(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池の単セルを構成するセパレータの加工後に前処理を施し、組み上げた燃料電池が、初期の運転トラブルがなく、運転開始から安定した発電能力が維持できる燃料電池を可能にするセパレータの前処理方法を実現する。【解決手段】振動槽に加工後のセパレータをセットし、導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水または、導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液を振動槽に供給し、発振周波数２０〜５０ｋＨｚ、且つ、有効超音波出力密度５〜２０ｋＷ／ｍ３の超音波で３０分間の超音波振動を与える。これを、水溶液を交換しながら３回の超音波振動を与え、最後に仕上げ洗浄を行って前処理工程を完了する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に酸素極と水素極とを接合して構成された膜・電極接合体を挟むように配置され、カーボンを主成分として反応ガスまたは冷却水の供給路を有するセパレータの加工後の前処理方法であって、該前処理方法は前記セパレータを水溶液に浸漬させ、前記水溶液を超音波振動させることを特徴とする燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池。
【請求項２】
前記水溶液は導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水、または前記導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池。
【請求項３】
前記超音波振動の周波数は２０〜５０ｋＨｚであり、且つ、有効超音波出力密度は５〜２０ｋＷ／ｍ３であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池。
【請求項４】
前記超音波振動による前処理工程は、有効超音波出力量密度が５〜３０ｋＷｈ／ｍ３であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池。
【請求項５】
前記超音波振動による前処理工程は、前記超音波振動を加える毎に新しい上記水溶液を用い、且つ、３０分間の超音波振動を３回繰り返して行なうことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の単セルを構成するセパレータの前処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質膜が、片側に燃料極触媒層と多孔質支持層からなる燃料極ともう一方の側には空気極触媒層と多孔質支持層からなる空気極で挟まれ、さらにその外側には水素や酸素といった反応ガスの供給路を兼ねたセパレータで挟持されている。燃料極側に設けられたセパレータの反応ガス供給路に供給された水素ガスは、多孔質支持層で拡散され、燃料極触媒層に吸収されて水素イオンと電子に分かれる。空気極では、セパレータの反応ガス供給路に供給された酸素が多孔質層で拡散され、空気極触媒層に吸収されて、電解質膜を移動してきた水素イオンと外部回路を移動してきた電子とで水を生成する。この反応で、燃料極触媒層で分離した電子が外部の回路を移動することにより、電流が流れることになる。この構成の単電池は単セルと呼ばれるが、起電力が１ボルト程度と小さいため、電気機器の電源として使用するためにはこの単セルを多数積層してスタックを構成し、必要な出力の電池に組み上げる。このような構成の単セルにおいて、セパレータの役割は、単セルを積層したときに、燃料極に入る燃料ガスと空気極に入る酸化剤ガス（空気など）を分離することと、単セル間を電気的に接続するという２つの役割を持っている。これらの役割を安定して果たし、低コスト化が可能なセパレータとして、カーボンを材料にしてモールド成形で作成されているものがある（例えば、参考文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２３１３３号公報（第２−３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モールド成形品はバインダー樹脂の含有率が高く、切削加工で使用されるバインダー樹脂の含有率の低いカーボンプレートに比較してカーボンの密度が小さいため、電気伝導度が低いものとなってしまう。そこで、これを改良するため、モールド成形品のカーボンプレートの表面を粗にする処理を行い、これを使用して単セルを構成し、さらに積層して燃料電池として運転試験を行なった。その結果、反応ガスや冷却水の出口配管部で黒色の流出物（黒い固着物）が見られた。したがって、このカーボンプレートを使用した単セルを積層して組み上げた燃料電池を含む燃料電池システムを稼動させた場合は、システム配管内での配管詰まりや、ポンプの故障が燃料電池システムのトラブルを発生させる要因となることが考えられる。