JP5417819B2 - Fuel cell separator and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。具体的には、本発明は、電解質膜の両側に配置された電極に対する反応ガスの供給を均一化することができる燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method for producing the same. Specifically, the present invention relates to a separator for a fuel cell that can uniformize the supply of reaction gas to electrodes arranged on both sides of an electrolyte membrane, and a method for manufacturing the same.
近年、エネルギ・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し、高出力が得られる燃料電池が、電気自動車用電源や定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、アルカリ形燃料電池(AFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)などがある。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動して高出力が得られることから、電気自動車用電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that operate at room temperature and obtain high output have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of the electrode reaction is water and has almost no adverse effect on the global environment. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and molten carbonate fuel cells (MCFC). )and so on. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for an electric vehicle because it operates at a relatively low temperature to obtain a high output.
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜電極接合体をセパレータで挟持した構造となっている。膜電極接合体は、固体電解質膜が一対の触媒層及び必要に応じてガス拡散層により挟持されてなるものである。また、セパレータは、電極に接触し、電極からの集電に用いるとともに、ガス供給用のガス流路及び冷却水流路をそれぞれ備えている。 The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators. The membrane / electrode assembly is formed by sandwiching a solid electrolyte membrane between a pair of catalyst layers and, if necessary, a gas diffusion layer. The separator is in contact with the electrode and used for collecting current from the electrode, and is provided with a gas flow path for supplying gas and a cooling water flow path.
このような燃料電池用セパレータとして、金属セパレータの表面に複数の突起を設けることにより、反応ガス流路を形成するものが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記特許文献1のセパレータにおける突起は、金属板をプレス成形することにより形成されている。そのため、ガス拡散層における突起と接触する部分には、反応ガスが到達しにくい。そのため、ガス拡散層と接触した触媒層への反応ガスの到達も阻害され、十分な反応領域が確保できず、発電性能が低下するという問題があった。 However, the protrusion in the separator of Patent Document 1 is formed by press-molding a metal plate. Therefore, it is difficult for the reactive gas to reach the portion of the gas diffusion layer that contacts the protrusion. Therefore, the arrival of the reaction gas to the catalyst layer in contact with the gas diffusion layer is hindered, and there is a problem that a sufficient reaction region cannot be secured and the power generation performance is lowered.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、ガス拡散層及び触媒層に対する反応ガスの供給を均一化し、発電性能の低下を防止することができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. The object is to provide a fuel cell separator and a method of manufacturing the fuel cell separator that can uniformize the supply of the reaction gas to the gas diffusion layer and the catalyst layer and prevent a decrease in power generation performance. It is in.
本発明の燃料電池用セパレータは、セパレータ基材と、セパレータ基材上に設けられ、セパレータ基材の表面に反応ガス流路を形成し、さらに多孔質体からなる複数の突起と、を備える。さらに、突起は粒子径が0.5μm〜50μmの導電性粒子を含有し、さらに突起の空孔率は65〜90%である。そして、複数の突起は、反応ガス流通方向に対して千鳥状に設けられ、反応ガス流通方向に沿って隣り合う2つの突起の中心を結んだ直線と、2つの突起における反応ガスの上流側に形成された突起の表面と直交し、かつ、前記反応ガス流通方向に平行なガス流線とのなす角は、0〜50°である。 The fuel cell separator of the present invention includes a separator base material, a separator base material, a reaction gas flow path formed on the surface of the separator base material, and a plurality of protrusions made of a porous body. Further, the protrusion contains conductive particles having a particle diameter of 0.5 μm to 50 μm, and the protrusion has a porosity of 65 to 90%. The plurality of protrusions are provided in a staggered manner with respect to the reaction gas flow direction, and are connected to the straight line connecting the centers of the two protrusions adjacent to each other along the reaction gas flow direction and upstream of the reaction gas in the two protrusions. An angle formed by a gas stream line perpendicular to the surface of the formed protrusion and parallel to the reaction gas flow direction is 0 to 50 °.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、導電性粒子を含有するスラリを調製する工程と、スクリーン印刷によりスラリをセパレータ基材上に塗工することにより突起前駆体を形成する工程を有する。さらに、スラリが塗工されたセパレータ基材を乾燥することにより突起を形成する工程を有する。 The manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention has the process of forming the protrusion precursor by coating the slurry on a separator base material by screen printing, and the process of preparing the slurry containing electroconductive particle. Furthermore, it has the process of forming protrusion by drying the separator base material with which slurry was applied.
本発明の燃料電池用セパレータでは、セパレータ基材上に設けた突起を多孔質体としたことから、突起と対向するガス拡散層及び触媒層へ反応ガスが透過する為、反応領域を確保でき、発電性能が向上する。また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、スクリーン印刷法により前記突起を安価で容易に形成することができる。 In the separator for a fuel cell of the present invention, since the protrusion provided on the separator substrate is a porous body, the reaction gas permeates to the gas diffusion layer and the catalyst layer facing the protrusion, so that a reaction region can be secured, Power generation performance is improved. Moreover, the manufacturing method of the separator for fuel cells of this invention can form the said protrusion cheaply and easily by the screen printing method.
