(57)【要約】【課題】均一な膜厚を有するカーボン塗膜を形成した燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】セパレータ基材２と、該セパレータ基材２上に形成される貴金属被膜３と、該貴金属被膜３上にカーボン塗料４を塗装して形成されるカーボン塗膜５とを備える燃料電池用セパレータ１の製造方法において、該貴金属被膜３上に、カーボン塗料４を６０μｍ以下の微粒子にして塗装する。【選択図】  図２
2006228638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ基材と、
該セパレータ基材上に形成される貴金属被膜と、
該貴金属被膜上にカーボン塗料を塗装して形成されるカーボン塗膜と
を備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該カーボン塗膜は、６０μｍ以下の粒子からなるカーボン塗料を該貴金属被膜上に塗装して形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
該カーボン塗料は、黒鉛と、カーボンブラックと、スチレン−ブタジエンゴムと、キシレンを含み、該カーボン塗料中の固形分はカーボン塗料全質量に対し、１５〜２５質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法によって製造される燃料電池用セパレータであって、該燃料電池用セパレータの表面に形成されるカーボン塗膜の厚みのばらつきが、標準偏差σ＝４．０以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用されるセパレータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータは、単セルを複数積層して構成される燃料電池において、隣接する単セルの間に設置されるものである。該セパレータは表面に凹凸形状を有し、該凹凸形状と隣接する部材との間で燃料ガス流路あるいは空気流路を形成する。
【０００３】
金属からなるセパレータ（メタルセパレータ）には、十分な耐食性および導電性が要求される。その為、メタルセパレータとしては、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料の表面に、貴金属層を形成し、さらに貴金属層の上にカーボン塗膜層を形成したものが提供されている（特許文献１および２参照）。これらのメタルセパレータは、耐食性、導電性に優れる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６３９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０７７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１および２のメタルセパレータは、金属層およびカーボン塗膜層の存在により、耐食性、導電性に優れる。しかし、今日のセパレータには、十分な耐食性および導電性の確保と共に、更に、均一な膜厚（特に、均一な膜厚のカーボン塗膜層）を有することが要求されている。カーボン塗膜層の膜厚が均一になると、メタルセパレータの燃料ガス流路あるいは空気流路が確実に確保され、燃料ガスおよび空気がそれぞれ単セルの燃料極および空気極の全体に確実に供給され易くなる。特に、今日では更なる燃料電池の小型化が要求されているため、メタルセパレータの溝状の凹凸部分も小型化し、その溝状の凹凸部分の表面に均一にカーボン塗膜を形成する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するための手段として、セパレータ基材と、該セパレータ基材上に形成される貴金属被膜と、該貴金属被膜上にカーボン塗料を塗装して形成されるカーボン塗膜とを備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、該カーボン塗膜は、６０μｍ以下の粒子からなるカーボン塗料を該貴金属被膜上に塗装して形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【０００７】
上記燃料電池用セパレータの製造方法において、上記カーボン塗料は、黒鉛と、カーボンブラックと、スチレン−ブタジエンゴムと、キシレンを含むことが望ましい。
