JP7276250B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

従来、固体高分子形燃料電池は、複数の単セルが積層された構成を有している。単セルは、膜電極接合体を有する発電部と、発電部を挟持する一対のセパレータとを備えている。セパレータには、それぞれ延在する凸部及び凹部が交互に設けられている。

特許文献１に記載のセパレータは、例えばステンレス鋼などの金属板材からなる基材と、基材の表面に形成された導電層とを備えている。こうした導電層により、セパレータの耐食性の向上、及びセパレータと発電部との接触抵抗の低減が図られている。

上記導電層は、基材の表面のうち発電部に対向する部分の全体に形成された第１導電層と、第１導電層の表面のうち凸部の頂面に対応する部分にのみ形成された第２導電層とを有している。第１導電層は、熱硬化性樹脂からなる第１結合材と、導電性粒子とを含む。第２導電層は、熱硬化性樹脂からなる第２結合材と、導電性炭素材とを含む。

第１導電層を形成する際は、まず、第１結合材及び導電性粒子を含む第１塗料を、基材の表面のうち発電部に対向する部分の全体に塗布する。その後、第１塗料が塗布された基材を加圧するとともに加熱することにより第１結合材を熱硬化させる。これにより、基材の表面に第１導電層が形成される。

第２導電層を形成する際は、まず、第２結合材及び導電性炭素材を含む第２塗料を、第１導電層の表面のうち凸部の頂面に対応する部分に塗布する。その後、第２塗料が塗布された基材を加圧するとともに加熱することにより第２結合材を熱硬化させる。これにより、第１導電層の表面に第２導電層が形成される。

特許第５９３００３６号公報

ところで、第１塗料は、基材の表面のうち発電部に対向する部分の全体に塗布される。このとき、凸部の表面に塗布された第１塗料が、自重によって凹部に向かって流れ落ちるおそれがある。この場合、凸部における第１導電層の膜厚が所望の膜厚より小さくなることで、以下の不都合が生じる。すなわち、第１結合材から導電性粒子が露出しやすくなることで、第１導電層による基材の耐食性の向上の効果が発揮されにくくなる。また、凸部の頂面における第１導電層に存在する導電性粒子の割合が少なくなることで、セパレータと発電部との接触抵抗の低減の効果が発揮されにくくなる。

本発明の目的は、導電層の膜厚のばらつきを抑制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。

上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板材からなり、それぞれ延在する凸部及び凹部が交互に設けられた基材と、前記基材の厚さ方向の少なくとも一側の表面に形成された第１導電層と、前記第１導電層のうち前記凸部に対応する部分の表面に形成された第２導電層と、を備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、熱硬化性樹脂からなる第１結合材、導電性粒子、第１溶剤、及び前記第１溶剤の沸点よりも低い沸点を有する第２溶剤を含む塗料であって、当該塗料の体積に占める前記第２溶剤の体積の割合が前記第１溶剤の体積の割合よりも多い第１塗料を、前記基材の前記表面に塗布するとともに、前記第１塗料の塗布に際して前記第２溶剤を揮発させる第１塗布工程と、熱硬化性樹脂からなる第２結合材、及び導電性炭素材を含む第２塗料を、フィルムの厚さ方向の一側の表面に塗布する第２塗布工程と、前記フィルムに塗布された前記第２塗料と、前記基材に塗布された前記第１塗料とを接触させた状態で、前記フィルム及び前記基材を加圧するとともに加熱することで、前記第１結合材及び前記第２結合材を熱硬化させて前記第１導電層と前記第２導電層とを形成する導電層形成工程と、を備える。

同方法によれば、基材の表面に塗布される前の状態の第１塗料は、第１溶剤と第２溶剤とを含んでいる。このため、第１塗料に対して適度な流動性を付与することができる。これにより、第１塗料を基材の表面に塗布しやすくなることから、第１塗料を塗布する際の作業性を向上することができる。

