JP7359124B2 - Manufacturing method of fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator and a fuel cell separator.
燃料電池は、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)との反応により起電力を生じる単セルを所定数だけ積層したスタック構造を有する。単セルは、電解質膜の両面にアノード及びカソードの電極層(触媒層及びガス拡散層)を備える膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面にそれぞれ配置されるセパレータを有する。 A fuel cell has a stack structure in which a predetermined number of single cells are stacked to generate an electromotive force through a reaction between fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (oxygen). A single cell includes a membrane electrode assembly including an anode and a cathode electrode layer (a catalyst layer and a gas diffusion layer) on both sides of an electrolyte membrane, and separators arranged on both sides of the membrane electrode assembly.
燃料電池用セパレータは、単セルを電気的に直列接続する機能並びに燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。 A fuel cell separator has a function of electrically connecting single cells in series and a function of a partition wall that blocks fuel gas, oxidizing gas, and cooling water from each other.
このような燃料電池用セパレータについて、様々な研究が行われている。 Various studies are being conducted on such fuel cell separators.
例えば、特許文献1には、物理蒸着法又は化学蒸着法を用いて金属基板上にアモルファスカーボン層を形成するアモルファスカーボン層形成工程と、前記物理蒸着法又は前記化学蒸着法と同一若しくは異なる方法を用いて前記アモルファスカーボン層に導電部を形成する導電部形成工程とを備えることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記アモルファスカーボン層形成工程及び前記導電部形成工程の物理蒸着法は、フィルターレスアークイオンプレーティング法であり、前記フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて前記アモルファスカーボン層を形成するとともに、前記導電部としての黒鉛部を形成し、前記アモルファスカーボン層及び前記黒鉛部を形成する際に、前記金属基板に印加するバイアス電圧が、-1000V~-150Vの範囲であることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。
For example,
特許文献2には、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又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、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からなる燃料電池用セパレータであって、前記導電性炭素層の一部に中間層露出部を有する、導電部材からなる燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。
一般に、燃料電池用セパレータの一方の面には、単セル内に反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、他方の面には単セル内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。また、燃料電池用セパレータの周縁部には、反応ガスの入口及び出口として機能する反応ガスマニホールド開口と、冷却媒体流路の入口及び出口として機能する冷却媒体マニホールド開口とが形成されている。さらに、反応ガス流路や、冷却媒体流路、反応ガスマニホールド開口、冷却媒体マニホールド開口の周囲には、適宜、それぞれの流体の漏洩を抑制するためのシール部材が設けられている。 In general, one surface of a fuel cell separator is formed with a reaction gas flow path for flowing a reaction gas into the single cell, and the other surface is formed with a cooling medium flow path for flowing a cooling medium into the single cell. is formed. In addition, a reaction gas manifold opening that functions as an inlet and an outlet of a reaction gas, and a coolant manifold opening that functions as an inlet and an outlet of a coolant flow path are formed in the peripheral edge of the fuel cell separator. Furthermore, seal members are provided around the reaction gas flow path, the cooling medium flow path, the reaction gas manifold opening, and the cooling medium manifold opening, as appropriate, to suppress leakage of the respective fluids.
燃料電池用セパレータは、反応ガスであるH2、O2や、冷却媒体である冷却水などの流体の漏洩を抑制するためのシール部材である樹脂シートやガスケットなどの他部材と接着させる必要があり、したがって、燃料電池用セパレータと、他部材、例えばシール部材との接着に使用される接着剤などとの接着性及びシール信頼性は、燃料電池用セパレータの特性における重要な要素である。 Fuel cell separators need to be bonded to other members such as resin sheets and gaskets that serve as sealing members to suppress the leakage of reactant gases such as H 2 and O 2 and fluids such as cooling water that is a cooling medium. Therefore, the adhesiveness and sealing reliability between the fuel cell separator and other members, such as adhesives used for adhesion to sealing members, are important factors in the characteristics of the fuel cell separator.
また、燃料電池用セパレータにおける発電体を挟持する発電体挟持部には、発電体により発生した電気を伝導するために低い接触抵抗であること、さらに、耐食性を有することが要求される。 Furthermore, the power generating body holding portions of the fuel cell separator that sandwich the power generating body are required to have low contact resistance in order to conduct electricity generated by the power generating body, and to have corrosion resistance.
そこで、燃料電池用セパレータに当該特性を付与するために、燃料電池用セパレータにおける発電体を挟持する発電体挟持部を含む範囲に、当該範囲以外にマスクをして、物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)を実施することで、カーボン層/チタン層を成膜する。燃料電池用セパレータにおける耐食性はチタン層によって担保され、燃料電池用セパレータにおける低接触抵抗はカーボン層によって担保される。 Therefore, in order to impart the above characteristics to the fuel cell separator, the range including the power generating body clamping part that clamps the power generating body in the fuel cell separator is masked outside the range, and physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition) is applied. PVD) to form a carbon layer/titanium layer. Corrosion resistance in the fuel cell separator is ensured by the titanium layer, and low contact resistance in the fuel cell separator is ensured by the carbon layer.
しかしながら、従来の技術においては、カーボン層/チタン層の各層の特性についての言及はあるものの、生産性に優れた製品を作るための各層の膜厚分布条件、成膜条件を規定しているものはなく、優れた特性を保有しながら、低コストに製造できる燃料電池用セパレータの設計及び製造条件は明らかになっていない。 However, in the conventional technology, although the characteristics of each layer (carbon layer/titanium layer) are mentioned, the film thickness distribution conditions and film formation conditions of each layer are specified in order to make products with excellent productivity. However, the design and manufacturing conditions for a fuel cell separator that can be manufactured at low cost while retaining excellent properties have not been clarified.
したがって、本発明は、セパレータ全体において十分な耐食性を有し、発電体挟持部において低接触抵抗を有し、シール部材配設部において改善されたシール部材との接着性(すなわち、シール部材配設部とシール部材を接着するための接着剤との接着性)を有する燃料電池用セパレータを低コストで製造する方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has sufficient corrosion resistance in the entire separator, low contact resistance in the power generating body holding part, and improved adhesion with the sealing member in the sealing member arrangement part (i.e., An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell separator at low cost.
(耐食性)
燃料電池用セパレータにおける発電体を挟持する発電体挟持部の中央部には、優れた耐食性が求められるため、一定の膜厚を有するチタン層が必要とされる。一方で、発電体挟持部の端部においても、発電体挟持部の中央部ほどではないが、部品全体の耐食性を担保するために、ある程度の膜厚を有するチタン層を成膜することが好ましい。しかしながら、発電体挟持部の端部について、発電体挟持部の中央部と同程度の膜厚を有するチタン層を成膜することは、コストアップにつながる。したがって、燃料電池用セパレータでは、発電体挟持部の中央部及び発電体挟持部の端部それぞれについてチタン層の膜厚を設定することによって、各部分の要求に応じた耐食性を過不足なく付与することができる。
(corrosion resistance)
Excellent corrosion resistance is required in the central part of the power generating body clamping portion of the fuel cell separator that clamps the power generating body, so a titanium layer having a certain thickness is required. On the other hand, in order to ensure the corrosion resistance of the entire part, it is preferable to form a titanium layer having a certain thickness at the ends of the power generating body clamping part, although not as thick as the central part of the power generating body clamping part. . However, forming a titanium layer having a thickness comparable to that of the central portion of the power generating body holding portion at the end portions of the power generating body holding portion leads to an increase in cost. Therefore, in a fuel cell separator, by setting the thickness of the titanium layer for the central part of the power generating body clamping part and the end part of the power generating body clamping part, it is possible to provide just enough corrosion resistance according to the requirements of each part. be able to.
(低接触抵抗、接着性及びシール信頼性)
燃料電池用セパレータにおける発電体を挟持する発電体挟持部には、低接触抵抗が求められるため、一定の膜厚を有するカーボン層が必要とされる。一方で、発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部については、発電体挟持部と同程度の膜厚のカーボン層が存在すると、シール部材との接着性及びシール信頼性が低下してしまう。したがって、燃料電池用セパレータでは、発電体挟持部及びシール部材配設部それぞれについてカーボン層の膜厚を設定することによって、各部分の要求に応じた低接触抵抗、接着性及びシール信頼性を過不足なく付与することができる。
(Low contact resistance, adhesion and seal reliability)
Since low contact resistance is required for the power generating body clamping portion of the fuel cell separator that clamps the power generating body, a carbon layer having a certain thickness is required. On the other hand, it is assumed that there is a carbon layer with a film thickness similar to that of the power generating body clamping part in the sealing member installation part, which is provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and in which a sealing member for sealing the power generating body clamping part is disposed. , the adhesiveness with the sealing member and the sealing reliability will deteriorate. Therefore, in a fuel cell separator, by setting the thickness of the carbon layer for each of the power generating body holding part and the sealing member installation part, low contact resistance, adhesion, and seal reliability can be achieved in accordance with the requirements of each part. It can be given without shortage.
