JP2006066260A

JP2006066260A - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP2006066260A
Application number: JP2004248409A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Inoue; 智広井上
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】冷却液体循環部に用いられるセパレータにおいて最適で、ガス拡散層と接触する面及び他の燃料電池セパレータと接触する面のいずれにおいても接触抵抗を低下可能な燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】冷却液体循環部におけるセパレータ１，２は、ガス拡散層（ＧＤＬ）と接触する面１ａ，２ａの表面粗さが、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、他の燃料電池セパレータと接触する面１ｂ，２ｂの表面粗さが、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる燃料電池セパレータに関する。

固体高分子型燃料電池は、水素、酸素（空気）を反応させて、水を得る過程で電気を取り出す原理を用いて発電する電池である。燃料電池の構成は、水素イオンを透過する電解質膜を挟み込む形で２枚の燃料電池セパレータ（以下、セパレータ）が配置されている。これをセルと呼び、１セルを何層にも重ね合わせて燃料電池スタックができる。セパレータは、水素、酸素を遮断する遮断性と、電気を取り出すことのできる導電性とを有することが必要である。

このセパレータは導電性が高いほど燃料電池スタック内の電気抵抗が小さくなり、燃料電池の性能が向上する。しかし、樹脂をバインダーとしたセパレータは、成型後の表面に樹脂の膜（スキン層）が形成され、表面電気抵抗を増大させてしまっている。

このスキン層に対する対策として特許文献１に示すように、セパレータの表面をラッピングする方法が開示されている。

しかし、特許文献１のラッピングでは、スキン層の除去はできても、セパレータを成型する際の離型性を向上させるために使用された離型剤等の異物が取り除けない問題があった。このような離型剤等の異物は、燃料電池の出力性能を低下させてしまうため、できる限り取り除くことが必要である。

また、ラッピングでは、セパレータの表面粗さを十点平均粗さで１．５μｍ以下としてしまうが、この表面粗さであると、セパレータがガス拡散層（ＧＤＬ）と接触する場合には接触抵抗が大きくなることが分かってきた。

一方、特許文献２にはブラスト処理によってスキン層を除去することが開示されている。ブラスト処理によればスキン層の除去と共に離型剤等の異物を取り除くことができる。しかし、ブラスト処理では、十点平均粗さで１．０μｍ以下の表面粗さの確保が困難であり、この表面粗さであると、冷却液体循環部におけるセパレータ同士が接触する部分で、セパレータ同士の接触面績が減少し、接触抵抗が大きくなってしまう。

冷却液体循環部に用いられるセパレータは、一方の片面がＧＤＬと接触し、他方の片面がセパレータと接触することから、両面で接触抵抗が好適となる表面粗さが異なってしまうものであり、未だ最適なものは実現されていなかった。
特開２００２−２８９２１６号公報特開平１１−２９７３３８号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、冷却液体循環部に用いられるセパレータにおいて最適で、ガス拡散層と接触する面及び他の燃料電池セパレータと接触する面のいずれにおいても接触抵抗を低下可能な燃料電池セパレータを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
ガス拡散層と接触する面の表面粗さが、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、
他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さが、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータである。

また、本発明は、
ガス拡散層と接触する面の表面粗さが、ブラスト処理されることにより、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、
他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さが、前記ブラスト処理後にラッピングを施されることにより、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータである。

さらに、本発明は、
成型された燃料電池セパレータ成型体のガス拡散層と接触する面及び他の燃料電池セパレータと接触する面にブラスト処理し、ガス拡散層と接触する面の表面粗さを、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍとし、
前記ブラスト処理後に、他の燃料電池セパレータと接触する面にだけラッピングを施し、他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さを、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍとすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法である。

本発明によると、冷却液体循環部に用いられるセパレータにおいて最適で、ガス拡散層と接触する面及び他の燃料電池セパレータと接触する面のいずれにおいても接触抵抗を低下することができる。

図面を参照して、実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る燃料電池セパレータを積み重ねた状態を示す図である。図２は実施の形態に係る燃料電池セパレータを分離させた状態を示す図である。図３は実施の形態に係る冷却液体循環部における燃料電池セパレータの製造方法を示すフローである。

燃料電池セパレータ（以下、セパレータという）は、２枚でガス拡散層（ＧＤＬ）と水素イオンを透過する電解質膜（ＭＥＡ）とを挟み込むセルを構成する部品であり、平板状に形成されており、ＧＤＬに接触する表面に水素や酸素（空気）のガスを流す流路溝を面の中心領域に有するものである。

通常のセパレータは、図１、図２のセパレータ３のように、両面の空気流路（酸素流路）面及び水素流路面がそれぞれのＧＤＬに接触し、両面においてそれぞれセルを形成するものである。

