JP2007242478A - セパレータ製造方法およびセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の品質をより向上でき得るセパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池のセパレータ２０のうち、燃料ガスや反応水等が通過するマニホールドの周囲や、隣接するセパレータとの接着部位であるシールラインに樹脂層を形成する。セパレータ２０の表面のうち、この樹脂層が形成される被樹脂部位には、予め、下地処理を施し、樹脂との結合力を向上させておく。樹脂層がＮＨ基含有樹脂からなる場合、下地処理としてセパレータ２０の表面に水酸化物を析出させる処理を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の単位セル間の隔壁をなすセパレータ、および、その製造方法に関する。

従来から、車両やその他の分野において、燃料電池が利用されている。固体高分子型燃料電池（以下「燃料電池」という）は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータで挟持してなるセルを最小単位とし、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。

ここで、燃料電池のセパレータは、ＳＵＳ等の金属材料からなる。この金属からなるセパレータの耐腐食性を向上するための技術が従来から多数が提案されている。例えば、特許文献１，２には、セパレータのマニホールドの周縁を耐腐食性に優れた樹脂やフィルムで被覆する技術が開示されている。マニホールドは、セパレータに形成される開口部であり、燃料ガスやエア、水分などは、このマニホールドを通過する。

特開２００２−２５５７４号公報 特開２００５−１５８４４１号公報 特開２０００−２４３４０８号公報 特開２００３−２７２６５５号公報

しかしながら、通常、セパレータの表面は、化学的に不活性な不動態被膜で覆われており、樹脂等との結合力が弱い。そのため、セルスタック時に生じる応力や、燃料電池使用時の熱で膨張した際に生じる応力を受けて、樹脂層等が剥離することがあった。また、そもそも、セパレータの表面は濡れ性が悪いため、樹脂塗料が水溶性である場合には、当該樹脂塗料をセパレータ表面に均一に塗布することができず、好適な樹脂層を形成できないという問題もあった。

特許文献３には、セパレータの中央に形成される燃料ガス流路のうち電極と接触しない部位を、樹脂で被覆する際に、樹脂側にＯＨ基を持たせることでセパレータとの結合性を向上させることが記載されている。また、特許文献４には、燃料ガス流路の性能向上のために、セパレータを酸性浴に侵漬させて、不動態化処理を施す技術が開示されている。しかし、これらの技術は、いずれも、燃料ガス流路の品質、機能向上を目的としており、セパレータのうち、ガス流路以外の部位の品質、機能向上には適用することは困難である。

つまり、従来技術では、セパレータのガス流路以外の部位について、耐腐食性等を効果的に向上させることは困難であり、その結果、燃料電池自体の品質を向上させることが困難であった。

そこで、本発明では、燃料電池の品質をより向上でき得るセパレータ、および、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明のセパレータ製造方法は、燃料電池の単位セル間の隔壁をなすセパレータの製造方法であって、セパレータ基材のうち、少なくとも、樹脂層が設けられる被樹脂部位に当該樹脂とセパレータ基材との結合力を向上する下地処理を施した後、樹脂層を設けることを特徴とする。

好適な態様では、被樹脂部位は、流体が通過可能な開口部周辺である。他の好適な態様では、被樹脂部位は、隣接するセパレータとの接着部位であるシールラインである。

樹脂層が、ＮＨ含有樹脂からなる場合に、下地処理は、セパレータ基材の表面に水酸化物を析出させる処理であることが望ましい。この場合下地処理は、セパレータ基材表面の金属原子にＯＨ基を共有結合させる処理であることが望ましい。樹脂層が、ＯＨ含有樹脂からなる場合に、下地処理は、セパレータ基材表面の金属原子に酸素原子を共有結合させる処理であることが望ましい。

ここで、下地処理は、被樹脂部位にのみ施されることが望ましい。そのためには、下地処理は、セパレータ基材のうち、被樹脂部位以外の部位には、下地処理を阻害するマスキングをした状態で施されることが望ましい。別の態様として、下地処理が施された後に、被樹脂部位以外の部位に施された下地処理を除去することも望ましい。

なお、樹脂層は、電着塗装で形成されることが望ましい。また、樹脂は、水溶性樹脂であることが望ましい。

他の本発明であるセパレータは、燃料電池の単位セル間の隔壁をなすセパレータであって、セパレータ基材のうち、ガス流路を除く部分に樹脂層が設けられ、前記セパレータ基材と前記樹脂層との間にＯＨ基またはＯを有することを特徴とする。

