JP2019121523A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属イオンの溶出を抑制できる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータの製造方法は、第１成形型３０の成形面４０と基材１２０との間及び第２成形型５０の成形面６０と基材１２０との間の双方に弾性材料からなる弾性フィルム９１，９２を介在させ、且つ弾性フィルム９１，９２と基材１２０との間に導電性粒子を含む塗料層８０を介在させる。この状態で、第１成形型３０及び第２成形型５０により基材１２０を加圧するとともに加熱する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

固体高分子形燃料電池は、一対の凹凸形状を有するセパレータにより膜電極接合体が挟持された単セルが複数積層されることで構成される燃料電池スタックを備えている。このようなセパレータにおいては、耐腐食性及び導電性を向上させるための塗膜が、セパレータの基材の表面に形成されている（例えば、特許文献１参照）。こうした塗膜は、グラファイト粒子を有する第１層と、導電性粒子を有する第２層とからなり、各々の層には結合剤が含まれている。そして、基材に塗膜を形成するにあたり、ベースフィルム、第１層及び第２層が順に設けられた熱転写用フィルムが準備される。

基材への塗膜形成は、まず、基材に対して、基材の表面と第２層とが接触するように熱転写用フィルムを載置する。その後、塗膜形成装置により、熱転写用フィルム及び基材を加圧するとともに加熱する。第２層には結合剤として熱硬化性樹脂が含まれているため、基材に塗膜が形成される。

国際公開第２０１７／０３８１６５号

ところで、特許文献１に記載の塗膜形成装置によれば、プレス成形により凹凸形状が設けられた基材に対して塗膜形成を行っているため、基材の凸部の頂面のみに塗膜が形成されることとなる。このため、燃料電池の発電に伴い生成される水によって、基材の凸部の頂面以外の部分、すなわち、塗膜形成が行われていない部分から金属イオンが溶出するおそれがある。

また、基材に予め塗膜を塗布してからプレス成形する場合、塗膜がプレスに伴う基材の伸びに追従できず、塗膜の一部にクラックが生じて、同クラックから金属イオンが溶出するおそれがある。こうした基材からの金属イオンの溶出は、燃料電池の性能低下に繋がるため好ましくない。

本発明の目的は、金属イオンの溶出を抑制することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造方法は、第１成形型と、第２成形型とにより、金属板材からなる基材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成して燃料電池用セパレータを製造する方法であって、前記第１成形型の成形面と前記基材との間及び前記第２成形型の成形面と前記基材との間の少なくとも一方に弾性材料からなるシートを介在させ、且つ前記シートと前記基材との間に導電性粒子を含む塗料層を介在させた状態で、前記第１成形型及び前記第２成形型により前記基材を加圧するとともに加熱する。

同方法によれば、第１成形型の成形面と基材との間及び第２成形型の成形面と基材との間の少なくとも一方にシート及び塗料層が介在された状態で、第１成形型及び第２成形型による加圧及び加熱が行われる。これにより、凹凸形状を有する基材の表面全体に塗料層が熱圧着される。このとき、シートは自身の弾性変形によって基材の変形に追従する。このため、凹凸形状を有する基材の表面全体に塗料層が行き渡りやすくなるとともに、塗料層にクラックが生じにくくなる。すなわち、基材の表面全体をクラックの少ない塗料層で覆うことができる。したがって、燃料電池の発電時における基材からの金属イオンの溶出を抑制することができる。

上記方法において、前記第１成形型の成形面と前記基材との間及び前記第２成形型の成形面と前記基材との間の双方に前記シート及び前記塗料層を介在させることが好ましい。
同方法によれば、基材の両面に塗料層が熱圧着される。したがって、燃料電池の発電時における基材からの金属イオンの溶出をより一層抑制することができる。

上記方法において、前記第１成形型及び前記第２成形型による加圧及び加熱に先立ち、前記基材の表面に前記塗料層を塗布することが好ましい。
同方法によれば、シートに塗料層を塗布する工程を省略することが可能となる。

上記方法において、前記第１成形型及び前記第２成形型による加圧及び加熱に先立ち、前記シートの表面に前記塗料層を塗布することが好ましい。
同方法によれば、基材に塗料層を塗布する工程を省略することが可能となる。

本発明によれば、金属イオンの溶出を抑制することができる。

燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態について、（ａ）は、当該セパレータを有する単セルを中心とした燃料電池スタックの拡大断面図、（ｂ）は、セパレータの表面を拡大して示す拡大断面図。 同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、基材が加圧及び加熱される直前の状態を示す断面図。 同実施形態における塗料層が塗布された基材と弾性フィルムとを離間して示す拡大断面図。 同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、基材が加圧及び加熱されている状態を示す断面図。 同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、塗料層が熱圧着された基材から弾性フィルムが分離された状態を示す断面図。 燃料電池用セパレータの製造方法の変更例について、塗料層が塗布された弾性フィルムと基材とを離間して示す拡大断面図。

