WO2016042961A1 - 固体高分子形燃料電池及びセパレータ - Google Patents

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両角　英一郎
孝俊 浅岡
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両角　英一郎
孝俊 浅岡
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Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a separator formed by stacking a plurality of cells.
  • Each cell includes a membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly.
  • Patent Document 1 discloses a configuration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as a fuel cell).
  • a membrane electrode assembly is formed by an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane and a pair of electrode catalyst layers. The pair of electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane.
  • a cell is formed by sandwiching the membrane electrode assembly between a pair of separators.
  • a fuel cell is configured by stacking a plurality of cells.
  • the fuel cell separator described in Patent Document 1 is formed of a substrate portion made of aluminum or a steel plate and a coat layer made of titanium nitride and covering the substrate portion.
  • a film forming technique such as PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) is used.
  • An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell and a separator capable of easily reducing contact resistance between separators adjacent to each other.
  • a polymer electrolyte fuel cell for achieving the above object is formed by stacking a plurality of cells.
  • Each cell includes a membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly.
  • Each separator has a base material made of a metal material, and the base material includes an oxide film.
  • a layer containing a resin film and conductive particles having a hardness higher than that of the oxide film is provided on the surface of the base material of each separator.
  • the polymer electrolyte fuel cell includes a first separator and a second separator adjacent to each other, and a layer provided on the base material of the first separator contacts a layer provided on the base material of the second separator. is doing.
  • the conductive particles contained in the layer provided on the base material of the first separator penetrate the oxide film of the base material, and the base material of the base material. While contacting the material, the conductive particles contained in the layer provided on the base material of the second separator pass through the oxide film of the base material and contact the base material of the base material. Moreover, the electroconductive particle of a 1st separator and the electroconductive particle of a 2nd separator contact.
  • a conductive path that does not pass through the oxide film is formed by the base material of the base material in the first separator, the conductive particles of the first separator, the conductive particles of the second separator, and the base material of the base material in the second separator. Is done.
  • a polymer electrolyte fuel cell for achieving the above object is formed by stacking a plurality of cells.
  • Each cell includes a membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly.
  • Each separator has a base material made of a metal material, and the base material includes an oxide film.
  • the polymer electrolyte fuel cell includes a first separator and a second separator that are adjacent to each other.
  • a layer including a resin film and conductive particles having a hardness higher than that of the oxide film is provided on the surface of the base material of the first separator.
  • the layer provided on the base material of the first separator is in contact with the base material of the second separator.
  • the conductive particles contained in the layer provided on the base material of the first separator penetrate the oxide film of the base material and While contacting a base material, it penetrates the oxide film of the base material in a 2nd separator, and contacts the base material of the base material. Therefore, a conductive path that does not pass through the oxide film is formed by the base material of the base material in the first separator, the conductive particles of the first separator, and the base material of the base material in the second separator.
  • a separator for achieving the above object is applied to a polymer electrolyte fuel cell.
  • the separator has a base material made of a metal material, and the base material includes an oxide film. At least one of the upper outermost surface and the lower outermost surface of the separator is constituted by a layer including a resin film and conductive particles having hardness higher than that of the oxide film.
  • the first separator and the second separator provided on the respective base materials of the first separator and the second separator are in contact with each other.
  • the conductive particles contained in the layer provided in the substrate pass through the oxide film of the base material and contact the base material of the base material, and the conductive particles contained in the layer provided in the second separator It penetrates the oxide film and contacts the base material of the same substrate.
  • the electroconductive particle of a 1st separator and the electroconductive particle of a 2nd separator contact.
  • a conductive path that does not pass through the oxide film is formed by the base material of the base material in the first separator, the conductive particles of the first separator, the conductive particles of the second separator, and the base material of the base material in the second separator. Is done.
  • the contact resistance between the separators adjacent to each other can be easily reduced.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a contact portion between the first separator and the first gas diffusion layer of the fuel cell shown in FIG. 1 in a state where the first separator and the first gas diffusion layer are separated from each other.
  • (a) is a sectional view showing the first separator and the second separator separated from each other, and (b) is the first separator. Sectional drawing which shows the state which the 2nd separator is contacting.
  • the fuel cell is formed by stacking a plurality of cells 10.
  • Each cell 10 includes a membrane electrode assembly 11 and a pair of separators 20 and 30 that sandwich the membrane electrode assembly 11.
  • the membrane electrode assembly 11 includes an electrolyte membrane 12 made of a solid polymer membrane and a pair of electrode catalyst layers 13 and 14 sandwiching the electrolyte membrane 12, and is referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the first electrode catalyst layer 13 functions as a fuel electrode
  • the second electrode catalyst layer 14 functions as an air electrode.
  • gas diffusion layers 15 and 16 formed of carbon fiber are interposed between the membrane electrode assembly 11 and the separators 20 and 30, gas diffusion layers 15 and 16 formed of carbon fiber are interposed.
  • the gas diffusion layers 15 and 16 of this embodiment are formed of carbon paper.
  • concave grooves 20a and 20b alternately extend on the upper and lower surfaces of the first separator 20, respectively.
  • the lower second concave groove 20b faces the membrane electrode assembly 11 and constitutes a flow path through which a fuel gas such as hydrogen gas flows.
