JP2021077550A

JP2021077550A - 燃料電池セパレータの製造装置

Info

Publication number: JP2021077550A
Application number: JP2019204391A
Authority: JP
Inventors: 林　博明; Hiroaki Hayashi; 博明林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: JP7306969B2

Abstract

【課題】金属材料の表面に残存する余剰カーボンブラックを除去する燃料電池セパレータの製造装置を提供する。【解決手段】燃料電池セパレータの製造装置は、液体を貯留可能な洗浄槽と、表面にカーボンブラックが塗布された後に焼成して得られた燃料電池セパレータ用の板状の金属材料を、表面が鉛直方向を向いた状態で液体が貯留された洗浄槽内を搬送する搬送部と、洗浄槽内を搬送される金属材料に対して、下方から超音波を照射する超音波照射部と、洗浄槽内を搬送される金属材料の上方側と下方側とのうちの少なくとも下方側に対して、搬送方向と交差する方向の液体の流れを生じさせる液体噴射ノズルと、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池セパレータの製造装置に関する。

一般に、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、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚の燃料電池セパレータとを有する。燃料電池セパレータには、高い導電性と耐腐食性が求められる。このため、燃料電池セパレータ用の金属材料に対して、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ことがある。焼成処理により、金属材料の表面に金属材料とカーボンブラックとを含有する混合層が形成される。この混合層の表面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得るため、この余剰カーボンを除去する処理が行われることがある。特許文献１には、この余剰カーボンの除去を、焼成処理後の金属材料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。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、金属材料の表面に残存する余剰カーボンの取り残しを抑制して余剰カーボンを除去可能な燃料電池セパレータの製造装置を提供することを課題とする。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、燃料電池セパレータの製造装置が提供される。この燃料電池セパレータの製造装置は、液体を貯留可能な洗浄槽と、表面にカーボンブラックが塗布された後に焼成して得られた前記燃料電池セパレータ用の板状の金属材料を、前記表面が鉛直方向を向いた状態で前記液体が貯留された前記洗浄槽内を搬送する搬送部と、前記洗浄槽内を搬送される前記金属材料に対して、下方から超音波を照射する超音波照射部と、前記洗浄槽内を搬送される前記金属材料の上方側と下方側とのうちの少なくとも下方側に対して、前記搬送方向と交差する方向の前記液体の流れを生じさせる液体噴射ノズルとを備える。

この形態の燃料電池セパレータの製造装置によれば、洗浄槽内を搬送される金属材料の上方側と下方側とのうちの少なくとも下方側に対して、搬送方向と交差する方向の液体の流れを生じさせる液体噴射ノズルを備えるので、洗浄槽内を搬送される金属材料が自重により垂れ下がることを抑制し、洗浄槽内における深さ方向の金属材料の位置を、超音波照射部から照射される音波によるカーボンブラックの除去力が高い位置に維持できる。このため、表面に残存する余剰カーボンブラックの取り残しを抑制して余剰カーボンを除去できる。

本開示の一実施形態としての燃料電池セパレータの製造装置の概観模式図である。燃料電池セパレータの製造装置の部分的な平面模式図である。燃料電池セパレータの製造装置の部分的な側面模式図である。超音波振動子と液体噴射ノズルによる洗浄の様子を示す模式図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池セパレータの製造装置１００の概観模式図である。図１では、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が表されている。本実施形態において、−Ｚ方向は、鉛直下方に相当する。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、水平方向と平行である。「Ｘ軸方向」とは、＋Ｘ方向と−Ｘ方向とを合わせた概念を意味する。同様に、「Ｙ軸方向」とは、＋Ｙ方向と−Ｙ方向とを合わせた概念を意味し、「Ｚ軸方向」とは、＋Ｚ方向と−Ｚ方向とを合わせた概念を意味する。後述する他の図面におけるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、図１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応する。

燃料電池セパレータの製造装置１００は、燃料電池セパレータの基材としての金属材料１０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、金属材料１０の搬送方向後流側に位置する焼成部３０と、搬送部４０と、洗浄槽５０と、複数の超音波振動子６０と、複数の液体噴射ノズル７０とを備える。

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、従来から知られたものであってよく、詳細な説明は省略する。なお、金属材料１０としては、例として、薄いＳＵＳ（鉄、クロム、ニッケル）やチタン等の金属により形成された薄板材を挙げることができる。

燃料電池セパレータの製造装置１００では、金属材料１０は、ロール状に巻き込まれた長尺状の薄板の金属材料として用意される。燃料電池セパレータ用の板状の金属材料１０の表面が鉛直方向を向くようにロール１１から巻き出されたベルト状の金属材料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金属材料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金属材料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。焼成して得られた金属材料１０ｂは、ベルト状に支持されて搬送部４０に送られる。

