WO2006137572A1

WO2006137572A1 - セパレータ、セパレータの製造方法、およびセパレータ製造装置

Info

Publication number: WO2006137572A1
Application number: PCT/JP2006/312843
Authority: WO
Inventors: Tomokazu Hayashi; Hirofumi Inoshita; Yusuke Watanabe
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2006-12-28
Also published as: US20090126182A1; CN101203974A; JPWO2006137572A1

Abstract

　本発明は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマニホールド４１が打抜加工により貫通形成されてなるセパレータ１５ａ，１５ｂの製造方法であって、打抜加工によって形成されたマニホールド４１のバリを低減する工程を有する。このバリを低減する工程の後、バリ低減部にコート層形成材料５０ａを塗布する工程を有する場合には、前記コート層形成材料５０ａとして例えば熱硬化性のコート層形成材料を使用し、該コート層形成材料５０ａをセパレータ基材１２ａ，１２ｂ側から加熱する工程を追加してもよい。

Description

明細書セパレータ、セパレータの製造方法、およびセパレータ製造装置技分野

本発明は、燃料電池に用いられるセパレータとその製造方法およぴ製造装置に関し、特に、マ-ホールドが打抜加工によって形成されたセパレータの耐食性低下を抑制する技術に関する。背景技術

例えば固体高分子型の燃料電池は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜-電極ァッセンプリ（以下、 M E A； Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ。）と、 ME Aを挟持する一対のセパレータとを備えて構成されている。各セパレータには、面方向に沿って延在する流体流路と、該流体流路に連通すると共に当該セパレータを貫通するマ-ホールドとが形成されている。

マ二ホールドの内周面おょぴ開口端面は冷却水や生成水に触れるため、セパレータとしてセパレータ基材が金属製とされた金属セパレータを用いる場合には、腐食防止のために耐食性コートを施す必要がある。例えば特開平 1 1 - 2 9 7 3 3 7号公報には、金属セパレータのプレス成形後に、セパレータ表面に樹脂コートを施す技術が開示されている。発明の開示

ところで、プレス成形時にマ二ホールドを打抜加工すると、打抜加工部の打抜方向前方側端面に刃先状のバリが形成される。このため、セパレータ全体に耐食性のコート層形成材料を塗布しても、このパリへのコート層形成材料の乗りが他の部分よりも悪いために、パリが露出してしまうことがある。かかる場合には、このバリを起点にセパレータの腐食が進行し、燃料電池の耐久性低下や性能低下の問題を引き起こす。

また、打抜加工部の端面にバリが形成されていなくても、セパレータ基材の表面に塗布したコート層形成材料は硬化時に不可避的に収縮するため、打抜加工部の内周面と端面とが交差するエッジ部では、コート層形成材料が各々の面に沿ってエッジ部から離れるように引っ張られる結果、エッジ部が露出してしまうことがある。かかる場合には、このエッジ部を起点にセパレータの腐食が進行し、上記と同様の問題を引き起こす。

なお、セパレータに耐食性コートを施さずに当該セパレータを利用する場合にも、バリを起点にしてセパレータの腐食が進行し、上記と同様の問題を引き起こす虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、マ二ホールドが打抜加ェにより貫通形成され表面にコート層を有するセパレータの耐食性低下を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されてなるセパレータの製造方法であって、前記打抜加工によって形成されたマ二ホールドのパリを低減する工程を有する。

このような構成によれば、打抜加工によってマ二ホールドにバリが形成されていても、このパリを予め低減しておくことにより、当該バリを起点にした腐食電流の集中を抑制することができる。

前記パリを低減する工程では、例えば、バリの少なくとも突起をエツチング等によって溶解することにより、あるいは、パリの突起にプレス加工、シヨットブラスト加工、切削加工のうち少なくとも 1つによって外力を与えて変形させることにより、当該バリを低減してもよい。少なくとも前記パリが低減してなるバリ低減部にコート層形成材料を塗布する工程を有していてもよい。

前記コート層形成材料として熱硬化性樹脂を使用し、前記コート層形成材料を塗布した後に、該コート層形成材料をセパレータ基材側から加熱するェ程を追加してもよい。

本発明は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されてなるセパレータの製造方法であって、少なくとも前記マ二ホールドの打抜加工部に熱硬化性のコート層形成材料を塗布する工程と、前記コート層形成材料をセパレータ基材側から加熱する工程と、を有する。

本発明に係るセパレータは、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜カ卩ェにより貫通形成されたセパレータであって、前記打抜加工によつて形成されたマ二ホールドのバリが低減してなるバリ低減部を有する。

