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JP2010153043A - Laminated fuel cell - Google Patents

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JP2010153043A JP2008326659A JP2008326659A JP2010153043A JP 2010153043 A JP2010153043 A JP 2010153043A JP 2008326659 A JP2008326659 A JP 2008326659A JP 2008326659 A JP2008326659 A JP 2008326659A JP 2010153043 A JP2010153043 A JP 2010153043A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated fuel cell in which a shape and a structure of a separator itself are multifunctionalized to realize reduction of size and weight of the fuel cell instead of improvement of a thickness or a material of a separator structuring a unit cell. <P>SOLUTION: A porous layer is provided on a surface of a metal separator, and then, a catalyst electrode layer is directly formed on an upper part of the porous layer, whereby, a diffusion layer inserted between the catalyst electrode layer and the separator is eliminated to simplify a cell structure, as well as to thin a cell, to reduce a volume of a cell stack, so as to provide a laminated fuel cell with high output density and of light-weight. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、積層形燃料電池に係り、特に固体高分子形燃料電池の単位セルを複数個積層したセルスタックを有する積層形燃料電池に関する。   The present invention relates to a stacked fuel cell, and more particularly to a stacked fuel cell having a cell stack in which a plurality of unit cells of a polymer electrolyte fuel cell are stacked.

近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、固体高分子形燃料電池を始めとする水素やメタノール等を燃料とし、酸素やこれを含む空気等を酸化剤とした燃料電池が注目を集めている。   In recent years, global warming and environmental pollution problems due to mass consumption of fossil fuels have become serious problems. As a means of coping with this problem, instead of internal combustion engines that burn fossil fuels, solid polymer fuel cells and other fuel cells that use hydrogen, methanol, etc. as fuels, and oxygen, air containing them, etc., attract attention. Collecting.

燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。特に、近年の環境保護への関心の高まりから、燃料電池の分散電源や電気自動車電源への用途展開が期待されている。   The fuel cell is attracting attention as a clean power generation system because it has less burden on the environment of the waste generated by power generation. In particular, due to the recent increase in interest in environmental protection, the development of applications for fuel cell distributed power sources and electric vehicle power sources is expected.

また、高エネルギー密度の電源として、モバイル機器の電源として燃料電池の適用可能性が検討され始めている。   In addition, as a high energy density power source, the possibility of using a fuel cell as a power source for a mobile device is being studied.

燃料電池には、固体高分子形、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等が挙げられる。その中で、固体高分子形燃料電池は、室温から100℃程度の比較的低温で発電が可能であり、出力密度が高いことから、上述した用途では固体高分子形燃料電池が最も適している。   Examples of the fuel cell include a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type. Among them, the polymer electrolyte fuel cell can generate power at a relatively low temperature from room temperature to about 100 ° C., and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is most suitable for the above-mentioned applications. .

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、一般に固体高分子電解質膜の両面にアノード(燃料極)、カソード(空気極)となる触媒金属を担持した担持カーボン層(以下触媒電極層という)が配置された構造から構成されている。ここでアノード、カソードの固体高分子電解質膜に接する面とは反対側の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が形成される。さらに、その外側に反応ガスの供給路を有する導電体からなるセパレータが配置され、これらを一体化して単位セルが構成される。   In general, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a supported carbon layer (hereinafter referred to as a catalyst electrode layer) carrying a catalyst metal serving as an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. It is comprised from the structure made. Here, a diffusion layer is formed on the surface of the anode and cathode opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane in order to smoothly diffuse the hydrogen, methanol, air, and oxygen as fuel. Furthermore, the separator which consists of a conductor which has the supply path of the reactive gas is arrange | positioned on the outer side, These are integrated, and a unit cell is comprised.

固体高分子形燃料電池では、例えば燃料に水素を用いた場合、燃料中の水素と空気中の酸素から発電中に次の反応式で表される反応によって水が生成する。   In the polymer electrolyte fuel cell, for example, when hydrogen is used as the fuel, water is generated from the hydrogen in the fuel and the oxygen in the air during the power generation by the reaction represented by the following reaction formula.

アノード(負極)側 H → 2H+ + 2e−
カソード(正極)側 1/2O + 2H+ + 2e− → H
全反応 H + 1/2O → H
上記の反応において固体高分子形燃料電池の発電時には最大約1Vの電圧が発生する。実際のシステムでは、出力規模に応じて単位セルを複数個積層して電気的に直列に接続したセルスタックからなる積層形燃料電池が用いられる。燃料電池自動車用の燃料電池では50〜70kWの出力が求められており、200〜500個の単位セルを積層する必要がある。
Anode (negative electrode) side H 2 → 2H + + 2e−
Cathode (positive electrode) side 1 / 2O 2 + 2H + + 2e− → H 2 O
Total reaction H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
In the above reaction, a maximum voltage of about 1 V is generated during power generation of the polymer electrolyte fuel cell. In an actual system, a stacked fuel cell comprising a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked and electrically connected in series according to the output scale is used. A fuel cell for a fuel cell vehicle is required to have an output of 50 to 70 kW, and 200 to 500 unit cells need to be stacked.

高い出力密度が求められる燃料電池自動車などの移動体向け固体高分子形燃料電池のセパレータには、炭素系材料に比べて成形が容易でセパレータ厚さを薄くできる金属系材料セパレータの開発が進められている。セパレータ厚さが薄くなると積層形燃料電池の体積を低減することができ、出力密度の向上が見込める。   For polymer electrolyte fuel cell separators for mobile objects such as fuel cell vehicles that require high power density, metal-based material separators that are easier to mold and thinner than carbon-based materials are being developed. ing. When the separator thickness is reduced, the volume of the stacked fuel cell can be reduced, and an improvement in power density can be expected.

このような背景から、金属系セパレータ材料が提案されている(例えば、特許文献1、2、3参照)。また、薄型化のみでなく材料の比重を低減することにより積層形燃料電池の重量を軽量化することができ、このような材料にはアルミニウムのように比重の小さい材料が使用される。ただし、アルミニウムは腐食され易く、腐食生成物の電子抵抗が高いために表面をコーティングする必要がある。このような背景から、各種表面コーティング方法が提案されている(例えば、特許文献4、5、6参照)。   From such a background, metal separator materials have been proposed (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3). Further, not only the thickness can be reduced, but also the weight of the stacked fuel cell can be reduced by reducing the specific gravity of the material. For such a material, a material having a low specific gravity such as aluminum is used. However, since aluminum is easily corroded and the corrosion product has high electronic resistance, the surface must be coated. Against this background, various surface coating methods have been proposed (see, for example, Patent Documents 4, 5, and 6).

