CN110098416A

CN110098416A - 燃料电池用隔板

Info

Publication number: CN110098416A
Application number: CN201910097411.XA
Authority: CN
Inventors: 浅野雄平; 柳本博; 伊藤胜巳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-08-06
Also published as: JP2019133838A; US20190237773A1; DE102019100102A1

Abstract

本发明提供一种能够减少初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻的燃料电池用隔板。燃料电池用隔板(3)具备金属基件(31)和设置于该金属基件(31)的表面的表面层(32)。表面层(32)包括CNT(33)与Si系粘合剂(34)。在表面层(32)中，CNT(33)的表面覆盖率在90％以上，Si系粘合剂(34)的比率在40％以上。

Description

燃料电池用隔板

技术领域

本发明涉及燃料电池用隔板。

背景技术

燃料电池通过将多个燃料电池单元层叠而构成，借助被供给的氧化气体与燃料气体的电化学反应而发电。作为燃料电池单元，存在如下燃料电池单元，即：具备由电解质膜和夹持该电解质膜的一对电极所构成的膜电极接合体(以下，称为MEA)、以及夹持该MEA的一对燃料电池用隔板(以下，称为隔板)的燃料电池单元；和具备配置有用于在MEA的两侧进一步进行集电的气体扩散层的膜电极气体扩散层接合体(以下，称为MEGA)、以及夹持该MEGA的一对隔板的燃料电池单元。

而且，隔板例如像下述专利文献1所记载的那样，具有金属基件和形成于该金属基件的表面的表面层，表面层包括碳颗粒与粘合剂树脂。对于这样的隔板而言，为了提高燃料电池的发电性能，重要之处在于减少隔板与该隔板所邻接的电极(MEA的情况)之间的接触电阻或者隔板与该隔板所邻接的气体扩散层(MEGA的情况)之间的接触电阻。更具体而言，要求使隔板与该隔板所邻接的电极或者气体扩散层之间的初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻都小。

专利文献1：日本特表2011－508376号公报

但是，在上述专利文献1所记载的隔板中，产生有以下的问题。即，若表面层中的碳颗粒的表面覆盖率较低，则碳颗粒与同其邻接的电极或者气体扩散层的接触部分变少，因此初期接触电阻升高。另外，由于采用粘合剂树脂，所以生成水等腐蚀液容易浸透。随着腐蚀液浸透的进行，在表面层与金属基件的界面生长氧化膜，这成为接触电阻恶化的原因。

发明内容

本发明是为了解决这样的技术课题而完成的，其目的在于提供一种能够减少初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻的燃料电池用隔板。

本发明所涉及的燃料电池用隔板具备金属基件和设置于该金属基件的表面的表面层，在上述燃料电池用隔板中，上述表面层包括碳系导电材料和Si系粘合剂，在上述表面层，上述碳系导电材料的表面覆盖率在90％以上，上述Si系粘合剂的比率在40％以上。

在本发明所涉及的燃料电池用隔板中，表面层中的碳系导电材料的表面覆盖率在90％以上，因此能够确保电子传导路径，能够降低初期接触电阻。除此之外，表面层中的Si系粘合剂的比率在40％以上，因此能够防止腐蚀液的浸透，能够降低腐蚀环境下的接触电阻。其结果是，能够减少初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻。

在本发明所涉及的燃料电池用隔板中，优选为上述碳系导电材料是碳纳米管。这样，通过利用碳纳米管的优良的分散性，能够使碳纳米管遍及表面层整体地均匀地分散，因此能够确保稳定的接触电阻。

根据本发明，能够减少初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻。

附图说明

图1是表示具备实施方式所涉及的燃料电池用隔板的燃料电池的主要部分的示意剖视图。

图2是表示实施方式所涉及的燃料电池用隔板的构造的示意剖视图。

图3是表示实施例以及比较例所涉及的CNT的表面覆盖率与初期接触电阻的关系的图。

图4是表示实施例以及比较例所涉及的Si系粘合剂的比率与接触电阻的关系的图。

附图标记的说明

1...燃料电池单元；2...MEGA(膜电极气体扩散层接合体)；3...隔板；4...MEA(膜电极接合体)；6...电极；7...气体扩散层；31...金属基件；32...表面层；33...CNT(碳纳米管)；34...Si系粘合剂。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的燃料电池用隔板的实施方式进行说明，但在此之前以图1为基准对具备燃料电池用隔板的燃料电池的构造简单地进行说明。此外，这里举出具备MEGA的燃料电池的例子来进行说明。

