(57)【要約】【課題】接触抵抗を好適に低減することができる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】セパレータ２０の製造方法は、基材３１，４１の各凸部３２，４２の各々の頂面をマスキング材でマスクするマスキング工程と、マスキング材で頂面がマスクされた基材３１，４１にエポキシ樹脂を塗工することで基材３１，４１の表面に保護層５０を形成する保護層形成工程と、基材３１，４１からマスキング材を除去する除去工程と、マスキング材が除去された基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に導電層６０を形成する導電層形成工程とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板材からなり、それぞれ延在する複数の凸部及び凹部が交互に形成された基材と、前記基材の表面に形成された耐食性を有する樹脂材料からなる保護層と、前記凸部の頂面に形成された導電性粒子を含む導電層と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記基材の前記凸部の各々の頂面をマスキング材でマスクするマスキング工程と、
前記マスキング材で前記頂面がマスクされた前記基材に前記樹脂材料を塗工することで前記基材の表面に前記保護層を形成する保護層形成工程と、
前記基材から前記マスキング材を除去する除去工程と、
前記マスキング材が除去された前記基材の前記凸部の各々の頂面に前記導電層を形成する導電層形成工程と、を備える、
燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記保護層形成工程は、前記マスキング材で前記凸部の各々の頂面がマスクされた前記基材全体を液状の前記樹脂材料に浸漬させることにより前記保護層を形成する、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記導電層は、樹脂材料からなる結合材及び前記導電性粒子を含み、前記基材の前記凸部の各々の頂面に形成された第１層と、
樹脂材料からなる結合材及び導電性炭素材を含み、前記第１層の表面に形成された第２層と、を有するものであり、
前記導電層形成工程は、一方の面に前記第２層が形成されるとともに当該第２層の表面に前記第１層が形成されたベースフィルムを、前記第１層が前記凸部の各々の頂面に当接された状態で前記基材に対して加圧するとともに加熱することにより、前記第１層及び前記第２層を前記基材の前記凸部の各々の頂面に熱転写する、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記マスキング材は、１枚の粘着フィルムである、
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、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池は、複数の凸部及び凹部が交互に形成された一対のセパレータにより膜電極接合体が挟持されてなる単セルが複数積層された構成を有している。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。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。
【０００３】
これに対して、特許文献１では、セパレータの導通が行われる凸部の頂面に導電層を形成する技術が開示されている。同文献１に記載の技術では、まず、セパレータの基材の凸部の頂面上に、熱転写用フィルムの導電層が形成されている面を当接させる。次に、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。
【０００４】
ここで、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、樹脂材料からなる結合材と、基材の酸化被膜よりも硬度が高く、且つ導電性を有する導電性粒子とを含む。また、第２層は、樹脂材料からなる結合材とグラファイト粒子とを含む。
【０００５】
こうした導電層を、上述したように基材の凸部の頂面に対して加圧しながら熱転写することで、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するようになる。このようにして製造されたセパレータにおいては、導電性粒子が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】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０３８１６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記セパレータにおいては、基材のうち導電層が形成されていない部分は基材が露出しているため、燃料電池の運転に伴って基材から金属イオンが溶出するおそれがある。
【０００８】
これに対して、本願発明者は、セパレータの基材に対して上記導電層を形成するに先立ち、基材の表面全体に耐食性を有する樹脂材料からなる保護層を形成することで、基材からの金属イオンの溶出を抑制することを考えた。こうした構成において上記導電経路を形成しようとすると、第１層の導電性粒子が保護層及び基材の酸化被膜の双方を貫通して基材の母材に接触する必要がある。
【０００９】
しかしながら、保護層及び酸化被膜の厚みの総和が導電性粒子の粒径よりも大きくなると、導電性粒子が保護層及び基材の酸化被膜の双方を貫通して母材に接触できないおそれがある。この場合、母材、導電性粒子、及びグラファイト粒子を介した導電経路が適切に形成されないこととなり、セパレータの接触抵抗を低減することができない。
【００１０】
