JP6137042B2 - 燃料電池のセパレータの製造方法及び熱圧着装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセパレータの製造方法及び同セパレータの製造に適する熱圧着装置に関する。

従来、ステンレス鋼板などの金属板材をプレス成形することにより固体高分子型燃料電池のセパレータを製造する技術が周知である（特許文献１参照）。こうしたセパレータの基材の表面には酸化被膜が存在しており、こうした酸化被膜は基材本体に比べて電気抵抗が大きい。そのため、燃料電池の発電時に、セパレータの表面と膜電極接合体との接触部分で多量のジュール熱が発生することとなり、燃料電池の発電効率を低下させる一因となっている。

これに対して、特許文献１では、基材の表面を酸洗することによって酸化被膜を除去し、その表面に、グラファイト粉末とカーボンブラックとの混合粉末を含む塗膜を形成するようにしている。こうしたセパレータによれば酸化被膜が除去されることによって基材の表面の電気抵抗が小さくなることから、セパレータと膜電極接合体との接触抵抗が低下するとされている。

特開平１１―３４５６１８号公報

ところが、特許文献１に記載の技術の場合、セパレータの基材の表面を酸洗する必要があるため、セパレータの製造が煩雑となる。
本発明の目的は、接触抵抗の小さい燃料電池のセパレータを効率よく容易に製造することができる燃料電池のセパレータの製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、稼動効率を高めることができる熱圧着装置を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池のセパレータの製造方法は、金属材料よりなる基材の表面に、熱硬化性樹脂よりなる結合材と前記基材の被膜よりも硬度が高く、且つ導電性を有する第１充填材とを含む第１の層を形成し、同第１の層の表面に前記第１充填材よりも硬度が低く、且つ導電性を有する第２充填材を含む第２の層を形成してワークを形成する第１工程と、熱圧着装置の上型の加熱部の下面と下型の加熱部の上面との間においてこれら加熱部から離間された位置に前記ワークを載置する第２工程と、前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面とにより前記ワークを挟圧しつつ加熱する第３工程と、を備える。

同方法によれば、熱圧着装置の上型の加熱部の下面と下型の加熱部の上面との間においてこれら加熱部から離間された位置にワークが載置され、その状態からワークが加圧されるとともに加熱される。このため、ワークが加圧される前に、下型の加熱部の上面にワークが当接することはなく、加熱部からの受熱によってワークの温度が上昇して結合材が硬化することを抑制することができる。このように、結合材が硬化する前にワークを加圧することによって、結合材の間を第１充填材及び第２充填材が移動しやすくなる。従って、第１充填材を、基材の被膜を貫通させて母材に接触させるとともに、第１充填材と第２充填材とを互いに接触させることができる。すなわち、基材と第１充填材との界面や、第１充填材と第２充填材との界面に結合材の層が形成されることを抑制することができる。

これらのことから、基材の表面に被膜が存在していても、基材の母材、第１充填材、及び第２充填材によって、電気抵抗の大きい被膜を経由しない導電経路が形成される。また、結合材の表面が、第１充填材に比べて硬度の低い第２充填材によって覆われるため、セパレータが接触する膜電極接合体などが傷つくことを抑制することができる。

また、上記方法によれば、直前のワークの熱圧着工程において加熱部が加熱されていた場合であっても、ワークを載置する際に加熱部が冷却されるまで待つ必要がない。
また、上記目的を達成するための熱圧着装置は、加熱部をそれぞれ有する上型及び下型を備え、前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面とによりワークを挟圧しつつ加熱することにより同ワークの表面処理を行なう熱圧着装置であって、前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面との間においてこれら加熱部から離間された位置で前記ワークを支持可能な支持部材が設けられている。

同構成によれば、上型の加熱部の下面と下型の加熱部の上面とから離間された位置で支持部材によってワークが支持され、その状態から上型を下降させることによりワークを加圧するとともに加熱することができる。このため、ワークが加圧される前に、下型の加熱部の上面にワークが当接することはなく、加熱部からの受熱によってワークの温度が上昇することを抑制することができる。このことにより、ワークが加圧される前に同ワークの温度上昇が進むことに起因して同ワークの熱圧着を適切に行なうことができないといった問題の発生を抑制することができる。

