(57)【要約】  燃料電池用分離板の素材として層状構造の黒鉛箔が使用され、この黒鉛箔に形成された流路チャンネルの内面には、撥水層が含浸形成されている。このような分離板は、黒鉛箔にマスクパターンを形成した状態でエッチングによって流路チャンネルを形成し、撥水層を含浸形成することによって製造される。このような分離板によれば、燃料電池スタックの性能が向上して、分離板の製造工程が単純化される。
2007528112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の膜電極接合体の酸化電極または還元電極に流体分配層を介在して密着し、前記流体分配層との間に流体の通路となる流路チャンネルが形成された燃料電池用分離板であって、
前記分離板は、層状構造の黒鉛箔を含み、
前記流路チャンネルの内面に撥水層が含浸形成されていることを特徴とする燃料電池用分離板。
【請求項２】
前記層状構造の黒鉛箔は、その内部にステンレス鋼層を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
【請求項３】
前記ステンレス鋼層は、前記撥水層を介在して外部に露出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用分離板。
【請求項４】
前記黒鉛箔は、熱硬化性または熱可塑性樹脂を実質上有しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
【請求項５】
前記黒鉛箔の体積密度は、１．５ｇ／ｃｍ３乃至２．０ｇ／ｃｍ３の範囲に含まれることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
【請求項６】
前記黒鉛箔の厚さは、０．５ｍｍ乃至３ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用分離板。
【請求項７】
前記撥水層の厚さは、３０μｍ乃至１００μｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用分離板。
【請求項８】
前記分離板には一つ以上のマニホールドが形成され、
前記一つ以上のマニホールド及び前記流体分配層に密着する領域の各々の周りには、シーリング部材が前記分離板と一体化されて形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用分離板。
【請求項９】
前記シーリング部材は、前記一つ以上のマニホールド及び前記流体分配層に密着する領域の各々を閉曲線で囲んでいることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用分離板。
【請求項１０】
燃料電池の膜電極接合体の酸化電極または還元電極に流体分配層を介在して密着し、前記流体分配層との間に流体の通路となる流路チャンネルが形成された燃料電池用分離板を有する燃料電池の製造方法であって、
設定されたサイズの黒鉛箔を準備する段階と、
前記黒鉛箔に、前記流路チャンネルに対応するマスクパターンを形成する段階と、
前記マスクパターンが形成された黒鉛箔をエッチングすることによって、前記黒鉛箔に流路チャンネルを形成する段階と、
前記流路チャンネルの内面に撥水層を含浸形成する段階と、
前記黒鉛箔から前記マスクパターンを除去する段階とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記黒鉛箔にマスクパターンを形成する段階は、
前記黒鉛箔を乾式フィルムでコーティングする段階と、
前記コーティングされた黒鉛箔を露光する段階と、
噴霧型現像機の噴霧ノズルを移動させながら前記黒鉛箔の乾式フィルムを現像する段階とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
前記黒鉛箔にマスクパターンを形成する段階は、
ゴムまたはステンレス鋼製で、前記流路チャンネルに対応するパターンが刻まれたマスクを前記黒鉛箔に付着させて形成することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
前記黒鉛箔に流路チャンネルを形成する段階は、
サンドブラスタ工程及び超音波エッチング工程のうちの一つ以上の工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
前記流路チャンネルの内面に撥水層を含浸形成する段階は、
前記マスクパターンが付着されて前記流路チャンネルが形成された状態で、前記黒鉛箔の上に撥水層を形成する段階と、
前記撥水層が形成された黒鉛箔を５０℃乃至９０℃の温度範囲で乾燥させる段階とを含むことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記黒鉛箔の上に撥水層を形成する段階において、
前記黒鉛箔の表面に撥水液をスプレーコーティングする、あるいは前記撥水液に黒鉛箔をディッピングすることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記流路チャンネルは、前記分離板の前面及び後面に形成され、
前記マスクパターンは、前面マスクパターン及び後面マスクパターンを含み、
前記前面及び後面マスクパターンの各々には、一対以上のアラインホールが形成され、
前記黒鉛箔には、前記マスクパターンのアラインホールに対応する一つ以上のアラインホールが形成され、
前記マスクパターンのアラインホール及び前記黒鉛箔のアラインホールは、これに対応する一対以上のアライン棒を利用してアラインされることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記一対以上のアラインホール及び一対以上のアライン棒は、大きさが異なる複数対のアラインホール及びアライン棒を各々含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
少なくとも一つ以上の単位電池を含む燃料電池スタックであって、
前記単位電池は、
高分子電解質膜、及びその両側面に各々形成される酸化電極及び還元電極を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側面で、前記酸化電極及び還元電極に各々隣接するように配置される一対の流体分配層と、
前記各々の流体分配層の外側面に密着結合され、前記流体分配層側の表面に流路チャンネルが形成されて反応領域が形成され、この反応領域の周りにマニホールド領域が形成される一対の分離板とを含み、
前記一対の分離板のうちの一つ以上の分離板は、層状構造の黒鉛箔を含み、
