CN114335881A - 隔片及隔片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池用隔片及其制造方法，所述燃料电池用隔片包括金属基材、存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层、和成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层，其中，导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触。

Description

隔片及隔片的制造方法

技术领域

本发明涉及隔片及隔片的制造方法，具体而言，涉及燃料电池用隔片及燃料电池用隔片的制造方法。

背景技术

燃料电池具有层叠规定数量的通过燃料气体(氢)与氧化剂气体(氧)的反应而产生电动势的单电池而成的堆叠构造。单电池包括：在电解质膜的两面具备阳极及阴极的电极层(催化剂层及气体扩散层)的膜电极接合体；及分别配置于该膜电极接合体的两面的隔片。

隔片具有将单电池电气性地串联连接的功能和作为将燃料气体、氧化剂气体及冷却水相互隔断的隔壁的功能。

对这样的隔片进行了各种研究。

例如，在日本特开2002-343375中公开了一种燃料电池用隔片，通过在金属基板的至少一面包覆混合有导电剂的合成树脂层，进一步将导电性填料没入合成树脂层的表面下而成。

在日本特开2009-289707中公开了一种燃料电池用隔片，通过依次层叠基材层、中间层和导电性薄膜层，并在所述基材层与所述中间层之间、及所述中间层与所述导电性薄膜层之间的至少一方设置源自相邻的各层的元素的混合层而成。

在日本特开2020-68140中公开了一种燃料电池用隔片的制造方法，所述燃料电池用隔片具有：基材，由金属板材构成，交替地形成有分别延伸的多个凸部和多个凹部；保护层，形成于所述基材的表面，并由具有耐腐蚀性的树脂材料构成；及导电层，形成于所述凸部的顶面，并含有导电性颗粒，所述制造方法包括：遮蔽工序，用遮蔽材料遮蔽所述基材的所述凸部各自的顶面；保护层形成工序，通过在由所述遮蔽材料遮蔽了所述顶面的所述基材涂布所述树脂材料，由此在所述基材的表面形成所述保护层；去除工序，从所述基材去除所述遮蔽材料；及导电层形成工序，在去除了所述遮蔽材料的所述基材的所述凸部各自的顶面形成所述导电层，而且，所述导电层包括：第一层，含有由树脂材料构成的结合材料和所述导电性颗粒，并形成于所述基材的所述凸部各自的顶面；及第二层，含有由树脂材料构成的结合材料和导电性碳材料，并形成于所述第一层的表面，在所述导电层形成工序中，将在一个面形成有所述第二层并且在该第二层的表面形成有所述第一层的基膜以所述第一层与所述凸部各自的顶面抵接的状态对所述基材进行加压并且进行加热，由此将所述第一层和所述第二层热转印到所述基材的所述凸部各自的顶面。

发明内容

燃料电池用的隔片还承担使所产生的电流流向相邻的电池单体的作用，因此对构成隔片的基材要求高导电性及该高导电性即使在燃料电池的电池单体内部的高温/酸性气氛中也能够长期维持的导电耐久性。在此，所谓高导电性及导电耐久性，意味着接触电阻低。另外，所谓接触电阻，是指在电极与隔片表面之间由于界面现象而产生电压降的情况。

因此，作为构成燃料电池用隔片的基材，多使用纯钛或钛合金。

但是，由于在这样的金属基材的表面形成有钝化层，因此需要去除该钝化层，另外，在接触电阻方面也存在进一步改善的余地。

而且，在如日本特开2020-68140那样的具有导电层的隔片中，为了将基材、导电性颗粒的导通路径、表面处理膜和与其他部件接触的接触点相连，需要第二层导电层，表面处理成本(即，因表面处理工序增加而产生的成本(设备投资等))、原料费也变高。

因此，本发明的课题在于提供一种接触电阻低的隔片及低廉地制造该隔片的方法。

本发明人们对用于解决上述课题的技术手段进行了各种研究，结果发现，在包括金属基材、存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层、和成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层的燃料电池用隔片的制造中，通过追加在将含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体成膜到金属基材的钝化层上之后，在使热固性树脂固化前或固化时进行压制的工序，从而导电性填料层中的导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触，得到降低了接触电阻的燃料电池用隔片，由此完成了本发明。

即，本发明的主旨如下。

(1)一种燃料电池用隔片，包括金属基材、存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层、和成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层，其中，

导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触。

(2)一种燃料电池用隔片的制造方法，包括：

(a)在表面具有钝化层的金属基材上成膜含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体，得到成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；

