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JP7662504B2 - Fuel cell separator and method for manufacturing fuel cell separator - Google Patents

Fuel cell separator and method for manufacturing fuel cell separator Download PDF

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JP7662504B2 JP2021203496A JP2021203496A JP7662504B2 JP 7662504 B2 JP7662504 B2 JP 7662504B2 JP 2021203496 A JP2021203496 A JP 2021203496A JP 2021203496 A JP2021203496 A JP 2021203496A JP 7662504 B2 JP7662504 B2 JP 7662504B2
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Description

本開示は、燃料電池の発電部に接触する燃料電池セパレータ及びその製造方法に関するものである。 This disclosure relates to a fuel cell separator that contacts the power generation section of a fuel cell and a method for manufacturing the same.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で貼り合せ一体化させた膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)に対し、水素ガスなどの流路としての役割を持つセパレータで挟み込んだものを一つのセルとし、それらを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。 A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell is made up of a membrane electrode assembly (MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane is bonded to an anode electrode and a cathode electrode to form an integrated unit, sandwiched between separators that act as a flow path for hydrogen gas and other gases, and multiple of these are stacked together to form a cell.

図12は燃料電池60のセル構造を分解して示す説明図である。図12にXYZ直交座標系を記している。同図に示す燃料電池60が一単位のセルとなり、燃料電池60はMEA5及びMEA5の両側に設けられる燃料電池セパレータ15及び16を主要構成要素として含んでいる。 Figure 12 is an explanatory diagram showing an exploded view of the cell structure of a fuel cell 60. The XYZ Cartesian coordinate system is shown in Figure 12. The fuel cell 60 shown in the figure is one unit cell, and the fuel cell 60 includes, as its main components, an MEA 5 and fuel cell separators 15 and 16 provided on both sides of the MEA 5.

発電部となるMEA5は高分子電解質膜10、負極触媒層11、正極触媒層12、ガス拡散層13及びガス拡散層14を主要構成要素として含んでいる。高分子電解質膜10の一方主面(-X方向側の主面)上にカソード電極となる負極触媒層11が設けられ、高分子電解質膜10の他方主面(+X方向側の主面)上にアノード電極となる正極触媒層12が設けられる。 The MEA 5, which serves as the power generation section, includes as its main components a polymer electrolyte membrane 10, an anode catalyst layer 11, a cathode catalyst layer 12, a gas diffusion layer 13, and a gas diffusion layer 14. The anode catalyst layer 11, which serves as the cathode electrode, is provided on one main surface (the main surface in the -X direction) of the polymer electrolyte membrane 10, and the cathode catalyst layer 12, which serves as the anode electrode, is provided on the other main surface (the main surface in the +X direction) of the polymer electrolyte membrane 10.

なお、燃料電池60の完成段階では、高分子電解質膜10,負極触媒層11間及び高分子電解質膜10,正極触媒層12間はそれぞれ密着しており、図12で示す電解質膜・触媒層間B1及びB2は存在しない。 When the fuel cell 60 is completed, the polymer electrolyte membrane 10 and the anode catalyst layer 11, and the polymer electrolyte membrane 10 and the cathode catalyst layer 12 are in close contact with each other, and the electrolyte membrane-catalyst layer gaps B1 and B2 shown in FIG. 12 do not exist.

さらに、負極触媒層11の一方主面上にガス拡散層13が設けられ、正極触媒層12の他方主面上にガス拡散層14が設けられる。なお、ガス拡散層は、「GDL:Gas Diffusion Layer)」とも呼ばれている。 Furthermore, a gas diffusion layer 13 is provided on one main surface of the negative electrode catalyst layer 11, and a gas diffusion layer 14 is provided on the other main surface of the positive electrode catalyst layer 12. The gas diffusion layer is also called a "Gas Diffusion Layer (GDL)."

そして、ガス拡散層13の一方主面上に燃料電池セパレータ15が設けられる。この際、燃料電池セパレータ15は、凸部15t(+X方向に突出した部分)の表面がガス拡散層13の一方主面に接触する態様で設けられる。同様に、ガス拡散層14の他方主面上に燃料電池セパレータ16が設けられる。この際、燃料電池セパレータ16は、凸部16t(-X方向に突出した部分)の表面が燃料電池セパレータ16の他方主面に接触する態様で設けられる。 Then, a fuel cell separator 15 is provided on one main surface of the gas diffusion layer 13. In this case, the fuel cell separator 15 is provided in such a manner that the surface of the convex portion 15t (the portion protruding in the +X direction) contacts one main surface of the gas diffusion layer 13. Similarly, a fuel cell separator 16 is provided on the other main surface of the gas diffusion layer 14. In this case, the fuel cell separator 16 is provided in such a manner that the surface of the convex portion 16t (the portion protruding in the -X direction) contacts the other main surface of the fuel cell separator 16.

拡散層・セペレータ間B3は燃料電池セパレータ15の凸部15tとガス拡散層13との間を示している。拡散層・セペレータ間B4は燃料電池セパレータ16の凸部16tとガス拡散層14との間を示している。したがって、燃料電池60の完成段階では、拡散層・セペレータ間B3及びB4は存在しない。 The diffusion layer-separator gap B3 indicates the gap between the protruding portion 15t of the fuel cell separator 15 and the gas diffusion layer 13. The diffusion layer-separator gap B4 indicates the gap between the protruding portion 16t of the fuel cell separator 16 and the gas diffusion layer 14. Therefore, when the fuel cell 60 is completed, the diffusion layer-separator gaps B3 and B4 do not exist.

一方、燃料電池60の完成段階においても、燃料電池セパレータ15の凹部15vとガス拡散層13との間にはセパレータ流路SP15が存在し、燃料電池セパレータ16の凹部16vとガス拡散層14との間にはセパレータ流路SP16が存在している。セパレータ流路SP15及びSP16は水素ガスや加熱された酸溶液などの流路となる。 On the other hand, even when the fuel cell 60 is completed, a separator flow path SP15 exists between the recess 15v of the fuel cell separator 15 and the gas diffusion layer 13, and a separator flow path SP16 exists between the recess 16v of the fuel cell separator 16 and the gas diffusion layer 14. The separator flow paths SP15 and SP16 serve as flow paths for hydrogen gas, heated acid solution, etc.

このような構造の燃料電池60において、MEA5内の両側に設けられるガス拡散層対13及び14はそれぞれ燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための層である。 In a fuel cell 60 with such a structure, the gas diffusion layer pairs 13 and 14 provided on both sides of the MEA 5 are layers that provide fuel gas or oxidant gas, respectively, and collect electricity generated by the electrochemical reaction.

したがって、燃料電池60の発電効率を安定化させるためには、互いに接触するガス拡散層13,燃料電池セパレータ15(の凸部15t)間及びガス拡散層14,燃料電池セパレータ16(の凸部16t)間それぞれの電気的接触抵抗を低く、さらには、燃料電池60による発電プロセスを経た後であっても、低い接触抵抗を維持することが求められる(第1の要求)。 Therefore, in order to stabilize the power generation efficiency of the fuel cell 60, it is required to reduce the electrical contact resistance between the gas diffusion layer 13 and fuel cell separator 15 (their convex portions 15t) and between the gas diffusion layer 14 and fuel cell separator 16 (their convex portions 16t), which are in contact with each other, and further to maintain the low contact resistance even after the power generation process using the fuel cell 60 has been completed (first requirement).

また、燃料電池60の発電中におけるセパレータ対15及び16は、加熱された酸溶液中で電圧が印加された環境に晒される。このため、セパレータ対15及び16は、酸に対して高い耐食性を有することが求められる(第2の要求)。 In addition, during power generation by the fuel cell 60, the separator pairs 15 and 16 are exposed to an environment in which a voltage is applied in a heated acid solution. For this reason, the separator pairs 15 and 16 are required to have high corrosion resistance against acid (second requirement).

これら第1及び第2の要求に対応すべく、従来、燃料電池セパレータに様々な改良がなされている。以下、説明の都合上、「燃料電池セパレータ」を「セパレータ」と簡略化したり、「ガス拡散層」を「GDL」と英文略語表現したりする場合がある。 In order to meet these first and second requirements, various improvements have been made to fuel cell separators. For the sake of convenience, in the following explanation, "fuel cell separator" may be abbreviated to "separator" and "gas diffusion layer" may be abbreviated to "GDL" in English.

上述した第1及び第2の要求に対応した従来の燃料電池セパレータとして、例えば、特許文献1に開示された燃料電池セパレータがある。この燃料電池セパレータは、セパレータの耐食性確保及び、GDLとの低い接触抵抗を実現することを目的に、セパレータの表面に対して、アンチモンドープ酸化スズ膜(ATO膜)を形成している。 An example of a conventional fuel cell separator that meets the first and second requirements described above is the fuel cell separator disclosed in Patent Document 1. This fuel cell separator has an antimony-doped tin oxide film (ATO film) formed on the surface of the separator in order to ensure the corrosion resistance of the separator and to achieve low contact resistance with the GDL.

また、セパレータ表面に貴金属を形成して接触抵抗の低減化を図った先行技術文献として、特許文献2~特許文献6がある。 Patent documents 2 to 6 are prior art documents that aim to reduce contact resistance by forming a precious metal on the separator surface.

特許文献2では、スパッタリング法等を用い、Au(金)、Pt(プラチナ)等の貴金属と、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)等の非貴金属との合金をセパレータ用の基材の表面成膜する方法を提案している。 Patent Document 2 proposes a method of forming a film of an alloy of a precious metal such as Au (gold) or Pt (platinum) with a non-precious metal such as Nb (niobium), Ta (tantalum), Zr (zirconium), or Hf (hafnium) on the surface of a separator substrate using a sputtering method or the like.

特許文献3に開示の技術は、セパレータ用の基材(金属薄板)の表面に貴金属膜を成膜している。貴金属膜は、平均厚さ10nm以下で、凸部が15nm以上の厚さとなるように設けられる。 The technology disclosed in Patent Document 3 forms a precious metal film on the surface of a separator substrate (thin metal plate). The precious metal film has an average thickness of 10 nm or less, and is provided so that the protrusions are 15 nm or more thick.

特許文献4では、セパレータ用のアルミ基材上にNi(ニッケル)めっきを処し、さらに、その上にAuのめっきを行う技術が提案されている。 Patent document 4 proposes a technique for plating an aluminum substrate for a separator with Ni (nickel) and then plating Au on top of that.

