JP4692188B2 - 燃料電池用セパレータとその製造方法 - Google Patents

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Description

本願発明は、燃料電池用セパレータとその製造方法に関するものである。
近年、石油や石炭などの化石燃料の燃焼などによって排出される二酸化炭素が一因とされる地球温暖化が環境問題として取り上げられている。このような中、省エネルギー効果が期待でき、クリーンな発電システムとして燃料電池が注目され、様々な分野において実用化が検討されている。
図1は燃料電池の基本構造を模式的に例示した斜視図であり、この図によれば、電解質3を挟むように燃料極(マイナスの電極)21と空気極(プラスの電極)22とからなる電極2が配置され、その両側には、両側面に複数個の凸部4が形成されている燃料電池用セパレータ1が配置され、単位セルA(単電池)が構成されている。前記凸部4は、隣り合う凸部4同士の間で、燃料である水素と酸素の流路であるガス供給排出用溝5を構成している。このガス供給排出用溝5は、燃料電池内を流れる水素、酸素及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池の単位セルAで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり単位セルAで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割を担っている。また、前記の溝5、さらに電極2が接触する面の外周域においては、図示していないが、ガス漏れ(リーク)を防ぐためにマスクによりシーリングしてもいる。
そして、上記の単位セルAを数十個〜数百個積み重ねて電池本体(セルスタック)を形成している。この単位セルAにおいては、電解質3を介して対向する一対の電極2のうち燃料極21に水素を、空気極22に酸素を供給して、水素と酸素の電気化学反応により直接電気エネルギーに変換される。
すなわち、水素は、燃料極21中の触媒の働きにより、電子を切り離して水素イオンになり、この水素イオンは電解質3の中を移動する。水素イオンは、対向する電極2である空気極22に供給された酸素と、外部回路を通じて戻ってきた電子と反応して水となる。そして、この外部回路を通じて電子が移動することで電気が発生するものである。
電解質3は、水酸化カリウム、リン酸、高分子膜等の種類があり、その種類によって燃料電池はそれぞれアルカリ型、リン酸型、固体高分子型に分類される。
これらのなかでも、特に固体高分子型燃料電池は、作動温度が常温〜約120℃程度と低く、小型化が可能なので、家庭向け、自動車などの用途への適用が期待されている。
このような燃料電池において燃料電池用セパレータ1は、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド等の熱可塑性樹脂をバインダーとし黒鉛粒子等を導電性充填材として含有する樹脂組成物を圧縮成形あるいは射出成形により、図1のようにその両側面に複数個の凸部4が形成されるようにして製造することができる。
ところで、上記のように製造された燃料電池用セパレータ1は、スキン層と呼ばれる樹脂の層が成形時にセパレータ表面に形成されて電気抵抗が高くなってしまうという問題を有していた。
そして、上記の燃料電池は、燃料電池用セパレータ1と電極2との接触部の抵抗が大きい場合には出力が低下することから、この接触抵抗を低減することが望まれてもいる。具体的には燃料電池用セパレータ1と電極2との接触抵抗が10mΩ・cm2未満であることが要求されている。これまでにも、この接触抵抗を低減するために燃料電池用セパレータ1における電極2との接触面を所定の表面粗さとする各種の燃料電池用セパレータ1が提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。
また、従来では、マスクによるシーリングに際しても、燃料電池の安全性や出力効率が損われないようにするために、燃料電池用セパレータでのガス漏れ(リーク)を効果的に防止するための方策として、シール部の表面粗さを所定のものとするとのことも提案されている(特許文献6〜8)。
特許第3504910号公報 特開2004−6432号公報 特開平11−297338号公報 特開2002−270203号公報 特開2003−132913号公報 特開2003−132913号公報 特開2004−63256号公報 特開2003−68317号公報
しかしながら、従来より、上記の燃料電池用セパレータは燃料電池用セパレータと電極との接触抵抗の低減やガス漏れの防止策について検討されてきてはいるものの、依然としてその効果は十分に満足できるものでなく、燃料電池のさらなる性能の向上が望まれているのが実情である。
そこで、本願の発明者らは、燃料電池用セパレータとその燃料電池用セパレータに隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗さに着目して鋭意検討し、燃料電池の性能向上のためには、この接触部を特定範囲の表面粗さに調整して接触抵抗を低減することが有効であることを見出した。
本願発明は、以上の通りの背景からなされたものであり、燃料電池の性能向上に有効な、接触抵抗の低く、ガス漏れ防止性にも優れた燃料電池用セパレータとその製造方法を提供することを課題としている。
本願発明は、前記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。
第1:燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータにおいて、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物から形成されている燃料電池用セパレータの電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層が除去されており、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmの範囲内である。
また、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmの範囲内である。
さらに、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部のRyが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRy=5〜15μmの範囲内である。
