(57)【要約】【課題】従来の親水処理された燃料電池用セパレータより排水性の高い燃料電池用セパレータ、当該燃料電池用セパレータの製造方法、当該燃料電池用セパレータの製造装置、及び当該燃料電池用セパレータを含む燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータは、親水処理された後酸化処理され、前記酸化処理の前より親水基の量が多い。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水処理された後酸化処理され、前記酸化処理の前より親水基の量が多いことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
燃料電池用セパレータ表面の水接触角ばらつきが、１５°以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用セパレータであって、前記燃料電池用セパレータ表面の平均水接触角が、５０°以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
親水処理された燃料電池用セパレータに酸化剤を用いて酸化処理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５】
請求項４記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記酸化剤は、オゾンガス、過酸化水素水、及び温水のうち少なくともいずれか１種を含む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６】
燃料電池用セパレータの製造装置であって、
親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理する酸化処理手段を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを含む燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータの製造装置、及び燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜と、触媒層及び拡散層を含む一対の電極（アノード極及びカソード極）と、電極を挟持する一対の燃料電池用セパレータ（アノード極燃料電池用セパレータ及びカソード極燃料電池用セパレータ）とを有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
一般に、燃料電池用セパレータには、電極に反応ガス（水素ガス又は酸素ガス）を供給する反応ガス流路（アノードガス供給路又はカソードガス供給路）が形成されている。燃料電池の発電時にカソード極側から生成される水分の一部は、通常、燃料電池用セパレータのカソードガス供給路（又はアノードガス供給路）から燃料電池の系外へ排水される。しかし、カソード極側から生成される水分の量が多くなると、水分は、燃料電池用セパレータ内（カソードガス供給路又はアノードガス供給路）に滞留してしまう。水分が燃料電池用セパレータ内（カソードガス供給路又はアノードガス供給路）に滞留すると、カソード極（アノード極も同様）への反応ガスの供給を妨げ、燃料電池の発電性能の低下を引き起こす。
【０００４】
従って、燃料電池用セパレータ内に水分が滞留し燃料電池の発電性能の低下を引き起こさないように、燃料電池用セパレータの排水性を高める改良が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池用セパレータにプラズマ処理等の親水処理をすることによって、親水基を形成し、燃料電池用セパレータ内の水分の排水性を高めた燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献２には、燃料電池用セパレータをアルカリ水溶液に浸漬する親水処理をすることによって、親水基を形成し、燃料電池用セパレータ内の水分の排水性を高めた燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献３には、親水処理した導電性カーボンと、バインダ樹脂とを加圧成形した燃料電池用セパレータを使用することによって、燃料電池用セパレータ内の水分の排水性を高めた燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００８】
また、燃料電池用セパレータに親水処理をして、燃料電池用セパレータの排水性を高めるものではないが、例えば、特許文献４には、燃料電池用セパレータを８０℃以上に保持した水中またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に１０時間以上浸漬させることによって、燃料電池用セパレータ内の不純物を除去（溶出）する方法が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０３２７１号公報
【特許文献２】特開２００５−７１６９９号公報
【特許文献３】特開２００１−２８３８７３号公報
【特許文献４】特開２００５−５０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１の燃料電池用セパレータでは、プラズマ処理による親水処理のみ行われているため、燃料電池用セパレータ全体に親水基を形成することは困難であり、燃料電池用セパレータの排水性を十分に確保することができない。
【００１１】
