JP2007220583A - 燃料電池およびガスセパレータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属製ガスセパレータの反り解消し、薄型のガスセパレータを提供すること。
ガスセパレータを薄型化することにより、コンパクトな燃料電池を提供すること。
【解決手段】金属製ガスセパレータのガス流路を形成する手法として、プレス加工を用いずに、エッチング加工を用いる。
ガスセパレータの外形輪郭線を、金属板の厚さ方向から見た場合に金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線、および、貫通孔として形成する。
ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面をオーバーラップするように形成する。
膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合うガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしを正面で向き合わせ、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしを、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成する。
【選択図】図１
ガスセパレータを薄型化することにより、コンパクトな燃料電池を提供すること。
【解決手段】金属製ガスセパレータのガス流路を形成する手法として、プレス加工を用いずに、エッチング加工を用いる。
ガスセパレータの外形輪郭線を、金属板の厚さ方向から見た場合に金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線、および、貫通孔として形成する。
ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面をオーバーラップするように形成する。
膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合うガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしを正面で向き合わせ、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしを、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池と、燃料電池に用いられる金属製薄型ガスセパレータ、およびその製造方法に係わり、特に、金属薄板上にエッチングで形成されるガスセパレータの外形輪郭線に関する。
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）を設けた電解質膜電極接合体（以下ＭＥＡと記述する）の両側に、ガスセパレータを配した単電池セルを複数個積層した構造になっている。
アノードに対向するガスセパレータ表面には、燃料ガス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、カソードに対向するガス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。
そして、燃料ガス流路に水素を主体とした改質ガス（又は水素ガス）を供給すると共に、酸化剤ガス流路に酸化剤ガス（通常は空気）を供給し、電解質膜を介して燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素とにより下記の電気化学反応を生じさせて起電力を得るようにしたものである。
アノードに対向するガスセパレータ表面には、燃料ガス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、カソードに対向するガス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。
そして、燃料ガス流路に水素を主体とした改質ガス（又は水素ガス）を供給すると共に、酸化剤ガス流路に酸化剤ガス（通常は空気）を供給し、電解質膜を介して燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素とにより下記の電気化学反応を生じさせて起電力を得るようにしたものである。
燃料極；Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （１）
酸化剤極；４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ （２）
酸化剤極；４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ （２）
ガスセパレータは、隣り合うセルの燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を仕切り、燃料ガスと酸化剤ガスの相互流入を防止するものである。
また、ガスセパレータは、ＭＥＡにおいて触媒反応により発生した電子を、外部回路へ供給するための供給路としての役割を有する。
また、ガスセパレータは、ＭＥＡにおいて触媒反応により発生した電子を、外部回路へ供給するための供給路としての役割を有する。
従来、ガスセパレータの材料としては、カーボンが汎用されている。
しかし、カーボン製のガスセパレータは、脆いため機械的な衝撃、振動に弱く、ガスセパレータを作製するためには数ｍｍ程度の厚さが必要であり、薄型化が困難である。（特許文献１参照）
また、カーボン粉末に熱可塑性樹脂などの高分子材料からなるバインダーを配合し、射出成形等でガスセパレータを作製する試みがなされている。（特許文献２参照）
しかし、このようにして得られるガスセパレータも強度に乏しく、強度維持のために、最低でも１〜２ｍｍ程度の厚さが必要となり、燃料電池の薄型化の障害となっている。
そこで、近年、燃料電池の小型化を実現するために、金属薄板をプレス成形することにより断面を連続した波型形状にした金属製薄型ガスセパレータを用いる試みがなされている（特許文献３参照）。
しかしながら、金属薄板を波型形状にプレス成形すると、金属薄板に塑性歪みや残留応力が発生し、プレス成形後の金属製ガスセパレータに反りが生じてしまうという問題が生じている。
ガスセパレータは、通常、ガス拡散電極に隣接して配置されるが、ガスセパレータに反りが生じると、燃料電池の組立時に、カーボンペーパーを基板として形成されるガス拡散電極が破壊してしまうことが懸念される。
また、ガスセパレータに反りが生じた場合には、カーボンペーパーを基板として形成されるガス拡散電極を破壊することなく燃料電池を組み立てたとしても、組立後のガス拡散電極とガスセパレータのリブの先端が非接触となる部分が生じ、接触抵抗が増大して、燃料電池の発電効率が低下してしまうことが懸念される。
本発明の課題は、金属製ガスセパレータのガス流路を形成する手法として、プレス加工を用いずに、エッチング加工を用いることにより、金属製ガスセパレータの反り解消し、薄型のガスセパレータを提供することである。
また、本発明の課題は、ガスセパレータを薄型化することにより、コンパクトな燃料電池を提供することである。
請求項１に記載の発明は、電解質膜を介して燃料極および酸化剤極が相対向する膜電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を成すための複数の凸状リブが平行に設けられたガスセパレータを介して、複数個積層した燃料電池であって、
前記ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、前記ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面がオーバーラップするように形成されており、
また、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合う前記ガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしが正面で向き合い、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしが、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成されており、
