JP7632192B2 - Fuel cell separators - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell.
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とを有する。 A fuel cell has a stack structure in which a certain number of single cells that generate electromotive force by the reaction of fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (oxygen) are stacked. A single cell has a membrane electrode assembly with anode and cathode electrode layers (catalyst layer and 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。 Fuel cell separators function to electrically connect single cells in series and also function as partitions that isolate fuel gas, oxidant gas, and cooling water from each other.
このような燃料電池用セパレータ及び当該セパレータを有する燃料電池セルについて、様々な研究が行われている。 Various research projects are being conducted on fuel cell separators and fuel cell cells that use such separators.
例えば、特許文献1には、燃料電池用のセパレータであって、Ti(チタン)製の基材と、前記基材の表面に形成されたTiOx層と、炭素を含む層であって、前記TiOx層の少なくとも一部の表面に配置され、前記TiOx層の割れの発生を抑制し、導電性を有する層と、を備える、セパレータが開示されている。
For example,
特許文献2には、セパレータを有する燃料電池セルであって、前記セパレータが、NC処理されている表面を有し、前記セパレータの周縁部が、前記セパレータの内側部より多い量のカーボンブラックを有し、前記周縁部の少なくとも一部が、極性基を有する樹脂と接着されている燃料電池セルが開示されている。
特許文献3には、ステンレス製又は鉄製の基材、前記基材表面上のチタン層、及び前記チタン層表面上の導電性粒子と酸化チタンとの混合層を含むセパレータ材からなるセパレータが開示されている。
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, a reactant gas flow path for flowing reactant gas within a single cell is formed on one side of a fuel cell separator, and a cooling medium flow path for flowing a cooling medium within the single cell is formed on the other side. In addition, a reactant gas manifold opening that functions as an inlet and outlet for the reactant gas, and a cooling medium manifold opening that functions as an inlet and outlet for the cooling medium flow path are formed on the periphery of the fuel cell separator. Furthermore, sealing members are provided around the reactant gas flow path, the cooling medium flow path, the reactant gas manifold opening, and the cooling medium manifold opening as appropriate to prevent leakage of each fluid.
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 components, such as resin sheets or gaskets that serve as sealing members to prevent leakage of fluids, such as reactive gases H2 and O2 , and cooling water, which serves as a cooling medium. Therefore, the adhesion and sealing reliability between the fuel cell separator and other components, such as adhesives used to bond the separator to sealing members, are important factors in determining 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、すなわち高い導電性であること、さらに、耐食性を有することが要求される。 In addition, the power generating element clamping portion of the fuel cell separator that clamps the power generating element is required to have low contact resistance, i.e., high electrical conductivity, to conduct the electricity generated by the power generating element, and also to be corrosion resistant.
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 these characteristics to fuel cell separators, a carbon layer/titanium layer is formed by physical vapor deposition (PVD) in an area including the power generator clamping portion that clamps the power generator in the fuel cell separator, with a mask covering the rest of the area. The corrosion resistance of the fuel cell separator is ensured by the titanium layer, and the low contact resistance of 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セパレータの各部分に応じた各層の特性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は明らかになっていない。 However, while conventional technology mentions the characteristics of each carbon/titanium layer, there is nothing that specifies the characteristics of each layer for each part of the separator in order to create a product with excellent productivity, and a fuel cell separator that can be manufactured at low cost while retaining excellent characteristics has not yet been revealed.
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、低コストの燃料電池用セパレータを提供することを課題とする。 The present invention therefore aims to provide a low-cost fuel cell separator that has sufficient corrosion resistance throughout the separator, low contact resistance in the power generator clamping section, and improved adhesion to the seal member in the seal member placement section (i.e., adhesion between the seal member placement section and the adhesive used to bond the seal member).
(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及び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は、優れた耐食性が求められるため、チタン層が必要とされる。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チタン層を設けることによって、燃料電池用セパレータ全体に耐食性を過不足なく付与することができる。
(Corrosion resistance)
The power generator clamping portion of the fuel cell separator, which clamps the power generator, and the seal member arrangement portion, which is provided on the outer periphery of the power generator clamping portion and in which a seal member is arranged to seal the power generator clamping portion, require a titanium layer because excellent corrosion resistance is required. Therefore, by providing a titanium layer on each of the power generator clamping portion and the seal member arrangement portion, it is possible to impart just the right amount of corrosion resistance to the entire fuel cell separator.
(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、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、発電体挟持部と同じように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、発電体挟持部についてはカーボン層を設ける一方でシール部材配設部にはカーボン層を設けないことによって、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 sealing reliability)
In fuel cell separators, the power generator sandwiching portion that sandwiches the power generator requires low contact resistance, and therefore a carbon layer is necessary. On the other hand, in the seal member disposition portion that is provided on the outer periphery of the power generator sandwiching portion and that disposes a seal member that seals the power generator sandwiching portion, if a carbon layer is present in the same manner as in the power generator sandwiching portion, adhesion to the seal member and sealing reliability will decrease. Therefore, in fuel cell separators, by providing a carbon layer in the power generator sandwiching portion but not providing a carbon layer in the seal member disposition portion, it is possible to provide the right amount of low contact resistance, adhesion, and sealing reliability according to the requirements of each portion.
