(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝を形成し、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を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、
前記ガス供給用凹状溝は、気液が連通可能な微細孔状形状からなる多孔質体により形成され、前記多孔質体は、孔径が１０μｍ以上２０μｍ以下である微細孔と、孔径が１００μｍ以上２００μｍ以下である細孔と、を有する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ガス供給用凹状溝及び冷却用凹状溝は、少なくとも導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクから形成されており、前記導電性フィラーは、カーボン繊維または導電性粉体あるいはその混合物であ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】
前記ガス供給用凹状溝及び冷却用凹状溝の深さが、５０μｍ以上７００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記金属基板が、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金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１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記（１）及び（２）の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
（１）凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
（２）前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記金属基板上に転写する工程
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記（１）〜（５）の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
（１）凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填、硬化し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
（２）前記金属基板上に導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層を形成する工程
（３）前記導電性樹脂インク層上に前記凸形状の導電性樹脂を有する凹版を設置する工程
（４）前記導電性樹脂インク層を硬化する工程
（５）前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記導電性樹脂インク層上に転写する工程
【請求項７】
前記凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項５または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、特に金属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り、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。
【０００３】
燃料電池の用途としては、携帯電気機器の電力供給源、コジェネレーション用定置型電気および温水の供給機、自動車などが挙げられる。
【０００４】
その為、燃料電池は１万時間を越える運転に耐える高い耐久性が要求されており、携帯電気機器や自動車など、定置型ではなくモバイルに用いる場合、特に高い耐衝撃性が必要となる。
【０００５】
燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ型等に分類され、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。
【０００６】
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や直接メタノール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、コンパクト化に適している。
【０００７】
固体高分子型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）を設けた膜電極接合体（以下ＭＥＡと称す）の両側に、ガス拡散層を介してセパレータを配した単電池セルを単数あるいは複数積層した構造を有している。
【０００８】
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一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電極触媒層２、３を接合・積層して膜電極結合体１２が形成される。
【０００９】
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の単セルの一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とで挟持したセルの空気極側触媒層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を構成した膜電極接合体１２を備えている。
そして、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。
そして、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。