:導電性充填材が天然黒鉛である。
:燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータの製造方法であって、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物を金型で成形し、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmの範囲内となるように調整する。
また、成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmの範囲内となるように調整する。
さらに、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部のRyが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRy=5〜15μmの範囲内となるように調整する。
さらにまた、ブラスト加工で接触部の表面に形成されたスキン層の除去および接触部の表面を調整する。
:ブラスト砥粒として粒度#500〜800の範囲のアルミナを用いる。
上記第1の発明では、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmであることにより、電極との接触抵抗を10mΩ・cm2未満に、隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触抵抗を15mΩ・cm2未満に低減することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
また、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmであることにより、上記の効果をより一層向上させることができる。
また、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部のRyを、上記同様の測定での値としてRy=5〜15μmの範囲内とされていることで、スタックの際の接触は阻害されることなく、成形品としての反りによる接触面積の低下も未然に防止され、上記のとおりの接触抵抗の低減が図られ、シール部でのガス漏れを効果的に防止することが可能とされる。
上記第の発明によれば、導電性充填材が、結晶性が高く、しかも人造黒鉛に比べて硬度が低い天然黒鉛であることによって、接触抵抗値の低減がさらに良好なものとされ、接触面積が表面粗度に影響されにくくなる。
また、第の発明の製造方法によれば、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物を金型で成形し、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmとなるように調整することにより、接触抵抗を低減することができ、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータを容易に製造することができる。
また、成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmとなるように調整することにより、さらに接触抵抗を低減することができ、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータを容易に製造することができる。
また、電極との接触部および隣接する燃料電池用セパレータとの接触部のRyを5〜15μmの特定の範囲にすることによ、スタックの際の接触は阻害されることなく、接触抵抗を低減し、シール部でのガス漏れを効果的に防止できる燃料電池用セパレータが製造される。
さらに、ブラスト加工で接触部の表面に形成されたスキン層の除去および接触部の表面を粗面化することにより、自動化が可能で、スキン層の除去と表面の粗面化を同時並行的に行うことができるとともに、金型で精度高く形成された成形品の厚み精度を損なうことなく短時間で簡便に行うことができる。
ブラスト砥粒を特定粒度のアルミナとする第の発明で、上記の効果はより一層確実に、かつ効率的に実現される。
本願発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
本願発明の燃料電池用セパレータ1は、例えば図1に示すような燃料電池を構成する単位セルAにおいて、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物から形成されてなり、電極2との接触部および隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部の表面に形成されたスキン層が除去されているとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmであることを特徴としている(「Ra」は算術平均粗さを表す(JIS B 0601−2001))。ここで、表面に形成されたスキン層は絶縁層であるため、このスキン層が除去されていることで接触抵抗が低減する。さらに、上記のように電極2との接触部および隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部を所定の表面粗度とすることで接触抵抗を低減している。すなわち、これら接触部を所定の表面粗度となるようにその表面に凹凸を形成し、燃料電池用セパレータ1と電極2間および燃料電池用セパレータ1と隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1間の接触部分を増大させることで接触抵抗を低減している。
このような所定の表面粗度の接触部において、電極2は一般的に柔軟性であるため、燃料電池用セパレータ1と電極2間の接触部分は増大しやすく接触抵抗をより大きく低減することができる。また、燃料電池用セパレータ1と隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1間では、各々の接触部の表面に形成された凹凸が効果的にかみ合い、接触部分が増大して接触抵抗が低減する。具体的には、上記のような構成の燃料電池用セパレータ1とすることで、電極2との接触抵抗を10mΩ・cm2未満に、隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触抵抗を15mΩ・cm2未満に低減することを実現している。接触部の表面粗度について、Raが0.9μm未満の場合には、燃料電池用セパレータ1のわずかな反りや厚み精度が影響して接触部分が少なくなるため、接触抵抗を低減することができない。1.8μmを超える場合には、電極2との接触部分および隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部分が少なくなるため、接触抵抗を低減することができない。特に隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部分では、相互の接触部の表面に形成された凹凸が効果的にかみ合わなくなり接触部分が少なくなる。
