(57)【要約】【課題】  耐食性を維持しながらガス流路部の親水性を向上させることができる、燃料電池用メタルセパレータとその製造方法の提供。【解決手段】（１）燃料電池用メタルセパレータの製造方法であって、電解質アッセンブリ接触部とガス流路部の両方に導電性の第１の塗膜５１を形成し、ガス流路部のみに第１の塗膜の上に第１の塗膜より親水性の度合いが大きい第２の塗膜５２を形成する。（２）第１の塗膜５１を密構造に形成し、第２の塗膜５２を疎構造に形成する。（３）第１の塗膜を導電性の第１の塗料で形成し、第２の塗膜を第１の塗料より塗装直後の乾燥度が高い第２の塗料で形成する。（４）第１の塗膜５１を導電性の第１の塗料で形成し、第２の塗膜５２を親水剤が混入された塗料で形成する。（５）第１の塗膜５１を密構造に形成し、第２の塗膜５２を疎構造に形成した燃料電池用メタルセパレータ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質アッセンブリに対向する側の表面に、電解質アッセンブリに接触する電解質アッセンブリ接触部とガス流路を形成するガス流路部を有する燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性塗膜を形成する燃料電池用メタルセパレータの製造方法であって、前記電解質アッセンブリ接触部と前記ガス流路部の両方に導電性の第１の塗膜を形成し、前記ガス流路部のみに前記第１の塗膜の上に第１の塗膜より親水性の度合いが大きい第２の塗膜を形成する燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
【請求項２】
前記第１の塗膜を密構造に形成し、前記第２の塗膜を前記第１の塗膜より疎構造に形成する請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
【請求項３】
前記第１の塗膜を導電性の第１の塗料で形成し、前記第２の塗膜を前記第１の塗料より塗装直後の乾燥度が高い第２の塗料で形成する請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
【請求項４】
前記第１の塗膜を導電性の第１の塗料で形成し、前記第２の塗膜を親水剤が混入された塗料で形成する請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
【請求項５】
電解質アッセンブリに対向する側の表面に、電解質アッセンブリに接触する電解質アッセンブリ接触部とガス流路を形成するガス流路部を有する燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性塗膜を形成した燃料電池用メタルセパレータであって、前記電解質アッセンブリ接触部と前記ガス流路部の両方に導電性の密構造の第１の塗膜を形成し、前記ガス流路部のみに前記第１の塗膜の上に前記第１の塗膜より疎構造の第２の塗膜を形成した燃料電池用メタルセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用メタルセパレータとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０００−２４３４０８号公報は、メタルセパレータにおいて電極接触部の表面には耐食性に優れた導電性材料の被覆膜を１層形成し、ガス流路部の表面には耐蝕性に優れた密着強度の高い緻密樹脂の被覆膜を１層形成して、メタルセパレータの耐食性を向上させる表面処理技術を開示している。
【特許文献１】特開２０００−２４３４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ガス流路部は、表面に緻密樹脂の被覆膜が形成されているため、撥水性を有し、生成水がガス流路につまりやすく、水つまりによる電池性能の低下を引き起こしやすい。
ガス流路の水つまり防止のために被覆膜の親水性を向上させるには、被覆膜形成後に、プラズマ処理等の親水処理を施すことが考えられるが、親水処理（プラズマ処理）は工程数の増加とコストアップを招く他、親水効果の持続性が低いという課題がある。
また、ガス流路部の表面の被覆膜を親水性の被覆膜とすると、親水性の被覆膜は、通常、疎構造のため、耐食性が低下する。
【０００４】
本発明の目的は、耐食性を維持しながらガス流路部の親水性を向上させることができる、燃料電池用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】
【０００５】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１）  電解質アッセンブリに対向する側の表面に、電解質アッセンブリに接触する電解質アッセンブリ接触部とガス流路を形成するガス流路部を有する燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性塗膜を形成する燃料電池用メタルセパレータの製造方法であって、前記電解質アッセンブリ接触部と前記ガス流路部の両方に導電性の第１の塗膜を形成し、前記ガス流路部のみに前記第１の塗膜の上に第１の塗膜より親水性の度合いが大きい第２の塗膜を形成する燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
