JP4855707B2 - Aluminum plate for fuel cell, separator using the same, end plate and fuel cell using them. - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用アルミニウム板及びそれを用いたセパレータ並びにエンドプレート及びそれらを用いた燃料電池に係り、特に、固体高分子型燃料電池のセパレータ及びエンドプレートを作製する際に好適に用いられる燃料電池用アルミニウム板、及び、それを用いて製造されたセパレータ並びにエンドプレート、更には、それらを備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an aluminum plate for a fuel cell, a separator using the same, an end plate, and a fuel cell using the same, and is particularly suitable for producing a separator and an end plate for a polymer electrolyte fuel cell. The present invention relates to an aluminum plate for a fuel cell, a separator and an end plate manufactured using the same, and a fuel cell including the same.
燃料電池は、使用される電解質によって、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等に分類される。これらの中でも、陽イオン交換膜を電解質として使用する固体高分子型燃料電池は、他の燃料電池と比較して、運転温度が低く、また、出力密度が高いことから小型化にも適しており、更には、構成部材が固体であり、振動や衝撃に晒される用途にも利用可能である等の長所を有しているところから、近年、車載用電源、定置及び家庭用電源等としての研究、開発が、盛んに行なわれている。 Fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, etc., depending on the electrolyte used. Among these, polymer electrolyte fuel cells that use cation exchange membranes as electrolytes are suitable for miniaturization because of their lower operating temperature and higher output density compared to other fuel cells. Furthermore, since it has advantages such as that the components are solid and can be used for applications exposed to vibrations and shocks, it has recently been researched as an in-vehicle power source, a stationary power source and a household power source. Development has been actively conducted.
かかる固体高分子型燃料電池は、他の燃料電池と同様に、電解質(陽イオン交換膜)の両面を2枚の電極で挟持してなる単位電池が、セパレータを介して、複数個、積層せしめられて、構成されているのであり(固体高分子型燃料電池スタック)、その両側から2枚のエンドプレートにて挟持された状態にて、所定の燃料電池収容ケース内等に保持される。そして、各単位電池に、水素含有ガス(燃料ガス)及び酸素含有ガス(一般には空気)が供給されると、単位電池において、酸素と水素との電気化学反応により起電力が生じ、また、各単位電池が直列的に接続せしめられているところから、燃料電池全体として、所望とする電圧及び電力が得られるのである。 In such a polymer electrolyte fuel cell, like other fuel cells, a plurality of unit cells each having both surfaces of an electrolyte (cation exchange membrane) sandwiched between two electrodes are stacked via a separator. In this state (solid polymer fuel cell stack), it is held in a predetermined fuel cell housing case or the like while being sandwiched by two end plates from both sides. When a hydrogen-containing gas (fuel gas) and an oxygen-containing gas (generally air) are supplied to each unit cell, an electromotive force is generated in the unit cell due to an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen, Since the unit cells are connected in series, desired voltage and power can be obtained as the whole fuel cell.
そこにおいて、固体高分子型燃料電池の単位電池間に介在せしめられるセパレータは、水素含有ガス及び酸素含有ガスのそれぞれの流路を形成し、それらのガスを分離すると共に、隣り合う単位電池双方の電極(一方の単位電池における燃料極及び他方の単位電池における空気極)と接触して、かかる単位電池同士を電気的に接続するものであるところから、燃料電池の発電効率に鑑みれば、その電気抵抗(接触抵抗)は小さいことが望ましい。また、各単位電池における電解質(陽イオン交換膜)は、湿潤状態にて保持されているところ、セパレータより各種イオンが溶出すると、電解質におけるイオン伝導能力が低下する恐れがあることから、セパレータには、耐酸性及び耐アルカリ性が優れていることも要求される。これらの事情により、従来の固体高分子型燃料電池においては、セパレータとして、高密度焼成カーボン板材等の炭素材料よりなるものが、広く用いられている。 The separator interposed between the unit cells of the polymer electrolyte fuel cell forms a flow path for each of the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas, separates these gases, and In view of the power generation efficiency of the fuel cell, the electrodes (the fuel electrode in one unit cell and the air electrode in the other unit cell) are in contact with each other to electrically connect the unit cells. It is desirable that the resistance (contact resistance) is small. In addition, the electrolyte (cation exchange membrane) in each unit cell is held in a wet state. If various ions are eluted from the separator, the ion conductivity in the electrolyte may be reduced. In addition, the acid resistance and alkali resistance are also required to be excellent. Under these circumstances, in a conventional polymer electrolyte fuel cell, a separator made of a carbon material such as a high-density fired carbon plate is widely used.
しかしながら、炭素材料は脆く、割れやすいものであるため、例えば、炭素材料を用いて、振動や衝撃に晒される環境下において使用される燃料電池用のセパレータを作製する際には、所定以上の厚さとする必要があったのであり、そのような所定以上の厚さとされたセパレータは、燃料電池の小型化を阻害する要因となっていた。 However, since the carbon material is brittle and easily broken, for example, when a separator for a fuel cell used in an environment exposed to vibration or impact is produced using the carbon material, the thickness exceeds a predetermined value. The separator having a thickness greater than the predetermined thickness has been a factor that hinders downsizing of the fuel cell.
また、炭素材料は、一般的に高価であり、更に、ガスの流路となる多数の溝やフランジを形成せしめる際の加工費も高価であるところから、炭素材料よりなるセパレータを用いることは、燃料電池全体の価格を高騰させる要因ともなっていた。 In addition, the carbon material is generally expensive, and further, since the processing cost when forming a large number of grooves and flanges to be gas flow paths is also expensive, using a separator made of a carbon material, It was also a factor to raise the price of the whole fuel cell.
このため、従来の炭素材料よりなるセパレータに代わるものとして、近年、様々な金属板を用いた燃料電池用セパレータ材料及び燃料電池用セパレータについて、研究、開発が盛んに進められているのであり、これまでにも種々のものが提案されている。 Therefore, as an alternative to separators made of conventional carbon materials, research and development have recently been actively conducted on fuel cell separator materials and fuel cell separators using various metal plates. Various things have been proposed.
例えば、特許文献1(特開平10−228914号公報)においては、ステンレス鋼等の金属製部材からなる燃料電池用セパレータであって、単位電池の電極との接触面に直接金メッキを施したことを特徴とするものが提案されており、また、特許文献2(特開2003−193206号公報)においては、ステンレス鋼表面に、導電性を有する所定の炭化物系金属介在物及び硼化物系介在物のうちの1種以上が分散、露出しており、かかるステンレス鋼の表面粗さが所定の範囲内とされた固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼が、提案されている。 For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-228914), a separator for a fuel cell made of a metal member such as stainless steel, and the contact surface with the electrode of the unit cell is directly gold-plated. In the patent document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-193206), a predetermined carbide-based metal inclusion and boride-type inclusion having conductivity are formed on the stainless steel surface. One or more of them are dispersed and exposed, and a stainless steel for a separator of a polymer electrolyte fuel cell in which the surface roughness of the stainless steel is within a predetermined range has been proposed.
