(57)【要約】【課題】  本発明は、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータにおいて、前記複数のコート層のうち少なくとも前記セパレータ基材と接するコート層が、開孔部を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。また、本発明は、セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータを製造する方法において、セパレータ基材上に、少なくとも開孔部を備えるコート層を形成後、該コート層の表面に、他のコート層を形成す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。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータにおいて、
前記複数のコート層のうち少なくとも前記セパレータ基材と接するコート層が、開孔部を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記セパレータ基材が、金属からなる、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記開孔部の形状は、前記セパレータ基材と接するコート層と、そのコート層に隣接して設けられるコート層との剥離を抑制する機械的形状である、請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記複数のコート層が、カーボンコート層を含む、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記セパレータ基材と接する前記コート層が、前記セパレータ基材への付着力が強いカーボンコート材料からなる、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記セパレータ基材と接するコート層以外のコート層は導電性が高い材料を含む、請求項１〜３、５の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータを製造する方法において、
セパレータ基材上に、少なくとも開孔部を備えるコート層を形成後、該コート層の表面に、他のコート層を形成す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８】
前記開孔部を備えるコート層を形成後、該コート層が形成された前記基材を所定の形状に成型し、成型後、該コート層の表面に他のコート層を形成する、請求項７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータを製造する装置において、
セパレータ基材上に、少なくとも開孔部を備えるコート層を形成する手段と、
前記開孔部を備えるコート層の表面に、他のコート層を形成する手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項１０】
前記開孔部を備えるコート層を形成する手段の後に、該開孔部を備えるコート層が形成された前記基材を所定の形状に成型する手段を含む、請求項９記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項１１】
請求項１〜６の何れかに記載の燃料電池用セパレータを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池を少なくとも備えることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関し、詳細には、セパレータ基材上に少なくとも開孔部を有するコート層を備えた燃料電池用セパレータ及びその製造方法、製造装置、並びに該セパレータを用いた燃料電池及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータ（ガスセパレータ）は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを構成する部材であって、充分なガス不透過性を備えることによって、隣り合う単セルのそれぞれに供給される燃料ガスおよび酸化ガスが混じり合うのを防いでいる。
【０００３】
従来、このような燃料電池用セパレータは、炭素材料あるいは金属材料を用いて製造されてきた。一般に、金属材料は強度に優れているため、炭素材料を用いる場合に比べてより薄いセパレータを製造することが可能であり、セパレータを薄くすることによって、燃料電池全体を小型化することが可能となる。また、金属製のセパレータ（メタルセパレータ）は、金属板をプレスするという簡便な方法によって製造することができるため、製造工程を簡素化・短期化して生産性を向上させ、製造コストの上昇を抑えることができる。ところが、動作中の燃料電池の内部環境は、酸性状態にあり、このような環境下でも充分な耐食性を備える燃料電池用セパレータが要望されている。
【０００４】
