JP2009152176A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータの排水機能の向上、作業の簡易化、燃料電池用セパレータに含まれる樹脂の分解、溶出を防止する新規な構成の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、対向関係にあるパンチ金型とダイ金型を用い、前記ダイ金型における材料収容部に炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を収容し、前記パンチ金型を前記ダイ金型に対して相対的に接近させることにより、少なくともいずれか一方の面に反応ガスを流すためのガス流路溝が形成された成形体を圧縮成形する圧縮工程と、圧縮工程の終了後に、ガス流路溝の内面に向かって赤外線レーザ光を照射しつつ、赤外線レーザ光の光軸をガス流路溝に沿って成形体に対して相対的に移動させることにより、ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施す照射工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスを化学反応させて、電気エネルギーを得るものであって、高効率で優れた環境特性を有している。また、一般に、燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両側にそれぞれ配設された一対の電極（燃料極と酸化極）と、各電極の外側に拡散層を介してそれぞれ配設されたセパレータ（燃料電極側の燃料電池用セパレータと酸素極側の燃料電池用セパレータ）とを有する単位セルが複数積層されたものである。

燃料電池セパレータは、単位セルの導電性を保つ機能（導電機能）、単位セルに供給される燃料ガス又は酸化ガスの流路を形成する機能（流路形成機能）を有しており、一般的な燃料電池用セパレータの構成は、次のようになる。即ち、燃料電池用セパレータは、炭素粉末と樹脂の複合材料からなっており、燃料電池用セパレータの少なくともいずれか一方の面には、燃料ガス又は酸化ガスを流すためのガス流路溝が形成されている。また、燃料電池用セパレータの一部側には、ガス流路溝に燃料ガス又は酸化ガスを供給するためのガス供給マニホールド（ガス供給貫通孔）が形成されており、燃料電池用セパレータの他側部には、ガス流路溝から燃料ガス又は酸化ガスを排出するためのガス排出マニホールド（ガス排出貫通孔）が形成されている。

ところで、燃料ガスと酸化ガスの反応によって生成される水は、燃料電池の電池特性に悪影響を与えることが知られており、燃料電池用セパレータにおいては、前述の導電機能及び流路形成機能の他、発電時に生成された水を排出する機能（排水機能）も必要になる。また、燃料電池用セパレータの排水機能は、ガス流路溝の親水性に依存しており、燃料電池の排水機能を向上させるためには、ガス流路溝の親水性を向上させることが不可欠である。そのため、ガス流路溝の親水性の向上を目的として、（１）燃料電池用セパレータの表面に親水性シートを積層することを内容とする手法（第１の手法、特許文献１及び特許文献２参照）、（２）ガス流路溝の内面に対してショットブラスト処理を施すことを内容とする手法（第２の手法、特許文献３及び特許文献４参照）、（３）燃料電池用セパレータを無機アルカリ水溶液に浸漬することを内容とする手法（第３の手法、特許文献５参照）等が開発されている。
特開２００７−１１５６１９号公報 特開２００６−１７９４００号公報 特開２００６−１０７９８９号公報 特開２００５−３３２７７５号公報 特開２００５−７１６９９号公報

しかしながら、前記第１の手法では、親水性シートが燃料電池用セパレータの表面から剥離したり、ガス流路溝の内面でしわになることで、ガス流路溝の親水性が低下して、燃料電池用セパレータの排水機能を向上させることが困難であるといった問題がある。

また、前記第２の手法では、ショットブラスト処理の前に燃料電池用セパレータにマスキング処理を行う必要があり、またショットブラスト処理の後にマスクの除去を含む洗浄処理を行う必要がある等、作業が煩雑化するという問題がある。

更に、前記第３の手法では、燃料電池用セパレータに残留した無機アルカリ水溶液が燃料電池の運転中に溶出して、燃料電池用セパレータに含まれる樹脂を分解してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、種々の実験を繰り返した結果、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を圧縮成形してなる成形体のガス流路溝内面に向かって赤外線レーザ光を照射し、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施すことで、ガス流路溝内面側における熱硬化性樹脂を除去しつつ燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の表面に露出している炭素粉末の結晶構造の欠陥を増加させて（エッジ面比率も低下させて）、ガス流路内面の内面を効果的に粗くし、従来の手法（前記第１の手法、第２の手法、第３の手法）を用いることなく、ガス流路溝の親水性を十分に向上させることができる。

