(57)【要約】【課題】膜電極構造体の湿潤環境を平準化できる燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】固体高分子電解質膜１２０の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体１２に積層される金属製の第１セパレータ１４であって、第１セパレータ１４は、凹凸を有する波板状に成形され、第１セパレータ１４の凸部１４５には、貴金属薄膜１４７が形成され、貴金属薄膜１４７には、第１セパレータ１４が露出する穴部１４８が形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体に積層される燃料電池用金属セパレータであって、
前記燃料電池用金属セパレータは、凹凸を有する波板状に成形され、
前記燃料電池用金属セパレータの凸部には貴金属薄膜が形成され、
前記貴金属薄膜には、前記燃料電池用金属セパレータが露出する穴部が形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記穴部は、前記凸部の表面に規則正しく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
前記穴部は、貴金属を含むドット状のインクが繋がることによって形成された前記貴金属薄膜に囲まれることで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
電解質膜の両側に一対の電極が設けられた膜電極構造体に積層される燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
凹凸を有する波板状に成形された金属製の薄板の凸部に、貴金属薄膜を形成する貴金属薄膜形成工程を有し、
前記貴金属薄膜形成工程では、前記貴金属薄膜中に前記燃料電池用金属セパレータが露出する穴部が形成されるように前記貴金属薄膜を形成することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記貴金属薄膜形成工程では、インクジェット印刷法により、前記貴金属薄膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用金属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、燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関する。詳しくは、表面処理が施された燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源等として、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に無害な水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。
【０００３】
例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接するガス拡散層と、を備える。また、セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。
【０００４】
上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。
【０００５】
ところで、上記セパレータとしては、ステンレス製等の金属セパレータが通常用いられる。この金属セパレータに対しては、フラッディングの発生を抑制する目的で、撥水処理を施したり、酸化を抑制して膜電極構造体との接触抵抗の増大を抑制する目的で、めっき処理を施す等、種々の表面処理を施すことが知られている。例えば、金属セパレータの表面に樹脂層を形成した後、その樹脂層上に、海島状に撥水性層を形成する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４１８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、膜電極構造体では、高い発電性能を発揮するためには、平準化された湿潤環境が必要である。そのため、電解質膜内部の含水量を平準化（均一化）し、電解質膜の発電面全面で均一に発電するように、電解質膜の発電面全面の湿潤状態を均一化する必要がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、フラッディングを抑制するべく各流路を構成する溝部に撥水層を設けたものであり、膜電極構造体との接触部には親水性の樹脂層が単に設けられているのみである。そのため、特許文献１の技術では、反応生成水が膜電極構造体とセパレータとの界面において偏在し、膜電極構造体の湿潤環境を平準化できない。