以下、図１〜図５を参照して、一実施形態について説明する。
本実施形態の燃料電池用セパレータの製造装置（以下、製造装置）は、図１（ａ）に示す固体高分子形燃料電池のスタック１００に用いられるセパレータ２０を製造する装置である。なお、セパレータ２０は、後述する一対のセパレータ２１，２２の総称である。

図１（ａ）に示すように、スタック１００は、複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、凹凸形状を有する一対のセパレータ２１，２２により挟持された膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１と各セパレータ２１，２２との間に介設された炭素繊維からなるガス拡散層１４とを備えている。膜電極接合体１１は、イオン交換膜である電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持する一対の触媒電極層１３とを備えている。

一方のセパレータ２１の両面には、それぞれ延在する第１溝部２１ａ及び第２溝部２１ｂが交互に並設されている。また、他方のセパレータ２２の両面には、それぞれ延在する第１溝部２２ａ及び第２溝部２２ｂが交互に並設されている。なお、図１（ａ）においては、第１溝部２１ａ及び第２溝部２１ｂ、並びに第１溝部２２ａ及び第２溝部２２ｂは、同図の紙面に直交する方向に沿ってそれぞれ延在している。各セパレータ２１，２２の第１溝部２１ａ，２２ａの底面の裏面（図１（ａ）の下面及び上面）は、各ガス拡散層１４に当接されている。一方のセパレータ２１の第２溝部２１ｂと一方のガス拡散層１４とで区画される部分は、水素などの燃料ガスが流通されるガス流路とされている。他方のセパレータ２２の第２溝部２２ｂと他方のガス拡散層１４とで区画される部分は、空気などの酸化ガスが流通されるガス流路とされている。

また、一方のセパレータ２１における第２溝部２１ｂの底面の裏面（図１（ａ）の上面）と、同セパレータ２１に隣り合う他方のセパレータ２２の第２溝部２２ｂの裏面（図１（ａ）の下面）とは当接されている。一方のセパレータ２１の第１溝部２１ａと、他方のセパレータ２２における上記第１溝部２１ａに対向する第１溝部２２ａとで区画される部分は、冷却水が流通する冷却流路とされている。

図１（ｂ）に示すように、セパレータ２０は、例えば、ステンレス鋼やチタンなどの金属材料からなる基材１２０と、基材１２０の表面全体に設けられた塗料層８０とを有している。塗料層８０は、基材１２０の両面に設けられている。

塗料層８０は、基材１２０の表面に設けられた第１層７０と、第１層７０上に設けられた第２層７５とからなる。第１層７０は、窒化チタンからなる導電性粒子７１とエポキシ樹脂からなる第１結合材７２とを有している。第２層７５は、グラファイト粒子７６とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂からなる第２結合材７７とを有している。導電性粒子７１は、基材１２０の表面に存在する酸化被膜１２２を貫通して基材１２０の本体１２１に接触するとともに、導電性粒子７１とグラファイト粒子７６とが互いに接触している。なお、ポリフッ化ビニリデンは熱可塑性樹脂であり、エポキシ樹脂は熱硬化性樹脂である。また、エポキシ樹脂の熱硬化温度は、ポリフッ化ビニリデン樹脂の融点よりも低い。

次に、製造装置について説明する。
図２に示すように、製造装置は、可動型である第１成形型３０と、固定型である第２成形型５０とを備えている。第１成形型３０は、第２成形型５０に対して進退可能に設けられている。

第１成形型３０は、それぞれ延在する第１凸部４１と第１凹部４２とが交互に設けられた成形面４０を有している。
第２成形型５０は、それぞれ延在する第２凸部６１と第２凹部６２とが交互に設けられた成形面６０を有している。なお、図２においては、第１成形型３０の第１凸部４１及び第１凹部４２、並びに第２成形型５０の第２凸部６１及び第２凹部６２は、同図の紙面に直交する方向に沿ってそれぞれ延在している。

なお、第１成形型３０及び第２成形型５０の内部には、ヒータを構成する電熱線（図示略）が設けられている。
次に、燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。

まず、図２及び図３に示すように、基材１２０の両面に上述した塗料層８０を塗布する。すなわち、基材１２０の表面に対して第１層７０を塗布し、その後、第１層７０上に第２層７５を塗布する。

次に、第２成形型５０の第２凸部６１上に、例えば、弾性フィルム９２、基材１２０、及び弾性フィルム９１を順に載置する。すなわち、第１成形型３０の成形面４０及び第２成形型５０の成形面６０の双方と、基材１２０との間にそれぞれ弾性フィルム９１，９２を配置する。各弾性フィルム９２，９１は、共にポリテトラフルオロエチレンからなる。各弾性フィルム９１，９２の厚さは、基材１２０の板厚よりも小さくされている。本実施形態では、各弾性フィルム９１，９２の厚さが同一に設定されている。

次に、図４に示すように、第１成形型３０を第２成形型５０に向けて変位させることで、基材１２０は、各成形型３０，５０の凹凸形状に倣うように波形に成形される。このとき、上記ヒータにより各成形型３０，５０をエポキシ樹脂の熱硬化温度以上に加熱する。これにより、基材１２０の両面に塗布された塗料層８０が、熱硬化されるとともに基材１２０の両面に熱圧着される。なお、基材１２０の加圧時と塗料層８０の熱硬化時のプレス圧力は同一とされている。

