(57)【要約】【課題】流路内の反応ガスや水の挙動を正確に把握することのできる技術を提供する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体に供給される反応ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、を備える。流路形成部材は、透光性の無機材料で形成され、窓として機能する窓部材を含む。窓部材には、窓部材の撥水性の程度が、流路形成部材の窓部材以外の部位の撥水性の程度に近づくように、表面処理が施されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に供給される反応ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、
を備え、
前記流路形成部材は、
透光性の無機材料で形成され、窓として機能する窓部材を含み、
前記窓部材には、前記窓部材の撥水性の程度が、前記流路形成部材の前記窓部材以外の部位の撥水性の程度に近づくように、表面処理が施されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記表面処理は、撥水処理である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、膜電極接合体と、流路形成部材と、を含んでいる。流路形成部材は、膜電極接合体に供給される反応ガスが通る流路を形成する。膜電極接合体では、発電に伴って水が生成される。生成された水は、該流路を通って燃料電池から排出される。
【０００３】
流路の構造は、燃料電池の性能に影響を与える。具体的には、流路の構造が不適切である場合には、反応ガスの円滑な流通が妨げられると共に、水の円滑な排出が妨げられる。流路の構造の適否を判断するために、流路内の反応ガスや水の挙動が観察される。
【０００４】
特許文献１では、流路の構造の適否を判断するための評価用の燃料電池が開示されている。特許文献１では、流路を形成する溝が形成されたセパレータの一部に、観察用の窓として機能する窓部材が設けられており、該窓部材は、樹脂で形成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３１０１５２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０４１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では、流路内の反応ガスや水の挙動を正確に把握することが困難であった。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、流路内の反応ガスや水の挙動をより正確に把握することのできる技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に供給される反応ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、
を備え、
前記流路形成部材は、
透光性の無機材料で形成され、窓として機能する窓部材を含み、
前記窓部材には、前記窓部材の撥水性の程度が、前記流路形成部材の前記窓部材以外の部位の撥水性の程度に近づくように、表面処理が施されている、燃料電池。
【００１０】
窓部材が樹脂で形成される場合には、観察中に樹脂が劣化（変性）し、流路内の反応ガスや水の挙動を正確に把握することが困難となる。しかしながら、この燃料電池では、窓部材は、透光性の無機材料で形成されている。このため、窓部材が劣化するのを抑制することができる。また、この燃料電池では、窓部材には、窓部材の撥水性の程度が流路形成部材の窓部材以外の部位の撥水性の程度に近づくように、表面処理が施されている。このため、窓部材が反応ガスや水の挙動に影響を及ぼすのを抑制することができる。すなわち、この燃料電池では、窓部材が設けられていない実用の流路形成部材によって形成される流路内の反応ガスや水の挙動の再現性が高い。この結果、流路内の反応ガスや水の挙動をより正確に把握することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］  適用例１記載の燃料電池であって、
前記表面処理は、撥水処理である、燃料電池。
【００１２】
［他の適用例］  適用例１記載の燃料電池であって、
前記窓部材は、ガラスで形成されている、燃料電池。
【００１３】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、評価用の燃料電池、該評価用の燃料電池の作製方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
