燃料電池用セパレータの製造方法、および燃料電池用セパレータ
【課題】表面抵抗や接触抵抗が低く、強酸性雰囲気に耐える耐食性を備える燃料電池用セパレータを、安価にかつ精度良く製造する。
【解決手段】ステンレス鋼セパレータ基材５ａの表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、貴金属メッキされた基材５ａの表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、を備える。エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、を備える
【解決手段】ステンレス鋼セパレータ基材５ａの表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、貴金属メッキされた基材５ａの表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、を備える。エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、を備える
【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の製造方法、および燃料電池用セパレータに関し、特に、表面抵抗や接触抵抗の低下と耐食性の向上との両立に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のいわゆる固体分子型燃料電池は、基本単位であるセル（単電池）が複数積層されたスタックを備えている。この燃料電池スタックを構成するセルは、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えている。
【０００３】
燃料電池の、酸化ガス（空気）が通過する陰極は、ＰＨ値が２から３の強い酸性雰囲気に晒される。そのため、セパレータには、電極として表面抵抗や接触抵抗が低いことが求められるとともに、上記のような強酸性雰囲気に耐える耐食性を求められる。
【０００４】
強酸性雰囲気に耐える金属材料として、ステンレス鋼がある。ステンレス鋼は、表面に形成された強固な不動態被膜によって優れた耐食性を備えている。ところが、ステンレス鋼には、表面に形成された不動態被膜により、表面抵抗や接触抵抗が高いという問題がある。
【０００５】
そこで、表面抵抗や接触抵抗を低減する対策として、ステンレス鋼の表面に、耐食性に優れる貴金属メッキまたは金属窒化物のイオンプレーティングを施すことにより、ステンレス鋼の表面の表面抵抗や接触抵抗を低減することが検討されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
【０００６】
また、ステンレス鋼の表面に、カーボン粉末を含ませたロールを擦り付けることによってカーボン文末を分散圧着することにより、ステンレス鋼の表面の表面抵抗や接触抵抗を低減することが検討されている（例えば、下記の特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００１−６８１２９号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ステンレス鋼の表面に貴金属メッキまたは金属窒化物のイオンプレーティングを施す策を採用する場合は、貴金属の使用量が多くなり、材料費を含めた加工コストが高騰する可能性がある。また、カーボン粉末を含ませたロールを擦り付けることによってカーボン文末を分散圧着する策を採用する場合は、ステンレス鋼の形状が平面もしくはそれに準じた形状でなければ、カーボン粉末を圧着させることが困難である。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、表面抵抗や接触抵抗が低く、強酸性雰囲気に耐える耐食性を備える燃料電池用セパレータを、安価にかつ精度良く製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、ステンレス鋼セパレータ基材の表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、を備える。
【００１０】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、を備えていてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法においては、前記カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、超音波を使って撹拌してもよい。
【００１２】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記カーボンブラックは、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックの少なくともいずれかひとつであってもよい。
【００１３】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記樹脂系材料は、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂の少なくともいずれかひとつであってもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、０．１マイクロメートルから５．０マイクロメートルであってもよい。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼セパレータ基材と、前記基材の表面に形成された貴金属メッキ被膜と、貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜と、を備える。
【００１６】
以上の構成によれば、ステンレス鋼セパレータ基材の表面に、貴金属メッキ被膜とカーボン含有被膜とを複合的に形成するので、貴金属メッキ被膜のみを形成する場合と比較して貴金属材料の使用量が少なくなり、加工コストを安価に抑えることができる。
【００１７】
さらに、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するので、例えば燃料ガス，酸化ガス，および冷媒が流通する流路を有することによって複雑な形状を有するセパレータ基材にも、ばらつきなくほぼ均一な厚さのカーボン含有被膜を形成することができる。
