JP2011249146A - 燃料電池セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、製造プロセスの簡易化、高精度化、及び、流路設計の自由度の向上を目的とし、粉末多孔体の部分を別に製造し、後から、導電性の基材に、接合、または組み付けによる接触等によって製造することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】 互いに金属結合によって結合した金属粉末からなる多孔体部材を、接合、接触、または接合と接触の両方によって、導電性を有する他の部材に組み合わせることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。また、上記接合は、溶接による融接、焼結による拡散接合、ろう材を用いたろう接、導電性ペースト、または導電性樹脂のいずれかを用いた接着である燃料電池用セパレータの製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、金属粉末多孔体を用いる燃料電池セパレータの製造方法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、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、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、拡散層、セパレータ流路どうし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が大変重要となる。

上記の拡散層に関しては、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、水の排出性、及び、接触抵抗増大等の問題があり、これらを改善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・排出特性の改善、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、のため実際には気孔がセル壁に仕切られており、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、水の排出特性、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構造、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路構造に関するものであるが、この特許文献２には、セパレータの製造手法について、セパレータ基材の流路相当部に球状粉末を直接充填して焼結するという手法が示されている。

しかし、上記した手法では、量産の製造プロセスを想定した場合に、粉末充填や厚み制御の高精度化に関する課題があり、また、これに伴う流路設計の自由度の制限が大きくなるという問題がある。これに対し、本発明は、製造プロセスの簡易化、高精度化、及び、流路設計の自由度の向上を目的とし、粉末多孔体の部分を別に製造し、後から、導電性の基材に、接合、または組み付けによる接触等によって製造する燃料電池セパレータを提供するものである。
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・排出特性の改善、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、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構造、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路構造であるが、粉末充填や厚み制御の高精度化に関する課題があり、また、これに伴う流路設計の自由度の制限が大きくなるという問題がある。

上述のような問題を解消するために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際して、互いに金属結合によって結合した金属粉末からなる多孔体部材を必要な形状に別に製造した後、必要に応じて寸法精度の調整等を行った後、導電性を有する他の部材と、接合、接触、または接合と接触の両方を用いて組み合わせることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供するものである。これによって、製造プロセスの簡易化、粉末多孔体部の寸法精度等の高精度化が可能になる。また、先に製造する多孔体部材の形状に関しては、型設計等の工夫によって複雑な形状による成形も可能となるため、流路設計の自由度の向上が可能となる。

その発明の要旨とするところは、
（１）互いに金属結合によって結合した金属粉末からなる多孔体部材を、接合、接触、または接合と接触の両方によって、導電性を有する他の部材と組み合わせ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）前記（１）に記載の接合が、溶接による融接、焼結による拡散接合、ろう材を用いたろう接、導電性ペースト、または導電性樹脂のいずれかを用いた接着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。
（３）前記（１）または（２）に記載の導電性を有する他の部材として、金属製部材、炭素製部材、導電性セラミックス部材のいずれか１種、または２種以上を用い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）前記（１）〜（３）のいずれか１項において、金属粉末からなる多孔体部材と導電性を有する他の部材の接触が、部材の自重、外部からの応力のいずれか１種、または２種によって行わ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。
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１項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の製造方法。

（６）前記（１）〜（５）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の製造方法。
（７）前記（１）〜（６）のいずれか１項において、金属粉末からなる多孔体部材の表面に、導電性コーティング材を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法にある。

以上述べたように、本発明により、球状金属粉末を用いた、燃料電池用セパレータの製造方法に関して、製造プロセスの簡易化、粉末多孔体部の寸法精度等の高精度化、及び、流路設計の自由度の向上が可能となる。また、得られる燃料電池セパレータの流路は、球状金属粉末同士が、球の接点近傍を主とした金属結合で接合され、他の表面では互いに結合しない多孔体から構成され、球同士で囲まれた空間からなる連結空孔を十分に確保出来るため、水素源、酸素源の供給特性、水成分の排出特性に優れる。

また、球状金属粉末同士が３次元的に金属結合されセパレータ流路の骨格部を形成するため、応力の均一分散性にも優れ高い強度が得られるとともに、拡散層等の他部材に対するセパレータの接触において、球状を特徴とした３次元的な優れた密着性を示し接触抵抗を低減することが可能となる。