前記一つ以上の分離板の流路チャンネルの内面に、撥水層が含浸形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記層状構造の黒鉛箔は、その内部にステンレス鋼層を含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記ステンレス鋼層は、前記撥水層を介在して外部に露出することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記黒鉛箔は、熱硬化性または熱可塑性樹脂を実質上有しないことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記黒鉛箔の体積密度は、１．５ｇ／ｃｍ３乃至２．０ｇ／ｃｍ３の範囲に含まれることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記黒鉛箔の厚さは、０．５ｍｍ乃至３ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記撥水層の厚さは、３０μｍ乃至１００μｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記マニホールドの外郭及び前記反応領域の外郭に沿ってシーリング部材が前記分離板と一体化されて形成されることを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。より詳細には、黒鉛箔を用いた燃料電池用分離板、その製造方法、及びその分離板を含む燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池は、酸化電極での酸化反応及び還元電極での還元反応を利用して電力を生成する。酸化還元反応を促進するために、酸化電極及び還元電極には白金または白金−ルテニウム金属を有する触媒層が形成されている。
【０００３】
酸化電極では、燃料ガス（例えば、水素）が供給され、酸化反応によってイオン（例えば、プロトン）と電子とに分離される。還元電極では、その分離されたイオンが還元ガス（例えば、酸素）と結合して水を生成する。このような反応の最終生成物は、電気（つまり、酸化電極から還元電極への電子の移動）、水（つまり、水素と酸素との化学的結合）、及び熱である。このような熱を除去するために、燃料電池スタックには通常冷却装置が設けられている。
還元電極で生成される水は通常蒸気または液体として生成され、このような水は還元電極側の還元ガス（酸素あるいは空気）の強い流通によって除去される。
【０００４】
図１は従来の技術による燃料電池スタックの概略断面図である。
通常、一つの燃料電池スタックは、複数の単位電池１００を積層して形成されている。
このような単位電池１００には、プロトン交換膜１１０（例えば、高分子電解質膜）が含まれている。このプロトン交換膜１１０の両側面には、酸化電極１２１及び還元電極１２２が形成されている。このようなプロトン交換膜１１０と電極１２１、１２２とは、熱間圧着によって膜電極接合体（membrane electrode assembly；ＭＥＡ）１３０を形成している。この膜電極接合体１３０の電極１２１、１２２の外側には、流体分配層１２５が形成されている。
【０００５】
隣接する単位電池の膜電極接合体１３０は、分離板１５０によって互いに分離され支持されている。このような分離板１５０には、燃料ガス（例えば、水素、あるいは直接メタノール型燃料電池の場合のメタノール）を酸化電極に供給するための流路１５１が形成されている。さらに分離板１５０には、還元ガスである酸素あるいは空気を還元電極に供給すると共に水を排出させるための流路１５２も形成されている。分離板１５０と膜電極接合体１３０との間には、流路１５１、１５２を流通する気体または液体が漏出しないようにガスケット１６０が形成されている。
【０００６】
このような膜電極接合体１３０、分離板１５０、及びガスケット１６０を含む単位電池１００は直列に積層され、高電圧を発生させる。積層された単位電池は、例えば、その両端に配置した電流集電体及びエンドプレート１７０によって連結されている。
【０００７】
前記の説明から分かるように、燃料電池の分離板は、燃料電池スタック内に反応ガス（つまり、燃料ガス及び還元ガス）を分配し、燃料ガス（例えば、水素またはメタノール）と還元ガス（例えば、酸素または空気）とを分離し、そして、隣接する単位電池の酸化電極と還元電極との間で電子の通路を提供することによって隣接する単位電池を互いに電気的に連結する。さらに、分離板は、燃料電池スタックの酸化還元反応によって生成された熱を排出するための構造を備え、積層された単位電池を支持するための機械的強度を与える。
【０００８】
酸化電極で発生した水素イオン（つまり、プロトン）が高分子電解質膜を通して還元電極に移動するのを促進するためには、高分子電解質膜を水和させて適量な水分を含ませなければならない。このように水和された高分子電解質膜は電子の移動を遮断し、水素イオンを移動させる。
【０００９】
高分子電解質膜の水和が不十分の場合には、高分子電解質膜のイオン伝導度が低下し、それによって燃料電池の性能も低下する。それと反対に、高分子電解質膜が過度に水和されている場合には、反応三層界面を形成する小さい気孔がふさがれ（一般に、フローディングと称する）、それによって電極の反応面積が減少し、燃料電池の性能が低下する。
したがって、還元電極で生成された水が円滑に排出されない場合には、反応ガスが触媒層に十分に供給されなくなり、燃料電池の性能は低下する。
【００１０】
米国特許第４，９８８，５８３号で開示された例を含む多くの分離板では、燃料及び還元ガス用に蛇行型の流路を有している。これは主に流路上の圧力の降下を利用して、還元電極側で生成した水を円滑に排出するためである。
【００１１】
還元電極で生成する水は、還元ガス流路チャンネルの入口付近では蒸気形態で存在する。しかし、水蒸気は還元ガス流路チャンネルを移動するのに伴って、液体及び蒸気が混在した二相の状態になる。この場合、液化した水滴が還元電極の気孔をふさぎ、これにより触媒層の有効活性面積が減少するようになる。また、液化した水を排出するために、高圧力の還元ガスが必要となる。
【００１２】
したがって、還元ガスの入口と出口との間の圧力差によるエネルギーの損失が発生し、また、速い流速で安定した還元反応を実現するためには、多量の反応ガスを消費するようになる。このため、蛇行型流路が形成された分離板での水の排出が安定化されて効率化されれば、これは還元ガスの入口と出口との間の圧力差によるエネルギーの損失を減少させることができると共に、反応ガスの消費量を減少させることができると期待される。
【００１３】
高分子電解質型燃料電池用分離板には、黒鉛あるいは炭素複合材料が幅広く使用されている。黒鉛及び炭素複合材料は、燃料電池で起こる酸化還元反応に対する耐腐食性が強く、金属材料（例えば、ステンレス鋼）に比べて体積密度が低い長所もある。
黒鉛あるいは炭素複合材料を分離板の素材として使用する場合、従来の技術によれば、分離板の細孔をふさいで水素の移動を防止し、成形過程において容易に形成するために、熱硬化性または熱可塑性樹脂のような樹脂を分離板の素材に加えるのが通常である。しかし、このように分離板に加えた樹脂は電子の移動に関して体積抵抗の増加を引き起こし、これにより燃料電池の性能を低下させる。また、このような樹脂はセル間の接触抵抗を増加させる原因にもなる。
【００１４】
このように分離板に含まれた樹脂によって発生するセル間の接触抵抗の増加を減少させるための方法の一例として、ヨーロッパ公開特許ＥＰ１２５３６５７Ａ１には、分離板の流路のリブの表面をアルカリ溶液でエッチングして、リブの表面部分の樹脂を除去する方法が開示されている。
この従来の技術によれば、黒鉛あるいは炭素複合材料を用いた、安定で有用な分離板の製造工程は、非常に複雑で、非生産的、非効率的なものであった。したがって、黒鉛あるいは炭素複合材料を用いた分離板が高性能で、大量生産に適するならば、これは、分離板の性能の向上だけでなく、分離板の製造費用、ひいては燃料電池の製造費用を顕著に減少させることができると期待される。
