JP4396308B2 - 燃料電池セパレータの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池セパレータの製造方法に関するものである。
樹脂と黒鉛からなる燃料電池セパレータは、導電性フィラーに樹脂を加えて成形（賦型）する方法が採用されている（特許文献１参照）。このように製作される燃料電池セパレータ１００は、図５（ａ）の断面に示すように、表面側に樹脂１０１が多く含まれるスキン層１０３が形成され、図５（ｂ）の表面に示すように、導電性を有する黒鉛１０２が表面に現れる箇所が点在するだけで少なくなってしまっていた。このため、燃料電池セパレータ１００の表面で必要とする導電性を得られず、接触抵抗が大きくなることが問題となっていた。
そこで、この表面の導電性欠乏対策として、燃料電池セパレータ１００表面の黒鉛１０２の少ないスキン層１０３を削除してしまうことが行われたりしていた。
特開平１０−３３４９２７号公報
しかしながら、スキン層１０３を削除してしまうと、燃料電池セパレータ１００が強度不足となる問題や、ガス透過が生じてしまう問題等、他の問題を引き起こしてしまっていた。そのため、他の問題を引き起こさないで燃料電池セパレータ１００の表面上の導電性を向上させる対策が求められていた。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、セパレータ基材の表面上の導電性を向上させる燃料電池セパレータの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明にあっては、カーボンナノチューブの分散した有機溶媒中で、樹脂と黒鉛からなるセパレータ基材を陽極として電圧を印加し、前記セパレータ基材の表面上にカーボンナノチューブを付着させることで、前記セパレータ基材の表面上にカーボンナノチューブを製膜することを特徴とする。
本発明によると、セパレータ基材の表面上にカーボンナノチューブを製膜でき、スキン層によるセパレータ基材表面の導電性が少なくても、表面上のカーボンナノチューブによる導電性の膜による導電ネットワークが形成され、表面上の導電性を向上することができる。
図１〜図２を参照して、実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る燃料電池セパレータの製造方法を示す工程図である。図２は実施の形態に係る燃料電池セパレータの表面にカーボンナノチューブが形成された状態を示す図である。
図１を用いて実施の形態に係る燃料電池セパレータの製造方法を説明する。
（１）まず、有機溶媒にカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブの分
散した分散溶液を製作する。
通常、単層カーボンナノチューブは一本、一本単独に存在しておらず、バンドル（数〜数十本の束）にて存在している。このため、溶媒中への分散性が悪いが、分散可能な有機溶媒が存在する。例えば、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）やＮ−メチルピロドリン等の極性溶媒であると、カーボンナノチューブはその溶媒中で分散する。ただし、極性溶媒であっても、水より極性が高いと、カーボンナノチューブの下記で説明する付着が生じないため、使用できない。
（２）次に、カーボンナノチューブの分散した分散溶液中で、樹脂と黒鉛からなる燃料電池セパレータを陽極として電圧を印加し、燃料電池セパレータの表面上にカーボンナノチューブを付着（吸着）させる。
カーボンナノチューブは製造時に用いる金属触媒の除去のため、加熱、酸処理等の精製を行う。このとき、カーボンナノチューブに存在する欠陥箇所が酸化され、カルボニル基、水酸基等の官能基が発生する。このため、カーボンナノチューブは水中でアニオン電荷をもつと考えられる。ここで、カーボンナノチューブを分散させた溶液に電場をかければ、カーボンナノチューブは陽極である燃料電池セパレータに移動し付着（吸着）する。また、付着したカーボンナノチューブは凝集のし易さから繋がったネットワークを形成する。
これによって、図２に示すように、燃料電池セパレータ１００の表面上にカーボンナノチューブ１０４を膜状に製膜することができる。図２（ａ）の断面に示すように、燃料電池セパレータ１００の表面上にカーボンナノチューブ１０４が製膜され、図２（ｂ）の表面に示すように、製膜されたカーボンナノチューブ１０４は表面上で繋がっているために燃料電池セパレータ表面上に導電性のネットワーク（導電ネットワーク）を形成し、燃料電池セパレータ１００の表面上の何処からでもスキン層１０３の露出した黒鉛１０２に導通し、接触抵抗を低減する。
ここで、印加される電圧によって生じる電場の強さは、５〜１００Ｖ／ｃｍ、好ましくは１０〜３０Ｖ／ｃｍである。５Ｖ／ｃｍよりも低いと、カーボンナノチューブの付着量が少なくなってしまう。また、１００Ｖ／ｃｍよりも大きいと、カーボンナノチューブの付着膜が不均一となり、かつ電力効率が悪化する。
なお、製膜時にマスキングを行うことで、導電性が必要な部分にのみカーボンナノチューブを付着させることができる。
（３）次に、表面にカーボンナノチューブが製膜された燃料電池セパレータを洗浄する。
燃料電池セパレータを分散溶液中から取り出し、表面に製膜されたカーボンナノチューブ以外を取除くように、燃料電池セパレータを洗浄する。
