JP2005339846A - Separator for fuel cell, fuel cell provided with it, and manufacturing method of separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータ、及びこれを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法にかかり、特に、凹凸形状によって画定されたガス流路を有する燃料電池用セパレータ、及びこれを備えた燃料電池、並びにこの燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator, a fuel cell including the same, and a method for manufacturing the fuel cell separator, and in particular, a fuel cell separator having a gas flow path defined by an uneven shape and the same. The present invention also relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell separator.
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極(アノード電極)及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極(カソード電極)と、からなる膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane Electrode Assembly、以下、単に「MEA」という)と、このMEAの両側に各々配設されたセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。 Conventionally, a general polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode (anode electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. An oxidant electrode (cathode electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer disposed on the other surface of the membrane, a membrane-electrode assembly (MEA) consisting of the MEA, and the MEA There is a type in which a cell including a separator disposed on each side is formed and a plurality of such cells are stacked to form a module.
前記セパレータとしては、前記MEAと対向する面側に凹凸形状が形成されており、凸部分が前記電極に接触し、凹部分がガスを流通させるためのガス流路となっているものがある。すなわち、前記燃料極側に配設されたセパレータは、このガス流路に燃料ガス(例えば、水素)を流通させて燃料極に燃料ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面が燃料極と接触し、前記酸化剤極側に配設されたセパレータは、このガス流路に酸化ガス(酸素、通常は空気)を流通させて酸化剤極に酸化ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面が酸化剤極と接触する構成となっている。 As the separator, there is a separator in which a concavo-convex shape is formed on the surface facing the MEA, a convex portion is in contact with the electrode, and the concave portion is a gas flow path for circulating gas. That is, the separator disposed on the fuel electrode side supplies a fuel gas to the fuel electrode by flowing a fuel gas (for example, hydrogen) through the gas flow path, and the top surface of the convex portion is the fuel electrode. The separator disposed in contact with the oxidant electrode side circulates an oxidant gas (oxygen, usually air) through the gas flow path to supply the oxidant gas to the oxidant electrode, and at the top of the convex portion. The surface is in contact with the oxidizer electrode.
このような燃料電池では、セパレータのガス流路を画定する壁部の全表面が撥水性であると、ガス流路に発生した水滴が、例えば球状になってガス流路を塞ぐことがあり、水滴を効率よく外部に排出することが困難となる虞がある。そこで、燃料電池のセパレータ内において、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出し、反応ガスを安定して均一に流通させることが可能な燃料電池が提案されている。 In such a fuel cell, if the entire surface of the wall part defining the gas flow path of the separator is water-repellent, water droplets generated in the gas flow path may become, for example, spherical and block the gas flow path. There is a possibility that it is difficult to efficiently discharge water droplets to the outside. In view of this, there has been proposed a fuel cell capable of efficiently discharging water droplets generated in the gas flow path to the outside in the separator of the fuel cell and allowing the reaction gas to flow stably and uniformly.
このような、反応ガスを安定して均一に流通させることが可能な従来の燃料電池としては、例えば、セパレータの表面にチタンを含む親水性材料を被覆し、これを酸素雰囲気下で熱処理して酸化チタン膜(親水性膜)を形成し、その後、このセパレータの電極との接触部、即ち、電極接触面に形成された酸化チタン膜を除去してチタン面を露出させたものがある。(例えば、特許文献1参照)。 As such a conventional fuel cell capable of stably and uniformly circulating the reaction gas, for example, a separator is coated with a hydrophilic material containing titanium on the surface of the separator and heat-treated in an oxygen atmosphere. There is a film in which a titanium oxide film (hydrophilic film) is formed and then the titanium oxide film formed on the contact portion of the separator, that is, the electrode contact surface is removed to expose the titanium surface. (For example, refer to Patent Document 1).
また、メタルセパレータの表面に親水性膜を形成する従来技術も種々提案されている。(例えば、特許文献2、3、4及び5参照)。さらに、メタルセパレータの表面に撥水性膜を形成する従来技術も種々提案されている。(例えば、特許文献6及び7参照)。
しかしながら、前述した特許文献1に記載された燃料電池では、セパレータのガス流路の表面が親水性となるため、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができる反面、セパレータの電極接触面に親水性膜が残存しているため、この部分に水が存在してしまい、水との化学反応によってセパレータの電極接触面が腐食し易くなる虞がある。特に、セパレータの電極接触面は、ガス流路において最も厳しい腐食環境にあり、この部分に水が存在すると、セパレータを構成している金属に腐食が発生する虞がある。
However, in the fuel cell described in
また、特許文献1〜7に記載された従来技術には、セパレータのガス流路(凹部)と電極接触面(凸部)とを、それぞれ親水性と撥水性とに分けることで、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができると共に、耐食性を向上するという技術については何ら記載されていない。
Moreover, in the prior art described in
本発明は、このような従来の燃料電池用セパレータを改良することを課題とするものであり、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができると共に、耐食性を向上することが可能な燃料電池用セパレータ、及びこのセパレータを備えた燃料電池、並びにこのセパレータの製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to improve such a conventional fuel cell separator, and can efficiently discharge water droplets generated in a gas flow path to the outside and improve corrosion resistance. An object of the present invention is to provide a possible fuel cell separator, a fuel cell including the separator, and a method of manufacturing the separator.