カーボン層の成膜において、PVDとしてアークイオンプレーティング法を使用する場合、発電体挟持部には低接触抵抗であるカーボン層を成膜し、一方で、発電体挟持部以外の部分、特にシール部材配設部にはカーボン層をできる限り成膜しないように、発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と一定の間隔を空けてマスキング部材を設置する必要がある。アークイオンプレーティング法では、バイアス電圧を低くすることにより、低接触抵抗であるカーボン層を成膜できる。したがって、発電体挟持部に低接触抵抗であるカーボン層を成膜するためには、バイアス電圧を低くすればよい。しかしながら、発電体挟持部となる領域以外の領域にはマスキング部材が設置されているものの、前記のようにマスキング部材は金属基材と一定の間隔を空けて設置されているため、カーボンは、マスキング部材下の金属基材表面上にも回り込み、カーボン層として成膜される。バイアス電圧を低くすると、マスク下の金属基材上へのカーボンの回り込みが大きくなり、カーボン層のはみ出しも大きくなって、発電体挟持部以外の部分にもカーボン層が成膜されてしまう。前記の通り、シール部材配設部へのカーボン層の成膜はシール部材との接着性及びシール信頼性の低下につながるため、回り込みにより形成されたカーボン層の膜厚が薄いシール部材配設部を形成するためには、カーボン層の除去工程の追加や、燃料電池用セパレータを大きくせざるを得ず、部品サイズが大きくなり、搭載性及びコスト面で好ましくない。つまり、燃料電池用セパレータにおいて発電体挟持部及びシール部材配設部それぞれについて適切なカーボン層の膜厚を形成するためには、アークイオンプレーティング法におけるバイアス電圧を適切に設定する必要がある。 When using the arc ion plating method as PVD to form a carbon layer, a carbon layer with low contact resistance is deposited on the power generating body sandwiching part, and on the other hand, the carbon layer is deposited on the parts other than the power generating body sandwiching part, especially the seal. In order to avoid forming a carbon layer as much as possible on the member placement part, it is necessary to install a masking member at a certain distance from the metal base material in an area other than the area that will become the power generating body clamping part. In the arc ion plating method, a carbon layer with low contact resistance can be formed by lowering the bias voltage. Therefore, in order to form a carbon layer with low contact resistance on the power generating body sandwiching portion, the bias voltage may be lowered. However, although the masking member is installed in the area other than the area that will become the power generating body clamping part, the masking member is installed with a certain distance from the metal base material as described above, so the carbon The carbon layer also wraps around the surface of the metal base material under the member and is formed as a carbon layer. When the bias voltage is lowered, the amount of carbon that wraps around onto the metal base material under the mask increases, and the protrusion of the carbon layer also increases, resulting in the formation of a carbon layer in areas other than the power generating body sandwiching portion. As mentioned above, forming a carbon layer on the sealing member installation part leads to a decrease in adhesion with the sealing member and sealing reliability, so the sealing member installation area where the carbon layer formed by wraparound is thin. In order to form this, it is necessary to add a carbon layer removal step and to make the fuel cell separator larger, which increases the size of the parts, which is unfavorable in terms of mounting efficiency and cost. In other words, in order to form an appropriate carbon layer thickness for each of the power generating body holding part and the sealing member disposed part in the fuel cell separator, it is necessary to appropriately set the bias voltage in the arc ion plating method.
本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、発電体を挟持する発電体挟持部と、当該発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、金属基材における発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材との間に間隙を設けてマスキング部材を配置し、発電体挟持部となる領域に、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いて、特定の範囲のバイアス電圧下、特定の範囲の膜厚を有するチタン層を形成し、続いて、チタン層を形成した発電体挟持部となる領域に、フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて、特定の範囲のバイアス電圧下、特定の範囲の膜厚を有するカーボン層を形成することによって、セパレータ全体において十分な耐食性を有し、発電体挟持部において低接触抵抗を有し、シール部材配設部において改善されたシール部材との接着性を有する燃料電池用セパレータを低コストで製造することができることを見出し、本発明を完成した。 As a result of studying various means for solving the above-mentioned problems, the present inventors have discovered a power generating body clamping part that clamps the power generating body, and a seal that is provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and seals the power generating body clamping part. A method for manufacturing a fuel cell separator having a sealing member disposing portion in which a member is disposed, wherein a gap is provided between the metal base material and the region other than the region that becomes the power generating body clamping portion. A masking member is arranged, and a titanium layer having a film thickness in a specific range is formed under a bias voltage in a specific range using an unbalanced magnetron sputtering method in the area that will become the power generating body holding part, and then, By forming a carbon layer with a specific range of film thickness under a specific range of bias voltage using the filterless arc ion plating method in the area that will become the power generating body sandwiching part where the titanium layer is formed, the separator is formed. It is possible to manufacture at a low cost a fuel cell separator that has sufficient corrosion resistance throughout, low contact resistance at the power generating body clamping part, and improved adhesiveness with the sealing member at the sealing member installation part. They discovered what they could do and completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)発電体を挟持する発電体挟持部と、当該発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
金属基材を準備する工程と、
金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けてマスキング部材を配置する工程と、
金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する工程であって、
チタンの成膜が、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いて、-50V以下のバイアス電圧下、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚が、76nm以上になるまで実施される工程と、
金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程であって、
カーボンの成膜が、フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて、-450V~-250Vのバイアス電圧下、シール部材配設部となる領域の発電体挟持部となる領域側の端部におけるカーボン層の膜厚が、5nm以下になるように実施される工程と
を含む、燃料電池用セパレータの製造方法。
(2)チタンの成膜が、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いて、-350V以上のバイアス電圧下で実施される、(1)に記載の方法。
(3)金属基材が、ステンレスである、(1)又は(2)に記載の方法。
(4)発電体を挟持する発電体挟持部と、当該発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部と、を有する燃料電池用セパレータであって、
金属基材と、金属基材表面上に成膜されているチタン層と、チタン層上に成膜されているカーボン層とを有し、
発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚が、76nm以上、且つ発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚の0.38倍以上であり、
シール部材配設部の発電体挟持部側の端部におけるカーボン層の膜厚が、5nm以下である
燃料電池用セパレータ。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) For a fuel cell having a power generating body clamping part that clamps a power generating body, and a sealing member arrangement part provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and arranging a sealing member for sealing the power generating body clamping part. A method for manufacturing a separator, the method comprising:
a step of preparing a metal substrate;
arranging a masking member with a gap between the metal base material and the metal base material in an area other than the area that will become the power generating body holding part;
A process of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of a metal base material,
Titanium film formation is carried out using an unbalanced magnetron sputtering method under a bias voltage of -50 V or less until the film thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generator sandwiching part becomes 76 nm or more. process and
A process of forming a carbon layer by depositing carbon on a titanium layer of a metal base material,
A carbon film is formed using a filterless arc ion plating method under a bias voltage of -450V to -250V to form a carbon layer at the end of the area that will become the power generator clamping part of the area where the sealing member is provided. A method for producing a fuel cell separator, the method comprising: carrying out the step such that the film thickness of the separator is 5 nm or less.
(2) The method according to (1), wherein the titanium film is formed using an unbalanced magnetron sputtering method under a bias voltage of -350V or higher.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the metal base material is stainless steel.
(4) For a fuel cell having a power generating body clamping part that clamps a power generating body, and a sealing member arrangement part provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and arranging a sealing member for sealing the power generating body clamping part. A separator,
It has a metal base material, a titanium layer formed on the surface of the metal base material, and a carbon layer formed on the titanium layer,
The thickness of the titanium layer at the end of the power generating body clamping part is 76 nm or more and 0.38 times or more the thickness of the titanium layer at the central part of the power generating body clamping part,
A separator for a fuel cell, wherein the thickness of the carbon layer at the end of the seal member disposed portion on the side of the power generating body clamping portion is 5 nm or less.