  • the back surface of the upper first groove 20 a is in contact with the first gas diffusion layer 15. That is, the first separator 20 is in contact with the first gas diffusion layer 15 on the lower surface.
  • recessed grooves 30a and 30b extend alternately on the upper and lower surfaces of the second separator 30, respectively.
  • the upper first concave groove 30a faces the membrane electrode assembly 11 and constitutes a flow path through which an oxidant gas such as air flows.
  • the back surface of the lower second concave groove 30 b is in contact with the second gas diffusion layer 16. That is, the second separator 30 is in contact with the second gas diffusion layer 16 on the upper surface.
  • the back surface of the second concave groove 20b on the lower side of the first separator 20 and the back surface of the first concave groove 30a on the upper side of the second separator 30 are in contact with each other. That is, the first separator 20 is in contact with the lower surface of the second separator 30 on the upper surface.
  • a space having a closed cross section is formed by the first concave groove 20 a on the upper side of the first separator 20 and the second concave groove 30 b on the lower side of the second separator 30. This space constitutes a flow path through which the cooling water flows.
  • each separator 20 and 30 has the base materials 21 and 31 which consist of metal materials.
  • the base materials 21 and 31 of this embodiment are made of titanium.
  • the first layer 34 is provided on the surface of the base material 31, and the first layer 34 has the top surface on the surface.
  • a second layer 37 as a surface layer is provided. That is, the uppermost outer surface of the second separator 30 is constituted by the second layer 37. Accordingly, in the second separator 30, the second layer 37 is in contact with the second gas diffusion layer 16.
  • the first layer 34 includes a resin film 35 made of a thermosetting resin such as an epoxy resin, and conductive particles 36 bonded to the base material 31 through the resin film 35.
  • the conductive particles 36 have a hardness higher than that of the oxide film 33 of the base material 31.
  • the conductive particles 36 of the present embodiment are titanium nitride.
  • the thickness of the resin film 35 is set smaller than the maximum aggregate particle diameter of the conductive particles 36.
  • the conductive particles 36 pass through the oxide film 33 and come into contact with the base material 32 and protrude outside the resin film 35.
  • the agglomerated particles are a plurality of conductive particles 36 which are brought into contact with each other without using a solvent or a resin to form a lump.
  • the maximum aggregated particle diameter is the maximum value of the aggregated particle diameter.
  • the second layer 37 includes a resin film 38 made of a thermosetting resin such as an epoxy resin, and a powdery graphite 39 bonded to the first layer 34 through the resin film 38.
  • the inner graphite 39 in the second layer 37 is in contact with the conductive particles 36.
  • the first layer 34 and the second layer 37 are formed as follows. First, a first paint containing conductive particles 36, an epoxy resin, and a solvent is applied to the surface of the substrate 31.
  • the first paint contains, for example, methyl ethyl ketone and butyl diglycol (butyl carbitol).
  • a second paint containing, for example, graphite 39 and a solvent such as hexane is applied to the surface of the substrate 31 to which the first paint has been applied. Subsequently, the surface of the substrate 31 to which the first and second paints are applied is pressurized and heated to a temperature at which these paints are cured.
  • the conductive particles 36 pass through the oxide film 33 of the base material 31 and come into contact with the surface of the base material 32, and the resin film 35 is formed by curing the epoxy resin.
  • the conductive film 36 and the base material 32 are fixed in contact with each other by the resin film 35.
  • a part of the epoxy resin flows out between the graphite 39 and hardens, whereby the resin film 38 is formed.
  • the graphite 39 is bonded to the first layer 34 through the resin film 38.
  • the first layer 34 is provided on the surface of the base material 31 on the lower surface of the second separator 30 that contacts the first separator 20. That is, the lowermost outermost surface of the second separator 30 is constituted by the first layer 34. Accordingly, in the second separator 30, the first layer 34 is in contact with the first separator 20.
  • the first layer 24 is provided on the surface of the base material 21, similarly to the second separator 30.
  • a second layer 27 as an outermost layer is provided on the surface of the first layer 24. That is, the lowermost outermost surface of the first separator 20 is constituted by the second layer 27. Accordingly, in the first separator 20, the second layer 27 is in contact with the first gas diffusion layer 15.
  • the first layer 24 has a resin film 25 made of a thermosetting resin such as an epoxy resin, and conductive particles 26 bonded to the substrate 21 through the resin film 25.
  • the conductive particles 26 have a higher hardness than the oxide film 23 of the base material 21.
  • the conductive particles 26 of the present embodiment are titanium nitride.
  • the thickness of the resin film 25 is set smaller than the maximum aggregate particle diameter of the conductive particles 26.
  • the conductive particles 26 penetrate through the oxide film 23 and come into contact with the base material 22 and project outside the resin film 25.
  • the agglomerated particles are a plurality of conductive particles 26 that are brought into contact with each other without using a solvent or a resin to form a lump.
  • the maximum aggregated particle diameter is the maximum value of the aggregated particle diameter.
  • the second layer 27 includes a resin film 28 made of a thermosetting resin such as an epoxy resin, and a powdery graphite 29 bonded to the first layer 24 through the resin film 28.
  • the inner graphite 29 in the second layer 27 is in contact with the conductive particles 26.
