JP5609491B2 - 燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法に関するものである。

燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式であり、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、また地球温暖化の原因となるＣＯ_２の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。
その適用例は携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、用途も規模も多様である。

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。
これらのうち、陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能である。

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜を電解質膜として用いており、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を接合した膜電極接合体の両面にセパレータを配した単電池セルを単数あるいは複数積層した構造を有している。
高分子電解質膜の一方の面はアノード（燃料極）として機能し、他方の面はカソード（空気極）として機能する。

燃料極、空気極のそれぞれに反応ガスが供給されると、各電極触媒層中の触媒粒子表面において、下記の式（１）、（２）の電気化学反応が生じ直流電力を発生する。
燃料極側：２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻………………（１）
空気極側：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ………（２）
燃料極側では水素分子（Ｈ_２）の酸化反応が起こり、空気極側では酸素分子（Ｏ_２）の還元反応が起こることで、燃料極側で生成されたＨ^＋イオンは高分子電解質膜中を空気極側に向かって移動し、ｅ⁻（電子）は外部の負荷を通って空気極側に移動する。

一方、空気極側では酸化剤ガスに含まれる酸素と、燃料極側から移動してきたＨ^＋イオンおよびｅ⁻とが反応して水が生成される。かくして、固体高分子形燃料電池は、水素と酸素から直流電流を発生し、水を生成することになる。
ここで燃料極に対向するセパレータ表面には、燃料を流通させるための凹溝状の燃料流路が設けられている。また、空気極に対向するセパレータ表面には、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の酸化剤ガス流路が設けられている。燃料としては、水素を主体とした改質ガス（又は水素ガス）や、メタノール水溶液などが用いられている。

対して空気極側の還元反応（酸素分子（Ｏ_２）の４電子還元）を式（３）に示す。空気極側において副反応として下記の電気化学反応（酸素分子（Ｏ_２）の２電子還元）が生じて多くのＨ_２Ｏ_２が発生する。そして不純物としてＦｅ（ＩＩ）などが存在するとその触媒作用でＨ_２Ｏ_２が分解され、ＯＨ・（ＯＨラジカル）とＯＨ⁻が生成する。
空気極側：Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ_２
Ｈ_２Ｏ_２＋Ｆｅ（ＩＩ） → ＯＨ・＋ＯＨ⁻＋Ｆｅ（ＩＩＩ）…（３）
生成したＯＨ・（ＯＨラジカル）は酸化力が大きく、高分子電解質膜を酸化し分解し劣化させる。

単位電池セルの電圧は、室温近傍において理論上約１．２Ｖであるが、水素イオンが電解質膜を透過する際の抵抗等により、実質的には０．８５〜１．０Ｖとなる。実用上、連続運転条件下で電圧が０．３〜０．６Ｖ程度となるように電流密度が設定されるため、実際に電源として用いる場合には、所定の電圧が得られるように、複数の単位電池セルを直列接続して使用する必要がある。

電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）をガス拡散層およびセパレータで挟持して成る単電池セルを複数積層（スタック）した構造が用いられている。
必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から１０枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では６０〜９０枚程度、自動車用途では２５０〜４００枚程度といわれている。高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、単位電池セルの厚みやコストが燃料電池本体のサイズや価格に大きく影響することになる。

燃料電池のガス拡散層とは、単電池を構成する部材であり、導電性の多孔質体からなり、セパレータからの燃料および空気の触媒層への均一拡散、電気および熱伝導、反応によって生成される水を適切に排出および保持を行う役割があり、これらを効率良く行う為の諸特性が必要とされる。
水排出能力が不足すると、反応による生成水の発生による電解質膜近傍での水分が過多となり反応ガスの拡散を阻害したり（フラッディング）、水滴がセパレータ流路を閉塞して反応ガスの流動を妨げたり（プラッキング）することで、電池性能の劣化が起こる。

また、水保持能力が不足すると、アノード側からカソード側へのプロトン伝導の際に必要な水が不足し（ドライアウト）、電池性能の劣化が起こる。このため、ガス拡散層に適切な水管理能力を付与することは、優れた電池性能を保持する上で特に重要である。
そこで、このような水管理能力を向上させるために、多孔質体表面にＭＰＬ（Micro Porous Layer）と呼ばれる、より微細な構造の多孔質層を形成させる場合もある。

