JP5143842B2 - Fuel cell separator material and fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、表面にAu又はAu合金(Auを含む層)が形成された燃料電池用セパレータ材料、及び燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator material having a surface on which Au or an Au alloy (a layer containing Au) is formed, and a fuel cell stack.

固体高分子型の燃料電池用セパレータとして、従来はカーボン板にガス流通路を形成したものが使用されていたが、材料コストや加工コストが大きいという問題がある。一方、カーボン板の代わりに金属板を用いる場合、高温で酸化性の雰囲気に曝されるために腐食や溶出が問題となる。このようなことから、Ti板表面にAu,Ru、Rh、Pd、Os、Ir及びPt等から選ばれる貴金属とAuとの合金をスパッタ成膜して導電部分を形成する技術が知られている(特許文献1)。さらに、特許文献1には、Ti表面に上記貴金属の酸化物を成膜することが記載されている。
一方、Ti基材の酸化被膜の上に、Ti,Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等からなる中間層を介してAu膜を形成する燃料電池用セパレータが知られている(特許文献2)。この中間層は、基材酸化膜との密着性、すなわちO(酸素原子)との結合性が良いとともに、金属または半金属のためにAu膜との密着性、結合性が良いとされている。
Conventionally, a solid polymer type fuel cell separator in which a gas flow passage is formed on a carbon plate has been used, but there is a problem that material costs and processing costs are high. On the other hand, when a metal plate is used instead of the carbon plate, corrosion and elution become a problem because it is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature. For this reason, a technique for forming a conductive portion by sputtering a noble metal selected from Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and the like and an alloy of Au on the surface of the Ti plate is known. (Patent Document 1). Further, Patent Document 1 describes that the oxide of the noble metal is formed on the Ti surface.
On the other hand, a fuel cell separator is known in which an Au film is formed on an oxide film of a Ti base material through an intermediate layer made of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, or the like. (Patent Document 2). This intermediate layer has good adhesion to the base oxide film, that is, good bonding with O (oxygen atom), and good adhesion and bonding to the Au film because of the metal or metalloid. .

又、固体高分子型燃料電池において、アノードに供給する燃料ガスとして、水素に比べてエネルギー密度が高く、取扱いが容易なメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC(direct methanol fuel cell))も開発されている。DMFCは、メタノールから直接エネルギー(電気)を取り出すことができるため、改質器などが不要で燃料電池の小型化に対応でき、携帯機器の電源としても有望視されている。
DMFCの構造としては、以下の2つが提案されている。まず第1の構造は、単セル(固体高分子型電解質膜を燃料極と酸素極で挟み込んだ膜電極接合体(以下、MEAという)を積層した積層型(アクティブ型)構造である。第2の構造は、単セルを平面方向に複数個配置した平面型(パッシブ型)構造である。これらの構造は、いずれも単セルを複数個直列に繋いだもの(以下、スタックという)であるが、このうち、パッシブ型構造は、燃料ガス(燃料液体)や空気などをセル内に供給するための能動的な燃料移送手段を必要としないため、更なる燃料電池の小型化が有望視されている(特許文献3)。
また固体高分子型燃料電池やダイレクトメタノール燃料電池以外に、電解質としてイオン導電性セラミックスを用いた固体電解質燃料電池(SOFC)、電解質成分の1つとしてリン酸を用いたりん酸燃料電池(PAFC)、及び電解質成分の1つとして溶融炭酸塩を用いた溶融炭酸塩燃料電池(MCFC)が開発されている。
In addition, in a polymer electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell (DMFC (direct methanol fuel cell)) that uses methanol, which is higher in energy density than hydrogen and easy to handle, as a fuel gas supplied to the anode is also available. Has been developed. Since DMFC can directly extract energy (electricity) from methanol, a reformer or the like is not necessary, and it can cope with downsizing of the fuel cell, and is also promising as a power source for portable devices.
The following two structures have been proposed as DMFC structures. First, the first structure is a single cell (stacked (active) structure in which a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode) is stacked. This structure is a planar type (passive type) structure in which a plurality of single cells are arranged in the plane direction, each of which is a structure in which a plurality of single cells are connected in series (hereinafter referred to as a stack). Of these, the passive type structure does not require an active fuel transfer means for supplying fuel gas (fuel liquid), air, or the like into the cell, and therefore further reduction in size of the fuel cell is considered promising. (Patent Document 3).
Besides solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells, solid electrolyte fuel cells (SOFC) using ionic conductive ceramics as electrolytes, and phosphoric acid fuel cells (PAFC) using phosphoric acid as one of the electrolyte components In addition, a molten carbonate fuel cell (MCFC) using molten carbonate as one of electrolyte components has been developed.

ところで、燃料電池用セパレータは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されている。このセパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される場合がある。
そして、DMFC用集電体に要求される条件は、水素ガスを用いる固体高分子型燃料電池用セパレータと比較して多い。すなわち、通常の固体高分子型燃料電池用セパレータに要求される硫酸水溶液への耐食性に加え、燃料であるメタノール水溶液への耐食性、及び蟻酸水溶液への耐食性が必要である。蟻酸は、アノード触媒上でメタノールから水素イオンが生成する際に発生する副生成物である。
このようにDMFC作動環境下では、従来の固体高分子型燃料電池用セパレータに用いる材料をそのまま適用できるとは限らない。
またSOFC、PAFC及びMCFC用セパレータ材料も、電気導電性や耐食性を有する材料でなければならない。
By the way, the separator for a fuel cell has electrical conductivity, electrically connects each unit cell, collects energy (electricity) generated in each unit cell, and supplies fuel gas ( A flow path for fuel liquid) and air (oxygen) is formed. This separator may also be called an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
The conditions required for the DMFC current collector are more than those for the polymer electrolyte fuel cell separator using hydrogen gas. That is, in addition to the corrosion resistance to a sulfuric acid aqueous solution required for a normal polymer electrolyte fuel cell separator, the corrosion resistance to a methanol aqueous solution and the corrosion resistance to a formic acid aqueous solution are required. Formic acid is a by-product generated when hydrogen ions are produced from methanol on the anode catalyst.
Thus, under the DMFC operating environment, the material used for the conventional polymer electrolyte fuel cell separator is not always applicable.
The separator material for SOFC, PAFC and MCFC must also be a material having electrical conductivity and corrosion resistance.

特開2001−297777号公報JP 2001-297777 A 特開2004−185998号公報JP 2004-185998 A 特開2005−243401号公報JP-A-2005-243401

しかしながら、上記した特許文献1記載の技術の場合、密着性の良いAu合金膜を得るためには、チタン基材表面の酸化皮膜を取り除く処理が必要であり、酸化被膜の除去が不充分な場合は貴金属膜の密着性が低下するという問題がある。
又、特許文献2記載のチタン材を腐食性環境で使用すると、導電性薄膜の厚みが数10nm以下の場合、中間層を構成する(半)金属が腐食性環境下で耐食性がないために腐食または溶出し、接触抵抗が高くなる場合がある。一方、従来から湿式の金めっきが知られているが、この場合、金めっきの電着形状が粒状であり、金めっきの付着量が少ないと、チタン基材表面の一部に非めっき部分となる部分が生じる。そのため、チタン基材表面全体を均一に金めっきするためには、Auの付着量を多くする必要がある。
特許文献3記載の技術の場合、銅板の両面にステンレスをクラッド加工した基材に、樹脂を被覆したものであり、耐食性が優れているとはいえない。
However, in the case of the technique described in Patent Document 1 described above, in order to obtain an Au alloy film having good adhesion, it is necessary to remove the oxide film on the surface of the titanium base material, and the oxide film is not sufficiently removed. Has a problem that the adhesion of the noble metal film is lowered.
In addition, when the titanium material described in Patent Document 2 is used in a corrosive environment, if the thickness of the conductive thin film is several tens of nanometers or less, the (semi) metal constituting the intermediate layer is corroded because it does not have corrosion resistance in the corrosive environment. Or it may elute and contact resistance may become high. On the other hand, wet gold plating has been conventionally known. In this case, if the electrodeposition shape of the gold plating is granular and the amount of gold plating is small, a portion of the titanium substrate surface has a non-plated portion. The part which becomes becomes. Therefore, in order to uniformly plate the entire surface of the titanium base material with gold, it is necessary to increase the adhesion amount of Au.
In the case of the technique described in Patent Document 3, a base material obtained by clad stainless steel on both surfaces of a copper plate is coated with a resin, and it cannot be said that the corrosion resistance is excellent.

すなわち、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、チタン基材表面にAuを含む高耐食性の導電性膜を高い密着性で成膜することができる燃料電池用セパレータ材料、及び燃料電池スタックの提供を目的とする。
なお本発明において、燃料電池とは、固体高分子型燃料電池(PEFC)、ダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)、固体電解質燃料電池(SOFC)、リン酸燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩燃料電池(MCFC)のいずれか1つをいう。
That is, the present invention has been made to solve the above-described problems, and a fuel cell separator material capable of forming a highly corrosion-resistant conductive film containing Au on the surface of a titanium substrate with high adhesion. And to provide a fuel cell stack.
In the present invention, the fuel cell refers to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a solid electrolyte fuel cell (SOFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell ( MCFC).

本発明者らは種々検討した結果、Ti基材の表面にTi、O及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にAu合金層又はAu単独層を形成させることで、Au(合金)層をTi上に強固かつ均一に形成可能であり、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できることを見出した。
上記の目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材の表面に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上のAuより易酸化性の貴金属からなる第1成分とAuとの合金層、又はAu単独層が形成され、前記合金層又は前記Au単独層と前記Ti基材との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層が存在し、前記合金において、最表面から下層に向かって厚み1nm以上でAu50質量%以上の領域を有するか、又は前記Au単独層において、最表面から下層に向かう厚みが1nm以上である
As a result of various studies, the inventors have formed an intermediate layer containing Ti, O and a predetermined noble metal on the surface of the Ti base material, and formed an Au alloy layer or an Au single layer on the intermediate layer. It has been found that an Au (alloy) layer can be formed firmly and uniformly on Ti, and the corrosion resistance required for a fuel cell separator can be secured.
In order to achieve the above object, the separator material for a fuel cell of the present invention has at least one or more kinds of Au selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt on the surface of a Ti base material. An alloy layer of Au and a first component made of a more easily oxidizable noble metal or an Au single layer is formed, and Ti, O, and the first layer are formed between the alloy layer or the Au single layer and the Ti base material. An intermediate layer containing one component and less than 20% by mass of Au is present, and the alloy layer has a region of 1 nm or more in thickness and 50% by mass or more of Au from the outermost surface to the lower layer, The thickness from the surface toward the lower layer is 1 nm or more .