以下、図面を用いて本実施形態の実施形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
図1(a)では、本実施形態のセパレータを備えた燃料電池(単セル)の構成を示す。図1(a)に示すように、燃料電池1は、固体高分子電解質膜2の両側に、空気極3及び燃料極4を接合して一体化した膜電極接合体5を備える。空気極3は、空気極触媒層3a及び空気極ガス拡散層3bを備えた二層構造であり、空気極触媒層3aは、固体高分子電解質膜2の一方の面に接触している。同様に、燃料極4は、燃料極触媒層4a及び燃料極ガス拡散層4bを備えた二層構造であり、燃料極触媒層4aは、固体高分子電解質膜2の他方の面に接触している。空気極3及び燃料極4の外側には、空気極セパレータ6及び燃料極セパレータ7が各々設置されている。そして、空気極セパレータ6及び燃料極セパレータ7により、酸化剤ガス流路6a、燃料ガス流路7a及び冷却水流路8が形成されている。
FIG. 1A shows a configuration of a fuel cell (single cell) including the separator according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, the fuel cell 1 includes a
前記燃料電池1は、固体高分子電解質膜2の両側に空気極3、燃料極4を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体5の両側に空気極セパレータ6及び燃料極セパレータ7を配置して製造する。燃料電池1では、燃料極4側に水素を含有した燃料ガスを供給し、空気極3側に酸素を含有した空気などの酸化剤ガスを供給する。これにより、固体高分子電解質膜2と、空気極触媒層3a及び燃料極触媒層4aとの間の接触面において電気化学反応が起こる。
In the fuel cell 1, an
図2では、本実施形態に係る燃料極セパレータ7を示す。なお、以下、燃料極セパレータ7の構成を説明するが、空気極セパレータ6も燃料極セパレータ7と同様の構成である。セパレータ7は、平板状のセパレータ基材10を備えている。セパレータ基材10の長手方向(X方向)の一端には、燃料ガスをセパレータ7に供給するための燃料ガス供給マニホールド11aが形成され、その対角線上に燃料ガス排出マニホールド11bが形成されている。また、セパレータ基材10の長手方向の他端には、酸化剤ガスをセパレータ6に供給するための酸化剤ガス供給マニホールド12aが形成され、その対角線上に酸化剤ガス排出マニホールド12bが形成されている。
FIG. 2 shows the
そして、本実施形態の燃料極セパレータ7は、セパレータ基材10の一方の面に複数の突起13が形成されている。この突起13は多孔質体からなり、燃料ガス供給マニホールド11aを通じて供給された燃料ガスが突起13の内部を通過して、突起13と対向するガス拡散層4bに到達することができる。
In the
具体的には、特許文献1のセパレータは、表面に複数の突起が形成されているが、この突起は金属板をプレス成形することにより形成されている。そのため、突起自体に燃料ガスの透過性がない。そのため、図1(b)に示すように、ガス拡散層における突起と対向する部分9には、燃料ガスが到達しにくくなる。この場合、ガス拡散層の下層に存在する触媒層に燃料ガスが供給されにくくなることから、部分9の近傍では、燃料ガスの酸化反応が起こりにくくなり、発電効率が低下する。しかし、本実施形態のセパレータ7は、突起13が多孔質体により構成されている。そのため、図1(b)の矢印が示すように、燃料ガスが燃料ガス流路7aから突起13の内部に侵入し、さらに突起13の内部から、ガス拡散層4bにおける突起13と対向する部分9にガスが供給される。そのため、部分9の近傍に存在する触媒層4aでも燃料ガスの酸化反応が起こるようになり、発電効率が向上する。
Specifically, the separator of Patent Document 1 has a plurality of protrusions formed on the surface, and the protrusions are formed by press-molding a metal plate. Therefore, the protrusion itself has no fuel gas permeability. Therefore, as shown in FIG. 1B, it is difficult for the fuel gas to reach the portion 9 facing the protrusion in the gas diffusion layer. In this case, since it is difficult for the fuel gas to be supplied to the catalyst layer existing below the gas diffusion layer, the oxidation reaction of the fuel gas hardly occurs in the vicinity of the portion 9 and the power generation efficiency is lowered. However, as for the
また、セパレータ7は、図2に示すように、セパレータ基材10の一方の面に複数の突起13を形成することにより、燃料ガス流路を形成している。具体的には、燃料ガス供給マニホールド11aを通じてセパレータ7に供給された燃料ガスは、突起13を通じてガス拡散層4bの内部に拡散し、触媒層4aに到達する。その後、燃料ガスは触媒層において酸化され、反応後の燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド11aの対角線上にある燃料ガス排出マニホールド11bから排出される。このように、燃料電池1の燃料極では、ガス拡散層4bだけでなく多孔質の突起13により燃料ガスが拡散されるため、触媒層4a全体に対し均一に燃料ガスを供給することができる。さらに突起13が高いガス拡散能を有していることから、ガス拡散層4bの厚さを従来より薄くし、低コスト化することも可能である。また、突起13によりガス流路を形成できるため、従来のセパレータに必須であったガス流路溝を形成する必要がなく、そのための金属成形が不要となる。