【００１０】
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−                式（１）
空気極側：Ｏ２ ＋４Ｈ＋ ＋４ｅ− →２Ｈ２ Ｏ        式（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− 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。
【００１１】
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溝状の燃料流路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溝状の酸化剤ガス流路８が設けられている。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２ ＋６Ｈ＋ ＋６ｅ−      式（３）
空気極側反応：６Ｈ＋ ＋（３／２）Ｏ２ ＋６ｅ− →３Ｈ２Ｏ      式（４）
全反応：      ＣＨ３ＯＨ＋（３／２）Ｏ２ →ＣＯ２ ＋２Ｈ２Ｏ   式（５）
【００１５】
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、及び電子に解離する。
この際、蟻酸等の中間生成物も微量発生する。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
またセパレータ１０は、隣り合う単セルの燃料流路８と酸化剤ガス流路８を仕切り、燃料ガスと酸化剤ガスの相互流入を防止するものである。
また、セパレータ１０が導電性を有する場合、ＭＥＡ１２において触媒反応により発生した電子を、外部回路へ供給するための供給路としての役割を担わせることも出来る。
【００２１】
前記の説明において、複数の単セルを直列接続して使用する際にはセパレータ１０の隅部などの適切な個所に流路８を連結する図示しない貫通孔を設け、この貫通孔を通じて直列に接続した複数の単セルの各流路８に燃料ガスや酸化剤ガスを制御して供給するようにすることができる。
【００２２】
また前記の説明において、直接メタノール型燃料電池においてもセパレータ１０は図５に示した凹溝状の流路８を設けたセパレータ１０を用いた場合について説明したが、流路８は凹溝状の流路に限定されず、図示しない多数の小さな貫通孔を備えた流路を備えたセパレータを用い、この図示しない多数の小さな貫通孔を経てメタノールを供給するようにすることができる。
【００２３】
上述の観点から、燃料電池用セパレータ１０は燃料ガスや酸化剤ガス、水とともに発生する強酸性雰囲気下での電気化学的腐食環境に対する耐食性が必要となる。
例えば、水素を燃料ガスとする固体高分子型燃料電池では、その内部は７０〜８０℃のｐＨ＝１〜２の硫酸雰囲気と同等といわれており、直接メタノール型の場合は中間生成物である蟻酸を含んだメタノール雰囲気となる。
また、発生した電力を効率良く取り出すためにセパレータ１０には高い導電性が必要である。導電性を低下させる要因としては、セパレータ１０の構成物質自体の体積固有抵抗やガス拡散層４、５（カーボンペーパーやカーボンクロスにより構成される）とセパレータ１０との接触抵抗などが挙げられるが、一般的にガス拡散層４、５とセパレータ１０の接触抵抗が高く、問題となる。
【００２４】
導電性および耐食性を確保するために、従来、セパレータ１０の材料としては、黒鉛板を切削して流路を形成したカーボンセパレータが汎用されている（特許文献１参照）。
しかし、カーボンセパレータ１０は、脆いため機械的な衝撃、振動に弱く、またカーボンセパレータを作製するためには数ｍｍ程度の厚さの黒鉛板が必要であり、薄型化が困難である。
【００２５】
また、カーボン粉末やカーボンファイバー等に熱可塑性樹脂などの高分子材料からなるバインダーを配合し、射出成形等でセパレータ１０を作製する試みがなされている（特許文献２、３参照）。
しかし、このようにして得られるセパレータも強度に乏しく、強度維持のために、最低でも１〜２ｍｍ程度の厚さが必要となり、燃料電池の薄型化の障害となっている。
【００２６】
そこで、近年、燃料電池の小型化を実現するために、機械的強度に優れる金属製のセパレータを用いる試みがなされている（特許文献４参照）。
しかし、金属製のセパレータは、一般に耐食性が低いという欠点がある。
【００２７】
また、耐食性の付与およびガス拡散層との接触抵抗を低減させるために金属セパレータ表面に金めっきが施される場合があり、この場合、高価な金の使用量を低減させるため導電性介在物上のみに金めっきを施す工夫がなされている（特許文献５参照）。
しかしながら、導電性介在物を介した場合、導電性介在物が脱落する可能性が考えられ、また、金めっきのピンホールに関しては、金属基材として比較的に耐食性の高いステンレス系金属を用いることで対応しているが、ステンレス系金属の耐食性も十分とはいえない。また、ピンホールを低減させるために高価な金めっきをμｍオーダーの厚さ施す必要があり、セパレータの低価格化の障害となっている。
【００２８】
また、一般的な反応ガス流路はサーペンイン流路と呼ばれる蛇行状流路となっているが、反応ガスのセパレータ全面への均一供給は困難であり、反応ガス入り口から遠ざかるほど反応ガス濃度が低下する傾向となり、発電効率を低下させている原因となっている。更に空気極においては反応により発生する水が過剰に存在し蛇行状流路の出口側に溜まり、フラディングやプラギングと呼ばれる現象を引き起こし、大きな発電ロスが発生してしまう。
【特許文献１】特開２００１−６７０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１００９３３号公報
【特許文献３】特開２００６−１７９２０７号公報
【特許文献４】特開２００２−１９０３０５号公報
【特許文献５】特開２００３−２９７３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
