JP5287180B2 - Laminated structure, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same - Google Patents

Laminated structure, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、積層構造体、その製造方法、ならびにこれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a laminated structure, a method for producing the same, and a fuel cell using the same.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、(1)高分子電解質膜(例えば、Nafion(登録商標)膜)、(2)これを挟持する一対(アノード、カソード)の触媒層(「電極触媒層」とも称される)、(3)さらにこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対(アノード、カソード)のガス拡散層(GDL)、を含む膜電極接合体(MEA)を有する。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのMEAと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. Each of the single cells is also referred to as (1) a polymer electrolyte membrane (for example, a Nafion (registered trademark) membrane) and (2) a pair of (anode, cathode) catalyst layers (an “electrode catalyst layer”) sandwiching the membrane. ), And (3) a membrane electrode assembly (MEA) including a pair of (anode, cathode) gas diffusion layers (GDL) for dispersing the supply gas sandwiching them. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. In this way, a single cell is stacked and connected to form a fuel cell stack. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a fuel cell stack, the separator exhibits a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition to this, a gas flow path is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively.

PEFCの発電メカニズムを簡単に説明すると、PEFCの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス(例えば水素ガス)が供給され、カソード側に酸化剤ガス(例えば大気、酸素)が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。   Briefly explaining the power generation mechanism of the PEFC, during operation of the PEFC, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, air or oxygen) is supplied to the cathode side. As a result, in each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds to generate electricity.

導電性が要求される燃料電池用セパレータの構成材料としては、従来、金属、カーボン、または導電性樹脂などが知られている。これらのうち、カーボンセパレータや導電性樹脂セパレータでは、ガス流路形成後の強度をある程度確保すべく、厚さを比較的大きく設定する必要がある。その結果、これらのセパレータを用いた燃料電池スタックの全体の厚さも大きくなってしまう。かようなスタックの大型化は、特に小型化が求められている車載用PEFCなどにおいては、好ましくない。   Conventionally, metals, carbon, or conductive resins are known as constituent materials for fuel cell separators that require electrical conductivity. Among these, in the carbon separator and the conductive resin separator, it is necessary to set the thickness relatively large in order to secure the strength after forming the gas flow path to some extent. As a result, the overall thickness of the fuel cell stack using these separators also increases. Such an increase in the size of the stack is not preferable particularly in an in-vehicle PEFC that requires a reduction in size.

これに対して、金属セパレータは強度が比較的大きいため、厚さを比較的小さくすることが可能である。また、導電性にも優れることから、金属セパレータを用いるとMEAとの接触抵抗を低減させうるという利点もある。その反面、金属材料では腐食(例えば、生成水や運転時に生じる電位差などに起因するもの)による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下という問題が生じる場合がある。よって、金属セパレータでは、その優れた導電性を確保しつつ、耐食性をも向上させることが求められている。   On the other hand, since the metal separator has a relatively high strength, the thickness can be made relatively small. Moreover, since it is excellent also in electroconductivity, when a metal separator is used, there also exists an advantage that contact resistance with MEA can be reduced. On the other hand, in metal materials, there may be a problem that the conductivity is lowered due to corrosion (for example, due to generated water or a potential difference generated during operation), and the output of the stack is lowered accordingly. Therefore, the metal separator is required to improve the corrosion resistance while ensuring its excellent conductivity.

一方、燃料電池の発電(上記反応式(2))の際に生成される水は燃料ガスの円滑な流れを妨げる場合があり、電池特性に大きな影響を与えることが知られている。したがって、燃料電池の高出力化のためには、燃料ガスの流路における水の排出性を向上させることが要求されている。   On the other hand, it is known that water generated during the power generation of the fuel cell (the above reaction formula (2)) may hinder the smooth flow of the fuel gas and greatly affect the cell characteristics. Therefore, in order to increase the output of the fuel cell, it is required to improve the water discharge performance in the flow path of the fuel gas.

そのための技術として、例えば、特許文献1には、基材上に金属酸化物を複合化させて含有する炭素系膜が形成されたセパレータが開示されている。この方法では、セパレータの表面が金属酸化物によって親水化されることにより排水性が向上する、としている。また、炭素系膜を用いることにより耐食性に優れる、としている。
特開2007−134107号公報
As a technology for that purpose, for example, Patent Document 1 discloses a separator in which a carbon-based film containing a metal oxide in a composite form is formed on a base material. In this method, drainage is improved by hydrophilizing the separator surface with a metal oxide. Moreover, it is said that it is excellent in corrosion resistance by using a carbon-type film | membrane.
JP 2007-134107 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術において、炭素膜に含まれる金属酸化物は絶縁性を示すため、セパレータの厚さ方向の導電性が低下したり、ガス拡散層との間の接触抵抗が増加してしまう。   However, in the technique described in Patent Document 1, since the metal oxide contained in the carbon film exhibits insulating properties, the conductivity in the thickness direction of the separator is reduced, or the contact resistance with the gas diffusion layer is increased. Resulting in.

そこで本発明は、金属基材層および導電性炭素層が積層されてなる燃料電池用セパレータと、複数の空孔を有するガス拡散基材を含むガス拡散層とが前記導電性炭素層と前記ガス拡散層とが対向するように積層されてなる積層構造体において、耐食性を確保しつつ、導電性および排水性を一層向上させうる手段を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a separator for a fuel cell in which a metal base material layer and a conductive carbon layer are laminated, and a gas diffusion layer including a gas diffusion base material having a plurality of pores. An object of the present invention is to provide means for further improving the conductivity and drainage performance while ensuring corrosion resistance in a laminated structure laminated so as to face the diffusion layer.

本発明者らは、導電性炭素層の表面に親水導電性粒子を分散させることで導電性炭素層の表面に導電性および親水性が付与されることにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have found that the above problem can be solved by imparting conductivity and hydrophilicity to the surface of the conductive carbon layer by dispersing hydrophilic conductive particles on the surface of the conductive carbon layer. The present invention has been completed.

すなわち、本発明は、金属基材層および導電性炭素層が積層されてなる燃料電池用セパレータと、複数の空孔を有するガス拡散基材を含むガス拡散層とが前記導電性炭素層と前記ガス拡散層とが対向するように積層されてなる積層構造体に関する。そして、本発明の積層構造体においては、前記導電性炭素層の表面であって前記ガス拡散層と接する接触領域に親水導電性粒子が分散されており、前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が前記ガス拡散基材の空孔間距離以下である。   That is, the present invention provides a separator for a fuel cell in which a metal base material layer and a conductive carbon layer are laminated, and a gas diffusion layer including a gas diffusion base material having a plurality of pores. The present invention relates to a laminated structure that is laminated so as to face a gas diffusion layer. In the laminated structure of the present invention, hydrophilic conductive particles are dispersed in a contact region that is in contact with the gas diffusion layer on the surface of the conductive carbon layer. The distance between the active particles is not more than the distance between the holes of the gas diffusion base material.

本発明によれば、導電性炭素層の表面に親水導電性粒子を分散させることにより、炭素層を有する金属セパレータの優れた導電性および耐食性を十分に確保しつつ、セパレータ表面の排水性がより一層向上した積層構造体が提供されうる。   According to the present invention, the hydrophilic conductive particles are dispersed on the surface of the conductive carbon layer, thereby sufficiently ensuring the excellent electrical conductivity and corrosion resistance of the metal separator having the carbon layer, and more excellent drainage on the separator surface. A further improved laminated structure can be provided.

(積層構造体)
本発明の一実施形態は、金属基材層および導電性炭素層が積層されてなる燃料電池用セパレータと、複数の空孔を有するガス拡散基材を含むガス拡散層とが前記導電性炭素層と前記ガス拡散層とが対向するように積層されてなる積層構造体に関する。そして、本発明の積層構造体においては、前記導電性炭素層の表面であって前記ガス拡散層と接する接触領域に親水導電性粒子が分散されており、前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が前記ガス拡散基材の空孔間距離以下である。
(Laminated structure)
In one embodiment of the present invention, a separator for a fuel cell in which a metal base material layer and a conductive carbon layer are laminated, and a gas diffusion layer including a gas diffusion base material having a plurality of pores are the conductive carbon layer. And a laminated structure in which the gas diffusion layers are laminated so as to face each other. In the laminated structure of the present invention, hydrophilic conductive particles are dispersed in a contact region that is in contact with the gas diffusion layer on the surface of the conductive carbon layer. The distance between the active particles is not more than the distance between the holes of the gas diffusion base material.

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not restrict | limited only to the following embodiment. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

図1は、本発明の1つの実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。すなわち、セパレータ(5a、5c)はガス拡散層(4a、4c)と隣接して配置され、隣り合うセパレータ(5a、5c)およびガス拡散層(4a、4c)は積層構造体(8a、8c)を構成する。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). That is, the separators (5a, 5c) are disposed adjacent to the gas diffusion layers (4a, 4c), and the adjacent separators (5a, 5c) and the gas diffusion layers (4a, 4c) are laminated structures (8a, 8c). Configure. In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)は、MEA側から見た凸部(接触領域9)でガス拡散層(4a、4c)と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The separators (5a, 5c) are in contact with the gas diffusion layers (4a, 4c) at the convex portions (contact region 9) viewed from the MEA side. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.

図2は、図1のうち、積層構造体8の部分の概略構成を示す断面図である。本実施形態において、積層構造体8は、ガス拡散層4およびセパレータ5から構成される。セパレータ5は、金属基材層52と、導電性炭素層54とを有する。そして、導電性炭素層54の表面であって前記ガス拡散層4と接する接触領域9に親水導電性粒子57が分散されている。また、金属基材層52と、導電性炭素層54との間には、中間層56が介在している。なお、PEFC1において、セパレータ5は、導電性炭素層54がMEA10側に位置するように、配置される。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the laminated structure 8 in FIG. In the present embodiment, the laminated structure 8 includes the gas diffusion layer 4 and the separator 5. The separator 5 has a metal base layer 52 and a conductive carbon layer 54. Then, hydrophilic conductive particles 57 are dispersed in the contact region 9 on the surface of the conductive carbon layer 54 and in contact with the gas diffusion layer 4. An intermediate layer 56 is interposed between the metal base layer 52 and the conductive carbon layer 54. In PEFC 1, the separator 5 is arranged so that the conductive carbon layer 54 is located on the MEA 10 side.

以下、本実施形態の積層構造体8の各構成要素について詳説する。   Hereinafter, each component of the laminated structure 8 of this embodiment is explained in detail.

(セパレータ)
[金属基材層]
金属基材層52は、セパレータ5の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
(Separator)
[Metal base material layer]
The metal base layer 52 is a main layer of the separator 5 and contributes to ensuring conductivity and mechanical strength.

金属基材層52を構成する金属について特に制限はなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられうる。金属基材層の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、銅、およびアルミニウムならびにこれらの合金が挙げられる。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、耐食性、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から、金属基材層はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されることが好ましい。さらに、特にステンレスを金属基材層として用いると、ガス拡散層の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性が十分に確保されうる。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成される金属基材層自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性により、耐久性が維持されうる。   There is no restriction | limiting in particular about the metal which comprises the metal base material layer 52, What was conventionally used as a constituent material of a metal separator can be used suitably. As a constituent material of a metal base material layer, iron, titanium, copper, aluminum, and these alloys are mentioned, for example. Here, the iron alloy includes stainless steel. Especially, it is preferable that a metal base material layer is comprised from stainless steel, aluminum, or aluminum alloy from viewpoints, such as corrosion resistance, mechanical strength, versatility, cost performance, or workability. Furthermore, in particular, when stainless steel is used as the metal base material layer, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion base material which is a constituent material of the gas diffusion layer can be sufficiently ensured. As a result, even if moisture enters the gaps between the rib shoulder film and the like, durability can be maintained due to the corrosion resistance of the oxide film formed on the metal base layer itself made of stainless steel.

ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、SUS201、SUS202、SUS301、SUS302、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316(L)、SUS317が挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、SUS329J1が挙げられる。マルテンサイト系としては、SUS403、SUS420が挙げられる。フェライト系としては、SUS405、SUS430、SUS430LXが挙げられる。析出硬化系としては、SUS630が挙げられる。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、ステンレス中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。   Examples of stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of austenite include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), and SUS317. Examples of the austenite-ferrite type include SUS329J1. Examples of the martensite system include SUS403 and SUS420. Examples of the ferrite type include SUS405, SUS430, and SUS430LX. Examples of the precipitation hardening system include SUS630. Among these, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316. Moreover, the content rate of iron (Fe) in stainless steel becomes like this. Preferably it is 60-84 mass%, More preferably, it is 65-72 mass%. Furthermore, the content of chromium (Cr) in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.

一方、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、およびアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050、A1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。一方で、セパレータには機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、金属基材層52がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。   On the other hand, examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. The elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they are generally usable as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel can be included in the aluminum alloy. Specific examples of the aluminum alloy include A1050 and A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. On the other hand, since the separator is also required to have mechanical strength and formability, the tempering of the alloy can be appropriately selected in addition to the above alloy types. In addition, when the metal base material layer 52 is comprised from the simple substance of titanium or aluminum, the purity of the said titanium or aluminum becomes like this. Preferably it is 95 mass% or more, More preferably, it is 97 mass% or more, More preferably, 99 It is at least mass%.

