JP5082275B2 - Separator for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a separator for a fuel cell, and in particular, a separator used for each unit cell of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected, and a method for producing such a separator. About.

燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の5種類に分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCとも言う)も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を2種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとも言う)が注目されている。
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. It is classified by type, use, etc. Recently, solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, solid polymer electrolyte fuel cells, and alkaline aqueous fuel cells are mainly used depending on the type of electrolyte used. Generally, it is classified into five types.
These fuel cells use hydrogen gas generated from methane or the like as a fuel. Recently, a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known. Yes.
In such a fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell having a structure in which a solid polymer membrane is sandwiched between two types of catalyst and these members are sandwiched between a gas diffusion layer (GDL) and a separator. (Hereinafter also referred to as PEFC) is attracting attention.

このPEFCにおいては、固体高分子電解質膜の両側に、空気極(酸素極)、燃料極(水素極)を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造がとられている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着塗膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている(特許文献1、2、3)。
特開2004−31166号公報 特開2003−249240号公報 特開2004−197225号公報
In this PEFC, a unit structure in which an air electrode (oxygen electrode) and a fuel electrode (hydrogen electrode) are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is stacked in order to obtain a desired electromotive force, Alternatively, a structure in which a plurality of planes are connected in series is employed. For example, in the case of the above-described stack structure, the separator disposed between the unit cells is formed with a fuel gas supply groove for supplying fuel gas to the adjacent unit cell on its side. An oxidant gas supply groove for supplying oxidant gas to the other adjacent unit cell is formed on the other surface.
As such a separator, a metal separator is preferable from the viewpoint of cost and strength, but there is a problem in corrosion resistance. For this reason, metal separators that have been provided with corrosion resistance by forming a conductive electrodeposition coating have been developed (Patent Documents 1, 2, and 3).
JP 2004-31166 A JP 2003-249240 A JP 2004-197225 A

しかしながら、上述のような電着塗膜を金属基材上に直接形成した金属セパレータでは、金属基材として、不動態膜あるいは酸化膜を生じ易い基材を使用した場合、不動態膜や酸化膜を除去する工程中、若しくは、除去後の洗浄、搬送中に不動態膜や酸化膜が再生され、金属基材と電着塗膜との接続抵抗が大きいものになるという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供することを目的とする。
However, in the case of the metal separator in which the electrodeposition coating film as described above is directly formed on the metal substrate, the passive film or oxide film is used as the metal substrate when a passive film or a substrate that easily generates an oxide film is used. There is a problem that the passive film and the oxide film are regenerated during the step of removing or during the cleaning and transportation after the removal, and the connection resistance between the metal substrate and the electrodeposition coating film is increased.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a separator for a fuel cell that is excellent in strength and corrosion resistance and has low connection resistance, and a method for manufacturing the same.

このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、金属基体と、中間層を介して前記金属基体を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層とを備え、前記金属基体は銅または銅合金からなり、前記中間層は前記金属基体側からニッケルが積層された2層構造であり、前記樹脂層は導電材料を含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、複数の貫通孔を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも1種であるような構成とした。
In order to achieve such an object, the separator of the present invention includes a metal base and a conductive resin layer formed by electrodeposition so as to cover the metal base via an intermediate layer, and the metal The substrate is made of copper or a copper alloy, the intermediate layer has a two-layer structure in which nickel and gold are laminated from the metal substrate side , and the resin layer contains a conductive material.
As another aspect of the present invention, the metal substrate is configured to have a groove on at least one surface.
As another aspect of the present invention, the metal substrate is configured to have a plurality of through holes.
As another aspect of the present invention, the conductive material is configured to be at least one of carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals.

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、銅または銅合金からなる金属基体に、ニッケルの順に積層して中間層を形成し、その後、前記中間層上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、金属基体から不動態膜あるいは酸化膜を除去した後、直ちに前記中間層を形成するような構成とした。
The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention comprises forming an intermediate layer by laminating nickel and gold in this order on a metal substrate made of copper or a copper alloy , and then forming an electrodeposition resin on the intermediate layer. A resin layer was formed by electrodeposition using an electrodeposition liquid in which a conductive material was dispersed.
As another aspect of the present invention, the intermediate layer is formed immediately after the passivation film or oxide film is removed from the metal substrate.

本発明のセパレータは、金属基体と導電性の樹脂層との間に、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも1種からなる中間層が介在するので、金属基体と樹脂層との接続抵抗が小さく、燃料電池の発電能力向上が可能であるとともに、高い強度と優れた耐食性を具備する。
また、本発明のセパレータの製造方法では、導電性の樹脂層を電着により形成する前に、金属基体上に中間層を形成するので、不動態膜あるいは酸化膜を生じ易い金属基体を使用しても、不動態膜あるいは酸化膜の形成、再生が中間層によって阻止され、金属基体と樹脂層との接続抵抗が小さいものとなる。
The separator of the present invention has at least one of nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, ruthenium, rubidium, zinc, lead, tin, or an alloy of these metals between the metal substrate and the conductive resin layer. Since the seed intermediate layer is interposed, the connection resistance between the metal substrate and the resin layer is small, the power generation capability of the fuel cell can be improved, and high strength and excellent corrosion resistance are provided.
Further, in the separator manufacturing method of the present invention, an intermediate layer is formed on the metal substrate before the conductive resin layer is formed by electrodeposition. Therefore, a metal substrate that easily generates a passive film or an oxide film is used. However, the formation and regeneration of the passive film or oxide film is blocked by the intermediate layer, and the connection resistance between the metal substrate and the resin layer becomes small.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[セパレータ]
図1は本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。図1において、本発明のセパレータ1は、金属基体2と、この金属基体2の両面に形成された溝部3と、金属基体2の両面を被覆するように中間層4を介して電着により形成された樹脂層5とを備えており、樹脂層5は導電材料を含有するものである。
また、図2は本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。図2において、本発明のセパレータ11は、金属基体12と、この金属基体12に形成された複数の貫通孔13と、これらの貫通孔13の内壁面を含む金属基体12の両面を被覆するように中間層14を介して電着により形成された樹脂層15とを備え、樹脂層15は導電材料を含有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Separator]
FIG. 1 is a partial sectional view showing an embodiment of a separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 1, a separator 1 of the present invention is formed by electrodeposition through a metal substrate 2, grooves 3 formed on both surfaces of the metal substrate 2, and an intermediate layer 4 so as to cover both surfaces of the metal substrate 2. The resin layer 5 contains a conductive material.
FIG. 2 is a partial sectional view showing another embodiment of the separator for a fuel cell of the present invention. In FIG. 2, the separator 11 of the present invention covers both surfaces of a metal substrate 12, a plurality of through holes 13 formed in the metal substrate 12, and the metal substrate 12 including the inner wall surfaces of these through holes 13. And the resin layer 15 formed by electrodeposition through the intermediate layer 14, and the resin layer 15 contains a conductive material.