金属製セパレータにおいて、充分な耐食性を実現することを目的とした、種々の燃料電池用セパレータが提案されている。例えば、特開２００２−６３９１４号公報では、燃料電池内に組み込まれたときにその表面でガス流路を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、金属製のセパレータ基材の全面に、複数層のコート層を設けた燃料電池用ガスセパレータが提案されている（特許文献１）。
【０００５】
即ち、かかる燃料電池用セパレータは、金属製のセパレータ基材と、前記ガスセパレータを燃料電池内に組み込んだときに、隣接する部材と接触する接触面に対応する前記セパレータ基材表面のうち、前記隣接する部材との間の接触抵抗に関わる表面上に少なくとも形成され、貴金属によって構成される貴金属コート層と、炭素材料によって前記貴金属コート層上に形成されるカーボンコート層とを備えるものである。
【０００６】
しかしながら、該公報に記載のセパレータでも、未だその耐食性が不充分であるのが実情である。その原因としては、かかるセパレータの製造法にあると考えられる。該公報には、セパレータの基材となる金属部材の表面上に、カーボンコート層を形成し、次いでプレス成型（所定の形状に成形）をする順でセパレータを成形する方法、及び、プレス成型をし、次いでカーボンコート層を形成する順でセパレータを成形する方法が記載されている（特許文献１の請求項２２等参照）。
【０００７】
これらの製造法では、次の問題点がある。即ち、前者の方法では、プレス成型時にセパレータ基材としての金属部材が引き伸ばされ、それに伴いカーボンコート層も引き伸ばされるため、特に曲率の大きい部分ではカーボンコート層が薄くなったり、亀裂を生じて十分な耐食性が維持できない場合がある。この場合、逆に、プレス成型形状を緩やかにして曲率を緩やかにすることも考えられるが、セパレータと薄膜電極集合体（ＭＥＡ）との接触面積が少なくなり、接触抵抗が大きくなって導電性が不充分となり発電効率が下がることになる。
【０００８】
一方、後者の方法では、コート層のコーティングが基材である金属部材の凹部に届きにくく、十分に塗布できない。また、この方法では、粒子効率が悪く、コート層を均一に塗布、形成することができない。
【０００９】
また、特開２００２−１７０５８２号公報では、低接触抵抗及び高耐食性を両立させる目的で、ガス拡散電極と接触する表面部分にカーボン拡散層を介してカーボン層が形成され、残りの表面部分に不動態皮膜が形成されたステンレス鋼板を基材とし、前記カーボン拡散層及び前記カーボン層は、所定形状に成形された後のステンレス鋼板に設けられた燃料電池用セパレータが開示されている（特許文献２）。これは、金属製のセパレータにおいて、ＭＥＡと接する面のみにコート層を形成するものである。しかし、このセパレータでも、耐食性及び導電性が充分であるとはいえない。
【特許文献１】特開２００２−６３９１４号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする問題点は、前述した従来技術の問題である。
【００１１】
従って、本発明の目的は、耐食性と導電性に優れた燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、かかる優れた耐食性と導電性を有する燃料電池用セパレータの製造方法及び製造装置、並びに該セパレータを応用した燃料電池及び車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、鋭意研究した結果、基材としての金属面上に接触する層として開孔部（開口部）を部分的に有するコート層を少なくとも含む複数のコート層を備えたセパレータが、前記目的を達成し得ることの知見を得た。
【００１４】
本発明は、前記知見に基づきなされたもので、下記１．の燃料電池用セパレータを提供するものである。
１．セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータにおいて、
前記複数のコート層のうち少なくとも前記セパレータ基材と接するコート層が、開孔部を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【００１５】
本発明は、かかる構成からなるため、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータを提供することができる。
【００１６】
また、本発明は、下記２．〜６．の燃料電池用セパレータをそれぞれ提供するものである。
２．前記セパレータ基材が、金属からなる、前記１記載の燃料電池用セパレータ。
【００１７】
この燃料電池用セパレータでは、基材が金属材料で強度に優れているため、厚みの薄いセパレータとすることができ、これにより燃料電池全体の小型化が可能となる。また、簡便な方法により製造できるため、製造工程の簡素化・短期化、生産性の向上が図れ、コスト面でも有利である。本発明において使用することのできる金属材料としては、特に制限されるものではなく、ステンレス、鉄等が挙げられるが、耐食性向上の点からは、ステンレスが好ましい。
３．前記開孔部の形状は、前記セパレータ基材と接するコート層と、そのコート層に隣接して設けられるコート層との剥離を抑制する機械的形状である、前記１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【００１８】
