JP2010186578A

JP2010186578A - 燃料電池用セパレータ

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Publication number: JP2010186578A
Application number: JP2009028450A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Koizumi; 雅史小泉; Takashi Izeki; 崇伊関; Yuka Yamada; 由香山田; Kazuyuki Nakanishi; 和之中西
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-26

Abstract

【課題】表面に非晶質炭素膜が形成されたガス流路構造において、ガス流路断面積をより微細化でき、発電性能を一層向上できる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】非晶質炭素膜が表面に形成されたガス流路構造体を有する燃料電池用セパレータであって、ガス流路構造体１２を、非晶質炭素膜２１ａが表面に形成されたエキスパンドメタル２１により構成してガス流路断面積を微細化した。付着する水２２との接触角θ１が４０°以下となるように非晶質炭素膜２１ａの表面が親水化されているエキスパンドメタル２１を用い、エキスパンドメタル２１によるガス流路内の生成水の排水性を高めて、ガス流路断面積が微細化されてもガス流路内の生成水の良好な排水を可能とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、非晶質炭素膜が表面に形成されたガス流路構造体を有する燃料電池用セパレータに関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載のものがあった。
これは、低電気抵抗性金属板と、その金属板を被覆してガス流路形成面を構成する非晶質炭素膜とからなり、良好な電気伝導性、耐食性を有し、生産性が高く、生産コストの安価な燃料電池用セパレータを提供するものである。

特開２０００−６７８８１号公報

しかしながら上記従来技術では、表面に非晶質炭素膜が形成された構造を有しながらも、生成水の排水性については配慮されてなく、したがってガス流路断面積の微細化、すなわち発電性能の向上に限界があった。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、表面に非晶質炭素膜が形成されたガス流路構造において、ガス流路断面積をより微細化でき、発電性能を一層向上できる燃料電池用セパレータを提供することを課題とする。

上記課題は、燃料電池用セパレータを下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（４）項が請求項３に、各々対応する。（３）項は請求項に係る発明ではない。

（１）非晶質炭素膜が表面に形成されたガス流路構造体を有する燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路構造体は、非晶質炭素膜が表面に形成されたエキスパンドメタルを有してなり、表面に付着する水との接触角が４０°以下となるように表面形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
エキスパンドメタルの素材としては、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｍｇ等の導電性の金属材が挙げられる。
接触角は、一般的には固体、液体、気体の三相の界面で液滴の接線と固体面とのなす角を指す。ここでは、固体は非晶質炭素膜が表面に形成されたエキスパンドメタル、液体は水、気体は燃料ガス又は酸化剤ガス、特に酸化剤ガスが相当する。
（２）前記４０°以下の接触角は、前記非晶質炭素膜表面への親水化処理により付与されていることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用セパレータ。
（３）前記４０°以下の接触角は、前記非晶質炭素膜表面へのプラズマ処理、電子線照射又は紫外線照射により付与されていることを特徴とする（２）項に記載の燃料電池用セパレータ。
プラズマ処理、電子線照射又は紫外線照射は、親水化処理の具体例であり、前記４０°以下の接触角を容易に付与できる。
（４）前記４０°以下の接触角は、前記非晶質炭素膜の形成処理前の前記エキスパンドメタル素材の表面への凹凸形成処理により付与されていることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用セパレータ。
本項による４０°以下の接触角の付与は、（２）項による４０°以下の接触角の付与とは異なり、エキスパンドメタルへの非晶質炭素膜の形成前に、つまり、エキスパンドメタルの素材表面に対して行う構造親水方式によるものである。

（１）項に記載の発明によれば、表面に非晶質炭素膜が形成されたガス流路構造体を有する燃料電池用セパレータであって、ガス流路断面積をより微細化でき、かつ、生成水の排水性を高めることができ、発電性能を一層向上した燃料電池用セパレータを提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、生成水の排水性を高める４０°以下の接触角を、エキスパンドメタル表面への非晶質炭素膜の形成処理後に容易に付与できる。
（４）項に記載の発明によれば、生成水の排水性を高める４０°以下の接触角を、（２）項に記載の発明とは異なる構造親水方式により付与できる。
なお、（３）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。

本発明セパレータが適用された燃料電池セルの一実施形態の概略を示す分解斜視図である。図１に示した燃料電池セルの積層組付け後の部分断面を模式的に示す図である。図１中のエキスパンドメタルを取り出し拡大して示す図である。同上エキスパンドメタルにおけるガス流路の最小断面積の説明図である。非晶質炭素膜と水との接触角の説明図である。ガス流路構造体表面の親水化を非晶質炭素膜の表面処理により行った場合の接触角と低ストイキ領域における発電可否との関係を示す表図である。ガス流路構造体表面の親水化を構造親水方式により行った場合の接触角と低ストイキ領域における発電可否との関係を示す表図である。図１中のエキスパンドメタルにおける生成水排出の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明セパレータが適用された燃料電池セルの一実施形態の概略を示す分解斜視図、図２は図１に示した燃料電池セルの積層組付け後の部分断面を模式的に示す図である。
これらの図に示すように、本発明のセパレータ（燃料電池用セパレータ）１は、平板状の導電性、耐食性を有するセパレータ本体１１と、外形状が概ね平板状に形成された導電性、耐食性を有するガス流路構造体１２とを備えてなる。