この目的を達成するため、本発明は、連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路の表面(最表面)の少なくとも一部が親水性であり、前記電極接触面が撥水性である燃料電池用セパレータを提供するものである。 In order to achieve this object, the present invention provides a fuel cell separator having a gas flow path defined by continuous concave and convex concave portions and an electrode contact surface in which the top surface of the convex portions contacts the electrode. In the fuel cell separator, at least a part of the surface (outermost surface) of the gas flow path is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent.
この構成を備えた燃料電池用セパレータは、電極接触面が撥水性であるため、電極接触面で生成した水をガス流路に効率よく移動させることができる。このため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができ、当該電極接触面が腐食することを防止することができる。また、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であるため、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。 Since the fuel cell separator having this configuration has a water-repellent electrode contact surface, water generated on the electrode contact surface can be efficiently moved to the gas flow path. For this reason, water can be prevented from staying on the electrode contact surface of the separator, and corrosion of the electrode contact surface can be prevented. Moreover, since at least a part of the surface of the gas channel is hydrophilic, water present in the gas channel can be efficiently discharged to the outside.
また、本発明にかかる燃料電池用セパレータでは、前記ガス流路の表面のうち、少なくとも重力方向に対し最下部となる領域を親水性とすることができる。このように構成することで、当該ガス流路に存在する水をさらに効率よく外部に排出することができる。 Moreover, in the fuel cell separator according to the present invention, at least the lowermost region of the surface of the gas flow path with respect to the direction of gravity can be made hydrophilic. By comprising in this way, the water which exists in the said gas flow path can be discharged | emitted more efficiently outside.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータでは、前記ガス流路の全表面を親水性としてもよい。このようにすることで、当該ガス流路に存在する水をより一層効率よく外部に排出することができる。 In the fuel cell separator according to the present invention, the entire surface of the gas flow path may be hydrophilic. By doing in this way, the water which exists in the said gas flow path can be discharged | emitted more efficiently outside.
また、本発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備えた膜−電極アッセンブリの両側に、前述した本発明にかかる燃料電池用セパレータを、前記一対の電極の各々に接触させて配設した燃料電池を提供するものである。 Further, the present invention provides the separator for a fuel cell according to the present invention described above on both sides of a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and a pair of electrodes formed on both sides of the electrolyte membrane. The present invention provides a fuel cell disposed in contact with each electrode.
この構成を備えた燃料電池は、前述した本発明にかかる燃料電池用セパレータを備えているため、ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。 Since the fuel cell having this configuration includes the fuel cell separator according to the present invention described above, the water present in the gas flow path can be efficiently discharged to the outside.
さらにまた、本発明は、連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記ガス流路の表面(最表面)の少なくとも一部に親水性を付与する工程と、前記電極接触面に撥水性を付与する工程と、を備えてなる燃料電池用セパレータの製造方法を提供するものである。 Furthermore, the present invention is a method of manufacturing a fuel cell separator having a gas flow path defined by continuous concave and convex concave portions and an electrode contact surface in which the top surface of the convex portions contacts the electrode. A method for producing a fuel cell separator, comprising: imparting hydrophilicity to at least a part of the surface (outermost surface) of the gas flow path; and imparting water repellency to the electrode contact surface. Is to provide.
この製造方法によれば、電極接触面が撥水性であり、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性である燃料電池用セパレータを製造することができる。したがって、電極接触面で生成した水をガス流路に効率よく移動させることができ、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができる。このため、電極接触面が腐食することを防止することができる。また、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であるため、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。 According to this manufacturing method, it is possible to manufacture a fuel cell separator in which the electrode contact surface is water-repellent and at least a part of the surface of the gas channel is hydrophilic. Therefore, the water produced | generated on the electrode contact surface can be efficiently moved to a gas flow path, and it can prevent that water stays on the electrode contact surface of a separator. For this reason, it can prevent that an electrode contact surface corrodes. Moreover, since at least a part of the surface of the gas channel is hydrophilic, water present in the gas channel can be efficiently discharged to the outside.
