JP5045415B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池スタックを構成する各単電池の間に配置されて、集電機能を果たすとともに、燃料ガス用流路および酸化性ガス用流路を形成するセパレータに関するものである。

例えば固体電解質型の燃料電池は、薄膜状の電解質を挟んだ両側に電極を設けて単電池（単セル）を構成し、その単セルを多数積層して燃料電池スタックを構成し、必要とする電圧および電流で電力を取り出すように構成している。その場合、各電極に導通して電力を取り出し、また各電極を介して電解質の表面に燃料ガス（例えば水素ガス）や酸化性ガス（例えば空気）などの反応ガスを供給するために、電極の表面側すなわち各単セルの間にセパレータを配置している。

したがってこのセパレータは、電力を取り出すために導電性材料によって構成され、かつ電極に導通可能に接触するとともに、電極の表面との間に反応ガスを流通させるための流路を形成する構造を備えている必要がある。このような要請を満たすために、金属などの導電性の板材に多数の凹凸部を形成し、その凸部を電極に接触させ、かつ凹部を互いに連通させてガス流路としたセパレータを用いることが試みられている。

ところで燃料電池は、電解質を介した燃料ガスと酸化性ガスとの電気化学的な反応で起電力を得るものであるから、陽極側では酸化反応が生じ、また陰極側では還元反応が生じる。前記セパレータは、そのような還元性雰囲気および酸化性雰囲気に設置されるので、高い耐食性が要求され、同時に電気的には可及的に高導電性が要求される。さらに、単電池で得られる電力が少ないので、実用に供するには数十ないし数百の単電池を一体化してスタックを構成する必要があり、そのためにセパレータの必要枚数が多くなるので、セパレータは可及的に安価に製造できる構造であることが要求される。

このような技術的背景の下に、従来、金属基板の表面に合成樹脂によって多数の突起を形成し、その表面に金属薄膜を形成したセパレータが特許文献１によって提案されている。具体的には、この特許文献１に記載されたセパレータは、アルミニウムなどの金属ベースの表面に、流動性に優れたポリマーを用いて突起を射出成形し、さらに表面全体に金属製の薄膜を表面コーティングによって形成したセパレータである。

特開平１０−１２２４６号公報

上述したセパレータであれば、電極に接触する突起部を、金属基板の表面に合成樹脂を射出成型することにより形成することができるので、金属基板のプレス加工などの金属加工をおこなう必要がなく、その製造性が良好になり、また安価なセパレータとすることができる可能性がある。しかしながら、前記突起部は、電極に接触して電路を形成すると同時に、各突起部の間をガス流路とするものであるから、数mm程度の小さいものであることが好ましく、また高密度に形成することが望ましい。さらに、この突起部を合成樹脂で形成した場合、上記のように金属薄膜を形成して導電性を確保することになるので、その金属薄膜は、各突起部の間で金属基板に接触し、各突起部ごとに金属基板に対する導電性を確保することが望ましい。したがって上記の各突起部は、互いに微少間隔をあけて多数形成することになるが、そのような微少な合成樹脂製突起部を、金属基板の表面に数千ないし数万個、確実に付着・形成することは技術的に困難であり、実用に供し得る安定性のあるセパレータを製造するには至っていない。

また、上記の特許文献１に記載されたセパレータでは、突起部と金属基板との間の導通を、金属薄膜によっておこなうことになるが、製造性およびコストの点を考慮すると、その金属薄膜は可及的に薄いことが望ましく、そうすると、金属薄膜の導電性が低下し、セパレータの全体としての電気抵抗が高くなり、ひいては燃料電池の発電効率が低下する可能性があった。また、金属薄膜と金属基板とは、各突起部の間で互いに接触することになるが、その接触のために許容されるスペースが極めて限られるので、この点でも電気抵抗が高くなってセパレータの電気的特性が低下する可能性があった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、電気的特性に優れた燃料電池用セパレータを提供することを目的とするものである。

