JP4213825B2

JP4213825B2 - Fuel cell and fuel cell separator

Info

Publication number: JP4213825B2
Application number: JP18652099A
Authority: JP
Inventors: 勝宏水野; 政憲松川
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP2001015126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えた燃料電池用セパレータ、及びそれを備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、燃料電池は、一対の電極を構成する正極及び負極と、一対の正極及び負極に挟装された電解質膜とからなる単位電池を用い、その単位電池を厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設して構成されている。このような燃料電池では、正極は、正極活物質が供給される正極室に対面し、負極は、負極活物質が供給される負極室に対面する。また、前記燃料電池では、負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とをセパレータで仕切っている。セパレータは、前記単位電池間に配設されている。
【０００３】
燃料電池では、使用環境によってセパレータの腐食劣化が生じる。故に、燃料電池において、長時間発電した後の発電特性は初期発電特性と比較して低下する傾向にある。そこで従来、セパレータは、腐食劣化が生じにくいカーボン材で形成されているのが一般的であった。また従来、表面に強固な不動態膜を形成して、優れた耐食性を有するステンレス鋼又はチタン合金で形成されたセパレータを使用している燃料電池も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カーボン材で形成したセパレータは、その材料自体が高いだけでなく、精密加工が必要なため、非常にコスト高となっていた。また、カーボン材は脆性であるため、セパレータの積層時の割れを考慮すると、セパレータを厚くする必要が生じ、燃料電池の小型化が制約されていた。
【０００５】
さらに、ステンレス鋼で形成したセパレータは、強度を有するため、小型化には適しているものの、比重が大きくて軽量化には不適であった。また、チタン合金で形成したセパレータも、強度を有して小型化には適しているものの、材料コストが高いため、低コスト化には適していなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は、軽量化及び低コスト化等の観点から、比重が小さく、かつ、安価な材料であるアルミニウム又はアルミニウム合金で形成したセパレータの開発を近年進めている。
【０００７】
ここで、燃料電池を構成するセパレータでは、厚み方向に通電経路が形成されるため、セパレータを形成するアルミニウム又はアルミニウム合金の表面層に酸化膜が生成されることは好ましくない。従って、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成したセパレータを陽極酸化処理して、陽極酸化膜を生成させることは不適切である。そのため、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる材料で形成したセパレータを組み込んだ燃料電池は、腐食の面において耐久性が不十分であった。
【０００８】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量化及び耐食性の向上を図ることのできる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した実情に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板、亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような積層形態とすれば、燃料電池用セパレータ、ひいては燃料電池の軽量化を図りつつ、耐食性の向上を図ることができるということを見出すと共に、試験で確認し、本発明の燃料電池及び燃料電池用セパレータを完成するに至った。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、一対の電極を構成する正極及び負極と、前記正極及び前記負極に挟装された電解質膜とからなり、厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設された単位電池と、隣設する前記単位電池間に配設され、前記負極に対面すると共に負極活物質が供給される負極室と前記正極に対面すると共に正極活物質が供給される正極室とを仕切るセパレータとを備えた燃料電池において、
前記セパレータは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記請求項１に記載の発明の燃料電池によれば、セパレータはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板を主体として形成されているため、セパレータ、ひいては燃料電池の軽量化が図られる。また、セパレータを構成するセパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような配列で各種メッキ層が積層されているため、セパレータ、ひいては燃料電池の腐食劣化が抑制されることとなり、耐久性の向上が図られることとなる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とを仕切る燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを要旨とする。
【００１３】
上記請求項２に記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、セパレータはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板を主体として形成されているため、セパレータの軽量化が図られる。また、セパレータを構成するセパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層の順となるような配列で各種メッキ層が積層されているため、セパレータの腐食劣化が抑制されることとなり、耐久性の向上が図られることとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
単位電池の正極及び負極に挟装される電解質膜は、固体高分子電解質膜が好ましい。セパレータを構成するセパレータ基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。これらの材料としては、例えば純Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金及びＡｌ−Ｚｎ系合金等を採用できる。
【００１５】
セパレータ基板に積層される中間メッキ層としては、セパレータ基板に対する密着力を考慮して、亜鉛置換メッキ層が好ましい。また、亜鉛置換メッキ層に積層されるメッキとしては、パラジウム合金メッキ層が好ましい。パラジウム合金メッキ層としては、例えばＰｄ−Ｖ系合金メッキ層、Ｐｄ−Ｎｉ系合金メッキ層、Ｐｄ−Ｍｏ系合金メッキ層等を採用できる。ここで、メッキとは、物体の表面を金属の薄膜で被覆することをいい、化学メッキ、電気メッキ、溶融メッキ及び気相メッキ等のメッキ処理を含む。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を固体高分子膜型燃料電池に具体化した一実施例について、図１〜図３に基いて説明する。図１は、固体高分子膜型燃料電池の積層構造を分解して模式的に示す側面図である。
【００１７】
図１に示すように、単位電池１が所定の間隔ごとに外枠９５の間、すなわち厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設されている。単位電池１は、一対の電極を構成する正極１０及び負極１１と、正極１０及び負極１１に挟装されたプロトン透過性をもつフィルム状の高分子型の固体高分子電解質膜１２とを備えている。
【００１８】
図１に示されるように、活物質セパレータとして機能するセパレータ２は、負極室Ｎｅと正極室Ｐｏとを互いに背向状態となるように区画しており、隣設する前記単位電池１間に配設されている。負極室Ｎｅは、負極１１に対面すると共に、負極活物質（例えば水素含有ガス）が供給されるようになっている。また、正極室Ｐｏは、正極１０に対面すると共に、正極活物質（例えば空気）が供給されるようになっている。
【００１９】
図２は、セパレータ基板の状態を模式的に示す平面図である。
【００２０】
セパレータ２は、図２に示すように、プレス成形されたセパレータ基板６（厚み０．３ｍｍ、純Ａｌ、ＪＩＳ規格Ａ１１００）を主体として構成されている。セパレータ基板６の隅部には、厚み方向に貫通する負極活物質が通過する負極活物質貫通孔６１ｉ，６１ｏ、厚み方向に貫通する正極活物質が通過する正極活物質貫通孔６２ｉ，６２ｏ、厚み方向に貫通する冷媒が通過する冷媒貫通孔６３ｉ，６３ｏ、厚み方向に貫通する位置決め孔６４ｉ，６４ｏがプレス成形により形成されている。本明細書中において、添字の「ｉ」は、基本的には、入り口であるＩＮＬＥＴを意味し、添字の「ｏ」は、基本的には、出口であるＯＵＴＬＥＴを意味する。また、セパレータ基板６には、活物質の流路を形成する多数個の膨出成形部６ｋ，６ｍ等がプレス成形により一体成形されている。
【００２１】
図３は、セパレータ基板に積層された各種メッキ層の断面構造を拡大して模式的に示す断面図である。
【００２２】
図３に示すように、セパレータ基板６の表面及び裏面には、それぞれ亜鉛置換メッキ層７０が積層されており、その亜鉛置換メッキ層７０の上には、それぞれパラジウム合金メッキ層７１が積層されている。この亜鉛置換メッキ層７０により、セパレータ基板６に対する密着力が高められると共に、パラジウム合金メッキ層７１との密着力も高められる。
【００２３】
なお、本実施例では、各メッキ処理に先立って、前処理として、アルカリ脱脂→エッチング→酸浸漬の順に各処理をセパレータ基板６に対して行う。その後に、メッキ処理をセパレータ基板６に対して、亜鉛置換メッキ（化学メッキ）→パラジウム合金メッキ（電気めっき）の順で行う。各工程間では水洗処理を行うこととする。
【００２４】
アルカリ脱脂の条件を表１に示す。エッチングの条件を表２に示す。酸浸漬の条件を表３に示す。亜鉛置換メッキの条件を表４に示す。パラジウム合金メッキの条件を表５に示す。但し、本発明は、表１〜表５の条件に何ら限定されるものではない。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