金属基材層52の厚さは、特に限定されない。加工容易性および機械的強度、並びにセパレータ自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点より、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは80〜300μmであり、さらに好ましくは80〜200μmである。特に、構成材料としてステンレスを用いた場合の金属基材層52の厚さは、好ましくは80〜150μmである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材層52の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。   The thickness of the metal base layer 52 is not particularly limited. From the viewpoint of ease of processing and mechanical strength, and improvement of the energy density of the battery by thinning the separator itself, it is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, still more preferably 80 to 200 μm. In particular, the thickness of the metal base layer 52 when stainless steel is used as the constituent material is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, the thickness of the metal base layer 52 when aluminum is used as a constituent material is preferably 100 to 300 μm. When it is within the above range, it has excellent strength as a separator and is excellent in processability and can achieve a suitable thickness.

[導電性炭素層]
導電性炭素層54は、導電性炭素を含む層である。この層の存在によって、セパレータ5の導電性を確保しつつ、金属基材層52のみの場合と比較して耐食性が改善されうる。
[Conductive carbon layer]
The conductive carbon layer 54 is a layer containing conductive carbon. The presence of this layer can improve the corrosion resistance as compared with the case of only the metal substrate layer 52 while ensuring the conductivity of the separator 5.

導電性炭素として使用可能な炭素材料は、セパレータとしての接触抵抗を増大させない限りにおいて特に限定されることはない。炭素材料の結晶性や結晶性組成については、例えば、ラマン散乱分光分析により算出される、Gバンドピーク強度とDバンドピーク強度との比(強度比R値:ID/IG)を用いることができる。   The carbon material that can be used as the conductive carbon is not particularly limited as long as the contact resistance as a separator is not increased. For the crystallinity and crystalline composition of the carbon material, for example, the ratio of the G band peak intensity and the D band peak intensity (intensity ratio R value: ID / IG) calculated by Raman scattering spectroscopy can be used. .

炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近および1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333cm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp2結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、導電性炭素層54の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層54の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Highly crystalline graphite has a single peak near 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as the “G band”. On the other hand, a peak near 1350 cm −1 appears as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase). This peak is usually referred to as the “D band” (note that the peak of diamond is strictly 1333 cm −1 and is distinct from the D band). The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) is the graphite cluster size of the carbon material and the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), It is used as an indicator such as sp2 bond ratio. That is, in the present invention, it can be used as an index of contact resistance of the conductive carbon layer 54 and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the conductive carbon layer 54.

R(I/I)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(I)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(I)との相対的強度比(ピーク面積比(I/I))を算出することにより求められる。 The R (I D / I G ) value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the peak intensity of 1300~1400Cm -1 called the D band (I D), the relative intensity ratio of the peak intensity of 1500~1600Cm -1 called G band (I G) (peak area ratio ( I D / I G )).

ここで、導電性炭素層の強度比(R値)が所定の範囲内にある場合、接触抵抗の増大を顕著に抑制させることができる。よって、導電性炭素として用いる炭素材料は、導電性炭素層がかかる所定の範囲内の強度比を有するように選択することが好ましい。具体的には、導電性炭素層の強度比(R値)に関する前記所定の範囲は、以下に制限されることはないが、好ましくは1.3以上であり、より好ましくは1.4〜2.0であり、さらに好ましくは1.4〜1.9であり、特に好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層が得られる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である金属基材層(後述する中間層が存在する場合には中間層)との密着性を一層向上させることができる。   Here, when the strength ratio (R value) of the conductive carbon layer is within a predetermined range, an increase in contact resistance can be remarkably suppressed. Therefore, the carbon material used as the conductive carbon is preferably selected so that the conductive carbon layer has a strength ratio within the predetermined range. Specifically, the predetermined range relating to the strength ratio (R value) of the conductive carbon layer is not limited to the following, but is preferably 1.3 or more, more preferably 1.4-2. 0.0, more preferably 1.4 to 1.9, and particularly preferably 1.5 to 1.8. If this R value is 1.3 or more, a conductive carbon layer having sufficient conductivity in the stacking direction can be obtained. Moreover, if R value is 2.0 or less, the reduction | decrease of a graphite component can be suppressed. Furthermore, an increase in internal stress of the conductive carbon layer itself can also be suppressed, and adhesion with a metal base layer (an intermediate layer in the case where an intermediate layer described later) exists can be further improved.

なお、R値を1.3以上とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。ただし、以下の推定メカニズムは本発明の技術的範囲をいかようにも限定することはない。   In addition, the mechanism by which the above-mentioned effect is acquired by making R value 1.3 or more is estimated as follows. However, the following estimation mechanism does not limit the technical scope of the present invention in any way.

上述したように、Dバンドピーク強度が大きくなる(すなわち、R値が大きくなる)ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼsp2炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてsp3炭素が増加することを意味する。ここで、R=1.0〜1.2の導電性炭素層を有するセパレータAの断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)を図3Aに示す。同様に、R=1.6の導電性炭素層を有するセパレータBの断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)を図3Bに示す。なお、これらのセパレータAおよびセパレータBは、金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、セパレータAにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は0Vであり、セパレータBにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は−140Vであった。   As described above, increasing the D-band peak intensity (that is, increasing the R value) means an increase in crystal structure defects in the graphite structure. In other words, it means that the sp3 carbon increases in the highly crystalline graphite composed of almost only the sp2 carbon. Here, the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the separator A which has the conductive carbon layer of R = 1.0-1.2 with the transmission electron microscope (TEM) is shown to FIG. 3A. Similarly, the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the separator B which has the electroconductive carbon layer of R = 1.6 by TEM is shown to FIG. 3B. These separator A and separator B use SUS316L as a metal base layer, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) on this surface. Were prepared by sequentially forming the layers by sputtering. Also, the bias voltage applied to the metal substrate layer during the production of the conductive carbon layer in the separator A was 0 V, and the bias voltage applied to the metal substrate layer during the production of the conductive carbon layer in the separator B. The voltage was -140V.

図3Bに示すように、セパレータBの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図3Aに示すセパレータAの導電性炭素層においては、かような多結晶グラファイトの構造は確認できない。   As shown in FIG. 3B, it can be seen that the conductive carbon layer of the separator B has a structure of polycrystalline graphite. On the other hand, such a structure of polycrystalline graphite cannot be confirmed in the conductive carbon layer of the separator A shown in FIG. 3A.

ここで、「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面(六角網面)が積層した異方性のグラファイト結晶構造(グラファイトクラスター)を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンド様カーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)の1種であるということもできる。通常、単結晶グラファイトは、HOPG(高配向熱分解黒鉛)に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。R値を上述の値に制御することで、この乱れ具合(グラファイトクラスター量、サイズ)が適度に確保され、導電性炭素層54の一方の面から他方の面への導電パスが確保されうる。その結果、金属基材層52に加えて導電性炭素層54を別途設けたことによる導電性の低下が防止されうると考えられる。   Here, “polycrystalline graphite” microscopically has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which graphene surfaces (hexagonal network surfaces) are laminated, but macroscopically, a large number of such graphite structures. Is an isotropic crystal. Therefore, it can be said that the polycrystalline graphite is one type of diamond-like carbon (DLC). Normally, single crystal graphite has a disordered structure in which graphene surfaces are laminated even when viewed macroscopically, as represented by HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). On the other hand, the polycrystalline graphite has a graphite structure as an individual cluster, and has a turbostratic structure. By controlling the R value to the above-mentioned value, this degree of disorder (graphite cluster amount, size) can be ensured appropriately, and a conductive path from one surface of the conductive carbon layer 54 to the other surface can be ensured. As a result, it is considered that a decrease in conductivity due to the separate provision of the conductive carbon layer 54 in addition to the metal base layer 52 can be prevented.

多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するsp2炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、1次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。   In polycrystalline graphite, since the graphene surface is formed by the bonding of sp2 carbon atoms constituting the graphite cluster, conductivity is ensured in the plane direction of the graphene surface. Polycrystalline graphite is substantially composed of only carbon atoms, has a small specific surface area, and a small amount of bonded functional groups. For this reason, polycrystalline graphite has excellent resistance to corrosion by acidic water or the like. In addition, even in powders such as carbon black, primary particles are often formed by aggregates of graphite clusters, thereby exhibiting electrical conductivity. However, since the individual particles are separated, there are many functional groups formed on the surface, and corrosion due to acidic water or the like is likely to occur. In addition, even when a conductive carbon layer is formed with carbon black, there is a problem that the denseness as a protective film is lacking.

ここで、本実施形態の導電性炭素層54が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは1〜50nm程度であり、より好ましくは2〜10nmである。グラファイトクラスターの平均直径がかような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層54の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出されうる。   Here, when the conductive carbon layer 54 of the present embodiment is made of polycrystalline graphite, the size of the graphite cluster constituting the polycrystalline graphite is not particularly limited. As an example, the average diameter of the graphite cluster is preferably about 1 to 50 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average diameter of the graphite cluster is in such a range, it is possible to prevent the conductive carbon layer 54 from being thickened while maintaining the crystal structure of the polycrystalline graphite. Here, the “diameter” of the graphite cluster means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the cluster. Moreover, the average diameter value of the graphite cluster is expressed as an average value of the diameter of the cluster observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Can be calculated.

なお、導電性炭素層54は上述した所定のR値を有する多結晶グラファイトから構成されることが好ましいが、導電性炭素層54は多結晶グラファイトに代えてまたはこれに加えて、多結晶グラファイト以外の導電性炭素を含んで構成されてもよい。かような多結晶グラファイト以外の導電性炭素としては、グラファイトブロック(高結晶性グラファイト)、カーボンブラック、フラーレン、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、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。これら導電性炭素は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、導電性炭素を、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂のような樹脂と複合化させて用いてもよい。   The conductive carbon layer 54 is preferably composed of polycrystalline graphite having the above-mentioned predetermined R value. However, the conductive carbon layer 54 may be other than polycrystalline graphite instead of or in addition to polycrystalline graphite. The conductive carbon may be included. Examples of such conductive carbon other than polycrystalline graphite include graphite block (highly crystalline graphite), carbon black, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon fibril. Specific examples of carbon black include, but are not limited to, ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, or thermal black. Carbon black may be subjected to a graphitization treatment. These conductive carbons may be used alone or in combination of two or more. Further, conductive carbon may be used in combination with a resin such as a polyester resin, an aramid resin, or a polypropylene resin.

導電性炭素の材料が粒子状の場合の平均粒子径は、以下に制限されることはないが、導電性炭素層の厚みを抑える観点から、好ましくは2〜100nm、より好ましくは5〜20nmである。なお、本明細書における「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。また「平均粒子径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。後述する導電性粒子の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。   The average particle diameter when the conductive carbon material is particulate is not limited to the following, but is preferably 2 to 100 nm, more preferably 5 to 20 nm, from the viewpoint of suppressing the thickness of the conductive carbon layer. is there. In the present specification, the “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline. In addition, as the value of “average particle diameter”, particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) unless otherwise specified. A value calculated as the average value of the particle diameters of the particles is adopted. The particle diameter and average particle diameter of conductive particles described later can be defined similarly.

導電性炭素の材料がカーボンナノチューブなどの繊維状の場合の直径は、以下に制限されることはないが、好ましくは0.4〜100nm、より好ましくは1〜20nmである。一方、前記繊維状の場合の長さは、特に限定されないが、5〜200nm、より好ましくは10〜100nmである。そして、前記繊維状の場合のアスペクト比は、以下に制限されることはないが、1〜500、より好ましくは2〜100である。上記した範囲内にある場合、導電性炭素層の厚さを好適に抑えることができる。   The diameter when the conductive carbon material is in the form of a fiber such as a carbon nanotube is not limited to the following, but is preferably 0.4 to 100 nm, more preferably 1 to 20 nm. On the other hand, although the length in the case of the said fibrous form is not specifically limited, 5-200 nm, More preferably, it is 10-100 nm. And although the aspect ratio in the case of the said fibrous form is not restrict | limited to the following, it is 1-500, More preferably, it is 2-100. When it exists in the above-mentioned range, the thickness of a conductive carbon layer can be restrained suitably.

導電性炭素層54に含まれうる炭素材料以外の材料としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、インジウム(In)等の貴金属;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性物質;導電性酸化物などが挙げられる。これらは1種のみが用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。   Examples of materials other than the carbon material that can be included in the conductive carbon layer 54 include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In ); Water-repellent substances such as polytetrafluoroethylene (PTFE); and conductive oxides. Only 1 type may be used for these and 2 or more types may be used together.