また、基体(基材)としての金属の表面を、導電性粒子と、接着成分たる樹脂とからなる導電性塗料にて被覆してなる燃料電池用セパレータ材料及び燃料電池用セパレータについても研究が進められており、例えば、以下のようなものが提案されている。 Research is also underway on fuel cell separator materials and fuel cell separators, in which the surface of a metal as a substrate (base material) is coated with a conductive paint comprising conductive particles and a resin as an adhesive component. For example, the following has been proposed.
具体的には、特許文献3(特開平11−345618号公報)においては、表面を酸洗したオーステナイト系ステンレス鋼を基材とし、導電剤たるグラファイト粉末とカーボンブラックとの混合粉末と、ポリオレフィン系樹脂とからなる導電性塗膜が、基材表面に3〜20μm形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料が提案されており、また、特許文献4(特開2002−50366号公報)においては、金属基体の表面が、導電性セラミックスを含む導電性粒子と、フラン樹脂、エポキシ樹脂、又はフッ化ビニリデン樹脂とからなる樹脂組成物にて被覆された固体高分子型燃料電池用金属セパレータが、提案されている。更に、特許文献5(特開2004−111079号公報)においては、Al等のダイカスト製の金属セパレータ基材上に、樹脂を含む金属系導電性塗料によって構成される第一塗装層を設け、該第一塗装層上に、樹脂を含む黒鉛系導電性塗料によって構成される第二塗装層を設けてなる燃料電池用金属セパレータが、提案されている。 Specifically, in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-345618), an austenitic stainless steel whose surface is pickled is used as a base material, a mixed powder of graphite powder and carbon black as a conductive agent, and a polyolefin type A coated metal separator material for a polymer electrolyte fuel cell has been proposed, characterized in that a conductive coating composed of a resin is formed on the surface of the substrate in an amount of 3 to 20 μm. In Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-50366), the surface of a metal substrate is coated with a resin composition comprising conductive particles containing conductive ceramics and a furan resin, an epoxy resin, or a vinylidene fluoride resin. Metal separators for molecular fuel cells have been proposed. Furthermore, in Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-111079), a first coating layer made of a metal-based conductive paint containing a resin is provided on a metal separator base material made of die casting such as Al, There has been proposed a metal separator for a fuel cell in which a second coating layer composed of a graphite-based conductive paint containing a resin is provided on the first coating layer.
これら各特許文献にて提案されている燃料電池用セパレータ材料乃至は燃料電池用セパレータにあっては、何れも、基材として、ステンレス鋼等の金属が用いられているところから、反応ガスの流路となる溝やフランジを、プレス加工やパンチング加工等の比較的簡易で、安価な手法によって形成することが可能であり、従来の炭素材料を用いた場合と比較して、セパレータ作製の際のコストが削減され得ると共に、セパレータ本体、ひいては燃料電池の小型化をも可能ならしめるものとなっている。 In each of the fuel cell separator materials or fuel cell separators proposed in each of these patent documents, since a metal such as stainless steel is used as the base material, the flow of the reaction gas is reduced. It is possible to form grooves and flanges that form the path by relatively simple and inexpensive methods such as pressing and punching. Compared with the case of using a conventional carbon material, the separator and the flange The cost can be reduced, and the size of the separator body, and hence the fuel cell can be reduced.
しかしながら、それらの特許文献において開示されている燃料電池用セパレータ材料及び燃料電池用セパレータのうち、特許文献1等にて提案されている如き、ステンレス鋼を用いるものにあっては、ステンレス鋼の密度が大きいことに起因して、得られるセパレータの重量が重くなり、その結果、燃料電池全体の重量も重くなるという問題があった。このため、例えば、ステンレス鋼製のセパレータを用いた燃料電池を自動車に搭載すると、燃費が悪化するという欠点があった。
However, among the fuel cell separator materials and fuel cell separators disclosed in those patent documents, those using stainless steel as proposed in
また、特許文献1にて提案されているような、金属基体(基材)の表面が金メッキされた燃料電池用セパレータにあっては、電気抵抗が低いという点においては優れたものであるものの、その加工(金メッキ)に費用がかかることから、経済的な点において問題があった。
Moreover, in the fuel cell separator in which the surface of the metal substrate (base material) is gold-plated as proposed in
さらに、特許文献3等において提案されている如き、基材となる金属の表面に、各種導電性塗料を塗装してなるセパレータ材料等にあっては、セパレータの耐食性(耐酸性、耐アルカリ性)を確保するために、塗装膜の厚さを3〜数百μmとする必要があったため、必然的に電気抵抗が増大するという問題があった。また、かかる導電性塗料を構成する樹脂として、フラン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、又はアクリル樹脂を使用したものは、それにより生成される塗膜が、要求される耐酸性及び耐アルカリ性を長期間に亘って維持することは困難であり、また、オレフィン樹脂やフッ素系樹脂を用いると、基材たる金属との間の密着性に問題があったのである。 Further, as proposed in Patent Document 3 and the like, in the case of a separator material or the like in which various conductive paints are coated on the surface of a metal as a base material, the corrosion resistance (acid resistance and alkali resistance) of the separator is improved. In order to ensure, since it was necessary to make the thickness of a coating film into 3-several hundred micrometers, there existed a problem that an electrical resistance increased inevitably. In addition, a resin using furan resin, epoxy resin, phenol resin, or acrylic resin as a resin constituting the conductive paint has a long-lasting required acid resistance and alkali resistance. It is difficult to maintain it over a long period of time, and when an olefin resin or a fluororesin is used, there is a problem in adhesion between the base metal.
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、電気抵抗(接触抵抗)が低く、且つ、耐酸性及び耐アルカリ性にも優れた燃料電池用アルミニウム板、及び、そのようなアルミニウム板を用いてなるセパレータ、更にはエンドプレート、加えて、それらを備えた燃料電池を提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background of such circumstances, and the problem to be solved is that the electrical resistance (contact resistance) is low and the acid resistance and alkali resistance are also excellent. It is another object of the present invention to provide an aluminum plate for a fuel cell, a separator using such an aluminum plate, an end plate, and a fuel cell including the same.
そして、本発明は、かかる課題を解決するために、酸化皮膜が除去された、厚さが0.1〜2.0mmのアルミニウム板表面に、導電材と、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸で変性されたポリオレフィン樹脂とを含む混合物からなる塗膜が、0.1〜10μmの厚さにて形成されていることを特徴とする燃料電池用アルミニウム板を、その要旨としているのである。 In order to solve such problems, the present invention provides a conductive material and an α, β-ethylenically unsaturated carboxylic acid on the surface of an aluminum plate having a thickness of 0.1 to 2.0 mm from which the oxide film has been removed. The gist is an aluminum plate for a fuel cell, in which a coating film made of a mixture containing an acid-modified polyolefin resin is formed with a thickness of 0.1 to 10 μm.
