(57)【要約】【課題】  セパレータ上への流路形成において、フォトレジストを残存させて利用する技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池用セパレータを提供する。この燃料電池用セパレータは、金属基板と、金属基板上を被覆する導電性を有するレジスト部とを備える。レジスト部には、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成する形状であって、ガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部を残存させた凹部が形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータであって、
金属基板と、
前記金属基板上を被覆する導電性を有するレジスト部と、
を備え、
前記レジスト部には、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成する形状であって、前記ガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部を残存させた凹部が形成されている燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータであって、
前記レジスト部には、前記導入部側の残存厚さよりも前記排出部側の前記レジスト部の残存厚さを厚く残存させた前記凹部が形成されている燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路は、ほぼ均一の幅を有している燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであって、
前記金属基板は、ほぼ均一の厚さを有している燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
金属基板を準備する準備工程と、
前記金属基板上に導電性を有するレジスト部を被覆する被覆工程と、
前記レジスト部に露光処理を行って、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成する形状を形成する露光工程と、
を備え、
前記露光工程は、前記ガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部を残存させた凹部が形成されるように露光する工程を含む製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の製造方法であって、
前記露光工程は、露光量の調整が可能なハーフトーンマスク露光を行うことによって前記予め設定された厚さのレジスト部を少なくとも一部に残存させる工程を含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両に搭載可能な燃料電池の構造として、複数の発電体と、複数のセパレータとを交互に積層した構成が提案されている。このような構造において、燃料ガスや冷媒の流路形成にフォトリソグラフィー技術等のプリント配線基板（ＰＣＢ）製造技術を応用して、積層面の面積効率を高める技術が提案されている（特許文献１〜４）。特に、特許文献５では、フォトレジストにカーボンを添加して、フォトレジストを導電体として利用する技術も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００６−５０１６０２号公報
【特許文献２】特開２００５−３８７２７号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６８２５号公報
【特許文献４】特開２００６−２９４２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、セパレータへの流路形成において、流路上にフォトレジストの一部を残存させて利用することは考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、セパレータ上への流路形成において、フォトレジストを残存させて利用する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、燃料電池用セパレータを提供する。この燃料電池用セパレータは、
金属基板と、
前記金属基板上を被覆する導電性を有するレジスト部と、
を備え、
前記レジスト部には、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成する形状であって、前記ガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部を残存させた凹部が形成されている。
【０００７】