また、ガス拡散層はスタックの構成部材の一つでもあるため、ＭＥＡの支持体とされる場合もあり、スタッキング圧力に耐える圧縮強度、長時間のスタック運転中に厚み変化を起こさない低圧縮クリープ性、発電面内で接触抵抗ムラなどを生じさせない厚さ均一性も必要となる。
ガス拡散層に使用される材料としては、特許文献１、２等のカーボンペーパー等の炭素繊維による、孔径が１〜１００μｍ程度の貫通孔が複数存在する多孔質体が主として報告されている。しかし、上記ガス拡散層は耐食性に優れるが、炭素繊維を炭化した樹脂バインダーの存在する箇所で結着して接合しているため、スタック圧により厚みが変化したり、炭素繊維が脱落したりする等の強度的な問題がある。また、製造方法が抄紙法によるため、孔形状の精密な制御が困難であり、均一なガス供給、水管理が不可能となる問題がある。

さらに、ガス拡散層より突出した炭素繊維が電解質膜に物理的に負荷を与え、電解質膜を損傷し、その結果アノード側のガスおよびカソード側のガスがお互いにリークし、電池性能の低下が懸念される。また、製造工程が高温であるため製造コストの高コスト化が懸念される。
また、金属系のガス拡散層材料も報告されている。特許文献３ではエキスパンドメタルおよびラスカットメタルを使用したガス拡散層が報告されているが、貫通孔径が大きいため、反応ガスの拡散性には問題ないが、水保持能に問題がある。さらに、触媒層との接触面積が少なくなるため、接触抵抗の増加が懸念される。

また、特許文献４では、金属繊維をフェルト状化したガス拡散層が報告されているが、折り重なった部分に凹凸が発生し、その凹凸形状が電解質膜を損傷する問題がある。
また、特許文献５では、金属単板のウェットエッチング加工によるガス拡散層が報告されているが、高アスペクト比のウェットエッチングが困難であり、一般的に多く使用されている数１００μｍ程度の厚みのガス拡散層では、は特殊なウェットエッチング方法を用いない限り、良好な電池特性を発現させるために必要とされるより微細な１０μｍ以下の貫通孔径の作製は困難である。

特開平９-３２４３９０号公報 特開２００５-３０２５５８号公報 特開２００９-９８７９号公報 特開２００８-１０３１４２号公報 特表２００９-５３２８４８号公報

本発明の第一の目的は、従来の技術における上述した問題点に鑑みてなされたものであり、導電性、強度、ガス透過性、水管理能力の良好な燃料電池用ガス拡散層を提供することであり、本発明の第二の目的は、そのような燃料電池用ガス拡散層を容易に低コストで簡便に製造する方法を提供することである。

上記課題を解決するために、ここに提案する燃料電池用ガス拡散層は、フォトエッチングにより金属板に複数のガス拡散用貫通孔をその貫通部分が前記金属板内部に存在し該貫通部分から前記金属板表裏面に向かって徐々に大径となるテーパー状となるように形成し、且つ、前記ガス拡散用貫通孔とは異なる位置に位置合わせ用貫通孔を形成し、前記複数のガス拡散用貫通孔および位置合わせ用貫通孔を有する２以上の前記金属板を、セパレータ側から触媒層側まで前記ガス拡散用貫通孔が連続するように前記位置合わせ用貫通孔を合わせて積層させて構成されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、前記金属板は、鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金のうちの１以上の金属より成ることを特徴とする。
上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、前記金属板は、貴金属めっき或いは導電性樹脂の被覆が施されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、前記被覆は、金、白金、及びパラジウムのうちの１以上の貴金属より成ることを特徴とする。
上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、前記被覆は、導電性フィラーと樹脂との混合物である導電性樹脂より成ることを特徴とする。
上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、前記導電性フィラーが繊維状もしくは粒子状カーボン、導電性粉体、またはその混合物であることを特徴とする。
上記課題を解決するために、上記の燃料電池用ガス拡散層は、特に、そのセパレータ側から触媒層側に到る貫通抵抗値が、１〜５ＭＰａで１０ｍΩ・ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