導電性炭素層54の厚さは、特に制限されない。ただし、好ましくは1〜1000nmであり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。導電性炭素層の厚さがかような範囲内の値であれば、ガス拡散基材とセパレータとの間に十分な導電性を確保することができる。また、金属基材層に対して高い耐食機能を持たせることができるという有利な効果を奏しうる。なお、本実施形態では、導電性炭素層54はセパレータ5の一方の主表面にのみ存在する。ただし、場合によっては、セパレータ5の他の主表面にも導電性炭素層54が存在してもよい。   The thickness of the conductive carbon layer 54 is not particularly limited. However, Preferably it is 1-1000 nm, More preferably, it is 2-500 nm, More preferably, it is 5-200 nm. If the thickness of the conductive carbon layer is within such a range, sufficient conductivity can be ensured between the gas diffusion base material and the separator. Moreover, the advantageous effect that a high corrosion-resistant function can be given with respect to a metal base material layer can be show | played. In the present embodiment, the conductive carbon layer 54 exists only on one main surface of the separator 5. However, in some cases, the conductive carbon layer 54 may also exist on the other main surface of the separator 5.

以下、本実施形態の導電性炭素層54におけるより好ましい実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。   Hereinafter, although more preferable embodiment in the conductive carbon layer 54 of this embodiment is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.

まず、導電性炭素層54のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示すことが好ましい。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。   First, regarding the Raman scattering spectroscopic analysis of the conductive carbon layer 54, from another viewpoint, it is preferable that the average peak measured by the rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis shows a two-fold symmetry pattern. Hereinafter, the measurement principle of rotational anisotropy measurement will be briefly described.

ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に360度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行なわれる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを10°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが360°回転するまで行なう。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、1周360°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Aに示すような3回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Bに示すような2回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質(アモルファス)状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図4Cに示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークが2回対称パターンを示すということは、導電性炭素層54を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層54の積層方向とほぼ一致していることを意味する。かような形態によれば、導電性炭素層54における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。   The rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis is performed by performing the Raman scattering spectroscopic measurement while rotating the measurement sample 360 degrees in the horizontal direction. Specifically, the surface of the measurement sample is irradiated with laser light, and a normal Raman spectrum is measured. Next, the measurement sample is rotated by 10 °, and the Raman spectrum is measured in the same manner. This operation is performed until the measurement sample rotates 360 °. And the average peak is obtained by calculating the average value of the peak intensities obtained in the measurement at each angle and displaying the 360 ° polar coordinate with one peak at the center. For example, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is parallel to the surface direction of the sample, a three-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4A can be seen. On the other hand, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is perpendicular to the surface direction of the sample, a two-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4B can be seen. When an amorphous carbon layer having no clear crystal structure is present on the surface of the sample, a pattern having no symmetry as shown in FIG. 4C is seen. Therefore, the average peak measured by rotational anisotropy measurement shows a two-fold symmetry pattern. This means that the surface direction of the graphene surface constituting the conductive carbon layer 54 is substantially the same as the stacking direction of the conductive carbon layer 54. Means you are doing it. According to such a form, the conductivity in the conductive carbon layer 54 is ensured by the shortest path, which is preferable.

ここで、当該回転異方性測定を行なった結果を図5Aおよび図5Bに示す。図5Aは、セパレータBを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、および180°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図5Bは、上述した手法により得られた、セパレータBについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図5Bに示すように、セパレータBの回転異方性測定においては、0°および180°の位置にピークが見られた。これは、図4Bに示す2回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「2回対称パターンを示す」とは、平均ピークにおいて、図4Bおよび図5Bに示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が0である点を基準として180°対向する2つのピークが存在することを意味する。3回対称パターンで見られるピーク強度と2回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、かような定義が可能となる。   Here, the results of the rotational anisotropy measurement are shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A shows a Raman spectrum when the separator B is used as a measurement sample and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 °, and 180 °, respectively. Moreover, FIG. 5B shows the average peak of the rotational anisotropy measurement about the separator B obtained by the method mentioned above. As shown in FIG. 5B, in the measurement of rotational anisotropy of separator B, peaks were observed at 0 ° and 180 ° positions. This corresponds to the two-fold symmetry pattern shown in FIG. 4B. In this specification, the average peak measured by rotational anisotropy measurement of Raman scattering spectroscopic analysis “shows a two-fold symmetry pattern” means that the average peak is an average as shown in FIGS. 4B and 5B. This means that there are two peaks that are 180 ° opposite each other with respect to a point where the peak intensity is zero. Since the peak intensity seen in the 3-fold symmetrical pattern and the peak intensity seen in the 2-fold symmetrical pattern are supposed to show the same value in principle, such a definition is possible.

好ましい実施形態では、導電性炭素層54のビッカース硬度が規定される。「ビッカース硬度(Hv)」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷および除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Hvが大きいほどその物質は硬いことを意味する。好ましい実施形態において、具体的には、導電性炭素層54のビッカース硬度は、好ましくは1500Hv以下であり、より好ましくは1200Hv以下であり、さらに好ましくは1000Hv以下であり、特に好ましくは800Hv以下である。ビッカース硬度がかような範囲内の値であれば、導電性を有しないsp3炭素の過剰な混入が抑制され、導電性炭素層54の導電性の低下が防止されうる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が50Hv以上であれば、導電性炭素層54の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、下地である金属基材層52との密着性にも優れたセパレータが提供されうる。かような観点から、導電性炭素層54のビッカース硬度は、より好ましくは80Hv以上であり、さらに好ましくは100Hv以上であり、特に好ましくは200Hv以上である。   In a preferred embodiment, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is defined. “Vickers hardness (Hv)” is a value that defines the hardness of a substance, and is a value inherent to the substance. In this specification, the Vickers hardness means a value measured by a nanoindentation method. The nanoindentation method is a method in which the diamond indenter is continuously loaded and unloaded with a very small load on the sample surface, and the hardness is measured from the obtained load-displacement curve. Larger means that the substance is harder. In a preferred embodiment, specifically, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is preferably 1500 Hv or less, more preferably 1200 Hv or less, further preferably 1000 Hv or less, and particularly preferably 800 Hv or less. . When the Vickers hardness is within such a range, excessive mixing of sp3 carbon having no conductivity can be suppressed, and a decrease in conductivity of the conductive carbon layer 54 can be prevented. On the other hand, the lower limit value of the Vickers hardness is not particularly limited, but if the Vickers hardness is 50 Hv or more, the hardness of the conductive carbon layer 54 is sufficiently ensured. As a result, it is possible to provide a separator that can withstand impacts such as external contact and friction, and has excellent adhesion to the metal base layer 52 that is the base. From such a viewpoint, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is more preferably 80 Hv or more, further preferably 100 Hv or more, and particularly preferably 200 Hv or more.

ここで、セパレータの金属基材層としてSUS316Lを準備し、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、バイアス電圧および成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られたセパレータにおける導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を図6に示す。なお、図6では、ダイヤモンドはsp3比=100%であり、Hv10000となる。図6に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が1500Hv以下であると、sp3比の値が大きく低下することがわかる。また、sp3比の値が低下することで、セパレータの接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。   Here, SUS316L was prepared as a metal base layer of the separator, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) were sequentially formed on this surface by a sputtering method. It produced by doing. At this time, the Vickers hardness of the conductive carbon layer was changed by controlling the bias voltage and the film formation method. FIG. 6 shows the relationship between the Vickers hardness of the conductive carbon layer in the separator thus obtained and the value of the sp3 ratio in the conductive carbon layer. In FIG. 6, diamond has an sp3 ratio = 100%, which is Hv10000. From the results shown in FIG. 6, it can be seen that when the Vickers hardness of the conductive carbon layer is 1500 Hv or less, the value of the sp3 ratio is greatly reduced. Moreover, it is estimated that the value of the contact resistance of a separator also falls in connection with the fall of the value of sp3 ratio.

さらに他の観点からは、導電性炭素層54に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性炭素層54に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はsp2からsp3へと変化して導電性を喪失し、導電性炭素層54の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるC−H結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電性炭素層54の硬度が低下し、最終的にはセパレータの機械的強度や耐食性が低下してしまう。かような観点から、導電性炭素層54における水素原子の含有量は、導電性炭素層54を構成する全原子に対して、好ましくは30原子%以下であり、より好ましくは20原子%以下であり、さらに好ましくは10原子%以下である。ここで、導電性炭素層54における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法(ERDA)により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。かような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映することになります。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定されうる。   From another point of view, it is preferable to consider the amount of hydrogen atoms contained in the conductive carbon layer 54 as well. That is, when the conductive carbon layer 54 includes a hydrogen atom, the hydrogen atom is bonded to the carbon atom. Then, the hybrid orbital of the carbon atom to which the hydrogen atom is bonded changes from sp2 to sp3 and loses conductivity, so that the conductivity of the conductive carbon layer 54 is lowered. Further, when the C—H bond in the polycrystalline graphite is increased, the continuity of the bond is lost, the hardness of the conductive carbon layer 54 is lowered, and finally the mechanical strength and corrosion resistance of the separator are lowered. From such a viewpoint, the content of hydrogen atoms in the conductive carbon layer 54 is preferably 30 atomic percent or less, more preferably 20 atomic percent or less, with respect to all atoms constituting the conductive carbon layer 54. More preferably, it is 10 atomic% or less. Here, as the value of the hydrogen atom content in the conductive carbon layer 54, a value obtained by elastic recoil scattering analysis (ERDA) is adopted. In this method, a measurement sample is tilted, and a helium ion beam is incident shallowly, thereby detecting an element ejected forward. Since the nucleus of a hydrogen atom is lighter than the incident helium ion, if a hydrogen atom is present, the nucleus is ejected forward. Since such scattering is elastic scattering, the energy spectrum of the ejected atom reflects the mass of the nucleus. Therefore, the content of hydrogen atoms in the measurement sample can be measured by measuring the number of nuclei of ejected hydrogen atoms with a solid detector.

ここで、図7は、上述したR値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性炭素層を有するいくつかのセパレータについて、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図7に示すように、導電性炭素層における水素原子の含有量が30原子%以下であると、セパレータの接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図7に示す実験において、セパレータの金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電性炭素層における水素原子の含有量を変化させた。   Here, FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of contact resistance for several separators having conductive carbon layers having different hydrogen atom contents although the R value is 1.3 or more. . As shown in FIG. 7, when the hydrogen atom content in the conductive carbon layer is 30 atomic% or less, the contact resistance value of the separator is significantly reduced. In the experiment shown in FIG. 7, SUS316L was used as the metal substrate layer of the separator, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) were formed on this surface. Were prepared by sequentially forming the layers by sputtering. At this time, the hydrogen atom content in the conductive carbon layer was changed by controlling the film formation method and the amount of hydrocarbon gas.

本実施形態においては、金属基材層52のすべてが(中間層56を介してではあるものの)、導電性炭素層54により被覆されている。換言すれば、本実施形態では、導電性炭素層54により金属基材層52が被覆された面積の割合(被覆率)は100%である。ただし、かような形態のみには限定されず、被覆率は100%未満であってもよい。導電性炭素層54による金属基材層52の被覆率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは100%である。かような構成とすることにより、導電性炭素層54により被覆されていない、金属基材層52の露出部への酸化皮膜の形成に伴う導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。なお、本実施形態のように、後述する中間層56が金属基材層52と導電性炭素層54との間に介在する場合、上記被覆率は、セパレータ5を積層方向から見た場合に導電性炭素層54と重複する金属基材層52の面積の割合を意味するものとする。   In this embodiment, all of the metal substrate layer 52 is covered by the conductive carbon layer 54 (although through the intermediate layer 56). In other words, in the present embodiment, the ratio (coverage) of the area where the metal base layer 52 is covered with the conductive carbon layer 54 is 100%. However, it is not limited only to such a form, and the coverage may be less than 100%. The coverage of the metal base layer 52 by the conductive carbon layer 54 is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, and most preferably 100%. By adopting such a configuration, it is possible to effectively suppress a decrease in conductivity and corrosion resistance due to the formation of an oxide film on the exposed portion of the metal base layer 52 that is not covered with the conductive carbon layer 54. Note that when the intermediate layer 56 described later is interposed between the metal base layer 52 and the conductive carbon layer 54 as in this embodiment, the above-described coverage is determined when the separator 5 is viewed from the stacking direction. The ratio of the area of the metal base material layer 52 overlapping with the carbonaceous layer 54 is meant.

