JP6973029B2 - 燃料電池用のセパレータの製造方法およびセパレータ素材 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法およびセパレータ素材に関する。

燃料電池は、固体高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで挟んだものを単セルとし、ガス（水素ガス、酸化剤ガス等）が流れるガス流路が形成されたセパレータを介して、単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。このような燃料電池用セパレータは、スタック内において発生した電流を隣接したセルに流す役割を担っているので、高い導電性及び導電耐久性が求められている。

燃料電池用のセパレータの製造する方法として、たとえば、特許文献１には、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材の表面に、炭素を含有する塗工層を形成し、チタン基材を熱処理することにより、チタン基材の表面にカーボン層を形成する燃料電池用のセパレータの製造方法が開示されている。

この他にも、たとえば、特許文献２には、以下の製造方法が開示されている。この製造方法では、チタン基材の表面にカーボンブラックを塗布してカーボンブラック層を形成し、塗布した基材を低酸素分圧下で熱処理することで、基材のチタン原子をカーボンブラック層に外方拡散させている。この外方拡散により、カーボンブラックと、これを保持する酸化チタンからなる混合層が形成される。

特開２０１４−１４６５５０号公報 特開２０１６−１２２６４２号公報

このように、特許文献１および２に記載の製造方法で製造されたセパレータの素材は、ガス流路が形成されるように、セパレータの形状にさらにプレス成形される。このプレス成形時に、チタン基材などの金属基材に形成されたカーボン層の炭素が、粒子または小片となって、カーボン層から脱離することがある。この脱離した炭素が、プレスの成形型に付着し成形型の成形面に堆積したり、次の成形前のセパレータ素材に付着したりすると、セパレータの成形不良が生じるおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、プレス成形時に、金属基材の表面に形成されたカーボン層の炭素の脱離を防止し、プレス成形による成形不良を抑えることができる燃料電池用のセパレータの製造方法およびそのセパレータ素材を提供する。

前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池用のセパレータの製造方法は、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、金属基材と、前記金属基材に被覆されたカーボン層と、前記カーボン層に被覆された樹脂層と、を有した平板状のセパレータ素材を準備する工程と、準備した前記セパレータ素材を、前記ガス流路が形成されるように、前記セパレータの形状にプレス成形する工程と、プレス成形されたセパレータから、前記樹脂層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、セパレータ素材のカーボン層には、樹脂層が被覆されているので、プレス成形時にカーボン層に亀裂が発生しても、この樹脂層によりカーボン層から炭素が粒子または小片となって脱落することはない。したがって、カーボン層の炭素が、プレスの成形型に付着することはない。このような結果、カーボン層由来の炭素の付着が起因となったセパレータの成形不良を抑えることができる。さらに、カーボン層の炭素が成形型に付着することを抑えるべく、過剰な加工油を成形型の表面に塗布する必要がない。このため、過剰な加工油によりセパレータの成形が阻害されることがないので、セパレータの成形精度の低下が発生することもない。

ここで、準備されるセパレータ素材のカーボン層および金属基材は、金属基材の表面にカーボン層が密着性を有し、これらが導電性を有するものであれば、その材料は特に限定されず、カーボン層の形成方法も特に限定されない。しかしながら、より好ましい態様として、前記準備する工程において、前記金属基材としてチタンまたはチタン合金からなるチタン基材を準備し、前記チタン基材にカーボンブラックを塗布して、カーボンブラック層を形成する工程と、前記カーボンブラック層が形成されたチタン基材に対して、熱処理を行うことにより、前記カーボンブラック層に、前記チタン基材の表面からチタン原子を拡散させ、前記カーボン層の一部として、チタン基材の表面に、カーボンブラック層のカーボンブラックと、前記カーボンブラックを保持する酸化チタンとからなる混合層を形成する工程と、を含む。

この態様によれば、セパレータ素材は、チタン基材にカーボンブラックを含むカーボン層が被覆されているため、プレス成形時、このカーボンブラックは、カーボン層から脱離し易いところ、この脱離を樹脂層により回避することができる。また、混合層の表面には、カーボンブラック層の余剰なカーボンブラックが残存することもあり、この余剰なカーボンブラックもプレス成形時にカーボン層から脱離し易いが、この脱離も、樹脂層により回避することができる。

