(57)【要約】【課題】耐食性と機械的強度などを充分に有すると同時にガス拡散層とセパレータとの間の接触抵抗を低減する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の提供およびその製造方法の提供。【解決手段】金属を基材とし、表面が導電性樹脂層で被覆された燃料電池用セパレータ２０において、前記表面の少なくとも一部が、第１の導電性樹脂層２２の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３からなるその他部分からなり、第１の導電性樹脂層２２と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３が、前記金属基材２１の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ２０により課題を解決できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を基材とし、表面が導電性樹脂層で被覆された燃料電池用セパレータにおいて、前記表面の少なくとも一部が、第１の導電性樹脂層の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなるその他部分からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、前記金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
第１の導電性樹脂層は第２の導電性樹脂層よりも貫通抵抗値が小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
第１の導電性樹脂層が貴金属系粒子を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
第２の導電性樹脂層がカーボン系材料を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触する部分が第１の導電性樹脂層の部分からなり、燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触しないその他部分が第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記導電性樹脂層が印刷方式によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５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。
その適用例は携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、用途も規模も多様である。
【０００３】
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。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、コンパクト化が可能である。
【０００４】
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と称す場合がある）の両側に、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。
【０００５】
図３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をそ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。
【０００６】
図４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３および図４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１１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１１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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
しかし、前記空気極側の還元反応（酸素分子（Ｏ2 ）の４電子還元）は難しく、空気極側において副反応として下記の電気化学反応（酸素分子（Ｏ2 ）の２電子還元）が生じて多くのＨ2 Ｏ2 が発生する。そして不純物としてＦｅ（II）などが存在するとその触媒作用でＨ2 Ｏ2 が分解され、ＯＨ・（ＯＨラジカル）とＯＨ- が生成する。
【００１１】
空気極側：Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ2
Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｆｅ（II）→ＯＨ・＋ＯＨ- ＋Ｆｅ（III ）
生成したＯＨ・（ＯＨラジカル）は酸化力が大きく、固体高分子電解質膜１を酸化し分解し劣化する。
【００１２】
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。
【００１３】
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：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ-     式（３）
空気極側反応：６Ｈ+ ＋（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ      式（４）
