JP4481813B2 - 燃料電池用セパレータ・拡散層アセンブリ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の構成部品に係り、特にバッテリー等の代わりに用いられるような小型燃料電池に用いられるセパレータ・拡散層アセンブリ及びその製造方法に関する。

燃料電池は、電解質層の両側に一対の触媒を担持した電極（触媒電極層という）を取り付け、一方の触媒電極層に水素やアルコール等の燃料流体、他方の触媒電極層に酸素や酸素を含む空気などの酸化剤流体を供給し、電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものである。

従来の燃料電池の例を図１に示す。図示されているように、この燃料電池１は電解質層１０と、その両側に設けられた一対の触媒電極層１１、１２と、触媒電極層１１、１２の外側に設けられた一対の拡散層１３、１４と、拡散層１３、１４の外側に設けられた一対のセパレータ（配流板ともいう）１５、１６とを有する。セパレータ１５、１６は例えばシリコンからなる基板をエッチングして形成することができ、セパレータ１５、１６の拡散層１３、１４に向いた面には燃料流体（例えば水素ガス）または酸化剤流体（例えば酸素ガス）を流す流路を定める溝（凹部）２０が形成されている。拡散層１３、１４は流体を電解質層１０上に均一に拡散させるとともに、触媒電極層１１、１２に接触して触媒電極層１１、１２の電位を外部に伝達するためのものであり、通常、カーボンペーパー、カーボンクロス等の多孔質で導電性を有する材料からなる。セパレータ１５、１６が導電性材料からなる場合や導電膜で覆われた絶縁性または高抵抗材料からなる場合、セパレータ１５、１６に外部電極を取り付けることができる。また流体が不所望に漏れ出るのを防止するべく、拡散層１３、１４を周囲するようにシール材１７、１８が電解質層１０と各セパレータ１５、１６との間に設けられている。

燃料電池１は、これら部品を積層した後、積層方向に締め付けて隣接する部品を密着させることで組み立てられる。そのため、セパレータ１５、１６の外側に一対のバッキングプレート２１、２２が設けられるとともに、これらバッキングプレート２１、２２を貫通するロッド２３のねじ切りされた端部にナット２４が螺合され、ナット２４を回転することで部品の積層方向に圧力を加えることが可能となっている。必要な締め付け圧力は密着される部品に応じて異なるが、カーボンペーパー／クロス等で形成された拡散層１３、１４は表面が粗いことから、流体が不所望に漏れることなく拡散層１３、１４を通過するようにするためには拡散層１３、１４とセパレータ１５、１６との間の接触圧力を特に大きくすることが必要である。また、セパレータ１５、１６を金属などの導電材料から形成したり、あるいは、セパレータ１５、１６の表面を導電膜で覆い、拡散層１３、１４からセパレータ１５、１６を通じて外部に電圧を取り出すことができるようにする場合、セパレータ１５、１６と拡散層１３、１４との間の接触抵抗を小さくするためにも大きな圧力で両部品を接触させる必要がある。

しかしながら、大きな圧力に耐えるためには拡散層１３、１４及びセパレータ１５、１６の機械的強度を上げる必要があり、部品の大型化またはコストアップにつながる。更に、上記構造においては、セパレータ１５、１６と拡散層１３、１４に加えられる締め付け圧力は他のそれほど高い締め付け圧力を要しない部品にも加えられるため、他の部品も大きな機械的強度が必要となる。また、締結構造（バッキングプレート２１、ロッド２３及びナット２４）も大がかりなものが必要となる。これらもまた、燃料電池１の重量、体積、製造コストの増加につながる。

電解質層１０が固体高分子電解質（ＳＰＥ）からなる場合、ＳＰＥは含水することによりイオン導電膜として機能するが、含水すると体積が変化する。また温度によってもＳＰＥの体積は変化し得る。このようなＳＰＥの体積変化は運転時の燃料電池１の内部において応力を発生させる。そのため、外から加えられる締め付け圧力が大きい場合、圧力が高くなりすぎてシール材１７、１８が破壊されるなどの問題が生じ得る。圧力を一定に制御しようとすると運転管理が煩雑となる。

一般に燃料電池１では、拡散層１３、１４は触媒電極層１１、１２の電位を外部に伝達するため極力高い導電率を有することが好ましい。また、接触する部品（例えば触媒電極層１１、１２またはセパレータ１５、１６）との間の接触抵抗を小さくするため表面粗度が小さい方が好ましい。更に、良好な拡散機能が得られる限り、燃料電池１の小型化（薄型化）のため拡散層１３、１４は極力薄いことが望ましい。しかしながら、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスからなる従来の拡散層１３、１４では導電率の向上、表面粗度及び厚さの低減に限界があった。

本発明は上記したような従来の問題を解決するためのものであり、その主たる目的は、燃料電池の組み立て時にセパレータと拡散層に大きな締め付け圧力をかける必要のない燃料電池を提供することである。