特許文献5では、金属セパレータ(金属基材)の凸部に、例えばインクジェット方を用いてドット状のAu粒子を凸部の面積率を12%以上にして成膜する技術が提案されている。 Patent document 5 proposes a technique for depositing dot-shaped Au particles onto the protruding portions of a metal separator (metal substrate) using, for example, an inkjet method, so that the area ratio of the protruding portions is 12% or more.

特許文献6では、チタンで形成される金属基材上にチタン酸化物層を備え、さらにその上に導電性粒子(サイズ1~100nm)からなる導電性皮膜を含んだセパレータ構造が開示されている。 Patent document 6 discloses a separator structure that includes a titanium oxide layer on a metal substrate made of titanium, and further includes a conductive coating made of conductive particles (size 1 to 100 nm) on top of that.

特開2019-192437号公報JP 2019-192437 A 特開2010-182593号公報JP 2010-182593 A 特開2011-29008号公報JP 2011-29008 A 特開2013-105629号公報JP 2013-105629 A 特開2014-139884号公報JP 2014-139884 A 特開2012-190816号公報JP 2012-190816 A

しかしながら、上述した従来の燃料電池セパレータは、上述した第1及び第2の要求を満足させる点において不十分であった。以下、この点を説明する。 However, the conventional fuel cell separators described above are insufficient in terms of satisfying the first and second requirements. This point will be explained below.

特許文献1で開示された従来のセパレータに含まれるATO単層では、第1の要求の低い接触抵抗を得るには十分ではなかった。すなわち、酸化スズ膜単層を表面に被覆させた従来のセパレータでは、GDLとの接触抵抗を低減することは困難であった。 The single layer of ATO contained in the conventional separator disclosed in Patent Document 1 was not sufficient to achieve the first requirement of low contact resistance. In other words, it was difficult to reduce the contact resistance with the GDL in the conventional separator with a single layer of tin oxide film coated on the surface.

特許文献5で開示されたセパレータを実現する際、セパレータ用の基材の全面に貴金属を塗布すれば処理費用が高額になってしまう。 When realizing the separator disclosed in Patent Document 5, coating the entire surface of the separator substrate with a precious metal would result in high processing costs.

一方、貴金属を基材の全面に形成しない場合、例えば、貴金属を基板の表面上に点在させる貴金属一部形成構造を考える。 On the other hand, if the precious metal is not formed over the entire surface of the substrate, for example, a partially precious metal formed structure in which the precious metal is scattered on the surface of the substrate can be considered.

図13は特許文献5で開示された従来のセパレータの問題点を示す説明図である。同図(a)で示す燃料電池セパレータ82は、貴金属一部形成構造を採用し、金属基材20の表面の一部にのみ貴金属粒子25を形成している。 Figure 13 is an explanatory diagram showing the problems with the conventional separator disclosed in Patent Document 5. The fuel cell separator 82 shown in Figure 13 (a) employs a precious metal partial formation structure, in which precious metal particles 25 are formed only on a portion of the surface of the metal substrate 20.

同図(a)で示す貴金属一部形成構造の燃料電池セパレータ82は、装置完成直後の初期接触抵抗を比較的低く設定することができる。しかしながら、燃料電池セパレータ82は、燃料電池の発電中に厳しい環境下にさらされる。この環境下では、貴金属以外の金属が腐食液に接する可能性が高く、接触抵抗が増大してしまうことになる。 The fuel cell separator 82 with a partially precious metal structure shown in FIG. 1(a) can be set to a relatively low initial contact resistance immediately after the device is completed. However, the fuel cell separator 82 is exposed to a harsh environment during power generation in the fuel cell. In this environment, there is a high possibility that metals other than the precious metal will come into contact with the corrosive liquid, which will increase the contact resistance.

なぜなら、図13(b)に示すように、貴金属が形成されていない金属基材20の表面に酸化層28が形成されてしまうからである。酸化層28は長時間の間に金属基材20と貴金属粒子25との界面に至り、最終的に、図13(c)で示すように、金属基材20と貴金属粒子25との間が酸化層28によって分離されてしまう。このように、燃料電池セパレータ82の使用期間中における腐食度合が比較的大きい場合、貴金属粒子25が燃料電池セパレータ82から脱落する場合もある。 This is because, as shown in FIG. 13(b), an oxide layer 28 is formed on the surface of the metal substrate 20 where no precious metal is formed. Over time, the oxide layer 28 reaches the interface between the metal substrate 20 and the precious metal particles 25, and eventually, as shown in FIG. 13(c), the metal substrate 20 and the precious metal particles 25 are separated by the oxide layer 28. In this way, if the degree of corrosion during the use of the fuel cell separator 82 is relatively high, the precious metal particles 25 may fall off from the fuel cell separator 82.

図13(c)のように、金属基材20の表面のほぼ全面に酸化層28が形成された後の燃料電池セパレータ82の接触抵抗は高くなってしまう。このように、貴金属一部形成構造を採用した従来の燃料電池セパレータ82は、接触抵抗の低抵抗化を安定的に維持することができない。 As shown in FIG. 13(c), the contact resistance of the fuel cell separator 82 becomes high after the oxide layer 28 is formed over almost the entire surface of the metal substrate 20. In this way, the conventional fuel cell separator 82 that employs a precious metal partial formation structure cannot stably maintain low contact resistance.

したがって、図13で示したような現象が想定される厳しい環境下での腐食を抑制しようとすると、AuやPtをセパレータ用の基材の全面に設けることが不可欠となり、その費用も大きいものになり実用的でなくなる。 Therefore, if we try to suppress corrosion in a harsh environment where the phenomenon shown in Figure 13 is expected to occur, it would be necessary to provide Au or Pt on the entire surface of the separator substrate, which would be very expensive and would be impractical.

特許文献6で開示された燃料電池セパレータは、セパレータ用の基材にチタンを用いる場合はチタン酸化物を、セパレータ用の基材にステンレス鋼を用いる場合には不導体膜層を中間層にしている。そして、中間層上にAuやPtの導電性皮膜をめっきやスパッタで設け、基材、中間層及び導電性被膜を含むセパレータ構造を実現している。 The fuel cell separator disclosed in Patent Document 6 uses titanium oxide as the intermediate layer when titanium is used as the separator substrate, and a non-conductive film layer when stainless steel is used as the separator substrate. A conductive film of Au or Pt is then formed on the intermediate layer by plating or sputtering, realizing a separator structure including the substrate, intermediate layer, and conductive film.

しかしながら、中間層となるチタン酸化物層やステンレス不導体膜は、燃料電池に要求される厳しい環境下における耐食性は不十分であった。 However, the intermediate titanium oxide layer and stainless steel non-conductive film did not have sufficient corrosion resistance in the harsh environments required for fuel cells.

また、特許文献6の明細書の段落[0027]では、導電性皮膜は、Au、Ag(銀)、Cu(銅)、Pt、Rh(ロジウム)、Ir(イリジウム)等で形成されているとしているが、Au、Pt以外の金属を設けると、その金属を起点に腐食してしまうのが実情である。 In addition, paragraph [0027] of the specification of Patent Document 6 states that the conductive coating is made of Au, Ag (silver), Cu (copper), Pt, Rh (rhodium), Ir (iridium), etc., but the reality is that if a metal other than Au or Pt is used, corrosion will start from that metal.

従来の燃料電池セパレータは以上のように構成されており、比較的安価な構造で、接触対象との接触抵抗の低抵抗化を安定的に維持することができていないという問題点があった。 Conventional fuel cell separators are constructed as described above, and while they have a relatively inexpensive structure, they have the problem of being unable to stably maintain low contact resistance with the contacting object.

本開示は上記問題点を解決するためになされたもので、比較的安価な構造で、接触対象との接触抵抗の低抵抗化を安定的に図ることができる燃料電池セパレータ及びその製造方法を得ることを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a fuel cell separator and a manufacturing method thereof that can stably reduce the contact resistance with the contact object with a relatively inexpensive structure.

本開示に係る燃料電池セパレータは、金属基材と、前記金属基材上に設けられる導電性酸化物膜と、前記導電性酸化物膜上に設けられる貴金属粒子群とを備え、前記貴金属粒子群は複数の貴金属粒子を含み、前記複数の貴金属粒子のうち少なくとも一部が離散して設けられ、前記複数の貴金属粒子それぞれの構成材料は金またはプラチナである。 The fuel cell separator according to the present disclosure comprises a metal substrate, a conductive oxide film provided on the metal substrate, and a group of precious metal particles provided on the conductive oxide film, the group of precious metal particles including a plurality of precious metal particles, at least a portion of the plurality of precious metal particles being provided discretely, and the constituent material of each of the plurality of precious metal particles being gold or platinum.

本開示の燃料電池セパレータは金属基材、導電性酸化物膜及び貴金属粒子群の三層構造のセパレータ基本構造を有するため、導電性酸化物膜を下地層とした貴金属粒子群と接触対象との接触抵抗の低抵抗化を安定的に図ることができる。 The fuel cell separator disclosed herein has a basic three-layer separator structure consisting of a metal substrate, a conductive oxide film, and a group of precious metal particles, and therefore can stably reduce the contact resistance between the group of precious metal particles with the conductive oxide film as the base layer and the object to be contacted.

さらに、本開示の燃料電池セパレータは、複数の貴金属粒子のうち少なくとも一部を離散して設けることにより、金またはプラチナである貴金属の使用量を抑制することができるため、比較的安価に実現することができる。 Furthermore, the fuel cell separator disclosed herein can be produced at a relatively low cost because at least some of the multiple precious metal particles are provided in a discrete manner, thereby reducing the amount of precious metal, such as gold or platinum, used.

本開示の基本技術となるセパレータ基本構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic structure of a separator which is a basic technology of the present disclosure. 本実施の形態である燃料電池セパレータの構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention. 本実施の形態の燃料電池セパレータの製造方法の処理手順を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a process procedure of a manufacturing method of a fuel cell separator according to the present embodiment. 本実施の形態で用いるミストCVD装置の構成を模式的に示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a mist CVD apparatus used in the present embodiment. Au粒子面積割合及び平均粒子サイズに伴う接触抵抗向上度合を表形式で示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing, in table form, the degree of improvement in contact resistance according to the Au particle area ratio and the average particle size. 加熱温度とAu平均粒子サイズとの関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between heating temperature and average Au particle size. 加熱温度とAu平均面積割合との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between heating temperature and average area ratio of Au. 本実施の形態の燃料電池セパレータの種々の状態における接触対象との接触抵抗を表形式で示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing, in table form, the contact resistance between the fuel cell separator of the present embodiment and a contact object in various states. FIG. 図8で示した接触抵抗を棒グラフ形式で示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing the contact resistance shown in FIG. 8 in the form of a bar graph. 従来の燃料電池セパレータの種々の状態における接触対象との接触抵抗を表形式で示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing, in table form, the contact resistance between a conventional fuel cell separator and a contact object in various states. 図10で示した接触抵抗を棒グラフ形式で示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the contact resistance shown in FIG. 10 in the form of a bar graph. 燃料電池の基本構造を分解して示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an exploded view of the basic structure of a fuel cell. 従来のセパレータの問題点を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing problems with a conventional separator.