上述したように、燃料電池のセパレータには、導電性、耐食性、機械的強度、薄膜化などの特性を一度に兼ね備えることが求められている。
本発明の第１の目的は、耐食性と機械的強度などを充分に有すると同時に、接触抵抗の低減や十分な反応ガス供給による発電効率の向上とともに薄型化を可能にした、安価な燃料電池用セパレータを提供することであり、
本発明の第２の目的は、そのような燃料電池用セパレータを比較的簡便な方法で製造することを可能とする燃料電池用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】
【００３０】
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、金属基板の少なくとも一方の面上に反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝を形成し、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を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、ガス供給用凹状溝に多孔質体を用い、また、多孔質体を凹版に型取った後に金属基板へ転写するという簡便な方法・構成により、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、本発明を成すに到った。
【００３１】
請求項１に記載の発明は、金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するためのガス供給用凹状溝を形成し、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を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、
前記ガス供給用凹状溝は、気液が連通可能な微細孔状形状からなる多孔質体により形成され、前記多孔質体は、孔径が１０μｍ以上２０μｍ以下である微細孔と、孔径が１００μｍ以上２００μｍ以下である細孔と、を有する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
請求項２に記載の発明は、前記ガス供給用凹状溝及び冷却用凹状溝は、少なくとも導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクから形成されており、前記導電性フィラーは、カーボン繊維または導電性粉体あるいはその混合物であ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である。
請求項３に記載の発明は、前記ガス供給用凹状溝及び冷却用凹状溝の深さが、５０μｍ以上７００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータである。
請求項４に記載の発明は、前記金属基板が、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金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１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータである。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記（１）及び（２）の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
（１）凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
（２）前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記金属基板上に転写する工程
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記ガス供給用凹状溝および冷却用凹状溝の少なくとも一方が、下記（１）〜（５）の工程を用いて形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
（１）凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填、硬化し、凸形状の導電性樹脂を作製する工程
（２）前記金属基板上に導電性樹脂インクを塗布し導電性樹脂インク層を形成する工程
（３）前記導電性樹脂インク層上に前記凸形状の導電性樹脂を有する凹版を設置する工程
（４）前記導電性樹脂インク層を硬化する工程
（５）前記凸形状の導電性樹脂から凹版を剥離し、前記凸形状の導電性樹脂を前記導電性樹脂インク層上に転写する工程
請求項７に記載の発明は、前記凹版が、シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池用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、耐食性と機械的強度などを充分に有すると同時に、接触抵抗の低減や十分な反応ガス供給による発電効率の向上とともに薄型化を可能にした、安価な燃料電池用セパレータを提供することができる。
また本発明によれば、前記燃料電池用セパレータを比較的簡便な方法で製造することを可能とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供できる。
【００３３】
さらに本発明では、金属基板を用いるために高い機械的強度を有し、堅牢性を維持したまま、薄型化および軽量化した燃料電池用セパレータを提供することが可能であり、かつ、導電性樹脂部分を有しているため金属基板で懸念される酸化皮膜成長による導電性の低下を招くことなく、高い耐食性を確保したまま、導電性を有することが出来る。また、導電性耐食皮膜の形成方法としてウェットプロセスを用いることが出来るためドライプロセスを適用した場合のような高価な設備を必要とすることなく連続的に安価にセパレータの製造をすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の燃料電池用セパレータについて、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。
