JP2018056048A - 燃料電池のセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性を向上させることのできる燃料電池のセパレータを提供する。【解決手段】第１セパレータ２０は、金属材料からなる基材１７と、基材１７の表面を覆う第１層４０と、第１層４０の表面を覆う第２層５０とを備える。第１層４０は、窒化チタン粒子４３を含む樹脂材料からなる。第２層５０は、グラファイト粒子５２と同粒子５２よりも小さいカーボンブラック粒子５３とを含む樹脂材料からなる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池のセパレータに関するものである。

固体高分子型燃料電池は金属材料からなる一対のセパレータを有しており、それらセパレータは膜電極接合体を挟み込むように配置されている。
特許文献１には、セパレータの基材の表面を覆うように、導電性粒子（例えば窒化チタン粒子）を含む樹脂材料からなる第１層を形成することが提案されている。また特許文献１には、第１層の表面を覆うように、グラファイト粒子を含む樹脂材料からなる第２層を形成することも提案されている。このセパレータでは、基材、導電性粒子、およびグラファイト粒子によって導電経路が形成される。

特開２０１６−６２７２５号公報

ここで、グラファイト粒子は薄片形状であるため、第２層の内部でのグラファイト粒子同士の接触態様が点接触や線接触になり易い。こうしたことからグラファイト粒子同士の接触面積を大きくし難く、第２層の電気抵抗を低くし難いため、これがセパレータの導電性の向上を制限する一因になってしまう。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、導電性を向上させることのできる燃料電池のセパレータを提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池のセパレータは、金属材料からなる基材と、第１導電性粒子を含む樹脂材料からなるとともに前記基材の表面を覆う第１層と、グラファイト粒子と同粒子よりも小さい第２導電性粒子とを含む樹脂材料からなるとともに前記第１層の表面を覆う第２層とを備える。

上記構成では、第２層の内部において、グラファイト粒子の間に第２導電性粒子が挟み込まれるようになる。そのため、第２層の内部では、グラファイト粒子同士が接触した部分が導電経路になることに加えて、グラファイト粒子によって第２導電性粒子を挟み込んだ部分も導電経路になる。これにより、第２層の内部の導電経路を増加させることができるために、第２層の電気抵抗を低くすることができる。したがって上記構成によれば、基材、第１層（第１導電性粒子）、および第２層（グラファイト粒子、第２導電性粒子）からなる導電経路の電気抵抗を低くすることができ、セパレータの導電性を向上させることができる。

上記セパレータにおいて、前記第２層に含まれる前記グラファイト粒子および前記第２導電性粒子の総重量に対する前記第２導電性粒子の重量の占める割合が２０％以下であることが好ましい。

上記構成では、第２層に第２導電性粒子を混入することによって、第２層の電気抵抗を低下させることが可能になる。ただし、第２導電性粒子の混入量を多くし過ぎると、経時的な変化によるセパレータ（詳しくは、第２層）の電気抵抗の増大を招き易くなってしまう。発明者らによる各種の実験やシミュレーションの結果から、上記第２導電性粒子の重量の占める割合が２０％以下であれば、経時的な変化による第２層の電気抵抗の増大を許容範囲内に抑えられるようになることが確認された。そのため上記構成によれば、経時的な変化による第２層の電気抵抗の増大を許容範囲内に抑えつつ、セパレータの導電性を向上させることができる。

上記セパレータにおいて、前記第２導電性粒子を、カーボンブラック粒子にすることができる。

本発明によれば、セパレータの導電性を向上させることができる。

一実施形態のセパレータが適用される燃料電池の断面図。 同実施形態の第１セパレータの斜視図。 同実施形態の第１セパレータの表面の拡大断面図。 カーボンブラック粒子の配合比率とセパレータの接触抵抗との関係を示すグラフ。

以下、図１〜図４を参照して、燃料電池のセパレータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池は、膜電極接合体１１が一対のセパレータ２０，３０により挟持されてなるセル１０を複数積層することにより形成されている。膜電極接合体１１は、固体高分子膜よりなる電解質膜１２が一対の電極触媒層１３，１４によって挟持されたものであり、いわゆるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。なお、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（詳しくは、カーボンペーパー）により形成されたガス拡散層１５，１６が介設されている。
図１および図２に示すように、第１セパレータ２０の上面およ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とされている。また、上側の凹溝２０ａの裏面（図１の下面）はガス拡散層１５に接触している。

図１に示すように、第２セパレータ３０の上面およ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とされている。また、下側の凹溝３０ｂの裏面（図１の上面）はガス拡散層１６に接触している。

第１セパレータ２０の下側の凹溝２０ｂの裏面（図１の上面）と第２セパレータ３０の上側の凹溝３０ａの裏面（図１の下面）とが接触しており、第１セパレータ２０の上側の凹溝２０ａと第２セパレータ３０の下側の凹溝３０ｂとによって閉断面の空間が形成されている。この閉断面の空間は、冷却水が流通する流路になる。