[親水導電性粒子]
親水導電性粒子57(以下、単に「導電性粒子」とも称する)は、親水性を有する導電性粒子であって、導電性炭素層54の表面であってガス拡散層4と接する接触領域9に分散されている。この導電性粒子57の存在により、導電性炭素層54に親水性が付与されるとともに、導電性が一層向上し、ガス拡散層基材との接触抵抗を低下させることができる。なお、導電性粒子は接触領域9に加えて、接触領域9以外の導電性炭素層の表面や導電性炭素層の内部に存在していてもよい。ただし、接触抵抗の低減効果および親水性向上効果を効果的に発揮し、かつ製造コストを低減するために、導電性粒子57は導電性炭素層54の表層に存在することが好ましい。より具体的には、最低限の厚さで、面内で均一な分散がされているのが好ましい。このため、厚さと分散性とは、製造方法や条件に依存するところが大きい。本発明で確認できている導電性炭素層の平均厚さとしては、0.005〜1μmの厚さで存在することが好ましい。
[Hydrophilic conductive particles]
The hydrophilic conductive particles 57 (hereinafter also simply referred to as “conductive particles”) are conductive particles having hydrophilicity, and are formed on the surface of the conductive carbon layer 54 and in the contact region 9 in contact with the gas diffusion layer 4. Is distributed. Due to the presence of the conductive particles 57, hydrophilicity is imparted to the conductive carbon layer 54, conductivity is further improved, and contact resistance with the gas diffusion layer substrate can be reduced. In addition to the contact region 9, the conductive particles may be present on the surface of the conductive carbon layer other than the contact region 9 or inside the conductive carbon layer. However, the conductive particles 57 are preferably present in the surface layer of the conductive carbon layer 54 in order to effectively exhibit the effect of reducing contact resistance and the effect of improving hydrophilicity and reduce the manufacturing cost. More specifically, it is preferable that uniform dispersion is performed in a plane with a minimum thickness. For this reason, the thickness and dispersibility largely depend on the manufacturing method and conditions. The average thickness of the conductive carbon layer that can be confirmed in the present invention is preferably 0.005 to 1 μm.

導電性粒子としては、導電性および親水性を有する材料であれば、特に制限されない。本明細書において、親水性とは、水との接触角が導電性炭素層が有する接触角85〜100°より小さい接触角度、好ましくは、70°以下、より好ましくは60°以下であるものをいう。具体的には、貴金属、貴金属を含む合金、導電性窒化物、および導電性酸化物からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。貴金属としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)よりなる群から選択される少なくとも1種が好ましく挙げられる。貴金属を含む合金としては、特に制限されることはないが、金−コバルト合金(Au−Co)、金−ニッケル合金(Au−Ni)、パラジウム−ニッケル合金(Pd−Ni)などが挙げられる。導電性窒化物としては、CrN、TiN、ZrN、HfNなどが挙げられる。導電性酸化物としては、MBaCu7−x(MはY、又はCe、Pr、Tbを除く希土類元素)、SnO、In、CrO、Fe、IrO、OsO、PtO、ReO(β)、ReO、RhO、RuO、WO、W1849、V、V13、V15、V13よりなる群から選択される少なくとも1種が好ましく挙げられる。これらのなかでも、高い導電性を有する点で、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、が好ましく、コスト面からは、銀(Ag)、がより好ましい。また、金(Au)は、リサイクルも含めた利用を考慮すると、コスト面においても好適に用いられる。なお、これらの貴金属、および貴金属を含む合金、導電性窒化物、ならびに導電性酸化物の種類については、1種単独で用いてもよく、2種以上を混合させて用いてもよい。 The conductive particle is not particularly limited as long as it is a material having conductivity and hydrophilicity. In this specification, the hydrophilic property means that the contact angle with water is less than the contact angle of the conductive carbon layer of 85 to 100 °, preferably 70 ° or less, more preferably 60 ° or less. Say. Specifically, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of noble metals, alloys containing noble metals, conductive nitrides, and conductive oxides. The noble metal is selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and osmium (Os). At least one is preferably mentioned. The alloy containing the noble metal is not particularly limited, and examples thereof include a gold-cobalt alloy (Au—Co), a gold-nickel alloy (Au—Ni), and a palladium-nickel alloy (Pd—Ni). Examples of the conductive nitride include CrN, TiN, ZrN, and HfN. As the conductive oxide, MBa 2 Cu 3 O 7-x (M is a rare earth element except Y or Ce, Pr, Tb), SnO 2 , In 2 O 3 , CrO 2 , Fe 3 O 4 , IrO 2. , OsO 2 , PtO 2 , ReO 2 (β), ReO 3 , RhO 2 , RuO 2 , WO 2 , W 18 O 49 , V 2 O 3 , V 7 O 13 , V 8 O 15 , V 6 O 13 Preferably, at least one selected from the group consisting of: Among these, platinum (Pt), gold (Au), and silver (Ag) are preferable from the viewpoint of high conductivity, and silver (Ag) is more preferable from the viewpoint of cost. Gold (Au) is also preferably used in terms of cost in consideration of utilization including recycling. In addition, about the kind of these noble metals, the alloy containing noble metal, electroconductive nitride, and electroconductive oxide, you may use individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.

本発明において、導電性粒子の粒子径および導電性粒子間の距離はガス拡散基材の空孔間距離以下であることを特徴とする。かかる場合には、導電性粒子とガス拡散基材との接点を確保することができ、ガス拡散層との接触抵抗が低減されうる。本明細書において、「導電性粒子間の距離」は最近接した2つの導電性粒子の中心間の距離を意味するものとする。「空孔間距離」とは最近接した2つの空孔の中心間の距離を意味するものとする。「導電性粒子間の距離」は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「空孔間距離」も同様に、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、ガス拡散基材の断面における数〜数十視野中に観察される空孔間距離の平均値として算出されうる。   In the present invention, the particle diameter of the conductive particles and the distance between the conductive particles are not more than the distance between pores of the gas diffusion base material. In such a case, a contact point between the conductive particles and the gas diffusion base material can be secured, and the contact resistance with the gas diffusion layer can be reduced. In the present specification, the “distance between conductive particles” means the distance between the centers of the two closest conductive particles. The “inter-hole distance” means the distance between the centers of the two closest holes. “Distance between conductive particles” is, for example, an average of particle diameters of particles observed in several to several tens of fields using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). A value calculated as a value is adopted. Similarly, the “inter-hole distance” is observed in several to several tens of fields in the cross section of the gas diffusion substrate using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It can be calculated as an average value of the distance between holes.

具体的には、ガス拡散基材が繊維から構成される場合(繊維集合体)には、空孔間距離は繊維の直径に相当する。例えば、図8Aに示すように、ガス拡散基材が炭素繊維58から構成される場合には、導電性粒子57の粒子径および前記導電性粒子57間の距離が前記炭素繊維58の直径以下であることが好ましい。また、ガス拡散基材が粒子から構成される場合(粒子集合体)には、空孔間距離は粒子の直径に相当する。例えば、図8Aに示すように、ガス拡散基材がカーボン粒子58から構成される場合には、導電性粒子57の粒子径および前記導電性粒子57間の距離が前記カーボン粒子58の直径以下であることが好ましい。このようにガス拡散基材が繊維や粒子から構成される場合には、導電性粒子と炭素繊維または炭素粒子との接点を確実に確保することができる。ガス拡散基材が金網、貫通孔を有する打ち抜きのプレス板などの多孔性金属から構成される場合には、空孔中心間の最短距離に相当する。例えば、図8Bに示すように、ガス拡散基材が貫通孔61を有する多孔性金属60から構成される場合には、導電性粒子57の粒子径および前記導電性粒子57間の距離が前記多孔性金属60の空孔間距離以下であることが好ましい。かかる場合には、多孔性金属中の空孔間距離にある基材金属の幅よりも小さい間隔で微粒子が存在するため、多数の接点を確保できる。一例を挙げると、導電性粒子の粒子径および導電性粒子間の距離は1nm〜7μmである。   Specifically, when the gas diffusion base material is composed of fibers (fiber assembly), the distance between the holes corresponds to the fiber diameter. For example, as shown in FIG. 8A, when the gas diffusion base material is composed of carbon fibers 58, the particle diameter of the conductive particles 57 and the distance between the conductive particles 57 are equal to or smaller than the diameter of the carbon fibers 58. Preferably there is. When the gas diffusion base material is composed of particles (particle aggregate), the distance between the holes corresponds to the diameter of the particles. For example, as shown in FIG. 8A, when the gas diffusion base material is composed of carbon particles 58, the particle diameter of the conductive particles 57 and the distance between the conductive particles 57 are not more than the diameter of the carbon particles 58. Preferably there is. Thus, when a gas diffusion base material is comprised from a fiber and particle | grains, the contact of an electroconductive particle and carbon fiber or a carbon particle can be ensured reliably. When the gas diffusion substrate is made of a porous metal such as a metal mesh or a punched press plate having a through hole, this corresponds to the shortest distance between the centers of the holes. For example, as shown in FIG. 8B, when the gas diffusion base material is composed of a porous metal 60 having through-holes 61, the particle diameter of the conductive particles 57 and the distance between the conductive particles 57 are the porous It is preferable that it is below the distance between holes of the conductive metal 60. In such a case, since the fine particles exist at intervals smaller than the width of the base metal in the distance between the holes in the porous metal, a large number of contacts can be secured. As an example, the particle diameter of the conductive particles and the distance between the conductive particles are 1 nm to 7 μm.

導電性粒子による接触領域の被覆率は、1%以上であることが好ましい。1%以上であれば、導電性粒子による親水性および導電性の向上効果が得られうる。より好ましくは2〜100%、さらに好ましくは3〜100%であり、特に好ましくは10〜100%である。かかる下限値以上であれば、親水性および導電性が顕著に向上する。一方、上限値は、親水性および導電性の向上の観点からは大きいほど好ましく、100%(完全被覆)であることが好ましいが、コスト面を考慮すると、親水性および導電性が確保される限り被覆率が小さいほうが好ましい。   The coverage of the contact area with the conductive particles is preferably 1% or more. If it is 1% or more, the effect of improving hydrophilicity and conductivity by the conductive particles can be obtained. More preferably, it is 2-100%, More preferably, it is 3-100%, Most preferably, it is 10-100%. If it is more than this lower limit, hydrophilicity and electroconductivity will improve notably. On the other hand, the upper limit is preferably as large as possible from the viewpoint of improving hydrophilicity and conductivity, and is preferably 100% (complete coverage). However, in consideration of cost, as long as hydrophilicity and conductivity are ensured. A smaller coverage is preferred.

ここで、2つの要素間の接触抵抗は、接点を構成する2つの部材の体積固有抵抗(ρ、ρ)と接点の半径の逆数(1/a)の総和から算出される。 Here, the contact resistance between the two elements is calculated from the sum of the volume resistivity (ρ 1 , ρ 2 ) of the two members constituting the contact and the reciprocal of the contact radius (1 / a n ).

(式中、R:接触抵抗[Ω]、ρ、ρ:体積固有抵抗[Ω・cm]、a:接点の半径[cm]、n:接点数)
ρ、ρは材料固有の値であり、例えば、導電性粒子として金(Au)を用い、ガス拡散基材として炭素繊維を用いる場合には、ρおよびρはそれぞれ金(Au)および炭素繊維の体積固有抵抗となる。したがって、接触抵抗は接点数および接点の半径に依存することがわかる。
(Wherein, R: contact resistance [Ω], ρ 1, ρ 2: volume resistivity [Ω · cm], a n : radius of the contact [cm], n: number of contact points)
ρ 1 and ρ 2 are values specific to the material. For example, when gold (Au) is used as the conductive particles and carbon fiber is used as the gas diffusion base material, ρ 1 and ρ 2 are each gold (Au). And the volume resistivity of the carbon fiber. Therefore, it can be seen that the contact resistance depends on the number of contacts and the radius of the contacts.

導電性粒子の被覆率が大きいほど、導電性炭素層の表面に分散される導電性粒子の数が増加するため、ガス拡散基材との接点を増大させることができ、これにより接触抵抗を低減することができる。   As the coverage of the conductive particles increases, the number of conductive particles dispersed on the surface of the conductive carbon layer increases, so the number of contacts with the gas diffusion substrate can be increased, thereby reducing the contact resistance. can do.

本発明者らは、導電性粒子の被覆率が上記の下限値以上である場合には、ガス拡散基材との接点を有意に増大させることができ、接触抵抗を低減することができることを見出した。そして、本発明では、上記で例示した貴金属、貴金属を含む合金、導電性窒化物、および導電性酸化物などの導電性粒子を用いた場合に、導電性粒子による被覆率が上記の下限値以上であれば、接触抵抗の低減されることが認められた。ただし、ガス拡散基材と導電性粒子との接点は、導電性粒子およびガス拡散基材の材質・サイズ、導電性炭素層の接触領域の表面粗さ・材質に依存する。例えば、接触領域の接触領域の表面粗さが小さい場合には、接触領域に分散された導電性粒子とガス拡散基材との接点を増大させることができるため、接触抵抗を低減することができる。一方、一般に、親水性表面では表面粗さが大きいほど親水性が高いことが知られており、高被覆率の親水化された表面においては、表面粗さが大きい方がより一層の親水化効果を発揮しうる。このため、好ましくは、使用する導電性粒子、ガス拡散基材、導電性炭素層(接触領域)にあわせて導電性粒子の被覆率を適宜調整するのがよい。   The present inventors have found that when the coverage of the conductive particles is not less than the above lower limit, the contact with the gas diffusion substrate can be significantly increased and the contact resistance can be reduced. It was. In the present invention, when conductive particles such as the noble metals exemplified above, alloys containing noble metals, conductive nitrides, and conductive oxides are used, the coverage by the conductive particles is not less than the above lower limit value. If so, it was found that the contact resistance was reduced. However, the contact point between the gas diffusion substrate and the conductive particles depends on the material and size of the conductive particles and the gas diffusion substrate, and the surface roughness and material of the contact region of the conductive carbon layer. For example, when the surface roughness of the contact area of the contact area is small, the contact between the conductive particles dispersed in the contact area and the gas diffusion base material can be increased, and thus the contact resistance can be reduced. . On the other hand, it is generally known that the hydrophilic surface has a higher hydrophilicity as the surface roughness is larger. On the hydrophilic surface with a high coverage, the larger the surface roughness, the more hydrophilic effect. Can be demonstrated. For this reason, it is preferable to appropriately adjust the coverage of the conductive particles according to the conductive particles, gas diffusion base material, and conductive carbon layer (contact region) to be used.

