(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータの製造に際し、ガスアトマイズ法により製造された球状金属粉末を含むスラリー、又は、該球状金属粉末を含むコンパウンドを、金属板の上にシート状に積層した後、焼結によって球状金属粉末同士、及び、球状金属粉末と金属板を互いに金属結合させることで、球状金属粉末からなるシート状の多孔体を金属板上に一体形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、含まれる球状金属粉末の粉末粒径範囲が異なる、２つ以上の複数のスラリー、又は、コンパウンドを、金属板の上に積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、金属板の両面に、球状金属粉末を含むスラリー、又はコンパウンドを積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水の生成反応を用いる燃料電池は地球環境に優しいクリーンエネルギー源として注目されている。その燃料電池の構造は、通常、電解質膜を両側から挟み込むように触媒層があり、その外側に同じく両側から挟み込むように、必要に応じて順に、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路、又は、流路を備えたセパレータが位置するように構成されている。
【０００３】
これらの内、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路、又はセパレータに備えられた流路に共通する重要な役割として、水素ガス、メタノール、エタノール等の水素源、及び、空気等の酸素源を、反応場である触媒層に供給する機能、及び、生成される水成分を排出する機能がある。さらに、化学反応によって生じる電子を、出来るだけ効率良く出力用の外部回路に取り出すという重要な機能がある。従って、反応場である触媒層に対する密着性、及び、マイクロポーラス層、拡散層、セパレータ流路どうしの互いの密着性を良好に保つことで接触抵抗を低減することが大変重要となる。
【０００４】
上記のマイクロポーラス層、拡散層に関しては、一般には、多孔性カーボン素材が用いられている。またセパレータ流路に関しては、切削加工やプレス加工等によって成形されるカーボンや金属製の溝型流路が一般的である。しかしながら、これらに関してはいずれも、水素源や酸素源の供給性、水の排出性、及び、接触抵抗増大等の問題があり、これらを改善することが求められている。
【０００５】
例えば、特開２００４−１８６１１６号公報（特許文献１）に開示されているように、電気抵抗の低減を狙った燃料電池の拡散層の製造方法に関するものだが、発泡性スラリーの使用と、それによって空孔が環状口に成形される発泡金属多孔体を用いる手法を特徴とし本発明とは大きく異なる。本発明では上記文献の環状口に相当する部分が球状金属粉末となり、環状口以外の発泡金属多孔体の骨格部に相当する部分が、球状金属粉末に囲まれた空孔となることを特徴とした全く逆の構造をとる。これによって、供給特性・排出特性の改善、接触抵抗の低減が可能となる。
【０００６】
また、一般に発泡金属は、（１）溶湯金属中に気体を吹き込み気泡の形成と同時に凝固する方法、または、（２）溶湯金属中に発泡剤を加え、発泡剤の分解による気体発生を利用した製造法、のため実際には気孔がセル壁に仕切られており、互いに分離独立した閉気孔型が基本の構造となるため内部の物質移動性に一般に劣る。また、製造法の制御によって連結孔を得る場合には、空孔率が大きなものとなり易いため、構造体としての強度に劣るため、部材として組み込まれる際の圧力等によって、実使用においては、空孔部分が圧縮変形され易く、十分な物質移動性が得られないという問題がある。さらに、圧延や圧縮等の２次的な作用によってセル壁に連通孔を開ける場合でも、完全な開気孔型とは異なるため、気体や液体等の物質移動性に劣るという問題がある。
【０００７】
上記問題に対して、例えば、特開２００９−２５２３９９号公報（特許文献２）に開示されているように、この特許文献２は発明者等がこれまでに検討を進めているものであって、水素源や酸素源の供給特性、水の排出特性、接触抵抗の低減を狙い、球状の金属粉末を用いた多孔体をセパレータ流路構造、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路構造に関するものであるが、この特許文献２には、量産性の改善を狙った製造方法については触れていない。
【特許文献１】特開２００４−１８６１１６号公報
【特許文献２】特開２００９−２５２３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、引用文献１の場合は、供給特性・排出特性の改善、接触抵抗の低減が不十分である。また、引用文献２は、水素源や酸素源の供給特性、水の排出特性、接触抵抗の低減を狙い、球状の金属粉末を用いた多孔体をセパレータ流路構造、及び、拡散層の機能を備えたセパレータ流路構造であるが、生産性向上の点の解決が不明である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述のような問題を解消するために鋭意開発を進めた結果、水素ガス、メタノール、エタノール等の水素源、及び、空気等の酸素源の供給特性向上、及び、水成分の排出特性向上、及び、接触抵抗の低減を可能とする、燃料電池用セパレータの製造に際して、球状金属粉末を含むスラリー、又は、コンパウンドを、焼結前に金属板上へ積層することで、粉末充填作業を効率化し、同時に厚み制御も可能となり、さらに、焼結によって球状金属粉末同士、及び、球状金属粉末と金属板を互いに金属結合させる量産性に優れた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。