<実施の形態>
(基本構造)
図1は本開示の基本技術となるセパレータ基本構造2Rを示す断面図である。同図に示すように、セパレータ基本構造2Rは、金属基材20、導電性酸化物膜21及び貴金属粒子群22Gを主要構成要素として含んでいる。
<Embodiment>
(Basic structure)
1 is a cross-sectional view showing a separator basic structure 2R according to the basic technology of the present disclosure. As shown in the figure, the separator basic structure 2R includes a metal substrate 20, a conductive oxide film 21, and a precious metal particle group 22G as main components.

同図に示すように、金属基材20の表面上に導電性酸化物膜21が設けられる。導電性酸化物膜21の表面が粒子形成面となる。導電性酸化物膜21の表面上に貴金属粒子群22Gが設けられる。 As shown in the figure, a conductive oxide film 21 is provided on the surface of a metal substrate 20. The surface of the conductive oxide film 21 serves as a particle formation surface. A group of precious metal particles 22G is provided on the surface of the conductive oxide film 21.

貴金属粒子群22Gは各々が微粒子状の複数の貴金属粒子22を含んでおり、複数の貴金属粒子22のうち、少なくとも一部は互いに離散して設けられる。すなわち、複数の貴金属粒子22間の少なくとも一部に、貴金属粒子22が存在しない隙間が設けられる。なお、複数の貴金属粒子それぞれの構成材料は金(Au)またはプラチナ(Pt)である。 The precious metal particle group 22G includes a plurality of precious metal particles 22 each in the form of a fine particle, and at least some of the precious metal particles 22 are provided separately from one another. In other words, at least some of the spaces between the precious metal particles 22 are provided with gaps in which no precious metal particles 22 are present. The material constituting each of the precious metal particles is gold (Au) or platinum (Pt).

セパレータ基本構造2Rの貴金属粒子群22G側が接触対象との接触面となる。すなわち、導電性酸化物膜21を下地層とした貴金属粒子群22Gが接触面となる。接触対象として、例えば、図12で示した燃料電池60における燃料部となるMEA5の両側面に存在するガス拡散層対13及び14が考えられる。 The precious metal particle group 22G side of the separator basic structure 2R becomes the contact surface with the contact object. In other words, the precious metal particle group 22G with the conductive oxide film 21 as the base layer becomes the contact surface. The contact object may be, for example, the pair of gas diffusion layers 13 and 14 present on both sides of the MEA 5 that is the fuel part in the fuel cell 60 shown in FIG. 12.

また、導電性酸化物膜21として、インジウムやアンチモン等の第三元素を添加して導電率を向上させた酸化スズ膜を用いている。インジウム添加した酸化スズ膜はITO(Indium Tin Oxide)膜となり、アンチモン添加した酸化スズ膜がATO(Antimony Tin Oxide)膜となる。このように、導電性酸化物膜21として、例えば、ATO膜(アンチモンドープ酸化スズ膜)やITO膜が用いられる。 The conductive oxide film 21 is a tin oxide film with improved conductivity due to the addition of a third element such as indium or antimony. A tin oxide film with indium added becomes an ITO (Indium Tin Oxide) film, and a tin oxide film with antimony added becomes an ATO (Antimony Tin Oxide) film. In this way, for example, an ATO film (antimony-doped tin oxide film) or an ITO film is used as the conductive oxide film 21.

(実構造)
図2は本開示の実施の形態1である燃料電池セパレータ2の構造を示す断面図である。図2にXYZ直交座標系を記している。同図に示す燃料電池セパレータ2は、例えば、図12で示した燃料電池60に用いられる燃料電池セパレータ15及び16の1つとして用いられる。
(Actual structure)
Fig. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell separator 2 according to the first embodiment of the present disclosure. An XYZ orthogonal coordinate system is depicted in Fig. 2. The fuel cell separator 2 shown in the figure is used, for example, as one of the fuel cell separators 15 and 16 used in the fuel cell 60 shown in Fig. 12.

同図に示すように、図2で示す燃料電池セパレータ2は、金属基材20、一対のATO膜21A及び一対の貴金属粒子群22Gを主要構成要素として含んでいる。 As shown in the figure, the fuel cell separator 2 shown in FIG. 2 includes a metal substrate 20, a pair of ATO membranes 21A, and a pair of precious metal particle groups 22G as main components.

同図に示すように、金属基材20はX方向において凹凸を有し、Z方向に延在した構造を呈している。金属基材20の膜厚はほぼ均一になっている。金属基材20の+X方向側の表面上に上方のATO(アンチモンドープ酸化スズ膜)膜21Aが設けられ、金属基材20の-X方向側の裏面上に下方のATO膜21Aが設けられる。 As shown in the figure, the metal base material 20 has projections and recesses in the X direction and a structure extending in the Z direction. The film thickness of the metal base material 20 is almost uniform. An upper ATO (antimony-doped tin oxide) film 21A is provided on the surface of the metal base material 20 on the +X direction side, and a lower ATO film 21A is provided on the back surface of the metal base material 20 on the -X direction side.

このように、金属基材20の両面に一対のATO膜21Aが設けられる。金属基材20及び一対のATO膜21Aを含む構造が中間構造体30となる。中間構造体30において、上方のATO膜21Aの上面及び下方のATO膜21Aの下面がそれぞれ粒子形成面となる。 In this way, a pair of ATO films 21A are provided on both sides of the metal substrate 20. A structure including the metal substrate 20 and the pair of ATO films 21A becomes the intermediate structure 30. In the intermediate structure 30, the upper surface of the upper ATO film 21A and the lower surface of the lower ATO film 21A each become particle formation surfaces.

上方のATO膜21Aの上面上に貴金属粒子群22Gが設けられ、下方のATO膜21Aの下面上に貴金属粒子群22Gが設けられる。以下、上方のATO膜21Aと上方のATO膜21Aの上面上に設けられる貴金属粒子群22Gとの組合せを「上方貴金属形成部」として、下方のATO膜21Aと下方のATO膜21Aの下面上に設けられる貴金属粒子群22Gとの組合せを「下方貴金属形成部」と称する場合がある。 A precious metal particle group 22G is provided on the upper surface of the upper ATO film 21A, and a precious metal particle group 22G is provided on the lower surface of the lower ATO film 21A. Hereinafter, the combination of the upper ATO film 21A and the precious metal particle group 22G provided on the upper surface of the upper ATO film 21A may be referred to as the "upper precious metal formation portion," and the combination of the lower ATO film 21A and the precious metal particle group 22G provided on the lower surface of the lower ATO film 21A may be referred to as the "lower precious metal formation portion."

一対の貴金属粒子群22Gはそれぞれ複数の貴金属粒子22を含んでおり、複数の貴金属粒子それぞれの構成材料は金またはプラチナである。 Each of the pair of precious metal particle groups 22G contains a plurality of precious metal particles 22, and the constituent material of each of the plurality of precious metal particles is gold or platinum.

したがって、上方のATO膜21Aの粒子形成面となる上面上に、各々が粒子状(略球状)の複数の貴金属粒子22が設けられる。複数の貴金属粒子22のうち少なくとも一部は互いに離散した状態で上方のATO膜21Aの上面に付着している。したがって、上方貴金属形成部における複数の貴金属粒子22間の少なくとも一部に隙間が存在する。 Therefore, a plurality of particulate (approximately spherical) precious metal particles 22 are provided on the upper surface of the upper ATO film 21A, which is the particle formation surface. At least some of the precious metal particles 22 are attached to the upper surface of the upper ATO film 21A in a discrete state. Therefore, there are gaps at least partially between the precious metal particles 22 in the upper precious metal formation portion.

同様に、下方のATO膜21Aの粒子形成面となる下面上に、各々が粒子状の複数の貴金属粒子22が設けられる。複数の貴金属粒子22のうち少なくとも一部は互いに離散した状態で下方のATO膜21Aの下面に付着している。したがって、下方貴金属形成部における複数の貴金属粒子22間の少なくとも一部に隙間が存在する。 Similarly, a plurality of particulate precious metal particles 22 are provided on the lower surface, which is the particle formation surface, of the lower ATO film 21A. At least some of the plurality of precious metal particles 22 are attached to the lower surface of the lower ATO film 21A in a discrete state. Therefore, there are at least some gaps between the plurality of precious metal particles 22 in the lower precious metal formation portion.

なお、上方貴金属形成部及び下方貴金属形成部それぞれにおいて、複数の貴金属粒子22は全て離散した状態が理想状態となる。 In addition, the ideal state would be for all of the multiple precious metal particles 22 in each of the upper and lower precious metal formation sections to be dispersed.

このように、複数の貴金属粒子22が付着する態様で、中間構造体30の両面に一対の貴金属粒子群22G(一対の複数の貴金属粒子22)が設けられる。 In this manner, a pair of precious metal particle groups 22G (a pair of a plurality of precious metal particles 22) is provided on both sides of the intermediate structure 30 in a manner in which a plurality of precious metal particles 22 are attached.

そして、上方貴金属形成部におけるATO膜21Aを下地層とした貴金属粒子群22Gまたは下方貴金属形成部におけるATO膜21Aを下地層とした貴金属粒子群22Gが、接触対象との接触面となる。 Then, the precious metal particle group 22G with the ATO film 21A as the base layer in the upper precious metal forming portion or the precious metal particle group 22G with the ATO film 21A as the base layer in the lower precious metal forming portion becomes the contact surface with the contact object.

上方のATO膜21Aの粒子形成面(上面)内における複数の貴金属粒子22の占有面積割合は30%以下に設定されている。すなわち、上方のATO膜21Aの上面の面積に対する複数の貴金属粒子22の占有面積割合は30%以下に設定されている。 The area ratio of the multiple precious metal particles 22 in the particle formation surface (top surface) of the upper ATO film 21A is set to 30% or less. In other words, the area ratio of the multiple precious metal particles 22 to the area of the top surface of the upper ATO film 21A is set to 30% or less.

