(57)【要約】【課題】  強度、耐食性に優れ、単位セルの組み立てが容易である燃料電池用のセパレータを提供する。【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の樹脂層と、ガスケット材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する。これにより、本発明のセパレータは高い耐食性を具備し、単位セルの組み立て性が大幅に向上し、また、金属基体を使用しているので強度が高いものとなる。【選択図】  図１
2007305573.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の樹脂層と、ガスケット材とを備え、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】
前記ガスケット材は、高さ調整部材であるシム部と、ガス漏れ防止部材であるシール部からな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】
前記シール部は、多重に配されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
前記金属基体は、少なくとも一方の面に溝部を有し、該溝部の形成領域の外側領域に前記ガスケット材が位置す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、複数の貫通孔を有し、該貫通孔の形成領域の外側領域に前記ガスケット材が位置す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６】
前記ガスケット材と前記金属基体との間に前記樹脂層が介在す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】
前記ガスケット材と前記金属基体との間に前記樹脂層が介在せず、かつ、金属基体の側端部が露出してい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８】
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７のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項９】
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８のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【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単位セル間に使用するセパレータに関する。
【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。
【０００３】
このような燃料電池のなかで、高分子電解質膜を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。
このＰＥＦＣにおいては、供給される燃料ガスや酸化剤ガスの外部への漏れを防止したり、混合を防止するために、電極の周囲において高分子電解質膜を挟持するようにガスケット材を配置し、これらをセパレータで挟持している（特許文献１）。
また、セパレータは、例えば、カーボンと樹脂を用いたモールド成型体や、金属素材を耐食性の高い金属薄膜で被覆したものが使用されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−１９１００２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４１１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、ガスケット材は、セパレータや高分子電解質膜、電極とは別体の部材であり、これらを用いた単位セルの組み立ての作業性が悪いという問題があった。
また、モールド成型体からなるセパレータは、薄くすることに限界があり、また、金属素材を金等の耐食性の高い貴金属薄膜で被覆したセパレータは、断面において金属素材が露出し、金属基材と金属薄膜との界面に亀裂が生じ易い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、単位セルの組み立てが容易である燃料電池用のセパレータ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の樹脂層と、ガスケット材とを備え、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、前記ガスケット材は、高さ調整部材であるシム部と、ガス漏れ防止部材であるシール部からなるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記シール部は、多重に配されてい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し、該溝部の形成領域の外側領域に前記ガスケット材が位置するような構成とした。
【０００６】
本発明の他の態様として、前記金属基体は、複数の貫通孔を有し、該貫通孔の形成領域の外側領域に前記ガスケット材が位置するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ガスケット材と前記金属基体との間に前記樹脂層が介在するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ガスケット材と前記金属基体との間に前記樹脂層が介在せず、かつ、金属基体の側端部が露出してい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、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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセパレータは、導電材料を含有した樹脂層が金属基体上に電着により形成されているので、例えば、金属基体が溝部や貫通孔を有するものであっても、その全面が樹脂層で被覆されており高い耐食性を示すとともに、ガスケット材を一体的に備えるので、単位セルの組み立て性が大幅に向上する。さらに、金属基体を使用していることにより強度が高く、また、貴金属の使用がないため、製造コストを低く抑えることが可能である。また、ガスケット材と金属基体との間に樹脂層が介在する場合には、耐食性が更に向上する。一方、ガスケット材と金属基体との間に樹脂層が介在しない場合には、電着による樹脂層形成の材料コストの低減や、金属基体に対するガスケット材の密着性向上や、金属基体を樹脂層で被覆しない部位を集電部として残すことによる低抵抗化、発電性能の向上が可能である。また、ガスケット材を、高さ調整部材であるシム部と、ガス漏れ防止部材であるシール部で構成する場合には、単位セルにおけるガスシール性が更に向上するとともに、単位セルの組み立てがより容易なものとなる。
