JP7020291B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。
固体高分子形燃料電池は、炭素繊維からなるガス拡散層が両面に設けられた膜電極接合体を、凹凸形状を有する一対のセパレータにより挟持してなる単セルを備えている。各セパレータと各ガス拡散層との間には、燃料ガスや酸化ガスが供給されるガス流路が形成されている。こうしたセパレータの基材におけるガス拡散層に対向する面には、耐食性及び導電性を有する塗膜が形成されており、セパレータの耐食性の向上及びセパレータとガス拡散層との接触抵抗の低減が図られている（例えば、特許文献１参照）。同文献１に記載のセパレータにおいては、基材の表面全体に第１導電性粒子及び樹脂材からなる第１層が形成されており、基材の凸部の頂面にのみ第２導電性粒子からなる第２層が設けられている。
特許第５９３００３６号
ところで、特許文献１に記載のセパレータでは、第１導電性粒子及び樹脂材からなる第１層が基材の表面全体に設けられている。この場合、第１層の表面のうち第２層が設けられていない部分には、以下の不都合が生じるおそれがある。すなわち、樹脂材の膜厚が小さい場合には、第１導電性粒子の一部が樹脂材から露出しやすく、第１導電性粒子の露出した部分が腐食することで第１層に欠陥が生じ、基材が腐食するおそれがある。また、樹脂材の膜厚が大きい場合には、余剰の樹脂材によってバリが生じてガス流路が狭められたり、セパレータの厚みが増大することで燃料電池スタック全体の厚みが増大したりするおそれがある。こうした不都合は燃料電池の性能低下に繋がるおそれがある。
本発明の目的は、燃料電池の性能低下を抑制することができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための燃料電池用セパレータは、金属板材からなり、それぞれ延在する凸部及び凹部が交互に設けられた基材と、耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなり、前記基材の一方の面全体に設けられた第１層と、導電性粒子及び樹脂材料製の結合材を含み、前記第１層の表面のうち前記基材の前記凸部における頂面に対応する部分にのみ設けられた第２層と、を備え、前記導電性粒子は第２層にのみ含まれている。
同構成によれば、基材の一方の面全体に耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなる第１層が設けられているため、同一方の面をガス拡散層に対向するようにセパレータを配置すれば、基材の一方の面がガス流路に露出しない。また、第１層には導電性粒子が含まれていない。これにより、基材の表面からの金属イオンの溶出を抑制することができる。
また、第１層の表面のうちガス拡散層に接触する凸部の頂面に対応する部分に、上記第２層が設けられている。第２層には導電性粒子が含まれているため、導電性粒子を介してセパレータとガス拡散層との接触抵抗を低減することができる。
したがって、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
上記燃料電池用セパレータにおいて、グラファイト粒子及び樹脂材料製の結合材を含み、前記第２層の表面にのみ設けられた第３層を備えることが好ましい。
同構成によれば、第２層の表面にのみ、グラファイト粒子を含有する第３層が設けられている。このため、第２層の導電性粒子と第３層のグラファイト粒子とが接触することで、基材、第１層、第２層、及び第３層を介してガス拡散層に連なる導電経路が形成されやすくなる。また、グラファイト粒子と炭素繊維からなるガス拡散層とは、同質の炭素系材料からなるため、第３層とガス拡散層との間の接触抵抗の増大を抑制することができる。
また、上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板材からなる基材をプレス加工することにより、それぞれ延在する凸部及び凹部を前記基材に交互に形成する燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記基材をプレスすることにより前記凸部及び前記凹部を形成するプレス工程と、前記基材の一方の面全体に耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなる第１層を形成する第１層形成工程と、前記第１層の表面のうち前記基材の前記凸部における頂面に対応する部分にのみ、導電性粒子及び樹脂材料製の結合材を含む第２層を形成する第２層形成工程と、を備え、前記導電性粒子は第２層にのみ含まれている。
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記第２層の表面にのみグラファイト粒子及び樹脂材料製の結合材を含む第３層を形成する第３層形成工程を備えることが好ましい。