また、第２溶剤は、第１溶剤の沸点よりも低い沸点を有しているため、第１溶剤よりも揮発しやすい。そして、第１塗料の塗布に際して第２溶剤を揮発させることで、第１塗料の粘度を高めることができ、第１塗料の流動性を低くできる。このため、基材の表面に塗布された第１塗料が、自重によって流れ落ちることを抑制できる。

ここで、上記方法によれば、第１塗料の体積に占める第２溶剤の体積の割合が第１溶剤の体積の割合よりも多いため、第１塗料の体積に占める第２溶剤の体積の割合が第１溶剤の体積の割合よりも少ない場合に比べて、第１塗料の塗布の前後において第１塗料の粘度を大きく増加させることができる。これにより、第１塗料の流動性を大きく低下させることができる。

以上のことから、第１塗料を塗布する際の作業性の向上と、第１塗料の流れ落ちの抑制とを高い次元で両立することができる。したがって、こうした第１塗料を熱硬化させて形成された第１導電層を備えるセパレータによれば、第１導電層の膜厚のばらつきを抑制できる。

上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記導電層形成工程に先立ち、前記第２塗料が塗布された前記フィルムを圧延する圧延工程を備えることが好ましい。
導電層形成工程において、フィルムに塗布された第２塗料と、基材に塗布された第１塗料とを接触させた状態で、フィルム及び基材を加圧するとともに加熱することで、第２塗料内における導電性炭素材同士の間隙に、第１塗料の第１結合材が入り込むおそれがある。この場合、第２導電層内において導電性炭素材同士が接触しにくくなることで、これら導電性炭素材を介した導電経路の生成が阻害されるおそれがある。

この点、上記方法によれば、第２塗料が塗布されたフィルムを圧延することにより、上記間隙の割合が小さくなる、すなわち、第２塗料内における導電性炭素材の密度が高められる。このため、フィルム及び基材を加圧するとともに加熱する際に、上述した不都合が生じることを抑制できる。

また、第２塗料内における導電性炭素材の密度が高められることで、第２塗料の膜厚のばらつきを抑制できる。こうした第２塗料を熱硬化させて形成された第２導電層を備えるセパレータによれば、第２導電層の膜厚のばらつきを抑制できる。

本発明によれば、導電層の膜厚のばらつきを抑制できる。

燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態について、当該セパレータを有する単セルを中心とした燃料電池のスタックの拡大断面図。 セパレータの構成を示す断面図。 基材の表面に第１塗料が塗布されている状態を示す断面図。 基材の両面に第１塗料が塗布された状態を示す断面図。 フィルムに第２塗料が塗布されている状態を示す断面図。 第２塗料が塗布されたフィルムが圧延されている状態を示す断面図。 第２塗料が塗布されたフィルムが圧延された状態を示す断面図。 基材にフィルムが載置された状態を示す断面図。 基材に第１導電層と第２導電層とが熱転写されている状態を示す断面図。

以下、図１～図９を参照して、燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態について説明する。
各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池用セパレータ（以下、セパレータ２０と称する）は、固体高分子形燃料電池のスタック１に用いられるものである。なお、セパレータ２０は、後述する第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０の総称である。

スタック１は、複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、アノード側の第１セパレータ３０と、カソード側の第２セパレータ４０とにより挟持された発電部１１を備えている。

発電部１１は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２を挟持するアノード側ガス拡散層１５及びカソード側ガス拡散層１６とにより構成されている。アノード側ガス拡散層１５は、膜電極接合体１２と第１セパレータ３０との間に設けられている。カソード側ガス拡散層１６は、膜電極接合体１２と第２セパレータ４０との間に設けられている。アノード側ガス拡散層１５及びカソード側ガス拡散層１６は、共に炭素繊維により形成されている。

膜電極接合体１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料からなる電解質膜１３と、電解質膜１３を挟持する一対の電極触媒層１４とを備えている。各電極触媒層１４には、燃料電池における反応ガスの電気化学反応を促進するために、例えば白金などの触媒が担持されている。

