JP4231399B2 - 固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力を駆動源とする自動車、小規模の発電システムなどに用いられる固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータ製造装置及び製造方法に関する。

環境保全に対する意識の高まりから、化石燃料を利用した現行の内燃機関から水素を利用した固体高分子型燃料電池による電気駆動型の自動車や、分散型コジェネシステムへの移行が世界的に検討されている。これらの新技術を広く一般に利用できるようにするためには、低コスト化と高信頼化に関わる技術開発を燃料供給システムも含めて推進する必要がある。

近年、固体高分子材料の開発成功を契機に電気自動車用燃料電池の開発が急速に進展し始めている。
固体高分子型燃料電池とは、従来のアルカリ型燃料電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池などと異なり、水素イオン選択透過型の有機物膜を電解質として用いることを特徴とする燃料電池であり、燃料には純水素のほか、アルコール類の改質によって得た水素ガスなどを用い、空気中の酸素との反応を電気化学的に制御することによって電力を取り出すシステムである。固体高分子膜は薄くても十分に機能し、電解質が膜中に固定されていることから、電池内の露点を制御すれば電解質として機能するため、水溶液系電解質や溶融塩系電解質など流動性のある媒体を使う必要がなく、電池自体をコンパクトに単純化して設計できることも特徴である。

固体高分子型燃料電池は、水素の流路を持つセパレータ、燃料極、固体高分子膜、空気（酸素）極、空気（酸素）の流路を持つセパレータよりなるサンドイッチ構造を単セルとして、実際にはこの単セルを積層したスタックが用いられる。したがって、セパレータの両面は独立した流路を持ち、片面が水素、もう一方の片面が空気および生成した水の流路となる。
冷却用水溶液の沸点以下の領域で稼働する固体高分子型燃料電池の構成材料としては、温度がさほど高くないこと、その環境下で耐食性・耐久性を十分に発揮させることが可能であること、さらに、任意の流路形状を形成するため炭素系の材料を切削加工などにより加工して使用されてきているが、より低コスト化や小型化、すなわちセパレータの薄肉化を目指してステンレス鋼やチタンの適用に関する技術開発が進んでいる。

従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、例えば特許文献１に開示されているように、高い耐食性が要求される溶融炭酸塩環境で稼働する燃料電池用ステンレス鋼がある。
また、特許文献２などに開示されているように、数百度の高温で稼働する固体電解質型燃料電池用ステンレス鋼の発明がなされてきた。
さらに、特許文献３には、単位電池の電極との接触抵抗の小さい燃料電池用セパレータを得ることを目的に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を張出し成形（プレス成形ともいう）することにより、内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成し、膨出成形部の膨出先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メッキ層を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータが開示され、その使用法として燃料電池を形成する際に燃料電池用セパレータを積層された単位電池の間に介在させ、単位電池の電極と膨出成形部の膨出先端側端面に形成された金メッキ層とが当接するように配設し、燃料電池用セパレータと電極との間に反応ガス通路を画成する技術が開示されている。
また、特許文献４では、安価に加工するため、プレス加工した波形状の穴明きバイポーラ板が開示されている。
特開平４−２４７８５２号公報 特開平６−２６４１９３号公報 特開平１０−２２８９１４号公報 特開平５−２９００９号公報

長期信頼性向上のためにＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなど合金組成を上げたステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４に比べ加工性が低下することから、波形状にプレス成形することが困難である。また、断面が波形状であると電解質膜との接触面積が小さくなり燃料電池特性が低下する。
本発明は、成形中に破断することなく上述の固体高分子型燃料電池用セパレータに対して、凸部及び凹部と電極との接触面積を増加させ接触抵抗を減ずることにより、固体高分子型燃料電池の電池特性を向上させることを目的とする。