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を、発電体挟持部及びシール部材配設部となる領域にチタン層を形成し、続いて、チタン層を形成した発電体挟持部となる領域にカーボン層を形成することによって製造することで、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、すなわち高い導電性を有し、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。 The inventors have investigated various means for solving the above problems, and have found that a fuel cell separator having a power generator clamping portion that clamps a power generator and a seal member arrangement portion that is provided on the outer periphery of the power generator clamping portion and that has a seal member that seals the power generator clamping portion can be manufactured by forming a titanium layer in the area that will become the power generator clamping portion and the seal member arrangement portion, and then forming a carbon layer in the area that will become the power generator clamping portion where the titanium layer is formed, thereby making it possible to manufacture at low cost a fuel cell separator that has sufficient corrosion resistance throughout the separator, low contact resistance, i.e., high conductivity, in the power generator clamping portion, and improved adhesion to the seal member in the seal member arrangement portion, and thus 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であって、
発電体挟持部が、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備え、
シール部材配設部が、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を備え、
シール部材配設部では、チタン層が表面に露出している
燃料電池用セパレータ。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A fuel cell separator having a power generating unit clamping portion that clamps a power generating unit, and a seal member disposition portion that is provided on an outer periphery of the power generating unit clamping portion and that disposes a seal member that seals the power generating unit clamping portion,
the power generating body holding portion includes a metal substrate, a titanium layer formed on a surface of the metal substrate, and a carbon layer formed on the titanium layer;
the seal member disposition portion includes a metal substrate and a titanium layer formed on a surface of the metal substrate;
A fuel cell separator, in which a titanium layer is exposed on the surface at a portion where a seal member is to be disposed.
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、低コストの燃料電池用セパレータが提供される。 The present invention provides a low-cost fuel cell separator that has sufficient corrosion resistance throughout the separator, low contact resistance in the power generator clamping area, and improved adhesion to the seal member in the seal member placement area.
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 now be described in detail.
In this specification, the features of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings, the dimensions and shapes of each part are exaggerated for clarity, and the actual dimensions and shapes are not accurately depicted. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the dimensions and shapes of each part shown in these drawings. Note that the fuel cell separator of the present invention is not limited to the following embodiments, and can be embodied in various forms with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art, without departing from the gist of the present invention.
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であって、発電体挟持部が、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備え、シール部材配設部が、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を備え、シール部材配設部では、チタン層が表面に露出している燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator having a power generator clamping section that clamps a power generator and a seal member arrangement section that is provided on the outer periphery of the power generator clamping section and that arranges a seal member that seals the power generator clamping section, in which the power generator clamping section includes a metal substrate, a titanium layer formed on the surface of the metal substrate, and a carbon layer formed on the titanium layer, and the seal member arrangement section includes a metal substrate and a titanium layer formed on the surface of the metal substrate, and in the seal member arrangement section, the titanium layer is exposed on the surface.
本発明において、金属基材は、当該技術分野において公知の金属基材であり、例えば、限定されないが、金属(合金含む)、例えばステンレス(SUS:鉄、クロム、ニッケルの合金)などである。金属基材は、ステンレス、例えばSUS304が好ましい。 In the present invention, the metal substrate is a metal substrate known in the art, such as, but not limited to, a metal (including an alloy), for example, stainless steel (SUS: an alloy of iron, chromium, and nickel). The metal substrate is preferably stainless steel, for example, SUS304.
燃料電池用セパレータの金属基材としてステンレスを選択することで、原料コストを抑えることができる。 By choosing stainless steel as the metal substrate for fuel cell separators, raw material costs can be reduced.
金属基材の厚さは、限定されないが、通常0.05mm~0.2mm、好ましくは0.08mm~0.12mmである。 The thickness of the metal substrate is not limited, but is usually 0.05 mm to 0.2 mm, preferably 0.08 mm to 0.12 mm.
金属基材の厚さが前記範囲であることで、原料コストを抑えることができる。 By keeping the thickness of the metal substrate within the above range, raw material costs can be reduced.
金属基材は、通常、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を送達するための凹凸形状を有する。金属基材の凹凸形状における凹凸の差は、金属基材の厚さを除いて、通常10μm~500μmである。なお、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、金属基材に成膜されているチタン層及びカーボン層の厚さは、金属基材の厚さと比較して薄いため、燃料電池用セパレータの形状は、金属基材の凹凸形状に依存する。 The metal substrate usually has an uneven shape for delivering fluids such as reaction gases H2 and O2 and cooling water as a cooling medium. The difference between the unevenness of the uneven shape of the metal substrate is usually 10 μm to 500 μm, excluding the thickness of the metal substrate. In the fuel cell separator of the present invention, the thicknesses of the titanium layer and the carbon layer formed on the metal substrate are thinner than the thickness of the metal substrate, so the shape of the fuel cell separator depends on the uneven shape of the metal substrate.
発電体挟持部及びシール部材配設部の金属基材表面上に成膜されているチタン層の厚さは、限定されないが、平均厚さで、通常50nm~1000nm、好ましくは50nm~500nmである。チタン層の平均厚さは、例えば断面TEM観察により測定することができる。 The thickness of the titanium layer formed on the surface of the metal substrate in the power generator clamping portion and the sealing member arrangement portion is not limited, but is usually 50 nm to 1000 nm, preferably 50 nm to 500 nm, in average thickness. The average thickness of the titanium layer can be measured, for example, by cross-sectional TEM observation.
チタン層の厚さの上限を前記の通りにすることで、チタン使用量の削減効果を得ることができると共に、チタン層成膜により生じる膜応力が大きくなりすぎることを防止し、チタン層へのクラックの発生や、チタン層を積層させた基材、例えばチタン層を積層させたステンレス基材の変形などを抑制することができる。 By setting the upper limit of the thickness of the titanium layer as described above, it is possible to reduce the amount of titanium used, and it is also possible to prevent the film stress caused by the deposition of the titanium layer from becoming too large, thereby suppressing the occurrence of cracks in the titanium layer and deformation of the substrate on which the titanium layer is laminated, such as a stainless steel substrate on which a titanium layer is laminated.
