(57)【要約】【課題】高分子電解質型燃料電池用セパレータの製造に好適に用いることができる親水性多孔質炭素材、親水性多孔質炭素材の製造方法、及び、これを用いた固体高分子型燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】多孔質炭素材が酸化処理されてなる親水性多孔質炭素材であって、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質炭素材が酸化処理されてなる親水性多孔質炭素材であって、
１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、前記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材。
【請求項２】
酸化処理は、（Ａ）硝酸、オゾンを溶解したアルカリ溶液、重クロム酸塩の硫酸溶液、重クロム酸塩の燐酸溶液、ヨウ素酸カリウムの燐酸溶液、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液（Ｈｕｍｍｅｒ試薬）若しくはフッ酸による湿式酸化、（Ｂ）酸素プラズマ処理、電解プラズマ処理、フッ素プラズマ処理、（Ｃ）電解酸化、又は、（Ｄ）空気酸化である請求項１記載の親水性多孔質炭素材。
【請求項３】
多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質が形成されてなる親水性多孔質炭素材であって、
１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、前記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材。
【請求項４】
親水性物質は、ポリビニルアルコール、イオン交換樹脂、又は、水ガラスのゲル状固化物である請求項３記載の親水性多孔質炭素材。
【請求項５】
多孔質炭素材の表面にゲル状の親水性物質が形成されてなる請求項３記載の親水性多孔質炭素材を製造する方法であって、
ジビニルベンゼン及び酢酸ビニルを前記多孔質炭素材に含浸する工程、
前記多孔質炭素材中に含浸させた状態で前記ジビニルベンゼンと前記酢酸ビニルとを共重合させて前記多孔質炭素材の表面に共重合体を形成する工程、及び、
前記共重合体を鹸化する工程を有する
ことを特徴とする親水性多孔質炭素材の製造方法。
【請求項６】
黒鉛粉末又は炭素粉末及び親水性物質を含有する混合物を一軸成形又はＣＩＰ成形して得られる親水性多孔質炭素材であって、
１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、前記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材。
【請求項７】
請求項１、２、３、４又は６記載の親水性多孔質炭素材を用いてなる高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池用セパレータに好適に用いることができる親水性多孔質炭素材、親水性多孔質炭素材の製造方法、及び、これを用いた高分子電解質型燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電解質としてプロトン導電性の固体高分子膜を用いた高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣともいう）の開発が進められている。ＰＥＦＣは、電解質が固体であることから、電解質の飛散がなく、振動に強く、騒音が少ない点、燃料極、空気極の差圧運転や加圧運転が容易である点において優れている。また、ＰＥＦＣは、８０〜１００℃程度と燃料電池のなかではかなり低い温度で作動することから、起動時間が短い点、樹脂等の低廉な材料を使用することにより燃料電池の実用化の障壁となるコストの問題を解決しやすい点においても優れており、低温で作動するにも関わらず高出力密度が得られる。
【０００３】
このようなＰＥＦＣの基本的な構造及び作動原理は以下の通りである。
図１は、ＰＥＦＣを構成する単セルの構造を模式的に示した分解斜視図である。図１に示した通り、ＰＥＦＣの単セル１０では、固体高分子電解質膜１１を介し、その両側に空気極１２（正極）と燃料極１３（負極）とが対向するように接合されており、空気極１２と燃料極１３の外側には、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０がそれぞれ当接されている。空気極１２及び燃料極１３は、触媒層と多孔質支持層の２層からなり、触媒層からなる面で固体高分子電解質膜１１と接し、多孔質支持層からなる面でＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０と接する。
なお、空気極１２と燃料極１３との間には、外部負荷回路が接続されて電力が取り出されるが、このようなＰＥＦＣの単セル１０から得られる電位差（電圧）は小さいため、実際に使用する場合は、ＰＥＦＣの単セル１０を複数積層してスタックを形成し、大きな電位差（電圧）が得られるようにする。
【０００４】
このようなＰＥＦＣにおいて、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０は、ＰＥＦＣの燃料となる水素を燃料極１３に、酸素を空気極１２にそれぞれ供給する流路としての役割、及び、セルの強度を維持する役割を有している。
このため、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０には、燃料ガスを供給、排出するための燃料ガス孔２３、３３、及び、空気を供給、排出するための空気孔２４、３４が全てのセルを貫通するように設けられ、燃料極１３と接する側の面に、燃料ガス孔２３、３３と繋がる燃料ガス溝２１、３１が設けられ、空気極１２と接する側の面に、空気孔２４、３４と繋がる空気溝２２、３２が設けられる。
ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０では、水素又は水素を生成しやすい物質からなる燃料ガス及び空気（酸素）が、燃料ガス孔２３、３３及び空気孔２４、３４を通じて各セルの燃料ガス溝２１、３１及び空気溝２２、３２に連続的に供給され、使用後の燃料ガス及び空気が、各セルの燃料ガス溝２１、３１及び空気溝２２、３２から、燃料ガス孔２３、３３及び空気孔２４、３４を通じて連続的に排出される。
このようなＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０では、両面に設けられた溝に供給される燃料ガスと空気とが混入しないように高い気密性が必要とされ、通常、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０は、気密性の高いカーボン系材料又は金属系材料から構成される。
【０００５】
ＰＥＦＣでは、燃料極１３に燃料ガスを供給し、空気極１２に空気を供給すると、燃料極１３においては、下記反応式（１）に示す反応が起こり、空気極１２においては、下記反応式（２）に示す反応が起こる。
その結果、ＰＥＦＣ全体では、下記反応式（３）に示す反応が起こることとなる。
【０００６】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−・・・（１）
【０００７】
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００８】
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ・・・（３）
【０００９】
このように、ＰＥＦＣでは、燃料極１３において反応式（１）で表される反応により電子（４ｅ−）が生成し、この電子が外部負荷回路を経由して空気極１２に移動する際に、外部負荷回路において行う仕事が電力として取り出される。
また同時に、ＰＥＦＣでは、燃料極１３において反応式（１）で表される反応により水素イオン（４Ｈ＋）が生成し、この水素イオンが固体高分子電解質膜１１を経由して空気極１２に移動し、酸素と反応する。その結果、ＰＥＦＣでは、上記反応式（２）及び（３）に示したように、発電に伴って水素と酸素とが反応して、空気極１２において水が生成することとなる。
【００１０】
ここで、固体高分子電解質膜１１内における水素イオンの移動を円滑に進めるためには、固体高分子電解質膜１１及び燃料極１３が充分な水分を保持していることが重要であり、通常は、燃料ガスを湿らせて、固体高分子電解質膜１１に水分を供給している。しかしながら、システムの簡素化やエネルギー効率の観点から、ＰＥＦＣの運転を加湿装置等なしで行いたいという要求が高まってきていた。また、ＰＥＦＣの高出力化につれ、水素イオンの移動に伴う燃料極１３側からの水の持ち去り（電気浸透現象）が起こり、特に燃料極１３側の固体高分子電解質膜１１内が乾燥し、電気抵抗が増大する結果、ＰＥＦＣの出力密度が低下することになるという問題があった。
【００１１】
これに対して、空気極１２において生成した水分を、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０を介して、できるだけセル外に放出することなく、隣接するセルに供給される燃料ガスの加湿に使用することが検討されている。
しかしながら、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０には、水分を透過させる機能以外にも、上述したように、両面に設けられた溝に供給される燃料ガスと空気とが混入しないような高い気密性が必要とされており、相反する機能が要求されていた。
【００１２】
そこで、ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０を多孔質材により構成することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。多孔質材により構成されたＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０では、空気極１２において生成した水が多孔質材中を満たすことにより、隣接するセルに対して供給される燃料ガスを加湿できるとともに、両面に設けられた溝に供給される燃料ガスと空気とが透過して混入することを防止する。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−２３１７９３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常ＰＥＦＣ用セパレータ２０、３０を構成するカーボン系材料は、親水性が充分でなかったため、多孔質にしても水分が浸透しにくく、空気極から燃料極への水分の移動がスムーズに行われないという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑み、高分子電解質型燃料電池用セパレータの製造に好適に用いることができる親水性多孔質炭素材、親水性多孔質炭素材の製造方法、及び、これを用いた固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第一の本発明は、多孔質炭素材が酸化処理されてなる親水性多孔質炭素材であって、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材である。
【００１７】
