JP5493341B2 - Conductive member, method for producing the same, fuel cell separator and polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、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に関する。 The present invention relates to a conductive member, a method for producing the same, and a fuel cell separator and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
固体高分子形燃料電池(PEFC)は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。各単セルは、高分子電解質膜;これを挟持する一対(アノード、カソード)の触媒層(電極触媒層);およびさらにこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対(アノード、カソード)のガス拡散層(GDL)、を含む膜電極接合体(MEA)を有する。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層・接続されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのMEAと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. Each single cell includes a polymer electrolyte membrane; a pair of (anode, cathode) catalyst layers (electrode catalyst layer) sandwiching the polymer electrolyte membrane; and a pair (anode, cathode) for dispersing the supply gas sandwiching them A membrane electrode assembly (MEA) including a gas diffusion layer (GDL); And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. In this way, a single cell is stacked and connected to form a fuel cell stack. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a fuel cell stack, the separator exhibits a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition to this, a gas flow path is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively.
PEFCの発電メカニズムを簡単に説明すると、PEFCの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス(例えば水素ガス)が供給され、カソード側に酸化剤ガス(例えば大気、酸素)が供給される。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。 Briefly explaining the power generation mechanism of the PEFC, during operation of the PEFC, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, air or oxygen) is supplied to the cathode side. As a result, in each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds to generate electricity.
導電性が要求される燃料電池用セパレータの構成材料としては、従来、金属、カーボン、または導電性樹脂などが知られている。これらのうち、カーボンセパレータや導電性樹脂セパレータでは、ガス流路形成後の強度をある程度確保すべく、厚さを比較的大きく設定する必要がある。その結果、これらのセパレータを用いた燃料電池スタックの全体の厚さも大きくなってしまう。かようなスタックの大型化は、特に小型化が求められている車載用PEFCなどにおいては、好ましくない。 Conventionally, metals, carbon, or conductive resins are known as constituent materials for fuel cell separators that require electrical conductivity. Among these, in the carbon separator and the conductive resin separator, it is necessary to set the thickness relatively large in order to secure the strength after forming the gas flow path to some extent. As a result, the overall thickness of the fuel cell stack using these separators also increases. Such an increase in the size of the stack is not preferable particularly in an in-vehicle PEFC that requires a reduction in size.
一方、金属セパレータは強度が比較的大きいため、厚さを比較的小さくすることが可能である。また、導電性にも優れることから、金属セパレータを用いるとMEAとの接触抵抗を低減させうるという利点もある。その反面、金属材料では腐食(例えば、生成水や運転時に生じる電位差などに起因するもの)による導電性の低下や、これに伴うスタックの出力の低下という問題が生じる場合がある。よって、金属セパレータでは、その優れた導電性を確保しつつ、耐食性をも向上させることが求められている。 On the other hand, since the metal separator has a relatively high strength, the thickness can be made relatively small. Moreover, since it is excellent also in electroconductivity, when a metal separator is used, there also exists an advantage that contact resistance with MEA can be reduced. On the other hand, in metal materials, there may be a problem that the conductivity is lowered due to corrosion (for example, due to generated water or a potential difference generated during operation), and the output of the stack is lowered accordingly. Therefore, the metal separator is required to improve the corrosion resistance while ensuring its excellent conductivity.
また、金属基材上に中間層を設けて耐食性を向上させながら、その上に導電性炭素膜を被覆することにより導電性を確保することもできる。しかし、このような場合には、親水化が十分でないため、排水性に劣る。親水性付与の方策としては、親水材の塗布、プラズマ処理により官能基を付与する方法等があるが、いずれも炭素膜の最表面を覆うように導電性の低い膜が形成する。このため、接触抵抗が増加して、導電性が低下する。 In addition, while providing an intermediate layer on the metal substrate to improve corrosion resistance, it is possible to ensure conductivity by coating the conductive carbon film thereon. However, in such a case, since the hydrophilization is not sufficient, the drainage is inferior. As a method for imparting hydrophilicity, there are a method of imparting a functional group by applying a hydrophilic material, plasma treatment, and the like. In any case, a film having low conductivity is formed so as to cover the outermost surface of the carbon film. For this reason, contact resistance increases and electroconductivity falls.
ここで、セパレータ基板上に、SiやTi等の酸化物形成能の高い元素の金属酸化物が複合化された状態で含有する炭素系膜を形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。当該文献では、不活性ガス雰囲気下において、セパレータ基板に負高電圧を印加しつつ、当該基板表面に乾式成膜法により炭素系材料及び複合化金属を用いて炭素系膜を形成した後、複合化金属をドライ/ウェットな親水化処理することが記載されている。このような親水化処理により、金属酸化物微粒子は親水性を発揮して、セパレータ付近の過剰の水分を排水する。そしてその結果、耐久性および発電性能に優れる燃料電池用セパレータが提供されうる、としている(段落「0029」)。
従来の技術により提供される、炭素層を有する燃料電池セパレータにおいて、当該炭素層の有する結晶構造は様々である。炭素層の結晶構造が異なると、これに起因してセパレータ自体の耐食性や導電性も変動しうる。ただしいずれにしても、従来の技術により提供される燃料電池セパレータは、たとえ炭素層の配置のような表面処理が施されたものであっても、未だ十分な耐食性・導電性が確保されているとはいえない。また、特許文献1に記載の技術において、炭素系膜中の酸化物が接触抵抗を上げる可能性がある。 In a fuel cell separator having a carbon layer provided by a conventional technique, there are various crystal structures of the carbon layer. When the crystal structure of the carbon layer is different, the corrosion resistance and conductivity of the separator itself may vary due to this. In any case, however, the fuel cell separator provided by the conventional technology still has sufficient corrosion resistance and conductivity even if it is subjected to a surface treatment such as arrangement of a carbon layer. That's not true. Further, in the technique described in Patent Document 1, an oxide in the carbon-based film may increase contact resistance.
そこで本発明は、金属基材層と中間層と導電性炭素層とを有する導電部材において、低い接触抵抗を維持しながら親水性を向上させることができる手段を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide means capable of improving hydrophilicity while maintaining low contact resistance in a conductive member having a metal base layer, an intermediate layer, and a conductive carbon layer.
本発明者らは、金属基材層と中間層と導電性炭素層とを有する導電部材において、中間層を部分的に導電性炭素層の表層に露出させることで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In the conductive member having a metal base layer, an intermediate layer, and a conductive carbon layer, the present inventors can solve the above problem by partially exposing the intermediate layer to the surface layer of the conductive carbon layer. As a result, the present invention has been completed.
本発明によれば、中間層が導電性炭素層の表層に露出していることにより、導電性及び親水性に優れる導電部材が提供されうる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electroconductive member excellent in electroconductivity and hydrophilicity can be provided because the intermediate | middle layer is exposed to the surface layer of an electroconductive carbon layer.
(導電部材)
本発明の導電部材は、金属基材層と、前記金属基材層上に形成される中間層と、前記中間層上に位置する、導電性炭素を含む導電性炭素層と、を有する導電部材であって、前記導電性炭素層の一部に中間層露出部を有する、導電部材である。
(Conductive member)
The conductive member of the present invention includes a metal base layer, an intermediate layer formed on the metal base layer, and a conductive carbon layer containing conductive carbon located on the intermediate layer. And it is a conductive member which has an intermediate | middle layer exposure part in a part of said conductive carbon layer.
従来では、金属基材上に中間層を設け、その上に導電性炭素膜を形成することによって、導電性を確保してきたが、親水化が十分でない。このため、親水化処理方法が様々検討されたが、導電性炭素膜の最表面に導電性の低い膜ができてしまう。このため、導電部材の接触抵抗が増加して、導電性が低下しまう。 Conventionally, conductivity has been ensured by providing an intermediate layer on a metal substrate and forming a conductive carbon film thereon, but hydrophilicity is not sufficient. For this reason, various hydrophilization treatment methods have been studied, but a film having low conductivity is formed on the outermost surface of the conductive carbon film. For this reason, the contact resistance of the conductive member is increased and the conductivity is lowered.
これに対して、本発明は、中間層の一部が導電性炭素層の表層に露出することを特徴とする。ここで、中間層が親水性付与を担い、導電性炭素層が導電性付与を担う。このため、本発明の導電部材は、低い接触抵抗を維持しながら親水性を向上させることができる。このため、本発明の導電部材をセパレータとして使用する燃料電池は、金属セパレータの優れた導電性を十分に確保しつつ、優れた耐久性を発揮できる。 In contrast, the present invention is characterized in that a part of the intermediate layer is exposed on the surface layer of the conductive carbon layer. Here, the intermediate layer is responsible for imparting hydrophilicity, and the conductive carbon layer is responsible for imparting conductivity. For this reason, the electroconductive member of this invention can improve hydrophilicity, maintaining low contact resistance. For this reason, the fuel cell using the conductive member of the present invention as a separator can exhibit excellent durability while sufficiently securing the excellent conductivity of the metal separator.
以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not restrict | limited only to the following embodiment. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1は、本発明の1つの実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.
PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。 In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.
セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.
一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。 On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.
図2Aは、図1のうち、セパレータ5の部分の概略構成を示す断面図である。また、図2Bは、セパレータ5の部分をMEA10側から見たイメージ図である。本実施形態において、セパレータ5を構成する導電部材は、金属基材層52と、中間層53と、導電性炭素層54とを有し、導電性炭素層54の最表面に中間層53の露出部55が存在する。なお、PEFC1において、セパレータ5は、導電性炭素層54がMEA10側に位置するように、配置される。 2A is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a separator 5 portion in FIG. FIG. 2B is an image view of the separator 5 viewed from the MEA 10 side. In the present embodiment, the conductive member constituting the separator 5 includes a metal base layer 52, an intermediate layer 53, and a conductive carbon layer 54, and the intermediate layer 53 is exposed on the outermost surface of the conductive carbon layer 54. Part 55 is present. In PEFC 1, the separator 5 is arranged so that the conductive carbon layer 54 is located on the MEA 10 side.
以下、本実施形態のセパレータ5の各構成要素について詳説する。 Hereinafter, each component of the separator 5 of this embodiment is explained in detail.
[金属基材層]
金属基材層52は、セパレータ5を構成する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。
[Metal base material layer]
The metal base layer 52 is a main layer of a conductive member that constitutes the separator 5 and contributes to ensuring conductivity and mechanical strength.
金属基材層52を構成する金属について特に制限はなく、従来、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられうる。金属基材層の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、銅、およびアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられうる。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。これらの材料は導電性、成形性に優れる。なかでも、金属基材層はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されることが好ましい。さらに、特にステンレスを金属基材層として用いると、ガス拡散層の構成材料であるガス拡散基材との接触面の導電性が十分に確保されうる。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成される金属基材層自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性により、耐久性が維持されうる。 There is no restriction | limiting in particular about the metal which comprises the metal base material layer 52, What was conventionally used as a constituent material of a metal separator can be used suitably. As a constituent material of a metal base material layer, iron, titanium, copper, aluminum, and these alloys are mentioned, for example. These materials can be preferably used from the viewpoint of mechanical strength, versatility, cost performance, or processability. Here, the iron alloy includes stainless steel. These materials are excellent in conductivity and moldability. Especially, it is preferable that a metal base material layer is comprised from stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy. Furthermore, in particular, when stainless steel is used as the metal base material layer, the conductivity of the contact surface with the gas diffusion base material which is a constituent material of the gas diffusion layer can be sufficiently ensured. As a result, even if moisture enters the gaps between the rib shoulder film and the like, durability can be maintained due to the corrosion resistance of the oxide film formed on the metal base layer itself made of stainless steel.
ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、SUS201、SUS202、SUS301、SUS302、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316(L)、SUS317が挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、SUS329J1が挙げられる。マルテンサイト系としては、SUS403、SUS420が挙げられる。フェライト系としては、SUS405、SUS430、SUS430LXが挙げられる。析出硬化系としては、SUS630が挙げられる。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、ステンレス中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。 Examples of stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of austenite include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), and SUS317. Examples of the austenite-ferrite type include SUS329J1. Examples of the martensite system include SUS403 and SUS420. Examples of the ferrite type include SUS405, SUS430, and SUS430LX. Examples of the precipitation hardening system include SUS630. Among these, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316. Moreover, the content rate of iron (Fe) in stainless steel becomes like this. Preferably it is 60-84 mass%, More preferably, it is 65-72 mass%. Furthermore, the content of chromium (Cr) in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.
一方、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、およびアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050、A1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。一方で、セパレータには機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、金属基材層52がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。 On the other hand, examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. The elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they are generally usable as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel can be included in the aluminum alloy. Specific examples of the aluminum alloy include A1050 and A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. On the other hand, since the separator is also required to have mechanical strength and formability, the tempering of the alloy can be appropriately selected in addition to the above alloy types. In addition, when the metal base material layer 52 is comprised from the simple substance of titanium or aluminum, the purity of the said titanium or aluminum becomes like this. Preferably it is 95 mass% or more, More preferably, it is 97 mass% or more, More preferably, 99 It is at least mass%.
