JP2020098685A - 燃料電池用セパレータの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料の表面にカーボンブラックを焼成して形成される燃料電池用セパレータを製造するに際して、表面に残存する余剰カーボンを確実に除去することができる燃料電池用セパレータの製造装置を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータの製造装置１００は、焼成後のセパレータ材（焼成処理後の基材１０ｂ）の表面に存在する余剰カーボンを除去するための超音波洗浄部４０を備える。超音波洗浄部４０は、超音波振動子６０と、複数個の案内ローラとを備える。案内ローラは、焼成処理後の基材１０ｂを超音波振動子６０の発振面に沿って水平方向に案内する第１の案内ローラ群４３、４４と、第１の案内ローラ群４３、４４から送り出される焼成処理後の基材１０ｂの送り方向後流側において第１の案内ローラ群４３、４４よりも高位にある第２の案内ローラ４５とからなる。第２の案内ローラ４５には、第２の案内ローラ４５上を案内される焼成処理後の基材１０ｂに接するようにして回転ブラシ５０が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造装置に関する。

燃料電池は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを有している。各単セルは、膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。セパレータの一方の面には、単セル内に反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、他方の面には単セル内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

燃料電池用セパレータには、高い導電性と耐腐食性が求められる。そのために、通常、基材としての金属製のセパレータ材に対して、表面にカーボンブラックを塗布した後、熱処理による焼成処理が行われる。セパレータ材の材料としては、ＳＵＳ（鉄、クロム、ニッケル）、チタン等の金属製の板材が用いられる。

焼成処理により、セパレータ材の表面にセパレータ材とカーボンブラックとを含有する混合層が形成される。この混合層は十分な導電性を有する。通常、混合層の上には一部のカーボンブラックが余剰カーボンとして残存しており、この余剰カーボンを除去する処理が行われる。特許文献１には、この余剰カーボンの除去を、焼成処理後のセパレータ材の表面に水を噴射する、いわゆるウォータジェット法で行うことが記載されている。

特開２０１７−１９１６４０号公報

本発明者らは、燃料電池用セパレータの製造において、特許文献１に記載されるようなウォータジェット法による余剰カーボンの除去処理を多く行ってきているが、その過程において、高い注意を払ってウォータジェット処理を行わないと、余剰カーボンの取り残しが生じることを経験した。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、金属材料の表面にカーボンブラックを焼成して形成される燃料電池用セパレータを製造するに際して、表面に残存する余剰カーボンを確実に除去することができる燃料電池用セパレータの製造装置を提供することを課題とする。

本発明による燃料電池用セパレータの製造装置は、表面にカーボンブラックが塗布された金属製のセパレータ材を焼成する焼成部と、焼成後の前記セパレータ材の表面に存在する余剰カーボンを除去するための超音波洗浄部と、を備えており、前記超音波洗浄部は、洗浄槽と前記洗浄槽の底面に配置した超音波振動子と前記洗浄槽内を搬送される焼成後のセパレータ材を案内する案内ローラとを備え、前記案内ローラは、搬送される前記焼成後のセパレータ材を前記超音波振動子の発振面に沿って水平方向に案内する第１の案内ローラ群と、前記第１の案内ローラ群から送り出される前記焼成後のセパレータ材の搬送後方側において前記第１の案内ローラ群よりも高位にある第２の案内ローラ群とを有し、前記第２の案内ローラ群の少なくとも１つの第２の案内ローラには、前記第２の案内ローラ上を案内される前記焼成後のセパレータ材に接するようにして回転ブラシが配置されている、ことを特徴とする。

本発明による燃料電池用セパレータの製造装置では、超音波洗浄によって、焼成後のセパレータ材の表面に残存する余剰カーボンを、確実に剥離除去することができる。そして、剥離した後の余剰カーボンが、再度、セパレータ材の表面に付着してしまうのも阻止することができる。そのために、表面に余剰カーボンが存在しない所期どおりの燃料電池用セパレータを確実に製造することができる。

実施の形態の燃料電池用セパレータの製造装置の要部を説明する図。 超音波洗浄によって焼成後のセパレータ材の表面に存在する余剰カーボンが除去される状態を説明する図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、実施の形態の燃料電池用セパレータの製造装置１００の要部を説明する図である。

燃料電池用セパレータの製造装置１００は、基材１０としての金属製のセパレータ材の表裏面にカーボンブラックを塗布するためのカーボンブラック塗布部２０と、基材１０の送り方向後流側に位置する焼成部３０を備える。焼成部３０は、内部に加熱処理用に加熱部を備えている。カーボンブラック塗布部２０および焼成部３０は、従来知られたものであってよく、詳細な説明は省略する。なお、基材１０としての金属製のセパレータ材としては、例として、厚さ薄いＳＵＳ（鉄、クロム、ニッケル）やチタン等を挙げることができる。