また、導電性粒子が分散された接触領域における水の接触角は、70°以下であることが好ましく、0〜60°であることがより好ましく、45〜50°であることがさらに好ましい。かような場合は、水の流路となるセパレータ表面の排水性が一層向上されるため、特に、水の排出性が問題となるリブピッチが小さい(微細な凹凸形状を有する)セパレータにおける細い流路であっても効率よく排水することができる。なお、本発明において接触角は、JIS K6768に記載された濡れ性試験方法に基づいて測定するものとする。   Moreover, the contact angle of water in the contact region in which the conductive particles are dispersed is preferably 70 ° or less, more preferably 0 to 60 °, and further preferably 45 to 50 °. In such a case, since the drainage performance of the separator surface serving as a water flow path is further improved, the narrow flow path in the separator having a small rib pitch (having a fine uneven shape) in particular, which is a problem of water discharge performance. Even so, it can be drained efficiently. In the present invention, the contact angle is measured based on the wettability test method described in JIS K6768.

なお、導電性粒子は、金属基材層の少なくとも一方に形成された導電性炭素層の表面上に存在すればよい。ただし、導電性炭素層が金属基材層の両方の主表面に存在する場合には、両方の導電性炭素層の表面上に導電性粒子が分散されていてもよいが、排水性の効果を発揮する上で、導電性粒子は、PEFCにおいてMEA側(反応面側)に配置されることとなる導電性炭素層の表面に存在することが好ましい。   In addition, the electroconductive particle should just exist on the surface of the electroconductive carbon layer formed in at least one of the metal base material layer. However, when conductive carbon layers are present on both main surfaces of the metal substrate layer, conductive particles may be dispersed on the surfaces of both conductive carbon layers. When exhibiting, it is preferable that electroconductive particle exists in the surface of the electroconductive carbon layer which will be arrange | positioned at the MEA side (reaction surface side) in PEFC.

[中間層]
図2に示すように、本実施形態において、セパレータ5は、中間層56を有する。この中間層56は、金属基材層52と導電性炭素層54との密着性を向上させるという機能や、金属基材層52からのイオンの溶出を防止するという機能を有する。特に、R値が上述した好ましい範囲の上限値を超える場合に、中間層56を設けることによる効果は顕著に発現する。ただし、R値が上述した好ましい範囲に含まれる場合であっても中間層が設けられうることは当然である。他の観点からは、中間層56の設置による上述した作用効果は、金属基材層52がアルミニウムまたはその合金から構成される場合にも顕著に発現する。なお、本発明において、中間層は任意の層であり、必ずしも中間層は存在しなくてもよい。以下、セパレータが中間層を含む場合の好ましい形態について簡単に説明する。
[Middle layer]
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the separator 5 has an intermediate layer 56. The intermediate layer 56 has a function of improving the adhesion between the metal base layer 52 and the conductive carbon layer 54 and a function of preventing elution of ions from the metal base layer 52. In particular, when the R value exceeds the upper limit value of the preferable range described above, the effect of providing the intermediate layer 56 is remarkably exhibited. However, it is a matter of course that an intermediate layer can be provided even when the R value is included in the preferred range described above. From another point of view, the above-described operation and effect due to the installation of the intermediate layer 56 are also significantly manifested when the metal base layer 52 is made of aluminum or an alloy thereof. In the present invention, the intermediate layer is an arbitrary layer, and the intermediate layer does not necessarily exist. Hereinafter, a preferable form in the case where the separator includes an intermediate layer will be briefly described.

中間層56を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限はない。例えば、周期律表の第4族の金属(Ti、Zr、Nf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、第6族の金属(Cr、Mo、W)、並びにこれらの炭化物、窒化物および炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属、またはこれらの窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、CrもしくはTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物が用いられる。特に、上述したイオン溶出の少ない金属またはその炭化物もしくは窒化物を用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。   The material constituting the intermediate layer 56 is not particularly limited as long as it provides the above adhesion. For example, Group 4 metals (Ti, Zr, Nf) of the periodic table, Group 5 metals (V, Nb, Ta), Group 6 metals (Cr, Mo, W), and their carbides, Examples thereof include nitrides and carbonitrides. Among these, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb) or hafnium (Hf), or their nitrides, carbides or charcoal are preferable. Nitride is used. More preferably, Cr or Ti, or a carbide or nitride thereof is used. In particular, when the above-described metal with little ion elution or a carbide or nitride thereof is used, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved.

中間層56の厚さは、特に制限されない。ただし、セパレータ5をより薄膜化することにより、燃料電池のスタックのサイズをできるだけ小さくするという観点からは、中間層56の厚さは、好ましくは0.01〜10μmであり、より好ましくは0.05〜5μmであり、さらに好ましくは0.1〜1μmである。中間層56の厚さが0.01μm以上であれば、均一な層が形成され、金属基材層の耐食性を効果的に向上させることが可能となる。一方、中間層56の厚さが10μm以下であれば、中間層の膜応力の上昇が抑えられ、金属基材層に対する皮膜追従性の低下やこれに伴う剥離・クラックの発生が防止されうる。   The thickness of the intermediate layer 56 is not particularly limited. However, from the viewpoint of making the size of the fuel cell stack as small as possible by making the separator 5 thinner, the thickness of the intermediate layer 56 is preferably 0.01 to 10 μm, more preferably 0.00. It is 05-5 micrometers, More preferably, it is 0.1-1 micrometers. If the thickness of the intermediate layer 56 is 0.01 μm or more, a uniform layer is formed, and the corrosion resistance of the metal base layer can be effectively improved. On the other hand, if the thickness of the intermediate layer 56 is 10 μm or less, an increase in the film stress of the intermediate layer can be suppressed, and a decrease in film followability to the metal substrate layer and the occurrence of peeling / cracking associated therewith can be prevented.

また、中間層56の、導電性炭素層54側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。かような形態によれば、中間層56上に成膜される導電性炭素層54の、中間層56に対する密着性をより一層向上させうる。   In addition, the surface of the intermediate layer 56 on the conductive carbon layer 54 side is preferably rough at the nano level. According to such an embodiment, the adhesion of the conductive carbon layer 54 formed on the intermediate layer 56 to the intermediate layer 56 can be further improved.

さらに、中間層56の熱膨張率が、金属基材層52を構成する金属の熱膨張率と近い値であると、中間層56と金属基材層52との密着性は向上する。ただし、かような形態では中間層56と導電性炭素層54との密着性が低下する場合がある。同様に、中間層56の熱膨張率が導電性炭素層54の熱膨張率と近い値であると、中間層56と金属基材層52との密着性が低下する場合がある。これらを考慮して、中間層の熱膨張率(αmid)、金属基材層の熱膨張率(αsub)、および導電性炭素層の熱膨張率を(α)は、αsub>αmid>αの関係を満足することが好ましい。 Furthermore, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 56 is a value close to the thermal expansion coefficient of the metal constituting the metal base layer 52, the adhesion between the intermediate layer 56 and the metal base layer 52 is improved. However, in such a form, the adhesion between the intermediate layer 56 and the conductive carbon layer 54 may decrease. Similarly, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 56 is close to the thermal expansion coefficient of the conductive carbon layer 54, the adhesion between the intermediate layer 56 and the metal base layer 52 may be lowered. Considering these, the thermal expansion coefficient (α mid ) of the intermediate layer, the thermal expansion coefficient (α sub ) of the metal base material layer, and the thermal expansion coefficient (α c ) of the conductive carbon layer are expressed by α sub > α It is preferable to satisfy the relationship of mid > α c .

なお、中間層は、金属基材層の少なくとも一方の表面上に存在すればよい。ただし、導電性炭素層が金属基材層の一方の主表面にのみ存在する場合には、中間層は、金属基材層と導電性炭素層との間に存在する。また、導電性炭素層は、上述したように金属基材層の両面に存在する場合もある。かような場合には、中間層は、金属基材層と双方の導電性炭素層との間にそれぞれ介在することが好ましい。金属基材層といずれか一方の導電性炭素層との間にのみ中間層が存在する場合には、当該中間層は、PEFCにおいてMEA側に配置されることとなる導電性炭素層と金属基材層との間に存在することが好ましい。   In addition, the intermediate | middle layer should just exist on the surface of at least one of a metal base material layer. However, when the conductive carbon layer exists only on one main surface of the metal base material layer, the intermediate layer exists between the metal base material layer and the conductive carbon layer. In addition, the conductive carbon layer may be present on both sides of the metal base layer as described above. In such a case, the intermediate layer is preferably interposed between the metal substrate layer and both conductive carbon layers. When the intermediate layer exists only between the metal substrate layer and one of the conductive carbon layers, the intermediate layer is disposed on the MEA side in the PEFC with the conductive carbon layer and the metal group. It is preferable to exist between the material layers.

[ガス拡散層]
ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、複数の空孔を有するガス拡散基材から構成され、セパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)に隣接して配置される。ガス拡散層は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c) are composed of a gas diffusion base material having a plurality of pores, and are disposed adjacent to the separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). The gas diffusion layer has a function of promoting diffusion of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the gas flow paths (6a, 6c) of the separator to the catalyst layers (3a, 3c), and an electron conduction path. As a function.

ガス拡散基材は複数の空孔を有する材料(多孔質材料)であれば特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布、多孔性金属(金網、プレス版など)といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。好ましくは、炭素繊維からなる紙状抄紙体、織物および不織布、多孔性金属(金網、プレス版など)などが一般的に使われている。   The gas diffusion substrate is not particularly limited as long as it is a material having a plurality of pores (porous material), and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Examples thereof include sheet-like materials having conductivity and porosity, such as carbon fabrics, paper-like paper bodies, felts, non-woven fabrics, and porous metals (such as wire mesh and press plates). Preferably, paper-like paper bodies made of carbon fibers, woven fabrics and non-woven fabrics, porous metals (such as wire mesh and press plates) are generally used.

ガス拡散基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the gas diffusion base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

(積層構造体の製造方法)
上述した実施形態の積層構造体を製造する方法について特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、積層構造体を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、積層構造体8を構成するセパレータ5およびガス拡散層4の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
(Manufacturing method of laminated structure)
There is no restriction | limiting in particular about the method of manufacturing the laminated structure of embodiment mentioned above, It can manufacture by referring a conventionally well-known method suitably. Hereinafter, although preferable embodiment for manufacturing a laminated structure is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form. Moreover, since various conditions, such as the material of each component of the separator 5 which comprises the laminated structure 8, and the gas diffusion layer 4, are as above-mentioned, description is abbreviate | omitted here.

本発明の一実施形態は、金属基材層の少なくとも一方の主表面に導電性炭素層を成膜する工程と、前記導電性炭素層の表面に親水導電性粒子を分散させる工程と、前記導電性粒子を分散させた領域に接触するようにガス拡散層を配置させる工程と、を含む、積層構造体の製造方法であって、前記導電性粒子の分散を、スパッタリング法により行なうことを特徴とする、積層構造体の製造方法である。   One embodiment of the present invention includes a step of forming a conductive carbon layer on at least one main surface of a metal base layer, a step of dispersing hydrophilic conductive particles on the surface of the conductive carbon layer, and the conductive And a step of disposing the gas diffusion layer in contact with the region in which the conductive particles are dispersed, and a method for producing a laminated structure, wherein the conductive particles are dispersed by a sputtering method. This is a method for manufacturing a laminated structure.

まず、金属基材層の構成材料として、所望の厚さのステンレス板などを準備する。次いで、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンおよび苛性アルカリ剤など)を用いて、準備した金属基材層の構成材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。   First, a stainless plate having a desired thickness is prepared as a constituent material of the metal base layer. Next, the surface of the constituent material of the prepared metal base layer is degreased and washed using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichlorethylene, and caustic agent). Examples of the treatment include ultrasonic cleaning. As conditions for ultrasonic cleaning, the processing time is about 1 to 10 minutes, the frequency is about 30 to 50 kHz, and the power is about 30 to 50 W.

続いて、金属基材層の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、またはイオンボンバード処理などが挙げられる。   Subsequently, the oxide film formed on the surface (both sides) of the constituent material of the metal base layer is removed. Examples of the method for removing the oxide film include a cleaning treatment with an acid, a dissolution treatment by applying a potential, or an ion bombardment treatment.

