(57)【要約】【課題】  燃料電池の内部で生成される水によってガス流路が閉塞されることを抑制し、安定した発電性を確保できる燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】電解質膜２８がアノード電極３０及びカソード電極３２で挟持された電極構造体（ＭＥＡ）と、セパレータ２４、２６と、が交互に配置されて形成された燃料電池１０であって、前記セパレータには、冷却媒体流路５０が設けられたセパレータが含まれ、前記セパレータは、前記アノード電極３０に隣接する面に燃料ガス流路４８を備え、且つ、前記カソード電極３２に隣接する面に酸化剤ガス流路４６を備え、前記アノード電極３０に隣接する面及び前記カソード電極３２に隣接する面の少なくとも一方の面は、表面のケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の金属とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟持された電極構造体と、セパレータと、が交互に配置されて形成された燃料電池であって、
前記セパレータには、冷却媒体流路が設けられたセパレータが含まれ、
前記セパレータは、前記アノード電極に隣接する面に燃料ガス流路を備え、且つ、前記カソード電極に隣接する面に酸化剤ガス流路を備え、
前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面は、表面のケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の金属である燃料電池。
【請求項２】
前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面は、水との接触角度が９０度以下である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟持された電極構造体と、金属を主成分とするセパレータと、を交互に配置して形成する燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータを、冷却溶媒流路が設けられたセパレータを含むものとし、
前記セパレータの前記アノード電極に隣接する面に燃料ガス流路を設け、且つ、前記カソード電極に隣接する面に酸化剤ガス流路を設け、
前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面を、ｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄工程を含む燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記セパレータを成型する成型工程をさらに含み、前記洗浄工程は、前記成型工程の後に行う請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
表面のケイ素元素に起因する撥水性を除去する処理が施された金属からなる燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記表面のケイ素元素濃度は、８．５ｍｏｌ％以下である請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記表面と水との接触角度は、９０度以下である請求項５又は６記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記撥水性を除去する処理は、前記表面をｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄処理である請求項５から７いずれか記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池用セパレータに関する。特に、燃料電池の内部で生成される水によってガス流路が閉塞されることを抑制し、安定した発電性を確保できる燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑制手段として、また次世代の発電システムとして大いに期待されており、さかんに研究開発が行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などを挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車（二輪、四輪）やポータブル電源等の電力源として注目されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池は、電極構造体（ＭＥＡ）をその基本構成単位とし、電極構造体をセパレータで挟持した発電セル（単セル）を数十個から数百個組み合わせてなるスタック（集合電池）として用いられる。スタックの基本構成単位である電極構造体は、アノード電極（燃料極）及びカソード電極（空気極）の二つの電極と、これら電極に挟持される高分子電解質膜とから形成され、通常、両電極は、高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【０００４】
このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極（燃料極）側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極（空気極）側に酸素又は空気を供給することで発電する。アノード電極（燃料極）に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極（空気極）側へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。
【０００５】