第１セパレータ３０は、ステンレス鋼などの金属板材からなる基材３１を有している。基材３１には、それぞれ延在する第１凸部３２及び第１凹部３３が交互に設けられている。第１凸部３２及び第１凹部３３は複数設けられている。

各第１凸部３２は、互いに間隔をおいて並列して延在するとともにアノード側ガス拡散層１５に接触している。各第１凹部３３は、互いに隣り合う２つの第１凸部３２同士の間において第１凸部３２に沿って延在している。

第２セパレータ４０は、ステンレス鋼などの金属板材からなる基材４１を有している。基材４１には、それぞれ延在する第２凸部４２及び第２凹部４３が交互に設けられている。第２凸部４２及び第２凹部４３は複数設けられている。

各第２凸部４２は、互いに間隔をおいて並列して延在するとともにカソード側ガス拡散層１６に接触している。各第２凹部４３は、互いに隣り合う２つの第２凸部４２同士の間において第２凸部４２に沿って延在している。

図２に示すように、基材３１，４１のうち発電部１１に対向する部分の両面の全体には、第１導電層５０が形成されている。第１導電層５０は、熱硬化性樹脂からなる第１結合材５１及び導電性粒子５２を含む。

第１結合材５１は、例えば、エポキシ樹脂とフェノール樹脂とを含む。導電性粒子５２は、例えば、窒化チタンである。なお、窒化チタンは、基材３１，４１の表面に形成された酸化被膜３１ａ，４１ａよりも硬度が高い。

第１導電層５０の表面のうち、基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に対応する部分には、第２導電層６０が形成されている。第２導電層６０は、熱硬化性樹脂からなる第２結合材６１及び導電性炭素材６２を含む。

第２結合材６１は、例えば、エポキシ樹脂を含む。導電性炭素材６２は、例えば、グラファイト粒子である。
導電性粒子５２は、各凸部３２，４２の表面に形成された酸化被膜３１ａ，４１ａを貫通して基材３１，４１に接触している。また、導電性粒子５２と導電性炭素材６２とは互いに接触している。このため、セパレータ２０には、基材３１，４１、導電性粒子５２、及び導電性炭素材６２によって、酸化被膜３１ａ，４１ａを経由しない導電経路が形成される。

図１に示すように、第１セパレータ３０の第１凹部３３に対応する部分と、アノード側ガス拡散層１５とで区画される部分には、燃料ガス流通する燃料ガス流路が形成されている。第２セパレータ４０の第２凹部４３に対応する部分と、カソード側ガス拡散層１６とで区画される部分には、酸化ガスが流通する酸化ガス流路が形成されている。本実施形態における燃料ガスは水素であり、酸化ガスは空気である。

また、第１セパレータ３０における第１凹部３３の底部に対応する部分と、同第１セパレータ３０に隣り合う第２セパレータ４０の第２凹部４３の底部に対応する部分とは、レーザ溶接などにより互いに接合されている。第１セパレータ３０の第１凸部３２の裏面に対応する部分と、第２セパレータ４０の第２凸部４２の裏面に対応する部分とで区画される部分には、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。

次に、セパレータ２０の製造方法について説明する。
なお、第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０の製造方法は同一であるため、以降では、第１セパレータ３０の製造方法について説明することで、第２セパレータ４０の製造方法についての説明を省略する。

図３に示すように、まず、スプレーガン１００を用いて第１塗料５０ａを基材３１に向けて噴射することで、基材３１の表面に第１塗料５０ａを塗布する。
ここで、第１塗料５０ａは、第１結合材５１、導電性粒子５２、第１溶剤、及び第２溶剤、及び硬化促進剤を含む。第２溶剤は、第１溶剤の沸点よりも低い沸点を有している。このため、第２溶剤は、第１溶剤よりも揮発しやすい。

本実施形態の第１溶剤は、例えば、ブチルカルビトールである。第１溶剤の沸点は、およそ２３０℃である。本実施形態の第２溶剤は、例えば、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）である。第２溶剤の沸点は、およそ７９℃である。なお、本明細書中における沸点とは、常温常圧下における沸点を指す。本実施形態の硬化促進剤は、例えば、キュアゾール（登録商標）である。