特開2003−193206号公報JP 2003-193206 A 特開2005−298960号公報JP 2005-298960 A 特開2003−272659号公報JP 2003-272659 A 特開2000−58080号公報JP 2000-58080 A 特開2000−106197号公報JP 2000-106197 A 特開2006−134677号公報JP 2006-134777 A

燃料電池自動車などの移動体向け燃料電池には、体積が小さく軽量な積層形燃料電池が強く求められている。   A fuel cell for a moving body such as a fuel cell vehicle is strongly required to have a small-sized and lightweight stacked fuel cell.

従来技術では、セパレータを炭素系材料から金属系材料に変更し、セパレータを薄くすることで体積の低減をしてきた。しかし、金属系のセパレータではセパレータ厚さ0.1mmと非常に薄いセパレータも既に開発されており、これ以上セパレータを薄くすることは強度上問題が生じると共に積層形燃料電池の体積を大幅に低減することは難しい。   In the prior art, the volume has been reduced by changing the separator from a carbon-based material to a metal-based material and making the separator thinner. However, a very thin separator with a metal separator thickness of 0.1 mm has already been developed as a metallic separator, and further thinning the separator causes problems in strength and greatly reduces the volume of the stacked fuel cell. It ’s difficult.

また、従来技術において軽量化のために比重の小さい材料が既に使用されており、積層形燃料電池の重量をさらに軽量化することは材料の変更のみでは困難になっている。   Further, in the prior art, a material having a small specific gravity has already been used for weight reduction, and it is difficult to further reduce the weight of the stacked fuel cell only by changing the material.

本発明の目的は、導電性セパレータの表面に多孔質層を設け、セパレータ表面に直接触媒電極層を形成することにより、セル構成を簡略化すると共に単位セルを薄くすることにある。これによりセルスタックの体積を低減して出力密度が高く、且つ軽量な積層形燃料電池を提供することができる。   An object of the present invention is to provide a porous layer on the surface of a conductive separator and form a catalyst electrode layer directly on the separator surface, thereby simplifying the cell configuration and making the unit cell thinner. As a result, the volume of the cell stack can be reduced to provide a lightweight fuel cell with a high output density and a light weight.

本発明は、上記課題を解決するために、電解質膜の両面に一対の電極を設けるとともに各電極の外表面を一対のセパレータで覆って単位セルを構成し、該単位セルを複数個積層して構成した積層形燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜と当接する部分に多孔質層を設け、該多孔質層に触媒電極層を形成することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a unit cell by providing a pair of electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane and covering the outer surface of each electrode with a pair of separators, and stacking a plurality of the unit cells. In the laminated fuel cell configured as described above, a porous layer is provided in a portion of the separator that contacts the electrolyte membrane, and a catalyst electrode layer is formed on the porous layer.

また、前記セパレータがアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなる金属材料から構成されることを特徴とする。   The separator is made of a metal material composed of at least one metal selected from aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, hafnium, zinc, bismuth, antimony, and an alloy of the metal. And

また、セパレータが中心層と表面層を有する複合金属材料から構成され、中心層は鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、かつ表面層はアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする。   The separator is composed of a composite metal material having a center layer and a surface layer, and the center layer is selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium and alloys of the metal. The surface layer is composed of at least one metal selected from aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, hafnium, zinc, bismuth, antimony and alloys of the metal. It is characterized by that.

さらに、触媒電極層と前記セパレータを構成する金属表面の間にチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成される金属導電層を形成することを特徴とする。   Furthermore, titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, between the catalyst electrode layer and the metal surface constituting the separator, A metal conductive layer composed of at least one metal selected from iridium, platinum, gold, and an alloy of the metal is formed.

さらに、前記金属導電層は多層からなり、前記触媒電極層側の電極金属導電層がルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、セパレータ側のセパレータ金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする。   Further, the metal conductive layer is composed of multiple layers, and the electrode metal conductive layer on the catalyst electrode layer side is at least one metal selected from ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, gold and alloys of the metals. The separator metal conductive layer on the separator side is made of at least one metal selected from titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, silver and alloys of the metals. It is characterized by being configured.

本発明は、電解質膜と、電解質膜の両面に配置した電極と、電極のそれぞれの外表面を被う一対のセパレータを単位セルとした積層形燃料電池において、セパレータ表面の多孔質層に触媒電極層を形成してセパレータと触媒電極層を一体化することにより、セルスタックの体積を低減するとともに、出力密度が高く軽量な積層形燃料電池を提供することができる。   The present invention relates to an electrolyte membrane, electrodes disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a stacked fuel cell having a pair of separators covering the outer surfaces of the electrodes as unit cells. By forming the layer and integrating the separator and the catalyst electrode layer, it is possible to reduce the volume of the cell stack and provide a stacked fuel cell having a high output density and a light weight.

本発明の実施形態を以下に図を用いて説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は第1の実施形態を示すセパレータ体101の展開斜視図を示す。セパレータ体101は、セパレータ1の表面と裏面の平坦部2に密着された一対のガスケット5から構成される。セパレータ1は周囲が平坦で中央部を成型して流路を形成している。セパレータ1の平坦部2はガスケット5を面接触する部位で、流路部3はセパレータ1の表裏に反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)や冷却水を流通させる凹凸状の溝である。ガスケット5は反応ガスと冷却水に応じて2種類のガスケットが使用される。セパレータ1にはさらに反応ガスおよび冷却水の出入り口となるマニホールド4が形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a separator body 101 showing the first embodiment. The separator body 101 is composed of a pair of gaskets 5 that are in close contact with the flat portions 2 on the front and back surfaces of the separator 1. The separator 1 has a flat periphery and is molded at the center to form a flow path. The flat part 2 of the separator 1 is a part that makes a surface contact with the gasket 5, and the flow path part 3 is an uneven groove for allowing reaction gas (fuel gas and oxidant gas) and cooling water to flow through the front and back of the separator 1. Two types of gasket 5 are used according to the reaction gas and the cooling water. The separator 1 is further formed with a manifold 4 serving as an inlet / outlet for the reaction gas and the cooling water.