(b)对成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；及

(c)对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片的工序，

在(b)工序中，以使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的方式进行压制。

根据本发明，能够提供一种接触电阻低的隔片及低廉地制造该隔片的方法。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示意性地表示本发明的燃料电池用隔片的制造方法的图。

图2是表示实施例及比较例的燃料电池用隔片的接触电阻的图表。

具体实施方式

以下，对本发明的优选实施方式进行详细说明。

在本说明书中，适当地参照附图来说明本发明的特征。在附图中，为了清楚起见，夸大了各部分的尺寸和形状，并且没有精确地描绘实际的尺寸和形状。因此，本发明的技术范围并不限定于这些附图所示的各部分的尺寸和形状。另外，本发明的隔片及隔片的制造方法并不限定于下述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够以实施本领域技术人员能够进行的变更、改良等所得的各种方式来实施。

本发明涉及一种燃料电池用隔片及其制造方法，所述燃料电池用隔片包括金属基材、存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层、和成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层，其中，导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触。

在此，作为金属基材，可举出由钛、钛合金等构成的板状的金属基材、在板状的不锈钢等的表面上成膜有钛的基材等。

通过使用所述基材作为金属基材，能够确保耐腐蚀性。

金属基材的厚度没有限定，但通常为0.05mm～1mm。

通过使金属基材的厚度处于所述范围，能够确保物理耐久性。

在金属基材表面上存在源自金属基材的金属的钝化层。所谓钝化层，意味着通过金属基材表面的金属与空气中的氧发生反应而产生的、用于保护金属免受进一步腐蚀的氧化被膜层。

钝化层的厚度通常为1nm～10nm，例如为约3nm。

由于在金属基材表面上存在钝化层，从而确保了耐腐蚀性。

在钝化层上成膜有导电性填料层，导电性填料层含有导电性填料和热固性树脂。

导电性填料只要是具有导电性的物质则没有限定，例如可举出炭黑等碳、氧化锡、贵金属、氮化钛、它们的混合物等。作为导电性颗粒，优选为碳、氮化钛。

导电性填料的形状没有限定。为了使导电性填料容易地贯通钝化层而与金属基材接触，优选为导电性填料具有在一部分具有尖形的扭曲形状。

导电性填料没有限定，通常具有1μm～30μm的平均粒径。这里，平均粒径表示等面积当量圆直径。

导电性填料的量没有限定，相对于导电性填料层的总重量，通常为20重量％～90重量％。

通过使导电性填料的量处于所述范围，能够确保导电性填料层的导电性。

热固性树脂可以使用公知的热固性树脂，没有限定，例如可举出酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、环氧树脂等。作为热固性树脂，优选为环氧树脂。

导电性填料层的厚度没有限定，通常为1μm～30μm。

通过使导电性填料层的厚度处于所述范围，能够确保适当的导电性。

在本发明的燃料电池用隔片中，导电性填料层中的导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触。

通过使导电性填料与金属基材接触，从而金属基材与导电性填料层、成为与导电性填料层接触的表面处理层或其他部件的导通路径增加，能够提高导电性。

本发明的燃料电池用隔片是固体高分子型燃料电池等各种电化学装置中的燃料电池单体(单电池)的构成要素，配置于膜电极接合体(电解质膜、配置于该电解质膜的两面的阳极及阴极的电极层)的两面。

本发明的燃料电池用隔片的制造方法的特征在于，包括：(a)在表面具有钝化层的金属基材上，成膜含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体，由此得到成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；(b)对成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，由此得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；及(c)对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片的工序，在(b)工序中，以使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的方式进行压制。

以下，对(a)～(c)各工序进行说明。

(a)在表面具有钝化层的金属基材上，成膜含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体，由此得到成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序。

在(a)工序中，在表面具有钝化层的金属基材上，成膜含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体，由此得到成膜有导电性填料层前体的金属基材。

在此，作为在表面具有钝化层的金属基材、导电性填料、热固性树脂，可以使用上述说明的材料。另外，作为金属基材，可以使用板状的金属基材，但也可以使用预先压制加工成燃料电池用隔片的形状的金属基材。

