JPH11345618A - 固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料 - Google Patents
固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料Info
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- JPH11345618A JPH11345618A JP10169132A JP16913298A JPH11345618A JP H11345618 A JPH11345618 A JP H11345618A JP 10169132 A JP10169132 A JP 10169132A JP 16913298 A JP16913298 A JP 16913298A JP H11345618 A JPH11345618 A JP H11345618A
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- coating
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】耐酸性および導電性に優れ、接触抵抗に起因す
るジュール熱の発生量を抑えた固体高分子型燃料電池用
塗装金属セパレータ材料を提供する。 【解決手段】この材料は、表面を酸洗したオーステナイ
ト系ステンレス鋼を基材とし、導電性塗膜を基材表面に
３〜２０μｍ形成し、該塗膜中の導電剤がグラファイト
粉末と、カーボンブラックとの混合粉末である。
るジュール熱の発生量を抑えた固体高分子型燃料電池用
塗装金属セパレータ材料を提供する。 【解決手段】この材料は、表面を酸洗したオーステナイ
ト系ステンレス鋼を基材とし、導電性塗膜を基材表面に
３〜２０μｍ形成し、該塗膜中の導電剤がグラファイト
粉末と、カーボンブラックとの混合粉末である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用塗装金属セパレータ材料に関する。
電池用塗装金属セパレータ材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池の中でも、固体高分子型の燃料
電池は低温で動作でき、構成部材が固体のため、振動や
衝撃に曝される用途にも適用できる。また、出力密度が
高いため小型化に適し燃料効率も高い等の長所を備えて
いる。固体高分子型燃料電池は、分子中にプロトン交換
基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン導電性電解質とし
て機能することを利用したものであり、他の形式の燃料
電池と同様に固体高分子膜の一側に水素等の燃料ガスを
流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す構造になってい
る。
電池は低温で動作でき、構成部材が固体のため、振動や
衝撃に曝される用途にも適用できる。また、出力密度が
高いため小型化に適し燃料効率も高い等の長所を備えて
いる。固体高分子型燃料電池は、分子中にプロトン交換
基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン導電性電解質とし
て機能することを利用したものであり、他の形式の燃料
電池と同様に固体高分子膜の一側に水素等の燃料ガスを
流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す構造になってい
る。
【０００３】具体的には、固体高分子膜１は図１に示す
ように両側に空気電極２および水素電極３が接合され、
それぞれガスケット４を介してセパレータ５を対向させ
ている。空気電極２側のセパレータ５には空気供給口
６、空気排出口７が形成され、水素電極３側のセパレー
タ５には水素供給口８、水素排出口９が形成されてい
る。セパレータ５には水素ｇおよび酸素又は空気ｏの導
通および均一分配のため、水素ｇおよび酸素又は空気ｏ
の流動方向に延びる複数の溝１０が形成されている。ま
た、発電時に発熱があるため、給水口１１から送り込ん
だ冷却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた後、排水
口１２から排出させる水冷機構をセパレータ５に内臓さ
せている。水素供給口８から水素電極３とセパレータ５
との間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出したプロ
