JP2009123352A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータの製造方法であって、冷却液の導電率増加を抑えて接触抵抗を低減させることである。
【解決手段】隣設する燃料電池用セル間のガスを分離する燃料電池用セパレータ２０の製造方法であって、チタン材またはステンレス鋼等の金属材料で凹凸状のセパレータ基体２２を成形するセパレータ基体成形工程と、セパレータ基体２２の凸面のみに金（Ａｕ）等の導電体で導電層２４を形成する導電層形成工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に係り、特に、隣設する燃料電池用セル間のガスを分離する燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に、酸化剤ガスである空気中の酸素を電気化学反応させて、電気エネルギを作りだしている。そして、水素と酸素とが電気化学反応した結果、水が生成される。

燃料電池の種類には、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。このような固体高分子型の燃料電池は、移動体、例えば、車両等の動力源として用いられている。

固体高分子型の燃料電池は、複数の単セル、集電板、エンドプレート等を積層して組み立てられる。そして、燃料電池用セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。

特許文献１には、金属板を有し、金属板はガス流路部とガス流路部外にセル電圧モニター端子との接触部を有する燃料電池のセパレータであって、ガス流路部では、金属板に金属めっきが施されるとともに金属めっきの上にカーボンコートが施されており、ガス流路部外のセル電圧モニター端子との接触部では、カーボンコート時にセル電圧モニター端子との接触部をマスキングすることにより、金属板に金属めっきが施されたままとすることが記載されている。

特許第３８９１０６９号公報

ところで、燃料電池用セパレータをチタン等の金属材料で製造する場合には、一般的に、電気伝導性の高い金（Ａｕ）等の導電体を表面にめっき等して、ガス拡散層等との間の接触抵抗を低減させている。ここで、セパレータの冷却液流路面まで金（Ａｕ）等の導電体がめっきされると、例えば、金（Ａｕ）等の触媒作用により冷却液の導電率が増加する場合がある。

そこで、本発明の目的は、冷却液における導電率の増加を抑えて、ガス拡散層等との接触抵抗を低減させる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することである。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、隣設する燃料電池用セル間のガスを分離する燃料電池用セパレータの製造方法であって、金属材料で凹凸状のセパレータ基体を成形するセパレータ基体成形工程と、セパレータ基体の凸面のみに導電体で導電層を形成する導電層形成工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、導電層形成工程は、セパレータ基体の凸面のみに金属めっきして導電層を形成することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、金属めっきは、金めっきであることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、セパレータ基体成形工程は、チタン材料またはステンレス鋼でセパレータ基体を成形することを特徴とする。

上記のように本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、セパレータの冷却液流路面には金（Ａｕ）等の導電層の形成が抑制されるので、冷却液における導電率の増加を抑えてガス拡散層等との接触抵抗を低減させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。まず、燃料電池用セルの構成について説明する。図１は、燃料電池用セル１０の断面を示す図である。燃料電池用セル１０は、電解質膜１２と、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを一体化し、燃料電池の電極を形成する膜電極接合体１８(Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ)と、隣設する燃料電池用セル間の燃料ガスまたは酸化剤ガスを分離するセパレータ２０と、を含んで構成される。

電解質膜１２は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜１２の材料には、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。

触媒層１４は、アノード極側での水素の酸化反応や、カソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層１４は、触媒と、触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積をより大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着させて使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、より小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。

ガス拡散層１６は、燃料ガスである水素ガス等と、酸化剤ガスである空気等とを触媒層１４に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層１６には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等が使用される。

セパレータ２０は、膜電極接合体１８に積層され、隣設する燃料電池用セルにおける燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能を有している。また、セパレータ２０は、隣設する燃料電池用セルを電気的に接続する機能を有している。セパレータ２０は、金属材料で凹凸状に成形されたセパレータ基体２２と、セパレータ基体２２の凸面のみに形成された導電層２４と、を有している。セパレータを凹凸状とすることにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路２６と、エチレングリコール等が含有される冷却液ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ−Ｌｉｆｅ−Ｃｏｏｌａｎｔ）が流れる冷却液流路２８と、が形成される。

セパレータ基体２２は、チタン及びチタン合金のチタン材料や、ＳＵＳ３１６Ｌ及びＳＵＳ３０４のステンレス鋼で成形されることが好ましい。これらの金属材料は、機械的強度が高く、その表面に安定な酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＣｒＯ₂、ＣｒＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃等）からなる不働態膜等の不活性皮膜が形成されるため、優れた耐食性を有するからである。ステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼等を用いることができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ基体２２は、上記金属材料に限定されることなく他の金属材料で成形されてもよい。