【０００８】
また更に本発明は、上記燃料電池用セパレータの製造方法によって製造される燃料電池用セパレータであって、該燃料電池用セパレータの表面に形成されるカーボン塗膜の厚みのばらつきが、標準偏差σ＝４．０以下である燃料電池用セパレータを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、表面に均一な膜厚を有するカーボン塗膜を形成した燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１に示されるのは、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１の概略図である。該燃料電池用セパレータ１の表面および裏面には、燃料ガスまたは空気を供給するためのガス供給路６（燃料ガス供給路または空気供給路）を有する。これらのガス供給路６は、燃料電池用セパレータ１の長手方向に渡り形成される複数の条溝からなる。これらのガス供給路６の断面は図２に示されるような凹凸形状からなる。なおガス供給路は、燃料ガスまたは空気を単セルの電極へ供給可能であれば良く、その断面形状、条溝の長さ、幅、深さは適宜設定されるものである。他のガス供給路の断面形状を図３に示す。
【００１１】
該燃料電池用セパレータ１は、セパレータ基材２と、該セパレータ基材２上に形成される貴金属被膜３と、該貴金属被膜３上に形成されるカーボン塗膜５を備える。
【００１２】
セパレータ基材２としては、強度、導電性、成型性に優れる材料が使用される。該セパレータ基材としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属材料が使用される。該ステンレスとしては、高い耐食性を有するオーステナイト系ステンレスを使用することが好ましい。例えば、ステンレス板を機械的にプレスして、所定の凹凸形状を備えるセパレータ基材２を得ることができる。
【００１３】
貴金属被膜３に使用される貴金属とは、金、銀等である。該貴金属被膜３は、上記セパレータ基材２上にドライコーティング法あるいはウェットコーティング法（メッキ等）などの方法によって形成される。貴金属被膜３は、セパレータ基材２の全面に渡って施されるものである。なお貴金属被膜３を形成する前に、上記セパレータ基材２上に予め表面処理を施し、あるいは下地層を設けても良い。
【００１４】
カーボン塗膜５は、黒鉛、カーボンブラックを含むカーボン塗料４を上記貴金属被膜３上に塗布することによって形成される。カーボン塗料４に用いられる黒鉛としては、例えば、人造黒鉛、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛などが挙げられる。これらの黒鉛は単独または２種以上組み合わせて使用することが出来る。使用される黒鉛の粒径は、１μｍ〜１５０μｍの範囲であり、望ましくは５μｍ〜３０μｍの範囲である。また単一の粒径を有する黒鉛のみを使用してもよく、また粒径の異なる２種以上の黒鉛を組み合わせて使用してもよい。
【００１５】
カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等を使用することが出来る。これらのカーボンブラックも単独または２種以上組み合わせて使用することが出来る。使用されるカーボンブラックの粒径は、１μｍ〜１００μｍの範囲であり、望ましくは１０μｍ〜３０μｍの範囲である。単一の粒径を有するカーボンブラックのみを使用してもよく、また粒径の異なる２種以上のカーボンブラックを組み合わせて使用してもよい。
【００１６】
カーボン塗料に含まれる黒鉛のカーボンブラックに対する質量比は望ましくは１以上であり、さらに望ましくは２以上である。なお黒鉛とカーボンブラックを併用せずに、黒鉛またはカーボンブラックのみをカーボン塗料に使用してもよい。
【００１７】
カーボン塗膜５には、上記黒鉛、カーボンブラックを結着するための樹脂バインダが含まれる。該樹脂バインダとしては、例えば、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、フェノールエポキシ樹脂、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム等を使用することが出来る。これらの樹脂バインダは、単独あるいは２種以上組みあわせて使用することが出来る。
【００１８】