即ち、本発明の第１の特徴は、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、対向関係にあるパンチ金型とダイ金型を用い、ダイ金型における材料収容部に炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を収容し、パンチ金型をダイ金型に対して相対的に接近させることにより、少なくともいずれか一方の面に反応ガスを流すためのガス流路溝が形成された成形体を圧縮成形する圧縮工程と、この圧縮工程の終了後に、前記ガス流路溝の内面に向かって赤外線レーザ光を照射しつつ、赤外線レーザ光の光軸を前記ガス流路溝に沿って前記成形体に対して相対的に移動させることにより、ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施す照射工程と、を備えていることにある。

なお、反応ガスとは、燃料ガス又は酸化ガスのことをいい、ガス流路溝の内面には、前記ガス流路の底面及び壁面が含まれる。

第１の特徴によると、前記成形体を圧縮成形した後に、前記ガス流路溝の内面に向かって赤外線レーザ光を照射して、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施しているため、前述の新規な見地を考慮すると、ガス流路溝の内面の表面粗さを粗くすることができる。これにより、従来の手法（前記第１の手法、前記第２の手法、前記第３の手法）を用いることなくガス流路溝の親水性を十分に向上させることができる。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に加えて、前記圧縮工程の後であって、前記照射工程の前に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体を硬化させる加熱工程とを備えていることにある。

本発明の第３の特徴は、第１の特徴に加えて、前記圧縮工程は、前記パンチ金型及び前記ダイ金型を加熱させつつ、前記パンチ金型を前記ダイ金型に対して相対的に接近させて、前記成形体を圧縮成形することにある。

本発明の第４の特徴は、第１の特徴に加えて、前記ガス流路溝の溝幅方向における前記赤外線レーザ光の照射ピッチは、０．２ｍｍ以下であることにある。

本発明の第５の特徴は、第１又は第４の特徴に加えて、複合材料は、８０重量％以上９０重量％以下の炭素粉末と、１０重量％以上２０重量％以下の熱硬化性樹脂を混合してなることにある。

本発明の第６の特徴は、ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施す照射工程において、赤外線レーザ光の照射量は、０．００５Ｊ／ｍｍ^２以上０．５Ｊ／ｍｍ^２以下の範囲内にあることにある。

本発明の第７の特徴は、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータにおいて、少なくともいずれかの片面に反応ガスを流すためのガス流路溝が形成され、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理が施されていることにある。

第７の特徴によると、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理が施されているため、前述の新規な知見を考慮すると、ガス流路溝の内面側における熱硬化性樹脂を除去して、ガス流路内面の表面粗さを粗くすることができる。これにより、従来の手法（前記第１の手法、前記第２の手法、前記第３の手法）を用いることなく、ガス流路溝の親水性を向上させることができる。

また本発明の第８の特徴は、第６の特徴に加えて、赤外線レーザ処理の照射ピッチが０．２ｍｍ以下であることにある。

また本発明の第９の特徴は、第６又は第７の特徴に加えて、複合材料は８０重量％以上９０重量％以下の炭素粉末と、１０重量％以上２０重量％以下の熱硬化性を混合したものであることにある。

本発明によれば、従来の手法を用いることなく、前記ガス流路溝の親水性を十分に向上させることができるため、前述の従来の課題を解決しつつ、前記燃料電池用セパレータの排水機能を十分に高めて、前記燃料電池の電池特性を向上させることができる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の記載にのみ限定されるものではない。

ここで図１は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における照射工程を説明する図、図２は、本実施形態に係る燃料極側の燃料電池用セパレータを示す図、図３は、本実施形態に係る酸素極側の燃料電池用セパレータを示す図、図４は本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮工程を説明する図、図５は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における加熱工程を説明する図、図６は、レーザ加工ヘッドの照射ピッチを示す図である。なお上記図面中、「Ｌ」は左方向を、「Ｒ」は右方向を、「ＦＦ」は前方向を、「ＦＲ」は後方向を、「Ｕ」は上方向を、「Ｄ」は下方向をそれぞれ示している。

図２及び図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１は、燃料電池（図示省略）を構成する単位セル（図示省略）に用いられるものであって、燃料電池用セパレータ１は、単位セルにおける燃料極（図示省略）の外側に拡散層（図示省略）を介して配設されるものであって、燃料電池用セパレータ３は、単位セルにおける酸素極（図示省略）の外側に拡散層（図示省略）を介して配設されるものである。