前記ガスセパレータが、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金からなり、
前記ガスセパレータの厚さが０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍであることを特徴とする燃料電池である。
前記ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、前記ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面がオーバーラップするように形成されており、
また、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合う前記ガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしが正面で向き合い、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしが、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成されており、
前記ガスセパレータが、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金からなり、
前記ガスセパレータの厚さが０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍであることを特徴とする燃料電池である。
請求項２に記載の発明は、所定パターンに従って一部金属面を露出させているレジスト膜が積層されている金属板をエッチングして、金属露出部分に凹部および貫通孔を形成するエッチング工程を有するガスセパレータの製造方法において、
前記金属板上に形成される前記ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成することを特徴とするガスセパレータの製造方法である。
前記金属板上に形成される前記ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成することを特徴とするガスセパレータの製造方法である。
請求項３に記載の発明は、前記金属板が、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金からなることを特徴とする請求項２に記載のガスセパレータの製造方法である。
請求項４に記載の発明は、前記レジスト膜が、カゼインと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性の感光性樹脂であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガスセパレータの製造方法である。
請求項５に記載の発明は、前記電解質膜が、スルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池である。
請求項６に記載の発明は、前記燃料極および前記酸化剤極が、ガス拡散材上に触媒層を形成してなることを特徴とする請求項１または請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池である。
請求項７に記載の発明は、前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池である。
請求項８に記載の発明は、前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、または、カーボンクロスであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池である。
請求項９に記載の発明は、前記触媒層が、前記電解質膜と接触していることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池である。
請求項１０に記載の発明は、前記触媒層が、触媒を担持した電子伝導性物質、および、プロトン伝導性物質からなることを特徴とする請求項６乃至請求項９に記載の燃料電池である。
請求項１１に記載の発明は、前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池である。
請求項１２に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、スルホン酸基含有パーフルオロカーボン、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池である。
請求項１３に記載の発明は、前記触媒が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の貴金属からなることを特徴とする請求項１０乃至請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池である。
請求項１４に記載の発明は、前記触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池である。
請求項１５に記載の発明は、前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が３０〜７０重量％であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池である。
請求項１の発明は、電解質膜を介して燃料極および酸化剤極が相対向する膜電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を成すための複数の凸状リブが平行に設けられたガスセパレータを介して、複数個積層した燃料電池において、
前記ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、前記ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面をオーバーラップするように形成し、
また、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合う前記ガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしを正面で向き合わせ、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしを、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成し（図１参照）、
また、前記ガスセパレータを、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部をＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅＮｉ基合金とし、
前記ガスセパレータの厚さを０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍとすることにより、
燃料電池装置を組み立てる際に掛かるガスセパレータの厚さ方向への負荷により、ガスセパレータが反ったり、破壊したり（図２（ｂ）参照）、ガスセパレータのリブ先端がＭＥＡを突き破る（図２（ａ）参照）のを抑制でき、
また、燃料電池作動温度（固体高分子型燃料電池、アルカリ型燃料電池、硫酸型燃料電池は７０℃〜１２０℃、リン酸型燃料電池は１７０℃〜２００℃）による熱膨張起因の反りが生じ難い薄型のガスセパレータを作製することができるものである。
Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部をＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅＮｉ基合金の熱膨張率係数は低い。（熱膨張率係数＝０．９〜１．０×１０−６／℃）（０℃〜２００℃の範囲）（図１０参照）
前記ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、前記ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面をオーバーラップするように形成し、