全反応：      ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ  式（５）
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池セパレータは燃料電池の単位セルを形成する保持支持体であり、燃料（水素、メタノール等）や酸素を供給する供給経路となる。燃料極に対向するセパレータ表面には、燃料を流通させるための凹溝状の燃料ガス流路が設けられている。また、空気極に対向するセパレータ表面には、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が設けられている。
【００１７】
燃料電池セパレータは、燃料や酸素の供給を制御する他、集電体としての役割も有している。このため、全体としての体積抵抗が小さく、ＭＥＡとの接触抵抗が低くなるよう、優れた導電性が必要である。また、還元性の水素ガス、空気等の酸化剤ガス、冷却水などの冷却媒体、その他反応副生成物（蟻酸、水蒸気等）に曝され、さらに通電による電気化学反応の作用も受けるため、これらに対する耐食性も重要な特性である。その他、水などの反応生成物の除去、燃料の外部漏出防止等の役割も大きい。
【００１８】
燃料電池セパレータの基材としては、非金属系と金属系に大別できる。非金属系セパレータとしては緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料、樹脂材料がある。カーボン系材料は耐食性に優れているが、導電性、ガス不透過性が良好でない。また機械的特性も低いためプレス加工が困難であり、切削加工により流路やマニホールドを成型することになる結果、加工コストが高くなり量産性に問題がある。
そこで樹脂材料を使用することでガス不透過性、加工性の問題はある程度解消されるが、導電性フィラーを混入しないと導電性を発現することが困難であり、また導電性フィラーを混入し過ぎると十分なガス不透過性を確保するのが困難となる。
【００１９】
金属系の材料としてはステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、アルミニウム等が挙げられる。金属系材料は強度、延性に優れていることから、流路やマニホールドを成型するためのプレス加工が容易であり、加工コストが安価で量産性に優れている。さらには板厚の薄い金属を用いることが可能であり、燃料電池スタックの質量や容積を低減できる効果もある。
【００２０】
しかし、金属系セパレータは燃料電池の使用環境雰囲気において耐食性に問題がある。
セパレータ基材の電位が活性態域および過不動態域にあたると、金属の腐食が促進され、セパレータとＭＥＡとの接触抵抗が増大する。またセパレータからの溶出金属イオンが電解質膜に捕捉されると、電解質膜のプロトン伝導能が低下する。
さらには溶出金属イオンが存在すると空気極において過酸化水素等のラジカル性化学種が発生し、このラジカル性化学種の作用により電解質膜の劣化も引き起こす。
セパレータ基材の電位が不動態域であった場合、腐食の進行は小さいが、不働態皮膜が成長する。通常不働態皮膜は水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物等で構成されている。これら化合物の殆どは電気伝導性に乏しいため、金属セパレータの不働態皮膜が成長するに従って、電気抵抗が増大し、電池性能が劣化する。
【００２１】
金属系セパレータの改良策として、高い導電性および耐食性を持つ貴金属をめっき、スパッタ等によりコーティングする方法（特許文献１、２等）が報告されている。
また、これら貴金属等の導電性材料をフィラーとして熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂に混合し、セパレータ表面にコーティングする方法（特許文献３等）が報告されている。
しかしいずれの方法にせよ、セパレータ表面全体に対して、ピンホールを生じない程度の膜厚のコーティングを施すには、かなりの金属量が必要であるため、コスト的な問題が懸念される。
【００２２】
耐食導電皮膜の使用量を抑え、低コスト化を目的とした方法として、セパレータ基材のガス流路形成リブ部分、つまりガス拡散層との接触面にのみ、耐食性を有する導電性皮膜を形成し、その他部分は不働態皮膜からなるセパレータが報告されている（特許文献４、５等）。
また、互いに離間し且つほぼ等間隔で配置した複数の貴金属被覆部を有するセパレータが報告されている（特許文献６）。
しかしながら、燃料電池反応における生成水がガス流路に溜ること、またセパレータ全体が導電性を有し、分極状態にあることから、直接ガス拡散層に接していない部分においても、燃料電池の使用環境雰囲気に常に晒されていると考えられ、上記方法ではセパレータの耐食性としては不十分である。
【００２３】
また、表面の導電性フィラーと樹脂との混合比を連続的あるいは２層化することにより変化させ、最表面の導電性フィラー量を増加させたセパレータが報告されている（特許文献７、８等）。
この方法によれば、電極接触面の導電性フィラー量が多いので接触抵抗を低減できる効果は期待できるものの、内部層の導電性フィラー量が少ないため、セパレータ表裏方向への貫通抵抗が増加し、全体として良好な導電性が得られないことが懸念される。
【特許文献１】特開２００１−２９７７７７公報
【特許文献２】特開２００３−３３８２９６公報
【特許文献３】特開２００２−２７０２０３公報
【特許文献４】特開２０００−１８２６４０公報
【特許文献５】特開２００６−１３４６７７公報
【特許文献６】特開２００５−２９３８７７公報
【特許文献７】特開２００４−０１４２７２公報
