JP2006210037A - Separator for fuel cell - Google Patents

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正彦 斉川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell having light weight, low price, and high corrosion resistance. <P>SOLUTION: The separator for the fuel cell uses an aluminum substrate in which a metal oxide layer is formed on the surface by treating the aluminum substrate with a fluoride of metal selected from a group IIa, IIb, IVa, or Va in the periodic table. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、特に、固体高分子型燃料電池に適した燃料電池用セパレータに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly to a fuel cell separator suitable for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は水素と酸素の電気化学反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものでありSOやNO等の有害物質や、地球温暖化の原因となる炭酸ガスを排出しないクリーンな発電装置として期待されている。燃料電池は用いられる電解質によって、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)等に分類されるが、中でも固体高分子型燃料電池は150℃以下の低温で動作するため、自動車用、一般家庭用、あるいは携帯用機器の電源など様々な用途での使用が期待されている。 Fuel cells discharging harmful substances and carbon dioxide which causes global warming, such as hydrogen and the electrochemical reaction of oxygen by using it utilizes to convert chemical energy into electrical energy SO X and NO X Not expected as a clean power generator. Fuel cells are classified into phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), solid polymer type (PEFC), etc., depending on the electrolyte used. Since the fuel cell operates at a low temperature of 150 ° C. or lower, it is expected to be used in various applications such as power supplies for automobiles, general households, and portable devices.

また燃料電池は単一のセルの電圧は0.4〜0.8V程度と低いため、高い電圧を得るために複数のセルを直列に配列する必要がある。セルを積層化する場合、セルの陽極室と陰極室とを仕切る為にセパレータが用いられる。固体高分子型燃料電池用のセパレータは単セル間の電気的導通を確保する為の集電板であると共に、流体(燃料ガス、酸化性ガス)の流路を形成する機能を有する固体高分子型燃料電池スタック構成の大きな部分を占めるため、耐久性と共に、軽量で低コストであることが重要である。固体高分子型燃料電池用のセパレータとしてはカーボン、ステンレス、アルミニウムなどが用いられるが、カーボンは加工の困難に加えてコストが高く、脆い為に強度上の問題があり、ステンレスは強度は強いが比重が重く、不動態皮膜が形成されるために接触抵抗が増加するという問題があった。一方、アルミニウムは電気伝導性、強度、軽量性、加工性、コストに優れているが、耐食性が劣るという問題があった。   Moreover, since the voltage of a single cell of a fuel cell is as low as about 0.4 to 0.8 V, it is necessary to arrange a plurality of cells in series in order to obtain a high voltage. When the cells are stacked, a separator is used to partition the cell's anode chamber and cathode chamber. A separator for a polymer electrolyte fuel cell is a current collector plate for ensuring electrical continuity between single cells, and a solid polymer having a function of forming a fluid (fuel gas, oxidizing gas) flow path Since it occupies a large part of the type fuel cell stack configuration, it is important to be lightweight and low-cost as well as durable. Carbon, stainless steel, aluminum, etc. are used as separators for polymer electrolyte fuel cells, but carbon is expensive and fragile in addition to the difficulty of processing, and stainless steel has high strength. There was a problem that the contact resistance increased because the specific gravity was heavy and a passive film was formed. On the other hand, aluminum is excellent in electrical conductivity, strength, lightness, workability, and cost, but has a problem of poor corrosion resistance.

特開2000−58058号公報(特許文献1)には、アルミニウム基材の表面にカーボン、炭化ケイ素、Ni、Cr、Sn等の保護層を設ける方法が、同2000−106197号公報(特許文献2)には、Zn、Cu、Znによるメッキ層とAg等の貴金属メッキ層を積層する方法が提案されている。また、特開2003−123782号公報(特許文献3)にはアルミニウム基材に多孔質陽極酸化皮膜の保護層が形成されたセパレータにおいて、酸化皮膜層の上に、Ni、Sn、Cr等の下地金属層とAu、Ru、Rh、Pd等の主金属層を積層する方法が提案されている。しかし、いずれの方法を用いても十分な耐食性が得られていなかった。   Japanese Patent Laid-Open No. 2000-58058 (Patent Document 1) discloses a method of providing a protective layer of carbon, silicon carbide, Ni, Cr, Sn or the like on the surface of an aluminum base. ) Proposes a method of laminating a plating layer of Zn, Cu, Zn and a noble metal plating layer of Ag or the like. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-123782 (Patent Document 3) discloses a separator in which a protective layer of a porous anodic oxide film is formed on an aluminum substrate, and an underlayer such as Ni, Sn, or Cr on the oxide film layer. A method of laminating a metal layer and a main metal layer such as Au, Ru, Rh, Pd has been proposed. However, sufficient corrosion resistance was not obtained by using any method.

一方、特許第2845195号公報、WO98/11020号公報、同2004/057064号公報(特許文献4、5、6)等、チタンや亜鉛などの金属のフッ化物から酸化チタンや酸化亜鉛の薄膜を形成する方法が知られているが、更にその上に金属層を形成して燃料電池用セパレータとして用いることについては何ら開示されていなかった。
特開2000−58058号公報、1頁〜5頁 特開2000−106197号公報、第1頁〜第7頁 特開2003−123782号公報、第1頁〜第7頁 特許第2845195号公報、第頁1〜第5頁 WO98/11020号公報、第頁1〜第18頁 WO2004/057064号公報、第1頁〜第38頁
On the other hand, a thin film of titanium oxide or zinc oxide is formed from a fluoride of metal such as titanium or zinc, such as Japanese Patent No. 2845195, WO98 / 11020, and 2004/057064 (Patent Documents 4, 5, 6). However, there is no disclosure of using a metal layer as a separator for a fuel cell.
JP 2000-58058 A, pages 1-5 JP 2000-106197 A, pages 1 to 7 JP 2003-123782 A, pages 1 to 7 Japanese Patent No. 2845195, pages 1 to 5 WO98 / 11020, pages 1 to 18 WO2004 / 057064, page 1 to page 38

本発明の目的は、軽量、安価で耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを提供することである。   An object of the present invention is to provide a separator for a polymer electrolyte fuel cell that is lightweight, inexpensive, and excellent in corrosion resistance.

