JP2024025614A - 流路部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散層との接触抵抗を低減可能であり、かつガスの流路断面積を十分に確保可能な流路部材を提供する。【解決手段】流路部材は、第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部とを備え、前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１面における前記貫通孔部の幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも小さい。【選択図】図１

Description

本開示は、流路部材に関する。

電気自動車、家庭用の小型発電システム等において固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，ＰＥＦＣ）が用いられている。固体高分子型燃料電池は、膜電極複合体（Membrane-Electrode Assembly，ＭＥＡ）及びセパレータを有する燃料電池セルを複数個並列して構成される。膜電極複合体は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層（Gass Diffusion Layer，ＧＤＬ）をこの順で積層した構成を有する。セパレータは、ガス拡散層に接面して設けられており、反応ガス（アノード側セパレータにおいては水素等の燃料ガス、カソード側セパレータにおいては空気（又は酸素）等の酸化剤ガス）をガス拡散層に供給するとともに、集電を行うためのものであり、微細な凹凸形状のガス流路を有する。セパレータの微細な凹凸形状は、一般に、微細凹凸成形金型を用いた金属薄板のプレス加工により形成される（特許文献１参照）。

国際公開第２０１５／１９８８２５号パンフレット

ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗の低減等の観点から、ガス拡散層に接触するセパレータの凸部の頂部が平坦であるのが好適とされ、流路から反応ガス（水素や空気（又は酸素））をガス拡散層に安定的に均一に供給する観点から、流路断面積を相対的に増大させるためにセパレータの凹部（凸部）の側壁部が鉛直であるのが好適とされる。

上記特許文献１に記載されているように、微細凹凸成形金型を用いて金属薄板をプレス加工すると、製造されるセパレータのガス流路である微細な凹凸形状の凸部１０１の上面１０１Ａは平坦面であり、凸部１０１の上面１０１Ａに連続する側壁部１０２が略鉛直（凸部１０１の上面１０１Ａに対して略直交）であるものの、凸部１０１の上面１０１Ａと側壁部１０２との間に連続する肩部１０３が丸みを帯びている（図１８参照）。丸みを帯びた肩部１０３はガス拡散層に接触しないため、ガス拡散層とセパレータとの接触面積が相対的に減少し、接触抵抗が相対的に高くなる。ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗が高いほどセパレータによる集電時に発熱しやすくなり、発電効率が低下してしまうという問題がある。

近年、燃料電池の小型化及び燃料電池における高電流密度化を達成することが求められる。燃料電池の小型化及び燃料電池における高電流密度化を達成するために、セパレータの微細な凹凸形状のピッチ（隣接する凸部１０１の間隔）を小さくすることが求められている。微細な凹凸形状のピッチが小さいセパレータを上記特許文献１に記載の方法で作製すると、側壁部１０２の角度θが大きくなってしまい、流路断面積が相対的に減少してしまう（図１９参照）。

上記課題に鑑み、本開示は、ガス拡散層との接触抵抗を低減することができ、かつガスの流路断面積を十分に確保することのできる流路部材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、本開示の一実施形態として、第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部とを備え、前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１面における前記貫通孔部の幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも小さい流路部材が提供される。

本開示の一実施形態として、第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部とを備え、前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部の側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する流路部材が提供される。

本開示によれば、ガス拡散層との接触抵抗を低減可能であり、かつガスの流路断面積を十分に確保可能な流路部材を提供することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の一の概略構成を示す平面図である。 図２は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の一の概略構成を示す、図１におけるＡ－Ａ線切断端面図である。 図３は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の一の概略構成を示す、図１におけるＢ－Ｂ線切断端面図である。 図４は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の一の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図５は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の一の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図６は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す切断端面図である。 図７は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図８は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す切断端面図である。 図９は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１０は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１１Ａは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１１Ｂは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１１Ｃは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１２Ａは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１２Ｂは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１２Ｃは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図１３は、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の概略構成を示す、図１におけるＢ－Ｂ線切断端面図に相当する図面である。 図１４Ａは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１４Ｂは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１４Ｃは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１４Ｄは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ａは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ｂは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ｃは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ｄは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ｅは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１５Ｆは、本開示の実施の形態に係る燃料電池用流路部材の他の態様の製造方法の一工程を示す切断端面図である。 図１６は、本開示の実施の形態における燃料電池の概略構成を示す切断端面図である。 図１７は、本開示の実施の形態における燃料電池の概略構成を示す切断端面図である。 図１８は、従来の燃料電池用セパレータの概略構成を示す切断端面図である。 図１９は、従来の燃料電池用セパレータの概略構成を示す切断端面図である。