チタン層の厚さの下限を前記の通りにすることで、十分な耐食性を確保することができる。 By setting the lower limit of the thickness of the titanium layer as described above, sufficient corrosion resistance can be ensured.
本発明におけるチタン層では、セパレータ表面のX線回折分析におけるチタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対する(100)面の割合(配向比率)は、通常16.9%以上、好ましくは20.0%以上であり得る。 In the titanium layer of the present invention, the ratio (orientation ratio) of the (100) plane to the sum of the peak intensities of the (100) plane, (002) plane, and (101) plane derived from titanium in an X-ray diffraction analysis of the separator surface, divided by their relative intensities, is usually 16.9% or more, and preferably 20.0% or more.
ここで、セパレータ表面のX線回折分析の測定方法としては、従来の測定方法を使用することができる。したがって、セパレータ表面のX線回折分析の測定方法では、測定対象となるセパレータ表面は、X線回折分析の測定に適した部分(曲率を有さない部分、例えば平面部分、あるいは、曲率を有さない方向)である。 Here, conventional measurement methods can be used as the measurement method for the X-ray diffraction analysis of the separator surface. Therefore, in the measurement method for the X-ray diffraction analysis of the separator surface, the separator surface to be measured is a portion suitable for measurement by X-ray diffraction analysis (a portion without curvature, for example a flat portion, or a direction without curvature).
例えば、測定対象となるセパレータが流路形状を有する場合、入射X線は、回折X線がセパレータ流路の曲率に関する情報を含まないように、セパレータに入射される。一例として、図1に、流路形状を有するセパレータ表面のX線回折分析の測定方法における、A)適切な例、及びB)不適切な例を示す。なお、図1において、Sは、セパレータ流路形状断面を示す。図1のA)では、X線はy軸方向(流路方向と垂直の方向)でセパレータの凸部分(トップ部分)に入射され、入射されたX線は、セパレータにおいてy軸方向へと回折される。図1のA)の場合、入射X線は、セパレータの凸部分において流路方向と垂直の方向に入射されているので、得られる回折X線はセパレータの流路形状に基づく曲率の影響を含まない。一方で、図1のB)では、X線はx軸方向(流路方向と平行の方向)でセパレータの凸部分(トップ部分)に入射され、入射されたX線は、セパレータにおいてx軸方向へと回折される。図1のB)の場合、入射X線は、セパレータの凸部分において流路方向と平行の方向に入射されているので、得られる回折X線はセパレータの流路形状に基づく曲率の影響を含み得る。したがって、本発明におけるセパレータ表面のX線回折分析の測定方法では、セパレータが流路形状を有する場合、図1のA)による測定方法を使用する。 For example, when the separator to be measured has a flow path shape, the incident X-rays are incident on the separator so that the diffracted X-rays do not contain information about the curvature of the separator flow path. As an example, FIG. 1 shows A) an appropriate example and B) an inappropriate example of a measurement method for X-ray diffraction analysis of a separator surface having a flow path shape. In FIG. 1, S indicates a separator flow path shape cross section. In FIG. 1A, the X-rays are incident on the convex portion (top portion) of the separator in the y-axis direction (direction perpendicular to the flow path direction), and the incident X-rays are diffracted in the y-axis direction at the separator. In the case of FIG. 1A, the incident X-rays are incident on the convex portion of the separator in a direction perpendicular to the flow path direction, so the obtained diffracted X-rays do not include the influence of the curvature based on the separator flow path shape. On the other hand, in FIG. 1B, the X-rays are incident on the convex portion (top portion) of the separator in the x-axis direction (direction parallel to the flow path direction), and the incident X-rays are diffracted in the x-axis direction at the separator. In the case of B) in FIG. 1, the incident X-rays are incident on the convex part of the separator in a direction parallel to the flow path direction, so the obtained diffracted X-rays may include the influence of the curvature based on the separator's flow path shape. Therefore, in the measurement method of X-ray diffraction analysis of the separator surface in this invention, when the separator has a flow path shape, the measurement method shown in A) in FIG. 1 is used.
チタンに由来する各格子面の相対強度は、理論回折強度(回折強度の理論値)を意味し、チタンの結晶構造から計算可能である一般的な理論値である。つまり、チタンに由来する(100)面の相対強度は、X線を(100)面に照射したときに理論的に得られる回折強度であり、チタンに由来する(002)面の相対強度は、X線を(002)面に照射したときに理論的に得られる回折強度であり、チタンに由来する(101)面の相対強度は、X線を(101)面に照射したときに理論的に得られる回折強度である。ここで、各格子面に照射するX線は、同じX線である。したがって、チタンに由来する各格子面の相対強度は、同じX線を各格子面に照射したときに得られる、各格子面の理論回折強度の比(すなわち、(100)面の理論回折強度:(002)面の理論回折強度:(101)面の理論回折強度)として表現することもできる。なお、チタンに由来する各格子面の相対強度は、同じX線を照射したときの理論回折強度であるため、XRDが同じX線を使用して測定される限り、使用するXRD装置、X線の種類には基本的に依存しない固有値である。 The relative intensity of each lattice plane derived from titanium means the theoretical diffraction intensity (theoretical value of diffraction intensity), and is a general theoretical value that can be calculated from the crystal structure of titanium. In other words, the relative intensity of the (100) plane derived from titanium is the diffraction intensity theoretically obtained when X-rays are irradiated to the (100) plane, the relative intensity of the (002) plane derived from titanium is the diffraction intensity theoretically obtained when X-rays are irradiated to the (002) plane, and the relative intensity of the (101) plane derived from titanium is the diffraction intensity theoretically obtained when X-rays are irradiated to the (101) plane. Here, the X-rays irradiated to each lattice plane are the same X-rays. Therefore, the relative intensity of each lattice plane derived from titanium can also be expressed as the ratio of the theoretical diffraction intensity of each lattice plane obtained when the same X-rays are irradiated to each lattice plane (i.e., the theoretical diffraction intensity of the (100) plane: the theoretical diffraction intensity of the (002) plane: the theoretical diffraction intensity of the (101) plane). The relative intensity of each lattice plane originating from titanium is the theoretical diffraction intensity when the same X-ray is irradiated, and is therefore a characteristic value that is basically independent of the XRD device or type of X-ray used, as long as the XRD measurements are performed using the same X-ray.