【００１５】
以上の本発明の背景の説明に含まれる各事項は、本発明の背景を理解させるための目的で記載されたもので、特に反対の記載がない限り、これらが当業界の通常の知識を有する者に既に周知の技術であるということを宣言したり暗示したりしようとするものと理解されてはならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものである。本発明の目的は、水の排出性能が向上し、耐久性が向上して、大量生産により適した燃料電池用分離板、その製造方法、及びその分離板を含む燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明による燃料電池用分離板は、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）の酸化電極または還元電極に流体分配層を介在して密着し、前記流体分配層との間に流体の通路となる流路チャンネルが形成された燃料電池用分離板であって、前記分離板は、層状構造の黒鉛箔を含み、前記流路チャンネルの内面に撥水層が含浸形成されていることを特徴とする。
【００１８】
前記層状構造の黒鉛箔は、その内部にステンレス鋼層を含むことができる。この時、前記ステンレス鋼層は、前記撥水層を介在して外部に露出することが好ましい。
前記黒鉛箔は、熱硬化性または熱可塑性の樹脂を実質上有しないことが好ましい。
前記黒鉛箔の体積密度は、１．５ｇ／ｃｍ３乃至２．０ｇ／ｃｍ３の範囲に含まれることが好ましい。
前記黒鉛箔の厚さは、０．５ｍｍ乃至３ｍｍの範囲に含まれることが好ましい。
前記撥水層の厚さは、３０μｍ乃至１００μｍの範囲に含まれることが好ましい。
【００１９】
前記分離板には、一つ以上のマニホールドが形成され、前記一つ以上のマニホールド及び前記流体分配層に密着する領域の各々の周りには、シーリング部材が前記分離板と一体化されて形成されることが好ましい。
前記シーリング部材は、前記一つ以上のマニホールド及び前記流体分配層に密着する領域の各々を閉曲線で囲んでいることが好ましい。
【００２０】
また、本発明による分離板の製造方法は、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）の酸化電極または還元電極に流体分配層を介在させて密着させ、前記流体分配層との間に流体の通路となる流路チャンネルが形成された燃料電池用分離板を製造する方法であって、設定されたサイズの黒鉛箔を準備する段階と、前記黒鉛箔に前記流路チャンネルに対応するマスクパターンを形成する段階と、前記マスクパターンが形成された黒鉛箔をエッチングすることによって前記黒鉛箔に流路チャンネルを形成すると、前記流路チャンネルの内面に撥水層を含浸形成する段階と、前記黒鉛箔から前記マスクパターンを除去する段階とを含むことを特徴とする。
【００２１】
前記黒鉛箔に前記マスクパターンを形成する段階は、前記黒鉛箔を乾式フィルムでコーティングする段階と、前記コーティングされた黒鉛箔を露光する段階と、噴霧型現像機の噴霧ノズルを移動させながら前記黒鉛箔の乾式フィルムを現像する段階とを含むことが好ましい。
【００２２】
他の例として、前記黒鉛箔に前記マスクパターンを形成する段階は、前記流路チャンネルに対応するパターンが刻まれ、ゴムまたはステンレス鋼製であるマスクを前記黒鉛箔に付着して形成することが好ましい。
【００２３】
前記黒鉛箔に流路チャンネルを形成する段階は、サンドブラスタ工程及び超音波エッチング工程のうちの少なくとも一つの工程を含むことが好ましい。
【００２４】
前記流路チャンネルの内面に撥水層を含浸形成する段階は、前記マスクパターンが付着されて前記流路チャンネルが形成された状態で、前記黒鉛箔の上に撥水層を形成する段階と、前記撥水層が形成された黒鉛箔を５０℃乃至９０℃の温度範囲で乾燥させる段階とを含むことが好ましい。
【００２５】
前記黒鉛箔の上に前記撥水層を形成する段階において、前記黒鉛箔の表面に撥水液をスプレーコーティングする、あるいは前記撥水液に黒鉛箔をディッピングすることが好ましい。
【００２６】
前記流路チャンネルが前記分離板の前面及び後面に形成される二極式構造の分離板である場合、前記マスクパターンは前面マスクパターン及び後面マスクパターンを含み、前記前面及び後面マスクパターンの各々には、一対以上のアラインホールが形成され、前記黒鉛箔には、前記マスクパターンのアラインホールに対応する一つ以上のアラインホールが形成され、前記マスクパターンのアラインホール及び前記黒鉛箔のアラインホールは、これに対応する一対以上のアライン棒を利用してアラインされることが好ましい。
前記一対以上のアラインホール及び一対以上のアライン棒は、大きさが異なる複数対のアラインホール及びアライン棒を各々含むことが好ましい。
【００２７】
本発明による燃料電池スタックは、少なくとも一つ以上の単位電池を含む燃料電池スタックであって、前記単位電池は、高分子電解質膜、及びその両側面に各々形成される酸化電極及び還元電極を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）と、前記膜電極接合体の両側面で、前記酸化電極及び還元電極に各々隣接するように配置される一対の流体分配層と、前記各々の流体分配層に密着され、前記流体分配層の側の表面に流路チャンネルが形成されて反応領域が形成され、この反応領域の周りにマニホールド領域が形成される一対の分離板とを含み、前記一対の分離板のうちの一つ以上の分離板は、層状構造の黒鉛箔を含み、前記一つ以上の分離板の流路チャンネルの内面に、撥水層が含浸形成されていることを特徴とする。
【００２８】
前記層状構造の黒鉛箔は、その内部にステンレス鋼層を含むことができる。この時、前記ステンレス鋼の層は、前記撥水層を介在して外部に露出することが好ましい。
前記黒鉛箔は、熱硬化性または熱可塑性樹脂を実質上有しないものであることが好ましい。
前記黒鉛箔の体積密度は、１．５ｇ／ｃｍ３乃至２．０ｇ／ｃｍ３の範囲に含まれることが好ましい。
前記黒鉛箔の厚さは、０．５ｍｍ乃至３ｍｍの範囲に含まれることが好ましい。
前記撥水層の厚さは、３０μｍ乃至１００μｍの範囲に含まれることが好ましい。
前記マニホールドの外郭及び前記反応領域の外郭に沿ってシーリング部材が前記分離板と一体化されて形成されることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
以下の説明では、説明の便宜上、上部／下部、前面／後面などのように方向を称する用語が使用される。しかし、このような用語は、説明及び理解の便宜のためのものであって、本発明において必ずしもその方向に特定の構成要素が配置されることを意味するのではない。
【００３０】
図２は本発明の実施例における燃料電池スタックの分解斜視図である。
図２に示されているように、本発明の実施例における燃料電池スタックは、積層された複数の単位電池２００を含む。前記積層した単位電池２００は、その両端に配置したエンドプレート２９０によって結合されている。前記エンドプレート２９０には、電流集電体２９５が形成されて、燃料電池スタック全体で生成される電気を外部に供給するようになる。
