JP2012227036A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性及び導電性を容易に確保できる燃料電池セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ１は、表面２１Ａ，２１Ｂに複数の凸条２３を設けた金属板２０を備えた燃料電池用セパレータ１であって、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂを絶縁性樹脂被膜３０で被覆し、凸条２３のそれぞれに絶縁性樹脂被膜３０を貫通し、燃料電池用電極４２に接触する導通部１３を設ける構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属板の凸条に導通部を設けた燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

自動車等の移動体用に燃料電池、特に固体高分子型燃料電池の開発が行われている。この種の燃料電池は、両面に電極が配置された電解質膜を２枚のセパレータで挟んだ単電池を複数個積層したスタックとして使用される。電極の一方はアノード、他方はカソードとなり、例えば、アノードに水素を供給してプロトンを生じさせ、カソードに酸素を供給し、電解質膜を通ってカソードに移動したプロトンを酸化して水を生じさせる。この水素と酸素の反応過程で生じた電気エネルギーを外部に取り出すことにより、発電装置としての機能を発揮する。

ここで、セパレータには、電気エネルギーを電池の外部に取り出せるよう導電性が求められるとともに、燃料電池内部が酸性雰囲気となるため耐食性が求められる。
そこで従来、セパレータをステンレス製の金属板で構成し、金属板の表面に形成される不動態膜で耐食性を確保するとともに、アノード又はカソードに接する部分に選択的に金めっきを施して導電性を高めている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００６／１２９８０６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、金属板の表面に不動態膜を一様に形成することが困難であり、不動態膜に欠陥が生じるおそれがあった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、耐食性及び導電性を容易に確保できる燃料電池セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、表面に複数の凸条を設けた金属板を備えた燃料電池用セパレータであって、前記金属板の前記表面を絶縁性樹脂被膜で被覆し、前記凸条のそれぞれに前記絶縁性樹脂被膜を貫通し、燃料電池用電極に接触する導通部を設けたことを特徴とする。
上記構成によれば、金属板の表面が絶縁性樹脂被膜で被覆されているため、耐食性を容易に確保できる。また、凸条のそれぞれに絶縁性樹脂被膜を貫通し、燃料電池用電極に接触する導通部を備えるため、導電性を容易に確保できるとともに、絶縁性樹脂被膜の貫通による耐食性の低下を最小限に抑制できる。

また、本発明は、表面を絶縁性樹脂被膜で被覆した金属板を成形して当該金属板の前記表面に複数の凸条を設け、前記凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した前記金属板に電解めっきを施し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けることを特徴とする。
上記構成によれば、金属板の表面が絶縁性樹脂被膜で被覆されるため、耐食性を容易に確保できる。また、凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けるため、導電性を容易に確保できるとともに、絶縁性樹脂被膜の除去による耐食性の低下を最小限に抑制できる。さらに、凸条を被覆する絶縁性樹脂被膜を除去した金属板に電解めっきを施すため、除去した部分のみに金属のめっきを選択的に施すことができる。

また、本発明は、金属板の表面に複数の凸条を設け、前記金属板の前記表面を絶縁性樹脂被膜で被覆し、前記凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した前記金属板に電解めっきを施し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けることを特徴とする。
上記構成によれば、金属板の表面が絶縁性樹脂被膜で被覆されるため、耐食性を容易に確保できる。また、凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けるため、導電性を容易に確保できるとともに、絶縁性樹脂被膜の除去による耐食性の低下を最小限に抑制できる。さらに、凸条を被覆する絶縁性樹脂被膜を除去した金属板に電解めっきを施すため、除去した部分のみに金属のめっきを選択的に施すことができる。

上記構成において、前記導通部を構成する金属が貴金属であってもよい。
上記構成によれば、導通部が導電性の高い貴金属であるため、導通部の導電性を高くできる。

上記構成において、レーザーを照射することにより前記絶縁性樹脂被膜を除去してもよい。
上記構成によれば、レーザーを照射することにより絶縁性樹脂被膜を除去するため、絶縁性樹脂被膜を研磨材等により機械的に除去する場合に比べ、除去したい部分の絶縁性樹脂被膜を精度良く除去することができる。

