JP2009224294A - Manufacturing method for fuel cell separator - Google Patents

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健之 菅原
Satoshi Tanaka
聡 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for easily and inexpensively manufacturing a fuel cell separator capable of satisfying various requirements such as conductivity, corrosion resistance, mechanical strength, and thinning. <P>SOLUTION: In the manufacturing method for the fuel cell separator, at least one of a recessed groove 23 for supplying gas and a recessed groove 24 for cooling which are formed on a metal base plate 21 is formed through: (1) a process of filling an electrically conductive resin ink including an electrically conductive filler onto an engraved plate shaped with a convex pattern plate and hardening it, thereby manufacturing a convex electrically conductive resin; (2) a process of applying the electrically conductive resin ink on a metal base plate 21, thereby forming an electrically conductive resin ink layer; (3) a process of setting the engraved plate having the convex electrically conductive resin on the electrically conductive resin ink layer; (4) a process of hardening the electrically conductive resin ink layer; and (5) a process of separating the engraved plate from the convex electrically conductive resin and transcribing the convex electrically conductive resin on the electrically conductive resin ink layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法に関するものであり、特に金属基板を有する燃料電池用のセパレータの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a separator for a fuel cell, and more particularly to a method for manufacturing a separator for a fuel cell having a metal substrate.

燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式であり、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるNOx、SOx、また地球温暖化の原因となるCO の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。
その適用例は携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、用途も規模も多様である。
A fuel cell is a power generation method that converts the chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air, and has high power generation efficiency, excellent quietness, and atmospheric pressure. It is expected as new energy because of the advantages such as NOx and SOx that cause pollution and low CO 2 emission that causes global warming.
Examples of its application include a variety of uses and scales such as long-term power supply for portable electrical devices, stationary power generation hot water supply machines for cogeneration, and fuel cell vehicles.

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ型等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能である。   The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc., depending on the electrolyte used. Is also different. A polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte can operate at a relatively low temperature, and the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane, so that high output and compactness are possible. .

燃料電池は電解質膜の一方の面にアノード(燃料極)、他方の面にカソード(酸化剤極)を設けた膜電極接合体(以下MEAと称す場合がある)の両側に、セパレータを配した単電池セルを単数あるいは複数積層した構造を有している。   In a fuel cell, separators are arranged on both sides of a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as MEA) in which an anode (fuel electrode) is provided on one surface of an electrolyte membrane and a cathode (oxidant electrode) is provided on the other surface. It has a structure in which one or more single battery cells are stacked.

図4は前記電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
電解質膜1の両面に常法により触媒層2、3を接合・積層して膜電極結合体12が形成される。
FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of one embodiment of a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the electrolyte membrane.
The membrane electrode assembly 12 is formed by joining and laminating the catalyst layers 2 and 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 1 by a conventional method.

図5は、この膜電極結合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。
図4および図5に示したように、従来の固体高分子型燃料電池(PEFC)の単セルは、固体高分子電解質膜1(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)をそれぞれカーボンブラック粒子に触媒物質[主として白金(Pt)あるいは白金族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir)]を担持した空気極側触媒層2と燃料極側触媒層3とで挟持し、この空気極側触媒層2と燃料極側触媒層3とをそれぞれ空気極側ガス拡散層4と燃料極側ガス拡散層5で挟持して空気極6および燃料極7を構成した膜電極接合体12を備えている。
そして、空気極側ガス拡散層4と燃料極側ガス拡散層5に面して反応ガス流通用の凹状溝(ガス流路)8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セルが構成される。
そして、空気などの酸化剤を空気極6に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極7に供給して発電するようになっている。
FIG. 5 is an exploded sectional view showing the configuration of an embodiment of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly 12.
As shown in FIG. 4 and FIG. 5, a conventional unit cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a solid polymer electrolyte membrane 1 (perfluorocarbon sulfonic acid membrane) formed on a carbon black particle as a catalyst substance [mainly. [Platinum (Pt) or platinum group metal (Ru, Rh, Pd, Os, Ir)] supported between the air electrode side catalyst layer 2 and the fuel electrode side catalyst layer 3, and the air electrode side catalyst layer 2 and the fuel. There is provided a membrane electrode assembly 12 that constitutes an air electrode 6 and a fuel electrode 7 by sandwiching an electrode side catalyst layer 3 between an air electrode side gas diffusion layer 4 and a fuel electrode side gas diffusion layer 5.
Then, facing the air electrode side gas diffusion layer 4 and the fuel electrode side gas diffusion layer 5, there is provided a concave groove (gas channel) 8 for circulating the reaction gas, and a cooling water channel 9 for circulating cooling water on the opposing main surface. A single cell is configured by being sandwiched by a pair of separators 10 made of a conductive and gas-impermeable material.
An oxidant such as air is supplied to the air electrode 6, and a fuel gas containing hydrogen or an organic fuel is supplied to the fuel electrode 7 to generate electricity.

すなわち、燃料極7、空気極6のそれぞれに反応ガスが供給されると、各電極触媒層中の触媒粒子表面において、下記の式(1)、(2)の電気化学反応が生じ直流電力を発生する。
燃料極側:2H →4H +4e 式(1)
空気極側:O +4H +4e →2H O 式(2)
燃料極側では水素分子(H )の酸化反応が起こり、空気極側では酸素分子(O )の還元反応が起こることで、燃料極7側で生成されたH イオンは固体高分子電解質膜1中を空気極6側に向かって移動し、e (電子)は外部の負荷を通って空気極6側に移動する。
一方、空気極6側では酸化剤ガスに含まれる酸素と、燃料極7側から移動してきたH イオンおよびe とが反応して水が生成される。かくして、固体高分子形燃料電池は、水素と酸素から直流電流を発生し、水を生成することになる。
That is, when a reaction gas is supplied to each of the fuel electrode 7 and the air electrode 6, an electrochemical reaction of the following formulas (1) and (2) occurs on the surface of the catalyst particles in each electrode catalyst layer to generate DC power. appear.
Fuel electrode side: 2H 2 → 4H + + 4e Formula (1)
Air electrode side: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O Formula (2)
The oxidation reaction of hydrogen molecules (H 2 ) occurs on the fuel electrode side, and the reduction reaction of oxygen molecules (O 2 ) occurs on the air electrode side, so that H + ions generated on the fuel electrode 7 side are solid polymer electrolytes. The film 1 moves toward the air electrode 6 side, and e (electrons) move to the air electrode 6 side through an external load.
On the other hand, on the air electrode 6 side, oxygen contained in the oxidant gas reacts with H + ions and e that have moved from the fuel electrode 7 side to generate water. Thus, the polymer electrolyte fuel cell generates a direct current from hydrogen and oxygen to generate water.

