JP2012043574A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末からなる多孔体の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、セパレータに必要な導電性を確保し、かつ、焼結工程の省略による製造プロセスの簡易化、形状の高精度化、および、流路設計の自由度向上を目的とし、導電性接着剤を用いる構造を特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】金属粉末からなる多孔体の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータは、金属粉末同士の結合および金属粉末と導電性を有するセパレータ基材３の接合に、導電性接着剤２を用いる。
【選択図】図１

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。

上記問題に対して、例えば、特開２００９−２５２３９９号公報（特許文献１）に開示されているように、この特許文献１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１には、セパレータの構造について、セパレータ基材と流路を形成する球状粉末が焼結されていることが示されている。

しかし、上記構造体の場合、高い温度で長時間熱処理するプロセスが必要となるためコストの増大に繋がる場合や、かつ、熱履歴の影響によって高い精度での基材の形状制御に困難を伴う場合や、流路構造の設計に制限を伴う場合がある。これに対し、本発明の構造体は、焼結によって金属結合を形成する手法の代替として、基材と金属粉末、または、金属粉末どうしの結合に、導電性接着剤を用いる構造を特徴とし、セパレータに必要な導電性を確保し、かつ、製造プロセスの簡易化、形状の高精度化、及び、流路設計の自由度の向上を可能とする燃料電池セパレータを提供するものである。
特開２００９−２５２３９９号公報

上述のように、引用文献１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、金属粉末を基材に接合する際に、高い温度で長時間熱処理する焼結等のプロセスが必要となるためコストの増大に繋がる場合や、熱履歴の影響によって基材の形状制御に困難を伴う場合や、流路構造の設計に制限を伴う場合がある。

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、導電性粉末多孔体を用いる燃料電池用セパレータに関して、本発明のセパレータは、金属粉末と基材を焼結による金属結合で接合される従来構造の代替として、基材と金属粉末、または、金属粉末同士の結合に、導電性接着材を用いる構造を特徴とし、それによって、セパレータに必要な導電性を確保し、かつ、焼結工程の省略による製造プロセスの簡易化、形状の高精度化、及び、流路設計の自由度向上を可能とする。

その発明の要旨とするところは、
（１）金属粉末からなる多孔体の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、金属粉末同士の接合および金属粉末と導電性を有するセパレータ基材の接合に、導電性接着剤を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（２）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の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、その多孔体と導電性を有するセパレータ基材の接合に、導電性接着剤を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

（３）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の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、その多孔体と導電性を有するセパレータ基材とが、これらの界面の一部に導電性接着剤を配置して接合されてい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項に記載の導電性を有するセパレータ基材として、金属製部材、炭素製部材のいずれかを用いることを特徴とする燃料電池用セパレータにある。

以上述べたように、本発明により、セパレータに必要な導電性を確保し、かつ、製造プロセスの簡易化、形状の高精度化、及び、流路設計の自由度向上を可能とする。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、高い出力密度が得られる。

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なため高い出力密度が得られる。

以下、本発明について詳細に説明する。
導電性接着剤は、銀、ニッケル、カーボン等の導電性フィラーと、ウレタン、シリコーン、アクリル、エポキシ樹脂等のバインダーを含むが、必要な導電性、結合力、使用環境に対応した耐食性、耐熱性を有するものであればこの限りではない。

金属粉末多孔体の適用箇所については、アノード側とカソード側の両極に用いる場合、アノード側又はカソード側のどちらか片方に用いる場合、及び、両極又は片方の極において部分的に用いる場合等が考えられ、従来の溝型流路や特別に設けた排水溝や拝水口等と組合わせることも考えられる。

請求項のいずれかに記載の金属粉末に球状粉末を用いることが望ましいがこの限りではない。上記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。また、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、または、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。また、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。従って、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。尚、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、水銀圧入法による測定、ガス吸着法等による測定が可能である。

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。使用する粉末粒径は必要とされる特性によって使い分けが可能であり、ガスアトマイズ粉末で製造する金属粉末に関しては、１μｍ〜１０００μｍの大きさが考えられるが、用途によって、例えば、２０μｍ〜７０μｍ、１００μｍ〜２００μｍ、２００〜３００μｍ、３００〜５００μｍ等に分級しそれぞれの用途に適した粉末粒径を適用する。

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。粉末多孔体部の厚みを制御するため、プレス加工、圧延加工、研削加工、研磨加工等を適用することも考えられる。