本発明の上記目的は、以下の発明により達成された。
1)アルミニウム基材を周期律表のIIa、IIb、IVa、及びVa族の中から選ばれる金属元素のフッ化物で処理して、該アルミニウム基材の表面に該金属酸化物の層を形成したアルミニウム基材を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2)前記金属酸化物層の上に貴金属の層を有する上記1)に記載の燃料電池用セパレータ。
3)前記貴金属層が無電解メッキ法により形成されたものである上記2)に記載の燃料電池用セパレータ。
The above object of the present invention has been achieved by the following invention.
1) The aluminum substrate was treated with a fluoride of a metal element selected from the groups IIa, IIb, IVa, and Va of the periodic table to form the metal oxide layer on the surface of the aluminum substrate. A fuel cell separator characterized by using an aluminum substrate.
2) The fuel cell separator according to 1) above, wherein a noble metal layer is provided on the metal oxide layer.
3) The fuel cell separator according to 2) above, wherein the noble metal layer is formed by an electroless plating method.

本発明により、軽量、安価で耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータが得られた。   According to the present invention, a separator for a polymer electrolyte fuel cell that is lightweight, inexpensive and excellent in corrosion resistance is obtained.

以下に本発明を詳細に説明する。
図1に本発明の燃料電池用セパレータの表面の微視的構造を模式的に示す。
本発明の燃料電池用セパレータに用いられるアルミニウム基材1の表面は多孔質化されており、該アルミニウム基材1を周期律表のIIa、IIb、IVa、及びVa族金属の中から選ばれる金属元素のフッ化物を含有する処理液で処理することにより該金属の金属酸化物粒子2からなる金属酸化物層3が上記アルミニウム基材1の表面に密に形成される。更に表面の導電性を向上させるために上記金属酸化物層3の上に貴金属層4が設けられる。
The present invention is described in detail below.
FIG. 1 schematically shows the microscopic structure of the surface of the fuel cell separator of the present invention.
The surface of the aluminum substrate 1 used in the fuel cell separator of the present invention is made porous, and the aluminum substrate 1 is a metal selected from the group IIa, IIb, IVa and Va group metals of the periodic table. By processing with a processing solution containing an elemental fluoride, a metal oxide layer 3 composed of metal oxide particles 2 of the metal is densely formed on the surface of the aluminum substrate 1. Further, a noble metal layer 4 is provided on the metal oxide layer 3 in order to improve surface conductivity.

図2は本発明の上記の表面を有する燃料電池用セパレータ及びそれを用いた固体高分子型燃料電池の単セルの模式図を示す。セパレータ10は、酸化剤室11とこの酸化剤室に設けた集電用突起12と、燃料室13及び燃料室13に設けられた集電用突起14とを有している。2枚の上記セパレータ10の間に陰極15、電解質16、陽極17を設けることにより単セル20が構成される。図3に示すように、単セル20を複数個積層することにより固体高分子型燃料電池スタック30が形成される。   FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell separator having the above-described surface according to the present invention and a single cell of a polymer electrolyte fuel cell using the same. The separator 10 includes an oxidant chamber 11, a current collection protrusion 12 provided in the oxidant chamber, and a current collection protrusion 14 provided in the fuel chamber 13 and the fuel chamber 13. A single cell 20 is configured by providing a cathode 15, an electrolyte 16, and an anode 17 between the two separators 10. As shown in FIG. 3, a polymer electrolyte fuel cell stack 30 is formed by stacking a plurality of single cells 20.

本発明のセパレータの多孔質アルミニウム基材に用いるアルミニウムはアルミニウム合金を指し、アルミニウム合金としてはJIS H 4000に規定されている合金番号5000番台のものが好ましい。   The aluminum used for the porous aluminum substrate of the separator of the present invention refers to an aluminum alloy, and the aluminum alloy preferably has an alloy number in the 5000 range defined in JIS H4000.

本発明のセパレータの多孔質アルミニウム基材の多孔質は電解処理により多孔質化されることが好ましく、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸などの酸性水溶液中でアルミニウム基材を陽極として電解を行う。塩酸、硝酸などの一塩基酸中で電解することによりアルミニウムの溶解反応(エッチング)により多孔質が形成される。電解処理はアルミニウム基材をダイカスト法や機械加工、化学研磨などにより酸化剤室や燃料室などガスの通路が形成された後に行われる。また、硫酸、リン酸などの多塩基酸では陽極酸化により多孔質の酸化皮膜が形成される。また、これらの電解処理を組み合わせて処理することも出来、その場合、もっとも好ましい方法は一塩基酸中で電解処理によりエッチングした後、多塩基酸中で電解処理して陽極酸化する方法である。   The porosity of the porous aluminum substrate of the separator of the present invention is preferably made porous by electrolytic treatment, and electrolysis is performed using an aluminum substrate as an anode in an acidic aqueous solution such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and phosphoric acid. Electrolysis in a monobasic acid such as hydrochloric acid or nitric acid forms a porous material by dissolution reaction (etching) of aluminum. The electrolytic treatment is performed after a gas passage such as an oxidant chamber or a fuel chamber is formed on an aluminum base material by die casting, machining, chemical polishing, or the like. In addition, in the case of polybasic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, a porous oxide film is formed by anodic oxidation. Moreover, it can also process combining these electrolytic treatments, In that case, after etching by electrolytic treatment in a monobasic acid, the most preferable method is the method of anodizing by electrolytic treatment in a polybasic acid.