また、第１塗料５０ａの体積に占める第２溶剤の体積の割合は、第１溶剤の体積の割合よりも多い。本実施形態の第１塗料５０ａに含まれる第１溶剤と第２溶剤との体積比は、１：４である。

スプレーガン１００を用いて第１塗料５０ａを基材３１に向けて噴射することで、第１塗料５０ａが常温常圧下に曝されるため、第１塗料５０ａから第２溶剤が揮発する。こうした第２溶剤の揮発は、スプレーガン１００から噴射された第１塗料５０ａが、基材３１の表面に到達するまでの間に生じる。このため、第１塗料５０ａが基材３１の表面に到達した際には、第１塗料５０ａから第２溶剤の大部分が揮発した状態となっている。

したがって、本実施形態では、第１塗料５０ａの塗布に際して第２溶剤を揮発させながら、第１塗料５０ａを基材３１の表面に塗布する（第１塗布工程）。
図４に示すように、本実施形態では、基材３１の両面に第１塗料５０ａを塗布する。そして、第１結合材５１の熱硬化温度よりも低い所定の温度にて基材３１を乾燥させる（乾燥工程）。

図５に示すように、次に、樹脂製のフィルム７０を図示しない搬送装置により搬送するとともに、コータ１１０を用いて第２塗料６０ａをフィルム７０の厚さ方向の一側の表面に塗布する。

ここで、第２塗料６０ａは、第２結合材６１、導電性炭素材６２、及び溶剤を含む。
本実施形態の第２塗料６０ａの溶剤は、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドンである。
フィルム７０は、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂材料により形成されている。

図６に示すように、次に、第２塗料６０ａが塗布されたフィルム７０を、互いに対向して逆回転する第１ローラ１２１と第２ローラ１２２との間を通すことで圧延する（圧延工程）。

本実施形態の第１ローラ１２１は、例えば、ステンレス鋼などの金属材料により形成されている。また、第１ローラ１２１の表面には、例えば、クロムめっきなどの表面処理が施されている。本実施形態の第２ローラ１２２は、例えば、ゴムなどのエラストマにより形成されている。

圧延工程では、フィルム７０を第１ローラ１２１に接触させるとともに、第２塗料６０ａを第２ローラ１２２に接触させる。
図７に示すように、圧延工程を行うことで、フィルム７０に塗布された第２塗料６０ａの厚さが小さくなる。これにより、第２塗料６０ａ内における導電性炭素材６２同士の間隙が低減される。

図８に示すように、次に、熱転写装置１３０を用いて、第１塗料５０ａが塗布された基材３１に対して第２塗料６０ａを熱転写する。
ここで、熱転写装置１３０について説明する。

熱転写装置１３０は、第１型１３１と、第１型１３１に対向して配置される第２型１３２とを備えている。第２型１３２は、固定型であり、第１型１３１は、第２型１３２に対して進退可能に設けられた可動型である。第１型１３１の内部及び第２型１３２の内部には、電熱線１３３及び電熱線１３４がそれぞれ設けられている。各電熱線１３３，１３４に通電することにより第１型１３１及び第２型１３２が所定の温度までそれぞれ加熱される。上記所定の温度は、熱硬化性樹脂である第１結合材５１及び第２結合材６１が熱硬化する温度である。

基材３１に第２塗料６０ａを熱転写する際は、まず、第１凸部３２を上側にして基材３１を第２型１３２上に載置する。そして、フィルム７０を基材３１上に載置する。このとき、フィルム７０に塗布された第２塗料６０ａと、基材３１の表面に塗布された第１塗料５０ａとが接触している。

図９に示すように、次に、第１型１３１と第２型１３２とによりフィルム７０及び基材３１を加圧するとともに加熱する。このとき、第１塗料５０ａに含まれる導電性粒子５２が酸化被膜３１ａを貫通して基材３１に接触するようになる（図２参照）。なお、熱転写装置１３０による基材３１の加圧は、基材３１が塑性変形しない程度の圧力により行われる。