そして、セルが複数層重なる場合には、発熱するセルを連ねた燃料電池スタックの冷却を目的として、図１、図２のセパレータ１，２のように、ＧＤＬ及びＭＥＡを挟まないでセパレータ同士が接触し、そこに冷却液体を流す部分（冷却液体循環部）が形成される。本実施の形態では、この冷却液体循環部のセパレータ１，２について説明する。

冷却液体循環部におけるセパレータ１，２は、図１、図２に示すように、一方の片面１ａ，２ａ（以下、ＧＤＬ接触面という）がＧＤＬと接触し、他方の片面１ｂ，２ｂ（以下、セパレータ接触面という）がセパレータと接触する。詳しくは、セパレータ１は、図２に示すように、ＧＤＬ接触面１ａがセルを構成するためにＧＤＬ及びＭＡＥを挟み込む空気流路（酸素流路）面であり、セパレータ接触面１ｂが他のセパレータ２に密着して密封
した冷却液体を循環させる冷却液体流路面である。また、セパレータ２は、セパレータ接触面２ｂが他のセパレータ１に密着して密封した冷却液体を循環させる冷却液体流路面であり、ＧＤＬ接触面２ａがセルを構成するためにＧＤＬ及びＭＡＥを挟み込む水素流路面である。

冷却液体循環部におけるセパレータ１，２は、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａはブラスト処理により表面粗さが十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、セパレータ接触面１ｂ，２ｂはブラスト処理後のラッピングにより表面粗さが十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍである。

以下に、本実施の形態係る冷却液体循環部におけるセパレータ１，２の製造方法を図３を参照して説明する。

セパレータ１，２は、まず、ステップＳ１で、１５重量％〜２５重量％の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂と、７５重量％〜８５重量％の黒鉛粒子と、を主成分とする混合物を、１４０℃〜２００℃で、１分〜１０分間、２０〜４００ＭＰａで圧縮成型してセパレータ１，２の成型体を得る。大きさは１００ｍｍ×１００ｍｍ程度、厚さは３ｍｍ程度である。

以上の成型により得られたセパレータ１，２の成型体に対して、ステップＳ２で、ブラスト処理を行う。ブラスト処理は、セパレータ１，２の成型体のＧＤＬ接触面１ａ，２ａ及びセパレータ接触面１ｂ，２ｂを含む表面全体に対して施される。ブラスト処理は、例えば、樹脂、炭素、アルミナ、ステンレス、シリコンカーバイド、ガラス等のブラスト材料と水等の液体を使用して液状ホーニングにより、セパレータ１，２の成型体の表面粗さを、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍとするように行われる。

ここで、ブラスト処理が液状ホーニングにより行われているのは、小さい表面粗さを得るためにメッシュ＃８００以下のホーニング材を使用すると、セパレータ１，２の成型体の表面にムラが生じてしまうためである。液状ホーニングによれば、セパレータ１，２の成型体の表面粗さを十点平均粗さで１．５μｍ以上に加工できる。

このようにブラスト処理が行われると、成型後の表面の樹脂の膜（スキン層）を除去できるとともに、成型する際の離型性を向上させるために使用された離型剤等の異物が取り除ける。

次に、ブラスト処理を行ったセパレータ１，２の成型体に対して、ステップＳ３で、ラッピングを行う。ラッピングは、セパレータ１，２の成型体のセパレータ接触面１ｂ，２ｂに対してのみ行われる。ラッピングは、ディスク型やホイール型等の研磨材を用いて、セパレータ接触面１ｂ，２ｂの表面粗さを、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍ（好ましくは０．８μｍ以下）とするように行われる。

以上により、本実施の形態に係る冷却液体循環部におけるセパレータ１，２が完成する。

本実施の形態に係る冷却液体循環部におけるセパレータ１，２は、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａとセパレータ接触面１ｂ，２ｂとを有しており、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａはブラスト処理により表面粗さが十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、セパレータ１，２がＧＤＬと接触する場合には接触抵抗を低減することができる。また、セパレータ接触面１ｂ，２ｂはブラスト処理後のラッピングにより表面粗さが十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであり、セパレータ同士が接触する部分で、セパレータ同士の接触面績が増加し
、接触抵抗を低減することができる。このように、セパレータ１，２は、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａ及びセパレータ接触面１ｂ，２ｂのいずれにおいても接触抵抗を低下でき、冷却液体循環部に用いられるセパレータにおいて最適である。

なお、このセパレータ１，２にあっては、先に表面全体に行ったブラスト処理によって、表面全体のスキン層を除去できるとともに、離型剤等の異物が取り除けるので、この点においても、表面電気抵抗を低下でき、燃料電池の出力性能を低下防止でき、より高性能化を図ることができる。