【特許文献８】Ｗ００５／０２７２４８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の第１の目的は前述した背景技術における問題点を考慮し、金属をセパレータ基材として、表面に導電性フィラーを混合した樹脂層を形成することで、導電性、耐食性、機械的強度、薄型化等のセパレータの各種要求特性を満たし、かつ安価な燃料電池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セパレータを容易に低コストで簡便に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の請求項１記載の発明は、金属を基材とし、表面が導電性樹脂層で被覆された燃料電池用セパレータにおいて、前記表面の少なくとも一部が、第１の導電性樹脂層の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなるその他部分からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、前記金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００２６】
本発明の請求項２記載の燃料電池用セパレータは、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第１の導電性樹脂層は第２の導電性樹脂層よりも貫通抵抗値が小さいことを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項３記載の燃料電池用セパレータは、請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第１の導電性樹脂層が貴金属系粒子を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項４記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第２の導電性樹脂層がカーボン系材料を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項５記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、
燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触する部分が第１の導電性樹脂層の部分からなり、燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触しないその他部分が第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項６記載の発明は、前記導電性樹脂層が印刷方式によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５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る。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の請求項１記載の発明は、金属を基材とし、表面が導電性樹脂層で被覆された燃料電池用セパレータにおいて、前記表面の少なくとも一部が、第１の導電性樹脂層の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなるその他部分からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、前記金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とする燃料電池用セパレータであり、
金属を基材とし、表面に導電性フィラーを混入した導電性樹脂層を形成したものであり、例えば、高い耐食性、導電性を有しているが高価である貴金属粒子等の導電性フィラーを使用した第１の導電性樹脂層部分の体積を少なくし、その他基材の露出した部分を比較的安価なカーボン系粒子等をフィラーとして使用した第２の導電性樹脂層で補完した構造とすることで、セパレータの要求特性を満たすだけでなく、セパレータの低コスト化が可能であり、
また、例えば、燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触する部分が第１の導電性樹脂層の部分からなり、燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触しないその他部分が第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、金属基材の表面の面方向に対して並列して配されているようにすればセパレータとガス拡散層との接触抵抗を低減させて高い導電性を維持しながらセパレータの大幅な低コスト化を達成することが可能となり、
さらに金属を基材とす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、耐食皮膜を介しているため金属基材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奏する。
【００３２】
さらに、導電性耐食皮膜の形成方法としてウェットコーティングを用いることができるため、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燃料電池用セパレータの製造をすることが可能となるという顕著な効果を奏する。
【００３３】
本発明の請求項２記載の燃料電池用セパレータは、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第１の導電性樹脂層は第２の導電性樹脂層よりも貫通抵抗値が小さいことを特徴とするものであり、