第二の本発明は、多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質が形成されてなる親水性多孔質炭素材であって、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材である。
【００１８】
第三の本発明は、黒鉛粉末又は炭素粉末及び親水性物質を含有する混合物を一軸成形又はＣＩＰ成形して得られる親水性多孔質炭素材であって、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする親水性多孔質炭素材である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、第一の本発明の親水性多孔質炭素材について説明する。
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、多孔質炭素材が酸化処理されてなる親水性多孔質炭素材であって、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする。
【００２０】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透する。なお、純水がすべて浸透したことは、純水の液滴界面が板状試験片の表面上で目視により確認できなくなることにより判定される。また、５分経過した際に、吸水性の紙片を試験片の表面と軽く接触させ、上記紙片に水が付着しないことにより判定してもよい。
【００２１】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、上記水浸透性評価試験において純水０．０２ｍｌを５分以内にすべて浸透させることができる水浸透性を有するので、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿することができるとともに、水分を充分に保持して、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入しないように遮蔽することができる。
【００２２】
上記水浸透性評価試験に用いる板状試験片は、厚さ５ｍｍとする。５ｍｍ未満であると、板状試験片の全細孔容積が純水０．０２ｍｌの体積よりも小さいことがあるからである。また、５ｍｍを超えると、板状試験片の気孔の量が増え、測定値に影響を与える。なお、板状試験片の形状、及び、純水が滴下される面の面積としては板状試験片の全細孔容積が純水０．０２ｍｌの体積よりも大きくなる範囲であれば特に限定されない。
【００２３】
上記水浸透性評価試験では、前処理として、上記板状試験片を１２０℃で１時間乾燥する。上記前処理は、評価試験の再現性を高めるために、純水を滴下する前の板状試験片中から予め水分を取り除いておくことを目的とするものである。
【００２４】
上記水浸透性評価試験において上記板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する方法としては、純水を液滴の状態にして滴下することができれば特に限定されず、例えば、マイクロシリンジを用いる方法等が挙げられる。
【００２５】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率の好ましい下限は、１０％であり、好ましい上限は３０％である。１０％未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３０％を超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たさなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
なお、本明細書において、開気孔率とは、多孔質体の見かけ上の容積に対する、多孔質体の外部に通じた空孔の容積の総和の割合を意味する。
【００２６】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材における水銀圧入法による平均細孔半径の好ましい下限は、０．５μｍであり、好ましい上限は２μｍである。０．５μｍ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。２μｍを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００２７】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材における通気率の好ましい下限は、０．２ｃｍ２／ｓであり、好ましい上限は３ｃｍ２／ｓである。０．２ｃｍ２／ｓ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３ｃｍ２／ｓを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
なお、通気率は、透過ガスの容積（ｃｍ３・ａｔｍ）×試料の厚さ（ｃｍ）／（試料の面積（ｃｍ２）×透過ガスの圧力差（ａｔｍ）×時間（秒））により求められる。
【００２８】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、多孔質炭素材が酸化処理されてなるものである。
上記多孔質炭素材が酸化処理されることにより、多孔質炭素材中のＣＨ３基等からなる末端部分が酸化され、ＣＯＯＨ基やＣＨ２ＯＨ基等の親水性の官能基が形成されるので、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び気孔表面が親水性となる。
【００２９】
上記多孔質炭素材としては特に限定されないが、黒鉛からなることが好ましく、等方性黒鉛からなることがより好ましい。