本発明の第２の目的は、表面粗度が小さく隣接する部品との間の接触抵抗を低減した拡散層を有する燃料電池を提供することである。

本発明の第３の目的は、高い導電性を有する拡散層を備えた燃料電池を提供することである。

本発明の第４の目的は、良好な拡散機能を有し且つ従来に比べて大幅に薄い拡散層を有する燃料電池を提供することである。

本発明の第５の目的は、上記したような燃料電池に適したセパレータ・拡散層アセンブリ及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の一側面に基づくと、燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリ（１３０、１３１、１３０ａ、２０３）であって、燃料流体または酸化剤流体が通る凹部（１２０）が形成された第１面と、該第１面に相対する第２面とを有するセパレータ（１１５、１１６、１１５ａ）と、セパレータの第１面に一体に形成された拡散層（１１３、１１４、２０１）とを有し、拡散層は導電膜（１３３、１３３ａ、１３３ｂ）を含むとともに、その厚み方向に貫通してセパレータの凹部と連通し、凹部内の流体を、拡散層のセパレータの第１面から離反する側の面において拡散させる ための複数の流体通路（１２５、１２５ａ、１２５ｂ）が形成されていることを特徴とするセパレータ・拡散層アセンブリが提供される。

このように、拡散層とセパレータとを一体化してセパレータ・拡散層アセンブリとしたことにより、拡散層とセパレータとを密着させるべく大きな圧力をかける必要がないため、燃料電池に外から加える締め付け圧力を大きく低減することができる。これにより燃料電池の各部品に必要とされる機械強度を低減して、製造コストを下げることができる。また、運転時に電解質層の膨張によって生じ得る応力の影響も軽減されるため、締め付け圧力を制御する必要がなく運転管理が簡便になる。更に、拡散層とセパレータが一体化されているため、部品点数及び組み立て工数も低減される。

拡散層の導電膜は物理蒸着、化学蒸着、スピンコート、スパッタリングまたはスクリーン印刷を含むプロセスによりセパレータ上に好適に形成することができる。このように拡散層の導電膜は半導体製造やマイクロマシン製造などで用いられている成膜プロセスにより形成可能であることから極めて薄くできるため、燃料電池の寸法（厚さ）を小さくすることができる。燃料電池の厚さを小さくすることは、特にそのような燃料電池を複数個重ねて直列接続して使用する場合に、形成される燃料電池スタックの厚さを小さくできるため好適である。また、導電膜を金属や合金などの導電性の高い材料からなるものとすることにより、拡散層が高い導電性を有することができる。
セパレータは好適にはシリコン基板またはガラス基板を含む。半導体製造用のシリコン基板やガラス基板は表面粗度が非常に低いため、その上に成膜プロセスにより形成される拡散層の触媒電極層に向いた側の表面粗度も容易に小さくできる。これにより、拡散層と触媒電極層との間の接触抵抗を低減するとともに、接触抵抗を締め付け圧力によらず概ね一定とすることができる。

拡散層の複数の流体通路は、セパレータの凹部上において導電膜に形成された複数の開口（１２５）を含むものとすることができる。或いは拡散層が積層された複数の導電膜（１３３、１３３ａ、１３３ｂ）を有し、各導電膜に複数の開口（１２５、１２５ａ、１２５ｂ）が形成され、各導電膜の開口が隣接する導電膜の開口と連通することにより、拡散層の複数の流体通路が形成されるようにすることもできる。各セパレータの凹部が所定の方向に延在する場合、各セパレータに対応する導電膜の複数の開口が凹部の延在方向に配列されて開口列をなし、開口列内の隣接する開口同士が開口列の延在方向に部分的に重なっているようにするとよい。これにより、導電膜の開口をエッチング用窓として用い、シリコンなどの無機材料からなる基板をエッチングすることで開口列に沿って延在する凹部を複雑なプロセスを要することなく形成することができる。

拡散層の機械的強度を増すため、各拡散層がその導電膜と対応するセパレータとの間に構造補強材（１３２）を有することが好ましい。各セパレータがシリコン材料からなる場合、構造補強材は窒化シリコン膜または酸化シリコン膜からなるものとすることができる。各拡散層の流体通路は、セパレータの凹部上において構造補強材に形成された複数の開口を含むこともできる。即ち、構造補強材に形成された開口も燃料流体または酸化剤流体を触媒電極表面に均一に拡散させるのに寄与し得る。各セパレータの凹部が所定の方向に延在する場合、各セパレータに対応する構造補強材の複数の開口が凹部の延在方向に配列されて開口列をなし、開口列内の隣接する開口同士が開口列の延在方向に部分的に重なっているようにするとよい。このようにすると、構造補強材の開口をエッチング用窓として用い、シリコンなどの無機材料からなる基板をエッチングすることで開口列に沿って延在する凹部を複雑なプロセスを要することなく形成することができる。