前記中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20質量%以上含まれる1nm以上の層として存在することが好ましい。
前記合金層中のAuの割合が下層側から上層側に向かって増加することが好ましい。前記合金層の表面にAu単独層が形成されていると、厳しい腐食環境下で燃料電池セパレータが使用されても良好な耐食性を示す。
前記Ti基材の表面に形成される層が前記合金層である場合、前記合金層は、Auに代えて、前記貴金属のうち前記第1成分と異なる元素からなる第2成分とAuとを含むAu合金からなっていてもよい。
The intermediate layer preferably exists as a layer of 1 nm or more in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is 20% by mass or more.
It is preferable that the proportion of Au in the alloy layer increases from the lower layer side toward the upper layer side. When an Au single layer is formed on the surface of the alloy layer, good corrosion resistance is exhibited even when a fuel cell separator is used in a severe corrosive environment.
When the layer formed on the surface of the Ti base material is the alloy layer, the alloy layer includes, in place of Au, a second component made of an element different from the first component in the noble metal and Au. It may be made of an Au alloy.

前記Ti基材は、Tiと異なる基材表面に厚み10nm以上のTi被膜を形成してなるものであってもよい。
本発明の燃料電池用セパレータ材料は、固体高分子形燃料電池又はダイレクトメタノール燃料電池に好適に用いられる。
The Ti base material may be formed by forming a Ti film having a thickness of 10 nm or more on the surface of a base material different from Ti.
The separator material for a fuel cell of the present invention is suitably used for a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell.

本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池用セパレータ材料を用いたものである。   The fuel cell stack of the present invention uses the fuel cell separator material.

本発明によれば、Ti基材の表面にTi、O、及び所定の貴金属とを含む中間層を形成させ、中間層の上にAu合金層又はAu単独層を形成させることで、Au層又はAuを含む層をTi上に強固かつ均一に形成させることができ、燃料電池用セパレータに要求される耐食性も確保できる。   According to the present invention, by forming an intermediate layer containing Ti, O, and a predetermined noble metal on the surface of the Ti base material, and forming an Au alloy layer or an Au single layer on the intermediate layer, an Au layer or The layer containing Au can be formed firmly and uniformly on Ti, and the corrosion resistance required for the fuel cell separator can be ensured.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。なお、本発明において%とは、特に断らない限り、質量%(質量%)を示すものとする。
又、本発明において「燃料電池用セパレータ」とは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されたものをいう。セパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される場合がある。
従って、詳しくは後述するが、燃料電池用セパレータとして、板状の基材表面に凹凸状の流路を設けたセパレータの他、上記したパッシブ型DMFC用セパレータのように板状の基材表面にガスやメタノールの流路孔が開口したセパレータを含む。
Hereinafter, a fuel cell separator material according to an embodiment of the present invention will be described. In the present invention,% means mass% (mass%) unless otherwise specified.
In the present invention, the “fuel cell separator” has electrical conductivity, electrically connects each single cell, collects energy (electricity) generated in each single cell, and collects each single cell. A fuel gas (fuel liquid) or air (oxygen) flow path is formed. The separator may be referred to as an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
Therefore, as will be described in detail later, as a separator for a fuel cell, in addition to a separator having an uneven flow path on a plate-like substrate surface, a plate-like substrate surface such as the above-described passive DMFC separator is used. It includes a separator with gas and methanol passage holes.

<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図1に示すように、第1の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材2の表面に中間層2aが形成され、中間層2aの上に合金層6が形成されてなる。
<First Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell separator material according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell separator material according to the first embodiment has an intermediate layer 2a formed on the surface of a Ti base 2 and an alloy layer 6 formed on the intermediate layer 2a.

<Ti基材>
燃料電池用セパレータ材料としては、耐食性が要求され、導電性膜となる合金層(Au単独層)には耐食性と導電性が求められる。このため、基材には耐食性が求められるためチタン材を用いる。
Ti基材は無垢のチタン材であってもよいが、Tiと異なる基材表面に厚み10nm以上のTi被膜を形成したものであってもよい。Tiと異なる基材としてはステンレス鋼やアルミニウムが挙げられ、これらの表面にTiを被覆することにより、チタンと比べて耐食性の低いステンレス鋼やアルミノウムの耐食性を向上させることができる。但し、耐食性向上効果はTiを10nm以上被覆しないと得られない。
Ti基材2の材質はチタンであれば特に制限されない。又、Ti基材2の形状も特に制限されず、第1成分及び金をスパッタできる形状であればよいが、セパレータ形状にプレス成形することを考えると、Ti基材の形状は板材であることが好ましく、Ti基材全体の厚みが10μm以上の板材であることが好ましい。
中間層2aに含まれるO(酸素)は、Ti基材2を空気中に放置することにより自然に形成されるが、酸化雰囲気で積極的にOを形成してもよい。
<Ti substrate>
The fuel cell separator material is required to have corrosion resistance, and the alloy layer (Au single layer) serving as the conductive film is required to have corrosion resistance and conductivity. For this reason, since a corrosion resistance is calculated | required for a base material, a titanium material is used.
The Ti substrate may be a solid titanium material, or may be a Ti substrate having a thickness of 10 nm or more formed on the surface of a substrate different from Ti. Examples of the base material different from Ti include stainless steel and aluminum. By covering these surfaces with Ti, the corrosion resistance of stainless steel and aluminum having lower corrosion resistance than titanium can be improved. However, the corrosion resistance improving effect cannot be obtained unless Ti is covered by 10 nm or more.
The material of the Ti base material 2 is not particularly limited as long as it is titanium. Further, the shape of the Ti base material 2 is not particularly limited as long as it is a shape capable of sputtering the first component and gold, but considering the press forming into the separator shape, the shape of the Ti base material is a plate material. It is preferable that the thickness of the entire Ti base material is 10 μm or more.
O (oxygen) contained in the intermediate layer 2a is naturally formed by leaving the Ti base 2 in the air, but O may be positively formed in an oxidizing atmosphere.

<合金層>
Ti基材2上に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上のAuより易酸化性の貴金属からなる第1成分とAuとの合金層6が形成される。このAu合金層は、Ti基材にAuの特性(耐食性、導電性、装飾性等)を付与するためのものである。上記貴金属は、電位-pH図からAuより易酸化性であり、この特性を利用し、上記第1成分を以下の中間層の構成元素として用いる。第1成分は単一の元素から成っていてもよく、複数の元素から成っていてもよいが、コストが低く酸化物を形成し易いPdが好ましい。
合金層は、後述するSTEM分析により確認することができ、STEM分析により最表面から下層に向かってAu50質量%以上で厚み1nm以上有する部分であって、以下の中間層より上層に位置する部分を合金層とする。合金層の厚みは1〜100nmであることが好ましい。合金層の厚みが1nm未満であると、Ti基材上に燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。合金層の厚みが100nmを超えると省金化が図られずコストアップとなる場合がある。
又、合金層において、最表面から下層に向かう厚み1nm以上の領域のAu濃度が50質量%未満であると、燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。
<Alloy layer>
An alloy layer 6 of Au and a first component made of a noble metal that is more oxidizable than at least one kind of Au selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt is formed on the Ti substrate 2. It is formed. This Au alloy layer is for imparting Au characteristics (corrosion resistance, conductivity, decorativeness, etc.) to the Ti base material. From the potential-pH diagram, the noble metal is more oxidizable than Au, and using this property, the first component is used as a constituent element of the following intermediate layer. The first component may be composed of a single element or may be composed of a plurality of elements, but Pd is preferable because it is low in cost and easily forms an oxide.
The alloy layer can be confirmed by STEM analysis, which will be described later, and is a portion having a thickness of 1 nm or more at 50% by mass or more of Au from the outermost surface to the lower layer by STEM analysis, and a portion located above the following intermediate layer. Alloy layer. The thickness of the alloy layer is preferably 1 to 100 nm. If the thickness of the alloy layer is less than 1 nm, the corrosion resistance required for the fuel cell separator cannot be secured on the Ti base material. If the thickness of the alloy layer exceeds 100 nm, it may not be possible to save money and the cost may increase.
Further, in the alloy layer, if the Au concentration in the region of 1 nm or more in thickness from the outermost surface to the lower layer is less than 50% by mass, the corrosion resistance required for the fuel cell separator cannot be secured.

なお、合金層6の代わりにAu単独層が形成されていてもよい。Au単独層は、STEM分析によりAuの濃度がほぼ100%wtの部分であり、Au単独層の厚みが1nm以上であることが必要となる。
又、合金層6の中間層側において、主に第1成分からなる組成領域(貴金属領域)を有していてもよい。
An Au single layer may be formed instead of the alloy layer 6. The Au single layer is a portion where the concentration of Au is almost 100% by STEM analysis, and the thickness of the Au single layer is required to be 1 nm or more.
Further, the alloy layer 6 may have a composition region (precious metal region) mainly composed of the first component on the intermediate layer side.

<中間層>
合金層(又はAu単独層)6とTi基材2との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層2aが存在する。
通常、Ti基材は表面に酸化層を有しており、酸化され難いAu(含有)層をTi表面に直接形成させるのは難しい。一方、上記貴金属はAuに比べて酸化され易く、Ti基材の表面でTi酸化物中のO原子と酸化物を形成し、Ti基材表面に強固に結合するものと考えられる。
又、上記貴金属は耐食性が他の金属と比べ高い。これらの点で、Auを含んだ導電性膜(上記合金層又はAu単独層)の厚みが数10nm以下の場合には、従来、中間層に用いられてきた元素であるTi,Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等に比べ、Ti、O及び前記第1成分を含む中間層の方が耐食性が高く、金属の腐食または溶出がない中間層を形成することができる。
一方、なお中間層にはAuは含まれないほうが好ましく、Auが20 質量%以上含まれると密着性が低下する。中間層中のAu濃度を20質量%未満とするためには、Ti基材上に、第1成分単体のターゲット、又は低Au濃度の第1成分−Au合金ターゲットを用いてスパッタすることが好ましい。
<Intermediate layer>
Between the alloy layer (or Au single layer) 6 and the Ti substrate 2, there is an intermediate layer 2a containing Ti, O and the first component and having less than 20% by mass of Au.
Usually, a Ti substrate has an oxide layer on the surface, and it is difficult to directly form an Au (containing) layer that is difficult to be oxidized on the Ti surface. On the other hand, it is considered that the noble metal is more easily oxidized than Au, and forms an O atom and an oxide in the Ti oxide on the surface of the Ti base, and is firmly bonded to the surface of the Ti base.
The noble metal has higher corrosion resistance than other metals. In these respects, when the thickness of the conductive film containing Au (the alloy layer or the Au single layer) is several tens of nm or less, Ti, Zr, Hf, which are elements conventionally used for the intermediate layer, Compared to V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, etc., the intermediate layer containing Ti, O and the first component has higher corrosion resistance, and an intermediate layer free from metal corrosion or elution can be formed.
On the other hand, it is preferable that the intermediate layer does not contain Au, and if 20 mass% or more of Au is contained, the adhesion is lowered. In order to set the Au concentration in the intermediate layer to less than 20% by mass, it is preferable to perform sputtering on the Ti base material using the target of the first component alone or the first component-Au alloy target having a low Au concentration. .

