JP7484760B2 - セパレータの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セパレータの製造方法、具体的には燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
燃料電池は、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)との反応により起電力を生じる単セルを所定数だけ積層したスタック構造を有する。単セルは、電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層(触媒層及びガス拡散層)を備える膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面にそれぞれ配置されるセパレータを有する。
セパレータは、単セルを電気的に直列接続する機能並びに燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。
燃料電池用のセパレータは、発生した電流を隣のセルに流す役割も担っているので、セパレータを構成する基材には、高い導電性及び耐食性が要求される。ここで、高い導電性とは、接触抵抗が低いことを意味する。また、接触抵抗とは、電極とセパレータ表面との間で、界面現象のために電圧降下が生じることをいう。
そのため、セパレータを構成する基材としては、純チタンやチタン合金を使用することが多く、これは、セパレータ製造におけるコストアップの大きな要因の一つになっている。
そこで、純チタンやチタン合金に代わるセパレータについて、様々な研究が行われている。
例えば特許文献1には、燃料電池用のセパレータであって、前記セパレータは、ステンレスからなる基材と、該基材表面に形成されたチタンからなる中間皮膜と、該中間皮膜表面に形成された炭素系素材からなる外周皮膜と、からなる、燃料電池用セパレータが開示されている。
特許文献2には、ステンレス鋼基材と、前記ステンレス鋼基材上に形成された、ピンホールを有する金めっき層と、前記ピンホール内に形成されたステンレス鋼の不動態層とを有し、前記金めっき層と前記ステンレス鋼基材とがステンレス鋼の不動態層を介さずに接触している領域を有する、燃料電池用セパレータが開示されている。
特開2011-134653号公報 国際公開第2012/053431号
しかしながら、ステンレス基材上にチタン層及び導電層が成膜された燃料電池用セパレータには、導電性及び耐食性に改善の余地があった。
したがって、本発明は、接触抵抗が低く、耐食性が高いセパレータを製造する方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、ステンレス基材上にチタン層及びカーボン層が成膜された燃料電池用セパレータにおいて耐食性が不十分になる要因を調査したところ、ステンレス基材上のチタン層には、ナノオーダースケールの複数の欠陥部分(「ピンホール」ともいう)が存在し、当該欠陥部分を起点として、ステンレス基材に由来する金属溶出が発生する可能性があることを見出した。
そこで、本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、ステンレス基材上に耐食性及び導電性を有する層が成膜された燃料電池用セパレータの製造方法において、ステンレス基材上に存在する不動態層(金属酸化物による酸化保護膜)を除去後、基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を形成させ、さらに酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理(熱処理)することによって、接触抵抗が低く、金属溶出を抑制することで耐食性が向上された燃料電池用セパレータを製造することができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)ステンレス基材上に耐食性及び導電性を有する層が成膜された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
(i)ステンレス基材表面上の不動態層を除去して不動態層除去ステンレス基材を得る工程と、
(ii)不動態層除去ステンレス基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を成膜して耐食性導電層成膜ステンレス基材を得る工程と、
(iii)耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、250℃以上550℃未満の温度範囲でアニール処理する工程と
を含む方法。
(2)(iii)の工程において、アニール処理が250℃~400℃で実施される、(1)に記載の方法。
(3)(ii)の工程が、
(ii-1)不動態層除去ステンレス基材表面上にチタン層を成膜してチタン層成膜ステンレス基材を得る工程と、
(ii-2)チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜してチタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を得る工程と
を含む(1)又は(2)に記載の方法。
(4)(ii)の工程において、耐食性及び導電性を有する層の成膜が、物理蒸着(PVD)法により実施される、(1)~(3)のいずれか1つに記載の方法。
本発明により、接触抵抗が低く、耐食性が高いセパレータを製造する方法が提供される。
