燃料電池用のセパレータおよびその製造方法
【課題】 強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池用のセパレータを、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材２と、この金属基材２を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層５と、金属基材２と樹脂層５との間に介在する金属微粒子４とを備えたものとし、樹脂層５で被覆されている金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面２ａを有しており、金属粒子４は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、樹脂層５は導電材料を含有したものとする。
【解決手段】 燃料電池用のセパレータを、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材２と、この金属基材２を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層５と、金属基材２と樹脂層５との間に介在する金属微粒子４とを備えたものとし、樹脂層５で被覆されている金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面２ａを有しており、金属粒子４は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、樹脂層５は導電材料を含有したものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、簡単には、外部より燃料（還元剤）と酸素または空気（酸化剤）を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の５種類に大きく分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣとも言う）も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を２種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも言う）が注目されている。
このＰＥＦＣにおいては、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極（酸素極）を、他方の面に燃料極（水素極）を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造がとられている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
【０００３】
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着塗膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている。しかし、酸化被膜を生じ易いアルミニウムのような金属基材を使用し、この金属基材上に電着塗膜を直接形成した金属セパレータでは、電着塗膜にムラ、カケ、ピンホール等の欠陥が生じ易く均一な電着塗膜の形成が困難であり、燃料電池内部の酸性条件下での発電状態における耐食性に問題があった。
このため、アルミニウムのような耐食性の低い金属基材に、耐食下地層として、Ｚｎ置換めっき層、中間層（Ｃｕめっき層、Ｎｉめっき層）、Ａｕめっき層とを積層して形成し、この耐食下地層上にポリイミド樹脂層を形成したセパレータが開発されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１３０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、多層構造の耐食下地層の形成は、工程数が多く作製時間が長くなり、製造コストの増大を来すという問題があった。また、アルミニウム基材と多層構造の耐食下地層との熱膨張係数の相違により、セパレータとして使用中に耐食下地層にクラックが生じ易く、耐食性が安定して発現されないという問題もあった。さらに、耐食下地層が多層のめっき膜であるため、高温での長時間の使用に伴い、各めっき層界面での合金化が進行し、カーケンダルボイドが発生して劣化の要因となるという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、金属基材と、該金属基材を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層と、前記金属基材と前記樹脂層との間に介在する金属粒子とを備え、前記金属基材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記樹脂層で被覆されている前記金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面を有しており、前記金属粒子は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、前記樹脂層は導電材料を含有するような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記金属基材が少なくとも一方の面に溝部を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基材が複数の貫通孔を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料がカーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基材および前記金属粒子と前記樹脂層との間に下地めっき層を有するような構成とした。
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材に粗面化処理を施す工程と、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂膜を前記金属基材の粗面上に形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層とする工程を有し、前記粗面化処理では、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属または金属塩を含有する処理液を接触させ、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成するような構成とした。
【０００９】
本発明の他の態様として、前記処理液は、ｐＨが酸性領域にあるような構成とし、また、前記処理液は、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記処理液は、ｐＨがアルカリ性領域にあるような構成とし、また、前記処理液は、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、粗面化処理を施す前に、前記金属基材に対して酸化被膜の除去処理を施すような構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のセパレータは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材の表面が平均粗さＲａ１．５〜１０μｍの範囲の粗面であり、この粗面に所定の金属粒子を介在させて導電性の樹脂層が配されているので、金属基材と樹脂層とが強固に密着されるとともに、表裏導通における電気抵抗が低く、優れた耐食性を具備するものである。
【００１１】
本発明のセパレータの製造方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材上に導電性の樹脂層を電着により形成する前に、所定の金属または金属塩を含有する処理液を用いて金属基材に粗面化処理を施して平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成し、これと同時に粗面に金属粒子を析出させるので、この金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着により樹脂層が形成され、かつ、金属基材の粗面が樹脂層に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材と樹脂層とが強固に密着され、表裏導通における電気抵抗が低く良好な導電性を有し、優れた耐食性を具備するセパレータの製造が可能であるとともに、従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材を用いたセパレータの製造方法に比べて工程が簡略化され、製造コストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。
【図２】図１に示される燃料電池用のセパレータの部分拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図４】図３に示される燃料電池用のセパレータの部分拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す図２相当の部分拡大断面図である。
【図６】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図７】本発明のセパレータの製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【図８】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の一例を説明するための部分構成図である。
【図９】図８に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【図１０】図８に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を示す斜視図である。
【図１１】図８に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を図１０とは異なった方向から示す斜視図である。
【図１２】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の他の例を説明するための平面図である。
【図１３】図１２に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。
【図１４】図１２に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［セパレータ］
図１は、本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図であり、図２は、図１に示される燃料電池用のセパレータの円で囲まれた部位の拡大断面図である。図１および図２において、本発明のセパレータ１は、金属基材２と、この金属基材２の両面に形成された溝部３と、これらの溝部３の内壁面を含む金属基材２の表面に位置する粗面２ａと、金属基材２の粗面２ａを被覆するように電着により形成された樹脂層５とを備えている。また、金属基材２の粗面２ａと樹脂層５との間には金属粒子４が介在しており、樹脂層５は導電材料を含有するものである。
金属基材２が有する溝部３は、セパレータ１が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部３の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基材２の一方の面のみに溝部３を備えるものであってもよい。このような溝部３の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基材２の表裏で、溝部３の形状が異なるものであってもよい。
【００１４】
図３は、本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図であり、図４は、図３に示される燃料電池用のセパレータの円で囲まれた部位の拡大断面図である。図３および図４において、本発明のセパレータ１１は、金属基材１２と、この金属基材１２に形成された複数の貫通孔１３と、これらの貫通孔１３の内壁面を含む金属基材１２の表面に位置する粗面１２ａと、金属基材１２の粗面１２ａを被覆するように電着により形成された樹脂層１５とを備えている。また、金属基材１２の粗面１２ａと樹脂層１５との間には金属粒子１４が介在しており、樹脂層１５は導電材料を含有している。
金属基材１２が有する貫通孔１３は、セパレータ１１が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔１３の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
本発明のセパレータ１，１１を構成する金属基材２，１２の材質は、純アルミニウム（１０００系）、アルミニウム合金である。アルミニウム合金としては、例えば、アルミニウムの２０００系、５０００系、６０００系、７０００系等が挙げられる。