【００２８】
【表４】

【００２９】
【表５】

上記したエッチングは、主として、セパレータ基板６における自然酸化膜を除去したり、表面を微細な凹凸状態としたりすることにより、メッキ層の密着力を向上させる役割を果たす。上記した酸浸漬は、主として、セパレータ基板６におけるスマット除去を行うためのものである。上記した亜鉛置換メッキは、セパレータ基板６の表層における酸化膜の除去性が高いため、亜鉛置換メッキ層７０の密着力の向上を図り得る。
【００３０】
本実施例によれば、亜鉛置換メッキ層７０の厚みは、０．００１〜０．０１μｍであり、パラジウム合金メッキ層７１の厚みは、１．５〜２．５μｍであった。但し、本発明はこれらの厚みに限定されるものではない。亜鉛置換メッキ層７０の厚みは電子顕微鏡の観察に基づいている。パラジウム合金メッキ層７１の厚みは膜厚計で求めた。
【００３１】
このようにして形成したセパレータ基板６の周縁部にゴム層を積層して一体化することにより、セパレータを構成した。このセパレータを組み込んだ燃料電池の発電特性は、長期に渡って使用した場合でも良好であった。
【００３２】
すなわち、本実施例のセパレータ２及び燃料電池によれば、厚み方向の導通抵抗（接触抵抗）の低減を図ることができる。より詳しく説明すると、セパレータ基板６に亜鉛置換メッキ層７０、パラジウム合金メッキ層７１の順となるような積層形態とすることで、長期に渡って使用した場合でも、セパレータ２及び燃料電池の耐食性（耐久性）の向上を図ることができると共に、その安定した機能を十分に発揮することができる。
【００３３】
また、本実施例では、セパレータ基板６を純アルミニウムから形成することとした。このため、従来のステンレス鋼やチタン合金から形成したものと比較して、本実施例のものは比重が小さく、かつ、安価であるため、軽量化及び低コスト化を図ることができる。このように、セパレータ基板６に純アルミニウムを採用することで、セパレータ２、ひいては燃料電池のコンパクト化も図ることができる。
【００３４】
さらに、セパレータ基板６に純アルミニウムを採用したことにより、従来のステンレス鋼やチタン合金に比べて熱伝導性が向上するため、セパレータ２の温度に対する応答性を向上させることができると共に、燃料電池の性能を安定させることができる。
【００３５】
加えて、本実施例では、パラジウム合金メッキ層７１の下に亜鉛置換メッキ層７０を配置したため、この亜鉛置換メッキ層７０によってパラジウム合金メッキ層７１の密着力を確保することができる。また、亜鉛置換メッキ層７０により、セパレータ基板６に対する密着力も高めることができる。
【００３６】
更に、本実施例によれば、セパレータ２の最外側層に積層されるパラジウム合金メッキ層７１の耐食性、ひいてはセパレータ２の耐食性を確保することができる。
【００３７】
（試験例）
上記した実施例に係る試験片を用い、密着力試験を行った。また、上記した実施例に係るセパレータを用いて発電試験を行い、導通抵抗と腐食面積率とを測定した。試験片及びセパレータは、上記した実施例に係る各処理及びメッキ層の厚みに基いて、セパレータ基板に亜鉛置換メッキ層、パラジウム合金メッキ層を順に積層したものである。
【００３８】
密着力試験では、２ｍｍ間隔のマス目を試験片に形成し、ＪＩＳ規格Ｈ８５０４（テープ試験方法）に基づき、粘着テープを用いてマス目を剥離させて行った。導通抵抗と腐食面積率は、セパレータ３枚（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）を使用して実際に発電試験を行い、２００時間毎に燃料電池を解体して測定した。
【００３９】
導通抵抗を求めるにあたり、３枚のセパレータ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）と２枚の電極基材（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）とを用い、セパレータ及び電極基材を厚み方向においてそれぞれ交互に配設することによりセパレータで電極基材を挟んだ。これにより、セパレータＮｏ．１→電極基材Ｎｏ．１→セパレータＮｏ．２→電極基材Ｎｏ．２→セパレータＮｏ．３の順に配置される。
【００４０】
更に、両端のセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．３）を一対の集電板で外側から挟み、３枚のセパレータにおいて、互いに隣設し合うセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）の間の電圧を測定する電圧計を取り付けた。そして、一対の該集電板の間に電流を流して、その際の各電圧計の値を読み取ると共に、該各電圧計で測定した電圧を抵抗値に換算した。
【００４１】
この試験では、互いに隣設し合うセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）間の導通抵抗を電圧の値から換算し、図５に示した。
【００４２】
腐食面積率を求めるには、１個の電極基材（Ｎｏ．１、又はＮｏ．２）を挟んで互いに対向するセパレータ（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２、又はＮｏ．２，Ｎｏ．３）の対向面において、生成した腐食生成物の量を求めると共に、腐食生成物がセパレータ表面で占有する表面占有率を求め、これをその腐食面積率として図６に示した。
【００４３】
比較例についても同様に試験を行った。比較例の各メッキ層の厚みは、実施例のメッキ層の厚みに相当する厚みとする。比較例においても、パラジウム合金メッキ層を積層する場合には、パラジウム合金メッキ層を最外側とする。
【００４４】
密着力試験の結果を図４に示す。導通抵抗試験の結果を図５に示す。腐食試験の結果を図６に示す。図４〜図６の縦軸は、相対表示を意味する。
【００４５】
密着力試験では、図４に示すように、Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係る試験片の場合には、剥離発生率は相対表示で８５付近であった。（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係る試験片の場合には、剥離発生率は相対表示で１００であり、Ｎｉメッキ層だけを積層した比較例に比べて高かった。これに対して、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係る試験片では、剥離発生率はほとんどなかった。これは、最外側層にパラジウム合金メッキ層を積層する場合において、密着力を高めるためには、パラジウム合金メッキ層の下方に亜鉛置換メッキ層を配置し、このようなＡｌ→Ｚｎ→Ｐｄ合金（Ｐｄ−Ｖ）の積層形態とすることが極めて有効であることを意味する。
【００４６】
導通抵抗試験では、図５に示すように、Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間の経過と共に導通抵抗が増加し、長時間経過すると相対表示で１００に近づいてゆく。これは、腐食生成物による影響と推察される。（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間が経過しても導通抵抗があまり増加しなかった。また、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係るセパレータの場合には、試験時間が経過しても、導通抵抗はあまり増加しなかった。
【００４７】
腐食試験では、図６に示すように、（Ｎｉメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合には、試験時間の経過と共に腐食面積率が増加し、長時間経過すると、腐食面積率は相対表示で１００に近づいてゆく。Ｎｉメッキ層だけをセパレータ基板に積層した比較例に係るセパレータの場合にも、試験時間の経過と共に腐食面積率が増加した。これに対して、（Ｚｎメッキ層＋（Ｐｄ−Ｖ）メッキ層）をセパレータ基板に積層した実施例に係るセパレータでは、試験時間が経過しても、腐食はほとんどなかった。
【００４８】
図５及び図６の結果は、最外側層にパラジウム合金メッキ層を積層する場合において、導通抵抗の増加を抑え、かつ、耐食性を高めるためには、パラジウム合金メッキ層の下方に亜鉛置換メッキ層を積層し、このようなＡｌ→Ｚｎ→Ｐｄ合金（Ｐｄ−Ｖ）の積層形態とすることが極めて有効であることを意味する。
【００４９】
（適用例）
図７は、本発明を具体化した適用例を模式的に示す断面図である。
【００５０】
図７に示すように、セパレータ基板６の表面にはゴム層８０が一体的に積層されており、セパレータ基板６の裏面にもゴム層８２が一体的に積層されている。単位電池１は、一対の電極を構成する正極１０及び負極１１と、正極１０及び負極１１に挟装されたプロトン透過性をもつフィルム状の高分子型の固体高分子電解質膜１２とを備えている。
【００５１】
図７に示されるように、活物質セパレータとして機能するセパレータ２は、負極室Ｎｅと正極室Ｐｏとを互いに背向状態となるように区画している。負極室Ｎｅは、負極１１に対面すると共に、負極活物質（例えば水素含有ガス）が供給されるようになっている。また、正極室Ｐｏは、正極１０に対面すると共に、正極活物質（例えば空気）が供給されるようになっている。上記したセパレータ２と、単位電池１とを多数個並設することにより、燃料電池が構成される。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の燃料電池によれば、燃料電池の軽量化及び耐食性の向上を図ることができる。
【００５３】
請求項２に記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、燃料電池用セパレータの軽量化及び耐食性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単位電池及びセパレータ等を備えた固体高分子膜型燃料電池の積層構造を分解して模式的に示す側面図である。
【図２】セパレータ基板の状態を模式的に示す平面図である。
【図３】セパレータ基板に積層された各種メッキ層の断面構造を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】密着試験の結果を示すグラフである。
【図５】導通抵抗試験の結果を示すグラフである。
【図６】腐食試験の結果を示すグラフである。
【図７】本発明を具体化した適用例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１単位電池
２セパレータ
６セパレータ基板
１０正極
１１負極
１２固体高分子電解質膜
７０亜鉛置換メッキ層
７１パラジウム合金メッキ層
Ｎｅ負極室
Ｐｏ正極室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a separator for a fuel cell comprising a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, a zinc replacement plating layer stacked on the separator substrate, and a palladium alloy plating layer stacked on the zinc replacement plating layer, and The present invention relates to a fuel cell including the same.
