JP6812945B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

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本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
燃料電池用セパレータとして、金属板の面上に導電性を有した樹脂層が形成されたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２０１７−０７１２１９号公報
このような燃料電池用セパレータは、例えば以下のようにして製造される。樹脂層が熱硬化性である場合には、平板状の金属板の面に樹脂層が形成され、金属板及び樹脂層がプレス加工により流路溝が形成された後に、加熱炉内で金属板と共に樹脂層が硬化される。このように加熱炉内で樹脂層が加熱されると、樹脂層は外表面から加熱されて硬化する。ここで、樹脂層が加熱されることにより、樹脂層内で気泡が発生する場合がある。上述のように樹脂層が外表面から硬化すると、気泡が樹脂層内から排出されないまま樹脂層が硬化する可能性がある。樹脂層内の気泡が残留したままになると、樹脂層の導通性や強度に影響を与える可能性がある。
そこで本発明は、樹脂層内からの気泡の排出を促進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する。
上記目的は、平板状の金属板を準備する工程と、前記金属板の少なくとも一方の面に、導電性及び熱硬化性を有した樹脂層を形成する工程と、前記金属板を前記樹脂層と共にプレス加工して前記樹脂層に流路溝を形成する工程と、前記プレス加工後に、前記樹脂層よりも高温となるように前記金属板を加熱して前記樹脂層を硬化させる工程と、を備えた燃料電池用セパレータの製造方法によって達成できる。
樹脂層内からの気泡の排出を促進できる燃料電池用セパレータの製造方法を提供できる。
図１Ａ〜図１Ｅは、燃料電池用セパレータの製造方法の説明図である。 図２は、硬化工程の実行中での金属板と樹脂層との部分拡大断面図である。
図１Ａ〜図１Ｅは、燃料電池用セパレータの製造方法の説明図である。尚、図１Ａ〜図１Ｅにおいては、後述する金属板１０、樹脂層２０、及び３０の断面図として示している。最初に、図１Ａに示すように略平板状の金属板１０を準備する。金属板１０の材料は特に限定されないが、ステンレス、チタン、アルミニウム、鉄、銅などが使用できる。
次に、図１Ｂに示すように塗布工程が実行され、金属板１０の一方の面と他方の面とのそれぞれに樹脂を塗布して樹脂層２０及び３０を形成する。塗布の方法は、ディスペンサーにより塗布してもよいし、転写やスクリーン印刷により塗布してもよいし、その他の方法であってもよい。ここで、樹脂層２０及び３０は、共に導電性及び熱硬化性を有している。具体的には樹脂層２０及び３０は、熱硬化性樹脂にカーボンインクが混合されている。熱硬化性樹脂は、例えばフェノール樹脂又はエポキシ樹脂等である。熱硬化性樹脂中に、導電性を有したカーボンが混入されているため、樹脂層２０及び３０は導電性を有している。
次に、図１Ｃに示すように乾燥工程が実行され、樹脂層２０及び３０内からカーボンインクの溶媒を除去するために、乾燥炉にて、およそ１００度以下の温度で樹脂層２０及び３０を加熱する。これにより、溶媒の気化が促進されて、樹脂層２０及び３０内から溶媒を除去できる。尚、乾燥工程での加熱温度は、樹脂層２０及び３０の硬化温度未満であって溶媒が蒸発する温度以上であればよい。また、乾燥工程は、樹脂層２０及び３０としてフェノール樹脂を用いた場合にのみ必要となり、エポキシ樹脂を用いた場合には溶媒は不要となるため乾燥工程は不要である。但し、エポキシ樹脂を用いた場合には、以下のプレス工程の前に樹脂層２０及び３０をある程度硬化させるためのプレヒート加工が必要となる。
次に、図１Ｄに示すようプレス工程が実行され、樹脂層２０側に流路溝２０Ａが断続的に形成され、樹脂層３０側に流路溝３０Ａが断続的に形成される。流路溝２０Ａ及び３０Ａは、図１Ｄの紙面に垂直な方向に延びており、これらは交互に平行に並ぶように形成される。また、流路溝２０Ａ及び３０Ａの形状に合わせて、金属板１０が波形状に形成される。一般的に、流路溝２０Ａ及び３０Ａの一方側には、燃料電池の発電反応に用いられる反応ガスが流れ、他方側には燃料電池の冷媒が流れる。従って、流路溝２０Ａ及び３０Ａは、主に、膜電極接合体に対向する領域に形成されている。尚、プレス工程では、プレス工程後での流路溝２０Ａ及び２０Ｂの形状を維持できるが樹脂層２０及び３０が硬化しない程度に、ホットプレスにより短時間だけ樹脂層２０及び３０は加熱される。
