JP2010251305A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、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用セパレータを提供することであり、さらに、そのような燃料電池用セパレータを設計寸法に対して高精度を保持した状態でかつ低コストで簡便に製造する方法を提供することである。
【解決手段】凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する無溶剤型の導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記無溶剤型の導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂皮膜から前記樹脂凹版を剥離する工程とを順に備えることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法とした。
【選択図】図１

Description

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。

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ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、また地球温暖化の原因となるＣＯ_２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。

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、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。

固体高分子形燃料電池にあっては、高分子電解質膜を電解質膜として用いたものであり、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を接合した膜電極接合体の両面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。高分子電解質膜の一方の面はアノード（燃料極）、他方の面はカソード（空気極）として機能する。

燃料極、空気極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：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ 式（１）
空気極側：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ 式（２）
燃料極側では水素分子（Ｈ_２）の酸化反応が起こり、空気極側では酸素分子（Ｏ_２）の還元反応が起こることで、燃料極側で生成されたＨ^＋イオンは高分子電解質膜中を空気極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側に移動する。
一方、空気極側では酸化剤ガスに含まれる酸素と、燃料極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。

ここで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。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。

しかし、空気極側の還元反応（酸素分子（Ｏ_２）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（Ｏ_２）の２電子還元）が生じて多くのＨ_２Ｏ_２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Ｈ_２Ｏ_２が分解され、ＯＨ・（ＯＨラジカル）とＯＨ⁻が生成する。

空気極側：Ｏ_２＋２Ｈ＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ_２
Ｈ_２Ｏ_２＋Ｆｅ（ＩＩ）→ＯＨ・＋ＯＨ⁻＋Ｆｅ（ＩＩＩ）
生成したＯＨ・（ＯＨラジカル）は酸化力が大きく、高分子電解質膜を酸化し分解し劣化する。

直接メタノール形燃料電池は、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。

直接メタノール型燃料電池の発電方法としては、高分子電解質膜を介して、メタノールと（酸化剤ガスに含まれる）酸素を、燃料極側触媒層および空気極側触媒層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：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ 式（３）
空気極側：６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ 式（４）
全反応 ：ＣＨ_３ＯＨ＋（３／２）Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ 式（５）

燃料極側では、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。

生成された水素イオンは電解質膜中を燃料極から空気極側に移動し、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。

単位電池セルの電圧は、室温近傍において理論上約１．２Ｖであるが、燃料極で電気化学反応せずに電解質膜中を空気極側に移動してしまうメタノールクロスオーバーや、水素イオンが電解質膜を透過する際の抵抗により、実質的には０．８５〜１．０Ｖとなる。

実用上、連続運転条件下で電圧が０．３〜０．６Ｖ程度となるように電流密度が設定されるため、実際に電源として用いる場合には、所定の電圧が得られるように、複数の単位電池セルを直列接続して使用する必要がある。

電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、ＭＥＡをセパレータで挟持して成る単電池セルを複数積層（スタック）した構造が用いられている。必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から１０枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では６０〜９０枚程度、自動車用途では２５０〜４００枚程度といわれている。高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、単位電池セルの厚みやコストが燃料電池本体のサイズや価格に大きく影響することになる。

燃料電池用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状溝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状溝の酸化剤ガス流路が設けられている。

燃料電池用セパレータは、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。

特開２００１−６７０３号公報 特開２００２−１９０３０５号公報 特開２００１−２９７７７７号公報 特開２００３−３３８２９６号公報

燃料電池用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（特許文献１）、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、機械的耐性に乏しいため薄型化が難しい。また、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。

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（特許文献２）。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。

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働域にあたると、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働態域であった場合、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。

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３、４）が報告されている。しかし、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。

以上の問題点を鑑み、本発明の第１の目的は、基板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用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用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。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明としては、基板の少なくとも一方の面に凹状溝を有する導電性樹脂皮膜を備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する無溶剤型の導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記無溶剤型の導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂皮膜から前記樹脂凹版を剥離する工程とを順に備えることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法とした。

