特開 2024-113234 燃料電池用セパレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024113234

(43)【公開日】2024-08-22

(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/028 20160101AFI20240815BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20240815BHJP

   H01M 8/0286 20160101ALI20240815BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240815BHJP

【ＦＩ】

H01M8/028

H01M8/021

H01M8/0286

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023018064

(22)【出願日】2023-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000219602

【氏名又は名称】住友理工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大見 浩輔

(72)【発明者】

【氏名】守谷 彰人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 慎

(72)【発明者】

【氏名】水野 基弘

(72)【発明者】

【氏名】甚野 史彦

(72)【発明者】

【氏名】今井 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】大西 將博

(72)【発明者】

【氏名】山本 健次

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA13

5H126BB06

5H126DD05

5H126JJ05

(57)【要約】

【課題】ガスケットとの接着性を十分に確保できる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料電池用セパレータは、ステンレススチール製基材を有する燃料電池用セパレータであって、上記ステンレススチール製基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステンレススチール製基材を有する燃料電池用セパレータであって、
前記ステンレススチール製基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ステンレススチール製基材を有する燃料電池用セパレータに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、燃料電池が自動車の動力源や家庭用コージェネレーション等に採用されている。燃料電池は複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly、以下、「ＭＥＧＡ」と略す。）と、ＭＥＧＡを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを備えている。燃料電池用セパレータとしては、導電性等の観点からステンレススチール製基材を有するものが採用されている。

【0003】

このようなセパレータとしては、所望の性能が得られるように各種のものが開発されている。例えば、特許文献１には、ステンレススチール製基材の表面の不働態皮膜に含有されるＣｒ含有量とＦｅ含有量から算出されるＣｒ／Ｆｅ比が原子数比で１以上であるセパレータが記載されている。また、特許文献２には、電極構造体の燃料極に対向するセパレータであってその表面のＣｒ濃度がＣｒ／Ｆｅ質量比で０．７～１．３であるもの、及び電極構造体の酸化極に対向するセパレータであってその表面のＣｒ濃度がＣｒ／Ｆｅ質量比で０．７未満であるものが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－８９８００号公報

【特許文献2】特開２００５－１８３３３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃料電池用セパレータには、反応ガス（水素及び酸素）や冷却媒体といった流体を供給及び排出するための供給孔及び排出孔が設けられている。これらの供給孔及び排出孔は、複数の燃料電池セルが積層されたときに連結されて連結流路を形成する。そして、燃料電池セルには上記各種の流体が連結流路から供給され、燃料電池セルから上記各種の流体が連結流路へ排出される。燃料電池用セパレータでは、ガスケットをセパレータの表面に供給孔又は排出孔を取り囲むように設けることで、連結流路から流体が漏洩することを防止している。しかしながら、燃料電池用セパレータがステンレススチール製基材を有する場合において、ガスケットをステンレススチール製基材の表面にシランカップリング剤を含むプライマ層を介して接着させて設けるときには、ステンレススチール表面の汚れや不働態膜等の性状が原因となって接着性を確保できないことがあった。

【0006】

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスケットとの接着性を十分に確保できる燃料電池用セパレータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決すべく、本発明の燃料電池用セパレータは、ステンレススチール製基材を有する燃料電池用セパレータであって、上記ステンレススチール製基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ガスケットとの接着性を十分に確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】（ａ）は、第１実施形態に係る燃料電池用セパレータであるアノード側セパレータを備える燃料電池を示す概略平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線で切断し拡大した概略断面図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池用セパレータであるアノード側セパレータにガスケットを形成する方法のフローを概略的に示すフロー図である。

【図3】（ａ）は、レーザーフルエンスに対するステンレススチール製基材の洗浄後の表面の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比を示すグラフである。（ｂ）は、レーザーフルエンス及び基材の表面の性状の関係を説明する図である。

【図4】原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比に対するステンレススチール製基材とガスケットとの剥離強度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態に係る燃料電池用セパレータについて説明する。
図１（ａ）は、第１実施形態に係る燃料電池用セパレータであるアノード側セパレータを備える燃料電池を示す概略平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線で切断し拡大した概略断面図である。

【0011】

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル２０が積層されて構成された固体高分子型燃料電池である。各燃料電池セル２０は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）３０と、一対のセパレータ４０と、樹脂枠５０と、ガスケット６０とを備えている。