本発明によれば、樹脂層が形成される被樹脂部位に当該樹脂とセパレータ基材との結合力を向上する下地処理を施すため、樹脂層の剥離が生じにくく、セパレータの耐腐食性を長期にわたり維持できる。その結果、燃料電池の品質をより向上できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。はじめに、固体高分子型燃料電池の構成について図１を参照して説明する。固体高分子型燃料電池１０は、固体高分子膜からなる電解質膜１２を燃料極１４と空気極１６との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ２０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池１０の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）１４に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）１６には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ_２）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、セパレータ２０の表面に加工された細かい溝を通って燃料極１４に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ＋）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極１４から空気極１６に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜１２を通過して空気極１６に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ_２Ｏ）になる。水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極１６のあるカソード側に生成した水（以下「反応水」という）は、カソード側から排出される。

図２は、セパレータ２０の上面図である。ＭＥＡ１５を挟持する２枚のセパレータ２０は、水素ガスと酸素ガスとを隔てる役割をする仕切り板であるとともに、積み重ねられたセルを電気的に直列に接続する機能も有する。このセパレータ２０は、ＳＵＳ等の金属材料からなり、プレス成形等により形成される。

セパレータ２０の中央には、水素含有ガスと酸素含有ガスまたは空気を流通させるガス流路２２が形成されている。図２においてハッチングで図示されたガス流路２２には、細かい凹凸の溝が形成されており、当該溝を通じて燃料ガスが接合体に供給される。

セパレータ２０の左右端部付近には、燃料ガスや冷却冷媒、反応水等を通過させるための開口部がマニホールド２４として形成されている。このマニホールド２４の周囲は、当該マニホールド２４を通過する燃料ガスや水等の影響を受けて、腐食しやすい環境となる。かかるマニホールド２４周辺等の腐食は、燃料電池の寿命を低下させるばかりでなく、その効率も低下させる。すなわち、腐食物が剥離して、マニホールド２４の内壁面に付着することによって、マニホールド２４が部分的に閉塞されて、燃料ガス等の流れが悪くなる。そのため、このマニホールド２４の周囲に耐腐食性のある樹脂層を形成することが従来から提案されている。

また、セパレータ２０の外周部分は、隣接するセパレータ２０との接着部分、いわゆる、シールライン２６となる。各セパレータ２０は、このシールライン２６に塗布された接着剤により隣接するセパレータ２０に接着される。ただし、通常、セパレータ２０と接着剤は結合力が弱い。そこで、このシールライン２６を、接着剤との結合力が高い部材、例えば、樹脂等で被覆し、セパレータ２０同士の結合力を向上させることが従来から提案されている。

このように、セパレータ２０の表面は、耐腐食性向上、または、隣接するセパレータ２０との密着力向上を目的として、樹脂で被覆されることが多い。しかしながら、図３に図示するとおり、セパレータ２０の表面には、化学的に不活性な不動態被膜２０ａが形成されている場合が多い。この不動態被膜２０ａは、樹脂５０との親和性が低いことが知られている。したがって、かかる不動態被膜２０ａが存在する状態で樹脂被覆したとしても、当該樹脂５０とセパレータ２０との結合力は弱く、セルスタック時に受ける応力や、燃料電池の使用による熱膨張に伴い発生する応力により、容易に樹脂５０の剥離が生じる。樹脂５０の剥離は、セパレータ２０の腐食を誘発する。また、剥離して離脱した樹脂５０は、燃料電池の効率を悪化させる。そして、結果として、燃料電池の品質低下を招くことになる。

また、近年、取り扱いの容易さから水溶性の樹脂が多用されているが、不活性の不動態被膜２０ａで覆われたセパレータ２０の表面は、濡れ性が低いため水溶性樹脂を弾きやすいという問題もあった。その結果、樹脂塗料の均一な広がりが阻害され、樹脂層の厚みが不均一になる場合があった。また、形成された樹脂層に微小な孔（ピンホール）が発生し、当該樹脂層で覆われるべきセパレータの表面が一部、外部に露出する場合もあった。

本実施形態では、これらの問題を防止し、より高品質なセパレータを得るために、樹脂層形成に先立って、樹脂層が形成される被樹脂部位に下地処理を施し、セパレータ表面に樹脂との親和性が高い水酸化物または酸化物を析出させておく。

ここで、本実施形態では、ガス流路２２を除くセパレータ２０の全表面に樹脂層を形成するため、当該部位を被樹脂部位としている。ただし、セパレータ２０の一部のみを被樹脂部位とし、当該部位にのみ下地処理および樹脂層形成を行ってもよい。この場合において、少なくとも、高い耐腐食性が要求されるマニホールド２４の周囲、または、接着力向上のために樹脂層形成が望まれるシールライン２６を被樹脂部位にすることが望ましい。また、燃料ガス等が通過するガス流路２２については、樹脂層を形成することができないため、当該部位は被樹脂部位とはしない。

