JP4407739B2 - 燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関し、特に燃料電池セパレータの表面処理技術に関する。

水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、例えば、車両などに搭載され、車両駆動用のモータの電力源などとして利用される。

化学反応後に生じる生成水などによる腐食を防ぐために、燃料電池に利用される部品は耐食性が必要とされる。例えば、燃料電池に利用されるセパレータ（燃料電池セパレータ）には、耐食性を高めるための表面処理が施される。そのため、従来から、燃料電池セパレータの表面処理に関する様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、セパレータの耐食性を高めるためにセパレータの表面に樹脂コートを形成する技術が記載されている。また、特許文献２には、セパレータの表面に形成された耐食性皮膜のピンホールを樹脂で封止する技術が記載されている。また、特許文献３には、セパレータの表面に下地コートと貴金属コートと炭素材料のコートによる多層コートを形成する技術が記載されている。

特開２００７−１２３００号公報 特開２００１−６８１２９号公報 特開２００２−６３９１４号公報

引用文献１に記載のセパレータは、樹脂コートの下層に金属コートが形成されているため、金属の使用量が多くなるという問題があった。

本発明は、セパレータ基材と樹脂コートと金属コートからなる燃料電池セパレータにおいて、金属コート層のための金属使用量を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池セパレータの製造方法は、セパレータ基材の表面に樹脂性コートと金属性コートを形成して燃料電池セパレータを製造する方法であって、セパレータ基材の表面のうちの対象領域に樹脂性コートを形成する樹脂性コート形成工程と、セパレータ基材の表面の露出部分に金属性コートを形成する金属性コート形成工程と、を含むことを特徴とする。この態様によれば、セパレータ基材と樹脂コートと金属コートからなる燃料電池セパレータにおいて、金属コート層のための金属使用量を低減できる。

望ましい態様において、前記金属性コート形成工程は、セパレータ基材の表面の露出部分に金属を電着させる電気メッキ処理を含むことを特徴とする。この態様によれば、セパレータ基材と樹脂コートと金属コートからなる燃料電池セパレータにおいて、樹脂コート層の下層の全域に金属コート層を形成する場合に比べて、金属コート層のための金属使用量を低減できる。

望ましい態様において、金属性コートが形成されたセパレータ基材の金属性コート表面に導電性ペーストを塗装するペースト塗装工程をさらに含むことを特徴とする。この態様によれば、セパレータ基材と樹脂コートと金属コートからなる燃料電池セパレータにおいて、金属コート層のための金属使用量を低減できる。

望ましい態様において、前記セパレータ基材の表面の露出部分は、形成された樹脂性コートの欠陥部分を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池セパレータは、板状に形成されたセパレータ基材の表面に樹脂性コートと金属性コートを備えた燃料電池セパレータであって、前記セパレータ基材は、膜電極接合体に対向する発電領域とマニホールドとして機能する開口を含んだ周縁領域とを備え、前記樹脂性コートは、セパレータ基材の周縁領域の表面に形成され、前記金属性コートは、セパレータ基材の表面の露出部分に形成されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記金属性コートは、セパレータ基材の発電領域の表面に形成され、金属性コートが形成されたセパレータ基材の膜電極接合体と対向する面側において金属性コート表面に導電性ペーストが塗装されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記セパレータ基材の表面の露出部分は、形成された樹脂性コートの欠陥部分を含むことを特徴とする。

本発明により、セパレータ基材と樹脂コートと金属コートからなる燃料電池セパレータにおいて、金属コート層のための金属使用量を低減できる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、本発明に係る燃料電池セパレータ１０の概略図が示されている。燃料電池セパレータ１０は、例えば車両に搭載される燃料電池の部品として好適なものであるが、燃料電池セパレータ１０の用途は車両に限定されない。

燃料電池セパレータ１０は、表裏の面が略長方形の板状の部材である。燃料電池セパレータ１０は、例えばＳＵＳ材やカーボンなどの導電性を備えた材料で形成される。燃料電池セパレータ１０は、略長方形の面の中央部に、ＭＥＡ（膜電極接合体）に対向する発電領域１２を備えている。発電領域１２には、反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）流路や冷却水流路のための凹凸が適宜設けられる。