熱転写装置１３０を用いて、フィルム７０及び基材３１を加圧するとともに加熱することで、第１結合材５１及び第２結合材６１を熱硬化させて、基材３１の表面に第１導電層５０と第２導電層６０とを形成する（導電層形成工程）。

最後に、熱転写装置１３０を型開きして、フィルム７０を基材３１から剥離する。
こうして第１セパレータ３０が製造される。
本実施形態の作用について説明する。

基材３１，４１の表面に塗布される前の状態の第１塗料５０ａは、第１溶剤と第２溶剤とを含んでいる。このため、第１塗料５０ａに対して適度な流動性を付与することができる。これにより、第１塗料５０ａを基材３１，４１の表面に塗布しやすくなることから、第１塗料５０ａを塗布する際の作業性を向上することができる。

また、第２溶剤は、第１溶剤の沸点よりも低い沸点を有しているため、第１溶剤よりも揮発しやすい。そして、第１塗料５０ａの塗布に際して第２溶剤を揮発させることで、第１塗料５０ａの粘度を高めることができ、第１塗料５０ａの流動性を低くできる。このため、基材３１，４１の表面に塗布された第１塗料５０ａが、自重によって流れ落ちることを抑制できる。

ここで、上記方法によれば、第１塗料５０ａの体積に占める第２溶剤の体積の割合が第１溶剤の体積の割合よりも多いため、第１塗料５０ａの体積に占める第２溶剤の体積の割合が第１溶剤の体積の割合よりも少ない場合に比べて、第１塗料５０ａの塗布の前後において第１塗料５０ａの粘度を大きく増加させることができる。これにより、第１塗料５０ａの流動性を大きく低下させることができる。

以上のことから、第１塗料５０ａを塗布する際の作業性の向上と、第１塗料５０ａの流れ落ちの抑制とを高い次元で両立することができる。
本実施形態の効果について説明する。

（１）第１塗布工程では、第１塗料５０ａを基材３１，４１の表面に塗布するとともに、第１塗料５０ａの塗布に際して第２溶剤を揮発させる。第２塗布工程では、第２塗料６０ａをフィルム７０の厚さ方向の一側の表面に塗布する。導電層形成工程では、フィルム７０に塗布された第２塗料６０ａと、基材３１，４１に塗布された第１塗料５０ａとを接触させた状態で、フィルム７０及び基材３１，４１を加圧するとともに加熱する。これにより、第１結合材５１及び第２結合材６１を熱硬化させて第１導電層５０と第２導電層６０とを形成する。

こうした方法によれば、上述した作用を奏することができる。したがって、第１塗料５０ａを熱硬化させて形成された第１導電層５０を備えるセパレータ２０によれば、第１導電層５０の膜厚のばらつきを抑制できる。

（２）導電層形成工程に先立ち、第２塗料６０ａが塗布されたフィルム７０を圧延する圧延工程を行う。
導電層形成工程において、フィルム７０に塗布された第２塗料６０ａと、基材３１，４１に塗布された第１塗料５０ａとを接触させた状態で、フィルム７０及び基材３１，４１を加圧するとともに加熱することで、第２塗料６０ａ内における導電性炭素材６２同士の間隙に、第１塗料５０ａの第１結合材５１が入り込むおそれがある。この場合、第２導電層６０内において導電性炭素材６２同士が接触しにくくなることで、これら導電性炭素材６２を介した導電経路の生成が阻害されるおそれがある。

この点、上記方法によれば、第２塗料６０ａが塗布されたフィルム７０を圧延することにより、上記間隙の割合が小さくなる、すなわち、第２塗料６０ａ内における導電性炭素材６２の密度が高められる。このため、フィルム７０及び基材３１，４１を加圧するとともに加熱する際に、上述した不都合が生じることを抑制できる。

また、第２塗料６０ａ内における導電性炭素材６２の密度が高められることで、第２塗料６０ａの膜厚のばらつきを抑制できる。こうした第２塗料６０ａを熱硬化させて形成された第２導電層６０を備えるセパレータ２０によれば、第２導電層６０の膜厚のばらつきを抑制できる。

