燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法与流程

本发明涉及燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法。

背景技术

固体高分子型燃料电池具备多个单电池被层叠的堆(例如，参照专利文献1)。各单电池包含：发电部，具有膜电极接合体；以及一对金属制的隔板，夹持发电部。在隔板上交替地形成有多个凸部和凹部。在各单电池中，在各隔板与发电部之间形成有由凸部和凹部划定的供给燃料气体和氧化气体的气体流路。在各隔板的基材中的与发电部对置的面上，形成有具有导电性且与发电部抵接的导电层。通过导电层，减少隔板与发电部之间的接触电阻。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-65257号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

为了提高燃料电池的性能，期望进一步减少隔板与发电部之间的接触电阻。

本发明的目的在于，提供能够减少隔板与发电部之间的接触电阻的燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，根据本发明的第一方式，提供燃料电池用隔板。燃料电池用隔板具备：金属板制的基材，该基材具有多个凸部；以及导电层，其包含导电性碳材料、导电性粒子以及热固性树脂，在所述基材的所述凸部的顶面，所述导电层与所述燃料电池的发电部抵接地设置。所述导电性碳材料和所述导电性粒子在所述导电层的整个厚度方向上分散在所述树脂内并且彼此接触。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方式，提供燃料电池用隔板的制造方法。所述燃料电池用隔板具备：金属板制的基材，该基材具有多个凸部；以及导电层，其包含导电性碳材料、导电性粒子以及热固性树脂，在所述基材的所述凸部的顶面，所述导电层与所述燃料电池的发电部抵接地设置。所述制造方法包括：将使所述导电性碳材料和所述导电性粒子在所述树脂内整体分散而生成的导电性涂料涂布于薄膜来形成热转印用片材；以及在使所述热转印用片材抵接到所述凸部的各自的顶面的状态下对所述基材进行加压并且进行加热，从而在所述凸部的各自的顶面热转印所述导电性涂料来形成所述导电层。

为了实现上述目的，根据本发明的第三方式，提供热转印用片材的制造方法。所述热转印用片材是用于在与燃料电池用隔板的基材的表面抵接的状态下被加压和加热从而在所述基材的表面热转印导电膜而在所述表面形成导电层。所述制造方法包括：将使导电性碳材料和导电性粒子分散在热固性树脂内整体而生成的导电性涂料涂布在薄膜的一个表面，从而在所述薄膜的表面上形成所述导电膜。

附图说明

图1是关于燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法的第1实施方式，以具有隔板的单电池为中心的燃料电池堆的放大剖视图。

图2是隔板的剖视图。

图3是示出导电性涂料的生成工序的示意图。

图4是示出实施例的导电性涂料和比较例1的导电性涂料中的粘度的测量结果的图表。

图5是涂布有导电性涂料的薄膜的剖视图。

图6形成有树脂层的基材的剖视图。

图7是示出在基材载置有热转印用片材的状态的剖视图。

图8是示出在基材热转印有导电膜的状态的剖视图。

图9是示出实施例的导电层、比较例1的导电层、比较例2的导电层以及比较例3的导电层中的接触电阻的测量结果的图表。

图10是燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法的第2实施方式中的隔板的剖视图。

图11是示出在热转印用片材的导电性涂料的表面涂布有树脂涂料的状态的剖视图。

图12是示出在基材载置有热转印用片材的状态的剖视图。

图13是示出在基材热转印有树脂涂料和导电膜的状态的剖视图。

具体实施方式

<第1实施方式>

以下，参照图1～图9，对燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法的第1实施方式进行说明。在各附图中，为了便于说明，有时夸张或简化结构的一部分，或者以与实际不同的比例示出各部分的尺寸。

如图1所示，燃料电池用隔板(以下，隔板20)使用于固体高分子型燃料电池的堆100。隔板20是后述的第1隔板30和第2隔板40的总称。堆100具有多个单电池10被层叠的构造。单电池10具备具有膜电极接合体12的发电部11。膜电极接合体12通过第1隔板30和第2隔板40被夹持。