本発明のセパレータの多孔質アルミニウム基材の孔の好ましい大きさは、開口径が0.01μm〜0.30μmが好ましい。上記微細孔は、100μm当たり50個以上有することが好ましく、更に好ましくは100個以上であり、上限は15,000個までが好ましい。また該微細孔の平均開口径が0.03μm〜0.1μmであることが好ましく、更には微細孔の深さは開口径の1/3以上であることがより好ましい。微細孔の中心深さは、孔の開口径に対して1/2〜100倍程度が好ましい。これらの微細孔の形状、開口径、深さについては走査型電子顕微鏡やトンネル顕微鏡を用いて50,000倍位の倍率の拡大写真により容易に確認することが出来る。 The preferred size of the pores of the porous aluminum substrate of the separator of the present invention is preferably an opening diameter of 0.01 μm to 0.30 μm. The fine pores are preferably 50 or more per 100 μm 2 , more preferably 100 or more, and the upper limit is preferably up to 15,000. The average opening diameter of the fine holes is preferably 0.03 μm to 0.1 μm, and the depth of the fine holes is more preferably 1/3 or more of the opening diameter. The center depth of the fine hole is preferably about 1/2 to 100 times the opening diameter of the hole. The shape, opening diameter, and depth of these micropores can be easily confirmed with an enlarged photograph at a magnification of about 50,000 times using a scanning electron microscope or a tunnel microscope.

本発明の金属フッ化物は下記反応式(1−1)、(1−2)、(1−3)式によりアルミニウムが金属元素のフッ化物のフッ素イオンを捕捉することにより反応式(2)に従ってアルミニウム表面に金属酸化物粒子が形成される反応を用いる。IIa及びIIb族金属のフッ化物を作用させる場合には下記反応式(1−1)により、またIVa族金属のフッ化物を作用させる場合には下記反応式(1−2)により、またVa族金属のフッ化物を作用させる場合には下記反応式(1−3)により、それぞれ金属酸化物粒子が形成される。
MF+HO → MO+2H+2F (1−1)
MF 2−+2HO → MO+4HF+2F (1−2)
2MF 2−+5HO → M+10HF (1−3)
Al+12F+12H → 2HAlF+3HO (2)
In the metal fluoride of the present invention, aluminum captures fluorine ions of fluoride of a metal element according to the following reaction formulas (1-1), (1-2), and (1-3). A reaction in which metal oxide particles are formed on the aluminum surface is used. In the case where a fluoride of a IIa and IIb metal is allowed to act, the following reaction formula (1-1) is used; When a metal fluoride is allowed to act, metal oxide particles are formed according to the following reaction formula (1-3).
MF 2 + H 2 O → MO + 2H + + 2F (1-1)
MF 6 2− + 2H 2 O → MO 2 + 4HF + 2F (1-2)
2MF 5 2− + 5H 2 O → M 2 O 5 + 10HF (1-3)
Al 2 O 3 + 12F + 12H + → 2H 3 AlF 6 + 3H 2 O (2)

ここで、Mは周期律表のIIa、IIb、IVa及びVa族の金属元素を表し、具体的にはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、亜鉛、ニオブ、タンタルである。これらの金属元素のフッ化物の例として、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化カルシウム(CaF)、フッ化ストロンチウム(SrF)、フッ化バリウム(BaF)、フッ化チタンカリウム(KTiF)、フッ化チタンナトリウム(NaTiF)、フッ化チタンアンモニウム((NHTiF)、フッ化ジルコニウムカリウム(KZrF)、フッ化ハフニウム(HfF)、フッ化亜鉛4水和物(ZnF・4HO)、フッ化ニオブ(NbF)、6フッ化ニオブ1カリウム(KNbF)、フッ化タンタル(TaF)、7フッ化タンタル2カリウム(NaTaF)8フッ化タンタル3ナトリウム(NaTaF)などである。特に好ましい金属元素はチタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタルであり、これらのフッ化物としてはフッ化チタン及びフッ化ジルコニウムのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、フッ化ニオブ、フッ化タンタル及びそのアルカリ金属塩が好ましい。本発明の金属元素のフッ化物は単独で用いることも組み合わせて用いる事も出来る。 Here, M represents a metal element belonging to groups IIa, IIb, IVa and Va of the periodic table, and specifically, magnesium, calcium, strontium, barium, titanium, zirconium, hafnium, zinc, niobium and tantalum. Examples of fluorides of these metal elements include magnesium fluoride (MgF 2 ), calcium fluoride (CaF 2 ), strontium fluoride (SrF 2 ), barium fluoride (BaF 2 ), potassium titanium fluoride (K 2). TiF 6 ), sodium titanium fluoride (Na 2 TiF 6 ), ammonium titanium fluoride ((NH 4 ) 2 TiF 6 ), potassium zirconium fluoride (K 2 ZrF 6 ), hafnium fluoride (HfF 4 ), fluoride Zinc tetrahydrate (ZnF 2 .4H 2 O), niobium fluoride (NbF 5 ), 1 potassium niobium fluoride (KNbF 6 ), tantalum fluoride (TaF 5 ), 2 potassium tantalum fluoride (Na 2) TaF 7 ) 8 tantalum tantalum fluoride (Na 3 TaF 8 ) and the like. Particularly preferred metal elements are titanium, zirconium, niobium, and tantalum, and preferred fluorides thereof include alkali metal salts or ammonium salts of titanium fluoride and zirconium fluoride, niobium fluoride, tantalum fluoride, and alkali metal salts thereof. . The metal element fluorides of the present invention can be used alone or in combination.