また、請求項２記載の発明としては、前記導電性フィラーと液状樹脂を含有する無溶剤型の導電性樹脂インクが、硬化前の導電性樹脂インクを基準とした際の硬化後の導電性樹脂皮膜の体積変化率が５．０％以下である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の製造方法とした。

また、請求項３記載の発明としては、前記導電性フィラーが、カーボン、金属炭化物、金属窒化物、金属珪化物、耐食性金属から選択される１種ないし２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法とした。

また、請求項４記載の発明としては、前記導電性フィラーの粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法とした。

また、請求項５記載の発明としては、前記樹脂凹版がシリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法とした。

また、請求項６記載の発明としては、前記基板が前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選択される材料を少なくとも１つ以上用いて形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法とした。

また、請求項７記載の発明としては、前記導電性皮膜によって形成される凹状溝の深さが５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法とした。

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法にあっては、基板の少なくとも一方の面上に樹脂凹版に型取られた導電性樹脂皮膜を、基板へ転写形成することを特徴とする。導電性樹脂皮膜部分を型取り法により形成することにより、流路となる凹状溝の形成と同時に基板表面に発電環境下で十分な耐食性を付与することを簡便におこなうことができる。

また、本発明の燃料電池セパレータの製造方法にあっては、基板を用い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することが可能であり、かつ、導電性樹脂部分を介しているため基板で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、導電性を有することができる。また、導電性耐食皮膜の形成方法としてウェットプロセス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セパレータの製造をすることが可能となる。

本発明の燃料電池セパレータの製造方法にあっては、導電性樹脂インクの成分として溶剤を必要としない液状樹脂を使用した無溶剤型の導電性樹脂インクを用いることにより、硬化前後での体積変化を低減させることで、樹脂凹版の凹凸形状を高精度に再現した、寸法精度の高い凹状溝の形成が可能となる。また、溶剤を含む導電性樹脂インクを用いた場合には温度勾配等の硬化条件により収縮が局在化し流路の欠けおよび断線が起こるといった問題が発生する。無溶剤型の導電性樹脂インクを用いることによりこれらの問題の発生を抑制し、比較的硬化条件のプロセスマージンを広げることが可能となる。

図１は本発明の燃料電池用セパレータの要部断面の説明断面図である。 図２は本発明の燃料電池用セパレータの製造方法における樹脂凹版の作製工程の説明断面図である。 図３は本発明の燃料電池用セパレータの製造方法における樹脂凹版からセパレータを作製するまでの説明断面図である。 図４は本発明のセパレータを装着した固体高分子形燃料電池の分解図である。 図５は燃料電池に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面説明図である。

以下、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。

本発明の燃料電池用セパレータは、基板の少なくとも一方の面に凹状溝を有する導電性樹脂皮膜を備える。図１に、本発明の燃料電池用セパレータの要部断面の説明断面図を示した。図１にあっては、基板２４の一方の面に凹状溝２５Ａが形成された導電性樹脂皮膜２３Ａを備え、基板２４の他方の面に凹状溝２５Ｂが形成された導電性樹脂皮膜２３Ｂを備える。導電性樹脂皮膜には導電性フィラーが含有されている。凹状溝２５Ａ、凹状溝２５Ｂのうち、一方は電極に反応ガスを供給するための凹状溝となり、もう一方は、冷却のための冷媒を供給するための凹状溝となる。本発明の燃料電池セパレータにあっては、平滑な基板上の両側に凹状溝をそれぞれ形成するため、プレス加工にて形成されたセパレータと比較すると、凹状溝Ａの形状に依存することなく凹状溝Ｂを形成することができ、それぞれの流路に対して最適な設計を施すことができる。また、樹脂凹版を用いた型取り法により導電性樹脂皮膜を形成することによって、通常の印刷法などでは不可能である数百μｍ程度の深さの凹状溝の一括形成が可能となる。