セパレータとガス拡散層との接触抵抗をより低減させてより高い導電性を維持しながらセパレータの低コスト化を達成することが可能となるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３４】
本発明の請求項３記載の燃料電池用セパレータは、請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第１の導電性樹脂層が貴金属系粒子を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とするものであり、
高い導電性を有する金、銀などの貴金属系粒子を導電性フィラーとして使用すれば、所定の高導電性を得るための導電性フィラーの使用量を低減できるので、高い導電性を維持しながらセパレータの低コスト化を達成できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３５】
本発明の請求項４記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、
第２の導電性樹脂層がカーボン系材料を導電性フィラーとして含有する導電性樹脂からなることを特徴とするものであり、
黒鉛、カーボンブラック、膨張黒鉛、炭素繊維などのカーボン系材料を導電性フィラーとして使用すれば、入手も容易であり、セパレータの低コスト化を達成できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３６】
本発明の請求項５記載の燃料電池用セパレータは、請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、
燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触する部分が第１の導電性樹脂層の部分からなり、燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触しないその他部分が第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とするものであり、
燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触しない部分は電気的接点ではないため接触抵抗の低減は考慮しなくともよく耐食性を有していればよいので第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなり、電気的接点となる部分、つまり燃料電池用セパレータが燃料電池のガス拡散層に接触する部分に第１の導電性樹脂層が設けられていれば接触抵抗を低減させて高い導電性を得ることができ、セパレータの低コスト化を達成できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３７】
本発明の請求項６記載の発明は、前記導電性樹脂層が印刷方式によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５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り、
印刷方式を用いることで、それぞれの樹脂層を形成する際のマスキング作業を必要としないため、生産性が良好であり、簡便にパターン形成が可能であり、
さらに、導電性耐食皮膜の形成方法としてウェットコーティングを用いることができるため、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燃料電池用セパレータを製造できるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の燃料電池用セパレータについて、図を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池用セパレータの一部の要部断面を模式的に示す説明図である。
図１に示したように、本発明の燃料電池用セパレータ２０は、金属セパレータ基材２１の表裏の両面が、貴金属粒子等の導電性フィラーを含有する第１の導電性樹脂層２２の部分と、カーボン系粒子等の導電性フィラーを含有する第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３からなるその他部分が、金属セパレータ基材２１の表面の面方向に対して交互に並列して配されてパターン形成されている。各樹脂層の数や巾およびパターンの形状などは機種や型に応じて最適なものが決められる。
高い耐食性、導電性を有しているが高価である貴金属粒子等の導電性フィラーを使用した第１の導電性樹脂層２２部分の体積を少なくし、その他基材の露出した部分を比較的安価なカーボン系粒子等をフィラーとして使用した第２の導電性樹脂層２３あるいは図示しない絶縁性樹脂層２３で補完した構造とすることで、本発明の燃料電池用セパレータ２０の要求特性を満たすだけでなく、本発明の燃料電池用セパレータ２０の低コスト化が可能となる。
【００３９】
本発明の燃料電池用セパレータ２０は、例えば図４に示したセパレータ１０の替わりに使うことができる。
本発明の燃料電池用セパレータ２０が燃料電池１１のガス拡散層４、５に接触する部分が第１の導電性樹脂層２２の部分からなり、燃料電池用セパレータ２０が燃料電池１１のガス拡散層４、５に接触しないその他部分（ガス流路８が形成されていて燃料電池用セパレータ２０がガス拡散層４、５に接触しない部分）が第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３からなり、第１の導電性樹脂層２２と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３が、金属セパレータ基材２１の表面の面方向に対して並列して配されているようにすれば、高価である貴金属粒子等の導電性フィラーを使用した第１の導電性樹脂層２２部分の体積を少なくできるので、本発明の燃料電池用セパレータ２０とガス拡散層４、５との接触抵抗を低減させて高い導電性を維持しながら、本発明の燃料電池用セパレータ２０の大幅な低コスト化を達成することができる。
