(57)【要約】【課題】燃料電池用セパレータにＣＶＤ法により炭素膜を形成する際のセパレータ表面からの炭素膜の剥離の抑制や、炭素膜の熱損傷を低減する。【解決手段】燃料電池用セパレータにＣＶＤ法により炭素膜を形成する際に用いられるマスキング治具であって、炭素膜を燃料電池用セパレータに形成させるための開口部であって、Ｒ形状の角部を含む平面視形状を有する開口部を備える、マスキング治具。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータにＣＶＤ法により炭素膜を形成する際に用いられるマスキング治具であって、
前記炭素膜を前記燃料電池用セパレータに形成させるための開口部であって、Ｒ形状の角部を含む平面視形状を有する開口部を備える、
マスキング治具。
【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炭素膜を形成するためのマスキング治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を一対のガス拡散層およびセパレータで挟持した構成を有する単セルが複数積層されて成る燃料電池が知られている。セパレータは、ＭＥＡにおいて生じた電気を集める役割や、隣の単セルと電気的に接続する役割や、隣の単セルとの間におけるガスや水のやりとりを防止する役割等を果たす。このようなセパレータとして、金属製の薄い板状部材の表面に、導電性を高めるために非晶質炭素からなる被膜（以下、「炭素膜」と呼ぶ）が形成された構成を有するセパレータが用いられることがある。上述の炭素膜の形成方法として、金属製のセパレータ基材の表面に炭素膜と同じ平面視形状の開口が形成されたマスキング治具を配置してマスクし、ＣＶＤ法によりマスキング治具の開口に対応するセパレータ基材の表面に炭素膜を形成する方法が提案されている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０９９３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のマスキング治具の開口部は、矩形の平面視形状を有し、その角部は、直角状の平面視形状を有する。このようにマスキング治具の開口部の角部が直角状の平面視形状であることに起因して、ＣＶＤ処理時に、かかる角部に電流が集中する。これにより、マスキング治具のうち、開口部の角部周辺が非常に高温となり、かかる部分において形成途中の炭素膜が焼けてしまうという問題が生じ得る。また、セパレータ（セパレータ基材）と炭素膜とでは互いに熱膨張係数が異なるためにＣＶＤ処理時に応力が発生する。特にその応力は、炭素膜の角部に集中するため、炭素膜の角部において炭素膜が剥離してしまうという問題が生じ得る。このため、セパレータの表面に形成される炭素膜の損傷を抑制する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一実施形態によれば、マスキング治具が提供される。このマスキング治具は、燃料電池用セパレータにＣＶＤ法により炭素膜を形成する際に用いられるマスキング治具であって；前記炭素膜を前記燃料電池用セパレータに形成させるための開口部であって、Ｒ形状の角部を含む平面視形状を有する開口部を備える。この形態のマスキング治具によれば、燃料電池用セパレータに炭素膜を形成させるための開口部は、Ｒ形状の角部を含む平面視形状を有するので、ＣＶＤ処理時において、かかる開口部の角部へ電流が集中することを抑制でき、マスキング治具の開口部の角部周辺が高温となることを抑制できる。これにより、開口部の角部周辺に形成される炭素膜が焼けてしまうことを抑制でき、炭素膜の損傷の発生を抑制できる。また、燃料電池用セパレータ（燃料電池用セパレータ基材）と炭素膜との熱膨張係数の相違に起因して発生する応力が、炭素膜の角部へ集中することを抑制できるので、炭素膜が剥離することを抑制でき、炭素膜の損傷の発生を抑制できる。
【０００７】
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、マスキング治具を用いて炭素膜が形成された燃料電池用セパレータ、その燃料電池用セパレータを備えた単セル、その単セルを備えた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを備えた車両等の形態においても実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態としてのマスキング治具を用いて作製された燃料電池用セパレータを備える燃料電池の概略構成を示す斜視図である。