また、特許文献２の燃料電池用セパレータでは、アルカリ水溶液による親水処理は、プラズマ処理による親水処理より燃料電池用セパレータを親水処理する能力が劣るため、燃料電池用セパレータ全体に親水基が形成されず、燃料電池用セパレータの排水性を十分に確保することができない。
【００１２】
また、特許文献３の燃料電池用セパレータでは、導電性カーボンのみを親水処理し、バインダ樹脂には親水処理がされていないため、バインダ樹脂に親水基が形成されず、燃料電池用セパレータの排水性を十分に確保することができない。
【００１３】
また、特許文献４の不純物を除去する方法では、そもそも親水処理をしていないため、燃料電池用セパレータの排水性を十分に確保することができない。
【００１４】
本発明は、排水性の高い燃料電池用セパレータ、当該燃料電池用セパレータの製造方法、当該燃料電池用セパレータの製造装置、及び当該燃料電池用セパレータを含む燃料電池である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータは、親水処理された後酸化処理され、前記酸化処理の前より親水基の量が多い。
【００１６】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池用セパレータ表面の水接触角ばらつきが、１５°以下である。
【００１７】
また、前記記載の燃料電池用セパレータにおいて、燃料電池用セパレータ表面の平均水接触角が、５０°以下であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、親水処理された燃料電池用セパレータに酸化剤を用いて酸化処理する。
【００１９】
また、前記燃料電池用セパレータの製造方法において、前記酸化剤は、オゾンガス、過酸化水素水、及び温水等のうち少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造装置は、親水処理した燃料電池用セパレータを酸化処理する酸化処理手段を備える。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池用セパレータを含む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理することによって、排水性の高い燃料電池用セパレータ、当該燃料電池用セパレータの製造方法、当該燃料電池用セパレータの製造装置、当該燃料電池用セパレータを含む燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２４】
まず、燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【００２５】
＜燃料電池用セパレータ＞
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式斜視図である。図１に示すように、燃料電池用セパレータ１は、セパレータ本体１０と反応ガス流路１２とを備えるものである。
【００２６】
反応ガス流路１２は、燃料電池の電極に反応ガスを供給するためのものであり、空洞部である。燃料電池用セパレータ１が、燃料電池のアノード極側に用いられる場合、反応ガス流路１２は、アノードガス（例えば、水素ガス）を供給するためのアノードガス流路となる。一方、カソード極側に用いられる場合、反応ガス流路１２は、カソードガス（例えば、酸素ガス）を供給するためのカソードガス流路となる。
【００２７】
セパレータ本体１０は、導電性材料、バインダ樹脂等を混練して、混練材料を調整した後、混練材料を金型等によって成形し、成形体を親水処理後、酸化処理したものである。
【００２８】
このように、親水処理後の成形体を酸化処理することによって得られる本実施形態の燃料電池用セパレータ１は、親水処理された成形体（親水処理された燃料電池用セパレータ）よりＣＯＯＨ基、ＯＨ基等の親水基の量が多いものである。後に詳述するが、親水処理だけでは、親水基を形成することができない部分（未反応部分）が存在するため、親水処理後に酸化処理することによって、セパレータ本体１０全体に親水基を形成することができる。ここで、全体とは、セパレータ本体１０のうち酸化処理した部分の表面全体の意味である。
【００２９】
また、親水処理後の成形体を酸化処理することによって得られる本実施形態の燃料電池用セパレータ１の水接触角ばらつきは、１５°以下である。また、本実施形態の燃料電池用セパレータ１の平均水接触角は、５５°以下であることが好ましい。上記で述べたように、親水処理後の成形体を酸化処理することによって、セパレータ本体１０全体に親水基を形成することができるため、親水処理された成形体より平均水接触角を低減させ、水接触角ばらつきを抑えることができる。平均水接触角とは、セパレータ本体１０の同一面（例えば、反応ガス流路１２が形成されている面）で測定した水接触角１０点の平均値である。また水接触角ばらつきは、上記測定した水接触角１０点のうち、最大値と最小値との差である。水接触角の測定は、協和界面科学社製のＦＡＭＡＳ  ｄｒｏｐｍａｓｔｅｒ７００によって測定することができる。
【００３０】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１を構成する導電性材料としては、電子導電性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ等のカーボンフィラー、アルミニウム、ニッケル等の金属フィラー等が挙げられる。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１を構成するバインダ樹脂としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール等の熱可塑性樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂を使用する場合には、ポリアミン、ポリアミド、イミダゾール誘導体、ルイス酸塩、酸無水物、フェノール樹脂等の硬化剤（硬化触媒）等を用いてもよい。