この場合、ガス流路構造体１２は、図３に取り出し、拡大して示すようにエキスパンドメタル２１を外形状、概ね平板状に形成したものからなる。
ここで、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工すると共に加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、更に、圧延加工されて略平板状とされたものである（例えば、特開平２００８−３１１１０９号公報参照）。
エキスパンドメタル２１の素材としては、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｍｇ等の金属材が挙げられる。
図３に例示するエキスパンドメタル２１において、ｔ１は厚さ、ｄ１は間隔、ｐ１はピッチを指す。これらは、例えば厚さｔ１＝０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、間隔ｄ１＝０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、ピッチｐ１＝０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に形成されるが、これのみに限定されないことは勿論である。
このエキスパンドメタル２１は、非晶質炭素膜２１ａが表面（全面）に形成されており、以下、エキスパンドメタルと記したときは非晶質炭素膜２１ａが表面に形成されたエキスパンドメタルをも指す。

ガス流路構造体１２として、耐食性及び導電性を確保するために、上記のようにエキスパンドメタル２１の表面には非晶質炭素膜２１ａが形成されているが、その膜厚は５０ｎｍ〜１μｍ程度が望ましい。これより薄すぎると耐食性が確保できず、厚すぎると生産性が低下するからである。導電性を持たせるために、非晶質炭素膜２１ａの水素成分は３０ａｔ％以下とされ、ｓｐ²混成軌道を有する炭素成分は７０〜１００ａｔ％とされている。
ガス流路構造体１２のガス流路の最小断面積ｓ１（図４参照）は後述するガス拡散層（GDL）への荷重を均一化するために小さいことが望まれるが、エキスパンドメタル２１によるガス流路は凹条溝型流路に比べて最小断面積を小さく形成できる。例えば、一般的な凹条溝型流路では、１枚の板材からプレス成形によって形成する方法が多く、この場合のガス流路の断面積は概ね１ｍｍ²程度、小さくても０．５ｍｍ²以上となる。一方、上記エキスパンドメタル２１によるガス流路は多孔体形状に近く、そのガス流路最小断面積は０．０５ｍｍ²程度、更には０．０３ｍｍ²あるいは０．０２²程度に形成できる。

また、このガス流路構造体１２であるエキスパンドメタル２１は、図５に示すように、その表面、詳しくは非晶質炭素膜２１ａの表面に付着する水２２との接触角θ１が４０°以下となるように、表面形成されている。
ここで、接触角θ１は、水滴落下式接触角（固体、水、気体の三相の界面で水滴の接線と固体面とのなす角）によるものであり、４０°以下としたのは以下の理由による。

エキスパンドメタル２１をガス流路構造体１２、つまりガス流路として用いると、生成された水２２がカソード側のガス流路構造体１２に排出された際、その生成水２２がガス流路構造体１２（ガス流路）内に詰まって発電性能の低下（フラッディング）を引き起こしてしまう。これは、非晶質炭素膜２１ａと水との接触角θ１が約５０〜７０°程度と比較的高いため、非晶質炭素膜２１ａ上で水２２が水滴となって停滞するためであり、このように接触角θ１が高いと、低ストイキ領域では発電不可能になる。
一方、接触角θ１を４０°以下、好ましくは２０°以下とした場合には、水２２が濡れ広がり、これによってガス流路構造体１２内にガスの流路が確保され、低ストイキ領域でも発電可能になる。このことから、ガス流路構造体１２の表面、詳しくは非晶質炭素膜２１ａの表面に付着する水２２との接触角θ１が４０°以下となるように同表面が形成されている。このようなガス流路構造体１２の表面形成を、以下、親水化と記す。

