JP2007280674A - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】割れ難く、薄型で、ガス流動性の優れた、金属板にエッチング加工を施してガス流路を形成した燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供すること。
【解決手段】ガス流路２が設けられた、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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなる燃料電池用セパレータ１’であって、前記ガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）を０．８０μｍ以下とし、前記ガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）を１２．０以下とすること。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータのガス流路部分を平滑にする処理方法、および、それを用いて作製した燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関するものである。

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、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；Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
酸化剤極；４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ （２）

セパレータの役割は、燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させずにＭＥＡに供給する事、および、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事である。

このため、セパレータには、ガスバリア性、電気伝導性が要求されている。

セパレータとしては、ガスバリア性、電気伝導性を併せ持つカーボン製セパレータが汎用らされている。

しかし、カーボンは脆いため、振動の多い用途、例えば、自動車等の車両に搭載する燃料電池において、割れの発生が懸念される。

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、射出成形法により作製したセパレータを用いる試みがなされている。（特許文献１参照）

しかし、このようにして得られる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、燃料電池の薄型化を実現するために、金属板にエッチング加工を施して溝状のガス通路を形成したセパレータを用いる試みがなされている。（特許文献２参照）

特開２００５−１００９３３号公報 特開平４−２６７０６２号公報

しかしながら、金属板にエッチング加工を施してガス通路を形成する場合、ガス流路を大きくするためにはエッチング加工時間を長く掛けねばならない。
生産性の観点から、ガス流路を大きくできず、ガス流量が制限され易いという問題が起こっている。

本発明の課題は、割れ難く、薄型で、ガス流動性の優れた、金属板にエッチング加工を施してガス通路を形成した燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、ガス流路が設けられた、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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなる燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）が、０．８０μｍ以下であり、
前記ガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）が、１２．０以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。

請求項２に記載の発明は、金属板の表面に感光性樹脂層を形成する感光性樹脂層形成工程と、
前記感光性樹脂層に密着させたパターン形成用マスクを介して前記感光性樹脂層を露光する感光性樹脂層露光工程と、
前記感光性樹脂層を現像することにより、前記パターン形成用マスクのパターンに従って前記感光性樹脂層に開口部を設ける感光性樹脂層現像工程と、
前記感光性樹脂層の露光部を硬膜処理することにより、耐エッチング樹脂層を形成する硬膜処理工程と、
前記感光性樹脂層現像工程において現像しきれず前記ガス流路に残留した現像残渣を酸化溶解させる酸化溶解工程と、
前記開口部より露出した金属部位にエッチングを行うエッチング工程と、
前記耐エッチング樹脂層を剥膜する耐エッチング樹脂層剥膜工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記酸化溶解工程が、前記耐エッチング樹脂層および前記現像残渣を、アルカリ金属水酸化物を含む過マンガン酸アルカリ金属塩溶液に浸漬し、前記現像残渣を酸化溶解した後、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を含浸した耐エッチング樹脂層を蓚酸に接触させることにより、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を還元中和して前記酸化溶解（反応）を停止させる工程であることを特徴とする燃料電池用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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記感光性樹脂層が、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層であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。

請求項５に記載の発明は、電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを設けたことを特徴とする燃料電池である。

請求項６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５に記載の燃料電池である。

請求項７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５または請求項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７または請求項８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７乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池である。

請求項１１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７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池である。

請求項１２に記載の発明は、前記電子伝導性物質に対する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７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１３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５乃至請求項１２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、前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池である。

請求項１の発明は、ガス流路が設けられた、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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなる燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）を０．８０μｍ以下とし、
前記ガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）を１２．０以下とすることにより、割れ難く、薄型で、ガス流動性の優れた燃料電池用セパレータを提供することができるものである。

また、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基合金の熱膨張は非常に少ない（平均熱膨張係数＝０．９〜１．０×１０^−６／℃）（０℃〜２００℃の範囲）ので、燃料電池の動作温度起因のセパレータの変形が発生し難い。

セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）は、０．８０μｍ以下であることが好ましい。

金属板にエッチング加工を施してガス通路を形成したセパレータのように、ガス通路の深度が浅い場合には、ガス通路の表面平滑性がガスの流動性に大きく影響する。

また、セパレータのガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）が、１２．０以下であることが好ましい。
Ｒｚ／Ｒａの値が１２．０を超えるとセパレータのガス流路表面に粗大突起が目立つようになり、セパレータのガス流動性が悪くなる。

