JP5580444B2

JP5580444B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法

Info

Publication number: JP5580444B2
Application number: JP2013050414A
Authority: JP
Inventors: 修石上; 麻由高木; 麻衣近藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP2013149625A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に係り、特に、金属製セパレータの製造において工程を短縮する技術に関する。

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。

ここで、燃料電池のセパレータとしては、高い導電性が要求されるため、カーボン板に切削加工をしてガスや冷却媒体の流路を形成したものや、金属板をプレス成形したものが知られている。特に、近年、自動車などの輸送手段のエネルギー源としての開発が進められる状況において、燃料電池そのものを小型化する必要が生じてきており、より薄くすることが可能な金属製セパレータの開発が進められている。

ここで、燃料電池の反応では水が生成されるとともに、電解質膜における電荷の移動をプロトン（Ｈ＋）が担うため、燃料電池の内部では酸性雰囲気となっている。したがって、金属製セパレータを用いる場合には、導電性とともに耐食性を確保することが必要となる。耐食性に優れた金属材料としてはステンレス鋼を用いることができるが、ステンレス鋼の表面には不動態被膜が存在するため、導電性に劣るという欠点がある。そこで、特許文献１では、プレス成形によりステンレス鋼板に凹凸を形成し、次いで、エッチング（酸処理）を行って素材の全体に不動態被膜を均一に造り直した後、セパレータの導電性が求められる部分の不動態被膜を機械研磨により除去し、その部分に貴金属めっきを施している。なお、エッチングをしない場合、プレス成形などにより生じた不動態被膜の欠陥にめっきが析出しやすく、不要な部分にまで貴金属が析出してしまうという問題が生ずる。

ＷＯ２００６／１２９８０６

しかしながら、前記特許文献１等に記載の技術では、不動態被膜を均一に造り直すためのエッチングと貴金属めっきを行う部分の不動態被膜を除去する機械研磨工程が必要なため、その分の生産設備と生産時間とが多くかかるという問題がある。

したがって、本発明は、セパレータにエッチングと機械研磨を行う必要がなく、そのための生産設備と生産時間を省略することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、エッチングと機械研磨を省略して導電性金属をセパレータにめっきする技術について鋭意研究した。その結果、発明者等は、一般的にはめっき前の前処理として行われるストライクめっきに着目した。ストライクめっきは、希薄なめっき液中で電流を高密度で流すもので、水の電気分解を伴うため陰極であるステンレス鋼の表面で水素が発生する。その際に、水素がステンレス鋼に接触して不動態被膜を還元するのではないかとの仮説のもとに実験を重ねたところ、ストライクめっきにより不動態被膜が除去され、そこに導電性金属のめっきが析出することが判明した。

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、上記知見に基づいてなされたもので、金属製の素材板を断面凹凸状に形成するプレス成形工程と、断面凹凸状に形成された素材板の凸部のみに導電性金属をめっきするめっき工程とを備え、めっき工程は、導電性金属のイオンを含むめっき液を保持しためっき液保持材を凸部にのみ接触させ、めっき液保持材と素材板との間で所定の電流密度（平均電流密度５〜２６Ａ／ｄｍ ^２を除く）で通電することにより行い、かつ、素材板の表面で水素を発生させて該水素によって素材板の表面に形成された不動態被膜を還元しつつ素材板に導電性金属をめっきすることを特徴とする。

上記燃料電池用セパレータの製造方法にあっては、めっき液保持材を凸部にのみ接触させてめっきを行うことで、凸部に選択的にめっきを行うことができる。よって、プレス形成による不動態膜の欠陥が存在している状態でも、凸部以外の不要部分への貴金属の析出を抑制することができるため、従来は必要とされていたエッチングを省略することができる。さらに、素材板の表面で水素を発生させる条件でめっきを行うため、めっきと同時に不動態被膜を還元して除去することができ、従来は必要とされていた機械研磨が不要となる。よって、従来のめっき方法に比べ工程を短縮することができ、製造コストを低減させることができる。なお、セパレータとしての絶縁性をより高めるため、必要に応じてめっき処理前にエッチングと熱処理とを行って不動態膜を造り直してもよい。この場合においても機械研磨処理が不要であるため、製造工程を簡略化することができる。

本発明では、めっき液保持材の構成は任意である。たとえば、導電性材料で構成したロールの表面を多孔質材で覆ったローラを用いることができる。この場合、多孔質材としては、布、スポンジ、ゴムなどを用いることができ、スポンジの材料としては、ウレタンやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いることができる。また、ロールの材料としては、カーボン、Ｔｉ−Ｐｔ合金、Ｔｉ−Ａｕ合金、ＴｉにＩｒ_２Ｏ_３を分散させたもの等を用いることができる。そして、多孔質材にめっき液を含浸させ、プレス成形で凹凸が形成された素材板の表裏をローラで挟む。この状態でロールと素材板とに通電しながらローラを回転させることにより、ストライクめっきを凹凸の凸部の全てに対して連続的に行う。また、本発明において導電性金属は、燃料電池内部での酸性雰囲気に対する耐食性を有する金属を用いることができ、金や白金などを用いることが好ましい。

