JP2012043688A - 低温拡散接合を用いる多孔体流路型燃料電池セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属粉末同士、基材と金属粉末、または、金属多孔体と基材の結合に、低温拡散接合を用いる構造とし、セパレータに必要な導電性を確保し、製造プロセスの簡易化と短時間化、及び形状寸法の高精度化を可能とする燃料電池セパレータおよびその製造方法を提供する。
【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が低温拡散接合であることを特徴とする燃料電池用セパレータおよびその製造方法。
【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およびそ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、生成ガスや生成水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、拡散層と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出力向上に重要となる。

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の結合に、９００℃を超える高温処理温度が必要とされる焼結を用いる手法が示されている。

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、熱履歴の影響によって高い精度での形状制御に困難を伴う場合がある。これに対し、本発明の構造体は、９００℃を超える通常の粉末焼結法の代替として、金属粉末同士、基材と金属粉末、または、金属多孔体と基材の結合に、処理温度が室温〜９００℃の低温拡散接合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と短時間化、及び形状寸法の高精度化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高精度での形状制御に困難を伴う場合がある。

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、生成ガスや生成水の排出特性向上、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、９００℃を超える通常の粉末焼結法の代替として、金属粉末同士、基材と金属粉末、または、金属多孔体と基材の結合に、処理温度が室温〜９００℃の低温拡散接合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、製造プロセスの簡易化と短時間化、及び形状寸法の高精度化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。

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が低温拡散接合であ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が低温拡散接合であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

（３）前記（１）または（２）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。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載された拡散接合が、室温以上９００℃以下の温度で処理する低温拡散接合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と短時間化、形状寸法の高精度化を可能とする。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、生成ガス及び生成水の排出特性に優れ、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、本発明に係る条件の限定理由について説明する。
具体的な低温拡散接合の手法としては、放電プラズマ焼結法、通電焼結法、ホットプレス法、摩擦圧接法、コールドスプレー法、エアロゾルデポディション法等が考えられるが、この限りではない。

低温拡散接合の処理温度が室温より低い場合、低温環境を作る装置が必要となり、コストの増大を招くとともに、原子の拡散が十分に進まずに結合が困難となる。また、９００℃を超えると、金属材料の酸化、基材の歪み、長時間化、冶具の耐熱衝撃性等の問題が大きくなり、コスト増大と品質劣化を招くことから、その処理温度は室温〜９００℃、好ましくは室温〜７００℃とするが、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。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、本発明についての実施例を図面にしたがって具体的に説明する。
図１は、本発明に係る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とを拡散接合した断面図である。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２間に、球状金属粉末３を複層させ、この球状金属粉末３を室温〜９００℃で球状金属粉末同士の接合、および、セパレータ基材２に接する球状金属粉末３はセパレータ基材２とも低温拡散接合し、球状金属粉末間の空間部分が供給および排出の流路を構成した。なお、符号５は球状金属粉末とセパレータ基材の低温拡散接合部を示す。

上記した、図１に示す燃料電池用セパレータの製造に適用した低温短時間の拡散接合法として以下の手法を用いた。
（１）放電プラズマ焼結法を用いて、昇温速度が１００℃／分、処理温度が６５０℃、処理時間が１分なる条件。
（２）放電プラズマ焼結法を用いて、昇温速度が１２０℃／分、処理温度が８５０℃、処理時間が０．５分なる条件。
（３）コールドスプレー法を用いて、処理温度が６００℃なる条件。
（４）コールドスプレー法を用いて、処理温度が２００℃なる条件。
（５）エアロゾルデポデション法を用いて、処理温度が２０℃なる条件。
の（１）〜（５）のいずれかの条件に基づく手法で行った。

図２は、金属多孔体とセパレータ基材とを拡散接合した断面図である。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２間に、球状金属粉末を用いた先に製造しておいた金属多孔体４を室温〜９００℃の処理温度で拡散接合によってセパレータ基材２に拡散接合した。なお、符号６は金属多孔体とセパレータ基材の低温拡散接合部を示す。

上記した、図２に示す燃料電池用セパレータの製造に以下の低温拡散接合の手法を用いた。
（１）放電プラズマ焼結法を用いて、昇温速度が１００℃／分、処理温度が６５０℃、処理時間が１分なる条件。
（２）摩擦圧接法を用いて、処理温度が１２０℃、処理時間が１分なる条件。
の（１）または（２）の条件に基づく手法で行った。

上述した、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１は、電解質膜と触媒層とからなる。または、電解質膜と触媒層と拡散層とからなる。一方、セパレータ基材２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、球状金属粉末３、および金属多孔体４の成分は、質量％で、Ｆｅ−１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ、Ｆｅ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ、Ｆｅ−２６Ｃｒ−１Ｍｏ、Ｎｉ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−４Ｎｂ、Ｎｉ−１６Ｃｒ−１６Ｍｏ−５Ｆｅ−４Ｗ、Ｎｉ−３０Ｃｕ、Ｆｅ−２０Ｃｒ−１Ａｌ−１Ｓｉ、Ｔｉ等を用いる。

以上のように、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、金属同士は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・電極接合体（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高温、長時間を要する真空焼結を用いないため、製造プロセスの簡略化によるコスト低減、形状寸法の高精度化、熱歪等の抑制による組立て性および、シール性等の改善が可能となる等の優れた効果を奏するものである。

本発明に係る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とを低温拡散接合した断面図である。 金属多孔体とセパレータ基材とを低温拡散接合した断面図である。

１ 膜・電極接合体（ＭＥＡ）
２ セパレータ基材
３ 球状金属粉末
４ 金属多孔体
５ 球状金属粉末とセパレータ基材の低温拡散接合部
６ 金属多孔体とセパレータ基材の低温拡散接合部


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が低温拡散接合であ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が低温拡散接合であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１または２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。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された拡散接合が、室温以上９００℃以下の温度で処理する低温拡散接合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。
   

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