本発明により、セパレータ全体において十分な耐食性を有し、発電体挟持部において低接触抵抗を有し、シール部材配設部において改善されたシール部材との接着性を有する燃料電池用セパレータを低コストで製造する方法が提供される。 The present invention provides a low-cost fuel cell separator that has sufficient corrosion resistance in the entire separator, low contact resistance in the power generating body clamping part, and improved adhesiveness with the sealing member in the sealing member installation part. A method of manufacturing is provided.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータは、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者がおこない得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below.
In this specification, features of the present invention will be explained with reference to the drawings as appropriate. In the drawings, the dimensions and shapes of various parts are exaggerated for clarity and do not accurately depict actual dimensions and shapes. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the dimensions and shapes of the parts shown in these drawings. The method for producing a fuel cell separator and the fuel cell separator of the present invention are not limited to the following embodiments, and modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are possible without departing from the gist of the present invention. It can be implemented in various forms.
本発明は、発電体を挟持する発電体挟持部と、当該発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、金属基材を準備する工程と、金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けてマスキング部材を配置する工程と、金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する工程であって、チタンの成膜が、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いて、特定範囲のバイアス電圧下、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚が特定の範囲になるまで実施される工程と、金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程であって、カーボンの成膜が、フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて、特定範囲のバイアス電圧下、シール部材配設部となる領域の発電体挟持部となる領域側の端部におけるカーボンの膜厚が特定の範囲になるように実施される工程とを含む、燃料電池用セパレータの製造方法、及びこのような製造方法によって製造することができる燃料電池用セパレータに関する。 The present invention provides a fuel cell having a power generating body clamping part that clamps a power generating body, and a seal member disposing part provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and arranging a seal member for sealing the power generating body clamping part. A method for manufacturing a separator for use in a metal substrate, comprising the steps of preparing a metal base material, and arranging a masking member with a gap between the metal base material and the region of the metal base material other than the region that will become the power generating body clamping part. A process of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of a metal base material, in which the titanium film is deposited on the power generator sandwiching part under a bias voltage in a specific range using an unbalanced magnetron sputtering method. The second step is to form a carbon layer by depositing carbon on the titanium layer of the metal base material, and the second step is to form a carbon layer by depositing carbon on the titanium layer of the metal base material. The film is formed using a filterless arc ion plating method under a bias voltage within a specific range, so that the carbon film thickness at the end of the area where the seal member is placed is on the side of the area where the power generator is held. The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator, including steps carried out in a manner that is consistent with the above range, and a fuel cell separator that can be manufactured by such a manufacturing method.
以下に、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の詳細を工程ごとに説明する。 Below, details of the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention will be explained step by step.
<工程1:金属基材を準備する工程>
まず、燃料電池用セパレータの材料となる金属基材を準備する。
<Step 1: Step of preparing metal base material>
First, a metal base material to be used as a material for a fuel cell separator is prepared.
金属基材としては、当該技術分野において公知の金属基材を使用することができ、例えば、限定されないが、ステンレス(SUS:鉄、クロム、ニッケルの合金)などの金属(合金含む)製の略矩形の板を使用することができる。セパレータの材料である金属基材としては、ステンレス、例えばSUS304製の略矩形の板が好ましい。 As the metal base material, any metal base material known in the art can be used, including, but not limited to, metal base materials (including alloys) such as stainless steel (SUS: an alloy of iron, chromium, and nickel). A rectangular plate can be used. The metal base material of the separator is preferably a substantially rectangular plate made of stainless steel, for example SUS304.
燃料電池用セパレータの材料として金属基材を選択することにより、金属基材上に以下で説明するPVDによってチタン層及びカーボン層を形成させることができ、金属基材としてステンレスを選択することで、セパレータの製造のコストを下げることができる。 By selecting a metal base material as the material for the fuel cell separator, a titanium layer and a carbon layer can be formed on the metal base material by PVD as described below, and by selecting stainless steel as the metal base material, The cost of manufacturing separators can be reduced.
金属基材としては、予め最終的な燃料電池用セパレータの形状にプレスされた金属基材を使用することが好ましい。 As the metal base material, it is preferable to use a metal base material that has been pressed in advance into the shape of the final fuel cell separator.
金属基材として予めプレスされた金属基材を使用することにより、チタン層及びカーボン層成膜後に、さらなるプレスをすることなく、燃料電池用セパレータを得ることができる。 By using a pre-pressed metal base material as the metal base material, a fuel cell separator can be obtained without further pressing after the titanium layer and carbon layer are formed.
<工程2:金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けてマスキング部材を配置する工程>
続いて、工程1で準備した金属基材に、マスキング部材を配置する。
<Step 2: Step of arranging the masking member in an area other than the area that will become the power generating body holding part in the metal base material with a gap between the metal base material and the metal base material>
Subsequently, a masking member is placed on the metal base material prepared in
マスキング部材は、発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けて配置される。 The masking member is arranged in a region other than the region serving as the power generating body holding portion, with a gap provided between the masking member and the metal base material.
ここで、発電体挟持部は、燃料電池用セパレータにおいて、中央部に位置する発電体を挟持するための略矩形の部分であり、シール部材配設部は、燃料電池用セパレータにおいて、発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設する部分である。 Here, the power generating body holding part is a substantially rectangular part for holding the power generating body located in the center of the fuel cell separator, and the sealing member arrangement part is a part for holding the power generating body in the fuel cell separator. This is a part provided on the outer periphery of the part, and a sealing member for sealing the power generating body clamping part is disposed.
また、発電体挟持部と当該発電体挟持部の外周に設けられるシール部材配設部との間には中間部が存在する。中間部は、金属基材とマスキング部材との間に間隙が存在することにより、以下で説明するチタン層及びカーボン層形成の工程(工程3及び4)において形成される部分である。中間部における発電体挟持部とシール部材配設部の間の最短距離は、限定されないが、短い方が好ましく、通常6mm以下、好ましくは3mm以下である。中間部における発電体挟持部とシール部材配設部の間の最短距離を前記範囲にすることにより、燃料電池用セパレータのサイズを小さくすることができる。
Further, an intermediate portion exists between the power generating body holding portion and the sealing member disposed portion provided on the outer periphery of the power generating body holding portion. The intermediate portion is a portion formed in the titanium layer and carbon layer formation steps (
したがって、発電体挟持部となる領域は、略矩形の板状の金属基材において、中央部に位置する金属基材より小さい略矩形の発電体を挟持するための領域であり、発電体挟持部となる領域以外の領域は、発電体挟持部となる領域の外周の領域、すなわち、中間部となる領域とシール部材配設部となる領域とを足し合せた領域である。 Therefore, the region that becomes the power generating body clamping part is a region for clamping a substantially rectangular power generating body smaller than the metal base material located in the center of the approximately rectangular plate-shaped metal base material, and the power generating body clamping part The area other than the area is the outer circumferential area of the area that will be the power generating body holding part, that is, the area that is the sum of the area that will be the intermediate part and the area that will be the sealing member placement part.
マスキング部材とは、燃料電池用セパレータと同形状の板であって、チタン層及びカーボン層を成膜する発電体挟持部となる領域部分が空洞になっている板である。マスキング部材としては、燃料電池用セパレータと同じ金属製、例えばSUS304製であることが好ましい。マスキング部材がセパレータと同じ材質であることにより、PVD中に数百℃以上の温度になったセパレータ及びマスキングが、同じ線膨張係数を有するため、狙い成膜時位置のずれを比較的小さくすることができる。 The masking member is a plate having the same shape as a fuel cell separator, and is hollow in an area that will become a power generating body holding part on which a titanium layer and a carbon layer are formed. The masking member is preferably made of the same metal as the fuel cell separator, for example, SUS304. Since the masking member is made of the same material as the separator, the separator and masking, which have reached a temperature of several hundred degrees Celsius or more during PVD, have the same coefficient of linear expansion, making it possible to make the positional deviation during targeted film formation relatively small. I can do it.