さらに、混合層に残存した余剰のカーボンブラックは、樹脂層を除去する際に合わせてセパレータから取り除くことができるので、プレス成形前に、この余剰なカーボンブラックを取り除かなくてもよいため、工程の簡略化を図ることができる。

ここで、準備するセパレータ基材のカーボン層に被覆される樹脂層は、カーボン層の炭素の脱落を防止することができるのであれば、その材料は特に限定されず、樹脂層の形成方法も特に限定されない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記準備する工程において、前記樹脂層の基材となる熱可塑性樹脂からなる樹脂粒子を液体媒体に分散した懸濁液を、前記カーボン層の表面に塗工し、前記樹脂粒子を軟化点以上の温度で加熱して前記液体媒体を乾燥することにより、前記カーボン層の表面に前記樹脂層を形成する。

この態様によれば、樹脂粒子を含む懸濁液をカーボン層の表面に塗工することにより、カーボン層の表面に樹脂粒子を均一に分散することができる。この樹脂粒子を、軟化点以上で加熱することにより、より均一で薄い樹脂層を、カーボン層に被覆することができる。このような結果、プレス成形時における成形精度を高めることができるばかりでなく、除去工程において、樹脂層を短時間でカーボン層から除去することができる。

さらに、好ましい態様としては、前記樹脂粒子は、アクリル系樹脂からなる樹脂粒子を含み、前記懸濁液は、前記樹脂粒子を前記液体媒体に分散する脂肪酸からなる分散剤をさらに含む。

この態様によれば、樹脂粒子は、アクリル系樹脂からなる樹脂粒子を含むことにより、このアクリル系樹脂からなる樹脂粒子を、脂肪酸からなる分散剤により、懸濁液中において、より均一に分散することができる。これにより、上述した如く、より均一で薄い樹脂層を、カーボン層に被覆することができる。樹脂層に含まれるアクリル系樹脂は、炭素およびチタン等に対して密着性が高いため、プレス成形時にカーボン層から剥離し難い。また、脂肪酸からなる分散剤は、樹脂層に分散し、プレス成形時には、潤滑剤として作用するので、プレス成形時の成形性を高めることができる。さらに、アクリル系樹脂は、強アルカリ性の溶剤に溶解するので、プレス成形後に、セパレータを酸化させることなく、樹脂層を強アルカリ性の溶剤で簡単に除去することができる。

本明細書では、本発明として、燃料電池用のセパレータ素材も開示する。本発明に係る燃料電池用のセパレータ素材は、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成された燃料電池用のセパレータの素材となる平板状の燃料電池用のセパレータ素材であって、前記セパレータ素材は、金属基材と、前記金属基材に被覆されたカーボン層と、前記カーボン層に被覆された樹脂層と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、セパレータ素材のカーボン層には、樹脂層が被覆されているので、セパレータ素材からセパレータの形状にプレス成形を行って、カーボン層に亀裂が発生しても、樹脂層によりカーボン層から炭素が粒子または小片となって脱落することはない。したがって、カーボン層の炭素が、プレスの成形型等に付着することはない。このような結果、カーボン層に由来の炭素の付着が起因となったセパレータの成形不良を抑えることができる。さらに、カーボン層の炭素が成形型に付着することを抑えるべく、過剰な加工油を成形型の表面に塗布する必要がない。このため、過剰な加工油によりセパレータの成形が阻害されることがないので、セパレータの成形精度の低下が発生することもない。

ここで、準備されるセパレータ素材のカーボン層および金属基材は、金属基材の表面にカーボン層が密着性を有し、これらが導電性を有するものであれば、その材料は、特に限定されない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記金属基材は、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材であり、前記カーボン層は、カーボンブラックと、前記カーボンブラックを保持する酸化チタンと、を含む混合層を含む。

ここで、セパレータ素材のチタン基材に被覆されたカーボン層は、カーボンブラックを含むため、プレス成形時には、このカーボンブラックは、カーボン層から脱離し易いところ、この態様では、樹脂層により、カーボンブラックの脱落を防止することができる。

さらに好ましい態様としては、前記樹脂層は、前記樹脂層の基材となる熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂内に分散した潤滑剤と、を含み、前記熱可塑性樹脂は、アクリル系樹脂を含み、前記潤滑剤は、脂肪酸である。

