JP2011170989A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池用セパレータに関して、セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材において、多空体部を流れる気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】 セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材において、気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータ。また、上記多孔体が金属粉末の焼結体からなる燃料電池用セパレータ。さらに、上記金属粉末がアトマイズ法により製造される燃料電池用セパレータ、及びそれらからなる燃料電池。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関するものであり、セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材において、気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータ、及び、それを用いた燃料電池に関するものである。

近年、水の生成反応を用いる燃料電池は地球環境に優しいクリーンエネルギー源として注目されている。その燃料電池の構造は、通常、電解質膜を両側から挟み込むように触媒層があり、その外側に同じく両側から挟み込むように、必要に応じて順に、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路、又は、流路を備えたセパレータが位置するように構成されている。

これらの内、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路、又はセパレータに備えられた流路に共通する重要な役割として、水素ガス、メタノール、エタノール等の水素源、及び、空気等の酸素源を、反応場である触媒層に供給する機能、及び、生成される水成分を排出する機能がある。さらに、化学反応によって生じる電子を、出来るだけ効率良く出力用の外部回路に取り出すという重要な機能がある。従って、反応場である触媒層に対する密着性、及び、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路同士の互いの密着性を良好に保つことで接触抵抗を低減することも重要となる。

上記のマイクロポーラス層、拡散層に関しては、一般には、多孔性カーボン素材が用いられている。またセパレータ流路に関しては、切削加工やプレス加工等によって成形されるカーボンや金属製の溝型流路が一般的である。しかしながら、これらに関してはいずれも、水素源や酸素源の供給性の改善、水の排出性の改善、及び、接触抵抗を低減することが求められている。

例えば、特開２００４−１８６１１６号公報（特許文献１）に開示されているように、電気抵抗の低減を狙った燃料電池の拡散層の製造方法に関するものだが、発泡性スラリーの使用と、それによって空孔が環状口に成形される発泡金属多孔体を用いる手法を特徴とし本発明とは大きく異なる。本発明では上記文献の環状口に相当する部分が球状金属粉末となり、環状口以外の発泡金属多孔体の骨格部に相当する部分が、球状金属粉末に囲まれた空孔となることを特徴とした全く逆の構造をとる。これによって、供給特性の改善、水の排出特性の改善、及び、接触抵抗の低減が可能となる。

また、一般に発泡金属は、（１）溶湯金属中に気体を吹き込み気泡の形成と同時に凝固する方法、または、（２）溶湯金属中に発泡剤を加え、発泡剤の分解による気体発生を利用した製造法、のため、互いに分離独立した閉気孔型が基本の構造となるため内部の物質移動性に一般に劣る。また、製造法の制御によって連結孔を得る場合には、空孔率が大きなものとなり易いため、構造体としての強度に劣るため、部材として組み込まれる際の圧力等によって、実使用においては、空孔部分が圧縮変形され易く、十分な物質移動性が得られないという問題がある。さらに、圧延や圧縮等の２次的な作用によってセル壁に連通孔を開ける場合でも、完全な開気孔型とは異なるため、気体や液体等の物質移動性に劣るという問題がある。

上記問題に対して、例えば、特開２００９−２５２３９９号公報（特許文献２）に開示されているように、この特許文献２は発明者等がこれまでに検討を進めているものであって、水素源や酸素源の供給特性の改善、水の排出特性の改善、及び、接触抵抗の低減を狙い、球状の金属粉末を用いた多孔体をセパレータ流路、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路に適用するものであるが、この特許文献２には、金属粉末から構成される多孔体部内に関して、空孔部を通過する気体や液体の流れを制御することにより、水素源や酸素源の供給特性、及び、水の排出性のさらなる改善を狙った構造体については触れていない。
特開２００４−１８６１１６号公報 特開２００９−２５２３９９号公報

上述のように、引用文献１の場合は、供給特性の改善、水の排出特性の改善、及び、接触抵抗の低減が不十分である。また、引用文献２は、水素源や酸素源の供給特性、水の排出特性、及び、接触抵抗の低減を狙い、球状の金属粉末を用いた多孔体をセパレータ流路、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路に適用しているが、金属粉末から構成される多孔体部内に関して、多孔体部を流れる気体や液体の流れを制御することにより、水素源や酸素源の供給特性、及び、水の排出性のさらなる改善を狙った構造体については不明である。

