JP6907825B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、芯材の表面にコート層が形成された燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、電解質膜をアノードとカソードとで挟んだものをセル（単電池）（燃料電池セルということもある）とし、セパレータを介して前記セルを複数個重ね合わせて（積層して）構成される。

例えば、固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

前記燃料電池用のセパレータは、通常、その表面に、導電性確保（表面電気抵抗低減）や耐食性確保等のためのコート層が設けられるとともに、断面視において波形状ないし凹凸状を呈するようにプレス成形されて、ガス（水素、酸素等）の流路となる溝（ガス流路）が形成されている。

前記のような構成の燃料電池において十分な性能を得るためには、供給されるガスの流路が燃料電池内で十分にシールされて、ガスが各々の流路からリークしないことが重要である。そのため、燃料電池を製造する際には、流路からのガスのリークの有無が検査されている。

製造した燃料電池内の流路からのガスのリークの有無を検査する方法として、例えば、検査対象の燃料電池（被試験体）の流路内に試験用ガスを封入し、燃料電池外部で試験用ガスを検知してリークを検出する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、下記特許文献２には、セパレータの組付前に、プレス加工時に生じた割れなどの欠陥および耐食コーティング時に生じた皮膜（コート層）中の欠陥を発見するための方法として、セパレータをプレス加工により成形加工した後、あるいは、セパレータをプレス加工により成形加工し、そのセパレータの表面に耐食コーティングを施した後、その表面を、赤外線サーモグラフィ、渦電電法、磁粉探傷法、浸透探傷法、超音波探傷法、電磁誘導検査法、アコースティックエミッション法、肉眼検査法、放射線透視検査法、レーザホログラフィー法、音響検査法などの非破壊検査を行う方法が提案されている。

特開２０１６−０３８９８１号公報 特開２０００−２８５９３４号公報

ところで、近年では、製造コスト削減等を目的として、セパレータを構成する芯材としての金属箔にコート層を形成した後にプレス加工を施す方法が検討されている。このようにコート層の形成後にプレス成形を行うと、プレス成形時に金属箔に亀裂が発生した場合でも、その亀裂は、コート層を形成するコーティング材料によって塞がれる場合がある。しかし、前記のように金属箔に亀裂が発生すると、当該金属箔の強度が低下し、当該金属箔に形成したコート層が劣化して剥がれやすくなり、これによって、シール性が低下するおそれがある。そのため、燃料電池の製造過程において、前記金属箔に発生した亀裂（特に、コート層を形成するコーティング材料によって塞がれた金属箔の亀裂）を確実に検出することが望まれる。

しかしながら、上記特許文献１に所載の従来のリーク検査方法では、前記のようにコート層を形成するコーティング材料が金属箔に発生した亀裂を塞いでしまうと、その亀裂を検出できなくなる。

また、前記のようにコート層を形成するコーティング材料が金属箔に発生した亀裂を塞いでしまうと、外見上で金属箔の亀裂を判別できなくなる（つまり、表面には、金属箔の亀裂が現れなくなる）ため、上記特許文献２に所載の従来の検査方法でも、その亀裂を確実に検出することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セパレータを構成する芯材に発生した亀裂を確実に検出することの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にある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池用セパレータの製造方法は、コート層が形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、芯材の表面を該芯材よりもＸ線透過率が高いコーティング材料でコーティングしたセパレータ素材を用意する準備工程と、前記セパレータ素材を所定形状にプレス成形するプレス成形工程と、前記プレス成形工程後の前記セパレータ素材を前記コーティング材料を透過する出力のＸ線を用いてＸ線検査する検査工程と、を含むことを特徴としている。