ここで、親水性の度合いが大きい構造は、第２の塗膜が第１の塗膜に比べて粗構造である場合を含む他、第２の塗膜を構成する塗料に親水剤が混入された場合を含む。
（２）  前記第１の塗膜を密構造に形成し、前記第２の塗膜を前記第１の塗膜より疎構造に形成する（１）記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
（３）  前記第１の塗膜を導電性の第１の塗料で形成し、前記第２の塗膜を前記第１の塗料より塗装直後の乾燥度が高い第２の塗料で形成する（１）記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
ここで、乾燥度とは、（完全乾燥後（本乾燥工程後）塗膜重量／塗布直後塗膜重量）×１００％と定義する。また、塗布直後とは塗料粒子が被塗物に付着直後で溶媒が蒸発する前の状態を言う。また、第１の塗料と第２の塗料は、同じ塗料で乾燥度が異なる場合である場合を含む他、乾燥度が異なる種類が異なる塗料である場合を含む。
（４）  前記第１の塗膜を導電性の第１の塗料で形成し、前記第２の塗膜を親水剤が混入された塗料で形成する（１）記載の燃料電池用メタルセパレータの製造方法。
（５）  電解質アッセンブリに対向する側の表面に、電解質アッセンブリに接触する電解質アッセンブリ接触部とガス流路を形成するガス流路部を有する燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性塗膜を形成した燃料電池用メタルセパレータであって、前記電解質アッセンブリ接触部と前記ガス流路部の両方に導電性の密構造の第１の塗膜を形成し、前記ガス流路部のみに前記第１の塗膜の上に前記第１の塗膜より疎構造の第２の塗膜を形成した燃料電池用メタルセパレータ。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池用メタルセパレータの製造方法によれば、電解質アッセンブリ接触部と前記ガス流路部の両方に導電性の第１の塗膜を形成し、前記ガス流路部のみに前記第１の塗膜の上に第１の塗膜より親水性の度合いが大きい第２の塗膜を形成するので、第１の塗膜でセパレータの電解質アッセンブリ対向面の全域の耐食性を確保し、第１の塗膜より親水性の度合いが大きい第２の塗膜でガス流路部の親水性を確保することができる。これによって、セパレータの電解質アッセンブリ対向面の全域で耐食性を維持しながら、ガス流路部で親水性を向上させてガス流路の水つまりを抑制することができる。
上記（２）の燃料電池用メタルセパレータの製造方法によれば、第１の塗膜を密構造に形成することによりセパレータの電解質アッセンブリ対向面全域の耐食性を確保でき、第２の塗膜を疎構造に形成することにより、ガス流路部で親水性を向上させることができる。
上記（３）の燃料電池用メタルセパレータの製造方法によれば、第１の塗料を低乾燥度の（したがって、ウエットな）状態で塗布することにより、塗料粒子中ではランダムであった導電性フィラーの配向が、セパレータ塗着時にはフィラーの配向が揃って、密構造の第１の塗膜となる。また、塗着直後に第２の塗料が第１の塗料より乾燥度が高い（したがって、ドライな）状態にあるようにして（たとえば、塗料が塗装ガンを出て被塗物に塗着するまでの間に時間を長くしたり熱を加える等して第２の塗料の乾燥度を上げて）、第２の塗料を被塗物に塗布することにより、被塗物に塗着後にフィラーの配向が揃わずにランダムのままを維持し、第１の塗膜に比べて粗構造の第２の塗膜を形成することができる。これによって、セパレータ全域での耐食性を維持しながら、ガス流路部での親水性を向上させてガス流路の水つまりを防止することができる。
上記（４）の燃料電池用メタルセパレータの製造方法によれば、第１の塗膜でセパレータの電解質アッセンブリ対向面全域の耐食性を確保し、第２の塗料に親水剤を混入して塗布することにより、第２の塗膜の親水性を向上させ、ガス流路の水つまりを防止することができる。
上記（５）の燃料電池用メタルセパレータによれば、第１の塗膜を密構造に形成することによりセパレータの電解質アッセンブリ対向面全域の耐食性を確保でき、第２の塗膜を疎構造に形成することにより、ガス流路部で親水性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池用メタルセパレータとその製造方法を、図１〜図９を参照して説明する。
図１〜図５は本発明の実施例１を示しており、図６は本発明の実施例２を示している。図７〜図９は本発明の何れの実施例にも適用可能である。本発明の実施例１、２に共通な構成部分には、本発明の実施例１、２にわたって同符号を付してある。