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜電極構造体の湿潤環境を平準化できる燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、電解質膜（例えば、後述の固体高分子電解質膜１２０）の両側に一対の電極（例えば、後述のカソード電極１２２，アノード電極１２４）が設けられた膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２）に積層される燃料電池用金属セパレータ（例えば、後述の第１セパレータ１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，第２セパレータ１６）であって、前記燃料電池用金属セパレータは、凹凸を有する波板状に成形され、前記燃料電池用金属セパレータの凸部（例えば、後述の凸部１４５，１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４５Ｅ，１４５Ｆ）には貴金属薄膜（例えば、後述の貴金属薄膜１４７，１４７Ａ，１４７Ｂ，１４７Ｃ，１４７Ｄ，１４７Ｅ，１４７Ｆ）が形成され、前記貴金属薄膜には、前記燃料電池用金属セパレータが露出する穴部（例えば、後述の穴部１４８，１４８Ａ，１４８Ｂ，１４８Ｃ，１４８Ｄ，１４８Ｅ，１４８Ｆ）が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、燃料電池用金属セパレータを、凹凸を有する波板状に成形するとともに、その凸部の表面に、貴金属薄膜を形成する。また本発明では、貴金属薄膜中に、燃料電池用金属セパレータが露出する穴部を形成する。
ここで、貴金属薄膜は、酸化物が生成され難く、撥水性を有する特性がある。一方、穴部は、セパレータの表面上に酸化物が生成され易く、親水性を有する特性がある。そのため、膜電極構造体での反応により生成し、セパレータとの界面に流入した反応生成水は、速やかに穴部に流れ込んで保持される。これにより、膜電極構造体とセパレータとの界面において、反応生成水が偏在することがなく均一に保持されるため、膜電極構造体の湿潤環境を平準化できる。
【００１２】
また、例えば高負荷運転時には、多量に反応生成水が発生するため、穴部に流れ込む反応生成水量が穴部の容量を超える。すると、反応生成水は穴部から溢れ出して撥水性の貴金属薄膜上を速やかに流れ、隣接する各流路に流れ出す。これにより、高負荷運転時においても、膜電極構造体とセパレータの界面において、反応生成水が偏在することはなく、膜電極構造体の平準化された湿潤環境が維持される。
これに対して、例えば低負荷運転時には、反応生成水は少量しか発生しないため、高負荷運転時に穴部に保持されていた反応生成水が、膜電極構造体側に供給される。これにより、低負荷運転時においても、膜電極構造体の湿潤環境の変化が抑制され、平準化された湿潤環境が維持される。
従って、本発明によれば、燃料電池の運転状況によらず、膜電極構造体の湿潤環境を平準化できる。
更に、燃料電池用金属セパレータの凸部のうち、電池用金属セパレータ同士が接触する凸部の表面に、燃料電池用金属セパレータが露出する穴部の形成された貴金属薄膜が形成されることによって、電池用金属セパレータ同士の接触抵抗を抑制することもできる。
【００１３】
この場合、前記穴部は、前記凸部の表面に規則正しく形成されていることが好ましい。
【００１４】
この発明では、穴部を、接触部の表面に規則正しく形成する。これにより、膜電極構造体とセパレータとの界面において、反応生成水が偏在することがなくより均一に保持されるため、膜電極構造体の湿潤環境をより平準化できる。また、燃料電池の運転状況によらず、膜電極構造体の湿潤環境をより平準化できる。
【００１５】
この場合、前記穴部は、貴金属を含むドット状のインクが繋がることによって形成された前記貴金属薄膜に囲まれることで形成されていることが好ましい。
【００１６】
この発明では、穴部を、貴金属を含むドット状のインクが繋がることによって形成された貴金属薄膜によって囲むことで形成する。これにより、表面に格子状の貴金属薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータを容易に得ることができる。
【００１７】
また、電解質膜（例えば、後述の固体高分子電解質膜１２０）の両側に一対の電極（例えば、後述のカソード電極１２２，アノード電極１２４）が設けられた膜電極構造体（例えば、後述の膜電極構造体１２）に積層される燃料電池用金属セパレータ（例えば、後述の第１セパレータ１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，第２セパレータ１６）の製造方法であって、凹凸を有する波板状に成形された金属製の薄板の凸部（例えば、後述の凸部１４５，１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４５Ｅ，１４５Ｆ）に、貴金属薄膜（例えば、後述の貴金属薄膜１４７，１４７Ａ，１４７Ｂ，１４７Ｃ，１４７Ｄ，１４７Ｅ，１４７Ｆ）を形成する貴金属薄膜形成工程を有し、前記貴金属薄膜形成工程では、前記貴金属薄膜中に前記燃料電池用金属セパレータが露出する穴部（例えば、後述の穴部１４８，１４８Ａ，１４８Ｂ，１４８Ｃ，１４８Ｄ，１４８Ｅ，１４８Ｆ）が形成されるように前記貴金属薄膜を形成することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供する。
【００１８】
この場合、前記貴金属薄膜形成工程では、インクジェット印刷法により、前記貴金属薄膜を形成することが好ましい。
【００１９】
これらの発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、上述した燃料電池用金属セパレータの発明と同様の効果が奏される。特に、インクジェット印刷法を採用することで、安価で簡単な操作により、表面に格子状の貴金属薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、膜電極構造体の湿潤環境を平準化できる燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。
