JP5006028B2 - Fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質形燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池に関し、特に、フッ化物イオンまたはフッ化水素酸(フッ酸)などの強い腐食性を有する物質の排出を抑制する燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a separator for a fuel cell used for a solid polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell using the same, and more particularly, a substance having strong corrosive properties such as fluoride ions or hydrofluoric acid (hydrofluoric acid). The present invention relates to a fuel cell separator that suppresses discharge and a fuel cell using the same.

燃料電池は、化学変化を直接に電気エネルギーに変えることができることから高効率であり、また、窒素や硫黄などを含む燃料を燃焼しないので、大気汚染物質(NO、SO等)の排出量が少なく地球環境に優しいという特長を有する。この燃料電池には、電解質の種類などによって幾つかの種類がある。 Fuel cells are highly efficient because they can directly convert chemical changes into electrical energy, and do not burn fuels containing nitrogen, sulfur, etc., so emissions of air pollutants (NO x , SO x, etc.) There are few features that are friendly to the global environment. There are several types of fuel cells depending on the type of electrolyte.

例えば、リン酸形燃料電池(PAFC)は、リン酸を保持体に染み込ませて用いるタイプで、150〜220℃程度の温度で運転される。溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)は、炭酸リチウム/炭酸カリウムを混合して電解質保持体に成型したものが用いられ、600〜700℃程度の温度で動作する。また、固体酸化物形燃料電池(SOFC)では、酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニアを電解質とし、700〜1000℃程度の温度で動作する。いずれも燃料には水素、改質ガス、炭化水素などが用いられ、酸化剤ガスには空気が用いられるのが一般的である。   For example, a phosphoric acid fuel cell (PAFC) is a type that uses phosphoric acid soaked in a support, and is operated at a temperature of about 150 to 220 ° C. The molten carbonate fuel cell (MCFC) uses a mixture of lithium carbonate / potassium carbonate and is molded into an electrolyte holder, and operates at a temperature of about 600 to 700 ° C. Further, in a solid oxide fuel cell (SOFC), stabilized zirconia having oxygen ion conductivity is used as an electrolyte, and it operates at a temperature of about 700 to 1000 ° C. In any case, hydrogen, reformed gas, hydrocarbon or the like is used for fuel, and air is generally used for oxidant gas.

これらに対し、固体高分子電解質形燃料電池(PEFC)や直接メタノール形燃料電池(DMFC)は、電解質として固体高分子膜を利用しており、上記燃料電池よりもはるかに温度の低い70〜80℃程度の環境で動作する特長を有する。この特長により、PEFCやDMFCは、自動車や一般家庭等の電力用、モバイル機器電源や無停電電源として、将来普及することが期待されている。なお、本明細書において、固体高分子電解質形燃料電池(PEFC)は、直接メタノール形燃料電池(DMFC)を含むものとする。   On the other hand, the solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and the direct methanol fuel cell (DMFC) use a solid polymer membrane as an electrolyte, and the temperature is much lower than that of the fuel cell. It has the feature of operating in an environment of about ℃. Due to this feature, PEFC and DMFC are expected to spread in the future as power sources for automobiles, general households, etc., as mobile device power sources and uninterruptible power sources. In the present specification, the solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) includes a direct methanol fuel cell (DMFC).

図1は、固体高分子電解質形燃料電池の燃料電池スタックにおける、基本的な構成の1例を示す模式的な展開斜視図である。燃料電池スタックは、MEA5、ガス拡散層7、セパレータユニット1’の組み合わせによる基本単位(単セル)を順次直列に複数個積層し、集電板8、絶縁板9、エンドプレート10で挟持、締結した構造となっている。必要に応じて、冷却部6を単セル間に挿入する場合もある。   FIG. 1 is a schematic exploded perspective view showing an example of a basic configuration in a fuel cell stack of a solid polymer electrolyte fuel cell. In the fuel cell stack, a plurality of basic units (single cells) composed of a combination of MEA 5, gas diffusion layer 7, and separator unit 1 ′ are sequentially stacked in series, and sandwiched between current collector plate 8, insulating plate 9, and end plate 10. It has a structure. If necessary, the cooling unit 6 may be inserted between single cells.

MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)5は、PEFC発電の主要部材であり、高分子からなる膜状の固体電解質の両面に白金等の触媒を担持したカーボン製電極を接合して構成される。ガス拡散層7は、通常、多孔質のカーボン製シートからなり、反応ガスを効率良く均一に電極へ供給する役割を担う。   The MEA (Membrane Electrode Assembly) 5 is a main member of PEFC power generation, and is configured by joining carbon electrodes carrying a catalyst such as platinum on both sides of a polymer-like solid electrolyte. The The gas diffusion layer 7 is usually made of a porous carbon sheet and plays a role of supplying the reaction gas to the electrodes efficiently and uniformly.

図2は、セパレータユニット1’の構成の1例を示す模式的な展開斜視図である。セパレータユニット1’はセパレータ1とガスケット4から構成される。セパレータ1は、燃料(水素を含むガス、またはメタノール水溶液)および酸化剤ガス(酸素あるいは空気)の流路が形成された板で、隣り合う単セル間を電気的に接続するとともに、燃料と酸化剤ガスが混ざらないようにするための部材である。また、ガスケット4は、セパレータ1とMEA5の間のギャップを埋め、反応ガスの気密性を保つための部材である。   FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing an example of the configuration of the separator unit 1 ′. The separator unit 1 ′ is composed of a separator 1 and a gasket 4. The separator 1 is a plate on which flow paths of fuel (gas containing hydrogen or methanol aqueous solution) and oxidant gas (oxygen or air) are formed. The separator 1 electrically connects adjacent single cells and oxidizes the fuel. It is a member for preventing the agent gas from being mixed. Moreover, the gasket 4 is a member for filling the gap between the separator 1 and the MEA 5 and maintaining the airtightness of the reaction gas.

なお、燃料と酸化剤ガスを総括して反応ガスあるいは反応流体と称する。参考のため、反応ガスの流れの様子を実線で図中に例示した。反応ガスは入口側のマニホールド101からセパレータ1に設けられた凹凸状の反応ガス流路106(畝部104と溝部105の加工がなされている部位)に沿って流れる。その際、図1に示したガス拡散層7を経由してMEA5に反応ガスを供給する。その後、過剰の反応ガスは出口側のマニホールド401に到達し排出される。   The fuel and the oxidant gas are collectively referred to as a reaction gas or a reaction fluid. For reference, the flow of the reaction gas is illustrated in the figure with a solid line. The reaction gas flows from the manifold 101 on the inlet side along the concavo-convex reaction gas flow path 106 (the portion where the flange portion 104 and the groove portion 105 are processed) provided in the separator 1. At that time, a reactive gas is supplied to the MEA 5 via the gas diffusion layer 7 shown in FIG. Thereafter, excess reaction gas reaches the outlet-side manifold 401 and is discharged.

図1に示したように、燃料電池スタックにおいては、所望の出力電圧が得られるように所定数の単セルを直列接続して使用される。このため、所望する出力電圧によっては、セパレータの枚数が数十枚から百枚以上になる場合もある。   As shown in FIG. 1, in a fuel cell stack, a predetermined number of single cells are connected in series so as to obtain a desired output voltage. For this reason, depending on the desired output voltage, the number of separators may be several tens to one hundred or more.

従来、PEFCのセパレータ材料には、耐食性と導電性の観点から、主に黒鉛系の材料が用いられてきた。しかし、黒鉛製セパレータに対する切削加工による流路形成は、製作コストが高く、上述したように使用枚数が多くなると、燃料電池システムのコストが非常に高くなるという問題がある。また、樹脂モールド成形法による黒鉛製セパレータにおいても、機械的強度の観点からセパレータの薄肉化が困難であり、燃料電池システムの小型化が困難になるという問題がある。   Conventionally, graphite-based materials have been mainly used as PEFC separator materials from the viewpoint of corrosion resistance and conductivity. However, the formation of the flow path by cutting the graphite separator has a high manufacturing cost, and there is a problem that the cost of the fuel cell system becomes very high as the number of used sheets increases as described above. In addition, a graphite separator using a resin molding method has a problem that it is difficult to reduce the thickness of the separator from the viewpoint of mechanical strength, and it is difficult to reduce the size of the fuel cell system.