また、上記構成によれば、直前のワークの熱圧着工程において加熱部が加熱されていた場合であっても、ワークを載置する際に加熱部が冷却されるまで待つ必要がない。

本発明によれば、接触抵抗の小さい燃料電池のセパレータを効率よく容易に製造することができる。また、本発明によれば、熱圧着装置の稼動効率を高めることができる。

一実施形態の燃料電池を構成するセルの断面図。 同実施形態の第１セパレータの斜視断面図。 同実施形態の第１セパレータの断面図。 同実施形態の第１セパレータの製造工程を順に示す断面図であって、（ａ）は基材の表面に第１の塗料が塗布された状態の断面図、（ｂ）は第１の塗料の表面に第２の塗料が塗布された状態の断面図。 同実施形態の熱圧着装置の断面構造を模式的に示す断面図であって、（ａ）は支持部材の支持面にワークが載置された状態を示す図、（ｂ）は加圧中の状態を示す図。 同実施形態の熱圧着装置のシート部材の断面図。 比較例の第１セパレータの断面図。 変形例の熱圧着装置の断面図。

以下、図１〜図７を参照して、一実施形態について説明する。
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略称する。）は、膜電極接合体９１と、膜電極接合体９１を挟む一対のセパレータ９２，９３とを有するセル９０を備え、セル９０が積層されることによって構成されている。膜電極接合体９１は、固体高分子膜よりなる電解質膜が図示しない燃料極と空気極とによって挟まれたものであり、所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ９２の下面及び上面には、凹溝９２ａ，９２ｂが交互に形成されている。第１セパレータ９２の下面には膜電極接合体９１が接しており、第１セパレータ９２の上面にはフラットセパレータ９４が接している。第１セパレータ９２の下面側、すなわち膜電極接合体９１側の凹溝９２ａが燃料ガスの流路とされ、第１セパレータ９２の上面側、すなわちフラットセパレータ９４側の凹溝９２ｂが冷却水の流路とされている。

図１に示すように、第２セパレータ９３は、フラットセパレータ９４と、フラットセパレータ９４と膜電極接合体９１との間に介設された多孔体流路板９５とによって構成されている。フラットセパレータ９４及び多孔体流路板９５は共にステンレス鋼板によって形成されている。

多孔体流路板９５には、多数の貫通孔９６ａが形成されており、これら貫通孔９６ａによって酸化剤ガスの流路９６が構成されている。
図３に示すように、第１セパレータ９２の基材５１における膜電極接合体９１に接する表面及びフラットセパレータ９４に接する表面には、導電性を有する塗膜５８が形成されている。

この塗膜５８は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂よりなる結合材５３と、基材５１の酸化被膜５１ｂよりも硬度が高く、且つ導電性を有する粒状の窒化チタンよりなる第１充填材５４と、粒状のグラファイトよりなる第２充填材５６とが含まれている。グラファイトは窒化チタンよりも硬度が低く、且つ導電性を有する材料である。第１充填材５４は塗膜５８の厚さ方向において基材５１側に多く分布しており、その一部は基材５１の酸化被膜５１ｂを貫通して基材本体５１ａに接触している。また、第２充填材５６は塗膜５８の厚さ方向において塗膜５８の表面側に多く分布しており、その一部は第１充填材５４と接触している。

次に、第１セパレータ９２の製造の手順について説明する。
第１セパレータ９２の製造に際しては、まず、図示しないプレス装置によってステンレス鋼板をプレス成形することにより図２に示す所定の凹凸形状を有する基材５１が形成される。

次に、図４（ａ）に示すように、基材５１の表面に対して、上記結合材５３と第１充填材５４とを含む第１の塗料が塗布されて第１の層５２が形成される。
次に、図４（ｂ）に示すように、第１の層５２の表面に上記第２充填材５６よりなる第２の塗料が塗布されて第２の層５５が形成されることによりワーク５０が形成される。なお、第１の層５２及び第２の層５５を形成する工程が第１工程に相当する。

