JP2014051060A - 印刷用マスク及び燃料電池用セパレータの生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーン印刷に不具合が生じやすいこと。
【解決手段】（Ａ）メタルマスク２００に設けられた貫通孔２１０は、パターン画定部２１２と、拡大部２１４とを備える。（Ｂ）インク４００は、メタルマスク２００に載せられた後、スキージ３００によって複数の貫通孔２１０それぞれに押し込まれる。（Ｃ）メタルマスク２００が引き抜かれる。この際に、インク４００がメタルマスク２００と基材１２２との間に入り込むのを、拡大部２１４が抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、マスクを用いた印刷に関する。

スクリーン印刷によって小突起を基材に形成する手法が知られている。この突起は、セパレータの一部となって流路を形成する（特許文献１）。この他、基板部に複数の小突起が設けられた形態の燃料電池用セパレータを生産するにあたって、その小突起と基材とを型によって一体形成する手法が知られている。この型に設けられた貫通孔は、セパレータ側に近づけば近づくほど直径が広がるように所定角度傾斜して円錐面状に形成される（特許文献２）。

特開２０１０−１２９２９９号公報 特開２００１−７６７４１号公報

上記先行技術が有する課題は、スクリーン印刷に不具合が生じやすいことである。印刷の不具合とは、例えば、印刷がかすれたり滲んだりすることである。このような課題は、マスクに設けられる貫通孔を、特許文献２に開示されるように円錐面状にしても生じ得る。その他、低コスト化、省資源化、生産の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一態様によれば、スクリーン印刷に用いられる印刷用マスクが提供される。この印刷用マスクは、インクが通過する貫通部を備え；前記貫通部は、印刷パターンを画定するパターン画定部をインクの入り口側に備えると共に、前記パターン画定部よりも広い断面形状を有する拡大部をインクの出口側に備え；前記パターン画定部と前記拡大部との接続部位は、段を形成している。この印刷用マスクによれば、スクリーン印刷の不具合を低減できる。インクは、貫通部を通過する際に、段を通過した後、拡大部を通過する。インクは、段があることによって、拡大部を占有しない。インクによって占有されなかった拡大部の空間は、印刷用マスクが引き上げられる際に、印刷面と印刷用マスクの底面との間にインクが入り込むのを防ぐ。この結果、滲みが抑制される。さらに、滲みに伴うかすれも抑制される。なぜなら、かすれの原因の１つが、滲んだ印刷箇所が印刷用マスクと共に引き剥がされることだからである。

（２）本発明の一態様によれば、燃料電池用セパレータの生産方法が提供される。この生産方法は、上記形態の印刷用マスクを用いたスクリーン印刷によって基材上に流路を形成することで、燃料電池用セパレータを生産する方法である。この生産方法によれば、燃料電池用セパレータの生産における不具合を低減できる。

（３）上記形態の生産方法において、スクリーン印刷に用いられるインクの粘度が、１万〜３万Ｐａ・ｓである。この生産方法によれば、インクの形状保持性が良好になる。

（４）上記形態の生産方法において、スクリーン印刷に用いられるインクが、粘着性のあるバインダを含む。この生産方法によれば、インクと基材との接着性が向上する。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、燃料電池用セパレータ上における流路を形成する以外の目的のスクリーン印刷に適用しても良い。

単セルの断面図。 実施形態によるセパレータの生産工程を示す図。 比較例によるセパレータの生産工程を示す図。 実施形態と従来技術との比較。

図１は、単セル１００の断面を示す。複数の単セル１００が積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。単セル１００は、膜電極接合体１１０と、セパレータ１２０とを備える。セパレータ１２０は、膜電極接合体１１０を狭持する。

セパレータ１２０は、基材１２２と、複数のリブ１２４とを備える。先述した膜電極接合体１１０の狭持は、より詳しく言うと、膜電極接合体１１０の表面に配置される拡散層を、複数のリブ１２４が挟持することである。リブ１２４は、互いに間隔をとって、基材１２２の片面に配列する。この間隔によって形成される隙間が、燃料ガス又は酸化ガスの流路となる。セパレータ１２０は、実際には両面にリブ１２４を備え、両面において別々の膜電極接合体１１０を狭持するが、その図示は省略する。