金属基材とマスキング部材との間の間隙は、金属基材とマスキング部材とが一定間隔を維持するように水平に設けられ、間隙の大きさ、すなわち金属基材とマスキング部材との間の距離は、限定されないが、短い方が好ましく、通常1mm以下、好ましくは0.2mm~0.5mmである。なお、金属基材として予めプレスされた金属基材を使用する場合には、金属基材は凹凸形状を有するため、間隙の大きさは当該凹凸形状に依存して変更し得るが、間隙の大きさは、金属基材とマスキング部材との間の最短距離が前記範囲になるように、設定することができる。 The gap between the metal base material and the masking member is provided horizontally so that the metal base material and the masking member maintain a constant distance, and the size of the gap, that is, the distance between the metal base material and the masking member is preferably shorter, but is not limited, and is usually 1 mm or less, preferably 0.2 mm to 0.5 mm. Note that when a pre-pressed metal base material is used as the metal base material, since the metal base material has an uneven shape, the size of the gap can be changed depending on the uneven shape; The distance can be set so that the shortest distance between the metal base material and the masking member falls within the above range.
以下で説明するチタン層及びカーボン層形成の工程(工程3及び4)における成膜時では、プラズマが金属基材に衝突することにより、金属基材の温度が上昇し、金属基材が膨張する。このとき、マスキング部材もまた膨張する。金属基材の温度上昇の方が、膨張量も大きくなるため、間隙がない、あるいは間隙が小さすぎると、処理中に金属基材が変形してしまう可能性がある。したがって、金属基材とマスキング部材との間に間隙を設けることで、工程3及び4における、金属基材の変形を抑制することができる。
During film formation in the titanium layer and carbon layer formation steps (
また、金属基材とマスキング部材との間の距離を前記範囲にすることにより、中間部が形成され、さらに中間部における発電体挟持部とシール部材配設部の間の最短距離を前記範囲に調整することが容易になる。 Further, by setting the distance between the metal base material and the masking member within the above range, an intermediate part is formed, and furthermore, the shortest distance between the power generating body clamping part and the sealing member installation part in the middle part is set within the above range. It becomes easier to adjust.
<工程3:金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する工程>
続いて、工程2においてマスキング部材により発電体挟持部となる領域以外の領域をマスクした金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する。
<Step 3: Step of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of the metal base material>
Subsequently, in
チタンの成膜は、PVDの1種であるアンバランスドマグネトロンスパッタ法(UBMS)を用いて実施する。 The titanium film is formed using unbalanced magnetron sputtering (UBMS), which is a type of PVD.
ここで、アンバランスドマグネトロンスパッタ(UBMS)法は、スパッタカソードの磁場を意図的に非平衡にすることで、基板へのプラズマ照射を強化したスパッタリング方式で、緻密な薄膜の形成が可能となる。 The unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method is a sputtering method that strengthens plasma irradiation to the substrate by intentionally making the magnetic field of the sputtering cathode unbalanced, making it possible to form dense thin films. .
アンバランスドマグネトロンスパッタ法については、以下で説明するバイアス電圧の条件以外の条件、例えば、装置チャンバー内の初期真空度、金属基材表面のクリーニング条件(例えば、アルゴンボンバードメント処理の条件)、プラズマ生成用ガスの条件、成膜時間、成膜温度などは、当該技術分野で知られている条件(例えば、国際公開第2015/068776号を参照)を使用することができる。なお、成膜時間が長いほど膜厚が厚くなるため、成膜時間を調整することで、所望の膜厚を得ることができる。 For unbalanced magnetron sputtering, conditions other than the bias voltage conditions described below, such as the initial degree of vacuum in the device chamber, cleaning conditions for the surface of the metal substrate (for example, conditions for argon bombardment treatment), plasma Conditions known in the technical field (for example, see International Publication No. 2015/068776) can be used for the generation gas conditions, film formation time, film formation temperature, and the like. Note that the longer the film formation time, the thicker the film becomes, so a desired film thickness can be obtained by adjusting the film formation time.
なお、本発明におけるチタン層の膜厚とは、対象となる部分のSEM又はTEM画像における、断面観察での測定3点平均値を意味する。 In addition, the film thickness of the titanium layer in the present invention means the average value of three measurement points in cross-sectional observation in a SEM or TEM image of a target portion.
アンバランスドマグネトロンスパッタ法におけるバイアス電圧は、-50V以下であり、好ましくは-350V~-50Vであり、より好ましくは-250V~-50Vである。なお、アンバランスドマグネトロンスパッタ法では、カソード(陰極)としてのターゲット(すなわち、チタン)と、アノード(陽極)としての金属基材との間でグロー放電を発生させて、不活性ガスのプラズマ、例えばArプラズマを形成し、Arプラズマ中のプラスにイオン化したArイオンがターゲット原子を弾き飛ばし、ターゲット原子を加速させて金属基材表面上に成膜するため、金属基材にはバイアス電圧としてマイナス(負)の電圧を印加する。また、本明細書では、負のバイアス電圧の高低を表現する場合に、0Vにより近い方のバイアス電圧を「バイアス電圧が高い」と表現する。 The bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method is -50V or less, preferably -350V to -50V, more preferably -250V to -50V. In the unbalanced magnetron sputtering method, a glow discharge is generated between a target (i.e., titanium) as a cathode and a metal base material as an anode, and an inert gas plasma, For example, when Ar plasma is formed, the positively ionized Ar ions in the Ar plasma repel the target atoms, accelerate the target atoms, and form a film on the surface of the metal base material, so the metal base material has a negative bias voltage. (negative) voltage is applied. Furthermore, in this specification, when expressing the level of negative bias voltage, a bias voltage closer to 0V is expressed as "higher bias voltage."
マスキング部材により発電体挟持部となる領域以外の領域をマスクした金属基材表面上に、アンバランスドマグネトロンスパッタ法によりチタンを成膜することにより、発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚と、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚は、異なる値になり、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚の方が薄くなる。発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚が発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚と比較して薄くなるのは、ターゲットから金属基材への成膜時にマスキング部材の端部が影になること、マスキング部材の端部が尖っているために磁場の影響を受けることなどが理由として挙げられる。なお、発電体挟持部となる領域の端部とは、発電体挟持部となる領域の末端部、すなわち、発電体挟持部となる領域における中間部となる領域との境目部分であり、発電体挟持部となる領域においてチタン層の膜厚が一番薄くなる部分である。発電体挟持部となる領域の端部から発電体挟持部となる領域の中心部に向かって約3mm(この値は、アンバランスドマグネトロンスパッタ法におけるバイアス電圧に依存し、バイアス電圧が高いほど短くなる傾向があり、本発明におけるバイアス電圧では約3mmになる)までの間は、膜厚が徐々に厚くなっていき、すなわち、チタン層の膜厚は、傾斜(遷移)しており、発電体挟持部となる領域において発電体挟持部となる領域の端部から発電体挟持部となる領域の中心部に向かって約3mmの位置から内側の領域である発電体挟持部の中央部は、発電体挟持部となる領域においてチタン層の膜厚が一番厚くなる部分である。 By forming a titanium film by unbalanced magnetron sputtering on the surface of the metal base material with the masking member masking the area other than the region that will become the power generator clamping part, titanium is removed in the center of the region that will become the power generator clamping part. The film thickness of the layer and the thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generating body clamping part have different values, and the film thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generating body clamping part is thinner. . The reason why the thickness of the titanium layer at the edge of the area that will become the power generating body clamping part is thinner than that of the titanium layer at the center of the area that will become the power generating body clamping part is due to the growth from the target to the metal base material. Reasons include that the end of the masking member casts a shadow when forming a film, and that the end of the masking member is sharp and is therefore affected by the magnetic field. Note that the end of the region that becomes the power generating body clamping part is the end of the region that becomes the power generating body clamping part, that is, the boundary between the region that becomes the power generating body clamping part and the middle part, and This is the area where the titanium layer is the thinnest in the area that will become the sandwiching part. Approximately 3 mm from the edge of the area that will become the power generating body clamping part to the center of the area that will become the power generating body clamping part (this value depends on the bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method, and the higher the bias voltage, the shorter the distance. The thickness of the titanium layer gradually increases until it reaches approximately 3 mm at the bias voltage of the present invention.In other words, the thickness of the titanium layer has a gradient (transition), and the thickness of the titanium layer gradually increases. The central part of the power generating body clamping part, which is the inner region from the end of the power generating body clamping part to the center of the power generating body clamping part in the region that becomes the power generating body clamping part, This is the area where the titanium layer is the thickest in the area that will become the body holding part.