ここで、第１の層５２及び第２の層５５を基材５１の表面に熱圧着するための熱圧着装置１０の構成について説明する。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、熱圧着装置１０は、下型２０と、下型２０に固設され、上方に向けて延びる案内柱１２と、下型２０の上方に位置し、案内柱１２により案内されることで上下降可能に設けられた上型３０とを備えている。下型２０は金属材料よりなり、中央部が上方に突出された加熱部２１を有しており、加熱部２１には電熱線２２が内蔵されている。上型３０は金属材料よりなり、中央部が下方に突出された加熱部３１を有しており、加熱部３１には電熱線３２が内蔵されている。

下型２０の加熱部２１の上部及び上型３０の加熱部３１の上部には、弾性材料よりなるシート部材４０が接着されている。
図６に示すように、シート部材４０は、フッ素ゴムなどの耐熱性のゴム材料よりなる一対のゴムシート４１と、一対のゴムシート４１の間に接着されたガラス繊維よりなる補強クロス４２と、を有している。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、下型２０には、下型２０のシート部材４０の上面と上型３０のシート部材４０の下面との間においてこれらシート部材４０から離間された位置でワーク５０を支持可能な複数の支持部材２７がシート部材４０を挟んで複数設けられている。支持部材２７の下端は、下型２０の収容孔２５内に、ばね２８を介して収容されている。このため、支持部材２７は、ばね２８によって上方に向けて付勢されている。図５（ａ）に示すように、支持部材２７の支持面２７ａは、下型２０のシート部材４０及び上型３０のシート部材４０がワーク５０から離間している状態において、下型２０のシート部材４０の上面と、上型３０のシート部材４０の下面との間に位置している。

次に、ワーク５０の表面に第１の層５２及び第２の層５５を熱圧着して塗膜５８を形成する手順について説明する。
図５（ａ）に示すように、熱圧着に際しては、まず、熱圧着装置１０における支持部材２７の支持面２７ａ上にワーク５０が載置される（第２工程）。なお、シート部材４０とワーク５０との間に、必要に応じて離型紙を配置してもよい。

次に、上型３０を下降させていくと、上型３０のシート部材４０の下面がワーク５０の上面に当接される。その後、ばね２８の付勢力に抗して上型３０を更に下降させていくと、ワーク５０の周縁及び支持部材２７を介してばね２８が圧縮されることで支持部材２７の下降が許容され、図５（ｂ）に示すように、ワーク５０の下面が下型２０のシート部材４０の上面に当接される。このようにして上型３０のシート部材４０と下型２０のシート部材４０とによってワーク５０が挟圧される。

その後、ワーク５０が加圧された状態のままで電熱線２２，３２に電流を供給することにより、ワーク５０が所定の温度まで加熱される（第３工程）。この所定の温度は、熱硬化性樹脂である結合材５３が硬化する温度であり、百数十℃〜二百数十℃程度である。

その後、電熱線２２，３２への電流の供給を停止し、上型３０を上昇させていくと、ばね２８の付勢力によって支持部材２７と共にワーク５０が図５（ａ）に示す位置まで上昇され、下型２０の加熱部２１のシート部材４０の上面からワーク５０が離間する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
上型３０のシート部材４０の下面と下型２０のシート部材４０の上面との間においてこれらシート部材４０から離間された位置にワーク５０が載置され、その状態からワーク５０が加圧されるとともに加熱される。このため、ワーク５０が加圧される前に、下型２０のシート部材４０の上面にワーク５０が当接することはなく、シート部材４０からの受熱によってワーク５０の温度が上昇して結合材５３が硬化することを抑制することができる。このように、結合材５３が硬化する前にワーク５０を加圧することによって、結合材５３の間を第１充填材５４及び第２充填材５６が移動しやすくなる。従って、第１充填材５４を、基材５１の酸化被膜５１ｂを貫通させて基材本体５１ａに接触させるとともに、第１充填材５４と第２充填材５６とを互いに接触させることができる。すなわち、基材５１と第１充填材５４との界面や、第１充填材５４と第２充填材５６との界面に結合材５３の層が形成されることを抑制することができる。

