JP4631311B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関し、とくに、カーボンと樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータ（以下、「カーボンセパレータ」という）の製造方法に関する。

特開２００３−１３２９１３号公報は、カーボン粒子と樹脂の複合材料からなるカーボンセパレータを開示している。該公報は、カーボンセパレータの電極（拡散層）との接触部分の表面をブラスト加工にて面粗化し接触抵抗を低減すると共に、電極と接触しない外周のシール部分の表面を滑らかに保つことで気密性を高め、ガスリークを抑制する技術を開示している。
しかし、カーボンセパレータを金型で熱圧成形した場合、図８に示すように、セパレータ表面は流動性のよい樹脂２で覆われやすく、樹脂リッチとなり接触抵抗が高くなる。その樹脂リッチとなった表面をブラスト加工すれば、面粗化はするが、図９に示すように、表面からカーボン粒子１が欠落、欠損し、ますます樹脂リッチの表面となって、かえって接触抵抗が高くなる。
特開２００３−１３２９１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、カーボンセパレータを通常にブラスト加工した場合、セパレータ表面のカーボン粒子が欠落することにより樹脂リッチの表面になるという問題である。

本発明の目的は、ブラスト表面処理加工を施しても、樹脂リッチの表面にならず、カーボンセパレータを通常にブラスト加工した場合に比べて接触抵抗を、さげることができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） カーボン粒子および樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、平板状セパレータの表面のうち接触抵抗が低いことを要求される部分にショットブラストにより導電性微粒子を表面の樹脂に付着またはめり込ませる第１の工程を有し、
前記第１の工程で、セパレータ表面に導電性微粒子を繰り返しショットし、該繰り返しショットにおいて、導電性微粒子のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくする燃料電池用セパレータの製造方法。
（２） 前記第１の工程の後に、平板状のセパレータの一面にショットブラストにより反応ガス流路加工を施すとともにショットブラストにより表面処理加工を施し、平板状のセパレータの他面にショットブラストにより冷却水流路加工を施すとともにショットブラストにより表面処理加工を施す第２の工程を有する（１）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（３） 樹脂は熱可塑性樹脂であり、導電性微粒子を表面の樹脂に付着またはめり込ませる時には樹脂を加温しておく（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（４） 前記反応ガス流路加工において、反応ガス流路加工と同時にまたは該反応ガス流路加工の後に反応ガス流路表面にナノオーダの導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませる（２）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（５） 前記冷却水流路加工において、前記冷却水流路加工と同時にまたは該冷却水流路加工の後に冷却水流路表面にはっ水性のあるまたははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませる（２）載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（６） 前記導電性微粒子がカーボン粒子である（１）〜（５）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

上記（１）、（２）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、ショットブラストで表面樹脂に導電性微粒子を付着またはめり込ませるので、ブラストでセパレータ中のカーボン粒子が欠落して表面が樹脂リッチとなっていた従来に比べて、セパレータ表面の樹脂リッチが解消され、接触抵抗をさげることができる。
上記（１）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、セパレータ表面に導電性微粒子を繰り返しショットする場合に、導電性微粒子のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくしてあるので、セパレータの表面の樹脂層には、数百ミクロンオーダの導電性微粒子とナノオーダの導電性微粒子が密集しており、導電性微粒子の樹脂から露出している部分の面積が大きくなり、接触抵抗が低い。
上記（３）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、樹脂が熱可塑性樹脂であり、導電性微粒子の付着時に樹脂を加温可能であるので、導電性微粒子を樹脂に付着またはめり込ませやすい。
上記（４）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、反応ガス流路の流路表面には、ナノオーダの導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませてあるので、ガス流路表面が滑らかでガス流れ抵抗を低くすることができる。
上記（５）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、冷却水流路の表面には、親水性またははっ水性のある、または、親水性またははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませてあるので、冷媒流れ抵抗を低くすることができる。
上記（６）の燃料電池用セパレータ製造方法によれば、導電性微粒子がカーボン粒子であるので、貴金属に比べて安価で最適な材料で本発明を達成することができる。

以下に、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を、図１〜図７を参照して説明する。
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法が適用される燃料電池は、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。
図５〜図７に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、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。

