(57)【要約】【課題】燃料電池用セパレータの表面において、生成水を速く排出することができる燃料電池用セパレータおよびその表面処理方法を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータ本体１の表面に親水膜２が形成されており、この親水膜２は、酸化珪素を主成分とし、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータ本体の表面に、酸化珪素を主成分とし、水酸基を備えた成分を含有している親水膜が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光を照射することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータの表面処理方法。
【請求項３】
真空紫外光の照射がエキシマランプを用いて行なわれる請求項２記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。
【請求項４】
酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して大気圧プラズマ処理することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータの表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびその表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池には、燃料ガス（水素等）と空気（酸素等）とが混じらないようにするために、セパレータが設けられている。このセパレータは、板状であり、一方の面に燃料ガスの流路となる条溝が形成され、他方の面に空気の流路となる条溝が形成されている。また、上記セパレータの材質は、黒鉛ブロックを加工し不浸透化した不浸透化物、または膨張黒鉛シート積層成形体に液状樹脂を含浸させ硬化させた液状樹脂含浸物等である。
【０００３】
そして、燃料電池の発電過程においては、燃料電池の種類によって、燃料ガスの流路側または空気の流路側に生成水が生成される。そこで、セパレータに要求される機能のひとつに、上記生成水を表面に形成された条溝から速く排出させて燃料ガスまたは空気の流路を確保するという機能がある。このように生成水を速く排出させて燃料ガスや空気の流路を確保すれば、燃料電池の性能を向上させることができるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記材質からなるセパレータでは、生成水をはじき易くなっているため、条溝においては、生成水が水滴になって存在し、生成水の排出が速くなかった。このことが、燃料電池の性能向上の妨げとなっていた。
【０００５】
そこで、親水性を備えた膜として幅広い分野で利用されている酸化珪素薄膜を、上記条溝の表面に形成することが考えられる。この従来公知の酸化珪素薄膜は、ゾルゲル法やスパッタリング法等により製膜される。しかしながら、ゾルゲル法では、高温工程があり、スパッタリング法では、真空（減圧）工程がある等するため、製膜コストが高額になる。しかも、このようにして製膜された酸化珪素薄膜の親水性は、純水との接触角が４０〜５０度程度のものであり、あまり高い親水性を発揮するものではない。この理由は、高温工程等により、親水性を発揮する水酸基を備えた成分が除去されたからであると思われる。したがって、ゾルゲル法等により酸化珪素薄膜を形成しても、条溝における生成水の排出は、あまり速くなるものではない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、燃料電池用セパレータの表面において、生成水を速く排出することができる燃料電池用セパレータおよびその表面処理方法の提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池用セパレータ本体の表面に、酸化珪素を主成分とし、水酸基を備えた成分を含有している親水膜が形成されている燃料電池用セパレータを第１の要旨とし、酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光を照射することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えている燃料電池用セパレータの表面処理方法を第２の要旨とし、上記ゲル膜に対して大気圧プラズマ処理することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程を備えている燃料電池用セパレータの表面処理方法を第３の要旨とする。
【０００８】
