(57)【要約】【課題】接触抵抗の増大を十分抑制でき、従来よりも金等の貴金属の使用量が少なく安価な燃料電池用金属セパレータを提供すること。【解決手段】固体高分子電解質膜１２０の両側にカソード電極１２２及びアノード電極１２４が設けられた膜電極構造体１２に積層される燃料電池用金属セパレータであって、これらセパレータは、凹凸を有する波板状に成形され、これらセパレータの凸部１４４，１４５，１６４，１６５には、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜１４７が形成され、貴金属薄膜１４７の各ドットは、中心部１４８ａよりも外周部１４８ｂが肉厚で中心部１４８ａに凹部１４８ｃが形成された基部１４８と、凹部１４８ｃに充填され且つ表面１４９ａが平坦な充填部１４９とから構成されることを特徴とする第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６である。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体に積層される燃料電池用金属セパレータであって、
前記燃料電池用金属セパレータは、凹凸を有する波板状に成形され、
前記燃料電池用金属セパレータの凸部には、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜が形成され、
前記貴金属薄膜の各ドットは、中心部よりも外周部が肉厚で前記中心部に凹部が形成された基部と、前記凹部に充填され且つ表面が平坦な充填部とから構成されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体に積層される燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
凹凸を有する波板状に成形された燃料電池用金属セパレータの凸部に、貴金属と有機溶媒を含むインクをドット状のパターンに塗布する第１工程と、
前記第１工程で塗布されたドット状のインク中の前記有機溶媒を揮発させる第２工程と、
前記第２工程で形成された、中心部よりも外周部が肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体の前記中心部近傍に、貴金属を含むインクを塗布する第３工程と、
加熱処理することで、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜を形成する第４工程と、を有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関する。詳しくは、表面に貴金属薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源等として、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に無害な水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。
【０００３】
例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接するガス拡散層と、を備える。また、セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。
【０００４】
上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。
【０００５】
ところで、上記セパレータとしては、ステンレス製等の金属セパレータが通常用いられる。この金属セパレータに対しては、酸化を抑制して膜電極構造体との接触抵抗の増大を抑制する目的で、貴金属めっき処理が施されることが知られている。
【０００６】
金属セパレータの貴金属めっき処理としては、通常、金めっき処理が多く利用される。ところが、金属セパレータ全体に金めっき処理を施すと、金の使用量が膨大となり、製造コストが嵩む。そこで、発電部位である膜電極構造体の電極層と接する燃料電池用金属セパレータの凸部のみを、金めっき処理する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−７７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池用金属セパレータの凸部のみとはいえ、その凸部全体に金めっき処理が施される。そのため、依然として金の使用量は多く、さらなる製造コストの削減が望まれる。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、接触抵抗の増大を十分抑制でき、従来よりも金等の貴金属の使用量が少なく安価な燃料電池用金属セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２）に積層される燃料電池用金属セパレータであって、前記燃料電池用金属セパレータは、凹凸を有する波板状に成形され、前記燃料電池用金属セパレータの凸部（例えば、後述の凸部１４４，１４５，１６４，１６５）には、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜（例えば、後述の貴金属薄膜１４７）が形成され、前記貴金属薄膜の各ドットは、中心部（例えば、後述の中心部１４８ａ）よりも外周部（例えば、後述の外周部１４８ｂ）が肉厚で前記中心部に凹部（例えば、後述の凹部１４８ｃ）が形成された基部（例えば、後述の基部１４８）と、前記凹部に充填され且つ表面（例えば、後述の表面１４９ａ）が平坦な充填部（例えば、後述の充填部１４９）とから構成されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ（例えば、後述の第１セパレータ１４，第２セパレータ１６）を提供する。