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。

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。

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６、図７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。

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

図１〜図３に示すように、燃料電池用セパレータ１８は、カーボン粒子（カーボン粉、針状カーボン等）１および樹脂２の複合材料からなる燃料電池用セパレータである。セパレータ１８の表面のうち拡散層１３、１６との接触部分および隣接セルのセパレータとの接触部分には、導電性微粒子１をショットブラストによりカーボンセパレータ表面の樹脂２に付着またはめり込ませてある。導電性微粒子１は望ましくは、カーボン粒子である。導電性微粒子がカーボン粒子である場合は、導電性微粒子はカーボン粒子１と同じであるから、導電性微粒子の符号も１とする。ただし、導電性微粒子はカーボン粒子以外の粒子、たとえば、白金は金等の微粒子であってもよい。以下、導電性微粒子がカーボン粒子である場合を例にとって説明する。

カーボン粒子１が表面にショットブラストされるカーボンセパレータは、成形加工後の、表面が樹脂で覆われたセパレータであり、その樹脂部分にカーボン粒子１をショットブラストしてカーボン粒子１を樹脂部分に付着またはめり込ませる。
あるいは、カーボン粒子１がショットブラストされるカーボンセパレータは、従来のショットブラストなどでセパレータ表面のカーボン粒子が欠落した表面であってもよく、その場合は供試体セパレータのカーボンと同等形状または球形状のカーボンをショットブラストしてカーボン粒子１を樹脂部分に付着またはめり込ませる。
カーボン粒子１の大きさは、数百μｍ〜ｎｍ（ナノ）オーダである。

本発明の方法により製造されたカーボンセパレータの樹脂２は、望ましくは、熱可塑性樹脂である。通常のカーボンセパレータの樹脂は熱硬化性樹脂である。
本発明で樹脂２を熱可塑性樹脂とする理由は、ショット時またはショット前に樹脂および／または成形型を加温することにより樹脂２を軟化させて、カーボン粒子１をショットブラストした時にカーボン粒子１がセパレータ表面の樹脂２に付着またはめり込みやすくするためである。樹脂を加温する場合は、赤外線等で加温することができる。

セパレータ表面に導電性微粒子１を繰り返しショットする場合に、導電性微粒子１のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくする。すなわち、粒子のサイズを順次変えて、複数回、ショットをかける。これによって、１回目は数百μｍオーダのサイズのカーボン粒子をショットして樹脂２に付着またはめり込ませ、最終回はナノオーダのサイズのカーボン粒子をショットしてサイズの小さなカーボン粒子１で表面を埋める。その結果、セパレータの接触面積を大きくすることができ、接触抵抗を下げることができる。

セパレータ１８には反応ガス流路２７、２８が形成されており、該反応ガス流路２７、２８の流路表面（反応ガス流路溝の底面と両側面）には、ナノオーダの導電性微粒子（カーボン粒子）１がショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませてあり、表面が滑らかにしてある。ナノオーダのカーボン粒子１のショットにより、数百μｍオーダのカーボン粒子の欠落はなく、流路溝表面が粗面化されない。その結果、流路溝表面は滑らかで、流路抵抗が下がる。このショットブラストは加工面以外を樹脂フィルム等でマスキングしてショットすることにより、狙いの部位だけを加工することができる。

セパレータ１８には冷却水流路２６が形成されており、冷却水流路２６の表面（冷却水流路溝の底面および両側面）には、はっ水性（撥水性）のあるまたははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子（カーボン粒子）１をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませてある。これは、冷却水流路２６の流路抵抗を下げるためである。また、冷却水流路２６の流路抵抗を下げるためは親水性のある粒子１を付着またはめりこませた方が効果的な場合を、親水性のある粒子１を付着またはめりこませるようにしてもよい。

上記のセパレータ１８は、セパレータ表面の各部（拡散層接触面、隣のセパレータとの接触面、ガス流路、冷却水流路）の互いに異なる要求性能に応じて、ショットブラストにより、各部の要求性能を満足するように、互いに異なる表面処理が施されている。