トンとなって固体高分子膜１を透過し、空気電極２側で
電子を受け、空気電極２とセパレータ５との間隙を通過
する酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、空気電
極２と水素電極３との間に負荷をかけるとき、電力を取
り出すことができる。
ように両側に空気電極２および水素電極３が接合され、
それぞれガスケット４を介してセパレータ５を対向させ
ている。空気電極２側のセパレータ５には空気供給口
６、空気排出口７が形成され、水素電極３側のセパレー
タ５には水素供給口８、水素排出口９が形成されてい
る。セパレータ５には水素ｇおよび酸素又は空気ｏの導
通および均一分配のため、水素ｇおよび酸素又は空気ｏ
の流動方向に延びる複数の溝１０が形成されている。ま
た、発電時に発熱があるため、給水口１１から送り込ん
だ冷却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた後、排水
口１２から排出させる水冷機構をセパレータ５に内臓さ
せている。水素供給口８から水素電極３とセパレータ５
との間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出したプロ
トンとなって固体高分子膜１を透過し、空気電極２側で
電子を受け、空気電極２とセパレータ５との間隙を通過
する酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、空気電
極２と水素電極３との間に負荷をかけるとき、電力を取
り出すことができる。
【０００４】燃料電池は、１セル当たりの発電量が極く
僅かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレー
タ５、５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数の
セルを積層することによって、取り出し可能な電力量を
大きくしている。多数のセルを積層した構造では、セパ
レータ５の抵抗が発電効率に大きな影響を及ぼす。発電
効率を向上させるためには、導電性が良好で接触抵抗の
低いセパレータが要求され、グラファイト質のセパレー
タが使用されている。グラファイト質のセパレータは、
グラファイトブロックを所定形状に切り出し、切削加工
によって各種の孔や溝を形成している。そのため、材料
費や加工費が高く、全体として燃料電池の価格を高騰さ
せるとともに、生産性を低下させる原因になっている。
しかも、材質的に脆いグラファイトでできたセパレータ
では、振動や衝撃が加えられると破壊するおそれがあ
る。そこで、プレス加工やパンチング加工等によって金
属板からセパレータを造ることが提案され始めている。
僅かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレー
タ５、５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数の
セルを積層することによって、取り出し可能な電力量を
大きくしている。多数のセルを積層した構造では、セパ
レータ５の抵抗が発電効率に大きな影響を及ぼす。発電
効率を向上させるためには、導電性が良好で接触抵抗の
低いセパレータが要求され、グラファイト質のセパレー
タが使用されている。グラファイト質のセパレータは、
グラファイトブロックを所定形状に切り出し、切削加工
によって各種の孔や溝を形成している。そのため、材料
費や加工費が高く、全体として燃料電池の価格を高騰さ
せるとともに、生産性を低下させる原因になっている。
しかも、材質的に脆いグラファイトでできたセパレータ
では、振動や衝撃が加えられると破壊するおそれがあ
る。そこで、プレス加工やパンチング加工等によって金
属板からセパレータを造ることが提案され始めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】表面に酸化皮膜や不動
態皮膜を形成せず、接触抵抗の低い金属材料としてＡｕ
やＰｔが考えられるが、両者とも非常に高価のため燃料
電池用セパレータ材料としては実用的でない。比較的経
済的な金属材料として、ステンレス鋼等が考えられるが
ステンレス鋼は表面に不動態皮膜を形成しており表面抵
抗や接触抵抗が高い。接触抵抗が高いと接触部分で多量
のジュール熱が発生し、大きな熱損失を生じ燃料電池の
発電効率を低下させる。さらに、金属板単体ではグラフ
ァイト材料がもつ摺動性を有していないため、金属板を