【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平面図であり、図２は図１に示されるセパレータのＩ−Ｉ線における断面図、図３は図２の鎖線で囲まれた部位の部分拡大図である。また、図４は図１に示されるセパレータのII−II線における断面図であり、図５は図１に示されるセパレータのIII−III線における断面図であり、図６は図１に示されるセパレータのIV−IV線における断面図である。図１〜図６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、さらに、ガスケット材８，９（図１では斜線を付して示している）を一体的に備えている。上記の樹脂層５は、導電材料を含有するものであり、ガスケット材８，９は、上記の溝部３の形成領域４の外側の領域に位置している。また、セパレータ１は、２個の燃料ガス供給孔６ａ，６ｂと、２個の酸化剤ガス供給孔７ａ，７ｂを備えている。
【０００９】
セパレータ１を構成する金属基体２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が高分子電解質型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。尚、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。図１に示す例では、溝部３は２個の燃料ガス供給孔６ａ，６ｂに接続するように形成されており、燃料ガス供給用溝部となっている。尚、本発明のセパレータは、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。
【００１０】
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。また、図２、図３に示される例では、溝部３の形成領域４の断面構造は波形状となっているが、板状の金属基体の両面に溝部が彫られているような構造であってもよい。
セパレータ１を構成する樹脂層５は、導電性を有するとともに、金属基体２に耐食性を付与するためのものである。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と撥水性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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
樹脂層５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における含有量は、樹脂層５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。
【００１４】
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。
【００１５】
セパレータ１を構成するガスケット材８，９は、セパレータ１が燃料電池に組み込まれたときに、供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部へ漏れたり、混合することを防止するための部材である。このようなガスケット材８，９は、セパレータ１の中心部を囲むように周縁部に配設されるものである。図１〜図６に示される例では、ガスケット材８は、上述の溝部３の形成領域４の外側の領域に位置し、かつ、溝部３に接続されている２個の燃料ガス供給孔６ａ，６ｂの配設箇所の外側に位置している。したがって、２個の酸化剤ガス供給孔７ａ，７ｂは、ガスケット材８の形成領域内に位置している。一方、セパレータ１の反対側の面では、ガスケット材９は、上述の溝部３の形成領域４の外側の領域に位置し、かつ、溝部３に接続されている２個の個の酸化剤ガス供給孔７ａ，７ｂの外側に位置する。したがって、２個の燃料ガス供給孔６ａ，６ｂは、ガスケット材９の形成領域内に位置している。
【００１６】
ガスケット材８，９としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム等のゴム材料、オレフィン系樹脂やポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料に上記のゴムをコーティングした材料等を挙げることができる。また、ガスケット材８，９の厚みは、後述するような膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚みを考慮して適宜設定することができ、例えば、５０〜５００μｍの範囲で設定することができ、ガスケット部８，９の幅は、例えば、１ｍｍ以上で適宜設定することができる。
【００１７】
本発明のセパレータでは、ガスケット材８，９を、高さ調整部材であるシム部と、ガス漏れ防止部材であるシール部からなるようにしてもよく、この場合、シール部を多重に配してもよい。図７は、このような例を示す図であり、図１の鎖線で囲まれた部位の部分拡大平面図である。図７に示される例では、ガスケット材８は、外側シール部８ａと内側シール部８ｂの２重のシール部（図７において斜線を付している部位）を有し、これらのシール部８ａ，８ｂの中間にシム部８ｃ（図７において１点鎖線を付している部位）が配設されている。このように、ガスケット材８，９を、高さ調整部材であるシム部８ｃと、ガス漏れ防止部材であるシール部８ａ，８ｂからなる構造とすることにより、セパレータ１が高分子電解質型燃料電池に組み込まれた際の密封性が向上する。また、シール部を多重に配することにより、密封性が更に向上する。尚、図７は、シール部８ａの外側まで金属基体２と樹脂層５が存在する例として示しているので、図２、図４〜図６に示される例とは周縁部の構造が異なるものとなっている。