図２及び図３に本発明のセパレータの製造方法の断面説明図を示した。図２は本発明の燃料電池用セパレータの製造方法における樹脂凹版の作製工程の説明断面図である。

本発明のセパレータの製造方法にあっては、凹状溝を有する凸型母型２１Ａ、２１Ｂの溝部に凹版を形成する樹脂液２２Ａ、２２Ｂを流し込む（図２（ａ））。次に、樹脂液２２Ａ、２２Ｂを硬化し（図２（ｂ））、凸型母材２１Ａ、２１Ｂを剥離することにより樹脂凹版は型取りされ形成される（図２（ｃ））。

本発明のセパレータの製造方法において、凸型母型の材質は金属やガラスなど硬く変形しづらく、樹脂凹版を形成するための樹脂液の溶媒に侵されないものが好ましい。また、凸型形状はフォトリソグラフィ法で樹脂を基板表面に所望の形に形成する方法や基板そのものを加工し溝を形成する方法が考えられるが、変形なく所望の凸型母型を得られる方法であればその限りではない。

樹脂凹版を形成する樹脂としてはシリコーン樹脂を好適に用いることができる。樹脂凹版はシリコーン樹脂により形成されることによりある程度の柔軟性を有することができ、凸型母型より剥離する際に容易に剥離が可能となる。また、導電性樹脂皮膜の転写時に凹凸形状が変形しない程度の強度を得ることができる

凸型母型上に樹脂液を流し込む方法としては、凸型母型の端部に樹脂液を必要量配し、棒状のスキージで溝部分に押し込みながら凸型母型の逆面を平滑に加工する方法やスクリーン印刷により充填する方法などが考えられる。凹版の凹凸面裏面の平滑性が基板上への導電性樹脂転写時の寸法精度に影響するので、凹版の形成方法は凹版の凹凸面裏面の平滑に形成できる方法である必要がある。

凹型母型に充填されたシリコーン樹脂からなる樹脂液の硬化方法としては、熱硬化やＵＶ硬化などを使用することができるが、シリコーン樹脂の組成により異なるため、十分に硬化する条件は適宜選択される。硬化に際しては硬化収縮など寸法変化によりシリコーン樹脂凹版が凸型母型形状を再現できなくなる可能性があるため、できるだけ硬化による寸法変化の少ない樹脂を選択することが好ましい。

図３に本発明の燃料電池用セパレータの製造方法における樹脂凹版からセパレータを作製するまでの説明断面図を示した。

本発明のセパレータの製造方法にあっては、得られた樹脂凹版２２Ａ、２２Ｂに導電性樹脂インク２３Ａ、２３Ｂを充填する（図３（ｄ）、（ｅ））。次に、導電性樹脂インク２３Ａ、２３Ｂが充填された凹版を基板２４の両面に転写し、導電性樹脂インク２３Ａ、２３Ｂを硬化する（図３（ｆ））。最後に、基板２４上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂皮膜２３Ａ、２３Ｂから樹脂凹版２２Ａ、２２Ｂを剥離する（図３（ｇ））。以上により、本発明の燃料電池用セパレータは製造される。

本発明に用いる導電性耐樹脂皮膜を形成するための導電性樹脂インクは、燃料電池用の燃料（水素や改質ガス、メタノールなど）や酸化剤（酸素やその混合ガス）、強酸性雰囲気に十分な耐性を有する材料で、十分な導電性を有する必要がある。本発明では比較的簡便で、かつ短時間に膜形成を可能とする導電性フィラーを含有する導電性樹脂インクにより導電性樹脂皮膜が形成される。

本発明のセパレータの製造方法において、導電性樹脂インクは導電性フィラーと液状樹脂を含有し溶剤を含まない無溶剤型の導電性樹脂インクが用いられる。無溶剤型の導電性樹脂インクを用いることにより、硬化前後での体積変化を低減させることできる。したがって、樹脂凹版の凹凸形状を高精度に再現した、寸法精度の高い凹状溝の形成が可能とすることができる。