本発明の燃料電池用セパレータでは、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成するための凹部形状であって、このガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部が残存するように凹部が形成された導電性を有するレジスト部が金属基板を被覆するように構成されているので、残存するレジスト部を利用してガス流路における腐食の抑制や流路断面の調整を実現することができる。
【０００８】
上記燃料電池用セパレータにおいて、前記レジスト部には、前記導入部側の残存厚さよりも前記排出部側の前記レジスト部の残存厚さを厚く残存させた前記凹部が形成されているようにしてもよい。こうすれば、排出部側の流路の断面積を導入部側の流路の断面積より小さくすることができるので、排出部側における燃料ガスの流速の低速化や生成水の蓄積に起因するフラッディングを抑制することができる。排出部側において燃料ガスの流速の低速化が生じるのは、流路における電気化学反応によって燃料ガスが徐々に減少するからである。
【０００９】
上記燃料電池用セパレータにおいて、前記ガス流路は、ほぼ均一の幅を有するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池用セパレータが発電体に与える圧力を均一にすることができるので、燃料電池用セパレータと発電体との間の圧力の不均一に起因する反応の不均一を抑制して燃料電池の発電効率を高めることができる。このような反応の不均一は、燃料電池用セパレータが発電体に与える圧力に応じて発電体に拡散可能な燃料ガスの量が変化するからである。具体的には、圧力が高いほど発電体が緻密となってガスが拡散浸透しにくくなる性質があるからである。
【００１０】
上記燃料電池用セパレータにおいて、
前記金属基板は、ほぼ均一の厚さを有しているようにしてもよい。こうすれば、ロール状に供給される金属板から金属基板を製造することができるので、製造工程の効率化を図ることができるからである。
【００１１】
本発明は、さらに、燃料電池用セパレータを製造する方法を提供する。この製造方法は、
金属基板を準備する準備工程と、
前記金属基板上に導電性を有するレジスト部を被覆する被覆工程と、
前記レジスト部に露光処理を行って、燃料ガスの導入部から排出部までのガス流路を形成する形状を形成する露光工程と、
を備え、
前記露光工程は、前記ガス流路の少なくとも一部に予め設定された厚さのレジスト部を残存させた凹部が形成されるように露光する工程を含む。
【００１２】
上記製造方法において、前記露光工程は、露光量の調整が可能なハーフトーンマスク露光を行うことによって前記予め設定された厚さのレジスト部を少なくとも一部に残存させる工程を含むようにしてもよい。
【００１３】
なお、本発明は、燃料電池スタック、燃料電池用セパレータ製造装置その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池セパレータの製造方法：
Ｂ．変形例：
【００１５】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池セパレータの製造方法：
図１は、本発明の実施例における燃料電池セル１００の構成を示す説明図である。燃料電池セル１００は、本実施例では、水素ガスや空気、冷却水といった流体の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池であり、車両（図示せず）に搭載可能である。燃料電池セル１００は、膜電極接合体２０Ｍを有する発電体２０と、膜電極接合体２０Ｍのアノード側電極（図示せず）に積層されるアノード側セパレータ１０と、膜電極接合体２０Ｍのカソード側電極（図示せず）に積層されるカソード側セパレータ３０とを備えている。
【００１６】
カソード側セパレータ３０の上面には、膜電極接合体２０Ｍのカソード側電極に燃料ガスとしての空気を供給するカソードガス流路（図示せず）を形成するための凹部３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３、３０ｃ４が形成されている。一方、カソード側セパレータ３０の下面には、アノード側セパレータ１０の上面と同様の凹部が形成されていて、アノード側セパレータ１０の上面に積層されることによって冷却水を供給する冷却水流路が形成されるように構成されている。
【００１７】
なお、本実施例では、説明を分かりやすくするためにカソードガス流路（図示せず）を形成するための凹部３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３、３０ｃ４は、カソードガスが２往復する単純な４列の流路として形成されているが、本実施例では、フォトリソグラフィー法を利用することによって微細な流路を形成することが可能である。
【００１８】
アノード側セパレータ１０の下面には、膜電極接合体２０Ｍのカソード側電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するアノード流路（図示せず）を形成するための凹部（図示せず）が形成されている。
