(57)【要約】【課題】導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等の各種要求特性を満たす燃料電池用セパレータ、およびセパレータを容易かつ安価に製造する方法を提供する。【解決手段】凹状溝２５Ｃ、２５Ｄを備える凸型母型２５Ａ、２５Ｂから第１および第２の凹版２７、２８を型取りする工程と、型取りされた第１および第２の凹版２７、２８に導電性フィラーと液状樹脂を含有する導電性樹脂インクを充填する工程と、導電性樹脂インクが充填された第１および第２の凹版２７、２８を基板上に転写し、導電性樹脂インクを硬化する工程と、基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂材から前記樹脂凹版を剥離する工程とを含んでおり、セパレータの凸部の頂部幅が基部幅よりも太いことを特徴とする燃料電池セパレータおよびその製造方法とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の少なくとも一方の面に複数の凹状溝を有する導電性樹脂材からなる燃料電池用セパレータにおいて、隣り合う２つの前記凹状溝の間に形成されてガス拡散層と接する凸部の頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細い（ｗ１＞ｗ２）ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記導電性樹脂材は、カーボン繊維または導電性粉体あるいはその混合物による導電性フィラーを含有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記導電性フィラーの粉体抵抗は、０．０１５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記基板が、前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、前記金属群への耐食めっき処理品もしくはクラッド材、カーボン、グラファイトからなる群から選択される材料を少なくとも１つ以上用いて形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記凹状溝の深さが、５０ｕｍ以上７００ｕｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
基板の少なくとも一方の面に複数の凹状溝を有し、隣り合う２つの前記凹状溝の間に凸部が形成され、該凸部が、ガス拡散層と接する前記凸部の頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細い（ｗ１＞ｗ２）逆テーパー形状に形成された、導電性樹脂材からなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂材から前記樹脂凹版を剥離する工程とを含むことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記樹脂凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用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、燃料電池用のセパレータおよびその製造方法に関するものであり、特に導電性基板を有する燃料電池用のセパレータおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式である。
燃料電池は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、また地球温暖化の原因となるＣＯ２  の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。
その適用例は携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、用途も規模も多様である。
【０００３】
燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。
陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能である。
【０００４】
燃料電池は電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）、他方の面にカソード（酸化剤極）を設けた膜電極結合体（以下ＭＥＡと称す場合がある）の両側に、セパレータを配した単電池セルを一つ設けた構造、あるいは、単電池セルを複数積層した構造を有している。
【０００５】
図４は前記電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の１実施態様の断面説明図である。
電解質膜１の両面に常法により触媒層２および３を接合、積層して膜電極結合体１２が形成される。
【０００６】
図５は、この膜電極結合体１２を装着した固体高分子型燃料電池単セル（単電池セル）の１実施態様の構成を示す分解断面図である。
