JP2008065995A - 燃料電池セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

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。その際、周縁領域の一部でセパレータの基材が露出するよう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。その際、周縁領域の一部でセパレータの基材が露出した部分を介して通電されることにより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。例えば、特許文献１には、燃料電池用のセパレータの外周部分に樹脂などのシール材を接着するためのプライマを電着塗装する技術が示されている。

特開２００６−８００２６号公報

本願の発明者らは、特許文献１に記載された画期的な技術を踏まえ、さらに新しいコーティング技術について研究と開発を続けてきた。特に、樹脂コートが施された後の燃料電池セパレータへの表面処理について、研究と開発を続けてきた。

本発明は、このような背景におい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、前記周縁領域は、その少なくとも一部でセパレータ基材が露出するよう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、前記発電領域は、前記周縁領域のセパレータ基材が露出した部分を介して通電されることにより導電性コートが施される、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、周縁領域のセパレータ基材が露出した部分を介して通電して導電性コートを施すことにより、導電性コートのための通電が比較的容易になる。さらに、例えば、発電領域で電流集中などが発生しにくくなり、より均一かつ緻密に導電性コートを施すことが可能になる。

望ましい態様において、前記周縁領域のセパレータ基材が露出した部分は、複数の電池セルを積層させて燃料電池を組み立てる際に、電池セル同士の位置決めに利用される位置決め部である、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対して、周縁領域の少なくとも一部でセパレータ基材が露出するように樹脂コートを施す第１コーティング工程と、前記周縁領域のうちのセパレータ基材が露出した部分からセパレータ基材を通電することにより、発電層に対向するセパレータ基材の発電領域に対して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。

望ましい態様において、前記周縁領域のうちのセパレータ基材が露出した部分は、複数の電池セルを積層させて燃料電池を組み立てる際に、電池セル同士の位置決めに利用される、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、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。

また、周縁領域のセパレータ基材が露出した部分を介して通電して導電性コートを施すことにより、導電性コートのための通電が比較的容易になる。さらに、例えば、発電領域で電流集中などが発生しにくくなり、より均一かつ緻密に導電性コートを施すことが可能になる。

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および短辺部分１６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を備えているとともに、その長手方向の両端（左右端）にそれぞれ短辺部分１６を備えている。なお、図１に示す開口１４及び／又は短辺部分１６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（短辺部分１６を除く）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の長手方向の両端側（左右）、すなわち短辺側から、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の中央部には、枠状のマスキング材５６ａが設けられている。マスキング材５６ａは、マスキング治具５０の中央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５６ａ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５６ａ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５６ａは、全周に亘って隙間無く設けられており、マスキング材５６ａ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。

なお、マスキング治具５０は、マスキング材５６ａによって取り囲まれた領域内に、通電部５８を備えている。通電部５８は、マスキング材５６ａが発電領域の外周に沿って密着した際に、燃料電池セパレータに接触する。そして、マスキング材５６ａによるマスキングの際に通電部５８から燃料電池セパレータに電圧が印加される。後に説明するように、通電部５８から印加される電圧によって、燃料電池セパレータの表面に樹脂が電着される。

また、マスキング治具５０の長手方向の両端（左右端）には、棒状のマスキング材５６ｂが短辺に沿って設けられている。そして、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５６ｂは、燃料電池セパレータの長手方向の両端に、燃料電池セパレータの短辺に沿って密着する。

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５６ａ，５６ｂ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５６ａ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５６ａに接する面がマスキングされる。また、マスキング材５６ｂは、燃料電池セパレータ１０の長手方向の両端（左右端）に、燃料電池セパレータ１０の短辺に沿って密着する。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５６ｂに接する部分（図４（Ｄ）の短辺部分１６）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５６ａ，５６ｂ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アミドイミド電着）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に負極電圧を印加して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５６ａ，５６ｂ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の周縁領域の略全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の発電領域１２及び短辺部分１６を除く領域（図１参照）の表面には、均一かつ緻密に樹脂粉末がコートされる。

なお、樹脂を電着させる際には、マスキング治具の通電部（図３の符号５８）から燃料電池セパレータ１０に負極電圧が印加される。先に説明したように（図３参照）、通電部は、マスキング材５６ａによってマスキングされた発電領域内で燃料電池セパレータ１０と接触する。つまり、樹脂が電着されない発電領域から、樹脂を電着させるための電圧が印加される。

ちなみに、樹脂が電着される領域で樹脂を電着させるための電圧を印加すると、電圧の印加部分で電流集中などが生じやすくなり、樹脂が均一に電着されない場合がある。これに対し、本実施形態では、樹脂が電着されない発電領域から電圧を印加するため、樹脂を電着させる領域で電流集中などが発生しにくくなり、より均一かつ緻密に樹脂を電着させることが可能になる。

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の周縁領域の略全域に樹脂膜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、錯イオンが存在する溶液中で、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。

