JP2022073337A - 燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造工程の効率化が図られ、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池を構成する燃料電池セパレータ１であって、ステンレスにより構成される基材１１と、発電部を有する中央部３０と、未発電部を有する外周部２０と、を有し、中央部３０は、前記基材上に形成された、基材１１を構成するステンレスとは異なる異種金属層１２と、前記異種金属層上に形成された、カーボン層１３とを有し、外周部２０は、異種金属層１２とカーボン層１３と、前記カーボン層上に形成された樹脂層１４とを有する部分と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず、前記基材上に形成された樹脂層１４を有する部分とを有する燃料電池セパレータ１である。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池を構成する燃料電池セパレータ１であって、ステンレスにより構成される基材１１と、発電部を有する中央部３０と、未発電部を有する外周部２０と、を有し、中央部３０は、前記基材上に形成された、基材１１を構成するステンレスとは異なる異種金属層１２と、前記異種金属層上に形成された、カーボン層１３とを有し、外周部２０は、異種金属層１２とカーボン層１３と、前記カーボン層上に形成された樹脂層１４とを有する部分と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず、前記基材上に形成された樹脂層１４を有する部分とを有する燃料電池セパレータ１である。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法に関する。
従来より、固体高分子型の燃料電池においては、固体高分子膜の両側に、空気電極、水素電極がそれぞれ接合され、更に、空気電極、水素電極のそれぞれにセパレータか対向して配置される構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。酸素又は空気が通過する空気電極側は、酸性度がｐＨ２～３の酸性の雰囲気となる。このため、セパレータは、ステンレス鋼板等の基材となる金属板の表面に、防食用の表面処理が施されて構成される。より具体的には、ステンレス鋼板の表面に、Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｎｉ－Ｃｒ合金から選ばれた耐酸性皮膜が形成され、更に耐酸性皮膜の上に、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれた導電性皮膜が形成される。
上記公報記載の従来のセパレータの製造工程では、ＰＶＤ法等によりステンレス鋼板等の基材となる金属板の表面に耐酸性皮膜が形成された後に、更に、ＰＶＤ法等により導電性皮膜が形成される。これをステンレス鋼板の表面と裏面との両方に行うのであるが、耐酸性皮膜の形成、及び、導電性皮膜の形成、という処理を、１枚のセパレータに対して行う必要があり、製造工程の効率化が求められていた。
本発明は、製造工程の効率化が図られ、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明は、燃料電池を構成する燃料電池セパレータ（例えば、後述の燃料電池セパレータ１）であって、ステンレスにより構成される基材（例えば、後述の基材１１）と、発電部を有する中央部（例えば、後述の中央部３０）と、未発電部を有する外周部（例えば、後述の外周部２０）と、を有し、前記中央部は、前記基材上に形成された、前記基材を構成するステンレスとは異なる異種金属層（例えば、後述の異種金属層１２）と、前記異種金属層上に形成された、カーボン層（例えば、後述のカーボン層１３）とを有し、前記外周部は、前記異種金属層と前記カーボン層と、前記カーボン層上に形成された樹脂層とを有する部分（例えば、後述の部分２１）と、前記異種金属層及び前記カーボン層を有しておらず前記基材上に形成された前記樹脂層を有する部分（例えば、後述の部分２２）とを有する燃料電池セパレータを提供する。
これにより、外周部を連続して覆うようにして樹脂層を形成することが可能となり、強酸性の雰囲気に曝される外周部において、基材、異種金属層が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。特に、耐酸性のＣｒにより構成される被膜が形成されていない基材の外周部の部分が、樹脂層により覆われているため、基材が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。この結果、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータとすることができる。
また、前記外周部が、前記樹脂層を有する部分を有する構成であるため、当該部分を治具により支持することを可能とし（又は支持した状態で）、基材の他の部分の表面及び裏面に対して、同時に、異種金属層及び前記カーボン層が形成された燃料電池セパレータとすることが可能となる。この結果、燃料電池セパレータの製造工程の効率化が図られた燃料電池セパレータとすることが可能となる。