図４および図５に示したように、従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、固体高分子電解質膜１（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）をそれぞれカーボンブラック粒子に触媒物質［主として白金（Ｐｔ）あるいは白金族金属（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ）］を担持した空気極側触媒層２と燃料極側触媒層３とで挟持し、この空気極側触媒層２と燃料極側触媒層３とをそれぞれ空気極側ガス拡散層４と燃料極側ガス拡散層５で挟持して空気極６および燃料極７を構成した膜電極結合体１２を備えている。
そして、膜電極結合体１２を一組のセパレータ１０により挟持して単セルが構成される。
すなわち、セパレータ１０は、空気極側ガス拡散層４と燃料極側ガス拡散層５に面して反応ガス流通用の凹状溝（ガス流路）８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる。
この単セルについて、空気などの酸化剤を空気極６に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極７に供給して発電するようになっている。
【０００７】
すなわち、燃料極７、空気極６のそれぞれに反応ガスが供給されると、各電極触媒層２および３中の触媒粒子表面において、下記の式（１）、（２）の電気化学反応が生じ直流電力を発生する。
燃料極側：２Ｈ２  →４Ｈ＋  ＋４ｅ−               ……（１）
空気極側：Ｏ２  ＋４Ｈ＋  ＋４ｅ−  →２Ｈ２  Ｏ     ……（２）
燃料極側では水素分子（Ｈ２  ）の酸化反応が起こり、空気極側では酸素分子（Ｏ２  ）の還元反応が起こることで、燃料極７側で生成されたＨ＋  イオンは固体高分子電解質膜１中を空気極６側に向かって移動し、ｅ−  （電子）は外部の負荷を通って空気極６側に移動する。
一方、空気極６側では酸化剤ガスに含まれる酸素と、燃料極７側から移動してきたＨ＋  イオンおよびｅ−  （電子）とが反応して水が生成される。かくして、固体高分子形燃料電池は、水素と酸素から直流電流を発生し、水を生成することになる。
【０００８】
前記のように燃料極７に対向するセパレータ１０表面には、燃料を流通させるための凹状溝８が設けられている。また、空気極６に対向するセパレータ１０表面には、酸化剤ガスを流通させるための凹状溝８が設けられている。
【０００９】
燃料としては、水素を主体とした改質ガス（又は水素ガス）や、メタノール水溶液などが用いられている。
【００１０】
しかし、前記空気極側の還元反応（酸素分子（Ｏ２  ）の４電子還元）は難しく、空気極側において副反応として下記の電気化学反応（酸素分子（Ｏ２  ）の２電子還元）が生じて多くのＨ２  Ｏ２  が発生する。そして不純物としてＦｅ（ＩＩ）などが存在するとその触媒作用でＨ２  Ｏ２  が分解され、ＯＨ・（ＯＨラジカル）とＯＨ−  が生成する。
Ｏ２  ＋２Ｈ  ＋＋２ｅ−  →Ｈ２  Ｏ２ 
Ｈ２  Ｏ２  ＋Ｆｅ（ＩＩ）→ＯＨ・（ＯＨラジカル）＋ＯＨ−  ＋Ｆｅ（ＩＩＩ）
生成したＯＨ・（ＯＨラジカル）は酸化力が大きく、固体高分子電解質膜１を酸化し分解し劣化する。
【００１１】
直接メタノール型燃料電池は、メタノール水溶液を直接ＭＥＡに供給する方式の燃料電池であり、ガス改質器が不要、かつ、体積基準のエネルギー密度が高いメタノール水溶液を利用できることから、装置の更なる小型化が可能であり、携帯電気機器（例えば携帯音楽プレーヤー、携帯電話、ノート型パソコン、携帯型テレビ等）のポータブル電源としての展開が期待されている。
【００１２】
直接メタノール型燃料電池の発電方法としては、電解質膜１を介して、メタノールと（酸化剤ガスに含まれる）酸素を、燃料極側触媒層３および空気極側触媒層２に含まれる触媒粒子表面において、下記の式（３）〜（５）の電気化学反応を生じさせる方法を用いている。
燃料極側反応：ＣＨ３  ＯＨ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ２  ＋６Ｈ＋  ＋６ｅ−……（３）
空気極側反応：６Ｈ＋  ＋（３／２）Ｏ２  ＋６ｅ−  →３Ｈ２  Ｏ  ……（４）
全反応      ：ＣＨ３  ＯＨ＋（３／２）Ｏ２  →ＣＯ２  ＋２Ｈ２  Ｏ……（５）
【００１３】
燃料極７側では、供給されたメタノールおよびその水溶液が、燃料極側触媒層３での式（３）の反応により炭酸ガス、水素イオン、および電子に解離する。この際、蟻酸等の中間生成物も微量発生する。
【００１４】
生成された水素イオンは電解質膜１中を燃料極７から空気極側６に移動し、空気極触媒層２において、空気中から供給された酸素ガスおよび電子と、式（４）に従って反応し、水が生成する。
【００１５】
単位電池セルの電圧は、室温近傍において理論上約１．２Ｖであるが、燃料極７で電気化学反応せずに電解質膜１中を空気極側６に移動してしまうメタノールクロスオーバーや、水素イオンが電解質膜１を透過する際の抵抗により、実質的には０．８５〜１．０Ｖとなる。