本発明によれば、金属板の表面が絶縁性樹脂被膜で被覆されているため、耐食性を容易に保持できる。また、凸条のそれぞれに絶縁性樹脂被膜を貫通し、燃料電池用電極に接触する導通部を備えるため、導電性を容易に確保できるとともに、絶縁性樹脂被膜の貫通による耐食性の低下を最小限に抑制できる。

また、凸条を被覆する絶縁性樹脂被膜を除去した金属板に電解めっきを施すため、除去した部分のみに金属のめっきを選択的に施すことができる。
また、導通部が導電性の高い貴金属であるため、導通部の導電性を高くできる。
また、除去する部分にレーザーを照射することにより絶縁性樹脂被膜を除去するため、絶縁性樹脂被膜を研磨材等により機械的に除去する場合に比べ、除去したい部分の絶縁性樹脂被膜を精度良く除去することができる。

本発明の実施の形態に係るセパレータを模式的に示す側面図である。 セパレータの製造行程を示す図である。 樹脂フィルム（絶縁性樹脂被膜）を除去する行程を示す図である。 セパレータの製造行程の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るセパレータ（燃料電池用セパレータ）を模式的に示す側面図である。
セパレータ１は、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂに樹脂フィルム（絶縁性樹脂被膜）３０を被覆した積層体１０を備え、積層体１０の一方の面（例えば、表面２１Ａ）にはゴムシール１１が設けられている。ゴムシール１１は、例えば、シリコーンゴムからなるが、例えば、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のその他のゴムであってもよい。
金属板２０は、例えばステンレス鋼やチタン等の金属で形成されており、両方の表面２１Ａ，２１Ｂに複数の凹条２２と複数の凸条２３とが交互に設けられている。各凸条２３は同一高さの平面部２４を有し、この平面部２４に、電解質膜４１の両面に電極（燃料電池用電極）４２を記置した膜電極接合体（membrane electrode assembly: MEA）４０が接触する。膜電極接合体４０と凹条２２とは流路１２を構成している。

樹脂フィルム３０の材質は、十分な弾性を示す軟質体であり、且つ、絶縁性、耐熱性、耐酸性のある樹脂が好ましく、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン等を用いることができる。樹脂フィルム３０は、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂに接合（例えば、熱溶着、接着剤による接着等）されることによって金属板２０と一体化されている。このように、金属板２０は、その表面２１Ａ，２１Ｂが樹脂フィルム３０で被覆されているため、優れた耐食性を保持できる。
樹脂フィルム３０には、金属板２０の平面部２４を被覆する部分に、貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１内の金属板２０には表面処理が施されており、表面処理した部分が、電極４２と導通する導通部１３となる。

次に、セパレータ１の製造方法を説明する。
図２はセパレータ１の製造行程を示す図であり、図３は樹脂フィルム３０を除去する行程を示す図である。
図２に示すように、まず、金属板２０の両面に樹脂フィルム３０を被覆した積層体１０を用意し（図２（Ａ））、この積層体１０に所定の流路形状の凹条２２及び凸条２３を例えばプレス加工で形成する（図２（Ｂ））。したがって、樹脂フィルム３０の厚さや材質は、プレス加工によって破れない強度を有するように選定される。なお、図２に示す製造工程では、凹条２２及び凸条２３をプレス加工で形成するのと同時に、積層体１０が所定の大きさに切断されているが、所定の大きさの積層体１０を用意してもよい。

次いで、凸条２３を覆う樹脂フィルム３０の除去が必要な部分を除去する（図２（Ｃ））。樹脂フィルム３０の除去方法としては、研磨材等により機械的に除去する方法も採りえるが、レーザー５１を照射することにより除去することが好ましい。このとき、例えば図３に示すように、レーザー照射器５０を一方向に移動させてレーザー５１を積層体１０に照射することで、樹脂フィルム３０に線状もしくは点状の貫通孔３１を形成する。図３には、線状の貫通孔３１が形成された積層体１０が示されている。レーザー５１には、エキシマレーザー、ＣＯ_２レーザー、ＴＥＡ（Transversely Excited Atmospheric）−ＣＯ_２レーザー等を適用でき、金属板２０の厚さや種類、樹脂フィルム３０の厚さや材質等によってレーザー５１の種類や出力が選定される。なお、図３では、凹条２２及び凸条２３を省略している。

