JP7163609B2 - バイポーラプレート - Google Patents
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Description
一方、単に「バイポーラプレート」という時は、広義のバイポーラプレート、すなわち、MEAの用途を問わず、MEAの両面に配置される導電性部材の総称を表す。
例えば、特許文献1には、チタン合金板とステンレス鋼板の積層板からなる複極板を備えた水電解槽が開示されている。
同文献には、
(a)複極板としてチタン合金を用いる場合、陰極側を白金メッキして水素脆化を防止する必要があるが、白金メッキを施しても水素脆化を完全に防止できない点、及び、
(b)ステンレス鋼板が陰極側に来るように積層板を配置すると、チタン合金の水素脆化防止のために複極板の陰極側を白金メッキする必要がなくなる点、
が記載されている。
(1)前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
(2)前記被覆膜は、次の式(1)で表される組成を有するTiO系複合酸化物を含む。
MxTiO2+(y/2)x ・・・(1)
但し、
Mは、Nb、Au、Bi、Li、Mg、Ca、Sr、Ba及びLaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
xは、1/2~2、
yは、Mの原子価に等しい値。
[1. バイポーラプレート]
本発明に係るバイポーラプレートは、以下の構成を備えている。
(1)前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
(2)前記複合酸化物は、TiO系複合酸化物を含む。
基板の形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。バイポーラプレートには、通常、発電用燃料、酸化剤、電解用原料、あるいは反応生成物を流通させるためのガス流路が設けられている。
但し、本発明においては、被覆膜に高耐食性、かつ、高導電性の複合酸化物が用いられるため、基板は、少なくともMEAの使用環境に耐える耐食性を持つものであれば良く、必ずしも導電性材料である必要はない。
基板の材料としては、例えば、
(a)チタン合金、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、モリブデン、クロムなどの金属、
(b)カーボン、
(c)エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどのプラスチック材料、及び、プラスチック材料をガラス、カーボン、樹脂等の繊維で強化した繊維強化樹脂などの高分子材料
などがある。
[1.2.1. 材料]
被覆膜は、高耐食・高導電性の複合酸化物からなる。本発明において、複合酸化物は、TiO系複合酸化物を含む。本発明において、「TiO系複合酸化物」とは、次の式(1)で表される組成を有する複合酸化物をいう。
MxTiO2+(y/2)x ・・・(1)
但し、
Mは、Nb、Au、Bi、Li、Mg、Ca、Sr、Ba及びLaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
xは、1/2~2、
yは、Mの原子価に等しい値。
TiO系複合酸化物は、いずれも、燃料電池環境下又は水電解装置環境下における耐食性が高く、かつ、導電性も高いので、バイポーラプレートの被覆膜として好適である。被覆膜は、これらのいずれか1種のTiO系複合酸化物を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
被覆膜を構成する複合酸化物は、特に、NbxTiO2+(y/2)x、AuxTiO2+(y/2)x、及びBixTiO2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか1以上のTiO系複合酸化物が好ましい。これは、これらの複合酸化物は、いずれもTiの耐久性と、Nb、Au、Biの導電性とを併せ持つためである。
他の相としては、例えば、
(a)不可避的不純物、
(b)高耐食性物質、
などがある。
基板が導電性材料からなる場合、被覆膜は、基板の全面に形成されていても良く、あるいは、電極との接触面にのみ形成されていても良い。基板には、通常、ガス流路を形成するための凹凸が形成されており、バイポーラプレートは凸部を介して電極と接触する。このような場合、電極との非接触面に高抵抗層が形成されたとしても電子の授受に支障はないので、少なくとも電極との接触面(凸部の先端面)に被覆膜を形成すれば良い。
一方、基板が導電性材料でない場合、電子の授受は被覆膜を介して行われる。このような場合には、被覆膜は、電極との接触面だけでなく、電極と負荷又は電源との間で電子の授受が可能となる位置に形成する必要がある。
本発明に係るバイポーラプレートは、
(a)固体高分子形燃料電池用セパレータ、
(b)PEM水電解装置用バイポーラプレート、
などに用いることができる。
バイポーラプレートは、所定の形状を有する基板の表面に、所定のパターンで被覆膜を形成することにより製造することができる。
被覆膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、めっき法、プラズマ法、CVD法などがある。これらの中でも、スパッタリング法は、他の方法と比べて低コストであり、大面積の成膜も容易であるので、被覆膜の形成方法として好適である。
