特許 7095588 燃料電池用セパレータの表面処理方法

(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】

(24)【登録日】2022-06-27

(45)【発行日】2022-07-05

(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータの表面処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0228 20160101AFI20220628BHJP

   H01M 8/0254 20160101ALI20220628BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20220628BHJP

   H01M 8/0213 20160101ALI20220628BHJP

   H01M 8/0221 20160101ALI20220628BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220628BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0228

H01M8/0254

H01M8/0206

H01M8/0213

H01M8/0221

H01M8/10 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018240828

(22)【出願日】2018-12-25

(65)【公開番号】P2020102394

(43)【公開日】2020-07-02

【審査請求日】2021-02-25

(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】羽柴 美智

(72)【発明者】

【氏名】竹内 和也

【審査官】上野 文城

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０５２０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５６０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３２４１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３８１６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１０９７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２２８

Ｈ０１Ｍ ８／０２５４

Ｈ０１Ｍ ８／０２０６

Ｈ０１Ｍ ８／０２１３

Ｈ０１Ｍ ８／０２２１

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、前記基材の前記凸部の頂面に設けられ、熱硬化性樹脂からなる第１結合材及び導電性粒子を含む第１層と、前記第１層の表面に設けられ、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層とを備える燃料電池用セパレータの表面処理方法であって、
前記基材の前記凸部の頂面に前記第１層を形成する第１層形成工程と、
対向して配置される第１型と第２型との間に、フィルムの一方の面に設けられた前記第２層を前記第１層の表面に当接させ、前記フィルムの他方の面を前記第１型に対向させた状態で前記基材及び前記フィルムを配置し、前記第１型と前記第２型とにより前記基材及び前記フィルムを加圧するとともに前記第２型を前記第１型よりも高い温度にして前記基材及び前記フィルムを加熱することで、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層の表面に前記第２層を熱転写することにより形成する第２層形成工程と、を備え、
前記第２結合材が前記フィルムに結着する前に前記第１型及び前記第２型を型開きして前記第２結合材から前記フィルムを剥離する、
燃料電池用セパレータの表面処理方法。

【請求項2】

前記第２層形成工程において、前記第１型による加熱を行わない、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。

【請求項3】

前記第２層形成工程において、前記第１型及び前記第２型の双方により加熱を行うとともに、前記第１型の温度を前記第２型よりも低くする、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。

【請求項4】

前記第１結合材と前記第２結合材とは、同一の熱硬化性樹脂により構成されている、
請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。

【請求項5】

前記第１層形成工程において、前記基材の表面全体に前記第１層を形成する、
請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用セパレータの表面処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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、膜電極接合体と、膜電極接合体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形成されている。こうした燃料電池用のセパレータは、例えばステンレス鋼などの金属板材からなる基材を有している。

【0003】

また従来、セパレータを構成する基材の表面に存在する酸化被膜によってセパレータと膜電極接合体との間の接触抵抗が増大することが知られている。
特許文献１には、セパレータの凸部の頂面に導電層を形成する表面処理方法が開示されている。上記導電層は、基材の凸部の頂面に形成される第１層と、第１層の表面に形成される第２層とから構成されている。第１層は、熱硬化性樹脂からなる第１結合材と、基材の酸化被膜よりも硬度が高い導電性粒子とを含む。また、第２層は、熱可塑性樹脂からなる第２結合材とグラファイト粒子とを含む。

【0004】

上記文献１に記載の表面処理方法では、まず、セパレータの基材の凸部の頂面上に、導電層が形成された熱転写用フィルムを載置する。次に、加熱部をそれぞれ有する下型及び上型を備える塗膜形成装置により、熱転写用フィルムを基材に対して加圧するとともに加熱することで、基材の凸部の頂面に導電層を熱転写する。

【0005】

こうした導電層が形成されたセパレータによれば、第１層の導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して基材の母材に接触しているため、母材、第１層の導電性粒子、及び第２層のグラファイト粒子によって酸化被膜を経由しない導電経路が形成される。これにより、セパレータの接触抵抗を低減することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第２０１７／３８１６５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、上記文献１に記載の方法により形成されたセパレータでは、第２結合材が熱可塑性樹脂であるため、第１結合材（第１層）との間の結着力が不足しやすく、第２層が第１層から脱落しやすい。

【0008】

また、こうした問題を解消するために、第１結合材及び第２結合材のそれぞれに熱硬化性樹脂を適用すると、以下の不都合が生じるおそれがある。すなわち、熱転写によって第２結合材が熱硬化すると、第２結合材がフィルムに結着することでフィルムを第２層から剥離しにくくなる。また、第２層からフィルムを無理に剥離させようとすると、第２層を介してフィルムに結着されたグラファイト粒子が第１層から脱落するおそれがある。