２枚の燃料電池セパレータ１０によってＭＥＡを挟持して電池セルを形成する場合に、燃料電池セパレータ１０の発電領域１２に対向するようにＭＥＡが積層される。なお、燃料電池セパレータ１０とＭＥＡとの間に樹脂性のフレームなどが挿入されてもよい。そして、２枚の燃料電池セパレータ１０によってＭＥＡを挟持した複数の電池セルが積層されることにより燃料電池が形成される。

燃料電池セパレータ１０は、略長方形の面の周縁部、つまり、発電領域１２を取り囲む発電領域１２以外の周縁領域に複数の開口１４を備えている。図１において、燃料電池セパレータ１０は、その長手方向の両端側にそれぞれ３個の開口１４を備えている。なお、図１に示す開口１４の位置や形状は、あくまでも一例に過ぎない。

燃料電池セパレータ１０に設けられた開口１４は、この燃料電池セパレータ１０によって燃料電池を形成した場合に、マニホールドとして機能する。マニホールド内には、燃料ガスと酸化ガスの化学反応後に生じる生成水などが流れる。そのため、マニホールドを形成する開口１４には、生成水などによる腐食を防ぐために、樹脂性コートの一例である樹脂コートが施される。

樹脂コートは、燃料電池セパレータ１０の周縁領域の略全域を覆うように形成される。つまり、図１において、燃料電池セパレータ１０の発電領域１２以外の領域に樹脂コートが形成される。一方、発電領域１２には、その略全域に、金属性コートの一例である金属コートが形成される。そこで、本実施形態におけるコーティング処理（表面処理）について説明する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明において図１の符号を利用する。

図２から図４は、燃料電池セパレータ１０のコーティング処理を説明するための図である。図２から図４には、工程１から工程５までの各工程ごとに燃料電池セパレータ１０の表面の処理状態が示されている。図２から図４に示す断面は、図１の燃料電池セパレータ１０をその側面側（長辺側）から見たものである。なお、図２から図４に示す断面は、燃料電池セパレータ１０の表面の処理状態を分かりやすく説明するための模式図であり、各コートの厚さなどが図示されるものと異なってもよい。

図２は、樹脂コート３０の形成処理を説明するための図である。樹脂コート３０は、燃料電池セパレータ１０の周縁領域の略全域に形成される。燃料電池セパレータ１０の周縁領域に樹脂コートを形成する際には、樹脂コートを不要とする領域がマスキング用の治具などによってマスキングされる。

そこで、工程１において、例えば、板状の燃料電池セパレータ１０を表裏の両面から挟み込むマスキング治具２０によって、燃料電池セパレータ１０の表裏の面の発電領域１２がマスキングされる。そして、工程２において、マスキング治具２０によって発電領域１２がマスキングされた状態で燃料電池セパレータ１０の表面（セパレータ基材の表面）に樹脂コート３０が形成される。

樹脂コート３０のコーティングには、電着処理が利用され、樹脂粉末の一部分をイオン化して得られる陽イオン性樹脂を燃料電池セパレータ１０の表面に電着させる。電着処理の際には、陽イオン性樹脂が存在する溶液中で、燃料電池セパレータ１０に端子を接触させて負極電圧を印加し、対極に正極電圧を印加することにより、燃料電池セパレータ１０側に陽イオン性樹脂を引き寄せ、燃料電池セパレータ１０の表面に陽イオン性樹脂を付着させる。その際、燃料電池セパレータ１０には、マスキングが施されているため、マスキング治具２０によってマスキングされていない領域、つまり、燃料電池セパレータ１０の周縁領域に陽イオン性樹脂が付着する。電着処理により、燃料電池セパレータ１０の周縁領域の表面には、均一かつ緻密に樹脂粉末がコートされる。

本実施形態では、燃料電池セパレータ１０の表面に電着処理により樹脂粉末がコートされた後、その燃料電池セパレータ１０からマスキング治具２０を取り外し、樹脂粉末を燃料電池セパレータ１０の表面に焼き付ける焼付処理を実行する。そして、燃料電池セパレータ１０の表面に付着した樹脂粉末を溶かすことにより、樹脂のコートをさらに均一かつ緻密にした後、樹脂を硬化させ、燃料電池セパレータ１０の表面に樹脂コート３０が形成される。

