JP4516628B2 - Metal separator for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、携帯電話やパソコンなどの携帯機器、家庭用燃料電池、燃料電池自動車などに用いられる固体高分子型の燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid polymer type fuel cell metal separator used for portable devices such as mobile phones and personal computers, household fuel cells, fuel cell vehicles, and the like, and a method for producing the same.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだものを単一セルとして、セパレータ(あるいはバイポーラプレート)と呼ばれる電極を介して単一セルを複数個重ね合わせて構成される。 In a polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is used as a single cell, and a plurality of single cells are stacked via an electrode called a separator (or bipolar plate). Configured.
この燃料電池用のセパレータ材料には、接触抵抗(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。)が低く、それがセパレータとしての使用中に長期間維持されるという特性が要求される。この点、従来から、加工性および強度の面も合わせて、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などの金属材料の適用が検討されている。 This separator material for fuel cells has a low contact resistance (which means that a voltage drop occurs due to an interfacial phenomenon between the electrode and the separator surface), which is maintained for a long time during use as a separator. The characteristic that it is done is required. In this regard, conventionally, application of metal materials such as aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, and titanium alloy has been studied in consideration of workability and strength.
また、燃料電池内は酸性の腐食雰囲気となるため、セパレータに用いられる材料には酸性雰囲気中でも低い接触抵抗を長時間維持する耐酸性も要求される。 Further, since the inside of the fuel cell is in an acidic corrosive atmosphere, the material used for the separator is also required to have acid resistance that maintains a low contact resistance for a long time even in an acidic atmosphere.
ステンレス鋼やチタン合金などの金属は、表面に不動態皮膜を形成することによって良好な耐食性を示すため、燃料電池用のセパレータ用材料として検討されている。しかしながら、この不動態皮膜は接触抵抗(電気抵抗)が大きいため、ステンレス鋼やチタン合金などの金属をそのまま燃料電池セパレータとして使用すると、酸性雰囲気中でその表面に形成される不動態皮膜により導電性が著しく劣化する傾向がある。 Metals such as stainless steel and titanium alloys have been studied as separator materials for fuel cells because they exhibit good corrosion resistance by forming a passive film on the surface. However, since this passive film has a large contact resistance (electrical resistance), when a metal such as stainless steel or titanium alloy is used as it is as a fuel cell separator, the passive film is formed on the surface in an acidic atmosphere. Tends to deteriorate significantly.
そのため、接触抵抗の上昇を抑制して導電性を維持させようとする技術が幾つか提案されている。
例えば、特許文献1には、ステンレス鋼やチタンなどの基材の表面にAuめっき層を10から60nmを付着させたセパレータが提案されている。
また、特許文献2には、ステンレス鋼の基板の上に、Taなどを用いて耐酸性金属皮膜を形成し、その上に貴金属皮膜を形成したセパレータが提案されている。
さらに、特許文献3には、金属基材自身の酸化皮膜と、最表層の金属、貴金属またはカーボンから成る導電性薄膜を形成した金属セパレータや、これら酸化皮膜と導電性薄膜との間に、これらの密着性(密着強度)を向上させるTa、Zr、Nbなどの中間層を形成させた金属セパレータが提案されている。
For this reason, several techniques for suppressing the increase in contact resistance and maintaining conductivity are proposed.
For example, Patent Document 1 proposes a separator in which an Au plating layer of 10 to 60 nm is attached to the surface of a base material such as stainless steel or titanium.
Patent Document 2 proposes a separator in which an acid-resistant metal film is formed on a stainless steel substrate using Ta or the like, and a noble metal film is formed thereon.
Further, Patent Document 3 discloses a metal separator formed with a conductive thin film composed of an oxide film of the metal substrate itself, an outermost layer metal, a noble metal, or carbon, and a gap between the oxide film and the conductive thin film. There has been proposed a metal separator in which an intermediate layer of Ta, Zr, Nb or the like is formed to improve the adhesion (adhesion strength) of the metal.
しかしながら、従来から検討されているステンレス鋼やチタン合金などの金属は、前記したように酸性雰囲気中でその表面に不動態皮膜を形成するため導電性が著しく劣化する傾向がある。そのため、セパレータとして使用した場合、使用当初の接触抵抗が低くても、そのような接触抵抗の低い状態を長期間維持することができず、接触抵抗が経時的に上昇して電流損失を招いてしまうという問題があった。また、腐食した場合、材料から溶出する金属イオンにより電解質膜を劣化させるなどの問題もあった。 However, metals such as stainless steel and titanium alloys that have been studied conventionally have a tendency to remarkably deteriorate conductivity because a passive film is formed on the surface in an acidic atmosphere as described above. Therefore, when used as a separator, even if the contact resistance at the beginning of use is low, such a low contact resistance state cannot be maintained for a long period of time, and the contact resistance increases over time, causing current loss. There was a problem that. Moreover, when corroded, there also existed problems, such as degrading an electrolyte membrane with the metal ion eluted from a material.
また、特許文献1に記載された技術では、燃料電池内の厳しい酸性雰囲気中に曝された場合、Auめっき層が剥落することで基材の接触抵抗が増大し、燃料電池の性能が低下する恐れがあった。 Moreover, in the technique described in Patent Document 1, when exposed to a severe acidic atmosphere in the fuel cell, the Au plating layer is peeled off to increase the contact resistance of the base material, and the performance of the fuel cell is lowered. There was a fear.
また、特許文献2に記載された技術では、耐酸性金属皮膜に用いられるTa、Zr、Nbは何れも融点が1800℃を超える高融点金属であるために通常のスパッタリング法を用いてこれを形成すると、当該耐酸性金属皮膜にピンホールが形成される。耐酸性金属皮膜の上に形成されるAu等の貴金属皮膜は耐酸性金属皮膜のピンホールを残したまま成膜されるため、酸性雰囲気中でピンホールから基材の金属が溶出する恐れがあった。また、Ta等の耐酸性金属皮膜とAu等の貴金属皮膜とは、テープ剥離試験でも容易に剥落するほど密着性が悪く、燃料電池のセパレータとして使用すると、使用時の振動等によってガス拡散層(カーボンクロス)との間で生じる摩擦などによりAu等の貴金属皮膜が剥落し、燃料電池の性能が劣化する恐れがあった。 Further, in the technique described in Patent Document 2, Ta, Zr, and Nb used for the acid-resistant metal film are all refractory metals having a melting point exceeding 1800 ° C., and thus are formed using a normal sputtering method. Then, pinholes are formed in the acid-resistant metal film. Since a noble metal film such as Au formed on the acid-resistant metal film is formed while leaving the pinhole of the acid-resistant metal film, the metal of the base material may be eluted from the pinhole in an acidic atmosphere. It was. In addition, the acid-resistant metal film such as Ta and the noble metal film such as Au have poor adhesion so as to be easily peeled off even in a tape peeling test. When used as a fuel cell separator, the gas diffusion layer ( There was a risk that the precious metal film such as Au would peel off due to friction between the carbon cloth and the performance of the fuel cell.
そして、特許文献3に記載された技術では、酸化皮膜の上に中間層を形成させた場合、これらの密着性が悪いため、導電性薄膜が剥落する恐れがあった。また、酸化皮膜と導電性薄膜との間にTa、Zr、Nbなどの高融点金属を用いて中間層を形成すると、特許文献2と同様、中間層にピンホールが形成される恐れがあり、ここから金属基材が溶出する恐れもあった。また、導電性薄膜が貴金属の場合は密着性が悪く剥がれる恐れがあった。 And in the technique described in patent document 3, when forming an intermediate | middle layer on an oxide film, since these adhesiveness was bad, there existed a possibility that a conductive thin film might peel off. Further, when an intermediate layer is formed using a high melting point metal such as Ta, Zr, or Nb between the oxide film and the conductive thin film, a pinhole may be formed in the intermediate layer as in Patent Document 2. There was also a risk that the metal substrate was eluted from here. Further, when the conductive thin film is a noble metal, there is a possibility that the adhesion is poor and peels off.
