薄板をエッチングあるいはプレス加工により断面を凹凸状に成形したものが挙げられる。ステンレス鋼からなるセパレータを用いた場合、黒鉛系のセパレータを用いた場合に比べて、ガス拡散層との接触抵抗が大きく、接触抵抗の増大は発電性能の低下につながる。そこで、従来より接触抵抗を低減させるために、ステンレス鋼の表面にめっきなどの手段で金を被覆させることが行われている。(特許文献1)  The separator prevents mixing of the fuel gas and the oxidant gas, and takes out electrons generated by the catalytic reaction of hydrogen gas at the fuel electrode to the external circuit, while supplying electrons from the external circuit to the oxidant electrode. There is a role. For this reason, conductive materials made of graphite and metal materials are used for the separator. Especially, metal materials are superior in mechanical strength and can be made lighter and more compact by making them thinner. It is said that it is advantageous at this point. Examples of the metallic separator include a thin plate made of a metal material having corrosion resistance, such as stainless steel and titanium alloy, whose cross section is formed into an uneven shape by etching or pressing. When a stainless steel separator is used, the contact resistance with the gas diffusion layer is larger than when a graphite separator is used, and an increase in contact resistance leads to a decrease in power generation performance. Therefore, in order to reduce the contact resistance, gold is coated on the surface of stainless steel by means such as plating. (Patent Document 1)

以上説明した固体高分子電解質形燃料電池は、燃料電池への燃料ガスの供給方法として、純粋な水素を燃料として供給する方法もあるが、安全性・インフラ等の理由により、メタノール、天然ガス、ガソリン等を燃料源として用い、これらを改質装置によって、以下のような反応により水素リッチな燃料ガスに改質してから供給する方法が提案されている。
改質反応:CH3OH + H2O → 3H2 +CO2 (3)
しかし、次のシフト反応により、微量のCOが燃料ガス中に混入する。
シフト反応:CO2 + H2 → CO + H2O (4)
燃料電池に供給される燃料ガス中のCO濃度が高いと、燃料電池の触媒として用いられる白金がCOによって被毒し、発電性能が低下したり、場合によっては発電不能になるという問題がある。特にCOによる被毒は低温ほど著しいため、作動温度を150℃以上の高温にすることによって、触媒に付着したCOを解離させ、COによる被毒の影響を低減することが検討されている。
特開平11−162478号公報
In the solid polymer electrolyte fuel cell described above, there is a method of supplying pure hydrogen as fuel as a method of supplying fuel gas to the fuel cell, but for reasons such as safety and infrastructure, methanol, natural gas, A method has been proposed in which gasoline or the like is used as a fuel source, and these are reformed into hydrogen-rich fuel gas by the following reaction using a reformer and then supplied.
Reforming reaction: CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (3)
However, a small amount of CO is mixed in the fuel gas by the next shift reaction.
Shift reaction: CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (4)
When the concentration of CO in the fuel gas supplied to the fuel cell is high, platinum used as a catalyst for the fuel cell is poisoned by CO, and there is a problem that the power generation performance is lowered or in some cases power generation becomes impossible. In particular, since the poisoning due to CO is more remarkable at lower temperatures, it has been studied to reduce the influence of poisoning by CO by dissociating CO adhering to the catalyst by increasing the operating temperature to 150 ° C. or higher.
JP-A-11-162478

前述したように、従来から用いられている金属製のセパレータは、ステンレス鋼をセパレータの形状に成形した後に金めっきを施しているが、COによる被毒の影響を低減するために150℃を超える熱をかけると、ステンレスの成分である鉄を中心にニッケル、クロム等が金めっき膜上に析出してしまい、金属セパレータの表面で酸化皮膜となり、セパレータとこれに密着するガス拡散層との接触抵抗が増大する。そのため、固体高分子電解質形燃料電池の内部抵抗が増大し、発電効率が低下するという問題がある。また、金めっき膜上に析出した鉄等が固体高分子電解質膜中に溶出することにより、電解質膜のイオン交換量が低下してプロトン導電性が阻害されるため、電池性能の低下を招く。  As described above, the metal separators conventionally used are plated with gold after forming stainless steel into the shape of the separator, but exceed 150 ° C. in order to reduce the influence of poisoning by CO. When heat is applied, nickel, chromium, etc., mainly iron, which is a component of stainless steel, are deposited on the gold plating film, forming an oxide film on the surface of the metal separator, and contact between the separator and the gas diffusion layer in close contact with it. Resistance increases. Therefore, there is a problem that the internal resistance of the solid polymer electrolyte fuel cell increases and the power generation efficiency decreases. In addition, since iron or the like deposited on the gold plating film is eluted into the solid polymer electrolyte membrane, the ion exchange amount of the electrolyte membrane is reduced and the proton conductivity is inhibited, leading to a decrease in battery performance.