また本発明の更に別の側面によると、燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法であって、無機材料からなる基板（１５０）の一面に、基板と一体な導電膜（１３３、１３３ａ、１３３ｂ）を有し且つ厚み方向に貫通する流体通路（１２５、１２５ａ、１２５ｂ）を備えた拡散層（１１３、１１４、２０１）を形成する過程と、拡散層の流体通路を通じてエッチング剤を基板の表面に接触させ、基板の一面に燃料流体または酸化剤流体を流すための凹部（１２０）を形成してセパレータ（１１５、１１６、１１５ａ）を形成する過程とを含むことを特徴とする燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法が提供される。

このように、拡散層に形成される流体通路を通じてエッチング剤を基板表面に到達させることにより、複雑な機械加工を要することなく基板を加工して燃料流体または酸化剤流体の流路を定める凹部を形成することができる。好適には、拡散層形成過程は、導電膜を基板の一面に物理蒸着、化学蒸着、スピンコート、スパッタリングまたはスクリーン印刷を含むプロセスにより形成する過程を含む。

また好適には、拡散層形成過程は導電膜に複数の開口（１２５）を形成する過程を有し、拡散層の流体通路は導電膜に形成された複数の開口を含み、導電膜の複数の開口は１以上の開口列をなすように配列され、各開口列内の隣接する開口同士が開口列の延在方向に部分的に重なるようにすることができる。別の方法として、または、それに加えて、拡散層形成過程は基板と導電膜との間に構造補強材（１３２）を形成する過程と、構造補強材に複数の開口を形成する過程とを有し、拡散層の流体通路は構造補強材に形成された複数の開口を含み、構造補強材の複数の開口は１以上の開口列をなすように配列され、各開口列内の隣接する開口同士が開口列の延在方向に部分的に重なるようにすることもできる。このようにすることで、導電膜または構造補強材の開口列に沿って延在する凹部をエッチングにより容易に基板内に形成することができる。

本発明の特徴、目的及び作用効果は、添付図面を参照しつつ好適実施例について説明することにより一層明らかとなるだろう。

図２は、本発明に基づく燃料電池の好適実施例を示す模式的な断面図である。この燃料電池１００は、図１に示した従来の燃料電池１と同様に、中央の電解質層１１０と、電解質層１１０の両面に設けられた一対の触媒電極層１１１、１１２と、触媒電極層１１１、１１２に向いた面に燃料流体または酸化剤流体が流れる流路（凹部）１２０を定める例えばシリコンやガラスなどの無機材料からなる一対のセパレータ１１５、１１６と、セパレータ１１５、１１６と電解質層１１０との間に設けられたシール材１１７、１１８と、組み付けの際各部に締め付け圧力を与えるためのバッキングプレート１２１、１２２、ロッド１２３及びナット１２４とを有する。図示は省略するが、各流路１２０の底面には流体の出入りを可能とするための流体ポートが形成されている。

この燃料電池１００では、流体を電解質層１１０上に均一に拡散させるとともに、触媒電極層１１１、１１２に接触して触媒電極層１１１、１１２の電位を外部に伝達するための一対の拡散層１１３、１１４が、対応するセパレータ１１５、１１６に一体に形成され、セパレータ・拡散層アセンブリ１３０、１３１を形成している点が図１に示した従来例と異なる。また、各拡散層１１３、１１４には、厚み方向に貫通して対応するセパレータ１１５、１１６の流路１２０と連通し、流路１２０内の流体を対応する触媒電極層１１１、１１２の表面に拡散させる複数の微小開口１２５が形成されている。

図２の部分拡大断面図に示すように、各拡散層１１３、１１４は、好適には、セパレータ１１５、１１６上に形成された構造補強材１３２と、構造補強材１３２上に形成された導電膜１３３とを有する。セパレータ１１５、１１６が単結晶シリコンからなる場合、構造補強材１３２は例えばセパレータ１１５、１１６の表面に被着された窒化シリコン膜や酸化シリコン膜からなるものとすることができる。また後に詳述するように導電膜１３３は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スピンコートなどの半導体製造やマイクロマシン製造などで用いられている成膜プロセスにより形成することができる。微小開口１２５は、構造補強材１３２及び導電膜１３３を、例えばエッチングなどによりパターニングすることで形成することができる。