【００１６】
実用上、連続運転条件下で電圧が０．３〜０．６Ｖ程度となるように電流密度が設定されるため、実際に電源として用いる場合には、所定の電圧が得られるように、複数の単位電池セル（前記単セル）を直列接続して使用する必要がある。
【００１７】
電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、ＭＥＡ１２をセパレータ１０で挟持して成る単電池セルを複数積層（スタック）した構造が用いられている。必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から１０枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では６０〜９０枚程度、自動車用途では２５０〜４００枚程度といわれている。高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、単セルの厚みやコストが燃料電池本体のサイズや価格に大きく影響することになる。
【００１８】
燃料電池用セパレータは燃料電池の単位セルを形成する保持支持体であり、燃料（水素、メタノール等）や酸素を供給する供給経路となる。燃料極に対向するセパレータ表面には、燃料を流通させるための燃料ガス流路である凹状溝が設けられている。また、空気極に対向するセパレータ表面には、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路である凹状溝が設けられている。
【００１９】
燃料電池用セパレータは、燃料や酸素の供給を制御する他、集電体としての役割も有している。
このため、全体としての体積抵抗が小さく、ＭＥＡとの接触抵抗が低くなるよう、優れた導電性が必要である。
また、還元性の水素ガス、空気等の酸化剤ガス、冷却水などの冷却媒体、その他反応副生成物（蟻酸、水蒸気等）に曝され、さらに通電による電気化学反応の作用も受けるため、これらに対する耐食性も重要な特性である。
その他、水などの反応生成物の除去、燃料の外部漏出防止等の役割も大きい。
【００２０】
燃料電池用セパレータの基材としては、非金属系と金属系に大別できる。
非金属系セパレータとしては緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料（特許文献１）、樹脂材料がある。カーボン系材料は耐食性に優れているが、機械的耐性に乏しいため薄型化が難しい。また、プレス加工が困難であり、切削加工により流路やマニホールドを成型することになる結果、加工コストが高くなり量産性に問題がある。
そこで樹脂材料を使用することでガス不透過性、加工性の問題はある程度解消されるが、導電性フィラーを混入しないと導電性を発現することが困難であり、また導電性フィラーを混入しすぎると十分なガス不透過性を確保するのが困難となる。
【００２１】
金属系セパレータの材料としてはステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、アルミニウム等が挙げられる（特許文献２）。これらの材料は強度、延性に優れていることから、流路やマニホールドを成型するためのプレス加工が容易であり、加工コストが安価で量産性に優れている。
さらには板厚の薄い金属を用いることが可能であり、燃料電池スタックの質量や容積を低減できる効果もある。
【００２２】
しかし、金属系セパレータは燃料電池の使用環境雰囲気において耐食性に問題がある。セパレータ基材の電位が活性態域および過不働態域にあたると、金属の腐食が促進され、セパレータとＭＥＡとの接触抵抗が増大する。またセパレータからの溶出金属イオンが電解質膜に捕捉されると、電解質膜のプロトン伝導能が低下する。さらには溶出金属イオンが存在すると空気極において過酸化水素等のラジカル性化学種が発生し、このラジカル性化学種の作用により電解質膜の劣化も引き起こす。
セパレータ基材の電位が不動態域であった場合、腐食の進行は小さいが、不動態皮膜が成長する。通常不動態皮膜は水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物等で構成されている。これら化合物の殆どは電気伝導性に乏しいため、金属セパレータの不動態皮膜が成長するにしたがって、電気抵抗が増大し、電池性能が劣化する。
【００２３】
金属系セパレータの改良策として、高い導電性および耐食性を持つ貴金属をめっき、スパッタ等によりコーティングする方法（特許文献３、４）が報告されている。
しかし、セパレータ表面全体に対して、ピンホールを生じない程度の膜厚のコーティングを施すには、かなりの金属量が必要であるため、コスト的な問題が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００１−６７０３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９０３０５号公報
【特許文献３】特開２００１−２９７７７７号公報
