JP2010009810A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】 金属板材２′にエッチング加工を施して所望の形状の金属基体２とする工程と、この金属基体２の少なくともエッチング加工を施した部位３に研磨処理を施して、金属基体２の表面状態を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、平均粗さＲｚが１０μｍ以下とする工程と、金属基体２を被覆するように、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも１種からなる中間層４を形成する工程と、この中間層４上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層５を形成する工程と、を有するものとする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に係り、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、簡単には、外部より燃料（還元剤）と酸素または空気（酸化剤）を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の５種類に分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣとも言う）も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を２種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも言う）が注目されている。

このＰＥＦＣにおいては、固体高分子電解質膜の両側に、空気極（酸素極）、燃料極（水素極）を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造がとられている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、金属基材に導電性の電着塗膜を形成して被覆することにより耐食性を付与した金属セパレータが開発されている（特許文献１、２、３）。
特開２００４−３１１６６号公報 特開２００３−２４９２４０号公報 特開２００４−１９７２２５号公報

このような金属セパレータでは、燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを供給するための流路となる溝部や貫通孔等を金属基材が有している必要がある。このような金属基材の加工をエッチングで行った場合、エッチング加工面は粗面化されて凹凸形状となり、導電性の電着塗料を用いて電着した際に、粗面の凸部で表面電位が高くなり水素の発生量が増大して電着塗料の付き回りが悪くなる。このため、金属基材が電着塗膜で完全に被覆されずに露出することがあり、耐食性の低下を来すという問題があった。このような問題は、金属基材が銅、アルミニウムの場合により多く起こり、特にアルミニウムでは顕著である。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータの製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板材にエッチング加工を施して所望の形状の金属基体とする工程と、該金属基体の少なくとも前記エッチング加工を施した部位に研磨処理を施して、前記加工部位を含む金属基体の表面を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、平均粗さＲｚが１０μｍ以下の状態とする工程と、前記金属基体を被覆するように、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも１種からなる中間層を形成する工程と、該中間層上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層を形成する工程と、を有するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記エッチング加工により、少なくとも一方の面に溝部を有する金属基体を作製するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記エッチング加工により、複数の貫通孔を有する金属基体を作製するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記研磨処理は、化学研磨、電解研磨、および、機械研磨のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記中間層として、同種または異種の材料からなる多層構造の中間層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属板材として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス鋼のいずれかを使用するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料として、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種を使用するような構成とした。

本発明では、金属基体の少なくともエッチング加工を施した部位に研磨処理を施して、金属基体の表面状態を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、平均粗さＲｚが１０μｍ以下とするので、金属基体は中間層、導電性の樹脂層によって被覆され、優れた耐食性と高い強度を具備するセパレータの製造が可能である。また、金属基体と導電性の樹脂層との間に、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも１種からなる中間層を介在させるので、金属基体と樹脂層との接続抵抗が小さく、燃料電池の発電能力向上が可能なセパレータを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータについて説明する。
図１は本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータの一例を示す部分断面図である。図１において、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータ１は、金属基体２と、この金属基体２の両面に形成された溝部３と、金属基体２の両面を被覆するように中間層４を介して電着により形成された樹脂層５とを備えており、樹脂層５は導電材料を含有するものである。金属基体２が有する溝部３は、セパレータ１が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部３の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基体２の一方の面のみに溝部３を備えるものであってもよい。このような溝部３の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基体２の表裏で、溝部３の形状が異なるものであってもよい。

また、図２は本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータの他の例を示す部分断面図である。図２において、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータ１１は、金属基体１２と、この金属基体１２に形成された複数の貫通孔１３と、これらの貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２の両面を被覆するように中間層１４を介して電着により形成された樹脂層１５とを備え、樹脂層１５は導電材料を含有している。金属基体１２が有する貫通孔１３は、セパレータ１１が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔１３の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。