ところで、固体高分子型燃料電池のセパレータとしては、強度、コンパクト化、低温起動性が求められる点から、金属セパレータが多く用いられる。この金属セパレータには、アノード電極（燃料極）側の燃料ガス、カソード電極（空気極）側の酸素又は空気の他、燃料電池の内部で生成する水が、液体として流路内を流れる。このため、ガスの流れの下流領域においては、発電反応により生成した水が溜まり易い傾向がある。さらには、この生成水は、ガスの流路を閉塞し、フラッディングと呼ばれる現象を引き起こすおそれがある。フラッディング現象は、燃料電池の発電安定性を損ねたり、前回の発電時に生成して残留した水が氷点下で凍結することにより燃料電池セルを破損させたり、ガス流路を閉塞して発電不能にさせる等の不具合の原因となるため、回避しなければならないものである。
【０００６】
そこで、特許文献１においては、セパレータの溝部に撥水性を付与することにより、良好なガス流通性を確保する技術が提案されている。この技術によれば、セパレータの溝部に撥水性を付与することにより、カソード電極（空気極）と電解質との境界に生成してセパレータの表面に付着した水分を、ガス流路から排出し易くすることができる。
【０００７】
また、特許文献２においては、親水性を有する材料により、セパレータのガス流路を形成する面を被覆する技術が開示されている。この技術によれば、燃料電池の内部で生成された水は、親水性被膜の表面を伝って下方に流れて排出されるため、生成水がガス流路に滞ることもなく、ガス流路の閉塞を抑制できる。
【特許文献１】特開２０００−０３６３０９号公報
【特許文献２】特開平０８−１３８６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１においては、セパレータが撥水性を有することから、セパレータの表面に付着した水滴は玉状（図１（Ａ）参照）となり、セパレータ表面との接触角度θが大きくなる。このため、燃料電池の内部で生成した水の排出性は向上するものの、排出される前の水滴によってガス流路の断面積の多くが塞がれてしまう。従って、ガスの流れが妨げられ、発電性能が不安定となってしまう。
【０００９】
また、特許文献２においては、セパレータの表面に親水性被膜を形成するための工程を設ける必要があり、製造工程の数が多く、煩雑である。加えて、セパレータの表面に被膜を均一に形成することが困難であり、特に、ガス流路の溝のパターンが細かくて複雑な溝を有するセパレータに対しては、被膜を形成することは極めて困難である。
【００１０】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の内部で生成される水によってガス流路が閉塞されることを抑制し、安定した発電性を確保できる燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池用セパレータ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】
【００１１】
本発明者らは上記課題を解決するためには、セパレータ表面に付着しているケイ素化合物を除去することが重要である点に着目して、鋭意研究を重ねた。その結果、表面ケイ素元素濃度がある基準以下であるセパレータを用いることにより、親水性被膜を設けるまでもなくセパレータ表面を親水性にすることができ、燃料電池の内部で生成される水によってガス流路が閉塞されることを抑制して安定した発電性を確保できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１２】
（１）  電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟持された電極構造体と、セパレータと、が交互に配置されて形成された燃料電池であって、前記セパレータには、冷却媒体流路が設けられたセパレータが含まれ、前記セパレータは、前記アノード電極に隣接する面に燃料ガス流路を備え、且つ、前記カソード電極に隣接する面に酸化剤ガス流路を備え、前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面は、表面のケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の金属である燃料電池。
【００１３】
（１）の燃料電池によれば、セパレータのアノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面の表面ケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下とすることにより、親水性被膜を設けるまでもなくガス流路の撥水性能を低下させることができる。このため、燃料電池の発電によって生成する水によってガス流路が閉塞されることを抑制でき、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００１４】
ここで、セパレータの「表面」とは、最表面から深さ１０ｎｍまでの部分をいい、表面のケイ素元素濃度は、例えば、ＥＳＣＡを用いて測定することができる。
【００１５】
本発明の固体高分子型燃料電池を構成するセパレータは、金属を主成分として構成されるため、本来的には親水性を有するものである。しかしながら、セパレータの表面には、大気浮遊成分、製造工程等で用いる油脂、あるいは製造工程で発生する揮発成分等に由来するシロキサン、カーボン等のコンタミ成分が付着し易い。これらのコンタミ成分がセパレータの表面に付着したままの状態では、セパレータ表面の親水性は低下し、撥水化してしまう。
【００１６】
セパレータの表面が撥水化すると、セパレータの表面に付着した水は玉状となり、セパレータ表面との接触角度θ１が大きくなる（図１（Ａ）参照）。このため、玉状の水によりガス流路の断面積の多くが塞がれ、ガスの流れが妨げられる。さらには、玉状の水によりガス流路が閉塞されてしまうと、フラッディングと呼ばれる現象が生じ、燃料電池の発電安定性が損なわれたり、前回の発電時に生成して残留した水が氷点下で凍結することにより燃料電池セルが破損したり、発電不能となってしまう。