In addition, as shown in FIG. 2, the
前記突起13は多孔質体からなることから、前記突起13の空孔率は65〜90%であることが好ましい。空孔率が65%未満の場合、ガス透過性が低下し、十分なガス拡散能が得られない可能性がある。また、空孔率が90%を超える場合、突起の強度が低下する可能性がある。空孔率が70〜90%であることがより好ましい。なお、空孔率とは突起を構成する多孔質体の見かけの体積に対する空孔の割合を示し、水銀圧入法により求めることができる。水銀圧入法により空孔率を求める場合には、突起13をセパレータ基材10から分離し、市販の細孔分布測定装置を使用して求める。また、突起13に形成された細孔の細孔径は、0.1μm〜10μmであることが好ましい。細孔径が0.1μm未満の場合、排水抵抗が高くなり排水性が低下する可能性がある。また、細孔径が10μm以上を超える場合、細孔内に水が滞留しやすくなり、結果として排水性が低下する可能性がある。細孔径が2μm〜8μmであることがより好ましい。なお、細孔径は、前記水銀圧入法により求めることができる。
Since the
前記セパレータ7は、アノードの電気化学反応により発生した電子を取り出す必要があるため、高い電気伝導性を有する必要がある。そのため、突起13自体も電気伝導性を有していることが好ましい。このことから、前記突起13は、導電性粒子を含有していることが好ましい。また、突起13は多孔質体であることから、導電性粒子の粒子径は0.5μm〜50μmであることが好ましい。粒子径が0.5μm未満の場合、導電性粒子が密になってしまい、前記燃料ガスの透過に必要な細孔が得られない可能性がある。また、粒子径が50μmを超える場合、突起内の細孔が減少し、燃料ガスの透過パスが減少する可能性がある。粒子径が1μm〜10μmであることがより好ましい。なお、本明細書において、粒子径はメジアン径(D50)を示し、レーザー回折散乱法により求めることができる。
The
導電性粒子としては、導電性カーボン粒子を使用することが好ましく、特にカーボンブラックを用いることが好ましい。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、ランプブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等が使用できる。 As the conductive particles, it is preferable to use conductive carbon particles, and it is particularly preferable to use carbon black. As carbon black, furnace black, lamp black, acetylene black, channel black, thermal black and the like can be used.
さらに、突起13だけでなく、セパレータ基材10も導電性を有している必要がある。セパレータ基材10の材料としては、ステンレスやチタン、カーボンなど、導電性が高い公知のセパレータ材料を使用することができる。
Furthermore, not only the
また、前記突起13は円柱状とすることができ、その場合、円柱の断面の直径は65μm〜500μmであることが好ましい。円柱の径が65μm未満の場合、突起13の強度が不足する可能性がある。また、円柱の径が500μmを超えるの場合、突起13内への燃料ガスの浸透性が低下する可能性がある。なお、突起13の直径は、顕微鏡を用いることにより測定することができるが、デジタルファインスコープを用いることで簡便に測定することができる。
Further, the
前記セパレータ基材10における突起13の配置は、図3に示すように、X方向及びY方向ともに等間隔に配置することができる。また、図4に示すように、X方向に沿って千鳥状に配置することもできる。この場合、互いに隣接する突起13の間のピッチP(距離)は150μm〜1000μmであることが好ましい。突起13の間のピッチPが150μm未満の場合、燃料ガスの圧力損失が高くなる可能性がある。また、ピッチPが1000μmを超える場合、燃料ガスが触媒層4a全体に対し均一に供給されにくくなる。
As shown in FIG. 3, the
図4の突起配置について、さらに詳細に説明する。図4において、複数の突起13は、セパレータ基材10の表面において互いに適宜間隔をもって千鳥状に配置することで、燃料ガス流路を形成する。具体的には、セパレータ基材10の長手方向(X方向)と略直交方向に複数の突起13が所定間隔Pをもって並ぶことにより、一つの突起群13A1を形成している。そして、この突起群13A1は、X方向に向かって、所定間隔D1をあけて複数設けられている(突起群13A2、13A3)。さらにX方向において隣り合う突起13は、X方向と直交する方向に所定距離D2ずれている。所定距離D2は、突起群13A1における隣接する突起13の中心間距離の半分とすることができる。
The protrusion arrangement in FIG. 4 will be described in more detail. In FIG. 4, the plurality of
このような千鳥状配置は、X方向を基準に配置するだけでなく、燃料ガス流通方向を基準に配置することもできる。具体的には、図5に示すように、セパレータ基材10の燃料ガス流通方向Fと略直交方向に複数の突起13が所定間隔Pをもって並ぶことにより、一つの突起群13A1を形成している。そして、この突起群13A1は、燃料ガス流通方向Fに向かって複数設けられている(突起群13A2、13A3)。さらに燃料ガス流通方向Fにおいて隣り合う突起13は、燃料ガス流通方向と直交する方向に所定距離D2ずれている。なお、燃料ガス流通方向とは、燃料ガス供給マニホールド11aの中心から燃料ガス排出マニホールド11b中心に向かう方向である。図4及び図5のような千鳥状配置にすることにより、突起13に接触する燃料ガスのガス圧が上昇し、燃料ガスが突起内部に浸透しやすくなる。そのため、突起と対向するガス拡散層及び触媒層へのガス供給が増え、発電性能が向上する。
Such a staggered arrangement can be arranged not only based on the X direction but also based on the fuel gas distribution direction. Specifically, as shown in FIG. 5, a plurality of