セパレータ1,11を構成する金属基体2,12の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、ステンレス、鉄、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等が挙げられる。
金属基体2が有する溝部3は、セパレータ1が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部3の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基体2の一方の面のみに溝部3を備えるものであってもよい。このような溝部3の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基体2の表裏で、溝部3の形状が異なるものであってもよい。
The material of the metal bases 2 and 12 constituting the separators 1 and 11 is preferably a material having good electrical conductivity, desired strength, and good workability. For example, stainless steel, iron, iron-nickel alloy, aluminum, aluminum An alloy, copper, a copper alloy, titanium, a titanium alloy, magnesium, a magnesium alloy, etc. are mentioned.
When the separator 1 is incorporated in a fuel cell, one of the groove portions 3 of the metal substrate 2 serves as a fuel gas supply groove portion for supplying fuel gas to an adjacent unit cell, and the other is adjacent to another adjacent groove. This is an oxidant gas supply groove for supplying an oxidant gas to the unit cell. Further, one of the groove portions 3 may be either a fuel gas supply groove portion or an oxidant gas supply groove portion, and the other may be a cooling water groove. Further, the groove 3 may be provided only on one surface of the metal base 2. The shape of the groove 3 is not particularly limited, and may be a meandering continuous shape, a comb shape, or the like, and the depth, width, and cross-sectional shape are not particularly limited. Further, the shape of the groove 3 may be different between the front and back of the metal base 2.

また、金属基体12が有する貫通孔13は、セパレータ11が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔13の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
セパレータ1,11を構成する中間層4,14は、金属基体2,12に不動態膜あるいは酸化膜が生じることを防止する作用と、金属基体2,12と樹脂層5,15との接続抵抗を低減する作用をなすものである。このような中間層4,14の材質は、例えば、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいは、錫ニッケル合金のような上記金属の合金を挙げることができ、これらの1種を単独で使用してもよく、また、2種以上の材料を任意に組み合わせて、例えば、ニッケル/金等のような積層構造としてもよい。中間層4,14の厚みは、例えば、0.003〜5μm程度の範囲で適宜設定することができる。中間層4,14の厚みが0.003μm未満であると、上記のような作用が十分に発現されず、また、厚みが5μmを超えると、貴金属の使用によるコストアップ要因となったり、生産のサイクルタイムが長くなり好ましくない。
Further, the through hole 13 provided in the metal base 12 serves as a flow path for supplying fuel gas or oxidant gas to the unit cell when the separator 11 is incorporated into the fuel cell. There is no restriction | limiting in particular in the magnitude | size, the number of such a through-hole 13, and arrangement | positioning density.
The intermediate layers 4 and 14 constituting the separators 1 and 11 have an effect of preventing the formation of a passive film or an oxide film on the metal bases 2 and 12, and the connection resistance between the metal bases 2 and 12 and the resin layers 5 and 15. The effect | action which reduces is made. Examples of the material of the intermediate layers 4 and 14 include nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, ruthenium, rubidium, zinc, lead, tin, and alloys of the above metals such as tin-nickel alloys. One of these may be used alone, or two or more materials may be arbitrarily combined to form a laminated structure such as nickel / gold. The thickness of the intermediate layers 4 and 14 can be appropriately set within a range of, for example, about 0.003 to 5 μm. If the thickness of the intermediate layers 4 and 14 is less than 0.003 μm, the above-described effects are not sufficiently exhibited, and if the thickness exceeds 5 μm, it may cause a cost increase due to the use of noble metals, The cycle time becomes long, which is not preferable.

セパレータ1,11を構成する樹脂層5,15は、導電性を有するとともに、金属基体2,12に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層5,15は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
The resin layers 5 and 15 constituting the separators 1 and 11 are conductive and provide corrosion resistance to the metal bases 2 and 12. The resin layers 5 and 15 are formed by electrodeposition using an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in various anionic or cationic synthetic polymer resins having electrodeposition properties, and then cured. Can be formed.
Examples of the anionic synthetic polymer resin include acrylic resin, polyester resin, maleated oil resin, polybutadiene resin, epoxy resin, polyamide resin, polyimide resin, etc., and these can be used alone or as a mixture of any combination. Can be used. Moreover, you may use together said crosslinking | crosslinked resin, such as anionic synthetic polymer resin and a melamine resin, a phenol resin, and a urethane resin. On the other hand, examples of the cationic synthetic polymer resin include acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, polybutadiene resin, polyamide resin, polyimide resin, and the like. These can be used alone or as a mixture of any combination. Can do. Moreover, you may use together said cationic synthetic polymer resin and crosslinkable resin, such as a polyester resin and a urethane resin.