導電層２４は、導電体である金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料により形成される。これらの金属材料は、電気伝導率が高いので、膜電極接合体１８または隣設する燃料電池用セルのセパレータ２９との間の接触抵抗をより小さくすることができるからである。これらの金属材料の中でも、金（Ａｕ）は、耐食性に優れており、電気伝導率が大きいので、導電層２４を形成する金属材料として好ましい。また、導電層２４は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の合金で形成されてもよい。

なお、ガス拡散層１６とセパレータ２０との間に、より多くの燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すために、エキスパンドメタル、メタルラスまたは金属多孔体等のガス流路構造体（図示せず）を設けてもよい。

次に、燃料電池用セパレータ２０の製造方法について説明する。

図２は、燃料電池用セパレータ２０の製造方法を示すフローチャートである。燃料電池用セパレータ２０の製造方法は、セパレータ基体成形工程（Ｓ１０）と、洗浄工程（Ｓ１２）と、中和工程（Ｓ１４）と、酸洗工程（Ｓ１６）と、導電層形成工程（Ｓ１８）と、を含んで構成される。

セパレータ基体成形工程（Ｓ１０）は、金属材料を凹凸状に加工してセパレータ基体２２を成形する工程である。セパレータ基体２２は、例えば、金属シートをプレス加工等することにより成形される。セパレータ基体２２は、ディンプル形状やコルゲート形状等の凹凸状に成形される。加工装置には、一般的に、金属材料のプレス加工等に使用される加工装置が用いられる。

洗浄工程（Ｓ１２）は、セパレータ基体２２を洗浄する工程である。セパレータ基体２２は、例えば、アルカリ浸漬脱脂等で洗浄される。アルカリ浸漬脱脂には、苛性ソーダ等のアルカリ性溶液が使用される。セパレータ基体２２をアルカリ浸漬脱脂等で洗浄することにより、セパレータ基体２２の表面に付着した油分等が除去される。

中和工程（Ｓ１４）は、洗浄後のセパレータ基体２２に残留したアルカリ溶液を中和して除去する工程である。中和処理は、洗浄処理後のセパレータ基体２２を中和液に浸漬して行われる。中和液には、硫酸溶液、塩酸溶液、硝酸溶液等が使用される。そして、中和液から取り出されたセパレータ基体２２は、脱イオン水等で洗浄される。

酸洗工程（Ｓ１６）は、中和処理等がされたセパレータ基体２２を酸洗して、セパレータ基体２２の表面から酸化物を除去する工程である。酸洗処理は、セパレータ基体２２を硝弗酸溶液または弗酸溶液等の弗化物を含有した溶液に浸漬して行われる。セパレータ基体２２が弗化物を含有した溶液に浸漬されると、セパレータ基体２２の表面に生成した酸化物がエッチィングされる。弗化物を含有した溶液から取り出されたセパレータ基体２２は、脱イオン水等で洗浄される。

導電層形成工程（Ｓ１８）は、酸洗処理されたセパレータ基体２２の凸面に、金（Ａｕ）等の導電体で導電層２４を形成する工程である。金（Ａｕ）等のコーティングには、例えば、電解めっき法による金属めっきを用いることができる。電解めっき法には、一般的な、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の電解めっき法が用いられる。

導電層２４として金（Ａｕ）めっき層をセパレータ基体２２の凸面に被覆する場合には、例えば、シアン化金カリウムや亜硫酸金ナトリウム等を含む金めっき浴が使用される。金めっき浴には、アルカリ性、中性または酸性のめっき浴が使用される。また、導電層２４を形成する金（Ａｕ）粒子等の粒径は、電流密度、めっき処理時間、添加剤等で制御される。

図３は、めっき装置３０の構成を示す図である。めっき装置３０は、めっき液を溜めるめっき液槽３２と、めっき液を汲み上げる第１ローラ３４と、セパレータ基体２２を第１ローラ３４と所定圧力で挟持する第２ローラ３６と、を有している。

第１ローラ３４と第２ローラ３６とは、例えば、耐食性に優れたステンレス鋼等で製造される。第１ローラ３４のローラ面には、めっき液を保持するためにレーヨン製不織布（フェルト）等の保液材３８が設けられる。そして、第１ローラ３４と第２ローラ３６とは電源に接続され、第１ローラ３４は陽極に、第２ローラ３６は陰極に接続される。