また、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合う前記ガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしを正面で向き合わせ、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしを、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成し（図１参照）、
また、前記ガスセパレータを、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部をＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅＮｉ基合金とし、
前記ガスセパレータの厚さを０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍとすることにより、
燃料電池装置を組み立てる際に掛かるガスセパレータの厚さ方向への負荷により、ガスセパレータが反ったり、破壊したり（図２（ｂ）参照）、ガスセパレータのリブ先端がＭＥＡを突き破る（図２（ａ）参照）のを抑制でき、
また、燃料電池作動温度（固体高分子型燃料電池、アルカリ型燃料電池、硫酸型燃料電池は７０℃〜１２０℃、リン酸型燃料電池は１７０℃〜２００℃）による熱膨張起因の反りが生じ難い薄型のガスセパレータを作製することができるものである。
Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部をＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅＮｉ基合金の熱膨張率係数は低い。（熱膨張率係数＝０．９〜１．０×１０−６／℃）（０℃〜２００℃の範囲）（図１０参照）
請求項２の発明は、所定パターンに従って一部金属面を露出させているレジスト膜が積層されている金属板をエッチングして、金属露出部分に凹部および貫通孔を形成するエッチング工程を有するガスセパレータの製造方法において、
前記金属板上に形成される前記ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成することにより、
金属板に塑性歪みや残留応力起因の反りを発生させずに金属製ガスセパレータを得ることできるものである。
強度が優れている金属をガスセパレータに用いることにより、薄型のガスセパレータを作製することができる。
ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成するのは、製造工程中においての金属板からのガスセパレータの脱落を防止することを目的としてガスセパレータの外形輪郭線に一定の強度を持たせ、かつ、金属板からガスセパレータを抜き出す際に、ガスセパレータに負荷が加わりガスセパレータに塑性歪みや残留応力起因の反りを発生させず、また、金属板からガスセパレータを抜き出し易くするためである。
前記金属板上に形成される前記ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成することにより、
金属板に塑性歪みや残留応力起因の反りを発生させずに金属製ガスセパレータを得ることできるものである。
強度が優れている金属をガスセパレータに用いることにより、薄型のガスセパレータを作製することができる。
ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成するのは、製造工程中においての金属板からのガスセパレータの脱落を防止することを目的としてガスセパレータの外形輪郭線に一定の強度を持たせ、かつ、金属板からガスセパレータを抜き出す際に、ガスセパレータに負荷が加わりガスセパレータに塑性歪みや残留応力起因の反りを発生させず、また、金属板からガスセパレータを抜き出し易くするためである。
また、金属板から、ガスセパレータのコーナー等の外形輪郭線が複雑になる部分を抜き出す際に、ガスセパレータに著しい負荷が掛かることが予想されるため、その負荷を避けるため、および、金属板からガスセパレータを抜き出す際の切欠として、ガスセパレータの外形輪郭線の一部を貫通孔とする。
請求項４の発明は、前記レジスト膜を、カゼインと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性の感光性樹脂とすることにより、ＦｅＮｉ基合金のエッチング加工をすることができるものである。
ＦｅＮｉ基合金以外の金属板、例えば、ＦｅＣ基合金のエッチング加工に用いるレジスト膜の材料としては、ポリビニルアルコールと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性の感光性樹脂が用いられているが、この感光性樹脂とＦｅＮｉ基合金との密着性は悪い。
レジスト膜とＦｅＮｉ基合金の密着性を改良するためにポリビニルアルコールでなくカゼインを用いる。
重クロム酸アンモニウムは、架橋剤である。
また、レジスト膜として水溶性の物を用いることにより、パターン現像の際に水を用いることができる。
ＦｅＮｉ基合金以外の金属板、例えば、ＦｅＣ基合金のエッチング加工に用いるレジスト膜の材料としては、ポリビニルアルコールと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性の感光性樹脂が用いられているが、この感光性樹脂とＦｅＮｉ基合金との密着性は悪い。
レジスト膜とＦｅＮｉ基合金の密着性を改良するためにポリビニルアルコールでなくカゼインを用いる。
重クロム酸アンモニウムは、架橋剤である。
また、レジスト膜として水溶性の物を用いることにより、パターン現像の際に水を用いることができる。
請求項７の発明は、前記ガス拡散材として導電性多孔性基材を用いることにより、ＭＥＡで発生した電子をガス拡散材に伝導することができるものである。
請求項１３の発明は、触媒が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の貴金属からなるが、これら１Ｂ族または８族の貴金属は酸素還元能力、水素酸化能力が高いので、触媒効率の良い燃料電池を作製することができるものである。
請求項１４の発明は、触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であるので、触媒の単位重量当たりの表面積が非常に大きい、触媒効率の良い出力特性に優れた燃料電池を作製することができるものである。
請求項１５の発明は、前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率を３０〜７０重量％にすることにより、触媒効率および出力特性に優れた燃料電池を作製することができるものである。（図１１参照）
図１は、本発明のガスセパレータ２０１によってＭＥＡ１００を挟持している様子を模式的に示した断面図である。
本発明のガスセパレータ２０１は、燃料電池装置を組み立てる際に掛かるガスセパレータの厚さ方向への負荷により、セパレータが反ったり、破壊（図２（ｂ）参照）するのを防止するため、凸状リブが図１に示すように形成されている。
即ち、ガスセパレータ２０１の厚さ方向から見た場合に、ガスセパレータ２０１の表面の凸状リブ先端面と、ガスセパレータ２０１の裏面の凸状リブ先端面とが、オーバーラップするように形成されている。
また、本発明のガスセパレータ２０１は、ガスセパレータのリブ先端がＭＥＡを突き破る（図２（ａ）参照）のを防止するため、ＭＥＡ１００を挟んで対峙するガスセパレータ２０１の凸状リブどうしが図１に示すように配置されている。
即ち、ガスセパレータ２０１の厚さ方向から見た場合に、ＭＥＡ１００を挟んで対峙するガスセパレータ２０１の凸状リブ先端面どうしがオーバーラップするように形成されている。
図８は、本発明のガスセパレータの表面の外形輪郭線の模式図である。
また、図９は、本発明のガスセパレータの裏面の外形輪郭線の模式図である。
また、図４（ｈ）は、ガスセパレータの表面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の凹部と、ガスセパレータの裏面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の凹部が、ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、重なっていないことを説明するための図である。