本発明は従来技術のこのような状況の下になされたものであり、燃料電池の作動温度を高温にしてもセパレータを構成する金属材料から金属成分が析出することのない燃料電池用のセパレータの製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made under such circumstances of the prior art. A separator for a fuel cell in which metal components do not precipitate from the metal material constituting the separator even when the operating temperature of the fuel cell is high. it is to attempt to provide a manufacturing method.

本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、金属板材の表面に溝部が形成され、且つ、表面部全体に貴金属めっきが施された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、順に、セパレータ作製用の金属板材を用意し、該金属板材の表面に、加工形状にあわせ、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを耐エッチングマスクとして、前記金属板材をエッチングし、所望の溝部を形成する工程と、所定の剥離液にて前記レジストパターンを除去した後、表面部全体を表面加工変質層が除去されるまでエッチングを行う工程と、表面部全体に貴金属めっきを施す工程とを、行うことを特徴とするものである。
そして、上記の燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記金属板材の材質としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、42ニッケル−鉄合金、冷間圧延鋼板のいずれか一つであることを特徴とするものである。
そしてまた、上記いずれかの燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記表面加工変質層を除去する工程は、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸から選択したエッチング液によるエッチング工程であることを特徴とするものである。
また、上記いずれか1項に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記貴金属めっきを施す工程は、金、白金、ルテニウムのいずれか一つからなる金属被膜を形成するものであることを特徴とするものである。
The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention is a method for producing a separator for a fuel cell in which a groove is formed on the surface of a metal plate and the entire surface is plated with a noble metal. Prepare a metal plate for production, and form a resist pattern on the surface of the metal plate according to the processing shape, and etch the metal plate using the resist pattern as an anti-etching mask to form a desired groove A step of performing etching, removing the resist pattern with a predetermined stripping solution, etching the entire surface portion until the surface-processed deteriorated layer is removed, and performing a precious metal plating on the entire surface portion. It is characterized by this.
The method of manufacturing a separator for a fuel cell of the above, as the material of the metal plate material, stainless steel, titanium, aluminum, copper, nickel, iron, 42 nickel - iron alloy, one of the cold-rolled steel sheet one It is characterized by being one.
Further, in any of the above fuel cell separator manufacturing methods, the step of removing the surface-processed deteriorated layer is an etching step using an etchant selected from ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, and hydrofluoric acid. It is characterized by being.
Moreover, it is a manufacturing method of the separator for fuel cells of any one of the said, Comprising: The process of giving the said noble metal plating forms the metal film which consists of any one of gold | metal | money, platinum, and ruthenium. It is characterized by this.