また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
Further, in order to impart tackiness to the above-described synthetic polymer resin having electrodeposition properties, a tackifier resin such as rosin, terpene, and petroleum resin may be added as necessary.
Such an electrodepositable synthetic polymer resin is subjected to electrodeposition in a state where it is neutralized with an alkaline or acidic substance and solubilized in water, or in an aqueous dispersion state. That is, the anionic synthetic polymer resin is neutralized with amines such as trimethylamine, diethylamine, dimethylethanolamine and diisopropanolamine, and inorganic alkalis such as ammonia and caustic potash. The cationic synthetic polymer resin is neutralized with an acid such as formic acid, acetic acid, propionic acid, or lactic acid. The neutralized water-soluble polymer resin is used in a state of being diluted in water as a water-dispersed type or a dissolved type.

電着により形成された樹脂層5,15の厚みは、0.1〜100μm、好ましくは3〜30μmの範囲とすることができる。樹脂層5,15の厚みが0.1μm未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、100μmを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
樹脂層5,15に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層5,15に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の樹脂層5,15における含有量は、樹脂層5,15に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、30〜90重量%の範囲で設定することができる。
The thickness of the resin layers 5 and 15 formed by electrodeposition can be in the range of 0.1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm. If the thickness of the resin layers 5 and 15 is less than 0.1 μm, good corrosion resistance may not be ensured due to the occurrence of pinholes, etc. If the thickness exceeds 100 μm, the occurrence of cracks after drying and solidification and production This is not preferable because of problems such as deterioration in performance and high cost.
Examples of the conductive material contained in the resin layers 5 and 15 include carbon materials such as carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals. If it is obtained, it is not limited to these conductive materials. In particular, fine fibrous carbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns are suitable for imparting conductivity to the resin layers 5 and 15. The content of the conductive material in the resin layers 5 and 15 can be set as appropriate according to the conductivity required for the resin layers 5 and 15, for example, in the range of 30 to 90% by weight. Can do.

尚、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、ナノテクノロジーの素材として、複合材料、電子デバイス等の種々の分野に適用が期待されているものであり、これらをフィラーとして複合材料に用いた場合には、これらが有する物性を複合材料に付与することができる。例えば、カーボンナノチューブは、導電性、耐酸性、加工性、機械的強度等の面で優れており、フィラーとして複合材料に用いられた場合には、このようなカーボンナノチューブの優れた物性を複合材料に付与することができる。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
Fine fibrous carbon materials such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns are expected to be applied to various fields such as composite materials and electronic devices as nanotechnology materials. When used as a composite material, the physical properties of these can be imparted to the composite material. For example, carbon nanotubes are excellent in terms of electrical conductivity, acid resistance, workability, mechanical strength, etc. When used as a filler in a composite material, the carbon nanotube has excellent physical properties. Can be granted.
The above-described embodiments of the separator of the present invention are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.

[セパレータの製造方法]
次に、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法について説明する。
図3は、図1に示されるセパレータ1を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。図3において、金属板材2′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト7,7を形成し(図3(A))、このレジスト7,7をマスクとして両面から金属板材2′をエッチングして溝部3,3を形成する(図3(B))。その後、レジスト7,7を剥離して金属基体2を得る(図3(C))。
次に、この金属基体2の両面に中間層4を形成する(図3(D))。この中間層4の形成は、金属基体2が不動態膜あるいは酸化膜を表面に有する場合には、これらの薄膜を除去した後に行う。中間層4の形成は、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により行うことができる。このように形成された中間層4は、金属基体2に不動態膜あるいは酸化膜が再生されることを有効に防止するので、不動態膜あるいは酸化膜を生じ易い金属板材2′を使用しても、本発明のセパレータ1の製造が容易である。
[Manufacturing method of separator]
Next, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention is demonstrated.
FIG. 3 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the present invention using the separator 1 shown in FIG. 1 as an example. In FIG. 3, resists 7 and 7 are formed in a desired pattern by photolithography on both sides of the metal plate 2 '(FIG. 3A), and the metal plate 2' is etched from both sides using the resists 7 and 7 as a mask. Thus, the groove portions 3 and 3 are formed (FIG. 3B). Thereafter, the resists 7 and 7 are removed to obtain the metal substrate 2 (FIG. 3C).
Next, the intermediate layer 4 is formed on both surfaces of the metal substrate 2 (FIG. 3D). When the metal substrate 2 has a passive film or an oxide film on the surface, the intermediate layer 4 is formed after removing these thin films. The intermediate layer 4 can be formed by a vacuum film formation method such as sputtering, vacuum deposition, or ion plating, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like. The intermediate layer 4 formed in this way effectively prevents the passive film or oxide film from being regenerated on the metal substrate 2, and therefore uses a metal plate 2 ′ that is liable to generate a passive film or oxide film. In addition, the separator 1 of the present invention is easy to manufacture.

