特許 6163934 燃料電池のセパレータの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163934

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】燃料電池のセパレータの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20170710BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20170710BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 B

   !H01M8/10

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-149790(P2013-149790)

(22)【出願日】2013年7月18日

(65)【公開番号】特開2015-22885(P2015-22885A)

(43)【公開日】2015年2月2日

【審査請求日】2015年10月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000110321

【氏名又は名称】トヨタ車体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】両角 英一郎

(72)【発明者】

【氏名】橋本 圭二

(72)【発明者】

【氏名】浅岡 孝俊

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 幸弘

【審査官】 山内 達人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２６０４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４０８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０３／０４４８８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１１１６７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０１４２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１３８４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０８３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０１６４６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１８５９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２３１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Ｃの科学と技術 −炭素材料の不思議−，株式会社コロナ社，２００２年，初版，ｐ．２９

【文献】 ステンレス鋼便覧−第３版−，日刊工業新聞社，１９９５年，初版，ｐ．１４３８

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材の表面に酸化被膜が存在するステンレス鋼からなる基材の表面に対して、樹脂材料からなる結合材と、カーボンブラック、窒化チタン、炭化チタン、及び硼化チタンの少なくとも一つからなり、導電性を有する充填材とを含む第１の塗料を塗布する第１工程と、
前記第１の塗料が塗布された前記基材の表面に対して、樹脂材料からなる結合材と炭素系材料とを含む第２の塗料を塗布する第２工程と、
前記第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材を硬化させるとともに前記充填材が前記基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材の表面に接触するように同基材の表面を加圧する第３工程と、を備える、
燃料電池のセパレータの製造方法。

【請求項2】

前記第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材はいずれも熱硬化性樹脂材料からなり、
前記第３工程では熱間プレスによって前記基材の表面を加圧し、前記結合材の各々が硬化する温度まで加熱する、
請求項１に記載の燃料電池のセパレータの製造方法。

【請求項3】

前記第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材はいずれも熱可塑性樹脂材料からなり、
前記第３工程では前記第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材を加熱して溶融させた後に冷間プレスによって前記基材の表面を加圧し、前記結合材の各々を硬化する温度まで冷却する、
請求項１に記載の燃料電池のセパレータの製造方法。

【請求項4】

前記第１工程を実行する前に前記基材を成形する成形工程を更に備える、
請求項２または請求項３に記載の燃料電池のセパレータの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池のセパレータの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池のセパレータをステンレス鋼などの金属材料を成形して製造する技術が周知である（特許文献１参照）。ステンレス鋼などからなるセパレータの基材の表面には酸化被膜（不動態被膜）が存在している。こうした酸化被膜はステンレス鋼の母材に比べて接触抵抗が大きいことから、基材の表面と電極との接触部分で多量のジュール熱が発生し、大きな熱損失が発生して燃料電池の発電効率を低下させる一因となっている。

【0003】

これに対して、特許文献１では、ステンレス鋼からなる基材の表面を酸洗することによって酸化被膜を除去し、この基材の表面に、グラファイト粉末とカーボンブラックとの混合粉末を含む塗膜を形成するようにしている。こうしたセパレータによれば酸化被膜が除去されることによって接触抵抗が低下するとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１―３４５６１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１に記載の技術の場合、セパレータの基材の表面を酸洗する必要があるため、セパレータの製造が煩雑となる。
本発明の目的は、基材の表面に接触抵抗の大きい被膜が存在していてもセパレータの接触抵抗を低減することができるとともに燃料電池の性能低下を抑制することができる燃料電池のセパレータを容易に製造することができる燃料電池のセパレータの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するための燃料電池のセパレータの製造方法は、母材の表面に酸化被膜が存在するステンレス鋼からなる基材の表面に対して、樹脂材料からなる結合材と、カーボンブラック、窒化チタン、炭化チタン、及び硼化チタンの少なくとも一つからなり、導電性を有する充填材とを含む第１の塗料を塗布する第１工程と、前記第１の塗料が塗布された前記基材の表面に対して、樹脂材料からなる結合材と炭素系材料とを含む第２の塗料を塗布する第２工程と、前記第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材を硬化させるとともに前記充填材が前記基材の酸化被膜を貫通して同基材の母材の表面に接触するように同基材の表面を加圧する第３工程と、を備える。