図４は、下地処理を施した際のセパレータ２０とＮＨ基含有樹脂５０との結合の状態を示すイメージ図である。一般にＮＨ基を含むＮＨ基含有樹脂５０は、ＯＨ基との親和性が高い。下地処理により、予め、セパレータ２０の表面に水酸化物を析出させておくと、セパレータ２０表面に存在するＯＨ基と、樹脂５０に含有されるＮＨ基が互いに引き合い、強固に結合する。その結果、スタック時の応力等を受けても、樹脂層が剥離することなく、樹脂による被覆状態を維持できる。

この効果は、下地処理により水酸化物を析出させたセパレータ２０表面にＯＨ基含有樹脂で樹脂５０を形成する場合にも言える。図５は、下地処理を施した際のセパレータ２０とＯＨ基含有樹脂５０との結合の状態を示すイメージ図である。一般にＯＨ基を含むＯＨ基含有樹脂５０は、酸素原子との親和性が高い。したがって、下地処理により、予め、セパレータ２０の表面に酸化物を析出させておくことで、樹脂５０とセパレータ２０との結合力を向上でき、スタック時の応力等を受けても樹脂の剥離を防止できる。

また、本実施形態では、セパレータ２０の表面の原子に化学に結合しているＯＨ基（またはＯ）が、樹脂５０の構成原子に化学的に結合している。つまり、セパレータ２０と樹脂５０とは原子レベルで結合しているといえる。そのため、接着剤等を介在させて耐腐食性部材をセパレータ表面に貼着していた従来技術（特許文献２など）と異なり、本実施形態では、セパレータ２０と樹脂５０との間隙をほぼ皆無に抑えることができる。その結果、樹脂５０とセパレータ２０との間への水等の浸入をほぼ確実に防止でき、セパレータ２０全体としての耐腐食性を効果的に向上できる。

また、セパレータ２０表面に水酸化物または酸化物を析出させた場合、濡れ性（親水性）も向上させることができる。その結果、セパレータ２０の表面に水溶性樹脂を塗布しても弾くことがなく、厚みが均一で、かつ、ピンホール等の不具合がない、好適な樹脂層を得ることができる。

次に、セパレータ２０表面に施される下地処理について詳説する。セパレータ２０に施す下地処理としては、水酸化物または酸化物を析出できる処理であれば、特に限定されないが、例えば、プラズマ処理が挙げられる。プラズマ処理は、周知のとおり、プラズマ状態にした気体を被処理部材に接触させ、当該気体と被処理部材との化学反応を誘発する処理である。このプラズマ処理によれば、非処理部材の表面下サブミクロンの層だけが化学反応により変化させることができる。このプラズマ処理を用いて、セパレータ２０の表面に下地処理を施す場合は、プラズマ化した大気中にセパレータ２０を配置する。この場合、大気中に存在する水（Ｈ_２Ｏ）とセパレータ２０の表層との化学反応が誘発される。その結果、セパレータ２０の表面には、不活性な不動態被膜に代わって、化学的に活性なＯＨ基が析出することになる。

また、別の下地処理方法としては、化成処理が挙げられる。すなわち、Ｏ原子を含む溶剤にセパレータ２０を侵漬させた状態で、電気的に化学反応を生じさせ、セパレータ表面に酸化物を析出させる。この場合、セパレータ２０の表面の金属原子と酸素原子は共有結合となり、その結合は強固なものになる。その結果、セパレータ２０と樹脂５０との結合力も向上し、樹脂５０の剥離をより確実に防止できる。

なお、以上の下地処理を施す際は、予め、ガス流路２２にマスキングを施し、ガス流路２２への下地処理を阻害しておく。これは、下地処理に伴う耐腐食性低下を防止するためである。すなわち、下地処理を施した場合、不動態被膜は消去されることになる。樹脂層が形成されるマニホールド２４周辺およびシールライン２６は、樹脂層で保護されるため、不動態被膜が消去されても問題はない。しかし、樹脂層で保護されないガス流路２２においては、不動態被膜の消去することにより、耐腐食性が大幅に低下する。かかる腐食は、表面抵抗の増加、腐食物の剥離などを招き、ひいては、燃料電池の効率を悪化させる。そのため、本実施形態では、下地処理に先立って、ガス流路２２にはマスキングを施しておく。このマスキングは、プラズマや溶剤の侵入を阻止するシール被膜をガス流路２２上に脱離可能に接合するなどの手法により実現される。

なお、ガス流路２２への下地処理を阻害するのではなく、ガス流路２２に施された下地処理を除去することにより、ガス流路の耐腐食性を維持してもよい。すなわち、マスキングを施すことなく、セパレータ２０全体に下地処理を施した後、ガス流路２２の表面に再度、不動態皮膜を形成してもよい。