同様に、下方のATO膜21Aの粒子形成面(下面)内における複数の貴金属粒子22の占有面積割合は30%以下に設定されている。すなわち、下方のATO膜21Aの下面の面積に対する複数の貴金属粒子22の占有面積割合は30%以下に設定されている。 Similarly, the area ratio of the multiple precious metal particles 22 in the particle formation surface (lower surface) of the lower ATO film 21A is set to 30% or less. In other words, the area ratio of the multiple precious metal particles 22 to the area of the lower surface of the lower ATO film 21A is set to 30% or less.

また、上方貴金属形成部における複数の貴金属粒子22の平均直径(平均粒径)は10nm以下に設定されている。同様に、下方貴金属形成部における複数の貴金属粒子22の平均直径は10nm以下に設定されている。 In addition, the average diameter (average particle size) of the multiple precious metal particles 22 in the upper precious metal forming portion is set to 10 nm or less. Similarly, the average diameter of the multiple precious metal particles 22 in the lower precious metal forming portion is set to 10 nm or less.

このように、本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、金属基材20の表面及び裏面それぞれに、図1で示したセパレータ基本構造2Rを有している。 In this way, the fuel cell separator 2 of this embodiment has the separator basic structure 2R shown in Figure 1 on both the front and back surfaces of the metal substrate 20.

加えて、本実施の形態の燃料電池セパレータ2において、上方貴金属形成部及び下方貴金属形成部それぞれの複数の貴金属粒子22には、{占有面積割合を30%以下にする}という占有面積条件と、{平均直径を10nm以下にする}という平均直径条件とが課されている。 In addition, in the fuel cell separator 2 of this embodiment, the multiple precious metal particles 22 in each of the upper precious metal forming portion and the lower precious metal forming portion are subject to an occupation area condition of {occupancy area ratio of 30% or less} and an average diameter condition of {average diameter of 10 nm or less}.

なお、接触対象との接触が上方貴金属形成部で行われる場合、下方貴金属形成部の複数の貴金属粒子22は上記占有面積条件及び上記平均直径条件を満足する必要はない。同様に、接触対象との接触が下方貴金属形成部で行われる場合、上方貴金属形成部の複数の貴金属粒子22は上記占有面積条件及び上記平均直径条件を満足する必要はない。 When contact with the contact object is made in the upper precious metal forming part, the multiple precious metal particles 22 in the lower precious metal forming part do not need to satisfy the above-mentioned occupation area condition and the above-mentioned average diameter condition. Similarly, when contact with the contact object is made in the lower precious metal forming part, the multiple precious metal particles 22 in the upper precious metal forming part do not need to satisfy the above-mentioned occupation area condition and the above-mentioned average diameter condition.

(製造方法)
以下、本実施の形態の燃料電池セパレータ2の製造方法について説明する。図3は燃料電池セパレータ2の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。以下、同図を参照して、燃料電池セパレータ2の製造方法を説明する。
(Production method)
The method for manufacturing the fuel cell separator 2 of this embodiment will be described below. Fig. 3 is a flow chart showing the procedure of the method for manufacturing the fuel cell separator 2. The method for manufacturing the fuel cell separator 2 will be described below with reference to this figure.

まず、ステップS1において、金属基材20と金属基材20の表面上及び裏面上それぞれに設けられる一対のATO膜21Aとを含む中間構造体30(図2参照)を準備する。すなわち、中間構造体30は、一対の貴金属粒子群22Gが形成される前の中間構造となる。なお、金属基材20としては後述するSUS304基材やTi基材等が考えられる。 First, in step S1, an intermediate structure 30 (see FIG. 2) is prepared, which includes a metal substrate 20 and a pair of ATO films 21A provided on the front and back surfaces of the metal substrate 20. In other words, the intermediate structure 30 is an intermediate structure before a pair of precious metal particle groups 22G are formed. The metal substrate 20 may be a SUS304 substrate or a Ti substrate, which will be described later.

中間構造体30の製造は、既存方法によって行われる。例えば、ミストCVD法を用いて、金属基材20の両面に一対のATO膜21Aを形成しても良い。具体的には、SnCl(塩化スズ)を原料とした原料溶液に超音波を印加して原料ミストを生成し、加熱された金属基材20の表面及び裏面に原料ミストを噴射し、金属基材20の両面にATO膜21Aを形成することができる。 The intermediate structure 30 is manufactured by an existing method. For example, a pair of ATO films 21A may be formed on both sides of the metal base material 20 by using a mist CVD method. Specifically, ultrasonic waves are applied to a raw material solution using SnCl 2 (tin chloride) as a raw material to generate raw material mist, and the raw material mist is sprayed onto the front and back surfaces of the heated metal base material 20, so that the ATO films 21A can be formed on both sides of the metal base material 20.

図4は、燃料電池セパレータ2を形成するために本実施の形態で用いるミストCVD装置7の構成を模式的に示す説明図である。同図にXYZ直交座標系を記している。以下で述べるステップS2及びS3は、図4で示すミストCVD装置7を用いて実行される。 Figure 4 is an explanatory diagram that shows a schematic configuration of the mist CVD device 7 used in this embodiment to form the fuel cell separator 2. The XYZ Cartesian coordinate system is shown in the figure. Steps S2 and S3 described below are performed using the mist CVD device 7 shown in Figure 4.

ミストCVD装置7は、加熱室40、粒子形成室50、搬送経路45及び搬送経路46を主要構成要素として含んでいる。 The mist CVD device 7 includes a heating chamber 40, a particle formation chamber 50, a transport path 45, and a transport path 46 as its main components.

加熱室40は内部の一方側面(図中-X側の側面)及び他方方側面(図中+X側の側面)に一対のランプ載置台41を設け、一対のランプ載置台41はそれぞれ複数の赤外光ランプ42を載置している。一対の複数の赤外光ランプ42は赤外線照射方向がX方向そって互いに対向するように設けられているため、一対のランプ載置台41によって挟まる加熱室40内の空間が加熱空間40sとなる。 The heating chamber 40 has a pair of lamp mounting stands 41 on one side (the side on the -X side in the figure) and the other side (the side on the +X side in the figure) of the interior, and each of the pair of lamp mounting stands 41 mounts a plurality of infrared lamps 42. The pair of infrared lamps 42 are arranged so that their infrared radiation directions face each other along the X direction, so the space within the heating chamber 40 sandwiched between the pair of lamp mounting stands 41 becomes the heating space 40s.

したがって、一対のランプ載置台41それぞれに設けられる複数の赤外光ランプ42の赤外線照射よって、加熱室40内の加熱空間40sを加熱することができる。 Therefore, the heating space 40s in the heating chamber 40 can be heated by infrared irradiation from the multiple infrared lamps 42 provided on each of the pair of lamp mounting tables 41.

加熱室40の上方の開口部に搬送経路45が設けられ、搬送経路45の下方の開口部に搬送経路46が設けられ、加熱室40の下方において搬送経路46を介して粒子形成室50が設けられる。 A transport path 45 is provided at the upper opening of the heating chamber 40, a transport path 46 is provided at the lower opening of the transport path 45, and a particle formation chamber 50 is provided below the heating chamber 40 via the transport path 46.

粒子形成室50の底面に複数の超音波振動子38(図4では2個の超音波振動子38)が設けられ、下方に原料溶液36を収容している。原料溶液36は金またはプラチナの貴金属を含む溶液である。粒子形成室50内において、原料溶液36の上方の空間がミスト空間50sとなる。 Multiple ultrasonic vibrators 38 (two ultrasonic vibrators 38 in FIG. 4) are provided on the bottom surface of the particle formation chamber 50, and the raw material solution 36 is contained below. The raw material solution 36 is a solution containing a precious metal such as gold or platinum. Within the particle formation chamber 50, the space above the raw material solution 36 becomes the mist space 50s.

複数の超音波振動子38による超音波振動処理の実行によって粒子形成室50内の原料溶液36に超音波が印加されることにより、原料溶液36が霧化され原料ミストMTが生成される。生成された原料ミストMTはミスト空間50s内に溜まる。例えば、中間構造体30を粒子形成室50内に搬送する搬送時以外は、粒子形成室50の上部の開口部または搬送経路46を閉鎖状態にする等により、ミスト空間50s内に原料ミストMTを確実に溜めることができる。なお、閉鎖状態にする方法として例えばエアカーテン等が考えられる。 By performing ultrasonic vibration processing using multiple ultrasonic vibrators 38, ultrasonic waves are applied to the raw material solution 36 in the particle formation chamber 50, atomizing the raw material solution 36 and generating raw material mist MT. The generated raw material mist MT accumulates in the mist space 50s. For example, the raw material mist MT can be reliably accumulated in the mist space 50s by closing the opening at the top of the particle formation chamber 50 or the transport path 46 except when the intermediate structure 30 is being transported into the particle formation chamber 50. Note that an air curtain, for example, can be used as a method for closing the space.

中間構造体30は接続リング43rを介して連結される保持部材43によって吊り下げた状態で保持される。保持部材43は±Z方向に沿った昇降動作が可能である。 The intermediate structure 30 is held in a suspended state by a holding member 43 connected via a connecting ring 43r. The holding member 43 can be raised and lowered in the ±Z directions.

このような構成のミストCVD装置7を用いて、図3で示すステップS2が実行される。ステップS2において、加熱室40の上方から、下方に向かう搬送方向D2に沿って保持部材43を降下させ、搬送経路45を介して加熱室40の加熱空間40s内に中間構造体30を配置することにより、中間構造体30を加熱することができる。したがって、中間構造体30の上面及び裏面、すなわち、上方のATO膜21Aの上面及び下方のATO膜21Aの下面がそれぞれ、複数の赤外光ランプ42によって加熱される。 Step S2 shown in FIG. 3 is performed using the mist CVD device 7 configured in this way. In step S2, the holding member 43 is lowered from above the heating chamber 40 along the transport direction D2 downward, and the intermediate structure 30 is placed in the heating space 40s of the heating chamber 40 via the transport path 45, thereby heating the intermediate structure 30. Therefore, the upper and back surfaces of the intermediate structure 30, i.e., the upper surface of the upper ATO film 21A and the lower surface of the lower ATO film 21A, are each heated by the multiple infrared light lamps 42.

