JP2008065993A - 燃料電池セパレータおよびその製造方法ならびに燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池セパレータに関する新しいコーティング技術を提供する。
【解決手段】燃料電池セパレータ１０は、マニホールドとして機能する開口１４を備えている。マスキング治具によって発電領域がマスキングされた状態で、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂コートが施される。そして、マスキング治具が取り外され、周縁領域が樹脂コートによりマスキングされた燃料電池セパレータ１０に対して、その発電領域に導電性コートが施される。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池セパレータ１０は、マニホールドとして機能する開口１４を備えている。マスキング治具によって発電領域がマスキングされた状態で、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂コートが施される。そして、マスキング治具が取り外され、周縁領域が樹脂コートによりマスキングされた燃料電池セパレータ１０に対して、その発電領域に導電性コートが施される。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池セパレータに関し、特に燃料電池セパレータのコーティング技術に関する。
水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、例えば、車両などに搭載され、車両駆動用のモータの電力源などとして利用される。
化学反応後に生じる生成水などによる腐食を防ぐために、燃料電池には、耐食性を必要とする部品が利用される。例えば、燃料電池に利用されるセパレータ（燃料電池セパレータ）には、耐食性を高めるために樹脂コートなどが施される。
そのため、従来から、燃料電池セパレータのコーティングに関する様々な技術が提案されている。特許文献１には、燃料電池に用いられるプレートの表面に樹脂を塗布したコーティング層を形成し、プレートの外表面に形成されたコーティング層を除去してプレートの外表面を露出させ、その露出部分に金属材料によってめっき層を形成する技術が示されている。
また、特許文献２には、インサート成形によってセパレータの周縁部にゴム状弾性体薄膜を形成する技術が示されており、特許文献３には、導電材を含む樹脂などによってセパレータの導電面に導電性の被覆層を形成する技術が示されている。
ところが、従来から知られている燃料電池セパレータのコーティング技術には、いくつかの改善すべき点が残されていた。
例えば、特許文献１に記載の技術は、コーティング層を除去する工程が煩雑であり、また、マニホールド部分を樹脂でコーティングする技術を提供するものではなかった。さらに、特許文献２は、ゴム状弾性体薄膜によって周縁部の腐食を防止しているが、導電性コートを施す領域などに関する具体的な技術を提供するものではない。また、特許文献３は、ＭＥＡ（膜電極接合体）に対向する領域の全域に導電性の被覆層を形成するものではない。
本発明は、このような従来の技術に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃料電池セパレータに関する新しいコーティング技術を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池セパレータは、板状のセパレータ基材に導電性コートと樹脂コートを施した燃料電池セパレータであって、前記セパレータ基材は、発電層に対向する発電領域とマニホールドとして機能する開口を含んだ周縁領域とを有し、前記発電領域の略全域に導電性コートが施され、前記周縁領域に樹脂コートが施されてマニホールドとして機能する開口が樹脂コートによってコーティングされる、ことを特徴とする。
上記態様において、導電性コートは、例えば、導電性と耐食性のうちの少なくとも一方がセパレータ基材の表面よりも良好な材料によって形成される。導電性コートの具体例は、金属めっきなどである。また、導電性コートと樹脂コートは、例えば、電着処理によって実現される。上記態様により、マニホールドとして機能する開口が樹脂コートによってコーティングされ、さらに、発電領域の略全域に導電性コートが施された燃料電池セパレータを提供することができる。
望ましい態様において、前記燃料電池セパレータは、前記セパレータ基材と前記樹脂コートとの接触面内に前記導電性コートが介在しないことを特徴とする。これにより、例えば、導電性コート上に樹脂コートが形成されてしまい樹脂コートが剥がれ易くなることを防止できる。
望ましい態様において、前記樹脂コートと前記導電性コートは、互いに境界を接触させて連続的なコートを形成することを特徴とする。これにより、例えば、樹脂コートと導電性コートの境界部分を起点として腐食が発生する可能性が極めて低くなる。