この場合、前記異種金属層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの内の少なくとも１つにより構成されることが好ましい。これにより、基材が溶出することを抑えることが可能となる。
また、本発明は、燃料電池を構成する燃料電池セパレータ（例えば、後述の燃料電池セパレータ１）の製造方法であって、ステンレスにより構成される基材（例えば、後述の基材１１）の外周部を支持した状態で、前記基材の表面及び裏面に、前記基材を構成するステンレスとは異なる異種金属層（例えば、後述の異種金属層１２）を形成する工程と、前記基材の外周部（例えば、後述の外周部２０）を支持した状態で、前記基材の表面及び裏面の前記異種金属層上に、カーボン層（例えば、後述のカーボン層１３）を形成する工程と、前記基材の外周部に樹脂層（例えば、後述の樹脂層１４）を形成することにより、前記基材の外周部に、前記異種金属層と前記カーボン層と樹脂層とを有する部分（例えば、後述の部分２１）と、前記異種金属層及び前記カーボン層を有しておらず前記樹脂層を有する部分（例えば、後述の部分２２）とを形成する工程と、を有する燃料電池セパレータの製造方法を提供する。
これにより、ステンレス鋼板により構成される基材の表面及び裏面に対して、同時に異種金属層上にカーボン層を形成することが可能となり、燃料電池セパレータの製造工程の効率化が図られた燃料電池セパレータとすることが可能となる。
また、前記基材の外周部に樹脂層を形成することにより、前記基材の外周部に、前記異種金属層と前記カーボン層と樹脂層とを有する部分と、前記異種金属層及び前記カーボン層を有しておらず前記樹脂層を有する部分とを形成する工程と、を有するため、基材の外周部の内、異種金属層やカーボン層を形成する際に、基材を支持していたため前記異種金属層及び前記カーボン層が形成されていない部分（例えば後述の部分２２）が樹脂層により覆われているため、基材が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。この結果、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータとすることができる。
本発明によれば、製造工程の効率化が図られ、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、燃料電池セパレータ１を示す平面図である。
燃料電池セパレータ１を備える燃料電池は、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟持するカソード側の燃料電池セパレータ１及びアノード側の燃料電池セパレータ１とを備えている。複数の燃料電池は、積層されて燃料電池スタックを構成する。以下、説明の便宜上、カソード側の燃料電池セパレータ１と、アノード側の燃料電池セパレータ１とを特に区別せずに、燃料電池セパレータ１として説明する。
燃料電池セパレータ１は、長方形状のステンレス（ＳＵＳ）鋼板により構成される基材１１と、基材１１を構成するステンレスとは異なる異種金属層１２と、カーボン層１３と、樹脂層１４とを有している。基材１１は、平面視で外形が矩形状を有している。基材１１の中央部３０は、波形状にプレス加工されて表面が凹凸形状に成形されており、また、基材１１の外周部２０には、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔や、水素含有ガス等の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔等を構成する貫通孔１１１、１１２、１１３、１１４が複数形成されている。中央部３０は、燃料電池において電解質膜・電極構造体の電極に対向して配置される発電部を有する。外周部２０は、燃料電池において電解質膜・電極構造体の電極に対向しておらず、発電を行わない未発電部を構成する。
中央部３０は、基材１１上に形成された異種金属層１２と、異種金属層１２上に形成されたカーボン層１３とを有している。外周部２０は、基材１１上に形成された異種金属層１２と、異種金属層１２上に形成されたカーボン層１３と、カーボン層１３上に形成された樹脂層１４とを有する部分２１と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず基材１１上に形成された樹脂層１４を有する部分２２とを有している。
中央部３０及び外周部２０の異種金属層１２は、基材１１の表面と裏面に形成された、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの内の少なくとも１つにより構成される耐酸性の皮膜の層により構成される。本実施形態では、異種金属層１２は、Ｃｒにより構成される耐酸性の皮膜の層により構成される。中央部３０及び外周部２０のカーボン層１３は、基材１１の表面と裏面に形成された異種金属層１２上に積層されて形成された、カーボンの皮膜の層により構成される。
外周部２０の部分２１の樹脂層１４は、基材１１の表面と裏面に形成されたカーボン層１３上に積層されて形成された樹脂の層により構成される。また、外周部２０の部分２２の樹脂層１４は、異種金属層１２及びカーボン層１３が設けられていない基材１１の表面の部分、裏面の部分に形成された樹脂（本願においては、「樹脂」は、広義の樹脂を意味し、ゴムも含むことを意味する）により構成される層により構成される。外周部２０の部分２１の樹脂層１４及び外周部２０の部分２２の樹脂層１４は、連続して外周部２０をコーティングするように覆っており、酸素含有ガスや水素含有ガス等が漏れないようにシールをする。即ち、連続して外周部２０をコーティングする樹脂層１４は、外周部２０の部分２１においては、基材１１上に形成された異種金属層１２の更にその上に形成されたカーボン層１３をコーティングしており、外周部２０の部分２２においては、異種金属層１２及びカーボン層１３が形成されていない基材１１をコーティングしており、このため外周部２０においては、基材１１、異種金属層１２、及び、カーボン層１３は、樹脂層１４によってコーティングされている。