【００１８】
また、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で撹拌することにより、それらの粒子が均等に混合されるので、カーボン含有被膜の特性がいずれの塗布領域においても均一化する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、表面抵抗や接触抵抗が低く、強酸性雰囲気に耐える耐食性を備える燃料電池用セパレータを、安価にかつ精度良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法、および燃料電池用セパレータについて説明する。
【００２１】
図１は、燃料電池スタック１の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１には、基本単位であるセル（単電池）２が複数積層されている。セル２は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）３と、ＭＥＡ３を挟む一対のセパレータ４，５とを備え、ＭＥＡ３は、イオン交換膜からなる電解質膜６と、電解質膜６を挟む一対の電極７，８とを備えている。一方の電極７は、燃料ガス（例えば、水素ガス）が通過する陽極、他方の電極８は、酸化ガス（例えば、空気）が通過する陰極である。
【００２２】
セパレータ４，５は、双方とも波形に形成されたステンレス鋼からなる。セパレータ４，５の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ４，５は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＡ３の一方の電極７には、セパレータ４の頂部が面接触し、ＭＥＡ３の他方の電極８には、セパレータ５の頂部が面接触している。
【００２３】
一方の電極７とセパレータ４との間に画成される空間Ｓ１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極８とセパレータ５との間に画成される空間Ｓ２は、酸化ガスが流通する流路である。
【００２４】
さらに、あるセル２と、それに隣接するもうひとつのセル２とは、陽極と陰極とを向き合わせて配置されており、あるセル２の陽極（すなわち一方の電極７）に沿って配置されたセパレータ４の背面側の頂部と、もうひとつのセル２の陰極（すなわち他方の電極８）に沿って配置されたセパレータ５の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル２間で面接触するセパレータ４，５の間に画成される空間Ｓ３には、セル２を冷却する冷媒としての水が流通する。
【００２５】
他方の電極８（陰極）に沿って配置されたセパレータ５の、電極８に直に接する側面には、図２に示すように、表面抵抗や接触抵抗の低下と耐食性の向上とを両立させるための被膜１０が形成されている。
【００２６】
この被膜１０は、セパレータ５を構成するステンレス鋼セパレータ基材５ａ（以下、基材５ａ）の表面に形成された貴金属メッキ（例えば、金メッキ）被膜１０ａと、この貴金属メッキ被膜１０ａ上にエアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜１０ｂとを備えている。なお、採用され得る貴金属の種類は、金に限らず、白金など他の貴金属を採用することができる。
【００２７】
燃料電池の、酸化ガスが通過する電極（陰極）８は、ＰＨ値が２から３の強い酸性雰囲気に晒されるが、電極８に直に接するセパレータ５の側面には、上記の被膜１０が形成されているので、電極として表面抵抗や接触抵抗が低く抑えられるとともに、上記のような強酸性雰囲気に耐える耐食性が付与されている。
【００２８】
次に、セパレータ５の一方の側面に被膜１０を形成する方法について説明する。被膜１０を形成する方法には、セパレータ５を構成するステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成するメッキ工程と、貴金属メッキ被膜１０ａ上にエアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜１０ａを形成するエアロゾルデポジション工程とが含まれる。
【００２９】
さらに、エアロゾルデポジション工程には、カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で超音波を使って撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、貴金属メッキ被膜１０ａ上に吹き付ける吹付工程とが含まれる。なお、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を撹拌する手法としては、超音波撹拌に限らずその他公知の撹拌技術を採用することができる。
【００３０】
カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックには、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックのいずれかひとつ、もしくはそれらのいくつかが混合されて使用される。また、樹脂系材料には、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂のいずれかひとつ、もしくはそれらのいくつかが混合されて使用される。カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、いずれも０．１μｍから５．０μｍであることが好ましい。
【００３１】
次に、上記のエアロゾルデポジション工程を実施するための設備について、図を参照しながら説明する。
【００３２】
図３に示すように、エアロゾルデポジション工程を実施するための設備は、エアロゾル化室２０と、デポジション室３０とを備えている。エアロゾル化室２０には、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを撹拌するための超音波発生器２１が設けられている。また、エアロゾル化室２０には、窒素ガス供給源４０から加圧された窒素ガスの供給を受けるための供給管２２が接続されている。供給管２２には、窒素ガスの供給圧を調節するバルブ２３が設けられている。
