(57)【要約】 【課題】  生産性を向上し、高い歩留まりを実現するセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】  積層工程で、金属板表面に導電性グリーンシートを積層する。成型工程で、スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成し、成型層硬化工程で、成型層を硬化して樹脂層を形成する。シール部形成工程では、プレス加工によりシール部を形成する。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
平板状の金属板表面のうち分離部に相当する領域には、スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた樹脂層を成型することを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項２】
電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
金属板表面に導電性グリーンシートを積層する積層工程と、
スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成する成型工程と、
成型層を硬化して樹脂層を形成する成型層硬化工程とを含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項３】
導電性グリーンシートは、ゴムまたは合成樹脂を形成するための硬化性モノマー、硬化性オリゴマーまたは硬化性プリポリマーからなるバインダと、金属化合物または炭素系材料からなる導電性フィラーとを含むことを特徴とする請求項２記載のセパレータの製造方法。
【請求項４】
積層工程は、押し出し成型により、直接金属板表面に導電性グリーンシートを積層することを特徴とする請求項２または３記載のセパレータの製造方法。
【請求項５】
積層工程は、予め押し出し成型により導電性グリーンシートを作製し、作製された導電性グリーンシートを金属板表面に積層することを特徴とする請求項２または３記載のセパレータの製造方法。
【請求項６】
積層工程より前に、金属板表面に、導電性グリーンシートとの密着性を増加させるための処理を行う基板処理工程を含むことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載のセパレータの製造方法。
【請求項７】
基板処理工程では、トリアジンチオールまたはポリアニリンを金属板表面に拡散させることを特徴とする請求項６記載のセパレータの製造方法。
【請求項８】
電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
平板状の金属板表面の全体に、導電性を有するゴムまたは合成樹脂からなる被覆層を形成する被覆層形成工程と、
被覆層表面に導電性グリーンシートを積層する積層工程と、
スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成する成型工程と、
成型層を硬化して樹脂層を形成する成型層硬化工程とを含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項９】
樹脂層表面に、樹脂層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成する高導電層形成工程を有することを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載のセパレータの製造方法。
【請求項１０】
高導電層形成工程では、少なくとも樹脂層が電解質組立体と接触する領域に高導電層を形成することを特徴とする請求項９記載のセパレータの製造方法。
【請求項１１】
セパレータは、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を有し、
シール部に相当する領域には、プレス加工によって、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を形成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の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、スタック型の固体高分子型燃料電池に備えられるセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、限りあるエネルギ資源の有効利用や、地球温暖化防止のための省エネルギの必要性は広く認識されている。今日では、火力発電によって、熱エネルギを電力エネルギに変換する形でエネルギ需要が賄われている。
【０００３】
しかしながら、火力発電に必要な石炭および石油は埋蔵量が有限な資源であり、これらに代わる新たなエネルギ資源が必要となっている。そこで注目されているのが水素を燃料にして化学発電する燃料電池である。
【０００４】
燃料電池は、２つの電極と電極間に挟まれた電解質とを有している。陰極では、供給された水素がイオン化して水素イオンとなり電解質中を陽極に向かって移動する。陽極では、供給された酸素と電解質中を移動してきた水素イオンとが反応して水を発生する。水素がイオン化したときに発生した電子が、陰極から配線を通って陽極へと移動することで電流が流れ、電気が発生する。
【０００５】
燃料電池は、主に電解質の違いから４種類に分類される。イオン導電性セラミックスを電解質に用いた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素イオン導電性高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、高濃度リン酸を電解質に用いたリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ金属炭酸塩を電解質に用いた熔融炭酸型燃料電池（ＭＣＦＣ）の４種類である。この中でも特に作動温度が８０℃と低い固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の開発が進んでいる。
【０００６】
固体高分子型燃料電池の構造は、表面に触媒電極を設けた電解質層と、電解質層を両側から挟み、水素および酸素を供給するための溝を設けたセパレータと、電極発生した電気を回収する集電板などを含んで構成される。電解質層と同じく、セパレータについても改良が重ねられている。
【０００７】
セパレータの要求特性としては、導電性が高く、かつ燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して気密性が高く、さらに水素および酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。
これらの要求を満たすために以下のようなセパレータ材料が使用されている。
【０００８】
最もよく使用されているものとして緻密性カーボンがある。緻密性カーボンは導電性、耐食性に優れ、機械的強度も高い。また加工性がよく軽量である。しかし、振動や衝撃に弱く、切削加工が必要なため、加工費が高くなる。また気体の不浸透化処理を施す必要がある。
【０００９】
また、合成樹脂も使用され、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される。合成樹脂は、低コストであることが主な特徴であるが、寸法安定性が悪く、導電性にも劣る。
【００１０】
導電性、加工性、密閉性などの観点から、金属が使用されることが多くなっている。金属としては、主にチタン、ステンレスが使用される。しかし、金属は腐食し易く、電解質膜に金属イオンが取り込まれてイオン導電性が低下してしまうため、セパレータ表面に金めっきを施す必要がある。
【００１１】
また、ゴムも使用され、エチレン−プロピレン−ジエンゴムなどが使用される。ゴムは、ガス透過性が低く、シール性が高い。
【００１２】
特許文献１には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。この固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータとしてステンレス鋼、チタン合金など大気によって容易に不動態膜が形成される金属薄板を用いており、プレス加工によって所定の形状に加工している。