金属基材層52の厚さは、特に限定されない。加工容易性および機械的強度、並びにセパレータ自体を薄膜化することによる電池のエネルギー密度の向上等の観点より、好ましくは50〜500μmであり、より好ましくは80〜300μmであり、さらに好ましくは80〜200μmである。特に、構成材料としてステンレスを用いた場合の金属基材層52の厚さは、好ましくは80〜150μmである。一方、構成材料としてアルミニウムを用いた場合の金属基材層52の厚さは、好ましくは100〜300μmである。上記した範囲内の場合、セパレータとして十分な強度を有しながらも、加工容易性に優れ、好適な薄さを達成可能である。 The thickness of the metal base layer 52 is not particularly limited. From the viewpoint of ease of processing and mechanical strength, and improvement of the energy density of the battery by thinning the separator itself, it is preferably 50 to 500 μm, more preferably 80 to 300 μm, still more preferably 80 to 200 μm. In particular, the thickness of the metal base layer 52 when stainless steel is used as the constituent material is preferably 80 to 150 μm. On the other hand, the thickness of the metal base layer 52 when aluminum is used as a constituent material is preferably 100 to 300 μm. When it is within the above range, it has excellent strength as a separator and is excellent in processability and can achieve a suitable thickness.
なお、例えば燃料電池用セパレータ等の構成材料として十分な強度を提供するという観点からは、金属基材層52は、ガス遮断性が高い材料から構成されることが好ましい。燃料電池のセパレータはセル同士を仕切る役割を担っているため、セパレータを挟んで両側で異なるガスが流れる構成となる。したがって、それぞれのセルの隣り合うガスの混合やガス流量の変動をなくすという観点から、金属基材層52はガス遮断性が高いほど好ましいのである。 For example, from the viewpoint of providing sufficient strength as a constituent material for a fuel cell separator or the like, the metal base layer 52 is preferably made of a material having a high gas barrier property. Since the separator of the fuel cell plays a role of partitioning cells, different gas flows on both sides of the separator. Therefore, from the viewpoint of eliminating the mixing of adjacent gases in each cell and the fluctuation of the gas flow rate, the metal base layer 52 is preferably as the gas barrier property is higher.
[中間層]
中間層53は、金属基材層52上に形成される(配置される)。ここで、中間層53は、親水性を有する。このため、中間層53を配置することによって、金属基材層52の腐食が進行し、金属基材層と中間層との界面に酸化被膜が形成するのを抑制する腐食防止層としての役目を果たし、電極で生じた過剰な水を効率よく排出する。また、中間層53は、導電性炭素層54との密着性を向上させるという機能や、金属基材層52からのイオンの溶出を防止するという機能をも有する。また、下記に詳述するが、導電性炭素層54が導電性炭素を含みかつラマン散乱分光分析により測定されたDバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)が大きい(例えば、R値が2.0を超える)導電性炭素層である場合には、中間層53を設けることにより導電性炭素層54との密着性効果が顕著にも発現しうる。
[Middle layer]
The intermediate layer 53 is formed (arranged) on the metal base layer 52. Here, the intermediate layer 53 has hydrophilicity. For this reason, by disposing the intermediate layer 53, the metal base layer 52 functions as a corrosion prevention layer that suppresses the corrosion of the metal base layer 52 and the formation of an oxide film at the interface between the metal base layer and the intermediate layer. The excess water generated at the electrode is efficiently discharged. The intermediate layer 53 also has a function of improving adhesion with the conductive carbon layer 54 and a function of preventing elution of ions from the metal base layer 52. In addition, as will be described in detail below, the intensity ratio between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopic analysis in which the conductive carbon layer 54 includes conductive carbon. In the case where the conductive carbon layer has a large R (I D / I G ) (for example, R value exceeds 2.0), the adhesion effect with the conductive carbon layer 54 can be obtained by providing the intermediate layer 53. It can be remarkably expressed.
中間層53を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限はない。例えば、周期律表の第4族の金属(Ti、Zr、Hf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、第6族の金属(Cr、Mo、W)、並びにこれらの炭化物、窒化物および炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属、またはこれらの窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、CrもしくはTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物が用いられる。特に、上述したイオン溶出の少ない金属またはその炭化物もしくは窒化物を用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。なお、上記中間層を構成する材料は単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。 The material constituting the intermediate layer 53 is not particularly limited as long as it provides the above adhesion. For example, Group 4 metals (Ti, Zr, Hf ) of the periodic table, Group 5 metals (V, Nb, Ta), Group 6 metals (Cr, Mo, W), and their carbides, Examples thereof include nitrides and carbonitrides. Among these, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb) or hafnium (Hf), or their nitrides, carbides or charcoal are preferable. Nitride is used. More preferably, Cr or Ti, or a carbide or nitride thereof is used. In particular, when the above-described metal with little ion elution or a carbide or nitride thereof is used, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved. In addition, the material which comprises the said intermediate | middle layer may be used independently, or may be used with the form of 2 or more types of mixtures.
中間層53の厚さは、特に制限されない。具体的には、中間層53の厚さは、好ましくは30nm以上、より好ましくは100nm以上、さらに好ましくは200nm以上である。このような厚さであれば、接触抵抗を十分低い値とすることができる。また、このような厚みであれば、一般的に中間層に用いる金属は炭素に対してスパッタ率が高く、導電性炭素層は中間層に対して薄くて(少なくて)済むために、タクトタイムを短縮することができる。なお、中間層53の厚さの上限は特に制限されない。製造工程や燃料電池のスタックのサイズを考慮すると、中間層の厚さの条件は、20μm以下が適当であり、10μm以下がより好ましい。これにより、中間層の膜応力の上昇が抑えられ、金属基材層に対する皮膜追従性の低下やこれに伴う剥離・クラックの発生を防止できる。 The thickness of the intermediate layer 53 is not particularly limited. Specifically, the thickness of the intermediate layer 53 is preferably 30 nm or more, more preferably 100 nm or more, and further preferably 200 nm or more. With such a thickness, the contact resistance can be made sufficiently low. Also, with such a thickness, the metal used for the intermediate layer generally has a higher sputtering rate than carbon, and the conductive carbon layer can be thinner (less) than the intermediate layer. Can be shortened. Note that the upper limit of the thickness of the intermediate layer 53 is not particularly limited. In consideration of the manufacturing process and the stack size of the fuel cell, the thickness condition of the intermediate layer is appropriately 20 μm or less, and more preferably 10 μm or less. Thereby, the raise of the film | membrane stress of an intermediate | middle layer is suppressed, and the fall of the film followable | trackability with respect to a metal base material layer and generation | occurrence | production of peeling and a crack accompanying this can be prevented.
また、中間層53の、導電性炭素層54側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。かような形態によれば、中間層53上に成膜される導電性炭素層54の、中間層53に対する密着性をより一層向上させうる。 Further, the surface of the intermediate layer 53 on the conductive carbon layer 54 side is preferably rough at the nano level. According to such an embodiment, the adhesion of the conductive carbon layer 54 formed on the intermediate layer 53 to the intermediate layer 53 can be further improved.
さらに、中間層53の熱膨張率が、金属基材層52を構成する金属の熱膨張率と近い値であると、中間層53と金属基材層52との密着性は向上する。ただし、かような形態では中間層53と導電性炭素層54との密着性が低下する場合がある。同様に、中間層53の熱膨張率が導電性炭素層54の熱膨張率と近い値であると、中間層53と金属基材層52との密着性が低下する場合がある。これらを考慮して、中間層の熱膨張率(αmid)、金属基材層の熱膨張率(αsub)、および導電性炭素層の熱膨張率を(αc)は、αsub>αmid>αcの関係を満足することが好ましい。 Furthermore, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 53 is a value close to the thermal expansion coefficient of the metal constituting the metal base layer 52, the adhesion between the intermediate layer 53 and the metal base layer 52 is improved. However, in such a form, the adhesion between the intermediate layer 53 and the conductive carbon layer 54 may decrease. Similarly, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 53 is close to the thermal expansion coefficient of the conductive carbon layer 54, the adhesion between the intermediate layer 53 and the metal base layer 52 may be lowered. Considering these, the thermal expansion coefficient (α mid ) of the intermediate layer, the thermal expansion coefficient (α sub ) of the metal base material layer, and the thermal expansion coefficient (α c ) of the conductive carbon layer are expressed by α sub > α It is preferable to satisfy the relationship of mid > α c .
なお、中間層は、金属基材層の少なくとも一方の表面上に存在すればよい。ただし、導電性炭素層が金属基材層の一方の主表面にのみ存在する場合には、中間層は、金属基材層と導電性炭素層との間に存在する。また、導電性炭素層は、上述したように金属基材層の両面に存在する場合もある。かような場合には、中間層は、金属基材層と双方の導電性炭素層との間にそれぞれ介在することが好ましい。金属基材層といずれか一方の導電性炭素層との間にのみ中間層が存在する場合には、当該中間層は、PEFCにおいてMEA側に配置されることとなる導電性炭素層と金属基材層との間に存在することが好ましい。 In addition, the intermediate | middle layer should just exist on the surface of at least one of a metal base material layer. However, when the conductive carbon layer exists only on one main surface of the metal base material layer, the intermediate layer exists between the metal base material layer and the conductive carbon layer. In addition, the conductive carbon layer may be present on both sides of the metal base layer as described above. In such a case, the intermediate layer is preferably interposed between the metal substrate layer and both conductive carbon layers. When the intermediate layer exists only between the metal substrate layer and one of the conductive carbon layers, the intermediate layer is disposed on the MEA side in the PEFC with the conductive carbon layer and the metal group. It is preferable to exist between the material layers.
また、本発明では、中間層53と金属基材層52との間に他の層を設けてもよい。ここで、他の層としては、電極で生成した水が金属基材層側に入り込むことを抑制・防止できるような緻密な層が挙げられる。このような層を中間層53と金属基材層52との間に配置することによって、セパレータ5を構成する導電部材は、導電性を確保しつつ、耐食性をさらに改善することができる。また、特に緻密な層が金属その合金から構成される場合には、中間層の設置による上述した作用効果が顕著に発現しうる。緻密な層を配置する場合の緻密な層の特性は特に制限されないが、水分子が通過しないことが好ましい。具体的には、緻密な層は、10%以下、より好ましくは7%以下の空隙率を有する。ここで、「空隙率」は、層の表面および断面をSEMにより画像解析を行ない、層中の緻密層を構成する金属、半金属、金属の炭化物、または金属の窒化物が占める面積率(%)を測定することによって求められる。 In the present invention, another layer may be provided between the intermediate layer 53 and the metal base layer 52. Here, as another layer, the dense layer which can suppress and prevent that the water produced | generated with the electrode permeates the metal base material layer side is mentioned. By disposing such a layer between the intermediate layer 53 and the metal base layer 52, the conductive member constituting the separator 5 can further improve the corrosion resistance while ensuring the conductivity. In particular, when the dense layer is made of a metal or an alloy thereof, the above-described operational effects due to the installation of the intermediate layer can be remarkably exhibited. The characteristics of the dense layer in the case of arranging the dense layer are not particularly limited, but it is preferable that water molecules do not pass through. Specifically, the dense layer has a porosity of 10% or less, more preferably 7% or less. Here, the “porosity” refers to the area ratio (%) of the metal, metalloid, metal carbide, or metal nitride constituting the dense layer in the layer after image analysis of the surface and cross section of the layer by SEM. ) Is measured.
[導電性炭素層]
導電性炭素層54は、中間層53上に形成される(配置される)。導電性炭素層54は、導電性炭素を含む層である。この層の存在によって、セパレータ5を構成する導電部材の導電性を確保しつつ、金属基材層52のみの場合と比較して耐食性が改善されうる。なお、本発明では、図2A、2Bなどから明らかであるように、導電性炭素層54は、必ずしも一体的な層としての構成とはなっていない。しかし、本願明細書では、導電性炭素が存在する部分を総称して、「導電性炭素層」と称する。
[Conductive carbon layer]
The conductive carbon layer 54 is formed (arranged) on the intermediate layer 53. The conductive carbon layer 54 is a layer containing conductive carbon. The presence of this layer can improve the corrosion resistance as compared with the case of the metal base layer 52 alone, while ensuring the conductivity of the conductive member constituting the separator 5. In the present invention, as is apparent from FIGS. 2A and 2B, the conductive carbon layer 54 is not necessarily configured as an integral layer. However, in the present specification, portions where conductive carbon exists are collectively referred to as “conductive carbon layer”.