上記課題を解決するために、ここに提案する燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、ガス拡散用貫通孔の貫通部分が金属板内部に存在し、該貫通部分から前記金属板表裏面に向かって徐々に大径となるテーパー状である貫通孔を有する燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
金属板のガス拡散用貫通孔を設ける部分を除く部位に位置合わせ用貫通孔を形成する第１工程、
前記第１工程を経た前記金属板の表裏両面にフォトレジストを形成する第２工程、
位置決め用マーク、ガス拡散用貫通孔をパターニングしたフォトマスクの位置決め用マークに前記第２工程を経た金属板の前記第１工程で形成された位置合わせ用貫通孔を合わせ、前記フォトマスクを介して前記金属板を露光および現像し、フォトレジストをパターニングする第３工程、
前記第３工程を経た金属板を両面から前記金属板内部にガス拡散用貫通孔が形成されるまでウェットエッチングし、前記金属板内部から上記の金属板表裏面に向かってテーパー状となるガス拡散用貫通孔を複数形成する第４工程、
前記第４工程を経た金属板における前記第２工程で塗布されたフォトレジストを剥離する第５工程、および、
前記第２工程を経た金属板の前記第１工程で形成された位置合わせ用貫通孔を合わせ、少なくとも２つ以上の金属板を積層する第６工程、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、導電性、強度、ガス透過性、水管理能力の良好な燃料電池用ガス拡散層を実現することができ、さらに、そのような燃料電池用ガス拡散層を容易に低コストで簡便に製造する方法を実現できる。

本発明の一つの実施の形態における第一の態様の燃料電池用ガス拡散層の説明断面図である。 図１の燃料電池用ガス拡散層の説明上面図である。 本発明の一つの実施の形態における第二の態様の燃料電池用ガス拡散層の説明断面図である。 図３の燃料電池用ガス拡散層の説明上面図である。 本発明の一つの実施の形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法における金属板の表面片面からフォトエッチングした貫通孔の説明断面図を示す図である。 本発明の一つの実施の形態における金属板単板のガス拡散用貫通孔の説明断面図である。

以下、適宜、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図１は本発明の一つの実施の形態における第一の態様の燃料電池用ガス拡散層の説明断面図である。また、図２は図１の燃料電池用ガス拡散層の説明上面図である。更に、図３は本発明の一つの実施の形態における第二の態様の燃料電池用ガス拡散層の説明断面図である。また、図４は図３の燃料電池用ガス拡散層の説明上面図である。

図１ないし図４の実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、フォトエッチングにより複数のガス拡散用貫通孔６、位置合わせ用貫通孔７が形成された２以上の金属板３、４、５を、セパレータ側（各図における上方または下方）から触媒層側（各図における下方または上方）までガス拡散用貫通孔６が連続するように位置合わせ用貫通孔７を合わせて積層させて構成され、且つ、ガス拡散用貫通孔６はその貫通部分が前記金属板内部に存在し、該貫通部分の小径部６１から金属板３、４、５表裏面に向かって徐々に大径の大径部６２となるテーパー状である。
尚、図１および図２の態様の燃料電池用ガス拡散層と、図３および図４の態様の燃料電池用ガス拡散層との差異については後述する。

次に、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法における一つの実施の形態について説明する。
この実施の形態での金属板３、４、５への加工方法としては、まず、金属板のガス拡散用貫通孔６とする部分外に位置合わせ用貫通孔７を形成する（第１工程）。
次に、金属板の表裏面にネガ型又はポジ型のフォトレジストを形成する（第２工程）。
更に、位置決め用マーク、および透光又は遮光部位からなる所望のパターンが形成されたフォトマスクの位置決め用マークに、金属板の位置合わせ用貫通孔７を合わせ、前記フォトマスクを介して前記金属板を露光および現像し、金属板表裏に同パターン形成したフォトレジストを設ける（第３工程）。

次いで、金属板を腐食可能なエッチング液を用いてエッチングを行い、表裏両面からのエッチングを進行させ、金属板内部にガス拡散用貫通孔を形成する。この場合、金属板の表面片面からフォトエッチングした貫通孔の説明断面図である図５に示す如く、金属板表裏面まで孔径の等しいガス拡散用貫通孔とせず、ガス拡散用貫通孔６の金属板内部の貫通部分の小径部６１から上記の金属板表裏面に向かって徐々に大径の大径部６２となるテーパー形状のガス拡散用貫通孔６になるように加工する（第４工程）。

