(57)【要約】【課題】プレス加工時にコート層が流れることを防ぎ、基材の表面に必要なコート厚を確保することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】基材の表面にコート層２２ｂが積層された構造を有する燃料電池用セパレータ１０の製造方法であって、平板状の基材２２ａの表面にコート材料を塗布してコート層２２ｂを積層する塗布工程（ステップＳ１）と、基材２２ａを第１時間、第１温度で加熱してコート層２２ｂのうち基材２２ａの表面に接する側を部分的に硬化させる第１硬化工程（ステップＳ２）と、基材２２ａをプレスして所定の形状に成形する成形工程（ステップＳ３）と、基材２２ａを第２時間、第２温度で加熱してコート層２２ｂを全て硬化させる第２硬化工程（ステップＳ４）と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面にコート層が積層された構造を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
平板状の基材の表面にコート材料を塗布して前記コート層を積層する塗布工程と、
前記基材を第１時間、第１温度で加熱して前記コート層のうち前記基材の表面に接する側を部分的に硬化させる第１硬化工程と、
前記基材をプレスして所定の形状に成形する成形工程と、
前記基材を第２時間、第２温度で加熱して前記コート層を全て硬化させる第２硬化工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用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、表面にコート層が積層された構造を有する燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池用セパレータの製造方法として、基材表面に導電性樹脂層からなるコート層を塗布により積層し、コート層が積層された基材をプレス加工により成形し、基材の成形後にコート層を熱処理するものが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９５３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法は、コート層が積層された基材をプレス加工により成形した後にコート層を熱処理して硬化させているので、プレス加工時に未硬化のコート層が流れてしまうという問題がある。即ち、熱処理前のコート層は流動性があるので、プレス加工時の基材へのプレス金型の圧力により、コート層が流れて、基材表面に必要なコート厚が確保できない可能性があるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、プレス加工時にコート層が流れることを防ぎ、基材表面に必要なコート厚を確保することが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を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、基材の表面にコート層が積層された構造を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、平板状の基材の表面にコート材料を塗布して前記コート層を積層する塗布工程と、前記基材を第１時間、第１温度で加熱して前記コート層のうち前記基材の表面に接する側を部分的に硬化させる第１硬化工程と、前記基材をプレスして所定の形状に成形する成形工程と、前記基材を第２時間、第２温度で加熱して前記コート層を全て硬化させる第２硬化工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、平板状の基材の表面にコート剤を塗布してコート層を積層し、基材を加熱してコート層のうち基材の表面に接する側を部分的に硬化させ、その後に基材をプレスして所定の形状に成形し、成形した後に基材の表面のコート層を全て硬化させる。
【０００８】