  • the formation method of the first layer 24 and the second layer 27 in the first separator 20 is the same as the formation method of the first layer 34 and the second layer 37 of the second separator 30.
  • only the first layer 24 is provided on the surface of the base material 21 on the back surface of the second concave groove 20 b on the lower side of the first separator 20, that is, on the top surface in contact with the second separator 30. Yes. That is, the uppermost outermost surface of the first separator 20 is constituted by the first layer 24. Accordingly, in the first separator 20, the first layer 24 contacts the second separator 30.
  • the first layer 24 and the second layer 27 are provided on the surface of the substrate 21 on the surface of the first separator 120 that contacts the second separator 130.
  • a first layer 34 and a second layer 37 are provided on the surface of the base material 31 on the surface of the second separator 130 that contacts the first separator 120. Accordingly, the second layers 27 and 37 are in contact with each other between the first separator 120 and the second separator 130 adjacent to each other.
  • the configuration of the second separator 230 in the second comparative example will be described. As shown in FIG. 7, only the first layer 34 is provided on the surface of the base 31 on the surface of the second separator 230 that contacts the second gas diffusion layer 16. Accordingly, in the second separator 230, the first layer 34 is in contact with the second gas diffusion layer 16.
  • the components of the contact resistance between the first separators 20, 120 and the second separators 30, 130 and the contact resistance between the separators 20, 30, 120, 130, 230 and the gas diffusion layers 15, 16 are defined. To do.
  • the contact resistance between the second separator 30 and the second gas diffusion layer 16 in the present embodiment can be expressed by the following formula (1), and the measurement result is 3.1 (m ⁇ ⁇ cm 2 ). It was. r (A, B) + R (B) + r (B, C) + R (C) + r (C, D) (1) Since the interfacial resistance between the graphites 39 in the second layer 37 is negligibly small, it is omitted in the above formula (1). Further, the contact resistance between the first separator 20 and the first gas diffusion layer 15 in the present embodiment can be similarly expressed by Expression (1).
  • the contact resistance between the second separator 230 and the second gas diffusion layer 16 in the second comparative example can be expressed by the following formula (2), and the measurement result is 7.7 (m ⁇ ⁇ cm 2 ).
  • Met. r (A, B) + R (B) + r (B, D) (2) Comparing the above formula (1) and formula (2), the reason why the contact resistance of the second comparative example is larger than the contact resistance of the present embodiment is that r (B, D) is larger than the other components. It can be said that. This is consistent with the general tendency that the interfacial resistance between dissimilar materials is greater than the interfacial resistance between homogeneous materials.
  • the contact resistance between the first separator 20 and the second separator 30 in the present embodiment can be expressed by the following formula (3), and the measurement result was 1.3 (m ⁇ ⁇ cm 2 ). . ⁇ R (A, B) + R (B) ⁇ ⁇ 2 + r (B, B) (3)
  • the contact resistance between the first separator 120 and the second separator 130 in the first comparative example can be expressed by the following formula (4), and the measurement result is 7.1 (m ⁇ ⁇ cm 2 ). It was.
  • -R (B, C) is large.
  • ⁇ R (C) is large.
  • -R (C, C) is large.
  • each separator 20, 30 when a plurality of cells 10 are stacked, a load along the stacking direction is applied to each separator 20, 30. At this time, between the first separator 20 and the second separator 30 adjacent to each other, the base material 22 of the base 21 in the first separator 20, the conductive particles 26 of the first separator 20, and the conductivity of the second separator 30. A conductive path that does not pass through the oxide films 23 and 33 is formed by the particles 36 and the base material 32 of the base material 31 in the second separator 30. Further, as described above, there is no interface between the conductive particles 26 and 36 and the graphite 29 and 39. Therefore, the contact resistance between the first separator 20 and the second separator 30 adjacent to each other can be easily reduced.
  • the graphite layers 29 and 39 of the second layers 27 and 37 provided on the surfaces of the separators 20 and 30 are in contact with the gas diffusion layers 15 and 16 formed of carbon fibers. That is, since the interface between the gas diffusion layers 15 and 16 and the separators 20 and 30 is an interface where the carbonaceous materials of the same quality are in contact with each other, the interface resistance is reduced. For this reason, the contact resistance between the gas diffusion layers 15 and 16 and the separators 20 and 30 can be reduced.
  • the first layers 24 and 34 are in contact with each other between the first separator 20 and the second separator 30 adjacent to each other.
  • the base material 22 of the base material 21 in the first separator 20, the conductive particles 26 of the first separator 20, the conductive particles 36 of the second separator 30, and the base material of the base material 31 in the second separator 30 A conductive path that does not pass through the oxide films 23 and 33 is formed by the material 32. Therefore, the contact resistance between the first separator 20 and the second separator 30 adjacent to each other can be easily reduced, and the internal resistance of the fuel cell can be reduced.
  • the second layers 27 and 37 are not provided on the upper surface of the first separator 20 that contacts the second separator 30 and the lower surface of the second separator 30 that contacts the first separator 20. Therefore, the amount of graphite 29, 39, etc. required for the second layers 27, 37 can be reduced.
