JP7486026B2 - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基板と該基板上にあり燃料電池の電極に接し得る耐食導電層とを有する燃料電池用セパレータであって、該耐食導電層はFe3O4からなり、さらに、該基板と該耐食導電層の間にFeよりも貴な金属からなるバリア層を有する燃料電池用セパレータである。
本発明は、セパレータの製造方法としても把握される。例えば、本発明は、基板の表面にFeよりも貴な金属からなるバリア層を形成するバリア層形成工程と、該バリア層上にFe3O4からなる耐食導電層を形成する耐食導電層形成工程と、を備える燃料電池用セパレータの製造方法でもよい。なお、バリア層形成工程前に、適宜、基板の表面に形成された酸化膜を除去する前処理工程等がなされてもよい。
本発明は、上述したセパレータを備えた燃料電池としても把握できる。例えば、本発明は、電解質と、電解質の各面側にある電極と、各電極に接するセパレータとを備え、そのセパレータが上述した被覆層(耐食導電層とバリア層)を備える燃料電池でもよい。
(1)本明細書でいう金属の「貴・卑」は、標準電極電位に基づいて定める。標準電極電位が高い金属が貴な金属であり、標準電極電位が低い金属が卑な金属である。ちなみに、イオン化傾向が小さい金属ほど貴な金属であり、イオン化傾向が大きい金属ほど卑な金属とも換言できる。
Au(+1.5)>Ag(+0.8)>Cu(+0.34)>(H)>Sn(-0.14)>Ni(-0.25)>Co(-0.28)>Fe(-0.44)>Cr(-0.74)>Ti(-1.63)>Al(-1.66)
耐食導電層はFe3O4からなる。耐食導電層には、Fe3O4の他に不純物(Fe3O4以外の酸化鉄も不純物に含まれる。)が含まれてもよい。なお、Fe3O4(マグネタイト)の一部は、FeがNi、Co、Mn、Zn、Cu等で置換された他の(正・逆)スピネル型フェライト(AB2O4/AB:金属元素)でもよい。
バリア層は、少なくともFeよりも貴な金属からなるとよい。バリア層を構成する金属(単に「バリア金属」ともいう。)は、純金属でも、合金(金属間化合物を含む)でもよい。なお、バリア層にも不純物は含まれ得る。
基板は、導電材からなり、少なくともバリア層の形成が可能であれば、その具体的な材質を問わない。基板は、例えば、金属基材の他、炭素基材、セラミック基材、樹脂基材等からなってもよい。もっとも、基板は、導電性、成形性(加工性)、強度等に優れる金属基材からなるとよい。具体的にいうと、基板は、例えば、Fe基材、Ti基材またはAl基材のいずれかからなるとよい。Fe基材は、例えば、ステンレス鋼(基材全体に対してCrを10.5質量%以上含む鉄合金)であるとよい。ステンレス鋼は、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、二相系、析出硬化系等のいずれでもよい。通常、ステンレス鋼に含まれるCは1.2質量%以下である。
燃料電池には複数のタイプがある。例えば、固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、リン酸型燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cel)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)等がある。本発明のセパレータは、いずれの燃料電池にも利用可能である。
《試料の製造》
図1に示すように、金属製の基板上に被覆層を形成した試料1を製作した。以下、各工程について、具体的に説明する。
ステンレス鋼板(JIS SUS304)からなる基板(150mm×200mm×t0.1mm)を用意した。
基板を塩酸水溶液(35%:100g/L)に浸漬して、基板を陰極として、5分間通電(陰極電解)した(電流密度:1A/dm2)。これにより、基板表面に形成されていた不動態皮膜(主にクロム酸化膜)を除去した。
前処理後に水洗した基板を素早くニッケルめっき浴に浸漬し、基板を陰極として、150秒間通電した(電流密度:1A/dm2)。めっき浴にはスルファミン酸ニッケル浴(濃度:280g/L)を用いた。この処理(フラッシュめっき)により、厚さが約0.8μmのNi層を基板表面に形成した。なお、厚さは、走査型電子顕微鏡(SEM)で試料断面の最薄部を観察して求めた(Fe3O4層の厚さについても同様とした)。
Niめっき後に水洗した基板をめっき浴に浸漬し、基板を陽極として通電した。めっき浴には、Fe(OH)2懸濁液(濃度:0.5M/L、pH=8.6)を用いた。通電は、基板の電位を一定(―0.35V v.s. SHE)にして1時間行った(定電位陽極めっき)。こうして、基板のNi層上に、厚さが約0.5μmのFe3O4層を形成した。基板上にNi層とFe3O4層を形成した試料を「試料1」という。
(1)構造解析
試料1の被覆層をX線回折法(XRD)により解析した。そのX線回折パターンを図2に示した。図2から明らかなように、被覆層は、NiとFe3O4からなることが確認された。
各試料の被覆層について、接触抵抗の経時変化を測定した。具体的にいうと、図5に示すように、先ず、各試料の被覆層とガス拡散層(GDL)を模したカーボンペーパー(東レ株式会社製TGP型)との間に所定の面圧(1.5MPa)を印加して、両者を密着させる。その状態のまま、両者間の接触抵抗を4端子法により所定時間測定した。得られた結果を図3にまとめて示した。なお、被覆層とカーボンペーパーの接触面積は1cm2(10mm×10mm)として、上記の面圧および接触抵抗を算出した。