これに対して、支持部材２７を備えていない熱圧着装置を用いて熱圧着を行なった場合には、下型２０のシート部材４０の上面にワーク５０が載置されることとなる。そのため、シート部材４０からの受熱によってワーク５０の温度が上昇し、ワーク５０が加圧される前に結合材５３が硬化することとなる。その結果、結合材５３の間を第１充填材５４及び第２充填材５６が移動することはほとんどなく、図７に示すように、基材５１と第１充填材５４との界面や、第１充填材５４と第２充填材５６との界面に結合材５３の層が形成されることとなる。また、冷却された状態の加熱部３１，２１によってワーク５０を挟圧し、その状態から加熱部３１，２１を加熱することが考えられるが、この場合には、直前のワーク５０の熱圧着工程において加熱部３１，２１が加熱されていた場合には、加熱部３１，２１が冷却されるまで待たなければならず、熱圧着装置１０の稼動効率を高めることが困難となる。

これらのことから、本実施形態によれば、基材５１の表面に酸化被膜５１ｂが存在していても、基材５１の基材本体５１ａ、第１充填材５４、及び第２充填材５６によって、電気抵抗の大きい酸化被膜５１ｂを経由しない導電経路が形成される。また、結合材５３の表面が、柔らかい第２充填材５６によって覆われるため、第１セパレータ９２が接触する膜電極接合体９１などが傷つくことを抑制することができる。

また、直前のワーク５０の熱圧着工程において加熱部３１，２１が加熱されていた場合であっても、ワーク５０を載置する際に加熱部３１，２１が冷却されるまで待つ必要がない。よって、熱圧着装置１０の稼動効率を高めることができ、接触抵抗の小さい第１セパレータ９２を効率よく製造することができる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法及び熱圧着装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）第１セパレータ９２の製造方法は、基材５１の表面に、熱硬化性樹脂よりなる結合材５３と第１充填材５４とを含む第１の塗料を塗布して第１の層５２を形成し、第１の層５２の表面に第１充填材５４よりも硬度が低い第２充填材５６を含む第２の塗料を塗布して第２の層５５を形成することによりワーク５０を形成する第１工程を備える。また、上記製造方法は、熱圧着装置１０の上型３０の加熱部３１に設けられたシート部材４０の下面と下型２０の加熱部２１に設けられたシート部材４０の上面との間においてこれらシート部材４０から離間された位置にワーク５０を載置する第２工程を備える。また、上記製造方法は、上型３０のシート部材４０の下面と下型２０のシート部材４０の上面とによりワーク５０を挟圧しつつ加熱する第３工程と、を備える。

上記方法によれば、ワーク５０が加圧される前に、下型２０のシート部材４０の上面にワーク５０が当接することはなく、シート部材４０からの受熱によってワーク５０の温度が上昇することを抑制することができる。このため、第１充填材５４を、基材５１の酸化被膜５１ｂを貫通させて基材本体５１ａに接触させるとともに、第１充填材５４と第２充填材５６とを互いに接触させることができる。従って、基材５１の表面に酸化被膜５１ｂが存在していても、基材５１の基材本体５１ａ、第１充填材５４、及び第２充填材５６によって、電気抵抗の大きい酸化被膜５１ｂを経由しない導電経路が形成される。また、結合材５３の表面が、第１充填材５４よりも硬度が低い第２充填材５６によって覆われるため、第１セパレータ９２が接触する膜電極接合体９１などが傷つくことを適切に抑制することができる。

また、上記方法によれば、直前のワーク５０の熱圧着工程において加熱部３１，２１が加熱されていた場合であっても、ワーク５０を載置する際に加熱部３１，２１が冷却されるまで待つ必要がない。よって、接触抵抗の小さい第１セパレータ９２を効率よく容易に製造することができる。