また、本発明の好適な態様である燃料電池は、前記燃料電池セパレータを備えた燃料電池であって、前記燃料電池セパレータに対してその発電領域に対向するように発電層が積層され、さらに、燃料電池セパレータと発電層とによって形成される複数の燃料電池セルが積層されて、燃料電池セパレータの周縁領域に設けられた開口によってマニホールドが形成される、ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である製造方法は、板状のセパレータ基材に導電性コートと樹脂コートを施して燃料電池セパレータを製造する方法であって、マニホールドとして機能する開口を含んだセパレータ基材の周縁領域に樹脂コートを施す第１コーティング工程と、発電層に対向するセパレータ基材の発電領域に導電性コートを施す第２コーティング工程と、を含むことを特徴とする。
望ましい態様において、前記第２コーティング工程は、前記第１コーティング工程の樹脂コートにより開口を含んだ周縁領域がマスキングされたセパレータ基材に対して、導電性コートとして、金属メッキを施す工程であることを特徴とする。
本発明により、燃料電池セパレータに関する新しいコーティング技術が提供される。これにより、例えば、マニホールドとして機能する開口が樹脂コートによってコーティングされ、さらに、発電領域の略全域に導電性コートが施された燃料電池セパレータを提供することができる。
また、例えば、セパレータ基材と樹脂コートとの接触面内に導電性コートが介在しないようにすることで、セパレータ基材と樹脂コートとの間の密着耐久性を高めることができる。また、例えば、樹脂コートと導電性コートの境界を互いに接触させて連続的なコートを形成することで、樹脂コートと導電性コートの境界部分を起点として腐食が発生する可能性を極めて低くすることができる。
また、セパレータ基材の周縁領域に樹脂コートを施してから発電領域に導電性コートを施すことにより、樹脂コートが導電性コートを施す際のマスキングとして機能し、導電性コートのためのマスキング作業を省略することが可能になる。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、本発明に係る燃料電池セパレータ１０の模式図が示されている。
燃料電池セパレータ１０は、表裏の面が略長方形の板状の部材である。燃料電池セパレータ１０は、例えばＳＵＳ材やカーボンなどの導電性を備えた材料で形成される。
燃料電池セパレータ１０は、略長方形の面の中央部に、発電層に対向する発電領域１２を備えている。例えば、発電層として機能するＭＥＡ（膜電極接合体）を２枚の燃料電池セパレータ１０によって挟持して電池セルを形成する場合に、燃料電池セパレータ１０の発電領域１２に対向するようにＭＥＡが積層される。
ちなみに、２枚の燃料電池セパレータ１０によってＭＥＡを挟持した複数の電池セルが積層されることにより燃料電池が形成される。
また、燃料電池セパレータ１０は、略長方形の面の周縁部、つまり、発電領域１２を取り囲む発電領域１２以外の周縁領域に複数の開口１４を備えている。図１において、燃料電池セパレータ１０は、その長手方向の両端側にそれぞれ３個の開口１４を備えている。なお、図１に示す開口１４の位置や形状は、あくまでも一例に過ぎない。
燃料電池セパレータ１０に設けられた開口１４は、この燃料電池セパレータ１０によって燃料電池を形成した場合に、マニホールドとして機能する。マニホールド内には、燃料ガスと酸化ガスの化学反応後に生じる生成水などが流れる。そのため、マニホールドを形成する開口１４には、生成水などによる腐食を防ぐために樹脂コートが施される。
樹脂コートは、燃料電池セパレータ１０の周縁領域の略全域に施される。つまり、図１において、燃料電池セパレータ１０の発電領域１２以外の領域に樹脂コートが施される。一方、発電領域１２には、その略全域に導電性コートが施される。そして、本実施形態では、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂コートを施す際に、樹脂コートを不要とする領域をマスキングするためのマスキング治具が利用される。
図２および図３は、本実施形態で利用されるマスキング治具５０を説明するための図である。マスキング治具５０は、板状の燃料電池セパレータ１０を表裏の両面から挟み込んで、燃料電池セパレータ１０の表裏の面の樹脂コートが不要な領域をマスキングする。
図２は、マスキング治具５０によって燃料電池セパレータ１０がマスキングされる様子を説明するための図である。図２は、２つのマスキング治具５０によって燃料電池セパレータ１０が挟み込まれる様子を燃料電池セパレータ１０の側面側（長辺側）から示している。
図２に示すように、マスキング処理の際には、燃料電池セパレータ１０の表裏（上下）の両面に対応した２つのマスキング治具５０が利用される。各マスキング治具５０は、板状の樹脂製保護材５２に、枠状のフレーム５４を積層させた構造であり、さらに、フレーム５４に枠状のマスキング材５６が積層されている。