【0009】

同方法によれば、第１工程において基材の表面に第１の塗料が塗布され、第２工程において、第１の塗料が塗布された基材の表面に第２の塗料が塗布される。そして、第３工程においてこの基材が加圧されることによって、充填材が基材の酸化被膜を貫通して母材の表面に接触する。このため、基材の表面に酸化被膜が存在していても、基材の母材、充填材、及び炭素系材料によって、接触抵抗の大きい酸化被膜を経由しない導電経路が形成される。また、充填材を含む樹脂層の表面が、柔らかい炭素系材料を含む導電層によって覆われるため、セパレータが接触する電極などを傷つけるおそれがない。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、基材の表面に接触抵抗の大きい被膜が存在していても接触抵抗を低減することができるとともに燃料電池の性能低下を抑制することができる。また、このようなセパレータを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態の燃料電池を構成するセルの断面図。

【図2】同実施形態のセパレータを構成する多孔体流路板の断面図。

【図3】同実施形態のセパレータの表面の断面図。

【図4】同実施形態におけるセパレータの製造工程を順に示す断面図であって、（ａ）は基材の表面に第１の塗料が塗布された状態の断面図、（ｂ）は第１の塗料の表面に第２の塗料が塗布された状態の断面図、（ｃ）は熱間プレス後のセパレータの断面図。

【図5】第２実施形態のセパレータの表面の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図４を参照して、燃料電池のセパレータの製造方法を具体化した第１実施形態について説明する。

【0013】

固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体１１と、同膜電極接合体１１を挟む一対のセパレータ１２とを有するセル１０を備えており、このセル１０が積層されることによって構成されている。膜電極接合体１１は、固体高分子膜からなる電解質膜が図示しない燃料極と空気極とによって挟まれたものであり、所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。また、セパレータ１２は、平板状のフラットセパレータ１４と、フラットセパレータ１４と膜電極接合体１１との間に介設されたガス流路形成部材１６とによって構成されている。フラットセパレータ１４及びガス流路形成部材１６はいずれもステンレス鋼によって形成されている。

【0014】

図２に示すように、ガス流路形成部材１６には、網目状をなす多数の貫通孔１７ａが形成されており、これら貫通孔１７ａによって流路部１７が構成されている。ガス流路形成部材１６の一方の面には膜電極接合体１１が接し、他方の面にはフラットセパレータ１４が接している。なお、ガス流路形成部材１６は剪断曲げ加工によって形成されている。

【0015】

図１における膜電極接合体１１の上側に位置する流路部１７は、同図の左端から右端に向けて酸素が含まれる反応ガスを流通させるとともに同反応ガスを膜電極接合体１１に向けて拡散させる機能を有している。また、膜電極接合体１１の下側に位置する流路部１７は、同図の左端から右端に向けて水素が含まれる燃料ガスを流通させるとともに同燃料ガスを膜電極接合体１１に向けて拡散させる機能を有している。

【0016】

図３に示すように、ガス流路形成部材１６の基材１８におけるフラットセパレータ１４或いは膜電極接合体１１に接する表面には、樹脂層２０が設けられ、この樹脂層２０の表面には導電層２４が設けられている。樹脂層２０には熱硬化性樹脂材料からなる結合材２１と、基材１８の酸化被膜１８ｂよりも硬度が高く、且つ導電性を有する充填材２２とが含まれている。導電層２４には熱硬化性樹脂材料からなる結合材２５とグラファイト２６とが含まれている。本実施形態では、結合材２１、２５がエポキシ樹脂とされている。また、充填材２２が数十〜数百ｎｍの粒径のカーボンブラックとされている。樹脂層２０の厚さは数μｍであり、充填材２２の一部が基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通して母材１８ａに接触している。

【0017】

次に、図４を参照して、セパレータ１２（ガス流路形成部材１６）の製造方法について説明する。
ガス流路形成部材１６を製造するに際しては、まず、図示しない周知の加工装置によって基材１８のワークに対して剪断曲げ加工を行い、上記貫通孔１７ａを有する所定の形状に成形する。

【0018】

次に、図４（ａ）に示すように、成形された基材１８の表面に対して、上記結合材２１と上記充填材２２とが含まれる第１の塗料２０ａを塗布する（第１工程）。
次に、図４（ｂ）に示すように、第１の塗料２０ａが塗布された基材１８の表面に対して、上記結合材２５とグラファイト２６とが含まれる第２の塗料２４ａを塗布する（第２工程）。

