JP7761811B2 - セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、セパレータの製造方法に関する。

複数の単位セルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池が知られている。この種の燃料電池は、例えば自動車用、工業用及び家庭用などの幅広い用途に用いられている。また一般に、燃料電池スタックにおいて、複数の単位セルは、それぞれ燃料ガスのガス流路が形成された金属製のセパレータを備える（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献３には、ガス流路を包囲するビード部を各セパレータが備え、当該ビード部によって燃料ガスの漏れを防止すること、が示されている。特許文献４には、ビード部の頂部に弾性部材を設けることによりガス流路のシール性を確保すること、が示されている。

一方、特許文献５には、単位セル内の腐食雰囲気においてもセパレータが高い導電率を維持するために、セパレータの基材を表面処理することにより、腐食雰囲気に対する耐性を高めるための表面層を基材の表面に設けること、が示されている。

特開２００７－６６８１７号公報 特開２００８－２５１２９６号公報 特開２０２０－１９８２００号公報 特開２０２１－１４３６７６号公報 特開２０２２－８５６６７号公報

しかしながら、表面に表面層が設けられ、かつ、ビード部に弾性部材などのガスケットを備えたセパレータにおいては、表面層及びガスケットの品質の点で改善の余地があった。以上の事情を考慮して、本開示は、表面層及びガスケットの品質を改善することを目的とする。

本開示の１つの態様に係るセパレータの製造方法は、電気エネルギーを発生させるためのガスの流路部と、頂部にガスケットが設けられたビード部とを備えるセパレータの製造方法であって、前記流路部に対応する第１凸部を、プレス成型により平板状の基材に形成する工程と、前記第１凸部が形成された前記基材の表面に表面層を形成する工程と、前記表面層が形成された前記基材において、前記ビード部が設けられる平板状のビード部形成領域に前記ガスケットを設ける工程と、前記ガスケットが設けられた箇所に、前記ビード部に対応する第２凸部を形成する工程と、を備える。

本開示の１つの態様によれば、セパレータにおける表面層及びガスケットの品質を改善できる。

本開示の第１実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成の一例を示す平面図である。 単位セルの厚さ方向に沿って燃料電池スタックを切断した断面の一部を模式的に示す部分断面図である。 第１実施形態に係るセパレータの製造工程の一例を示す概念図である。 第２実施形態に係るセパレータの製造工程の一例を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら本開示に係る好適な形態を説明する。なお、図面において、各部の寸法及び縮尺が実際と適宜に異なる場合があり、理解を容易にするために模式的に示している部分を含む場合がある。また、以下の説明において、本開示を限定する旨の特段の記載がない限り、本開示の範囲は以下の説明に記載された形態に限られない。本開示の範囲は、以下に記載された形態の均等の範囲を含む。

１．第１実施形態
［燃料電池スタック、単位セルの構成］
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略構成の一例を示す平面図である。また、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。具体的には、図２は、単位セル１１の厚さ方向Ｚに沿って燃料電池スタック１０を切断した断面の一部を模式的に示す部分断面図である。

燃料電池スタック１０は、積層固体高分子型の燃料電池が備える要素の１つであり、図２に示すように、複数の単位セル１１を備える。複数の単位セル１１は、それぞれ、燃料ガスの化学的な反応によって電気エネルギーを発生する。本実施形態において、燃料ガスは水素であり、複数の単位セル１１は、それぞれ、水素と、酸化剤ガスの一例である酸素との化学エネルギーを、酸化還元反応によって電気エネルギーに変換する。燃料電池スタック１０において、複数の単位セル１１が互いに電気的に連結されており、各単位セル１１の電気エネルギーが集められることにより燃料電池スタック１０の高出力化が図られている。かかる燃料電池スタック１０を備える燃料電池は、車両用、家庭用及び業務用などの各種の用途に用いられる。

図１に示すように、複数の単位セル１１は、それぞれ平面視矩形の板状であり、図２に示すように、燃料電池スタック１０において、複数の単位セル１１が、それぞれ、厚さ方向Ｚに互いに積み重ねられる。複数の単位セル１１は、それぞれ、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される膜電極接合体１００と、一対のセパレータ２００と、を備える。一対のセパレータ２００は、膜電極接合体１００を厚さ方向Ｚにおいて挟持する。すなわち、一対のセパレータ２００が単位セル１１の表面を形成する。