前記のように燃料極7に対向するセパレータ10表面には、燃料を流通させるための凹状溝8が設けられている。
また、空気極6に対向するセパレータ10表面には、酸化剤ガスを流通させるための凹状溝8が設けられている。
As described above, the surface of the separator 10 facing the fuel electrode 7 is provided with the concave groove 8 for allowing the fuel to flow.
In addition, a concave groove 8 for allowing the oxidant gas to flow is provided on the surface of the separator 10 facing the air electrode 6.

燃料としては、水素を主体とした改質ガス(又は水素ガス)や、メタノール水溶液などが用いられている。   As the fuel, a reformed gas (or hydrogen gas) mainly composed of hydrogen, an aqueous methanol solution, or the like is used.

しかし、前記空気極側の還元反応(酸素分子(O )の4電子還元)は難しく、空気極側において副反応として下記の電気化学反応(酸素分子(O )の2電子還元)が生じて多くのH が発生する。そして不純物としてFe(II)などが存在するとその触媒作用でH が分解され、OH・(OHラジカル)とOH が生成する。 However, the reduction reaction on the air electrode side (4-electron reduction of oxygen molecules (O 2 )) is difficult, and the following electrochemical reaction (2-electron reduction of oxygen molecules (O 2 )) occurs as a side reaction on the air electrode side. A lot of H 2 O 2 is generated. When Fe (II) or the like is present as an impurity, H 2 O 2 is decomposed by the catalytic action, and OH · (OH radical) and OH are generated.

空気極側:O +2H +2e →H
+Fe(II)→OH・+OH +Fe(III )
生成したOH・(OHラジカル)は酸化力が大きく、固体高分子電解質膜1を酸化し分解し劣化する。
Air electrode side: O 2 + 2H + + 2e → H 2 O 2
H 2 O 2 + Fe (II) → OH · + OH + Fe (III)
The generated OH · (OH radical) has a large oxidizing power and oxidizes and decomposes and degrades the solid polymer electrolyte membrane 1.

直接メタノール型燃料電池は、メタノール水溶液を直接MEAに供給する方式の燃料電池であり、ガス改質器が不要、かつ、体積基準のエネルギー密度が高いメタノール水溶液を利用できることから、装置の更なる小型化が可能であり、携帯電気機器(例えば携帯音楽プレーヤー、携帯電話、ノート型パソコン、携帯型テレビ等)のポータブル電源としての展開が期待されている。   The direct methanol fuel cell is a fuel cell that directly supplies an aqueous methanol solution to the MEA, and does not require a gas reformer and can use an aqueous methanol solution with a high volume-based energy density. Development of portable electric devices (for example, portable music players, mobile phones, notebook computers, portable televisions, etc.) as portable power sources is expected.

直接メタノール型燃料電池の発電方法としては、電解質膜1を介して、メタノールと(酸化剤ガスに含まれる)酸素を、燃料極側触媒層3および空気極側触媒層2に含まれる触媒粒子表面において、下記の式(3)〜(5)の電気化学反応を生じさせる方法を用いている。
燃料極側反応:CHOH+HO→CO +6H +6e 式(3)
空気極側反応:6H +(3/2)O +6e →3HO 式(4)
全反応: CHOH+(3/2)O →CO +2HO 式(5)
As a power generation method of the direct methanol fuel cell, methanol and oxygen (included in the oxidant gas) are passed through the electrolyte membrane 1 and the surface of the catalyst particles contained in the fuel electrode side catalyst layer 3 and the air electrode side catalyst layer 2. The method of causing the electrochemical reaction of the following formulas (3) to (5) is used.
Fuel electrode side reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (3)
Air electrode side reaction: 6H + + (3/2) O 2 + 6e → 3H 2 O Formula (4)
Total reaction: CH 3 OH + (3/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 O Formula (5)

燃料極7側では、供給されたメタノールおよびその水溶液が、燃料極側触媒層3での式(3)の反応により炭酸ガス、水素イオン、及び電子に解離する。
この際、蟻酸等の中間生成物も微量発生する。
On the fuel electrode 7 side, the supplied methanol and its aqueous solution are dissociated into carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons by the reaction of the formula (3) in the fuel electrode side catalyst layer 3.
At this time, a small amount of intermediate products such as formic acid are also generated.

生成された水素イオンは電解質膜1中を燃料極7から空気極側6に移動し、空気極触媒層2において、空気中から供給された酸素ガスおよび電子と、式(4)に従って反応し、水が生成する。   The generated hydrogen ions move in the electrolyte membrane 1 from the fuel electrode 7 to the air electrode side 6, and in the air electrode catalyst layer 2, react with oxygen gas and electrons supplied from the air according to the equation (4), Water is produced.

単位電池セルの電圧は、室温近傍において理論上約1.2Vであるが、燃料極7で電気化学反応せずに電解質膜1中を空気極側6に移動してしまうメタノールクロスオーバーや、水素イオンが電解質膜1を透過する際の抵抗により、実質的には0.85〜1.0Vとなる。   The voltage of the unit battery cell is theoretically about 1.2 V in the vicinity of room temperature, but methanol crossover or hydrogen that moves in the electrolyte membrane 1 to the air electrode side 6 without electrochemical reaction at the fuel electrode 7 or hydrogen. The resistance is substantially 0.85 to 1.0 V due to the resistance when ions pass through the electrolyte membrane 1.

実用上、連続運転条件下で電圧が0.3〜0.6V程度となるように電流密度が設定されるため、実際に電源として用いる場合には、所定の電圧が得られるように、複数の単位電池セル(前記単セル)を直列接続して使用する必要がある。   In practice, the current density is set so that the voltage is about 0.3 to 0.6 V under continuous operation conditions. Therefore, when actually used as a power source, a plurality of voltages are used so that a predetermined voltage can be obtained. It is necessary to use unit battery cells (the single cells) connected in series.

電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、MEA12をセパレータ10で挟持して成る単電池セルを複数積層(スタック)した構造が用いられている。
必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60〜90枚程度、自動車用途では250〜400枚程度といわれている。
高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、単セルの厚みやコストが燃料電池本体のサイズや価格に大きく影響することになる。
As the battery structure, for the purpose of increasing the output density and making the entire fuel cell compact, a structure in which a plurality of single battery cells in which the MEA 12 is sandwiched between the separators 10 is stacked is used.
Depending on the power required, the number of stacks varies. Generally, a portable power supply for portable electric devices has several to about 10 sheets, a stationary electric and hot water supply machine for cogeneration has about 60 to 90 sheets, and an automotive application has 250 to 400 sheets. It is said to be about a sheet.
In order to increase the output, the number of stacks must be increased, and the thickness and cost of a single cell greatly affect the size and price of the fuel cell body.

