JP5278056B2 - Manufacturing method of fuel cell separator - Google Patents

Manufacturing method of fuel cell separator Download PDF

Info

Publication number
JP5278056B2
JP5278056B2 JP2009056300A JP2009056300A JP5278056B2 JP 5278056 B2 JP5278056 B2 JP 5278056B2 JP 2009056300 A JP2009056300 A JP 2009056300A JP 2009056300 A JP2009056300 A JP 2009056300A JP 5278056 B2 JP5278056 B2 JP 5278056B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
fuel cell
separator
slurry layer
gas diffusion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009056300A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010212056A (en
Inventor
正弘 和田
信一 大森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2009056300A priority Critical patent/JP5278056B2/en
Publication of JP2010212056A publication Critical patent/JP2010212056A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5278056B2 publication Critical patent/JP5278056B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator.

固体高分子型燃料電池は、空気極および燃料極(電極)に空気および燃料(燃料流体)をそれぞれ供給し、各電極での電気化学反応によって電力を得る装置である。従来、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜(電解質膜)と、固体高分子膜の両面に設けられた触媒層と、これら固体高分子膜および各触媒層を挟むように設けられたガス拡散層とからなる単セルを、金属板等のセパレータを介して直列に積層する構成(セルスタック)が採用されている。   A polymer electrolyte fuel cell is a device that supplies air and fuel (fuel fluid) to an air electrode and a fuel electrode (electrode), respectively, and obtains electric power by an electrochemical reaction at each electrode. Conventionally, in a polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer membrane (electrolyte membrane), a catalyst layer provided on both sides of the solid polymer membrane, and the solid polymer membrane and each catalyst layer are sandwiched. A configuration (cell stack) is employed in which single cells including a gas diffusion layer are stacked in series via a separator such as a metal plate.

セパレータは、隣接する各単セルの空気と燃料との混合を防ぐとともに、単セル同士を電気的に接続している。ガス拡散層は、各触媒層に燃料流体をそれぞれ供給するために、導電性の多孔質材料からなる薄板や、セパレータの表面に形成された多数の溝等によって構成されている。   The separator prevents the mixing of the air and fuel of each adjacent single cell, and electrically connects the single cells. The gas diffusion layer is configured by a thin plate made of a conductive porous material, a large number of grooves formed on the surface of the separator, and the like in order to supply a fuel fluid to each catalyst layer.

たとえば特許文献1では、セパレータに多孔質材を拡散接合することにより、セパレータと多孔質材との接触面積を大きくして電気抵抗を低下させ、効率の向上を図っている。   For example, in Patent Document 1, the porous material is diffusion bonded to the separator to increase the contact area between the separator and the porous material, thereby reducing the electrical resistance and improving the efficiency.

特開2004−186116号公報JP 2004-186116 A

このような燃料電池においては、大電圧を得るためにセルスタックにおける単セル数の増大が図られる一方で、装置の小型軽量化が求められている。このため、たとえばガス拡散層を薄くすることが考えられるが、ガス拡散層を薄くすることにより燃料流体の流通性が低下すると、各触媒層に対して燃料流体を円滑に供給することが難しくなるため、電気化学反応の効率が低下し、発電効率が低下するおそれがある。   In such a fuel cell, in order to obtain a large voltage, the number of single cells in the cell stack is increased, while a reduction in size and weight of the device is required. For this reason, for example, it is conceivable to make the gas diffusion layer thin. However, if the fluidity of the fluid is lowered by making the gas diffusion layer thin, it becomes difficult to smoothly supply the fuel fluid to each catalyst layer. For this reason, the efficiency of the electrochemical reaction is reduced, and the power generation efficiency may be reduced.

また、ガス拡散層における流通性の低下により、電気化学反応により発生した水がガス拡散層に滞留して排出されにくくなり、反応効率が低下したり停止したりする現象(いわゆるフラッディング)が生じるおそれがある。さらに、ガス拡散層における流通性が低い場合、ガス拡散層に燃料流体を供給するポンプ等の補機の動力が増大し、発電効率を低下させてしまう場合がある。   In addition, due to a decrease in flowability in the gas diffusion layer, the water generated by the electrochemical reaction is likely to stay in the gas diffusion layer and be difficult to be discharged, resulting in a phenomenon that the reaction efficiency decreases or stops (so-called flooding). There is. Furthermore, when the flowability in the gas diffusion layer is low, the power of an auxiliary machine such as a pump that supplies a fuel fluid to the gas diffusion layer increases, and the power generation efficiency may be reduced.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型軽量でありながら発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を実現する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell separator that realizes a polymer electrolyte fuel cell that is small and light and has excellent power generation efficiency.