図３は、金属コート４０の形成処理を説明するための図である。工程３において、樹脂粉末の焼付処理が実行されて燃料電池セパレータ１０の表面に樹脂コート３０が形成されると、工程４において、マスキング治具が取り外された発電領域に金属コート４０が形成される。

金属コート４０のコーティングにも、電着処理が利用され、イオン化した金属（例えば金の錯イオンなど）を燃料電池セパレータ１０の表面に電着させる。電着処理の際には、金属の錯イオンが存在する溶液中で、燃料電池セパレータ１０に端子を接触させ、燃料電池セパレータ１０をカソード側にして電流を流すことにより、燃料電池セパレータ１０側に錯イオンを引き寄せ、燃料電池セパレータ１０の表面に錯イオン中の金属を付着させる。その際、燃料電池セパレータ１０には、樹脂コート３０が形成されているため、絶縁性を備えた樹脂コート３０がマスキングとして機能する。そのため、樹脂コート３０が形成されていない領域にのみ、つまり、燃料電池セパレータ１０の発電領域に錯イオン中の金属が付着して、金属コート４０（めっき膜）が形成される。

図４は、導電性ペースト５０の塗装処理を説明するための図である。燃料電池セパレータ１０の周縁領域の表面に樹脂コート３０が形成され、燃料電池セパレータ１０の発電領域の表面に金属コート４０が形成されると、工程５において導電性ペースト５０が塗装される。導電性ペースト５０は、燃料電池セパレータ１０のＭＥＡと対向する面側に、つまり、図４においてＭＥＡと対向する上側の面にのみ塗装される。導電性ペースト５０は、例えばカーボンペーストである。なお、樹脂コート３０と金属コート４０の境界の近傍において、例えば樹脂コート３０の表面には接着剤６０が載せられる。

上記のとおり、図２から図４に示した工程１から工程５までの処理により、燃料電池セパレータ１０に樹脂コート３０と金属コート４０と導電性ペースト５０が形成される。本実施形態では、工程４において金属コート４０が形成される際に、樹脂コート３０の欠陥により燃料電池セパレータ１０の表面（セパレータ基材の表面）が露出した部分にも金属コート４０が形成され、欠陥がコーティングされる。

図５は、樹脂コート３０の欠陥３２のコーティングを説明するための図である。図５には、先に説明した工程３と工程４における燃料電池セパレータ１０の周縁領域部分の拡大図、つまり樹脂コート３０が形成された部分の拡大図が示されている。

電着処理と焼付処理により燃料電池セパレータ１０の周縁領域の表面には、均一かつ緻密な樹脂コート３０が形成される。ところが、工程３において形成された樹脂コート３０は、図５に示すような欠陥３２（微小な孔）を含む場合がある。

本実施形態では、形成された樹脂コート３０に欠陥３２が含まれる場合においても、工程４において形成される金属コート４０がその欠陥３２をコーティングする。つまり、工程４の電着処理において燃料電池セパレータ１０に錯イオン中の金属が付着する際に、発電領域に加えて、樹脂コート３０の欠陥３２により表面（セパレータ基材の表面）が露出した部分にも金属が付着して、図５に示すように欠陥３２の部分に金属コート４０が形成される。

そのため、本実施形態においては、樹脂コート３０の欠陥３２部分でセパレータ基材の表面が露出したままの場合に比べて、燃料電池セパレータ１０の耐食性が高められる。さらに、本実施形態では、工程５において導電性ペースト５０が形成される際に、金属コート４０の欠陥により燃料電池セパレータ１０の表面（セパレータ基材の表面）が露出した部分がコーティングされる。

図６は、金属コート４０の欠陥４２のコーティングを説明するための図である。図６には、先に説明した工程４と工程５における燃料電池セパレータ１０の発電領域部分の拡大図、つまり金属コート４０が形成された部分の拡大図が示されている。

電着処理により燃料電池セパレータ１０の発電領域の表面には、均一かつ緻密な金属コート４０が形成される。ところが、工程４において形成された金属コート４０は、図６に示すような欠陥４２（微小な孔）を含む場合がある。