本発明では凹状溝より形成される反応ガス等供給流路と多孔質体を組み合わせることにより発電セルの面内全面を有効利用し発電効率を向上させることが可能である。反応ガス等はまず凹状溝より形成される反応ガス等供給流路を経由し瞬時にセパレータ面内各起点へ到達し、次に多孔質体を経由しＭＥＡへより均質的に供給される。また多孔質体が、孔径１０μm〜２０μmの微細孔と孔径１００μm〜２００μmの細孔を同時に有することにより、反応ガス等の気体と反応により生成する生成水などの液体をそれぞれ優先的に個別に運搬する経路を有することとなり、反応生成水などによるフラディングやプラギングを抑制することができる。孔径と気液の優先流動に関しての詳細は解明されていないが、経験的には多孔質体が疎水性表面を有する場合、微細孔を気体が優先的に通過すると考えられている。
【００３５】
図１に示したように、本発明の燃料電池用セパレータは、金属基板２１の一方の面上に反応ガスを供給するための凹状溝Ａ２３を、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための凹状溝Ｂ２４を有し、これらは樹脂成分に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部分から形成されている。平滑な基板上の両側に凹状溝をそれぞれ形成するため、プレス加工にて形成された流路と比較すると、凹状溝Ａ２３の形状に依存することなく凹状溝Ｂ２４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、金属基板に転写する方法（以下シリコーン型取り法ともいう）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μｍ程度の高さの凸型形状の一括形成が可能となる。
【００３６】
図２に本発明の凹版の製造方法を示す。凹状溝Ａ２３および凹状溝Ｂ２４と同様の形状を有する凸型母型２６上にシリコーン樹脂からなる溶液２７を流し込み硬化後凸型母型より剥離することにより、凸型母型２６と逆形状となる凹版２８を形成する。
凸型母型２６の材質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ものが好ましい。また、凸型形状はフォトリソグラフィ法で樹脂を基板表面に所望の形に形成する方法や基板そのものを加工し溝を形成する方法が考えられるが、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。
凸型母型２６上にシリコーン樹脂からなる溶液２７を流し込む方法としては、凸型母型２６の端部にシリコーン樹脂を必要量配し、棒状のスキージで溝部分に押し込みながら凸型母型の逆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。凹版の凹凸面裏面の平滑性が金属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、凹版の形成方法は凹版の凹凸面裏面の平滑に形成できる方法である必要がある。
【００３７】
凹版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、凸型母型２６より剥離する際に容易に剥離が可能となる。また、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。
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、十分に硬化する条件を適宜選択すればよい。硬化に際しては硬化収縮など寸法変化によりシリコーン樹脂型が凸型母型形状を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。シリコーン樹脂としては、例えばＴＳＥ３４０２（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）等が挙げられる。
【００３８】
本発明における多孔質体の孔径は反応ガス等の気体と生成水等の液体を分離輸送が可能であるサイズ、すなわち孔径が１０μｍ〜２０μｍである微細孔と孔径が１００μｍ〜２００μｍである細孔を同時に有することが好ましい。
なお本発明でいう孔径は、水銀圧入法などの孔径測定法により測定できる。
【００３９】
本発明における多孔質体の形成方法としては、導電性樹脂インク中に導電性フィラー及び造孔剤を含有させ、金属基板上に塗布後のインク乾燥、硬化とともに造孔剤を消滅させ微細孔および細孔形状を形成する方法を採用した。造孔剤としては分解型発泡剤や蒸発型発泡剤など一般的に知られている発泡剤を用いることが出来る。分解型発泡剤としては、例えば（重）炭酸金属塩（金属塩の金属としては一価金属としてアルカリ金属：ナトリウム、カリウム、ルビジウム；多価金属としてアルカリ土類金属：マグネシウム、カルシウム、バリウム）、ナトリウムアジドなどのアジド化合物、ＡＩＢＮ、アゾビスシアノ吉草酸、アゾジカルボンアミド、アゾビスアミジノプロパン塩等のアゾ化合物、Ｎ，Ｎ'−ジニトロソペンタエチレンテトラミン等のニトロソ化合物炭酸アンモン等の一価塩基の炭酸塩もしくは重炭酸塩類があげられる。蒸発型発泡剤としてはフレオンガス、ブタンガス等のガス、パラフィン系炭化水素、アルコール、エーテル、クロロホルム、四塩化炭素、モノフルオロトリクロロメタン等のハロゲン化炭化水素等の低沸点溶剤類、水があげられる。本発明において、孔径が１０μｍ〜２０μｍである微細孔と孔径が１００μｍ〜２００μｍである細孔を同時に有することが好ましいため、造孔剤はそのサイズや種類を適宜選択し、混合配合して用いることが好ましい。