焼成部３０内で熱処理を受けることで、金属材料１０の表面には、金属材料１０を形成す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、混合層の表面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、除去することが好ましい。

搬送部４０は、第１の外部案内ローラ４２と、第１の下位案内ローラ４３と、第２の下位案内ローラ４６と、第２の外部案内ローラ４７とを備える。搬送部４０は、余剰カーボンの除去処理を行うための後述の洗浄槽５０内を通過するように金属材料１０ｂを搬送する。具体的には、搬送部４０は、金属材料１０ｂの表面が鉛直方向を向いた状態で液体（洗浄液）が貯留された洗浄槽５０内を搬送する。

焼成部３０から搬送される焼成後の金属材料１０ｂは、第１の外部案内ローラ４２と、第１の下位案内ローラ４３と、第２の下位案内ローラ４６と、第２の外部案内ローラ４７とに案内されて、洗浄槽５０内を通過する。詳細には、焼成部３０から出て＋Ｘ方向に移動する焼成後の金属材料１０ｂは、洗浄槽５０の上方である＋Ｚ方向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下方である−Ｚ方向に向きを変え、洗浄槽５０内の洗浄液に入る。洗浄液内に入った焼成後の金属材料１０ｂは、洗浄槽５０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金属材料１０ｂは、洗浄槽５０内を搬送方向である＋Ｘ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４６まで移動し、そこで上方である＋Ｚ方向に向きを変えて、垂直方向上方に移動する。その後、焼成後の金属材料１０ｂは洗浄槽５０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。あるいは、乾燥処理部や裁断処理部や成形処理部に送られる。

洗浄槽５０は、上方を開放した箱型の洗浄槽であり液体（洗浄液）を貯留可能である。本実施形態では、洗浄槽５０は洗浄液として水を貯留している。なお、水に限らず、アルカリ系の洗浄液、エタノール、炭化水素系の洗浄液、硝酸等を洗浄液として用いてもよい。

複数の超音波振動子６０は、いずれも洗浄槽５０の内側底面に位置している。複数の超音波振動子６０は、Ｘ軸方向に沿って配置されている。超音波振動子６０は、ＸＹ平面と平行な平坦な発振面を備えている。超音波振動子６０は、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂに対して、下方から＋Ｚ方向に向けて超音波を照射する。超音波振動子６０は、音波の照射により金属材料１０ｂの表面に残存する余剰カーボンを除去する。複数の超音波振動子６０は、いずれも共通の超音波発振器６１に接続されている。本実施形態では、超音波発振器６１の超音波強度は一定である。また、実施条件として、超音波の周波数は７８ｋＨｚであり、照射量は１０００〜１２００Ｗであり、音圧は０．２〜０．３ＭＰａである。なお、超音波の周波数と、照射量と、音圧は、他の任意の数値であってもよい。

複数の液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０の内側側面、すなわち洗浄槽５０のＹ軸方向端部に位置している。図１に示すように、複数の液体噴射ノズル７０の配置位置の高さ（Ｚ軸方向の位置）はいずれも、第１の下位案内ローラ４３と第２の下位案内ローラ４６との間の金属材料１０ｂの高さとほぼ同じである。複数の液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０の＋Ｙ方向の端部と−Ｙ方向の端部に、金属材料１０ｂの搬送方向に沿って交互に配置されている。液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０内に＋Ｙ方向の水流または−Ｙ方向の水流を形成する。具体的には、後述する図４に示すように、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂの上方側と下方側に対して、搬送方向と交差する方向の液体の流れを生じさせる。本実施形態において、「交差する方向」とは、直交する方向である。液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂが自重により垂れ下がることを抑制し、洗浄槽５０内における深さ方向の金属材料１０ｂの位置を、超音波振動子６０から照射される音波によるカーボンブラックの除去力が高い位置に維持する役割を担う。なお、本実施形態では、液体噴射ノズル７０から噴射されるのは水であるが、水に限らず他の液体であってもよい。