[0002]
[Prior art]
As is well known, a fuel cell uses a unit cell composed of a positive electrode and a negative electrode constituting a pair of electrodes, and an electrolyte membrane sandwiched between the pair of positive and negative electrodes, and the unit cells are spaced at a predetermined interval in the thickness direction. A plurality are arranged side by side. In such a fuel cell, the positive electrode faces the positive electrode chamber to which the positive electrode active material is supplied, and the negative electrode faces the negative electrode chamber to which the negative electrode active material is supplied. In the fuel cell, the negative electrode chamber to which the negative electrode active material is supplied and the positive electrode chamber to which the positive electrode active material is supplied are partitioned by a separator. The separator is disposed between the unit cells.
[0003]
In a fuel cell, the corrosion deterioration of the separator occurs depending on the use environment. Therefore, in the fuel cell, the power generation characteristics after long-time power generation tend to be lower than the initial power generation characteristics. Therefore, conventionally, the separator has been generally formed of a carbon material that hardly undergoes corrosion degradation. Conventionally, a fuel cell using a separator formed of stainless steel or titanium alloy having a strong passive film on the surface and having excellent corrosion resistance is also known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a separator made of a carbon material is not only expensive, but also requires high precision processing, so that the cost is very high. In addition, since the carbon material is brittle, it is necessary to increase the thickness of the separator in consideration of cracks during stacking of the separator, which limits the miniaturization of the fuel cell.
[0005]
Furthermore, although the separator formed of stainless steel has strength, it is suitable for miniaturization, but has a large specific gravity and is unsuitable for weight reduction. In addition, a separator formed of a titanium alloy has strength and is suitable for miniaturization, but is not suitable for cost reduction because of high material cost.
[0006]
In view of this, the present applicant has recently been developing a separator formed of aluminum or an aluminum alloy, which is a low specific gravity and low cost material, from the viewpoint of weight reduction and cost reduction.
[0007]
Here, in the separator which comprises a fuel cell, since an energization path is formed in the thickness direction, it is not preferable that an oxide film is generated on the surface layer of aluminum or aluminum alloy forming the separator. Therefore, it is inappropriate to produce an anodic oxide film by anodizing a separator formed of aluminum or an aluminum alloy. Therefore, a fuel cell incorporating a separator formed of a material made of aluminum or an aluminum alloy has insufficient durability in terms of corrosion.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell separator capable of reducing weight and improving corrosion resistance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the above-described circumstances, the present inventors, as a result, have a fuel cell structure in the order of a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, a zinc replacement plating layer, and a palladium alloy plating layer. It was found that the corrosion resistance could be improved while reducing the weight of the battery separator, and thus the fuel cell, and it was confirmed by a test to complete the fuel cell and the fuel cell separator of the present invention.
[0010]
That is, the invention according to claim 1 is composed of a positive electrode and a negative electrode constituting a pair of electrodes, and an electrolyte membrane sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and a plurality of the electrodes are arranged in parallel in the thickness direction at a predetermined interval. A negative electrode chamber that is disposed between adjacent unit cells and that faces the negative electrode and that is supplied with a negative electrode active material; and a positive electrode chamber that faces the positive electrode and is supplied with a positive electrode active material; In a fuel cell comprising a separator for partitioning,
The separator includes a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, a zinc replacement plating layer stacked on the separator substrate, and a palladium alloy plating layer stacked on the zinc replacement plating layer.
[0011]