このような構成によれば、マ二ホールドのバリを起点にした腐食電流の集中を抑制することができる。

本発明に係るセパレータの製造装置は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されてなるセパレータの製造装置であって、前記打抜加工によって形成されたマ二ホールドのパリを低減するバリ低減処理部を有する。

このような構成によれば、打抜加工によつてマ-ホールドにバリが形成されていても、このバリをバリ低減処理部にて予め低減しておくことにより、当該バリを起点にした腐食電流の集中を抑制することができる。

前記バリ低減処理部は、例えば、バリの少なくとも突起をエッチングにより溶解することにより、あるいは、プレス加工、ショットブラスト加工、切削加工のうち少なくとも 1つによって外力を与えてバリの突起を変形させることにより、当該バリを低減するものでもよレ、。

また、本発明は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが貫通形成されてなる、セパレータ基材の表面にコート層を有するセパレータの製造方法であって、前記セパレータ基材に前記マ二ホールドを打抜加工する工程と、打抜加工部の端面をバリ取りするェ程と、少なくともバリ取り部にコート層形成材料を塗布する工程と、を有する。

このような構成によれば、打抜カ卩ェによってセパレータ基材にバリが形成されても、該バリがコート層形成材料から露出してしまうことが抑制される。また、コート層形成材料の塗布前にマ二ホールドを打抜加工しているため、コート層形成材料の塗布後にマ二ホールドを打抜加工する場合のように、打抜加工部の内周面が露出してしまうこともない。

このような構成によれば、打抜加工部に塗布されたコート層形成材料がその外面側から硬化するのではなく、内面側（セパレータ基材の表面側）から外面側に向かって硬化するので、セパレータ基材に塗布したコート層形成材料の定着がより確実となり、打抜加工部のェッジ部がコート層形成材料の硬化時における収縮によって露出してしまうことが抑制される。

本発明は、少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが貫通形成されてなる、セパレータ基材の表面にコート層を有するセパレータの製造方法であつて、前記セパレータ基材に前記マ二ホールドを打抜加工する工程と、少なくとも打抜加工部に熱硬化性のコート層形成材料を塗布する工程と、前記コート層形成材料をセパレータ基材側から加熱する工程と、を有する。このような構成によれば、打抜加工部に塗布された熱硬化性のコート層形成材料がその外面側から硬化するのではなく、内面側（セパレータ基材の表面側）から外面側に向かって硬化するので、セパレータ基材に塗布したコート層形成材料の定着がより確実となり、打抜加工部のエッジ部がコート層形成材料の硬化時における収縮によって露出してしまうことを抑制することができる。図面の簡単な説明図 1は、本発明の一実施形態として示したセパレータの製造方法が適用される燃料電池を示す斜視図。

図 2は、同燃料電池の断面図であり、隣接する二つの単電池の構成を示す図。

図 3は、打抜加工部とその周辺を拡大して示した断面図。

図 4は、打抜加工部に形成されたパリを取り除いた後、このバリ取り部に耐食性のコート層形成材料を塗布した状態を示す要部拡大断面図。

図 5は、打抜加工部のェッジ部を平坦に面取り加工した状態を示す要部拡大断面図。

図 6は、打抜加工部のエッジ部を丸く面取り加工した状態を示す要部拡大断面図。

図 7は、打抜加工部に耐食性のコート層形成材料を塗布した状態であって、コート層形成材料を熱硬化させる前の状態を示す断面図。

図 8は、打抜加工部に塗布した耐食性のコート層形成材料を熱硬化させた状態を示す断面図。

図 9は、第 2実施形態としてのセパレータの製造方法を模式的に示す断面図。

図 1 0は、本発明に係るセパレータの製造装置の一実施形態を概略的に示す構成図

発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るセパレータとその製造方法および製造装置について説明する。以下では、これらの実施形態が適用される車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池を例に説明する。ぐ第 1実施形態〉

図 1に示すように、燃料電池 1は、複数の単電池 2を積層したスタック本体 3を有し、スタック本体 3の両端に位置する単電池 2 , 2の外側に順次、出力端子 5付きの集電板 6、絶縁板 7およぴェンドプレート 8を各々配置して構成されている。燃料電池 1は、例えば、単電池 2の積層方向に貫通するテンションボルトで両エンドプレート 8, 8間を締結することによって、単電池 2の積層方向に所定の圧縮力がかかつた状態となっている。

