(57)【要約】【課題】金属セパレータのマニホールドの腐食を効率良く防止する燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】金属プレート７を表面処理した後に、水素または空気が流通するガス流路を形成したアノードセパレータ５、カソードセパレータ６を有する単位セル１を積層した燃料電池スタック２０の製造方法において、金属プレート７に表面処理を施した後に水素マニホールド１０などのマニホールドを成形し、単位セル１を燃料電池スタック２０にスタッキングした後に、被膜材によってマニホールドの内表面の腐食を防止する腐食防止処理を行う。【選択図】        図５
2006185619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属プレートに腐食防止の表面処理を施し、水素または空気が流通するガス流路を形成した金属セパレータを有する単位セルを積層した燃料電池スタックの製造方法において、
前記金属プレートに前記表面処理を施した後に、前記ガス流路へ前記水素または前記空気を導入または排出するガスマニホールドと、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を冷却水流路へ導入または排出する冷却水マニホールドを成形する行程と、
前記単位セルを積層した後に、被膜材によって少なくとも前記ガスマニホールドの内表面の腐食を防止する腐食防止処理を行う行程と、を有する燃料電池スタックの製造方法。
【請求項２】
前記腐食防止処理を行う行程は、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドが鉛直方向下向きとなるように配置する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドと前記ガス流路によって連通する前記ガスマニホールドから前記単位セルの発電反応を行う領域に前記被膜材が侵入しないように前記領域にガスを供給する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドに前記被膜材を供給する行程と、からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項３】
前記腐食防止処理を行う行程は、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドが鉛直方向下向きとなるように配置する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドと前記ガス流路によって連通する前記ガスマニホールドから前記単位セルの発電反応を行う領域に前記被膜材が侵入しないように前記領域にガスを供給する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドに前記被膜材を供給する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドから前記被膜材を排出する側から前記被膜材を吸引する吸引行程と、からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項４】
前記腐食防止処理を行う行程は、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドが鉛直方向上向きとなるように配置する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドと前記ガス流路によって連通する前記ガスマニホールドから前記燃料電池スタック内に、前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドよりも低く、かつ前記単位セルの発電反応を行う領域よりも高い水位まで液体を供給する行程と、
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドに前記被膜材を供給する行程と、からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
前記腐食防止処理を行う前記ガスマニホールドは、前記ガス流路に前記水素または前記空気を導入するガス導入マニホールドであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
前記被膜材は、液体またはゲル状の状態で前記燃料電池スタックに投入されるか、もしくはこれらがガスとの混合によって投入される被膜材であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属セパレータを使用する燃料電池スタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、カソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記式（１）、（２）の反応が行われる。
【０００３】
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-    式（１）
