(57)【要約】【課題】  供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質型燃料電池用セパレータ、その高分子電解質型燃料電池用セパレータを用いた高分子電解質型燃料電池、及びその高分子電解質型燃料電池用セパレータの評価方法を提供する。【解決手段】  電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有し、一方の主面に一方の主面に反応ガス流路３０Ｃ、４０Ｃが形成されていて、流路表面３０Ｃ、４０Ｃの表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μｌ以上８０μｌ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となっている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されており、
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが１．５μｍ以上４．０μｍ以下である、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記反応ガス流路の中心線平均粗さにおいて微細な凸部間のピッチが略５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記反応ガス流路の表面がブラスト加工、レーザー加工もしくは成形加工によって形成された、請求項１乃至３の何れか一項に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記反応ガス流路の表面が段階式ブラスト加工されている、請求項１乃至４に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記反応ガス流路の表面が酸素プラズマ処理されている、請求項１乃至５に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記電導性炭素と前記バインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されている、請求項１乃至６に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備えている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路の結露水の排出性を該反応ガス流路の表面の水滴転落角によって評価する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法。
【請求項１０】
前記反応ガス流路の表面に水滴を滴下することによって前記水滴転落角を取得する、請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法。
【請求項１１】
前記水滴転落角は、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下における、５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴の水滴転落角である、請求項９又は１０に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法。
【請求項１２】
電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法に関する。特に、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する電導性の高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの排水性を評価する評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池においては、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しない、または性能が低下する現象、すなわちフラッディング現象が問題となっていた。かかる問題の抑制のため、種々の高分子電解質形燃料電池用セパレータ（以下、セパレータという）、あるいは運転方法が実施あるいは提案されている。具体的には、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を上げて、結露する水分を押し流す運転方法が一般的に実施されている。
【０００３】
しかしながら、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を上げて、結露する水分を押し流す運転方法については、これら反応ガスの供給手段を高圧の供給手段にし、かつ高分子電解質形燃料電池の構造を耐圧構造にする必要がある。加えて、反応ガスの高圧供給は高分子電解質形燃料電池のエネルギー効率を低下させることに繋がる。
【０００４】
そこで、表面に撥水処理／親水処理を行う方法又はセパレータ（特許文献１〜１９参照）が提案されている。また、親水性材料／撥水性材料を含む材料で構成し、セパレータと水分との接触角を大きく／小さくする方法又はセパレータ（特許文献２０〜３０参照）が提案されている。更に、その他、フラッディングを防止する構造のセパレータ又はセパレータと電極との組み合わせ等（特許文献３１〜３７参照）も提案されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２０８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２５７４６８号公報
【特許文献３】特開２００３−１５１５８５号公報
【特許文献４】特開２００３−１５１５７２号公報
【特許文献５】特開２００３−１２３７８０号公報
【特許文献６】特開２００３−１１２９１０号公報
【特許文献７】特開２００３−１０９６１９号公報
【特許文献８】特開２００２−３１３３５６号公報
【特許文献９】特開２００２−０４２８３０号公報
【特許文献１０】特開２００２−０２０６９０号公報
【特許文献１１】特開２００１−０７６７４０号公報
【特許文献１２】特開２０００−２５１９０３号公報
【特許文献１３】特開２０００−２２３１３１号公報
【特許文献１４】特開２０００−１００４５２号公報
【特許文献１５】特開２０００−０３６３０９号公報
【特許文献１６】特開平０９−２９８０６４号公報
【特許文献１７】特開平０７−３０２６００号公報
【特許文献１８】特開平０５−２５１０９１号公報
【特許文献１９】再表９９／４０６４２号公報
【特許文献２０】特開２００３−２９７３８５号公報
【特許文献２１】特開２００３−２１７６０８号公報
【特許文献２２】特開２００３−２０８９０５号公報
【特許文献２３】特開２００３−２０８９０４号公報
【特許文献２４】特開２００２−３５２８１３号公報
【特許文献２５】特開２００１−２８３８７３号公報
【特許文献２６】特開２００１−０９３５３９号公報
【特許文献２７】特開２０００−３１６９５号公報
【特許文献２８】特開平１０−００３９３１号公報
【特許文献２９】特表２００１−５０９９５０号公報
【特許文献３０】特表平０８−５０３１００号公報
【特許文献３１】特開２００３−１９７２１７号公報
【特許文献３２】特開２００３−１９７２０３号公報
【特許文献３３】特開２００３−１６８４５２号公報
【特許文献３４】特開２００３−００７３１２号公報
【特許文献３５】特開２００２−３４３３６９号公報
【特許文献３６】特開２００２−２０３５７１号公報
【特許文献３７】特開２００１−１１０４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的に、高分子電解質形燃料電池は、必要な電力負荷に応じて出力電力、すなわち出力電流を変動させている。このとき、出力電流に応じて供給ガス流量も変化させ、ほぼ一定の燃料利用率と酸素利用率で運転すると効率的である。すなわち、部分負荷運転時には供給ガス量もそれに応じて少なくしている。このとき、当然供給ガスの圧力損失も低下するため、部分負荷運転時ほどフラッディング現象、すなわちセパレータでの水詰まり現象が発生しやすい。そこで、供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）においても結露水の排出性に優れた表面を有するセパレータの開発が求められている。
【０００６】
先に述べた特許文献１〜３７に記載の従来技術においても、供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）であっても良好な結露水の排出性を有するセパレータは実現されておらず、未だ改善の余地があった。特に、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されるセパレータ（圧縮成型セパレータ）の場合には、供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）で良好な結露水の排出性が得にくくなるという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供することを目的する。また、本発明は、上記本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを供えており、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的する。更に、本発明は、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供することを目的とする。また、本発明は、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータ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】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ね結露水の排出性について検証した結果、高分子電解質形燃料電池用セパレータ流路表面を、発電時の条件下、すなわち、運転温度下であって、かつ表面が湿潤しているという条件において、これまで着目されていなかった水滴転落角を所定の角度以下にすると優れた結露水の排出性が得られることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されており、前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供する（請求項１）。
【００１０】
このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの反応ガス流路の表面が、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた特性を有するようになるので、フラッディング現象の抑制効果に優れる高分子電解質形燃料電池用セパレータを構成することができる。特に、上記の構成を電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されるセパレータ（圧縮成型セパレータ）に適用すると、供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）であっても良好な結露水の排出性を容易かつ正確に得ることができるようになる。なお、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、電導性炭素を構成材料とする電導性のセパレータである。
【００１１】