次いで、中間層4上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層5を形成する(図3(E))。このように形成された樹脂層5は、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。これにより、本発明のセパレータ1が得られる。
図4は、図2に示されるセパレータ11を例として本発明のセパレータの製造方法を説明するための工程図である。図4において、金属板材12′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト17,17を形成する(図4(A))。このレジスト17,17は複数の開口部を有し、各開口部は金属板材12′を介して対向するように位置している。次いで、レジスト17,17をマスクとして両面から金属板材12′をエッチングして複数の貫通孔13を穿設する(図4(B))。その後、レジスト17,17を剥離して金属基体12を得る(図4(C))。
貫通孔13の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
Next, a film is formed on the intermediate layer 4 by electrodeposition using an electrodeposition solution in which a conductive material is dispersed in various anionic or cationic synthetic polymer resins having electrodeposition properties, and then cured. Thus, the resin layer 5 is formed (FIG. 3E). The resin layer 5 formed in this way has good conductivity and high corrosion resistance. Thereby, the separator 1 of this invention is obtained.
FIG. 4 is a process diagram for explaining the separator manufacturing method of the present invention, taking the separator 11 shown in FIG. 2 as an example. In FIG. 4, resists 17 and 17 are formed in a desired pattern on both surfaces of the metal plate 12 'by photolithography (FIG. 4A). The resists 17 and 17 have a plurality of openings, and the openings are positioned so as to face each other through the metal plate 12 '. Next, using the resists 17 and 17 as a mask, the metal plate 12 'is etched from both sides to form a plurality of through holes 13 (FIG. 4B). Thereafter, the resists 17 and 17 are peeled off to obtain the metal substrate 12 (FIG. 4C).
The through-hole 13 can be formed by a sandblasting method, a laser processing method, a drilling method, or the like in addition to the above-described etching method.

次に、貫通孔13の内壁面を含む金属基体12に中間層14を形成する(図4(D))。この中間層14の形成は、金属基体2が不動態膜あるいは酸化膜を表面に有する場合には、これらの薄膜を除去した後に行う。中間層14の形成は、上述の中間層4の形成と同様に行うことができる。
次いで、中間層14上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層15を形成する(図4(E))。これにより、セパレータ11が得られる。
上述のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
Next, the intermediate layer 14 is formed on the metal substrate 12 including the inner wall surface of the through hole 13 (FIG. 4D). When the metal substrate 2 has a passive film or an oxide film on the surface, the intermediate layer 14 is formed after removing these thin films. The formation of the intermediate layer 14 can be performed in the same manner as the formation of the intermediate layer 4 described above.
Next, a film is formed on the intermediate layer 14 by electrodeposition using an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in various anionic or cationic synthetic polymer resins having electrodeposition properties, and then cured. Thus, the resin layer 15 is formed (FIG. 4E). Thereby, the separator 11 is obtained.
The embodiments of the separator manufacturing method described above are examples, and the present invention is not limited to these embodiments.

[本発明のセパレータを用いた燃料電池の例]
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図5〜図8を参照して説明する。図5は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図6は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図であり、図7および図8は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図5〜図8において、高分子電解質型燃料電池21は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)31とセパレータ41とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
MEA31は、図6に示されるように、高分子電解質膜32の一方の面に配設された触媒層33とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)34とからなる燃料極(水素極)35と、高分子電解質膜32の他方の面に配設された触媒層36とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)37とからなる空気極(酸素極)38を備えている。
[Example of fuel cell using separator of the present invention]
Here, an example of a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a partial configuration diagram for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 6 is a diagram for explaining the membrane electrode assembly constituting the polymer electrolyte fuel cell. FIG. 8 is a perspective view showing the state in which the separator of the polymer electrolyte fuel cell and the membrane electrode assembly are separated from different directions.
5 to 8, the polymer electrolyte fuel cell 21 has a stack structure in which a plurality of unit cells each including a membrane-electrode assembly (MEA) 31 and a separator 41 are stacked. .
As shown in FIG. 6, the MEA 31 includes a fuel electrode (hydrogen electrode) 35 including a catalyst layer 33 and a gas diffusion layer (GDL) 34 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 32. And an air electrode (oxygen electrode) 38 composed of a catalyst layer 36 and a gas diffusion layer (GDL) 37 disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 32.

セパレータ41は、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Aと、一方の面に燃料ガス供給用溝部43aを備え、他方の面に冷却水用溝部44bを備えたセパレータ41Bと、一方の面に冷却水用溝部43bを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部44aを備えたセパレータ41Cとからなっている。このようなセパレータ41A,41B,41Cは、本発明のセパレータであり、その両面に、図1に示されるような中間層4と樹脂層5が形成されているが、図示例では、省略している。   The separator 41 has a fuel gas supply groove 43a on one surface, a separator 41A having an oxidant gas supply groove 44a on the other surface, a fuel gas supply groove 43a on one surface, and the other surface. The separator 41B has a cooling water groove 44b on the surface, and the separator 41C has a cooling water groove 43b on one surface and an oxidant gas supply groove 44a on the other surface. Such separators 41A, 41B, and 41C are separators of the present invention, and an intermediate layer 4 and a resin layer 5 as shown in FIG. 1 are formed on both sides thereof. Yes.