本発明に用いる導電性耐樹脂皮膜を形成するための導電性樹脂インクは、硬化前の導電性樹脂インクを基準とした際の硬化後の導電性樹脂皮膜の体積変化率が５．０％以下であることが好ましい。体積変化率が５．０％以下の導電性樹脂インクを用いることにより、さらに寸法精度の高い凹状溝の形成が可能とすることができる。

本発明に用いる導電性樹脂インクを構成する液状樹脂としては、硬化後に発電環境下で十分な耐食性を有する樹脂であり、硬化前の状態が液状であれば特に制限はなく、具体的には、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。特に、硬化収縮が少なく、機械的強度が高く、さらにウェットコーティング時の粘度制御において汎用性が高い、エポキシ樹脂が好ましい。
本発明の導電性樹脂インクに含まれる導電性フィラーとしては、耐食性、導電性、価格などを考慮すると繊維状導電性フィラーあるいは粉体状導電性フィラーが望ましい。繊維状導電性フィラーとしては、具体的には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどから選ばれる１種あるいは２種以上の繊維状カーボンを挙げることができる。カーボン繊維としては、導電性樹脂皮膜が高い導電性を発現するために粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下、単繊維比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。

本発明において繊維状導電性フィラーと粉体状導電性フィラーを併用すると導電性樹脂皮膜自体の導電性をさらに低減できる。粉体状導電性フィラーとしては、十分な導電性を有し、発電環境下で十分な耐食性を有するものであれば特に制限はなく、具体的には、例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック等のカーボン粉体、ＷＣ、ＴｉＣなどの金属炭化物、ＴｉＮ、ＴａＮなどの金属窒化物、ＴｉＳｉ，ＺｒＭｏＳｉなどの金属珪化物およびＡｇ，Ａｕなどの耐食性金属などから選ばれた１種ないし２種以上の混合物を挙げることができる。粉体状導電性フィラーとしては、導電性樹脂皮膜が高い導電性を発現するために粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下、単体の比抵抗が１ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。

導電性樹脂における液状樹脂と導電性フィラーの比率は、用いられる材質により異なるが、たとえば導電性フィラーにカーボン繊維であるカーボンナノファイバーとカーボン粉体であるアセチレンブラックを混合し用いた場合、液状樹脂を基準とした際に導電性フィラーの体積比率が２５ｖｏｌ％以上であることが好ましい。導電性フィラーの比率が２５ｖｏｌ％未満では十分な導電性を得ることが難しい。

樹脂凹版に導電性樹脂インクを充填する方法としては、樹脂凹版の端部に導電性樹脂インクを必要量配し、棒状のスキージで溝部分に押し込みながら凸型母型の逆面を平滑に加工する方法やスクリーン印刷により充填する方法などが考えられる

導電性樹脂インクを基板に転写する工程にあっては、基板と樹脂凹版の凹凸形状側を向かい合うように設置し、上下にロール部を有し一定圧力で挟み込みながら送り出す機構を有するロールラミネート装置により基板上に導電性樹脂インクを転写する。この際、ロールラミネート装置に設置されるローラーの間隔（ギャップ）と押し付け圧力、基板の厚さ、シリコーン樹脂凹型の厚さにより基板上に形成される導電性樹脂の厚さが異なる。また、前記条件により凸状部分のみに導電性樹脂を配することも可能であるが、ローラーギャップ条件などを調整することにより、凹状溝の底部分にも導電性樹脂を形成するほうが製造されるセパレータの全面に耐食性を付与することができるため好ましい。

燃料電池用セパレータに用いられる基板としては、本発明の燃料電池用セパレータは表面全体が導電性樹脂皮膜に覆われるため、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基板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。本発明で用いる基板としては、例えば、前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、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。