また再公表特許WO98/11020号公報に記載されている様なフッ素捕捉剤を併用することも出来る。フッ素捕捉剤としては、均一系捕捉剤と不均一系捕捉剤がある。均一捕捉剤としてホウ酸、メタホウ酸、酸化ホウ素などのホウ素化合物、塩化アルミニウム、水酸化ナトリウム、アンモニア水等が、不均一捕捉剤としては、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、マグネシウム、銅、亜鉛、ゲルマニウムなどの金属、ガラスなどのセラミックス、ケイ素、オルソホウ酸、メタホウ酸、酸化ホウ素などのホウ素化合物、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウムなどが挙げられる。   Further, a fluorine scavenger as described in republished patent WO98 / 11020 can be used in combination. Fluorine scavengers include homogeneous scavengers and heterogeneous scavengers. Boron compounds such as boric acid, metaboric acid and boron oxide, aluminum chloride, sodium hydroxide, aqueous ammonia and the like as uniform scavengers, and aluminum, titanium, iron, nickel, magnesium, copper, zinc, Examples thereof include metals such as germanium, ceramics such as glass, boron compounds such as silicon, orthoboric acid, metaboric acid, and boron oxide, calcium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, and magnesium oxide.

本発明のIIa、IIb、IVa、Va族の金属元素のフッ化物の好ましい使用量はフッ化物の種類や、フッ化物を作用させる時間、温度等や、アルミニウム基材の表面積や電解の程度等により変化するが、1×10―5モル/L〜2×10−1モル/Lの範囲、より好ましくは5×10−4〜5×10−2モル/Lの範囲である。 The preferred amount of the fluoride of the metal element of group IIa, IIb, IVa and Va of the present invention depends on the type of fluoride, the time and temperature at which the fluoride acts, the surface area of the aluminum substrate, the degree of electrolysis, etc. Although it varies, it is in the range of 1 × 10 −5 mol / L to 2 × 10 −1 mol / L, more preferably in the range of 5 × 10 −4 to 5 × 10 −2 mol / L.

本発明のセパレータの多孔質アルミニウム基材上に形成される金属酸化物微粒子の層の厚みは0.1〜30μmが好ましく、0.5〜5μmがより好ましい。   0.1-30 micrometers is preferable and, as for the thickness of the layer of the metal oxide fine particle formed on the porous aluminum base material of the separator of this invention, 0.5-5 micrometers is more preferable.

本発明の多孔質アルミニウム基材の金属フッ化物による処理は、金属フッ化物水溶液を浸漬方式、塗布方式等の様々な方式により作用させることにより行われる。   The treatment of the porous aluminum substrate of the present invention with a metal fluoride is performed by causing the metal fluoride aqueous solution to act by various methods such as an immersion method and a coating method.

本発明の金属フッ化物水溶液は、反応速度の調整のために錯化剤、pH調整液、pH緩衝液、水溶性ポリマー、界面活性剤などを含有する事が出来る。   The aqueous metal fluoride solution of the present invention can contain a complexing agent, a pH adjusting solution, a pH buffer solution, a water-soluble polymer, a surfactant and the like for adjusting the reaction rate.

本発明の金属フッ化物水溶液に用いられる錯化剤として、リン酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、チオシアン酸塩、アンモニア、エチレンジアミン、EDTA等の各種有機酸塩を用いることが出来る。特に好ましい錯化剤はリン酸及びリン酸塩であり、リン酸HPO、リン酸二水素ナトリウムNaHPO・2HO、リン酸二水素アンモニウムNHPO、リン酸水素二ナトリウムNaHPO・12HO、リン酸一水素カルシウムCaHPO・2HO、リン酸三ナトリウムNaPO・12HO、ピロリン酸ナトリウムNa・10HO、ピロリン酸二水素二ナトリウムNa、ホスフィン酸ナトリウムNaHPO・HO、ヘキサメタリン酸ナトリウム(NaPO、メタリン酸水素ナトリウム(酸性メタリン酸ソーダ)NaxHy(PO)x+y NaO/P(モル比)<1、等が挙げられる。特に好ましいリン酸塩の使用形態はヘキサメタリン酸水素ナトリウムやメタリン酸水素ナトリウムの様な高分子縮合リン酸塩とリン酸二水素ナトリウムNaHPO・2HO、リン酸水素二ナトリウムNaHPO・12HO、等の未縮合のリン酸塩と共に用いる場合である。 As the complexing agent used in the aqueous metal fluoride solution of the present invention, various organic acid salts such as phosphate, sulfite, thiosulfate, thiocyanate, ammonia, ethylenediamine, and EDTA can be used. Particularly preferred complexing agents are phosphoric acid and phosphate, phosphoric acid H 3 PO 4 , sodium dihydrogen phosphate NaH 2 PO 4 .2H 2 O, ammonium dihydrogen phosphate NH 4 H 2 PO 4 , phosphoric acid Disodium hydrogen Na 2 HPO 4 · 12H 2 O, calcium monohydrogen phosphate CaHPO 4 · 2H 2 O, trisodium phosphate Na 3 PO 4 · 12H 2 O, sodium pyrophosphate Na 4 P 2 O 7 · 10H 2 O , Disodium dihydrogen pyrophosphate Na 2 H 2 P 2 O 7 , sodium phosphinate NaH 2 PO 2 .H 2 O, sodium hexametaphosphate (NaPO 3 ) n , sodium metaphosphate (sodium acid metaphosphate) NaxHy (PO 3 ) x + y Na 2 O / P 2 O 5 (molar ratio) <1, etc. Particularly preferred forms of use of phosphates are polymer condensed phosphates such as sodium hydrogen metametaphosphate and sodium metaphosphate, sodium dihydrogen phosphate NaH 2 PO 4 · 2H 2 O, and disodium hydrogen phosphate Na 2 HPO. This is a case where it is used together with an uncondensed phosphate such as 4 · 12H 2 O.

本発明の金属フッ化物水溶液にはpH調整剤として水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、無機酸、有機酸などを用いることが出来る。pH緩衝液としては有機酸,無機酸のアルカリ金属塩、クエン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、オキシカルボン酸、リン酸2水素塩、ホウ酸、炭酸などが使用される。   In the metal fluoride aqueous solution of the present invention, sodium hydroxide, ammonium hydroxide, inorganic acid, organic acid or the like can be used as a pH adjuster. As the pH buffer solution, alkali metal salts of organic acids and inorganic acids, sodium citrate, sodium acetate, oxycarboxylic acid, dihydrogen phosphate, boric acid, carbonic acid and the like are used.