これらの方法によれば、上記燃料電池用セパレータの各々による作用効果に準じた作用効果を奏することができる。
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記プレス工程に先立ち、前記第１層形成工程を行うことが好ましい。
同方法によれば、プレス工程において、一方の面に第１層が形成された基材がプレス加工される。このとき、潤滑性材料からなる第１層が成形型と基材との間に介在することとなるため、基材のプレス加工時における摩擦抵抗が低減される。したがって、プレス工程における潤滑油の使用量を低減、または潤滑油を不要とすることができる。
本発明によれば、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
燃料電池用セパレータの一実施形態について、セパレータを有する単セルを中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。 同実施形態の燃料電池用セパレータの構造を示す断面図。 同実施形態の第１層形成工程後の基材を示す断面図。 同実施形態のプレス工程後の基材を示す断面図。 同実施形態の第２層形成工程及び第３層形成工程を示す断面図。
以下、図１～図５を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池用セパレータは、固体高分子形燃料電池のスタック１００に用いられるものである。なお、セパレータ２０は、後述する一対のセパレータ２１，２２の総称である。
スタック１００は、複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、凹凸形状を有する一対のセパレータ２１，２２により挟持された膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１と各セパレータ２１，２２との間に介設された炭素繊維からなるガス拡散層１４とを備えている。膜電極接合体１１は、イオン交換膜である電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持する一対の触媒電極層１３とを備えている。
一方のセパレータ２１には、第１凸部２１ａ及び第１凹部２１ｂが交互に並設されている。また、他方のセパレータ２２には、第２凸部２２ａ及び第２凹部２２ｂが交互に並設されている。なお、図１においては、各凸部２１ａ，２２ａ及び各凹部２１ｂ，２２ｂは、同図の紙面に直交する方向に沿ってそれぞれ延在している。各セパレータ２１，２２の各凸部２１ａ，２２ａの頂面は、ガス拡散層１４に対向している。膜電極接合体１１を挟持する一対のセパレータ２０のうち、一方のセパレータ２１の第１凹部２１ｂとガス拡散層１４とで区画される部分は、水素などの燃料ガスが流通されるガス流路とされている。他方のセパレータ２２の第２凹部２２ｂとガス拡散層１４とで区画される部分は、空気などの酸化ガスが流通されるガス流路とされている。
また、一方のセパレータ２１における第１凹部２１ｂの底部と、同セパレータ２１に隣り合う他方のセパレータ２２の第２凹部２２ｂの底部とは当接されている。一方のセパレータ２１の第１凸部２１ａの裏面と、他方のセパレータ２２における第２凸部２２ａとで区画される部分は、冷却水が流通する冷却流路とされている。
図２に示すように、セパレータ２０は、例えば、ステンレス鋼などの金属板材からなり、凸部３１及び凹部３２が交互に設けられた基材を有している。凸部３１は、一対のセパレータ２１，２１の凸部２１ａ，２２ａに対応している。また、凹部３２は、一対のセパレータ２１，２２の凹部２１ｂ，２２ｂに対応している。基材３０の一方の面（同図の上面）全体には第１層４０が設けられており、第１層４０の表面のうち凸部３１の頂面に対応する部分には導電層６０が設けられている。
第１層４０は、例えば、耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなる薄膜層である。なお、本実施形態の第１層４０は、フェノール樹脂であり、その厚さは、例えば１μｍである。
導電層６０は、第１層４０の表面に設けられた第２層５０と、第２層５０上に設けられた第３層５５とからなる。なお、本実施形態の導電層６０の厚さは、例えば、２０～２５μｍである。
第２層５０は、窒化チタンからなる導電性粒子５１と、エポキシ樹脂からなる第１結合材５２とを有している。なお、第１層４０の厚さは、導電性粒子５１の最大凝集粒子径よりも小さくされている。ここで、最大凝集粒子とは、複数の導電性粒子５１が溶剤や樹脂を介さずに互いに接触して塊状になったものの最大径を指す。
第３層５５は、グラファイト粒子５６と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂からなる第２結合材５７とを有している。