図３は、図２に示したセパレータ・拡散層アセンブリ１３０（１３１）の拡散層１１３（１１４）が設けられた側の面（第１面）を示す部分平面図である。尚、本図では、セパレータ１１５（１１６）の流路１２０を示すため拡散層１１３（１１４）の一部が切除されている。図示されているように、拡散層１１３（１１４）に形成された複数の開口１２５はセパレータ１１５（１１６）の各流路１２０に沿って整列されている。各開口１２５は長寸の形状を有するとともに流路１２０の延在方向に対して傾斜し、流路１２０の延在方向に隣接する開口１２５は一部重なっている。尚、図２は、図３におけるラインＩＩ−ＩＩに沿った断面図であり、そのため、流路１２０の延在方向に重なった２つの開口１２５が各流路１２０上に現れているが、切断面の位置に応じて開口１２５が現れる位置及び個数は変わり得る。このように各流路１２０上に位置するように複数の開口１２５を拡散層１１３（１１４）に形成し、各流路１２０を流れる燃料流体または酸化剤流体が開口１２５を通して触媒電極層１１１（１１２）上に供給されるようにすることで、これら流体を触媒電極層１１１（１１２）上に概ね均一に拡散させることができる。また、後述するように、拡散層１１３（１１４）に設けた複数の開口１２５を、エッチングによりセパレータ１１５（１１６）に流路１２０を形成する際のエッチング用窓として好適に用いることが可能である。

図２に示した燃料電池１００は、従来と同様に、ナット１２４を回転させて隣接する部品同士を密着させることで形成される。しかしながら、上記したように、拡散層１１３、１１４がセパレータ１１５、１１６と一体化されセパレータ・拡散層アセンブリ１３０、１３１を形成していることから、拡散層１１３、１１４とセパレータ１１５、１１６とを密着させるべく大きな圧力をかける必要がないため、燃料電池１００に外から加える締め付け圧力を大きく低減することができる。これにより燃料電池１００の各部品に必要とされる機械強度を低減して、製造コストを下げることができる。また、運転時に電解質層１０の膨張によって生じ得る応力の影響も軽減されるため、締め付け圧力を制御する必要がなく運転管理が簡便になる。拡散層１１３、１１４とセパレータ１１５、１１６が一体化されているため、部品点数及び組み立て工数も低減される。

拡散層１１３、１１４の導電膜１３３及び構造補強材１３２は半導体製造やマイクロマシン製造などで用いられている成膜プロセスにより形成可能であることから極めて薄くできるため、燃料電池１００の寸法（厚さ）を小さくすることができる。燃料電池１００の厚さを小さくすることは、特にそのような燃料電池１００を複数個重ねて直列接続して使用する場合に、形成される燃料電池スタックの厚さを小さくできるため好適である。また、金属や合金などの導電性の高い材料から形成することにより、拡散層１１３、１１４の導電膜１３３は高い導電性を有することができる。

更に、セパレータ１１５、１１６が、表面粗度が非常に低い半導体デバイス用シリコン基板やガラス基板等からなる場合、その上に成膜プロセスにより形成される拡散層１１３、１１４の触媒電極層１１１、１１２に向いた側の表面粗度も容易に小さくできる。これにより、拡散層１１３、１１４と触媒電極層１１１、１１２との間の接触抵抗を低減するとともに、接触抵抗を締め付け圧力によらず概ね一定とすることができる。

本分野ではよく知られているように、燃料電池１００の電気極性は流路１２０に流れる流体によって決定される。即ち、水素（Ｈ_２）などの燃料流体に接触する触媒電極層１１１、１１２（及びそれに接する拡散層１１３、１１４）は負極となり、酸素（Ｏ_２）などの酸化剤流体に接する触媒電極層１１１、１１２（及びそれに接する拡散層１１３、１１４）は正極となる。図４の模式図に示すように、拡散層１１３、１１４に直接外部電極１３４を取り付けることができる。

図５はセパレータ・拡散層アセンブリの別の実施例を示す模式的な断面図である。本図において、図４と同様の部分には同じ符号を付した。このセパレータ・拡散層アセンブリ１３０ａでは、セパレータ１１５ａが厚さ方向に貫通する貫通導電路１４０を有し、セパレータ１１５ａの拡散層１１３が形成される面（第１面）とは反対の面（外面または第２面）に導電膜１４１が形成されている。拡散層１１３（より詳細にはその導電膜１３３）と導電膜１４１は貫通導電路１４０を介して接続され、それにより、セパレータ１１５ａの外面の導電膜１４１に拡散層１１３の電位が現れる。このようにすることにより、セパレータ１１５ａの外面の導電膜１４１に外部電極１３４を取り付けることが可能である。図５に示したセパレータ・拡散層アセンブリ１３０ａを有する燃料電池では、例えば複数の燃料電池を直列接続する場合、隣接する燃料電池のセパレータ外面同士を接触させればよいため、そのような直列接続の形成が容易である。また、拡散層１１３とセパレータ１１５ａとが機械的及び電気的に一体化されているため接触抵抗について心配する必要がなく、締め付け圧力によらず抵抗が一定となる。更に、拡散層１１３とセパレータ１１５ａの外面の導電膜１４１とは貫通導電路１４０により最短経路で接続されるため燃料電池の内部抵抗を最小化することができる。