【００３３】
エアロゾル化室２０とデポジション室３０との間には、撹拌されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化室２０からデポジション室３０に向けて搬送するための搬送管３１が設けられている。デポジション室３０内の搬送管３１の先端には、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を噴射するノズル３２が設けられている。ノズル３２は、単数（図３）又は複数（図４では２つ）設けられ、各ノズル３２は定位置に固定されている。また、ノズル３２の内径は、例えば０．１ｍｍから５０ｍｍまでの範囲で、変更可能である。
【００３４】
デポジション室３０には、定位置に固定されたノズル３２に対しステンレス鋼の基材５ａをＸ、Ｙ、Ｚの三方向に移動させるＸＹＺステージ３３と、ＸＹＺステージ３３上に設置され、基材５ａを載置される基盤３４とが設けられている。ノズル３２から基材５ａの表面までの距離は、ＸＹＺステージ３３をＹ軸方向に駆動することにより、１００ｍｍから２００ｍｍまでの範囲で変更可能である。
【００３５】
また、デポジション室３０には、デポジション室３０内の窒素ガスを排出するための排出管３５が接続されている。排出管３５は、デポジション室３０内の窒素ガスを吸引するポンプＰに接続されている。また、排出管３５には、窒素ガスの排出量を増減させることによりデポジション室３０内の圧力を調節するバルブ３６が設けられている。
【００３６】
次に、被膜１０を形成する方法について具体的に説明する。
［メッキ工程］ ステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成する。この貴金属メッキ被膜１０ａを形成するには、公知の方法を採用することができる。
【００３７】
［エアロゾル化工程］ 図３に示す設備を使用し、カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化する。まず、エアロゾル化室２０にカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを投入する。続いて、エアロゾル化室２０に窒素ガスを供給し、エアロゾル化室２０内を窒素ガス雰囲気としたうえで、超音波発生器２１を駆動してカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを撹拌する。これにより、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子がエアロゾル化される。
【００３８】
［吹付工程］ 図３に示された設備を使用し、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子Ｒを、貴金属メッキ被膜１０ａ上に吹き付ける。まず、バルブ２３を操作することによってエアロゾル化室２０内の窒素ガスの圧力を調節するとともに、バルブ３６を操作することによってデポジション室３０内の窒素ガスの圧力を調節し、デポジション室３０内の圧力をエアロゾル化室２０内の圧力よりも相対的に小さくする。
【００３９】
そして、エアロゾル化室２０とデポジション室３０との間の圧力差を利用して、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化室２０からデポジション室３０に搬送する。上記の操作によって実現されるデポジション室３０内の圧力は、１３３．３２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）から１３３３２Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）までの範囲で制御可能である。
【００４０】
搬送管３１を通じてエアロゾル化室２０からデポジション室３０に搬送されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子Ｒをノズル３２から噴射し、ＸＹＺステージ３３上に載置された基材５ａの表面に吹き付ける。ノズル３２から噴射される粒子Ｒの速度は、ノズル３２の内径、およびエアロゾル化室２０とデポジション室３０との間の圧力差により、１ｍ／秒から３４０ｍ／秒（音速）までの範囲で制御可能である。
【００４１】
その際、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子が基材５ａの表面に偏りなく密着するように、基材５ａのノズル３２に対する相対位置をＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向に移動させる。ノズル３２とＸＹＺステージ３３上に載置された基材５ａとの相対的な位置関係を図４に示す。
【００４２】
図４に示すように、２つのノズル３２は、同一のＹＺ平面に沿うように配置されている。さらに、これら２つのノズル３２は、粒子の噴射方向がＺ軸に対して３０゜の角度をなし、かつ双方の粒子Ｒの噴射方向の延長線Ｌ１，Ｌ２が基材５ａの谷部中央の鉛直上方で交わるように配置されている。
【００４３】
そして、一方のノズル３２については、粒子Ｒの吹き付けられる領域が、基材５ａの谷部の片側半分およびそれに隣接する一方の頂部全体となるように、いくつか用意された中から適切な内径のノズル３２が選択される。他方のノズル３２についても同様に、粒子Ｒの吹き付けられる領域が、基材５ａの谷部の残りの片側半分およびそれに隣接する他方の頂部全体となるように、いくつか用意された中から適切な内径のノズル３２が選択される。
【００４４】
まず、ＸＹＺステージ３３を駆動してＺ軸方向の位置（すなわち、各ノズル３２と基材５ａとの間の距離）を決定する。それから、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを２つのノズル３２から噴射し、それと同時にＸＹＺステージ３３を駆動して基材５ａをＸ軸方向に移動させることにより、基材５ａ表面の谷部およびその両側の頂部に、谷部に沿って粒子Ｒを吹き付けていく。
【００４５】
基材５ａ表面のひとつの谷部に沿って吹き付けが完了したら、ＸＹＺステージを駆動して基材５ａをＹ軸方向に移動させる。それから、今度はＸＹＺステージ３３を逆に駆動して基材５ａを−Ｘ軸方向に移動させることにより、上記と同様に基材５ａの谷部に沿って粒子Ｒを吹き付けていく。