【００３２】
このように、親水処理後の成形体を酸化処理することによって、セパレータ本体全体に親水基を形成したものである。このため、本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、親水処理された成形体より、親水基の量が多く、平均水接触角が低く、水接触角ばらつきが抑えられたものである。したがって、本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、従来の親水処理された燃料電池用セパレータ（親水処理された成形体）より排水性の高い燃料電池用セパレータである。
【００３３】
＜燃料電池用セパレータの製造方法＞
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１の製造方法は、親水処理された成形体（親水処理された燃料電池用セパレータ）に酸化剤を用いて酸化処理をする。
【００３４】
親水処理とは、成形体（親水処理前のもの）を構成するバインダ樹脂にＣＯＯＨ基、ＯＨ基等の親水基を形成するものであり、例えば、プラズマ処理、紫外線処理（ＵＶ処理）、フッ素ガス処理等が挙げられる。バインダ樹脂に親水基を形成するメカニズムは、プラズマ、紫外線等のエネルギ、又はフッ素ガス等のガス等によりバインダ樹脂の分子間の結合を解離させ、結合解離した部分が、空気中の水分、酸素等によって酸化され、親水基（ＣＯＯＨ基、ＯＨ基）が形成されるものである。
【００３５】
プラズマ処理、紫外線処理（ＵＶ処理）、フッ素ガス処理等の親水処理としては、公知の方法を適用することができ、処理条件については特に限定されるものではない。
【００３６】
酸化処理とは、酸化剤を用いて上記親水処理によってバインダ樹脂の結合解離した部分が、空気中の水分、酸素等によって酸化されなかった部分、すなわち親水基を形成することができなかった部分（未反応部分）を酸化させ、親水基を形成するものである。
【００３７】
酸化剤としては、オゾンガス、過酸化水素水、水等が挙げられる。上記酸化剤のうち好ましくは、オゾンガス、過酸化水素水、水のうち少なくともいずれか１種を含むものである。また、上記未反応部分を効率的に酸化させる点では、オゾンガスが好ましく、コスト、作業性の点では、水が好ましい。
【００３８】
酸化剤としてオゾンガスを用いて上記未反応部分を酸化させる酸化処理をオゾンガス処理、過酸化水素水を用いて上記未反応部分を酸化させる酸化処理を過酸化水素処理、水を用いて上記未反応部分を酸化させる酸化処理を水処理と称し、以下説明する。
【００３９】
図２は、親水処理をフッ素ガス処理、酸化処理を水処理とした場合を例として、バインダ樹脂の酸化モデルを示す図である。図２に示すように、通常、フッ素ガス処理によって、成形体（親水処理前）を構成するバインダ樹脂にＣＯＯＨ基等の親水基が形成される。しかし、フッ素ガス処理だけでは、成形体（親水処理前）全体のバインダ樹脂に親水基を形成することは困難であり、親水処理された成形体の一部のバインダ樹脂は、図２の点線枠ａで示すように、未反応部分が存在する。未反応部分は、Ｃ−Ｆ基を含むことによって、撥水性を有する。この未反応部分は、水処理によって酸化され、ＣＯＯＨ基等の親水基が形成される（未反応部分のフッ素は、例えば、フッ化水素となって脱離）。このように、酸化処理することによって、バインダ樹脂の未反応部分に、親水基を形成することができる。
【００４０】
プラズマ処理及びオゾンガス処理後のバインダ樹脂の未反応部分も同様に、酸化処理することによって親水基を形成することができる。
【００４１】
水処理は、親水処理後の燃料電池用セパレータを水に浸漬させることによって、未反応部分を酸化させるものであるが、これに限定されるものではなく、燃料電池用セパレータに水を供給することによって、未反応部分を酸化させるものであってもよい。水処理に使用される水は、未反応部分の酸化を促進させる点で、例えば、４０℃以上、５０℃以上、６０℃以上、又は７０℃以上の温水が好ましい。加圧がま等により大気圧以上の圧力下であれば１００℃以上の温水を使用することもできる。加圧がま等の特別な装置を使用しない場合には、４０℃〜１００℃、５０℃〜１００℃、６０℃〜１００℃、又は７０℃〜１００℃の温水が好ましい。さらに、上記水（温水）は、未反応部分の酸化を促進させる点で、導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水であることが好ましい。
【００４２】
また、親水処理後の燃料電池用セパレータの浸漬時間は、水の温度によって異なるものであり、特に制限されるものではないが、例えば、浸漬時間は、６０分〜５００分間である。図３は、フッ素ガス処理後の燃料電池用セパレータを水に浸漬させた浸漬時間と水中の溶出成分濃度との関係の一例を示す図である。浸漬条件としては、フッ素ガス処理後の燃料電池用セパレータを８０℃、１００ｍｌの純水に浸漬させる。図３に示す溶出成分濃度は、各時間温水酸化させた後の燃焼電池用セパレータから溶出されたＦイオン量である。図３に示すように、浸漬時間の経過とともに、フッ素ガス処理後の燃料電池用セパレータから溶出する溶出成分（フッ素イオン等）量が増大し、一定時間経過するとほとんど溶出は起こらなくなる。また、再度８０℃、１００ｍｌの純水に浸漬させてもほとんど溶出成分は検出されない。すなわち、水処理による浸漬は、少なくとも１回でよい。また、図３に示すように、浸漬１回目の溶出成分濃度の最大値に達するまでの時間が遅いことから、バインダ樹脂の未反応部分の水処理による酸化は、加水分解反応であると考えられる。