本発明の金属フッ化物水溶液に用いることのできる水溶性ポリマーとしてカルボン酸、アミド、スルホン酸などの親水基を有するポリマーが好ましい。具体的として、アラビアゴム、カゼイン、ゼラチン、澱粉誘導体、カルボキシメチルセルロースおよびそのナトリウム塩、セルロースアセテート、アルギン酸ナトリウム、酢酸ビニールマイレイン酸コポリマー類、スチレン−マイレイン酸コポリマー類、ポリアクリル酸類およびそれらの塩、ポリメタクリル酸類およびそれらの塩、ヒドロキシエチルメタクリレートのホモポリマーおよびコポリマー、ヒドロキシエチルアクリレートのホモポリマーおよびコポリマー、ヒドロキシプロピルメタクリレートのホモポリマーおよびコポリマー、ポリビニルピロリドン、アクリルアミドのホモポリマーおよびコポリマー、メタクリルアミドのホモポリマーおよびポリマー、N―メチロールアクリルアミドのホモポリマーおよびコポリマー、ポリエチレングリコール等を挙げることができる。   As the water-soluble polymer that can be used in the aqueous metal fluoride solution of the present invention, a polymer having a hydrophilic group such as carboxylic acid, amide, or sulfonic acid is preferable. Specifically, gum arabic, casein, gelatin, starch derivatives, carboxymethylcellulose and its sodium salt, cellulose acetate, sodium alginate, vinyl acetate maleic acid copolymers, styrene-maleic acid copolymers, polyacrylic acids and their salts, Polymethacrylic acids and their salts, hydroxyethyl methacrylate homopolymers and copolymers, hydroxyethyl acrylate homopolymers and copolymers, hydroxypropyl methacrylate homopolymers and copolymers, polyvinylpyrrolidone, acrylamide homopolymers and copolymers, methacrylamide homopolymers And polymers, homopolymers and copolymers of N-methylolacrylamide, polyethylene Mention may be made of glycol, and the like.

本発明の金属フッ化物水溶液に用いることのできる界面活性剤として、ノニオン系界面活性剤、両性界面活性剤、カチオン系界面活性剤、あるいはアニオン系界面活性剤が挙げられ、これら各種の活性剤を単独または併用で使用できる。アニオン系界面活性剤としてはアルキル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、おりオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩などが挙げられる。カチオン系界面活性剤としては、四級アンモニウム塩、ピリジニウム塩などが挙げられる。ノニオン界面活性剤としては、C〜C20アルカノール、フェノール、ナフトール、ビスフェノール類、C〜C25アルキルナフトール、C〜C25アルコキシリン酸(塩)、ソルビタンエステル、ポリアルキレングリコール、C〜C22脂肪族アミドなどにエチレンオキシド(EO)及び/またはプロピレンオキシド(PO)を2〜300モル付加重合させたものなどが挙げられる。 Examples of surfactants that can be used in the aqueous metal fluoride solution of the present invention include nonionic surfactants, amphoteric surfactants, cationic surfactants, and anionic surfactants. Can be used alone or in combination. Examples of anionic surfactants include alkyl sulfates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, oxyethylene alkyl phenyl ether sulfates, alkyl benzene sulfonates, and alkyl naphthalene sulfonates. Examples of the cationic surfactant include quaternary ammonium salts and pyridinium salts. Nonionic surfactants include C 1 -C 20 alkanols, phenols, naphthols, bisphenols, C 1 -C 25 alkyl naphthols, C 1 -C 25 alkoxyphosphoric acids (salts), sorbitan esters, polyalkylene glycols, C 1 -C 22, such as ethylene oxide aliphatic amides (EO) and / or propylene oxide (PO) with those obtained by 2-300 mol addition polymerization, and the like.

本発明のセパレータの多孔質アルミニウム基材上に形成された金属酸化物微粒子上に更に貴金属層を設けることが好ましい。特に好ましい貴金属はAu、Ru,Rh、Pd、Os,Ir、Ptである。上記貴金属層は、浸漬、塗布、蒸着、メッキ等の様々な方法により設けることが出来るが、簡便かつ金属酸化物粒子と上記貴金属層との密着性が良好な無電解メッキ法を用いることが好ましい。   It is preferable to further provide a noble metal layer on the metal oxide fine particles formed on the porous aluminum substrate of the separator of the present invention. Particularly preferred noble metals are Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. The noble metal layer can be provided by various methods such as dipping, coating, vapor deposition, and plating, but it is preferable to use an electroless plating method that is simple and has good adhesion between the metal oxide particles and the noble metal layer. .

本発明に用いられる無電解メッキ液は基本的にはメッキされる金属元素の塩、錯化剤、還元剤、pH調整剤、pH緩衝剤、安定剤、活性剤等を含有する。   The electroless plating solution used in the present invention basically contains a metal element salt to be plated, a complexing agent, a reducing agent, a pH adjusting agent, a pH buffering agent, a stabilizer, an activator and the like.

本発明に用いられる無電解メッキ液の金属元素の塩として、塩化金酸、塩化ルテニウム、塩化ロジウム、塩化パラジウム、塩化イリジウム、塩化白金などの塩を用いることができる。   As the metal element salt of the electroless plating solution used in the present invention, a salt of chloroauric acid, ruthenium chloride, rhodium chloride, palladium chloride, iridium chloride, platinum chloride or the like can be used.

本発明に用いられる無電解メッキ液に用いられる錯化剤として、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、チオシアン酸塩、アンモニア、ヒドロキシアミン、エチレンジアミン、ピロリン酸塩、EDTA等の各種有機酸塩を用いることが出来る。   As the complexing agent used in the electroless plating solution used in the present invention, various organic acid salts such as sulfite, thiosulfate, thiocyanate, ammonia, hydroxyamine, ethylenediamine, pyrophosphate, and EDTA may be used. I can do it.