Ａ．評価用の燃料電池の構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、評価用の燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図２は、図１の燃料電池１００の断面図である。なお、図２では、図１のｘ方向に沿った断面が示されている。
【００１５】
燃料電池１００は、発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電ユニット１１０と、発電ユニット１１０の両側に配置された２つのセパレータ１２０，１３０と、を備えている。
【００１６】
発電ユニット１１０は、電解質膜１１２を含んでいる。電解質膜１１２の第１の面側には、第１の電極触媒層（アノード）１１４ａと第１のガス拡散層１１６ａとがこの順に設けられており、電解質膜１１２の第２の面側には、第２の電極触媒層（カソード）１１４ｃと第２のガス拡散層１１６ｃとがこの順に設けられている。
【００１７】
なお、電解質膜１１２としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。電極触媒層１１４ａ，１１４ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた層を用いることができる。ガス拡散層１１６ａ，１１６ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成される。
【００１８】
第１のセパレータ１２０は、発電ユニット１１０の第１のガス拡散層１１６ａに接触するように配置されており、第２のセパレータ１３０は、発電ユニット１１０の第２のガス拡散層１１６ｃに接触するように配置されている。第１のセパレータ１２０の発電ユニット１１０側の面には、燃料ガス（水素ガス）が通る燃料ガス流路１２２を形成する複数の凹部（溝）が設けられている。同様に、第２のセパレータ１３０の発電ユニット１１０側の面には、酸化ガス（酸素ガス）が通る酸化ガス流路１３２を形成する複数の凹部（溝）が設けられている。
【００１９】
図示するように、第１のセパレータ１２０は、セパレータ本体１２６と、観察用の窓として機能する窓部材１２８と、を含んでいる。観察者は、窓部材１２８を介して、燃料ガス流路１２２を通る燃料ガスおよび水の挙動（流れ）を観察することができる。同様に、第２のセパレータ１３０は、セパレータ本体１３６と、観察用の窓として機能する窓部材１３８と、を含んでいる。観察者は、窓部材１３８を介して、酸化ガス流路１３２を通る酸化ガスおよび水の挙動（流れ）を観察することができる。
【００２０】
図１，図２では、評価用の燃料電池１００の一部のみが示されており、各セパレータ１２０，１３０が１つの窓部材１２８，１３８のみを含んでいるように示されているが、通常、各セパレータ１２０，１３０は複数の窓部材１２８，１３８を含んでいる。このように、複数の窓部材１２８，１３８を設けることによって、流路１２２，１３２の複数の箇所における反応ガス（燃料ガス，酸化ガス）および水（水および水蒸気を含む）の挙動を観察することができる。
【００２１】
なお、セパレータ本体１２６，１３６は、導電性材料を用いて形成される。本実施例では、セパレータ本体１２６，１３６は、カーボン製の多孔質体である。カーボン製の多孔質体は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形し、バインダの溶融温度以上に加熱することによって、形成される。
【００２２】
また、窓部材１２８，１３８は、ガラスを用いて形成される。本実施例では、石英ガラスが利用されている。また、本実施例では、後述するように、窓部材１２８，１３８には、撥水処理が施されている。
【００２３】
図示は省略されているが、燃料電池１００は、さらに、発電ユニット１１０と２つのセパレータ１２０，１３０とを挟持する２つの集電プレートおよび２つの絶縁プレートを備えている。そして、集電プレートおよび絶縁プレートには、窓部材１２８，１３８を介して流路１２２，１３２内の反応ガスおよび水の挙動が観察可能なように、開口が設けられている。
【００２４】
なお、本実施例における電解質膜１１２と第１の電極触媒層１１４ａと第２の電極触媒層１１４ｃとが本発明における膜電極接合体に相当する。また、本実施例におけるセパレータ１２０，１３０が本発明おける流路形成部材に相当する。
【００２５】
Ｂ．セパレータの窓部材：