なお、前記千鳥状の突起は、次のように配置することが好ましい。前記燃料ガス流通方向Fに沿って隣り合う2つの突起13B、13Cの中心Cを結んだ直線Lと、前記2つの突起13B、13Cにおける燃料ガスの上流側に形成された突起13Bの表面と直交するガス流線Gとのなす角θが、0〜50°であることが好ましい。ちなみにガス流線Gとは、燃料ガスが上流側の突起13Bの表面に垂直に衝突する方向を示し、ガス流線Gと燃料ガス流通方向Fは同じ方向(平行)である。このような角度とすることにより、突起13に接触する燃料ガスのガス圧がより上昇し、燃料ガスが突起内部に浸透しやすくなる。なお、前記角度が50°を超える場合、突起に当たる燃料ガスの面圧が減少し、燃料ガスの突起内への浸透が低下する可能性がある。ちなみに、前記角度θは、0〜10°であることがより好ましい。
The staggered protrusions are preferably arranged as follows. A straight line L connecting the centers C of the two
前記セパレータ基材10における突起13の配置は、図6に示すように、X方向に沿い、さらに燃料ガス供給マニホールド11aから燃料ガス排出マニホールド11bに向かって、突起の直径を徐々に小さくしても良い。また、図7に示すように、X方向に沿い、さらに燃料ガス供給マニホールド11aから燃料ガス排出マニホールド11bに向かって、突起の密度を徐々に小さくしても良い。このような配置とすることにより、燃料ガスの消費が進んだ燃料ガス排出マニホールド11b側の燃料ガスの流速を下げ、燃料ガスのガス圧を上げることができる。つまり、図6及び7に示すように、燃料ガス下流の突起間距離を長くすることにより、ガス流通路面積(体積)が増加し、その結果、ガス流速が下がる。ガスの流速が低下した場合、ベルヌーイの定理により、ガス圧は上昇する。ガス圧を上昇することにより、燃料ガス中の水素と触媒層との接触率が向上するため、発電特性を上げることが可能となる。
As shown in FIG. 6, the
前記突起13は、断面が扁平形状であることが好ましい。具体的には、図8に示すように、前記突起13Dの断面において、前記燃料ガス流通方向Fと直交する方向における長さd1は、前記燃料ガス流通方向の長さd2よりも長い。これにより、燃料ガスが衝突する面の形状は鈍頭形状となる。このように、突起が燃料ガスの流れに対して鈍頭形状の構造の場合、突起にあたる燃料ガスのガス圧が上昇し、燃料ガスが突起内部に浸透しやすくなる。そのため、突起と対向するガス拡散層及び触媒層へのガス供給が増え、発電性能が向上する。
The
前記突起13は、図9に示すように、表面に複数の凸部14を形成しても良い。複数の凸部14を形成することにより、突起13の表面が凹凸の多い粗い構造となる。これにより、図9の矢印で示すように、ガスが突起内部に引き込まれるようになり、突起内部にガスが浸透しやすくなる。そのため、突起と対向するガス拡散層及び触媒層へのガス供給が増え、発電性能が向上する。なお、凸部14における突起13からの突出量Pは25μm以下であることが好ましい。また、この凸部14は、突起13に含有され、粒子径を大きくした前記導電性粒子からなることが好ましい。
As shown in FIG. 9, the
前記突起13は、図10に示すように、セパレータ基材側から触媒層側に向かって、断面の直径が大きくなる構成としても良い。具体的には、セパレータ側の第一突起部13aの断面径よりも、ガス拡散層4bと接触する第二突起部13bの断面径を大きくすることができる。このような構成とすることにより、セパレータ基材側のガス流路が大きくなり、触媒層に対してガスを均一かつ全体に供給できるようになる。また、生成水の排出性も向上し、発電性能が向上する。なお、第一突起部13aの断面の直径は、第二突起部13bの断面の直径の1/2以上あることが好ましい。1/2未満の場合は、突起の強度が低下する恐れがある。なお、図10のような突起を形成する方法としては、後述するように、先ず、図10(a)に示すように、スクリーン印刷法により断面径の小さい第一突起部13aを形成する。その後、図10(b)に示すように、同様のスクリーン印刷法で第一突起部13a上に第二突起部13bを形成する。
As shown in FIG. 10, the
さらに、突起13は、図11に示すように、セパレータ基材側から触媒層側に向かって、空孔率が高くなる構成としても良い。具体的には、セパレータ側の第三突起部13cの空孔率よりも、ガス拡散層と接触する第四突起部13dの空孔率を高くすることができる。このような構成とすることにより、透気度が変わるため、ガスの圧力損失を低減でき、かつ、セパレータ基材とガス拡散層との間のガス圧を制御できることから、触媒層に対してガスを均一かつ全体に供給できるようになる。なお、図11のような突起を形成する方法としては、後述するように、先ず、図11(a)に示すように、スクリーン印刷法により空孔率の小さい第三突起部13cを形成する。その後、図11(b)に示すように、同様のスクリーン印刷法で第三突起部13c上に第四突起部13dを形成する。また、空孔率は、突起内に含有される導電性粒子の粒子径を大きくすることにより、高めることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 11, the
さらに、突起13は、セパレータ基材側から触媒層側に向かって、撥水性が高くなる構成としても良い。このような突起内で撥水性が変わる構造とすることにより、突起内に浸入した生成水を速やかに突起外部に排出できるようになり、ガス流路が確保され、発電性能が向上する。なお、撥水性は、導電性粒子と共に突起に含有され得るポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水剤の含有量を増減させることにより、変えることができる。つまり、図11と同様に、まず、撥水剤の少ないスラリを用いてセパレータ側の突起部を形成し、その後、撥水剤の多いスラリを用いて触媒層側の突起部を形成する。突起13におけるPTFEの含有率は、5〜40wt%の範囲で変更することができる。また、前記突起のセパレータ側にはシリカ等の親水剤を添加し、親水性にしても良い。
Furthermore, the