燃料電池用セパレータには流路としての貫通孔が形成される。基板に反応ガス経路としての貫通孔を形成する方法は、ウェットエッチング法などの化学的加工、あるいはプレス法、切削法などの機械加工、あるいは放電加工など基板を部分的に除去できる加工方法であれば適用することが可能である。生産性を考慮すると、一工程で大面積を加工することが出来るため、プレス法やウェットエッチング法を用いることが好ましい。

基板上に形成された導電性樹脂インクは硬化され導電性樹脂皮膜となる。硬化手段としては、具体的には、ＵＶ硬化、熱硬化等が挙げられる。ただし、熱硬化の場合は、基板の酸化による導電性、樹脂密着性の低下や、シリコーン樹脂凹版の熱膨張による流路寸法の変化が懸念されるので、出来る限り低温のほうが好ましい。

本発明にあっては導電性樹脂インクにより形成される導電性樹脂皮膜の凹状溝の深さ（＝凸部分の厚さ）が大きすぎると導電性が低下しすぎる恐れがあり、小さすぎると流動抵抗が増加し反応ガスや冷却媒体の流路として機能しない恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮すると５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、凹状溝の底部に導電性樹脂皮膜を形成する場合は薄すぎるとピンホールの発生や機械的強度や耐食性が低下する恐れがあるので、耐食性や機械低強度や電気抵抗や薄型化を考慮するとその厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。

本発明のセパレータは電解質膜として高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池に好適に使用できる。図４に本発明のセパレータを装着した固体高分子形燃料電池の分解図を示した。図５に燃料電池に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面説明図を示した。

本発明の燃料電池において、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２は高分子電解質膜１の両面に電極触媒層２、３が接合され、挟持された構造を備える。本発明の燃料電池にあっては、膜電極接合体１２の電極触媒層２および電極触媒層の３と対向して空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極（カソード）６及び燃料極（アノード）７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷媒流通用の冷媒流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる１組のセパレータ１０が配置される。燃料極７側のセパレータ１０のガス流路８からは燃料ガス
として、例えば水素ガスやメタノールが供給される。一方、空気極６側のセパレータ１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。

高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜を使用することができる。また、高分子電解質膜１の両面に形成される電極触媒層としては、例えば、カーボンブラック粒子に主として白金（Ｐｔ）あるいは白金族金属（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ）触媒物質を担持した触媒担持物質と高分子電解質により形成される。ガス拡散層としては、例えば、カーボンクロス等を用いることができる。

＜凸型母型の作製＞
まず、金属基材として１ｍｍ厚のステンレス板（ＳＵＳ３０４）を用い、切削加工により表面に所望の凹版溝を有する流路形状を形成し、幅０．５ｍｍ、深さ０．３ｍｍの直線状の溝が溝ピッチ１ｍｍで平行配列された凸型母型Ａと、幅０．３ｍｍ、深さ０．３ｍｍの直線状の溝が溝ピッチ２ｍｍで平行配列された凸型母型Ｂを得た。

＜樹脂凹版の作製＞
液状シリコーンゴムＴＳＥ３４０２（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアル・ジャパン合同会社製）をＡ液とＢ液を混合し十分撹拌する。次いで、上記母型ＡおよびＢの表面にＴＳＥ３４０２をアプリケータにより充填し、常温で７２時間放置し硬化させる。ＴＳＥ３４０２が完全に硬化した状態で凸型母型ＡおよびＢから剥離することによりシリコーンゴム凹版ＡおよびＢを得た。得られたシリコーンゴム凹版ＡおよびＢは凹凸表面形状が平滑であり、また裏面は平滑で均質に形成することができ、凹部底面から凸部頂点までの高さが０．５ｍｍ、凸部頂点から裏面までの厚さは１ｍｍであった。