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ    式（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。カソードに供給する酸化剤ガスとしては空気が利用されている。
【０００４】
燃料電池スタックは電解質膜、アノード、カソードからなる単位セルを積層して構成されるが、各単位セルを物理的に分離するセパレータを有しており、このセパレータとしてステンレス製などの金属セパレータを使用するものがある。
【０００５】
しかし、金属セパレータは腐食し易いために、金属セパレータの表面には金属セパレータの腐食を防止するためにＰｔメッキ膜など形成し、金属セパレータの腐食を防止するものが特許文献１に開示されている。また、特許文献１によると金属セパレータを切断する場合にＰｔメッキ膜の一部を切断面に延ばすことで、切断面の内表面の腐食を防止している。
【特許文献１】特開２００４−９５４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の発明では切断面でＰｔメッキ膜とＰｔメッキ膜で覆われていない箇所の間で局部電池を形成することで、Ｐｔメッキ膜で覆われていない箇所の腐食を防止しているが、燃料電池スタックの運転状態によって局部電池の電位が変化するとセパレータを腐食する恐れがある。
【０００７】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池スタックの運転状態に関わらず金属セパレータの腐食を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、金属プレートに腐食防止の表面処理を施し、水素または空気が流通するガス流路を形成した金属セパレータを有する単位セルを積層した燃料電池スタックの製造方法において、金属プレートに表面処理を施した後に、ガス流路へ水素または空気を導入または排出するガスマニホールドと、燃料電池スタックを冷却する冷却水を冷却水流路へ導入または排出する冷却水マニホールドを成形する行程と、単位セルを積層した後に、被膜材によって少なくともガスマニホールドの内表面の腐食を防止する腐食防止処理を行う行程と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、金属セパレータを有する単位セルを積層した燃料電池スタックにおいて、単位セルを積層した後に燃料電池スタックに水素または空気を導入または排出する金属セパレータのマニホールドの内表面の腐食を防止する腐食防止処理を行うので、マニホールドの内表面の腐食を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１実施形態の単位セル１について図１の構成概略図を用いて説明する。単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２を挟持するアノード３とカソード４と、アノード３とカソード４の更に外側にアノードセパレータ（金属セパレータ）５とカソードセパレータ（金属セパレータ）６とを備える。
【００１１】
アノード３は例えば白金などの触媒層３ａと、例えばカーボンペーパなどのガス拡散層３ｂとから構成される。また、カソード４もアノード３と同様に触媒層４ａと、ガス拡散層４ｂとから構成される。
【００１２】
アノードセパレータ５、カソードセパレータ６について図２（ａ）、（ｂ）の概略構成図を用いて詳しく説明する。ここではアノードセパレータ５について説明する。図２（ａ）はアノードセパレータ５の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。アノードセパレータ５は例えばステンレスなどの金属プレート７上に１種類以上の表面処理が施された被膜部８を有する。また、アノードセパレータ５は表面処理が施された後に、アノード３に水素を供給するための水素流路９が成形される。さらに、水素流路９に水素を導入する水素導入マニホールド（ガスマニホールド、ガス導入マニホールド）１０と、水素流路９から単位セル１の発電で使用されなかった水素を排出する水素排出マニホールド（ガスマニホールド）１１と、空気流路（図示せず）に空気を導入する空気導入マニホールド（ガスマニホールド、ガス導入マニホールド）１２と、空気流路から単位セル１の発電で使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド（ガスマニホールド）１３と、単位セル１を冷却する冷却水を冷却水流路（図示せず）に導入する冷却水導入マニホールド１４（冷却水マニホールド）と、冷却水流路から冷却水を排出する冷却水排出マニホールド（冷却水マニホールド）１５をプレス加工によって成形する。なお、冷却水流路は、水素流路９の背面側に設け、水素導入マニホールド１０と水素流路９、水素流路９と水素排出マニホールド１１の間にはディフューザ部１６、１７を設ける。カソードセパレータ６については、詳しい説明は省略するが、水素流路９の代わりにカソード４に空気を供給する空気流路を成形し、水素導入マニホールド１０などを成形する。なお、水素流路９または空気流路は単位セル１において、電解質膜２が配置された領域、つまり単位セル１において発電反応を起こす領域に設けられる。
