JP4828821B2

JP4828821B2 - 燃料電池セパレータの表面処理方法

Info

Publication number: JP4828821B2
Application number: JP2004377854A
Authority: JP
Inventors: 栄樹津島; 一幸村上
Original assignee: FJ Composite Materials Co Ltd
Current assignee: FJ Composite Materials Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006185729A

Description

本発明は、特に固体高分子型燃料電池における燃料電池セパレータの表面処理方法および燃料電池セパレータに関するものである。

固体高分子型燃料電池においては、反応による生成水によりカソード側のセパレータ表面に水滴が生じると、流路がふさがれて空気流量が低下し発電効率が低下するという問題がある。

そのため、セパレータ表面に表面処理法によって親水化処理を施し水滴の生成を防止することが行われている。
特開２００３−１４２１１６号公報

しかし、従来の表面処理法は、オゾン処理、プラズマ処理、コロナ放電処理など、量産化に適さないバッチ処理が多く、その親水化効果も小さかった。

また従来の表面処理法を強く行うと体積抵抗率が上がり、セパレータとして適さない物性を示すことがあった。

本発明が解決しようとする課題は、前記の問題を解決する表面処理方法及び燃料電池セパレータを提供する点にある。

上記課題を解決するべく、本発明は以下に掲げる構成とした。
請求項１の要旨は、珪素化合物を含む気体を、燃焼させながらセパレータ表面に吹き付けることを特徴とする、燃料電池セパレータの表面処理方法に存する。
請求項２の要旨は、吹きつけ時間が０．１〜３０秒であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池セパレータの表面処理方法、に存する。
請求項３の要旨は、請求項１記載の珪素化合物が、シラン化合物或いはシリコーン化合物のいずれか又はその混合物であることを特徴とする、請求項１或いは２に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法、に存する。
請求項４の要旨は、請求項３記載のシラン化合物が、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、のいずれかであることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法、に存する。
請求項５の要旨は、請求項３記載のシリコーン化合物が、沸点１７０℃以下のものであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法、に存する。
請求項６の要旨は、請求項１記載の気体が、請求項１記載の珪素化合物と、空気或いは酸素を混合した混合気体とを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セパレータの表面処理方法、に存する。

本発明の表面処理方法は、体積抵抗率の上昇が小さく短時間で効率的に処理できるので、前記の問題を解決し量産化に対応し得るという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本実施の形態は、珪素化合物を含む気体を、燃焼させながらセパレータ表面に吹き付けることによって、燃焼によって生じる酸化珪素の微粒子が表面にナノオーダーの酸化珪素皮膜層を形成する燃焼化学気相蒸着法により、瞬間的にセパレータ表面を親水化する。

吹き付け時間は０．１〜３０秒が好ましく、より好ましくは０．１〜１０秒であり、さらに好ましくは０．１〜５秒である。吹きつけ時間が０．１秒未満では、酸化珪素微粒子の皮膜がセパレータ表面に十分形成されず、また吹きつけ時間が３０秒を超える場合は、吹き付け火炎によりセパレータ表面温度が上がり好ましくない。

気体に含まれる珪素化合物としては、シラン化合物或いはシリコーン化合物のいずれか又はその混合物を使用することが望ましい。

気体を燃焼させ酸化珪素を発生させるために、該気体は珪素化合物と、空気或いは酸素とを混合した混合気体とを含んでいることが望ましい。また前記気体には、珪素化合物および空気或いは酸素以外に、必要に応じて可燃性気体を混合しても良い。

シラン化合物としては、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、のいずれかを用いることが好適である。

シリコーン化合物としては、燃焼の際に必要な蒸気圧を保持するために、沸点１７０℃以下のものを用いることが好適である。

本実施の形態によれば、形成される酸化珪素皮膜層がナノオーダーの非常に薄いものであるため、前記表面処理によるセパレータの体積抵抗率上昇が小さく、ガス透過性を低く保ち、かつ親水化効果も大きいという効果を奏する。従って、体積抵抗率が５０ｍΩｃｍ以下という、好適な物性を持つセパレータを製造することができ、より好適なセパレータとして体積抵抗率３５ｍΩｃｍ以下、さらには２０ｍΩｃｍ以下のセパレータを製造することも可能である。

さらに、本実施の形態によれば、長くとも吹きつけ時間３０秒以内で表面処理が行われ、かつ該表面処理は大気中にて実施できるので、コストが安く量産性を向上させることができる、という効果を奏する。

