JP2003123780A - 燃料電池用セパレータとその製法 - Google Patents
燃料電池用セパレータとその製法Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 燃料電池のセパレータの水詰まりを解消し、
長期にわたって安定した発電を実現する。 【解決手段】 表面に形成されたガス流路面１２にＣ−
Ｆ結合を有する撥水性のフッ素含有カーボン層１３を有
する燃料電池用セパレータ１１。燃料電池用セパレータ
にブラスト処理を行ってそのガス流路面に凹凸を形成し
た後、フッ素含有ガスのプラズマ照射を施すことでフッ
素含有カーボン層を形成した後、ガス流路面以外のフッ
素含有カーボン層を除去する燃料電池用セパレータの製
造方法。
長期にわたって安定した発電を実現する。 【解決手段】 表面に形成されたガス流路面１２にＣ−
Ｆ結合を有する撥水性のフッ素含有カーボン層１３を有
する燃料電池用セパレータ１１。燃料電池用セパレータ
にブラスト処理を行ってそのガス流路面に凹凸を形成し
た後、フッ素含有ガスのプラズマ照射を施すことでフッ
素含有カーボン層を形成した後、ガス流路面以外のフッ
素含有カーボン層を除去する燃料電池用セパレータの製
造方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する燃料電池、とくに固体高分子型燃料電池に関する。
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する燃料電池、とくに固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、水素を含有する燃料ガス
と、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、水素イオ
ンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学
的に反応させることで、電力を発生させる。燃料電池
は、２枚のセパレータが固体高分子膜を挟む構造を１単
位（単電池）として、これを用途に応じて必要数積層す
る、燃料電池スタックと呼ばれるユニットで構成され
る。各セパレータの表面には、高分子電解質膜にアノー
ドガスもしくはカソードガスを供給するための溝状の流
路が形成されている。固体高分子型燃料電池に使用して
いる固体高分子電解質膜は、水分を十分に含んだ状態で
機能するため、供給するガスは加湿して供給される必要
がある。
と、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、水素イオ
ンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学
的に反応させることで、電力を発生させる。燃料電池
は、２枚のセパレータが固体高分子膜を挟む構造を１単
位（単電池）として、これを用途に応じて必要数積層す
る、燃料電池スタックと呼ばれるユニットで構成され
る。各セパレータの表面には、高分子電解質膜にアノー
ドガスもしくはカソードガスを供給するための溝状の流
路が形成されている。固体高分子型燃料電池に使用して
いる固体高分子電解質膜は、水分を十分に含んだ状態で
機能するため、供給するガスは加湿して供給される必要
がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、加湿が多くな
りすぎると、アノードガス・カソードガス流路に水蒸気
の結露により水滴が発生する。水滴の量が増加してくる
と、水滴がガスの流露を閉塞してしまい、この結果ガス
が固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下してしま
う問題が発生する。特に、カソード側においては電池反
応によって水が発生するので、この現象が発生しやす
い。このため、仮に結露が発生したとしても、すみやか
に流路から排出される特性を流路にもたせるべく、さま
ざまな取り組みがなされてきた。
りすぎると、アノードガス・カソードガス流路に水蒸気
の結露により水滴が発生する。水滴の量が増加してくる
と、水滴がガスの流露を閉塞してしまい、この結果ガス
が固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下してしま
う問題が発生する。特に、カソード側においては電池反
応によって水が発生するので、この現象が発生しやす
い。このため、仮に結露が発生したとしても、すみやか
に流路から排出される特性を流路にもたせるべく、さま
ざまな取り組みがなされてきた。
【０００４】たとえば、特開２００１−９３５３９号公
報の記載によれば、セパレータ流路の内面を親水処理す
ることで、結露によって発生する水は流路面に濡れ広が
り易くなり、水による閉塞が解消される。また、撥水処
理によって、結露によって発生する水をころがりやすい
球状とし、ガスの流れで排出する方法も提案されてい
る。たとえば、特開平１１−３３９８２７のように、シ
ランカップリング剤を用いるものや、その他一般的に広
く用いられるテフロン処理（デュポン社商品名）などが
ある。
報の記載によれば、セパレータ流路の内面を親水処理す
ることで、結露によって発生する水は流路面に濡れ広が
り易くなり、水による閉塞が解消される。また、撥水処
理によって、結露によって発生する水をころがりやすい
球状とし、ガスの流れで排出する方法も提案されてい
る。たとえば、特開平１１−３３９８２７のように、シ
ランカップリング剤を用いるものや、その他一般的に広
