JP6922595B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、芯材の表面に熱硬化性樹脂を含む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、表面電気抵抗低減（導電性確保）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。

前記のような燃料電池用セパレータの製造方法として、例えば、芯材としての金属基板に樹脂と導電性充填剤を混合した樹脂導電層を形成した後、プレス加工によりガス流路を形成するための突起部や溝部を形成する方法（例えば、下記特許文献１参照）、芯材としての金属板表面に導電性スラリーを積層し、スタンパによって導電性スラリーにガス流路が設けられた成型層を形成した後、成型層を硬化させて樹脂層を形成する方法（例えば、下記特許文献２参照）などが知られている。

特開２００７−３２４１４６号公報 特開２００５−３１７３８８号公報

しかしながら、上記特許文献１、２等に所載の従来の製造方法では、芯材の樹脂層形成とガス流路形成とが別工程であるため、製造時間が長くなり、生産性が低下するという問題がある。

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、燃料電池用セパレータの生産性を効果的に向上させ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、熱硬化性樹脂層からなるコート層が形成されるとともに、ガス流路が設けられた燃料電池用セパレータの製造方法であって、未硬化の熱硬化性樹脂層が芯材の表面に設けられたセパレータ素材を準備する準備工程と、前記セパレータ素材を加熱しながらプレスし、前記未硬化の熱硬化性樹脂層を硬化させつつ、前記セパレータ素材にガス流路を形成する熱プレス工程と、を含むことを特徴としている。

また、前記熱プレス工程で用いられる金型に逃がし部が設けられており、前記熱プレス工程にて、前記逃がし部に未硬化の熱硬化性樹脂を流動させつつ、前記未硬化の熱硬化性樹脂層の硬化および前記セパレータ素材へのガス流路の形成を行うことが好ましい。

また、前記芯材が、チタンまたはＳＵＳで作製されており、前記熱プレス工程での加熱温度が、180℃〜210℃の範囲内であることが好ましい。

また、前記セパレータ素材において、前記未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さが前記芯材の厚さより厚いことが好ましい。

また、前記セパレータ素材は、前記芯材の厚さが40μm〜70μmの範囲内、前記未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さが50μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。

本発明によれば、セパレータ素材におけるコート層（熱硬化性樹脂層）の硬化とガス流路形成とを同時に行うことにより、製造に要する時間（工程）を短縮できるので、燃料電池用セパレータの生産性を効果的に向上させることができる。

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。 セパレータの内部構造を示す要部拡大断面図である。 セパレータの製造工程の概略を示すフロー図である。 セパレータの製造工程における熱プレス工程の概要を示す要部拡大断面図である。

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）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、図２に拡大図示されているように、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、カーボン粉末（粉末状のカーボン）を熱硬化性樹脂に練り込んだ熱硬化性樹脂層からなる導電性被膜としてのコート層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。コート層３ｂの厚みは、特に限られるものではないが、例えば0.01mm〜0.2mm程度、より広範には0.01mm〜0.3mm程度である。また、セパレータ３を構成する芯材３ａの厚み（板厚）は、特に限られるものではないが、例えば40μm〜70μmの範囲内であれば、強度を確保できる。芯材３ａのみで強度が不足する場合、コート層３ｂを厚くし、芯材３ａと樹脂層３ｂで隙間なく積層させることで、必要な強度を確保できる。

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）にカーボン粉末を熱硬化性樹脂に練り込んだペースト状のスラリー（未硬化の熱硬化性樹脂層）を塗布して乾燥させたセパレータ素材３ｃ（図４参照）を金型を用いて加熱しながらプレスすることにより、前記の未硬化の熱硬化性樹脂層が硬化されて芯材３ａの表面にコート層３ｂが形成されるとともに、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３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４は、セパレータの製造工程における熱プレス工程の概要を示す要部拡大断面図である。