この態様によれば、樹脂層に含まれるアクリル系樹脂は、炭素およびチタン等に対して密着性が高いため、プレス成形時にカーボン層から剥離し難い。また、脂肪酸からなる潤滑剤が樹脂層に分散しているので、プレス成形時の成形性を高めることができる。さらに、アクリル系樹脂は、強アルカリ性の溶剤に溶解するので、プレス成形後に、セパレータを酸化させることなく、樹脂層を強アルカリ性の溶剤で簡単に除去することができる。

本発明によれば、プレス成形時に、金属基材の表面に形成されたカーボン層の炭素の脱離を防止し、プレス成形による成形不良を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るセパレータを備えた燃料電池の要部の模式的断面図である。 図１に示す燃料電池用のセパレータの製造方法を説明するためのフロー図である。 図２に示すカーボンブラック層形成工程後のチタン基材とカーボンブラック層の模式的拡大断面図である。 図２に示す混合層形成工程後のチタン基材とカーボン層の模式的拡大断面図である。 図２に示す樹脂層形成工程後のチタン基材、カーボン層、および樹脂層の模式的拡大断面図である。 樹脂層形成工程における懸濁液中の樹脂粒子と分散剤との状態を示した模式図である。 懸濁液をカーボン層に塗布した状態を示した模式的断面図である。 図５Ｃに示す懸濁液乾燥後の樹脂層内の分散剤の状態を示した模式図である。 図２に示すプレス成形工程後のセパレータの断面図である。 図６Ａに示すプレス成形後のセパレータの模式的拡大断面図である。 図２に示す樹脂層除去工程後のセパレータの模式的拡大断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の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。

１．セパレータ３を含む燃料電池１０について
図１は、本発明の実施形態に係るセパレータ３を備えた燃料電池１０の要部の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池（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（例えば水素ガス）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、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）２と、ＭＥＧＡ（発電部）２同士を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用のセパレータ）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：Membrane Electrode Assembly）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チタン、チタン合金、またはステンレス鋼などの金属を基材とする部材であって、その一面側の接触部分３ａが、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側の接触部分３ｂが隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。接触部分３ａ、３ｂは、発電部であるＭＥＧＡ２で発電した電力を集電する集電部である。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形に形成されている。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、ほぼ同じ形状であり、この頂部（凸部）が、セパレータ３の接触部分３ａ、３ｂとなる。具体的には、ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分３ａが面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分３ｂが面接触している。

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、他方のガス流路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の背面側の接触部分３ｂ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の背面側の接触部分３ｂ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。

２．セパレータ３の製造方法について
以下に、図２〜図７を参照して、本実施形態に係るセパレータ３の製造方法を説明する。図２は、図１に示す燃料電池用のセパレータ３の製造方法を説明するためのフロー図である。なお、以下に、燃料ガス用のガス流路２１が形成されたセパレータの製造方法を説明するが、酸化剤ガス用のガス流路２２が形成されたセパレータ３の製造方法も同様であるので、その詳細な説明を省略する。

２−１．カーボンブラック層形成工程Ｓ１について
まず、図２に示すカーボンブラック層形成工程Ｓ１を行う。図３は、図２に示すカーボンブラック層形成工程Ｓ１後の、チタン基材３１とカーボンブラック層３２の模式的拡大断面図である。この工程では、平板状のチタン基材３１を準備し、この表面にカーボンブラック層３２を形成する。

具体的には、まず、チタン基材３１として、冷間の圧延材からなる板状のチタン材を準備する。たとえば、チタン基材３１の厚さは０．０５〜１ｍｍが好ましい。チタン基材３１は、チタンまたはチタン合金からなる。チタンとしては、例えば、ＪＩＳ Ｈ ４６００に規定される１〜４種を挙げることができる。また、チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−Ｐｄを挙げることができる。なお、本実施形態では、金属基材として、チタン基材３１を準備したが、たとえば、後述する金属基材に炭素からなるカーボン層を形成（成膜）することができるのであれば、金属基材が、ステンレス鋼などの基材であってもよい。

次に、チタン基材３１の表面（平面）にカーボンブラック層３２を形成する。準備したチタン基材３１の表面にカーボンブラック３２ａを塗布した後、これを乾燥させてカーボンブラック層３２を形成する。カーボンブラック３２ａは、水やエタノールなどの分散媒にカーボンブラック３２ａを分散した状態で塗布してもよい。塗布する方法としては、例えば、ロールコーターによる塗布、スプレによる塗布などが挙げられるが、チタン基材３１にカーボンブラック層３２を形成することができるのであれば、これに限定されるものではない。