【００１８】
このようなシール部８ａ，８ｂ、シム部８ｃの材質は、上述のガスケット材８，９の説明で挙げたような材質であってよい。また、シール部８ａ，８ｂの材質とシム部８ｃの材質が異なってもよく、この場合、シール部８ａ，８ｂの硬度がシム部８ｃの硬度よりも低くなるように設定することが好ましい。
また、シール部８ａ，８ｂ、シム部８ｃの厚みは、後述するような膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚みを考慮して適宜設定することができ、例えば、５０〜５００μｍの範囲で設定することができる。また、シール部８ａ，８ｂの厚みとシム部８ｃの厚みが異なるようにしてもよく、この場合、シール部８ａ，８ｂの厚みがシム部８ｃの厚みよりも厚くするように設定することが好ましい。また、シール部８ａ，８ｂの幅は、例えば、０．３ｍｍ以上で適宜設定することができ、シム部８ｃの幅は、例えば、０．３ｍｍ以上で適宜設定することができる。
【００１９】
図８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平面図であり、図９は図８に示されるセパレータのＶ−Ｖ線における拡大部分断面図である。図８および図９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、さらに、ガスケット材１８，１９（図８では斜線を付して示している）を一体的に備えている。上記の樹脂層１５は、導電材料を含有するものであり、ガスケット材１８，１９は、上記の貫通孔１３の形成領域１４の外側領域に位置している。
セパレータ１１を構成する金属基体１２は、上述のセパレータ１を構成する金属基体２と同様の材質とすることができる。
【００２０】
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１１を構成する樹脂層１５は、導電性を有するとともに、金属基体１２に耐食性を付与するためのものである。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。
【００２１】
アニオン性合成高分子樹脂およびカチオン性合成高分子樹脂としては、上述の樹脂層５の説明で挙げた合成高分子樹脂を使用することができ、架橋性樹脂との併用も可能である。また、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。そして、上述の樹脂層５の電着形成と同様に、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。
電着により形成された樹脂層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。
【００２２】
樹脂層１５に含有される導電材料は、上述の樹脂層５に含有される導電材料として挙げたものを使用することができ、導電材料の樹脂層１５における含有量は、樹脂層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。
また、セパレータ１１を構成するガスケット材１８，１９は、セパレータ１１が燃料電池に組み込まれたときに、供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部へ漏れたり、混合することを防止するための部材である。このようなガスケット材１８，１９は、セパレータ１１の中心部を囲むように周縁部に配設されるものであり、図示例では、貫通孔１３の形成領域の外側領域に位置している。ガスケット材１８，１９の材質は、上述のガスケット材８，９の説明で挙げたものを使用することができ、また、ガスケット材１８，１９の厚み、幅は、上述のガスケット材８，９と同様に設定することができる。
【００２３】
さらに、ガスケット材１８，１９は、上述のガスケット材８，９と同様に、高さ調整部材であるシム部と、ガス漏れ防止部材であるシール部からなるようにしてもよく、この場合、上述の図７に示したように、シール部を多重に配してもよい。このようなシール部、シム部の材質は、上述のガスケット材８，９と同様とすることができ、また、シール部、シム部の厚み、幅も、上述のガスケット材８，９と同様に設定することができる。
【００２４】
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。例えば、本発明のセパレータは、ガスケット材が一方の面のみに配設されたものであってもよい。また、ガスケット材８，９、ガスケット材１８，１９を、樹脂層５，１５を介在させることなく、金属基体２，１２に直接配設したものであってもよい。例えば、セパレータ１は、図１０に示されるように、樹脂層５を介在させることなく、金属基体２にガスケット材８，９が直接配設され、樹脂層５は溝部３の形成領域４のみに形成され、金属基体２の側端部２ａが露出するものであってもよい。また、例えば、セパレータ１１は、図１１に示されるように、樹脂層１５を介在させることなく、金属基体１２にガスケット材１８，１９が直接配設され、樹脂層１５は貫通孔１３の形成領域１４のみに形成され、金属基体１２の側端部１２ａが露出するものであってもよい。
【００２５】
このようなセパレータ１，１１は、耐食性が必要な領域（溝部３の形成領域４、貫通孔１３の形成領域１４）にだけ電着で樹脂層５，１５を形成すればよいので、材料コストの低減が可能である。また、金属基体２，１２に対するガスケット材８，９、ガスケット材１８，１９の密着性が高いものとなる。さらに、燃料電池の発電に寄与する領域にのみ樹脂層５，１５を形成することにより、発電に寄与しない領域（ガスケット材８，９、ガスケット材１８，１９が位置する領域）と区別することができ、金属基体２，１２を樹脂層５，１５で被覆しない部位（金属基体２，１２の側端部２ａ，１２ａ）が集電部（端子）として機能するので、導電性の樹脂層５，１５を介する場合に比べて低抵抗化が達成され、発電性能の向上が可能である。尚、本発明では、上記の側端部２ａ，１２ａに加えて、金属基体２，１２の表面であって、ガスケット材８，９、ガスケット材１８，１９が形成されている領域の中、あるいは、その外側にも、樹脂層５，１５で被覆されない部位が存在してもよい。また、図示例では、ガスケット材８，９と金属基体２との間には導電性の樹脂層５が存在しないが、溝部３の形成領域４から連続して樹脂層５が、金属基体２とガスケット材８，９との間に若干入り込んでいてもよい。セパレータ１１においても同様に、金属基体１２とガスケット材１８，１９との間に導電性の樹脂層１５が若干入り込んでいてもよい。