また、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記撥水性層上に親水性層を形成する工程と、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層を除去する工程と、を備えることができる。これらの工程を行うことで、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a water repellent layer on the surface of the gas channel and a region serving as an electrode contact surface, and forming a hydrophilic layer on the water repellent layer. A step and a step of removing the hydrophilic layer formed in the region to be the electrode contact surface. By performing these steps, it is possible to easily obtain a separator in which the surface of the gas channel is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent.
前記撥水性層としては、例えば、カーボンを主体とした塗膜等を挙げることができる。 Examples of the water repellent layer include a coating film mainly composed of carbon.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に親水性層を形成する工程と、前記親水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層上に、撥水性層を形成する工程と、を備えることもできる。これらの工程を行うことで、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。なお、この場合、前記親水性層が耐腐食性を備えていることが望ましい。あるいは、前記親水性層を形成する前に、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に耐腐食性層を形成する工程をさらに備えることが望ましい。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a hydrophilic layer on the surface of the gas flow path and a region to be an electrode contact surface, and after forming the hydrophilic layer, the electrode And a step of forming a water repellent layer on the hydrophilic layer formed in the region to be the contact surface. By performing these steps, it is possible to easily obtain a separator in which the surface of the gas channel is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent. In this case, it is desirable that the hydrophilic layer has corrosion resistance. Or before forming the said hydrophilic layer, it is desirable to further provide the process of forming a corrosion-resistant layer in the area | region used as the surface of the said gas flow path, and an electrode contact surface.
また、前記親水性層は、プラズマ処理により形成することができる。ここで、プラズマ処理は、この処理が施される物質に官能基(例えば、OH基)を付与する、表面を粗面化する、付着されていた有機汚染物を除去する、等の特徴がある。したがって、プラズマ処理より形成された親水性層は、表面が粗面化しているため、例えば、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。 The hydrophilic layer can be formed by plasma treatment. Here, the plasma treatment has characteristics such as imparting a functional group (for example, OH group) to the material to be treated, roughening the surface, and removing attached organic contaminants. . Therefore, since the hydrophilic layer formed by the plasma treatment has a roughened surface, for example, the adhesive force with the seal part of the fuel cell can be improved, and the reliability of the seal can be improved. Moreover, contact resistance can also be reduced.
さらにまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部に、親水性層を射出成形により形成する工程と、を備えることもできる。これらの工程によっても、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。 Furthermore, the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a water repellent layer on the surface of the gas flow path and the area that becomes the electrode contact surface, and at least the area that becomes the surface of the gas flow path. And a step of forming a hydrophilic layer by injection molding in part. Also by these steps, a separator in which the surface of the gas channel is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent can be easily obtained.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部にプラズマ処理を行う工程と、を備えることもできる。これらの工程によっても、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。この製造方法の場合、前記親水性層がプラズマ処理により形成されるため、当該親水性層の表面が粗面化し、例えば、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a water repellent layer on the surface of the gas flow path and the area that becomes the electrode contact surface, and at least the area that becomes the surface of the gas flow path. And a step of performing a plasma treatment on a part thereof. Also by these steps, a separator in which the surface of the gas channel is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent can be easily obtained. In the case of this manufacturing method, since the hydrophilic layer is formed by plasma treatment, the surface of the hydrophilic layer is roughened, for example, improving the adhesive force with the seal portion of the fuel cell and improving the reliability of the seal. It can also be improved. Moreover, contact resistance can also be reduced.
また、この製造方法の場合、前記撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上にマスクを形成する工程と、前記マスクを形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、前記プラズマ処理後、前記マスクを除去する工程と、を備えることができる。 In the case of this manufacturing method, after forming the water-repellent layer, a step of forming a mask on the water-repellent layer formed in the region serving as the electrode contact surface, and with the mask being formed, A step of selectively plasma-treating the aqueous layer, and a step of removing the mask after the plasma treatment.
この製造方法によれば、前記電極接触面となる領域は、マスクの存在によってプラズマ処理がなされないため、撥水性を維持することができ、ガス流路の表面には、プラズマ処理がなされるため、ガス流路の表面を親水性とすることができる。また、マスクが形成されていない領域にプラズマ処理が施されることになるため、例えば、セパレータの縁部(例えば、シール部と接着される部分)にもプラズマ処理が行われ、この部分を粗面化することもできる。このため、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。 According to this manufacturing method, the region serving as the electrode contact surface is not subjected to plasma treatment due to the presence of a mask, so that water repellency can be maintained, and the surface of the gas flow path is subjected to plasma treatment. The surface of the gas channel can be made hydrophilic. Further, since the plasma treatment is performed on the region where the mask is not formed, for example, the plasma treatment is also performed on the edge portion of the separator (for example, the portion bonded to the seal portion), and this portion is roughened. It can also be surfaced. For this reason, the adhesive force with the seal part of the fuel cell can be improved, and the reliability of the seal can be improved. Moreover, contact resistance can also be reduced.