従来のステンレス基材上に耐食性を有する層及び導電性を有する層を成膜する方法を模式的に示す図である。 本発明のステンレス基材上に耐食性を有する層及び導電性を有する層を成膜する方法を模式的に記載する図である。 実施例の1.試料調製において得られたチタン層3及びカーボン層4成膜ステンレス基材1のTEM写真である。 接触抵抗測定装置6を模式的に示す図である。 比較例1~4並びに実施例1及び2の接触抵抗を示すグラフである。 比較例1及び実施例1の溶出量を示すグラフである。
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明のセパレータの製造方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者がおこない得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。
本発明は、ステンレス基材上に耐食性及び導電性を有する層が成膜された燃料電池用セパレータの製造方法であって、(i)ステンレス基材表面上の不動態層を除去して不動態層除去ステンレス基材を得る工程と、(ii)不動態層除去ステンレス基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を成膜して耐食性導電層成膜ステンレス基材を得る工程と、(iii)耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理する工程とを含む方法に関する。
本発明における燃料電池用セパレータは、燃料電池セル(単セル)の構成要素であり、膜電極接合体(電解質膜、該電解質膜の両面に配置されるアノード及びカソードの電極層)の両面に配置される。
以下に(i)~(iii)の各工程について説明する。
(i)ステンレス基材表面上の不動態層を除去して不動態層除去ステンレス基材を得る工程
(i)の工程では、ステンレス基材表面上の不動態層をArガスのプラズマ洗浄などで除去して不動態層除去ステンレス基材を得る。
ステンレス基材(ステンレス製の基材)としては、耐食性の高いSUS316、SUS316よりも安価なSUS447、SUS304などを使用することができる。
基材として、安価なステンレス基材を使用することで、チタン基材を使用するよりもチタン使用量を減らすことができ、コストを下げることができる。
ステンレス基材の形状は、限定されないが、予め最終的な燃料電池用セパレータの形状にプレスされたステンレス基材が好ましい。
ステンレス基材として予めプレスされたステンレス基材を使用することにより、耐食性導電層成膜後に、さらなるプレスをすることなく、燃料電池用セパレータを得ることができる。
ステンレス基材の厚さは、限定されないが、通常0.05mm~0.2mm、好ましくは0.08mm~0.12mmである。
ステンレス基材の厚さを前記範囲にすることで、原料コストを抑えることができる。また、ステンレス基材を耐食性導電層成膜後にプレス成形する場合でも、容易にプレス成形することができる。
ステンレス基材表面上の形成されている不動態層を除去する方法は、当該技術分野において公知の技術を使用することができ、限定されないが、例えば不活性雰囲気下におけるエッチング処理などが挙げられる。
ステンレス基材表面上の形成されている不動態層を除去することにより、ステンレス基材表面上への耐食性導電層、特にチタン層の成膜が容易になる。
(ii)不動態層除去ステンレス基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を成膜して耐食性導電層成膜ステンレス基材を得る工程
(ii)の工程では、不動態層除去ステンレス基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を成膜して耐食性導電層成膜ステンレス基材を得る。
耐食性を有する層としては、限定されないが、例えばチタン層、クロム層などが挙げられる。
導電性を有する層としては、限定されないが、導電性を有する材料、例えばカーボンブラックなどのカーボン、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、貴金属、スズドープ酸化インジウム(ITO)、LaNiO、SrMoO、(La,Sr)CoO、LaTiO、MgZnO、TaO、ZnMgAlO、SrSnOなどを含む層が挙げられる。導電性粒子としては、安価であるカーボン層が好ましい。
耐食性及び導電性を有する層としては、チタン層及びカーボン層を有する層が好ましい。
耐食性及び導電性を有する層としてチタン層及びカーボン層を有する層を使用することにより、十分な耐食性及び導電性を確保することができる。
したがって、(ii)の工程は、(ii-1)不動態層除去ステンレス基材表面上にチタン層を成膜してチタン層成膜ステンレス基材を得る工程と、(ii-2)チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜してチタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を得る工程とを含むことが好ましい。
(ii-1)の工程では、不動態層除去ステンレス基材表面上にチタン層を成膜してチタン層成膜ステンレス基材を得る。
不動態層除去ステンレス基材の表面上にチタン層を積層させる方法としては、当該技術分野において公知の方法を使用することができ、限定されないが、例えば、物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)法、例えばスパッタ法及びアークイオンプレーティング(AIP)法、化学蒸着(Chemical Vapor Deposition:CVD)法などが挙げられる。不動態層除去ステンレス基材の表面上にチタン層を積層させる方法としては、PVD法が好ましい。
不動態層除去ステンレス基材の表面上にチタン層を積層させる方法としてPVD法を使用することにより、歩留まり率を向上することができる。