本発明は、金属平板からなるセパレータ板の表面に、金属粉末およびバインダを含む金属スラリー層を形成する金属スラリー層形成工程と、前記セパレータ板上の前記金属スラリー層にスリットを形成し、複数の小片を形成するスリット形成工程と、前記金属スラリー層を焼成して、前記小片を収縮させつつ金属多孔質材とするとともにその収縮により前記スリットを拡大させ、その拡大したスリットからなる流路が前記小片の間に配置されたガス拡散層を形成する焼成工程とを有する燃料電池用セパレータの製造方法である。
ここで、金属スラリー層は、金属スラリーをセパレータに直接塗布して形成してもよいし、あるいは金属スラリーをキャリヤシート等に板状に成形し、乾燥剥離したものをセパレータ上に重ねてもよい。
The present invention provides a metal slurry layer forming step of forming a metal slurry layer containing metal powder and a binder on the surface of a separator plate made of a metal flat plate, and forming a slit in the metal slurry layer on the separator plate, A slit forming step for forming small pieces, and firing the metal slurry layer to make the metal porous material while shrinking the small pieces and expanding the slit by the shrinkage, the flow path comprising the enlarged slit is the And a firing process for forming a gas diffusion layer disposed between the small pieces.
Here, the metal slurry layer may be formed by directly applying the metal slurry to the separator, or the metal slurry may be formed into a plate shape on a carrier sheet or the like and dried and peeled over the separator. .

この製造方法によれば、金属多孔質材からなる複数の小片と、各小片間に形成された流路とによってガス拡散層を形成するので、流路を通じて燃料流体をガス拡散層全体に円滑に行き渡らせ、さらに流路から金属多孔質材からなる各小片内に気孔を通じて各電極に対して均一に燃料流体を供給できる、流通性に優れた燃料電池用セパレータが実現される。   According to this manufacturing method, since the gas diffusion layer is formed by the plurality of small pieces made of the metal porous material and the flow path formed between the small pieces, the fuel fluid is smoothly passed through the entire gas diffusion layer through the flow path. Further, a fuel cell separator having excellent flowability can be realized, which can supply the fuel fluid uniformly to each electrode through the pores in the small pieces made of the metal porous material from the flow path.

この製造方法において、前記スリットは、前記金属スラリー層を切断することにより形成されることが好ましい。この場合、セパレータ板に塗布された金属スラリー層をカッター等で切断という簡単な作業により、スリットを形成することができる。   In this manufacturing method, the slit is preferably formed by cutting the metal slurry layer. In this case, the slit can be formed by a simple operation of cutting the metal slurry layer applied to the separator plate with a cutter or the like.

この製造方法において、前記金属スラリー層はさらに発泡剤を含み、前記スリット形成工程の前に、前記金属スラリー層を発泡させる発泡工程をさらに有することが好ましい。この場合、金属スラリー層を構成する各材料の含有割合、金属粉末の粒径、発泡剤の材質や発泡温度等を適宜調節することにより、任意の気孔率や気孔径を有する金属多孔質材を形成することができる。また、金属粉末の粒径やバインダの量等を適宜調節することにより、焼成工程における金属スラリー層の収縮率を調節できるので、ガス拡散層における流路を任意の幅に形成することができる。   In this manufacturing method, it is preferable that the metal slurry layer further includes a foaming agent, and further includes a foaming step of foaming the metal slurry layer before the slit forming step. In this case, by appropriately adjusting the content ratio of each material constituting the metal slurry layer, the particle size of the metal powder, the material of the foaming agent, the foaming temperature, etc., a metal porous material having an arbitrary porosity or pore diameter can be obtained. Can be formed. In addition, by appropriately adjusting the particle size of the metal powder, the amount of the binder, and the like, the shrinkage rate of the metal slurry layer in the firing step can be adjusted, so that the flow path in the gas diffusion layer can be formed with an arbitrary width.

この製造方法において、前記セパレータ板と前記金属多孔質材とが同一金属材からなることが好ましい。この場合、セパレータ板と金属多孔質材とが異なる金属材からなる場合に比較して、燃料電池用セパレータの腐食を抑制できる。   In this manufacturing method, it is preferable that the separator plate and the metal porous material are made of the same metal material. In this case, the corrosion of the fuel cell separator can be suppressed as compared with the case where the separator plate and the metal porous material are made of different metal materials.

また、この製造方法において、前記金属多孔質材が耐食性金属からなることが好ましい。この場合、燃料電池において発生する硫酸などの腐食性環境によるガス拡散層の腐食を抑制できる。   Moreover, in this manufacturing method, it is preferable that the said metal porous material consists of a corrosion-resistant metal. In this case, corrosion of the gas diffusion layer due to a corrosive environment such as sulfuric acid generated in the fuel cell can be suppressed.