本発明において、導電性炭素層54は、中間層53全面を被覆せず、中間層の露出部分が存在する。中間層が親水性を担い、導電性炭素層が導電性を担うことで、低い接触抵抗を維持しながら親水性を向上させることができる。すなわち、中間層は、導電性炭素層よりも親水性に優れる。このため、導電性炭素層の最表面にこのような親水性中間層の露出部分が存在することで、導電性炭素層単体よりも親水性が向上する。なお、中間層は導電性炭素層よりも接触抵抗は高いものの、導電性炭素層が導電パスを確保することで、接触抵抗の増加を極力抑制できる。 In the present invention, the conductive carbon layer 54 does not cover the entire surface of the intermediate layer 53 and there is an exposed portion of the intermediate layer. Since the intermediate layer bears hydrophilicity and the conductive carbon layer bears conductivity, hydrophilicity can be improved while maintaining low contact resistance. That is, the intermediate layer is more hydrophilic than the conductive carbon layer. For this reason, hydrophilicity improves rather than a conductive carbon layer single-piece | unit because the exposed part of such a hydrophilic intermediate | middle layer exists in the outermost surface of a conductive carbon layer. Although the intermediate layer has a higher contact resistance than the conductive carbon layer, the increase in the contact resistance can be suppressed as much as possible by ensuring the conductive path.
ここで、導電性炭素層による中間層の被覆率は、好ましくは30%以上100%未満である。このように面積比で30%以上、中間層が導電性炭素層で被覆されていれば、導電性炭素層による導電パスは確保しつつ、導電部材表面に十分親水性が付与され、排水性が向上する。ゆえに、本発明の導電性部材をセパレータに使用する場合には、十分な導電性は維持しつつセパレータ表面は親水性を奏し、セパレータ付近の過剰の水分を効率よく排水しうる。より好ましくは、導電性炭素層による中間層の被覆率(導電性炭素層最表面での暴露率)は、50〜90%である。なお、上記被覆率は、導電部材(セパレータ5)を積層方向から見た場合に中間層53と重複する導電性炭素層54の面積の割合{=[(導電性炭素層54の全面積)/(中間層53の面積)]×100(%)}を意味するものとする。 Here, the coverage of the intermediate layer with the conductive carbon layer is preferably 30% or more and less than 100%. Thus, if the intermediate layer is covered with a conductive carbon layer in an area ratio of 30% or more, the conductive member surface is sufficiently hydrophilic while ensuring a conductive path by the conductive carbon layer, and drainage performance is improved. improves. Therefore, when the conductive member of the present invention is used for a separator, the separator surface exhibits hydrophilicity while maintaining sufficient conductivity, and excess water near the separator can be drained efficiently. More preferably, the coverage of the intermediate layer with the conductive carbon layer (the exposure rate on the outermost surface of the conductive carbon layer) is 50 to 90%. In addition, the said coverage is the ratio of the area of the conductive carbon layer 54 overlapping with the intermediate layer 53 when the conductive member (separator 5) is viewed from the stacking direction {= [(total area of the conductive carbon layer 54) / (Area of the intermediate layer 53)] × 100 (%)}.
従来、不活性ガス雰囲気下でセパレータ基板に負高電圧を印加しつつ、基板表面に乾式成膜法により炭素系材料を用いて、金属セパレータの金属基材の一方の表面にグラファイト化された炭素からなる炭素層を形成する技術が提案された。この炭素層を有する燃料電池セパレータは、耐食性および導電性に優れるとされているものの、炭素層の有する結晶構造は様々であり、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因してセパレータ自体の耐食性や導電性も変動しうる。ゆえに、従来の燃料電池セパレータは、未だ十分な耐食性・導電性が確保されているとはいえなかった。これに対して、導電性炭素層の結晶化構造を特定な構造と調節することによって、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保できる。このような導電性炭素層を導電部材(特にセパレータ)に使用することにより、優れた導電性を十分に確保しつつ、耐食性がより一層向上した導電部材が提供できる。すなわち、導電性炭素層の結晶構造を、ラマン散乱分光分析により測定される、Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)により規定する。具体的には、強度比R(ID/IG)を1.3以上とすることが好ましい。以下、当該構成要件について、より詳細に説明する。
Conventionally, while applying a negative high voltage to the separator substrate in an inert gas atmosphere, carbonized material is applied to one surface of the metal base of the metal separator using a carbon-based material by a dry film forming method on the substrate surface. A technique for forming a carbon layer comprising: Although the fuel cell separator having this carbon layer is said to be excellent in corrosion resistance and conductivity, the crystal structure of the carbon layer is various, and if the crystal structure of the carbon layer is different, this causes the separator itself. Corrosion resistance and conductivity can also vary. Therefore, it cannot be said that the conventional fuel cell separator still has sufficient corrosion resistance and conductivity. On the other hand, by adjusting the crystallization structure of the conductive carbon layer to a specific structure, a conductive path from one surface of the conductive carbon layer to the other surface can be secured. By using such a conductive carbon layer for a conductive member (especially a separator), it is possible to provide a conductive member with further improved corrosion resistance while sufficiently ensuring excellent conductivity. That is, the crystalline structure of the conductive carbon layer is determined by the intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) measured by Raman scattering spectroscopy. Stipulate. Specifically, the intensity ratio R (I D / I G ) is preferably set to 1.3 or more. Hereinafter, the configuration requirement will be described in more detail.
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近および1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333bm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(ID)とGバンドピーク強度(IG)との強度比R(ID/IG)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp2結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本実施形態においては、導電性炭素層の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Highly crystalline graphite has a single peak near 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as the “G band”. On the other hand, a peak near 1350 cm −1 appears as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase). This peak is usually referred to as the “D band” (note that the peak of diamond is strictly 1333 bm −1 and is distinct from the D band). The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) is the graphite cluster size of the carbon material and the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), It is used as an indicator such as sp2 bond ratio. That is, in this embodiment, it can be used as an index of contact resistance of the conductive carbon layer, and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the conductive carbon layer.
R(ID/IG)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(ID)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(IG)との相対的強度比(ピーク面積比(ID/IG))を算出することにより求められる。 The R (I D / I G ) value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the peak intensity of 1300~1400Cm -1 called the D band (I D), the relative intensity ratio of the peak intensity of 1500~1600Cm -1 called G band (I G) (peak area ratio ( I D / I G )).
上述したように、本実施形態において、R値は1.3以上であることが好ましい。このようなR値であると、導電性炭素層でのグラファイト結合比が多くなることによりπ電子が多くなり、導電性を確保することができる。R値は、より好ましくは1.4〜2.0であり、さらに好ましくは1.4〜1.9であり、特に好ましくは1.5〜1.8である。このR値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層が得られる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である中間層との密着性を一層向上させることができる。本明細書において、「R値」は下記方法に従って測定した。 As described above, in the present embodiment, the R value is preferably 1.3 or more. With such an R value, the graphite bond ratio in the conductive carbon layer increases, so that π electrons increase, and the conductivity can be ensured. The R value is more preferably 1.4 to 2.0, still more preferably 1.4 to 1.9, and particularly preferably 1.5 to 1.8. If this R value is 1.3 or more, a conductive carbon layer having sufficient conductivity in the stacking direction can be obtained. Moreover, if R value is 2.0 or less, the reduction | decrease of a graphite component can be suppressed. Furthermore, the increase in internal stress of the conductive carbon layer itself can be suppressed, and the adhesion with the intermediate layer as the base can be further improved. In this specification, “R value” was measured according to the following method.
[R値の測定]
導電部材について、導電性炭素層のR値の測定を行なった。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層のラマンスペクトルを計測した。そして、1300〜1400cm−1に位置するバンド(Dバンド)のピーク強度(ID)と、1500〜1600cm−1に位置するバンド(Gバンド)のピーク強度(IG)とのピーク面積比(ID/IG)を算出して、R値とした。
[Measurement of R value]
For the conductive member, the R value of the conductive carbon layer was measured. Specifically, first, the Raman spectrum of the conductive carbon layer was measured using a microscopic Raman spectrometer. Then, the peak intensity of the bands (D-band) located 1300~1400cm -1 (I D), the peak area ratio of the peak intensity (I G) of band (G-band) located 1500~1600cm -1 ( I D / I G ) was calculated and used as the R value.
なお、本実施形態のようにR値を1.3以上とすることにより上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。ただし、以下の推定メカニズムは本発明の技術的範囲をいかようにも限定することはない。 In addition, the mechanism by which the above-mentioned effect is acquired by making R value 1.3 or more like this embodiment is estimated as follows. However, the following estimation mechanism does not limit the technical scope of the present invention in any way.
上述したように、Dバンドピーク強度が大きくなる(すなわち、R値が大きくなる)ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼsp2炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてsp3炭素が増加することを意味する。ここで、R=1.0〜1.2の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材A)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)を図3Aに示す。同様に、R=1.6の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材B)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)を図3Bに示す。なお、これらの導電部材Aおよび導電部材Bは、金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、導電部材Aにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は0Vである。導電部材Bにおける導電性炭素層の作製時において金属基材層に対して印加したバイアス電圧は−140Vであった。 As described above, increasing the D-band peak intensity (that is, increasing the R value) means an increase in crystal structure defects in the graphite structure. In other words, it means that the sp3 carbon increases in the highly crystalline graphite composed of almost only the sp2 carbon. Here, a photograph (magnification: 400,000 times) of a cross section of a conductive member (conductive member A) having a conductive carbon layer of R = 1.0 to 1.2 observed with a transmission electron microscope (TEM) is shown in FIG. 3A. Shown in Similarly, the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the cross section of the electrically-conductive member (conductive member B) which has the conductive carbon layer of R = 1.6 by TEM is shown to FIG. 3B. The conductive member A and the conductive member B use SUS316L as a metal base layer, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.00) on the surface. 2 μm) was sequentially formed by sputtering. In addition, the bias voltage applied to the metal base layer at the time of producing the conductive carbon layer in the conductive member A is 0V. The bias voltage applied to the metal base layer during the production of the conductive carbon layer in the conductive member B was −140V.
図3Bに示すように、導電部材Bの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図3Aに示す導電部材Aの導電性炭素層においては、かような多結晶グラファイトの構造は確認できない。 As shown in FIG. 3B, it can be seen that the conductive carbon layer of the conductive member B has a structure of polycrystalline graphite. On the other hand, such a structure of polycrystalline graphite cannot be confirmed in the conductive carbon layer of the conductive member A shown in FIG. 3A.
ここで、「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面(六角網面)が積層した異方性のグラファイト結晶構造(グラファイトクラスター)を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンド様カーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)の1種であるということもできる。通常、単結晶グラファイトは、HOPG(高配向熱分解黒鉛)に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。R値を上述の値に制御することで、この乱れ具合(グラファイトクラスター量、サイズ)が適度に確保され、導電性炭素層の一方の面から他方の面への導電パスが確保されうる。その結果、金属基材層に加えて導電性炭素層を別途設けたことによる導電性の低下が防止されうると考えられる。 Here, “polycrystalline graphite” microscopically has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which graphene surfaces (hexagonal network surfaces) are laminated, but macroscopically, a large number of such graphite structures. Is an isotropic crystal. Therefore, it can be said that the polycrystalline graphite is one type of diamond-like carbon (DLC). Normally, single crystal graphite has a disordered structure in which graphene surfaces are laminated even when viewed macroscopically, as represented by HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). On the other hand, the polycrystalline graphite has a graphite structure as an individual cluster, and has a turbostratic structure. By controlling the R value to the above-mentioned value, this degree of disorder (graphite cluster amount, size) can be ensured appropriately, and a conductive path from one surface to the other surface of the conductive carbon layer can be secured. As a result, it is considered that a decrease in conductivity due to the separate provision of a conductive carbon layer in addition to the metal substrate layer can be prevented.
多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するsp2炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、1次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。 In polycrystalline graphite, since the graphene surface is formed by the bonding of sp2 carbon atoms constituting the graphite cluster, conductivity is ensured in the plane direction of the graphene surface. Polycrystalline graphite is substantially composed of only carbon atoms, has a small specific surface area, and a small amount of bonded functional groups. For this reason, polycrystalline graphite has excellent resistance to corrosion by acidic water or the like. In addition, even in powders such as carbon black, primary particles are often formed by aggregates of graphite clusters, thereby exhibiting electrical conductivity. However, since the individual particles are separated, there are many functional groups formed on the surface, and corrosion due to acidic water or the like is likely to occur. In addition, even when a conductive carbon layer is formed with carbon black, there is a problem that the denseness as a protective film is lacking.
ここで、本実施形態の導電性炭素層が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは1〜50nm程度であり、より好ましくは2〜10nmである。グラファイトクラスターの平均直径がかような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出されうる。 Here, when the conductive carbon layer of the present embodiment is made of polycrystalline graphite, the size of the graphite cluster constituting the polycrystalline graphite is not particularly limited. As an example, the average diameter of the graphite cluster is preferably about 1 to 50 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average diameter of the graphite cluster is within such a range, it is possible to prevent the conductive carbon layer from becoming thick while maintaining the crystal structure of the polycrystalline graphite. Here, the “diameter” of the graphite cluster means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the cluster. Moreover, the average diameter value of the graphite cluster is expressed as an average value of the diameter of the cluster observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Can be calculated.