燃料電池用セパレータの製造装置１００では、基材１０として、ロール状に巻き込まれた長尺状の金属材料を用いており、ロール１１から巻き出された基材１０は、カーボンブラック塗布部２０を通過する過程で、その両面にカーボンブラックが塗布される。カーボンブラックが塗布された基材１０ａは、焼成部３０内に送られる。カーボンブラックが塗布された基材１０ａは、焼成部３０内で熱処理を受け、カーボンブラックの焼成処理が進行する。焼成後の基材１０ｂは、次に、超音波洗浄部４０に送られる。

焼成部３０内で熱処理を受けることで、基材１０の表面には、基材である金属素材とカーボンブラックとを含有する混合層が形成される。そして、通常、混合層の上には一部のカーボンブラックが余剰カーボンとして残存する。この残存する余剰カーボンは、燃料電池用セパレータにとっては不要な材料であり、除去する必要がある。超音波洗浄部４０は、この余剰カーボン２５の除去処理を行う。

超音波洗浄部４０は、上方を開放した箱型の洗浄槽４１を備える。洗浄槽４１内は洗浄液で満たされている。焼成部３０から送り出される焼成後の基材１０ｂは、案内ローラに案内されて、洗浄槽４１内を通過する。詳細には、焼成部３０から出てＸ軸方向に移動する焼成後の基材１０ｂは、洗浄槽４１の上方（Ｚ軸方向＋側）で槽外に位置する第１の外部案内ローラ４２に案内されて垂直方向（Ｚ軸方向）下方に向きを変え、洗浄槽４１内に浸入する。洗浄槽４１内に浸入した焼成後の基材１０ｂは、洗浄槽４１内にＹ軸方向の軸心を有する第１の下位案内ローラ４３に案内されて、水平方向（Ｘ軸方向）に向きを変える。

水平方向に向きを変えた焼成後の基材１０ｂは、洗浄槽４１内をＸ軸方向に移動する。そして、第１の下位案内ローラ４３と平行な軸心を有する第２の下位案内ローラ４４まで移動し、そこで上方（Ｚ軸方向＋側）に向きを変えて、垂直方向上方に移動する。なお、第１の下位案内ローラ４３と第２の下位案内ローラ４４は、本発明でいう「第１の案内ローラ」の一例に相当する。

洗浄槽４１内には、第１の内部案内ローラ４３と平行な軸心を持つ上位案内ローラ４５が位置している。上位案内ローラ４５は、第１の下位案内ローラ４３および第２の下位案内ローラ４４よりも上方（Ｚ軸方向＋側）に位置している。なお、上位案内ローラ４５は、本発明でいう「第１の案内ローラ群よりも高位にある第２の案内ローラ群」の一例に相当する。

上位案内ローラ４５の上方（Ｚ軸方向＋側）には、上位案内ローラ４５のＹ軸方向の長さと同じ長さのブラシローラ５０が、軸心を互いに平行にして位置している。ブラシローラ５０は、そのブラシの先端が上位案内ローラ４５の周面に接するようにして、上位案内ローラ４５の上位に位置している。ブラシローラ５０は図示しない駆動源から回転力が伝えられる。なお、ブラシローラ５０は、本発明でいう「回転ブラシ」の一例に相当する。

第２の下位案内ローラ４４に案内されて上方（Ｚ軸方向＋側）に向きを変えて垂直方向上方に移動する焼成後の基材１０ｂは、上位案内ローラ４５とブラシローラ５０との間を通過する。通過した後、垂直方向下方に向きを変えた焼成後の基材１０ｂは、Ｚ軸方向の位置が第２の下位案内ローラ４４とほぼ同じである第３の下位案内ローラ４６を通過し、そこで向きを変えて垂直方向上方に案内される。その後、焼成後の基材１０ｂは洗浄槽４１の外まで移動し、第１の外部案内ローラ４２と平行な軸心を持つ第２の外部案内ローラ４７を通過して、図示しないローラに巻き取られる。また、裁断処理部や成形処理部に送られる。

燃料電池用セパレータの製造装置１００では、洗浄槽４１の底面側であって、第１の下位案内ローラ４３から第２の下位案内ローラ４４に向けて移動する焼成後の基材１０ｂの裏面側（Ｚ軸方向−側）に、超音波振動子６０が位置している。超音波振動子６０はＸ軸方向の平坦な発振面を備えており、第１の下位案内ローラ４３から第２の下位案内ローラ４４に向けて移動する焼成後の基材１０ｂの裏面側に向けて、すなわち上方（Ｚ軸方向＋側）に向けて、超音波を発振する。なお、６１は超音波発振器である。