【図３】上記実施形態に係る燃料電池スタックの縦断面図である。
【図４】上記実施形態に係る第１セパレータの断面図である。
【図５】上記実施形態に係る第１セパレータの表面に形成された貴金属薄膜を示す図であり、（Ａ）が第１セパレータの凸部の平面図であり、（Ｂ）が（Ａ）のＡ−Ａ線端面図である。
【図６】インクジェット印刷法による貴金属薄膜形成工程を示す図である。
【図７】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部の平面図である。
【図８】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部の平面図である。
【図９】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部におけるドット状のインクのパターンを示した平面図である。
【図１０】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部におけるドット状のインクのパターンを示した図であり、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）のＢ−Ｂ線端面図、（Ｃ）が（Ａ）のＣ−Ｃ線端面図である。
【図１１】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部におけるドット状のインクのパターンを示した平面図である。
【図１２】上記実施形態の変形例に係る第１セパレータの凸部におけるドット状のインクのパターンを示した平面図である。
【図１３】上記実施形態の変形例に係る貴金属を含むドット状のインクの形状を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１の構成を示す斜視図である。燃料電池スタック１は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータを備える燃料電池スタックである。図１に示すように、燃料電池スタック１は、電極面を水平にして鉛直方向に積層された複数の発電セル１０を備える。
【００２３】
燃料電池スタック１の上端及び下端には、それぞれ、ターミナルプレート８２，８２、絶縁プレート８４，８４及びエンドプレート８６，８６が配設される。エンドプレート８６，８６間には、所定の締め付け荷重が付与された状態で、複数の連結バー９０の両端がボルト９２を介して固定されている。これにより、発電セル１０の電極面に対して所定の面圧が付与されることで、接触抵抗の増大が抑制される。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る発電セル１０の分解斜視図である。また、図３は、本実施形態に係る燃料電池スタック１の縦断面図である。
図２及び図３に示すように、発電セル１０は、膜電極構造体１２と、膜電極構造体１２を挟持する一対の燃料電池用金属セパレータとしての第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６と、を備える。
【００２５】
発電セル１０の長手方向（図２中のＹ方向）の一端側には、発電セル１０の厚み方向（図２中のＸ方向）にそれぞれ連通する、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが設けられている。また、発電セル１０のＹ方向の他端側には、発電セル１０のＸ方向にそれぞれ連通する、燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられている。
【００２６】
第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板等の金属板より構成される。
また、図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４０ａ、１４０ｂには、第１セパレータ１４の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。同様に、第２セパレータ１６の面１６０ａ，１６０ｂには、第２セパレータ１６の外周縁部を周回するシール部材が一体に成形されている。シール部材としては、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーンゴム、又は、アクリルゴム等のシール材、クッション材、パッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
【００２７】
膜電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１２０と、固体高分子電解質膜１２０を挟持するカソード電極１２２及びアノード電極１２４を備える。
【００２８】
カソード電極１２２及びアノード電極１２４は、それぞれ、カーボンペーパからなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層上に塗布することで形成された触媒層と、を備える。これら両電極は、触媒層が固体高分子電解質膜１２０に接するように、ガス拡散層を外側に向けて、固体高分子電解質膜１２０に積層される。
【００２９】