実際に本実施形態によるセパレータ体101を使用する場合は、電解質膜6と一対のセパレータ体101を組み合わせて単位セルを構成し、これをセルスタックに構成して積層形燃料電池とする。   When the separator body 101 according to the present embodiment is actually used, a unit cell is configured by combining the electrolyte membrane 6 and the pair of separator bodies 101, and this is configured into a cell stack to form a stacked fuel cell.

図2は本実施形態によるセパレータ体を用いた燃料電池構成の一例を示す展開斜視図である。セパレータ体101は2種類から構成されており、両面に反応ガスを流通させるガスケットを有するセパレータ体を101A、片面が反応ガス用、反対面が冷却水用のガスケットを有するセパレータ体を101Bで表わす。セパレータ体101A及び101Bのガス流通面側には電解質膜6が挟持され、一つの単位セルを形成する。その他、セルスタックの両面に集電板7、絶縁板8および締付板9を用いて積層形燃料電池を形成する。Wは冷却水の経路を示す。   FIG. 2 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell configuration using the separator body according to the present embodiment. The separator body 101 is composed of two types. 101A represents a separator body having a gasket for allowing a reaction gas to flow on both sides, and 101B represents a separator body having a gasket for reaction gas on one side and a cooling water on the other side. The electrolyte membrane 6 is sandwiched between the gas flow surfaces of the separator bodies 101A and 101B to form one unit cell. In addition, a stacked fuel cell is formed using the current collector plate 7, the insulating plate 8, and the clamping plate 9 on both surfaces of the cell stack. W indicates the path of the cooling water.

図1に示したセパレータ体101は、隣り合う部材である電解質膜6とセパレータ1の凸面の頂上部で接している。セパレータ1の凸面の頂上部は導電性を有し、且つ触媒電極層が形成されている。セパレータ1のそれ以外の面は電気の導通に無関係であり絶縁層であっても導電性であってもよい。セパレータ1は例えば金属や多孔質のカーボン/樹脂複合材等から形成される。   The separator body 101 shown in FIG. 1 is in contact with the electrolyte membrane 6, which is an adjacent member, at the top of the convex surface of the separator 1. The top of the convex surface of the separator 1 has conductivity and a catalyst electrode layer is formed. The other surface of the separator 1 is irrelevant to electrical conduction and may be an insulating layer or conductive. The separator 1 is made of, for example, a metal or a porous carbon / resin composite material.

図3は図1に示したセパレータ1のA−Aにおける縦断面を示す模式図である。セパレータ1の外表面の全面に多孔質層10が形成される。セパレータ1の凸面の頂上部の多孔質層10には触媒電極層11が形成されて導電性を有し、セパレータ1基部と電気的に導通する。   FIG. 3 is a schematic view showing a longitudinal section taken along the line AA of the separator 1 shown in FIG. A porous layer 10 is formed on the entire outer surface of the separator 1. A catalytic electrode layer 11 is formed on the porous layer 10 at the top of the convex surface of the separator 1 to have electrical conductivity, and is electrically connected to the base of the separator 1.

図4は図3に示したセパレータ断面の触媒電極層11の近傍を拡大した模式図である。多孔質層10中には触媒電極層11が多孔質層の孔表面を覆って形成され、触媒電極層11に反応ガスが供給できるように空隙が形成されている。   4 is an enlarged schematic view of the vicinity of the catalyst electrode layer 11 in the separator cross section shown in FIG. A catalyst electrode layer 11 is formed in the porous layer 10 so as to cover the pore surface of the porous layer, and a void is formed so that a reaction gas can be supplied to the catalyst electrode layer 11.

上記のような構成にすることにより、セパレータ1の表面に多孔質層10を設けて拡散層を形成しさらに多孔質層10の一部に触媒電極層11を形成して、セパレータ1と触媒電極層11を一体化することにより、単位セル及びセルスタックの体積を低減して、出力密度が高く軽量な積層形燃料電池を提供することができる。
〔第2の実施形態〕
本発明の第2の実施形態を説明する。セパレータ1の材料に金属を用いる場合は、金属の種類によっては第1の実施形態では充分な長期安定性が得られないことがある。例えば、セパレータ1がマグネシウムや亜鉛など充分な耐食性を有していない材料の場合は顕著な腐食が発生し、燃料電池を劣化させる原因となる。
With the above configuration, the porous layer 10 is provided on the surface of the separator 1 to form a diffusion layer, and the catalyst electrode layer 11 is formed on a part of the porous layer 10, so that the separator 1 and the catalyst electrode By integrating the layers 11, the volume of the unit cell and the cell stack can be reduced to provide a stacked fuel cell with a high power density and a light weight.
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described. When a metal is used as the material of the separator 1, sufficient long-term stability may not be obtained in the first embodiment depending on the type of metal. For example, when the separator 1 is made of a material that does not have sufficient corrosion resistance, such as magnesium or zinc, significant corrosion occurs, causing deterioration of the fuel cell.

したがって、セパレータ1として選ぶ金属はある程度の耐食性を有していることが好ましい。なかでもチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステンは高耐食な金属であると同時に、腐食生成物の放出量が他の金属に比べ極めて少ない。これは腐食生成物が酸化皮膜として表面に留まる性質を有するためである。したがって、電極や電解質膜に及ぼす悪影響は小さく、燃料電池では好ましい金属である。アルミニウムは前記金属に比較すると耐食性に乏しいが、腐食時にアルマイトと同質の皮膜が生成するため腐食生成物の放出量は比較的少ない。   Therefore, it is preferable that the metal selected as the separator 1 has a certain degree of corrosion resistance. Of these, titanium, zirconium, tantalum, niobium, and tungsten are highly corrosion-resistant metals, and at the same time, the amount of corrosion products released is extremely small compared to other metals. This is because the corrosion product has a property of staying on the surface as an oxide film. Therefore, the adverse effect on the electrode and the electrolyte membrane is small, and is a preferable metal in the fuel cell. Aluminum is poor in corrosion resistance compared to the above metals, but since a film having the same quality as alumite is formed during corrosion, the amount of corrosion products released is relatively small.