【図２】炭素膜の構成を示す平面図である。
【図３】マスキング治具の構成を示す斜視図である。
【図４】比較例のマスキング治具の構成を示す斜視図である。
【図５】比較例のマスキング治具を用いて形成される炭素膜の一部を拡大して示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのマスキング治具を用いて作製された燃料電池用セパレータを備える燃料電池の概略構成を示す斜視図である。燃料電池５００は、複数の単セル４００が積層方向ＳＤに沿って積層されて形成されている。以下、Ｘ軸およびＹ軸は水平面と平行であり、Ｚ軸は鉛直方向と平行である。＋Ｚ方向は鉛直上方、−Ｚ方向は鉛直下方を示す。本実施形態では、積層方向ＳＤとは、Ｙ軸と平行な方向である。本実施形態において、単セル４００は、固体高分子型燃料電池である。燃料電池５００の内部には、６つのマニホールド１〜６が形成されている。燃料ガス供給マニホールド１は、各単セル４００に燃料ガスである水素ガスを供給する。燃料ガス排出マニホールド２は、各単セル４００から排出されるアノード側オフガスを燃料電池５００の外部へと排出する。同様に、酸化剤ガス供給マニホールド３は、各単セル４００に酸化剤ガスである空気を供給し、酸化剤ガス排出マニホールド４は、各単セル４００から排出されるカソード側オフガスを燃料電池５００の外部へと排出する。冷却媒体供給マニホールド５は、各単セル４００に冷却媒体を供給し、冷却媒体排出マニホールド６は、各単セル４００から排出される冷却媒体を燃料電池５００の外部へと排出する。６つのマニホールド１〜６は、いずれも積層方向ＳＤと平行に延設されている。
【００１０】
各単セル４００は、ＭＥＧＡプレート２００と、ＭＥＧＡプレート２００を積層方向に沿って挟んで配置される一対のセパレータ１００とを備える。
【００１１】
ＭＥＧＡプレート２００は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｎｄ  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２１０と、支持フレーム２２０と、を備える。ＭＥＧＡ２１０は、固体高分子電解質膜と、アノード側触媒電極層と、カソード側触媒電極層と、アノード側ガス拡散層と、カソード側ガス拡散層とを積層方向ＳＤに積層した構成を有する。支持フレーム２２０の中央部には、厚さ方向（Ｙ方向）に貫通孔が設けられており、かかる貫通孔にＭＥＧＡ２１０が配置されている。
【００１２】
一対のセパレータ１００は、ＭＥＧＡプレート２００を積層方向ＳＤに挟むように配置されている。セパレータ１００は、略矩形形状の金属製の薄板部材である。本実施形態では、セパレータ１００は、チタンにより形成されている。チタンに限らず、ステンレス鋼や、アルミニウム、銅などの他の任意の金属を用いてもよい。セパレータ１００の積層方向ＳＤの両面には図示しない凹凸形状が形成されている。この凹凸形状により、反応ガス（燃料ガスあるいは酸化剤ガス）が流れるセル内ガス流路が形成されると共に隣り合う単セル４００のセパレータ１００との間に冷却媒体の流路が形成される。セパレータ１００は、外周部の所定の位置に６つの略矩形の開口部１１〜１６を備えている。複数の単セル４００が積層されて燃料電池５００が組み立てられたときに、各単セル４００の開口部１１〜１６が積層方向ＳＤに重なることにより、上述の６つのマニホールド１〜６が形成される。セパレータ１００において、一方の面は、ＭＥＧＡプレート２００と対面し、他方の面は、隣り合う単セル４００のセパレータ１００と対面する。セパレータ１００の積層方向ＳＤの両側の表面には、炭素膜１１０が形成されている。炭素膜１１０は、導電性を有する薄膜である。
【００１３】
図２は、炭素膜１１０の構成を示す平面図である。図２では、炭素膜１１０とともにセパレータ１００を併せて表わしている。また、図２では、セパレータ１００の両面のうち、隣り合う単セル４００のセパレータ１００と対面する面を表している。なお、図２では、カソード側のセパレータ１００を表している。
【００１４】