【００１７】
そこで、セパレータの表面は親水性であることが要求される。セパレータの表面が親水性である場合には、水との接触角度θ２が小さくなり、付着した水は潰れた状態となる（図１（Ｂ）参照）。このため、生成水によってガス流路が閉塞されることがなく、上記のような不具合が生ずることもない。
【００１８】
これに対して本発明は、セパレータの表面に残留するコンタミ成分の中でも、撥水化の要因として最も大きく作用するものはケイ素であることに着目してなされたものである。即ち、（１）の発明によれば、セパレータのアノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面の表面のケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下の範囲とすることにより、親水性被膜を設けるまでもなくガス流路の撥水性能を低下させることができ、燃料電池の発電により生成する水によるガス流路の閉塞を抑制して、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００１９】
尚、本発明においては、セパレータに冷却媒体流路を設けてセパレータ同士の間に冷却媒体を流す場合と、セパレータの両面に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成し、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで発電する場合の両方の形態が含まれる。また、両形態の併用であってもよい。
【００２０】
セパレータ同士の間に冷却媒体流路を設ける場合には、アノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面の表面のケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲となっていれば、電極と隣接しない面、すなわち、冷却媒体流路を形成する側の表面のケイ素元素濃度は特に限定されるものではない。冷却媒体流路を形成する側の表面までを含めて、ケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲としてもよい。
【００２１】
また、セパレータの両面に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成し、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで発電する場合には、アノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面、すなわち、セパレータの少なくとも片側の面のケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下の範囲とする。尚、この場合においては、セパレータの両面とも、ケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲となっていてもよい。
【００２２】
（２）  前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面は、水との接触角度が９０度以下である（１）記載の燃料電池。
【００２３】
（２）の燃料電池によれば、セパレータのアノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面と水との接触角度を９０度以下とすることにより、セパレータのガス流路が親水性を示す。このため、ガス流路が生成水によって閉塞されることを抑制でき、安定した発電性を確保することができる。
【００２４】
ここで「接触角」とは、固体と液体とが接触したときにできる液滴の弧が、固体となす角度をいう。図１（Ａ）に、撥水性の固体表面に付着した水滴の状態を示す。また、図１（Ｂ）に、親水性の固体表面に付着した水滴の状態を示す。図１（Ａ）に示されるように、固体であるセパレータの表面が撥水性である場合には、水滴は玉状となり、接触角θ１は９０度よりも大きいものとなる。一方、図１（Ｂ）に示されるように、セパレータの表面が親水性である場合には、水滴が潰れて接触角θ２は９０度よりも小さくなる。このため、セパレータの表面を親水性にすることにより、水滴によるガス流路の閉塞を抑制することが可能となり、安定した発電性を確保することができる。
【００２５】
（３）  電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟持された電極構造体と、金属を主成分とするセパレータと、を交互に配置して形成する燃料電池の製造方法であって、前記セパレータを、冷却溶媒流路が設けられたセパレータを含むものとし、前記セパレータの前記アノード電極に隣接する面に燃料ガス流路を設け、且つ、前記カソード電極に隣接する面に酸化剤ガス流路を設け、前記アノード電極に隣接する面及び前記カソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面を、ｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄工程を含む燃料電池の製造方法。
【００２６】
（３）の燃料電池の製造方法は、ｐＨが９以上のアルカリ溶液により、セパレータのアノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面の表面を洗浄する洗浄工程を含むものである。セパレータをｐＨ９以上のアルカリ溶液により洗浄することにより、セパレータの表面に付着したシロキサン、カーボン等のコンタミ成分を除去することができる。したがって、セパレータ表面の撥水化を防止することができるため、親水性被膜を設けるまでもなくガス流路の撥水性能を低下させることができ、ガス流路が生成水によって閉塞されることを抑制するとともに、安定した発電性を確保することが可能な燃料電池を製造できる。