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said problem, and makes it a subject to provide the metal separator for fuel cells which is excellent in acid resistance, and has low contact resistance, and its manufacturing method.
前記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、前記金属基材の表面に、Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる、膜厚が5nm以上100nm未満の耐酸性金属皮膜と、この耐酸性金属皮膜の上にAu、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を5〜65原子%含んでなる、膜厚が2nm以上の導電性合金皮膜と、を有し、前記耐酸性金属皮膜は、PVD法において、前記金属基材を50℃以上に加熱しつつ、−50V以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に成膜したものである構成とした。 In order to solve the above-mentioned problems, the metal separator for a fuel cell according to the present invention is manufactured using a metal base material having a flat surface or a concave gas flow path formed on at least a part of the surface. a metal separator for a fuel cell, on the surface of the metal substrate, Zr, Nb, consisting of any one non-noble metals selected from Ta, and the acid-resistant metal film of less than thickness of 5nm or more 100 nm, The acid-resistant metal film includes one or more noble metals selected from Au and Pt and one or more non-noble metals selected from Zr, Nb, and Ta, and the non-noble metals are contained in 5 to 65 atoms. % including Naru in a thickness possess a more conductive alloy film 2 nm, and the acid-resistant metal coating, in PVD method while heating the metal substrate than 50 ° C., a voltage below -50V By applying It has a configuration in which was deposited on top of the Shokumotozai.
このように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、金属基材の表面に、優れた耐酸性を有するZr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる耐酸性金属皮膜を有しているので金属基材の溶出を防止することができる。また、かかる燃料電池用金属セパレータは、耐酸性金属皮膜の上に、前記した非貴金属と、耐酸性に優れるだけでなく酸性雰囲気下で酸化皮膜を形成しないAu、Ptから選択される1種以上の貴金属と、を含んでなる導電性合金皮膜をさらに有することで優れた耐酸性を備えつつ、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性を向上させることができるので接触抵抗を低くすることが可能となる。 Thus, the metal separator for a fuel cell according to the present invention, the surface of the metal substrate, Zr having excellent acid resistance, Nb, acid-resistant metal film made of any one of the non-noble metals selected from Ta Thus, the elution of the metal substrate can be prevented. In addition, the fuel cell metal separator is one or more selected from the above-described non-noble metals and Au and Pt that not only have excellent acid resistance but also do not form an oxide film in an acidic atmosphere on the acid resistant metal film. The contact resistance is reduced because the adhesion between the acid-resistant metal film and the conductive alloy film can be improved while having excellent acid resistance by further having a conductive alloy film comprising a noble metal. It becomes possible.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記導電性合金皮膜中の非貴金属の組成を5〜65原子%としているため、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性をより高くすることができるので、摩擦などによって導電性合金皮膜が耐酸性金属皮膜から剥離するおそれを少なくすることができ、また接触抵抗をより低くすることが可能となる。 In the fuel cell metal separator according to the present invention, the composition of the non-noble metal in the conductive alloy film is 5 to 65 atomic%, so that the adhesion between the acid-resistant metal film and the conductive alloy film is further increased. Therefore, the possibility that the conductive alloy film peels from the acid-resistant metal film due to friction or the like can be reduced, and the contact resistance can be further reduced.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記耐酸性金属皮膜の膜厚を5nm以上100nm未満としているため、ピンホールの形成を確実に防止し、金属基材を露出しにくくすることで金属基材の溶出を防止することができる。すなわち、より優れた耐酸性を備えさせることができる。 Since the metal separator for fuel cells according to the present invention has a film thickness of the acid-resistant metal film of 5 nm or more and less than 100 nm, it prevents the formation of pinholes and makes it difficult to expose the metal substrate. The elution of the material can be prevented. That is, more excellent acid resistance can be provided.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記導電性合金皮膜の膜厚を2nm以上としているため、優れた耐酸性を備えつつ、より確実に接触抵抗を低くすることが可能となる。 Since the metal separator for a fuel cell according to the present invention has a thickness of the conductive alloy film of 2 nm or more, the contact resistance can be more reliably lowered while providing excellent acid resistance.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータは、前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料であるのが好ましい。
このようにすれば、優れた耐酸性を備えつつ、接触抵抗の低い純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅または銅合金製の燃料電池用金属セパレータとすることができる。
In the metal separator for a fuel cell according to the present invention, the metal base material is preferably any metal material selected from pure titanium, titanium alloy, stainless steel, pure aluminum, aluminum alloy, pure copper, and copper alloy. .
In this way, a fuel cell metal separator made of pure titanium, titanium alloy, stainless steel, pure aluminum, aluminum alloy, pure copper or copper alloy having low acid resistance while having excellent acid resistance can be obtained.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材を用いて製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、前記金属基材の表面に、PVD法によって、Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる、膜厚が5nm以上100nm未満の耐酸性金属皮膜を成膜する工程と、前記耐酸性金属皮膜の上に、PVD法によって、Au、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を5〜65原子%含んでなる、膜厚が2nm以上の導電性合金皮膜を成膜する工程と、を含み、前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程は、前記PVD法において、前記金属基材を50℃以上に加熱しつつ、−50V以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に耐酸性金属皮膜を成膜させる。 The method for producing a metal separator for a fuel cell according to the present invention comprises a metal separator for a fuel cell produced using a metal substrate having a flat surface or a concave gas channel formed on at least a part of the surface. the method of manufacturing, the surface of the metal substrate, by PVD method, Zr, Nb, consisting of any one non-noble metals selected from Ta, acid-resistant metal film of less than thickness of 5nm or more 100nm And one or more kinds of noble metals selected from Au and Pt and one or more kinds of non-noble metals selected from Zr, Nb and Ta by the PVD method on the acid-resistant metal film. And forming a conductive alloy film having a film thickness of 2 nm or more, comprising 5 to 65 atomic% of the non-noble metal, and forming the acid-resistant metal film, In the PVD method, While heating the serial metal substrate above 50 ° C., thereby forming a acid-resistant metal coating on the metal substrate by applying a voltage below -50 V.