燃料電池スタックに締結圧力を加える前記エンドプレート２９０には、燃料電池スタックの内外に反応ガス等を供給及び排出するために、多数の連結口２７０が形成されている。連結口２７０は、水素供給口２７１、冷却水供給口２７２、空気供給口２７３、空気排出口２７４、冷却水排出口２７５、及び水素排出口２７６を含む。これら連結口２７１〜２７６の各々は、燃料電池スタック１００の内の対応するマニホールドに連結されている。
【００３１】
各単位電池２００では、流体分配層２２５が膜電極接合体２３０の前後に取り付けてあり、その膜電極接合体２３０の前後に分離板２５０、２６０が配置され、流体分配層２２５に取り付けてある。以下では、図２の左側を単位電池２００の前方と称し、図２の右側を単位電池２００の後方と称して説明する。
【００３２】
前記流体分配層２２５は、一般に、ガス拡散層と呼ばれるものである。しかし、流体分配層２２５を通じて拡散／分配されるものが必ずしもガス形態である必要はないという趣旨で、ガス拡散層という通常の用語の代わりに、流体分配層という用語を使用することにする。
【００３３】
図３は本発明の実施例による燃料電池スタックにおける単位電池２００において、膜電極接合体２３０及び流体分配層２２５の詳細な結合構造を示した断面図である。
図３に示されているように、本発明の実施例では、高分子電解質膜２１０の前方及び後方に酸化電極２２１及び還元電極２２２が各々圧着形成され、前記酸化電極２２１及び還元電極２２２の各々の外側には、流体分配層２２５が形成されている。
【００３４】
再び図２を参照して、流体分配層２２５が形成された膜電極接合体２３０の還元電極側には還元電極側の分離板２６０が密着され、酸化電極側には酸化電極側の分離板２５０が密着されている。
【００３５】
以下、本発明の実施例に対する説明では、前記酸化電極側の分離板２５０は一極式構造に、前記還元電極側の分離板２６０は二極式構造に形成されることを説明する。しかし、本発明の保護範囲はこれに限定されると解釈されてはならない。膜電極接合体２３０の前後方に分離板を配置する多様な他の構造にも、本発明の技術的な思想が適用可能であるためである。
【００３６】
分離板２５０、２６０は、流体分配層２２５の外側面に密着結合され、流体分配層に密着する表面に複数の流路チャンネルが形成されている。分離板２５０、２６０の流路チャンネルは、流体分配層２２５及び分離板２５０、２６０の間で反応ガスの通路として使用される。
このような分離板２５０、２６０は、燃料電池スタック内に反応ガスを分配し、燃料ガス及び還元ガスが互いに混合されないように分離して、隣接する単位電池の酸化電極及び還元電極の間で電子の通路を提供することによって、これらを電気的に互いに連結するようになる。また、分離板は燃料電池スタックの酸化還元反応によって生成された熱を排出するための構造を備えており、積層された単位電池を支持する機械的強度を提供する。
【００３７】
以下では、本発明の実施例による分離板２５０、２６０について、より詳細に説明する。
図４は本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の還元電極側の分離板２６０の前面４００（つまり還元電極の側面）を示した図面である。
【００３８】
図４に示されているように、還元電極側の分離板２６０の上部には、前記水素供給口２７１、冷却水供給口２７２、及び空気供給口２７３に各々対応する水素供給用マニホールド４７１、冷却水供給用マニホールド４７２、及び空気供給用マニホールド４７３が分離板２６０を貫通して形成されている。
また、還元電極側の分離板２６０の下部には、前記空気排出口２７４、冷却水排出口２７５、及び水素排出口２７６に各々対応する空気排出用マニホールド４７４、冷却水排出用マニホールド４７５、及び水素排出用マニホールド４７６が分離板２６０を貫通して形成されている。
マニホールド４７１〜４７６から反応ガス／冷却水が漏出しないように、前記各マニホールド４７１〜４７６の周りには、シーリング材を塗布するためのマニホールドシーリング溝４８１〜４８６が各々形成されている。
【００３９】
還元電極側の分離板２６０の前面の燃料電池の反応領域（つまり、流体分配層２２５に接する領域）には、膜電極接合体２３０に空気を供給するための空気流路チャンネル４１０がリブ４２０によって分離されて形成されている。このような空気流路チャンネル４１０は、設定された深さの溝の形態に形成されている。
図４では、本発明の実施例による分離板２６０での空気流路チャンネル４１０が蛇行型構造に形成されていることを示している。しかし、これは本発明の技術的な思想が適用される一例に過ぎず、本発明の保護範囲がこれに限定されると解釈されてはならない。
【００４０】
空気流路チャンネル４１０の入口側端部には、空気流路チャンネル４１０に空気を供給するための空気供給口４５０が分離板２６０を貫通して形成され、空気流路チャンネル４１０の出口側端部には、空気流路チャンネル４１０から空気を排出するための空気排出口４６０が分離板２６０を貫通して形成されている。
【００４１】
空気供給用マニホールド４７３に供給された空気は、分離板２６０の後面に形成された空気供給流路５５０（図５参照）を通じて空気供給口４５０に供給される。空気排出口４６０から排出される空気は、分離板２６０の後面に形成された空気排出流路５６０（図５参照）を通じて空気排出用マニホールド４７４に排出されている。
このような空気流路チャンネル４１０、空気供給口４５０、空気排出口４６０が形成された反応領域の周りには、反応領域から空気が漏出しないように、シーリング材を塗布するための反応領域シーリング溝４８０が形成されている。
このようなシーリング溝４８０〜４８６は、前記マニホールド及び前記流体分配層に密着する領域の各々を囲む閉曲線の形態に形成されている。
【００４２】
分離板２６０上のシーリング溝４８０〜４８６の間の空間には、分離板２６０の前後面の流路チャンネルがアラインされるために、一対以上のアラインホールが分離板２６０を貫通して形成されている。
前記一対以上のアラインホールは、大きさが異なる複数対のアラインホール（４３１と４３２との対、及び４３３と４３４との対）から形成される。このように、アラインホールの対をその大きさを異ならせて構成することによって、大口径アラインホール（４３１、４３２）は概略的なアラインを可能にし（つまり、容易にアラインされることができるようにし）、小口径アラインホール４３３、４３４は精密なアラインを可能にする。
【００４３】
一例として、図４には、大口径アラインホール４３１、４３２の対が分離板の上下に各々形成され、小口径アラインホール４３３、４３４が前記大口径アラインホール４３１、４３３の内側に形成されている場合を示している。
また、一例として、図４では、上部のアラインホール４３１、４３３が水素供給用マニホールド４７１のシーリング溝４８１及び冷却水供給用マニホールド４７２のシーリング溝４８２の間に形成され、下部のアラインホール４３２、４３４が水素排出用マニホールド４７６のシーリング溝４８６及び冷却水排出用マニホールド４７５のシーリング溝４８５の間に形成されている場合を示している。
【００４４】
このようなアラインホール４３１、４３２、４３３、４３４を利用して二極式構造の分離板２６０の前後面４００、５００の上の流路チャンネルをアラインして形成する工程は、後述する本発明の実施例による分離板の製造方法で詳細に説明する。
【００４５】
図５は本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の還元電極側の分離板２６０の後面５００（つまり、還元電極の反対側面）を示した図面である。