燃料電池用セパレータは燃料電池の単位セルを形成する保持支持体であり、燃料(水素、メタノール等)や酸素を供給する供給経路となる。燃料極に対向するセパレータ表面には、燃料を流通させるための燃料ガス流路である凹状溝が設けられている。また、空気極に対向するセパレータ表面には、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路である凹状溝が設けられている。   The fuel cell separator is a holding support that forms a unit cell of the fuel cell, and serves as a supply path for supplying fuel (hydrogen, methanol, etc.) and oxygen. The separator surface facing the fuel electrode is provided with a concave groove which is a fuel gas flow path for allowing the fuel to flow. In addition, a concave groove which is an oxidant gas flow path for allowing the oxidant gas to flow is provided on the separator surface facing the air electrode.

燃料電池用セパレータは、燃料や酸素の供給を制御する他、集電体としての役割も有している。このため、全体としての体積抵抗が小さく、MEAとの接触抵抗が低くなるよう、優れた導電性が必要である。また、還元性の水素ガス、空気等の酸化剤ガス、冷却水などの冷却媒体、その他反応副生成物(蟻酸、水蒸気等)に曝され、さらに通電による電気化学反応の作用も受けるため、これらに対する耐食性も重要な特性である。その他、水などの反応生成物の除去、燃料の外部漏出防止等の役割も大きい。   In addition to controlling the supply of fuel and oxygen, the fuel cell separator also has a role as a current collector. Therefore, excellent conductivity is required so that the overall volume resistance is small and the contact resistance with the MEA is low. These are also exposed to reducing hydrogen gas, oxidant gases such as air, cooling media such as cooling water, and other reaction by-products (formic acid, water vapor, etc.), and are also subject to electrochemical reactions due to energization. Corrosion resistance is also an important property. In addition, it plays a major role in removing reaction products such as water and preventing external leakage of fuel.

燃料電池用セパレータの基材としては、非金属系と金属系に大別できる。非金属系セパレータとしては緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料(特許文献1)、樹脂材料がある。カーボン系材料は耐食性に優れているが、機械的耐性に乏しいため薄型化が難しい。また、プレス加工が困難であり、切削加工により流路やマニホールドを成型することになる結果、加工コストが高くなり量産性に問題がある。
そこで樹脂材料を使用することでガス不透過性、加工性の問題はある程度解消されるが、導電性フィラーを混入しないと導電性を発現することが困難であり、また導電性フィラーを混入し過ぎると十分なガス不透過性を確保するのが困難となる。
The base material for the fuel cell separator can be roughly classified into a non-metallic type and a metallic type. Non-metallic separators include carbon-based materials such as dense carbon graphite (Patent Document 1) and resin materials. Carbon-based materials are excellent in corrosion resistance, but are difficult to reduce in thickness due to poor mechanical resistance. In addition, it is difficult to press work, and as a result of forming the flow path and the manifold by cutting, the processing cost increases and there is a problem in mass productivity.
Therefore, by using resin materials, the problems of gas impermeability and workability are solved to some extent, but it is difficult to develop conductivity unless conductive filler is mixed, and too much conductive filler is mixed. It is difficult to ensure sufficient gas impermeability.

金属系セパレータの材料としてはステンレス鋼(SUS)、チタン、アルミニウム等が挙げられる(特許文献2)。これらの材料は強度、延性に優れていることから、流路やマニホールドを成型するためのプレス加工が容易であり、加工コストが安価で量産性に優れている。さらには板厚の薄い金属を用いることが可能であり、燃料電池スタックの質量や容積を低減できる効果もある。   Examples of the material for the metal separator include stainless steel (SUS), titanium, and aluminum (Patent Document 2). Since these materials are excellent in strength and ductility, they are easy to press for molding flow paths and manifolds, have low processing costs, and are excellent in mass productivity. Furthermore, it is possible to use a metal with a thin plate thickness, and there is an effect that the mass and volume of the fuel cell stack can be reduced.

しかし、金属系セパレータは燃料電池の使用環境雰囲気において耐食性に問題がある。
セパレータ基材の電位が活性態域および過不動態域にあたると、金属の腐食が促進され、セパレータとMEAとの接触抵抗が増大する。またセパレータからの溶出金属イオンが電解質膜に捕捉されると、電解質膜のプロトン伝導能が低下する。
さらには溶出金属イオンが存在すると空気極において過酸化水素等のラジカル性化学種が発生し、このラジカル性化学種の作用により電解質膜の劣化も引き起こす。
セパレータ基材の電位が不動態域であった場合、腐食の進行は小さいが、不働態皮膜が成長する。通常不働態皮膜は水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物等で構成されている。これら化合物の殆どは電気伝導性に乏しいため、金属セパレータの不働態皮膜が成長するに従って、電気抵抗が増大し、電池性能が劣化する。
However, the metal separator has a problem in corrosion resistance in the environment where the fuel cell is used.
When the potential of the separator substrate is in the active state region and the overpassive region, the corrosion of the metal is promoted, and the contact resistance between the separator and the MEA is increased. In addition, when the eluted metal ions from the separator are captured by the electrolyte membrane, the proton conductivity of the electrolyte membrane decreases.
Further, when the eluted metal ions are present, radical chemical species such as hydrogen peroxide are generated at the air electrode, and the electrolyte membrane is also deteriorated by the action of the radical chemical species.
When the potential of the separator substrate is in a passive region, the progress of corrosion is small, but a passive film grows. Usually, the passive film is composed of hydroxide, oxyhydroxide, oxide or the like. Since most of these compounds have poor electrical conductivity, the electrical resistance increases and the battery performance deteriorates as the passive film of the metal separator grows.

金属系セパレータの改良策として、高い導電性および耐食性を持つ貴金属をめっき、スパッタ等によりコーティングする方法(特許文献3、4)が報告されている。
しかし、セパレータ表面全体に対して、ピンホールを生じない程度の膜厚のコーティングを施すには、かなりの金属量が必要であるため、コスト的な問題が懸念される。
特開2001−6703号公報 特開2002−190305号公報 特開2001−297777号公報 特開2003−338296号公報
As a measure for improving the metal separator, a method of coating a noble metal having high conductivity and corrosion resistance by plating, sputtering or the like (Patent Documents 3 and 4) has been reported.
However, since a considerable amount of metal is required to coat the entire separator surface with a film thickness that does not cause pinholes, there is a concern about cost problems.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-6703 JP 2002-190305 A JP 2001-297777 A JP 2003-338296 A

本発明の目的は前述した背景技術における問題点を考慮し、金属をセパレータの基板として用い、表面に導電性フィラーを混合した樹脂層を形成することで、導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等の各種要求特性を満たす燃料電池用セパレータを、容易かつ安価に製造する方法を提供することである。   The object of the present invention is to consider the problems in the background art described above, and by using a metal as a separator substrate and forming a resin layer mixed with a conductive filler on the surface, conductivity, corrosion resistance, mechanical strength, thinness It is an object of the present invention to provide a method for easily and inexpensively manufacturing a fuel cell separator that satisfies various required characteristics such as conversion.