前記検査工程において、前記セパレータ素材に対して前記コーティング材料でコーティングした側からＸ線を照射することが好ましい。

前記検査工程において、前記芯材を透過しない出力のＸ線を用いることが好ましい。

前記準備工程において、前記芯材の両面を前記コーティング材料でコーティングすることが好ましい。

前記準備工程において、前記芯材に金属を用い、前記コーティング材料にカーボン粉末を用いたセパレータ素材を用意することが好ましい。

本発明によれば、芯材の表面をコーティング材料でコーティングした後（コート層の形成後）にプレス成形する場合でも、芯材に発生した亀裂を確実に検出することができる。

なお、プレス加工時に生じた亀裂を非破壊検査すること（上記特許文献２参照）は既に知られているが、外部から加熱して温度変化させたセパレータの表面を赤外線サーモグラフィで測定しているのみであり、かかる芯材とコーティング材料とのＸ線透過率の差を用いてセパレータ内部の芯材（金属箔等）の亀裂の有無を確認することについての知見は存在せず、本発明の特許性はこれらの先行技術文献によって否定されるものではない。

セパレータを備えた燃料電池スタックの要部断面図である。 セパレータの製造工程の概略を示すフロー図である。 検査工程で用いるＸ線検査装置の概略図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［セパレータを備えた燃料電池スタックの構成］
図１は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属（例えば、ＳＵＳ、チタン、アルミ、銅、ニッケル等の金属）を芯材（基材）３ａとする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

また、本実施形態では、各セパレータ３（の芯材３ａ）の一面側及び他面側（ＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接する面、及び、隣接する他のセパレータ３の他面側と当接する面）にそれぞれ、例えばカーボン粉末（粉末状のカーボン）を熱硬化性樹脂等のバインダ樹脂に練り込んだコーティング材料からなる導電性被膜としてのコート層（炭素層）３ｂが形成されている。なお、セパレータ３を構成する芯材３ａとコート層３ｂとの間に、密着性確保等のための中間層（不図示）を備えていてもよい。

コート層３ｂは、導電性や耐食性等を有していればよく、コート層３ｂを構成する熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。

本実施形態では、各セパレータ３は、（断面形状が）波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部がほぼ平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

前記セパレータ３は、芯材３ａの表面（両面）にコート層３ｂが形成されたセパレータ素材を金型を用いてプレス成形することにより、前記の形状を呈するように成形（塑性変形）される（後で詳述）。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

［セパレータの製造工程］
次に、前記したセパレータ３の製造方法について説明する。図２は、セパレータの製造工程の概略フローを示した図である。また、図３は、セパレータの製造工程における検査工程で用いるＸ線検査装置の概略図である。

前記セパレータ３を製造するに当たり、図２に示すように、まず、平板状の芯材（例えば、ＳＵＳ製あるいはチタン製等の金属箔）３ａの表面（両面）をコーティング材料でコーティングしてコート層３ｂを形成し、セパレータ３の素材（成形前の状態）となるセパレータ素材を用意する（Ｓ２１：準備工程（コート層形成工程））。ここで用いるコーティング材料（コート層３ｂを形成する材料）は、例えばカーボン粉末を熱硬化性樹脂等のバインダ樹脂に練り込んだ（混合した）ペースト状の材料であり、芯材３ａよりもＸ線透過率が高い材料とする（後で詳述）。なお、前記コート層３ｂは、芯材（金属箔）３ａの表面にナノ径のカーボン粉末を塗布した後に酸化・還元処理を施して当該カーボン粉末を固定することにより形成してもよい。

次いで、金型を用いて、前記セパレータ素材をプレス成形する（Ｓ２２：プレス成形工程）。これにより、前記セパレータ素材は、（前記所定方向で視たときの断面視において）波形状ないし凹凸状を呈するように形成され、ガス流路が形成される。

次に、前記プレス成形後（プレス成形工程（Ｓ２２）後）のセパレータ素材を洗浄（ＵＶ洗浄等）する（Ｓ２３：洗浄工程）。

そして、Ｘ線検査装置を用いて、前記洗浄後（洗浄工程（Ｓ２３）後）のセパレータ素材の検査（Ｘ線ピンホール検査）を実施する（Ｓ２４：検査工程）。

詳しくは、図３に示されるように、前記洗浄後のセパレータ素材３ｃを挟んでＸ線発生装置５１とＸ線検出装置５２を対向してセットする。Ｘ線検出装置５２は、外部からのＸ線侵入と外部へのＸ線漏れを防止するために、カバー５３で囲われたＸ線暗室５３ａ内に配置する。前記セパレータ素材３ｃは、マスキング治具５４にセット後、押え型５５で押えてシール（マスキングともいう）する。なお、Ｘ線発生装置５１およびＸ線検出装置５２とセパレータ素材３ｃは、セパレータ素材３ｃに対して検査したい部位を全てスキャン（走査）できるように、相対移動可能となっている。