これに対し、セパレータ材料として、ステンレス鋼(SUS)のような耐食性のある金属を用いることが提案されている。金属が有する導電性は一般に黒鉛材料のそれよりも優れており、高い靱性や延性はプレス成型加工を可能とし、薄板の利用によりセパレータをコンパクトで軽量化できる等の特長を有するためである。また、セパレータ材料として使用する金属が汎用金属であれば、材料の入手が容易で、かつ安価である。そのため、一層のコスト削減が期待できる。   On the other hand, it has been proposed to use a metal having corrosion resistance such as stainless steel (SUS) as a separator material. This is because the conductivity of the metal is generally superior to that of the graphite material, and the high toughness and ductility make it possible to perform press molding, and the use of a thin plate makes it possible to reduce the size and weight of the separator. If the metal used as the separator material is a general-purpose metal, the material is easily available and inexpensive. Therefore, further cost reduction can be expected.

一方、固体高分子電解質形燃料電池のセパレータ材料にステンレス鋼を用いた場合、表面処理を施さないでそのまま使用すると、ステンレス鋼の成分元素が溶出し、セパレータが破損する、ならびに燃料電池特性を劣化させてしまうことが知られている。   On the other hand, when stainless steel is used as the separator material for the solid polymer electrolyte fuel cell, if it is used as it is without surface treatment, the constituent elements of stainless steel are eluted, the separator is damaged, and the fuel cell characteristics are deteriorated. It is known to let you.

この対策として、例えば、ステンレス鋼をベース材にし、その表面にAu(金)を0.01〜0.06μmの厚みにめっき層を形成し、接触抵抗を小さくした金属製セパレータが知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a countermeasure, for example, a metal separator is known in which stainless steel is used as a base material, Au (gold) is formed on the surface thereof with a plating layer having a thickness of 0.01 to 0.06 μm, and contact resistance is reduced. (For example, refer to Patent Document 1).

しかし、上記したような薄い貴金属被膜はポーラスであり、ステンレス鋼の表面を完全に被覆するものではない。このため、導電性に不満はないが、耐食性の観点では不満足であり、長時間の使用に対してステンレス鋼の成分元素が溶出してしまい、燃料電池特性を劣化させることになる。一方、耐食性の点で問題とならない程度に貴金属被膜を厚くすると、耐食性の課題が解決されてもコストが高くなり、実用的ではない。   However, such a thin noble metal coating is porous and does not completely cover the surface of stainless steel. For this reason, although there is no dissatisfaction with conductivity, it is unsatisfactory from the viewpoint of corrosion resistance, and the constituent elements of stainless steel are eluted when used for a long time, and the fuel cell characteristics are deteriorated. On the other hand, if the noble metal film is thickened to such an extent that it does not become a problem in terms of corrosion resistance, the cost increases even if the problem of corrosion resistance is solved, and is not practical.

この問題を解決するものとして、例えば、特許文献2に示されるものがある。この金属製セパレータは、ステンレス鋼をベース材にし、その表面全面にTa(タンタル)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Ti(チタン)等による耐酸性被膜を形成し、この耐酸性被膜上にAu,Pt(白金),Pd(パラジウム)等の導電性被膜を0.1μm以下、実施例として0.03μmの厚みにめっきを施し、耐食性および導電性を改善した金属製セパレータが知られている。   As what solves this problem, there exists a thing shown by patent document 2, for example. This metal separator is made of stainless steel as a base material, and an acid-resistant film made of Ta (tantalum), Zr (zirconium), Nb (niobium), Ti (titanium), etc. is formed on the entire surface of the separator. Metal separators with improved corrosion resistance and conductivity are known in which a conductive film of Au, Pt (platinum), Pd (palladium), etc. is plated to a thickness of 0.1 μm or less and 0.03 μm as an example. Yes.

また、例えば特許文献3には、次のような金属製セパレータが開示されている。この金属製セパレータは、SUS、Al(アルミニウム)、Ti等の金属板の表面に、Au、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)およびPtからなる群より選ばれる少なくとも1種以上の貴金属もしくは前記貴金属の酸化物部分を3〜50nm配置し、前記貴金属もしくは前記貴金属の酸化物部分を配置した以外の部分を耐食性被膜で被覆して、高い導電性と耐食性を備えるようにしている。   Further, for example, Patent Document 3 discloses the following metal separator. This metal separator is made of Au, Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd, Os (osmium), Ir (iridium), and Pt on the surface of a metal plate such as SUS, Al (aluminum), and Ti. More than at least one kind of noble metal selected from the above, or the oxide part of the noble metal is arranged in a thickness of 3 to 50 nm, and the part other than the noble metal or the oxide part of the noble metal is covered with a corrosion-resistant coating, Corrosion resistance is provided.

また、例えば特許文献4には、次のような金属製セパレータが開示されている。この金属製セパレータは、純度99.5%以上のAl金属板の全面に厚さ5〜50μmのアルマイト皮膜を形成し、電極接触面上のアルマイト皮膜を除去した後、Pt、Au、Pd、Ru、Rh、Ir及びAgからなる群から選ばれる金属若しくはその合金、カーボン、又は導電性炭化物からなる導電性皮膜を形成して、高い導電性と耐食性を備えるようにしている。   Further, for example, Patent Document 4 discloses the following metal separator. In this metal separator, an alumite film having a thickness of 5 to 50 μm is formed on the entire surface of an Al metal plate having a purity of 99.5% or more, and after removing the alumite film on the electrode contact surface, Pt, Au, Pd, Ru A conductive film made of a metal selected from the group consisting of Rh, Ir, and Ag or an alloy thereof, carbon, or a conductive carbide is formed so as to have high conductivity and corrosion resistance.

また、例えば特許文献5には、次のような金属製セパレータが開示されている。この金属製セパレータは、3層の金属からなるセパレータであって、中心層に鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよびこれらの合金から選ばれる少なくとも1種の金属を用い、その外層にチタン,ジルコニウム,タンタル,ニオブおよびこれらの合金から選ばれる金属を有し、更にその表面にカーボン,導電性セラミックス,金属粉末から選ばれる少なくとも1種の導電材と該導電材を固定するための樹脂結着材で構成される被覆層を有するものであり、優れた導電性および耐食性を得ることができるとしている。
特開平10−228914号公報 特開2001−93538号公報 特開2001−297777号公報 特開2001−338658号公報 特開2003−272659号公報
For example, Patent Document 5 discloses the following metal separator. This metal separator is a separator made of three layers of metal, and at least one selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium and alloys thereof in the center layer. A metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, tantalum, niobium and alloys thereof, and at least one conductive material selected from carbon, conductive ceramics and metal powder on the surface; It has a coating layer composed of a resin binder for fixing the conductive material, and is said to be able to obtain excellent conductivity and corrosion resistance.
JP-A-10-228914 JP 2001-93538 A JP 2001-297777 A JP 2001-338658 A JP 2003-272659 A

一方、燃料電池の開発が進むにつれ、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池において、いくつかの新たな課題が顕在化してきた。そのうちの一つとしては、PEFCやDMFCにおいて現在主流となっているフッ素系固体高分子電解質膜(例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜やパーフルオロカルボン酸系電解質膜)が発電時の化学的作用によりラジカル分解し、その結果、該電解質膜を構成する硫酸イオンやフッ化物イオンが発電に伴う排水中に混入することが明らかになった。   On the other hand, as the development of fuel cells progresses, several new problems have become apparent in fuel cells using solid polymer electrolyte membranes. One of them is that the fluorine-based solid polymer electrolyte membranes (for example, perfluorosulfonic acid electrolyte membranes and perfluorocarboxylic acid electrolyte membranes), which are currently mainstream in PEFC and DMFC, have chemical effects during power generation. As a result, it was clarified that sulfate ions and fluoride ions constituting the electrolyte membrane were mixed in the wastewater accompanying power generation.