上述の課題を解決するため、種々の金型形状、成形条件の解析、試作を通じて詳細に検討した結果、本発明を完成させたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有し、凸部及び凹部の縦壁部と水平部のなす角度が８０°〜１００°であり、凸部又は凹部における水平部と電極との接触面積が電極への凹凸部の投影面積の３０〜５０％である固体高分子型燃料電池用セパレータの製造装置において、上下一対をなす上側金型６及び下側金型７の凹凸部の縦壁部のクリアランスｃ（ｍｍ）、前記凹凸部の肩部の半径ｒ（ｍｍ）、前記凹凸部の溝深さｄ（ｍｍ）、前記凹凸部の溝周期ｐ（ｍｍ）が、それぞれ（１）〜（４）式を満たすことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
１．１＜ｃ／ｔ＜１．６ （１）
２＜ｒ／ｔ＜５ （２）
２＜ｄ／ｔ＜８ （３）
２＜ｐ／ｔ＜２４ （４）
但し、ｔ：被加工材の板厚（ｍｍ）
（２）前記固体高分子型燃料電池用セパレータの材質がステンレス鋼製又はチタン製であることを特徴とする（１）に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
（３）（１）又は（２）記載の製造装置を用いて、被加工材の板厚を元の０．５〜１．０倍までコイニング加工することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
（４）被加工材に鉱油系潤滑剤または固体系潤滑剤を塗布してコイニング加工することを特徴とする（３）記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。

本発明により、固体高分子型燃料電池用セパレータの凸部及び凹部と電極との接触面積を増加させ接触抵抗を減ずることにより、固体高分子型燃料電池の電池特性を向上させる技術として極めて有効なものである。

以下に、本発明の詳細について説明する。
本発明により製造した固体高分子型燃料電池用セパレータの断面図の例を図１に示す。
本発明者らは、周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料電池用セパレータ１において、凸部及び凹部の縦壁部３と水平部２のなす角度αが１００°以下であり、凸部又は凹部における水平部２と電極（後述の図３中の１６）との接触面積が、電極への凹凸部の投影面積の３０％以上を満たすことにより、セパレータの凸部及び凹部と電極との接触面積を増加させ、固体高分子型燃料電池の電池特性を向上させることができることを知見した。

一方、凹凸部の縦壁部３と水平部２のなす角度αが８０°未満では成形中に被加工材が破断してしまうので、角度αは８０°以上と規定する。また、凸部又は凹部における水平部２と電極との接触面積が電極への凹凸部の投影面積の５０％超になると、化学反応を促進し所定の起電力を得、燃料ガスが電極面全体に均一に供給されなくなるため、５０％以下と規定する。

本発明に係る製造装置の金型の断面図を図２に示す。上下一対をなす上側金型６及び下側金型７の凹凸形状の肩部ｒ（１２、１３）、溝深さｄ（１０、１１）、溝周期ｐ（８、９）は等しい。被加工材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上側及び下側金型の凹凸部の縦壁部クリアランスｃ（１４）、肩部ｒ、溝深さｄ、溝周期ｐはそれぞれ（１）〜（４）式を満たすことにより、破断なくセパレータを成形することができる。
１．１＜ｃ／ｔ＜１．６ （１）
２＜ｒ／ｔ＜５ （２）
２＜ｄ／ｔ＜８ （３）
２＜ｐ／ｔ＜２４ （４）
前記範囲外の組み合わせでは被加工材（ステンレス鋼もしくはチタン）が割れ、破断が生ずることなく縦壁部の角度を１００°以下に成形することは極めて難しい。

前記の凹凸形状を有する金型を用いて、被加工材板厚を元の１．０倍以下までコイニング加工することにより、前記の本発明に係る特徴を有しかつ割れ、破断などの不良部のない固体高分子型燃料電池用セパレータ１が成形可能である。一方、被加工材板厚を元の０．５倍未満までコイニング加工すると割れが発生し易くなるので、被加工材の板厚を元の０．５倍以上とする。
また、鉱油系潤滑剤、または二硫化モリブデンなどの固体系潤滑剤を被加工材に塗布し、加工面の摩擦力を低下させることにより、割れ、破断などの低減と、コイニング加工時の縦壁部への被加工材料の材料流入による、縦壁部の角度増加が計れる。鉱油系潤滑剤として、一般的な金属加工用の潤滑剤や防錆油等を使用することができる。潤滑剤の一例として、出光興産（株）製、製品名：ダフニ−オイルコートＺ−３が上げられる。
本発明に係る固体高分子型燃料電池用セパレータを固体高分子型燃料電池に用いることにより、軽量、高効率、高信頼性の燃料電池を得ることができる。