前記中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20質量%以上含まれる1nm以上の層として存在することが好ましい。この場合、燃料電池用セパレータ材料の断面をSTEM(走査透過電子顕微鏡)で分析したとき、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%以上含まれる領域が厚み方向に1nm以上存在する。このような組成を有する中間層の厚みの上限は限定されないが、第1成分のコストの点から100nm以下であることが好ましい。
ここでSTEM分析は、STEM装置に付属しているEDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)分析器を用いて、分析したい部分(ライン)及び元素を指定し、各部分における指定元素の濃度をEDSにより検出するものである。指定する元素は、Au、第1成分、O、Tiであり、後述する第2成分を用いた場合は第2成分を指定に加える。
The intermediate layer preferably exists as a layer of 1 nm or more in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is 20% by mass or more. In this case, when the cross section of the fuel cell separator material is analyzed by STEM (scanning transmission electron microscope), each of Ti and O contains 10% by mass or more and the first component contains 20% by mass or more, and Au contains 20% or more. A region containing at least mass% is 1 nm or more in the thickness direction. The upper limit of the thickness of the intermediate layer having such a composition is not limited, but is preferably 100 nm or less from the viewpoint of the cost of the first component.
Here, the STEM analysis uses the EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) analyzer attached to the STEM device to specify the part (line) and element to be analyzed, and the concentration of the specified element in each part is determined by EDS. It is to detect. The elements to be specified are Au, the first component, O, and Ti. When the second component described later is used, the second component is added to the specification.

Ti、Oの下限をそれぞれ10質量%とし、前記第1成分の下限を20質量%とした理由は、前記第1成分が20 質量%未満である部分はTi基材の表面に近く、Tiが10 質量%未満である部分は合金層に近くなるためであり、又、Oが10 質量%未満である部分は第1成分とTiがO原子と充分な酸化物を形成しておらず、中間層として機能しないと考えられるからである。又、Ti、Oはそれぞれ10質量%から急激に減少するので、測定上から10質量%を下限とする。Auを20 質量%未満として理由は密着性を向上させるためである。
なお、STEM分析で厚み方向に1nmの距離とは、走査距離の実寸である。


The reason why the lower limit of Ti and O is 10% by mass and the lower limit of the first component is 20% by mass is that the portion where the first component is less than 20% by mass is close to the surface of the Ti substrate, and Ti This is because the part less than 10% by mass is close to the alloy layer, and the part where O is less than 10% by mass does not form a sufficient oxide with the first component and Ti being O atoms. It is because it is thought that it does not function as a layer. Moreover, since Ti and O each decrease rapidly from 10% by mass, 10% by mass is set as the lower limit from the measurement. The reason for making Au less than 20% by mass is to improve adhesion.
In the STEM analysis, the distance of 1 nm in the thickness direction is the actual size of the scanning distance.


合金層中のAuの割合が下層側から上層側に向かって増加する傾斜組成になっていることが好ましい。ここで、Auの割合(質量%)は、上記したSTEM分析で求めることができる。合金層又はAu単独層の厚みは、STEM分析での走査距離の実寸である。
合金層を傾斜組成とすると、合金層の下層側ではAuより易酸化性の第1成分の割合が多くなり、Ti基材表面との結合が強固になる一方、合金層の上層側ではAuの特性が強くなるので、耐食性が向上する。
It is preferable to have a gradient composition in which the proportion of Au in the alloy layer increases from the lower layer side toward the upper layer side. Here, the ratio (mass%) of Au can be obtained by the above-described STEM analysis. The thickness of the alloy layer or the Au single layer is an actual size of the scanning distance in the STEM analysis.
When the alloy layer has a gradient composition, the ratio of the first oxidizable component is higher on the lower layer side of the alloy layer than that of Au, and the bond with the Ti substrate surface becomes stronger, while the upper layer side of the alloy layer is made of Au. Since the properties become stronger, the corrosion resistance is improved.

図2は、第1の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の断面の実際のFE−TEM(電解放射型透過電子顕微鏡)像を示す。
PdとAuとからなる合金層6が均一な層(図の黒い画像部分)を形成していることがわかる。又、図2における合金層6の位置C(白抜き)における組成はEDX(エネルギー分散型蛍光X線分析)からPd:43質量%,Au:57質量%であり、合金層6の位置Dにおける組成はPd:32質量%,Au:68質量%であった。つまり、合金層のAu濃度は下層側から上層側に向かって増加したものとなった。なお、位置Aの組成はTiを示し、位置Bの組成はTi基材表面のTi酸化被膜層(EDX でTiとOを検出)を示す。但し、この酸化被膜層が第1成分(Pd)を含むか否かはEDXでは判定できない。
FIG. 2 shows an actual FE-TEM (electrolytic emission transmission electron microscope) image of a cross section of the fuel cell separator material according to the first embodiment.
It can be seen that the alloy layer 6 made of Pd and Au forms a uniform layer (black image portion in the figure). In addition, the composition at position C (outlined) of the alloy layer 6 in FIG. 2 is Pd: 43% by mass and Au: 57% by mass from EDX (energy dispersive X-ray fluorescence analysis). The composition was Pd: 32% by mass and Au: 68% by mass. That is, the Au concentration of the alloy layer increased from the lower layer side toward the upper layer side. The composition at position A indicates Ti, and the composition at position B indicates a Ti oxide film layer on the surface of the Ti substrate (detects Ti and O by EDX). However, EDX cannot determine whether this oxide film layer contains the first component (Pd).

<燃料電池用セパレータ材料の製造>
燃料電池用セパレータ材料の中間層の形成方法としては、Ti基材の表面Ti酸化膜を除去せずに、この基材に第1の成分をターゲットとしてスパッタ成膜することにより、表面Ti酸化膜中のOに第1の成分が結合し、中間層を形成することができる。又、Ti基材2の表面Ti酸化膜を除去後、第1の成分の酸化物をターゲットとしてスパッタ成膜することや、Ti基材2の表面Ti酸化膜を除去後、第1の成分をターゲットとし酸化雰囲気でスパッタ成膜することによっても中間層を形成することができる。
なお、スパッタの際、Ti基材の表面Ti酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行ってもよい。逆スパッタは、例えばRF100W程度の出力で、アルゴン圧力0.2Pa程度としてアルゴンガスを基材に照射して行うことができる。
中間層のAuは、以下の合金層を形成するためのAuスパッタにより、Au原子が中間層に入り込むことによって中間層内に含まれるようになる。又、第1成分とAuを含む合金ターゲットを用いてTi基材表面にスパッタ成膜してもよい。
<Manufacture of fuel cell separator materials>
As a method for forming an intermediate layer of a separator material for a fuel cell, a surface Ti oxide film is formed by sputtering the first component on the base material without removing the surface Ti oxide film of the Ti base material. The first component is bonded to O in the middle to form an intermediate layer. Moreover, after removing the surface Ti oxide film of the Ti base material 2, the first component may be formed by sputtering using the oxide of the first component as a target, or after removing the surface Ti oxide film of the Ti base material 2. The intermediate layer can also be formed by sputtering as a target in an oxidizing atmosphere.
During sputtering, the surface Ti oxide film on the Ti base material may be appropriately removed, and reverse sputtering (ion etching) may be performed for the purpose of cleaning the base material surface. Reverse sputtering can be performed, for example, by irradiating the substrate with argon gas at an output of about RF 100 W and an argon pressure of about 0.2 Pa.
The Au of the intermediate layer is contained in the intermediate layer by Au atoms entering the intermediate layer by Au sputtering for forming the following alloy layer. Alternatively, an alloy target including the first component and Au may be used to form a sputter film on the surface of the Ti base material.

合金層の形成方法としては、例えば上記したスパッタによりTi基材上に第1成分を成膜した後、第1成分膜の上にAuをスパッタ成膜することができる。この場合、スパッタ粒子は高エネルギーを持つため、第1成分膜のみがTi基材表面に成膜されていても、そこにAuをスパッタすることにより、第1成分膜にAuが入り込み、合金層となる。又、この場合、合金層中のAuの割合が下層側から上層側に向かって増加する傾斜組成となる。
Ti基材表面に最初に第1成分とAuのうちAu濃度が低い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜し、その後、第1成分とAuのうちAu濃度が高い合金ターゲットを用いてスパッタ成膜してもよい。
As a method for forming the alloy layer, for example, after the first component is formed on the Ti substrate by the above-described sputtering, Au can be formed by sputtering on the first component film. In this case, since the sputtered particles have high energy, even if only the first component film is formed on the surface of the Ti base material, the Au enters the first component film by sputtering Au there, and the alloy layer It becomes. Moreover, in this case, the composition becomes a gradient composition in which the proportion of Au in the alloy layer increases from the lower layer side toward the upper layer side.
First, sputtering is performed on the Ti substrate surface using an alloy target having a low Au concentration of the first component and Au, and then sputtering is performed using an alloy target having a high Au concentration of the first component and Au. May be.

<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図4に示すように、第2の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材2の表面に中間層2aを介して貴金属層4が形成され、貴金属層4の表面に合金層6が形成されている。Ti基材2及び合金層6は、第1の実施形態と同一であるので説明を省略する。
貴金属層4は上記貴金属(好ましくは中間層の第1成分と同一)から主として成り、第1成分がAuより酸化され易いため、酸化物層である中間層2aとの結合性が高く、貴金属層4がない場合に比べ、合金層6とTi基材2(中間層)との密着性が向上する。
貴金属層4は、スパッタ条件(スパッタ時間、出力)等を変えることにより、適宜形成することができる。
なお、貴金属層4中の貴金属と、合金層6中の第1成分とは同一の元素であってもよく、異なる元素であってもよいが、同一元素とすると、製造が簡易となる。
<Second Embodiment>
Next, a fuel cell separator material according to a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 4, in the fuel cell separator material according to the second embodiment, the noble metal layer 4 is formed on the surface of the Ti base 2 via the intermediate layer 2 a, and the alloy layer 6 is formed on the surface of the noble metal layer 4. Is formed. Since the Ti base material 2 and the alloy layer 6 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
The noble metal layer 4 is mainly composed of the above-mentioned noble metal (preferably the same as the first component of the intermediate layer), and since the first component is more easily oxidized than Au, the noble metal layer 4 has a high bondability with the intermediate layer 2a which is an oxide layer. Compared with the case where 4 is not provided, the adhesion between the alloy layer 6 and the Ti substrate 2 (intermediate layer) is improved.
The noble metal layer 4 can be appropriately formed by changing sputtering conditions (sputtering time, output) and the like.
The noble metal in the noble metal layer 4 and the first component in the alloy layer 6 may be the same element or different elements. However, when the same element is used, the manufacturing is simplified.

<第3の実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。図5に示すように、第3の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材2の表面に中間層2aを介して合金層6が形成され、合金層6の表面にAu単独層8が形成されている。Ti基材2及び合金層6は、第1の実施形態と同一であるので説明を省略する。
Au単独層8は、スパッタ条件(スパッタ時間、出力)等を変えることにより、適宜形成することができる。
<Third Embodiment>
Next, a fuel cell separator material according to a third embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 5, the separator material for a fuel cell according to the third embodiment has an alloy layer 6 formed on the surface of a Ti base 2 via an intermediate layer 2a, and an Au single layer on the surface of the alloy layer 6. 8 is formed. Since the Ti base material 2 and the alloy layer 6 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
The Au single layer 8 can be appropriately formed by changing sputtering conditions (sputtering time, output) and the like.