本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
当該図面においては、理解を容易にするために、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更したり、誇張したりして示している場合がある。本明細書等において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値のそれぞれを下限値及び上限値として含む範囲であることを意味する。本明細書等において、「フィルム」、「シート」、「板」等の用語は、呼称の相違に基づいて相互に区別されない。例えば、「板」は、「シート」、「フィルム」と一般に呼ばれ得るような部材をも含む概念である。

本実施形態における第１態様は、第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部とを備え、前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１面における前記貫通孔部の幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも小さい流路部材である。

本実施形態における第２態様は、上記第１態様において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部の側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する流路部材である。

本実施形態における第３態様は、上記態様１又は態様２において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部は、前記第１面と前記第２面との間で最大幅となり、前記貫通孔部の最大幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも大きい流路部材である。

本実施形態における第４態様は、上記態様１又は態様２において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部は、前記第２面において最大幅となる流路部材である。

本実施形態における第５態様は、上記態様１～３のいずれかにおいて、前記貫通孔部は、前記第１面側に位置する第１貫通孔部と、前記第１貫通孔部に連続し、前記第２面側に位置する第２貫通孔部とからなり、前記貫通孔部の側壁部は、前記第１貫通孔部の第１側壁部と、前記第２貫通孔部の第２側壁部とを含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１側壁部と前記第２側壁部との間に角部を有する流路部材である。

本実施形態における第６態様は、上記態様５において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２側壁部は、前記第２貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する流路部材である。

本実施形態における第７態様は、上記態様５又は態様６において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２貫通孔部は、前記第１面と前記第２面との間で最大幅となり、前記第２貫通孔部の最大幅は、前記第２面における前記第２貫通孔部の幅よりも大きい流路部材である。

本実施形態における第８態様は、上記態様５又は６において、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２貫通孔部は、前記第２面において最大幅となる流路部材である。

本実施形態における第９態様は、上記態様５～８のいずれかにおいて、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に至るまで実質的に同一である流路部材である。

本実施形態における第１０態様は、上記態様５～８のいずれかにおいて、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に向かって漸増する流路部材である。

本実施形態における第１１態様は、上記態様５～８のいずれかにおいて、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に向かって漸減する流路部材である。

本実施形態における第１２態様は、第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部とを備え、前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部の側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する流路部材である。

本実施形態における第１３態様は、上記態様１～１２のいずれかにおいて、前記流路部は、前記第１方向において隣接する前記貫通孔部を連結する連続部を含む流路部材である。

本実施形態における第１４態様は、上記態様１３において、前記連続部の前記第１面側に位置する面は、前記金属基材の前記第１面と面一であり、前記連続部は、前記金属基材の前記第２面側から前記金属基材の厚さ方向に凹んでいる流路部材である。

本実施形態における第１５態様は、上記態様１３において、前記連続部の前記第２面側に位置する面は、前記金属基材の前記第２面と面一であり、前記連続部は、前記金属基材の前記第１面側から前記金属基材の厚さ方向に凹んでいる流路部材である。

本実施形態における第１６態様は、上記態様１～１５のいずれかにおいて、複数の前記流路部を備え、前記複数の流路部は、前記金属基材の前記第１面の面内における第２方向に並列しており、前記第２方向は、前記第１方向に直交する流路部材である。

本実施形態における第１７態様は、上記態様１６において、前記複数の流路部のピッチは、０．２ｍｍ～３．０ｍｍである流路部材である。

本実施形態に係る燃料電池用流路部材１は、第１面２Ａ及び第１面２Ａの反対側に位置する第２面２Ｂを有する金属基材２と、金属基材２の第１方向Ｄ１（図１においては縦方向）に延在する複数の流路部３とを備える。

金属基材２を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、例えば、オーステナイト系ステンレス、チタン、アルミニウム等であればよい。これらの材料により構成される金属基材２を備える燃料電池用流路部材１は、その表面（全面）に金層、銀層、ニッケル合金層、カーボン層、白金等の貴金属層、導電材料を含有する樹脂層等の電気めっき層、蒸着層、電着層等（図示省略）が膜厚５ｎｍ～３０ｎｍ程度で設けられていてもよい。上記層が設けられていることで、燃料電池用流路部材１の耐食性を向上させることができるとともに、燃料電池セル１０（図１６及び図１７参照）のガス拡散層１５，１６との接触抵抗をより低減することができる。