在膜电极接合体12与第1隔板30之间，设置有由碳纤维构成的阳极侧气体扩散层15。在膜电极接合体12与第2隔板40之间，设置有由碳纤维构成的阴极侧气体扩散层16。膜电极接合体12具备电解质膜13以及夹持电解质膜13的一对电极催化剂层14。电解质膜13由在湿润状态具有良好的质子传导性的固体高分子材料构成。为了促进燃料电池中的反应气体的电化学反应，在各电极催化剂层14上，附着有铂等催化剂。

第1隔板30具有金属板制的基材31。基材31例如由不锈钢形成。在基材31上设置有多个第1凸部32和第1凹部33。第1凸部32和第1凹部33分别在基材31的面方向、即与图1的纸面正交的方向上延伸并且交替地设置。各第1凸部32与发电部11、详细地讲与阳极侧气体扩散层15抵接。

第2隔板40具有金属板制的基材41。基材41例如由不锈钢形成。在基材41上设置有多个第2凸部42和第2凹部43。第2凸部42和第2凹部43分别在基材41的面方向、即与图1的纸面正交的方向上延伸并且交替地设置。各第2凸部42与发电部11、详细地讲与阴极侧气体扩散层16抵接。

由与第1隔板30的第1凹部33对应的部分和阳极侧气体扩散层15划定的部分是氢气等燃料气体流通的气体流路。由与第2隔板40的第2凹部43对应的部分和阴极侧气体扩散层16划定的部分是空气等氧化气体流通的气体流路。

第1隔板30中的第1凹部33的底部与邻接于第1隔板30的第2隔板40的第2凹部43的底部，通过激光焊接等而被彼此接合。由与第1隔板30的第1凸部32的背面对应的部分和与第2隔板40的第2凸部42的背面对应的部分划定的部分为冷却水流通的冷却流路。

如图2所示，在隔板20中的基材31、41中与发电部11对置的第1表面整体设置有树脂层50。在基材31、41中的与第1表面相反的一侧的第2表面没有设置有树脂层50。树脂层50包含环氧树脂等热固性树脂50a。树脂50a是第2树脂的一例。另外，在基材31、41的各凸部32、42的顶面，隔着树脂层50设置有具有导电性的导电层60。导电层60包含导电性碳材料61、导电性粒子62、热固性树脂63以及溶剂。树脂63为第1树脂的一例。

导电性碳材料61例如为石墨粒子。导电性粒子62例如为氮化钛。树脂63例如为环氧树脂。溶剂例如为甲乙酮(MEK)。氮化钛的硬度比形成在基材31、41的表面上的氧化膜31a、41a的硬度高。

导电性碳材料61和导电性粒子62在导电层60的整个厚度方向上分散在树脂63内并且彼此接触。另外，导电性粒子62贯通形成在各凸部32、42的表面的氧化膜31a、41a与基材31、41接触。由此，在各隔板30、40上，通过基材31、41、导电性碳材料61以及导电性粒子62，形成有不经由氧化膜31a、41a的多个导电路径。

接着，对第1隔板30的制造方法进行说明。由于第2隔板40的制造方法与第1隔板30的制造方法相同，因此省略说明。

如图3所示，首先，将导电性碳材料61的原料、导电性粒子62、树脂63以及溶剂投入气流粉碎机等粉碎装置70。并且，对导电性碳材料61的原料进行粉碎，并且对被粉碎的导电性碳材料61、导电性粒子62、树脂63以及溶剂进行调合。由此，生成被粉碎的导电性碳材料61和导电性粒子62分散在树脂63内的导电性涂料60a。