前述したように、従来では、窓部材は、樹脂で形成されていた。樹脂は、加工が容易であるため、窓部材を容易に作製することができるという利点がある。
【００２６】
しかしながら、樹脂製の窓部材が利用される場合には、流路内のガスや水の挙動を正確に把握することが困難であった。これは、観察中に、樹脂が劣化する、より具体的には、樹脂が反応ガスや水に曝されることにより変性するためである。樹脂が変性すると、窓部材の透明度が低下してしまう。また、樹脂が変性すると、窓部材が流路内のガスや水の挙動に影響を及ぼしてしまう。
【００２７】
そこで、本実施例では、樹脂製の窓部材に代えて、ガラス製の窓部材１２８，１３８が利用されている。このように、ガラス製の窓部材１２８，１３８を利用すれば、窓部材の劣化を抑制することができ、この結果、長期間の観察が可能となる。特に、本実施例では、窓部材１２８，１３８は、石英ガラスで形成されているため、窓部材１２８，１３８の耐久性を高めると共に、窓部材１２８，１３８の透明度を高めることができる
【００２８】
ところで、実用の燃料電池、すなわち、実際に車両等に搭載されて使用される燃料電池では、通常、セパレータは窓部材を含んでいない。したがって、窓部材が反応ガスや水の挙動に影響を及ぼす場合には、実用の燃料電池の流路内の反応ガスや水の挙動を再現することができない。
【００２９】
樹脂製の窓部材に代えて単にガラス製の窓部材が利用される場合には、実用の燃料電池の流路内のガスや水の挙動を再現することは困難でなる。これは、ガラス性の窓部材の撥水性（または親水性）の程度（性能）と、セパレータ本体の撥水性（または親水性）の程度（性能）とが、大きく異なることに起因する。
【００３０】
そこで、本実施例では、図２に示すように、窓部材１２８，１３８の流路１２２，１３２側の面には、撥水処理が施されている。なお、本実施例では、後述するセパレータ１２０，１３０の作製方法に起因して、窓部材１２８，１３８の表面全体に撥水処理が施されているが、窓部材１２８，１３８のうち、少なくとも流路１２２，１３２側の面に撥水処理が施されていればよい。
【００３１】
図３は、酸化ガス流路１３２内の酸化ガスおよび水の挙動を模式的に示す説明図である。なお、図３では、図１のｙ方向に沿った断面が示されている。図示するように、酸化ガス流路１３２のうちの一部は、撥水処理が施された窓部材１３８によって形成されており、他の部分は、セパレータ本体１３６によって形成されている。
【００３２】
前述したように、本実施例では、ガラス製の窓部材１３８には撥水処理が施されており、窓部材１３８の撥水性の程度（性能）は、セパレータ本体１３６の撥水性の程度（性能）とほぼ等しく設定されている。このため、図３に示すように、窓部材１３８には、セパレータ本体１３６と同様に水が付着している。そして、酸化ガスおよび水（水および水蒸気を含む）は、酸化ガス流路１３２のうち、窓部材１３８に対応する部分流路と、セパレータ本体１３６に対応する部分流路と、を同様に流通する。
【００３３】
すなわち、本実施例では、窓部材１３８が酸化ガスや水の挙動に影響を及ぼしておらず、実用の燃料電池の酸化ガス流路内の酸化ガスや水の挙動が再現されていると言える。
【００３４】
なお、酸化ガス流路１３２内の酸化ガスや水の挙動は、窓部材１３８を介して、該流路１３２内の水滴の流れを観察することによって、把握される。
【００３５】
図４は、比較例における酸化ガス流路内の酸化ガスおよび水の挙動を模式的に示す説明図である。図４は、図３とほぼ同じであるが、セパレータ１３０ｚが変更されている。具体的には、セパレータ１３０ｚには、撥水処理が施されていない窓部材１３８ｚが設けられている。そして、酸化ガス流路１３２ｚのうちの一部は、撥水処理が施されていない窓部材１３８ｚによって形成されており、他の部分は、セパレータ本体１３６によって形成されている。
【００３６】
比較例では、ガラス製の窓部材１３８ｚには撥水処理が施されていないため、窓部材１３８ｚの撥水性の程度は、セパレータ本体１３６の撥水性の程度と大きく異なっている。具体的には、窓部材１３８ｚの撥水性は、セパレータ本体１３６の撥水性よりもかなり低い。このため、図４に示すように、窓部材１３８ｚには、セパレータ本体１３６よりも多くの水が付着している。そして、酸化ガスおよび水（水蒸気および水滴を含む）は、酸化ガス流路１３２ｚのうち、窓部材１３８ｚに対応する部分流路と、セパレータ本体１３６に対応する部分流路と、を異なる態様で流通する。具体的には、窓部材１３８ｚに対応する部分流路の断面積は、窓部材１３８ｚに付着した水に起因して低減されており、この結果、該部分流路における酸化ガスおよび水の円滑な流通が妨げられている。
【００３７】