图1是表示具备实施方式所涉及的燃料电池用隔板的燃料电池的主要部分的示意剖视图。如图1所示，在燃料电池10层叠有多个作为基本单位的燃料电池单元1。燃料电池单元1是通过氧化气体(例如空气)与燃料气体(例如氢气)的电化学反应而产生电动势的固体高分子型燃料电池。燃料电池单元1具备MEGA(膜电极气体扩散层接合体MembraneElectrode&Gas Diffusion Layer Assembly)2和夹持MEGA2的一对隔板3、3。

MEGA2是将MEA(膜电极接合体Membrane Electrode Assembly)4和配置于MEA4的两面的气体扩散层7、7一体化而形成的。MEA4由电解质膜5和以夹持电解质膜5的方式接合的一对电极6、6构成。电解质膜5由通过固体高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜构成。电极6例如由担载了铂等催化剂的例如多孔质的碳原料形成。配置于电解质膜5的一侧的电极6成为阳极电极，另一侧的电极6成为阴极电极。气体扩散层7例如由碳纸或碳布等碳多孔质体或者金属网或泡沫金属等金属多孔质体等的具有气体透过性的导电性部件形成。

在本实施方式中，MEGA2构成燃料电池10的发电部，隔板3配置为与MEGA2的气体扩散层7接触。另一方面，在具备省略气体扩散层7的MEA4的燃料电池的情况下，MEA4构成发电部。在该情况下，隔板3配置为与MEA4的电极6接触。

隔板3通过交替重复设置凹部3a与凸部3b而形成为波形。凹部3a的底部呈平面状，与MEGA2的气体扩散层7面接触。另一方面，凸部3b的顶部也呈平面状，与邻接的隔板3中的凸部3b的顶部面接触。

如图1所示，一对气体扩散层7、7中的一方的气体扩散层7与同它邻接的隔板3的凸部3b一同划分出供燃料气体流通的燃料气体流路21。另一方的气体扩散层7与同它邻接的隔板3的凸部3b一同划分出供氧化气体流通的氧化气体流路22。

如图1所示，燃料电池单元1彼此在使某一燃料电池单元1的阳极电极6与同它邻接的另一燃料电池单元1的阴极电极6相向的状态下层叠在一起。由此，在邻接的隔板3的凹部3a彼此之间形成有空间23。该空间23成为供制冷剂流通的制冷剂流路。

图2是表示实施方式所涉及的燃料电池用隔板的构造的示意剖视图。如图2所示，隔板3具备平板状的金属基件31和设置于该金属基件31的表面的表面层32。金属基件31由导电性、非透气性等优良的钛、钛合金、不锈钢、铝合金等形成。

表面层32形成为包含碳系导电材料和Si系粘合剂34。作为碳系导电材料，只要能够分散于溶液且不会在燃料电池使用环境下溶出即可，例如可举出碳纳米管、炭黑、人造石墨、天然石墨、膨胀石墨等碳颗粒等。在本实施方式中，在碳系导电材料中使用碳纳米管(以下，称为CNT(Carbon nanotube))33。另一方面，对于Si系粘合剂34而言，虽然种类等没有特别的限定，但优选为无机Si系粘合剂。

CNT33的长度优选为1μm～数十μm。在本实施方式中，以如下的理由将CNT33的长度设定为1μm～90μm。即，若CNT33的长度小于1μm，则导电路径减少，因此接触电阻上升而使得导电性降低。另一方面，若CNT33的长度超过90μm，则容易产生CNT33的凝结，换言之容易产生CNT33的块体，因此无法使CNT33均匀地分散，导致CNT33的分散性的恶化。

而且，在表面层32，CNT33的表面覆盖率在90％以上，Si系粘合剂34的比率在40％以上。这里的表面覆盖率是指碳纳米管的面积相对于表面积的比例，在后面对其计算方法进行叙述。Si系粘合剂的比率是Si系粘合剂相对于表面层32的整体质量的比率。

具有这样的构造的表面层32例如是通过将分散有CNT33的Si系粘合剂溶液涂覆于金属基件31的表面后，进行加热并实施表面处理而形成的。表面层32的厚度因如下的理由而优选为处于3μm～10μm的范围。即，若表面层32的厚度小于3μm，则耐腐蚀性劣化。另一方面，若表面层32的厚度超过10μm，则导致成本增加。

在本实施方式的隔板3中，表面层32上的CNT33的表面覆盖率为90％以上，因此能够确保电子传导路径，能够降低初期接触电阻。除此之外，Si系粘合剂34的比率在40％以上，因此能够防止腐蚀液的浸透，能够降低腐蚀环境下的接触电阻。其结果是，能够减少初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻。而且，这样能够将隔板3与隔板3所邻接的气体扩散层7之间的初期接触电阻以及腐蚀环境下的接触电阻都确保在10mΩcm²以下。