また、図９は、本発明のガスセパレータの裏面の外形輪郭線の模式図である。
また、図４（ｈ）は、ガスセパレータの表面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の凹部と、ガスセパレータの裏面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の凹部が、ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、重なっていないことを説明するための図である。
本発明のガスセパレータの外形輪郭線は、金属板からガスセパレータを抜き取る際に掛かる負荷により、ガスセパレータに塑性歪みや残留応力起因の反りを発生させず、また、金属板からガスセパレータを抜き出し易くするために形成されており、ガスセパレータの外形輪郭線のコーナーには貫通孔６００、および、ガスセパレータの外形輪郭線のコーナー以外には破線状のハーフエッチ６０１が図８、図９に示すように形成されている。
ガスセパレータの作製方法を、図３、図４、図６、図７、図８および図９を基に説明する。
まず、金属板２００に付着している異物等を洗浄し、その後、金属板２００とフォトレジスト膜１との密着性を上げるために、強酸を用いて金属板２００を整面する。（図３（ａ）、図４（ａ）参照）
洗浄法としては、６５〜７５℃に加温したアルカリ脱脂液に金属板２００を浸漬する方法を用いることができる。
強酸としては、希硫酸、希硝酸または希塩酸などを用いることができる。
整面の方法としては、５５〜６５℃に加温した強酸にアルカリ脱脂した金属板２００を浸漬し、その後、水洗し、その後、乾燥する方法を用いることができる。
金属板２００の材料としては、厚さ０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍのＮｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金を用いることができる。
Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅＮｉ基合金の熱膨張率係数は低い（熱膨張率係数＝０．９〜１．０×１０−６／℃）（０℃〜２００℃の範囲）（図１０参照）ので、燃料電池作動温度（固体高分子型燃料電池、アルカリ型燃料電池、硫酸型燃料電池は７０℃〜１２０℃、リン酸型燃料電池は１７０℃〜２００℃）による熱膨張起因の反りが生じ難い薄型ガスセパレータを作製することができる。
特開２００２−１５１０９７号公報によると、通常、燃料電池用ガスセパレーターは２００〜３００μｍ程度の板厚のステンレス等の薄金属板で構成され、薄金属板には、多数の微小高さ（約０．５〜１．０ｍｍ）の突条又は突起が略全面に亙って形成されているとの記載がある。
本発明のガスセパレータは厚さ０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍである。
本発明により、通常のガスセパレータの凡そ半分程度の厚さに薄型化されたガスセパレータを作製することができる。
本発明のガスセパレータは厚さ０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍである。
本発明により、通常のガスセパレータの凡そ半分程度の厚さに薄型化されたガスセパレータを作製することができる。
次に、金属板２００の表裏両面にフォトレジスト膜１を形成する。（図３（ｂ）、図４（ｂ）参照）
フォトレジスト膜１の材料としては、カゼインと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性感光性樹脂を用いることができる。
水溶性感光性樹脂は、粘度が１０ｃｐｓから９００ｃｐｓの物を用いることができ、好ましくは２０〜６００ｃｐｓの物を用いることができる。
粘度１０ｃｐｓ未満の水溶性感光性樹脂を用いると、加工中に金属板が振動した場合に、水溶性感光性樹脂の塗布ムラが発生し易い。
また、粘度９００ｃｐｓを超える水溶性感光性樹脂を用いると、固形分が高くなり過ぎ、膜厚のコントロールが困難となる。
粘度１０ｃｐｓ未満の水溶性感光性樹脂を用いると、加工中に金属板が振動した場合に、水溶性感光性樹脂の塗布ムラが発生し易い。
また、粘度９００ｃｐｓを超える水溶性感光性樹脂を用いると、固形分が高くなり過ぎ、膜厚のコントロールが困難となる。
フォトレジスト膜１の形成方法としては、金属板の巾方向が鉛直方向になるように搬送しながら上方部からフォトレジスト材料を金属板の表裏両面に掛け流し、その後、乾燥するフロー法、または、金属板をフォトレジスト材料に浸漬し、その後、乾燥する浸漬法などを用いることができる。
フォトレジスト膜１の厚さは、６μｍ〜３０μｍを用いることができ、好ましくは、７〜８μｍを用いることができる。
次に、ガスセパレータの凸状リブおよび外形輪郭線形成用の遮光部２を有するパターン形成用マスク３を、フォトレジスト膜１上に密着させる。（図３（ｃ）、図４（ｃ）参照）
ガスセパレータの外形輪郭線パターンとしては、長さ３５０μｍ〜４５０μｍ、巾４５〜５５μｍの長方形がピッチ９５０μｍ〜１０５０μｍで破線状に並んでいるハーフエッチング状態の凹部（６０１）形成用パターン５０１を用いることができる。（図６、図７、図８、図９参照）
ガスセパレータの外形輪郭線のコーナーに対応する部分がエッチングにより貫通孔６００となるよう、ガスセパレータ表面パターン形成用マスクとガスセパレータ裏面パターン形成用マスク両方の相対する位置に貫通孔形成用パターン５００を設けることができる。（図６、図７、図８、図９参照）
ガスセパレータの外形輪郭線のコーナー部に対応しない部分（ハーフエッチング状態の凹部６０１）がエッチングにより貫通孔でなくハーフエッチとなるように、金属板２００の厚さ方向から見た場合に、ガスセパレータ表面パターン形成用マスクとガスセパレータ裏面パターン形成用マスクの遮光部２は交互になるようにパターン形成用マスク３を作製する。
次に、フォトレジスト膜１を露光硬化させて、水性溶媒に対して不溶化である水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´を形成する。（図３（ｄ）および（ｅ）、図４（ｄ）および（ｅ）参照）
露光硬化する方法としては、出力２．５〜３．５ｋＷの超高圧水銀灯を用いて、パターン形成用マスク３を介して、フォトレジストに１５００〜１７００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線を照射する方法を用いることができる。
次に、露光されていない未硬化のフォトレジスト膜１を現像して除去する。（図３（ｆ）、図４（ｆ）参照）
現像する方法としては、未硬化のフォトレジスト膜１を水性溶媒等にて０．０５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレー現像して除去する方法を用いることができる。
スプレーの圧力が０．０５ＭＰａより小さいと、未硬化のフォトレジスト膜１が完全に除去しきれないことが懸念される。
スプレーの圧力が０．３５ＭＰａより大きいと、金属板２００が変形することが懸念される。
スプレーの圧力が０．０５ＭＰａより小さいと、未硬化のフォトレジスト膜１が完全に除去しきれないことが懸念される。
スプレーの圧力が０．３５ＭＰａより大きいと、金属板２００が変形することが懸念される。
次に、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）の硬膜処理を行う。
硬膜処理法としては、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）に対して、３０℃〜４０℃下で、濃度３０〜４０ｇ／リットルの無水クロム酸溶液を０．０５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレーし、その後、１４５〜１５５℃の雰囲気中において１．５〜２．５分間乾燥し、その後、１８０〜２２０℃の雰囲気中において１〜２分間ベーキングする方法を用いることができる。
硬膜処理が不十分であった場合、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）の耐エッチング性および金属板２００への密着性が悪くなり、次工程のエッチング処理において、ガスセパレータ２０１の形状不良が生じることが懸念される。
