JP5129987B2

JP5129987B2 - 燃料電池用セパレータ基材

Info

Publication number: JP5129987B2
Application number: JP2007153593A
Authority: JP
Inventors: 直宏竹下; 康之浅井
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP2008305740A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ基材、特に、簡便にマスキングが可能で且つマスキング寸法精度に優れた燃料電池用セパレータ基材に関する。

一般に、基材表面の一部分の表面処理を行う際に、非処理部分をマスキングする方法が用いられている。一方、近年、基材表面における表面処理部分と非処理部分との構造が複雑化し、そのため、マスキング形状も複雑で精巧に作成され、またマスキング作業も煩雑化している。以下に述べる燃料電池の分野においてもマスキング方法が用いられている。

ここで、例えば、固体高分子型燃料電池は、図７に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜５２を燃料極５０と空気極５４との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ４０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高電圧を得るようにしている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）５０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）５４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ₂）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、セパレータ４０の表面に加工された細かい溝を通って燃料極５０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ⁺）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極５０から空気極５４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ⁺）は電解質膜５２を通過して空気極５４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ₂Ｏ）になる。水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「反応水」という）は、カソード側から排出される。

さらに、上述したＭＥＡを挟持する２枚のセパレータ４０は、水素ガスと酸素ガスとを隔てる役割をする仕切り板であるとともに、積み重ねられたセルを電気的に直列に接続する機能も有する。また、２枚のセパレータの表面には細かい凹凸の溝が形成され、この溝は水素含有ガスと酸素含有ガスまたは空気を流通させるガス流通路となっている。

上述したセパレータ４０は、図１に示す燃料電池用のセパレータ基材１０に対して、例えば貴金属メッキなどの表面処理を施して製造される。そのため、燃料電池用セパレータ基材１０上にマスキング用の膜２０を形成したのち、表面処理を行っている。

例えば、特許文献１には、セパレータ基材に金メッキを部分的に施す際に、非メッキ処理部を被覆するマスク材として、樹脂マスク、フォトレジスト、カットシート、粘着テープなどが例示されている。また、特許文献２，３には、加工において被処理部分を被覆するマスク材として接着剤を有するシール材が提案されている。

特開２００５−３２５９４号公報特開２００１−３８６２６号公報特開２００６−１０７８６２号公報

例えば、上述したような燃料電池用セパレータ基材の面内のように、被覆部と非被覆部が複雑な形状で存在する場合、上述した樹脂マスク、フォトレジスト、カットシート、粘着テープを用いて、境界部を寸法精度高くマスキングすることは非常に難しく、煩雑な作業になるとともに、マスク工程の作業時間も長くなるおそれがある。また、複雑な形状のマスク材の型を作製する場合にも、手間がかかるとともに製造コストも嵩むおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、簡便にマスキングが可能で且つマスキング寸法精度に優れた燃料電池用セパレータ基材を提供する。

本発明の燃料電池用セパレータ基材は、以下の特徴を有する。

（１）被覆したマスキング用シール皮膜の少なくとも一部を剥離する切込みを入れるための膜切込用溝が設けられ、前記膜切込用溝は、切込工具の刃形形状に沿った凹溝である燃料電池用セパレータ基材である。

上記膜切込用溝において被覆された膜を膜切込用溝を利用して切断することにより、膜のカットずれを抑制して寸法精度よくマスキングすることができる。また、マスク材の型を不要とすることができる。したがって、上記基材を用いることにより、マスキング作業が簡便で従来に比べ短時間で行うことができるとともに、マスク寸法精度を向上させることができる。

切込工具の刃形形状に沿った凹溝とすることにより、作業性が向上し、膜カット時の寸法精度がより向上する。

特に、燃料電池用セパレータ基材における表面処理部と非表面処理部の形状は複雑であり、境界部分を精度よくマスキングすることが要求されている。ここで、上記マスキング用シール皮膜切込用溝において被覆されたマスキング用シール皮膜を切断することにより、マスキング用シール皮膜のカットずれを抑制して寸法精度よくマスキングすることができる。また、マスク材の型を不要とすることができる。したがって、上記燃料電池用セパレータ基材を用いることにより、マスキング作業が簡便で従来に比べ短時間で行うことができるとともに、マスク寸法精度を向上させることができる。

燃料電池用セパレータ基材において、複雑な形状のマスキングを行う場合であってもマスク寸法を精度よく行うことができる。

本発明によれば、寸法精度よくマスキングすることができ、またマスク材の型を不要とすることができる。

以下、基材として燃料電池用セパレータ基材を例に取り、また基材のマスキング方法および基材の表面処理方法における基材も燃料電池用セパレータ基材を例に取り、以下に図面に基づいて説明する。

通常、図１に示すように、燃料電池用セパレータ基材１０の両端には、それぞれ、連通孔が設けられ、例えば、図１に示す燃料電池用セパレータ基材１０が、カソード側の場合、燃料電池用セパレータ基材１０の一端側には、冷却水を供給する冷却水供給連通孔１２ａ、燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔１４ａおよび酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出連通孔１６ｂが設けられ、一方燃料電池用セパレータ基材１０の他端側には、冷却水が排出される冷却水排出連通孔１２ｂ、燃料ガスが排出される燃料ガス排出連通孔１４ｂおよび酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給連通孔１６ａが設けられている。また、酸化剤ガス供給連通孔１６ａから酸化剤ガス排出連通孔１６ｂに向かってガス流通路２２が複数形成されている。したがって、図１に示すカソード側では、酸化剤ガスが図１において右側から左側に向かって拡散する。