次に、図１Ｅに示すように硬化工程が実行され、樹脂層２０及び３０よりも高温となるように金属板１０を加熱して樹脂層２０及び３０を硬化させる。例えば、金属板１０を加熱する方法として、通電加熱、誘導加熱、及び直接加熱が考えられる。通電加熱は、金属板１０を通電することにより加熱する。誘導加熱は、電磁現象を利用して金属板１０を加熱する。直接加熱は、金属板１０にヒータを直接接触させる、又は熱風を当てて加熱する。これにより樹脂層２０及び３０が硬化する。具体的には、金属板１０の外縁部は、樹脂層２０及び３０から露出しているため、この部分から金属板１０を通電させたり加熱することができる。
その後に、マニホールド用の孔を形成するために金属板１０と樹脂層２０及び３０とが共に抜き打ち加工されることにより、燃料電池用セパレータが製造される。
図２は、硬化工程の実行中での金属板１０と樹脂層２０及び３０との部分拡大断面図である。図２に示すように、硬化工程の実行中に、樹脂層２０及び３０内で気泡Ｂが発生する場合がある。気泡Ｂが発生する理由は以下のとおりである。樹脂層２０及び３０の材料である熱硬化性樹脂は、硬化時に縮合反応することにより水が生成され、この水が加熱されて気化することにより、樹脂層２０及び３０内で気泡Ｂが発生する場合がある。また、上述した乾燥工程において溶媒を十分に除去できていない場合には、この溶媒が硬化工程で加熱されて樹脂層２０及び３０内で気泡Ｂが発生する場合がある。
ここで、例えば本実施例での硬化工程とは異なり、例えば金属板１０と樹脂層２０及び３０とを加熱炉内で加熱することにより、樹脂層２０及び３０を硬化させることも考えられる。しかしながらこの場合、樹脂層２０及び３０の外表面から硬化が進行する。このため、樹脂層２０及び３０内で発生した気泡Ｂが、硬化を開始した樹脂層２０及び３０の外表面から排出されず、気泡Ｂが残留したまま樹脂層２０及び３０が完全に硬化する可能性がある。気泡Ｂが残留したまま樹脂層２０及び３０が硬化すると、樹脂層２０及び３０の強度の低下や、樹脂層２０及び３０の電気抵抗値の増大、金属板１０の耐食性の低下が生じる可能性がある。
これに対して本実施例では、上述したように樹脂層２０及び３０よりも高温となるように金属板１０を加熱することにより、樹脂層２０及び３０を硬化させる。これにより、樹脂層２０及び３０は、金属板１０に接触する内面から硬化が進行する。このため、樹脂層２０及び３０の外表面が硬化する前に、樹脂層２０及び３０内からの気泡Ｂの排出が促進される。これにより、樹脂層２０及び３０の強度の低下を抑制でき、樹脂層２０及び３０の電気抵抗値の増大を抑制でき、金属板１０の耐食性の低下も抑制できる。
尚、熱硬化性樹脂の硬化による収縮によって樹脂層２０及び３０内からの気泡Ｂの排出が促進されるため、図２に示すように、樹脂層３０が鉛直下方側に位置した姿勢であっても、樹脂層３０内から気泡Ｂの排出が促進される。
上記実施例では、金属板１０の全面に亘って導電性を有した樹脂層２０及び３０を形成したが、これに限定されない。例えば、膜電極接合体に重なる領域、即ち発電領域に重なる領域のみに導電性を有した樹脂層２０及び３０を塗布し、それ以外の領域には、導電性を有していない熱硬化性樹脂を塗布してもよい。導電性を有していない熱硬化性樹脂では、上述したようにカーボンインクなどの導電性粒子を含有していないため、金属板１０の耐食性の確保や、ガスシール性を確保することができる。例えば図１Ｄの例では、流路溝２０Ａ及び３０Ａが形成されていない領域に、上述した樹脂層２０及び３０の代わりに、導電性を有していない熱硬化性樹脂を塗布してもよい。
上記実施例では金属板１０の一方の面及び他方の面のそれぞれに樹脂層２０及び３０が形成される場合を例に示したが、これに限定されず、少なくとも一方の面に樹脂層が設けられていてもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
１０ 金属板
２０、３０ 樹脂層
Ｂ 気泡

Claims (1)

  1. 平板状の金属板を準備する工程と、
    前記金属板の少なくとも一方の面に、導電性及び熱硬化性を有した樹脂層を形成する工程と、
    前記金属板を前記樹脂層と共にプレス加工して前記樹脂層に流路溝を形成する工程と、
    前記プレス加工後に、前記樹脂層よりも高温となるように前記金属板を加熱して前記樹脂層を硬化させる工程と、
    を備えた燃料電池用セパレータの製造方法。
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