従来の燃料電池用の金属製セパレータにおいても、例えば、約80℃でpH2〜3程度の硫酸酸性に対する耐食性は、ある程度確保される。これは、電解質膜に対面する面の全面に上述の耐酸性の層または皮膜を形成したためと考えられる。   In a conventional metal separator for a fuel cell, for example, corrosion resistance to sulfuric acid acidity of about pH 2 to 3 at about 80 ° C. is ensured to some extent. This is presumably because the acid-resistant layer or film described above was formed on the entire surface facing the electrolyte membrane.

しかしながら、フッ化物イオンやフッ化水素酸(フッ酸)などは強い腐食性を有することから、金属製セパレータ(上述の耐酸性の層や皮膜を含む)をはじめ、配管材などの金属材料を腐食させるという従来考慮されていなかった新たな課題が大きな問題になってきている。例えば、上述の耐酸性の層や皮膜が腐食すると、金属製セパレータが本来有する導電性を維持できなくなり、燃料電池の発電効率が悪化する。さらには、セパレータや配管材などを腐食させる場合がある。また、腐食生成物がMEAに取り込まれると、電解質膜の分解の加速、電解質膜のイオン導電性の低下、あるいは触媒の活性の低下をもたらす場合もある。   However, fluoride ions and hydrofluoric acid (hydrofluoric acid) are highly corrosive and corrode metal materials such as metal separators (including the acid-resistant layers and films described above) and piping materials. A new problem that has not been considered in the past has become a big problem. For example, if the acid-resistant layer or film described above corrodes, the conductivity inherent to the metal separator cannot be maintained, and the power generation efficiency of the fuel cell deteriorates. Furthermore, a separator, a piping material, etc. may be corroded. In addition, when the corrosion product is taken into the MEA, the decomposition of the electrolyte membrane may be accelerated, the ionic conductivity of the electrolyte membrane may be reduced, or the activity of the catalyst may be reduced.

そして、そのような新たな課題(フッ化物イオンまたはフッ酸などの強い腐食性を有する物質の発生)に対しては、特許文献2乃至特許文献5の金属製セパレータにおいても、長期信頼性(実用的な耐久性)の低下となって現れることが懸念される。   For such new problems (generation of highly corrosive substances such as fluoride ions or hydrofluoric acid), the metal separators of Patent Documents 2 to 5 also have long-term reliability (practical use). There is a concern that it may appear as a decrease in the durability.

従って、本発明の目的は、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオンまたはフッ酸などの強い腐食性を有する物質を低減し、実用的な耐久性を確保できる燃料電池用の金属製セパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to reduce a substance having strong corrosive properties such as fluoride ions or hydrofluoric acid mixed in waste water accompanying power generation, and to ensure a practical durability and a metallic separator for a fuel cell. It is to provide a fuel cell using the same.

本発明は、上記目的を達成するため、固体高分子電解質を用いた燃料電池における金属製セパレータにおいて、前記電解質に対面する面の一部が所定の厚さ以上の厚さを有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金で構成され、かつ前記アルミニウムあるいはアルミニウム合金が露出しており、かつ前記セパレータの電気的接点領域に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層を有することを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a metal separator in a fuel cell using a solid polymer electrolyte, wherein a part of the surface facing the electrolyte has a thickness greater than or equal to a predetermined thickness. A separator for a fuel cell, wherein the aluminum or aluminum alloy is exposed, and has a film growth inhibiting layer that suppresses the growth of a passive film in the electrical contact region of the separator. .

また、本発明は、上記目的を達成するため、固体高分子電解質を用いた燃料電池における金属製セパレータにおいて、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる基材の前記電解質に対面する面に、チタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層で被覆されている領域と前記基材が露出している基材露出部が形成されており、かつ前記セパレータの電気的接点領域に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層を有することを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。   Further, in order to achieve the above object, the present invention provides a metal separator in a fuel cell using a solid polymer electrolyte, wherein titanium or a titanium alloy is formed on a surface of the substrate made of aluminum or an aluminum alloy facing the electrolyte. An area covered with a coating metal layer and an exposed portion of the substrate where the substrate is exposed, and a film growth inhibiting layer that suppresses the growth of a passive film in the electrical contact area of the separator. A fuel cell separator is provided.

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る前記基材露出部が前記被覆金属層の一部を除去して形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell separator wherein the substrate exposed portion according to the present invention is formed by removing a part of the coated metal layer. provide.

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る前記皮膜成長抑制層が貴金属および/または炭素を導電材とする導電性塗料からなることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell separator, wherein the film growth suppression layer according to the present invention comprises a conductive paint using a noble metal and / or carbon as a conductive material. provide.

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の本発明に係る前記セパレータを用いた燃料電池を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell using the separator according to the present invention.

本発明によれば、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオンまたはフッ酸などの強い腐食性を有する物質を低減し、結果として実用的な耐久性に優れた燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池を得ることができる。   According to the present invention, a substance having strong corrosive properties such as fluoride ions or hydrofluoric acid mixed in waste water accompanying power generation is reduced, and as a result, a separator for a fuel cell excellent in practical durability and the use thereof are used. The obtained fuel cell can be obtained.

(フッ化物イオン低減の効果)
はじめに、フッ素系固体高分子電解質に対面する面に露出するアルミニウムあるいはアルミニウム合金が、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を低減する効果について例を挙げて説明する。
(Effect of reducing fluoride ions)
First, the effect of reducing the concentration of fluoride ions mixed in the waste water accompanying power generation by the aluminum or aluminum alloy exposed on the surface facing the fluorine-based solid polymer electrolyte will be described with an example.

金属製セパレータ材料として、工業用の純アルミニウムA1000(代表として、JIS A1050)、ジュラルミンのA2000(代表として、JIS A2017)、Al−Mn合金のA3000(代表として、JIS A3003)、Al−Mg合金のA5000(代表として、JIS A5052)、Al−Cr−Cu合金のA6000(代表として、JIS A6063)および超々ジュラルミンのA7000(代表として、JIS A7075)を用い、図2に示すようなセパレータユニット1’を作製した。このとき、Au粉末を導電材としフェノール樹脂をバインダとする導電性塗料を、スクリーン印刷法で反応ガス流路106の畝部104(電気的接点領域)に塗布し、厚さ約10μmの皮膜成長抑制層を形成した。一方、比較試料として、従来の黒鉛製セパレータも用意した。   As metal separator materials, industrial pure aluminum A1000 (typically JIS A1050), duralumin A2000 (typically JIS A2017), Al-Mn alloy A3000 (typically JIS A3003), Al-Mg alloy A separator unit 1 ′ as shown in FIG. 2 is used using A5000 (typically JIS A5052), A6000 of Al—Cr—Cu alloy (typically JIS A6063) and ultra-duralumin A7000 (typically JIS A7075). Produced. At this time, a conductive paint using Au powder as a conductive material and phenol resin as a binder is applied to the flange 104 (electrical contact region) of the reaction gas channel 106 by screen printing, and a film having a thickness of about 10 μm is grown. A suppression layer was formed. On the other hand, a conventional graphite separator was also prepared as a comparative sample.