まず、本発明の全実施例に共通な構成部分とその作用、効果を図１〜図５、図７〜図９を参照して説明する。
【０００８】
本発明の燃料電池用メタルセパレータが組付けられる燃料電池１０は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば家庭用などの定置型の燃料電池、または燃料電池自動車に搭載される移動型の燃料電池である。
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、電解質アッセンブリ１９（たとえば、膜−電極アッセンブリ１９、すなわち、ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
電解質アッセンブリ１９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触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリ１９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ガス拡散用の拡散層１３、１６が設けられる。拡散層１３、１６は、電解質アッセンブリ１９の一部を構成する。
電解質アッセンブリ１９とセパレータ１８を重ねてセルモジュール（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュールと同じになる）を構成し、セルモジュール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、両端のエンドプレート２２を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）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタック２３を構成する。一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。
【０００９】
セパレータ１８は、金属製のメタルセパレータ、メタルセパレータと中抜きの樹脂フレームとの組合せ、からなる。メタルセパレータの材料は、たとえばステンレス（ＳＵＳ）である。
セパレータ１８には、セル発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされており、かつ、セルの外部からもシールされている。各セルモジュールの電解質アッセンブリ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材（たとえば、接着剤）によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール部材（たとえば、ガスケット）によってシールされている。ただし、第１のシール部材がガスケットで形成されてもよいし、第２のシール部材が接着剤で形成されてもよい。
【００１０】
各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換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１７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（隣りの電解質アッセンブリ１９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）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
図１、図８に示すように、燃料電池１０は、電解質アッセンブリを挟んで対向する一対のセパレータ（メタルセパレータ）１８を有する。セパレータ１８の電解質アッセンブリ対向面には反応ガス流路２７、２８が形成されている。電解質アッセンブリを挟んで対向する一対のセパレータ１８のうち一方のセパレータ１８には燃料ガス流路２７が形成され、他方のセパレータ１８には酸化ガス流路２８が形成される。燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８は、電解質アッセンブリ（たとえば、ＭＥＡ）１９を間に挟んで、互いに対向する。
【００１２】
燃料電池用メタルセパレータ１８は、電解質アッセンブリ１９に対向する側の表面に、電解質アッセンブリ１９に接触する電解質アッセンブリ接触部１８ａと、ガス流路２７、２８を形成するガス流路部１８ｂ（電解質アッセンブリ接触部１８ａから離れる方向に後退し、凹状の溝を形成する部分）を有する。
燃料電池用メタルセパレータ１８の、電解質アッセンブリ接触部１８ａとガス流路部１８ｂの両方には、導電性の第１の塗膜５１が形成されており、ガス流路部１８ｂのみに、第１の塗膜５１の上に、第１の塗膜５１より親水性の度合いが大きい第２の塗膜５２が形成されている。