各セパレータ２０，３０の基材は金属材料（本実施形態では、チタン）によって形成されている。そして、各セパレータ２０，３０において、セパレータ２０，３０同士が接触する部分やセパレータ２０，３０とガス拡散層１５，１６とが接触する部分には樹脂層が形成されている。

以下、この樹脂層について詳しく説明する。なお、樹脂層が形成される部分は、詳しくは、第１セパレータ２０の上面における第２セパレータ３０に接触する部分と、第１セパレータ２０の下面におけるガス拡散層１５に接触する部分と、第２セパレータ３０の上面におけるガス拡散層１６に接触する部分と、第２セパレータ３０の下面における第１セパレータ２０に接触する部分とである。これら接触部分に形成される樹脂層は同一の構造であるため、以下では、第１セパレータ２０の上面に形成される樹脂層についてのみ説明し、他の面に形成される樹脂層の説明は省略する。

図３に示すように、第１セパレータ２０の基材１７の表面には第１層４０が設けられており、同第１層４０の表面には最表層としての第２層５０が設けられている。
第１層４０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる結合材４１と、第１導電性粒子としての窒化チタン粒子４３とを含んでいる。窒化チタン粒子４３は基材１７表面の酸化被膜１７Ａよりも高硬度であり、第１層４０における結合材４１の厚さは窒化チタン粒子４３の最大凝集粒子径よりも小さくなっている。そして、第１層４０では、窒化チタン粒子４３の一端（図３の下端）が基材１７表面の酸化被膜１７Ａを貫通して第１セパレータ２０の母材１７Ｂに接触しており、窒化チタン粒子４３の他端（図３の上端）が結合材４１の層の外側に突出している。なお、凝集粒子とは、複数の窒化チタン粒子４３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り、最大凝集粒子径とは、凝集粒子の径の最大値である。

第２層５０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる結合材５１と、グラファイト粒子５２と、第２導電性粒子としてのカーボンブラック粒子５３とを含んでいる。このカーボンブラック粒子５３の粒径（本実施形態では、数十ｎｍ程度）は、グラファイト粒子５２の粒径（１０μｍ程度）よりも小さい。また、第２層５０に含まれるグラファイト粒子５２の重量Ｗ１とカーボンブラック粒子５３の重量Ｗ２との和（総重量）に対する同カーボンブラック粒子５３の重量Ｗ２の占める割合（配合比率＝Ｗ２／［Ｗ１＋Ｗ２］×１００）が「５％」に定められている。

ちなみに、本実施形態では、以下のようにして第１層４０および第２層５０が形成される。すなわち、まずは、窒化チタン粒子４３、熱硬化性樹脂からなる結合材、および溶剤を含む塗料（第１塗料）を基材１７の表面に塗布する。この塗料は、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、前記塗料の表面に対して、グラファイト粒子５２、カーボンブラック粒子５３、およびヘキサンなどの溶剤を含む塗料（第２塗料）を塗布する。

続いて、上記の２種類の塗料が塗布された基材１７の表面を加圧するとともに、塗料が硬化する温度まで加熱する。これにより、窒化チタン粒子４３が基材１７の酸化被膜１７Ａを貫通して母材１７Ｂの表面に接触した状態になるとともに、結合材が硬化することによって結合材４１の層が形成される。そして、この結合材４１の層によって窒化チタン粒子４３が母材１７Ｂに接触した状態で固定される。また、このときグラファイト粒子５２同士の間やカーボンブラック粒子５３同士の間、あるいはグラファイト粒子５２とカーボンブラック粒子５３との間に、第１塗料中の結合材の一部が流れ出て硬化することによって結合材５１の層が形成される。そして、この結合材５１の層によってグラファイト粒子５２とカーボンブラック粒子５３とが第１層４０に結合される。

そして図１に示すように、燃料電池の内部では、第１セパレータ２０の下面の第２層５０（図３参照）がガス拡散層１５に接触しており、第２セパレータ３０の上面の第２層５０がガス拡散層１６に接触しており、第１セパレータ２０の上面の第２層５０と第２セパレータ３０の下面の第２層５０とが接触している。

以下、各セパレータ２０，３０の表面に第１層４０および第２層５０を形成することによる作用について説明する。
図３に示すように、第２層５０の内部では、グラファイト粒子５２同士が接触した部分が導電経路になる。また本実施形態では、第２層５０にカーボンブラック粒子５３が混入されており、このカーボンブラック粒子５３がグラファイト粒子５２の間に挟み込まれた状態になる。そのため第２層５０の内部では、グラファイト粒子５２によってカーボンブラック粒子５３が挟み込まれた部分についても導電経路になる。したがって、第２層にカーボンブラック粒子が混入されないセパレータと比較して、第２層５０の厚さ方向の導電経路を増加させることができ、第２層５０の電気抵抗を低くすることができる。これにより、基材１７、第１層４０（窒化チタン粒子４３）、および第２層５０（グラファイト粒子５２、カーボンブラック粒子５３）からなる導電経路の電気抵抗を低くすることができるため、セパレータ２０，３０の導電性を向上させることができる。