図５に示されているように、空気供給用マニホールド４７３及び空気供給口４５０は空気供給流路５５０によって連結されており、空気排出用マニホールド４７４及び空気排出口４６０は空気排出流路５６０によって連結されている。このような空気供給流路５５０及び空気排出流路５６０は、溝の形態で分離板２６０の後面５００に形成されている。
また、水素供給用マニホールド４７１には、水素供給流路５５５が形成されており、水素排出用マニホールド４７６には、水素排出流路５６５が形成されている。このような水素供給流路５５５及び水素排出流路５６５は、溝の形態で分離板２６０の後面５００に形成されている。
これら各マニホールド４７１、４７３、４７４、４７６の周りには、シーリング材を塗布するためのシーリング溝５８１、５８３、５８４、５８６が各マニホールド及びこれに連結された流路の各々を囲む閉曲線の形態に形成されている。
【００４６】
分離板の後面５００の中央部には、冷却水供給用マニホールド４７２から供給された冷却水が循環するための冷却水流路チャンネル５１０がリブ５２０によって分離されて形成されている。分離板の後面５００のこのような冷却水流路チャンネル５１０は、分離板の前面４００の水素流路チャンネル４１０とアラインされて形成されている。
燃料電池の冷却水は、冷却水供給用マニホールド４７２を通じて冷却水流路チャンネル５１０に供給されて、分離板２６０の後面を循環した後、冷却水排出用マニホールド４７５を通じて排出されるようになる。
このような冷却水供給用マニホールド４７２、冷却水流路チャンネル５１０、及び冷却水排出用マニホールド４７５の周りには、冷却水が外部に漏出しないように、シーリング材を塗布するための冷却水用シーリング溝５８０がこれらを囲む形態に形成されている。
【００４７】
図６は本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の酸化電極側の分離板２５０の後面６００（つまり酸化電極の側面）を示した図面である。
酸化電極側の分離板２５０の後面は、還元電極側の分離板２６０の前面４００と類似した構造からなる。
つまり、図６に示されているように、分離板２５０の上部には、水素供給用マニホールド６７１、冷却水供給用マニホールド６７２、及び空気供給用マニホールド６７３が分離板２５０を貫通して形成されている。また、分離板２５０の下部には、空気排出用マニホールド６７４、冷却水排出用マニホールド６７５、及び水素排出用マニホールド６７６が分離板２５０を貫通して形成されている。さらに、前記各マニホールド６７１〜６７６の周りには、シーリング材を塗布するためのマニホールドシーリング溝６８１〜６８６が各々形成されている。
【００４８】
酸化電極側の分離板２５０の後面の燃料電池の反応領域には、膜電極接合体２３０に水素を供給するための水素流路チャンネル６１０がリブ６２０によって分離されて形成されている。
水素流路チャンネル６１０の入口側端部には、水素流路チャンネル６１０に水素を供給するための水素供給口６５０が分離板２６０を貫通して形成され、水素流路チャンネル６１０の出口側端部には、水素流路チャンネル６１０から水素を排出するための水素排出口６６０が分離板２６０を貫通して形成されている。
【００４９】
水素供給用マニホールド６７１に供給された水素は、隣接する単位電池の還元電極側の分離板２６０の後面に形成された水素供給流路５５５（図５参照）を通じて水素供給口６５０に供給される。水素排出口６６０から排出される水素は、隣接する単位電極の還元電極側の分離板２６０の後面に形成された水素排出流路５６５（図５参照）を通じて水素排出用マニホールド６７６に排出される。
このような水素流路チャンネル６１０、水素供給口６５０、水素排出口６６０が形成された反応領域の周りには、反応領域から水素が漏出しないように、シーリング材を塗布するための反応領域シーリング溝６８０が形成されている。
【００５０】
酸化電極側の分離板２５０上には、還元電極側の分離板２６０のアラインホール４３１、４３２、４３３、４３４と同一位置に、同一サイズで、アラインホール６３１、６３２、６３３、６３４が分離板２５０を貫通して形成されている。このようなアラインホール４３１、４３２、６３１、６３２を利用することで単位電池２００の積層は容易になる。
【００５１】
以上の説明では、本発明の実施例による分離板２５０、２６０の外形的構造及び反応ガス／冷却水の流通を中心に説明した。
以下では、分離板２５０、２６０の素材、内部構造、及びその製造方法について詳細に説明する。
【００５２】
図７は図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図であり、図８は図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による断面図である。
本発明の実施例では、分離板２５０、２６０の素材として黒鉛箔７００、８００が使用される。
黒鉛箔の生産工程では、通常は圧着工程が伴い、高い圧力で圧着された黒鉛箔の内部は、層状構造を備えるようになる。
つまり、本発明の実施例で、分離板２５０、２６０の素材は、層状構造の黒鉛箔であるといえる。
【００５３】
本発明の実施例による分離板２５０、２６０の素材として使用される黒鉛箔７００、８００の層状構造に関しては、図７のＡ部分の拡大図面及び図８のＢ部分の拡大図面を参照することができる。
通常の黒鉛箔の場合、単位電池の積層方向への熱伝導度が２５０Ｗ／ｍＫ以上である。このため、燃料電池スタックの熱排出性能を向上させることができ、燃料電池スタックの温度分布の均一化に寄与することができる。
従来の技術による黒鉛／炭素複合材料の分離板では、反応ガスの漏出防止または黒鉛素材の容易な成形のために、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のような樹脂を分離板に含ませている。
【００５４】
しかし、本発明の実施例による分離板２５０、２６０では、このような樹脂が実質上排除された黒鉛箔を使用する。層状構造の黒鉛箔は大量生産されているものであり、従来の技術による樹脂を含む必要がなくなれば、黒鉛箔の大量生産性がさらに向上する。したがって、このような層状構造の黒鉛箔を利用して分離板を製造すれば、分離板の製造原価の節減に寄与する。
それだけでなく、樹脂の耐熱温度が１００℃以下であるので、従来の技術による樹脂が含まれている黒鉛素材の分離板は、１００℃以上の温度で運転される燃料電池には使用することができない。
このため、樹脂が排除された黒鉛箔を分離板に使用する場合には、燃料電池の運転温度の範囲を広げることができ、燃料電池の運転中に１００℃以上に過熱される場合に対して耐久性を高めることができる。
樹脂が排除された状態でも、分離板２５０、２６０の上の流路形成等のための高い成形性を有する。また、反応ガスの漏出防止及び撥水効果を備えることができて、その耐久性も向上させることができる。樹脂が排除された状態の黒鉛箔を使用して、安定して高性能の分離板を製造する方法に関しては、後述する。
【００５５】
燃料電池の分離板は、燃料電池スタックの連結時に均一な圧力を維持して、変形が抑制されなければならず、電気伝導性が確保されなければならない。