【0009】

本発明の目的は、表面処理を適切に行うことができる燃料電池用セパレータの表面処理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの表面処理方法は、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、前記基材の前記凸部の頂面に設けられ、熱硬化性樹脂からなる第１結合材及び導電性粒子を含む第１層と、前記第１層の表面に設けられ、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層とを備える燃料電池用セパレータの表面処理方法であって、前記基材の前記凸部の頂面に前記第１層を形成する第１層形成工程と、対向して配置される第１型と第２型との間に、フィルムの一方の面に設けられた前記第２層を前記第１層の表面に当接させ、前記フィルムの他方の面を前記第１型に対向させた状態で前記基材及び前記フィルムを配置し、前記第１型と前記第２型とにより前記基材及び前記フィルムを加圧するとともに前記第２型を前記第１型よりも高い温度にして前記基材及び前記フィルムを加熱することで、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層の表面に前記第２層を熱転写することにより形成する第２層形成工程と、を備える。

【0011】

同方法によれば、第２層形成工程において、基材を介してフィルムとは反対側に位置する第２型を第１型よりも高い温度にして基材及びフィルムの加熱が行われる。このため、フィルムの一方の面に設けられた第２層は、主に第１層側からの受熱によって加熱されるようになる。これにより、第２層における第１層側の部分の熱硬化を早めることで第１層との結着性を高めつつ、第２層のフィルム側の部分の熱硬化を遅らせることができる。これにより、第２結合材のフィルム側の部分が熱硬化する前、すなわち第２結合材とフィルムとが結着される前に型開きしてフィルムを剥離するようにすれば、フィルムを第２層から容易に剥離させることができる。したがって、セパレータの表面処理を適切に行うことができる。

【0012】

上記燃料電池用セパレータの表面処理方法では、前記第２層形成工程において、前記第１型による加熱を行わないことが好ましい。
同方法によれば、第２型にのみ加熱部を設ければよく、第１型に加熱部を設けなくて済む。このため、第１型の構成を簡単にすることができる。

【0013】

上記燃料電池用セパレータの表面処理方法では、前記第２層形成工程において、前記第１型及び前記第２型の双方により加熱を行うとともに、前記第１型の温度を前記第２型よりも低くすることが好ましい。

【0014】

同方法によれば、第１型による加熱を行わない方法と比較して、第１結合材及び第２結合材の昇温を促進させることができる。したがって、燃料電池用セパレータの生産性を向上させることができる。

【0015】

上記燃料電池用セパレータの表面処理方法では、前記第１結合材と前記第２結合材とは、同一の熱硬化性樹脂により構成されていることが好ましい。
同方法によれば、第１結合材と第２結合材とが同一の熱硬化性樹脂であることから、第１結合材と第２結合材との親和性が高くなる。このため、第１結合材と第２結合材とが異なる熱硬化性樹脂からなる構成と比較して、第１層と第２層とが強固に結着される。

【0016】

上記燃料電池用セパレータの表面処理方法では、前記第１層形成工程において、前記基材の表面全体に前記第１層を形成することが好ましい。
同方法によれば、基材の表面全体に第１層が形成されるため、基材の表面からの金属イオンの溶出を抑制することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、燃料電池用セパレータの表面処理を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】燃料電池用セパレータの表面処理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。

【図2】同実施形態の燃料電池用セパレータの断面図。

【図3】第１層形成工程によって表面全体に第１層が形成された基材の断面図。

【図4】第２層形成工程において基材及びフィルムが加圧される直前の状態を示す断面図。

【図5】第２層形成工程において基材及びフィルムが加圧及び加熱されている状態を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図１～図５を参照して、一実施形態について説明する。
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）は、固体高分子形燃料電池のスタック１００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。

【0020】

スタック１００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、第１セパレータ３０及び第２セパレータ４０により挟持された膜電極接合体１１を備えている。膜電極接合体１１と各セパレータ３０，４０との間には、炭素繊維からなるアノード側ガス拡散層１４及びカソード側ガス拡散層１５が介設されている。膜電極接合体１１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１２と、電解質膜１２を挟持する一対の電極触媒層１３とを備えている。各電極触媒層１３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の触媒（例えば白金）が担持されている。