次に、上記の処理を施した金属基材層の構成材料の表面に、導電性炭素層を成膜する。例えば、上述した導電性炭素層の構成材料(例えば、グラファイト)をターゲットとして、金属基材層上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層(成膜)することにより、導電性炭素層を形成することができる。これにより、直接付着した導電性炭素層と金属基材層との界面およびその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性が保持されうる。   Next, a conductive carbon layer is formed on the surface of the constituent material of the metal base layer subjected to the above treatment. For example, the conductive carbon layer is formed by stacking (forming) a layer containing conductive carbon on the metal base layer at the atomic level using the above-described constituent material of the conductive carbon layer (for example, graphite) as a target. Can be formed. Thereby, the adhesiveness of the interface between the conductive carbon layer and the metal base material layer directly attached thereto and the vicinity thereof can be maintained for a long period of time due to intermolecular force or slight carbon atom intrusion.

導電性炭素を積層(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、例えば、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。かような手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp2混成炭素)の割合を増加させることができ、優れた導電性が達成されうる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。   As a method suitably used for laminating (depositing) conductive carbon, for example, physical vapor deposition (PVD) methods such as sputtering or ion plating, or filtered cathodic vacuum arc (FCVA) And ion beam deposition methods. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, and a dual magnetron sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Of these, the sputtering method and the ion plating method are preferably used, and the sputtering method is particularly preferably used. According to such a method, a carbon layer with a low hydrogen content can be formed. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp2 hybrid carbon) can be increased, and excellent conductivity can be achieved. In addition to this, the film can be formed at a relatively low temperature, and there is an advantage that damage to the metal base layer can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like.

ここで、導電性炭素層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に金属基材層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような形態によれば、イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電性炭素層が成膜されうる。このような導電性炭素層は優れた導電性を発揮しうることから、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さいセパレータが提供されうる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性炭素層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。また、UBMS法により導電性炭素層54を成膜する場合には、予め中間層を形成しておき、その上に導電性炭素層を形成することが好ましい。これにより、下地層との密着性に優れる導電性炭素層が形成されうる。ただし、他の手法によって導電性炭素層を形成する場合には、中間層が存在しない場合であっても、金属基材層との密着性に優れる導電性炭素層が形成されうる。   Here, when the conductive carbon layer is formed by sputtering, a negative bias voltage may be applied to the metal substrate layer during sputtering. According to such a form, a conductive carbon layer having a structure in which graphite clusters are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Since such a conductive carbon layer can exhibit excellent conductivity, a separator having a low contact resistance with other members (for example, MEA) can be provided. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming a conductive carbon layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. Further, when the conductive carbon layer 54 is formed by the UBMS method, it is preferable to form an intermediate layer in advance and form the conductive carbon layer thereon. Thereby, the conductive carbon layer excellent in adhesiveness with the underlayer can be formed. However, when the conductive carbon layer is formed by another method, a conductive carbon layer having excellent adhesion to the metal substrate layer can be formed even when the intermediate layer is not present.

上述した手法によれば、金属基材層52の一方の主表面に導電性炭素層54が形成されたセパレータが製造されうる。金属基材層52の両面に導電性炭素層54が形成されてなるセパレータを製造するには、金属基材層52の他方の主表面に対して、上述したのと同様の手法によって、導電性炭素層を形成すればよい。   According to the above-described method, a separator in which the conductive carbon layer 54 is formed on one main surface of the metal base layer 52 can be manufactured. In order to manufacture a separator in which the conductive carbon layer 54 is formed on both surfaces of the metal base layer 52, the other main surface of the metal base layer 52 is made conductive by the same method as described above. A carbon layer may be formed.

次に、上記の処理を施した導電性炭素層の表面の全体または一部に、導電性粒子を分散させる。上述したように、導電性粒子は導電性炭素層の表面上のガス拡散層と接触する領域に分散されていればよい。導電性炭素層の表面の一部にのみ導電性粒子を分散させるには、例えば、マスクを形成させて所望の部分に選択的に導電性粒子を分散させればよい。導電性粒子を分散させる手法としては、メッキ法、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。なかでも、スパッタリング法またはメッキ法を用いることが好ましい。   Next, conductive particles are dispersed on the whole or a part of the surface of the conductive carbon layer subjected to the above treatment. As described above, the conductive particles only have to be dispersed in a region in contact with the gas diffusion layer on the surface of the conductive carbon layer. In order to disperse the conductive particles only on a part of the surface of the conductive carbon layer, for example, a mask may be formed and the conductive particles may be selectively dispersed in a desired portion. Methods for dispersing conductive particles include physical vapor deposition (PVD) methods such as plating, sputtering or ion plating, or ion beam deposition methods such as filtered cathodic vacuum arc (FCVA). Can be mentioned. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, and a dual magnetron sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Of these, the sputtering method and the ion plating method are preferably used, and the sputtering method is particularly preferably used. Among these, it is preferable to use a sputtering method or a plating method.

スパッタリング法を用いる場合には、密着性の高い導電性粒子の分散構造が得られる。また、導電性炭素層の成膜(スパッタリング)に続いて、ターゲットを変更するだけで連続的に導電性粒子を分散させることができるため好ましい。スパッタリング条件としては上記したような導電性粒子の分散構造が形成できるような条件であれば特に制限されない。ただし、スパッタリング時に金属基材層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、その他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。   When the sputtering method is used, a dispersed structure of conductive particles having high adhesion can be obtained. Moreover, it is preferable because the conductive particles can be dispersed continuously by simply changing the target following the formation (sputtering) of the conductive carbon layer. The sputtering conditions are not particularly limited as long as the above-described conductive particle dispersion structure can be formed. However, a negative bias voltage may be applied to the metal base layer during sputtering. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. Note that specific forms such as other conditions are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to.

一方、メッキ法を用いる場合には、高被覆率で導電性粒子を分散させることができる。また、プロセスをロール・ツー・ロール方式で行うことが可能となるため、量産化が可能となる。メッキ条件としては上記したような導電性粒子の分散構造が形成できるような条件であれば特に制限されず、公知の条件が使用され、使用される導電性粒子の種類や量などによって異なる。例えば、メッキ処理条件は、電流密度が0.25〜5A/dm、浴温度45〜55℃、電析時間10秒〜100分前後の時間である。ただし、析出時間は対極のサイズや形状等によっても変わるため、適宜調整することができる。このような条件によって、所望の導電性粒子の分散構造が容易に形成されうる。 On the other hand, when the plating method is used, the conductive particles can be dispersed with a high coverage. In addition, since the process can be performed in a roll-to-roll system, mass production is possible. The plating conditions are not particularly limited as long as the above-described conductive particle dispersion structure can be formed. Known conditions are used, and vary depending on the type and amount of the conductive particles used. For example, the plating treatment conditions are a current density of 0.25 to 5 A / dm 2 , a bath temperature of 45 to 55 ° C., and an electrodeposition time of about 10 seconds to about 100 minutes. However, since the deposition time varies depending on the size and shape of the counter electrode, it can be adjusted as appropriate. Under such conditions, a desired dispersed structure of conductive particles can be easily formed.

なお、導電性粒子の被覆率や粒子径は、予めスパッタ時間またはメッキ時間などのスパッタ条件と分散量との関係をあらかじめ把握した上で、これらを制御することにより所望の範囲に設定することができる。また、上述したように被覆率は導電性粒子を分散させる導電性炭素層の材質や粒子の分散手法によっても異なるため、導電性炭素層の材質と被覆形態との関係をあらかじめ把握しておく必要がある。例えば、導電性炭素および樹脂を複合化させた複合材を用いた場合に、メッキ法を用いて導電性粒子を分散させると、導電性粒子は炭素の表面には吸着するが、樹脂表面には吸着しない。このため、このような複合材を用いた場合には、複合材に含まれる樹脂量についても考慮した上で被覆率を制御する必要がある。   Note that the coverage and particle size of the conductive particles can be set in a desired range by previously grasping the relationship between the sputtering conditions such as sputtering time or plating time and the amount of dispersion in advance and controlling them. it can. In addition, as described above, since the coverage varies depending on the material of the conductive carbon layer in which the conductive particles are dispersed and the method of dispersing the particles, it is necessary to grasp the relationship between the material of the conductive carbon layer and the coating form in advance. There is. For example, in the case of using a composite material in which conductive carbon and a resin are combined, if the conductive particles are dispersed using a plating method, the conductive particles are adsorbed on the surface of the carbon, but the resin surface is adsorbed. Does not adsorb. For this reason, when such a composite material is used, it is necessary to control the coverage rate in consideration of the amount of resin contained in the composite material.

金属基材層52の一方または両方の主表面に形成された導電性炭素層54の表面に対して上記処理を行うことで、金属基材層52の一方または両方の主表面に導電性炭素層54が形成され、かつ導電性炭素層54の表面に親水導電性粒子57が分散されたセパレータが製造されうる。   By conducting the above treatment on the surface of the conductive carbon layer 54 formed on one or both main surfaces of the metal substrate layer 52, the conductive carbon layer is formed on one or both main surfaces of the metal substrate layer 52. 54, and a separator in which hydrophilic conductive particles 57 are dispersed on the surface of the conductive carbon layer 54 can be manufactured.

なお、中間層56を有する、図2に示す形態のセパレータを製造するには、上述した導電性炭素層の成膜工程の前に、金属基材層の少なくとも一方の主表面に中間層を成膜する工程を行なう。この際、中間層を成膜する手法としては、導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層の構成材料に変更する必要がある。   In order to manufacture the separator having the intermediate layer 56 shown in FIG. 2, the intermediate layer is formed on at least one main surface of the metal base layer before the conductive carbon layer forming step described above. A film forming step is performed. At this time, as the method for forming the intermediate layer, the same method as described above for the formation of the conductive carbon layer may be employed. However, it is necessary to change the target to the constituent material of the intermediate layer.

続いて、上記工程により成膜された中間層の導電性炭素層と対向する主表面とは異なる主表面に、導電性炭素層を成膜する工程および導電性粒子を分散させる工程を行なえばよい。中間層の表面に導電性炭素層を成膜する手法としても、金属基材層の表面への導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。   Subsequently, the step of forming the conductive carbon layer and the step of dispersing the conductive particles may be performed on a main surface different from the main surface facing the conductive carbon layer of the intermediate layer formed by the above step. . As a method for forming the conductive carbon layer on the surface of the intermediate layer, the same method as described above for the formation of the conductive carbon layer on the surface of the metal base layer may be employed.

そして、上記の方法により得られるセパレータの上に、ガス拡散基材を積層させることにより、セパレータとガス拡散層とが積層されてなる積層構造体を得る。この際、導電性粒子を分散させた領域にガス拡散層が接触するようにガス拡散層を積層させる。   And the laminated structure formed by laminating | stacking a separator and a gas diffusion layer is obtained by laminating | stacking a gas diffusion base material on the separator obtained by said method. At this time, the gas diffusion layer is laminated so that the gas diffusion layer is in contact with the region where the conductive particles are dispersed.

本実施形態の積層構造体は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCの積層構造体8である。ただし、本実施形態の積層構造体の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などの各種の燃料電池を構成する積層構造体としても使用可能である。また、積層構造体以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。他の好ましい形態において、本実施形態の積層構造体は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、導電性および排水性の両立を図るという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。なお、本実施形態の積層構造体が用いられる「湿潤環境」とは、積層構造体と接触する雰囲気の相対湿度が30RH以上の環境をいう。当該相対湿度は、好ましくは30%RH以上であり、より好ましくは60%RH以上であり、特に好ましくは100%RH以上である。また、本実施形態の積層構造体が用いられる「通電環境」とは、0.001A/cm以上の電流密度で、積層構造体を電流が流れる環境をいう。当該電流密度は、好ましくは0.01A/cm以上である。 The laminated structure of this embodiment can be used for various applications. A typical example is a PEFC laminated structure 8 shown in FIG. However, the use of the laminated structure of the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cells such as phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid electrolyte fuel cell (SOFC) or alkaline fuel cell (AFC) are configured. It can also be used as a laminated structure. In addition to the laminated structure, it can be used for various applications that require both conductivity and corrosion resistance. In another preferred embodiment, the laminated structure of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the effect of the present invention of achieving both conductivity and drainage can be remarkably exhibited. The “wet environment” in which the laminated structure of the present embodiment is used refers to an environment where the relative humidity of the atmosphere in contact with the laminated structure is 30 RH or higher. The relative humidity is preferably 30% RH or more, more preferably 60% RH or more, and particularly preferably 100% RH or more. Further, the “energization environment” in which the laminated structure of the present embodiment is used refers to an environment in which current flows through the laminated structure at a current density of 0.001 A / cm 2 or more. The current density is preferably 0.01 A / cm 2 or more.