２つのマスキング治具５０が燃料電池セパレータ１０を挟み込んで燃料電池セパレータ１０に密着すると、燃料電池セパレータ１０の短辺側（左右）から、２つの締め付け治具６０が挿入される。これにより、２つのマスキング治具５０が燃料電池セパレータ１０を挟持した状態で、２つの締め付け治具６０によってマスキング治具５０が固定される。
図３は、マスキング治具５０の構造を説明するための図であり、図３は、燃料電池セパレータ１０と接触する面側から見たマスキング治具５０を示している。
マスキング治具５０には、マスキング材５６が設けられている。マスキング材５６は、マスキング治具５０の外周の領域を取り囲むように設けられている。このマスキング材５６によって取り囲まれた領域は、燃料電池セパレータの発電領域（図１の符号１２）に対応している。
マスキング治具５０が燃料電池セパレータを挟み込んだ際に、マスキング材５６は、燃料電池セパレータの発電領域の外周に沿って密着する。マスキング材５６は、全周に亘って隙間無く設けられており、マスキング材５６が発電領域の外周に沿って密着することにより、発電領域の全域がマスキングされる。
本実施形態では、マスキング治具５０を利用して燃料電池セパレータに樹脂コートが施される。さらに、樹脂コートが施された後、燃料電池セパレータに導電性コートが施される。そこで、次に、本実施形態におけるコーティング処理について説明する。
図４は、燃料電池セパレータ１０のコーティング処理を説明するための図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）には、コーティング処理の各工程ごとの燃料電池セパレータ１０の表面部分が示されている。図４（Ａ）〜（Ｄ）の各々は、燃料電池セパレータ１０をその側面側（長辺側）から示している。なお、図４は、燃料電池セパレータ１０の一方面（上面）のみのコーティング処理を示しているが、燃料電池セパレータ１０の他方面（下面）についても一方面と同様にコーティングが施される。
図４（Ａ）は、燃料電池セパレータ１０の表面にマスキングが施された状態を示している。つまり、燃料電池セパレータ１０の表面にマスキング治具（図３の符号５０）が積層され、マスキング治具のマスキング材５６が燃料電池セパレータ１０の表面に密着した状態を示している。
先に説明したように（図２，図３参照）、マスキング材５６は、燃料電池セパレータ１０の発電領域の外周に沿って密着することにより、発電領域の全域をマスキングする。つまり、図４（Ａ）において、燃料電池セパレータ１０のマスキング材５６に接する面がマスキングされる。
次に、図４（Ｂ）に示すように、マスキング材５６によってマスキングされた状態で燃料電池セパレータ１０の表面に樹脂膜７０がコーティングされる。
樹脂膜７０のコーティングには、電着処理（例えば、ポリイミドまたはポリイミドを変性させた塗料を用いた電着）が利用され、樹脂粉末の一部分をイオン化して得られる陽イオン性樹脂を燃料電池セパレータ１０の表面に電着させる。電着処理の際には、陽イオン性樹脂が存在する溶液中で、燃料電池セパレータ１０に端子を接触させて負極電圧を印加し、対極に正極電圧を印加することにより、燃料電池セパレータ１０側に陽イオン性樹脂を引き寄せ、燃料電池セパレータ１０の表面に陽イオン性樹脂を付着させる。その際、燃料電池セパレータ１０には、マスキングが施されているため、マスキング材５６によってマスキングされていない領域、つまり、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に陽イオン性樹脂が付着する。電着処理により、燃料電池セパレータ１０の周縁領域の表面には、均一かつ緻密に樹脂粉末がコートされる。
本実施形態では、燃料電池セパレータ１０の表面に樹脂粉末がコートされた後、その燃料電池セパレータ１０からマスキング治具を取り外し、樹脂粉末を燃料電池セパレータ１０の表面に焼き付ける焼付処理を実行する。そして、燃料電池セパレータ１０の表面に付着した樹脂粉末を溶かすことにより、樹脂のコートをさらに均一かつ緻密にした後、樹脂を硬化させ、燃料電池セパレータ１０の表面に樹脂膜７０が形成される。
電着処理のみであっても樹脂の緻密なコートが可能であるが、焼付処理で樹脂を溶かすことにより、樹脂と樹脂の間に存在したごく僅かな孔が完全に塞がれ、極めて緻密で均一な樹脂膜７０が形成される。
こうして、図４（Ｃ）に示すように、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂膜７０が形成されることにより、マニホールドとして機能する開口（図１の符号１４）が樹脂膜７０によってコーティングされる。
次に、図４（Ｄ）に示すように、樹脂膜７０が形成された燃料電池セパレータ１０の表面にめっき膜８０がコーティングされる。
めっき膜８０のコーティングにも、電着処理が利用され、イオン化した金属（例えば、金の錯イオン）を燃料電池セパレータ１０の表面に電着させる。電着処理の際には、金属の錯イオンが存在する溶液中で、燃料電池セパレータ１０に端子を接触させ、燃料電池セパレータ１０をカソード側にして電流を流すことにより、燃料電池セパレータ１０側に錯イオンを引き寄せ、燃料電池セパレータ１０の表面に錯イオン中の金属を付着させる。その際、燃料電池セパレータ１０には、樹脂膜７０が形成されているため、絶縁性を備えた樹脂膜７０がマスキングとして機能する。そして、樹脂膜７０が形成されていない領域、つまり、燃料電池セパレータ１０の発電領域に錯イオン中の金属が付着して、めっき膜８０が形成される。