金属製セパレータの場合、セパレータの片面が膜電極構造体と接触し、他方の面は冷却水の流路として用いられることがある。この場合には、他方の面に導電性金属のめっきをする必要がないので、片方のローラの多孔質材にのみめっき液を含浸させ、そのロールと素材板との間に通電すればよい。

また、上記と同様の導電性材料で構成した平板の片面に多孔質材を設けたスタンプを用いることができる。そして、多孔質材にめっき液を含浸させ、凹凸が形成された素材板の表裏をスタンプで挟む。この状態で平板と素材板とに通電することにより、ストライクめっきを凹凸の凸部の全てに対して一度に行うことができる。このような態様においても、片方のスタンプの多孔質材にのみめっき液を含浸させ、そのスタンプと素材板との間に通電することができる。

さらに、導電性材料で構成したシャフトの先に毛の房を固定した筆を用いることもできる。そして、筆の先にめっき液を含浸させ、凹凸の凸部に筆を接触させてシャフトと素材板とに通電することにより、ストライクめっきを凹凸の凸部に対して行う。

本発明によれば、セパレータのめっき部位に機械研磨を行う必要がなく、そのための生産設備と生産時間を省略することができるとともに、セパレータの表面性状の劣化がなくめっき層との密着性を向上させることができる等の効果が得られる。

本発明の一実施形態の主要な工程を説明する図である。本発明の一実施形態の工程を実施するためのめっき装置を示す側面図である。本発明の一実施形態におけるめっき装置を示す側面図である。本発明の一実施形態の工程を実施するためのめっき装置の他の例を示す側面図である。本発明の他の実施形態におけるめっき装置の他の例を示す図であって、（Ａ）はローラの斜視図、（Ｂ）はローラの正面図である。本発明のセパレータ製造工程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法を示す図であり、図２は製造方法を実施するためのめっき装置Ａを示す図である。この製造方法で行う主たる工程は図６に示すように、プレス成形工程と金メッキ工程である。以下、各工程について順に説明する。

１．プレス成形工程
プレス成形工程は、素材板１０をプレス成形により断面凹凸状（断面波形状）に形成するための工程であり、素材板１０としては、図１（Ａ）に示すように、所望の長さに切断された薄板状の例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）が用いられる。この素材板１０にプレス加工を施すことにより、図１（Ｂ）に示すように、素材板１０の所定の箇所が断面凹凸状に形成され、成形された凸部１１を有するものとなる。

次に、プレス成形工程後の各工程は図２に示すめっき装置Ａで行われる。めっき装置Ａには、上流側から下流側に向かって脱脂ステージ２０、水洗ステージ３０、および金めっきステージ４０が順に設けられ、素材板１０がローラコンベア５０によって搬送されながら各ステージで処理される。

２．脱脂・水洗工程
脱脂工程では、例えば、脱脂ステージ２０において、強アルカリ系脱脂剤が素材板１０に接触させられ、素材板１０の表面に付着した油脂が除去される。また、水洗工程では、水洗ステージ３０において素材板１０に水シャワーが噴射されて水洗が行われる。

３．金メッキ工程
金メッキ工程は、素材板１０の凸部１１の不動態被膜１２を除去してそこに金めっきＫを施す工程である。図３は、金めっきステージ６０に設けられたスタンプ４１を示すもので、スタンプ４１は、導電性材料からなる平板４２の片面に、多孔質材４３を設け、平板４２の中央部にシャフト４４を固定して概略構成されている。

平板４２の材料としては、カーボン、Ｔｉ−Ｐｔ合金、Ｔｉ−Ａｕ合金、ＴｉにＩｒ_２Ｏ_３を分散させたもの等が用いられる。多孔質材４３の材料としては、布、スポンジ、ゴムなどが用いられ、スポンジの材料としては、ウレタンやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が用いられる。また、多孔質材４３にめっき液を供給する手段（図示略）が設けられている。そして、スタンプ４１は、互いに接近して素材板１０の凸部１１を挟み、この状態で凸部１１が陰極、スタンプ６１が陽極となるように直流電流が流される。

ここで、メッキ処理液としては、例えば、シアン金カリウム溶液が用いられ、めっき液中の金の濃度は１０〜３０ｇ／Ｌ、電流密度は０．７５〜１．５Ａ／ｄｍ^２に設定され、ストライクめっきの条件とされる。これにより、平板４２、めっき液、および素材板１０からなる電解系で水の電気分解が発生し、陰極である凸部１１の表面で水素が発生する。その際に、水素イオンが凸部１１に接触して不動態被膜１２を還元し、不動態被膜１２が除去された所に金めっきＫが析出する。ここで、素材板１０に施す金メッキＫの厚さは、特に制限されることはないが、金使用量を減らして経済性を考慮した場合には、２０〜１００ｎｍ程度にとされる。なお、金めっき工程の後に、めっき液を洗い流す水洗工程や乾燥工程を設けることができる。