アンバランスドマグネトロンスパッタ法は、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚が、76nm以上になるまで実施される。 The unbalanced magnetron sputtering method is performed until the thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generating body sandwiching portion becomes 76 nm or more.
アンバランスドマグネトロンスパッタ法におけるバイアス電圧を前記範囲にすることにより、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚の発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚に対する比(発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚/発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚)を0.38以上に調整することができる。また、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を、発電体挟持部となる領域の端部、すなわち発電体挟持部となる領域における一番薄い部分のチタン層の膜厚が前記範囲になるまで実施することにより、燃料電池用セパレータ全体の耐食性を向上させることができる。なお、耐食性は、鉄溶出性試験などにより確認することができる。 By setting the bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method to the above range, the thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generation body sandwiching portion will be changed to the thickness of the titanium layer at the center of the region that will be the power generation body sandwiching portion. (thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generating body clamping part/thickness of the titanium layer at the center of the region that will become the power generating body clamping part) can be adjusted to 0.38 or more. In addition, by performing the unbalanced magnetron sputtering method until the thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generating body clamping part, that is, the thinnest part in the region that will become the power generating body clamping part, falls within the above range. , the corrosion resistance of the entire fuel cell separator can be improved. Note that the corrosion resistance can be confirmed by an iron elution test or the like.
さらに、アンバランスドマグネトロンスパッタ法におけるバイアス電圧を前記範囲にし、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚を前記範囲になるまで実施することにより、発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚を、通常200nm以上、好ましくは200nm~500nmに調整することができる。発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚が前記範囲に調整されることによって、燃料電池用セパレータの耐食性が確保される。 Furthermore, by setting the bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method to the above range and performing the unbalanced magnetron sputtering method until the film thickness of the titanium layer at the end of the region that becomes the power generating body sandwiching part falls within the above range, The thickness of the titanium layer at the center of the region that will become the power generating body clamping portion can be adjusted to usually 200 nm or more, preferably 200 nm to 500 nm. Corrosion resistance of the fuel cell separator is ensured by adjusting the thickness of the titanium layer in the central part of the region that will become the power generating body clamping part to be within the above range.
なお、アンバランスドマグネトロンスパッタ法では、プラズマの回り込みによって、マスキング部材下の金属基材、すなわち中間部となる領域及びシール部材配設部となる領域の表面上にもチタン層が成膜される。プラズマの回り込みの量によって、チタン層の膜厚が変化し、チタン層の膜厚は、中間部となる領域>シール部材配設部となる領域となる。中間部となる領域及びシール部材配設部となる領域のチタン層は、セパレータの耐食性に影響を及ぼさないため、膜厚は限定されない。 In addition, in the unbalanced magnetron sputtering method, a titanium layer is also formed on the surface of the metal base material under the masking member, that is, the area that will be the intermediate part and the area where the sealing member is provided, due to the wraparound of the plasma. . The thickness of the titanium layer changes depending on the amount of plasma wraparound, and the thickness of the titanium layer is such that the region that is the intermediate portion is greater than the region that is the sealing member disposed portion. The thickness of the titanium layer in the region serving as the intermediate portion and the region serving as the sealing member placement portion is not limited because it does not affect the corrosion resistance of the separator.
<工程4:金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程>
続いて、工程3においてマスキング部材により発電体挟持部となる領域以外の領域をマスクした金属基材表面上にチタン層が形成された金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する。
<Step 4: Step of forming a carbon layer by depositing carbon on the titanium layer of the metal base material>
Subsequently, in
カーボンの成膜は、PVDの1種であるフィルターレスアークイオンプレーティング(AIP)法を用いて実施する。 The carbon film is formed using filterless arc ion plating (AIP), which is a type of PVD.
ここで、フィルターレスアークイオンプレーティング法は、陽極と陰極を構成するターゲットとの間で生じさせたアーク放電によって生成したイオン化物質(ターゲットが蒸発し、イオン化したものであり、以下イオン化蒸発物質という)を、金属基材にバイアス電圧を印加することにより加速させ、金属基材上にイオン化蒸発物質を成膜する方法である。 Here, the filterless arc ion plating method uses ionized substances (targets are evaporated and ionized, hereinafter referred to as ionized evaporated substances) generated by arc discharge generated between the target constituting the anode and the cathode. ) is accelerated by applying a bias voltage to the metal base material, and an ionized evaporated substance is formed into a film on the metal base material.
フィルターレスアークイオンプレーティング法については、以下で説明するバイアス電圧の条件以外の条件、例えば、装置チャンバー内の初期真空度、金属基材表面のクリーニング条件(例えば、アルゴンボンバードメント処理の条件)、プラズマ生成用ガスの条件、成膜時間、成膜温度などは、当該技術分野で知られている条件(例えば、特許文献1を参照)を使用することができる。なお、成膜時間が長いほど膜厚が厚くなるため、成膜時間を調整することで、所望の膜厚を得ることができる。 Regarding the filterless arc ion plating method, conditions other than the bias voltage conditions described below, such as the initial degree of vacuum in the device chamber, cleaning conditions for the surface of the metal substrate (for example, conditions for argon bombardment treatment), Conditions known in the technical field (for example, see Patent Document 1) can be used for the plasma generation gas conditions, film formation time, film formation temperature, and the like. Note that the longer the film formation time, the thicker the film becomes, so a desired film thickness can be obtained by adjusting the film formation time.
なお、本発明におけるカーボン層の膜厚とは、対象となる部分のSEM又はTEM画像における断面観察結果より得られる測定3点平均値を意味する。 In addition, the film thickness of the carbon layer in the present invention means the average value of three measurement points obtained from the cross-sectional observation results in the SEM or TEM image of the target portion.
フィルターレスアークイオンプレーティング法におけるバイアス電圧は、-450V~-250V、好ましくは-350V~-250Vである。なお、フィルターレスアークイオンプレーティング法では、アンバランスドマグネトロンスパッタ法においてバイアス電圧としてマイナス(負)の電圧を印加する原理と同様に、プラスにイオン化したイオン化蒸発物質を加速させてチタン層を成膜した金属基材表面上に成膜するため、金属基材にはマイナス(負)の電圧を印加する。 The bias voltage in the filterless arc ion plating method is -450V to -250V, preferably -350V to -250V. In addition, in the filterless arc ion plating method, a titanium layer is formed by accelerating the positively ionized evaporated material, similar to the principle of applying a negative voltage as a bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method. In order to form a film on the surface of the metal base material, a negative voltage is applied to the metal base material.
マスキング部材により発電体挟持部となる領域以外の領域をマスクしたチタン層が成膜されている金属基材表面上に、フィルターレスアークイオンプレーティング法によりカーボンを成膜することにより、発電体挟持部となる領域の中央部におけるカーボン層の膜厚と、発電体挟持部となる領域の端部におけるカーボン層の膜厚は、異なるものになり、発電体挟持部となる領域の端部におけるカーボン層の膜厚の方が薄くなる。発電体挟持部となる領域の端部におけるカーボン層の膜厚が発電体挟持部となる領域の中央部におけるカーボン層の膜厚と比較して薄くなるのは、ターゲットから金属基材への成膜時にマスキング部材の端部が影になること、マスキング部材の端部が尖っているために磁場の影響を受けることなどが理由として挙げられる。なお、発電体挟持部となる領域の端部とは、発電体挟持部となる領域の末端部、すなわち、発電体挟持部となる領域における中間部となる領域との境目部分であり、発電体挟持部となる領域においてカーボン層の膜厚が一番薄くなる部分である。発電体挟持部となる領域の端部から発電体挟持部となる領域の中心部に向かって約3mm(この値は、フィルターレスアークイオンプレーティング法におけるバイアス電圧に依存し、バイアス電圧が高いほど短くなる傾向があり、本発明におけるバイアス電圧では約3mmになる)までの間は、膜厚が徐々に厚くなっていき、すなわち、カーボン層の膜厚は、傾斜しており、発電体挟持部となる領域において発電体挟持部となる領域の端部から発電体挟持部となる領域の中心部に向かって約3mmの位置から内側の領域である発電体挟持部の中央部は、発電体挟持部となる領域においてカーボン層の膜厚が一番厚くなる部分である。 By depositing a carbon film by filterless arc ion plating on the surface of the metal base material on which a titanium layer is formed, with the masking member masking the area other than the area that will become the power generating body clamping part, the power generating body can be clamped. The thickness of the carbon layer at the center of the area that will become the power generating body clamping part is different from the thickness of the carbon layer at the edge of the area that will become the power generating body clamping part. The thickness of the layer becomes thinner. The reason why the thickness of the carbon layer at the ends of the region that will become the power generating body clamping portion is thinner than the thickness of the carbon layer at the center of the region that will become the power generating body clamping portion is due to the transition from the target to the metal base material. Reasons include the fact that the end of the masking member casts a shadow when forming a film, and that the end of the masking member is sharp and is therefore affected by the magnetic field. Note that the end of the region that becomes the power generating body clamping part is the end of the region that becomes the power generating body clamping part, that is, the boundary between the region that becomes the power generating body clamping part and the middle part, and This is the part where the thickness of the carbon layer is the thinnest in the region that becomes the sandwiching part. Approximately 3 mm from the edge of the area that will become the power generation body clamping part toward the center of the area that will become the power generation body clamping part (this value depends on the bias voltage in the filterless arc ion plating method, and the higher the bias voltage, the more The thickness of the carbon layer gradually increases until it reaches approximately 3 mm at the bias voltage of the present invention. In other words, the thickness of the carbon layer is inclined, and In the area where the power generating body is held, the central part of the power generating body held part, which is the area about 3 mm inside from the end of the area that becomes the power generating body held part toward the center of the area that becomes the power generating body held part, is This is the region where the carbon layer is thickest.