なお、上記のテンションボルトの代わりに、両エンドプレート 8, 8間を架け渡すようにして設けられるテンションプレートが用いられ、このテンションプレートが各エンドプレート 8， 8にボルト固定されることによつても、単電池 2の積層方向に所定の圧縮力をかけることができる。

図 2に示すように、単電池 2は、 MEA1 1と、 MEA1 1を挟持する一対のセパレータ 1 5 a, 1 5 bとで構成され、全体として積層形態を有してレ、る。 MEA1 1および各セパレータ 15 a, 1 5 bは、平面視矩形の外形形状を有する略平面状の部品であり、 MEA1 1の外形は、各セパレータ 1 5 a, 1 5 bの外形よりも僅かに小さく形成されている。

MEA 1 1と各セパレータ 1 5 a, 15 bとは、それらの間の周辺部を第 1シール部材 1 3 a， 13 bによってシールされている。また、隣接する単電池 2, 2のセパレータ 12 aとセパレータ 12 bとの間には、枠状の第 2 シール部材 1 3 cが設けられている。 MEA 1 1は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜 2 1と、電解質膜 2 1を両面から挟んだ一対の電極 2 2 a , 2 2 b (力ソードおよびァノード）とで構成され、全体として積層形態を有している。

電極 2 2 a , 2 2 bは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極 2 2 a (力ソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、他方の電極 2 2 b (ァノード）には、燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスが供給される。この二つのガスによって ME A 1 1内で電気化学反応が生じ、単電池 2は起電力を得る。

各セパレータ 1 5 a , 1 5 bは、ガス不透過の導電性材料よりなるセパレ一タ基材 1 2 a , 1 2 bと、その表面を被覆するコート層 5 0と、を備えて構成されている。本実施形態のセパレータ基材 1 2 a , 1 2 bは板状のメタルであり、コート層 5 0は耐食性に優れたコート層形成材料 5 0 aをセパレ一タ基材 1 2 a , 1 2 bに塗布した後に硬化させてなるものである。このコ一ト層形成材料 5 0 aとしては、例えばポリイミド、エポキシ等の熱硬化性樹脂の使用が可能である。

セパレータ 1 5 a , 1 5 bには、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bの電極 2 2 a , 2 2 bに面する部分をプレス成形することによって、表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部およぴ凹部は、それぞれセパレータ基材 1 2 a， 1 2 bの面方向に沿って延在しており、酸化ガスのガス流路 (流体流路） 3 1 aまたは水素ガスめ' ス流路（流体流路） 3 1 bや、冷却水流路（流体流路） 3 2を画定する。

また、セパレータ 1 5 a， 1 5 bの一方の端部には、酸化ガス、水素ガス、及び冷却水の入口側マ二ホールド 4 1が貫通形成されている。他方の端部にも同様に、出口側マ二ホールドが設けられている（図示省略）。これらマニホ一ルド 4 1は、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bをプレス成形して前記流路 3 fe ¾ 1 a , 3 1 b , 3 2を凹凸形成する際に、同時に打抜加工される。

なお、これらマ-ホールド 4 1は、酸化ガス、水素ガス、及ぴ冷却水それぞれに対して別個に設けられているが、ここでは同一符号を付して説明を省略している。

次に、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bにマ二ホールド 4 1を打抜加工した際に形成される打抜加工部のエッジ部 A (図 2参照）について、図 3を参照しながら詳細に説明する。同図 3に示すように、セパレータ基材 1 2 a， 1 2 bには、プレス成形後に例えば熱硬化性樹脂からなるコート層形成材料 5 0 aが塗布され、その後、熱硬化処理が施されることでコート層 5 0 (図 4 参照）が形成される。

マ二ホールド 4 1は、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bのプレス成形時に打抜加工されるが、この際に図 3に示すように、打抜方向前方側（図 3では下側）のエッジ部 Aに、先鋭な突起 5 1 aを有する刃先状のバリ 5 1が生ずる場合がある。このように突出したパリ 5 1があると、この部位においてコート層形成材料 5 0 aの塗布が不十分となりやすく、露出したバリ 5 1を起点にして、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bが腐食してしまう。

一般に、セパレータが腐食するのは腐食電流が原因と考えられているところ、本発明の発明者は、その原因について鋭意検討を進めた結果、セパレータにパリなどの突起があると、この突起に腐食電流が集中するために当該バリを起点にしてセパレータの腐食を招くとの知見を得、この知見に基づき、打抜加工によって形成されたマユホールドのバリを低減することが耐食性向上に有効である、との技術思想を想到するに至ったのである。