【００１３】
また、特許文献２には、燃料電池用セパレータが開示されている。この燃料電池用セパレータは、金属基板の少なくとも片面に、樹脂と導電性充填剤を混合した体積抵抗率が１．０Ω・ｃｍ以下の第１の樹脂層と、体積抵抗率が第１の樹脂層よりも小さい第２の樹脂層とを設け、集電性能と成型性、強度および耐食性を向上している。
【００１４】
このように、特許文献２記載の燃料電池用セパレータにおいても、特許文献１記載の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータと同様に、プレス加工によって、ガス流路を形成している。
【００１５】
また、プレス加工以外では、特許文献３記載の固体高分子型燃料電池のセパレータが、導電基材に導電性材料を印刷することによってガス流路を形成している。具体的には、導電基材としては、炭素粉末および熱硬化性樹脂を主成分とする板状成形体が用いられ、導電性材料としては、炭素粉末を主成分として含むカーボンペーストが用いられる。
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１８０８８３号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７３８３号公報
【特許文献３】特開２００１−７６７７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
今後のセパレータには、薄型軽量化が要求され、その実現のために金属基板の薄型軽量化、ガス流路の微細化が必要となるが、特許文献１および特許文献２記載のセパレータのようにプレス加工によってガス流路を形成しようとすると、反りおよび歪みが大きく寸法精度が悪くなり、この寸法精度の悪化により歩留まりが低下する。
【００１８】
特許文献３記載のセパレータは、カーボンペーストを印刷することによりガス流路の微細化には対応可能となっているが、基材が熱硬化性樹脂であるため、基材自体の寸法安定性が悪いという問題が残る。
【００１９】
さらに、特許文献１〜３記載のセパレータを含む従来のセパレータは、流体漏れを防ぐために、電解質層との間にガスケットを備える必要がある。
【００２０】
本発明の目的は、生産性を向上し、高い歩留まりを実現するセパレータの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
平板状の金属板表面のうち分離部に相当する領域には、スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた樹脂層を成型することを特徴とするセパレータの製造方法である。
【００２２】
また本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
金属板表面に導電性グリーンシートを積層する積層工程と、
スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成する成型工程と、
成型層を硬化して樹脂層を形成する成型層硬化工程とを含むことを特徴とするセパレータの製造方法である。
【００２３】
また本発明は、導電性グリーンシートは、ゴムまたは合成樹脂を形成するための硬化性モノマー、硬化性オリゴマーまたは硬化性プリポリマーからなるバインダと、金属化合物または炭素系材料からなる導電性フィラーとを含むことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、積層工程は、予め押し出し成型により導電性グリーンシートを作製し、作製された導電性グリーンシートを金属板表面に積層することを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、積層工程は、押し出し成型により、直接金属板表面に導電性グリーンシートを積層することを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、積層工程より前に、金属板表面に、導電性グリーンシートとの密着性を増加させるための処理を行う基板処理工程を含むことを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、基板処理工程では、トリアジンチオールまたはポリアニリンを金属板表面に拡散させることを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有するセパレータの製造方法であって、
平板状の金属板表面の全体に、導電性を有するゴムまたは合成樹脂からなる被覆層を形成する被覆層形成工程と、
被覆層表面に導電性グリーンシートを積層する積層工程と、
スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成する成型工程と、
成型層を硬化して樹脂層を形成する成型層硬化工程とを含むことを特徴とするセパレータの製造方法である。
【００２９】
また本発明は、樹脂層表面に、樹脂層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成する高導電層形成工程を有することを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、高導電層形成工程では、少なくとも樹脂層が電解質組立体と接触する領域に高導電層を形成することを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、セパレータは、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を有し、
シール部に相当する領域には、プレス加工によって、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を形成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のセパレータの製造方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータの製造方法である。セパレータは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を備えている。
【００３３】
スタンパによって導電性グリーンシートに流路を設けることによって、分離部に相当する領域に、流路が設けられた樹脂層を形成する。
【００３４】
さらに詳しくは、まず、積層工程で、金属板表面に導電性グリーンシートを積層する。成型工程で、スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成し、成型層硬化工程で、成型層を硬化して樹脂層を形成する。
【００３５】
流路が設けられた樹脂層をスタンパ成型によって形成することで、従来のプレス加工に比べ、寸法精度が高く、反りおよび歪みも生じない。したがって、セパレータの生産性を向上し、高い歩留まりを実現することができる。さらに、形成する流路パターンの設計自由度が大きく向上する。たとえばプレス加工の場合、パターンが表裏一体で形成されるとともに直線形状パターンが多くなるためパターン設計が制限されてしまうが、スタンパ成型によればセパレータのそれぞれの面に全く異なるパターンを形成することが可能であり、曲線形状および孔形状のパターン形成も可能となる。
【００３６】
また本発明によれば、導電性グリーンシートは、ゴムまたは合成樹脂を形成するための硬化性モノマーまたは硬化性オリゴマーからなるバインダと、金属化合物または炭素系材料からなる導電性フィラーとを含む導電性組成物によって実現できる。
【００３７】
また本発明によれば、積層工程では、押し出し成型により、直接金属板表面に導電性グリーンシートを積層する。
【００３８】
また本発明によれば、積層工程では、予め押し出し成型により導電性グリーンシートを作製し、作製された導電性グリーンシートを金属板表面に積層する。
【００３９】
導電性グリーンシートは、導電性組成物を押出し成型によってシート化することができる。また、直接金属板表面に導電性グリーンシートを積層してもよいし、予め作製した導電性グリーンシートを金属板表面に積層してもよく、製造条件などによって選択することができる。
【００４０】
