(57)【要約】【課題】凹凸を形成したセパレータ表面のどの部位にも（凹凸の角部や溝の縦壁にも）表面処理層を形成でき、かつ、所定部位に所定厚さの、導電性、耐蝕性の良好な表面処理層を形成することができる燃料電池用セパレータとその製造方法の提供。【解決手段】（１）  超微細インクジェット装置５０を用いて、導電性金属超微粒子ペースト５２を含む溶液をセパレータの基材１８ａの表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールして製造された導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂを有する燃料電池用セパレータ１８。（２）  導電性金属超微粒子ペースト５２を含む溶液をセパレータの基材１８ａの表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールすることにより導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂを形成する燃料電池用セパレータ１０の製造方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超微細インクジェット装置を用いて、導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールして製造された導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を有する燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
インクジェット装置を用いて、導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールして製造された導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を有する燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記表面処理層が、導電性金属超微粒子ベーストを面状に塗布しアニールして作製した層からなり、１層または多層に形成されており、前記表面処理層が均一な材質からなるか、または部位に応じて材質が変化させてある、請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールすることにより導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を形成する燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータとの積層体からなる。
燃料電池用セパレータにおいて、セパレータ基材（ステンレス）表面に金などをメッキ処理、あるいは蒸着させることで導電性、耐腐蝕性を向上させることは知られている（たとえば、特開２００２−３６７４３４号公報）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３６７４３４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セパレータは燃料ガス、酸化ガスをＭＥＡの供給する流路を有し、その流路のための凹凸を有しているため、表面処理層を均一に形成することは困難である。それを解決するため、特開２００２−３６７４３４号公報の発明では、表面処理層形成後に、プレス加工などにより凹凸を施すようにしている。
しかし、メッキや蒸着法などにより表面処理層形成後にプレス加工などにより凹凸を施すと、表面処理層に割れが入ったり、表面処理層が剥離したりし、導電性、耐蝕性を低下させるおそれがある。
また、凹凸を先に形成しておいてその後にメッキ、蒸着などにより表面処理層を形成する方法では、凹凸の角部や溝の縦壁への表面処理層の形成が困難であること、おほび、所定部位に所定厚さの表面処理層を形成することが難しくなりその部位の耐蝕性や耐摩耗性が低下する、という問題が生じる。
本発明の目的は、凹凸を形成したセパレータ表面のどの部位にも（凹凸の角部や溝の縦壁にも）表面処理層を形成でき、かつ、所定部位に所定厚さの、導電性、耐蝕性の良好な表面処理層を形成することができる燃料電池用セパレータとその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  超微細インクジェット装置を用いて、導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールして製造された導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を有する燃料電池用セパレータ。
（２）  インクジェット装置を用いて、導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールして製造された導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を有する燃料電池用セパレータ。
（３）  前記表面処理層が、導電性金属超微粒子ベーストを面状に塗布しアニールして作製した層からなり、１層または多層に形成されており、前記表面処理層が均一な材質からなるか、または部位に応じて材質が変化させてある、（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータ。
（４）  導電性金属超微粒子ペーストを含む溶液をセパレータの基材の表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニールすることにより導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を形成する燃料電池用セパレータの製造方法。
【０００６】
上記（１）〜（３）の燃料電池用セパレータ、および上記（４）の燃料電池用セパレータの製造方法では、インクジェット方式で塗布した導電性層のため、ノズルの本数、傾き（塗布方向）、塗布量などを適宜選定するか、または変えることにより、凹凸のあるセパレータの何れの部位にも（凹凸の角部や溝の縦壁にも）導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を形成でき、また、、インクジェットの微細液滴の噴射量を部位に応じて変化させることにより、所定部位に所定厚さの、導電性、耐蝕性の良好な表面処理層を形成することができる。また、導電性金属超微粒子ベーストの塗布層を、インクジェット後にアニールするため、金属超微粒子同士が融着し、表面処理層の導電性が確保される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池用セパレータとその製造方法を図１〜図４を参照して説明する。
本発明のセパレータが組付けられる燃料電池は、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３、図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−  
カソード側：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
【００１０】
図３に示すように、膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュール（図９は２セルで１モジュールの場合を示す）を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１１】
