JP2020135930A

JP2020135930A - 燃料電池用セパレータの製造方法

Info

Publication number: JP2020135930A
Application number: JP2019023342A
Authority: JP
Inventors: 智司高田; Tomoji Takada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】シール部材に十分な接着力で接着可能なセパレータを製造できるとともに製造上の管理が容易であ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、基材上にカーボンブラックを含む層を形成することと、前記層を形成した基材をプレス加工することと、プレス加工した前記基材を、有機物含有量が５４ｐｐｂ未満である洗浄液で洗浄することとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）及びカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体を備える。膜電極接合体の両側には、燃料ガス若しくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。ＭＥＧＡの外周には、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）、及び電極同士の電気的短絡を抑制するために、シール部材が配置されている。シール部材には、ガス（水素ガス、酸素ガス等）の流路が形成されたセパレータが接着されている。それによりＭＥＧＡが一対のセパレータに挟持される。

特許文献１において、セパレータ材にカーボンを塗工する塗工工程、塗工工程後にセパレータ材を熱処理する熱処理工程、熱処理工程後に余剰カーボン層を除去する除去工程、及び除去工程後にセパレータ材をプレス加工するプレス加工工程を備える、セパレータの製造方法が記載されている。

特開２０１７−２２０３６２号公報

セパレータのプレス加工に用いられる金型は高額である。燃料電池の製造コストを抑えるためには、金型の摩耗を抑制して、金型の交換頻度を低減することが望まれる。そのために、セパレータのプレス加工にはプレス油（潤滑剤）が用いられる。

プレス油がセパレータ表面に残存すると、セパレータとシール部材の接着力が低下する。そのため、プレス加工の後にセパレータを洗浄してプレス油を除去する必要がある。洗浄が不十分であると、セパレータに油成分が残存してセパレータとシール部材の接着力が不十分になり、クロスリークが発生することがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、シール部材に十分な接着力で接着可能なセパレータを製造できるとともに製造上の管理が容易である燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に従えば、基材上にカーボンブラックを含む層を形成することと、前記層を形成した基材をプレス加工することと、プレス加工した前記基材を、有機物含有量が５４ｐｐｂ未満である洗浄液で洗浄することとを含む、燃料電池用セパレータの製造方法が提供される。

本発明の製造方法により製造されるセパレータは、シール部材に十分な接着力で接着可能である。また、本発明の製造方法は、製造上の管理が容易である。

図１は、燃料電池用セパレータの製造方法のフローチャートである。図２は、温水剥離試験装置を模式的に示す概念図である。図３は、洗浄液の有機物含有量と接着強度の関係を示すグラフである。図４は、混合層表面のＯＨ基量と接着強度の関係を示すグラフである。

実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、図１に示すように、基材上にカーボンブラックを含む層を形成すること（Ｓ１）と、前記層を形成した基材をプレス加工すること（Ｓ２）と、プレス加工した前記基材を、有機物含有量が５４ｐｐｂ未満である洗浄液で洗浄すること（Ｓ３）とを含む。本実施形態において、カーボンブラックを含む層として、酸化チタン及びカーボンブラックを含む混合層を形成する。以下、各工程について順に説明する。

（１）混合層の形成（Ｓ１）
まず、基材を用意する。基材はチタン又はチタン合金を含む。チタンとしては、例えば、ＪＩＳＨ４６００に規定される１〜４種を挙げることができる。また、チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−Ｐｄを挙げることができる。ただし、いずれの場合も前記例示に限定されない。チタン又はチタン合金を含む基材は、軽く、耐食性に優れる。基材の素材は、例えば、厚さ０．０５〜１ｍｍに冷間圧延された板材であってよい。厚さをこの範囲とすると、製造されるセパレータが軽量化及び薄型化の要求を満足し、強度及びハンドリング性を備えるとともに、後述するプレス加工が比較的容易となる。

基材の表面にカーボンブラック層を形成する。例えば、粒状のカーボンブラックを水、エタノール等の分散媒中で分散させた分散液を基材上に塗布し、分散媒を揮発させることにより、カーボンブラック層を形成することができる。

次に、基材を、低酸素雰囲気下で加熱処理する。これにより、基材中のチタン原子がカーボンブラック層中に拡散するとともに、拡散したチタン原子が雰囲気中の酸素と反応して酸化チタンが生成される。その結果、酸化チタン及びカーボンブラックを含む混合層が、基材上に形成される。混合層中の酸化チタンは、酸素欠損を有する酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）である。混合層において、カーボンブラックの粒子が酸化チタンのマトリックス中に埋まっている。

加熱処理の雰囲気中の酸素分圧は１〜１００Ｐａであってよい。酸素分圧が１Ｐａ未満の場合、チタン原子の酸化が不十分となることがある。酸素分圧が１００Ｐａを超える場合、カーボンブラックが酸素と反応して二酸化炭素になることがある。加熱処理の雰囲気温度は、５５０〜７００℃であってよい。加熱処理時間は、５〜６０秒であってよい。加熱温度及び加熱時間が上記範囲内であることにより、カーボンブラックを十分に保持可能な厚さの混合層を形成することができる。

形成された混合層の厚みがカーボンブラック層の厚みより小さい場合、混合層の表面に、酸化チタンに保持されていない余剰のカーボンブラックが残存する。余剰のカーボンブラックは、例えば、ウォータージェット洗浄、ブラスト洗浄、ブラシ洗浄、超音波洗浄により除去してよい。