本発明の目的は、接触抵抗を好適に低減することの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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板材からなり、それぞれ延在する複数の凸部及び凹部が交互に形成された基材と、前記基材の表面に形成された耐食性を有する樹脂材料からなる保護層と、前記凸部の頂面に形成された導電性粒子を含む導電層と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記基材の前記凸部の各々の頂面をマスキング材でマスクするマスキング工程と、前記マスキング材で前記頂面がマスクされた前記基材に前記樹脂材料を塗工することで前記基材の表面に前記保護層を形成する保護層形成工程と、前記基材から前記マスキング材を除去する除去工程と、前記マスキング材が除去された前記基材の前記凸部の各々の頂面に前記導電層を形成する導電層形成工程と、を備える。
【００１２】
同方法によれば、セパレータの各凸部の頂面がマスキング材によりマスクされた状態で基材の表面に保護層が形成される。そして、マスキング材が除去された各凸部の頂面に導電層が形成される。このため、導電層が形成される各凸部の頂面には保護層が形成されない。すなわち、導電層と基材との間に保護層が介在しない。したがって、導電層に含まれる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やすくなる。これにより、母材及び導電性粒子による導電経路が形成されやすくなる。したがって、セパレータの接触抵抗を好適に低減することができる。
【００１３】
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記保護層形成工程は、前記マスキング材で前記凸部の各々の頂面がマスクされた前記基材全体を液状の前記樹脂材料に浸漬させることにより前記保護層を形成することが好ましい。
【００１４】
同方法によれば、マスキング材で各凸部の頂面がマスクされた基材を液状の樹脂材料に浸漬させるため、マスキング材と、基材の凹部と、当該凹部を挟んで設けられた一対の凸部とにより区画される隙間に樹脂材料が入り込むようになる。これにより、マスキング材によりマスクされた基材の表面全体に樹脂材料が均一に行き渡ることで、保護層の膜厚のばらつきを抑制することができる。
【００１５】
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記導電層は、樹脂材料からなる結合材及び前記導電性粒子を含み、前記基材の前記凸部の各々の頂面に形成された第１層と、樹脂材料からなる結合材及び導電性炭素材を含み、前記第１層の表面に形成された第２層と、を有するものであり、前記導電層形成工程は、一方の面に前記第２層が形成されるとともに当該第２層の表面に前記第１層が形成されたベースフィルムを、前記第１層が前記凸部の各々の頂面に当接された状態で前記基材に対して加圧するとともに加熱することにより、前記第１層及び前記第２層を前記基材の前記凸部の各々の頂面に熱転写することが好ましい。
【００１６】
同方法によれば、第１層及び第２層が形成されたベースフィルムが、第１層が各凸部の頂面に当接された状態で基材に対して加圧されるとともに加熱されることにより、各凸部の頂面に第１層及び第２層が熱転写される。このため、基材の各凸部の頂面に対して第１層に含まれる導電性粒子が押し当てられることにより、導電性粒子が基材の酸化被膜を貫通して母材に接触されることとなる。これにより、母材、導電性粒子、及び導電性炭素材による導電経路が形成されやすくなる。したがって、セパレータの接触抵抗を好適に低減することができる。
【００１７】
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記マスキング材は、１枚の粘着フィルムであることが好ましい。
同方法によれば、１枚の粘着フィルムを基材の各凸部の頂面に貼り付けることで、各凸部の頂面を一度にマスクすることができる。また、除去工程においては、基材の各凸部から粘着フィルムを剥離することで粘着フィルムを一度に除去することができる。したがって、簡易な方法でマスキング工程及び除去工程を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池用セパレータの接触抵抗を好適に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池用セパレータの製造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構成を示す断面図。
【図３】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、マスキング工程を示す断面図。
【図４】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、保護層形成工程を示す断面図。
【図５】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、除去工程を示す断面図。
【図６】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、導電層形成工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図１〜図６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。
【００２１】
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、凹凸形状を有する第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。
【００２２】
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、それぞれ延在する複数の第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セパレータ３０の第１凸部３２の頂面は、アノード側ガス拡散層１４に当接している。
【００２３】
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、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セパレータ４０の第２凸部４２の頂面は、カソード側ガス拡散層１５に当接している。
