JP2021136199A - セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用のセパレータの製造を低コストで実行する。【解決手段】燃料電池用のセパレータの製造方法であって、容器１１内にセパレータの基材２１をセットする際に、スタック形成時にＭＥＧＡと対向しない側となる面を、容器１１内の一面に設けられたヒーター１２に向けてセットするステップを備える。これにより、ヒーター１２に対向するように配置された面の成膜が、ヒーター１２とは反対側となるように配置された面の成膜より薄く成膜されることから、１つのヒーター１２のみを用いる環境において、膜厚を調整できる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法に関する。

近年、車載用の燃料電池が用いられている。車載用の燃料電池には低価格化が求められており、材料及び加工にかかるコストの低減が求められている。

このような分野の技術として、特開２０１８−１１１８６６号公報がある。この公報に記載された燃料電池用のセパレータを、表面にプラズマＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）法によって、炭素皮膜を化学蒸着により形成する手法が開示されている。

このセパレータの製造装置では、セパレータを２つのヒーターによって挟み込むように配置して、製造を行う。

なお例えば、燃料電池のセパレータの構造として、ステンレス鋼のような金属基材に対して、第１層としてチタンやクロムオキシカーバイトのような耐食性被膜をコートし、第２層として、導電性のカーボン被膜をコートするものが開示されている。

特開２０１８−１１１８６６号公報

しかしながら、前述した関連するセパレータの製造装置では、セパレータの両面にヒーターが設けられているため、装置が大掛かりになるとともに、コストが増大する。

ここで、一般に真空成膜装置は、少量多種向けではない大バッチ方式であり、大きな真空容器内で小さなワークを回転させるなどによって、コーティングしたい面に均一に成膜することに主眼が置かれる装置である。そのため、表裏を同時に作り分ける装置は、種類が乏しい。

一方、比較的安価なステンレス鋼について、コイル状態で連続処理するプレコート箔の方法も考えられる。しかしながら、燃料電池セパレータとして流路形状をプレスすると、コートが薄い延びた部分が未コーティング部分として新生される。また、これを避けるために厚コートとすると、コーティングにひびが入る可能性があり、適用が難しい。

また、燃料電池に用いられるセパレータには、ＭＥＡ（燃料電池用膜電極接合体）やシステムの設計によっては、耐酸性や低抵抗が求められる。そのため、セパレータの表裏で求められる機能が異なることが要求される場合がある。ここで、セパレータの製造における一度の処理で表裏を塗り分けることができず、両面の環境に対して必要十分な品質とすることが考えられる。

この必要十分な品質を確保するため、例えば材料としてチタンを用いることや、ステンレス鋼に金メッキを行ったものを用いることがあり、コストが増大するという問題もある。そのため、ステンレス鋼のような金属に、カーボンのような安価な材料でのコーティング適用を進めたいという要望がある。

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造を低コストで実行するためのセパレータの製造方法を提供するものである。

本発明にかかるセパレータの製造方法は、燃料電池用のセパレータの製造方法であって、容器内にセパレータの基材をセットする際に、スタック形成時にＭＥＧＡと対向しない側となる面を、容器内の一面に設けられたヒーターに向けてセットするステップを備える。
これにより、形成する炭素皮膜の厚さを調整することができる。

これにより、燃料電池用のセパレータの製造を低コストで実行することができる。

製造装置の構成を示す図である。 セパレータの使用環境の一例を示す図である。 第１の成膜を形成する状態を示す図である。 第２の成膜を形成する状態を示す図である。 第２の成膜を形成する際におけるワーク周りの放電状態の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、製造装置１は、成膜対象を格納して成膜を実行するためのチャンバーである容器１１と、容器１１内を加熱するヒーター１２と、ＰＶＤ発生源１３と、アセチレンガス供給部１４と、ガス排気部１５と、を備える。なお、容器１１内において、両面に薄膜を成膜させる対象である平板状の基材２１が配置される。

基材２１は、燃料電池用のセパレータの母材であって、ステンレス製の流路形状プレス品である。なお基材２１は、容器１１内に配置された状態で、容器１１の外部に設けられたＤＣ電源、及び、高周波電源に接続されている。

プラズマＣＶＤ用の容器１１は、内部に基材２１が配置されている。また容器１１には、平板状である基材２１の一方の面に対向する一面にヒーター１２が配置され、他方の面に対向するようにＰＶＤ発生源１３が配置されている。さらに容器１１には、ＰＶＤ発生源１３が配置されている箇所の近傍にアセチレンガス供給部１４が設けられており、ヒーター１２が配置されている箇所の近傍にガス排気部１５が設けられている。