また本発明によれば、積層工程より前に、基板処理工程で、金属板表面に、導電性グリーンシートとの密着性を増加させるための処理を行う。より詳細には、金属板表面に対してトリアジンチオール類に代表される導電性カップリング剤によるコーティング、ポリアニリン類に代表される導電性ポリマーによるドーピング処理されたコーティングを行うことにより拡散層を形成する。金属表面に拡散したトリアジンチオール類、ポリアニリン類は、導電性を示すので、樹脂層との導電性を確保し、発生した直流電力を直流電流として取り出すことができる。
【００４１】
本発明によれば、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータの製造方法である。セパレータは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を備えている。
【００４２】
スタンパによって導電性グリーンシートに流路を設けることによって、分離部に相当する領域に、流路が設けられた樹脂層を形成する。
【００４３】
さらに詳しくは、まず、被覆層形成工程で、平板状の金属板表面の全体に、導電性を有するゴムまたは合成樹脂からなる被覆層を形成する。積層工程で、被覆層表面に導電性グリーンシートを積層する。成型工程で、スタンパによって導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成し、成型層硬化工程で、成型層を硬化して樹脂層を形成する。
【００４４】
被覆層によって金属板の表面を被覆することで、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。また、流路が設けられた樹脂層をスタンパ成型によって形成することで、従来のプレス加工に比べ、寸法精度が高く、反りおよび歪みも生じない。したがって、セパレータの生産性を向上し、高い歩留まりを実現することができる。さらに、形成する流路パターンの設計自由度が大きく向上する。たとえばプレス加工の場合、パターンが表裏一体で形成されるとともに直線形状パターンが多くなるためパターン設計が制限されてしまうが、スタンパ成型によればセパレータのそれぞれの面に全く異なるパターンを形成することが可能であり、曲線形状および孔形状のパターン形成も可能となる。
【００４５】
また本発明によれば、高導電層形成工程で、樹脂層表面に、樹脂層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成する。この高導電層は、少なくとも樹脂層が電解質組立体と接触する領域に形成する。
【００４６】
樹脂層の表面に高導電層を形成することで、触媒電極との接触抵抗を低下させて電力回収率を向上させることができる。
【００４７】
また本発明によれば、セパレータは、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を備えている。
【００４８】
プレス加工によって、シール部に相当する領域に、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を形成する。
【００４９】
シール部は、プレス加工によって形成されるので、簡単な加工で高いシール性を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】
【００５０】
図１は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、略称ＰＥＦＣ）１００を展開した状態で模式的に示した斜視図である。ＰＥＦＣ１００は、セパレータ１、燃料電池セル２、集電板３、絶縁シート４、エンドフランジ５、電極配線１２を有する。ＰＥＦＣ１００は、高電圧、高出力を得るために、複数の燃料電池セル２を直列に接続した、いわゆるスタック状態で構成される。このスタック状態を構成するためには、燃料電池セル２間にセパレータを配置し、各燃料電池セル２に対して水素および酸素の供給と、発生した電気の回収とを行う。したがって、図１に示すように、燃料電池セル２とセパレータ１とが交互に配置する。この配置の最外層にはセパレータ１が配置され、セパレータ１のさらに外側には集電板３が設けられる。集電板３は、各セパレータ１で回収された電気を集めて取り出すために設けられ、電極配線１２が接続されている。絶縁シート４は、集電板３とエンドフランジ５との間に設けられ、集電板３からエンドフランジ５に電流が漏れるのを防止している。エンドフランジ５は、複数の燃料電池セル２をスタック状態に保持するためのケースである。
【００５１】
エンドフランジ５には、水素ガス供給口６、冷却水供給口７、酸素ガス供給口８、水素ガス排出口９、冷却水排出口１０および酸素ガス排出口１１が形成されている。各供給口から供給されたガスおよび水の流体は、燃料電池セル２の積層方向に貫通する各往路を通り最外層のセパレータ１で折り返し、各復路を通って各排出口から排出される。
【００５２】
往路および復路は、各セパレータ１で分岐しており、往路を流れる各流体は、セパレータ１によって形成された、燃料電池セル２の面方向に平行な流路を通って復路に流れ込む。水素ガスおよび酸素ガスは、燃料電池セル２で消費されるので、未反応ガスが復路を通って排出されることとなる。排出された未反応ガスは回収され、再度供給口から供給される。酸素ガス流路付近には酸素と水素との反応によって水が生成するので、排出された酸素ガスは水を含んでいる。排出された酸素ガスを再度供給するには水を除去する必要がある。
【００５３】
燃料ガスである水素ガスおよび酸化剤ガスである酸素ガスは、それぞれ水素および酸素のみからなるガスである必要はなく、水素、酸素以外にも、接触する流路を劣化、変性させないガスであれば含んでいてもよい。たとえば、酸素ガスとして窒素を含む空気を用いてもよい。また、水素源としては水素ガスに限らずメタンガス、エチレンガス、天然ガスなどでもよく、エタノールなどでもよい。
【００５４】
図２は、セパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。単位電池１０１とは、１つの燃料電池セル２と、この両側に配置された２つのセパレータ１とからなり、水素および酸素を供給することで電力を発生させることができる最小の構成である。
【００５５】
電解質組立体である燃料電池セル２は、電解質媒体である高分子膜２０と、高分子膜２０の厚み方向表面に形成した触媒電極２１とからなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode
Assembly）とも呼ばれる。
【００５６】
高分子膜２０は、水素イオン（プロトン）を透過するプロトン導電性電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸樹脂膜（たとえば、デュポン社製、商品名ナフィオン）がよく用いられる。
【００５７】
触媒電極２１は、高分子膜２０の厚み方向表面に、プラチナ、ルテニウムなどの触媒金属を含むカーボン層として積層される。触媒電極２１に水素ガス、酸素ガスが供給されると、触媒電極２１と高分子膜２０との界面で電気化学反応が生じて直流電力が発生する。
【００５８】
高分子膜２０は、厚みが約０．１ｍｍであり、触媒電極２１は含有する触媒金属などによっても変わるが、数μｍの厚みで形成される。
【００５９】
セパレータ１は、水素ガスおよび酸素ガスの流路を分離する分離部１３と、外周部に設けられ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐシール部１４とを有している。本実施形態では、触媒電極２１は、高分子膜２０の全面に形成されているのではなく、外周の幅１〜２０ｍｍ、望ましくは５〜１０ｍｍにわたって高分子膜２０が表面に露出している。セパレータ１の分離部１３は、触媒電極２１が形成されている領域に対向する領域に形成され、シール部は、高分子膜２０が露出している領域に対向する領域に形成される。
【００６０】
分離部１３には、触媒電極２１の形成面に平行で、互いに平行な複数の流路溝が厚み方向両面に形成されている。この流路溝は、ガスの流れ方向に垂直な断面が凹形状となっている。所定の間隔で設けられた分離ブロック１５と触媒電極２１とで囲まれた空間が水素ガス流路１６および酸素ガス流路１７となる。分離ブロック１５は、水素ガスと酸素ガスが混合しないように水素ガス流路１６と酸素ガス流路１７とを隔てるとともに、触媒電極２１に接触し、高分子膜２０と触媒電極２１との界面で発生した直流電力は、直流電流として取り出される。取り出された直流電流は、他の分離ブロック１５などを通って集電板３に収集される。
【００６１】