したがって、本発明の実施例の分離板２６０、２５０の素材として使用される黒鉛箔は、体積密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。実験の結果、黒鉛箔の体積密度が１．５ｇ／ｃｍ３未満である場合には、燃料電池スタックの連結時に分離板の変形が深刻化して、反応ガスの漏出または接触抵抗の増加が発生する可能性があることが明らかになった。
また、体積密度が過度に高い場合には、黒鉛箔の生産原価、つまり分離板の製造費用を増加させる原因になる。したがって、本発明の実施例の分離板２５０、２６０の素材として使用される黒鉛箔は、その体積密度が２．０ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００５６】
分離板の厚さが過度に薄い場合には、分離板のガス透過率が増加して、燃料電池スタックの性能及び耐久性に悪影響を与えることがある。このような点を考慮して、本発明の実施例による分離板２５０、２６０の素材として使用される黒鉛箔の厚さＤ１、Ｄ２は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
通常、流路チャンネルの最小の深さは０．２ｍｍ程度である。このため、黒鉛箔の厚さが０．５ｍｍ未満である場合には、流路チャンネル上の厚さｄ２が０．３ｍｍ未満に形成される。この場合、黒鉛箔７００、８００のガス透過率が過度に高くなることが確認された。
したがって、黒鉛箔を素材とする分離板の厚さを０．５ｍｍ以上にすることによって、このような最小限の厚さを確保しつつ、燃料電池スタックの耐久性及び性能の確保を期待することができる。
しかし、分離板の厚さが過度に厚い場合には、性能及び耐久性の確保にほとんど寄与せずに、製造原価を上昇させるようになる。実験の結果、本発明の実施例による分離板の素材として使用される黒鉛箔の厚さは、３ｍｍを超える必要がないことが分かった。
【００５７】
高分子電解質燃料電池の通常の運転温度が１００℃未満で約８０℃程度である点を考慮すれば、燃料電池の運転時の反応生成物である熱及び水の円滑で均一な排出は、非常に重要である。
このために、本発明の実施例による分離板２６０、２５０の流路チャンネル４１０、６１０の内面には、撥水層７１０、８１０がその表面に含浸によって形成されている。このように流路チャンネル４１０、６１０の表面に形成された撥水層は、流体分配層２２５を通じて電極に反応ガスを効果的に供給するのにも寄与する。
このような撥水層７１０、８１０は、図７及び図８に示されているように、リブ４２０、６２０の表面には形成されない。したがって、撥水層７１０、８１０によって分離板２６０、２５０及び流体分配層２２５の間の接触抵抗が増加する恐れが解消される。
【００５８】
従来の技術によれば、通常の撥水処理の場合、原材料の表面に撥水層をコーティングするようになる。この場合、撥水層が簡単に浮き上がったりはがれたりする場合がある。
しかし、本発明の実施例による撥水層７１０、８１０は、流路チャンネル４１０、６１０の内面を数十マイクロメートル（μｍ）程度の粗度に形成した後、粗い表面上に撥水層７１０、８１０を含浸して形成する。したがって、撥水層７１０、８１０が表面に含浸形成されるので、撥水層７１０、８１０の流路チャンネル４１０、６１０の内面への接着強度が向上して、撥水層７１０、８１０の耐久性が向上するようになる。
【００５９】
このように流路チャンネル内に含浸形成された撥水層７１０、８１０の厚さは、３０μｍ乃至１００μｍの範囲であることが好ましい。燃料電池スタックの連結圧下で反応ガス及び冷却水が流れるようになる環境を考慮すれば、撥水層７１０、８１０の撥水性能を耐久性を備えて維持するためには、撥水層７１０、８１０の厚さが３０μｍ以上であることが好ましい。反対に、撥水層７１０、８１０の厚さが１００μｍ以上の場合には、撥水層を形成するために使用する撥水液が過多に前記流路チャンネル４１０、６１０内に含浸されて、撥水熱処理（例えば、３３０℃の熱処理）時に層状構造の黒鉛箔に気泡などによる層状分離現象が発生することがあることが分かった。
【００６０】
図４乃至図６を参照すると、前記のように、マニホールド４７１〜４７６及び６７１〜６７６及び流体分配層の接触領域の周りには、シーリング溝４８１〜４８６及び６８１〜６８６、４８０、６８０が形成されている。
図７及び図８に示されているように、分離板２６０、２５０のシーリング溝には、シーリング部材７９０、８９０が塗布されて、分離板２６０、２５０と一体化されて形成されている。図７及び図８には特定の部位の断面にシーリング部材７９０、８９０が塗布されたことを示したが、このようなシーリング部材７９０、８９０は、分離板２６０、２５０の各シーリング溝４８０〜４８６、５８０〜５８６、６８０〜６８６に塗布される。前記シーリング部材７９０、８９０としては、一例としてシリコン系、フッ素系、あるいはオレフィン系のゴム液を使用することができる。
このようシーリング溝を通じてシーリング部材が分離板２６０、２５０に塗布され、一体化されるので、燃料電池スタックの組立工程を単純化することができる。
【００６１】
以下では、前記のように層状構造の黒鉛箔を素材とし、その流路チャンネルに撥水層が含浸形成された分離板を製造する方法に関して、本発明の実施例について詳細に説明する。
【００６２】
図９は本発明の実施例における燃料電池用分離板の製造方法を示したフローチャートである。
図９に示されているように、本発明の実施例による燃料電池用分離板の製造方法は、まず、Ｓ９１０段階で、設定された厚さ及び体積密度の黒鉛箔を準備する。
そして、Ｓ９２０段階で、準備された黒鉛箔に、マニホールド、シーリング溝、及び流路の形態に相応するマスクパターンを形成する。
その後、Ｓ９３０段階で、マスクパターンが形成された黒鉛箔に対して選択的に乾式エッチングを行って、マニホールド、シーリング溝、及び流路チャンネルを形成する。
そして、Ｓ９４０段階で、流路チャンネルの表面に、撥水層を含浸形成する。
その後、Ｓ９５０段階で、撥水層が含浸形成された黒鉛箔から前記マスクパターンを除去した後、洗浄及び熱処理工程を経て、分離板を完成するようになる。
【００６３】
このような工程によって、一極式構造の分離板が完成するようになる。
二極式構造の分離板を製造するためには、準備された黒鉛箔の一側面に前記Ｓ９２０及びＳ９３０段階を経て流路チャンネルなど（つまり、前記マニホールド、シーリング溝、及び流路チャンネル）を形成した後、黒鉛箔の他側面に同様に前記Ｓ９２０及びＳ９３０段階を経て流路チャンネルなどを形成する。
その後、両側面に流路チャンネルなどが形成された黒鉛箔に対して前記Ｓ９４０及びＳ９５０段階を経て二極式構造の分離板を完成するようになる。
したがって、二極式構造の分離板の製造工程は、一極式構造の分離板の製造工程に関する説明から、容易に理解することができる。
【００６４】
以下では、一例として一極式構造の分離板２５０を製造する方法に関して、前記Ｓ９１０〜Ｓ９５０の各段階をより詳細に説明する。
まず、黒鉛箔を準備するＳ９１０段階では、一例として厚さ１．０ｍｍ、平均比重１．７８ｇ／ｃｍ３、大きさ１０ｃｍ×１５ｃｍの黒鉛箔を準備する。この時、準備された黒鉛箔を乾燥機で１００℃、５分間乾燥して、水分を除去する。準備された黒鉛箔にアラインホール６３１、６３２、６３３、６３４を形成する。この時、準備された黒鉛箔は、流路チャンネルなどが形成される前であるので、アラインホール６３１、６３２、６３３、６３４の直径、そしてその間の距離だけが設定された条件によって形成されればよい。
【００６５】