ここで、本発明において、反応ガスとは、高分子電解質形燃料電池に供給される酸化剤ガス（酸化剤を含むガス）及び還元剤ガス（還元剤を含むガス）をいう。また、本発明において、反応ガス流路とは、高分子電解質形燃料電池用セパレータ表面に形成された溝部、刳り貫き部等であって、高分子電解質形燃料電池組立状態時において反応ガスが流通する流路をいう。また、本発明において、「水滴転落角」とは、計測対象（セパレータなど）の表面の傾斜角度であって、計測対象の表面に静止している水滴が滑落し始める傾斜角度をいい、後述の図１及び図２を用いて説明する測定方法により求められる角度αをいう。
【００１２】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが１．５μｍ以上４．０μｍ以下であるとよい（請求項２）。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの耐久性に影響を及ぼさず、かつ酸素プラズマ処理によって水滴転落角の改善をはかることがより容易かつより正確にできる。更に、同様の観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが２．５μｍ以上４．０μｍ以下であることがより好ましい。なお、セパレータを実用化レベルの大きさにコンパクト化する観点、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減する観点から反応ガス流路の表面の中心線平均粗さは４．０μｍ以下であることが望ましい。
【００１３】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の中心線平均粗さにおいて微細な凸部間のピッチが略５μｍ以下であるとよい（請求項３）。このように構成すると、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても、反応ガスの供給圧損の振動をより容易かつより正確に抑制することができるので、高分子電解質形燃料電池の発電出力の振動をより容易かつより正確に抑制することができる。
【００１４】
本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、前記反応ガス流路の表面がブラスト加工、レーザー加工もしくは成形加工によって形成されるとよい（請求項４）。
【００１５】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が段階式ブラスト加工されているとよい（請求項５）。このような構成とすると、反応ガス流路の表面に復次凹凸構造が形成されて、比表面積が大きくなるので、水滴転落角を５度以上４５度以下により容易かつより正確に調整することができる。ここで比表面積とは、セパレータ流路の単位平面積当たりの表面積を言う。ここで、段階式ブラスト加工とは、先のブラスト加工よりも後のブラスト加工の方がブラスト加工に用いられる粒子の粒径が小さくなっている、複数次のブラスト加工をいう。
【００１６】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が酸素プラズマ処理されているとよい（請求項６）。このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの流路表面の水滴転落角αを５度以上４５度以下に調整することができる。
【００１７】
更に、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成形することにより形成されていることが好ましい。（請求項７）。先にものべたように、このような構成とすると、供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）であっても良好な結露水の排出性を有する圧縮成型セパレータを容易かつ正確に構成することができる。圧縮成型セパレータは、導電性炭素を主成分とする硬い板状部材を切削加工することにより形成されるタイプのセパレータに比較して容易かつ低コスト（例えば約１００分の１）で製造できるため、このように良好な排水性を具備させることにより高分子電解質型燃料電池の大量生産の実現に大きく寄与できる。
【００１８】
更に、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、上述の圧縮成型セパレータの中でも射出成型技術を利用して製造される射出圧縮成型セパレータであってもよい。この場合にはより大量生産を行ううえで有利となる。
【００１９】
また、本発明は、請求項１乃至７に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備えている（請求項８）高分子電解質形燃料電池を提供する。上述の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備える構成とすることにより、フラッディング現象を十分に抑制できるようになるので、供給ガスの圧力損失が低い条件においても安定した発電を維持することができる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を構成することができる。
【００２０】
さらに、本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路の結露水の排出性を該反応ガス流路の表面の水滴転落角によって評価する（請求項９）高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供する。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの反応ガス流路の表面の結露水の排出性を的確に評価することができる。
【００２１】
本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法は、前記反応ガス流路の表面に水滴を滴下することによって前記水滴転落角を取得するとよい（請求項１０）。
【００２２】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法は、前記水滴転落角は、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下における、５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴の水滴転落角であるとよい（請求項１１）。このように構成すると、実機条件を厳密に再現する必要なく水滴転落角の計測が可能となるので、容易かつ的確に結露水の排出性を評価することができる。
【００２３】
また、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法であって、反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法を提供する（請求項１２）。
【００２４】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法によれば、上述の水滴転落角の条件を満たすようにすること以外は、公知の表面処理技術（物理的表面処理、化学的表面処理など）などの公知のセパレータ製造技術（材料選択、材料の混合方法及び材料の混合割合の調節などをすることも含む）を用いることにより、先に述べた本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明によれば、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供することができる。また、本発明によれば、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することができる。更に、本発明によれば、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供することができる。また、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
最初に、本発明の背景となる本発明者らの知見について説明する。
【００２７】
先にも述べたように、本発明者らは、高分子電解質形燃料電池用セパレータ（以下、セパレータと略称する）のガス流路表面に付着する結露水の排出性について検証した結果、作動温度範囲で液状水がガス流路中に発生するという特有の現象の起こる高分子電解質形燃料電池においては、（１）従来のように、ガス流路表面に静止している状態の水滴の接触角（濡れ性）に着目してガス流路表面の構成（親水性、撥水性、中心線平均粗さなど）を設計すること、よりもむしろ、（２）ガス流路表面に付着した水滴がガス流路内に流れる反応ガス流により押圧されて動き出す状態となるときの当該水滴の「水滴転落角」に着目してガス流路表面の構成を設計すること（より具体的には、「反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上４５度以下となる」ように設計すること）、のほうが、作動状態における良好な排水性｛特に供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）における良好な排水性｝を容易かつ確実に得ることができて極めて有効であることを見出した。
【００２８】
例えば、一般的に、セパレータのガス流路の表面が親水性または撥水性を有していると、セパレータの結露水の排出性は良くなる傾向にある。しかしながら、セパレータが単に上述の（１）の設計によるものである場合には、親水性に優れていても少しでも有限の接触角を有する場合、セパレータのガス流路表面の結露水は、有限の面積の水の塊となって存在する。そして、重畳して水滴が結露すると水滴が流路を閉塞してしまう場合がある。
【００２９】
また、セパレータのガス流路表面が撥水性に優れる場合、セパレータのガス流路表面に結露した水は非常に小さい水滴のまま、ガスによってセパレータのガス流路表面を転がるように押し流されるため、セパレータ流路の閉塞は起こりにくい傾向にある。しかしながら、セパレータが単に上述の（１）の設計によるものである場合には、セパレータのガス流路表面の粗度が大きい場合には、セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ、すなわち微細な凹凸がアンカーとなり水滴が流路を閉塞してしまう場合がある。
【００３０】
したがって、セパレータのガス流路表面における結露水の排出性の評価は、単に上述の（１）の設計による親水性又は撥水性のみで評価するのは不十分であることになる。
【００３１】
本発明者らは、水滴転落角αを用いて評価することにより、単に上述の（１）の設計による親水性及び撥水性とは独立に、燃料電池の作動条件に適したセパレータのガス流路表面の結露水の排出性を容易かつ正確に評価することができることを見出した。
【００３２】
ここで、本発明において「接触角」とは、静止液体（水滴）の自由表面が固体壁（セパレータ）に接する場所で液面と固体面とのなす角（液体の内部にある角）をいい（「岩波  理化学辞典，第５版」７３９頁に記載の接触角）、より具体的には、計測対象（セパレータ）の表面が水平になるように当該計測対象を配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記計測対象の表面と水滴の液面（計測対象の表面と異なり外気に接触している面）とのなす角度（水滴の内部にある角度）をいう。
【００３３】
また、先にも述べたように、「水滴転落角」とは、後述の図１及び図２を用いて説明する測定方法により求められる角度αをいう。
【００３４】
図１は、水滴転落角の計測方法を示す模式図である。水滴転落角は、計測対象３００の表面、すなわちセパレータの流路表面を水平に配置する。そして、計測対象３００の表面に所定の量の水滴３１０をその表面に滴下する。そして、計測対象３００の表面を徐々に傾斜させて、図１に示すように、その水滴３１０が当初の位置から移動し始める際の計測対象３００の表面の傾斜角度αを写真あるいは画像に記録する。この写真あるいは画像から水滴転落角αを計測することができる。