被加工物の板厚０．１ｍｍを基準として、縦壁部クリアランスｃ（１４）＝０．１２ｍｍ、肩部ｒ（１２、１３）＝０．２５ｍｍ、溝深さｄ（１０、１１）＝０．５ｍｍ、溝周期ｐ（８、９）＝２．０ｍｍ、セパレータ部寸法１５０ｍｍ×２５０ｍｍ、凹凸部寸法１００ｍｍ×２００ｍｍの金型を製作した。金型６、７の材質はＳＫＤ１１、被加工物はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６とした。

金型６、７の溝深さｄ（１０、１１）＝０．５ｍｍとし、被加工材の板厚を元の０．５倍となる０．５５ｍｍ押し込みコイニング加工することにより、凸部及び凹部の繰返し構造となるガス流路横断面の縦壁部と水平部のなす角度αが８５°であり、凹部又は凸部の水平部と電極との接触面積が電極への凹凸部の投影面積のそれぞれ４０％となる固体高分子型燃料電池用セパレータ１を成形した。本発明に係る固体高分子型燃料電池用セパレータの製造に際し、計５００枚製造しても割れ、破断の発生確率は０．８％以下であった。
また、前記と同一条件で、鉱油系潤滑剤の石油系炭化水素を潤滑基油とした一般的な防錆油を刷毛塗りにて、凹凸部加工面に均一に塗布することにより割れ、破断の発生確率は０．４％以下に改善された。

その後、セパレータ表面に金属メッキ処理を施した後、図３に示すように、セパレータ１の間に耐酸性ゴム製のシール板１５、炭素繊維集電体からなる電極１６、フッ素系樹脂製の固体高分子膜１７、前記電極１６、前記シール板１５を挟んだＡサイクルに、冷却水流路を含むＢサイクルを４回に１回の割合で積層した多層からなる燃料電池スタックを構成し性能試験を行ったところ、計５０００時間運転してもガス漏れや水漏れも発生せず、本発明の製造装置により製造したセパレータを用いて燃料電池として良好に機能することが確認された。

本発明により製造したセパレータの断面図の例である。 本発明のうち、金型断面形状の例を示す模式図である。 本発明により製造したセパレータを用いて固体高分子型燃料電池スタックを構築する一例を示した模式図である。

符号の説明

１：セパレータ ２：水平部
３：縦壁部 ４：溝深さ
５：溝周期 ６：上側金型
７：下側金型 ８：溝周期（上側金型）
９：溝周期（下側金型） １０：溝深さ（上側金型）
１１：溝深さ（下側金型） １２：肩部（上側金型）
１３：肩部（下側金型） １４：縦壁部クリアランス
１５：シール板 １６：電極（炭素繊維集電体）
１７：固体高分子膜 α：縦壁部と水平部のなす角度

Claims (4)

1. 周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有し、凸部及び凹部の縦壁部と水平部のなす角度が８０°〜１００°であり、凸部又は凹部における水平部と電極との接触面積が電極への凹凸部の投影面積の３０〜５０％である固体高分子型燃料電池用セパレータの製造装置において、上下一対をなす上側金型６及び下側金型７の凹凸部の縦壁部のクリアランスｃ（ｍｍ）、前記凹凸部の肩部の半径ｒ（ｍｍ）、前記凹凸部の溝深さｄ（ｍｍ）、前記凹凸部の溝周期ｐ（ｍｍ）が、それぞれ（１）〜（４）式を満たすことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
   １．１＜ｃ／ｔ＜１．６ （１）
   ２＜ｒ／ｔ＜５ （２）
   ２＜ｄ／ｔ＜８ （３）
   ２＜ｐ／ｔ＜２４ （４）
   但し、ｔ：被加工材の板厚（ｍｍ）
2. 前記固体高分子型燃料電池用セパレータの材質がステンレス鋼製又はチタン製であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
3. 請求項１又は２記載の製造装置を用いて、被加工材の板厚を元の０．５〜１．０倍までコイニング加工することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 被加工材に鉱油系潤滑剤または固体系潤滑剤を塗布してコイニング加工することを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。

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