なお、そのような本発明に従う燃料電池用アルミニウム板における好ましい態様の一つにおいては、前記導電材が、活性炭、黒鉛、カーボンブラック、気相法炭素繊維、金粒子、コバルト粒子、或いは、金又は白金でメッキされたニッケル粒子、黒鉛若しくはステンレス鋼粒子の中から選ばれた1種又は2種以上のものであり、また、他の好ましい態様の一つにおいては、前記変性されたポリオレフィン樹脂が、無水マレイン酸にて変性されたポリプロピレンである。 In one preferred embodiment of the fuel cell aluminum plate according to the present invention, the conductive material is activated carbon, graphite, carbon black, vapor grown carbon fiber, gold particles, cobalt particles, gold or One or more selected from nickel particles plated with platinum, graphite or stainless steel particles, and in another preferred embodiment, the modified polyolefin resin is Polypropylene modified with maleic anhydride.
一方、本発明は、かかる燃料電池用アルミニウム板を用いてなる燃料電池のセパレータ及びエンドプレート、並びに、そのようなセパレータ又はエンドプレートを用いた燃料電池をも、その要旨とするのである。 On the other hand, the gist of the present invention is also a separator and end plate of a fuel cell using such an aluminum plate for a fuel cell, and a fuel cell using such a separator or end plate.
このように、本発明に従う燃料電池用アルミニウム板においては、基材としてのアルミニウム板表面に導電材を保持しつつ、塗膜を形成せしめる樹脂として、優れた耐酸性及び耐アルカリ性を有し、且つ、アルミニウム板に強力に付着する、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸にて変性されたポリオレフィン樹脂が用いられているところから、かかる塗膜の厚さが0.1〜10μmと比較的薄くても、本発明の燃料電池用アルミニウム板にあっては、優れた耐酸性及び耐アルカリ性を発揮するのである。 Thus, in the aluminum plate for fuel cells according to the present invention, as a resin for forming a coating film while holding a conductive material on the surface of the aluminum plate as a substrate, it has excellent acid resistance and alkali resistance, and Since the polyolefin resin modified with α, β-ethylenically unsaturated carboxylic acid, which adheres strongly to the aluminum plate, is used, the thickness of the coating film is relatively thin, 0.1 to 10 μm. However, the aluminum plate for fuel cells of the present invention exhibits excellent acid resistance and alkali resistance.
また、本発明においては、燃料電池用アルミニウム板表面の塗膜厚さが薄いことに加えて、基材たるアルミニウム板として、その製造工程において表面に形成された酸化皮膜を一旦除去したものが用いられているところから、全体としての電気抵抗(接触抵抗)は、極めて低いものとなるのである。 In addition, in the present invention, in addition to the coating film thickness on the surface of the fuel cell aluminum plate being thin, as the aluminum plate as the base material, the oxide film formed on the surface in the manufacturing process is once removed. As a result, the electrical resistance (contact resistance) as a whole is extremely low.
なお、そのような効果は、導電材として、活性炭、黒鉛、カーボンブラック、気相法炭素繊維、金粒子、コバルト粒子、或いは、金又は白金でメッキされたニッケル粒子、黒鉛若しくはステンレス鋼粒子の中から1種又は2種以上のものを選択して用いたり、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸にて変性されたポリオレフィン樹脂として、無水マレイン酸にて変性されたポリプロピレンを用いることによって、より有利に享受することが可能である。 Such an effect can be obtained by using, as a conductive material, activated carbon, graphite, carbon black, vapor grown carbon fiber, gold particles, cobalt particles, nickel particles plated with gold or platinum, graphite or stainless steel particles. By using one or two or more selected from the above, or by using polypropylene modified with maleic anhydride as a polyolefin resin modified with α, β-ethylenically unsaturated carboxylic acid, It is possible to enjoy it advantageously.
そして、かかる本発明に従う燃料電池用アルミニウム板を用いて作製されたセパレータ及びエンドプレートにあっては、小型で、且つ、軽量性が要求される固体高分子型燃料電池、例えば、車載用の燃料電池において、特に有利に用いられ得るのである。 In the separator and the end plate manufactured using the fuel cell aluminum plate according to the present invention, the polymer electrolyte fuel cell that is small and requires light weight, for example, a fuel for vehicle use. It can be used particularly advantageously in batteries.
ところで、一般的に入手可能なアルミニウム板の表面には、その製造の際における熱間処理、冷間処理、熱処理等によって、厚さが5〜500nm程度の比較的厚い酸化皮膜が形成されているところから、本発明に係る燃料電池用アルミニウム板を作製するに際しては、先ず、入手したアルミニウム板表面を被覆している酸化皮膜を、従来より公知の各種手法に従って、除去することが重要である。酸化皮膜が除去されて導電性が向上したアルミニウム板の表面に、後述するような比較的薄い塗膜が形成せしめられることにより、本発明の燃料電池用アルミニウム板にあっては、従来の金属製セパレータ材料等と比較して、電気抵抗(接触抵抗)が極めて低くなるのである。 By the way, on the surface of a generally available aluminum plate, a relatively thick oxide film having a thickness of about 5 to 500 nm is formed by hot treatment, cold treatment, heat treatment, etc. in the production thereof. Therefore, when producing the fuel cell aluminum plate according to the present invention, it is important to first remove the oxide film covering the surface of the obtained aluminum plate according to various conventionally known methods. By forming a relatively thin coating film as described later on the surface of the aluminum plate whose conductivity has been improved by removing the oxide film, the fuel cell aluminum plate of the present invention is made of a conventional metal plate. Compared with a separator material or the like, the electrical resistance (contact resistance) is extremely low.
アルミニウム板に形成されている酸化皮膜の除去は、従来より公知の手法に従って、適宜に実施されることとなるが、例えば、入手したアルミニウム板の表面を、硫酸、硝酸等の酸や、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウム等のアルカリ溶液を用いて洗浄し、水洗、乾燥する手法が、有利に用いられる。 The removal of the oxide film formed on the aluminum plate is appropriately performed according to a conventionally known method. For example, the surface of the obtained aluminum plate is treated with an acid such as sulfuric acid or nitric acid, or hydroxylated. A technique of washing with an alkali solution such as sodium or sodium carbonate, washing with water, and drying is advantageously used.
なお、そのような酸若しくはアルカリを用いて洗浄、水洗し、乾燥した後のアルミニウム板を、大気中に放置しておくと、その表面には、再び酸化皮膜が形成されるが、それにより生成する酸化皮膜は比較的薄い(厚さ:0.5〜5nm程度)ものである。即ち、洗浄後に再び酸化皮膜が形成されたアルミニウム板の電気抵抗は、一般的に、洗浄前のアルミニウム板と比較して低いのであり、そのような薄い酸化皮膜が形成されたアルミニウム板を用いた場合にあっても、本発明の有利な効果を享受することが可能である。従って、本願明細書及び特許請求の範囲における「酸化皮膜が除去された」アルミニウム板とは、その表面の酸化皮膜が、酸やアルカリ水溶液等を用いて完全に除去された状態のアルミニウム板のみならず、表面の酸化皮膜が一旦、除去された後、大気中に放置等されることにより、再度、比較的薄い(厚さ:0.5〜5nm程度)酸化皮膜が表面に形成されているものも、含まれる。 In addition, if the aluminum plate after washing, washing with water and drying with such an acid or alkali is left in the atmosphere, an oxide film is formed again on its surface, which is generated by that. The oxide film to be used is relatively thin (thickness: about 0.5 to 5 nm). That is, the electrical resistance of an aluminum plate on which an oxide film is formed again after cleaning is generally lower than that on the aluminum plate before cleaning, and an aluminum plate on which such a thin oxide film is formed was used. Even in this case, it is possible to enjoy the advantageous effects of the present invention. Therefore, the aluminum plate from which the oxide film is removed in the specification and claims of the present application is only an aluminum plate in a state where the oxide film on the surface is completely removed using an acid or an alkaline aqueous solution. First, the oxide film on the surface is once removed and then left in the atmosphere, so that a relatively thin (thickness: about 0.5 to 5 nm) oxide film is formed on the surface again. Also included.