なお、本実施形態では導電性炭素層は多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層は多結晶グラファイト以外の材料をも含みうる。導電性炭素層に含まれうる多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層に含まれうる炭素材料以外の材料としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、インジウム(In)等の貴金属;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性物質;導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、1種のみが用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 In the present embodiment, the conductive carbon layer may be composed of only polycrystalline graphite, but the conductive carbon layer may include materials other than polycrystalline graphite. Examples of carbon materials other than polycrystalline graphite that can be included in the conductive carbon layer include carbon black, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils. Specific examples of carbon black include, but are not limited to, ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, or thermal black. Carbon black may be subjected to a graphitization treatment. Examples of materials other than the carbon material that can be included in the conductive carbon layer include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium ( A noble metal such as In); a water repellent material such as polytetrafluoroethylene (PTFE); and a conductive oxide. As for materials other than polycrystalline graphite, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together.
導電性炭素層54の厚さは、特に制限されない。ただし、好ましくは1〜1000nmであり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。導電性炭素層の厚さがかような範囲内の値であれば、ガス拡散基材とセパレータとの間に十分な導電性を確保することができる。なお、本実施形態では、導電性炭素層54は導電部材(セパレータ5)の一方の主表面にのみ存在する。ただし、場合によっては、導電部材(セパレータ5)の他の主表面にも導電性炭素層54が存在してもよい。 The thickness of the conductive carbon layer 54 is not particularly limited. However, Preferably it is 1-1000 nm, More preferably, it is 2-500 nm, More preferably, it is 5-200 nm. If the thickness of the conductive carbon layer is within such a range, sufficient conductivity can be ensured between the gas diffusion base material and the separator. In the present embodiment, the conductive carbon layer 54 exists only on one main surface of the conductive member (separator 5). However, in some cases, the conductive carbon layer 54 may also exist on the other main surface of the conductive member (separator 5).
以下、本実施形態の導電性炭素層54におけるより好ましい実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。 Hereinafter, although more preferable embodiment in the conductive carbon layer 54 of this embodiment is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.
まず、導電性炭素層54のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示すことが好ましい。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。 First, regarding the Raman scattering spectroscopic analysis of the conductive carbon layer 54, from another viewpoint, it is preferable that the average peak measured by the rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis shows a two-fold symmetry pattern. Hereinafter, the measurement principle of rotational anisotropy measurement will be briefly described.
ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に360度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行なわれる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを10°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが360°回転するまで行なう。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、1周360°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Aに示すような3回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図4Bに示すような2回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質(アモルファス)状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図4Cに示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークが2回対称パターンを示すということは、導電性炭素層を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層の積層方向とほぼ一致していることを意味する。かような形態によれば、導電性炭素層における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。 The rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis is performed by performing the Raman scattering spectroscopic measurement while rotating the measurement sample 360 degrees in the horizontal direction. Specifically, the surface of the measurement sample is irradiated with laser light, and a normal Raman spectrum is measured. Next, the measurement sample is rotated by 10 °, and the Raman spectrum is measured in the same manner. This operation is performed until the measurement sample rotates 360 °. And the average peak is obtained by calculating the average value of the peak intensities obtained in the measurement at each angle and displaying the 360 ° polar coordinate with one peak at the center. For example, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is parallel to the surface direction of the sample, a three-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4A can be seen. On the other hand, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is perpendicular to the surface direction of the sample, a two-fold symmetry pattern as shown in FIG. 4B can be seen. When an amorphous carbon layer having no clear crystal structure is present on the surface of the sample, a pattern having no symmetry as shown in FIG. 4C is seen. Accordingly, the fact that the average peak measured by the rotational anisotropy measurement shows the twofold symmetry pattern, the plane direction of the graphene planes constituting the electrical conductive carbon layer is substantially coincident with the laminating direction of the conductive carbon layer Means that According to such a form, the conductivity in the conductive carbon layer is ensured by the shortest path, which is preferable.
ここで、当該回転異方性測定を行なった結果を図5Aおよび図5Bに示す。図5Aは、導電部材Bを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、および180°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図5Bは、上述した手法により得られた、導電部材Bについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図5Bに示すように、導電部材Bの回転異方性測定においては、0°および180°の位置にピークが見られた。これは、図4Bに示す2回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「2回対称パターンを示す」とは、図4Bおよび図5Bに示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が0である点を基準として180°対向する2つのピークが存在することを意味する。3回対称パターンで見られるピーク強度と2回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、かような定義が可能となる。 Here, the results of the rotational anisotropy measurement are shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A shows a Raman spectrum when the conductive member B is used as a measurement sample, and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 °, and 180 °, respectively. FIG. 5B shows the average peak of the rotational anisotropy measurement for the conductive member B obtained by the method described above. As shown in FIG. 5B, in the measurement of rotational anisotropy of the conductive member B, peaks were observed at 0 ° and 180 ° positions. This corresponds to the two-fold symmetry pattern shown in FIG. 4B. In this specification, the average peak measured by rotational anisotropy measurement of Raman scattering spectroscopic analysis “shows a two-fold symmetric pattern” means that, as shown in FIG. 4B and FIG. This means that there are two peaks that are 180 ° opposite to each other with the intensity being zero. Since the peak intensity seen in the 3-fold symmetrical pattern and the peak intensity seen in the 2-fold symmetrical pattern are supposed to show the same value in principle, such a definition is possible.
好ましい実施形態では、導電性炭素層54のビッカース硬度が規定される。「ビッカース硬度(Hv)」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷および除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Hvが大きいほどその物質は硬いことを意味する。好ましい実施形態において、具体的には、導電性炭素層54のビッカース硬度は、好ましくは1500Hv以下であり、より好ましくは1200Hv以下であり、さらに好ましくは1000Hv以下であり、特に好ましくは800Hv以下である。ビッカース硬度がかような範囲内の値であれば、導電性を有しないsp3炭素の過剰な混入が抑制され、導電性炭素層54の導電性の低下が防止されうる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が50Hv以上であれば、導電性炭素層54の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、他の層との密着性にも優れた導電部材(セパレータ)が提供されうる。かような観点から、導電性炭素層54のビッカース硬度は、より好ましくは80Hv以上であり、さらに好ましくは100Hv以上であり、特に好ましくは200Hv以上である。 In a preferred embodiment, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is defined. “Vickers hardness (Hv)” is a value that defines the hardness of a substance, and is a value inherent to the substance. In this specification, the Vickers hardness means a value measured by a nanoindentation method. The nanoindentation method is a method in which the diamond indenter is continuously loaded and unloaded with a very small load on the sample surface, and the hardness is measured from the obtained load-displacement curve. Larger means that the substance is harder. In a preferred embodiment, specifically, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is preferably 1500 Hv or less, more preferably 1200 Hv or less, further preferably 1000 Hv or less, and particularly preferably 800 Hv or less. . When the Vickers hardness is within such a range, excessive mixing of sp3 carbon having no conductivity can be suppressed, and a decrease in conductivity of the conductive carbon layer 54 can be prevented. On the other hand, the lower limit value of the Vickers hardness is not particularly limited, but if the Vickers hardness is 50 Hv or more, the hardness of the conductive carbon layer 54 is sufficiently ensured. As a result, it is possible to provide a conductive member (separator) that can withstand impacts such as external contact and friction and has excellent adhesion to other layers. From such a viewpoint, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is more preferably 80 Hv or more, further preferably 100 Hv or more, and particularly preferably 200 Hv or more.
ここで、導電部材の金属基材層としてSUS316Lを準備し、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより導電部材を作製した。この際、バイアス電圧および成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られた導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を図6に示す。なお、図6では、ダイヤモンドはsp3比=100%であり、Hv10000となる。図6に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が1500Hv以下であると、sp3比の値が大きく低下することがわかる。また、sp3比の値が低下することで、導電部材の接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。 Here, SUS316L is prepared as a metal base layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) are sequentially formed on the surface by a sputtering method. The conductive member was produced by forming. At this time, the Vickers hardness of the conductive carbon layer was changed by controlling the bias voltage and the film formation method. FIG. 6 shows the relationship between the Vickers hardness of the conductive carbon layer in the conductive member thus obtained and the value of the sp3 ratio in the conductive carbon layer. In FIG. 6, diamond has an sp3 ratio = 100%, which is Hv10000. From the results shown in FIG. 6, it can be seen that when the Vickers hardness of the conductive carbon layer is 1500 Hv or less, the value of the sp3 ratio is greatly reduced. Moreover, it is estimated that the value of the contact resistance of a conductive member also falls along with this, when the value of sp3 ratio falls.
さらに他の観点からは、導電性炭素層54に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性炭素層54に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はsp2からsp3へと変化して導電性を喪失し、導電性炭素層54の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるC−H結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電性炭素層54の硬度が低下し、最終的には導電部材の機械的強度や耐食性が低下してしまう。かような観点から、導電性炭素層54における水素原子の含有量は、導電性炭素層54を構成する全原子に対して、好ましくは30原子%以下であり、より好ましくは20原子%以下であり、さらに好ましくは10原子%以下である。ここで、導電性炭素層54における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法(ERDA)により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。かような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映する。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定されうる。より具体的には、本明細書における「水素原子の含有量」は、下記方法に従って測定される値である。 From another point of view, it is preferable to consider the amount of hydrogen atoms contained in the conductive carbon layer 54 as well. That is, when the conductive carbon layer 54 includes a hydrogen atom, the hydrogen atom is bonded to the carbon atom. Then, the hybrid orbital of the carbon atom to which the hydrogen atom is bonded changes from sp2 to sp3 and loses conductivity, so that the conductivity of the conductive carbon layer 54 is lowered. Further, when the C—H bond in the polycrystalline graphite is increased, the continuity of the bond is lost, the hardness of the conductive carbon layer 54 is lowered, and finally the mechanical strength and corrosion resistance of the conductive member are lowered. . From such a viewpoint, the content of hydrogen atoms in the conductive carbon layer 54 is preferably 30 atomic percent or less, more preferably 20 atomic percent or less, with respect to all atoms constituting the conductive carbon layer 54. More preferably, it is 10 atomic% or less. Here, as the value of the hydrogen atom content in the conductive carbon layer 54, a value obtained by elastic recoil scattering analysis (ERDA) is adopted. In this method, a measurement sample is tilted, and a helium ion beam is incident shallowly, thereby detecting an element ejected forward. Since the nucleus of a hydrogen atom is lighter than the incident helium ion, if a hydrogen atom is present, the nucleus is ejected forward. Since such scattering is elastic scattering, the energy spectrum of the ejected atom reflects the mass of the nucleus. Therefore, the content of hydrogen atoms in the measurement sample can be measured by measuring the number of nuclei of ejected hydrogen atoms with a solid detector. More specifically, the “hydrogen atom content” in the present specification is a value measured according to the following method.
ここで、図7は、上述したR値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性炭素層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図7に示すように、導電性炭素層における水素原子の含有量が30原子%以下であると、導電部材の接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図7に示す実験において、導電部材の金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)および導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電性炭素層における水素原子の含有量を変化させた。 Here, FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the contact resistance of several conductive members having conductive carbon layers having different hydrogen atom contents although the R value is 1.3 or more. is there. As shown in FIG. 7, when the hydrogen atom content in the conductive carbon layer is 30 atomic% or less, the value of the contact resistance of the conductive member is significantly reduced. In the experiment shown in FIG. 7, SUS316L was used as the metal base material layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) on the surface. ) Were sequentially formed by a sputtering method. At this time, the hydrogen atom content in the conductive carbon layer was changed by controlling the film formation method and the amount of hydrocarbon gas.
(導電部材の製造方法)
上述した実施形態の導電部材を製造する方法について特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、導電部材を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、セパレータ5を構成する導電部材の各構成要素の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
(Method for producing conductive member)
There is no restriction | limiting in particular about the method of manufacturing the electrically-conductive member of embodiment mentioned above, It can manufacture by referring a conventionally well-known method suitably. Hereinafter, although preferable embodiment for manufacturing an electroconductive member is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form. In addition, since various conditions such as the material of each component of the conductive member constituting the separator 5 are as described above, the description thereof is omitted here.
すなわち、下記工程を有する、本発明の導電部材の製造方法(以下、「方法1」とも称する)が提供される。まず、金属基材層上に中間層を形成する[工程(1−1)]。次に、スパッタリング法またはイオンプレーティング法により、上記工程(1−2)で形成された中間層上に導電性炭素層を形成して、金属基材層、中間層及び導電性炭素層の積層体を形成する[工程(1−2)]。続いて、上記工程(1−2)で得られた積層体をプレスにより成形する[工程(1−3)]。 That is, the manufacturing method (henceforth "method 1") of the electrically-conductive member of this invention which has the following process is provided. First, an intermediate layer is formed on a metal substrate layer [Step (1-1)]. Next, a conductive carbon layer is formed on the intermediate layer formed in the step (1-2) by sputtering or ion plating, and a metal base layer, an intermediate layer, and a conductive carbon layer are stacked. A body is formed [step (1-2)]. Subsequently, the laminate obtained in the step (1-2) is formed by pressing [step (1-3)].