また、本発明にかかる燃料電池の製造方法は、ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上に有機材料からなる層を形成する工程と、前記有機材料からなる層を形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、を備えることができる。 Further, the method for producing a fuel cell according to the present invention comprises forming a water repellent layer on the surface of the gas flow path and the region that becomes the electrode contact surface, and then on the water repellent layer formed on the region that becomes the electrode contact surface. A step of forming a layer made of an organic material, and a step of selectively plasma-treating the water-repellent layer in a state where the layer made of the organic material is formed.
この製造方法によれば、前記電極接触面となる領域は、有機材料からなる層がマスクとして機能するため、プラズマ処理がなされないので、撥水性を維持することができる。また、ガス流路の表面となる領域には、プラズマ処理がなされるため、ガス流路の表面を親水性とすることができる。 According to this manufacturing method, since the layer made of an organic material functions as a mask in the region serving as the electrode contact surface, plasma treatment is not performed, so that water repellency can be maintained. In addition, since the plasma treatment is performed on the region that becomes the surface of the gas flow path, the surface of the gas flow path can be made hydrophilic.
ここで、有機材料からなる層は、プラズマ処理により除去されるため、プラズマ処理は、この有機材料からなる層が全て除去されたタイミングで終了させることがよい。このように、プラズマ処理時間は、有機材料からなる層の膜厚に応じて制御することもできる。また、有機材料からなる層が形成されていない領域にプラズマ処理が施されることになるため、例えば、セパレータの縁部にもプラズマ処理が行われ、この部分を粗面化することもできる。このため、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。 Here, since the layer made of the organic material is removed by the plasma treatment, the plasma treatment is preferably terminated at the timing when all the layers made of the organic material are removed. Thus, the plasma processing time can be controlled according to the thickness of the layer made of an organic material. In addition, since the plasma treatment is performed on the region where the layer made of the organic material is not formed, for example, the plasma treatment is also performed on the edge portion of the separator, and this portion can be roughened. For this reason, the adhesive force with the seal part of the fuel cell can be improved, and the reliability of the seal can be improved.
また、前記ガス流路にプラズマ処理を行う工程では、前記のようにマスクや有機材料からなる層を利用する他、例えば、前記ガス流路の形状に対応したサイズのトーチ型プラズマ処理装置等を使用してもよい。 Further, in the step of performing the plasma treatment on the gas flow path, in addition to using a mask or a layer made of an organic material as described above, for example, a torch type plasma processing apparatus having a size corresponding to the shape of the gas flow path, etc. May be used.
なお、本発明でいう「表面」とは、最上面(即ち、露出されている面)のことを意味している。また、「電極接触面」とは、MEAの電極と接触する「表面」のことを意味している。 The “surface” in the present invention means the uppermost surface (that is, the exposed surface). The “electrode contact surface” means a “surface” in contact with the electrode of the MEA.
本発明にかかる燃料電池用セパレータによれば、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができると共に、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。このため、電極接触面が腐食することを防止することができると共に、ガス流路面に水が溜まることを防止することができる。この結果、本発明にかかる燃料電池用セパレータを燃料電池に用いた場合、燃料電池の性能を向上させることができる。 According to the fuel cell separator of the present invention, since at least a part of the surface of the gas channel is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent, water is prevented from remaining on the electrode contact surface of the separator. In addition, the water existing in the gas flow path can be efficiently discharged to the outside. For this reason, it can prevent that an electrode contact surface corrodes, and can prevent that water accumulates on a gas channel surface. As a result, when the fuel cell separator according to the present invention is used in a fuel cell, the performance of the fuel cell can be improved.
また、本発明にかかる燃料電池は、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを備えているため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができると共に、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。この結果、電極接触面が腐食することを防止することができると共に、ガス流路面に水が溜まることを防止することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。 In addition, since the fuel cell according to the present invention includes a separator in which at least a part of the surface of the gas flow path is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent, water remains on the electrode contact surface of the separator. Can be prevented, and water existing in the gas flow path can be efficiently discharged to the outside. As a result, corrosion of the electrode contact surface can be prevented, and water can be prevented from accumulating on the gas flow path surface, and the performance of the fuel cell can be improved.
さらにまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に製造することができる。 Furthermore, according to the fuel cell manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture a separator in which at least a part of the surface of the gas flow path is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent.
次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Next, a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, a fuel cell including the fuel cell separator, and a method for manufacturing the fuel cell separator will be described with reference to the drawings. In addition, the Example described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
図1は、本発明の実施例1にかかる燃料電池の全体概略図、図2は、図1に示す燃料電池を構成する単セルの断面図、図3は、図2に示す単セルの一部拡大断面図、図4は、実施例1にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程を示す断面図である。 1 is an overall schematic diagram of a fuel cell according to Example 1 of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a single cell constituting the fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of one unit cell shown in FIG. FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of a metal separator that is a component of the fuel cell according to the first embodiment.
図1〜図4に示すように実施例1にかかる燃料電池1は、イオン交換膜からなる電解質膜11と、この電解質膜11の一面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極14(アノード)及び電解質膜11の他面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極17(カソード)とからなる膜−電極アッセンブリ(MEA)10と、MEA10を挟んで燃料極14側及び酸化剤極17側に各々配設されたメタルセパレータ18と、を重ねて単セル40を形成している。そして、単セル40を1層以上積層してモジュール9を構成し(実施例1では、1セルで1モジュールを構成している)、モジュール9を複数積層してモジュール群としている。なお、符号12はシール部、符号13Aは燃料ガス供給マニホールド、符号13Bは燃料ガス排出マニホールド、符号15Aは酸化ガス供給マニホールド、符号15Bは酸化ガス排出マニホールドである。
As shown in FIGS. 1 to 4, a
前記モジュール群のセル積層方向両端には、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22が配置され、前記モジュール群と、これらによってスタック23を構成している。このスタック23は、その外側でセル積層方向に延びる締結部材24(例えば、テンションプレート、スルーボルト等)と、ボルト25またはナットによって固定され、セル積層方向に締め付けられ、燃料電池1となる。
A terminal 20, an
メタルセパレータ18は、特に図2〜図4に示すように、連続した凹凸形状を備えており、この凹部によって画定されたガス流路30を有すると共に、凸部の頂面が、電極(燃料極14あるいは酸化剤極17、図3では、酸化剤極17を示している)に接触する電極接触面31となっている。メタルセパレータ18のガス流路30及び電極接触面31が形成されている側とは反対側の面には、冷却水等の冷媒が流通する冷媒流路32が形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域には、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層37が形成されている。このため、電極接触面31で生成した水をガス流路30に効率よく移動させることができると共に、ガス流路30に存在する水を外部に効率よく排出することができる。したがって、メタルセパレータ18の電極接触面31に水が留まることを防止することができ、電極接触面31が腐食することを防止することができる共に、ガス流路30に水が停滞することを防止することができる。この結果、燃料電池1の性能を向上させることができる。
A
なお、撥水性層37としては、例えば、カーボンを主体とした塗膜等を挙げることができる。
Examples of the
このメタルセパレータ18は、例えば、図4(1)〜(4)に示す工程により製造することができる。即ち、図4(1)に示す工程では、所望のメタルプレートにプレス加工を行い、連続した凹凸形状を形成したメタルセパレータ本体38を形成する。
This
次に、図4(2)に示す工程は、メタルセパレータ本体38の表面に、撥水性を備えた材料(例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等)を塗布し、撥水性層37を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4 (2), a material having water repellency (for example, a paint made of a corrosion-resistant material having conductivity) is applied to the surface of the metal separator
次いで、図4(3)に示す工程では、撥水性層37の表面に、親水性を備えた樹脂を、例えば、スプレー、あるいは浸漬等により塗布し、親水性層35を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4 (3), a hydrophilic resin is applied to the surface of the
次に、図4(4)に示す工程では、図4(3)に示す工程で塗布した親水性を備えた樹脂が乾燥する前に、電極接触面31となる領域に塗布されている樹脂を、例えば、ローラ等により除去する。このようにして、ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域には、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層37が形成される。以上の工程により、ガス流路30の表面が親水性であり、電極接触面31が撥水性であるメタルセパレータ18を製造した。
Next, in the step shown in FIG. 4 (4), the resin applied to the region to be the
次に、本発明の実施例2にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。 Next, a fuel cell separator according to a second embodiment of the present invention, a fuel cell including the fuel cell separator, and a method of manufacturing the fuel cell separator will be described with reference to the drawings.