く用いられるテフロン処理（デュポン社商品名）などが
ある。
【０００５】しかし、これらの処理のいずれも改質皮膜
の耐久性の面で問題があり、前記問題の解決には不十分
であった。
の耐久性の面で問題があり、前記問題の解決には不十分
であった。
【０００６】また特開平１１−３３９８２７号公報の記
載によれば、処理に際してセパレータを４００℃程度の
高温で処理することが望ましいとされている。テフロン
処理においても同様である。しかし、現状で低コストか
つ高生産性が見込まれるポリマーと黒鉛材料のコンポジ
ット材料においては、そのような高温処理に耐えないた
め、低温で処理できる方法が必要である。
載によれば、処理に際してセパレータを４００℃程度の
高温で処理することが望ましいとされている。テフロン
処理においても同様である。しかし、現状で低コストか
つ高生産性が見込まれるポリマーと黒鉛材料のコンポジ
ット材料においては、そのような高温処理に耐えないた
め、低温で処理できる方法が必要である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明は、表面に形成されたガス流路面の全部もしく
は一部に、フッ素含有ガスのプラズマを照射しＣ−Ｆ結
合を有するフッ素含有カーボン層を形成することで、撥
水処理を行う方法を与えるものである。
め本発明は、表面に形成されたガス流路面の全部もしく
は一部に、フッ素含有ガスのプラズマを照射しＣ−Ｆ結
合を有するフッ素含有カーボン層を形成することで、撥
水処理を行う方法を与えるものである。
【０００８】また、この方法によれば、現在固体高分子
燃料電池のセパレータとして広く用いられている樹脂製
セパレータの耐熱限界以下で撥水処理を行うことができ
る。
燃料電池のセパレータとして広く用いられている樹脂製
セパレータの耐熱限界以下で撥水処理を行うことができ
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は本発明の
実施の形態１による燃料電池セパレータの断面図であ
る。図１において、セパレータ１１の流路底面１２表面
にＣ−Ｆ結合を有するフッ素含有カーボンによる撥水層
１３を形成した。以下、図１の撥水層を形成する方法を
説明する。
実施の形態１による燃料電池セパレータの断面図であ
る。図１において、セパレータ１１の流路底面１２表面
にＣ−Ｆ結合を有するフッ素含有カーボンによる撥水層
１３を形成した。以下、図１の撥水層を形成する方法を
説明する。
【００１０】図２は本実施の形態１における撥水処理装
置の概略構成を示す図である。排気系２１を接続した反
応チャンバ２２にはプラズマ発生室２３が付帯してい
る。プラズマ発生室２３にはガス導入系２４からガスが
供給されると共に、マイクロ波電力発生器２５から２．
４５ＧＨｚのマイクロ波が供給される。また、プラズマ
発生室２３の周囲に設置したソレノイドコイル２６から
の磁場と、マイクロ波との相互作用により電子サイクロ
トロン共鳴（ＥＣＲ）により、プラズマ発生室２３にプ
ラズマ２７が発生する。反応チャンバ２２にはセパレー
タ１１が設置され、プラズマ発生器２３からのプラズマ
２７が照射される。なお、セパレータ１１にはＲＦ電源
２８からＲＦバイアス電圧が供給されるようになってい
る。
置の概略構成を示す図である。排気系２１を接続した反
応チャンバ２２にはプラズマ発生室２３が付帯してい
る。プラズマ発生室２３にはガス導入系２４からガスが
供給されると共に、マイクロ波電力発生器２５から２．
４５ＧＨｚのマイクロ波が供給される。また、プラズマ
発生室２３の周囲に設置したソレノイドコイル２６から
の磁場と、マイクロ波との相互作用により電子サイクロ
トロン共鳴（ＥＣＲ）により、プラズマ発生室２３にプ
ラズマ２７が発生する。反応チャンバ２２にはセパレー
タ１１が設置され、プラズマ発生器２３からのプラズマ
２７が照射される。なお、セパレータ１１にはＲＦ電源
２８からＲＦバイアス電圧が供給されるようになってい
る。
【００１１】セパレータ１１の流路底面１２にはアルミ
ナ粉体の吹き付け加工により、表面には中心線平均表面
粗さが２μｍの微小な凹凸を形成した。ガス導入系２４
からＣＦ4ガス２００ｓｃｃｍの流量で供給し、反応チ
ャンバ２２の圧力を４×１０- 4Ｔｏｒｒとした。マイク
ロ波電力発生器２５から２００Ｗのマイクロ波電力を投
入しフッ素を含有するプラズマを発生させ、セパレータ
１１表面に照射する。この際、セパレータ１１にＲＦバ
イアス電圧をー６０Ｖ印加した。照射時間は１０分とし
た。
ナ粉体の吹き付け加工により、表面には中心線平均表面
粗さが２μｍの微小な凹凸を形成した。ガス導入系２４
からＣＦ4ガス２００ｓｃｃｍの流量で供給し、反応チ
ャンバ２２の圧力を４×１０- 4Ｔｏｒｒとした。マイク
ロ波電力発生器２５から２００Ｗのマイクロ波電力を投
入しフッ素を含有するプラズマを発生させ、セパレータ
１１表面に照射する。この際、セパレータ１１にＲＦバ
イアス電圧をー６０Ｖ印加した。照射時間は１０分とし
た。
【００１２】表１は、図２の処理装置で撥水処理したセ
パレータの撥水性能を、水の接触角で評価した表であ
る。ここに示すように、ここで用いたセパレータの濡れ
角は処理前で５０°であったが、プラズマ処理後では、
１３０°に上昇した。また、プラズマ処理を施したセパ
レータを１０００時間、９０℃の飽和蒸気に暴露したと
ころ、濡れ角は１２５℃であった。このように、撥水性
能に若干の低下は見られたが、実用上問題の無い性能を
維持していることがわかった。
パレータの撥水性能を、水の接触角で評価した表であ
る。ここに示すように、ここで用いたセパレータの濡れ