最後に図５に示すように、弾性フィルム９１，９２を基材１２０から分離させることで、セパレータ２０が成形される。
本実施形態の作用について説明する。

第１成形型３０及び第２成形型５０による基材１２０の加圧及び加熱に先立ち、基材１２０は、塗料層８０が塗布された状態で、第１成形型３０と第２成形型５０との間にそれぞれ弾性フィルム９１，９２を介して加圧及び加熱される。このとき、弾性フィルム９１，９２は、自身の弾性変形によって基材１２０の変形に追従する。このため、凹凸形状を有する基材１２０の表面全体に塗料層８０が行き渡りやすくなるとともに、塗料層８０にクラックが生じにくくなる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）燃料電池用セパレータの製造方法は、第１成形型３０の成形面４０と基材１２０との間及び第２成形型５０の成形面６０と基材１２０との間の双方に弾性材料からなる弾性フィルム９１，９２を介在させ、且つ弾性フィルム９１，９２と基材１２０との間に導電性粒子７１を含む塗料層８０を介在させる。この状態で、第１成形型３０及び第２成形型５０により基材１２０を加圧するとともに加熱する。

こうした方法によれば、上記作用を奏することから、基材１２０の表面全体をクラックの少ない塗料層８０で覆うことができる。したがって、燃料電池の発電時における基材１２０からの金属イオンの溶出を抑制することができる。

また、弾性フィルム９１，９２が摩擦係数の小さいポリテトラフルオロエチレンからなるため、基材１２０の加圧時において基材１２０と各成形型３０，５０との間に発生する摩擦力を低減できる。これにより、基材１２０の加圧に際して、潤滑剤としての加工油を低減または省略することができる。また、セパレータ２０の製造工数を低減できる。

（２）第１成形型３０及び第２成形型５０による加圧及び加熱に先立ち、基材１２０の表面に塗料層８０を塗布するようにした。
基材１２０に塗料層８０を熱圧着させるにあたり、基材１２０側に塗料層８０を塗布する方法と、弾性フィルム９１，９２側に塗料層８０を塗布する方法とが考えられる。弾性フィルム９１，９２に塗料層８０を塗布する場合においては、弾性フィルム９１，９２が薄く変形しやすいことから、塗布工程が煩雑になりやすい。

この点、上記方法によれば、弾性フィルム９１，９２よりも変形しにくい基材１２０の表面に塗料層８０を塗布することとなる。このため、弾性フィルム９１，９２に塗料層８０を塗布する工程を省略することができ、塗布工程を簡単にすることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・塗料層８０は、基材１２０の一方の面にのみ熱圧着させるようにしてもよい。この場合、基材１２０の塗料層８０が塗布された面と成形型との間にのみ弾性フィルムを設けるようにすればよい。

・図６に示すように、塗料層８０は、弾性フィルム９１，９２側に塗布してから基材１２０に熱圧着させるようにしてもよい。
・塗料層８０は、基材１２０側に第１層７０を塗布し、弾性フィルム９１，９２側に第２層７５を塗布してから熱圧着させるようにしてもよい。

・本発明に係るシートは上述した弾性フィルム（ポリテトラフルオロエチレン）に限定されない。要するに、弾性材料からなるものであればよく、シリコーンゴムなどの他のシートを採用することもできる。

１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…触媒電極層、１４…ガス拡散層、２０…セパレータ、２１…セパレータ、２１ａ…第１溝部、２１ｂ…第２溝部、２２…セパレータ、２２ａ…第１溝部、２２ｂ…第２溝部、３０…第１成形型、４０…成形面、４１…第１凸部、４２…第１凹部、５０…第２成形型、６０…成形面、６１…第２凸部、６２…第２凹部、７０…第１層、７１…導電性粒子、７２…第１結合材、７５…第２層、７６…グラファイト粒子、７７…第２結合材、８０…塗料層、９１…弾性フィルム、９２…弾性フィルム、１００…スタック、１２０…基材、１２１…本体、１２２…酸化被膜。

Claims (4)

1. 第１成形型と、第２成形型とにより、金属板材からなる基材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成して燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
   前記第１成形型の成形面と前記基材との間及び前記第２成形型の成形面と前記基材との間の少なくとも一方に弾性材料からなるシートを介在させ、且つ前記シートと前記基材との間に導電性粒子を含む塗料層を介在させた状態で、前記第１成形型及び前記第２成形型により前記基材を加圧するとともに加熱する、
   燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記第１成形型の成形面と前記基材との間及び前記第２成形型の成形面と前記基材との間の双方に前記シート及び前記塗料層を介在させる、
   請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記第１成形型及び前記第２成形型による加圧及び加熱に先立ち、前記基材の表面に前記塗料層を塗布する、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記第１成形型及び前記第２成形型による加圧及び加熱に先立ち、前記シートの表面に前記塗料層を塗布する、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。