そのようにして表面の酸化皮膜が除去されたアルミニウム板のうち、本発明においては、厚さが0.1〜2.0mmのアルミニウム板が用いられる。厚さが0.1mm未満のアルミニウム板を用いた燃料電池用アルミニウム板では、それを用いてセパレータを作製すると、得られるセパレータの強度(剛性)が不足し、座屈し易くなる恐れがある。一方、厚さが2.0mmを超えるアルミニウム板を用いると、それより得られる燃料電池用アルミニウム板をプレス加工する際に、凹凸形状が出にくくなり、セパレータにおける水素含有ガス(燃料ガス)及び酸素含有ガス(空気)の流路の確保が難しくなると共に、その厚みが増すことによって燃料電池全体の厚みも増し、重量も大きくなるからである。 Of the aluminum plates from which the surface oxide film has been removed, an aluminum plate having a thickness of 0.1 to 2.0 mm is used in the present invention. In a fuel cell aluminum plate using an aluminum plate having a thickness of less than 0.1 mm, when a separator is produced using the aluminum plate, the strength (rigidity) of the obtained separator is insufficient, and there is a risk that buckling is likely to occur. On the other hand, when an aluminum plate having a thickness of more than 2.0 mm is used, when the aluminum plate for a fuel cell obtained therefrom is pressed, it becomes difficult to produce uneven shapes, and hydrogen-containing gas (fuel gas) and oxygen in the separator This is because it becomes difficult to secure the flow path of the contained gas (air), and as the thickness increases, the thickness of the entire fuel cell increases and the weight also increases.
より具体的には、本発明の燃料電池用アルミニウム板を用いてセパレータを作製する際には、一般に、かかる燃料電池用アルミニウム板に対してプレス加工等が施されることにより、燃料ガス及び空気の流路となる溝が形成せしめられる(図1参照)。そのようにして得られたセパレータを介して、燃料極、固体高分子電解質及び空気極からなる単位電池が、複数個、積層せしめられて、燃料電池スタックをなし(図2及び図3参照)、そして、この燃料電池スタックは、単位電池の積層方向における両端からエンドプレート等により押さえつけられた状態にて、所定の燃料電池収容ケース内に保持される(図4参照)。従って、厚さが2.0mmを超えるアルミニウム板や、0.1mm未満のものを用いた燃料電池用アルミニウム板では、それを用いて作製されたセパレータが、セパレータとして要求される機能を十分に発揮し得ない恐れがあるのである。 More specifically, when a separator is produced using the fuel cell aluminum plate of the present invention, generally, the fuel cell aluminum plate is subjected to press working or the like, so that fuel gas and air A groove to be a flow path is formed (see FIG. 1). A plurality of unit cells comprising a fuel electrode, a solid polymer electrolyte, and an air electrode are stacked through the separator thus obtained to form a fuel cell stack (see FIGS. 2 and 3). And this fuel cell stack is hold | maintained in a predetermined fuel cell storage case in the state pressed by the end plate etc. from the both ends in the lamination direction of a unit cell (refer FIG. 4). Therefore, in aluminum plates for fuel cells using a thickness of more than 2.0 mm or a thickness of less than 0.1 mm, the separators made using them sufficiently perform the functions required as separators. There is a fear that it cannot be done.
なお、本発明において用いられるアルミニウム板としては、従来より公知の各種のものであれば、何れも用いることが可能であり、例えば、1000番系アルミニウム、3000番系アルミニウム合金、及び5000番系アルミニウム合金の板材の中から、セパレータ又はエンドプレートを作製する際の成形性や、セパレータ等に必要とされる強度等を考慮して、目的とするセパレータ等に応じたものが適宜に選択されて、用いられる。 As the aluminum plate used in the present invention, any conventionally known aluminum plate can be used, for example, 1000 series aluminum, 3000 series aluminum alloy, and 5000 series aluminum. From the alloy plate material, considering the formability when producing the separator or end plate, the strength required for the separator, etc., the one according to the desired separator is appropriately selected, Used.
一方、そのようなアルミニウム板と共に、アルミニウム板表面に所定の導電性塗膜を形成せしめるための導電性塗料が準備されるのであるが、本発明においては、樹脂成分として、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸で変性されたポリオレフィン樹脂(以下、変性ポリオレフィン樹脂ともいう)が用いられるのである。かかる特定の変性ポリオレフィン樹脂を用いることにより、本発明の燃料電池用アルミニウム板にあっては、その表面の塗膜が比較的薄いものであるにもかかわらず、優れた耐酸性及び耐アルカリ性を発揮するのであり、また、そのように塗膜が薄くされたことと、酸化皮膜が除去されたアルミニウム板を基材として用いたこととが相俟って、本発明における燃料電池用アルミニウム板全体の電気抵抗(接触抵抗)は、著しく低いものとなるのである。 On the other hand, together with such an aluminum plate, a conductive paint for forming a predetermined conductive coating film on the surface of the aluminum plate is prepared. In the present invention, α, β-ethylenic resin is used as the resin component. A polyolefin resin modified with an unsaturated carboxylic acid (hereinafter also referred to as a modified polyolefin resin) is used. By using such a specific modified polyolefin resin, the aluminum plate for fuel cells of the present invention exhibits excellent acid resistance and alkali resistance even though the coating film on the surface thereof is relatively thin. In addition, the thinning of the coating film and the use of the aluminum plate from which the oxide film has been removed as a base material, combined with the overall aluminum plate for fuel cells in the present invention. The electrical resistance (contact resistance) is extremely low.
ここで、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸で変性されたポリオレフィン樹脂としては、従来より公知のものが、何れも使用可能である。具体的には、α、β−エチレン性不飽和カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、及びこれらの無水物等を例示することが出来、また、ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリブテン等を例示することが出来る。これらの中でも、本発明においては、無水マレイン酸で変性されたポリプロピレンが、特に有利に用いられる。 Here, as the polyolefin resin modified with α, β-ethylenically unsaturated carboxylic acid, any conventionally known resins can be used. Specific examples of the α, β-ethylenically unsaturated carboxylic acid include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, maleic acid, and anhydrides thereof, and polyolefin resins. Examples thereof include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, polybutene and the like. Among these, in the present invention, polypropylene modified with maleic anhydride is particularly advantageously used.