【００３５】
また、図２は、水滴転落角の間接的計測方法を示す模式図である。一般的には、水滴転落角αは、「Ｒ・γ・（ｃｏｓθr―ｃｏｓθa）＝ｍ・ｇ・ｓｉｎα」によって算出される（ここで、Ｒ：水滴が計測対象３００の表面と接触している面の外周長（全周長）、γ：水の表面張力、θａ：前進接触角、θｒ：後退接触角、ｍ：水滴の質量、ｇ：重力）。したがって、図２に示すように、水滴が傾斜面を滑落する際の、水滴を写真あるいは画像に記録しておいて、写真あるいは画像から水滴の上記外周長Ｒ、前進接触角θａ、後退接触角θｒを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。さらに、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。なお、水滴が計測対象３００の表面と接触している面の形状が円（真円）に近似できる場合には、図２中に示した水滴の上記面（円）の直径Ｄを用いて上記外周長Ｒを近似計算してもよい。
【００３６】
供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａのわずかなガス圧）でガス流路の表面に形成された水滴を移動できるようにするためには、上述の「ｃｏｓθr―ｃｏｓθa」の値が小さいほうがよく、より詳しくは、水滴転落角αが本発明の条件を満たせばよい。
【００３７】
上述の水滴転落角の条件を満たすようにすること以外は、公知の表面処理技術（物理的表面処理、化学的表面処理など）などの公知のセパレータ製造技術（材料選択、材料の混合方法及び材料の混合割合の調節などをすることも含む）を用いることにより、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に得ることができる。
【００３８】
特に、本発明者らは、従来の圧縮成型セパレータが安定的かつ良好な排水性を得ることが極めて困難であったのは上述の（２）の観点からの表面設計を行わず、上述の（１）の観点から主として表面設計を行っていたことが主な原因の一つであることを見出した。
【００３９】
より具体的には、従来の圧縮成型セパレータは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を構成材料として形成される。例えば、ガス流路表面の電導性炭素からなる部分は、作動初期には撥水性が高いが、時間経過とともに徐々に水に濡れやすくなり親水性になるという特性を有している。一方、ガス流路表面のバインダー（合成樹脂）からなる部分は比較的不十分な撥水性を有している。そして、上記の電導性炭素からなる部分の親水性や撥水性は物理的構造（表面粗さなど）が変わる場合がある。従来の圧縮成型セパレータは、上述の（１）の観点から主として表面設計を行っているため、上記例示したような、ガス流路の表面の微細な化学的構造（親水性、撥水性などを決める化学組成など）や微細な物理的構造（中心線平均粗さなどをきめる凹凸形状など）が不均一な状態になりやすい。例えば、上記の電導性炭素からなる部分とバインダー（合成樹脂）からなる部分とが不均一な状態（大きさが不均一、分散状態が不均一）になりやすい。そしてこれに伴って、ガス流路表面に、上述の「ｃｏｓθr―ｃｏｓθa」の値が小さくなる部分（水滴が移動しやすくなる部分）だけでなく、「ｃｏｓθr―ｃｏｓθa」の値が大きくなる部分（水滴が移動しにくくなる部分）も多く存在することになることが、ガス流路全体として良好な排水性を得ることが極めて困難であった主な原因の一つであることを見出した。
【００４０】
そして、本発明者らは、圧縮成型セパレータであっても、上述の水滴転落角の条件を満たすように、ガス流路の表面の微細な化学的構造（親水性、撥水性などを決める化学組成など）や微細な物理的構造（中心線平均粗さなどをきめる凹凸形状など）を十分に均一となるように近づけてやることで、良好な排水性を得ることができるようになることを見出した。
【００４１】
ここで、発電時にはセパレータ流路表面は高温、かつ湿潤状態にある。特に、セパレータが電導性炭素を含有する場合、乾燥状態と湿潤状態とではセパレータ表面の親水性及び撥水性、すなわち接触角が異なる。これは炭素の親水性及び撥水性が乾燥状態と湿潤状態とでは異なるためと推察される。したがって、水滴転落角αの計測においては、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）の運転状態同等の雰囲気条件の下で、発生する結露水と同等の水滴容量で計測されることが望ましい。
【００４２】
しかしながら、ＰＥＦＣ運転状態の雰囲気条件を正確に再現することは難しい場合がある。特にＰＥＦＣ運転状態の雰囲気条件は一定ではなくＰＥＦＣの運転状態によって変動しうるので、ＰＥＦＣ運転状態の雰囲気条件を特定すること自体が難しいという問題がある。ここで、発明者らは実験等によって、水滴転落角αの計測には、雰囲気温度、雰囲気湿度及び水滴容量の実機条件の厳密な再現は必要ないことを見出した。すなわち、所定の条件内で計測された水滴転落角αによって的確にＰＥＦＣ用セパレータの結露水の排出性の評価をすることができることがわかった。具体的には、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の雰囲気下に計測機器を置き、５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を用いて計測された水滴転落角αによって的確にＰＥＦＣ用セパレータの結露水の排出性の評価をすることができることを検証した。これによって、実機条件を厳密に再現する必要なく水滴転落角αの計測が可能となるので、容易かつ的確に結露水の排出性を評価することができる。
【００４３】
なお、水滴転落角αは、温度、相対湿度及び水滴容量をパラメータとして把握することも可能である。したがって、水滴転落角と温度、相対湿度及び水滴容量との相関関係を予め実験等で求めておき、上記の相関関係に基づいて上記の水滴転落角αをＰＥＦＣ運転状態の雰囲気条件下の水滴転落角αに補正することもできる。これによって、より的確に結露水の排出性を評価することができる。
【００４４】
本発明は、この知見に基づいてなされている。以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４５】
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係るＰＥＦＣの斜視図である。図４は、図３のＰＥＦＣの構造を示す分解斜視図である。図４においては、説明の便宜上、ＰＥＦＣ（スタック）２００の積層構造の一部を分解して示している。
【００４６】
ＰＥＦＣ２００は、電気化学反応により発電する単電池（セル）１００を積層して構成されている。ここでは、ＰＥＦＣ２００は、セル１００が１００個積層されて構成されている。
【００４７】
セル１００の積層方向端部は、集電板４１，４１、及び絶縁板４２，４２を介して端板４３，４３で挟まれ、端板４３，４３間が締結ボルト（図示せず）で両側から締結されている。ここでは、電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2の締結圧で締結されている。
【００４８】
集電板４１，４１の電気端子４１Ａ，４１Ａは、電気機器等の外部負荷と接続されて電気を出力する。
【００４９】
ＰＥＦＣ２００には、酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄ及び酸化剤ガス排出マニフォルド３０Ｅを結ぶ酸化剤流路３０と、還元剤ガス供給マニフォルド４０Ｄ及び還元剤ガス排出マニフォルド４０Ｅを結ぶ還元剤流路４０とが形成されている。
【００５０】
酸化剤流路３０は、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄから供給され、各セル１００に分岐し、各セル１００流通後、再び合流して酸化剤ガス排出マニフォルド３０ＥよりＰＥＦＣ２００外に排出されるように構成されている。還元剤流路４０も同様にして構成されている。ここでは、酸化剤ガスとして、酸素あるいは空気が用いられている。また、還元剤ガスとして水素あるいは水素を含むガスが用いられている。
【００５１】
また、ＰＥＦＣ２００には、冷却剤供給マニフォルド４５Ｄ、冷却剤排出マニフォルド４５Ｅが形成されている。
【００５２】
冷却剤流路４５は、冷却剤が、冷却剤供給マニフォルド４５Ｄから供給され、積層された各セル１００の間に分岐し、各セル１００の間を流通した後、再び合流して冷却剤排出マニフォルド４５ＥよりＰＥＦＣ２００外に排出されるように構成されている。
【００５３】
ここで、セル１００は、ＭＥＡ１０と、セパレータ１５，２０とを積層して構成されている。セパレータは、カソードセパレータ１５とアノードセパレータ２０との２種類が用いられている。両者は、その表面の流路が相違している。そして、図２に示すようにＭＥＡ１０とカソードセパレータ１５との間には酸化剤流路３０が形成され、ＭＥＡ１０とアノードセパレータ２０との間には還元剤流路４０が形成されている。
【００５４】
図５は、ＭＥＡの基本構造を示す模式図である。
【００５５】
ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対の電極触媒層（酸化剤ガス側電極触媒層２及び還元剤ガス側電極触媒層３）と、この一対の電極触媒層の外面に配設された一対の拡散電極層（酸化剤ガス側拡散電極層４及び還元剤ガス側拡散電極層５）とを備えて構成されている。この拡散電極層４，５は、通気性と電子伝導性を併せ持つように構成されている。例えば、多孔性構造を有している。
【００５６】
そして、酸化剤ガス側電極触媒層２，酸化剤ガス側拡散電極層４及びカソードセパレータ１５がカソードを構成している。
【００５７】
また、還元剤ガス側電極触媒層３，還元剤ガス側拡散電極層５及びアノードセパレータ２０がアノードを構成している。
【００５８】
高分子電解質膜１は、パーフルオロカーボンスルホン酸を５０μｍの厚みに薄膜化したプロトン伝導性高分子電解質膜（米国Ｄｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ１１２）によって構成されている。ここでは、外寸は２０ｃｍ×２０ｃｍである。
【００５９】
拡散電極層４，５は、カーボンクロスによって構成されている。カーボンクロス（東レ株式会社製ＴＧＰ−Ｈ−０９０）は、外寸１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚み２２０μｍであって、電極触媒層２，３と接する側の面には、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業株式会社製Ｄ−１）の混合物が塗布されて４００℃で３０分間焼成されて撥水層が形成されている。
【００６０】
電極触媒層２，３は、触媒ペーストがスクリ−ン印刷法によってカ−ボンクロス（拡散電極層４，５）に塗布されて形成されている。触媒ペーストには、平均粒径約３０Åの白金粒子をアセチレンブラック粉末（電気化学工業株式会社製デンカブラックＦＸ−３５）に２５重量％担持させた触媒粉末が用いられている。触媒ペーストは、この触媒粉末がイソプロパノ−ルに分散されている溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸がエチルアルコールに分散されているディスパージョン溶液（旭硝子株式会社製フレミオンＦＳＳ−１）が混合されて製作されている。触媒電極２，３に含まれる白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．０ｍｇ／ｃｍ2となっている。
【００６１】