このように、耐酸性金属皮膜を成膜する工程で金属基材を加熱しつつ電圧印加することで、金属基材上に緻密な耐酸性金属皮膜を成膜することができ、金属基材の溶出を防止することができる。また、耐酸性金属皮膜の上に導電性合金皮膜を成膜することで優れた耐酸性を備えつつ、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性を向上させることにより接触抵抗を低くした燃料電池用金属セパレータを製造することができる。 Thus, by applying voltage while heating the metal substrate in the step of forming the acid-resistant metal film, a dense acid-resistant metal film can be formed on the metal substrate. Elution can be prevented. In addition, while having excellent acid resistance by forming a conductive alloy film on the acid resistant metal film, the contact resistance was lowered by improving the adhesion between the acid resistant metal film and the conductive alloy film. A metal separator for a fuel cell can be manufactured.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記導電性合金皮膜を成膜する工程において、前記導電性合金皮膜中の非貴金属の組成を5〜65原子%としているため、耐酸性金属皮膜と導電性合金皮膜との密着性をより高くすることができるので、摩擦などによって導電性合金皮膜が耐酸性金属皮膜から剥離するおそれを少なくすることができ、また接触抵抗をより低くすることが可能となる。また、前記耐酸性金属皮膜の膜厚を5nm以上100nm未満となるまで成膜しているため、ピンホールの形成を防止し、金属基材を露出しにくくすることができ、より優れた耐酸性を備えた燃料電池用金属セパレータを製造することができる。 In the method for producing a metal separator for a fuel cell according to the present invention, the composition of the non-noble metal in the conductive alloy film is 5 to 65 atomic% in the step of forming the conductive alloy film. Since the adhesion between the film and the conductive alloy film can be further increased, the possibility that the conductive alloy film is peeled off from the acid-resistant metal film due to friction or the like can be reduced, and the contact resistance can be further reduced. Is possible. In addition, since the acid-resistant metal film is formed until the film thickness is 5 nm or more and less than 100 nm, pinhole formation can be prevented and the metal substrate can be made difficult to be exposed. The metal separator for fuel cells provided with can be manufactured.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記導電性合金皮膜を成膜する工程において、前記導電性合金皮膜の膜厚を2nm以上となるまで成膜しているため、優れた耐酸性を備えつつ、より接触抵抗の低い燃料電池用金属セパレータを製造することができる。 The method for producing a metal separator for a fuel cell according to the present invention has excellent acid resistance because the conductive alloy film is formed until the film thickness of the conductive alloy film is 2 nm or more in the step of forming the conductive alloy film. It is possible to manufacture a metal separator for a fuel cell having a lower contact resistance while having the properties.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程における前記金属基材の加熱条件を50℃以上、かつ前記金属基材への電圧印加条件を−(マイナス)50V以下としているので、耐酸性金属皮膜のピンホールが形成されにくくなり、良好な耐酸性金属皮膜が得られ、金属基材の金属溶出を防止する燃料電池用金属セパレータを製造することができる。 In the method for producing a metal separator for a fuel cell according to the present invention, the heating condition of the metal substrate in the step of forming the acid-resistant metal film is 50 ° C. or more, and the voltage application condition to the metal substrate is − ( Minus) Since it is 50 V or less, it is difficult to form pinholes in the acid-resistant metal film, a good acid-resistant metal film can be obtained, and a metal separator for a fuel cell that prevents metal elution from the metal substrate can be manufactured. it can.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記PVD法がイオンプレーティング法またはスパッタリング法であるのが好ましい。
このようにイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いて成膜工程や析出工程を行なうと、発生したプラズマすなわち電離気体によって基材の周囲にプラスにイオン化した粒子(析出させる粒子の一部やアルゴンガス粒子)を存在させることができる。また、基材にマイナスの電圧を印加することで発生するクーロン力により、イオン化した粒子が基材に衝突し、イオン化した粒子がもつ運動エネルギを基材に熱エネルギとして与えるため、基材表面に付着した析出粒子の表面拡散を活発にし、緻密な耐酸性金属皮膜を成膜が可能となる。
In the method for producing a fuel cell metal separator according to the present invention, the PVD method is preferably an ion plating method or a sputtering method.
When the film forming process or the deposition process is performed using the ion plating method or the sputtering method in this way, particles that are positively ionized around the substrate by the generated plasma, that is, ionized gas (a part of the particles to be deposited or argon gas) Particles) can be present. In addition, due to the Coulomb force generated by applying a negative voltage to the substrate, the ionized particles collide with the substrate, and the kinetic energy of the ionized particles is given to the substrate as thermal energy. It is possible to activate the surface diffusion of the deposited particles, and to form a dense acid-resistant metal film.
本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、前記金属基材が、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料とするのが好ましい。
このようにすれば、優れた耐酸性を備えつつ、接触抵抗の低い純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅または銅合金製の燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
In the method for producing a fuel cell metal separator according to the present invention, the metal base material is any metal material selected from pure titanium, titanium alloy, stainless steel, pure aluminum, aluminum alloy, pure copper, and copper alloy. Is preferred.
In this manner, a fuel cell metal separator made of pure titanium, titanium alloy, stainless steel, pure aluminum, aluminum alloy, pure copper or copper alloy with low acid resistance while having excellent acid resistance can be produced. .
本発明の燃料電池用金属セパレータは、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗を低くすることができる。
本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータを製造することができる。
The metal separator for a fuel cell of the present invention is excellent in acid resistance and can reduce contact resistance.
According to the method for producing a metal separator for a fuel cell of the present invention, a metal separator for a fuel cell having excellent acid resistance and low contact resistance can be produced.
次に、適宜図1を参照して本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について詳細に説明する。なお、図1は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの断面図である。 Next, the fuel cell metal separator and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 as appropriate. FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell metal separator according to the present invention.
図1に示すように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ1は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路(不図示)が形成される金属基材2を用いて製造された燃料電池用金属セパレータであって、金属基材2の表面に、耐酸性金属皮膜3と、導電性合金皮膜4と、を有してなる。 As shown in FIG. 1, a metal separator 1 for a fuel cell according to the present invention is a metal substrate 2 having a flat surface or a concave gas flow path (not shown) formed on at least a part of the surface. A metal separator for a fuel cell manufactured by using an acid-resistant metal film 3 and a conductive alloy film 4 on the surface of the metal substrate 2.
金属基材2は、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金から選択されるいずれかの金属材料を用いると、導電性に優れているので好適である。具体的には、JIS H 4600に規定される1種から4種の純チタンの基材や、Ti−Al、Ti−Ta、Ti−6Al−4V、Ti−PdなどのTi合金、またはSUS304、SUS316等のステンレス材や、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金の基材を使用することができる。
なお、コストの点からは、純アルミニウムやアルミニウム合金、ステンレス鋼を用いると好ましく、耐酸性の点からは、純チタンやチタン合金を用いると好ましい。しかし、本発明の燃料電池用金属セパレータに用いることのできる金属基材2の金属材料としてはこれらに限定されるものではなく、金属製のセパレータとして燃料電池に用いることのできるその他の金属材料も用いることができることはいうまでもない。
As the metal base 2, it is preferable to use any metal material selected from pure titanium, titanium alloy, stainless steel, pure aluminum, aluminum alloy, pure copper, and copper alloy because of excellent conductivity. Specifically, a base material of 1 to 4 types of pure titanium specified in JIS H 4600, a Ti alloy such as Ti-Al, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd, or SUS304, A stainless steel such as SUS316, or a base material of pure aluminum, aluminum alloy, pure copper, or copper alloy can be used.
From the viewpoint of cost, it is preferable to use pure aluminum, an aluminum alloy, or stainless steel, and from the viewpoint of acid resistance, it is preferable to use pure titanium or a titanium alloy. However, the metal material of the metal substrate 2 that can be used for the fuel cell metal separator of the present invention is not limited to these, and other metal materials that can be used for the fuel cell as a metal separator are also available. It goes without saying that it can be used.
金属基材2は、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路を、耐酸性金属皮膜3および導電性合金皮膜4を成膜する前にあらかじめ形成しておくのがよい。またさらに、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ1は、ガス流路が形成されていない、いわゆる平板セパレータであってもよいため、そのような平板セパレータとして用いる場合には、表面が平面の、つまり前記したガス流路の形成されていない平板の金属基材2を用いてもよい。
なお、かかるガス流路を形成する場合は、表面の少なくとも一部を従来公知のプレス加工、切削加工、エッチング処理などによって凹形状(凹部)を呈するように加工することで形成することができる。このようにすれば、燃料電池として組み上げたときにかかる凹部内にガスを流通させることができる。なお、ガス流路はどのような形状であってもよく、その形状は特に限定されない。
The metal substrate 2 is preferably formed in advance with a concave gas flow path on at least a part of the surface thereof before the acid-resistant metal film 3 and the conductive alloy film 4 are formed. Furthermore, since the metal separator 1 for a fuel cell according to the present invention may be a so-called flat plate separator in which a gas flow path is not formed, when used as such a flat plate separator, the surface is flat. That is, you may use the flat metal base material 2 in which the above-mentioned gas flow path is not formed.