金属基材２の厚さＴ_２は、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１を用いた燃料電池セル１０（図１６及び図１７参照）の厚さに対する要求や仕様等に応じて適宜設定されればよいが、例えば、０．０５ｍｍ～１．００ｍｍ程度であればよい。

複数の流路部３は、第１方向Ｄ１に沿って延在し、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２（流路部３の幅方向）に沿って並列している。金属基材２の第１面２Ａ側からの平面視における流路部３のピッチＰ_３は、特に限定されるものではないが、例えば、０．２ｍｍ～３．０ｍｍ程度であればよい。本実施形態に係る燃料電池用流路部材１によれば、流路部３のピッチＰ_３が相対的に狭くても（例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍ程度）、ガス拡散層１５，１６との接触面積及び流路部３の流路断面積を十分に確保することができる。なお、流路部３のピッチＰ_３は、金属基材２の第１面２Ａ側からの平面視において、一の流路部３の第２方向Ｄ２（幅方向）における中心とそれに隣接する他の流路部３の第２方向Ｄ２（幅方向）における中心との間の長さであって、第２方向Ｄ２（幅方向）に平行な長さを意味する。

各流路部３は、金属基材２の厚さ方向に貫通する貫通孔部３１と、金属基材２の厚さ方向に非貫通の連続部３２とを有する。連続部３２は、流路部３の延在方向である第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において互いに対向する側壁部３３の間を連結する。貫通孔部３１と連続部３２とは、流路部３の延在方向である第１方向Ｄ１に沿って交互に位置する。流路部３は、燃料電池セル１０（図１６及び図１７参照）のガス拡散層１５，１６に反応ガス（水素等の燃料ガス、酸素や空気等の酸化剤ガス）を供給するためのガス流路を構成するものである。流路部３が貫通孔部３１を有することで、当該貫通孔部３１を介してガス拡散層１５，１６に反応ガスが供給される。また、後述するように、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１は、基板２０のエッチングにより形成されるが、流路部３が連続部３２を有することで、基板２０のエッチングに起因する残留応力を緩和することができ、金属基材２の反りを抑制することができる。

連続部３２は、金属基材２の第２面２Ｂ側からのハーフエッチングにより形成されるため、金属基材２の第１面２Ａ側に位置する面である非エッチング面３２Ａが金属基材２の第１面２Ａと面一になるように設けられている。連続部３２の非エッチング面３２Ａが金属基材２の第１面２Ａと面一であることで、ガス拡散層１５，１６に対する燃料電池用流路部材１の接触面積を増大させることができるため、ガス拡散層１５，１６との接触抵抗を低減することができ、また、燃料電池用流路部材１やガス拡散層１５，１６への面圧を低減することもできる。また、連続部３２がハーフエッチングにより形成されていることで、連続部３２の厚さＴ_３２が金属基材２の厚さＴ_２よりも薄く構成されるため、燃料電池用流路部材１の軽量化を図ることができる。さらに、連続部３２の非エッチング面３２Ａがガス拡散層１５，１６に接面することで、燃料電池セル１０（図１６及び図１７参照）において金属基材２の第１面２Ａに接面するガス拡散層１５，１６が流路部３内に脱落するのを抑制することができる。

なお、連続部３２は、金属基材２の第１面２Ａ側からのハーフエッチングにより形成されるものであってもよい（図１３参照）。すなわち、金属基材２の第２面２Ｂ側に位置する面である非エッチング面３２Ｂが金属基材２の第２面２Ｂと面一になるように、連続部３２が設けられていてもよい。連続部３２の非エッチング面３２Ｂが金属基材２の第２面２Ｂと面一であることで、冷媒等に対する接地面積が大きくなるため、冷媒等による冷却効率を向上させることができる。

連続部３２の厚さＴ_３２は、燃料電池用流路部材１が連続部３２を備えることによる効果（例えば、金属基材２の反りの抑制効果等）が十分に奏され得る程度に適宜設定されればよく、例えば、０．０５ｍｍ～１．００ｍｍ程度であればよい。なお、連続部３２の厚さＴ_３２は、連続部３２の最小厚さとして定義され、マイクロメータ（ミツトヨ社製，デジタルスプラインマイクロメータ ＳＰＭ２－２５ＭＸ）等を用いて測定され得る。