次に、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。
図３は、図１に示されるセパレータ１を例として本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。図３において、金属板材２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト７，７を形成し（図３（Ａ））、このレジスト７，７をマスクとして両面から金属板材２′をエッチングして溝部３，３を形成する（図３（Ｂ））。その後、レジスト７，７を剥離して金属基体２を得る（図３（Ｃ））。
金属板材２′の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス鋼等が挙げられる。
金属板材２′のエッチングに使用するエッチング液は、使用する金属板材２′の材質、加工形状等を考慮して適宜選定することができ、例えば、塩化第二鉄水溶液、硝酸、フッ化アンモニウム、フッ酸、塩化銅、水酸化ナトリウム等を挙げることができる。

次に、金属基体２に研磨処理を施して、溝部３を含む金属基体２の表面状態を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、好ましくは０．１〜１μｍ、平均粗さＲｚが１０μｍ以下、好ましくは０．５〜５μｍとする。ここで、平均粗さＲａは高さの絶対値の算術平均であり、また、平均粗さＲｚは１０点平均粗さであって、最高の山頂から高い順に５番目までの山高さの平均と谷底から深い順に５番目までの谷深さの平均の和である。本発明では、このような平均粗さＲａ、平均粗さＲｚを（株）菱化システム製 ＶｅｒｔＳｃａｎ２．０で測定する。

金属基体２に施す上記の研磨処理は、例えば、化学研磨、電解研磨、機械研磨により行うことができる。平均粗さＲａと平均粗さＲｚのいずれか一方でも上記の範囲を超える場合には、後工程で中間層４が形成されても凹凸形状が残り、その後の電着による導電性の樹脂層５の形成時に、粗面の凸部で表面電位が高くなり水素の発生量が増大して電着液の付き回りが悪くなり、金属基体２と中間層４が、導電性の樹脂層５によって被覆されない部位が生じ耐食性低下を来すおそれがある。
尚、金属基体２のエッチング加工が施された部位を除く表面状態が、上述の条件を満足している場合には、エッチング加工を施した部位のみに研磨処理を施してもよく、例えば、上述のレジスト７，７の剥離を行う前に溝部３のみに研磨処理を施してもよい。

次に、この金属基体２の両面に中間層４を形成する（図３（Ｄ））。この中間層４は、金属基体２に不動態膜あるいは酸化膜が生じることを防止し、また、後工程で形成される樹脂層５と金属基体２との接続抵抗を低減することを目的として形成される。中間層４の形成は、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の真空成膜法、電解めっき法、無電解めっき法等により行うことができ、金属基体２が不動態膜あるいは酸化膜を表面に有する場合には、これらの薄膜を除去した後に行う。また、中間層４の材質は、例えば、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいは、錫ニッケル合金のような上記金属の合金を挙げることができ、これらの１種を単独で使用してもよく、また、２種以上の材料を任意に組み合わせて、例えば、ニッケル／金等のような積層構造としてもよい。形成する中間層４の厚みは、例えば、０．００３〜５μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。中間層４の厚みが０．００３μｍ未満であると、上記のような作用が十分に発現されず、また、厚みが５μｍを超えると、貴金属の使用によるコストアップ要因となったり、生産のサイクルタイムが長くなり好ましくない。

次いで、中間層４上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層５を形成する（図３（Ｅ））。このように形成された樹脂層５は、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなり、厚みは、０．１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍの範囲とすることができる。樹脂層５の厚みが０．１μｍ未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、１００μｍを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。これにより、セパレータ１が得られる。

樹脂層５の形成に用いる電着液を構成するアニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて電着液に添加してもよい。

このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。

樹脂層５に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層５に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の樹脂層５における含有量は、樹脂層５に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、３０〜９０重量％の範囲で設定することができる。

尚、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、ナノテクノロジーの素材として、複合材料、電子デバイス等の種々の分野に適用が期待されているものであり、これらをフィラーとして複合材料に用いた場合には、これらが有する物性を複合材料に付与することができる。例えば、カーボンナノチューブは、導電性、耐酸性、加工性、機械的強度等の面で優れており、フィラーとして複合材料に用いられた場合には、このようなカーボンナノチューブの優れた物性を複合材料に付与することができる。