本発明においては、セパレータを構成する金属材料の最上層をエッチングにより除去するため、燃料電池の作動温度を高温にしても金属材料から金属成分が析出することがない。また、金属材料の最上層を除去する工程は、複雑な工程を経ることなく、金属材料をセパレータ形状に成形するのに用いるエッチング液又はセパレータをめっきする際の前処理で用いるエッチング液にて行うため、低コストで製造できる。   In the present invention, since the uppermost layer of the metal material constituting the separator is removed by etching, the metal component does not precipitate from the metal material even when the operating temperature of the fuel cell is high. Further, the process of removing the uppermost layer of the metal material is performed without using a complicated process with an etchant used for forming the metal material into a separator shape or an etchant used for pretreatment when plating the separator. Therefore, it can be manufactured at low cost.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
(参考実施形態)
第4図(f)は本発明に関わる固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータの参考形態1を示す部分断面図で、第4図(a)〜第4図(f)はその製造工程断面図である。
第4図において、31は金属板材、31Aはセパレータ用の金属基体、34は溝部、32はレジストパターン、33はレジストの開口、35は貴金属めっきである。
この参考形態1における固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータは、第4図(f)に示すように、その両面に溝部34を有する金属基体31Aの表面部全体に、めっき等の手段で貴金属を被覆している。
尚、溝部34の形状については、第4図(f)に示す形状は一例で、これに限らない。 また、特開2004−47397号公報に開示されているような平面型の燃料電池用セパレータの場合には、溝部に換えて貫通孔が形成される。
以下、簡単に、第4図(f)に示すセパレータの製造工程の一例を第4図(a)〜第4図(f)に基づき説明する。
先ず、セパレータ作製用の金属板材31を用意する(第4図(a))。
金属板材31の材質としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、42ニッケル−鉄合金、冷間圧延鋼板等が挙げられ、機械的強度や加工性、重量等により、適宜選択する。
次いで、金属板材31の表面部全体を表面加工変質層が除去されるまでエッチングする(第4図(b))。
表面加工変質層の厚さは、ステンレスの圧延鋼板では、1μm〜数十μm程度と考えられる。
この工程で用いるエッチング液としては、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸(過酸化水素を添加したフッ酸過水、アンモニアを添加した緩衝フッ酸でも良い)等が挙げられ、金属板材として選択した材質により適宜選択する。
次いで、加工形状にあわせ、レジストパターン32を形成する(第4図(c))。
レジストとしては、所望の解像性を有し、処理性の良いものであれば特に限定はされない。
次に、レジストパターン32を耐エッチングマスクとして、金属板材31をエッチングし、所望の溝部34を形成する(第4図(d))。
この工程で用いるエッチング液としては、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸(過酸化水素を添加したフッ酸過水、アンモニアを添加した緩衝フッ酸でも良い)等が挙げられ、金属板材として選択した材質により適宜選択する。
次いで、所定の剥離液にてレジストパターン32を除去して、セパレータ用の金属基体31Aを得る(第4図(e))。
次いで、必要に応じ、洗浄処理、めっき前処理等を施した後、金属基体31Aの表面部全体に貴金属めっき35を施す(第4図(f))。
貴金属めっきとしては、金、白金、ルテニウム等のめっきが挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Reference embodiment)
FIG. 4 (f) is a partial cross-sectional view showing a reference form 1 of a separator for a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and FIGS. 4 (a) to 4 (f) are cross-sectional views of the manufacturing process. FIG.
In FIG. 4, 31 is a metal plate, 31A is a metal substrate for a separator, 34 is a groove, 32 is a resist pattern, 33 is a resist opening, and 35 is noble metal plating.
The separator for a polymer electrolyte fuel cell in this Reference Embodiment 1, as shown in FIG. 4 (f), the entire surface of the metal substrate 31A having a groove 34 on both sides thereof, noble metal means such as plating Is covered.
In addition, about the shape of the groove part 34, the shape shown in FIG.4 (f) is an example, and is not restricted to this. In the case of a planar fuel cell separator as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-47397, a through hole is formed instead of the groove.
Hereinafter, an example of the manufacturing process of the separator shown in FIG. 4 (f) will be briefly described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (f).
First, a metal plate 31 for preparing a separator is prepared (FIG. 4 (a)).
Examples of the material of the metal plate material 31 include stainless steel, titanium, aluminum, copper, nickel, 42 nickel-iron alloy, cold rolled steel plate, and the like, which are appropriately selected depending on mechanical strength, workability, weight, and the like.
Next, the entire surface portion of the metal plate 31 is etched until the surface-processed deteriorated layer is removed (FIG. 4 (b)).
The thickness of the surface-processed deteriorated layer is considered to be about 1 μm to several tens of μm in the case of a stainless rolled steel plate.
Examples of the etching solution used in this step include ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid (hydrofluoric acid-overwater added with hydrogen peroxide, buffered hydrofluoric acid added with ammonia), and the like. Select according to the selected material.
Next, a resist pattern 32 is formed in accordance with the processed shape (FIG. 4 (c)).
The resist is not particularly limited as long as it has a desired resolution and good processability.
Next, the metal plate 31 is etched using the resist pattern 32 as an etching resistant mask to form a desired groove 34 (FIG. 4D).
Examples of the etching solution used in this step include ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid (hydrofluoric acid-overwater added with hydrogen peroxide, buffered hydrofluoric acid added with ammonia), and the like. Select according to the selected material.
Next, the resist pattern 32 is removed with a predetermined stripping solution to obtain a metal substrate 31A for a separator (FIG. 4 (e)).
Next, after performing a cleaning process, a pre-plating process, and the like as necessary, a precious metal plating 35 is applied to the entire surface portion of the metal base 31A (FIG. 4 (f)).
Examples of the noble metal plating include plating of gold, platinum, ruthenium and the like.