連続部３２の第２方向Ｄ２におけるピッチＰ_３２は、燃料電池用流路部材１が連続部３２を備えることによる効果や連続部３２の非エッチング面３２Ａが金属基材２の第１面２Ａと面一であることによる効果（例えば、金属基材２の反りの抑制効果、ガス拡散層１５，１６との接触抵抗低減効果、面圧低減効果、燃料電池用流路部材１の軽量化効果、ガス拡散層１５，１６の脱落抑制効果等）、又は連続部３２の非エッチング面３２Ｂが金属基材２の第２面２Ｂと面一であることによる効果（例えば、燃料電池の冷却効率向上効果等）が十分に奏され得る程度、かつ流路部３を介してガス拡散層１５，１６に反応ガスを均一に供給可能な程度に適宜設定される。当該ピッチＰ_３２は、例えば、３ｍｍ～３０ｍｍ程度であればよい。なお、連続部３２のピッチＰ_３２は、金属基材２の第１面２Ａ側からの平面視において、一の流路部３における一の連続部３２の第１方向Ｄ１の中心とそれに隣接する他の連続部３２の第１方向Ｄ１の中心との間の長さであって、第１方向Ｄ１に平行な長さを意味する。

本実施形態において、各流路部３の複数の連続部３２は、第２方向Ｄ２に沿って並んでいるが、この態様に限定されるものではない。例えば、各流路部３の複数の連続部３２は、第２方向Ｄ２に沿って並んでいなくてもよい。

金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、第２面２Ｂ上における流路部３（貫通孔部３１）の側壁部３３間の長さ（貫通孔部３１の幅）を第１長さＬ_１とし、流路部３（貫通孔部３１）の側壁部３３間の最大長さ（貫通孔部３１の最大幅）を第２長さＬ_２とし、第１面２Ａ上における流路部３（貫通孔部３１）の側壁部３３間の長さ（貫通孔部３１の幅）を第３長さＬ_３とする。なお、貫通孔部３１の幅は、第２方向Ｄ２（流路部３の幅方向）に沿った長さである。第１長さＬ_１、第２長さＬ_２及び第３長さＬ_３の関係は、第１長さＬ_１及び第３長さＬ_３が実質的に同一であって、第２長さＬ_２が第１長さＬ_１よりも長くてもよいし（図４及び図５参照）、第１長さＬ_１が第３長さＬ_３よりも長くてもよい（図６及び図７参照）。また、第１長さＬ_１及び第２長さＬ_２が実質的に同一であって、第１長さＬ_１及び第２長さＬ_２が第３長さＬ_３よりも長くてもよい（図８～１０参照）。なお、第３長さＬ_３が第１長さＬ_１よりも長くてもよい（図示省略）。より具体的には、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、側壁部３３は、流路部３の幅方向（第２方向Ｄ２）中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有していてもよいし（図４～９参照）、所定の角度で傾斜する傾斜面であり、貫通孔部３１がテーパー形状であってもよい（図１０参照）。なお、「流路部３の幅方向（第２方向Ｄ２）中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状」とは、側壁部３３の第１面２Ａ側端部（貫通孔部３１の開口縁部）と第２面２Ｂ側端部（貫通孔部３１の開口縁部）とを結ぶ直線を仮定したときに、側壁部３３の全体が当該直線よりも外側（流路部３の幅方向中心から見て外側）に位置することを意味する。側壁部３３間の第１長さＬ_１、第２長さＬ_２及び第３長さＬ_３が上記関係を有し、側壁部３３が上記形状を有することで、流路部３における流路抵抗を低減することができる。第１長さＬ_１、第２長さＬ_２及び第３長さＬ_３は、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において第１面２Ａ及び第２面２Ｂと平行な方向、かつ第２方向Ｄ２に平行な方向における長さである。第２長さＬ_２が第１長さＬ_１よりも長い場合（図４～７参照）、第２長さＬ_２は、第１長さＬ_１よりも０．０１ｍｍ～０．１０ｍｍ程度長ければよい。また、第１長さＬ_１が第３長さＬ_３よりも長い場合（図６～１０参照）、第１長さＬ_１は、第３長さＬ_３よりも０．１ｍｍ～１．０ｍｍ程度長ければよい。なお、第１長さＬ_１、第２長さＬ_２及び第３長さＬ_３は、例えば、０．０５ｍｍ～１．０５ｍｍの範囲内であればよい。

本実施形態において、貫通孔部３１は、第１面２Ａ側に位置する第１貫通孔部３１１と、第１貫通孔部３１１に連続し、第２面２Ｂ側に位置する第２貫通孔部３１２とからなるものであってもよい（図１１Ａ～１２Ｃ参照）。これらの態様の燃料電池用流路部材１において、貫通孔部３１の側壁部３３は、第１貫通孔部３１１の第１側壁部３３１と、第２貫通孔部３１２の第２側壁部３３２とを含む。そして、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、第１側壁部３３１と第２側壁部３３２との間に角部３４を有する。