ここで、親水性の度合いが大きい構造は、第２の塗膜５２が第１の塗膜５１に比べて粗構造である場合（後述の実施例１で製造されたもの）を含む他、第２の塗膜５２を構成する塗料に親水剤が混入された場合（後述する実施例２で製造されたもの）を含む。
親水性の度合いが小さいとは、撥水性が大きいことを意味する。
その結果、燃料電池用メタルセパレータ１８では、第１の塗膜５１が、導電性フィラー５３の配向が揃った（被塗物の表面に平行に揃った）緻密な密構造を有していて耐蝕性を有し、第２の塗膜５２が、親水性を有する（図４）。第２の塗膜５２の親水性は、導電性フィラー５３の配向がランダムな粗構造とするか、塗料中に親水剤を混ぜるかにより、付与される。
【００１３】
上記の燃料電池用メタルセパレータの作用・効果については、電解質アッセンブリ対向面の全域で、第１の塗膜５１によりセパレータ１８の耐食性を確保でき、ガス流路部１８ｂで、第１の塗膜５１よりも親水性を向上された第２の塗膜５２によりガス流路部１８ｂの親水性を確保できる。すなわち、セパレータ１８の電解質アッセンブリ１８ａは第１の塗膜の１層構造で、耐食性が確保され、ガス流路部１８ｂは、第１の塗膜５１と第２の塗膜５２との２層構造で、第１の塗膜５１による耐食性と第２の塗膜５２による親水性が確保される。これによって、セパレータ１８の電解質アッセンブリ対向面の全域での耐食性を維持しながら、ガス流路部１８ｂでの親水性を向上させ、ガス流路２７、２８（とくに、生成水が生成されるガス流路２８）の水つまりを防止することができる。
【００１４】
燃料電池用メタルセパレータ１８の製造方法は、電解質アッセンブリ１９に対向する側の表面に、電解質アッセンブリ１９に接触する電解質アッセンブリ接触部１８ａとガス流路２７、２８を形成するガス流路部１８ｂを有する燃料電池用メタルセパレータ１８の表面に導電性塗膜を形成する燃料電池用メタルセパレータの製造方法であって、電解質アッセンブリ接触部１８ａとガス流路部１８ｂの両方に導電性の第１の塗膜５１を形成する第１の工程と、該第１の工程より後に実行される、ガス流路部１８ｂのみに第１の塗膜５１の上に第１の塗膜５１より親水性の度合いが大きい第２の塗膜５２を形成する第２の工程とを含む。
ここで、第２の塗膜５２の親水性の向上方法が、第２の塗膜５２を第１の塗膜５１に比べて粗構造とする場合および／または第２の塗膜５２を第１の塗料より塗装直後の乾燥度が高い第２の塗料で形成する場合（後述の実施例１で製造されたもの）を含む他、や、第２の塗膜５２を構成する塗料に親水剤を混入する場合（後述する実施例２で製造されたもの）を含む。
【００１５】
メタルセパレータ１８は、第１の工程、第２の工程に、たとえばコンベア５８により搬送される。
また、第２の工程での塗布においては、電解質アッセンブリ接触部１８ａ（第１の工程で第１の塗膜５１がすでに形成されている）をマスキング５９によりマスキングして、セパレータの電解質アッセンブリ対向面全域に第２の塗料を噴射するようにし塗布後マスキングを除去するようにすると、ガス流路部１８ｂへの第２の塗料を噴射を容易に行うことができる。ただし、塗料インクをジェットインク方式で所定部位に塗布する方法によっても、ガス流路部１８ｂのみに塗布することができ、そのような場合も本発明は含む。
【００１６】
上記の燃料電池用メタルセパレータ１８の製造方法によれば、電解質アッセンブリ接触部１８ａとガス流路部１８ｂの両方に導電性の第１の塗膜５１を形成し、ガス流路部１８ｂのみに第１の塗膜５１の上に第１の塗膜５１より親水性の度合いが大きい第２の塗膜５２を形成するので、第１の塗膜５１でセパレータの電解質アッセンブリ対向面の全域の耐食性を確保し、第１の塗膜５１より親水性の度合いが大きい第２の塗膜５２でガス流路部１８ｂの親水性を確保することができる。これによって、セパレータの電解質アッセンブリ対向面の全域で耐食性を維持しながら、ガス流路部１８ｂで親水性を向上させてガス流路２７、２８の水つまりを抑制することができる。
つぎに、本発明の各実施例に特有な構造、作用・効果を説明する。
【００１７】
〔実施例１〕−−−図２、図３、図４、図５
本発明の実施例１の燃料電池用メタルセパレータ１８とその製造方法では、第２の塗膜５２の親水性の向上が、第２の塗膜５２を第１の塗膜５１に比べて粗構造とする方法によってなされる、および／または、第１の塗膜５１を導電性の第１の塗料５４で形成し、第２の塗膜５２を第１の塗料５４より塗装直後の乾燥度が高い第２の塗料５６で形成する。
ここで、塗料の乾燥度とは、〔完全乾燥後（本乾燥工程後）塗膜重量／塗布直後塗膜重量〕×１００％と定義する。
また、塗布直後とは、塗料粒子が被塗物に付着直後で溶媒が蒸発する前の状態を言う。また、第１の塗料５４と第２の塗料５６は、同じ塗料で乾燥度が異なる場合である場合を含む他、乾燥度が異なる種類が異なる塗料である場合を含む。
【００１８】