請求項1に記載の発明は、金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝を形成し、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための冷却用凹状溝を形成してなる燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記(1)〜(5)の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
(1)凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填、硬化し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
(2)前記金属基板上に導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層を形成する工程
(3)前記導電性樹脂インク層上に前記凸形状の導電性樹脂を有する凹版を設置する工程
(4)前記導電性樹脂インク層を硬化する工程
(5)前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記導電性樹脂インク層上に転写する工程
請求項2に記載の発明は、前記凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。
請求項3に記載の発明は、前記導電性フィラーが、カーボン繊維もしくは導電性粉体またはその混合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。
請求項4に記載の発明は、前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の深さが、50μm以上700μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。
請求項5に記載の発明は、前記金属基板が、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選択される材料を少なくとも1つ以上用いて形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかにのいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。
According to the first aspect of the present invention, a concave groove for gas supply for supplying a reaction gas to the electrode is formed on one surface on the metal substrate, and a cooling refrigerant is supplied on the other surface. In the manufacturing method of the separator for a fuel cell formed by forming a concave groove for cooling,
At least one of the concave groove for gas supply and the concave groove for cooling is formed by using the following steps (1) to (5).
(1) A step of filling a conductive resin ink containing a conductive filler into an intaglio stamped from a convex mold and curing it to produce a convex conductive resin. (2) Conductivity on the metal substrate. Step of applying resin ink to form a conductive resin ink layer (3) Step of placing an intaglio plate having the convex conductive resin on the conductive resin ink layer (4) Curing the conductive resin ink layer (5) A step of peeling the intaglio from the convex conductive resin and transferring the convex conductive resin onto the conductive resin ink layer. The invention according to claim 2, wherein the intaglio It consists of silicone resin, The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
The invention according to claim 3 is the method for producing a separator for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the conductive filler is carbon fiber, conductive powder or a mixture thereof.
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the depths of the concave groove for gas supply and the concave groove for cooling are 50 μm or more and 700 μm or less. It is a manufacturing method of a separator.
The invention according to claim 5 is that the metal substrate is formed using at least one material selected from the group consisting of pure iron, iron alloy, pure copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. It is a manufacturing method of the separator for fuel cells in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.

本発明によれば、金属をセパレータの基板として用い、表面に導電性フィラーを混合した樹脂層を形成することで、導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等の各種要求特性を満たす燃料電池用セパレータを、容易かつ安価に製造する方法を提供することができる。   According to the present invention, a fuel cell satisfying various required characteristics such as conductivity, corrosion resistance, mechanical strength, and thinning is formed by using a metal as a separator substrate and forming a resin layer with a conductive filler on the surface. It is possible to provide a method for easily and inexpensively manufacturing the separator for use.

また本発明では、金属基板を用いるために高い機械的強度を有し、堅牢性を維持したまま、薄型化および軽量化した燃料電池用セパレータを提供することが可能であり、かつ、導電性樹脂部分を有しているため金属基板で懸念される酸化皮膜成長による導電性の低下を招くことなく、高い耐食性を確保したまま、導電性を有することが出来る。また、導電性耐食皮膜の形成方法としてウェットプロセスを用いることが出来るためドライプロセスを適用した場合のような高価な設備を必要とすることなく連続的に安価にセパレータの製造をすることが可能となる。   Further, in the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator that has a high mechanical strength due to the use of a metal substrate and is thin and lightweight while maintaining its robustness, and a conductive resin. Since it has a portion, it can have conductivity while ensuring high corrosion resistance without causing a decrease in conductivity due to oxide film growth, which is a concern for metal substrates. In addition, since a wet process can be used as a method for forming a conductive corrosion-resistant film, it is possible to manufacture a separator continuously and inexpensively without requiring expensive equipment as in the case of applying a dry process. Become.

さらに本発明では、凹版により形成された凸形状の導電性樹脂を転写する際、金属基板上に予め塗布されている導電性樹脂インクからなる導電性樹脂インク層を介して該凸形状の導電性樹脂を接着させることを特徴とする。これにより、凸型状の導電性樹脂の転写が容易となり、より簡便にセパレータの製造をすることが可能となる。また、転写前に凸型状の導電性樹脂を完全硬化させることもできるため、転写時における形状の寸法変化を防止し、所望の形状を、より正確に再現することが可能となる。また、金属基板の耐食性をさらに向上させることができ、かつ金属基板と導電性樹脂との密着力を向上させることもできる。   Furthermore, in the present invention, when the convex conductive resin formed by the intaglio is transferred, the convex conductive is passed through the conductive resin ink layer made of the conductive resin ink previously applied on the metal substrate. It is characterized by adhering resin. Thereby, the transfer of the convex conductive resin is facilitated, and the separator can be more easily manufactured. Further, since the convex conductive resin can be completely cured before the transfer, it is possible to prevent a dimensional change of the shape at the time of transfer and to reproduce a desired shape more accurately. In addition, the corrosion resistance of the metal substrate can be further improved, and the adhesion between the metal substrate and the conductive resin can be improved.

以下、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について、図面を用いて説明する。
図1は、本発明の燃料電池用セパレータの要部断面を模式的に示す説明図である。
図1に示したように、本発明の燃料電池用セパレータは、金属基板21の一方の面上に反応ガスを供給するための凹状溝A23が、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための凹状溝B24が、導電性フィラーとして例えばカーボン粉末を含有して構成された導電性樹脂22によって形成されている。平滑な金属基板21上の両側に凹状溝23,24をそれぞれ形成するため、プレス加工にて形成された流路と比較すると、凹状溝A23の形状に依存することなく凹状溝B 24を形成することができ、それぞれの流路に対して最適な設計を施すことができる。また、例えば凹版にシリコーン樹脂を用い、導電性樹脂インクを凹版に充填し型取り、金属基板に転写する方法(以下シリコーン型取り法ともいう)を採用することによって、通常の印刷法などでは不可能である数百μm程度の高さの凸型形状の一括形成が可能となる。
Hereinafter, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention is demonstrated using drawing.
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross section of a main part of a fuel cell separator of the present invention.
As shown in FIG. 1, in the separator for a fuel cell of the present invention, a concave groove A23 for supplying a reaction gas on one surface of a metal substrate 21 supplies a coolant for cooling on the other surface. The concave groove B24 is formed by the conductive resin 22 configured to contain, for example, carbon powder as the conductive filler. Since the concave grooves 23 and 24 are respectively formed on both sides of the smooth metal substrate 21, the concave groove B 24 is formed without depending on the shape of the concave groove A23 as compared with the flow path formed by pressing. And an optimal design can be applied to each flow path. In addition, for example, by using a silicone resin for the intaglio, filling the intaglio with conductive resin ink, taking a mold, and transferring to a metal substrate (hereinafter also referred to as a silicone mold-making method), it is not possible with a normal printing method. It is possible to form a convex shape having a height of about several hundred μm.