なお、第2及び第3の実施形態の層構成を組み合わせ、Ti基材2の表面に、中間層2aを介して貴金属層4、合金層6、Au単独層8をこの順に形成した層構造としてもよい。   The layer structure of the second and third embodiments is combined to form a layer structure in which the noble metal layer 4, the alloy layer 6, and the Au single layer 8 are formed in this order on the surface of the Ti base 2 via the intermediate layer 2a. Also good.

Auに代えて、前記貴金属のうち前記第1成分と異なる元素からなる第2成分とAuとのAu合金を用いてもよい。この場合、中間層はTi,O及び第1成分からなるが、合金層は第1成分、第2成分及びAuからなる。   Instead of Au, an Au alloy of Au and a second component made of an element different from the first component of the noble metal may be used. In this case, the intermediate layer is composed of Ti, O and the first component, while the alloy layer is composed of the first component, the second component and Au.

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料によれば、Au(合金)層をTi上に強固かつ均一に形成させることができ、この層が導電性と耐食性を有することから、燃料電池用セパレータ材料として好適である。又、本発明の実施形態によれば、Au(合金)層をスパッタ成膜すればこの層が均一な層となるので、湿式の金めっきに比べて表面が平滑となり、Auを無駄に使用しなくて済むという利点がある。   According to the separator material for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, an Au (alloy) layer can be formed firmly and uniformly on Ti, and this layer has conductivity and corrosion resistance. Suitable as a separator material. In addition, according to the embodiment of the present invention, if an Au (alloy) layer is formed by sputtering, this layer becomes a uniform layer, so that the surface becomes smoother than wet gold plating, and Au is wasted. There is an advantage that it is not necessary.

<燃料電池用セパレータ>
次に、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池用セパレータについて説明する。燃料電池用セパレータは、上記した燃料電池用セパレータ材料を所定形状に加工してなり、燃料ガス(水素)又は燃料液体(メタノール)、空気(酸素)、冷却水等を流すための反応ガス流路又は反応液体流路(溝や開口)が形成されている。
<Separator for fuel cell>
Next, a fuel cell separator using the fuel cell separator material of the present invention will be described. The fuel cell separator is formed by processing the above-described fuel cell separator material into a predetermined shape, and a reaction gas flow path for flowing fuel gas (hydrogen) or fuel liquid (methanol), air (oxygen), cooling water, and the like. Alternatively, a reaction liquid channel (a groove or an opening) is formed.

<積層型(アクティブ型)燃料電池用セパレータ>
図6は、積層型(アクティブ型)燃料電池の単セルの断面図を示す。なお、図6では後述するセパレータ10の外側にそれぞれ集電板140A,140Bが配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
そして、セパレータ10は電気伝導性を有し、後述するMEAに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ10には燃料ガスや空気(酸素)の流路となる溝が形成されている。
<Laminated (active) fuel cell separator>
FIG. 6 is a cross-sectional view of a single cell of a stacked (active) fuel cell. In FIG. 6, current collector plates 140A and 140B are arranged outside the separator 10 described later. Usually, when a stack is formed by stacking single cells, a pair of current collectors is provided only at both ends of the stack. A board is placed.
The separator 10 has electrical conductivity, has a current collecting action in contact with an MEA described later, and has a function of electrically connecting each single cell. Further, as will be described later, the separator 10 is formed with a groove serving as a flow path for fuel gas and air (oxygen).

図6において、固体高分子電解質膜20の両側にそれぞれアノード電極40とカソード電極60とが積層されて膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)80が構成されている。又、アノード電極40とカソード電極60の表面には、それぞれアノード側ガス拡散膜90A、カソード側ガス拡散膜90Bがそれぞれ積層されている。本発明において膜電極接合体という場合、ガス拡散膜90A、90Bを含んだ積層体としてもよい。又、例えばアノード電極40やカソード電極60の表面にガス拡散層が形成されている等の場合は、固体高分子電解質膜20、アノード電極40、カソード電極60の積層体を膜電極接合体と称してもよい。   In FIG. 6, an anode electrode 40 and a cathode electrode 60 are laminated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 20 to constitute a membrane electrode assembly (MEA) 80. An anode side gas diffusion film 90A and a cathode side gas diffusion film 90B are laminated on the surfaces of the anode electrode 40 and the cathode electrode 60, respectively. In the present invention, the membrane electrode assembly may be a laminate including the gas diffusion films 90A and 90B. For example, when a gas diffusion layer is formed on the surface of the anode electrode 40 or the cathode electrode 60, the laminated body of the solid polymer electrolyte membrane 20, the anode electrode 40, and the cathode electrode 60 is referred to as a membrane electrode assembly. May be.

MEA80の両側には、ガス拡散膜90A、90Bにそれぞれ対向するようにセパレータ10が配置され、セパレータ10がMEA80を挟持している。MEA80側のセパレータ10表面には流路10Lが形成され、後述するガスケット12、流路10L、及びガス拡散膜90A(又は90B)で囲まれた内部空間20内をガスが出入可能になっている。
そして、アノード電極40側の内部空間20には燃料ガス(水素等)が流れ、カソード電極60側の内部空間20に酸化性ガス(酸素、空気等)が流れることにより、電気化学反応が生じるようになっている。
On both sides of the MEA 80, the separator 10 is disposed so as to face the gas diffusion films 90A and 90B, respectively, and the separator 10 holds the MEA 80 therebetween. A flow path 10L is formed on the surface of the separator 10 on the MEA 80 side, and gas can enter and leave the interior space 20 surrounded by a gasket 12, a flow path 10L, and a gas diffusion film 90A (or 90B) described later. .
A fuel gas (hydrogen or the like) flows in the internal space 20 on the anode electrode 40 side, and an oxidizing gas (oxygen, air or the like) flows in the internal space 20 on the cathode electrode 60 side, so that an electrochemical reaction occurs. It has become.

アノード電極40とガス拡散膜90Aの周縁の外側は、これらの積層厚みとほぼ同じ厚みの枠状のシール部材31で囲まれている。又、シール部材31とセパレータ10の周縁との間には、セパレータに接して略枠状のガスケット12が介装され、ガスケット12が流路10Lを囲むようになっている。さらに、セパレータ10の外面(MEA80側と反対側の面)にはセパレータ10に接して集電板140A(又は140B)が積層され、集電板140A(又は140B)とセパレータ10の周縁との間に略枠状のシール部材32が介装されている。
シール部材31及びガスケット12は、燃料ガス又は酸化ガスがセル外に漏れるのを防止するシールを形成する。又、単セルを複数積層してスタックにした場合、セパレータ10の外面と集電板140A(又は140B)との間の空間21には空間20と異なるガス(空間20に酸化性ガスが流れる場合、空間21には水素が流れる)が流れる。従って、シール部材32もセル外にガスが漏れるのを防止する部材として使われる。
The outer periphery of the periphery of the anode electrode 40 and the gas diffusion film 90 </ b> A is surrounded by a frame-shaped seal member 31 having substantially the same thickness as the laminated thickness. A substantially frame-shaped gasket 12 is interposed between the seal member 31 and the peripheral edge of the separator 10 so as to contact the separator, and the gasket 12 surrounds the flow path 10L. Furthermore, a current collector plate 140A (or 140B) is laminated on the outer surface of the separator 10 (the surface opposite to the MEA 80 side) in contact with the separator 10, and between the current collector plate 140A (or 140B) and the periphery of the separator 10 is stacked. A substantially frame-shaped sealing member 32 is interposed between the two.
The seal member 31 and the gasket 12 form a seal that prevents fuel gas or oxidizing gas from leaking out of the cell. When a plurality of single cells are stacked to form a stack, a gas different from the space 20 (when an oxidizing gas flows into the space 20) is formed in the space 21 between the outer surface of the separator 10 and the current collector plate 140A (or 140B). , Hydrogen flows in the space 21). Therefore, the seal member 32 is also used as a member for preventing gas from leaking outside the cell.

そして、MEA80(及びガス拡散膜90A、90B)、セパレータ10、ガスケット12、集電板140A、140Bを含んで燃料電池セルが構成され、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックが構成される。   The fuel cell is configured to include the MEA 80 (and the gas diffusion films 90A and 90B), the separator 10, the gasket 12, and the current collector plates 140A and 140B, and a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells. The

次に、セパレータ10の構造について、平面図7を参照して説明する。セパレータ10は、本発明の燃料電池用セパレータ材料からプレス加工によって矩形状に成形され、セパレータ10の上端縁(上辺)には、燃料ガス導入孔10xが左側に開口している。又、セパレータ10の下端縁(下辺)には、燃料ガス排出孔10yが右側に開口している。   Next, the structure of the separator 10 will be described with reference to the plan view 7. The separator 10 is formed into a rectangular shape by press working from the fuel cell separator material of the present invention, and a fuel gas introduction hole 10x is opened on the left side at the upper edge (upper side) of the separator 10. Further, a fuel gas discharge hole 10y is opened on the right side at the lower end edge (lower side) of the separator 10.

さらに、セパレータ10の上辺から下辺へ向かう方向(図7の上下方向)に平行に延びる複数の直線状流路溝10Lがプレス加工等によって形成されている。直線状流路溝10Lは、ガス流に平行流を生じさせる。
また、この実施形態では、直線状流路溝10Lの始端及び終端はセパレータ10の外縁まで到達せず、セパレータ10の外周縁には直線状流路溝10Lが形成されない平坦部が存在する。また、この実施形態では、隣接する直線状流路溝10Lはそれぞれ等間隔で位置しているが、不等間隔であってもよい。
又、セパレータ10の対向する側端縁(側辺)には、それぞれ位置決め孔10fが開口している。
Furthermore, a plurality of linear flow channel grooves 10 </ b> L extending in parallel with the direction from the upper side to the lower side of the separator 10 (up and down direction in FIG. 7) are formed by pressing or the like. The straight flow path groove 10L generates a parallel flow in the gas flow.
Further, in this embodiment, the start and end of the linear flow channel 10L do not reach the outer edge of the separator 10, and a flat portion where the linear flow channel 10L is not formed exists on the outer peripheral edge of the separator 10. Further, in this embodiment, the adjacent linear flow path grooves 10L are positioned at equal intervals, but may be at unequal intervals.
In addition, positioning holes 10f are opened at opposing side edges (side edges) of the separator 10, respectively.

なお、流路溝は直線だけでなく曲線であってもよく、又、各流路溝は必ずしも互いに平行でなくてもよい。又、曲線としては、例えば湾曲線の他、S字状であってもよい。
流路溝の形成を容易にする点からは、互いに平行な直線が好ましい。
セパレータ10の厚みは、プレス成形性の面で10μm以上であることが好ましいが、コストの点から200μm以下とすることが好ましい。
In addition, a flow path groove | channel may be not only a straight line but a curve, and each flow path groove does not necessarily need to be mutually parallel. Further, as a curve, for example, an S-shape may be used in addition to a curved line.
From the viewpoint of facilitating the formation of the flow channel, straight lines parallel to each other are preferable.
The thickness of the separator 10 is preferably 10 μm or more in terms of press formability, but is preferably 200 μm or less from the viewpoint of cost.