第１ローラ３４で汲み上げられためっき液がセパレータ基体２２と接触することにより、セパレータ基体２２の接触部に導電体がめっきされる。セパレータ基体２２の一方の面を第１ローラ３４と接触させて、一方の凸面に導電体をめっきした後、セパレータ基体２２の他方の面を第１ローラ３４と接触させて他方の凸面に導電体をめっきする。これにより、膜電極接合体１８または隣設する燃料電池用セルのセパレータ２９と接触するセパレータ基体２２の凸面に導電体で導電層２４が形成される。このめっき装置３０によれば、ガス流路面や冷却液流路面等の凸面以外をマスキング等することなく凸面のみに導電層２４を形成することができるので、燃料電池用セパレータ２０の製造コストを抑えることができる。

また、プレス加工等により成形されたセパレータ基体２２に反りやうねりがある場合でも、第１ローラ３４及び第２ローラ３６によりセパレータ基体２２に所定圧力が負荷された状態でめっきされるため、セパレータ基体２２の凸面により均一にめっきすることができる。

図４は、めっき装置３０により導電層２４を形成する場合を示す図である。また、図５は、スパッタリング装置により導電層２４を形成する場合を示す図である。図４に示すように、セパレータ基体２２に反りやうねりが生じた場合でも第１ローラ３４の押付け圧を上げることにより矯正されるため、セパレータ基体２２の凸面により均一にめっきすることができる。これに対して、図５に示すようにスパッタリング装置等でセパレータ基体２２に導電層２４を形成する場合には、セパレータ基体２２に反りやうねりが生じていると、セパレータ基体２２の凸面に均一に導電層２４を形成することが難しくなる。そのため、スパッタリング装置等で導電層２４を形成する場合には、セパレータ基体２２の反りやうねりを矯正するため、焼鈍し等の矯正工程が更に必要になる。図３に示すめっき装置３０を用いて導電層２４を形成する場合には、セパレータ基体２２に反りやうねり等が生じても焼鈍等の矯正工程が不要なため燃料電池用セパレータ２０の製造コストを更に低減することができる。

勿論、導電層形成手段には、上述した電解めっき法に限定されることなく、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、塗布法、インクジェット法等の他のコーティング手段を用いてもよい。物理蒸着法（ＰＶＤ法）では、スパッタリング法、イオンプレーティング法等で金（Ａｕ）等をコーティングすることができる。塗布法では、金（Ａｕ）等の粒子を有機溶剤等のバインダー中に分散させてスラリーを作製し、金（Ａｕ）等の粒子が分散したスラリーを塗布してコーティングすることができる。また、インクジェット法では、例えば、金（Ａｕ）等の粒子を分散させた超微粒子のメタルインクを用いてコーティングされる。

導電層２４を金で形成した場合には、導電層２４の厚みは、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。導電層２４の厚みが２ｎｍより小さい場合には、セパレータ２０の接触抵抗が大きくなるからである。また、導電層２４の厚みが１００ｎｍ以下より大きい場合には、高価な金で導電層２４を形成するため製造コストが増加するからである。なお、導電層２４を金で形成した場合には、導電層２４の厚みは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。以上で、燃料電池用セパレータ２０の製造が完了する。

図６は、導電層２４が形成されたディンプル状セパレータ５０を示す図であり、図６（Ａ）はディンプル状セパレータ５０の模式図であり、図６（Ｂ）はディンプル部位の拡大図であり、図６（Ｃ）はディンプル部位のＡ−Ａ断面図である。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、円筒状突起の外径は、例えば、０．５ｍｍから３．０ｍｍであり、円筒状突起のピッチは、例えば、０．６ｍｍから５．０ｍｍであり、円筒状突起の高さは、例えば、０．０５ｍｍから０．６ｍｍである。金（Ａｕ）めっき層等の導電層２４は、膜電極接合体１８または隣設する燃料電池用セルのセパレータと接触する凸面のみに形成され、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路面や冷却液が流れる冷却液流路面には形成されない。なお、セパレータ２０のガス流路面に、耐食性を向上させるためチタン酸化物（ＴｉＯ₂）等を被覆してもよい。

以上、上記構成によれば、燃料電池用セパレータの冷却液流路面には金（Ａｕ）等による導電層の形成が抑制されるので、冷却液の導電率増加を抑えてガス拡散層等との接触抵抗を低減させることができる。

