(57)【要約】【課題】  強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池用のセパレータを、金属基体を被覆するように電着により形成された導電性で多層構造の樹脂層とを備えたものとし、この樹脂層は導電材料を含有したものとする。このようなセパレータは、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて、金属基体上に電着にて樹脂層を複数回形成して多層構造の樹脂層を形成することにより製造する。【選択図】  図１
2007311334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、該金属基体を被覆するように電着により形成された導電性で多層構造の樹脂層とを備え、該樹脂層は導電材料を含有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記金属基体は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
多層構造の前記樹脂層は、熱処理を施されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
前記金属基体は、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項６】
前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項７】
多層構造の前記樹脂層は、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか１種からなる金属層を層間に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項８】
電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて、金属基体上に電着にて樹脂層を形成する工程を複数回行って多層構造の樹脂層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層の形成毎に、樹脂層に熱処理を施すことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理の温度は、前記樹脂層の材料の５％重量減少温度をＴ（℃）としたときに、１３０〜（Ｔ−３０）℃の範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記熱処理を施した後に、プラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施すことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１２】
多層構造の樹脂層を形成した後に、該樹脂層にプラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施すことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１３】
多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層を、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか１種からなる金属層を介して積層形成することを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか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に関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、簡単には、外部より燃料（還元剤）と酸素または空気（酸化剤）を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の５種類に分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣとも言う）も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を２種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも言う）が注目されている。
【０００３】
このＰＥＦＣにおいては、固体高分子電解質膜の両側に、空気極（酸素極）、燃料極（水素極）を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造となっている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着塗膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている（特許文献１、２、３）。
【特許文献１】特開２００４−３１１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−２４９２４０号公報
【特許文献３】特開２００４−１９７２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電着塗膜を金属基材上に形成した従来の金属セパレータでは、電着塗膜にピンホールが発生したり、厚みムラによる薄い部位が生じ易く、耐食性の劣化、接続抵抗の増大を来たすという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法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】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、金属基体と、該金属基体を被覆するように電着により形成された導電性で多層構造の樹脂層とを備え、該樹脂層は導電材料を含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、複数の貫通孔を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の前記樹脂層は、熱処理を施されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金のいずれかからなるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の前記樹脂層は、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか１種からなる金属層を層間に備えるような構成とした。
【０００６】
本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて、金属基体上に電着にて樹脂層を形成する工程を複数回行って多層構造の樹脂層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層の形成毎に、樹脂層に熱処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理の温度は、前記樹脂層の材料の５％重量減少温度をＴ（℃）としたときに、１３０〜（Ｔ−３０）℃の範囲内であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記熱処理を施した後に、プラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を形成した後に、該樹脂層にプラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施すような構成とした。