なお容器１１内において基材２１が配置された位置を略中央として、ヒーター１２が配置されている方向をＡ方向、ＰＶＤ発生源１３が配置されている方向をＢ方向とする。

ここで容器１１内において基材２１が配置される向きは、図２に示すようにセパレータの面であって、スタック形成時にＭＥＧＡと対向しない側の面を、図１に示したヒーター１２に向けるようにセットする。ここでＭＥＧＡとは、電解質膜-電極-ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer(GDL) Assembly）である。

ヒーター１２は、容器１１のＡ方向側の面に設けられている。ヒーター１２を稼働させることにより、容器１１内を加熱する。なお容器１１内において、ヒーター１２と基材２１の間の空間を、空間Ａとする。

ＰＶＤ発生源１３は、容器１１のＢ方向側の面に設けられている。ＰＶＤ発生源１３は、後述するように第１の成膜２２であるチタン膜を成膜する際に、ＤＣ電源による通電により蒸発する。これによりＰＶＤ発生源１３は、後述する第１の成膜２２を成膜するための材料を、基材２１に向けて供給する。なお典型的には、ＰＶＤ発生源１３は、後述する第２の成膜２３を成膜する際には、材料の供給を行わない。

アセチレンガス供給部１４は、ＰＶＤ発生源１３の近傍において、容器１１内にアセチレンガスを供給する箇所である。より具体的には、アセチレンガス供給部１４は、後述する第２の成膜２３を成膜する際に容器１１内にアセチレンガスを供給する。一方、アセチレンガス供給部１４は、後述する第１の成膜２２を成膜する際には、アセチレンガスの供給は行わない。

ガス排気部１５は、容器１１の壁面において、ヒーター１２が設けられている箇所の近傍に設けられている。ガス排気部１５は、容器１１内のガスを、容器１１の外に廃棄する。

基材２１には、製造装置１の動作によって、第１の成膜２２と、第２の成膜２３が形成される。ここでは、第１の成膜２２は、基材２１に対してＢ方向の面にチタン膜として形成される。

第２の成膜２３は、基材２１に第１の成膜２２を形成した後に、基材２１と第１の成膜２２からなるワークに対して、Ａ方向及びＢ方向の両面に成膜される導電カーボン膜である。言い換えると、第２の成膜２３は、Ａ方向の面においては基材２１のＡ方向の面上に成膜されるとともに、Ｂ方向の面においては第１の成膜２２上に成膜される。以下では、第２の成膜２３においてＡ方向側の面に形成されるものをＡ方向側の第２の成膜２３ａ、Ｂ方向側の面に形成されるものをＢ方向側の第２の成膜２３ｂとする。

なお後述するように、Ａ方向側の第２の成膜２３ａは、Ｂ方向側の第２の成膜２３ｂより薄く形成される。

次に、製造装置１を利用してセパレータを形成する手順について説明する。すなわち、基材２１に対して第１の成膜２２と第２の成膜２３を形成する手順について説明する。

最初に、容器１１内に基材２１をセットする。ここで容器１１内の基材２１は、製造したセパレータを用いてスタック形成する際にＭＥＧＡと対向しない側となる面が、容器１１内のＡ方向側の面に設けられたヒーター１２に向けられた状態となるようにセットされる。また言い換えると、容器１１内の基材２１は、形成されたセパレータを用いてスタック形成する際にＭＥＧＡと対向する側となる面が、容器１１内においてヒーター１２が設けられた面とは逆方向であるＢ方向側に向けられた状態となるようにセットされる。

次に、第１の成膜２２の形成する手順について説明する。

図３に示すように、容器１１内に基材２１を配置した状態で、ＤＣ電源から基材２１に電力を供給するとともに、ＤＣ電源からＰＶＤ発生源１３に電力を供給する。さらに、ヒーター１２は、容器１１内の加熱を行う。

これにより、ＰＶＤ発生源１３から供給された材料が基材２１のＢ側の面に蒸着され、チタン膜である第１の成膜２２を形成する。

なおガス排気部１５では、第１の成膜２２の形成中、容器１１内のガスが廃棄される状態を維持する。

次に、第２の成膜２３の形成について説明する。

図４に示すように、容器１１内に、第１の成膜２２が形成済みである基材２１を配置した状態とする。基材２１にはＤＣ電源と、高周波電源から電力を供給する。なお、高周波電源からは、例えば１３．５６ＭＨｚの交流電流が供給される。