試料1と、未処理の基板そのものとを分極試験に供した。それぞれについて得られた分極曲線を図4にまとめて示した。試験溶液には、NaFとNaClをあわせて40ppm(質量割合)含有する硫酸(H2SO4)水溶液(pH3)を用いた。
(1)導電性
図3から明らかなように、基板表面にNi層とFe3O4層が形成された試料1では、接触抵抗が小さく、その状態が長期間にわたり安定して維持されることがわかった。一方、そのNi層が形成されていない試料C1では、初期の接触抵抗は小さくても、極短時間内に接触抵抗が急増し、時間の経過と共に接触抵抗が増加し続けることもわかった。従って、基板とFe3O4層の間にNi層を設けることにより、安定した低接触抵抗(高導電性)を実現できることがわかった。
図4から明らかなように、基板の表面にFe3O4層(さらにはNi層)を設けた試料1は、電位が1V(v.s. SHE)になっても、腐食電流密度は5μA/cm2以下であった。従って試料1は、高電圧下において、ステンレス鋼からなる基板単体よりも、耐食性に優れることがわかった。
《試料の製造》
第1実施例と異なる条件下でバリア層形成工程と耐食導電層形成工程を行い、表1に示す試料21~23を製作した。各工程の詳細は次の通りである。
第1実施例と同じ基板(SUS304/厚さ:0.1mm)を用いて、前処理せずに、Niめっきを行った。めっき浴として、塩酸(35%):120ml/LとNiCl2:240g/Lを含む水溶液(25℃)を用いた。このめっき浴中のCl-濃度は5.1mol/Lである。
Niめっき後に水洗した基板を、別なめっき浴に浸漬して、基板を陽極として通電した。ここでは、Fe(OH)2懸濁液(濃度:1M/L)からなるめっき浴を用いた。通電は、基板の電位を一定(―0.35V v.s. SHE)にして1時間行った(定電位陽極めっき)。こうして、基板のNi層上に、厚さが約0.5μmのFe3O4層を形成した。なお、表1に示すように、めっき浴のpHは各試料毎に変えた。
各試料を用いて、第1実施例と同様に、接触抵抗の経時変化の測定と、分極試験を行った。その結果得られた初期の接触抵抗と300時間経過後の接触抵抗、および電位が1V(v.s. SHE)のときの腐食電流密度を表1に併せて示した。
表1から明らかなように、試料21~23のいずれも、接触抵抗が小さく、その状態が長期間にわたって安定していることがわかった。また、耐食導電層(Fe3O4層)の形成で使用しためっき浴のpHが高くなるほど、得られる試料の接触抵抗が小さくなることもわかった。
11、12 セパレータ
111、121 金属基板
112、122 被覆層
21 燃料極
22 空気極
3 固体高分子電解質膜
Claims (11)
- 基板と該基板上にあり燃料電池の電極に接し得る耐食導電層とを有する燃料電池用セパレータであって、
該耐食導電層はFe3O4からなり、
さらに、該基板と該耐食導電層の間にFeよりも貴な金属からなるバリア層を有し、
該基板は、Fe基材、Ti基材またはAl基材のいずれかからなり、
該バリア層は、Ni基材、Sn基材、Cu基材またはAg基材のいずれか一種以上からなる燃料電池用セパレータ。 - 前記バリア層は、少なくともNi層を含む請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記基板は、ステンレス鋼からなる請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池である請求項1~3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 基板の表面にFeよりも貴な金属からなるバリア層を形成するバリア層形成工程と、
該バリア層上にFe3O4からなる耐食導電層を形成する耐食導電層形成工程とを備え、
請求項1~4のいずれかに記載の燃料電池用セパレータが得られる製造方法。 - 前記バリア層形成工程および/または前記耐食導電層形成工程は、めっきによりなされる請求項5に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記バリア層形成工程は、Cl-濃度が0.1mol/L以上であるめっき液中でなされる請求項6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記耐食導電層形成工程は、Fe2+を含みpH8以上のめっき液を用いてなされる請求項6または7に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記めっき液は、Fe(OH)2を含む請求項8に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記バリア層形成工程前に、前記基板の表面に形成された酸化膜を除去する前処理工程を有する請求項5~9のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記バリア層は、前記基板表面に形成される下地層と、該下地層上に形成される上層とを少なくとも有し、
前記バリア層形成工程は、該下地層の形成工程と、該上層の形成工程とを少なくとも有する請求項5~10のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
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