ここで、表面加工変質層とは、圧延加工や熱処理、機械加工によって材料表面が変化した、生地とは異なった組成をもつ表面層のことである。加工変質層内では格子欠陥の乱れ、結晶粒の変形、微細化、あるいは表面流動などがおきている。これらの変化によって加工変質層は生地に比べてエネルギーレベルが高い状態にあり、化学変化がおきやすい。  Here, the surface-processed deteriorated layer is a surface layer having a composition different from that of the dough, in which the surface of the material is changed by rolling, heat treatment, or machining. In the work-affected layer, disorder of lattice defects, deformation of crystal grains, refinement, surface flow, etc. occur. Due to these changes, the process-affected layer is in a state where the energy level is higher than that of the fabric, and chemical changes are likely to occur.

この参考実施形態の例は、第4図(b)に示す工程において、金属板材31の表面部全体をエッチングすることにより、その後の第4図(f)に示す工程で貴金属めっきを施す前に金属板材の表面加工変質層を除去している。
これは、化学的に不安定な状態にある加工変質層を除去することで、金属板材の安定性を高める効果がある。
また、結晶粒が微細化された加工変質層上に貴金属めっきを施すと、めっきの結晶粒も微細なものとなり多くの結晶粒界を持ってしまう。
セパレータを使用する温度範囲内では、金属の熱拡散は主に結晶粒界を通じて起こるため、多くの結晶粒界を持った貴金属めっき中には金属板材の成分が拡散しやすく、高温時の耐腐食性が劣る。
加工変質層を除去することで結晶粒界の少ない、結晶粒の大きな貴金属めっきを施すことができ、下地金属の拡散を抑制することが出来る。
In the example of this reference embodiment , in the step shown in FIG. 4 (b), the entire surface portion of the metal plate 31 is etched, and then the precious metal plating is performed in the step shown in FIG. 4 (f). The surface-processed deteriorated layer of the metal plate material is removed.
This has the effect of improving the stability of the metal plate material by removing the work-affected layer in a chemically unstable state.
In addition, when precious metal plating is performed on a work-affected layer in which crystal grains are miniaturized, the crystal grains of the plating become fine and have many crystal grain boundaries.
Within the temperature range in which the separator is used, metal thermal diffusion mainly occurs through the grain boundaries, so the components of the metal plate are likely to diffuse during precious metal plating with many grain boundaries, and corrosion resistance at high temperatures. Inferior.
By removing the work-affected layer, noble metal plating with a large number of crystal grains with few crystal grain boundaries can be applied, and diffusion of the base metal can be suppressed.