本発明の他の態様として、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層を、金、白金、錫、錫合金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか１種からなる金属層を介して積層形成するような構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセパレータは、導電性の樹脂層が多層構造を有しているので、個々の樹脂層にピンホールや厚みムラが存在しても、そのような部位は多層構造を構成する他の樹脂層により打ち消され、高い強度と優れた耐食性を具備したものとなる。また、多層構造の樹脂層が熱処理を施されたものである場合には、ピンホールや厚みムラの薄い部位が埋められ均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備することになる。さらに、多層構造の樹脂層がプラズマエッチング処理を施されたものである場合には、この樹脂層に含有される導電材料がプラズマエッチング処理面に露出して各樹脂層間の接続抵抗がより低減され、また、多層構造の各樹脂層の層間に金属層を備える場合にも、各樹脂層間の接続抵抗がより低減される。
【０００８】
また、本発明のセパレータの製造方法では、導電性の樹脂層を電着により形成する工程を複数回行って多層構造の樹脂層を形成するので、各樹脂層の形成段階でピンホールや厚みの薄い部位が生じても、他の樹脂層により埋められ、優れた耐食性を具備し、接続抵抗の低い多層構造の樹脂層の形成が可能である。また、各樹脂層の形成毎に熱処理を施すことにより、ピンホールや厚みムラの薄い部位に膜が流動して均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備する樹脂層の形成が可能となる。さらに、多層構造の樹脂層にプラズマエッチング処理を施することにより、各樹脂層に含有される導電材料が露出して各樹脂層間の接続抵抗を更に低減することができ、また、多層構造の各樹脂層の層間に金属層を配設することによっても、各樹脂層間の接続抵抗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［セパレータ］
図１は本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。図１において、本発明のセパレータ１は、金属基体２と、この金属基体２の両面に形成された溝部３と、金属基体２の両面を被覆するように電着により形成された樹脂層５とを備えている。そして、樹脂層５は、多層構造であるとともに、導電材料を含有するものである。
【００１０】
また、図２は本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。図２において、本発明のセパレータ１１は、金属基体１２と、この金属基体１２に形成された複数の貫通孔１３と、これらの貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２の両面を被覆するように電着により形成された樹脂層１５とを備えている。そして、樹脂層１５は、多層構造であるとともに、導電材料を含有するものである。
セパレータ１，１１を構成する金属基体２，１２の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄、鉄ニッケル合金等が挙げられる。
【００１１】
金属基体２が有する溝部３は、セパレータ１が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部３の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基体２の一方の面のみに溝部３を備えるものであってもよい。このような溝部３の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基体２の表裏で、溝部３の形状が異なるものであってもよい。
【００１２】
また、金属基体１２が有する貫通孔１３は、セパレータ１１が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔１３の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
セパレータ１，１１を構成する多層構造の樹脂層５，１５は、導電性を有するとともに、金属基体２，１２に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層５，１５は、例えば、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができ、成膜工程を複数回繰り返すことにより多層構造とされている。樹脂層５，１５の多層構造は、２層以上であれば特に制限はないが、例えば、２層構造〜５層構造とすることが好ましい。
【００１３】
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
【００１４】
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着により形成された多層構造の樹脂層５，１５の厚みは、０．１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍの範囲とすることができる。樹脂層５，１５の厚みが０．１μｍ未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、１００μｍを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
【００１５】
多層構造の樹脂層５，１５に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層５，１５に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の樹脂層５，１５における含有量は、樹脂層５，１５に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、３０〜９０重量％の範囲で設定することができる。
【００１６】
尚、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、ナノテクノロジーの素材として、複合材料、電子デバイス等の種々の分野に適用が期待されているものであり、これらをフィラーとして複合材料に用いた場合には、これらが有する物性を複合材料に付与することができる。例えば、カーボンナノチューブは、導電性、耐酸性、加工性、機械的強度等の面で優れており、フィラーとして複合材料に用いられた場合には、このようなカーボンナノチューブの優れた物性を複合材料に付与することができる。
【００１７】
本発明では、多層構造の樹脂層５，１５が熱処理を施されたものであってもよい。熱処理は、例えば、樹脂層５，１５の材料の５％重量減少温度をＴ（℃）としたときに、１３０〜（Ｔ−３０）℃の範囲で行うことができる。このような熱処理を施した多層構造の樹脂層５，１５は、構成する各樹脂層におけるピンホールや厚みムラの薄い部位が、積層される他の樹脂層により埋められ、樹脂層５，１５全体として均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を発現する。上記の熱処理の温度が１３０℃未満では、熱処理の効果が十分に得られず、また、（Ｔ−３０）℃を超えると、樹脂層の材料が脆くなったり、材料痩せが生じるので好ましくない。
尚、上記の材料の５％重量減少温度Ｔ（℃）とは、材料の熱重量分析において、室温（２５℃）での重量に対する重量減少が５％に達した温度を意味する。ここで、熱重量分析は試料を窒素雰囲気中に置き、５℃／分の速度で昇温して測定する。以下においても同様である。
【００１８】