次に、ガスケット12の構造について、平面図8を参照して説明する。
ガスケット12は例えばテフロン(登録商標)からなるシート状であり、外縁がセパレータ10とほぼ同じ大きさの矩形枠体であって、その内縁が燃料ガス導入孔10x、排出孔10y、及び直線状流路溝10Lを囲む略矩形状に形成され、ガスケット12の内部空間において燃料ガス導入孔10x、排出孔10y、及び直線状流路溝10Lが連通するようになっている。
なお、ガスケット12の対向する側端縁(側辺)には、それぞれ位置決め孔12fが開口し、セパレータ10の位置決め孔10fと重なるようにガスケット12を積層することにより、セパレータ10とガスケット12の相対位置を規定する。
Next, the structure of the gasket 12 will be described with reference to the plan view 8.
The gasket 12 is in the form of a sheet made of, for example, Teflon (registered trademark), and the outer edge is a rectangular frame having the same size as the separator 10, and the inner edge is a fuel gas introduction hole 10 x, a discharge hole 10 y, and a linear flow. The fuel gas introduction hole 10x, the discharge hole 10y, and the linear flow path groove 10L are communicated with each other in the internal space of the gasket 12 so as to surround the road groove 10L.
In addition, positioning holes 12f are opened at opposite side edges (sides) of the gasket 12, and the gaskets 12 are stacked so as to overlap the positioning holes 10f of the separator 10, thereby making the relative relationship between the separator 10 and the gasket 12 different. Define the location.

ガスケット12の材料としては、耐食性、燃料電池の稼働温度である80〜90℃での耐熱性を有するテフロン(登録商標)、耐食性と導電性を有する貴金属を成膜した金属板(チタン、ステンレス、アルミニウム等のシート)、又はカーボン材料を用いることができる。ガスケット12の厚みはセパレータ10の凹凸形状によって異なるが、セパレータの溝高さ(枠部と凹或いは凸との高低差)と同等以上の厚みとする必要がある。例えば、セパレータの溝高さが0.5mmの場合、ガスケットの厚みは0.5mmとする。   The material of the gasket 12 includes corrosion resistance, Teflon (registered trademark) having heat resistance at 80 to 90 ° C. which is the operating temperature of the fuel cell, and a metal plate (titanium, stainless steel, A sheet of aluminum) or a carbon material can be used. Although the thickness of the gasket 12 varies depending on the uneven shape of the separator 10, it is necessary to make the thickness equal to or greater than the groove height of the separator (the height difference between the frame portion and the concave or convex). For example, when the groove height of the separator is 0.5 mm, the thickness of the gasket is 0.5 mm.

次に、ガスケット12の形状をより詳細に説明する。ガスケット12の上側内縁12cは直線状流路溝の上端10L1よりやや上側に位置し、直線状流路溝10Lに沿って流れるガスが折り返して180度向きを変えるための空間が形成されている。又、上側内縁12cの左端部は外側に延び、セパレータ10の燃料ガス導入孔10xがガスケット12内に表出するようになっている。
同様に、ガスケット12の下側内縁12dは直線状流路溝の下端10L2よりやや下側に位置し、直線状流路溝10Lに沿って流れるガスが折り返して180度向きを変えるための空間が形成されている。又、下側内縁12dの右端部は外側に延び、セパレータ10の燃料ガス排出孔10yがガスケット12内に表出するようになっている。
Next, the shape of the gasket 12 will be described in more detail. The upper inner edge 12c of the gasket 12 is positioned slightly above the upper end 10L1 of the linear flow channel, and a space is formed for the gas flowing along the linear flow channel 10L to turn back and turn 180 degrees. Further, the left end portion of the upper inner edge 12c extends outward so that the fuel gas introduction hole 10x of the separator 10 is exposed in the gasket 12.
Similarly, the lower inner edge 12d of the gasket 12 is positioned slightly below the lower end 10L2 of the linear flow channel, and there is a space for the gas flowing along the linear flow channel 10L to turn back and turn 180 degrees. Is formed. Further, the right end portion of the lower inner edge 12d extends outward, and the fuel gas discharge hole 10y of the separator 10 is exposed in the gasket 12.

さらに、上側内縁12cのうち燃料ガス導入孔10xに向かって延びる部分に隣接する位置には内側に向かって片状の仕切り部材12e1が延びている。又、上側内縁12cのうち仕切り部材12e1から所定距離だけ右側の位置には、内側に向かって別の片状の仕切り部材12e2が延びている。そして、仕切り部材12e1、12e2の先端は直線状流路溝の上端(始端又は終端に相当)10L1に接している。
同様に、下側内縁12dのうち仕切り部材12e1に対向する位置から所定距離だけ右側の位置には、内側に向かって片状の仕切り部材12e3が延びている。又、下側内縁12dのうち仕切り部材12e2に対向する位置から所定距離だけ右側であって、燃料ガス排出孔10yに向かって延びる部分に隣接する位置には、内側に向かって片状の仕切り部材12e4が延びている。そして、仕切り部材12e3、12e4の先端は直線状流路溝の下端(始端又は終端に相当)10L2に接している。
Further, a piece-like partition member 12e1 extends inward at a position adjacent to a portion extending toward the fuel gas introduction hole 10x in the upper inner edge 12c. Further, another piece of partition member 12e2 extends inward at a position on the right side of the upper inner edge 12c by a predetermined distance from the partition member 12e1. And the front-end | tip of the partition members 12e1 and 12e2 is contacting the upper end (equivalent to a start end or a termination | terminus) 10L1 of a linear flow path groove.
Similarly, a piece-like partition member 12e3 extends inward at a position on the right side by a predetermined distance from the position facing the partition member 12e1 in the lower inner edge 12d. In addition, a piece of partition member inward toward the inside at a position on the lower inner edge 12d that is a predetermined distance to the right from the position facing the partition member 12e2 and adjacent to the portion extending toward the fuel gas discharge hole 10y. 12e4 extends. And the front-end | tip of the partition members 12e3 and 12e4 is contacting the lower end (equivalent to a start end or a termination | terminus) 10L2 of a linear flow path groove.

又、ガスケット12の対向する内縁12c、12dからそれぞれ延びる仕切り部材12e1〜12e4は、図8の左側から、仕切り部材12e1(上側内縁12c)、12e3(下側内縁12d)、12e2(上側内縁12c)、12e4(下側内縁12d)の順に配置されている。
このように、ガスケット12の対向する内縁からそれぞれ延びる仕切り部材は互いに千鳥状に配置されているので、直線状流路溝10Lに沿って流れるガス流路が仕切り部材近傍で折り返されて蛇行流路を構成するようになる。
Further, the partition members 12e1 to 12e4 extending from the opposing inner edges 12c and 12d of the gasket 12 are the partition members 12e1 (upper inner edge 12c), 12e3 (lower inner edge 12d), and 12e2 (upper inner edge 12c) from the left side of FIG. , 12e4 (lower inner edge 12d).
Thus, since the partition members extending from the opposing inner edges of the gasket 12 are arranged in a staggered manner, the gas flow path flowing along the linear flow path groove 10L is folded back in the vicinity of the partition member, and the meandering flow path Will be configured.

具体的には、燃料ガス導入孔10xからセパレータ10内に導入されたガスは、直線状流路溝10Lに沿って図8の下方向に流れるが、仕切り部材12e3が1つの流路溝10Lの下端に接しているため、この流路溝10Lに沿う流れが抑制される。又、流路溝10Lを横断する流れは、もともと抑制されている。従って、仕切り部材12e3が接している流路溝10Lは、ガスが横方向(図8の右方向)へショートカットする流れと、縦方向への流れをいずれも防止する堤防として機能し、このため、ガス流は仕切り部材12e3近傍で折り返して180度向きを変え、直線状流路溝10Lに沿って上方向に流れる。次に、仕切り部材12e1、e2が同様に横方向のショートカット流を防止するため、ガス流は仕切り部材12e2近傍で折り返して直線状流路溝10Lに沿って下方向に流れる。以下同様にして、ガス流は仕切り部材12e4近傍で折り返し、直線状流路溝10Lに沿った後、ガスケット12の右側内縁(側縁)がショートカット流を防止するため、この部分で折り返した後、直線状流路溝10Lに沿って燃料ガス排出孔10yへ排出される。   Specifically, the gas introduced into the separator 10 from the fuel gas introduction hole 10x flows downward in FIG. 8 along the linear flow path groove 10L, but the partition member 12e3 has one flow path groove 10L. Since it is in contact with the lower end, the flow along the flow path groove 10L is suppressed. Further, the flow crossing the flow channel 10L is originally suppressed. Therefore, the flow path groove 10L with which the partition member 12e3 is in contact functions as a dike that prevents both the flow in which the gas is short-cut in the horizontal direction (right direction in FIG. 8) and the flow in the vertical direction. The gas flow is folded back in the vicinity of the partition member 12e3, changes its direction by 180 degrees, and flows upward along the linear flow channel 10L. Next, since the partition members 12e1 and e2 similarly prevent the shortcut flow in the lateral direction, the gas flow is folded back in the vicinity of the partition member 12e2 and flows downward along the linear flow channel groove 10L. Similarly, the gas flow is folded back in the vicinity of the partition member 12e4, and after being along the straight flow path groove 10L, the right inner edge (side edge) of the gasket 12 is folded at this portion in order to prevent a shortcut flow. The fuel gas is discharged to the fuel gas discharge hole 10y along the straight flow channel 10L.

なお、1個の仕切り部材が接している流路溝の個数は、セパレータの大きさや流路溝の大きさ(幅)にも依存するので特に限定されないが、あまり個数が多くなるとガスの流れに寄与する溝が減ることになるので、好ましくは1〜3本とする。   The number of flow channel grooves in contact with one partition member is not particularly limited because it depends on the size of the separator and the size (width) of the flow channel grooves. Since the contributing groove is reduced, it is preferably 1 to 3 grooves.

以上のように、加工が容易なガスケットの形状によってセパレータ内のガス流路が蛇行流路になるよう構成しているため、セパレータに複雑な流路を形成する必要がなく、セパレータ自体の流路形状を簡単にし、生産性を損なわずにガスの流れを改善して燃料電池の発電特性を向上できる。つまり、セパレータの流路による平行流を、ガスケットの形状によって蛇行流(サーペンタイン)に変えることができる。   As described above, since the gas flow path in the separator becomes a meandering flow path due to the shape of the gasket that can be easily processed, it is not necessary to form a complicated flow path in the separator, and the flow path of the separator itself The power generation characteristics of the fuel cell can be improved by simplifying the shape and improving the gas flow without impairing productivity. That is, the parallel flow through the separator flow path can be changed to a serpentine flow (serpentine) depending on the shape of the gasket.

但し、セパレータの流路溝として、サーペンタイン(蛇行)状に繋がるものを用いても勿論よく、流路溝の形状は限定されない。
図6に示す積層型(アクティブ型)燃料電池は、上記した水素を燃料として用いる燃料電池のほか、メタノールを燃料として用いるDMFCにも適用することができる。
However, as a flow channel groove of the separator, a serpentine (meandering) shape may be used, and the shape of the flow channel is not limited.
The stacked (active) fuel cell shown in FIG. 6 can be applied not only to the above-described fuel cell using hydrogen as a fuel, but also to a DMFC using methanol as a fuel.