（効果試験）
以下に本実施の形態に係る冷却液体循環部におけるセパレータ１，２の効果を検証すべく、試料を製作し、試験を行った。図４は抵抗測定器を示す図である。図５は抵抗測定結果を示す表である。

試料は、レゾール型フェノール樹脂（昭和分子製ＢＲＳ−３７１）を１７重量％、人造黒鉛（平均粒径：１６０μｍ）を８２重量％、離型剤成分としてステアリン酸を１重量％とした混合物を、１７０℃、１００ＭＰａで５分間の条件で圧縮成型し、１００ｍｍ×１００ｍｍ×（厚さ）３ｍｍに成型した。試料は２つ用意した。

次に、２つの試料の表面全体に、ブラスト材＃８００（UJIDEN CHEMICAL INDUSTRY社製）と水とを使用して、液体ショットのブラスト処理をした。ブラスト処理は、試料の表面粗さを、十点平均粗さで３．０μｍとするように行われた。

そして、ブラスト処理を行った試料の１つに対して、２０００番の紙ヤスリでラッピングを行った。ラッピングは、試料の表面粗さを、十点平均粗さで０．９μｍとするように行われた。

これによって、ブラスト処理のみされた試料Ａと、ブラスト処理後にラッピングした試料Ｂの２つが作製できた。

以上により形成された２つの試料Ａ，Ｂを、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの試験片に切断し、この試験片を図４の抵抗測定器４０のφ５０ｍｍの電極４１，４２に挟み（図示のように荷重をかけ）、電源４３から電極４１，４２間に電気を流し電圧計４４で電圧を測定し抵抗値を算出した。測定は、試験片を直接そのまま電極４１，４２間に挟む場合と、試験片にＧＤＬ（東レ社製カーボンペーパー）を一緒に電極４１，４２間に挟む場合と、で行った。

なお、この測定では、試験片の内部抵抗と接触抵抗の和が求められる。内部抵抗は材料によって決定されるものであるため、通常全ての試験片で同等となり、抵抗値の違いは接触抵抗の違いを示すことになる。

抵抗測定結果を図５に示す。試験片を直接そのまま電極４１，４２に挟む抵抗値は、ブラスト処理＋ラッピングした試料Ｂが２０ｍΩｃｍで良好であり、試験片にＧＤＬを一緒に挟む抵抗値は、ブラスト処理のみした試料Ａが３０ｍΩｃｍで良好である。

以上の試験により、ラッピングによると、表面粗さが低くなり、剛体同士が接触する場合には接触抵抗が小さいが、ＧＤＬのようなフレキシブルな部材が介在する場合には接触面積が小さくなり接触抵抗が大きくなってしまうことが分かる。また、ブラスト処理のみであると、ラッピングのものに比して、表面粗さが高いため、通常の剛体同士が接触する場合には接触抵抗が大きいが、ＧＤＬのようなフレキシブルな部材が介在する場合にはＧ
ＤＬが粗さの谷にまで入り込んで密着し、接触面積が大きくなり接触抵抗が小さくなることが分かる。

よって、本実施の形態のセパレータ１，２で、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａはブラスト処理により表面粗さが十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、セパレータ接触面１ｂ，２ｂはブラスト処理後のラッピングにより表面粗さが十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであることで、ＧＤＬ接触面１ａ，２ａ及びセパレータ接触面１ｂ，２ｂのいずれにおいても接触抵抗を小さくできることが分かる。

実施の形態に係る燃料電池セパレータを積み重ねた状態を示す図。実施の形態に係る燃料電池セパレータを分離して配置した状態を示す図。実施の形態に係る冷却液体循環部における燃料電池セパレータの製造方法を示すフロー。抵抗測定器を示す図。抵抗測定結果を示す表。

符号の説明

１，２冷却液体循環部におけるセパレータ
１ａ，２ａＧＤＬ接触面
１ｂ，２ｂセパレータ接触面
３一般のセパレータ

Claims

ガス拡散層と接触する面の表面粗さが、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、
他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さが、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータ。
ガス拡散層と接触する面の表面粗さが、ブラスト処理されることにより、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍであり、
他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さが、前記ブラスト処理後にラッピングを施されることにより、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータ。
成型された燃料電池セパレータ成型体のガス拡散層と接触する面及び他の燃料電池セパレータと接触する面にブラスト処理し、ガス拡散層と接触する面の表面粗さを、十点平均粗さで１．５μｍ〜１０μｍとし、
前記ブラスト処理後に、他の燃料電池セパレータと接触する面にだけラッピングを施し、他の燃料電池セパレータと接触する面の表面粗さを、十点平均粗さで０．１μｍ〜１．５μｍとすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。