角部３４は、金属基材２の厚さの中心よりも第１面２Ａ側に位置する。すなわち、金属基材２の厚さ方向に平行な第１貫通孔部３１１の長さＨ_３１１（第１面２Ａから角部３４までの長さ）は、金属基材２の厚さ方向に平行な第２貫通孔部３１２の長さＨ_３１２（第２面２Ｂから角部３４までの長さ）よりも短ければよい。より具体的には、第１貫通孔部３１１の上記長さＨ_３１１と第２貫通孔部３１２の上記長さＨ_３１２との比が１：２～１０程度であればよい。なお、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、角部３４は、尖った形状を有していてもよいし、丸まった形状（角丸形状）を有していてもよい。

金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、第１側壁部３３１間の長さ（第１貫通孔部３１１の幅）は、第１面２Ａから角部３４に至るまで実質的に同一であってもよいし（図１１Ａ参照）、第１面２Ａから角部３４に向かって漸減していてもよいし（図１１Ｂ参照）、第１面２Ａから角部３４に向かって漸増していてもよい（図１１Ｃ参照）。なお、第１側壁部３３１間の長さ（第１貫通孔部３１１の幅）は、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において第２方向Ｄ２に平行な方向における長さである。なお、金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、第１側壁部３３１は、第１貫通孔部３１１の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有していてもよいし、実質的に直線形状を有していてもよい。

金属基材２の厚さ方向に沿った断面視において、第２側壁部３３２は、第２貫通孔部３１２の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有していればよい。この場合において、第２面２Ｂ上における第２貫通孔部３１２の第２側壁部３３２間の長さである第１長さＬ_１と、第２貫通孔部３１２の第２側壁部３３２間の最大長さである第２長さＬ_２とは、実質的に同一であってもよいし（図１１Ａ～１１Ｃ）、第２長さＬ_２が第１長さＬ_１よりも長くてもよい（図１２Ａ～１２Ｃ）。なお、第１長さＬ_１は、第１面２Ａ上における第１貫通孔部３１１の第１側壁部３３１間の長さとして定義される第３長さＬ_３よりも長ければよい。

上述した構成を有する燃料電池用流路部材１の製造方法について説明する。
第１面２０Ａ及びその反対側に位置する第２面２０Ｂを有する基板２０を準備する。基板２０の第１面２０Ａに、燃料電池用流路部材１の流路部３（貫通孔部３１及び連続部３２）に対応する第１レジストパターン４０を形成し、基板２０の第２面２０Ｂに、燃料電池用流路部材１の流路部３に対応する第２レジストパターン５０を形成する（図１４Ａ及び図１４Ｂ参照）。このとき、基板２０の厚さ方向に沿った断面視において、第１レジストパターン４０により形成される第１開口部４１の中心と第２レジストパターン５０により形成される第２開口部５１の中心とが一致するように、第１レジストパターン４０及び第２レジストパターン５０を形成する。

第１開口部４１は、後述する工程におけるエッチング処理で形成される貫通孔部３１に対応するものであるため、第１開口部４１の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、燃料電池用流路部材１の第３長さＬ_３に応じて適宜設定される。第２開口部５１は、後述する工程におけるエッチング処理で形成される貫通孔部３１に対応するものであるため、第２開口部５１の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、燃料電池用流路部材１の第１長さＬ_１に応じて適宜設定される。

次に、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂ側から同時にウェットエッチング処理を行うことで流路部３を形成する（図１４Ｃ及び図１４Ｄ参照）。このウェットエッチング処理において、流路部３の第２長さＬ_２が第１長さＬ_１及び第３長さＬ_３よりも長くなるように、又は流路部３の第２長さＬ_２が第１長さＬ_１と実質的に同一になるように、エッチング条件（例えば、エッチング液の温度、エッチング液のボーメ度、エッチング時間等）が設定される。ウェットエッチング処理の方法は、特に限定されるものではなく、例えば、基板２０の第１面２０Ａ側及び第２面２０Ｂ側にエッチング液を吹き付けるスプレーエッチング法、基板２０をエッチング液に浸漬させるディッピング法等を用いればよい。

最後に、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれに形成されている第１レジストパターン４０及び第２レジストパターン５０を除去する。このようにして、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１を製造することができる（図２及び図３参照）。

