JP6628122B2 - 導電部材、その製造方法、ならびにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明の一形態によると、金属基材と、金属基材上に形成された少なくとも1層の中間層と、中間層上に形成された貴金属層とを有する導電部材が提供される。貴金属層は、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含む。そして、中間層は、MドープTiO2(Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す)を含むことを特徴とする。
金属基材21は導電部材の主層であり、導電性および機械的強度の確保に寄与する。
中間層23は、導電部材において主に耐食性および導電性の確保に寄与する。
貴金属層25は貴金属を含み、導電部材において主に導電性の確保に寄与する。特に貴金属層25が最表層に存在する場合は、他の部材の接触抵抗を低減させる機能を有する。
本形態の導電部材の製造方法は、特に制限されず、公知の知見を適宜参照して製造することができるが、好ましい製造方法の一例として、以下の方法が挙げられる。すなわち、本発明の一形態にかかる導電部材の製造方法は、金属基材と、金属基材上に形成されたMドープTiO2を含む中間層前駆体と、中間層前駆体表面に形成された貴金属層とを有する積層体を、真空条件下、250〜500℃でアニール処理する工程を含む。ここで、中間層を構成するMドープTiO2および貴金属層を構成する貴金属は、上述の導電部材で説明したのと同様である。以下では、まず金属基材、中間層前駆体、貴金属層とを順次有する積層体の製造方法について簡単に説明した後、当該積層体をアニール処理する工程について説明する。
上述の導電性部材は、特に電位が印加された条件下においても腐食されにくいという特性を有しているため、燃料電池用(特に固体高分子形燃料電池用)のセパレータとして好適に使用される。すなわち、本発明の他の一実施形態によると、上記導電部材から構成される、燃料電池用セパレータが提供される。また、本発明のさらに他の一実施形態によると、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池が提供される。ここで、アノードセパレータまたはカソードセパレータの少なくとも一方に、上記燃料電池用セパレータが適用される。膜電極接合体は、高分子電解質膜、これを挟持する一対のアノード触媒層およびカソード触媒層、ならびにこれらを挟持する一対のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を含む。さらに、燃料電池用セパレータが凹凸状に形成されてなり、当該凸部が前記膜電極接合体と接触し、当該凹部が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するためのガス流路とされてなる。本形態の燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池は、セパレータ材料として上述の導電部材を用いることにより、運転時の電位によっても腐食が起こりにくく、接触抵抗を低く抑えることがでる。そのため、長期間にわたって、優れた電池性能を発揮させることが可能となる。
電解質膜は、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。
触媒層3(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。
ガス拡散層4(ガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータ5(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5c)のガス流路6(燃料ガス流路6a、酸化剤ガス流路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3(アノード触媒層3a、カソード触媒層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。
セパレータ5(アノードセパレータ5a、カソードセパレータ5c)は、固体高分子形燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータ5は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータ5のそれぞれにはガス流路6および冷却流路7が設けられていることが好ましい。
[実施例1]
金属基材として、ステンレス鋼からなる薄板(SUS316、厚さ100μm)を準備した。当該基材を真空チャンバーに設置し、真空条件下(10−3Pa)でArガスを導入し、Arイオンを発生させ、基材表面を叩くことによって、表面の酸化被膜を除去した(イオンボンバード処理)。このような処理を基材の両表面について行った。
金属基材として、ステンレス鋼からなる薄板(SUS316、厚さ100μm)を準備した。当該基材を真空チャンバーに設置し、真空条件下(10−3Pa)でArガスを導入し、Arイオンを発生させ、基材表面を叩くことによって、表面の酸化被膜を除去した(イオンボンバード処理)。
上記実施例および比較例で作製した導電部材を、3cm×3cmの正方形に切り出し、切断面にシリコンゴムを用いてマスキング処理を施し、試験片とした。そして、試験片を試験溶液(pH3の希硫酸水溶液、80℃)に浸漬し、試験片に1.2V超の定電位を印加し、18時間にわたって試験片の外観を観察するとともに、定電位における電流特性を測定した。なお、測定には、電気化学測定システムとして、ポテンショスタットを用いた。
上記腐食試験前後の導電部材について、積層方向の接触抵抗を以下の方法で測定した。具体的には、図5に示すように、各導電部材(セパレータ5)の両側を1対のガス拡散基材(ガス拡散層4a、4c)で挟持し、得られた積層体の両側をさらに1対の電極(触媒層3a、3c)で挟持し、その両端に電源を接続し、電極を含む積層体全体を1MPaの荷重で保持して、測定装置を構成した。この測定装置に1Aの定電流を流し、1MPaの荷重をかけた時の通電量および電圧値から当該積層体の接触抵抗値を算出した。結果を下記表2に示す。表2の各数値は、比較例1の1.2V超印加の場合における腐食試験後の値を1とした相対値である。
2 固体高分子電解質膜、
3 触媒層、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5 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、
10 膜電極接合体(MEA)、
20 導電部材、
21 金属基材、
23 中間層、
25 貴金属層。
Claims (4)
- 金属基材と、
前記金属基材上に形成された、MドープTiO2(Mは、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Ge、Sn、Bi、Al、Si、Zr、Co、Cr、Ni、V、Mn、PおよびBからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す)を含む中間層前駆体と、
前記中間層前駆体表面に形成された、Au、Ru、Rh、Pd、Ir、OsおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属を含む貴金属層と、
を有する積層体を、真空条件下、250〜500℃でアニール処理する工程を含む、導電部材の製造方法。 - 前記Mは、Nb、Ta、MoおよびWからなる群から選択される少なくとも1種のドーピング元素を表す、請求項1に記載の導電部材の製造方法。
- 前記貴金属は、Au、IrおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1または2に記載の導電部材の製造方法。
- 前記Mの含有量は、MドープTiO 2 の総質量に対し、30質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の導電部材の製造方法。
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