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１４の膜電極構造体１２に対向する面１４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する酸化剤ガス流路１４２が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００３０】
第２セパレータ１６の膜電極構造体１２に対向する面１６０ａには、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとを連通する燃料ガス流路１６２が形成される。燃料ガス流路１６２は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００３１】
また、第２セパレータ１６と第１セパレータ１４が重なり合って一体となることにより、第１セパレータ１４の面１４０ａとは反対側の面１４０ｂと、第２セパレータ１６の面１６０ａとは反対側の面１６０ｂとで囲繞された冷却媒体流路２４０が形成される。冷却媒体流路２４０は、Ｙ方向に沿って複数延設されている。
【００３２】
図３に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、凹部及び凸部を有する波板状の燃料電池用金属セパレータである。ここで、本発明における燃料電池用金属セパレータの凸部は、膜電極構造体１２に接する凸部と、隣接する他のセパレータの凸部と接する凸部と、で構成される。
なお、これらの第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、後述する製造方法により製造される。
【００３３】
図４は、本実施形態に係る金属セパレータの断面図である。具体的には、互いに隣接する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６のＺ方向断面図である。
図４に示すように、第１セパレータ１４の凸部は、膜電極構造体１２（より詳しくは、カソード電極１２２のガス拡散層１２２ａ）と接触する凸部１４５と、ガス拡散層１２２ａから離間する方向に突出し、後述の隣接する第２セパレータ１６の凸部１６４と接触する凸部１４３と、から構成される。これらの凸部１４３，１４５は、Ｚ方向に所定間隔ごとに複数配置される。
また、第２セパレータ１６の凸部は、膜電極構造体１２（より詳しくは、アノード電極１２４のガス拡散層１２４ａ）と接触する凸部１６５と、ガス拡散層１２４ａから離間する方向に突出し、隣接する第１セパレータ１４の凸部１４３と接触する凸部１６４と、から構成される。これらの凸部１６４，１６５は、Ｚ方向に所定間隔ごとに複数配置される。
【００３４】
第１セパレータ１４と第２セパレータ１６は、同一の構成からなり、第１セパレータ１４の凸部１４５は第２セパレータ１６の凸部１６５に相当し、第１セパレータ１４の凸部１４３は第２セパレータ１６の凸部１６４に相当する。従って、以下では、第１セパレータ１４の構成についてのみ、詳しく説明する。
【００３５】
図４に示すように、第１セパレータ１４は、Ｚ方向に連続する複数の凸部１４５及び凸部１４３を有する。後述するように第１セパレータ１４の凹凸はプレス成形により形成されるため、凸部１４５は、平坦部１４５ａと、平坦部１４５ａのＺ方向両端の角部がＲ形状となったＲ部１４５ｂ，１４５ｂから構成される。また、凸部１４３についても平坦部１４４ａと、平坦部１４４ａのＺ方向両端の角部がＲ形状となったＲ部１４４ｂ，１４４ｂから構成される。
【００３６】
図４に示すように、第１セパレータ１４の凸部１４５を、カソード電極１２２のガス拡散層１２２ａに当接させることで、酸化剤ガス流路１４２が形成される。このとき、上述したように電極面に対して所定の面圧が付与されるところ、カーボンペーパからなるガス拡散層１２２ａは柔軟性があるため、金属製の第１セパレータ１４の凸部１４５の上端の一部はガス拡散層１２２ａ内に埋没する。そのため、平坦部１４５ａに加えてＲ部１４５ｂ，１４５ｂも、ガス拡散層１２２ａに接触している。
【００３７】
従って、第１セパレータ１４の凸部１４５のうち、膜電極構造体１２（より詳しくは、カソード電極１２２のガス拡散層１２２ａ）と接触している部分である接触部１４６は、第１セパレータ１４の凸部１４５を構成する平坦部１４５ａ及びＲ部１４５ｂ，１４５ｂにより構成される。本実施形態では、この接触部１４６の表面全体に、格子状の貴金属薄膜１４７が形成される。より具体的には、凸部１４５の接触部１４６にのみ、貴金属薄膜が形成されており、凹部には貴金属薄膜は形成されていない。
【００３８】
一方、第１セパレータ１４の凸部１４３は、第２セパレータ１６の凸部１６４と当接する。第１セパレータ１４の凸部１４３が第２セパレータ１６の凸部１６４と当接することで、冷却媒体流路２４０が形成される。第１セパレータ１４と第２セパレータ１６は両方金属性であるので、互いに埋没することはない。従って、第１セパレータ１４の凸部１４３のうち平坦部１４４ａが、第２セパレータ１６の凸部１６４との接触部に相当する。本実施形態では、この平坦部１４４ａの表面にも格子状の貴金属薄膜が形成される。より具体的には、凸部１４３の平坦部１４４ａにのみ貴金属薄膜が形成されており、凹部には貴金属薄膜は形成されていない。
平坦部１４４ａの表面に形成されるが格子状の貴金属薄膜は、接触部１４６の表面に形成されるが格子状の貴金属薄膜と同様の構成であるので、平坦部１４４ａの表面に形成されるが格子状の貴金属薄膜については詳しく説明しない。
【００３９】
図５は、本実施形態に係る第１セパレータ１４の表面に形成された貴金属薄膜１４７を示す図であり、（Ａ）が第１セパレータ１４の凸部１４５と膜電極構造体１２との接触部１４６の平面図であり、（Ｂ）が（Ａ）のＡ−Ａ線端面図である。