２−２．混合層形成工程Ｓ２について
次に、図２に示す混合層形成工程Ｓ２を行う。図４は、図２に示す混合層形成工程Ｓ２後のチタン基材３１とカーボン層３５の模式的拡大断面図である。

この工程では、図３に示すカーボンブラック層３２が形成されたチタン基材３１に対して、熱処理を行う。この熱処理により、カーボンブラック層３２に、チタン基材３１の表面からチタン原子を外方拡散させ、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させ、酸化チタン３３を生成させる。この結果、カーボン層３５の一部として、チタン基材３１の表面に、カーボンブラック層３２のカーボンブラック３２ａと、カーボンブラック３２ａを保持する酸化チタン３３とからなる混合層３４を形成する。混合層３４の厚さは、４０〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。

この熱処理では、カーボンブラック層３２が形成されたチタン基材３１に対して、酸素分圧が１〜１００Ｐａで酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱を行うことが好ましい。酸素分圧が１Ｐａ未満の場合は、チタン原子の酸化が不十分となり、酸素分圧が１００Ｐａを超えると、炭素と酸素との反応により二酸化炭素となる可能性がある。加熱温度の範囲は、５５０〜７００℃が好ましい。加熱時間の範囲は、５〜６０秒が好ましい。加熱温度および加熱時間を前記した範囲に設定することにより、酸化チタン３３でカーボンブラック３２ａを十分保持することができる厚みの混合層３４を得ることができる。

本実施形態では、カーボン層３５は、酸化チタン３３によりカーボンブラック３２ａが保持された混合層３４と、混合層３４の表面に付着した余剰のカーボンブラック３２ｂとにより、形成される。余剰のカーボンブラック３２ｂは、図３に示すカーボンブラック層３２のカーボンブラック３２ａのうち、チタン原子の外方拡散が及ばす、酸化チタン３３により保持されないカーボンブラックである。この余剰のカーボンブラック３２ｂは、後の工程で除去される。なお、次の樹脂層形成工程Ｓ３前に、余剰のカーボンブラック３２ｂが除去されれば、後述するカーボン層３５は、混合層３４で構成される。

本実施形態では、カーボンブラック層形成工程Ｓ１と混合層形成工程Ｓ２とを行ったが、これらの工程の代わりに、例えば、上述した特許文献１の如き方法で、カーボン層を形成してもよく、プラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ等により、カーボン層（カーボン膜）を形成（成膜）してもよい。この場合、例えば、金属基材に、チタン基材の代わりに、ステンレス鋼の基材を用いてもよい。

２−３．樹脂層形成工程Ｓ３について
次に、図２に示す樹脂層形成工程Ｓ３を行う。図５Ａは、図２に示す樹脂層形成工程Ｓ３後のチタン基材３１、カーボン層３５、および樹脂層９の模式的拡大断面図である。また、図５Ｂは、樹脂層形成工程Ｓ３における懸濁液９Ａ中の樹脂粒子９ａ、９ｂと分散剤９ｃとの状態を示した模式図である。図５Ｃは、懸濁液９Ａをカーボン層３５に塗布した状態を示した模式的断面図である。図５Ｄは、図５Ｃに示す懸濁液９Ａ乾燥後の樹脂層９内の分散剤９ｃの状態を示した模式図である。

この工程では、まず、懸濁液９Ａを準備する。懸濁液９Ａは、樹脂層９の基材となる熱可塑性樹脂からなる樹脂粒子９ａ、９ｂを液体媒体９ｄに分散したものであり、本実施形態では、脂肪酸からなる分散剤９ｃも含有している。次に、図５Ｃに示すように、この懸濁液９Ａを、カーボン層３５の表面に塗工する。

懸濁液９Ａの塗工方法としては、たとえば、ロールコート法、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法、ダイコート法、インクジェット法、およびグラビアコート法等など、いずれの方法であってもよい。