請求項２の発明は、金属板の表面に感光性樹脂層を形成する感光性樹脂層形成工程と、
前記感光性樹脂層に密着させたパターン形成用マスクを介して前記感光性樹脂層を露光する感光性樹脂層露光工程と、
前記感光性樹脂層を現像することにより、前記パターン形成用マスクのパターンに従って前記感光性樹脂層に開口部を設ける感光性樹脂層現像工程と、
前記感光性樹脂層の露光部を硬膜処理することにより、耐エッチング樹脂層を形成する硬膜処理工程と、
前記感光性樹脂層現像工程において現像しきれず前記ガス流路に残留した現像残渣を酸化溶解させる酸化溶解工程と、
前記開口部より露出した金属部位にエッチングを行うエッチング工程と、
前記耐エッチング樹脂層を剥膜する耐エッチング樹脂層剥膜工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記酸化溶解工程を、前記耐エッチング樹脂層および前記現像残渣を、アルカリ金属水酸化物を含む過マンガン酸アルカリ金属塩溶液に浸漬し、前記現像残渣を酸化溶解した後、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を含浸した耐エッチング樹脂層を蓚酸に接触させ、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を還元中和して前記酸化溶解（反応）を停止する工程とすることにより、現像残渣（エッチング障害物）を除去することができ、よって、セパレータのガス流路表面を均一にエッチングすることができ、よって、ガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）が０．８０μｍ以下であり、ガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）を１２．０以下とした燃料電池用セパレータを製造することができるものである。

請求項４の発明は、前記感光性樹脂層が、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層とすることにより、
Ｆｅ−Ｎｉ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。
Ｆｅ−Ｎｉ基合金以外の金属板、例えば、Ｆｅ−Ｃ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感光性樹脂が用いられているが、この感光性樹脂とＦｅ−Ｎｉ基合金との密着性は悪い。
感光性樹脂とＦｅ−Ｎｉ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、感光性樹脂を水溶性とすることにより、パターン現像の際に（特殊な薬品でなく）水を用いることができる。

請求項５の発明は、電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを設けることにより、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１０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１１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１２の発明は、前記電子伝導性物質に対する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。

請求項１３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で発生した電子を外部回路に伝導することができるものである。

まず、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を、図１を基に説明する。

まず、金属薄板１に付着している異物等を洗浄し、その後、金属薄板１とフォトレジスト膜１０との密着性を上げるために、酸性溶液を用いて金属薄板１を整面する。（図１（ａ）参照）

金属薄板１の材料としては、Ｎｉが３５．５〜３６．５ｗｔ％含有され、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるＦｅ−Ｎｉ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基合金板は、熱膨張が非常に小さい（平均熱膨張係数＝０．９×１０^−６〜１．０×１０^−６／℃）（０℃〜２００℃の範囲）（図３参照）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、薄型で高強度の燃料電池用セパレータを作製する材料としては最適である。

Ｆｅ−Ｎｉ基合金の厚さは、０．０９０ｍｍ〜０．３５０ｍｍが好ましい。
特開２００２−１５１０９７号公報によると、通常、燃料電池用のセパレータは２００〜３００μｍ程度の板厚のＳＵＳ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。
本発明のセパレータは、通常のセパレータの半分以下の厚さである。

洗浄法としては、６５〜７５℃に加温したアルカリ脱脂液に金属薄板１を浸漬する方法を用いることができる。

酸性溶液としては、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℃に加温した酸性溶液に、アルカリ脱脂液で洗浄した金属薄板１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。

次に、金属薄板１の表裏両面にフォトレジスト膜１０を形成する。（図１（ｂ）参照）

フォトレジスト膜１０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。

水溶性感光性樹脂の粘度は、１０〜９００ｃｐｓが好ましく、２０〜６００ｃｐｓであれば更に好ましい。
粘度１０ｃｐｓ未満の水溶性感光性樹脂を用いると、加工中に金属薄板１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は、固形分が多すぎ、フォトレジスト膜１０の膜厚コントロールが困難となる。

フォトレジスト膜１０の形成方法としては、金属薄板１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薄板１の表裏両面に掛け流し、その後、乾燥するフロー法、または、金属薄板１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１０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、セパレータのガス流路および外形輪郭線形成用の遮光部２１を有するパターン形成用マスク２０を、金属薄板１のガス流路および外形輪郭線パターンを形成する面上に存在するフォトレジスト膜１０上に密着させる。（図１（ｃ）参照）