【００４６】
以降は上記の工程を繰り返すことにより、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒが、基材５ａの表面に偏りなくほぼ一定の厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成するように塗布される。
【００４７】
図３に示された設備を用い、上記の工程に従って被膜１０を形成することにより、以下の効果が得られる。すなわち、ステンレス鋼の基材５ａの表面に、貴金属メッキ被膜１０ａとカーボン含有被膜１０ｂとを複合的に形成することにより、高価な貴金属材料の使用量が少ないので、従来と比較して加工コストを安価に抑えることができる。さらに、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜１０ｂを形成することにより、基材５ａが複雑な形状をしていても、偏りなくほぼ均一な厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成することができる。
【００４８】
しかも、エアロゾルデポジション法によれば、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子の大きさが均一化されて噴射されることにより、カーボン含有被膜１０ｂの表面粗さが小さく抑えられ、表面抵抗や接触抵抗が大きく低減するので、燃料電池の発電効率が向上する。また、塗装等の手法によってでは塗膜が薄くなり易い凸部（基材５ａの頂部の角）や、塗膜が厚くなり易い凹部（基材５ａの谷部の隅）にも、適切な厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成することができる。
【００４９】
カーボン含有被膜１０ｂの厚さが均一化することにより、表面抵抗や接触抵抗の低減だけでなく、燃料電池スタック１の各ガス流路の断面積がどの流路でもほぼ同じになるので、燃料ガスや酸化ガスの圧力損失が低減するとともに、ガスの流量がどの流路でもほぼ同じになる。その結果、燃料電池の発電効率が向上する。
【００５０】
また、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で撹拌することにより、それらの粒子が均等に混合されるので、カーボン含有被膜１０ｂの特性がいずれの塗布領域においても均一化する。
【実施例１】
【００５１】
ステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成し、その表面に上記の設備を使用してカーボン含有被膜１０ｂを形成した。
【００５２】
カーボン含有被膜１０ｂを構成する樹脂系材料には、フッ素系樹脂を採用した。カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子径は、０．１μｍから５．０μｍまでの大きさとした。ノズル３２の内径は１ｍｍとし、デポジション室３０の圧力は、１０Ｔｏｒｒとした。ノズル３２から噴射される粒子の速度は、３００ｍ／秒とした。ノズル３２と基材５ａとの間の距離は１０ｍｍとした。
【００５３】
上記のようにして得られた被膜１０においては、例えば、表面の粗さが３μｍ以下に抑えられ、凹凸が非常に小さくなった。また、基材５ａ表面の谷部の隅の膜厚が、４０μｍを上限値としてそれ以下の厚さを確保され、基材５ａ表面の頂部の角の膜厚が、１０μｍを下限値としてそれ以上の厚さを確保された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るセパレータを備える燃料電池スタックの要部断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セパレータの拡大断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法のうち、エアロゾルデポジション工程を実施するために必要な設備を示す概略構成図である。
【図４】ノズルとＸＹＺステージ上に載置されたセパレータ基材との相対的な位置関係を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池スタック、２…セル、３…ＭＥＡ、４，５…セパレータ、５ａ…基材（ステンレス鋼セパレータ基材）、１０…被膜、１０ａ…貴金属メッキ被膜、１０ｂ…カーボン含有被膜、２０…エアロゾル化室、２１…超音波発生器、３０…デポジション室、３２…ノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法、および燃料電池用セパレータに関し、特に、表面抵抗や接触抵抗の低下と耐食性の向上との両立に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のいわゆる固体分子型燃料電池は、基本単位であるセル（単電池）が複数積層されたスタックを備えている。この燃料電池スタックを構成するセルは、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えている。
【０００３】
燃料電池の、酸化ガス（空気）が通過する陰極は、ＰＨ値が２から３の強い酸性雰囲気に晒される。そのため、セパレータには、電極として表面抵抗や接触抵抗が低いことが求められるとともに、上記のような強酸性雰囲気に耐える耐食性を求められる。
【０００４】
強酸性雰囲気に耐える金属材料として、ステンレス鋼がある。ステンレス鋼は、表面に形成された強固な不動態被膜によって優れた耐食性を備えている。ところが、ステンレス鋼には、表面に形成された不動態被膜により、表面抵抗や接触抵抗が高いという問題がある。
【０００５】
そこで、表面抵抗や接触抵抗を低減する対策として、ステンレス鋼の表面に、耐食性に優れる貴金属メッキまたは金属窒化物のイオンプレーティングを施すことにより、ステンレス鋼の表面の表面抵抗や接触抵抗を低減することが検討されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
【０００６】