【００４３】
一般的に燃料電池用セパレータと隣接部材（シーリングプレート、電解質膜、他の燃料電池用セパレータ等）との間の接着には、シアノアクリレート系接着剤等が使用される。シアノアクリレート系接着剤等は、アニオン重合であり、−ＯＨ（空気中の水分）、ＣＨ３ＯＨ、ＮａＯＨ、アミン等の塩基が反応開始剤として用いられ、架橋反応（硬化）が起こる。燃料電池用セパレータ上には、上記水処理によってＣＯＯＨ基等の親水基が形成されているが、その他に、副生成物としてフッ酸、蟻酸、酢酸等が生成される場合がある。上記副生成物が燃料電池用セパレータ上に残存していると、燃料電池用セパレータ表面は酸性を示し、反応開始剤である塩基を中和し、シーリングプレート等の隣接部材との間で接着不良が発生する場合がある。本実施形態では、水処理の温度、浸漬時間を６０℃以上、１５分以上、好ましくは６０℃以上、３６０分以上とすることにより、燃料電池用セパレータ上のフッ酸、蟻酸、酢酸等を取り除くことが可能となる。そのため、シーリングプレート等の隣接部材との接着の際に、シアノアクリレート系接着剤を用いても反応開始剤である塩基の中和が抑制され、シーリングプレート等の隣接部材との接着性を向上させることができる。
【００４４】
オゾンガス処理は、親水処理後の燃料電池用セパレータにオゾンガスを供給することによって、未反応部分を酸化させるものである。
【００４５】
過酸化水素処理は、親水処理後の燃料電池用セパレータを過酸化水素水に浸漬させることによって、未反応部分を酸化させるものであるが、これに限定されるものではない。例えば、過酸化水素ガス（又は過酸化水素水）を親水処理後の燃料電池用セパレータに供給することによって、未反応部分を酸化させるものであってもよい。
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、親水処理された成形体（親水処理された燃料電池用セパレータ）に酸化剤を用いて酸化処理をすることによって、親水処理された成形体全体に親水基を形成する燃料電池用セパレータを製造することができる。したがって、本実施形態に係る製法で製造された燃料電池用セパレータは、親水処理された成形体より、親水基の量が多く、平均水接触角が低く、水接触角ばらつきが抑えられたものである。
【００４７】
次に、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置について以下説明する。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、親水処理された成形体（親水処理された燃料電池用セパレータ）を酸化処理する酸化処理手段を備える。
【００４９】
また、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、上記酸化処理手段に加え、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータから溶出する溶出成分を除去する除去手段、親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理するための酸化剤を加熱する加熱手段、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータから溶出する溶出成分の溶出状態を検出する検出手段のうち少なくとも１つを備えることが好ましい。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置について、上記酸化処理手段を備えたものを一例として、また、上記酸化処理手段に加え、上記除去手段、上記加熱手段、上記検出手段を備えたものを他の一例として以下説明する。
【００５１】
図４は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の構成の一例を示す模式断面図である。図４に示すように、燃料電池用セパレータの製造装置２は、親水処理された燃料電池用セパレータ２０を酸化処理する酸化処理手段としての酸化処理槽１４と、親水処理された燃料電池用セパレータ２０を保持するための燃料電池用セパレータ保持用治具１６と、酸化処理槽１４に収容された酸化剤２２の揮発成分等を排気する排気ダクト１８とを備えるものである。
【００５２】
酸化処理槽１４は、酸化剤２２及び酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータ２０から溶出する成分（例えば、フッ化水素等）に対して腐食性の低い金属、ガラス、樹脂等の材料によって構成されているものであれば、特に制限されるものでない。
【００５３】
図４に示すように、酸化処理槽１４は、燃料電池用セパレータ保持用治具１６と、親水処理された燃料電池用セパレータ２０と、親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理するための酸化剤２２と、を収容することができる。
【００５４】
燃料電池用セパレータの製造装置２においては、まず、親水処理された燃料電池用セパレータ２０が保持された燃料電池用セパレータ保持用治具１６を酸化処理槽１４に投入する。次に、酸化剤２２を酸化処理槽１４に投入し、親水処理された燃料電池用セパレータ２０を酸化処理させる。なお、燃料電池用セパレータ保持用治具１６及び酸化剤２２の投入順序は、特に制限されるものではない。また、酸化剤２２及び酸化処理については、上記説明した通りである。
【００５５】