ステップS3において、ステップS2の加熱処理が実行された後の中間構造体30を、搬送方向D2に沿って保持部材43をさらに下降させ、搬送経路46を介して原料ミストMTを含むミスト空間50s内に中間構造体30を配置する。 In step S3, the intermediate structure 30 after the heat treatment in step S2 is further lowered by the holding member 43 along the conveying direction D2, and the intermediate structure 30 is placed in the mist space 50s containing the raw material mist MT via the conveying path 46.

上方のATO膜21Aの上面及び下方のATO膜21Aの下面はステップS2の加熱処理の直後である。このため、原料溶液36が金(Au)を含む場合、ミストCVD法における化学反応{2AuCl→2Au+3Cl}を生じさせることができる。 The upper surface of the upper ATO film 21A and the lower surface of the lower ATO film 21A are immediately after the heat treatment in step S2. Therefore, when the raw material solution 36 contains gold (Au), a chemical reaction {2AuCl 3 →2Au+3Cl 2 } can be caused in the mist CVD method.

すると、ミスト空間50s内において、上方のATO膜21Aの上面上及び下方のATO膜21Aの下面上それぞれに、上述した化学反応によってミスト化されたAu原子を含む原料ミストMTが接触する。その結果、複数のAu粒子が複数の貴金属粒子22として、上方のATO膜21Aの上面上及び下方のATO膜21Aの下面上それぞれに付着する。 Then, in the mist space 50s, the raw material mist MT containing Au atoms that has been misted by the above-mentioned chemical reaction comes into contact with the upper surface of the upper ATO film 21A and the lower surface of the lower ATO film 21A. As a result, multiple Au particles adhere to the upper surface of the upper ATO film 21A and the lower surface of the lower ATO film 21A as multiple precious metal particles 22.

このように、上方のATO膜21Aの上面上及び下方のATO膜21Aの下面上それぞれに貴金属粒子群22Gが形成される。貴金属粒子群22GはATO膜21Aの粒子形成面上に付着した複数の貴金属粒子22を含んでいる。複数の貴金属粒子22はそれぞれ粒子状を呈しており、複数の貴金属粒子22のうち少なくとも一部が離散して設けられる。 In this way, a precious metal particle group 22G is formed on the upper surface of the upper ATO film 21A and on the lower surface of the lower ATO film 21A. The precious metal particle group 22G includes a plurality of precious metal particles 22 attached to the particle formation surface of the ATO film 21A. Each of the plurality of precious metal particles 22 has a particulate shape, and at least a portion of the plurality of precious metal particles 22 is provided in a discrete manner.

なお、ステップS3の実行時間であるミスト接触時間は、一対のATO膜21Aそれぞれの粒子形成面内における複数の貴金属粒子22の占有面積割合が30%以下になり、かつ、複数の貴金属粒子22の平均直径が10nm以下なるように、1秒未満程度の十分短い時間に設定される。 The mist contact time, which is the execution time of step S3, is set to a sufficiently short time of less than 1 second so that the area occupied by the multiple precious metal particles 22 on the particle formation surface of each of the pair of ATO films 21A is 30% or less and the average diameter of the multiple precious metal particles 22 is 10 nm or less.

このように、ステップS1~S3を実行することにより、図2で示した構造の燃料電池セパレータ2を製造することができる。この燃料電池セパレータ2は、上述した占有面積条件及び平均直径条件を満足している。 In this way, by carrying out steps S1 to S3, a fuel cell separator 2 having the structure shown in FIG. 2 can be manufactured. This fuel cell separator 2 satisfies the above-mentioned occupied area conditions and average diameter conditions.

なお、ステップS2における加熱処理での中間構造体30の加熱温度や、ステップS3の実行時間であるミスト接触時間等により、複数の貴金属粒子22それぞれの粒子直径及び、粒子形成面内における占有面積割合を調整することができる。 The particle diameter of each of the multiple precious metal particles 22 and the occupied area ratio within the particle formation surface can be adjusted by adjusting the heating temperature of the intermediate structure 30 during the heat treatment in step S2 and the mist contact time, which is the execution time of step S3.

さらに、原料溶液36の濃度を比較的低くしたり、ミスト接触時間を比較的短くしたりすることにより、複数の貴金属粒子22の全てを互いに離散した状態でATO膜21Aの粒子形成面上に付着させることができる。 Furthermore, by making the concentration of the raw material solution 36 relatively low and by making the mist contact time relatively short, it is possible to attach all of the multiple precious metal particles 22 to the particle formation surface of the ATO film 21A in a discrete state.

また、ステップS2及びS3の1回の実行では、上記占有面積割合及び上記平均直径が不十分であると判断した場合、ステップS2及びS3の処理を複数回繰り返しても良い。具体的には、1回目のステップS3の実行後、保持部材43を+Z方向に上昇させ、未完成状態の燃料電池セパレータ2を再び、加熱室40内に配置し2回目のステップS2を実行し、ステップS2の実行後、ステップS3を再び実行することにより、2回目のS2及びS3を実行することができる。 In addition, if it is determined that the occupied area ratio and the average diameter are insufficient in a single execution of steps S2 and S3, the processing of steps S2 and S3 may be repeated multiple times. Specifically, after the first execution of step S3, the holding member 43 is raised in the +Z direction, the unfinished fuel cell separator 2 is placed again in the heating chamber 40, and step S2 is executed a second time. After execution of step S2, step S3 is executed again, thereby executing S2 and S3 a second time.

同様に3回目以降のステップS2及びS3を実行することもできる。このように、加熱室40、粒子形成室50内に中間構造体30または未完成状態の燃料電池セパレータ2を複数回配置し、ステップS2及びS3を複数回実行するようにしても良い。 Similarly, steps S2 and S3 can be performed from the third time onwards. In this way, the intermediate structure 30 or the unfinished fuel cell separator 2 may be placed in the heating chamber 40 and particle formation chamber 50 multiple times, and steps S2 and S3 may be performed multiple times.

(実験結果)
図5はAu平均面積割合及び平均粒子サイズに伴う接触抵抗向上度合を表形式で示す説明図である。なお、「Au平均面積割合(%)」は粒子形成面の面積に対する貴金属粒子22であるAu粒子の占める面積の割合(%)を意味する。例えば、上方のATO膜21Aの上面全体が粒子形成面となる場合、上方のATO膜21Aの上面全体の面積が「粒子形成面の面積」となる。
(Experimental Results)
5 is an explanatory diagram showing in a table format the degree of improvement in contact resistance according to the average Au area ratio and the average particle size. Note that "average Au area ratio (%)" means the ratio (%) of the area occupied by Au particles, which are the precious metal particles 22, to the area of the particle-formed surface. For example, when the entire upper surface of the upper ATO film 21A becomes the particle-formed surface, the area of the entire upper surface of the upper ATO film 21A becomes the "area of the particle-formed surface."

そして、「平均粒子サイズ(nm)」は、粒子形成面に設けられる複数の貴金属粒子22の平均直径(nm)を意味する。また、接触抵抗向上度合(mΩcm)は、Au粒子の形成前後における抵抗減少度合(mΩcm)を示している。具体的には、Au粒子の形成前の構造は図2で示す中間構造体30となっており、Au粒子の形成後の構造は図2で示す燃料電池セパレータ2となっており、貴金属粒子22としてAu粒子が形成されている。 The term "average particle size (nm)" refers to the average diameter (nm) of the multiple precious metal particles 22 provided on the particle formation surface. The degree of improvement in contact resistance (mΩcm 2 ) indicates the degree of resistance reduction (mΩcm 2 ) before and after the formation of the Au particles. Specifically, the structure before the formation of the Au particles is the intermediate structure 30 shown in FIG. 2 , and the structure after the formation of the Au particles is the fuel cell separator 2 shown in FIG. 2 , in which Au particles are formed as the precious metal particles 22.

同図に示すように、ステップS3の実行時間であるミスト接触時間等を調整することにより、条件1ではAu平均面積割合を「30%」、平均粒子サイズを「5.8nm」に設定し、条件2ではAu平均面積割合を「22%」、平均粒子サイズを「9.3nm」に設定し、条件3ではAu平均面積割合を「93%」、平均粒子サイズを「24.7nm」に設定している。 As shown in the figure, by adjusting the mist contact time, which is the execution time of step S3, etc., the Au average area ratio is set to "30%" and the average particle size is set to "5.8 nm" in condition 1, the Au average area ratio is set to "22%" and the average particle size is set to "9.3 nm" in condition 2, and the Au average area ratio is set to "93%" and the average particle size is set to "24.7 nm" in condition 3.

図5に示すように、条件1では接触抵抗向上度合は6(mΩcm)となっている。すなわち、条件1では、1cm当たり6mΩの低抵抗化が図られている。同様に、条件2の接触抵抗向上度合は5.7(mΩcm)であり、条件3の接触抵抗向上度合は4(mΩcm)となっている。 5, the degree of improvement in contact resistance under condition 1 is 6 ( mΩcm2 ). That is, under condition 1, the resistance is reduced by 6 mΩ per cm2 . Similarly, the degree of improvement in contact resistance under condition 2 is 5.7 ( mΩcm2 ), and the degree of improvement in contact resistance under condition 3 is 4 ( mΩcm2 ).

図5で示す実験結果から、条件1及び条件2は、条件3と比較して、Au平均面積割合がかなり少ない。すなわち、条件1及び条件2は、条件3と比較してAu粒子の粒子形成面における付着量が少ないにも関わらず、接触抵抗向上度合は条件3を上回っていることがわかる。したがって、必要最小限のAu粒子量で接触抵抗向上度合を比較的大きく得ることを重視する場合、Au平均面積割合は30(%)以下で、かつ、平均粒子サイズが10(nm)であることが最適条件となることが推測される。 From the experimental results shown in Figure 5, conditions 1 and 2 have a significantly smaller average Au area ratio than condition 3. In other words, conditions 1 and 2 have a smaller amount of Au particles attached to the particle formation surface than condition 3, but the degree of improvement in contact resistance is greater than that of condition 3. Therefore, if the emphasis is on achieving a relatively large degree of improvement in contact resistance with the minimum necessary amount of Au particles, it is estimated that the optimal conditions are an average Au area ratio of 30% or less and an average particle size of 10 nm.