角は処理前で５０°であったが、プラズマ処理後では、
１３０°に上昇した。また、プラズマ処理を施したセパ
レータを１０００時間、９０℃の飽和蒸気に暴露したと
ころ、濡れ角は１２５℃であった。このように、撥水性
能に若干の低下は見られたが、実用上問題の無い性能を
維持していることがわかった。
【００１３】
【表１】
【００１４】図３は、本発明の実施の形態によるセパレ
ータを用いた燃料電池単電池の、発電特性を示す図であ
る。図３において、横軸は発電開始からの経過時間、縦
軸は単電池の電圧を示す。電池の発電条件は、電池温度
７５℃、アノードガス（純水素）露点７５℃、カソード
ガス（空気）露点８０℃で、電流密度は０．３Ａ／ｃｍ
2に設定した。特性の差を明確にするため、通常の発電
条件よりも加湿量を増加し、水の詰まりが発生しやすい
条件に設定した。プロット３１は無処理のセパレータを
用いた単電池、プロット３２は本発明の実施の形態１に
よる撥水処理を施したセパレータを用いた単電池の電圧
である。ここに示すように撥水処理を施したセパレータ
を用いた単電池のほうが、無処理のセパレータを用いた
単電池よりも、より安定に発電することができた。
ータを用いた燃料電池単電池の、発電特性を示す図であ
る。図３において、横軸は発電開始からの経過時間、縦
軸は単電池の電圧を示す。電池の発電条件は、電池温度
７５℃、アノードガス（純水素）露点７５℃、カソード
ガス（空気）露点８０℃で、電流密度は０．３Ａ／ｃｍ
2に設定した。特性の差を明確にするため、通常の発電
条件よりも加湿量を増加し、水の詰まりが発生しやすい
条件に設定した。プロット３１は無処理のセパレータを
用いた単電池、プロット３２は本発明の実施の形態１に
よる撥水処理を施したセパレータを用いた単電池の電圧
である。ここに示すように撥水処理を施したセパレータ
を用いた単電池のほうが、無処理のセパレータを用いた
単電池よりも、より安定に発電することができた。
【００１５】なお、本実施の形態においては、セパレー
タの撥水処理を施す面に前処理として微小な凹凸をブラ
スト処理によって形成した。このような前処理は必ずし
も行う必要はないが、微小な凹凸によって撥水効果が増
大されるため、撥水処理を施されたセパレータの流路底
部が微小な凹凸を持つような処理を行うことが望まし
い。また、プラズマ処理時のバイアス電圧を負の方向に
増加すれば、エッチング効果により微小な凹凸が自動的
に形成されやすくなる効果がある。
タの撥水処理を施す面に前処理として微小な凹凸をブラ
スト処理によって形成した。このような前処理は必ずし
も行う必要はないが、微小な凹凸によって撥水効果が増
大されるため、撥水処理を施されたセパレータの流路底
部が微小な凹凸を持つような処理を行うことが望まし
い。また、プラズマ処理時のバイアス電圧を負の方向に
増加すれば、エッチング効果により微小な凹凸が自動的
に形成されやすくなる効果がある。
【００１６】また、本発明の実施の形態１による撥水処
理セパレータのリブ端面を＃１５００の耐水ペーパーに
よって研磨したところ、単電池の電圧が平均３ｍＶ上昇
した。これはフッ素を含有するカーボン撥水層が研磨に
より削り取られたことで、セパレータとＭＥＡとの接触
抵抗が低下したことによる。このように、撥水処理を施
されたセパレータのリブ端面の撥水層を除去すること
で、接触抵抗の増加を防ぐ効果がある。
理セパレータのリブ端面を＃１５００の耐水ペーパーに
よって研磨したところ、単電池の電圧が平均３ｍＶ上昇
した。これはフッ素を含有するカーボン撥水層が研磨に
より削り取られたことで、セパレータとＭＥＡとの接触
抵抗が低下したことによる。このように、撥水処理を施
されたセパレータのリブ端面の撥水層を除去すること
で、接触抵抗の増加を防ぐ効果がある。
【００１７】なお、本実施の形態に示した撥水層の形成
装置や形成条件はその１例を示したものであって、本発
明の請求範囲はこれらの構成や数値によって限定される
ものではない。
装置や形成条件はその１例を示したものであって、本発
明の請求範囲はこれらの構成や数値によって限定される
ものではない。
【図１】本発明の実施の形態１であるセパレータの断面
図
図
【図２】本発明のセパレータを形成する処理装置の概略
構成図
構成図
【図３】本発明の実施の形態１によるセパレータを用い
た燃料電池の特性を示す図
た燃料電池の特性を示す図
１１ セパレータ
１２ 流路底面
１３ 撥水層
２１ 排気系
２２ 反応チャンバ
２３ プラズマ発生室
２４ ガス導入系
２５ マイクロ波電力発生器
２６ ソレノイドコイル
２７ プラズマ
２８ ＲＦ電源
３１ 従来のセパレータによる単電池の発電電圧
３２ 本発明セパレータによる単電池の発電電圧
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 日下部 弘樹
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 小原 英夫
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 小林 晋
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 山崎 達人
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 竹口 伸介
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB08 CC03 EE05 EE06
EE18
Claims (5)
- 【請求項１】 表面に形成されたガス流路面の全部もし