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、燃料流体を均一に拡散させ、各電極に燃料流体を均一かつ効率よく供給できるガス拡散層を有する燃料電池用セパレータが実現できる。したがって、ガス拡散層を薄くしても十分な流通性を確保できるので、小型軽量でありながら発電効率のよい燃料電池を実現できる。   According to the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention, a fuel cell separator having a gas diffusion layer capable of uniformly diffusing the fuel fluid and supplying the fuel fluid uniformly and efficiently to each electrode can be realized. Therefore, even if the gas diffusion layer is made thin, sufficient flowability can be ensured, so that a fuel cell with good power generation efficiency can be realized while being small and light.

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention. 金属スラリー層となるグリーンシートの製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing apparatus of the green sheet used as a metal slurry layer. 本発明の方法により製造された燃料電池用セパレータを備える燃料電池を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a fuel cell provided with the separator for fuel cells manufactured by the method of this invention. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells. 燃料電池用セパレータにおける流路の形状の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the shape of the flow path in the separator for fuel cells.

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。本発明は、金属平板からなるセパレータ板12の表面12aに、金属粉末およびバインダを含む金属スラリー層16を形成する金属スラリー層形成工程と(図1(a))、セパレータ板12上の金属スラリー層16にスリット16aを形成し、複数の小片16bを形成するスリット形成工程と(図1(b))、金属スラリー層16を焼成して、小片16bを収縮させつつ金属多孔質材とするとともにその収縮によりスリット16aを拡大させ、その拡大したスリット16aからなる流路15が各小片16bの間に配置されたガス拡散層14を形成する焼成工程とを有する燃料電池用セパレータの製造方法である。   Hereafter, the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on this invention is demonstrated. The present invention includes a metal slurry layer forming step of forming a metal slurry layer 16 containing a metal powder and a binder on a surface 12a of a separator plate 12 made of a metal flat plate (FIG. 1A), and a metal slurry on the separator plate 12 A slit forming step of forming slits 16a in the layer 16 and forming a plurality of small pieces 16b (FIG. 1 (b)), and firing the metal slurry layer 16 to make the porous pieces while shrinking the small pieces 16b. This is a method for manufacturing a fuel cell separator having a firing step in which a slit 16a is enlarged by the contraction and a flow path 15 including the enlarged slit 16a forms a gas diffusion layer 14 disposed between the small pieces 16b. .

<金属スラリー層形成工程>
本実施形態の金属スラリー層16は、金属粉末を含むグリーンシートGをセパレータ板12の表面12aに載置することにより形成される。
グリーンシートGは、
金属粉末:ステンレス鋼(SUS316L)粉末、40〜60重量%、平均粒径約10μm
バインダ:ポリビニルアルコール、5〜15重量%
界面活性剤:アルキルベンゼンスルホン酸塩、1〜3重量%
発泡剤:ヘキサン、0.5〜3重量%
水および不可避不純物:残部
を含む混練物を混合してなる発泡性スラリーSを、図2に示すグリーンシート製造装置20を用いてシート状に成形し、発泡、乾燥させたものである。
<Metal slurry layer forming step>
The metal slurry layer 16 of the present embodiment is formed by placing a green sheet G containing metal powder on the surface 12 a of the separator plate 12.
Green sheet G
Metal powder: Stainless steel (SUS316L) powder, 40-60% by weight, average particle size of about 10 μm
Binder: Polyvinyl alcohol, 5 to 15% by weight
Surfactant: Alkylbenzene sulfonate, 1 to 3% by weight
Foaming agent: hexane, 0.5 to 3% by weight
A foamable slurry S formed by mixing water and inevitable impurities: a kneaded product containing the remainder is formed into a sheet shape using the green sheet manufacturing apparatus 20 shown in FIG. 2, and is foamed and dried.

