JP2006278305A - 炭素繊維で流路形成された燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素繊維で流路が形成された燃料電池セパレータとその作製方法を提供する。
【解決手段】 導電性薄板の両面に異なる微細な流路パターンを持つ炭素繊維を形成することにより、薄く、導電性が高く、接触抵抗が低く、コストが低く、しかもガス拡散機能をも備え持つ燃料電池セパレータを実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のセパレータおよびその製造方法に関する。

燃料電池用セパレータは各電池セルを仕切るための薄い板状のもので、その両面あるいは片面に水とガスをスムーズに排出するための流路溝パターンが成形されている。セパレータには高い導電性および耐食性が要求されるため、その素材としては主に炭素系のものと金属系のものが用いられている。流路形成はその材質によって大きく異なる。炭素系セパレータの場合、炭素平板を切削加工して流路溝パターンを形成する切削法と、流路の凹凸パターンを一括成形するモールド法とが採用されている。金属セパレータの場合、金属板をプレスして凹凸のある流路パターンを形成するプレス法が一般的である。

上記の切削法あるいはモールド法による炭素系セパレータの流路形成では、両サイドに別々の溝パターンを形成できる利点があるが、加工コストが高いことと、強度が必要なために薄肉化が難しい課題が残っている。

上記のプレス法による金属系セパレータの流路形成では、加工コストが低く、薄肉化も図り易いが、両面に凹凸の反転した流路パターンしか形成できない問題がある。

さらに、プレス加工された金属セパレータはそのまま利用できず、表面処理を施す必要がある。金属素材として耐酸性の強いステンレスあるいはチタンが主に検討されているが、上記金属の表面に不動態皮膜と呼ばれる高抵抗酸化膜が存在するため、不動態皮膜を除去してから直ちに金メッキ成膜を行う方法が採用されている。

炭素系セパレータにしても、金属系セパレータにしても、ガス拡散層であるカーボンペーターと密着させて使用するため、その接触抵抗が重要である。流路の加工精度が不充分であったり、基板が変形したりすると、基板全面に渡って良好な接触を得ることができず、安定かつ低い接触抵抗が得られなくなる。

本発明は上記現状に鑑み、高導電性、高耐食性、低接触抵抗を同時に維持しつつ、薄肉化の課題と両面独立流路形成の課題とを同時に解決し、両面に異なる流路を持つ薄肉セパレータおよびその製造方法を提供する。

本発明のセパレータは、金属系あるいはカーボン系の平らな薄板と、その両面に流路パターンの凸部分に対応したパターンの炭素繊維とで構成される。ここでいう炭素繊維とは、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、カーボンコイルを指し、触媒化学気相蒸着（ＣＣＶＤ）法で薄板に直接合成されるものである。

セパレータの素材が炭素薄板である場合、炭素繊維膜の成膜前に薄板の両面にそれぞれ独立した流路パターンを有する触媒膜を成膜しておくことにより、両面に異なる流路パターンを有する炭素繊維を得ることができる。

セパレータの素材がステンレス薄板である場合、ステンレスに含まれているＦｅあるいはＮｉ元素を炭素繊維成長の触媒として利用することができるため、あらためて触媒薄膜を成膜する必要がなく、表面にマスクパターンを施すことにより、流路パターンに対応した炭素繊維を成長させることができる。つまり、ＣＣＶＤプロセスの前段階で還元処理を行うことにより、マスクパターンのない部分のステンレス表面酸化膜が還元され、ＦｅあるいはＮｉの触媒粒子が析出し、そこから炭素繊維が成長する。

セパレータの素材が前記以外の金属、たとえばチタン薄板である場合、表面の不導態皮膜を化学研磨法あるいは機械研磨法で一旦全部除去してから流路パターンを有する触媒金属膜を成膜してから炭素繊維を合成する。このプロセスにより、炭素繊維が金属素材と直接結合することになり、高い電気伝導性が得られる。なお、炭素繊維のない部分は炭素繊維合成後のセパレータをＣＣＶＤ炉から大気中に取り出せば容易に不導体皮膜が再生され、耐酸性の役目を果たす。

本発明のセパレータによれば、薄板の素材の種類に関わらず、その両面に異なる流路が形成されるため、最も薄肉化のできる構造を有する。

本発明のセパレータによれば、流路が化学的にソフトに形成されるため、より微細な流路パターンを形成することが可能になり、通気・通流性能を高めることができる。また、炭素繊維の間の隙間空間でガス拡散させることができ、ガス拡散機能を備えることも可能になり、従来のガス拡散膜（カーボンペーパーなど）を省くことも可能になる。