導電性粒子５１は、基材３０の表面に設けられた第１層４０を貫通して基材３０に接触している。また、導電性粒子５１とグラファイト粒子５６とは互いに接触している。なお、ポリフッ化ビニリデンは熱可塑性樹脂であり、エポキシ樹脂は熱硬化性樹脂である。また、エポキシ樹脂の熱硬化温度は、ポリフッ化ビニリデン樹脂の融点よりも低い。
次に、燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、基材３０の一方の面全体に、塗工装置を用いてフェノール樹脂を塗布することにより第１層４０を形成する（第１層形成工程）。
次に、図４に示すように、第１層４０が設けられた基材３０を成形型（図示略）によりプレスすることにより、凸部３１及び凹部３２が交互に並んだ形状に成形する（プレス工程）。
次に、図５に示すように、熱転写装置８０の固定型８１上に、第１層４０が上を向くようにして基材３０を載置する。そして、基材３０の凸部３１上に熱転写フィルム７０を載置する。熱転写フィルム７０は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどからなるベースフィルム７１と、ベースフィルム７１の一方の面に塗布された導電層６０とにより構成されている。
次に、固定型８１と可動型８５とにより基材３０及び熱転写フィルム７０を加圧する。これにより、第２層５０の導電性粒子５１が第１層４０を貫通して基材３０に接触するようになる（図２参照）。
次に、固定型８１及び可動型８５にそれぞれ設けられた電熱線８２，８６に通電することにより、エポキシ樹脂の熱硬化温度よりも高い所定の温度まで基材３０を加熱する。これにより、導電層６０が基材３０の凸部３１に熱転写される（第２層形成工程及び第３層形成工程）。
こうしてセパレータ２０が製造される。
本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）セパレータ２０は、金属板材からなり、それぞれ延在する凸部３１及び凹部３２が交互に設けられた基材３０と、耐食性材料からなり、基材３０の一方の面全体に設けられた第１層４０を備える。また、導電性粒子５１及び樹脂材料製の第１結合材５２を含み、第１層４０の表面のうち基材３０の凸部３１における頂面に対応する部分にのみ設けられた第２層５０を備える。導電性粒子５１は第２層５０にのみ含まれている。グラファイト粒子５６及び樹脂材料製の第２結合材５７を含む第３層５５が、第２層５０の表面にのみ設けられている。
こうした構成によれば、基材３０の一方の面全体に耐食性材料からなる第１層４０が設けられているため、同一方の面をガス拡散層１４に対向するようにセパレータ２０を配置すれば、基材３０の一方の面がガス流路に露出しない。また、第１層４０には導電性粒子５１が含まれていない。これにより、基材３０の表面からの金属イオンの溶出を抑制することができる。
また、第１層４０の表面のうちガス拡散層１４に接触する凸部３１の頂面に対応する部分に、第２層５０が設けられており、第２層５０の表面には、第３層５５が設けられている。第２層５０には導電性粒子５１が含まれているため、導電性粒子５１が基材３０及びグラファイト粒子５６と接触することで、基材３０、第１層４０、第２層５０、及び第３層５５を介してガス拡散層１４に連なる導電経路が形成されやすくなる。これにより、セパレータ２０とガス拡散層１４との接触抵抗を低減することができる。また、第３層５５のグラファイト粒子５６と炭素繊維からなるガス拡散層１４とは、同質の炭素系材料からなるため、第３層５５とガス拡散層１４との接触抵抗の増大を抑制することができる。したがって、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
（２）第１層４０の厚さは、導電性粒子５１の最大凝集粒子径よりも小さい。
こうした構成によれば、第２層５０が形成されるに際して、導電性粒子５１の一部が第１層４０を貫通して基材３０に到達するとともに、別の一部が第１層４０から露出してグラファイト粒子５６と接触しやすくなる。このため、導電性粒子５１を介して、基材３０と第３層５５のグラファイト粒子５６との間における導電経路が形成されやすくなる。
（３）セパレータ２０の製造方法は、基材３０をプレスすることにより凸部３１及び凹部３２を形成するプレス工程と、基材３０の一方の面全体に耐食性材料からなる第１層４０を形成する第１層形成工程を備える。また、第１層４０の表面のうち基材３０の凸部３１における頂面に対応する部分にのみ、導電性粒子５１及び樹脂材料製の第１結合材５２を含む第２層５０を形成する第２層形成工程を備える。導電性粒子５１は第２層５０にのみ含まれている。また、第２層５０の表面にグラファイト粒子５６及び樹脂材料製の第２結合材５７を含む第３層５５を形成する第３層形成工程を備える。
こうした方法によれば、上記作用効果（１）と同様な作用効果を奏することができる。