【特許文献４】特開２００３−３３８２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は前述した背景技術における問題点を考慮し、導電性基板表面に導電性フィラーを混合した樹脂層を形成し、かつガス拡散層と接触する凸部の頂上の面積を大きくすることで、導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等の各種要求特性を満たす燃料電池用セパレータと、そのような燃料電池用セパレータを容易かつ安価に製造する方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明者等は、上記問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、例えば、導電性基板の少なくとも一方の面上に導電性樹脂材をシリコーン樹脂性の凹版に型取り、導電性基板へ転写形成するという簡便な方法および構成を用い、セパレータとガス拡散層の接触面積を大きくすることにより、十分な導電性、耐食性、機械的強度（堅牢性）、薄膜化などの特性を一度に兼ね備えた安価な燃料電池用セパレータを提供できることを見出し、本発明を成すに至った。
【００２７】
請求項１に記載の発明は、基板の少なくとも一方の面に複数の凹状溝を有する導電性樹脂材からなる燃料電池用セパレータにおいて、隣り合う２つの前記凹状溝の間に形成されてガス拡散層と接する凸部の頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細い（ｗ１＞ｗ２）ことを特徴とする燃料電池セパレータとしたことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項２に記載の発明は、前記導電性樹脂材は、カーボン繊維または導電性粉体あるいはその混合物による導電性フィラーを含有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータに関するものである。
【００２９】
請求項３に記載の発明は、前記導電性フィラーの粉体抵抗は、０．０１５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータに関するものである。
【００３０】
請求項４に記載の発明は、前記基板が、前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、前記金属群への耐食めっき処理品もしくはクラッド材、カーボンからなる群から選択される材料を少なくとも１つ以上用いて形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用セパレータに関するものである。
【００３１】
請求項５に記載の発明は、前記凹状溝の深さが、５０ｕｍ以上７００ｕｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータに関するものである。
【００３２】
請求項６に記載の発明は、基板の少なくとも一方の面に複数の凹状溝を有し、隣り合う２つの前記凹状溝の間に凸部が形成され、該凸部が、ガス拡散層と接する前記凸部の頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細い（ｗ１＞ｗ２）逆テーパー形状に形成された、導電性樹脂材からなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂材から前記樹脂凹版を剥離する工程とを含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【００３３】
請求項７に記載の発明は、前記樹脂凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、導電性基板表面に導電性フィラーを混合した樹脂層を形成し、かつ凸部形状を逆テーパーとしてガス拡散層と接触する凸部頂上の面積を大きくすることで、導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等の各種要求特性を満たす燃料電池用セパレータを、容易かつ安価に提供することができる。
【００３５】
また、本発明の好ましい形態において、燃料電池用セパレータは、導電性基板の少なくとも一方の面上に導電性樹脂をシリコーン樹脂製の凹版に型取り、導電性基板へ転写形成（以下、シリコーン型取り法と記す）する。特に、導電性基板として金属基板を用いた場合、導電性樹脂をシリコーン型取り法により形成することにより、反応ガスや冷却溶媒を供給する流路となる凹状溝の形成と同時に、金属基板表面に発電環境下で十分な耐食性を付与することが簡便にできる。
【００３６】
さらに、本発明のセパレータは、凸部が逆テーパー形状となっている。すなわち、凸部のガス拡散層と接する凸部の頂部の幅が、凸部の基部の幅よりも太くなっていることを特徴としている。これにより、ガス拡散層とセパレータの接触面積を大きくすることができ、より導電性に優れたセパレータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの断面を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータ形成に用いる凹版の製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【図４】電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の１実施態様の断面説明図である。