本発明のセパレータ上の炭素繊維が柔らかいため、低い圧力でもガス拡散層であるカーボンペーパーとの全面接触が容易になり、低い接触抵抗が得られやすい。

本発明のセパレータによれば、素材の薄板は切削あるいはプレスなどの変形加工がなく、そのままで使用されるため、簡単に再利用できる。つまり、使用済みのセパレータの炭素繊維を除去し、新しい流路パターンの炭素繊維を再成膜すれば、簡単に新しいセパレータに作り変えることが可能になる。

以下、本発明のセパレータの構造とその作製方法について詳細に説明する。

図１は、本発明のセパレータの構造を示す図である。このセパレータは、素材の薄板１、薄板の片面に流路パターンを有する炭素繊維２、その反対側の片面に別の流路パターンを有する炭素繊維３で構成される。

前記セパレータを作製するには、まずは薄板に流路パターンに対応した触媒薄膜を成膜しておく。薄板は耐食性および導電性の高いものが好ましく、ステンレス、チタン、炭素が好ましい。金属薄板の表面不動態皮膜を除去する必要がある場合は、触媒成膜の前に化学研磨ありは機械研磨による表面処理を施しておく。触媒薄膜は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれらの元素を含む合金でよい。膜厚は数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲でよい。成膜方法は、例えばスパッタ法、真空蒸着法、ＥＢ蒸着法、メッキ法でよい。薄板自体が触媒金属でできている場合、たとえばステンレスの場合、触媒金属薄膜を成膜しなくてもよく、その代わりに、流路の溝部分に炭素繊維膜を成長させないためには、ペーストあるいはマスク材で該当する部分の表面を覆っておく。

このようにして触媒薄膜が形成された薄板１をＣＣＶＤ炉に入れて表面に炭素繊維を成長させ、流路を持つ炭素繊維２と３とを同時に得る。

触媒膜の成膜していないステンレス薄板の場合、ＣＣＶＤ炉において加熱しながら水素ガスなどの還元性ガスを先に導入し、炭素繊維を成膜すべき部分のステンレス表面の不動態膜を除去しておく。それと同時にステンレス素材のＦｅあるいはＮｉが表面に析出され、炭素繊維の成長の触媒となる。続いて炭素源ガスを導入し、炭素繊維を成長させれば、触媒膜を成膜しておかなくても、ステンレスの両面に炭素繊維２と３が得られる。

次に、本発明の実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
ここで、ステンレス薄板に流路を持つ炭素繊維を形成する場合の実施例を示す。流路パターンとしては、図１に示したような、片面には等間隔の平行なストライプ状の模様と、反対側の片面には前記ストライプ状のものを９０回転させた模様を採用した。

薄板素材として０．１ｍｍ厚のステンレス３１６Ｌ薄板を用いた。その両面に流路の溝に対応するストライプ部分をカーボンインクで塗りつぶした。ストライプの幅は０．５ｍｍであった。カーボンインクを乾燥させてからＣＣＶＤ炉に入れた。水素と窒素の混合ガスを流しながら７００℃までに加熱し、ステンレス表面不導態の還元処理と触媒粒子の析出処理を行った。続いて、炭素源ガスとしてアセチレンガスを導入し、炭素繊維を成長させた。

このようにして作製したセパレータの表面をＳＥＭで観察した結果、カーボンインクで塗りつぶした部分には炭素繊維が成長せず、その他の部分には炭素繊維が成長していた。成長した炭素繊維を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて評価したところ、図２のＳＥＭ像に示されるように、純度の高い配向カーボンナノチューブであることが確認された。

炭素繊維とステンレス薄板との界面の状態を調べたところ、カーボンナノチューブが不導態皮膜を突き破って、ステンレス素材と直接結合しており、その間には不動態皮膜が存在していないこと、炭素繊維の間の隙間部分では不動態皮膜が存在していることが確認された。つまり、カーボンナノチューブを通じて高い電気伝導が得られると同時に不導態皮膜の持つ耐食性も確保されていることが示唆された。

本発明のセパレータの構成を示す図である。 ステンレス薄板に成長させた炭素繊維のＳＥＭ像である。

符号の説明

１ 導電性薄板
２ 流路を持つ炭素繊維
３ 別流路を持つ炭素繊維

Claims (1)

1. 導電性薄板と、その片面あるいは両面に流路を有する炭素繊維とで構成された燃料電池セパレータおよびその製造方法。

Images