また、導電性塗料に導電材として配合されるものとしては、活性炭、黒鉛、カーボンブラック、気相法炭素繊維、金粒子、コバルト粒子、及び、金又は白金でメッキされたニッケル粒子、黒鉛及びステンレス鋼粒子等を挙げることが出来、これらの中から、必要に応じて、1種又は2種以上のものが選択されて、適宜に用いられることとなる。なお、金やコバルト等の貴金属粒子、メッキ処理が施されたニッケル粒子等は、高価であるため、製造コストの観点より、塗膜の導電性が不足する場合等に、活性炭、黒鉛、カーボンブラック、気相法炭素繊維(以下、炭素系導電材ともいう)等と併用することが望ましい。また、本発明において用いられる導電材の大きさ(平均粒径又は平均長さ)は、塗膜形成後の導電材の脱落を考慮すると、好ましくは、目的とする塗膜厚さの2倍以下、より好ましくは、1.5倍以下である。 In addition, as a conductive material blended in the conductive paint, activated carbon, graphite, carbon black, vapor grown carbon fiber, gold particles, cobalt particles, and nickel particles plated with gold or platinum, graphite and stainless steel Steel particles and the like can be mentioned, and one or more of them are selected from these as necessary, and used appropriately. In addition, since noble metal particles such as gold and cobalt, nickel particles subjected to plating treatment, etc. are expensive, activated carbon, graphite, carbon black, etc., when the conductivity of the coating film is insufficient from the viewpoint of production cost. It is desirable to use together with vapor grown carbon fiber (hereinafter also referred to as carbon-based conductive material). In addition, the size (average particle diameter or average length) of the conductive material used in the present invention is preferably not more than twice the target coating thickness in consideration of dropping of the conductive material after the coating is formed. More preferably, it is 1.5 times or less.
上述したような変性ポリオレフィン樹脂及び導電材を用いて、アルミニウム板表面に塗布するための導電性塗料が調製されるであり、かかる調製は、従来と同様の手法に従って行なわれる。例えば、所定の有機溶剤に、所定量の変性ポリオレフィン樹脂及び導電材を配合し、混合して、均一に分散せしめることにより実施される。 A conductive coating for application to the aluminum plate surface is prepared using the modified polyolefin resin and the conductive material as described above, and such preparation is performed according to the same method as in the prior art. For example, a predetermined amount of a modified polyolefin resin and a conductive material are mixed in a predetermined organic solvent, mixed, and uniformly dispersed.
なお、導電材の配合量は、用いた変性ポリオレフィン樹脂の種類や塗膜の導電性、更には、アルミニウム板への密着性等を総合的に勘案して、適宜に定められることとなるが、一般に、導電材の配合量が少なすぎると、塗膜が十分な導電性を発現しない恐れがあり、一方、その配合量が多すぎると、アルミニウム板表面において、塗膜が十分に形成されない恐れがある。具体的には、カーボンブラック等の炭素系導電材の中から1種、又は2種以上のものを選択して用いる場合には、変性ポリオレフィン樹脂の100重量部に対して、炭素系導電材の総量が50〜150重量部となるような量的割合において配合される。また、炭素系導電材と共に、金等の貴金属粒子や金メッキ等が施されたニッケル粒子等を併用する場合には、変性ポリオレフィン樹脂の100重量部に対して、炭素系導電材(総量)は50〜150重量部、貴金属粒子等は1〜50重量部となるような量的割合において、各々、配合されることとなる。 The blending amount of the conductive material is appropriately determined in consideration of the type of the modified polyolefin resin used, the conductivity of the coating film, and further the adhesiveness to the aluminum plate, etc. Generally, if the blending amount of the conductive material is too small, the coating film may not exhibit sufficient conductivity, whereas if the blending amount is too large, the coating film may not be sufficiently formed on the aluminum plate surface. is there. Specifically, when one or more carbon-based conductive materials such as carbon black are selected and used, the carbon-based conductive material is used with respect to 100 parts by weight of the modified polyolefin resin. They are blended in a quantitative ratio so that the total amount is 50 to 150 parts by weight. In addition, in the case of using a noble metal particle such as gold or a nickel particle subjected to gold plating together with the carbon-based conductive material, the carbon-based conductive material (total amount) is 50 with respect to 100 parts by weight of the modified polyolefin resin. ˜150 parts by weight, precious metal particles and the like are each mixed in a quantitative ratio of 1 to 50 parts by weight.
そのようにして調製された導電性塗料を、従来より公知の手法に従って、予め酸化皮膜が除去されたアルミニウム板表面に塗布せしめて、乾燥等を行なうことにより、本発明に従う燃料電池用アルミニウム板が作製されるのである。 The conductive paint thus prepared is applied to the surface of the aluminum plate from which the oxide film has been removed in advance according to a conventionally known method, followed by drying or the like, whereby the aluminum plate for fuel cells according to the present invention is obtained. It is made.
ここで、アルミニウム板表面への導電性塗料の塗布する際には、かかる表面に形成される導電性塗料の固化物(塗膜)の厚さが0.1〜10μmとなるような量において、導電性塗料が塗布される。塗膜厚さが0.1μm未満では、得られる燃料電池用アルミニウム板が十分な耐酸性及び耐アルカリ性を発揮しない恐れがあり、その一方、厚さが10μm以上の塗膜を形成しても、燃料電池用アルミニウム板の導電性が低下するだけで、経済的に好ましくない。換言すれば、本発明の燃料電池用アルミニウム板においては、その表面に形成された塗膜の厚さが0.1〜10μmと比較的薄くても、優れた耐酸性及び耐アルカリ性(耐食性)を発揮するのである。 Here, when the conductive paint is applied to the surface of the aluminum plate, the amount of the solidified product (coating film) of the conductive paint formed on the surface is 0.1 to 10 μm. A conductive paint is applied. If the coating film thickness is less than 0.1 μm, the resulting aluminum plate for fuel cells may not exhibit sufficient acid resistance and alkali resistance, while on the other hand, even if a coating film having a thickness of 10 μm or more is formed, It is economically unfavorable because it only reduces the conductivity of the aluminum plate for fuel cells. In other words, the aluminum plate for fuel cells of the present invention has excellent acid resistance and alkali resistance (corrosion resistance) even if the thickness of the coating film formed on the surface thereof is relatively thin, 0.1 to 10 μm. Demonstrate.
また、基材たるアルミニウム板表面に導電性塗料を塗布する際の手法として、例えば、アルミニウム板コイルから引き出したアルミニウム板の両面に、導電性塗料を、ロールコート法等の手法により連続的に塗布した後、導電性塗料に含まれる変性ポリオレフィン樹脂の軟化温度以上の温度にて加熱し、十分に有機溶剤を揮発させた後、冷却して、再度コイル状に巻き取るという手法に従えば、導電性塗料の塗布から塗膜の形成に至るまでの一連の処理を連続的に処理することが出来、本発明の燃料電池用アルミニウム板を、より低いコストにて製造することが可能である。 In addition, as a method for applying the conductive paint to the surface of the aluminum plate as the base material, for example, the conductive paint is continuously applied to both surfaces of the aluminum plate drawn out from the aluminum plate coil by a roll coating method or the like. Then, after heating at a temperature equal to or higher than the softening temperature of the modified polyolefin resin contained in the conductive coating, volatilizing the organic solvent sufficiently, cooling, and rewinding into a coil shape, It is possible to continuously process a series of processes from the application of the conductive paint to the formation of the coating film, and it is possible to produce the aluminum plate for a fuel cell of the present invention at a lower cost.