互いに隣接する流路溝は、開放面が同じ向きとなるように形成されており、これに応じて、一方の面には水素ガス流路１６を設定し、他方の面には酸素ガス流路１７を設定する。すなわち、同一の触媒電極２１には同一のガスが接触するようにガス流路を設定する。さらに、１つの単位電池１０１を構成する２つのセパレータ１は、図２に示すように、流路溝の開放部が、燃料電池セル２を挟んで対向するように配置される。すなわち、２つのセパレータ１は、燃料電池セル２の中心を対称面として面対称の関係となるように配置される。ただし、ガス流路の設定は、面対称の関係ではなく、燃料電池セル２を挟んで対向する流路溝が、異なるガスのガス流路を形成するように設定する。たとえば、図２に示すように、燃料電池セル２を挟んで対向するガス流路は、一方が水素ガス流路１６であり、もう一方が酸素ガス流路１７である。
【００６２】
以上のようにセパレータ１を配置し、ガス流路を設定することで、電力を発生させることができる。
【００６３】
なお、流路溝と触媒電極２１とによって形成された流路には、水素ガスおよび酸素ガスに限らず、冷却水を流してもよい。冷却水を流す場合は、燃料電池セル２を挟んで対向する流路溝のいずれにも流すことが好ましい。
【００６４】
セパレータ１の芯材として、平板状の金属薄板を用いる。たとえば、鉄、アルミニウム、チタンなどの金属薄板、特にステンレス（たとえばＳＵＳ３０４など）鋼板、ＳＰＣＣ（一般用冷間圧延鋼板）、耐食性鋼板が好ましい。ステンレス鋼板については、表面処理されたものを使用することができる。たとえば、表面を酸洗処理、電解エッチング処理したもの、導電性介在物を含むもの、ＢＡ皮膜を形成したもの、イオンプレーティング加工により導電性化合物をコーティングしたものなどが使用できる。また、結晶組織を超微細化した高耐食性ステンレス鋼板なども使用できる。
【００６５】
シール部１４には、触媒電極２１の形成面に平行に延びるシール突部が形成される。このシール突部は、ガスの流れ方向に垂直な断面が逆Ｕ字形状または逆Ｖ字形状となっている。セパレータ１の芯材を金属薄板とすることで、シール突部の頂部１８は、ばね力によって、露出した高分子膜２０に圧接される。この圧接位置でシールされ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐことができる。また、シール突部を逆Ｕ字形状または逆Ｖ字形状とすることで、頂部１８の膜接触面積を小さくし、Ｏリングと同様の高圧シールを実現している。
【００６６】
図３は、第１の実施形態であるセパレータ１の分離部１３の要部拡大図である。芯材である金属薄板３０の両面に接着層３１を介して樹脂層３２を形成し、分離部１３の樹脂層３２には互いに平行な溝が設けられている。この樹脂層３２に設けられた溝が、水素ガス流路１６および酸素ガス流路１７となる。樹脂層３２には、ゴム（エラストマー）または合成樹脂を用いることができる。
【００６７】
分離部１３では、樹脂層３２が触媒電極２１に接触して、高分子膜２０と触媒電極２１との界面で発生した直流電力を直流電流として取り出し、金属薄板３０を通って集電板に収集される。
【００６８】
接着層３１は、金属薄板３０表面に対してトリアジンチオール類に代表される導電性カップリング剤によるコーティング、ポリアニリン類に代表される導電性ポリマーによるドーピング処理されたコーティングを行うことにより、金属表面に拡散層として形成される。金属表面に拡散したトリアジンチオール類、ポリアニリン類は、導電性を示すので、樹脂層３２との導電性を確保し、発生した直流電力を直流電流として取り出すことができる。
【００６９】
本発明では、従来のプレス加工ではなく、金属薄板表面に導電性グリーンシートを積層し、スタンパによって導電性グリーンシートに凹凸を成型して流路溝が設けられた樹脂層３２を形成する。樹脂層３２は、導電性を有することが必要であるので、導電性フィラーを含むゴムまたは合成樹脂を用いることができ、特にゴムとしては、ポリイソブチレンなどが好ましく、合成樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などが好ましく、エポキシ樹脂とアクリル樹脂とを組み合わせた相互侵入高分子網目（Interpenetrating Polymer
Network、略称「ＩＰＮ」）構造の樹脂がさらに好ましい。また、樹脂層３２は、導電性グリーンシートとして形成され、スタンパによって流路成型可能である必要がある。まず、硬化性モノマー、硬化性オリゴマーまたは硬化性プリポリマーからなるバインダと、金属化合物または炭素系材料からなる導電性フィラーとを含む組成物を調製し、導電性グリーンシートを形成する。この導電性グリーンシートを金属薄板表面に積層したのち、所定の転写パターンが設けられたスタンパ（金型）で導電性グリーンシートに凹凸を成型して樹脂層３２を形成する。
【００７０】
図４は、第１の実施形態のシール部１４の要部拡大図である。シール部１４では、金属薄板３０が高分子膜２０に接触してシールしている。シール部１４は、プレス加工によって形成される。
【００７１】
シール突部の頂部１８を、ばね力によって高分子膜２０に圧接するには、高分子膜２０と接触しない状態、すなわちＰＥＦＣ１を組み立てる前の状態のセパレータ１において、シール突部の頂部１８の位置が、ＰＥＦＣ１が組み立てられ、高分子膜２０と接触する位置よりさらに高分子膜２０側となるように予めシール部１４を形成する。具体的には、図５（ａ）に示すように、ＰＥＦＣ１が組み立てられた状態では、シール突部の頂部１８の位置は、触媒電極２１との仮想接触面Ａを基準とすると、触媒電極２１との接触面と頂部１８との距離が触媒電極２１の厚みｔ１となるような位置になる。したがって、ＰＥＦＣ１が組み立てられる以前の状態では、図５（ｂ）に示すように、シール突部の頂部１８の位置は、触媒電極２１との接触面との距離がｔ１より大きなｔ２となるように形成すればよい。分離部１３とシール突部との接続部分がばねとして働くので、組み立て時に頂部１８が高分子膜に圧接する際の圧力は、このばね力と接触面積によって決まる。ばね力は、フックの法則に従い、ばね定数（弾性定数）に変位量を掛けたものとなる。セパレータ１においては、ばね定数は、セパレータ１の材質およびシール部１４の形状とで決まる。変位量は、Δｔ＝ｔ２−ｔ１である。したがって、材質と形状とを予め決定し、ばね定数を決定した状態で、加工時にｔ２を変えることで、シール圧力を容易に調整することができる。最適なシール圧力を実現するために、材質および形状を変更してもよいことは言うまでもない。
【００７２】
前述のように、燃料電池セル２を挟む２つのセパレータ１は、面対称の関係となるように配置されるので、シール突部の頂部１８による圧接位置も、燃料電池セル２の中心を対称面として面対称の関係となる。頂部１８の圧接位置が対向する位置となることで、シール性が向上する。
【００７３】
図６は、本発明の実施の一形態であるセパレータの製造方法を示す製造工程図である。
本製造工程は、基板処理工程、組成物調製工程、積層工程、成型工程、成型層硬化工程およびシール部形成工程を含む。
【００７４】
スタンパを用いた成型によって、図２に示したような分離ブロック形状を実現するためには、成型された樹脂層の厚みがおよそ３００μｍ〜７００μｍとなるような厚膜を形成必要がある。また、樹脂層３２が導電性を有するために導電性フィラーを多量に含む必要がある。
【００７５】
厚膜の必要性から、高粘度の組成物を用いなければならない。したがって、要求される電気特性および構造特性を実現するためには、導電性グリーンシートを形成するための組成物が重要となる。
【００７６】
ステップＳ１の基板処理工程では、基板としてステンレス鋼板などの金属薄板３０を用いる場合に、被覆層３１との導電性を確保するために、金属薄板３０の表面をエッチングなどによって不動態膜を除去し、接着層３１を形成する。詳細には、所定の外形および厚み方向のガス経路を得るために、型抜き加工を行い、型抜き加工が施された金属薄板の表面に、トリアジンチオール類に代表される導電性カップリング剤によるコーティング、ポリアニリン類に代表される導電性ポリマーによるドーピング処理されたコーティングを行う。
【００７７】
また、ステップＳ２の組成物調製工程では、後工程の積層工程で用いる導電性グリーンシート用組成物（以下では単に「導電性組成物」と呼ぶ）を調製する。
【００７８】
