JP3706784B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として電気自動車用の電池として用いられる燃料電池用セパレータに関し、詳しくは、イオン交換膜からなる電解質膜を両側から電極（アノード及びカソード）で挟んでサンドイッチ構造としたガス拡散電極をそれの外部両側から挟むとともに、両側の電極との間に、水素を含有する燃料ガス流路及び酸素を含有する酸化ガス流路を形成して燃料電池の構成単位である単セルを構成するように用いられる電解質型の燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより、アノード側及びカソード側において、
Ｈ₂ →２Ｈ´＋２ｅ´ …（１）
（１／２）Ｏ₂ ＋２Ｈ´＋２ｅ´→Ｈ₂ Ｏ …（２）
なる式の電気化学反応を呈し、電池全体としては、
Ｈ₂ ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ …（３）
なる式の電気化学反応を呈し、このような化学反応によるエネルギーを電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能を発揮するものである。
【０００３】
上記のようなエネルギー変換を生じる電解質型の燃料電池用セパレータにおいては、ガス不透過性の他にエネルギーの変換効率をよくする上で導電性に優れた材料から形成することが要求され、その要求に適った材料として、従来から黒鉛（カーボン）粉末をフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂で混練してなる複合体、通称、ボンドカーボン（樹脂結合質カーボン）コンパウンドを使用し、これを所定形状に成形することにより燃料電池用セパレータを構成している。
【０００４】
ところで、上記の如きボンドカーボンコンパウンドを用いて所定形状の燃料電池用セパレータを成形するにあたって、従来一般には、ボンドカーボンコンパウンドの成形性を重視して、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛粉末との組成割合で熱硬化性樹脂量を多くしたボンドカーボンコンパウンドを使用していた。例えば、生産性のよい射出成形の場合では、樹脂量が４０％程度になるような組成割合に設定されたボンドカーボンコンパウンドが使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように樹脂量の多い組成割合のボンドカーボンコンパウンドを使用して成形された従来の燃料電池用セパレータにおいては、ボンドカーボンコンパウンドが流動性に優れていることから、成形性が良くなる反面、電気絶縁材である熱硬化性樹脂量が多いために、それだけセパレータ構成材であるボンドカーボンコンパウンド自体の固有抵抗値が大きくなる。特に、成形手段として生産性のよい射出成形を採用する場合には、樹脂量を４０％程度の組成割合に設定する必要があるために、ボンドカーボンコンパウンドの固有抵抗値は１×１０^-1〜１Ω・ｃｍにまで大幅に上昇する。さらに、上記の固有抵抗値はセパレータ構成材料の持っている特性であり、セパレータの抵抗値は、それ以外に内部抵抗、接触抵抗にも大きく左右されるが、中でも電極との接触抵抗値が最も大きな影響を与えるものであり、この点が考慮されていない従来のセパレータにおける抵抗値は、あくまでも樹脂量の多い組成割合のボンドカーボンコンパウンド自体が有する大きな固有抵抗値のままであって、電極との接触部の電気抵抗が大きくなり燃料電池の性能面で好ましくなかった。
【０００６】
一方、セパレータ構成材料であるボンドカーボンコンパウンド自体の固有抵抗値を小さくして燃料電池用セパレータの導電性を向上させるために、熱硬化性樹脂量を少なくすることが考えられるが、このように熱硬化性樹脂量を少なくしたボンドカーボンコンパウンドを使用すると、成形時のボンドカーボンコンパウンドの伸びや流動性が悪くなって成形性が低下し、成形むらなどを生じやすく、形状面で正常な成形体（セパレータ）を得ることさえできないばかりでなく、電極との接触端面の高さの均一性、平面性が成形金型の精度に大きく影響されるために、ボンドカーボンコンパウンド自体の固有抵抗を小さくしても接触抵抗値は大きく、セパレータの導電性を十分に向上させることは難しい。
【０００７】
したがって、従来の燃料電池用セパレータでは、成形性を重視して、既述したとおり、樹脂量の多い組成割合のボンドカーボンコンパウンドを使用するのが一般的に採用されており、その結果、ボンドカーボンコンパウンド自体の固有抵抗値が大きく、燃料電池の性能を大きく左右するところの電極との接触抵抗値も必然的に大きくなり、導電性に劣るという問題があった。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、樹脂量の多いボンドカーボンコンパウンドを使用して優れた成形性を確保しながら、電極との接触抵抗値を小さくして全体として導電性の向上を図ることができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の方法は、黒鉛粉末６０〜９０％、熱硬化性樹脂１０〜４０％の組成割合に設定した複合体を用いて成形される燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記黒鉛粉末と前記熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して作成されたコンパウンドを所定形状を持つ金型内に充填し、
この状態で、前記金型を加熱昇温するとともに、プレスを介して３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ² （２．９４×１０^７〜９．８×１０^７Ｐａ）の範囲の面圧を加えることにより、前記金型の形状に応じた最終形状のセパレータを成形し、
燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとの間の全体に亘って縦横に点在する多数のリブ部によって形成される縦横の燃料ガス流路を有する前記最終形状のセパレータの表面に電極との接触端面として突出形成されている前記多数のリブ部の頂端面に、前記複合体の固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値のペースト材料からなる導電性皮膜をコーティングすることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の方法は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記ペースト材料が、導電性黒鉛ペースト、金ペースト、又は銀ペーストであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の方法は、請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記ペースト材料を、スプレー、蒸着、プリント印刷または塗布することにより前記導電性皮膜をコーティングすることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について図１〜図３を参照して簡単に説明する。