  • the thicknesses of the resin films 25 and 35 of the first layers 24 and 34 are set to be smaller than the maximum aggregate particle diameter of the conductive particles 26 and 36, one aggregated particle is formed on the first separator 20. It becomes easy to contact both the base material 22 of the base material 21 and the conductive particles 36 included in the first layer 34 of the second separator 30. Therefore, the contact resistance between the first separator 20 and the second separator 30 adjacent to each other can be effectively reduced.
  • First layers 24 and 34 are provided on the surfaces of the base materials 21 and 31 facing the gas diffusion layers 15 and 16, and the surfaces of the first layers 24 and 34 include graphite 29 and 39.
  • Two layers 27 and 37 are provided. The second layers 27 and 37 are in contact with the gas diffusion layers 15 and 16.
  • the interface between the gas diffusion layers 15 and 16 and the separators 20 and 30 becomes an interface where the carbonaceous materials of the same quality are in contact with each other, so that the interface resistance is reduced. For this reason, the contact resistance between the gas diffusion layers 15 and 16 and the separators 20 and 30 can be reduced.
  • the gas diffusion layers 15 and 16 are hardly damaged. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.
  • the said embodiment can also be changed as follows, for example.
  • the gas diffusion layers 15 and 16 can be formed of carbon cloth which is a carbon fiber fabric.
  • the thickness of the resin films 25 and 35 of the first layers 24 and 34 can be set larger than the maximum aggregate particle diameter of the conductive particles 26 and 36. Further, it is not necessary to form the conductive particles 26 and 36 uniformly.
  • the first layer 34 and the second layer 37 of the second separator 330 are omitted, and the first separator 20 and the second separator 330 adjacent to each other are omitted.
  • You may comprise so that the 1st layer 24 of the 1 separator 20 and the base material 31 of the 2nd separator 330 may contact.
  • each separator can also be formed with other metal materials, such as stainless steel.
  • the conductive particles can be changed to other particles such as carbon black.

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Abstract

燃料電池は、複数のセルを積層することにより形成される。各セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータ（２０，３０）とにより構成される。各セパレータ（２０，３０）は金属材料よりなる基材（２１，３１）を有する。基材（２１，３１）の表面には第１層（２４，３４）が設けられる。第１層（２４，３４）は、樹脂膜（２５，３５）と、基材（２１，３１）の酸化被膜（２３，３３）よりも高い硬度を有する導電性粒子（２６，３６）とを含む。互いに隣接するセパレータ（２０，３０）の間においては第１層（２４，３４）同士が接触している。

Description

固体高分子形燃料電池及びセパレータ
　本発明は、複数のセルを積層することにより形成された固体高分子形燃料電池及びセパレータに関する。各セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとにより構成される。
　特許文献１には、固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池と略称する。）の構成が開示されている。特許文献１に記載の燃料電池においては、固体高分子膜よりなる電解質膜と、一対の電極触媒層とによって膜電極接合体が形成されている。一対の電極触媒層は電解質膜の両面に接合されている。また、膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持することによりセルが形成されている。そして、複数のセルを積層することにより燃料電池が構成される。