According to the fuel cell of the first aspect of the present invention, since the separator is mainly formed of a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, the weight of the separator, and hence the fuel cell, can be reduced. In addition, since various plating layers are laminated in the order of the zinc replacement plating layer and the palladium alloy plating layer on the separator substrate that constitutes the separator, the corrosion deterioration of the separator, and thus the fuel cell, is suppressed. As a result, durability is improved.
[0012]
The invention according to claim 2 is a fuel cell separator that partitions a negative electrode chamber to which a negative electrode active material is supplied and a positive electrode chamber to which a positive electrode active material is supplied,
The separator includes a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, a zinc replacement plating layer stacked on the separator substrate, and a palladium alloy plating layer stacked on the zinc replacement plating layer.
[0013]
According to the fuel cell separator of the second aspect of the invention, the separator is formed mainly of a separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy, so that the weight of the separator can be reduced. In addition, since various plating layers are laminated on the separator substrate that constitutes the separator in the order of the zinc replacement plating layer and the palladium alloy plating layer, the corrosion deterioration of the separator is suppressed, and the durability is improved. Improvement will be achieved.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The electrolyte membrane sandwiched between the positive electrode and the negative electrode of the unit battery is preferably a solid polymer electrolyte membrane. The separator substrate constituting the separator is formed from aluminum or an aluminum alloy. As these materials, for example, pure Al, Al—Mg alloy, Al—Si alloy, Al—Mg—Si alloy, Al—Mn alloy, Al—Zn alloy and the like can be adopted.
[0015]
As the intermediate plating layer laminated on the separator substrate, a zinc replacement plating layer is preferable in consideration of adhesion to the separator substrate. Moreover, as a plating laminated | stacked on a zinc substitution plating layer, a palladium alloy plating layer is preferable. As the palladium alloy plating layer, for example, a Pd—V alloy plating layer, a Pd—Ni alloy plating layer, a Pd—Mo alloy plating layer, or the like can be employed. Here, plating refers to covering the surface of an object with a metal thin film, and includes plating treatments such as chemical plating, electroplating, hot dipping, and vapor phase plating.
[0016]
【Example】
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a solid polymer membrane fuel cell will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a side view schematically showing an exploded structure of a solid polymer membrane fuel cell.
[0017]
As shown in FIG. 1, a plurality of unit cells 1 are arranged in parallel between the outer frames 95 at predetermined intervals, that is, at predetermined intervals in the thickness direction. The unit battery 1 includes a positive electrode 10 and a negative electrode 11 constituting a pair of electrodes, and a film-like polymer type solid polymer electrolyte membrane 12 having proton permeability sandwiched between the positive electrode 10 and the negative electrode 11. Yes.
[0018]
As shown in FIG. 1, a separator 2 that functions as an active material separator partitions a negative electrode chamber Ne and a positive electrode chamber Po so as to face each other, and is arranged between adjacent unit cells 1. It is installed. The negative electrode chamber Ne faces the negative electrode 11 and is supplied with a negative electrode active material (for example, a hydrogen-containing gas). The positive electrode chamber Po faces the positive electrode 10 and is supplied with a positive electrode active material (for example, air).
[0019]
FIG. 2 is a plan view schematically showing the state of the separator substrate.
[0020]
As shown in FIG. 2, the separator 2 is mainly composed of a press-molded separator substrate 6 (thickness 0.3 mm, pure Al, JIS standard A1100). In the corners of the separator substrate 6, negative electrode active material through holes 61i and 61o through which the negative electrode active material penetrating in the thickness direction, positive electrode active material through holes 62i and 62o through which the positive electrode active material penetrating in the thickness direction pass, and thickness Refrigerant through-holes 63i and 63o through which the refrigerant penetrating in the direction passes and positioning holes 64i and 64o penetrating in the thickness direction are formed by press molding. In this specification, the subscript “i” basically means INLET which is an entrance, and the subscript “o” basically means OUTLET which is an exit. The separator substrate 6 is integrally formed with a large number of