水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）の耐エッチング性が悪くなることで、エッチング中にエッチング液が水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）中に浸透し金属板２００に接触することで、金属板２００に不要なエッチングが入り、ガスセパレータ２０１に形状不良やピンホールが発生する場合がある。
また、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）の金属板２００への密着性が悪くなることで、エッチング中に水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）が金属板２００から剥がれ、剥がれた水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）が他の部位の金属板２００に付着し、その部分のエッチングを阻害することが懸念される。
次に、ガスセパレータのガス流路６０２および外形輪郭線をエッチングにより形成する。（図３（ｇ）、図４（ｇ）、図８、図９参照）
エッチングの方法としては、金属板２００に、７０℃〜８０℃下において、比重１．５１０〜１．５１５の塩化第二鉄を０．２５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレーし、その後、水洗する方法を用いることができる。
最後に、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１´（紫外線硬化したフォトレジスト層）を剥膜して、その後、ガスセパレータの外形輪郭線の貫通孔６００を切欠として手で金属板から外形輪郭線以内の部分を抜き出しガスセパレータを得る。（図３（ｈ）、図４（ｈ）、図８、図９参照）
剥膜の方法としては、液温７０℃〜９０℃、２５〜３５重量％のＮａＯＨ水溶液を０．０５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレーし、その後、水洗し、その後、乾燥する方法を用いることができる。
本発明の燃料電池の製造方法の一例を、図５を基に説明する。
まず、ガス拡散材１１上に触媒層１２を形成することにより、電極１０を形成する。（図５（ａ）参照）
ガス拡散材１１の材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。
触媒層１２の材料としては、プロトン伝導性物質であるスルホン基含有パーフルオロカーボン、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド等、および、電子伝導性物質である二酸化珪素、炭素等、および、触媒である金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムを用いることができる。
触媒層１２の製造方法としては、触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を、ＩＰＡやＮＰＡ等のアルコール、および、水に溶解して触媒インクを生成した後、触媒インクをガス拡散材１１上に、バーコート、スプレー、または、スクリーン印刷する方法を用いることができる。
電子伝導性物質の触媒の担持率は、３０〜７０重量％の範囲にすることが好ましい。
次に、２組の電極１０の触媒層１２どうしを向かい合わせにして、電解質膜２０を挟み込み熱圧着して、ＭＥＡ１００を形成する。（図５（ｃ）参照）
電解質膜２０の材料としては、スルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンを用いることができる。
熱圧着に際する加熱温度としては、触媒層１２および電解質膜２０の樹脂の軟化温度やガラス転位温度を超える温度を用いることができる。
触媒層１２および電解質膜２０の樹脂がスルホン酸基含有パーフルオロカーボンの場合は、温度１００℃〜３００℃、圧力１ＭＰａ〜１５ＭＰａ、時間５秒〜４００秒の熱圧着条件を用いることができる。
触媒層１２および電解質膜２０の樹脂がスルホン酸基含有パーフルオロカーボンの場合は、温度１００℃〜３００℃、圧力１ＭＰａ〜１５ＭＰａ、時間５秒〜４００秒の熱圧着条件を用いることができる。
最後に、ガスセパレータ２０１を介してＭＥＡ２０を複数個積層し、その後、両端に、片面のガス流路６０２をエッチングしないこと以外はガスセパレータ２０１と同様に作製したガスセパレータ２１１を、凸状リブ先端面がＭＥＡ１００と接するように配置し、ロッドで締結して燃料電池を得る。（図５（ｄ）参照）
ロッドで締結する際の圧力は、ＭＥＡ１００の厚さ方向に対して、面圧１〜２ｋｇ／ｃｍ２とすることが好ましい。
＜ガスセパレータの作製＞
まず、Ｎｉが３５．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなる厚さが０．２４ｍｍのＦｅＮｉ基合金板を、７０℃に加温したアルカリ脱脂液（ヘンケルジャパン社製、ペルシーＬＫ）７％水溶液に２分間浸漬し、ＦｅＮｉ基合金板表面の防錆油およびその他異物を除去した。
まず、Ｎｉが３５．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなる厚さが０．２４ｍｍのＦｅＮｉ基合金板を、７０℃に加温したアルカリ脱脂液（ヘンケルジャパン社製、ペルシーＬＫ）７％水溶液に２分間浸漬し、ＦｅＮｉ基合金板表面の防錆油およびその他異物を除去した。
次に、ＦｅＮｉ基合金板を６０℃に加温した０．１Ｎの希硫酸に１分間浸漬し、その後、水洗し、その後、乾燥してＦｅＮｉ基合金板を整面した。
次に、水１００重量部、カゼイン１２．６重量部、重クロム酸アンモニウム０．５重量部から成る、粘度５００ｃｐｓのフォトレジストを調整した。
次に、５０℃下において、フォトレジストにＦｅＮｉ基合金板を浸漬し、その後、乾燥して、厚さ７．６〜８．４μｍのフォトレジスト膜を形成した。
次に、長さ４００μｍ×巾５０μｍの長方形が１０００μｍピッチで、１辺が１０ｃｍの正方矩形状に並んでいる破線で形成されたハーフエッチング状態の凹部形成用パターン
と、
ハーフエッチング状態の凹部形成用パターンの集合により形成された１辺が１０ｃｍの正方矩形のコーナーに形成された１０ｍｍ角の貫通孔形成用パターンと、
ハーフエッチング状態の凹部形成用パターンの内側に形成された、長さ１０ｃｍ×巾６０μｍの長方形が５００μｍピッチで平行に並んでいるガス流路形成用パターンが遮光部となっているガスセパレータ表面形成用マスクを作製した。（図６参照）
と、
ハーフエッチング状態の凹部形成用パターンの集合により形成された１辺が１０ｃｍの正方矩形のコーナーに形成された１０ｍｍ角の貫通孔形成用パターンと、
ハーフエッチング状態の凹部形成用パターンの内側に形成された、長さ１０ｃｍ×巾６０μｍの長方形が５００μｍピッチで平行に並んでいるガス流路形成用パターンが遮光部となっているガスセパレータ表面形成用マスクを作製した。（図６参照）
次に、マスクの厚さ方向から見た場合に、ガスセパレータ表面形成用マスクと破線部の遮光部が交互になるようなパターンを有するガスセパレータ裏面形成用マスクを作製した。（図７参照）
次に、ＦｅＮｉ基合金板上に形成されたフォトレジスト膜にガスセパレータ表面形成用マスクおよびガスセパレータ裏面形成用マスクを真空密着させ、フォトレジスト膜から１ｍの距離に配置した出力３ｋＷの超高圧水銀ランプを用いて、フォトレジスト膜に対して１６００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線を照射し、フォトレジスト膜を露光した。
次に、液温３５℃の水を０．１ＭＰａの圧力で９０秒間スプレーして、現像を行った。
次に、液温２５℃、濃度３２ｇ／リットルの無水クロム酸溶液を０．０５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレーし、その後、１５０℃下で２分間乾燥し、その後、２００℃下で１．５分間バーニングし、水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）を硬膜処理した。