固体高分子電解質型燃料電池２０は、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあるいはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。
【００１４】
上記両セパレータ４は、図２に明示するように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、上記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池２０内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。
【００１５】
また、上記両セパレータ４の表面には、所定形状の多数のリブ部１１が突出形成されており、図３に示すように、それらリブ部１１とアノード２の表面との間に燃料ガス流路１２が形成されているとともに、リブ部１１とカソード３の表面との間に酸化ガス流路１３が形成されている。
【００１６】
上記構成の固体高分子電解質型燃料電池２０においては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池２０に対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において既述（１）式で示したとおりの電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から上記燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池２０に対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において既述（２）式で示したとおりの電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００１７】
上記（１）及び（２）式の電気化学反応に伴い、燃料電池２０全体としては既述（３）式で示した電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池２０は、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池２０の運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から該燃料電池２０に対して冷却水を供給し、これを上記冷却水路に循環させることによって、燃料電池２０内部の温度上昇を抑制している。
【００１８】
上記のような構成及び動作を有する固体高分子電解質型燃料電池２０におけるセパレータ４は、次のように構成されている。すなわち、このセパレータ４は、黒鉛粉末６０〜９０％、熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂１０〜４０％の組成割合に設定した複合体（ボンドカーボンコンパウンド）を用いて成形されるものであって、上記黒鉛粉末とフェノール樹脂とを均一に混合し調整して作成されたコンパウンドを所定形状を持つ金型（図示省略）内に充填し、この状態で、金型を加熱昇温するとともに、プレスを介して３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ² （２．９４×１０^７〜９．８×１０^７Ｐａ）の範囲の面圧を加えることにより、金型の形状に応じた最終形状のセパレータ４を成形する。
【００１９】
上記のように成形されたセパレータ４において、アノード２及びカソード３の表面に接触するようにセパレータ４の表面に突出形成されている多数のリブ部１１の頂端面に、図４に明示するように、ボンドカーボンコンパウンド（複合体）の固有抵抗値（１×１０^-1〜１Ω・ｃｍ）よりも小さい固有抵抗値（１×１０^-3〜１×１０^-4Ω・ｃｍ）の材料、具体的には導電性黒鉛ペースト、金ペーストまたは銀ペーストをスプレー、蒸着、プリント印刷または塗布し乾燥させて１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下の厚さで表面が平滑な導電性皮膜１４をコーティングしている。
【００２０】
以上のような構成を有するセパレータ４においては、該セパレータ４の構成材料であるボンドカーボンコンパウンドにおける組成割合においてフェノール樹脂量が１０〜４０％と多いために、成形時の伸びや流動性が良くて射出成形によっても所望形状の成形体（セパレータ）が得られるといった優れた成形性を確保しつつ、アノード２及びカソード３の表面に固有抵抗値が小さく、かつ平面精度の高い導電性皮膜１４が接触するために、セパレータ４とアノード２及びカソード３との接触部の電気抵抗値が非常に小さくなり、セパレータ４全体の導電性を向上させて燃料電池の性能向上を図ることが可能である。
【００２１】
燃料電池用セパレータは、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で混練してなる複合体から構成され、表面には所定形状の多数のリブ部が突出形成されている電解質型の燃料電池用セパレータであって、上記複合体が、黒鉛粉末６０〜９０％、熱硬化性樹脂１０〜４０％の組成割合に設定されているとともに、少なくとも電極との接触端面となる上記多数のリブ部の頂端面には、上記複合体の固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値の材料からなる導電性皮膜がコーティングされており、この導電性皮膜は１０μｍ以下の厚さに設定されていることを特徴とするものである。
【００２２】
上記構成によれば、複合体における熱硬化性樹脂を１０〜４０％と多くした組成割合のボンドカーボンコンパウンドを使用することにより、成形時の伸びや流動性を良くして射出成形によっても所望形状の成形体（セパレータ）が得られるといった優れた成形性を確保しつつ、表面に突出形成されている多数のリブ部の頂端面に導電性皮膜をコーティングすることにより成形体と電極との接触抵抗値を小さくし、燃料電池としての所定性能を十分に発揮させるに足りる導電性の向上を図ることが可能である。
【００２３】