【００１３】
アノードセパレータ５、カソードセパレータ６に施す表面処理については、例えば導電性を有したメッキや塗料の塗布などの種々の手段によるいずれの処理方法でよい。また、表面処理を施した後に水素流路９、水素導入マニホールド１０などの成形を行う。燃料電池スタック２０内部の発電環境下（酸性雰囲気・電位・高湿度）で耐久性のある表面処理が必要とされるために一定以上の表面層の確保が必要であるが、水素流路９などの加工が行われた後に表面処理をする場合、１ｍｍ前後の幅を持つ複数の水素流路９の断面積が極端に減少したり、また処理のムラによって水素流路９間の表層厚さバラツキからプレート面内のバラツキも発生する。そのためこの実施形態では、表面処理を施した後に水素流路９、水素導入マニホールド１０などの成形を行う。
【００１４】
単位セル１を積層して構成される燃料電池スタック２０について図３を用いて説明する。燃料電池スタック２０は、単位セル１を例えば１００から２００枚程度積層したスタック部２１をその両端部からエンドプレート２２によって加圧し、タイロッド２３やナット２４によってスタッキングする。単位セル１を積層した燃料電池スタック２０のアノードセパレータ５、カソードセパレータ６において、水素導入マニホールド１０などのマニホールドの内表面には金属プレート７の腐食を防止する表面処理が施されていない。この実施形態では、水素導入マニホールド１０などのマニホールドの内表面に腐食防止のための表面処理を行う。
【００１５】
次に水素導入マニホールド１０などのマニホールドの内表面の腐食を防止するための表面処理システムについて図４の概略図を用いて説明する。
【００１６】
この実施形態の表面処理システムは、表面処理を施すマニホールド（ここでは水素導入マニホールド１０とする）にシリコーン樹脂を溶媒によって希釈した溶液を供給する溶液供給装置３０と、水素排出マニホールド１１にガスを供給するガス供給装置３１を備える。また、水素導入マニホールド１０の上流と下流にそれぞれ圧力センサ３３ａ、３３ｂ、流量センサ３４ａ、３４ｂを備え、水素排出マニホールド１１の上流と下流にはそれぞれ圧力センサ３５ａ、３５ｂ、流量センサ３６ａ、３６ｂを備える。なお、燃料電池スタック２０に対して溶液供給装置３０とガス供給装置３１と連結する上流側を添え字ａ、下流側を添え字ｂで示す。
【００１７】
次にアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の水素導入マニホールド１０に表面処理を施す表面処理方法について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００１８】
ステップＳ１００では、表面処理を施す水素導入マニホールド１０が鉛直方向下向きとなるように燃料電池スタック２０を配置する。これは後述するステップＳ１０２で溶液供給装置３０からシリコーン樹脂（被膜材）を希釈した溶液を供給する際に、溶液が重力によって水素流路９に侵入しないようにするためである。
【００１９】
ステップＳ１０１では、水素導入マニホールド１０よりも鉛直方向上側に位置する水素排出マニホールド１１にガス供給装置３１からガスを供給する。この実施形態では供給するガスを空気とするが、ガスはこれに限られず、不活性ガスであれば良い。
【００２０】
ステップＳ１０２では、水素導入マニホールド１０に溶液供給装置３０からシリコーン樹脂を希釈した溶液を空気中に分散させながら供給する。これによってアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の水素導入マニホールド１０の内表面にシリコーン樹脂を付着させ、水素導入マニホールド１０の腐食を防止するための表面処理を施すことができる。なお、この実施形態ではシリコーン樹脂を希釈した溶液を使用したが、これに限られずマニホールドの内表面の腐食を防止することが可能な液状、またはゲル状の腐食防止材であればよい。また、溶液は空気（ガス）と混合せずに溶液のみ使用してもよい。
【００２１】
ステップＳ１０２で水素導入マニホールド１０の内表面に表面処理を施す場合には、シリコーン樹脂を希釈した溶液が水素流路９に、つまり単位セル１で発電反応を行う領域まで侵入しないことが必要である。そのため圧力センサ３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、流量センサ３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂによって溶液供給装置３０とガス供給装置３１から供給される溶液とガスの圧力、流量を調整し、溶液がディフューザ部１６の途中で止まり、水素流路９まで侵入しないようになるように制御する。なお、溶液が侵入する範囲としては、水素導入マニホールド１０周囲のみとなることが望ましい。
【００２２】
ステップＳ１０３では、溶液供給装置３０からの溶液供給停止後、ガス供給装置３１からの空気供給を停止する。溶液供給装置３０からの溶液供給を停止した後に、空気の供給を停止することで、水素流路９内に溶液が侵入することを防止することができる。
【００２３】
