JP2024071911A

JP2024071911A - 流路部材

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Publication number: JP2024071911A
Application number: JP2022182415A
Authority: JP
Inventors: 善博藤田; Yoshihiro Fujita; 伸一郎高橋; Shinichiro Takahashi; 昂平小澤; Kohei Ozawa
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2024-05-27

Abstract

【課題】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貫通孔部と、前記流路部の側壁部間を連結する連結部とを含み、前記金属基材の厚さ方向の断面を見たときに、前記流路部の前記側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心に向かって突出する突出部を有し、前記貫通孔部の前記突出部は、前記第１面と前記第２面との間における最小幅となる部分である。
【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８Ａ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８Ｂ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可能な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貫通孔部と、前記流路部の側壁部間を連結する連結部とを含み、前記金属基材の厚さ方向の断面を見たときに、前記流路部の前記側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心に向かって突出する突出部を有し、前記貫通孔部の前記突出部は、前記第１面と前記第２面との間における最小幅となる部分であ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することができ、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流路部材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流路部材の概略構成を示す、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流路部材の概略構成を示す、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流路部材の概略構成を示す、図１におけるＣ－Ｃ線断面図である。図５Ａは、本開示の実施の形態に係る流路部材の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。図５Ｂは、本開示の実施の形態に係る流路部材の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。図５Ｃは、本開示の実施の形態に係る流路部材の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。図６Ａは、本開示の実施の形態に係る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６Ｂは、本開示の実施の形態に係る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６Ｃは、本開示の実施の形態に係る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６Ｄは、本開示の実施の形態に係る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７Ａ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７Ｂ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８Ａ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８Ｂ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態様１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貫通孔部と、前記流路部の側壁部間を連結する連結部とを含み、前記金属基材の厚さ方向の断面を見たときに、前記流路部の前記側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心に向かって突出する突出部を有し、前記貫通孔部の前記突出部は、前記第１面と前記第２面との間における最小幅となる部分である流路部材である。

本実施形態における態様２は、上記態様１において、前記連結部は、前記金属基材の厚さ方向の実質的に中央に位置する流路部材である。

本実施形態における態様３は、上記態様１又は２において、前記流路部は、複数の前記貫通孔部及び複数の前記連結部を含み、前記複数の貫通孔部及び前記複数の連結部は、前記第１方向に交互に並列している流路部材である。

本実施形態における態様４は、上記態様１～３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態様５は、上記態様４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。

本実施形態における態様６は、上記態様１～５のいずれかにおいて、前記第１面における前記貫通孔部の開口幅は、前記第１面における前記連結部の開口幅よりも大きく、前記貫通孔部の前記開口幅及び前記連結部の前記開口幅は、前記第１方向に直交する、前記第１面の面内における第２方向の長さである流路部材である。

本実施形態における態様７は、上記態様１～６のいずれかにおいて、前記金属基材の前記第１面の面内における前記第１方向に直交する第２方向に沿った断面を見たときに、前記連結部は、前記第１方向に突出する突起部を有する流路部材である。

図１～３に示すように、本実施形態に係る流路部材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における縦方向）に延在する複数の流路部３とを備える。本実施形態に係る流路部材１は、燃料電池用の流路部材として主に使用され得るものである。

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、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７Ａ及び図７Ｂ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、本実施形態に係る流路部材１を用いた燃料電池セル１０（図７Ａ及び図７Ｂ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。本実施形態に係る流路部材１は、後述するように基板２０のエッチングにより形成される流路部３（貫通孔部３１及び連結部３２）を有することで、流路部材１の金属基材２の平面度が相対的に小さいため、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）、ガス拡散層１５，１６との接触面積及び流路部３の流路断面積が十分に確保され得る。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結部３２と、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において互いに向かい合う側壁部３３とを有する。流路部３の側壁部３３は、貫通孔部３１の側壁部３３１と、連結部３２の上方側及び下方側（金属基材２の厚さ方向における一方側及び他方側）に位置する側壁部３３２とを含む。側壁部３３２は、貫通孔部３１の側壁部３３１に対し第１方向Ｄ１に連続する。連結部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において互いに向かい合う側壁部３３２の間を連結する。貫通孔部３１と連結部３２とは、流路部３の延在方向である第１方向Ｄ１に沿って交互に並列する。流路部３は、燃料電池セル１０（図７Ａ及び図７Ｂ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、本実施形態に係る流路部材１は、基板２０のエッチングにより形成されるが（図６Ａ～６Ｄ参照）、流路部３が連結部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。