炭素膜１１０は、非晶質炭素の薄膜であり、本実施形態では、ダイヤモンドドライクカーボンから成る。炭素膜１１０は、１ｎｍ〜２３０ｎｍ（ナノミクロン）の範囲の膜厚となるように形成されている。炭素膜１１０は、マスキング治具（後述のマスキング治具３００）をセパレータ１００の基材（金属製の薄板部材）の積層方向ＳＤの両面に貼り合わせ、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりダイヤモンドドライクカーボンを薄板部材の表面に蒸着させることにより形成される。ＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等があり、これらのいずれを採用してもよい。
【００１５】
図１に示すように、炭素膜１１０は、ＭＥＧＡプレート２００と一対のセパレータ１００とが積層方向ＳＤに沿って配置された際に、セパレータ１００においてＭＥＧＡ２１０と対面する位置、すなわち電気化学反応により電気が生じる領域（発電領域）と積層方向ＳＤにおいて対面または対応する位置に形成される。また、炭素膜１１０の平面視の大きさは、ＭＥＧＡ２１０の平面視の大きさと略等しい。図２に示すように、炭素膜１１０の平面視形状は、略矩形である。また、炭素膜１１０の４つの角部ｃ１１、ｃ１２、ｃ１３およびｃ１４の平面視形状は、Ｒ形状を有する。このような炭素膜１１０の形状は、炭素膜１１０を形成する際にセパレータ１００に貼り合わされるマスキング治具（後述のマスキング治具３００）の開口部（後述の開口部３１０）の形状によって定められる。
【００１６】
Ａ２．マスキング治具の構成：
図３は、マスキング治具３００の構成を示す斜視図である。マスキング治具３００の平面視の輪郭形状は、略矩形である。本実施形態では、マスキング治具３００の平面視の大きさは、セパレータ１００の平面視の大きさと略等しい。マスキング治具３００は、中央部に厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する開口部３１０を備える。
【００１７】
開口部３１０の平面視形状は、上述の炭素膜１１０の平面視形状と略一致する。開口部３１０は、４つの角部ｃ３１、ｃ３２、ｃ３３およびｃ３４を含む。図３に示すように、各角部ｃ３１〜ｃ３４の平面視形状は、Ｒ形状を有している。開口部３１０は、セパレータ１００に炭素膜１１０を形成させるために用いられる。より具体的には、図２に示すセパレータ１００の＋Ｚ側の面および−Ｚ側の面にマスキング治具３００をそれぞれ貼り合わせ、ＣＶＤ法により炭素膜１１０が形成される。このとき、図示しない処理チャンバ内に導入された材料ガス中の炭素（ダイヤモンドドライクカーボン）の原子が、開口部３１０を通ってセパレータ１００の基材（金属製の薄板部材）に付着し、炭素膜１１０が形成される。このため、炭素膜１１０は、開口部３１０と同様な大きさおよび形状で形成される。その結果、図２に示すように、開口部３１０の角部ｃ３１〜ｃ３４と同様に、炭素膜１１０の角部ｃ１１〜ｃ１４の平面視形状は、Ｒ形状を有することとなる。
【００１８】
Ａ３．比較例：
図４は、比較例のマスキング治具７００の構成を示す斜視図である。図４に示すように、比較例におけるマスキング治具７００の開口部７１０は、平面視形状が略直角状の角部ｃ７１、ｃ７２、ｃ７３およびｃ７４を有する。したがって、比較例のマスキング治具７００を用いて炭素膜（後述の炭素膜８１０）を形成する場合、炭素膜（後述の炭素膜８１０）の平面視形状は、略直角形状の角部を含むこととなる。
【００１９】
図５は、比較例のマスキング治具７００を用いて形成される炭素膜８１０の一部を拡大して示す説明図である。図５では、マスキング治具７００の一の角部Ｃ７２の近傍を拡大して示している。図４に示すように、比較例のマスキング治具７００の開口部７１０は、略直角形状の角部ｃ７１〜ｃ７４を有するので、ＣＶＤ処理時において、角部ｃ７１〜ｃ７４に電流が集中する。その結果、図５に示す例のように、炭素膜８１０の角部ｃ８２近傍に熱が移動し、熱が集中することとなる。このため、角部ｃ８２近傍では、炭素膜８１０において角部ｃ８２を含む４つの角部とは異なる他の部分に比べて非常に高温となり、角部ｃ８２近傍において炭素膜８１０が焼けてしまう。同様に、他の３つの角部の近傍においても熱が集中して炭素膜８１０が焼けてしまう。
【００２０】
