JP2003109618A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

燃料電池用セパレータ

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JP2003109618A
JP2003109618A JP2001296384A JP2001296384A JP2003109618A JP 2003109618 A JP2003109618 A JP 2003109618A JP 2001296384 A JP2001296384 A JP 2001296384A JP 2001296384 A JP2001296384 A JP 2001296384A JP 2003109618 A JP2003109618 A JP 2003109618A
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fuel cell
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carbon
metal substrate
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JP2001296384A
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Michinari Miyagawa
倫成 宮川
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Mitsubishi Plastics Inc
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Mitsubishi Plastics Inc
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接触抵抗が小さいとともに耐食性に優れ、生
産性に優れた金属基板を主体とした燃料電池用セパレー
タを提供する。 【解決手段】 金属基板の少なくとも片面に、カーボン
ナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーを混合
した樹脂層を被覆し、樹脂層の体積抵抗率が1.0Ω・
cm以下であることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タに係り、詳しくは単セルを複数積層して構成する燃料
電池において隣接する単セル間に設けられ、電極との間
で燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成すると共に燃料
ガスと酸化ガスとを隔てる燃料電池用セパレータであっ
て、特に成形性、強度、耐食性に優れた燃料電池用セパ
レータに関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池、特に固体高分子型燃料電池を
構成するセパレータは、固体電解質膜を両側から挟持す
る各電極に接触して配置されて、該電極との間に燃料ガ
ス、酸化剤ガス等の供給ガス通路を形成するものであ
り、電極と接触して電流を導出する集電性能に優れたも
のが要求される。
【0003】一般に燃料電池用セパレータとしては、基
材として強度、導電性に優れた緻密カーボングラファイ
ト、またはステンレス鋼(SUS)、チタン、アルミニ
ウム等の金属材料で構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】通常、上記セパレータ
の電極に対向する面にはガス流路を形成するための多数
の突起部、溝部等が形成される。従って、上記の緻密カ
ーボングラファイトにて構成されるセパレータでは、電
気伝導性が高く、かつ長期間の使用によっても高い集電
性能が維持されるが、非常に脆い材料であることからセ
パレータの表面に多数の突起部や溝部を形成すべく切削
加工等の機械加工を施すことは容易ではなく量産が困難
であるという問題がある。
【0005】一方、上記金属材料にて構成されるセパレ
ータにおいては、緻密カーボングラファイトに比較して
強度、延性に優れていることからガス流路を形成するた
めの多数の突起部、溝部等の形成はプレス加工が可能で
あって量産も容易であるという利点がある。しかしなが
ら、金属材料はセパレータの使用環境下では、その表面
に腐食による酸化膜が生成され易く、生成された酸化膜
と電極との接触抵抗が大きくなり、セパレータの集電性
能を低下させるという問題がある。
【0006】そこで、セパレータの構成材料として加工
性に優れた金属材料の表面に、耐食性に優れた金等の貴
金属材料をコーティングした材料が検討されている。し
かしながら、このような材料は極めて高価なために汎用
性に欠けるという問題がある。
【0007】本発明は、上記問題を解決したもので電気
伝導性が高いとともに耐食性に優れ、生産効率に優れた
金属基板を主体とした燃料電池用セパレータに関する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題点を
解消できる燃料電池用セパレータを見出したものであ
り、その要旨とするところは、金属基板の少なくとも片
面に、カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノフ
ァイバーを混合した樹脂層を被覆し、樹脂層の体積抵抗
率が1.0Ω・cm以下であることを特徴とする燃料電
池用セパレータにある。上記金属基板がステンレス鋼、
チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼から選ばれて
なることを含み、また、カーボンナノチューブ及び/又
はカーボンナノファイバーは、繊維径が0.001〜
0.1μmで、繊維長が1〜100μmであることを含
み、樹脂層がフッ素樹脂及びフッ素ゴムから選ばれてな
ること及び樹脂層の厚みが10〜300μmの範囲であ
ることを含んでいる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセパレータで使用する金属基板としては、ステ
ンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼か
らなる薄板が好適に使用でき、厚みは0.1mm〜1.
5mmの範囲が望ましい。上記の金属基板表面には樹脂
層との接着性を改良する目的でエッチング層や研磨層な
どの表面処理層を設けてもよく、表面処理層厚みは0.