カーボン塗料に使用される溶剤としては、例えば、キシレン（o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン）、トルエン、イソプロピルアルコール、水、メチルエチルケトン等がある。これらの溶剤は単独あるいは２種以上を組み合わせて使用することが出来る。
【００１９】
カーボン塗料の全質量に対する固形分（質量％）は、１０質量％〜３０質量％、好ましくは１５質量％〜２５質量の範囲にある。固形分が３０質量％を超えると、カーボン塗料の粒径を６０μｍ以下に制御することが難しくなる。またそのカーボン塗料を使用してセパレータ表面上にカーボン塗膜を形成すると、カーボン塗膜中にカーボン塗料の凝集粉や、気泡が発生する問題が生じる。一方、固形分が１０質量％未満であると、塗料の流動性が大きくなり、塗膜の厚みにばらつきが生じやすくなる。特にセパレータのガス供給路６において、例えば、図４に示される参考例の燃料電池用セパレータ１１のように、各ガス供給路６の壁面７が勾配を有する場合、その壁面７（立面）のカーボン塗膜５が薄くなり、供給路６の底面８と壁面７との間のカーボン塗膜５が厚くなってしまう。なおカーボン塗料４の固形分とは、黒鉛、カーボンブラックおよび樹脂バインダのことである。
【００２０】
カーボン塗膜５は、６０μｍ以下の粒子径に制御したカーボン塗料４を、貴金属被膜３を形成したセパレータ基材２（以下、貴金属被膜３を形成したセパレータ基材２を単に、セパレータ基材２と称する場合がある）上にスプレー塗装することによって形成される。スプレー塗装には、例えば、塗料をエアによって霧状にして吹き付けるスプレーガン９を使用することが望ましい。
【００２１】
カーボン塗料４の粒子径が６０μｍ以下であると、セパレータ上に塗布されたカーボン塗料４の流動を抑制することが出来る。特に、図３に示されるような、ガス供給路６の壁面７が勾配を有する場合であっても、セパレータ基材２上のカーボン塗料４の流動を防止することができる。一方、カーボン塗料４の粒子径が６０μｍを超えると、カーボン塗料の流動を抑制することが難しくなる。
【００２２】
なおカーボン塗料４の粒子径は、レーザー式パーティクルカウンター（レーザアナライザー、東日コンピュータアプリケーションズ株式会社製）を使用して測定した。
【００２３】
スプレーガン９を使用して、セパレータ基材２上にカーボン塗膜５を形成する一例を以下、説明する。図５に示されるのは、スプレーガン９を用いてセパレータ基材２上にカーボン塗料４を塗布する様子を示す説明図である。所定タンク２０内で、撹拌装置２１で撹拌されたカーボン塗料４は、ポンプ２２および圧力調節器２３を備える塗料供給ライン２４を経てスプレーガン９の塗料格納室２５に供給される。スプレーガン９には、カーボン塗料４を霧化し、粒子径を調節するための第１エア２６が供給される。またカーボン塗料４の塗布範囲を制御するための第２エア２７が供給される。塗料格納室２５のカーボン塗料４は吐出口２８より吐出されるが、該吐出口２８の開閉は、図示しない吐出口調節弁によって制御される。スプレーガン９より吐出した霧状のカーボン塗料４はセパレータ基材２上に付着する。セパレータ基材２上に付着したカーボン塗料４は流動することなく、次第にカーボン塗料４中の溶剤が揮発し、カーボン塗膜５となる。
【００２４】
スプレーガン９を、例えば、図６に示されるように複数個並列に配置したセパレータ基材２の上を横断させてカーボン塗料４を塗布する。セパレータ基材２上のガス供給路６（条溝）の幅が１．２ｍｍ、溝の深さ０．６ｍｍの場合、スプレーガン９を移動させるピッチ（図６中の矢印Ｐ）は、４０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲に設定される。
【００２５】
スプレーガン９でカーボン塗料４を塗布する方法としては、上記のようにスプレーガン９を、セパレータ基材２上を横断させて塗布する方法に限られず、例えば、複数個配列したセパレータ２の周囲に複数個のスプレーガン９を設置して塗布する方法を用いても良く、特に、セパレータ２上にカーボン塗膜５を均一に形成することが出来れば方法は問わない。
【００２６】
本実施形態に係るカーボン塗膜５の厚み（膜厚）は、３５μm〜７５μmの範囲である。またカーボン塗膜５の膜厚のばらつきは、標準偏差σ＝４．００以下であることが望ましい。本実施形態におけるカーボン塗膜５の膜厚の標準偏差は、特にガス供給路６の壁面７（立面）における膜厚のデータをもとにして求められる。この標準偏差を求める際、本実施形態では、特に異常値（外れ値）を除外しない。標準偏差を求める際、１個のセパレータ１において、複数のガス供給路６の壁面７の膜厚を少なくとも３０個所測定して求められる。