なお、以下の説明において、単位セル１１の厚さ方向Ｚに直交する平面を規定する２つの方向をＸ方向及びＹ方向と定義する。Ｘ方向及びＹ方向は互いに直交する。すなわち、Ｘ方向、Ｙ方向、及び厚さ方向Ｚは直交三次元座標の座標軸に対応する。

膜電極接合体１００は、図２に示すように、例えば固体高分子膜を含む電解質膜１１０と、アノード電極層１１２と、カソード電極層１１４と、を備える。膜電極接合体１００は、アノード電極層１１２及びカソード電極層１１４が電解質膜１１０を厚さ方向Ｚにおいて挟持する積層構造体である。なお、図示を省略するが、アノード電極層１１２及びカソード電極層１１４は、いずれも、電解質膜１１０の両面中央分に成膜された触媒層と、この触媒層の上に成膜されたガス拡散層とを含む積層構造体である。

一対のセパレータ２００は、それぞれ金属製の板状の部材である。一対のセパレータ２００のうち、膜電極接合体１００のアノード電極層１１２に対面するセパレータ２００は、アノード電極層１１２との間に水素を流す第１流路３０１を形成する。また、膜電極接合体１００のカソード電極層１１４に対面するセパレータ２００は、カソード電極層１１４との間に酸素を流す第２流路３０２を形成する。第１流路３０１を通じてアノード電極層１１２に水素が供給され、かつ、第２流路３０２を通じてカソード電極層１１４に酸素が供給されることにより、膜電極接合体１００が水素の酸化還元反応によって電気エネルギーを発生する。なお、図示を省略するが、一対のセパレータ２００には、冷却媒体を流すための流路も形成される。

また、一対のセパレータ２００には、図１に示すように、表裏に貫通する複数のマニホールド孔１４が設けられる。マニホールド孔１４は、第１流路３０１、第２流路３０２、及び冷却媒体の流路ごとに設けられており、水素、酸素、及び冷却媒体が、それぞれ個別のマニホールド孔１４を通じて、第１流路３０１、第２流路３０２、及び冷却媒体の流路に導入され、他の個別のマニホールド孔１４から排出される。

［セパレータの構成］
本実施形態において、一対のセパレータ２００は、いずれも同一の構成を有する。より具体的には、１つのセパレータ２００は、図２に示すように、第１流路３０１、第２流路３０２、又は冷却媒体の流路に用いられる複数の流路部３１０と、１以上のビード部３２０と、ビード部３２０に設けられたガスケット３３０と、を備える。

複数の流路部３１０は、それぞれ、互いに平行にＸ－Ｙ平面内を延びる断面凹状（Ｃの字状）の溝であり、各溝の開口が膜電極接合体１００のアノード電極層１１２、又はカソード電極層１１４に面する姿勢で、各セパレータ２００が膜電極接合体１００を挟持する。

ビード部３２０は、セパレータ２００の平面視において、全ての流路部３１０を包囲する環状に形成された部位であり、平面視において内側の空間をシールする機能を備える。具体的には、図２に示すように、単位セル１１の厚さ方向Ｚの断面視において、ビード部３２０は、セパレータ２００の面内の他の部位よりも厚さ方向Ｚに大きく突出する凸状を成し、その頂部にガスケット３３０が設けられる。各単位セル１１の積層においては、各単位セル１１のガスケット３３０同士が接し、各ガスケット３３０の接触によりシール性が発揮される。なお、かかるビード部３２０は、マニホールド孔１４のそれぞれの周囲を包囲する位置にも設けられる。

また、セパレータ２００の表面は表面層３５０によって覆われており、この表面層３５０によって腐食雰囲気に対する耐性が高められている。

本実施形態のセパレータ２００は、金属製の板状の２枚の基材４００が接合された接合体である。２枚の基材４００は、それぞれの面内に、流路部３１０に対応する断面凸状の複数の第１凸部４１０と、ビード部３２０に対応する断面凸状の１以上の第２凸部４２０とが設けられている。ここで、基材４００の表面を、第１凸部４１０及び第２凸部４２０が突出する方向に位置する面と定義し、基材４００の裏面を基材４００の表面とは反対の面と定義すると、セパレータ２００は、２枚の基材４００の裏面同士を接合した接合体、換言すれば２枚の基材４００を背中合わせで接合した接合体と言える。この接合体において、隣り合う第１凸部４１０によって形成される溝が流路部３１０に相当する。また、２枚の基材４００の互いの第２凸部４２０が厚さ方向Ｚにおいて上下に揃うことで、厚さ方向Ｚの両方向にする断面視略矩形状のビード部３２０が形成される。各ビード部３２０の頂部にはガスケット３３０が設けられる。このビード部３２０によれば、厚さ方向Ｚの両方向でのシール性が確保される。すなわち、各単位セル１１における膜電極接合体１００とセパレータ２００との間のシール性と、単位セル１１同士のシール性との両方が確保される。