裏を返せば、セパレータでパリ低減処理が必要な部分は、打抜加工等によつてバリが形成される部分のうち、流体（反応ガス、冷媒）が触れる部分、つまり、マ二ホールドのみでよく、例えばセパレータ外周等のように流体が触れない部分のバリはバリ低減処理を施すことなく、そのまま放置しておいてもよい。

本実施形態においては、図 10に示すセパレータ製造装置 100のプレス加工部 1 10において、平板状のセパレータ基材 1 2 a， 1 2 bを所定の外形に打ち抜く工程と、流体流路 31 a, 3 1 b, 32を確定する凹凸をプレス成形する工程と、マ二ホールド 41を打ち抜く工程と、を同時に行った後、コート層形成部 130においてコート層 50を形成するためのコート層形成材料 50 aを塗布する前に、パリ低減処理部 120において、以下に例示する（1) 〜（4) のいずれかの手段（パリ取り）を施工することにより、前工程のプレス加工部 1 10で形成されたマ二ホールド 41のバリ 51を低減、より好ましくはバリ 51を取り除く。

(1) エッジ部 Aを電解エッチングする。

(2) エッジ部 Aのみを再度プレス加工する。

(3) エッジ部 Aのみをショットブラスト加工する。なお、エッジ部 A以外の部位はマスキングする。

(4) エッジ部のみを切削加工する。

これらのうち、上記（1) は、バリ低減処理部 1 20の一構成例である電解エッチング部において、パリ 51の少なくとも突起 51 aを溶解することによって、当該バリ 5 1を低減する処理の一工程例である。また、上記（2) 及ぴ（3) は、バリ低減処理部 120の構成例であるプレス加工部、ショットブラスト加工部、あるいは切削加工部において、外力を与えてパリ 51の突起 51 aを変形させることによって、当該パリ 51を低減する処理の工程例である。

図 4は、上記（1) 〜（4) のいずれかの手段によりパリ 51を取り除いた後に、かかるバリ取り部（パリ低減部）を含むセパレータ基材 1 2 a, 1 2 bの表面全体にコート層形成材料 50 aを塗布し、これを熱硬化させることで、コート層 50を形成した状態である。この図に示すように、本実施形態によれば、ノリ取りしたエッジ部 Aをコート層 5 0で十分に覆うことができるので、耐食性が向上し、イオン溶出の防止によるセル耐久性の向上、およびセル性能低下防止を実現することができる。

なお、これらノリ取り（低減）手段（1 ) 〜（4 ) に代えて、あるいは加えて、図 5， 6に示すような加工を施してもよい。すなわち、図 5は、エツジ部 Aを平坦に面取り加工することにより、バリ 5 1を取り除いた状態を示す図である。また、図 6は、エッジ部 Aを凸面状に丸く面取り加工することにより、バリ 5 1を取り除いた状態を示す図である。

これら図 5， 6に示す変形例によっても、エッジ部 Aのパリ 5 1を取り除くことが可能であるから、コート層形成材料 5 0 aの熱硬化時に該コート層形成材料 5 0 aに収縮が生じても、エッジ部 Aをコート層 5 0で十分に覆うことができる。したがって、耐食性が向上し、イオン溶出の防止によるセル耐久性の向上、およぴセル性能低下防止を実現することができる。

<第 2実施形態 >

ところで、エッジ部 Aに形成ざれたパリ 5 1をバリ取りすることにより、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bに塗布されたコート層形成材料 5 0 aは、熱硬化前には図 7に示したようにセパレータ基材 1 2 a , 1 2 bの全体を覆い得ることになるが、熱硬化時にセパレータ基材 1 5 a , 1 5 aの表裏面と打抜加工部の内周面に沿ってそれぞれ収縮する結果、図 8に示すように、エツジ部 5 2が露出する場合がある。

そこで、コート層形成材料 5 0 aを熱硬化させる際には、図 9に示すように、渦電流、マイクロ波、超音波等を用いて、コート層形成材料 5 0 aが塗布されたセパレータ基材 1 2 a， 1 2 bのみを選択的に内部加熱してもよレ、。この場合、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bの材料は、導熱性がある材料として鉄、ステンレス等の金属を採用し、コート層 5 0を形成するためのコート層形成材料 5 0 aとしては、熱硬化性榭脂、例えばポリイミド、エポキシ等 ' を採用する。