1〜30μmが望ましい。
【0010】樹脂層に使用するものとしては耐薬品性か
らフッ素樹脂及びフッ素ゴムが使用できる。具体的に
は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA
(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニ
ルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレ
ン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、EPE(テ
トラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パ
ーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、ETF
E(テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体)、P
CTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ECT
FE(クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合
体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポ
リビニルフルオライド)、THV(テトラフルオロエチ
レン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共
重合体)、VDF−HFP(フッ化ビニリデン−ヘキサ
フルオロプロピレン共重合体)、TFE−P(フッ化ビ
ニリデン−プロピレン共重合体)、含フッ素シリコーン
系ゴム、含フッ素ビニルエーテル系ゴム、含フッ素フォ
スファゼン系ゴム、含フッ素熱可塑性エラストマーから
成る少なくとも1種類以上のフッ素樹脂及びフッ素ゴム
が使用できる。上記例示した樹脂では、成形性の点から
特にフッ化ビニリデンを含むPVDF、THV、VDF
−HFP及びTFE−Pが好ましい。
【0011】上記フッ素樹脂及びフッ素ゴムには導電剤
を混合する必要があり、カーボンナノチューブ及び/又
はカーボンナノファイバーを使用する。
【0012】カーボンナノチューブ及び/又はカーボン
ナノファイバーは、繊維径が0.001〜0.1μm、
好ましくは0.003〜0.05μmであり、繊維長が
1〜100μm、好ましくは1〜30μmが導電性の点
から好ましい。また、導電剤として他の炭素系導電剤と
混合して用いることもできる。他の炭素系導電剤として
は、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラック、膨張黒
鉛、カーボン短繊維等及を用いることができる。
【0013】導電剤の混合比率は10重量%〜90重量
%で樹脂層の体積抵抗率が1.0Ω・cm以下になるよ
うに適宜決めれば良く、混合比率が10重量%未満では
体積抵抗率が1.0Ω・cmを越えて導電性に劣り、9
0重量%を越えると成形が困難になり易い。
【0014】樹脂層の厚みは10〜300μmの範囲が
好ましく、10μm未満では金属基板への耐食効果が少
なく、300μmを越えるものではセパレータが厚くな
りスタックされた燃料電池が大きくなるという問題が生
じ易い。
【0015】本発明のセパレータの製造方法は特に限定
されないが、予め製膜された上述した組成からなるフッ
素樹脂製シートを金属基板の片面又は両面に載置し、熱
プレス法で積層一体化した後、突起部や溝部を形成する
方法が生産性等の点から好ましい。シートの製膜法は通
常の押出成形、ロール成形法によればよく、熱プレス法
の条件も通常のプレス条件、加熱温度120℃〜300
℃、圧力2.9×10Pa〜9.8×10Pa(3
0kgf/cm〜100kgf/cm)程度にて行
なえばよい。以下、実施例について説明するが、本発明
はこれに限定されるものではない。
【0016】
【実施例】フッ素樹脂(「住友スリーエム(株)」製
THV220G)40重量部と導電剤(カーボンナノチ
ューブ)60重量部を2軸押出機にて混合した。使用し
たカーボンナノチューブは、直径10nm、長さ1〜1
0μm、嵩比重0.01g/cc、真比重2.0g/c
cのものを使用した。上記混合物をロール成形(ロール
温度240℃)にて厚さ200μmのフッ素樹脂シート
を作成した。金属基板はアルミ5052板(厚み0.5
mm)を電解エッチング法にて20μmのエッチング層
を形成したものを使用し、フッ素樹脂シート/エッチン
グアルミ5052板/フッ素樹脂シートの順に載置し、
熱プレス加工にて積層一体化した。熱プレス条件は温度
200℃、10分、圧力3.5×10Pa(36kg
f/cm)にて行った。得られた複合板の総厚みは
0.86mmであった。上記積層体を用い、再度、プレ
ス加工してガス流路を形成し燃料電池用セパレータを得
た。プレス条件は室温、1分、圧力1.8×10Pa
(180kgf/cm)にて行った。
【0021】得られた燃料電池用セパレータはカーボン
ナノチューブを含むフッ素樹脂層とアルミ板との接着性
が良好で剥離等がなかった。
【0022】得られた上記のセパレータを用いて接触抵
抗を測定した。接触抵抗の評価は以下のように行った。
測定結果を図2のNo.1サンプルで示した。 1. 測定装置 抵抗計:YMR−3型((株)山崎精機研究所社製) 負荷装置:YSR−8型((株)山崎精機研究所社製) 電極:真鍮製平板2枚(面積1平方インチ、鏡面仕上
げ) 2. 測定条件 方法:4端子法 印加電流:10mA(交流、287Hz) 開放端子電圧:20mVピーク以下 カーボンペーパー:東レ社製TGP−H−090(厚み
0.28mm) 3.測定方法 図1に示した測定装置により測定した。
【0023】上記方法で評価したセパレータの接触抵抗
値を図2のグラフに示した。比較のために東海カーボン
社製樹脂含浸黒鉛G347B(No.2)も評価した。
【0024】図2のグラフに示す通り、導電剤にカーボ
ンナノチューブを使用した樹脂層を金属板に被覆したサ
ンプルNo.1は、接触抵抗値が格段に小さくなり、N
o.2の樹脂含浸黒鉛とほぼ同等の接触抵抗値であっ
た。
【0025】
【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池用セ
パレータは接触抵抗が小さく、耐食性に優れており、長
時間の運転が可能な燃料電池用としての利用性が大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】接触抵抗の測定方法を示す装置の概略図。
【図2】接触荷重と接触抵抗値の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1:真鍮製電極 2:カーボンペーパー 3:セパレータ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属基板の少なくとも片面に、カーボン
    ナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーを混合
    した樹脂層を被覆し、樹脂層の体積抵抗率が1.0Ω・
    cm以下であることを特徴とする燃料電池用セパレー
    タ。
  2. 【請求項2】 前記金属基板がステンレス鋼、チタン、
    アルミニウム、銅、ニッケル、鋼から選ばれてなること
    を特徴とする請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 【請求項3】 前記カーボンナノチューブ及び/又はカ
    ーボンナノファイバーは、繊維径が0.001〜0.1
    μmであり繊維長が1〜100μmであることを特徴と
    する請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 【請求項4】 前記樹脂層がフッ素樹脂及びフッ素ゴム
    から選ばれることを特徴とする請求項1乃至3のいずれ
    か1項記載の燃料電池セパレータ。
  5. 【請求項5】前記樹脂層の厚みが10〜300μmの範
    囲であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1
    項記載の燃料電池用セパレータ。
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