くは一部に、Ｃ−Ｆ結合を有するフッ素含有カーボン層
を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 ガス流路面に凹凸を形成したことを特徴
とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項３】 燃料電池用セパレータを黒鉛、黒鉛と樹
脂との混合物、または導電性高分子で形成したことを特
徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項４】 ブラスト処理を行いガス流路面に凹凸を
形成した後、フッ素含有ガスのプラズマ照射を前記ガス
流路面に行うことを特徴とする請求項１、２または３記
載の燃料電池用セパレータの製法。 - 【請求項５】 燃料電池用セパレータにフッ素含有ガス
のプラズマ照射を施すことで、フッ素含有カーボン層を
形成した後、ガス流路面以外のフッ素含有カーボン層を
除去したことを特徴とする請求項１、２、３または４記
載の燃料電池用セパレータの製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001321665A JP2003123780A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 燃料電池用セパレータとその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001321665A JP2003123780A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 燃料電池用セパレータとその製法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003123780A true JP2003123780A (ja) | 2003-04-25 |
Family
ID=19138848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001321665A Pending JP2003123780A (ja) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | 燃料電池用セパレータとその製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003123780A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100545992B1 (ko) * | 2004-03-10 | 2006-01-25 | (주)퓨얼셀 파워 | 연료전지용 분리판 및 제조방법, 그리고 이러한 분리판을포함하는 연료전지 스택 |
| JP2006185901A (ja) * | 2004-12-02 | 2006-07-13 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用撥水性セパレータ |
| JP2007172909A (ja) * | 2005-12-20 | 2007-07-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接型燃料電池および直接型燃料電池システム |
| JP2007227080A (ja) * | 2006-02-22 | 2007-09-06 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 燃料電池 |
| WO2009113717A1 (ja) | 2008-03-14 | 2009-09-17 | 昭和電工株式会社 | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
| CN101630745A (zh) * | 2008-07-17 | 2010-01-20 | 现代自动车株式会社 | 用于燃料电池的金属双极板及形成其表面层的方法 |
| KR100990489B1 (ko) | 2009-02-23 | 2010-10-29 | 포항공과대학교 산학협력단 | 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 |
| KR101144817B1 (ko) * | 2010-06-29 | 2012-05-11 | 극동씰테크 주식회사 | 표면처리에 의한 연료전지 분리판의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판 |
| KR101395419B1 (ko) * | 2012-06-05 | 2014-05-15 | 현대하이스코 주식회사 | 반응면에서의 습기 제거력이 우수한 연료전지용 분리판 제조 방법 |
-
2001
- 2001-10-19 JP JP2001321665A patent/JP2003123780A/ja active Pending
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| KR100545992B1 (ko) * | 2004-03-10 | 2006-01-25 | (주)퓨얼셀 파워 | 연료전지용 분리판 및 제조방법, 그리고 이러한 분리판을포함하는 연료전지 스택 |
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