このような金属をセパレータ1の材料に選ぶことにより、金属イオンの溶出が少なくなり、電解質膜6や触媒電極層11の劣化を最小限に抑えられる長寿命なセパレータが期待できる。
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態における複合金属材料からなるセパレータの例を説明する。セパレータ1に使用する金属の中には高価な金属が存在する。そこで、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金などの比較的安価な金属をセパレータ1の中心層に使用し、高価な金属を外側に表面層として薄膜で配置する複合構造とすることにより、高価な金属の使用量を低減することができる。
〔第4の実施形態〕
図5に第4の実施形態の模式図を示す。上述の実施形態でセルを作製した場合、初期の発電特性が低かったりセル毎の電圧の差が大きくなる場合がある。これはセパレータ1と触媒電極層11の電気的な接触が良好ではないことが原因となる。
By selecting such a metal as the material of the separator 1, it is possible to expect a long-life separator in which elution of metal ions is reduced and deterioration of the electrolyte membrane 6 and the catalyst electrode layer 11 can be minimized.
[Third Embodiment]
The example of the separator which consists of a composite metal material in the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. Among the metals used for the separator 1, there are expensive metals. Therefore, a relatively inexpensive metal such as iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium, and an alloy of the metal is used for the center layer of the separator 1, and the expensive metal is outside. By using a composite structure in which the surface layer is arranged as a thin film, the amount of expensive metal used can be reduced.
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 shows a schematic diagram of the fourth embodiment. When a cell is manufactured in the above-described embodiment, the initial power generation characteristics may be low or the voltage difference between cells may be large. This is because the electrical contact between the separator 1 and the catalyst electrode layer 11 is not good.

したがって、図5に示すようにセパレータ1と触媒電極層11の間にメッキ法、蒸着法、スパッタリング法、CVD法などによりチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金などの金属導電層12を形成する。これによりセパレータ1と触媒電極層11の電気的な接触が良好になり、発電特性が向上してセル毎の発電特性の差が少なくなる。
〔第5の実施形態〕
図6に本発明の第5の実施形態の模式図を示す。金属導電層12は、金属の種類によっては第4の実施形態では充分な長期安定性が得られないことがある。これは金属導電層12が鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、錫など充分な耐食性を有していない材料の場合は顕著な腐食が発生し、燃料電池を劣化させる原因となる。したがって、金属導電層12として選ぶ金属はある程度の耐食性と導電性を有していることが好ましい。そのような金属として選ばれるルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金は高価な材料である。
Accordingly, as shown in FIG. 5, titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium are plated between the separator 1 and the catalyst electrode layer 11 by plating, vapor deposition, sputtering, CVD, or the like. A metal conductive layer 12 such as tin, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, gold and an alloy of the metal is formed. Thereby, the electrical contact between the separator 1 and the catalyst electrode layer 11 is improved, the power generation characteristics are improved, and the difference in the power generation characteristics for each cell is reduced.
[Fifth Embodiment]
FIG. 6 shows a schematic diagram of the fifth embodiment of the present invention. Depending on the type of metal, the metal conductive layer 12 may not have sufficient long-term stability in the fourth embodiment. This is because when the metal conductive layer 12 is made of a material that does not have sufficient corrosion resistance, such as iron, cobalt, nickel, copper, zinc, and tin, significant corrosion occurs and causes deterioration of the fuel cell. Therefore, the metal selected as the metal conductive layer 12 preferably has a certain degree of corrosion resistance and conductivity. Ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, and gold selected as such metals are expensive materials.

そこで、図6に示すようにチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金をセパレータ1側にセパレータ金属導電層12aとして配置し、高価な金属をセパレータ1と反対側に電極金属導電層12bとして薄膜で配置し多層構造とすることにより、高価な金属の使用量を低減し、且つ高い耐食性を得ることができる。
〔第6の実施形態〕
本発明の第6の実施形態を説明する。前述のセパレータ1の最外層に用いる金属は陽極酸化処理により容易に多孔質層10を形成することができる。また、陽極酸化処理の浴、電流、電圧などの条件を設定することで細孔の形状や多孔質層の厚さを任意に制御することができる。これにより、触媒電極層11へ反応ガスの拡散や生成水の排出性を良好にすることが可能となり、発電特性や寿命特性を向上することが期待できる。
Therefore, as shown in FIG. 6, titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, silver, and an alloy of the metal are arranged on the separator 1 side as a separator metal conductive layer 12a. Then, by disposing an expensive metal as a thin film as the electrode metal conductive layer 12b on the side opposite to the separator 1, the amount of the expensive metal used can be reduced and high corrosion resistance can be obtained.
[Sixth Embodiment]
A sixth embodiment of the present invention will be described. The metal used for the outermost layer of the separator 1 can easily form the porous layer 10 by anodizing treatment. Moreover, the pore shape and the thickness of the porous layer can be arbitrarily controlled by setting conditions such as an anodizing bath, current, and voltage. Thereby, it becomes possible to improve the diffusion of the reaction gas to the catalyst electrode layer 11 and the discharge property of the generated water, and it can be expected to improve the power generation characteristics and the life characteristics.

触媒電極層11の厚さが200μmよりも厚くなると触媒電極層11への反応ガスの拡散や生成水の排出が困難になり発電特性が低下するので、触媒電極層11の厚さは0.1μm以上かつ200μm以下であれば、発電特性は十分に保たれる。   If the thickness of the catalyst electrode layer 11 is greater than 200 μm, it becomes difficult to diffuse reaction gas into the catalyst electrode layer 11 and discharge generated water, resulting in a decrease in power generation characteristics. Therefore, the thickness of the catalyst electrode layer 11 is 0.1 μm. If it is above and 200 micrometers or less, the electric power generation characteristic is fully maintained.

多孔質層10の厚さが300μmよりも厚くなる場合も同様に触媒電極層11へ反応ガスの拡散や生成水の排出が困難になり発電特性が低下するので、多孔質層10の厚さは0.1μm以上かつ300μm以下であれば、発電特性は十分に保たれる。   Similarly, when the thickness of the porous layer 10 is greater than 300 μm, it is difficult to diffuse the reaction gas into the catalyst electrode layer 11 and discharge generated water, resulting in a decrease in power generation characteristics. Therefore, the thickness of the porous layer 10 is If it is 0.1 μm or more and 300 μm or less, the power generation characteristics are sufficiently maintained.