【0021】

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り、金属板材の面方向（この場合、同図の紙面に直交する方向）に沿ってそれぞれ延在する第１凸部３２及び第１凹部３３が交互に形成された基材３１を有している。第１凸部３２及び第１凹部３３は複数設けられている。基材３１の各第１凸部３２は、アノード側ガス拡散層１４に向かって突出している。

【0022】

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り、金属板材の面方向（この場合、同図の紙面に直交する方向）に沿ってそれぞれ延在する第２凸部４２及び第２凹部４３が交互に形成された基材４１を有している。第２凸部４２及び第２凹部４３は複数設けられている。基材４１の各第２凸部４２は、カソード側ガス拡散層１５に向かって突出している。

【0023】

図２に示すように、各セパレータ３０，４０の基材３１，４１の表面全体には、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層５０が形成されている。本実施形態の第１結合材５１はエポキシ樹脂であり、導電性粒子５２は窒化チタンである。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。

【0024】

第１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、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層６０が形成されている。本実施形態の第２結合材６１は、第１結合材５１と同一のエポキシ樹脂であり、導電性炭素材６２はグラファイト粒子である。

【0025】

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、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。

【0026】

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１４とで区画される部分は、燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通されるガス流路とされている。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１５とで区画される部分は、酸化剤ガス（例えば、空気）が流通されるガス流路とされている。

【0027】

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は、冷却水が流通する冷却流路とされている。

【0028】

次に、セパレータ２０の表面処理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の表面処理方法は同一であるため、以降においては、第１セパレータ３０の表面処理方法について説明することで、第２セパレータ４０の表面処理方法の説明を省略する。

【0029】

まず、図３に示すように、基材３１の表面全体に対して、第１結合材５１及び導電性粒子５２を含む塗料をスプレーするなどして第１層５０を形成する（第１層形成工程）。
次に、第１層５０が設けられた基材３１に対して、以下に説明する熱転写装置１１０を用いて第２層６０を熱転写する。

【0030】

図４に示すように、熱転写装置１１０は、第１型と、第１型１１１に対向して配置される第２型１１２とを備えている。第２型１１２は、固定型であり、第１型１１１は、第２型１１２に対して進退可能に設けられた可動型である。第２型１１２は、内部に電熱線１１３が設けられており、電熱線１１３に通電することにより第２型１１２が所定の温度まで加熱される。本実施形態におけ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り、例えば２００℃以上である。

【0031】

次に、図４に示すように、第１凸部３２を上側にして基材３１を第２型１１２上に載置する。そして、一方の面に第２層６０が塗工されたフィルム９０を、第２層６０を下側にした状態で、すなわちフィルム９０の他方の面を第１型１１１に対向させた状態で基材３１上に載置する。

【0032】

次に、図５に示すように、第１型１１１と第２型１１２とにより基材３１及びフィルム９０を加圧するとともに加熱する。ここで、熱転写装置１１０は、第２型１１２にのみ電熱線１１３が設けられているため、基材３１及びフィルム９０は、第２型１１２により加熱され、第１型１１１によっては加熱されない。これにより、各結合材５１，６１が熱硬化することで第１層５０及び第２層６０が形成される（第２層形成工程）。

【0033】

なお、熱転写装置１１０により基材３１及びフィルム９０が加圧されることにより、第１層５０の導電性粒子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１１０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。

【0034】

最後に、熱転写装置１１０を型開きして、フィルム９０を基材３１から剥離する。
こうして第１セパレータ３０（セパレータ２０）の表面処理が行われる。
本実施形態の作用効果について説明する。

【0035】

（１）セパレータ２０の表面処理方法は、第１層形成工程と、第２層形成工程とを備える。第１層形成工程では、基材３１（４１）の表面全体に第１層５０を形成する。第２層形成工程では、対向して配置される第１型１１１と第２型１１２との間に、フィルム９０の一方の面に塗工された第２層６０を第１層５０の表面に当接させ、フィルム９０の他方の面を第１型１１１に対向させた状態で基材３１（４１）及びフィルム９０を配置する。次いで、第１型１１１と第２型１１２とにより基材３１（４１）及びフィルム９０を加圧するとともに第２型１１２のみにより基材３１（４１）及びフィルム９０を加熱することで、第１結合材５１及び第２結合材６１を熱硬化させて第１層５０の表面に第２層６０を熱転写する。