以下、図1を参照しつつ、本実施形態の積層構造体を用いたPEFCの構成要素について説明する。ただし、本発明は積層構造体に特徴を有するものである。よって、燃料電池を構成する積層構造体以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。   Hereinafter, the components of the PEFC using the laminated structure of the present embodiment will be described with reference to FIG. However, the present invention is characterized by a laminated structure. Therefore, the specific form of the members other than the laminated structure constituting the fuel cell can be appropriately modified with reference to conventionally known knowledge.

[電解質層]
電解質層は、例えば、図1に示す形態のように固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane 2 as shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[触媒層]
触媒層(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
[Catalyst layer]
The catalyst layers (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.

触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。   The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.

アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。   The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。   Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used in the anode catalyst layer and the catalyst component used in the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。   The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member.

触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm程度、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 nm. About 100 nm is preferable.

触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the ion exchange resin which comprises the electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.

なお、図1に示す形態のPEFC1において、セパレータ5は、平板状の部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、かような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板(金属基材層)に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって導電性炭素層(および必要に応じて中間層)を形成することで、セパレータとしてもよい。   In addition, in PEFC1 of the form shown in FIG. 1, the separator 5 is shape | molded by the uneven | corrugated shape by performing a press process with respect to a flat member. However, it is not limited only to such a form. For example, a concave and convex shape constituting a gas flow path and a refrigerant flow path is formed in advance by cutting a flat metal plate (metal base material layer), and conductive carbon is formed on the surface by the above-described method. It is good also as a separator by forming a layer (and intermediate | middle layer as needed).

本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。   The PEFC 1 of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example.

図9は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概念図である。図9に示すように、燃料電池スタック101を燃料電池車100のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車100の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック101を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタック101を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタック101は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。   FIG. 9 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the fuel cell stack of the above-described embodiment. As shown in FIG. 9, in order to mount the fuel cell stack 101 on a vehicle such as the fuel cell vehicle 100, for example, the fuel cell stack 101 may be mounted under the seat at the center of the vehicle body of the fuel cell vehicle 100. If it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. In some cases, the place where the fuel cell stack 101 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be the lower part of the rear trunk room or the engine room in front of the vehicle. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack 101 of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The PEFC 1 and the fuel cell stack 101 described above are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.

以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。   Hereinafter, although the effect by this invention is demonstrated using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

[参考例1]
セパレータを構成する金属基材層の構成材料として、ステンレス(SUS316L)板(厚さ:100μm)を準備した。このステンレス板を、前処理としてエタノール液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したステンレス板を真空チャンバ内(真空度:10−3Pa程度)に設置し、Arガス(0.1〜1Pa程度)によるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもステンレス板の両面に対して行った。
[Reference Example 1]
A stainless steel (SUS316L) plate (thickness: 100 μm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the separator. This stainless steel plate was subjected to ultrasonic cleaning in an ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned stainless steel plate was placed in a vacuum chamber (degree of vacuum: about 10 −3 Pa), and ion bombarding with Ar gas (about 0.1 to 1 Pa) was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the stainless steel plate.

続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、ステンレス板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、ステンレス板の両面にそれぞれ0.2μmの厚さのCrからなる中間層を形成した。   Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the stainless steel plate with Cr as a target, each of the stainless steel plates has a thickness of 0.2 μm. An intermediate layer made of Cr was formed.

次に、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、ステンレス板に対して100Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、ステンレス板の両面の中間層の上に、それぞれ0.2μmの厚さの導電性炭素層(多結晶グラファイト層)を形成した。   Next, by applying a negative bias voltage of 100 V to the stainless steel plate with a solid graphite as a target by the UBMS method, a thickness of 0.2 μm is formed on each intermediate layer on both surfaces of the stainless steel plate. The conductive carbon layer (polycrystalline graphite layer) was formed.

さらに、UBMS法により、導電性粒子の原料であるAuをターゲットとして、ステンレス板に対して100Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、ステンレス板の両面の導電性炭素層の上に、導電性粒子を分散させた。これにより、セパレータ(1)を作製した。   Furthermore, by applying a negative bias voltage of 100 V to the stainless steel plate with Au serving as a raw material of the conductive particles as a target by the UBMS method, on the conductive carbon layers on both surfaces of the stainless steel plate, Conductive particles were dispersed. This produced the separator (1).

[参考例2]
導電性粒子(Au)のスパッタリング時間を変更すること以外は、上述した参考例1と同様の手法により、セパレータ(2)を作製した。
[Reference Example 2]
A separator (2) was produced by the same method as in Reference Example 1 described above, except that the sputtering time of the conductive particles (Au) was changed.

[参考例3]
導電性粒子(Au)のスパッタリング時間を変更すること以外は、上述した参考例1と同様の手法により、セパレータ(3)を作製した。
[Reference Example 3]
A separator (3) was produced in the same manner as in Reference Example 1 described above, except that the sputtering time of the conductive particles (Au) was changed.

[比較参考例1]
導電性炭素層の表面に導電性粒子を分散させなかったこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、セパレータ(4)を作製した。
[Comparative Reference Example 1]
A separator (4) was produced by the same method as in Reference Example 1 described above, except that the conductive particles were not dispersed on the surface of the conductive carbon layer.

[参考例4]
導電性炭素層として、グラファイトブロック(高結晶性グラファイト)をそのまま用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、セパレータ(5)を作製した。
[Reference Example 4]
A separator (5) was produced in the same manner as in Example 1 except that a graphite block (highly crystalline graphite) was used as it was as the conductive carbon layer.

[比較参考例2]
導電性炭素層の表面に導電性粒子を分散させなかったこと以外は、上述した参考例4と同様の手法により、セパレータ(6)を作製した。
[Comparative Reference Example 2]
A separator (6) was produced by the same method as in Reference Example 4 described above, except that the conductive particles were not dispersed on the surface of the conductive carbon layer.

[SEM観察・被覆率測定]
上記の各参考例および各比較参考例において作成したセパレータ(1)〜(6)について、導電性炭素層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した。
[SEM observation / coverage measurement]
With respect to the separators (1) to (6) prepared in each of the above Reference Examples and Comparative Reference Examples, the surface of the conductive carbon layer was photographed with a scanning electron microscope (SEM).

これらのうち、セパレータ(1)および(2)における導電性粒子(Au)が分散された導電性炭素層の表面のSEM写真を図10および図11に示す。図10および図11より、導電性粒子(Au)が導電性炭素層の表面に均質に分散されていることが確認される。導電性粒子や金属酸化物を分散させなかったセパレータ(4)以外のセパレータについては、図10および図11と同様に、導電性粒子(Au)が導電性炭素層の表面に均質に分散されていることを確認した。   Among these, FIGS. 10 and 11 show SEM photographs of the surface of the conductive carbon layer in which the conductive particles (Au) in the separators (1) and (2) are dispersed. 10 and 11 confirm that the conductive particles (Au) are uniformly dispersed on the surface of the conductive carbon layer. As for the separators other than the separator (4) in which the conductive particles and the metal oxide are not dispersed, the conductive particles (Au) are uniformly dispersed on the surface of the conductive carbon layer as in FIGS. I confirmed.

また、SEM写真から、各セパレータの表面に存在する分散粒子(導電性粒子または金属酸化物)の平均粒子径および分散粒子間の平均距離を算出した。   Moreover, from the SEM photograph, the average particle diameter of the dispersed particles (conductive particles or metal oxide) existing on the surface of each separator and the average distance between the dispersed particles were calculated.

そして、EDX(エネルギー分散型X線分析装置)により、導電性炭素層表面に存在する元素の面内分布を調査し、カーボンの占める領域を緑色、導電性粒子(Au)の占める領域を赤色として2値化し、画像処理によって赤色の占める割合を計算し、この値を被覆率(%)として求めた。   Then, using EDX (energy dispersive X-ray analyzer), the in-plane distribution of elements present on the surface of the conductive carbon layer is investigated, and the area occupied by carbon is green and the area occupied by conductive particles (Au) is red. Binarization was performed, and the ratio of red by image processing was calculated, and this value was determined as the coverage (%).

各セパレータにおける導電性粒子の粒子径および被覆率を表1に示す。   Table 1 shows the particle diameter and coverage of the conductive particles in each separator.

[AES(オージェ電子分光法)による元素濃度プロファイル解析]
参考例2および比較参考例1で作製したセパレータ(2)および(4)について、セパレータの積層方向の元素濃度プロファイルをAESにより測定した。図12Aおよび図12Bに、セパレータ(2)および(4)におけるオージェ電子分光分析(AES)による導電性炭素層の表面からの深さ方向における元素分布を示す。比較参考例1のセパレータ(4)では、導電性炭素層の表面に導電性粒子は存在しないが、参考例2のセパレータ(2)では、導電性炭素層の表層に導電性粒子(Au)が存在していることが確認された。導電性粒子(Au)は導電性炭素層(C)の表層に存在していた。なお、上記AES測定は下記条件で行った。
[Element concentration profile analysis by AES (Auger electron spectroscopy)]
For the separators (2) and (4) produced in Reference Example 2 and Comparative Reference Example 1, the element concentration profile in the stacking direction of the separator was measured by AES. 12A and 12B show the element distribution in the depth direction from the surface of the conductive carbon layer by Auger electron spectroscopy analysis (AES) in the separators (2) and (4). In the separator (4) of Comparative Reference Example 1, no conductive particles are present on the surface of the conductive carbon layer, but in the separator (2) of Reference Example 2, the conductive particles (Au) are present on the surface layer of the conductive carbon layer. It was confirmed that it existed. The conductive particles (Au) were present on the surface layer of the conductive carbon layer (C). The AES measurement was performed under the following conditions.

AES装置名:電界放射型オージェ電子分分光装置 PHI製 Model−680
データポイント数は256×256 電子線加速電圧10kV
[接触抵抗の測定]
上記の各参考例および比較参考例において作製したセパレータについて、セパレータの積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図13に示すように、作製したセパレータ200を1対のガス拡散基材210で挟持し、得られた積層体をさらに1対の触媒層220で挟持し、その両端に電源を接続し、1MPaの荷重で保持して、測定装置を構成した。ガス拡散基材としては、カーボンファイバー(東レ製、平均繊維径7μm)を用いた。この測定装置に1Aの定電流を流し、その際の電圧値から、積層体の接触抵抗値を算出した。得られた結果を下記の表1に示す。また、表1に示す接触抵抗に関する結果に対応するグラフを図14に示す。
AES apparatus name: Field emission type Auger electron spectrometer PHI Model-680
The number of data points is 256 × 256 Electron beam acceleration voltage 10 kV
[Measurement of contact resistance]
For the separators produced in the above Reference Examples and Comparative Reference Examples, the contact resistance in the stacking direction of the separators was measured. Specifically, as shown in FIG. 13, the manufactured separator 200 is sandwiched between a pair of gas diffusion base materials 210, and the obtained laminate is further sandwiched between a pair of catalyst layers 220, and power supplies are connected to both ends thereof. Were connected and held at a load of 1 MPa to constitute a measuring apparatus. As the gas diffusion base material, carbon fiber (manufactured by Toray, average fiber diameter: 7 μm) was used. A constant current of 1 A was passed through this measuring device, and the contact resistance value of the laminate was calculated from the voltage value at that time. The obtained results are shown in Table 1 below. Moreover, the graph corresponding to the result regarding the contact resistance shown in Table 1 is shown in FIG.

表1および図14に示すように、参考例において作製したセパレータの場合には、比較参考例の場合と比べて、接触抵抗が小さい値に抑えられており、被覆率が1%以上である場合には、接触抵抗が有意に低減されていることがわかる。さらに、被覆率が10%以上である場合には、接触抵抗が極めて小さい値に抑えられることが確認された。   As shown in Table 1 and FIG. 14, in the case of the separator produced in the reference example, the contact resistance is suppressed to a smaller value than in the comparative reference example, and the coverage is 1% or more. It can be seen that the contact resistance is significantly reduced. Furthermore, it was confirmed that the contact resistance can be suppressed to a very small value when the coverage is 10% or more.

また、多結晶グラファイトを用いた場合(参考例1〜3)は、グラファイトブロックを用いた場合(参考例4)に比べて、低被覆率で顕著に接触抵抗を減少することができることが確認される。多結晶グラファイトの場合には、グラファイトブロックに比べて表面粗さが小さいため、ガス拡散基材との接点を多く確保することができ、これにより一層の抵抗低減効果が得られたためであると推測される。   In addition, when polycrystalline graphite was used (Reference Examples 1 to 3), it was confirmed that the contact resistance can be significantly reduced at a low coverage compared to the case where a graphite block is used (Reference Example 4). The In the case of polycrystalline graphite, the surface roughness is smaller than that of the graphite block, so it is possible to secure many contacts with the gas diffusion base material, and this is thought to be due to the further resistance reduction effect. Is done.