【００４０】
図３に本発明の凹状溝の転写工程を示す。
図３に示すように凹版２８に導電性樹脂インクを充填し、金属基板２１と凹版２８の凹凸形状側を向かい合うように設置し、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金属基板２１上に導電性樹脂２２を転写する。
この際、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、金属基板の厚さ、凹版の厚さにより金属基板上に形成される導電性樹脂の厚さが異なる。また、前記条件により凸状部分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、凹状溝の底部分にも導電性樹脂を形成するほうが好ましい。
【００４１】
また、凹版２８に充填した導電性樹脂２２を転写する場合、転写前に導電性樹脂２２がある程度硬化していることが好ましい。溶媒分を含む導電性樹脂インクを硬化させることを想定すると、転写時に溶媒などの排出経路が確保できないため硬化に時間がかかり最悪の場合未硬化となることや乾燥・硬化後に寸法変化が大きく変化することが想定されるため、そのような影響を最小限とするためにあらかじめ半硬化状態とすることが好ましい。また、完全硬化状態の導電性樹脂を転写することも可能であるが、転写時に金属基板上との接着性を確保するための接着剤を準備する必要があり、いたずらに工程を増やすこととなる。
なお、導電性樹脂の転写前に金属基板上に同じ導電性樹脂インクを予め塗布しておき導電樹脂インク層２５を形成し、これを転写時に硬化させれば、転写前に凸形状の導電性樹脂を完全硬化させることができ、転写時における形状の寸法変化を防止し、所望の形状を、より正確に再現することが可能となる。また、金属基板の耐食性をさらに向上させることができ、かつ金属基板と導電性樹脂との密着力を向上させることができる、等の効果を有する。なお、導電性樹脂インク層は、多孔質体ではないことが好ましい。
【００４２】
本発明の燃料電池用セパレータに用いる金属基板としては、導電性樹脂によって保護され充分に耐食性が維持されるため、金属基板自体の耐食性を考慮する必要がなく、機械的強度が充分にある材料を選択することができる。
本発明の燃料電池用セパレータに用いる金属基板としては、例えば、純鉄、鉄合金、純銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金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れば、充分に機械的強度を有し、比較的安価に形成できる。金属基板はその用途により選択することができ、携帯電気機器や自動車などの移動体といった軽量化が必要なものには比重の軽いアルミニウムおよびアルミニウム合金を利用することが好ましい。
【００４３】
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高速で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。
【００４４】
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はなく、具体的には、例えば、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。より高い耐食性という観点からフッ素系樹脂であることが好ましい。
これらの樹脂の質量平均分子量などで表される分子量はウエットコーテイングなど加工性に支障を来さない限り機械的強度を考慮すると大きい方が好ましく、１万〜１０００万、さらに好ましくは２万〜５００万である。
【００４５】
本発明に用いる導電性フィラーは、繊維状導電性フィラーあるいはさらに粉体状導電性フィラーである。
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種以上の繊維状カーボン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。
【００４６】
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。
【００４７】
本発明において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カーボンあるいは繊維状カーボンとカーボン粉体の混合物であることが好ましい。
【００４８】
金属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金属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、一工程で大面積を加工することが出来るため、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】
導電性フィラーを含む導電性樹脂溶液中の固形分濃度は、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。
導電性樹脂により形成される凸部分の厚さ（＝凹状溝の深さ）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５０〜７００μｍであることが好ましい。
【００５０】
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、用いられる材質により異なるが、たとえば導電性フィラーにカーボン繊維であるカーボンナノファイバーを、カーボン粉体であるアセチレンブラックを混合し用いた場合、膜形成した際に樹脂成分中の導電性フィラーの体積比率が２５ｖｏｌ％以上であることが好ましい。
導電性フィラーの比率が２５ｖｏｌ％未満では十分な導電性を得ることが難しい。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例）
《母型の作製》