【００２７】
（４）  前記セパレータを成型する成型工程をさらに含み、前記洗浄工程は、前記成型工程の後に行う（３）記載の燃料電池の製造方法。
【００２８】
（４）の燃料電池の製造方法におけるセパレータの成型工程とは、金属のプレスや、金属からの削り出しにより、セパレータそのものを成型する工程である。また、発電セル（単セル）やスタック（集合電池）を形成する際に必要となるシール剤をセパレータの周囲に設けたり、防錆性を付与するための表面処理等を行う工程も含まれる。
【００２９】
セパレータの表面に付着して、セパレータ表面の撥水化を促進するシロキサンやカーボン等の成分は、セパレータの成型工程においてコンタミする場合が多い。（４）の燃料電池の製造方法によれば、このようなコンタミを誘引する成型工程を経る場合であっても、その後の洗浄工程によりコンタミ成分を除去することが可能である。このため、セパレータに親水性被膜を設けるまでもなくガス流路の親水性を維持でき、ガス流路が生成水によって閉塞されることを抑制するとともに、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００３０】
（５）  表面のケイ素元素に起因する撥水性を除去する処理が施された金属からなる燃料電池用セパレータ。
【００３１】
（５）のセパレータは、表面ケイ素元素に起因する撥水性を除去するための処理が施されたものである。金属を主成分とするセパレータの表面には、シロキサンやカーボン等のコンタミ成分が付着し易く、このコンタミ成分が表面に残留したままの状態では、親水性が低下して撥水化してしまう。上述した通り、金属を主成分とするセパレータの表面に残留するコンタミ成分の中でも、撥水化の要因として最も大きく作用するものはケイ素であり、（５）のセパレータは、表面に付着したケイ素を除去することにより、セパレータの表面に付着するケイ素の濃度を、ある基準以下に抑えたものである。このため、セパレータに用いられた金属そのものが本来有する親水性を発揮することができ、燃料電池の発電により生成する水によって、ガス流路が閉塞されることを抑制でき、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００３２】
（６）  前記表面のケイ素元素濃度は、８．５ｍｏｌ％以下である（５）記載の燃料電池用セパレータ。
【００３３】
（６）のセパレータによれば、表面のケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下の範囲とすることにより、親水性被膜を設けるまでもなく、ガス流路の撥水性能を低下させることができる。このため、燃料電池の発電により生成する水によって、ガス流路が閉塞されることを抑制することができ、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００３４】
（７）  前記表面と水との接触角度は、９０度以下である（５）又は（６）記載の燃料電池用セパレータ。
【００３５】
（７）のセパレータは、セパレータと水との接触角度を９０度以下としたものであり、これにより、セパレータのガス流路は親水性を示す。このため、ガス流路が生成水によって閉塞されることを抑制でき、安定した発電性を確保することができる。
【００３６】
（８）  前記撥水性を除去する処理は、前記表面をｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄処理である（５）から（７）いずれか記載の燃料電池用セパレータ。
【００３７】
（８）のセパレータは、ｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する処理が施されたものである。セパレータをｐＨ９以上のアルカリ溶液により洗浄することにより、セパレータの表面に付着したシロキサンやカーボン等のコンタミ成分を除去することができ、セパレータ表面の撥水化を防止することができる。このため、親水性被膜を設けるまでもなく、ガス流路の撥水性能を低下させることができ、ガス流路が生成水によって閉塞されることを抑制するとともに、安定した発電性を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、燃料電池の内部で生成される水によってガス流路が閉塞されることを抑制し、安定した発電性を確保できる燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池用セパレータを得ることができる。また、親水性被膜を設けるまでもなく、セパレータ表面を親水性にすることができるため、簡便に燃料電池を製造することができる。更に、セパレータに施されたガス流路が細かく複雑な場合であっても、均一な親水性を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
［燃料電池（スタック）の全体構成］
図２に、本発明の実施形態にかかる燃料電池１０の斜視図を示す。燃料電池（スタック）１０は、複数の発電セル（単セル）１２が矢印Ａの方向に隣接した積層体１４を備え、積層体１４の積層方向の両端には、端部発電セル１２ａ及び１２ｂ、ターミナルプレート１６ａ及び１６ｂ、及び、絶縁プレート１８ａ及び１８ｂを介してエンドプレート２０ａ及び２０ｂが配置される。
【００４１】
図３は、図２に示される燃料電池１０の一部切り欠き側面図である。また、図４は、図２に示される燃料電池１０を構成する発電セルの分解斜視説明図である。図３及び図４に示されるように、各発電セル（単セル）１２は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される電極構造体（ＭＥＡ）２２と、第１の金属セパレータ２４及び第２の金属セパレータ２６とを備える。