また、本願発明の燃料電池用セパレータ1は、さらに接触抵抗を低減させるために、電極2との接触部および隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmであることが好ましい。(「RSm」は曲線要素の平均長さを表す(JIS B 0601−2001)。)RSmが110μm未満の場合には、燃料電池用セパレータ1のわずかな反りや厚み精度が影響して接触部分が少なくなる場合があるため好ましくない。RSmが200μmを超える場合には、特に隣接する単位セルAの燃料電池用セパレータ1との接触部分が少なくなる場合があるため好ましくない。
さらに、本願発明においては、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部について、そのRy=5〜15μmの範囲内にあるものとする。Ryがこの範囲であることによって、スタックの際の接触が阻害されることはほとんどない。Ryが5μm未満の場合には、わずかなセパレータ用樹脂成形品の反りが接触面積を低下させ、Ryが15μmを超える場合には前記の凸部が接触を阻害する可能性が大きくなり、いずれも好ましくない。
そして本願発明の燃料電池用セパレータでは、上記のとおりの接触抵抗の低減化のための接触部の表面粗さとともに、ガス漏れを抑止するとの観点から、前記のとおりに、燃料電池用セパレータの、たとえば厚み1mmのステンレス板(特にこれに限定されないが)より切り出したもの等を治具としてマスクしてシールする場合のシール部の表面粗度を、同様のプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.2〜0.8μmという特定の範囲とすることが極めて有効である。この場合のRaが0.8μmを超える場合にはガス漏れ防止効果は大きくなく、実用的に満足できるものではない。一方、0.2μm未満とすることは、これを実現するためのプロセス、手段の負荷が大きくなり、また実質的にガス漏れ防止効果をさらに大きくするものでもない。
シール部のRyを2〜9μm、RSm=60〜150μmとすることで、ガス漏れ効果はより確実になる。
そして、本願発明の燃料電池用セパレータ1は、上述のように合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物から形成されてなるものである。
合成樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。
導電性充填材としては、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもの、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛粒子が挙げられ、一種のみを用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。この平均粒径としては、高導電性を得るために一般的には10〜200μmの範囲のものを用いることが考慮される。
本願発明の上記のような導電性充填材については、特に天然黒鉛が好適なものとして考慮される。これは、天然黒鉛が結晶性が高く、接触抵抗値を低くするとともに、人造黒鉛に比べて硬度が低く、接触面積が表面粗度に影響されにくいという特徴を有していることによる。
この樹脂組成物における合成樹脂と導電性充填材の配合割合は、例えば、燃料電池用セパレータの強度、導電性を考慮すると、導電性充填材100重量部に対して合成樹脂が5〜100重量部の範囲で配合されることが好ましい。
そして、以上のとおりの樹脂組成物は適宜の方法で配合され、必要に応じて混練することにより得られる。混練には通常の混練機が使用でき、例えば、ニーダー、ミキサー、ボールミルなどが挙げられる。
こうして得られた樹脂組成物を用いて、例えば、図1に示すように、最終形状が、その両側面に複数個の凸部4が形成され、隣り合う凸部4同士の間でガス供給排出用溝5を構成する燃料電池セパレータ1となるように金型で成形する。成形方法としては、特に限定されることはなく、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形など一般に用いられている方法が考慮される。これらいずれの方法においても、本願発明のセパレータ用の樹脂成形品の成形に際しては、金型の表面粗度を制御しておくことが有効でもある。たとえば、シール部でのガス漏れ防止効果の観点からも、金型の表面粗度を、Ra=0.2〜0.8としておくことが好適に考慮される。
そして、本願発明は、金型で成形した後、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmとなるように、さらに好ましくは、この接触部の曲線要素の平均長さが、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmとなるように粗面化する。これによって、接触抵抗を低減することができ、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータ1を容易に製造することができる。
スキン層の除去もしくは接触部の粗面化の方法は、特に限定されるものではなく、例えばYAGレーザ照射による方法、ブラスト加工、エッチング、研削(ラッピング、ポリッシング)など挙げられる。なかでも、ブラスト加工は、自動化が可能で、スキン層の除去と表面の粗面化を同時並行的に行うことができるとともに、金型で確保された成形品の厚み精度、すなわち金型で精度高く形成された成形品の厚み精度を損なうことなく短時間で簡便に行うことができる。ブラスト加工は、アルミナ、ガラスビーズ、ガラスパウダーなどの研磨剤粒子をショットブラストビーズ用ガンなどで吹き付けて行うもので、研磨剤粒子の種類、粒径、その粒径の組合わせ、吐出圧力、処理時間などのブラスト加工条件を目的に応じて適宜に設定する。