低コスト生産を実現するためには、原材料のみならず、加工工程が量産性に富むものであることが望ましい。したがって、導電性組成物としては、液状で反応性を有するバインダに多量の導電性フィラーを配合し、硬化を促進するための重合触媒および他の添加剤を含むことが望ましい。
【００７９】
バインダとしては、樹脂層３２が、ゴムまたは合成樹脂からなることから、これらを実現するための硬化性モノマー、硬化性オリゴマーまたは硬化性プリポリマーを用いればよい。特に、後工程の成型層硬化工程では、光硬化および熱硬化を組み合わせて硬化を行うので、光硬化性モノマー、光硬化性オリゴマーまたは光硬化性プリポリマーを用いることが好ましい。たとえば、アクリル系モノマーまたはオリゴマー、エポキシ系モノマーまたはオリゴマー、ポリイソブチレンオリゴマーなどを用いることができる。アクリル系モノマーまたはオリゴマーとしては、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレートおよびイソボロニアルアクリレートなどが好ましい。
【００８０】
導電性フィラーとしては、金属化合物または炭素系材料を用いることができる。金属化合物としては、炭化ストロンチウム、窒化ストロンチウムおよび酸化セシウムなどが好ましい。炭素系材料としては、粉末状材料と、繊維状材料とがある。粉末状材料としては、人造黒鉛、天然黒鉛およびカーボンブラックなどが好ましく、繊維状材料としては、炭素繊維、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーなどが好ましい。
【００８１】
光硬化反応には、アクリル系のラジカル重合反応と、エポキシ系のカチオン重合反応とがあり、特に樹脂層３２として、エポキシ樹脂とアクリル樹脂とからなるＩＰＮ構造樹脂を用いる場合は、導電性組成物にカチオン重合開始剤およびラジカル重合開始剤を添加する。
他の添加剤としては、粘度低下剤などを用いることができる。
【００８２】
導電性組成物を構成する上記物質についてさらに具体的に例示する。
親油性アクリル系モノマーの例としては、ジシクロペンタニル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリル酸ベンジル、（メタ）アクリル酸フェノキシエチル、トリブロモ（メタ）アクリル酸ベンジル、トリブロモ（メタ）アクリル酸フェノキシエチル、（メタ）アクリル酸ビフェニルエトキシ、（メタ）アクリル酸ビフェニルエポキシ、（メタ）アクリル酸ナフチルエトキシ、（メタ）アクリル酸フルオレンエポキシ、ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡ、テトラブロモジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡ、エトキシ変性ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡ、テトラブロモエトキシ変性ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡ、ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡエポキシ、エトキシ変性ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡエポキシ、テトラブロモジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡエポキシ、テトラブロモエトキシ変性ジ（メタ）アクリル酸ビスフェノールＡエポキシなどが挙げられる。
【００８３】
親水性アクリル系モノマーの例としては、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、４−ヒドロキシブチルアクリレート、２−メタアクロイルオキシエチル−２−ヒドロキシプロピルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、ジメチルアミノエチルアクリレート、２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレート、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレートなどのエチレングリコール系の（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート等のグリセリン（メタ）アクリレートエステル類、ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート等のジオール類の（メタ）アクリル酸エステル、ネオペンチルジ（メタ）アクリレートなどが挙げられる。
【００８４】
エポキシ樹脂には、芳香族エポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂があり、芳香族エポキシ樹脂として、少なくとも１個の芳香核を有する多価フェノールまたはそのアルキレンオキサイド付加体のポリグリシジルエーテルであって、たとえばビスフェノールＡやビスフェノールＦまたはそのアルキレンオキサイド付加体と、エピクロルヒドリンとの反応によって製造されるグリシジルエーテル、エポキシノボラック樹脂が挙げられる。また、脂環族エポキシ樹脂としては、少なくとも１個の脂環族環を有する多価アルコールのポリグリシジルエーテルまたは、シクロヘキセン、シクロペンテン環含有化合物を、過酸化水素、過酸などの適当な酸化剤でエポキシ化することによって得られるシクロヘキセンオキサイド、またはシクロペンテンオキサイド含有化合物が挙げられる。
【００８５】
脂環族エポキシ樹脂のモノマー例としては、水素添加ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３’，４’−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル−５，５−スピロ−３，４−エポキシ）シクロヘキサン−メタ−ジオキサン、ビス（３，４−エポキシシクロヘキシルメチル）アジペート、ビニルシクロヘキセンジオキサイド、４−ビニルエポキシシクロヘキサン、ビス（３，４−エポキシ−６−メチルシクロヘキシル−３，４−エポキシ−６−メチルシクロヘキサン）カルボキシレート、メチレンビス（３，４−エポキシシクロヘキサン）、ジシクロペンタジエンジエポキサイド、エチレングリコールのジ（３，４−エポキシシクロヘキシルメチル）エーテル、エチレンビス（３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート）、エポキシヘキサヒドロフタル酸ジオクチル、エポキシヘキサヒドロフタル酸ジ−２−エチルヘキシルなどが挙げられる。
【００８６】
脂肪族エポキシ樹脂のモノマー例としては、脂肪族多価アルコール、またはそのアルキレンオキサイド付加物のポリグリシジルエーテル、脂肪族長鎖多塩基酸のポリグリシジルエステル、グリシジルアクリレートやグリシジルメタクリレートのホモポリマー、コポリマーなどがあり、その代表例としては、１，４−ブタンジオールのジグリシジルエーテル、１，６−ヘキサンジオールのジグリシジルエーテル、グリセリンのトリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンのトリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコ−ルのジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールのジグリシジルエーテル、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリンなどの脂肪族多価アルコールに１種または２種以上のアルキレンオキサイドを付加することによって得られるポリエーテルポリオールのポリグリシジルエーテル、脂肪族長鎖二塩基酸のジグリシジルエステルが挙げられる。さらに脂肪族高級アルコールのモノグリシジルエーテルやフェノール、クレゾール、ブチルフェノールまたはこれらにアルキレンオキサイドを付加することにより得られるポリエーテルアルコールのモノグリシジルエーテル、高級脂肪酸のグリシジルエステル、エポキシ化大豆油、エポキシステアリン酸ブチル、エポキシステアリン酸オクチル、エポキシ化アマニ油、エポキシ化ポリブタジエン糖などが挙げられる。
【００８７】