【００１１】
本発明では、燃料電池用金属セパレータの凸部に、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜を形成する。即ち、貴金属薄膜を凸部の全体に形成するのではなく、ドット状とすることでその一部に貴金属薄膜を形成するとともに、ドット状の貴金属薄膜の表面を平坦化する。より詳しくは、中心部よりも外周部が肉厚で中心部に凹部が形成された基部と、凹部に充填され且つ表面が平坦な充填部とから貴金属薄膜の各ドットを構成することで、貴金属薄膜の表面を平坦化する。
これにより、従来のようなセパレータ全体やセパレータの凸部全体に金等の貴金属めっき処理を施す場合と比べて、貴金属の使用量を低減でき、製造コストを削減できる。
また本発明では、貴金属薄膜の表面を平坦化するため、金属セパレータの凸部と膜電極構造体との界面における接触抵抗の増大を十分に抑制でき、高い発電性能が得られる。金属セパレータの凸部同士が接触して冷却媒体流路を形成する場合には、その凸部同士が接触する界面における接触抵抗の増大を十分に抑制でき、さらに高い発電性能が得られる。
【００１２】
また、電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２）に積層される燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、凹凸を有する波板状に成形された燃料電池用金属セパレータの凸部（例えば、後述の凸部１４４，１４５，１６４，１６５）に、貴金属と有機溶媒を含むインク（例えば、後述の第１インク）をドット状のパターンに塗布する第１工程（例えば、後述の第１工程）と、前記第１工程で塗布されたドット状のインク中の前記有機溶媒を揮発させる第２工程（例えば、後述の第２工程）と、前記第２工程で形成された、中心部（例えば、後述の中心部１４６ａ）よりも外周部（例えば、後述の外周部１４６ｂ）が肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体（例えば、後述の貴金属薄膜前駆体１４６）の前記中心部近傍（例えば、後述の凹部１４６ｃ）に、貴金属を含むインク（例えば、後述の第２インク）を塗布する第３工程（例えば、後述の第３工程）と、加熱処理することで、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜（例えば、後述の貴金属薄膜１４７）を形成する第４工程（例えば、後述の第４工程）と、を有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供する。
【００１３】
この発明では、先ず、燃料電池用金属セパレータの凸部に、貴金属を含むインクをドット状のパターンに塗布する。次いで、塗布されたドット状のインク中の有機溶媒を揮発させることで、中心部よりも外周部が肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体を形成する。次いで、その中心部近傍に、貴金属を含むインクを塗布した後、加熱処理を実施する。これにより、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜が形成され、上記発明の効果が確実に奏される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、接触抵抗の増大を十分抑制でき、従来よりも金等の貴金属の使用量が少なく安価な燃料電池用金属セパレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。
【図３】上記実施形態に係る燃料電池スタックの縦断面図である。
【図４】上記実施形態に係る金属セパレータの断面図である。
【図５】上記実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜の平面図である。
【図６】上記実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜前駆体の切断端面図である。
【図７】貴金属薄膜の平均厚と接触抵抗との関係を示す図である。
【図８】接触抵抗の測定方法を示す図である。
【図９】上記実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜の切断端面図である。