本願発明においては、ブラスト加工に際して特定粒度の、すなわち、粒度♯500〜800の範囲のアルミナを用いることが好適に考慮される。このアルミナの使用によって、確実に、かつ、効率的に本願発明の燃料電池用セパレータの製造が可能とされる。
以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本願発明が限定されることはない。
<実施例1〜、比較例1〜
表1に示した条件の配合物にイソプロピルアルコールを15%噴霧し、攪拌した後、所定の温度に加熱した混練機に投入した。なお、混練機としては、S2KRCニーダー((株)栗本鉄工所製)を使用した。
次いで、得られた樹脂組成物を整粒機で粒径500μm以下に粉砕した。
なお、表1において、*1〜*7は次のものを表す。
*1 EOCN−1020−75(日本化薬)
*2 PSM4357(群栄化学工業)
*3 トリフェニルホスフィン(四国化成)
*4 天然黒鉛:WR−50A(中越黒鉛工業所)平均粒径50μm
*5 A187(日本ユニカー)
*6 F1−100(大日化学工業)
*7 J−900(大日化学工業)
上記で得られた粉砕物を、175℃、20MPaで3分間成形し、2mm厚の100mm□平板とした。その平板より50mm□を切り出して、接触抵抗を測定するための試験片とした。次いで、この試験片の表面が表2および表3に示す表面粗度(プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値)になるように、研磨剤粒子として(粒度♯800)を用い、処理時間などの加工条件を設定してブラスト加工により仕上げた(ただし、比較例1の試験片はブラスト加工していない)。
燃料電池用セパレータと電極との接触抵抗は、図2に示す方法で代用して測定した(接触抵抗I)。図2に示すように、上記で作製した試験片1枚の両側をカーボンペーパー(TGP−H−030 東レ(株)製)で挟み、それをさらに導電性ブロック(アルミニウム製ブロックに金メッキを施したもの)の間に挟み、1MPaの加圧下で電流1Aを流したときのカーボンペーパー間に生じる電圧を測定し、下記の式から接触抵抗Iを算出した。この結果を表2および表3に示した。
接触抵抗(I,II)=測定電圧/電流(1A)×接触面積
燃料電池用セパレータと隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触抵抗は、図3に示す方法で代用して測定した(接触抵抗II)。図3に示すように、上記で作製した試験片2枚を導電性ブロックの間に挟み、1MPaの加圧下で電流1Aを流したときの試験片間に生じる電圧を測定し、上記の式から接触抵抗IIを算出した。この結果を表2および表3に示した。
また、シール部におけるHeガスリーク(漏れ)についても測定した。その結果も表2および表3に示した。Heガスリークについては、セパレータ成形品(0.2mm薄肉の手板)に1.5MPaスタックを想定して圧をかけ、ガス圧(30kPa)をかけた場合の圧力の低下からリーク量(cc/min)を算出した。
表2および表3より、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmであることで(実施例1〜)、接触抵抗Iが10mΩ・cm未満に、IIが15mΩ・cm未満に低減することが確認された。特に、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRSm=110〜200μmとした場合には(実施例1〜7)、その効果がより顕著であった。
一方、プローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmでない場合には(比較例1〜5)、接触抵抗I,IIの低減が十分でないことが確認された。
また、シール部でのHeガスリークの抑止については、シール部表面粗度をRa=0.2〜0.8μm、Ry=2〜9μm、RSm=60〜150μmとすることによって優れた効果が得られること(実施例12、6、7)が確認された。
燃料電池の基本構造(単位セル)を模式的に例示した斜視図である。 実施例において、接触抵抗Iの測定方法を模式的に例示した図である。 実施例において、接触抵抗IIの測定方法を模式的に例示した図である。
符号の説明
A 単位セル
1 燃料電池用セパレータ
2 電極
21 燃料極
22 空気極
3 電解質
4 凸部
5 ガス供給排出用溝

Claims (4)

  1. 燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータにおいて、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物から形成されている燃料電池用セパレータの電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層が除去されており、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmの範囲内、曲線要素の平均長さRSmが、RSm=110〜200μmの範囲内、Ry=5〜15μmの範囲内であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
  2. 導電性充填材が天然黒鉛であることを特徴とする請求項に記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータの製造方法であって、合成樹脂と導電性充填材とを含む樹脂組成物を金型で成形し、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層をブラスト加工により除去するとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径5μmの表面粗さ計での測定値でRa=0.9〜1.8μmの範囲内、曲線要素の平均長さRSmが、RSm=110〜200μmの範囲内、Ry=5〜15μmの範囲内となるようにブラスト加工により調整することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
  4. ブラスト砥粒として粒度#500〜800の範囲のアルミナを用いることを特徴とする請求項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
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