プレスやパンチング加工によりセパレータ形状に加工
し、これらを複数積層した場合、接触面は金属と金属と
の面接触となり、振動や衝撃を伴う使用環境において
は、徐々にデリケートな隙間を生じ材料自体が優れた導
電性を有するとしても接触面における接触抵抗が著しく
増加し、本来の性能を発揮できない。
態皮膜を形成せず、接触抵抗の低い金属材料としてＡｕ
やＰｔが考えられるが、両者とも非常に高価のため燃料
電池用セパレータ材料としては実用的でない。比較的経
済的な金属材料として、ステンレス鋼等が考えられるが
ステンレス鋼は表面に不動態皮膜を形成しており表面抵
抗や接触抵抗が高い。接触抵抗が高いと接触部分で多量
のジュール熱が発生し、大きな熱損失を生じ燃料電池の
発電効率を低下させる。さらに、金属板単体ではグラフ
ァイト材料がもつ摺動性を有していないため、金属板を
プレスやパンチング加工によりセパレータ形状に加工
し、これらを複数積層した場合、接触面は金属と金属と
の面接触となり、振動や衝撃を伴う使用環境において
は、徐々にデリケートな隙間を生じ材料自体が優れた導
電性を有するとしても接触面における接触抵抗が著しく
増加し、本来の性能を発揮できない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
を解消するために案出されたもので、基材となるオース
テナイト系ステンレス鋼板表面に形成した不動態皮膜を
酸洗により除去した後、グラファイト粉末と、カーボン
ブラックとの混合粉末を分散配合した塗料を乾燥膜厚で
３〜２０μｍになるように塗装し、導電性塗膜を形成す
る。
を解消するために案出されたもので、基材となるオース
テナイト系ステンレス鋼板表面に形成した不動態皮膜を
酸洗により除去した後、グラファイト粉末と、カーボン
ブラックとの混合粉末を分散配合した塗料を乾燥膜厚で
３〜２０μｍになるように塗装し、導電性塗膜を形成す
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、オーステナイト系ステ
ンレス鋼表面を酸洗したものを基材として用いる。酸洗
前後の各種ステンレス鋼板の接触抵抗を表１に示すが、
酸洗により不動態皮膜を除去されたものは何れも接触抵
抗が著しく低下している。接触抵抗は酸洗前後のステン
レス鋼板をグラファイト電極材に荷重５ｋｇ／ｃｍ２で
接触させ、両者を測定した。また、酸洗によりステンレ
ス鋼板表面にデリケートな凹凸が形成される。この凹凸
は後工程で形成される導電性塗膜の密着性向上に有効と
なる。酸洗後のステンレス鋼板表面に形成される導電性
塗膜は、樹脂と導電剤からなる。塗料の樹脂系は、酸素
又は空気ｏが通過する空気電極２側は酸性雰囲気にある
ことから、耐酸性及び耐熱性に優れる樹脂であればよ
く、例えばポリオレフィン系樹脂が挙げられる。塗料中
に配合される導電剤として、グラファイト粉末、カーボ
ンブラック、ニッケル粉末、銀粉末などが考えられる
が、耐酸性、経済性等からグラファイト電極材料と同質
のグラファイト粉末とカーボンブラックを選定した。な
お、グラファイト粉末単独では塗膜に十分な導電性を付
与できないので、カーボンブラックとの混合とした。
ンレス鋼表面を酸洗したものを基材として用いる。酸洗
前後の各種ステンレス鋼板の接触抵抗を表１に示すが、
酸洗により不動態皮膜を除去されたものは何れも接触抵
抗が著しく低下している。接触抵抗は酸洗前後のステン
レス鋼板をグラファイト電極材に荷重５ｋｇ／ｃｍ２で
接触させ、両者を測定した。また、酸洗によりステンレ
ス鋼板表面にデリケートな凹凸が形成される。この凹凸
は後工程で形成される導電性塗膜の密着性向上に有効と
なる。酸洗後のステンレス鋼板表面に形成される導電性
塗膜は、樹脂と導電剤からなる。塗料の樹脂系は、酸素
又は空気ｏが通過する空気電極２側は酸性雰囲気にある
ことから、耐酸性及び耐熱性に優れる樹脂であればよ
く、例えばポリオレフィン系樹脂が挙げられる。塗料中
に配合される導電剤として、グラファイト粉末、カーボ
ンブラック、ニッケル粉末、銀粉末などが考えられる
が、耐酸性、経済性等からグラファイト電極材料と同質
のグラファイト粉末とカーボンブラックを選定した。な
お、グラファイト粉末単独では塗膜に十分な導電性を付
与できないので、カーボンブラックとの混合とした。
【０００８】
【表１】
【０００９】塗料中へのグラファイト粉末およびカーボ
ンブラックの添加量は、塗膜の導電性、塗膜密着性、塗
料性状、塗装作業性等を勘案して、樹脂１００重量部に