（２）熱圧着装置１０は、加熱部３１，２１をそれぞれ有する上型３０及び下型２０を備え、上型３０の加熱部３１の下面と下型２０の加熱部２１の上面とによりワーク５０を挟圧しつつ加熱することによりワーク５０の表面処理を行なう。上型３０の加熱部３１に設けられたシート部材４０の下面と下型２０の加熱部２１に設けられたシート部材４０の上面との間においてこれらシート部材４０から離間された位置でワーク５０を支持可能な支持部材２７が設けられている。

こうした構成によれば、直前のワーク５０の熱圧着工程において加熱部３１，２１が加熱されていた場合であっても、ワーク５０を載置する際に加熱部３１，２１が冷却されるまで待つ必要がないため、熱圧着装置１０の稼動効率を高めることができる。

（３）支持部材２７は、下型２０のシート部材４０を挟んで複数設けられている。下型２０には、支持部材２７を上方に向けて付勢するばね２８が設けられている。
こうした構成によれば、下型２０のシート部材４０の上面からワーク５０が離間されている位置と、同シート部材４０の上面にワーク５０が当接されている位置との間において、支持部材２７を変位させることがばね２８によって容易にできる。

（４）下型２０の加熱部２１の上面及び上型３０の加熱部３１の下面の双方には、耐熱性のゴム材料よりなるシート部材４０が設けられている。
各加熱部の加圧面が金属板などの剛体によって形成されている場合には、各加熱部の加圧面によってワーク５０が挟圧されると、ワーク５０が塑性変形するおそれがある。

この点、本実施形態によれば、各加熱部３１，２１に設けられたシート部材４０によってワーク５０が挟圧されても、ワーク５０の塑性変形を抑制することができる。従って、ワーク５０の形状を保持することができる。

（５）シート部材４０は、耐熱性の一対のゴムシート４１と、ゴムシート４１に設けられてゴムシート４１の加圧面である上面或いは下面に沿った方向へのゴムシート４１の伸びを規制する補強クロス４２と、を有している。

こうした構成によれば、ゴムシート４１の下面或いは上面に沿った方向へのゴムシート４１の伸びが補強クロス４２によって規制されるため、各シート部材４０によってワーク５０が挟圧された際に、前記方向へゴムシート４１が伸びることに伴ってワーク５０が塑性変形することを適切に抑制することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・上記実施形態では、熱圧着装置１０の上型３０を上昇させてワーク５０を取り出すに先立ち、電熱線２２，３２への電流の供給を停止するようにした。これに代えて、電熱線２２，３２への電流の供給を停止しないようにすることもできる。また、上記実施形態では、上型３０のシート部材４０と下型２０のシート部材４０とによってワーク５０を加圧した状態で、電熱線２２，３２に電流を供給してワーク５０を加熱するようにした。これに代えて、電熱線２２，３２に電流が供給されている状態で、ワーク５０を加圧するようにしてもよい。

・上記実施形態では、ワーク５０の基材５１の表面に第１の塗料を塗布して第１の層５２を形成し、第１の層５２の表面に第２の塗料を塗布して第２の層５５を形成した。これに代えて、熱転写などによって第１の層及び第２の層を形成することもできる。

・グラファイトに代えてカーボンブラックなどの他の導電性材料を第２充填材として用いることもできる。
・窒化チタンに代えて炭化チタンなどの他の導電性材料を第１充填材として用いることもできる。

・図８に示すように、熱圧着装置１１０における下型１２０の加熱部１２１の上面に凹部１２３を形成し、凹部１２３内に耐熱性のゴム材料よりなるシート部材１４０を嵌め込むようにしてもよい。また、上型１３０の加熱部１３１の下面に凹部１３３を形成し、凹部１３３内にシート部材１４０を嵌め込むようにしてもよい。