【図１０】インクジェット印刷法による貴金属薄膜形成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１の構成を示す斜視図である。燃料電池スタック１は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータを備える燃料電池スタックである。図１に示すように、燃料電池スタック１は、電極面を水平にして鉛直方向に積層された複数の発電セル１０を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１の上端及び下端には、それぞれ、ターミナルプレート８２，８２、絶縁プレート８４，８４及びエンドプレート８６，８６が配設される。エンドプレート８６，８６間には、所定の締め付け荷重が付与された状態で、複数の連結バー９０の両端がボルト９２を介して固定されている。これにより、発電セル１０の電極面に対して所定の面圧が付与されることで、接触抵抗の増大が抑制される。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る発電セル１０の分解斜視図である。また、図３は、本実施形態に係る燃料電池スタック１の縦断面図（Ｚ方向断面図）である。
図２及び図３に示すように、発電セル１０は、膜電極構造体１２と、膜電極構造体１２を挟持する一対の燃料電池用金属セパレータとしての第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６と、を備える。
【００１９】
発電セル１０の長手方向（図２中のＹ方向）の一端側には、発電セル１０の厚み方向（図２中のＸ方向）にそれぞれ連通する、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが設けられている。また、発電セル１０のＹ方向の他端側には、発電セル１０のＸ方向にそれぞれ連通する、燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられている。
【００２０】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６）、アルミニウム板等の金属板により構成される。これらのセパレータは、上記の各種金属からなる薄板を、プレス成形により波板状に成形することで製造される。
また、図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４０ａ、１４０ｂには、第１セパレータ１４の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。同様に、第２セパレータ１６の面１６０ａ，１６０ｂには、第２セパレータ１６の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。シール部材としては、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーンゴム、又は、アクリルゴム等のシール材、クッション材、パッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００２１】
膜電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１２０と、固体高分子電解質膜１２０を挟持するカソード電極１２２及びアノード電極１２４を備える。
【００２２】
カソード電極１２２及びアノード電極１２４は、それぞれ、カーボン繊維を含むカーボンペーパからなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層上に塗布することで形成された触媒層と、を備える。これら両電極は、触媒層が固体高分子電解質膜１２０に接するように、ガス拡散層を外側に向けて、固体高分子電解質膜１２０に積層される。
【００２３】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１４の膜電極構造体１２に対向する面１４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する酸化剤ガス流路１４２が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００２４】
第２セパレータ１６の膜電極構造体１２に対向する面１６０ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通する燃料ガス流路１６２が形成される。燃料ガス流路１６２は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００２５】
また、第２セパレータ１６と第１セパレータ１４が重なり合って接し一体となることにより、第１セパレータ１４の面１４０ａとは反対側の面１４０ｂと、第２セパレータ１６の面１６０ａとは反対側の面１６０ｂとで囲繞された冷却媒体流路２４０が形成される。冷却媒体流路２４０は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００２６】
図３に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、頂面が平面状の凸部を複数有する波板状の燃料電池用金属セパレータである。ここで、本発明における燃料電池用金属セパレータの凸部は、発電セル１０の積層方向（Ｘ方向）に突出している部分を意味し、膜電極構造体１２に接触する側の凸部と、隣接する他の金属セパレータの凸部に接触する側の凸部と、で構成される。
なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、いずれも面粗度Ｒａが０．１μｍ〜０．８μｍである。
【００２７】
図４は、本実施形態に係る金属セパレータの断面図である。具体的には、互いに隣接する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６のＺ方向断面図である。
図４に示すように、第１セパレータ１４の凸部は、膜電極構造体１２（より詳しくは、カソード電極１２２のガス拡散層１２２ａ）に接触する側の凸部１４５と、ガス拡散層１２２ａから離間する方向に突出し、後述の隣接する第２セパレータ１６の凸部１６４に接触する側の凸部１４４と、から構成される。これらの凸部１４４，１４５は、Ｚ方向に所定間隔ごとに複数配置される。
また、第２セパレータ１６の凸部は、膜電極構造体１２（より詳しくは、アノード電極１２４のガス拡散層１２４ａ）に接触する側の凸部１６５と、ガス拡散層１２４ａから離間する方向に突出し、隣接する第１セパレータ１４の凸部１４４に接触する側の凸部１６４と、から構成される。これらの凸部１６４，１６５は、Ｚ方向に所定間隔ごとに複数配置される。
【００２８】
第１セパレータ１４と第２セパレータ１６は、基本的には同一の構成からなり、第１セパレータ１４の凸部１４５は第２セパレータ１６の凸部１６５に相当し、第１セパレータ１４の凸部１４４は第２セパレータ１６の凸部１６４に相当する。従って、以下では、第１セパレータ１４の構成について詳しく説明し、第２セパレータ１６の構成の説明については適宜省略する。
【００２９】
第１セパレータ１４は、凸部１４４，１４５にのみ、貴金属薄膜が形成されていることを特徴とする。より詳しくは、凸部１４４，１４５のうち、平坦な頂面からなる頂面部１４４ａ，１４５ａにのみ、貴金属薄膜が形成されている。なお、凸部１４４の頂面部１４４ａに形成された貴金属薄膜と、凸部１４５の頂面部１４５ａに形成された貴金属薄膜とは、同一の構成からなる。
【００３０】
ところで、上述したように、第１セパレータ１４の凹凸はプレス成形により形成されるため、凸部１４５は、頂面部１４５ａと、頂面部１４５ａのＺ方向両端の角部がＲ形状となったＲ部１４５ｂ，１４５ｂと、を含んで構成される。同様に、凸部１４４は、頂面部１４４ａと、頂面部１４４ａのＺ方向両端の角部がＲ形状となったＲ部１４４ｂ，１４４ｂと、を含んで構成される。
ここで、本実施形態に係る貴金属薄膜は、後述するように、中心部よりも外周部が肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体の中心部近傍に、貴金属を含むインクを塗布して充填し、加熱することで形成されるものである。また、充填したインクが流れることで、表面が平坦化されるものである。従って、本実施形態に係る貴金属薄膜は、平坦な頂面からなる頂面部１４５ａ，１４４ａにのみ、形成される。
【００３１】
図５は、本実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜の平面図である。具体的には、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａに形成された貴金属薄膜１４７の平面図である。なお、凸部１４４の頂面部１４４ａにも同様の貴金属薄膜１４７が形成されている。
図５に示すように、貴金属薄膜１４７は、ドット状に形成されており、略真円のドットが格子状のパターンを有して形成されている。即ち、ドット状の貴金属薄膜１４７は、Ｚ方向及びＹ方向において、それぞれ揃って規則的に配列されている。ドット状の貴金属薄膜１４７の間隔や直径は、後述する貴金属薄膜１４７の面積比率を調整するにあたり、適切な値に設定される。
ただし、各ドットの形状は真円に限定されず、例えば歪な円形状の他、多角形状であってもよく、各ドットの形状が異なっていてもよい。また、各ドットの配列も限定されず、Ｚ方向及び／又はＹ方向にそれぞれずれて配列されていてもよい。
なお本実施形態において、ドット形状とは、点状の形状（点状のもの）を意味する。
【００３２】
貴金属薄膜１４７を構成する貴金属としては、例えば、金、銀、ロジウム、白金や、これらを主成分とする合金等を用いることができる。本実施形態では、貴金属として金が好ましく用いられる。
なお、貴金属薄膜１４７は、酸化物を生成し難く、撥水性を有する特性があることから、各金属セパレータの凸部に貴金属薄膜１４７を形成することで、各金属セパレータと膜電極構造体１２との界面における接触抵抗の増大と、各金属セパレータの凸部同士の接触界面における接触抵抗の増大が抑制され、端子電圧の低下が抑制される。
【００３３】
本実施形態の貴金属薄膜１４７は、表面が平坦状に形成されていることを特徴とする。より詳しくは、中心部よりも外周部が肉厚で中心部に凹部が形成された基部と、凹部に充填され且つ表面が平坦な充填部とから貴金属薄膜１４７の各ドットを構成することで、貴金属薄膜１４７は表面が平坦化されていることを特徴とする。