［セパレータの製造方法］
図３は、１つのセパレータ２００の製造工程の一例を示す概念図である。
先ず、基材４００が準備される（ステップＳａ１）。基材４００は、金属を主材とする板材であれば材料は任意である。基材４００を構成する板材の代表的な例には、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、及びチタン鋼板などが挙げられる。また、基材４００となる板材の製作方法は限定されない。なお、基材４００には、上述のマニホールド孔１４が適宜の加工により予め形成される。

次いで、基材４００のうち流路部３１０が設けられる予定の流路部形成領域Ｒ１に、複数の第１凸部４１０が形成される（ステップＳａ２）。複数の第１凸部４１０は、例えば第１プレス成型により形成される。この第１プレス成型は、第１雄型６１１と第１雌型６１２とで基材４００を挟み込み、第１雄型６１１と第１雌型６１２の間に押圧力を加えることで行われる。第１雄型６１１は、第１凸部４１０に対応する凸部を有する。第１雌型６１２は、第１雄型６１１の凸部を受ける凹部を有する。

次に、基材４００の表面に対して表面処理が実行される（ステップＳａ３）。表面処理は、基材４００の表面に表面層３５０を形成する処理である。表面処理の手法は任意であり、例えば、蒸着処理、又は特許文献５に記載された還元処理などを用いることができる。図３には、チャンバー７００内に基材４００を配置し、蒸着によって表面層３５０を成膜する形態が示されている。

本実施形態の製造工程によれば、表面層３５０は、流路部３１０になる第１凸部４１０を形成するための第１プレス成型の後に基材４００に形成される。したがって、第１プレス成型の前に表面層３５０を形成する場合に比べ、第１プレス成型によって表面層３５０に剥離又は損傷（例えばクラック）が発生することがなく、表面層３５０の品質を高く維持できる。この結果、表面層３５０の品質低下に起因して腐食雰囲気に対する耐性が低下することを防止できる。

次いで、ビード部３２０に対応する第２凸部４２０の形成に先立って、基材４００のうちビード部３２０が設けられる予定のビード部形成領域Ｒ２にガスケット３３０が設けられる（ステップＳａ４）。ガスケット３３０の材料としては、シリコン、フッ素、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、のようなゴム材料が用いられる。また、ガスケット３３０の幅Ｗ及び厚みも適宜である。例えば、本実施形態のガスケット３３０の幅Ｗは５ｍｍ以内であり、厚みが２００μｍ以下である。かかるガスケット３３０は、一例としてディスペンサーを用いたゴム材料の塗布によって成膜される。

このステップＳａ４において、ビード部形成領域Ｒ２は平板状のままである。したがって、例えば、第２凸部４２０の頂部のように湾曲又は凹凸を含み得る面にガスケット３３０を設ける場合に比べ、ガスケット３３０を精度良く形成でき、ガスケット３３０の品質を高く維持できる。この結果、ガスケット３３０の品質低下に起因してシール性能が低下することを防止できる。

次に、ビード部形成領域Ｒ２において、ガスケット３３０が設けられた箇所に、第２凸部４２０が形成される（ステップＳａ５）。第２凸部４２０は、例えば第２プレス成型により形成される。この第２プレス成型は、第２雄型６２１と第２雌型６２２とで基材４００を挟み込み、第２雄型６２１と第２雌型６２２の間に押圧力を加えることで行われる。第２雄型６２１は、第２凸部４２０に対応する凸部を有する。第２雌型６２２は、第２雄型６２１の凸部を受ける凹部と、ステップＳａ２において形成された第１凸部４１０を受ける凹部とを有する。

そして、ステップＳａ１からステップＳａ５までの処理が施された２枚の基材４００が接合される（ステップＳａ６）。具体的には、２枚の基材４００の背面同士が接合される。接合の手法は任意であり、例えば溶接などが用いられる。このステップＳａ６により、複数の流路部３１０と、ガスケット３３０付きのビード部３２０を備えた１つのセパレータ２００が得られる。なお、ステップＳａ１からステップＳａ５の工程は「第１工程」の一例であり、ステップＳａ６は「第２工程」の一例である。