作为导电性填料层前体的成膜方法，可以使用该技术领域中公知的方法，没有限定。例如，导电性填料层前体可以通过如下方式形成：将导电性填料以在最终的导电性填料层中成为上述范围的量的方式分散于根据情况而含有溶剂的热固性树脂，由此制备导电性填料层分散体，将导电性填料层分散体以最终的导电性填料层的厚度成为上述范围的方式，例如通过凹印辊、模涂机等成膜于在表面具有钝化层的金属基材的表面。

(b)对成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，由此得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序。

在(b)工序中，对在(a)工序中制备出的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，由此得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材。

在此，以使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的方式进行压制。

导电性填料层前体中的热固性树脂由于处于固化前、即半固化的状态，因此具有一定程度的流动性(即柔软)，而且，导电性填料层前体中的导电性填料与钝化层的厚度相比具有充分大的平均粒径，因此导电性填料能够通过压制而容易地与金属基材接触。

压制的方法可以使用该技术领域中公知的方法，没有限定，例如可举出利用辊压机的压制。

压制的压力只要是使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的压力则没有限定，通常为1MPa以上。

在(b)工序中，通过以使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的方式实施压制，从而增加了金属基材与导电性填料层、成为与导电性填料层接触的表面处理层或其他部件的导通路径，能够提高导电性。

(c)对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片的工序。

在(c)工序中，对在(b)工序中制备出的经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片。

热处理的温度或热处理的时间等热处理条件可以依据所使用的热固性树脂的种类而变更。

通过对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，能够得到如下的燃料电池用隔片：导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触，并且包括金属基材、存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层、和成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层。

另外，(c)工序可以在(b)工序之后实施，也可以与(b)工序同时(即，一边进行压制一边进行热处理)实施。

通过本发明的燃料电池用隔片的制造方法，能够省略以往的表面处理工序，由此能够降低表面处理成本。

图1示意性地示出了本发明的燃料电池用隔片的制造方法。图1中，首先，在(a)的工序中，在表面具有钝化层2的金属基材1的表面上，成膜含有导电性填料3和热固化前的热固性树脂4的导电性填料层前体，由此得到成膜有导电性填料层前体的金属基材1。接着，在(b)工序中，对在(a)工序中制备出的成膜有导电性填料层前体的金属基材1以使导电性填料3贯通钝化层2而与金属基材1接触的方式进行压制，由此得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材1。最后，在(c)工序中，对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材1进行热处理，使热固化前的热固性树脂4固化而成为热固化后的热固性树脂5，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片。

以下，对与本发明相关的几个实施例进行说明，但并不意在将本发明限定于这些实施例所示的内容。

1.试样制备

实施例

首先，作为(a)工序，在表面具有钝化层的金属基材上，在大气压中成膜含有作为导电性填料的氮化钛和作为热固性树脂的环氧树脂的导电性填料层前体，由此得到成膜有导电性填料层前体的金属基材。

接着，作为(b)工序，在以下的压制条件下对在(a)工序中得到的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，由此得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材。

压制条件

·压制方法：利用辊压机进行的压制

·辊间隙：0.45μm

·在(a)工序中得到的成膜有导电性填料层前体的金属基材的厚度：0.47μm

最后，作为(c)工序，通过将在(b)工序中制备出的经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材放入热处理炉中来进行热处理，使热固性树脂固化而形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片。

比较例

在比较例的制造工序中，除了未实施(b)工序之外，与实施例同样地得到燃料电池用隔片。

图2示出了实施例及比较例的燃料电池用隔片的接触电阻。实施例的接触电阻以将比较例的接触电阻设为100％时的比例表示。

由图2可知，实施了(b)工序的实施例的燃料电池用隔片与未实施(b)工序的比较例的燃料电池用隔片相比，显示出较低的接触电阻。因此可知，通过实施(b)工序，导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触，由此金属基材与导电性填料层之间的导通路径增加，能够提高导电性。

Claims (2)

1.一种燃料电池用隔片，包括：

金属基材；

存在于金属基材表面上的源自金属基材的金属的钝化层；及

成膜在钝化层上的含有导电性填料的导电性填料层，其中，

导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触。

2.一种燃料电池用隔片的制造方法，包括：

(a)在表面具有钝化层的金属基材上成膜含有导电性填料和热固性树脂的导电性填料层前体，得到成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；

(b)对成膜有导电性填料层前体的金属基材进行压制，得到经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材的工序；及

(c)对经压制的成膜有导电性填料层前体的金属基材进行热处理，形成导电性填料层，由此得到燃料电池用隔片的工序，

在(b)工序中，以使导电性填料贯通钝化层而与金属基材接触的方式进行压制。

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