上述のような問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、水素ガス、メタノール、エタノール等の水素源、及び、空気等の酸素源の供給特性向上、及び、水成分の排出特性向上、及び、接触抵抗の低減を可能とする、燃料電池用セパレータに関して、セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材において、多空体部を流れる気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータを提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材において、気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータ。
（２）前記（１）に記載の多孔体が金属粉末の焼結体からなる燃料電池用セパレータ。
（３）前記（１）または（２）に記載の金属粉末が球状粉末であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

（４）前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の金属粉末がアトマイズ法により製造されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池用セパレータが、セパレータ及びセパレータ流路の機能に加えて、拡散層、マイクロポーラス層、並びに、これらの内、１または２以上の複数の機能を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（６）前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池用セパレータを用いてなることを特徴とする燃料電池にある。

以上述べたように、本発明により、球状金属粉末を用いた多孔体部に仕切り板を用いて、例えば全面に行き渡りやすいような流れの制御を行うことで、水素源、および酸素源となる気体や液体を多孔体空孔部の全域に、より均一に供給することが可能となり、供給特性をさらに改善することが可能になる。

また、球状金属粉末を用いた多孔体部に仕切り板を用いて流れの制御を行い、供給される気体や液体が通過する個々部位の断面積を小さくすることで、その部分の流速を高めることが可能となるため、水成分の排出特性を改善することが可能となる。

さらには、仕切り板等がある場合、粉末の充填作業の高効率化に加えて、粉末充填部の
厚み、粉末充填部の表面粗さをより均一化する効果もあり、膜・電極接合体とのさらなる密着性向上による接触抵抗の低減効果や、燃料電池スタック組立て時の構造体としての安定した強度が得られやすくなる。

以下本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータを示す図である。この図に示すように、セパレータ部材１内に粉末多孔体４を充填する場合、一つの充填面積が小さく区切られるような構造とするために仕切り板３を２段に設けることにより、燃料の供給口２から排出口５に繋がる流路と粉末多孔体４の合体型となるため、全面に燃料供給が均一に行き渡りやすいような流れの制御を行うことができ、水素源、および酸素源となる気体や液体を粉末多孔体４の全域により均一に供給することが可能となり、供給特性を改善することが可能となる。

図２は、本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータの他の例を示す図である。この図に示すように、図１の場合に比較してさらに仕切り板３を多段に設けることにより、燃料の供給口２から排出口５に繋がる流路と粉末多孔体４により、供給される気体や液体が通過する個々の部位の断面積を小さくすることで、その部分の流速を高めることが可能となり、水成分の排出特性を改善することができる。

図３は、本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータのさらに他の例を示す図である。この図に示すように、４段の仕切り板３から構成されて、粉末多孔体が５段とされ、それぞれが小さく区切られた構造とからなり、その各流路は５つの燃料の供給口２とそれに対応した５つの排出口５が直接に連結された構成からなる。しかも、各多孔部の厚みを薄くすることでその部分の流速を高めることが可能となり、粉末の充填作業の高効率化に加えて、粉末充填部の厚み、粉末充填部の表面粗さをより均一化する効果もあり、膜・電極接合体とのさらなる密着性向上による接触抵抗の低減効果や、燃料電池スタック組立て時の構造体としての安定した強度が得られやすくなる。

図４は、本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータのさらに他の例を示す図である。この図に示すように、図３をさらに燃料の供給口２と排出口５との距離を短くし、かつ９段の仕切り板３により１０段と小さく区分された構成からなり、その区切られた各流路には１０個の燃料の供給口とそれに対応した排出口５から構成され、各多孔部での流速をより高めると同時に供給口２と排出口５との距離を短くすることで流れる気体や液体の圧力損失を低減することが可能となる。

上述したような、例えば燃料電池用のセパレータ流路に粉末粒子を使用する場合に、粉末充填した多孔体流路セパレータの製法としては、金属粉末を用いた多孔体成形の際に焼結法を用いる場合、真空焼結の他に、水素等の還元性雰囲気中での焼結、アルゴン、窒素等の不活性ガス中での焼結、大気焼結の適用も可能である。また、焼結前、又は、焼結後に全体の厚みや形状制御を目的としたロール加工、焼結時のプレス制御、プレス加工、切削加工、研磨加工等を必要に応じて行ってもよい。