図２は、燃料電池セパレータの製造装置１００の部分的な平面模式図である。図３は、燃料電池セパレータの製造装置１００の部分的な側面模式図である。図２および図３に示すように、水が貯留された洗浄槽５０の底面に複数の超音波振動子６０がＸ軸方向に等間隔に配置されている。超音波振動子６０の上方である＋Ｚ方向に、ベルト状の金属材料１０ｂが位置する。金属材料１０ｂが通過する速度は、本実施形態では、３ｍ／ｍｉｎである。なお、３ｍ／ｍｉｎに限らず任意の速度であってもよい。本実施形態では、液面５０ａから超音波振動子６０までのＺ軸方向の距離は、７５ｍｍである。なお、７５ｍｍに限らず任意の距離であってもよい。また、本実施形態では、洗浄槽５０の底面に複数の超音波振動子６０がＸ軸方向に等間隔に配置されているが、当該配置は等間隔でなくてもよい。なお、超音波振動子６０は、特許請求の範囲における超音波照射部に該当する。

図２に示すように、複数の液体噴射ノズル７０は、Ｘ軸方向に沿って順に、洗浄槽５０の−Ｙ方向の内側側面に位置し、次に洗浄槽５０の＋Ｙ方向の内側側面に位置するように、洗浄槽５０の側面に互い違いに配置されている。当該交互配置された液体噴射ノズル７０からの噴射は、金属材料１０ｂのＹ軸方向への蛇行を抑制する。液体噴射ノズル７０の噴射強度は一定である。本実施形態では、液体噴射ノズル７０は、霧のいけうち製の１／４ＭＥＪＸＳ７０×２−４Ｓ３０３である。なお、他の種類のノズルを用いてもよい。

図４は、超音波振動子６０と液体噴射ノズル７０による洗浄の様子を示す模式図である。洗浄槽５０の−Ｙ方向の内側側面に液体噴射ノズル７０が位置し、洗浄槽５０の内側底面に超音波振動子６０が位置する。超音波振動子６０は、＋Ｚ方向の端面から、＋Ｚ方向に向かって超音波を照射する。なお、図４では、洗浄槽５０の−Ｙ方向の内側側面に配置された液体噴射ノズル７０のみを表し、＋Ｙ方向の内側側面に配置された液体噴射ノズル７０は、省略されている。液体噴射ノズル７０は、Ｚ軸方向の位置が、搬送される金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置とほぼ等しい位置となるように配置され、＋Ｙ方向を中心として、−Ｚ方向から＋Ｚ方向に亘って広角に水を噴射する。なお、図示は省略されているが、液体噴射ノズル７０は、Ｘ軸方向にも若干の広がりを生じるように、水を噴射する。このため、液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂの上方側（＋Ｚ方向側）と下方側（−Ｚ方向側）との両側に対して、略＋Ｙ方向の水の流れを生じさせる。

超音波振動子６０から超音波が照射されると、洗浄槽５０の水中に音圧の定在波ｗ１が生じる。この定在波ｗ１は、液面５０ａが節となり、且つ、液面５０ａから−Ｚ方向にλ／４＋（λ／２）×ｎ（λは一波長。ｎは、０以上の整数。）の距離毎に腹５０ｂ、５０ｃ、５０ｄとなる波である。定在波ｗ１の腹５０ｂ、５０ｃ、５０ｄでは、他の部分に比べて音圧が大きく、余剰カーボンの除去力が大きい。

図４に示すように、本実施形態では、金属材料１０ｂは、Ｚ軸方向の位置が、定在波ｗ１の腹５０ｃのＺ軸方向の位置と一致するように配置され、その位置を維持するようにして搬送される。かかる位置の維持は、第１の下位案内ローラ４３および第２の下位案内ローラ４６に加えて、複数の液体噴射ノズル７０から噴射される水流によって実現されている。以下、詳しく説明する。

２つの下位案内ローラ４３、４６の外周面の−Ｚ方向の端部の位置は、腹５０ｃのＺ軸方向の位置とほぼ等しく設定されている。したがって、２つの下位案内ローラ４３、４６によって繰り出されることにより、これらの下位案内ローラ４３、４６の近傍において、金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置は、腹５０ｃのＺ軸方向の位置とほぼ等しくなる。ここで、第１の下位案内ローラ４３および第２の下位案内ローラ４６の回転によって金属材料１０ｂが洗浄槽５０内を搬送される際に、いずれの液体噴射ノズル７０からも水の噴射が行われない場合、金属材料１０ｂは、自重により２つの下位案内ローラ４３、４６の間のＸ軸方向の中央位置を中心として、カテナリー状（懸垂線状）に−Ｚ方向に垂れ下がることとなる。しかし、２つの下位案内ローラ４３、４６の間において、各液体噴射ノズル７０から水が噴射されることにより、搬送される金属材料１０ｂの上方側と下方側との両側に対して、略Ｙ軸方向の水の流れが形成されている。このため、これらの水の流れにより、搬送される金属材料１０ｂの位置がＺ軸方向にずれることが抑制され、金属材料１０ｂの垂れ下がりは抑制されることとなる。この結果、金属材料１０ｂは、Ｚ軸方向の位置が腹５０ｃのＺ軸方向の位置に維持されつつ搬送されることとなる。