In addition, when forming this gas flow path, it can form by processing at least one part of the surface so that a concave shape (concave part) may be exhibited by a conventionally well-known press process, cutting process, an etching process, etc. If it does in this way, gas can be distribute | circulated in this recessed part when it assembles | assembles as a fuel cell. The gas channel may have any shape, and the shape is not particularly limited.
耐酸性金属皮膜3は、Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる。
Zr、Nb、Taは優れた耐酸性を呈する金属であるため、金属基材2上に、Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる耐酸性金属皮膜3を形成することで、金属基材2の金属の溶出を防止することができる。なお、耐酸性金属皮膜3に用いられる非貴金属は、Zr、Nb、Taに限定されるものではなく、耐酸性に優れる金属であればどのような非貴金属でも用いることができる。例えば、Hfや、Al、Pなどをドーピングして半導体化したSiなども用いることができる。
Acid-resistant metal film 3, Zr, Nb, consisting of any one non-noble metals selected from Ta.
Zr, Nb, since Ta is a metal that exhibits excellent acid resistance, is formed on the metal substrate 2, Zr, Nb, acid-resistant metal film 3 made of either one of the non-noble metals selected from Ta Thereby, the elution of the metal of the metal base material 2 can be prevented. In addition, the non-noble metal used for the acid-resistant metal film 3 is not limited to Zr, Nb, and Ta, and any non-noble metal can be used as long as the metal is excellent in acid resistance. For example, Hf, Al, P, or the like doped with Si can be used.
かかる耐酸性金属皮膜3の膜厚は、5nm以上とするのが好ましい。耐酸性金属皮膜3の膜厚が5nm未満であると、耐酸性金属皮膜3にピンホールが形成されやすいので、金属基材2の金属が溶出するおそれがある。耐酸性金属皮膜3の膜厚は、7nm以上とするのがより好ましい。一方、耐酸性金属皮膜3の膜厚の上限は特に限定されるものではないが、後記する耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1に要する時間とコストの点から500nm以下とするのが好ましく、300nm以下とするのがより好ましく、100nm未満とするのがさらに好ましい。 The film thickness of the acid resistant metal film 3 is preferably 5 nm or more. If the acid-resistant metal film 3 has a film thickness of less than 5 nm, pinholes are likely to be formed in the acid-resistant metal film 3, and the metal of the metal substrate 2 may be eluted. The film thickness of the acid resistant metal film 3 is more preferably 7 nm or more. On the other hand, the upper limit of the film thickness of the acid-resistant metal film 3 is not particularly limited, but is preferably 500 nm or less from the viewpoint of time and cost required for the step S1 for forming the acid-resistant metal film described later, The thickness is more preferably 300 nm or less, and further preferably less than 100 nm.
導電性合金皮膜4は、前記した耐酸性金属皮膜3の上にAu、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含んでなる。
AuおよびPtは、耐酸性に優れるだけでなく、一般的に貴金属と呼ばれる金属元素の中でも、酸性雰囲気中においてその表面に酸化皮膜を形成しない元素であるため、酸性雰囲気下でも導電性を良好に保つことができる。なお、導電性合金皮膜4に用いられる貴金属は、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池のように、電圧(電位差)がせいぜい0.7V程度しか出ない燃料電池やそのような運転条件で運転される燃料電池においてはAuおよびPtに限定されるものではなく、耐酸性に優れ、酸性雰囲気中においてその表面に酸化皮膜を形成しない金属であればどのような貴金属でも用いることができる。例えば、Pd、Rh、Ruなども用いることができる。
The conductive alloy film 4 includes one or more kinds of noble metals selected from Au and Pt and one or more kinds of non-noble metals selected from Zr, Nb and Ta on the acid-resistant metal film 3 described above. Become.
Au and Pt are not only excellent in acid resistance but also an element that does not form an oxide film on the surface in an acidic atmosphere, among metal elements generally called noble metals. Can keep. Note that the noble metal used for the conductive alloy film 4 is a fuel cell in which a voltage (potential difference) is only about 0.7 V, such as a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel, or operated under such operating conditions. The fuel cell is not limited to Au and Pt, and any precious metal can be used as long as it is excellent in acid resistance and does not form an oxide film on its surface in an acidic atmosphere. For example, Pd, Rh, Ru, etc. can also be used.
そして、導電性合金皮膜4中の非貴金属(Zr、Nb、Taから選択される1種以上)の組成を5〜65原子%とするのが好ましい。前記した組成で貴金属と非貴金属を合金化して合金皮膜を形成することにより、耐酸性金属皮膜3と導電性合金皮膜4との密着性を向上させることができるので、耐酸性金属皮膜3が導電性合金皮膜4から剥離するおそれを少なくすることができ、導電性を維持することが可能となる。さらに、導電性合金皮膜4の貴金属と非貴金属を前記した組成で合金化させて使用することにより、高価な貴金属の使用量を抑えることができ、かつ導電性と耐酸性を有する導電性合金皮膜を低コストで作製することができる。 The composition of the non-noble metal (one or more selected from Zr, Nb, Ta) in the conductive alloy film 4 is preferably 5 to 65 atomic%. By forming an alloy film by alloying a noble metal and a non-noble metal with the composition described above, the adhesion between the acid-resistant metal film 3 and the conductive alloy film 4 can be improved, so that the acid-resistant metal film 3 is conductive. The possibility of peeling from the conductive alloy film 4 can be reduced, and the conductivity can be maintained. Further, by using the noble metal and non-noble metal of the conductive alloy film 4 alloyed with the above-described composition, the amount of expensive noble metal used can be suppressed, and the conductive alloy film has conductivity and acid resistance. Can be manufactured at low cost.
導電性合金皮膜4中の非貴金属の組成が5原子%未満であると、導電性合金皮膜4と耐酸性金属皮膜3の密着性が悪いために、酸性雰囲気下に長期間曝されると導電性合金皮膜4が剥落するおそれがある。また、導電性合金皮膜4中の非貴金属の組成が65原子%を超えると、表面に非貴金属の不動態皮膜が形成されるため、導電性が下がるおそれがある。導電性合金皮膜4中の非貴金属の組成は、15〜55原子%とするのがより好ましく、25〜45原子%とするのがさらに好ましい。 When the composition of the non-noble metal in the conductive alloy film 4 is less than 5 atomic%, the adhesion between the conductive alloy film 4 and the acid-resistant metal film 3 is poor. There is a possibility that the conductive alloy film 4 is peeled off. Further, if the composition of the non-noble metal in the conductive alloy film 4 exceeds 65 atomic%, a non-noble metal passive film is formed on the surface, which may lower the conductivity. The composition of the non-noble metal in the conductive alloy film 4 is more preferably 15 to 55 atomic%, and further preferably 25 to 45 atomic%.
かかる導電性合金皮膜4の膜厚は、2nm以上とするのが好ましい。導電性合金皮膜4の膜厚が2nm未満であると、導電性合金皮膜4と耐酸性金属皮膜3の間に不動態皮膜が形成され、導電性合金皮膜4が剥落することによって接触抵抗が増加する。導電性合金皮膜4の膜厚は、5nm以上とするのが好ましく、7nm以上とするのがより好ましい。一方、導電性合金皮膜4の膜厚の上限は特に限定されるものではないが、後記する導電性合金皮膜を成膜する工程S2に要する時間とコストの点から500nm以下とするのが好ましい。 The thickness of the conductive alloy film 4 is preferably 2 nm or more. If the film thickness of the conductive alloy film 4 is less than 2 nm, a passive film is formed between the conductive alloy film 4 and the acid-resistant metal film 3, and the contact resistance is increased by peeling off the conductive alloy film 4. To do. The film thickness of the conductive alloy film 4 is preferably 5 nm or more, and more preferably 7 nm or more. On the other hand, the upper limit of the film thickness of the conductive alloy film 4 is not particularly limited, but is preferably 500 nm or less from the viewpoint of time and cost required for the step S2 for forming the conductive alloy film described later.