【００１０】
その発明の要旨とするところは、
（１）燃料電池用セパレータの製造に際し、ガスアトマイズ法により製造された球状金属粉末を含むスラリー、又は、該球状金属粉末を含むコンパウンドを、金属板の上にシート状に積層した後、焼結によって球状金属粉末同士、及び、球状金属粉末と金属板を互いに金属結合させることで、球状金属粉末からなるシート状の多孔体を金属板上に一体形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【００１１】
（２）前記（１）において、含まれる球状金属粉末の粉末粒径範囲が異なる、２つ以上の複数のスラリー、又は、コンパウンドを、金属板の上に積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
（３）前記（１）または（２）において、金属板の両面に、球状金属粉末を含むスラリー、又はコンパウンドを積層することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法にある。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明により、球状金属粉末を用いた、燃料電池用セパレータの製造性を高めることが可能となる。また、得られる燃料電池セパレータの流路は、球状金属粉末同士が、球の接点近傍を主とした金属結合で接合され、他の表面では互いに結合しない多孔体から構成され、球同士で囲まれた空間からなる連結空孔を十分に確保出来るため、水素源、酸素源の供給特性、水成分の排出特性に優れる。
【００１５】
また、球状金属粉末同士が３次元的に金属結合されセパレータ流路の骨格部を形成するため、応力の均一分散性にも優れ高い強度が得られるとともに、触媒層、マイクロポーラス層、拡散層等の他部材に対するセパレータの接触において、球状を特徴とした３次元的な優れた密着性を示し接触抵抗を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明において、スラリーは、水系溶媒、又は、アルコール、ケトン、飽和脂肪酸、クロロエチレン等の有機溶媒を用いた非水系溶媒でもよく、さらに、分散剤、バインダー、可塑剤等を必要に応じて含むものである。また、本発明に係る球状金属粉末を含むコンバインドとしては、例えば、ポリマーやワックス等を用いるものをいう。
【００１７】
焼結については、真空焼結の他に、水素等の還元性雰囲気中での焼結、アルゴン、窒素等の不活性ガス中での焼結、大気焼結の適用も可能である。また、焼結によって、スラリーやコンバインドに含まれる球状金属以外の成分は、基本的には大半が除去され、残ったものがある場合は、その後の洗浄等を行ってもよい。また、焼結前、又は、焼結後に全体の厚みや形状制御を目的としたロール加工、焼結時のプレス制御、プレス加工、切削加工、研磨加工等を必要に応じて行ってもよい。
【００１８】
また、焼結後の金属板上の多孔体部について、厚み方向に垂直な多孔体面上の任意の１ｍｍ2 中に、断面積０．００１ｍｍ2 以上で厚み方向に多孔体部を貫通した空孔を少なくとも一つ以上持つことにより、水成分の排出特性を改善することが可能となる。また、望ましくは、厚み方向に垂直な多孔体面の任意の０．５ｍｍ2 中に、断面積０．００２ｍｍ2 以上で厚み方向に多孔体部を貫通した空孔を少なくとも一つ以上持つものであり、水成分の排出特性をさらに高めることが可能となる。
【００１９】
また、球状金属粉末の球状とは完全な球を意味するものでなく、溶融状態から固化する際に表面張力等の作用によって自然に得られる球状である。又、機械加工等によって類似の球状が得られればそれも適用可能でありこの限りではない。また、溶融状態からの粉末成形する際に、主たる球状金属粉末に、微小な金属粉末、又は、扁平型の微小金属粉末等が結合付着しているものも含むものとし、これらは使用用途によっては多孔構造体と他部材との密着性を向上させる等の効果も有する。
【００２０】
上記、球状金属粉末の製造にはアトマイズ法が適用し、特にガスアトマイズ法によって製造された球状の金属粉末を用いる場合、金属粉末同士が主に点接触した状態で焼結されるため、互いに連結した十分な空孔部を確保でき、空孔部分を流れる液体や気体の優れた物質移動を保てる。また、他部材との接触時に密着性が向上し、接触抵抗の低減が可能となる。
【００２１】
最適な焼結温度の適用によって、球状金属粉末の球同士の接点近傍に限った金属結合を行うことが可能となり、焼結後も十分な連結空孔を確保することが可能となる。この時の最適な焼結温度は、球状金属粉末の粒径によって変わり、基本的には、粒径の小さい球状金属粉末を用いる場合には、低めの温度を適用する必要が生じる。この温度が高すぎる場合には、球状金属粉末の焼結が進み過ぎて、連結空孔が得られなくなる。
【００２２】
さらに、焼結に関しては、応力をかけるプレス焼結を適用することも可能であるが、過度のプレス応力をかけた場合、連結空孔が十分に得られない場合があるので注意が必要である。また、焼結後、必要に応じて、酸化膜の除去等を行うために、洗浄、酸洗等を行うことも可能である。さらに、用途に応じて、焼結後、耐食コーティング、高伝導膜コーティング、撥水処理、疎水処理、新水性処理等を適用することも可能である。
【００２３】
本発明で得られる多孔体部の空孔率が２０％未満の場合、気体や液体の十分な物質移動性が得られにくい場合がある、また、空孔率が６０％を超えると構造体としての強度が不十分となる場合がある。従って、空孔率は２０％〜６０％程度が好ましいが、各用途で実際に求められる物質移動性や強度を十分に満足できる場合には、この限りではない。