そして、エッチング加工終了後のフォトレジストは、剥離液に浸漬することで膨潤剥離する（第５工程）。
更に、第１工程で形成した金属板の位置合わせ用貫通孔７を合わせ、少なくとも２つ以上の金属板を積層する（第６工程）。即ち、この第６工程は、複数のガス拡散用貫通孔が形成された金属板を、セパレータ側から触媒層側までガス拡散用貫通孔６が連続するように、位置合わせ用貫通孔７を合わせて複数積層する態様を採りうる。
この方法では、金属板表裏両面からのウェットエッチングで貫通孔が形成された初期段階で加工終了とするため、加工時間が短縮されるだけでなく、より微細なガス拡散用貫通孔の形成が可能となり、均一な反応ガスの供給、水管理能力をさらに向上させることができる。

また、金属板単板で微細なガス拡散用貫通孔の形成が可能となるため、燃料電池用ガス拡散層を構成する金属板の積層枚数を低減することができ、接触抵抗の増加を抑制することが可能である。
本実施の形態における金属板への位置合わせ用貫通孔７を形成する方法については、特に限定するところでなく、切削、パンチング等が挙げられる。特に、安価かつ簡便なパンチングが好ましい。

本実施の形態に用いる金属板の材質については、ウェットエッチングが可能であれば、特に限定するところではない。比較的温和なエッチング液条件で加工可能な材料として、鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金を好適に用いることができる。特に薄板としても堅牢性が高く、かつ通過するガス、水に対しての耐食性が高いものとして、ステンレス類の鉄合金が好ましい。金属板をウェットエッチングにより作製すれば、低コストかつ容易に燃料電池用ガス拡散層を作製することが可能である。

本実施の形態に用いる金属板の板厚については、金属板のガス拡散用貫通孔径を決定する因子となるため、最終的に金属板を積層した際のガス拡散用貫通孔の形状を考慮して、適宜選択する必要がある。図５に、金属板１の表面片面からフォトレジスト２の開口部を通してフォトエッチングした貫通孔の説明断面図を示す。ウェットエッチングにおいては、図５に示すように、フォトレジスト直下でのサイドエッチングが進行するため、エッチングファクターを最大とする方法を用いた場合においても２．６程度である。ここでエッチングファクター（ＥＦ）とはレジスト開口径をＷ１、金属板のエッチング部分の開口径をＷ２、深さをＤとすると式（４）で表される。
ＥＦ＝２Ｄ／Ｗ２−Ｗ１………………（４）
図６に、本実施の形態における金属板単板のガス拡散用貫通孔の説明断面図を示す。本実施の形態において貫通孔径が小さいガス拡散用貫通孔を得るには、図５のように、金属板表面片面からフォトエッチングしてもう一方の面まで貫通させる方法の場合、貫通孔とするためのウェットエッチングに要する時間が長くなる。

そこで、図６のように、金属板の表裏両面から同時にフォトエッチングをし、エッチング底部を繋げてガス拡散用貫通孔とする方法が好ましい。金属板表裏面まで孔径の等しいガス拡散用貫通孔を形成する場合、上記エッチングファクターより、フォトレジストの開口径分を考慮すると、板厚以下の貫通孔径を得ることは難しいが、金属板表裏両面からのエッチング、かつガス拡散用貫通孔の金属内部の貫通部分の小径部６１から金属板１の表裏面に向かって徐々に大径の大径部６２となるテーパー形状の加工までに留めることにより、板厚以下の貫通孔径を得ることが可能となる。

金属板を積層した燃料電池用ガス拡散層全体の厚みとして、水管理のために１００〜５００μｍ、より好ましくは２００μｍ程度必要であるが、上記のように板厚を厚くすることが可能なため、積層枚数を抑制することができ、接触抵抗の増加を防止することが可能である。また、材質によっては、薄板化による加工費から材料単価が大きくなり、高コスト化を招く恐れがあるが、この問題も回避することが可能となる。

本実施の形態に用いるフォトレジスト材料としては、エッチング液に対しての耐薬品性を有していれば、特に限定されるものでない。フォトレジストとしては、ネガ型、ポジ型のいずれのレジストも使用可能である。
ネガ型フォトレジストとしては、重クロム酸系やポリケイ皮酸ビニル系や環化ゴムアジド系などが挙げられる。

