(57)【要約】【課題】  ガス流路溝底面の防食コート層の厚さが、塗料引け等によって、薄くなることを抑制すること。【解決手段】（１）メタルセパレータ１８ａと該メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面に塗布・形成された防食塗膜１８ｂとを有する燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータ１８であって、メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみに、防食塗膜１８ｂを塗布・形成する前に粗面化処理（処理面１８ｃ）されている防食塗膜付きメタルセパレータ１８。（２）メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみを、粗面化処理し（処理面１８ｃ）、ついで該メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面に少なくとも耐食機能を有する塗膜１８ｂを塗布・形成する防食塗膜付きメタルセパレータ１８の製造方法。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタルセパレータと該メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面に塗布・形成された防食塗膜とを有する燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータであって、前記メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路の溝底面のみに、前記防食塗膜を塗布・形成する前に粗面化処理されている燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータ。
【請求項２】
メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路の溝底面のみを、粗面化処理し、ついで該メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面に少なくとも耐食機能を有する塗膜を塗布・形成する燃料電池用防食塗膜付きメタル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に関し、反応ガスが接触する側の表面に防食塗膜が形成された防食塗膜付きメタルセパレータと、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly 、ＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから構成される。少なくとも１つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックが構成される。セパレータは、燃料ガス、酸化ガス、冷却水を分離するためのガス、水の遮断性を有し、また、電子の通路となるための導電性を有する。これらの性質を満足するために、セパレータは金属製セパレータ（メタルセパレータ）やカーボンセパレータとされる。
【０００３】
燃料電池のセパレータ環境は、電解質膜中のフッ素基や硫酸基が溶出すること、および電位がかかっていることから、腐食雰囲気である。この腐食雰囲気に耐えるために、
（イ）特開２００２−３６７６２２号公報に開示されているように、メタルセパレータ表面を粗面化処理後、不動態化処理によってバリア薄膜（塗膜ではない）を形成したり、あるいは、
（ロ）図５、図６に示すように、または特開平１１−３５４１４２号公報に開示されているように、メタルセパレータ１の表面に導電性をもつ防食塗膜２を形成したりする。
図５、図６の例では、防食塗膜２は、導電性をもつ防食材料、たとえば、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）にカーボン粉を混入させた防食材料を、ＳＢＲを加熱、溶融状態にし、スプレー塗布等により、メタルセパレータ１の全面に塗布することにより、形成される。塗布時は、セパレータ面は水平とされるので、反応ガス流路溝の溝底面は水平面３となる。防食材料は塗布時は液状であり、塗布後乾燥固化される。
【０００４】
しかし、従来の、表面に防食塗膜を形成したメタルセパレータには、以下の問題がある。
セパレータの溝底面３において塗料が、塗布時、固化前に表面張力で溝底面３の両側のコーナ部４（溝底面から立ち上がり面への移行部のコーナ部）に引けてしまい、塗料固化後の溝底面３（コーナ部４を除く溝底面３）の防食塗膜２の厚さが他の部分に比べて薄くなる。その結果、溝底面３において、防食効果が弱く、塗膜切れ部位は腐食の起点となる。
防食塗膜２が、溝底面３において、塗料がコーナ部４に引けてもなお防食上十分な厚さを有するように、塗料を厚目に塗布すると、塗料が引けた後のコーナ部４の塗料厚さが厚くなり過ぎてガス流路断面積がその分縮小し、流れの圧損が大きくなるという問題があるほか、他の部分、たとえばセパレータ頂面５（ＭＥＡと接触してＭＥＡを押圧する面）の塗膜が厚くなり過ぎ、ＭＥＡとの接触電気抵抗が上昇して燃料電池出力が低下するという問題が生じる。塗膜の抵抗を小にするために塗膜組成中のカーボン量を増やすと塗料の粘度が高くなり過ぎて、塗料をスプレー塗布することが困難になる。
【特許文献１】特開２００２−３６７６２２号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の上記（ロ）の燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータにおける、ガス流路溝底面の防食塗膜の厚さが、塗料引け等によって他の部位と比べて薄くなり、溝底面の塗膜の防食効果が弱く、腐食の起点になりやすいという問題である。
【０００６】
本発明の目的は、ガス流路溝底面の防食コート層の厚さが、塗料引け等によって、薄くなることを抑制することができる燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータとそ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】