本発明に用いられる無電解メッキ液では種々の還元剤を使用することが出来る。使用される還元剤としてブドウ糖、ホルマリン、ヒドラジン、ハイドロキノン、ホウ水化物、次亜リン酸塩などを用いることが出来る。しかし、還元剤の使用は、例えばメッキ液に流入する不純物等を核としてメッキ液中の金属イオンを還元析出させる等のメッキ液の寿命を縮める原因となるので、金、パラジウム、白金等の貴金属を無電解メッキして下地とした後、更に銅、ニッケルなどのより卑な金属を無電解メッキする場合には、金、パラジウム、白金等の貴金属の無電解メッキには還元剤を全く用いない無電解メッキ液を使用する事も出来る。   Various reducing agents can be used in the electroless plating solution used in the present invention. Glucose, formalin, hydrazine, hydroquinone, borohydride, hypophosphite, etc. can be used as the reducing agent used. However, the use of a reducing agent may shorten the life of the plating solution, such as reducing and precipitating metal ions in the plating solution with impurities flowing into the plating solution as the core, so noble metals such as gold, palladium, platinum, etc. When electroless plating is applied to base metals such as copper and nickel after electroless plating, no reducing agent is used for electroless plating of noble metals such as gold, palladium and platinum. An electroless plating solution can also be used.

本発明に用いられるメッキ液にはpH調整剤として水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、無機酸、有機酸などを用いることが出来る。pH緩衝液としては有機酸,無機酸のアルカリ金属塩、クエン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、オキシカルボン酸、リン酸2水素塩、ホウ酸、炭酸などが使用される。   In the plating solution used in the present invention, sodium hydroxide, ammonium hydroxide, inorganic acid, organic acid or the like can be used as a pH adjuster. As the pH buffer solution, alkali metal salts of organic acids and inorganic acids, sodium citrate, sodium acetate, oxycarboxylic acid, dihydrogen phosphate, boric acid, carbonic acid and the like are used.

本発明に用いられるメッキ液の安定剤として鉛の塩化物、硫化物、硝化物などが微量に添加することができる。改良剤としては界面活性剤を微量使用することも出来る。   As a stabilizer for the plating solution used in the present invention, a small amount of lead chloride, sulfide, nitride or the like can be added. A small amount of a surfactant can be used as the improver.

本発明に用いられるメッキ液に用いることのできる界面活性剤としては、ノニオン系界面活性剤、両性界面活性剤、カチオン系界面活性剤、あるいはアニオン系界面活性剤が挙げられ、これら各種の活性剤を単独または併用で使用できる。アニオン系界面活性剤としてはアルキル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩などが挙げられる。カチオン系界面活性剤としては、四級アンモニウム塩、ピリジニウム塩などが挙げられる。ノニオン界面活性剤としては、C〜C20アルカノール、フェノール、ナフトール、ビスフェノール類、C〜C25アルキルナフトール、C〜C25アルコキシリン酸(塩)、ソルビタンエステル、ポリアルキレングリコール、C〜C22脂肪族アミドなどにエチレンオキシド(EO)及び/またはプロピレンオキシド(PO)を2〜300モル付加重合させたものなどが挙げられる。 Examples of the surfactant that can be used in the plating solution used in the present invention include nonionic surfactants, amphoteric surfactants, cationic surfactants, and anionic surfactants. Can be used alone or in combination. Examples of the anionic surfactant include alkyl sulfates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, polyoxyethylene alkyl phenyl ether sulfates, alkyl benzene sulfonates, and alkyl naphthalene sulfonates. Examples of the cationic surfactant include quaternary ammonium salts and pyridinium salts. Nonionic surfactants include C 1 -C 20 alkanols, phenols, naphthols, bisphenols, C 1 -C 25 alkyl naphthols, C 1 -C 25 alkoxyphosphoric acids (salts), sorbitan esters, polyalkylene glycols, C 1 -C 22, such as ethylene oxide aliphatic amides (EO) and / or propylene oxide (PO) with those obtained by 2-300 mol addition polymerization, and the like.

前記のようにして酸化剤室と燃料室から成るガス流通孔を加工した後、電解処理により多孔質化されたアルミニウム基材の表面に金属フッ化物処理により金属酸化物粒子層を設け、更に上記金属酸化物粒子の上に無電解メッキ法などにより貴金属層が形成されることによって作製されたセパレータ10は、固体電解質16の両面に陰極15及び陽極17を介して配置される。固体電解質16にはパーフルオロカーボンスルフォン酸などのフッ素樹脂系イオン交換膜から成る固体高分子型電解質が用いられる。陰極及び陽極には白金などの金属電極が用いられる。酸化剤室11には酸化剤として空気(酸素)を、燃料室13には水素を流すことにより陰極15では式(1)で、陽極17では式(2)で表される電子移動反応が起こり、陰極で発生したプロトン(H)は高分子電解質膜のイオン交換基を介して陽極に輸送される結果、電流を取り出すことが出来る。
→ 2H+2e (1)陰極
1/2O+2H+2Xe → HO (2)陽極
+1/2O → HO (3)全反応
After processing the gas flow hole composed of the oxidant chamber and the fuel chamber as described above, a metal oxide particle layer is provided on the surface of the aluminum base material made porous by electrolytic treatment by metal fluoride treatment, and further The separator 10 produced by forming a noble metal layer on the metal oxide particles by an electroless plating method or the like is disposed on both surfaces of the solid electrolyte 16 via a cathode 15 and an anode 17. The solid electrolyte 16 is a solid polymer electrolyte made of a fluororesin ion exchange membrane such as perfluorocarbon sulfonic acid. A metal electrode such as platinum is used for the cathode and the anode. By flowing air (oxygen) as an oxidant in the oxidant chamber 11 and hydrogen in the fuel chamber 13, an electron transfer reaction represented by the equation (1) occurs at the cathode 15 and at the anode 17 as expressed by the equation (2). The proton (H + ) generated at the cathode is transported to the anode via the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane, so that a current can be taken out.
H 2 → 2H + + 2e (1) Cathode 1 / 2O 2 + 2H + + 2Xe → H 2 O (2) Anode H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (3) Total reaction