図2(a)〜(c)に本発明における凹版の製造方法を示す。凹状溝Aおよび凹状溝Bと同様の形状を有する凸型母型25上にシリコーン樹脂からなる溶液26を流し込み硬化後凸型母型25より剥離することにより、凸型母型と逆形状となる凹版27を形成する。   2A to 2C show a method for producing an intaglio in the present invention. The solution 26 made of silicone resin is poured onto the convex mold 25 having the same shape as the concave groove A and the concave groove B, and is peeled from the convex mold 25 after being cured. An intaglio 27 is formed.

凸型母型25の材質は金属やガラスなど硬く変形しづらく、例えばシリコーン樹脂からなる溶液26の溶媒に侵されないものが好ましい。また、凸型形状はフォトリソグラフィ法で樹脂を基板表面に所望の形に形成する方法や基板そのものを加工し溝を形成する方法が考えられるが、変形なく所望の凸型を得られる方法であればその限りではない。   The material of the convex mold 25 is preferably a material such as metal or glass that is hard and not easily deformed, and is not affected by the solvent of the solution 26 made of, for example, a silicone resin. In addition, the convex shape may be a method of forming a resin on the surface of the substrate by a photolithography method or a method of forming a groove by processing the substrate itself. That's not the case.

凸型母型25上にシリコーン樹脂からなる溶液26を流し込み方法としては、凸型母型25の端部にシリコーン樹脂を必要量配し、棒状のスキージで溝部分に押し込みながら凸型母型25の逆面を平滑に加工する方法やスクリーン印刷により充填する方法などが考えられる。凹版27の凹凸面裏面の平滑性が金属基板25上への導電性樹脂転写時の寸法精度に影響するので、凹版27の形成方法は凹版27の凹凸面裏面の平滑に形成できる方法である必要がある。   As a method of pouring the solution 26 made of silicone resin onto the convex mold 25, a necessary amount of silicone resin is arranged at the end of the convex mold 25, and pushed into the groove portion with a rod-shaped squeegee, while the convex mold 25 A method of processing the opposite surface of the surface smoothly or a method of filling by screen printing can be considered. Since the smoothness of the uneven surface of the intaglio 27 affects the dimensional accuracy during the transfer of the conductive resin onto the metal substrate 25, the method of forming the intaglio 27 needs to be a method that can form the back of the uneven surface of the intaglio 27 smoothly. There is.

凹版27はシリコーン樹脂により形成されることによりある程度の柔軟性を有することができ、凸型母型25より剥離する際に容易に剥離が可能となる。また、導電性樹脂の転写時に凹凸形状が変形しない程度の強度が必要となる。凹版27に充填されたシリコーン樹脂の硬化方法としては、熱硬化やUV硬化などが考えられるが、シリコーン樹脂の組成により異なるため、十分に硬化する条件を適宜選択すればよい。硬化に際しては硬化収縮など寸法変化によりシリコーン樹脂型が凸型母型形状を再現できなくなる可能性があるため、できるだけ硬化による寸法変化の少ない樹脂を選択することが好ましい。   Since the intaglio 27 is formed of a silicone resin, it can have a certain degree of flexibility and can be easily peeled off when peeled from the convex mold 25. Further, the strength is required so that the uneven shape is not deformed during transfer of the conductive resin. As a method for curing the silicone resin filled in the intaglio plate 27, thermal curing, UV curing, or the like is conceivable. However, since it varies depending on the composition of the silicone resin, a sufficient curing condition may be appropriately selected. Upon curing, the silicone resin mold may not be able to reproduce the convex matrix shape due to dimensional changes such as curing shrinkage. Therefore, it is preferable to select a resin with as little dimensional change as possible.

図3に本発明の凹状溝の転写工程を示す。
図3に示すように凹版27,28に導電性樹脂22のインクを充填し、金属基板21と凹版27,28の凹凸形状側を向かい合うように設置し、上下にロール部を有し一定圧力で挟み込みながら基材を送り出す機構を有するロールラミネート装置により金属基板21上に導電性樹脂22を転写する。金属基板21上には、予め導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層29を形成し、凸型状の導電性樹脂を設置した際に硬化し、一体化させる。ロールラミネート装置に設置されるローラーの間隔(ギャップ)と押し付け圧力、金属基板21の厚さ、凹版27,28の厚さにより金属基板21上に形成される導電性樹脂22の厚さが異なる。また、前記条件により凸状部分のみに導電性樹脂を配してもよい。
FIG. 3 shows the concave groove transfer process of the present invention.
As shown in FIG. 3, the intaglio plates 27 and 28 are filled with the ink of the conductive resin 22, and the metal substrate 21 and the intaglio plates 27 and 28 are placed so that the concave and convex sides face each other. The conductive resin 22 is transferred onto the metal substrate 21 by a roll laminator having a mechanism for feeding out the base material while being sandwiched. On the metal substrate 21, a conductive resin ink is applied in advance to form a conductive resin ink layer 29, which is cured and integrated when a convex conductive resin is installed. The thickness of the conductive resin 22 formed on the metal substrate 21 varies depending on the distance (gap) between the rollers installed in the roll laminating apparatus and the pressing pressure, the thickness of the metal substrate 21, and the thickness of the intaglio plates 27 and 28. Moreover, you may arrange | position conductive resin only to a convex part by the said conditions.

また、凹版27,28に充填した凸型状の導電性樹脂22を転写する場合、転写前に凸型状の導電性樹脂22が硬化した状態であることが好ましい。溶媒分を含む導電性樹脂インクを転写と同時に硬化させる場合、転写時に溶媒などの排出経路が確保できないため硬化に時間がかかり、最悪の場合未硬化となることや乾燥・硬化後に寸法変化が大きく変化することが想定される。   When transferring the convex conductive resin 22 filled in the intaglio plates 27 and 28, it is preferable that the convex conductive resin 22 is cured before transfer. When conductive resin ink containing solvent is cured at the same time as transfer, it takes time to cure because it is not possible to secure a discharge path for the solvent during transfer, and in the worst case, it becomes uncured or has a large dimensional change after drying / curing. It is expected to change.