図６ａ〜図７ｃを参照して図２〜図４に示したようなセパレータ１１５（１１６）と拡散層１１３（１１４）が一体的に形成されたセパレータ・拡散層アセンブリ１３０（１３１）の好適な製造方法について説明する。

まず、図６ａに示すように、例えば単結晶シリコンからなる厚さ約４００μｍの基板１５０を硫酸等を用いて洗浄した後、図６ｂに示すようにスパッタリングにより上面及び下面に例えば厚さ約０．２μｍの窒化シリコン膜１５１、１５２を形成する。

続いて図６ｃに示すように、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）により基板１５０の上面に厚さ約２μｍの導電膜１５３を形成する。導電膜１５３は例えば約０．１μｍの厚さのチタン（Ｔｉ）層１５５の上に約２μｍの厚さの金（Ａｕ）層１５４を設けた２層構造とするとよい。チタンは窒化シリコンと金の密着性を高める働きをし、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）を代わりに用いることもできる。また、金の代わりにニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ドープしたシリコン、ポリシリコンなどの他の導電性材料を用いることもできる。物理蒸着の他に化学蒸着（ＣＶＤ）、スピンコート、スパッタリング、スクリーン印刷などの他の成膜方法を用いてもよい。

次のステップでは、図６ｄに示すように、マスク（図示せず）を用いて導電膜１５３をエッチングし、複数の開口１５６を形成する。図３に示した開口１２５と同様に、開口１５６は基板１５０に互いに並列な複数の流路１５９（図７ｃ）を形成するべく各流路１５９の延在方向（図６ｄでは紙面に垂直な方向）に複数個整列して形成され、複数の開口列をなしている。また、各開口１５６は長寸の形状を有するとともに整列方向に対して傾斜し、各列において隣接する開口１５６の端部は整列方向に重なり合っている。図６ｄの断面図では、図２と同様に、整列方向に重なり合った２つの開口１５６が現れている。

続いて、図７ａに示すように、導電膜１５３の開口１５６と整合した位置において基板１５０の上面の窒化シリコン膜１５１に微小開口１５７を形成するべくマスク（図示せず）を用いてＣＦ_４を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。これら微小開口１５７は、流路１５９（図７ｃ）形成のためのシリコンエッチング用窓としても働く。これら開口１５７も、導電膜１５３の開口１５６と同様に、長寸形状を有するとともに整列方向に対して傾斜し、各列において隣接する開口１５７の端部は整列方向に重なり合っている。

更に、図７ｂに示すように、基板１５０に形成される流路１５９への流体の出入りを可能とするための流体ポート１６０（図７ｃ）が形成される部分において基板１５０下面の窒化シリコン膜１５２を除去し、シリコンエッチング用窓１５８を形成するべく、マスク（図示せず）を用いて同様にエッチングを行う。

そうして、図７ｃに示すように、例えばＫＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液を用いてシリコン基板１５０のウェットエッチングを行い、流路１５９及び流体ポート１６０を形成する。このプロセスは異方性エッチングであるため、シリコンの結晶方位を反映して流路１５９及び流体ポート１６０の側壁が所定の角度で傾斜してエッチングされる。また、エッチング用窓として働く基板１５０の上面側の窒化シリコン膜１５１の開口１５７が流路１５９の延在方向に複数個整列され且つ整列方向に隣接する開口１５７同士が一部重なり合っていることにより、開口１５７の各列の下に連続的な流路１５９をエッチングにより好適に形成することができる。こうして、図２〜図４に示したような、一体的なセパレータ・拡散層アセンブリ１３０（１３１）が得られる。尚、図７ｃにおいて開口１５６、１５７が、図２〜図４における開口１２５に対応する。また、上側の窒化シリコン膜１５１は、図２の部分拡大図に示した構造補強材１３２として働く。

次に、図５に示したような、貫通導電路１４０を有するセパレータ・拡散層アセンブリ１３０ａの好適な製造方法について図８ａ〜図８ｅを参照して説明する。尚、これらの図において図６ａ〜図７ｃに示したのと同様の部分には同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

図６ｂに示したステップでシリコン基板１５０の両面に窒化シリコン膜１５１、１５２を形成した後、図８ａに示すように、マスク（図示せず）を用いてエッチングし、貫通導電路１６２（図８ｄ）を形成する部分において基板１５０上面の窒化シリコン膜１５１を除去する。

続いて図８ｂに示すステップにおいて、蒸着やスピンコートなどにより基板１５０上面に導電膜１５３を形成する。上記実施例と同様に、導電膜１５３は金層１５４及びチタン層１５５を含む２層構造とするとよい。