　特許文献１に記載の燃料電池のセパレータは、アルミニウムや鋼板によって形成された基板部と、窒化チタンからなり基板部を被覆するコート層とから形成されている。基板部の表面にコート層を形成する際には、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの膜形成技術が用いられる。
特開２０００－４８８３３号公報
　ところが、特許文献１に記載の燃料電池の場合、互いに隣接するセパレータのコート層同士が接触するため、接触抵抗を低減することができると考えられる。しかしながら、この場合、基板部（以下、基材と称する。）の表面にコート層を形成するためにＰＶＤやＣＶＤなどの膜形成技術を用いる必要がある。また、基材を構成するアルミニウムや鋼板の表面には接触抵抗の大きい酸化被膜が存在するため、前記コート層の形成に先立ち、基材の表面を酸洗することにより酸化被膜を除去する必要がある。そのため、セパレータの製造工程が難しいものとなる。
　本発明の目的は、互いに隣接するセパレータの間における接触抵抗を容易に低減することができる固体高分子形燃料電池及びセパレータを提供することにある。
　上記目的を達成するための固体高分子形燃料電池は、複数のセルを積層することにより形成される。各セルは、膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える。各セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含む。前記各セパレータの基材の表面には、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層が設けられる。前記固体高分子形燃料電池は、互いに隣接する第１セパレータ及び第２セパレータを含み、前記第１セパレータの基材に設けられた層が、前記第２セパレータの基材に設けられた層に接触している。
　同構成によれば、複数のセルが積層されると、各セパレータに対して積層方向に沿った荷重が印加される。このとき、互いに接触する第１セパレータ及び第２セパレータの間においては、第１セパレータの基材に設けられた層に含まれる導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触するとともに、第２セパレータの基材に設けられた層に含まれる導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触する。また、第１セパレータの導電性粒子と第２セパレータの導電性粒子とが接触する。このため、第１セパレータにおける基材の母材、第１セパレータの導電性粒子、第２セパレータの導電性粒子、及び第２セパレータにおける基材の母材によって、酸化被膜を経由しない導電経路が形成される。
　また、上記目的を達成するための固体高分子形燃料電池は、複数のセルを積層することにより形成される。各セルは、膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える。各セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含む。前記固体高分子形燃料電池は、互いに隣接する第１セパレータ及び第２セパレータを含む。前記第１セパレータの基材の表面には、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層が設けられる。前記第１セパレータの基材に設けられた層が、前記第２セパレータの基材に接触している。
　同構成によれば、複数のセルが積層されると、各セパレータに対して積層方向に沿った荷重が印加される。このとき、互いに接触する第１セパレータ及び第２セパレータの間においては、第１セパレータの基材に設けられた層に含まれる導電性粒子が、基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触するとともに、第２セパレータにおける基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触する。このため、第１セパレータにおける基材の母材、第１セパレータの導電性粒子、及び第２セパレータにおける基材の母材によって、酸化被膜を経由しない導電経路が形成される。
　また、上記目的を達成するためのセパレータは、固体高分子形燃料電池に適用される。前記セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含む。前記セパレータの上側の最外表面及び下側の最外表面のうちの少なくとも一方は、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層により構成されている。
　同構成によれば、隣接するセルのセパレータ同士を互いに積層する際に、互いに隣接する第１セパレータ及び第２セパレータの各基材に設けられた層同士が接触するようにすれば、第１セパレータに設けられた層に含まれる導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触するとともに、第２セパレータに設けられた層に含まれる導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材に接触する。また、第１セパレータの導電性粒子と第２セパレータの導電性粒子とが接触する。このため、第１セパレータにおける基材の母材、第１セパレータの導電性粒子、第２セパレータの導電性粒子、及び第２セパレータにおける基材の母材によって、酸化被膜を経由しない導電経路が形成される。
　本発明によれば、互いに隣接するセパレータの間における接触抵抗を容易に低減することができる。
一実施形態の燃料電池のセルを中心とした断面図。 図１に示す燃料電池の第１セパレータの斜視図。 図１に示す燃料電池の第２セパレータと第２ガス拡散層との接触部について、第２セパレータと第２ガス拡散層とを互いに離間させた状態で示す断面図。 図１に示す燃料電池の第１セパレータと第２セパレータとの接触部について、第１セパレータと第２セパレータとを互いに離間させた状態で示す断面図。 図１に示す燃料電池の第１セパレータと第１ガス拡散層との接触部について、第１セパレータと第１ガス拡散層とを互いに離間させた状態で示す断面図。 第１比較例の第１セパレータと第２セパレータとの接触部について、第１セパレータと第２セパレータとを互いに離間させた状態で示す断面図。 第２比較例の第２セパレータと第２ガス拡散層との接触部について、第２セパレータと第２ガス拡散層とを互いに離間させた状態で示す断面図。 変形例の燃料電池の第１セパレータと第２セパレータとの接触部について、（ａ）は第１セパレータと第２セパレータとを互いに離間させた状態で示す断面図、（ｂ）は第１セパレータと第２セパレータとが接触している状態を示す断面図。