以下、本発明の実施例を図面に従って具体的に説明する。
図１は、金属粉末同士の接合および金属粉末とセパレータ基材の接合に導電性接着剤を用いた燃料電池用セパレータの断面図である。この図に示すように、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１とセパレータ基材３間に、ガスアトマイズ球状金属粉末４を複層させ、このガスアトマイズ球状金属粉末４を導電性接着剤２でガスアトマイズ球状金属粉末４同士または金属粉末とセパレータ基材とを接合して得られる球状金属粉末からなる多孔体の空間部分が供給および排出の流路を構成したものである。

上記、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１は、電解質膜と触媒層からなるか、または電解質膜と触媒層と拡散層とからなる。また、導電性接着剤２は、例えば、導電剤として、銀、ニッケル等を含む接着剤を用いる。一方、セパレータ基材は、例えば、導電性を有する、金属板材、または、グラファイト製板材を用いる。さらに、ガスアトマイズ球状金属粉末４は、質量％で、Ｆｅ−１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ、Ｆｅ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ、Ｆｅ−２６Ｃｒ−１Ｍｏ、Ｆｅ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−４Ｎｂ、Ｎｉ−１６Ｃｒ−１６Ｍｏ−５Ｆｅ−４Ｗ、Ｎｉ−３０Ｃｕ、Ｆｅ−２０Ｃｒ−１Ａｌ−１Ｓｉ、Ｔｉ等を用いる。

図２は、多孔体とセパレータ基材の接合に導電性接着剤を用いた燃料電池用セパレータの断面図である。この図に示すように、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１とセパレータ基材３間に、ガスアトマイズ球状金属粉末を用いた焼結多孔体５を複層させ、このガスアトマイズ球状金属粉末を用いた焼結多孔体５を導電性接着剤２でガスアトマイズ球状金属粉末４同士または金属粉末とセパレータ基材とを接合した燃料電池用セパレータを構成したものである。

上記、ガスアトマイズ球状金属粉末を用いた焼結多孔体５は、ガスアトマイズ球状金属粉末４と同様に、質量％で、Ｆｅ−１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ、Ｆｅ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ、Ｆｅ−２６Ｃｒ−１Ｍｏ、Ｆｅ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−４Ｎｂ、Ｎｉ−１６Ｃｒ−１６Ｍｏ−５Ｆｅ−４Ｗ、Ｎｉ−３０Ｃｕ、Ｆｅ−２０Ｃｒ−１Ａｌ−１Ｓｉ、Ｔｉ等を用いる。

図３は、多孔体とセパレータ基材が一部導電性接着剤２で接合された場合の燃料電池用セパレータの断面図である。この図に示すように、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１とセパレータ基材３間に、ガスアトマイズ球状金属粉末を用いた焼結多孔体５を一部導電性接着剤２を用いて接合した複層を形成した燃料電池用セパレータである。

以上のように、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、導電性を有する基材と、接着、または、接着と接触の両方によって、組合わる製造とした燃料電池用セパレータである。また、ガスアトマイズ法等によって製造される球状の金属粉末を用いる場合、金属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、空孔部を流れる液体や気体の優れた物質移動性を保てる。また、膜・電極接合部（ＭＥＡ）に対する密着性が向上し接触抵抗の低減が可能となる。さらには、導電性基材との接合に焼結等を用いないため、製造プロセスの簡易化によるコスト低減、熱歪等の抑制による組立て性、シール性等の改善が可能となる等優れた効果を奏するものである。

金属粉末同士の接合および金属粉末とセパレータ基材の接合に導電性接着剤を用いた燃料電池用セパレータの断面図である。 多孔体とセパレータ基材の接合に導電性接着剤を用いた燃料電池用セパレータの断面図である。 多孔体とセパレータ基材が一部導電性接着剤で接合さた場合の燃料電池用セパレータの断面図である。

１ 膜・電極接合部（ＭＥＡ）
２ 導電性接着剤
３ セパレータ基材
４ ガスアトマイズ球状金属粉末
５ 焼結多孔体


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 (4)

1. 金属粉末からなる多孔体の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、金属粉末同士の接合および金属粉末と導電性を有するセパレータ基材の接合に、導電性接着剤を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 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の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、その多孔体と導電性を有するセパレータ基材の接合に、導電性接着剤を用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 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の空孔部を流路に用いる燃料電池用セパレータにおいて、その多孔体と導電性を有するセパレータ基材とが、これらの界面の一部に導電性接着剤を配置して接合されてい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項に記載の導電性を有するセパレータ基材として、金属製部材、炭素製部材のいずれかを用いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
   

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