対しグラファイト粉末が２０〜５０重量部、カーボンブ
ラックが５０〜９０重量部が好ましい。このように形成
された導電性塗膜によって、表２に示すとおり、各ステ
ンレス鋼板を基材としたものの何れも耐水接触角が大き
くなり撥水性が増し長期にわたる耐食性が付与される。
形成された導電性塗膜は一定の弾力性を有しているた
め、プレスやパンチング加工によりセパレータ形状に加
工され、これらを複数積層し振動や衝撃を伴う環境で長
期間使用しても、未塗装の金属板に発生し易い接触面間
にデリケートな隙間を生じることなく、長期間にわたり
安定した導電性を有するものである。安定した導電性を
付与するための塗膜厚みは、乾燥膜厚で３〜２０μｍが
好ましい。乾燥塗膜厚３μｍ未満では弾力性に乏しく、
ピンホール等の塗膜欠陥を生じ易い。乾燥塗膜厚２０μ
ｍを越えると塗膜密着性や加工性が劣る。
ンブラックの添加量は、塗膜の導電性、塗膜密着性、塗
料性状、塗装作業性等を勘案して、樹脂１００重量部に
対しグラファイト粉末が２０〜５０重量部、カーボンブ
ラックが５０〜９０重量部が好ましい。このように形成
された導電性塗膜によって、表２に示すとおり、各ステ
ンレス鋼板を基材としたものの何れも耐水接触角が大き
くなり撥水性が増し長期にわたる耐食性が付与される。
形成された導電性塗膜は一定の弾力性を有しているた
め、プレスやパンチング加工によりセパレータ形状に加
工され、これらを複数積層し振動や衝撃を伴う環境で長
期間使用しても、未塗装の金属板に発生し易い接触面間
にデリケートな隙間を生じることなく、長期間にわたり
安定した導電性を有するものである。安定した導電性を
付与するための塗膜厚みは、乾燥膜厚で３〜２０μｍが
好ましい。乾燥塗膜厚３μｍ未満では弾力性に乏しく、
ピンホール等の塗膜欠陥を生じ易い。乾燥塗膜厚２０μ
ｍを越えると塗膜密着性や加工性が劣る。
【００１０】
【表２】
【００１１】
【実施例】板厚０．３ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ鋼板をアル
カリ脱脂し、塩酸１０質量％、温度６０℃で０（酸洗な
し）〜１０秒間酸洗し、直ちに鋼板両面に、グラファイ
ト粉末（純度９９．９％アスペクト比８０、平均粒子径
６μｍ）と、水分散性カーボンブラックとを添加したポ
リオレフィン樹脂の水分散性塗料を乾燥膜厚で１〜３０
μｍになるようにバーコーター塗布し、最高到達板温１
２０℃、乾燥時間６０秒間で焼付け硬化させた。得られ
た塗装鋼板について接触抵抗、塗膜欠陥の有無、塗膜密
着性を試験・調査した。結果を表３に示すとおり、本発
明の材料は塗膜欠陥もなく、塗膜密着性にも優れ、接触
抵抗も低くなることが判る。
カリ脱脂し、塩酸１０質量％、温度６０℃で０（酸洗な
し）〜１０秒間酸洗し、直ちに鋼板両面に、グラファイ
ト粉末（純度９９．９％アスペクト比８０、平均粒子径
６μｍ）と、水分散性カーボンブラックとを添加したポ
リオレフィン樹脂の水分散性塗料を乾燥膜厚で１〜３０
μｍになるようにバーコーター塗布し、最高到達板温１
２０℃、乾燥時間６０秒間で焼付け硬化させた。得られ
た塗装鋼板について接触抵抗、塗膜欠陥の有無、塗膜密
着性を試験・調査した。結果を表３に示すとおり、本発
明の材料は塗膜欠陥もなく、塗膜密着性にも優れ、接触
抵抗も低くなることが判る。
【００１２】試験調査項目 （１）塗膜欠陥 塗装面を５０倍拡大ルーペにより目視観察し、ピンホー
ル等の塗膜欠陥が認められないものを○で、塗膜欠陥が
認められたものを×で評価した。 （２）塗膜密着性 塗装面を外側にした状態で、試験片と同一厚みの板を試
験片内側に２枚挟み、試験片を１８０度折り曲げした
後、折り曲げ頂点部にセロハン粘着テープを貼付し強制
剥離して、塗膜残存量を５０倍拡大ルーペにより目視観
察し、塗膜剥離が全く認められないものを◎で、塗膜残
存量が９０％以上のものを○で、塗膜残存量が８９〜６
０％のものを△で、塗膜残存量が５９％以下のものを×
で評価した。 （３） 接触抵抗 試験片をグラファイト電極材に荷重５ｋｇ／ｃｍ２で接
触させ、両者の接触抵抗を測定した。
ル等の塗膜欠陥が認められないものを○で、塗膜欠陥が
認められたものを×で評価した。 （２）塗膜密着性 塗装面を外側にした状態で、試験片と同一厚みの板を試
験片内側に２枚挟み、試験片を１８０度折り曲げした
後、折り曲げ頂点部にセロハン粘着テープを貼付し強制
剥離して、塗膜残存量を５０倍拡大ルーペにより目視観
察し、塗膜剥離が全く認められないものを◎で、塗膜残
存量が９０％以上のものを○で、塗膜残存量が８９〜６