前記マスクパターンを形成するＳ９２０段階は、多様な方式で具体化される。例えば、ゴムまたはステンレス鋼素材で、流路チャンネル等に対応するパターンのマスクを黒鉛箔に付着させることができる。
【００６６】
他の例として乾式フィルムを利用することができる。
乾式フィルム（例えば、ＢＦ４１０）を利用する場合には、まず、ラミネート装置を使用して厚さが１００μｍの乾式フィルム（例えば、ＢＦ４１０）をコーティングする。ラミネート工程で、上部ローラの温度は７０℃程度、下部ローラの温度は６５℃程度、そしてローリング速度は６０ｍｍ／ｓｅｃ程度とすることが好ましい。
そして、流路チャンネルなどがパターン化されたフィルムマスクを黒鉛箔に密着させて、露光器で２０ｍＷ／ｃｍ２程度のエネルギー密度で約１８〜２３秒間露光する。
乾式フィルムの場合、現像液にディッピングする場合にはふくらむ可能性がある。したがって、乾式フィルムがコーティングされた黒鉛箔を現像するために、噴霧型現像機で現像液（例えば、１〜２％のＮａ２ＣＯ３溶液）ノズルを移動させながら噴霧して現像することが好ましい。
【００６７】
噴霧型現像機の工程条件は、現像液の温度は２５℃程度、噴霧圧力は２．７Ｋｇ／ｃｍ２程度、ノズルの移動速度は８０ｍｍ／ｓｅｃ程度とするのが好ましい。このように現像した後には、オーブンで１００℃、５分間焼成することが好ましい。
このようなマスクパターンを形成するＳ９２０段階では、マスクを黒鉛箔に付着する工程が含まれる。この時、アラインホール６３１、６３２、６３３、６３４及びアライン棒が使用される。このようにアラインホール６３１、６３２、６３３、６３４を利用して黒鉛箔にマスクを付着する工程について、より詳細に説明する。
【００６８】
図１０に示されているように、露光器１０００上の作業平板１１００には、大口径のアライン棒１０２１、１０２２の対及び小口径のアライン棒１０２３、１０２４の対が突出形成されている。前記作業平板１１００は、露光器１０００の光源１００５から生成された現像光が通過することができる透明板で形成されている。
準備されたマスク１０１０には、前記アライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４に対応する設定された位置にアラインホール１０１１、１０１２、１０１３、１０１４が形成されている。そして、前記黒鉛箔を準備するＳ９１０段階では、前記アライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４に対応する位置にアラインホール６３１、６３２、６３３、６３４が形成されている。
【００６９】
通常、マスク１０１０の厚さは０．２ｍｍ未満であるので、アライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４の前記作業平板１１００から突出する高さｈは０．２ｍｍ程度で十分である。大口径のアライン棒１０２１、１０２２が小口径のアライン棒１０２３、１０２４より若干突出している。これにより、分離板の配置時に、大口径のアライン棒１０２１、１０２２を利用して概略的な位置を容易に決めた後、小口径のアライン棒１０２３、１０２４を利用して精密な位置を決めてアラインすることができる。
このように突出したアライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４がアラインホール１０１１、１０１２、１０１３、１０１４に挿入されるようにマスク１０１０を作業平板１１００上に配置する。この時、アライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４の突出する高さｈはマスク１０１０の厚さより大きいので、アライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４は、マスク１０１０を通過して突出するようになる。
【００７０】
したがって、準備された黒鉛箔を、アラインホール６３１、６３２、６３３、６３４にアライン棒１０２１、１０２２、１０２３、１０２４が嵌合されるように配置するだけで、分離板の前後面は精密にアラインされることができる。このようなアライン工程で黒鉛箔にマスクを付着することによって、分離板の前後面は精密にアラインされる。
【００７１】
前記流路チャンネルを形成するＳ９３０段階では、マスクパターン工程を経た黒鉛箔を一例としてサンドブラスタ装置を使用して、流路チャンネルの深さが約５００μｍ程度になるように乾式エッチングする。
このようなサンドブラスタ工程の条件として、基板の移動速度は約４０ｍｍ／分程度、ノズルの移動速度は約２０ｍ／分程度、ノズルの噴出圧力は約３．０ｋｇ／ｃｍ２、そして基板及びノズルの間の距離は約６０ｍｍ程度であることが好ましい。流路チャンネルの底面に数十マイクロメートルの粗度が形成されるように、研磨剤としては、例えば、ＳｉＣを使用することができる。
このようなサンドブラスタ工程の代わりに、あるいはこれと併用して、研磨剤を利用したエッチング方法である超音波エッチング工程を行うことができる。
【００７２】
前記撥水層を含浸形成するＳ９５０段階では、流路チャンネルが形成されてマスクパターンが付着された黒鉛箔を、撥水液（例えば、２０％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液）に２秒乃至４秒間ディッピングしたり、スプレーコーティング処理したりした後、５０℃乃至９０℃の範囲で乾燥する。
【００７３】
前記分離板を完成させるＳ９５０段階では、黒鉛箔に付着された乾式フィルムを除去するために、超音波洗浄器を使用して前記マスクパターンをアセトン溶液で除去した後、洗浄及び熱処理して分離板を完成する。このような洗浄及び熱処理工程は、当業者に自明である。そして、ゴムまたはステンレス鋼製のマスクが使用された場合には、これを分離することによって除去することができる。
【００７４】
以上の本発明の実施例に関する説明では、分離板が均質な構造の黒鉛箔を使用することについて説明した。しかし、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると解釈されてはならない。分離板に使用される黒鉛箔の内部にステンレス鋼層を含むことができるなど、実施例の変更が可能である。
以下では、このように分離板に使用される黒鉛箔がその内部にステンレス鋼層を含むことについて、本発明の第２実施例を図１１を参照して説明する。
【００７５】
図１１は図６の本発明の第２実施例のＸＩ−ＸＩ線による断面図である。
図１１に示されているように、本発明の第２実施例による分離板１１５０に使用される層状構造の黒鉛箔１１４０は、その内部にステンレス鋼層１１６０を含む。
このように内部にステンレス鋼層１１６０を含む黒鉛箔１１４０は、ステンレス鋼層１１６０を中心にして、その前後面に設定された厚さの黒鉛層をプレスすることによって簡単に生産される。
【００７６】
前記ステンレス鋼層１１６０は、一例としてＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６を使用することができ、その厚さｔは０．１ｍｍ乃至０．３ｍｍであるのが好ましい。このようなステンレス鋼層１１６０の前後面に形成される黒鉛層の厚さｄ３は、流路チャンネル６１０の深さを考慮して０．２ｍｍ以上であるのが好ましく、生産原価を考慮して３ｍｍ以下であることが好ましい。