チタン層の厚さは、限定されないが、平均厚さで、通常10nm~500nm、好ましくは40nm~200nmである。チタン層の平均厚さは、例えば断面TEM観察においてランダムに選択した3点の平均値として測定することができる。
チタン層の厚さを前記範囲にすることにより、耐食性を確保しつつ、チタン使用量の削減効果を得ると共に、チタン層成膜により生じる膜応力が大きくなりすぎるのを防止し、チタン層へのクラックの発生や、チタン層を積層させたステンレス基材の変形などを抑制することができる。
(ii-2)の工程では、チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜してチタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を得る。
チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜させる方法としては、当該技術分野において公知の方法を使用することができ、限定されないが、例えば、カーボン粒子を含む懸濁液を、ステンレス基材の表面に、例えばグラビアロール、ダイコーターなどによって塗布し、その後溶剤を除去する方法、物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)法、例えばスパッタ法及びアークイオンプレーティング(AIP)法、化学蒸着(Chemical Vapor Deposition:CVD)法などが挙げられる。チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜させる方法としては、PVD法が好ましい。
チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜させる方法としてPVD法を使用することにより、歩留まり率を向上することができる。
カーボン層の厚さは、限定されないが、平均厚さで、通常5nm~200nm、好ましくは10nm~100nmである。カーボン層の平均厚さは、例えば断面TEM観察においてランダムに選択した3点の平均値として測定することができる。
カーボン層の厚さを前記範囲にすることにより、導電性を確保しつつ、カーボン使用量の削減効果を得ると共に、カーボン層成膜により生じる膜応力が大きくなりすぎるのを防止し、カーボン層へのクラックの発生や、チタン層及びカーボン層を積層させたステンレス基材の変形などを抑制することができる。
なお、(ii-1)の工程及び(ii-2)の工程は続けて実施され、(ii-2)の工程の後に以下で詳細を説明する(iii)の工程が実施される。これは、例えば(ii-1)の工程の後に(iii)の工程を実施し、その後(ii-2)の工程を実施した場合、(ii-1)の工程で成膜されたチタン層表面が酸化されてしまい、(ii-2)の工程におけるカーボン層の成膜の密着性が損なわれ得るためである。
(iii)耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理する工程
(iii)の工程では、耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理する。
酸素を含む条件下とは、アニール処理を実施する雰囲気中に酸素が含まれていればよく、限定されないが、酸素を含む条件下における酸素分圧が、通常0.1Pa~300000Paである雰囲気、例えば大気中などが挙げられる。
アニール処理を行う温度範囲は、250℃以上550℃未満であり、好ましくは250℃~400℃である。
アニール処理は温度条件が支配的であり、アニール処理を行う時間は、限定されないが、通常0.1時間~3.0時間、好ましくは0.5時間~1.5時間である。
耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理することにより、ステンレス基材表面上の、耐食性導電層、特にチタン層が成膜されていないナノオーダースケールの複数の欠陥部分(ピンホール)上に良好な不動態層が形成され、当該不動態層がステンレス基材からの金属溶出を抑制、すなわち耐食性を向上し、接触抵抗を低くすることができる。
図1に、従来のステンレス基材上に耐食性を有する層及び導電性を有する層を成膜する方法を模式的に記載し、図2に本発明のステンレス基材上に耐食性を有する層及び導電性を有する層を成膜する方法を模式的に記載する。
従来の方法を記載する図1では、まず(i)の工程において、準備したステンレス基材1表面上に存在する不動態層2を除去する。続いて、(ii)の工程において、(i)の工程において不動態層2が除去された不動態層除去ステンレス基材1表面上に、耐食性を有する層3及び導電性を有する層4を成膜する。
一方で、本発明を記載する図2では、まず(i)の工程において、準備したステンレス基材1表面上に存在する不動態層2を除去する。続いて、(ii)の工程において、(i)の工程において不動態層2が除去された不動態層除去ステンレス基材1表面上に、耐食性を有する層3及び導電性を有する層4を成膜する。最後に、(iii)の工程において、耐食性導電層3及び4成膜ステンレス基材1を、酸素を含む条件下、一定の温度範囲でアニール処理し、耐食性導電層3及び4成膜ステンレス基材1表面上の、耐食性導電層3及び4、特に耐食性を有する層3が成膜されていない欠陥部分(ピンホール)に不動態層5を新たに形成させる。(iii)の工程を実施することによって、当該不動態層5がステンレス基材1からの金属溶出を抑制、すなわち耐食性を向上し、接触抵抗を低くすることができる。