そして、ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜１の両面中央部に、電極触媒層２，３が形成されているカ−ボンクロス（拡散電極層４，５）がホットプレスで接合されて形成されている。高分子電解質膜１の周縁部には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３０Ａ、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３０Ｂ、還元剤ガス供給マニフォルド孔４０Ａ、還元剤ガス排出マニフォルド孔４０Ｂ、冷却剤供給マニフォルド孔４５Ａ、冷却剤排出マニフォルド孔４５Ｂが穿たれている。拡散電極層４，５及び各種マニフォルド孔３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，４５Ａ，４５Ｂの周囲の高分子電解質膜１にはバイトン製Ｏ−リング状のガスシール部材５０が貼り廻らされている。
【００６２】
図６は、図４のカソードセパレータの酸化剤ガス流路パターンを示す正面図である。図７は、図４のアノードセパレータの還元剤ガス流路パターンを示す正面図である。図８は、図４のカソードセパレータの冷却剤流路パターンを示す背面図である。
【００６３】
図６に示すように、カソードセパレータ１５の、ＭＥＡ１０に当接する正面には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３０Ａと酸化剤ガス排出マニフォルド孔３０Ｂとを結ぶように溝からなる酸化剤ガス流路溝（反応ガス流路）３０Ｃが形成されている。酸化剤ガス流路溝３０Ｃは、セル１００において酸化剤ガス側拡散電極層４と当接する部分をくまなく流通するように形成されている。一方、図８に示すようにカソードセパレータ１５の背面には、冷却剤供給マニフォルド孔４５Ａと冷却剤排出マニフォルド孔４５Ｂとを結ぶように溝からなる冷却水流路溝（冷却水流路）４５Ｃが形成されている。
【００６４】
また、図７に示すように、アノードセパレータ２０の、ＭＥＡ１０に当接する正面には、還元剤ガス供給マニフォルド孔４０Ａと還元剤ガス排出マニフォルド孔４０Ｂとを結ぶように溝からなる還元剤ガス流路溝（反応ガス流路）４０Ｃが形成されている。還元剤ガス流路溝４０Ｃは、セル１００において還元剤ガス側拡散電極層５と当接する部分をくまなく流通するように形成されている。また、アノードセパレータ２０の背面には、カソードセパレータ１５と同様にして、冷却剤供給マニフォルド孔４５Ａと冷却剤排出マニフォルド孔４５Ｂとを結ぶように溝からなる冷却水流路溝４５Ｃが形成されている。
【００６５】
ここで、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の冷却剤流路溝４５Ｃは、セル１００において酸化剤ガス流路溝３０Ｃ及び還元剤ガス流路溝４０Ｃの背面をくまなく冷却するように形成されている。そして、セル１００の積層においては、カソードセパレータ１５の冷却剤流路溝４５Ｃとアノードセパレータ２０の冷却剤流路溝４５Ｃとが合一して冷却剤流路４５を形成するように形成されている。
【００６６】
ここでは、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは３ｍｍと同一であり、酸化剤ガス流路溝３０Ｃ及び還元剤ガス流路溝４０Ｃは、図６及び図７に示すように、幅１．２ｍｍ深さ０．７ｍｍの凹部が１．０ｍｍの間隔で数本併走するようにして形成されている。カソードセパレータ１５の冷却剤流路溝４５Ｃは、図８に示すように、酸化剤ガス流路溝３０Ｃの背面全体に亘って幅広く形成されている。その幅広い溝部の中央部には数カ所点在するようにしてカソードセパレータ１５背面の平坦面が残されている。これによって、セル１００積層及び締結において締結力を分散することができる。
【００６７】
また、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の周縁部にはＭＥＡ１０と対応するようにして、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３０Ａ、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３０Ｂ、還元剤ガス供給マニフォルド孔４０Ａ、還元剤ガス排出マニフォルド孔４０Ｂ、冷却剤供給マニフォルド孔４５Ａ、冷却剤排出マニフォルド孔４５Ｂが穿たれている。
なお、セル１００組立時及びセル積層時には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔３０Ａが連結して酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄ、酸化剤ガス排出マニフォルド孔３０Ｂが連結して酸化剤ガス排出マニフォルド３０Ｅ、還元剤ガス供給マニフォルド孔４０Ａが転結して還元剤ガス供給マニフォルド４０Ｄ、還元剤ガス排出マニフォルド孔４０Ｂが連結して還元剤ガス排出マニフォルド４０Ｅ、冷却剤供給マニフォルド孔４５Ａが連結して冷却剤供給マニフォルド４５Ｄ、冷却剤排出マニフォルド孔４５Ｂが連結し冷却剤排出マニフォルド４５Ｅがそれぞれ形成されるようになっている。
【００６８】
ここで、本発明の特徴であるカソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の素材及び表面について説明する。
【００６９】
セパレータ１５、２０は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを混合して形成されている。バインダーには、ゴム、樹脂等が用いられ得る。樹脂としては、高温多湿なセパレータの使用環境に耐性のある樹脂が使用され得る。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ＰＰＳ、ポリプロピレン、液晶ポリマー、ＰＴＦＥ等である。ここでは、平均粒径１００μｍの人造黒鉛粉末８０ｗｔ％とカーボンブラック５ｗｔ％と熱硬化前のフェノール樹脂１５ｗｔ％とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ１５、２０の形状を転写した形状の金型に投入され、約１８０℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてセパレータ１５、２０に成形されている。
このようにして成形されたセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面は無処理のまま、すなわちフェノール樹脂が多く含有されているスキン層を残置させたままにされている。
【００７０】
ここで、本発明のセパレータの評価方法は、前述の水滴転落角αの計測によって、該セパレータの結露水の排出性を評価する。すなわち、５０℃以上９０℃以下の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の雰囲気湿度の条件下において、セパレータ１５、２０の酸化剤ガス流路溝３０Ｃあるいは還元剤ガス流路溝４０Ｃに滴下された５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴の水滴転落角によって、セパレータ１５、２０の結露水の排出性を評価する。本実施形態においては、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約４５度と算出された。
【００７１】
ここで、水滴転落角αの計測においては、水滴の転落方向に酸化剤ガス流路溝３０Ｃあるいは還元剤ガス流路溝４０Ｃの下面及び側面が平坦であることが望ましい。このようにすることにより、段差や屈折部等の形状効果によって水滴転落角αが変化することをより確実に防止することができるようになる。また、湿潤状態においては水滴の判別が困難な場合もあり、直接正確な水滴転落角αを測定することは困難である。そこで、水滴転落角αは、レスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００を用いて前進接触角θa、後退接触角θrを計測することによって、前述の関係式に基づいて算出することもできる。
【００７２】
なお、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さは、中心線平均粗さＲa（Center -Line Average-height）＝０．７であった。乾燥状態での接触角θｄは約８０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約６０度であった。ここで、中心線平均粗さは、触針式表面粗さ測定機（Taylor  Hobson社製Form  Talysurf-120）を用いてJIS  B0651の計測方法に準拠して行っている。
【００７３】
次に、以上のように構成されたＰＥＦＣ２００の動作を説明する。酸化剤ガスが酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄを経由して各セル１００に分岐して供給される。各セル１００では、酸化剤ガスがカソードに供給される。ここでは、酸化剤ガス側拡散電極層４に曝露される。また、水素、あるいは水素を含む還元剤ガスも同様にして、アノードに供給される。ここでは、還元剤ガス側拡散電極層５に曝露される。
【００７４】
そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス側拡散電極層４を透過し、酸化剤ガス側電極触媒層２に到達する。同様にして、還元剤ガスも、還元剤ガス側拡散電極層５を透過し、還元剤ガス側電極触媒層３に到達する。
【００７５】
カソードセパレータ１５、アノードセパレータ２０、集電板４１、４１（図１参照）及び外部の電気回路（図示せず）を経由して酸化剤ガス側電極触媒層２と還元剤ガス側電極触媒層３との電気的な接続回路が構成されると、酸化剤ガス側電極触媒層２においては、還元剤ガスとのイオン化傾向の差異に基づいて、酸素がイオン化する。同様にして、還元剤ガス側電極触媒層３においては、水素がイオン化する。
【００７６】
水素イオンは高分子電解質膜１を透過して酸化剤ガス側電極触媒層２において、酸素イオンと結合し、水を生成する。また、水素のイオン化に伴い還元剤ガス側電極触媒層３において発生した電子は、還元剤ガス側拡散電極層５と電導性炭素を含有するアノードセパレータ２０とを経由して、隣接するセル１００、あるいは外部の電気回路（図示せず）に流れ、電気出力を生じさせる。
【００７７】
（実施例１）
実施例１として、実施の形態１に係るＰＥＦＣ２００を用いて、ＰＥＦＣの一般的な燃料利用率及び酸素利用率を基準とした運転試験を行った。ＰＥＦＣ２００は７０℃に保持された。還元剤ガスには、８０ｗｔ％水素及び２０ｗｔ％二酸化炭素の成分のガスを用いた。
還元剤ガスは、７０℃の露点となるよう加湿・加温されて還元剤ガス供給マニフォルド４０Ｄから供給された。酸化剤ガスには、空気を用いた。酸化剤ガスは、７０℃の露点となるように加湿・加温されて酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄから供給された。
【００７８】
そして、還元剤ガスの燃料利用率７５％、酸化剤ガスの酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の出力条件で全負荷発電が継続された。この時、還元剤ガス供給マニフォルド４０Ｄと還元剤ガス排出マニフォルド４０Ｅとの間の圧力損失（以下、還元剤ガス側圧力損失という）は約７ｋＰａであり、酸化剤ガス供給マニフォルド３０Ｄと酸化剤ガス排出マニフォルド３０Ｅとの間の圧力損失（以下、酸化剤ガス側圧力損失という）は６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。ここで、全負荷発電とは、ＰＥＦＣが安定して最も効率よくかつ安定して発電することができる最大限の負荷時の発電をいう。