また、本発明のセパレータでは、例えば、多層構造の樹脂層５，１５が、金属層を層間に備えるものであってもよい。金属層としては、例えば、金、白金、錫、錫合金（例えば、錫ニッケル合金）、銀、銅、パラジウム、ルテニウム、ルビジウムのいずれか１種からなるものが好ましい。このような構成とすることにより、多層構造の樹脂層５，１５を構成する各樹脂層間の接続抵抗がより低いものとなる。尚、金属層の形成は、例えば、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により行うことができ、金属層の厚みは、例えば、０．００３〜０．１μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。上記の金属層の厚みが０．００３μｍ未満では、金属層を設ける効果が十分に得られず、また、厚みが０．１μｍを超えると、生産性低下やコスト増大を生じるので好ましくない。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
［セパレータの製造方法］
次に、本発明のセパレータの製造方法について説明する。
図３は、図１に示されるセパレータ１を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。本発明の製造方法では、まず、金属板材２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト７，７を形成し（図３（Ａ））、このレジスト７，７をマスクとして両面から金属板材２′をエッチングして溝部３，３を形成する（図３（Ｂ））。その後、レジスト７，７を剥離して金属基体２を得る（図３（Ｃ））。
次に、この金属基体２の両面に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜する工程を複数回繰り返し、その後、硬化させて多層構造の樹脂層５を形成する（図３（Ｄ））。この電着による成膜工程の繰り返し回数は、多層構造の樹脂層５の厚み、樹脂材料、導電材料の含有量等を考慮して適宜設定することができ、例えば、２〜５回とすることができる。このように、複数回の成膜工程により多層構造の樹脂層５を形成するので、各樹脂層の成膜段階でピンホールや厚みの薄い部位が生じても、このような部位は他の樹脂層により埋められ、多層構造の樹脂層５全体として優れた耐食性を具備し、接続抵抗の低いものとなる。
【００２０】
また、本発明では、多層構造の樹脂層５を構成する各樹脂層の成膜毎に、樹脂層に熱処理を施してもよい。この熱処理の温度は、樹脂層５の材料の５％重量減少温度をＴ（℃）としたときに、１３０〜（Ｔ−３０）℃の範囲内で適宜設定することができる。このような熱処理を施すことにより、ピンホールや厚みムラの薄い部位に膜が流動して均一なものとなり、より高い強度と優れた耐食性を具備する樹脂層の形成が可能となる。上記の熱処理の温度が１３０℃未満では、熱処理の効果が十分に得られず、また、（Ｔ−３０）℃を超えると、樹脂層の材料が脆くなったり、材料痩せが生じるので好ましくない。
また、本発明では、各樹脂層の成膜毎に、上記のような熱処理を施した後、さらに、プラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施してもよい。あるいは、各樹脂層の成膜毎に、上記のような熱処理を施して多層構造の樹脂層５を形成した後、この多層構造の樹脂層５に対してプラズマエッチング、エキシマレーザー照射、樹脂選択エッチング、紫外線照射および表面研磨の少なくとも１種の処理を施してもよい。このようなプラズマエッチング処理を施することにより、処理面に導電材料が露出して、多層構造の樹脂層５の接続抵抗を更に低減することができる。
【００２１】
また、本発明では、多層構造の樹脂層を構成する各樹脂層を、金属層を介して積層するようにしてもよい。この場合の金属層は、例えば、金、白金、錫、錫合金（例えば、錫ニッケル合金）、銀、銅、パラジウム、ルテニウム、ルビジウム等の材料を使用し、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により形成することができる。形成する金属層の厚みは、例えば、０．０３〜０．１μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。このように金属層を介して各樹脂層を成膜することにより、各樹脂層間の接続抵抗を更に低減することができる。
【００２２】
図４は、図２に示されるセパレータ１１を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。図４において、金属板材１２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト１７，１７を形成する（図４（Ａ））。このレジスト１７，１７は複数の開口部を有し、各開口部は金属板材１２′を介して対向するように位置している。次いで、レジスト１７，１７をマスクとして両面から金属板材１２′をエッチングして複数の貫通孔１３を穿設する（図４（Ｂ））。その後、レジスト１７，１７を剥離して金属基体１２を得る（図４（Ｃ））。
貫通孔１３の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
【００２３】
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２に、多層構造の樹脂層１５を形成する（図４（Ｄ））。この多層構造の樹脂層１５の形成は、上述の多層構造の樹脂層５の形成と同様に行うことができる。これにより、セパレータ１１が得られる。
上述のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
［本発明のセパレータを用いた燃料電池の例］
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図５〜図８を参照して説明する。図５は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図６は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図であり、図７および図８は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図５〜図８において、高分子電解質型燃料電池２１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）３１とセパレータ４１とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
【００２５】
ＭＥＡ３１は、図６に示されるように、高分子電解質膜３２の一方の面に配設された触媒層３３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３４とからなる燃料極（水素極）３５と、高分子電解質膜３２の他方の面に配設された触媒層３６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３７とからなる空気極（酸素極）３８を備えている。
セパレータ４１は、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ａと、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に冷却水用溝部４４ｂを備えたセパレータ４１Ｂと、一方の面に冷却水用溝部４３ｂを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ｃとからなっている。このようなセパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃは、本発明のセパレータであり、その両面に、図１に示されるような多層構造の樹脂層５が形成されているが、図示例では、省略している。
【００２６】