セパレータ材料については、本発明の燃料電池用セパレータは表面全体が上述の樹脂層に覆われるため、耐食性を考慮する必要はない。従って加工性や堅牢性、薄型化への対応のしやすさ等の他に、物理的強度を有しており、さらには、汎用性で入手が容易であり、材料費も安価である金属基材ならば本発明において使用でき、特に限定するところでない。
本発明で用いる金属基板としては、例えば、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選択される材料等が挙げられる。燃料電池スタックの軽量化のためには、比重の小さい金属材料であるアルミニウム系金属が好ましい。
Regarding the separator material, since the entire surface of the separator for a fuel cell of the present invention is covered with the above resin layer, it is not necessary to consider corrosion resistance. Therefore, in addition to workability, robustness, ease of handling for thinning, etc., it has physical strength, and it is versatile and easily available, and the material cost is low. Any material can be used in the present invention and is not particularly limited.
Examples of the metal substrate used in the present invention include a material selected from the group consisting of pure iron, iron alloy, pure copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. In order to reduce the weight of the fuel cell stack, an aluminum-based metal that is a metal material having a small specific gravity is preferable.

本発明に用いる導電性樹脂からなる導電性耐食皮膜は、燃料電池用の燃料(水素や改質ガス、メタノールなど)や酸化剤(酸素やその混合ガス)、強酸性雰囲気に十分な耐性を有する材料で、十分な導電性を有する必要がある。本発明では比較的簡便で、かつ短時間に膜形成を可能とする導電性フィラーを含有する導電性樹脂を採用した。   The conductive corrosion-resistant film made of the conductive resin used in the present invention has sufficient resistance to a fuel cell fuel (hydrogen, reformed gas, methanol, etc.), an oxidant (oxygen or a mixed gas thereof), or a strong acidic atmosphere. The material must have sufficient conductivity. In the present invention, a conductive resin containing a conductive filler that is relatively simple and enables film formation in a short time is employed.

本発明に用いる導電性樹脂を構成する樹脂成分としては、発電環境下で十分な耐食性を有する樹脂であり、ウェットコーティングが可能であれば特に制限はなく、具体的には、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂、芳香族ポリイミド樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、などから選ばれた1種ないし2種以上の混合物を用いることができる。より高い耐食性という観点からフッ素系樹脂であることが好ましい。例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ECTFE(クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体)が挙げられる。これらの樹脂の質量平均分子量などで表される分子量は、ウェットコーティングなど加工性に支障を来さない限り機械的強度を考慮すると大きい方が好ましく、1万〜1000万、さらに好ましくは2万〜500万である。   The resin component constituting the conductive resin used in the present invention is a resin having sufficient corrosion resistance in a power generation environment, and is not particularly limited as long as wet coating is possible. Specifically, for example, a phenol resin, A mixture of one or more selected from epoxy resins, silicone resins, fluororesins, aromatic polyimide resins, polyamides, polyamideimides, polyethylene terephthalates, polyether ether ketones, and the like can be used. From the viewpoint of higher corrosion resistance, a fluororesin is preferable. For example, PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer) , PVDF (polyvinylidene fluoride), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), and ECTFE (chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer). The molecular weight represented by the weight average molecular weight of these resins is preferably larger considering mechanical strength as long as workability such as wet coating is not hindered, and is preferably 10,000 to 10,000,000, more preferably 20,000 to 5 million.

本発明に用いる導電性フィラーとしては、耐食性、導電性、価格などを考慮すると繊維状導電性フィラーあるいは粉体状導電性フィラーが望ましい。繊維状導電性フィラーとしては、具体的には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどから選ばれる1種あるいは2種以上の繊維状カーボンを挙げることができる。カーボン繊維としては、高い導電性を確保するために粉体抵抗が0.015Ω・cm以下、単繊維比抵抗が1mΩ・cm以下であることが好ましい。   As the conductive filler used in the present invention, a fibrous conductive filler or a powdered conductive filler is desirable in consideration of corrosion resistance, conductivity, price, and the like. Specific examples of the fibrous conductive filler include one or more fibrous carbons selected from carbon nanofibers, carbon nanotubes, and the like. The carbon fiber preferably has a powder resistance of 0.015 Ω · cm or less and a single fiber specific resistance of 1 mΩ · cm or less in order to ensure high conductivity.

本発明において繊維状導電性フィラーと粉体状導電性フィラーを併用すると導電性樹脂皮膜自体の導電性をさらに低減できる。粉体状導電性フィラーとしては、十分な導電性を有し、発電環境下で十分な耐食性を有するものであれば特に制限はなく、具体的には、例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック等のカーボン粉体、WC、TiCなどの金属炭化物、TiN、TaNなどの金属窒化物、TiSi,ZrMoSiなどの金属珪化物およびAg,Auなどの耐食性金属などから選ばれた1種ないし2種以上の混合物を挙げることができる。粉体状導電性フィラーとしては、高い導電性を確保するために粉体抵抗が0.015Ω・cm以下、単体の比抵抗が1mΩ・cm以下であることが好ましい。   In the present invention, when the fibrous conductive filler and the powdered conductive filler are used in combination, the conductivity of the conductive resin film itself can be further reduced. The powdery conductive filler is not particularly limited as long as it has sufficient conductivity and has sufficient corrosion resistance in a power generation environment, and specifically, for example, acetylene black, vulcan, ketjen black One or more selected from carbon powders such as WC, TiC, metal carbides, TiN, TaN, etc., metal silicides such as TiSi, ZrMoSi, and corrosion-resistant metals such as Ag, Au, etc. Can be mentioned. The powdery conductive filler preferably has a powder resistance of 0.015 Ω · cm or less and a single specific resistance of 1 mΩ · cm or less in order to ensure high conductivity.

金属基板に反応ガス経路としての貫通孔を形成する方法は、ウェットエッチング法などの化学的加工、あるいはプレス法、切削法などの機械加工、あるいは放電加工など金属基板を部分的に除去できる加工方法であれば適用することが可能である。生産性を考慮すると、一工程で大面積を加工することが出来るため、プレス法やウェットエッチング法を用いることが好ましい。   A method of forming a through hole as a reactive gas path in a metal substrate is a chemical processing such as a wet etching method, a machining method such as a press method or a cutting method, or a processing method capable of partially removing the metal substrate such as electric discharge machining. If so, it is possible to apply. Considering productivity, it is preferable to use a press method or a wet etching method because a large area can be processed in one step.

貫通孔や凹状溝の大きさは、利用される燃料電池の形態で異なるが、必要となる電力を発電するに十分な量の燃料ガスや酸化剤ガスがMEAへ均一に安定的に供給されることが必要である。そのため、発電部位に網羅的に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためには、少なくともセパレータの一部に反応ガスの流路となる凹状溝を形成することが好ましく、また、面内への均一供給を考慮すると、蛇行状、直線状、碁盤目状、円柱状等のパターン流路や発電部位と接する面内に多数の貫通孔とこれら流路を組み合わせたものがより好ましい。   The size of the through hole and the concave groove varies depending on the type of fuel cell used, but a sufficient amount of fuel gas and oxidant gas for generating the necessary power is uniformly and stably supplied to the MEA. It is necessary. Therefore, in order to supply fuel gas and oxidant gas exhaustively to the power generation site, it is preferable to form a concave groove serving as a reaction gas flow path at least in a part of the separator, and to be uniform in the plane. In consideration of supply, it is more preferable to use a combination of a plurality of through-holes and a plurality of through-holes in a pattern flow path such as a meandering shape, a straight line shape, a grid shape, and a cylindrical shape, or a surface in contact with a power generation site.