【００４０】
金属セパレータ基材２１を用いるために、本発明の燃料電池用セパレータ２０は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、第１の導電性樹脂層２２の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３を介しているため金属セパレータ基材２１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。
【００４１】
第１の導電性樹脂層２２の部分と、第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３からなるその他部分を、金属セパレータ基材２１の表面の面方向に対して交互に並列して配して形成するパターン形状については、印刷方式によりパターン形成可能な形状であれば特に限定するところでない。
具体的には、例えば第１の導電性樹脂層２２の部分と、第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層２３からなるその他部分のいずれかの形状が、本発明の燃料電池用セパレータ２０の垂直上方向から見て、縞状、碁盤目状、その他複数円状、多角形状等である例を挙げることができる。
【００４２】
金属基材自体については、本発明の燃料電池用セパレータ２０は表面全体が上述の樹脂層に覆われるため、耐食性を考慮する必要はない。従って加工性や堅牢性、薄型化への対応のしやすさ等の他に、物理的強度を有しており、さらには、汎用性で入手が容易であり、材料費も安価である金属基材ならば本発明において使用でき、特に限定するところでない。
本発明で用いる金属基材としては、例えば、鉄、アルミニウム、銅やそれらを含む合金等の金属材料等が挙げられる。燃料電池スタックの軽量化のためには、比重の小さい金属材料であるアルミニウム系金属が好ましい。
【００４３】
本発明で用いる樹脂については、セパレータ使用環境雰囲気において、耐食性が保証されており、かつ印刷方式による塗布が可能であれば特に限定するところでない。
例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂等が使用できる。中でも特に耐食性が優れている樹脂としてフッ素樹脂が望ましい。
フッ素樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体）などが挙げられる。
【００４４】
第１の導電性樹脂層に含有される導電性フィラーについては、セパレータ使用環境雰囲気において優れた耐食性を有するとともに、体積抵抗率が１０-8Ω・ｍ程度の高い導電性を有している導電性フィラーが好ましく使用できる。具体的には、金、銀等の貴金属粒子、あるいは銅等の金、銀等に匹敵する良導電性の金属に、貴金属をコーティングして耐食性を付与した粒子等が挙げられる。
【００４５】
第２の導電性樹脂層に含有される導電性フィラーについては、セパレータ使用環境雰囲気における耐食性を備えている必要があるが、導電性については特に要求特性はなく、むしろ安価であることが重要である。
具体的には、例えば、黒鉛、カーボンブラック、膨張黒鉛、炭素繊維等のカーボン系材料を好ましく使用できる。
【００４６】
そして、後述する測定法で測定される第１の導電性樹脂層の貫通抵抗値（ｍΩ／ｃｍ2 ）は０．５〜１０ｍΩ／ｃｍ2 が好ましい。０．５ｍΩ／ｃｍ2 未満では導電性フィラーの量が多くなって高価になる恐れがあり、１０ｍΩ／ｃｍ2 を超えると優れた導電性が得られない恐れがある。
第２の導電性樹脂層の貫通抵抗値は第１の導電性樹脂層の貫通抵抗値より高くてもよく、セパレータの部分によっては導電性フィラーを配合せず、絶縁性樹脂を用いれば、コストダウンを図ることもできる。
【００４７】
印刷方式については、所望のパターン形状が得られ、１０〜５０μｍの樹脂層塗布が可能な方法であれば、特に限定するところではない。
例えば、スクリーン印刷のような孔版印刷、グラビア印刷のような凹版印刷が適している。樹脂と導電性フィラーとの混合比によるが、樹脂層の膜厚が１０μｍ未満になるとピンホール、クラック等の欠陥が現れ、十分な耐食性を確保できない恐れがある。また５０μｍを超えて膜厚が厚くなり過ぎてしまうと、体積抵抗の増加が懸念される他に、薄型化を損なう恐れがある。
【００４８】
導電性フィラーの固形分濃度および樹脂との混合比については、印刷方式によって適切な粘性が異なるため、印刷方式に応じて適宜選択する必要がある。また上述したように膜厚の制御も重要であり、さらには導電性フィラーと樹脂の混合比によっては導電性のみならず、ガス不透過性、機械的強度にも関連してくるので、注意が必要である。
【００４９】
金属セパレータ基材に凹凸構造のガス流路、あるいは小さな多数の貫通孔等のガス流路を形成した燃料電池用セパレータにおいては、燃料電池用セパレータと燃料電池のガス拡散層との電気的接点となる接触部分にのみ、第１の導電性樹脂層が形成されていればよい。
燃料電池用セパレータと燃料電池のガス拡散層との接触面以外の部分については、電気的接点と関与していないため、接触抵抗の考慮は不必要であり、耐食性を有していればよく、具体的には、第２の導電性フィラーを混合した導電性樹脂層を設けたり、導電性フィラーを混合していない第２の絶縁性樹脂層を設けたりする例を好ましく挙げることができる。
【実施例】
【００５０】