次に、金属薄板１の表裏面上に存在するフォトレジスト膜１０を露光硬化させて、水性溶媒に対して不溶の水性溶媒不溶化フォトレジスト層１０´を形成する。（図１（ｄ）参照）

露光硬化方法としては、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２０を介して、フォトレジスト膜１０に１５００〜１７００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線を照射する方法を用いることができる。

次に、パターン形成用マスク２０を外す。（図１（ｅ）参照）

次に、露光されていない未硬化のフォトレジスト膜１０を現像する。（図１（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１０を水性溶媒等にて０．０５〜０．３５ＭＰａの圧力でスプレー現像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１０の除去に長時間を要する。
また、スプレーの圧力が０．３５ＭＰａより大きいと、金属薄板１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１０´（紫外線硬化したフォトレジスト層）の硬膜処理を行い耐エッチング樹脂層１０´´を形成する。（図１（ｇ）参照）

硬膜処理の方法としては、水性溶媒不溶化フォトレジスト層１０´（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、耐エッチング樹脂層１０´´の耐エッチング性および金属薄板１への密着性が悪くなる。

耐エッチング樹脂層１０´´の耐エッチング性が悪くなることで、エッチング処理中にエッチング液が耐エッチング樹脂層１０´´中に浸透して金属薄板１に接触することにより、金属薄板１に不要なエッチングが入り、セパレータ形状不良が発生する場合がある。

また、耐エッチング樹脂層１０´´の金属薄板１への密着性が悪くなることで、エッチング処理中に耐エッチング樹脂層１０´´が金属薄板１から剥がれ、剥がれた耐エッチング樹脂層１０´´が金属薄板１の他の部位に付着し、その部分のエッチングを阻害する場合がある。

次に、現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣９９９´を除去する。（図１（ｈ）参照）

除去する方法としては、耐エッチング樹脂層１０´´および現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣９９９´を、アルカリ金属水酸化物を含む過マンガン酸アルカリ金属塩溶液に浸漬し、耐エッチング樹脂層１０´´を僅かに酸化溶解すると同時に、現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣９９９´を酸化溶解した後、耐エッチング樹脂層１０´´中に残留した過マンガン酸アルカリ金属塩溶液に蓚酸を接触させることにより、過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を還元中和して前記酸化溶解反応を停止させる方法を用いることができる。

アルカリ金属水酸化物としては、ＮａＯＨを用いることができる。

過マンガン酸アルカリ金属塩溶液中の過マンガン酸の濃度は１０〜１６ｇが好ましい。

蓚酸の濃度は２５〜３５ｇ／リットル、温度は３０〜４０℃が好ましい。

次に、セパレータのガス流路および外形輪郭線をエッチングにより形成する。（図１（ｉ）参照）

エッチングの方法としては、金属薄板１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。

次に、耐エッチング樹脂層１０´´を剥膜して、その後、セパレータの外形輪郭線を切欠として金属薄板１からセパレータの外形輪郭線以内の部分を抜き出して燃料電池用セパレータ１´を得る。（図１（ｊ）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２を基に説明する。

まず、ガス拡散材１０１上に触媒層１０２を形成することにより、電極１００を作製する。（図２（ａ）参照）

ガス拡散材１０１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１０２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種以上の貴金属を用いることができる。

触媒層１０２の形成としては、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１０１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。

触媒と電子伝導性物質は、重量比で１：１〜５０：１の範囲にすることが好ましい。

次に、２組の電極１００の触媒層１０２どうしを向かい合わせにして、電解質膜２００を挟み込み積層して、ＭＥＡ３００を作製する。（図２（ｃ）参照）

電解質膜２００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。

ＭＥＡ３００の製造方法としては、２組の電極１００の触媒層１０２どうしを向かい合わせにして電解質膜２００を挟み、熱圧着する方法を用いることができる。
加熱温度としては、触媒層１０２および電解質膜２００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１０２および電解質膜２００の樹脂がスルホン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、セパレータ１´のガス流路２とＭＥＡ３００が接するように、セパレータ１´をＭＥＡ３００の両側に配置し、セパレータ１´とＭＥＡ３００をボルトとナットで締結して燃料電池を得る。（図２（ｄ）参照）