なお、この場合の空孔率とは、多孔体部の一定体積中に空孔が占める平均の体積率のことを言い、断面の顕微鏡観察等を用いた計算、および、水銀圧入法等によって測定が可能である。
【００２４】
各空孔の大きさは使用する球状金属粉末の粒径によって制御可能であり、用途によっては、この空孔の大きさが多孔構造体中の位置によって異なるものでも構わない。具体的には空孔の大きさが位置によって２段階に分かれるもの、または、順に傾斜分布するもの等が考えられる。
【００２５】
球状金属粉末の化学成分は、要求される耐食性、耐酸化性、熱膨張特性、熱伝導性、電気伝導性等に応じて様々な選択が可能である。例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系耐食合金、耐酸化合金等の適用が考えられる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明について、実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
ガスアトマイズ法にて球状のＳＵＳ３１６Ｌ粉末を製造した後、分級によって、粒径３０〜１００μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末に、分散媒、分散剤、バインダー、可塑剤を混合してスラリーを作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍ、縦横１４０ｍｍ×１４０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板上の所定の位置に、得られたスラリーを、縦横１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み０．２ｍｍのシート状にスクリーン印刷法にて積層した後、７０℃×６０分の乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を水素還元雰囲気炉において、１１５０℃で焼結を行うことで、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材をＳＥＭ観察した結果、多孔体部の空孔率が約４０％であることを確認した。
【００２７】
（実施例２）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−２６Ｃｒ−１Ｍｏ（以下、重量％）粉末を製造した後、分級によって、粒径３５〜９０μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末に、分散媒、分散剤、バインダー、可塑剤を混合してスラリーを作製した。両面に燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍ、縦横１３０ｍｍ×１５０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板両面の所定の位置に、それぞれ、得られたスラリーを、縦横９０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのシート状にスクリーン印刷法にて積層した後、５０℃×６０分の乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を水素還元雰囲気の連続炉に導入し、１１００℃で焼結を行い、金属板の両面に球状金属粉末から構成される多孔体が一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材を顕微鏡観察した結果、粉末粒が相互に結合した状態の骨格部と、連結空孔とからなる多孔構造体であり、厚み方向に垂直なシート面上の任意の１ｍｍ2 中に、断面積０．００１ｍｍ2 以上で厚み方向に貫通した空孔が７つ確認された。
【００２８】
（実施例３）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−３５Ｃｒ粉末を製造した後、分級によって、粒径２０〜７０μｍ、及び、１００〜２００μｍの粒径範囲が異なる２種類の球状粉末を採取し、それぞれの球状粉末に、分散媒、分散剤、バインダー、可塑剤を混合して含まれる粉末粒径が異なる２種類のスラリーを作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍ、縦横２００ｍｍ×２５０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板の両面の所定の位置に、得られたスラリーの内、粒径１００〜２００μｍの粉末を含むスラリーを、縦横１５０ｍｍ×２００ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのシート状に積層した後、７０℃×３０分の乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、粒径２０〜７０μｍの粉末を含む別のスラリーを、得られた仮成形体の両面の所定の位置に、縦横１５０ｍｍ×２００ｍｍ、厚み０．１ｍｍのシート状に積層し、７０℃×３０分の乾燥工程を経て複数のスラリーが両面に積層された仮成形体を作製した。得られた仮成形体を水素還元雰囲気炉に導入し、１１００℃で焼結を行うことで、金属板の両面に異なる粒径の球状金属粉末から構成される複数の積層した多孔体が金属板と金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。