図１１Ａ～１２Ｃに示す構成を有する燃料電池用流路部材１の製造方法について説明する。
第１面２０Ａ及びその反対側に位置する第２面２０Ｂを有する基板２０を準備する。図１１Ｂ及び図１２Ｂに示す燃料電池用流路部材１は、基板２０の第１面２Ａ及び第２面２Ｂの両面から同時にエッチングすることにより製造されるため、基板２０の第１面２０Ａに第１開口部６１を有する第１レジストパターン６０を形成し、第２面２０Ｂに第２開口部７１を有する第２レジストパターン７０を形成する（図１５Ａ参照）。一方、図１１Ｃ及び図１２Ｃに示す燃料電池用流路部材１は、基板２０の第２面２０Ｂからの２回のエッチングにより製造されるため、基板２０の第１面２０Ａにはレジスト層８０を形成し、第２面２０Ｂに開口部９１を有するレジストパターン９０を形成する（図１５Ｂ参照）。なお、図１１Ａ及び図１２Ａに示す燃料電池用流路部材１は、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂの両面からの同時エッチングにより製造されてもよいし、基板２０の第２面２０Ｂからのエッチングにより製造されてもよいため、採用するエッチング方法に応じて、基板２０に形成するレジストパターン（図１５Ａ又は図１５Ｂ）を選択すればよい。

第１開口部６１は、後述する工程におけるエッチング処理で形成される第１貫通孔部３１１に対応するものであるため、第１開口部６１の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、第１貫通孔部３１１の第３長さＬ_３に応じて適宜設定される。第２開口部７１は、第２貫通孔部３１２に対応するものであるため、第２開口部７１の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、第２貫通孔部３１２の第１長さＬ_１に応じて適宜設定される。開口部９１は、第２貫通孔部３１２に対応するものであるため、開口部９１の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、第２貫通孔部３１２の第１長さＬ_１に応じて適宜設定される。

次に、図１５Ａに示す基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂ側から同時にウェットエッチング処理を行うことで第１貫通孔部３１１及び第２貫通孔部３１２を形成する（図１５Ｃ参照）。このウェットエッチング処理において、第２貫通孔部３１２の第２長さＬ_２と第１長さＬ_１とが実質的に同一になるように、又は第２貫通孔部３１２の第２長さＬ_２が第１長さＬ_１よりも長くなるように、さらに、第１貫通孔部３１１の第３長さＬ_３が第１面２Ａから角部３４まで実質的に同一となるように、又は第１貫通孔部３１１の第３長さＬ３が第１面２Ａから角部３４に向かって漸減するように、エッチング条件（例えば、エッチング液の温度、エッチング液のボーメ度、エッチング時間等）が設定される。ウェットエッチング処理の方法は、特に限定されるものではなく、例えば、基板２０の第１面２０Ａ側及び第２面２０Ｂ側にエッチング液を吹き付けるスプレーエッチング法、基板２０をエッチング液に浸漬させるディッピング法等を用いればよい。最後に、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれに形成されている第１レジストパターン６０及び第２レジストパターン７０を除去する。このようにして、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１を製造することができる（図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ及び図１２Ｂ参照）。

一方で、図１５Ｂに示す基板２０においては、当該基板２０の第２面２０Ｂ側からウェットエッチング処理を行うことで第２貫通孔部３１２を形成する（図１５Ｄ参照）。このウェットエッチング処理においても同様に、第２貫通孔部３１２の第１長さＬ_１と第２長さＬ_２とが実質的に同一になるように、又は第２貫通孔部３１２の第２長さＬ_２が第１長さＬ_１よりも長くなるように、エッチング条件（例えば、エッチング液の温度、エッチング液のボーメ度、エッチング時間等）が設定される。続いて、第２貫通孔部３１２の第２側壁部３３２に、開口部９２を有するレジストパターン９３を形成する（図１５Ｅ参照）。当該開口部９２は、後述する工程におけるエッチング処理で形成される第１貫通孔部３１１に対応するものであるため、開口部９２の寸法（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、第１貫通孔部３１１の第３長さＬ_３に応じて適宜設定される。

そして、基板２０の第２面２０Ｂ側からウェットエッチング処理を行うことで第１貫通孔部３１１を形成する（図１５Ｆ参照）。このウェットエッチング処理においても同様に、第１貫通孔部３１１の第３長さＬ_３が第１面２Ａから角部３４まで実質的に同一となるように、又は第１貫通孔部３１１の第３長さＬ３が第１面２Ａから角部３４に向かって漸減するように、エッチング条件（例えば、エッチング液の温度、エッチング液のボーメ度、エッチング時間等）が設定される。最後に、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれに形成されているレジスト層８０及びレジストパターン９０，９３を除去する。このようにして、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１を製造することができる（図１１Ａ、図１１Ｃ、図１２Ａ及び図１２Ｃ参照）。