次に図８ｃに示すように、マスク（図示せず）を用い貫通導電路１６２（図８ｄ）を形成する部分において基板１５０の下面側の窒化シリコン膜１５２をエッチングにより除去した後、例えばＫＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液を用いたウエットエッチングを行い、シリコン基板１５０の上面を覆う導電膜１５３に達する貫通孔１６１を形成する。このプロセスも異方性エッチングであるため、シリコンの結晶方位を反映して貫通孔１６１の側壁は所定の角度で傾斜し、貫通孔１６１の断面形状は基板１５０の上面から下面へ向かって（即ち、セパレータ１１５ａの第１面から第２面へ向かって）拡開した形状となる。

そうして、図８ｄに示すように、金属材料を基板の下面側から蒸着などにより成膜し、貫通孔１６１の側壁及び基板１５０の下面に、好適には基板１５０に隣接したチタン層とチタン層に隣接した金層とからなる２層構造の導電膜１６２、１６３をそれぞれ形成する。このとき貫通孔１６１の上側開口を覆っている導電膜１５３にも下側から金属が蒸着され、導電膜１５３と貫通孔１６１の側壁上の導電膜１６２が接続される。また、上記したように貫通孔１６１の側壁が傾斜しているため蒸着金属が付着しやすく、十分な厚さのむらのない導電膜１６２を側壁上に好適に成膜することができる。尚、図８ｃのステップでウェットエッチングの代わりにドライエッチングなどにより貫通孔１６１を形成し、側壁が傾斜しないようにすることもできるが、側壁上に導電膜１６２を均一に形成することはウェットエッチングにより貫通孔１６１を形成した場合に比べると困難となり得る。

このようにして、貫通孔１６１の側壁の導電膜１６２により、基板１５０の上面の導電膜１５３と下面の導電膜１６３とが接続される。即ち、貫通孔１６１の側面の導電膜１６２は、図５に示した貫通導電路１４０として働く。この後、図６ｄ〜図７ｃに示したステップを同様に行うことで、図８ｅに示すように、流路１５９、流体ポート１６０等を形成する。これにより、図５に示したような貫通導電路１４０（導電膜１６２）を有するセパレータ・拡散層アセンブリ１３０ａが得られる。

上記実施例では、拡散層１１３（１１４）は、複数の開口１２５（１５６）が形成されるようパターニングされた単一の導電膜１３３（１５３）を有していた。しかしながら、流体をより均一に拡散することが可能な複雑な流体通路を備えた拡散層を形成するべく、パターニングされた複数の導電膜を積層してもよい。例えば、図２に示したセパレータ・拡散層アセンブリ１３０（１３１）の導電膜１３３の上に、第２及び第３の導電膜１３３ａ、１３３ｂを形成し、３層の導電膜１３３、１３３ａ及び１３３ｂを有する拡散層２０１を備えたセパレータ・拡散層アセンブリ２０３を形成することができる。

図９ａ〜図９ｃに、導電膜１３３、１３３ａ、１３３ｂのパターニングの一例を示す。図９ａは図３と実質的に同じであり、導電膜１３３の開口１２５の形状及び配置をセパレータ１１５（１１６）の流路１２０と共に示している。図９ｂに示すように、この実施例では、第２導電膜１３３ａは、セパレータ１１５（１１６）の流路１２０の延在方向に対する傾斜角度が第１導電膜１３３の開口１２５と異なる開口１２５ａが形成されている。一方、図９ｃに示すように、第３導電膜１３３ｂは、第１導電膜１３３の開口１２５と同じ形状及び配置で開口１２５ｂが形成されている。

これら導電膜１３３、１３３ａ、１３３ｂを重ねた状態の平面図を図１０ａに示す。また、図１０ｂに、図１０ａのラインＸｂ−Ｘｂに沿った断面図を示す。これらの図に示されているように、第１導電膜１３３の開口１２５は、第２導電膜１３３ａの開口１２５ａを介して第３導電膜１３３ｂの開口１２５ｂに連通しており、これにより拡散層２０１を厚さ方向に貫通する流体通路が形成されている。また、第２導電膜１３３ａの各開口１２５ａは第１導電膜１３３の複数の開口１２５と第３導電膜１３３ｂの複数の開口１２５ｂとに連通しており、これにより流体通路は複雑なラビリンス構造を有し、これら流体通路を通じてセパレータ１１５（１１６）の凹部１２０を流れる燃料流体または酸化剤流体が触媒電極層１１１（１１２）の表面に好適に拡散される。

図１１ａ〜図１１ｅ及び図１２ａ〜図１２ｄの模式的な部分断面図を参照して、上記したような複数の導電膜を有するセパレータ・拡散層アセンブリ２０３を形成するための好適な製造方法について以下に説明する。尚、これらの図において、図６ａ〜図７ｃに示したのと対応する部分には同じ符号を付した。
まず図６ａ〜図７ａを参照して説明したのと同様のステップによりシリコン基板１５０の両面に窒化シリコン膜１５１、１５２を形成し上面側に金層１５４とチタン層１５５を含む導電膜（第１導電膜）１５３を形成した後、第１導電膜１５３及び窒化シリコン膜１５１をエッチング等によりパターニングして、図１１ａに示すように複数の開口１５６、１５７をそれぞれ形成する。