この場合、シート部材１４０の周縁が凹部１２３，１３３の内周壁である規制壁１２４，１３４に当接することによってシート部材１４０の加圧面に沿った方向への伸びが規制されるため、上記実施形態の効果（５）に準じた効果を奏することができる。また、上記実施形態のシート部材４０を下型１２０及び上型１３０の凹部１２３，１３３内に嵌め込むようにしてもよい。

・シート部材４０の加圧面に沿った方向へのゴムシート４１の伸びに起因したワーク５０の塑性変形が無視できるのであれば、補強クロス４２を省略することもできる。
・ゴムシート４１をシリコンゴムなどの他の耐熱性のゴム材料によって形成することもできる。

・下型２０の加熱部２１及び上型３０の加熱部３１のいずれか一方にシート部材４０を設けることもできる。
・ワーク５０に塑性変形が生じないのであれば、シート部材４０を省略することもできる。

１０，１１０…熱圧着装置、１２，１１２…案内柱、２０，１２０…下型、２１，１２１…加熱部、２２，１２２…電熱線、２５，１２５…収容孔、２７，１２７…支持部材、２７ａ，１２７ａ…支持面、２８，１２８…ばね（付勢部材）、３０，１３０…上型、３１，１３１…加熱部、３２，１３２…電熱線、４０，１４０…シート部材、４１…ゴムシート、４２…補強クロス（規制部材）、５０，１５０…ワーク、５１…基材、５１ａ…基材本体、５１ｂ…酸化被膜、５２…第１の層、５３…結合材、５４…第１充填材、５５…第２の層、５６…第２充填材、５８…塗膜、９０…セル、９１…膜電極接合体、９２…第１セパレータ（セパレータ）、９２ａ，９２ｂ…凹溝、９３…第２セパレータ、９４…フラットセパレータ、９５…多孔体流路板、９６…酸化剤ガスの流路、９６ａ…貫通孔、１２３，１３３…凹部、１２４，１３４…規制壁。

Claims (7)

1. 金属材料よりなる基材の表面に、熱硬化性樹脂よりなる結合材と前記基材の被膜よりも硬度が高く、且つ導電性を有する第１充填材とを含む第１の層を形成し、同第１の層の表面に前記第１充填材よりも硬度が低く、且つ導電性を有する第２充填材を含む第２の層を形成してワークを形成する第１工程と、
   熱圧着装置の上型の加熱部の下面と下型の加熱部の上面との間においてこれら加熱部から離間された位置に前記ワークを載置する第２工程と、
   前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面とにより前記ワークを挟圧しつつ加熱する第３工程と、を備える、
   燃料電池のセパレータの製造方法。
2. 前記上型の加熱部の下面及び前記下型の加熱部の上面の少なくとも一方には、耐熱性の弾性材料よりなるシート部材が設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池のセパレータの製造方法。
3. 加熱部をそれぞれ有する上型及び下型を備え、前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面とによりワークを挟圧しつつ加熱することにより同ワークの表面処理を行なう熱圧着装置であって、
   前記上型の加熱部の下面と前記下型の加熱部の上面との間においてこれら加熱部から離間された位置で前記ワークを支持可能な支持部材が設けられている、
   熱圧着装置。
4. 前記支持部材は、前記下型の加熱部を挟んで複数設けられ、
   前記下型には、前記支持部材を上方に向けて付勢する付勢部材が設けられている、
   請求項３に記載の熱圧着装置。
5. 前記上型の加熱部の下面及び前記下型の加熱部の上面の少なくとも一方には、耐熱性の弾性材料よりなるシート部材が設けられている、
   請求項３又は請求項４に記載の熱圧着装置。
6. 前記シート部材は、耐熱性のゴムシートと、前記ゴムシートに設けられて同ゴムシートの加圧面に沿った方向への同ゴムシートの伸びを規制する規制部材と、を有している、
   請求項５に記載の熱圧着装置。
7. 前記上型の加熱部及び前記下型の加熱部の少なくとも一方には、前記シート部材の周縁に当接して同シート部材の加圧面に沿った方向への同シート部材の伸びを規制する規制壁が形成されている、
   請求項５又は請求項６に記載の熱圧着装置。