JP2005216732A - 燃料電池セル用セパレータの製造方法及び燃料電池セル用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 本来必要とするセパレータ厚さ方向の導電性を充分に確保して電気抵抗値の低減を図ることのできる燃料電池セル用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】 カーボン粒子と熱硬化性樹脂の混合粉末を第１の金型内に充填し圧縮成形して得られたセパレータブロックを、前記圧縮方向に沿って所定幅に切断し、切断して得られたプリフォーム用セパレータ２６を、前記切断面２６ａ，２６ｂを圧縮面として第２の金型２９内に配置し、第１の圧縮成形工程における圧縮方向と交差する方向に圧縮成形してセパレータを形成する。このようにして得られたセパレータ４は、カーボン粒子１７の長軸がセパレータ厚さ方向に配列され、内部抵抗が大幅に低減する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、燃料電池セル用セパレータの製造方法及び燃料電池セル用セパレータに関し、詳細には、セパレータの厚さ方向の抵抗値を低減し得る燃料電池セル用セパレータの製造方法及び燃料電池セル用セパレータに関する。

燃料電池単セルを構成する部材のうち燃料電池セル用セパレータは、主として膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を挟んでその両側に設けられた電極から電気を取り出す役目をすることから、出来る限り導電性に優れていることが要求される。

かかる燃料電池セル用セパレータは、例えば金型内に黒鉛と樹脂の混合粉末を充填した後、パンチによって型締めして加熱圧縮成形することで形成される。成形によって形成された燃料電池セル用セパレータは、黒鉛粉末の結晶配向の向きによってはその導電性の善し悪しに影響が出るため、導電性を良好なものとするための工夫がなされている。

その一つとして、例えば、金型内に充填した混合粉末を複数の方向から圧縮成形することで、黒鉛粉末の結晶配向をランダムとし、特定の方向の固有抵抗が高くなることを抑制し導電性の向上を図った製造方法が開示されている（例えば、特許文献１など参照）。

この他、成形型内に３次元網目状金属構造体を配置した後、カーボン粒子を含んだ樹脂材料を充填し型締めをして加熱圧縮成形することで形成する製造方法が開示されている（例えば、特許文献２など参照）。この３次元網目状金属構造の空隙部にカーボン粒子を入り込ませることによって、樹脂リッチ部分が出来てしまうことを防止し、導電性の向上を図っている。
特開平８−１８０８９２号公報（第２頁〜第４頁、第３図〜第５図） 特開２０００−６７８８２号公報（第２頁および第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、複数方向から加圧成形するため、成形型構造が複雑となり、金型コストが増大する他、製造プロセスが複雑化する。また、この方法では、黒鉛粉末の結晶配向方向はランダムな方向となり、特定方向に固有抵抗が高いといった不具合は防止されるが、本来必要とする方向の導電性が不十分であり、必ずしも効率の良い構成ではない。さらに、黒鉛粉末の結晶配向が不揃いであるため、複数のセパレータを積層して組み付ける際、強度的に充分ではない。

一方、特許文献２に記載の方法では、３次元網目状金属構造体を使用しているので、水素と酸素による発電時に生じる水や冷却水による腐食、電気的な腐食などにより、本来有すべきセパレータ機能を悪化させてしまい、最悪の場合は発電機能を著しく悪化させてしまうことが考えられる。また、加熱圧縮成形時に溶けやすい樹脂材料が３次元網目状構造の空隙部に入り易くなり、部分的に樹脂リッチ部を生じてしまい、必ずしも充分な導電性が確保されない。

そこで、本発明は、本来必要とするセパレータ厚さ方向の導電性を充分に確保して電気抵抗値の低減を図ることのできる燃料電池セル用セパレータの製造方法および燃料電池セル用セパレータを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セル用セパレータの製造方法は、黒鉛と樹脂の混合粉末を第１の金型内に充填し圧縮成形して得られたセパレータブロックを、前記圧縮方向に沿って所定幅に切断する。そして、切断して得られたプリフォーム用セパレータを、前記切断面を圧縮面として第２の金型内に配置し、前記圧縮方向と交差する方向に圧縮してセパレータを成形する。