図５は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。図５に示すように、燃料電池用セパレータの製造装置３は、酸化処理槽１４と、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータ２０から溶出する溶出成分を除去する除去手段としてのイオン交換樹脂カラム２４と、循環ユニット２６と、親水処理した燃料電池用セパレータ２０を酸化処理するための酸化剤２２を加熱する加熱手段としての加熱ヒータ２８と、温度計測ユニット３０と、酸化処理によって燃料電池用セパレータから溶出した溶出成分の溶出状態を検出する検出手段としてのイオンメータ３２及びｐＨメータ３４と、を備えている。また、図４に示す燃料電池用セパレータの製造装置と同一の構成については同一の符号を付している。
【００５６】
循環ユニット２６は、循環ポンプ３６と、供給パイプ３８ａ，３８ｂと、排出パイプ４０とを備えるものである。循環ユニット２６において、排出パイプ４０は、酸化処理槽１４出口（不図示）とイオン交換樹脂カラム２４入口（不図示）とを接続し、供給パイプ３８ａは、イオン交換樹脂カラム２４出口（不図示）と循環ポンプ３６の吸入側（不図示）とを接続し、供給パイプ３８ｂは、循環ポンプ３６の吐出側（不図示）と酸化処理槽１４入口（不図示）とを接続する。
【００５７】
温度計測ユニット３０は、熱電対４２、温度計測装置４４を備えるものである。温度計測ユニット３０は、酸化剤の温度を計測することができるものである。
【００５８】
燃料電池用セパレータの製造装置３は、上述した燃料電池用セパレータの製造装置２と同様に酸化処理を行うが、この際、循環ポンプ３６を稼動させる。循環ポンプ３６稼動後、酸化処理槽１４内の酸化剤２２は、酸化処理槽１４出口から排出パイプ４０を通り、イオン交換樹脂カラム２４入口からイオン交換樹脂カラム２４に供給され、イオン交換樹脂カラム２４内を通過（透過）する。酸化剤２２が、イオン交換樹脂カラム２４内を透過することによって、酸化剤２２に含まれる溶出成分（酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータ２０から溶出したもの）が取り除かれる。溶出成分が取り除かれた酸化剤２２は、イオン交換樹脂カラム２４出口から供給パイプ３８ａを通り、循環ポンプ３６の吸入側に供給され、循環ポンプ３６の吐出側から供給パイプ３８ｂを通り酸化処理槽１４入口から酸化処理槽１４に供給される。
【００５９】
上記のように、イオン交換樹脂カラム２４を備えることによって、酸化剤２２に含まれる上記溶出成分を取り除くことができるため、純度の高い酸化剤２２を酸化処理槽１４に供給することができる。したがって、親水処理された燃料電池用セパレータ２０の上記未反応部分を効率的に酸化させることができ、親水処理された燃料電池用セパレータ２０の酸化剤２２への浸漬時間を短縮させることができる。
【００６０】
また、図５に示す加熱ヒータ２８は、上記酸化処理を行う際、加熱ヒータ２８に電力を供給することによって、酸化剤２２を加熱することができる。これによって、酸化剤２２の温度は、酸化処理に適した温度に保持されるため、親水処理された燃料電池用セパレータ２０の上記未反応部分を効率的に酸化させることができる。
【００６１】
また、図５に示す、イオンメータ３２及びｐＨメータ３４は、親水処理された燃料電池用セパレータ２０から溶出する溶出成分の溶出状態を検出することができる。また、イオンメータ３２及びｐＨメータ３４は、必ずしも両方必要とするものではなく、少なくともいずれか１つでよい。
【００６２】
図６は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。図６に示すように燃料電池用セパレータの製造装置４は、排出パイプ４０（４０ａ，４０ｂ）に、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータから剥離する不純物を除去する不純物除去手段としてのフィルタ４６を備えるものである。燃料電池用セパレータの製造装置のその他の構成は、図５に示す燃料電池用セパレータの製造装置３と同様である。
【００６３】
フィルタ４６を備えることによって、排出パイプ４０ａを通過する酸化剤２２中に含まれる不純物を取り除くことができるため、純度の高い酸化剤２２を酸化処理槽１４に供給することができる。ここで、不純物とは、親水処理された燃料電池用セパレータ２０に付着していた金属等を指す。
【００６４】
図７は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。図７に示すように燃料電池用セパレータの製造装置５は、排出パイプ４０ｂ及び供給パイプ３８ａに設けた配管切り替えバルブ４８ａ，４８ｂと、排出パイプ４０ｂと供給パイプ３８ａとを接続する接続パイプ５０とを備えるものである。燃料電池用セパレータの製造装置のその他の構成は、図６に示す燃料電池用セパレータ４の製造装置と同様である。
【００６５】
配管切り替えバルブ４８ａの開閉によって、排出パイプ４０ｂを通過する酸化剤２２をイオン交換樹脂カラム２４に供給すること（図７の矢印ｂ）や、接続パイプ５０に供給すること（図７の矢印ｃ）や、燃料電池用セパレータの製造装置５の系外に排出すること（図７の矢印ｄ１）等ができる。一方、配管切り替えバルブ４８ｂの開閉によって、酸化剤２２を燃料電池用セパレータの製造装置５の系外に排出すること（図７の矢印ｄ２）や、循環ポンプ３６に供給すること（図７の矢印ｅ）等ができる。そのため、酸化剤２２をイオン交換樹脂カラム２４に供給せずに酸化処理槽１４に供給することができるため、イオン交換樹脂カラム２４の寿命を延ばすことができる。