(実施形態)
第5図(f)は本発明に関わる固体高分子電解質形燃料電池用セパレータの参考形態2を示す部分断面図で、第5図(a)〜第5図(f)はその製造工程断面図である。
第5図において、41は金属板材、41Aはセパレータ用の金属基体A、41Bはセパレータ用の金属基体B、44は溝部、42はレジストパターン、43はレジストの開口、45は貴金属めっきである。
この参考形態2における固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータの構成は、第4図(f)と同様であり、第5図(f)に示すように、その両面に溝部44を有する金属基体41Aの表面部全体に、めっき等の手段で貴金属を被覆しており、溝部44の形状については、第5図(f)に示す形状に限られない。
以下、簡単に、第5図(f)に示すセパレータの製造工程の一例を第5図(a)〜第5図(f)に基づき説明する。先ず、セパレータ作製用の金属板材41を用意する(第5図(a))。
金属板材41の材質としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、42ニッケル−鉄合金、冷間圧延鋼板等が挙げられ、機械的強度や加工性、重量等により、適宜選択する。
次いで、加工形状にあわせ、レジストパターン42を形成する(第5図(b))。
レジストとしては、所望の解像性を有し、処理性の良いものであれば特に限定はされない。
次に、レジストパターン42を耐エッチングマスクとして、金属板材41をエッチングし、所望の溝部44を形成する(第5図(c))。
この工程で用いるエッチング液としては、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸(過酸化水素を添加したフッ酸過水、アンモニアを添加した緩衝フッ酸でも良い)等が挙げられ、金属板材として選択した材質により適宜選択する。
次いで、所定の剥離液にてレジストパターン42を除去し、セパレータ用の金属基体B41Bを得る(第5図(d))。
次に、このセパレータ用の金属基体B41Bの表面部全体を表面加工変質層が除去されるまでエッチングを行い、セパレータ用の金属基体A41Aを得る(第5図(e))。
表面加工変質層の厚さは、ステンレスの圧延鋼板では、1μm〜数十μm程度と考えられる。
この工程で用いるエッチング液としては、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸(過酸化水素を添加したフッ酸過水、アンモニアを添加した緩衝フッ酸でも良い)等が挙げられ、金属板材として選択した材質により適宜選択する。
次いで、必要に応じ、洗浄処理、めっき前処理等を施した後、金属基体A41Aの表面部全体に貴金属めっき45を施す(第5図(f))。
(Embodiment)
Figure 5 (f) is a partial sectional view showing a reference embodiment 2 of separators for solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, FIG. 5 (a) ~ FIG. 5 (f) is a manufacturing step sectional FIG.
In FIG. 5, 41 is a metal plate material, 41A is a metal substrate A for a separator, 41B is a metal substrate B for a separator, 44 is a groove, 42 is a resist pattern, 43 is a resist opening, and 45 is a noble metal plating.
The configuration of the separator for the solid polymer electrolyte fuel cell in Reference Embodiment 2 is the same as that shown in FIG. 4 (f), and as shown in FIG. 5 (f), a metal substrate having grooves 44 on both sides thereof. Noble metal is coated on the entire surface of 41A by means such as plating, and the shape of the groove 44 is not limited to the shape shown in FIG. 5 (f).
Hereinafter, an example of the manufacturing process of the separator shown in FIG. 5 (f) will be briefly described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (f). First, a metal plate 41 for preparing a separator is prepared (FIG. 5 (a)).
Examples of the material of the metal plate 41 include stainless steel, titanium, aluminum, copper, nickel, iron, 42 nickel-iron alloy, cold rolled steel plate, and the like, which are appropriately selected depending on mechanical strength, workability, weight, and the like.
Next, a resist pattern 42 is formed in accordance with the processed shape (FIG. 5 (b)).
The resist is not particularly limited as long as it has a desired resolution and good processability.
Next, the metal plate 41 is etched using the resist pattern 42 as an etching resistant mask to form a desired groove 44 (FIG. 5 (c)).
Examples of the etching solution used in this step include ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid (hydrofluoric acid-overwater added with hydrogen peroxide, buffered hydrofluoric acid added with ammonia), and the like. Select according to the selected material.
Next, the resist pattern 42 is removed with a predetermined stripping solution to obtain a metal substrate B41B for a separator (FIG. 5 (d)).
Next, etching is performed on the entire surface portion of the metal base B41B for the separator until the surface-processed deteriorated layer is removed to obtain a metal base A41A for the separator (FIG. 5 (e)).
The thickness of the surface-processed deteriorated layer is considered to be about 1 μm to several tens of μm in the case of a stainless rolled steel plate.
Examples of the etching solution used in this step include ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid (hydrofluoric acid-overwater added with hydrogen peroxide, buffered hydrofluoric acid added with ammonia), and the like. Select according to the selected material.
Next, after performing a cleaning process, a pre-plating process, and the like as required, a precious metal plating 45 is applied to the entire surface portion of the metal substrate A41A (FIG. 5 (f)).