この発明は、上記の目的を達成するために、導電性基板の表面に、導電性材料を接合もしくは付着・堆積させて多数の微少な突起部を形成したことを特徴とするものである。より具体的には、請求項１の発明は、電極の表面に当接させられて電気的に導通する多数の突起部が、導電性基板の表面に接合して設けられた燃料電池用セパレータにおいて、前記突起部は、導電性粒子を焼結した焼結体によって形成され、前記突起部の間における前記基板の表面と前記突起部の側面とに、耐食性とともに電気的な絶縁性を有する膜が連続して形成され、かつ前記突起部における前記電極の表面に当接する部分には前記膜が形成されておらず、これらの表面が、前記基板または前記突起部よりも耐食性のある導電性金属によって被覆されていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記導電性粒子は、ニッケルとスズとを含み、前記導電性金属は、金と銀とを含むことを特徴とする燃料電池用セパレータである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、前記導電性粒子の直径は、０．０１〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とするセパレータである。

請求項４の発明は、請求項１の構成において、前記焼結体は、粒径の異なる前記導電性粒子を焼結して形成されることを特徴とするセパレータである。

この発明によれば、突起部以外の部分が耐食性の膜によって酸化性雰囲気もしくは還元性雰囲気から遮蔽されるので、セパレータの導電性を損なうことなくその耐久性が向上する。また、突起部を電気的特性と耐食性とを重視した構造とすることが可能になり、素材の選択の自由度や設計の自由度が向上する。さらにまた、基板または突起部の少なくとも一方の表面が、還元性雰囲気または酸化性雰囲気に曝されても、その表面の腐食が抑制される。

つぎにこの発明を図面を参照して具体的に説明する。図１に参考例としてのセパレータ１の断面図を示してあり、ここに示すセパレータ１は、導電性の基板２の少なくとも一方の面に、導電性の多数の突起部３を設けた構造である。このセパレータ１は、燃料電池スタックにおける単電池（それぞれ図示せず）の間に配置され、各突起部３を電極４に接触させることにより電極４に対して電気的に導通して集電体として機能するとともに、各突起部３の間に形成される空間部を、水素などの燃料ガスや空気などの酸化性ガスあるいは水などの液体を流通させる流路５とするようになっている。

その導電性基板２は、気密性および水密性を維持するとともに平板状の形態を維持する強度を有し、かつ電流を各単電池の間から外部に導く機能を奏するものであって、ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属板、導電性のセラミック板、セラミック板に導電性コーティングを施した薄板、カーボン成形体、導電性シート材、導電性樹脂などによって形成されている。なお、セパレータ１は、燃料電池の陰極側に配置される場合と、陽極側に配置される場合とがあるが、いずれの電極側に配置されるものも同様の構成とすることができるが、陰極側は強い酸化性雰囲気となるので、基板２の素材として耐酸化性に優れた素材を採用することが好ましい。

また、突起部３は、外形の寸法および高さが１mm前後もしくは数mm程度の微少なものであって、１mm前後もしくは数mm程度の間隔で設けられている。その形状および配列パターンを図２に示してある。図２の（Ａ）に示す例は、突起部３を円柱状に形成し、かつマトリックス状に配列した例である。また（Ｂ）に示す例は、突起部３を角柱状に形成するとともに、マトリックス状に配列した例である。さらに（Ｃ）に示す例は、突起部３を断面長円形状に形成するとともに、千鳥状に配列し、かつその長円形の向きを各列で反転させた例である。

この突起部３を形成している素材は、要は導電性を有していればよく、前記基板２と同種の材料もしくは異種の導電性材料を使用することができる。同種の素材を用いれば、突起部３と基板２との接合強度が高くなり、また種類が異なっても基板２と同系統の素材によって突起部３を形成すれば、突起部３と基板２との接合強度が高くなる。なお、この突起部３は、電極４と基板２との間の電路を形成するものであるから、高い導電性を有することが好ましく、これに加えて電極４に直接接触するから、耐酸化性に富むことが好ましいので、ニッケル（Ｎｉ）やスズ（Ｓｎ）などの比較的酸化しにくい金属によって突起部３を形成することが好ましい。

前述したように各突起部３の間に形成される空間部分は、ガスや水を流すための流路５となるので、この部分は、酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気に直接曝される。そのため、各突起部３の間に耐食性被膜などの耐食層６が形成されている。この耐食層６は、アクリル、エポキシ、ポリプロピレン、塩化ビニール、ポリエチレンなどの合成樹脂、酸化シリコン、ジルコニア、アルミナなどのセラミックなどによって形成することができる。このような耐食層６を設ける場合には、基板２を耐食性よりも電気的特性を重視した構造とし、これに対して突起部３を電気的特性と耐食性とを重視した構造とすることが可能になり、素材の選択の自由度や設計の自由度が向上する。

