JP7020268B2 - 燃料電池セパレータ - Google Patents
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Description
また、セパレータは、膜電極接合体で生じるフッ酸系の酸等に対する耐食性が求められている。
導電性酸化物から成る皮膜を有するセパレータの場合、柔らかいカーボンシートとの間では、押圧によりカーボンソートが柔軟に変形してセパレータに密着するため、導電性が良好となりやすかった。一方、セパレータは押圧によっても変形し難いため、セパレータ間の導電性は改善され難かった。
アンチモンドープ酸化スズ膜を有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜が、
ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリエチレングリコール(PEDOT/PEG)共重合体を15体積%以上25体積%以下含有する。
アンチモンドープ酸化スズ膜を有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜が、
ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリエチレングリコール(PEDOT/PEG)共重合体を含有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜中の、硫黄と炭素の合計とスズとの元素比[(S+C)/Sn]が、0.6以上1.1以下である。
本実施の燃料電池セパレータ10は、図2の例に示されるように、膜電極接合体20が有するガス拡散層にガス面4側が対向するように配置され、ガス流路を形成すると共に、膜電極接合体20から得られた電力を取り出すための導電性を有する。
燃料電池は必要とする電圧を得るために、通常、前記膜電極接合体20を積層したスタックして用いる。図3の例に示されるように膜電極接合体20をスタックする場合、燃料電池セパレータ10は、冷却面5の少なくとも一部が接触し、接触部6を構成する。
以下、本実施の燃料電池セパレータの各構成について詳細に説明する。
ATO膜中に、導電性を有するPEDOT/PEG共重合体を上記一定割合で含有することにより、ATO膜に柔軟性を付与し、セパレータ間の接触部6における導電性を向上することができる。また、PEDOT/PEG共重合体はスルホ基などのような極性基を有しないため、膜電極接合体20で生じるフッ酸系の酸や、ガス流路などで生じる塩酸系の酸が基材に侵食することを抑制することができ、セパレータの耐食性を向上することもできる。
なお、後述する実施例に示されるように、ATO膜中にPEDOT/PEG共重合体が膜全体に対し15体積%以上25体積%含まれる場合、当該ATO膜中の、硫黄と炭素の合計とスズとの元素比[(S+C)/Sn]が、0.6以上1.1以下となる。
塗布方法は特に限定されず、例えば、スプレーコート法、ディップコート法、バーコート法、コールコート法、スピンコート法などの塗布手段の中から適宜選択すればよい。
基材としてステンレス(SUS447)板(厚さ0.1mm)を、アンチモンドープ酸化スズ膜用の原料として、アンチモンドープ酸化スズ(粒径10nm、三菱マテリアル製、製品名T-1)と、PEDOT/PEG共重合体ニトロメタン溶液(Aldrich製、製品名Aedotron C3-NM)を準備した。
前記基材を真空容器中に設置し、真空条件下でアルゴンガスを導入し、電圧を印加してアルゴンイオンを発生させ、基材表面を叩くことによって、表面の酸化皮膜を除去した。
別途、PEDOT/PEG共重合体ニトロメタン溶液に、アンチモンドープ酸化スズ粉末を混合した混合溶液を塗布液として準備した。アンチモンドープ酸化スズ粉末の混合量は、塗膜形成後のPEDOT/PEG共重合体の体積が、膜全体に対し15体積%となるように調整した。
次に、前記酸化皮膜を除去した基材に、前記塗布液をスピンコート法(1000rpm)により塗布した。次いで、100℃に加熱して、ニトロメタンを塗布し、ATO膜を有する基材を形成した。
前記実施例1の塗布液の調整において、アンチモンドープ酸化スズ粉末の混合量を変更することにより、PEDOT/PEG共重合体の体積が膜全体に対し5、10、20、25及び30体積%となるように塗布液を調整した以外は、実施例1と同様にして、ATO膜を有する基材を形成した。
前記実施例1の塗布液の調整において、PEDOT/PEG共重合体ニトロメタン溶液の代わりにニトロメタン溶剤を用い、PEDOT/PEG共重合体の体積が膜全体に対し0体積%の塗布液を調整した以外は、実施例1と同様にして、ATO膜を有する基材を形成した。
実施例1のATO膜を有する基材を2枚準備し、ATO膜が形成された面同士を重ね合わせ、単位面積当たり0.98MPaの圧力をかけながら、基材間に定電流を印加したときの電圧値を測定し抵抗値を算出した。実施例2~3、比較例1~4についても同様に測定し抵抗値を算出した。結果を図4に示す。
実施例1~3及び比較例1~4のATO膜について、それぞれ、超微小硬度計(MTSシステムズ社製、Nano Indenter DCM)を用いて、ナノインデンテーション法(連続剛性測定法)により、圧子の押し込み深さ10~15nmの弾性率を測定した。圧子はダイヤモンド製三角錐圧子を使用した。結果を図4に示す。
実施例1~3及び比較例1~4のATO膜について、それぞれX線光電子分光法(XPS)で測定し、元素比(S+C)/Snを算出した。当該元素比と、前記接触抵抗の関係を図5に示す。
図4に示されるようにATO膜中のPEDOT/PEG共重合体の含有割合が高くなると、膜の弾性率が低下する傾向が認められた。膜の弾性率が低下すると接触抵抗が低下する傾向が見られたが、PEDOT/PEG共重合体の含有割合が高すぎると、接触抵抗が増大する傾向が見られた。これは、導電性の高い酸化スズ粒子からなる膜中の導電ネットワークが、PEDOT/PEG共重合体の割合が高くなることによって、壊されたためと推測される。このように上記の実験結果から、アンチモンドープ酸化スズが(PEDOT/PEG)共重合体を15体積%以上25体積%以下含有することにより、膜の弾性率が低下してセパレータ間の密着性が向上すると共に、酸化スズ粒子の導電ネットワークが維持されて、セパレータ間の導電性に優れる本実施のセパレータが得られることが明らかとなった。
また、図5に示されるように、ATO膜中にPEDOT/PEG共重合体を有する場合、元素比(S+C)/Snが0.6~1.1の範囲が、セパレータ間の導電性に優れる点で好ましいことが明らかとなった。
2 アンチモンドープ酸化スズ膜
3 アンチモンドープ酸化スズ膜
4 ガス面
5 冷却面
6 接触部
10 セパレータ
20 膜電極接合体
Claims (2)
- 基材上に、
アンチモンドープ酸化スズ膜を有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜が、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリエチレングリコール(PEDOT/PEG)共重合体を15体積%以上25体積%以下含有する、燃料電池セパレータ。 - 基材上に、
アンチモンドープ酸化スズ膜を有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜が、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリエチレングリコール(PEDOT/PEG)共重合体を15体積%以上25体積%以下含有し、
前記アンチモンドープ酸化スズ膜中の、硫黄と炭素の合計とスズとの元素比[(S+C)/Sn]が、0.6以上1.1以下である、燃料電池セパレータ。
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