上述のアルミニウム製、アルミニウム合金製および黒鉛製セパレータを用いて、図1と同様な燃料電池スタックを作製した。MEA5は、厚さ約50μmのパーフルオロスルホン酸系電解質膜を用い、電極面積を9cm、アノードおよびカソードの触媒をいずれも白金0.4mg/cmとした。燃料を水素ガス、酸化剤を空気とし、燃料利用率70%、酸化剤利用率40%、アノード加湿器温度70℃、カソード加湿器温度70℃、セル温度70℃、および電流密度0.25A/cmの発電条件で300hの発電を行い、発電試験中に採取した排水中のフッ化物イオン濃度を測定した。フッ化物イオン濃度の測定は、イオンクロマトグラフ用いて行った(株式会社東レリサーチセンターにて)。 A fuel cell stack similar to that shown in FIG. 1 was prepared using the above-described aluminum, aluminum alloy, and graphite separators. The MEA 5 uses a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane having a thickness of about 50 μm, the electrode area is 9 cm 2 , and the anode and cathode catalysts are both platinum 0.4 mg / cm 2 . The fuel is hydrogen gas, the oxidant is air, the fuel utilization is 70%, the oxidant utilization is 40%, the anode humidifier temperature is 70 ° C., the cathode humidifier temperature is 70 ° C., the cell temperature is 70 ° C., and the current density is 0.25 A / Power generation was performed for 300 h under a power generation condition of cm 2 , and the fluoride ion concentration in the wastewater collected during the power generation test was measured. The fluoride ion concentration was measured using an ion chromatograph (at Toray Research Center, Inc.).

図3は、PEFCにおける発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度の測定結果である。黒鉛製セパレータの排水中に含まれるフッ化物イオン濃度が、アノード側およびカソード側でそれぞれ0.29、0.15ppmであるのに対し、アルミニウムあるいはアルミニウム合金製セパレータの場合のそれは、最大でもA3000の0.05ppmであった。この結果から明らかなように、電解質に対面する面の少なくとも一部が露出したアルミニウムあるいはアルミニウム合金で構成されていることで、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できることが判る。   FIG. 3 shows the measurement results of the fluoride ion concentration mixed in the wastewater accompanying power generation in PEFC. The fluoride ion concentration contained in the waste water of the graphite separator is 0.29 and 0.15 ppm on the anode side and the cathode side, respectively, whereas in the case of the separator made of aluminum or aluminum alloy, the maximum is A3000. It was 0.05 ppm. As is clear from this result, it is possible to greatly reduce the concentration of fluoride ions mixed in the waste water accompanying power generation by being composed of aluminum or aluminum alloy in which at least a part of the surface facing the electrolyte is exposed. I understand.

上述の発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できるメカニズムは、現時点で完全に解明されていないが、電解質中の水分によりわずかに溶出したアルミニウムイオンとフッ化物イオンが化合し、非腐食性のフッ化アルミニウム様の化合物としてフッ化物イオンが捕捉(固定化)されたためではないかと考えられる。   The mechanism that can significantly reduce the concentration of fluoride ions mixed in the wastewater generated by power generation as described above has not been fully elucidated at this time, but the aluminum ions and fluoride ions that are slightly eluted by the water in the electrolyte combine. This is probably because fluoride ions were captured (immobilized) as a non-corrosive aluminum fluoride-like compound.

言い換えると、電解質に対面する面に露出するアルミニウムあるいはアルミニウム合金を犠牲金属の一種として活用して、腐食性の強いフッ化物イオンを相殺することにより、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できる効果が出現するものと考えられる。また、腐食性物質を低減することにより、結果として金属製セパレータ本体(特に、電気的接点領域)の実用的な耐久性が向上するものと考えられる。   In other words, by using aluminum or aluminum alloy exposed on the surface facing the electrolyte as a kind of sacrificial metal to offset highly corrosive fluoride ions, the concentration of fluoride ions mixed in the wastewater from power generation It is considered that an effect that can greatly reduce the amount of sapphire appears. Moreover, it is considered that the practical durability of the metallic separator main body (particularly, the electrical contact region) is improved as a result of reducing the corrosive substance.

(アルミニウムイオンが発電特性に与える影響)
つぎに、アルミニウムイオンがPEFCの発電特性に与える影響として、「触媒被毒」、「交流抵抗」および「電解質膜の分解」について説明する。
(Influence of aluminum ions on power generation characteristics)
Next, “catalyst poisoning”, “AC resistance”, and “decomposition of electrolyte membrane” will be described as effects of aluminum ions on the power generation characteristics of PEFC.

金属製セパレータから溶出するイオン種によっては、電極触媒の活性が低下する触媒被毒を起こすことがある。そこで、電極触媒の白金被毒をサイクリックボルタモグラムの水素脱着波電気量から調べたところ、上述のアルミニウム製、アルミニウム合金製および黒鉛製セパレータのいずれを用いた燃料電池スタックおいても、水素脱着波の電気量に有意差は見られなかった。このことから、アルミニウムイオンの電極触媒活性に対する影響は、無視できるほど小さいと考えられる。   Depending on the ionic species eluted from the metal separator, catalyst poisoning may occur that reduces the activity of the electrode catalyst. Therefore, when the platinum poisoning of the electrode catalyst was examined from the hydrogen desorption wave electric quantity of the cyclic voltammogram, the hydrogen desorption wave was found in any of the fuel cell stacks using the above-mentioned aluminum, aluminum alloy and graphite separators. There was no significant difference in the amount of electricity. From this, it is considered that the influence of aluminum ions on the electrocatalytic activity is negligibly small.

電解質膜中において、金属イオンの移動度はプロトンのそれよりもはるかに小さいことから、金属イオンが電解質膜中のプロトンと置換すると、通常、交流抵抗が桁で(10倍、100倍オーダーで)上昇する場合がある。そこで、アノード側セパレータとしてA1000、カソード側セパレータとして黒鉛を用いた燃料電池スタックを作製し、各部位における交流抵抗を求めたところ、MEA部分の交流抵抗は発電開始から100h経過した時点でわずかな(2%程度)上昇が観察されただけであった。このことから、アルミニウムイオンによるプロトンとの置換は、無視できるほど少ないと考えられる。   In the electrolyte membrane, the mobility of metal ions is much smaller than that of protons. Therefore, when metal ions substitute for protons in the electrolyte membrane, the AC resistance is usually on the order of magnitude (on the order of 10 times or 100 times). May rise. Therefore, a fuel cell stack using A1000 as the anode separator and graphite as the cathode separator was prepared, and the AC resistance at each part was determined. The AC resistance of the MEA portion was slightly (100 h after the start of power generation) Only an increase was observed (about 2%). From this, it is considered that substitution of protons with aluminum ions is negligibly small.

また、電解質膜中に鉄などの金属イオンが存在すると、電解質膜を分解させることが知られている。そこで、硫酸第一鉄の代わりに硫酸アルミニウムを用いた類似フェントン試験を行ったところ、電解質膜が分解している証拠は得られなかった。このことから、アルミニウムイオンによる電解質膜の分解は、無視できるほど少ないと考えられる。なお、フェントン試験とは、電解質膜の対ラジカル耐性を調べるために広く用いられている加速試験方法であって、所定濃度の過酸化水素、硫酸第一鉄を加えた試験溶液中に被試験体となる電解質膜を一定時間浸漬した後の試験溶液中に含まれるフッ化物イオン濃度や硫酸イオン濃度等の測定により、電解質膜の対ラジカル耐性の評価に用いられている試験である。   Further, it is known that when a metal ion such as iron is present in the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is decomposed. Therefore, when a similar Fenton test using aluminum sulfate instead of ferrous sulfate was performed, there was no evidence that the electrolyte membrane was decomposed. From this, it is considered that the decomposition of the electrolyte membrane by aluminum ions is negligibly small. The Fenton test is an accelerated test method widely used for examining resistance to radicals of an electrolyte membrane, and a test object is added to a test solution to which a predetermined concentration of hydrogen peroxide and ferrous sulfate is added. This is a test used for evaluating the resistance to radicals of the electrolyte membrane by measuring the fluoride ion concentration, sulfate ion concentration, etc. contained in the test solution after the electrolyte membrane to be immersed for a certain time.