このように、セパレータ 1 5 a， 1 5 bを内部（セパレータ基材 1 2 a , 1 2 b ) から加熱すると、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bでの抵抗発熱がコ ―ト層形成材料 5 0 aの内面から外面に向かって伝わりながら、該コート層形成材料 5 0 aが熱硬化する。つまり、コート層形成材料 5 0 aはセパレータ基材 1 2 a， 1 2 bに接している内側から硬化するため、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bに塗布したコート層形成材料 5 0 aの定着がより確実となり、コート層形成材料 5 0 aがエッジ部 5 2力、ら逃げるような収縮の抑制が可能となる。

したがって、セパレータ基材 1 2 a , 1 2 bのエッジ部 5 2の露出を抑えてセパレータ 1 5 a， 1 5 bの腐食を防止することができる。これにより、イオン溶出の防止によるセル耐久性の向上、およびセル性能低下防止を実現することができる。

<他の実施形態 >

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。例えば、上記第 2 実施形態において用いられる耐食性コート層形成材料は熱硬化性樹脂を採用するが、第 1実施形態で用いられる耐食性コート層形成材料は、必ずしも熱硬化性樹脂でなくとも良い。

また、上記各実施形態では、耐食性のコート層 5 0をセパレータ基材 1 2 a , 1 2 bの表面全体に形成した例について説明したが、本発明は、打抜カロェによって形成されたマ二ホールドのパリを低減することによって耐食性の向上を図るものであるから、必ずしもコート層を有するセパレータやその製造方法及ぴ製造装置に適用が限定されるものではなく、いわゆるコートレスセパレータへの適用が可能であることは勿論である。産業上の利用可能性

本発明によれば、打抜カ卩ェによって形成されたマ-ホールドのパリを予め低減しておくことにより、当該パリを起点にした腐食電流の集中を抑制することができる。また、打抜カ卩ェ部のエッジ部におけるセパレータ基材の露出を抑制することが可能になるので、該露出した箇所を起点にしたセパレータの腐食の進行を抑制することができる。

よって、本発明は、かかる要求のあるセパレータとその製造方法および製造装置に広く利用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されてなるセパレータの製造方法であって、

前記打抜加工によって形成されたマ二ホールドのバリを低減する工程を有するセパレータの製造方法。

2 . 前記パリを低減する工程は、バリの少なくとも突起を溶解することにより当該パリを低減する請求項 1に記載のセパレータの製造方法。

3 . 前記パリを低減する工程は、外力を与えてパリの突起を変形させることにより当該パリを低減する請求項 1に記載のセパレータの製造方法。

4 . エッチングにより前記突起を溶解する請求項 2に記載のセパレータの製造方法。

5 . プレス加工、ショットブラスト加工、切削加工のうち少なくとも 1つにより前記突起を変形させる請求項 3に記載のセパレータの製造方法。

6 . 少なくとも前記バリが低減してなるパリ低減部にコート層形成材料を塗布する工程を有する請求項 1に記載のセパレータの製造方法。

7 . 前記コート層形成材料として熱硬化性樹脂を使用し、

前記コート層形成材料を塗布した後に、該コート層形成材料をセパレータ基材側から加熱する工程を有する請求項 6に記載のセパレータの製造方法。

8 . 少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加ェにより貫通形成されてなるセパレータの製造方法であって、

少なくとも前記マ二ホールドの打抜加工部に熱硬化性のコート層形成材料を塗布する工程と、

前記コート層形成材料をセパレータ基材側から加熱する工程と、を有するセパレータの製造方法。

9 . 少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されたセパレ一タであって、前記打抜加工によつて形成されたマ二ホールドのパリが低減してなるバリ低減部を有するセパレータ。

1 0 . 少なくとも一面側に流体流路を有すると共に、該流体流路に連通するマ二ホールドが打抜加工により貫通形成されてなるセパレータの製造装置であって、

前記打抜加工によって形成されたマユホールドのバリを低減するパリ低減処理部を有するセパレータの製造装置。

1 1 . 前記パリ低減処理部は、バリの少なくとも突起を溶解することにより当該パリを低減する請求項 1 0に記載のセパレータの製造装置。

1 2 . 前記バリ低減処理部は、外力を与えてバリの突起を変形させることにより当該パリを低減する請求項 1 0に記載のセパレータの製造装置。

1 3 . 前記パリ低減処理部は、エッチングにより前記突起を溶解する請求項 1 1に記載のセパレータの製造装置。

1 4 . 前記バリ低減処理部は、プレス加工、ショットプラスト加工、切削加工のうち少なくとも 1つにより前記突起を変形させる請求項 1 2に記載のセパレータの製造装置。