また、第１セパレータ２０の下面や第２セパレータ３０の上面では、最表面の第２層５０中のグラファイト粒子５２やカーボンブラック粒子５３が、炭素繊維からなるガス拡散層１５，１６に接触するようになる。これにより、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、界面抵抗が低くなる。そのため、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。さらに、第１セパレータ２０の上面と第２セパレータ３０の下面とは、それらの最表面の第２層５０（詳しくは、グラファイト粒子５２やカーボンブラック粒子５３）同士が接触するようになる。これにより、各セパレータ２０，３０の界面が同質の炭素系材料同士が接触する界面となって界面抵抗が低くなるため、各セパレータ２０，３０の接触抵抗を低減することができる。

図４に、発明者らによる各種の実験やシミュレーションを通じて、カーボンブラック粒子５３の配合比率とセパレータ２０，３０（第２層５０）の接触抵抗との関係を測定した結果を示す。

図４中に実線で示すように、第２層５０にカーボンブラック粒子５３を混入させることにより、第２層５０にカーボンブラック粒子５３を混入させない場合（配合比率＝０％）と比較して、セパレータ２０，３０の接触抵抗を低くすることができる。

ただし、図４中に一点鎖線で示すように、カーボンブラック粒子５３の混入量を多くし過ぎると、経時的な変化によるセパレータ２０，３０の接触抵抗の増大を招き易くなる。これは、カーボンブラック粒子５３（図３参照）の混入量が多くなると、第２層５０内部における空隙（図示略）の割合が高くなり、その分だけ第２層５０の内部への水分の侵入や同水分による第２層５０の劣化を招き易くなることが原因だと考えられる。なお、この空隙は、グラファイト粒子５２同士の間や、カーボンブラック粒子５３同士の間、グラファイト粒子５２と結合材５１との間、あるいはカーボンブラック粒子５３と結合材５１との間に形成される空隙である。

そして、図４に示す測定結果から、カーボンブラック粒子５３の配合比率が２０％以下であれば、経時的な変化が生じていない初期状態のセパレータ２０，３０の接触抵抗を低くしつつ、経時的な変化によるセパレータ２０，３０の接触抵抗の増大が許容範囲内に抑えられるようになることが確認された。また、カーボンブラック粒子５３の配合比率を１５％以下にすることにより、経時的な変化によるセパレータ２０，３０の接触抵抗の増大が効果的に抑えられることも確認された。本実施形態では、こうした測定結果をもとに、カーボンブラック粒子５３の配合比率が５％に定められている。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）基材１７の表面に、窒化チタン粒子４３を含む樹脂材料からなる第１層４０を形成した。また第１層４０の表面に、グラファイト粒子５２と、同粒子５２よりも小さいカーボンブラック粒子５３とを含む樹脂材料からなる第２層５０を形成した。そのため、セパレータ２０，３０の導電性を向上させることができる。

（２）第２層５０に含まれるグラファイト粒子５２とカーボンブラック粒子５３との総重量に対する同カーボンブラック粒子５３の重量の占める割合を５％にした。そのため、経時的な変化によるセパレータ２０，３０の接触抵抗の増大を効果的に抑えつつ、経時的な変化が生じていない初期状態のセパレータ２０，３０の接触抵抗を低くすることができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・第２層５０に含まれるグラファイト粒子５２およびカーボンブラック粒子５３の総重量に対する同カーボンブラック粒子５３の重量の占める割合は、任意の割合に変更することができる。

・グラファイト粒子５２よりも粒径の小さい第２導電性粒子としては、カーボンブラック粒子５３に限らず、窒化チタン粒子や、炭化チタン粒子、硼化チタン粒子などの導電性材料の粒子を採用することができる。

・第１層４０に、カーボンブラック粒子を混入させるようにしてもよい。
・第１層４０に含まれる第１導電性粒子は、窒化チタン粒子４３に限定されず、炭化チタン粒子や、硼化チタン粒子、カーボンブラック粒子などの他の導電性材料の粒子に変更することができる。

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、１５，１６…ガス拡散層、１７…基材、１７Ａ…酸化被膜、１７Ｂ…母材、２０…第１セパレータ、２０ａ，２０ｂ…凹溝、３０…第２セパレータ、３０ａ，３０ｂ…凹溝、４０…第１層、４１…結合材、４３…窒化チタン粒子、５０…第２層、５１…結合材、５２…グラファイト粒子、５３…カーボンブラック粒子。

Claims (3)

1. 金属材料からなる基材と、
   第１導電性粒子を含む樹脂材料からなるとともに前記基材の表面を覆う第１層と、
   グラファイト粒子と同粒子よりも小さい第２導電性粒子とを含む樹脂材料からなるとともに前記第１層の表面を覆う第２層と
   を備える燃料電池のセパレータ。
2. 請求項１に記載の燃料電池のセパレータにおいて、
   前記第２層に含まれる前記グラファイト粒子および前記第２導電性粒子の総重量に対する前記第２導電性粒子の重量の占める割合が２０％以下である
   ことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池のセパレータにおいて、
   前記第２導電性粒子は、カーボンブラック粒子である
   ことを特徴とする燃料電池のセパレータ。

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