(必要とされるアルミニウムあるいはアルミニウム合金の厚さ)
実用的な耐久性を確保するために必要とされるアルミニウムあるいはアルミニウム合金の厚さは、次のように見積もられる。
(Required thickness of aluminum or aluminum alloy)
The thickness of aluminum or aluminum alloy required to ensure practical durability is estimated as follows.

上述のアルミニウムあるいはアルミニウム合金(A1000〜A7000)製セパレータを用いた発電試験において、発電に伴ってアノードおよびカソードから排出される水分に含まれるアルミニウムはセパレータから溶出したものと考えられるため、実用的な耐久性を確保するためには、この溶出量以上のアルミニウム量が必要と考えられる。   In the power generation test using the above-mentioned aluminum or aluminum alloy (A1000-A7000) separator, it is considered that the aluminum contained in the moisture discharged from the anode and the cathode accompanying the power generation is eluted from the separator. In order to ensure durability, it is considered that an aluminum amount greater than this elution amount is necessary.

上記A1000〜A7000製セパレータを用いた燃料電池の発電試験において、発電に伴う排水中に含まれるアルミニウム濃度はA1000製セパレータの場合が最も多く、約0.3ppmであった。また、このときの排水量は1日平均で約80gであった。前述したように、電極面積は9cmであるため、単位面積、単位時間あたりのアルミニウム平均排出量は約0.97mg/cm/yearと見積もられる。これをアルミニウムの密度2.7g/cmで除すると、1年間に約3.6μm減肉することが判る。したがって、要求される耐用年数に3.6μm/yearを掛けた厚さ以上の厚さが、必要とされるアルミニウムの厚さとなる。 In the power generation test of the fuel cell using the separator made of A1000 to A7000, the concentration of aluminum contained in the waste water accompanying power generation was the highest in the case of the separator made of A1000, and was about 0.3 ppm. Moreover, the amount of drainage at this time was about 80 g on average per day. As described above, since the electrode area is 9 cm 2 , the average aluminum discharge per unit area and unit time is estimated to be about 0.97 mg / cm 2 / year. When this is divided by the aluminum density of 2.7 g / cm 3 , it can be seen that the thickness is reduced by about 3.6 μm per year. Therefore, the required thickness of aluminum is equal to or greater than the thickness obtained by multiplying the required service life by 3.6 μm / year.

以上のことから、フッ素系固体高分子電解質膜に対面する面に所定の厚さ以上の厚みを有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金を露出させた金属製セパレータは、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できるとともに、PEFCの発電特性を劣化させる悪影響(例えば、触媒被毒、交流抵抗の増大、電解質膜の分解促進など)がほとんど見られない、優れた燃料電池用セパレータと言うことができる。   From the above, the metal separator with the aluminum or aluminum alloy having a thickness greater than or equal to a predetermined thickness exposed on the surface facing the fluorine-based solid polymer electrolyte membrane is fluoride ion mixed in the wastewater accompanying power generation. It is an excellent fuel cell separator that can greatly reduce the concentration and has almost no adverse effects that degrade the power generation characteristics of PEFC (for example, catalyst poisoning, increased AC resistance, and accelerated decomposition of the electrolyte membrane). Can do.

〔本発明の第1の実施の形態〕
本実施の形態における燃料電池用セパレータは、フッ素系固体高分子電解質を用いた燃料電池における金属製セパレータにおいて、前記電解質に対面する面の一部が所定の厚さ以上の厚さを有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金で構成され、かつ前記アルミニウムあるいはアルミニウム合金が露出しており、かつ前記セパレータの電気的接点領域に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層を有することを特徴とする。
[First embodiment of the present invention]
The fuel cell separator according to the present embodiment is a metal separator in a fuel cell using a fluorine-based solid polymer electrolyte, in which a part of the surface facing the electrolyte has aluminum having a thickness equal to or greater than a predetermined thickness. It is made of an aluminum alloy, the aluminum or aluminum alloy is exposed, and has a film growth inhibiting layer that suppresses the growth of a passive film in the electrical contact region of the separator.

このようなセパレータは、例えば、燃料電池用金属製セパレータとして通常利用される厚さ(例えば、0.1〜2mm)を有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金板(例えば、前述のA1000〜A7000)を用い、プレス加工等の手法により所定の形状に整形した後、電気的接点領域(例えば、図2における反応ガス流路106の畝部104)に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層を形成することで製造できる。なお、皮膜成長抑制層の形成に際しては、従来の手法(例えば、特開2003−272659号公報、Au、Pt、Pd等の貴金属および/または黒鉛、カーボンブラック等の炭素を導電材とし、シリコン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等をバインダとする導電性塗料を厚さ10〜100μmで塗布する)を適用することができる。   Such a separator uses, for example, an aluminum or aluminum alloy plate (for example, A1000 to A7000 described above) having a thickness (for example, 0.1 to 2 mm) that is usually used as a metal separator for a fuel cell, and is pressed. After forming into a predetermined shape by a technique such as processing, a film growth suppression layer that suppresses the growth of the passive film is formed in the electrical contact region (for example, the flange 104 of the reaction gas channel 106 in FIG. 2). Can be manufactured. In forming the film growth suppression layer, conventional methods (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-272659, noble metals such as Au, Pt, and Pd and / or carbon such as graphite and carbon black are used as conductive materials, and silicon-based materials are used. A conductive paint having a binder of resin, phenol resin, epoxy resin, polyimide resin, polyamide resin, polyolefin resin, or the like is applied in a thickness of 10 to 100 μm.

また、次のような構成でもかまわない。図4は、耐食性金属の表面にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を被覆した金属製セパレータの断面模式図である(図2のA−A部分の一部断面図)。ここで示したセパレータ1は、金属薄板を張り出しプレス加工で流路を成形した例である。セパレータ1は、耐食性金属で構成される中心の基材金属110の電解質膜に対面する側の面の全面に、所定の厚さ以上の厚みを有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金が被覆され、被覆金属層111を形成している。また、電気的接点領域(例えば、畝部104)に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層112を形成している。このような構成とすることにより、アルミニウムが表面に露出するため、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できる。   Also, the following configuration may be used. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a metal separator in which the surface of a corrosion-resistant metal is coated with aluminum or an aluminum alloy (partial cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2). The separator 1 shown here is an example in which a metal thin plate is stretched and a flow path is formed by press working. In the separator 1, the entire surface of the central base metal 110 made of a corrosion-resistant metal facing the electrolyte membrane is coated with aluminum or an aluminum alloy having a thickness equal to or greater than a predetermined thickness, and the coated metal layer 111. Is forming. In addition, a film growth suppression layer 112 that suppresses the growth of the passive film is formed in the electrical contact region (for example, the flange 104). By setting it as such a structure, since aluminum is exposed to the surface, the fluoride ion density | concentration mixed in the waste_water | drain accompanying electric power generation can be reduced significantly.

なお、耐食性金属とは、大気中で酸化物が不動態皮膜を形成するような金属(例えば、ステンレス鋼(SUS)、Ti、Zr、W、Ta、Nbおよびそれらの合金など)を意味する。もちろん、耐食性金属として、前記特許文献1〜3などに記載の金属製セパレータ材料を用いてもよい。また、アルミニウムあるいはアルミニウム合金を被覆する方法は、前述した所定の厚さ以上の厚さに形成できる限り特に限定されない。例えば、溶融アルミニウムめっき法、クラッド法、乾式めっき法など通常行われている手法により製造できる。また、皮膜成長抑制層の形成も、上述と同様、従来の手法を適用できる。   In addition, a corrosion-resistant metal means the metal (For example, stainless steel (SUS), Ti, Zr, W, Ta, Nb, and those alloys etc.) that an oxide forms a passive film in air | atmosphere. Of course, the metal separator materials described in Patent Documents 1 to 3 may be used as the corrosion-resistant metal. Further, the method of coating aluminum or aluminum alloy is not particularly limited as long as it can be formed to a thickness equal to or more than the predetermined thickness described above. For example, it can be produced by a conventional method such as a hot dip aluminum plating method, a clad method, or a dry plating method. Also, the conventional method can be applied to the formation of the film growth suppression layer as described above.