次に、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、樹脂粒子９ａ、９ｂをその軟化点以上の温度で加熱して液体媒体９ｄを乾燥することにより、カーボン層３５の表面に樹脂層９を形成する。これにより、図５Ａに示すように、チタン基材３１と、チタン基材３１に被覆されたカーボン層３５と、カーボン層３５に被覆された樹脂層９と、を備えたセパレータ素材３Ａを得ることができる。セパレータ素材３Ａは、平板状であり、セパレータ３となるプレス加工用の素材である。以下に、懸濁液９Ａに含有する樹脂粒子９ａ、９ｂ、分散剤９ｃ、および液体媒体９ｄについて説明する。

本実施形態では、２種の樹脂粒子９ａ、９ｂは、異なる熱可塑性樹脂からなる。熱可塑性樹脂としては、（１）加熱した際に軟化して樹脂層９を形成することが可能であり、（２）樹脂層９とカーボン層３５との密着性を確保することができ、後述するプレス成形時に、カーボン層３５（具体的には混合層３４）から剥離することがなく、（３）後述する樹脂層９の除去時に簡単に除去することができるものが好ましい。

たとえば、このような熱可塑性樹脂として、アクリル系樹脂、ビニル系樹脂、スチレン系樹脂、メタクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ビニル系樹脂、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ナイロン系樹脂などが挙げられ、これらの熱可塑性樹を、それぞれ単独で、または２種以上を組み合わせて用いられる。

本実施形態では、懸濁液９Ａに添加される樹脂粒子９ａは、アクリル系樹脂であり、たとえば、(メタ)アクリル酸エステルの単独重合体あるいはこれと共重合可能な他の単量体との共重合体を挙げることができる。(メタ)アクリル酸エステルの具体例としては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸イソプロピル等を挙げることができる。(メタ)アクリル酸エステルと共重合可能な他の単量体の具体例としては(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等の不飽和カルボン酸等を挙げることができる。

アクリル系樹脂は、炭素、チタンに対して密着力が高く、強アルカリ性の溶剤に晒されて溶解し易い。したがって、樹脂粒子９ａにアクリル系樹脂を用いることにより、後述するプレス成形工程Ｓ４において、樹脂層９の剥離を抑えることができ、樹脂層除去工程Ｓ５において、強アルカリ性の溶液により、溶解することができる。

懸濁液９Ａに添加される樹脂粒子９ｂは、たとえば、ビニル系樹脂であり、後述するプレス成形工程Ｓ４において、樹脂層９の強度を確保するために必要に応じて懸濁液９Ａに添加されるものである。ビニル系樹脂としては、ビニル基を有する樹脂であり、たとえば、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、塩ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、またはポリビニルアセタールなどを挙げることができる。

本実施形態では、ビニル系樹脂が樹脂層９に含まれることにより、後述するプレス成形工程Ｓ４において、樹脂層９の破損等を抑えることができる。なお、本実施形態では、樹脂粒子９ｂを懸濁液９Ａに添加したが、例えば、懸濁液９Ａに添加する樹脂粒子は、アクリル系樹脂からなる樹脂粒子９ａの一種だけであってもよく、さらに、上述した別の熱可塑性樹脂からなる樹脂粒子を、複数種添加してもよい。

懸濁液９Ａに添加される分散剤９ｃは、脂肪酸であり、樹脂粒子９ａ、９ｂを構成する熱可塑性樹脂の軟化点で、揮発せず、分解しないものが好ましい。脂肪酸としては、たとえば、炭素数１２〜２４の高級脂肪酸を挙げることができ、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルチミン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、アラキジン酸，ベヘン酸、リグノセリン等の直鎖飽和脂肪酸を挙げることができる。

分散剤９ｃに脂肪酸を用いることにより、図５Ｂに示すように、懸濁液９Ａ中において、アクリル系樹脂からなる樹脂粒子９ａ、ビニル系樹脂からなる樹脂粒子９ｂに対して、これらが吸着し、樹脂粒子９ａ、９ｂの周りで凝集する。このようにして、樹脂粒子９ａ、９ｂを、懸濁液９Ａ中に分散させることができる。さらに、形成された樹脂層９には、分散剤９ｃが分散し、これを、後述するプレス成形工程Ｓ４において、潤滑剤として作用させることができる。

懸濁液９Ａの液体媒体９ｄとしては、水またはアルコールなどを挙げることができる。樹脂粒子９ａ、９ｂを構成する熱可塑性樹脂の軟化点において、揮発するものであれば、特に限定されるものではない。また、液体媒体９ｄに、樹脂粒子９ａ、９ｂを均一に分散することができるのであれば、分散剤９ｃを添加しなくてもよい。