[接触角の測定]
上記の各参考例および比較参考例において作製したセパレータ(1)〜(6)について、JIS K6768に基づき、導電性粒子の分散された導電性炭素層の表面における水の接触角を測定した。結果を得られた結果を下記の表1に示す。また、表1に示す接触角に関する結果に対応するグラフを図15に示す。
[Measurement of contact angle]
For the separators (1) to (6) prepared in each of the above Reference Examples and Comparative Reference Examples, the contact angle of water on the surface of the conductive carbon layer in which conductive particles were dispersed was measured based on JIS K6768. The results obtained are shown in Table 1 below. Moreover, the graph corresponding to the result regarding the contact angle shown in Table 1 is shown in FIG.

この結果から、各参考例において作製した被覆率が1%以上であるセパレータの場合には、比較例の場合と比べて、導電性炭素層の表面における水の接触角が70°以下に抑えられていることがわかる。さらに、被覆率が10%以上である場合には、接触角の値が減少し、親水性が極めて向上することが確認された。   From this result, in the case of the separator having a coverage of 1% or more produced in each reference example, the contact angle of water on the surface of the conductive carbon layer is suppressed to 70 ° or less compared to the case of the comparative example. You can see that Furthermore, it was confirmed that when the coverage is 10% or more, the value of the contact angle is decreased and the hydrophilicity is extremely improved.

接触角については、多結晶グラファイトを用いた場合(参考例1)においては、4%程度の低被覆率で接触角を70°以下に低下させうることが確認された。また、グラファイトブロックを用いた場合(参考例4)においても、4%程度の低被覆率で接触角を70°以下に低下させうることが確認された。   Regarding the contact angle, when polycrystalline graphite was used (Reference Example 1), it was confirmed that the contact angle could be reduced to 70 ° or less with a low coverage of about 4%. Further, it was confirmed that the contact angle could be lowered to 70 ° or less with a low coverage of about 4% even when a graphite block was used (Reference Example 4).

[R値の測定]
上記の各参考例および比較参考例において作製したセパレータについて、導電性炭素層のR値の測定を行なった。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層のラマンスペクトルを計測した。そして、1300〜1400cm−1に位置するバンド(Dバンド)のピーク強度(I)と、1500〜1600cm−1に位置するバンド(Gバンド)のピーク強度(I)とのピーク面積比(I/I)を算出して、R値とした。得られた結果を下記の表1および2に示す。
[Measurement of R value]
About the separator produced in said each reference example and comparative reference example, the R value of the conductive carbon layer was measured. Specifically, first, the Raman spectrum of the conductive carbon layer was measured using a microscopic Raman spectrometer. Then, the peak intensity of the bands (D-band) located 1300~1400cm -1 (I D), the peak area ratio of the peak intensity (I G) of band (G-band) located 1500~1600cm -1 ( I D / I G ) was calculated and used as the R value. The results obtained are shown in Tables 1 and 2 below.

表1に示すように、参考例1〜3および比較参考例1において作製したセパレータにおける導電性炭素層のR値は、いずれも1.3以上であった。一方、参考例4および比較参考例2において作製したセパレータにおける導電性炭素層のR値は、いずれも1.3未満であった。表1から、R値が1.3以上である参考例1において作製したセパレータを用いた場合には、R値以外は同様の条件で作成したR値が1.3未満である参考例4の場合と比べて、接触抵抗をより小さい値に抑えられることが確認された。   As shown in Table 1, the R values of the conductive carbon layers in the separators produced in Reference Examples 1 to 3 and Comparative Reference Example 1 were all 1.3 or more. On the other hand, the R values of the conductive carbon layers in the separators produced in Reference Example 4 and Comparative Reference Example 2 were both less than 1.3. From Table 1, when the separator produced in Reference Example 1 having an R value of 1.3 or more was used, the R value produced under the same conditions except for the R value was less than 1.3. Compared to the case, it was confirmed that the contact resistance can be suppressed to a smaller value.

本発明の1つの実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. 図1のうち、積層構造体8の部分の概略構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a portion of a laminated structure 8 in FIG. R=1.0〜1.2の導電性薄膜層を有するセパレータ(セパレータA)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the separator (separator A) which has the electroconductive thin film layer of R = 1.0-1.2 with the transmission electron microscope (TEM). R=1.6の導電性薄膜層を有するセパレータ(セパレータB)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the separator (separator B) which has an electroconductive thin film layer of R = 1.6 by TEM. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの3回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 3 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの2回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定において、平均ピークの対称性を示さないパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pattern which does not show the symmetry of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. セパレータBを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、および180°としたときのラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows a Raman spectrum when the separator B is used as a measurement sample and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 ° and 180 °, respectively. セパレータBについての回転異方性測定の平均ピークを示すグラフである。6 is a graph showing an average peak of rotational anisotropy measurement for separator B. スパッタリング法で、バイアス電圧および成膜方式を変化させることにより導電性炭素層のビッカース硬度を異ならせたいくつかのセパレータにおける、導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を示す図である。In some separators in which the Vickers hardness of the conductive carbon layer is varied by changing the bias voltage and the film formation method by sputtering, the values of the Vickers hardness of the conductive carbon layer and the sp3 ratio in the conductive carbon layer It is a figure which shows the relationship. R値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性薄膜層を有するいくつかのセパレータについて、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured contact resistance about several separators which have an electroconductive thin film layer from which content of hydrogen atom differs although R value is 1.3 or more. 炭素繊維または炭素粒子から構成されるガス拡散基材と導電性粒子が分散した導電性炭素層との接触領域を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the contact area | region of the conductive carbon layer in which the gas diffusion base material comprised from carbon fiber or carbon particle and the electroconductive particle were disperse | distributed. 多孔性金属から構成されるガス拡散基材と導電性粒子が分散した導電性炭素層との接触領域を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the contact region of the gas diffusion base material comprised from a porous metal, and the electroconductive carbon layer in which electroconductive particle was disperse | distributed. 本発明の一実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概念図である。It is a conceptual diagram of the vehicle carrying the fuel cell stack of one Embodiment of this invention. セパレータ(1)における導電性粒子(Au)が分散された導電性炭素層の表面のSEM写真を示す図面である。It is drawing which shows the SEM photograph of the surface of the electroconductive carbon layer in which electroconductive particle (Au) in the separator (1) was disperse | distributed. セパレータ(2)における導電性粒子(Au)が分散された導電性炭素層の表面のSEM写真を示す図面である。It is drawing which shows the SEM photograph of the surface of the electroconductive carbon layer in which the electroconductive particle (Au) in the separator (2) was disperse | distributed. AESによリ測定された、セパレータ(2)の積層方向の元素濃度プロファイルを示す図面である。It is drawing which shows the element concentration profile of the lamination direction of the separator (2) measured by AES. AESによリ測定された、セパレータ(4)の積層方向の元素濃度プロファイルを示す図面である。It is drawing which shows the element concentration profile of the lamination direction of the separator (4) measured by AES. 実施例において接触抵抗を測定するのに用いた測定装置の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the measuring apparatus used in measuring the contact resistance in an Example. 参考例および比較参考例において作製したセパレータについて、接触抵抗の測定を行なった結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured contact resistance about the separator produced in the reference example and the comparative reference example. 参考例および比較参考例において作製したセパレータについて、接触角の測定を行なった結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the contact angle about the separator produced in the reference example and the comparative reference example.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4 ガス拡散層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5、200 セパレータ、
5a アノードセパレータ、
5c カソードセパレータ、
6a アノードガス流路、
6c カソードガス流路、
7 冷媒流路、
8 積層構造体、
8a アノード積層構造体、
8c カソード積層構造体、
9 接触領域、
10 膜電極接合体(MEA)、
52 金属基材層、
54 導電性炭素層、
56 中間層、
57 親水導電性粒子、
58 炭素繊維またはカーボン粒子、
59 空孔、
60 多孔性金属、
61 貫通孔、
100 燃料電池車、
101 燃料電池スタック、
210 ガス拡散基材、
220 触媒層。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4 Gas diffusion layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5,200 separator,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
8 Laminated structure,
8a Anode laminated structure,
8c cathode laminated structure,
9 contact area,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
52 metal substrate layer,
54 conductive carbon layer,
56 middle class,
57 hydrophilic conductive particles,
58 carbon fibers or carbon particles,
59 holes,
60 porous metal,
61 through hole,
100 fuel cell vehicle,
101 fuel cell stack,
210 gas diffusion substrate,
220 catalyst layer.

Claims (13)

金属基材層および導電性炭素層が積層されてなる燃料電池用セパレータと、複数の空孔を有するガス拡散基材を含むガス拡散層とが前記導電性炭素層と前記ガス拡散層とが対向するように積層されてなる積層構造体において、
前記導電性炭素層の表面であって前記ガス拡散層と接する接触領域に親水導電性粒子が分散されており、
前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が前記ガス拡散基材の空孔間距離以下である、積層構造体。
A separator for a fuel cell formed by laminating a metal base layer and a conductive carbon layer, and a gas diffusion layer including a gas diffusion base having a plurality of pores are opposed to the conductive carbon layer and the gas diffusion layer. In the laminated structure formed by laminating,
Hydrophilic conductive particles are dispersed in a contact region on the surface of the conductive carbon layer and in contact with the gas diffusion layer,
A laminated structure in which a particle diameter of the conductive particles and a distance between the conductive particles are equal to or less than a distance between pores of the gas diffusion base material.
前記導電性炭素層のラマン散乱分光分析により測定されたDバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)が1.3以上である、請求項1に記載の積層構造体。 The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopy of the conductive carbon layer is 1.3 or more. The laminated structure according to claim 1. 前記ガス拡散基材が炭素繊維から構成され、
前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が前記炭素繊維の直径以下である、請求項1または2に記載の積層構造体。
The gas diffusion base material is composed of carbon fiber;
The laminated structure according to claim 1 or 2, wherein a particle diameter of the conductive particles and a distance between the conductive particles are equal to or less than a diameter of the carbon fiber.
前記ガス拡散基材が多孔性金属から構成され、
前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が前記多孔性金属の空孔間距離以下である、請求項1または2に記載の積層構造体。
The gas diffusion base material is composed of a porous metal;
The laminated structure according to claim 1 or 2, wherein a particle diameter of the conductive particles and a distance between the conductive particles are equal to or less than a distance between pores of the porous metal.
前記導電性粒子による前記接触領域の被覆率が1%以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層構造体。   The laminated structure according to any one of claims 1 to 4, wherein a coverage of the contact region with the conductive particles is 1% or more. 前記接触領域における水の接触角が70°以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層構造体。   The laminated structure according to any one of claims 1 to 5, wherein a contact angle of water in the contact region is 70 ° or less. 前記導電性粒子は貴金属、貴金属を含む合金、導電性窒化物、および導電性酸化物からなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の積層構造体。   The laminated structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive particles include at least one selected from the group consisting of a noble metal, an alloy including a noble metal, a conductive nitride, and a conductive oxide. body. 前記金属基材層と前記導電性炭素層との間に、中間層が介在する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の積層構造体。   The laminated structure according to any one of claims 1 to 7, wherein an intermediate layer is interposed between the metal base material layer and the conductive carbon layer. 前記導電性粒子の粒子径および前記導電性粒子間の距離が1nm〜7μmである、請求項1〜8に記載の積層構造体。   The laminated structure according to claim 1, wherein a particle diameter of the conductive particles and a distance between the conductive particles are 1 nm to 7 μm. 金属基材層の少なくとも一方の主表面に導電性炭素層を成膜する工程と、
前記導電性炭素層の表面に親水導電性粒子を分散させる工程と、
前記導電性粒子を分散させた領域に接触するようにガス拡散層を配置させる工程と、
を含む、積層構造体の製造方法であって、
前記導電性粒子の分散を、スパッタリング法により行なうことを特徴とする、積層構造体の製造方法。
Forming a conductive carbon layer on at least one main surface of the metal substrate layer;
Dispersing hydrophilic conductive particles on the surface of the conductive carbon layer;
Arranging a gas diffusion layer so as to come into contact with the region in which the conductive particles are dispersed;
A method for producing a laminated structure comprising:
A method for producing a laminated structure, wherein the conductive particles are dispersed by a sputtering method.
金属基材層の少なくとも一方の主表面に導電性炭素層を成膜する工程と、
前記導電性炭素層の表面に親水導電性粒子を分散させる工程と、
前記導電性炭素層の表面にガス拡散層を配置させる工程と、
を含む、積層構造体の製造方法であって、
前記導電性粒子の分散を、メッキ法により行なうことを特徴とする、積層構造体の製造方法。
Forming a conductive carbon layer on at least one main surface of the metal substrate layer;
Dispersing hydrophilic conductive particles on the surface of the conductive carbon layer;
Placing a gas diffusion layer on the surface of the conductive carbon layer;
A method for producing a laminated structure comprising:
A method for producing a laminated structure, wherein the conductive particles are dispersed by a plating method.
請求項1〜9のいずれか1項に記載の積層構造体または請求項10もしくは11に記載の製造方法により製造された積層構造体を用いて構成される固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the laminated structure according to any one of claims 1 to 9 or the laminated structure produced by the production method according to claim 10 or 11. 請求項12に記載の固体高分子形燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the polymer electrolyte fuel cell according to claim 12.
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