【００１９】
アノード側セパレータ１０と、発電体２０と、カソード側セパレータ３０とには、連通することによってカソードガスとしての空気を膜電極接合体２０Ｍに導入するためのマニホールドを形成するための貫通穴１０ｃｉと、貫通穴２０ｃｉと、貫通穴３０ｃｉとがそれぞれ形成されている。一方、膜電極接合体２０Ｍからカソードガスを排出するためのマニホールドを形成するための貫通穴１０ｃｏと、貫通穴２０ｃｏと、貫通穴３０ｃｏとがそれぞれ形成されている。
【００２０】
さらに、膜電極接合体２０Ｍにアノードガスとしての水素ガスを導入するためのマニホールドを形成するための貫通穴１０ａｉと、貫通穴２０ａｉと、貫通穴３０ａｉとがそれぞれ形成されている。膜電極接合体２０Ｍからアノードガスとしての水素ガスを排出するためのマニホールドを形成するための貫通穴１０ａｏと、貫通穴２０ａｏと、貫通穴３０ａｏとがそれぞれ形成されている。
【００２１】
加えて、燃料電池セル１００を冷却するための冷却水を、アノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ３０と導入するための貫通穴１０ｗｉと、貫通穴２０ｗｉと、貫通穴３０ｗｉとがそれぞれ形成されている。一方、アノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ３０とから冷却水を排出するためのマニホールドを形成するための貫通穴１０ｗｏと、貫通穴２０ｗｏと、貫通穴３０ｗｏとがそれぞれ形成されている。
【００２２】
なお、本実施例では、カソード側セパレータ３０が特許請求の範囲における「燃料電池用セパレータ」に相当する。また、本実施例では、発電体２０の両側にアノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ３０とを積層することによって燃料電池セル１００を形成しているが、たとえばアノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ３０とを組み立てたサブアッセンブリーとしてのセパレータアッセンブリ１０、３０と、発電体２０とを交互に積層して燃料電池スタックを構成するようにしてもよい。このような場合には、セパレータアッセンブリ１０、３０が特許請求の範囲における「燃料電池用セパレータ」に相当することになる。さらに、アノード側セパレータ１０の単体にも本発明は適用可能である。
【００２３】
図２は、本実施例のカソード側セパレータ３０の断面ＡＡを示す説明図である。カソード側セパレータ３０は、金属基板３１と、カソード側フォトレジスト部３２ａと、カソード側フィルム部３２ｂと、冷却水側フォトレジスト部３３ａと、冷却水側フィルム部３３ｂと、を備えた５層構造として構成されている。
【００２４】
金属基板３１の材料としては、たとえばＳＵＳやＮｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌといった金属やその合金が利用可能である。
【００２５】
カソード側フォトレジスト部３２ａや冷却水側フォトレジスト部３３ａの材料としては、光重合性モノマや光重合開始剤、バインダポリマといったフォトリソグラフィー用のフォトレジスト層の材料として利用される材料に加えて、たとえば高伝導性を有するカーボンといったフォトレジスト層に導電性を与える材料が含有されている。フォトレジスト層に導電性を与えるのは、発電体２０で発生した電力をカソード側セパレータ３０に伝えるためである。
【００２６】
一方、カソード側フィルム部３２ｂや冷却水側フィルム部３３ｂの材料としては、耐熱性に優れた熱可塑性樹脂の利用が好ましい。このような熱可塑性樹脂には、たとえばポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエチレンオキシド、ポリエーテルスルフォン、ポリノルボルネン等が利用可能である。
【００２７】
さらに、カソード側フィルム部３２ｂや冷却水側フィルム部３３ｂには、酸化防止剤や光安定剤、難燃剤その他の添加剤を分散して添加することが好ましい。具体的には、フェノール系やヒンダードアミン系、フォスフェート系、フォスフィン系、ビスフェノール系といった添加剤が利用できる。
【００２８】
一方、カソード側フォトレジスト部３２ａや冷却水側フォトレジスト部３３ａを構成する光重合性モノマや光重合開始剤、バインダポリマ、導電性カーボンの具体例としては以下のものが利用可能である。
【００２９】
光重合性モノマとしては、たとえばビスフェノールＡ系（メタ）アクリレート化合物、多価アルコールにα、β−不飽和カルボン酸を反応させて得られる化合物、グリシジル基含有化合物にα、β−不飽和カルボン酸を反応させて得られる化合物、分子内にウレタン結合を有する（メタ）アクリレート化合物等のウレタンモノマー又はウレタンオリゴマー、ノニルフェノキシポリオキシエチレンアクリレート、γ−クロロ−β−ヒドロキシプロピル−β’−（メタ）アクリロイルオキシエチル−o−フタレート、β−ヒドロキシアルキル−β’−（メタ）アクリロイルオキシアルキル−o−フタレート等のフタル酸系化合物、（メタ）アクリル酸アルキルエステル、ＥＯ変性ノニルフェニル（メタ）アクリレート等が挙げられる。さらに、これらの化合物の２種以上の組合せも可能である。特に、ビスフェノールＡ系（メタ）アクリレート化合物またはウレタン結合を有する（メタ）アクリレート化合物が好適である。