このように、本実施形態におけるセパレータ２００の製造工程は、セパレータ２００の基材４００に対して、流路部３１０に対応する第１凸部４１０をプレス成型する工程（ステップＳａ２）と、第１凸部４１０が形成された基材４００の表面に表面層３５０を形成する工程（ステップＳａ３）と、表面層３５０が形成された基材４００において、ビード部３２０が設けられる平板状のビード部形成領域Ｒ２にガスケット３３０を設ける工程（ステップＳａ４）と、ガスケット３３０が設けられた箇所に、ビード部３２０に対応する第２凸部４２０を形成する工程（ステップＳａ５）とを備え、これらの工程がこの順番で行われる。

この製造工程によれば、第１凸部４１０をプレス成型する前に表面層３５０を形成する場合に比べ、第１凸部４１０をプレス成型する際に表面層３５０に剥離又は損傷（例えばクラック）が発生することがなく、腐食雰囲気に対する耐性が低下することを防止できる。

これに加え、本実施形態においては、湾曲や凹凸が少ない平板状のビード部形成領域Ｒ２にガスケット３３０が形成される。この結果、ビード部３２０が形成される箇所にガスケット３３０を精度良く設けることができ、ガスケット３３０の精度不足によるシール性の低下を防止できる。

また、本実施形態におけるセパレータ２００の製造工程は、第１凸部４１０と、頂部にガスケット３３０が設けられた第２凸部４２０とが形成された２枚の基材４００を接合する工程を備える。

この製造工程によれば、厚さ方向Ｚの両方向に突出し、各頂部にガスケット３３０が設けられた断面略矩形状のビード部３２０を有するセパレータ２００が得られる。このセパレータ２００によれば、ビード部３２０によって厚さ方向Ｚの両方向でのシール性が確保される。すなわち、各単位セル１１における膜電極接合体１００とセパレータ２００との間のシール性と、単位セル１１同士のシール性との両方が確保される。

２．第２実施形態
図４は、第１実施形態に係る１つのセパレータ２００の製造工程の一例を示す概念図である。なお、図４において、第１実施形態で説明した要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、第２実施形態においても第１実施形態と同様にステップＳａ１及びステップＳａ２が実行されるが、図４では、ステップＳａ１及びステップＳａ２の図示が便宜的に省略されている。

図４に示されるように、本実施形態の製造工程においては、表面層３５０を形成する工程（ステップＳａ３）の後に、ガスケット３３０を形成する工程（ステップＳａ４）に先立って、ビード部形成領域Ｒ２に第３凸部４３０を第３プレス成型によって形成する工程（ステップＳｂ１）を備える。第３凸部４３０は、頂部が平板状である断面凸状の部分である。具体的には、第３凸部４３０の高さＨは、第１凸部４１０の高さ以上、かつ第２凸部４２０の高さ以下である。なお、図４では、第３凸部４３０の高さＨが第１凸部４１０の高さと略等しい場合を示している。以上に説明したステップＳｂ１の後に、ステップＳａ４においてガスケット３３０の形成が行われる。

ステップＳｂ１における第３プレス成型は、第３雄型６３１と第３雌型６３２とで基材４００を挟み込み、第３雄型６３１と第３雌型６３２の間に押圧力を加えることで行われる。第３雄型６３１は、第３凸部４３０に対応する凸部を有する。第３雌型６３２は、第３雄型６３１の凸部を受ける凹部と、ステップＳａ２において形成された第１凸部４１０を受ける凹部とを有する。

ステップＳｂ１が行われることで、ガスケット３３０が形成される箇所の高さＨが第１凸部４１０の高さ以上になる。ここで、ガスケット３３０の成膜に、第１実施形態で説明したディスペンサーに代えてスクリーン印刷を用いる場合、ガスケット３３０となる材料の塗布が必要な個所に対応する部分が予め開口したスクリーンを、ガスケット３３０が形成される箇所にスキージで押し付け、当該スクリーンを密接させた状態で成膜が行われる。しかしながら、ガスケット３３０よりも第１凸部４１０が高い場合、第１凸部４１０がスクリーンに干渉し、ガスケット３３０が形成される箇所にスクリーンを密接させることができない。これに対して、本実施形態では、ガスケット３３０が形成される箇所の高さＨが第１凸部４１０の高さ以上であるため、第１凸部４１０に邪魔されることなく基材４００に対するスクリーン印刷によってガスケット３３０を成膜することができる。したがって、ガスケット塗布が必要な個所に対応する部分が予め開口したスクリーンを用いて、ガスケット３００となる材料を広範囲に一度に塗布することができる。その結果、ガスケット３３０の成膜に要するタクトタイムの短縮化を図ることができる。