各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと上記の高分子電解質膜３２の所定位置には、２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂ、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂ、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ４１Ａの酸化剤ガス供給用溝部４４ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の空気極（酸素極）３８が当接し、セパレータ４１Ｂの燃料ガス供給用溝部４３ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の燃料極（水素極）３５が当接するように、また、セパレータ４１Ｂの冷却水用溝部４４ｂが形成された面とセパレータ４１Ｃの冷却水用溝部４３ｂが形成された面とが当接するように、各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと単位セルであるＭＥＡ３１が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池２１が構成されている。このように積層された状態で、上記の２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。
【００２７】
また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図９〜図１１を参照して説明する。図９は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図１０は図９に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図であり、図１１は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
図９および図１０に示されるように、高分子電解質型燃料電池５１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）６１とセパレータ７１Ａ，７１Ｂとからなる単位セル５２を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図９では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル５２の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部５５を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部５５のくり抜き部に単位セル５２を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル５２と絶縁部５５とを平面状に設けているものである。
【００２８】
この高分子電解質型燃料電池５１は、絶縁部５５のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部５７ｃを設けている。そして、この表裏接続部５７ｃを、接続配線５７ａを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ７１Ａ（例えば、燃料極側セパレータ）に接続し、また、接続配線５７ｂを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ７１Ｂ（例えば、空気極側セパレータ）に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ａと、他方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ｂには、配線７５，７６が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を４個としているが、単位セルの個数には制限はない。
【００２９】
絶縁部５５は、接続部５７（接続配線５７ａ，５７ｂおよび表裏接続部５７ｃ）で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部５５の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部５５は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部５７の表裏接続部５７ｃとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部５７ｃは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
【００３０】
また、ＭＥＡ６１は、図１１に示されるように、高分子電解質膜６２の一方の面に配設された触媒層６３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６４とからなる燃料極（水素極）６５と、高分子電解質膜６２の他方の面に配設された触媒層６６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６７とからなる空気極（酸素極）６８を備えている。
セパレータ７１Ａ，７１Ｂは、図２に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基体に導電性で多層構造の樹脂層を有するものである。
【実施例】
【００３１】
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
金属板材として、厚み０．８ｍｍのＳＵＳ３０４（８０ｍｍ×８０ｍｍ）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このＳＵＳ３０４の両面に、感光材料（カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物）をディップコート法により塗布して厚み７μｍの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により６０秒間照射）、現像（４０℃温水をスプレー）してレジストを形成した。
【００３２】
次いで、上記のレジストを介してステンレス板の両面から７０℃に加熱した塩化第二鉄溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、８０℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を備えた金属基体を得た。
次に、金属基体に対して、４０℃の塩酸水溶液（水９部に３５％塩酸１部を添加）を用いて前処理を施し水洗した。
次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ（株）製  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２）を樹脂固形分に対して７５重量％添加し分散させて、電着液とした。
【００３３】
この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで３０秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。この操作を更に１回繰り返し、その後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み１５μｍの２層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
【００３４】
尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（エポキシ当量９１０）１０００重量部を撹拌下に７０℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル４６３重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン８０．３重量部を加えて１００℃で２時間反応させてアミンエポキシ付加物（Ａ）を調製した。