燃料電池用セパレータ基材１０において、例えば貴金属メッキ等の表面処理を行う場合、図１に斜線で示したマスキング領域に膜２０が被膜される。ここで、膜２０としては、例えば、マスキング用シール皮膜を用いる。

さらに、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を図２に示す。図２に示すように、本実施の形態における基材である燃料電池用セパレータ基材１０には、被覆した膜２０の少なくとも一部を剥離可能な膜切込用溝であるマスキング用シール皮膜切込用溝１８が設けられている。そして、マスキング用シール皮膜切込用溝１８間の個所は、表面処理を行わない非処理部であってマスキングされる個所である。一方、マスキング用シール皮膜切込用溝１８から端部に延びる個所は、表面処理を行う表面処理部であり、非マスキング個所である。

本実施の形態における基材のマスキング方法は、図３に示すように、表面にマスキング用シール皮膜切込用溝１８が設けられた燃料電池用セパレータ基材１０上に、例えばマスキング用シール皮膜からなる膜２０を被覆する（Ｓ１００）。次いで、切込工具３０を用いて、マスキング用シール皮膜切込用溝１８に沿って、膜２０に切り込みを入れる（Ｓ１０２）。次に、燃料電池用セパレータ基材１０の表面処理を行わない非処理部上の切断膜片２０ａを残し、一方燃料電池用セパレータ基材１０の被覆不要個所、すなわち表面処理部上の切断膜片２０ｂを剥離する（Ｓ１０４）。

これにより、膜２０のカットずれを抑制して寸法精度よくマスキングすることができる。また、切断ののち、表面処理を行う非被覆部の切断膜片２０ｂを剥離するだけであるため、マスキング作業が簡便で従来に比べ短時間で行うことができる。また、従来のようなマスク材の型も不要とすることができる。

また、本実施の形態における基材の表面処理方法は、上述した図３に示す基材のマスキング方法の剥離工程（Ｓ１０４）ののちに、燃料電池用セパレータ基材１０の表面露出部分に、例えば貴金属メッキや電着塗装、スプレー塗装等の表面処理を行う。

これにより、表面処理領域の形状が複雑であったとしても、寸法精度よく表面処理を行うことができる。

また、燃料電池用セパレータ基材１０におけるマスキング用シール皮膜切込用溝の形状として、図４に示すように、切込工具３２の刃形形状に沿った凹溝２８としてもよい。これにより、切込工具の刃形と凹溝２８との形状がほぼ同一であるため、切り込みのずれを抑制し、作業性が向上するとともに、膜２０のカット寸法精度がより向上する。

また、本実施の形態の燃料電池用セパレータは、上述したマスキング用シール皮膜切込用溝１８、凹溝２８などの膜切込用溝を有する。また、他の実施の形態の燃料電池用セパレータとして、図５に示すように、セパレータが金属素材からなる場合、金属プレス加工により、ガス流通路２２用の溝の形成時に、膜切込用溝としてのプレス溝３８を同時に形成した金属製セパレータ２００を用いることもできる。さらに、他の実施の形態の燃料電池用セパレータがカーボン製である場合、セパレータ型の成型と同時に膜切込用溝を形成してもよく、また、他の実施の形態の燃料電池用セパレータでは、金属製またはカーボン製のセパレータ基材に対して後加工で膜切込用溝が形成されてもよい。さらに、図６に示すように、他の実施の形態の燃料電池用セパレータ２１０は、凸状部の角部が膜切込用溝であり、この凸形状の角部に沿って、切込工具３０を用いて膜２０切断することができる。

本実施の形態の燃料電池用セパレータの製造方法は、例えば図３に示す燃料電池用セパレータ基材１０にマスキング用シール皮膜切込用溝１８を設ける工程と、燃料電池用セパレータ基材１０を膜２０により被覆したのち（Ｓ１００）、マスキング用シール皮膜切込用溝１８に沿って膜２０に切り込みを入れる工程（Ｓ１０２）と、燃料電池用セパレータ基材１０のマスキング不要個所上の膜を部分的に剥離する工程（Ｓ１０４）と、燃料電池用セパレータ基材１０の表面露出部分に表面処理を行う工程と、を有するものである。

これにより、燃料電池用セパレータの複雑な表面処理領域を寸法精度高く表面処理を行うことができるとともに、マスキング作業は精度高く簡便であるため、セパレータ製造工程は、従来に比べ短時間化することができる。なお、上記表面処理としては、例えば貴金属メッキや電着塗装、スプレー塗装等が挙げられる。

本発明の燃料電池用セパレータ基材は、特に燃料電池用のセパレータを用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。

本発明の実施の形態の燃料電池用セパレータ基材の一例を説明する平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す断面図である。本実施の形態の基材のマスキング方法を説明する図である。本実施の形態の燃料電池用セパレータ基材に設けられた膜切込用溝の他の形状の一例を説明する断面図である。他の実施の形態において金属プレス加工によりガス流通路用溝と同時に形成された膜切込用溝を有する燃料電池用セパレータの側面図である。他の実施の形態において凸状の角部を膜切込用溝とする燃料電池用セパレータの一例を説明する図である。燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。

符号の説明

１０燃料電池用セパレータ基材、１８マスキング用シール皮膜切込用溝（膜切込用溝）、２０膜、２０ａ，２０ｂ切断膜片、２８凹溝（膜切込用溝）、３０，３２切込工具、３８プレス溝（膜切込用溝）。

Claims

被覆したマスキング用シール皮膜の少なくとも一部を剥離する切込みを入れるための膜切込用溝が設けられ、
前記膜切込用溝は、切込工具の刃形形状に沿った凹溝であることを特徴とする燃料電池用セパレータ基材。