另外，通过在碳系导电材料中使用CNT33，能够利用CNT的优良的分散性，使CNT33遍及表面层整体地均匀分散，因此能够确保稳定的接触电阻。

此外，在本实施方式中，对在平板状的金属基件31的2个主面中的一面形成有表面层32的例子(参照图2)进行了说明，但也可以根据需要在金属基件31的主面的双方形成表面层32。

以下，根据实施例对本发明进行说明，但本发明并不限定于实施例的范围。

＜实施例1～3＞

在实施例1～3中，基于以下的制造方法制成具有表1所示的各种条件的隔板的各样本，并对隔板与气体扩散层之间的初期接触电阻以及耐腐蚀试验后的接触电阻进行了评价。

表1

具体而言，将CNT与分散剂放入作为粘合剂的基质的Si系溶液，然后搅拌并混合。此时，通过调整分散剂的比率而制成表1所示的实施例1～3所涉及的各样本的原料。接着，使所制成的各样本的原料向金属基件的表面滴下，然后使用棒涂机进行涂覆。接下来，在温度300℃下将所制成的各样本加热30分钟，使涂膜固化，由此制成实施例1～3所涉及的隔板的各样本。此外，作为分散剂，例如举出阳离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂等。

接下来，使各样本的表面层与气体扩散层(东丽株式会社制TGP－H－060)重叠，进而在施加了1MPa的载荷的状态下，外加1A的电流而对各隔板与气体扩散层之间的电压进行测定。然后，将测定出的值转换成电阻，并且乘以评价面积而作为初期接触电阻来进行评价。

另一方面，对于耐腐蚀性评价试验，设想实际的燃料电池使用环境。具体而言，在将所制成的各样本浸渍于强酸性腐蚀液的状态下，向各隔板与气体扩散层之间施加0.9V的定电压的电位，将经过恒定时间后的接触电阻作为耐腐蚀试验后的接触电阻值来进行评价。此外，作为强酸性腐蚀液，使用pH3的含有氟和氯的强酸性溶液。

关于CNT的表面覆盖率，首先使用激光显微镜进行SEM像的表面观察，进而在CNT的有无的观点下针对观察图像进行二值化，基于该二值化后的图像计算CNT所覆盖的比例来作为表面覆盖率。

＜比较例1～6＞

另外，为了进行比较，通过与上述实施例相同的制造方法而制成具有表1所示的各种条件的隔板的各样本(比较例1～6)，并通过相同的方法对隔板与气体扩散层的初期接触电阻以及耐腐蚀试验后的接触电阻进行了评价。此外，比较例1～6在CNT的表面覆盖率以及Si系粘合剂的比率上与实施例不同。

在表1、图3以及图4中示出了评价结果。图3是表示实施例以及比较例所涉及的CNT的表面覆盖率与初期接触电阻之间的关系的图。图4是表示实施例以及比较例所涉及的Si系粘合剂的比率与接触电阻之间的关系的图。

如表1以及图3所示，随着CNT的表面覆盖率上升，观察到初期接触电阻的降低。而且，若CNT的表面覆盖率变为90％以上，则隔板与气体扩散层之间的初期接触电阻变为10mΩcm²以下(参照图3)。对此，认为是若CNT的表面覆盖率上升，则隔板与气体扩散层之间的接触部分增加，从而接触电阻降低。

另外，如图4所示，在CNT的表面覆盖率为90％以上的比较例4～6中，初期接触电阻在10mΩcm²以下，但结果是耐腐蚀试验后的接触电阻超过10mΩcm²。对此，认为是上述比较例中的Si系粘合剂的比率小于40％，因此腐蚀液容易浸透，氧化膜会生长在表面层与金属基件的界面，从而成为接触电阻恶化的原因。另外，如图4所示，若表面层中的Si系粘合剂的比率变成40％以上，则看不出初期接触电阻以及耐腐蚀试验后的接触电阻发生变化。对此认为是若Si系粘合剂的比率升高，则腐蚀液的浸透被抑制，从而表面层与金属基件之间的界面上的氧化膜的生长被抑制。

根据以上的结果可知，在燃料电池使用环境下，为了将隔板与气体扩散层的接触电阻确保在10mΩcm²以下，需要使表面层中的CNT的表面覆盖率在90％以上，且使表面层中的Si系粘合剂的比率在40％以上。

以上，对本发明的实施方式进行了详细的叙述，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神的范围内，进行各种设计变更。例如，在上述的实施方式中，作为碳系导电材料而举出碳纳米管的例子并进行了说明，但本发明也能够应用炭黑、碳颗粒等碳系导电材料。

Claims

1.一种燃料电池用隔板，具备金属基件和设置于该金属基件的表面的表面层，其中，

所述表面层包括碳系导电材料与Si系粘合剂，

在所述表面层，所述碳系导电材料的表面覆盖率为90％以上，所述Si系粘合剂的比率为40％以上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中，

所述碳系导电材料为碳纳米管。