図5は、実施例2にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図、図6は、実施例2にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例2では、実施例1で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of a single cell constituting the fuel cell according to the second embodiment, and FIG. 6 is a cross section showing a part of a manufacturing process of a metal separator that is a component of the fuel cell according to the second embodiment. FIG. In the second embodiment, the members described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5及び図6に示すように、実施例2にかかるメタルセパレータ18は、ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域に、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層39が形成されている。具体的には、メタルセパレータ本体38上に、撥水性層37と親水性層35とが順に形成されており、電極接触面31となる領域には、さらに撥水性層39が形成されている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
この構成を備えたメタルセパレータ18も実施例1と同様に、電極接触面31で生成した水をガス流路30に効率よく移動させることができると共に、ガス流路30に存在する水を外部に効率よく排出することができる。このため、メタルセパレータ18の電極接触面31に水が留まることを防止することができ、電極接触面31が腐食することを防止することができる共に、ガス流路30に水が溜まることを防止することができる。この結果、燃料電池1の性能を向上させることができる。
Similarly to the first embodiment, the
このメタルセパレータ18は、例えば、図6(1)及び(2)に示す工程により製造することができる。即ち、図6(1)に示す工程では、前述した図4(1)〜(3)に示す工程と同様の工程を行う。
The
次に、図6(2)に示す工程では、親水性層35の電極接触面31となる領域上に、例えば、ローラ印刷法等により、撥水性を備えた材料(例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等)を塗布し、撥水性層39を形成する。このようにして、ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域に、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層39が形成されているメタルセパレータ18を得る。以上の工程により、ガス流路30の表面が親水性であり、電極接触面31が撥水性であるメタルセパレータ18を製造した。
Next, in the step shown in FIG. 6 (2), a material having water repellency (for example, conductive resistance resistance) is formed on the region to be the
なお、親水性層35は、撥水性層37をプラズマ処理することにより形成することもできる。この場合、プラズマ処理がなされた表面が粗面化されるため、メタルセパレータ18の縁部にもプラズマ処理を施せば、燃料電池のシール部12と接着される部分を粗面化することができるため、メタルセパレータ18と、シール部12との接着性を向上させることができ、シールの信頼性を向上させることもできる。
The
また、実施例2では、撥水性層37は、主に耐食性を付与するための層として機能しており、耐食性を備えた親水性層35を採用すれば、撥水性層37は、必ずしも設けなくてもよい。
In Example 2, the water-
次に、本発明の実施例3にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。 Next, a fuel cell separator according to a third embodiment of the present invention, a fuel cell including the fuel cell separator, and a method for manufacturing the fuel cell separator will be described with reference to the drawings.
図7は、実施例3にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図、図8は、実施例3にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例3では、実施例1及び2で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional view of a single cell constituting the fuel cell according to the third embodiment. FIG. 8 is a cross section showing a part of a manufacturing process of a metal separator that is a component of the fuel cell according to the third embodiment. FIG. In Example 3, members described in Examples 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図7及び図8に示すように、実施例3にかかるメタルセパレータ18は、ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域に、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層37が形成されている。具体的には、メタルセパレータ本体38上のガス流路30の表面となる領域には、撥水性層37が形成されておらず、親水性層35が直接形成されており、メタルセパレータ本体38上の、電極接触面31となる領域には、撥水性層37が直接形成されている。なお、実施例3では、親水性層35は、耐食性を備えた樹脂等から形成した。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
このメタルセパレータ18は、例えば、図8(1)〜(3)に示す工程により製造することができる。即ち、図8(1)に示す工程では、前述した図4(1)に示す工程で使用したメタルセパレータ本体38のガス流路30及び電極接触面31が形成される側の面に、金型100を装着する。この金型100は、メタルセパレータ本体38のガス流路30の表面となる領域との間に所定の空間101が形成されるよう構成されている。
The
次に、図8(2)に示す工程では、耐食性を備えた親水性の樹脂35Aを図示しない装置により加熱溶融し、図示しないプランジャまたはスクリューによって金型100の空間101内に加圧注入、または加圧充填する。そして、樹脂35Aが、固化あるいは硬化した後、金型100を取外す。このようにして、金型100を使用した射出成形により親水性層35を形成した。
Next, in the step shown in FIG. 8 (2), the
次いで、図8(3)に示す工程では、メタルセパレータ本体38の電極接触面31となる領域上に、例えば、ローラ印刷法等により、撥水性を備えた材料(例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等:例えば、カーボン)を塗布し、撥水性層37を形成する。このようにして、ガス流路30の表面(底面及び立ち面)となる領域に、親水性層35が形成されており、電極接触面31となる領域には、撥水性層37が形成されているメタルセパレータ18を得る。以上の工程により、ガス流路30の表面が親水性であり、電極接触面31が撥水性であるメタルセパレータ18を製造した。
Next, in the step shown in FIG. 8 (3), a material having water repellency (for example, corrosion resistance having conductivity) is formed on the region to be the