【００１５】
金属基材２，１２の粗面２ａ，１２ａは、その平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である。粗面２ａ，１２ａの平均粗さＲａが１．５μｍ未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性が不十分となることがあり、また、平均粗さＲａが１０μｍを超えると、樹脂層５，１５にピンホールが生じるおそれがあり好ましくない。
尚、粗面２ａ，１２ａの平均粗さＲａは、菱化システム社製 VertScan 2.0により測定する。
【００１６】
金属基材２，１２（粗面２ａ，１２ａ）と樹脂層５，１５との間に介在する金属粒子４，１４は、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子である。このような金属粒子４，１４は、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用をなすものであり、平均粒径が５〜５００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍの範囲であり、存在密度は２千万〜２５千万個／ｍｍ2、好ましくは４千万〜１０千万個／ｍｍ2の範囲である。金属粒子４，１４の平均粒径が５ｎｍ未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用が不十分となることがあり、平均粒径が５００ｎｍを超えると、金属基材２，１２と樹脂層５，１５との密着性が悪くなり好ましくない。また、金属粒子４，１４の存在密度が２千万個／ｍｍ2未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用が不十分となることがあり、２５千万個／ｍｍ2を超えると、金属基材２，１２と樹脂層５，１５との密着性が悪くなり好ましくない。
尚、金属粒子４，１４の平均粒径は、日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００により測定し、存在密度は、日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００で撮影した画像データから算出する。
【００１７】
セパレータ１，１１を構成する樹脂層５，１５は、導電性を有するとともに、金属基材２，１２に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層５，１５は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
【００１８】
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着により形成された樹脂層５，１５の厚みは、２〜１００μｍ、好ましくは５〜３０μｍの範囲とすることができる。樹脂層５，１５の厚みが２μｍ未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、１００μｍを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
【００１９】
樹脂層５，１５に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層５，１５に導電性を付与するために好適である。樹脂層５，１５における導電材料の含有量は、樹脂層５，１５に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、１０〜９０重量％の範囲で設定することができる。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有するものであってもよい。この場合、下地めっき層６としては、ニッケル、スズ、亜鉛、銅、銀、コバルト等のいずれか１種、または２種以上のめっき層とすることができる。２種以上の場合には、多層の下地めっき層６を形成してもよく、また、下地めっき層６を合金めっき層としてもよい。本発明では、このように金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有する場合であっても、粗面２ａの平均粗さＲａは、１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲とする。また、上述のセパレータ１１においても、金属基材１２および金属粒子１４と樹脂層１５との間に下地めっき層を有してもよい。
【００２０】
［セパレータの製造方法］
次に、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法について説明する。
図６は、図１および図２に示されるセパレータ１を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト８，８を形成し、このレジスト８，８をマスクとして両面から金属板材２′をエッチングして溝部３，３を形成する（図６（Ａ））。その後、レジスト８，８を剥離して金属基材２を得る（図６（Ｂ））。
次に、この金属基材２の両面に粗面化処理を施して、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である粗面２ａを形成する（図６（Ｃ））。粗面２ａの平均粗さＲａが１．５μｍ未満であると、後の電着工程において形成する樹脂層５と粗面２ａとの密着性が不十分となることがあり、また、平均粗さＲａが１０μｍを超えると、後の電着工程において粗面２ａへの追従性が悪くなり、形成される樹脂層５にピンホールが発生しやすくなり好ましくない。この粗面化処理は、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属、または、これらの塩酸塩、硫酸塩等の金属塩を含有する処理液を金属基材２に接触させることにより行うことができる。処理液と金属基材２との接触は、例えば、浸漬法、スプレー法、塗布法等のいずれかの方法により行うことができる。
【００２１】
上記の処理液としては、例えば、ｐＨが酸性領域にある処理液を使用することができる。このような処理液は、例えば、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌ、好ましくは０．５〜３．０モル／Ｌの範囲で含有し、上記の金属または金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有するものであってよい。塩酸濃度が０．１モル／Ｌ未満であると、金属基材２の粗面化が不十分なものとなり、５．０モル／Ｌを超えると、含有する金属または金属塩を粒子として粗面２ａの表面に析出させることが困難となり好ましくない。また、金属または金属塩の濃度が０．０１モル／Ｌ未満であると、粒子として粗面２ａの表面に析出する金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲に到達できないことがある。また、金属または金属塩の濃度が１．０モル／Ｌを超えると、粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲から外れるおそれがあり好ましくない。
【００２２】
また、上記の処理液として、例えば、ｐＨがアルカリ性領域、好ましくはｐＨが８．５以上である処理液を使用することができる。このような処理液は、例えば、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有し、上記の金属または金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有するものであってよい。キレート剤としては、グリシン、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、クエン酸等を挙げることができる。キレート剤濃度は、処理液中の金属または金属塩の濃度に依存するものであり、０．０１モル／Ｌ未満であると、含有する金属または金属塩が金属粒子ではなく水酸化物として析出することがある。一方、キレート剤濃度を１．０モル／Ｌを超える濃度としても、キレート剤の効果が発揮されない。また、金属または金属塩の濃度が０．０１モル／Ｌ未満であると、粒子として粗面２ａの表面に析出する金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲に到達できないことがある。また、金属または金属塩の濃度が１．０モル／Ｌを超えると、粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲から外れるおそれがあり好ましくない。
金属基材２の粗面化処理における処理液の温度は、例えば、３０〜８０℃、好ましくは４０〜６０℃の範囲とすることができ、また、金属基材２と処理液との接触時間は、例えば、０．５〜１０分間の範囲とすることができる。処理液の温度が３０℃未満であると、粗面化処理の速度が遅く、生産性が低下し、８０℃を超えると、金属基材２の溶解が進むことがあり好ましくない。また、接触時間が０．５分未満であると、金属基材２の粗面化が不十分なものとなったり、含有する金属または金属塩を金属粒子として粗面２ａの表面に析出させることが困難となり、１０分を超えると、金属粒子が異常に析出し、金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲から外れることがあり好ましくない。
【００２３】
次に、金属基材２の粗面２ａ上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により電着膜を形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層５を形成する（図６（Ｄ））。これにより、本発明のセパレータ１が得られる。
電着液を調製するための各種アニオン性、カチオン性の合成高分子樹脂、導電材料は、上述の各材料を使用することができる。また、熱硬化処理は、使用する合成高分子樹脂に応じて条件を適宜設定することができ、例えば、１８０〜２４０℃の範囲で加熱温度を設定することができる。
このような電着による樹脂層５の形成では、上記の粗面化処理により粗面２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着が行われ、かつ、金属基材２の粗面２ａが樹脂層５に対してアンカーとして作用する。これにより金属基材２と樹脂層５とが強固に密着したものであり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。
【００２４】
図７は、図３および図４に示されるセパレータ１１を例として本発明のセパレータの製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材１２′の両面に、フォトリソグラフィーにより複数の開口部を有するレジスト１８，１８を形成し、このレジスト１８，１８をマスクとして両面から金属板材１２′をエッチングして複数の貫通孔１３を穿設する（図７（Ａ））。レジスト１８，１８の複数の開口部は、それぞれ金属板材１２′を介して対向するように位置している。その後、レジスト１８，１８を剥離して金属基材１２を得る（図７（Ｂ））。
貫通孔１３の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基材１２に粗面化処理を施して、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である粗面１２ａを形成する（図７（Ｃ））。この粗面化処理は、上述の製造方法の実施形態と同様とすることができる。
【００２５】
次に、金属基材１２の粗面１２ａ上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により電着膜を形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層１５を形成する（図７（Ｄ））。これにより、本発明のセパレータ１１が得られる。
電着液を調製するための各種アニオン性、カチオン性の合成高分子樹脂、導電材料は、上述の各材料を使用することができる。また、熱硬化処理は、使用する合成高分子樹脂に応じて条件を適宜設定することができ、例えば、１８０〜２４０℃の範囲で加熱温度を設定することができる。
このような電着による樹脂層１５の形成では、上記の粗面化処理により粗面１２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着が行われ、かつ、金属基材１２の粗面１２ａが樹脂層１５に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材１２と樹脂層１５とが強固に密着したものであり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。
【００２６】
このような本発明のセパレータの製造方法では、金属基材２，１２と樹脂層５，１５とが強固に密着され、優れた耐食性と導電性を具備するセパレータの製造が可能であるとともに、アルミニウム基材に多層構造の耐食下地層を形成する従来のセパレータの製造方法に比べて工程が簡略化され、製造コストの低減が可能である。