また、ポジ型フォトレジストとしては、ナフトキノンアジド系やノボラック樹脂系などが挙げられる。
液状フォトレジストをエッチング層上に塗布する場合には、スピンコーター、ロールコーター、ディップコーターなど通常使用されるフォトレジストコート方法を用いる。ドライフィルムレジストを用いる場合にはラミネーターを用いる。また、印刷レジストをパターン印刷しても良い。

本実施の形態においては比較的簡便に高アスペクト比の（狭く深い）貫通孔を得るために、金属板の表裏両面からのウェットエッチングを行うことが好適であるため、金属板表裏面の両方にフォトレジストを一括形成できる方法として、ドライフィルムレジストをラミネーターで形成する方法が望ましい。
本実施の形態に用いるフォトレジストの厚みについては、使用するフォトレジスト材料、金属板材料および所望のパターン寸法によるが、微細なパターン形成が必要となるため、ウェットエッチング下におけるフォトレジストの密着性が確保できれば、極力薄いほうが好ましい。フォトレジストを薄くすることによって、露光の拡散による精度誤差を抑制するだけでなく、ウェットエッチング時のエッチング液の拡散性を向上させることが可能となり、より微細で高アスペクト比の加工が可能となる。

本実施の形態に用いるフォトレジストの開口幅については、使用する各材料、エッチング条件により適宜選択する必要がある。フォトレジストの開口幅を大きくすると、ウェットエッチング時のエッチング液の拡散性が向上するため、より高アスペクト比の加工が可能となるが、開口幅の分だけガス拡散用貫通孔の孔径は大きくなる。
逆に、フォトレジストの開口幅を小さくすると、ウェットエッチング時のエッチング液の拡散性が悪くなるため、アスペクト比の小さい加工となり、この結果、ガス拡散用貫通孔が形成されるまでエッチングを進行させた際に孔径が大きくなってしまう問題がある。

本実施の形態に用いるウェットエッチング液については、塩化第二鉄または塩化第二銅を用いることが望ましい。特に、鉄やアルミニウム系の金属には塩化第二鉄を用いることが好ましい。塩化第二鉄および塩化第二銅は、塩素または塩素酸化合物などの酸化性物質をエッチング加工の際に同時に混合することにより、反応生成物である塩化第一鉄または塩化第一銅を再生することが可能となる。

塩化第二鉄（ＦｅＣｌ_３）を用いた場合を例に取ると、エッチング加工の際の反応生成物である塩化第一鉄（ＦｅＣｌ_２）は、式（５）（６）のように、再び塩化第二鉄に再生される。
（塩素を混合した場合）２ＦｅＣｌ_２＋Ｃｌ_２→２ＦｅＣｌ_３ ………（５）
（塩素酸ナトリウムを混合した場合）
６ＦｅＣｌ_２＋６ＨＣｌ＋ＮａＣｌＯ_３→６ＦｅＣｌ_３＋ＮａＣｌ＋３Ｈ_２Ｏ…（６）

本実施の形態に用いるウェットエッチング液の濃度については、所望の貫通孔形状により適宜選択する必要がある。塩化第二鉄および塩化第二銅は、濃度によって反応速度および加工面の表面粗さが変化する。特に、塩化第二鉄は、２．５ｍｏｌ／Ｌ付近に反応速度の極大を持ち、その前後で特に鉄系合金において表面粗さが小さくなる。本実施の形態においては、表面粗さを大きくことにより、ウェットエッチングである貫通孔側面の水に対する濡れ性が向上することで、プラッキングを防止する効果が向上するため、上記濃度付近で適宜調整することがより好ましい。

本実施の形態に用いるウェットエッチング液の温度については、高温ほど反応速度が増加し、加工速度が向上するため、４０℃以上、より好ましくは５０℃以上であることが好ましい。
本実施の形態に用いるウェットエッチング液の供給方法については、スプレー法、パドル法、ディップ法や噴流法などが挙げられるが、特にスプレー法が好ましい。スプレー法により、金属板幅方向への液捌けを促進し、中央部のエッチング液滞流（液ダマリ）が抑制され、液を均一かつ連続的に供給することが可能となり、高精度かつ高アスペクト加工、加工速度を良好にするとこができる。