【図５】図４に示した膜電極結合体を装着した燃料電池の単セルの構成を示す分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池用セパレータの要部断面を模式的に示す説明図である。
図１に示したように、本発明の燃料電池用セパレータには、導電性基板２１の一方の面上に反応ガスを供給するためのガス供給用凹状溝２３が、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための冷却用凹状溝２４が、導電性フィラーとして例えばカーボン粉末を含有して構成された導電性樹脂２２によって、それぞれ複数ずつ形成されている。
言い換えると、本発明の燃料電池用セパレータは、導電性基板２１と、導電性基板２１の一方の面に設けられ、反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝２３が複数形成されたガス供給用凹状溝部２３Ａと導電性基板２１の他方の面に設けられ、冷却のための冷媒を供給するための冷却用凹状溝２４が複数形成された冷却用凹状溝部２４Ａとを備えている。
そして、ガス供給用凹状溝部２３Ａおよび冷却用凹状溝部２４Ａの少なくとも一方は、導電性フィラーを含有した導電性樹脂２２により形成されている。
本発明の燃料電池用セパレータは、導電性基板２１上の両側にガス供給用凹状溝２３および冷却用凹状溝２４をそれぞれ形成するため、プレス加工で形成された流路と比較すると、ガス供給用凹状溝２３の形状に依存することなく冷却用凹状溝２４を形成することができ、それぞれの流路に対して最適な設計を施すことができる。
また、例えば凹版にシリコーン樹脂を用い、導電性樹脂インクを凹版に充填し型取り、導電性基板に転写する方法を採用することによって、通常の印刷法などでは不可能である数百ｕｍ程度の高さを有する凸型形状の導電性基板２１上への一括形成が可能となる。
さらに、凹版として弾力性を有する材料、例えば上述のシリコーン樹脂を用いることにより、図1に示すように導電性樹脂の頂部幅ｗ１よりも基部幅ｗ２のほうが細い逆テーパー形状の転写が可能となる。
【００３９】
図２（ａ）〜（ｃ）に本発明で使用される凹版の製造方法を示す。
図２（ａ）に示すように、ガス供給用凹状溝２３（図１）および冷却用凹状溝２４（図１）と同様の形状を有する凸型母型２５Ａ，Ｂを用意する。即ち、凸型母型２５Ａは、ガス供給用凹状溝２３と同じ形状の凹状溝２５Ｃを複数有している。凸型母型２５Ｂは、冷却用凹状溝２４と同じ形状の凹状溝２５Ｄを複数有している。
次いで、図２（ｂ）に示すように、凸型母型２５Ａ，Ｂ上にシリコーン樹脂溶液２６を流し込む。
図２（ｃ）に示すように、シリコーン樹脂溶液２６の硬化後、凸型母型２５Ａ，Ｂより剥離することにより、凸型母型２５Ａ，Ｂと逆形状となる第１、第２の凹版２７、２８を形成する。
凸型母型２５Ａ，Ｂの形成方法としては、金属やガラスなど硬く変形しづらく、シリコーン樹脂溶液の溶媒に侵されない基材上に、特に逆テーパー形状のガス供給用凹状溝２３を有するガス供給用凹状溝部２３Ａと同様の形状を有する凸型母型２５Ａについては、逆テーパー形状を露光量の調整により任意に制御できるフォトリソグラフィ法で樹脂を母型材質表面に所望の形に形成する方法が好ましいが、変形なく所望の凸型を得られる方法であればその限りではない。
【００４０】
凸型母型２５Ａ，Ｂ上にシリコーン樹脂溶液２６を流し込む方法としては、凹状溝２５Ｃ、２５Ｄの一方の端部に位置する凸型母型２５Ａ，Ｂの一方の端面にシリコーン樹脂を必要量配し、棒状のスキージで凹状溝２５Ｃ、２５Ｄに押し込みながら凹状溝２５Ｃ、２５Ｄの他方の端部側に位置する凸型母型２５Ａ，Ｂの他方の端面を平滑に加工する方法やスクリーン印刷により充填する方法などが考えられる。
第１、第２の凹版２７、２８の凹凸面裏面２９（図２（ｃ））の平滑性が導電性基板上への導電性樹脂転写時の寸法精度に影響するので、第１、第２の凹版２７、２８の形成方法はそれら凹版の凹凸面裏面２９を平滑に形成できる方法である必要がある。
【００４１】
第１、第２の凹版２７、２８はシリコーン樹脂により形成されることにより、ある程度の柔軟性を有することができるため、凸型母型２５Ａ，Ｂより剥離する際に容易に剥離が可能となる。しかし、導電性樹脂の転写時に凹凸形状が変形しない程度の強度が必要となる。
第１、第２の凹版２７、２８に充填されたシリコーン樹脂の硬化方法としては、熱硬化やＵＶ硬化などが考えられるが、シリコーン樹脂の組成により異なるため、十分な特性に硬化可能な条件を適宜選択すればよい。
また、硬化時における硬化収縮等の寸法変化によりシリコーン樹脂型が凸型母型形状を高精度に再現できなくなる可能性があるため、できるだけ硬化による寸法変化の少ない樹脂を選択することが好ましい。
【００４２】
図３（ａ）〜（ｃ）に本発明における凹状溝の転写工程を示す。