最適な焼結温度の適用によって、球状金属粉末の球同士の接点近傍に限った金属結合を行うことが可能となり、焼結後も十分な連結空孔を確保することが可能となる。この時の最適な焼結温度は、球状金属粉末の粒径によって変わり、基本的には、粒径の小さい球状金属粉末を用いる場合には、低めの温度を適用する必要が生じる。この温度が高すぎる場合には、球状金属粉末の焼結が進み過ぎて、連結空孔が得られなくなる。

さらに、焼結に関しては、応力をかけるプレス焼結を適用することも可能であるが、過度のプレス応力をかけた場合、連結空孔が十分に得られない場合があるので注意が必要である。また、焼結後、必要に応じて、酸化膜の除去等を行うために、洗浄、酸洗等を行うことも可能である。さらに、用途に応じて、焼結後、耐食コーティング、高伝導膜コーティング、撥水処理、疎水処理、新水性処理等を適用することも可能である。

仕切りは、例えば、セパレータの基材面に対して垂直な方向に配置される板状の金属板等が考えられ、切削加工またはプレス加工等により成形されセパレータの基材とはじめから一体化した金属部材や、後から別に接合する金属板材およびはめ込む金属板材等が考えられる。また、この金属板材を用いた仕切りの高さは、膜・電極接合体等との密着性を阻害しないように、多孔体部と同等か、それ以下が望ましいと考えられる。この仕切りに使う金属板材の化学成分は、要求される耐食性、耐酸化性、熱膨張特性、熱伝導性、電気伝導性等に応じて様々な選択が可能である。例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系耐食合金、耐酸化合金等の適用が考えられる。また、この仕切りは、金属粉末と金属結合で結合されていても良いし、単なる接触でも良いし、または、非接触でも良い。また、上記の必要特性が満たされれば、仕切りの材質は金属部材以外でも構わない。

また、球状金属粉末の球状とは完全な球を意味するものでなく、溶融状態から固化する際に表面張力等の作用によって自然に得られる球状である。又、機械加工等によって類似の球状が得られればそれも適用可能でありこの限りではない。また、溶融状態からの粉末成形する際に、主たる球状金属粉末に、微小な金属粉末、又は、扁平型の微小金属粉末等が結合付着しているものも含むものとし、これらは使用用途によっては多孔構造体と他部材との密着性を向上させる等の効果も有する。

上記、球状金属粉末の製造にはアトマイズ法が適し、特にガスアトマイズ法によって製造された球状の金属粉末を用いる場合、金属粉末同士が主に点接触した状態で焼結されるため、互いに連結した十分な空孔部を確保でき、空孔部分を流れる液体や気体の優れた物質移動を保てる。また、他部材との接触時に密着性が向上し接触抵抗の低減が可能となる。なお、ガスアトマイズ法についての説明をしたが、必ずしもガスアトマイズ法に限定することなく、球状や球に類似の形状が得られる手法であればこの限りではない。

本発明で得られる多孔体部の空孔率が２０％未満の場合、気体や液体の十分な物質移動性が得られにくい場合がある、また、空孔率が６０％を超えると構造体としての強度が不十分となる場合がある。従って、空孔率は２０％〜６０％程度が好ましいが、各用途で実際に求められる物質移動性や強度を十分に満足できる場合には、この限りではない。

各空孔の大きさは使用する球状金属粉末の粒径によって制御可能であり、用途によっては、この空孔の大きさが多孔構造体中の位置によって異なるものでも構わない。具体的には空孔の大きさが位置によって２段階に分かれるもの、または、順に傾斜分布するもの等が考えられる。