したがって、例えばチタンに由来する(101)面の相対強度を100としたとき、チタンに由来する(100)面の相対強度は25と計算することができ、チタンに由来する(002)面の相対強度は30と計算することができる(すなわち、(100)面の理論回折強度:(002)面の理論回折強度:(101)面の理論回折強度=25:30:100)。 Therefore, for example, when the relative intensity of the (101) plane originating from titanium is taken as 100, the relative intensity of the (100) plane originating from titanium can be calculated as 25, and the relative intensity of the (002) plane originating from titanium can be calculated as 30 (i.e., theoretical diffraction intensity of the (100) plane: theoretical diffraction intensity of the (002) plane: theoretical diffraction intensity of the (101) plane = 25:30:100).
以上により、チタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対する(100)面の割合(配向比率)は、以下の式で表される。
(100)面の割合(配向比率)(%)
={((100)面のピーク強度/(100)面の相対強度)/[((100)面のピーク強度/(100)面の相対強度)+((002)面のピーク強度/(002)面の相対強度)+((101)面のピーク強度/(101)面の相対強度)]}×100
From the above, the ratio (orientation ratio) of the (100) plane to the sum of the peak intensities of the (100), (002), and (101) planes derived from titanium divided by their relative intensities is expressed by the following formula.
Proportion of (100) plane (orientation ratio) (%)
= {(Peak intensity of (100) plane/relative intensity of (100) plane)/[(Peak intensity of (100) plane/relative intensity of (100) plane)+(Peak intensity of (002) plane/relative intensity of (002) plane)+(Peak intensity of (101) plane/relative intensity of (101) plane)]} × 100
さらに、金属基材の表面上に成膜されているチタンを含むチタン層において、セパレータ表面のX線回折分析におけるチタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対するチタンに由来する(002)面の割合(配向比率)は、通常61.0%以下、好ましくは40.0%以下であり得る。 Furthermore, in a titanium layer containing titanium formed on the surface of a metal substrate, the ratio (orientation ratio) of the titanium-derived (002) plane to the total value obtained by dividing the peak intensities of the titanium-derived (100) plane, (002) plane, and (101) plane by their relative intensities in an X-ray diffraction analysis of the separator surface is usually 61.0% or less, and preferably 40.0% or less.
チタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対するチタンに由来する(002)面の割合(配向比率)は、前記同様、以下の式で表される。
(002)面の割合(配向比率)(%)
={((002)面のピーク強度/(002)面の相対強度)/[((100)面のピーク強度/(100)面の相対強度)+((002)面のピーク強度/(002)面の相対強度)+((101)面のピーク強度/(101)面の相対強度)]}×100
The ratio (orientation ratio) of the (002) plane originating from titanium to the sum of the peak intensities of the (100), (002), and (101) planes originating from titanium divided by their relative intensities is expressed by the following formula, as described above.
Proportion of (002) plane (orientation ratio) (%)
= {(Peak intensity of (002) plane/relative intensity of (002) plane)/[(Peak intensity of (100) plane/relative intensity of (100) plane)+(Peak intensity of (002) plane/relative intensity of (002) plane)+(Peak intensity of (101) plane/relative intensity of (101) plane)]}×100
金属基材の表面上に成膜されているチタンを含むチタン層において、セパレータ表面のX線回折分析におけるチタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対する(100)面及び/又は(002)面の割合(配向比率)が、前記範囲の値を有することによって、高耐食性である燃料電池用セパレータになる。なお、耐食性については、燃料電池用セパレータの溶出性試験における鉄(Fe)溶出量により確認することができる。 In the titanium layer formed on the surface of the metal substrate, the ratio (orientation ratio) of the (100) and/or (002) planes to the sum of the peak intensities of the (100), (002), and (101) planes derived from titanium in an X-ray diffraction analysis of the separator surface divided by their relative intensities is within the above range, resulting in a fuel cell separator with high corrosion resistance. The corrosion resistance can be confirmed by the amount of iron (Fe) eluted in a elution test of the fuel cell separator.
図2に、チタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のミラー指数面と形成される形状及び断面形状の模式図を示す。図2より、チタンに由来する(100)面の割合が増加することは、チタン層において平坦構造を有するチタンの割合が増加することを意味し、チタンに由来する(002)面の割合が減少することは、チタン層において柱状構造を有するチタンの割合が減少することを意味する。 Figure 2 shows the Miller index planes of the (100), (002), and (101) planes derived from titanium, as well as a schematic diagram of the shape and cross-sectional shape formed. From Figure 2, an increase in the proportion of the (100) plane derived from titanium means that the proportion of titanium having a flat structure in the titanium layer increases, and a decrease in the proportion of the (002) plane derived from titanium means that the proportion of titanium having a columnar structure in the titanium layer decreases.