以下、本実施の形態の実施例および比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。

珪素化合物としてシラン化合物のテトラメトキシシランを用い、空気を混合した混合気体を、ＬＰＧを用いて燃焼させた処理剤をバーナーから微量噴出させた。この処理剤を（株）ＦＪコンポジット製、燃料電池セパレータ材（ＰＲ−７１９Ｎ、１００ｍｍ角、体積抵抗率５ｍΩｃｍ、水素ガス透過性１．２×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａ）に対して、約５０ｃｍの距離を置いて吹き付け処理を行った。吹きつけ時間は１秒であった。当該処理品に対して蒸留水を噴霧したところ、全面にわたり一様な濡れが観測された。また当該品を２ｍｍ×２ｍｍ×１００ｍｍに切り出し体積抵抗率を測定したところ、５ｍΩｃｍであり、未処理品と同等でありセパレータとして好適な値であった。水素ガス透過性においても、当該品は１．２×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａであり、未処理品と同等であった。

珪素化合物としてシリコーン化合物のオクタメチルトリシロキサンを用い、空気を混合した混合気体を、ＬＰＧを用いて燃焼させた処理剤をバーナーから微量噴出させた。この処理剤を前記セパレータ材に対して、約５０ｃｍの距離を置いて吹き付け処理を行った。吹きつけ時間は１０秒であった。当該処理品を実施例１と同様に評価したところ、濡れ性は実施例１の処理品と同様に良好であった。体積抵抗率は１２ｍΩｃｍであり、セパレータとして好適な値であった。水素ガス透過性においても１．２×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａであり、未処理品と同等であった。

珪素化合物としてテトラメトキシシランを用い、酸素を混合した混合気体を、ＬＰＧを用いて燃焼させた処理剤をバーナーから微量噴出させた。この処理剤を前記セパレータ材に対して、約５０ｃｍの距離を置いて吹き付け処理を行った。吹きつけ時間は１５秒であった。当該処理品を実施例１と同様に評価したところ、濡れ性は実施例１の処理品と同様に良好であった。体積抵抗率は１８ｍΩｃｍであり、わずかに劣化がみられたがセパレータとして好適な値であった。水素ガス透過性においては、１．２×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａであり、未処理品と同等であった。

（比較例１）
実施例１の表面処理を行わないセパレータ材に対して蒸留水を噴霧したところ、瞬時に表面に水滴を形成し流去した。

（比較例２）
実施例１の表面処理方法に代えてオゾン発生装置を用い、酸素流量１Ｌ／ｍｉｎ、圧力０．１ＭＰａ、オゾン濃度１５０ｇ／ｍ^３の条件で、１００℃、５分間オゾン処理を行った。当該処理品を実施例１と同様に評価したところ、濡れ性は実施例１の処理品とほぼ同等であったが、体積抵抗率は３５ｍΩｃｍ、水素ガス透過性は１．０×１０^−１４ｍｏｌ／ｍ^２ｓＰａとなり、やや劣化傾向があった。

下記の表に、実施例および比較例の一覧表を示す。

なお、本発明が上記実施例の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。

本発明の燃料電池セパレータの表面処理方法は、形成される酸化珪素皮膜層がナノオーダーの非常に薄いものであるため、前記処理によるセパレータの体積抵抗率上昇が小さく、ガス透過性を低く保ち、かつ親水化効果も大きいという効果を奏する。

また本発明の表面処理方法は、長くとも吹きつけ時間３０秒以内で表面処理が行われ、かつ該表面処理は大気中にて実施できるので、コストが安く量産性を向上させることができる、という効果を奏する。

従って、体積抵抗率が５０ｍΩｃｍ以下という、好適な物性を持つセパレータを製造することができ、より好適なセパレータとして体積抵抗率３５ｍΩｃｍ以下、さらには２０ｍΩｃｍ以下のセパレータを製造することも可能である。

また、前記表面処理方法は短時間で効率的に親水化処理を行えるため、安いコストで好適な物性を持つセパレータを、量産化効果を高めて製造することが可能である。

燃料電池セパレータの表面処理方法を示した説明図である。（実施例１〜３）

符号の説明

１燃料電池セパレータ
２空気及び燃焼のための可燃性ガス
３珪素化合物及び空気或いは酸素の混合気体
４珪素化合物を含む気体の燃焼部分
５バーナー

Claims

燃料電池セパレータの表面処理方法であって、珪素化合物を含む気体を、燃焼させながらセパレータ表面に吹き付けることを特徴とする、燃料電池セパレータの表面処理方法。
吹きつけ時間が０．１〜３０秒であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池セパレータの表面処理方法。
請求項１記載の珪素化合物が、シラン化合物或いはシリコーン化合物のいずれか又はその混合物であることを特徴とする、請求項１或いは２に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法。
請求項３記載のシラン化合物が、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、のいずれかであることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法。
請求項３記載のシリコーン化合物が、沸点１７０℃以下のものであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池セパレータの表面処理方法。
請求項１記載の気体が、請求項１記載の珪素化合物と、空気或いは酸素を混合した混合気体とを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セパレータの表面処理方法。