この構成により、コート層のうち基材の表面に接する側が部分的に硬化した状態で成形が行われるので、プレスによりコート層が流れることが防止される。そして、さらに成形が行われた後に、基材表面のコート層の全てを硬化させているので、基材表面に必要なコート厚が確保される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、プレス加工時にコート層が流れることを防ぎ、基材表面に必要なコート厚を確保することが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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法により製造される燃料電池用セパレータを有する燃料電池セルの断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法により製造される燃料電池用セパレータの図であり、図２（ａ）は、燃料電池用セパレータの平面図を示し、図２（ｂ）は、燃料電池用セパレータの流路部の部分拡大断面図を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程図。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の工程を説明する説明図。
【図５】従来の燃料電池用セパレータの製造方法で製造される燃料電池用セパレータの図であり、図５（ａ）は、粉末状の成形材料で成形された燃料電池用セパレータの部分断面図を示し、図５（ｂ）は、カーボン層が積層された金属薄板をプレス加工により成形した燃料電池用セパレータの部分断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法を適用した実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法について図面を参照して説明する。まず、燃料電池用セパレータ１０の製造方法により製造される燃料電池用セパレータ１０を有する燃料電池セル２０および燃料電池用セパレータ１０について簡単に説明する。
【００１２】
燃料電池セル２０は、図１に示すように、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）２１と、カソード側セパレータ２２と、アノード側セパレータ２３とを含んで構成されている。燃料電池セル２０は、複数個が積層されて図示しない燃料電池を構成する。燃料電池用セパレータ１０は、カソード側セパレータ２２およびアノード側セパレータ２３により構成される。
【００１３】
膜電極ガス拡散層接合体２１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)３１と、マイクロポーラス層(ＭＰＬ：Micro Porous Layer)３２ａが形成されたカソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）３２と、マイクロポーラス層３３ａが形成されたアノード側ガス拡散層３３とにより構成されている。
【００１４】
膜電極接合体３１は、電解質膜４１と、電解質膜４１のカソード側に位置するカソード側触媒層４２と、電解質膜４１のアノード側に位置するアノード側触媒層４３との接合体で構成されている。
【００１５】
カソード側セパレータ２２は、図１、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、基材２２ａと、基材２２ａの表面に積層されたコート層２２ｂを有している。なお、基材２２ａの表面は、ＭＥＧＡ２１に対向する内面と、内面の反対側の外面が含まれる。
【００１６】
基材２２ａは、水素ガスや酸化性ガスを遮蔽する遮蔽性、発電された電気を少ない損失、即ち低ロスで通す高導電性を有する材料であれば良く、材質は特に限定されない。基材２２ａの材料としては、例えば、チタン、アルミニウム、銅、鉄や、これらの合金、ステンレスなどが好ましい。これらの材料のうち、チタンおよびステンレスがより好ましい。
【００１７】
また、基材２２ａは、低コストの面ではステンレスが好ましい。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０などのオーステナイト系のステンレス、ＳＵＳ４０９、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４、などのフェライト系のステンレスが挙げられる。
【００１８】
基材２２ａの厚み（ｍｍ）は、金属使用料の低減、燃料電池用セパレータ１０の高密度化の観点から薄い方が好ましい。但し、取扱いの観点から０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．０８ｍｍがより好ましい。基材２２ａは、方形の材料からなり、後述する成形工程前の平板状のものおよび成形工程を経て凹凸状に成形されたものが含まれる。
【００１９】
コート層２２ｂは、コート材料が平板状の基材２２ａの表面に塗布されることにより積層されている。コート層２２ｂは、第１硬化工程により部分的に硬化される前期硬化層と、第２硬化工程により残りの未硬化部分として硬化される後期硬化層とにより構成される。前期硬化層は、基材の２２ａの表面に接する側の層からなり、後期硬化層は前期硬化層の外側に位置する層からなる。前期硬化層および後期硬化層は、同一の材料からなる。