【００６６】
以上、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置（図４に示す燃料電池用セパレータの製造装置２）は、親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理する酸化処理手段を備えることによって、親水処理された燃料電池用セパレータの上記未反応部分を酸化処理することができる。さらに、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置（例えば、図５に示す燃料電池用セパレータの製造装置３）は、上記酸化処理手段に加え、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータから溶出する溶出成分を除去する除去手段、親水処理された燃料電池用セパレータを酸化処理するための酸化剤を加熱する加熱手段、酸化処理によって親水処理された燃料電池用セパレータから溶出する溶出成分の溶出状態を検出する検出手段のうち少なくともいずれか１つを備えることによって、親水処理された燃料電池用セパレータの未反応部分を効率的に酸化処理することができる。
【００６７】
次に、本実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える燃料電池について説明する。
【００６８】
図８は、本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図８に示すように、燃料電池６は、電解質膜５２と、アノード極触媒層５４及びアノード極拡散層５６を含むアノード極５８と、カソード極触媒層６０及びカソード極拡散層６２を含むカソード極６４と、アノード極燃料電池用セパレータ６６と、カソード極燃料電池用セパレータ６８とにより構成されている。ここで、アノード極燃料電池用セパレータ６６及びカソード極燃料電池用セパレータ６８は、上記説明した燃料電池用セパレータ１である。
【００６９】
図８に示すように、本実施形態に係る燃料電池６は、電解質膜５２の一方の表面にアノード極５８が、もう一方の表面にカソード極６４が、電解質膜５２を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜−電極アッセンブリ７４と、膜−電極アッセンブリ７４の両外側を挟持するアノード極側燃料電池用セパレータ６６及びカソード極側燃料電池用セパレータ６８とを備える。アノード極側燃料電池用セパレータ６６及びカソード極側燃料電池用セパレータ６８の空洞部は、アノード極５８及びカソード極６４にアノードガス、カソードガスを供給するためのアノードガス供給路７０、カソードガス供給路７２となっている。
【００７０】
本実施形態に用いられる電解質膜５２は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。
【００７１】
アノード極側触媒層５４及びカソード極側触媒層６０は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合してアノード極側拡散層５６及びカソード極側拡散層６２、又は電解質膜５２上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。
【００７２】
アノード極拡散層５６及びカソード極拡散層６２としては、導電性が高く、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。
【００７３】
以上、このように製造された本実施形態に係る燃料電池は、酸化処理された燃料電池用セパレータを備えることによって、例えば、カソード極側から生成される水分の量が多くなる場合でも、水分が燃料電池用セパレータ内に滞留することを抑制することができるため、燃料電池の発電性能を維持することができる。
【００７４】
上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７６】
＜実施例１〜９＞
フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを図５に示すような酸化処理槽１４内の７０℃の温水（酸化剤２２）に２４０分浸漬させ、酸化処理した燃料電池用セパレータを実施例１とした。実施例２は、フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを酸化処理槽内の７０℃の温水に２４０分浸漬させた後、別の酸化処理槽内の７０℃の温水に２４０分浸漬させたものである。実施例３は、フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを酸化処理槽内の７０℃の温水に２４０分浸漬させ、別の酸化処理槽内の７０℃の温水に２４０分浸漬させ、さらに別の酸化処理槽内の７０℃の温水に２４０分浸漬させたものである。実施例４，７は、浸漬時間をそれぞれ３６０分、４８０分にした以外は実施例１と同様である。また、実施例５，８は、浸漬時間をそれぞれ３６０分、４８０分にした以外は実施例２と同様である。さらに、実施例６，９は、浸漬時間をそれぞれ３６０分、４８０分にした以外は実施例３と同様である。
【００７７】
＜比較例１〜３＞
比較例１〜３は、フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータであり、親水処理を行わなかった。
【００７８】
＜実施例１〜９及び比較例１〜３の親水基の量＞
酸化処理した実施例１〜９と酸化処理していない比較例１〜３の親水基の量を測定したところ、酸化処理した実施例１〜９は、親水基の量が増加していた。