そのようにして得られたコイル状の燃料電池用アルミニウム板を、目的とするセパレータの大きさに切断し、かかる切断されたものに対して、プレス成形機によるプレス加工等を施すことにより、反応ガスの流路となる溝やフランジを有するセパレータが得られる。このように、本発明の燃料電池用アルミニウム板を用いてセパレータを作製する際には、従来の炭素材料を用いたセパレータを製造する際に必要とされていた高度な切削加工等は一切不要であり、耐食性に優れ、且つ電気抵抗の小さな燃料電池のセパレータが、極めて低コストにて製造することが可能ならしめられるのである。 The coil-shaped aluminum plate for a fuel cell thus obtained is cut into a desired separator size, and the cut product is subjected to a pressing process or the like by a press molding machine. A separator having a groove or a flange serving as a gas flow path is obtained. Thus, when producing a separator using the aluminum plate for fuel cells of the present invention, there is no need for the advanced cutting work, etc. that were required when producing a separator using a conventional carbon material. In addition, a fuel cell separator having excellent corrosion resistance and low electrical resistance can be manufactured at an extremely low cost.
また、本発明に係る燃料電池用アルミニウム板の中でも比較的厚い(厚さ:1.5mm程度)ものに対して、プレス加工等を施すことにより、複数個の単位電池及び複数枚のセパレータからなる燃料電池スタックをその両側から挟持するエンドプレートが、有利に製造される。 Further, among the aluminum plates for a fuel cell according to the present invention, a relatively thick one (thickness: about 1.5 mm) is subjected to pressing or the like, thereby comprising a plurality of unit cells and a plurality of separators. An end plate is advantageously manufactured that clamps the fuel cell stack from both sides.
以下に、図面を用いて、本発明に従う燃料電池用アルミニウム板を用いて得られたセパレータ及びエンドプレート、並びにそれらを備えた固体高分子型燃料電池について、説明する。 Hereinafter, a separator and an end plate obtained using an aluminum plate for a fuel cell according to the present invention, and a polymer electrolyte fuel cell including them will be described with reference to the drawings.
先ず、図1には、本発明に従う燃料電池用アルミニウム板に、所定のプレス加工を施すことにより製造されたセパレータの一例が、斜視図において示されている。そこで示されているセパレータ10は、プレス加工による断面凹凸形状を呈しており、かかる断面凹凸形状により、その両側に複数の溝部12を有している。なお、図1には図示しないが、セパレータ10は、アルミニウム基材(30)の両面に、導電材と、α、β−エチレン不飽和カルボン酸にて変性されたポリオレフィン樹脂の混合物からなる塗膜(28)が、比較的薄い厚さ(0.1〜10μm)にて、形成されてなるものである。
First, FIG. 1 is a perspective view showing an example of a separator manufactured by subjecting an aluminum plate for a fuel cell according to the present invention to a predetermined pressing process. The
また、図2及び図3には、図1に示されたセパレータ10を用いてなる固体高分子型燃料電池スタック14が、それぞれ示されているのであり、図2はその正面図であり、図3はその縦方向における部分断面図である。かかる図2及び図3からも明らかなように、固体高分子型燃料電池スタック14は、複数個(7個)の単位電池18が、各々、2枚のセパレータ10(10a、10b)を介して積層されて、構成されている。なお、セパレータ10aと10bが同一形状を呈するものであることは、図1及び図2から、明らかなところである。
2 and 3 show a polymer electrolyte
更に、図4には、図2及び図3に示された固体高分子型燃料電池スタック14を実際に使用する際の一例として、固体高分子型燃料電池スタック14が、4本の脚部17(一つは図示せず)を有する燃料電池収容ケース16内に収容された状態が表わされている。そこにおいて、積層構造を呈する固体高分子型燃料電池スタック14は、その両側から、本発明の燃料電池用アルミニウム板を用いて作製されたエンドプレート20a、20bにて挟持されており、かかるエンドプレート20a、20bに設けられた加圧機構(ボルト)21により、それぞれ、反対側のエンドプレート20b、20aに向かって押さえつけられた状態にて、燃料電池収容ケース16内に保持されている。
Further, in FIG. 4, as an example of actually using the polymer electrolyte
固体高分子型燃料電池スタック14の構造について、より具体的に説明すると、図2及び図3からも明らかなように、セパレータ10(10a、10b)と共に燃料電池スタック14を構成する単位電池18は、固体高分子電解質22、燃料極24、及び空気極26とからなり、固体高分子電解質22における一方の側面には燃料極24が配設され、他方の側面には空気極26が配設されている。ここで、かかる燃料極24及び空気極26には、図示はしないが、固体高分子電解質22と接触する側の側面には触媒層が、また、セパレータ10(10a、10b)と接触する側の側面にはガス拡散層が、各々、設けられている。
More specifically, the structure of the polymer electrolyte
また、かかる単位電池18の両側には、図3に示されているように、その表面が塗膜28にて被覆されたアルミニウム基材30よりなるセパレータ10a、10bが、それぞれの溝部12が対向するように配置されているのであり、このようなセパレータの配置によって、単位電池18の燃料極24側には、燃料極24とセパレータ10aとの間に水素含有ガス(燃料ガス)流路32が、一方、単位電池18の空気極26側には、空気極26とセパレータ10bとの間に酸素含有ガス(空気)流路34が、それぞれ、有利に形成されているのである。
Further, as shown in FIG. 3,
上述した構造を呈する固体高分子型燃料電池スタック14は、図4に示されているような収容ケース16内に保持せしめられた状態にて、若しくは、固体高分子型燃料電池スタック14そのままの状態にて、燃料ガス供給装置、空気供給装置、及びその他の各種装置を備えた定置用燃料電池システムや、車載用燃料電池システム等の内部に組み込まれる。そして、それら燃料電池システム内において、燃料電池スタック14における水素含有ガス流路32には燃料ガスが、また、酸素含有ガス流路34には空気が、それぞれ供給されることにより、各単位電池18においては、電気化学反応による起電力が生じるのであり、また、それぞれの単位電池18は、導電性を有するセパレータ10を介して、電気的に直列に接続されているところから、固体高分子型燃料電池スタック14全体として、所望とする電圧及び電力が得られることとなるのである。
The polymer electrolyte
そこにおいて、固体高分子型燃料電池スタック14を構成するセパレータ10(10a、10b)にあっては、その表面を被覆している塗膜28の厚さが、従来の金属基材を用いたセパレータにおける塗膜の厚さと比較して、薄いものとされており、また、かかる塗膜28が形成される前に、アルミニウム基材30表面の酸化皮膜は予め除去されているところから、そのようなセパレータ10(10a、10b)を用いた燃料電池スタック14にあっては、セパレータ10(10a、10b)における電気抵抗(接触抵抗)が著しく低く、その結果、発電効率が非常に優れたものとなっている。従って、本発明に係るセパレータ10(10a、10b)を用いることにより、固体高分子型燃料電池スタック14の小型化を有利に図ることが出来るのである。
In the separator 10 (10a, 10b) constituting the solid polymer
また、セパレータ10(10a、10b)及びエンドプレート20a、20bは、その基材が軽いアルミニウムにて構成されてなるものであるところから、それらを用いた固体高分子型燃料電池スタック14は、従来の固体高分子型燃料電池と比較して、軽量なものとなっている。
Further, since the separator 10 (10a, 10b) and the
従って、本発明に係るセパレータ及びエンドプレートにあっては、燃料電池全体の小型化、軽量化が特に求められている車載用燃料電池において、極めて有利に用いられるのである。 Therefore, the separator and the end plate according to the present invention can be used extremely advantageously in an in-vehicle fuel cell in which miniaturization and weight reduction of the entire fuel cell are particularly required.