燃料電池用セパレータ（燃料極側の燃料電池用セパレータ１と酸素極側の燃料電池用セパレータ３）は、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料Ｇ（図４参照）からなるものである。ここで、熱硬化性樹脂とは、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂等の１種又は２種以上の樹脂のことである。

燃料極側の燃料電池用セパレータ１の一方の片面には、燃料電池における燃料極にて燃料ガス（反応ガスの１つ）を流すための蛇行状の燃料ガス流路溝５が形成されている。また、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の一方の片面には、燃料電池における酸素極側に酸素ガス（反応ガスの１つ）を流すための蛇行状の酸素ガス流路溝７が形成されている。ここで、燃料ガス流路溝５及び酸素ガス流路溝７の溝幅は、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であって、燃料ガス流路溝５及び酸素ガス流路溝７の溝深さは、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

燃料極側の燃料電池用セパレータ１の他方の面及び酸素極側の燃料電池用セパレータ３の他方の面には、冷却水を流すための冷却水流路溝（図示省略）がそれぞれ形成されている。

燃料極側の燃料電池用セパレータ１の上部右側には、燃料ガス流路溝５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド（燃料ガス供給貫通孔）９が形成されており、燃料極側の燃料電池セパレータの下部左側には、燃料ガス流路溝５から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド（燃料ガス排出貫通孔）１１が形成されている。また、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の上部左側には、燃料ガス流路溝５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド（燃料ガス供給貫通孔）１３が形成されており、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の下部右側には、燃料ガス流路溝５から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド（燃料ガス排出貫通孔）１５が形成されている。

酸素極側の燃料電池用セパレータ３の上部右側には、酸素ガス流路溝７に酸素ガスを供給するための酸素ガス供給マニホールド（酸素ガス供給貫通孔）１７が形成されており、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の下部左側には、酸素ガス流路溝７から酸素ガスを排出するための酸素ガス排出マニホールド（酸素ガス排出貫通孔）１９が形成されている。また、燃料極側の燃料電池用セパレータ１の上部左側には、酸素ガス流路溝７に酸素ガスを供給するための酸素ガス供給マニホールド（酸素ガス供給貫通孔）２１が形成されており、燃料極側の燃料電池用セパレータ１の下部右側には、酸素ガス流路溝７から酸素ガスを排出するための酸素ガス排出マニホールド（酸素ガス排出貫通孔）２３が形成されている。

燃料極側の燃料電池用セパレータ１の上部中央には、冷却水流路溝に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールド（冷却水供給貫通孔）２５が形成されており、燃料極側の塩料電池用セパレータ１の下部中央には、冷却水流路溝から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド（冷却水排出貫通孔）２７が形成されている。同様に、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の上部中央には、冷却水流路溝に冷却水を供給するための冷却水供給マニホールド（冷却水供給貫通孔）２９が形成されており、酸素極側の燃料電池用セパレータ３の下部中央には、冷却水流路溝から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド（冷却水排出貫通孔）３１が形成されている。

そして、図１に示すように、燃料極側の燃料電池用セパレータ１における燃料ガス流路溝５の内面、酸素極側の燃料電池用セパレータ３における酸素ガス流路溝７の内面には、それぞれ波長０．７μｍ以上１ｍｍ以下の赤外線レーザ光Ｂの照射によるレーザ処理が施されている。これは、発明者が種々の実験を繰り返した結果、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を圧縮成形してなる成形体における燃料ガス流路溝及び／又は酸素ガス流路溝の内面に向かって赤外線レーザ光を照射して、燃料ガス流路溝及び／又は酸素ガス流路溝の内面にレーザ処理を施すと、燃料ガス流路溝及び／又は酸素ガス流路溝の内面側における熱硬化性樹脂を除去して、燃料ガス流路及び／又は酸素ガス流路の内面を表面粗さを効率的に粗くすることができるという、新規な知見に基づくものである。なおここにおいて、上記効果を効率的に行なわせることのできる好ましい赤外線レーザ光の照射量としては、０．００５Ｊ／ｍｍ^２以上０．５Ｊ／ｍｍ^２以下の範囲であり、より好ましくは後述するピッチが０．２ｍｍ以下の場合に０．０１Ｊ／ｍｍ^２以上０．５Ｊ／ｍｍ^２以下の範囲である。０．００５Ｊ／ｍｍ^２以上とすることでぬれ張力を高く維持できるといった効果があり、０．５Ｊ／ｍｍ^２以下とすることで、不必要な表面の劣化及び不要なエネルギー浪費を防ぐことができるといった効果がある。