この、黒色の流出物の発生を防止するために、単なる洗浄、たとえば流水洗浄、浸水洗浄、洗浄剤による表面洗浄、空気や窒素によるブローなどでは、電気伝導度は確保できるが、不安定成分を除去しきれず、電池として稼動試験を行なった際、上述の黒色流出部の発生は避けられない。一方、レーザなどの高いエネルギーを表面に与えると、表面は安定化する可能性はあるが、逆に表面が乱れ、且つ、電気伝導度も低下する可能性があり、製造コストも高くなる。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて創案なされたものであり、燃料電池の運転による黒色の流出物の発生を阻止するための効果的な対策をとることで、低コストで安定した発電を可能にするセパレータを実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、上述した課題であるところの一見相反する、導電性と表面の安定性を両立させるため、また、簡単で確実な効果を得る手段として、超音波の振動によってエネルギーを与えて表面処理を行なうことが、最も簡単で効果的であることを見出した。
【０００６】
つまり、上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、電解質膜の両面に酸素極と水素極とを接合して構成された膜・電極接合体を挟むように配置され、カーボンを主成分として反応ガスまたは冷却水の供給路を有するセパレータの加工後の前処理方法であって、該前処理方法は前記セパレータを水溶液に浸漬させ、前記水溶液を超音波振動させることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記水溶液は導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水、または前記導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液であることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２において前記超音波振動の周波数は２０〜５０ｋＨｚであり、且つ、有効超音波出力密度は５〜２０ｋＷ／ｍ３であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１乃至３の何れか１項において、前記超音波振動による前処理工程は、有効超音波出力量密度が５〜３０ｋＷｈ／ｍ３であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１乃至４の何れか１項において、前記超音波振動による前処理工程は、前記超音波振動を加える毎に新しい上記水溶液を用い、且つ、３０分間の超音波振動を３回繰り返して行なうことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至２を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第１実施例を示す前処理工程の流れ図である。なお、前処理工程で超音波振動のエネルギーを与える１つの手段として、具体的には水溶液を超音波振動させ、その水溶液を介してエネルギーを与えるものである。この工程で使用する振動槽は１つであり、比較的少量の被振動物へ超音波振動のエヘルギーを与える工程となっている。被振動物のセパレータは、カーボンの粉末を樹脂のバインダーに分散させてモールド成形し、これをプレス加工で所望する形状に成形し、焼成して固結させ、表面に形成された樹脂の皮膜をサンドブラストなどの表面処理によって削りとり、表面にカーボンを露出させて表面の導電率を上げたものである。但し、製造方法については、その他、切削加工、射出成形、エッチング加工、放電加工、超音波加工、彫刻加工などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００１３】
上述した方法で作成されたセパレータに超音波振動のエネルギーを与える前処理工程１は、セパレータを振動槽へセットＳ１し、次いで振動槽へ水溶液の供給Ｓ２を行い振動槽を水溶液で満たす。水溶液としては、導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水、または導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液が用いられる。これは、イオン交換水出口に取り付けられた導電率計の表示が５μＳ／ｃｍ以下であるため、導電率の管理が厳密に行なえること、特殊な溶液でなくコストも高くないことなどを考慮したものである。次に超音波振動の発振周波数が２０〜５０ｋＨｚで、好ましくは２４〜４０ｋＨｚ、有効超音波出力密度（ｋＷ／ｍ３）は、超音波発振器から出力される超音波出力を振動槽の容積で割って、単位容積当たりに相当する超音波出力を表したもので、５〜２０ｋＷ／ｍ３で、好ましくは９〜１６ｋＷ／ｍ３の超音波印加条件で１回目の超音波振動３０が３０分間の印加時間で行なわれる。