図１１ｂのステップでは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる犠牲層２５８を成膜して、上面の窒化シリコン膜１５１の開口１５７及び第１導電膜１５３の開口１５６を犠牲層２５８で埋める。

更に図１１ｃに示すように犠牲層２５８の上にレジスト２５９を形成した後、図１１ｄに示すようにドライエッチングによりレジスト２５９及び犠牲層２５８を第１導電膜１５３の上面が露出するまでエッチングし、上面を平坦化する。

そうして、平坦化した上面の上に、上記したのと同様の手順により、図１１ｅに示すように第２導電膜１５３ａを形成し、パターニングして複数の開口１５６ａを形成する。また、図１１ｂ〜図１１ｄに示したのと同様のステップに基づき、犠牲層２５８ａにより第２導電膜１５３ａ中の開口１５６ａを埋め、レジスト（図示せず）を成膜した後、エッチングして上面を平坦化する（図１２ａ）。

更に、上記したのと同様の手順により、第３導電膜１５３ｂの形成及びパターニングを行い開口１５６ｂを形成した後、図１２ｂに示すようにエッチングにより窒化シリコン膜１５１の開口１５７及び第１導電膜１５３の開口１５６を埋める犠牲層２５８と第２導電膜１５３ａの開口１５６ａを埋める犠牲層２５８ａを除去する。これにより、各導電膜１５３、１５３ａ、１５３ｂの開口１５６、１５６ａ、１５６ｂ及び窒化シリコン膜１５１の開口１５７が連通し、拡散層２０１を貫通する流体通路が形成される。

続いて、図１２ｃに示すようにマスク（図示せず）を用いてエッチングし、流体ポート１６０（図１２ｄ）を形成する位置において基板１５０の下面の窒化シリコン膜１５２にシリコンエッチング用窓１５８を形成する。

そうして、図１２ｄに示すようにＫＯＨ水溶液を用いてシリコン基板１５０のウェットエッチングを行うことにより、流路１５９及び流体ポート１６０を形成する。これにより、一体的なセパレータ・拡散層アセンブリ２０３が得られる。このとき、拡散層２０１を貫通する流体通路を形成する各導電膜１５３、１５３ａ、１５３ｂの開口１５６、１５６ａ、１５６ｂ及び窒化シリコン膜１５１の開口１５７を通ってエッチング剤がシリコン基板１５０の表面に達することが可能であり、そのような拡散層２０１が設けられていても基板１５０のエッチングを行うことができる。

本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらの実施例はあくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって画定される本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施例では例えば導電膜を形成した後、エッチングにより導電膜のパターニングを行ったが、フォトリソグラフィー、リフトオフ等により所定パターンを有する導電膜を形成することも可能である。また、上記実施例ではセパレータと一体に形成される拡散層の導電膜及び構造補強材に、セパレータの各流路（凹部）に沿って配列された複数の長寸の開口を各開口が配列方向に対して傾斜するように設けたが、開口の形状は様々に変更可能であり、例えば各開口をＶ字形やＷ形としてもよい。その場合も、配列方向に隣接する開口が部分的に重なるようにすると、これら開口をエッチング用窓として用いてセパレータをエッチングすることで、開口の配列方向に延在する流路を容易に形成できるため好適である。

上記した説明から明らかなように、本発明によれば、燃料電池の拡散層がセパレータに一体に形成されたパターニングされた導電膜を有し、それによりセパレータと拡散層が一体なセパレータ・拡散層アセンブリを形成するものとしたことにより、セパレータと拡散層の間を密着させるべく大きな圧力を外から加える必要がない。これにより、燃料電池の他の部品にかかる圧力も低減することができ、必要な機械的強度を軽減して製造コストを低減することができる。拡散層とセパレータが一体化されているため、部品点数及び組み立て工数も低減される。また、導電膜を半導体製造やマイクロマシン製造などで用いられている成膜プロセスにより形成することにより、導電膜を有する拡散層を極めて薄くできるため、形成される燃料電池の寸法（厚さ）を小さくすることができる。