<平面型(パッシブ型)燃料電池用セパレータ>
図9は、平面型(パッシブ型)燃料電池の単セルの断面図の一例を示す。なお、図6では後述するセパレータ10の外側にそれぞれ集電板140A,140Bが配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
なお,図9において、MEA80の構成は図6の燃料電池と同一であるので同一符号を付して説明を省略する(図9では、ガス拡散膜90A、90Bの記載を省略しているが、ガス拡散膜90A、90Bを有していてもよい)。
<Flat type (passive type) fuel cell separator>
FIG. 9 shows an example of a cross-sectional view of a single cell of a planar (passive type) fuel cell. In FIG. 6, current collector plates 140A and 140B are arranged outside the separator 10 described later. Usually, when a stack is formed by stacking single cells, a pair of current collectors is provided only at both ends of the stack. A board is placed.
In FIG. 9, since the configuration of the MEA 80 is the same as that of the fuel cell of FIG. 6, the same reference numerals are given and description thereof is omitted (in FIG. 9, the description of the gas diffusion films 90A and 90B is omitted. Gas diffusion films 90A and 90B may be included).

図9において、セパレータ100は電気伝導性を有し、MEAに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ100には燃料液体や空気(酸素)の流路となる孔が形成されている。
セパレータ100は、断面がクランク形状になるよう、長尺平板状の基材の中央付近に段部100sを形成してなり、段部100sを介して上方に位置する上側片100bと、段部100sを介して下方に位置する下側片100aとを有する。段部100sはセパレータ100の長手方向に垂直な方向に延びている。
そして、複数のセパレータ100を長手方向に並べ、隣接するセパレータ100の下側片100aと上側片100bとの間に空間を形成させ、この空間にMEA80を介装する。2つのセパレータ100でMEA80が挟まれた構造体が単セル300となる。このようにして、複数のMEA80がセパレータ100を介して直列に接続されたスタックが構成される。
In FIG. 9, the separator 100 has electrical conductivity, has a current collecting action in contact with the MEA, and has a function of electrically connecting each single cell. In addition, as will be described later, the separator 100 is formed with holes serving as fuel liquid and air (oxygen) flow paths.
The separator 100 is formed with a step portion 100s in the vicinity of the center of the long flat plate-like base material so that the cross section has a crank shape, an upper piece 100b positioned above the step portion 100s, and a step portion 100s. And a lower piece 100a located below. The step portion 100 s extends in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the separator 100.
A plurality of separators 100 are arranged in the longitudinal direction, and a space is formed between the lower piece 100a and the upper piece 100b of the adjacent separators 100, and the MEA 80 is interposed in this space. A structure in which the MEA 80 is sandwiched between the two separators 100 is a single cell 300. In this way, a stack in which a plurality of MEAs 80 are connected in series via the separator 100 is configured.

図10は、セパレータ100の上面図を示す。下側片100aと上側片100bには、それぞれ複数個の孔100hが開口し、酸素(空気)の反応ガス流路やメタノールの反応液体流路となっている。
このスタックにおいて、図9の上方から空気(酸素)を流すと、セパレータ100の孔100hを通ってMEA80のカソード電極60側に酸素が接触し、反応を生じるようになる。一方、図9の下方からメタノールを流すと、セパレータ100の孔100hを通ってMEA80のアノード電極40側にメタノールが接触し、反応を生じるようになる。なお、メタノールは、図9の下方のタンク(メタノールカートリッジ)200から供給される。
図9に示す平面型(パッシブ型)燃料電池は、上記したメタノールを燃料として用いるDMFCのほか、水素を燃料として用いる燃料電池にも適用することができる。又、平面型(パッシブ型)燃料電池用セパレータの開口部の形状や個数は限定されず、開口部として上記した孔の他、スリットとしてもよく、セパレータ全体が網状であってもよい。
FIG. 10 shows a top view of the separator 100. The lower piece 100a and the upper piece 100b each have a plurality of holes 100h, which serve as oxygen (air) reaction gas flow paths and methanol reaction liquid flow paths.
In this stack, when air (oxygen) is flowed from above in FIG. 9, oxygen comes into contact with the cathode electrode 60 side of the MEA 80 through the hole 100 h of the separator 100 and a reaction occurs. On the other hand, when methanol is allowed to flow from the lower side of FIG. 9, the methanol comes into contact with the anode electrode 40 side of the MEA 80 through the hole 100h of the separator 100, and a reaction occurs. Methanol is supplied from a tank (methanol cartridge) 200 in the lower part of FIG.
The planar (passive) fuel cell shown in FIG. 9 can be applied to a fuel cell using hydrogen as a fuel in addition to the above-described DMFC using methanol as a fuel. Further, the shape and number of openings of the planar (passive type) fuel cell separator are not limited, and the openings may be slits in addition to the holes described above, or the entire separator may be net-like.

なお、反応ガス流路(反応液体流路)形成のためのプレス加工をするためには、燃料電池用セパレータ材料として、Ti基材の厚みを10μm以上とすることが好ましい。Ti基材の厚みの上限は限定されないが、コストの点から200μm以下とすることが望ましい。   In addition, in order to perform the press work for forming the reaction gas flow path (reaction liquid flow path), it is preferable that the Ti base material has a thickness of 10 μm or more as the fuel cell separator material. The upper limit of the thickness of the Ti base material is not limited, but is preferably 200 μm or less from the viewpoint of cost.

<燃料電池用スタック>
本発明の燃料電池用スタックは、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いてなる。
燃料電池用スタックは、1対の電極で電解質を挟み込んだセルを複数個直列に接続したものであり、各セルの間に燃料電池用セパレータが介装されて燃料ガスや空気を遮断する。燃料ガス(H2)が接触する電極が燃料極(アノード)であり、空気(O2) が接触する電極が空気極(カソード)である。
燃料電池用スタックの構成例は、既に図6及び図9で説明した通りであるが、これに限定されない。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack of the present invention uses the fuel cell separator material of the present invention.
The fuel cell stack is formed by connecting a plurality of cells in which an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel cell separator is interposed between the cells to block fuel gas and air. The electrode in contact with the fuel gas (H 2 ) is the fuel electrode (anode), and the electrode in contact with the air (O 2 ) is the air electrode (cathode).
The configuration example of the fuel cell stack is as already described with reference to FIGS. 6 and 9, but is not limited thereto.

<試料の作製>
Ti基材として、厚み100μmの工業用純チタン材(JIS1種)を用い、FIB(集束イオンビーム加工)による前処理をした。FE−TEM(電解放射型透過電子顕微鏡)によるエネルギー分散型蛍光X線分析(EDX)により観察したところ、Ti基材の表面には予め約6nmのチタン酸化物層が形成されていたのを確認した。
又、一部の実施例では、厚み100μm工業用純ステンレス鋼材(SUS316L)に対し、表1,2に示す所定厚みのTiを被覆したものを用いた(Ti被覆材)。Tiの被覆は、電子ビーム蒸着装置(アルバック製、MB05−1006)を用いた真空蒸着により行った。
<Sample preparation>
As a Ti base material, an industrial pure titanium material (JIS type 1) having a thickness of 100 μm was used, and pretreatment was performed by FIB (focused ion beam processing). When observed by energy dispersive X-ray fluorescence (EDX) analysis using FE-TEM (electrolytic emission transmission electron microscope), it was confirmed that a titanium oxide layer of about 6 nm was formed on the surface of the Ti substrate in advance. did.
Further, in some examples, an industrial pure stainless steel material (SUS316L) having a thickness of 100 μm was coated with Ti having a predetermined thickness shown in Tables 1 and 2 (Ti coating material). The Ti coating was performed by vacuum vapor deposition using an electron beam vapor deposition apparatus (manufactured by ULVAC, MB05-1006).

次に、Ti基材のチタン酸化物層の表面に、スパッタ法を用いて目標厚み1nmとなるようにPd(貴金属膜)を成膜した。ターゲットには純Pdを用いた。次に、スパッタ法を用いて目標厚み1nmとなるようにAuを成膜した。ターゲットには純Auを用いた。
目標厚みは以下のように定めた。まず、予めチタン基材にスパッタで対象物(例えばPd)を成膜し、蛍光X線膜厚計(Seiko Instruments製SEA5100、コリメータ0.1mmΦ)で実際の厚みを測定し、このスパッタ条件におけるスパッタレート(nm/min)を把握した。そして、スパッタレートに基づき、厚み1nmとなるスパッタ時間を計算し、この条件でスパッタを行った。
Pd及びAuのスパッタは、株式会社アルバック製のスパッタ装置を用い、出力DC50W アルゴン圧力0.2Paの条件で行った。
Next, Pd (noble metal film) was formed on the surface of the titanium oxide layer of the Ti base material using a sputtering method so as to have a target thickness of 1 nm. Pure Pd was used for the target. Next, Au was deposited using a sputtering method so as to have a target thickness of 1 nm. Pure Au was used for the target.
The target thickness was determined as follows. First, an object (for example, Pd) is formed in advance on a titanium substrate by sputtering, and the actual thickness is measured by a fluorescent X-ray film thickness meter (SEA5100 manufactured by Seiko Instruments, collimator 0.1 mmΦ), and the sputtering rate under this sputtering condition (Nm / min) was grasped. Based on the sputtering rate, the sputtering time for a thickness of 1 nm was calculated, and sputtering was performed under these conditions.
Sputtering of Pd and Au was performed using a sputtering apparatus manufactured by ULVAC, Inc. under the conditions of an output DC of 50 W and an argon pressure of 0.2 Pa.

<層構造の測定>
得られた試料の断面の実際のFE−TEM(電解放射型透過電子顕微鏡)像を観察し、像の中でEDX分析したい位置を指定し、その部分のEDX分析を行うことで、試料中の各層の組成を分析した。
FE−TEM装置としては、日立製作所製のHF-2000 FE-TEMを用い、加速電圧200kV、倍率10万倍、70万倍で観察した。又、EDX装置は、上記FE−TEM装置に附属したEDAX社製Genesisシリーズを用い、分析エリア1nmで分析した。
図2は、試料の断面FE−TEMを示す。PdとAuとからなる合金層6が均一な層を形成していることがわかる。又、図2における合金層6の位置Cにおける組成はEDXからPd:43質量%,Au:57質量%であり、合金層6の位置Dにおける組成はPd:32質量%,Au:68質量%であった。つまり、合金層のAu濃度は下層側から上層側に向かって増加したものとなった。なお、位置Aの組成はTiを示し、位置Bの組成はTi基材表面のTi酸化被膜層(又は中間層)を示した。
図11は位置AにおけるEDX分析チャートを示し、図12は位置CにおけるEDX分析チャート及び組成解析結果を示す。
<Measurement of layer structure>
By observing an actual FE-TEM (electrolytic emission transmission electron microscope) image of the cross section of the obtained sample, designating the position where EDX analysis is desired in the image, and performing EDX analysis of that portion, The composition of each layer was analyzed.
As an FE-TEM apparatus, an HF-2000 FE-TEM manufactured by Hitachi, Ltd. was used, and observation was performed at an acceleration voltage of 200 kV, a magnification of 100,000 times, and a magnification of 700,000 times. Moreover, the EDX apparatus analyzed using the EDAX Genesis series attached to the said FE-TEM apparatus in the analysis area of 1 nm.
FIG. 2 shows a cross-sectional FE-TEM of the sample. It can be seen that the alloy layer 6 made of Pd and Au forms a uniform layer. Further, the composition at position C of the alloy layer 6 in FIG. 2 is EDX to Pd: 43 mass%, Au: 57 mass%, and the composition at position D of the alloy layer 6 is Pd: 32 mass%, Au: 68 mass%. Met. That is, the Au concentration of the alloy layer increased from the lower layer side toward the upper layer side. In addition, the composition of the position A showed Ti, and the composition of the position B showed the Ti oxide film layer (or intermediate layer) on the Ti base material surface.
11 shows an EDX analysis chart at position A, and FIG. 12 shows an EDX analysis chart and composition analysis results at position C.