上述したように突起部３は電極４に直接接触させられて酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気に直接曝されるので、導電性に加えて耐食性が求められる。そのために上記の参考例では、ニッケルやスズなどの耐酸化性のある金属を使用する例を示してある。この発明ではこれに加えて、耐食性被覆が設けられている。図３にその例を模式的に示してあり、突起部３の外部に露出している外表面の全体および耐食層６の表面の全体に耐食性被膜７が形成されている。この耐食性被膜７は、突起部３を形成している材料よりも高い耐食性が必要あり、また導電性が必要であるから、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの貴金属によって構成されている。

つぎに上記のセパレータ１の製造方法について説明する。上述したようにセパレータ１の基本的な構造は、導電性の基板２の少なくとも一方の面に、導電性の多数の突起部３を接合して形成した構造であり、したがって基板２の素材として、穴開けや曲げなどの特別な加工を施していない板材１０が用意される（図４の（Ａ））。すなわち前述した金属板や導電性コーティングを施したセラミック板あるいはカーボン成形体もしくは導電性シートなどである。その素材板１０の少なくとも一方の面に、ニッケルやスズなどの導電性の材料を、多数の点状に接合して突起部３を形成する（図４の（Ｂ））。

参考例として、この突起部３を形成する他の方法としては、例えば図５に示すように、前記素材板１０を成形型１１に挟み込んで前記突起部３の形状に相当するキャビティ１２を形成し、そのキャビティ１２に導電性材料１３を加圧して注入することにより、その導電性材料１３を突起状に成形すると同時に素材板１０に接合する方法を採用することができる。

また、参考例として、突起部３を形成する更に他の方法は、メッキ法である。すなわち図６に示すように、突起部３に対応する形状および位置に多数の貫通孔１４を設けたマスキングシート１５を、基板２のための素材板１０の表面に接合する（図６の（Ａ））。そのマスキングシート１５としては、以下に述べるメッキの際に導電性材料が付着しないようにするために、絶縁性のある材料を使用する。

素材板１０とマスキングシート１５とをこのようにセットした状態で、メッキ装置に入れてニッケルやスズなどの導電性材料のメッキをおこなう。素材板１０のうちメッキ液に露出しているのは、貫通孔１４に相当する部分のみであるから、その部分に導電性材料が電着して次第に堆積し、ついにはマスキングシート１５の表面側にナゲット状に盛り上がり、突起部３が形成される（図６の（Ｂ））。

なお、上記の図４ないし図６を参照して説明した方法によって製造したセパレータ１の表面に、図３に示す耐食性被膜７を形成する場合には、イオンプレーティングやスパッタリング、ＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）、ＰＶＤ法（物理的気相蒸着法）などの方法によって耐食性材料を薄膜状に形成すればよい。

上述したこの発明に係るセパレータ１は、従来のものと同様に、単電池の間に配置されて単電池とともに積層されて燃料電池スタックを構成する。その例を図７に単電池について模式的に示してある。すなわち、電解質膜２０の両側に陰極である水素極２１と陽極である酸素極２２とが形成され、それらの表面側にそれぞれセパレータ１が配置されて、その突起部３が各電極２１，２２に接触させられている。その状態で、各突起部３の間の空間部分がガスおよび水のための流路を形成している。

その場合、セパレータ１における各突起部３が単電池の電極２１，２２に接触して電気的に導通し、外部負荷２３に電力を取り出すことができる。この発明に係るセパレータ１ではその突起部３が導電性材料によって形成されているので、その突起部３の全体が電路を構成し、したがって電極から基板２もしくは端子（図示せず）に至る間の導電性が高くなってセパレータ１の全体としての抵抗値が低下し、電気的特性に優れたセパレータ１となる。また、各突起部３は、接合して形成することができるので、突起部３と基板２との接合強度が高く、その結果、機械的強度が高く、その点での耐久性に富むセパレータ１とすることができる。また、突起部３の間の部分に耐食層６を設けた場合や、表面の全体に耐食性被膜７を形成した場合には、酸化性雰囲気での腐食が防止もしくは抑制されるので、セパレータ１の耐久性が向上する。