図４は、図２に示されるセパレータ１１を例として本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための工程図である。図４において、金属板材１２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト１７，１７を形成する（図４（Ａ））。このレジスト１７，１７は複数の開口部を有し、各開口部は金属板材１２′を介して対向するように位置している。次いで、レジスト１７，１７をマスクとして両面から金属板材１２′をエッチングして複数の貫通孔１３を穿設する（図４（Ｂ））。その後、レジスト１７，１７を剥離して金属基体１２を得る（図４（Ｃ））。
金属板材１２′の材質は上述の金属板材２′と同様とすることでき、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス鋼等が挙げられる。

次に、金属基体１２に研磨処理を施して、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２の表面状態を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、好ましくは０．１〜１μｍ、平均粗さＲｚが１０μｍ以下、好ましくは０．５〜５μｍとする。金属基体１２に施す研磨処理は、上述の金属基体２に施す研磨処理と同様にして行うことができる。また、金属基体１２のエッチング加工が施された部位を除く表面状態が、上述の条件を満足している場合には、エッチング加工を施した部位のみに研磨処理を施してもよく、例えば、上述のレジスト１７，１７の剥離を行う前に貫通孔１３の内壁面のみに研磨処理を施してもよい。
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基体１２に中間層１４を形成する（図４（Ｄ））。この中間層１４の形成は、金属基体２が不動態膜あるいは酸化膜を表面に有する場合には、これらの薄膜を除去した後に行う。中間層１４の形成は、上述の中間層４の形成と同様に行うことができる。
次いで、中間層１４上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて樹脂層１５を形成する（図４（Ｅ））。これにより、セパレータ１１が得られる。

このような本発明では、金属基体２，１２の少なくともエッチング加工を施した部位に研磨処理を施して、金属基体２，１２の表面を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、平均粗さＲｚが１０μｍ以下の状態とするので、金属基体２，１２は中間層４，１４、導電性の樹脂層５，１５によって被覆され、優れた耐食性と高い強度を具備するセパレータの製造が可能である。また、金属基体２，１２と導電性の樹脂層５，１５との間に、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも１種からなる中間層４，１４を介在させるので、金属基体２，１２と樹脂層５，１５との接続抵抗が小さく、燃料電池の発電能力向上が可能なセパレータを製造することができる。
上述の燃料電池用セパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

ここで、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図５〜図８を参照して説明する。図５は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図６は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図であり、図７および図８は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図５〜図８において、高分子電解質型燃料電池２１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）３１とセパレータ４１とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
ＭＥＡ３１は、図６に示されるように、高分子電解質膜３２の一方の面に配設された触媒層３３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３４とからなる燃料極（水素極）３５と、高分子電解質膜３２の他方の面に配設された触媒層３６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３７とからなる空気極（酸素極）３８を備えている。

セパレータ４１は、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ａと、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に冷却水用溝部４４ｂを備えたセパレータ４１Ｂと、一方の面に冷却水用溝部４３ｂを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ｃとからなっている。このようなセパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃは、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータであり、その両面に、図１に示されるような中間層４と樹脂層５が形成されているが、図示例では、省略している。

各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと上記の高分子電解質膜３２の所定位置には、２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂ、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂ、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ４１Ａの酸化剤ガス供給用溝部４４ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の空気極（酸素極）３８が当接し、セパレータ４１Ｂの燃料ガス供給用溝部４３ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の燃料極（水素極）３５が当接するように、また、セパレータ４１Ｂの冷却水用溝部４４ｂが形成された面とセパレータ４１Ｃの冷却水用溝部４３ｂが形成された面とが当接するように、各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと単位セルであるＭＥＡ３１が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池２１が構成されている。このように積層された状態で、上記の２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。

また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図９〜図１１を参照して説明する。図９は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図１０は図９に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図であり、図１１は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
図９および図１０に示されるように、高分子電解質型燃料電池５１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）６１とセパレータ７１Ａ，７１Ｂとからなる単位セル５２を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図９では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル５２の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部５５を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部５５のくり抜き部に単位セル５２を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル５２と絶縁部５５とを平面状に設けているものである。

この高分子電解質型燃料電池５１は、絶縁部５５のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部５７ｃを設けている。そして、この表裏接続部５７ｃを、接続配線５７ａを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ７１Ａ（例えば、燃料極側セパレータ）に接続し、また、接続配線５７ｂを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ７１Ｂ（例えば、空気極側セパレータ）に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ａと、他方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ｂには、配線７５，７６が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を４個としているが、単位セルの個数には制限はない。