グリーンシート製造装置20は、回転するローラ22によって前進するキャリヤシート24の表面にドクターブレード26を用いて均一厚さに塗布されたスラリーSを発泡・乾燥させた発泡乾燥体をキャリヤシート24から剥離することにより、連続的にグリーンシートGを製造する装置である。
ホッパ28に貯蔵された発泡性スラリーSは、前進するキャリヤシート24上に供給され、キャリヤシート24の表面から所定の高さに配置されたドクターブレード26によって、所定の厚さのシート状に成形される。成形された発泡性スラリーSは、さらにキャリヤシート24によって搬送され、発泡槽30および加熱槽32の内部を順次通過する。高湿度雰囲気下(たとえば湿度75〜95%、温度30〜40℃、処理時間10〜20分)の発泡槽30では、発泡性スラリーSを乾燥させずに発泡させる。次いで、発泡状態の発泡性スラリーSを加熱槽32内(たとえば50〜70℃、処理時間50〜70分)で乾燥させることにより、金属粉末がバインダによって接合されてなり、気孔が形成されたグリーンシートGが製造される。
The green sheet manufacturing apparatus 20 peels from the carrier sheet 24 the foamed and dried material obtained by foaming and drying the slurry S applied to the surface of the carrier sheet 24 advanced by the rotating roller 22 to a uniform thickness using the doctor blade 26. By doing this, the green sheet G is continuously produced.
The foamable slurry S stored in the hopper 28 is supplied onto the advancing carrier sheet 24 and formed into a sheet with a predetermined thickness by a doctor blade 26 disposed at a predetermined height from the surface of the carrier sheet 24. Is done. The molded foamable slurry S is further conveyed by the carrier sheet 24 and sequentially passes through the foaming tank 30 and the heating tank 32. In the foaming tank 30 under a high humidity atmosphere (for example, humidity 75 to 95%, temperature 30 to 40 ° C., treatment time 10 to 20 minutes), the foamable slurry S is foamed without being dried. Next, the foamable slurry S in a foamed state is dried in the heating tank 32 (for example, 50 to 70 ° C., treatment time 50 to 70 minutes), whereby the metal powder is bonded by the binder and the pores are formed. Sheet G is manufactured.

このように製造されたグリーンシートGを所定の寸法に裁断してセパレータ板12上に載置することにより(図1(a))、セパレータ板12上に金属スラリー層16が形成される。セパレータ板12は、発泡性スラリーSの金属粉末と同じステンレス鋼(SUS316L)からなり、厚さ0.15mmの平板である。   The green sheet G manufactured in this way is cut into a predetermined size and placed on the separator plate 12 (FIG. 1A), whereby the metal slurry layer 16 is formed on the separator plate 12. The separator plate 12 is made of the same stainless steel (SUS316L) as the metal powder of the foamable slurry S, and is a flat plate having a thickness of 0.15 mm.

<スリット形成工程>
次に、セパレータ板12上に形成された金属スラリー層16にスリット16aを形成し、複数の小片16bを形成する(図1(b))。スリット16aは、金属スラリー層16をカッター等によって切断することにより形成される。
<Slit formation process>
Next, slits 16a are formed in the metal slurry layer 16 formed on the separator plate 12, and a plurality of small pieces 16b are formed (FIG. 1B). The slit 16a is formed by cutting the metal slurry layer 16 with a cutter or the like.

<焼成工程>
次に、スリット16aが形成された金属スラリー層16(各小片16b)を、所定の脱脂条件(たとえば真空中で450〜650℃、25〜35分)で脱脂(バインダを除去)し、さらに、所定の焼成条件(たとえば真空中で1200〜1300℃、50〜70分)で焼成する。この焼成処理によって、金属スラリー層16(各小片16b)は薄板状の多孔質金属材となる。なお、この焼成工程において、セパレータ板12および金属スラリー層16を、配置された平板状圧縮部材間に挟んで任意の厚さに押圧した状態で焼成することにより、多孔質金属材を任意の均一な厚さ(たとえば約0.2mm)に形成できるとともに、多孔質金属材の表面を平坦にすることができる。平板状圧縮部材としては、たとえばカーボン板に酸化物を溶射したものや、ジルコニア板などを用いることができる。
<Baking process>
Next, the metal slurry layer 16 (each piece 16b) in which the slit 16a is formed is degreased (removing the binder) under predetermined degreasing conditions (for example, 450 to 650 ° C. in a vacuum, 25 to 35 minutes), and Firing is performed under predetermined firing conditions (for example, 1200 to 1300 ° C. and 50 to 70 minutes in a vacuum). By this firing treatment, the metal slurry layer 16 (each piece 16b) becomes a thin plate-like porous metal material. In this firing step, the porous metal material is arbitrarily uniformed by firing the separator plate 12 and the metal slurry layer 16 in a state of being sandwiched between the arranged flat compression members and pressed to an arbitrary thickness. The thickness of the porous metal material can be flattened, and the thickness of the porous metal material can be flattened. As the flat compression member, for example, a carbon plate sprayed with an oxide or a zirconia plate can be used.

金属スラリー層16が焼成されてなる多孔質金属材は、気孔率が50〜97%、気孔径が10μm〜2mmであり、多孔質金属材の表面に開口している気孔が、内部に形成された気孔と連通している。   The porous metal material obtained by firing the metal slurry layer 16 has a porosity of 50 to 97%, a pore diameter of 10 μm to 2 mm, and pores that are open on the surface of the porous metal material are formed inside. Communicated with the pores.