なお、金属の錯イオンを電着させる際には、燃料電池セパレータ１０の短辺部分１６から燃料電池セパレータ１０にカソード電流が負荷される。短辺部分１６は、樹脂電着の際にマスキング材５６ｂによってマスキングされていたため、短辺部分１６には樹脂が電着されていない。そのため、短辺部分１６は、導電性を備えた材料で形成された燃料電池セパレータ１０（セパレータの基材）が露出しており、その露出された短辺部分１６から金属の錯イオンを電着させるための電流が負荷される。

ちなみに、金属めっきをする領域、つまりセパレータ１０の発電領域で電流を負荷すると、電流集中などが生じやすくなり、金属の錯イオンが均一に電着されない場合がある。これに対し、本実施形態では、発電領域から隔離した短辺部分１６から電流を負荷するため、発電領域で電流集中などが発生しにくくなり、より均一かつ緻密に金属の錯イオンを発電領域に電着させることが可能になる。

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（短辺部分１６を除く）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。

なお、燃料電池セパレータ１０（セパレータの基材）が露出した短辺部分１６は、この燃料電池セパレータ１０によって形成された複数の電池セルを積層させて燃料電池を組み立てる際に、電池セル同士の位置決めに利用される位置決め部としての機能も担う。

燃料電池を組み立てる際の位置決めについては、例えば、特開２００５−２４３３５５号公報に記載された技術を応用することができる。この公報に記載された位置決め技術の概要は次のとおりである。なお、以下の説明における括弧内の符号は、当該公報に記載された符号である。

第１金属セパレータ（符号１４）の外周に金属露出部（符号４６ａ，４６ｂ，４６ｃ）を設け、第２金属セパレータ（符号１６）の外周に金属露出部（符号５６ａ，５６ｂ，５６ｃ）を設ける。そして、第１金属セパレータと第２金属セパレータによって電解質膜・電極構造体（符号１２）を挟持して燃料電池（符号１０）を形成する。複数の燃料電池（符号１０）を積層して燃料電池スタック（符号６０）を組み付けるための組立装置（符号８０）には、支持ロッド（符号１０６ａ，１０６ｂ，１０８）が設けられている。そして、各燃料電池（符号１０）の金属露出部がセパレータの積層方向に延在する支持ロッドに当接されることにより、複数の燃料電池（符号１０）が正確に位置決めされる。

本実施形態では、燃料電池セパレータ１０が露出した短辺部分１６（位置決め部）が、上記公報における金属露出部の機能を担う。つまり、２枚の燃料電池セパレータ１０によってＭＥＡを挟持して電池セルを形成し、その電池セルを複数積層する際に、燃料電池セパレータ１０の短辺部分１６（位置決め部）が、電池セル同士の位置決めに利用される。例えば、電池セルを積層させるための組立装置を用いて、その組立装置によって短辺部分１６（位置決め部）が支持されることにより、各電池セルの位置が定められて、複数の電池セルが正確に位置決めされる。なお、セル同士の積層のみならず、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持してセルを作製する場合のセパレータ同士の位置決めにも金属露出部を利用できる。いずれの場合にも、金属露出部は、セパレータの端面（側面）に樹脂が付着していないので、位置決め治具による位置決め精度が高い。

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４に示したように、マスキング材５６ｂによってマスキングを施して短辺部分１６を露出させているが、マスキング材５６ｂを利用せずに短辺部分１６にも樹脂膜７０を形成し、その後、短辺部分１６の樹脂膜７０を部分的に除去することにより、短辺部分１６を露出させてもよい。また、上述した実施形態では、図１及び図４（Ｄ）に示したように、燃料電池セパレータ１０の短辺部分１６を露出させているが、燃料電池セパレータ１０の長辺部分の少なくとも一部を露出させてもよい。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。

本発明に係る燃料電池セパレータ１０の模式図である。 マスキング治具によって燃料電池セパレータがマスキングされる様子を説明するための図である。 マスキング治具の構造を説明するための図である。 燃料電池セパレータのコーティング処理を説明するための図である。

符号の説明

１０ 燃料電池セパレータ、１２ 発電領域、１４ 開口、１６ 短辺部分（位置決め部）、５０ マスキング治具、７０ 樹脂膜、８０ めっき膜。

Claims (5)

1. 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、
   前記周縁領域は、その少なくとも一部でセパレータ基材が露出するよう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、
   前記発電領域は、前記周縁領域のセパレータ基材が露出した部分を介して通電されることにより導電性コートが施される、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
   前記周縁領域のセパレータ基材が露出した部分は、複数の電池セルを積層させて燃料電池を組み立てる際に、電池セル同士の位置決めに利用される位置決め部である、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
3. 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対して、周縁領域の少なくとも一部でセパレータ基材が露出するように樹脂コートを施す第１コーティング工程と、
   前記周縁領域のうちのセパレータ基材が露出した部分からセパレータ基材を通電することにより、発電層に対向するセパレータ基材の発電領域に対して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。
4. 請求項３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。
5. 請求項３または請求項４に記載の製造方法において、
   前記周縁領域のうちのセパレータ基材が露出した部分は、複数の電池セルを積層させて燃料電池を組み立てる際に、電池セル同士の位置決めに利用される、
   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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