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。
【００５１】
（実施例１）
金属基材は、１００ｍｍ×５０ｍｍの１ｍｍ厚のアルミニウム板（ＪＩＳ：ＡＬ１０５０）を用いた。まず、２０質量％ＮａＯＨ水溶液に常温、３分間浸漬して、脱脂およびアルカリエッチングを行い、次いで、３０質量％ＨＮＯ3 水溶液に常温、１分間浸漬し、脱スマットをした。その後水洗し、エアー乾燥することで前処理とした。
【００５２】
次に、スクリーン印刷によりそれぞれ樹脂層を１ｍｍ間隔で交互に縦縞状になるようにパターン形成した。
スクリーン印刷に使用した材料は、第１の導電性フィラーを混合した樹脂に該当するものとして、導電性樹脂ペースト［ＦＡ−３２３（銀フィラー、ポリエステル樹脂、藤倉化成製）］を用い、第２の導電性フィラーを混合した樹脂に該当するものとして、導電性樹脂ペースト［ＦＣ−４１５（カーボンフィラー、ポリエステル樹脂、藤倉化成製）］を用いた。
各樹脂層の塗布工程間に、１５０℃、１０分間、オーブンで熱処理し、各樹脂層を仮乾燥させた。
金属基材の表裏両面に１ｍｍ間隔で交互に縦縞状になるようにパターン形成を完了した後、１５０℃、３０分間、オーブンで熱処理し、第１の導電性樹脂層および第２の導電性樹脂層を形成した本発明のセパレータを調製した。
【００５３】
（貫通抵抗値の測定）
セパレータについて、次の測定方法で貫通抵抗値の測定を行った。
セパレータを１０ｍｍ×１０ｍｍに断裁した表裏に、同サイズのカーボンペーパー［ＥＣ−ＴＰ１−０６０Ｔ（東レ製）］を合わせ電極に挟み込み、燃料電池スタックを想定した所定の圧力（０．５〜２．５ＭＰａ）をかけながら、４探針法（ＪＩＳ７１９４に準ずる）により測定した。
なお実際の燃料電池をスタック形成する場合にＭＥＡやセパレータにかかる圧力はおよそ１ＭＰａ／ｃｍ2 といわれている。
各圧力における貫通抵抗の測定結果を表１および図２に示す。
【００５４】
（比較例１）
導電性樹脂ペースト［ＦＡ−３２３（銀フィラー、ポリエステル樹脂、藤倉化成製）］を用い、アルミニウム板表面全体にコートした以外は実施例１と同様にして、比較のためのセパレータを作製した。
そして実施例１と同様にして貫通抵抗値を測定し、各圧力における貫通抵抗の測定結果を表１および図２に示す。
【００５５】
（比較例２）
導電性樹脂ペースト［ＦＣ−４１５（カーボンフィラー、ポリエステル樹脂、藤倉化成製）］を用い、アルミニウム板表面全体にコートした以外は実施例１と同様にして、比較のためのセパレータを作製した。
そして実施例１と同様にして貫通抵抗値を測定し、各圧力における貫通抵抗の測定結果を表１および図２に示す。
【００５６】
表１および図２より、実施例１の本発明のセパレータの貫通抵抗値は、カーボンフィラーを導電性フィラーとする樹脂層のみ形成したセパレータ（比較例２）よりも抵抗値が著しく低く、銀を導電性フィラーとする樹脂層のみ形成したセパレータ（比較例１）に近い抵抗値が得られ、良好な導電性を有することが確認された。
【００５７】
【表１】
2009076298.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の燃料電池用セパレータは、金属を基材とし、表面が導電性樹脂層で被覆された燃料電池用セパレータにおいて、前記表面の少なくとも一部が、第１の導電性樹脂層の部分と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層からなるその他部分からなり、第１の導電性樹脂層と第２の導電性あるいは絶縁性樹脂層が、前記金属基材の表面の面方向に対して並列して配されていることを特徴とするものであり、
金属を基材とし、表面に導電性フィラーを混入した導電性樹脂層を形成したものであり、例えば、高い耐食性、導電性を有しているが高価である貴金属粒子等の導電性フィラーを使用した第１の導電性樹脂層部分の体積を少なくし、その他基材の露出した部分を比較的安価なカーボン系粒子等をフィラーとして使用した第２の導電性樹脂層で補完した構造とすることで、セパレータの要求特性を満たすだけでなく、セパレータの低コスト化が可能であり、
さらに金属を基材とす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、耐食皮膜を介しているため金属基材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奏し、
そして本発明の製造方法によりそのような燃料電池セパレータを容易に低コストで簡便に製造という顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの一部の要部断面を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例１、比較例１、２の燃料電池用セパレータの貫通抵抗値と測定時のプレス圧力との関係を示すグラフである。
【図３】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４】図３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】
【００６０】
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  ガス流路
９  冷却水流路
１０、２０  セパレータ
１１  単セル
１２  膜電極結合体
２１  金属セパレータ基材
２２  第１の導電性樹脂層
２３  第２の導電性樹脂層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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