金属スラリー層16は、脱脂・焼成されることにより、バインダの除去および金属粉末の焼結に伴って収縮する。金属スラリー層16の収縮により、図1(c)に示すように、スリット16aが拡大し、この拡大したスリット16aからなる流路15が小片16b間を面方向に延びるように形成される。なお、金属スラリー層16にスリット16aを形成し、複数の小片16bに分割して焼成することにより、収縮による金属スラリー層16(多孔質金属材)の割れが防止される。   The metal slurry layer 16 shrinks as the binder is removed and the metal powder is sintered by being degreased and fired. Due to the shrinkage of the metal slurry layer 16, as shown in FIG. 1C, the slit 16 a is enlarged, and the flow path 15 including the enlarged slit 16 a is formed so as to extend between the small pieces 16 b in the surface direction. In addition, the slit 16a is formed in the metal slurry layer 16, and the metal slurry layer 16 (porous metal material) is prevented from cracking due to shrinkage by being divided into a plurality of small pieces 16b and firing.

なお、流路15の幅を3mm以下とすることにより、流体をガス拡散層14全体に効率よく供給することができる。流路15の幅は、金属スラリー層16の焼成時の収縮率や、スリット16aの形成幅を調節することにより、任意の大きさに設定できる。また、この焼成処理の際に、セパレータ板12に対して小片16bが拡散接合される。   In addition, the fluid can be efficiently supplied to the entire gas diffusion layer 14 by setting the width of the flow path 15 to 3 mm or less. The width of the flow path 15 can be set to an arbitrary size by adjusting the shrinkage rate during firing of the metal slurry layer 16 and the formation width of the slit 16a. Moreover, the small piece 16b is diffusion-bonded to the separator plate 12 during the firing process.

このようにセパレータ板12の表面12aに形成された複数の小片16bと流路15とは、燃料電池用セパレータ10においてガス拡散層14を構成する。この燃料電池用セパレータ10を用いた燃料電池40を図3に示す。この燃料電池40では、固体高分子膜41の両面にそれぞれ設けられた触媒層42に対してガス拡散層14を接触させるように、各燃料電池用セパレータ10が配置されている。この燃料電池40において、一方のガス拡散層14に燃料(水素)、他方のガス拡散層14に空気を供給することにより、各触媒層42において電気化学反応を生じさせ、電力を発生することができる。   In this way, the plurality of small pieces 16 b and the flow path 15 formed on the surface 12 a of the separator plate 12 constitute a gas diffusion layer 14 in the fuel cell separator 10. A fuel cell 40 using the fuel cell separator 10 is shown in FIG. In this fuel cell 40, each fuel cell separator 10 is disposed so that the gas diffusion layer 14 is brought into contact with the catalyst layers 42 provided on both surfaces of the solid polymer membrane 41. In this fuel cell 40, by supplying fuel (hydrogen) to one gas diffusion layer 14 and air to the other gas diffusion layer 14, an electrochemical reaction is caused in each catalyst layer 42 to generate electric power. it can.

燃料電池用セパレータ10のガス拡散層14は、金属多孔質材からなる複数の小片16bと、これら小片16bの間の流路15とで構成されている。したがって、このガス拡散層14に供給された水素または空気は、流路15を通じてガス拡散層14全体を速やかに流通し、さらにこの流路15から各小片16bの気孔内を流通して、各触媒層42の全面に均一に到達できる。   The gas diffusion layer 14 of the fuel cell separator 10 includes a plurality of small pieces 16b made of a metal porous material, and a flow path 15 between the small pieces 16b. Therefore, the hydrogen or air supplied to the gas diffusion layer 14 quickly circulates through the entire gas diffusion layer 14 through the flow path 15, and further flows through the pores of the small pieces 16 b from the flow path 15 to each catalyst. The entire surface of the layer 42 can be uniformly reached.

このように、ガス拡散層14の流通性がよく、厚さが小さくても円滑に流体を流通させることができるので、発電効率を低下させずに燃料電池用セパレータ10を薄くでき、多数の単セルが積層される燃料電池の薄型化が可能となる。また、水素供給側においては余剰の水素、空気供給側においては反応により生じた水を、円滑にガス拡散層14から排出することができる。したがって、この燃料電池用セパレータ10を用いた燃料電池40では、水素の供給効率に優れ、また水の滞留によるフラッディングが防止されるので、効率のよい発電が可能となる。さらに、ガス拡散層14の流通性が良好であることから圧力損失が小さいので、水素供給用のポンプの能力が小さくて済み、電池の高効率化および装置の小型化を実現できる。   As described above, since the gas diffusion layer 14 has good flowability and fluid can be smoothly circulated even if the thickness is small, the fuel cell separator 10 can be made thin without deteriorating the power generation efficiency. The fuel cell in which the cells are stacked can be made thinner. Further, surplus hydrogen can be discharged from the gas diffusion layer 14 on the hydrogen supply side and water generated by the reaction on the air supply side. Therefore, the fuel cell 40 using the fuel cell separator 10 is excellent in hydrogen supply efficiency and prevents flooding due to water retention, so that efficient power generation is possible. Furthermore, since the gas diffusion layer 14 has good flowability, the pressure loss is small, so that the capacity of the pump for supplying hydrogen can be small, and the battery can be highly efficient and the apparatus can be downsized.