【０００７】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  メタルセパレータと該メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面に塗布・形成された防食塗膜とを有する燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータであって、前記メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路の溝底面のみに、前記防食塗膜を塗布・形成する前に粗面化処理されている燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータ。
（２）  メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路の溝底面のみを、粗面化処理し、ついで該メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面に少なくとも耐食機能を有する塗膜を塗布・形成する燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
上記（１）の燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータによれば、メタルセパレータの反応ガスが接触する側の表面のうち反応ガス流路の溝底面のみに、前記防食塗膜を塗布・形成する前に粗面化処理されているので、粗面のアンカー効果で、防食塗料塗布時に塗料が表面張力により溝底面からその両端のコーナ部へ引けて溝底面の中央部で塗膜が薄くなることを抑制することができる。
上記（２）の燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータの製造方法によれば、ガス流路溝底面のみを粗面の処理した後にメタルセパレータの全域に塗膜を形成するので、塗膜形成時の溝底面での塗料の引けを防止することができ、溝底面の中央部で塗膜が薄くなることを抑制することができる。また、引け分メタルセパレータの全域に厚手に塗料を塗布する必要のなくなるので、塗料量を節約できる他、厚手塗布と引けによるコーナ部塗膜厚の増大とそれによる流路圧損防止も、はかることがきる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータとその製造方法を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の防食塗膜付きメタルセパレータが組み付けられる燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１０】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３、図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。
【００１１】
セパレータ１８は防食塗膜付きメタルセパレータ１８である。セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。また、セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。
【００１２】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュール（図３、図４では１モジュールが１セルから構成される場合を示しており、セル１９とモジュールが等しいので、モジュールにも符号１９を付す）を構成し、モジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１３】
各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１４】
流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示してあるが、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。
【００１５】
図１、図２に示すように、防食塗膜付きメタルセパレータ１８は、メタルセパレータ１８ａと、メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面に塗布・形成された導電性をもつ防食塗膜１８ｂとを有する。
メタルセパレータ１８ａは、金属製の薄板であり、該金属製薄板を凹凸させて形成した反応ガス流路２７、２８を有する。メタルセパレータ１８ａの反応ガス流路２７、２８の反対側は冷却水流路２６である。メタルセパレータ１８ａの材料は、たとえばステンレスである。ただし、ステンレスに限るものではなく、アルミ、ニッケル、チタンや、それらの合金であってもよい。メタルセパレータ１８ａは、表面処理されていてもよく、表面処理には、カーボン蒸着や、金などの貴金属メッキなどを含む。表面処理は、メタルセパレータ１８ａの反応ガスと接触する側の面にも、その裏側の冷却水と接触する側の面にも施される。防食塗膜１８ｂは、メタルセパレータ１８ａの反応ガスと接触する側の面のみに形成され、メタルセパレータ１８ａに表面処理層がある場合はその上に形成される。冷却水が接触する側の表面には防食塗膜１８ｂは形成されない。
反応ガスと接触する側の表面のみに防食塗膜１８ｂを形成する理由は、反応ガス側がｐＨが１〜３の強い酸性雰囲気（腐食環境）となり得るのに対し、冷却水側は腐食環境とはいえない程度であり、全面塗装にはコストがかかるからである。
【００１６】
導電性をもつ防食塗膜１８ｂの材料は、（イ）ゴム（たとえば、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム））に、導電性材料（たとえば、カーボン粉）を混合したもの、または（ロ）ゴムと熱可塑性樹脂を混合したものに、導電性材料（たとえば、カーボン粉）を混合したものからなる。
【００１７】