【００２０】
前期硬化層は、基材２２ａの表面に密着しており、後述する成形工程での基材２２ａの変形時に、基材２２ａの表面を流動することなく、基材２２ａの表面に追従して変形する。前期硬化層は、基材２２ａとの密着性を確保できれば良く、仮に割れが生じても、成形工程において後期硬化層のコート材料が流動して割れた箇所を埋めるため、燃料電池用セパレータ１０の適正な形状を確保することができる。後期硬化層は、成形工程後の燃料電池用セパレータ１０の表面を構成するコート材料になるため、成形後の割れや剥離が生じないことが必要となる。
【００２１】
例えば、コート材料がエポキシ系熱硬化樹脂およびカーボン粒子６５％添加材料の組成の場合、前期硬化層は、基材２２ａに凹凸形状を形成するプレス加工時に、凹凸部分の半径Ｒ０．１ｍｍの内側では、膜厚７０μｍまでならば密着性が良好であり、半径Ｒ０．２ｍｍの外側では、膜厚１００μｍまでならば密着性が良好であり、膜厚５０μｍまでは割れが生じていないことが確認されている。なお、半径Ｒ０．１ｍｍの内側では、前期硬化層の面方向に圧縮力が掛かり、半径Ｒ０．２ｍｍの外側では、前期硬化層の面方向に引張力が掛かる。
【００２２】
カソード側セパレータ２２の両端部には、図２（ａ）に示すように、貫通して形成されたマニホールド部２２ｃと、凹凸状に形成された流路部２２ｄとが形成されている。マニホールド部２２ｃを介して、外部から燃料極の水素ガス（Ｈ２）、空気極の空気に含まれる酸素ガス（Ｏ２）および冷却水が一端から導入されるとともに、他端から空気に含まれる窒素ガスや生成水が排出されるように構成されている。流路部２２ｄには、水素ガス、空気に含まれる酸素ガスおよび冷却水が流通するように構成されている。
【００２３】
アノード側セパレータ２３は、図１に示すように、カソード側セパレータ２２と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの所定の厚みを有する金属板からなる基材２３ａと、基材２３ａの表面に積層されたコート層２３ｂとにより構成されている。アノード側セパレータ２３の両端部にも、カソード側セパレータ２２と同様に、貫通して形成されたマニホールド部と、凹凸状に形成された流路部とが形成されている。
【００２４】
アノード側セパレータ２３の基材２３ａ、コート層２３ｂ、マニホールド部および流路部は、カソード側セパレータ２２の基材２２ａ、コート層２２ｂ、マニホールド部２２ｃおよび流路部２２ｄと同様に構成されている。
【００２５】
次いで、実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法について、図面を参照して説明する。
【００２６】
燃料電池用セパレータ１０の製造方法は、図３に示すように、塗布工程と、第１硬化工程と、成形工程と、第２硬化工程とを含んでいる。各工程は、順に行われる。燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、平板状の基材２２ａの表面にコート層２２ｂが積層され、プレス加工により凹凸形状を有する燃料電池用セパレータ１０が製造される。
【００２７】
なお、燃料電池用セパレータ１０におけるカソード側セパレータ２２およびアノード側セパレータ２３は同一の製造方法で製造されるので、主にカソード側セパレータ２２の製造方法について説明する。
【００２８】
塗布工程においては、平板状の基材２２ａの表面にコート材料を塗布する（ステップＳ１）。コート材料の塗布は、例えば棒状のバーコーターにより、平板状の基材２２ａの表面にコート塗工することにより行う。これにより、図４（ａ）に示すように、均一な膜厚のコート層２２ｂが平板状の基材２２ａの表面に積層される。または、スクリーン印刷により平板状の基材２２ａの表面に印刷することにより行う。これにより、比較的に容易に積層することができ、均一な膜厚のコート層２２ｂが平板状の基材２２ａの表面に形成される。
【００２９】
コート材料には、例えば、ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂、硬化剤からなる未硬化エポキシ樹脂および球状黒鉛の混合物を使用する。
【００３０】
第１硬化工程においては、図４（ｂ）に示すように、第１時間および第１温度で基材２２ａを加熱し、コート層２２ｂのうち基材２２ａの表面に接する側の前期硬化層を硬化させる（ステップＳ２）。基材２２ａの加熱は、例えば図示しない電磁誘電加熱装置による電磁誘電加熱処理により行ってもよく、また、抵抗加熱装置による抵抗加熱処理によって行ってもよい。第１時間および第１温度は、基材２２ａの大きさ、形状および材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。