さらに、この燃料電池用セパレータ10では、ガス拡散層14とセパレータ板12とが拡散接合により接合されているので、ガス拡散層14とセパレータ板12との間に接触抵抗がない。したがって、触媒層42からセパレータ板12までの電気抵抗が小さく、多数の単セルを積層した場合にも電力の損失を小さく抑えることができる。   Further, in the fuel cell separator 10, since the gas diffusion layer 14 and the separator plate 12 are joined by diffusion bonding, there is no contact resistance between the gas diffusion layer 14 and the separator plate 12. Therefore, the electrical resistance from the catalyst layer 42 to the separator plate 12 is small, and even when a large number of single cells are stacked, the power loss can be kept small.

以上説明したように、本発明に係る燃料電池用セパレータ10によれば、高効率かつ小型の燃料電池の実現が可能となる。
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
As explained above, according to the fuel cell separator 10 of the present invention, a highly efficient and small fuel cell can be realized.
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

たとえば、前記実施形態ではガス拡散層14をセパレータ板12の全面に設けたが、図4に示す燃料電池用セパレータ50のように、ガス拡散層54をセパレータ板52の一部に設けてもよい。この場合、ガス拡散層54に供給する流体を流通させる入口孔52aおよびガス拡散層54から排出する流体を流通させる出口孔52bをセパレータ板52に形成し、これら入口孔52aおよび出口孔52bとガス拡散層54とを取り囲むシール材56を設ける。これにより、この燃料電池用セパレータ50を積層したセルスタックにおいて、各セパレータ板52の各入口孔52a同士を接続する流体供給流路と、各出口孔52b同士を接続する流体排出流路とを設けることができる。   For example, although the gas diffusion layer 14 is provided on the entire surface of the separator plate 12 in the above embodiment, the gas diffusion layer 54 may be provided on a part of the separator plate 52 as in the fuel cell separator 50 shown in FIG. . In this case, an inlet hole 52a through which the fluid supplied to the gas diffusion layer 54 circulates and an outlet hole 52b through which the fluid discharged from the gas diffusion layer 54 circulates are formed in the separator plate 52, and these inlet holes 52a and outlet holes 52b and the gas A sealing material 56 surrounding the diffusion layer 54 is provided. Thus, in the cell stack in which the fuel cell separators 50 are stacked, a fluid supply channel that connects the inlet holes 52a of the separator plates 52 and a fluid discharge channel that connects the outlet holes 52b are provided. be able to.

本発明の燃料電池用セパレータにおいて、ガス拡散層の流路は、排水性を向上させたり、ガス拡散層における流体の滞留時間を調整したりするために、種々の形状で設けることができる。本発明では、流路の形状はスリットの形状とほぼ同じであるので、スリット形成工程において形成するスリットを任意の形状にするだけで、任意の形状の流路を形成することができる。   In the fuel cell separator according to the present invention, the flow path of the gas diffusion layer can be provided in various shapes in order to improve drainage and adjust the residence time of the fluid in the gas diffusion layer. In the present invention, since the shape of the flow path is substantially the same as the shape of the slit, it is possible to form a flow path having an arbitrary shape simply by making the slit formed in the slit forming step an arbitrary shape.

たとえば、図1(c)に示した格子状に流路16bを設けた燃料電池用セパレータ10では、ガス拡散層14全体に均一に流体を流通させることができる。
図5に示すように横縞状に流路65を設けた燃料電池用セパレータ60では、ガス拡散層64における横方向の流体の拡散性を向上させることができる。図6に示すように縦縞状に流路75を設けた燃料電池用セパレータ70では、ガス拡散層74における排水性を向上させることができる。
For example, in the fuel cell separator 10 in which the flow paths 16b are provided in the lattice shape shown in FIG. 1C, the fluid can be circulated uniformly throughout the gas diffusion layer.
As shown in FIG. 5, in the fuel cell separator 60 in which the flow paths 65 are provided in a horizontal stripe shape, the diffusibility of the fluid in the lateral direction in the gas diffusion layer 64 can be improved. As shown in FIG. 6, in the fuel cell separator 70 in which the flow paths 75 are provided in the form of vertical stripes, drainage performance in the gas diffusion layer 74 can be improved.