本発明の実施例１の燃料電池用メタルセパレータ１８とその製造方法の作用・効果はつぎのとおりである。
第１の塗料５１、第２の塗料５２は、共に、導電性フィラー（たとえば、カーボンフィラー）５３とバインダー（たとえば、ゴム、樹脂等）と溶媒（たとえば、キシレン等）を含む。
第１の工程では、第１の塗料５４を、塗装ガン５５から噴射して、低乾燥度の状態で（したがって、ウエットな状態で、塗着直後が図２の（1)の状態で）塗布することにより、塗料粒子中（塗装ガン５５から出て被塗物に付着するまでの間）ではランダムであった導電性フィラー５３の配向が、セパレータ塗着時にはフィラー５３の配向が揃って（図４）、密構造の第１の塗膜５１となる。
【００１９】
また、第１の工程の後の第２の工程では、塗着直後の状態で見て、第２の塗料５６が第１の塗料より乾燥度が高い状態（したがって、ドライな状態、塗着直後で図２の（2)の状態）にあるようにして（たとえば、塗料が塗装ガン５７を出て被塗物に塗着するまでの間に時間を長くしたり熱を加える等して第２の塗料の乾燥度を上げて）、第２の塗料５６を被塗物に塗布することにより、被塗物に塗着後に導電性フィラー５３の配向が揃わずにランダムのままを維持し（図５）、第１の塗膜５１に比べて粗構造の第２の塗膜５２を形成することができる。
これによって、セパレータ全域での耐食性を維持しながら、ガス流路部１８ｂでの親水性を向上させてガス流路２７、２８の水つまりを防止することができる。
【００２０】
〔実施例２〕−−−図３、図６
本発明の実施例２の燃料電池用メタルセパレータ１８とその製造方法では、第２の塗膜５２の親水性の向上が、第２の塗膜５２を構成する第２の塗料５６に親水剤（たとえば、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 等）を混入する方法によってなされる。あるいは、本発明の実施例１の方法と併用してもよい。
第１の塗膜５１は、本発明の実施例１と同じ方法で形成すればよい。
【００２１】
本発明の実施例２の燃料電池用メタルセパレータ１８とその製造方法の作用・効果はつぎのとおりである。
第１の塗膜５１を密構造に形成してセパレータ１８の電解質アッセンブリ対向面全域の耐食性を確保でき、第２の塗料５６に親水剤を混入して塗布することにより、第２の塗膜５２の親水性を向上させ、ガス流路２７２８の水つまりを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの一部（図８の一点鎖線で囲んだ部分）の拡大断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池用セパレータとその製造方法の、第１、第２の塗料の、塗膜乾燥度（％）対塗装時および塗布後時間のグラフである。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池用セパレータとその製造方法の、第１の工程、第２の工程を含む側面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池用セパレータとその製造方法の第１の工程の側面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池用セパレータとその製造方法の第２の工程の側面図である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池用セパレータとその製造方法の、第１の工程、第２の工程を含む側面図である。
【図７】本発明の燃料電池用セパレータが組付けられる燃料電池の側面図である。
【図８】図７の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図９】図７の燃料電池のセパレータの正面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  電解質アッセンブリ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト・ナット
２６  冷媒流路（流体流路）
２７  燃料ガス流路（流体流路）
２８  酸化ガス流路（流体流路）
２９  冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１  酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
５１  第１の塗膜
５２  第２の塗膜
５３  導電性フィラー
５４  第１の塗料
５５  塗装ガン
５６  第２の塗料
５７  塗装ガン
５８  コンベア
５９  マスキング
【図１】
2007134145.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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