又、試料のTi基材表面近傍の断面をSTEM(走査透過電子顕微鏡)で分析し、Ti、O及びPdの濃度を検出した。STEMとしては、日立製作所製のHD−2000STEMを用い、加速電圧200kV、倍率90万倍、n数3視野として測定した。
なお、STEMによる濃度検出は、検出元素からカーボンを除外し、指定元素の合計100質量%として、各元素の濃度(質量%)を分析した。又、STEM分析で厚み方向に1nmの距離とは、STEM分析によるチャート(図3)の横軸の距離である。
同様にして、試料の最表面側の断面をSTEMで分析した。
Moreover, the cross section near the Ti base material surface of the sample was analyzed by STEM (scanning transmission electron microscope), and the concentrations of Ti, O, and Pd were detected. As the STEM, an HD-2000 STEM manufactured by Hitachi, Ltd. was used, and measurement was performed with an acceleration voltage of 200 kV, a magnification of 900,000 times, and an n number of 3 fields of view.
In addition, the concentration detection by STEM analyzed the density | concentration (mass%) of each element by excluding carbon from a detection element and making the designated element total 100 mass%. In the STEM analysis, the distance of 1 nm in the thickness direction is the distance on the horizontal axis of the chart (FIG. 3) by the STEM analysis.
Similarly, the cross section on the outermost surface side of the sample was analyzed by STEM.

図3は、試料断面の実際のSTEM像を示す。
Ti基材2の表面に、Ti、Oがそれぞれ10 質量%以上含まれ、かつPdが20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%未満である中間層2aが1nm以上存在することがわかる。
なお、本発明においては、中間層を定義するためTi、O等の濃度を規定している。従って、中間層の境界は便宜上Ti、O濃度によって決められるため、中間層とその上下の層(例えばTi基材2)との間に、中間層ともTi基材とも異なる層が介在する場合もある。
FIG. 3 shows an actual STEM image of the sample cross section.
It can be seen that the surface of the Ti substrate 2 contains 10% by mass or more of Ti and O, 20% by mass or more of Pd, and 1 nm or more of the intermediate layer 2a having less than 20% by mass of Au. .
In the present invention, the concentration of Ti, O, etc. is defined in order to define the intermediate layer. Therefore, since the boundary of the intermediate layer is determined by the Ti and O concentrations for convenience, a layer different from both the intermediate layer and the Ti substrate may be interposed between the intermediate layer and the upper and lower layers (for example, the Ti substrate 2). is there.

<各試料の作製>
チタン基材(純Ti、Ti被覆材)に、スパッタ時のPd膜及びAu膜の目標厚みを種々変更して実施例1〜16の試料を作製した。
比較例17として、スパッタの代わりに、湿式めっきにより、Ti基材表面にAu層を50nm形成した。湿式めっきは、基材の浸漬脱脂、水洗、酸洗、水洗、活性化処理、水洗を順に行った後、金めっきし、さらに水洗、熱処理を行った。
比較例18、19として、スパッタ時にそれぞれAu膜、Pd膜のみ成膜した。
比較例20として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd70質量%,Au30質量%)を用いて成膜した。比較例21として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd50質量%,Au50質量%)を用いて成膜した。比較例22として、Pd膜及びAu膜を別個にスパッタする代わりに、Pd−Au合金(Pd30質量%,Au70質量%)を用いて成膜した。
比較例23として、スパッタ時のPd膜の目標厚みを0.5nmに低減して成膜した。比較例24として、スパッタ時のAu膜の目標厚みを0.5nmに低減して成膜した。
比較例25として、Ti被覆材(Ti厚み1nm)に、Pdの目標厚み5nm、Auの目標厚み10nmでスパッタ成膜した。
<Preparation of each sample>
Samples of Examples 1 to 16 were produced by changing the target thicknesses of the Pd film and Au film at the time of sputtering to a titanium base material (pure Ti, Ti coating material).
As Comparative Example 17, a 50 nm Au layer was formed on the surface of the Ti base material by wet plating instead of sputtering. In wet plating, the substrate was dipped and degreased, washed with water, pickled, washed with water, activated, and washed with water, followed by gold plating, followed by washing with water and heat treatment.
As Comparative Examples 18 and 19, only an Au film and a Pd film were formed during sputtering, respectively.
As Comparative Example 20, a Pd—Au alloy (Pd 70 mass%, Au 30 mass%) was used instead of sputtering the Pd film and Au film separately. As Comparative Example 21, a Pd—Au alloy (Pd 50 mass%, Au 50 mass%) was used instead of sputtering the Pd film and Au film separately. As Comparative Example 22, a Pd—Au alloy (Pd 30 mass%, Au 70 mass%) was used instead of sputtering the Pd film and Au film separately.
As Comparative Example 23, the target thickness of the Pd film during sputtering was reduced to 0.5 nm. As Comparative Example 24, the target thickness of the Au film during sputtering was reduced to 0.5 nm.
As Comparative Example 25, sputtering was performed on a Ti coating material (Ti thickness: 1 nm) with a target thickness of Pd of 5 nm and a target thickness of Au of 10 nm.

<評価>
各試料について以下の評価を行った。
A.密着性
各試料の最表層の合金層に1mm間隔で碁盤の目を罫書いた後、粘着性テープをはり付け、さらに各試験片を180°曲げて元の状態に戻し、曲げ部のテープを急速にかつ強く引き剥がす剥離試験を行った。
剥離が全くない場合を○とし、一部でも剥離があると目視で認められた場合を×とした。
B.成膜形状
各試料の断面のFE-TEM像を撮影し、表面に数nmから数百nmの粒子が集まった凹凸構造が観察された場合を粒状とし、粒状に比べて表面が平滑な場合を層状とした。
<Evaluation>
The following evaluation was performed for each sample.
A. Adhesion After marking the grid of the grid at 1 mm intervals on the outermost alloy layer of each sample, apply adhesive tape, and then bend each specimen 180 ° to return it to its original state. A peeling test was conducted to peel off rapidly and strongly.
The case where there was no peeling at all was marked as ◯, and the case where some peeling was visually observed was marked as x.
B. Film formation shape FE-TEM image of the cross section of each sample is taken, and when the uneven structure where particles of several to several hundred nm are gathered is observed on the surface, it is granular, and the surface is smoother than granular Layered.

C.接触抵抗
接触抵抗の測定は、試料全面に荷重を加える方法で行った。まず、40×50mmの板状の試料の表裏にそれぞれカーボンペーパーを積層し、さらに表裏のカーボンペーパーの外側にそれぞれCu/Ni/Au板を積層した。Cu/Ni/Au板は厚み10mmの銅板に1.0μm厚のNi下地めっきをし、Ni層の上に0.5μmのAuめっきした材料であり、Cu/Ni/Au板のAuめっき面がカーボンペーパーに接するように配置した。
さらに、Cu/Ni/Au板の外側にそれぞれテフロン(登録商標)板を配置し、各テフロン板の外側からロードセルで圧縮方向に10kg/cmの荷重を加えた。この状態で、2枚のCu/Ni/Au板の間に電流密度100mA/cmの定電流を流した時、Cu/Ni/Au板間の電気抵抗を4端子法で測定した。
C. Contact resistance The contact resistance was measured by applying a load to the entire surface of the sample. First, carbon papers were laminated on the front and back sides of a 40 × 50 mm plate-like sample, and Cu / Ni / Au plates were further laminated on the outer sides of the front and back carbon papers. The Cu / Ni / Au plate is a material in which a 10 μm thick copper plate is plated with a 1.0 μm thick Ni base and the Ni layer is plated with a 0.5 μm Au plate. The Au plated surface of the Cu / Ni / Au plate is carbon paper. It arranged so that it might touch.
Further, a Teflon (registered trademark) plate was disposed outside the Cu / Ni / Au plate, and a load of 10 kg / cm 2 was applied in the compression direction from the outside of each Teflon plate with a load cell. In this state, when a constant current having a current density of 100 mA / cm 2 was passed between the two Cu / Ni / Au plates, the electrical resistance between the Cu / Ni / Au plates was measured by a four-terminal method.

又、接触抵抗は、以下の4つの条件により水溶液中に試料を浸漬した耐食試験の前後でそれぞれ測定した。
条件1:硫酸水溶液(浴温80℃、濃度0.5g/L、浸漬時間240時間)
条件2:メタノール水溶液A(浴温80℃、濃度400cc/L、浸漬時間240時間)
条件3:メタノール水溶液B(浴温60℃、濃度100%、浸漬時間240時間)
条件4:ギ酸水溶液A(浴温80℃、濃度1g/L、浸漬時間240時間)
条件5:ギ酸水溶液B(浴温80℃、濃度9g/L、浸漬時間240時間)
なおDMFCの場合、条件2〜5は条件1(通常の固体高分子型燃料電池の耐食性試験条件)に付け加えられ、通常の固体高分子型燃料電池と比較すると評価すべき耐食性試験環境が多くなる。
又、燃料電池用セパレータに求められる代表的な特性は、低接触抵抗(10mΩ・cm以)、使用環境での耐食性(耐食試験後も低接触抵抗で、有害なイオンの溶出がない)の2つである。
The contact resistance was measured before and after the corrosion resistance test in which the sample was immersed in an aqueous solution under the following four conditions.
Condition 1: sulfuric acid aqueous solution (bath temperature 80 ° C., concentration 0.5 g / L, immersion time 240 hours)
Condition 2: Aqueous methanol solution A (bath temperature 80 ° C., concentration 400 cc / L, immersion time 240 hours)
Condition 3: methanol aqueous solution B (bath temperature 60 ° C., concentration 100%, immersion time 240 hours)
Condition 4: Formic acid aqueous solution A (bath temperature 80 ° C., concentration 1 g / L, immersion time 240 hours)
Condition 5: Formic acid aqueous solution B (bath temperature 80 ° C., concentration 9 g / L, immersion time 240 hours)
In the case of DMFC, conditions 2 to 5 are added to condition 1 (normal solid polymer fuel cell corrosion resistance test conditions), and there are more corrosion resistance test environments to be evaluated than normal solid polymer fuel cells. .
Typical characteristics required for fuel cell separators are low contact resistance (10 mΩ · cm 2 or more ), corrosion resistance in the environment of use (low contact resistance after corrosion test, no harmful ion elution) There are two.