図6は加熱温度とAu平均粒子サイズとの関係を示すグラフである。同図において、横軸が加熱温度(℃)であり、縦軸がAu平均粒子サイズ(nm)である。なお、加熱温度はステップS2の加熱処理実行時における加熱空間40s内の温度(℃)を示しており、Au平均粒子サイズは、貴金属粒子22をAu粒子とした場合における複数の貴金属粒子22の平均直径(nm)を示している。 Figure 6 is a graph showing the relationship between heating temperature and average Au particle size. In this figure, the horizontal axis is heating temperature (°C) and the vertical axis is Au average particle size (nm). Note that the heating temperature indicates the temperature (°C) in the heating space 40s when the heating process of step S2 is performed, and the Au average particle size indicates the average diameter (nm) of multiple precious metal particles 22 when the precious metal particles 22 are Au particles.

同図において、粒子サイズ変化L1は、ステップS2の実行時間であるミスト接触時間を0.1(sec)にした場合の変化を示しており、粒子サイズ変化L2はミスト接触時間を0.5(sec)にした場合の変化を示している。 In the figure, particle size change L1 shows the change when the mist contact time, which is the execution time of step S2, is set to 0.1 (sec), and particle size change L2 shows the change when the mist contact time is set to 0.5 (sec).

同図の粒子サイズ変化L2に示すように、ミスト接触時間を0.5秒にすると、加熱温度が430(℃)を上回る場合、Au平均粒子サイズが10nmを上回ってしまう。一方、粒子サイズ変化L1に示すように、ミスト接触時間を0.1秒にすると、350~450(℃)の加熱温度範囲において、Au平均粒子サイズを7nm以下に抑えている。 As shown in particle size change L2 in the figure, when the mist contact time is 0.5 seconds, the average Au particle size exceeds 10 nm when the heating temperature exceeds 430 (°C). On the other hand, as shown in particle size change L1, when the mist contact time is 0.1 seconds, the average Au particle size is kept below 7 nm in the heating temperature range of 350 to 450 (°C).

図7は加熱温度とAu平均面積割合との関係を示すグラフである。同図において、横軸が加熱温度(℃)であり、縦軸がAu平均面積割合(%)である。なお、Au平均面積割合は、貴金属粒子22をAu粒子とした場合における複数の貴金属粒子22の形成面積の粒子形成面の面積に対する割合(%)を示している。 Figure 7 is a graph showing the relationship between heating temperature and the average area ratio of Au. In this figure, the horizontal axis is heating temperature (°C) and the vertical axis is the average area ratio of Au (%). Note that the average area ratio of Au indicates the ratio (%) of the formation area of multiple precious metal particles 22 to the area of the particle formation surface when the precious metal particles 22 are Au particles.

同図において、面積割合変化L3はミスト接触時間を0.1(sec)にした場合の変化を示しており、面積割合変化L4はミスト接触時間を0.5(sec)にした場合の変化を示している。 In the figure, area percentage change L3 shows the change when the mist contact time is set to 0.1 (sec), and area percentage change L4 shows the change when the mist contact time is set to 0.5 (sec).

同図の面積割合変化L4に示すように、ミスト接触時間を0.5秒にすると、加熱温度が400(℃)を下回る場合、Au平均面積割合が30%を上回ってしまう。一方、面積割合変化L3に示すように、ミスト接触時間を0.1秒にすると、350~450(℃)の加熱温度範囲において、Au平均面積割合を30%未満に抑えている。 As shown in area percentage change L4 in the figure, when the mist contact time is 0.5 seconds, the average Au area percentage exceeds 30% when the heating temperature is below 400 (°C). On the other hand, as shown in area percentage change L3, when the mist contact time is 0.1 seconds, the average Au area percentage is kept below 30% in the heating temperature range of 350 to 450 (°C).

したがって、図6及び図7で示す実験結果から、ステップS2における加熱温度範囲を{350~450℃}とした場合、加熱温度範囲内において、Au平均面積割合を30%以下にし、かつ、Au平均粒子サイズを10nm以下にするために、ミスト接触時間は0.1秒以下に設定する必要があることが推測できる。 Therefore, from the experimental results shown in Figures 6 and 7, it can be inferred that when the heating temperature range in step S2 is {350 to 450°C}, in order to keep the average Au area ratio at 30% or less and the average Au particle size at 10 nm or less within the heating temperature range, the mist contact time must be set to 0.1 seconds or less.

図8は実施の形態の燃料電池セパレータ2の種々の状態における接触対象との接触抵抗を表形式で示す説明図である。図9は図8で示した接触抵抗を棒グラフ形式で示す説明図である。接触対象として、具体的には、図12で示した燃料電池60におけるガス拡散層対13及び14が考えられる。なお、図8及び図9それぞれで示す抵抗値の単位は全てmΩcmである。 Fig. 8 is an explanatory diagram showing in table form the contact resistance with a contact object in various states of the fuel cell separator 2 of the embodiment. Fig. 9 is an explanatory diagram showing in bar graph form the contact resistance shown in Fig. 8. Specifically, the contact object may be the gas diffusion layer pair 13 and 14 in the fuel cell 60 shown in Fig. 12. Note that the unit of the resistance values shown in Figs. 8 and 9 is all mΩcm2 .

また、図8及び図9で示す実験結果は、図4で示したミストCVD装置7の動作仕様を以下のように設定している。動作仕様は、超音波振動子38の数を「2個」とし、各超音波振動子38の超音波周波数を「1.6MHZ」とし、原料溶液36となるAuCl溶液の濃度を「0.003mol/L」となっている。 8 and 9, the operating specifications of the mist CVD apparatus 7 shown in Fig. 4 are set as follows: the number of ultrasonic vibrators 38 is "2", the ultrasonic frequency of each ultrasonic vibrator 38 is "1.6 MHZ", and the concentration of the AuCl3 solution serving as the raw material solution 36 is "0.003 mol/L".

図8及び図9において、SUS304基材及びTi基材はそれぞれ金属基材20の具体的構造を示している。SUS304基材は一般的な金属基材に不導体膜が予め形成されており、Ti基材の場合は一般的な金属基材にtiOのチタン酸化膜が予め形成されている。 8 and 9, the SUS304 substrate and the Ti substrate each show a specific structure of the metal substrate 20. The SUS304 substrate is a typical metal substrate on which a non-conductive film has been formed in advance, and the Ti substrate is a typical metal substrate on which a titanium oxide film (tiOx ) has been formed in advance.

図8及び図9で示す「蒸着前」は、貴金属粒子群22Gを形成する前の構造を示している。「蒸着後」は、貴金属粒子群22Gを形成した後の構造を示している。すなわち、「蒸着後」は、燃料電池セパレータ2の全体構造を示している。 In Figures 8 and 9, "before deposition" shows the structure before the precious metal particle group 22G is formed. "after deposition" shows the structure after the precious metal particle group 22G is formed. In other words, "after deposition" shows the overall structure of the fuel cell separator 2.

「蒸着前」の欄において、「金属基材のみ」は、導電性酸化物膜21(ATO膜21A)を形成前の金属基材20の構造のみを示している。さらに、「蒸着前」の欄において、「ATO成膜後」は、金属基材20及びATO膜21Aを含む中間構造体30の構造を示している。SnClを原料とした原料溶液36に超音波を印加して原料ミストMTを得る既存のミストCVD法を用いて、金属基材20上にATO膜21Aを形成することができる。 In the column "Before deposition", "Metal substrate only" shows only the structure of the metal substrate 20 before the conductive oxide film 21 (ATO film 21A) is formed. Furthermore, in the column "Before deposition", "After ATO film formation" shows the structure of the intermediate structure 30 including the metal substrate 20 and the ATO film 21A. The ATO film 21A can be formed on the metal substrate 20 by using an existing mist CVD method in which ultrasonic waves are applied to a raw material solution 36 using SnCl2 as a raw material to obtain a raw material mist MT.

以下、「蒸着後」の燃料電池セパレータ2について詳述する。AuClを原料とした原料溶液36に超音波振動子38から超音波を印加して原料溶液36を霧化(ミスト化)し原料ミストMTを得る。その後、ミスト空間50s内に原料ミストMTが滞留した状態で中間構造体30を配置することにより、ATO膜21Aの粒子形成面上に貴金属粒子群22Gを形成することができる(図3のステップS3)。 The fuel cell separator 2 after deposition will be described in detail below. Ultrasonic waves are applied from an ultrasonic vibrator 38 to a raw material solution 36 made from AuCl 3 to atomize (mist) the raw material solution 36, thereby obtaining a raw material mist MT. Thereafter, by disposing the intermediate structure 30 in a state in which the raw material mist MT is retained in the mist space 50s, a precious metal particle group 22G can be formed on the particle formation surface of the ATO film 21A (step S3 in FIG. 3).

すなわち、ミストCVD装置7を用いたミストCVD法を用いて、上方のATO膜21Aの上面上及び下方のATO膜21Aの下面上に一対の貴金属粒子群22Gを形成することができる。一対の貴金属粒子群22Gそれぞれに含まれる複数の貴金属粒子22が複数のAu粒子となる。このように、中間構造体30に対し、ミストCVD装置7を用いたミストCVD法を用いることにより、図2で示した燃料電池セパレータ2を完成することができる。 That is, a pair of precious metal particle groups 22G can be formed on the upper surface of the upper ATO film 21A and on the lower surface of the lower ATO film 21A by using the mist CVD method using the mist CVD device 7. The multiple precious metal particles 22 contained in each of the pair of precious metal particle groups 22G become multiple Au particles. In this way, by using the mist CVD method using the mist CVD device 7 for the intermediate structure 30, the fuel cell separator 2 shown in FIG. 2 can be completed.

このとき、燃料電池セパレータ2のAu平均面積割合は30%で、Au平均粒子サイズは5.8nmとなった。 At this time, the average area ratio of Au in the fuel cell separator 2 was 30%, and the average Au particle size was 5.8 nm.

図8及び図9において、「蒸着後」の欄における「耐久試験前」は、燃料電池セパレータ2を使用する前の状態を示しており、「耐久試験後」は、燃料電池に想定される腐食酸化環境で燃料電池セパレータ2を使用した後の状態を示している。 In Figures 8 and 9, "Before durability test" in the "After deposition" column indicates the state before the fuel cell separator 2 was used, and "After durability test" indicates the state after the fuel cell separator 2 was used in the corrosive and oxidative environment expected for a fuel cell.

耐久試験として、「硫酸溶液800ml(pH3)にフッ酸を3ppm添加して80℃に保持した溶液中に0.9Vで通電しながら、燃料電池セパレータ2を3日間保持する」腐食酸化試験を行った。 As a durability test, a corrosion-oxidation test was conducted in which the fuel cell separator 2 was held for three days in a solution of 800 ml of sulfuric acid (pH 3) containing 3 ppm hydrofluoric acid and held at 80°C while a current of 0.9 V was applied.