本実施の形態に用いるウェットエッチング後のフォトレジストの剥離液については、熱アルカリ溶液、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤が挙げられるが、使用する金属材料を腐食しないものを適宜選択する必要がある。例えば、アルミニウム系材料を使用する場合、熱アルカリ溶液は侵食作用があるため、使用することができない。特に、鉄系材料を使用する場合、熱アルカリ溶液を使用することにより、フォトレジストの剥離と同時に表面の脱脂効果もあるため、大変有効である。

本実施の形態に用いる金属板のガス拡散用貫通孔のパターン形状については、碁盤目状、丸ドット状、ストライプ状等が挙げられるが、セパレータの流路構造によって適宜選択する必要がある。特に、あらゆる方向に対して堅牢性が高く、金属板を積層して燃料電池用ガス拡散層とした際の最終的なガス拡散用貫通孔の予測設計が容易である碁盤目状が好ましい。
本実施の形態に用いる金属板を積層し燃料電池用ガス拡散層とする工程については、予めガス拡散用貫通孔と別部分に作製した位置合わせ用貫通孔７を用いる。画像認識により装置的に合わせても良いし、スタックの際には位置決めピンを用意し、ピンを上記位置合わせ用貫通孔７に差し込むことで積層しても良い。

次に、既述の、図１および図２に表された態様の燃料電池用ガス拡散層と、図３および図４に表された態様の燃料電池用ガス拡散層との差異について説明する。
図３および図４に表された態様の燃料電池用ガス拡散層では、金属板２、３、４の全てのガス拡散用貫通孔６のパターン位置（金属板の面内方向での位置）が一致するように位置合わせ用貫通孔７を利用して位置合わせしながら積層し、一直線に貫通した態様のガス拡散用貫通孔６としている。燃料電池用ガス拡散層としては、このような態様を採っても良い。しかしながら、図３および図４に表された態様ではガス拡散性、水排出性が問題なくとも、水保持性が問題となる場合がある。

従って、好ましくは、例えば、図１および図２に表された態様の燃料電池用ガス拡散層におけるように、第１および第２、第３の金属板２、３、４それぞれのガス拡散用貫通孔６のパターン位置を変更し（金属板の面内方向でずらして）、それぞれが折り重なるように位置合わせ用貫通孔７を利用して位置合わせしながら配置する方法が良い。この配置方法により、さらに微細なガス拡散貫通孔を形成できるだけでなく、燃料電池用ガス拡散層の平行方向にもガスおよび水分の流動が可能となるため、更なるガス拡散性、水管理能力の向上が可能となる。

何れの実施の形態でも、フォトリソグラフィによりパターン形状を決定できるため、全面に規格されたパターンおよび開口径のガス拡散用貫通孔を形成することができ、均一な反応ガスの供給、水管理が可能となる。
更に、本実施の形態では、金属板を用いるため、高い機械的強度を有する。また、表面が平滑であるため、電解質膜を損傷することなく、発電性能の劣化を防止できる。さらに、積層構造とするため、金属薄板を使用することが可能となり、高アスペクトの特殊なウェットエッチング方法を用いなくとも、金属板単板では作製困難である１０μｍ以下の微細な径のガス拡散用貫通孔を有した総厚数１００μｍの燃料電池用ガス拡散層の作製が可能となる。これにより、均一な反応ガスの供給、水管理能力を向上させることができる。

本実施の形態に用いる金属板の接触抵抗、耐久性等の物性をさらに改善するために、金属板を貴金属めっきで被覆しても良い。貴金属としては、金、白金、及びパラジウムが挙げられる。特に、接触抵抗が低く、耐食性の高い金が望ましい。ステンレス等の単独で反応ガスおよび水に対する耐食性を有するものは、ピンホールがあっても構わないため、薄膜めっきであっても大きな問題はない。但し、銅等の耐食性の伴わない材質に関しては、ピンホールがない厚膜めっきを施す必要があり、厚膜過ぎると高コスト化の懸念がある。