【００３１】
成形工程においては、図４（ｃ）に示すように、第１硬化工程において前期硬化層が硬化されたコート層２２ｂを有する基材２２ａが図示しないプレス機のプレス金型によりプレスされ、所定の形状に成形される（ステップＳ３）。
【００３２】
第２硬化工程においては、第２時間および第２温度で基材２２ａを加熱し、コート層２２ｂのうち未硬化となっている後期硬化層を硬化させる（ステップＳ４）。基材２２ａの加熱は、第１硬化工程と同様に、電磁誘電加熱処理や抵抗加熱処理により行われる。第２時間および第２温度は、燃料電池用セパレータ１０の大きさ、形状および材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。
【００３３】
以上のように構成された実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法における実施例および比較例について効果を含めて図面を参照して説明する。なお、燃料電池用セパレータ１０におけるカソード側セパレータ２２およびアノード側セパレータ２３は、同一の構造で構成されているので、主にカソード側セパレータ２２の実施例および比較例について説明する。
【００３４】
（実施例）
実施例においては、カソード側セパレータ２２の平板状で孔加工無しの基材２２ａの材質をＳＵＳ４４７とし、厚みを０．０５ｍｍとした。この基材２２ａに対し脱脂洗浄を行い乾燥させた。
【００３５】
次いで、コート材料として、ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂１００重量部（商品名：ｊＥＲ８２、三菱ケミカル株式会社製）、硬化剤６０重量部（商品名：ＳＴ１１、三菱ケミカル株式会社製）からなる未硬化エポキシ樹脂４０重量％と、球状黒鉛６０重量％（商品名：三菱カーボンブラック＃３４００Ｂ、平均粒子径２１ｎｍ、三菱ケミカル株式会社製）との混合物を準備した。
【００３６】
次いで、準備した混合物を、基材２２ａの外面および内面の両面に、それぞれバーコーターでコート塗工を行い、乾燥させて、図４（ａ）に示すコート層２２ｂを片面の厚み０．０２５ｍｍで積層した。
【００３７】
次いで、コート層２２ｂが積層された基材２２ａを電磁誘電加熱装置にセットし、電磁誘電加熱装置を稼働させて基材２２ａを加熱した。基材２２ａの表面に接するコート層２２ｂの一部が硬化し始めた時点で、誘電加熱を停止させた。この状態で、コート層２２ｂは、図４（ｂ）に示すように、基材２２ａの表面に接する側が部分的に硬化した前期硬化層と、その外側で未硬化となっている後期硬化層を有している。
【００３８】
次いで、プレス機のプレス金型の温度を１００℃に加熱し、熱プレスにより基材２２ａの成形、即ち基材２２ａの賦形を行い、図１に示す凹凸のあるカソード側セパレータ２２を製造した。
【００３９】
次いで、賦形したカソード側セパレータ２２をプレス金型から取り出して、カソード側セパレータ２２の表面を目視で観察した。その結果、カソード側セパレータ２２の表面には露出した部分が無いことが確認された。
【００４０】
その後、カソード側セパレータ２２のアフターキュアとして、２００℃で、１２０分間加熱を行い、コート層２２ｂの硬化を進行させ、コート層２２ｂ全体が十分に硬化したところで硬化を完了させた。アフターキュアを実施後、カソード側セパレータ２２の接触抵抗値（ｍΩ・ｃｍ２）を測定した結果、接触抵抗値は１０ｍΩ・ｃｍ２であることが確認された。その結果、カソード側セパレータ２２の接触抵抗値は比較的に低く、低接触抵抗を有し、カソード側セパレータ２２の導電性が確保されていることが確認された。
【００４１】
（比較例）
比較例においては、実施例と同様に、カソード側セパレータ２２の平板状で孔加工無しの基材２２ａの材質をＳＵＳ４４７とし、厚みを０．０５ｍｍとした。この基材２２ａに対し脱脂洗浄を行い乾燥させた。
【００４２】
次いで、コート材料として、実施例と同様に、ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂１００重量部（商品名：ｊＥＲ８２、三菱ケミカル株式会社製）、硬化剤６０重量部（商品名：ＳＴ１１、三菱ケミカル株式会社製）からなる未硬化エポキシ樹脂４０重量％と、球状黒鉛６０重量％（商品名：三菱カーボンブラック＃３４００Ｂ、平均粒子径２１ｎｍ、三菱ケミカル株式会社製）との混合物を準備した。
【００４３】
次いで、準備した混合物を、基材２２ａの外面および内面の両面に、バーコーターでコート塗工を行い、乾燥させて、図４（ａ）に示すコート層２２ｂを片面の厚み０．０２５ｍｍで積層した。
【００４４】
次いで、コート層２２ｂが積層された基材２２ａを誘電加熱装置にセットし、誘電加熱装置を稼働させて基材２２ａを加熱し、コート層２２ｂの全部を硬化させた。