あるいは、下記工程を有する、本発明の導電部材の製造方法(以下、「方法2」とも称する)もまた提供される。まず、金属基材層をプレスにより成形する[工程(2−1)]。次に、上記工程(2−1)で成形された金属基材層上に中間層を形成する[工程(2−2)]。続いて、上記工程(2−2)で得られた中間層上にスパッタリング法またはイオンプレーティング法により導電性炭素層を形成する[工程(2−3)]。 Or the manufacturing method (henceforth "method 2") of the electrically-conductive member of this invention which has the following process is also provided. First, a metal substrate layer is formed by pressing [step (2-1)]. Next, an intermediate layer is formed on the metal substrate layer formed in the above step (2-1) [step (2-2)]. Subsequently, a conductive carbon layer is formed on the intermediate layer obtained in the step (2-2) by a sputtering method or an ion plating method [step (2-3)].
従来、例えば、特開2007−134107号公報に記載される方法では、炭素系膜への金属元素の複合化によりプロセスが複雑になることが懸念される。これに対して、上記方法1及び方法2によると、容易に本発明の導電部材を製造することが可能である。 Conventionally, for example, in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-134107, there is a concern that the process becomes complicated due to the composite of the metal element into the carbon-based film. On the other hand, according to the above method 1 and method 2, it is possible to easily manufacture the conductive member of the present invention.
まず、方法1について説明する。 First, method 1 will be described.
[工程(1−1)]
まず、金属基材層の構成材料として、所望の厚さのステンレス板やアルミニウム板などの金属板を準備する。次いで、適当な溶媒(例えば、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンおよび苛性アルカリ剤など)を用いて、準備した金属基材層の構成材料の表面の脱脂および洗浄処理を行う。該処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。超音波洗浄の条件としては、処理時間が1〜10分間程度、周波数が30〜50kHz程度、および電力が30〜50W程度である。
[Step (1-1)]
First, a metal plate such as a stainless plate or an aluminum plate having a desired thickness is prepared as a constituent material of the metal base layer. Next, the surface of the constituent material of the prepared metal base layer is degreased and washed using an appropriate solvent (for example, ethanol, ether, acetone, isopropyl alcohol, trichlorethylene, and caustic agent). Examples of the treatment include ultrasonic cleaning. As conditions for ultrasonic cleaning, the processing time is about 1 to 10 minutes, the frequency is about 30 to 50 kHz, and the power is about 30 to 50 W.
続いて、金属基材層の構成材料の表面(両面)に形成されている酸化皮膜の除去を行なう。酸化皮膜を除去するための手法としては、特に制限されないが、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、またはイオンボンバード処理などが挙げられる。 Subsequently, the oxide film formed on the surface (both sides) of the constituent material of the metal base layer is removed. The technique for removing the oxide film is not particularly limited, and examples thereof include an acid cleaning process, a dissolution process by applying a potential, and an ion bombardment process.
または、アルカリ浸漬洗浄、アルカリによる酸化皮膜除去(アルカリエッチング)、ふっ酸混酸液による表面活性化を行ない、その後亜鉛置換浴にてジンケート処理を行なう方法が好ましく使用される。ジンケート処理条件は、特に制限されないが、例えば、浴温度10〜40℃、浸漬時間20〜90秒である。なお、上記酸化皮膜の除去工程は省略されてもよい。上記処理(金属板の表面の脱脂・洗浄処理や酸化皮膜除去処理)は、金属板の少なくとも中間層を形成する面について行なうことが好ましいが、より好ましくは金属板の両面について行なう。 Alternatively, a method in which alkali immersion cleaning, removal of an oxide film with alkali (alkali etching), surface activation with a hydrofluoric acid mixed acid solution, and subsequent zincate treatment in a zinc replacement bath are preferably used. Although the zincate treatment conditions are not particularly limited, for example, the bath temperature is 10 to 40 ° C. and the immersion time is 20 to 90 seconds. Note that the oxide film removal step may be omitted. The above treatment (degreasing / cleaning treatment or oxide film removal treatment on the surface of the metal plate) is preferably performed on at least the surface of the metal plate on which the intermediate layer is formed, but more preferably on both surfaces of the metal plate.
次に、上記処理を施した金属基材層の構成材料の表面に、中間層を形成(成膜)する。ここで、中間層の形成(成膜)方法は、上記したように結晶配向性がある程度高くなるような方法であれば特に制限されないが、スパッタリング法およびイオンプレーティング法が使用される。スパッタリング法が好ましい。このような方法によると、中間層と導電性炭素層とを密着不良を生じることなく、中間層を形成(成膜)することができる。このため、得られる導電部材は、高い導電性と耐食性を達成しうる。 Next, an intermediate layer is formed (film formation) on the surface of the constituent material of the metal base layer subjected to the above treatment. Here, the method for forming (depositing) the intermediate layer is not particularly limited as long as the crystal orientation is improved to some extent as described above, but a sputtering method and an ion plating method are used. A sputtering method is preferred. According to such a method, the intermediate layer can be formed (film formation) without causing poor adhesion between the intermediate layer and the conductive carbon layer. For this reason, the obtained electroconductive member can achieve high electroconductivity and corrosion resistance.
中間層を形成(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法がある。なお、中間層は、他の方法、例えば、フィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などによっても形成(成膜)することができる。しかし、高い結晶配向性などを考慮すると、スパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。ここで、スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。かような手法によれば、親水性に優れた層が形成できる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、金属基材層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。 As a method suitably used for forming (depositing) the intermediate layer, there is a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method or an ion plating method. The intermediate layer can also be formed (film formation) by other methods, for example, an ion beam evaporation method such as a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method. However, in view of high crystal orientation, it is preferable to use a sputtering method and an ion plating method, and it is particularly preferable to use a sputtering method. Here, examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, and a dual magnetron sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. According to such a method, a layer having excellent hydrophilicity can be formed. In addition to this, the film can be formed at a relatively low temperature, and there is an advantage that damage to the metal base layer can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like.
ここで、中間層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に金属基材層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような形態によれば、イオン照射効果によって、構成材料が緻密に集合した構造の中間層が成膜されうる。このような中間層は高い結晶配向性を発揮するため、導電性薄膜層との密着性を向上しうる。また、このようにして得られた中間層は、親水性に優れる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性炭素層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。 Here, when the intermediate layer is formed by sputtering, a negative bias voltage may be applied to the metal base layer during sputtering. According to such a form, an intermediate layer having a structure in which constituent materials are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Since such an intermediate layer exhibits high crystal orientation, adhesion with the conductive thin film layer can be improved. Moreover, the intermediate layer thus obtained is excellent in hydrophilicity. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming a conductive carbon layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably.
[工程(1−2)]
次に、上記工程(1−1)で形成(成膜)された中間層上に、導電性炭素層を形成(成膜)する。ここで、導電性炭素層の形成(成膜)方法は、特に制限されない。例えば、上述した導電性炭素層の構成材料(例えば、グラファイト)をターゲットとして、中間層上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層(成膜)することにより、導電性炭素層を形成することができる。これにより、直接付着した導電性炭素層と中間層との界面およびその近傍は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性が保持されうる。
[Step (1-2)]
Next, a conductive carbon layer is formed (deposited) on the intermediate layer formed (deposited) in the above step (1-1). Here, the formation (film formation) method of the conductive carbon layer is not particularly limited. For example, the conductive carbon layer is formed by laminating (depositing) a layer containing conductive carbon on the intermediate layer at the atomic level using the above-described constituent material of the conductive carbon layer (for example, graphite) as a target. be able to. Thereby, the adhesion between the interface between the conductive carbon layer and the intermediate layer directly attached and the vicinity thereof can be maintained for a long period of time due to intermolecular force or slight carbon atom intrusion.
導電性炭素を積層(成膜)するのに好適に用いられる手法としては、例えば、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法などのイオンビーム蒸着法などが挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ECRスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法およびイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。かような手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp2混成炭素)の割合を増加させることができ、優れた導電性が達成されうる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、中間層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点もある。 As a method suitably used for laminating (depositing) conductive carbon, for example, physical vapor deposition (PVD) methods such as sputtering or ion plating, or filtered cathodic vacuum arc (FCVA) And ion beam deposition methods. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, a dual magnetron sputtering method, and an ECR sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Of these, the sputtering method and the ion plating method are preferably used, and the sputtering method is particularly preferably used. According to such a method, a carbon layer with a low hydrogen content can be formed. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp2 hybrid carbon) can be increased, and excellent conductivity can be achieved. In addition to this, the film can be formed at a relatively low temperature, and there is an advantage that damage to the intermediate layer can be minimized. Further, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like.
ここで、導電性炭素層の成膜をスパッタリング法により行なう場合には、スパッタリング時に中間層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような形態によれば、イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電性炭素層が成膜されうる。このような導電性炭素層は優れた導電性を発揮しうることから、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さい導電部材(セパレータ)が提供されうる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性炭素層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。 Here, when the conductive carbon layer is formed by a sputtering method, a negative bias voltage may be applied to the intermediate layer during sputtering. According to such a form, a conductive carbon layer having a structure in which graphite clusters are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Since such a conductive carbon layer can exhibit excellent conductivity, a conductive member (separator) having a low contact resistance with other members (for example, MEA) can be provided. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming a conductive carbon layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably.
本発明では、導電性炭素層が中間層を完全に覆わないように、中間層上に形成される。このように導電性炭素層は前記中間層全面を被覆せず、中間層の露出部分が存在するように、導電性炭素層を形成する方法は、特に制限されない。例えば、(ア)ターゲット材料(グラファイト等の導電性炭素層の構成材料)量を予め制御して、導電性炭素層を成膜する方法;(イ)ターゲット材料(グラファイト等の導電性炭素層の構成材料)の成膜時間を適当に制御して、導電性炭素層を成膜する方法;(ウ)中間層上に導電性炭素層を被覆するように成膜した後、不活性ガスによるイオンボンバード処理を行なって、最表層の導電性炭素層の一部を除去する方法;(エ)導電性炭素層を成膜する前に中間層をマスキングした後、導電性炭素層を中間層上に成膜し、さらにマスキングを除去して、中間層を露出させる方法;(オ)導電性炭素層を成膜する前に、導電性炭素層とは相性が悪く炭素層の密着力が保持できないマスク層を中間層が露出するようにコーティングの後、導電性炭素層を中間層上に成膜し、さらにマスク層を除去して、中間層を露出させる方法、などが挙げられる。なお、下記工程(1−3)に詳述するが、上記(ア)〜(オ)の方法を用いずとも、中間層上に導電性炭素層を被覆するように成膜した後、プレス処理を施すことによって、導電性炭素層の最表層に中間層の露出部分を形成できる。上記方法のうち、(ア)では、所定の厚みに導電性炭素層を形成するのに使用される導電性炭素層の構成材料の量に対して、110〜120質量%程度の量の構成材料を使用することができる。また、(イ)では、成膜時間は、成膜速度等の成膜条件や面積などによっても異なるが、成膜時間を、およそ0.05〜1分程度とすることが好ましい。(ウ)では、不活性ガスとしては、特に制限されないが、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、好ましくはアルゴンガスが使用される。(エ)では、マスキング剤として、キシレンやメトキシプロパノールなどの溶剤の塗布、フッ素系樹脂(PTFE(poly tetra fluoro ethylene)、FEP(fluorinated ethylene propylene copolymer)、PFA(tetrafluoro ethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer))などのフィルムなどが使用できる。(オ)では、導電性炭素層と密着力が低いAlやAl合金などのコーティング膜が使用できる。上記方法のうち、(イ)、(ウ)、(エ)、(オ)の方法が好ましく使用され、(イ)、(ウ)がより好ましい。上記方法は、単独で使用されてもよいが、導電性炭素層の被覆率によっては2種以上を組み合わせて、あるいは同じ方法を繰り返し行なってもよい。また、上記(ア)〜(オ)の方法を下記(1−3)の処理と組み合わせて行なってもよい。 In the present invention, the conductive carbon layer is formed on the intermediate layer so as not to completely cover the intermediate layer. Thus, the method for forming the conductive carbon layer is not particularly limited so that the conductive carbon layer does not cover the entire surface of the intermediate layer and there is an exposed portion of the intermediate layer. For example, (a) a method of forming a conductive carbon layer by previously controlling the amount of target material (a constituent material of a conductive carbon layer such as graphite); (a) a target material (of a conductive carbon layer such as graphite) A method of forming a conductive carbon layer by appropriately controlling the film formation time of the constituent material); (c) ionization by an inert gas after forming the conductive carbon layer on the intermediate layer A method of removing a part of the outermost conductive carbon layer by performing a bombardment process; (D) masking the intermediate layer before forming the conductive carbon layer, and then placing the conductive carbon layer on the intermediate layer. A method of forming a film and further removing the masking to expose the intermediate layer; (e) a mask that is incompatible with the conductive carbon layer and cannot maintain the adhesion of the carbon layer before forming the conductive carbon layer After coating the layer so that the intermediate layer is exposed, conductive Forming a arsenide layer on the intermediate layer, and further removing the mask layer, a method of exposing the intermediate layer, and the like. In addition, although it explains in full detail in the following process (1-3), it press-processes after forming into a film so that a conductive carbon layer may be coat | covered on an intermediate | middle layer, without using the method of said (a)-(e). The exposed portion of the intermediate layer can be formed on the outermost surface layer of the conductive carbon layer. Among the above methods, in (a), the constituent material in an amount of about 110 to 120% by mass with respect to the amount of the constituent material of the conductive carbon layer used to form the conductive carbon layer with a predetermined thickness. Can be used. In (A), the film formation time varies depending on the film formation conditions such as the film formation speed and the area, but the film formation time is preferably about 0.05 to 1 minute. In (c), the inert gas is not particularly limited, but argon gas, helium gas, nitrogen gas, preferably argon gas is used. In (d), a solvent such as xylene or methoxypropanol is applied as a masking agent, fluorine resin (PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene propylene copolymer), PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer)). Films such as can be used. In (e), a coating film such as Al or Al alloy having low adhesion to the conductive carbon layer can be used. Among the above methods, the methods (a), (c), (d), and (e) are preferably used, and (a) and (c) are more preferable. Although the said method may be used independently, depending on the coverage of a conductive carbon layer, you may carry out combining the 2 or more types, or repeating the same method. Further, the above methods (a) to (e) may be performed in combination with the following process (1-3).