bulge forming portions

6k, 6m and the like that form a flow path for the active material by press molding.
[0021]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged cross-sectional structure of various plating layers laminated on the separator substrate.
[0022]
As shown in FIG. 3, a zinc substitution plating layer 70 is laminated on each of the front and back surfaces of the separator substrate 6, and a palladium alloy plating layer 71 is laminated on each zinc substitution plating layer 70. Yes. The zinc replacement plating layer 70 increases the adhesion to the separator substrate 6 and also increases the adhesion to the palladium alloy plating layer 71.
[0023]
In this embodiment, prior to each plating process, each process is performed on the separator substrate 6 in the order of alkali degreasing → etching → acid dipping as a pretreatment. Thereafter, a plating process is performed on the separator substrate 6 in the order of zinc displacement plating (chemical plating) → palladium alloy plating (electroplating). A water washing process is performed between each process.
[0024]
Table 1 shows the conditions for alkaline degreasing. Table 2 shows the etching conditions. Table 3 shows the conditions for acid immersion. Table 4 shows the conditions for zinc displacement plating. Table 5 shows the conditions for palladium alloy plating. However, the present invention is not limited to the conditions in Tables 1 to 5.
[0025]
[Table 1]

[0026]
[Table 2]

[0027]
[Table 3]

[0028]
[Table 4]

[0029]
[Table 5]