さらに、エポキシ樹脂以外のカチオン重合反応性物質の例としては、トリメチレンオキシド、３，３−ジメチルオキセタン、３，３−ジクロロメチルオキセタン、などのオキセタン化合物；テトラヒドロフラン、２，３−ジメチルテトラヒドロフランのようなオキソラン化合物；トリオキサン、１，３−ジオキソラン、１，３，６−トリオキサンシクロオクタンのような環状アセタール化合物；β−プロピオラクトン、ε−カプロラクトンのような環状ラクトン化合物；エチレンスルフィド、チオエピクロロヒドリンのようなチイラン化合物；１，３−プロピンスルフィド、３，３−ジメチルチエタンのようなチエタン化合物；エチレングリコールジビニルエーテル、アルキルビニルエーテル、３，４−ジヒドロピラン−２−メチル（３，４−ジヒドロピラン−２−カルボキシレート）、トリエチレングリコールジビニルエーテルのようなビニルエーテル化合物；エポキシ化合物とラクトンとの反応によって得られるスピロオルソエステル化合物；ビニルシクロヘキサン、イソブチレン、ポリブタジエンのようなエチレン性不飽和化合物及び上記化合物の誘導体などが挙げられる。
【００８８】
カチオン重合開始剤の例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルフォニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、フォスフォニウム塩、チヲピリニウム塩などが挙げられるが、熱的に比較的安定である芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルフォニウム塩などのオニウム塩重合開始剤が好ましい。なお、オニウム塩重合開始剤を活性化させるためには、紫外線・可視光の照射が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルフォニウム塩などのオニウム塩重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはＢＦ４−、ＡｓＦ６−、ＳｂＦ６−、ＰＦ６−、Ｂ（Ｃ６Ｆ５）４−などが挙げられる。
【００８９】
カチオン重合開始剤の市販品としては、たとえば、サイラキュアＵＶＩ−６９７４（ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロアンチモネートとジフェニル−４−チオフェノキシフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネートの混合物）、サイラキュアＵＶＩ−６９９０（ＵＶＩ−６９７４のヘキサフルオロホスフェート）（以上、ユニオンカーバイド製）や、アデカオプトマーＳＰ−１５１、アデカオプトマーＳＰ−１７０（ビス［４−（ジ（４−（２−ヒドロキシエチル）フェニル）スルホニオ）フェニル］スルフィド）、アデカオプトマーＳＰ−１５０（アデカオプトマーＳＰ−１７０のヘキサフルオロホスフェート）、アデカオプトマーＳＰ−１７１（以上、旭電化製）や、ＤＴＳ−１０２、ＤＴＳ−１０３、ＮＡＴ−１０３、ＮＤＳ−１０３（（４−ヒドロキシナフチル）−ジメチルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート）、ＴＰＳ−１０２（トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロホスフェート）、ＴＰＳ−１０３（トリフェニルホスホニウムヘキサフルオロアンチモネート）、ＭＤＳ−１０３（４−メトキシフェニル−ジフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート）、ＭＰＩ−１０３（４−メトキシフェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート）、ＢＢＩ−１０１（ビス（４−ｔ−ブチルフェニル）ヨードニウムヘキサフルオロホスフェート）、ＢＢＩ−１０３（ビス（４−ｔ−ブチルフェニル）ヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート）（以下、みどり化学製）や、Ｉｒｇａｃｕｒｅ２６１（η５−２，４−シクロペンタジエン−１−イル）［（１，２，３，４，５，６−η）−（１−メチルエチル）ベンゼン］−鉄（１＋）ヘキサフルオロホスフェート（１−））（チバガイギー製）や、ＣＤ−１０１０，ＣＤ−１０１１、ＣＤ−１０１２（４−（２−ヒドロキシテトラデカニルオキシ）ジフェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート）（以上、サートマー製）や、ＣＩ−２４８１、ＣＩ−２６２４、ＣＩ−２６３９、ＣＩ−２０６４（以上、日本曹達製）や、Ｄｅｇａｃｕｒｅ  Ｋ１２６（ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロホスフェート）（テグッサ製）や、ＲＨＯＤＯＲＳＩＬ  ＰＨＯＴＯＩＮＩＴＩＡＴＯＲ  ２０７４（（トリクミル）ヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボレート）（Ｒｈｏｄｉａ製）などが挙げられる。
【００９０】
ラジカル重合開始剤の例としては、ベンゾフェノン、チオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２−イソプロピルチオキサントン、２，４−ジクロロチオキサントンなどのチオキサントン類、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテルなどのベンゾインエーテル類、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−1−オンなどのベンジルジメチルケタール類、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−1−オン、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−1−オン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンなどのα−ヒドロキシアルキルフェノン類、カンファーキノンなどのα−ジカルボニル化合物などが挙げられる。ラジカル重合開始剤は、光硬化性組成物１００質量部に対して、０．１〜２０質量部使用することが好ましい。
【００９１】
これらのバインダ、導電性フィラーおよび重合開始剤を混合し、導電性組成物を得る。なお、バインダ、導電性フィラーおよび重合開始剤は、まずバインダと重合開始剤とを均質に混合したのち、導電性フィラーを加えて混合することが望ましい。バインダ、導電性フィラーおよび重合開始剤を単純に混合すると、重合開始剤が導電性フィラーの表面に付着してしまい、均質な混合が行えなくなる場合があるため、導電性組成物を調製する際は、上記のような順序で混合することが望ましい。
【００９２】
ステップＳ３の積層工程としては、次のような２種類の工程が考えられ、製造条件によって適宜選択することができる。
【００９３】
第１の工程は、組成物調製工程で調整された導電性組成物を押し出し成型によって、基板処理工程で処理された金属薄板３０に直接導電性グリーンシートを積層する工程である。
【００９４】
第２の工程は、組成物調製工程で調整された導電性組成物を押し出し成型によって、予め離型性に優れた樹脂フィルム上に導電性グリーンシートを作製し、作製された導電性グリーンシートを基板処理工程で処理された金属薄板３０に積層する工程である。
【００９５】
上記のように、導電性組成物は揮発成分が含有されない堅練り型の組成物であるため、導電性グリーンシートを形成するためには、押出し機（エクストルーダー）を用いた押出し成型が望ましい。押出し機としては、たとえばスパイラルスクリュー型押出し機、モーノポンプ型押出し機などが挙げられる。
【００９６】
ステップＳ４の成型工程では、スタンパによって、積層された導電性グリーンシートに流路が設けられた成型層を形成する。成型層は、樹脂層として硬化させる前の状態の層であり、流路溝が形成され、目的とする樹脂層３２とほぼ同形状に形成される。
【００９７】
導電性グリーンシートに対して、スタンパ（金型）を圧接し、スタンパに形成された凹凸パターンを転写する。スタンパとしては、平面版であってもよいし、緩やかに湾曲したものであってもよい。また、スタンパは、導電性グリーンシートの賦型のための金型であるので、金属シートなどのプレス用金型と同等もしくはそれ以下の機械的強度を有していてもよい。たとえば、試作など少量生産時にはアルミ合金製のもの、大量生産時にはＳＳ鋼材（一般構造用圧延鋼材）製のものが使用できる。