金属基材の表面上に成膜されているチタンを含むチタン層は、他の成分、例えばC、N、H、O、Ar、Ag、Mo、Rh、Pd、Pt、Pb、Ru、Al、Ni、Coを含んでもよい。チタンを含むチタン層は、チタンからなるチタン層であることが好ましい。 The titanium-containing titanium layer formed on the surface of the metal substrate may contain other components, such as C, N, H, O, Ar, Ag, Mo, Rh, Pd, Pt, Pb, Ru, Al, Ni, and Co. It is preferable that the titanium-containing titanium layer is a titanium layer made of titanium.
金属基材の表面上に成膜されているチタンを含むチタン層によって、耐食性が担保される。 Corrosion resistance is ensured by the titanium-containing layer formed on the surface of the metal substrate.
本発明の燃料電池用セパレータの発電体挟持部では、チタン層表面上に成膜されているカーボン層の厚さは、限定されないが、平均厚さで、通常10nm~300nm、好ましくは10nm~150nmである。カーボン層の平均厚さは、例えば断面TEM観察により測定することができる。 In the power generating body sandwiching portion of the fuel cell separator of the present invention, the thickness of the carbon layer formed on the titanium layer surface is not limited, but the average thickness is usually 10 nm to 300 nm, preferably 10 nm to 150 nm. The average thickness of the carbon layer can be measured, for example, by cross-sectional TEM observation.
発電体挟持部のチタン層表面上に成膜されているカーボン層の厚さを前記範囲にすることで、発電体挟持部の低い接触抵抗、すなわち高い導電性を確保することができる。 By setting the thickness of the carbon layer formed on the surface of the titanium layer in the power generator clamping portion within the above range, it is possible to ensure low contact resistance in the power generator clamping portion, i.e., high conductivity.
本発明の燃料電池用セパレータのシール部材配設部では、チタン層が表面に露出している。 In the fuel cell separator of the present invention, the titanium layer is exposed on the surface in the area where the seal member is disposed.
シール部材配設部における表面チタン比率は、通常0.5原子%(atom%)以上、好ましくは1.0原子%以上、より好ましくは1.5原子%以上である。 The surface titanium ratio in the area where the seal member is disposed is usually 0.5 atomic percent or more, preferably 1.0 atomic percent or more, and more preferably 1.5 atomic percent or more.
シール部材配設部における表面チタン比率は、X線光電子分光法(XPS)により測定することができる。 The surface titanium ratio in the area where the seal member is located can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
シール部材配設部において、チタン層が表面に露出していることで、シール部材配設部の他部材、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を確保することができる。 By exposing the titanium layer to the surface in the sealing member placement area, it is possible to ensure adhesion and sealing reliability with other components in the sealing member placement area, such as adhesives used to bond the sealing member.
図3に、本発明の燃料電池用セパレータの一例を模式的に示す。図3より、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1と、当該発電体挟持部1の外周に設けられ、発電体挟持部1をシールするシール部材を配設するシール部材配設部2と、を有し、ここで、発電体挟持部1は、金属基材3と、金属基材3表面上に成膜されているチタン層4と、チタン層4上に成膜されているカーボン層5とを備え、シール部材配設部2は、金属基材3と、金属基材3表面上に成膜されているチタン層4とを備え、シール部材配設部2では、チタン層4が表面に露出している。
Figure 3 shows a schematic diagram of an example of a fuel cell separator according to the present invention. As shown in Figure 3, the fuel cell separator according to the present invention has a power
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 this 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).
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 bonded, for example with an adhesive, to components of a fuel cell known in the art, such as a membrane electrode assembly and a sealing member, 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。 Fuel cells manufactured using the fuel cell separator of the present invention can be used in various electrochemical devices such as solid polymer fuel cells.
本発明の燃料電池用セパレータは、(i)金属基材を準備する工程と、(ii)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と、(iii)チタン層が成膜されている金属基材における発電体挟持部となる領域にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程とを含む方法によって製造することができる。 The fuel cell separator of the present invention can be manufactured by a method including the steps of (i) preparing a metal substrate, (ii) depositing titanium on the surface of the metal substrate to form a titanium layer, and (iii) depositing carbon in the region of the metal substrate on which the titanium layer is deposited that will become the power generator clamping portion to form a carbon layer.
(i)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。
(i) Step of Preparing Metal Substrate First, a metal substrate that will be the material of the 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、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(SUS:鉄、クロム、ニッケルの合金)、例えばSUS304製の略矩形の板が好ましい。 As the metal substrate, any metal substrate known in the art can be used, for example, but not limited to, a roughly rectangular plate made of metal (including alloys). As the metal substrate that is the material of the separator, a roughly rectangular plate made of stainless steel (SUS: alloy of iron, chromium, and nickel), for example SUS304, is preferred.
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 substrate as the material for the fuel cell separator, a titanium layer and a carbon layer can be formed on the metal substrate by PVD, as described below, and by selecting stainless steel as the metal substrate, the cost of manufacturing the separator 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。 It is preferable to use a metal substrate that has already been pressed 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 substrate as the metal substrate, a fuel cell separator can be obtained without further pressing after the titanium layer and carbon layer are formed.
(ii)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
チタン層は、スパッタリング法を用いて、(a)UBMコイル電流値、又は(b)金属基材へのバイアス電圧値を一定範囲に制御した条件下で金属基材上に成膜することによって製造することができる。
(ii) Step of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of the metal substrate The titanium layer can be produced by depositing a titanium film on the metal substrate using a sputtering method under conditions in which (a) the UBM coil current value or (b) the bias voltage value applied to the metal substrate is controlled within a certain range.
