JP5144054B2 - セパレータ素材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1−1)燃料電池の構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るセパレータ素材である金属板111,121から形成されたセパレータ110,120を備えた固体高分子型燃料電池100の構成を表す側断面図である。図2は、セパレータ110の冷媒面113の全体構成を表す平面図である。なお、図1は、図2のA−A’線における部分側断面図である。図2における矢印は、冷媒の流通方向を示している。金属板121の冷媒面123は、金属板111の冷媒面113と同じ構成を有しているので、その図示を省略している。
アノード側セパレータ110は金属板111(セパレータ素材)を備えている。金属板111の一方の積層面は、MEA130に対向する発電面112であり、他方の積層面は、冷媒面113である。カソード側セパレータ120は金属板121(セパレータ素材)を備えている。金属板121の一方の積層面は発電面122(一面)であり、他方の積層面は冷媒面123(一面)である。
次に、アノード側セパレータ110の製造方法の一例について説明する。なお、カソード側セパレータ120は、アノード側セパレータ110と同様な方法で得ることができるので、その説明は省略している。まず、所定の形状に切断されたステンレス鋼をプレス成形することにより、各部位が形成された発電面112および冷媒面113を有する金属板111を得る。続いて、図3に示すように、たとえばマスク211を用いて、発電面112および冷媒面113におけるプライマー層163が形成される領域、すなわち発電領域112Aおよび冷媒流路領域113A以外の領域(以下、プライマー層形成領域)に、UV処理あるいはプラズマ処理を選択的に行う。この場合、プライマー層形成領域に対する純水の接触角度α(単位:度)が、20≦α≦75を満足するように適宜処理条件を設定する。
次に、上記のような構成を有する固体高分子型燃料電池100の動作について説明する。まず、図1に示す燃料電池100において、酸化剤ガス供給溝112Bに空気を流し、燃料ガス供給溝122Bに水素ガスを流すと、MEA130に触れた水素が触媒反応により水素イオン(H+イオン)となる。水素イオンは、固体高分子電解質膜を透過し、カソード側で空気中の酸素と結合し、MEA130のカソード側において水が生成される。この際、カソード側セパレータ120には、水素から電離した電子が与えられるので、アノード側セパレータ110がカソード側セパレータ120に比較して高電位となる。
<実施例1,2>
実施例1、2では、UV処理装置を用いて、ステンレス鋼SUS304から構成される金属板の表面にUV処理を行った。UV処理装置として、ヤマト科学社製のUVオゾン洗浄装置OC2507型を使用し、紫外線ランプの照射強度は25W×7灯、紫外線ランプの照射距離は25mmとした。実施例1,2では、紫外線ランプの照射時間をそれぞれ10min,1minとした。そして、金属板の表面に対する純水の接触角度αを測定した結果、実施例1,2では、表1に示すように接触角度αがそれぞれ25度、45度であった。
実施例3では、プラズマ処理装置を用いて、ステンレス鋼SUS304から構成される金属板の表面にプラズマ処理を行った。プラズマ処理装置として、NAIS社製の大気圧プラズマクリーニング装置Aiplasmaワイドノズルタイプを使用した。そして、金属板の表面に対する純水の接触角度αを測定した結果、実施例3では、表1に示すように接触角度αが67度であった。
比較例1では、UV処理装置を用いて、ステンレス鋼SUS304から構成される金属板の表面にUV処理を行った。比較例1は、紫外線ランプの照射時間を30minとしたことが実施例1と異なり、それ以外の処理条件は、実施例1と同様にした。そして、金属板の表面に対する純水の接触角度αを測定した結果、比較例1では、表1に示すように接触角度αが17度であった。
比較例2では、ステンレス鋼SUS304から構成される金属板に上記のような表面処理を行わなかった。そして、金属板の表面に対する純水の接触角度αを測定した結果、比較例2では、表1に示すように接触角度αが81度であった。