まず、金属基材として１ｍｍ厚のステンレス板（ＳＵＳ３０４）を用い、切削加工により表面に所望の溝を有する流路形状を形成した。Ａは溝幅が１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝ピッチが２ｍｍの直線状溝が形成され、またＢは溝幅が２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、溝ピッチが３ｍｍの直線状溝が形成された凸型母型ＡおよびＢをそれぞれ形成することができた。
【００５３】
《シリコーンゴム凹版作製》
液状シリコーンゴムＴＳＥ３４０２（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、ポリアルキルアルケニルシロキサンとシリカを主成分とする）をＡ液とＢ液を混合し十分撹拌する。次いで、上記凸型母型ＡおよびＢの表面にＴＳＥ３４０２をアプリケータバーを用いて充填し、常温で４８時間放置し硬化させる。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ＡおよびＢを得た。得られたシリコーンゴム凹版ＡおよびＢは凹凸表面の状態は良好であり、また裏面は平滑で均質に形成することが出来、凹部底面から凸部頂点までの高さが０．５ｍｍ、凸部頂点から裏面までの厚さは１ｍｍであった。
【００５４】
《セパレータ作製》
前記シリコーンゴム凹版を用いセパレータの作製を以下に示す手順で行った。
まず、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％含む）(共に藤倉化成株式会社製)をそれぞれ１００ｇづつ１：１の割合で混合したドータイトＡ−３／Ｃ−３に造孔剤としてアゾジカルボンアミドを５０ｇ混合し、ボールミルにて混ぜ合わせた物を導電性樹脂インクとして用い、上記シリコーンゴム凹版ＡおよびＢにアプリケータバーを用いて充填した。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秒浸漬後、純水にて洗浄を行い、水分を乾燥した。更に、造孔剤を添加していないドータイトＡ−３／Ｃ−３をアプリケータにより１０μmの厚さにコーティングし、ドータイトＡ−３／Ｃ−３＋アゾジカルボンアミドが充填されたシリコーンゴム凹版ＡおよびＢをシリコーン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、ロールラミネーター（常温、プレス圧0.3MPa）によりアルミニウム板上にシリコーンゴム凹版ＡおよびＢを固定した。その際のロールラミネータの上下ロールのギャップは３ｍｍであった。  次に、前記サンプルをオーブンにて２３０℃３０分加熱処理し導電性樹脂を硬化させたのち、シリコーンゴム凹版ＡおよびＢ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。
また、得られた多孔質体は、孔径が１５μｍ程度である微細孔と、孔径が１３０μｍ程度である細孔を有していた。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の燃料電池用セパレータは、金属基板上の一方の面上に反応ガスを電極に供給するための凹状溝Ａを形成し、他方の面上に冷却のための冷媒を供給するための凹状溝Ｂを形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、前記凹状溝Ａが気液を連通可能な微細孔状形状からなる多孔質層により形成されることを特徴とするものであり、反応ガス等供給流路と多孔質体を組み合わせることにより、発電セル全面が発電に寄与することが出来、発電効率を飛躍的に向上することが出来る。
また、前記凹状溝ＡおよびＢの少なくともひとつが、凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーを含有した導電性樹脂インクを充填形成後、金属基板上に凸形状を転写することにより形成されることにより、容易に５０μｍ程度から５００μｍ程度の厚膜パターンによる流路形状をセパレータ両面に形成することができる。また、粉体状導電性フィラーを用いると導電性耐食皮膜自体の導電性を低減でき、金属基板を用いるために高い機械的強度を有し、堅牢性を維持したまま、薄型化および軽量化が可能となり、一方、接着層として緻密な導電性樹脂を介しているため金属基板を用いた時に懸念される酸化皮膜成長による導電性の低下を招くことなく、高い耐食性を確保したまま、高い導電性を維持できるという顕著な効果を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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２】本発明における凹版の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明における凹状溝の転写工程を説明するための断面図である。
【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一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。
【符号の説明】
【００５７】
１  電解質膜
２  空気極側電極触媒層
３  燃料極側電極触媒層
４  空気極側ガス拡散層
５  燃料極側ガス拡散層
６  空気極
７  燃料極
８  凹状溝（ガス流路）
９  冷却水流路
１０  セパレータ
２１  金属基板
２２  導電性樹脂
２３  凹状溝Ａ（反応ガス流路）
２４  凹状溝Ｂ（冷却溶媒流路）
２５  導電樹脂インク層
２７  シリコーン樹脂からなる溶液
２８  凹版Ａ（反応ガス流路側）
２９  凹版Ｂ（冷却溶媒流路側）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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