以下に本発明を実施例により説明する。
(実施例1)
板厚5mmのアルミニウム板を図2のセパレータ10の様にダイカスト加工した後、60℃4%の水酸化ナトリウム水溶液に10秒間浸漬、水洗した後、28℃で1.8%の塩酸電解液中に40A・dm、60Hzの単層交流電流を30秒間流して多孔質化し、水洗し、50℃10%リン酸を含む溶液に20秒浸漬してデスマットし、水洗、乾燥した。更に、20%硫酸水溶液中で陽極酸化処理を施して、表面に陽極酸化皮膜を形成させ、水洗後乾燥しアルミニウム基材とした。陽極酸化層の厚みは0.8μmであった。
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
Example 1
An aluminum plate having a thickness of 5 mm is die-casted like the separator 10 in FIG. 2, immersed in a 4% sodium hydroxide aqueous solution at 60 ° C. for 10 seconds, washed with water, and then in a 1.8% hydrochloric acid electrolyte at 28 ° C. Was made porous by flowing a single layer alternating current of 40 A · dm 2 , 60 Hz for 30 seconds, washed with water, immersed in a solution containing 50% 10% phosphoric acid for 20 seconds, desmutted, washed with water and dried. Furthermore, an anodizing treatment was performed in a 20% sulfuric acid aqueous solution to form an anodized film on the surface, washed with water and dried to obtain an aluminum substrate. The thickness of the anodized layer was 0.8 μm.

上記アルミニウム基材を下記の金属フッ化物処理液(1)〜(3)に浸積し、水洗、乾燥した後、下記の無電解白金メッキ液で無電解メッキを行い、水洗、乾燥して本発明のセパレータ(1)〜(3)を作製した。金属酸化物層の厚みは1μmで、白金メッキ層の厚みは0.2μmであった。   The aluminum substrate is immersed in the following metal fluoride treatment liquids (1) to (3), washed with water and dried, then electrolessly plated with the following electroless platinum plating solution, washed with water and dried. Inventive separators (1) to (3) were prepared. The thickness of the metal oxide layer was 1 μm, and the thickness of the platinum plating layer was 0.2 μm.

金属フッ化物処理液(1)(本発明)
フッ化チタンカリウム 0.05モル
アラビアゴム 2g
リン酸二水素ナトリウム 2g
メタリン酸水素ナトリウム 10g
全量1,000mlとし、アルカリ(NaOH)を加えてpH4.5に調整した。
Metal fluoride treatment liquid (1) (present invention)
Titanium potassium fluoride 0.05 mol Arabic gum 2 g
Sodium dihydrogen phosphate 2g
Sodium hydrogen phosphate 10g
The total volume was 1,000 ml, and the pH was adjusted to 4.5 by adding alkali (NaOH).

金属フッ化物処理液(2)(本発明)
フッ化ジルコニウム 0.05モル
アラビアゴム 2g
リン酸二水素ナトリウム 2g
メタリン酸水素ナトリウム 10g
全量1,000mlとし、アルカリ(NaOH)を加えてpH4.5に調整した。
Metal fluoride treatment liquid (2) (present invention)
Zirconium fluoride 0.05 mol Arabic gum 2 g
Sodium dihydrogen phosphate 2g
Sodium hydrogen phosphate 10g
The total volume was 1,000 ml, and the pH was adjusted to 4.5 by adding alkali (NaOH).

金属フッ化物処理液(3)(本発明)
フッ化バナジウム 0.05モル
アラビアゴム 0.5g
リン酸二水素ナトリウム 2g
メタリン酸水素ナトリウム 10g
全量1,000mlとし、アルカリ(NaOH)を加えてpH4.5に調整した。
Metal fluoride treatment liquid (3) (present invention)
Vanadium fluoride 0.05 mol Arabic gum 0.5 g
Sodium dihydrogen phosphate 2g
Sodium hydrogen phosphate 10g
The total volume was 1,000 ml, and the pH was adjusted to 4.5 by adding alkali (NaOH).

(無電解白金メッキ液)
塩化白金 2.5g
無水亜硫酸ナトリウム 32g
チオ硫酸ナトリウム・5水和物 26g
4ホウ酸2カリウム4水和物 25g
ベンゾトリアゾール 2.5g
2−メルカプトベンゾチアゾール 1g
全量1,000mlとしpHは9.0に調整した。
(Electroless platinum plating solution)
Platinum chloride 2.5g
Anhydrous sodium sulfite 32g
Sodium thiosulfate pentahydrate 26g
25g of dipotassium tetraborate tetrahydrate
Benzotriazole 2.5g
2-mercaptobenzothiazole 1g
The total volume was 1,000 ml and the pH was adjusted to 9.0.

(比較のセパレータ)
板厚5mmのアルミニウム板を図2のセパレータ10の様にダイカスト加工した後、60℃4%の水酸化ナトリウム水溶液に10秒間浸漬、水洗した後、4%リン酸水溶液中で陽極酸化処理を施して、表面に陽極酸化皮膜を形成させ、水洗後乾燥し比較のアルミニウム基材とした。陽極酸化層の厚みは0.8μmであった。この基材に下記の無電解ニッケルメッキ液を用いて2μmの厚みのニッケル皮膜を無電解メッキした後、引き続いて前記無電解白金メッキ液で無電解メッキを行い比較のセパレータを作製した。白金メッキ層の厚みは0.2μmであった。
(Comparator separator)
An aluminum plate having a thickness of 5 mm is die-casted like the separator 10 in FIG. 2, immersed in a 4% sodium hydroxide aqueous solution at 60 ° C. for 10 seconds, washed with water, and then anodized in a 4% phosphoric acid aqueous solution. Then, an anodized film was formed on the surface, washed with water and dried to obtain a comparative aluminum substrate. The thickness of the anodized layer was 0.8 μm. The substrate was electrolessly plated with a nickel film having a thickness of 2 μm using the following electroless nickel plating solution, followed by electroless plating with the electroless platinum plating solution to produce a comparative separator. The thickness of the platinum plating layer was 0.2 μm.