多孔質層10はプロトン導電性がほとんどない。このため、多孔質層10の表面を覆うように触媒電極層11を形成し触媒電極層11が直接電解質膜6と接するように構成することにより、電解質膜6と触媒電極層11間のプロトンの移動が円滑になり、発電特性や寿命特性を向上することが期待できる。   The porous layer 10 has almost no proton conductivity. For this reason, the catalyst electrode layer 11 is formed so as to cover the surface of the porous layer 10, and the catalyst electrode layer 11 is in direct contact with the electrolyte membrane 6, whereby protons between the electrolyte membrane 6 and the catalyst electrode layer 11 are formed. It is expected that the movement will be smooth and the power generation characteristics and life characteristics will be improved.

本発明の実施例1について説明する。実施例1は単層構造のセパレータを有する。セパレータに金属板にアルミニウム(A5052)を使用した例を示す。コイル状薄板のアルミニウム厚み0.3mmを流路溝を形成するために、押出しプレス機で周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータにプレス加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図1に示す形状のセパレータを製作した。   Example 1 of the present invention will be described. Example 1 has a single-layer separator. An example in which aluminum (A5052) is used for the metal plate for the separator is shown. In order to form a channel groove with an aluminum thickness of 0.3 mm, the coiled thin plate was pressed into a separator having an uneven shape on both sides of a flat portion and a central portion with an extrusion press. At the same time, punching was performed to form a manifold. Thus, a separator having the shape shown in FIG. 1 was manufactured.

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming a porous layer on the processed separator will be described. Prior to forming the porous layer by anodizing, blasting was performed for removing the scale according to the surface state of the separator after processing, followed by degreasing with an alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning for removing the oxide film were performed. Thereafter, an anodizing treatment was performed to form a porous layer.

陽極酸化処理は、電解浴に3〜10%のシュウ酸を用い、電圧を30〜100V、温度10℃以下、処理時間20〜120分で処理を行い、膜厚は20〜50μmであった。   In the anodizing treatment, 3 to 10% oxalic acid was used in the electrolytic bath, the voltage was 30 to 100 V, the temperature was 10 ° C. or less, the treatment time was 20 to 120 minutes, and the film thickness was 20 to 50 μm.

次に、多孔質層に触媒電極層を形成する方法について説明する。カーボンブラックに白金を50wt%担持した電極触媒を用い、この電極触媒をエタノールとイソプロピルアルコールの混合液を純水で希釈した溶媒に分散させる。DuPont社製Nafion(登録商標)を溶解したNafion溶液(濃度5wt%、アルドリッチ社製)を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が1:9となる割合で電極触媒の分散溶液に合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを作成した。   Next, a method for forming the catalyst electrode layer on the porous layer will be described. An electrode catalyst in which 50 wt% platinum is supported on carbon black is used, and this electrode catalyst is dispersed in a solvent obtained by diluting a mixed solution of ethanol and isopropyl alcohol with pure water. A Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) in which NaPotion (registered trademark) manufactured by DuPont was dissolved was combined with the electrocatalyst dispersion at a ratio of 1: 9 by weight of the electrocatalyst and the Nafion solution. Mixing while volatilizing the solvent, a viscous electrocatalyst slurry was prepared.

この電極触媒スラリーをセパレータ1の凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り0.5mg/cmとした。その後沸騰水中で封孔処理を行った。これによってセパレータが完成した。 This electrode catalyst slurry was applied to the top of the convex surface of the separator 1 by screen printing, and the solvent of the electrode catalyst slurry was dried to form a catalyst electrode layer. The amount of platinum in the catalyst electrode layer was 0.5 mg / cm 2 per unit area. Thereafter, sealing treatment was performed in boiling water. This completed the separator.

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。材料はこの他EPDMなども好適である。ガスケットは弾性体でなくともPPSのような硬い材料を用いることも可能であるが、シール効果が小さいのでセパレータ1とガスケット5の間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりセパレータ体が得られた。   The gasket was manufactured by punching a sheet-like elastic body. The material used was silicon rubber which is excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance. In addition to this, EPDM is also suitable. The gasket may be made of a hard material such as PPS without being an elastic body. However, since the sealing effect is small, the separator 1 and the gasket 5 need to be in close contact with each other using a liquid gasket or the like. Thus, a separator body was obtained.

上述の工程で作成したセパレータ体を2枚用意し、電解質膜としてDuPont社製の厚さ50μmのNafion膜(ナフィオン112(登録商標))を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。   Two separator bodies prepared in the above-mentioned process are prepared, and a 50 μm-thick Nafion film (Nafion 112 (registered trademark)) manufactured by DuPont is used as the electrolyte film, and the separator body is pressure-bonded to both surfaces of the electrolyte film by hot pressing. A unit cell was manufactured.

この単位セルを複数枚重ね合わせ、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定して積層形燃料電池を製作した。   A stacked fuel cell was manufactured by stacking a plurality of the unit cells, arranging current collector plates and insulating plates at both ends, and fixing the outside with a load set by a clamping plate.

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化のプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。   The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the fuel cell configuration are not limited thereto. Various anodizing processes exist, and appropriate means can be selected as necessary.

次に複合金属材料からなるセパレータを有する実施例2について説明する。セパレータの中心層にステンレス鋼(SUS304)、表面層にチタン(TP270)を使用した例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化してセパレータ基板をつくる。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍し、その後のプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図1に示す形状のセパレータを製作した。   Next, Example 2 having a separator made of a composite metal material will be described. An example is shown in which stainless steel (SUS304) is used for the center layer of the separator and titanium (TP270) is used for the surface layer. A separator substrate is made by cladding a thin layer of titanium on both sides of a stainless steel coiled sheet by cold rolling. The finished thickness of the separator substrate used here was 0.2 mm. Since the separator substrate after being clad was work-hardened, it was annealed at a temperature of 400 to 800 ° C. to obtain a plate material having properties suitable for subsequent press working. In order to form a channel groove, it was processed into a separator having an uneven shape on both sides of a flat portion and a central portion with an extrusion press. At the same time, punching was performed to form a manifold. Thus, a separator having the shape shown in FIG. 1 was manufactured.

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータ1の表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming a porous layer on the processed separator will be described. Prior to forming the porous layer by anodization, blasting was performed for scale removal according to the surface state of the separator 1 after processing, followed by degreasing with an alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning for removing the oxide film were performed. Thereafter, an anodizing treatment was performed to form a porous layer.