また、コロネートＬ（日本ポリウレタン（株）製  ジイソシアネート：ＮＣＯ１３％の不揮発分７５重量％）８７５重量部にジブチル錫ラウレート０．０５重量部を加え５０℃に加熱し、これに２−エチルヘキサノール３９０重量部を添加し、その後、１２０℃で９０分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル１３０重量部で希釈した成分（Ｂ）を得た。
【００３５】
次に、上記のアミンエポキシ付加物（Ａ）１０００重量部と成分（Ｂ）４００重量部からなる混合物を、氷酢酸３０重量部で中和した後、脱イオン水５７０重量部を用いて希釈し、不揮発分５０重量％の樹脂Ａを調製した。この樹脂Ａ２００．２重量部（樹脂成分８６．３容量）、脱イオン水５８３．３重量部、およびジブチル錫ラウレート２．４重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
【００３６】
作製した上記のセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定した結果、５．９ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
（電気抵抗の測定方法）
セパレータをガス拡散層（東レ（株）製  ＴＧＰ−Ｈ−０６０  １９０μｍ厚）
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ５ｍｍの電極
で挟み込んで圧着（圧力：２０ｋｇｆ／ｃｍ2）し、電極間の抵抗を測定する。
【００３７】
また、上記のセパレータについて、下記の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
（耐食性試験の条件）
５％の塩水に塩化第二銅（二水和物）０．０２７重量％を添加した噴霧試験液を
用い、噴霧槽内の温度を５０℃としてキャス（ＣＡＳＳ）試験を行い、１０００
時間後に赤錆の発生が見られない場合を、耐食性が良好であるとする。
【００３８】
［実施例２］
実施例１と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例１と同様にして電着液を調製した。
この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで３０秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱処理を施した。この操作を更に１回繰り返した。これにより、金属基体を被覆するように厚み１５μｍの２層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
このように作製したセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．９ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００３９】
［実施例３］
実施例１と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例１と同様にして電着液を調製した。
この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで３０秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の加熱硬化処理を施し、次いで、下記の条件でプラズマエッチング処理を施した。この操作を更に１回繰り返した。これにより、金属基体を被覆するように厚み１５μｍの２層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
（プラズマエッチング処理条件）
・基板温度            ：  ７０℃
・ＲＦパワー          ：  ６００Ｗ
・導入ガス            ：  酸素（Ｏ2）
・エッチングガス圧力  ：  ３０Ｐａ
・エッチング時間      ：  ５分
【００４０】
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．２ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００４１】
［実施例４］
実施例１と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例１と同様にして電着液を調製した。
この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで３０秒間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱処理を施した。
【００４２】
次いで、この熱処理面上に下記の条件でスパッタリング法により金の薄膜からなる金属層（厚み０．００５μｍ）を形成した。
（金属層形成条件）
・基板温度            ：  ７０℃
・ＲＦパワー          ：  ６００Ｗ
・導入ガス            ：  アルゴンガス
・ガス導入圧力        ：  ５０Ｐａ
・スパッタ時間        ：  ２０秒
【００４３】
次いで、再度、上記の条件で金属層上に電着により成膜を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み１５μｍの樹脂層／金属層／樹脂層からなる多層構造の樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．１ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００４４】
［実施例５］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（Ｐ５０５２Ａ）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト（ニチゴー・モートン（株）製）をラミネートして３５μｍ厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により１５秒間照射）、現像（３０℃の２％炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー）してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から４５℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、５０℃の５％炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を備えた金属基体を得た。
【００４５】
次に、上記の金属基体に対して、硝酸水溶液を用いて前処理（不動態膜除去）を施し、水洗した。
次に、上記の金属基体に対して、実施例３と同様にして、厚み１５μｍの２層構造の樹脂層を形成してセパレータを得た。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．３ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００４６】
［実施例６］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍの銅合金（銅−クロム−錫合金）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、この銅合金の両面に、感光材料（カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物）をディップコート法により塗布して厚み７μｍの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により６０秒間照射）、現像（４０℃温水をスプレー）してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介して銅合金の両面から７０℃に加熱した塩化第二銅水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、８０℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を備えた金属基体を得た。