　以下、図１～図７を参照して、固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池と略称する。）及びセパレータの一実施形態について説明する。
　燃料電池は複数のセル１０を積層することにより形成されている。各セル１０は、膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１を挟持する一対のセパレータ２０，３０とにより構成されている。膜電極接合体１１は、固体高分子膜よりなる電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持する一対の電極触媒層１３，１４とによって構成され、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。第１電極触媒層１３が燃料極として機能し、第２電極触媒層１４が空気極として機能する。
　膜電極接合体１１と各セパレータ２０，３０との間には、炭素繊維により形成されたガス拡散層１５，１６が介装されている。本実施形態のガス拡散層１５，１６はカーボンペーパーにより形成されている。
　図１及び図２に示すように、第１セパレータ２０の上面及び下面にはそれぞれ凹溝２０ａ，２０ｂが交互に延びている。下側の第２凹溝２０ｂは、膜電極接合体１１に対向しており、例えば水素ガスなどの燃料ガスが流通する流路を構成している。上側の第１凹溝２０ａの裏面が第１ガス拡散層１５に接触している。すなわち、第１セパレータ２０は下面において第１ガス拡散層１５に接触している。
　図１に示すように、第２セパレータ３０の上面及び下面にはそれぞれ凹溝３０ａ，３０ｂが交互に延びている。上側の第１凹溝３０ａは、膜電極接合体１１に対向しており、例えば空気などの酸化剤ガスが流通する流路を構成している。下側の第２凹溝３０ｂの裏面が第２ガス拡散層１６に接触している。すなわち、第２セパレータ３０は上面において第２ガス拡散層１６に接触している。
　そして、第１セパレータ２０の下側の第２凹溝２０ｂの裏面と第２セパレータ３０の上側の第１凹溝３０ａの裏面とが接触されている。すなわち、第１セパレータ２０は上面において第２セパレータ３０の下面に接触している。第１セパレータ２０の上側の第１凹溝２０ａと第２セパレータ３０の下側の第２凹溝３０ｂとによって閉断面の空間が形成されている。この空間は、冷却水が流通する流路を構成している。
　図３及び図４に示すように、各セパレータ２０，３０は金属材料よりなる基材２１，３１を有している。本実施形態の基材２１，３１はチタンによって形成されている。
　図３に示すように、第２セパレータ３０における第２ガス拡散層１６に接触する上面においては、基材３１の表面に第１層３４が設けられており、同第１層３４の表面に最表層としての第２層３７が設けられている。すなわち、第２セパレータ３０の上側の最外表面は、第２層３７により構成されている。従って、第２セパレータ３０においては、第２層３７が第２ガス拡散層１６に接触する。
　第１層３４は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂よりなる樹脂膜３５と、樹脂膜３５を介して基材３１に結合される導電性粒子３６とを有している。導電性粒子３６は、基材３１の酸化被膜３３よりも高い硬度を有している。本実施形態の導電性粒子３６は窒化チタンである。樹脂膜３５の厚さは導電性粒子３６の最大凝集粒子径よりも小さく設定されている。そして、導電性粒子３６は酸化被膜３３を貫通して母材３２に接触するとともに樹脂膜３５の外側に突出している。凝集粒子は、複数の導電性粒子３６が溶剤や樹脂を介さずに互いに接触して塊状になったものである。最大凝集粒子径は、凝集粒子の径の最大値である。
　第２層３７は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂よりなる樹脂膜３８と、樹脂膜３８を介して第１層３４に結合された粉末状のグラファイト３９とを有している。第２層３７における内側のグラファイト３９は導電性粒子３６に接触している。
　本実施形態では、以下のようにして第１層３４及び第２層３７が形成される。まずは、導電性粒子３６、エポキシ樹脂、及び溶剤を含む第１塗料を基材３１の表面に塗布する。第１塗料は、例えばメチルエチルケトンとブチルジグリコール（ブチルカルビトール）とを含むものである。続いて、第１塗料が塗布された基材３１の表面に対して、例えばグラファイト３９とヘキサンなどの溶剤とを含む第２塗料を塗布する。続いて、第１及び第２塗料が塗布された基材３１の表面を加圧するとともに、これら塗料が硬化する温度まで加熱する。これにより、導電性粒子３６が基材３１の酸化被膜３３を貫通して母材３２の表面に接触するとともに、エポキシ樹脂が硬化することにより前記樹脂膜３５が形成される。そして、樹脂膜３５により導電性粒子３６と母材３２とが接触した状態に固定される。また、このとき、エポキシ樹脂の一部がグラファイト３９の間に流れ出て硬化することにより前記樹脂膜３８が形成される。そして、樹脂膜３８を介してグラファイト３９が第１層３４に結合される。
　一方、図４に示すように、第２セパレータ３０における第１セパレータ２０に接触する下面においては、基材３１の表面に第１層３４のみが設けられている。すなわち、第２セパレータ３０の下側の最外表面は第１層３４により構成されている。従って、第２セパレータ３０においては、第１層３４が第１セパレータ２０に接触する。
　図５に示すように、第１セパレータ２０における第１ガス拡散層１５に接触する下面においては、第２セパレータ３０と同様に、基材２１の表面に第１層２４が設けられており、同第１層２４の表面に最表層としての第２層２７が設けられている。すなわち、第１セパレータ２０の下側の最外表面は、第２層２７により構成されている。従って、第１セパレータ２０においては、第２層２７が第１ガス拡散層１５に接触する。
　第１層２４は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂よりなる樹脂膜２５と、樹脂膜２５を介して基材２１に結合される導電性粒子２６とを有している。導電性粒子２６は、基材２１の酸化被膜２３よりも高い硬度を有している。本実施形態の導電性粒子２６は窒化チタンである。樹脂膜２５の厚さは導電性粒子２６の最大凝集粒子径よりも小さく設定されている。そして、導電性粒子２６は酸化被膜２３を貫通して母材２２に接触するとともに樹脂膜２５の外側に突出している。凝集粒子は、複数の導電性粒子２６が溶剤や樹脂を介さずに互いに接触して塊状になったものである。最大凝集粒子径は、凝集粒子の径の最大値である。