このようにして、樹脂粒子９ａ、９ｂを含む懸濁液９Ａをカーボン層３５の表面に塗工することにより、図５Ｃに示すように、カーボン層３５の表面に樹脂粒子９ａ、９ｂを分散することができる。樹脂粒子９ａ、９ｂを、軟化点以上で加熱することにより、より均一で薄い樹脂層９を、カーボン層３５に被覆することができる。本実施形態では、たとえば、樹脂層９の厚さは、１〜５μｍの範囲である。

この工程で得られた樹脂層９は、樹脂層の基材となる熱可塑性樹脂と、熱可塑性樹脂内に分散した潤滑剤（分散剤９ｃ）とを含み、熱可塑性樹脂は、アクリル系樹脂とビニル系樹脂からなる。より具体的には、樹脂層９は、樹脂粒子９ａ、９ｂを構成する熱可塑性樹脂が粒状に分散して堆積した層となり、樹脂層９には、図５Ｄに示すように、分散剤９ｃである脂肪酸が、潤滑剤として樹脂層９に分散している。

２−４．プレス成形工程Ｓ４について
次に、図２に示すプレス成形工程Ｓ４を行う。図６Ａは、図２に示すプレス成形工程Ｓ４後のセパレータ３Ｂの断面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示すプレス成形後のセパレータ３Ｂの模式的拡大断面図である。

この工程では、樹脂層形成工程Ｓ３後のセパレータ素材３Ａを、ガス流路２１Ａが形成されるように、セパレータ３の形状にプレス成形する。このとき、セパレータ３Ｂのカーボン層３５には亀裂が発生するが、カーボン層３５には、樹脂層９が被覆されているので、カーボン層３５からカーボンブラック３２ａ、３２ｂが脱落することはない。

具体的には、セパレータ素材３Ａは、チタン基材３１に、カーボンブラック３２ａを含むカーボン層３５が被覆されているため、プレス成形時には、カーボンブラック３２ａは、カーボン層３５から脱離し易いところ、この脱離を樹脂層９により回避することができる。また、混合層３４の表面の余剰なカーボンブラック３２ｂもプレス成形時には、カーボン層３５から脱離し易いところ、この脱離も樹脂層９により回避することができる。

このような結果、プレスの成形型等に、カーボン層３５のカーボンブラック３２ａ、３２ｂが付着することはない。これにより、カーボン層３５に由来のカーボンブラック３２ａ、３２ｂの付着が起因となったセパレータ３Ｂの成形不良を抑えることができる。さらに、カーボン層３５のカーボンブラック３２ａ、３２ｂが成形型に付着することを抑えるべく、過剰な加工油を成形型の表面に塗布する必要がない。このため、過剰な加工油により、セパレータ３Ｂ成形精度の低下が発生することもない。

特に、本実施形態では、樹脂層形成工程Ｓ３において、より均一で薄い樹脂層９を、カーボン層３５に被覆したので、プレス成形におけるセパレータ３Ｂの成形精度を高めることができる。

また、セパレータ素材３Ａの樹脂層９には、炭素およびチタン等に対して密着性が高いアクリル系樹脂を含むので、プレス成形時にカーボン層３５から樹脂層９が剥離することを抑えることができる。さらに、樹脂層９には、脂肪酸からなる分散剤が分散しているため、プレス成形時には、これが潤滑剤として作用するので、プレス成形時の成形性を高めることができる。

２−５．樹脂層除去工程Ｓ５について
次に、図２に示す樹脂層除去工程Ｓ５を行う。図７は、図２に示す樹脂層除去工程Ｓ５後のセパレータ３の模式的拡大断面図である。

この工程では、プレス成形されたセパレータ３Ｂから、樹脂層９を除去し、セパレータ３を得ることができる。具体的には、本実施形態では、ｐＨ９．６〜１３．８の強アルカリ性の溶液に、セパレータ３Ｂの樹脂層９を所定の時間晒し、樹脂層９を除去する。強アルカリ性の溶剤は、例えば、炭酸ナトリウムを主成分とした水溶液である。