[工程(1−3)]
当該工程(1−3)では、上記工程(1−2)で得られた積層体をプレスにより成形する。このように平板状の積層体に対してプレス処理を施すことで、凹凸状などの所望の形状に成形されて、本発明の導電部材が製造できる。また、上記工程(1−2)で得られた積層体を作製した後に、プレス処理を行なうことによって、導電性炭素層表面にクラックが生じ、中間層が導電性炭素層の最表層から露出する。
[Step (1-3)]
In the said process (1-3), the laminated body obtained at the said process (1-2) is shape | molded by press. Thus, by applying a press treatment to the flat laminate, the conductive member of the present invention can be manufactured by being formed into a desired shape such as an uneven shape. Moreover, after producing the laminated body obtained at the said process (1-2), by performing a press process, a crack arises in a conductive carbon layer surface, and an intermediate | middle layer is exposed from the outermost layer of a conductive carbon layer. .
ここで、積層体に対するプレス処理条件などは、一般的に金属基材からセパレータを製造する際に適用される条件と同様の条件が使用できる。例えば、上記工程(1−2)で得られた積層体に対して、室温でプレスを行なう。 Here, the conditions similar to the conditions generally applied when manufacturing a separator from a metal substrate can be used for the press treatment conditions for the laminate. For example, the laminate obtained in the above step (1-2) is pressed at room temperature.
次に、方法2について説明する。 Next, method 2 will be described.
[工程(2−1)]
当該工程では、金属基材層をプレスにより成形する。これにより、平板状の金属基材層が、最終の目的形状である、凹凸状などの所望の形状に成形されうる。
[Step (2-1)]
In this step, the metal substrate layer is formed by pressing. Thereby, a flat metal base material layer can be shape | molded in desired shapes, such as uneven | corrugated shape which is the final target shape.
ここで、金属基材層に対するプレス処理条件などは、一般的に金属基材からセパレータを製造する際に適用される条件と同様の条件が使用でき、好ましい条件は、上記工程(1−3)で記載したのと同様である。 Here, the press treatment conditions for the metal base material layer can be the same conditions as those generally applied when producing a separator from the metal base material, and preferable conditions are the above-mentioned step (1-3). It is the same as described in.
[工程(2−2)]
当該工程では、上記工程(2−1)で成形された金属基材層上に中間層を形成する。この際、中間層の形成方法は、上記工程(1−1)で記載したのと同様であるため、ここでは説明を省略する。
[Step (2-2)]
In this step, an intermediate layer is formed on the metal base material layer formed in the above step (2-1). At this time, the method for forming the intermediate layer is the same as that described in the above step (1-1), and thus the description thereof is omitted here.
[工程(2−3)]
当該工程では、上記工程(2−2)で得られた中間層上にスパッタリング法またはイオンプレーティング法により導電性炭素層を形成する。この際、導電性炭素層の形成方法は、上記工程(1−2)で記載したのと同様であるため、ここでは説明を省略する。
[Step (2-3)]
In this step, a conductive carbon layer is formed on the intermediate layer obtained in the above step (2-2) by a sputtering method or an ion plating method. At this time, since the method for forming the conductive carbon layer is the same as that described in the above step (1-2), the description thereof is omitted here.
上記方法1及び2のうち、方法1が好ましく使用される。これは、方法2のプレス後コーティングする方法では、導電部材の形状が平板状ではなく複雑な形状をしているため、コーティング処理やジグ段取りなどの各操作を、金属基材層(金属板)1枚づつに対して、行なう必要がある。一方、方法1のコーティング後プレスする方法では、はじめに各層の形成するため、大面積の金属基材層(金属板)に対して、ロール材へのコーティングなどにより、一度に行なうことが可能である。次に、このようにして得られた積層体を所望の大きさに切断して、工程(1−3)で所望の形状へプレス工程を行なえばよい。このため、方法1の方が、手間、生産性などの点で有利である。 Of the above methods 1 and 2, method 1 is preferably used. This is because, in the method of coating after pressing in Method 2, since the shape of the conductive member is not a flat plate but a complicated shape, each operation such as coating treatment and jig setup is performed by a metal base layer (metal plate). It is necessary to carry out one by one. On the other hand, in the method of pressing after coating in Method 1, since each layer is formed first, it is possible to carry out at once by coating a roll material on a large-area metal base material layer (metal plate). . Next, the laminated body thus obtained may be cut into a desired size, and a pressing process may be performed to a desired shape in the process (1-3). For this reason, the method 1 is more advantageous in terms of labor and productivity.
上記利点に加えて、上述したが、方法1により、工程(1−2)で得られた積層体に対してプレス処理を行なうと、プレス圧により、導電性炭素層が一部破壊して、導電性炭素層表面にクラックが生じる。このため、工程(1−2)で導電性炭素層が中間層全面を被覆した場合であっても、プレス処理という簡単な操作によって、導電性炭素層の最表層に中間層の露出部分を容易に形成することが可能である。また、このようにして形成されたクラックの形成方向はプレス方法などによって容易に制御できる。このため、例えば、導電部材をセパレータに適用する場合には、ガス流路に対して平行になるようにクラックを生じさせることが好ましい。これにより、電極で生じた過剰の水をこのクラック部分を介して効率よく排出でき、クラックが排出に関しては有利に働きうる。 In addition to the above advantages, as described above, when the laminate obtained in the step (1-2) is subjected to the pressing process by the method 1, the conductive carbon layer is partially broken by the pressing pressure, Cracks occur on the surface of the conductive carbon layer. For this reason, even if the conductive carbon layer covers the entire surface of the intermediate layer in step (1-2), the exposed portion of the intermediate layer can be easily formed on the outermost layer of the conductive carbon layer by a simple operation such as pressing. Can be formed. Further, the formation direction of the cracks formed in this way can be easily controlled by a pressing method or the like. For this reason, for example, when the conductive member is applied to the separator, it is preferable to generate a crack so as to be parallel to the gas flow path. Accordingly, excess water generated at the electrode can be efficiently discharged through the crack portion, and the crack can work advantageously with respect to the discharge.
上述した手法によれば、金属基材層52、中間層53、及び導電性炭素層54が順次形成され、かつ導電性炭素層54は中間層53全面を被覆せず中間層の露出部分が存在した導電部材が容易に製造されうる。なお、上記手法では、金属基材層52の片面にのみ、中間層53及び導電性炭素層を形成したが、金属基材層52の両面に上記各層が形成されてなる導電部材を製造するには、金属基材層52の他方の面に対して、上記と同様の手法を適用すればよい。 According to the above-described method, the metal base layer 52, the intermediate layer 53, and the conductive carbon layer 54 are sequentially formed, and the conductive carbon layer 54 does not cover the entire surface of the intermediate layer 53 and there is an exposed portion of the intermediate layer. The conductive member thus manufactured can be easily manufactured. In the above method, the intermediate layer 53 and the conductive carbon layer are formed only on one side of the metal base layer 52. However, to manufacture a conductive member in which the above layers are formed on both sides of the metal base layer 52. May be applied to the other surface of the metal base layer 52 in the same manner as described above.
上記したような本発明の導電部材は、中間層が一部導電性炭素層の最表面に露出しているため、親水性に優れる。ここで、接触角(親水性を示す指標)として表わした際の、導電部材の親水性の度合いは、およそ20〜60°であることが好ましく、20〜50°であることがより好ましい。このような範囲であれば、電極で生成したセパレータ付近の過剰の水分を排水するのに十分な親水性を発揮しうる。また、本発明の導電部材は、最表面に導電性炭素層が配置される。導電性炭素層は優れた導電性を発揮しうることから、本発明の導電部材をセパレータに使用する場合には、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗を低減できる。ここで、本発明の導電部材の接触抵抗は、およそ2〜15(mΩ・cm2)であることが好ましく、2〜8(mΩ・cm2)であることがより好ましい。なお、本明細書において、「接触角」及び「接触抵抗」は、下記実施例で記載された方法に従って測定された値である。 The conductive member of the present invention as described above is excellent in hydrophilicity because the intermediate layer is partially exposed on the outermost surface of the conductive carbon layer. Here, the degree of hydrophilicity of the conductive member when expressed as a contact angle (an index indicating hydrophilicity) is preferably about 20 to 60 °, and more preferably 20 to 50 °. If it is such a range, hydrophilicity sufficient to drain the excess water | moisture content near the separator produced | generated with the electrode can be exhibited. In the conductive member of the present invention, the conductive carbon layer is disposed on the outermost surface. Since an electroconductive carbon layer can exhibit the outstanding electroconductivity, when using the electrically conductive member of this invention for a separator, contact resistance with another member (for example, MEA) can be reduced. Here, the contact resistance of the conductive member of the present invention is preferably about 2 to 15 (mΩ · cm 2 ), and more preferably 2 to 8 (mΩ · cm 2 ). In the present specification, “contact angle” and “contact resistance” are values measured according to the methods described in the following examples.
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。すなわち、本発明は、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、並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膜電極接合体と、前記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であって、前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの少なくとも一方が、請求項5に記載の燃料電池用セパレータであり、この際、前記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ことを特徴とする、固体高分子形燃料電池が提供される。 The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. That is, the present invention provides a polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layer and cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a pair of anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer sandwiching them, 6. A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of anode separator and cathode separator sandwiching a membrane electrode assembly, wherein at least one of the anode separator or the cathode separator is a fuel cell separator according to claim 5. In this case, the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, the convex portion comes into contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion circulates fuel gas or oxidant gas. Thus, a polymer electrolyte fuel cell is provided.
本発明の導電部材をPEFCのセパレータに使用する場合、本発明の導電部材は、アノード及びカソードのいずれか一方のセパレータに使用されればよい。しかし、特にカソード側で水が多量に生成することなどを考慮すると、本発明の導電部材を少なくともカソードセパレータとして使用することが好ましい。より好ましくは、本発明の導電部材を、カソードセパレータ及びアノードセパレータ双方に使用する。 When the conductive member of the present invention is used for a PEFC separator, the conductive member of the present invention may be used for any one of an anode and a cathode. However, considering the fact that a large amount of water is generated particularly on the cathode side, it is preferable to use the conductive member of the present invention as at least a cathode separator. More preferably, the conductive member of the present invention is used for both the cathode separator and the anode separator.
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。本実施形態の導電部材が用いられうる燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品(集電板、バスバー、ガス拡散基材、MEA)、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、導電性および耐食性の両立を図るという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。 The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. However, the use of the conductive member of the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cell separators such as phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid electrolyte fuel cell (SOFC) or alkaline fuel cell (AFC) Can also be used. In addition to the fuel cell separator, the separator can be used in various applications that require both conductivity and corrosion resistance. Examples of uses other than the fuel cell separator in which the conductive member of the present embodiment can be used include other fuel cell components (current collector plate, bus bar, gas diffusion base material, MEA), contacts of electronic components, and the like. . In another preferred embodiment, the conductive member of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the effect of the present invention of achieving both conductivity and corrosion resistance can be remarkably exhibited.
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。すなわち、本発明は、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、並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膜電極接合体と、前記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であって、前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの少なくとも一方が、請求項5に記載の燃料電池用セパレータであり、この際、前記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ことを特徴とする、固体高分子形燃料電池が提供される。 The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. That is, the present invention provides a polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layer and cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a pair of anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer sandwiching them, 6. A polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of anode separator and cathode separator sandwiching a membrane electrode assembly, wherein at least one of the anode separator or the cathode separator is a fuel cell separator according to claim 5. In this case, the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, the convex portion comes into contact with the membrane electrode assembly, and the concave portion circulates fuel gas or oxidant gas. Thus, a polymer electrolyte fuel cell is provided.