本発明者らは、燃料電池用セパレータの表面において生成水の排出を速めるべく、鋭意研究を重ねた。その研究の過程で、上記セパレータの表面を親水化すれば、生成水の排出が速くなることを突き止めた。また、表面の親水化は、酸化珪素を主成分とする薄膜（親水膜）を表面に形成することにより、達成できることも突き止めた。そして、さらに鋭意研究を重ねた。その結果、上記薄膜（親水膜）を形成する際に、酸化珪素を主成分とするゲル膜に対して真空紫外光の照射または大気圧プラズマ処理を行えば、形成された上記薄膜（親水膜）では、親水性を発揮する水酸基を備えた成分が除去されずに残ることを見いだした。これにより、上記薄膜（親水膜）の親水性が飛躍的に向上し、上記セパレータの表面における生成水の排出がさらに速くなった。このようにして、本発明者らは、本発明に到達した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明の燃料電池用セパレータの一実施の形態を示している。この実施の形態では、燃料電池用セパレータは、板状の燃料電池用セパレータ本体１と、このセパレータ本体１の表面に形成された親水膜２とからなっている。この親水膜２は、酸化珪素を主成分とするものであり、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している。また、上記セパレータ本体１は、表裏面にそれぞれ複数（図１では、表面に３本、裏面に４本）の条溝１ａ，１ｂが形成されて凹凸状になっており、これに対応して、上記セパレータも、表裏面にそれぞれ複数（図１では、表面に３本、裏面に４本）の条溝２ａ，１ｂが形成されて凹凸状になっている。そして、そのセパレータにおける条溝２ａ，１ｂが燃料ガスや空気の流路となっている。
【００１１】
より詳しく説明すると、上記セパレータ本体１の材質は、特に限定されるものではなく、上記従来の技術で説明したような通常のセパレータに用いられているものであるが、セパレータに要求される導電性と耐蝕性とを兼ね備えている点で、カーボンが主成分である材質が好ましい。このカーボンが主成分である材質としては、ガラス状カーボンやグラファイト等があげられる。そして、上記セパレータ本体１の製法は、特に限定されないが、通常、成形により作製される。また、セパレータ本体１の表面の条溝１ａ，１ｂの形成は、成形型の転写により形成してもよいし、平板状のセパレータ本体１の基板を成形した後に機械加工により形成してもよい。
【００１２】
上記親水膜２は、ゾルゲル法により製膜された酸化珪素薄膜と異なり、水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有しており、この成分が親水性を発揮する成分であるため、上記ゾルゲル法により製膜された酸化珪素薄膜と比較して、飛躍的に高い親水性を発揮する。すなわち、ゾルゲル法による酸化珪素薄膜と純水との接触角は、上述したように４０〜５０度程度であるが、これに対して、上記親水膜２と純水との接触角は、１０度以下にすることができ、親水膜２の形成条件によっては、限りなく０度に近くすることができる。さらに、上記親水膜２は、その親水性を長期間持続させることができる。そして、上記親水膜２の厚みは、特に限定されないが、１０ｎｍ以上であることが好ましい。１０ｎｍ未満であると、親水性を充分に発揮しないおそれがあるからである。また、上記親水膜２が水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有していることから、その親水膜２に対して赤外線吸収スペクトルを測定すると、各成分に帰属する波数に吸収帯が現れる。例えば、水酸化珪素であれば、波数９４０ｃｍ−１に吸収帯が現れる。
【００１３】
また、上記親水膜２の形成（セパレータの表面処理）は、例えば、つぎのようにして行うことができる。すなわち、まず、酸化珪素薄膜をゾルゲル法により製膜する際に用いるゾル溶液（酸化珪素を主成分とするゾル溶液）をセパレータ本体１の表面に塗布してゲル膜を形成する。ついで、このゲル膜にエキシマランプ等を用いて真空紫外光を照射することにより、上記親水膜２を形成する。
【００１４】
上記親水膜２の形成において、ゾル溶液は、ゾルゲル法により酸化珪素薄膜を製膜することができるゾル溶液であれば、特に限定されるものではなく、テトラエトキシシラン等を酸性触媒下で加水分解し、縮重合させて得られるようなゾル溶液等があげられる。また、ゾル溶液を塗布する方法は、特に限定されるものではなく、ディップ法，スピンコート法，スプレー法等の通常のゾルゲル法で用いられる方法を採用することができる。
【００１５】
また、真空紫外光の照射は、通常、室温（２５℃）下で行なうことができるが、燃料電池用セパレータ本体１が変質せず、ゲル膜が熱で反応を起こさない程度であれば、加熱してもよい。このように、ゲル膜に真空紫外光を照射して上記親水膜２を形成する工程では、ゾルゲル法と異なり、ゲル膜が反応を起こすような熱が加わらないため、ゲル膜に含有される水酸化珪素等の水酸基を備えた成分の少なくとも一部が反応せずに、上記親水膜２に残る。したがって、このようなセパレータの表面処理方法により形成された上記親水膜２は、ゾルゲル法により作製された酸化珪素薄膜の親水性と比較して、飛躍的に高い親水性を発揮する。その結果、上記セパレータの表面に形成された条溝２ａにおいて、生成水の排出が速くなる。また、真空紫外光を照射する時間は、特に限定されないが、親水性を飛躍的に高くするためには、１５秒以上であることが好ましい。