以上に説明した本発明に係る燃料電池用金属セパレータ1は、金属基材2の上に、優れた耐酸性を有する耐酸性金属皮膜3を有し、かつ、その上に耐酸性に優れるだけでなく酸性雰囲気下で酸化皮膜を形成しない導電性合金皮膜4をさらに有しているので、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗を低くすることができる。 The metal separator 1 for a fuel cell according to the present invention described above has an acid-resistant metal film 3 having excellent acid resistance on a metal substrate 2, and is excellent only in acid resistance. Furthermore, since it has further the electroconductive alloy film 4 which does not form an oxide film in an acidic atmosphere, it is excellent in acid resistance and can make contact resistance low.
このような燃料電池用金属セパレータ1は、後記する燃料電池用金属セパレータの製造方法によって好適に製造することができる。
以下、適宜図2を参照して、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法について説明する。なお、図2は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法のフローを示すフロー図である。
Such a fuel cell metal separator 1 can be suitably manufactured by a method for manufacturing a fuel cell metal separator described later.
Hereinafter, the manufacturing method of the metal separator for fuel cells according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 as appropriate. In addition, FIG. 2 is a flowchart which shows the flow of the manufacturing method of the metal separator for fuel cells which concerns on this invention.
図2に示すように、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、表面が平面の、または、表面の少なくとも一部に凹形状のガス流路が形成される金属基材2を用いて製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1と、導電性合金皮膜を成膜する工程S2と、を含んでなる。
耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1は、成膜工程中にプラズマを発生するPVD(Physical Vapor Deposition)法によって、金属基材2の上にZr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含んでなる耐酸性金属皮膜3を成膜する。なお、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を用いて成膜する理由、および耐酸性金属皮膜3の膜厚を5nm以上となるまで成膜すると好適である理由についてはすでに述べたとおりであるのでその説明を省略する。
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a fuel cell metal separator according to the present invention uses a metal substrate 2 having a flat surface or a concave gas flow path formed on at least a part of the surface. This is a method for producing a metal separator for a fuel cell, comprising: a step S1 for forming an acid-resistant metal film; and a step S2 for forming a conductive alloy film.
The step S1 for forming the acid-resistant metal film includes at least one selected from Zr, Nb, and Ta on the metal substrate 2 by a PVD (Physical Vapor Deposition) method for generating plasma during the film forming step. An acid-resistant metal film 3 containing a non-noble metal is formed. The reason why the film is formed using one or more kinds of non-noble metals selected from Zr, Nb, and Ta and the reason why it is preferable to form the acid-resistant metal film 3 until the film thickness becomes 5 nm or more have already been described. Since it is as described, the description is omitted.
耐酸性金属であるZr、Nb、Taはいずれも高融点金属であるため、プラズマを発生しないPVD法である真空蒸着法のような成膜方法で耐酸性金属皮膜を成膜すると、金属基材に飛来してきた粒子(原子またはイオンをいう。以下同じ。)が金属基材表面に付着し、結晶を形成して耐酸性金属皮膜となる際に、金属基材表面を拡散しにくく、ポーラスな膜となってピンホールを形成してしまう。そのため、例えば酸性溶液に浸漬した時、金属基材に耐酸性金属皮膜を成膜してあっても、ピンホール部分から酸性溶液が浸透していき、金属基材の金属が溶出してしまう。つまり、金属基材の金属が溶出するのを防ぐためには、耐酸性金属皮膜中のピンホールの形成をなくす必要がある。
したがって、ピンホールを形成しない緻密な耐酸性金属皮膜を成膜するには、プラズマを発生するPVD法であるイオンプレーティング法やスパッタリング法で成膜する必要がある。なお、かかるスパッタリング法としては、Unbalanced Magnetron Sputtering(UBMS)を用いるとより好適である。
Since Zr, Nb, and Ta, which are acid-resistant metals, are all high-melting-point metals, when an acid-resistant metal film is formed by a film-forming method such as a vacuum vapor deposition method that does not generate plasma, a metal substrate When particles (which refer to atoms or ions; the same shall apply hereinafter) come to the surface of the metal substrate and form crystals to form an acid-resistant metal film, the metal substrate surface is difficult to diffuse and is porous. It becomes a film and forms a pinhole. Therefore, for example, when immersed in an acidic solution, even if an acid-resistant metal film is formed on the metal substrate, the acidic solution penetrates from the pinhole portion, and the metal of the metal substrate is eluted. That is, in order to prevent the metal of the metal substrate from eluting, it is necessary to eliminate the formation of pinholes in the acid-resistant metal film.
Therefore, in order to form a dense acid-resistant metal film that does not form pinholes, it is necessary to form the film by ion plating or sputtering, which is a PVD method that generates plasma. Note that it is more preferable to use Unbalanced Magnetron Sputtering (UBMS) as the sputtering method.
この耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1は、金属基材2を加熱しつつ、電圧印加することにより金属基材2の上に耐酸性金属皮膜3を成膜させるが、このときの成膜条件としては、金属基材2の加熱条件を50℃以上とし、かつ金属基材2の電圧印加条件を−(マイナス)50V以下とするのが好ましい。かかる加熱条件および電圧印加条件を満たすPVD法を実施すれば、Ta、Zr、Nb粒子にエネルギを与えて表面拡散を活発にし、金属基材表面上で動きやすくすることができるので、耐酸性合金皮膜を緻密化し、ピンホールを無くすことができる。つまり、金属基材2を加熱することによって金属基材表面に付着したTa、Zr、Nb粒子に熱エネルギを与えることでTa、Zr、Nb粒子の運動エネルギを高くし、表面拡散を活発にすることができる。 In the step S1 for forming the acid-resistant metal film, the metal substrate 2 is heated and the voltage is applied to form the acid-resistant metal film 3 on the metal substrate 2. As conditions, it is preferable that the heating condition of the metal substrate 2 is 50 ° C. or more, and the voltage application condition of the metal substrate 2 is − (minus) 50 V or less. If the PVD method satisfying such heating conditions and voltage application conditions is performed, energy can be applied to Ta, Zr, and Nb particles to activate surface diffusion and facilitate movement on the surface of the metal substrate. The film can be densified and pinholes can be eliminated. In other words, by heating the metal substrate 2 and applying thermal energy to the Ta, Zr, and Nb particles adhering to the surface of the metal substrate, the kinetic energy of the Ta, Zr, and Nb particles is increased, and surface diffusion is activated. be able to.
耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1における金属基材2の加熱条件が50℃未満、または金属基材2への電圧印加条件が−(マイナス)50Vよりも高いと、スパッタされて金属基材2上で表面拡散するスパッタ粒子のエネルギが低いため、耐酸性金属皮膜3にピンホールが多く形成される(後記する図3(a)を参照)。なお、金属基材2の加熱条件および電圧印加条件は、100℃以上かつ−(マイナス)100V以下とするのがより好ましく、200℃以上かつ−(マイナス)200V以下とするのがさらに好ましい。 When the heating condition of the metal substrate 2 in step S1 for forming the acid-resistant metal film is less than 50 ° C. or the voltage application condition to the metal substrate 2 is higher than − (minus) 50V, the metal substrate 2 is sputtered. Since the energy of the sputtered particles that diffuse on the surface 2 is low, many pinholes are formed in the acid-resistant metal film 3 (see FIG. 3A described later). The heating condition and voltage application condition of the metal substrate 2 are more preferably 100 ° C. or more and − (minus) 100V or less, and further preferably 200 ° C. or more and − (minus) 200V or less.
