(57)【要約】【課題】  信頼性が高く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、金属基体と、この金属基体上に配設された複数の導電性微小突起と、これらの導電性微小突起を被覆する導電性の樹脂層とを備えたものとし、樹脂層は導電材料を含有したものとし、これにより、導電性微小突起と樹脂層中の導電材料とが接触して金属基体と導電性の樹脂層との接続抵抗が低いものとなり、また、導電性微小突起により金属基体への樹脂層の密着性が向上する。【選択図】  図１
2007305463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、該金属基体の少なくとも一方の面を被覆する導電性の樹脂層とを備え、前記金属基体は前記樹脂層を備える面に複数の導電性微小突起を有し、前記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】
前記導電性微小突起は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバー、カーボン粒子、導電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、鉄、鉄ニッケル合金、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、カーボンナノコイル、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】
金属基体に、複数の導電性微小突起を形成し、その後、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前記導電性微小突起を被覆するように電着にて樹脂層を前記金属基体上に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８】
前記導電性微小突起の形成は、浸漬法により行うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記導電性微小突起の形成は、ドライ成膜法により行うことを特徴とする請求項７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がとられている。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、上述のように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、金属基材と電着塗膜との接続抵抗が大きく、また、金属基材に対する電着塗膜の密着性が不十分であり、耐食性の劣化、信頼性の低下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、信頼性が高く接続抵抗が低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、該金属基体の少なくとも一方の面を被覆する導電性の樹脂層とを備え、前記金属基体は前記樹脂層を備える面に複数の導電性微小突起を有し、前記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、前記金属基体が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、前記金属基体が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、前記導電性微小突起がカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバー、カーボン粒子、導電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、前記金属基体がステンレス、鉄、鉄ニッケル合金、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、前記導電材料がカーボン粒子、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、カーボンナノコイル、耐食性金属の少なくとも１種であるような構成とした。
【０００６】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、金属基体に、複数の導電性微小突起を形成し、その後、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前記導電性微小突起を被覆するように電着にて樹脂層を前記金属基体上に形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電性微小突起の形成を浸漬法により行うような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電性微小突起の形成をドライ成膜法により行うような構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセパレータは、導電性の樹脂層を備える金属基体面に複数の導電性微小突起を有するので、これらの導電性微小突起と樹脂層中の導電材料とが接触し、これにより、金属基体と導電性の樹脂層との接続抵抗が低いものとなり、同時に、導電性微小突起により金属基体への樹脂層の密着性が向上し、優れた耐食性と信頼性を具備する。
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前に、金属基体上に複数の導電性微小突起を形成するので、形成された樹脂層内部に導電性微小突起が入り込んだ状態となり、金属基体と樹脂層との密着性が向上し、また、樹脂層内部において導電性微小突起と導電材料との接触が生じ、金属基体と樹脂層との接続抵抗が低いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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の両面に形成された複数の導電性微小突起４と、これらの導電性微小突起４を被覆する樹脂層５とを備えており、樹脂層５は導電材料を含有するものである。
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の両面に形成された複数の導電性微小突起１４と、これらの導電性微小突起１４を被覆する樹脂層１５とを備え、樹脂層１５は導電材料を含有している。
【０００９】
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、鉄、鉄ニッケル合金、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、マグネシウム合金等が挙げられる。
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。
【００１０】
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を構成する導電性微小突起４，１４は、樹脂層５，１５中に入り込み導電材料と接触して、金属基体２，１２と導電性の樹脂層５，１５との接続抵抗を低くする作用と、金属基体２，１２への樹脂層５，１５の密着性を高める作用をなすものである。このような導電性微小突起４，１４の平均高さ（金属基体２，１２の表面からの高さの平均値）は、例えば、０．０１〜３μｍの範囲、好ましくは０．３〜３μｍの範囲で適宜設定することができる。導電性微小突起４，１４の平均高さが０．０１μｍ未満であると、接続抵抗の低減や密着性の向上が十分に達成されないことがあり、平均高さが３μｍを超えると、機械的な強度が低下して導電性微小突起４，１４が崩れるおそれがある。また、導電性微小突起４，１４のアスペクト比（平均高さ／平均太さ）を１〜１５００の範囲、好ましくは１０〜１５００の範囲とすることができ、これにより、接続抵抗の低減や密着性の向上が達成される。