１回目の超音波振動Ｓ３が終わると新しい水溶液に交換Ｓ４して１回目と同様の超音波印加条件及び印加時間で２回目の超音波振動Ｓ５が行なわれ、さらに水溶液の交換Ｓ６をして１回目および２回目と同様の超音波印加条件および印加時間で３回目の超音波振動Ｓ７が行なわれる。超音波振動を３回に分けて行なうのは、超音波振動が終わる毎に超音波振動によるエネルギーを与えた結果の水溶液を観察することにより、表面の不安定成分が除去されて浮いてこなくなるのを確認するためである。合計３回の超音波振動によるエネルギーで与えられる総有効超音波出力密度は有効超音波出力密度×総超音波印加時間となり、これを有効超音波出力量密度（ｋＷｈ／ｍ３）として表すと、５〜３０ｋＷｈ／ｍ３で、好ましくは９〜２４ｋＷｈ／ｍ３である。その後、振動槽からセパレータが引上げＳ８られて、仕上げ洗浄Ｓ９を経て前処理工程が終わる。仕上げ洗浄にも導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水または導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液が使用される。
【００１４】
図２は、本発明に係る燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第２実施例を示す前処理工程の模式図である。なお、この工程で使用する振動槽は３つであり、比較的多量の被振動物へ超音波振動のエヘルギーを与える工程となっている。被振動物のセパレータは上述した第１実施例の方法で作成されたものである。まず、３つの振動槽１０、１１、１２を用意し、夫夫の振動槽に実施例１で使用したと同様の導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水または導電率が５μＳ／ｃｍ以下の純水とエタノールとの混合液を満たしておく。そして、最初に第１振動槽１０にセパレータを浸漬させて、これも実施例１と同様の超音波印加条件および印加時間で超音波振動を行なう。次に第２振動槽１１、第３振動槽１２で順次超音波振動のエネルギーを与え、最後に第３振動槽１２から引き上げて最後に仕上げ洗浄をおこなって前処理工程を完了する。
【００１５】
超音波振動によってエネルギーを与える有効超音波出力密度は、超音波が弱すぎると、表面のバインダーの樹脂に辛うじて接着されたカーボンが分離されないで残り、強すぎると表面に露出した粗なカーボンが離脱し、樹脂面が多く露出すると表面は安定化する変わりに表面の導電性が低下する。また、超音波振動を印加する時間が短すぎると表面処理が不完全になって表面にカーボンが残存し超音波振動で与えたエネルギー効果が十分得られないことになり、長すぎると印加時間に相当するコストほどには超音波振動によるエネルギー効果が得られないことになる。これは、振動回数についても同様なことがいえる。以上のことを踏まえ、本発明による前処理方法は、超音波発振周波数及び印加時間の条件を変えて実験を繰り返し、その結果を検証し、表面処理効果と作業コストの整合を見極めながら導いた結果に基づいて見出されたものである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池で前処理されたセパレータは、バインダーに弱い結合力で結びついたカーボンが除去されているため、水溶液を介して超音波振動のエネルギーで表面処理したセパレータを使って単セルを作成し、その単セルを積層して組み上げた燃料電池では、反応ガス流路または冷却水流路に高速の気体や液体が流れてもカーボンが離脱することがない、従って、夫夫の流路が閉塞することによる発電反応の低下や、気体及び液体の流れる配管内の汚れや閉塞が原因で起こる運転障害による発電能力の低下や装置のトラブルといった問題も生じることがない。したがって、初期の運転トラブルがなく、運転開始から安定した発電能力が維持できるなどの優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第１実施例を示す前処理工程の流れ図である。
【図２】本発明に係わる燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第２実施例を示す前処理工程の模式図である。
【符号の説明】
１      前処理工程
Ｓ１    セット
Ｓ２    水溶液の供給
Ｓ３    １回目の超音波振動
Ｓ４    水溶液の交換
Ｓ５    ２回目の超音波振動
Ｓ６    水溶液の交換
Ｓ７    ３回目の超音波振動
Ｓ８    引上
Ｓ９    仕上げ洗浄
１０    第１振動槽
１１    第２振動槽
１２    第３振動槽
【図１】
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【図２】
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