導電性フィラーを含む導電性樹脂溶液中の固形分濃度は、耐食性、機械低強度や電気抵抗、薄型化などを考慮して適宜選択する必要がある。導電性樹脂により形成される凸部分の厚さ(=凹状溝の深さ)が厚すぎると導電性が低下しすぎる恐れがあり、薄すぎると流動抵抗が増加し反応ガスや冷却媒体の流路として機能しない恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮すると50〜700μmであることが好ましい。また、凹状溝の底部に導電性樹脂インク層を形成する場合は薄すぎるとピンホールの発生や機械的強度や耐食性が低下する恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮するとその厚さは10μm以上であることが好ましい。   The solid content concentration in the conductive resin solution containing the conductive filler needs to be appropriately selected in consideration of corrosion resistance, mechanical low strength, electrical resistance, thinning, and the like. If the thickness of the convex portion formed by the conductive resin (= depth of the concave groove) is too thick, the conductivity may decrease too much, and if it is too thin, the flow resistance increases and the flow path of the reaction gas or cooling medium In view of corrosion resistance, low mechanical strength, electrical resistance, and thinning, the thickness is preferably 50 to 700 μm. In addition, when the conductive resin ink layer is formed on the bottom of the concave groove, if it is too thin, pinholes, mechanical strength and corrosion resistance may be reduced, so corrosion resistance, low mechanical strength, electrical resistance and thinning may be reduced. Considering the thickness, the thickness is preferably 10 μm or more.

導電性樹脂における樹脂成分と導電性フィラーの比率は、用いられる材質により異なるが、たとえば導電性フィラーにカーボン繊維であるカーボンナノファイバーを、カーボン粉体であるアセチレンブラックを混合し用いた場合、膜形成した際に樹脂成分中の導電性フィラーの体積比率が25vol%以上であることが好ましい。導電性フィラーの比率が25vol%未満では十分な導電性を得ることが難しい。   The ratio of the resin component and the conductive filler in the conductive resin varies depending on the material used. For example, when carbon nanofiber that is carbon fiber is mixed with acetylene black that is carbon powder in the conductive filler, When formed, the volume ratio of the conductive filler in the resin component is preferably 25 vol% or more. If the ratio of the conductive filler is less than 25 vol%, it is difficult to obtain sufficient conductivity.

以下、本発明の実施例を説明する。
<凸型母型の作製>
まず、金属基材として1mm厚のステンレス板(SUS304)を用い、切削加工により表面に所望の凹版溝を有する流路形状を形成した。Aは溝幅が1mm、深さ0.5mm、溝ピッチが2mmの直線状溝が形成され、またBは溝幅が2mm、深さ0.5mm、溝ピッチが3mmの直線状溝が形成された凸型母型AおよびBをそれぞれ形成することができた。
Examples of the present invention will be described below.
<Production of convex mold>
First, a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 1 mm was used as a metal substrate, and a flow path shape having a desired intaglio groove on the surface was formed by cutting. A is a linear groove having a groove width of 1 mm, a depth of 0.5 mm, and a groove pitch of 2 mm, and B is a linear groove having a groove width of 2 mm, a depth of 0.5 mm, and a groove pitch of 3 mm. Convex molds A and B could be formed respectively.

<シリコーン凹版の作製>
液状シリコーンゴムTSE3402(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアル・ジャパン合同会社製)をA液とB液を混合し十分撹拌する。次いで、上記凸型母型AおよびBの表面にTSE3402をアプリケータにより充填し、常温で48時間放置し硬化させる。TSE3402が完全に硬化した状態で母型から剥離することによりシリコーンゴム凹版AおよびBを得た。得られたシリコーンゴム凹版AおよびBは凹凸表面の状は良好であり、また裏面は平滑で均質に形成することが出来、凹部底面から凸部頂点までの高さが0.5mm、凸部頂点から裏面までの厚さは1mmであった。
<Production of silicone intaglio>
Liquid silicone rubber TSE3402 (made by Momentive Performance Material Japan GK) is mixed with liquid A and liquid B and sufficiently stirred. Next, TSE3402 is filled with an applicator on the surfaces of the convex molds A and B, and allowed to stand at room temperature for 48 hours to be cured. Silicone rubber intaglios A and B were obtained by peeling from the master mold with TSE3402 completely cured. The obtained silicone rubber intaglios A and B have a good uneven surface shape, and the back surface can be formed smoothly and uniformly, and the height from the bottom of the recess to the top of the convex is 0.5 mm, the top of the convex The thickness from the back surface to the back surface was 1 mm.

<セパレータ作製>
導電性樹脂としてドータイトA−3(カーボンブラック10〜20wt%含む)とドータイトC−3(カーボンブラック20〜30wt%含む)(藤倉化成株式会社製、2液硬化型エポキシ系導電性樹脂)を1:1の割合で混合したドータイトA−3/C−3を用い、上記シリコーンゴム凹版AおよびBにアプリケータを用いて充填した後、オーブンにて150℃、30分加熱処理し導電性樹脂を硬化させた。また、貫通孔を所望の位置にプレス打ち抜き加工にて形成したアルミニウム板(JIS1050、厚さ1mm)を用意し、表面処理液(アデカ製C−74011wt%溶液)を用い、常温にて40秒浸漬後、純水にて洗浄を行い、水分を乾燥した後、ドータイトA−3/C−3をアプリケータにより厚さ10μmとして塗布した。これに、ドータイトA−3/C−3が充填されたシリコーンゴム凹版AおよびBをシリコーン充填面がアルミニウム板と接する向きに所定の位置に位置合わせをした状態で設置し、ロールラミネータ(常温、プレス圧0.3MPa)によりアルミニウム板上にシリコーンゴム凹版AおよびBを固定した。その際、ロールラミネータの上下ロールのギャップは3mmであった。最後に、前記サンプルをオーブンにて150℃、30分加熱処理しアルミニウム板上に塗布した導電性樹脂を硬化させた後、シリコーンゴム凹版AおよびBを剥離することにより、所望のセパレータ形状を得ることができた。
<Separator production>
As the conductive resin, Doutite A-3 (including 10 to 20 wt% carbon black) and Doutite C-3 (including 20 to 30 wt% carbon black) (two-component curable epoxy conductive resin manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) : Using Doteite A-3 / C-3 mixed at a ratio of 1: 1 and filling the silicone rubber intaglios A and B with an applicator, heat-treated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to give a conductive resin Cured. In addition, an aluminum plate (JIS 1050, thickness 1 mm) having a through hole formed by press punching at a desired position is prepared, and immersed for 40 seconds at room temperature using a surface treatment solution (Adeka C-74011 wt% solution). Then, after washing | cleaning with a pure water and drying a water | moisture content, it apply | coated Dotite A-3 / C-3 by thickness 10 micrometers with the applicator. In this, silicone rubber intaglios A and B filled with Doutite A-3 / C-3 were placed in a state where the silicone filling surface was in contact with the aluminum plate in a predetermined position, and a roll laminator (normal temperature, The silicone rubber intaglios A and B were fixed on the aluminum plate by a press pressure of 0.3 MPa. At that time, the gap between the upper and lower rolls of the roll laminator was 3 mm. Finally, the sample is heated in an oven at 150 ° C. for 30 minutes to cure the conductive resin applied on the aluminum plate, and then the silicone rubber intaglios A and B are peeled off to obtain a desired separator shape. I was able to.