この実施形態の例は、第5図(e)に示す工程において、セパレータ用の金属基体Bの表面部全体をエッチングすることにより、その後の第5図(f)に示す工程で貴金属めっきを施す前にセパレータ用の金属基体の表面加工変質層を除去している。 In the example of this embodiment , in the step shown in FIG. 5 (e), the entire surface of the separator metal substrate B is etched, so that noble metal plating is performed in the subsequent step shown in FIG. 5 (f). The surface-processed deteriorated layer of the metal substrate for the separator has been removed previously.

次に、参考実施例、実施例、及び比較例により本発明を更に詳述する。
(参考実施例1)
参考実施例1は、参考形態1のセパレータを作製する例で、金属板材をセパレータ形状に加工する前に、金属板材の表面部全体をエッチングすることにより、セパレータ用の金属基体の表面加工変質層を除去する例である。
まず、セパレータ用の金属板材としてステンレス板(SUS304、0. 6mm厚)を用意し、脱脂洗浄、水洗を行なった。
脱脂洗浄は、50℃の10%パクナFD−1( ユケン工業) を用いて30秒間洗浄した。
次に、ステンレス板の表面全体をエッチングし、表面加工変質層を除去した後、水洗、乾燥を行った。
この際のエッチング条件は、30℃の10%塩化第二鉄を用いて1 分間行った。
この時のエッチング量は、約2.0μmであった。
次に、ステンレス板の両面に、カゼインに重クロム酸アンモニウムを混合した感光材料からなる厚さ20μmのフォトレジスト膜を形成し、その両面から、セパレータとしての反応ガス流路の形状が形成してあるパターンを用い、5KW高圧水銀灯によって60秒間露光し、40℃の温水をスプレーして現像し、後に行なうエッチングに対して耐性のあるレジスト膜を形成した。
その後、金属板材の両側から70℃に加熱した塩化第二鉄をシャワーリングして、所定の深さまでエッチングが進行した時点でエッチング加工を完了とした。
これを80℃の110%苛性ソーダ水溶液を用いてシャワーリングしてレジストを剥離し、次いで洗浄処理、乾燥を行ない、目的とする反応ガス流路の形状を有するステンレス板が、セパレータ用の金属基体として得られた。
このようにして得られたセパレータ用の金属基体の表面全体に金めっきを行った。
この際のめっき条件は、60℃のテンペレジストK−91S(日本高純度化学)を用いて、電流密度0.4A/dm2 で5分間のめっきを行った。
Next, the present invention will be described in more detail with reference examples, examples and comparative examples.
(Reference Example 1)
Reference Example 1 is an example in which the separator of Reference Example 1 is manufactured, and before the metal plate material is processed into a separator shape, the entire surface portion of the metal plate material is etched, whereby the surface processed deteriorated layer of the metal substrate for the separator It is an example which removes.
First, a stainless steel plate (SUS304, 0.6 mm thickness) was prepared as a metal plate material for a separator, and degreased and washed with water.
Degreasing was performed by using 10% Pakuna FD-1 (Yuken Industry) at 50 ° C. for 30 seconds.
Next, the entire surface of the stainless steel plate was etched to remove the surface-processed deteriorated layer, and then washed and dried.
The etching conditions at this time were 1 minute using 10% ferric chloride at 30 ° C.
The etching amount at this time was about 2.0 μm.
Next, a photoresist film having a thickness of 20 μm made of a photosensitive material in which casein and ammonium dichromate are mixed is formed on both surfaces of the stainless steel plate, and the shape of a reaction gas flow path as a separator is formed from both surfaces. Using a certain pattern, exposure was performed for 60 seconds with a 5 KW high-pressure mercury lamp, and development was performed by spraying hot water at 40 ° C. to form a resist film resistant to etching performed later.
Thereafter, ferric chloride heated to 70 ° C. from both sides of the metal plate was showered, and the etching process was completed when the etching progressed to a predetermined depth.
This is showered with an aqueous solution of 110% caustic soda at 80 ° C. to remove the resist, then washed and dried, and a stainless steel plate having the desired reaction gas channel shape is used as the metal substrate for the separator. Obtained.
Gold plating was performed on the entire surface of the metal base for the separator thus obtained.
As the plating conditions at this time, plating was performed for 5 minutes at a current density of 0.4 A / dm 2 using 60 ° C. Tempe resist K-91S (Japan High Purity Chemical).