上述のような、突起の数、配置、形状、空隙率及び撥水性は、使用する燃料ガス中の水素濃度や発電状況等により、最適となるように各々設定することができる。特に、突起間距離については、特許文献1のセパレータは金属板をプレス成形することにより突起を形成しているため、突起間距離を0.5mm未満にすることが困難であった。そのため、十分なガス拡散性を得ることができず、発電性能が低下するという問題があった。また、突起間距離が大きすぎるという問題に加え、セパレータの中央部の突起がより大きい構造であるため、セパレータ中央部における触媒層へのガスの進入及び排気が阻害されやすく、発電性能が低下するという問題があった。しかし、本実施形態のセパレータでは、突起を多孔質にし、さらに突起間距離が500μm以下という非常に微細な流路構造とすることが可能であることから、ガス拡散層及び触媒層に対し、均一にガスを供給することが可能である。 The number, arrangement, shape, porosity, and water repellency of the protrusions as described above can be set to be optimal depending on the hydrogen concentration in the fuel gas used, the power generation status, and the like. In particular, regarding the distance between the protrusions, the separator of Patent Document 1 forms the protrusions by press-molding a metal plate, and thus it is difficult to make the distance between the protrusions less than 0.5 mm. Therefore, there has been a problem that sufficient gas diffusibility cannot be obtained and power generation performance is lowered. In addition to the problem that the distance between the protrusions is too large, the protrusion at the central part of the separator has a larger structure, so that gas entry and exhaust into the catalyst layer in the central part of the separator are likely to be hindered, resulting in a decrease in power generation performance. There was a problem. However, in the separator of this embodiment, since the protrusions are made porous and the distance between the protrusions is 500 μm or less, it is possible to form a very fine flow path structure, which is uniform with respect to the gas diffusion layer and the catalyst layer. It is possible to supply gas.
また、図1に示すように、本実施形態のセパレータは、セパレータ基材10の一方の面に突起13を設け、他方の面に冷却水流路8を形成しても良い。しかし、セパレータの薄膜化のため、セパレータ基材の一方の面に、燃料ガス流路用の突起13を設け、他方の面に酸化剤ガス流路用の突起13を設け、さらにセパレータ基材内部に冷却水流路を形成しても良い。また、本実施形態のセパレータの突起13は、上述のように円柱形状や鈍頭形状だけでなく、直方体形状であっても良い。例えば、図12に示すように、平板状のセパレータ基材上に直方体形状の突起13を複数設け、燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド11aから燃料ガス排出マニホールド11bに流れるように、縞状の反応ガス流路を形成しても良い。このような構成とすることにより、燃料ガスが突起13の間に存在する溝部10aだけでなく、突起13内部も通過して拡散されるため、触媒層全体に対し、より均一に燃料ガスを供給することができる。
Moreover, as shown in FIG. 1, the separator of this embodiment may provide the
本実施形態のセパレータと共に、燃料電池1で用いられるガス拡散層としては、公知のカーボンペーパやカーボンクロスを用いることができる。また、カーボンペーパやカーボンクロスの導電性を高めるために、カーボン粒子のような導電性物質を塗布しても良く、さらに撥水性を高めるために、PTFEのような撥水性物質を塗布しても良い。また、触媒層としては、公知の白金担持カーボン等を使用することができる。 As the gas diffusion layer used in the fuel cell 1 together with the separator of the present embodiment, known carbon paper or carbon cloth can be used. In order to increase the conductivity of carbon paper or carbon cloth, a conductive material such as carbon particles may be applied, and in order to further improve the water repellency, a water repellent material such as PTFE may be applied. good. Moreover, a well-known platinum carrying | support carbon etc. can be used as a catalyst layer.