【００７９】
また、運転試験に際しては、開始直後及び５００時間ごとに、全負荷発電時と同等の燃料利用効率及び酸素利用効率を維持したままの低出力運転を実施した。すなわち、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％に保ったまま電流密度を０．０６Ａ／ｃｍ2まで絞った部分負荷発電を２４時間継続させた。この時、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。ここで、電流密度を０．０６Ａ／ｃｍ2は、ＰＥＦＣ２００の実用上想定される最低出力状態である。
【００８０】
次に、電流密度を０．０６Ａ／ｃｍ2に維持しながら、燃料利用効率及び酸素利用効率の限界を確認した。すなわち、燃料利用率を７５％以上に引き上げ、あるいは酸素利用率を５０％以上に引き上げるべく、還元剤ガス側圧力損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を低下させる限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率７５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率５０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の条件時における、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．５ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．３ｋＰａであった。
【００８１】
（比較例１）
比較例１として、実施の形態１と同型のＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【００８２】
ただし、成形後のセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面にサンドブラスト加工を行い、数μｍ程度の深さまでフェノール樹脂のスキン層が除去された。このときセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）はＲａ＝１．５であった。また、乾燥状態での接触角θｄは約８０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約３０度である。また本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約５０度であった。
【００８３】
その結果、実施例1と同様の燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．５Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【００８４】
また、実施例1と同様の燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、一部のセルにおいて数分から数十分おきに電圧振動が発生した。電圧振動幅は約１００ｍＶであった。そこで、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させるべく、還元剤ガス側圧録損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を引き上げて、電圧振動発生が解消される限界条件、すなわち限界低圧力損失を検証したところ、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは、２．８ｋＰａであった。また、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは、２．６ｋＰａであった。
【００８５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２にかかるＰＥＦＣ２００は、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の表面処理の相違を除いて、実施の形態１と同じである。
すなわち、実施の形態１と同様にしてセパレータ１５、２０が成形される。そして、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に段階式ブラスト加工が行われている。ここで、段階式ブラスト加工とは、先のブラスト加工よりも後のブラスト加工の方がブラスト加工に用いられる粒子の粒径が小さくなって行われる、複数次のブラスト加工をいう。例えば、最初は、比較的大きいアルミナ粒子によってウェットブラストが行われ、続いて逐次、粒径を小さくしたアルミナ粒子によってウェットブラスト加工が数回行われている。なお、気体をキャリアとするサンドブラスト方法では細かいアルミナ粒子を用いてブラストするには不向きであることから、液体をキャリアとするウェットブラスト方法が用いられている。ここでは、ウェットブラスト洗浄装置（マコー株式会社製）が用いられている。
【００８６】
この段階式ブラスト加工の加減により、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面のセパレータ滴転落角αが調整される。ここでは、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）ＲａがＲａ＝３乃至７の範囲内になるよう段階式ブラスト加工が施されることによって、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが４５度以下に調整される。このような効果が出現する理由は解明されていないが、発明者らの推察では、段階式ブラスト加工によって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面において、微細な凹凸の上により微細な凹凸が形成され、すなわち、複次凹凸構造が形成される。この復次凹凸構造によって大きな比表面積が形成され、この比表面積の増大が水滴転落角αの減少、つまり、水滴転落角αの改善に繋がっているものと推察される。
【００８７】
なお、表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａと水滴転落角αとはこのような相関関係にあるが、具体的な相関関係は少なくともセパレータの材質によって異なる。
【００８８】
（実施例２）
実施例２として、実施の形態２に係るＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。セパレータ１５、２０はセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）がＲａ＝３．７となるまで段階式ブラスト加工が行われた（図９の実施例２−３に該当）。本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αは２５度であった。
【００８９】
燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【００９０】
また、実施例１と同様の燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。
【００９１】
次に、実施例１と同様にして、電流密度を０．０６Ａ／ｃｍ2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率８０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率５５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率８０％、酸素利用率５５％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の条件時における、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．４ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．３ｋＰａであった。
【００９２】
また、段階式ブラスト加工の加減が調整されて、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａが異なるセパレータ１５、２０を用いて、同様の運転試験を実施した。
【００９３】
図９は、実施の形態２にかかるセパレータ及びＰＥＦＣの特性を表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａをパラメータにして示す図である。
【００９４】
図に示すように、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａ＝２.５及び８の場合（実施例２−１及び２−７）には、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αは共に約５０度であり、Ｐａは３ｋＰａ及び３．５ｋＰａ、Ｐｃは２．９ｋＰａ及び３ｋＰａであり、部分負荷発電時においては、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させないと電池出力は安定しなかった。
【００９５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３にかかるＰＥＦＣ２００は、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の表面処理の相違を除いて、実施の形態２と同じである。すなわち、実施の形態１と同様にしてセパレータ１５、２０が成形され、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面には、実施の形態２と同様に段階式ブラスト加工が行われている。
【００９６】
そして、段階式ブラスト加工完了後に、プラズマ洗浄装置（株式会社サムコ社製ＰＣ−１０００）によって酸素プラズマ処理が行われている。酸素プラズマ処理によってもセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）は実施の形態２とほぼ同じでＲａ＝３．７である。しかし、乾燥状態での接触角θｄは約１０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約０度、すなわち測定不能である。また、本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約５度である。つまり、酸素プラズマ処理によって、図９の実施例２−３のセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の水滴転落角αが改善されている。
【００９７】
このような効果が出現する理由は解明されていない。そこで、発明者らがこのセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面をＸＰＳ（X-ray  Photoelectron  Spectroscopy）で分析したところ、カーボン表面には、下記のような化１および化２で示した酸化物官能基すなわち親水性官能基が付与されていた。
【００９８】
【化１】
2006019252.tif 000003
【００９９】
【化２】
2006019252.tif 000004