続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。

本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料Ｇからなる二種類の燃料電池用セパレータ（燃料極側の燃料電池用セパレータ１と酸素極側の燃料電池用セパレータ３）をそれぞれ製造する方法であって、次のように、（ｉ）圧縮工程と、（ｉｉ）照射工程と、（ｉｉｉ）加熱工程とを備えている。なお、燃料極側の燃料電池用セパレータ１を製造する方法と酸素極側の燃料電池用セパレータ３を製造する方法について、併せて説明する。

（ｉ）圧縮工程
図４に示すように、対抗関係にあるパンチ金型３３とダイ金型３５を用い、ダイ金型３５における材料収容部（キャビティ）３７に炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を充填する。

ここでパンチ金型は、公知のパンチ金型（特開２００７−１４１７２号公報、特開２００７−１３７０１７号公報参照）と同様の構成を有しており、プレス機械における可働フレーム３９に着脱可能に設けられている。そして、パンチ金型３３は、可動フレーム３９に着脱可能に設けられている。そして、パンチ金型３３は、可動フレーム３９に装着されたパンチホルダ４１と、このパンチホルダ４１に設けられたパンチ４２とを備えている。なお、パンチ４３の先端面の形状は、燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）の一方の片面の形状に対応した形状になっている。

ダイ金型３５は、公知のダイ金型（特開２００７−１３１７２４号公報、特開２００７−１３７０１７号公報等参照）と同様の構成を有しており、プレス機械における固定フレーム４５に着脱可能に設けられている。そして、ダイ金型３５は、固定フレーム４５に装着されたダイホルダ４７と、このダイホルダ４７に設けられたダイ４９と、ダイ４９の外周部に上下方向へ移動させる複数のアクチュエータ５３とを備えている。そして、ダイ４９の先端面と枠部材５１の内面によって、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を収容する材料収容部３７が区画されているようになっている。なお、ダイ４９の先端面の形状は、燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）の他方の片面の形状に対応した形状になっている。

複合材料Ｇは、８０重量％以上９０重量％以下の炭素粉末と、１０重量％以上２０重量％以下の熱硬化性樹脂を混合してなるものである。炭素粉末が８０重量％未満であると、酸素極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）は十分な導電機能を確保することが困難になるからであり、一方、炭素粉末の含有量が９０重量％を越えると、燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）の機械的強度（曲げ強度、圧縮強度）を十分に確保することが困難になる。

ダイ金型３５における材料収容部３７に炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料Ｇを収容した後に、可動フレーム３９を下方向へ移動させて、パンチ金型３３をダイ金型３５に対して接近させる。これにより、一方の片面に燃料ガス流路溝５かつ他方の片面に冷却水流路溝が形成された成形体１Ａ（一方の片面に酸素ガス流路溝７かつ他方の片面に冷却水流路溝が形成された成形体３Ａ）（図５参照）を圧縮成形することができる。なお、成形体１Ａ（３Ａ）を成形する際に、燃料ガス供給マニホールド９（１３）、燃料ガス排出マニホールド１１（１５）、酸素ガス供給マニホールド１７（２１）、酸素ガス排出マニホールド１９（２３）、冷却水供給マニホールド２５（２９）、冷却水排出マニホールド２７（３１）も形成されるようになっている。

成形体１Ａ（３Ａ）を圧縮成形した後に、可動フレーム３９を上方向へ移動させて、パンチ金型３３をダイ金型３５に対して離反させる。そして、複数のアクチュエータ５３の駆動により枠部材５１を下方向へ移動させる。これにより、成形体１Ａ（３Ａ）を金型３
３、３５から取り外すことができる。

（ｉｉ）照射工程
図１に示すように、（ｉ）圧縮工程の終了後に、赤外線レーザ加工機５５におけるテーブル５７の所定位置に成形体１Ａ（３Ａ）をセットする。

ここで赤外線レーザ加工機５５は、テーブル５７の他に、テーブル５７の上方に配設されかつ赤外線レーザ光Ｂを照射可能なレーザ加工ヘッド５９を備えており、赤外線レーザ光の光軸をテーブル５７に対して相対的に移動できるように、レーザ加工ヘッド５９は適宜方向へ回転可能になっている。なお、レーザ加工ヘッド５９は、赤外線レーザ光Ｂを集光する集光レンズ（図示省略）を内蔵してあって、赤外線レーザ光Ｂを発信可能なレーザ発振器（図示省略）に反射ミラー（図示省略）等を介して光学的に接続されている。