このようにレーザー５１を用いた熱処理により、樹脂フィルム３０だけを溶解除去するため、金属板２０の表面が改質したり、酸化したりすることを防止できる。また、樹脂フィルム３０を機械的に除去する場合、樹脂フィルム３０が必要以上に剥がれてしまうおそれがあるが、レーザー照射を行うことにより、除去したい部分の樹脂フィルム３０だけを精度よく除去することができ、セパレータ１の製造時間を短縮できるとともに、製造コストを削減できる。

次に、樹脂フィルム３０を除去した部分に例えばめっき等の表面処理を施す（図２（Ｄ））。このとき、例えばめっき溶中で積層体１０に電解めっきを施すと、樹脂フィルム３０を除去した部分に電流が流れ、選択的に導通部１３（めっき）が形成される。めっきの材料としては、導電性の高い金属が用いられ、カーボンより導電性の高い貴金属（例えば、金）であることが好ましい。これにより、セパレータ１と膜電極接合体４０（図１）との間には、凸条２３に形成された導通部１３を介して導電が起こり、電気抵抗が極めて低くなる環境が得られる。

このように、導電性が必要な凸条２３の樹脂フィルム３０を除去して貴金属等による導通部１３を設けていることから、樹脂フィルム３０の除去による耐食性の低下を最小限に抑制することができる。また、導通部１３を設ける際、凸条２３を覆う樹脂フィルム３０を除去した後、電解めっきを施すことにより、除去した部分のみに選択的にめっきを容易に施すことができる。すなわち、貴金属の導通部１３の形成を最小限に抑えることができるので、セパレータ１の製造コストが高くなることを防止できる。さらに、導通部１３以外の金属板２０は樹脂フィルム３０が被覆されたままとなるので、優れた耐食性を保持することができ、その結果、金属板２０の腐食を防止できる。

そして最後に、積層体１０の一方の面にゴムシール１１を例えば射出成形により成形する（図２（Ｅ））。このように、ゴムシール１１が樹脂フィルム３０上に成形されるため、樹脂フィルム３０自体がパッキンの役割を果たし射出成形の金型と樹脂フィルム３０との間で隙間が生じにくくなるので、金属板上にゴムシールを射出形成により直接成形する場合に比べ、ゴムシール１１のバリを少なくでき、ゴムシール１１の成形コストを低減できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂが樹脂フィルム３０で被覆されているため、耐食性を容易に確保できる。また、凸条２３のそれぞれに樹脂フィルム３０を貫通し、電極４２に接触する導通部１３を備えるため、導電性を容易に確保できるとともに、樹脂フィルム３０の貫通による耐食性の低下を最小限に抑制できる。

また、本実施の形態によれば、表面２１Ａ，２１Ｂを樹脂フィルム３０で被覆した金属板２０を成形して当該金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂに複数の凸条２３を設け、凸条２３を被覆する樹脂フィルム３０を除去し、樹脂フィルム３０を除去した金属板２０に電解めっきを施し、樹脂フィルム３０を除去した部分に金属をめっきして導通部１３を設ける構成とした。上記効果に加え、凸条２３を被覆する樹脂フィルム３０を除去した金属板２０に電解めっきを施すため、除去した部分のみに金属のめっきを選択的に施すことができる。

また、本実施の形態によれば、導通部１３が導電性の高い貴金属であるため、導通部１３の導電性を高くすることができる。

また、本実施の形態によれば、除去する部分にレーザー５１を照射することにより樹脂フィルム３０を除去するため、樹脂フィルム３０を研磨材等により機械的に除去する場合に比べ、除去したい部分の樹脂フィルム３０を精度良く除去することができる。