前記セパレータ３を製造するに当たり、図３に示すように、まず、未硬化の熱硬化性樹脂層が芯材３ａの表面に設けられたセパレータ素材を準備する（Ｓ３１：準備工程）。詳しくは、芯材３ａとしての金属箔（例えば、板厚が50μm程度のチタン材あるいはTiC材やＳＵＳ材等）の両面に、カーボン粉末を熱硬化性樹脂に練り込んだペースト状のスラリー（熱硬化性樹脂層）を塗布して乾燥させたセパレータ素材を準備する。

後述する熱プレス工程（Ｓ３１）で熱硬化性樹脂層の硬化とガス流路形成とを同時に且つ確実に行うため、ここでの未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さは芯材３ａの厚さより厚いことが好ましく、例えば、前記セパレータ素材において、芯材３ａの厚さが40μm〜70μmの範囲内であり、未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さが80μm〜160μm、より広範には50μm〜300μm（芯材３ａの片面で、例えば40μm〜80μm）の範囲内であることが望ましい。この場合、セパレータ素材全体の厚さ（板厚）は、例えば、120μm〜230μm程度、より広範には120μm〜670μm程度となる。

次いで、例えばヒーター（カートリッジヒーター、水蒸気ヒーター、オイルヒーター等）が埋め込まれるとともに、セパレータ素材（の熱硬化性樹脂層）の熱硬化樹脂を硬化させるのに必要な温度まで上昇させて略定温にて維持することができる温度コントローラが設置された金型（プレス型）を用い、前記未硬化の熱硬化性樹脂層が設けられたセパレータ素材を加熱しながらプレス（温間成形ともいう）する（Ｓ３２：熱プレス工程）。これにより、未硬化の熱硬化性樹脂が芯材３ａの変形に追従するように流動しつつ当該未硬化の熱硬化性樹脂層が硬化されるとともに、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て、ガス流路が形成される。例えば、芯材３ａがチタン製またはＳＵＳ製であり、熱硬化性樹脂層を構成する熱硬化性樹脂がフェノール樹脂である場合、前記温度コントローラによって前記セパレータ素材の加熱温度（つまり、硬化温度）を180℃〜210℃の範囲内に維持することにより、前記芯材３ａの反りを確実に抑えることができる。なお、この熱プレス工程（Ｓ３２）後のセパレータ素材（つまり、成形後のセパレータ３）全体の厚さ（板厚）は、例えば、100μm程度とされる。

なお、この熱プレス工程（Ｓ３２）において、前記セパレータ素材（特に、そのうちの未硬化の熱硬化性樹脂層）の厚さバラツキによる金型の浮き上がり（担ぎともいう）を防止すべく、前記金型に、セパレータ素材３ｃ（の熱硬化性樹脂層）の熱硬化性樹脂の一部や当該熱プレス工程（Ｓ３２）の加圧によって熱硬化性樹脂から発生するガス等を逃がす（流動させる）ための逃がし部Ｎを設定してもよい（図４参照）。この逃がし部Ｎは、例えば、金型表面（プレス面）に形成された窪み、陥凹部、溝等から形成することができる。これにより、セパレータ素材３ｃ（特に、そのうちの未硬化の熱硬化性樹脂層）の厚さが不均一な場合であっても、所望の板厚（略均一な板厚）のセパレータ３を得ることができる。

なお、前記逃がし部Ｎの設定位置は、特に限られるものではない（つまり、各セパレータ３の頂部に対応する部分でもよいし、脚部に対応する部分でもよい）が、電気抵抗への影響を考慮して、例えば図４に示されるように、各セパレータ３の頂部（平坦部分）に対応する部分に設定するのがよい。また、前記逃がし部Ｎの数や大きさ（深さや幅等）等は、図示例に限られるものではない。