燃料電池セパレータ１は、矩形状の燃料電池セパレータ１の一対の短辺の一方の短辺の部分に、外周部２０の部分２２を有している。より詳細には、外周部２０の部分２２は、基材１１における酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔や、水素含有ガス等の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔等を構成する貫通孔の周縁部の、左右方向における中央の部分に位置している。この位置において、後述のように治具９により支持することで、安定して支持することが可能となる。外周部２０の部分２２は、基材１１の表面と裏面とを同時に、ＰＶＤコーティングにより異種金属層１２、カーボン層１３をそれぞれ形成しているときに、基材１１を支持する後述の治具９（図２参照）が基材１１に当接している部分であり、当該当接している治具９の部分の形状と同一の形状を有している。
次に、上記燃料電池セパレータ１を製造するための燃料電池セパレータの製造方法について説明する。図２は、燃料電池セパレータの製造方法において、カーボン層１３を形成した後であって樹脂層１４を形成する前の状態の燃料電池セパレータ１の基材１１の様子を示す平面図である。
燃料電池セパレータの製造方法では、ＰＶＤコーティングが行われて燃料電池セパレータ１が製造される。具体的には、先ず、表面及び裏面の外周部２０にプライマーを塗布した基材１１を、治具９によって把持することにより支持する。治具９により把持する基材１１の部分は、図１、図２に示すように、外周部２０の部分２２となる部分である。
次に、治具９により把持した状態で基材１１を処理炉に入れて密閉し、所定の圧力に至るまで真空排気する。以下、基材１１が処理炉から取り出されるまで、治具９により基材１１が把持されることにより支持された状態は維持される。次に、処理炉内の温度を上昇させて基材１１を十分に加熱する。これにより、基材１１の表面に付着している水分等の不純物を蒸発させる。次に、基材１１の表面にアルゴンイオンを衝突させて、酸化膜等の不純物を除去する。
次に、異種金属層１２を構成する金属材料と処理炉との間でアーク放電を行うことにより、金属材料を気化させてプラズマ状態としてイオン化する。そして、基材１１にマイナスの電圧を印加して、イオン化した金属材料を基材１１に高速で衝突させて、基材１１の表面及び裏面上に異種金属層１２を同時に形成する。
次に、カーボン層１３を構成するカーボン材料と処理炉との間でアーク放電を行うことにより、カーボン材料を気化させてプラズマ状態としてイオン化する。そして、基材１１にマイナスの電圧を印加して、イオン化したカーボン材料を基材１１に高速で衝突させて、基材１１の表面及び裏面上に形成された異種金属層１２上に、カーボン層１３を同時に形成する。カーボン層１３を形成後に、処理炉内に窒素またはヘリウムを注入し、異種金属層１２及びカーボン層１３を形成した基材１１を冷却する。
次に、異種金属層１２及びカーボン層１３を形成した基材１１を、処理炉から取り出し、治具９から取り外す。そして基材１１を、射出成形するための金型のキャビティにセットし、溶融した樹脂により射出成形して、基材１１の外周部２０を覆うように基材１１の外周部２０に樹脂を成形させる。このとき、外周部２０の部分２１においては、基材１１上に形成された異種金属層１２及びカーボン層１３を覆うようにして樹脂層１４が形成され、外周部２０の部分２２においては、治具９の基材１１への当接により異種金属層１２及びカーボン層１３が形成されていない基材１１の部分を覆うようにして樹脂層１４が形成される。そして、外周部２０の樹脂を硬化させることにより、燃料電池セパレータ１は製造される。
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、外周部２０は、異種金属層１２とカーボン層１３と樹脂層１４とを有する部分と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず樹脂層１４を有する部分とを有する。
本実施形態では、外周部２０は、異種金属層１２とカーボン層１３と樹脂層１４とを有する部分と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず樹脂層１４を有する部分とを有する。
これにより、外周部２０を連続して覆うようにして樹脂層１４を形成することが可能となり、強酸性の雰囲気に曝される外周部２０において、基材１１、異種金属層１２が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。特に、外周部２０の部分２２においては、耐酸性のＣｒにより構成される被膜が形成されていないが、基材１１の外周部２０の部分２２は樹脂層１４により覆われているため、基材１１が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。この結果、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータ１とすることができる。