続いて、本実施形態に係る燃料電池用流路部材１を用いた燃料電池セル１０について説明する。
本実施形態における燃料電池セル１０は、膜電極複合体１１と、膜電極複合体１１の両面に接面して設けられた燃料電池用流路部材１とを備える（図１６及び図１７参照）。燃料電池は、複数個の燃料電池セル１０が積層されたスタック構造を有する。

膜電極複合体１１は、固体高分子電解質膜１２と、固体高分子電解質膜１２の両面に順に積層された触媒層１３，１４及びガス拡散層１５，１６とを有する。固体高分子電解質膜１２の一方面に積層された触媒層１３及びガス拡散層１５が燃料極（水素極）１７を構成し、他方面に積層された触媒層１４及びガス拡散層１６が空気極（酸素極）１８を構成する。

固体高分子電解質膜１２は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ－Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、旭硝子社製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、旭化成社製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、ゴア（Ｇｏｒｅ）社製の「Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常５～６０質量％程度、好ましくは２０～４０質量％程度である。なお、固体高分子電解質膜１２の膜厚は通常２０～２５０μｍ程度、好ましくは２０～８０μｍ程度である。また、上記の水素イオン伝導性高分子電解質膜以外には、アニオン導電性固高分子電解質膜や液状物質含浸膜も用いることができる。アニオン伝導性電解質膜としては炭化水素系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられる。炭化水素系樹脂の具体例としては、旭化成社製のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）Ａ２０１，２１１，２２１や、トクヤマ社製のネオセプタ（登録商標）ＡＭ－１，ＡＨＡ等が挙げられる。フッ素系樹脂の具体例としては、東ソー社製のトスフレックス（登録商標）ＩＥ－ＳＦ３４等が挙げられる。また、液状物質含浸膜としては、例えばポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）が挙げられる。

触媒層１３，１４は、公知の白金含有の触媒層（カソード触媒層１４及びアノード触媒層１３）である。触媒層１３，１４は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金、白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層１４に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層１３に含まれる触媒粒子は上記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した固体高分子電解質膜１２に使用されるものと同じ材料を使用することができる。

ガス拡散層１５，１６としては、公知であり、燃料極１７、空気極１８を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層１３，１４に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。

燃料電池用流路部材１は、金属基材２の第１面２Ａをガス拡散層１５，１６に当接させるようにして設けられている。燃料極１７のガス拡散層１５に当接する燃料電池用流路部材１の流路部３を介して、当該ガス拡散層１５に燃料ガス（水素）が供給され、空気極１８のガス拡散層１６に当接する燃料電池用流路部材１の流路部３を介して、当該ガス拡散層１６に酸化剤ガス（空気又は酸素）が供給される。

上述した構成を有する燃料電池セル１０において、燃料電池用流路部材１の流路部３が連続部３２を有することで、金属基材２の反りが抑制されており、かつ連続部３２の非エッチング面３２Ａがガス拡散層１５，１６に接面する第１面２Ａと面一であるため、燃料電池用流路部材１の金属基材２の第１面２Ａ及び連続部３２の非エッチング面３２Ａが確実にガス拡散層１５，１６に接面する。その結果、燃料電池用流路部材１とガス拡散層１５，１６との接触抵抗を低減することができ、燃料電池セル１０による発電効率を向上させることができる。また、燃料電池用流路部材１の連続部３２の非エッチング面３２Ａが第１面２Ａと面一であることで、ガス拡散層１５，１６への面圧が低減され、それにより、ガス拡散層１５，１６の厚みが変化するのを抑制することができるとともに、ガス拡散層１５，１６の脱落を抑制することができる。さらに、流路部３の側壁部３３が、幅方向（第２方向Ｄ２）中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する又は所定の角度で傾斜する傾斜面であることで、流路部３における流路抵抗を低減することができるため、流路部３のピッチＰ_３が相対的に狭くても（例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍ程度）、流路部３の流路断面積を十分に確保することができ、燃料電池セル１０における副生成物である水を効果的に排出することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、実施例等をあげて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
基板２０（ＳＵＳ３１６Ｌ，板厚：０．２０ｍｍ）を準備し、基板２０の第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれに、感光性ドライフィルムを、ロールラミネーターを用いて貼付した。