【００９８】
導電性グリーンシートは、非粘着性であるが、スタンパ圧接時に表面の粘着性が増加し、離型時に導電性グリーンシート表面が粗化してしまうおそれがある。したがって、スタンパの導電性グリーンシートとの接触部は、離型性を向上させるために非粘着化加工されていることが望ましい。非粘着化加工としては、たとえばクロムメッキの微小クラック中にテフロン（登録商標）粒子を付着させる加工、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜を形成する加工、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、酸化チタン、窒化アルミニウムチタン、窒化クロムなどのセラミックス膜を形成する加工、プラズマソースイオン注入による硬質皮膜を形成する加工、放電による表面を硬質化する加工などが挙げられる。特に、本発明の導電性グリーンシートに対しては、窒化クロム膜を表面に形成することが望ましい。
【００９９】
ステップＳ５の成型層硬化工程では、流路が設けられた成型層を、光硬化処理と熱硬化処理とを組み合わせて硬化させる。まず光硬化処理によって、成型層の表層部分を硬化させ、熱硬化処理によって成型層全体を硬化させる。
【０１００】
成型層は、多量の導電性フィラーを含むため、光硬化処理だけでは、照射した光が印刷インク層内の到達深度までしか硬化しない。また、熱硬化処理では、スタンパ成型された流路が熱だれによって変形してしまう。したがって、予め光照射によって、成型層の表層部分を硬化させ、加熱によって層全体を硬化させるのが効果的である。
【０１０１】
光硬化では、照射光として紫外線を使用すると、波長が短いために硬化させるためのエネルギーは大きいが、到達深度が浅く、本発明のような厚膜の硬化には適さない。したがって、可視光から近赤外光程度の波長を有する光を照射するのが望ましい。また、ラジカル重合反応とカチオン重合反応とを組み合わせ、簡単な操作で短時間に硬化させることが望ましい。
熱硬化では、加熱炉による加熱、電磁波照射による電磁波加熱が望ましい。
【０１０２】
基板処理工程、積層工程および成型層硬化工程では、金属薄板はロール状で供給してもよいし、予めセパレータの外寸大に切断されたピース状で供給してもよい。
【０１０３】
ステップＳ６のシール部形成工程では、プレス加工によって、被覆基板のシール部１４に相当する領域にシール突部を形成する。図５に示したように、ＰＥＦＣ組み立て時にばね力によってシール突部が高分子膜２０に圧接するようにシール突部の形状を決定し、プレス加工によって決定した形状のシール突部を形成する。被覆基板がロール状で供給される場合は、シール部形成工程において、１回のプレスでシール突部を形成するとともに、セパレータの外寸大に打ち抜いてセパレータ１を得る。また、シール突部の形成と、外寸打ち抜きとを連続する２回のプレスで行ってもよい。
【０１０４】
以上のようにして得られたセパレータ１は、組立工程において、燃料電池セル２と交互に積層され、さらに集電板３、絶縁シート４、エンドフランジ５および電極配線１２を加えて、図１に示したような構成のＰＥＦＣ１００として組み立てられる。
【０１０５】
以上のように、積層した導電性グリーンシートにスタンパ成型によって樹脂層３２に流露を形成することで、従来のプレス加工に比べ、寸法精度が高く、反りおよび歪みも生じない。したがって、セパレータの生産性を向上し、高い歩留まりを実現することができる。
また、樹脂層３２と金属薄板３０との間に被覆層を設けた構成としてもよい。
【０１０６】
図７は、被覆層３３を設けたときの分離部１３の要部拡大図であり、図８は、被覆層３３を設けたときのシール部１４の要部拡大図である。分離部１３において、被覆層３３によって金属薄板３０の表面を被覆することで、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を効果的に防止することができる。
【０１０７】
被覆層３３も樹脂層３２と同様に導電性を有することが必要であるので、ゴムとしては、たとえば、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴムおよびエチレン−プロピレンゴムなどの汎用ゴム、耐ガス透過性および耐熱性を有するエピクロロヒドリンゴムなどの特殊ゴムに導電性フィラーを添加して導電性を付与したものを使用することができる。特に、耐熱性、耐酸性に優れたアリル系付加重合型ポリイソブチレンにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。
【０１０８】
また、合成樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、含フッ素樹脂などに導電性フィラーを添加して導電性を付与したものを使用することができる。特には、耐腐食性に優れた含フッ素樹脂が好ましく、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＰＥ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体）、ＶＤＦ−ＨＦＰ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＴＦＥ−Ｐ（フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体）などにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。
【０１０９】
またシール部１４において、弾性体である被覆層３３で被覆すると、ばね力によって頂部１８が圧接されることにより接触部分が変形し、高分子膜２０表面との間に隙間が生じないのでシール性がさらに向上する。
【０１１０】
なお、製造工程においては、ステップＳ１の基板処理工程で、接着層３１を形成したのち、被覆層３３の形成を行う。加熱による被覆層３３の加硫処理は、基板処理工程で行ってもよいし、後述の成型層硬化工程で、樹脂層３２の硬化と同時に行ってもよい。
さらに、セパレータ１は、樹脂層３２の表面に高導電層を設けた構成としてもよい。
【０１１１】
図９は、高導電層３４を設けたときの分離部１３の要部拡大図である。樹脂層３２表面の触媒電極２１と接触する領域にのみ高導電層３４を形成する。
【０１１２】
樹脂層３２と触媒電極２１との接触抵抗が高く電力の回収率が十分に得られないような場合、樹脂層３２の表面に高導電層３４を形成することで、触媒電極２１との接触抵抗を低下させて回収率を向上させることができる。高導電層３４には、バインダ樹脂と炭素との混合物（以下では「カーボン・樹脂コンパウンド」と呼ぶ。）を使用するのが好ましい。高導電層３４は、炭素によって高導電性を実現し、バインダ樹脂によってガス透過性を低減させている。カーボン・樹脂コンパウンドの炭素含有量が増加するほど高導電層３４の電気抵抗は低くなるが、バインダ樹脂の含有量が減少するので、ガスの透過性が高くなってしまう。電気抵抗とガス透過性のバランスからカーボン樹脂コンパウンドの樹脂含有率は、２０〜３０％の範囲が好ましい。含有する炭素としては、人造黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを使用し、特に人造黒鉛を使用することが好ましい。バインダ樹脂としては、ポリイソブチレンゴムなどを使用することが好ましい。
【０１１３】
また、高導電層３４は、樹脂層３２表面の触媒電極２１と接触する領域にのみ混合物を塗布すればよい。高導電層３４による接触抵抗の低下は、樹脂層３２と触媒電極２１との接触領域にのみ高導電層３４を形成すれば十分な効果が得られる。したがって、高導電層３４の形成領域を減少させ、少量のカーボン・樹脂コンパウンドで効果的に接触抵抗を低下させることができる。
【０１１４】
製造工程においては、成型層硬化工程中または成型層硬化工程後に、高導電層形成工程を行う。高導電層形成工程では、樹脂層３２の表面に、カーボン・樹脂コンパウンドを所定の厚みで塗布する。成型層硬化工程では、樹脂層３２に対して光硬化処理を行うため、成型層硬化工程前にカーボン・樹脂コンパウンドを塗布してしまうと樹脂層３２の硬化が困難となる。したがって、成型層硬化工程中に行う場合は、光硬化処理を行った後、熱硬化処理を行う前に行えばよい。
【０１１５】