次に、本実施形態のセパレータの製造方法について説明する。本実施形態のセパレータの突起は、スクリーン印刷により形成することができる。具体的には、まず、突起の構成物質である導電性粒子と溶媒とを含有したスラリを形成する。溶媒としては、水やアルコールなどの有機溶媒を用いることができる。このスラリには導電性粒子のほか、溶媒中での導電性粒子の分散性を高めるため、界面活性剤を添加することができる。また、上述のように、突起の撥水性を高めるため、PTFEを添加しても良い。また、スラリをスクリーン印刷するために増粘剤を添加し、粘度を向上させても良い。 Next, the manufacturing method of the separator of this embodiment is demonstrated. The protrusions of the separator of this embodiment can be formed by screen printing. Specifically, first, a slurry containing conductive particles that are constituents of protrusions and a solvent is formed. As the solvent, an organic solvent such as water or alcohol can be used. In addition to the conductive particles, a surfactant can be added to the slurry in order to enhance the dispersibility of the conductive particles in the solvent. Further, as described above, PTFE may be added to increase the water repellency of the protrusions. Further, a thickener may be added to screen the slurry to improve the viscosity.
次に、調製したスラリを、スクリーン印刷装置を用いてセパレータ基材上に、突起状になるように塗布する。この場合、セパレータ基材には、予め供給マニホールドや排出マニホールド等を形成しておくことが好ましい。スクリーン印刷装置としては、市販の卓上型スクリーンプリンタを用いることができる。図10及び図11のような突起を形成する場合には、異なるスラリを用いて、複数回塗工する。スラリを塗工後、溶媒を除去するため、乾燥及び必要に応じて焼成を行う。このように、本実施形態では、突起をスクリーン印刷により形成できるため、前記突起を安価で容易に形成することができ、かつ、設計自由度を大幅に向上させることができる。 Next, the prepared slurry is applied on the separator substrate using a screen printing device so as to form protrusions. In this case, it is preferable to previously form a supply manifold, a discharge manifold, and the like on the separator base material. A commercially available desktop screen printer can be used as the screen printing apparatus. When forming protrusions as shown in FIGS. 10 and 11, coating is performed a plurality of times using different slurries. After applying the slurry, in order to remove the solvent, it is dried and fired as necessary. Thus, in this embodiment, since the projection can be formed by screen printing, the projection can be easily formed at low cost, and the degree of design freedom can be greatly improved.
さらに、前記突起は、カーボン繊維を用いて形成することもできる。具体的には、まず、セパレータ基材上に、気相成長法によりカーボン繊維を形成する。その後、カーボン繊維を覆うように、スクリーン印刷により、導電性粒子を含有した前記スラリを塗工する。その後、スラリを塗工後、溶媒を除去するため、乾燥及び焼成をすることにより、突起を形成することができる。このように、突起の内部にカーボン繊維を設けることにより、セパレータ基材と突起との間の電気抵抗(接触抵抗)を下げることができる。また、カーボン繊維が突起の骨格となるため、スラリのたれや変形が防止でき、容易に突起を形成できる。さらに、突起の形成位置精度保証のロバスト性が向上し、性能が向上する。また、突起の塗工位置精度保証のロバスト性も向上し、作業性が向上する。なお、突起中における前記カーボン繊維の体積は、突起全体の体積の50%以下とすることが好ましい。突起中におけるカーボン繊維の体積が50%を超えると、突起の空孔率が減少し、ガス透過性が低下する恐れがある。 Furthermore, the protrusions can be formed using carbon fibers. Specifically, first, carbon fibers are formed on a separator substrate by a vapor growth method. Thereafter, the slurry containing conductive particles is applied by screen printing so as to cover the carbon fibers. Then, after applying the slurry, in order to remove the solvent, the protrusions can be formed by drying and baking. Thus, by providing the carbon fiber inside the protrusion, the electrical resistance (contact resistance) between the separator substrate and the protrusion can be lowered. Further, since the carbon fiber serves as a skeleton of the protrusion, slack and deformation of the slurry can be prevented, and the protrusion can be easily formed. Furthermore, the robustness of guaranteeing the formation position accuracy of the protrusion is improved, and the performance is improved. In addition, the robustness of the projection coating position accuracy guarantee is improved, and the workability is improved. Note that the volume of the carbon fiber in the protrusion is preferably 50% or less of the volume of the entire protrusion. If the volume of the carbon fiber in the protrusion exceeds 50%, the porosity of the protrusion may be reduced and gas permeability may be reduced.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
(スラリAの準備)
突起を形成するためのスラリAを次のように調製した。まず、界面活性剤(Dow Chemical Company製、Triton X−100)2gと、純水200gとを混合し、プロペラ攪拌装置(回転数;150rpm)を用いて、30分間攪拌した。さらに、前記界面活性剤分散水溶液にカーボンブラック(Cabot Corporation製、Vulcan XC−72R)20gを投入し、プロペラ攪拌装置(回転数;150rpm)を用いて、60分間攪拌した。次に、前記スラリに、ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業株式会社製、Polyflon D−1E)8gと、増粘剤とを適量投入し、攪拌することにより、突起用スラリAを調製した。
(Preparation of slurry A)
Slurry A for forming protrusions was prepared as follows. First, 2 g of a surfactant (manufactured by Dow Chemical Company, Triton X-100) and 200 g of pure water were mixed and stirred for 30 minutes using a propeller stirrer (rotation speed: 150 rpm). Furthermore, 20 g of carbon black (manufactured by Cabot Corporation, Vulcan XC-72R) was added to the surfactant-dispersed aqueous solution, and the mixture was stirred for 60 minutes using a propeller stirring device (rotation speed: 150 rpm). Next, 8 g of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., Polyflon D-1E) and a thickener were added to the slurry in an appropriate amount, followed by stirring to prepare slurry A for protrusions.