次に、所定の開口パターンを有するフォトマスクを準備し、当該フォトマスクと、第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれに貼付された感光性ドライフィルムとを真空密着させて露光し、その後現像することで、第１面２０Ａに第１レジストパターン４０を形成し、第２面２０Ｂに第２レジストパターン５０を形成した。

続いて、第１レジストパターン４０及び第２レジストパターン５０が形成された基板２０に対してディッピング法によるエッチング処理を実施し、燃料電池用流路部材１を作製した。

上述のようにして作製された燃料電池用流路部材１の金属基材２の第１面２Ａの平面度を、平面度測定装置（ＯＬＹＭＰＵＳ社製，ＳＴＭ７）を用いて測定したところ、当該平面度が０．０６ｍｍであった。また、流路部３（貫通孔部３１）の断面のＳＥＭ画像を確認したところ、流路部３（貫通孔部３１）の側壁部３３は、流路部３の幅方向（第２方向Ｄ２）中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有しており、第１長さＬ１が０．８０ｍｍ、第２長さＬ２が０．８４ｍｍ、第３長さＬ３が０．３７ｍｍであった。

［比較例１］
連続部３２を有しない以外は同様の構成を有する燃料電池用流路部材を、実施例１と同様にして作製した。当該燃料電池用流路部材の金属基材の第１面の平面度を実施例１と同様にして測定したところ、当該平面度が０．１５ｍｍであった。

１…燃料電池用流路部材
２…金属基材
３…流路部
３１…貫通孔部
３２…連続部
３３…側壁部

Claims (17)

1. 第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、
   前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部と
   を備え、
   前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、
   前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１面における前記貫通孔部の幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも小さい、流路部材。
2. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部の側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する
   請求項１に記載の流路部材。
3. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部は、前記第１面と前記第２面との間で最大幅となり、
   前記貫通孔部の最大幅は、前記第２面における前記貫通孔部の幅よりも大きい
   請求項１又は２に記載の流路部材。
4. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部は、前記第２面において最大幅となる
   請求項１又は２に記載の流路部材。
5. 前記貫通孔部は、前記第１面側に位置する第１貫通孔部と、前記第１貫通孔部に連続し、前記第２面側に位置する第２貫通孔部とからなり、
   前記貫通孔部の側壁部は、前記第１貫通孔部の第１側壁部と、前記第２貫通孔部の第２側壁部とを含み、
   前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１側壁部と前記第２側壁部との間に角部を有する
   請求項１に記載の流路部材。
6. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２側壁部は、前記第２貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する
   請求項５に記載の流路部材。
7. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２貫通孔部は、前記第１面と前記第２面との間で最大幅となり、
   前記第２貫通孔部の最大幅は、前記第２面における前記第２貫通孔部の幅よりも大きい
   請求項５又は６に記載の流路部材。
8. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第２貫通孔部は、前記第２面において最大幅となる
   請求項５又は６に記載の流路部材。
9. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に至るまで実質的に同一である
   請求項５又は６に記載の流路部材。
10. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に向かって漸増する
    請求項５又は６に記載の流路部材。
11. 前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記第１貫通孔部の幅は、前記第１面から前記角部に向かって漸減する
    請求項５又は６に記載の流路部材。
12. 第１面及び前記第１面の反対側に位置する第２面を有する金属基材と、
    前記金属基材の前記第１面の面内における第１方向に延在する流路部と
    を備え、
    前記流路部は、前記金属基材の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔部を含み、
    前記金属基材の厚さ方向に沿った断面視において、前記貫通孔部の側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心から外側に向かう方向に凸の湾曲形状を有する、流路部材。
13. 前記流路部は、前記第１方向において隣接する前記貫通孔部を連結する連続部を含む
    請求項１又は１２に記載の流路部材。
14. 前記連続部の前記第１面側に位置する面は、前記金属基材の前記第１面と面一であり、
    前記連続部は、前記金属基材の前記第２面側から前記金属基材の厚さ方向に凹んでいる
    請求項１３に記載の流路部材。
15. 前記連続部の前記第２面側に位置する面は、前記金属基材の前記第２面と面一であり、
    前記連続部は、前記金属基材の前記第１面側から前記金属基材の厚さ方向に凹んでいる
    請求項１３に記載の流路部材。
16. 複数の前記流路部を備え、
    前記複数の流路部は、前記金属基材の前記第１面の面内における第２方向に並列しており、
    前記第２方向は、前記第１方向に直交する
    請求項１又は１２に記載の流路部材。
17. 前記複数の流路部のピッチは、０．２ｍｍ～３．０ｍｍである
    請求項１６に記載の流路部材。

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