〔本発明の第2の実施の形態〕
本実施の形態における燃料電池用セパレータは、フッ素系固体高分子電解質を用いた燃料電池における金属製セパレータにおいて、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる基材の前記電解質に対面する面に、チタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層で被覆されている領域と前記基材が露出している基材露出部が形成されており、かつ前記セパレータの電気的接点領域に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層を有することを特徴とする。
[Second Embodiment of the Present Invention]
The separator for a fuel cell in the present embodiment is a metal separator in a fuel cell using a fluorine-based solid polymer electrolyte. The separator is made of titanium or a titanium alloy on the surface of the base material made of aluminum or an aluminum alloy facing the electrolyte. An area covered with a coating metal layer and an exposed portion of the substrate where the substrate is exposed, and a film growth inhibiting layer that suppresses the growth of a passive film in the electrical contact area of the separator. It is characterized by having.

図5は、第2の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの断面模式図である。ここで示したセパレータ2は、金属薄板を張り出しプレス加工で流路を成形した例である。セパレータ2は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる中心の基材金属210の電解質膜に対面する側の面に、チタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層211を形成している。また、電気的接点領域(例えば、畝部104)に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層112を形成している。なお、被覆金属層211の一部には、基材金属210まで貫通する基材露出部213が設けてある。このような構成とすることにより、アルミニウムが表面に露出するため、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減できる。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell separator according to the second embodiment. The separator 2 shown here is an example in which a metal thin plate is stretched and a flow path is formed by press working. In the separator 2, a coating metal layer 211 made of titanium or a titanium alloy is formed on the surface of the central base metal 210 made of aluminum or an aluminum alloy on the side facing the electrolyte membrane. In addition, a film growth suppression layer 112 that suppresses the growth of the passive film is formed in the electrical contact region (for example, the flange 104). A part of the covering metal layer 211 is provided with a base material exposed portion 213 that penetrates to the base metal 210. By setting it as such a structure, since aluminum is exposed to the surface, the fluoride ion density | concentration mixed in the waste_water | drain accompanying electric power generation can be reduced significantly.

また、被覆金属層211をチタンあるいはチタン合金とすることで、長寿命なセパレータが得られる。これは、実用金属の中でチタンあるいはチタン合金の不動態皮膜が耐食的であり、かつ皮膜が厚くなりにくいため、電気抵抗の増大が少ないことに起因する。ただし、不動態皮膜成長によるオーム損(iR損)の増大が存在することから、これを極力抑えるために、本実施の形態においても皮膜成長抑制層112を形成することが好ましい。皮膜成長抑制層112の形成に際しては、前述と同様に従来の手法(例えば、特開2003−272659号公報)を適用することができる。   Moreover, a long-life separator can be obtained by using the coated metal layer 211 as titanium or a titanium alloy. This is because, among practical metals, a passive film of titanium or a titanium alloy is corrosion-resistant, and the film is difficult to thicken, so that an increase in electric resistance is small. However, since there is an increase in ohmic loss (iR loss) due to passive film growth, it is preferable to form the film growth suppression layer 112 also in the present embodiment in order to suppress this as much as possible. In forming the film growth suppression layer 112, a conventional method (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-272659) can be applied as described above.

チタン合金としては、例えば、JIS 11種、JIS 12種、JIS 13種、JIS 60種、JIS 60E種、JIS 61種、ASTM Gr.6等が好適に利用できる。また、JIS 60種、JIS 60E種、JIS 61種、ASTM Gr.6等のアルミニウムを含むチタン合金を利用することによって、セパレータの機械的強度が向上する効果も期待できる。   Examples of the titanium alloy include JIS 11, JIS 12, JIS 13, JIS 60, JIS 60E, JIS 61, ASTM Gr. 6 etc. can be used suitably. Also, JIS 60 types, JIS 60E types, JIS 61 types, ASTM Gr. The use of a titanium alloy containing aluminum such as 6 can also be expected to improve the mechanical strength of the separator.

このようなセパレータ2は、例えば、基板金属210のアルミニウムあるいはアルミニウム合金に被覆金属層211のチタンあるいはチタン合金をクラッド加工した後、被覆金属層211を貫通して基板金属210まで達する切削加工や研削加工等を施し、被覆金属層211の一部を除去することで基材露出部213を形成して製造することができる。   Such a separator 2 is formed by, for example, cutting or grinding reaching the substrate metal 210 through the coated metal layer 211 after cladding the titanium or titanium alloy of the coated metal layer 211 on the aluminum or aluminum alloy of the substrate metal 210. The base material exposed part 213 can be formed and manufactured by performing a process etc. and removing a part of the coating metal layer 211.

なお、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる基板金属210とチタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層211のクラッド加工に際しては、従来の手法(例えば、特開2005−219478号公報、特開2006−210320号公報)を適用することができる。   Note that conventional methods (for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2005-219478 and 2006-210320) are used for clad processing of the substrate metal 210 made of aluminum or an aluminum alloy and the coated metal layer 211 made of titanium or a titanium alloy. Can be applied.

また、基材露出部213の形成に際しては、結果的に基材露出部213が形成されていればその形成方法に特段の限定は無い。上記の方法以外には、例えば、チタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層211に予めパンチング処理を施して多数の孔を開け、それを基板金属210にクラッド加工する方法でもよい。また、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる基板金属210とチタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層211を従来の手法でクラッド加工し、これにプレス加工を施して反応ガス流路106(畝部104と溝部105)を成型する際、被覆金属層211の延性限界を超えた加工を施すと、被覆金属層211にクラックが自ずと発生し、その結果、基板金属210が露出する部位(基材露出部213)を形成する方法でもよい。   Further, when forming the substrate exposed portion 213, there is no particular limitation on the formation method as long as the substrate exposed portion 213 is formed as a result. In addition to the above method, for example, a method of punching the coating metal layer 211 made of titanium or a titanium alloy in advance to form a large number of holes and cladding the substrate metal 210 may be used. Further, a substrate metal 210 made of aluminum or an aluminum alloy and a coated metal layer 211 made of titanium or a titanium alloy are clad by a conventional method, and this is subjected to press working so that the reaction gas channel 106 (the flange 104 and the groove 105). ), When the processing exceeding the ductility limit of the coated metal layer 211 is performed, a crack is naturally generated in the coated metal layer 211, and as a result, a portion where the substrate metal 210 is exposed (base material exposed portion 213) is formed. A forming method may be used.

なお、電解質膜の分解により生じるフッ化物イオンはガス拡散層7を経由してセパレータ2に到達すると考えられるため、基材露出部213を設ける位置はガス拡散層7から近い方が好ましい。また、皮膜成長抑制層112の形成は、基材露出部213を形成する前でも後でもよいが、基材露出部213を塞がないようにすることが肝要であり、工程順序を適宜選択することが望ましい。   In addition, since it is considered that fluoride ions generated by the decomposition of the electrolyte membrane reach the separator 2 via the gas diffusion layer 7, it is preferable that the position where the substrate exposed portion 213 is provided is closer to the gas diffusion layer 7. Further, the film growth suppression layer 112 may be formed before or after the base material exposed portion 213 is formed, but it is important not to block the base material exposed portion 213, and the process order is appropriately selected. It is desirable.