次に、水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）から約３００ｍｍの位置に配置したノズルより、液温７５℃、比重１．５１２の塩化第二鉄を０．３ＭＰａの圧力で噴射し、その後、水洗することにより、ＦｅＮｉ基合金のエッチングを行った。
最後に、水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）に対して、液温８０℃、３０重量％のＮａＯＨ水溶液を０．２ＭＰａの圧力で３分間スプレーすることにより、水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）を剥膜し、その後、水洗し、その後、乾燥し、その後、ＦｅＮｉ基合金板からガスレパレータを抜き取ることにより、ガスセパレータを得た。
ガスセパレータ表面の外形輪郭線および凹部の形状は、図８に示すように、ガスセパレータの外形輪郭線となるハーフエッチング状態の破線部が長径４７６μｍ、短径８１μｍ、深さ８２μｍ、ピッチ１０００μｍの長円形、また、ガスセパレータの外形輪郭線のコーナー部が開口径１２．１ｍｍの貫通孔、また、外形輪郭線以外のガス流路である凹部が長さ１０．００３１ｃｍ、巾９７μｍ、深さ９１μｍ、ピッチ５００μｍの略長方形であった。
ガスセパレータ裏面の外形輪郭線および凹部の形状は、図９に示すように、ガスセパレータの外形輪郭線となるハーフエッチング状態の破線部が長径４７６μｍ、短径８１μｍ、深さ８２μｍ、ピッチ１０００μｍの長円形、また、ガスセパレータの外形輪郭線のコーナー部が開口径１２．１ｍｍの貫通孔、また、外形輪郭線以外のガス流路である凹部が長さ１０．００３１ｃｍ、巾９７μｍ、深さ９１μｍ、ピッチ５００μｍの略長方形であった。
ガスセパレータ表面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の破線部と、ガスセパレータ表面の外形輪郭線のハーフエッチング状態の破線部は、ガスセパレータの厚み方向から見て、重なっていなかった。
次に、ガスセパレータを燃料電池の動作温度である８０℃に昇温した後、平板に載置し、平板からもっとも離れた箇所と平板との垂直距離をレーザ変位計で測定し、その測定値からセパレータの厚さを差し引いた値を反り量とした。
セパレータの反り量は０．９μｍであった。
セパレータの反り量は０．９μｍであった。
＜燃料電池の作製＞
まず、厚さ１１０μｍのカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０３０）を１１０ｍｍ×１１０ｍｍのサイズにカットした。
次に、カットしたカーボンペーパーに付着したゴミを、エアーガンを用いて除去した後、スクリーン印刷機にセットした。
次に、カーボン（米国Ｃａｂｏｔ社製、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）に平均粒径が３ｎｍの白金が５０ｗｔ％担持された白金担持カーボン（田中貴金属社製）７．１ｗｔ％、スルホン基含有パーフルオロカーボン（デュポン社製）３．５ｗｔ％、溶媒（１−プロパノ−ル：２−プロパノール＝１：１）８９．４ｗｔ％を混合し、その後、周波数４０ｋＨで１５分間超音波撹拌し、触媒インクを調整した。
触媒インクの粘度は、２５℃下において３００ｍＰａＳであった。
触媒インクの粘度は、２５℃下において３００ｍＰａＳであった。
次に、調整した触媒インクを２５０メッシュ×線径０．０５ｍｍのスクリーン上に載せた。
次に、スキージ圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、スキージ速度１００ｍｍ／秒、スクリーンとカット済みのカーボンペーパーのクリアランスが２．５ｍｍの条件にて、触媒インクをカット済みのカーボンペーパー上に押し出し（スクリーン印刷）、その後、窒素雰囲気中において１２０℃下で１時間の熱処理を施した後、３０分間放冷し、電極（燃料極）および電極（空気極）を作製した。
次に、スキージ圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、スキージ速度１００ｍｍ／秒、スクリーンとカット済みのカーボンペーパーのクリアランスが２．５ｍｍの条件にて、触媒インクをカット済みのカーボンペーパー上に押し出し（スクリーン印刷）、その後、窒素雰囲気中において１２０℃下で１時間の熱処理を施した後、３０分間放冷し、電極（燃料極）および電極（空気極）を作製した。
次に、電極（燃料極）および電極（空気極）の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、温度１３０℃、圧力３ＭＰａの条件の基、２００秒間熱圧着してＭＥＡを作製した。
最後に、ＦｅＮｉ基合金板の表裏面にエッチングによって形成された凸状リブを持つガスセパレータを介して、ＭＥＡを３体積層し、その後、両端に、片面のガス流路をエッチングしないこと以外は本発明のガスセパレータと同様に作製したガスセパレータを、凸状リブ先端面がＭＥＡと接するように配置し、その後、ＭＥＡの厚さ方向に対して、面圧１．５ｋｇ／ｃｍ２にてロッドで締結して燃料電池を得た。
次に、燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース（ソーラトロン社製ＳＩ−１２８７）、周波数応答アナライザー（ソーラトロン社製ＳＩ−１２６０）、電子負荷器（スクリブナー社製８９０ＣＬ）が用いられている燃料電池測定システムＧＦＴ−ＳＧ１（株式会社東陽テクニカ製）を用いて、以下のように測定した。
まず、上記の燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、４０℃、相対湿度１００％の条件にて１０時間保管した。
この間、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で、燃料電池には１Ａ／ｃｍ２の直流電流を発電モードで流し続けた。
この間、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で、燃料電池には１Ａ／ｃｍ２の直流電流を発電モードで流し続けた。
次に、セル温度を８０℃、アノード加湿器温度を８０℃、カソード加湿器温度を８０℃、配管温度を１２０℃、アノードの改質ガス（燃料ガス）（Ｈ２：ＣＯ２：Ｈ２Ｏ＝７２：１８：１０）流量を０．３リットル／分、カソードの酸素ガス流量を１．０リットル／分の条件で燃料電池の出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９１Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９１Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．８μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．８μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９２Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９２Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．５％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．９μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．９μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９１Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９１Ｗ／ｃｍ２であった。