また、ステンレス鋼の表面に、カーボン粉末を含ませたロールを擦り付けることによってカーボン文末を分散圧着することにより、ステンレス鋼の表面の表面抵抗や接触抵抗を低減することが検討されている（例えば、下記の特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００１−６８１２９号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ステンレス鋼の表面に貴金属メッキまたは金属窒化物のイオンプレーティングを施す策を採用する場合は、貴金属の使用量が多くなり、材料費を含めた加工コストが高騰する可能性がある。また、カーボン粉末を含ませたロールを擦り付けることによってカーボン文末を分散圧着する策を採用する場合は、ステンレス鋼の形状が平面もしくはそれに準じた形状でなければ、カーボン粉末を圧着させることが困難である。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、表面抵抗や接触抵抗が低く、強酸性雰囲気に耐える耐食性を備える燃料電池用セパレータを、安価にかつ精度良く製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、ステンレス鋼セパレータ基材の表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、を備える。
【００１０】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、を備えていてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法においては、前記カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、超音波を使って撹拌してもよい。
【００１２】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記カーボンブラックは、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックの少なくともいずれかひとつであってもよい。
【００１３】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記樹脂系材料は、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂の少なくともいずれかひとつであってもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、０．１マイクロメートルから５．０マイクロメートルであってもよい。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータは、ステンレス鋼セパレータ基材と、前記基材の表面に形成された貴金属メッキ被膜と、貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜と、を備える。
【００１６】
以上の構成によれば、ステンレス鋼セパレータ基材の表面に、貴金属メッキ被膜とカーボン含有被膜とを複合的に形成するので、貴金属メッキ被膜のみを形成する場合と比較して貴金属材料の使用量が少なくなり、加工コストを安価に抑えることができる。
【００１７】
さらに、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するので、例えば燃料ガス，酸化ガス，および冷媒が流通する流路を有することによって複雑な形状を有するセパレータ基材にも、ばらつきなくほぼ均一な厚さのカーボン含有被膜を形成することができる。
【００１８】
また、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で撹拌することにより、それらの粒子が均等に混合されるので、カーボン含有被膜の特性がいずれの塗布領域においても均一化する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、表面抵抗や接触抵抗が低く、強酸性雰囲気に耐える耐食性を備える燃料電池用セパレータを、安価にかつ精度良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法、および燃料電池用セパレータについて説明する。
【００２１】
図１は、燃料電池スタック１の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１には、基本単位であるセル（単電池）２が複数積層されている。セル２は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）３と、ＭＥＡ３を挟む一対のセパレータ４，５とを備え、ＭＥＡ３は、イオン交換膜からなる電解質膜６と、電解質膜６を挟む一対の電極７，８とを備えている。一方の電極７は、燃料ガス（例えば、水素ガス）が通過する陽極、他方の電極８は、酸化ガス（例えば、空気）が通過する陰極である。
【００２２】
セパレータ４，５は、双方とも波形に形成されたステンレス鋼からなる。セパレータ４，５の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ４，５は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＡ３の一方の電極７には、セパレータ４の頂部が面接触し、ＭＥＡ３の他方の電極８には、セパレータ５の頂部が面接触している。
【００２３】
一方の電極７とセパレータ４との間に画成される空間Ｓ１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極８とセパレータ５との間に画成される空間Ｓ２は、酸化ガスが流通する流路である。
【００２４】
さらに、あるセル２と、それに隣接するもうひとつのセル２とは、陽極と陰極とを向き合わせて配置されており、あるセル２の陽極（すなわち一方の電極７）に沿って配置されたセパレータ４の背面側の頂部と、もうひとつのセル２の陰極（すなわち他方の電極８）に沿って配置されたセパレータ５の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル２間で面接触するセパレータ４，５の間に画成される空間Ｓ３には、セル２を冷却する冷媒としての水が流通する。
【００２５】
他方の電極８（陰極）に沿って配置されたセパレータ５の、電極８に直に接する側面には、図２に示すように、表面抵抗や接触抵抗の低下と耐食性の向上とを両立させるための被膜１０が形成されている。