(実施の形態の効果)
この実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)従来のフッ素系固体高分子電解質を用いた燃料電池においても、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオンまたはフッ酸などの強い腐食性を有する物質を低減することができ、フッ化物イオンまたはフッ酸などに起因するセパレータや配管材などの腐食を抑制できる。
(2)セパレータの腐食を抑制することにより、MEAのガス拡散層との電気的な接触条件を良くすることができ、集電材としての機能も大幅に高めることができる。
(3)燃料電池システム全体としての実用的な耐久性が確保できる。
(Effect of embodiment)
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Even in a conventional fuel cell using a fluorinated solid polymer electrolyte, it is possible to reduce substances having strong corrosive properties such as fluoride ions or hydrofluoric acid mixed in wastewater accompanying power generation. Corrosion of separators and piping materials due to ions or hydrofluoric acid can be suppressed.
(2) By suppressing the corrosion of the separator, the electrical contact condition with the gas diffusion layer of MEA can be improved, and the function as a current collector can be greatly enhanced.
(3) Practical durability as a whole fuel cell system can be secured.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible within the range which does not change the summary.

〔実施例1〜3、比較例1〜3の作製〕
実施例1は次のように用意した。まず、板厚0.3mmのSUS304にプレス加工を施して図2のような反応ガス流路を形成した後、SUS304両面にA1050を用いて厚さ約10μmの溶融アルミニウムめっきを施して被覆金属層を形成した。その後、黒鉛を導電材としフェノール樹脂をバインダとする導電性塗料を、スクリーン印刷法で反応ガス流路の畝部(電気的接点領域)に塗布し、皮膜成長抑制層を約10μm厚さで形成した。
[Production of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3]
Example 1 was prepared as follows. First, SUS304 having a thickness of 0.3 mm is pressed to form a reaction gas flow path as shown in FIG. 2, and then both sides of SUS304 are subjected to hot-dip aluminum plating with a thickness of about 10 μm using A1050 to form a coated metal layer. Formed. After that, conductive paint using graphite as the conductive material and phenol resin as the binder is applied to the buttocks (electrical contact area) of the reaction gas flow path by screen printing, and a film growth suppression layer is formed with a thickness of about 10 μm. did.

実施例2は次のように用意した。セパレータ素材として、A5052、Ti(JIS 11種)を用い、特開2006−210320号公報に開示された方法により、Ti(JIS 11種)が被覆金属層となる0.3mm厚さの板材を作製し、電気的接点領域となる部分にPtを導電材としフェノール樹脂をバインダとする導電性塗料をスクリーン印刷法で塗布し、皮膜成長抑制層を約10μm厚さで形成した。その後、プレス加工を施して図2のような反応ガス流路を形成した。このとき、反応ガス流路の畝部の肩部分に被覆金属層を貫通するクラック(基材露出部)が形成された。   Example 2 was prepared as follows. Using A5052, Ti (JIS 11 types) as a separator material, a 0.3 mm-thick plate material in which Ti (JIS 11 types) becomes a coated metal layer is produced by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-210320. Then, a conductive paint containing Pt as a conductive material and phenol resin as a binder was applied to a portion to be an electrical contact region by a screen printing method to form a film growth suppression layer with a thickness of about 10 μm. Thereafter, press working was performed to form a reaction gas channel as shown in FIG. At this time, a crack (substrate exposed portion) penetrating the coating metal layer was formed in the shoulder portion of the collar portion of the reaction gas channel.

実施例3は次のように用意した。セパレータ素材として、A3003、Ti(JIS 61種)を用い、特開2006−210320号公報に開示された方法により、Ti(JIS 61種)が被覆金属層となる0.3mm厚さの板材を作製し、プレス加工を施して図2のような反応ガス流路を形成した。次に、反応ガス流路の溝部の一部分に研削加工を施しアルミニウム合金基材を露出させた。その後、カーボンブラックを導電材としポリフッ化ビニリデン(PVDF)をバインダとする導電性塗料を、スクリーン印刷法で反応ガス流路の畝部(電気的接点領域)に塗布し、皮膜成長抑制層を約10μm厚さで形成した。   Example 3 was prepared as follows. Using A3003 and Ti (JIS 61 type) as the separator material, a 0.3 mm-thick plate material in which Ti (JIS 61 type) becomes a coated metal layer is produced by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-210320. Then, the reaction gas flow path as shown in FIG. 2 was formed by pressing. Next, a part of the groove portion of the reaction gas flow path was ground to expose the aluminum alloy base material. After that, a conductive paint containing carbon black as the conductive material and polyvinylidene fluoride (PVDF) as the binder is applied to the buttocks (electrical contact area) of the reaction gas flow path by screen printing, and the film growth suppression layer is applied approximately. It was formed with a thickness of 10 μm.

比較例1は次のように用意した。板厚0.3mmのSUS304にプレス加工を施して図2のような反応ガス流路を形成した後、SUS304の両面に厚さ約0.06μmのAuめっきを施して被覆金属層を形成した。   Comparative Example 1 was prepared as follows. A SUS304 having a thickness of 0.3 mm was pressed to form a reaction gas flow path as shown in FIG. 2, and then Au plating with a thickness of about 0.06 μm was applied to both surfaces of the SUS304 to form a coated metal layer.

比較例2は次のように用意した。板厚0.3mmのA1050にプレス加工を施して図2のような反応ガス流路を形成した後、A1050の全面に厚さ約20μmのアルマイト皮膜を形成した。その後、反応ガス流路の畝部(電気的接点領域)のアルマイト皮膜を除去した後、電気的接点領域に厚さ約20μmのAuめっきを施して皮膜成長抑制層を形成した。また、比較例3として、黒鉛製セパレータも用意した。   Comparative Example 2 was prepared as follows. After pressing A1050 having a plate thickness of 0.3 mm to form a reaction gas flow path as shown in FIG. 2, an alumite film having a thickness of about 20 μm was formed on the entire surface of A1050. Then, after removing the alumite film on the collar part (electrical contact region) of the reaction gas flow channel, Au plating having a thickness of about 20 μm was applied to the electrical contact region to form a film growth suppression layer. As Comparative Example 3, a graphite separator was also prepared.

〔発電試験〕
上記実施例1〜3および比較例1〜3のセパレータを用いて、図1に示すような燃料電池スタックを作製し、1000hの発電試験を行った。また、発電試験中に採取した発電に伴う排水中のフッ化物イオン濃度を測定した。フッ化物イオン濃度の測定は、イオンクロマトグラフを用いて行った(株式会社東レリサーチセンターにて)。
[Power generation test]
Using the separators of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, fuel cell stacks as shown in FIG. 1 were produced, and a power generation test for 1000 hours was performed. Moreover, the fluoride ion concentration in the waste water accompanying the power generation collected during the power generation test was measured. The fluoride ion concentration was measured using an ion chromatograph (at Toray Research Center, Inc.).

なお、MEAは、溶液(シグマアルドリッジジャパン社製、Nafion5%溶液)に分散させた(燃料極および空気極)触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10V50E)を電解質膜(デュポン社製、Nafion 112)に塗布、ホットプレスで接合させる方法により作製した。このとき、電極触媒の白金量がアノード側及びカソード側でそれぞれ0.4mg/cmとなるように塗布厚みを調整した。ガス拡散層にはカーボンペーパ(東レ株式会社、品番:TGP-H-060)を用いた。また、発電試験の条件は、燃料(水素ガス)利用率を70%、酸化剤(空気中の酸素ガス)の利用率を40%、アノード加湿器温度を70℃、カソード加湿器温度を70℃、セル温度を70℃とし、定電流密度通電(電流密度=0.25A/cm)とした。 In addition, MEA is an electrolyte membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112) (fuel electrode and air electrode) catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10V50E) dispersed in a solution (Sigma Aldridge Japan, Nafion 5% solution). It was produced by a method of applying to and bonding by hot pressing. At this time, the coating thickness was adjusted so that the platinum amount of the electrode catalyst was 0.4 mg / cm 2 on the anode side and the cathode side, respectively. Carbon paper (Toray Industries Inc., product number: TGP-H-060) was used for the gas diffusion layer. The conditions of the power generation test are as follows: the fuel (hydrogen gas) utilization rate is 70%, the oxidant (oxygen gas in the air) utilization rate is 40%, the anode humidifier temperature is 70 ° C, and the cathode humidifier temperature is 70 ° C. The cell temperature was set to 70 ° C., and constant current density was applied (current density = 0.25 A / cm 2 ).