図５（Ａ）に示すように、貴金属薄膜１４７は、接触部１４６、つまり凸部１４５のうち膜電極構造体１２（より詳しくは、カソード電極１２２のガス拡散層１２２ａ）と接触している部分に、格子状に形成される。また、格子状に貴金属薄膜１４７が形成されることで、図５（Ｂ）に示すように、貴金属薄膜１４７に囲繞されかつ第１セパレータ１４の表面が露出した穴部１４８が格子状に複数形成される。なお、接触部１４６のＺ方向の両端部１４９，１４９には、穴部１４８は形成されていない。
【００４０】
ここで、格子状に貴金属薄膜１４７が形成されるとともに穴部１４８が格子状に複数形成された形状とは、貴金属薄膜１４７に穴部１４８が設けられ、穴部１４８から金属セパレータ表面が露出し、穴部１４８が規則正しく配置されている形状を意味する。「規則正しく」とは、大部分の穴部１４８の中心が、図５（Ａ）に示すような複数の仮想直線Ｌ上に、所定の間隔をあけて配置されることを意味する。なお、仮想直線Ｌは、凸部１４５に複数形成されていてよい。このように穴部１４８が規則正しく配置されることで、排出された反応生成水の移動をコントロールすることができる。つまり、凸部１４５の中央に存在する反応生成水が仮想直線Ｌ上の貴金属薄膜上を次から次へと移動していき、隣接する各流路に排出することができる。これに対して、穴部１４８が不規則に配置された場合には、ある部分で反応生成水の移動が阻害され、反応生成水の移動がコントロールできなくなる。
【００４１】
本実施形態では、複数の穴部１４８の形状が平面視で略円形状となるように、接触部１４６の表面上に貴金属薄膜１４７が格子状に形成されている。穴部１４８の形状は、楕円等の滑らかな曲線で囲まれた形状であってもよい。格子状に形成された貴金属薄膜１４７の格子間隔Ｗは、５０〜２００μｍの範囲内に設定される。また、複数の穴部１４８の直径も、５０〜２００μｍの範囲内に設定される。これらの範囲内に設定されることで、後述する本実施形態の効果がより確実に発揮される。
【００４２】
なお、本実施形態では、固体高分子電解質膜１２０の厚みは２０μｍ〜５０μｍであるのに対して、貴金属薄膜１４７の厚みは１０ｎｍ〜１００ｎｍである。また、凸部１４５の接触部１４６上における貴金属薄膜１４７の面積率は、４０〜８０％であり、好ましくは５５〜６５％である。
【００４３】
貴金属薄膜１４７を構成する貴金属としては、例えば、金、銀、ロジウム、白金や、これらを主成分とする合金等を用いることができる。本実施形態では、貴金属として金が用いられ、これにより、接触部１４６の表面上に格子状の金薄膜が形成される。
なお、貴金属薄膜１４７は、酸化物を生成し難く、撥水性を有する特性があることから、接触部１４６に貴金属薄膜１４７を形成することで、第１セパレータ１４と膜電極構造体１２との接触抵抗の増大が抑制され、端子電圧の低下が抑制される。
【００４４】
以上の構成を備える本実施形態に係る燃料電池スタック１は、以下のように動作する。
図２に戻って、先ず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第１セパレータ１４との間に形成される酸化剤ガス流路１４２を流通する。これにより、カソード電極１２２に酸化剤ガスが供給される。
【００４５】
またこのとき、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから流入して、固体高分子電解質膜１２０と第２セパレータ１６との間に形成される燃料ガス流路１６２を流通する。これにより、アノード電極１２４に燃料ガスが供給される。
【００４６】
またこのとき、図示しない冷却媒体供給装置により、冷却媒体を燃料電池スタック１に供給する。すると、供給された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａから流入して、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間に形成される冷却媒体流路２４０を流通する。
【００４７】
膜電極構造体１２では、カソード電極１２２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極１２４に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電による発熱で加熱された膜電極構造体１２は、冷却媒体流路２４０を流通する冷却媒体により冷却される。
【００４８】
また発電の際には、電気化学反応に伴って、カソード側で水が生成し、アノード側へは固体高分子電解質膜１２０を介して移動する。この反応生成水は、各ガス流路を流通して排出される他、各セパレータの凸部１４５と膜電極構造体１２との接触部１４６の界面に流入する。このとき、接触部１４６の界面に流入した反応生成水は、各セパレータの接触部１４６上に形成された格子状の貴金属薄膜１４７上を速やかに流れて穴部１４８に流れ込み、穴部１４８内に保持される。
【００４９】
その後、カソード電極１２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂから排出され、アノード電極１２４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２６ｂから排出される。また、膜電極構造体１２の冷却に利用された冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔２４ｂから排出される。