前記熱プレス工程（Ｓ３２）後のセパレータ素材は、不要部分を型抜きした後、洗浄、検査等の工程を経て、前記セパレータ３とされる。

以上で説明したように、本実施形態では、セパレータ素材におけるコート層３ｂ（熱硬化性樹脂層）の硬化とガス流路形成とを同時に行うことにより、製造に要する時間（工程）を短縮できるので、燃料電池用セパレータ３の生産性を効果的に向上させることができる。また、コート層３ｂ（熱硬化性樹脂層）を硬化させるための装置とガス流路を形成するための装置とを別々に準備する必要がなく、同じ装置で実施することができるので、これによっても、生産性を効果的に向上させることができる。特に、前記のような燃料電池用セパレータ３は、１つの燃料電池スタック１０に数百枚程度用いることが想定されるので、燃料電池スタック１０として見たときには、生産性向上の寄与が格段に大きいと考えられる。

また、本実施形態では、上記特許文献１、２等に所載の従来の製造方法と比べて、以下のような効果もある。

すなわち、プレス前の芯材の両面にコート層を形成（成膜）する従来の方法（例えば、特許文献１参照）では、プレス時に、芯材はプレス成形により（数十%程度）伸びるが、プレス前に芯材の両面に形成したコート層はほとんど伸びないため、コート層に亀裂が入って脱落する可能性がある。それに対し、本実施形態では、熱硬化性樹脂の温間成形によりセパレータ素材を成形しながら（変形させながら）熱硬化性樹脂層を硬化させてコート層を形成するため、当該コート層の亀裂や脱落を防止できる。

また、例えば従来の製造方法と比べて、熱プレス工程（Ｓ３２）の加熱温度（温間成形温度）を抑えられる（例えば、180℃〜210℃程度）ので、芯材３ａの熱歪による反りを抑えられるととともに、温間成形に要する時間を短縮できる。

また、熱プレス工程（Ｓ３２）にて未硬化の熱硬化性樹脂を硬化させつつ、前記セパレータ素材にガス流路を形成することにより、芯材３ａの曲率を抑えて板減（板厚減少）を小さくできるので（特に、図２および図４参照）、成形性向上に繋がる。

さらに、未硬化の熱硬化性樹脂で芯材３ａを覆っているため、金属溶出、電蝕、孔食等が懸念されるＳＵＳ材等にも利用できるといった利点もある。

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（熱硬化性樹脂層）、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、Ｎ…金型の逃がし部

Claims (6)

1. 熱硬化性樹脂層からなるコート層が形成されるとともに、ガス流路が設けられた燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   未硬化の熱硬化性樹脂層が芯材の表面に設けられたセパレータ素材を準備する準備工程と、
   前記セパレータ素材を加熱しながらプレスし、前記未硬化の熱硬化性樹脂層を硬化させつつ、前記セパレータ素材にガス流路を形成する熱プレス工程と、を含み、
   前記熱プレス工程で用いられる金型のプレス面に逃がし部が設けられており、
   前記熱プレス工程にて、前記逃がし部に未硬化の熱硬化性樹脂を流動させつつ、前記未硬化の熱硬化性樹脂層の硬化および前記セパレータ素材へのガス流路の形成を行う燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記逃がし部は、前記金型の前記プレス面に形成された窪み、陥凹部、溝のうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記芯材が、チタンまたはＳＵＳで作製されており、
   前記熱プレス工程での加熱温度が、180℃〜210℃の範囲内である、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. 前記セパレータ素材において、前記未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さが前記芯材の厚さより厚い、請求項１から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. 前記未硬化の熱硬化性樹脂層は、前記芯材の両面に形成され、
   前記セパレータ素材は、前記芯材の厚さが40μm〜70μmの範囲内、前記芯材の両面に形成された前記未硬化の熱硬化性樹脂層の厚さの合計が50μm〜300μmの範囲内である、請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記熱プレス工程にて、前記セパレータ素材を波形状ないし凹凸状に形成して前記セパレータ素材にガス流路を形成し、
   前記逃がし部は、前記セパレータ素材の頂部に対応する部分に設けられている、請求項１から５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。

Images