実施例1〜3のセパレータを用いた場合、発電に伴う排水中のフッ化物イオン濃度は、いずれも0.02ppm以下であった。これに対し、比較例1〜3のセパレータを用いた場合のそれは、それぞれ約4.8、約0.3、約0.4ppmであった。この結果から、電解質膜に対面する面の少なくとも一部にアルミニウムの金属成分が露出していることにより、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度を大幅に低減することが確認された。   When the separators of Examples 1 to 3 were used, the fluoride ion concentration in the wastewater accompanying power generation was 0.02 ppm or less. On the other hand, when the separators of Comparative Examples 1 to 3 were used, they were about 4.8, about 0.3, and about 0.4 ppm, respectively. From this result, it was confirmed that the concentration of fluoride ions mixed in the waste water accompanying power generation is significantly reduced by exposing the metal component of aluminum to at least a part of the surface facing the electrolyte membrane.

1000hの発電試験後、各燃料電池スタックの電気抵抗を測定し、発電試験前のそれと比較したところ、実施例1〜3と比較例2〜3はほとんど変化が無かった。これに対し、比較例1の場合は、電気抵抗が約3倍に増大していた。また、反応ガス排出側の配管(銅管)内面を観察したところ、実施例1〜3においてほとんど変化が無かったのに対し、比較例1〜3においては、発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオンに起因すると思われる茶褐色の腐食生成物が観察された。これらの結果は、本発明の金属製セパレータが黒鉛製セパレータと同等の耐久性を有すると同時に、該セパレータを用いた燃料電池におけるシステム全体の実用的な耐久性が向上することを強く示唆している。   When the electric resistance of each fuel cell stack was measured after the power generation test for 1000 h and compared with that before the power generation test, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 to 3 showed almost no change. On the other hand, in the case of the comparative example 1, the electrical resistance increased about 3 times. In addition, when the inner surface of the reaction gas discharge side pipe (copper pipe) was observed, there was almost no change in Examples 1 to 3, whereas in Comparative Examples 1 to 3, the foot was mixed into the wastewater accompanying power generation. A brown-colored corrosion product that was attributed to fluoride ions was observed. These results strongly suggest that the metal separator of the present invention has the same durability as the graphite separator, and at the same time, the practical durability of the entire system in a fuel cell using the separator is improved. Yes.

さらに、1000hの発電試験後、実施例1〜3の燃料電池スタックを分解し、セパレータ表面を観察したところ、露出させたアルミニウムまたはアルミニウム合金が十分残存していることが確認された。これは、発電時間に対して十分な厚さを有していたことを示している。   Further, after the power generation test of 1000 h, the fuel cell stacks of Examples 1 to 3 were disassembled and the separator surface was observed, and it was confirmed that the exposed aluminum or aluminum alloy remained sufficiently. This indicates that the power generation time has a sufficient thickness.

以上示したように、セパレータ1の構成として、電解質膜に対面する面の一部にアルミニウムの金属成分を露出させれば同様な効果が期待されるため、必ずしも上述した実施例に限定されることはなく、セパレータ1の電解質膜に対面する面の一部に所定の厚さ以上の厚さを有するアルミニウムの金属成分を実質的に露出する部位を設ければよい。これによって腐食性の強いフッ化物イオンが低減され、金属製セパレータおよび燃料電池の寿命を延ばす効果が得られる。この他、別の手段として、MEA5にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を添加するか、フッ化物イオンとの親和性が強いアルミニウム化合物を添加しても同様の効果が期待できる。   As described above, the structure of the separator 1 is not necessarily limited to the above-described embodiment because a similar effect can be expected if a metal component of aluminum is exposed on a part of the surface facing the electrolyte membrane. Rather, a portion that substantially exposes the metal component of aluminum having a thickness equal to or greater than a predetermined thickness may be provided on a part of the surface of the separator 1 facing the electrolyte membrane. As a result, highly corrosive fluoride ions are reduced, and the effects of extending the life of the metal separator and the fuel cell can be obtained. In addition, as another means, the same effect can be expected by adding aluminum or an aluminum alloy to the MEA 5 or adding an aluminum compound having a strong affinity for fluoride ions.

固体高分子電解質形燃料電池の燃料電池スタックにおける、基本的な構成の1例を示す模式的な展開斜視図である。It is a typical expansion perspective view showing one example of basic composition in a fuel cell stack of a solid polymer electrolyte fuel cell. セパレータユニット1’の構成の1例を示す模式的な展開斜視図である。It is a typical expansion perspective view showing an example of composition of separator unit 1 '. PEFCにおける発電に伴う排水中に混入するフッ化物イオン濃度の測定結果である。It is a measurement result of the fluoride ion concentration mixed in the waste water accompanying the power generation in PEFC. 耐食性金属の表面にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を被覆した金属製セパレータの断面模式図である(図2のA−A部分の一部断面図)。It is a cross-sectional schematic diagram of the metal separator which coat | covered the surface of the corrosion-resistant metal with aluminum or aluminum alloy (partial sectional drawing of the AA part of FIG. 2). 第2の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the separator for fuel cells which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…セパレータ、1’…セパレータユニット、101…マニホールド(セパレータ)、104…畝部、105…溝部、106…反応ガス流路、110…基板金属、111…被覆金属層、112…皮膜成長抑制層、2…セパレータ、210…基板金属、211…被覆金属層、213…基材露出部、4…ガスケット、401…マニホールド(ガスケット)、5…MEA、6…冷却部、7…ガス拡散層、8…集電板、9…絶縁板、10…エンドプレート。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Separator, 1 '... Separator unit, 101 ... Manifold (separator), 104 ... Gutter part, 105 ... Groove part, 106 ... Reaction gas flow path, 110 ... Substrate metal, 111 ... Coated metal layer, 112 ... Film growth suppression layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Separator 210 ... Substrate metal, 211 ... Coated metal layer, 213 ... Base material exposed part, 4 ... Gasket, 401 ... Manifold (gasket), 5 ... MEA, 6 ... Cooling part, 7 ... Gas diffusion layer, 8 ... current collector plate, 9 ... insulating plate, 10 ... end plate.

Claims (4)

固体高分子電解質を用いた燃料電池における金属製セパレータにおいて、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる基材の前記電解質に対面する面に、チタンあるいはチタン合金からなる被覆金属層で被覆されている領域と前記基材が露出しており前記セパレータを貫通しない基材露出部が形成されており、かつ前記セパレータの電気的接点領域に不動態皮膜の成長を抑える皮膜成長抑制層が前記基材露出部を塞がないように形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 In a metal separator in a fuel cell using a solid polymer electrolyte, a surface of a base material made of aluminum or an aluminum alloy that is coated with a coating metal layer made of titanium or a titanium alloy on a surface facing the electrolyte and the base A base material exposed portion that is exposed and does not penetrate the separator is formed, and a film growth suppression layer that suppresses the growth of a passive film in the electrical contact region of the separator blocks the base material exposed portion. It is formed so that there may be no fuel cell separator. 請求項に記載の燃料電池用セパレータであって、前記基材露出部が前記被覆金属層の一部を除去して形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 2. The fuel cell separator according to claim 1 , wherein the base material exposed portion is formed by removing a part of the coated metal layer. 請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータであって、前記皮膜成長抑制層が貴金属および/または炭素を導電材とする導電性塗料からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 3. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the film growth suppression layer is made of a conductive paint using a noble metal and / or carbon as a conductive material. 4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池。 A fuel cell using the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3 .
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