表1〜表3に結果を示す。なお、表1〜表3において、中間層の厚み、最表層の厚みは、いずれもSTEM分析を3箇所について行った値の平均値とした。又、中間層の厚み、最表層の厚みはそれぞれ±0.25nmの幅を持ち、例えば中間層が1.0nmという場合、平均値が0.75nm以上で1.25nm未満のものをいうとする。但し、厚みが10nm以上の場合は±0.5nmの幅とする。   Tables 1 to 3 show the results. In Tables 1 to 3, the thickness of the intermediate layer and the thickness of the outermost layer are both average values obtained by performing STEM analysis at three locations. Further, the thickness of the intermediate layer and the thickness of the outermost layer each have a width of ± 0.25 nm. For example, when the intermediate layer is 1.0 nm, the average value is 0.75 nm or more and less than 1.25 nm. . However, when the thickness is 10 nm or more, the width is ± 0.5 nm.

表1〜表3から明らかなように、合金層とTi基材との間に、Ti、Oがそれぞれ10 質量%以上含まれ、かつPdが20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%未満である中間層が1nm以上存在する実施例1〜13の場合、各層の密着性に優れ、又、スパッタにより成膜した合金層又はAu層(最表層)は平滑な層状となった。さらに、耐食試験前後で試料の接触抵抗が変化せず、耐食性と導電性が優れたものとなった。また、純Ti基材に代え、厚み10nm以上のTi被覆材を用いた実施例14〜16の場合も、他の実施例と同等の耐食性と導電性が得られた。
なお、各実施例1〜16の場合、最表面から下層に向かうAu50質量%以上の領域の厚みはいずれも1nm以上であった。
As is apparent from Tables 1 to 3, Ti and O are each contained in an amount of 10% by mass or more, Pd is contained in an amount of 20% by mass or more, and Au is 20% by mass between the alloy layer and the Ti base material. In Examples 1 to 13 in which an intermediate layer of less than 1 nm was present, the adhesion of each layer was excellent, and the alloy layer or Au layer (outermost layer) formed by sputtering became a smooth layer. Furthermore, the contact resistance of the sample did not change before and after the corrosion resistance test, and the corrosion resistance and conductivity were excellent. In addition, in Examples 14 to 16 using a Ti coating material having a thickness of 10 nm or more instead of a pure Ti base material, corrosion resistance and conductivity equivalent to those of other examples were obtained.
In each of Examples 1 to 16, the thickness of the region of 50% by mass or more of Au from the outermost surface toward the lower layer was 1 nm or more.

Au層を湿式めっきで形成した比較例17の場合、最表層が粒状となり、Auの使用量が多くなった。
Auのみをスパッタした比較例18の場合、中間層が形成されずに密着性が劣化した。一方、Pdのみをスパッタした比較例19の場合、最表層がAuを含まず、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、最表層がAuを含まないために耐食性が劣化したためと考えられる。
Pd-Au合金(Pd70質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例20の場合も、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。これは、Pd-Au合金中のAuの割合が少ないために最表層にAuを50質量%以上含む層が形成されず、耐食性が劣化したためと考えられる。
In the case of Comparative Example 17 in which the Au layer was formed by wet plating, the outermost layer became granular, and the amount of Au used increased.
In the case of Comparative Example 18 in which only Au was sputtered, the adhesion was deteriorated without forming the intermediate layer. On the other hand, in the case of Comparative Example 19 in which only Pd was sputtered, the outermost layer did not contain Au, and the contact resistance significantly increased after the corrosion resistance test. This is considered because corrosion resistance deteriorated because the outermost layer did not contain Au.
In the case of Comparative Example 20 in which sputtering was performed using a Pd—Au alloy (Pd 70% by mass) as a target, the contact resistance was significantly increased after the corrosion resistance test. This is presumably because the layer containing 50 mass% or more of Au in the outermost layer was not formed because the proportion of Au in the Pd—Au alloy was small, and the corrosion resistance was deteriorated.

Pd-Au合金(Pd50質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例21、及びPd-Au合金(Pd30質量%)をターゲットとしてスパッタした比較例22の場合、いずれも中間層の厚みが1nm未満となり、密着性が十分ではないものもあった。
これは、Pd-Au合金中のPdの割合が少ないために中間層が充分に形成されなかったためと考えられる。
Pd膜の目標厚みを低減してスパッタした比較例23の場合も、中間層の厚みが1nm未満となり、密着性が十分ではないものもあった。
In the case of Comparative Example 21 in which sputtering was performed using a Pd—Au alloy (Pd 50 mass%) as a target and Comparative Example 22 in which sputtering was performed using a Pd—Au alloy (Pd 30 mass%) as a target, the thickness of the intermediate layer was less than 1 nm. Some of them did not have sufficient adhesion.
This is presumably because the intermediate layer was not sufficiently formed because of the small proportion of Pd in the Pd—Au alloy.
In the case of Comparative Example 23 in which the target thickness of the Pd film was reduced and sputtered, the thickness of the intermediate layer was less than 1 nm, and the adhesion was not sufficient.

Au膜の目標厚みを低減してスパッタした比較例24の場合、最表面から下層に向かうAu50質量%以上の領域の厚みが1nm未満と薄く、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増大した。
また、純Ti基材に代え、厚み1nmのTi被覆材を用いた比較例25の場合、Ti膜厚が薄いためにステンレス鋼基材が腐食し、耐食試験後に接触抵抗が大幅に増加した。
In the case of Comparative Example 24 in which the target thickness of the Au film was reduced and sputtered, the thickness of Au 50 mass% or more from the outermost surface to the lower layer was as thin as less than 1 nm, and the contact resistance was significantly increased after the corrosion resistance test.
In addition, in the case of Comparative Example 25 using a Ti coating material having a thickness of 1 nm instead of a pure Ti base material, the stainless steel base material was corroded because the Ti film thickness was thin, and the contact resistance was greatly increased after the corrosion resistance test.

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the separator material for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の断面FE−TEM像を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional FE-TEM image of the separator material for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の断面のSTEM分析結果を示す図である。It is a figure which shows the STEM analysis result of the cross section of the separator material for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the separator material for fuel cells which concerns on another embodiment of this invention. 本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the separator material for fuel cells which concerns on another embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池スタック(単セル)の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell stack (single cell) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態にかかるセパレータの構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the separator concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態にかかるガスケットの構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gasket concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る平面型燃料電池スタックの断面図である。1 is a cross-sectional view of a planar fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 平面型燃料電池用セパレータの構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the separator for planar fuel cells. 図2の合金層の位置AにおけるEDX分析チャートを示す図である。It is a figure which shows the EDX analysis chart in the position A of the alloy layer of FIG. 図2の合金層の位置CにおけるEDX分析チャートを示す図である。It is a figure which shows the EDX analysis chart in the position C of the alloy layer of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

2 Ti基材
2a 中間層
4 貴金属層
6 合金層
8 Au単独層
2 固体高分子電解質膜
4、6 電極
8 膜電極接合体
10、100 セパレータ
10L、10LB (ガス)流路
10L1、10LB1 流路溝の始端
10L2、10LB2 流路溝の終端
12、12B ガスケット
12c、12d ガスケットの内縁
12e1〜12e4 仕切り部材
12eb1〜12eb4 ガスケット流路
20 固体高分子電解質膜
40 アノード電極
60 カソード電極
80 膜電極接合体(MEA)
100h (セパレータの)孔
2 Ti substrate 2a Intermediate layer 4 Noble metal layer 6 Alloy layer 8 Au single layer 2 Solid polymer electrolyte membrane 4, 6 Electrode 8 Membrane electrode assembly 10, 100 Separator 10L, 10LB (Gas) flow channel 10L1, 10LB1 Flow channel 10L2, 10LB2 End of channel groove 12, 12B Gasket 12c, 12d Gasket inner edge 12e1-12e4 Partition member 12eb1-12eb4 Gasket channel 20 Solid polymer electrolyte membrane 40 Anode electrode 60 Cathode electrode 80 Membrane electrode assembly (MEA) )
100h hole (for separator)

Claims (9)

Ti基材の表面に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上のAuより易酸化性の貴金属からなる第1成分とAuとの合金層、又はAu単独層が形成され、
前記合金層又は前記Au単独層と前記Ti基材との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層が存在し、
前記合金において、最表面から下層に向かって厚み1nm以上でAu50質量%以上の領域を有するか、又は前記Au単独層において、最表面から下層に向かう厚みが1nm以上である燃料電池用セパレータ材料。
An alloy layer of Au and a first component made of a noble metal more easily oxidized than Au selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt on the surface of the Ti substrate, or Au single layer is formed,
Between the alloy layer or the Au single layer and the Ti substrate, there is an intermediate layer containing Ti, O and the first component, and less than 20% by mass of Au,
In the alloy layer , there is a region having a thickness of 1 nm or more and Au of 50% by mass or more from the outermost surface to the lower layer, or in the Au single layer, the thickness from the outermost surface to the lower layer is 1 nm or more. .
前記中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20質量%以上含まれる1nm以上の層として存在する請求項1に記載の燃料電池用セパレータ材料。2. The fuel cell separator material according to claim 1, wherein the intermediate layer is present as a layer of 1 nm or more in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is 20% by mass or more. 前記合金層中のAuの割合が下層側から上層側に向かって増加する請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ材料。The fuel cell separator material according to claim 1 or 2, wherein a ratio of Au in the alloy layer increases from a lower layer side toward an upper layer side. 前記合金層の表面にAu単独層が形成されている請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。The fuel cell separator material according to claim 1, wherein an Au single layer is formed on a surface of the alloy layer. 前記Ti基材の表面に形成される層が前記合金層である場合、前記合金層は、Auに代えて、前記貴金属のうち前記第1成分と異なる元素からなる第2成分とAuとを含むAu合金からなる請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 When the layer formed on the surface of the Ti base material is the alloy layer, the alloy layer includes, in place of Au, a second component made of an element different from the first component in the noble metal and Au. the fuel cell separator material according to any one of Ru Au alloy Tona claims 1-4. 前記Ti基材は、Tiと異なる基材表面に厚み10nm以上のTi被膜を形成してなる請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料The fuel cell separator material according to any one of claims 1 to 5, wherein the Ti substrate is formed by forming a Ti film having a thickness of 10 nm or more on a substrate surface different from Ti. 固体高分子形燃料電池に用いられる請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。The fuel cell separator material according to any one of claims 1 to 6, which is used in a polymer electrolyte fuel cell. ダイレクトメタノール燃料電池に用いられる請求項7記載の燃料電池用セパレータ材料。The fuel cell separator material according to claim 7, which is used in a direct methanol fuel cell. 請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池スタック。A fuel cell stack using the fuel cell separator material according to claim 1.
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