図３（ａ）に示すように第１、第２の凹版２７、２８に導電性樹脂２２のインクを充填する。
次に、図３（ｂ）に示すように、導電性基板２１の表面と、第１、第２の凹版２７、２８の凹凸形状側とが向かい合うように設置する。
そして、上下にロール部を有し一定圧力で挟み込みながら基材を送り出す機構を有するロールラミネート装置により、図３（ｃ）に示すように、導電性基板２１上に導電性樹脂２２を転写し、これを加熱等の方法により硬化する。
これにより、導電性基板２１上に転写された導電性樹脂２２によりガス供給用凹状溝２３および冷却用凹状溝２４が形成され、（すなわちガス供給用凹状溝部２３Ａおよび冷却用凹状溝部２４Ａが形成され）、したがって、隣り合う２つのガス供給用凹状溝２３の間に第１の凸形状部分２３０２（凸部）が形成され、隣り合う２つの冷却用凹状溝２４の間に第２の凸形状部分２４０２（凸部）が形成される。
ここで、ガス供給用凹状溝２３の凸形状部分２３０２の逆テーパーの頂部の幅ｗ１と基部の幅ｗ２の関係は、ｗ１＞Ｗ２である、つまり、頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細いことが好ましい。特に、ｗ１とｗ２との比（ｗ２／ｗ１）が０．７以上０．９９以下であることがより好ましい。０．７より小さいと、ガス拡散層に反応ガスが十分に供給できなくなってしまい、発電特性が悪化してしまう恐れがある。さらに、転写によりセパレータを作製する時に、転写性が悪くなり、頂部に欠けが発生する恐れがある。逆に０．９９より大きく頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が太くなると、ガス拡散層とセパレータの接触面積が小さくなり、本発明による導電性向上の効果が薄れてしまう。
また、ロールラミネート装置に設置されるローラーの間隔（ギャップ）と押し付け圧力、導電性基板２１の厚さ、第１の凹版２７および第２の凹版２８の厚さにより導電性基板２１上に形成される導電性樹脂２２の厚さが異なる。前記条件により凸状部分２３０２、２４０２のみに導電性樹脂を配することも可能であるが、全面に耐食性を付与するのであれば、ローラーギャップ条件などを調整することにより、凹状溝２３、２４の底部分にも導電性樹脂を形成するほうが好ましい。
【００４３】
導電性基板２１については、導電性樹脂２２との接触抵抗が低いこと、加工性や堅牢性、薄型化への対応のしやすさ等の他に、物理的強度を有しており、さらには、汎用性で入手が容易であり、材料費も安価である導電性基板ならば本発明において使用でき、特に限定するところでない。
本発明で用いる導電性基板としては、例えば、前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、前記金属群への耐食めっき処理品もしくはクラッド材、カーボン、グラファイトからなる群から選択される材料等が挙げられる。
【００４４】
本発明に用いる導電性樹脂からなる導電性耐食皮膜は、燃料電池用の燃料（水素や改質ガス、メタノールなど）や酸化剤（酸素やその混合ガス）、強酸性雰囲気に十分な耐性を有する材料で、十分な導電性を有する必要がある。
本発明では比較的簡便で、かつ短時間に膜形成を可能とする導電性フィラーを含有する導電性樹脂を採用した。
【００４５】
本発明に用いる導電性樹脂を構成する樹脂成分としては、発電環境下で十分な耐食性を有する樹脂であり、ウェットコーティングが可能であれば特に制限するところではない。具体的には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂、芳香族ポリイミド樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、などから選ばれた１種ないし２種以上の混合物を用いることができる。
【００４６】
本発明に用いる導電性フィラーとしては、耐食性、導電性、価格などを考慮すると繊維状導電性フィラーあるいは粉体状導電性フィラーが望ましい。
繊維状導電性フィラーとしては、具体的には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどから選ばれる１種あるいは２種以上のカーボン繊維を挙げることができる。
カーボン繊維としては、高い導電性を確保するために粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下、単繊維比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
本発明において繊維状導電性フィラーと粉体状導電性フィラーを併用すると導電性樹脂皮膜自体の導電性をさらに低減できる。
粉体状導電性フィラーとしては、十分な導電性を有し、発電環境下で十分な耐食性を有するものであれば特に制限はなく、具体的には、例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック等のカーボン粉体、ＷＣ、ＴｉＣなどの金属炭化物、ＴｉＮ、ＴａＮなどの金属窒化物、ＴｉＳｉ、ＺｒＭｏＳｉなどの金属珪化物およびＡｇ、Ａｕなどの耐食性金属などから選ばれた１種ないし２種以上の混合物を挙げることができる。