(実施例1)
実施例1は、参考形態2のセパレータを作製する例で、金属板材をセパレータ形状に加工して金属基体を得た後、金属基体の表面部全体をエッチングすることにより、セパレータ用の金属基体の表面加工変質層を除去する例である。
この実施例では、参考実施例1において、セパレータ形状に加工する前の金属板材の表面部全体のエッチング工程は行わずに、セパレータ形状に加工した金属基体の表面部全体をエッチングする工程以外は参考実施例1と同じ方法でセパレータを作製した。
このようにして作製されたセパレータについて、耐熱性の評価を行い、その結果を図6(a)に示した。
この耐熱性の評価は、セパレータを大気中において125℃から250℃の各温度で4時間加熱したときのめっき表面に析出した元素の量をXPS(光電子分光分析)にて、以下の条件で測定した。
測定装置:アルバックファイ社製のQuantum2000
X線源:AlKα単色光
X線ビーム系:200μm
X線出力:30W
光電子取込み角:45°
図6(a)の結果から、このセパレータは、225℃の高温にしても金属板材の成分である鉄の析出は見られなかった。
Example 1
Example 1 is an example in which the separator of Reference Embodiment 2 is manufactured. After obtaining a metal substrate by processing a metal plate material into a separator shape, the entire surface portion of the metal substrate is etched to obtain a metal substrate for a separator. It is an example which removes a surface processing deterioration layer.
In this example, the reference example 1 does not perform the etching process for the entire surface portion of the metal plate material before being processed into the separator shape, but is a reference except for the process for etching the entire surface portion of the metal substrate processed into the separator shape. A separator was produced in the same manner as in Example 1.
The separator thus manufactured was evaluated for heat resistance, and the result is shown in FIG.
This heat resistance is evaluated by measuring the amount of elements deposited on the plating surface when the separator is heated at 125 ° C. to 250 ° C. for 4 hours in the atmosphere under XPS (photoelectron spectroscopy) under the following conditions. did.
Measuring device: Quantum 2000 manufactured by ULVAC-PHI
X-ray source: AlKα monochromatic light X-ray beam system: 200 μm
X-ray output: 30W
Photoelectron capture angle: 45 °
From the results shown in FIG. 6A, no precipitation of iron, which is a component of the metal plate material, was observed even when the separator was at a high temperature of 225 ° C.

〔比較例〕
実施例において、金属板材又は金属基体の表面部全体のエッチングを行わない従来のセパレータについて、実施例と同様の耐熱性評価を行い、その結果を図6(b)に示した。この結果から、比較例のセパレータは、175℃以上の熱をかけると金属板材の成分である鉄の析出が見られた。
[Comparative example]
In the example, a conventional separator that does not etch the entire surface of the metal plate or metal substrate was subjected to the same heat resistance evaluation as in the example, and the result is shown in FIG. From this result, precipitation of iron which is a component of the metal plate was observed in the separator of the comparative example when heat of 175 ° C. or higher was applied.

本発明の実施例、参考実施例では、固体高分子電解質形燃料電池のセパレータの製造方法について説明したが、他の燃料電池においても高温で使用する場合には、同様の効果を奏する。 Examples of the present invention, in the reference embodiment has been described with the separators method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell, if also used at high temperatures in the other fuel cell has the same advantages.

本発明は、自動車、家庭用及び携帯機器用の燃料電池の製造に適用することができる。  The present invention can be applied to the production of fuel cells for automobiles, households and portable devices.