テーブル５７の所定位置に成形体１Ａ（３Ａ）をセットした後に、赤外線レーザ加工ヘッド５９を用い、赤外線レーザ加工ヘッド５９から燃料ガス流路溝（酸素ガス流路溝７）の内面に向かってピーク波長０．７μｍ以上１ｍｍ以下の赤外線レーザ光Ｂを照射しつつ、赤外線レーザヘッド５９を適宜方向に回転させて、赤外線レーザ光Ｂの光軸を燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）に沿ってテーブル５７に対して（換言すれば、成形体１Ａ（３Ａ）に対して）相対的に移動させる。これにより、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面に赤外線レーザ光Ｂの照射による赤外線レーザ処理を施すことができる。

ここで、図６に示すように、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の溝幅方向における赤外線レーザ加工ヘッド５９の照射ピッチｐは、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。これは、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の溝幅方向における赤外線レーザ加工ヘッド５９の照射ピッチを０．２ｍｍ以下にすることで、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の親水性を十分に確保することが十分に確保できるからである（後述の実施例参照、例えば照射ピッチを０．２ｍｍ以下とすることでぬれ張力を一定以上とすることができる）。なお一方で、加工ヘッド５９の照射ピッチｐは、５０μｍ以上であることも好ましい。照射ピッチを５０μｍ以上とすることで時間を短く確保する一方で十分な上記効果を確保することができるといった効果がある。

（ｉｉｉ）加熱工程
図５に示すように、（ｉｉ）照射工程の終了後、熱処理炉６１を用い、成形体１Ａ（３Ａ）を熱処理炉６１における支持台６３の所定位置にセットする。そして、熱処理炉６１におけるヒータ６５を適宜に作動させて、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度で成形体１Ａ（３Ａ）を加熱する。これにより、成形体１Ａ（３Ａ）を硬化させることができる。

以上により、炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料Ｇからなる燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）を製造することができる。

なお、（ｉ）圧縮工程中において、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも低い温度でパンチ金型３３及びダイ金型３５を加熱させつつ、成形体１Ａ（３Ａ）を圧縮成形してもかまわない。また、（ｉ）圧縮工程中において、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度でパンチ金型３３及びダイ金型３５を加熱させつつ、成形体１Ａ（３Ａ）を圧縮成形することにより、（ｉｉｉ）加熱工程を省略することもできる。更に、（ｉｉ）照射工程と（ｉｉｉ）加熱工程の順番を逆にしてもかまわない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

本発明の実施形態に係る燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）にあっては、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面にそれぞれ赤外線レーザ処理が施されているため前述の新規な知見を考慮すると、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面側における熱硬化性樹脂を除去して、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面の表面粗さを粗くすることができる。具体的には、赤外線レーザ光を燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面に照射することで、成形体１の表面に存在する樹脂成分を例えば熱劣化等により変性、減少させるとともに、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の表面に露出している炭素粉末の結晶構造の欠陥を増加させてエッジ面比率を低下させ、表面粗さを粗く、従来の手法（前記第１の手法、前記第２の手法、前記第３の手法）を用いることなく、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の親水性を十分に向上させることができる。

なお、図７に、赤外線レーザ処理を施した燃料電池用セパレータ及びこの処理を施していない燃料電池用セパレータに対するラマン分光測定の結果の一例を示しておく。図７で示されるように、赤外線レーザ処理を施すと蛍光によるバックグラウンド及び傾きの増加があることとから顕著な有機物の熱劣化、変性を確認することができる。更に、１５８０ｃｍ^−１近傍等のバンドピークにおいてブロード化及びバンド強度比の減少（バンド幅に対するバックグラウンドからのバンド強度の比）も確認でき、炭素粉末における結晶構造の変化があったことが確認できる。