各セパレータ41A,41B,41Cと上記の高分子電解質膜32の所定位置には、2個の燃料ガス供給孔45a,45b、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46b、2個の冷却水供給孔47a,47bが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ41Aの酸化剤ガス供給用溝部44aが形成されている面に、MEA31の空気極(酸素極)38が当接し、セパレータ41Bの燃料ガス供給用溝部43aが形成されている面に、MEA31の燃料極(水素極)35が当接するように、また、セパレータ41Bの冷却水用溝部44bが形成された面とセパレータ41Cの冷却水用溝部43bが形成された面とが当接するように、各セパレータ41A,41B,41Cと単位セルであるMEA31が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池21が構成されている。このように積層された状態で、上記の2個の燃料ガス供給孔45a,45bはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、2個の酸化剤ガス供給孔46a,46bはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、2個の冷却水供給孔47a,47bはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。   Two fuel gas supply holes 45a and 45b, two oxidant gas supply holes 46a and 46b, and two cooling water supplies are provided at predetermined positions of the separators 41A, 41B and 41C and the polymer electrolyte membrane 32. Holes 47a and 47b are formed as through holes. Then, the air electrode (oxygen electrode) 38 of the MEA 31 is in contact with the surface of the separator 41A where the oxidizing gas supply groove 44a is formed, and the surface of the separator 41B where the fuel gas supply groove 43a is formed, The fuel electrode (hydrogen electrode) 35 of the MEA 31 abuts, and the surface of the separator 41B on which the cooling water groove 44b is formed and the surface of the separator 41C on which the cooling water groove 43b is formed abut. The separators 41A, 41B, and 41C and the MEA 31 that is a unit cell are stacked, and the polymer electrolyte fuel cell 21 is configured by repeating this process. In the stacked state, the two fuel gas supply holes 45a and 45b form fuel gas supply passages penetrating in the stacking direction, and the two oxidant gas supply holes 46a and 46b are respectively formed. An oxidant gas supply path that penetrates the laminating method is formed, and the two cooling water supply holes 47a and 47b each form a cooling water supply path that penetrates in the laminating direction.

また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図9〜図11を参照して説明する。図9は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図10は図9に示される高分子電解質型燃料電池のA−A線での縦断面図であり、図11は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
図9および図10に示されるように、高分子電解質型燃料電池51は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)61とセパレータ71A,71Bとからなる単位セル52を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分(図9では4個分)の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル52の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部55を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部55のくり抜き部に単位セル52を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル52と絶縁部55とを平面状に設けているものである。
Another example of the polymer electrolyte fuel cell using the separator of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 is a plan view for explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 10 is a longitudinal sectional view taken along line AA of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. FIG. 2 is a view for explaining a membrane electrode assembly constituting a polymer electrolyte fuel cell.
As shown in FIGS. 9 and 10, the polymer electrolyte fuel cell 51 includes a plurality of unit cells 52 each including a membrane electrode assembly (MEA) 61 and separators 71A and 71B in a planar shape. This is a polymer electrolyte fuel cell that is arranged and electrically connected in series to extract voltages corresponding to the number of unit cells (four in FIG. 9). Further, around each unit cell 52, an insulating portion 55 having substantially the same thickness as this is provided, and the whole is flat. That is, the unit cell 52 and the insulating part 55 are provided in a planar shape by fitting the unit cell 52 into the cut-out part of the flat insulating part 55.

この高分子電解質型燃料電池51は、絶縁部55のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部57cを設けている。そして、この表裏接続部57cを、接続配線57aを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ71A(例えば、燃料極側セパレータ)に接続し、また、接続配線57bを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ71B(例えば、空気極側セパレータ)に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Aと、他方の端部に位置する単位セル52のセパレータ71Bには、配線75,76が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を4個としているが、単位セルの個数には制限はない。
The polymer electrolyte fuel cell 51 is provided with a front and back connection part 57c for penetrating through the insulating part 55 located between adjacent unit cells of the insulating part 55 and connecting the front and back thereof. Then, the front / back connection portion 57c is connected to the separator 71A (for example, the fuel electrode side separator) of one adjacent unit cell via the connection wiring 57a, and the other adjacent one is connected via the connection wiring 57b. The unit cell is connected to a separator 71B (for example, an air electrode side separator). Thereby, adjacent unit cells are electrically connected in series. Wirings 75 and 76 are connected to the separator 71A of the unit cell 52 located at one end connected in series and the separator 71B of the unit cell 52 located at the other end.
In the illustrated example, the number of unit cells is four, but the number of unit cells is not limited.

絶縁部55は、接続部57(接続配線57a,57bおよび表裏接続部57c)で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部55の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部55は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部57の表裏接続部57cとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部55中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部57cは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
The insulating part 55 insulates adjacent unit cells from each other except that they are connected by connection parts 57 (connection wirings 57a and 57b and front and back connection parts 57c). The material of the insulating part 55 is not particularly limited as long as it is excellent in terms of processability and durability. For example, glass epoxy, polyimide resin, or the like is used. The insulating portion 55 may be made of only an insulating material or may include a part of a conductive material.
As the front and back connection part 57c of the connection part 57, either a through-hole connection part or a filling via connection part or a bump connection part is provided in the insulating part 55 located between adjacent unit cells. it can. These front and back connection portions 57c can be formed as an application of conventional wiring board technology.

また、MEA61は、図11に示されるように、高分子電解質膜62の一方の面に配設された触媒層63とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)64とからなる燃料極(水素極)65と、高分子電解質膜62の他方の面に配設された触媒層66とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)67とからなる空気極(酸素極)68を備えている。
セパレータ71A,71Bは、図2に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基体に中間層を介して導電性の樹脂層を有するものである。
In addition, as shown in FIG. 11, the MEA 61 includes a fuel electrode (hydrogen electrode) composed of a catalyst layer 63 and a gas diffusion layer (GDL) 64 disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane 62. ) 65, and an air electrode (oxygen electrode) 68 including a catalyst layer 66 and a gas diffusion layer (GDL) 67 disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 62.
The separators 71A and 71B are separators according to the present invention as shown in FIG. 2, and have a conductive resin layer on a metal substrate having a plurality of through holes with an intermediate layer interposed therebetween.