（３）圧延工程では、第２塗料６０ａを第２ローラ１２２に接触させる。
こうした方法によれば、第２ローラ１２２がエラストマにより形成されているため、第２塗料６０ａと第２ローラ１２２とが接触することにより、第２塗料６０ａから導電性炭素材６２が脱落することを抑制できる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・第１ローラ１２１として、ステンレス鋼以外の金属材料により形成されるものや、ゴムなどのエラストマにより形成されるものを採用することもできる。
・第２ローラ１２２として、樹脂材料により形成されるものや、ステンレス鋼などの金属材料により形成されるものを採用することもできる。

・本実施形態では、スプレーガン１００を用いて第１塗料５０ａを基材３１，４１の表面に塗布したが、第１塗料５０ａが貯留された槽に基材３１，４１を浸漬させることで、第１塗料５０ａを基材３１，４１の表面に塗布することもできる。この場合、基材３１，４１を槽から取り出して常温常圧下に曝すことで、基材３１，４１に塗布された第１塗料５０ａから第２溶剤が揮発する。

・第１塗料５０ａに含まれる第１溶剤と第２溶剤との体積比は、適宜変更できる。
・第１溶剤の種類及び第２溶剤の種類は適宜変更することができる。
・第１結合材５１は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂に代えて、あるいは、これに加えて、その他の熱硬化性樹脂を含むものであってもよい。

・第２結合材６１は、エポキシ樹脂に代えて、あるいは、これに加えて、その他の熱硬化性樹脂を含むものであってもよい。
・グラファイト粒子に代えて、あるいは、これに加えて、カーボンブラックなどの他の導電性炭素材６２を用いることもできる。

・窒化チタンに代えて、炭化チタンや硼化チタンなどの他の導電性粒子５２を用いることもできる。
・第１導電層５０は、基材３１，４１における発電部１１に対向する側の表面にのみ形成されていてもよい。

・基材３１，４１をステンレス鋼以外の他の金属板材により形成することもできる。こうした金属としては、例えば、チタン合金や、アルミニウム合金や、マグネシウム合金などが挙げられる。

２０…セパレータ
３０…第１セパレータ
３１…基材
３２…第１凸部
３３…第１凹部
４０…第２セパレータ
４１…基材
４２…第２凸部
４３…第２凹部
５０…第１導電層
５０ａ…第１塗料
５１…第１結合材
５２…導電性粒子
６０…第２導電層
６０ａ…第２塗料
６１…第２結合材
６２…導電性炭素材
７０…フィルム

Claims (2)

1. 金属板材からなり、それぞれ延在する凸部及び凹部が交互に設けられた基材と、前記基材の厚さ方向の少なくとも一側の表面に形成された第１導電層と、前記第１導電層のうち前記凸部に対応する部分の表面に形成された第２導電層と、を備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   熱硬化性樹脂からなる第１結合材、導電性粒子、第１溶剤、及び前記第１溶剤の沸点よりも低い沸点を有する第２溶剤を含む塗料であって、当該塗料の体積に占める前記第２溶剤の体積の割合が前記第１溶剤の体積の割合よりも多い第１塗料を、前記基材の前記表面に塗布するとともに、前記第１塗料の塗布に際して前記第２溶剤を揮発させる第１塗布工程と、
   熱硬化性樹脂からなる第２結合材、及び導電性炭素材を含む第２塗料を、フィルムの厚さ方向の一側の表面に塗布する第２塗布工程と、
   前記フィルムに塗布された前記第２塗料と、前記基材に塗布された前記第１塗料とを接触させた状態で、前記フィルム及び前記基材を加圧するとともに加熱することで、前記第１結合材及び前記第２結合材を熱硬化させて前記第１導電層と前記第２導電層とを形成する導電層形成工程と、を備える、
   燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記導電層形成工程に先立ち、前記第２塗料が塗布された前記フィルムを圧延する圧延工程を備える、
   請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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