以下本発明について詳細に説明する。
先に製造する、互いに金属結合によって結合する金属粉末からなる多孔体部材の製造に関しては、例えば、焼結法等があるが、焼結時の型設計によって、複雑な形状を高精度で製造することが可能となる。または、薄型のシート形状に焼結した後に、精密切削加工、パンチ加工等によって、複雑な形状を高精度に製造することも可能となる。また、焼結については、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、また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。

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。

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、耐食コーティング、金めっき、カーボンコーティング等の導電性コーティング、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。

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７０％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。したがって、空孔率は２０％〜７０％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。なお、この場合の空孔率とは、多孔体部の一定体積中に空孔が占める平均の体積率のことを言いい、断面の顕微鏡観察等を用いた計算、および水銀圧入法等によって測定が可能である。

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）
ガスアトマイズ法にて球状のＳＵＳ３１６Ｌ粉末を製造した後、分級によって、粒径５０〜２００μｍの球状粉末を採取し、１１００℃の真空焼結処理によって、外径寸法が１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．４ｍｍで、内部に６０ｍｍ×２ｍｍ×０．４ｍｍの空間を５個有する粉末多孔体を作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１６０ｍｍ×１００ｍｍ×０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板上の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、真空熱処理炉において、１１５０℃で焼結を行うことで、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が一体化した燃料電池用セパレータを得た。

（実施例２）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−２６Ｃｒ（以下、質量％）粉末を製造した後、分級によって、粒径１００〜３００μｍの球状粉末を採取し、１１７０℃の真空焼結処理によって、寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×０．５ｍｍで、空孔率が約４５％の粉末多孔体を作製し、精密研磨装置にて表面の平滑度を調整した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．３ｍｍのＦｅ−２６Ｃｒ製金属板上の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、真空熱処理炉において、１１７０℃で焼結を行った後、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が一体化した燃料電池用セパレータを得た。

（実施例３）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−２６Ｃｒ−１Ｍｏ粉末を製造した後、分級によって、粒径２００〜５００μｍの球状粉末を採取し、１２００℃のＡｒ雰囲気焼結処理によって、寸法が１２０ｍｍ×８０ｍｍ×１ｍｍの粉末多孔体を作製した後、酸洗処理によって表面の酸化物除去と洗浄を行った。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１６０ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍのカーボン製板材の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置固定し、粉末多孔体とカーボン製板材を自重と組み付け時の応力によって接触させ燃料電池用セパレータを得た。

（実施例４）
ガスアトマイズ法にてＮｉ−１６Ｃｒ−１６Ｍｏ−５Ｆｅ−４Ｗ粉末を製造した後、分級によって、粒径１００〜３００μｍの粉末を採取し、１１５０℃の水素還元雰囲気炉にて焼結処理を行い、外径寸法が２００ｍｍ×１２０ｍｍ×０．５ｍｍで１００ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍの空間を内部に１０個有する粉末多孔体を作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が２４０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板上の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、導電性カーボン樹脂を用いて粉末多孔体と金属板を結合させることによって、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が一体化した燃料電池用セパレータを得た。

（実施例５）
ガスアトマイズ法にてＦｅ−３５Ｃｒ粉末を製造した後、分級によって、粒径７０〜３００μｍの粉末を採取し、１１５０℃のＡｒ雰囲気炉にて焼結処理を行い、厚みが０．５ｍｍで、一辺が５０ｍｍの正六角形からなる空孔率約５０％の粉末多孔体を作製し、表面の酸洗処理を行った後、精密研磨装置にて表面形状を調整した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍ×１．２ｍｍのカーボン製板上の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、導電性銀ペーストを用いて、粉末多孔体とカーボン板を接触させることによって、カーボン板上に球状金属粉末から構成される多孔体が一体化した燃料電池用セパレータを得た。