図7に示すように波線状に流路85を設けた燃料電池用セパレータ80や、図8に示すように交互に延びる流路95を設けた燃料電池用セパレータ90では、ガス拡散層84,94内における流体の滞留時間を長くすることができる。
図9に示すように、流路105の密度を部分的に異ならせた燃料電池用セパレータ100では、ガス拡散層104において、流路105の密度が高い部分ほど排水性を高くすることができる。
As shown in FIG. 7, in the fuel cell separator 80 provided with the flow path 85 in a wavy line, and in the fuel cell separator 90 provided with the flow paths 95 extending alternately as shown in FIG. The residence time of the fluid in the inside can be lengthened.
As shown in FIG. 9, in the fuel cell separator 100 in which the density of the flow path 105 is partially different, the drainage performance can be increased as the density of the flow path 105 is higher in the gas diffusion layer 104.

なお、本発明の製造方法において、金属スラリー層は、ドクターブレード法に限定されず、スクリーン印刷、ダイコータ法等の間欠塗布法により、直接セパレータ板に塗工して形成することができる。また、スクリーン印刷等によるパターン塗布を用いてもよい。これらの場合、セパレータ板上で金属スラリー層を発泡、乾燥させた後、そのままスリット形成工程を行うことができる。また、パターン塗布の際にスリットを形成することもできる。   In the production method of the present invention, the metal slurry layer is not limited to the doctor blade method, but can be directly formed on the separator plate by an intermittent application method such as screen printing or a die coater method. Further, pattern application by screen printing or the like may be used. In these cases, after the metal slurry layer is foamed and dried on the separator plate, the slit forming step can be performed as it is. In addition, slits can be formed during pattern application.

また、前記実施形態では平板状のセパレータ板12を用いたが、ロール状のセパレータ板を用いてもよい。この場合、ドクターブレード法によって金属スラリー層を連続的に形成することができる。
また、スリットの形成方法は、塗布された金属スラリー層をカッターで切断する方法に限定されず、たとえば金属スラリー層を線状に掻き取る方法等でもよい。
Moreover, although the flat separator plate 12 is used in the embodiment, a roll separator plate may be used. In this case, the metal slurry layer can be continuously formed by a doctor blade method.
Moreover, the formation method of a slit is not limited to the method of cut | disconnecting the apply | coated metal slurry layer with a cutter, For example, the method of scraping a metal slurry layer in a linear form etc. may be sufficient.

本発明の燃料電池用セパレータにおいて、金属スラリー層は、前記実施形態のように発泡剤により気孔が形成されるものでなくてもよい。たとえば、金属粉末、バインダおよび樹脂ビーズを含み、焼成工程により樹脂ビーズを消失させることにより気孔を形成して多孔質金属材となるスラリーを用いてもよい。   In the fuel cell separator of the present invention, the metal slurry layer may not have pores formed by a foaming agent as in the above embodiment. For example, a slurry containing a metal powder, a binder, and resin beads, and forming pores by erasing the resin beads by a firing process to form a porous metal material may be used.

本発明の燃料電池用セパレータにおいて、ガス拡散層の小片およびセパレータ板を構成する金属は、SUS316SLに限定されないが、Ni−Cr−Mo系合金等の耐食性合金や、チタン、ニオブ、タンタル等の耐食性金属であることが好ましい。   In the separator for a fuel cell of the present invention, the metal constituting the gas diffusion layer piece and the separator plate is not limited to SUS316SL, but is corrosion resistant alloy such as Ni—Cr—Mo alloy, and corrosion resistance such as titanium, niobium, and tantalum. A metal is preferred.

10,50,60,70,80,90,100 燃料電池用セパレータ
12,52 セパレータ板
14,54,64,74,84,94,104 ガス拡散層
15,65,75,85,95,105 流路
16 金属スラリー層
16a スリット
16b 小片
20 グリーンシート製造装置
22 ローラ
24 キャリヤシート
26 ドクターブレード
28 ホッパ
30 発泡槽
32 加熱槽
40 燃料電池
41 固体高分子膜
42 触媒層
52a 入口孔
52b 出口孔
56 シール材
G グリーンシート
S 発泡性スラリー
10, 50, 60, 70, 80, 90, 100 Separator for fuel cell 12, 52 Separator plate 14, 54, 64, 74, 84, 94, 104 Gas diffusion layer 15, 65, 75, 85, 95, 105 flow Path 16 Metal slurry layer 16a Slit 16b Small piece 20 Green sheet manufacturing device 22 Roller 24 Carrier sheet 26 Doctor blade 28 Hopper 30 Foaming tank 32 Heating tank 40 Fuel cell 41 Solid polymer film 42 Catalyst layer 52a Inlet hole 52b Outlet hole 56 Sealing material G Green sheet S Effervescent slurry

Claims (5)