ボルトとナットで締結する際の圧力は、ＭＥＡ３００の厚さ方向に対して、面圧１〜２ｋｇ／ｃｍ^２とすることが好ましい。

（セパレータの作製）
まず、Ｎｉが３６．０％（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０．１３±０．００４ｍｍのＦｅ−Ｎｉ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、Ｆｅ−Ｎｉ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Ｆｅ−Ｎｉ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Ｆｅ−Ｎｉ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１０．００６ｃｍ×巾６０μｍの長方形パターンを４本組み合わせてなる正方矩形状の外形輪郭線を形成するのに用いるパターンと、このパターンの内側に形成された長さ９．９９４ｃｍ×巾６０μｍの長方形が５００μｍピッチで平行に並んでいるガス流路を形成するのに用いるパターンが遮光部となっているパターン形成用マスク（図４参照）を、Ｆｅ−Ｎｉ基合金板のガス流路および外形輪郭線パターンを形成する面上に存在するフォトレジスト膜に真空密着させ、ＦｅＮｉ基合金板の表裏面上の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／ｃｍ^２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℃の純水を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、Ｆｅ−Ｎｉ基合金板上に耐エッチング樹脂層を形成した。

次に、耐エッチング樹脂層および現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣を、１．１重量％のＮａＯＨを含む濃度１０ｇ／リットルの過マンガン酸カリウム溶液に浸漬し、耐エッチング樹脂層を僅かに酸化溶解すると同時に、現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣を酸化溶解した後、３０ｇ／リットル、液温３５℃の蓚酸溶液に浸漬して過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を還元中和して酸化溶解反応を停止させた。

次に、Ｆｅ−Ｎｉ基合金板から３００ｍｍ離れた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、Ｆｅ−Ｎｉ基合金板のエッチングを行った。

次に、耐エッチング樹脂層に対して、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、耐エッチング樹脂層を剥膜し、その後、水洗し、その後、乾燥し、その後、セパレータの外形輪郭線を切欠としてＦｅＮｉ基合金板からハーフエッチング板を抜き出すことにより、セパレータを得た。

セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）は０．８０μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）は９．６０μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）は１２．０であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、燃料ガス（Ｈ_２：ＣＯ_２：Ｈ_２Ｏ＝８２：８：１０）を流量０．３リットル／分で導入し、その時の燃料ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．０３であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、酸素ガスを流量１．０リットル／分で導入し、その時の酸素ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．０２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４０ｋＨｚで１５分間超音波撹拌することにより、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。

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／ｃｍ^２、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（スクリーン印刷し）、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、セパレータを介して、ＭＥＡを３体積層し、その後、ＭＥＡの厚さ方向に対して、面圧１．５ｋｇ／ｃｍ^２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（東陽テクニカ社製）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／ｃｍ^２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）（Ｈ_２：ＣＯ_２：Ｈ_２Ｏ＝８２：８：１０）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／分の条件において、燃料電池の出力密度を測定した。
燃料電池の出力密度は０．９１Ｗ／ｃｍ^２であり、良好な出力が得られたことを確認した。

過マンガン酸カリウム溶液の濃度を１６ｇ／リットルにした以外は、実施例１と同様にセパレータを作製した。

セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）は０．２９μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）は０．８７μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）は３．００であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、燃料ガス（Ｈ_２：ＣＯ_２：Ｈ_２Ｏ＝８２：８：１０）を流量０．３リットル／分で導入し、その時の燃料ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．０１であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、酸素ガスを流量１．０リットル／分で導入し、その時の酸素ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．０１であった。

次に、実施例１と同様に、燃料電池を作製し、燃料電池の出力密度を測定した。
燃料電池の出力密度は、０．９３Ｗ／ｃｍ^２であった。

＜比較例１＞
現像で除去しきれなかった硬膜処理工程を経た現像残渣を除去しなかった以外は、実施例１と同様にセパレータを作製した。

セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）は１．０２μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）は１６．１μｍであり、セパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）は１６．４であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、燃料ガス（Ｈ_２：ＣＯ_２：Ｈ_２Ｏ＝８２：８：１０）を流量０．３リットル／分で導入し、その時の燃料ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．１２であった。