ここで、ビード部形成領域Ｒ２は、厚さ方向Ｚの断面視において、少なくともビード部３２０を十分に内包する幅を有する。また、複数のビード部３２０が並設される場合、ビード部形成領域Ｒ２は、複数のビード部３２０の全てを内包する幅を有する。すなわち、ビード部形成領域Ｒ２の幅は、個々のビード部３２０に比べて十分に広く、第３プレス成型によって形成された第３凸部４３０の頂部の形状が平板状に維持される。

すなわち、本実施形態の製造工程においても、第１実施形態と同様に、平板状のビード部形成領域Ｒ２にガスケット３３０を設けた後に、ビード部３２０に対応する第２凸部４２０が形成される。したがって、ガスケット３３０を精度良く設けることができ、ガスケット３３０の精度不足によるシール性の低下を防止できる。

３．変形例
以上に例示した第１実施形態及び第２実施形態に付加される具体的な変形の形態を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の形態を、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合してもよい。

（１）各実施形態において、２枚の基材４００が接合されたセパレータ２００を例示した。しかしながら、セパレータ２００は、１枚の基材４００によって構成されてもよい。この場合、第１凸部４１０が流路部３１０に相当し、第２凸部４２０がビード部３２０に相当する。

（２）各実施形態において説明した材料、及び製造に用いられる手法は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更可能である。

（３）本願における「第ｎ」（ｎは自然数）という記載は、各要素を表記上において区別するための形式的かつ便宜的な標識（ラベル）としてのみ使用され、如何なる実質的な意味も持たない。したがって、「第ｎ」という表記を根拠として、各要素の位置又は製造の順番等が限定的に解釈される余地はない。

１０…燃料電池スタック、１１…単位セル、１００…膜電極接合体、２００…セパレータ、３１０…流路部、３２０…ビード部、３３０…ガスケット、３５０…表面層、４００…基材、４１０…第１凸部、４２０…第２凸部、４３０…第３凸部、Ｈ…高さ、Ｒ２…ビード部形成領域、Ｚ…厚さ方向。

Claims (4)

1. 電気エネルギーを発生させるためのガスの流路部と、頂部にガスケットが設けられたビード部とを備えるセパレータの製造方法であって、
   前記流路部に対応する第１凸部を、プレス成型により平板状の基材に形成する工程と、
   前記第１凸部が形成された前記基材の表面に表面層を形成する工程と、
   前記表面層が形成された前記基材において、前記ビード部が設けられる平板状のビード部形成領域に前記ガスケットを設ける工程と、
   前記ガスケットが設けられた箇所に、前記ビード部に対応する第２凸部を形成する工程と、
   を備えるセパレータの製造方法。
2. 前記ガスケットを設ける工程は、
   高さが前記第２凸部の高さ以下であり、頂部が平板状である第３凸部を、プレス成型により前記ビード部形成領域に形成する工程と、
   前記第３凸部の平板状の頂部に前記ガスケットを設ける工程と、
   前記ガスケットが設けられた箇所に、前記ビード部に対応する前記第２凸部を形成する工程と、
   を含む、
   請求項１のセパレータの製造方法。
3. 前記ガスケットを設ける工程は、
   高さが前記第１凸部の高さ以上、かつ前記第２凸部の高さ以下であり、頂部が平板状である第３凸部を、プレス成型により前記ビード部形成領域に形成する工程と、
   前記第３凸部の平板状の頂部に前記ガスケットを設ける工程と、
   前記ガスケットが設けられた箇所に、前記ビード部に対応する前記第２凸部を形成する工程と、
   を含む、
   請求項１のセパレータの製造方法。
4. 平板状の２枚の基材の各々に、電気エネルギーを発生させるためのガスの流路部と、頂部にガスケットが設けられたビード部とを形成する第１工程と、
   前記第１工程の実施後における前記２枚の基材を接合する第２工程とを含み、
   前記第１工程は、前記２枚の基材の各々について、
   当該基材に対し、前記流路部に対応する第１凸部をプレス成型する工程と、
   前記第１凸部が形成された前記基材の表面に表面層を形成する工程と、
   前記表面層が形成された前記基材において、前記ビード部が設けられる平板状のビード部形成領域に前記ガスケットを設ける工程と、
   前記ガスケットが設けられた箇所に、前記ビード部に対応する第２凸部を形成する工程とを含む
   セパレータの製造方法。