これに対して、本実施形態のマスキング治具３００の開口部３１０の角部ｃ３１〜ｃ３４の平面視形状は、図３に示すように、Ｒ形状を有するので、ＣＶＤ処理時において、角部ｃ３１〜ｃ３４への電流の集中を抑制できる。したがって、炭素膜１１０の角部ｃ１１〜ｃ１４への熱の集中を抑制できるので、炭素膜１１０が焼けてしまうことを抑制できる。
【００２１】
以上説明した、本実施形態のマスキング治具３００によれば、セパレータ１００に炭素膜１１０を形成させるための開口部３１０は、Ｒ形状の角部ｃ３１〜ｃ３４を含む平面視形状を有するので、ＣＶＤ処理時において、開口部３１０の角部ｃ３１〜ｃ３４へ電流が集中することを抑制でき、角部ｃ３１〜ｃ３４周辺が高温となることを抑制できる。これにより、角部ｃ３１〜ｃ３４周辺に形成される炭素膜１１０が焼けてしまうことを抑制できるので、炭素膜１１０の損傷の発生を抑制できる。加えて、セパレータ１００の基材（金属製の薄板部材）と炭素膜１１０との熱膨張係数の相違に起因して発生する応力が、炭素膜１１０の角部ｃ１１〜ｃ１４へ集中することを抑制できるので、炭素膜１１０が剥離することを抑制でき、炭素膜１１０の損傷の発生を抑制できる。
【００２２】
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態において、開口部３１０の形状は、積層方向ＳＤにおいて発電領域と対面または対応する位置に炭素膜１１０を形成するためのマスキング治具３００に適用していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池セルの発電状況を監視し、燃料電池の出力制御を行うためのセルモニタ端子をセパレータ１００が備え、かかるセルモニタ端子にも炭素膜をＣＶＤ法により形成する構成においては、かかる部分の炭素膜を形成するためのマスキング治具に本発明を適用してもよい。また、発電領域とセルモニタ端子のそれぞれに炭素膜を形成するための開口部をいずれも有するマスキング治具に本発明を適用してもよい。このような構成においては、発電領域用の開口部と、セルモニタ端子用の開口部とのうちの少なくとも一方がＲ形状の角部を含む平面視形状を有してもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００２３】
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態において、開口部３１０の角部ｃ３１〜ｃ３４は、いずれもＲ形状の平面視形状を有していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、角部ｃ３１〜ｃ３４のうちの少なくとも１つがＲ形状の平面視形状を有していてもよい。このような構成においても、Ｒ形状の平面視形状を有する角部に関して、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００２４】
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態において、炭素膜１１０の平面視形状は、各角部がＲ形状である略矩形であったが、本発明はこれに限定されない。略矩形に代えて、任意の多角形の各角部がＲ形状である略多角形形状であってもよい。このような構成においても、Ｒ形状の平面視形状を有する角部に関して、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００２５】
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料ガス供給マニホールド
２…燃料ガス排出マニホールド
３…酸化剤ガス供給マニホールド
４…酸化剤ガス排出マニホールド
５…冷却媒体供給マニホールド
６…冷却媒体排出マニホールド
１１、１２、１３、１４、１５、１６…開口部
１００…セパレータ
１１０、８１０…炭素膜
２００…ＭＥＧＡプレート
２２０…支持フレーム
３００、７００…マスキング治具
３１０、７１０…開口部
４００…単セル
５００…燃料電池
ＳＤ…積層方向
ｃ１１、ｃ１２、ｃ１３、ｃ１４、ｃ３１、ｃ３２、ｃ３３、ｃ３４、ｃ７１、ｃ７２、ｃ７３、ｃ７４、ｃ８２…角部
【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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