【００４２】
発電セル（単セル）１２の構成単位となる電極構造体（ＭＥＡ）２２は、アノード電極（燃料極）３０及びカソード電極（空気極）３２と、これらの電極に挟持された高分子電解質膜２８と、を備えている。また、これら両電極には、高分子電解質膜に接する触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）が、それぞれ構成要素として含まれる。
【００４３】
発電セル（単セル）１２の矢印方向Ｂの一端縁部には、積層方向である矢印方向Ａに互いに連通して、例えば、酸素、空気等の酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、及び、燃料ガスとしての水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印方向Ｃ（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００４４】
発電セル（単セル）１２の矢印方向Ｂの他端縁部には、矢印方向Ａに互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印方向Ｃ（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００４５】
第１の金属セパレータ２４の電極構造体（ＭＥＡ）２２に隣接する面２４ａには、酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の酸化剤ガス流路溝４６ａを有するとともに、矢印方向Ｂに延在している。尚、酸化剤ガス流路溝４６ａは、例えば、矢印方向Ｂに一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。
【００４６】
第２の金属セパレータ２６の電極構造体（ＭＥＡ）２２にと隣接する面２６ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印方向Ｂに延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。
【００４７】
第１の金属セパレータ２４と、第２の金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂの間に冷却媒体流路５０を一体的に形成する（図３参照）。冷却媒体流路５０は、酸化剤ガス流路４６の裏面側、及び、燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印方向Ｂに延在する複数の冷却媒体流路５０ａを有する。この冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する。
【００４８】
尚、本発明においては、金属セパレータの両面に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成することにより、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで、発電することも可能である。したがって、本発明の燃料電池においては、必ずしも発電セルごとに冷却媒体流路を形成する必要はなく、必要に応じて適宜、冷却媒体流路を形成すればよい。
【００４９】
第１の金属セパレータ２４の面２４ａ及び２４ｂには、この第１の金属セパレータ２４の外周縁部を周回して、第１シール部材５４が一体的に設けられる。第１シール部材５４は、面２４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、及び、酸化剤ガス流路４６を覆うことにより、酸化剤ガスの漏れ止めを行う。
【００５０】
第２の金属セパレータ２６の面２６ａ及び２６ｂには、この第２の金属セパレータ２６の外周縁部を周回して、第２シール部材５６が一体的に設けられる。第２シール部材５６は、面２６ａにおいて、燃料ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、及び、燃料ガス流路４８を覆うことにより、燃料ガスの洩れ止めを行う。また、第２シール部材５６は、面２６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び、冷却媒体流路５０を覆うことにより、冷却媒体の漏れ止めを行う。
【００５１】
［燃料電池（スタック）の作用］
本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０の作用を以下に説明する。図２に示されるように、燃料電池（スタック）１０を構成するエンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素、空気等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。更に、冷却媒体入口連通孔４２ａに純粋やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００５２】
図４（Ａ）に示されるように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１の金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガス流路４６では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝４６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝４６ａを介して、電極構造体（ＭＥＡ）２２のカソード電極（空気極）３２に沿って移動する。