低酸素雰囲気下での加熱処理により、基材と混合層の界面に耐食性の低いチタンカーバイドが形成されることがある。チタンカーバイドを減らし、耐食性を向上させるために、混合層が形成された基材を再度加熱処理してもよい。再度の加熱処理によりチタンカーバイドの炭素が基材に固溶してチタンカーバイドを減らすことができる。再加熱処理の雰囲気中の酸素分圧は３〜３０Ｐａであってよい。再加熱処理の雰囲気温度は、５８０〜８００℃であってよい。再加熱処理時間は、１０〜３０秒であってよい。

（２）プレス加工（Ｓ２）
混合層が形成された基材をプレス加工により成形して、セパレータを得る。プレス加工は、公知のプレス成形装置に所望の形状の成形用金型（例えば、ガス流路及びガス導入口を形成する成形用金型）を取り付けて、基材をプレスすることにより行うことができる。金型の摩耗を抑制するために、プレス油（潤滑剤）を用いてプレス加工を行ってよい。

（３）洗浄（Ｓ３）
プレス加工によりセパレータ表面に付着したプレス油を除去するために、セパレータを洗浄液に浸漬する。洗浄液としては、例えば水酸化ナトリウム水溶液を用いることができるが、これに限定されない。セパレータ層表面から除去されたプレス油は、洗浄液に溶解する。有機物のセパレータへの再付着を抑制するために、洗浄液の有機物含有量を５４ｐｐｂ未満に管理する。有機物含有量は、全有機炭素（ＴＯＣ）計により容易にモニターすることができる。洗浄液の有機物含有量を５４ｐｐｂ未満とすることにより、有機物の混合層への再付着が抑制され、混合層表面のＯＨ基量が０．４３ａｔ％以上となる。実施形態の製造方法により製造されるセパレータは、接着剤を介してシール部材に接着されるが、混合層表面のＯＨ基は、接着剤のＯＨ基との間で水素結合を形成する。そのため、混合層表面に０．４３ａｔ％以上の十分な量のＯＨ基が存在することにより、セパレータとシール部材を十分な接着力で確実に接着することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（１）試験体の作製
チタン基材の表面に、グラビアロールを用いてカーボンブラックを塗布することにより、カーボンブラック層を形成した。

カーボンブラックを塗布したチタン基材を低酸素雰囲気下で加熱処理した。加熱温度は７５０℃、酸素分圧は２０Ｐａ、処理時間は６０秒とした。それにより、チタン基材のチタン原子がカーボンブラック層に外方拡散し、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとが反応して酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）が生成された。その結果、酸化チタン及びカーボンブラックからなる混合層が形成された。次に、ブラシ洗浄及び超音波洗浄を行い、酸化チタンと混合されずに混合層の表面に残存した余剰のカーボンブラックを除去した。その後、チタン基材を加熱処理した。加熱温度は７４０℃、酸素分圧は５Ｐａ、処理時間は３０秒とした。

次いで、チタン基材を、有機物を０〜１５０ｐｐｂの濃度で含有する洗浄液に浸漬した。有機物を含有する洗浄液は、２０ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液にプレス工作油（日本工作油株式会社製「Ｎｏ．６３０Ｒ」）を所定量添加することにより調製した。洗浄液中の有機物の含有量は、株式会社堀場アドバンスドテクノ製「ＨＴ−１１０」を用いてＵＶ酸化法により測定した。

チタン基材を洗浄液から引き上げ、１００℃に加熱して乾燥させた。こうして、試験体を得た。

（２）接着強度の測定
２枚の試験体１でマレイン酸変性ポリプロピレン製の接着性シート３を挟み、１８０℃で４秒間加熱プレス接着した（図２参照）。こうしてＴ字剥離試験片１０を得た。図２に示すように、Ｔ字剥離試験片１０を９５℃の温水７中に設置し、２枚の試験体１の一方におもり５をつけた。接着性シート３と試験体１が剥離するまで、おもりの重さを大きくしていった。試験体１と接着性シート３が剥離したときのおもりの重さを、試験体１と接着性シート３の接着強度とした。

図３に、洗浄液の有機物含有量と接着強度の関係を示す。洗浄液中の有機物量が５４ｐｐｂ未満であると、十分な接着強度が得られることがわかった。

（３）混合層表面のＯＨ基量の測定
作製した試験体の表面のＯＨ基をトリフルオロ酢酸無水物（（ＣＦ_３ＣＯ）_２Ｏ）で修飾した。Ｘ線光電子分光法により、表面のフッ素の量を測定した。１個の修飾されたＯＨ基は３個のフッ素原子を有するため、測定したフッ素量の１／３を混合層表面のＯＨ基量とした。

図４に、混合層表面のＯＨ基量と接着強度の関係を示す。混合層表面のＯＨ基量が０．４３ａｔ％以上であると、十分な接着強度が得られることが分かった。

１：試験体、３：接着性シート、５：おもり、７：温水、１０：Ｔ字剥離試験片

Claims

基材上にカーボンブラックを含む層を形成することと、
前記層を形成した基材をプレス加工することと、
プレス加工した前記基材を、有機物含有量が５４ｐｐｂ未満である洗浄液で洗浄することとを含む、燃料電池用セパレータの製造方法。