(スラリBの準備)
次に、突起上に設けるガス拡散層を形成するためのスラリBを次のように調製した。まず、界面活性剤(Dow Chemical Company製、Triton X−100)2gと、純水200gとを混合し、プロペラ攪拌装置(回転数;150rpm)を用いて、30分間攪拌した。さらに、前記界面活性剤分散水溶液にカーボンブラック(Cabot Corporation製、Vulcan XC−72R)20gを投入し、プロペラ攪拌装置(回転数;150rpm)を用いて、30分間攪拌し、スラリを調製した。次に、前記スラリをジェットミルを用いて粉砕処理を行い、カーボンブラックの平均粒子径を1μmとした。その後、前記スラリに、ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業株式会社製、Polyflon D−1E)8gと、増粘剤とを適量投入し、攪拌することにより、突起用スラリBを調製した。
(Preparation of slurry B)
Next, slurry B for forming a gas diffusion layer provided on the protrusions was prepared as follows. First, 2 g of a surfactant (manufactured by Dow Chemical Company, Triton X-100) and 200 g of pure water were mixed and stirred for 30 minutes using a propeller stirrer (rotation speed: 150 rpm). Furthermore, 20 g of carbon black (manufactured by Cabot Corporation, Vulcan XC-72R) was added to the surfactant-dispersed aqueous solution, and the mixture was stirred for 30 minutes using a propeller stirring device (rotation speed: 150 rpm) to prepare a slurry. Next, the slurry was pulverized using a jet mill, and the average particle size of the carbon black was set to 1 μm. Thereafter, 8 g of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., Polyflon D-1E) and a thickener were added to the slurry in an appropriate amount, followed by stirring to prepare slurry B for protrusions.
(スラリAの塗工)
まず、あらかじめ反応ガスの導入及び排出のためのマニホールドを形成した平板状の金属セパレータ基材を準備した。次に、スクリーン印刷装置の所定の位置に、前記セパレータ基材をセットした。その後、塗工範囲が55mm×55mmとなるように、所定の突起パターンを形成したスクリーンを用いて、スラリAをセパレータ基材上に塗工し、突起前駆体を形成した。次に、突起前駆体を形成したセパレータ基材を室温で60分間自然乾燥した後、80℃で15分間の乾燥処理を行った。さらに、同様の塗工及び乾燥処理を数回行った後、350℃で30分の焼成処理を行い、図13(a)に示すように、直径が約0.2mm、高さが150μmの円柱状突起を複数形成した。なお、突起の直径及び高さは、デジタルファインスコープ(オムロン株式会社製、3Dデジタルファインスコープ VC3500形)で測定した。
(Slurry A coating)
First, a plate-shaped metal separator substrate on which a manifold for introducing and discharging reaction gas was formed in advance was prepared. Next, the separator base material was set at a predetermined position of the screen printing apparatus. Thereafter, slurry A was applied onto the separator substrate using a screen on which a predetermined protrusion pattern was formed so that the coating range was 55 mm × 55 mm, thereby forming a protrusion precursor. Next, the separator substrate on which the protrusion precursor was formed was naturally dried at room temperature for 60 minutes, and then subjected to a drying treatment at 80 ° C. for 15 minutes. Furthermore, after performing the same coating and drying treatment several times, a baking treatment at 350 ° C. for 30 minutes is performed, and as shown in FIG. 13A, a circle having a diameter of about 0.2 mm and a height of 150 μm. A plurality of columnar protrusions were formed. The diameter and height of the protrusions were measured with a digital fine scope (manufactured by OMRON Corporation, 3D digital fine scope VC3500 type).