【0012】

ＭＥＧＡ３０は、膜電極接合体３１と、アノード側ガス拡散層３２と、カソード側ガス拡散層３３とを有している。膜電極接合体３１は、電解質膜、アノード触媒層、及びカソード触媒層（いずれも図示せず）の接合体で構成されている。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマー等の固体高分子材料である高分子電解質樹脂で構成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子及び気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード触媒層からカソード触媒層に移動させる機能を有している。アノード触媒層は、白金や白金合金等の触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子等のカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂等の固体高分子材料である高分子電解質樹脂から構成され、イオン交換基によりプロトン伝導性を有する。アノード触媒層は、水素（Ｈ_２）をプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）に分解する機能を有している。カソード触媒層は、アノード触媒層と同様の材料から形成されているが、アノード触媒層と異なり、プロトンと電子と酸素（Ｏ_２）とから水を生成する機能を有している。

【0013】

アノード側ガス拡散層３２は、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパー等の炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質繊維基材から構成されている。アノード側ガス拡散層３２は、アノード触媒層の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素を拡散させて均一にし、アノード触媒層に行き渡らせる機能を有している。カソード側ガス拡散層３３は、アノード側ガス拡散層３２と同様に、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパー等の炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質繊維基材から構成されている。カソード側ガス拡散層３３は、カソード触媒層の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード触媒層に行き渡らせる機能を有している。

【0014】

一対のセパレータ４０は、第１実施形態に係る燃料電池用セパレータであるアノード側セパレータ４１、及びカソード側セパレータ４２から構成される。アノード側セパレータ４１及びカソード側セパレータ４２は、ＭＥＧＡ３０及びＭＥＧＡ３０の外周を囲むように配置した樹脂枠５０を挟持するものである。

【0015】

アノード側セパレータ４１（第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ）は、ステンレススチール製基材４１Ｂを有している。そして、ステンレススチール製基材４１Ｂの樹脂枠５０とは反対側の表面４１Ｂｓにおけるガスケット６０が設けられる所定領域４１Ｂｒの原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となっている。アノード側セパレータ４１は、ＭＥＧＡ３０のアノード側ガス拡散層３２に接合され、アノード側ガス拡散層３２の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路４１ａが形成されている。

【0016】

カソード側セパレータ４２は、ステンレススチール等の鉄、チタン、アルミニウム、銅、マグネシウムなどの金属製基材４２Ｂを有している。カソード側セパレータ４２は、ＭＥＧＡ３０のカソード側ガス拡散層３３に接合され、カソード側ガス拡散層３３の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路４２ａが形成されている。

【0017】

樹脂枠５０は、ＭＥＧＡ３０の外周を囲む枠状の部材であり、コア層５０ａと、接着層５０ｂ、５０ｃとを含む３層構造を有している。コア層５０ａは、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の熱可塑性樹脂から構成され、接着層５０ｂ、５０ｃより硬い層となっている。接着層５０ｂ、５０ｃも、熱可塑性樹脂から構成され、アノード側セパレータ４１及びカソード側セパレータ４２とのシール性を確保するために他の部材との接着性が高い層となっている。

【0018】

樹脂枠５０の内周の縁部にはＭＥＧＡ３０が接合されている。また、樹脂枠５０の一方の面にはアノード側セパレータ４１が接着され、他方の面にはカソード側セパレータ４２が接着されている。樹脂枠５０は、燃料極の水素や空気極の酸素が微量ながら電解質膜を通過してしまうといういわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。

【0019】

ガスケット６０は、アノード側セパレータ４１のステンレススチール製基材４１Ｂの樹脂枠５０とは反対側の表面４１Ｂｓにおける所定領域４１Ｂｒにシランカップリング剤を含むプライマ層６２を介して接着することで設けられている。ガスケット６０は、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）をゴム成分とするソリッドゴムなどの弾性材料から構成されている。ガスケット６０は、燃料電池セル２０を積層することで燃料電池１０を形成する時にガスケット６０と積層方向に隣接するアノード側セパレータ４１及びカソード側セパレータ４２に対して密着する。これにより、ガスケット６０は、冷却媒体といった流体が、複数の燃料電池セルの供給孔及び排出孔の連結流路から漏洩することを防止している。