上述の本発明のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示したように、金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有するセパレータを製造する場合、金属基材２の粗面２ａ上に、ニッケル、スズ、亜鉛、銅、銀、コバルト等のいずれか１種、または２種以上のめっき層を形成して下地めっき層６とする。２種以上の場合には、多層の下地めっき層６を形成してもよく、また、下地めっき層６を合金めっき層としてもよい。この下地めっき層６の形成では、上記の粗面化処理により粗面２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなしてめっきが行われるので、金属基材２と下地めっき層６とが強固に密着したものとなる。そして、下地めっき層６が形成された粗面２ａが樹脂層５に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材２と下地めっき層６と樹脂層５とが強固に密着したものとなり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。尚、本発明では、このように下地めっき層６を形成する場合、下地めっき層６が形成された粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲となるようにする。
【００２７】
［本発明のセパレータを用いた燃料電池の例］
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図８〜図１１を参照して説明する。図８は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図９は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。また、図１０および図１１は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図８〜図１１において、高分子電解質型燃料電池２１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）３１とセパレータ４１とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
ＭＥＡ３１は、図９に示されるように、高分子電解質膜３２の一方の面に配設された触媒層３３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３４とからなる燃料極（水素極）３５と、高分子電解質膜３２の他方の面に配設された触媒層３６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３７とからなる空気極（酸素極）３８を備えている。
【００２８】
セパレータ４１は、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ａと、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に冷却水用溝部４４ｂを備えたセパレータ４１Ｂと、一方の面に冷却水用溝部４３ｂを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ｃとからなっている。このようなセパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃは、本発明のセパレータであり、その両面に、図１および図２に示されるように樹脂層が形成されているが、図示例では、省略している。
【００２９】
各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと上記の高分子電解質膜３２の所定位置には、２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂ、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂ、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ４１Ａの酸化剤ガス供給用溝部４４ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の空気極（酸素極）３８が当接し、セパレータ４１Ｂの燃料ガス供給用溝部４３ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の燃料極（水素極）３５が当接するように、また、セパレータ４１Ｂの冷却水用溝部４４ｂが形成された面とセパレータ４１Ｃの冷却水用溝部４３ｂが形成された面とが当接するように、各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと単位セルであるＭＥＡ３１が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池２１が構成されている。このように積層された状態で、上記の２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。
【００３０】
また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図１２〜図１４を参照して説明する。図１２は、高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図１３は、図１２に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。また、図１４は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【００３１】
図１２および図１３に示されるように、高分子電解質型燃料電池５１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）６１とセパレータ７１Ａ，７１Ｂとからなる単位セル５２を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図９では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル５２の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部５５を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部５５のくり抜き部に単位セル５２を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル５２と絶縁部５５とを平面状に設けているものである。
この高分子電解質型燃料電池５１は、絶縁部５５のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部５７ｃを設けている。そして、この表裏接続部５７ｃを、接続配線５７ａを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ７１Ａ（例えば、燃料極側セパレータ）に接続し、また、接続配線５７ｂを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ７１Ｂ（例えば、空気極側セパレータ）に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ａと、他方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ｂには、配線７５，７６が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を４個としているが、単位セルの個数には制限はない。
【００３２】
絶縁部５５は、接続部５７（接続配線５７ａ，５７ｂおよび表裏接続部５７ｃ）で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部５５の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部５５は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部５７の表裏接続部５７ｃとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部５７ｃは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
また、ＭＥＡ６１は、図１４に示されるように、高分子電解質膜６２の一方の面に配設された触媒層６３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６４とからなる燃料極（水素極）６５と、高分子電解質膜６２の他方の面に配設された触媒層６６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６７とからなる空気極（酸素極）６８を備えている。
セパレータ７１Ａ，７１Ｂは、図３および図４に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基材に導電性の樹脂層を有するものである。
【実施例】
【００３３】
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２Ｐ）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト（ニチゴー・モートン（株）製）をラミネートして３５μｍ厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により１５秒間照射）、現像（３０℃の２％炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー）してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から４５℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、５０℃の５％炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を両面に備えた金属基材を得た。
【００３４】
次に、上記の金属基材に対して、硝酸水溶液を用いて酸化被膜除去処理を行った。次いで、純水に塩酸を１．２モル／Ｌ、硫酸銅５水塩を０．０４モル／Ｌの濃度で溶解した処理液Ａに金属基材を浸漬（５０℃、１分間）して粗面化処理を施し、引き上げた後、水洗、乾燥した。このような粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを菱化システム社製 VertScan 2.0を用いて測定し、結果を下記の表１に示した。尚、粗面化処理を施す前の金属基材の平均粗さＲａを上記と同様に測定したところ、０．３μｍであった。
また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００を用いて測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００で撮影した画像データから算出した結果、約６千万個／ｍｍ2であった。
次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ（株）製 Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）を樹脂固形分に対して７５重量％添加し分散させて、電着液とした。この電着液を２５℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基材を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで１分間電着を行い、引き上げた金属基材を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱硬化処理を施した。これにより厚み１５μｍの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
【００３５】
尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（エポキシ当量９１０）１０００重量部を撹拌下に７０℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル４６３重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン８０．３重量部を加えて１００℃で２時間反応させてアミンエポキシ付加物（Ａ）を調製した。
また、コロネートＬ（日本ポリウレタン（株）製 ジイソシアネート：ＮＣＯ１３％の不揮発分７５重量％）８７５重量部にジブチル錫ラウレート０．０５重量部を加え５０℃に加熱し、これに２−エチルヘキサノール３９０重量部を添加し、その後、１２０℃で９０分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル１３０重量部で希釈した成分（Ｂ）を得た。