図２は、焼成後の基材１０ｂに超音波振動子６０からの超音波が照射されることで、その表面に存在する余剰カーボン２５が除去される状態を説明している。なお、図２では、分かり易さのために、焼成後の基材１０ｂにおけるその表面に存在する余剰カーボン２５のみを図示している。

図２（ａ）は、超音波が照射される前の状態であり、超音波振動子６０の発振面と平行な姿勢で焼成後の基材１０ｂが位置している。図２（ｂ）は、超音波が照射されているときの状態を模式的に示している。発振される超音波は、焼成後の基材１０ｂの裏面に照射される。それにより、焼成後の基材１０ｂの裏面にはキャビテーションが生じ、裏面側の余剰カーボン２５は除去される。除去後の余剰カーボン２５は自重で下方に落下する。一部の超音波は焼成後の基材１０ｂを透過して、焼成後の基材１０ｂの上面側にも達する。それにより、焼成後の基材１０ｂの上面側にもキャビテーションが生じ、上面側の余剰カーボン２５も除去される。除去され余剰カーボン２５は一時的に焼成後の基材１０ｂの上面側で浮遊しているが、時間と共に、焼成後の基材１０ｂの上面側に落下して、図２（ｃ）に示すように、焼成後の基材１０ｂの上面側に再付着する恐れがある。

実施の形態の燃料電池用セパレータの製造装置１００では、この再付着を効果的に阻止することができる。図１に示したように、燃料電池用セパレータの製造装置１００では、第１の下位案内ローラ４３から第２の下位案内ローラ４４まで焼成後の基材１０ｂが移動しているときに、焼成後の基材１０ｂは、図２（ｂ）に示すように、超音波振動子６０からの超音波の照射を受ける。それにより、両面に存在する余剰カーボンは、剥離除去される。しかし、焼成後の基材１０ｂの上面側（Ｚ軸方向＋側）では、図２（ｃ）に示したように、剥離した余剰カーボンの再付着が生じる恐れがある。

燃料電池用セパレータの製造装置１００では、余剰カーボンの再付着が生じた場合であっても、焼成後の基材１０が上位案内ローラ４５とブラシローラ５０の間を通過するときに、ブラシローラ５０の回転によって、再付着した余剰カーボンは焼成後の基材１０の表面から再度除去される。したがって、超音波洗浄部４０から送り出される焼成後の基材１０ｂの表面には、不要な余剰カーボンが残存しないものとなり、所望の燃料電池用セパレータを得ることができる。なお、上記の燃料電池用セパレータの製造装置１００では、上位案内ローラ４５とブラシローラ５０の組は１個としたが、２個以上の組が存在していてもよい。

１００…燃料電池用セパレータの製造装置、
１０…基材（金属製のセパレータ材）、
１０ａ…カーボンブラックが塗布された基材、
１０ｂ…カーボンブラックの焼成処理後の基材、
１１…基材のロール、
２０…カーボンブラック塗布部、
２５…余剰カーボン、
３０…焼成部、
４０…超音波洗浄部、
４１…洗浄槽、
４２…第１の外部案内ローラ、
４３…第１の下位案内ローラ、
４４…第２の下位案内ローラ、
４５…上位案内ローラ、
４６…第３の下位案内ローラ、
４７…第２の外部案内ローラ、
５０…ブラシローラ、
６０…超音波振動子、
６１…超音波発振器。

Claims (1)

1. 燃料電池用セパレータの製造装置であって、
   表面にカーボンブラックが塗布された金属製のセパレータ材を焼成する焼成部と、
   焼成後の前記セパレータ材の表面に存在する余剰カーボンを除去するための超音波洗浄部と、を備えており、
   前記超音波洗浄部は、洗浄槽と前記洗浄槽の底面に配置した超音波振動子と前記洗浄槽内を搬送される焼成後のセパレータ材を案内する案内ローラとを備え、
   前記案内ローラは、搬送される前記焼成後のセパレータ材を前記超音波振動子の発振面に沿って水平方向に案内する第１の案内ローラ群と、前記第１の案内ローラ群から送り出される前記焼成後のセパレータ材の搬送後方側において前記第１の案内ローラ群よりも高位にある第２の案内ローラ群とを有し、前記第２の案内ローラ群の少なくとも１つの第２の案内ローラには、前記第２の案内ローラ上を案内される前記焼成後のセパレータ材に接するようにして回転ブラシが配置されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。

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