アセチレンガス供給部１４は、容器１１内にアセチレンガスを供給する。また、ヒーター１２は、容器１１内を加熱する。

ここで、P:圧力制御（一定のガス流量で原料ガスを流入）、V：圧力容器の体積（一定）、R：定数として、気体の状態方程式である、

を容器１１内に当てはめると、ヒーター１２により十分に加熱されたときに、熱源であるヒーター１２に近い空間Ａと、ＰＶＤ発生源１３側である空間Ｂとでは、ヒーター１２に近い空間Ａの温度ＴＡが、空間Ｂの温度ＴＢより高くなる。

そのため、上記の期待の状態方程式に従い、ｎ（空間に存在する分子の数）に差が発生する。すなわち、空間Ｂに存在する分子の数ＮＢは、空間Ａに存在する分子の数ＮＡに比べて多くなる。

そのため、成膜対象である第１の成膜２２を設けた基材２１に対し、第２の成膜２３が形成される際に、ヒーター１２側であるＡ方向の面と、ＰＶＤ発生源１３側であるＢ方向の面とで、厚みが異なる状態となる。すなわち、Ａ方向側の第２の成膜２３ａは、Ｂ方向側の第２の成膜２３ｂより薄く形成される。

なお、このとき成膜される膜の品質は、基材２１の温度と、それに引き付けられるエネルギーであるバイアス電圧によって決定するため、ヒーター１２により十分に容器１１内が加熱され、温度が一様となった状態においてＡ方向側の第２の成膜２３ａとＢ方向側の第２の成膜２３ｂの品質は、同程度となる。

図５は、第２の成膜２３を形成する際における、基材２１と第１の成膜２２からなるワーク周りの放電状態の一例を示した図である。この図では、ヒーター１２側、すなわちＡ方向側のプラズマが薄い状態が示されている。なおその結果、Ａ方向側の第２の成膜２３ａは、Ｂ方向側の第２の成膜２３ｂより薄く形成される。

ここで表１に、製造装置１を用いて第２の成膜２３を形成した際の結果の例を示す。この表１の実験条件は、アセチレンガス供給部１４から供給されるガス圧力は２０Ｐａ、ヒーター１２の温度は６００℃であり、さらに実験条件として、ガス流量を５００ｓｃｃｍ、７００ｓｃｃｍ、１０００ｓｃｃｍとし、Ａ方向側の第２の成膜２３ａ、Ｂ方向側の第２の成膜２３ｂを成膜した結果を示している。

このように、製造装置１を用いて第２の成膜２３を形成した場合、Ｂ方向側の第２の成膜２３ｂの厚さが、Ａ方向側の第２の成膜２３ａに比べて４〜８％厚く形成されている結果が得られている。

したがって、ワークに対して皮膜を形成する際に、ヒーターを対向させた側の膜厚が、ヒーターを対向させていない逆側より薄く形成されることを利用して、形成される皮膜の厚さを調整することができる。言い換えると、セパレータを形成する際に、製造装置に１つのヒーターのみを用いることとするとともに、炭素皮膜の膜厚を薄くしたいワークの面をヒーターと対向するように配置することで、良好に炭素皮膜を形成することができる。これにより、製造装置ではワークを挟むように２つのヒーターを設ける必要はなく、コストを低減させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

例えば上記の説明では、第１の成膜２２を形成する前に、容器１１内の基材２１が、製造したセパレータを用いてスタック形成する際にＭＥＧＡと対向しない側となる面が、容器１１内のＡ方向側の面に設けられたヒーター１２に向けられた状態となるようにセットされることとして説明したが、これに限られない。例えば、基材２１を含めたワークにおける面の向きについて、任意のタイミングで、いずれの面をヒーター１２側に向けるかを調整してもよい。

１ 製造装置
１１ 容器
１２ ヒーター
１３ ＰＶＤ発生源
１４ アセチレンガス供給部
１５ ガス排気部
２１ 基材
２２ 第１の成膜
２３ 第２の成膜
２３ａ Ａ方向側の第２の成膜
２３ｂ Ｂ方向側の第２の成膜

Claims (1)

1. 燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
   容器内に前記セパレータ用の基材をセットする際に、スタック形成時にＭＥＧＡと対向しない側となる面を、容器内の一面に設けられたヒーターに向けてセットするステップを備える
   セパレータの製造方法。

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