本実施形態の貴金属薄膜１４７は、後述の製造方法に従って製造される。具体的には、先ず、ドット状のパターンにインクを塗布し、インク中の有機溶媒を揮発させることで、中心部よりも外周部が肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体を形成する。次いで、その中心部近傍に再度インクを塗布することで、表面が平坦化された貴金属薄膜１４７が形成される。
【００３４】
ここで、図６は、本実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜前駆体の切断端面図である。具体的には、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａに形成されたドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａを通る切断端面図である。
図６に示すように、ドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６は、中心部１４６ａよりも外周部１４６ｂが肉厚なドット状に形成されている。即ち、中心部１４６ａの膜厚Ｔ１は、外周部１４６ｂの膜厚Ｔ２よりも小さく、これにより、ドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａには、凹部１４６ｃが形成されている。このような形状を有する貴金属薄膜前駆体１４６は、後段で詳述するように、インクをドット状のパターンに塗布し、塗布したインク中の有機溶媒を揮発させることで形成される。
なお、中心部１４６ａの膜厚Ｔ１は１０〜３０ｎｍであり、より好ましくは２０〜３０ｎｍである。外周部１４６ｂの膜厚Ｔ２は３０ｎｍ〜１００ｎｍであり、より好ましくは５０〜１００ｎｍである。
【００３５】
ところで、貴金属薄膜前駆体１４６の膜厚が不十分であると、これを加熱して得られる貴金属薄膜の膜厚が不十分となり、貴金属薄膜を酸素が透過して金属セパレータの表面に酸化皮膜が形成する。特に、貴金属薄膜を形成するに際して、インクを塗布した後の加熱処理において、酸化皮膜の成長が促進される。酸化皮膜が形成されると、接触抵抗が増大し、発電性能が低下するため、酸化皮膜の形成は回避する必要がある。
【００３６】
図７は、貴金属薄膜の平均膜厚と接触抵抗との関係を示す図である。具体的には、図７は、金薄膜の平均膜厚と接触抵抗との関係を示す図であるが、金以外の貴金属についても同様の傾向が認められる。図７において、横軸は、貴金属薄膜の平均膜厚（ｎｍ）を表しており、縦軸は、接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ２）を表している。
ここで、図７に示す接触抵抗の測定方法について説明する。
図８は、接触抵抗の測定方法を示す図である。図８に示すように、接触抵抗測定装置７０は、全面に金めっき処理された一対のターミナルプレート７１，７２と、これら一対のターミナルプレート７１，７２間に所定の大きさの電流を流すための電源７３と、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１５間の電圧を測定する電圧計７４と、を備える。
【００３７】
測定手順は次の通りである。先ず、一対の金属セパレータとしての第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６でカーボンペーパ７５を挟持し、これを、一対のターミナルプレート７１，７２で挟持する。
次いで、図示しないプレス機で、一対のターミナルプレート７１，７２間に所定の面圧を付加する。面圧は、従来の発電状態とする。例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ２とする。
面圧を付加しつつ、一対のターミナルプレート７１，７２間に電流を流し、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６間の電圧降下を電圧計７４で計測する。測定電流密度は１Ａ／ｃｍ２とし、各セパレータの面積はセパレータ投影接触面積で換算して算出する。
以上により、第１セパレータ１４−カーボンペーパ７５−第２セパレータ１６間の接触抵抗が測定される。このようにして測定された接触抵抗が、図７に示す接触抵抗である。
【００３８】
図７に戻って、貴金属薄膜の平均膜厚が３０ｎｍ以下の領域では、貴金属薄膜の平均膜厚が小さいほど、接触抵抗が大きくなることが分かる。これは、貴金属薄膜の平均膜厚が小さ過ぎると、貴金属薄膜により金属セパレータ表面を十分に被覆することができなくなり、貴金属薄膜中に細孔が形成される等して酸素が透過して金属セパレータ表面に達し、酸化皮膜が形成されてしまうためと思われる。
【００３９】
一方、貴金属薄膜の平均膜厚が３０ｎｍを超える領域では、接触抵抗が飽和に達し、それ以上平均膜厚を大きくしても接触抵抗に大きな変化は認められない。これは、貴金属薄膜の平均膜厚が３０ｎｍを超えると、貴金属薄膜により金属セパレータ表面を十分に被覆できる結果、酸素の透過が回避されて酸化皮膜の形成が回避されるためである。