次に、２つのセパレータのガス流路面を向かい合わせにして、８０℃下において、ガス流路の一方から、酸素ガスを流量１．０リットル／分で導入し、その時の酸素ガスの導入圧力（Ｐｉ）と排出圧力（Ｐｏ）の比（Ｐｉ／Ｐｏ）を確認したところ、（Ｐｉ／Ｐｏ）＝１．０１であった。

次に、実施例１と同様に、燃料電池を作製し、燃料電池の出力密度を測定した。
燃料電池の出力密度は、０．７９Ｗ／ｃｍ^２であった。

酸化溶解加工したセパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）は、酸化溶解加工しなかったセパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）と比較して７９％未満の値となり、極めて小さくなることがわかった。

また、酸化溶解加工したセパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と酸化溶解加工したセパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）は、酸化溶解加工しなかったセパレータのガス流路表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と、酸化溶解加工しなかったセパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）と比較して７４％未満の値となり、極めて小さくなることがわかった。

また、酸化溶解加工したセパレータの方が、酸化溶解加工しなかったセパレータよりも、燃料ガスおよび酸化剤ガスが円滑に流れることが確認できた。

また、酸化溶解加工したセパレータを用いた燃料電池の方が、酸化溶解加工しなかったセパレータを用いた燃料電池よりも、出力密度が１５％以上大きいことが確認できた。

本発明の、燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、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リン酸型、硫酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型燃料電池に利用できる。

本発明のセパレータの形成方法を説明するための断面図である。 本発明の燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。 本発明のセパレータに用いるＦｅ−Ｎｉ基合金のＮｉ含有率と、平均熱膨張係数（０℃〜２００℃）の関係を説明するための図である。 本発明に用いる、パターン形成用マスクを説明するための図である。

符号の説明

１・・・・・・金属薄板
１´・・・・・燃料電池用セパレータ
２・・・・・・ガス流路
１０・・・・・（未硬化の）フォトレジスト膜
１０´・・・・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）
１０´´・・・耐エッチング樹脂層
２０・・・・・パターン形成用マスク
２１・・・・・セパレータのガス流路および外形輪郭線形成用の遮光部
１００・・・・電極
１０１・・・・ガス拡散材
１０２・・・・触媒層
２００・・・・電解質
３００・・・・ＭＥＡ
９９９・・・・現像残渣
９９９´・・・硬膜処理工程を経た現像残渣

Claims (14)

1. ガス流路が設けられた、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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなる燃料電池用セパレータであって、
   前記ガス流路表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）が、０．８０μｍ以下であり、
   前記ガス流路表面の、十点平均粗さ（Ｒｚ）（ＪＩＳＢ０６０１）と中心線平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳＢ０６０１）の比（Ｒｚ／Ｒａ）が、１２．０以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 金属板の表面に感光性樹脂層を形成する感光性樹脂層形成工程と、
   前記感光性樹脂層に密着させたパターン形成用マスクを介して前記感光性樹脂層を露光する感光性樹脂層露光工程と、
   前記感光性樹脂層を現像することにより、前記パターン形成用マスクのパターンに従って前記感光性樹脂層に開口部を設ける感光性樹脂層現像工程と、
   前記感光性樹脂層の露光部を硬膜処理することにより、耐エッチング樹脂層を形成する硬膜処理工程と、
   前記感光性樹脂層現像工程において現像しきれず前記ガス流路に残留した現像残渣を酸化溶解させる酸化溶解工程と、
   前記開口部より露出した金属部位にエッチングを行うエッチング工程と、
   前記耐エッチング樹脂層を剥膜する耐エッチング樹脂層剥膜工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、
   前記酸化溶解工程が、前記耐エッチング樹脂層および前記現像残渣を、アルカリ金属水酸化物を含む過マンガン酸アルカリ金属塩溶液に浸漬し、前記現像残渣を酸化溶解した後、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を含浸した耐エッチング樹脂層を蓚酸に接触させることにより、前記過マンガン酸アルカリ金属塩溶液を還元中和して前記酸化溶解（反応）を停止させる工程であることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 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Ｆｅ−Ｎｉ基合金からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記感光性樹脂層が、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層であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを設けたことを特徴とする燃料電池。
6. 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５に記載の燃料電池。
7. 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５または請求項６に記載の燃料電池。
8. 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７に記載の燃料電池。
9. 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７または請求項８に記載の燃料電池。
10. 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７乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池。
11. 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７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
12. 前記電子伝導性物質に対する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７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
13. 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５乃至請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
14. 前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。