【００５３】
一方、図４（Ｂ）に示されるように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２の金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガス流路４８では、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。更に、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して、電極構造体（ＭＥＡ）２２のアノード電極（燃料極）３０に沿って移動する。
【００５４】
電極構造体（ＭＥＡ）２２においては、アノード電極（燃料極）３０に供給される燃料となす水素含有ガス、及び、カソード電極（空気極）３２に供給される酸素含有ガスは、次式（１）及び（２）に示す電気化学反応により消費され、発電が行われる。このとき、カソード電極（空気極）３２側には、発電により水が生成する。
アノード（燃料極）反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                  ・・・（１）
カソード（空気極）反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【００５５】
次いで、カソード電極（空気極）３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから排出される。同様に、アノード電極（燃料極）３０に供給されて消費された燃料となる水素含有ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂから排出される。
【００５６】
図４（Ｃ）に示されるように、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１の金属セパレータ２４及び第２の金属セパレータ２６の間に形成された冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が矢印方向Ｂ（水平方向）に移動する。このため、冷却媒体は、電極構造体（ＭＥＡ）２２の発電面全面にわたって冷却することができ、その後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【００５７】
［燃料電池（スタック）の製造方法］
本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０は、例えば、高分子電解質膜２８をアノード電極３０及びカソード電極３２で挟持して電極構造体（ＭＥＡ）２２を得る工程と、電極構造体（ＭＥＡ）２２の両側にセパレータ２４及び２６を配置することにより、アノード電極３０と第２の金属セパレータ２６との間には燃料ガス流路４８が設けられ、且つ、カソード電極３２と第１の金属セパレータ２４との間には酸化剤ガス流路４６が設けられた発電セル（単セル）１２を得る工程と、発電セル（単セル）１２を複数積層して燃料電池（スタック）１０を得る工程と、を含み、セパレータ２４、２６の表面をｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄工程をさらに含む製造方法により製造される。また、セパレータ２４、２６を成型する成型工程をさらに含むことが好ましい。
【００５８】
また、本発明においては、１枚のセパレータの両面に、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路をそれぞれ設け、電極構造体（ＭＥＡ）と当該セパレータとを交互に積層する方法を挙げることもできる。尚、この場合には、必要に応じて適宜、複数のセパレータを配置し、セパレータ間に冷却媒体流路を形成する。
【００５９】
図５は、本実施形態において、セパレータ２４、２６の成型工程を含む場合の、燃料電池（スタック）１０の製造工程を示す図である。セパレータの製造工程を含む場合には、図５に示されるように、セパレータ２４、２６の成型工程を経た後に、得られたセパレータ２４、２６の洗浄工程を実施し、その後、電極構造体（ＭＥＡ）２２などと一緒に燃料電池（スタック）１０として組み立てられる。
【００６０】
［セパレータ］
本実施形態に係るセパレータ２４及び２６は、電極構造体（ＭＥＡ）２２の両電極側に配置され、電極構造体（ＭＥＡ）２２とともに発電セル（単セル）１２を構成するものである。セパレータの材料としては、従来公知のものを用いることが可能であり、例えば、アルミニウム、ステンレス、チタン等の金属やカーボンを挙げることができる。これらのうち、軽量である点で、アルミニウムを用いることが好ましい。
【００６１】
［セパレータの表面ケイ素元素濃度］
セパレータ２４及び２６のうち、アノード電極３０に隣接する面２６ａ及びカソード電極３２に隣接する面２４ａの少なくとも一方の面は、表面のケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の金属である。セパレータの表面に残留するコンタミ成分は、セパレータの撥水化の原因となる。これらのコンタミ成分の中でも、撥水化の要因として最も大きく作用するものはケイ素である。そこで、少なくとも一方のセパレータ表面のケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下の範囲とすれば、セパレータ表面に親水性被膜を設けるまでもなく、金属が本来的に有している親水性を発揮することが可能となる。
【００６２】
尚、本実施形態においては、少なくとも各電極３０、３２と隣接するセパレータ表面２４ａ、２６ａのケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲となっていれば、電極と隣接しない面、すなわち、冷却媒体流路を形成する側の表面２４ｂ、２６ｂのケイ素元素濃度は特に限定されるものではない。本実施形態においては、冷却媒体流路を形成する側の表面２４ｂ、２６ｂまでを含めて、ケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲としてもよい。
【００６３】
また、本発明において、金属を主成分とするセパレータの両面に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成し、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで発電する場合には、アノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面、すなわち、金属を主成分とするセパレータの少なくとも片側の面のケイ素元素濃度を８．５ｍｏｌ％以下の範囲とする。尚、この場合においては、金属を主成分とするセパレータの両面とも、ケイ素元素濃度が８．５ｍｏｌ％以下の範囲となっていてもよい。
【００６４】
セパレータの表面ケイ素元素濃度の測定は、例えば、ＥＳＣＡ（ＰＨＩ社製Ｑｕａｎtｕｍ２０００型走査Ｘ線光電子分光装置、Ｘ線源Ａｌ−Ｋα、分析領域１００μｍφ、電子線中和銃使用）を用いることにより、セパレータの表面から深さ１０ｎｍ部分のケイ素元素濃度を測定することができる。
【００６５】
［セパレータの接触角］
本実施形態におけるセパレータ２４及び２６のうち少なくとも一方は、水との接触角度が９０度以下であることが好ましい。ここで「接触角」とは、固体と液体が接触したときにできる液滴の弧が、固体となす角度をいう。接触角度が小さい場合には、水滴がつぶれてセパレータ２４、２６の表面に付着しているため、水滴によるガス流路の閉塞を抑制することが可能となる。水との接触角度は、８０度以下がより好ましく、６０度以下が最も好ましい。
【００６６】
セパレータの接触角の測定は、従来公知の方法を用いることができる。例えば、公知の接触角度計を用いて測定することが可能である。
【００６７】
［セパレータの洗浄工程］
本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０に用いられるセパレータ２４及び２６は、表面のケイ素元素を除去する目的で、ｐＨが９以上のアルカリ溶液で洗浄する洗浄工程が施される。このアルカリ洗浄工程は、セパレータの表面ケイ素元素に起因する撥水性を除去するための処理である。ｐＨ９以上のアルカリ溶液により洗浄することにより、セパレータの表面に付着したシロキサン、カーボン等のコンタミ成分を除去することができる。
【００６８】
金属を主成分とするセパレータの表面に残留するコンタミ成分の中でも、撥水化の要因として最も大きく作用するものはケイ素である。本発明にかかる洗浄工程によれば、表面に付着したケイ素を除去し、セパレータの表面に付着するケイ素の濃度をある基準以下に抑えることができる。このため、セパレータに用いられた金属そのものが本来有する親水性を発揮することができ、燃料電池の発電による生成水によって、ガス流路が閉塞されることを抑制し、安定した発電性を確保することが可能となる。
【００６９】
本実施形態におけるセパレータ２４、２６の洗浄工程とは、ｐＨ９以上のアルカリ溶液にて洗浄、またはｐＨ９以上のアルカリ溶液に浸漬する工程である。浸漬の場合には、ＰＲ電解法等を用いたアルカリ電解洗浄を実施することも可能である。
【００７０】
アルカリ洗浄に用いられるｐＨ９以上のアルカリ溶液は、特に限定されるものではない。例えば、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム等を用いることができる。市販品をそのまま用いることも可能である。また、アルカリ溶液の温度も特に限定されるものではない。例えば、室温程度のアルカリ溶液を用いることも可能である。
【００７１】
尚、本発明においては、アノード電極に隣接する面及びカソード電極に隣接する面の少なくとも一方の面のみを洗浄工程に付すことにより、本発明の効果を得ることができる。カソード極側に生成水が多く生成する場合には、カソード極に隣接する面のみを洗浄し、一方で、アノード極とカソード極付近の圧力差によりアノード極側に生成水が多く存在する場合には、アノード極に隣接する面のみを洗浄してもよい。
【００７２】
［セパレータの成型工程］
本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０の製造方法は、セパレータ２４、２６の上記洗浄工程の前に、セパレータを成型する成型工程を含むものであってもよい。
【００７３】
本実施形態にかかるセパレータ２４、２６の成型工程とは、金属のプレスや、金属からの削りだしにより、セパレータそのものを成型する工程である。更に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体の漏れ止めのために必要となるシール剤をセパレータ周囲に設けたり、防錆性を付与するための表面処理等を含んでいてもよい。
【００７４】
セパレータの表面に付着して、セパレータ表面の撥水化を促進するシロキサンやカーボン等の成分は、セパレータの成型工程においてコンタミする場合が多い。本実施形態に係る燃料電池の製造方法によれば、このようなコンタミを誘引する成型工程を含むものであっても、その後の洗浄工程によりコンタミ成分を除去することが可能となる。
【実施例】
【００７５】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００７６】
＜実施例１＞
［セパレータの成型工程］
ステンレス鋼板ＳＵＳ３１６Ｌを材料とし、プレス加工で成型することにより、燃料電池用のセパレータを得た。得られたセパレータの外周縁に、シリコーンゴムを用いた一体シール成形を行った。
【００７７】
［セパレータの洗浄工程］