次に、上記のアミンエポキシ付加物（Ａ）１０００重量部と成分（Ｂ）４００重量部からなる混合物を、氷酢酸３０重量部で中和した後、脱イオン水５７０重量部を用いて希釈し、不揮発分５０重量％の樹脂Ａを調製した。この樹脂Ａ２００．２重量部（樹脂成分８６．３容量）、脱イオン水５８３．３重量部、およびジブチル錫ラウレート２．４重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
【００３６】
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
（電気抵抗の測定方法）
セパレータをガス拡散層（東レ（株）製 ＴＧＰ−Ｈ−０６０ １９０μｍ厚）
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ５ｍｍの電極
で挟み込んで圧着（圧力：２０ｋｇｆ／ｃｍ2）し、電極間の抵抗を測定する。
【００３７】
また、上記のセパレータについて、下記の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
（耐食性試験の条件）
１モルの硫酸水溶液（７０℃）に１００時間浸漬した後、引き上げ、水酸化アルミ
ニウムの発生を観察する。
評価基準：
○…水酸化アルミニウムの発生が見られず、耐食性が良好である
×…水酸化アルミニウムの発生があり、耐食性は不十分である
【００３８】
さらに、上記のセパレータについて、下記の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
（密着性試験の条件）
エポキシ系接着剤の付いたスタッドピンをセパレータに垂直に取り付けて、Ｑｕａｄ
Ｇｒｏｕｐ社製のロミュラスを使って、引っ張り密着強度測定を行い、スタッドピン
が引き剥がされた部位のセパレータを観察した。
評価基準：
○…樹脂層内部での凝集破壊が起こり、樹脂層と金属基材との密着は維持
されており、密着性は良好である
×…樹脂層と金属基材との界面で剥離が生じ、金属基材が露出しており、
密着性は不十分である
【００３９】
［実施例２］
電着による樹脂層の形成前に、金属基材の粗面上に下記の条件で下地めっき層（厚み３μｍ）を形成した他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
（下地めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
下地めっき層を形成後の金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４０】
［実施例３］
粗面化処理に使用する処理液として、純水に塩酸を２モル／Ｌ、硫酸スズを０．１５モル／Ｌの濃度で溶解した処理液Ｂを使用した他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在するスズ粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１５ｎｍであり、スズ粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約４千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４１】
［実施例４］
電着による樹脂層の形成前に、金属基材の粗面上に下記の条件で下地めっき層（厚み３μｍ）を形成した他は、実施例３と同様にして、セパレータを作製した。
（下地めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
下地めっき層を形成後の金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４２】
［実施例５］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を０．５分間として、粗面化処理の条件を弱めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４３】
［実施例６］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を１０分間として、粗面化処理の条件を強めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２４千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４４】
［実施例７］
粗面化処理に使用する処理液として、純水に硫酸銅を０．１モル／Ｌ、硫酸ニッケルを０．４モル／Ｌの濃度で溶解し、これにグリシンを０．１５モル／Ｌ添加し、水酸化ナトリウムでｐＨを９．０に調整した処理液Ｃを使用し、粗面化処理における浸漬を７０℃、１０分間とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子、ニッケル粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、銅粒子が約１１ｎｍであり、ニッケル粒子が約１８ｎｍであった。さらに、銅粒子およびニッケル粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、銅粒子が約５千万個／ｍｍ2であり、ニッケル粒子が約８千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４５】
［比較例１］
実施例１と同様にして、溝部を両面に備えた金属基材を作製し、硝酸水溶液を用いて前処理を施し、水洗した。
次に、上記の金属基材に対して、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層（厚み０．０５μｍ）を、溝部を含めた金属基材上に形成した。
（亜鉛置換処理の条件）
・使用浴 ： ジンケート浴（メルテックス（株）製 アルモンＥＮ）
・液温 ： ３０℃
・処理時間 ： ２０秒
【００４６】
次いで、亜鉛合金層上に、下記の電気めっき条件で銅めっき層（厚み１μｍ）、ニッケルめっき層（厚み５μｍ）、金めっき層（厚み０．０５μｍ）を順次積層して、亜鉛／銅／ニッケル／金の４層構造からなる耐食下地層を、溝部を含めた金属基材上に形成した。
（銅電気めっき条件）
・使用浴 ： シアン化銅浴
・ｐＨ ： １０．５
・電流密度 ： ２Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ４０℃
（ニッケル電気めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
（金電気めっき条件）
・使用浴 ： アルカリ性高純度金めっき浴
・ｐＨ ： １２
・電流密度 ： ０．４Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ６０℃
【００４７】
次いで、実施例１と同様にして、耐食下地層上に厚み１５μｍの樹脂層を形成し、セパレータを得た。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４８】
［比較例２］
金属基材に対する粗面化処理を行わない他は、実施例１と同様に金属基材上に樹脂層を形成して、セパレータを作製した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４９】
［比較例３］
金属基材に対する粗面化処理を行わない他は、実施例２と同様に金属基材上に下地めっき層、樹脂層を形成して、セパレータを作製した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５０】
［比較例４］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を０．３分間として、粗面化処理の条件を弱めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２００万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５１】
［比較例５］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を２０分間として、粗面化処理の条件を強めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約３０千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１に示されるように、実施例１〜７のセパレータは、表裏導通の電気抵抗が低く良好な導電性を有し、また、優れた耐食性を有し、さらに、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
これに対して、比較例１〜５のセパレータは、導電性、耐食性、密着性の少なくとも１つが実施例１〜７のセパレータに比べて劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１…セパレータ
２，１２…金属基材
２ａ，１２ａ…粗面
３…溝部
４，１４…金属粒子
５，１５…樹脂層
１３…貫通孔
２１，５１…高分子電解質型燃料電池
３１，６１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，７１Ａ，７１Ｂ…セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、このようなセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、簡単には、外部より燃料（還元剤）と酸素または空気（酸化剤）を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途などで分類される。また、最近では、主に使用される電解質の種類によって、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の５種類に大きく分類させるのがー般的である。
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣとも言う）も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を２種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも言う）が注目されている。
このＰＥＦＣにおいては、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極（酸素極）を、他方の面に燃料極（水素極）を配置した単位セルを、所望の起電力を得るために、複数個積層したスタック構造、あるいは、平面状に複数個を直列に接続した構造がとられている。例えば、上記のスタック構造の場合、単位セル間に配設されるセパレータは、そのー方の面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部が形成され、他方の面に、隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部が形成されている。
【０００３】
このようなセパレータとしては、コスト、強度の点から、金属製のセパレータが好ましいが、耐食性に問題があった。このため、導電性の電着塗膜を形成して耐食性を付与した金属セパレータが開発されている。しかし、酸化被膜を生じ易いアルミニウムのような金属基材を使用し、この金属基材上に電着塗膜を直接形成した金属セパレータでは、電着塗膜にムラ、カケ、ピンホール等の欠陥が生じ易く均一な電着塗膜の形成が困難であり、燃料電池内部の酸性条件下での発電状態における耐食性に問題があった。
このため、アルミニウムのような耐食性の低い金属基材に、耐食下地層として、Ｚｎ置換めっき層、中間層（Ｃｕめっき層、Ｎｉめっき層）、Ａｕめっき層とを積層して形成し、この耐食下地層上にポリイミド樹脂層を形成したセパレータが開発されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１３０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、多層構造の耐食下地層の形成は、工程数が多く作製時間が長くなり、製造コストの増大を来すという問題があった。また、アルミニウム基材と多層構造の耐食下地層との熱膨張係数の相違により、セパレータとして使用中に耐食下地層にクラックが生じ易く、耐食性が安定して発現されないという問題もあった。さらに、耐食下地層が多層のめっき膜であるため、高温での長時間の使用に伴い、各めっき層界面での合金化が進行し、カーケンダルボイドが発生して劣化の要因となるという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐食性に優れ、接続抵抗が小さい燃料電池用のセパレータとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明のセパレータは、金属基材と、該金属基材を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層と、前記金属基材と前記樹脂層との間に介在する金属粒子とを備え、前記金属基材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記樹脂層で被覆されている前記金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面を有しており、前記金属粒子は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、前記樹脂層は導電材料を含有するような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記金属基材が少なくとも一方の面に溝部を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基材が複数の貫通孔を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料がカーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基材および前記金属粒子と前記樹脂層との間に下地めっき層を有するような構成とした。