接着，参照图4，对导电性涂料60a的粘度的测量结果进行说明。此处，将第1实施方式的导电性涂料60a作为实施例，将包含氮化钛和环氧树脂的导电性涂料作为比较例1，对各例的粘度进行了测量。从图4可知，实施例的粘度比比较例1的粘度大。可以认为这是因为，在实施例中，被粉碎的导电性碳材料61的原料分散在树脂63内。

如图5所示，接着，对聚对苯二甲酸乙酯等树脂制的薄膜81的一个表面，通过涂布机90涂布导电性涂料60a，从而在薄膜81的表面上形成导电膜60b。由此，制造热转印用片材80。

如图6所示，接着，在基材31的第1表面整体，通过喷雾器等喷雾树脂材料，从而形成包含树脂50a的树脂层50。如图7所示，接着，在热转印装置110的固定模具111上，使第1表面向上而载置基材31。并且，使导电膜60b向下而将热转印用片材80载置在基材31的各第1凸部32上。

如图8所示，接着，使可动模具115朝向固定模具111下降。并且，通过固定模具111和可动模具115对基材31和热转印用片材80进行加压。由此，如图2所示，导电性粒子62贯通树脂层50和基材31的氧化膜31a而与基材31接触。

如图8所示，接着，对分别设置在固定模具111和可动模具115的电热线112、116通电。并且，将基材31加热至比作为环氧树脂的树脂63和树脂50a的热固温度高的预定温度。由此，使树脂层50热固，并且在基材31的各凸部32的顶面热转印导电膜60b来形成导电层60。虽然省略图示，但是最后使可动模具115从固定模具111分开，从热转印装置110取出第1隔板30。由此，制造第1隔板30。

接着，参照图9，对导电层60的接触电阻的测量结果进行说明。此处，将第1实施方式的导电层60作为实施例，对比较例1的导电层、比较例2的导电层以及比较例3的导电层中的接触电阻的测量结果进行说明。

首先，对比较例1～比较例3的结构进行说明。比较例1构成为包含氮化钛和环氧树脂。比较例2构成为包含石墨粒子和环氧树脂。比较例3通过形成在基材31、41的表面且包含氮化钛和环氧树脂的第1层以及形成在第1层的表面且包含石墨粒子和环氧树脂的第2层构成。

如下所述对各例的接触电阻进行了测量。首先，通过一对碳布夹持在表面形成有各导电层的基材31、41的试验片。接着，在该状态下，一边通过夹具对试验片施加预定的负荷，一边施加预定的电流。并且，通过对此时的电压进行测量，从而求出各例的接触电阻。碳布是与阳极侧气体扩散层15和阴极侧气体扩散层16同质的材料。

从图9可知，实施例的接触电阻比比较例1～比较例3的接触电阻低。在比较例1中，如上所述，粘度比实施例低。因此可以认为，在比较例1的导电层中，氮化钛在环氧树脂内沉淀，从而氮化钛在导电层的厚度方向上分布不均。

可以认为，在比较例2中，形成基于导电率比氮化钛小的石墨粒子们的导电路径。在比较例3中，氮化钛包含在第1层，石墨粒子包含在第2层。因此可以认为，在第1层中，形成有基于氮化钛们的导电路径，在第2层中，形成有基于石墨粒子们的导电路径。

可以认为，在实施例中，由于粘度比比较例1高，因此石墨粒子(导电性碳材料61)和氮化钛(导电性粒子62)容易在导电层60的整个厚度方向上分散在环氧树脂(树脂63)内。由此，容易在导电层60的整个厚度方向上形成经由石墨粒子(导电性碳材料61)和氮化钛(导电性粒子62)的导电路径。根据以上可以认为，实施例的接触电阻比比较例1～比较例3的接触电阻低。

对第1实施方式的作用进行说明。

在导电层60中，导电性碳材料61和导电性粒子62在导电层60的整个厚度方向上分散在树脂63内并且彼此接触。因此，在导电层60的厚度方向上，容易形成经由导电性碳材料61和导电性粒子62的导电路径。由此，能够提高导电层60的导电性(以上，作用1)。