【００２４】
なお、図１においては、各セパレータ３０，４０の各凸部３２，４２及び各凹部３３，４３は、同図の紙面に直交する方向に沿ってそれぞれ延在している。
膜電極接合体１１を挟持する一対のセパレータ２０のうち、第１セパレータ３０の第１凹部３３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とカソード側ガス拡散層１５とで区画される部分は、酸化ガス（例えば、空気）が流通されるガス流路とされている。
【００２５】
また、第１セパレータ３０における第１凹部３３の底部と、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の裏面と、第２セパレータ４０における第２凸部４２の裏面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。
【００２６】
図２に示すように、各セパレータ３０，４０の基材３１，４１の表面のうち、各凸部３２，４２の頂面以外の部分には、耐食性を有する樹脂材料からなる保護層５０が形成されている。なお、本実施形態の樹脂材料はエポキシ樹脂である。
【００２７】
そして、基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面には、後述する導電性粒子７２を含む導電層６０が形成されている。
導電層６０は、各凸部３２，４２の頂面に設けられた第１層７０と、第１層７０上に設けられた第２層８０とからなる。なお、本実施形態の導電層６０の厚さは、例えば、２０〜２５μｍである。
【００２８】
第１層７０は、エポキシ樹脂からなる第１結合材７１と、窒化チタンからなる導電性粒子７２とを有している。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。
【００２９】
第２層８０は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂からなる第２結合材８１と、グラファイト粒子８２とを有している。グラファイト粒子８２は、導電性炭素材の一例である。
【００３０】
なお、ポリフッ化ビニリデンは熱可塑性樹脂であり、エポキシ樹脂は熱硬化性樹脂である。また、エポキシ樹脂の熱硬化温度は、ポリフッ化ビニリデン樹脂の融点よりも低い。
導電性粒子７２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７２とグラファイト粒子８２とは互いに接触している。このため、基材３１，４１、導電性粒子７２、及びグラファイト粒子８２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。
【００３１】
次に、上述したセパレータ２０の製造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の製造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の製造方法について説明することで、第２セパレータ４０の製造方法の説明を省略する。
【００３２】
まず、図３に示すように、基材３１の各第１凸部３２の頂面にマスキング材として１枚の粘着フィルム９０を貼り付けることで各第１凸部３２の頂面をマスクする（マスキング工程）。
【００３３】
次に、図４に示すように、粘着フィルム９０で各第１凸部３２の頂面がマスクされた基材３１全体を液状のエポキシ樹脂に浸漬させる。このとき、粘着フィルム９０と、基材３１の第１凹部３３と、当該第１凹部３３を挟んで設けられた一対の第１凸部３２とにより区画される隙間にエポキシ樹脂が入り込むようになる。このため、基材３１の表面のうち当該隙間に対応する部分（粘着フィルム９０によりマスクされた各第１凸部３１の頂面以外の部分）、及びその裏面全体に保護層５０が形成される（保護層形成工程）。
【００３４】
次に、図５に示すように、各第１凸部３２から粘着フィルム９０を剥離することにより粘着フィルム９０を除去する（除去工程）。
次に、図６に示すように、熱転写装置１１０の固定型１１１上に、粘着フィルム９０が除去された各第１凸部３２が上方を向くようにして基材３１を載置する。そして、これら第１凸部３２の上にベースフィルム１２０を載置する。
【００３５】
ここで、ベースフィルム１２０は、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂材料からなり、一方の面には導電層６０が形成されている。より詳しくは、ベースフィルム１２０の上記一方の面に第２層８０が形成されるとともに第２層８０の表面に第１層７０が形成されている。したがって、ベースフィルム１２０は、第１層７０が基材３１の各第１凸部３２の頂面に当接されるように載置される。
【００３６】
次に、固定型１１１と可動型１１５とにより基材３１及びベースフィルム１２０を加圧する。これにより、第１層７０の導電性粒子７２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、固定型１１１と可動型１１５とによる基材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。
【００３７】
次に、固定型１１１及び可動型１１５にそれぞれ設けられた電熱線１１２，１１６に通電することにより、エポキシ樹脂の熱硬化温度よりも高い所定の温度まで基材３１を加熱する。これにより、それぞれエポキシ樹脂からなる保護層５０及び第１層７０の第１結合材７１が硬化される。このようにして、導電層６０が基材３１の各第１凸部３２の頂面に熱転写される（導電層形成工程）。
【００３８】
こうして、第１セパレータ３０（セパレータ２０）が製造される。
本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）セパレータ２０の製造方法は、基材３１，４１の各凸部３２，４２の各々の頂面をマスキング材でマスクするマスキング工程と、マスキング材で頂面がマスクされた基材３１，４１にエポキシ樹脂を塗工することで基材３１，４１の表面に保護層５０を形成する保護層形成工程とを備える。さらに、基材３１，４１からマスキング材を除去する除去工程と、マスキング材が除去された基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に導電層６０を形成する導電層形成工程とを備える。