【００２７】
上記のようにしてセパレータ２の一方の面上にカーボン塗膜５を形成した後、セパレータ２のもう一方の面上にカーボン塗膜５を同様にして形成する。
【００２８】
上記スプレーガン９としては、例えば、スプレーガン：Ｔ−ＡＧＨＶ  ５４６ＦＸ（デビルビス社製）を使用することが望ましい。該スプレーガン９を使用してカーボン塗膜５を形成する場合を以下説明する。
【００２９】
霧化エア圧を０．３ＭＰａ、パターンエア圧を０．４ＭＰａに設定し、かつ吐出量を１５０（cc/min）に設定したスプレーガン９（Ｔ−ＡＧＨＶ  ５４６ＦＸ）を使用して、図６に示されるセパレータ２の塗装を行った。なお霧化エア圧とは、図５に示される第１エア２６の圧力であり、パターンエア圧とは、第２エア２７の圧力のことである。ここで、黒鉛、カーボンブラック、スチレンブタジエンゴムのそれぞれの質量をＷｇ、Ｗｃｂ、Ｗｓで表すと、この際のカーボン塗料４は固形成分として黒鉛、カーボンブラック、スチレンブタジエンゴムをＷｇ＞Ｗｓ＞Ｗｃｂの割合で調製したものを使用した。なお該カーボン塗料４の固形分は１０〜３０質量％であった。また該カーボン塗料４の粘度は０．４Ｐａ・ｓ（４ポアズ）であった。
【００３０】
該スプレーガン９で塗装する際、スプレーガン９の移動速度を３７０ｍｍ／ｍｉｎに設定し、図６に示される波線に沿ってセパレータ２上を移動させて行った。塗装の際のピッチＰを５０ｍｍに設定して行った。またスプレーガン９の波線上の移動を６回行った。カーボン塗料４をセパレータ基材２上に塗布した後、該カーボン塗料４の溶剤を揮発させた。
【００３１】
本実施形態における膜厚の測定方法は、図７および図３に示されるように、ガス供給路６の壁面７（立面）と底面８の膜厚を測定した。膜厚の測定にはレーザー顕微鏡（レーザーテック株式会社製）を使用した。
【００３２】
なお図７に示されるようにセパレータ１の複数のガス供給路６から任意に３個のガス供給路６a、６b、６cを選択した。例えば、ガス供給路６aにおいては、その壁面７a〜７ｊの膜厚を１０個所ずつ測定した。ガス供給路６b、６cにおいても同様にして、ガス供給路６aの壁面７a〜７ｊの位置と対応する個所で、それぞれの壁面の膜厚を測定し、それらの測定結果を基に標準偏差を求めた。標準偏差σ＝３．９８であることが確かめられた。
【００３３】
以上のようにして、本実施形態によれば、均一な膜厚を有するカーボン塗膜を形成した燃料電池用セパレータを製造することができる。
【００３４】
本発明によれば、図３に示されるように、燃料電池用セパレータのガス供給路の壁面が勾配を有する場合であっても、均一な膜厚を有するカーボン塗膜を形成した燃料電池用セパレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池用セパレータの概略図である。
【図２】図１における燃料電池用セパレータのＡ−Ａ断面図である。
【図３】他の実施形態の燃料電池用セパレータの部分断面図である。
【図４】カーボン塗膜の膜厚が不均一である参考例の燃料電池用セパレータの部分断面図である。
【図５】スプレーガンでセパレータ基材を塗布する様子の概略図である。
【図６】複数個配列したセパレータ基材上をスプレーガンで塗布する場合におけるスプレーガンの移動の仕方の説明図である。
【図７】燃料電池用セパレータのカーボン塗膜の膜厚の標準偏差を求める場合における膜厚測定個所の一例を表す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池用セパレータ、２  セパレータ基材、３  貴金属被膜、４  カーボン塗料、５  カーボン塗膜、６  ガス供給路、７  ガス供給路の壁面（立面）、８  ガス供給路の底面、９  スプレーガン。
【図１】
2006228638.tif 000003
【図２】
2006228638.tif 000004
【図３】
2006228638.tif 000005
【図４】
2006228638.tif 000006
【図５】
2006228638.tif 000007
【図６】
2006228638.tif 000008
【図７】
2006228638.tif 000009