上記と同様の目的として、金属板に導電性樹脂を被覆しても良い。貴金属めっきと比較して安価であり、厚膜を形成してもコスト的な問題が少ない。被覆方法としては、ディッピング、スプレー、静電塗装法等の各種ウェットコーティング方法が挙げられる。特に、方法が簡便なディッピング法が好ましい。
本実施の形態に用いる導電性樹脂は、導電性フィラーと樹脂の混合物である。導電性フィラーとしては、繊維状導電性フィラーあるいは粉体状導電性フィラーが望ましい。繊維状導電性フィラーとしては、具体的には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどから選ばれる１種あるいは２種以上のカーボン繊維を挙げることができる。

本実施の形態において、繊維状導電性フィラーと粉体状導電性フィラーを併用すると導電性樹脂自体の導電性をさらに低減できる。粉体状導電性フィラーとしては、十分な導電性を有し、発電環境下で十分な耐食性を有するものであれば特に制限はなく、具体的には、例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック等のカーボン粉体、ＷＣ、ＴｉＣなどの金属炭化物、ＴｉＮ、ＴａＮなどの金属窒化物、ＴｉＳｉ，ＺｒＭｏＳｉなどの金属珪化物およびＡｇ，Ａｕなどの耐食性金属などから選ばれた１種ないし２種以上の混合物を挙げることができる。

本実施の形態に用いる導電性樹脂を構成する樹脂成分としては、ウェットコーティングが可能であれば特に制限はなく、具体的には、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂、芳香族ポリイミド樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、などから選ばれた１種ないし２種以上の混合物を用いることができる。

本実施の形態に用いる導電性樹脂における樹脂成分と導電性フィラーの比率は、用いられる金属板材質により異なるが、導電性フィラーの含有量が少ないと必要な導電性が確保できず、また、導電性フィラーの含有量が多すぎると、ウェットプロセスに不適合なインク粘度の増加、機械的強度の低下が懸念される。具体的な指標としては、膜形成した際に樹脂成分中の導電性フィラーの重量比率が３０重量％以上９０重量％以下であることが好ましく、さらに好ましくは６０重量％以上８５重量％未満が望ましい。

本実施の形態としての燃料電池用ガス拡散層の貫通方向抵抗値、即ち、燃料電池用ガス拡散層のセパレータ側から触媒層側に到る貫通抵抗値は、スタック圧を想定した加圧環境下である１〜５ＭＰａで１０ｍΩ・ｃｍ²以下、さらに好ましくは１ｍΩ・ｃｍ²以下が望ましい。燃料電池用ガス拡散層はスタック部材の一部であるため、良好な導電性を有している必要がある。１０ｍΩ・ｃｍ²以上になると、燃料電池全体の抵抗値として無視することができなくなり、電池性能の劣化に大きく寄与することになる。
以上のように、本発明の実施の形態では、金属板に貴金属めっき、導電性樹脂を被覆する態様を採ることも可能である。これにより、接触抵抗、耐久性等の物性をさらに改善することが可能である。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、後述する実施例は本発明の一実施例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例）
金属板として厚み８０μｍのＳＵＳ３１６Ｌを用いた。この金属板の燃料電池用ガス拡散層貫通孔を形成する箇所の外周部の4点に、孔径５００μｍの位置合わせ用貫通孔７を、パンチングにより形成した。

次いで、上記金属板を６０℃、３０重量％水酸化ナトリウム水溶液に１０分間浸漬して脱脂をした後、水洗して、１０重量％硫酸に２分間浸漬して酸活性を行うことで、前処理を行った。前処理後の金属板は水洗後、エアーによって乾燥させた。
次いで、膜厚２０μｍのネガ型ドライフィルムレジスト（ＳＵＮＦＯＲＴ ＳＰＧ−１０２、旭化成株式会社製）を上記金属板両面にロールラミネータを用い、ロール温度１１０℃、ロール圧力０．３ＭＰａ、ラミネート速度１ｍ／分で貼り合わせた。

次に、ガス拡散用貫通孔を形成するための２０μｍ角の遮光部分が、線幅５０μｍの露光部で格子状パターンが配列されており、金属板の位置合わせ用貫通孔７と同位置、同形状に位置決め用マークが設計されたフォトマスクを、金属板の位置合わせ用貫通孔７とフォトマスクの位置決め用マークを合わせて金属板両面に設置し、紫外線露光処理を行った。