本実施形態では、形成された金属コート４０に欠陥４２が含まれる場合においても、工程５において塗装される導電性ペースト５０が図６に示すように欠陥４２をコーティングする。そのため、本実施形態においては、金属コート４０の欠陥４２部分でセパレータ基材の表面が露出したままの場合に比べて燃料電池セパレータ１０の耐食性が高められる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態によれば、従来の樹脂コートと金属コートの二層構成に比べて、本発明の構成はセパレータを薄くすることが出来る。また、本実施形態によれば、金属コート４０が発電領域と極めて小さい樹脂コート３０の欠陥部分にのみ形成される。そのため、金属コート４０を燃料電池セパレータ１０の全体にコーティングする場合に比べて、金属コート４０の量を減らすことができて低コスト化が可能になる。また、本実施形態によれば、１回の工程（図３，４の工程４）により、発電領域と樹脂コートの欠陥がコーティングされる。そのため、発電領域のコーティングと樹脂コートの欠陥のコーティングとを別々の工程で行う場合に比べて、工程数を減らすことが可能になる。

なお、上述した実施形態やその効果などは、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上述した実施形態では、樹脂コートの際に電着処理を利用しているが、電着処理に換えて、射出成形などによって樹脂コートを実現してもよい。また、金属コートについても、電着処理に換えて、塗布、蒸着、スパッタ、イオンプレーティングなどのコーティング処理を利用してもよい。また、金属コートは、金（Ａｕ）の他、銅、銀、白金などによって実現されてもよい。また、例えば、導電性を備えた下地処理することも好適である。

本発明に係る燃料電池セパレータ１０の概略図である。 樹脂コートの形成処理を説明するための図である。 金属コートの形成処理を説明するための図である。 導電性ペーストの塗装処理を説明するための図である。 樹脂コートの欠陥のコーティングを説明するための図である。 金属コートの欠陥のコーティングを説明するための図である。

符号の説明

１０ 燃料電池セパレータ、１２ 発電領域、３０ 樹脂コート、４０ 金属コート、５０ 導電性ペースト。

Claims (6)

1. 膜電極接合体に対向する発電領域とマニホールドとして機能する開口を含んだ周縁領域とを備えたセパレータ基材の表面に樹脂性コートと金属性コートを形成して燃料電池セパレータを製造する方法であって、
   前記セパレータ基材の周縁領域の表面に樹脂性コートを形成する樹脂性コート形成工程と、
   前記セパレータ基材の表面の露出部分に金属性コートを形成する金属性コート形成工程と、
   金属性コートが形成された前記セパレータ基材の金属性コート表面に導電性ペーストを塗装するペースト塗装工程と、
   を含み、
   前記セパレータ基材の表面の露出部分は、形成された樹脂性コートの欠陥部分を含む、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、
   前記金属性コート形成工程は、セパレータ基材の表面の露出部分に金属を電着させる電気メッキ処理を含む、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
3. 請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、
   前記樹脂性コートと前記金属性コートの境界の近傍において前記セパレータ基材に接着剤を載せる工程をさらに含む、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
4. 板状に形成されたセパレータ基材の表面に樹脂性コートと金属性コートを備えた燃料電池セパレータであって、
   前記セパレータ基材は、膜電極接合体に対向する発電領域とマニホールドとして機能する開口を含んだ周縁領域とを備え、
   前記樹脂性コートは、セパレータ基材の周縁領域の表面に形成され、
   前記金属性コートは、セパレータ基材の表面の露出部分に形成され、
   前記セパレータ基材の表面の露出部分は、形成された樹脂性コートの欠陥部分を含み、
   前記セパレータ基材の金属性コート表面に導電性ペーストが塗装される、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
5. 請求項４に記載の燃料電池セパレータにおいて、
   前記樹脂性コートと前記金属性コートの境界の近傍において前記樹脂性コートの表面に接着剤が載せられる、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
6. 請求項４に記載の燃料電池セパレータにおいて、
   前記金属性コートは、セパレータ基材の発電領域の表面に形成され、
   金属性コートが形成されたセパレータ基材の膜電極接合体と対向する面側において金属性コート表面に前記導電性ペーストが塗装される、
   ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
   

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