本発明により製造された燃料電池用セパレータは、燃料電池セルに使用することができ、当該セパレータを含む燃料電池セルは、固体高分子形燃料電池などの各種電気化学デバイスにおいて使用することができる。
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
1.試料調製
ステンレス基材上にチタン層及びカーボン層をそれぞれ以下に示す条件のPVD法により成膜させることによって、チタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を調製した。
・チタン層成膜条件
スパッタリング法を用いて成膜を実施した。炉内ヒーターで炉内雰囲気温度を150℃、Arガスの流量調整により炉内圧力を0.05Pa、成膜基板に負のバイアス電圧を印加した状態で成膜した。
・カーボン層成膜条件
AIP法を用いて成膜を実施した。Arガスの流量調整により炉内圧力を0.05Pa、成膜基板に負のバイアス電圧を印加した状態で成膜した。
図3に、得られたチタン層3及びカーボン層4成膜ステンレス基材1のTEM写真を示す。
図3より、チタン層3中には、欠陥部分が存在することがわかった。
続いて、得られたチタン層に欠陥部分が存在するチタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を、大気中、100℃(比較例2)、250℃(実施例1)、400℃(実施例2)、550℃(比較例3)、又は700℃(比較例4)で、60分間アニール処理を行った。表1に、得られた実験品を示す。なお、比較例1は、アニール処理を行っていないサンプルである。
Figure 0007484760000001
2.分析
得られた比較例1~4並びに実施例1及び2について接触抵抗を測定し、比較例1及び実施例1について溶出量を測定した。
(接触抵抗測定)
図4に模式的に示す接触抵抗測定装置6を使用して、比較例1~4並びに実施例1及び2の接触抵抗を測定した。
各試験片7の片面に、燃料電池の発電部のガス拡散層膜8を載せた。次に、試験片7とガス拡散層膜8の外側に電極9を設置し、試験片7の表面に一定荷重(1.0MPa)の圧力を付与した。この状態で、試験片7に流れる電流が一定になるように電流計により調整しながら、電極9に接続された直流電流電源11から電流を流した。試験片7に印加された電圧を電圧計10で測定し、試験片7とガス拡散層膜8との接触抵抗を算出した。
(溶出量測定)
比較例1及び実施例1の溶出量を、日本工業規格の金属材料の電気化学的高温腐食試験方法(JIS Z2294)に準じた定電位腐食試験により実施した。
具体的には、温度80℃に調整された硫酸水溶液の中に、各サンプル(比較例1又は実施例1)を浸漬させた状態で、0.9V vs SHEの電位を一定に保持させ、当該定電位腐食試験後に、当該試験前後の溶液中の金属量の差から、当該硫酸水溶液中に溶出したセパレータの金属基材成分の金属溶出量をICP分析装置により測定した。なお、硫酸水溶液にはフッ化物イオン濃度が3.0ppmとなるようにNaFを溶解させたものを用いた。また、定電位腐食試験の時間は60時間とした。
3.評価結果
図5及び表2に、比較例1~4並びに実施例1及び2の接触抵抗を示す。
Figure 0007484760000002
図5及び表2より、アニール処理の温度が550℃以上になると、接触抵抗が急激に上昇することがわかった。したがって、アニール処理の温度は、接触抵抗の観点から、550℃未満、好ましくは400℃以下が好ましいことがわかった。
図6及び表3に、比較例1及び実施例1の溶出量を示す。
Figure 0007484760000003
図6及び表3より、アニール処理を250℃で実施することによって、アニール処理しない場合と比較して、各金属の溶出量が低減することがわかった。したがって、アニール処理の温度は、溶出量の観点から、250℃以上が好ましいことがわかった。
以上の結果より、アニール処理は、250℃以上550℃未満、好ましくは250℃~400℃の温度で実施することが好ましいことがわかった。
1:ステンレス基材、2:不動態層、3:耐食性を有する層、4:導電性を有する層、5:不動態層、6:接触抵抗測定装置、7:試験片、8:ガス拡散層膜、9:電極、10:電圧計、11:直流電流電源

Claims (4)

  1. ステンレス基材上に耐食性及び導電性を有する層が成膜された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
    (i)ステンレス基材表面上の不動態層を除去して不動態層除去ステンレス基材を得る工程と、
    (ii)不動態層除去ステンレス基材表面上に耐食性及び導電性を有する層を成膜して耐食性導電層成膜ステンレス基材を得る工程と、
    (iii)耐食性導電層成膜ステンレス基材を、酸素を含む条件下、250℃以上550℃未満の温度範囲でアニール処理する工程と
    を含む方法において、
    前記耐食性及び導電性を有する層にピンホールが存在する、方法
  2. (iii)の工程において、アニール処理が250℃~400℃で実施される、請求項1に記載の方法。
  3. (ii)の工程が、
    (ii-1)不動態層除去ステンレス基材表面上にチタン層を成膜してチタン層成膜ステンレス基材を得る工程と、
    (ii-2)チタン層成膜ステンレス基材表面上にカーボン層を成膜してチタン層及びカーボン層成膜ステンレス基材を得る工程と
    を含む請求項1又は2に記載の方法。
  4. (ii)の工程において、耐食性及び導電性を有する層の成膜が、物理蒸着法により実施される、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
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