そして、上述した具体例としてのセパレータ１の製造方法では、基板２に対して穿孔や曲げ、コイニングなどの機械的な加工を施すことなく、微少かつ多数の突起部３を形成することができ、その結果、燃料電池用セパレータを容易かつ安価に製造することができる。

なお、上述した参考例では、導電性基板に多数の導電性突起部を形成した構成であればよのであり、したがって図８に他の参考例として示すように、基板２の表面に、突起部３と同一材料のコーティング３ａを施し、そのコーティング３ａと一体に突起部３を形成し、さらに突起部３の間でかつコーティング３ａの表面に耐食層６を設けた構成としてもよい。

また、参考例としてのメッキ法によって突起部３を形成する場合、図９に示す構造のマスキングシート１５ａを使用してもよい。すなわちこの図９に示すマスキングシート１５ａは、貫通孔１４の周辺部に筒状部１４ａを一体に形成したものであり、このマスキングシート１５ａを使用してメッキをおこなうことにより、導電性材料がその筒状部１４ａの内部に次第に堆積されて突起部３を形成する。その結果、形成された突起部３の周囲を、筒状部１４ａが包み込んだ状態となり、マスキングシート１５ａを形成している素材が絶縁性のものであって燃料電池での発電時に電気的な耐食性を示すから、突起部３の側面部分の耐食性が向上し、セパレータ１の耐久性が良好になる。

ところで、燃料電池の発電効率を向上させる要因としては、酸素や水素などのガスと電極との反応面積または、電極に対するガスの拡散領域を可及的に広げるという事項と、電極からセパレータへの電子の移動を促進して集電効果を高めるために、電極と突起部との接触面積を可及的に広げるという事項とがある。しかしながら、電極と突起部とが接触した状態においては、ガスと電極との反応面と、電極と突起部との接触面とが相互に隣接して配置され、かつ、ガスの拡散領域が、電極と突起部との接触面に対応する電極の内部に形成される。このため、従来は、上記２つの事項（言い換えれば相反する特性）を両立させることが困難であった。

そこで、このような課題に対処するためのセパレータ１の構成例を、図１０ないし図１３に基づいて説明する。図１０は、そのセパレータ１を模式的に示す断面図であり、突起部３の全体が、多数の導電性粒子２４を焼き固めた焼結体により構成されている。各導電性粒子２４同士が相互に接触した状態で、かつ、基板２と電極４との間に複数段、配置されている。この突起部３を構成する焼結体としては、カーボン、金属、導電性樹脂、導電性セラミックなどが挙げられる。また、各導電性粒子２４の粒径は、φ０．０１mmないしφ２．０mmの範囲に設定されている。また、図１０においては、各導電性粒子２４の粒径が、全て同一に設定されている。なお、図１０においては、図１の耐食層６が便宜上、省略されている。

図１０の例においては、突起部３が多数の導電性粒子２４を焼結した焼結体により構成されており、各導電性粒子２４同士の間に隙間が形成されているとともに、各突起部３の先端面に、各導電性粒子２４により微細な凹凸が形成されている。このため、流路５に存在する酸素や水素などのガスが、前記隙間に進入することにより、ガスと電極４との反応面積が可及的に拡大されるとともに、電極４に対するガスの拡散領域が拡大される。また、このように、ガスと電極４との反応面積を可及的に拡大し、かつ、電極４に対するガスの拡散領域を拡大しても、電極４と突起部３との接触面積が狭められることはなく、電極４と突起部３との接触面積をも可及的に拡大することができ、電極４と突起部３との接触面における電気抵抗が低下する。つまり、前述した２つの事項を両立させることができ、燃料電池の発電効率が向上する。

さらに、突起部３を焼結体により構成しているため、突起部３の形状が複雑なものであっても、その成形を容易におこなうことができる。すなわち、図１０の例によれば、突起部３であって、電極４に接触する面を、機械加工などにより微細に加工する必要がないために、突起部３を構成する材料の無駄や加工時間の長時間化が抑制され、セパレータ１の製造コストの上昇を抑制することができる。さらにまた、突起部３を焼結体により構成しているため、突起部３を構成する焼結体として、前述した各種の導電性材料を用いることができ、その材料の選択自由度が増す。特に、突起部３として、加工が困難なセラミックをも使用することができる。