従って、中心部１４６ａの膜厚Ｔ１が１０〜３０ｎｍである図６に示すドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６を、そのまま加熱処理して貴金属薄膜を形成した場合には、酸化皮膜の形成により接触抵抗が増大する。
【００４０】
そこで、本実施形態では、図６に示すドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａ近傍、即ち外周部１４６ｂの頂部１４６ｄよりも内側に形成された凹部１４６ｃに、再度インクを塗布することで、３０ｎｍを超える膜厚を確保すると同時に、表面を平坦化する。これにより、接触抵抗の増大が抑制され、高い発電性能が得られるようになっている。
【００４１】
図９は、本実施形態に係る金属セパレータの凸部に形成された貴金属薄膜１４７の切断端面図である。具体的には、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａに形成された貴金属薄膜１４７の中心部を通る切断端面図である。
図９に示すように、ドット状のパターンを有する貴金属薄膜１４７の各ドットは、中心部１４８ａよりも外周部１４８ｂ，１４８ｂが肉厚で中心部１４８ａに凹部１４８ｃが形成された基部１４８と、凹部１４８ｃに充填され且つ表面１４９ａが平坦な充填部１４９と、から構成される。この貴金属薄膜１４７は、上述のドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａに形成された凹部１４６ｃに、再度インクを塗布することにより形成される。
【００４２】
貴金属薄膜１４７は、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法により製造される。以下、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法の詳細について説明する。
本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、第１〜第４工程を有する。
【００４３】
第１工程では、凹凸を有する波板状に成形された燃料電池用金属セパレータの凸部に、貴金属と有機溶媒を含む第１インクをドット状のパターンに塗布する。このとき、燃料電池用金属セパレータの温度は２５〜７０℃に設定される。即ち、第１工程では、有機溶媒が揮発するだけであり、貴金属微粒子は焼結しない。
【００４４】
第２工程では、第１工程で塗布されたドット状のインク中の有機溶媒を揮発させる。第１工程で塗布された各ドットのインク量は微量であるため、燃料電池用金属セパレータの温度は２５〜７０℃のままでもインク中の有機溶媒は短時間で揮発する。即ち、第２工程では、有機溶媒が揮発するだけであり、貴金属微粒子は焼結しない。本工程により、中心部１４６ａよりも外周部１４６ｂが肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６が形成される。
【００４５】
次いで、第３工程では、第２工程で形成されたドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａ近傍、即ち外周部１４６ｂの頂部１４６ｄよりも内側に形成された凹部１４６ｃに、貴金属を含む第２インクを塗布する。このとき、第１工程と同様に、燃料電池用金属セパレータの温度は２５〜７０℃に設定される。即ち、第３工程では、有機溶媒が揮発するだけであり、貴金属微粒子は焼結しない。
また、後述するように、第２インクの粘度は第１インクの粘度よりも低いことが好ましい。これにより、ドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の凹部１４６ｃ内を第２インクが流れ、表面を平坦化できる。
なお、第２インクの塗布位置は、外周部１４６ｂの頂部１４６ｄよりも内側であればよく、その塗布量は、凹部１４６ｃを満たす程度であればよく、凹部１４６ｃの容積以上であってよい。
【００４６】
第１工程及び第３工程では、好ましくはインクジェット印刷法が採用される。図１０は、インクジェット印刷法による貴金属薄膜形成を示す図である。なお、図１０では、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａに貴金属薄膜１４７を形成するときの様子を示しているが、他の凸部１４４，１６４，１６５においても同様である。
図１０に示すように、インクジェット印刷法で用いられるインクジェット装置５は、インク５０が収容されたインク用容器５２と、インク５０を供給するためのインク供給ライン５４と、インク供給ライン５４により供給されたインク５０を、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａに向けて吐出する図示しない複数の吐出ノズルを備えたインクジェットヘッド５６と、を備える。
このインクジェット装置５では、インク５０を、第１インクと第２インクとで交換することで、第１工程及び第３工程いずれにも適用可能となっている。
【００４７】
インク５０としては、第１インク及び第２インクいずれも、貴金属微粒子を分散剤の作用で有機溶媒中に分散してなるインクが用いられる。分散剤としては、親水基及び疎水基を有する分散剤が用いられ、親水基が貴金属微粒子の表面に配位し、疎水基により溶媒和することで、貴金属微粒子は有機溶媒中に安定的に分散される。