【００３０】
光重合開始剤としては、たとえばベンゾフェノン、Ｎ、Ｎ’−テトラアルキル−４、４’−ジアミノベンゾフェノン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタノン−１、２−メチル−１−[４−（メチルチオ）フェニル]−２−モルホリノ−プロパノン−１等の芳香族ケトン、アルキルアントラキノン等のキノン類、ベンゾインアルキルエーテル等のベンゾインエーテル化合物、ベンゾイン、アルキルベンゾイン等のベンゾイン化合物、ベンジルジメチルケタール等のベンジル誘導体、２、４、５−トリアリールイミダゾール二量体、９−フェニルアクリジン、１、７−ビス（９，９’−アクリジニル）ヘプタン等のアクリジン誘導体、Ｎ−フェニルグリシン、Ｎフェニルグリシン誘導体、クマリン系化合物等が挙げられる。
【００３１】
バインダポリマとしては、たとえば以下の単量体からなるポリマを用いることができる。メタクリル酸エステル及びアクリル酸エステル、（たとえば（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸プロピル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸２−エチルヘキシル、（メタ）アクリル酸２ヒドロキシエチル、ビニルアルコールのエステル類（メタクリル酸ベンジル、酢酸ビニル）、スチレン及びスチレン誘導体、（メタ）アクリロニトリル等がある。特に、メタクリル酸メチル及びスチレンが好適である。さらに、これらの化合物の２種以上の組合せも可能である。
【００３２】
カーボンとしては、たとえば粒径０．０１〜１００μｍ、好ましくは０．１〜３０μｍ、さらに好ましくは１〜１０μｍの高伝導性のカーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ（商品名）、Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ（商品名）など）、ファーネスブラック、黒鉛粉末などが好ましい。
【００３３】
図３は、本実施例の燃料電池セパレータの製造方法の各工程を示すフローチャートである。図４は、各工程における燃料電池セパレータの半製品の状態を示す説明図である。この製造方法は、半導体製造プロセスに利用されるフォトリソグラフィー技術において、フォトレジストを除去することなく残存させて燃料電池セパレータの流路形成に利用していることを特徴としている。すなわち、半導体製造プロセスに利用されるフォトリソグラフィーからエッチング処理と、レジストの全てを取り去るレジスト除去処理と削除することによって構成されている。
【００３４】
ステップＳ１００では、フィルムラミネート工程が実行される。フィルムラミネート工程とは、金属基板３１（図４（Ａ））上に、処理前のカソード側フォトレジスト部３２ａｒと、カソード側フィルム部３２ｂとを層状に被覆する工程である。金属基板３１は、ほぼ均一の厚さ（許容誤差内）を有し、ロール状に巻かれていて予め設定された大きさに切り抜いて使用される。これにより、金属基板３１の製造工程簡略化して製造効率を高めることができる。なお、本実施例では、説明を簡略化するためにカソード流路側についてのみ説明するが、アノード流路や冷却水流路にも適用可能である。
【００３５】
ステップＳ２００では、マスキング工程が実行される。マスキング工程とは、露光パターンを決定するために予め製造されたフォトマスク５００の位置合わせを行う工程である（図４（Ｂ））。フォトマスク５００の位置合わせは、本実施例では、プロクシミティ露光を実現するために加工対象をフォトマスク５００の近傍に配置することによって行う。
【００３６】
フォトマスク５００は、ガラス基板５１０と、露光を遮光する遮光膜５２０ａと、ハーフトーン露光を実現するために露光を一部だけ通過する半透過膜５２０ｂと、を備えている。フォトマスク５００の材料としては、単層クロム膜や、この単層クロム膜上にさらに酸化クロム膜が設けられた低反射型の２層膜などが利用可能である。さらに、クロムの他にシリコンやモリブデンシリサイドなどを利用することもできる。なお、フォトマスクの形態としては、ガラス形態だけでなくフィルム形態も利用可能である。
【００３７】
ハーフトーン露光は、膜電極接合体２０Ｍ（図１）からカソードガスを排出するためのマニホールドを形成するための貫通穴３０ｃｏの近傍（排出部側）の凹部３０ｃ１、３０ｃ２とに適用されている。一方、膜電極接合体２０Ｍ（図１）にカソードガスを供給するためのマニホールドを形成するための貫通穴３０ｃｉの近傍（導入部側）の凹部３０ｃ３、３０ｃ４とには遮光膜５２０ａが適用されている。