【００１６】
このように、上記実施の形態のセパレータによれば、セパレータの表面に形成された親水膜２が水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有していることにより、その親水膜２が飛躍的に高い親水性を示し、セパレータの表面に形成された条溝２ａにおける生成水の排出を速くすることができるため、燃料ガスまたは空気の流路を大きく確保することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１７】
また、上記実施の形態のセパレータの表面処理方法によれば、上記親水膜２の形成がゲル膜に真空紫外光を照射することにより可能となるため、従来のゾルゲル法やスパッタリング法と異なり、高温工程や真空（減圧）工程がなく、上記親水膜２の形成が簡単かつ安価にできる。特に、真空紫外光の照射をエキシマランプを用いて行えば、その照射作業が簡単かつ安価にできるため、上記親水膜２の形成がより簡単かつ安価にできる。
【００１８】
つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの他の実施の形態について説明する。この実施の形態は、上記親水膜２の形成（セパレータの表面処理）として、上記実施の形態において真空紫外光の照射に代えて大気圧プラズマ処理を行ったものである。すなわち、上記と同様にして形成されたゲル膜に大気圧プラズマ処理することにより、上記親水膜２を形成したものである。
【００１９】
上記大気圧プラズマ処理は、特に限定されるものではなく、例えば、大気圧プラズマ処理装置として、チャンバー内に相対向する電極を設けたものを用いて行うことができる。すなわち、上記電極の間に、上記ゲル膜が形成されたセパレータ本体１を配置するとともに、上記チャンバー内に大気圧プラズマに用いるガスを供給した後、上記電極の間に電圧を印加して大気圧プラズマを発生させる。これにより、プラズマ中の活性種が上記ゲル膜に直接作用し、短時間で上記親水膜２を形成する。
【００２０】
そして、上記大気圧プラズマ処理も、上記真空紫外光の照射と同様に、室温（２５℃）下で行なうことができ、上記親水膜２については、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏する。また、上記大気圧プラズマ処理でも、上記真空紫外光の照射と同様に、高温工程や真空（減圧）工程がなく、上記親水膜２の形成が簡単かつ安価にできる。
【００２１】
また、上記大気圧プラズマ処理において、電極の間に印加する電圧は、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、１〜１０ｋＶの範囲である。また、その電源の周波数も、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、１〜２０ｋＨｚの範囲である。また、大気圧プラズマ処理を行なう時間は、特に限定されないが、親水性を飛躍的に高くするためには、５秒以上であることが好ましい。また、上記大気圧プラズマに用いるガスとしては、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、ヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンおよび窒素からなる不活性ガス群から選ばれる少なくとも一つが用いられる。
【００２２】
なお、上記各実施の形態では、図１に示すように、親水膜２をセパレータ本体１の表面全体に形成しているが、セパレータ本体１の表面に形成された条溝１ａの表面（条溝１ａの底面および両側面）にのみ親水膜２を形成してもよい。また、親水膜２をセパレータ本体１の表面にのみ形成したが、セパレータ本体１の裏面にも同様にして親水膜２を形成してもよい。
【００２３】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００２４】
【実施例１】
上記一実施の形態と同様にして、酸化珪素を主成分とし、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している親水膜２を形成した。すなわち、まず、ガラス状カーボン基板（東海カーボン社製、ＧＬ１００）からなる燃料電池用セパレータ本体１の表面に、酸化珪素薄膜をゾルゲル法により製膜する際に用いるゾル溶液（高純度化学研究所製、ＭＯＤコード剤Ｓｉ−０５Ｓ）をスピンコート法により塗布してゲル膜を形成した。ついで、このゲル膜にＡｒエキシマ光（波長：１２６ｎｍ）を１０分間照射することにより、厚み１３０ｎｍの親水膜２を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【００２５】