【0020】

以上の燃料電池１０の各燃料電池セル２０では、アノード側セパレータ４１（第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ）において、ステンレススチール製基材４１Ｂの表面４１Ｂｓにおけるガスケット６０が設けられる所定領域４１Ｂｒの原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となっている。すなわち、基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの所定領域４１Ｂｒでは、Ｎａ（ナトリウム）やＣ（炭素）等の汚れ、並びにステンレススチール表面をクロム酸化物及び鉄酸化物がこの順番で被覆する不働態膜が十分に除去され、Ｆｅリッチとなっている。このため、ガスケット６０を基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの所定領域４１Ｂｒにシランカップリング剤を含むプライマ層６２を介して接着させて設ける場合において、ガスケット６０との接着性を十分に確保できる。これにより、ガスケット６０は、基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの所定領域４１Ｂｒに強固に接合される。よって、燃料電池１０では、冷却媒体といった流体が連結流路から漏洩することを好適に防止できる。

【0021】

ここで、アノード側セパレータ４１（第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ）にガスケット６０を形成する方法について説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池用セパレータであるアノード側セパレータにガスケットを形成する方法のフローを概略的に示すフロー図である。

【0022】

アノード側セパレータ４１にガスケット６０を形成する場合には、図２に示すように、まず、アノード側セパレータ４１のステンレススチール製基材４１Ｂを準備する（Ｓ１）。

【0023】

次に、ステンレススチール製基材４１Ｂの樹脂枠５０とは反対側の表面４１Ｂｓにおけるガスケット６０が設けられる所定領域４１Ｂｒに対してレーザーを照射することにより、所定領域４１Ｂｒを洗浄する（Ｓ２）。これにより、所定領域４１Ｂｒにおいて、汚れ並びにステンレススチール表面を被覆する不働態膜を十分に除去することで、所定領域４１Ｂｒを原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となる程度にＦｅリッチとする。

【0024】

次に、基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの洗浄後の所定領域４１Ｂｒにシランカップリング剤を含むプライマを塗布し、塗布されたプライマを乾燥させる（Ｓ３）。これにより、プライマ層６２を形成する。

【0025】

次に、プライマ層６２が形成された基材４１Ｂを成形装置のステージ（図示せず）の上面に基材４１Ｂを、その表面４１Ｂｓがステージの上方を向くように配置した後に、成形装置の金型（図示せず）を金型の内部にプライマ層６２が配置されるように基材４１Ｂの表面４１Ｂｓに配置する。その上で、金型の射出孔からガスケット形成用材料を射出することでガスケット６０の前駆体を射出成形する。これに続けて、ガスケット６０の前駆体を所定温度で所定時間加熱することで架橋する（Ｓ４）。これにより、ガスケット６０を形成する。なお、ガスケット形成用材料としては、例えば、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）をゴム成分とするソリッドゴムの未架橋物などが用いられる。また、ガスケット６０の形成は、上記のような射出成形で行ってもよいし、圧縮成形で行ってもよい。

【0026】

以上のようにアノード側セパレータ４１にガスケット６０を形成する場合には、ステンレススチール製基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの所定領域４１Ｂｒをレーザーでの洗浄により原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となる程度にＦｅリッチとした後に、基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの洗浄後の所定領域４１Ｂｒにシランカップリング剤を含むプライマを塗布することでプライマ層６２を形成する。これにより、基材４１Ｂの表面４１Ｂｓの所定領域４１Ｂｒにプライマ層６２を介して接着させて形成されるガスケット６０の接着性を十分に確保できる。

【0027】

続いて、実施形態に係る燃料電池用セパレータについて詳細に説明する。燃料電池用セパレータとしては、ステンレススチール製基材を有するものであれば特に限定されず、例えば、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータであり、アノード側セパレータでもよいし、カソード側セパレータでもよい。ステンレススチール製基材としては、例えば、ＳＵＳ３０４製基材等が挙げられる。ステンレススチール製基材としては、当該基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であるものであれば特に限定されない。なお、ステンレススチール製基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比とは、例えば、ステンレススチール製基材の表面におけるガスケットが設けられる領域の表層に存在するＣｒ（クロム）及びＦｅ（鉄）の量の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比を指す。