【００１１】
このような導電性微小突起４，１４の材質は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバー、カーボン粒子、あるいは、チタン、ルテニウム、ルビジウム等の導電性金属を挙げることができる。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバー等の微細繊維状炭素材料は、機械的な強度に優れており、これらを用いた場合、導電性微小突起４，１４の平均高さとして０．３〜３μｍ、アスペクト比（平均高さ／平均太さ）として１０〜１５００を容易に達成できるとともに、導電性や機械的な強度に優れているため、導電性の樹脂層５，１５との密着性向上や接続抵抗の低減を良好に達成できる。
【００１２】
セパレータ１，１１を構成する樹脂層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、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る。
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。
【００１３】
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樹脂層５，１５の厚みは、上述の導電性微小突起４，１４を被覆するような厚みであり、例えば、０．１〜１００μｍの範囲で適宜設定することができる。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。
【００１４】
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。
【００１５】
尚、上述の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。また、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンを導電性微小突起として用いた場合には、導電性と機械的強度に優れた導電性微小突起が得られる。
このような本発明のセパレータでは、導電性微小突起４，１４が樹脂層５，１５中の導電材料と接触することにより、金属基体２，１２と導電性の樹脂層５，１５との接続抵抗が低いものとなり、また、導電性微小突起４，１４がアンカー機能を発現して、金属基体２，１２への樹脂層５，１５の密着性が高いものとなる。
尚、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。
【００１６】
［セパレータの製造方法］
次に、本発明の燃料電池用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。図３において、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））。
【００１７】
次に、この金属基体２の両面に複数の導電性微小突起４を形成する（図３（Ｄ））。この導電性微小突起４は、導電性微粒子を含有する浸漬液中に金属基体２を浸漬し、金属基体２に導電性微粒子を吸着させた後、金属基体２を引き上げて乾燥することにより形成することができる。この場合、導電性微粒子としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボン粒子、あるいは、チタン、ルテニウム、ルビジウム等の導電性金属粒子を使用することができる。この導電性微粒子は、その平均長さ（顕微鏡画像上で各粒子の慣性軸への投影長の平均値（平均の母数は５０））が、例えば、０．０１〜３μｍの範囲であることが好ましく、特に導電性微粒子としてカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバー等の微細繊維状炭素材料を使用する場合には、導電性微粒子のアスペクト比（平均長さ／平均太さ）が１０〜１５００の範囲であることが好ましい。
【００１８】
また、上記の導電性微小突起４は、アーク放電法、レーザー蒸発法、プラズマＣＶＤ（気相成長）法等のドライ成膜法により形成してもよい。この場合、成膜原料としては、水素とメタン等の炭化水素ガス等を使用することができる。また、成膜条件は、形成される導電性微小突起４の平均高さが、例えば、０．３〜３μｍの範囲、アスペクト比（平均高さ／平均太さ）が１０〜１５００の範囲となるように適宜設定することができる。
次いで、導電性微小突起４を被覆するように金属基体２上に導電性の樹脂層５を形成する（図３（Ｅ））。この樹脂層５は、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る。このように形成された樹脂層５は、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなり、同時に、樹脂層５内部に導電性微小突起４が入り込んだ状態となり、金属基体２と樹脂層５との密着性が高く、かつ、樹脂層５内部の導電材料と導電性微小突起４との接触が生じ、金属基体２と樹脂層５との接続抵抗が低いものとなる。これにより、本発明のセパレータ１が得られる。
【００１９】
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セパレータ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。
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２に導電性微小突起１４を形成する（図４（Ｄ））。この導電性微小突起１４の形成は、上述の導電性微小突起４の形成と同様に行うことができる。
【００２０】
次いで、導電性微小突起１４を被覆するように金属基体１２上に導電性の樹脂層１５を形成する（図４（Ｅ））。この樹脂層１５は、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る。このように形成した樹脂層１５内部には、導電性微小突起１４が入り込んだ状態となるので、金属基体１２と樹脂層１５との密着性が高いものとなり、かつ、樹脂層１５内部の導電材料と導電性微小突起１４との接触が生じて、金属基体１２と樹脂層１５との接続抵抗が低いものとなる。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ない。
【００２１】
［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。
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。
【００２２】
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に示されるような複数の導電性微小突起を備えており、この導電性微小突起を被覆するように導電性の樹脂層が形成されている。尚、図示例では、複数の導電性微小突起と樹脂層を省略している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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複数の導電性微小突起を備えており、この導電性微小突起を被覆するように導電性の樹脂層が形成されたものである。尚、図示例では、複数の導電性微小突起と樹脂層を省略している。