以下に、本発明の実施例を幾つか示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等が加え得るものであることが、理解されるべきである。 Some examples of the present invention will be shown below to clarify the present invention more specifically. However, the present invention is not limited by the description of such examples. Needless to say. In addition to the following examples, the present invention includes various changes and modifications based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention, in addition to the specific description described above. It should be understood that improvements and the like can be added.
厚さ:3mmのアルミニウム合金板を3種類(A1050−H24、A3104−H24、A5052−H32)、準備する一方で、以下のようにして、無水マレイン酸変性ポリプロピレンを作製した。 While preparing three types (A1050-H24, A3104-H24, A5052-H32) of aluminum alloy plates having a thickness of 3 mm, maleic anhydride-modified polypropylene was prepared as follows.
具体的には、ポリプロピレン(MFR:10g/10min、230℃)の100重量部に対して、無水マレイン酸を15重量部、キシレンを400重量部、それぞれ加え、130℃に加温した状態において、窒素ガス雰囲気下で撹拌しながら、過酸化ベンゾイルの1%キシレン溶液を2時間かけて滴下した。かかる滴下の後、溶液を130℃に保った状態で、さらに60分間撹拌し、その後、室温まで放冷した。これにより得られたけん濁液をろ過し、ろ過物をメチルエチルケトンで洗浄することにより、無水マレイン酸にて変性されたポリプロピレンを得た。 Specifically, with respect to 100 parts by weight of polypropylene (MFR: 10 g / 10 min, 230 ° C.), 15 parts by weight of maleic anhydride and 400 parts by weight of xylene were added and heated to 130 ° C., respectively. While stirring in a nitrogen gas atmosphere, a 1% xylene solution of benzoyl peroxide was added dropwise over 2 hours. After the dropping, the solution was further stirred for 60 minutes while being kept at 130 ° C., and then allowed to cool to room temperature. The suspension thus obtained was filtered, and the filtrate was washed with methyl ethyl ketone to obtain polypropylene modified with maleic anhydride.
そのようにして得られた無水マレイン酸変性ポリプロピレンに、下記に掲げる各種の導電材を配合し、混合して均一に分散せしめることにより、4種類の導電性塗料(導電性塗料1〜4)を調製した。なお、かかる調製に際して、無水マレイン酸変性ポリプロピレンは、トルエンに分散させた状態において使用した。
〈導電性塗料1〉
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの100重量部に対して、カーボンブラック(三菱化学株式会社製、♯980、平均粒径:16nm)を100重量部、配合し、混合して、均一に分散せしめた。
〈導電性塗料2〉
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの100重量部に対して、黒鉛粉末(日本黒鉛株式会社製、ASP、平均大きさ:0.5μm、鱗片状)を20重量部、カーボンブラック(三菱化学株式会社製、♯3030B、平均粒径:55nm)を80重量部、それぞれ配合し、混合して、均一に分散せしめた。
〈導電性塗料3〉
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの100重量部に対して、カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製、ケッチェンブラックEC600JD、平均粒径:34nm)を70重量部、気相法炭素繊維(昭和電工株式会社製、VGCF、平均直径:150nm、平均長さ:10〜20μm、繊維状)を20重量部、それぞれ配合し、混合して、均一に分散せしめた。
〈導電性塗料4〉
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの100重量部に対して、カーボンブラック(三菱化学株式会社製)、♯980、平均粒径:16nm)を100重量部、金被覆Ni粉(日興リカ株式会社製、8087−10A、平均粒径:5μm)を10重量部、それぞれ配合し、混合して、均一に分散せしめた。
By blending various conductive materials listed below into the maleic anhydride-modified polypropylene thus obtained, and mixing and dispersing uniformly, four types of conductive paints (
<
100 parts by weight of carbon black (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, # 980, average particle size: 16 nm) was blended with 100 parts by weight of maleic anhydride-modified polypropylene, mixed, and dispersed uniformly.
<Conductive paint 2>
20 parts by weight of graphite powder (ASP, average size: 0.5 μm, scaly) made by 100 parts by weight of maleic anhydride-modified polypropylene, carbon black (Mitsubishi Chemical Corporation, # 8030 parts by weight of 3030B and average particle size: 55 nm) were mixed, mixed, and uniformly dispersed.
<Conductive paint 3>
70 parts by weight of carbon black (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., Ketjen Black EC600JD, average particle size: 34 nm), 100% by weight of maleic anhydride-modified polypropylene, vapor grown carbon fiber (Showa Denko Co., Ltd.) 20 parts by weight of VGCF manufactured by company, average diameter: 150 nm, average length: 10 to 20 μm, fibrous) were mixed, mixed and uniformly dispersed.
<Conductive paint 4>
100 parts by weight of maleic anhydride-modified polypropylene, 100 parts by weight of carbon black (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), # 980, average particle size: 16 nm, gold-coated Ni powder (manufactured by Nikko Rica Corporation, 8087- 10 parts by weight (10A, average particle diameter: 5 μm) were mixed, mixed and uniformly dispersed.