すなわち、比較例では、窓部材１３８ｚが酸化ガスや水の挙動に影響を及ぼしており、実用の燃料電池の酸化ガス流路内の酸化ガスや水の挙動が再現されていないと言える。
【００３８】
上記のように、本実施例では、ガラス製の窓部材１２８，１３８に撥水処理が施されているため、実用の燃料電池の流路１２２，１３２内のガスや水の挙動をほぼ正確に再現することが可能となっている。
【００３９】
Ｃ．セパレータの作製方法：
本実施例では、セパレータ１２０，１３０は、以下の手順で作製されている。まず、溝が形成されたカーボン製の多孔質体が準備される。この多孔質体には、窓部材が挿入される開口が設けられている。次に、溝が形成されたガラス（石英ガラス）製の窓部材が準備される。そして、窓部材に対して撥水処理が施される。最後に、多孔質体と窓部材とが接着剤によって接合され、セパレータが得られる。
【００４０】
撥水処理としては、周知の種々の処理を採用可能である。本実施例では、撥水処理は、以下のように行われる。上記のように、溝が形成されたガラス（石英ガラス）製の窓部材が準備されると、窓部材がピランハ溶液（Ｈ2Ｏ2：Ｈ2ＳＯ4＝１：１）中に投入され、超音波処理が１分間施される。そして、窓部材は、純水で中性になるまで洗浄され、その後、メタノールで洗浄される。そして、窓部材が真空乾燥され、親水性の高い窓部材が得られる。このとき、窓部材の表面には、親水性を呈する官能基（ＯＨ基）が付与されている。次に、親水性の窓部材は、１，１，１，３，３，３−ヘキサメチルジシラザンを含む密閉容器内に投入され、１０〜２０ｍｍＨｇの圧力で４８時間放置される。その後、窓部材が真空乾燥され、撥水性の高い窓部材が得られる。このとき、窓部材の表面に付与された親水性を呈する官能基には、疎水性を呈する官能基（Ｃ，Ｈを含む炭化水素基）を有する分子が結合している。
【００４１】
なお、撥水性の程度は、例えば、上記の放置時間を変更することによって、調整可能である。
【００４２】
本実施例では、上記のように、窓部材１２８，１３８のすべての面に撥水処理が施されているが、これに代えて、窓部材の流路１２２，１３２側の面のみに選択的に撥水処理が施されるようにしてもよい。この場合には、例えば、窓部材の他の面がマスクされればよい。
【００４３】
なお、セパレータ１２０，１３０は、他の手法で作製されてもよい。例えば、まず、溝が形成されていない多孔質体が準備される。この多孔質体には、ガラス部材が挿入される開口が設けられている。次に、溝が形成されていないガラス部材が準備される。なお、このガラス部材には、撥水処理は施されていない。そして、多孔質体とガラス部材とが接着剤によって接合され、接合体が得られる。続いて、接合体に溝が形成される。最後に、多孔質体がマスクされた状態で、溝が形成されたガラス部材（窓部材）に撥水処理が施される。
【００４４】
Ｄ．窓部材の撥水性：
図５は、静的接触角の測定結果を示す説明図である。静的接触角は、以下のように測定された。マイクロシリンジを用いて、測定対象の試料の表面に、水滴２μｌが滴下された。その後、静的接触角測定装置（協和界面科学社のＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ３００）を用いて、静的接触角が測定された。なお、接触角が大きい程、撥水性が高い。
【００４５】
図５では、２つの試料の静的接触角の測定結果が示されている。第１の試料は、カーボン製のセパレータである。カーボン製のセパレータとしては、ＪＡＲＩ（日本自動車研究所：Japan Automobile Research Institute）によって定められた標準セル（型式ＥＸ−１）のセパレータが利用された。第２の試料は、石英ガラス基板である。石英ガラス基板には、前述の手法で撥水処理が施されている。
【００４６】
カーボン製のセパレータの静的接触角は、約９８．５°（正確には９８．５°±１．６°）であった。撥水処理済みの石英ガラス基板の静的接触角は、約９４．４°（正確には９４．４°±２．４°）であった。
【００４７】
撥水処理が施されていないガラス基板の静的接触角は、約２０〜約３０°である。したがって、図５に示す測定結果から、前述の撥水処理によって、石英ガラス基板の撥水性の程度が、カーボン製のセパレータの撥水性の程度に近づけられていることが分かる。
【００４８】
換言すれば、本実施例では、ガラス（石英ガラス）製の窓部材１２８，１３８は、該窓部材１２８，１３８の撥水性の程度が、セパレータ本体（セパレータの窓部材以外の部位）１２６，１３６の撥水性の程度に近づくように、撥水処理が施されていることが分かる。
【００４９】
なお、窓部材１２８，１３８の静的接触角は、セパレータ本体１２６，１３６の静的接触角に対して、±１０°以内が好ましく、±５°以内が好ましい。前述したように、撥水性の程度を示す静的接触角は、撥水処理における放置時間を変更することによって、調整可能である。