すなわち、発明者らの推察では、に親水性官能基によってセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の極性が大きくなり、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面が親水性になったことが、水滴転落角αの改善に貢献しているものと推察される。したがって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に親水性あるいは撥水性の官能基を化学的に結合させる方法であれば、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の水滴転落角αを改善させることができることは容易に推察される。例えば、オゾン雰囲気下で紫外光を照射するＵＶオゾン処理でも、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の極性を大きくすることができるので、同様に水滴転落角αを改善させることが可能である。また、フッ素プラズマ処理によっても、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の黒鉛にフッ化物官能基を化学的に結合させることができるので、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の撥水性を大きくすることができる。つまり、水滴転落角αを改善させることが可能である。
【０１００】
なお、これらプラズマ処理は、減圧処理をせずに大気圧雰囲気でプラズマを照射する方法でもよい。また、プラズマ処理装置は、電極が平行に対向している平行平板型、あるいは電極が円筒チャンバーの側面に配備されたバレル型のプラズマ処理装置でもよい。
【０１０１】
また、親水性官能基を表面に多く有するセパレータ１５，２０の保存方法に関して説明する。撥水性である空気中の有機物等が親水性官能基に付着することを防止あるいは抑制するために、真空保存することが望ましい。しかしながら、セパレータ１５，２０の包装方法の違いによって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の親水性が変化することがわかった。
【０１０２】
図１１は、本実施の形態のセパレータの包装方法の違いによるセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの比較を示す図である。図に示すように、セパレータ１５，２０を市販のポリエチレン袋及びアルミホイルでそれぞれ包装して真空保存した。そして、約１時間の真空保存後に双方のセパレータ１５，２０を取り出してセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の接触角θｄを３回計測した。ポリエチレン袋で包装した場合には、接触角θｄが大きくなり、親水性が減退していることがわかった。他方、アルミホイルで包装した場合には３回行った計測はすべて、１０度以下の接触角θｄを保っていた。このような効果が出現する理由は解明されていない。しかし発明者らの推察では、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面を形成するカーボン成形体が有機物であるため、同じ有機物であるポリエチレン袋等を接触させると表面の親水性官能基が減少するものと考えられる。他方、無機物からなるアルミホイルは有機物であるカーボン成形体とは化学的組成が異なるので、アルミホイルがセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に接触しても親水性官能基は減少にないものと考えられる。したがって、親水性官能基をセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に多く有するセパレータは無機材料で包装して真空保存する保存方法が好適であると考えられる。
【０１０３】
さらに、段階式ブラスト加工と酸素プラズマ処理との相乗効果について説明する。
【０１０４】
図１２は、段階式ブラスト加工を行わず、酸素プラズマ処理を施したセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの経時変化を示す。図に示すように、酸素プラズマ処理直後の接触角θｄは処理直後で４０度であり十分な親水性は得られていない。また、５日後には１０度以上接触角θｄが上昇し、最終的には約８０度まで接触角θｄが上昇した。
【０１０５】
図１３は、段階式ブラスト加工と酸素プラズマ処理とを行ったセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの経時変化を示す。図に示すように、酸素プラズマ処理直後の接触角θｄは１０度以下であり、そしてその効果が３０日経過しても持続していた。このような効果が出現する理由は解明されていない。発明者らの推察によれば、段階式ブラスト加工による復次凹凸構造の中にさらに酸素プラズマ処理によるエッチングの効果により更に微細な凹凸が形成され、これらによってセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の比表面積は増えている。そして比表面積の大きなセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面が酸素プラズマ処理されるので、より多くの親水性官能基がセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に形成されることになる。この親水性官能基の多さが耐久性のある親水性に寄与しているものと考えられる。
【０１０６】
（実施例３）
実施例３として、実施の形態３に係るＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【０１０７】
その結果、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．６Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【０１０８】
また、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。
【０１０９】
次に、実施例１と同様にして、電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率９０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率６５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率９０％、酸素利用率６５％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．１ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．０ｋＰａであった。
【０１１０】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係るＰＥＦＣ２００は、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の素材及び表面処理の相違を除いて、実施の形態１と同じである。
【０１１１】
すなわち、セパレータ１５、２０は、平均粒径１００μｍの人造黒鉛粉末７９ｗｔ％とカーボンブラック５ｗｔ％と平均粒径０．５μｍの高純度アルミナ粒子２ｗｔ％と熱硬化前のフェノール樹脂１４ｗｔ％とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドはセパレータ１５、２０の形状を転写した形状の金型に投入され、約１８０℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてセパレータ１５、２０が成形されている。
【０１１２】
そして、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面には実施の形態２と同様に段階式ブラスト加工が行われている。セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）はＲａ＝６．５である。
【０１１３】
その結果、乾燥状態での接触角θｄは約２０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約０度、すなわち測定不能である。本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約１０度である。
【０１１４】
（実施例４）
実施例４として、実施の形態４に係るＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【０１１５】
その結果、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【０１１６】
また、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。
【０１１７】
次に、電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ2のまま、燃料利用率を７５％以上に引き上げて、あるいは酸素利用率を５０％以上に引き上げて部分負荷発電を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率８５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率６０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。
【０１１８】
燃料利用率８５％、酸素利用率６０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の条件時、すなわち還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．２ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．１ｋＰａであった。
【０１１９】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係るＰＥＦＣ２００は、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の素材及び表面処理の相違を除いて、実施の形態１と同じである。
【０１２０】
すなわち、セパレータ１５、２０は、平均粒径１００μｍの人造黒鉛粉末７９ｗｔ％とカーボンブラック５ｗｔ％と平均粒径０．５μｍの高純度チタン粒子２ｗｔ％と熱硬化前のフェノール樹脂１４ｗｔ％とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ１５、２０の形状を転写した形状の金型に投入され、約１８０℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてパレータ１５、２０に成形されている。
そして、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面には実施の形態２と同様に段階式ブラスト加工が行われている。セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）はＲａ＝６．５である。
その結果、乾燥状態での接触角θｄは約２０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約０度、すなわち測定不能である。本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約１０度である。
【０１２１】
（実施例５）
実施例５として、実施の形態５に係るＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【０１２２】
その結果、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の条件時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【０１２３】