粉体状導電性フィラーとしては、高い導電性を確保するために粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下、単体の比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００４８】
導電性基板に反応ガス経路としての貫通孔を形成する方法は、ウェットエッチング法などの化学的加工、あるいはプレス法、切削法などの機械加工、あるいは放電加工など導電性基板を部分的に除去できる加工方法であれば適用することが可能である。
生産性を考慮すると、１工程で大面積を加工することができるため、プレス法やウェットエッチング法を用いることが好ましい。
【００４９】
貫通孔や凹状溝の大きさは、利用される燃料電池の形態で異なるが、必要となる電力を発電するに十分な量の燃料ガスや酸化剤ガスがＭＥＡへ均一に安定的に供給されることが必要である。
そのため、発電部位に網羅的に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためには、少なくともセパレータの一部に反応ガスの流路となる凹状溝を形成することが好ましく、また、面内への均一供給を考慮すると、蛇行状、直線状、碁盤目状、円柱状等のパターン流路や発電部位と接する面内に多数の貫通孔とこれら流路を組み合わせたものがより好ましい。
【００５０】
導電性フィラーを含む導電性樹脂インク中の固形分濃度は、耐食性、機械低強度や電気抵抗、薄型化などを考慮して適宜選択する必要がある。
図３（ｃ）に示すように、導電性樹脂により形成される凸部分の厚さ（凸形状部分２３０２、２４０２の導電性樹脂厚さｄ１、ｄ２＝凹状溝２３、２４の深さｄ１、ｄ２）が厚すぎると導電性が低下しすぎる恐れがあり、薄すぎると流動抵抗が増加し反応ガスや冷却媒体の流路として機能しない恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮すると５０〜７００ｕｍであることが好ましい。
言い換えると、導電性樹脂により形成される凸部分の厚さを５０〜７００ｕｍで形成するためには、図２（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法によってパターニングされる凸型母型２５の凸形状部分２５０２を、膜厚５０ｕｍ以上７００ｕｍ以下であるフォトレジストから形成することが必要となる。
また、凹状溝２３、２４の底部に導電性樹脂層を形成する場合は薄すぎるとピンホールの発生や機械的強度や耐食性が低下する恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮するとその厚さ（ガス供給用凹状溝部２３Ａおよび冷却用凹状溝部２４Ａにおけるガス供給用凹状溝２３および冷却用凹状溝２４の底部の導電性樹脂厚さｔ１、ｔ２）は１０ｕｍ以上であることが好ましい。
【００５１】
導電性樹脂における樹脂成分と導電性フィラーの比率は、用いられる基材、樹脂、および樹脂中の導電性フィラー材質により異なる。膜形成した際に樹脂成分中の導電性フィラーの重量比率は、３０重量％以上９０重量％以下であることが好ましく、さらに好ましくは６０重量％以上８５重量％以下が望ましい。膜形成した際に樹脂成分中の導電性フィラーの重量比率が３０重量％未満であると、セパレータとして必要な導電性が確保できない。また、同重量比率が９０重量％を超えると、ウェットプロセスに不適合なインク粘度の増加、機械的強度の低下が懸念される。
【００５２】
以上の説明を総合すると、本発明の燃料電池用セパレータは、基板の少なくとも一方の面に複数の凹状溝を有し、隣り合う２つの前記凹状溝の間に凸部が形成され、該凸部が、ガス拡散層と接する前記凸部の頂部の幅ｗ１よりも基部の幅ｗ２が細い（ｗ１＞ｗ２）逆テーパー形状に形成された、導電性樹脂材からなるものである。そして、本発明の燃料電池用セパレータは、前記凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂材から前記樹脂凹版を剥離する工程とを含む製造方法で製造することができる。
【００５３】
本発明のセパレータは電解質膜として高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池に好適に使用できる。図５に燃料電池に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面説明図を示した。図６に本発明のセパレータを装着した固体高分子形燃料電池の分解断面図を示した。
【００５４】
本発明の燃料電池において、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２は高分子電解質膜１の両面に電極触媒層２、３が接合され、挟持された構造を備える。本発明の燃料電池にあっては、膜電極接合体１２の電極触媒層２および電極触媒層の３と対向して空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極（カソード）６及び燃料極（アノード）７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷媒流通用の冷媒流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる１組のセパレータ１０が配置される。燃料極７側のセパレータ１０のガス流路８からは燃料ガスとして、例えば水素ガスやメタノールが供給される。一方、空気極６側のセパレータ１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。