陽極酸化処理は、電解浴に0.1〜1.0mol/Lのリン酸と0.01〜0.5mol/Lのフッ化水素アンモニウムの濃度を用い、浴温を20℃〜40℃、電圧を50〜200V、電解時間を5〜60分で処理を行い、膜厚は10〜50μmであった。   The anodizing treatment uses a concentration of 0.1 to 1.0 mol / L phosphoric acid and 0.01 to 0.5 mol / L ammonium hydrogen fluoride in an electrolytic bath, a bath temperature of 20 ° C. to 40 ° C., and a voltage. Was processed at 50 to 200 V and electrolysis time was 5 to 60 minutes, and the film thickness was 10 to 50 μm.

次に、多孔質層に触媒電極層を形成する方法について説明する。カーボンブラックに白金を50wt%担持した電極触媒を用い、この電極触媒をエタノールとイソプロピルアルコールの混合液を純水で希釈した溶媒に分散させる。DuPont社製Nafion(登録商標)を溶解したNafion溶液(濃度5wt%、アルドリッチ社製)を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が1:9となる割合で電極触媒の分散溶液に合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを作成した。   Next, a method for forming the catalyst electrode layer on the porous layer will be described. An electrode catalyst in which 50 wt% platinum is supported on carbon black is used, and this electrode catalyst is dispersed in a solvent obtained by diluting a mixed solution of ethanol and isopropyl alcohol with pure water. A Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) in which NaPotion (registered trademark) manufactured by DuPont was dissolved was combined with the electrocatalyst dispersion at a ratio of 1: 9 by weight of the electrocatalyst and the Nafion solution. Mixing while volatilizing the solvent, a viscous electrocatalyst slurry was prepared.

この電極触媒スラリーをセパレータの凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り0.5mg/cmとした。これによってセパレータが完成した。 This electrode catalyst slurry was applied to the top of the convex surface of the separator by screen printing, and the solvent of the electrode catalyst slurry was dried to form a catalyst electrode layer. The amount of platinum in the catalyst electrode layer was 0.5 mg / cm 2 per unit area. This completed the separator.

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。材料はこの他EPDMなども好適である。ガスケットは弾性体でなくともPPSのような硬い材料を用いることも可能であるが、シール効果が小さいのでセパレータとガスケットの間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりセパレータ体が得られた。   The gasket was manufactured by punching a sheet-like elastic body. The material used was silicon rubber which is excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance. In addition to this, EPDM is also suitable. The gasket may be made of a hard material such as PPS without being an elastic body. However, since the sealing effect is small, a liquid gasket or the like needs to be adhered between the separator and the gasket. Thus, a separator body was obtained.

上述の工程で作成したセパレータ体を2枚用意し、電解質膜としてDuPont社製の厚さ50μmのNafion膜(ナフィオン112(登録商標))を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。   Two separator bodies prepared in the above-mentioned process are prepared, and a 50 μm-thick Nafion film (Nafion 112 (registered trademark)) manufactured by DuPont is used as the electrolyte film, and the separator body is pressure-bonded to both surfaces of the electrolyte film by hot pressing. A unit cell was manufactured.

この単位セルを複数枚重ね合わせてセルスタックとし、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定して積層形燃料電池を作製した。   A stacked fuel cell was manufactured by stacking a plurality of unit cells to form a cell stack, arranging current collector plates and insulating plates on both ends, and fixing the outer side with a weight set by a clamping plate.

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化のプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。   The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the fuel cell configuration are not limited thereto. Various anodizing processes exist, and appropriate means can be selected as necessary.

本発明の実施例3について説明する。セパレータに使用する複合金属材料の中心層にステンレス鋼(SUS304)、表面層にチタン(TP270)を使用し、触媒電極層とセパレータ間に金属導電層を設けた例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化して圧着複合材を形成しセパレータ基板をつくった。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍しプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図1に示す形状のセパレータを製作した。   A third embodiment of the present invention will be described. An example in which stainless steel (SUS304) is used for the central layer of the composite metal material used for the separator, titanium (TP270) is used for the surface layer, and a metal conductive layer is provided between the catalyst electrode layer and the separator is shown. A thin layer of titanium was clad by cold rolling on both sides of a coiled stainless steel plate to form a pressure-bonded composite material, thereby producing a separator substrate. The finished thickness of the separator substrate used here was 0.2 mm. Since the separator substrate after being clad was work-hardened, it was annealed between 400-800 ° C. to obtain a plate material having properties suitable for press working. In order to form a channel groove, it was processed into a separator having an uneven shape on both sides of a flat portion and a central portion with an extrusion press. At the same time, punching was performed to form a manifold. Thus, a separator having the shape shown in FIG. 1 was manufactured.

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じて、スケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming a porous layer on the processed separator will be described. Prior to forming the porous layer by anodization, blasting was performed for removing the scale in accordance with the surface state of the processed separator, followed by degreasing with an alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning for removing the oxide film were performed. Thereafter, an anodizing treatment was performed to form a porous layer.

陽極酸化処理は、電解浴に0.1〜1.0mol/Lのリン酸と0.01〜0.5mol/Lのフッ化水素アンモニウムの濃度を用い、液温を20℃〜40℃、電圧を50〜200V、電解時間を5〜60分で処理を行い、膜厚は10〜50μmであった。   The anodizing treatment uses a concentration of 0.1 to 1.0 mol / L phosphoric acid and 0.01 to 0.5 mol / L ammonium hydrogen fluoride in the electrolytic bath, the liquid temperature is 20 ° C. to 40 ° C., the voltage Was processed at 50 to 200 V and electrolysis time was 5 to 60 minutes, and the film thickness was 10 to 50 μm.

次に、多孔質層にニッケルで金属導電層を形成する方法について説明する。硫酸ニッケル250g/L、塩酸ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lのワット浴で液温30℃、0.1A/cmでニッケルをメッキした。実施例1では表面に絶縁性多孔質層が残ってしまい、セパレータと触媒電極層の導通性が悪い。本実施例は金属導電層を設けて確実に導通を図ることができる。 Next, a method for forming a metal conductive layer with nickel on the porous layer will be described. Nickel was plated in a Watt bath of nickel sulfate 250 g / L, nickel hydrochloride 40 g / L, and boric acid 40 g / L at a liquid temperature of 30 ° C. and 0.1 A / cm 2 . In Example 1, the insulating porous layer remains on the surface, and the conductivity between the separator and the catalyst electrode layer is poor. In this embodiment, a conductive metal layer can be provided to ensure conduction.