また、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。
【０１２４】
次に、実施例１と同様にして、電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率８５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率６０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率８５％、酸素利用率６０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．２ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．１ｋＰａであった。
【０１２５】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係るＰＥＦＣ２００は、カソードセパレータ１５及びアノードセパレータ２０の素材の相違を除いて、実施の形態１と同じである。
すなわち、セパレータ１５、２０は、平均粒径１００μｍの人造黒鉛粉末７９ｗｔ％とカーボンブラック５ｗｔ％とＰＴＦＥ粉末２ｗｔ％と熱硬化前のエポキシ樹脂１４ｗｔ％とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ１５、２０の形状を転写した形状の金型に投入され、約１８０℃のホットプレスによってエポキシ樹脂が硬化されてセパレータ１５、２０が成形されている。
【０１２６】
このようにして成形されたセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面は無処理のまま、すなわちエポキシ樹脂のスキン層を残置させたままにされている。セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面の表面粗さ（中心線平均粗さ）は、Ｒａ＝０．８である。また、乾燥状態での接触角θｄは約１１０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約１００度である。本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約２０度である。
【０１２７】
（実施例６）
実施例６として、実施の形態６に係るＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【０１２８】
その結果、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【０１２９】
また、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。
【０１３０】
次に、実施例1と同様にして、電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率８０％より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率５５％より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率８０％、酸素利用率５５％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．３ｋＰａであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは２．２ｋＰａであった。
【０１３１】
（比較例２）
比較例２として、実施の形態６と同型のＰＥＦＣ２００を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
【０１３２】
ただし、成形後のセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面には実施の形態２と同様に段階式ブラスト加工が行われた。セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）はＲａ＝６．３であった。また、乾燥状態での接触角θｄは約１１０度であり、７０℃の温度における湿潤状態での接触角θｗは約１００度である。本発明のセパレータの評価方法によると、７０℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約５０度であった。
【０１３３】
その結果、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約７ｋＰａであり、酸化剤ガス側圧力損失が６ｋＰａであり、８０００時間以上にわたって３．１ｋＷ以上（７２．３Ｖ−４３．２Ａ）の電池出力が維持された。
【０１３４】
また、燃料利用率７５％、酸素利用率５０％、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ2の部分負荷発電時には、一部のセルにおいて数分から数十分おきに電圧振動が発生した。電圧振動幅は約７０ｍＶであった。そこで、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させるべく、還元剤ガス側圧力損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を引き上げて、電圧振動発生が解消される限界条件、すなわち限界低圧力損失を検証したところ、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは、２．７ｋＰａであった。また、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは、２．５ｋＰａであった。
【０１３５】
ここで、以上の実施例及び比較例の結果をまとめて説明する。
【０１３６】
図１０は、実施例１〜６及び比較例１，２のセパレータ及びＰＥＦＣの特性を示す図である。部分負荷発電時において、全負荷発電定格出力時と同等の燃料利用効率及び酸素利用効率を維持するには、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．５ｋＰａ以下、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは、２．３ｋＰａ以下となる必要がある。かかる条件を満たすのは、図に示すように、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが５度から４５度の範囲にある。
【０１３７】
他方で、セパレータ１５，２０つまり、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する材質のセパレータにおいては、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの形状に関わらず、表面粗さ（中心線平均粗さ）ＲａがＲａ＝４．０μｍ以下である場合には、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減できていることが確認された。
【０１３８】
また、実施の形態３において説明したように、セパレータ１５，２０つまり、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する材質のセパレータの水滴転落角αの改善手段としては酸素プラズマ処理が有効である。ここで、Ｒａ＝１．５以上の表面の場合には、酸素プラズマ処理による水滴転落角αの有意な改善をより十分に得ることができる。これは、Ｒａ＝１．５μｍ以上であると、表面の粗さ、つまり微細な凹凸が十分に形成されているので、酸素プラズマ処理により官能基を十分に形成することができていることが要因と推察される。したがって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面はＲａ＝１．５μｍ以上であることが望ましい。
【０１３９】
まとめると、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面は中心線平均粗さが１．５以上４．０μｍ以下であると、セパレータ１５，２０を実用化レベルの大きさにコンパクト化することが容易であり、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減することができ、かつ酸素プラズマ処理によって水滴転落角αの改善を十分に図ることができる。したがって、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れるＰＥＦＣ用セパレータとして好適である。
【０１４０】
また、微細な凸部間のピッチが略５μｍ以下である表面とするとセパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面に結露した水がいわゆるアンカー効果で引っかかり、圧損が大きく振動する現象をより十分に防止することができる。したがって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面は微細な凸部間のピッチが略５μｍ以下であると、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても、反応ガスの供給圧損の振動を抑制することができるので、ＰＥＦＣ１００の発電出力の振動を抑制することができる。
【０１４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において当業者はいろいろな改良や代替手段を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明は、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータとして、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池として、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法として、及び、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に製造する高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】水滴転落角の計測方法を示す模式図である。
【図２】水滴転落角の間接的計測方法を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係るＰＥＦＣの斜視図である。
【図４】図３のＰＥＦＣの構造を示す分解斜視図である。
【図５】ＭＥＡの基本構成を示す模式図である。
【図６】図４のカソードセパレータの酸化剤ガス流路パターンを示す正面図である。
【図７】図４のアノードセパレータの還元剤ガス流路パターンを示す正面図である。
【図８】図４のカソードセパレータの冷却剤流路パターンを示す背面図である。
【図９】実施の形態２にかかるセパレータ及びＰＥＦＣの特性を表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａをパラメータにして示す図である。
【図１０】実施例１〜６及び比較例１，２のセパレータ及びＰＥＦＣの特性を示す図である。
【図１１】本実施の形態のセパレータの包装方法の違いによるセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの比較を示す図である。
【図１２】段階式ブラスト加工を行わず、酸素プラズマ処理を施したセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの経時変化を示す図である。