本発明の導電部材をPEFCのセパレータに使用する場合、本発明の導電部材は、アノード及びカソードのいずれか一方のセパレータに使用されればよい。しかし、特にカソード側で水が多量に生成することなどを考慮すると、本発明の導電部材を少なくともカソードセパレータとして使用することが好ましい。より好ましくは、本発明の導電部材を、カソードセパレータ及びアノードセパレータ双方に使用する。 When the conductive member of the present invention is used for a PEFC separator, the conductive member of the present invention may be used for any one of an anode and a cathode. However, considering the fact that a large amount of water is generated particularly on the cathode side, it is preferable to use the conductive member of the present invention as at least a cathode separator. More preferably, the conductive member of the present invention is used for both the cathode separator and the anode separator.
本実施形態の導電部材は、種々の用途に用いられうる。その代表例が図1に示すPEFCのセパレータ5である。ただし、本実施形態の導電部材の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などの各種の燃料電池用セパレータとしても使用可能である。また、燃料電池用セパレータ以外にも、導電性・耐食性の両立が求められている各種の用途に用いられうる。本実施形態の導電部材が用いられうる燃料電池用セパレータ以外の用途としては、例えば、他の燃料電池部品(集電板、バスバー、ガス拡散基材、MEA)、電子部品の接点などが挙げられる。他の好ましい形態において、本実施形態の導電部材は、湿潤環境および通電環境の下で使用される。かような環境下で用いると、導電性および耐食性の両立を図るという本発明の作用効果が顕著に発現しうる。 The conductive member of this embodiment can be used for various applications. A typical example is the PEFC separator 5 shown in FIG. However, the use of the conductive member of the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cell separators such as phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid electrolyte fuel cell (SOFC) or alkaline fuel cell (AFC) Can also be used. In addition to the fuel cell separator, the separator can be used in various applications that require both conductivity and corrosion resistance. Examples of uses other than the fuel cell separator in which the conductive member of the present embodiment can be used include other fuel cell components (current collector plate, bus bar, gas diffusion base material, MEA), contacts of electronic components, and the like. . In another preferred embodiment, the conductive member of the present embodiment is used in a wet environment and an energized environment. When used in such an environment, the effect of the present invention of achieving both conductivity and corrosion resistance can be remarkably exhibited.
以下、図1を参照しつつ、本実施形態の導電部材から構成されるセパレータを用いたPEFCの構成要素について説明する。ただし、本発明はセパレータを構成する導電部材に特徴を有するものである。よって、PEFCにおけるセパレータの形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するセパレータ以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。 Hereinafter, with reference to FIG. 1, components of the PEFC using the separator constituted by the conductive member of the present embodiment will be described. However, the present invention is characterized by the conductive member constituting the separator. Therefore, specific forms such as the shape of the separator in the PEFC and specific forms of members other than the separator constituting the fuel cell can be appropriately modified with reference to conventionally known knowledge.
[電解質層]
電解質層は、例えば、図1に示す形態のように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。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane 2 as shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.
固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。 The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.
電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
[触媒層]
触媒層(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。
[Catalyst layer]
The catalyst layers (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。 The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.
アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。 The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it may be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。 Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used in the anode catalyst layer and the catalyst component used in the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。 The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member.
触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.
触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.
触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm程度、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。 The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 nm. About 100 nm is preferable.
触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。 The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the ion exchange resin which comprises the electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.
[ガス拡散層]
ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータのガス流路(6a、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(3a、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。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied via the gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.
ガス拡散層(4a、4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The material which comprises the base material of a gas diffusion layer (4a, 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。 In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。 Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in terms of mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。 The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。 The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
上述したPEFC1や燃料電池スタックは、導電性・耐食性に優れる導電部材から構成されるセパレータ5を用いている。したがって、当該PEFC1や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れ、長期間にわたって良好な発電性能を維持することができる。なお、図1に示す形態のPEFC1において、セパレータ5は、平板状の導電部材に対してプレス処理を施すことで凹凸状に成形されている。ただし、かような形態のみには制限されない。例えば、平板状の金属板(金属基材層)に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を予め形成し、その表面に、上述した手法によって導電性薄膜層(および必要に応じて中間層)を形成することで、セパレータとしてもよい。 The PEFC 1 and the fuel cell stack described above use the separator 5 made of a conductive member having excellent conductivity and corrosion resistance. Therefore, the PEFC 1 and the fuel cell stack have excellent output characteristics and durability, and can maintain good power generation performance over a long period of time. In addition, in PEFC1 of the form shown in FIG. 1, the separator 5 is shape | molded by the uneven | corrugated shape by performing a press process with respect to a flat conductive member. However, it is not limited only to such a form. For example, an uneven shape constituting a gas channel or a coolant channel is formed in advance by cutting a flat metal plate (metal substrate layer), and the conductive thin film is formed on the surface by the above-described method. It is good also as a separator by forming a layer (and intermediate | middle layer as needed).
本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。 The PEFC 1 of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The above-mentioned PEFC1 and fuel cell stack are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.
すなわち、本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。 That is, the PEFC 1 of this embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example.
図8は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概念図である。図8に示すように、燃料電池スタック61を燃料電池車60のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車60の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック61を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタック61を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタック61は出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。 FIG. 8 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the fuel cell stack of the above-described embodiment. As shown in FIG. 8, in order to mount the fuel cell stack 61 on a vehicle such as the fuel cell vehicle 60, for example, the fuel cell stack 61 may be mounted under the seat at the center of the vehicle body of the fuel cell vehicle 60. If it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. Depending on the case, the place where the fuel cell stack 61 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack 61 of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The PEFC 1 and the fuel cell stack 61 described above are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。 Hereinafter, although the effect by this invention is demonstrated using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したアルミニウム板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもアルミニウム板の両面に対して行った。
[Example 1]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This aluminum plate was subjected to ultrasonic cleaning in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned aluminum plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the aluminum plate.
続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、アルミニウム板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、アルミニウム板の両面にそれぞれ200nmの厚さのCrからなる中間層を形成した。 Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the aluminum plate with Cr as a target, both surfaces of the aluminum plate have a thickness of 200 nm. An intermediate layer consisting of
さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、アルミニウム板に対して140Vの負のバイアス電圧を印加しながら、0.5分間、アルミニウム板の両面の中間層の上に、それぞれ2nmの厚さの導電性炭素層を成膜して、導電部材を得た。これにより、本実施例の導電部材を作製した。本実施例では、印加時間が0.5分と短かったため、図2A、2Bに示されるように、導電性炭素層が中間層全面を被覆せず、導電性炭素層の最表面に中間層が露出した状態であった。 Further, by applying a negative bias voltage of 140 V to the aluminum plate with UBMS method as a target, a thickness of 2 nm was applied on each of the intermediate layers on both sides of the aluminum plate for 0.5 minutes. A conductive carbon layer was formed to obtain a conductive member. Thus, the conductive member of this example was produced. In this example, since the application time was as short as 0.5 minutes, as shown in FIGS. 2A and 2B, the conductive carbon layer does not cover the entire surface of the intermediate layer, and the intermediate layer is formed on the outermost surface of the conductive carbon layer. It was in an exposed state.
[実施例2]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したアルミニウム板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもアルミニウム板の両面に対して行った。
[Example 2]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This aluminum plate was subjected to ultrasonic cleaning in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned aluminum plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the aluminum plate.
続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、アルミニウム板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、アルミニウム板の両面にそれぞれ200nmの厚さのCrからなる中間層を形成した。 Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the aluminum plate with Cr as a target, both surfaces of the aluminum plate have a thickness of 200 nm. An intermediate layer consisting of
さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、アルミニウム板に対して140Vの負のバイアス電圧を印加しながら、5分間、アルミニウム板の両面の中間層の上に、それぞれ20nmの厚さの導電性炭素層を成膜して、導電部材を得た。ここでは、導電性炭素層がほぼ中間層全面を被覆していた。 Furthermore, by applying a negative bias voltage of 140 V to the aluminum plate by using UBMS method and applying a negative bias voltage of 140 V to the aluminum plate, the conductive material having a thickness of 20 nm on the intermediate layer on both sides of the aluminum plate for 5 minutes. A carbon layer was formed to obtain a conductive member. Here, the conductive carbon layer almost entirely covered the intermediate layer.
次に、50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、Arガスによるイオンボンバード処理を実施した。このイオンボンバード処理により、最表層の導電性炭素層の一部が除去されて、表層に中間層が露出している形態となった。 Next, while applying a negative bias voltage of 50 V, ion bombardment with Ar gas was performed. By this ion bombardment, a part of the outermost conductive carbon layer was removed, and the intermediate layer was exposed on the surface layer.
[比較例1]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したアルミニウム板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもアルミニウム板の両面に対して行った。
[Comparative Example 1]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This aluminum plate was subjected to ultrasonic cleaning in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned aluminum plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the aluminum plate.
続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、アルミニウム板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、アルミニウム板の両面にそれぞれ200nmの厚さのCrからなる中間層を形成した。 Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the aluminum plate with Cr as a target, both surfaces of the aluminum plate have a thickness of 200 nm. An intermediate layer consisting of
さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、アルミニウム板に対して140Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、5分間、アルミニウム板の両面の中間層の上に、それぞれ20nmの厚さの導電性炭素層を成膜して、導電部材を得た。ここでは、導電性炭素層がほぼ中間層全面を被覆していた(導電性炭素層による中間層の被覆率が100%)。 Furthermore, by applying a negative bias voltage of 140V to the aluminum plate by using UBMS method and applying a negative bias voltage of 140V to the aluminum plate, the thickness is 20 nm on each of the intermediate layers on both sides of the aluminum plate. A conductive carbon layer was formed to obtain a conductive member. Here, the conductive carbon layer substantially covered the entire intermediate layer (the coverage of the intermediate layer by the conductive carbon layer was 100%).
[比較例2]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、アルミニウム板(厚さ:0.2mm)を準備した。このアルミニウム板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したアルミニウム板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもアルミニウム板の両面に対して行った。
[Comparative Example 2]
An aluminum plate (thickness: 0.2 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This aluminum plate was subjected to ultrasonic cleaning in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned aluminum plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the aluminum plate.
続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、アルミニウム板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、アルミニウム板の両面にそれぞれ200nmの厚さのCrからなる中間層を形成して、導電部材を得た。 Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the aluminum plate with Cr as a target, both surfaces of the aluminum plate have a thickness of 200 nm. An intermediate layer made of was formed to obtain a conductive member.
上記の各実施例および各比較例において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗、接触角の測定を行なった。なお、接触抵抗及び接触角の測定は、下記方法に従って行なった。結果を下記表1及び図10に示す。 With respect to the conductive members produced in each of the above examples and comparative examples, the contact resistance and contact angle in the stacking direction of the conductive members were measured. The contact resistance and contact angle were measured according to the following method. The results are shown in Table 1 below and FIG.
[接触抵抗の測定]
上記の各実施例および各比較例において作製した導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図9に示すように、作製した導電部材100を1対のガス拡散基材200で挟持し、得られた積層体をさらに1対の触媒層300で挟持し、その両端に電源を接続し、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、その際の電圧値から、積層体の接触抵抗値(mΩ/cm2)を算出した。
[Measurement of contact resistance]
With respect to the conductive members produced in each of the above Examples and Comparative Examples, the contact resistance in the stacking direction of the conductive members was measured. Specifically, as shown in FIG. 9, the produced conductive member 100 is sandwiched between a pair of gas diffusion base materials 200, and the obtained laminate is further sandwiched between a pair of catalyst layers 300, at both ends thereof. A power supply was connected and held at a load of 1 MPa to constitute a measuring device. A constant current of 1 A was passed through this measuring apparatus, and the contact resistance value (mΩ / cm 2 ) of the laminate was calculated from the voltage value at that time.
[接触角の測定]
図11に示すように、水滴を導電性炭素層の上に付着させ、90秒後の水滴形状を画像解析し、水滴の接触長さ(r)及び高さ(h)を計測して、下記式に従って、接触角θを算出する。なお、接触角の値が小さいほど親水性が高い。
[Measurement of contact angle]
As shown in FIG. 11, water droplets were deposited on the conductive carbon layer, and after 90 seconds, the shape of the water droplets was image-analyzed, and the contact length (r) and height (h) of the water droplets were measured. The contact angle θ is calculated according to the formula. In addition, hydrophilicity is so high that the value of a contact angle is small.
上記表1及び図10から、本発明の導電部材は、接触抵抗が低く(導電性に優れる)しかつ接触角が小さい(親水性に優れる)ことが分かる。これに対して、比較例1の導電部材は、導電性炭素層が最表層全面に存在するため、低い接触抵抗を示すものの、接触角が高いため、親水性に劣る。また、比較例2の導電部材は、中間層のみで導電性炭素層を持たないため、親水性には優れるものの、接触抵抗が高く、導電性に劣る。 From Table 1 and FIG. 10, it can be seen that the conductive member of the present invention has a low contact resistance (excellent conductivity) and a small contact angle (excellent hydrophilicity). On the other hand, the conductive member of Comparative Example 1 has a low contact resistance because the conductive carbon layer is present on the entire outermost layer, but is inferior in hydrophilicity because of a high contact angle. Moreover, since the conductive member of Comparative Example 2 is an intermediate layer only and does not have a conductive carbon layer, it is excellent in hydrophilicity but has high contact resistance and poor conductivity.