另外，为了制造导电层60，使用在薄膜81上涂布有使导电性碳材料61和导电性粒子62分散在树脂63内整体而生成的导电性涂料60a的热转印用片材80。因此，在形成于基材31、41的各凸部32、42的导电层60中，导电性碳材料61和导电性粒子62容易在导电层60的整个厚度方向上分散。由此，在导电层60内，容易形成经由导电性碳材料61和导电性粒子62的导电路径(以上，作用2)。

另外，在将包含导电性碳材料61、导电性粒子62以及热固性树脂63的导电性涂料60a涂布在薄膜81的一个表面时，存在导电性粒子62由于自重而向下侧、即薄膜81侧沉淀的问题。此处，在导电性涂料60a中，被粉碎而变细的导电性碳材料61被分散在树脂63内整体。由此，导电性涂料60a的粘度相比包含粉碎前的导电性碳材料61的导电性涂料60a的粘度增加。由此，在涂布于薄膜81的一个表面的导电性涂料60a中，能够抑制导电性粒子62在薄膜81侧沉淀(以上，作用3)。

对第1实施方式的效果进行说明。

(1)隔板20具备：金属板制的基材31、41，具有多个凸部32、42；以及导电层60，设置在基材31、41的各凸部32、42的顶面。导电层60包含导电性碳材料61、导电性粒子62以及热固性树脂63。导电性碳材料61和导电性粒子62在导电层60的整个厚度方向上分散在树脂63内并且彼此接触。根据该结构，起到作用1，因此能够减少隔板20与发电部11之间的接触电阻。

(2)在隔板20的制造中，使用通过在薄膜81涂布导电性涂料60a而形成有导电膜60b的热转印用片材80。并且，在使热转印用片材80抵接到各凸部32、42的顶面的状态下，对基材31、41进行加压并且进行加热。由此，在各凸部32、42的顶面热转印导电膜60b而形成导电层60。根据该方法，起到作用2，因此能够减少隔板20与发电部11之间的接触电阻。

(3)通过对导电性碳材料61的原料进行粉碎，并且对被粉碎的导电性碳材料61、导电性粒子62以及树脂63进行调合，从而生成导电性涂料60a。根据该方法，起到作用3，因此能够容易生成使被粉碎的导电性碳材料61和导电性粒子62分散在热固性树脂63内整体的导电性涂料60a。由此，能够容易制造在薄膜81上涂布有导电性涂料60a的热转印用片材80。

(4)在各凸部32、42的顶面热转印导电膜60b而形成导电层60之前，在基材31、41中的与发电部11对置的第1表面整体形成包含热固性树脂50a的树脂层50。根据该方法，当在基材31、41中的与发电部11对置的第1表面整体形成树脂层50之后，对基材31、41的各凸部32、42形成导电层60。此处，作为包含在导电层60的第1树脂的树脂63和作为包含在树脂层50的第2树脂的树脂50a都是热固性树脂。因此，通过对基材31、41进行加热，从而树脂63和树脂50a都被热固。由此，形成隔板20。根据该结构，由于基材31、41中的与发电部11对置的第1表面整体通过树脂层50被覆盖，因此抑制离子从基材31、41的第1表面溶出。

(5)在热转印用片材80的制造中，通过将使导电性碳材料61和导电性粒子62在热固性树脂63内整体分散而生成的导电性涂料60a涂布在薄膜81的一个表面，从而在薄膜81的表面上形成导电膜60b。根据该方法，能够起到依照效果(2)的效果。

<第2实施方式>

以下，参照图10～图13，对于燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及热转印用片材的制造方法的第2实施方式，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明。

在第2实施方式中，通过对于与第1实施方式相同的结构附上相同的附图标记，并且对于与第1实施方式对应的结构附上在第1实施方式的附图标记“**”加上“200”的“2**”，从而省略与第1实施方式重复的说明。在各附图中，为了便于说明，有时夸张或简化结构的一部分，或者以与实际不同的比例示出各部分的尺寸。