この燃料電池用セパレータでは、セパレータ基材と接するコート層と、そのコート層に隣接して設けられるコート層とが剥離するのを効果的に抑制することができ、これにより耐食性及び導電性の向上を図ることができる。特に、水平方向のズレの発生による、セパレータ基材と接するコート層と、そのコート層に隣接して設けられるコート層とが剥離するのを抑制する観点から、平面形状が円形又は多角形等の機械的（メカニカル）な形状であることが好ましい。
４．前記複数のコート層が、カーボンコート層を含む、前記１〜３の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【００１９】
この燃料電池用セパレータでは、燃料電池内における過酷な環境下での耐食性を向上することができる。特に、基材として金属材料からなるものを用いる場合に、酸で錆びるのを効果的に防止することができる。
５．前記セパレータ基材と接する前記コート層が、前記セパレータ基材への付着力が強いカーボンコート材料からなる、前記１〜３の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【００２０】
この燃料電池用セパレータでは、耐剥離性の向上により耐食性をより向上させることができる。
６．前記セパレータ基材と接するコート層以外のコート層は導電性の高い材料を含む、前記１〜３、５の何れかに記載の燃料電池用セパレータ。
【００２１】
この燃料電池用セパレータでは、導電性を向上させることができるため、コート層の厚さを確保しながら、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、貴金属等を使用することなく、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００２２】
また、本発明は、下記７．及び８．の燃料電池用セパレータの製造方法を提供するものである。
７．セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータを製造する方法において、
セパレータ基材上に、少なくとも開孔部を備えるコート層を形成後、該コート層の表面に、他のコート層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【００２３】
本発明の製造方法は、かかる構成からなるため、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータを容易に得ることができる。
８．前記開孔部を備えるコート層を形成後、該コート層が形成された前記基材を所定の形状に成型し、成型後、該コート層の表面に他のコート層を形成する、前記７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【００２４】
この製造方法によれば、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータを更に容易に得ることができる。
【００２５】
また、本発明は、下記９．及び１０．の燃料電池用セパレータの製造装置を提供するものである。
９．セパレータ基材の表面に複数のコート層が設けられた燃料電池用セパレータを製造する装置において、
セパレータ基材上に、少なくとも開孔部を備えるコート層を形成する手段と、
前記開孔部を備えるコート層の表面に、他のコート層を形成する手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
【００２６】
本発明の製造装置は、かかる構成からなるため、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能である。
１０．前記開孔部を備えるコート層を形成する手段の後に、該開孔部を備えるコート層が形成された前記基材を所定の形状に成型する手段を含む、前記９記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
【００２７】
この製造装置によれば、耐食性及び導電性に優れた燃料電池用セパレータを一層容易に製造することが可能である。
【００２８】
また、本発明は、下記１１．の燃料電池を提供するものである。
１１．前記１〜６の何れかに記載の燃料電池用セパレータを含むことを特徴とする燃料電池。
【００２９】
この燃料電池によれば、耐久性に優れ、長期に亘り運転した場合でも発電効率等の性能を維持させることができる。
【００３０】
また、本発明は、下記１２．の車両を提供するものである。
１２．前記１１記載の燃料電池を少なくとも備えることを特徴とする車両。
【００３１】
この車両によれば、優れた性能を有する燃料電池自動車等が提供される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、耐食性と導電性の両方に優れる燃料電池用セパレータが提供される。また、本発明によれば、かかる優れた耐食性及び導電性を有する燃料電池用セパレータの製造方法及び製造装置、並びに該セパレータを応用した燃料電池及び車両が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、斯かる実施例により何等制限されるものではない。