図１１は、参考例としてのセパレータ１を模式的に示す断面図であり、突起部３が、多数の導電性粒子２４，２５を焼結した焼結体により構成されている。すなわち、突起部３は、基板２に接触して配置された多数の導電性粒子２４と、多数の導電性粒子２４および電極４に接触して配置された多数の導電性粒子２５とにより構成されている。そして、基板２に接触して配置された多数の導電性粒子２４の粒径が、電極４に接触する側に配置された多数の導電性粒子２５の粒径よりも大きく設定されている。この図１１の例においても、図１０の例と同様の作用効果を得られる。

図１２は、参考例としてのセパレータ１を模式的に示す断面図であり、突起部３が、多数の導電性粒子２６を焼結した焼結体により構成されている。ここで、多数の導電性粒子２６の粒径は、２種類以上に設定され、かつ、粒径の異なる導電性粒子２６同士が不規則に配置されている。また、突起部３における基板２とは反対側の表面に研磨を施した平坦面２７が形成されている。この平坦面２７と電極４とが接触する。この図１２の例においても、図１０の例と同様の作用効果を得られる。

つぎに、図１０ないし図１２に示す突起部３の配置パターン例を、図１３に基づいて説明する。図１３は、基板２の平面図、つまり、基板２を電極４側から見た図である。図１３の（Ａ）に示す例は、各突起部３を角柱形状に構成するとともに、各突起部３を相互にマトリックス状に配置した例である。図１３の（Ｂ）に示す例は、各突起部３を基板２の平面方向に沿って帯状に構成するとともに、各突起部３をその幅方向に沿って複数列を配置した例である。図１３の（Ｃ）に示す例は、突起部３をクランク形状に屈曲させて配置した例である。図１３の（Ｄ）に示す例は、各突起部３をほぼ楕円形状に構成するとともに、各突起部３を長軸方向および短軸方向に複数配置した例である。

さらに、参考例としての図１０ないし図１２に示すセパレータ１において、突起部３の表面および基板２の表面の全部に耐食性被膜７を形成してもよい。

参考例として、セパレータの一例を模式的に示す断面図である。 図１に示す突起部の形状および配列パターンを示す図である。 この発明に係るセパレータの表面全体に耐食性被覆を施した一例を模式的に示す断面図である。 この発明に係るセパレータの製造方法の一例を説明するための模式図である。 参考例として、セパレータの製造方法の他の例を説明するための模式図である。 参考例として、セパレータの製造方法の更に他の例を説明するための模式図である。 燃料電池の構成を模式的に示す図である。 参考例として、セパレータの他の例を模式的に示す断面図である。 メッキ法で使用可能なマスキングシートを模式的に示す部分断面図である。 参考例として、セパレータの更に他の例を模式的に示す断面図である。 図１０に示すセパレータの一部を変更した例を模式的に示す断面図である。 図１０に示すセパレータの一部を更に変更した例を模式的に示す断面図である。 図１０ないし図１２の突起部の平面形状、および平面的な配列パターンを示す図である。

符号の説明

１…セパレータ、 ２…基板、 ３…突起部、 ４，２１，２２…電極、 ６…耐食層、 ７…耐食性被膜、 １４…貫通孔、 １５，１５ａ…マスキングシート。

Claims (4)

1. 電極の表面に当接させられて電気的に導通する多数の突起部が、導電性基板の表面に接合して設けられた燃料電池用セパレータにおいて、
   前記突起部は、導電性粒子を焼結した焼結体によって形成され、
   前記突起部の間における前記基板の表面と前記突起部の側面とに、耐食性とともに電気的な絶縁性を有する膜が連続して形成され、かつ前記突起部における前記電極の表面に当接する部分には前記膜が形成されておらず、
   これらの表面が、前記基板または前記突起部よりも耐食性のある導電性金属によって被覆されている
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記導電性粒子は、ニッケルとスズとを含み、
   前記導電性金属は、金と銀とを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記導電性粒子の直径は、０．０１〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記焼結体は、粒径の異なる前記導電性粒子を焼結して形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。

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