絶縁部５５は、接続部５７（接続配線５７ａ，５７ｂおよび表裏接続部５７ｃ）で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部５５の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部５５は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部５７の表裏接続部５７ｃとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部５７ｃは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。

また、ＭＥＡ６１は、図１１に示されるように、高分子電解質膜６２の一方の面に配設された触媒層６３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６４とからなる燃料極（水素極）６５と、高分子電解質膜６２の他方の面に配設された触媒層６６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６７とからなる空気極（酸素極）６８を備えている。
セパレータ７１Ａ，７１Ｂは、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造された図２に示されるようなセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基体に中間層を介して導電性の樹脂層を有するものである。

次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２Ｐ）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト（ニチゴー・モートン（株）製）をラミネートして３５μｍ厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により１５秒間照射）、現像（３０℃の２％炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー）してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から４５℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、５０℃の５％炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を備えた金属基体を得た。

次に、上記の金属基体に対して、下記の条件で研磨処理を施した。
（研磨処理条件）
・使用溶液 ： リン酸系水溶液（ライキ（株）製 ピカ１）
・液温 ： ９０℃
・処理時間 ： ６０秒
この研磨処理前後の金属基体の平均粗さＲａと平均粗さＲｚを、溝部内と、その他の部位に分けて（株）菱化システム製 ＶｅｒｔＳｃａｎ２．０を用いて測定し、結果を下記の表１に示した。
次に、上記の金属基体に対して、硝酸水溶液を用いて前処理（不動態膜除去）を施し、水洗した。

次に、上記の金属基体に対して、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層（厚み０．０５μｍ）を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
（亜鉛置換処理の条件）
・使用浴 ： ジンケート浴（メルテックス（株）製 アルモンＥＮ）
・液温 ： ３０℃
・処理時間 ： ２０秒

次いで、亜鉛合金層上に、下記の電解めっき条件で銅めっき層（厚み１μｍ）、金めっき層（厚み０．０５μｍ）を順次積層して、亜鉛／銅／金の３層構造からなる中間層（厚み１．１μｍ）を、溝部を含めた金属基体上に形成した。
（銅電解めっき条件）
・使用浴 ： シアン化銅浴
・ｐＨ ： １０．５
・電流密度 ： ２Ａ／ｄｍ²
・液温 ： ４０℃
（金電解めっき条件）
・使用浴 ： アルカリ性高純度金めっき浴
・ｐＨ ： １２
・電流密度 ： ０．４Ａ／ｄｍ²
・液温 ： ６０℃

次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ（株）製 Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）を樹脂固形分に対して７５重量％添加し分散させて、電着液とした。この電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで１分間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の加熱硬化処理を施した。これにより、中間層上に厚み１５μｍの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。

尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（エポキシ当量９１０）１０００重量部を撹拌下に７０℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル４６３重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン８０．３重量部を加えて１００℃で２時間反応させてアミンエポキシ付加物（Ａ）を調製した。
また、コロネートＬ（日本ポリウレタン（株）製 ジイソシアネート：ＮＣＯ１３％の不揮発分７５重量％）８７５重量部にジブチル錫ラウレート０．０５重量部を加え５０℃に加熱し、これに２−エチルヘキサノール３９０重量部を添加し、その後、１２０℃で９０分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル１３０重量部で希釈した成分（Ｂ）を得た。
次に、上記のアミンエポキシ付加物（Ａ）１０００重量部と成分（Ｂ）４００重量部からなる混合物を、氷酢酸３０重量部で中和した後、脱イオン水５７０重量部を用いて希釈し、不揮発分５０重量％の樹脂Ａを調製した。この樹脂Ａ２００．２重量部（樹脂成分８６．３容量）、脱イオン水５８３．３重量部、およびジブチル錫ラウレート２．４重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。

作製した上記のセパレータについて、耐食性を下記の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
（耐食性の評価方法）
作製したセパレータを用いて高分子電解質型燃料電池のシングルセルを組み、セル
温度８０℃、フル加湿の条件下で、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²にて、２０００時間
の連続発電を行い、セル電圧の劣化率を比較する。
評価基準
○ ： ２０００時間経過後の電圧劣化率が５％未満である。
△ ： ２０００時間経過後の電圧劣化率が５％以上、１０％以下である。
× ： ２０００時間経過以前にセル電圧が１０％以上劣化、もしくは、
発電が停止する。