０％のものを△で、塗膜残存量が５９％以下のものを×
で評価した。 （３） 接触抵抗 試験片をグラファイト電極材に荷重５ｋｇ／ｃｍ２で接
触させ、両者の接触抵抗を測定した。
【００１３】
【表３】
【００１４】
【発明の効果】以上のとおり本発明の塗装金属セパレー
タ材料は、グラファイト粉末と、カーボンブラックとの
混合配合により、塗膜表面の接触抵抗が低い。ステンレ
ス鋼表面も酸洗により活性化されているため、塗装ステ
ンレス鋼表面の界面抵抗も低く、材料全体として導電性
に優れた材料となり、耐酸性にも優れ長期間振動や衝撃
を伴う環境で使用されても塗膜の弾力性により、各セパ
レータの接触面にデリケートな隙間を生じることなく、
安定した導電性を保持することができる。
タ材料は、グラファイト粉末と、カーボンブラックとの
混合配合により、塗膜表面の接触抵抗が低い。ステンレ
ス鋼表面も酸洗により活性化されているため、塗装ステ
ンレス鋼表面の界面抵抗も低く、材料全体として導電性
に優れた材料となり、耐酸性にも優れ長期間振動や衝撃
を伴う環境で使用されても塗膜の弾力性により、各セパ
レータの接触面にデリケートな隙間を生じることなく、
安定した導電性を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の固体高分子膜を電解質として使用した燃
料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜視
図（ｂ）
料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜視
図（ｂ）
１：固体高分子膜 ２：空気電極 ３：水素電極
４：ガスケット ５：セパレータ ６：空気供給口 ７：空気排出口
８：水素供給口 ９：水素排出口 １０：溝 １１：給水口 １
２：排水口
４：ガスケット ５：セパレータ ６：空気供給口 ７：空気排出口
８：水素供給口 ９：水素排出口 １０：溝 １１：給水口 １
２：排水口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 輿石 謙二 千葉県市川市高谷新町７番地の１ 日新製 鋼株式会社技術研究所塗装・複合材料研究 部内
Claims (1)
- 【請求項１】表面を酸洗したオーステナイト系ステンレ
ス鋼を基材とし、導電性塗膜を基材表面に３〜２０μｍ
形成し、該塗膜中の導電剤がグラファイト粉末と、カー
ボンブラックとの混合粉末であることを特徴とする固体
高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10169132A JPH11345618A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10169132A JPH11345618A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11345618A true JPH11345618A (ja) | 1999-12-14 |
Family
ID=15880885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10169132A Withdrawn JPH11345618A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11345618A (ja) |
Cited By (15)
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| EP1246285A3 (en) * | 2001-03-30 | 2006-05-24 | Nichias Corporation | Fuel cell separator and method for manufacturing the same |
| JP2006228638A (ja) * | 2005-02-21 | 2006-08-31 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
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-
1998
- 1998-06-03 JP JP10169132A patent/JPH11345618A/ja not_active Withdrawn
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