【００２６】
［セパレータの製造例］
図１２は、図１〜図６に示される本発明のセパレータ１の製造例を説明するための図である。図１２において、金属板材にプレス加工を施して、両面に溝部３を備えた金属基体２を得る（図１２（Ａ））。この金属基体２の作製は、上記のプレス加工の他にも、例えば、金属板材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を形成し、このレジストをマスクとして両面から金属板材をエッチングして溝部３を形成する方法等であってもよい。
次に、この金属基体２の両面に樹脂層５を形成する（図１２（Ｂ））。この樹脂層５の形成は、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る。
【００２７】
次いで、金属基体２の両面の所定部位にガスケット材８，９を形成して本発明のセパレータ１が得られる（図１２（Ｃ））。ガスケット材８，９の形成は、例えば、所望の形状に加工したフィルム状の材料を貼合し硬化する方法、スクリーン印刷等の印刷法により所望形状に印刷し硬化させる方法、ディスペンサにて所望形状に塗布して硬化させる方法等により行うことができる。
また、図７に示されるように、ガスケット材がガス漏れ防止部材であるシール部８ａ，８ｂと、高さ調整部材であるシム部８ｃからなる場合には、例えば、所望の形状に加工したフィルム状の材料を貼合し硬化してシム部８ｃを形成し、その後、ディスペンサにて塗布し硬化することによりシール部８ａ，８ｂを形成することができる。
【００２８】
図１３は、図８、図９に示されるセパレータ１１の製造例を説明するための図である。図１３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Ｒ，Ｒを形成する（図１３（Ａ））。このレジストＲ，Ｒ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Ｒ，Ｒ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を穿設し、その後、レジストＲ，Ｒを剥離して金属基体１２を得る（図１３（Ｂ））。
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。
【００２９】
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２に、樹脂層１５を形成する（図１３（Ｃ））。この樹脂層１５の形成は、上述の樹脂層５の形成と同様に行うことができる。
次いで、金属基体１２の両面の所定部位にガスケット材１８，１９を形成して本発明のセパレータ１１が得られる（図１３（Ｄ））。ガスケット材１８，１９の形成は、上述のガスケット材８，９の形成と同様に行うことができる。
【００３０】
また、図１４は、図１１に示されるセパレータ１１の製造例を説明するための図である。図１４において、上述の図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）で説明したのと同様にして、複数の貫通孔１３を備えた金属基体１２を得る（図１４（Ａ））。
次いで、金属基体１２の両面のガスケット材１８，１９を形成する部位、および、側端部１２ａに絶縁性パターンＲ′を形成する（図１４（Ｂ））。
次に、絶縁性パターンＲ′をマスクとして、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２に、樹脂層１５を形成し、その後、絶縁性パターンＲ′を除去する（図１４（Ｃ））。この樹脂層１５の形成は、上述の樹脂層５の形成と同様に行うことができる。尚、絶縁性パターンＲ′を形成せずに、金属基体１２の両面のガスケット材１８，１９を形成する部位、および、側端部１２ａに絶縁性の治具を圧着し、この状態で電着により樹脂層１５を形成し、その後、治具を取り外すようにしてもよい。
【００３１】
次いで、金属基体１２の両面の樹脂層１５が形成されていない所定部位にガスケット材１８，１９を形成して本発明のセパレータ１１が得られる（図１４（Ｄ））。ガスケット材１８，１９の形成は、上述のガスケット材８，９の形成と同様に行うことができる。
上述の製造例は例示であり、本発明のセパレータの製造はこれらの例に限定されるものではない。
［本発明のセパレータを用いた燃料電池の例］
【００３２】
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１５〜図１８を参照して説明する。図１５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１６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１７および図１８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１５〜図１８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が交互に積層されることにより、複数の単位セルが積層されたスタック構造を有している。
【００３３】
ＭＥＡ３１は、図１６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。また、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４６ａ，４６ｂ、２個の酸化剤ガス供給孔４７ａ，４７ｂが貫通孔として形成されている。
【００３４】
セパレータ４１は、本発明のセパレータであり、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４３ｂを備えている。また、燃料ガス供給用溝部４３ａが形成されている面には、溝部４３ａの形成領域の外側に位置し、かつ、２個の燃料ガス供給孔４６ａ，４６ｂの外側に位置するガスケット材４８を備えている（図１７参照）。さらに、酸化剤ガス供給用溝部４３ｂが形成されている面には、溝部４３ｂの形成領域の外側に位置し、かつ、２個の酸化剤ガス供給孔４７ａ，４７ｂの外側に位置するガスケット材４９を備えている（図１８参照）。