（４）潤滑性材料からなる第１層４０が設けられた基材３０に対してプレス工程を行うようにした。
こうした方法によれば、プレス工程において、一方の面に第１層４０が形成された基材３０がプレス加工される。このとき、潤滑性材料からなる第１層４０が成形型と基材３０との間に介在することとなるため、基材３０のプレス加工時における摩擦抵抗が低減される。したがって、プレス工程における潤滑油の使用量を低減、または潤滑油を不要とすることができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・本実施形態では、プレス工程に先立ち、第１層形成工程を行うようにしたが、プレス工程の後に第１層形成工程を行うようにしてもよい。この場合、例えばスプレー塗装により基材３０に第１層４０を形成すればよい。
・第３層５５において、グラファイト粒子５６に加えて、あるいは、これに代えて、カーボンブラックなどの他の導電性粒子を用いることもできる。
・第２層５０の導電性粒子５１の窒化チタンに代えて、炭化チタンや硼化チタンなどの他の導電性粒子を用いることもできる。
・基材３０の両面に対して第１層４０、第２層５０、及び第３層５５を形成することもできる。
・第１層４０の材料は、フェノール樹脂に限定されない。他に例えば、第２層５０の第１結合材５２と同一のエポキシ樹脂であってもよいし、その他の熱硬化性樹脂であってもよい。また、ポリエチレンテレフタレートやポリテトラフルオロエチレンなどの熱可塑性樹脂材料を採用することもできる。また、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなるカーボン層や導電性を有するセラミック層などを第１層とすることもできる。
・基材３０の材料をステンレス鋼以外の他の金属材料に変更することもできる。こうした金属材料としては、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金などが挙げられる。
１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…触媒電極層、１４…ガス拡散層、２０…セパレータ、２１…セパレータ、２１ａ…第１凸部、２１ｂ…第１凹部、２２…セパレータ、２２ａ…第２凸部、２２ｂ…第２凹部、３０…基材、３１…凸部、３２…凹部、４０…第１層、５０…第２層、５１…導電性粒子、５２…第１結合材、５５…第３層、５６…グラファイト粒子、５７…第２結合材、６０…導電層、７０…熱転写フィルム、７１…ベースフィルム、８０…熱転写装置、８１…固定型、８２…電熱線、８５…可動型、８６…電熱線、１００…スタック。

Claims (5)

  1. 金属板材からなり、それぞれ延在する凸部及び凹部が交互に設けられた基材と、
    耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなり、前記基材の一方の面全体に設けられた第１層と、
    導電性粒子及び樹脂材料製の結合材を含み、前記第１層の表面のうち前記基材の前記凸部における頂面に対応する部分にのみ設けられた第２層と、を備え、
    前記導電性粒子は第２層にのみ含まれている、
    燃料電池用セパレータ。
  2. グラファイト粒子及び樹脂材料製の結合材を含み、前記第２層の表面にのみ設けられた第３層を備える、
    請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 金属板材からなる基材をプレス加工することにより、それぞれ延在する凸部及び凹部を前記基材に交互に形成する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
    前記基材をプレスすることにより前記凸部及び前記凹部を形成するプレス工程と、
    前記基材の一方の面全体に耐食性及び潤滑性を有する熱硬化性樹脂材料からなる第１層を形成する第１層形成工程と、
    前記第１層の表面のうち前記基材の前記凸部における頂面に対応する部分にのみ、導電性粒子及び樹脂材料製の結合材を含む第２層を形成する第２層形成工程と、を備え、
    前記導電性粒子は第２層にのみ含まれている、
    燃料電池用セパレータの製造方法。
  4. 前記第２層の表面にのみグラファイト粒子及び樹脂材料製の結合材を含む第３層を形成する第３層形成工程を備える、
    請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
  5. 前記プレス工程に先立ち、前記第１層形成工程を行う、
    請求項３または請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
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