こうして、図４（Ｄ）に示すように、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂膜７０が形成され、燃料電池セパレータ１０の発電領域にめっき膜８０が形成される。
本実施形態では、燃料電池セパレータ１０に樹脂膜７０が形成されてからめっき膜８０が形成されており、燃料電池セパレータ１０と樹脂膜７０の間にめっき膜８０が介在しない。そのため、燃料電池セパレータ１０と樹脂膜７０との間の密着耐久性が極めて高い。
また、樹脂膜７０がマスキングとして機能してめっき膜８０が形成されており、樹脂膜７０とめっき膜８０の境界を互いに接触させた連続的なコートを形成している。そのため、樹脂膜７０とめっき膜８０の境界部分を起点として腐食が発生しにくい。また、樹脂膜７０がマスキングとして機能するため、めっき膜８０を形成するためのマスキング作業を省略することが可能になる。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上述した実施形態では、樹脂コートの際に電着処理を利用しているが、電着処理に換えて、射出成形などによって樹脂コートを実現してもよい。また、導電性コートについても、電着処理に換えて、塗布、蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどのコーティング処理を利用してもよい。また、導電性コートは、金（Ａｕ）の他、銅、銀、白金、パラジウム、カーボンなどによって実現されてもよい。
また、上述した実施形態では、図３に示したように、マスキング材５６を枠状に形成しているが、マスキング材５６を中実体に形成してもよいし中空体に形成してもよい。また、上述した実施形態では、図２に示したように、燃料電池セパレータ１０の短辺側から締め付け治具６０を挿入しているが、燃料電池セパレータ１０の長辺側から締め付け治具６０を挿入してもよい。
１０ 燃料電池セパレータ、１２ 発電領域、１４ 開口、５０ マスキング治具、７０ 樹脂膜、８０ めっき膜。
Claims (6)
- 板状のセパレータ基材に導電性コートと樹脂コートを施した燃料電池セパレータであって、
前記セパレータ基材は、発電層に対向する発電領域とマニホールドとして機能する開口を含んだ周縁領域とを有し、
前記発電領域の略全域に導電性コートが施され、
前記周縁領域に樹脂コートが施されてマニホールドとして機能する開口が樹脂コートによってコーティングされる、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 - 請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記セパレータ基材と前記樹脂コートとの接触面内に前記導電性コートが介在しない、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 - 請求項１または請求項２に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記樹脂コートと前記導電性コートは、互いに境界を接触させて連続的なコートを形成する、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 - 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池セパレータを備えた燃料電池であって、
前記燃料電池セパレータに対してその発電領域に対向するように発電層が積層され、
さらに、燃料電池セパレータと発電層とによって形成される複数の燃料電池セルが積層されて、燃料電池セパレータの周縁領域に設けられた開口によってマニホールドが形成される、
ことを特徴とする燃料電池。 - 板状のセパレータ基材に導電性コートと樹脂コートを施して燃料電池セパレータを製造する方法であって、
マニホールドとして機能する開口を含んだセパレータ基材の周縁領域に樹脂コートを施す第１コーティング工程と、
発電層に対向するセパレータ基材の発電領域に導電性コートを施す第２コーティング工程と、
を含む、
ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。 - 請求項５に記載の製造方法において、
前記第２コーティング工程は、前記第１コーティング工程の樹脂コートにより開口を含んだ周縁領域がマスキングされたセパレータ基材に対して、導電性コートとして、金属メッキを施す工程である、
ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
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