図２は、本実施形態によるセパレータ１２０の生産工程を示す。図２は、断面図である。セパレータ１２０は、基材１２２にリブ１２４が形成されることによって生産される。リブ１２４の形成は、スクリーン印刷によって行われる。

図２（Ａ）は、基材１２２に対し、メタルマスク２００が配置された様子を示す。基材１２２は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えばチタン箔）によって構成される。メタルマスク２００は、複数の貫通孔２１０を備える。但し図２は、１つだけの貫通孔２１０を示す。

貫通孔２１０は、パターン画定部２１２と、拡大部２１４とを備える。パターン画定部２１２の深さは、例えば、メタルマスク２００の厚みの約１／４〜１／３である。深さとは、メタルマスク２００の厚み方向の長さのことである。

パターン画定部２１２及び拡大部２１４は、断面形状が互いに相似であり、中心が一致するように配置される。ここで言う断面形状とは、図２に示された断面ではなく、基材１２２の印刷面と平行な断面のことである。拡大部２１４の断面形状における代表長さは、例えばパターン画定部２１２の断面形状における代表長さの約１．２〜１．３倍であり、例えばパターン画定部２１２よりも両側それぞれに０．０５ｍｍ拡大した長さである。代表長さとは、例えば断面形状が円であれば直径、断面形状が長方形であれば辺の長さ等である。パターン画定部２１２と拡大部２１４との代表長さが異なることによって、両者の接続部位に段が生じる。

図２（Ｂ）は、インク４００が貫通孔２１０を通過し、基材１２２に付着した様子を示す。インク４００は、メタルマスク２００に載せられた後、スキージ３００によって複数の貫通孔２１０それぞれに押し込まれる。押し込まれたインク４００は、パターン画定部２１２の形状を保ちつつ、拡大部２１４を通過し、基材１２２に到達する。

インク４００は、例えば次のようにして生成される。グラファイトとカーボンブラックとを質量比８５：１５で用意する。これに、カーボン総量に対して１質量％のバインダを添加し、原料とする。カーボン総量とは、グラファイトとカーボンブラックとの質量の合計である。バインダは、粘着性に優れることが好ましい。粘着性に優れるバインダとしては、例えば、アクリル系樹脂やゴム系樹脂などが挙げられる。原料と同じ質量の水に原料を分散させることによって、５０質量％のスラリがインク４００として生成される。インク４００の粘度は、１万〜３万Ｐａ・ｓが好ましい。

図２（Ｃ）は、メタルマスク２００を引き上げることによって抜く工程を示す。貫通孔２１０によってかたどられたリブ１２４は、メタルマスク２００が引き上げられる際に基材１２２上において面方向にやや広がる。このままメタルマスク２００を引き抜き、リブ１２４を乾燥によって硬化させれば、基材１２２上にリブ１２４が形成される。

図３は、比較例によるセパレータ１２０の生産工程を示す。比較例は、メタルマスク５００を用いる。メタルマスク５００は、メタルマスク２００と全体の厚みは同じである一方、拡大部を備えず、パターン画定部が貫通孔全体を構成する。メタルマスク５００の貫通孔の形状および配置は、メタルマスク２００のパターン画定部２１２の形状および配置と同じである。

図３（Ａ）は、インク４００が貫通孔を通過し、基材１２２に付着した様子を示す。図３（Ｂ）は、メタルマスク５００を少し引き上げた状態を示す。図３（Ｂ）に示されるように、基材１２２とメタルマスク５００の底面との間にインクが入り込む。この現象は、印刷不良を、具体的には、滲みを引き起こす。

図３（Ｃ）は、メタルマスク５００を更に引き上げた状態を示す。図３（Ｃ）に示されるように、インクの一部がメタルマスク５００と共に上に移動している。この原因は、基材１２２とメタルマスク５００の底面との間に入り込んだインクが、メタルマスク５００の底面にインクが付着したことである。この現象は、印刷不良を、具体的には、かすれを引き起こす。

先述したように、実施形態によると、比較例において生じる滲み及びかすれが抑制される。この違いを生むのは、拡大部２１４の有無である。メタルマスク２００が引き上げられる際に基材１２２付近のインクが面方向に広がっても、メタルマスク２００の底面は、インクにほとんど接触しない。拡大部２１４がインクからメタルマスク２００の底面を逃がしているからである。