本発明の燃料電池用セパレータは、金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するための凹状溝Aを形成し、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための凹状溝Bを形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、前記凹状溝AおよびBの少なくともひとつが導電性フィラーを含有した導電性樹脂により形成されることを特徴とするものであり、前記凹状溝AおよびBの少なくともひとつが、凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填形成後、金属基板上に凸形状を転写することにより形成されることにより、容易に50μm程度から500μm程度の厚膜パターンによる流路形状をセパレータ両面に形成することができる。また、粉体状導電性フィラーを用いると導電性耐食皮膜自体の導電性を向上でき、金属基板を用いるために高い機械的強度を有し、堅牢性を維持したまま、薄型化および軽量化が可能となり、一方、導電性樹脂を介しているため金属基板を用いた時に懸念される酸化皮膜成長による導電性の低下を招くことなく、高い耐食性を確保したまま、高い導電性を維持できるという顕著な効果を得ることができた。また、セパレータ金属基材と凸形状の導電性樹脂間に、予め導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層、硬化、一体化させることにより、より簡便にセパレータを作製できた。   The fuel cell separator of the present invention has a concave groove A for supplying a reaction gas to an electrode on one surface on a metal substrate, and a concave shape for supplying a coolant for cooling on the other surface. In the fuel cell separator formed with the groove B, at least one of the concave grooves A and B is formed of a conductive resin containing a conductive filler, and the concave groove A and Easy by forming at least one of B by transferring the convex shape onto the metal substrate after filling the intaglio stamped from the convex mold with the conductive resin ink containing the conductive filler In addition, a channel shape with a thick film pattern of about 50 μm to about 500 μm can be formed on both sides of the separator. In addition, the use of powdered conductive fillers can improve the conductivity of the conductive corrosion-resistant coating itself, and since it uses a metal substrate, it has high mechanical strength and can be reduced in thickness and weight while maintaining robustness. On the other hand, it is possible to maintain high conductivity while ensuring high corrosion resistance without incurring a decrease in conductivity due to oxide film growth, which is a concern when using a metal substrate because it is via a conductive resin. The effect was able to be acquired. Moreover, the separator could be more easily produced by previously applying a conductive resin ink between the separator metal substrate and the convex conductive resin, and curing and integrating the conductive resin ink layer.

本発明の燃料電池用セパレータの要部断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the principal part cross section of the separator for fuel cells of this invention. 本発明における凹版の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the intaglio in this invention. 本発明における凹状溝の転写工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the transfer process of the concave groove in this invention. 電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of one embodiment of the membrane electrode assembly which formed the electrode catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane. 図4に示した膜電極結合体を装着した燃料電池の単セルの構成を示す分解断面図である。FIG. 5 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of a single cell of a fuel cell equipped with the membrane electrode assembly shown in FIG. 4.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 空気極側電極触媒層
3 燃料極側電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 凹状溝(ガス流路)
9 冷却水流路
21 金属基板
22 導電性樹脂
23 凹状溝A(反応ガス流路)
24 凹状溝B(冷却溶媒流路)
25 凸状母型
26 シリコーン樹脂からなる溶液
27 凹版A(反応ガス流路側)
28 凹版B(冷却溶媒流路側)
29 導電性樹脂インク層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Air electrode side electrode catalyst layer 3 Fuel electrode side electrode catalyst layer 4 Air electrode side gas diffusion layer 5 Fuel electrode side gas diffusion layer 6 Air electrode 7 Fuel electrode 8 Concave groove (gas flow path)
9 Cooling water channel 21 Metal substrate 22 Conductive resin 23 Concave groove A (reactive gas channel)
24 Concave groove B (cooling solvent flow path)
25 Convex mold 26 Solution made of silicone resin 27 Intaglio A (reaction gas flow path side)
28 Intaglio B (cooling solvent flow path side)
29 Conductive resin ink layer

Claims (5)

金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝を形成し、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための冷却用凹状溝を形成してなる燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記(1)〜(5)の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
(1)凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填、硬化し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
(2)前記金属基板上に導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層を形成する工程
(3)前記導電性樹脂インク層上に前記凸形状の導電性樹脂を有する凹版を設置する工程
(4)前記導電性樹脂インク層を硬化する工程
(5)前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記導電性樹脂インク層上に転写する工程
A concave groove for gas supply for supplying the reaction gas to the electrode is formed on one surface on the metal substrate, and a concave groove for cooling for supplying the cooling refrigerant is formed on the other surface. In the manufacturing method of the separator for a fuel cell,
At least one of the concave groove for gas supply and the concave groove for cooling is formed by using the following steps (1) to (5).
(1) A step of filling a conductive resin ink containing a conductive filler into an intaglio stamped from a convex mold and curing it to produce a convex conductive resin. (2) Conductivity on the metal substrate. Step of applying resin ink to form a conductive resin ink layer (3) Step of placing an intaglio plate having the convex conductive resin on the conductive resin ink layer (4) Curing the conductive resin ink layer (5) Step of peeling the intaglio from the convex conductive resin and transferring the convex conductive resin onto the conductive resin ink layer
前記凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 1, wherein the intaglio is made of a silicone resin. 前記導電性フィラーが、カーボン繊維もしくは導電性粉体またはその混合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the conductive filler is carbon fiber, conductive powder, or a mixture thereof. 前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の深さが、50μm以上700μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the depth of the gas supply concave groove and the cooling concave groove is 50 µm or more and 700 µm or less. 前記金属基板が、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群から選択される材料を少なくとも1つ以上用いて形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかにのいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The metal substrate is formed using at least one material selected from the group consisting of pure iron, iron alloy, pure copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. The manufacturing method of the separator for fuel cells in any one.
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