さらに、３０℃、１重量％炭酸ナトリウム水溶液をスプレー圧０．１ＭＰａで上記金属板表裏面に噴射することで現像を行い、フォトマスクの露光部分にフォトレジストが残存した金属板２枚を得た。
同様に、上記格子状パターン位置を上記位置決め用マークに対して、フォトマスク平面の縦横方向に６０μｍずつ変更したフォトマスクを用いて、露光および現像を行い、金属板を1枚作製し、計３枚の金属板を得た。
次に、６５℃、３ｍｏｌ／Ｌ塩化第二鉄水溶液を用いて、スプレー圧０．５ＭＰａで上記金属板の両面よりスプレーエッチングを行い、フォトレジストパターンを残した金属エッチング平板を作製した。

次に、４０℃、５重量％苛性ソーダ水溶液に上記金属板を浸漬し、フォトレジストを剥離し、その後水洗後、エアーによって乾燥することで、貫通孔を有する金属板を得た。得られた金属板は全て表裏面の孔径が１００μｍ角、金属板内部の貫通部分が２０μｍ角、金属板表裏面の線幅２０μｍで格子状パターンに配列されたガス拡散貫通孔を有していた。また、３枚中１枚の金属板の格子状パターンが、位置合わせ用貫通孔７に対して金属板平面の縦横方向に６０μｍずれた構造となった。
最後に、位置決め貫通孔４箇所を合わせて、上記金属板３枚を積層し、燃料電池用ガス拡散層を得た。得られた燃料電池用ガス拡散層は総厚２４０μｍで、３次元的なガス拡散用貫通孔を有し、燃料電池用ガス拡散層表面から裏面へのガス流動が可能であった。

１ 金属板
２ フォトレジスト
３ 第１の金属板
４ 第２の金属板
５ 第３の金属板
６ ガス拡散用貫通孔
７ 位置合わせ用貫通孔
６１ 小径部
６２ 大径部

Claims (8)

1. フォトエッチングにより金属板に複数のガス拡散用貫通孔をその貫通部分が前記金属板内部に存在し該貫通部分から前記金属板表裏面に向かって徐々に大径となるテーパー状となるように形成し、且つ、前記ガス拡散用貫通孔とは異なる位置に位置合わせ用貫通孔を形成し、前記複数のガス拡散用貫通孔および位置合わせ用貫通孔を有する２以上の前記金属板を、セパレータ側から触媒層側まで前記ガス拡散用貫通孔が連続するように前記位置合わせ用貫通孔を合わせて積層させて構成されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
2. 前記金属板は、鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金のうちの１以上の金属より成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
3. 前記金属板は、貴金属めっき或いは導電性樹脂の被覆が施されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
4. 前記被覆は、金、白金、及びパラジウムのうちの１以上の貴金属より成ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用ガス拡散層。
5. 前記被覆は、導電性フィラーと樹脂との混合物である導電性樹脂より成ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用ガス拡散層。
6. 前記導電性フィラーが繊維状もしくは粒子状カーボン、導電性粉体、またはその混合物であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用ガス拡散層。
7. 前記燃料電池用ガス拡散層のセパレータ側から触媒層側の貫通抵抗値が、１〜５ＭＰａで１０ｍΩ・ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
8. 既定の金属板のガス拡散用貫通孔を設ける部分を除く部位に位置合わせ用貫通孔を形成する第１工程、
   前記第１工程を経た前記金属板の表裏両面にフォトレジストを形成する第２工程、
   位置決め用マーク、ガス拡散用貫通孔をパターニングしたフォトマスクの位置決め用マークに前記第２工程を経た金属板の前記第１工程で形成された位置合わせ用貫通孔を合わせ、前記フォトマスクを介して前記金属板を露光および現像し、フォトレジストをパターニングする第３工程、
   前記第３工程を経た金属板を両面から前記金属板内部にガス拡散用貫通孔が形成されるまでウェットエッチングし、前記金属板内部から上記の金属板表裏面に向かって徐々に大径となるテーパー状となるガス拡散用貫通孔を複数形成する第４工程、
   前記第４工程を経た金属板における前記第２工程で塗布されたフォトレジストを剥離する第５工程、および、
   前記第２工程を経た金属板の前記第１工程で形成された位置合わせ用貫通孔を合わせ、少なくとも２つ以上の金属板を積層する第６工程、
   を含むことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。

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