前記のように、Ｘ線発生装置５１、Ｘ線検出装置５２等を有するＸ線検査装置５０にセパレータ素材３ｃをセットした後、Ｘ線発生装置５１およびＸ線検出装置５２とセパレータ素材３ｃを相対移動させながら、Ｘ線発生装置５１からセパレータ素材３ｃ（のコーティング材料でコーティングした面、つまり、コート層３ｂが形成された面）に対してＸ線を照射する。ここで、照射されるＸ線の出力は、セパレータ素材３ｃのコート層３ｂ（言い換えれば、コート層３ｂを形成するコーティング材料）は透過するが、芯材３ａは透過しない出力とする。なお、Ｘ線の出力は、Ｘ線発生装置５１とセパレータ素材３ｃとの距離を変更することで調整することもできる。

これにより、芯材３ａに亀裂（例えば、数ミクロン〜数十ミクロン程度のピンホール）が存在する場合、Ｘ線発生装置５１から照射されたＸ線は、前記芯材３ａの亀裂を通過して（言い換えれば、前記芯材３ａの亀裂から漏れて）Ｘ線暗室５３ａ内に配置されたＸ線検出装置５２で検出されるので、前記芯材３ａに発生した亀裂（特に、コート層３ｂを形成するコーティング材料によって塞がれた芯材３ａの亀裂（言い換えれば、コート層３ｂ内の芯材３ａの亀裂））を検出することができる。なお、Ｘ線検出装置５２では、測定したＸ線画像を取り込み、所定のソフトで画像差を測定し、その異常の有無を表示することにより、前記芯材３ａの亀裂の有無を簡便に検査することができる。

前記検査工程（Ｓ２４）後のセパレータ素材３ｃは、ガスケット組付工程を経て前記セパレータ３とされて、前記燃料電池１０内に組み付けられる。

以上で説明したように、本実施形態では、検査工程（Ｓ２４）にて、コート層３ｂ（言い換えれば、コート層３ｂを形成するコーティング材料）は透過するが、芯材３ａは透過しない出力のＸ線を用いてＸ線検査を行うことで、芯材３ａの表面をコーティング材料でコーティングした後（コート層３ｂの形成後）にプレス成形する場合でも、芯材３ａに発生した亀裂を確実に検出することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（単電池）、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、３ａ…セパレータの芯材、３ｂ…コート層、３ｃ…セパレータ素材、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間

Claims (5)

1. コート層が形成された燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   芯材の表面を該芯材よりもＸ線透過率が高いコーティング材料でコーティングしたセパレータ素材を用意する準備工程と、
   前記セパレータ素材を所定形状にプレス成形するプレス成形工程と、
   前記プレス成形工程後の前記セパレータ素材を前記コーティング材料を透過するが前記芯材を透過しない出力のＸ線を用いてＸ線検査する検査工程と、
   前記芯材の亀裂を通過した前記Ｘ線の出力を検出するによって前記芯材の亀裂の有無を検出するＸ線検出装置を介して、前記プレス成形工程後の前記セパレータ素材のＸ線検査に基づいて、前記芯材の亀裂を検出する検出工程と、を含む燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記プレス成形工程後の前記セパレータ素材に対してＸ線を照射するＸ線発生装置と前記Ｘ線検出装置を前記セパレータ素材を挟んで対向して配置する、請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記検査工程において、前記セパレータ素材に対して前記コーティング材料でコーティングした側からＸ線を照射する、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記準備工程において、前記芯材の両面を前記コーティング材料でコーティングする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記準備工程において、前記芯材に金属を用い、前記コーティング材料にカーボン粉末を用いたセパレータ素材を用意する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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