【0028】

燃料電池用セパレータが、固体高分子型燃料電池のアノード側セパレータ又はカソード側セパレータである場合には、ステンレススチール製基材は、通常、基材のＭＥＧＡ及び樹脂枠とは反対側の表面におけるガスケットが設けられる領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であるものとなる。この場合には、ステンレススチール製基材は、基材の当該表面のガスケットが設けられる領域のみの原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であるものでもよいし、基材の当該表面の全領域の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上であるものでもよい。

【実施例0029】

以下、実施例及び比較例を挙げて、実施形態に係る燃料電池用セパレータをさらに具体的に説明する。

【0030】

まず、燃料電池用セパレータの試験体として、ステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製基材を有する試験体を複数個準備した。次に、複数個の試験体のそれぞれのステンレススチール製基材の表面に対して、試験体毎にレーザーフルエンス［ｍＪ／ｍｍ^２］を変更してレーザーを照射することにより、複数個の試験体のそれぞれのステンレススチール製基材の表面を洗浄した。この際、レーザーとして、パルスレーザーを用い、レーザーピッチを７５μｍ×１００μｍ、５０μｍ×５０μｍ、又は１５０μｍ×１５０μｍに設定し、レーザーフルエンスを０ｍＪ／ｍｍ^２～４０ｍＪ／ｍｍ^２の範囲で変更した。

【0031】

次に、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）を使用して、複数個の試験体のそれぞれのステンレススチール製基材の洗浄後の表面の最表面から深さ数ｎｍの位置までの表層の組成分析を行った。そして、このような表層の組成分析結果から、各ステンレススチール製基材の洗浄後の表面の表層に存在するＣｒ及びＦｅの量の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比を算出した。この結果から、レーザーフルエンスの変化に応じた原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比の変化を評価した。図３（ａ）は、レーザーフルエンスに対するステンレススチール製基材の洗浄後の表面の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比を示すグラフである。図３（ｂ）は、レーザーフルエンス及び基材の表面の性状の関係を説明する図である。

【0032】

次に、複数個の試験体のそれぞれのステンレススチール製基材の洗浄後の表面にシランカップリング剤を含むプライマを塗布し、塗布されたプライマを乾燥させることで、プライマ層を形成した。なお、プライマとしては、例えば、ステンレススチールの表面と化学反応する官能基と、ガスケットの表面と化学反応する官能基と、を含有するシランカップリング剤を含むプライマが用いられた。

【0033】

次に、プライマ層が形成された複数個の試験体のそれぞれについて、試験体を成形装置のステージの上面に試験体のステンレススチール製基材の洗浄後の表面がステージの上方を向くように配置した後に、成形装置の金型を金型の内部にプライマ層が配置されるように基材の洗浄後の表面に配置した。その上で、金型の射出孔からガスケット形成用材料を射出することでガスケットの前駆体を射出成形した。これに続けて、ガスケットの前駆体を所定温度で所定時間加熱することで架橋した。これにより、台座部幅×台座部長さを約２ｍｍ×約３．４ｍｍ、全高を約１ｍｍとするガスケットを形成した。なお、ガスケット形成用材料としては、例えば、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）をゴム成分とするソリッドゴムの未架橋物が用いられた。

【0034】

次に、複数個の試験体のそれぞれのステンレススチール製基材とガスケットとの剥離強度［Ｎ／ｍｍ］を９０°剥離試験により測定した。この結果から、原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比の変化に応じた剥離強度の変化を評価した。図４は、原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比に対するステンレススチール製基材とガスケットとの剥離強度を示すグラフである。

【0035】

図４に示すように、ステンレススチール製基材の洗浄後の表面の原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となる場合には、剥離強度が目標値の０．７Ｎ／ｍｍ以上となった。また、図３（ａ）に示すように、レーザーフルエンスが３４ｍＪ／ｍｍ^２～３７ｍＪ／ｍｍ^２を超えると、原子数比でのＦｅ／Ｃｒ比が１．２以上となった。これは、図３（ｂ）に示すように、レーザーフルエンスが強くなることにより、ＮａやＣ等の汚れ、並びにステンレススチール表面をクロム酸化物及び鉄酸化物がこの順番で被覆する不働態膜が十分に除去され、基材の表面がＦｅリッチとなったためと考えられる。

【0036】

以上、実施形態について詳述したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

【符号の説明】

【0037】

４１：アノード側セパレータ、４１Ｂ：ステンレススチール製基材、４１Ｂｒ：ガスケットが設けられる所定領域、６０：ガスケット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】