JP2022077279A - 燃料電池用のセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に適用した際に、基材の金属の溶出を抑えることができる燃料電池用のセパレータを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池用のセパレータ３は、金属製の基材３１と、導電性粒子３２ａと樹脂３２ｂとを含み、基材３１の表面を覆う被覆層３２と、を備え、被覆層３２は、被覆層３２の少なくとも表面に、ホウ酸を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体を含む発電部を区画するように、発電部に接触する燃料電池用のセパレータに関するものである。

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。

ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

たとえば、このような燃料電池用のセパレータとして、特許文献１には、ステンレス鋼の基材と、鱗片状黒鉛および熱硬化性樹脂を含み、前記基材の表面を覆う被覆層とを有した燃料電池用のセパレータが提案されている。

特開２０２０－３５５５８号公報

ところで、燃料電池の発電の際に、電解質膜や触媒層に含有されるアイオノマーから、フッ素イオンが遊離し、セパレータの金属を溶出させることがある。特許文献１で提案されたセパレータを燃料電池に適用する場合には、被覆層が形成されているため、基材の金属が溶出することを抑えることができる。しかしながら、燃料電池を長時間使用すると、被覆層にフッ素イオンが浸透し、基材の金属を溶出させるおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、燃料電池に適用した際に、基材の金属の溶出を抑えることができる燃料電池用のセパレータを提供する。

本発明に係る燃料電池用のセパレータは、金属製の基材と、導電性粒子と樹脂とを含み、前記基材の表面を覆う被覆層と、を備え、前記被覆層は、前記被覆層の少なくとも表面に、ホウ酸を含むことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池用のセパレータの被覆層の少なくとも表面にはホウ酸が含まれている。このようなセパレータを燃料電池に適用することにより、燃料電池の発電の際に、電解質膜から遊離したフッ素イオンをホウ酸が捕捉することができる。これにより、被覆層へのフッ素イオンの浸透を抑制することできるため、基材の金属の溶出を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池用のセパレータを備えた燃料電池スタックの要部断面図である。 本実施形態に係る燃料電池用のセパレータの表面近傍の拡大断面図である。 図１に示す燃料電池のセパレータの製造方法を説明するためのフロー図である。

１．セパレータ３を含む燃料電池１０について
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用のセパレータ３を備えた燃料電池１０の要部の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池（燃料電池スタック）１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。

各セル１は、酸化剤ガス（たとえば空気）と、燃料ガス（たとえば水素ガス）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ（発電部）２同士を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用のセパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した、たとえば多孔質のカーボン素材により形成される。

電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、たとえばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。

したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側の接触部分が、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側の接触部分が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。接触部は、発電部であるＭＥＧＡ２で発電した電力を集電する集電部である。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状であり、この頂部（凸部）が、セパレータ３の接触部分となる。具体的には、ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、他方のガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とが向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の接触部分と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の接触部分とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

ところで、燃料電池１０は、単セルが複数積層されたスタック構造を有しており、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受けて発電するものである。本実施形態では、燃料電池１０は、エアと水素ガスが供給され、発電するものである。燃料電池１０は、エアと水素ガスにより発電する際に生成水が生成されて排出される。この生成水は、フッ素イオンを含むものである。フッ素イオンは、燃料電池１０の電解質膜５に由来するものである。具体的には、電解質膜５にナフィオン（登録商標）などのフッ化物イオンが含まれる電解質膜を用いる場合には、燃料電池１０の発電時に、電解質膜５から、上述したフッ素イオンが生成水に溶出し、このイオンが生成水に含まれる。なお、電極（触媒層）６を構成するアイオノマーに、電解質膜５と同様にフッ化物イオンが含まれている場合には、電極６に由来するフッ素イオンが生成水に含まれることもある。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、燃料電池１０用のセパレータ３は、金属製の基材３１と、導電性粒子３２ａと樹脂３２ｂとを含み、基材３１の表面を覆う被覆層３２と、を備えている。被覆層３２は、その少なくとも表面に、ホウ酸を含んでいる。

基材３１は金属製のシートを打ち抜きおよびプレス成形により成形されたものであり、その厚さは、５０μｍ～１ｍｍの範囲にある。基材３１の材料としては、ステンレス鋼、チタン等を挙げることができる。本実施形態では、ステンレス鋼であることがより好ましい。ステンレス鋼は、後述するフッ素イオンに対して、Ｆｅ等の金属が溶出し易いところ、本実施形態では、被覆層３２に含有したホウ酸によりフッ素イオンを捕捉することができる。

被覆層３２の層厚さは、たとえば１μｍ～３０μｍの範囲にある。なお、被覆層３２は、基材３１の一方の表面だけに形成されていてもよく、あるいは、基材３１の一方の表面とともに、その反対側の表面（他方の表面）にも形成されていてもよい。導電性粒子（導電性フィラ）３２ａとしては、基材３１の材料よりも耐食性の高い材料からなる金属粒子、炭素粒子であれば、特に限定されるものではなく、本実施形態では、炭素粒子が用いられる。導電性粒子３２ａの形態は鱗片状または球状いずれであってもよい。