TiO系複合酸化物は、耐食性及び導電性に優れている。また、TiO系複合酸化物は、貴金属含有量が少ない又は含まないため、低コストである。さらに、TiO系複合酸化物からなる薄膜は、比較的低コストなスパッタ法により成膜することができる。そのため、TiO系複合酸化物からなる薄膜をバイポーラプレートの保護膜に適用すれば、耐食性及び導電性に優れ、しかも低コストなバイポーラプレートを得ることができる。
[1. 試料の作製]
スパッタ法により、Ti基板(0.1×100×50mm、(株)ニラコ製)の表面にNb-Ti複合酸化物NbxTiO2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Nb及びTiを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、O2雰囲気とした。成膜後、Ti基板を切断し、1cm×2cmの試料を得た。
[2.1. 耐食試験]
1Lのセパラブルフラスコに0.01N硫酸を800mL入れた。これをマントルヒーターにセットし、80℃まで加熱した。80℃に保たれた硫酸に試料を浸漬し、試料に2.0Vの電圧を6時間印加した。
[2.2. 抵抗測定]
電圧印加前後の抵抗変化を測定するために、ロードセルで試料に1MPa加圧した。試料面に垂直方向に0~0.5Aの電流を流した時の電圧値を測定した。さらに、電圧値から接触抵抗を算出した。
実施例1の場合、電圧印加前の接触抵抗は、53mΩcm2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、36mΩcm2であった。以上の結果から、NbxTiO2+(y/2)xが固体高分子電解質(PEM)を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
[1. 試料の作製]
スパッタ法により、Ti基板(0.1×100×50mm、(株)ニラコ製)の表面にAu-Ti複合酸化物AuxTiO2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Au及びTiを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、O2雰囲気とした。成膜後、Ti基板を切断し、1cm×2cmの試料を得た。
実施例1と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例1と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例2の場合、電圧印加前の接触抵抗は、61mΩcm2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、26mΩcm2であった。以上の結果から、AuxTiO2+(y/2)xが固体高分子電解質(PEM)を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
[1. 試料の作製]
スパッタ法により、Ti基板(0.1×100×50mm、(株)ニラコ製)の表面にBi-Ti複合酸化物BixTiO2+(y/2)xからなる被覆膜を成膜した。ターゲットには、Bi及びTiを用いた。また、スパッタ時の雰囲気は、O2雰囲気とした。成膜後、Ti基板を切断し、1cm×2cmの試料を得た。
実施例1と同一条件下で耐食試験を行った。さらに、実施例1と同一条件下で、電圧印加前後の接触抵抗を求めた。
実施例3の場合、電圧印加前の接触抵抗は、57mΩcm2であった。一方、電圧印加後の接触抵抗は、44mΩcm2であった。以上の結果から、BixTiO2+(y/2)xが固体高分子電解質(PEM)を用いた燃料電池及び水素製造システムでの使用環境において、良好な耐食性と良好な導電性を示すことが実証された。
Claims (5)
- 以下の構成を備えたバイポーラプレート。
(1)前記バイポーラプレートは、
基板と、
前記基板の表面の少なくとも一部に形成された被覆膜と
を備えている。
(2)前記被覆膜は、次の式(1)で表される組成を有するTiO系複合酸化物を含む。
MxTiO2+(y/2)x ・・・(1)
但し、
Mは、Nb、Au、Bi、Li、Mg、及び、Baからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、
xは、1/2~2、
yは、Mの原子価に等しい値。 - 前記被覆膜は、NbxTiO2+(y/2)x、AuxTiO2+(y/2)x、及びBixTiO2+(y/2)xからなる群から選ばれるいずれか1以上のTiO系複合酸化物を含む請求項1に記載のバイポーラプレート。
- 前記基板は、金属、カーボン、又は高分子材料からなる請求項1又は2に記載のバイポーラプレート。
- 前記被覆膜は、少なくとも電極との接触面に形成されている請求項1から3までのいずれか1項に記載のバイポーラプレート。
- 固体高分子形燃料電池用セパレータ、又は、PEM水電解装置用バイポーラプレートとして用いられる請求項1から4までのいずれか1項に記載のバイポーラプレート。
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