The above-described etching mainly plays a role of improving the adhesion of the plating layer by removing the natural oxide film on the separator substrate 6 or making the surface in a fine uneven state. The acid immersion described above is mainly for removing smut from the separator substrate 6. The zinc substitution plating described above can improve the adhesion of the zinc substitution plating layer 70 because the oxide film removal property on the surface layer of the separator substrate 6 is high.
[0030]
According to this example, the thickness of the zinc replacement plating layer 70 was 0.001 to 0.01 μm, and the thickness of the palladium alloy plating layer 71 was 1.5 to 2.5 μm. However, the present invention is not limited to these thicknesses. The thickness of the zinc displacement plating layer 70 is based on observation with an electron microscope. The thickness of the palladium alloy plating layer 71 was determined with a film thickness meter.
[0031]
A separator was configured by laminating and integrating a rubber layer on the peripheral edge of the separator substrate 6 formed as described above. The power generation characteristics of the fuel cell incorporating this separator were good even when used over a long period of time.
[0032]
That is, according to the separator 2 and the fuel cell of the present embodiment, it is possible to reduce the conduction resistance (contact resistance) in the thickness direction. More specifically, by adopting a laminated form in which the separator substrate 6 is in the order of the zinc substitution plating layer 70 and the palladium alloy plating layer 71, even when used for a long time, the corrosion resistance of the separator 2 and the fuel cell ( (Durability) can be improved, and the stable function can be sufficiently exhibited.
[0033]
In this embodiment, the separator substrate 6 is made of pure aluminum. For this reason, compared with what was formed from the conventional stainless steel and titanium alloy, since the thing of a present Example has small specific gravity and is cheap, it can achieve weight reduction and cost reduction. Thus, by adopting pure aluminum for the separator substrate 6, it is possible to make the separator 2 and thus the fuel cell compact.
[0034]
Furthermore, by adopting pure aluminum for the separator substrate 6, the thermal conductivity is improved as compared with the conventional stainless steel or titanium alloy, so that the responsiveness to the temperature of the separator 2 can be improved, and the fuel cell The performance can be stabilized.
[0035]
In addition, in this embodiment, since the zinc replacement plating layer 70 is disposed under the palladium alloy plating layer 71, the zinc replacement plating layer 70 can ensure the adhesion of the palladium alloy plating layer 71. In addition, the zinc replacement plating layer 70 can increase the adhesion to the separator substrate 6.
[0036]
Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to ensure the corrosion resistance of the palladium alloy plating layer 71 laminated on the outermost layer of the separator 2 and thus the corrosion resistance of the separator 2.
[0037]
(Test example)
An adhesion test was performed using the test piece according to the above-described example. Moreover, the power generation test was performed using the separator according to the above-described example, and the conduction resistance and the corrosion area ratio were measured. The test piece and the separator are obtained by sequentially laminating a zinc-substitution plating layer and a palladium alloy plating layer on the separator substrate based on each treatment and the thickness of the plating layer according to the above-described embodiment.
[0038]
In the adhesion test, squares with intervals of 2 mm were formed on the test piece, and the squares were peeled off using an adhesive tape based on JIS standard H8504 (tape test method). The conduction resistance and the corrosion area ratio were measured by actually performing a power generation test using three separators (No. 1 to No. 3) and disassembling the fuel cell every 200 hours.
[0039]
In determining the conduction resistance, three separators (No. 1 to No. 3) and two electrode base materials (No. 1 and No. 2) are used, and the separator and the electrode base material are alternately arranged in the thickness direction. The electrode substrate was sandwiched between the separators by disposing them. Thereby, separator No. 1 → electrode substrate No. 1 → Separator No. 2 → electrode substrate No. 2 → Separator No. They are arranged in the order of 3.
[0040]
Further, the separators (No. 1, No. 3) at both ends are sandwiched from the outside by a pair of current collector plates, and the separators (No. 1, No. 2, or No. 2) that are adjacent to each other in the three separators. , No. 3) was attached a voltmeter for measuring the voltage. Then, a current was passed between the pair of current collector plates, the value of each voltmeter at that time was read, and the voltage measured by each voltmeter was converted into a resistance value.
[0041]
In this test, the conduction resistance between the separators (No. 1, No. 2, or No. 2, No. 3) adjacent to each other was converted from the voltage value and shown in FIG.
[0042]
In order to determine the corrosion area ratio, the separators (No. 1, No. 2, or No. 2, No. 3) facing each other across one electrode base material (No. 1, or No. 2) are used. The amount of the generated corrosion product on the opposing surface was determined, and the surface occupation ratio occupied by the corrosion product on the separator surface was determined, and this was shown as the corrosion area ratio in FIG.
[0043]
The comparative example was similarly tested. The thickness of each plating layer in the comparative example is a thickness corresponding to the thickness of the plating layer in the example. Also in the comparative example, when the palladium alloy plating layer is laminated, the palladium alloy plating layer is the outermost side.