本発明の燃料電池セル用セパレータの製造方法によれば、黒鉛と樹脂の混合粉末を第１の金型内に充填し圧縮成形してセパレータブロックを形成すると、圧縮方向と直交する方向に黒鉛粉末の長軸が配向される。そして、このセパレータブロックを圧縮方向に沿って所定幅に切断した後、その切断して得られたプリフォーム用セパレータを、前記切断面を圧縮面として第２の金型内に配置し、前記圧縮方向と交差する方向に圧縮成形すると、セパレータの厚さ方向に黒鉛粉末の長軸が配向される。

したがって、本発明によれば、厚さ方向に黒鉛粉末の長軸が配向されるため、セパレータの電気抵抗を大幅に低減させることができ、このセパレータを燃料電池用セルとして使用した場合、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［燃料電池スタックの構成］
先ず、燃料電池スタックの構成について簡単に説明する。図１は燃料電池単セルを複数個積層して燃料電池スタックを形成する積層工程を示す要部拡大断面図である。

燃料電池単セル１は、図１に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）２と、この膜電極接合体２の両面に積層されるセパレータ３、４とから構成される。

膜電極接合体２は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜５と、この固体高分子電解質膜５の両面にそれぞれ配置された電極６Ａ，６Ｂと、該電極６Ａ，６Ｂの外周囲に設けられ、ガス拡散層の圧縮を適度に行うためのフレーム７とからなる。この例では、図１中固体高分子電解質膜５を挟んで上側に配置された電極６Ａは、カソード触媒とガス拡散層の積層体からなる。同様に、固体高分子電解質膜５を挟んで下側に配置された電極６Ｂは、アノード触媒とガス拡散層の積層体からなる。

前記二つのセパレータ３、４のうち膜電極接合体２を挟んで上側に配置されたセパレータ３は、一方の電極６Ａと対向する面に、例えば酸素などの酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路溝８を有し、他方の面に冷却水を流通させる冷却水流路溝９を有している。一方、膜電極接合体２を挟んで下側に配置されたセパレータ４は、他方の電極６Ｂと対向する面に、例えば水素などの燃料ガスを流通させる燃料ガス流路溝１０を有している。

これら膜電極接合体２と二つのセパレータ３、４は、互いの接合面に接着剤１１を介して接合一体化することで燃料電池単セル１を構成する。そして、このように構成された燃料電池単セル１の複数個をやはり接着剤１１を介して積層し、その積層体の両面に集電板、絶縁板およびエンドプレート（何れも図示は省略する）を配置して、該積層体の内部に貫通した貫通孔にタイロッドを貫通させ、そのタイロッドの端部にナットを螺合させることで燃料電池スタックが構成される。

［燃料電池セル用セパレータの製造方法］
ところで、前記燃料電池スタックの各セパレータ３、４には、前記膜電極接合体２で生成された電流（電子）が図１中矢印で示す厚さ方向に流れる。このため、燃料電池の発電効率を高めるためには、燃料電池の内部抵抗を下げることが効果的であり、セパレータ３、４の厚さ方向の抵抗値を抑える必要がある。

例えば、図２及び図３に示すように、下型１２と上型１３とからなる金型のキャビティー１４内に、黒鉛（以下、カーボン粉末という）と熱硬化性樹脂を混合した混合粉末を充填し、若しくはシート状、タブレット状のプリフォーム１５を配置した後、加熱手段であるヒータ１６を内蔵した上型１３と下型１２とで混合粉末またはプリフォーム１５を加熱しながら圧縮成形することによりセパレータ４を製造した場合、カーボン粒子１７の配向状態は図４に示すようになる。

すなわち、カーボン粒子１７が円筒型、米粒型のように細長い形状の場合、図４に示すように、圧縮成形時に圧縮方向Ａと略垂直にカーボン粒子１７が倒れてしまい、その長軸の向きが長手方向に配列されてしまう。その結果、電流が流れるセパレータ４の厚み方向では、カーボン粒子１７同士の接触回数が増し抵抗が増大する。なお、電流の流れは、図４中矢印で表す。