【0019】

その後、図４（ｃ）に示すように、熱間プレスによって基材１８の表面を加圧し、更に熱硬化性樹脂材料である結合材２１、２５が硬化する温度まで加熱する。この温度は、エポキシ樹脂が硬化する温度であり、例えば百数十℃〜２５０℃程度である。また、熱間プレスにおいては、基材１８が塑性変形しない程度の低い圧力によって同基材１８が加圧される。こうした熱間プレスを通じて、充填材２２を基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通させて母材１８ａの表面に接触させる（第３工程）。

【0020】

次に、本実施形態の作用について説明する。
図３に示すように、本実施形態のセパレータ１２によれば、樹脂層２０に含まれるカーボンブラックからなる充填材２２の一部が酸化被膜１８ｂを貫通して基材１８の母材１８ａに接触している。また、導電層２４に含まれるグラファイト２６は互いに接触するとともに、その一部は充填材２２に接触している。また、グラファイト２６の一部は導電層２４の表面に露出しており、フラットセパレータ１４或いは膜電極接合体１１に接触している。このため、基材１８の母材１８ａ、複数の充填材２２、及びグラファイト２６によって酸化被膜１８ｂを経由しない導電経路が形成される。従って、酸化被膜１８ｂを経由する場合に比べてセパレータ１２の接触抵抗が低減する。

【0021】

ところで、硬度の高い充填材２２が膜電極接合体１１やフラットセパレータ１４に接触するとこれらを傷つけるおそれがある。この点、本実施形態では、充填材２２を含む樹脂層２０の表面が、柔らかいグラファイト２６を含む導電層２４によって覆われているため、膜電極接合体１１やフラットセパレータ１４を傷つけるおそれがない。

【0022】

また本実施形態のセパレータ１２の製造方法によれば、基材１８が加圧されることによって、充填材２２を、基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通させて母材１８ａの表面に接触させることができる。

【0023】

また、熱間プレスによって基材１８の表面を加圧することによって、充填材２２を、基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通させて母材１８ａの表面に接触させることができる。そして、更に加熱することによって結合材２１、２５を硬化させることができる。ここでの熱間プレスの際の圧力は基材１８を塑性変形させない程度の低い圧力とされている。

【0024】

ところで、例えば基材１８の表面に充填材２２を設けた後に基材１８を剪断曲げ加工して成形する場合、硬度の高い充填材２２によって加工装置の刃が摩耗するおそれがある。この点、本実施形態によれば、基材１８が成形された後に、基材１８の表面に充填材２２が設けられるため、上述した問題の発生を回避することができる。

【0025】

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）セパレータ１２は、ステンレス鋼からなる基材１８と、基材１８の表面に設けられ、基材１８の酸化被膜１８ｂよりも硬度が高く、且つ導電性を有する充填材２２を含む樹脂層２０と、樹脂層２０の表面に設けられ、グラファイト２６を含む導電層２４と、を備えている。また、充填材２２は基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通して母材１８ａに接触している。

【0026】

こうした構成によれば、基材１８の母材１８ａ、充填材２２、及びグラファイト２６によって酸化被膜１８ｂを経由しない導電経路が形成される。また、充填材２２を含む樹脂層２０の表面が、柔らかいグラファイト２６を含む導電層２４によって覆われるため、膜電極接合体１１を傷つけるおそれがない。従って、基材１８の表面に酸化被膜１８ｂが存在していてもセパレータ１２の接触抵抗を低減することができるとともに燃料電池の性能低下を抑制することができる。

【0027】

（２）セパレータ１２の製造方法は、金属材料からなる基材１８の表面に対して、樹脂材料からなる結合材２１と、充填材２２とを含む第１の塗料２０ａを塗布する第１工程、及び第１の塗料２０ａが塗布された基材１８の表面に対して、樹脂材料からなる結合材２５と、グラファイト２６とを含む第２の塗料２４ａを塗布する第２工程を備える。また、この製造方法は、第１の塗料２０ａの結合材２１及び第２の塗料２４ａの結合材２５を溶融させた後に硬化させるとともに充填材２２が基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通して母材１８ａの表面に接触するように同基材１８の表面を加圧する第３工程と、を備える。

【0028】

こうした方法によれば、第３工程において基材１８が加圧されることによって、充填材２２を、基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通させて母材１８ａの表面に接触させることができる。従って、上記セパレータ１２を容易に製造することができる。