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材に粗面化処理を施す工程と、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂膜を前記金属基材の粗面上に形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層とする工程を有し、前記粗面化処理では、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属または金属塩を含有する処理液を接触させ、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成するような構成とした。
【０００９】
本発明の他の態様として、前記処理液は、ｐＨが酸性領域にあるような構成とし、また、前記処理液は、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記処理液は、ｐＨがアルカリ性領域にあるような構成とし、また、前記処理液は、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有するような構成とした。
本発明の他の態様として、粗面化処理を施す前に、前記金属基材に対して酸化被膜の除去処理を施すような構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のセパレータは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材の表面が平均粗さＲａ１．５〜１０μｍの範囲の粗面であり、この粗面に所定の金属粒子を介在させて導電性の樹脂層が配されているので、金属基材と樹脂層とが強固に密着されるとともに、表裏導通における電気抵抗が低く、優れた耐食性を具備するものである。
【００１１】
本発明のセパレータの製造方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材上に導電性の樹脂層を電着により形成する前に、所定の金属または金属塩を含有する処理液を用いて金属基材に粗面化処理を施して平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成し、これと同時に粗面に金属粒子を析出させるので、この金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着により樹脂層が形成され、かつ、金属基材の粗面が樹脂層に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材と樹脂層とが強固に密着され、表裏導通における電気抵抗が低く良好な導電性を有し、優れた耐食性を具備するセパレータの製造が可能であるとともに、従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材を用いたセパレータの製造方法に比べて工程が簡略化され、製造コストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。
【図２】図１に示される燃料電池用のセパレータの部分拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図である。
【図４】図３に示される燃料電池用のセパレータの部分拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す図２相当の部分拡大断面図である。
【図６】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図７】本発明のセパレータの製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【図８】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の一例を説明するための部分構成図である。
【図９】図８に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【図１０】図８に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を示す斜視図である。
【図１１】図８に示される高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を図１０とは異なった方向から示す斜視図である。
【図１２】本発明のセパレータを使用した高分子電解質型燃料電池の他の例を説明するための平面図である。
【図１３】図１２に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。
【図１４】図１２に示される高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［セパレータ］
図１は、本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図であり、図２は、図１に示される燃料電池用のセパレータの円で囲まれた部位の拡大断面図である。図１および図２において、本発明のセパレータ１は、金属基材２と、この金属基材２の両面に形成された溝部３と、これらの溝部３の内壁面を含む金属基材２の表面に位置する粗面２ａと、金属基材２の粗面２ａを被覆するように電着により形成された樹脂層５とを備えている。また、金属基材２の粗面２ａと樹脂層５との間には金属粒子４が介在しており、樹脂層５は導電材料を含有するものである。
金属基材２が有する溝部３は、セパレータ１が燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。また、溝部３の一方が燃料ガス供給用溝部、酸化剤ガス供給用溝部のいずれかとなり、他方が冷却水用溝となるものであってもよい。さらに、金属基材２の一方の面のみに溝部３を備えるものであってもよい。このような溝部３の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基材２の表裏で、溝部３の形状が異なるものであってもよい。
【００１４】
図３は、本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す部分断面図であり、図４は、図３に示される燃料電池用のセパレータの円で囲まれた部位の拡大断面図である。図３および図４において、本発明のセパレータ１１は、金属基材１２と、この金属基材１２に形成された複数の貫通孔１３と、これらの貫通孔１３の内壁面を含む金属基材１２の表面に位置する粗面１２ａと、金属基材１２の粗面１２ａを被覆するように電着により形成された樹脂層１５とを備えている。また、金属基材１２の粗面１２ａと樹脂層１５との間には金属粒子１４が介在しており、樹脂層１５は導電材料を含有している。
金属基材１２が有する貫通孔１３は、セパレータ１１が燃料電池に組み込まれたときに、燃料ガス、あるいは、酸化剤ガスを単位セルに供給するための流路となるものである。このような貫通孔１３の大きさ、個数、配設密度には特に制限はない。
本発明のセパレータ１，１１を構成する金属基材２，１２の材質は、純アルミニウム（１０００系）、アルミニウム合金である。アルミニウム合金としては、例えば、アルミニウムの２０００系、５０００系、６０００系、７０００系等が挙げられる。
【００１５】
金属基材２，１２の粗面２ａ，１２ａは、その平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である。粗面２ａ，１２ａの平均粗さＲａが１．５μｍ未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性が不十分となることがあり、また、平均粗さＲａが１０μｍを超えると、樹脂層５，１５にピンホールが生じるおそれがあり好ましくない。
尚、粗面２ａ，１２ａの平均粗さＲａは、菱化システム社製 VertScan 2.0により測定する。
【００１６】
金属基材２，１２（粗面２ａ，１２ａ）と樹脂層５，１５との間に介在する金属粒子４，１４は、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子である。このような金属粒子４，１４は、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用をなすものであり、平均粒径が５〜５００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍの範囲であり、存在密度は２千万〜２５千万個／ｍｍ2、好ましくは４千万〜１０千万個／ｍｍ2の範囲である。金属粒子４，１４の平均粒径が５ｎｍ未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用が不十分となることがあり、平均粒径が５００ｎｍを超えると、金属基材２，１２と樹脂層５，１５との密着性が悪くなり好ましくない。また、金属粒子４，１４の存在密度が２千万個／ｍｍ2未満であると、粗面２ａ，１２ａと樹脂層５，１５との密着性を向上させる作用が不十分となることがあり、２５千万個／ｍｍ2を超えると、金属基材２，１２と樹脂層５，１５との密着性が悪くなり好ましくない。
尚、金属粒子４，１４の平均粒径は、日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００により測定し、存在密度は、日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００で撮影した画像データから算出する。
【００１７】
セパレータ１，１１を構成する樹脂層５，１５は、導電性を有するとともに、金属基材２，１２に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層５，１５は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
【００１８】
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着により形成された樹脂層５，１５の厚みは、２〜１００μｍ、好ましくは５〜３０μｍの範囲とすることができる。樹脂層５，１５の厚みが２μｍ未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、１００μｍを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
【００１９】
樹脂層５，１５に含有される導電材料としては、例えば、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等のカーボン素材、耐食性金属等が挙げられるが、耐酸性かつ導電性が所望のものが得られれば、これらの導電材料に限定されない。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層５，１５に導電性を付与するために好適である。樹脂層５，１５における導電材料の含有量は、樹脂層５，１５に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、１０〜９０重量％の範囲で設定することができる。
上述の本発明のセパレータの実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有するものであってもよい。この場合、下地めっき層６としては、ニッケル、スズ、亜鉛、銅、銀、コバルト等のいずれか１種、または２種以上のめっき層とすることができる。２種以上の場合には、多層の下地めっき層６を形成してもよく、また、下地めっき層６を合金めっき層としてもよい。本発明では、このように金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有する場合であっても、粗面２ａの平均粗さＲａは、１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲とする。また、上述のセパレータ１１においても、金属基材１２および金属粒子１４と樹脂層１５との間に下地めっき層を有してもよい。