【００４７】
次に、金属基体に対して、５０℃の硫酸（硫酸１部に水５部を添加）を用いて前処理を施し水洗した。
次いで、金属基体上に、実施例３と同様にして、厚み１５μｍの２層構造の樹脂層を形成してセパレータを得た。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、３．８ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００４８】
［実施例７］
プラズマエッチング処理に代えて、下記の大気圧プラズマエッチング処理を行った他は、実施例３と同様にして、セパレータを作製した。
（大気圧プラズマエッチング処理条件（装置：ヤマト科学（株）製））
・基板温度      ：  ２５℃
・ＲＦパワー    ：  ４００Ｗ
・導入ガス      ：  Ｈｅ（９８％）／Ｈ2（１％）／ＣＦ4（１％）混合ガス
・基板搬送速度  ：  ５０ｍｍ／ｓｅｃ
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、３．８ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００４９】
［実施例８］
プラズマエッチング処理に代えて、下記のエキシマレーザー照射処理を行った他は、実施例３と同様にして、セパレータを作製した。
（エキシマレーザー照射処理条件）
・媒質          ：  ＸｅＣｌ
・発振波長      ：  ３８０ｎｍ
・パルスパワー  ：  １２５ｍＪ（at 10Hz）
・最大平均出力  ：  ６Ｗ
・パルス幅      ：  ３２ｎｓｅｃ
・繰り返し周波数：  最大５０Ｈｚ
・処理時間      ：  １５分
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．７ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００５０】
［実施例９］
プラズマエッチング処理に代えて、下記の紫外線照射処理を行った他は、実施例３と同様にして、セパレータを作製した。
（紫外線照射処理条件（装置：富士写真フィルム（株）製））
・基板温度      ：  ２５℃
・紫外線照度    ：  １８ｍＷ／ｃｍ2（照射距離１０ｍｍ、測定波長２５４ｎｍ）
・処理時間      ：  ３０分
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、３．８ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００５１】
［実施例１０］
実施例１と同様にして、金属基体に２層構造の樹脂層を形成した。次いで、この樹脂層に、下記の樹脂選択エッチング処理を行ってセパレータを得た。
（樹脂選択エッチング処理）
２層構造の樹脂層を形成した金属基体を、樹脂エッチング液（ローム・アンド・
ハース社製  サーキュポジット  ＭＬＢ２１３）の１０％希釈液（８０℃）に
１０分間浸漬し、その後、純水で洗浄し、８０℃で３０分間乾燥する。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、５．０ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００５２】
［実施例１１］
実施例１と同様にして、金属基体に２層構造の樹脂層を形成した。次いで、この樹脂層に、下記の表面研磨処理を行ってセパレータを得た。
（表面研磨処理）
２層構造の樹脂層の表面を＃４００の研磨紙を用いて研磨する。
上記のように作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、４．８ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、良好な耐食性を具備することが確認された。
【００５３】
［比較例］
実施例１と同様にして、溝部を備えた金属基体を作製した。
また、実施例１と同様にして電着液を調製した。
この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで１分間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、金属基体を被覆するように厚み１５μｍの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
【００５４】
このように作製されたセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定した結果、８．４ｍΩであり、実施例１〜１１のセパレータに比べて電気抵抗が大きいものであった。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行った結果、６００時間経過で赤錆が発生しており、実施例１〜１１のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。
【図２】本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図４】本発明のセパレータの製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【図５】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の一例を説明するための部分構成図である。
【図６】図５に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【図７】図５に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を示す斜視図である。
【図８】図５に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を図７とは異なった方向から示す斜視図である。
【図９】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の他の例を説明するための平面図である。
【図１０】図９に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。
【図１１】図９に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…セパレータ
２…金属基体
３…溝部
５…樹脂層
１１…セパレータ
１２…金属基体
１３…貫通孔
１５…樹脂層
２１，５１…高分子電解質型燃料電池
３１，６１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，７１Ａ，７１Ｂ…セパレータ
【図１】
2007311334.tif 000003
【図２】
2007311334.tif 000004
【図３】
2007311334.tif 000005
【図４】
2007311334.tif 000006
【図５】
2007311334.tif 000007
【図６】
2007311334.tif 000008
【図７】
2007311334.tif 000009
【図８】
2007311334.tif 000010
【図９】
2007311334.tif 000011
【図１０】
2007311334.tif 000012
【図１１】
2007311334.tif 000013