【実施例１】
【００３４】
実施例１に係る燃料電池用セパレータの概略断面図を図１に示す。図１に示すように、本実施例１に係る燃料電池用セパレータ１０は、燃料電池内に組み込まれたときにガス流路を形成するための所定の凹凸形状を有するものであり、該形状に対応した凹凸形状を有するセパレータ基材としての金属薄板１１と、該金属薄板１１の両面（表裏面）上に設けられた一対の第１カーボンコート層１２，１２と、該第１カーボンコート層１２，１２それぞれの一面上に設けられた一対の第２カーボンコート層１３、１３とを備えている。そして、本実施例１に係る燃料電池用セパレータ１０は、金属薄板１１と接する第１カーボンコート層１２，１２が、層の表裏面を貫通した複数の開孔部１４を備えた構成を有している。
【００３５】
このような開孔部１４を複数設けた第１カーボンコート層１２を備えることにより、第１カーボンコート層１２に設けた開孔部１４を介して第２カーボンコート層１３は、直接セパレータ基材としての金属薄板１１に接している（繋がっている）。これにより、第２カーボンコート層１３がＭＥＡと金属薄板１１とを直接繋ぐことになり、抵抗を小さくできる。このため、耐食性とともに、所望の導電性が得られ、燃料電池の優れた発電効率に寄与することができる。
【００３６】
また、第１カーボンコート層１２の開孔部１４に、第２カーボンコート層１３の一部が食い込む又は入り込む構成であるため、両コート層間で横ずれや剥離が抑制される。これにより、耐食性及び導電性を両立させ、燃料電池の発電効率等の性能を確保できる。
【００３７】
第１カーボンコート層１２が備える複数の開孔部１４は、図２に示すように、その形状がそれぞれ平面視した際に円形のものであり、第１カーボンコート層１２全体に平均的に散らばりをもって存在している。
【００３８】
第１カーボンコート層１２は、セパレータ基材としての金属薄板１１への付着力を強くする、耐酸性を有する樹脂比率の高いカーボンコート材料からなるものを用いている。このため、第１カーボンコート層１２はセパレータ基材に対して高い付着性を備えており、高い耐食性を有する燃料電池用セパレータ１０とすることができる。
【００３９】
第２カーボンコート層１３は、第１カーボンコート層１２とは材質の異なるもので、導電性の高い材料からなるものであり、第１カーボンコート層１２のように開孔部を有していない。これにより、導電性が向上した燃料電池用セパレータ１０とすることができ、燃料電池に適用した際に発電効率を向上させることができる。
【００４０】
また、第２カーボンコート層１３として、弾性率が高く、耐酸性を有するゴム比率の高いカーボンコート材料からなるものを用いることもできる。これにより、ＭＥＡへの接触抵抗を小さくして、導電性を向上させることができる。即ち、導電性の高い第２カーボンコート層１３がＭＥＡと金属薄板１１とを直接繋ぐことになり、抵抗をより小さくできるため、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００４１】
本実施例１に係る燃料電池用セパレータ１０を製造するには、例えば、金属薄板１１上に、多数の開孔部１４を部分的に備える第１カーボンコート層１２を形成する手段と、該第１カーボンコート層１２が形成された基材を、燃料電池用セパレータとして所定の形状に成型する手段と、成型後、多数の開孔部１４を備える第１カーボンコート層１２の表面全体に、第２カーボンコート層１３を形成する手段と、を含む製造装置等が用いられる。
【００４２】
そして、金属薄板１１上に多数の開孔部１４を部分的に備える第１カーボンコート層１２を形成する手段としては、例えば、図３に示すような凸版印刷方式の装置２０が採用できる。
【００４３】
図３に示すように、先ず、ロール状の金属薄板２１（金属薄板ロール）を用意する。このロール状の金属薄板２１は、燃料電池用セパレータの基板部（セパレータ基材）を成すものであり、セパレータ基材に必要な所定の穴（図示せず）が形成されたものである。ここでは、ステンレスからなるロール状薄板を用意した。ここで示す本実施例１のセパレータの製造例は、一つの金属材料（金属薄板）から複数のセパレータを製造するものであり、このロール状薄板は、製造するセパレータの一辺に対応する幅を有し、所望の枚数のセパレータを製造可能な充分な長さを有するものとする。
【００４４】
金属薄板２１の上に、第１カーボンコート層を塗布、形成する際の塗布、形成する手段としては、例えば、フローコータ、ダイコータを用いる手段や、ディッピング、又は吹付け塗装等が挙げられるが、特に制限されるものではない。また、第１カーボンコート層の塗布・形成後は、該コート層を通常の乾燥装置によって乾燥し、金属薄板２１上に定着させる。
【００４５】
本実施例１では、金属薄板２１を、第１カーボンコート層２２を塗布、形成するための凸版印刷ローラ装置３０に、中間ローラ２７等を用いて端部から順に導く。凸版印刷ローラ装置３２でカーボン塗料を塗布された金属薄板２１は、乾燥装置２５を経由し、多数の開口部２４が形成された第１カーボンコート層２２を備えた金属薄板２３として巻き取りローラ２６に巻き取られる。