親水化の方法（親水化処理方法）としては、エキスパンドメタル２１、詳しくは非晶質炭素膜２１ａの表面に、空気プラズマ、大気圧プラズマ、ナノパルスプラズマ等によるプラズマ処理、あるいは電子線照射処理、更にはエキシマ、水銀、メタルハライド等の紫外線照射処理等を施す方法が挙げられる。
また親水化は、エキスパンドメタル２１への非晶質炭素膜２１ａの形成後に、後処理として施す上記のような方法ではなく、エキスパンドメタル２１への非晶質炭素膜２１ａの形成前に行ってもよい。すなわち、エキスパンドメタル２１の素材表面に対して、例えばミクロンオーダーの微細凹凸を形成する凹凸形成処理（粗面化処理）等による構造親水方式を用いて行ってもよい。具体的には、エキスパンドメタル２１の素材表面にＲａ０．１〜１．０μｍ、面積倍増率１．１以上とした粗面化処理を、ブラスト処理、液体ホーニング処理、熱濃硫酸浸漬等の化学的エッチング処理等によって施し、上記親水化を行ってもよい。
ガス流路構造体１２の表面の親水化を非晶質炭素膜２１ａの表面処理により行った例を図６に、構造親水方式により行った例を図７に、各々比較例と共に例示する。
いずれの例においても、ガス流路構造体１２にエキスパンドメタル２１を用いた実施例においては接触角θ１を４０°以下とした場合に、低ストイキ領域で発電可能になっていることが分かる。

上記燃料電池用セパレータ１は、図１に示すように膜−電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１３と、この膜−電極接合体１３の両面、図示例では上下面に配置されたガス拡散層１４とを備えて構成された膜−電極−ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２、換言すれば燃料電池の単セルを仕切るように単セル面、つまりＭＥＧＡ面に積層、配置される（図２参照。なお図２中の２０はシール材を示す。）。
このセパレータ１のガス流路構造体１２をなすエキスパンドメタル２１には、ガス拡散方向に沿った、例えば図３中の矢印ア方向（又はこれとは逆方向）に、燃料ガスここでは水素含有ガスが、又は酸化剤ガス例えば空気が流され、同エキスパンドメタル２１が積層されたガス拡散層１４に供給され、同ガス拡散層１４によって拡散される。

ここで、膜−電極接合体１３のアノード（燃料極）側、例えば図１中、上側のエキスパンドメタル２１には水素含有ガスが流され、これに積層されたガス拡散層１４によって拡散され、膜−電極接合体１３のアノード側に供給される。また、膜−電極接合体１３のカソード（空気極）側、例えば図１中、下側のエキスパンドメタル２１には空気が流され、これに積層されたガス拡散層１４によって拡散され、膜−電極接合体１３のカソード側に供給される。
水素含有ガスは、燃料極の電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ⁺）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極から空気極に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ⁺）は膜−電極接合体１３の電解質膜を通過して空気極に達し、酸素及び外部回路を通ってきた電子と結合し、水（Ｈ₂Ｏ）になる。水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）及び電子の結合反応と同時に発生する熱は、セパレータ本体１１内に流される冷却水によって回収される。
空気極のあるカソード側では、図８に示すように、カソード側（図１中の膜−電極接合体１３の下側）のガス拡散層１４から露出してきた水２２が、エキスパンドメタル２１の網目状の貫通孔をなすガス流路及びエキスパンドメタル２１の表面を伝って、セパレータ本体１１側に流れてゆき、更にそのセパレータ本体１１の表面に沿って燃料電池系外に排出される。

上記のような燃料電池の発電動作中において、生成水２２は空気極表面の上記電解質膜に接する部分に発生する。そして、燃料電池の運転に伴い、この生成水２２を燃料電池外に効率よく排出できない場合には、空気極のあるカソード側のガス拡散層１４とセパレータ本体１１との間の空間、つまりエキスパンドメタル２１によるガス流路内に生成水が滞留する。その結果、反応ガス、特に酸化剤ガスの拡散が阻害されてフラッディングが引き起こされ、発電性能を低下させる。
本実施形態では、表面に非晶質炭素膜２１ａが形成されたガス流路構造において、ガス流路構造体１２として、非晶質炭素膜２１ａが表面に形成されたエキスパンドメタル２１を用いているので、ガス流路は凹条溝型流路に比べて最小断面積ｓ１を小さく形成でき、発電性能を高めることができる。
しかも、上記エキスパンドメタル２１は、表面に付着する水２２との接触角θ１が４０°以下となるように表面形成（親水化）されているので、同エキスパンドメタル２１によるガス流路内の生成水２２は滞留なく良好に排水される。その結果、上記のようなフラッディング発生を防止でき、発電性能を一層高めることができる。

１：燃料電池用セパレータ、２：膜−電極−ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：単セル）、１１：セパレータ本体、１２：ガス流路構造体、１３：膜−電極接合体（ＭＥＡ）、２１：エキスパンドメタル、２１ａ：非晶質炭素膜、２２：水。

Claims

非晶質炭素膜が表面に形成されたガス流路構造体を有する燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路構造体は、非晶質炭素膜が表面に形成されたエキスパンドメタルを有してなり、表面に付着する水との接触角が４０°以下となるように表面形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記４０°以下の接触角は、前記非晶質炭素膜表面への親水化処理により付与されてい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。
前記４０°以下の接触角は、前記非晶質炭素膜の形成処理前の前記エキスパンドメタル素材の表面への凹凸形成処理により付与されてい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。