連結部３２は、金属基材２の第１面２Ａ側及び第２面２Ｂ側の両面からのエッチングにより残存する部分として形成される。このようにして形成される連結部３２は、金属基材２の厚さ方向において第１面２Ａ及び第２面２Ｂの間に位置していればよく、換言すると、連結部３２が第１面２Ａ及び第２面２Ｂのいずれとも面一になっていなければよい。連結部３２は、金属基材２の厚さ方向の中央よりも第１面２Ａ側に位置していてもよいし、第２面２Ｂ側に位置していてもよいが、金属基材２の厚さ方向における実質的に中央に位置するのが好ましい。なお、金属基材２の厚さ方向における実質的に中央とは、第２方向Ｄ２及び金属基材２の厚さ方向における連結部３２の中心が、金属基材２の厚さ方向の中央から金属基材２の厚さＴ_２の３０％の長さ（金属基材２の厚さ方向の長さ）の範囲内に位置することを意味する。連結部３２が金属基材２の第１面２Ａ側及び第２面２Ｂ側の両面からのエッチングにより形成されていることで、連結部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、流路部材１の軽量化を図ることができる。また、流路部材１が連結部３２を有することで、燃料電池セル１０（図７Ａ及び７Ｂ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。

第１方向Ｄ１に沿った断面を見たときに、連結部３２は、第１方向Ｄ１に突出する突起部３２１と、第１方向Ｄ１の一方側の突起部３２１を含む湾曲側面３２２，３２２と、第１方向Ｄ２の他方側のの突起部３２１を含む湾曲側面３２３，３２３と、金属基材２の第１面２Ａ側に位置する湾曲面３２４と、金属基材２の第２面２Ｂ側に位置する湾曲面３２５とを有する（図４参照）。連結部３２が突起部３２１を有することで、流路部３における流体（反応ガス等）の第１方向Ｄ１の流れに乱流を引き起こすことができるため、当該流体が流路部３に滞留してしまうのを抑制することができ、反応ガスの循環効率や水の排出効率を向上させることができる。突起部３２１は、連結部３２の厚さ方向（金属基材２の厚さ方向）において連結部３２の実質的に中央に位置していればよい。なお、連結部３２の厚さ方向の実質的に中央とは、連結部３２の厚さＴ_３２の３０％の長さ（連結部３２の厚さ方向の長さ）の範囲内に位置することを意味し、突起部３２１が連結部３２の厚さ方向の中央よりも第１面２Ａ側に位置していてもよいし、第２面２Ｂ側に位置していてもよい。

連結部３２の厚さＴ_３２は、流路部材１が連結部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、連結部３２の厚さＴ_３２は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２における連結部３２の中心の厚さであり、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。

連結部３２の第２方向Ｄ２におけるピッチＰ_３２は、流路部材１が連結部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、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）が十分に奏され得る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。連結部３２のピッチＰ_３２は、一の流路部３内で実質的に同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、一の流路部３における連結部３２のピッチＰ_３２が、他の流路部３における連結部３２のピッチＰ_３２と異なっていてもよい。なお、連結部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における一の連結部３２の第１方向Ｄ１の中心とそれに隣接する他の連結部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の複数の連結部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の複数の連結部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の厚さ方向の第２方向Ｄ２に沿った断面を見たときに、貫通孔部３１の側壁部３３１は、貫通孔部３１の幅方向（第２方向Ｄ２）中心に向かって突出する突出部３４を有する。換言すると、貫通孔部３１は、金属基材２の第１面２Ａと第２面２Ｂとの間に、最小幅となる部分を有する。この最小幅となる部分が突出部３４である。貫通孔部３１の側壁部３３１が突出部３４を有することで、流路部３における流体（反応ガス等）の流れに乱流を引き起こすことができるため、当該流体が流路部３に滞留してしまうのを抑制することができ、反応ガスの循環効率や水の排出効率を向上させることができる。