如图10所示，隔板220仅在基材31、41的各凸部32、42的顶面设置有树脂层250。第2实施方式的基材31、41例如通过钛合金形成。树脂层250例如包含环氧树脂等热固性树脂250a。树脂250a为第2树脂的一例。另外，在基材31、41的各凸部32、42的顶面，隔着树脂层250设置有导电层60。

接着，对第1隔板230的制造方法进行说明。由于第2隔板240的制造方法与第1隔板230的制造方法相同，因此省略说明。另外，省略与第1实施方式相同的工序的说明。

如图11所示，通过涂布机290在薄膜81的一个表面涂布导电性涂料60a，从而在薄膜81的表面上形成导电膜60b。接着，在导电膜60b的表面涂布包含树脂250a的树脂涂料250b。由此，制造热转印用片材280。

如图12所示，接着，使树脂涂料250b向下而将热转印用片材280载置在基材31的各第1凸部32上。如图13所示，接着，使可动模具115朝向固定模具111下降。并且，通过固定模具111和可动模具115，对基材31和热转印用片材280进行加压并且进行加热。由此，如图10所示，在各第1凸部32的顶面热转印树脂涂料250b和导电膜60b，从而形成树脂层250和导电层60。由此，制造第1隔板230。

对第2实施方式的作用进行说明。

使用在薄膜81涂布有导电性涂料60a和树脂涂料250b的热转印用片材280。由此，在基材31、41的各凸部32、42的顶面形成有树脂层250和导电层60。导电层60隔着树脂层250形成在基材31、41的各凸部32、42。因此，能够提高基材31、41的各凸部32、42的顶面与导电层60的密接性。由此，能够抑制在基材31、41的各凸部32、42的表面与导电层60产生空隙(以上，作用4)。

对第2实施方式的效果进行说明。

根据第2实施方式的隔板220、隔板220的制造方法以及热转印用片材280的制造方法，除了第1实施方式中的效果(1)～(3)以及(5)以外，能够得到以下所示的新的效果。

(6)在隔板220的制造中，在薄膜81的导电性涂料60a的表面涂布包含热固性树脂250a的树脂涂料250b。根据该方法，起到作用4，因此能够减少隔板220与发电部11之间的接触电阻。

能够如下所述变更上述各实施方式来实施。能够在技术上不矛盾的范围内彼此组合上述各实施方式和以下的变更例来实施。

也可以将树脂层50形成在基材31、41的两面。

还能够省略树脂层50的形成，直接在基材31、41的各凸部32、42的顶面形成导电层60。另外，还能够省略树脂层250的形成，直接在基材31、41的各凸部32、42的顶面形成导电层60。

作为第1树脂的树脂63也可以是与作为第2树脂的树脂50a不同种类的热固性树脂。另外，作为第1树脂的树脂63也可以是与作为第2树脂的树脂250a不同种类的热固性树脂。

也可以在通过粉碎装置70仅粉碎导电性碳材料61的原料之后，对被粉碎的导电性碳材料61、导电性粒子62、树脂63以及溶剂进行调合。

也可以预先准备具有预定大小的导电性碳材料61，并且通过对导电性碳材料61、导电性粒子62、树脂63以及溶剂进行调合来生成导电性涂料60a。

也可以通过粉碎装置70来粉碎导电性粒子62。

作为粉碎装置，还能够采用珠磨机等气流粉碎机以外的装置。

除了石墨粒子以外，或者代替石墨粒子，还能够使用炭黑等其他的导电性碳材料。

还能够代替氮化钛，使用碳化钛或硼化钛等其他的导电性粒子。

还能够通过不锈钢或钛合金以外的其他的金属板材来形成基材31、41。作为金属，可以例举铝合金或镁合金等。

树脂63、50a、250a不限定于环氧树脂，也可以是酚醛树脂等其他的热固性树脂。