防食塗膜１８ｂは、ゴム、またはゴムと樹脂を、溶剤に溶かした状態で、メタルセパレータ１８ａに塗布（たとえば、スプレー塗布、ロール塗布等）し、溶剤を気化させて、固化して形成される。
図１、図２に示すように、メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面は、ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａ「のみ」が粗面化処理されている。ガス流路２７、２８の立ち上がり面（溝側面）２７ｂ、２８ｂ、拡散層１３、１６との接触面は粗面化処理されない。図２において、符号「１８ｃ」が、微小凹凸をもつ、粗面化処理した面を示す。この粗面化処理は、防食塗膜１８ｂを塗布・形成する前に行われる。
粗面化処理した部位のメタルセパレータ面の微小凹凸の高さ（凸の平均的な頂上と凹の平均的な谷との、面直交方向の距離）は、１μｍ〜３０μｍであり、望ましくは１μｍ〜１０μｍである。防食塗膜１８ｂの厚さは、１０μｍ〜８０μｍであり、望ましくは１０μｍ〜３０μｍである。
【００１８】
このサイズの微小凹凸をもつ粗面化処理には、サンドブラスト、ショットブラスト、液体ホーミング、プラズマ、化学的エッチング、スパッタリングなどの従来知られた粗面化方法を用いることができる。このうちプラズマ処理が望ましい。その理由は、プラズマ処理でＯＨ基が表面上に形成され、面の濡れ性が向上し、塗料塗布性能が向上するからである。メタルセパレータ１８ａの粗面化処理は、流路凹凸の形成後に行ってもよいし、あるいは流路凹凸の形成前に行ってもよい。
粗面化処理をメタルセパレータ１８ａのガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみに施す場合は、粗面化処理を施さない部位にマスキングを施した後、サンドブラストやエッチング等の粗面化処理を行い、その後マスキングを除去することにより、ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみの粗面化処理を行うことができる。防食塗料塗布時のセパレータの姿勢は、溝底面２７ａ、２８ａが水平となるようにする。
【００１９】
本発明の燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータの製造方法は、メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面のうち、反応ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみを、粗面化処理する第１の工程と、ついでメタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面に少なくとも耐食機能を有する塗膜を塗布・形成する第２の工程とを有し、第１の工程、第２の工程の順で実行される。
【００２０】
つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池用「防食塗膜付きメタルセパレータ」１８とその製造方法によれば、メタルセパレータ１８ａの反応ガスが接触する側の表面のうち、ガス流路２７、２８の溝底面２７ａ、２８ａのみが粗面化処理されているので、粗面化処理面１８ｃのアンカー効果（塗料を固定・保持する効果）で、メタルセパレータ１８ａの表面での塗料塗布時の固化前の塗料の表面張力による塗料の流れを抑制できる。
【００２１】
その結果、防食塗料塗布時に塗料が表面張力により溝底面２７ａ、２８ａからその両端のコーナ部２７ｃ、２８ｃへ引けて溝底面２７ａ、２８ａの中央部で塗膜が薄くなることを抑制することができ、溝底面２７ａ、２８ａの中央部で塗膜が切れてその部位のメタルセパレータ１８ａが腐食の起点となることを防止することができる。
【００２２】
従来は溝底面２７ａ、２８ａの引けによる塗膜の薄厚化分、全域にわたって厚目に塗料を塗布する必要があり、塗料量が多くなってコストアップとなったり、ＭＥＡ押圧面の塗膜が厚くなり過ぎて接触電気抵抗が増大するおそれがあった。しかし、本発明では、溝底面２７ａ、２８ａの塗料引け抑制によって全域に厚目に塗料を塗布する必要が無くなり、塗料量が低減してコストダウンがはかられ、ＭＥＡ押圧面の塗膜の厚さが厚すぎて接触抵抗が増大するおそれもなくなる。
【００２３】
また、従来は厚手塗布とコーナ部への引けによって、コーナ部塗膜厚は大となりその分流路断面積が縮小してそれによる流路圧損増大が生じていたが、本発明では厚手塗布廃止と塗料引け抑制によって、コーナ部２７ｃ、２８ｃでの塗膜厚の増大が抑制され、流路２７、２８のガス流れの圧損増大を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池用「防食塗膜付きメタルセパレータ」の一部の断面図である。
【図２】図１のガス流路溝底面での粗面化部の拡大断面図である。
【図３】本発明の防食塗膜付きメタルセパレータが組み付けられた燃料電池の側面図である。
【図４】図３の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図５】従来の燃料電池用「防食塗膜付きメタルセパレータ」の一部の断面図である。
【図６】図５のガス流路溝底面の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  燃料電池用防食塗膜付きメタルセパレータ
１８ａ  メタルセパレータ
１８ｂ  塗膜
１８ｃ  粗面化部
１９  セルまたはモジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２７ａ  流路溝底面
２７ｂ  流路溝側面
２７ｃ  コーナ部
２８  酸化ガス流路
２８ａ  流路溝側面
２８ｂ  流路溝底面
２８ｃ  コーナ部
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３  ガス側シール材（たとえば、接着剤）
【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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