次に、多孔質層に触媒電極層を形成する方法について説明する。カーボンブラックに白金を50wt%担持した電極触媒を用い、この電極触媒をエタノールとイソプロピルアルコールの混合液を純水で希釈した溶媒に分散させる。DuPont社製Nafion(登録商標)を溶解したNafion溶液(濃度5wt%、アルドリッチ社製)を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が1:9となる割合で電極触媒の分散溶液に合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを作成した。   Next, a method for forming the catalyst electrode layer on the porous layer will be described. An electrode catalyst in which 50 wt% platinum is supported on carbon black is used, and this electrode catalyst is dispersed in a solvent obtained by diluting a mixed solution of ethanol and isopropyl alcohol with pure water. A Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) in which NaPotion (registered trademark) manufactured by DuPont was dissolved was combined with the electrocatalyst dispersion at a ratio of 1: 9 by weight of the electrocatalyst and the Nafion solution. Mixing while volatilizing the solvent, a viscous electrocatalyst slurry was prepared.

この電極触媒スラリーをセパレータの凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り0.5mg/cmとした。これによってセパレータが完成した。 This electrode catalyst slurry was applied to the top of the convex surface of the separator by screen printing, and the solvent of the electrode catalyst slurry was dried to form a catalyst electrode layer. The amount of platinum in the catalyst electrode layer was 0.5 mg / cm 2 per unit area. This completed the separator.

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。以上によりセパレータ体が得られる。   The gasket was manufactured by punching a sheet-like elastic body. The material used was silicon rubber which is excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance. Thus, a separator body is obtained.

上述の工程で作成したセパレータ体を2枚用意し、電解質膜としてDuPont社製の厚さ50μmのNafion膜(ナフィオン112(登録商標))を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。   Two separator bodies prepared in the above-mentioned process are prepared, and a 50 μm-thick Nafion film (Nafion 112 (registered trademark)) manufactured by DuPont is used as the electrolyte film, and the separator body is pressure-bonded to both surfaces of the electrolyte film by hot pressing. A unit cell was manufactured.

この単位セルを複数枚重ね合わせ、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定して積層形燃料電池を製作した。   A stacked fuel cell was manufactured by stacking a plurality of the unit cells, arranging current collector plates and insulating plates at both ends, and fixing the outside with a load set by a clamping plate.

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化、ニッケルメッキのプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。   The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the fuel cell configuration are not limited thereto. There are also various anodizing and nickel plating processes, and appropriate means can be selected as necessary.

セパレータに使用する多層金属板に中心層にステンレス鋼(SUS304)、外層にチタン(TP270)を使用し、触媒電極層とセパレータ間に多層の金属導電層を設けた例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化してセパレータ基板をつくる。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍しプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図1に示す形状のセパレータを製作した。   An example in which stainless steel (SUS304) is used for the center layer and titanium (TP270) is used for the outer layer of the multilayer metal plate used for the separator, and a multilayer metal conductive layer is provided between the catalyst electrode layer and the separator. A separator substrate is made by cladding a thin layer of titanium on both sides of a stainless steel coiled sheet by cold rolling. The finished thickness of the separator substrate used here was 0.2 mm. Since the separator substrate after being clad was work-hardened, it was annealed between 400-800 ° C. to obtain a plate material having properties suitable for press working. In order to form a channel groove, it was processed into a separator having an uneven shape on both sides of a flat portion and a central portion with an extrusion press. At the same time, punching was performed to form a manifold. Thus, a separator having the shape shown in FIG. 1 was manufactured.

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming a porous layer on the processed separator will be described. Prior to forming the porous layer by anodizing, blasting was performed for removing the scale according to the surface state of the separator after processing, followed by degreasing with an alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning for removing the oxide film were performed. Thereafter, anodization was performed to form a porous layer.

陽極酸化処理は、電解浴に0.1〜1.0mol/Lのリン酸と0.01〜0.5mol/Lのフッ化水素アンモニウムの濃度を用い、液温を20℃〜40℃、電圧を50〜200V、電解時間を5〜60分で処理を行い、膜厚は10〜50μmであった。   The anodizing treatment uses a concentration of 0.1 to 1.0 mol / L phosphoric acid and 0.01 to 0.5 mol / L ammonium hydrogen fluoride in the electrolytic bath, the liquid temperature is 20 ° C. to 40 ° C., the voltage Was processed at 50 to 200 V and electrolysis time was 5 to 60 minutes, and the film thickness was 10 to 50 μm.

次に、多孔質層にセパレータ金属導電層としてニッケルを形成する方法について説明する。硫酸ニッケル250g/L、塩酸ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lのワット浴で液温30℃、0.1A/cm2で5分間保持し、ニッケルをメッキした。   Next, a method for forming nickel as a separator metal conductive layer in the porous layer will be described. Nickel was plated by holding in a Watt bath of nickel sulfate 250 g / L, nickel hydrochloride 40 g / L, and boric acid 40 g / L at a liquid temperature of 30 ° C. and 0.1 A / cm 2 for 5 minutes.

次に、セパレータ金属導電層の上に電極金属導電層として金を形成する方法について説明する。シアン化金カリウム2g/L、シアン化カリウム70g/L、リン酸水素二カリウム20g/Lの液組成で液温30℃、0.1A/cmで2分間保持し、金をメッキした。これにより、更に耐食性を向上させ長寿命化を図ることができる。 Next, a method for forming gold as an electrode metal conductive layer on the separator metal conductive layer will be described. Gold was plated by maintaining the composition of potassium gold cyanide 2 g / L, potassium cyanide 70 g / L, and dipotassium hydrogen phosphate 20 g / L at a liquid temperature of 30 ° C. and 0.1 A / cm 2 for 2 minutes. Thereby, the corrosion resistance can be further improved and the life can be extended.

次に、多孔質層に触媒電極層を形成する方法について説明する。カーボンブラックに白金を50wt%担持した電極触媒を用い、この電極触媒をエタノールとイソプロピルアルコールの混合液を純水で希釈した溶媒に分散させる。DuPont社製Nafion(登録商標)を溶解したNafion溶液(濃度5wt%、アルドリッチ社製)を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が1:9となる割合で電極触媒の分散溶液に合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを作成した。   Next, a method for forming the catalyst electrode layer on the porous layer will be described. An electrode catalyst in which 50 wt% platinum is supported on carbon black is used, and this electrode catalyst is dispersed in a solvent obtained by diluting a mixed solution of ethanol and isopropyl alcohol with pure water. A Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) in which NaPotion (registered trademark) manufactured by DuPont was dissolved was combined with the electrocatalyst dispersion at a ratio of 1: 9 by weight of the electrocatalyst and the Nafion solution. Mixing while volatilizing the solvent, a viscous electrocatalyst slurry was prepared.