【００２６】
この被膜１０は、セパレータ５を構成するステンレス鋼セパレータ基材５ａ（以下、基材５ａ）の表面に形成された貴金属メッキ（例えば、金メッキ）被膜１０ａと、この貴金属メッキ被膜１０ａ上にエアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜１０ｂとを備えている。なお、採用され得る貴金属の種類は、金に限らず、白金など他の貴金属を採用することができる。
【００２７】
燃料電池の、酸化ガスが通過する電極（陰極）８は、ＰＨ値が２から３の強い酸性雰囲気に晒されるが、電極８に直に接するセパレータ５の側面には、上記の被膜１０が形成されているので、電極として表面抵抗や接触抵抗が低く抑えられるとともに、上記のような強酸性雰囲気に耐える耐食性が付与されている。
【００２８】
次に、セパレータ５の一方の側面に被膜１０を形成する方法について説明する。被膜１０を形成する方法には、セパレータ５を構成するステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成するメッキ工程と、貴金属メッキ被膜１０ａ上にエアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜１０ａを形成するエアロゾルデポジション工程とが含まれる。
【００２９】
さらに、エアロゾルデポジション工程には、カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で超音波を使って撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、貴金属メッキ被膜１０ａ上に吹き付ける吹付工程とが含まれる。なお、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を撹拌する手法としては、超音波撹拌に限らずその他公知の撹拌技術を採用することができる。
【００３０】
カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックには、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックのいずれかひとつ、もしくはそれらのいくつかが混合されて使用される。また、樹脂系材料には、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂のいずれかひとつ、もしくはそれらのいくつかが混合されて使用される。カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、いずれも０．１μｍから５．０μｍであることが好ましい。
【００３１】
次に、上記のエアロゾルデポジション工程を実施するための設備について、図を参照しながら説明する。
【００３２】
図３に示すように、エアロゾルデポジション工程を実施するための設備は、エアロゾル化室２０と、デポジション室３０とを備えている。エアロゾル化室２０には、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを撹拌するための超音波発生器２１が設けられている。また、エアロゾル化室２０には、窒素ガス供給源４０から加圧された窒素ガスの供給を受けるための供給管２２が接続されている。供給管２２には、窒素ガスの供給圧を調節するバルブ２３が設けられている。
【００３３】
エアロゾル化室２０とデポジション室３０との間には、撹拌されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化室２０からデポジション室３０に向けて搬送するための搬送管３１が設けられている。デポジション室３０内の搬送管３１の先端には、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を噴射するノズル３２が設けられている。ノズル３２は、単数（図３）又は複数（図４では２つ）設けられ、各ノズル３２は定位置に固定されている。また、ノズル３２の内径は、例えば０．１ｍｍから５０ｍｍまでの範囲で、変更可能である。
【００３４】
デポジション室３０には、定位置に固定されたノズル３２に対しステンレス鋼の基材５ａをＸ、Ｙ、Ｚの三方向に移動させるＸＹＺステージ３３と、ＸＹＺステージ３３上に設置され、基材５ａを載置される基盤３４とが設けられている。ノズル３２から基材５ａの表面までの距離は、ＸＹＺステージ３３をＹ軸方向に駆動することにより、１００ｍｍから２００ｍｍまでの範囲で変更可能である。
【００３５】
また、デポジション室３０には、デポジション室３０内の窒素ガスを排出するための排出管３５が接続されている。排出管３５は、デポジション室３０内の窒素ガスを吸引するポンプＰに接続されている。また、排出管３５には、窒素ガスの排出量を増減させることによりデポジション室３０内の圧力を調節するバルブ３６が設けられている。
【００３６】
次に、被膜１０を形成する方法について具体的に説明する。
［メッキ工程］ ステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成する。この貴金属メッキ被膜１０ａを形成するには、公知の方法を採用することができる。
【００３７】
［エアロゾル化工程］ 図３に示す設備を使用し、カーボン含有被膜１０ｂを構成するカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化する。まず、エアロゾル化室２０にカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを投入する。続いて、エアロゾル化室２０に窒素ガスを供給し、エアロゾル化室２０内を窒素ガス雰囲気としたうえで、超音波発生器２１を駆動してカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを撹拌する。これにより、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子がエアロゾル化される。
【００３８】
［吹付工程］ 図３に示された設備を使用し、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子Ｒを、貴金属メッキ被膜１０ａ上に吹き付ける。まず、バルブ２３を操作することによってエアロゾル化室２０内の窒素ガスの圧力を調節するとともに、バルブ３６を操作することによってデポジション室３０内の窒素ガスの圧力を調節し、デポジション室３０内の圧力をエアロゾル化室２０内の圧力よりも相対的に小さくする。