耐酸性金属皮膜3に用いられるZr、Nb、Taを一般的に行われている成膜条件で、金属基材2に電圧を印加せず、且つ加熱をしないでスパッタリング法(つまり、プラズマを発生させないスパッタリング条件)で成膜した場合には、図3(a)に示すように、金属基材上の耐酸性金属皮膜にピンホールが形成される。
しかし、耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1において、金属基材2を50℃以上で加熱するとともに、−(マイナス)50V以下で電圧印加することでスパッタ粒子の表面拡散を加速させることで、ピンホールが形成されない、図3(b)に示すような均一で緻密な耐酸性金属皮膜3を形成させることができる。なお、図3(a)は、従来から実施されている成膜工程の条件、つまり、純チタン製の金属基材を加熱せず、且つ電圧印加しないでTaの耐酸性金属皮膜を成膜し、その断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で撮像したTEM像(倍率:75000倍)であり、(b)は、前記した条件を満たす耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1を実施して純チタン製の金属基材上にTaの耐酸性金属皮膜を成膜し、その断面をTEMで撮像したTEM像(倍率:75000倍)である。なお、(a)(b)ともに写真内のスケールバーは200nmを示す。
なお、図3(a)(b)に示されている耐酸性金属皮膜は、下記表1に示す成膜条件で成膜したものである。
Sputtering (that is, generating plasma) without applying voltage to the metal substrate 2 and heating it under the film forming conditions generally used for the acid-resistant metal film 3 such as Zr, Nb, and Ta. When the film is formed under sputtering conditions that are not allowed to occur, pinholes are formed in the acid-resistant metal film on the metal substrate, as shown in FIG.
However, in the step S1 for forming an acid-resistant metal film, the metal substrate 2 is heated at 50 ° C. or more, and the surface diffusion of sputtered particles is accelerated by applying a voltage at − (minus) 50V or less. A uniform and dense acid-resistant metal film 3 as shown in FIG. 3B, in which no pinhole is formed, can be formed. FIG. 3A shows the conditions of a conventional film forming process, that is, a Ta acid-resistant metal film is formed without heating a metal substrate made of pure titanium and without applying a voltage. FIG. 5 is a TEM image (magnification: 75000 times) obtained by imaging the cross section with a transmission electron microscope (TEM), and FIG. It is the TEM image (magnification: 75000 times) which formed the acid-resistant metal film of Ta on the metal base material made from titanium, and imaged the cross section with TEM. In both (a) and (b), the scale bar in the photograph indicates 200 nm.
The acid-resistant metal film shown in FIGS. 3A and 3B is formed under the film formation conditions shown in Table 1 below.
図3(a)に示すように、従来から実施されている成膜工程の条件で成膜された耐酸性金属皮膜は、Taの結晶が金属基材から柱状に伸び、結晶粒界にピンホールが多数形成されていることがわかる。
一方、図3(b)に示すように、前記した条件を満たす耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1で成膜された耐酸性金属皮膜は、Taの結晶が緻密に形成され、結晶粒界にピンホールが形成されていないことがわかる。
なお、これらを80℃、1Mの硫酸水溶液に100時間浸漬して、重量減少量すなわち溶解量を測定したところ、図3(a)に示す耐酸性皮膜を成膜した金属基材は、0.04mg/cm2の溶解が認められたが、図3(b)に示す耐酸性皮膜を成膜した金属基材については重量の減少は全く認められなかった。このことから、本発明の耐酸性金属皮膜を成膜する工程S1による耐酸性金属皮膜が優れた耐酸性を示すことがわかる。
As shown in FIG. 3 (a), the acid-resistant metal film formed under the conditions of the conventional film forming process is such that Ta crystals extend from the metal substrate in a columnar shape, and pinholes are formed in the crystal grain boundaries. It can be seen that many are formed.
On the other hand, as shown in FIG. 3B, the acid-resistant metal film formed in step S1 for forming an acid-resistant metal film that satisfies the above-described conditions is formed by densely forming Ta crystals. It can be seen that no pinholes are formed.
In addition, when these were immersed in 80 degreeC and 1M sulfuric acid aqueous solution for 100 hours, and the weight reduction | decrease amount, ie, the amount of dissolution, was measured, the metal base material which formed the acid-resistant film | membrane shown in FIG. Although dissolution of 04 mg / cm 2 was observed, no decrease in weight was observed for the metal substrate on which the acid-resistant film shown in FIG. 3B was formed. From this, it can be seen that the acid-resistant metal film in step S1 for forming the acid-resistant metal film of the present invention exhibits excellent acid resistance.
次に、導電性合金皮膜を成膜する工程S2は、PVD法によって、耐酸性金属皮膜3の上にAu、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含んでなる導電性合金皮膜4を成膜する。
なお、Au、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を用いて成膜する理由、および導電性合金皮膜4の膜厚を2nm以上となるまで成膜すると好適である理由についてはすでに述べたとおりであるのでその説明を省略する。
また、導電性合金皮膜4の成膜は、合金化した皮膜の成膜も可能でありかつその組成も自由に制御することができるので、スパッタリング法によって行うのがより好ましい。
Next, the step S2 for forming the conductive alloy film is selected from one or more precious metals selected from Au and Pt, and Zr, Nb, and Ta on the acid-resistant metal film 3 by the PVD method. A conductive alloy film 4 containing at least one non-noble metal is formed.
The reason why the film is formed using one or more kinds of noble metals selected from Au and Pt and one or more kinds of non-noble metals selected from Zr, Nb and Ta, and the film thickness of the conductive alloy film 4 are as follows. The reason why it is preferable to form a film up to 2 nm or more is as described above, and the description thereof is omitted.
The conductive alloy film 4 is more preferably formed by a sputtering method because an alloyed film can be formed and its composition can be freely controlled.
以上に説明した本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、金属基材2の上に、均一で緻密な耐酸性金属皮膜3を形成し、さらにその上に耐酸性と接触抵抗に優れた導電性合金皮膜4を成膜することにより、耐酸性に優れ、かつ接触抵抗が低い燃料電池用金属セパレータ1を製造することができる。 According to the manufacturing method of the metal separator for a fuel cell of the present invention described above, the uniform and dense acid-resistant metal film 3 is formed on the metal substrate 2, and further on the acid resistance and contact resistance. By forming the excellent conductive alloy film 4, it is possible to manufacture the fuel cell metal separator 1 having excellent acid resistance and low contact resistance.
次に、本発明に係る燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを示して具体的に説明する。 Next, the fuel cell metal separator and the method for producing the same according to the present invention will be specifically described with reference to Examples that satisfy the requirements of the present invention and Comparative Examples that do not satisfy the requirements of the present invention.
[実施例A]
JIS H 4600に規定される1種の純チタン製の金属基板(2cm×5cm×1mm)を18枚用意してアセトンで超音波洗浄し、試験板とした。成膜は、下記表2に示す条件で、Unbalanced Magnetron Sputtering(UBMS)による成膜を実施した。成膜装置には、UBMS202装置(神戸製鋼製)を用いた。
[Example A]
Eighteen types of pure titanium metal substrates (2 cm × 5 cm × 1 mm) defined in JIS H 4600 were prepared and ultrasonically cleaned with acetone to obtain test plates. Film formation was performed by Unbalanced Magnetron Sputtering (UBMS) under the conditions shown in Table 2 below. A UBMS202 apparatus (manufactured by Kobe Steel) was used as the film forming apparatus.