またここで図８に、赤外線レーザ処理を施した燃料電池用セパレータの一部位におけるSEM写真を、図９に、赤外線レーザ処理を施していない燃料電池用セパレータの一部位におけるSEM写真を、図１０に、赤外線レーザ処理を施した部分と施していない部分の境界近傍におけるSEM写真をそれぞれ示す（図１０において左下側が赤外線レーザ処理が施された領域、右上側が赤外線レーザ処理が施されていない領域である）。図８乃至図１０で示すように、赤外線レーザ処理が施された部分では顕著に表面の結晶構造が変化していることが確認できる。これは赤外線レーザ処理による特徴的な効果である。

またこの炭素粉末における結晶構造が変化について、Ｘ線光電子分光も行なった。図１１に、赤外線レーザ処理を施した燃料電池用セパレータ及びこの処理を施していない燃料電池用セパレータに対するＸ線電子分光測定の結果の一例を示す。本図で示されるように、処理により酸素原子が減少していること、即ち酸素を含む樹脂成分が減少していることが確認でき、また、酸素結合形態も変化していることから、カルボキシル等の相対量が増加し、酸化が進行していることも確認できた。即ち、本実施形態のように、赤外線の波長領域にあるレーザ照射を施すことで、樹脂成分及び炭素粉末双方において適度な変性をもたらすことが可能となり、部分的に非常に親水性に優れた領域を形成することができると考えられる。

また図１２に、赤外線レーザ処理が施された燃料電池用セパレータの親水性処理の経時変化に関する図を示す。具体的に説明すると、本図は１００℃の熱水処理を行なった後の親水性試験の結果の一例を示すものであり、横軸は処理時間を、縦軸は親水性（図１２では一例としてＪＩＳ Ｋ６７６８に準拠した濡れ張力試験方法による結果）を示している。本図で示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、表面に赤外線レーザを照射することで表面に存在する官能基を修飾する程度の変化ではなく、構造そのものを大きく変化させることが可能であり、長時間にわたり好適な親水性を維持できるといった効果もある。

また、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法にあっては、成形体１Ａ（３Ａ）を圧縮成形した後に、赤外線レーザ加工ヘッド５９から燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面に向かって赤外線レーザ光Ｂを照射して、燃料ガス流路溝５（酸素ガス流路溝７）の内面意レーザ処理を施しているため、本発明の実施形態に係る燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）と同じ作用を有する。

したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ１及び本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、前述の従来の課題を解決しつつ、燃料極側の燃料電池用セパレータ１（酸素極側の燃料電池用セパレータ３）の排水機能を十分に高めて、燃料電池の電池特性を向上させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、燃料電池用の燃料電池用セパレータ１の一方の面に燃料ガス流路溝５が形成されかつ酸素極側の燃料電池用セパレータ３の一方の面に燃料ガス流路溝５が形成されかつ酸素極側の燃料電池用セパレータ３の一方の片面に酸素ガス流路溝７が形成される代わりに、燃料電池セパレータの両面に燃料ガス流路溝と酸素ガス流路溝がそれぞれ形成されるようにしてもかまわない。

ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理が施された燃料電池用セパレータ（実施例に係る燃料電池用セパレータ）、ガス流路溝の内面に表面処理が施されていない燃料電池用セパレータ（比較例１に係る燃料電池用セパレータ）、及びガス流路溝の内面にショットブラスト処理が施された燃料電池用セパレータ（比較例２に係る燃料電池用セパレータ）について、ＪＩＳ Ｋ６７６８に準拠した濡れ張力試験方法を行なうと、下記表１に示すような結果になった。

即ち、表１に示すように、実施例に係る燃料電池用セパレータは、比較例１に係る燃料電池用セパレータ、比較例２に係る燃料電池用セパレータに比べて、ガス流量溝の濡れ張力が高くなって、ガス流路溝の親水性を十分に向上させたことが確認された。

また、レーザ条件（レーザ加工ヘッドの移動速度、照射ピッチ）の条件を変更してガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理が施された燃料電池用セパレータについて、ＪＩＳ Ｋ６７６８に準拠した濡れ張力試験方法を行なうと、下記表２に示すような結果になった。

即ち、レーザ加工用ヘッドの照射ピッチが０．２ｍｍ以下であると、ガス流路溝の濡れ張力が高くなって、ガス流路溝の親水性をより十分に向上させたことが確認できた。この結果、特に照射量が０．００５Ｊ／ｍｍ^２以上であればぬれ張力を６５ｍＮ／ｍ以上確保することができ、特にピッチが０．２ｍｍ以下の場合、０．０１Ｊ／ｍｍ^２以上とすることで、ぬれ張力を７０ｍＮ／ｍ以上とすることができると把握できる。