さらに、図２（Ｃ）に示されるインクの広がりによって、基材１２２とリブ１２４との接触面積が増加する。接触面積が増加すると、基材１２２とリブ１２４との接着力も増加する。この結果、リブ１２４が基材１２２から剥がれてしまう不良が低減される。

図４は、比較例と実施形態との比較を示す。図４は、セパレータ１２０を、上から（基材１２２の厚み方向から）見た様子を示す。図４（Ａ）は、先述した比較例によるスクリーン印刷の結果を示す。図４（Ａ）に示されるように従来技術によると、滲みが生じることが確認された。滲みが生じると、図４（Ｃ）に示されるように、別々に形成されるべきリブ１２４同士が一体となってしまうことが起こり得る。図４（Ｂ）は、実施形態によるスクリーン印刷の結果を示す。実施形態によると、滲みがほとんど発生せず、リブ１２４は、ほぼパターン画定部２１２通りに形成されることが確認された。

ところで、従来、滲みに伴って生じるかすれを抑制するために、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の非粘着性に優れるバインダが使用されることが多かった。一方、実施形態は、滲みが低減される結果、先述したように粘着性に優れるバインダを使用できる。粘着性に優れるバインダを使用すると、リブ１２４と基材１２２との接着性が向上すると共に、リブ１２４の構造強度が向上する。

さらに実施形態は、インク４００の粘度を１万〜３万Ｐａ・ｓに調整することによって、インク４００の流動性と、リブ１２４の形状保持性とのバランスを取っている。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することできる。

例えば、貫通孔の形状は、段を備えるものであれば、どのようなものでも良い。ここで言う段とは、実施形態として示された形状に限られず、基材とメタルマスクの底面との間にインクが入り込むのを防止できる形状であれば良い。このためには、インクが押し込まれた際に、インクが拡大部を占有しないことが好ましい。インクが拡大部を占有しないためには、段が、インクの流れが剥離しやすいような形状であるのが好ましい。インクの流れが剥離すると、インクが拡大部を占有しにくいからである。流れが剥離しやすい接続形状としては、例えば、実施形態のように、段において急激に拡大するような形状が好ましく、段が微分不可能な形状であるのが更に好ましい。

パターン画定部２１２と拡大部２１４との寸法関係は、実施形態に例示されたものに限られない。但し、実施形態のように、インクが広がる際に拡大部を占有しないように、拡大部がある程度の体積を有することが好ましい。ある程度の体積を有するためには、実施形態のように拡大部の深さをある程度、確保するのが好ましい。

インクの物性や組成は、実施形態において例示されたものに限られない。インクに望まれる物性や組成は、貫通孔の形状、メタルマスクや基材との相性などに応じて適宜、調整されるのが好ましい。

本発明によるスクリーン印刷は、燃料電池用セパレータ上に流路を形成するためだけではなく、種々の製品に応用できる。

１００…単セル
１１０…膜電極接合体
１２０…セパレータ
１２２…基材
１２４…リブ
２００…メタルマスク
２１０…貫通孔
２１２…パターン画定部
２１４…拡大部
３００…スキージ
４００…インク
５００…メタルマスク

Claims (4)

1. スクリーン印刷に用いられる印刷用マスクであって、
   インクが通過する貫通部を備え、
   前記貫通部は、印刷パターンを画定するパターン画定部をインクの入り口側に備えると共に、前記パターン画定部よりも広い断面形状を有する拡大部をインクの出口側に備え、
   前記パターン画定部と前記拡大部との接続部位は、段を形成している
   印刷用マスク。
2. 請求項１に記載の印刷用マスクを用いたスクリーン印刷によって基材上に流路を形成することで、燃料電池用セパレータを生産する方法。
3. 請求項２に記載の生産方法であって、
   スクリーン印刷に用いられるインクの粘度が、１万〜３万Ｐａ・ｓである生産方法。
4. 請求項２又は請求項３に記載の生産方法であって、
   スクリーン印刷に用いられるインクが、粘着性のあるバインダを含む生産方法。

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