【図１３】段階式ブラスト加工と酸素プラズマ処理とを行ったセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θｄの経時変化を示す図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１  高分子電解質膜
２  酸化剤ガス側電極触媒層
３  還元剤ガス側電極触媒層
４  酸化剤ガス側拡散電極層
５  還元剤ガス側拡散電極層
１０  ＭＥＡ
１５  カソードセパレータ
２０  アノードセパレータ
３０  酸化剤ガス流路
３０Ａ  酸化剤ガス供給マニフォルド孔
３０Ｂ  酸化剤ガス排出マニフォルド孔
３０Ｃ  酸化剤ガス流路溝（セパレータ流路溝）
３０Ｄ  酸化剤ガス供給マニフォルド
３０Ｅ  酸化剤ガス排出マニフォルド
４０  還元剤流路
４０Ａ  還元剤ガス供給マニフォルド孔
４０Ｂ  還元剤ガス排出マニフォルド孔
４０Ｃ  還元剤ガス流路溝（セパレータ流路溝）
４０Ｄ  還元剤ガス供給マニフォルド
４０Ｅ  還元剤ガス排出マニフォルド
４１  集電板
４１Ａ  電気端子
４２  絶縁板
４３  端板
４５  冷却剤流路
４５Ａ  冷却剤供給マニフォルド孔
４５Ｂ  冷却剤排出マニフォルド孔
４５Ｃ  冷却剤流路溝
４５Ｄ  冷却剤供給マニフォルド
４５Ｅ  冷却剤排出マニフォルド
５０  ガスシール部材
１００  セル
２００  高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）
３００  計測対象
３１０  水滴
θｄ  乾燥状態での接触角
θｗ  ７０℃の温度における湿潤状態での接触角
θａ  前進接触角
θｒ  後退接触角
α  水滴転落角
Ｐａ  還元剤ガス側限界低圧力損失
Ｐｃ  酸化剤ガス側限界低圧力損失
【図１】
2006019252.tif 000005
【図２】
2006019252.tif 000006
【図３】
2006019252.tif 000007
【図４】
2006019252.tif 000008
【図５】
2006019252.tif 000009
【図６】
2006019252.tif 000010
【図７】
2006019252.tif 000011
【図８】
2006019252.tif 000012
【図９】
2006019252.tif 000013
【図１０】
2006019252.tif 000014
【図１１】
2006019252.tif 000015
【図１２】
2006019252.tif 000016
【図１３】
2006019252.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月3日(2005.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されており、
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上２５度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが１．５μｍ以上４．０μｍ以下である、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記反応ガス流路の中心線平均粗さにおいて微細な凸部間のピッチが略５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記反応ガス流路の表面がブラスト加工、レーザー加工もしくは成形加工によって形成された、請求項１乃至３の何れか一項に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記反応ガス流路の表面が段階式ブラスト加工されている、請求項１乃至４に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記反応ガス流路の表面が酸素プラズマ処理されている、請求項１乃至５に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記電導性炭素と前記バインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されている、請求項１乃至６に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備えている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路の結露水の排出性を、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下における、該反応ガス流路の表面の５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴の水滴転落角によって評価する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法。
【請求項１０】
前記反応ガス流路の表面に水滴を滴下することによって前記水滴転落角を取得する、請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法。
【請求項１１】
電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上２５度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
すなわち、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されており、前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上２５度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供する（請求項１）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が段階式ブラスト加工されているとよい（請求項５）。このような構成とすると、反応ガス流路の表面に復次凹凸構造が形成されて、比表面積が大きくなるので、水滴転落角を５度以上２５度以下により容易かつより正確に調整することができる。ここで比表面積とは、セパレータ流路の単位平面積当たりの表面積を言う。ここで、段階式ブラスト加工とは、先のブラスト加工よりも後のブラスト加工の方がブラスト加工に用いられる粒子の粒径が小さくなっている、複数次のブラスト加工をいう。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が酸素プラズマ処理されているとよい（請求項６）。このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの流路表面の水滴転落角αを５度以上２５度以下に調整することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
さらに、本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路の結露水の排出性を、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下における、該反応ガス流路の表面の５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴の水滴転落角によって評価する（請求項９）高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供する。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの反応ガス流路の表面の結露水の排出性を的確に評価することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法であって、反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上２５度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法を提供する（請求項１１）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
先にも述べたように、本発明者らは、高分子電解質形燃料電池用セパレータ（以下、セパレータと略称する）のガス流路表面に付着する結露水の排出性について検証した結果、作動温度範囲で液状水がガス流路中に発生するという特有の現象の起こる高分子電解質形燃料電池においては、（１）従来のように、ガス流路表面に静止している状態の水滴の接触角（濡れ性）に着目してガス流路表面の構成（親水性、撥水性、中心線平均粗さなど）を設計すること、よりもむしろ、（２）ガス流路表面に付着した水滴がガス流路内に流れる反応ガス流により押圧されて動き出す状態となるときの当該水滴の「水滴転落角」に着目してガス流路表面の構成を設計すること（より具体的には、「反応ガス流路の表面の水滴転落角が、５０℃以上９０℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度７０％以上１００％以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で５０μＬ以上８０μＬ以下の水滴を滴下した場合に５度以上２５度以下となる」ように設計すること）、のほうが、作動状態における良好な排水性｛特に供給ガスの圧力損失が低い条件（例えば、１０ｋＰａ以下となる条件）における良好な排水性｝を容易かつ確実に得ることができて極めて有効であることを見出した。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
この段階式ブラスト加工の加減により、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面のセパレータ滴転落角αが調整される。ここでは、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃの表面粗さ（中心線平均粗さ）ＲａがＲａ＝３乃至７の範囲内になるよう段階式ブラスト加工が施されることによって、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが２５度以下に調整される。このような効果が出現する理由は解明されていないが、発明者らの推察では、段階式ブラスト加工によって、セパレータ流路溝３０Ｃ，４０Ｃ表面において、微細な凹凸の上により微細な凹凸が形成され、すなわち、複次凹凸構造が形成される。この復次凹凸構造によって大きな比表面積が形成され、この比表面積の増大が水滴転落角αの減少、つまり、水滴転落角αの改善に繋がっているものと推察される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３６】
図１０は、実施例１〜６及び比較例１，２のセパレータ及びＰＥＦＣの特性を示す図である。部分負荷発電時において、全負荷発電定格出力時と同等の燃料利用効率及び酸素利用効率を維持するには、還元剤ガス側限界低圧力損失Ｐａは２．５ｋＰａ以下、酸化剤ガス側限界低圧力損失Ｐｃは、２．３ｋＰａ以下となる必要がある。かかる条件を満たすのは、図に示すように、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが５度から２５度の範囲にある。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2006019252.tif 000018
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2006019252.tif 000019