【0036】

こうした方法によれば、第２層形成工程において、基材３１（４１）を介してフィルム９０とは反対側に位置する第２型１１２のみにより基材３１（４１）及びフィルム９０の加熱が行われる。このため、フィルム９０の一方の面に設けられた第２層６０は、主に第１層５０側からの受熱によって加熱されるようになる。これにより、第２層６０における第１層５０側の部分の熱硬化を早めることで第１層５０との結着性を高めつつ、第２層６０のフィルム９０側の部分の熱硬化を遅らせることができる。これにより、第２結合材６１のフィルム９０側の部分が熱硬化する前、すなわち第２結合材６１とフィルム９０とが結着される前に型開きしてフィルム９０を剥離するようにすれば、フィルム９０を第２層６０から容易に剥離させることができる。したがって、セパレータ２０の表面処理を適切に行うことができる。

【0037】

また、上記方法によれば、第２型１１２にのみ電熱線１１３を設ければよく、第１型１１１に電熱線を設けなくて済む。このため、第１型１１１の構成を簡単にすることができる。

【0038】

また、基材３１（４１）の表面全体に第１層５０が形成されるため、基材３１（４１）の表面からの金属イオンの溶出を抑制することができる。
（２）第１結合材５１と第２結合材６１とは、同一の熱硬化性樹脂により構成されている。

【0039】

こうした方法によれば、第１結合材５１と第２結合材６１とが同一の熱硬化性樹脂であることから、第１結合材５１と第２結合材６１との親和性が高くなる。このため、第１結合材５１と第２結合材６１とが異なる熱硬化性樹脂からなる構成と比較して、第１層５０と第２層６０とが強固に結着される。

【0040】

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。
・基材３１（４１）からフィルム９０を剥離した後に、基材３１（４１）の第２層６０の表面に異物が存在する場合には、異物を除去する後処理を行うようにすればよい。上述したように、本発明によれば、第２層６０からフィルム９０が剥離しやすいため、上記後処理を容易に行うことができる。

【0041】

・基材３１（４１）と第２型１１２との間に離型フィルムを配置するようにしてもよい。
・第１層５０は、基材３１，４１の表面全体に形成されていなくてもよい。例えば、基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面にのみ形成されていてもよい。

【0042】

・第１結合材５１と第２結合材６１とが異なる種類の熱硬化性樹脂により構成されていてもよい。この場合であっても、上記実施形態の作用効果（１）に準じた効果を奏することができる。

【0043】

・第１層５０は、少なくとも第１結合材５１及び導電性粒子５２を含むものであればよく、溶剤などのその他の成分が含まれていてもよい。
・第２層６０は、少なくとも第２結合材６１及び導電性炭素材６２を含むものであればよく、溶剤などのその他の成分が含まれていてもよい。

【0044】

・第１型１１１が電熱線を有するものであってもよい。この場合、第１型１１１と第２型１１２とにより基材３１（４１）及びフィルム９０を加圧するとともに、第１型１１１の温度を第２型１１２よりも低い温度にして基材３１（４１）及びフィルム９０を加熱するようにしてもよい。このとき、第２型１１２の温度は、第１結合材５１及び第２結合材６１の熱硬化温度よりも低い温度であることが好ましい。こうした方法によれば、第１型１１１による加熱を行わない方法と比較して、第１結合材５１及び第２結合材６１の昇温を促進させることができる。したがって、燃料電池用セパレータの生産性を向上させることができる。

【0045】

・第１型１１１を固定型とし、第２型１１２を可動型としてもよい。この場合であっても、第１型１１１と第２型１１２との間に、フィルム９０の一方の面に設けられた第２層６０を第１層５０の表面に当接させ、フィルム９０の他方の面を第１型１１１に対向させた状態で基材３１（４１）及びフィルム９０を配置すればよい。

【0046】

・導電性炭素材６２は、グラファイト粒子に限定されず、カーボンブラックなどの他の導電性炭素材であってもよい。
・導電性粒子５２は、窒化チタンに限定されず、炭化チタンや硼化チタンなどの他の導電性粒子であってもよい。

【0047】

・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こともできる。こうした金属としては、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金などが挙げられる。

【符号の説明】

【0048】

１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…電極触媒層、１４…アノード側ガス拡散層、１５…カソード側ガス拡散層、２０…セパレータ、３０…第１セパレータ、３１…基材、３１ａ…酸化被膜、３２…第１凸部、３３…第１凹部、４０…第２セパレータ、４１…基材、４１ａ…酸化被膜、４２…第２凸部、４３…第２凹部、５０…第１層、５１…第１結合材、５２…導電性粒子、６０…第２層、６１…第２結合材、６２…導電性炭素材、９０…フィルム、１００…スタック、１１０…熱転写装置、１１１…第１型、１１２…第２型、１１３…電熱線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】