また、作製した上記のセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
（電気抵抗の測定方法）
セパレータをガス拡散層（東レ（株）製 ＴＧＰ−Ｈ−０６０ １９０μｍ厚）
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ５ｍｍの電極
で挟み込んで圧着（圧力：２０ｋｇｆ／ｃｍ²）し、電極間の抵抗を測定する。

［実施例２］
研磨処理の条件を変化させて、研磨処理後の金属基体の平均粗さＲａと平均粗さＲｚを下記の表１に示すような値とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
このように作製した上記のセパレータについて、耐食性を実施例１と同様の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
また、作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。

［比較例１］
研磨処理の条件を変化させて、研磨処理後の金属基体の平均粗さＲａと平均粗さＲｚを下記の表１に示すような値とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
このように作製した上記のセパレータについて、耐食性を実施例１と同様の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
また、作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。

［比較例２］
研磨処理の条件を変化させて、研磨処理後の金属基体の平均粗さＲａと平均粗さＲｚを下記の表１に示すような値とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
このように作製した上記のセパレータについて、耐食性を実施例１と同様の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
また、作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。

［比較例３］
研磨処理の条件を変化させて、研磨処理後の金属基体の平均粗さＲａと平均粗さＲｚを下記の表１に示すような値とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
このように作製した上記のセパレータについて、耐食性を実施例１と同様の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
また、作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。

［比較例４］
研磨処理を施さない他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
このように作製した上記のセパレータについて、耐食性を実施例１と同様の方法で評価し、結果を下記の表１に示した。
また、作製したセパレータにおける表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。

表１に示されるように、実施例１、２のセパレータは、耐食性に優れ、接続抵抗が小さいものである。
これに対して、比較例１〜３のセパレータは、接続抵抗は小さいものの、実施例１、２のセパレータに比べて耐食性が劣るものであった。このことから、平均粗さＲａが２．５μｍを超える、あるいは、平均粗さＲｚが１０μｍを超えるいずれか一方の場合でも、研磨処理は不十分であることが確認された。
また、研磨処理を施していない比較例４のセパレータでは、耐食性が劣り実用に供し得ないものであった。

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータの一例を示す部分断面図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータの他の例を示す部分断面図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の一例を説明するための部分構成図である。 図５に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。 図５に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を示す斜視図である。 図５に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を図７とは異なった方向から示す斜視図である。 本発明の燃料電池用セパレータの製造方法で製造されたセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の他の例を説明するための部分構成図である。 図９に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。 図９に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。

符号の説明

１，１１…セパレータ
２′，１２′…金属板材
２，１２…金属基体
３…溝部
４，１４…中間層
５，１５…樹脂層
１３…貫通孔
２１，５１…高分子電解質型燃料電池
３１，６１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，７１Ａ，７１Ｂ…セパレータ

Claims (7)

1. 金属板材にエッチング加工を施して所望の形状の金属基体とする工程と、該金属基体の少なくとも前記エッチング加工を施した部位に研磨処理を施して、前記加工部位を含む金属基体の表面を平均粗さＲａが２．５μｍ以下、平均粗さＲｚが１０μｍ以下の状態とする工程と、前記金属基体を被覆するように、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、ルテニウム、ルビジウム、亜鉛、鉛、錫、あるいはこれらの金属の合金の少なくとも１種からなる中間層を形成する工程と、該中間層上に、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂層を形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記エッチング加工により、少なくとも一方の面に溝部を有する金属基体を作製することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 前記エッチング加工により、複数の貫通孔を有する金属基体を作製することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記研磨処理は、化学研磨、電解研磨、および、機械研磨のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項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. 前記中間層として、同種または異種の材料からなる多層構造の中間層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項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. 前記金属板材として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス鋼のいずれかを使用することを特徴とする請求項１乃至請求項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。
7. 前記導電材料として、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種を使用することを特徴とする請求項１乃至請求項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。

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