下記表3に示すように、耐酸性金属皮膜用のターゲットとしてZr、Nb、Taのいずれかをチャンバー内の一の電極に取り付けて使用した。また、導電性合金皮膜用のターゲットとしてAuまたはPt上に、Zr、Nb、Taのチップを所定量貼り付けたものをチャンバー内の他の電極に取り付けて使用した。成膜装置の構成を図4に示す。なお、試験板は固定された台を公転し、さらに試験板を自転させることで試験板の両面、側面にも成膜を行なった。
表3に、試験板1〜18の導電性合金皮膜に用いた貴金属種および非貴金属種と、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成(%)および膜厚(nm)、並びに耐酸性金属皮膜の非貴金属種と膜厚を示す。
As shown in Table 3 below, one of Zr, Nb, and Ta was used as a target for the acid-resistant metal film attached to one electrode in the chamber. Further, as a target for the conductive alloy film, a predetermined amount of Zr, Nb and Ta chips attached on Au or Pt was attached to the other electrode in the chamber. The structure of the film forming apparatus is shown in FIG. In addition, the test board revolved the fixed base, and also formed the film on both sides and side surfaces of the test board by rotating the test board.
Table 3 shows the noble and non-noble metal species used for the conductive alloy films of test plates 1 to 18, the composition (%) and film thickness (nm) of the non-noble metal in the conductive alloy film, and the acid-resistant metal film. Non-noble metal species and film thickness are shown.
なお、表3において、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成(原子%)は、ICP発光分析法により測定した。ICP発光分析法は、あらかじめ導電性合金皮膜を試験板に成膜したものを作製し、その試験板を、チタン製基板および導電性合金皮膜のいずれをも溶解できる酸溶液(王水・フッ酸混合溶液)で溶解させ、導電性合金皮膜を構成する貴金属元素と非貴金属元素の濃度を測定しておき、その結果をもとにした組成比(原子%)を明示した。なお、王水・フッ酸混合溶液は、溶液濃度がそれぞれ、塩酸38%、硝酸70%およびフッ酸48%の酸溶液を用いて、塩酸3:硝酸1:フッ酸2+蒸留水6の体積比となるようにして調製した。
導電性合金皮膜、耐酸性金属皮膜の膜厚は使用したターゲット毎に、スパッタレートを算出しその値から推測した値を示した。
In Table 3, the composition (atomic%) of the non-noble metal in the conductive alloy film was measured by ICP emission analysis. In the ICP emission analysis method, a conductive alloy film is formed on a test plate in advance, and the test plate is dissolved in an acid solution (aqua regia / hydrofluoric acid) that can dissolve both the titanium substrate and the conductive alloy film. The concentration of the noble metal element and the non-noble metal element constituting the conductive alloy film was measured, and the composition ratio (atomic%) based on the result was clearly shown. The aqua regia / hydrofluoric acid mixed solution is an acid solution having a hydrochloric acid concentration of 38%, nitric acid 70% and hydrofluoric acid 48%, respectively, and a volume ratio of hydrochloric acid 3: nitric acid 1: hydrofluoric acid 2+ distilled water 6. It was prepared as follows.
The film thicknesses of the conductive alloy film and acid-resistant metal film were calculated from the sputter rate for each target used and estimated from the values.
表3に示す試験板1〜18について、図5に示す接触抵抗測定装置30を用いて荷重98N(10kgf)を印加し接触抵抗を測定した。つまり、試験板1〜18の両面をカーボンクロスC、Cではさみ、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極31、31を用いて98Nで加圧し、直流電流電源32を用いて1Aの電流を通電し、当該カーボンクロスC、C間に印加される電圧を電圧計33で測定し、接触抵抗を算出した。 For test plates 1 to 18 shown in Table 3, a load resistance of 98 N (10 kgf) was applied using the contact resistance measuring device 30 shown in FIG. 5 to measure the contact resistance. That is, both surfaces of the test plates 1 to 18 are sandwiched between carbon cloths C and C, and the outside is pressurized with 98 N using copper electrodes 31 and 31 having a contact area of 1 cm 2 , and a current of 1 A using a DC current power supply 32 The voltage applied between the carbon cloths C and C was measured with a voltmeter 33, and the contact resistance was calculated.
また、試験板1〜18について耐酸試験を行なった。その際、試験板1〜18は金属基材の中央両面の1cm×1cmの部分だけが露出するように他の部分はマスキングした。これを80℃の硫酸水溶液(0.5mol/l)に100時間浸漬して、洗浄、乾燥後マスキング材を除去して1μgまで測定可能なマイクロ天秤を使用して、重量減少量を測定し、その後、前記と同様にして接触抵抗装置30を用いて接触抵抗を測定した。なお、熱処理後および硫酸浸漬後の接触抵抗は15mΩ・cm2以下を合格とし、硫酸浸漬後の重量減少は0.02mg/cm2以下を合格とした。
下記表4に、試験板1〜18の硫酸浸漬後の接触抵抗(mΩ・cm2)、硫酸浸漬後の重量減少(mg/cm2)を示す。
Moreover, the acid resistance test was done about the test plates 1-18. At that time, other portions of the test plates 1 to 18 were masked so that only the 1 cm × 1 cm portions of the center both surfaces of the metal substrate were exposed. This is immersed in an aqueous sulfuric acid solution (0.5 mol / l) at 80 ° C. for 100 hours, washed and dried, then the masking material is removed, and the weight loss is measured using a microbalance capable of measuring up to 1 μg. Thereafter, the contact resistance was measured using the contact resistance device 30 in the same manner as described above. In addition, the contact resistance after heat treatment and after sulfuric acid immersion was 15 mΩ · cm 2 or less, and the weight loss after sulfuric acid immersion was 0.02 mg / cm 2 or less.
Table 4 below shows the contact resistance (mΩ · cm 2 ) of the test plates 1 to 18 after immersion in sulfuric acid and the weight loss (mg / cm 2 ) after immersion in sulfuric acid.
表4に示すように、試験板1〜4、9、10、13、14、17は、導電性合金皮膜に用いた貴金属種および非貴金属種と、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成(原子%)および膜厚(nm)、並びに耐酸性金属皮膜の非貴金属種と膜厚が本発明の要件を満たしていたので、硫酸浸漬後の接触抵抗および硫酸浸漬後の重量減少の結果が合格となった(実施例(表4の備考欄参照))。 As shown in Table 4, the test plates 1 to 4, 9, 10, 13, 14, and 17 are composed of the noble metal species and the non-noble metal species used in the conductive alloy film, and the composition of the non-noble metal in the conductive alloy film ( Atomic%) and film thickness (nm), as well as the non-noble metal species and film thickness of the acid-resistant metal film satisfied the requirements of the present invention, so the results of contact resistance after sulfuric acid immersion and weight loss after sulfuric acid immersion passed. (Example (refer to the remarks column in Table 4)).
一方、試験板6、11は、導電性合金皮膜の非貴金属の組成が低いため、導電性合金皮膜と耐酸性金属皮膜の密着性が悪く、導電性合金皮膜が剥落して耐酸性金属皮膜の不動態皮膜が形成され、接触抵抗が増大した。 On the other hand, since the test plates 6 and 11 have a low non-noble metal composition in the conductive alloy film, the adhesion between the conductive alloy film and the acid-resistant metal film is poor, and the conductive alloy film is peeled off to form the acid-resistant metal film. A passive film was formed and the contact resistance increased.
試験板5、12、18は、導電性合金皮膜中の非貴金属の組成が多いために、耐酸性金属皮膜が表面に不動態皮膜を形成したため接触抵抗が増大し、合格とならなかった。(比較例(表4の備考欄参照))。
試験板7、16は、耐酸性金属皮膜が薄いため、耐酸性金属皮膜にピンホールが形成されたことにより、金属基材が露出している部分が増えるため、硫酸浸漬後、試験板の重量減少が見られ、また金属基材表面に形成された酸化皮膜によって接触抵抗が増大し、合格とならなかった(比較例(表4の備考欄参照))。
試験板8、15は、導電性合金皮膜が薄いため、導電性合金皮膜と耐酸性金属皮膜の間に不動態皮膜が形成され、当該部分が剥落したことにより接触抵抗が増大し、合格とならなかった(比較例(表4の備考欄参照))。
Since the test plates 5, 12, and 18 had a large composition of non-noble metals in the conductive alloy film, the acid-resistant metal film formed a passive film on the surface, so the contact resistance increased and the test plate did not pass. (Comparative example (see remarks column in Table 4)).