【実施例２】
ゲル膜に照射する真空紫外光をＸｅエキシマ光（波長：１７２ｎｍ）とした。それ以外は、上記実施例１と同様にして、厚み１３０ｎｍの親水膜２を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【００２６】
【実施例３】
上記他の実施の形態と同様にして、酸化珪素を主成分とし、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している親水膜２を形成した。すなわち、上記実施例１において、ゲル膜にＡｒエキシマ光を照射するのに代えて、大気圧プラズマ処理を１分間行なった。大気圧プラズマに用いるガスとして、アルゴンを用いた。そして、電源として、周波数が５ｋＨｚの交流電源を用い、電極の間に３ｋＶの電圧を印加した。これにより、上記実施例１と同様の厚み１３０ｎｍの親水膜２を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【００２７】
【比較例１】
上記実施例１〜３と同様のガラス状カーボン基板からなる燃料電池用セパレータを準備した。その表面に親水膜２は形成しなかった。
【００２８】
そして、上記各燃料電池用セパレータの表面に、スポイトで純水を１滴垂らし、接触角測定機（エルマ社製、Ｇ−１−１０００型）を用いて純水との接触角を測定した。上記実施例１〜３の燃料電池用セパレータに対する測定は、親水膜２の形成直後およびその形成から室温（２５℃）下で３０日間保管した後の２回行なった。
【００２９】
その結果、実施例１〜３については、どちらも、親水膜２の形成直後の接触角が０度（濡れ広がり状態）、３０日後の接触角も０度（濡れ広がり状態）であったのに対し、比較例１については、１１０度であった。
【００３０】
上記結果から、実施例１，２のように、ゲル膜にエキシマ光を照射して親水膜２を形成したり、実施例３のように、ゲル膜に大気圧プラズマ処理して親水膜２を形成したりすれば、純水との接触角が飛躍的に小さくなって親水性が飛躍的に向上するとともに、その親水性が長期間持続することがわかる。
【００３１】
【実施例４】
親水膜２の赤外線吸収スペクトルを測定し易くするために、ステンレス板の表面に金をスパッタリングした基板に、上記実施例１と同様にして、親水膜２を形成した。ガラス状カーボン基板では、良好な赤外線吸収スペクトルの測定を行なうことができないからである。そして、その親水膜２の赤外線吸収スペクトルを測定した結果を図２に示した。
【００３２】
図２では、ゾルゲル法により製膜した通常の酸化珪素薄膜には見られない水酸化珪素に帰属する波数９４０ｃｍ−１に吸収帯が現れている。この結果から、実施例４のように、ゲル膜にエキシマ光を照射して形成した親水膜２には、親水性を発揮する水酸化珪素が残っていることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池用セパレータによれば、燃料電池用セパレータ本体の表面に、酸化珪素を主成分とし、水酸基を備えた成分を含有している親水膜が形成されているため、その親水膜が飛躍的に高い親水性を示し、上記燃料電池用セパレータの表面において、生成水の排出を速くすることができる。その結果、燃料ガスや空気の流路を大きく確保することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法によれば、酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光の照射または大気圧プラズマ処理を行なうことにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えているため、燃料電池用セパレータを、表面における生成水の排出が速いものとすることができる。その結果、燃料ガスや空気の流路を大きく確保することができるようになり、燃料電池の性能を向上させることができる。さらに、ゲル膜に真空紫外光を照射するという簡単な工程により親水膜を形成することができるため、安価に親水膜を形成することができる。
【００３５】
そして、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法において、真空紫外光の照射がエキシマランプを用いて行なわれる場合には、その照射作業が簡単かつ安価に行なうことができるため、より簡単かつ安価に上記親水膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータの表面処理法により形成した親水膜の赤外線吸収スペクトルを示すグラフ図である。
【符号の説明】
１　セパレータ本体
２　親水膜
【図１】
2004103271.tif 000003
【図２】
2004103271.tif 000004