次に、図４および図５は本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態のめっき装置Ｂは、金めっきステージ６０にローラ６１を用いている点で前記実施形態と異なっている。ローラ６１は、図５（Ｂ）に示すように、導電性材料からなるロール６２の外周に、多孔質材６３を設け、ロール６２の中央部に回転軸６４を固定して概略構成されている。

ロール６２の材料としては、カーボン、Ｔｉ−Ｐｔ合金、Ｔｉ−Ａｕ合金、ＴｉにＩｒ２Ｏ３を分散させたもの等が用いられる。多孔質材６３の材料としては、布、スポンジ、ゴムなどが用いられ、スポンジの材料としては、ウレタンやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が用いられる。また、多孔質材６３にめっき液を供給する手段（図示略）が設けられている。そして、ローラ６１は、素材板１０の凸部１１を挟み、この状態で凸部１１が陰極、ローラ６１が陽極となるように直流電流が流される。

ここで、素材板１０は、めっき装置Ｂの全てのステージを横置きの状態で搬送し処理することもできるが、横置きの状態で金めっきを行うと素材板１０の上面にめっき液が溜まり易くなり、下面との金めっきの品質がばらつく懸念がある。もっとも、素材板１０の片面の凸部１１にのみ金めっきを行う場合はそのような懸念はない。

そこで、素材板１０が金めっきステージ７０に搬送される前に、素材板１０を９０°捻って縦置きにして搬送するようにすることができる。図５（Ａ）は、素材板１０を縦置きにして金めっきしている状態を示す。この図に示すように、ローラ６１は、素材板１０の凸部１１を挟み、この状態で凸部１１が陰極、ローラ６１が陽極となるように直流電流が流される。なお、前記実施形態においても、素材板１０を縦置きにして金めっきを行うことができる。

厚さが０．１ｍｍのＳＵＳ３０４製のステンレス鋼板をプレス成形して平面視が矩形状で中央部が図１（Ｂ）に示すような断面凹凸状（波板状）の素材板を得た。この素材板に対して図６に示すフローに従って脱脂、水洗および金めっきの各処理を行った。なお、金めっきでは、金の濃度が１０ｇ／Ｌのシアン金カリウム溶液を図３のスタンプ４１の多孔質材４３に供給しながら、電流密度が１．５Ａ／ｄｍ^２の直流電流を素材板と平板４２に１０分間流した。

金めっき後の素材板を調査したところ、素材板の凸部以外の部分にはめっきが殆ど見られず、凸部に選択的に金めっきが形成されていることを確認した。

本発明は、不動態被膜を除去する工程を省略してセパレータの導電性が必要な部位にのみ導電性金属をめっきすることができるので、安価な燃料電池の製造方法として極めて有望である。

１０素材板
１１凸部
１２不動態被膜
４３、６３多孔質材（めっき液保持材）

Claims

金属製の素材板を断面凹凸状に形成するプレス成形工程と、
前記断面凹凸状に形成された前記素材板の凸部のみに導電性金属をめっきするめっき工程とを備え、
前記めっき工程は、前記導電性金属のイオンを含むめっき液を保持しためっき液保持材を前記凸部にのみ接触させ、該めっき液保持材と前記素材板との間で所定の電流密度（平均電流密度５〜２６Ａ／ｄｍ ^２を除く）で通電することにより行い、かつ、前記素材板の表面で水素を発生させて該水素によって前記素材板の表面に形成された不動態被膜を還元しつつ前記素材板に前記導電性金属をめっきすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
金属製の素材板を断面凹凸状に形成するプレス成形工程と、
前記断面凹凸状に形成された前記素材板の凸部のみに導電性金属をめっきするめっき工程とを備え、
前記めっき工程は、前記導電性金属のイオンを含むめっき液を保持しためっき液保持材を前記凸部にのみ接触させ、該めっき液保持材と前記素材板との間で通電することにより行い、かつ、前記素材板の表面で水素を発生させて該水素によって前記素材板の表面に形成された不動態被膜を還元しつつ前記素材板に前記導電性金属をめっきする燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記めっき液保持材は、導電性材料からなる平板の片面に多孔質材を設けた一対のスタンプを備え、前記スタンプの一方または両方の前記多孔質材にめっき液を含浸させ、プレス成形で凹凸が形成された前記素材板の表裏をスタンプで挟み、この状態で前記平板と前記素材板とに通電することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
金属製の素材板を断面凹凸状に形成するプレス成形工程と、
前記断面凹凸状に形成された前記素材板の凸部のみに導電性金属をめっきするめっき工程とを備え、
前記めっき工程は、前記導電性金属のイオンを含むめっき液を保持しためっき液保持材を前記凸部にのみ接触させ、該めっき液保持材と前記素材板との間で通電することにより行い、かつ、前記素材板の表面で水素を発生させて該水素によって前記素材板の表面に形成された不動態被膜を還元しつつ前記素材板に前記導電性金属をめっきする燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記めっき液保持材は、導電性材料からなるロールの表面を多孔質材で覆った一対のローラを備え、前記ローラの一方または両方の前記多孔質材にめっき液を含浸させ、プレス成形で凹凸が形成された前記素材板の表裏を前記ローラで挟み、この状態でロールと素材板とに通電しながらローラを回転させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。