（実施例６）
ガスアトマイズ法にてＳＵＳ３１６Ｌ粉末を製造した後、分級によって、粒径４０〜１００μｍの粉末を採取し、１１２０℃のＡｒ雰囲気炉にて焼結処理を行い、寸法が１２０ｍｍ×６０ｍｍ×０．２ｍｍで、空孔率が約５０％の粉末多孔体を作製した後、粉末多孔体表面の金めっき処理を行った。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１４０ｍｍ×８０ｍｍ×１．０ｍｍのカーボン製板上の所定の位置に、先に得られた金めっき処理した粉末多孔体を配置し、粉末多孔体とカーボン板を組み付け応力によって接触させることによって燃料電池用セパレータを得た。

（実施例７）
ガスアトマイズ法にてＦｅ−２０Ｃｒ−１Ａｌ−１Ｓｉ粉末を製造した後、分級によって、粒径２０〜１００μｍの粉末を採取し、１０５０℃のＡｒ雰囲気炉にて焼結処理を行い、寸法が８０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍで、空孔率が約５０％の粉末多孔体を作製し、表面の酸洗処理を行った。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１００ｍｍ×７０ｍｍ×０．５ｍｍのＳｉＣ含有の導電性セラミックス板材の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、粉末多孔体と導電性セラミックス板を組み付け時の応力によって接触させることで燃料電池用セパレータを得た。

（実施例８）
ガスアトマイズ法にてＮｉ−３０Ｃｕ粉末を製造した後、分級によって、粒径１００〜２５０μｍの粉末を採取し、９８０℃の真空雰囲気炉にて焼結処理を行い、４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．４ｍｍで、空孔率が約６０％の粉末多孔体を作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．５ｍｍのＳｉＣ含有の導電性セラミックス板材の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を配置し、粉末多孔体と導電性セラミックス板を、放電プラズマ焼結法によって結合することで燃料電池用セパレータを得た。

（実施例９）
水アトマイズ法にてＳＵＳ３１６Ｌ粉末を製造した後、分級によって、粒径２０〜２５０μｍの粉末を採取し、１０００℃のＡｒ雰囲気炉にて焼結処理を行い、１５０ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍで、空孔率が約６５％の粉末多孔体を作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１７０ｍｍ×１２０ｍｍ×０．５ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製板材の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体をレーザー溶接によって接合し、燃料電池用セパレータを得た。

（実施例１０）
ガスアトマイズ法にてＮｉ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−４Ｎｂ粉末を製造した後、分級によって、粒径５０〜２５０μｍの粉末を採取し、１１００℃のＡｒ雰囲気炉にて焼結処理を行い、１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．５ｍｍで、空孔率が約５０％の粉末多孔体を作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った、寸法が１８０ｍｍ×１２０ｍｍ×０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製板材の所定の位置に、先に得られた粉末多孔体を、Ｎｉろう材を用いたろう接処理によって接合し、燃料電池用セパレータを得た。

以上のように、本発明により得られる燃料電池用セパレータの製造方法は、互いに金属
結合によって結合した金属粉末からなる多孔体部材を別に製造した後、接合、接触、または接合と接触の両方によって、導電性を有する他の部材と組み合わせることから、製造プロセスの簡易化、粉末多孔体部の寸法精度の高精度化、流路設計の自由度の向上、複雑形状への対応、作業性の向上を可能とする。

さらには、得られた燃料電池の流路は、球状の金属粉末を用いることにより、全ての金属粉末同士が点接触した状態で接着されるため、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性を保てる。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等の優れた効果を奏するものである。


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 (7)

1. 互いに金属結合によって結合した金属粉末からなる多孔体部材を、接合、接触、または接合と接触の両方によって、導電性を有する他の部材と組み合せ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に記載の接合が、溶接による融接、焼結による拡散接合、ろう材を用いたろう接、導電性ペースト、または導電性樹脂のいずれかを用いた接着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。
3. 請求項１または２に記載の導電性を有する他の部材として、金属製部材、炭素製部材、導電性セラミックス部材のいずれか１種、または２種以上を用い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１〜３のいずれか１項において、金属粉末からなる多孔体部材と導電性を有する他の部材の接触が、部材の自重、外部からの応力のいずれか１種、または２種によって行わ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。
5. 請求項１〜４のいずれか１項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の製造方法。
6. 請求項１〜５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の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、金属粉末からなる多孔体部材の表面に、導電性コーティング材を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。