さらに、フィルターレスアークイオンプレーティング法では、プラズマの回り込みによって、マスキング部材下の金属基材のチタン層上、すなわち中間部となる領域及びシール部材配設部となる領域のチタン層上にもカーボン層が成膜される。プラズマの回り込みの量によって、カーボン層の膜厚が変化し、カーボン層の膜厚は、中間部となる領域>シール部材配設部となる領域となる。 Furthermore, in the filterless arc ion plating method, due to the wraparound of the plasma, carbon is also deposited on the titanium layer of the metal base material below the masking member, that is, on the titanium layer in the intermediate region and the region where the sealing member is disposed. A layer is deposited. The thickness of the carbon layer changes depending on the amount of plasma wraparound, and the thickness of the carbon layer is such that the region that is the intermediate portion is greater than the region where the seal member is provided.
フィルターレスアークイオンプレーティング法は、シール部材配設部となる領域におけるカーボン層の膜厚、特にシール部材配設部となる領域の発電体挟持部となる領域側の端部、すなわち、シール部材配設部となる領域における中間部となる領域との境目部分のカーボン層の膜厚が、5nm以下、好ましくは3nm以下になるように実施される。なお、シール部材配設部となる領域におけるカーボン層の膜厚は、薄いほど好ましいため、下限値は設定されない。 In the filterless arc ion plating method, the film thickness of the carbon layer in the region where the seal member is disposed is determined, particularly at the end of the region where the seal member is disposed on the side of the region where the power generating body is held, that is, the seal member. This is carried out so that the thickness of the carbon layer at the boundary between the region to be the disposed portion and the region to be the intermediate portion is 5 nm or less, preferably 3 nm or less. Note that the thinner the thickness of the carbon layer in the region where the seal member is provided, the better, so no lower limit is set.
フィルターレスアークイオンプレーティング法におけるバイアス電圧を前記範囲にすることにより、発電体挟持部となる領域及びシール部材配設部となる領域におけるカーボン層の膜厚のバランスを適切に調整して、発電体挟持部となる領域の低接触抵抗と、シール部材配設部とシール部材との良好な接着性とを確保することができる。さらに、フィルターレスアークイオンプレーティング法におけるバイアス電圧を前記範囲にすることにより、より緻密な低接触抵抗であるカーボン層を成膜することができ、発電体挟持部においてより低い接触抵抗を確保することができる。カーボン層の結晶性は、例えばラマン分光分析、X線回折法などにより測定することができる。 By setting the bias voltage in the filterless arc ion plating method to the above range, the balance of the thickness of the carbon layer in the area where the power generating body is held and the area where the sealing member is placed can be adjusted appropriately, and power generation can be achieved. It is possible to ensure low contact resistance in the region serving as the body-clamping portion and good adhesiveness between the sealing member disposed portion and the sealing member. Furthermore, by setting the bias voltage in the filterless arc ion plating method to the above range, it is possible to form a denser carbon layer with low contact resistance, ensuring lower contact resistance at the power generating body sandwiching part. be able to. The crystallinity of the carbon layer can be measured, for example, by Raman spectroscopy, X-ray diffraction, or the like.
発電体挟持部となる領域の中央部におけるカーボン層の膜厚は、限定されないが、通常75nm以上である。発電体挟持部となる領域の中央部におけるカーボン層の膜厚を前記範囲になることによって、セパレータの低接触抵抗を確保することができる。 The thickness of the carbon layer at the center of the region that will become the power generating body clamping portion is not limited, but is usually 75 nm or more. By setting the thickness of the carbon layer at the central portion of the region that will become the power generating body holding portion within the above range, low contact resistance of the separator can be ensured.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、工程1~4は、連続して実施することができ、この場合、マスキング部材は、工程1~4の間で変更しない。
In the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention, steps 1 to 4 can be performed continuously, and in this case, the masking member is not changed between
以上において説明した本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によって得ることができる本発明の燃料電池用セパレータは、発電体を挟持する発電体挟持部と、当該発電体挟持部の外周に設けられ、発電体挟持部をシールするシール部材を配設するシール部材配設部と、を有する燃料電池用セパレータであって、金属基材と、金属基材表面上に成膜されているチタン層と、チタン層上に成膜されているカーボン層とを有し、発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚が、76nm以上、且つ発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚の0.38倍以上であり、シール部材配設部の発電体挟持部側の端部におけるカーボン層の膜厚が、5nm以下である燃料電池用セパレータである。なお、本発明の燃料電池用セパレータにおける特性は、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において説明した通りである。 The fuel cell separator of the present invention, which can be obtained by the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention described above, includes a power generating body holding part that holds a power generating body, and a power generating body holding part provided on the outer periphery of the power generating body holding part, A fuel cell separator comprising: a sealing member disposed portion for disposing a sealing member for sealing a power generating body clamping portion; a metal base material; a titanium layer formed on the surface of the metal base material; a carbon layer formed on a titanium layer, the thickness of the titanium layer at the end of the power generating body holding part is 76 nm or more, and the thickness of the titanium layer at the center part of the power generating body holding part is 0. .38 times or more, and the thickness of the carbon layer at the end of the seal member disposed portion on the side of the power generating body holding portion is 5 nm or less. The characteristics of the fuel cell separator of the present invention are as described in the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention.
本発明における燃料電池用セパレータは、燃料電池セル(単セル)の構成要素であり、膜電極接合体(電解質膜、該電解質膜の両面に配置されるアノード及びカソードの電極層)の両面に配置される。 The fuel cell separator in the present invention is a component of a fuel cell (single cell), and is arranged on both sides of a membrane electrode assembly (electrolyte membrane, anode and cathode electrode layers arranged on both sides of the electrolyte membrane). be done.
本発明における燃料電池用セパレータは、当該技術分野において公知の燃料電池セルの構成要素、例えば膜電極接合体、シール部材などと例えば接着剤により接着されて、燃料電池セルが製造される。 The fuel cell separator of the present invention is adhered to fuel cell components known in the technical field, such as membrane electrode assemblies, seal members, etc., using an adhesive, to produce a fuel cell.
本発明における燃料電池用セパレータを用いて製造された燃料電池セルは、固体高分子形燃料電池などの各種電気化学デバイスにおいて使用することができる。 A fuel cell manufactured using the fuel cell separator of the present invention can be used in various electrochemical devices such as polymer electrolyte fuel cells.
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to what is shown in these examples.
I.燃料電池用セパレータの製造
以下の手順にしたがって、燃料電池用セパレータを製造した。
I. Manufacture of fuel cell separator A fuel cell separator was manufactured according to the following procedure.
1.金属基材を準備する工程
金属基材としてSUS304製のセパレータプレス品を準備した。図1にSUS304製のセパレータプレス品の模式図を示す。
1. Step of preparing a metal base material A press separator made of SUS304 was prepared as a metal base material. FIG. 1 shows a schematic diagram of a pressed separator made of SUS304.