貴金属微粒子としては、例えば、金微粒子、銀微粒子、ロジウム微粒子、白金微粒子等を用いることができ、本実施形態では、貴金属微粒子として金微粒子が好ましく用いられ、その平均粒子径は４〜８ｎｍである。
有機溶媒としては、第１インクでは例えばシクロドデセン等を用いることができ、第２インクでは例えばシクロヘキシルベンゼン等を用いることができる。
【００４８】
第１インクと第２インクとでは、有機溶媒以外は同一のものを用いるのが好ましい。両者は、少なくとも粘度が異なり、第１インクの粘度は例えば１０〜１２ｍＰａ・ｓであることが好ましく、第２インクの粘度は３〜５ｍＰａ・ｓであることが好ましい。各インクの粘度がこの範囲内であることにより、中心部１４６ａよりも外周部１４６ｂが肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６が得られるとともに、貴金属薄膜前駆体１４６の凹部１４６ｃ内を第２インクが流れることで、表面が平坦化された貴金属薄膜１４７がより確実に形成される。
【００４９】
インクジェットヘッド５６が備える吐出ノズルは、隣接する複数の凸部１４５間の間隔と同等の間隔で複数設けられている。複数の吐出ノズルがインクジェットヘッド５６に設けられており、この吐出ノズルを所定の配置とすることで、ドット状の格子パターンを複数の凸部１４５の頂面部１４５ａ上に同時に形成できる。即ち、これらの吐出ノズルの配置を変更することで、凸部１４５の頂面部１４５ａ上に、インク５０によるドット状の所望のパターンを描画することが可能となっている。なお、インクの吐出速度は、例えば６〜１０ｍ／分に設定される。
【００５０】
インクジェット印刷を実行する際には、先ず、インクジェットヘッド５６の幅と描画幅との関係により必要に応じて、図示しないスキャン機構によりインクジェットヘッド５６をスキャンさせながら、図示しない搬送機構により第１セパレータ１４を搬送する。これにより、第１セパレータ１４の凸部１４５の頂面部１４５ａ全体に、第１インクによるドット状の格子パターンが描画される。
【００５１】
このとき、ドット状の第１インクの各ドットの量は微量であるため、ドット状の第１インク中の有機溶媒は短時間で揮発する。これにより、このときすでに、中心部１４６ａよりも外周部１４６ｂが肉厚なドット状の格子パターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６が形成される。
【００５２】
次いで、第２工程により塗布されたインク中の有機溶媒を十分に揮発させた後、第１インクを第２インクに交換し、ドット状の格子パターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６の中心部１４６ａ近傍、即ち外周部１４６ｂの頂部１４６ｄよりも内側に形成された凹部１４６ｃに第２インクが塗布されるように、再び図示しないスキャン機構によりインクジェットヘッド５６をスキャンさせながら、図示しない搬送機構により第１セパレータ１４を搬送する。これにより、貴金属薄膜前駆体１４６の凹部１４６ｃ内を第２インクが流れ、表面が平坦化される。
【００５３】
次いで、第４工程では、加熱処理を実施する。これにより、表面が平坦なドット状の格子パターンを有する貴金属薄膜１４７が形成される。第１工程及び第３工程での各セパレータの温度は２５〜７０℃に設定されるため、少なくとも加熱温度は７０℃を超える温度である必要があり、貴金属微粒子を焼結させる観点から、加熱条件は２５０〜３５０℃で３０分加熱することが好ましい。
【００５４】
この第４工程で加熱されると、インク５０中の分散剤が酸化分解されて除去されるとともに、残る貴金属微粒子同士が焼結して一体化することで、貴金属薄膜１４７が形成される。このとき、ドット状の格子パターンは維持され、ドット状の格子パターンを有する貴金属薄膜１４７が形成される。
【００５５】
このように、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法では、第１工程後の第２工程では貴金属微粒子が焼結するような加熱を行わず、第３工程後に、貴金属微粒子を焼結させる加熱処理を１回だけ実施する。上述したように酸化皮膜の形成は加熱処理により促進されるところ、本実施形態の製造方法では、塗布回数が２回であるにも関わらず、加熱処理の回数が１回に限定されている。即ち、加熱処理の回数が低減されていることで酸化皮膜の形成が抑制され、接触抵抗の増大、ひいては発電性能の低下が抑制されている。
【００５６】
なお、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法では、インクジェット印刷法により貴金属薄膜１４７を形成する前には、従来公知の洗浄処理を実施する。例えば、成形工程後の金属製の薄板に対して、脱脂処理としてアルカリ洗浄を実施した後、プラズマ洗浄やＵＶオゾン洗浄を実施してから貴金属薄膜を形成する。これにより、各金属セパレータとの密着性が良好な貴金属薄膜１４７の形成が可能となる。
【００５７】
本実施形態に係る燃料電池スタック１は、以下のように動作する。