厚さが０．３０ｍｍのＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．７μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．７μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９３Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９３Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．６μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．６μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９４Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９４Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．５％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９３Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９３Ｗ／ｃｍ２であった。
厚さが０．３６ｍｍのＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９６Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９６Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．４μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．４μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９７Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９７Ｗ／ｃｍ２であった。
Ｎｉの含有率が３６．５％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
ガスセパレータの反り量は０．５μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．９６Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．９６Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例１＞
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は２．０μｍであった。
ガスセパレータの反り量は２．０μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８２Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８２Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例２＞
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は１．９μｍであった。
ガスセパレータの反り量は１．９μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８３Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８３Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例３＞
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は１．８μｍであった。
ガスセパレータの反り量は１．８μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８４Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８４Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例４＞
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例４と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は１．７μｍであった。
ガスセパレータの反り量は１．７μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８５Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８５Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例５＞
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が３０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は１．６μｍであった。
ガスセパレータの反り量は１．６μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８６Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８６Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例６＞
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
Ｎｉの含有率が４０．０％（ｍａｓｓ％）のＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例７と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は１．５μｍであった。
ガスセパレータの反り量は１．５μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．８７Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．８７Ｗ／ｃｍ２であった。
＜比較例７＞
厚さが０．１５ｍｍのＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
厚さが０．１５ｍｍのＦｅ−Ｎｉ基合金板を用いた以外は、実施例１と同様にガスセパレータを作製した。
次に、実施例１と同様にガスセパレータの反り量を測定した。
ガスセパレータの反り量は２．２μｍであった。
ガスセパレータの反り量は２．２μｍであった。
次に、実施例１と同様に燃料電池を作製し、出力を測定した。
燃料電池の出力は、０．７９Ｗ／ｃｍ２であった。
燃料電池の出力は、０．７９Ｗ／ｃｍ２であった。
本発明のガスセパレータは反りが殆ど無く、また、本発明のガスセパレータを用いた燃料電池は良好な出力特性を持つことが確認された。
また、エチッング中のＦｅＮｉ基合金板からのガスセパレータの抜け落ちは無かった。
また、ＦｅＮｉ基合金板からのガスセパレータの抜き出しは容易に行え、抜き出しに際してのガスセパレータの変形は確認されなかった。
また、ＦｅＮｉ基合金板からのガスセパレータの抜き出しは容易に行え、抜き出しに際してのガスセパレータの変形は確認されなかった。
本発明の、ガスセパレータおよびそれを用いた燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に用いる固体高分子型燃料電池、アルカリ型燃料電池、硫酸型燃料電池ＰＡＦＣ、リン酸型燃料電池に利用できる。
１・・・・・フォトレジスト膜（未硬化）
１´・・・・水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）
２・・・・・遮光部
３・・・・・パターン形成用マスク
１０・・・・電極
１１・・・・ガス拡散材
１２・・・・触媒層
２０・・・・電解質膜
１００・・・ＭＥＡ（本発明）
１０１・・・ＭＥＡ（本発明以外）
２００・・・金属板
２０１・・・ガスセパレータ（本発明）（ガス流路部分断面図）
２０２・・・ガスセパレータ（本発明）（外形輪郭線部分断面図）
２１１・・・片面のガス流路をエッチングしないこと以外はガスセパレータ２０１と同様に作製したガスセパレータ
３０１・・・ガスセパレータ（本発明以外）
４０１・・・ガスセパレータ（本発明以外）
５００・・・貫通孔形成用パターン
５０１・・・ハーフエッチング状態の凹部（６０１）形成用パターン
５０２・・・ガス流路形成用パターン
６００・・・貫通孔