【００５０】
次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法について説明する。本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、成形工程と、貴金属薄膜形成工程と、を有する。
【００５１】
成形工程では、金属製の薄板を、プレス成形により波板状に成形する。具体的には、金属製の薄板を、従来公知のプレス成形装置により絞り成形することで、凹凸を有する波板状に成形する。金属製の薄板としては、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板等が用いられる。
【００５２】
貴金属薄膜形成工程では、凹凸を有する波板状に成形された金属製の薄板の凸部のうち、膜電極構造体に積層する際に膜電極構造体に接触する接触部の表面に、貴金属薄膜を形成する。より詳しくは、貴金属薄膜中に、第１セパレータが露出する穴部が形成されるように、貴金属薄膜を形成する。本実施形態では、貴金属薄膜を形成する手法として、インクジェット印刷法が採用される。
【００５３】
図６は、インクジェット印刷法による貴金属薄膜形成工程を示す図である。図６に示すように、インクジェット印刷法で用いられるインクジェット装置５は、インク５０が収容されたインク用容器５２と、インク５０を供給するためのインク供給ライン５４と、インク供給ライン５４により供給されたインク５０を第１セパレータ１４の接触部１４６に向けて吐出する図示しない複数の吐出ノズルを備えたインクジェットヘッド５６と、を備える。
【００５４】
インク５０としては、貴金属微粒子を、分散剤の作用で有機溶媒中に分散してなるインクが用いられる。分散剤としては、親水基及び疎水基を有する分散剤が用いられ、親水基が貴金属微粒子の表面に配位し、疎水基により溶媒和することで、貴金属微粒子は有機溶媒中に安定的に分散される。
貴金属微粒子としては、例えば、金微粒子、銀微粒子、ロジウム微粒子、白金微粒子等を用いることができ、本実施形態では、貴金属微粒子として金微粒子が用いられる。なお、貴金属微粒子の粒子径は、数１０ｎｍ以下に設定される。
【００５５】
インクジェットヘッド５６が備える吐出ノズルは、隣接する複数の接触部１４６間の間隔と同等の間隔で複数設けられている。複数の吐出ノズルがインクジェットヘッド５６に設けられているため、規則的な模様を複数の凸部１４５の接触部１４６上に同時に作成することができる。即ち、これらの吐出ノズルにより、接触部１４６上にインク５０による格子状パターンを描画することが可能となっている。
インクジェット印刷を実行する際には、インクジェットヘッド５６の幅と描画幅との関係により必要に応じて、図示しないスキャン機構によりインクジェットヘッド５６をスキャンさせながら、図示しない搬送機構により第１セパレータ１４を搬送する。これにより、第１セパレータ１４の接触部１４６全体に、インク５０による格子状パターンが描画される。
【００５６】
インクジェット装置５により、接触部１４６上にインク５０による格子状パターンを描画した後は、図示しない加熱装置による熱処理を実施する。熱処理条件は、使用するインクの種類に応じて設定され、例えば３００℃で３０分間の熱処理を実施する。すると、インク５０中の有機成分（分散剤及び有機溶媒）が酸化分解されて除去されるとともに、残る貴金属微粒子同士が焼結して一体化することで、貴金属薄膜が形成される。このとき、インク５０による格子状パターンは維持され、格子状の貴金属薄膜が形成される。
【００５７】
なお、インクジェット印刷法により貴金属薄膜を形成する前には、従来公知の洗浄処理を実施する。例えば、成形工程後の金属製の薄板に対して、脱脂処理としてアルカリ洗浄を実施した後、プラズマ洗浄やＵＶオゾン洗浄を実施してから貴金属薄膜形成工程に供する。これにより、燃料電池用金属セパレータとの密着性が良好な貴金属薄膜の形成が可能となる。
【００５８】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、金属製の第１セパレータ１４を、凹凸を有する波板状に成形するとともに、その凸部１４５の表面に、貴金属薄膜１４７を形成する。また本実施形態では、貴金属薄膜１４７中に、第１セパレータ１４が露出する穴部１４８を形成する。
ここで、貴金属薄膜１４７は、酸化物が生成され難く、撥水性を有する特性がある。一方、穴部１４８は、第１セパレータ１４の表面上に酸化物が生成され易く、親水性を有する特性がある。そのため、膜電極構造体１２での反応により生成し、第１セパレータ１４との界面に流入した反応生成水は、速やかに穴部１４８に流れ込んで保持される。これにより、膜電極構造体１２と第１セパレータ１４との界面において、反応生成水が偏在することがなく均一に保持されるため、膜電極構造体１２の湿潤環境を平準化できる。
【００５９】
また、例えば高負荷運転時には、多量に反応生成水が発生するため、穴部１４８に流れ込む反応生成水量が穴部１４８の容量を超える。すると、反応生成水は穴部１４８から溢れ出して撥水性の貴金属薄膜１４７上を速やかに流れ、隣接する各流路に流れ出す。これにより、高負荷運転時においても、膜電極構造体１２と第１セパレータ１４の界面において、反応生成水が偏在することはなく、膜電極構造体１２の平準化された湿潤環境が維持される。
これに対して、例えば低負荷運転時には、反応生成水は少量しか発生しないため、高負荷運転時に穴部１４８に保持されていた反応生成水が、膜電極構造体１２側に供給される。これにより、低負荷運転時においても、膜電極構造体１２の湿潤環境の変化が抑制され、平準化された湿潤環境が維持される。