この構成を備えたメタルセパレータ18では、親水性層35が耐食性を備えているため、メタルセパレータ本体38上に、耐食性を付与するための層を別途設ける必要がない。したがって、材料コストを節約することができる。
In the
また、メタルセパレータ18上に耐食性を付与するための層として、撥水性層35を形成した後に、図8(1)〜(3)に示す工程を行えば、図3に示す構造のメタルセパレータ18を製造することもできる。
Further, after forming the
そしてまた、図9に示すように、メタルセパレータ本体38のガス流路30の底面となる領域との間に所定の空間102が形成されるよう構成された金型100を使用すれば、図10に示すように、ガス流路30の底面となる領域のみに親水性層35を形成することもできる。
Further, as shown in FIG. 9, if a
さらにまた、メタルセパレータ本体38のガス流路30の立ち面(側壁)となる領域との間に所定の空間が形成されるよう構成された金型を使用すれば、当該空間に対応した部分に親水性層を形成することができる。
Furthermore, if a mold configured to form a predetermined space between the metal separator
このように、金型を使用した射出成形により親水性層を形成する方法では、例えば、メタルセパレータ18が組み込まれた燃料電池1を、車体等に搭載した場合、ガス流路30の重力方向に対応する下端部となる位置に、簡単に親水性層を形成することができる。
As described above, in the method of forming the hydrophilic layer by injection molding using a mold, for example, when the
また、メタルセパレータ本体38に親水性層を形成し、その後、メタルセパレータ本体38の電極接触面31となる領域との間に所定の空間が形成されるよう構成された金型を使用し、この空間に撥水性を備えた材料を充填してもよい。この方法によれば、例えば、図及び図7に示す構造のメタルセパレータ18を製造することもできる。
Further, a hydrophilic layer is formed on the metal separator
次に、本発明の実施例4にかかる燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the separator for fuel cells concerning Example 4 of the present invention is explained with reference to drawings.
図11は、実施例4にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例4では、実施例1〜3で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the metal separator that is a component of the fuel cell according to the fourth embodiment. In Example 4, members described in Examples 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図11(1)に示す工程では、前述した図4(1)及び(2)に示す工程と同じ工程を行い、メタルセパレータ本体38上に撥水性層37を形成する。
In the step shown in FIG. 11 (1), the same step as that shown in FIGS. 4 (1) and (2) is performed to form the
次に、図11(2)に示す工程では、メタルセパレータ本体38上に形成された撥水性層37の電極接触面31となる領域に、マスク200を形成し、この状態で選択的にプラズマ処理を行う。
Next, in the step shown in FIG. 11B, a
次いで、図11(3)に示す工程では、プラズマ処理が終了した後、マスク200を除去する。このようにして、プラズマ処理がなされた領域、即ち、ガス流路30の表面となる領域、及びシール部12(図2参照)と接触するメタルセパ、撥水性層37を形成した。以上の工程により、ガス流路30の表面が親水性であり、電極接触面31が撥水性であるメタルセパレータ18を製造した。この場合も前述したように、プラズマ処理により形成された親水性層35の表面が粗面化するため、燃料電池のシール部12と、メタルセパレータ18との接着性を向上させ、シールの信頼性を向上させることができる。
Next, in the step shown in FIG. 11C, after the plasma treatment is completed, the
なお、実施例4では、撥水性層37の電極接触面31となる領域に、マスク200を形成する場合について説明したが、これに限らず、マスク200の代わりに、有機材料からなる層を形成し、これをマスクとして、選択的にプラズマ処理を行ってもよい。この場合、有機材料からなる層は、プラズマ処理により除去されるため、マスク除去工程を別途行う必要がない。また、プラズマ処理は、この有機材料からなる層が全て除去されたタイミングで終了させることができるため、プラズマ処理時間は、有機材料からなる層の膜厚に応じて制御することもできる。
In addition, although Example 4 demonstrated the case where the
また、図12に示すように、マスク200や、有機材料からなる層等を形成せずに、図11(1)に示す工程で形成された撥水性層37のガス流路30の表面となる領域に、ガス流路30の形状に対応したサイズのトーチ型プラズマ処理装置300を使用してプラズマ処理を行い、ガス流路30の表面となる領域に親水性層35が形成されており、電極接触面31となるに、撥水性層37が形成されているメタルセパレータ18を得ることもできる。
Further, as shown in FIG. 12, the surface of the
なお、実施例1〜実施例4では、ガス流路30の全表面(底面及び立ち面)が、親水性となる(即ち、ガス流路30の全表面となる領域に、親水性層35を形成した)場合について説明したが、これに限らず、ガス流路30は、表面の少なくとも一部が親水性であればよい。この場合、ガス流路30の、少なくとも重力方向に対応する下端部となる位置が親水性であることが、水の排出効率の観点からより好ましい。
In Examples 1 to 4, the entire surface (bottom surface and standing surface) of the
また、メタルセパレータ18のガス流路面側(冷却流路とは反対側)には、耐食性及び導電性の二つの機能を有する層(塗膜)が形成されることが要求されるが、親水性層35、撥水性層37、39の材料を選定する際は、各層が全て耐食性及び導電性の両方を有する必要はなく、各層は、少なくとも導電性を有すればよい。したがって、耐食性の機能は、親水性層35または撥水性層37、39の少なくとも一方にあればよい。
In addition, a layer (coating film) having two functions of corrosion resistance and conductivity is required to be formed on the gas flow path surface side (the side opposite to the cooling flow path) of the
また、実施例1〜実施例4では、メタルセパレータ18が、酸化剤極17側に配設される場合について説明したが、燃料極14側に配設される場合についても同様である。
Moreover, although Example 1-Example 4 demonstrated the case where the
1 燃料電池
10 MEA
14 燃料極
17 酸化剤極
18 メタルセパレータ
30 ガス流路
31 電極接触面
32 冷媒流路
35 親水性層
37、39 撥水性層
38 メタルセパレータ本体
100 金型
101、102 空間
200 マスク
300 トーチ型プラズマ処理装置
1
14
Claims (15)