上記構成によれば、膜電極接合体１８または隣設する燃料電池用セルのセパレータと接触する接触面のみに金（Ａｕ）等による導電層が形成されるので、燃料電池用セルの製造コストをより低減することができる。

（実施例）
３種類のセパレータ供試体を作製し、冷却液における導電率の変化について評価した。

まず、実施例１のセパレータ供試体の作製方法について説明する。純チタンシートをプレス加工して凹凸状のチタンシートを成形し、アルカリ浸漬脱脂して洗浄し、凹凸状チタンシートに付着した油分を除去した。アルカリ脱脂洗浄した凹凸状チタンシートを硫酸溶液中に浸漬して中和した。次に、凹凸状チタンシートを硝弗酸溶液中に浸漬して酸洗し、凹凸状チタンシートの表面に生成した酸化物をエッチィングして除去した。そして、酸洗した凹凸状チタンシートの凸面にのみ導電層である金めっき層を形成した。金めっき層の形成は、アルカリ性金めっき浴を使用して電解めっき法により行った。金めっきには、図３に示すめっき装置３０を用いた。金めっき層の膜厚は１０ｎｍとした。

次に、比較例１のセパレータ供試体の作製方法について説明する。純チタンシートをプレス加工して凹凸状のチタンシートを成形し、アルカリ浸漬脱脂して洗浄し、凹凸状チタンシートに付着した油分を除去した。アルカリ脱脂洗浄した凹凸状チタンシートを硫酸溶液中に浸漬して中和した。次に、凹凸状チタンシートを硝弗酸溶液中に浸漬して酸洗し、凹凸状チタンシートの表面に生成した酸化物をエッチィングして除去した。そして、酸洗した凹凸状チタンシートの全面に導電層である金めっき層を形成した。金めっき層の形成は、アルカリ性金めっき浴を使用して電解めっき法により行った。金めっき層の形成は、酸洗された凹凸状チタンシートを金めっき液に浸漬して行った。金めっき層の膜厚は１０ｎｍとした。なお、比較例２のセパレータ供試体には、金めっき層を形成しないものを用いた。

３種類のセパレータ供試体を冷却液に浸漬して、冷却液の導電率を測定した。冷却液の導電率測定は、一般的な液体の導電率測定方法により行った。なお、冷却液には、エチレングリコール等を含有するＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を使用した。図７は、冷却液の導電率測定結果を示す図である。図８に示すように、横軸に冷却液浸漬時間を取り、縦軸に導電率（μＳ／ｃｍ）を取り、実施例１のセパレータ供試体を浸漬した冷却液の導電率を黒三角形、比較例１のセパレータ供試体を浸漬した冷却液の導電率を白三角形、比較例２のセパレータ供試体を浸漬した冷却液の導電率を白丸で示した。比較例１のセパレータ供試体を浸漬した冷却液では、浸漬時間の経過とともに冷却液の導電率が増加した。これに対して、実施例１のセパレータ供試体を浸漬した冷却液では、浸漬時間の経過に対してほとんど導電率の増加は認められなかった。これは、実施例１のセパレータ供試体のほうが、比較例１のセパレータ供試体よりも金めっき層の形成されている領域が少なく、ＬＬＣに与える金（Ａｕ）の触媒作用が小さいことによるからである。

本発明の実施の形態において、燃料電池用セルの断面を示す図である。 本発明の実施の形態において、燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、めっき装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、めっき装置により導電層を形成する場合を示す図である。 本発明の実施の形態において、スパッタリング装置により導電層を形成する場合を示す図である。 本発明の実施の形態において、導電層が形成されたディンプル状セパレータを示す図である。 本発明の実施の形態において、冷却液の導電率測定結果を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池用セル、１２ 電解質膜、１４ 触媒層、１６ ガス拡散層、１８ 膜電極接合体、２０、２９ セパレータ、２２ セパレータ基体、２４ 導電層、２６ ガス流路、２８ 冷却液流路、３０ めっき装置、３２ めっき液槽、３４ 第１ローラ、３６ 第２ローラ、３８ 保液材、５０ ディンプル状セパレータ。

Claims (4)

1. 隣設する燃料電池用セル間のガスを分離する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   金属材料で凹凸状のセパレータ基体を成形するセパレータ基体成形工程と、
   セパレータ基体の凸面のみに導電体で導電層を形成する導電層形成工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   導電層形成工程は、セパレータ基体の凸面のみに金属めっきして導電層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   金属めっきは、金めっきであることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   セパレータ基体成形工程は、チタン材料またはステンレス鋼でセパレータ基体を成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。