つまり、このような本発明の第２実施例による分離板１１５０は、一例として０．１ｍｍの厚さのステンレス鋼層１１６０を中心にして、その前後面に各々０．２ｍｍの厚さの黒鉛層が形成された黒鉛箔１１４０（したがって、その全体の厚さＤ３は０．５ｍｍとなる）を使用する。そして、黒鉛箔１１４０の一側面（一例として図１１の上面）を乾式エッチングして、流路チャンネル６１０が形成される。
【００７７】
また、このように内部にステンレス鋼層１１６０が形成された黒鉛箔１１４０を利用して分離板１１５０を製造する工程は、図１０を参照して説明した本発明の第１実施例に関する分離板２５０、２６０を製造する工程と同一である。
流路チャンネル６１０を形成するための乾式エッチング工程において、ステンレス鋼層１１６０が露出するようにその黒鉛層がエッチングされる。乾式エッチング工程（一例として前記サンドブラスタリングエッチング工程）では、ステンレス鋼層１１６０は、ステンレス鋼層１１６０前後面に形成された黒鉛層によりもエッチング率が顕著に低い。したがって、このようなステンレス鋼層１１６０は、エッチング工程でエッチング障壁の役割をするようになる。
【００７８】
このような特徴によれば、分離板の製造工程がより便利になり、また、より低い精密度の製造装備を利用しても、高性能で高精密の分離板を容易に製造することができるようになる。
ステンレス鋼層１１６０の強度は黒鉛層に比べて高いが、エッチング工程で使用される研磨剤によって、第１実施例について説明した程度の粗度（一例として数十マイクロメートル）はその表面に容易に形成することができる。
そして、撥水層を形成する段階（図９のＳ９４０段階参照）では、ステンレス鋼層１１６０が流路チャンネル６１０の上に露出した状態で撥水層８１０を形成する。したがって、ステンレス鋼層１１６０が流路チャンネル６１０に露出した状態で撥水層８１０を形成するようになるので、完成された分離板１１５０では、前記撥水層８１０を介在してステンレス鋼層１１６０が露出される状態になる。
【００７９】
前記の説明では、高分子電解質型燃料電池を対象とする場合を例として本発明を説明したが、本発明の保護範囲がこれに限定されると解釈されてはならない。むしろ、その正常な運転温度が黒鉛箔の耐久温度の範囲（一例として２５０度以下）に含まれる任意の方式の燃料電池にも、本発明の技術的な思想は適用可能である。一例として、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）にも本発明の技術的な思想は適用可能である。
したがって、前記の説明及び請求項で、高分子電解質型燃料電池に該当する用語は、必ずしもこれに限定される構造だけを意味すると解釈されてはならない。
例えば、燃料ガスという用語は、ガス形態の水素だけでなく、液体で供給されるメタノール燃料を含む包括的な意味に理解されなければならない。また、膜電極接合体という用語は、高分子電解質以外の形態の燃料電池に関しては、これに対応する構成を称するものとして理解されなければならない。
【００８０】
前記のように、本発明の実施例によれば、燃料電池用分離板において、層状構造の黒鉛箔をその素材として使用し、分離板に形成された流路チャンネルの内面には、撥水層を含浸形成する。
したがって、還元電極で生成される水が効率的に排出されるようになるので、反応ガスが触媒層に拡散するのを促進するなど、燃料電池の性能を向上させることができる。これによって燃料電池スタックの単位体積当たりの出力密度を向上させることができるようになる。
【００８１】
また、乾式エッチングによって形成された分離板の流路チャンネルの内面に撥水層が含浸形成されるので、撥水層の耐久性が向上し、それによって燃料電池の耐久性及び信頼性を向上させることができるようになる。
また、黒鉛箔の内部には、熱硬化性または熱可塑性樹脂のような樹脂が実質上不要で、膜電極接合体に接触する分離板の表面にマスクパターンによって撥水層の形成が防止されるので、セルの間の接触抵抗を減少させるために必要な別途の工程を解消することができるようになる。
また、このような黒鉛箔は、熱伝導度が高く、燃料電池スタックでの冷却効果を向上させると共に、燃料電池スタックの温度分布を均一にすることができる。
【００８２】
また、分離板の素材として使用される層状構造の黒鉛箔は、大量生産が可能であるので、分離板の製造費用及び燃料電池の製造費用を節減することができる。
また、その製造工程が単純化されて大量生産に適するように具現されるので、分離板の製造費用及び燃料電池の製造費用を節減することができる。
【００８３】
以上、本発明に関する好ましい実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の実施例から当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者による容易に変更されて均等だと認められる範囲のすべての変更を含むことができる。
本明細書及び請求項の全体を通して「含む」という表現は、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外する意味ではなく、他の構成要素も含むことができると解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】従来の技術による燃料電池スタックの概略断面図
【図２】本発明の実施例の燃料電池スタックの分解斜視図
【図３】本発明の実施例の燃料電池スタックの単位電池において、膜電極接合体及び流体分配層の詳細な結合構造を示した断面図
【図４】本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の還元電極側の分離板２６０の前面４００（つまり、還元電極の側面）を示す図
【図５】本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の還元電極側の分離板２６０の後面５００（つまり、還元電極の反対側面）を示す図
【図６】本発明の実施例の燃料電池スタックにおける単位電池２００の酸化電極側の分離板２５０の後面６００（つまり、酸化電極の側面）を示す図
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図
【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線による断面図
【図９】本発明の実施例における燃料電池用分離板の製造方法を示すフローチャート
【図１０】本発明の実施例の分離板の製造方法において黒鉛箔にマスクを付着させる工程を説明する図
【図１１】本発明の第２実施例の図６のＸＩ−ＸＩ線による断面図
【図１】
2007528112.tif 000003
【図２】
2007528112.tif 000004
【図３】
2007528112.tif 000005
【図４】
2007528112.tif 000006
【図５】
2007528112.tif 000007
【図６】
2007528112.tif 000008
【図７】
2007528112.tif 000009
【図８】
2007528112.tif 000010
【図９】
2007528112.tif 000011
【図１０】
2007528112.tif 000012
【図１１】
2007528112.tif 000013
【国際調査報告】
2007528112.tif 000014