2.金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けてマスキング部材を配置する工程
1の工程で準備したSUS304製のセパレータプレス品を、発電体挟持部となる領域以外の領域がマスキングされるように、マスキング部材としてのマスク治具に、金属基材とマスキング部材との間に0.5mmの間隙を設けて配置した。図2にマスク治具の模式図を示す。図3にSUS304製のセパレータプレス品をマスク治具に取り付けた状態の模式図を示す。図4に図3の模式図におけるA-A’断面の模式図を示す。
2. A step of arranging a masking member with a gap between the metal base material and the area other than the area that will become the power generation body clamping part. A mask jig serving as a masking member was placed with a gap of 0.5 mm between the metal base material and the masking member so that areas other than the area were masked. Figure 2 shows a schematic diagram of the mask jig. FIG. 3 shows a schematic diagram of a separator pressed product made of SUS304 attached to a mask jig. FIG. 4 shows a schematic diagram of the AA' cross section in the schematic diagram of FIG. 3.
3.金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する工程
2の工程で準備したマスク治具を取り付けたセパレータプレス品を、バッチ式のPVD処理装置に導入した。続いて、試料室を0.1Paまで真空引きし、ヒータを使用して150℃まで加熱した。Ar流量120sccm、バイアス電圧-200Vでスパッタクリーニングを5分間実施した。
3. Step of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of a metal base material The separator press article to which the mask jig prepared in
マグネトロンスパッタ法(MS)、アンバランスドマグネトロンスパッタ法(UBMS)、又はフィルターレスアークイオンプレーティング法(AIP)を使用して、金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成した。真空度は、いずれの方法においても、0.3Paに調節した。また、各成膜方法では、発電体挟持部となる領域の中央部におけるチタン層の膜厚が200nmになるように処理時間を調整した。 A titanium layer was formed by depositing titanium on the surface of a metal substrate using magnetron sputtering (MS), unbalanced magnetron sputtering (UBMS), or filterless arc ion plating (AIP). . The degree of vacuum was adjusted to 0.3 Pa in both methods. Furthermore, in each film-forming method, the processing time was adjusted so that the thickness of the titanium layer at the center of the region serving as the power generating body sandwiching portion was 200 nm.
4.金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程
マグネトロンスパッタ法(MS)、又はフィルターレスアークイオンプレーティング法(AIP)を使用して、3の工程でチタン層を成膜した金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成した。真空度は、いずれの方法においても、0.3Paに調節した。また、各成膜方法では、発電体挟持部となる領域の中央部におけるカーボン層の膜厚が75nmになるように処理時間を調整した。
4. Step of forming a carbon layer by depositing carbon on the titanium layer of a metal base material. Using magnetron sputtering (MS) or filterless arc ion plating (AIP), the titanium layer is formed in
1~4までの工程完了後、試料を装置から取出し、マスク治具を取り外し、燃料電池用セパレータを得た。
After completing
II.燃料電池用セパレータの評価
得られた燃料電池用セパレータについて、各層の膜厚測定、接着性(シール性)評価、接触抵抗測定、耐食性測定を実施した。
II. Evaluation of fuel cell separator The obtained fuel cell separator was subjected to film thickness measurement of each layer, adhesiveness (sealability) evaluation, contact resistance measurement, and corrosion resistance measurement.
膜厚測定:所定の膜厚測定位置から試料を切り出し、SEM又はTEMの断面観察により膜厚を計測した。観察部では、3カ所の膜厚の平均値を膜厚として採用した。 Film thickness measurement: A sample was cut out from a predetermined film thickness measurement position, and the film thickness was measured by cross-sectional observation using SEM or TEM. In the observation section, the average value of the film thicknesses at three locations was adopted as the film thickness.
接着性(シール性)評価:カーボン層の膜厚が5nm以下であれば接着性を確保できることが判明していることから、シール部材配設部において一番カーボン層の膜厚が厚くなる中間部とシール部材配設部との境目部分のカーボン層膜厚測定を実施し、当該膜厚が5nm以下であればシール性が確保されていることを確認した。 Adhesiveness (sealability) evaluation: It is known that adhesiveness can be ensured if the thickness of the carbon layer is 5 nm or less, so the middle part where the carbon layer is thickest in the sealing member arrangement part. The thickness of the carbon layer was measured at the boundary between the carbon layer and the seal member disposed portion, and it was confirmed that sealing performance was ensured if the thickness was 5 nm or less.
接触抵抗測定:得られた燃料電池用セパレータから試験片(評価面積4cm×4cm)を切り出し、切り出した試験片について、電気化学セルを用いて、定電位試験(硫酸(pH3)、0.9V vs 標準水素電極、300時間試験)を実施し、定電位試験実施後の試験片について、ガス拡散層(GDL)との接触抵抗を4端子法にて測定することで評価した。図5に試験片切り出し位置を模式的に示す。接触抵抗は低いことが好ましい。
Contact resistance measurement: A test piece (
耐食性測定:接触抵抗測定における定電位試験後の試験片を浸漬させていた溶液中の鉄イオン濃度を測定することで評価した。鉄イオン濃度は低いことが好ましい。 Corrosion resistance measurement: Evaluated by measuring the iron ion concentration in the solution in which the test piece was immersed after a constant potential test in contact resistance measurement. Preferably, the iron ion concentration is low.
III.燃料電池用セパレータの評価結果
表1に結果を示す。表1では、調製した燃料電池用セパレータにおいて、膜厚測定による発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚(t(Ti2))が発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚(t(Ti1))の0.38倍~0.60倍であり、接着性(シール性)評価によるシール部材配設部において一番カーボン層の膜厚が厚くなる中間部とシール部材配設部との境目部分のカーボン層膜厚(t(C2))が5nm以下であり、接触抵抗測定による接触抵抗が6mΩ・cm2以下であり、耐食性測定による鉄イオン濃度が2.0×10-10mol/cm2/Hr以下であったものを実施例とし、前記評価において1つでも前記範囲から外れたものを比較例とした。
III. Evaluation results of fuel cell separators Table 1 shows the results. In Table 1, in the prepared fuel cell separator, the film thickness (t(Ti2)) of the titanium layer at the end of the power generating body clamping part as measured by film thickness measurement is the thickness of the titanium layer at the center of the power generating body clamping part (t(Ti2)). t(Ti1)), and is 0.38 to 0.60 times the middle part and the seal member arrangement part where the thickness of the carbon layer is the thickest in the seal member arrangement part according to the adhesiveness (sealability) evaluation. The thickness of the carbon layer (t(C2)) at the boundary with the carbon layer is 5 nm or less, the contact resistance measured by contact resistance measurement is 6 mΩ・cm 2 or less, and the iron ion concentration is 2.0 × 10 -10 by corrosion resistance measurement. Examples were those that were mol/cm 2 /Hr or less, and those that were out of the range in at least one of the evaluations were considered comparative examples.
発電体挟持部と当該発電体挟持部の外周に設けられるシール部材配設部との間の中間部は6mmであった。 The intermediate portion between the power generating body clamping part and the seal member disposed part provided on the outer periphery of the power generating body clamping part was 6 mm.
図6に、図5の模式図におけるB-B’断面のチタン層膜厚及びカーボン層膜厚の移り変わりを模式的に示す。
(チタン成膜条件)
図7に、チタン成膜におけるバイアス電圧と、発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚(t(Ti2))の発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚(t(Ti1))に対する比(t(Ti2)/t(Ti1))及び鉄溶出量との関係を示す。表1、図6及び図7より、バイアス電圧が低いほど、発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚(t(Ti2))の降下量は小さいことがわかった。一方で、バイアス電圧が-50Vより高くなるとt(Ti2)の降下量が急に大きくなり、発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚(t(Ti1))の1/3未満になることがわかった。このようなバイアス電圧が-50Vより高くなる条件下で得られた膜厚を有する燃料電池用セパレータでは、耐食性測定において鉄溶出量が増加することがわかり、MEAに悪影響を与える耐食性の低下となることがわかった。したがって、チタン成膜条件において、バイアス電圧は-50V以下が必要であることがわかった。
FIG. 6 schematically shows changes in the thickness of the titanium layer and the thickness of the carbon layer in the BB' cross section in the schematic diagram of FIG.