【００３９】
そして、エアロゾル化室２０とデポジション室３０との間の圧力差を利用して、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒをエアロゾル化室２０からデポジション室３０に搬送する。上記の操作によって実現されるデポジション室３０内の圧力は、１３３．３２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）から１３３３２Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）までの範囲で制御可能である。
【００４０】
搬送管３１を通じてエアロゾル化室２０からデポジション室３０に搬送されたカーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子Ｒをノズル３２から噴射し、ＸＹＺステージ３３上に載置された基材５ａの表面に吹き付ける。ノズル３２から噴射される粒子Ｒの速度は、ノズル３２の内径、およびエアロゾル化室２０とデポジション室３０との間の圧力差により、１ｍ／秒から３４０ｍ／秒（音速）までの範囲で制御可能である。
【００４１】
その際、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子が基材５ａの表面に偏りなく密着するように、基材５ａのノズル３２に対する相対位置をＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向に移動させる。ノズル３２とＸＹＺステージ３３上に載置された基材５ａとの相対的な位置関係を図４に示す。
【００４２】
図４に示すように、２つのノズル３２は、同一のＹＺ平面に沿うように配置されている。さらに、これら２つのノズル３２は、粒子の噴射方向がＺ軸に対して３０゜の角度をなし、かつ双方の粒子Ｒの噴射方向の延長線Ｌ１，Ｌ２が基材５ａの谷部中央の鉛直上方で交わるように配置されている。
【００４３】
そして、一方のノズル３２については、粒子Ｒの吹き付けられる領域が、基材５ａの谷部の片側半分およびそれに隣接する一方の頂部全体となるように、いくつか用意された中から適切な内径のノズル３２が選択される。他方のノズル３２についても同様に、粒子Ｒの吹き付けられる領域が、基材５ａの谷部の残りの片側半分およびそれに隣接する他方の頂部全体となるように、いくつか用意された中から適切な内径のノズル３２が選択される。
【００４４】
まず、ＸＹＺステージ３３を駆動してＺ軸方向の位置（すなわち、各ノズル３２と基材５ａとの間の距離）を決定する。それから、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒを２つのノズル３２から噴射し、それと同時にＸＹＺステージ３３を駆動して基材５ａをＸ軸方向に移動させることにより、基材５ａ表面の谷部およびその両側の頂部に、谷部に沿って粒子Ｒを吹き付けていく。
【００４５】
基材５ａ表面のひとつの谷部に沿って吹き付けが完了したら、ＸＹＺステージを駆動して基材５ａをＹ軸方向に移動させる。それから、今度はＸＹＺステージ３３を逆に駆動して基材５ａを−Ｘ軸方向に移動させることにより、上記と同様に基材５ａの谷部に沿って粒子Ｒを吹き付けていく。
【００４６】
以降は上記の工程を繰り返すことにより、エアロゾル化されたカーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子Ｒが、基材５ａの表面に偏りなくほぼ一定の厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成するように塗布される。
【００４７】
図３に示された設備を用い、上記の工程に従って被膜１０を形成することにより、以下の効果が得られる。すなわち、ステンレス鋼の基材５ａの表面に、貴金属メッキ被膜１０ａとカーボン含有被膜１０ｂとを複合的に形成することにより、高価な貴金属材料の使用量が少ないので、従来と比較して加工コストを安価に抑えることができる。さらに、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜１０ｂを形成することにより、基材５ａが複雑な形状をしていても、偏りなくほぼ均一な厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成することができる。
【００４８】
しかも、エアロゾルデポジション法によれば、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子の大きさが均一化されて噴射されることにより、カーボン含有被膜１０ｂの表面粗さが小さく抑えられ、表面抵抗や接触抵抗が大きく低減するので、燃料電池の発電効率が向上する。また、塗装等の手法によってでは塗膜が薄くなり易い凸部（基材５ａの頂部の角）や、塗膜が厚くなり易い凹部（基材５ａの谷部の隅）にも、適切な厚さのカーボン含有被膜１０ｂを形成することができる。
【００４９】
カーボン含有被膜１０ｂの厚さが均一化することにより、表面抵抗や接触抵抗の低減だけでなく、燃料電池スタック１の各ガス流路の断面積がどの流路でもほぼ同じになるので、燃料ガスや酸化ガスの圧力損失が低減するとともに、ガスの流量がどの流路でもほぼ同じになる。その結果、燃料電池の発電効率が向上する。
【００５０】
また、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を窒素雰囲気中で撹拌することにより、それらの粒子が均等に混合されるので、カーボン含有被膜１０ｂの特性がいずれの塗布領域においても均一化する。
【実施例１】
【００５１】
ステンレス鋼の基材５ａの表面に貴金属メッキ被膜１０ａを形成し、その表面に上記の設備を使用してカーボン含有被膜１０ｂを形成した。
【００５２】
カーボン含有被膜１０ｂを構成する樹脂系材料には、フッ素系樹脂を採用した。カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子径は、０．１μｍから５．０μｍまでの大きさとした。ノズル３２の内径は１ｍｍとし、デポジション室３０の圧力は、１０Ｔｏｒｒとした。ノズル３２から噴射される粒子の速度は、３００ｍ／秒とした。ノズル３２と基材５ａとの間の距離は１０ｍｍとした。