通常、電流は、カーボン粒子１７を通って流れる。熱硬化性樹脂の電気抵抗値は、カーボン粒子１７に比較すると非常に高いため、電流を流すのはカーボン粒子１７だけである。カーボン粒子１７自体の電気抵抗値は小さいが、カーボン粒子１７とカーボン粒子１７との間の接触抵抗は比較的大きい。したがって、セパレータ４の厚さ方向の電気抵抗は、カーボン粒子１７同士の接触回数を減らすことにより低下させることができる。すなわち、図５に示すように、カーボン粒子１７の長軸の向きを、電流を流すセパレータ４の厚さ方向となるように当該カーボン粒子１７を立てるようにする。このようにすれば、セパレータ４の厚さ方向の電気抵抗値を低くすることができる。

カーボン粒子１７をセパレータ４の厚さ方向に立てるには、次のようのプロセスを経る。先ず、図６に示すように、カーボン粒子１７とフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂１８の混合粉末１９を、第１上型２０と第１下型２１からなる第１の金型２２のキャビティー２３内に充填する。

第１の金型２２は、長方形状をなすセパレータブロックを形成する金型である。第１下型２１には、混合粉末１９を充填させる矩形状の凹部として形成されるキャビティー２３が形成されている。第１上型２０には、このキャビティー２３内に若干突出し嵌合する平坦な突出部２４が形成されている。

次に、第１上型２０を第１下型２１に対して下降させ、これら第１上型２０及び第１下型２１によって前記混合粉末１９を圧縮する。圧縮時には、混合粉末１９を加熱しても良いし或いは加熱しなくても良い。加熱する場合は、第１上型２０に加熱手段としてヒータを埋め込み、かかるヒータにて１１０℃〜１２０℃程度で加熱することが好ましい。

ここでの加熱温度は、後述する第２の圧縮成形工程時に加熱する温度（１５０℃〜１８０℃程度）よりも低い温度とする。この第１の圧縮成形工程時の加熱温度を第２の圧縮成形工程時の加熱温度よりも高くすると、冷却後に熱硬化性樹脂１８が固まってしまい、第２の圧縮成形工程で成形できなくなってしまう。

そして、圧縮成形後、図７に示すように、キャビティー２３からセパレータブロック２５を取り出す。すると、カーボン粒子１７は、図８に示すように、圧縮方向Ａに対して垂直な方向にその長軸が向き、その殆どが横向きに配列される。

次に、このセパレータブロック２５を、前記圧縮方向（カーボン粒子１７の長軸方向と垂直な方向）に沿って所定幅に複数切断する。具体的には、図８中Ｙ１−Ｙ１線とＹ２−Ｙ２線で示す位置でセパレータブロック２５を圧縮方向に沿って切断する。切断して得られたシート状のプリフォーム用セパレータ２６は、カーボン粒子１７の長軸が、その切断された厚さ方向にほぼ揃ったプリフォームとなる。

そして、前記プリフォーム用セパレータ２６を、図９に示すように、前記切断面２６ａ，２６ｂを圧縮面（上下面）として第２上型２７と第２下型２８とからなる第２の金型２９のキャビティー３０内に配置する。キャビティー３０内に配置されたプリフォーム用セパレータ２６は、カーボン粒子１７の長軸が厚さ方向に配列された縦向きとなっている。

次に、これら第２上型２７と第２下型２８とでプリフォーム用セパレータ２６を圧縮成形する。圧縮成形する方向は、先の第１の金型２２による第１の圧縮成形工程における圧縮方向と交差する方向とする。本実施の形態では、第１の圧縮成形工程における圧縮方向と直交する方向に圧縮成形した。また、この圧縮成形時には、第２上型２７に設けた加熱手段であるヒータ３１でプリフォーム用セパレータ２６を加熱する。加熱温度としては、１５０℃〜１８０℃程度とすることが望ましい。