尚、燃料ガス供給用溝部４３ａと酸化剤ガス供給用溝部４３ｂを備たセパレータ４１は金属基体の両面に、図３に示されるような樹脂層５が形成されているが、図示例では、省略している。
【００３５】
この高分子電解質型燃料電池２１では、セパレータ４１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が当接し、セパレータ４１の酸化剤ガス供給用溝部４３ｂが形成されている面に、ＭＥＡ３１の空気極（酸素極）３８が当接するように、各セパレータ４１と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。
【００３６】
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４６ａ，４６ｂ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４７ａ，４７ｂ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ている。また、セパレータ４１に配設されたガスケット材４８，４９により、ＭＥＡ３１が気密状態で挟持されている。
尚、一方の面に冷却水用溝部を備え、他方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａ、あるいは、酸化剤ガス供給用溝部４３ｂを備えた本発明のセパレータを介在させ、また、各セパレータと高分子電解質膜とに冷却水供給孔を設けることにより、冷却機構を備えた高分子電解質型燃料電池としてもよい。
【００３７】
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１９〜図２１を参照して説明する。図１９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２０は図１９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２１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。
【００３８】
図１９および図２０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１９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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
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。
【００４１】
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。
また、ＭＥＡ６１は、図２１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８、図９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の樹脂層を有し、貫通孔の形成領域の外側領域にガスケット材７２Ａ，７２Ｂを一体的に備えるものである。
上述の燃料電池の例は例示であり、本発明のセパレータを使用した燃料電池はこれらの例に限定されるものではない。
【実施例】
【００４２】
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にプレス加工を施し、図１〜図６に示されるような溝部を備えた金属基体を作製した。この金属基体の溝部は、幅８００μｍ、長さ８０ｍｍの溝部が１２００μｍピッチで表裏に交互に７０本づつ存在するものであり、各溝部の深さは６００μｍであった。
次に、金属基体に対して、５０℃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。
【００４３】
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の樹脂層を形成した。
【００４４】
次いで、シム部形成用として、厚み０．２５ｍｍのポリエチレンテレフタレートフィルム上にオレフィン系樹脂（スリーボンド（株）製）をダイコート法によりコーティングした積層フィルムを作製した。この積層フィルムを図１、図７に示されるような形状に金型加工し、加工後の積層フィルムを上記の金属基体の両面の樹脂層上に貼合し、次に、上記のシム部用積層フィルムの内側部位、および外側部位に、２００μｍの間隙を設けて、ディスペンサにてフッ素樹脂（スリーボンド（株）製）を塗布した。その後、１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、シム部（厚み３００μｍ）と、このシム部の内側、外側に幅４００μｍ、厚み３５０μｍの２重のシール部を形成し、本発明のセパレータを得た。
【００４５】
尚、上述の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。
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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層（厚み０．０５μｍ）を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
（亜鉛置換処理の条件）
・使用浴    ：  ジンケート浴（メルテックス（株）製  アルモンＥＮ）
・液温      ：  ３０℃
・処理時間  ：  ２０秒
【００４８】
次いで、亜鉛合金層上に、実施例１と同様にして、厚み１５μｍの樹脂層を形成した。
次に、実施例１と同様に、シム部形成用としての積層フィルムを作製し、この積層フィルムを上記の溝部形成領域の外側に位置するように額縁形状に金型加工した。加工後の積層フィルムを上記の金属基体の両面の樹脂層上に貼合し、次に、上記のシム部用積層フィルムの内側部位、および外側部位に、２００μｍの間隙を設けて、ディスペンサにてフッ素樹脂（スリーボンド（株）製）を塗布した。その後、１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、シム部（厚み３００μｍ）と、このシム部の内側、外側に幅４００μｍ、厚み３５０μｍの２重のシール部を形成して、本発明のセパレータを得た。
【００４９】