また、高導電層３４としては、薄膜層であっても十分に効果が得られることから、成型工程後の印刷インク層がウェット状態のときに、カーボン粒子のアルコール分散液をスプレーによって数μｍの厚みとなるように吹きつけ、その後、乾燥固化させることで簡単な工程で形成することもできる。
【０１１６】
以上のように、セパレータ１では、分離部１３にガス流路を設けるための樹脂層３２は、スタンパ成型によって導電性グリーンシートに流路を形成することで、従来のプレス加工に比べ、寸法精度が高く、反りおよび歪みも生じない。したがって、セパレータ１の生産性を向上し、高い歩留まりを実現することができる。さらに、形成する流路パターンの設計自由度が大きく向上する。たとえばプレス加工の場合、パターンが表裏一体で形成されるとともに直線形状のパターンが多くなるためパターン設計が制限されてしまうが、スタンパ成型によればセパレータ１のそれぞれの面に全く異なるパターンを形成することが可能であり、曲線形状および孔形状のパターン形成も可能となる。また、シール部１４は、プレス加工によって形成され、簡単な加工で高いシール性を実現することができる。
【０１１７】
さらに、分離部１３に高導電層３４を設けることで、触媒電極２１とセパレータ１との接触抵抗を大幅に低下させることができるので、電力の回収率をさらに向上することができる。
【０１１８】
図１０は、他のセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。図に示すように、単位電池１０１の一方のセパレータ１において、シール突部が、高分子膜２０と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。また、図１１に示すように、単位電池１０１の両方のセパレータ１において、シール突部が、高分子膜２０と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。
【０１１９】
なお、上記の説明では、セパレータ１の芯材として金属薄板を用いているが、高導電性炭素繊維強化樹脂（CFRP）など高導電性かつ高強度の樹脂を用いてもよい。
下記の実施例１〜３に示す条件でセパレータ１を作製した。
【０１２０】
スタンパとしては、アルミ合金製で、離型性を向上させるために表面に窒化クロム膜を形成したものを実施例１〜３で共用した。
【実施例】
【０１２１】
（実施例１）
実施例１では、樹脂層３２をアクリル／エポキシのＩＰＮ構造樹脂で形成した。
・導電性組成物
バインダ：アクリレートオリゴマー（ヘキサンジオールジアクリレート、ＵＣＢケミカル社製、品名ＨＤＤＡ）７０重量部、エポキシオリゴマー（エポキシ化大豆油、ＣＰ  ＨＡＬＬ社製、品名パラプレックス  Ｇ−６２）３０重量部
導電性フィラー：球状黒鉛（日本黒鉛工業製）３００重量部、導電性カーボンブラック（東海カーボン製、品名＃５５００）１５０重量部、鱗状黒鉛（中越黒鉛工業所製、品名ＢＦシリーズ）３００重量部
重合触媒：ヒドロキシフェニルケトン（チバ社製、品名Daro cure 1173）１．５重量部、トリアリルサルフォニウム６フッ化リン（ダウケミカル社製、品名Cyracure UVI-6990）１．０重量部
・硬化条件
光硬化：メタルハライドランプを用いて、６００ｍＷ／ｃｍ２で５秒間照射
熱硬化：８０℃〜１００℃で３０分間
【０１２２】
（実施例２）
実施例２では、樹脂層３２をビニルエステル（エポキシアクリレート）で形成した。
・導電性組成物
バインダ：アクリレートオリゴマー（ビスフェノールＡジアクリレート、昭和高分子製、品名リポキシＳＰ１５０７）１００重量部
導電性フィラー：球状黒鉛（日本黒鉛工業製）３００重量部、導電性カーボンブラック（東海カーボン製、品名＃５５００）１５０重量部、鱗状黒鉛（中越黒鉛工業所製、品名ＢＦシリーズ）３００重量部
重合触媒：色素・ボレート２光子型（P II型）光重合開始剤  α−ジケトン３重量部、三級アミン０．５重量部
・硬化条件
光硬化：キセノンランプを用いて６００ｍＷ／ｃｍ２で１０秒間照射
熱硬化：８０℃〜１００℃で３０分間
【０１２３】
（実施例３）
実施例３では、樹脂層３２をアクリル／エポキシのＩＰＮ構造樹脂で形成した。
・導電性組成物
バインダ：アクリレートオリゴマー（ビスフェノールＡジアクリレート、昭和高分子製、品名リポキシＳＰ１５０７）５０重量部、エポキシオリゴマー（ビス環状脂肪族ジエポキシ、チバ社製、品名アラルダイトGY-179）
導電性フィラー：球状黒鉛（日本黒鉛工業製）３００重量部、導電性カーボンブラック（東海カーボン製、品名＃５５００）１５０重量部、鱗状黒鉛（中越黒鉛工業所製、品名ＢＦシリーズ）３００重量部
重合触媒：ビスアシルフォスフィンオキシド（チバ社製、品名Irgacure819）１．３重重量部、トリアリルサルフォニウム６フッ化リン（ダウケミカル社製、品名Cyracure
UVI-6990）１．５重量部
・硬化条件
光硬化：メタルハライドランプを用いて８００ｍＷ／ｃｍ２で３秒間照射
熱硬化：８０℃〜１００℃で１０分間
各実施例の機械特性および電気特性を表１に示す。
【０１２４】
【表１】
2005317388.tif 000003
【０１２５】
なお、接触抵抗値は、樹脂層印刷工程後の印刷インク層がウェット状態のときに、導電性カーボンブラック（東海カーボン製、品名＃５５００）のエチルアルコール分散液をスプレーにより、乾燥膜厚が２〜３μｍの厚みとなるように吹きつけ、その後硬化させることで高導電層を形成したものを用いて測定した。
【０１２６】
（特性評価方法）
固有体積抵抗値：４探針法（ＪＩＳ  Ｋ７１９４）準拠
接触抵抗値    ：電気抵抗計（オームメータ）
硬度          ：微小硬度計による測定値を［ショアＤ］に換算
【０１２７】
実施例１〜３によって製造したセパレータは、未硬化部もなく均質であり、スタンパからの転写性も良好であった。また、表１に示すように、セパレータとして十分に機能する機械特性および電気特性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１００を展開した状態で模式的に示した斜視図である。
【図２】セパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【図３】セパレータ１の分離部１３の要部拡大図である。
【図４】セパレータ１のシール部１４の要部拡大図である。
【図５】ばね力が発生するためのシール部１４の形状を説明する図である。
【図６】本発明の実施の一形態であるセパレータの製造方法を示す製造工程図である。
【図７】被覆層３３を設けたときの分離部１３の要部拡大図である。
【図８】被覆層３３を設けたときのシール部１４の要部拡大図である。
【図９】高導電層３４を設けたときの分離部１３の要部拡大図である。
【図１０】他のセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【図１１】他のセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  セパレータ
２  燃料電池セル
３  集電板
４  絶縁シート
５  エンドフランジ
６  水素ガス供給口
７  冷却水供給口
８  酸素ガス供給口
９  水素ガス排出口
１０  冷却水排出口
１１  酸素ガス排出口
１２  電極配線
１３  分離部
１４  シール部
１５  分離ブロック
１６  水素ガス流路
１７  酸素ガス流路
１８  底部
２０  高分子膜
２１  触媒電極
３０  金属薄板
３１  接着層
３２  樹脂層
３３  被覆層
３４  高導電層
１００  固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０１  単位電池
【図１】
2005317388.tif 000004
【図２】
2005317388.tif 000005
【図３】
2005317388.tif 000006
【図４】
2005317388.tif 000007
【図５】
2005317388.tif 000008
【図６】
2005317388.tif 000009
【図７】
2005317388.tif 000010
【図８】
2005317388.tif 000011
【図９】
2005317388.tif 000012
【図１０】
2005317388.tif 000013
【図１１】
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