次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
参考例1]
金属板材として、厚み0.8mmのSUS304(80mm×80mm)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このSUS304の両面に、感光材料(カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物)をディップコート法により塗布して厚み7μmの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により60秒間照射)、現像(40℃温水をスプレー)してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してステンレス板の両面から70℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、80℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基体を得た。
Next, the present invention will be described in more detail by showing specific examples.
[ Reference Example 1]
As the metal plate material, SUS304 (80 mm × 80 mm) having a thickness of 0.8 mm was prepared, and the surface was degreased.
Next, a photosensitive material (a mixture of casein and ammonium dichromate) is applied to both surfaces of this SUS304 by a dip coating method to form a 7 μm-thick coating film, which is exposed through a photomask for groove formation ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 60 seconds) and developing (spraying with hot water at 40 ° C.).
Next, a ferric chloride aqueous solution heated to 70 ° C. was sprayed from both surfaces of the stainless steel plate through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with an aqueous caustic soda solution at 80 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering with a deflection width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.

次に、金属基体に対して、40℃の塩酸水溶液(水9部に35%塩酸1部を添加)を用いて前処理(不動態膜除去)を施し水洗した。
その後、下記の電解めっき条件でニッケルからなる中間層(厚み1μm)を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
(電解めっき条件)
・使用浴 : 塩化ニッケルめっき浴
・pH : 1.3
・電流密度 : 6A/dm2
・液温 : 23℃
Next, the metal substrate was subjected to pretreatment (passive film removal) using a hydrochloric acid aqueous solution at 40 ° C. (added 1 part of 35% hydrochloric acid to 9 parts of water) and washed with water.
Thereafter, an intermediate layer (thickness 1 μm) made of nickel was formed on the metal substrate including the groove under the following electrolytic plating conditions.
(Electrolytic plating conditions)
-Bath used: Nickel chloride plating bath-pH: 1.3
・ Current density: 6A / dm 2
・ Liquid temperature: 23 ℃

次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック(Cabot(株)製 Vulcan XC−72)を樹脂固形分に対して75重量%添加し分散させて、電着液とした。この電着液を20℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間40mm、電圧50Vで1分間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥(150℃、3分間)し、さらに、窒素雰囲気中で180℃、1時間の加熱硬化処理を施した。これにより、中間層上に厚み15μmの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。   Subsequently, carbon black (Vulcan XC-72 manufactured by Cabot Co., Ltd.) as a conductive material was added to and dispersed in the epoxy electrodeposition liquid by 75% by weight with respect to the resin solid content to obtain an electrodeposition liquid. The electrodeposition liquid was stirred at 20 ° C., and the metal substrate was immersed in the electrodeposition solution, electrodeposition was performed at a gap of 40 mm and a voltage of 50 V for 1 minute, and the pulled metal substrate was washed with pure water. Then, it dried with hot air (150 degreeC, 3 minutes) with the dryer, and also heat-hardened at 180 degreeC for 1 hour in nitrogen atmosphere. Thereby, a resin layer having a thickness of 15 μm was formed on the intermediate layer, and a separator was obtained.

尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル(エポキシ当量910)1000重量部を撹拌下に70℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル463重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン80.3重量部を加えて100℃で2時間反応させてアミンエポキシ付加物(A)を調製した。
また、コロネートL(日本ポリウレタン(株)製 ジイソシアネート:NCO13%の不揮発分75重量%)875重量部にジブチル錫ラウレート0.05重量部を加え50℃に加熱し、これに2−エチルヘキサノール390重量部を添加し、その後、120℃で90分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル130重量部で希釈した成分(B)を得た。
The epoxy electrodeposition solution used was prepared as follows.
First, 1000 parts by weight of diglycidyl ether of bisphenol A (epoxy equivalent 910) was dissolved in 463 parts by weight of ethylene glycol monoethyl ether while maintaining the temperature at 70 ° C. with stirring, and further 80.3 parts by weight of diethylamine was added to 100 parts. An amine epoxy adduct (A) was prepared by reacting at 2 ° C. for 2 hours.
Coronate L (manufactured by Nippon Polyurethane Co., Ltd. diisocyanate: NCO 13% non-volatile content 75% by weight) 875 parts by weight dibutyltin laurate 0.05 parts by weight and heated to 50 ° C. After that, the mixture was reacted at 120 ° C. for 90 minutes. A component (B) obtained by diluting the obtained reaction product with 130 parts by weight of ethylene glycol monoethyl ether was obtained.

次に、上記のアミンエポキシ付加物(A)1000重量部と成分(B)400重量部からなる混合物を、氷酢酸30重量部で中和した後、脱イオン水570重量部を用いて希釈し、不揮発分50重量%の樹脂Aを調製した。この樹脂A200.2重量部(樹脂成分86.3容量)、脱イオン水583.3重量部、およびジブチル錫ラウレート2.4重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。   Next, the mixture consisting of 1000 parts by weight of the above-described amine epoxy adduct (A) and 400 parts by weight of component (B) is neutralized with 30 parts by weight of glacial acetic acid, and then diluted with 570 parts by weight of deionized water. A resin A having a nonvolatile content of 50% by weight was prepared. An epoxy electrodeposition solution was prepared by blending 200.2 parts by weight of this resin A (resin component 86.3 volumes), 583.3 parts by weight of deionized water, and 2.4 parts by weight of dibutyltin laurate.

作製した上記のセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定した結果、6.8mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
(電気抵抗の測定方法)
セパレータをガス拡散層(東レ(株)製 TGP−H−060 190μm厚)
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ5mmの電極
で挟み込んで圧着(圧力:20kgf/cm2)し、電極間の抵抗を測定する。
As a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction in the manufactured separator by the following method, it was 6.8 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.
(Measurement method of electrical resistance)
Separator gas diffusion layer (TGP-H-060 190μm thickness manufactured by Toray Industries, Inc.)
Between the two electrodes, and further sandwiched between 5 mm thick copper-plated copper electrodes (pressure: 20 kgf / cm 2 ) to measure the resistance between the electrodes.