Since the test plates 7 and 16 have a thin acid-resistant metal film, the portion where the metal substrate is exposed increases due to the formation of pinholes in the acid-resistant metal film. A decrease was observed, and the contact resistance increased due to the oxide film formed on the surface of the metal substrate, and the test was not successful (Comparative Example (see the remarks column in Table 4)).
Since the test plates 8 and 15 are thin in the conductive alloy film, a passive film is formed between the conductive alloy film and the acid-resistant metal film. None (comparative example (see remarks column in Table 4)).
なお、JIS K 5400に準拠して、本発明の実施例である試験板1の表面にテープを貼って碁盤目テープ剥離試験を行ったところ、耐酸性金属皮膜および導電性合金皮膜の剥離は認められなかった。 In addition, according to JIS K 5400, when a cross-cut tape peeling test was conducted by applying a tape to the surface of the test plate 1 as an example of the present invention, peeling of the acid-resistant metal film and the conductive alloy film was recognized. I couldn't.
[実施例B]
金属基材は[実施例A]と同じ規格の純チタン製の金属基板を6枚用意し、下記表5に示す金属基材の加熱条件および金属基材の電圧印加条件で、導電性合金皮膜をAu−Taとし、その組成をTa45原子%、膜厚を20nm、耐酸性金属皮膜をTaとし、その膜厚を10nmに固定して成膜させて試験板19〜24を作製した。
[Example B]
As the metal base material, six metal substrates made of pure titanium having the same standard as [Example A] were prepared, and the conductive alloy film was formed under the metal base heating conditions and metal base voltage application conditions shown in Table 5 below. Was made of Au-Ta, the composition was Ta 45 atomic%, the film thickness was 20 nm, the acid-resistant metal film was Ta, and the film thickness was fixed to 10 nm to form test plates 19-24.
表5に示す条件で実施して作製した試験板19〜24を[実施例A]と同じ条件で、硫酸浸漬後の接触抵抗(mΩ・cm2)、および硫酸浸漬後の重量減少(mg/cm2)について評価を行った。結果を下記表6に示す。 The test plates 19 to 24 produced implemented under the conditions shown in Table 5 under the same conditions as Example A], the contact resistance after immersion sulfate (mΩ · cm 2), and weight loss after sulfuric acid immersion (mg / cm 2 ) was evaluated. The results are shown in Table 6 below.
試験板19〜21は、金属基材の加熱条件が50℃以上であり、かつ金属基材の電圧印加条件が−(マイナス)50V未満であったため、硫酸浸漬後の接触抵抗および硫酸浸漬後の重量減少の結果が合格となり、実施例となった(表6の備考欄参照)。 In the test plates 19 to 21, the heating condition of the metal substrate was 50 ° C. or more, and the voltage application condition of the metal substrate was less than − (minus) 50 V. The result of weight reduction passed and became an example (see the remarks column in Table 6).
一方、試験板22〜24は、金属基材の加熱条件が50℃未満であったため、または金属基材の電圧印加条件が−(マイナス)50Vよりも大きかったため、耐酸性金属皮膜にピンホールが形成され、金属基材が露出し、これが酸性雰囲気に曝されて金属基材の金属が溶出した。そのため、硫酸浸漬後の重量が減少し、また、硫酸浸漬後の接触抵抗が増大し、合格とならなかった(比較例(表6の備考欄参照))。 On the other hand, the test plates 22 to 24 had pinholes in the acid-resistant metal film because the heating condition of the metal substrate was less than 50 ° C. or the voltage application condition of the metal substrate was larger than − (minus) 50V. As a result, the metal substrate was exposed and exposed to an acidic atmosphere, and the metal of the metal substrate was eluted. Therefore, the weight after sulfuric acid immersion decreased, and the contact resistance after sulfuric acid immersion increased, and it did not pass (comparative example (refer remarks column of Table 6)).
以上、本発明の燃料電池用金属セパレータおよびその製造方法について、発明を実施するための最良の形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。 The fuel cell metal separator of the present invention and the method for producing the same have been specifically described with reference to the best mode and examples for carrying out the invention. However, the gist of the present invention is not limited to these descriptions. Rather, it should be construed broadly based on the claims. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.
1 燃料電池用金属セパレータ
2 金属基材
3 耐酸性金属皮膜
4 導電性合金皮膜
S1 耐酸性金属皮膜を成膜する工程
S2 導電性合金皮膜を成膜する工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal separator for fuel cells 2 Metal base material 3 Acid-resistant metal film 4 Conductive alloy film S1 Process to form acid-resistant metal film S2 Process to form conductive alloy film
Claims (5)
前記金属基材の表面に、
Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる、膜厚が5nm以上100nm未満の耐酸性金属皮膜と、
この耐酸性金属皮膜の上にAu、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を5〜65原子%含んでなる、膜厚が2nm以上の導電性合金皮膜と、を有し、
前記耐酸性金属皮膜は、PVD法において、前記金属基材を50℃以上に加熱しつつ、−50V以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に成膜したものである
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。 A metal separator for a fuel cell manufactured using a metal substrate having a flat surface or a concave gas flow path formed on at least a part of the surface,
On the surface of the metal substrate,
Zr, Nb, consisting of any one non-noble metals selected from Ta, and the acid-resistant metal film of less than thickness of 5nm or more 100 nm,
The acid-resistant metal film includes one or more noble metals selected from Au and Pt and one or more non-noble metals selected from Zr, Nb, and Ta, and the non-noble metals are contained in 5 to 65 atoms. % Naru comprise a thickness possess a more conductive alloy film 2 nm, a,
In the PVD method, the acid-resistant metal film is formed on the metal substrate by applying a voltage of −50 V or less while heating the metal substrate to 50 ° C. or more. Metal separator for fuel cell.
前記金属基材の表面に、PVD法によって、Zr、Nb、Taから選択されるいずれか1種の非貴金属からなる、膜厚が5nm以上100nm未満の耐酸性金属皮膜を成膜する工程と、
前記耐酸性金属皮膜の上に、PVD法によって、Au、Ptから選択される1種以上の貴金属、および、Zr、Nb、Taから選択される1種以上の非貴金属を含み、かつこの非貴金属を5〜65原子%含んでなる、膜厚が2nm以上の導電性合金皮膜を成膜する工程と、を含み、
前記耐酸性金属皮膜を成膜する工程は、前記PVD法において、前記金属基材を50℃以上に加熱しつつ、−50V以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に耐酸性金属皮膜を成膜させることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。 A method for producing a fuel cell metal separator produced using a metal substrate having a flat surface or a concave gas flow path formed on at least a part of the surface,
On the surface of the metal substrate, a step of forming by PVD method, Zr, Nb, consisting of any one non-noble metals selected from Ta, the acid-resistant metal film of less than thickness of 5nm or more 100 nm,
On the acid-resistant metal film, the PVD method includes at least one noble metal selected from Au and Pt and at least one non-noble metal selected from Zr, Nb, Ta, and the non-noble metal. Forming a conductive alloy film having a film thickness of 2 nm or more,
In the PVD method, the acid-resistant metal film is formed on the metal substrate by applying a voltage of −50 V or less while heating the metal substrate to 50 ° C. or higher. A method for producing a metal separator for a fuel cell, wherein
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