【００４６】
ここで、塗工装置３０は、ドクターブレード３１と凸版印刷ローラ３２とを備えている。そして、炭素材料およびバインダと所定の溶媒（例えば、キシロール、トリオール、イソプロピルアルコールなどの溶媒あるいは水など）とを混合してペースト状にしたカーボン塗料３３を、ドクターブレード３１を用い、転写ローラ３４及び凸版印刷ローラ３２を介して金属薄板２１上に供給することで、金属薄板２１上に、均一な厚みでカーボン塗料３３を塗布する。このとき、多数の開孔部２４に対応する多数の未塗布部ができている。カーボン塗料３３を塗布された金属薄板２１が乾燥装置２３を経由すると、カーボン塗料３３中の上記溶媒が除去され、多数の開孔部２４が形成された第１カーボンコート層２２を備えた金属薄板２３となる。第１カーボンコート層２２は、既述したように浸漬やスプレーによっても形成することができるが、図３に示すような塗工装置３０を用いることで、ロール状の金属薄板上に均一な厚みの第１カーボンコート層２２を容易に形成することができる。
【００４７】
また、多数の開孔部が形成された第１カーボンコート層を備えた金属薄板を作製した後、所定の形状に成型し、成型後、該第１カーボンコート層の表面全体に、第２カーボンコート層を形成する工程については、通常公知の方法を特に制限なく採用することができ、これにより燃料電池用セパレータ１０を製造することができる。
【００４８】
前述したように、本実施例１においては、第１カーボンコート層１２はセパレータ基材としての金属薄板１１に対して接着性を重視した材料をコーティングし、第２カーボンコート層１３は導電性を重視した材料を第１カーボンコート層１２上にコーティングするものである。そして、第２カーボンコート層１３は、第１カーボンコート層１２をバイパスする形で開孔部１４を介してセパレータ基材としての金属薄板１１に直接繋がっている。この構造により、第１カーボンコート層１２による剥離、亀裂抑制の効果と、第２カーボンコート層１３による直接繋がることによる導電性向上で、より優れた耐食性及び導電性の両立が可能となる。これは、単にセパレータ基材上に２層をコートしたのみの従来のセパレータでは導電性が不十分であったのに対して、その改善を達成したものである。
〔他の実施例〕
実施例１では、第１カーボンコート層１２が備える多数の開孔部１４の形状が平面視で円形のものを用いたが、図４に示すような三角形や、図５に示すようなひし形等の多角形にすることもできる。
【００４９】
このように、第１カーボンコート層１２が備える多数の開孔部１４の形状を多角形にすることにより、該多角形の角部によって、第１カーボンコート層１２の、第２カーボンコート層１３に対する水平方向のズレが発生し難くなり、これにより第１カーボンコート層１２を第２カーボンコート層１３から剥がれ難くすることができる。
【００５０】
また、本発明において、セパレータ基材の表面に形成されるコート層は、ガス流路が形成されるセパレータ表面全体に複数形成されるものも包含する。
【００５１】
以上、実施例により本発明を具体的に説明したが、本発明はこれらの実施例に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、他の変更した種々の実施形態とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、耐食性と導電性の両方に優れる燃料電池用セパレータ、その製造方法及び製造装置、並びに耐久性に優れ、長期に亘り運転した場合でも発電効率等の性能を維持させることのできる燃料電池、及び優れた性能を有する燃料電池自動車等の車両として、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池用セパレータを示す概略断面図である。
【図２】図２は、実施例１に係る燃料電池用セパレータにおいて、説明の便宜上第１カーボンコート層のみを取り出して示す概略平面図である。
【図３】図３は、実施例１に係る燃料電池用セパレータの製造装置の一部（第１カーボンコート層形成手段）を示す概略説明図である。
【図４】図４は、他の実施例に係る燃料電池用セパレータにおける第１カーボンコート層の概略平面図（実施例１の図２相当図）である。
【図５】図５は、更に他の実施例に係る燃料電池用セパレータにおける第１カーボンコート層の概略平面図（実施例１の図２相当図）である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池用セパレータ、１１，２１…金属薄板、１２，２２…第１カーボンコート層、１３…第２カーボンコート層、１４，２４…開孔部、２０…凸版印刷方式の装置、２３…第１カーボンコート層を備えた金属薄板、２５…乾燥装置、２６…巻き取りローラ、２７…中間ローラ、３０…塗工装置、３１…ドクターブレード、３２…凸版印刷ローラ、３３…カーボン塗料、３４…転写ローラ
【図１】
2005302521.tif 000003
【図２】
2005302521.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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