但し、上記実施の形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、樹脂フィルム３０を被覆した金属板２０をプレス加工していたが、図４に示す製造工程では、プレス加工した金属板２０に樹脂フィルム３０を被覆している。
図４はセパレータ１の製造工程の変形例を示す図である。
まず、金属板２０を用意し（図４（Ａ））、この金属板２０に所定の流路形状の凹条２２及び凸条２３を例えばプレス加工で形成する（図４（Ｂ））。次いで、樹脂フィルム３０を、例えば、接着剤を用いた接着や熱ラミネート加工（熱溶着）等によって金属板２０の両面に被覆する（図４（Ｃ））。したがって、図４に示す製造工程により積層体１０を形成する場合、樹脂フィルム３０の厚さや材質は、プレス加工に対する強度を考慮せずに設定できる。

次に、凸条２３を覆う樹脂フィルム３０の除去が必要な部分をレーザー照射で除去し（図４（Ｄ））、樹脂フィルム３０を除去した部分に例えばめっき等の表面処理を施す（図４（Ｅ））、積層体１０の一方の面にゴムシール１１を成形する（図４（Ｆ））。図４（Ｄ）−図４（Ｆ）の行程は、図２（Ｃ）−図２（Ｅ）の行程と同様であるため、詳細な説明を省略する。

このように、図４に示す製造工程では、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂに複数の凸条２３を設け、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂを樹脂フィルム３０で被覆し、凸条２３を被覆する樹脂フィルム３０を除去し、樹脂フィルム３０を除去した金属板２０に電解めっきを施し、樹脂フィルム３０を除去した部分に金属をめっきして導通部１３を設ける構成とした。この構成により、金属板２０の表面２１Ａ，２１Ｂが樹脂フィルム３０で被覆されるため、耐食性を容易に確保できる。また、凸条２３を被覆する樹脂フィルム３０を除去し、樹脂フィルム３０を除去した部分に金属をめっきして導通部１３を設けるため、導電性を容易に確保できるとともに、樹脂フィルム３０の除去による耐食性の低下を最小限に抑制できる。さらに、凸条２３を被覆する樹脂フィルム３０を除去した金属板２０に電解めっきを施すため、除去した部分のみに金属のめっきを選択的に施すことができる。

なお、図３及び図４に示す製造工程では、凹条２２及び凸条２３はプレス加工によって成形されていたが、この方法に限られるものではない。また、導通部１３は、金属をめっき処理することにより形成されていたが、この方法に限られない。さらに、導通部１３の材料は、貴金属に限られず、導電性のあるその他の材料に置き換えられることも可能である。

１ セパレータ（燃料電池用セパレータ）
１２ 流路
１３ 導通部
２０ 金属板
２１Ａ，２１Ｂ 表面
２２ 凹条
２３ 凸条
３０ 樹脂フィルム（絶縁性樹脂被膜）
４２ 電極（燃料電池用電極）
５１ レーザー

Claims (5)

1. 表面に複数の凸条を設けた金属板を備えた燃料電池用セパレータであって、
   前記金属板の前記表面を絶縁性樹脂被膜で被覆し、
   前記凸条のそれぞれに前記絶縁性樹脂被膜を貫通し、燃料電池用電極に接触する導通部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 表面を絶縁性樹脂被膜で被覆した金属板を成形して当該金属板の前記表面に複数の凸条を設け、
   前記凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、
   前記絶縁性樹脂被膜を除去した前記金属板に電解めっきを施し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 金属板の表面に複数の凸条を設け、
   前記金属板の前記表面を絶縁性樹脂被膜で被覆し、
   前記凸条を被覆する前記絶縁性樹脂被膜を除去し、
   前記絶縁性樹脂被膜を除去した前記金属板に電解めっきを施し、前記絶縁性樹脂被膜を除去した部分に金属をめっきして導通部を設けることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記導通部を構成する金属が貴金属であることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. レーザーを照射することにより前記絶縁性樹脂被膜を除去することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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