スパッタリング法とは、物理蒸着法の一種であり、スパッタリング法として、アンバランスドマグネトロンスパッタ法(UBMS)が挙げられる。 The sputtering method is a type of physical vapor deposition method, and an example of the sputtering method is the unbalanced magnetron sputtering method (UBMS).
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、基材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 enhances plasma exposure to the substrate by intentionally making the magnetic field of the sputtering cathode unbalanced, making it possible to form dense thin films.
スパッタリング法において、(a)プラズマの強度を制御するUBMコイル電流値は、通常6.5A~10Aであり、好ましくは7.0A~9.0Aである。 In the sputtering method, (a) the UBM coil current value that controls the plasma intensity is typically 6.5 A to 10 A, and preferably 7.0 A to 9.0 A.
スパッタリング法におけるUBMコイル電流値を前記範囲にすることによって、成膜粒子であるチタン粒子を高エネルギー状態で金属基材上に到達させることができるため、たとえ金属基材として凹凸形状を有する金属基材を使用したとしても、金属基材の凸部分(トップ部分)、凹部分(ボトム部分)、及び凸部分と凹部分の間の斜め部分すべてにおいて、緻密化されたチタン層を有する高耐食性である燃料電池用セパレータ、特には、前記で説明したセパレータ表面のX線回折分析におけるチタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対する(100)面及び/又は(002)面の割合(配向比率)が前記範囲の値を有する高耐食性である燃料電池用セパレータを安定して得ることができる。 By setting the UBM coil current value in the sputtering method within the above range, the titanium particles, which are the film-forming particles, can reach the metal substrate in a high-energy state. Therefore, even if a metal substrate having an uneven shape is used as the metal substrate, a highly corrosion-resistant fuel cell separator having a densified titanium layer in all of the convex (top) and concave (bottom) parts of the metal substrate, and the diagonal parts between the convex and concave parts, can be obtained stably. In particular, a highly corrosion-resistant fuel cell separator having a ratio (orientation ratio) of the (100) and/or (002) planes to the total value obtained by dividing the peak intensities of the (100) plane, (002) plane, and (101) planes derived from titanium by their relative intensities in the X-ray diffraction analysis of the separator surface described above, in which the ratio is within the above range.
さらに/あるいは、スパッタリング法において、(b)金属基材へのバイアス電圧は、-700V超-150V以下である。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。 In addition/alternatively, in the sputtering method, (b) the bias voltage applied to the metal substrate is greater than -700V and less than -150V. In the unbalanced magnetron sputtering method, a glow discharge is generated between the target (i.e., titanium) as the cathode and the metal substrate as the anode to form an inert gas plasma, for example, Ar plasma, and positively ionized Ar ions in the Ar plasma repel the target atoms, accelerating the target atoms to form a film on the surface of the metal substrate, so that a negative voltage is applied to the metal substrate as a bias voltage. In addition, in this specification, when expressing the level of a negative bias voltage, the bias voltage closer to 0V is expressed as "high bias voltage."
金属基材として凹凸形状を有する金属基材を使用する場合、スパッタリング法における金属基材へのバイアス電圧が低いほど、凸部分と凹部分の間の斜め部分において形成されるチタン層の厚さが薄くなる傾向がある。したがって、スパッタリング法における金属基材へのバイアス電圧を前記範囲にすることによって、成膜粒子であるチタン粒子を高エネルギー状態で金属基材上に到達させることができるため、たとえ金属基材として凹凸形状を有する金属基材を使用したとしても、金属基材の凸部分(トップ部分)、凹部分(ボトム部分)及び凸部分と凹部分の間の斜め部分すべてにおいて、緻密化されたチタン層を有する高耐食性である燃料電池用セパレータ、特には、前記で説明したセパレータ表面のX線回折分析におけるチタンに由来する(100)面、(002)面、及び(101)面のピーク強度をそれぞれ相対強度で除した値の合計に対する(100)面及び/又は(002)面の割合(配向比率)が前記範囲の値を有する高耐食性である燃料電池用セパレータを安定して得ることができる。 When a metal substrate having an uneven shape is used as the metal substrate, the lower the bias voltage applied to the metal substrate in the sputtering method, the thinner the titanium layer formed in the diagonal portion between the convex portion and the concave portion tends to be. Therefore, by setting the bias voltage applied to the metal substrate in the sputtering method within the above range, the titanium particles, which are the film-forming particles, can be made to reach the metal substrate in a high-energy state. Therefore, even if a metal substrate having an uneven shape is used as the metal substrate, a highly corrosion-resistant fuel cell separator having a densified titanium layer in all of the convex portions (top portions), concave portions (bottom portions), and diagonal portions between the convex portions and the concave portions of the metal substrate, in particular, a highly corrosion-resistant fuel cell separator having a ratio (orientation ratio) of the (100) plane and/or the (002) plane to the total value obtained by dividing the peak intensities of the (100) plane, (002) plane, and (101) plane derived from titanium by their relative intensities in the X-ray diffraction analysis of the separator surface described above, can be stably obtained.
スパッタリング法において、チタン原料であるチタンターゲットと金属基材、特に金属基材の凸部分(トップ部分)との距離は、通常10cm±1cmである。 In the sputtering method, the distance between the titanium target, which is the titanium raw material, and the metal substrate, particularly the convex portion (top portion) of the metal substrate, is usually 10 cm ± 1 cm.
スパッタリング法については、前記で説明する条件以外の条件、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。 Regarding the sputtering method, conditions other than those described above, such as the initial vacuum in the device chamber, cleaning conditions for the metal substrate surface (e.g., argon bombardment treatment conditions), plasma generation gas conditions, film formation time, film formation temperature, etc., can be conditions known in the art (e.g., see International Publication No. WO 2015/068776). Note that the longer the film formation time, the thicker the film will be, so the desired film thickness can be obtained by adjusting the film formation time.