つぎに、本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法を図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法は、カーボン粒子１および樹脂２の複合材料からなる燃料電池用セパレータ１８の製造方法である。この製造方法には、型で成形されて表面がほとんど樹脂２で覆われた、またはそれに従来のショットブラストが欠けられた表面のカーボン粒子が欠落した、平板セパレータが工程１０１で供給される。

本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法は、平板状セパレータ１８の表面のうち接触抵抗が低いことを要求される部分（セル化した時に拡散層と接触する部分およびスタック化した時に隣のセルのセパレータと接触する部分）に、ショットブラストにより導電性微粒子（カーボン粒子）１を表面の樹脂２に付着またはめり込ませる第１の工程１０２を有する。
導電性微粒子１は、望ましくはカーボン粒子（カーボン粉、針状カーボン等）であるが、場合によっては、白金や金などの導電性粒子であってもよい。以下、導電性微粒子がカーボン粒子である場合を、例にとって説明する。
第１の工程１０２で、セパレータ表面に導電性微粒子（カーボン粒子）１を繰り返しショットし、該繰り返しショットにおいて、導電性微粒子（カーボン粒子）１のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくする。

本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法は、第１の工程１０２の後に、平板状のセパレータの一面にショットブラストにより反応ガス流路２７、２８加工を施すとともにショットブラストにより反応ガス流路２７、２８の表面処理加工を施し、平板状のセパレータの他面にショットブラストにより冷却水流路２６加工を施すとともにショットブラストにより冷却水流路２６の表面処理加工を施す第２の工程１０３、１０４を有する。
反応ガス流路加工工程１０３と冷却水流路加工工程１０４は何れが先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。

樹脂２は熱可塑性樹脂であり、導電性微粒子（カーボン粒子）１をセパレータ表面の樹脂２に付着またはめり込ませる時には樹脂２を加温しておく（成形時の熱がまだ冷めない状態であってもよい）。樹脂２を加温するのはカーボン粒子１が樹脂２に付着またはめり込みやすくするためである。
流路溝加工をショットで行うと共に、流路溝表面のカーボン付着をショットで行う場合は、流路溝加工を樹脂が硬化した状態で行い、カーボン付着を樹脂が軟化した状態で行うことが望ましい。

反応ガス流路加工工程１０３において、反応ガス流路加工と同時にまたは該反応ガス流路加工の後に反応ガス流路表面にナノオーダの導電性微粒子（カーボン粒子）１をショットブラストにより流路表面の樹脂２に付着またはめり込ませる。これは、ガスの流れ抵抗を低くするためである。また、ガス流路２７、２８の表面を生成水が流れやすくするために、はっ水加工、またはポーラス状、または親水性の表面処理を行うショットブラスト粒を付着させてもよい。

冷却水流路加工工程１０４において、冷却水流路２６加工と同時にまたは該冷却水流路２６加工の後に冷却水流路２６表面に親水性またははっ水性のある、または、親水性またははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子（カーボン粒子）１をショットブラストにより流路２６表面の樹脂２に付着またはめり込ませる。これは、冷却水流路２６における水の流れをよくするためである。

つぎに、本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法の作用・効果を、説明する。
まず、ショットブラストで導電性微粒子（カーボン粒子）１をセパレータ１８にショットして、表面樹脂２に導電性微粒子（カーボン粒子）１を付着またはめり込ませるので、ショットブラストでセパレータ中のカーボン粒子が欠落して表面が樹脂リッチとなっていた（ショット粒子が大きく、セパレータ中のカーボン粒子が欠落してしまっていた、また樹脂が固いため、カーボンの付着、めり込みもなかった）従来に比べて、本発明ではセパレータ表面の樹脂リッチが解消され、セパレータ表面はカーボンでほぼ覆われ、接触抵抗をさげることができる。

また、セパレータ１８の樹脂２が熱可塑性樹脂であり、セパレータ表面に導電性微粒子（カーボン粒子）１を付着する時に樹脂２を加温しておくことにより、樹脂２を軟化させることができ、導電性微粒子（カーボン粒子）１を樹脂２表面に付着またはめり込ませやすい。