また、外周部２０が、樹脂層１４を有する部分を有する構成であるため、当該部分を治具９により支持することを可能とし、又は、このように支持した状態で、基材１１の他の部分の表面及び裏面に対して、同時に、異種金属層１２及びカーボン層１３が形成された燃料電池セパレータ１とすることが可能となる。この結果、燃料電池セパレータ１の製造工程の効率化が図られた燃料電池セパレータ１とすることが可能となる。
また、本実施形態では、異種金属層１２は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの内の少なくとも１つにより構成される。これにより、ステンレス鋼板である基材１１から鉄が溶出することを抑えることが可能となる。
また、本実施形態では、ステンレスにより構成される基材１１の外周部２０を支持した状態で、基材１１の表面及び裏面に、基材１１を構成するステンレスとは異なる異種金属層１２を形成する工程と、基材１１の外周部２０を支持した状態で、基材１１の表面及び裏面の異種金属層１２上に、カーボン層１３を形成する工程と、を有する。
これにより、ステンレス鋼板により構成される基材１１の表面及び裏面に対して、同時に異種金属層１２上にカーボン層１３を形成することが可能となり、燃料電池セパレータ１の製造工程の効率化が図られた燃料電池セパレータ１とすることが可能となる。
また、基材１１の外周部２０に樹脂層１４を形成することにより、基材１１の外周部２０に、異種金属層１２とカーボン層１３と樹脂層１４とを有する部分と、異種金属層１２及びカーボン層１３を有しておらず樹脂層１４を有する部分とを形成する工程と、を有する。
これにより、基材１１の外周部２０の内、異種金属層１２やカーボン層１３を形成する際に、基材１１を治具９が支持していたため異種金属層１２及びカーボン層１３が形成されていない部分２２が樹脂層１４により覆われているため、基材１１が強酸性の雰囲気に曝されることを防ぐことが可能となる。この結果、耐酸性が充分に図られた燃料電池セパレータ１とすることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、基材、異種金属層、カーボン層、樹脂層、治具等の構成は、本実施形態による基材１１、異種金属層１２、カーボン層１３、樹脂層１４、治具９等の構成に限定されない。
また、例えば、樹脂層１４は、連続して外周部２０をコーティングしており、外周部２０の部分２１においては、基材１１上に形成された異種金属層１２の更にその上に形成されたカーボン層１３をコーティングしていたが、この構成に限定されない。基材１１の最外周部に、樹脂層１４が連続してコーティングされていれば、前記最外周部の内側の外周部において、基材１１上に異種金属層１２が形成されている部分であれば、その部分を樹脂層１４が部分的に覆っていない部分があってもよい。
例えば、基材、異種金属層、カーボン層、樹脂層、治具等の構成は、本実施形態による基材１１、異種金属層１２、カーボン層１３、樹脂層１４、治具９等の構成に限定されない。
また、例えば、樹脂層１４は、連続して外周部２０をコーティングしており、外周部２０の部分２１においては、基材１１上に形成された異種金属層１２の更にその上に形成されたカーボン層１３をコーティングしていたが、この構成に限定されない。基材１１の最外周部に、樹脂層１４が連続してコーティングされていれば、前記最外周部の内側の外周部において、基材１１上に異種金属層１２が形成されている部分であれば、その部分を樹脂層１４が部分的に覆っていない部分があってもよい。
１…燃料電池セパレータ
１１…基材
１２…異種金属層
１３…カーボン層
２０…外周部
２１、２２…部分
３０…中央部
１１…基材
１２…異種金属層
１３…カーボン層
２０…外周部
２１、２２…部分
３０…中央部
Claims (3)
- 燃料電池を構成する燃料電池セパレータであって、
ステンレスにより構成される基材と、
発電部を有する中央部と、
未発電部を有する外周部と、を有し、
前記中央部は、前記基材上に形成された、前記基材を構成するステンレスとは異なる異種金属層と、前記異種金属層上に形成された、カーボン層とを有し、
前記外周部は、前記異種金属層と前記カーボン層と、前記カーボン層上に形成された、樹脂層とを有する部分と、前記異種金属層及び前記カーボン層を有しておらず、前記基材上に形成された前記樹脂層を有する部分とを有する燃料電池セパレータ。 - 前記異種金属層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの内の少なくとも１つにより構成される請求項１記載の燃料電池セパレータ。
- 燃料電池を構成する燃料電池セパレータの製造方法であって、
ステンレスにより構成される基材の外周部を支持した状態で、前記基材の表面及び裏面に、前記基材を構成するステンレスとは異なる異種金属層を形成する工程と、
前記基材の外周部を支持した状態で、前記基材の表面及び裏面の前記異種金属層上に、カーボン層を形成する工程と、
前記基材の外周部に樹脂層を形成することにより、前記基材の外周部に、前記異種金属層と前記カーボン層と樹脂層とを有する部分と、前記異種金属層及び前記カーボン層を有しておらず前記樹脂層を有する部分とを形成する工程と、を有する燃料電池セパレータの製造方法。
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