(iii)チタン層が成膜されている金属基材における発電体挟持部となる領域にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程
(iii)の工程では、チタン層が成膜されている金属基材における発電体挟持部となる領域にカーボンを成膜してカーボン層を形成する。
(iii) Step of forming a carbon layer by depositing carbon in an area of the metal base material on which the titanium layer is formed that will become the power generator clamping portion In step (iii), carbon is deposited in an area of the metal base material on which the titanium layer is formed that will become the power generator clamping portion to form a carbon layer.
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。 The power generator clamping portion is a generally rectangular portion of the fuel cell separator that clamps the power generator located in the center, and the sealing member placement portion is a portion of the fuel cell separator that is provided on the outer periphery of the power generator clamping portion and that places a sealing member that seals the power generator clamping portion.
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、シール部材配設部となる領域である。 The region that becomes the power generator clamping portion is a region of the approximately rectangular plate-shaped metal substrate for clamping an approximately rectangular power generator that is smaller than the metal substrate located in the center, and the region other than the region that becomes the power generator clamping portion is the region on the periphery of the region that becomes the power generator clamping portion, i.e., the region that becomes the seal member arrangement portion.
(iii)の工程では、金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域、すなわちシール部材配設部となる領域を、例えばマスキング部材を配置することによってマスキングすることにより、発電体挟持部となる領域にカーボンを成膜してカーボン層を形成することができ、シール部材配設部では、チタン層が表面に露出することになる。なお、マスキング部材は、金属基材(金属基材におけるシール部材配設部となる領域)と空間を開けて配置することができ、この場合、板状のマスキング部材は、板状の金属基材に対して平行に空間を開けて配置されることになる。シール部材配設部におけるチタン層の表面への露出度合、すなわちシール部材配設部における表面チタン比率は、マスキング部材と金属基材(金属基材におけるシール部材配設部となる領域)との間の距離によって調節することができる。 In step (iii), the area of the metal substrate other than the area that will become the power generator clamping portion, i.e., the area that will become the seal member arrangement portion, is masked, for example, by arranging a masking member, so that a carbon film can be formed in the area that will become the power generator clamping portion to form a carbon layer, and the titanium layer is exposed on the surface in the seal member arrangement portion. The masking member can be arranged with a space between it and the metal substrate (the area of the metal substrate that will become the seal member arrangement portion), and in this case, the plate-shaped masking member is arranged with a space parallel to the plate-shaped metal substrate. The degree of exposure of the titanium layer to the surface in the seal member arrangement portion, i.e., the surface titanium ratio in the seal member arrangement portion, can be adjusted by the distance between the masking member and the metal substrate (the area of the metal substrate that will become the seal member arrangement portion).
カーボン層を成膜するための工程は、当該技術分野において公知の工程、例えばフィルターレスアークイオンプレーティング(AIP)法を使用することができる。 The process for depositing the carbon layer can be a process known in the art, such as the filterless arc ion plating (AIP) method.
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。 The filterless arc ion plating method is a method in which an ionized substance (the target is evaporated and ionized, hereafter referred to as ionized evaporated substance) generated by an arc discharge generated between an anode and a target constituting a cathode is accelerated by applying a bias voltage to a metal substrate, forming a film of the ionized evaporated substance on the metal substrate.
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、通常-450V~-250V、好ましくは-350V~-250Vであり得る。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 usually -450V to -250V, preferably -350V to -250V. In the filterless arc ion plating method, a negative voltage is applied to the metal substrate in order to accelerate the positively ionized evaporating material to form a film on the surface of the metal substrate on which the titanium layer has been formed, similar to the principle of applying a negative voltage as a bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method.
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 within the above range, a denser carbon layer with lower contact resistance can be formed, ensuring lower contact resistance in the power generator clamping portion. The crystallinity of the carbon layer can be measured, for example, by Raman spectroscopy or X-ray diffraction.
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、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、特開2008-204876号公報を参照)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 the filterless arc ion plating method, for example, the initial vacuum in the device chamber, cleaning conditions for the metal substrate surface (for example, argon bombardment treatment conditions), plasma generation gas conditions, film formation time, film formation temperature, etc. can be conditions known in the relevant technical field (for example, see JP 2008-204876 A). Note that the longer the film formation time, the thicker the film will be, so the desired film thickness can be obtained by adjusting the film formation time.
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。 Several examples of the present invention are described below, but it is not intended that the present invention be limited to those examples.
I.燃料電池用セパレータの製造
図4に示す手順にしたがって、No.1~3の燃料電池用セパレータを製造した。
I. Production of Fuel Cell Separators According to the procedure shown in FIG.
(i)金属基材を準備する工程
金属基材として燃料電池用セパレータの形状に予めプレスした凹凸形状を有するステンレス(SUS304)を準備した。
(i) Step of Preparing Metal Substrate As a metal substrate, stainless steel (SUS304) having an uneven shape that had been pressed in advance into the shape of a fuel cell separator was prepared.
(ii)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(表面処理1成膜)
金属基材としてのSUS304表面上の不動態をArエッチングで除去した後、チタン層を、スパッタリング法を使用して、UBMコイル電流値を6.5Aとし、金属基材へのバイアス電圧を-250Vとした条件下でSUS上に成膜した。
(ii) A step of forming a titanium layer by depositing titanium on the surface of the metal substrate (surface treatment 1: deposition)
After removing the passivation on the surface of SUS304 as the metal substrate by Ar etching, a titanium layer was formed on the SUS using a sputtering method under the conditions of a UBM coil current value of 6.5 A and a bias voltage to the metal substrate of −250 V.