参考例2]
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmのアルミニウム合金(A5052P)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト(ニチゴー・モートン(株)製)をラミネートして35μm厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により15秒間照射)、現像(30℃の2%炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー)してレジストを形成した。
[ Reference Example 2]
An aluminum alloy (A5052P) having a size of 80 mm × 80 mm and a thickness of 0.8 mm was prepared as a metal plate material, and the surface was degreased.
Next, a dry film resist (manufactured by Nichigo Morton Co., Ltd.) is laminated on both surfaces of the aluminum alloy to form a 35 μm-thick photosensitive resist layer, and then exposed through a photomask for forming a groove ( A resist was formed by irradiating with a 5 kW mercury lamp for 15 seconds) and developing (spraying a 2% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 30 ° C.).

次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から45℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、50℃の5%炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基体を得た。
次に、上記の金属基体に対して、硝酸水溶液を用いて前処理(不動態膜除去)を施し、水洗した。
次に、上記の金属基体に対して、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層(厚み0.05μm)を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
(亜鉛置換処理の条件)
・使用浴 : ジンケート浴(メルテックス(株)製 アルモンEN)
・液温 : 30℃
・処理時間 : 20秒
Next, a ferric chloride aqueous solution heated to 45 ° C. was sprayed from both sides of the aluminum alloy through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with a 5% aqueous sodium hydrogen carbonate solution at 50 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering with a deflection width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.
Next, pretreatment (passivation film removal) was performed on the metal substrate using an aqueous nitric acid solution, followed by washing with water.
Next, a zinc alloy treatment (thickness 0.05 μm) was formed on the metal substrate including the groove portion by subjecting the metal substrate to a zinc substitution treatment under the following conditions.
(Conditions for zinc replacement treatment)
・ Use bath: Zincate bath (Mertex Co., Ltd. ALMON EN)
・ Liquid temperature: 30 ℃
・ Processing time: 20 seconds

次いで、亜鉛合金層上に、下記の電解めっき条件で銅めっき層(厚み1μm)、金めっき層(厚み0.05μm)を順次積層して、亜鉛/銅/金の3層構造からなる中間層(厚み1.1μm)を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
(銅電解めっき条件)
・使用浴 : シアン化銅浴
・pH : 10.5
・電流密度 : 2A/dm2
・液温 : 40℃
(金電解めっき条件)
・使用浴 : アルカリ性高純度金めっき浴
・pH : 12
・電流密度 : 0.4A/dm2
・液温 : 60℃
Next, a copper plating layer (thickness 1 μm) and a gold plating layer (thickness 0.05 μm) are sequentially laminated on the zinc alloy layer under the following electrolytic plating conditions, and an intermediate layer having a zinc / copper / gold three-layer structure. (Thickness 1.1 μm) was formed on the metal substrate including the groove.
(Copper electroplating conditions)
-Bath used: Copper cyanide bath-pH: 10.5
・ Current density: 2A / dm 2
・ Liquid temperature: 40 ℃
(Gold electroplating conditions)
-Bath used: alkaline high-purity gold plating bath-pH: 12
・ Current density: 0.4 A / dm 2
・ Liquid temperature: 60 ℃

次いで、参考例1と同様にして、中間層上に厚み15μmの樹脂層を形成した。これにより、本発明のセパレータが得られた。
このように作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、3.6mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
Next, in the same manner as in Reference Example 1, a resin layer having a thickness of 15 μm was formed on the intermediate layer. Thereby, the separator of the present invention was obtained.
As a result of measuring the electrical resistance of conduction between the front and back sides of the separator thus produced by the same method as in Reference Example 1, it was 3.6 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.

実施例
金属板材として、80mm×80mm、厚み0.8mmの銅合金(銅−錫−銅系合金)を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、この銅合金の両面に、感光材料(カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物)をディップコート法により塗布して厚み20μmの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光(5kW水銀灯により60秒間照射)、現像(40℃温水をスプレー)してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介して銅合金の両面から70℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、80℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が1mm、深さが0.3mmのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅50mm、ピッチ2mmで蛇行した長さ1300mmの溝部を備えた金属基体を得た。
[ Example ]
A copper alloy (copper-tin-copper alloy) having a size of 80 mm × 80 mm and a thickness of 0.8 mm was prepared as a metal plate, and the surface was degreased.
Next, a photosensitive material (a mixture of casein and ammonium dichromate) is applied to both surfaces of the copper alloy by a dip coating method to form a coating film having a thickness of 20 μm and exposed through a photomask for forming a groove. (Irradiated with a 5 kW mercury lamp for 60 seconds) and developed (sprayed with 40 ° C. hot water) to form a resist.
Next, a ferric chloride aqueous solution heated to 70 ° C. was sprayed from both sides of the copper alloy through the resist, and half-etched to a predetermined depth. Thereafter, the resist was peeled off with an aqueous caustic soda solution at 80 ° C. and subjected to a cleaning treatment. As a result, a metal substrate having a substantially semicircular cross section having a width of 1 mm and a depth of 0.3 mm, and a groove portion having a length of 1300 mm meandering with a deflection width of 50 mm and a pitch of 2 mm was obtained.