【００７９】
＜実施例１〜９及び比較例１〜３の水接触角測定＞
図９は、図１の矢印ｚ方向から見た実施例１〜９及び比較例１〜３の燃料電池用セパレータの模式図である。燃料電池用セパレータの反応ガス入口側付近（例えば、図９に示す点線枠ｘ）、燃料電池用セパレータの反応ガス出口側付近（例えば、図９に示す点線枠ｙ）で、それぞれ５点ずつ水接触角を測定した。水接触角は、協和科学社製のＦＡＭＡＳ  ｄｒｏｐｍａｓｔｅｒ７００を用いて測定した。また、測定条件については、表１にまとめた。
【００８０】
【表１】
2008112721.tif 000002
【００８１】
図１０は、実施例１〜９及び比較例１〜３の水接触角を示す図である。図１１は、実施例４と比較例１に滴下した水滴の状態を示す図である。図１０に示すように、酸化処理した実施例１〜９の平均水接触角（水接触角の１０点の平均値）は、酸化処理していない比較例１〜３の平均水接触角より低い値を示した。また、比較例１〜３の水接触角のばらつき（水接触角の最大値と最小値の差）が２５°以上見られたのに対し、実施例１〜９の水接触角のばらつきは、１５°以下に抑えることができた。図１１（イ）は、比較例１に滴下した水滴の状態を示す図であり、図１１（ロ）は、実施例４に滴下した水滴の状態を示す図である。図１１に示す比較例１及び実施例４上の水滴７６は、上記水接触角の測定を行った領域に、スポイトの先端７８から６点滴下されたものであり、光学顕微鏡により観察した。図１１（イ）に示すように、比較例１に滴下した水滴７６は、不均一な状態（濡れ性を示す状態、撥水性を示す状態）であるのに対し、実施例４に滴下した水滴７６は、ほぼ均一な状態（濡れ性を示す状態）であった。実施例１〜９の中では、７０℃の温水に４８０分浸漬させた実施例７〜９が、平均水接触角及びばらつき共に良い結果を示した。
【００８２】
＜フッ酸（フッ素イオン）溶出量の評価＞
フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータ試験片（実施例１０：長さ４０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚２５ｍｍ）を図５に示すような酸化処理槽１４内の６０℃の温水に浸漬させた。５分、１５分、３０分での温水中のフッ素イオンの濃度をイオンクロマトグラフ（東ソー株式会社製、ＩＣ−２００１）により測定した。その結果を図１２に示す。図１２は、浸漬時間とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【００８３】
フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータ試験片（実施例１１：長さ４０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚２５ｍｍ）を図５に示すような酸化処理槽１４内の６０℃、７０℃、８０℃の温水にそれぞれ１５分浸漬させた。各温度での温水中のフッ素イオンの濃度をイオンクロマトグラフにより測定した。その結果を図１３に示す。図１３は、浸漬温度とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【００８４】
フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータ試験片（実施例１２：長さ４０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚２０ｍｍ）を図５に示すような酸化処理槽１４内の６０℃の温水に浸漬させた。３０分、６０分、９０分、１２０分、２４０分、３６０分、４８０分での温水中のフッ素イオン濃度をイオンクロマトグラフにより測定した。また、浸漬後さらに、試験片を６０℃の温水で２４０分、３６０分、４８０分間浸漬させ（煮出し試験）、温水中のフッ素イオン濃度をイオンクロマトグラフにより測定した。その結果を図１４に示す。図１４は、浸漬時間とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【００８５】
図１２に示すように、浸漬時間の増加に伴って、燃料電池用セパレータ試験片からフッ素イオンの溶出濃度も増加する。また、図１３に示すように、浸漬温度の増加に伴って、燃料電池用セパレータ試験片からフッ素イオンの溶出濃度も増加する。したがって、浸漬時間及び浸漬温度を増加させることにより、酸化処理を促進させることができる。また、図１４に示すように、浸漬温度６０℃、浸漬時間３６０分以上の条件で水処理（酸化処理）を行うことにより、フッ素イオンの溶出量は飽和する。したがって、浸漬温度６０℃、浸漬時間３６０分以上の条件で水処理（酸化処理）を行うことにより、燃料電池用セパレータのほとんどの未反応部分に親水基を形成することができる。また、これにより、燃料電池用セパレータ表面が極端に酸性になることを抑制することができるため、シーリングプレート等の隣接部材との接着性を向上させることができる。
【００８６】
＜実施例１３〜２７＞
フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを図５に示す酸化処理槽１４内の６０℃の温水に２４０分浸漬（酸化処理）させたものを実施例１３とした。実施例１３の浸漬温度、浸漬時間を１サイクルとして、２サイクル行ったものを実施例１４、３サイクル行ったものを実施例１５とした。フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを図５に示す酸化処理槽１４内の６０℃の温水に３６０分浸漬（酸化処理）させたものを実施例１６とした。実施例１６の浸漬温度、浸漬時間を１サイクルとして、２サイクル行ったものを実施例１７、３サイクル行ったものを実施例１８、４サイクル行ったものを実施例１９、５サイクル行ったものを実施例２０、６サイクル行ったものを実施例２１とした。フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを図５に示す酸化処理槽１４内の６０℃の温水に４８０分浸漬（酸化処理）させたものを実施例２２とした。実施例２２の浸漬温度、浸漬時間を１サイクルとして、２サイクル行ったものを実施例２３、３サイクル行ったものを実施例２４とした。フッ素ガス処理した燃料電池用セパレータを図５に示す酸化処理槽１４内の６０℃の温水に３６０分浸漬（酸化処理）させたものを実施例２５とした。実施例２５の浸漬温度、浸漬時間を１サイクルとして、２サイクル行ったものを実施例２６、３サイクル行ったものを実施例２７とした。実施例１３〜２４は、酸化処理後、表面を流水により洗浄したものであり、実施例２５〜２７は、酸化処理後表面を洗浄していないものである。
【００８７】
図１５は、実施例１３〜２７の水接触角を示す図である。水接触角の測定は、上記と同様の方法で行った。図１５に示すように、実施例１３〜２７の水接触のばらつきは、１５°以下で、水接触角の平均値は、６０°以下であった。特に、実施例１６〜２７（浸漬温度６０℃、浸漬時間３６０分以上）では、水接触角のばらつきが、１２°以下で、水接触角の平均値は４８°以下に抑えることができた。
【００８８】
このように、親水処理後の燃料電池用セパレータに酸化処理をすることによって、酸化処理をしていない燃料電池用セパレータより、親水基の量を増加させ、水接触角を低減させ、水接触角のばらつきを抑えることができた。したがって、燃料電池の発電時に生じる水分が燃料電池用セパレータ内に滞留することを抑制し、好適に燃料電池系外に排水させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式斜視図である。
【図２】親水処理をフッ素ガス処理、酸化処理を水処理とした場合を例として、バインダ樹脂の酸化モデルを示す図である。
【図３】フッ素ガス処理後の燃料電池用セパレータを水に浸漬させた浸漬時間と水中の溶出成分濃度との関係の一例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の構成の一例を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。
【図６】本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造装置の他の構成例を示す模式断面図である。
【図８】本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
【図９】図１の矢印ｚ方向から見た実施例１〜９及び比較例１〜３の燃料電池用セパレータの模式図である。
【図１０】実施例１〜９及び比較例１〜３の水接触角を示す図である。
【図１１】実施例４と比較例１に滴下した水滴の状態を示す図である。
【図１２】浸漬時間とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【図１３】浸漬温度とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【図１４】浸漬時間とフッ素イオンの溶出量との関係を示す図である。
【図１５】実施例１３〜２７の水接触角を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  燃料電池用セパレータ、２，３，４，５  燃料電池用セパレータの製造装置、６  燃料電池、１０  セパレータ本体、１２  反応ガス流路、１４  酸化処理槽、１６  燃料電池用セパレータ保持用治具、１８  排気ダクト、２０  親水処理された燃料電池用セパレータ、２２  酸化剤、２４  イオン交換樹脂カラム、２６  循環ユニット、２８  過熱ヒータ、３０  温度計測ユニット、３２  イオンメータ、３４  ｐＨメータ、３６  循環ポンプ、３８ａ，３８ｂ  供給パイプ、４０，４０ａ，４０ｂ  排出パイプ、４２  熱電対、４４  温度計測装置、４６  フィルタ、４８ａ，４８ｂ  配管切り替えバルブ、５０  接続パイプ、５２  電解質膜、５４  アノード極触媒層、５６  アノード極拡散層、５８  アノード極、６０  カソード極触媒層、６２  カソード極拡散層、６４  カソード極、６６  アノード極燃料電池用セパレータ、６８  カソード極燃料電池用セパレータ、７０  アノードガス流路、７２  カソードガス流路、７４  膜−電極アッセンブリ、７６  水滴、７８  スポイトの先端。
【図１】
2008112721.tif 000003
【図２】
2008112721.tif 000004
【図３】
2008112721.tif 000005
【図４】
2008112721.tif 000006
【図５】
2008112721.tif 000007
【図６】
2008112721.tif 000008
【図７】
2008112721.tif 000009
【図８】
2008112721.tif 000010
【図９】
2008112721.tif 000011
【図１０】
2008112721.tif 000012
【図１２】
2008112721.tif 000013
【図１３】
2008112721.tif 000014
【図１４】
2008112721.tif 000015
【図１５】
2008112721.tif 000016
【図１１】
2008112721.tif 000017