上記反応を行うために、セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、上記反応で生じる熱をとるために、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。
図４において、４０はゴムガスケット、３３はシール接着剤を示す。
【００１２】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂（メタルセパレータと樹脂フレーム）、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組合わせ、からなる。図４は、メタルセパレータ（たとえば、ステンレスセパレータ）の場合を示す。ただし、セパレータ１８は、メタルセパレータに限るものではない。
【００１３】
図１、図２に示すように、凹凸が形成されたセパレータ１８の冷媒に接する方の面（燃料ガス、酸化ガスなどの反応ガスに接する側の面の裏側の面）には、隣り合うセル１９のセパレータ１８との導電性を良好に維持するために、また冷却水によるセパレータの腐蝕を抑制するために、またスタックへの組立時に隣り合うセル１９のセパレータ１８と擦れあって摩耗することを抑制するために、導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂが形成される。この表面処理層１８ｂはセパレータ１８の基材１８ａの表面に形成される。セパレータ１８の基材１８ａは、セパレータ１８がメタルセパレータの場合は金属であり、セパレータ１８がカーボンセパレータの場合はカーボンである。
【００１４】
導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂは、超微細インクジェット装置５０（従来のインクジェットの１／１０００以下の超微細液滴を吐出可能な装置、直径１ミクロン以下の液滴をドット間隔が約３ミクロンで吐出可能な装置）を用いて、導電性金属超微粒子ペースト５２（金属超微粒子は粒子径が３〜１０ｎｍ）を含む溶液をセパレータ１８の基材１８ａの表面にで吐出し、塗面を形成後、アニール（約２００℃にて熱処理）して製造されたものである。
または、導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂは、通常インクジェット装置５１（直径２０ミクロンから１００ミクロンの液滴をドット間隔が約２０ミクロンで吐出可能な装置）を用いて、導電性金属超微粒子ペースト５２を含む溶液をセパレータ１８の基材１８ａの表面にインクジェット方式で吐出し、塗面を形成後、アニール（約２００℃にて熱処理）して製造されたものである。
【００１５】
導電性金属超微粒子ペースト５２は、図２に示すように、金属超微粒子（たとえば、銀超微粒子、粒子径がたとえば５ｎｍ）５２ａ、捕捉剤５２ｂ、バインダ５２ｃ、分散剤５２ｄなどを含む粘性ペーストであり、それを有機溶媒で希釈して低粘性の溶液とし、該溶液をインクジェット方式で塗布する。アニール（熱処理）時に、焼結開始時に捕捉剤が分散剤を除去し、焼結進行、終了時に金属超微粒子同士が結合し融着して導電性が確保され、かつ、樹脂が硬化して固体層となっている。一般滴な導電性ペーストが粒子間の接触で導電性を確保するのに対し、超微粒子ペーストの場合は、金属超微粒子間の融着、一体化により導電性を確保する。
【００１６】
表面処理層１８ｂは、導電性金属超微粒子ベースト５２を面状に塗布しアニールした（熱処理して硬化させた）層からなる。表面処理層１８ｂは、１層または多層に形成されている。多層に形成される場合は、下層を硬化させた後に上層を塗布、アニールする。表面処理層１８ｂは、面内方向および厚み方向に、均一な材質からなるか、または面内方向および厚み方向の部位に応じて材質が変化させてある。インクジェット方式であるから、塗布部位に応じてノズルを変えたりペーストの混合比を変えることが可能であり、部位に応じて材質を変えることができる。
【００１７】
表面処理層１８ｂの形成方法はつぎの通りである。
まず、導電性金属超微粒子ペースト５２を希釈した溶液を、凹凸を形成したセパレータ１８の基材１８ａの表面にインクジェット方式で吐出し塗面を形成する工程と、その後、アニール（熱処理）することにより導電性、耐蝕性をもつ表面処理層１８ｂとする工程と、からなる。
金属は超微粒子化すると、サイズ効果（粒子サイズが微小化するに伴いバンドギャップが増大すること）により融点が低下するので、室温でも融着が進行する。そのため、ペースト段階では分散剤を添加することによって、超微粒子同士の融着を抑制しておく。しかし、粒子同士が離れたままでは電気電動度が得られないので、捕捉剤を添加しており、加熱時に、分散剤を捕捉除去して、一気に超微粒子同士の融着を進行させるようにする。
【００１８】
【実施例】
凹凸により流路を形成した、セパレータのステンレス基材１８ａの冷媒に接する側の表面上に、超微細インクジェットで、導電性、銀超微粒子ベースト（微粒子径：５ｎｍ）を吐出し、導電性層の塗面を、直径約１ミクロンの液滴、ドット間隔約３ミクロンにて、１層形成した。その吐出を３回繰り返した後、約２００℃で３０分間アニールして、吐出層の超微粒子を融着し、塗面を硬化させた。
上記の塗面の上に、従来インクジェットで、導電性、銀超微粒子ベースト（微粒子径：５ｎｍ）を吐出し、導電性層の塗面を、直径約２０ミクロンの液滴、ドット間隔約２０ミクロンにて、１層形成した。その吐出を２回繰り返した後、約２００℃で３０分間アニールして、吐出層の超微粒子を融着し、塗面を硬化させた。
かくして、多層の、導電性表面処理層１８ｂを形成した。凹凸を形成したセパレータ表面のどの部位にも（凹凸の角部や溝の縦壁にも）表面処理層１８ｂを形成でき、かつ、所定部位に所定厚さの、導電性、耐蝕性の良好な表面処理層１８ｂを形成することができた。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池用セパレータ、請求項４の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、インクジェット方式で塗布した導電性層のため、ノズルの本数、傾き（塗布方向）、塗布量などを適宜選定するか、または変えることにより、凹凸のあるセパレータの何れの部位にも（凹凸の角部や溝の縦壁にも）導電性、耐蝕性をもつ表面処理層を形成でき、また、インクジェットの微細液滴の噴射量、層数を部位に応じて変化させることにより、所定部位に所定厚さの、導電性、耐蝕性の良好な表面処理層を形成することができる。また、導電性金属超微粒子ベースト塗布層を、インクジェット後にアニールするため、金属超微粒子同士が融着し、表面処理層の導電性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの製造装置の側面図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータの熱処理過程の組織拡大断面図である。
【図３】燃料電池のスタックの側面図である。
【図４】図３のスタックの一部の断面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８ａ  基材
１８ｂ  表面処理層
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
３３  シール接着剤
４０  ゴムガスケット
５０  超微細インクジェット装置
５１  通常インクジェット装置
５２  導電性金属超微粒子ペースト
５２ａ  金属超微粒子
５２ｂ  捕捉剤
５２ｃ  バインダ
５２ｄ  分散剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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