[実施例3]
実施例1において、中間層の厚さを25nm、50nm、100nm、200nmとする以外は、実施例1と同様にして、導電部材を作製した。
[Example 3]
In Example 1, a conductive member was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the intermediate layer was 25 nm, 50 nm, 100 nm, and 200 nm.
得られた導電部材について、下記方法に従って、耐食性試験をおこなった。結果を図12に示す。図12から、中間層の増加とともに接触抵抗は低下し、中間層膜厚は30nm以上であれば、浸漬前・後の接触抵抗はほぼ一定の低い値となることが分かる。これから、中間層の膜厚が30nm以上であれば、中間層は、金属基材層の腐食が進行し、基材と中間層界面に酸化被膜の形成を抑制する腐食防止層としての役目を十分果たしうると、考察される。 The obtained conductive member was subjected to a corrosion resistance test according to the following method. The results are shown in FIG. From FIG. 12, it can be seen that the contact resistance decreases as the number of intermediate layers increases, and that the contact resistance before and after immersion has a substantially constant low value when the thickness of the intermediate layer is 30 nm or more. From this, if the film thickness of the intermediate layer is 30 nm or more, the intermediate layer is sufficiently corrosive to the metal base material layer and sufficiently serves as a corrosion prevention layer that suppresses the formation of an oxide film at the interface between the base material and the intermediate layer. It is considered that it can be accomplished.
[耐食性試験]
導電部材について、導電部材の積層方向の接触抵抗の測定を行なった。具体的には、図9に示すように、作製した導電部材を1対のガス拡散基材で挟持し、得られた積層体をさらに1対の触媒層で挟持し、その両端に電源を接続し、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、その際の電圧値から、積層体の接触抵抗値を算出した。
[Corrosion resistance test]
For the conductive member, the contact resistance in the stacking direction of the conductive member was measured. Specifically, as shown in FIG. 9, the produced conductive member is sandwiched between a pair of gas diffusion base materials, the obtained laminate is further sandwiched between a pair of catalyst layers, and a power source is connected to both ends thereof. And it hold | maintained with the load of 1 MPa, and comprised the measuring apparatus. A constant current of 1 A was passed through this measuring device, and the contact resistance value of the laminate was calculated from the voltage value at that time.
また、上記で接触抵抗値を測定した後、酸性水に対する浸漬試験を行ない、同様に接触抵抗値を測定した。なお、浸漬試験として、具体的には、各導電部材を30mm×30mmのサイズに切り出し、80℃の温度の酸性水(pH4以下)に100時間浸漬した。 Moreover, after measuring a contact resistance value above, the immersion test with respect to acidic water was done, and the contact resistance value was measured similarly. In addition, as an immersion test, specifically, each conductive member was cut into a size of 30 mm × 30 mm and immersed in acidic water (pH 4 or less) at a temperature of 80 ° C. for 100 hours.
[実施例4]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、ステンレス(SUS316L)板(厚さ:0.1mm)を準備した。このステンレス板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したステンレス板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもステンレス板の両面に対して行った。
[Example 4]
A stainless steel (SUS316L) plate (thickness: 0.1 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This stainless steel plate was ultrasonically cleaned in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned stainless steel plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the stainless steel plate.
続いて、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、Crをターゲットとして、ステンレス板に対して50Vの大きさの負のバイアス電圧を印加しながら、ステンレス板の両面にそれぞれ200nmの厚さのCrからなる中間層を形成した。 Subsequently, by applying an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method and applying a negative bias voltage of 50 V to the stainless steel plate with Cr as a target, both surfaces of the stainless steel plate have a thickness of 200 nm. An intermediate layer consisting of
さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、ステンレス板に対して140Vの負のバイアス電圧を印加しながら、5分間、ステンレス板の両面の中間層の上に、それぞれ20nmの厚さの導電性炭素層を成膜して、積層体を作製した。ここでは、導電性炭素層がほぼ中間層全面を被覆していた。 Furthermore, by applying a negative bias voltage of 140 V to the stainless steel plate by using the UBMS method and applying a negative bias voltage of 140 V to the stainless steel plate, the conductive material having a thickness of 20 nm on the intermediate layer on both surfaces of the stainless steel plate for 5 minutes. A carbon layer was formed to produce a laminate. Here, the conductive carbon layer almost entirely covered the intermediate layer.
このようにして作製された積層体を、室温でプレス処理を行ない、導電部材を得た。このようにして得られた導電部材の表面を、SEMにて観察し、その結果を図13に示す。図13から分かるように、プレス処理により、導電性炭素層の表面にクラックが生じており、そのクラックから中間層が露出していることが分かる。このSEM写真を画像処理して、導電性炭素層による中間層の被覆率を算出したところ、約70%であった。また、図13から、実施例4の導電部材では、流路(図13中の、凸部)に対して平行にクラックが生じている。このことから、このような導電部材をセパレータに適用した場合には、電極で生じた過剰の水は、このクラック部分を介して効率よく排出でき、クラックが排出に関しては有利に働くことが、考察される。 The laminate thus produced was pressed at room temperature to obtain a conductive member. The surface of the conductive member thus obtained was observed with an SEM, and the result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 13, it is understood that a crack is generated on the surface of the conductive carbon layer by the press treatment, and the intermediate layer is exposed from the crack. When the SEM photograph was subjected to image processing and the coverage of the intermediate layer with the conductive carbon layer was calculated, it was about 70%. Moreover, from FIG. 13, in the conductive member of Example 4, the crack has arisen in parallel with the flow path (the convex part in FIG. 13). From this, when such a conductive member is applied to the separator, it is considered that excess water generated in the electrode can be efficiently discharged through the crack portion, and the crack works advantageously with respect to the discharge. Is done.
[実施例5]
導電部材を構成する金属基材層の構成材料として、ステンレス(SUS316L)板(厚さ:0.1mm)を準備した。このステンレス板を、室温でプレス処理を行なった。このステンレス板を、前処理としてエタノール水溶液中で3分間超音波洗浄した。次いで、洗浄したステンレス板を真空チャンバ内に設置し、Arガスによるイオンボンバード処理を行なって、表面の酸化皮膜を除去した。なお、上述した前処理(洗浄)およびイオンボンバード処理は、いずれもステンレス板の両面に対して行った。
[Example 5]
A stainless steel (SUS316L) plate (thickness: 0.1 mm) was prepared as a constituent material of the metal base layer constituting the conductive member. This stainless steel plate was pressed at room temperature. This stainless steel plate was ultrasonically cleaned in an aqueous ethanol solution for 3 minutes as a pretreatment. Next, the cleaned stainless steel plate was placed in a vacuum chamber, and ion bombardment with Ar gas was performed to remove the oxide film on the surface. The pretreatment (cleaning) and ion bombardment described above were both performed on both surfaces of the stainless steel plate.
さらに、UBMS法により、固体グラファイトをターゲットとして、ステンレス板に対して140Vの負のバイアス電圧を印加しながら、5分間、ステンレス板の両面の中間層の上に、それぞれ20nmの厚さの導電性炭素層を成膜して、積層体を作製した。ここでは、導電性炭素層がほぼ中間層全面を被覆していた。 Furthermore, by applying a negative bias voltage of 140 V to the stainless steel plate by using the UBMS method and applying a negative bias voltage of 140 V to the stainless steel plate, the conductive material having a thickness of 20 nm on the intermediate layer on both surfaces of the stainless steel plate for 5 minutes. A carbon layer was formed to produce a laminate. Here, the conductive carbon layer almost entirely covered the intermediate layer.
上記実施例4、5で得られた導電部材について、上記実施例3に記載される耐食性試験を行い、その結果を下記表2及び図14に示す。また、上記実施例4、5で得られた導電部材その結果を下記表2及び図14に示す。について、下記方法に従って、イオン溶出量を測定し、
[イオン溶出量の測定]
導電部材を、硫酸水溶液(pH 4)70mL中に、80℃で100時間、浸漬した。なお、上記硫酸水溶液は、燃料電池においてセパレータが曝される環境を模擬したものである。また、一般的に、燃料電池運転時の温度が80℃であるため、試験温度を80℃に設定した。
The conductive members obtained in Examples 4 and 5 were subjected to the corrosion resistance test described in Example 3 above, and the results are shown in Table 2 and FIG. Further, the conductive members obtained in Examples 4 and 5 are shown in Table 2 and FIG. , Measure the ion elution amount according to the following method,
[Measurement of ion elution amount]
The conductive member was immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 4) of 70 mL at 80 ° C. for 100 hours. The sulfuric acid aqueous solution simulates the environment where the separator is exposed in the fuel cell. In general, since the temperature during operation of the fuel cell is 80 ° C., the test temperature was set to 80 ° C.
100時間経過後の、硫酸水溶液中に溶出したアルミニウムイオンの量(ppm)を、ICP−MS(Inductively−Coupled Plasma−Mass Spectrometry;誘導結合プラズマ)−質量分析法)によって分析する。 After 100 hours, the amount (ppm) of aluminum ions eluted in the sulfuric acid aqueous solution is analyzed by ICP-MS (Inductively-Coupled Plasma-Mass Spectrometry) -mass spectrometry).
上記表2及び図14から、実施例4(コーティング後プレス)及び実施例5(プレス後コーティング)で得られた導電部材は双方とも、接触抵抗及びイオン溶出量は低い値となっていることが分かる。なお、実施例4の導電部材は、上記したように、表面のSEM写真より炭素系導電層にクラックが生じ、中間層の一部が露出しているが、耐食性試験における浸漬後の接触抵抗及びイオン溶出量では、双方ともの数値が低く、高い耐食性を維持していることが考察される。 From Table 2 and FIG. 14, it can be seen that both of the conductive members obtained in Example 4 (press after coating) and Example 5 (coating after press) have low values of contact resistance and ion elution. I understand. In the conductive member of Example 4, as described above, cracks occurred in the carbon-based conductive layer from the SEM photograph of the surface, and a part of the intermediate layer was exposed, but the contact resistance after immersion in the corrosion resistance test and Regarding the ion elution amount, both values are low, and it is considered that high corrosion resistance is maintained.
1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
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、
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)、
5 セパレータ、
52 金属基材層、
53 中間層、
54 導電性炭素層、
60 燃料電池車、
61 燃料電池スタック。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
5 separator,
52 metal substrate layer,
53 Middle layer,
54 conductive carbon layer,
60 Fuel cell vehicle,
61 Fuel cell stack.
Claims (14)
前記金属基材層上に形成される中間層と、
前記中間層上に位置する、導電性炭素を含む導電性炭素層と、
を有する導電部材で、
前記導電性炭素層の一部に中間層露出部を有し、
前記中間層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及びWから選ばれる金属、前記金属の炭化物、前記金属の窒化物、ならびに前記金属の炭窒化物からなる群より選択される少なくとも1種から構成される、導電部材。 A metal substrate layer;
An intermediate layer formed on the metal substrate layer;
A conductive carbon layer comprising conductive carbon located on the intermediate layer;
A conductive member having
An intermediate layer exposed portion in a part of the conductive carbon layer;
The intermediate layer is selected from the group consisting of a metal selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo and W, a carbide of the metal, a nitride of the metal, and a carbonitride of the metal. A conductive member comprising at least one of the above.
前記中間層上にスパッタリング法またはイオンプレーティング法により導電性炭素層を形成して、金属基材層、中間層及び導電性炭素層の積層体を形成し、
前記積層体をプレスにより成形する、
ことを有する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の導電部材の製造方法。 Forming an intermediate layer on the metal substrate layer;
A conductive carbon layer is formed on the intermediate layer by sputtering or ion plating to form a laminate of a metal base layer, an intermediate layer and a conductive carbon layer,
Forming the laminate by pressing;
With the method for manufacturing a conductive member according to any one of claims 1-9.
前記金属基材層上に中間層を形成し、
前記中間層上にスパッタリング法またはイオンプレーティング法により導電性炭素層を形成する、
ことを有する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の導電部材の製造方法。 The metal substrate layer is formed by pressing,
Forming an intermediate layer on the metal substrate layer;
Forming a conductive carbon layer on the intermediate layer by sputtering or ion plating;
With the method for manufacturing a conductive member according to any one of claims 1-9.
前記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であって、
前記アノードセパレータまたは前記カソードセパレータの少なくとも一方が、請求項13に記載の燃料電池用セパレータであり、この際、前記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、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte membrane, a pair of anode catalyst layer and cathode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a pair of anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer sandwiching them;
A pair of anode separator and cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
14. At least one of the anode separator or the cathode separator is the fuel cell separator according to claim 13 , wherein the fuel cell separator is formed in a concavo-convex shape, and the convex portion is the membrane electrode joint. A solid polymer fuel cell, which is in contact with a body, and the recess is a gas flow path for circulating fuel gas or oxidant gas.
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