球状金属粉末の化学成分は、要求される耐食性、耐酸化性、熱膨張特性、熱伝導性、電気伝導性等に応じて様々な選択が可能である。例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系耐食合金、耐酸化合金等の適用が考えられる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示すように、セパレータの流路形成に粉末粒子を用いる燃料電池用セパレータにおいて、粉末金属粉末粒子を粒路形成に用いたセパレータ部材としてＳＵＳ３１６Ｌを用い、また多孔体部の金属粉末の主な材質としてはＳＵＳ３１６Ｌを、粉末粒径は１００〜２５０μｍ、多孔体部の厚みは０．５ｍｍ、仕切り板はＳＵＳ３１６Ｌ、仕切り板の高さは０．５ｍｍ、また、仕切り板の厚みは１ｍｍを使用した構造とする。

（実施例２）
図２に示すように、図１の場合に比較してさらに仕切り板を多段に設けることにより、燃料の供給口から排出口に繋がる溝形状流路と粉末多孔体からなるセパレータの流路形成の燃料電池用セパレータにおいて、粉末金属粉末粒子を粒路形成に用いたセパレータ部材としてＮｉ基耐食合金を用い、また多孔体部の金属粉末の主な材質としてはＮｉ基耐食合金とし、粉末粒径は１００〜２００μｍ、多孔体部の厚みは０．３ｍｍ、仕切り板はＮｉ基耐食合金、仕切り板の高さは０．３ｍｍ、また、仕切り板の厚みは０．５ｍｍを使用した構造とする。

（実施例３）
図３に示すように、４段の仕切り板により、それぞれの小さく区切られるような構造からなり、その各流路は５つの燃料の供給口とそれに対応した排出口から構成されたセパレータの流路形成の燃料電池用セパレータにおいて、粉末金属粉末粒子を粒路形成に用いたセパレータ部材としてＳＵＳ３１６Ｌを用い、また多孔体部の金属粉末の主な材質としてはＳＵＳ３１６Ｌを、粉末粒径は７０〜１３０μｍ、多孔体部の厚みは０．２ｍｍ、仕切り板はＳＵＳ３１６Ｌ、仕切り板の高さは０．１５ｍｍ、また、仕切り板の厚みは０．５ｍｍを使用した構造とする。

（実施例４）
図４に示すように、図３をさらに小さく区分され、９段の仕切り板から１０層が構成され、その区切られた各流路にはそれに対応した排出口から構成されているセパレータの流路形成の燃料電池用セパレータにおいて、粉末金属粉末粒子を粒路形成に用いたセパレータ部材としてＳＵＳ３１６Ｌを用い、また多孔体部の金属粉末の主な材質としてはＮｉ基耐食合金とし、粉末粒径は２００〜３００μｍ、多孔体部の厚みは０．５ｍｍ、仕切り板はＳＵＳ３１６Ｌ、仕切り板の高さは０．５ｍｍ、また、仕切り板の厚みは０．２ｍｍを使用した構造とする。

以上のように、燃料電池用のセパレータ流路の構成に多孔体から構成される粉末粒子を使用する場合、粉末充填用のセパレータ基材を気体や液体の流れを制御する仕切りを多孔体部内に設けることによって、一つの充填面積が小さく区切られたような構造となるため、安定した粉末充填率が得られ、また、全面に行き渡りやすいような流れの制御を行うことで、水素源、及び、酸素源となる気体や液体を多孔体空孔部の全域に、より均一に供給することが可能となり、供給特性をさらに改善することが可能になり、さらには、流速を高めて水の排出特性をさらに改善する等の優れた効果を奏する。また、これらは、携帯機器用、家庭用、自動車用等全ての燃料電池用多孔体部材への適用が可能である。

本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータを示す図である。 本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータを示す他の例を示す図である。 本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータのさらに他の例を示す図である。 本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータのさらに他の例を示す図である。

１ セパレータ部材
２ 燃料の供給口
３ 仕切り板
４ 粉末多孔体
５ 排出口


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (6)

1. セパレータの流路部が金属粉末を用いた多孔体から構成される部材に
   おいて、気体や液体の流れを制御する仕切りを、該多孔体部内に有する燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１に記載の多孔体が金属粉末の焼結体からなる燃料電池用セパ
   レータ。
3. 請求項１または２に記載の金属粉末が球状粉末であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属粉末がアトマイズ法により製造されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータが、セパレータ及びセパレータ流路の機能に加えて、拡散層、マイクロポーラス層、並びに、これらの内、１または２以上の複数の機能を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを用いてなることを特徴とする燃料電池。

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