　第２層２７は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂よりなる樹脂膜２８と、樹脂膜２８を介して第１層２４に結合された粉末状のグラファイト２９とを有している。第２層２７における内側のグラファイト２９は導電性粒子２６に接触している。
　第１セパレータ２０における第１層２４及び第２層２７の形成方法は、第２セパレータ３０の第１層３４及び第２層３７の形成方法と同様である。
　図４に示すように、第１セパレータ２０の下側の第２凹溝２０ｂの裏面、すなわち第２セパレータ３０に接触する上面においては、基材２１の表面に第１層２４のみが設けられている。すなわち、第１セパレータ２０の上側の最外表面は第１層２４により構成されている。従って、第１セパレータ２０においては、第１層２４が第２セパレータ３０に接触する。
　次に、比較例との比較に基づいて本実施形態の作用について説明する。
　まず、第１比較例における第１セパレータ１２０及び第２セパレータ１３０の構成について説明する。
　図６に示すように、第１セパレータ１２０における第２セパレータ１３０に接触する面においては、基材２１の表面に第１層２４及び第２層２７が設けられている。第２セパレータ１３０における第１セパレータ１２０に接触する面においては、基材３１の表面に第１層３４及び第２層３７が設けられている。従って、互いに隣接する第１セパレータ１２０及び第２セパレータ１３０の間においては、第２層２７，３７同士が接触している。
　次に、第２比較例における第２セパレータ２３０の構成について説明する。
　図７に示すように、第２セパレータ２３０における第２ガス拡散層１６に接触する面においては、基材３１の表面に第１層３４のみが設けられている。従って、第２セパレータ２３０においては、第１層３４が第２ガス拡散層１６に接触する。
　第１層２４，３４及び第２層２７，３７の構成は先に説明した本実施形態のものと同一であるため、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１に示すように、第１セパレータ２０，１２０と第２セパレータ３０，１３０との接触抵抗及びセパレータ２０，３０，１２０，１３０，２３０とガス拡散層１５，１６との接触抵抗の成分を定義する。
　まず、本実施形態における第２セパレータ３０と第２ガス拡散層１６との接触抵抗は、以下の式（１）で表すことができ、測定結果は、３．１（ｍΩ・ｃｍ２）であった。
　ｒ（Ａ，Ｂ）＋Ｒ（Ｂ）＋ｒ（Ｂ，Ｃ）＋Ｒ（Ｃ）＋ｒ（Ｃ，Ｄ）・・・（１）
　第２層３７内におけるグラファイト３９同士の界面抵抗は無視できるほど小さいことから、上記式（１）では省略している。また、本実施形態における第１セパレータ２０と第１ガス拡散層１５との接触抵抗も、同様に式（１）で表すことができる。
　次に、第２比較例における第２セパレータ２３０と第２ガス拡散層１６との接触抵抗は、以下の式（２）で表すことができ、測定結果は、７．７（ｍΩ・ｃｍ２）であった。
　ｒ（Ａ，Ｂ）＋Ｒ（Ｂ）＋ｒ（Ｂ，Ｄ）・・・（２）
　上記式（１）と式（２）とを比較すると、本実施形態の接触抵抗に比べて第２比較例の接触抵抗が大きい理由は、ｒ（Ｂ，Ｄ）が他の成分に比べて大きいためであるといえる。このことは、異質の材料同士の界面抵抗は同質の材料同士の界面抵抗よりも大きいという一般的な傾向と合致する。
　次に、本実施形態における第１セパレータ２０と第２セパレータ３０との接触抵抗は、以下の式（３）で表すことができ、測定結果は、１．３（ｍΩ・ｃｍ２）であった。
　｛ｒ（Ａ，Ｂ）＋Ｒ（Ｂ）｝×２＋ｒ（Ｂ，Ｂ）・・・（３）
　次に、第１比較例における第１セパレータ１２０と第２セパレータ１３０との接触抵抗は、以下の式（４）で表すことができ、測定結果は、７．１（ｍΩ・ｃｍ２）であった。
　｛ｒ（Ａ，Ｂ）＋Ｒ（Ｂ）＋ｒ（Ｂ，Ｃ）＋Ｒ（Ｃ）｝×２＋ｒ（Ｃ，Ｃ）・・・（４）
　上記式（３）と式（４）とを比較すると、本実施形態の接触抵抗に比べて第１比較例の接触抵抗が大きい理由としては、以下の３つの要因が考えられる。
　・ｒ（Ｂ，Ｃ）が大きい。
　・Ｒ（Ｃ）が大きい。
　・ｒ（Ｃ，Ｃ）が大きい。
　グラファイト（Ｃ）の固有抵抗Ｒ（Ｃ）が十分に小さいことは周知である。また、グラファイト（Ｃ）同士の界面抵抗ｒ（Ｃ，Ｃ）の測定結果は約１（ｍΩ・ｃｍ２）であった。したがって、導電性粒子（Ｂ）とグラファイト（Ｃ）との界面抵抗ｒ（Ｂ，Ｃ）が第１比較例の接触抵抗を増大させる主要因であるといえる。
　以上のことから、本実施形態によれば、複数のセル１０が積層されると、各セパレータ２０，３０に対して積層方向に沿った荷重が印加される。このとき、互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０の間においては、第１セパレータ２０における基材２１の母材２２、第１セパレータ２０の導電性粒子２６、第２セパレータ３０の導電性粒子３６、及び第２セパレータ３０における基材３１の母材３２によって、酸化被膜２３，３３を経由しない導電経路が形成される。また、上述したように、導電性粒子２６，３６とグラファイト２９，３９との界面が存在しない。従って、互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０の間における接触抵抗を容易に低減することができる。
　また、炭素繊維により形成されたガス拡散層１５，１６に対して、各セパレータ２０，３０の表面に設けられた第２層２７，３７のグラファイト２９，３９が接触する。すなわち、ガス拡散層１５，１６と各セパレータ２０，３０との界面が同質の炭素系材料同士が接触する界面となるため、界面抵抗が小さくなる。このため、ガス拡散層１５，１６と各セパレータ２０，３０との接触抵抗を低減することができる。
　以上説明した本実施形態に係る固体高分子形燃料電池及びセパレータによれば、以下に示す効果が得られる。
　（１）互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０の間においては第１層２４，３４同士が接触している。
　こうした構成によれば、第１セパレータ２０における基材２１の母材２２、第１セパレータ２０の導電性粒子２６、第２セパレータ３０の導電性粒子３６、及び第２セパレータ３０における基材３１の母材３２によって、酸化被膜２３，３３を経由しない導電経路が形成される。従って、互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０の間における接触抵抗を容易に低減することができ、燃料電池の内部抵抗を低減することができる。
　また、第１セパレータ２０における第２セパレータ３０に接触する上面、及び第２セパレータ３０における第１セパレータ２０に接触する下面には第２層２７，３７が設けられていない。そのため、第２層２７，３７に要するグラファイト２９，３９などの使用量を低減することができる。