（４）次に、洗浄後、表面にカーボンナノチューブが製膜された燃料電池セパレータを乾燥させる。
以上（１）〜（４）を繰り返し行うことで、燃料電池セパレータの表面上に製膜されるカーボンナノチューブの膜厚を厚くしていくことができる。すなわち、（１）〜（４）の工程の繰り返し回数を設定することによって、製膜されるカーボンナノチューブの膜厚を所望の厚みに制御することができる。
以上の実施の形態によれば、燃料電池セパレータの表面上にカーボンナノチューブを製膜でき、スキン層による燃料電池セパレータ表面の導電性が少なくても、表面上のカーボンナノチューブによる導電性の膜による導電ネットワークが形成され、燃料電池セパレータの表面上の導電性を向上することができる。
このように、カーボンナノチューブの分散を制御することなく、カーボンナノチューブの有する導電性の機能を活用できる。カーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）はバンドルで存在しており、凝集し易い。有機溶媒中で、カーボンナノチューブを分散させ、凝集し易い特性を利用してカーボンナノチューブの機能を活用することは製膜の工程を単純化でき、有効である。
（１）単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）をＤＭＦ溶媒中にて３０分超音波照射（Yamato製、４２ｋＨｚ、１００ｗ）を行い、単層カーボンナノチューブ濃度が０．２ｍｇ／ｍｌになるように調整して分散溶液を製作した。
（２）上記分散溶液中に、２つのＩＴＯ電極を沈め、電極間に厚さ２ｍｍのテフロン（登録商標）製スペーサを挟み、室温にて２０Ｖ／ｃｍの電場の強さになるように２Ｖの電圧を３０分印加して、単層カーボンナノチューブの陽極のＩＴＯ電極への付着（吸着）を行った。
（３）陽極のＩＴＯ電極を分散溶液から取り出し、表面を洗浄した。
（４）洗浄後、乾燥させて、陽極のＩＴＯ電極の表面上に単層カーボンナノチューブの薄膜を得た。
（１）〜（４）の工程を繰り返し１０回行い、単層カーボンナノチューブの吸着度合い（膜厚）の変化を調べた。具体的には、（４）の後、単層カーボンナノチューブの吸着評価を紫外可視吸光スペクトルにて、４００ｎｍでの吸光度を測定し、評価を行った。
図３に示すように、陽極のＩＴＯ電極のみ吸光度は変化し、（１）〜（４）の工程の繰り返し回数を増す毎に吸光度は上昇する。このことから、分散溶液中に陽極として単層カーボンナノチューブの被覆体（燃料電池セパレータ）を配置することで、表面上に単層カーボンナノチューブの製膜が可能であり、また工程を繰り返して製膜を行うことで、単層カーボンナノチューブの膜厚を厚くして膜量を調整することができることが分かった。
この手法にて、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ２ｍｍのセパレータ片（黒鉛８０ｗｔ％、フェノール樹脂２０ｗｔ％にて混合し作製した試験片）に、上記単層カーボンナノチューブの吸着を１０回繰り返し製膜して電気特性の測定を行った。その結果、単層カーボンナノチューブの付着前のセパレータ片の接触抵抗は１１．１Ω・ｃｍ２であったのに対し、付着後では９．８ｍΩ・ｃｍ２に低下し、セパレータ片の表面の接触抵抗の改善が確認された。この電気特性の評価は、試料を金メッキ電極に挟み、荷重２ＭＰａ、電流１Ａでの電圧を測定し、接触抵抗を算出した。
（比較例）
ＤＭＦ溶媒を水に変更して、実施例１と同様に（１）〜（４）の工程単層カーボンナノチューブの製膜を行った。結果、図４に示すように陽極のＩＴＯ電極に単層カーボンナノチューブの付着（吸着）は見られなかった。
国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「ナノカーボン応用製品創製プロジェクト」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）。
実施の形態に係る燃料電池セパレータの製造方法を示す工程図である。 実施の形態に係る燃料電池セパレータの表面にカーボンナノチューブが形成された状態を示す図である。 実施例１の吸光度を示す図である。 比較例の吸光度を示す図である。 燃料電池セパレータを示す図である。
符号の説明
１００ 燃料電池セパレータ
１０１ 樹脂
１０２ 黒鉛
１０３ スキン層
１０４ カーボンナノチューブ

Claims (3)

  1. カーボンナノチューブの分散した有機溶媒中で、樹脂と黒鉛からなるセパレータ基材を陽極として電圧を印加し、前記セパレータ基材の表面上にカーボンナノチューブを付着させることで、前記セパレータ基材の表面上にカーボンナノチューブを製膜することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
  2. 前記電圧の印加を、前記カーボンナノチューブの分散した有機溶媒中で繰り返し行い、前記セパレータ基材の表面上に製膜されるカーボンナノチューブの膜厚を厚くし、膜厚を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
  3. 印加される前記電圧により生じる電場は、５〜１００Ｖ／ｃｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
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