得られたセパレータを、６０℃、ｐＨ＝９のケイ酸塩、カルボン酸塩、界面活性剤からなるアルカリ溶液に、１０分間浸漬した。
【００７８】
［水滴の広がり］
実施例１で得られたセパレータに、蒸留水を垂らし、水滴が広がるか否かを観察し、以下の目視判定を行った。結果を表１に示す。
親水：水滴がつぶれて広がる
撥水：水滴が玉状となる。
【００７９】
［接触角］
実施例１で得られたセパレータと蒸留水との接触角度を、接触角度計（協和界面科学社製、ＣＡ−Ｘ）により計測した。結果を表１に示す。
【００８０】
［表面ケイ素元素濃度］
実施例１で得られたセパレータにつき、ＥＳＣＡ（ＰＨＩ社製Ｑｕａｎtｕｍ２０００型走査Ｘ線光電子分光装置、Ｘ線源Ａｌ−Ｋα、分析領域１００μｍφ、電子線中和銃使用）を用いて、セパレータの表面から深さ１０ｎｍ部分のケイ素元素濃度を測定した。結果を表１に示す。
【００８１】
［発電安定性］
実施例１で得られたセパレータにより、電極構造体（ＭＥＡ）を挟持し、発電セル（単セル）を作成した。得られた発電セルを１０セル積層したものを用いて０．３Ａ／ｃｍ２となる発電を実施し、発電３０分後のセル電圧（Ｖ）低下の発生の有無により、発電安定性の評価を行った。結果を表１に示す。
○：１０ｍＶ未満のセル電圧の低下となった。
×：１０ｍＶ以上のセル電圧の低下となった。
【００８２】
＜実施例２＞
セパレータの洗浄工程を、６０℃、ｐＨ＝１２のアルカリ溶液とした以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８３】
＜実施例３＞
セパレータの洗浄工程を、６０℃、ｐＨ＝１３の水酸化ナトリウム溶液とした以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８４】
＜実施例４＞
セパレータの洗浄工程を、２５℃、ｐＨ＝１３の水酸化ナトリウム溶液中にて、±１０ＶのＰＲ電解を１５秒×８サイクル実施した以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８５】
＜比較例１＞
セパレータの洗浄工程を実施しなかった以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８６】
＜比較例２＞
セパレータの洗浄工程を、トリクレンスチーム洗浄とした以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８７】
＜比較例３＞
セパレータの洗浄工程を、６０℃、ｐＨ＝８の水酸化ナトリウム溶液とした以外は、実施例１と同様の処理を実施した。得られたセパレータにつき、実施例１と同様に、各種の測定、評価を実施した。結果を表１に示す。
【００８８】
【表１】
2006294335.tif 000003
【００８９】
アルカリ溶液のｐＨを９以上とした実施例１〜４においては、表面ケイ素元素濃度は、いずれも８．５ｍｏｌ％以下であった。一方で、比較例１〜３における表面ケイ素濃度は、いずれも８．５ｍｏｌ％を超えていた。これにより、ｐＨ９以上のアルカリ溶液による洗浄工程を施したセパレータは、表面のコンタミ成分が除去されていることが判る。また、実施例１〜４におけるセパレータと蒸留水の接触角の大きさはいずれも９０度よりも小さいものであり、一方で、比較例１〜３における接触角は、いずれも９０度を超えていた。これにより、ｐＨ９以上のアルカリ溶液による洗浄工程を施したセパレータは、親水性を有することが判った。更に、実施例１〜４のセパレータを用いて発電を行った場合には、発電安定性の良い結果となったのに対し、比較例１〜３のセパレータを用いた場合には、発電安定性の悪い結果となった。ｐＨ９以上のアルカリ溶液で洗浄したセパレータを用いて発電を行うと、生成水によるガス流路の閉塞を、より防止することができた。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】接触角を示す図である。
【図２】本実施形態にかかる燃料電池１０の斜視図である。
【図３】図２に示される燃料電池１０の一部切り欠き側面図である。
【図４】図２に示される燃料電池１０を構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図５】本実施形態にかかる燃料電池１０の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０    燃料電池（スタック）
１２    発電セル（単セル）
１２ａ、１２ｂ    端部発電セル
１４    積層体
１６ａ、１６ｂ    ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ    絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ    エンドプレート
２２    電極構造体（ＭＥＡ）
２４    第１の金属セパレータ
２６    第２の金属セパレータ
２８    高分子電解質膜
３０    アノード電極（燃料極）
３２    カソード電極（空気極）
４０ａ  酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ  酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ  冷却媒体入口連通孔
４２ｂ  冷却媒体出口連通孔
４４ａ  燃料ガス入口連通孔
４４ｂ  燃料ガス出口連通孔
４６    酸化剤ガス流路
４８    燃料ガス流路
５０    冷却媒体流路
５４    第１シール部材
５６    第２シール部材
【図１】
2006294335.tif 000004
【図２】
2006294335.tif 000005
【図３】
2006294335.tif 000006
【図４】
2006294335.tif 000007
【図５】
2006294335.tif 000008