特に、上記導電性皮膜の厚さが１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下に設定されていることにより、このリブ部の頂端面の平面精度をセパレータ自体の成形精度に影響されずに高めることが可能となるとともに、電極との馴染み性が向上して電極との間の接触抵抗値を所定どおり小さくすることができる。
【００２４】
また、上記構成の燃料電池用セパレータにおける上記導電性皮膜の材料としては、導電性黒鉛ペースト、金ペーストまたは銀ペーストといったボンドカーボンコンパウンドの固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値のペースト材料であればよく、また、そのコーティング手段としては、スプレー、蒸着、プリント印刷または塗布のいずれの手段であっても、表面が平滑で、かつ、電極との馴染み性に優れたものであればよい。
【００２５】
なお、熱硬化性樹脂としては、黒鉛粉末との濡れ性に優れたフェノール樹脂が最も好ましいが、それ以外に、ポリカルボジイミド樹脂、エポキシ樹脂、フルフリルアルコール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂などのように、加熱時に熱硬化反応を起こし、燃料電池の運転温度及び供給ガス成分に対して安定なものであればよい。
【００２６】
また、黒鉛粉末としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等いかなる種類のものであってもよく、コストなどの条件を考慮して任意に選択することができる。特に、本発明において膨張黒鉛を用いる場合には、該黒鉛が加熱により体積膨張することで層構造を形成したものであり、成形面圧を加えることによってそれら層が互いに絡み合って強固に結合させることが可能であるために、複合体、ひいてはセパレータの曲げ弾性を高めて振動等による割れなどの損傷防止に有効である。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂からなる複合体における組成割合において熱硬化性樹脂量を１０〜４０％と多くしたボンドカーボンコンパウンドの使用により、成形時の伸びや流動性を良くして射出成形の場合でも多数のリブ部を有する所望形状の成形体（セパレータ）が確実に得られるといった優れた成形性を確保しつつ、少なくとも電極との接触端面となるリブ部の頂端面にボンドカーボンコンパウンドの持つ固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値の導電性皮膜をコーティングすることで樹脂量の多いことからセパレータとしての抵抗値のうち、性能上最も大きな影響を受ける成形体と電極の接触部の接触抵抗値を非常に小さくすることができ、これによつて、樹脂量の多いボンドカーボンコンパウンドで高精度に成形されたセパレータ全体としての導電性を著しく向上させ、燃料電池としての所定性能を十分に発揮させることができる。
【００２８】
特に、導電性皮膜の厚さを１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下と薄くすることにより、該導電性皮膜の平面精度をセパレータ自体の成形精度に影響されずに高めて実接触面積を大きくとることができ、皮膜そのものの固有抵抗値が小さいことと相俟って電極との間の接触抵抗値を非常に小さくすることができるという効果を奏する。
【００２９】
【発明の効果】
以上のような構成を有するセパレータにおいては、セパレータの構成材料であるボンドカーボンコンパウンドにおける組成割合においてフェノール樹脂量が１０〜４０％と多いために、成形時の伸びや流動性が良くて射出成形によっても所望形状の成形体（セパレータ）が得られるといった優れた成形性を確保しつつ、アノード及びカソードの表面に固有抵抗値が小さく、かつ平面精度の高い導電性皮膜が接触するために、セパレータとアノード及びカソードとの接触部の電気抵抗値が非常に小さくなり、セパレータ全体の導電性を向上させて燃料電池の性能向上を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池を構成するスタック構造の構成を示す分解斜視図である。
【図２】 同上固体高分子電解質型燃料電池におけるセパレータの外観正面図である。
【図３】 同上固体高分子電解質型燃料電池の構成単位である単セルの構成を示す要部の拡大断面図である。
【図４】 同上セパレータの要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜
２ アノード（電極）
３ カソード（電極）
４ セパレータ
１１ リブ部
１４ 導電性皮膜
２０ 固体高分子電解質型燃料電池

Claims (4)

1. 黒鉛粉末６０〜９０％、熱硬化性樹脂１０〜４０％の組成割合に設定した複合体を用いて成形される燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記黒鉛粉末と前記熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して作成されたコンパウンドを所定形状を持つ金型内に充填し、
   この状態で、前記金型を加熱昇温するとともに、プレスを介して３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ² （２．９４×１０^７〜９．８×１０^７Ｐａ）の範囲の面圧を加えることにより、前記金型の形状に応じた最終形状のセパレータを成形し、
   燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとの間の全体に亘って縦横に点在する多数のリブ部によって形成される縦横の燃料ガス流路を有する前記最終形状のセパレータの表面に電極との接触端面として突出形成されている前記多数のリブ部の頂端面に、前記複合体の固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値のペースト材料からなる導電性皮膜をコーティングする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記ペースト材料が、導電性黒鉛ペースト、金ペースト、又は銀ペーストである請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記ペースト材料を、スプレー、蒸着、プリント印刷または塗布することにより前記導電性皮膜をコーティングする請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂である請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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