金属基材２の厚さ方向の断面を見たときに、第１面２Ａ上における貫通孔部３１の側壁部３３１間の長さ（貫通孔部３１の開口幅）を第１長さＬ_１とし、貫通孔部３１の側壁部３３１間の最小長さ（貫通孔部３１の最小幅）を第２長さＬ_２とし、第２面２Ｂ上における貫通孔部３１の側壁部３３１間の長さ（貫通孔部３１の開口幅）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の関係としては、第２長さＬ_２が第１長さＬ_１及び第３長さＬ_３よりも短ければよく（図５Ａ～５Ｃ参照）、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もよいし（図５Ａ参照）、第１長さＬ_１が第３長さＬ_３よりも長くてもよいし（図５Ｂ参照）、第３長さＬ_３が第１長さＬ_１よりも長くてもよい（図５Ｃ参照）。第２長さＬ_２は、第１長さＬ_１及び第３長さＬ_３よりも０．０１ｍｍ～０．１０ｍｍ程度短ければよい。側壁部３３１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３３１が上記形状を有することで、流路部３における流体（反応ガス等）の流れに乱流を引き起こすことができるため、当該流体が流路部３に滞留してしまうのを抑制することができ、反応ガスの循環効率や副生成物としての水の排出効率を向上させることができる。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１長さＬ_１及び第３長さＬ_３が同一である場合（図５Ａ参照）、突出部３４が金属基材２の厚さ方向の中央に位置することになる。一方、第１長さＬ_１が第３長さＬ_３よりも長い場合（図５Ｂ参照）、突出部３４は金属基材２の厚さ方向の中央よりも第２面２Ｂ側に位置することになり、第３長さＬ_３が第１長さＬ_１よりも長い場合（図５Ｃ参照）、突出部３４は金属基材２の厚さ方向の中央よりも第１面２Ａ側に位置することになる。図５Ａ～５Ｃに示す態様において、突出部３４は、金属基材２の厚さ方向における実質的に中央に位置する。なお、金属基材２の厚さ方向における実質的に中央とは、突出部３４が、金属基材２の厚さ方向の中央から金属基材２の厚さＴ_２の３０％の長さ（金属基材２の厚さ方向の長さ）の範囲内に位置することを意味する。図５Ｂ及び図５Ｃに示す態様の金属基材２の第１面２Ａをガス拡散層１５，１６に向かわせた燃料電池セル１０において、突出部３４が金属基材２の厚さ方向の中央よりも第１面２Ａ側又は第２面２Ｂ側に位置することで、突出部３４が金属基材２の厚さ方向の中央に位置する場合（図５Ａ参照）と比べると、突出部３４とガス拡散層１５，１６との間に狭空間が形成されることで毛管力が発現しやすくなるため、生成水等による流路部３の閉塞が生じ難くなる。

第１面２Ａ上における貫通孔部３１の側壁部３３１間の長さ（第１長さＬ_１）として定義される貫通孔部３１の開口幅Ｗ_３１は、第１面２Ａにおける連結部３２の側壁部３３２間の長さとして定義される連結部３２の開口幅Ｗ_３２よりも大きい（図１参照）。なお、貫通孔部３１の開口幅Ｗ_３１及び連結部３２の開口幅Ｗ_３２は、いずれも金属基材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。