【００３９】
こうした方法によれば、セパレータ２０の各凸部３２，４２の頂面がマスキング材によりマスクされた状態で基材３１，４１の表面に保護層５０が形成される。そして、マスキング材が除去された各凸部３２，４２の頂面に導電性粒子７２を含む導電層６０が形成される。このため、導電層６０が形成される各凸部３２，４２の頂面には保護層５０が形成されない。すなわち、導電層６０と基材３１，４１との間に保護層５０が介在しない。したがって、導電層６０に含まれる導電性粒子７２が基材の酸化被膜３１ａ，４１ａを貫通して基材３１，４１の母材に接触しやすくなる。これにより、母材及び導電性粒子７２による導電経路が形成されやすくなる。したがって、セパレータ２０の接触抵抗を好適に低減することができる。
【００４０】
（２）保護層形成工程は、マスキング材で各凸部３２，４２の頂面がマスクされた基材３１，４１全体を液状のエポキシ樹脂に浸漬させることにより保護層５０を形成する。
こうした方法によれば、マスキング材で各凸部３２，４２の頂面がマスクされた基材３１，４１を液状のエポキシ樹脂に浸漬させるため、マスキング材と、基材３１，４１の各凹部３３，４３と、当該凹部３３，４３を挟んで設けられた一対の凸部３２，４２とにより区画される隙間にエポキシ樹脂が入り込むようになる。これにより、マスキング材によりマスクされた基材３１，４１の表面全体にエポキシ樹脂が均一に行き渡ることで、保護層５０の膜厚のばらつきを抑制することができる。
【００４１】
（３）導電層形成工程は、一方の面に第２層８０が形成されるとともに当該第２層８０の表面に第１層７０が形成されたベースフィルム１２０を、第１層７０が各凸部３２，４２の頂面に当接された状態で基材３１，４１に対して加圧するとともに加熱することにより、第１層７０及び第２層８０を基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に熱転写する。
【００４２】
こうした方法によれば、第１層７０及び第２層８０が形成されたベースフィルム１２０が、第１層７０が各凸部３２，４２の頂面に当接された状態で基材３１，４１に対して加圧されるとともに加熱されることにより、各凸部３２，４２の頂面に第１層７０及び第２層８０が熱転写される。このため、基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に対して第１層７０に含まれる導電性粒子７２が押し当てられることにより、導電性粒子７２が基材３１，４１の酸化被膜３１ａ，４１ａを貫通して母材に接触されることとなる。これにより、母材、導電性粒子７２、及びグラファイト粒子８２による導電経路が形成されやすくなる。したがって、セパレータ２０の接触抵抗を好適に低減することができる。
【００４３】
（４）マスキング材は、１枚の粘着フィルム９０である。
こうした方法によれば、１枚の粘着フィルム９０を基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に貼り付けることで、各凸部３２，４２の頂面を一度にマスクすることができる。また、除去工程においては、基材３１，４１の各凸部３２，４２から粘着フィルム９０を剥離することで粘着フィルム９０を一度に除去することができる。したがって、簡易な方法でマスキング工程及び除去工程を実現することができる。
【００４４】
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。
・マスキング工程では、１枚の粘着フィルム９０を基材３１，４１の各凸部３２，４２に対して貼り付けるようにしたが、複数の粘着フィルムを基材３１，４１の各凸部３２，４２に対して貼り付けるようにしてもよい。
【００４５】
・導電層形成工程は、熱転写装置１１０を用いて、基材３１，４１の各凸部３２，４２の頂面に第１層７０及び第２層８０を一度に形成するものであったが、第１層７０の形成と第２層８０の形成とを別工程により行ってもよい。
【００４６】
・グラファイト粒子８２に加えて、あるいは、これに代えて、カーボンブラックなどの他の導電性炭素材を用いることもできる。
・導電性粒子７２の窒化チタンに代えて、炭化チタンや硼化チタンなどの他の導電性粒子を用いることもできる。
【００４７】
・導電層６０は、第１層７０のみからなるものであってもよい。
・保護層形成工程は、マスキング材によりマスクされた基材３１，４１に対して、エポキシ樹脂などの樹脂材料を噴霧することにより保護層５０を形成するものであってもよい。
【００４８】
・保護層５０は、基材３１，４１の表面のうち導電層６０が形成される側の面にのみ形成されていてもよい。
・保護層５０は、エポキシ樹脂に限定されない。他に例えば、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよい。
【００４９】
・基材３１，４１の材料をステンレス鋼以外の他の金属材料に変更することもできる。こうした金属材料としては、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】
【００５０】
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…保護層、６０…導電層、７０…第１層、７１…第１結合材、７２…導電性粒子、８０…第２層、８１…第２結合材、８２…グラファイト粒子、９０…粘着フィルム、１００…スタック、１１０…熱転写装置、１１１…固定型、１１２…電熱線、１１５…可動型、１１６…電熱線、１２０…ベースフィルム。
【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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【図６】
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