前記ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、前記電極接触面が撥水性である燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator having a gas flow path defined by continuous concave and convex portions, and having a top surface of the convex portion constituting an electrode contact surface that contacts the electrode,
A separator for a fuel cell, wherein at least a part of a surface of the gas flow path is hydrophilic and the electrode contact surface is water repellent.
前記ガス流路の表面の少なくとも一部に親水性を付与する工程と、
前記電極接触面に撥水性を付与する工程と、
を備えてなる燃料電池用セパレータの製造方法。 A method for producing a fuel cell separator having a gas flow path defined by a continuous concave-convex concave portion and an electrode contact surface in which the top surface of the convex portion contacts the electrode,
Imparting hydrophilicity to at least part of the surface of the gas flow path;
Providing water repellency to the electrode contact surface;
The manufacturing method of the separator for fuel cells provided with.
前記撥水性層上に親水性層を形成する工程と、
前記電極接触面となる領域に形成された親水性層を除去する工程と、
を備えてなる請求項5記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a water repellent layer in a region to be a surface of the gas flow path and an electrode contact surface;
Forming a hydrophilic layer on the water repellent layer;
Removing the hydrophilic layer formed in the region to be the electrode contact surface;
A method for producing a fuel cell separator according to claim 5.
前記親水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層上に、撥水性層を形成する工程と、
を備えてなる請求項5記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a hydrophilic layer in a region to be a surface of the gas flow path and an electrode contact surface;
After forming the hydrophilic layer, forming a water-repellent layer on the hydrophilic layer formed in the region to be the electrode contact surface;
A method for producing a fuel cell separator according to claim 5.
前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部に、親水性層を射出成形により形成する工程と、
を備えてなる請求項5記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a water repellent layer in a region to be a surface of the gas flow path and an electrode contact surface;
Forming a hydrophilic layer by injection molding in at least a part of a region to be a surface of the gas flow path;
A method for producing a fuel cell separator according to claim 5.
前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部にプラズマ処理を行う工程と、
を備えた請求項5記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a water repellent layer in a region to be a surface of the gas flow path and an electrode contact surface;
Performing a plasma treatment on at least a part of a region to be a surface of the gas flow path;
The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 5 provided with these.
前記マスクを形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、
前記プラズマ処理後、前記マスクを除去する工程と、
を備えた請求項12記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 After forming the water repellent layer, forming a mask on the water repellent layer formed in the region to be the electrode contact surface;
Selectively plasma-treating the water-repellent layer with the mask formed;
Removing the mask after the plasma treatment;
The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 12 provided with these.
前記有機材料からなる層を形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、
を備えた請求項12記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 After forming the water repellent layer, forming a layer made of an organic material on the water repellent layer formed in the region to be the electrode contact surface;
A step of selectively plasma-treating the water-repellent layer in a state where the layer made of the organic material is formed;
The manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 12 provided with these.
The method comprising: after forming the water-repellent layer, using a torch type plasma processing apparatus having a size corresponding to a shape of the gas flow path, and performing a plasma treatment on a region to be a surface of the gas flow path. 12. A method for producing a fuel cell separator according to 12.
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