【実施例】
【００２８】
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。
【００２９】
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の溝部を両面に備えた金属基体を得た。
次に、金属基体の両面に対して、下記の条件でプラズマＣＶＤ法により導電性微小突起を形成した。
（プラズマＣＶＤ条件）
・ＲＦパワー    ：  ８００Ｗ
・圧力          ：  ４００Ｐａ
・水素流量      ：  ８０ｓｃｃｍ (standard cc/min)  
・メタン流量    ：  ２０ｓｃｃｍ (standard cc/min)  
・成膜時間      ：  ６０分間
【００３０】
形成した導電性微小突起は、平均高さが１．５μｍであり、アスペクト比（平均高さ／平均太さ）が５００であった。
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。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。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時間の加熱硬化処理を施した。これにより、導電性微小突起を被覆するように金属基体上に厚み１５μｍの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、４．７ｍΩ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。
また、作製した上記のセパレータに対して碁盤目テスト（ＪＩＳ  Ｋ５６００）で樹脂層の密着性を評価した。碁盤目テストの結果は１０点であり、樹脂層の剥離、脱落は観察されず、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
【００３４】
［実施例２］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２Ｐ）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。
【００３５】
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の溝部を両面に備えた金属基体を得た。
次いで、実施例１と同様にして、導電性微小突起と樹脂層を形成した。これにより、本発明のセパレータが得られた。
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、４．３ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、このセパレータについて、実施例１と同様に碁盤目テスト（ＪＩＳ  Ｋ５６００）で樹脂層の密着性を評価した。その結果、樹脂層の剥離、脱落は観察されず、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
【００３６】
［実施例３］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍの銅合金（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金）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、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の溝部を両面に備えた金属基体を得た。
【００３７】
次いで、実施例１と同様にして、導電性微小突起と樹脂層を形成した。これにより、本発明のセパレータが得られた。
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、４．１ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、このセパレータについて、実施例１と同様に碁盤目テスト（ＪＩＳ  Ｋ５６００）で樹脂層の密着性を評価した。その結果、樹脂層の剥離、脱落は観察されず、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
【００３８】
［実施例４］
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。この金属板材に実施例１と同様にして幅が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の溝部を形成して、金属基体とした。
次に、この金属基体を、導電性微粒子を含有する下記組成の浸漬液（液温３０℃）中に３分間浸漬し、その後、引き上げて乾燥することにより導電性微小突起を形成した。
（浸漬液の組成）
・脂肪酸エステル                              …        １重量部
・水                                          …  １０００重量部
・カーボンナノチューブ                        …      ２０重量部
【００３９】
形成した導電性微小突起は、平均高さが２．５μｍであり、アスペクト比（平均高さ／平均太さ）が５００であった。
次いで、実施例１と同様にして、導電性微小突起を被覆するように樹脂層を形成した。これにより、本発明のセパレータが得られた。
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、５．２ｍΩであり、電気抵抗が低いことが確認された。
また、このセパレータについて、実施例１と同様に碁盤目テスト（ＪＩＳ  Ｋ５６００）で樹脂層の密着性を評価した。その結果、樹脂層の剥離、脱落は観察されず、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
【００４０】
［比較例］
導電性微小突起の形成を行わない他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
この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、８．７ｍΩであり、実施例１〜４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、このセパレータについて、実施例１と同様に碁盤目テスト（ＪＩＳ  Ｋ５６００）で樹脂層の密着性を評価した。碁盤目テストの結果は７点であり、密着性が低いことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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】
【００４２】
【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】
【００４３】
１…セパレータ
２…金属基体
３…溝部
４…導電性微小突起
５…樹脂層
１１…セパレータ
１２…金属基体
１３…貫通孔
１４…導電性微小突起
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】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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