以上説明した実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００によれば、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂの上方側と下方側に対して、搬送方向と交差する方向の液体の流れを生じさせる液体噴射ノズル７０を備えるので、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂが自重により垂れ下がることを抑制し、洗浄槽５０内における深さ方向の金属材料１０ｂの位置を、超音波振動子６０から照射される音波によるカーボンブラックの除去力が高い位置に維持でき、表面に残存する余剰カーボンブラックの取り残しを抑制して余剰カーボンを除去できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００では、液体噴射ノズル７０は、Ｚ軸方向の位置（高さ）が搬送される金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置とほぼ同じになるように配置されていたが、本開示は、これに限定されない。例えば、液体噴射ノズル７０が、上下２つのノズルを有する構成であり、一方のノズルが、金属材料１０ｂの上方側に向けて＋Ｙ方向に洗浄液を噴射し、他方のノズルが、金属材料１０ｂの下方側に向けて＋Ｙ方向に洗浄液を噴射する構成とし、これら２つのノズルを有する液体噴射ノズル７０全体としての配置位置（重心位置）のＺ軸方向の位置が、搬送される金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置と異なる構成であってもよい。また、本実施形態では、金属材料１０ｂの上方側および下方側における洗浄液の流れの方向は、略Ｙ軸方向であったが、本開示はこれに限定されない。Ｘ軸方向およびＺ軸方向と交差する任意の方向であってもよい。すなわち、一般には、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂの上方側と下方側との両側に対して、搬送方向と交差する方向の洗浄液の流れを生じさせるノズルを、本開示の液体噴射ノズルとしてもよい。

（Ｂ２）第１実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００は、液体噴射ノズル７０が洗浄槽５０の−Ｙ方向の内側側面と＋Ｙ方向の内側側面において搬送方向に交互配置されていたが、交互配置でなくてもよい。液体噴射ノズル７０は、−Ｙ方向の内側側面のみに位置してもよいし、＋Ｙ方向の内側側面のみに位置してもよい。

（Ｂ３）第１実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００において、液体噴射ノズル７０は、洗浄槽５０内を搬送される金属材料１０ｂの上方側と下方側との両側に対して、水の流れを生じさせていたが、本開示はこれに限定されない。液体噴射ノズル７０は、金属材料１０ｂの下方側のみに対して、搬送方向と交差する方向の水の流れを生じさせてもよい。かかる構成においても、自重による垂れ下がりを抑制可能である。

（Ｂ４）第１実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００において、金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置は、定在波ｗ１の腹５０ｃのＺ軸方向の位置とほぼ等しくなるように配置されていたが、本開示はこれに限定されない。金属材料１０ｂのＺ軸方向の位置は、定在波ｗ１の節のＺ軸方向の位置でなければ、腹のＺ軸方向の位置とほぼ等しくなくてもよい。

（Ｂ５）第１実施形態の燃料電池セパレータの製造装置１００において、超音波振動子６０は洗浄槽５０内の内側底面に配置されていたが、本開示はこれに限定されない。超音波振動子６０は、洗浄槽５０の外側底面に配置されていてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

ｗ１…定在波、１０…金属材料、１０ａ…金属材料、１０ｂ…金属材料、１１…ロール、２０…カーボンブラック塗布部、３０…焼成部、４０…搬送部、４２…第１の外部案内ローラ、４３…第１の下位案内ローラ、４６…第２の下位案内ローラ、４７…第２の外部案内ローラ、５０…洗浄槽、５０ａ…液面、５０ｂ…腹、５０ｃ…腹、５０ｄ…腹、６０…超音波振動子、６１…超音波発振器、７０…液体噴射ノズル、１００…製造装置

Claims

燃料電池セパレータの製造装置であって、
液体を貯留可能な洗浄槽と、
表面にカーボンブラックが塗布された後に焼成して得られた前記燃料電池セパレータ用の板状の金属材料を、前記表面が鉛直方向を向いた状態で前記液体が貯留された前記洗浄槽内を搬送する搬送部と、
前記洗浄槽内を搬送される前記金属材料に対して、下方から超音波を照射する超音波照射部と、
前記洗浄槽内を搬送される前記金属材料の上方側と下方側とのうちの少なくとも下方側に対して、前記搬送方向と交差する方向の前記液体の流れを生じさせる液体噴射ノズルと、
を備える、燃料電池セパレータの製造装置。