【００５５】
（実施例）
以下に、具体的な実施例により本発明の燃料電池用セパレータおよびその製造方法を説明する。なお、後述する実施例は本発明の一実施例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００５６】
＜凸型母型の作製＞
貫通孔を所望の位置にプレス打ち抜き加工にて形成したアルミニウム板（ＪＩＳ１０５０、厚さ１ｍｍ）を用意し、表面処理液（アデカ製Ｃ−７４０１  １ｗｔ％溶液）を用い、常温にて４０秒浸漬後、純水にて洗浄を行い、水分を乾燥した。この基板上に、膜厚５０ｕｍのネガ型ドライフィルムレジスト（ニチゴーモートン製：ＡＬＰＨＯ４１１Ｙ５０）を基板両面にロールラミネータを用いロール温度１１０℃、ロール圧力０．３ＭＰａで計６回貼り合わせた。次に、セパレータの凹部に相当する部分が遮光されるよう設計されたフォトマスクを用いて紫外線露光し、さらにアルカリ水溶液（炭酸ナトリウム１ｗｔ％）をスプレー圧力０．１ＭＰａで噴射し現像を行い、基板にフォトマスクと同寸法のフォトレジストパターンを形成した（母型ＡおよびＢ）。形成したパターンは、片面が長さ：５０ｍｍ、凸部幅：１．１ｍｍ(頂部)・１．０ｍｍ(基部)幅、ピッチ２ｍｍの平行直線状、もう一方の面が長さ５０ｍｍ、凸部幅２ｍｍ(頂部・基部ともに)、ピッチ３ｍｍの平行直線状とした。
【００５７】
＜シリコーン凹版の作製＞
液状シリコーンゴム（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアル・ジャパン合同会社製：ＴＳＥ３４０２）のＡ液とＢ液を混合し十分撹拌した。
次いで、上記母型ＡおよびＢの表面にＴＳＥ３４０２をアプリケータにより充填し、常温で４８時間放置し硬化させた。ＴＳＥ３４０２が完全に硬化した状態で母型から剥離することによりシリコーンゴム凹版を得た。得られたシリコーンゴム凹版については、凹凸表面形状は良好であり、また裏面は平滑で均質に形成することができた。
【００５８】
導電性樹脂としてドータイトＡ−３（カーボンブラック１０〜２０ｗｔ％含む）とドータイトＣ−３（カーボンブラック２０〜３０ｗｔ％）（藤倉化成株式会社製、２液硬化型エポキシ系導電性樹脂）を１：１の割合で混合したドータイトＡ−３／Ｃ−３を用い、上記シリコーンゴム凹版にアプリケータを用いて充填した。
その後、貫通孔を所望の位置にプレス打ち抜き加工にて形成したアルミニウム板（ＪＩＳ１０５０、厚さ１ｍｍ）を用意し、表面処理液（アデカ製Ｃ−７４０１  １ｗｔ％溶液）を用い、常温にて４０秒浸漬した後、純水にて洗浄を行い、水分を乾燥した。さらに、シリコーン凹版を導電性樹脂充填面がアルミニウム板と接する向きに所定の位置に位置合わせをした状態で設置し、ロールラミネータ（１５０℃、０．３ＭＰａ、ロールギャップ３．２ｍｍ）によりアルミニウム板上にシリコーンゴム凹版を圧着した。その際、シリコーンゴム凹版を剥離することにより、所望のセパレータ形状を得ることができた。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・高分子電解質膜
２・・・電極触媒層
３・・・電極触媒層
４・・・空気極側ガス拡散層
５・・・燃料極側ガス拡散層
６・・・空気極（カソード）
７・・・燃料極（アノード）
８・・・ガス流通用のガス流路
９・・・冷媒流通用の冷媒流路
１０・・・セパレータ
１２・・・膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１・・・導電性基板
２２・・・導電性樹脂
２３・・・ガス供給用凹状溝
２３０２・・・第１の凸形状部分
２３Ａ・・・ガス供給用凹状溝部
２４・・・冷却用凹状溝
２４０２・・・第２の凸形状部分
２４Ａ・・・冷却用凹状溝部
２５Ａ・・・凸型母型
２５Ｂ・・・凸型母型
２５Ｃ・・・凸型母型２５Ａの凹状溝
２５Ｄ・・・凸型母型２５Ｂの凹状溝
２６・・・シリコーン樹脂溶液
２７・・・第１の凹版
２８・・・第２の凹版
２９・・・第１の凹版２７、第２の凹版２８の凹凸面裏面
ｗ１・・・第１の凸形状部分２３０２の頂部幅
ｗ２・・・第１の凸形状部分２３０２の基部幅
ｄ１・・・ガス供給用凹状溝２３の深さ
ｄ２・・・冷却用凹状溝２４の深さ
ｔ１・・・ガス供給用凹状溝２３の底部の導電性樹脂厚さ
ｔ２・・・冷却用凹状溝２４の底部の導電性樹脂厚さ
【図１】
2011204586.tif 000003
【図２】
2011204586.tif 000004
【図３】
2011204586.tif 000005
【図４】
2011204586.tif 000006
【図５】
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