【００５３】
上記のようにして得られた被膜１０においては、例えば、表面の粗さが３μｍ以下に抑えられ、凹凸が非常に小さくなった。また、基材５ａ表面の谷部の隅の膜厚が、４０μｍを上限値としてそれ以下の厚さを確保され、基材５ａ表面の頂部の角の膜厚が、１０μｍを下限値としてそれ以上の厚さを確保された。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るセパレータを備える燃料電池スタックの要部断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セパレータの拡大断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法のうち、エアロゾルデポジション工程を実施するために必要な設備を示す概略構成図である。
【図４】ノズルとＸＹＺステージ上に載置されたセパレータ基材との相対的な位置関係を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池スタック、２…セル、３…ＭＥＡ、４，５…セパレータ、５ａ…基材（ステンレス鋼セパレータ基材）、１０…被膜、１０ａ…貴金属メッキ被膜、１０ｂ…カーボン含有被膜、２０…エアロゾル化室、２１…超音波発生器、３０…デポジション室、３２…ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼セパレータ基材の表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、
貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、
を備える燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、
エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、
を備える請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、超音波を使って撹拌する請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記カーボンブラックは、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックの少なくともいずれかひとつである請求項２または３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記樹脂系材料は、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂の少なくともいずれかひとつである請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、０．１マイクロメートルから５．０マイクロメートルである請求項２から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
ステンレス鋼セパレータ基材と、
前記基材の表面に形成された貴金属メッキ被膜と、
貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜と、
を備える燃料電池用セパレータ。
【請求項１】
ステンレス鋼セパレータ基材の表面に貴金属メッキを施すメッキ工程と、
貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いてカーボン含有被膜を形成するエアロゾルデポジション工程と、
を備える燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記エアロゾルデポジション工程は、カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、窒素雰囲気中で撹拌することによってエアロゾル化するエアロゾル化工程と、
エアロゾル化された前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子を、前記貴金属メッキされたステンレス鋼の表面に吹き付ける吹付工程と、
を備える請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記カーボンブラックおよび樹脂系材料の粒子を、超音波を使って撹拌する請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記カーボンブラックは、チャンネルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックの少なくともいずれかひとつである請求項２または３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記樹脂系材料は、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂の少なくともいずれかひとつである請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記カーボンブラックおよび樹脂製材料の粒子の直径は、０．１マイクロメートルから５．０マイクロメートルである請求項２から５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
ステンレス鋼セパレータ基材と、
前記基材の表面に形成された貴金属メッキ被膜と、
貴金属メッキされた前記基材の表面に、エアロゾルデポジション法を用いて形成されたカーボン含有被膜と、
を備える燃料電池用セパレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３１１１３７（Ｐ２００７−３１１１３７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３８１３０（Ｐ２００６−１３８１３０）
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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