塗布装置を用いて、実施例1〜3および比較例1,2の金属板の表面に接着剤のスプレー塗布を選択的に行い、厚さ5μmのプライマー層を形成した。塗布装置として、特開2005−26902号公報に開示されている装置を用いた。接着剤として、造膜剤にシリコーンレジン系樹脂を含む高耐酸性の接着剤を用いた。そして、接着剤のにじみ測定を行った。にじみ測定では、金属板の表面におけるマスク領域の見切りラインからマスク領域へプライマー層がにじんで形成されている場合、プライマー層のにじみ領域の見切りラインからの最大長をにじみ長とした。なお、見切りラインは金属板の表面のマスク領域と非マスク領域の境界線である。にじみ長が5mm未満の場合、接着剤のにじみ性が良好、にじみ長が5mm以上の場合、接着剤のにじみ性が不良であると評価した。その結果を表1に示す。なお、表1におけるすべての評価結果について、良好の場合は○、不良の場合は×と記している。
塗布装置を用いて、実施例1〜3および比較例1,2の金属板の表面に接着剤の塗布を行い、厚さ10μmのプライマー層を形成した。接着剤として、造膜剤にシリコーンレジン系樹脂を含む高耐酸性の接着剤を用いた。そして、プライマー層の表面に発生した塗布欠損の個数を調べた。その結果を表1に示す。
塗布装置を用いて、実施例1〜3および比較例1,2の金属板の表面に接着剤の塗布を行い、厚さ5μmのプライマー層を形成した。接着剤として、造膜剤にシリコーンレジン系樹脂を含む高耐酸性の接着剤を用いた。続いて、射出成形によって、プライマー層の上に、シリコーンゴムから構成される厚さ1mmの絶縁被覆部を形成した。シリコーンゴムとして、付加硬化型シリコーンゴム(信越化学製、製品名:KE−1950−50A/B、主剤と硬化剤との配合比は100/100)を用いた。射出成形では、加硫温度は150℃、加硫時間は5minとした。続いて、射出成形後、絶縁被覆部にポストキュアを行った。ポストキュアでは、加熱温度を200℃、加熱時間を2hrとした。
上記のように実施例1〜3および比較例1,2の金属板の表面に形成された絶縁被覆部のせん断剥離試験を行った。図5は、せん断剥離試験の様子を表す概略斜視図である。せん断剥離試験では、荷重Fを加えて、幅wが25mmの金属板221から絶縁被覆部223を30mm/minの剥離速度で引き剥がした。剥離試験後の絶縁被覆部222の残存部の金属板221表面に占める面積割合を凝集破壊率とした。たとえば、剥離試験によって、絶縁被覆部222の剥離が金属板221とプライマー層223との界面ですべて行われた場合には凝集破壊率が0%、剥離試験によって絶縁被覆部222の破壊が生じ、金属板221表面のすべてに絶縁被覆部222が残存している場合、凝集破壊率が100%である。絶縁被覆部のせん断剥離試験結果を表1に示す。
上記のように実施例1〜3および比較例1,2の金属板の表面に形成された絶縁被覆部の酸浸漬剥離試験を行った。酸浸漬剥離試験では、pH3の水溶液を用い、加熱温度を80℃、試験時間を3000hrとした。絶縁被覆部の酸浸漬剥離試験結果を表1に示す。
Claims (4)
- シリコーンゴムから構成される絶縁被覆部が接着層により一面に接着される金属板からなる燃料電池セパレータ用セパレータ素材において、
前記接着層は、シランカップリング剤と造膜剤としてのシリコーンレジン系樹脂とを含有し、
前記絶縁被覆部は前記接着層に直接接触し、
前記セパレータ素材の一面に、前記接着層が形成される領域を有し、前記領域に対する純水の接触角度α(単位:度)は、20≦α≦75を満たすことを特徴とするセパレータ素材。 - 前記接触角度αは、30≦α≦60を満たすことを特徴とする請求項1に記載のセパレータ素材。
- 前記接着層は、発電領域および冷媒流路領域以外の領域に選択的に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のセパレータ素材。
- シリコーンゴムから構成される絶縁被覆部が接着層により一面に接着される金属板からなる燃料電池セパレータ用セパレータ素材の製造方法において、
前記接着層は、シランカップリング剤と造膜剤としてのシリコーンレジン系樹脂とを含有し、
前記絶縁被覆部は前記接着層に直接接触し、
前記セパレータ素材の一面における前記接着層が形成される領域に、UV処理あるいはプラズマ処理を行うことにより、前記領域に対する純水の接触角度α(単位:度)が、20≦α≦75を満たすとともに水酸基を増加させる工程と、
マスクを用いて発電領域および冷媒流路領域以外の領域に接着剤を選択的に塗布して前記接着層を設ける工程と、
前記接着層上に射出成形によってシールリップ部および前記絶縁被覆部を設ける工程とを備えたことを特徴とするセパレータ素材の製造方法。
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