６０１・・・ハーフエッチング状態の凹部
６０２・・・ガスセパレータのガス流路
１´・・・・水性溶媒不溶化フォトレジスト層（紫外線硬化したフォトレジスト層）
２・・・・・遮光部
３・・・・・パターン形成用マスク
１０・・・・電極
１１・・・・ガス拡散材
１２・・・・触媒層
２０・・・・電解質膜
１００・・・ＭＥＡ（本発明）
１０１・・・ＭＥＡ（本発明以外）
２００・・・金属板
２０１・・・ガスセパレータ（本発明）（ガス流路部分断面図）
２０２・・・ガスセパレータ（本発明）（外形輪郭線部分断面図）
２１１・・・片面のガス流路をエッチングしないこと以外はガスセパレータ２０１と同様に作製したガスセパレータ
３０１・・・ガスセパレータ（本発明以外）
４０１・・・ガスセパレータ（本発明以外）
５００・・・貫通孔形成用パターン
５０１・・・ハーフエッチング状態の凹部（６０１）形成用パターン
５０２・・・ガス流路形成用パターン
６００・・・貫通孔
６０１・・・ハーフエッチング状態の凹部
６０２・・・ガスセパレータのガス流路
Claims (15)
- 電解質膜を介して燃料極および酸化剤極が相対向する膜電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を成すための複数の凸状リブが平行に設けられたガスセパレータを介して、複数個積層した燃料電池であって、
前記ガスセパレータの厚さ方向から見た場合に、前記ガスセパレータの表面と裏面の凸状リブ先端面がオーバーラップするように形成されており、
また、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）を介して向かい合う前記ガスセパレータ各々の凸状リブ先端どうしが正面で向き合い、それぞれの凸状リブ先端と前記膜電極接合体（ＭＥＡ）との接触面どうしが、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）の厚さ方向から見た場合に、オーバーラップするように形成されており、
前記ガスセパレータが、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金からなり、
前記ガスセパレータの厚さが０．２４ｍｍ〜０．３６ｍｍであることを特徴とする燃料電池。 - 所定パターンに従って一部金属面を露出させているレジスト膜が積層されている金属板をエッチングして、金属露出部分に凹部および貫通孔を形成するエッチング工程を有するガスセパレータの製造方法において、
前記金属板上に形成される前記ガスセパレータの外形輪郭線を、貫通孔、および、前記金属板の表裏面にハーフエッチング状態にて表面と裏面で交互になるような破線として形成することを特徴とするガスセパレータの製造方法。 - 前記金属板が、Ｎｉが３５．５〜３６．５％（ｍａｓｓ％）含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるＦｅＮｉ基合金からなることを特徴とする請求項２に記載のガスセパレータの製造方法。
- 前記レジスト膜が、カゼインと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性の感光性樹脂であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガスセパレータの製造方法。
- 前記電解質膜が、スルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記燃料極および前記酸化剤極が、ガス拡散材上に触媒層を形成してなることを特徴とする請求項１または請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
- 前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、または、カーボンクロスであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
- 前記触媒層が、前記電解質膜と接触していることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記触媒層が、触媒を担持した電子伝導性物質、および、プロトン伝導性物質からなることを特徴とする請求項６乃至請求項９に記載の燃料電池。
- 前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
- 前記プロトン伝導性物質が、スルホン酸基含有パーフルオロカーボン、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池。
- 前記触媒が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＯｓおよびＩｒから選ばれた１種または２種以上の貴金属からなることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記触媒の平均粒径（体積平均粒径（Ｄｖ））が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が３０〜７０重量％であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006042132A JP2007220583A (ja) | 2006-02-20 | 2006-02-20 | 燃料電池およびガスセパレータの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006042132A JP2007220583A (ja) | 2006-02-20 | 2006-02-20 | 燃料電池およびガスセパレータの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007220583A true JP2007220583A (ja) | 2007-08-30 |
Family
ID=38497612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006042132A Pending JP2007220583A (ja) | 2006-02-20 | 2006-02-20 | 燃料電池およびガスセパレータの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2007220583A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012074140A (ja) * | 2010-09-27 | 2012-04-12 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法 |
| JP2012074141A (ja) * | 2010-09-27 | 2012-04-12 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法 |
| CN110400942A (zh) * | 2018-04-24 | 2019-11-01 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池以及燃料电池用隔板的制造方法 |
| CN112349924A (zh) * | 2020-09-21 | 2021-02-09 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种带气液分配流场的导电分隔板的蚀刻加工方法 |
-
2006
- 2006-02-20 JP JP2006042132A patent/JP2007220583A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
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| CN112349924A (zh) * | 2020-09-21 | 2021-02-09 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种带气液分配流场的导电分隔板的蚀刻加工方法 |
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