また、導電性微粒子（カーボン粒子）１を樹脂２表面に付着またはめり込ませる場合にセパレータ表面に導電性微粒子（カーボン粒子）１を繰り返しショットする場合に、導電性微粒子（カーボン粒子）１のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくすることにより、図３に示すように、セパレータの表面の樹脂層２には、数百ミクロンオーダの導電性微粒子とナノオーダの導電性微粒子が密集しており、しかも表面ほどナノオーダの導電性微粒子を密集させることができ、導電性微粒子（カーボン粒子）１の樹脂２から露出している部分の面積が大きくなり、セパレータ１８の拡散層および隣のセルのセパレータとの接触抵抗が、樹脂で覆われていた従来セパレータに比べて、低くなる。

また、反応ガス流路２７、２８の流路表面には、ナノオーダの導電性微粒子（カーボン粒子）１をショットブラストにより流路表面の樹脂２に付着またはめり込ませてあるので、ガス流路表面が滑らかでガス流れ抵抗を低くすることができる。これによって、ガスの供給・排出および循環に必要なポンプ動力が軽減され、燃料電池の燃費を向上させることができる。この場合、はっ水性、または親水性のある導電性微粒子（カーボン粒子）１を付着またはめり込ませることにより、生成水の排出を促進させることも可能である。

また、冷却水流路２６の表面には、親水性またははっ水性のある、または、親水性またははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子（カーボン粒子）１をショットブラストにより流路表面の樹脂２に付着またはめり込ませてあるので、冷媒流れ抵抗を低くすることができる。これによって、冷却水の供給・排出および循環に必要なポンプ動力が軽減され、燃料電池の燃費を向上させることができる。

また、ショットブラストにより、セパレータ１８の各部位で互いに異なる表面処理が施されているので、そして、そのように各部位でショットの仕様を変えることはマスキングと併用することで容易にできるので、各部位の役割に応じて異なるカーボンセパレータの表面の要求仕様をショットブラストを利用して満足させることができる。
また、導電性微粒子１がカーボン粒子である場合、カーボンは貴金属に比べて安価で最適な材料で、本発明を達成することができる。

本発明の方法により製造された燃料電池用セパレータの一部斜視図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 図２のIII 部拡大断面図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法に工程図である。 本発明の方法により製造された燃料電池用セパレータが組み付けられた燃料電池スタックの側面図である。 図５の一部の拡大断面図である。 図５の燃料電池スタックのセルの正面図である。 従来の燃料電池用セパレータの拡大断面図である。 従来の燃料電池用セパレータのショットによりカーボン粒子が欠落した部分の拡大断面図である。

１ 導電性粒子（カーボン粒子）
２ 樹脂（熱可塑性樹脂）
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ 燃料電池用セパレータ（カーボンセパレータ）
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
２８ 酸化ガス流路
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）

Claims (6)

1. カーボン粒子および樹脂の複合材料からなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、平板状セパレータの表面のうち接触抵抗が低いことを要求される部分にショットブラストにより導電性微粒子を表面の樹脂に付着またはめり込ませる第１の工程を有し、
   前記第１の工程で、セパレータ表面に導電性微粒子を繰り返しショットし、該繰り返しショットにおいて、導電性微粒子のサイズを数百ミクロンオーダからナノオーダまで順次細かくする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記第１の工程の後に、平板状のセパレータの一面にショットブラストにより反応ガス流路加工を施すとともにショットブラストにより表面処理加工を施し、平板状のセパレータの他面にショットブラストにより冷却水流路加工を施すとともにショットブラストにより表面処理加工を施す第２の工程を有する請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 樹脂は熱可塑性樹脂であり、導電性微粒子を表面の樹脂に付着またはめり込ませる時には樹脂を加温しておく請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記反応ガス流路加工において、反応ガス流路加工と同時にまたは該反応ガス流路加工の後に反応ガス流路表面にナノオーダの導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませる請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記冷却水流路加工において、前記冷却水流路加工と同時にまたは該冷却水流路加工の後に冷却水流路表面にはっ水性のあるまたははっ水性の表面コーティングを施した導電性微粒子をショットブラストにより流路表面の樹脂に付着またはめり込ませる請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記導電性微粒子がカーボン粒子である請求項１〜５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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