次に、金属基体に対して、50℃の硫酸(硫酸1部に水5部を添加)を用いて前処理(不動態膜除去)を施し水洗した。
その後、下記の電解めっき条件でニッケルめっき層(厚み1.1μm)、金めっき層(厚み0.05μm)を順次積層して、ニッケル/金の2層構造からなる中間層(厚み約1.1μm)を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
(ニッケル電解めっき条件)
・使用浴 : 塩化ニッケルめっき浴
・pH : 1.3
・電流密度 : 6A/dm2
・液温 : 23℃
(金電解めっき条件)
・使用浴 : アルカリ性高純度金めっき浴
・pH : 12
・電流密度 : 0.4A/dm2
・液温 : 60℃
Next, the metal substrate was subjected to pretreatment (passivation film removal) using 50 ° C. sulfuric acid (adding 5 parts of water to 1 part of sulfuric acid) and washing with water.
Thereafter, a nickel plating layer (thickness: 1.1 μm) and a gold plating layer (thickness: 0.05 μm) are sequentially laminated under the following electrolytic plating conditions, and an intermediate layer (thickness of about 1.1 μm) having a two-layer structure of nickel / gold. ) Was formed on the metal substrate including the groove.
(Nickel electrolytic plating conditions)
-Bath used: Nickel chloride plating bath-pH: 1.3
・ Current density: 6A / dm 2
・ Liquid temperature: 23 ℃
(Gold electroplating conditions)
-Bath used: alkaline high-purity gold plating bath-pH: 12
・ Current density: 0.4 A / dm 2
・ Liquid temperature: 60 ℃

次いで、参考例1と同様にして、中間層上に厚み15μmの樹脂層を形成した。これにより、本発明のセパレータが得られた。
このように作製されたセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、3.3mΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
Next, in the same manner as in Reference Example 1, a resin layer having a thickness of 15 μm was formed on the intermediate layer. Thereby, the separator of the present invention was obtained.
About the separator produced in this way, as a result of measuring the electrical resistance of front and back conduction by the same method as in Reference Example 1, it was 3.3 mΩ, and it was confirmed that the electrical resistance was low.

[比較例]
中間層形成を行わない他は、参考例1と同様にして、セパレータを作製した。
このセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を参考例1と同様の方法で測定した結果、8.7mΩであり、実施例のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
[Comparative example]
A separator was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the intermediate layer was not formed.
As a result of measuring the electrical resistance of the front and back conduction in this separator by the same method as in Reference Example 1, it was 8.7 mΩ, which was larger than that of the separator of the example .

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。   The present invention can be applied to the manufacture of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane are connected.

本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing one embodiment of a separator for fuel cells of the present invention. 本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows other embodiment of the separator for fuel cells of this invention. 本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the separator of this invention. 本発明のセパレータの製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating other embodiment of the manufacturing method of the separator of this invention. 本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の一例を説明するための部分構成図である。It is a partial block diagram for demonstrating an example of the polymer electrolyte fuel cell using the separator of this invention. 図5に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly which comprises the polymer electrolyte fuel cell shown by FIG. 図5に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a state where the separator and the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 5 are separated from each other. 図5に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を図7とは異なった方向から示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a state in which the separator and the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 5 are separated from a direction different from FIG. 7. 本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の他の例を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the other example of the polymer electrolyte fuel cell using the separator of this invention. 図9に示される高分子電解質型燃料電池のA−A線での縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view in the AA line of the polymer electrolyte fuel cell shown by FIG. 図9に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly which comprises the polymer electrolyte fuel cell shown by FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…セパレータ
2…金属基体
3…溝部
4…中間層
5…樹脂層
11…セパレータ
12…金属基体
13…貫通孔
14…中間層
15…樹脂層
21,51…高分子電解質型燃料電池
31,61…膜電極複合体(MEA)
41A,41B,41C,71A,71B…セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Separator 2 ... Metal base | substrate 3 ... Groove part 4 ... Intermediate | middle layer 5 ... Resin layer 11 ... Separator 12 ... Metal base | substrate 13 ... Through-hole 14 ... Intermediate | middle layer 15 ... Resin layer 21,51 ... Polymer electrolyte fuel cell 31,61 ... Membrane electrode assembly (MEA)
41A, 41B, 41C, 71A, 71B ... separator

Claims (6)

金属基体と、中間層を介して前記金属基体を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層とを備え、前記金属基体は銅または銅合金からなり、前記中間層は前記金属基体側からニッケルが積層された2層構造であり、前記樹脂層は導電材料を含有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。 A metal base and a conductive resin layer formed by electrodeposition so as to cover the metal base via an intermediate layer, the metal base is made of copper or a copper alloy, and the intermediate layer is the metal base A separator for a fuel cell having a two-layer structure in which nickel and gold are laminated from the side , and the resin layer contains a conductive material. 前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用のセパレータ。   The separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the metal substrate has a groove on at least one surface. 前記金属基体は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用のセパレータ。   The separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the metal substrate has a plurality of through holes. 前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。 The separator for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein the conductive material is at least one of carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and corrosion-resistant metals. 銅または銅合金からなる金属基体に、ニッケルの順に積層して中間層を形成し、その後、前記中間層上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 An intermediate layer is formed by laminating nickel and gold in this order on a metal substrate made of copper or a copper alloy , and then an electrodeposition liquid in which a conductive material is dispersed in a resin having electrodeposition properties on the intermediate layer. A method for producing a fuel cell separator, wherein the resin layer is formed by electrodeposition. 金属基体から不動態膜あるいは酸化膜を除去した後、直ちに前記中間層を形成することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 6. The method for producing a fuel cell separator according to claim 5 , wherein the intermediate layer is formed immediately after removing the passive film or oxide film from the metal substrate.
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