従って、本実施形態によれば、燃料電池の運転状況によらず、膜電極構造体１２の湿潤環境を平準化できる。
更に、金属製の第１セパレータ１４の凸部のうち、金属製の第２セパレータ１６の凸部との接触部（平坦部１４４ａ）の表面に、金属製の第１セパレータ１４が露出する穴部の形成された貴金属薄膜が形成されることによって、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との接触抵抗を抑制することもできる。
なお、貴金属薄膜１４７と穴部１４８の位置を逆にした逆格子パターンの場合、即ち、第１セパレータ１４の凸部１４５の接触部１４６に貴金属薄膜１４７が島状に規則正しく配置された場合には、膜電極構造体１２と第１セパレータ１４との界面に流入した反応生成水の流通方向をコントロールできず、界面において反応生成水が偏在するため、膜電極構造体１２の湿潤環境を平準化できない。
【００６０】
また本実施形態では、穴部１４８を、接触部１４６の表面に規則正しく形成する。これにより、膜電極構造体１２と第１セパレータ１４との界面において、反応生成水が偏在することがなくより均一に保持されるため、膜電極構造体１２の湿潤環境をより平準化できる。また、燃料電池の運転状況によらず、膜電極構造体１２の湿潤環境をより平準化できる。
【００６１】
また本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、上述の効果と同様の効果が奏される。特に、インクジェット印刷法を採用することで、安価で簡単な操作により、表面に格子状の貴金属薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータを製造できる。
より詳しくは、例えばめっき処理では、格子状の貴金属薄膜を形成するためにはマスキングが必要となるうえ、めっき処理後には研磨処理や薬液除去のための洗浄及び乾燥処理が必要となり、操作が煩雑化してコスト高となる。これに対してインクジェット印刷では、マスキング無しで所望の位置に格子状の貴金属薄膜１４７を形成できるうえ、印刷後には熱処理するのみでよく、操作が簡素化されてコストを削減できる。更には、インクジェット印刷の特性として、より薄くてムラの無い均一な貴金属薄膜１４７を形成できるため、高価な貴金属の使用量を抑制しつつ上述の効果が得られる。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、図５（Ａ）に示したように穴部１４８は、複数の仮想直線Ｌ上に所定の間隔をあけて配置されるとともに、Ｚ方向においても隣接する穴部１４８の全てが同一直線上に配置されていたが、これに限定されない。例えば、図７は、上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ａの凸部１４５Ａと膜電極構造体との接触部１４６Ａの平面図であるが、この図７に示すように、穴部１４８Ａを、複数の仮想直線Ｌ上に所定の間隔をあけて配置し、Ｚ方向において隣接する穴部１４８Ａを所定間隔ずらして配置してもよい。
【００６３】
また、図８も上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ｂの凸部１４５Ｂと膜電極構造体との接触部１４６Ｂの平面図であるが、この図８に示すように、穴部１４８Ｂが、接触部１４６ＢのＺ方向の両端部１４９Ｂ，１４９Ｂに形成されていてもよい。この変形例によれば、各流路に隣接するＺ方向の両端部１４９Ｂ，１４９Ｂには、貴金属薄膜１４７Ｂが形成されている部分と、穴部１４８Ｂが形成されている部分とが存在し、機能が異なる部分が存在することとなる。これにより、貴金属薄膜１４７Ｂが形成されている部分では、反応生成水をはじいて反応ガスを円滑に導入できる。また穴部１４８Ｂが形成されている部分では、金属セパレータの表面に酸化物が生成されるため、反応生成水を導入（引き寄せ）て、隣接する各流路に効率良く排出できる。
なお、穴部１４８Ｂは、平坦部１４５ａからＲ部１４５ｂの領域に亘って設けてもよく、Ｒ部１４５ｂのみに設けてもよい。
【００６４】
また、上記実施形態では、複数の穴部１４８の形状が平面視で略円形状となるように貴金属薄膜１４７を形成したが、例えば、複数の穴部の形状が略三角形状や略四角形状となるように貴金属薄膜を形成してもよい。複数の穴部の形状が略三角形状や略四角形状となるように貴金属薄膜を形成した上記実施形態の変形例を図９〜１２に示す。図９〜１２に示すように、貴金属を含む複数のドット状のインクを繋げることによって、穴部の形状を略三角形状や略四角形状にすることができる。
【００６５】
例えば、図９は上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ｃの凸部１４５Ｃと膜電極構造体との接触部１４６Ｃにおける貴金属を含むドット状のインクのパターンを示した平面図である。図９に示すように、貴金属薄膜１４７Ｃは複数の真円状のドット１５０Ｃによって形成される。複数の真円状のドット１５０ＣはＹ方向とＺ方向に規則正しく配列し、隣り合うドット１５０Ｃ同士が接している。４つのドット１５０Ｃによって囲まれることで穴部１４８Ｃが形成される。穴部１４８Ｃは、略四角形状であり、ドット１５０Ｃと同様にＹ方向とＺ方向に規則正しく配列される。
【００６６】