上述した如く、樹脂層９に含まれるアクリル系樹脂は、強アルカリ性の溶剤に溶解するので、プレス成形後に、セパレータ３を酸化させることなく、樹脂層９を強アルカリ性の溶剤で簡単に除去することができる。なお、本実施形態では、樹脂層９にビニル系樹脂が含まれているが、アクリル系樹脂にこれが介在しているため、アクリル系樹脂の溶解により、これがセパレータ３から脱離する。

また、樹脂層９は、樹脂層形成工程Ｓ３により、均一かつ薄い層として形成されているため、樹脂層９をカーボン層３５から短時間で除去することができる。カーボン層３５に残存した余剰のカーボンブラック３２ｂは、樹脂層９を除去する際に除去することができるので、プレス成形前に、この余剰なカーボンブラックを除去しなくてもよい。これにより、工程の簡略化を図ることができる。

なお、本実施形態では、強アルカリ性の溶剤で、樹脂層９を溶解したが、樹脂層９を除去することができるのであれば、その溶剤は、有機溶剤等であってもよく、樹脂層９をプラズマエッチング等で除去してもよい。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、本実施形態では、樹脂層除去工程において、混合層の表面に付着した余剰のカーボンブラックを除去したが、たとえば、混合層形成工程後、樹脂層形成工程前に、余剰のカーボンブラックを除去してもよい。また、混合層形成工程において、余剰のカーボンブラックが発生しないように、混合層を形成してもよい。

１０：燃料電池、３：セパレータ、３Ａ：セパレータ素材、３Ｂ：セパレータ、９：樹脂層、９Ａ：懸濁液、９ａ，９ｂ：樹脂粒子、９ｃ：分散剤（潤滑剤）、９ｄ：液体媒体、２１，２２：ガス流路、３１：チタン基材（金属基材）、３２：カーボンブラック層、３２ａ：カーボンブラック、３２ｂ：余剰のカーボンブラック、３３：酸化チタン、３４：混合層、３５：カーボン層

Claims (4)

1. 燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
   金属基材と、前記金属基材に被覆されたカーボン層と、前記カーボン層に被覆された樹脂層と、を有した平板状のセパレータ素材を準備する工程と、
   準備した前記セパレータ素材を、前記ガス流路が形成されるように、前記セパレータの形状にプレス成形する工程と、
   プレス成形された前記セパレータから、前記樹脂層を除去する工程と、を含み、
   前記準備する工程において、水またはアルコールからなる液体媒体に、前記樹脂層の基材となる熱可塑性樹脂からなる樹脂粒子としてアクリル系樹脂粒子およびビニル系樹脂粒子を、脂肪酸からなる分散剤で分散させた懸濁液を、前記カーボン層に塗工し、前記アクリル系樹脂粒子およびビニル系樹脂粒子を軟化点以上の温度で前記液体媒体を乾燥することにより、アクリル系樹脂とビニル系樹脂が粒状に分散して堆積された前記樹脂層を形成し、
   前記除去する工程において、前記樹脂層に強アルカリ性の溶液に晒すことにより、前記樹脂層を溶解することを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法。
2. 前記準備する工程において、
   前記金属基材としてチタンまたはチタン合金からなるチタン基材を準備し、前記チタン基材にカーボンブラックを塗布して、カーボンブラック層を形成する工程と、
   前記カーボンブラック層が形成されたチタン基材に対して、熱処理を行うことにより、前記カーボンブラック層に、前記チタン基材の表面からチタン原子を拡散させ、前記カーボン層の一部として、チタン基材の表面に、カーボンブラック層のカーボンブラックと、前記カーボンブラックを保持する酸化チタンとからなる混合層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法。
3. 燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるガス流路が形成された燃料電池用のセパレータの素材となる平板状の燃料電池用のセパレータ素材であって、
   前記セパレータ素材は、
   金属基材と、
   前記金属基材に被覆されたカーボン層と、
   前記カーボン層に被覆された樹脂層と、を備え、
   前記樹脂層は、アクリル系樹脂とビニル系樹脂とが粒状に堆積した層に、潤滑剤として脂肪酸が分散した層であることを特徴とする燃料電池用のセパレータ素材。
4. 前記金属基材は、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材であり、
   前記カーボン層は、カーボンブラックと、前記カーボンブラックを保持する酸化チタンと、を含む混合層を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用のセパレータ素材。

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