なお、水素導入マニホールド１０のシリコーン樹脂が硬化した後に、ガス供給装置３１によって燃料電池スタック２０内に空気を供給し、燃料電池スタック２０内に残ったシリコーン樹脂をパージしても良い。
【００２４】
以上の制御によって、アノードセパレータ５、カソードセパレータ６の水素導入マニホールド１０表面にアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の腐食を防止するための表面処理を施すことができる。
【００２５】
この実施形態では水素導入マニホールド１０の内表面の表面処理について説明したが、水素導入マニホールド１０に限られず、水素排出マニホールド１１の内表面に表面処理を施しても良い。また、金属プレート７の腐食性の度合いや、燃料電池スタック２０の凝縮水再生利用システムを有する場合には、空気導入マニホールド１２、空気排出マニホールド１３に表面処理を施すことが望ましい。また、水素導入マニホールド１０、空気導入マニホールド１２、つまり水素または空気が供給される電解質膜２の上流側に位置するマニホールドの内表面には少なくとも表面処理を施す。これによって表面処理が施されていない場合に金属プレート７から溶出するイオンによる電解質膜２の劣化を防止することができる。
【００２６】
なお、溶液供給装置３０からシリコーン樹脂を希釈した溶液を供給する際に、ガス供給装置３１によって空気を水素流路９内に供給したが、ガス供給装置３１の代わりに水素排出マニホールド１１の下流側よりポンプなどによって吸引することで、溶液が水素流路９に侵入することを防止することができる。また、ガス供給装置３１によって空気を供給し、さらに水素排出マニホールド１１の下流側よりポンプなどによって吸引しても良い。
【００２７】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２８】
この実施形態では、金属プレート７上に被膜部８を形成し、水素流路９などを成形したアノードセパレータ５、またはカソードセパレータ６に例えば水素導入マニホールド１０などのマニホールドを成形し、その後単位セル１をスタッキングした燃料電池スタック２０において、燃料電池スタック２０にスタッキングした後にマニホールドの内表面にシリコーン樹脂によって金属プレート７の腐食を防止する表面処理を施す。燃料電池スタック２０にスタッキングした後に腐食防止処理をマニホールドに施すことで、作業工程を少なくし、確実にマニホールドの内表面の腐食防止処理を行うことができる。また、単位セル１間やアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の継ぎ目がシリコーン樹脂によって被膜されるので燃料電池スタック２０のシール性を向上することができる。
【００２９】
腐食防止処理を施すマニホールドが鉛直方向下向きとなるように燃料電池スタック２０を配置し、腐食防止処理を施すマニホールドと単位セル１の発電反応領域を通じて連通、すなわち腐食防止処理を施すマニホールドと対をなすマニホールドから空気を供給し、その後腐食防止処理を施すマニホールドからシリコーン樹脂を希釈した溶液を供給する。このとき溶液が単位セル１の発電反応を行う領域に侵入しないように空気と溶液の圧力を制御することで、発電反応を行う領域にはシリコーン樹脂による被膜を形成させずに、マニホールドに金属プレート７の腐食を防止するシリコーン樹脂の被膜を形成することができる。これによって単位セル１の発電反応を妨げることなく、つまり燃料電池スタック２０の発電効率を低下させることなく、マニホールドの内表面に腐食防止処理を施すことができる。
【００３０】
少なくとも水素導入マニホールド１０と空気導入マニホールド１２の内表面に腐食防止処理を施すことで、金属プレート７から溶出するイオンの発生を防止することができ、イオンによる電解質膜２の劣化を防止することができる。
【００３１】
マニホールドに表面処理を施す被膜材としてシリコーン樹脂を用いるので、表面処理を施す際のコストを削減することができる。
【００３２】
次に本発明の第２実形態について説明する。この実施形態では、燃料電池スタック２０は第１実施形態と同じ構成であり、アノードセパレータ５、カソードセパレータ６の貫通孔である例えば水素マニホールド１０などのマニホールドの内表面の表面処理方法が異なる。ここではアノードセパレータ５、カソードセパレータ６のマニホールドの表面処理システムについて図６の概略図を用いて説明する。
【００３３】
この実施形態の表面処理システムは、表面処理を施すマニホールド（ここでは水素導入マニホールド１０とする）にシリコーン樹脂を溶媒によって希釈した溶液を供給する溶液供給装置３０と、水素流路９に純水を供給する純水供給装置３２を備える。
【００３４】
次にアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の水素導入マニホールド１０に表面処理を施す表面処理方法について図７のフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップＳ２００では、燃料電池スタック２０を水素導入マニホールド１０が鉛直方向上向きとなるように配置する。また、純水供給装置３２と連結しない燃料電池スタック２０の水素排出マニホールド１１の端部を純水が燃料電池スタック２０から排出されないように栓３３などによって封止する。