樹脂３２ｂは、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよいが、本実施形態では、熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、たえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、及びウレタンなどの熱硬化性樹脂が用いられてもよい。被覆層３２に含有する導電性粒子３２ａは、被覆層３２の厚さ方向に導電性を有することができるのであれば、その量は特に限定されるものではない。より好ましくは、導電性粒子３２ａは、被覆層３２全体に対して、３０質量％～７０質量％の範囲にあることが好ましい。ここで、導電性粒子３２ａが、被覆層３２全体に対して、３０質量％未満である場合には、セパレータ３の表面の導電性が低下する。一方、導電性粒子３２ａが、被覆層３２全体に対して、７０質量％を超える場合には、被覆層３２に含まれる樹脂３２ｂの量が減少するため、基材３１と被覆層３２との密着性が低下する。

本実施形態では、樹脂３２ｂにホウ酸が均一に含有されている。これにより、被覆層３２の少なくとも表面に、ホウ酸を含有させることができる。ホウ酸は、被覆層３２に対して、３ｐｐｍ以上であることが好ましい。これにより、燃料電池１０の発電の際に遊離されるフッ素イオンを捕捉するホウ酸の量を確保することができる。

本実施形態によれば、燃料電池用のセパレータ３の被覆層３２の少なくとも表面にはホウ酸が含まれている。このような燃料電池用のセパレータを燃料電池１０に適用することにより、燃料電池１０の発電の際に、電解質膜５や電極６に含まれるアイオノマーから遊離したフッ素イオンをホウ酸を捕捉することができる。これにより、フッ素イオンが安定した塩となる結果、被覆層３２へのフッ素イオンの浸透を抑制することできるため、フッ素イオンに起因した基材３１の金属の溶出を抑制することができる。

２．セパレータ３の製造方法について
以下に、図３を参照して、本実施形態に係るセパレータ３の製造方法を説明する。図３は、図１に示す燃料電池用のセパレータ３の製造方法を説明するためのフロー図である。なお、以下に、燃料ガス用のガス流路２１が形成されたセパレータ３の製造方法を説明するが、酸化剤ガス用のガス流路２２が形成されたセパレータ３の製造方法も同様であるので、その詳細な説明を省略する。

＜塗布工程Ｓ１＞
本実施形態のセパレータ３の製造方法では、まず、塗布工程Ｓ１を行う。この工程では、基材３１となる板材の表面に被覆層３２となる塗料を塗布する。

具体的には、基材３１となる板材と、被覆層３２となる塗料とを準備する。準備した板材は、後述するプレス成形により、基材３１となるものである。準備した塗料は、溶媒に、所定量の樹脂および所定量の導電性粒子を添加し、これらを均一に混合した後、混合液に、所定量のホウ酸をさらに添加して均一に混合して作製される。

塗料に含まれる樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、熱硬化性樹脂が未硬化の状態で、基材３１となる板材の表面に塗料を塗布する。一方、樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂を加熱して軟化させた状態または溶媒に溶融させた状態で、基材３１となる板材の表面に塗料を塗布してもよい。塗布方法としては、スプレー法、コーター法、またはドクターブレード法等を適用してよい。

＜被覆層形成工程Ｓ２＞
次いで、被覆層形成工程Ｓ２を行う。この工程では、塗布した塗料に含まれる樹脂を固化することにより、基材３１となる板材の表面に被覆層３２を形成する。樹脂を固化する際、塗料に含まれる樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、所定の硬化条件（温度および時間）にて、樹脂を加熱硬化する。一方、塗料に含まれる樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、軟化した状態の熱可塑性樹脂を冷却する。このようにして、導電性粒子３２ａと樹脂３２ｂとを含む被覆層３２を形成することができる。本実施形態では、被覆層３２の少なくとも表面には、ホウ酸が含まれている。

＜プレス成形工程Ｓ３＞
次いで、プレス成形工程Ｓ３を行う。この工程では、被覆層３２が形成された状態の基材３１となる板材に対して、図１に示す燃料ガス用のガス流路２１が形成されたセパレータ３の形状になるように、プレス成形を行う。このようにして、基材３１と、被覆層３２とを備えたセパレータ３を製造することができる。なお、セパレータ３は、打ち抜き成形により加工されてもよい。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

本実施形態では、被覆層形成工程後に、プレス成形工程を行ったが、例えば、プレス成形工程を行ってから、塗布工程および被覆層形成工程を行ってもよい。

３：セパレータ、３１：基材、３２：被覆層、３２ａ：導電性粒子、３２ｂ：樹脂

Claims (1)

1. 金属製の基材と、
   導電性粒子と樹脂とを含み、前記基材の表面を覆う被覆層と、を備え、
   前記被覆層は、前記被覆層の少なくとも表面に、ホウ酸を含むことを特徴とする燃料電池用のセパレータ。

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