(Titanium film formation conditions)
Figure 7 shows the bias voltage during titanium film formation, the thickness of the titanium layer at the end of the power generating body clamping part (t(Ti2)), and the thickness of the titanium layer at the center of the power generating body clamping part (t(Ti1)). ) and the relationship between the ratio (t(Ti2)/t(Ti1)) and the amount of iron eluted. From Table 1, FIG. 6, and FIG. 7, it was found that the lower the bias voltage, the smaller the amount of drop in the film thickness (t(Ti2)) of the titanium layer at the end of the power generator sandwiching portion. On the other hand, when the bias voltage becomes higher than -50V, the amount of drop in t(Ti2) suddenly increases and becomes less than 1/3 of the thickness of the titanium layer (t(Ti1)) at the center of the power generator sandwiching part. I understand. In a fuel cell separator with a film thickness obtained under such conditions where the bias voltage is higher than -50V, it was found that the amount of iron eluted increases in corrosion resistance measurements, which results in a decrease in corrosion resistance that has a negative impact on the MEA. I understand. Therefore, it was found that under the titanium film forming conditions, the bias voltage needs to be -50V or less.
また、耐食性の向上は全体のチタン膜厚を増加させることで可能であるが、表面処理時間が大幅に長くなるためコスト高となってしまう。したがって、発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚(t(Ti2))は、発電体挟持部の中央部におけるチタン層の膜厚(t(Ti1))の0.38倍~0.60倍が好ましいことがわかった。 Further, although corrosion resistance can be improved by increasing the overall titanium film thickness, the surface treatment time becomes significantly longer, resulting in higher costs. Therefore, the thickness (t(Ti2)) of the titanium layer at the end of the power generating body clamping part is 0.38 to 0.38 times the thickness (t(Ti1)) of the titanium layer at the center of the power generating body clamping part. It was found that 60 times is preferable.
さらに、バイアス電圧は、低いほど特性がよいが、-350V未満では成膜速度の低下を招くため、-350V以上が好ましく、-250V以上がより好ましいことがわかった。 Further, it has been found that although the lower the bias voltage is, the better the characteristics are, but if it is less than -350V, the film formation rate decreases, so it is preferably -350V or more, and more preferably -250V or more.
加えて、チタンをAIPにて成膜する場合は、膜表面にドロップレットが発生し、優れた耐食性を得ることができなかった。したがって、チタン成膜方法はUBMSが好ましいことがわかった。 In addition, when a titanium film is formed by AIP, droplets are generated on the film surface, making it impossible to obtain excellent corrosion resistance. Therefore, it was found that UBMS is preferable as the titanium film forming method.
(カーボン成膜条件)
図8に、カーボン成膜におけるバイアス電圧と、接触抵抗及びシール部材配設部において一番カーボン層の膜厚が厚くなる中間部とシール部材配設部との境目部分のカーボン層膜厚(t(C2))との関係を示す。表1、図6及び図8より、カーボンのマスク下への回り込み量(=膜厚t(C2))は、バイアス電圧が低いほど大きくなり、バイアス電圧が-450Vより低い場合には、t(C2)は5nm以上となり、シール性がNGとなってしまうことがわかった。
(Carbon film formation conditions)
Figure 8 shows the bias voltage during carbon film formation, the contact resistance, and the carbon layer thickness (t (C2)). From Table 1, FIG. 6, and FIG. 8, the amount of carbon that wraps under the mask (=film thickness t(C2)) increases as the bias voltage decreases, and when the bias voltage is lower than -450V, t( It was found that C2) was 5 nm or more, and the sealing performance was NG.
一方で、定電位試験後の接触抵抗はバイアス電圧が低いほど優れていることがわかった。つまり、カーボン層の成膜時におけるバイアス電圧が低いほど、より緻密な低接触抵抗であるカーボン層を成膜することができることがわかった。 On the other hand, it was found that the lower the bias voltage, the better the contact resistance after the constant potential test. In other words, it was found that the lower the bias voltage during film formation of the carbon layer, the more dense the carbon layer with low contact resistance could be formed.
したがって、接着性(シール性)と接触抵抗を両立できる範囲は、-450V~-250Vであることがわかった。 Therefore, it was found that the range in which both adhesion (sealability) and contact resistance can be achieved is -450V to -250V.
表2に、比較例1~7及び実施例1~6における評価結果をまとめる。表2では、特性が良好である場合には○を示し、特性が悪い場合には×を示している。さらに、表3にチタン成膜条件及びカーボン成膜条件の好ましい成膜方法及びバイアス電圧をまとめる。 Table 2 summarizes the evaluation results for Comparative Examples 1 to 7 and Examples 1 to 6. In Table 2, when the characteristics are good, ◯ is shown, and when the characteristics are bad, it is shown x. Further, Table 3 summarizes preferred film forming methods and bias voltages for titanium film forming conditions and carbon film forming conditions.
なお、中間部において、発電体挟持部とシール部材配設部の間の最短距離を長くすることで、t(C2)を5nm以下にすることは可能であるが、燃料電池用セパレータ自体が大きくなってしまうため、部品コスト、部品搭載性を考慮すると好ましくない。 Note that it is possible to reduce t(C2) to 5 nm or less by increasing the shortest distance between the power generator holding part and the sealing member installation part in the intermediate part, but the fuel cell separator itself is large. This is not preferable in terms of component cost and component mountability.
また、さらに小さな鉄溶出量を要求されるセパレータにおいては、発電体挟持部の端部におけるチタン層の膜厚(t(Ti2))に、より厚いチタン膜厚が必要となる場合がある。その場合には、マスク窓を成膜範囲、すなわち発電体挟持部となる領域よりわずかに大きく作ることで対応可能である。その場合のチタン及びカーボン成膜条件の選定の考え方も、本発明の考え方に基づき選定可能である。 In addition, in a separator that requires a smaller amount of iron to be eluted, a thicker titanium layer (t(Ti2)) may be required at the end of the power generating body clamping portion. In that case, it is possible to cope with this by making the mask window slightly larger than the film forming area, that is, the area that will become the power generating body clamping part. The selection of titanium and carbon film forming conditions in that case can also be selected based on the idea of the present invention.
1:発電体挟持部となる領域
2:シール部材配設部となる領域
3:中間部となる領域
4:マスク治具
5:発電体挟持部となる領域と同形状の空洞
6:セパレータプレス品
7:発電体挟持部
8:シール部材配設部
9:中間部
10:接触抵抗及び耐食性試験用試験片切り出し位置(評価面積4cm×4cm)
1: Region to be the power generating body clamping part 2: Region to be the sealing member arrangement part 3: Region to be the intermediate part 4: Mask jig 5: Cavity having the same shape as the region to be the power generating body clamping part 6: Separator press product 7: Power generating body holding part 8: Seal member arrangement part 9: Intermediate part 10: Test piece cutting position for contact resistance and corrosion resistance test (
Claims (3)
金属基材を準備する工程と、
金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域に、金属基材と間隙を設けてマスキング部材を配置する工程と、
金属基材表面上にチタンを成膜してチタン層を形成する工程であって、
チタンの成膜が、アンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いて、-50V以下のバイアス電圧下、発電体挟持部となる領域の端部におけるチタン層の膜厚が、76nm以上になるまで実施される工程と、
金属基材のチタン層上にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程であって、
カーボンの成膜が、フィルターレスアークイオンプレーティング法を用いて、-450V~-250Vのバイアス電圧下、シール部材配設部となる領域の発電体挟持部となる領域側の端部におけるカーボン層の膜厚が、5nm以下になるように実施される工程と
を含む、燃料電池用セパレータの製造方法。 Manufacture of a fuel cell separator having a power generating body clamping part that clamps a power generating body, and a sealing member disposing part provided on the outer periphery of the power generating body clamping part and arranging a sealing member for sealing the power generating body clamping part. A method,
a step of preparing a metal substrate;
arranging a masking member with a gap between the metal base material and the metal base material in an area other than the area that will become the power generating body holding part;
A process of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of a metal base material,
Titanium film formation is carried out using an unbalanced magnetron sputtering method under a bias voltage of -50 V or less until the film thickness of the titanium layer at the end of the region that will become the power generator sandwiching part becomes 76 nm or more. process and
A process of forming a carbon layer by depositing carbon on a titanium layer of a metal base material,
A carbon film is formed using a filterless arc ion plating method under a bias voltage of -450V to -250V to form a carbon layer at the end of the area that will become the power generator clamping part of the area where the sealing member is provided. A method for producing a fuel cell separator, the method comprising: carrying out the step such that the film thickness of the separator is 5 nm or less.
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