【0029】

（３）結合材２１、２５はいずれも熱硬化性樹脂材料からなり、第３工程では熱間プレスによって基材１８の表面を加圧し、結合材２１、２５の各々が硬化する温度まで加熱する。

【0030】

こうした方法によれば、基材１８の表面を加圧する際の際の圧力が基材１８を塑性変形させない程度の低い圧力で済む。
（４）セパレータ１２の製造方法は、第１工程を実行する前に基材１８を成形する成形工程を更に備える。

【0031】

こうした方法によれば、基材１８が成形された後に、基材１８の表面に充填材２２が設けられるため、剪断曲げ加工を行なう加工装置の刃が摩耗するといった問題の発生を回避することができる。

【0032】

＜第２実施形態＞
図５を参照して、第２実施形態について説明する。なお、図５において、第１実施形態の構成と同一の構成については同一の符号を付し、第１実施形態の構成と対応する構成については「１００」を加算した符号「１＊＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

【0033】

図５に示すように、本実施形態では、充填材１２２が数μｍの粒径の窒化チタンとされている点が第１実施形態と相違している。そして、充填材１２２の先端が基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通して母材１８ａに接触している。

【0034】

次に、本実施形態の作用について説明する。
図５に示すように、本実施形態のセパレータ１１２によれば、樹脂層１２０に含まれる充填材１２２の先端が酸化被膜１８ｂを貫通して基材１８の母材１８ａに接触している。このため、基材１８の母材１８ａ、充填材２２、及びグラファイト２６によって酸化被膜１８ｂを経由しない導電経路が形成される。従って、酸化被膜１８ｂを経由する場合に比べてセパレータ１１２の接触抵抗が低減する。

【0035】

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法によれば、第１実施形態の効果（１）〜（４）に準じた効果が得られるようになる。
なお、本発明に係る燃料電池のセパレータの製造方法は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

【0036】

・樹脂層がカーボンブラック及び窒化チタンの双方を含むものとしてもよい。
・樹脂層を、炭化チタンや硼化チタンなど他の導電性セラミックスを含むものとしてもよい。また、カーボンブラック、窒化チタン、炭化チタン、及び硼化チタンの少なくとも一つが含まれているものとしてもよい。

【0037】

・上記実施形態では、ステンレス鋼からなる基材１８について例示した。この場合、基材１８の母材１８ａよりも酸化被膜１８ｂの方が硬度が高い。このため、酸化被膜１８ｂよりも硬度が高い充填材２２、１２２によって基材１８の酸化被膜１８ｂを貫通させるとともに同基材１８の母材１８ａに食い込ませることで充填材２２、１２２と母材１８ａとの接触面積を大きくすることができる。一方、被膜よりも母材の方が硬度が高い金属材料からなる基材を用いる場合には、同基材の母材よりも硬度の高い充填材を採用することが好ましい。この場合、充填材によって基材の被膜を貫通させるとともに同基材の母材に食い込ませることができる。

【0038】

・樹脂層（第１の塗料）に含まれる結合材と導電層（第２の塗料）に含まれる結合材とを互いに異なる材料とすることもできる。
・上記実施形態では、結合材をいずれも熱硬化性樹脂材料からなるものとしたが、熱可塑性樹脂材料からなるものに変更してもよい。この場合、第１の塗料の結合材及び前記第２の塗料の結合材を加熱して溶融させた後に冷間プレスによって基材の表面を加圧し、結合材の各々を硬化する温度まで冷却するようにすればよい。こうした方法によれば、冷間プレスによって基材の表面が加圧されることによって、充填材を、基材の酸化被膜を貫通して母材の表面に接触させることができる。また、溶融された結合材の温度が低められることによって結合材が硬化する。

【0039】

・基材をチタン或いはチタン合金など他の金属材料からなるものとしてもよい。
・例えばグラファイトのみによって導電層を形成するなど炭素系材料のみによって導電層を形成するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0040】

１０…セル、１１…膜電極接合体、１２，１１２…セパレータ、１４…フラットセパレータ、１６…ガス流路形成部材、１７…流路部、１７ａ…貫通孔、１８…基材、１８ａ…母材、１８ｂ…酸化被膜、２０，１２０…樹脂層、２０ａ…第１の塗料、２１…結合材、２２，１２２…充填材、２４…導電層、２４ａ…第２の塗料、２５…結合材、２６…グラファイト。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】