次いで、圧縮したプリフォーム用セパレータ２６を冷却した後、図１０に示すように、第２下型２８のキャビティー３０から成形された完成品であるセパレータ４を取り出す。このようにして製造されたセパレータ４は、比較的厚さ方向にカーボン粒子１７の長軸が配向されたセパレータとなる。したがって、このセパレータ３を使用すれば、セパレータ厚さ方向の抵抗値を低減させることができるので、燃料電池の効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明に係る製造工程を経てセパレータ４を製造すれば、図２に示した通常のシート状、タブレット状のプリフォーム１５を圧縮成形して形成するよりも、より一層縦向きにカーボン粒子１７を配向させた（揃えた）状態とすることができる。

なお、上述の実施の形態では、膜電極接合体２を挟んで下側に配置されるセパレータ４を製造する例を示したが、上側に配置されたセパレータ３も同様の工程を経て製造することができる。この場合は、冷却水流路溝９を形成するための突起部を第２上型２７に形成し、この第２上型２７と第２下型２８とでプリフォーム用セパレータ２６を圧縮成形する。

燃料電池単セルを複数個積層して燃料電池スタックを形成する積層工程を示す要部拡大断面図である。 通常のシート状のプリフォームを金型内に入れて圧縮成形する工程を示す拡大断面図である。 図２で圧縮成形した後にセパレータをキャビティーから取り出す工程を示す拡大断面図である。 図３で得られたセパレータのカーボン粒子の配向状態を示す要部拡大断面図である。 カーボン粒子の長軸がセパレータの厚さ方向に配列された状態を示す要部拡大断面図である。 カーボン粒子と熱硬化性樹脂の混合粉末を第１の金型のキャビティー内に充填する充填工程を示す拡大断面図である。 第１の金型のキャビティー内に充填された混合粉末を圧縮成形する第１の圧縮成形工程を示す拡大断面図である。 第１の圧縮成形工程で得られたセパレータブロックを、前記圧縮方向に沿って所定幅に切断する切断工程を示す拡大断面図である。 切断して得られたプリフォーム用セパレータを、切断面を圧縮面として第２の金型のキャビティー内に配置して圧縮成形する第２の圧縮成形工程を示す拡大断面図である。 圧縮成形後のセパレータをキャビティーから取り出す工程を示す拡大断面図である。

符号の説明

１…燃料電池単セル
２…膜電極接合体
３，４…セパレータ
８…酸化剤ガス流路溝（流路溝）
９…冷却水流路溝（流路溝）
１０…燃料ガス流路溝（流路溝）
１７…カーボン粒子（黒鉛粒子）
１８…熱硬化性樹脂（樹脂）
１９…混合粉末
２２…第１の金型
２５…セパレータブロック
２６…プリフォーム用セパレータ
２６ａ，２６ｂ…切断面
２９…第２の金型

Claims (4)

1. 黒鉛と樹脂の混合粉末を第１の金型内に充填して圧縮成形する第１の圧縮成形工程と、
   前記第１の圧縮成形工程で得られたセパレータブロックを、前記圧縮方向に沿って所定幅に切断する切断工程と、
   前記切断工程で得られたプリフォーム用セパレータを、前記切断面を圧縮面として第２の金型内に配置し、前記第１の圧縮成形工程における圧縮方向と交差する方向に圧縮成形してセパレータを形成する第２の圧縮成形工程とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池セル用セパレータの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池セル用セパレータの製造方法であって、
   前記第１及び第２の圧縮成形工程においてそれぞれ混合粉末及びプリフォーム用セパレータを加熱し、第２の圧縮成形時の加熱温度よりも第１の圧縮成形時の加熱温度を低くした
   ことを特徴とする燃料電池セル用セパレータの製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル用セパレータの製造方法であって、
   前記第２の圧縮成形工程で流路溝を形成する
   ことを特徴とする燃料電池セル用セパレータの製造方法。
4. 黒鉛粉末が混入されてなる燃料電池セル用セパレータにおいて、
   前記黒鉛粒子の長軸がセパレータの厚さ方向に沿って配列されている
   ことを特徴とする燃料電池セル用セパレータ。

Images