なお、上述した図１２は、本実施例に係る燃料電池用セパレータ、機械加工により製造された燃料電池用セパレータに対し、１００℃の熱水処理を行なった後の親水性試験の結果を示すものであり、横軸は処理時間を、縦軸は親水性（ＪＩＳ Ｋ６７６８に準拠した濡れ張力試験方法による結果）を示している。本図で示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータは長時間にわたり好適な親水性を維持できるといった効果もある。なお図中の機械加工とは、いわゆるショットブラスト処理を意味し、比較例２に示した燃料電池用セパレータを示す。この結果、本実施例によると赤外線レーザ処理を施すことで、長期にわたり親水性を保つことができることを確認した。

実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における照射工程を説明する図である。 実施形態に係る燃料極側の燃料電池用セパレータを示す図である。 実施形態に係る酸素極側の燃料電池用セパレータを示す図である。 実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮工程を説明する図である。 実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法における加熱工程を説明する図である。 レーザ加工ヘッドの照射ピッチを示す図である。 実施形態に係る燃料電池セパレータに対するラマン分光測定の結果の一例を示す図である。 実施形態に係る燃料電池セパレータの赤外線レーザ処理が施された部位のSEM写真図である。 実施形態に係る燃料電池セパレータの赤外線レーザ処理が施されていない部位のSEM写真図である。 実施形態に係る燃料電池セパレータの赤外線レーザ処理が施された部位及び施されていない部位の境界線近傍におけるSEM写真図である。 実施形態に係る燃料電池セパレータのＸ線電子分光測定の結果の一例を示す図である。 赤外線レーザ処理が施された燃料電池用セパレータの親水性処理の経時変化を説明する図である。

符号の説明

１ 燃料極側の燃料電池用セパレータ
３ 酸素極側の燃料電池用セパレータ
５ 燃料ガス流路溝
７ 酸素ガス流路溝
９ 燃料ガス供給マニホールド
１１ 燃料ガス排出マニホールド
１３ 燃料ガス供給マニホールド
１５ 燃料ガス排出マニホールド
１７ 酸素ガス供給マニホールド
１９ 酸素ガス排出マニホールド
２１ 酸素ガス供給マニホールド
２３ 酸素ガス排出マニホールド
３３ パンチ金型
３５ ダイ金型
３７ 材料収容部
５９ レーザ加工ヘッド

Claims (9)

1. 炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、
   対向関係にあるパンチ金型とダイ金型を用い、前記ダイ金型における材料収容部に炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料を収容し、前記パンチ金型を前記ダイ金型に対して相対的に接近させることにより、少なくともいずれか一方の面に反応ガスを流すためのガス流路溝が形成された成形体を圧縮成形する圧縮工程と、
   前記圧縮工程の終了後に、前記ガス流路溝の内面に向かって赤外線レーザ光を照射しつつ、前記赤外線レーザ光の光軸を前記ガス流路溝に沿って前記成形体に対して相対的に移動させることにより、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施す照射工程と、を備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記圧縮工程の終了後であって、前記照射工程の前に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体を硬化させる加熱工程と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記圧縮工程は、前記パンチ金型及び前記ダイ金型を加熱させつつ、前記パンチ金型を前記ダイ金型に対して相対的に接近させて、前記成形体を圧縮成形することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記ガス流路溝の溝幅方向における前記赤外線レーザ光の照射ピッチは、０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 複合材料は、８０重量％以上９０重量％以下の炭素粉末と、１０重量％以上２０重量％以下の熱硬化性樹脂を混合してなることを特徴とする請求項１又は４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理を施す照射工程において、前記赤外線レーザ光の照射量は、０．００５Ｊ／ｍｍ^２以上０．５Ｊ／ｍｍ^２以下の範囲内にある請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 炭素粉末と熱硬化性樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータにおいて、
   少なくともいずれかの片面に反応ガスを流すためのガス流路溝が形成され、前記ガス流路溝の内面に赤外線レーザ処理が施されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
8. 前記赤外線レーザ処理の照射ピッチは、０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記複合材料は、８０重量％以上９０重量％以下の炭素粉末と、１０重量％以上２０重量％以下の熱硬化性を混合したものであることを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池用セパレータ。