【００２９】
（実施例４）
水アトマイズ法にて球状のＦｅ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ粉末を製造した後、分級によって、粒径１５０〜２５０μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末に、ワックスを用いてコンバインドを作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．３ｍｍ、縦横１６０ｍｍ×２６０ｍｍのＳＵＳ３１０製金属板上の所定の位置に、得られたコンバインドを、縦横１２０ｍｍ×２２０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのシート状に積層した後、乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を水素還元雰囲気炉に導入し、１２００℃で焼結を行うことで、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材の多孔体部を顕微鏡観察した結果、粉末粒が相互に結合した状態の骨格部と、連結空孔からなる多孔構造体が確認された。
【００３０】
（実施例５）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−３３Ｃｕ粉末を製造した後、分級によって、粒径２０〜６０μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末に、分散媒、分散剤、バインダー、可塑剤を混合してスラリー作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍ、縦横７０ｍｍ×７０ｍｍのＦｅ−３３Ｃｕ製金属板上の所定の位置に、得られたスラリーを、縦横５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み０．２ｍｍのシート状にドクターブレード法によって積層した後、乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を真空雰囲気炉に導入し、１０７０℃で焼結を行うことで、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材の多孔体部を顕微鏡観察した結果、粉末粒が相互に結合した状態の骨格部と、連結空孔からなる多孔構造体であり、厚み方向に垂直なシート面上の任意の１ｍｍ2 中に、断面積０．００１ｍｍ2 以上で厚み方向に多孔体部を貫通した空孔が５つ確認された。
【００３１】
（実施例６）
ガスアトマイズ法にて球状のＮｉ−１６Ｃｒ−１６Ｍｏ−６Ｆｅ−３Ｗ粉末を製造した後、分級によって、粒径１５０〜３００μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末に、分散媒、分散剤、バインダー、可塑剤を混合してスラリー作製した。燃料供給口、排出口、締結ボルト用穴等を形成する必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製金属板両面の所定の位置に、得られたスラリーを、スクリーン印刷法により、縦横１８０ｍｍ×９０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのシート状に積層した後、８０℃×４０分の乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を水素還元雰囲気の連続炉に導入し、１１００℃で焼結を行うことで、金属板の両面に球状金属粉末から構成される多孔体が金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材の多孔体部を顕微鏡観察した結果、粉末粒が相互に結合した状態の骨格部と、連結空孔からなる多孔構造体であることが確認された。
【００３２】
（実施例７）
ガスアトマイズ法にて球状のＦｅ−２４Ｃｒ−１．５Ａｌ−１．３Ｓｉ粉末を製造した後、分級によって、粒径１５０〜２５０μｍの球状粉末を採取し、この球状粉末にワックスを用いてコンバインドを作製した。必要な機械加工を行った厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ４３０製金属板上の所定の位置に、ロール形成にて、得られたコンバインドを、縦横５０ｍｍ×１００ｍｍ、厚み０．４ｍｍのシート状に積層した後、１００℃×２０分の乾燥工程を経て仮成形体を作製した。ついで、得られた仮成形体を水素還元雰囲気炉に導入し、１１５０℃で焼結を行うことで、金属板上に球状金属粉末から構成される多孔体が金属結合によって一体化した燃料電池用セパレータを得た。得られた部材の多孔体部を顕微鏡観察した結果、粉末粒が相互に結合した状態の骨格部と、空孔率約４０％の連結空孔とからなる多孔構造体であることが確認された。
【００３３】
以上のように、本発明により得られる燃料電池用セパレータは、球状金属粉末同士が、球の接点近傍を主とした金属結合で接合され、他の表面では互いに結合しないため、球同士で囲まれた空間から構成される連結空孔を十分に確保出来るため、水素源、酸素源の供給特性、水成分の排出特性に優れる。また、球状金属粉末同士が３次元的に金属結合されるため、応力の均一分散性にも優れ高い強度が得られるとともに、３次元的な優れた密着性を示し接触抵抗を低減することが可能となる等優れた効果を奏するものである。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