先に準備したアルミニウム合金板を、先ず、下記に掲げる洗浄方法のうちの何れかの手法にて洗浄し、かかる洗浄後、アルミニウム合金板の表面に、バーコート法により導電性塗料を塗布した。なお、乾燥後の膜厚が所定の値となるように、バーの番手を適宜に選定した。導電性塗料が塗布されたアルミニウム合金板を、電気炉内において、180℃で1分間、加熱した後、電気炉から取り出し、放冷した。かかる放冷の後、先に導電性塗料が塗布された面とは逆の面に対しても、同様の作業を繰り返した。かかる作業を、アルミニウム合金板の種類、その洗浄方法及び導電性塗料の種類、並びに形成される塗膜厚さを適宜に代えながら行なうことにより、表面に導電性塗膜が形成せしめられた30種類のプレコートアルミニウム合金板(試料1〜30)を得た。それぞれのプレコートアルミニウム合金板を作製する際に用いたアルミニウム合金板、その洗浄方法及び導電性塗料の種類、並びに形成された塗膜厚さを、下記表1に示す。
〈アルミニウム合金板の洗浄方法1〉
アルミニウム合金板を、65℃の1質量%硫酸中に30秒間、浸漬した後、水洗、乾燥した。
〈アルミニウム合金板の洗浄方法2〉
アルミニウム合金板を、60℃の10%水酸化ナトリウム水溶液中に20秒間、浸漬し、水洗した後、更に、室温下の10%硝酸中に15秒間、浸漬した。その後水洗し、乾燥した。
〈アルミニウム合金板の洗浄方法3〉
超音波洗浄装置にノルマルヘキサン(30℃)を建浴し、そこにアルミニウム合金板を3分間、浸漬した後、装置内よりアルミニウム合金板を取り出し、清浄なノルマルヘキサンを拭きかけた後、乾燥した。
The previously prepared aluminum alloy plate was first cleaned by any one of the following cleaning methods, and after such cleaning, a conductive paint was applied to the surface of the aluminum alloy plate by a bar coating method. The number of bars was appropriately selected so that the film thickness after drying would be a predetermined value. The aluminum alloy plate coated with the conductive paint was heated in an electric furnace at 180 ° C. for 1 minute, then taken out of the electric furnace and allowed to cool. After the cooling, the same operation was repeated on the surface opposite to the surface on which the conductive paint was previously applied. Thirty kinds of conductive coating films formed on the surface by performing such operations while appropriately changing the type of aluminum alloy plate, the cleaning method thereof, the type of conductive paint, and the thickness of the coating film to be formed. Of pre-coated aluminum alloy plates (
<
The aluminum alloy plate was immersed in 1% by mass sulfuric acid at 65 ° C. for 30 seconds, then washed with water and dried.
<Washing method 2 of aluminum alloy plate>
The aluminum alloy plate was immersed in a 10% aqueous sodium hydroxide solution at 60 ° C. for 20 seconds, washed with water, and further immersed in 10% nitric acid at room temperature for 15 seconds. Thereafter, it was washed with water and dried.
<Washing method 3 of aluminum alloy plate>
Normal hexane (30 ° C.) was placed in an ultrasonic cleaning device, and after immersing the aluminum alloy plate in it for 3 minutes, the aluminum alloy plate was taken out of the device, wiped with clean normal hexane, and then dried. .
そして、得られた30種類のプレコートアルミニウム合金板について、下記の手法に従って、接触抵抗を測定し、耐酸・耐アルカリ試験による評価を行なった。 And about 30 types of obtained precoat aluminum alloy plates, according to the following method, contact resistance was measured and the evaluation by an acid-proof and alkali-proof test was performed.
〈接触抵抗の測定〉
プレコートアルミニウム合金板から、10cm四方の大きさの測定用試料を切り出し、かかる測定試料を、図5に示されているように、厚さ:0.5mmの白金板、及び厚さ:0.6mmのカーボン板(昭和電工株式会社製、SG3)にて上下から挟み、両白金板間の抵抗を4端子法により測定した。なお、測定試料の押え付け力(加重)は1MPaとした。測定結果を、下記表1に併せて示す。
<Measurement of contact resistance>
A sample for measurement having a size of 10 cm square was cut out from the pre-coated aluminum alloy plate, and as shown in FIG. 5, the measurement sample was a platinum plate having a thickness of 0.5 mm and a thickness of 0.6 mm. The carbon plate (Showa Denko Co., Ltd., SG3) was sandwiched from above and below, and the resistance between both platinum plates was measured by the 4-terminal method. The pressing force (weight) of the measurement sample was 1 MPa. The measurement results are also shown in Table 1 below.
〈耐酸・耐アルカリ試験による評価〉
所定の大きさにて切り出したプレコートアルミニウム合金板の塗膜上に、ワセリンを用いて硬質塩化ビニル製リング(内径:30mm、高さ:30mm)を密着させ、更にリングの外周を十分にシールした。リングで囲まれた塗膜の上に、2%硫酸、又は1%水酸化ナトリウム水溶液を5mL、滴下し、ガラス板で蓋をして、20℃で168時間、保持した。かかる保持の後、リングを取り除き、リングで囲まれた部分を水で洗浄し、室内に1時間放置した。そして、目視により、プレコートアルミニウム合金板の腐食状況を評価した。その評価結果を、下記表1に併せて示す。
<Evaluation by acid / alkali resistance test>
A hard vinyl chloride ring (inner diameter: 30 mm, height: 30 mm) was brought into close contact with petrolatum on the coating of a precoated aluminum alloy plate cut out to a predetermined size, and the outer periphery of the ring was sufficiently sealed. . On the coating film surrounded by the ring, 5 mL of 2% sulfuric acid or 1% aqueous sodium hydroxide solution was dropped, covered with a glass plate, and held at 20 ° C. for 168 hours. After such holding, the ring was removed, and the part surrounded by the ring was washed with water and left in the room for 1 hour. And the corrosion condition of the precoat aluminum alloy plate was evaluated visually. The evaluation results are also shown in Table 1 below.
かかる表1の結果からも明らかなように、10μmを超える厚い塗膜が形成されたプレコートアルミニウム合金板(試料17、22、24、30)は、高い接触抵抗を有することが認められ、一方、0.1μm未満の薄い塗膜が形成されたもの(試料23、29)にあっては、耐酸性及び/又は耐アルカリ性が十分でないことが認められた。また、形成された塗膜の厚さが0.1〜10μmの範囲内とされたプレコートアルミニウム合金板であっても、洗浄方法3に従って洗浄されたアルミニウム合金板を用いたもの、即ち、ノルマルヘキサンにて洗浄されたアルミニウム合金板を用いて得られたプレコートアルミニウム合金板(試料18〜21、同25〜28)にあっては、高い接触抵抗を有することが認められたのであり、ノルマルヘキサンによる洗浄では、アルミニウム合金板表面の酸化皮膜は十分に除去できなかったことが推認される。
As is clear from the results in Table 1, the precoated aluminum alloy plates (
これに対して、本発明の如く、予め、酸又はアルカリ性水溶液にて表面を洗浄して、酸化皮膜が除去されたアルミニウム合金板を用いると共に、かかる酸化皮膜が除去されたアルミニウム合金板の表面に、厚さが0.1〜10μmの導電性塗膜を形成しめたプレコートアルミニウム合金板(試料1〜16)にあっては、接触抵抗が低く、且つ、優れた耐酸性及び耐アルカリ性を発揮することが、確認されたのである。
On the other hand, as in the present invention, the surface of the aluminum alloy plate from which the oxide film has been removed by previously cleaning the surface with an acid or alkaline aqueous solution is used, and the surface of the aluminum alloy plate from which the oxide film has been removed is used. In the pre-coated aluminum alloy plate (
10、10a、10b セパレータ
12 溝部
14 固体高分子型燃料電池スタック
16 燃料電子収容ケース
17 脚部
18 単位電池
20a、20b エンドプレート
21 加圧機構
22 固体高分子電解質
24 燃料極
26 空気極
28 塗膜
30 アルミニウム基材
32 水素含有ガス流路
34 酸素含有ガス流路
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Claims (7)
A fuel cell comprising the end plate according to claim 5.
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