下地処理により、被樹脂部位の表面に水酸化物または酸化物が析出できれば、当該被樹脂部位に樹脂層を形成する。樹脂層は、種々の従来技術を用いて形成することができるが、ここでは、電着塗装による樹脂層形成について説明する。電着により樹脂層を形成する場合は、マスキングを施した下地処理済みのセパレータを陰極として樹脂塗料に浸漬する。そして、当該セパレータ（陰極）と電着槽内の隔膜室内に設置した陽極（＋）との間に直流を流してセパレータ表面に樹脂層を形成する。この電着塗装時において、セパレータ表面は、樹脂塗料との親和性が高い水酸化物または酸化物が析出した状態となっている（図４、５参照）。したがって、樹脂塗料は、セパレータ表面のＯＨ基（またはＯ）に強固に結合する。その結果、樹脂の剥離をより確実に防止でき、セパレータの耐腐食性を長期にわたり維持することができる。また、樹脂とセパレータとは、原子レベルで結合しているため、両者間の間隙をほぼ皆無に抑えることができ、高い耐腐食性を得ることができる。さらに、下地処理によりセパレータは、親水性が向上されているため、ピンホール等の不具合を生じることなく、均一な厚みの樹脂層が得られる。

なお、かかるセパレータを製造するセパレータ製造装置は、所定の形状に成形されたセパレータ基材の被樹脂部位に下地処理を施す下地処理装置、すなわち、記述のプラズマ処理装置や、化成処理装置等を備えていればよい。樹脂層は、この下地処理の後、直ぐに形成されてもよく、また、ＭＥＡ等をセパレータで挟持する直前に形成されてもよい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、長期にわたり高い耐腐食性を維持できる高品質なセパレータを得ることができる。

燃料電池の構成を示すイメージ図である。 セパレータの上面図である。 下地処理前のセパレータと樹脂との結合の状態を示すイメージ図である。 下地処理済みのセパレータと樹脂との結合の状態を示すイメージ図である。 下地処理済みのセパレータと樹脂との他の結合の状態を示すイメージ図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、１２ 電解質膜、１４ 燃料極、１６ 空気極、２０ セパレータ、２０ａ 不動態被膜、２２ ガス流路、２４ マニホールド、２６ シールライン、５０ 樹脂。

Claims (12)

1. 燃料電池の単位セル間の隔壁をなすセパレータの製造方法であって、
   セパレータ基材のうち、少なくとも、樹脂層が設けられる被樹脂部位に当該樹脂とセパレータ基材との結合力を向上する下地処理を施した後、樹脂層を設けることを特徴とするセパレータ製造方法。
2. 請求項１に記載のセパレータ製造方法であって、
   被樹脂部位は、流体が通過可能な開口部周辺であることを特徴とするセパレータ製造方法。
3. 請求項１または２に記載のセパレータ製造方法であって、
   被樹脂部位は、隣接するセパレータとの接着部位であるシールラインであることを特徴とするセパレータ製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
   樹脂層は、ＮＨ基含有樹脂からなる場合に、
   下地処理は、セパレータ基材の表面に水酸化物を析出させる処理であることを特徴とするセパレータ製造方法。
5. 請求項４に記載のセパレータ製造方法であって、
   下地処理は、セパレータ基材表面の金属原子にＯＨ基を共有結合させる処理であることを特徴とするセパレータ製造方法。
6. 請求項１から３のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
   樹脂層は、ＯＨ基含有樹脂からなる場合に、
   下地処理は、セパレータ基材表面の金属原子に酸素原子を共有結合させる処理であることを特徴とするセパレータ製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
   下地処理は、被樹脂部位にのみ施されることを特徴とするセパレータ製造方法。
8. 請求項７に記載のセパレータ製造方法であって、
   下地処理は、セパレータ基材のうち、被樹脂部位以外の部位には、下地処理を阻害するマスキングをした状態で施されることを特徴とするセパレータ製造方法。
9. 請求項１から６のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
   下地処理が施された後に、被樹脂部位以外の部位に施された下地処理を除去することを特徴とするセパレータ製造方法。
10. 請求項１から９のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
    樹脂層は、電着塗装で形成されることを特徴とするセパレータ製造方法。
11. 請求項１から９のいずれか1項に記載のセパレータ製造方法であって、
    樹脂は、水溶性樹脂であることを特徴とするセパレータ製造方法。
12. 燃料電池の単位セル間の隔壁をなすセパレータであって、
    セパレータ基材のうち、ガス流路を除く部分に樹脂層が設けられ、
    前記セパレータ基材と前記樹脂層との間にＯＨ基またはＯを有することを特徴とするセパレータ。

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