図8及び図9に示すように、金属基材20がSUS304基材であった場合、接触抵抗は、金属基材20単体では「76」であり、中間構造体30では「8.9」に向上し、燃料電池セパレータ2では「2.9」に向上している。さらに、耐久試験後においても、燃料電池セパレータ2の接触抵抗は低い抵抗値「3.2」で維持されている。 As shown in Figures 8 and 9, when the metal substrate 20 is a SUS304 substrate, the contact resistance is "76" for the metal substrate 20 alone, improves to "8.9" for the intermediate structure 30, and improves to "2.9" for the fuel cell separator 2. Furthermore, even after the durability test, the contact resistance of the fuel cell separator 2 is maintained at a low resistance value of "3.2."

図8及び図9に示すように、金属基材20がTi基材であった場合、接触抵抗は、金属基材20単体では「6.2」であり、中間構造体30では「8.4」となり、燃料電池セパレータ2では「2.1」に向上している。さらに、耐久試験後においても、燃料電池セパレータ2の接触抵抗は比較的低い抵抗値「3.8」で維持されている。 As shown in Figures 8 and 9, when the metal substrate 20 is a Ti substrate, the contact resistance is "6.2" for the metal substrate 20 alone, "8.4" for the intermediate structure 30, and improves to "2.1" for the fuel cell separator 2. Furthermore, even after the durability test, the contact resistance of the fuel cell separator 2 is maintained at a relatively low resistance value of "3.8."

図9に示すように、本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、燃料電池に想定される厳しい腐食酸化環境下で使用した後において、目標とする基準抵抗値SR(5mΩcm)を下回る低い接触抵抗値を維持できていることがわかる。 As shown in FIG. 9, the fuel cell separator 2 of this embodiment can maintain a low contact resistance value below the target reference resistance value SR (5 mΩcm2 ) even after use in the severe corrosive and oxidative environment expected for a fuel cell.

すなわち、本実施の形態の燃料電池セパレータ2の接触抵抗の低抵抗化を長期に渡って安定的に維持できていることがわかる。 In other words, it can be seen that the low contact resistance of the fuel cell separator 2 of this embodiment can be stably maintained over a long period of time.

図10は比較用燃料電池セパレータの種々の状態における接触対象との接触抵抗を表形式で示す説明図である。図11は図10で示した接触抵抗を棒グラフ形式で示す説明図である。なお、図10及び図11それぞれで示す抵抗値の単位は全てmΩcmである。 Fig. 10 is an explanatory diagram showing in table form the contact resistance between the comparative fuel cell separator and the contact object in various states. Fig. 11 is an explanatory diagram showing in bar graph form the contact resistance shown in Fig. 10. Note that the unit of resistance values shown in Fig. 10 and Fig. 11 is all mΩcm2 .

また、図10及び図11で示す実験結果は、図8及び図9で示す実験結果ど同様、上述したミストCVD装置7の動作仕様で行われている。 The experimental results shown in Figures 10 and 11, like those shown in Figures 8 and 9, were performed using the operating specifications of the mist CVD device 7 described above.

比較用燃料電池セパレータでは、金属基材20上に貴金属粒子群22G(複数の貴金属粒子22)を直接設ける構造である。 The comparative fuel cell separator has a structure in which a precious metal particle group 22G (multiple precious metal particles 22) is provided directly on the metal substrate 20.

図10及び図11において、SUS304基材及びTi基材はそれぞれ金属基材20の具体的構造を示している。図10及び図11で示す「蒸着前」は、貴金属粒子群22Gを形成前の構造を示している。「蒸着後」は、貴金属粒子群22Gを形成後の構造を示している。すなわち、「蒸着後」は、比較用燃料電池セパレータの全体構造を示している。 In Figures 10 and 11, the SUS304 substrate and the Ti substrate each show the specific structure of the metal substrate 20. "Before deposition" in Figures 10 and 11 shows the structure before the precious metal particle group 22G is formed. "After deposition" shows the structure after the precious metal particle group 22G is formed. In other words, "After deposition" shows the overall structure of the comparative fuel cell separator.

図4で示したミストCVD装置7を用い、中間構造体30を金属基材20のみに置き換えて、図3で示したステップS1~S3を実行することにより、金属基材20の粒子形成面上に貴金属粒子群22Gを形成している。 By using the mist CVD apparatus 7 shown in FIG. 4 and replacing the intermediate structure 30 with only the metal substrate 20, steps S1 to S3 shown in FIG. 3 are performed to form a precious metal particle group 22G on the particle formation surface of the metal substrate 20.

「蒸着前」の欄において、「金属基材のみ」は、貴金属粒子群22Gを形成する前の金属基材20のみの構造を示している。 In the "Before deposition" column, "Metal substrate only" indicates the structure of only the metal substrate 20 before the precious metal particle group 22G is formed.

「蒸着後」の欄において、「耐久試験前」は、比較用燃料電池セパレータを使用する前の状態を示しており、「耐久試験後」は、燃料電池に想定される腐食酸化環境下で比較用燃料電池セパレータを使用した後の状態を示している。 In the "After deposition" column, "Before durability test" indicates the condition before the comparative fuel cell separator was used, and "After durability test" indicates the condition after the comparative fuel cell separator was used in the corrosive and oxidative environment expected for a fuel cell.

耐久試験として、図8及び図9で示した実験結果と同様、「硫酸溶液800ml(pH3)にフッ酸を3ppm添加して80℃に保持した溶液中に0.9Vで通電しながら、比較用燃料電池セパレータを3日間保持する」腐食試験を行った。 As a durability test, a corrosion test was conducted in which the comparative fuel cell separator was held for three days in a solution of 800 ml of sulfuric acid (pH 3) containing 3 ppm hydrofluoric acid and held at 80°C while a current of 0.9 V was applied. This was similar to the experimental results shown in Figures 8 and 9.

図10及び図11に示すように、金属基材20がSUS304基材であった場合、接触抵抗は、金属基材20単体では「73」であり、比較用燃料電池セパレータの完成直後では「1.73」に向上している。しかしながら、耐久試験後において、比較用燃料電池セパレータの接触抵抗は大きく悪化して抵抗値は「21」に上昇している。 As shown in Figures 10 and 11, when the metal substrate 20 was a SUS304 substrate, the contact resistance was "73" for the metal substrate 20 alone, and improved to "1.73" immediately after the comparative fuel cell separator was completed. However, after the durability test, the contact resistance of the comparative fuel cell separator significantly deteriorated, and the resistance value rose to "21".

図10及び図11に示すように、金属基材20がTi基材であった場合、接触抵抗は、金属基材20単体では「6.4」であり、比較用燃料電池セパレータの完成直後では「2.25」に向上している。しかしながら、耐久試験後において、比較用燃料電池セパレータの接触抵抗は大きく悪化し抵抗値は「92.7」に上昇している。 As shown in Figures 10 and 11, when the metal substrate 20 was a Ti substrate, the contact resistance was "6.4" for the metal substrate 20 alone, and improved to "2.25" immediately after the comparative fuel cell separator was completed. However, after the durability test, the contact resistance of the comparative fuel cell separator significantly deteriorated, and the resistance value rose to "92.7".

図11に示すように、比較用燃料電池セパレータは、想定される厳しい腐食酸化環境下で使用された後において、目標とする基準抵抗値SR(5mΩcm)を大きく上回る高い接触抵抗値となってしまう。 As shown in FIG. 11, the comparative fuel cell separator, after being used in an assumed severe corrosive and oxidative environment, ends up with a high contact resistance value that significantly exceeds the target reference resistance value SR (5 mΩcm 2 ).

このように、図10及び図11で示す実験結果から、金属基材20の両面に貴金属粒子群22Gを設ける比較用燃料電池セパレータでは、完成直後には接触抵抗の低減化が図れても、燃料電池として想定される環境下で使用されると接触抵抗の抵抗値が大きく上昇してしまい、接触抵抗の低抵抗化を維持することができないことが判明した。 As described above, the experimental results shown in Figures 10 and 11 reveal that, in a comparative fuel cell separator in which precious metal particle groups 22G are provided on both sides of the metal substrate 20, even if the contact resistance is reduced immediately after completion, the contact resistance value increases significantly when used in an environment expected for a fuel cell, and the low contact resistance cannot be maintained.

すなわち、図8及び図9と図10及び図11との比較結果から、燃料電池に想定される厳しい環境下で使用された後においても、燃料電池セパレータの接触抵抗の低抵抗化を維持するには、貴金属粒子群22Gの下地層として導電性酸化物膜21(ATO膜21A)を設けることの重要性が判明した。すなわち、セパレータ基本構造2Rとして、耐食性の高い性質を有する導電性酸化物膜21を含めることが必須条件となることは判明した。 In other words, the comparison of Figures 8 and 9 with Figures 10 and 11 reveals the importance of providing a conductive oxide film 21 (ATO film 21A) as an underlayer for the precious metal particle group 22G in order to maintain a low contact resistance of the fuel cell separator even after it has been used in the harsh environment expected for a fuel cell. In other words, it was revealed that the inclusion of a conductive oxide film 21 with high corrosion resistance properties is an essential condition for the separator basic structure 2R.

以上、図8~図11で示した実験結果から、セパレータ基本構造2Rを有する本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、接触抵抗の低抵抗化を長期に渡って安定的に維持できていることが立証された。 The experimental results shown in Figures 8 to 11 demonstrate that the fuel cell separator 2 of this embodiment, which has the separator basic structure 2R, can stably maintain low contact resistance for a long period of time.

(効果)
本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、金属基材20、導電性酸化物膜21及び貴金属粒子22の三層構造であるセパレータ基本構造2R(図1参照)を有するため、貴金属粒子群22Gと接触対象との接触抵抗の低抵抗化を安定的に図ることができる。
(effect)
The fuel cell separator 2 of this embodiment has a separator basic structure 2R (see Figure 1) which is a three-layer structure of a metal substrate 20, a conductive oxide film 21, and precious metal particles 22, and therefore can stably reduce the contact resistance between the precious metal particle group 22G and the contact object.