(無電解ニッケルメッキ液)
硫酸ニッケル 30g
ジメチルアミンボラン 3g
クエン酸ナトリウム 25g
乳酸 25g
全量1,000mlでpHは7.0に調整した。
(Electroless nickel plating solution)
30 g of nickel sulfate
Dimethylamine borane 3g
Sodium citrate 25g
Lactic acid 25g
The total volume was 1,000 ml and the pH was adjusted to 7.0.

前記の本発明のセパレータ(1)〜(3)及び比較のセパレータを用いて10個の単セルを積層した、本発明の燃料電池スタック(1)〜(3)及び比較の燃料電池スタックを作製した。電解質にはパーフルオロカーボンスルフォン酸イオン交換膜から成る固体高分子型電解質を用い、交換膜の両面に白金を担持させて陰極及び陽極とした。   The fuel cell stacks (1) to (3) of the present invention and the comparative fuel cell stack were prepared by laminating 10 single cells using the separators (1) to (3) of the present invention and the comparative separator. did. As the electrolyte, a solid polymer electrolyte composed of a perfluorocarbon sulfonate ion exchange membrane was used, and platinum was supported on both sides of the exchange membrane to form a cathode and an anode.

この燃料電池スタックに水素ガス及び酸素ガスを供給して運転を行い、出力電流を60℃で6Vの電圧で測定した後、1000時間の発電を行い、再度出力電流を測定した。結果を表1に示す。
また、耐食性を評価するために、本発明のセパレータ(1)〜(3)及び比較のセパレータを80℃の10%の硫酸溶液に100時間浸漬した後、燃料電池スタックを作製して上記と同様の条件で出力電流を測定した。結果を表1に示す。
The fuel cell stack was operated by supplying hydrogen gas and oxygen gas, and the output current was measured at a voltage of 6 V at 60 ° C., then power generation was performed for 1000 hours, and the output current was measured again. The results are shown in Table 1.
Further, in order to evaluate the corrosion resistance, the separators (1) to (3) of the present invention and the comparative separator were immersed in a 10% sulfuric acid solution at 80 ° C. for 100 hours, and then a fuel cell stack was prepared and the same as described above. The output current was measured under the following conditions. The results are shown in Table 1.

表1から本発明の電解により多孔質化されたアルミニウム基材をチタン、ジルコニウム、バナジウムの様なIIa、IIb、IVa、Va族の中から選ばれる金属元素のフッ化物で処理して表面に該金属の酸化物層を形成した後、貴金属層を形成したセパレータを用いて作製された燃料電池スタックは1000時間発電後も、耐食試験後も出力電流の低下が殆ど見られない。一方、陽極酸化後、Ni等の下地金属を形成した後、貴金属を形成したセパレータを用いて作製された燃料電池スタックは、1000時間の発電後に出力電流の低下が見られ、特に耐食試験後は出力電流が著しく低下することが分かる。   From Table 1, the aluminum substrate made porous by electrolysis of the present invention was treated with a fluoride of a metal element selected from the group IIa, IIb, IVa, Va such as titanium, zirconium, vanadium, and the surface thereof After forming the metal oxide layer, the fuel cell stack manufactured using the separator having the noble metal layer shows almost no decrease in output current after power generation for 1000 hours and after the corrosion resistance test. On the other hand, after anodization, after forming a base metal such as Ni, a fuel cell stack manufactured using a separator formed with a noble metal shows a decrease in output current after 1000 hours of power generation, especially after a corrosion resistance test. It can be seen that the output current is significantly reduced.

Figure 2006210037
Figure 2006210037

本発明の燃料電池用セパレータの表面の構造の概念断面図。The conceptual sectional drawing of the structure of the surface of the separator for fuel cells of this invention. 固体高分子型燃料電池単セルの分解斜視図Disassembled perspective view of a single polymer electrolyte fuel cell unit cell 単セルを積層した固体高分子型燃料電池スタックの分解斜視図。The disassembled perspective view of the polymer electrolyte fuel cell stack which laminated | stacked the single cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 多孔質アルミニウム表面
2 金属酸化物粒子
3 金属酸化物層
4 貴金属層
5 貴金属層が設けられた金属酸化物層
10 セパレータ
20 燃料電池単セル
30 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Porous aluminum surface 2 Metal oxide particle 3 Metal oxide layer 4 Noble metal layer 5 Metal oxide layer provided with the noble metal layer 10 Separator 20 Fuel cell single cell 30 Fuel cell stack

Claims (3)

アルミニウム基材を周期律表のIIa、IIb、IVa、及びVa族の中から選ばれる金属元素のフッ化物で処理して、該アルミニウム基材の表面に該金属酸化物の層を形成したアルミニウム基材を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。   An aluminum substrate obtained by treating an aluminum substrate with a fluoride of a metal element selected from Group IIa, IIb, IVa and Va of the periodic table to form a layer of the metal oxide on the surface of the aluminum substrate A fuel cell separator characterized by using a material. 前記金属酸化物層の上に貴金属の層を有する請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1, further comprising a noble metal layer on the metal oxide layer. 前記貴金属層が無電解メッキ法により形成されたものである請求項2に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 2, wherein the noble metal layer is formed by an electroless plating method.
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