従来の固体高分子電解質形燃料電池の単電池の基本構成を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the basic composition of the unit cell of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell. 燃料電池スタックの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of a fuel cell stack. 燃料電池スタックにおけるセパレータの構成を示す側面図及び平面図である。It is the side view and top view which show the structure of the separator in a fuel cell stack. 本発明に関わる固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータの参考形態1を示す断面図及びその製造工程断面図である。The reference embodiment 1 of the separator for solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a cross-sectional view and a manufacturing step sectional view showing. 本発明に関わる固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータの参考形態2を示す断面図及びその製造工程断面図である。It is sectional drawing which shows the reference form 2 of the separator for solid polymer electrolyte fuel cells in connection with this invention , and its manufacturing process sectional drawing. 本発明による固体高分子電解質形燃料電池用のセパレータ及び従来のセパレータの耐熱性評価の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the heat resistance evaluation of the separator for solid polymer electrolyte fuel cells by this invention, and the conventional separator.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・固体高分子電解質膜
2・・・燃料極
3・・・酸化剤極
4,30・・・セパレータ
5・・・反応ガス流路
6・・・触媒層
7・・・ガス拡散層
8・・・単位セル
10・・・単電池
11・・・絶縁シート
12・・・エンドプレート
13・・・皿ネジ
14・・・ナット
20・・・燃料電池スタック
21・・・燃料ガスを供給するための反応ガス流路
22・・・酸化剤ガスを供給するための反応ガス流路
23・・・反応ガス供給口
24・・・反応ガス排出口
25・・・反応ガス供給口連通孔
26・・・反応ガス排出口連通孔
31,41・・・金属板材
31A・・・セパレータ用の金属基体
32,42・・・レジストパターン
33,43・・・レジストの開口
34,44・・・溝部
35,45・・・貴金属めっき
41A・・・セパレータ用の金属基体A
41B・・・セパレータ用の金属基体B

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode 3 ... Oxidant electrode 4, 30 ... Separator 5 ... Reaction gas flow path 6 ... Catalyst layer 7 ... Gas diffusion layer 8 unit cell 10 unit cell 11 insulation sheet 12 end plate 13 flat head screw 14 nut 20 fuel cell stack 21 fuel gas supply Reaction gas channel 22 for supplying the reaction gas channel 23 for supplying the oxidant gas ... reaction gas supply port 24 ... reaction gas discharge port 25 ... reaction gas supply port communication hole 26 ... Reactive gas discharge port communication holes 31, 41 ... Metal plate material 31A ... Metal substrate for separator 32,42 ... Regist pattern 33,43 ... Resist openings 34,44 ... Groove 35, 45 ... Precious metal plating 41A ... Metal for separator Body A
41B ... Metal base B for separator

Claims (4)

金属板材の表面に溝部が形成され、且つ、表面部全体に貴金属めっきが施された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、順に、セパレータ作製用の金属板材を用意し、該金属板材の表面に、加工形状にあわせ、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを耐エッチングマスクとして、前記金属板材をエッチングし、所望の溝部を形成する工程と、所定の剥離液にて前記レジストパターンを除去した後、表面部全体を表面加工変質層が除去されるまでエッチングを行う工程と、表面部全体に貴金属めっきを施す工程とを、行うことを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法。   A method of manufacturing a separator for a fuel cell in which a groove is formed on the surface of a metal plate and the entire surface is plated with a noble metal, and in order, a metal plate for preparing a separator is prepared, and the metal plate A step of forming a resist pattern on the surface in accordance with a processing shape, a step of etching the metal plate material using the resist pattern as an etching resistant mask to form a desired groove, and the resist pattern with a predetermined stripping solution And a step of etching the entire surface portion until the surface-processed deteriorated layer is removed, and a step of applying noble metal plating to the entire surface portion. . 請求項1に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記金属板材の材質としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、42ニッケル−鉄合金、冷間圧延鋼板のいずれか一つであることを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法。 It is a manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 1, Comprising: As a material of the said metal plate material, any of stainless steel, titanium, aluminum, copper, nickel, iron, 42 nickel-iron alloy, and a cold-rolled steel plate A method for producing a separator for a fuel cell, characterized by comprising: 請求項1ないし2のいずれか1項に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記表面加工変質層を除去する工程は、塩化第二鉄、硫酸、塩酸、フッ酸から選択したエッチング液によるエッチング工程であることを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法。 3. The method for manufacturing a separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the step of removing the surface-processed deteriorated layer is selected from ferric chloride, sulfuric acid, hydrochloric acid, and hydrofluoric acid . A method for producing a separator for a fuel cell, which is an etching step using an etchant. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法であって、前記貴金属めっきを施す工程は、金、白金、ルテニウムのいずれか一つからなる金属被膜を形成するものであることを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法。 4. The method for manufacturing a separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the precious metal plating step forms a metal film made of any one of gold, platinum, and ruthenium. 5. A method for producing a separator for a fuel cell, characterized in that :
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