図１は、従来の燃料電池の例を示す模式的な断面図である。 図２は、本発明に基づく燃料電池の好適実施例を示す模式的な断面図である。 図３は、図２に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリの部分平面図である。 図４は、図２に示した燃料電池における拡散層の外部電極との接続形態の一例を示すセパレータ・拡散層アセンブリの模式的な断面図である。 図５は、本発明に基づくセパレータ・拡散層アセンブリの別の実施例を示す模式的な断面図である。 図６ａは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図６ｂは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図６ｃは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図６ｄは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図７ａは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図７ｂは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図７ｃは、図２〜図４に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図８ａは、図５に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図８ｂは、図５に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図８ｃは、図５に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図８ｄは、図５に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図８ｅは、図５に示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図９ａは、本発明に基づく燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリの別の好適実施における３つの導電膜を示す部分平面図である。 図９ｂは、本発明に基づく燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリの別の好適実施における３つの導電膜を示す部分平面図である。 図９ｃは、本発明に基づく燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリの別の好適実施における３つの導電膜を示す部分平面図である。 図１０ａは、図９ａ〜図９ｃに示した３つの導電膜を重ねて示した部分平面図である。 図１０ｂは、図１０ａのラインＸｂ−Ｘｂに沿った断面図である。 図１１ａは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１１ｂは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１１ｃは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１１ｄは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１１ｅは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１２ａは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１２ｂは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１２ｃは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。 図１２ｄは、図９ａ〜図１０ｂに示した燃料電池のセパレータ・拡散層アセンブリを形成するための好適な方法を示す模式的な部分断面図である。

Claims (14)

1. 燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリであって、
   燃料流体または酸化剤流体が通る凹部が形成された第１面と、該第１面に相対する第２面とを有するセパレータと、
   前記セパレータの前記第１面に一体に形成された拡散層と
   を有し、
   前記拡散層は導電膜を含むとともに、その厚み方向に貫通して前記セパレータの前記凹部と連通し、前記凹部内の流体を、前記拡散層の前記セパレータの前記第１面から離反する側の面において拡散させるための複数の流体通路が形成されていることを特徴とするセパレータ・拡散層アセンブリ。
2. 前記拡散層の前記導電膜が物理蒸着、化学蒸着、スピンコート、スパッタリングまたはスクリーン印刷を含むプロセスにより形成されたものであることを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
3. 各セパレータが、シリコン基板またはガラス基板を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
4. 各拡散層の前記複数の流体通路が、前記セパレータの前記凹部上において前記拡散層の前記導電膜に形成された複数の開口を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
5. 各セパレータの前記凹部が所定の方向に延在し、各セパレータに対応する前記導電膜の前記複数の開口が前記凹部の延在方向に配列されて開口列をなし、前記開口列内の隣接する開口同士が前記開口列の延在方向に部分的に重なっていることを特徴とする、請求項４に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
6. 各拡散層が積層された複数の導電膜を有し、各導電膜に複数の開口が形成され、各導電膜の前記開口が隣接する導電膜の前記開口と連通することにより、前記拡散層の前記複数の流体通路が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
7. 各拡散層が、前記導電膜と対応する前記セパレータとの間に形成された構造補強材を有することを特徴とする、請求項１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
8. 各セパレータがシリコン材料からなり、前記構造補強材が窒化シリコン膜または酸化シリコン膜からなることを特徴とする、請求項７に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
9. 各拡散層の前記複数の流体通路が、対応する前記セパレータの前記凹部上において前記拡散層の前記構造補強材に形成された複数の開口を含むことを特徴とする、請求項７に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
10. 各セパレータの前記凹部が所定の方向に延在し、各セパレータに対応する前記構造補強材の前記複数の開口が前記凹部の延在方向に配列されて開口列をなし、前記開口列内の隣接する開口同士が前記開口列の延在方向に部分的に重なっていることを特徴とする、請求項９に記載のセパレータ・拡散層アセンブリ。
11. 燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法であって、
    無機材料からなる基板の一面に、前記基板と一体な導電膜を有し且つ厚み方向に貫通する流体通路を備えた拡散層を形成する過程と、
    前記拡散層の前記流体通路を通じてエッチング剤を前記基板の前記一面に接触させ、前記基板の前記一面に燃料流体または酸化剤流体を流すための凹部を形成してセパレータを形成する過程と
    を含むことを特徴とする燃料電池用のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法。
12. 前記拡散層形成過程が、前記導電膜を前記基板の前記一面に物理蒸着、化学蒸着、スピンコート、スパッタリングまたはスクリーン印刷を含むプロセスにより形成する過程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法。
13. 前記拡散層形成過程が、前記導電膜に複数の開口を形成する過程を有し、
    前記拡散層の前記流体通路は前記導電膜に形成された前記複数の開口を含み、前記導電膜の前記複数の開口は１以上の開口列をなすように配列され、各開口列内の隣接する開口同士が前記開口列の延在方向に部分的に重なっていることを特徴とする、請求項１１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法。
14. 前記拡散層形成過程が、
    前記基板と前記導電膜との間に構造補強材を形成する過程と、
    前記構造補強材に複数の開口を形成する過程とを有し、
    前記拡散層の前記流体通路は前記構造補強材に形成された複数の開口を含み、前記構造補強材の前記複数の開口は１以上の開口列をなすように配列され、各開口列内の隣接する開口同士が前記開口列の延在方向に部分的に重なっていることを特徴とする、請求項１１に記載のセパレータ・拡散層アセンブリの製造方法。

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