金属平板からなるセパレータ板の表面に、金属粉末およびバインダを含む金属スラリー層を形成する金属スラリー層形成工程と、
前記セパレータ板上の前記金属スラリー層にスリットを形成し、複数の小片を形成するスリット形成工程と、
前記金属スラリー層を焼成して、前記小片を収縮させつつ金属多孔質材とするとともにその収縮により前記スリットを拡大させ、その拡大したスリットからなる流路が前記小片の間に配置されたガス拡散層を形成する焼成工程とを有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。
A metal slurry layer forming step of forming a metal slurry layer containing a metal powder and a binder on the surface of a separator plate made of a metal flat plate;
Forming a slit in the metal slurry layer on the separator plate, and forming a plurality of small pieces; and
Gas diffusion in which the metal slurry layer is fired to form a metal porous material while shrinking the small pieces, and the slits are enlarged by the shrinkage, and a flow path including the enlarged slits is disposed between the small pieces. A method for producing a separator for a fuel cell, comprising a firing step for forming a layer.
前記スリットは、前記金属スラリー層を切断することにより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の製造方法。   The method of manufacturing a fuel cell separator according to claim 1, wherein the slit is formed by cutting the metal slurry layer. 前記金属スラリー層はさらに発泡剤を含み、
前記スリット形成工程の前に、前記金属スラリー層を発泡させる発泡工程をさらに有す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の製造方法。
The metal slurry layer further includes a foaming agent,
The method for manufacturing a fuel cell separator according to claim 1 or 2, further comprising a foaming step of foaming the metal slurry layer before the slit forming step.
前記セパレータ板と前記金属多孔質材とが同一金属材からなることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the separator plate and the metal porous material are made of the same metal material. 前記金属多孔質材が耐食性金属からなることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal porous material is made of a corrosion-resistant metal.
JP2009056300A 2009-03-10 2009-03-10 Manufacturing method of fuel cell separator Expired - Fee Related JP5278056B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009056300A JP5278056B2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Manufacturing method of fuel cell separator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009056300A JP5278056B2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Manufacturing method of fuel cell separator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010212056A JP2010212056A (en) 2010-09-24
JP5278056B2 true JP5278056B2 (en) 2013-09-04

Family

ID=42972014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009056300A Expired - Fee Related JP5278056B2 (en) 2009-03-10 2009-03-10 Manufacturing method of fuel cell separator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5278056B2 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3446254B2 (en) * 1993-06-28 2003-09-16 株式会社エクォス・リサーチ Fuel cell and method of manufacturing the same
JP2002100372A (en) * 2000-09-22 2002-04-05 Japan Storage Battery Co Ltd Gas diffusion electrode for fuel cell and its manufacturing method
JP2004164903A (en) * 2002-11-11 2004-06-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte type fuel cell, and manufacturing method of its electrode
JP4501342B2 (en) * 2002-12-06 2010-07-14 三菱マテリアル株式会社 Method for producing separator of polymer electrolyte fuel cell
JP2006331670A (en) * 2005-05-23 2006-12-07 Toyota Motor Corp Manufacturing method of fuel cell separator and fuel cell using the fuel cell separator

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010212056A (en) 2010-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Omrani et al. Gas diffusion layer modifications and treatments for improving the performance of proton exchange membrane fuel cells and electrolysers: a review
Zhang et al. Application of porous materials for the flow field in polymer electrolyte membrane fuel cells
JP2017084793A (en) Method to fabricate variation in porosity of lithium ion battery electrode film
US9312544B2 (en) Fuel cells
JP6931802B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cell and its manufacturing method, membrane electrode assembly, and fuel cell
EP2749394A1 (en) Electrode structures manufactured by co-extrusion printing
JP4501342B2 (en) Method for producing separator of polymer electrolyte fuel cell
KR20180058571A (en) Component for fuel cell including graphene foam and functioning as flow field and gas diffusion layer
JP4507833B2 (en) Fuel cell and manufacturing method thereof
JP2009199877A (en) Fuel cell, and method of manufacturing the same
JP2005322595A (en) Fuel cell
JP4300855B2 (en) Multi-porous material for fuel cell and fuel cell
JP2004516642A (en) Electrodes of electrochemical energy converters, components, half-cells and methods of manufacturing batteries
WO2014096793A1 (en) Fuel cells and method of operation
JP5278056B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator
JP2004127566A (en) Gas diffusion layer for fuel cell
JP2021511630A (en) Fuel cell plate and flow structure design
JP2006066139A (en) Fuel cell separator and fuel cell using it
JP4892873B2 (en) Conductive porous body and fuel cell used in fuel cell
JP7284178B2 (en) Cathode flow field distribution for fuel cell stack
KR20180058570A (en) Flow field for fuel cell including graphene foam
JP5099017B2 (en) Solid polymer fuel cell separator
JP2005158613A (en) Cell for fuel cell, manufacturing method of cell for fuel cell, and fuel cell
EP3525266B1 (en) Battery electrode structure for interdigitated finger co-extrusion
JP5804449B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110927

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130411

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130423

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130506

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees