JP4031740B2 - 燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池 - Google Patents

燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池 Download PDF

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Description

本発明は薄型化が容易で軽量な燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、並びに、燃料電池内蔵型配線回路基板に関する。
近年、環境汚染を起こさないエネルギー源として、燃料電池が注目され、その研究が盛んに行われている。燃料電池は、水素と酸素とを電気化学的に反応させ、直接電気を発生させるものであり、基本的に、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置される燃料電極と、電解質膜の他方の面に配置される酸素電極とからなる膜電極複合体を、燃料ガス（水素ガス）の流路となる溝を備えたセパレータと、酸素（空気）ガスの流路となる溝を備えたセパレータとで挟持した発電セルを単位として構成される。ここで、燃料ガス（水素ガス）の流路となる溝を備えたセパレータは、外部から発電セル内に送り込まれる燃料ガス（水素ガス）が燃料電極の表面に接触してその上を通過した後、発電セルの外部へ排出されるように、該燃料ガス（水素ガス）を流す役割を担い、酸素（空気）ガスの流路となる溝を備えたセパレータは、外部から発電セル内に送り込まれた酸素ガスが酸素電極の表面に接触してその上を通過した後、発電セルの外部へ排出されるように、該酸素（空気）ガスを流す役割を担う。基本的に発電セル１個で燃料電池は構成されるが、高出力の発電を行う場合、複数の発電セルを積重して１個の燃料電池を構成する。このような複数の発電セルを積重して構成される燃料電池は一般に燃料電池スタックと呼ばれる。
燃料電池におけるセパレータは、上記の通り、燃料ガスや酸素ガスのガス流路を区画する部材であることから、それ自体はガス不透過性で、しかも、ガスに晒されても劣化しにくい耐食性が要求される。また、ガス流路の役割以外に、発電層で発電した電流を集電して外部に取り出すための集電電極としての役割も担うため、導電性が要求される。従って、燃料電池用のセパレータとしては、例えば、下記特許文献１、２に示すような、金属、カーボン等の導電材料からなるプレート（板材）にプレス加工を施すか、或いは、当該プレート（板材）にエンドミル、フライス等の切削加工を施して、ガス流路となる溝を形成したものが一般に使用されている。
しかし、かかる従来の金属、カーボン等のプレートを使用したセパレータの場合、プレス加工や切削加工時おける加工性維持（加工安定性）のためにプレートの厚みをある程度大きくすることが必要で、これがセパレータを薄型化できない原因になっており、それ故、従来の燃料電池は電池の厚みが自ずと大きくなってしまい、特に燃料電池スタックの薄型化を困難にしている。金属板を用いたセパレータとしては、純銅やステンレス鋼等の板を使用したものが一般的であるが、金属板を使用したセパレータは重量的に重くなる他、燃料ガスとして用いる水素ガスと長時間に亘って接触するために、水素脆化による劣化が起こる問題や、溝形成における切削加工やエッチング加工を必要とするので工程数増加とそれに伴うコスト増の問題を生じる。また、薄型化すると塑性変形が生じ、形状保持が困難になる欠点を有する。これに対し、緻密質カーボン（グラファイト）板はガス不透過性に優れ、軽量ではあるが、高価であり、また、板自体の製造に長時間を要し、生産性が悪いという問題がある。さらに、板材とするためにダイヤモンドカッタによるスライス切削も必要なので、工程数増加とそれに伴うコスト増は避けられない。また、薄型化に関しては、素材の硬度が高いために、割れやすいという欠点がある。
特開平１０−１２５３３７号公報 特開２０００−３６３０９号公報
本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、軽量で薄型化が容易であり、しかも、優れた耐食性と形状安定性を備えた燃料電池用セパレータ及び該セパレータを用いた燃料電池を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、電気機器を構成する配線回路基板と燃料電池用セパレータとが一体化された燃料電池用セパレータ付き配線回路基板及びこれを用いた燃料電池内蔵型配線回路基板を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採る。
すなわち、本発明は、
（１）絶縁体層の一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記絶縁体層の他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層を貫通するビアホールで電気的に接続してなる燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンのパターン形状を２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させたことを特徴とする、燃料電池用セパレータ、
（２）絶縁体層の一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、上記（１）記載の燃料電池用セパレータ、
（３）導体パターンの表面が貴金属からなる、上記（１）又は（２）記載の燃料電池用セパレータ、
（４）絶縁体層の両主面に導体パターンを形成して、該両主面の各面上に該導電パターンによって区画されるガス流路用溝を設け、前記両主面に形成した導体パターン間を絶縁体層を貫通するビアホールで電気的に接続してなる燃料電池用セパレータであって、絶縁体層の両主面に形成された各導体パターンが、略閉環状の枠パターン部と、該略閉環状の枠パターン部の環内側領域にてガス流路用溝を区画する、前記略閉環状の枠パターン部と結合する２つの櫛歯状パターンを対向させた形状の櫛歯状パターン部とを含むことを特徴とする、燃料電池用セパレータ、
（５）絶縁体層の両主面の少なくとも一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、上記（４）記載の燃料電池用セパレータ、
（６）導体パターンの表面が貴金属からなる、上記（４）又は（５）記載の燃料電池用セパレータ、
（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載のセパレータを有する燃料電池、
（８）単一の絶縁体層に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａを複数形成してなる燃料電池用セパレータ集合体、
燃料電池用セパレータ構造部ａ：前記単一の絶縁体層の所定領域における一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記所定領域における他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続した構造部であって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンを２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させた構造部。
（９）単一の電解質膜に下記の膜電極複合構造部ｂを複数形成してなる発電要素集合体を、その上下両面から各一枚の上記（８）記載の燃料電池用セパレータ集合体で挟持してなる、燃料電池集合構造体であって、
発電要素集合体の各膜電極複合構造部ｂの燃料電極に一方のセパレータ集合体の１個のセパレータ構造部ａの導体パターンが接し、該各膜電極複合構造部ｂの酸素電極に他方のセパレータ集合体の１個のセパレータ構造部ａの導体パターンが接してなる、燃料電池集合構造体、
膜電極複合構造部ｂ：前記単一の電解質膜の一部における一方の主面に燃料電極を配設し、他方の主面に酸素電極を配設して形成された、燃料電極／電解質膜／酸素電極の順に積層された構造部。
（１０）２つ以上の発電セルを積重してなる燃料電池スタックであって、隣接する２つの発電セル間で共用するセパレータを上記（４）又は（５）記載のセパレータにより構成し、発電セルの積重方向の一方側及び他方の側の最外に位置するセパレータをそれぞれ上記（１）又は（２）記載のセパレータにより構成したことを特徴とする、燃料電池スタック、
（１１）単一の絶縁体層の所定領域に配線回路を形成し、該単一の絶縁体層の前記配線回路の形成領域以外の領域に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａを１つ又は複数形成し、前記配線回路とセパレータ構造部ａの導体端子及び／または導体パターンとの間を繋ぐ配線層を該単一の絶縁体層の一方及び／又は他方の主面に形成してなる、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、
セパレータ構造部ａ：前記単一の絶縁体層の所定領域の一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記所定領域の他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続してなる構造部であって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンを２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させた構造部。
（１２）絶縁体層の一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、上記（１１）記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、
（１３）導体パターンの表面が貴金属からなる、上記（１１）記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、
（１４）単一の絶縁体層の所定領域に配線回路を形成し、該単一の絶縁体層の前記配線回路の形成領域以外の領域に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａ'を１つ又は複数形成し、前記配線回路とセパレータ構造部ａ'の導体パターンとの間を繋ぐ配線層を前記単一の絶縁体層の一方及び／又は他方の主面に形成してなる、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、
セパレータ構造部ａ'：前記単一の絶縁体層の所定領域の両主面にそれぞれ導体パター
ンを形成して、該両主面の各面上に形成した導体パターン間を前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続してなる構造部であって、絶縁体層の両主面に形成された各導体パターンが、略閉環状の枠パターン部と、該略閉環状の枠パターン部の環内側領域にてガス流路用溝を区画する、前記略閉環状の枠パターン部と結合する２つの櫛歯状パターンを対向させた形状の櫛歯状パターン部とを含む構造部。
（１５）絶縁体層の両主面の少なくとも一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、上記（１４）記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、
（１６）導体パターンの表面が貴金属からなる、上記（１４）記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板、及び
（１７）上記（１１）〜（１６）のいすれかに記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板のセパレータを用いて燃料電池を構成してなる、燃料電池付配線回路基板、に関する。
本発明の燃料電池用セパレータは、基材（絶縁層）の両主面に導電材料（金属材料）による導体層を部分的に形成してなる構造であることから、薄型化が容易で軽量であり、しかも、可撓性を有するとともに、比較的薄い厚みにしても強度的にも安定で優れた形状保持性を有するといった、従来のセパレータでは達成できなかった優れた特性を有する。従って、該セパレータを用いることで、従来よりも薄型かつ軽量の燃料電池（燃料電池スタック）を実現でき、さらには電池の耐振動性、耐久性等も向上するといった効果が得られる。
また、単一の電解質膜に対して複数の発電用膜電極複合構造部を形成した発電要素集合体をその上下両面から本発明の燃料電池用セパレータ集合体で挟持して得られる燃料電池（本発明の燃料電池集合構造体）は、薄型の高出力電池を実現する。
また、本発明の配線回路基板と燃料電池用セパレータとが一体化した燃料電池用セパレータ付き配線回路基板のセパレータ部を用いて燃料電池を構成することで、燃料電池と配線回路（回路素子）とが同一基板上で一体化した燃料電池内蔵型配線回路基板を得ることができる。このような、燃料電池内蔵型配線回路基板おいては、燃料電池と回路素子間の電気的接続のための配線やコネクターを不要にできるので、小型電子機器における省スペース化や小型化の要求に好適に対応し得る。
以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１〜図３は本発明の第１の態様による燃料電池用セパレータの一例（第１例）を簡略化して示した図であり、図１は端子側平面図、図２は導体パターン側平面図、図３は図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
本発明の第１の態様による燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」ともいう。）は、当該一例のセパレータ１０に示されるように、絶縁体層１の一方の主面１Ａに導体パターン２を形成して、該主面１Ａ上に導体パターン２によって区画されたガス流路用溝３を形成する一方、絶縁体層１の他方の主面１Ｂには導体端子４を形成して、導体端子４と導体パターン２とを絶縁体層１を貫通するビアホール５で電気的に接続した構成を基本構成としている。
ここで、ガス流路用溝３とは、絶縁体層１の主面上で導電パターン２によって仕切られた溝状空間であって、燃料ガス、若しくは、酸素ガスが流れる流路となるものである。ガス流路用溝３の両端部３Ａ、３Ｂはいずれか一方が外部からのガスの流入口となり、いずれか他方が該流入されたガスの排出口となる。
図４は上記のセパレータ１０を使用して作製した燃料電池の一例を簡略化した断面図である。該一例の燃料電池１００は、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、高分子電解質膜１１の一方の主面に燃料電極１２を積層し、他方の主面に酸素電極１３を積層してなる膜電極複合体１４を発電部とし、該膜電極複合体１４の両主面にそれぞれセパレータ１０をその導体パターン２側の面を膜電極複合体１４に対向させて配置することで構成されている。図中の符号１５は、セパレータ１０と膜電極複合体１４とを連結するための接着層であり、セパレータ１０の絶縁体層１と膜電極複合体１４の高分子電解質膜１１とに接着させている。かかる接着層１５は膜電極複合体１４の電極（燃料電極１２、酸素電極１３）を構成する電極材料にダメージが加わらないような低接触圧で導体パターン２を電極（燃料電極１２、酸素電極１３）に接触させるためのスペーサとしての役割も担っている。
該一例の燃料電池１００に示されるように、本発明の第１の態様によるセパレータ１０は、主に単一の発電セルで構成される燃料電池のセパレータとして使用されるものであり、膜電極複合体１４で発電した電流は当該セパレータ１０の導体パターン２によって集電され、ビアホール５を通して導体端子４に導かれ、該導体端子４に接続される外部配線（図示せず）よりセルの外部に取り出される。
本発明のセパレータにおいて、絶縁体層１には、例えば、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリスチレンフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリカーボネートフィルム、ＴＰＸ（メチルペンテン樹脂フィルム）、アルキド系樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、ポリサルフォンフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリアミドイミドフィルム、ポリエーテルケトンフィルム、ポリフェレンスルフィドフィルム等の各種プラスチックフィルムが使用される。また、配線回路基板（プリント配線板）のベース基板として知られている、紙、ガラス布及び不織紙から選ばれる１種又は２種以上のマトリクス材料に熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、アラミド樹脂、フェノール樹脂等）を含浸させたコンポジット材料（コンポジット基板）は加工性に優れているため、絶縁体層１として好ましいものである。
絶縁体層１の厚みは特に制限されないが、０．１〜１０．０ｍｍが好ましく、０．５〜２．０ｍｍが特に好ましい。これは、セパレータを薄型にするには、絶縁体層は薄いほうが好ましいが、厚みが０．１ｍｍ未満であると、電池内部の集電層（各電極）と導体パターンとの接触圧力の低下、高分子電解質膜と各電極表面にある触媒成分との接触圧力の低下、機械的強度の低下等の不具合を生じるおそれがあるためである。また、絶縁体層の厚みが１０．０ｍｍを超える場合、セパレータの強度の面では好ましいが、本発明の目的であるセパレータの薄型化が十分に達成されない。
前記一例のセパレータ１０及び燃料電池１００に示されるように、本発明のセパレータおける「導体パターン２」とは、絶縁体層１の主面上にガス流路３となる溝（溝のパターン）を区画形成するために、絶縁体層１の主面上に形成された導電材料からなる導体層であり、また、「導体端子４」とは、絶縁体層１の導体パターンが形成された主面とは反対側の主面に形成された導電材料からなる導体層であって、電池の発電部（膜電極複合体１４）で発電した電気（電流）を電池（セル）の外部に取り出すための端子（外部からの電気配線が接続される被接続部）となる導電層を意味する。従って、導体端子４は、セパレータの軽量化、コスト等の点から、絶縁体層１の全面に対して形成せず、図４に示すように、電池の膜電極複合体１４の積層部（燃料電極１２／膜１１／酸素電極１３）の外周に沿って形成するのが好ましい。
本発明のセパレータにおいて、導体パターン２及び導体端子４の材料には、導電性を有するものであれば特に限定されず、公知の金属材料や導電性ペースト等が使用される。金属材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、鉛、錫、ニッケル、コバルト、インジウム、ロジウム、クロム、タングステン、ルテニウムなどの単独金属やこれらから選ばれる少なくとも２種を構成成分とする各種合金（例えば、半田、ニッケル−錫、金−コバルト等）；ステンレス等の耐食性合金等が挙げられる。また、導電性ペーストは、金、銀、銅、白金、錫、ニッケル、鉛、等の金属粉末やカーボン粉末等を、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーン樹脂及びフッ素樹脂等から選ばれるいずれか１種または２種以上の混合物からなるバインダー樹脂に分散したものが挙げられる。これら導電材料のうちでも、電気伝導性の点から、金属材料が好ましく、一般的な配線回路基板の回路形成材料（配線材料）として使用されている銅、ニッケル等の電気良導体を少なくとも使用するのが好ましい。また、導体パターン２及び導体端子４は、それぞれ、単層構造でも、多層構造でもよいが、少なくとも導体パターン２においてはその少なくとも表面（露出面）を金、白金、銀等の貴金属で構成したものとするのが好ましく、導体パターン２及び導体端子４の両方の少なくとも表面（露出面）を金、白金、銀、パラジウム等の貴金属から構成したものとするのがより好ましい。導体パターン２、導体端子４等の表面を貴金属で構成することで、耐食性が向上し、セパレータの信頼性向上につながるとともに、高分子電解質膜の劣化に起因する金属イオンの発生を抑止する効果がある。従って、導体パターン及び／又は端子の最も好ましい態様は、銅、ニッケル等の電気良導体からなるベース層に貴金属層を積層した多層構造である。
導体パターン２及び導体端子４は同じ材料で形成するのが、セパレータの製造工程数を少なくできる点で好ましいが、必ずしも同じ材料でなくてもよい。セパレータにおける導体パターン２と導体端子４のそれぞれの役割（機能）、コストの観点から、それぞれに適した材料を選択してもよい。
本発明のセパレータにおいて、導体パターン２の厚み（図３中のＤ１）は、セパレータにおけるガス流路３の厚み（高さ）となるので、導体パターン２の厚みは燃料電池の発電部となる膜電極複合体１４を構成する電解質膜の特性等に応じて、好ましくは１〜１０００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍの範囲内から選択する。一方、導体端子４は特にその厚み（図３中のＤ２）は限定されないが、材料コストやその形成工程をセパレータの形成工程と共通化できる観点から、導体パターンと同じ厚みにするのが好ましく、１〜１０００μｍが好ましく、１０〜２００μｍがより好ましい。
また、本発明において、導体パターン２のパターン形状は、図１〜図３に示すような形状、すなわち、矩形リング状の枠パターンの内側で２つの櫛歯状パターンを対向させた形状である。これにより、セパレータの全体の形状を安定化させ、かつ、ガスを発電部（膜電極複合体１４）の電極に十分に接触させ得る。
本発明のセパレータにおいて、ビアホール５は絶縁体層１を貫通して導体パターン２と導体端子４間を電気的に接続するように形成されていればよく、その形態は特に限定されない。本発明における「ビアホール」とは、電気機器分野における配線回路基板の絶縁体層で隔てられた導体層（絶縁体層の一方の主面と他方の主面に形成された導体層）を電気的に接続するための絶縁体層を貫通する導通路を意味する「ビアホール」と同義であり、配線回路基板における公知のビアホール（導通路）の形態をそのまま適用することができる。なお、電池セルの内部に導入したガスの不要な洩れがあってはならないから、セパレータのビアホールにおいては貫孔が残存する形態は好ましくない。従って、(i)絶縁体層に形成した貫孔の内面を被覆する導体層と該導体層の内側に形成される貫孔を充填する孔埋め材とからなる形態、(ii)絶縁体層に形成した貫孔を導電材料で完全に孔埋めした形態等が好適であり、これによって、外部より電池セルの内部に導入したガス（燃料ガス、酸素ガス）の不要な洩れを防止できる。なお、回路基板の作製において、当初から貫孔を残さないビアホール製法として知られているブラインドビア製法も適用可能である。
前記図１〜３に示す一例のセパレータ１０におけるビアホール５は、上記(i)の形態のビアホールであり、絶縁体層１の貫孔１ａの内面を被覆する導体層８の内側貫孔５１を孔埋め材５２で充填している。一方、図５は本発明の第１の態様によるセパレータの他の例（第２例）を示し、当該セパレータ１０Ａでは、ビアホール５を上記(ii)の形態にしている。すなわち、ビアホール５を、導体端子４／絶縁体層１／導体パターン２の積層部に穿設した貫孔５ａと該貫孔５ａ内に充填した導電材５ｂとで構成している。
本発明のセパレータにおけるビアホールは、電気機器分野の配線回路基板における公知のビアホールの形成方法と同様の方法、すなわち、メッキ処理、印刷、金属片の埋め込み（インプラント法）等で行う。従って、ビアホールを構成する導電材料としては、例えば、金、銅、ニッケル、ハンダ等の金属材料や前記導体パターンや端子用の材料として挙げた導電性ペースト等が使用される。
また、ビアホール形成に伴う貫孔を孔埋めする場合の孔埋め材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、セラミック、金属等が挙げられるが、これらの中でも、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等が、ガスの漏れ防止や耐水性の点から好ましい。
本発明において、ビアホール５の大きさ（すなわち、ビアホールの軸線と直交する断面における最大幅部の幅（図３中のＤ３）は特に限定されないが、加工性、電流容量の確保、穴埋めの容易性の点から、０．０１〜５ｍｍが好ましく、特に好ましくは０．０５〜１ｍｍである。
図６は本発明の第１の態様によるセパレータの他の例（第３例）を示す断面図である。当該セパレータ１０Ｂは、絶縁体層１の主面上の導体パターン２によって区画される溝２ａと絶縁体層１の主面に削成した溝１１とによってガス流路用溝３を形成したものである。かかる構成であれば、導体パターン２の厚みを前記第１例のセパレータ１０のそれよりも小さくして、同じ溝高さ（深さ）のガス流路用溝３を実現できるので、導体パターン形成のための導電材料を節約することができる。また、その分、セパレータ全体の厚みも小さくでき、セパレータの薄型化により有利に作用する。
なお、溝１１の深さが大きすぎると、絶縁体層の強度が低下してセパレータの耐久性が低下するので、溝の深さは絶縁体層の厚みの７５％程度迄とするのが好ましい。
図７（ａ）〜（ｄ）は前記図１〜３に示すセパレータ１０の製造工程の一例であり、以下、この図を参照して本発明のセパレータの製造方法を説明する。
先ず、絶縁体層１の両面に導体層７ａ、７ｂを積層した積層板（フィルム）５０を用意する（図７（ａ））。導体層７ａ、７ｂは、それぞれ、端子又は導体パターンとなる導体層であり、当該積層板における導体層７ａ、７ｂの形成方法としては、箔（例えば、金属箔）の貼り合わせ、蒸着、スパッタリング、印刷、電気化学的メタライジング及びイオンプレーティングから選ばれるいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせ、または、これらとメッキとの組み合わせ等が挙げられる。
次に、上記積層板（フィルム）５０のビアホール形成を予定する所定の箇所に積層板を厚み方向に貫通する貫孔５０Ａを形成する（図７（ｂ））。この貫孔５０Ａの形成方法としては、ドリルによる機械加工、レーザー加工、プラズマエッチング加工、パンチ加工等の方法が用いられる。なお、ブラインドビアホールを形成する場合にはレーザー加工が適している。
次に、例えば、メッキによって貫孔５０Ａの内面を被覆する導体層（金属層）８を形成することでビアホール５を形成する（図７（ｃ））。このメッキによる導体層（金属層）８の形成は貫孔５０Ａとその周辺領域に対して選択的に行ってもよいが、その場合には、積層板（フィルム）５０のメッキによる金属層を成長させたくない部分にマスクを設ける必要があり、かかるマスク形成のための工程数の増大及びそれによる製造コストの増大を招くのであまり好ましくない。従って、積層板（フィルム）５０の全面に対してメッキを施すのが好ましい。なお、この場合、貫孔５０Ａの内面だけでなく、絶縁体層１の両面の導体層７ａ、７ｂの上にメッキによる導体層（金属層）８が形成されるので（図７（ｃ））、導体層７ａ、７ｂの各厚みは、ビアホールの電気伝導性を十分にする導体層（金属層）８の成長厚みを基準にして、当該導体層（金属層）８の厚みと導体層７ａ（７ｂ）の厚みとの合計厚みが、所望とする導体パターン２の厚み（図３中のＤ１参照）又は端子３の厚み（図３中のＤ２参照）となるように、予め設定しておく。
次に、ビアホール５中の貫孔５１内に孔埋め材５２を充填する（図７（ｄ））。
なお、ビアホール５を、前記図５の形態とする場合は、貫孔５０Ａ内に、例えば、印刷により導電性ペーストを充填するか、貫孔５０Ａ内のみに電気メッキにより金属層を選択成長させることで、ビアホールを形成する。
次に、積層板５０における絶縁体層１の両主面にある導体層（導体層７ａ＋導体層８、導体層７ｂ＋導体層８）を所定の形状にパターニングして、絶縁体層１の一方の主面に対して導体パターン３を形成し、絶縁体層１の他方の主面に対して導体端子４を形成する（図７（ｄ））。ここでのパターニングには、配線回路基板における回路形成（配線パターン形成）と同様に、感光性レジストによるパターンをマスクにした導体層のエッチングによって行うのが好ましい。
感光性レジストとしては、回路基板の作製で使用されている、公知のドライフィルムレジスト、液状レジスト等が挙げられるが、製造コスト等の点からドライフィルムレジストが好適である。また、ドライフィルムレジストの中でも、アクリル系のドライフィルムレジストが耐酸性の点で好ましい。液状レジストにおいては、スクリーン印刷、スピンコーター等の方法でレジスト膜を形成する。ドライフィルムレジストの場合は、適当なローラーで加圧して導体層上に定着させる。
レジストパターンの形成方法（レジスト膜に開口を形成する方法）としては、レーザー加工、フォトリソグラフィー加工等が挙げられるが、寸法精度、加工コストの点から、フォトリソグラフィー加工（すなわち、フォトマスクを介して露光した後、現像して開口を形成する。）が好ましい。
このように、本発明のセパレータは、各種電気機器等で使用される配線回路基板と同様にして作製することができ、金属やカーボン等のプレートにスライス加工や切削加工等で溝形成を行っていた従来のセパレータに比べて少ない工程数で短時間で製造することができる。また、大面積のベース基板に対して複数の配線回路基板を一括して作製するのと同様に、大面積の絶縁体層（プラスチックフィルム、配線回路基板用のベース基板等）に対して複数のセパレータを一括して作製し、これを個々のセパレータに分断して複数のセパレータを得ることができるので、製造コストをさらに削減できる。
図８は本発明の第２の態様によるセパレータの一例を簡略化して示した断面図である。このセパレータ２０に示されるように、本発明の第２の態様によるセパレータは、絶縁体層１の両主面１Ａ、１Ｂに導体パターン２を形成して、絶縁体層１の両主面１Ａ、１Ｂの各面上にガス流路用溝３を設けたものである。セパレータにおける一方の側と他方の側の平面図は、それぞれが前記図１と同様の状態である。
本発明において、第２の態様によるセパレータは、絶縁体層１の両主面に形成した導体層をいずれもガス流路用溝３を区画するための導体パターン２となるようにパターニングすることで作製でき、前記第１の態様によるセパレータと基本的に同じ工程を経て製造される。
当該第２の態様によるセパレータは、主に膜電極複合体を含む発電セルを複数積重した燃料電池スタックの隣接する発電セル間で共用するセパレータとして使用される。
なお、当該第２の態様のセパレータにおいても、前記図６のセパレータ１０Ｂと同様に、絶縁体層１の主面に形成する導体パターンと絶縁体層１の主面に削成した溝とによってガス流路用溝３を形成することもでき、その場合、両主面に削成する溝は相対する位置とならないようにするのが絶縁体層の強度、形状安定性の点から好ましく、また、溝の深さは絶縁体層の厚みの７５％程度迄とするのが好ましい。
本発明のセパレータは絶縁体層（プラスチックフィルム、配線回路基板用のベース基板等）を基材とし、該基材の両主面に導電材料（金属材料）による導体層を部分的に形成してなる構造であることから、薄型化が容易で軽量であり、しかも、可撓性を有するとともに、比較的薄い厚みにしても強度的にも安定で優れた形状保持性を有するといった、従来のセパレータでは達成できなかった優れた特性を有する。
なお、本発明のセパレータを用いて燃料電池を作製する場合、前記図４の例に示すように、セパレータの絶縁体層（プラスチックフィルム、配線回路基板用のベース基板等）と膜電極複合体１４の電解質膜１１とを接着層１５を介して接着して、セルを封止する。かかる接着層１５はセパレータの絶縁体層１と膜電極複合体１４の電解質膜に対して接着性を有する材料であれば特に制限なく使用できるが、本発明のセパレータで使用する絶縁体層の材料は燃料電池における公知の電解質膜に対して接着性を示す材料であり、通常、接着層１５には当該絶縁体層と同種のプラスチック材料や複合材料（コンポジット材料）が使用される。なかでも、ガス洩れ防止、形状維持（特に、内部に押圧力のかかった状態での変形防止）、耐熱性、耐腐食性、接着力等の点から、紙、ガラス及び不織紙から選ばれる１種または２種以上のマトリクス材料に熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、アラミド樹脂、フェノール樹脂等）を含浸させたコンポジット材料が好適である。
図９は前記図８のセパレータ２０と、前記図１〜３に示した第１の態様のセパレータ１０を使用して作製した高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）スタックの一例を簡略化して示した断面図である。当該燃料電池スタック２００は、絶縁体層１の両主面に導体パターン２（ガス流路用溝３）を形成したセパレータ２０を介してその一方の面側と他方の面側にそれぞれ膜電極複合体１４を配置し、かかる２つの膜電極複合体１４のそれぞれのセパレータ２０と対向する側とは反対側の面にさらにセパレータ１０を配置することで、２個の発電セル５１Ａと５１Ｂが積重した燃料電池スタックを構成している。
ここで、セパレータ２０の絶縁体層１はその両面の外周端部で膜電極複合体１４の高分子電解質膜１１に接着層１５を介して接着させ、セパレータ１０の絶縁体層１はその片面の外周端部で膜電極複合体１４の高分子電解質膜１１に接着層１５を介して接着させることで、各発電セルを封止している。
また、一方の発電セル５１Ａにおける膜電極複合体１４の高分子電解質膜１１とセパレータ１０、２０の絶縁体層１とを接着する接着層１５の一部に、外部からガス（燃料ガス、酸素ガス（または空気））をセル内に導入するための配管（パイプ）２１を挿設し、他方の発電セル５１Ｂにおける膜電極複合体１４の高分子電解質膜１１とセパレータ１０、２０の絶縁体層１とを接着する接着剤層１５の一部に、セル内からガス（燃料ガス、酸素ガス（または空気））を外部に排出するための配管（パイプ）２２を挿設する一方、発電セル５１Ａ内から発電セル５１Ｂ内へガス（燃料ガス、酸素ガス（または空気））を送るための配管（パイプ）２３を、発電セル５１Ａ及び発電セル５１Ｂの接着層１５における上記の配管２１、２２を設けた部分とは異なる部分に挿設して、外部からのガス（燃料ガス、酸素ガス（または空気））が２つの発電セル内を通過して、外部へと排出されるようにしている。かかる配管２１〜２３としては、ガス不透過性、機械的強度、耐腐食性、折り曲げ加工性等の点から、例えば、ステンレス管、シリコーンチューブ、ポリプロピレンチューブ等が好適である。
上記図９の例の燃料電池スタック２００は、２つの発電セルを積重した燃料電池スタックであるが、より高出力の電池を得るために、本発明の燃料電池スタックは、３つ以上の発電セルを積重して構成してもよい。ただし、２つの発電セルを積重したスタックでは、隣接する発電セルは一組であるので、両面溝型のセパレータは１枚でよいが、３つ以上の発電セルを積重したスタックでは、隣接する発電セルの数は二組以上となり、両面に配置される２枚のセパレータが共に隣接する発電セルのセパレータでもある発電セルが１つ以上存在することとなる。従って、例えば、図１０は３つの発電セル５２Ａ〜５２Ｃを積重した燃料電池スタック２０１であるが、該燃料電電池スタック２０１では、中間の発電セル５２Ｂにおけるその両面に配置する２枚のセパレータには両面溝型のセパレータ２０が使用され、４枚、５枚・・・と発電セルの積重数が増加するに従い、このような両面に配置する２枚のセパレータに両面溝型のセパレータを使用する発電セルの数が順次増加することとなる。従って、発電セルの積重する数が増えるに従い、同一の発電セルの積重数からなる従来の燃料電池スタックに対する薄型化の度合いがより大きくなる。
図１１図（ａ）は前記図１〜３に示したセパレータ１０を単一の絶縁体層１の複数領域にそれぞれ形成して、各セパレータ間を電気的に接続したセパレータ集合体を簡略化した斜視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＸ−Ｘ線における断面図である。
当該一例のセパレータ集合体３００に示されるように、本発明のセパレータ集合体は、単一の絶縁体層１に複数の本発明のセパレータ（セパレータ１０）を形成したものであり、複数の本発明のセパレータ（セパレータ１０）は、配線回路基板の製造方法をそのまま用いて、同一工程で一括して形成することができる。なお、複数のセパレータ１０のうちの電気的に接続するセパレータの選択は、このセパレータ集合体を用いて作製することを予定する電池集合体における設計電流や電力（予定する所望の電流や電力）に応じて適宜選択することができる。また、その際の複数のセパレータ間を電気的接続する方法は特に制限されないが、複数のセパレータ１０の製造における導体端子４の形成工程において、異なるセパレータ１０間の導体端子４間を接続するための配線層（図示せず。）を同時に形成するのが好ましい（すなわち、絶縁体層の主面に形成した導体層からセパレータの端子とともに該端子に繋がった配線層（配線パターン）が形成されるように該導体層のパターニングを行うのが好ましい）。このような配線層を形成することで別途接続手段（ワイヤ配線等）を用意する必要がなく、異なるセパレータ間の電気的接続を行うことができるので、製造工程数を少なくでき、また、製造コストも削減できる。また、同一平面上で配線が完結し、厚み方向に別途配線が飛び出すことがないで、電池の薄型化により有利に作用する。
図１１に示すセパレータ集合体３００は前記図１〜３の絶縁体層の一方の主面に導体パターン（ガス流路用溝）を形成した片面溝型のセパレータ１０を集合させたものであるが、前記図８に示す絶縁体層の両主面に導体パターン（ガス流路用溝）を形成した、両面溝型のセパレータ２０を集合させたセパレータ集合体も同様にして構成できることは言うまでもない。
図１２（ａ）は本発明のセパレータ集合体を用いた燃料電池集合構造体の一例を簡略化して示した斜視図、図１２（ｂ）は図１２（ｂ）のＹ−Ｙ線における断面図であり、これらの図において、図１〜３、４、１１と同一符号は同一又は相当する部分を示している。該一例の燃料電池集合構造体４００は、単一の大面積の電解質膜１１の複数の領域にそれぞれ膜電極複合構造部（燃料電極１２／電解質膜１１／酸素電極１３）１４’を形成した発電要素集合体３５０を、その両主面側から前記図１１に示すセパレータ集合体３００で挟持して、複数の電池ユニット（発電セル）４０１を同一平面に並列させて一体化したものである。
複数の電池ユニット（発電セル）４０１における各隣接する電池ユニット（発電セル）の内部は、膜電極複合構造部１４’の燃料電極１２側と、酸素電極１３側で、それぞれ接着層１５に挿設した配管２４を介して連通させ、当該構造体へ外部から導入されるガス（燃料ガス及び酸素ガス（空気））が複数の電池ユニット（発電セル）を通過して、当該構造体４００の外部へ排出されるようにしている。
このように本発明の燃料電池集合構造体によれば、燃料電池スタックのように複数の発電セルを積重せず、同一平面に並列させているので、薄型の高出力電池を実現できる。なお、上記一例の燃料電池集合構造体４００では、複数の電池ユニット（発電セル）４０１における各隣接する電池ユニットの内部を配管２４で連通させたが、全ての電池ユニット（発電セル）に対して個別にガスの導入と排出を行ってもよいし、一部の隣接する電池ユニット（発電セル）の内部を配管で連通させ、その他の電池ユニット（発電セル）に対しては個別にガスの導入と排出を行うようにしてもよい。これらは、燃料電池集合構造体を組み込む機器等の種類や所望とする発電量（電流、電圧）等に応じて適宜変更できる。
図１３は本発明の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板の一例を簡略化して示す斜視図であり、図において、図１〜３と同一符号は同一又は相当する部分を示す。当該一例の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板５００に示されるように、本発明の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板は、単一の絶縁体層１に配線回路５０１と本発明の燃料電池用セパレータ１０を形成し、配線回路５０１とセパレータ１０間を電気的に接続したものである。ここで、配線回路５０１は絶縁体層１の一方の主面に形成した単面回路であっても、絶縁体層１の両主面に形成した両面回路であってもよい。配線回路５０１とセパレータ１０とは、これらの作製工程において、配線回路５０１と、セパレータ１０の導体端子４及び／または導体パターン２との間を繋ぐ配線層（図示せず）を絶縁体層１の主面に形成することによって電気的に接続される。すなわち、絶縁体層１の主面に形成した導体層から、配線回路５０１とセパレータ１０の導体端子４または導体パターン２とともに、これらを繋ぐ配線層（配線パターン）が形成されるように当該導体層のパターニングを行って、配線回路５０１とセパレータ１０とを電気的に接続している。
当該一例の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板５００では、セパレータに前記図１〜３に示すセパレータ１０を形成したものであるが、本発明の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板において、前述したその他の例のセパレータ１０Ａ（図５）、１０Ｂ（図６）、２０（図８）等を形成したものとできることは言うまでもない。
本発明の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板において、セパレータは単数でも複数でもよく、また、セパレータが複数の場合、異なるセパレータ間は電気的に接続しても、電気的に接続しなくてもよい。また、複数のセパレータの内の一部のセパレータ間を電気的に接続し、その他のセパレータ間は電気的に接続しないような態様であってもよい。
図１４は本発明の燃料電池内蔵型配線回路基板の一例を簡略化して示す斜視図であり、図において、図１〜３、４、図１３と同一符号は同一又は相当する部分を示す。当該一例の燃料電池内蔵型配線回路基板６００に示されるように、本発明の燃料電池内蔵型配線回路基板は、前記図１３で示した本発明の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板５００のセパレータ１０を用いて燃料電池(電池セル）１００を構成し（セパレータ１０に燃料電池１００を組み付け）、電気機器用配線回路基板と燃料電池とを一体化したものである。ここで、配線回路基板５００においては、前記したように、配線回路５０１とセパレータ１０とが、絶縁体層１の主面に形成された配線層（図示せず）によって電気的に接続されている。
本発明の燃料電池内蔵型配線回路基板において、内蔵する燃料電池の個数は単数でも複数でもよいが、当該図１４の例に示すように、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板５００として、セパレータ１０を複数形成したものを使用し、そのセパレータ１０の各々に燃料電池を組み付ける（すなわち、複数のセパレータ１０のそれぞれに膜電極構造体１４を重ね合わせ、さらに別途作製しておいたセパレータ１０を重ね合わせて、接着層１５で封止して電池セル１００を作製する）ことで、内蔵する燃料電池を高出力化できる。
本発明の燃料電池内蔵型配線回路基板では、燃料電池で発電した電流を基板（絶縁体層１）の主面に形成した配線層を通してそのまま回路（電気・電子回路）へ導くことができるので、燃料電池と回路の接続のための複雑な配線（ワイヤ等の外部配線）やコネクターを不要にでき、省スペース化、薄型化等の小型電子機器に求められている要求を実現できる。
以上説明した具体例おいて、燃料電池は発電部の電解質膜に高分子電解質膜を使用したものであるが、本発明のセパレータは、溶融炭酸塩、固体酸化物（セラミックス）またはリン酸からなる電解質膜を用いた膜電極複合体を使用するタイプの燃料電池のセパレータとして使用できるし、そのような燃料電池を構成できることは言うまでもない。
また、本発明のセパレータはプラスチックフィルムや回路基板用のコンポジット材料からなる絶縁体層と、該絶縁体層の両主面に部分的に形成した導体層とを基本構成要素とするものであり、従来のセパレータに比べて薄型化が容易であるとともに、特に軽量で柔軟性に富むという特徴を有する。従って、上記の具体例で示したように、燃料電池の中でもフレキシブル性を有し、高出力化、小型・軽量化が可能という点から近年特に注目されている高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）のセパレータに適用することで、燃料電池の耐振動性が更に向上し、また、より一層の高出力化、小型（薄型化）・軽量化を図ることができる。
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（ＰＥＦＣ）に使用する高分子電解質膜としては、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）の高分子電解質膜として知られる公知のものを制限なく使用できるが、なかでも、高発電能力、耐劣化性の点で、パーフルオロ型スルホン酸膜が特に好適である。また、部分フッ素化スルホン酸膜、ポリベンズイミダゾール膜、ポリ水酸化フラーレン膜等も好ましいものとして挙げることができる。
また、高分子電解質膜に積層する電極（燃料電極、酸素電極）も高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料電極として知られている公知のものをそのまま使用できるが、中でも、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層と、この触媒反応層の外面に重ねるカーボンペーパーよりなる拡散層とからなる態様のものが特に好ましい。また、拡散層にポリイミドやポリエチレン等の有機高分子材料を焼成してなる焼成膜を用いたものも好適である。また、電極は拡散層を無くして高分子電解質膜に直接触媒反応層を転写する態様にしてもよく、このような電極とすることで、電池のさらなる薄型化が可能になる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明する。
（セパレータの作製）
厚み１．６ｍｍのガラスエポキシ基板の両主面に厚み０．０１８ｍｍの銅層を積層してなる積層板を用意し、該積層板の主面内の所定位置に直径１ｍｍの孔をドリル加工で形成した。次に、積層板の全面に対して銅メッキを施し、厚み０．２ｍｍになるまで銅層を成長させた。これにより、積層板の前記銅層の主面から直径１ｍｍの孔の内面に亘る銅層によりビアホールが形成された。次に、ビアホールの銅層の内側に残存する貫孔に液状エポキシ樹脂（三井化学社製、ＥＰＯＸ−ＡＨ３３３）を充填、硬化して孔を封止した。次に、該ビアホールを形成した積層板の両面にドライレフィルムジスト（旭化成社製、ＳＰＧ−２５２）をラミネートとし、所定のパターン露光（紫外線によるパターン露光）、ドライフィルムの専用現像液による未露光部分の除去を順次行って、レジストパターンを形成した後、該レジストパターンをマスクにした塩化第２鉄液による銅層のエッチングを行って、導体パターンと端子をガラスエポキシ基板の一方の主面と他方の主面にそれぞれ形成した。次に、このようにして形成した導体パターンと端子の表面に、電気メッキによって、ニッケル薄層（厚み１μｍ）と金薄層（０．１μｍ）をこの順に形成して、図１〜３に示す、絶縁体層（ガラスエポキシ基板）１の一方の主面に矩形の枠パターン部と櫛歯状パターン部とからなる導体パターン２が形成され、絶縁体層１の他方の主面に矩形の枠パターンからなる端子４が形成され、導体パターン２と端子４間がビアホール５によって電気的に接続された、セパレータ１０を完成させた。
完成したセパレータの寸法は以下の通りである。
絶縁体層（ガラスエポキシ基板）：縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ
絶縁体層（ガラスエポキシ基板）の主面上の導体パターンの面積率（導体パターンの面積／主面全体の面積）：７６％
ガス流路の全長（一方の流路開口から他方の流路開口までの長さ）：２５０ｍｍ、
ガス流路の幅（流路の軸線と直交する方向の溝）の幅：０．８〜２．４ｍｍ
セパレータの最大厚み部の厚み：２．０ｍｍ
（電池の作製）
厚み０．０５ｍｍの高分子電解質膜（デュポン社製、ナフィオンＮ１１２（商品名））をその両主面側から白金触媒を形成したカーボンペーパー（厚み０．２５ｍｍ）で挟み込み、かかる積層物（発電層）の両面に上記作製したセパレータを配置し、厚み０．３５ｍｍのガラスエポキシプリプレグ（日立化成社製、ＭＣＬ−Ｅ−６７）で固定した後、真空プレスによって積層固定した。得られた電池の全体の重量は８０ｇ、積層方向の最大厚み部の厚みは１．９ｍｍであった。
このようにして作製した燃料電池に水素ガス、酸素ガスを供給することで、１００ｍＷ／ｃｍ２の発電をすることができた。
（セパレータの作製）
厚み１．６ｍｍのガラスエポキシ基板の両主面に厚み０．０１８ｍｍの銅層を積層してなる積層板を用意し、該積層板の主面内の所定位置に直径１ｍｍの孔をドリル加工で形成した。次に、積層板の全面に対して銅メッキを施し、厚み０．０３ｍｍになるまで銅層を成長させた。これにより、積層板に両主面から前記直径１ｍｍの孔の内面に亘って銅層によるビアホールが形成された。次に、ビアホール内の銅層の内側に形成された孔に液状エポキシ樹脂（三井化学社製、ＥＰＯＸ−ＡＨ３３３）を充填、硬化して孔を封止した。次に、銅層及びガラスエポキシ基板の両主面にルーター加工機による機械加工を行って、銅層による導体パターンと銅層による端子をガラスエポキシ基板の一方の主面と他方の主面にそれぞれ形成した。この時の、ガラスエポキシ基板の溝の深さは０．２ｍｍであった。次に、このようにして形成した導体パターンと端子の表面に、電気メッキによって、ニッケル薄層（厚み１μｍ）と金薄層（０．１μｍ）をこの順に形成して、図１〜３に示す、絶縁体層（ガラスエポキシ基板）１の一方の主面に外形が略正方形の環状パターン部と櫛歯状パターン部とからなる導体パターン２が形成され、絶縁体層１の他方の主面に略正方形の環状パターンからなる端子４が形成され、導体パターン２と端子４間がビアホール５によって電気的に接続された、セパレータ１０を完成させた。
完成したセパレータの寸法は以下の通りである。
絶縁体層（ガラスエポキシ基板）：縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ
絶縁体層（ガラスエポキシ基板）の主面上の導体パターンの面積率（導体パターンの面積／主面全体の面積）：７６％
ガス流路の全長（一方の流路開口から他方の流路開口までの長さ）：２５０ｍｍ、
ガス流路の幅（流路の軸線と直交する方向の溝）の幅：０．８〜２．４ｍｍ
セパレータの最大厚み部の厚み：１．９ｍｍ
（燃料電極及び酸素電極の作製）
高分子電解質膜（「ナフィオン」、デュポン社製）の溶液とカーボン粉末と白金触媒とを混合したペースト（ナフィオン：カーボン粉末：白金触媒＝７：５：３（重量比））を調製し、該ペーストをカーボンペーパー(厚み１７５μｍ)にバーコーターで塗布し、８０℃で５分乾燥後、さらに、加熱プレス(１３０℃、２分、２０ｋｇｆ／ｃｍ２)を行って、表面が平滑なペースト膜（乾燥厚み５０μｍ）を形成して。電極を完成させた。この電極は燃料電極用と酸素電極用に２つ作製した。
（燃料電池スタックの作製）
上記作製した２つの電極（燃科電極及び酸素電極）の間に、これらの触媒面(ペースト面)が高分子電解質膜(「ナフィオンＮ−１１２」デュポン社製）に接するように、該高分子電解質膜（厚み５０μｍ）を挟み込み、加熱プレス(１３０℃、２分、２０ｋｇｆ／ｃｍ２）して、膜電極複合体を作製した。この膜電極複合体は２つ作製した。
この２つの膜電極複合体と、実施例１で作製した片面溝型セパレータを２つと、実施例１に倣って作製した両面溝型セパレータ１つとを、図９に示す積層状態に重ね合わせて、エポキシ系接着剤で固定して、燃料電池スタックを完成させた。なお、燃料ガス及び酸素ガスのそれぞれについての、電池内への導入（注入）及び排出用、並びに、セル間送通用の各配管にはステンレス製パイプを使用した。
該燃料電池スタックに燃料ガス（水素ガス）と酸素ガスをそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎで注入し、端子間の電圧を測定したところ３．１８Ｖであった。次に、該燃料電池スタックを電子負荷装置に接続し、端子間電圧が１．５Ｖになるように設定したところ、電流が１．８Ａとなり、２．７Ｗの電力を得ることができた。
（燃料電池集合構造体の実施例）
実施例３と同様の膜電極複合体を８個作製した。また、実施例1と同様の材料(ガラスエポキシ基板、銅)を用いて、１枚のガラスエポキシ基板にセパレータ要素（導体パターンと端子の組み合わせ）が２×４個の配列で並んだ片面溝型セパレータ集合体（図１１参照）を２つ作製した。該２つのセパレータ集合体で、上記８個の膜電極複合体を、各膜電極複合体がセパレータ集合体の導体パターンに接するように挟みこんで、エポキシ系接着剤で固定した。次に、該積層構造物の上下両面に２×４個の配列で配置された複数のセパレータ要素の各端子に銅箔を導電性接着剤を用いて貼りあわせることにより、複数のセパレータ要素の端子間を並列つなぎとして、燃料電池集合構造体（図１２参照）を得た。なお、燃料ガス及び酸素ガスのそれぞれについての、導入（注入）、排出及びセル間送通用の各配管にはシリコーンチューブを使用した。
該燃料電池集合構造体に燃料ガス（水素ガス）と酸素ガスをそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎで注入し、端子間の電圧を測定したところ１．０５Ｖであった。次に、該燃料電池スタックを電子負荷装置に接続し、端子間電圧が０．６Ｖになるように設定したところ、電流が１２Ａとなり、７．２Ｗの電力を得ることができた。
（燃料電池内蔵型配線回路基板)
実施例３と同様の膜電極複合体を２個作製した。また、実施例1と同様の材料(ガラスエポキシ基板、銅)を用いて、1枚のガラスエポキシ基板にセパレータ要素（導体パターンと端子の組み合わせ）が２個並んだ片面溝型セパレータ集合体を１つ作製した。また、実施例１と同様の材科(ガラスエポキシ基板、銅)を用いて、１枚のガラスエポキシ基板にセパレータ要素（導体パターンと端子の組み合わせ）が２個並び、かつ、電圧昇圧回路パターン及び電源安定化回路パターンを有する片面溝型セパレータ（セパレータ付き配線回路基板）を１つ作製した。なお、該片面溝型セパレータ（セパレータ付き配線回路基板）には、セパレータ要素の端子、電圧昇圧回路パターン及び電源安定化回路パターンの間を電気的に接続するため配線パターンを同時に形成した。
次に、上記片面溝型セパレータ集合体及びセパレータ付き配線回路基板で、２個の膜電極複合体を、各膜電極複合体がセパレータ集合体及びセパレータ付き配線回路基板の導体パターンに接するように挟みこんで、エポキシ系接着剤で固定した。次に、該積層構造物の上下両面に配置されたセパレータの各端子に銅箔を導電性接着剤を用いて貼りあわせることにより、複数のセパレータ要素の端子間を直列つなぎとして、燃料電池内蔵型配線回路基板を得た。
該燃料電池内蔵型配線回路基板に燃料ガス（水素ガス）と酸素ガスをそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎで注入したところ、電圧昇圧回路の入力側の電圧が２．０Ｖであり、出力側の電圧が５．０Ｖに昇圧されていた。次に、出力側端子に約１．５Ｗで動作するＰＤＡ（Personal Digital Assistance：携帯情報端末）を接続したところ、入カ電圧は約１．０Ｖまで低下したが、電圧昇圧回路の出力側の電圧は５．０Ｖに維持されており、ＰＤＡは正常に動作することができた。
本発明の第１態様による燃料電池用セパレータの一例（第１例）の導体パターン側の平面図である。 本発明の第１態様による燃料電池用セパレータの一例（第１例）の端子側の平面図である。 本発明の第１の態様による燃料電池用セパレータの一例（第１例）の断面図である。 図１〜３に示すセパレータを使用して構成した燃料電池（高分子電解質型燃料電池）の一例の断面図である。 本発明の第１の態様による燃料電池用セパレータの他の例（第２例）の断面図である。 本発明の第１の態様による燃料電池用セパレータの他の例（第３例）の断面図である。 図（ａ）〜図（ｄ）は図１〜３に示すセパレータの製造工程別断面図である。 本発明の第２の態様による燃料電池用セパレータの一例の断面図である。 本発明の燃料電池スタックの一例の断面図である。 本発明の燃料電池スタックの他の例の要部断面図である。 図（ａ）は本発明の燃料電池用セパレータ集合体の一例を簡略化して示した斜視図、図（ｂ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。 図（ａ）は本発明の燃料電池集合構造体の一例を簡略化して示した斜視図、図（ｂ）は図（ａ）のＹ−Ｙ線における断面図である。 本発明の燃料電池用セパレータ付配線回路基板の一例を簡略化して示した斜視図である。 図１３に示す燃料電池用セパレータ付配線回路基板を用いて作製し燃料電池内蔵型配線回路基板を簡略化して示した斜視図である。
符号の説明
１ 絶縁体層
１Ａ、１Ｂ 絶縁体層の主面
２ 導体パターン
３ ガス流路用溝
４ 導体端子
５ ビアホール
１０ 燃料電池用セパレータ
１１ 高分子電解質膜
１２ 燃料電極
１３ 酸素電極
１４ 膜電極複合体（発電部）
１５ 接着層
１００ 燃料電池

Claims (17)

  1. 絶縁体層の一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記絶縁体層の他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層を貫通するビアホールで電気的に接続してなる燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンのパターン形状を２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させたことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
  2. 絶縁体層の一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 導体パターンの表面が貴金属からなる、請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 絶縁体層の両主面に導体パターンを形成して、該両主面の各面上に該導電パターンによって区画されるガス流路用溝を設け、前記両主面に形成した導体パターン間を絶縁体層を貫通するビアホールで電気的に接続してなる燃料電池用セパレータであって、絶縁体層の両主面に形成された各導体パターンが、略閉環状の枠パターン部と、該略閉環状の枠パターン部の環内側領域にてガス流路用溝を区画する、前記略閉環状の枠パターン部と結合する２つの櫛歯状パターンを対向させた形状の櫛歯状パターン部とを含むことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
  5. 絶縁体層の両主面の少なくとも一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
  6. 導体パターンの表面が貴金属からなる、請求項４又は５記載の燃料電池用セパレータ。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載のセパレータを有する燃料電池。
  8. 単一の絶縁体層に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａを複数形成してなる燃料電池用セパレータ集合体。
    燃料電池用セパレータ構造部ａ：前記単一の絶縁体層の所定領域における一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記所定領域における他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続した構造部であって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンを２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させた構造部。
  9. 単一の電解質膜に下記の膜電極複合構造部ｂを複数形成してなる発電要素集合体を、その上下両面から各一枚の請求項８記載の燃料電池用セパレータ集合体で挟持してなる、燃料電池集合構造体であって、
    発電要素集合体の各膜電極複合構造部ｂの燃料電極に一方のセパレータ集合体の１個のセパレータ構造部ａの導体パターンが接し、該各膜電極複合構造部ｂの酸素電極に他方のセパレータ集合体の１個のセパレータ構造部ａの導体パターンが接してなる、燃料電池集合構造体。
    膜電極複合構造部ｂ：前記単一の電解質膜の一部における一方の主面に燃料電極を配設し、他方の主面に酸素電極を配設して形成された、燃料電極／電解質膜／酸素電極の順に積層された構造部。
  10. ２つ以上の発電セルを積重してなる燃料電池スタックであって、隣接する２つの発電セル間で共用するセパレータを請求項４又は５記載のセパレータにより構成し、発電セルの積重方向の一方側及び他方の側の最外に位置するセパレータをそれぞれ請求項１又は２記載のセパレータにより構成したことを特徴とする、燃料電池スタック。
  11. 単一の絶縁体層の所定領域に配線回路を形成し、該単一の絶縁体層の前記配線回路の形成領域以外の領域に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａを１つ又は複数形成し、前記配線回路とセパレータ構造部ａの導体端子及び／または導体パターンとの間を繋ぐ配線層を該単一の絶縁体層の一方及び／又は他方の主面に形成してなる、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
    セパレータ構造部ａ：前記単一の絶縁体層の所定領域の一方の主面に導体パターンを形成して、該主面上に該導体パターンによって区画されるガス流路用溝を設ける一方、前記所定領域の他方の主面に導体端子を形成し、該導体端子と前記導体パターンとを前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続してなる構造部であって、前記ガス流路用溝を区画する導体パターンを２つの櫛歯状パターンを対向させた形状にし、かつ、前記導体端子を閉環状の枠パターンに形成して、該閉環状枠パターンの環内側領域に、前記導体パターンを配置させた構造部。
  12. 絶縁体層の一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、請求項１１記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
  13. 導体パターンの表面が貴金属からなる、請求項１１記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
  14. 単一の絶縁体層の所定領域に配線回路を形成し、該単一の絶縁体層の前記配線回路の形成領域以外の領域に下記の燃料電池用セパレータ構造部ａ'を１つ又は複数形成し、前記
    配線回路とセパレータ構造部ａ'の導体パターンとの間を繋ぐ配線層を前記単一の絶縁体
    層の一方及び／又は他方の主面に形成してなる、燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
    セパレータ構造部ａ'：前記単一の絶縁体層の所定領域の両主面にそれぞれ導体パター
    ンを形成して、該両主面の各面上に形成した導体パターン間を前記絶縁体層の一部を貫通するビアホールで電気的に接続してなる構造部であって、絶縁体層の両主面に形成された各導体パターンが、略閉環状の枠パターン部と、該略閉環状の枠パターン部の環内側領域にてガス流路用溝を区画する、前記略閉環状の枠パターン部と結合する２つの櫛歯状パターンを対向させた形状の櫛歯状パターン部とを含む構造部。
  15. 絶縁体層の両主面の少なくとも一方の主面にガス流路用溝の底面となる領域が削り込まれて、ガス流路用溝の底面が絶縁体層内に配置されている、請求項１４記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
  16. 導体パターンの表面が貴金属からなる、請求項１４記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板。
  17. 請求項１１〜１６のいずれか１項記載の燃料電池用セパレータ付き配線回路基板のセパレータを用いて燃料電池を構成してなる、燃料電池付配線回路基板。
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