【００２０】
［セパレータの製造方法］
次に、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法について説明する。
図６は、図１および図２に示されるセパレータ１を例として本発明の製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材２′の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジスト８，８を形成し、このレジスト８，８をマスクとして両面から金属板材２′をエッチングして溝部３，３を形成する（図６（Ａ））。その後、レジスト８，８を剥離して金属基材２を得る（図６（Ｂ））。
次に、この金属基材２の両面に粗面化処理を施して、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である粗面２ａを形成する（図６（Ｃ））。粗面２ａの平均粗さＲａが１．５μｍ未満であると、後の電着工程において形成する樹脂層５と粗面２ａとの密着性が不十分となることがあり、また、平均粗さＲａが１０μｍを超えると、後の電着工程において粗面２ａへの追従性が悪くなり、形成される樹脂層５にピンホールが発生しやすくなり好ましくない。この粗面化処理は、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属、または、これらの塩酸塩、硫酸塩等の金属塩を含有する処理液を金属基材２に接触させることにより行うことができる。処理液と金属基材２との接触は、例えば、浸漬法、スプレー法、塗布法等のいずれかの方法により行うことができる。
【００２１】
上記の処理液としては、例えば、ｐＨが酸性領域にある処理液を使用することができる。このような処理液は、例えば、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌ、好ましくは０．５〜３．０モル／Ｌの範囲で含有し、上記の金属または金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有するものであってよい。塩酸濃度が０．１モル／Ｌ未満であると、金属基材２の粗面化が不十分なものとなり、５．０モル／Ｌを超えると、含有する金属または金属塩を粒子として粗面２ａの表面に析出させることが困難となり好ましくない。また、金属または金属塩の濃度が０．０１モル／Ｌ未満であると、粒子として粗面２ａの表面に析出する金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲に到達できないことがある。また、金属または金属塩の濃度が１．０モル／Ｌを超えると、粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲から外れるおそれがあり好ましくない。
【００２２】
また、上記の処理液として、例えば、ｐＨがアルカリ性領域、好ましくはｐＨが８．５以上である処理液を使用することができる。このような処理液は、例えば、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有し、上記の金属または金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌ、好ましくは０．１〜０．５モル／Ｌの範囲で含有するものであってよい。キレート剤としては、グリシン、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、クエン酸等を挙げることができる。キレート剤濃度は、処理液中の金属または金属塩の濃度に依存するものであり、０．０１モル／Ｌ未満であると、含有する金属または金属塩が金属粒子ではなく水酸化物として析出することがある。一方、キレート剤濃度を１．０モル／Ｌを超える濃度としても、キレート剤の効果が発揮されない。また、金属または金属塩の濃度が０．０１モル／Ｌ未満であると、粒子として粗面２ａの表面に析出する金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲に到達できないことがある。また、金属または金属塩の濃度が１．０モル／Ｌを超えると、粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲から外れるおそれがあり好ましくない。
金属基材２の粗面化処理における処理液の温度は、例えば、３０〜８０℃、好ましくは４０〜６０℃の範囲とすることができ、また、金属基材２と処理液との接触時間は、例えば、０．５〜１０分間の範囲とすることができる。処理液の温度が３０℃未満であると、粗面化処理の速度が遅く、生産性が低下し、８０℃を超えると、金属基材２の溶解が進むことがあり好ましくない。また、接触時間が０．５分未満であると、金属基材２の粗面化が不十分なものとなったり、含有する金属または金属塩を金属粒子として粗面２ａの表面に析出させることが困難となり、１０分を超えると、金属粒子が異常に析出し、金属粒子の平均粒径、存在密度が、上記の本発明のセパレータにおける規定範囲から外れることがあり好ましくない。
【００２３】
次に、金属基材２の粗面２ａ上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により電着膜を形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層５を形成する（図６（Ｄ））。これにより、本発明のセパレータ１が得られる。
電着液を調製するための各種アニオン性、カチオン性の合成高分子樹脂、導電材料は、上述の各材料を使用することができる。また、熱硬化処理は、使用する合成高分子樹脂に応じて条件を適宜設定することができ、例えば、１８０〜２４０℃の範囲で加熱温度を設定することができる。
このような電着による樹脂層５の形成では、上記の粗面化処理により粗面２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着が行われ、かつ、金属基材２の粗面２ａが樹脂層５に対してアンカーとして作用する。これにより金属基材２と樹脂層５とが強固に密着したものであり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。
【００２４】
図７は、図３および図４に示されるセパレータ１１を例として本発明のセパレータの製造方法を説明するための工程図である。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板材１２′の両面に、フォトリソグラフィーにより複数の開口部を有するレジスト１８，１８を形成し、このレジスト１８，１８をマスクとして両面から金属板材１２′をエッチングして複数の貫通孔１３を穿設する（図７（Ａ））。レジスト１８，１８の複数の開口部は、それぞれ金属板材１２′を介して対向するように位置している。その後、レジスト１８，１８を剥離して金属基材１２を得る（図７（Ｂ））。
貫通孔１３の形成は、上述のエッチングによる方法の他に、サンドブラスト法、レーザー加工法、ドリル加工法等により行うことも可能である。
次に、貫通孔１３の内壁面を含む金属基材１２に粗面化処理を施して、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲である粗面１２ａを形成する（図７（Ｃ））。この粗面化処理は、上述の製造方法の実施形態と同様とすることができる。
【００２５】
次に、金属基材１２の粗面１２ａ上に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により電着膜を形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層１５を形成する（図７（Ｄ））。これにより、本発明のセパレータ１１が得られる。
電着液を調製するための各種アニオン性、カチオン性の合成高分子樹脂、導電材料は、上述の各材料を使用することができる。また、熱硬化処理は、使用する合成高分子樹脂に応じて条件を適宜設定することができ、例えば、１８０〜２４０℃の範囲で加熱温度を設定することができる。
このような電着による樹脂層１５の形成では、上記の粗面化処理により粗面１２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなして電着が行われ、かつ、金属基材１２の粗面１２ａが樹脂層１５に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材１２と樹脂層１５とが強固に密着したものであり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。
【００２６】
このような本発明のセパレータの製造方法では、金属基材２，１２と樹脂層５，１５とが強固に密着され、優れた耐食性と導電性を具備するセパレータの製造が可能であるとともに、アルミニウム基材に多層構造の耐食下地層を形成する従来のセパレータの製造方法に比べて工程が簡略化され、製造コストの低減が可能である。
上述の本発明のセパレータの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示したように、金属基材２および金属粒子４と樹脂層５との間に下地めっき層６を有するセパレータを製造する場合、金属基材２の粗面２ａ上に、ニッケル、スズ、亜鉛、銅、銀、コバルト等のいずれか１種、または２種以上のめっき層を形成して下地めっき層６とする。２種以上の場合には、多層の下地めっき層６を形成してもよく、また、下地めっき層６を合金めっき層としてもよい。この下地めっき層６の形成では、上記の粗面化処理により粗面２ａに析出した金属粒子が反応開始剤の作用をなしてめっきが行われるので、金属基材２と下地めっき層６とが強固に密着したものとなる。そして、下地めっき層６が形成された粗面２ａが樹脂層５に対してアンカーとして作用し、これにより金属基材２と下地めっき層６と樹脂層５とが強固に密着したものとなり、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。尚、本発明では、このように下地めっき層６を形成する場合、下地めっき層６が形成された粗面２ａの平均粗さＲａが１．５〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍの範囲となるようにする。
【００２７】
［本発明のセパレータを用いた燃料電池の例］
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図８〜図１１を参照して説明する。図８は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図９は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。また、図１０および図１１は、それぞれ高分子電解質型燃料電池のセパレータと膜電極複合体を離間させた状態を異なった方向から示す斜視図である。
図８〜図１１において、高分子電解質型燃料電池２１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）３１とセパレータ４１とからなる単位セルが複数個積層されたスタック構造を有している。
ＭＥＡ３１は、図９に示されるように、高分子電解質膜３２の一方の面に配設された触媒層３３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３４とからなる燃料極（水素極）３５と、高分子電解質膜３２の他方の面に配設された触媒層３６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）３７とからなる空気極（酸素極）３８を備えている。
【００２８】
セパレータ４１は、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ａと、一方の面に燃料ガス供給用溝部４３ａを備え、他方の面に冷却水用溝部４４ｂを備えたセパレータ４１Ｂと、一方の面に冷却水用溝部４３ｂを備え、他方の面に酸化剤ガス供給用溝部４４ａを備えたセパレータ４１Ｃとからなっている。このようなセパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃは、本発明のセパレータであり、その両面に、図１および図２に示されるように樹脂層が形成されているが、図示例では、省略している。
【００２９】