[0044]
The results of the adhesion test are shown in FIG. The result of the conduction resistance test is shown in FIG. The result of the corrosion test is shown in FIG. The vertical axis | shaft of FIGS. 4-6 means a relative display.
[0045]
In the adhesion test, as shown in FIG. 4, in the case of the test piece according to the comparative example in which only the Ni plating layer was laminated on the separator substrate, the peeling occurrence rate was about 85 in relative display. In the case of the test piece according to the comparative example in which (Ni plating layer + (Pd−V) plating layer) is laminated on the separator substrate, the peeling occurrence rate is 100 in relative display, and the comparative example in which only the Ni plating layer is laminated. It was higher than On the other hand, in the test piece according to the example in which (Zn plating layer + (Pd−V) plating layer) was laminated on the separator substrate, there was almost no peeling occurrence rate. This is because when a palladium alloy plating layer is laminated on the outermost layer, in order to increase the adhesion, a zinc replacement plating layer is disposed under the palladium alloy plating layer, and such an Al → Zn → Pd alloy ( Pd-V) means that it is extremely effective to form a laminated form.
[0046]
In the continuity resistance test, as shown in FIG. 5, in the case of the separator according to the comparative example in which only the Ni plating layer is laminated on the separator substrate, the continuity resistance increases with the lapse of the test time. Approaching 100. This is presumably due to the influence of corrosion products. In the case of the separator according to the comparative example in which (Ni plating layer + (Pd−V) plating layer) was laminated on the separator substrate, the conduction resistance did not increase so much even after the test time had elapsed. In the case of the separator according to the example in which (Zn plating layer + (Pd−V) plating layer) was laminated on the separator substrate, the conduction resistance did not increase much even when the test time passed.
[0047]
In the corrosion test, as shown in FIG. 6, in the case of the separator according to the comparative example in which (Ni plating layer + (Pd−V) plating layer) is laminated on the separator substrate, the corrosion area ratio increases with the lapse of the test time. However, after a long time, the corrosion area rate approaches 100 in relative display. In the case of the separator according to the comparative example in which only the Ni plating layer was laminated on the separator substrate, the corrosion area ratio increased with the lapse of the test time. On the other hand, in the separator according to the example in which (Zn plating layer + (Pd−V) plating layer) was laminated on the separator substrate, there was almost no corrosion even when the test time passed.
[0048]
The results of FIGS. 5 and 6 show that in the case where a palladium alloy plating layer is laminated on the outermost layer, in order to suppress an increase in conduction resistance and enhance corrosion resistance, a zinc replacement plating layer is provided below the palladium alloy plating layer. It is meant that it is extremely effective to form such a laminated form of Al → Zn → Pd alloy (Pd-V).
[0049]
(Application example)
FIG. 7 is a sectional view schematically showing an application example embodying the present invention.
[0050]
As shown in FIG. 7, a rubber layer 80 is integrally laminated on the surface of the separator substrate 6, and a rubber layer 82 is integrally laminated on the back surface of the separator substrate 6. The unit battery 1 includes a positive electrode 10 and a negative electrode 11 constituting a pair of electrodes, and a film-like polymer type solid polymer electrolyte membrane 12 having proton permeability sandwiched between the positive electrode 10 and the negative electrode 11. Yes.
[0051]
As shown in FIG. 7, the separator 2 that functions as an active material separator partitions the negative electrode chamber Ne and the positive electrode chamber Po so as to face each other. The negative electrode chamber Ne faces the negative electrode 11 and is supplied with a negative electrode active material (for example, a hydrogen-containing gas). The positive electrode chamber Po faces the positive electrode 10 and is supplied with a positive electrode active material (for example, air). A fuel cell is configured by arranging a large number of the separators 2 and the unit cells 1 described above.
[0052]
【The invention's effect】
According to the fuel cell of the first aspect of the invention, it is possible to reduce the weight and improve the corrosion resistance of the fuel cell.
[0053]
According to the fuel cell separator of the second aspect of the invention, it is possible to reduce the weight and improve the corrosion resistance of the fuel cell separator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view schematically showing an exploded structure of a solid polymer membrane fuel cell including a unit cell and a separator.
FIG. 2 is a plan view schematically showing a state of a separator substrate.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged cross-sectional structure of various plating layers laminated on a separator substrate.
FIG. 4 is a graph showing the results of an adhesion test.
FIG. 5 is a graph showing the results of a conduction resistance test.
FIG. 6 is a graph showing the results of a corrosion test.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an application example embodying the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Unit Battery 2 Separator 6 Separator Substrate 10 Positive Electrode 11 Negative Electrode 12 Solid Polymer Electrolyte Membrane 70 Zinc Replacement Plating Layer 71 Palladium Alloy Plating Layer Ne Negative Electrode Chamber Po Cathode Chamber