(iii)チタン層が成膜されている金属基材における発電体挟持部となる領域にカーボンを成膜してカーボン層を形成する工程(表面処理2成膜)
金属基材において発電体挟持部となる領域以外の領域を、マスキング部材を配置することによってマスキングし、発電体挟持部となる領域に、カーボン層を、AIP法を使用して、チタン層上に成膜することで、燃料電池用セパレータを製造した。
なお、No.1~3の燃料電池用セパレータは、(iii)の工程において、マスキング部材と金属基材(金属基材におけるシール部材配設部となる領域)との間の距離をそれぞれ変更して製造した。
(iii) A step of forming a carbon layer by forming a carbon film on the region of the metal base material on which the titanium layer is formed, which will become the power generator clamping portion (surface treatment 2: film formation)
Areas of the metal substrate other than the area that would become the power generator clamping portion were masked by arranging a masking material, and a carbon layer was formed on the titanium layer in the area that would become the power generator clamping portion using the AIP method, thereby producing a fuel cell separator.
The fuel cell separators No. 1 to 3 were manufactured by changing the distance between the masking member and the metal base material (the area of the metal base material where the seal member was to be disposed) in the step (iii).
II.Iで製造した燃料電池用セパレータのシール部材配設部における表面チタン比率の測定
Iで製造したNo.1~3の燃料電池用セパレータのシール部材配設部における表面チタン比率をX線光電子分光法(XPS)により測定した。
II. Measurement of surface titanium ratio in seal member disposition portion of fuel cell separator produced in I The surface titanium ratio in the seal member disposition portion of fuel cell separators No. 1 to 3 produced in I was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
III.Iで製造した燃料電池用セパレータの温水剥離強度(接着性)の測定 III. Measurement of hot water peel strength (adhesion) of fuel cell separators manufactured in I.
図5に記載されている温水剥離強度の試験方法の概要にしたがって、各セパレータのシール部材配設部における温水剥離強度を測定した。図5では、まず、マレイン酸変性オレフィン系製の接着性シートを2枚のL字構成のセパレータ(シール部材配設部)により挟んで、加熱プレス接着180℃、4秒することでT字剥離試験片を調製した。続いて、得られた剥離試験片を、95℃の温水中に設置し、図5に示すように、一方のセパレータにおもりをつけて、接着性シートとセパレータとが剥離するおもりの重さを測定することで、温水剥離強度を決定した。 The hot water peel strength of each separator at the seal member placement portion was measured according to the outline of the hot water peel strength test method shown in Figure 5. In Figure 5, a maleic acid-modified olefin-based adhesive sheet was first sandwiched between two L-shaped separators (seal member placement portions) and heat-pressed for 4 seconds at 180°C to prepare a T-shaped peel test specimen. The resulting peel test specimen was then placed in hot water at 95°C, and a weight was attached to one of the separators as shown in Figure 5. The hot water peel strength was determined by measuring the weight of the weight at which the adhesive sheet and separator peeled off.
表1に、燃料電池用セパレータのシール部材配設部における表面炭素比率、表面チタン比率及び表面酸素比率並びに温水剥離強度の結果を示し、図6に、IIで測定されたシール部材配設部における表面チタン比率と温水剥離強度の関係を示す。 Table 1 shows the results of the surface carbon ratio, surface titanium ratio, surface oxygen ratio, and hot water peel strength in the seal member arrangement part of the fuel cell separator, and Figure 6 shows the relationship between the surface titanium ratio and hot water peel strength in the seal member arrangement part measured in II.
表1及び図6より、温水剥離強度は、表面チタン比率が高くなるにしたがい、大きくなることがわかった。 From Table 1 and Figure 6, it can be seen that the hot water peel strength increases as the surface titanium ratio increases.
表1及び図6の温水剥離強度の試験結果は、マレイン酸変性オレフィン系製の接着性シートの結果であるが、マレイン酸変性オレフィン系製の接着性シート以外でも、エポキシ系、アクリル系、酢酸ビニル系、ポリアミド系、ポリエステル系、ポリビニルアルコール系の接着性シートにおいても適用可能である。 The hot water peel strength test results in Table 1 and Figure 6 are for maleic acid-modified olefin-based adhesive sheets, but they can also be applied to epoxy-based, acrylic-based, vinyl acetate-based, polyamide-based, polyester-based, and polyvinyl alcohol-based adhesive sheets other than maleic acid-modified olefin-based adhesive sheets.
S:セパレータ流路形状断面
1:発電体挟持部
2:シール部材配設部
3:金属基材
4:チタン層
5:カーボン層
S: Separator flow path shape cross section 1: Power generating body sandwiching portion 2: Seal member arrangement portion 3: Metal substrate 4: Titanium layer 5: Carbon layer
Claims (1)
発電体挟持部が、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備え、
シール部材配設部が、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を備え、
シール部材配設部では、チタン層が表面に露出している
燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator having a power generating unit sandwiching portion that sandwiches a power generating unit, and a seal member disposition portion that is provided on an outer periphery of the power generating unit sandwiching portion and that disposes a seal member that seals the power generating unit sandwiching portion,
the power generating body holding portion includes a metal substrate, a titanium layer formed on a surface of the metal substrate, and a carbon layer formed on the titanium layer;
the seal member disposition portion includes a metal substrate and a titanium layer formed on a surface of the metal substrate;
A fuel cell separator, in which a titanium layer is exposed on the surface at a portion where a seal member is to be disposed.
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