【００３８】
なお、ハーフトーン露光は、露光を一部だけ通過する半透過膜５２０ｂの利用だけでなく、図示しない露光機の解像度限界未満の微細なパターンで構成されたグレイトーンマスクを利用することによっても実現することができる。
【００３９】
このように、カソードガスの排出部側においてハーフトーン露光が適用されているのは、排出部側の流路の断面積を導入部側の流路の断面積より小さくして、排出部側における燃料ガスの流速の低速化や生成水の蓄積に起因するフラッディングを抑制するためである。排出部側において燃料ガスの流速の低速化が生じるのは、流路における電気化学反応によって燃料ガスが徐々に減少するからである。
【００４０】
ステップＳ３００では、露光工程が実行される。本実施例では、紫外線平行光を利用して露光が行われる（図４（Ｃ））。本実施例では、感光していない部分が溶解する「ネガ型」のフォトリソグラフィー技術が採用されているので、露光によって感光していない部分が後の現像工程で溶解して除去されることになる。
【００４１】
ステップＳ４００では、マスク除去処理が実行される。マスク除去処理とは、露光工程が完了した後に、露光用のフォトマスク５００を除去する処理である（図４（Ｄ））。図４（Ｄ）では、２箇所の低感光部３２ｄ１、３２ｄ２と、２箇所の非感光部３２ｄ３、３２ｄ４とが溶解可能な領域として示されている。ただし、２箇所の低感光部３２ｄ１、３２ｄ２では、一部溶解しないで残存するように半透過膜５２０ｂを用いた半透光性マスクによる低い露光で感光させている。
【００４２】
ステップＳ５００では、現像工程が実行される。現像工程とは、レジスト材の感光部分を溶解して除去する工程である。これにより、２箇所の低感光部３２ｄ１、３２ｄ２のレジスト材の一部と、２箇所の非感光部３２ｄ３、３２ｄ４のレジスト材の全てとが溶解して、流路形成用の凹部３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３、３０ｃ４を備えた処理後のカソード側フォトレジスト部３２ａが現れることになる。
【００４３】
このように、本実施例では、半導体プロセスに利用されるフォトリソグラフィー技術を適用して微細な流路パターンを正確に形成することができる。さらに、本実施例では、カソード側フォトレジスト部３２ａの露光量を調整（ハーフトーン露光）して排出部側の流路の断面積を導入部側の流路の断面積より小さくして、排出部側における燃料ガスの流速の低速化や生成水の蓄積に起因するフラッディングの抑制をも実現している。
【００４４】
Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【００４５】
Ｂ−１．上記実施例では、ハーフトーン露光による露光量の調整によって流路の断面積を変化させているが、フォトレジスト層は耐腐食性を有しているので、これを利用して流路の腐食が生じやすい場所のフォトレジスト層の残存厚さを他の部分の厚さよりも厚くして流路の腐食を抑制するように構成してもよい。
【００４６】
Ｂ−２．上記実施例では、ハーフトーン露光による露光量の調整によって流路の断面積を変化させているが、さらに、たとえばカソード側フォトレジスト部３２ａとカソード側フィルム部３２ｂとの間にカソード側フォトレジスト部３２ａよりも感光し難い層を設けて流路の断面積の変動を抑制するようにしてもよい。こうすれば、露光量の誤差による残存層の変動を抑制することができるからである。
【００４７】
Ｂ−３．上記実施例では、フォトレジスト層の残存厚さを段階的に変化させているが、たとえば連続的に（滑らかに）変化させるようにしてもよい。ハーフトーン露光は、露光量を連続的に変化させることが容易にできるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例における燃料電池セル１００の構成を示す説明図。
【図２】本実施例のカソード側セパレータ３０の断面ＡＡを示す説明図。
【図３】本実施例の燃料電池セパレータの製造方法の各工程を示すフローチャート。
【図４】各工程における燃料電池セパレータの半製品の状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…アノード側セパレータ
２０…発電体
２０Ｍ…膜電極接合体
３０…カソード側セパレータ
３１…金属基板
３２ａ…カソード側フォトレジスト部
３２ｂ…カソード側フィルム部
３３ａ…冷却水側フォトレジスト部
３３ｂ…冷却水側フィルム部
１００…燃料電池セル
５００…フォトマスク
５１０…ガラス基板
５２０ａ…遮光膜
５２０ｂ…半透過膜
【図１】
2008234979.tif 000003
【図２】
2008234979.tif 000004
【図３】
2008234979.tif 000005
【図４】
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