(スラリBの塗工)
まず、図13(b)に示すように、上述の突起付きセパレータ基材10の周囲にマスキング20を形成した。次に、図13(c)に示すように、ナイフコータ(塗工装置:RK Print Coat Instruments Ltd.,製 Control Coater、ナイフ部:テスター産業株式会社製、フィルムアプリケータ)を用いて、突起13及びマスキング20上にスラリBを塗工した。さらに、スラリBを塗工したセパレータ基材10を室温で60分間の自然乾燥した後、マスキング20を取り除いた。その後、マスキング20を取り除いたセパレータ基材を、80℃で15分間の乾燥処理と350℃で30分間の焼成処理を行った。このようにして、図13(d)に示すように、突起13とガス拡散層21と合わせて高さが180μmのガス拡散電極を形成した。
(Slurry B coating)
First, as shown in FIG. 13 (b), a masking 20 was formed around the above-described
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。また、これまで、主として燃焼極セパレータに基づき本発明のセパレータを説明したが、空気極セパレータもセパレータ基材及び突起からなる同様の構成とすることができる。さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、燃料ガスと酸化剤ガスを総称して反応ガスともいう。 As mentioned above, although this invention was demonstrated with some embodiment and an Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention. The separator of the present invention has been described mainly based on the combustion electrode separator so far, but the air electrode separator can also have a similar configuration including a separator substrate and protrusions. Further, in the present specification and claims, fuel gas and oxidant gas are collectively referred to as reaction gas.
1 燃料電池
2 固体高分子電解質膜
3 空気極
4 燃料極
5 膜電極接合体
6 空気極セパレータ
7 燃料極セパレータ
8 冷却水流路
10 セパレータ基材
13 突起
14 凸部
F 燃料ガス流通方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
前記セパレータ基材上に設けられ、前記セパレータ基材の表面に反応ガス流路を形成し、さらに多孔質体からなる複数の突起と、
を備え、
前記突起は粒子径が0.5μm〜50μmの導電性粒子を含有し、さらに前記突起の空孔率は65〜90%であり、
複数の前記突起は、反応ガス流通方向に対して千鳥状に設けられ、
前記反応ガス流通方向に沿って隣り合う2つの突起の中心を結んだ直線と、前記2つの突起における反応ガスの上流側に形成された突起の表面と直交し、かつ、前記反応ガス流通方向に平行なガス流線とのなす角は、0〜50°であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A separator substrate;
Provided on the separator substrate, forming a reaction gas flow path on the surface of the separator substrate, and a plurality of protrusions made of a porous body;
With
The protrusion contains conductive particles having a particle diameter of 0.5 μm to 50 μm, and the protrusion has a porosity of 65 to 90%.
The plurality of protrusions are provided in a staggered manner with respect to the reaction gas flow direction,
A straight line connecting the centers of two protrusions adjacent to each other along the reaction gas flow direction, and a surface perpendicular to the surface of the protrusion formed on the upstream side of the reaction gas in the two protrusions , and in the reaction gas flow direction A fuel cell separator characterized in that an angle formed by parallel gas flow lines is 0 to 50 °.
前記セパレータ基材上に設けられ、前記セパレータ基材の表面に反応ガス流路を形成し、さらに多孔質体からなる複数の突起と、
を備え、
前記突起は粒子径が0.5μm〜50μmの導電性粒子を含有し、さらに前記突起の空孔率は65〜90%であり、
前記突起の断面において、反応ガス流通方向と直交する方向における長さは、前記反応ガス流通方向の長さよりも長いことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A separator substrate;
Provided on the separator substrate, forming a reaction gas flow path on the surface of the separator substrate, and a plurality of protrusions made of a porous body;
With
Said projection has a particle size containing conductive particles of 0.5 to 50 .mu.m, Ri further porosity of the protrusions 65 to 90% der,
In the cross section of the protrusion, the length in the direction orthogonal to the reaction gas flow direction is longer than the length in the reaction gas flow direction .
互いに隣接する前記突起間の距離は150μm〜1000μmであ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。 The protrusion has a cylindrical shape, and the cross-sectional diameter of the protrusion is 65 μm to 500 μm.
2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a distance between the adjacent protrusions is 150 μm to 1000 μm.
前記突起は、前記セパレータ基材側から前記触媒層側に向かって太くなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。 The separator is provided on one surface of the catalyst layer,
The projections, the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that widens toward from the separator base material side to the catalyst layer side.
前記突起の空孔率は、前記セパレータ基材側から前記触媒層側に向かって高くなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。 The separator is provided on one surface of the catalyst layer,
The porosity of the protrusions, the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the higher of Turkey toward the catalyst layer side from the separator base material side.
前記突起の撥水性は、前記セパレータ基材側から前記触媒層側に向かって高くなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。 The separator is provided on one surface of the catalyst layer,
The water repellency of the protrusions, the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 7, characterized and Turkey a higher toward the catalyst layer side from the separator base material side.
電解質膜及び触媒層を備えた膜電極接合体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell separator according to any one of claims 1 to 8 ,
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and a catalyst layer;
A fuel cell comprising:
導電性粒子を含有するスラリを調製する工程と、
スクリーン印刷により前記スラリをセパレータ基材上に塗工することにより、突起前駆体を形成する工程と、
前記スラリが塗工されたセパレータ基材を乾燥することにより、突起を形成する工程と、
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 method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 9,
Preparing a slurry containing conductive particles;
A step of forming a projection precursor by coating the slurry on a separator substrate by screen printing;
A step of forming protrusions by drying the separator substrate coated with the slurry;
The manufacturing method of the separator for fuel cells characterized by having.
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