この効果は、図8~図11で示した実験結果からも明らかである。なお、上述した接触対象は、燃料電池用の部材であり、具体的には、図12で示した発電部となるMEA5の両側面に存在するガス拡散層対13及び14が考えられる。 This effect is also evident from the experimental results shown in Figures 8 to 11. The above-mentioned contact objects are fuel cell components, specifically the gas diffusion layer pairs 13 and 14 on both sides of the MEA 5, which serves as the power generation section shown in Figure 12.

加えて、本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、複数の貴金属粒子22のうち少なくとも一部を離散して設けることにより、金またはプラチナである貴金属の使用量を抑制して比較的安価に実現することができる。 In addition, the fuel cell separator 2 of this embodiment can be produced at a relatively low cost by providing at least a portion of the multiple precious metal particles 22 in a discrete manner, thereby reducing the amount of precious metal, such as gold or platinum, used.

さらに、燃料電池セパレータ2における貴金属粒子群22Gの下地層となる導電性酸化物膜21としてATO膜21Aを用いることにより、接触抵抗の抵抗値の安定性を図ることができる。この効果も、図8~図11で示した実験結果からも明らかである。 Furthermore, by using the ATO film 21A as the conductive oxide film 21 that serves as the underlayer for the precious metal particle group 22G in the fuel cell separator 2, the resistance value of the contact resistance can be stabilized. This effect is also evident from the experimental results shown in Figures 8 to 11.

加えて、本実施の形態の燃料電池セパレータ2では、複数の貴金属粒子22の平均直径を10nm以下に設定している。このため、接触対象となるガス拡散層対13及び14との接触面積を比較的大きくすることができる。なぜなら、ガス拡散層(GDL)は線維性の多孔質であるからである。 In addition, in the fuel cell separator 2 of this embodiment, the average diameter of the multiple precious metal particles 22 is set to 10 nm or less. This allows the contact area with the gas diffusion layer pair 13 and 14 to be relatively large, because the gas diffusion layer (GDL) is fibrous and porous.

したがって、本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、複数の貴金属粒子22の平均直径を10nm以下に設定することにより、接触対象との接触抵抗のさらなる低減化を図ることができる。 Therefore, in the fuel cell separator 2 of this embodiment, by setting the average diameter of the multiple precious metal particles 22 to 10 nm or less, it is possible to further reduce the contact resistance with the contact object.

なお、10nmを下回るAu平均粒子サイズを多数設定した条件下で図5に示したような実験を行うことにより、Au平均粒子サイズの下限を“0”を超える有意な値として予め認識することができる。例えば、基準抵抗値SR以下を満足するAu平均粒子サイズの最小値を下限と設定することができる。したがって、予め認識した下限と上限10nmとの間にAu平均粒子サイズを設定することが望ましい。 By conducting an experiment such as that shown in FIG. 5 under conditions where a large number of Au average particle sizes below 10 nm are set, the lower limit of the Au average particle size can be recognized in advance as a significant value exceeding "0". For example, the minimum value of the Au average particle size that satisfies the standard resistance value SR or less can be set as the lower limit. Therefore, it is desirable to set the Au average particle size between the previously recognized lower limit and the upper limit of 10 nm.

加えて、本実施の形態の燃料電池セパレータ2では、導電性酸化物膜21(ATO膜21A)の粒子形成面内における複数の貴金属粒子22の占有面積割合を30%以下に設定している。 In addition, in the fuel cell separator 2 of this embodiment, the area occupied by the multiple precious metal particles 22 within the particle formation surface of the conductive oxide film 21 (ATO film 21A) is set to 30% or less.

このため、本実施の形態の燃料電池セパレータ2は、貴金属粒子22として用いるAuまたはPtの量を必要最小限に抑えつつ、接触対象との接触抵抗の低減化を図ることができる。 Therefore, the fuel cell separator 2 of this embodiment can reduce the contact resistance with the contact object while keeping the amount of Au or Pt used as the precious metal particles 22 to a minimum.

なお、30%を下回るAu平均面積割合を多数設定した条件下で図5に示したような実験を行うことにより、Au平均面積割合の下限を“0”を超える有意な値として予め認識することができる。例えば、基準抵抗値SR以下となるAu平均面積割合の最小値を下限と設定することができる。したがって、予め認識した下限と上限30%との間にAu平均面積割合を設定することが望ましい。 By conducting an experiment as shown in FIG. 5 under conditions where a large number of Au average area ratios below 30% are set, the lower limit of the Au average area ratio can be recognized in advance as a significant value exceeding "0". For example, the minimum value of the Au average area ratio that is equal to or less than the reference resistance value SR can be set as the lower limit. Therefore, it is desirable to set the Au average area ratio between the previously recognized lower limit and the upper limit of 30%.

図3で示した本実施の形態の燃料電池セパレータの製造方法は、ステップS3を実行することにより、金属基材20、導電性酸化物膜21及び貴金属粒子22からなるセパレータ基本構造2Rを含む本実施の形態の燃料電池セパレータ2を得ることができる。 The manufacturing method of the fuel cell separator of this embodiment shown in FIG. 3 can obtain the fuel cell separator 2 of this embodiment including the separator basic structure 2R consisting of the metal substrate 20, the conductive oxide film 21, and the precious metal particles 22 by performing step S3.

セパレータ基本構造2Rを含む燃料電池セパレータ2は、貴金属粒子群22Gと接触対象との接触抵抗の低抵抗化を安定的に図ることができる。 The fuel cell separator 2 including the separator basic structure 2R can stably reduce the contact resistance between the precious metal particle group 22G and the contact object.

加えて、ステップS3の実行時間であるミスト接触時間を変更することにより、貴金属粒子群22Gに含まれる複数の貴金属粒子22の平均直径、及び粒子形成面上における複数の貴金属粒子の占有面積割合それぞれを調整することができる。 In addition, by changing the mist contact time, which is the execution time of step S3, it is possible to adjust the average diameter of the multiple precious metal particles 22 contained in the precious metal particle group 22G and the occupied area ratio of the multiple precious metal particles on the particle formation surface.

本実施の形態の製造方法では、複数の貴金属粒子22の占有面積割合が30%以下になるようにミスト接触時間を設定しているため、貴金属粒子22として用いる貴金属(Au,Pt)の量を必要最小限に抑え、接触対象との接触抵抗の低減化を図った燃料電池セパレータ2を得ることができる。 In the manufacturing method of this embodiment, the mist contact time is set so that the area occupied by the multiple precious metal particles 22 is 30% or less, so that the amount of precious metal (Au, Pt) used as the precious metal particles 22 is kept to a minimum, and a fuel cell separator 2 can be obtained that has reduced contact resistance with the contact object.

なお、本開示は、その開示の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Note that within the scope of this disclosure, the embodiments may be modified or omitted as appropriate.

2 燃料電池セパレータ
2R セパレータ基本構造
7 ミストCVD装置
20 金属基材
21 導電性酸化物膜
21A ATO膜
22 貴金属粒子
22G 貴金属粒子群
36 原料溶液
38 超音波振動子
40 加熱室
50 粒子形成室
2 fuel cell separator 2R separator basic structure 7 mist CVD device 20 metal substrate 21 conductive oxide film 21A ATO film 22 precious metal particles 22G precious metal particle group 36 raw material solution 38 ultrasonic vibrator 40 heating chamber 50 particle formation chamber

Claims (3)

金属基材と、
前記金属基材の表面上に直接設けられる導電性酸化物膜と、
前記導電性酸化物膜上に設けられる貴金属粒子群とを備え、
前記貴金属粒子群は複数の貴金属粒子を含み、
前記複数の貴金属粒子のうち少なくとも一部が離散して設けられ、
前記複数の貴金属粒子それぞれの構成材料は金またはプラチナであり、
前記複数の貴金属粒子の平均直径は10nm以下であり、
前記貴金属粒子群は、前記導電性酸化物膜の粒子形成面上に形成され、
前記粒子形成面内における前記複数の貴金属粒子の占有面積割合は30%以下である、
燃料電池セパレータ。
A metal substrate;
A conductive oxide film provided directly on the surface of the metal substrate;
a group of precious metal particles provided on the conductive oxide film;
The precious metal particle group includes a plurality of precious metal particles,
At least a portion of the plurality of precious metal particles is provided discretely,
The constituent material of each of the plurality of precious metal particles is gold or platinum;
the average diameter of the plurality of precious metal particles is 10 nm or less;
the noble metal particle group is formed on a particle formation surface of the conductive oxide film,
the area ratio of the plurality of precious metal particles to the grain formation surface is 30% or less;
Fuel cell separator.
請求項1記載の燃料電池セパレータであって、
前記導電性酸化物膜はアンチモンドープ酸化スズ膜である、
燃料電池セパレータ。
2. The fuel cell separator according to claim 1,
The conductive oxide film is an antimony-doped tin oxide film.
Fuel cell separator.
燃料電池セパレータの製造方法であって、
(a) 金属基材と前記金属基材の表面上に直接設けられる導電性酸化物膜と含む中間構造体を準備するステップと、
(b) 加熱室内で前記中間構造体を加熱するステップと、
(c) 原料ミストを含むミスト空間内に、前記ステップ(b)の実行後の前記中間構造体を配置するステップとを備え、
前記ミスト空間は、前記加熱室と異なる粒子形成室内に確保され、
前記原料ミストは、金またはプラチナの貴金属を含む原料溶液を霧化することにより得られ、
前記ステップ(c)の実行後において、前記導電性酸化物膜の粒子形成面上に複数の貴金属粒子を含む貴金属粒子群が形成され
前記ステップ(c)の実行時間であるミスト接触時間は、前記粒子形成面内における前記複数の貴金属粒子の占有面積割合が30%以下になり、かつ、前記複数の貴金属粒子の平均直径が10nm以下なるように設定される、
燃料電池セパレータの製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell separator, comprising the steps of:
(a) providing an intermediate structure including a metal substrate and a conductive oxide film disposed directly on a surface of the metal substrate;
(b) heating the intermediate structure in a heating chamber;
(c) placing the intermediate structure after the step (b) is performed in a mist space containing raw material mist;
The mist space is provided in a particle formation chamber separate from the heating chamber,
The raw material mist is obtained by atomizing a raw material solution containing a precious metal such as gold or platinum,
After the step (c) is performed, a precious metal particle group including a plurality of precious metal particles is formed on the particle formation surface of the conductive oxide film ,
The mist contact time, which is the execution time of the step (c), is set so that the occupation area ratio of the plurality of precious metal particles in the particle formation surface is 30% or less and the average diameter of the plurality of precious metal particles is 10 nm or less.
A method for manufacturing a fuel cell separator.
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