＜セパレータ作製＞
溶剤を含まない無溶剤型導電性樹脂インクとしてＬＳ−１１０（株式会社アサヒ化学研究所製）を使用し、上記シリコーンゴム凹版にアプリケータを用いて充填した。一方、貫通孔を所望の位置にプレス打ち抜き加工にて形成したアルミニウム板（ＪＩＳ１０５０、厚さ１ｍｍ）を用意し、表面処理液（アデカ製Ｃ−７４０１ １ｗｔ％溶液）を用い、常温にて４０秒浸漬後、純水にて洗浄を行い、水分を乾燥した。更に、ＬＳ−１１０が充填されたシリコーンゴム凹版をシリコーン充填面がアルミニウム板と接する向きに所定の位置に位置合わせをした状態で設置し、ロールラミネータ（常温、プレス圧０．３ＭＰａ）によりアルミニウム板上にシリコーンゴム凹版を固定した。その際、ロールラミネータの上下ロールのギャップは３ｍｍであった。次に、前記サンプルをオーブンにて１３０℃、１時間加熱処理し導電性樹脂を硬化させたのち、シリコーンゴム凹版を剥離することにより、所望の凹状溝を有するセパレータを得ることができた。

得られたセパレータの凹状溝の深さは両面ともに３００μｍであった。また、導電性樹脂皮膜の凹状溝について観察をおこなったところ、凹状溝が矩形に近い形状で形成されており、寸法精度の高い凹状溝が形成されている様子が確認された。

本発明の燃料電池用セパレータは、基板上の一方の面に凹状溝を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、前記凹状溝の少なくともひとつが導電性フィラーを含有した導電性樹脂により形成されることを特徴とするものであり、凹状溝の少なくともひとつが、凸型母型から型取りされた凹版に導電性フィラーと液状樹脂からなる無溶剤型の導電性樹脂インクを充填後、基板上に凹状溝を転写形成することにより、容易に５０μｍ程度から７００μｍ程度の厚膜パターンによる流路形状を、凹版と比較して寸法精度良くセパレータ両面に形成することができる。また、導電性フィラーを用いると導電性耐食皮膜自体の導電性を向上でき、基板を用い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、導電性樹脂を介しているため基板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得ることができる。

２１Ａ、２１Ｂ 凸型母材
２２Ａ、２２Ｂ 樹脂凹版（樹脂液）
２３Ａ、２３Ｂ 導電性樹脂皮膜（導電性樹脂インク）
２４ 基板
２５Ａ、２５Ｂ 凹状溝
１０ セパレータ
１２ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１ 高分子電解質膜
２ 電極触媒層（空気極側）
３ 電極触媒層（燃料極側）
４ ガス拡散層（空気極側）
５ ガス拡散層（燃料極側）
６ 空気極（カソード）
７ 燃料極（アノード）

Claims (7)

1. 基板の少なくとも一方の面に凹状溝を有する導電性樹脂皮膜を備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記凹状溝を備える凸型母型から樹脂凹版を型取りする工程と、前記型取りされた樹脂凹版に導電性フィラーと液状樹脂を含有する無溶剤型の導電性樹脂インクを充填する工程と、前記導電性樹脂インクが充填された樹脂凹版を基板上に転写し、前記無溶剤型の導電性樹脂インクを硬化する工程と、前記基板上に形成された導電性樹脂インクが硬化された導電性樹脂皮膜から前記樹脂凹版を剥離する工程とを順に備えることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
2. 前記導電性フィラーと液状樹脂を含有する無溶剤型の導電性樹脂インクが、硬化前の導電性樹脂インクを基準とした際の硬化後の導電性樹脂皮膜の体積変化率が５．０％以下である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の製造方法。
3. 前記導電性フィラーが、カーボン、金属炭化物、金属窒化物、金属珪化物、耐食性金属から選択される１種ないし２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記導電性フィラーの粉体抵抗が０．０１５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記樹脂凹版がシリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記基板が前記導電性フィラーを構成する材料、または前記導電性フィラーを含有した樹脂、鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選択される材料を少なくとも１つ以上用いて形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 前記導電性皮膜によって形成される凹状溝の深さが５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。