また、図１０も上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ｄの凸部１４５Ｄと膜電極構造体との接触部１４６Ｄにおける貴金属を含むドット状のインクのパターンを示した図であり、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）のＢ−Ｂ線端面図、（Ｃ）が（Ａ）のＣ−Ｃ線端面図である。図１０の（Ａ）に示すように、貴金属薄膜１４７Ｄは複数の真円状のドット１５０Ｄによって形成される。複数の真円状のドット１５０Ｄは、図９に示したパターンと同様に、Ｙ方向とＺ方向に規則正しく配列しているが、Ｙ方向とＺ方向に隣り合うドット１５０Ｄ同士が一部重複している。隣り合うドット１５０Ｄ同士が重複している領域の形状及び大きさは全て同一となっている。４つのドット１５０Ｄによって囲まれることで穴部１４８Ｄが形成される。穴部１４８Ｄは、略四角形状であり、ドットと同様にＹ方向とＺ方向に規則正しく配列される。
また、図１０の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、隣り合うドット１５０Ｄ同士が重複している箇所は、重複していない箇所よりも貴金属薄膜１４７Ｄの膜厚が厚くなっている。この膜厚が厚い箇所は、反応生成水を穴部１４８Ｄへと誘導するガイド壁として作用する。これにより、反応生成水が穴部１４８Ｄに効率良く誘導されて保持される。
【００６７】
また、図１１も上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ｅの凸部１４５Ｅと膜電極構造体との接触部１４６Ｅにおける貴金属を含むドット状のインクのパターンを示した平面図である。図１１に示すように、貴金属薄膜１４７Ｅは複数の真円状のドット１５０Ｅによって形成される。複数の真円状のドット１５０ＥはＹ方向に規則正しく配列し、Ｚ方向で隣り合うドット１５０Ｅ同士はドットの半径分だけＹ方向にずれて配置され、隣り合うドット１５０Ｅ同士が接している。つまり、図１１に示された貴金属を含むドット状のインクのパターンは、ドット１５０Ｅが平面上に最密に充填されているパターンである。ドット１５０Ｅは３つのドット１５０Ｅによって囲まれることで穴部１４８Ｅが形成される。穴部１４８Ｅは、略三角形状であり、Ｙ方向及びＺ方向に規則正しく配列される。
【００６８】
また、図１２も上記実施形態の変形例に係る第１セパレータ１４Ｆの凸部１４５Ｆと膜電極構造体との接触部１４６Ｆにおける貴金属を含むドット状のインクのパターンを示した平面図である。図１２に示すように、貴金属薄膜１４７Ｆは複数の真円状のドット１５０Ｆによって形成される。複数の真円状のドット１５０Ｆは、一部（補助線１５３，１５３上に配置されたドット１５０Ｆ）が規則正しく配列され、その他が不規則に配置されており、隣り合うドット１５０Ｆ同士が接している箇所もあれば、重複している箇所もある。ドット１５０Ｆによって囲まれることで穴部１４８Ｆは形成されるが、様々な形状及び大きさの穴部１４８Ｆが存在する。また、複数の真円状のドット１５０Ｆの一部が規則正しく配列されているので、形成された複数の穴部１４８Ｆの一部も規則正しく配列される。穴部１４８Ｆの形状としては、図１２に示すように、図９や図１０に示したパターンと同様の略四角形状や、図１１に示したパターンと同様の略三角形状や、歪んだ略矩形状等が挙げられる。
なお、上述したように、重複している箇所は貴金属薄膜１４７Ｆの膜厚が厚くなっており、反応生成水を穴部１４８Ｆへと誘導するガイド壁として作用することで、反応生成水が穴部１４８Ｆに効率良く誘導されて保持される。
【００６９】
図９〜１２に示される上記実施形態の変形例では、穴部を、貴金属を含むドット状のインクが繋がることによって形成された貴金属薄膜によって囲むことで形成する。これにより、表面に格子状の貴金属薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータを容易に得ることができる。
【００７０】
図９〜１２に示した上記実施形態の変形例では、貴金属を含むドット状のインクが、図１３（ａ）に示すような真円のドット１５０であるものについて例示したが、貴金属を含むドット状のインクの形状はこれに限定されない。例えば、貴金属を含むドット状のインクは、図１３（ｂ）に示すような楕円状のドット１５１であっても良いし、図１３（ｃ）に示すような歪んだ円状のドット１５２であっても良い。
【符号の説明】
【００７１】
１２…膜電極構造体
１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ…第１セパレータ（燃料電池用金属セパレータ）
１６…第２セパレータ（燃料電池用金属セパレータ）
１４５，１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄ，１４５Ｅ，１４５Ｆ…凸部
１４６，１４６Ａ，１４６Ｂ，１４６Ｃ，１４６Ｄ，１４６Ｅ，１４６Ｆ…接触部
１４７，１４７Ａ，１４７Ｂ，１４７Ｃ，１４７Ｄ，１４７Ｅ，１４７Ｆ…貴金属薄膜
１４８，１４８Ａ，１４８Ｂ，１４８Ｃ，１４８Ｄ，１４８Ｅ，１４８Ｆ…穴部
【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】
2013229294.tif 000012
【図１１】
2013229294.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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