　（２）第１層２４，３４の樹脂膜２５，３５の厚さが導電性粒子２６，３６の最大凝集粒子径よりも小さく設定されているため、１つの凝集粒子が、第１セパレータ２０の基材２１の母材２２と、第２セパレータ３０の第１層３４に含まれる導電性粒子３６との双方に接触しやすくなる。従って、互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０の間における接触抵抗を効果的に低減することができる。
　（３）基材２１，３１のガス拡散層１５，１６に対向する面には、第１層２４，３４が設けられ、第１層２４，３４の表面には、グラファイト２９，３９を含む第２層２７，３７が設けられている。そして、第２層２７，３７とガス拡散層１５，１６とが接触している。
　こうした構成によれば、ガス拡散層１５，１６と各セパレータ２０，３０との界面が同質の炭素系材料同士が接触する界面となるため、界面抵抗が小さくなる。このため、ガス拡散層１５，１６と各セパレータ２０，３０との接触抵抗を低減することができる。
　また、第１層２４，３４の表面が、柔らかいグラファイト２９，３９を含む第２層２７，３７によって覆われるため、ガス拡散層１５，１６が傷つきにくくなる。従って、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
　上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
　・ガス拡散層１５，１６を炭素繊維の織物であるカーボンクロスによって形成することもできる。
　・第１層２４，３４の樹脂膜２５，３５の厚さを導電性粒子２６，３６の最大凝集粒子径よりも大きく設定することもできる。また、導電性粒子２６，３６を均一に形成する必要はない。
　・図８（ａ），（ｂ）に示すように、第２セパレータ３３０の第１層３４及び第２層３７を省略し、互いに隣接する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３３０の間において、第１セパレータ２０の第１層２４と第２セパレータ３３０の基材３１とが接触するように構成してもよい。
　この場合、複数のセル１０が積層されると、各セパレータ２０，３３０に対して積層方向に沿った荷重が印加される。このとき、互いに接触する第１セパレータ２０及び第２セパレータ３３０の間においては、図８（ｂ）に示すように、導電性粒子２６が第２セパレータ３３０における基材３１の酸化被膜３３を貫通して同基材３１の母材３２に接触する。このため、第１セパレータ２０における基材２１の母材２２、導電性粒子２６、及び第２セパレータ３３０における基材３１の母材３２によって、酸化被膜２３，３３を経由しない導電経路が形成される。従って、上記実施形態に準じた効果を奏することができる。
　・各セパレータの基材をステンレス鋼などの他の金属材料によって形成することもできる。
　・導電性粒子をカーボンブラックなどの他の粒子に変更することもできる。
　１０…セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…第１電極触媒層、１４…第２電極触媒層、１５…第１ガス拡散層、１６…第２ガス拡散層、２０…第１セパレータ、２０ａ…第１凹溝、２０ｂ…第２凹溝、２１…基材、２２…母材、２３…酸化被膜、２４…第１層、２５…樹脂膜、２６…導電性粒子、２７…第２層、２８…樹脂膜、２９…グラファイト、３０…第２セパレータ、３１…基材、３２…母材、３３…酸化被膜、３４…第１層、３５…樹脂膜、３６…導電性粒子、３７…第２層、３８…樹脂膜、３９…グラファイト。

Claims (5)

  1. 　複数のセルを積層することにより形成され、各セルは、膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える固体高分子形燃料電池において、
    　各セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含み、
    　前記各セパレータの基材の表面には、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層が設けられ、
    　前記固体高分子形燃料電池は、互いに隣接する第１セパレータ及び第２セパレータを含み、
    　前記第１セパレータの基材に設けられた層が、前記第２セパレータの基材に設けられた層に接触していることを特徴とする、
    　固体高分子形燃料電池。
  2. 　複数のセルを積層することにより形成され、各セルは、膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える固体高分子形燃料電池において、
    　各セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含み、
    　前記固体高分子形燃料電池は、互いに隣接する第１セパレータ及び第２セパレータを含み、
    　前記第１セパレータの基材の表面には、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層が設けられ、
    　前記第１セパレータの基材に設けられた層が、前記第２セパレータの基材に接触していることを特徴とする、
    　固体高分子形燃料電池。
  3. 　前記樹脂膜の厚さは前記導電性粒子の最大凝集粒子径よりも小さく設定されている、
    　請求項１又は請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
  4. 　前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間には、炭素系材料により形成されたガス拡散層が介装されており、
    　前記層は第１層であり、前記基材の前記ガス拡散層に対向する面には、前記第１層が設けられるとともに、前記第１層の表面には、炭素系材料を含む第２層が設けられ、
    　前記第２層と前記ガス拡散層とが接触している、
    　請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池。
  5. 　固体高分子形燃料電池に適用されるセパレータにおいて、
    　前記セパレータは金属材料よりなる基材を有するとともに、前記基材は酸化被膜を含み、
    　前記セパレータの上側の最外表面及び下側の最外表面のうちの少なくとも一方は、樹脂膜と、前記酸化被膜よりも高い硬度を有する導電性粒子とを含む層により構成されている、
    　セパレータ。
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