上述した構成を有する流路部材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、流路部材１の流路部３（貫通孔部３１及び連結部３２）に対応する開口パターン４１，４２を有する第１レジストパターン４０を形成し、基板２０の第２面２０Ｂに、流路部材１の流路部３（貫通孔部３１及び連結部３２）に対応する開口パターン５１，５２を有する第２レジストパターン５０を形成する（図６Ａ及び図６Ｂ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の開口パターン４１，４２の中心と第２レジストパターン５０の開口パターン５１，５２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レジストパターン４０及び第２レジストパターン５０において、連結部３２に対応する開口パターン４２，５２の開口幅Ｗ_４２，Ｗ_５２（第２方向Ｄ２に沿った長さ）は、貫通孔部３１に対応する開口パターン４１，５１の開口幅Ｗ_４１，Ｗ_５１（第２方向Ｄ２に沿った長さ）よりも小さい。これにより、開口パターン４２，５２を介してエッチング液が相対的に侵入しにくくなるため、基板２０の第１面２０Ａ側及び第２面２０Ｂ側からのエッチングにより当該基板２０を貫通させることなく、連結部３２を形成することができる。開口パターン４２，５２の開口幅Ｗ_４２，Ｗ_５２は、後述するウェットエッチング処理により連結部３２を形成可能な程度に適宜設定されればよい。

開口パターン４１，５１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、開口パターン４１，５１の開口幅Ｗ_４１，Ｗ_５１は、流路部材１の第１長さＬ１及び第３長さＬ３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（貫通孔部３１及び連結部３２）を形成する（図６Ｃ及び図６Ｄ参照）。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、本実施形態に係る流路部材１を製造することができる（図１～３参照）。

続いて、本実施形態に係る流路部材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流路部材１とを備える（図７Ａ及び図７Ｂ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「ＧｏｒｅＳｅｌｅｃｔ」（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。

流路部材１は、金属基材２の第１面２Ａをガス拡散層１５，１６側に向け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、流路部材１の流路部３が連結部３２を有することで、金属基材２の反りが抑制されているため、流路部材１の金属基材２の第１面２Ａが確実にガス拡散層１５，１６に接面する。また、流路部材１の金属基材２の第１面２Ａの平面度が相対的に小さいこともあり、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。さらに、流路部３の貫通孔部３１の側壁部３３１が、幅方向（第２方向Ｄ２）中心に向かって突出する突出部３４を有することで、流路部３における流体（反応ガスや副生成物としての水等）の流れに乱流を引き起こすことができるため、当該流体が流路部３に滞留してしまうのを抑制することができ、反応ガスの循環効率や副生成物としての水の排出効率を向上させることができる。さらにまた、流路部材１がエッチングにより形成された流路部３を有することで、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、流路部材１を作製した。

上述のようにして作製された流路部材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０．０５ｍｍ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３３１には、流路部３の幅方向（第２方向Ｄ２）中心に向かって突出する突出部３４が形成されており、第１長さＬ１が０．８２ｍｍ、第２長さＬ２が０．３４ｍｍ、第３長さＬ３が０．８５ｍｍであった。

［比較例１］
連結部３２を有しない以外は同様の構成を有する流路部材を、実施例１と同様にして作製した。当該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…流路部材
２…金属基材
３…流路部
３１…貫通孔部
３２…連結部
３３，３３１，３３２…側壁部
３４…突出部

Claims

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貫通孔部と、前記流路部の側壁部間を連結する連結部とを含み、
前記金属基材の厚さ方向の断面を見たときに、前記流路部の前記側壁部は、前記貫通孔部の幅方向中心に向かって突出する突出部を有し、
前記貫通孔部の前記突出部は、前記第１面と前記第２面との間における最小幅となる部分である、流路部材。
前記連結部は、前記金属基材の厚さ方向の実質的に中央に位置する
請求項１に記載の流路部材。
前記流路部は、複数の前記貫通孔部及び複数の前記連結部を含み、
前記複数の貫通孔部及び前記複数の連結部は、前記第１方向に交互に並列している
請求項１又は２に記載の流路部材。
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２に記載の流路部材。
前記複数の流路部の前記第２方向におけるピッチは、０．２ｍｍ～３．０ｍｍである
請求項４に記載の流路部材。
前記第１面における前記貫通孔部の開口幅は、前記第１面における前記連結部の開口幅よりも大きく、
前記貫通孔部の前記開口幅及び前記連結部の前記開口幅は、前記第１方向に直交する、前記第１面の面内における第２方向の長さである
請求項１又は２に記載の流路部材。
前記金属基材の前記第１面の面内における前記第１方向に直交する第２方向に沿った断面を見たときに、前記連結部は、前記第１方向に突出する突起部を有する
請求項１又は２に記載の流路部材。