各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと上記の高分子電解質膜３２の所定位置には、２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂ、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂ、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂが貫通孔として形成されている。そして、セパレータ４１Ａの酸化剤ガス供給用溝部４４ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の空気極（酸素極）３８が当接し、セパレータ４１Ｂの燃料ガス供給用溝部４３ａが形成されている面に、ＭＥＡ３１の燃料極（水素極）３５が当接するように、また、セパレータ４１Ｂの冷却水用溝部４４ｂが形成された面とセパレータ４１Ｃの冷却水用溝部４３ｂが形成された面とが当接するように、各セパレータ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと単位セルであるＭＥＡ３１が積層され、この繰り返しで高分子電解質型燃料電池２１が構成されている。このように積層された状態で、上記の２個の燃料ガス供給孔４５ａ，４５ｂはそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、２個の酸化剤ガス供給孔４６ａ，４６ｂはそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成し、２個の冷却水供給孔４７ａ，４７ｂはそれぞれ積層方向に貫通する冷却水の供給路を形成している。
【００３０】
また、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の他の例を、図１２〜図１４を参照して説明する。図１２は、高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための平面図であり、図１３は、図１２に示される高分子電解質型燃料電池のＡ−Ａ線での縦断面図である。また、図１４は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
【００３１】
図１２および図１３に示されるように、高分子電解質型燃料電池５１は、膜電極複合体（ＭＥＡ:Membrane-Electrode Assembly）６１とセパレータ７１Ａ，７１Ｂとからなる単位セル５２を平面状に複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図９では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池である。また、各単位セル５２の周りには、これと略同じ厚さの絶縁部５５を設け、全体を平面状にしている。すなわち、平板状の絶縁部５５のくり抜き部に単位セル５２を嵌め込んだ状態とすることにより、単位セル５２と絶縁部５５とを平面状に設けているものである。
この高分子電解質型燃料電池５１は、絶縁部５５のうち、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５に、貫通してその表裏の接続を行うための表裏接続部５７ｃを設けている。そして、この表裏接続部５７ｃを、接続配線５７ａを介して、隣接する一方の単位セルのセパレータ７１Ａ（例えば、燃料極側セパレータ）に接続し、また、接続配線５７ｂを介して、隣接する他方の単位セルのセパレータ７１Ｂ（例えば、空気極側セパレータ）に接続している。これにより、隣接する単位セル間が電気的に直列に接続されている。そして、直列に接続された一方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ａと、他方の端部に位置する単位セル５２のセパレータ７１Ｂには、配線７５，７６が接続されている。
尚、図示例では単位セルの個数を４個としているが、単位セルの個数には制限はない。
【００３２】
絶縁部５５は、接続部５７（接続配線５７ａ，５７ｂおよび表裏接続部５７ｃ）で接続される以外は、隣接する単位セル間を互いに絶縁するものである。このような絶縁部５５の材質は、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされず、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等が使用される。また、絶縁部５５は、絶縁性材料のみからなるものでも、導電性材料を一部含むものでもよい。
接続部５７の表裏接続部５７ｃとしては、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかを、隣接する単位セル間に位置する絶縁部５５中に設けたものとすることができる。これらの表裏接続部５７ｃは、従来の配線基板技術の応用として形成できる。
また、ＭＥＡ６１は、図１４に示されるように、高分子電解質膜６２の一方の面に配設された触媒層６３とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６４とからなる燃料極（水素極）６５と、高分子電解質膜６２の他方の面に配設された触媒層６６とガス拡散層（ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer）６７とからなる空気極（酸素極）６８を備えている。
セパレータ７１Ａ，７１Ｂは、図３および図４に示されるような本発明のセパレータであり、複数の貫通孔を備えた金属基材に導電性の樹脂層を有するものである。
【実施例】
【００３３】
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
金属板材として、８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２Ｐ）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このアルミニウム合金の両面に、ドライフィルムレジスト（ニチゴー・モートン（株）製）をラミネートして３５μｍ厚の感光性レジスト層を形成し、その後、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により１５秒間照射）、現像（３０℃の２％炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレー）してレジストを形成した。
次いで、上記のレジストを介してアルミニウム合金の両面から４５℃に加熱した塩化第二鉄水溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、５０℃の５％炭酸水素ナトリウム水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．３ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅５０ｍｍ、ピッチ２ｍｍで蛇行した長さ１３００ｍｍの溝部を両面に備えた金属基材を得た。
【００３４】
次に、上記の金属基材に対して、硝酸水溶液を用いて酸化被膜除去処理を行った。次いで、純水に塩酸を１．２モル／Ｌ、硫酸銅５水塩を０．０４モル／Ｌの濃度で溶解した処理液Ａに金属基材を浸漬（５０℃、１分間）して粗面化処理を施し、引き上げた後、水洗、乾燥した。このような粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを菱化システム社製 VertScan 2.0を用いて測定し、結果を下記の表１に示した。尚、粗面化処理を施す前の金属基材の平均粗さＲａを上記と同様に測定したところ、０．３μｍであった。
また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００を用いて測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を日立ハイテク社製 透過電子顕微鏡ＨＦ−３３００で撮影した画像データから算出した結果、約６千万個／ｍｍ2であった。
次いで、エポキシ電着液に、導電材料としてカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ（株）製 Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）を樹脂固形分に対して７５重量％添加し分散させて、電着液とした。この電着液を２５℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基材を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで１分間電着を行い、引き上げた金属基材を純水洗浄した。その後、ドライヤーで熱風乾燥（１５０℃、３分間）し、さらに、窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の熱硬化処理を施した。これにより厚み１５μｍの樹脂層が形成され、セパレータが得られた。
【００３５】
尚、使用したエポキシ電着液は下記のようにして調製した。
まず、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（エポキシ当量９１０）１０００重量部を撹拌下に７０℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル４６３重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン８０．３重量部を加えて１００℃で２時間反応させてアミンエポキシ付加物（Ａ）を調製した。
また、コロネートＬ（日本ポリウレタン（株）製 ジイソシアネート：ＮＣＯ１３％の不揮発分７５重量％）８７５重量部にジブチル錫ラウレート０．０５重量部を加え５０℃に加熱し、これに２−エチルヘキサノール３９０重量部を添加し、その後、１２０℃で９０分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル１３０重量部で希釈した成分（Ｂ）を得た。
次に、上記のアミンエポキシ付加物（Ａ）１０００重量部と成分（Ｂ）４００重量部からなる混合物を、氷酢酸３０重量部で中和した後、脱イオン水５７０重量部を用いて希釈し、不揮発分５０重量％の樹脂Ａを調製した。この樹脂Ａ２００．２重量部（樹脂成分８６．３容量）、脱イオン水５８３．３重量部、およびジブチル錫ラウレート２．４重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
【００３６】
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を下記の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
（電気抵抗の測定方法）
セパレータをガス拡散層（東レ（株）製 ＴＧＰ−Ｈ−０６０ １９０μｍ厚）
で両側から挟み込み、さらに、これらを銅に金めっきを施した厚さ５ｍｍの電極
で挟み込んで圧着（圧力：２０ｋｇｆ／ｃｍ2）し、電極間の抵抗を測定する。
【００３７】
また、上記のセパレータについて、下記の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
（耐食性試験の条件）
１モルの硫酸水溶液（７０℃）に１００時間浸漬した後、引き上げ、水酸化アルミ
ニウムの発生を観察する。
評価基準：
○…水酸化アルミニウムの発生が見られず、耐食性が良好である
×…水酸化アルミニウムの発生があり、耐食性は不十分である
【００３８】
さらに、上記のセパレータについて、下記の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
（密着性試験の条件）
エポキシ系接着剤の付いたスタッドピンをセパレータに垂直に取り付けて、Ｑｕａｄ
Ｇｒｏｕｐ社製のロミュラスを使って、引っ張り密着強度測定を行い、スタッドピン
が引き剥がされた部位のセパレータを観察した。
評価基準：
○…樹脂層内部での凝集破壊が起こり、樹脂層と金属基材との密着は維持
されており、密着性は良好である
×…樹脂層と金属基材との界面で剥離が生じ、金属基材が露出しており、
密着性は不十分である
【００３９】
［実施例２］
電着による樹脂層の形成前に、金属基材の粗面上に下記の条件で下地めっき層（厚み３μｍ）を形成した他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
（下地めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
下地めっき層を形成後の金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４０】
［実施例３］
粗面化処理に使用する処理液として、純水に塩酸を２モル／Ｌ、硫酸スズを０．１５モル／Ｌの濃度で溶解した処理液Ｂを使用した他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在するスズ粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１５ｎｍであり、スズ粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約４千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４１】
［実施例４］
電着による樹脂層の形成前に、金属基材の粗面上に下記の条件で下地めっき層（厚み３μｍ）を形成した他は、実施例３と同様にして、セパレータを作製した。
（下地めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
下地めっき層を形成後の金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４２】
［実施例５］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を０．５分間として、粗面化処理の条件を弱めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４３】
［実施例６］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を１０分間として、粗面化処理の条件を強めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２４千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４４】
［実施例７］
粗面化処理に使用する処理液として、純水に硫酸銅を０．１モル／Ｌ、硫酸ニッケルを０．４モル／Ｌの濃度で溶解し、これにグリシンを０．１５モル／Ｌ添加し、水酸化ナトリウムでｐＨを９．０に調整した処理液Ｃを使用し、粗面化処理における浸漬を７０℃、１０分間とした他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子、ニッケル粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、銅粒子が約１１ｎｍであり、ニッケル粒子が約１８ｎｍであった。さらに、銅粒子およびニッケル粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、銅粒子が約５千万個／ｍｍ2であり、ニッケル粒子が約８千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４５】
［比較例１］
実施例１と同様にして、溝部を両面に備えた金属基材を作製し、硝酸水溶液を用いて前処理を施し、水洗した。
次に、上記の金属基材に対して、下記の条件で亜鉛置換処理を施して亜鉛合金層（厚み０．０５μｍ）を、溝部を含めた金属基材上に形成した。
（亜鉛置換処理の条件）
・使用浴 ： ジンケート浴（メルテックス（株）製 アルモンＥＮ）
・液温 ： ３０℃
・処理時間 ： ２０秒
【００４６】
次いで、亜鉛合金層上に、下記の電気めっき条件で銅めっき層（厚み１μｍ）、ニッケルめっき層（厚み５μｍ）、金めっき層（厚み０．０５μｍ）を順次積層して、亜鉛／銅／ニッケル／金の４層構造からなる耐食下地層を、溝部を含めた金属基材上に形成した。
（銅電気めっき条件）
・使用浴 ： シアン化銅浴
・ｐＨ ： １０．５
・電流密度 ： ２Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ４０℃
（ニッケル電気めっき条件）
・使用浴 ： 塩化ニッケルめっき浴
・ｐＨ ： １．３
・電流密度 ： ６Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ２３℃
（金電気めっき条件）
・使用浴 ： アルカリ性高純度金めっき浴
・ｐＨ ： １２
・電流密度 ： ０．４Ａ／ｄｍ2
・液温 ： ６０℃
【００４７】
次いで、実施例１と同様にして、耐食下地層上に厚み１５μｍの樹脂層を形成し、セパレータを得た。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４８】
［比較例２］
金属基材に対する粗面化処理を行わない他は、実施例１と同様に金属基材上に樹脂層を形成して、セパレータを作製した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００４９】
［比較例３］
金属基材に対する粗面化処理を行わない他は、実施例２と同様に金属基材上に下地めっき層、樹脂層を形成して、セパレータを作製した。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５０】
［比較例４］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を０．３分間として、粗面化処理の条件を弱めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約２００万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５１】
［比較例５］
５０℃の処理液Ａに金属基材を浸漬する時間を２０分間として、粗面化処理の条件を強めた他は、実施例１と同様にして、セパレータを作製した。
粗面化処理を行った金属基材の粗面の平均粗さＲａを実施例１と同様に測定し、結果を下記の表１に示した。また、粗面に存在する銅粒子の平均粒径を実施例１と同様に測定した結果、約１２ｎｍであり、銅粒子の存在密度を実施例１と同様に測定した結果、約３０千万個／ｍｍ2であった。
作製した上記のセパレータについて、表裏導通の電気抵抗を実施例１と同様の方法で測定し、結果を下記の表１に示した。
また、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で耐食性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
さらに、上記のセパレータについて、実施例１と同様の条件で樹脂層の密着性試験を行い、評価結果を下記の表１に示した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１に示されるように、実施例１〜７のセパレータは、表裏導通の電気抵抗が低く良好な導電性を有し、また、優れた耐食性を有し、さらに、樹脂層の密着性が良好であることが確認された。
これに対して、比較例１〜５のセパレータは、導電性、耐食性、密着性の少なくとも１つが実施例１〜７のセパレータに比べて劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の製造に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１…セパレータ
２，１２…金属基材
２ａ，１２ａ…粗面
３…溝部
４，１４…金属粒子
５，１５…樹脂層
１３…貫通孔
２１，５１…高分子電解質型燃料電池
３１，６１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，７１Ａ，７１Ｂ…セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、該金属基材を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層と、前記金属基材と前記樹脂層との間に介在する金属粒子とを備え、前記金属基材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記樹脂層で被覆されている前記金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面を有しており、前記金属粒子は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、前記樹脂層は導電材料を含有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記金属基材は、少なくとも一方の面に溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記金属基材は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
前記金属基材および前記金属粒子と前記樹脂層との間に下地めっき層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項６】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材に粗面化処理を施す工程と、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂膜を前記金属基材の粗面上に形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層とする工程を有し、前記粗面化処理では、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属または金属塩を含有する処理液を接触させ、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記処理液は、ｐＨが酸性領域にあることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記処理液は、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記処理液は、ｐＨがアルカリ性領域にあることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記処理液は、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
粗面化処理を施す前に、前記金属基材に対して酸化被膜の除去処理を施すことを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１】
金属基材と、該金属基材を被覆するように電着により形成された導電性の樹脂層と、前記金属基材と前記樹脂層との間に介在する金属粒子とを備え、前記金属基材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記樹脂層で被覆されている前記金属基材面は平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲にある粗面を有しており、前記金属粒子は亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属粒子であり、前記樹脂層は導電材料を含有することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記金属基材は、少なくとも一方の面に溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記金属基材は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
前記導電材料は、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、耐食性金属の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
前記金属基材および前記金属粒子と前記樹脂層との間に下地めっき層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項６】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属基材に粗面化処理を施す工程と、電着性を有する樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着にて樹脂膜を前記金属基材の粗面上に形成し、その後、熱硬化処理を施して樹脂層とする工程を有し、前記粗面化処理では、亜鉛、スズ、鉄、ニッケルおよび銅のいずれか１種、または２種以上の金属または金属塩を含有する処理液を接触させ、平均粗さＲａが１．５〜１０μｍの範囲内の粗面を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記処理液は、ｐＨが酸性領域にあることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記処理液は、塩酸を０．１〜５．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記処理液は、ｐＨがアルカリ性領域にあることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記処理液は、キレート剤を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有し、前記金属または前記金属塩を０．０１〜１．０モル／Ｌの範囲で含有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
粗面化処理を施す前に、前記金属基材に対して酸化被膜の除去処理を施すことを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−７９６１４（Ｐ２０１２−７９６１４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５４１６（Ｐ２０１０−２２５４１６）
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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