【００４５】
次いで、実施例と同様に、プレス機のプレス金型の温度を１００℃に加熱し、熱プレスにより基材２２ａの成形、即ち基材２２ａの賦形を行い、図１に示す凹凸のあるカソード側セパレータ２２を製造した。
【００４６】
次いで、実施例と同様に、賦形したカソード側セパレータ２２をプレス金型から取り出して、カソード側セパレータ２２の表面を目視で観察した。その結果、ところどころでクラックが発生し、一部では剥離が生じていることが確認された。
【００４７】
実施例においては、カソード側セパレータ２２の表面に、露出した部分、割れや剥離などの外観不良が発生せず、セパレータとしての実用に問題がないことが確認された。これに対して、比較例においては、カソード側セパレータ２２の表面に、ところどころでクラックが発生し、一部では剥離が生じており、セパレータとしての実用に問題があることが確認された。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、塗布工程（ステップＳ１）の後の第１硬化工程（ステップＳ２）で、コート層２２ｂのうち基材２２ａの表面に接する側を部分的に硬化させ、即ち前期硬化層を硬化させ、第１硬化工程（ステップＳ２）の後に成形工程（ステップＳ３）を行い、成形工程（ステップＳ３）の後に基材２２ａの表面のコート層２２ｂを全て硬化させる第２硬化工程（ステップＳ４）を行っている。
【００４９】
この構成によれば、成形工程（ステップＳ３）が行われる際に、基材２２ａの表面に接するコート層２２ｂの前期硬化層が硬化しているので、成形工程においてコート層２２ｂが流れることが防止されるという効果が得られる。本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、さらに、成形工程（ステップＳ３）が行われた後に、基材２２ａの表面のコート層２２ｂの全てを硬化させているので、基材２２ａの表面に必要なコート厚が確保されるという効果が得られる。
【００５０】
また、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、従来の燃料電池用セパレータの製造方法における以下のような問題を解決することができるという効果が得られる。即ち、図５（ａ）に示すように、平板状の金属薄膜の表面にカーボン層となるコート材料またはフィルムを積層させ、ガス流路などの凹凸形状を成形するプレス加工により、コート材料またはフィルムが積層されたに平板状の金属薄膜を賦形し、その後、コート材料またはフィルムからなるコート層を熱硬化させる製造方法がある。しかしながら、この製造方法では、燃料電池用セパレータの厚みが大きくなってしまうという問題があった。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、コート層２２ｂを積層した基材２２ａを形成しているので、このような厚みの問題を解消することができる。
【００５２】
他方、金属薄板を賦形後、その表面にカーボン層をコーティングする方法も考えられるが、賦形した後にコート材料を塗工すると、膜厚管理が難しいため、実用的ではない。
【００５３】
燃料電池用セパレータの厚みの問題を解決するためには、図５（ｂ）に示すように、金属薄板自体も賦形することが好ましい。しかしながら、コート層を基材に塗工した後に、金属薄板を賦形すると、前述したように、金属薄板にプレス圧を掛けたときに、コート層が流れてしまい、金属薄膜が露出してしまったり、金属薄膜の表面に必要なコート圧を確保することができないという問題があった。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の製造方法においては、このような、成形時におけるコート層の流動の問題を解決することができるという効果が得られる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１０・・・燃料電池用セパレータ、２０・・・燃料電池セル、２１・・・膜電極ガス拡散層接合体、２２・・・カソード側セパレータ（燃料電池用セパレータ）、２２ａ、２３ａ・・・基材、２２ｂ、２３ｂ・・・コート層、２２ｃ・・・マニホールド部、２２ｄ・・・流路部、２３・・・アノード側セパレータ（燃料電池用セパレータ）、３１・・・膜電極接合体、３２・・・カソード側ガス拡散層、３２ａ、３３ａ・・・マイクロポーラス層、３３・・・アノード側ガス拡散層、４１・・・電解質膜、４２・・・カソード側触媒層、４３・・・アノード側触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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