［実施例３］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍの銅合金（銅−錫−クロム系合金）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２μｍ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の溝部を備えた金属基体を得た。
【００５０】
次に、金属基体に対して、６０℃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１と同様にして、厚み１５μｍの樹脂層を形成した。
次に、実施例１と同様に、シム部形成用としての積層フィルムを作製し、この積層フィルムを上記の溝部形成領域の外側に位置するように額縁形状に金型加工した。加工後の積層フィルムを上記の金属基体の両面の樹脂層上に貼合し、次に、上記のシム部用積層フィルムの内側部位、および外側部位に、２００μｍの間隙を設けて、ディスペンサにてオレフィン樹脂（スリーボンド（株）製）を塗布した。その後、１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、シム部（厚み３００μｍ）と、このシム部の内側、外側に幅４００μｍ、厚み３５０μｍの２重のシール部を形成して、本発明のセパレータを得た。
【００５１】
［実施例４］
実施例２と同様にして、金属板材としての厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（８０ｍｍ×８０ｍｍ）に溝部を形成して金属基体を得た。
次に、この金属基体に、実施例２と同様にして前処理、亜鉛置換処理を行った。その後、金属基体の周囲を、側端部から３ｍｍの幅で額縁形状に絶縁ゴム製の治具で圧着挟持し、その後、実施例１と同様にして、厚み１５μｍの樹脂層を形成した。このように形成された樹脂層は、上記の絶縁ゴム製の治具で挟持されていない部位のみに存在するものであった。
【００５２】
次に、実施例１と同様に、シム部形成用としての積層フィルムを作製し、この積層フィルムを上記の樹脂層を形成した領域の外側に位置するように額縁形状に金型加工した。加工後の積層フィルムを上記の金属基体の両面に直接貼合し、次に、上記のシム部用積層フィルムの内側部位、および外側部位に、２００μｍの間隙を設けて、ディスペンサにてオレフィン樹脂（スリーボンド（株）製）を塗布した。その後、１８０℃、１時間の熱処理を施した。これにより、シム部（厚み３００μｍ）と、このシム部の内側、外側に幅４００μｍ、厚み３５０μｍの２重のシール部を形成して、本発明のセパレータを得た。このセパレータでは、側端部と、シム部とシール部との境界部位と、シム部とシール部からなるガスケット材の外側部位において、金属基体が露出したものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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】
【００５４】
【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平面図である。
【図２】図１に示されるセパレータのＩ−Ｉ線における断面図である。
【図３】図２の鎖線で囲まれた部位の部分拡大図である。
【図４】図１に示されるセパレータのII−II線における断面図である。
【図５】図１に示されるセパレータのIII−III線における断面図である。
【図６】図１に示されるセパレータのIV−IV線における断面図である。
【図７】ガスケット部材の一例を示す図であり、図１の鎖線で囲まれた部位の部分拡大平面図である。
【図８】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平面図である。
【図９】図８に示されるセパレータのＶ−Ｖ線における拡大部分断面図である。
【図１０】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断面図である。
【図１１】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断面図である。
【図１２】本発明のセパレータの製造例を説明するための工程図である。
【図１３】本発明のセパレータの他の製造例を説明するための工程図である。
【図１４】本発明のセパレータの他の製造例を説明するための工程図である。
【図１５】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１６】図１５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１７】図１５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１８】図１５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１７とは異なった方向から示す斜視図である。
【図１９】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２０】図１９に示される高分子電解質型燃料電池のVI−VI線での縦断面図である。
【図２１】図１９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】
【００５５】
１…セパレータ
２…金属基体
２ａ…側端部
３…溝部
４…溝部形成領域
５…樹脂層
８，９…ガスケット材
８ａ，８ｂ…シール部
８ｃ…シム部
１１…セパレータ
１２…金属基体
１２ａ…側端部
１３…貫通孔
１４…貫通孔形成領域
１５…樹脂層
１８，１９…ガスケット材
２１，５１…高分子電解質型燃料電池
３１，６１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
４１，７１Ａ，７１Ｂ…セパレータ
４８，４９，７２Ａ，７２Ｂ…ガスケット材
【図１】
2007305573.tif 000003
【図２】
2007305573.tif 000004
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007305573.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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