【００３６】
ステップＳ２０１では、純水供給装置２２から水素排出マニホールド１１へ純水を供給する。この実施形態では純水を水素流路９が純水で満たされ、かつ水素導入マニホールド１０よりも低い水位となるまで純水を供給する。
【００３７】
ステップＳ２０２では、水素導入マニホールド１０に溶液供給装置３０からシリコーン樹脂を希釈した溶液を空気中に分散させながら供給する。これによってアノードセパレータ５、カソードセパレータ６の水素導入マニホールド１０の内表面にシリコーン樹脂を付着させ、水素導入マニホールド１０の腐食を防止するための表面処理を施すことができる。なお、この実施形態ではシリコーン樹脂を希釈した溶液を使用したが、これに限られずマニホールドの内表面の腐食を防止することが可能な液状、またはゲル状の腐食防止材であればよい。
【００３８】
ステップＳ２０３では、シリコーン樹脂を希釈した溶液が硬化した後に、水素導入マニホールド１０が鉛直方向下向きとなるように燃料電池スタック２０の位置を変更し、水素導入マニホールド１０から純水を排出する。これによって、純水の表面にシリコーン樹脂が硬化した場合でも、水素導入マニホールド１０から純水を排出することで余分なシリコーン樹脂を燃料電池スタック２０から排出することができる。また、水素導入マニホールド１０の内表面の腐食を防止する処理材や処理材を希釈する液体が単位セル１の電解質膜２などに影響を及ぼす恐れがある場合でも、電解質膜２などに影響を及ぼさずに溶液を燃料電池スタック２０から排出することができる。
【００３９】
ステップＳ２０３において、純水を燃料電池スタック２０から排出する際に、水素導入マニホールド１０の表面を腐食を防止する処理材や処理材を希釈する液体が単位セル１の電解質膜などに影響を及ぼす恐れがない場合には、燃料電池スタック２０の位置を変更せずに、水素排出マニホールド１１から純水を排出しても良い。この場合純水を燃料電池スタック２０から排出後、空気などのガスによって燃料電池スタック２０内に残ったシリコーン樹脂などをパージすることが望ましい。
【００４０】
以上の方法によって、水素供給マニホールド１０などのマニホールドの内表面の表面処理を行うことができる。
【００４１】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４２】
この実施形態では、表面処理を施すマニホールドを鉛直方向上向きに配置し、燃料電池スタック２０に表面処理を施すマニホールドの近傍まで純水を溜め、その後表面処理を施すマニホールドからシリコーン樹脂を希釈した溶液を供給することで、マニホールドに金属プレート７の腐食を防止するシリコーン樹脂の被膜を形成することができる。これによって単位セル１の発電反応を妨げることなく、つまり燃料電池スタック２０の発電効率を低下させることなく、マニホールドの内表面に腐食防止処理を施すことができる。
【００４３】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
金属セパレータを用いた燃料電池スタックに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。
【図２（ａ）】本発明のアノードセパレータの正面図である。
【図２（ｂ）】図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態のマニホールドを表面処理する表面処理システムの概略構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態の表面処理方法を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態のマニホールドを表面処理する表面処理システムの概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の表面処理方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１      単位セル
５      アノードセパレータ（金属セパレータ）
６      カソードセパレータ（金属セパレータ）
７      金属プレート
１０    水素導入マニホールド（ガスマニホールド、ガス導入マニホールド）
１１    水素排出マニホールド（ガスマニホールド）
１２    空気導入マニホールド（ガスマニホールド、ガス導入マニホールド）
１３    空気排出マニホールド（ガスマニホールド）
１４    冷却水導入マニホールド（冷却水マニホールド）
１５    冷却水排出マニホールド（冷却水マニホールド）
２０    燃料電池スタック
３０    溶液供給装置
３１    ガス供給装置
３２    純水供給装置
【図１】
2006185619.tif 000003
【図２（ａ）】
2006185619.tif 000004
【図２（ｂ）】
2006185619.tif 000005
【図３】
2006185619.tif 000006
【図４】
2006185619.tif 000007
【図５】
2006185619.tif 000008
【図６】
2006185619.tif 000009
【図７】
2006185619.tif 000010