図２に戻って、先ず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第１セパレータ１４との間に形成される酸化剤ガス流路１４２を流通する。これにより、カソード電極１２２に酸化剤ガスが供給される。
【００５８】
またこのとき、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第２セパレータ１６との間に形成される燃料ガス流路１６２を流通する。これにより、アノード電極１２４に燃料ガスが供給される。
【００５９】
またこのとき、図示しない冷却媒体供給装置により、冷却媒体を燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａから流入して、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に形成される冷却媒体流路２４０を流通する。
【００６０】
膜電極構造体１２では、カソード電極１２２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極１２４に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電による発熱で加熱された膜電極構造体１２は、冷却媒体流路２４０を流通する冷却媒体により冷却される。
【００６１】
その後、カソード電極１２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂから排出され、アノード電極１２４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２６ｂから排出される。また、膜電極構造体１２の冷却に利用された冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２４ｂから排出される。
【００６２】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１セパレータ１４の凸部１４４，１４５及び第２セパレータ１６の凸部１６４，１６５に、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜１４７を形成する。即ち、貴金属薄膜１４７を各凸部の全体に形成するのではなく、ドット状とすることでその一部に貴金属薄膜１４７を形成するとともに、ドット状のパターンを有する貴金属薄膜１４７の表面を平坦化する。より詳しくは、中心部１４８ａよりも外周部１４８ｂ，１４８ｂが肉厚で中心部１４８ａに凹部１４８ｃが形成された基部１４８と、凹部１４８ｃに充填され且つ表面１４９ａが平坦な充填部１４９とから貴金属薄膜１４７の各ドットを構成することで、貴金属薄膜１４７の表面を平坦化する。
これにより、従来のようなセパレータ全体やセパレータの凸部全体に金等の貴金属めっき処理を施す場合と比べて、貴金属の使用量を低減でき、製造コストを削減できる。
また本実施形態では、貴金属薄膜１４７の表面を平坦化するため、各金属セパレータの凸部１４５，１６５と膜電極構造体１２との界面における接触抵抗の増大を十分に抑制でき、高い発電性能が得られる。また、各金属セパレータの凸部１４４，１６４同士が接触して冷却媒体流路２４０を形成する場合には、その凸部１４４，１６４同士が接触する界面における接触抵抗の増大を十分に抑制でき、さらに高い発電性能が得られる。
【００６３】
また本実施形態では、上述の第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６の製造方法を提供する。具体的には、先ず、第１セパレータ１４の凸部１４４，１４５（より詳しくは頂面部１４４ａ，１４５ａ）及び第２セパレータ１６の凸部１６４，１６５（より詳しくは頂面部１６４ａ，１６５ａ）に、貴金属を含む第１インクをドット状のパターンに塗布する。次いで、塗布されたドット状の第１インク中の有機溶媒を揮発させることで、中心部１４６ａよりも外周部１４６ｂが肉厚なドット状のパターンを有する貴金属薄膜前駆体１４６が形成される。次いで、その中心部１４６ａ近傍、即ち外周部１４６ｂの頂部１４６ｄよりも内側に形成された凹部１４６ｃに、貴金属を含む第２インクを塗布した後、加熱処理を実施する。これにより、表面が平坦なドット状のパターンを有する貴金属薄膜１４７が形成され、上記効果が確実に奏される。
【００６４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１２…膜電極構造体
１４…第１セパレータ（燃料電池用金属セパレータ）
１６…第２セパレータ（燃料電池用金属セパレータ）
１２０…固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２２…カソード電極（電極）
１２４…アノード電極（電極）
１４４，１４５，１６４，１６５…凸部
１４６…貴金属薄膜前駆体
１４７…貴金属薄膜
１４８…基部
１４８ａ…中心部
１４８ｂ…外周部
１４８ｃ…凹部
１４９…充填部
１４９ａ…表面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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