【００５０】
以上説明したように、本実施例では、セパレータ１２０，１３０は、ガラス製の窓部材１２８，１３８を含んでいるため、観察中に、窓部材が劣化するのを抑制することができる。また、ガラス製の窓部材１２８，１３８には、撥水処理が施されているため、窓部材が、反応ガス（燃料ガス，酸化ガス）や水の挙動に影響を及ぼすのを抑制することができる。すなわち、窓部材が設けられていない実用のセパレータによって形成される流路内の反応ガスや水の挙動の再現性が高い。この結果、流路１２２，１３２内の反応ガスや水の挙動を正確に把握することが可能となる。
【００５１】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５２】
（１）上記実施例では、窓部材１２８，１３８は、石英ガラスで形成されているが、これに代えて、ホウケイ酸ガラスなどの他のガラス材料や、他のセラミック材料（例えば単結晶サファイア）などで形成されていてもよい。
【００５３】
また、上記実施例では、窓部材１２８，１３８は、可視光に対して透明であるが、他の光（例えば赤外線）に対して透明であってもよい。
【００５４】
一般には、窓部材は、透光性の無機材料で形成されていればよい。
【００５５】
（２）上記実施例では、窓部材１２８，１３８に撥水処理が施されているが、これに代えて、窓部材に親水処理が施されるようにしてもよい。具体的には、上記実施例では、窓部材１２８，１３８の撥水性がセパレータ本体１２６，１３６の撥水性よりも低いため、窓部材１２８，１３８に撥水処理が施されている。しかしながら、窓部材の撥水性がセパレータ本体の撥水性よりも高い場合（例えば、セパレータ本体に親水処理が施されている場合）には、窓部材に親水処理が施されればよい。
【００５６】
一般には、窓部材には、窓部材の撥水性の程度が、流路形成部材の窓部材以外の部位の撥水性の程度に近づくように、表面処理が施されていればよい。
【００５７】
（３）上記実施例では、２つのセパレータ１２０，１３０の双方に本発明が適用されているが、少なくとも一方のセパレータに本発明が適用されればよい。
【００５８】
（４）上記実施例では、セパレータ１２０，１３０は、カーボン材料で形成されているが、金属材料（例えばステンレス鋼やチタン）で形成されていてもよい。
【００５９】
（５）上記実施例では、溝が形成されたセパレータ１２０，１３０が利用されているが、これに代えて、溝が形成されていないセパレータが利用されてもよい。この場合には、通常、発電ユニットとセパレータとの間には、多孔質体や金属メッシュ、パンチングメタルなどの部材（中間部材）が配置される。この場合には、セパレータに窓部材を設けることによって、上記の中間部材内の反応ガスや水の挙動を観察することができる。なお、この場合にも、セパレータが、本発明における窓部材が設けられた流路形成部材に相当する。
【００６０】
（６）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池が利用されているが、他のタイプの燃料電池が利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】評価用の燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の燃料電池１００の断面図である。
【図３】酸化ガス流路１３２内の酸化ガスおよび水の挙動を模式的に示す説明図である。
【図４】比較例における酸化ガス流路内の酸化ガスおよび水の挙動を模式的に示す説明図である。
【図５】静的接触角の測定結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００…燃料電池
１１０…発電ユニット
１１２…電解質膜
１１４ａ，１１４ｃ…電極触媒層
１１６ａ，１１６ｃ…ガス拡散層
１２０…セパレータ
１２２…燃料ガス流路
１２６…セパレータ本体
１２８…窓部材
１３０，１３０ｚ…セパレータ
１３２，１３２ｚ…酸化ガス流路
１３６…セパレータ本体
１３８，１３８ｚ…窓部材
【図１】
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【図２】
2008288090.tif 000004
【図３】
2008288090.tif 000005
【図４】
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【図５】
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