この電極触媒スラリーをセパレータの凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り0.5mg/cmとした。これによってセパレータが完成した。これにすでに説明したガスケットを一体化してセパレータ体が得られた。 This electrode catalyst slurry was applied to the top of the convex surface of the separator by screen printing, and the solvent of the electrode catalyst slurry was dried to form a catalyst electrode layer. The amount of platinum in the catalyst electrode layer was 0.5 mg / cm 2 per unit area. This completed the separator. A separator body was obtained by integrating the gasket described above with this.

上述の工程で作成したセパレータ体を2枚用意し、電解質膜としてDuPont社製の厚さ50μmのNafion膜(ナフィオン112(登録商標))を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。この単位セルを複数枚重ね合わせ、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定することにより積層形燃料電池を製作した。   Two separator bodies prepared in the above-mentioned process are prepared, and a 50 μm-thick Nafion film (Nafion 112 (registered trademark)) manufactured by DuPont is used as the electrolyte film, and the separator body is pressure-bonded to both surfaces of the electrolyte film by hot pressing. A unit cell was manufactured. A stacked fuel cell was manufactured by stacking a plurality of the unit cells, arranging current collector plates and insulating plates at both ends, and fixing the outside with a load set by a clamping plate.

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化、ニッケルメッキ、金メッキのプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。   The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the fuel cell configuration are not limited thereto. Various processes of anodization, nickel plating, and gold plating exist, and an appropriate means can be selected as necessary.

本発明の第1の実施形態のセパレータを示す展開斜視図である。It is an expansion | deployment perspective view which shows the separator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のセパレータを用いた燃料電池の展開斜視図である。It is a development perspective view of a fuel cell using a separator of a 1st embodiment of the present invention. 図1に示したセパレータのA−A線における縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view in the AA line of the separator shown in FIG. 図3に示した触媒電極層近傍を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the vicinity of a catalyst electrode layer shown in FIG. 3. 本発明の第4の実施形態のセパレータを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the separator of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態のセパレータを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the separator of the 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…セパレータ、2…平坦部、3…流通部、4…マニホールド、5…ガスケット、6…電解質膜、7…集電板、8…絶縁板、9…締付板、10…多孔質層、11…触媒電極層、12…金属導電層、101…セパレータ体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Separator, 2 ... Flat part, 3 ... Flow part, 4 ... Manifold, 5 ... Gasket, 6 ... Electrolyte membrane, 7 ... Current collecting plate, 8 ... Insulating plate, 9 ... Fastening plate, 10 ... Porous layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Catalyst electrode layer, 12 ... Metal conductive layer, 101 ... Separator body

Claims (12)

電解質膜の両面に一対の電極を設けるとともに各電極の外表面を一対のセパレータで覆って単位セルを構成し、該単位セルを複数個積層して構成した積層形燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜と当接する部分に多孔質層を設け、該多孔質層に触媒電極層を形成することを特徴とする積層形燃料電池。   A stacked fuel cell in which a pair of electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane and the outer surface of each electrode is covered with a pair of separators to form a unit cell, and a plurality of the unit cells are stacked. A laminated fuel cell, wherein a porous layer is provided in a portion in contact with an electrolyte membrane, and a catalyst electrode layer is formed on the porous layer. 請求項1に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータが金属材料から構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   2. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the separator is made of a metal material. 請求項2に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータを構成する金属がアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなることを特徴とする積層形燃料電池。   3. The stacked fuel cell according to claim 2, wherein the metal constituting the separator is at least one selected from aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, hafnium, zinc, bismuth, antimony, and an alloy of the metal. A stacked fuel cell comprising a seed metal. 請求項2または3に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータが中心層と表面層を有する複合金属材料から構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   4. The stacked fuel cell according to claim 2, wherein the separator is made of a composite metal material having a center layer and a surface layer. 請求項4に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータを構成する中心層は鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、かつ、前記金属層の表面層はアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   5. The stacked fuel cell according to claim 4, wherein the central layer constituting the separator is at least selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium, and an alloy of the metal. And at least one metal selected from the group consisting of aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, hafnium, zinc, bismuth, antimony and an alloy of the metal. A stacked fuel cell comprising: 請求項2乃至5のいずれか1項に記載の積層形燃料電池において、前記触媒電極層と前記セパレータを構成する金属表面の間に金属導電層を形成することを特徴とする積層形燃料電池。   6. The stacked fuel cell according to claim 2, wherein a metal conductive layer is formed between the catalyst electrode layer and a metal surface constituting the separator. 請求項4または5に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの触媒電極層とセパレータとなる金属の間に形成する金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   6. The stacked fuel cell according to claim 4, wherein the metal conductive layer formed between the catalyst electrode layer of the separator and the metal to be the separator is titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, iron, cobalt, nickel, A laminated fuel cell comprising at least one metal selected from copper, zinc, chromium, tin, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, gold and an alloy of the metals. 請求項6または7に記載の積層形燃料電池において、前記金属導電層は多層からなることを特徴とする積層形燃料電池。   8. The stacked fuel cell according to claim 6, wherein the metal conductive layer is formed of a plurality of layers. 請求項8に記載の積層形燃料電池において、前記触媒電極層側の電極金属導電層がルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、セパレータ側のセパレータ金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   9. The stacked fuel cell according to claim 8, wherein the electrode metal conductive layer on the catalyst electrode layer side is at least one selected from ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, gold, and an alloy of the metal. At least one metal selected from titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, silver, and an alloy of the metal. A stacked fuel cell comprising: 請求項2に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層は陽極酸化処理により形成されることを特徴とする積層形燃料電池。   3. The stacked fuel cell according to claim 2, wherein the porous layer of the separator is formed by anodization. 請求項1または2に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層に形成する触媒電極層の厚さが0.1μm以上200μm以下であることを特徴とする積層形燃料電池。   3. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the catalyst electrode layer formed on the porous layer of the separator is 0.1 μm or more and 200 μm or less. 4. 請求項1または2に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層の厚さが0.1μm以上300μm以下であることを特徴とする積層形燃料電池。   3. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the porous layer of the separator is 0.1 μm or more and 300 μm or less. 4.
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