Claims

一対の電極を構成する正極及び負極と、前記正極及び前記負極に挟装された電解質膜とからなり、厚み方向に所定間隔を隔てて複数個並設された単位電池と、
隣設する前記単位電池間に配設され、前記負極に対面すると共に負極活物質が供給される負極室と前記正極に対面すると共に正極活物質が供給される正極室とを仕切るセパレータとを備えた燃料電池において、
前記セパレータは、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、
前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、
前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを特徴とする燃料電池。A unit battery comprising a positive electrode and a negative electrode constituting a pair of electrodes, and an electrolyte membrane sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and a plurality of unit cells arranged in parallel at a predetermined interval in the thickness direction;
A separator disposed between adjacent unit cells, facing the negative electrode and supplying a negative electrode active material, and separating a positive electrode chamber facing the positive electrode and supplied with the positive electrode active material; In a fuel cell,
The separator is
A separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy;
A zinc replacement plating layer laminated on the separator substrate;
A fuel cell comprising: a palladium alloy plating layer laminated on the zinc replacement plating layer.

負極活物質が供給される負極室と正極活物質が供給される正極室とを仕切る燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータは、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるセパレータ基板と、
前記セパレータ基板に積層された亜鉛置換メッキ層と、
前記亜鉛置換メッキ層に積層されたパラジウム合金メッキ層とを備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。A separator for a fuel cell that partitions a negative electrode chamber to which a negative electrode active material is supplied and a positive electrode chamber to which a positive electrode active material is supplied,
The separator is
A separator substrate made of aluminum or an aluminum alloy;
A zinc replacement plating layer laminated on the separator substrate;
A fuel cell separator comprising: a palladium alloy plating layer laminated on the zinc replacement plating layer.