上記多孔質炭素材を製造する方法としては特に限定されず、例えば、炭素粉末、バインダー樹脂を混合した混合物を成形し、得られた成形体を焼成、黒鉛化処理する方法や、黒鉛粉末、バインダー樹脂等を混合した混合物を成形する方法等が挙げられる。
【００３０】
上記炭素粉末及び黒鉛粉末の平均粒子直径の好ましい下限は、１５μｍであり、好ましい上限は５０μｍである。１５μｍ未満であると、第一の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率が小さくなり過ぎることがあり、５０μｍを超えると、第一の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率が大きくなり過ぎることがある。
【００３１】
上記バインダー樹脂としては特に限定されず、例えば、フェノール樹脂、フルフリルアルコール、ポリビニルアルコール、フラン樹脂等が挙げられる。
【００３２】
上記多孔質炭素材の酸化処理は、上記多孔質炭素材の材料、黒鉛化度、細孔分布等に応じて、所望の水浸透性が得られる方法及び条件にて行われる。
上記酸化処理としては、上記多孔質炭素材に親水性の官能基を形成することができるものであれば特に限定されないが、例えば、湿式酸化、プラズマ処理、電解酸化、空気酸化等が好ましい。
【００３３】
上記湿式酸化としては特に限定されないが、例えば、硝酸、オゾンを溶解したアルカリ溶液、重クロム酸塩の硫酸溶液、重クロム酸塩の燐酸溶液、ヨウ素酸カリウムの燐酸溶液、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液（Ｈｕｍｍｅｒ試薬）、フッ酸等の酸化剤溶液中に多孔質炭素材を浸漬して加熱する方法等が好適に用いられる。
【００３４】
上記プラズマ処理としては特に限定されないが、例えば、酸素プラズマ処理、電解プラズマ処理、フッ素プラズマ処理等が好適に用いられる。
上記プラズマ処理は、例えば、真空ポンプにより内部を減圧することができる反応容器内に高周波発生電源と接続されている２枚の対向する電極板を設置したプラズマ発生装置を用い、反応容器内に酸素又はフッ素等のガスを流通させながら反応容器内を１０００Ｐａ以下の圧力に調整して、高周波電力を印加することにより、低温プラズマを発生させ、低温プラズマを多孔質炭素材に接触させることにより行う。
低温プラズマを発生させる際に印加される高周波電力の電力量の好ましい下限は２００Ｗ、好ましい上限は１０００Ｗである。
低温プラズマを発生させる際に印加される高周波電力の周波数の好ましい下限は１０ｋＨｚ、好ましい上限は１０００ＭＨｚである。
低温プラズマを発生させる際に印加される高周波電力の印加時間の好ましい下限は１分間、好ましい上限は２０分間である。
【００３５】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、本来疎水性である多孔質炭素材を酸化処理することにより親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
第一の本発明の親水性多孔質炭素材の用途としては、例えば、ＰＥＦＣ用セパレータ、水や水溶液を吐出するノズル等の構成材料が挙げられる。なかでも、ＰＥＦＣ用セパレータの構成材料として好適に用いることができる。
【００３６】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、親水性の構成材料からなるので、セパレータ内における水分の移動が容易である。そのため、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータでは、空気極において生成した水分のうち、排気ガスとともにセル外へ放出される割合を減らし、隣接するセルの燃料極へ供給する割合を増大させることができるので、ＰＥＦＣを大出力で運転した際にも、固体高分子電解質膜が乾燥して電気抵抗が増大したりせず、ＰＥＦＣの出力低下を抑えることができる。また、セパレータ内の細孔容積を小さくしてもセパレータ内における水分の移動を円滑に行うことが可能となるので、ガスの圧力により破損しない高強度のＰＥＦＣ用セパレータとすることができる。
このような第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなる高分子電解質型燃料電池用セパレータもまた本発明の１つである。
【００３７】
次に、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの構造について、図２及び図３を参照しながら説明する。
図２（ａ）は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの一例を模式的に示した断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に模式的に示したＰＥＦＣ用セパレータの一例を上からみた平面図である。
【００３８】
図２に示したように、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０は、板状であり、外周部に、燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス孔４３及び空気を供給及び排出するための空気孔４４が設けられており、燃料極と接する側の面の中央部に、燃料ガス孔４３と繋がる燃料ガス溝４１が設けられており、空気極と接する側の面の中央部に、空気孔４４と繋がる空気溝４２が設けられている。
【００３９】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の外周部は、気密性の高い材料により構成され、燃料ガス孔４３及び空気孔４４が設けられている。
上記気密性の高い材料としては特に限定されず、例えば、カーボン系材料、金属系材料等が挙げられる。なかでも、第一の本発明の親水性多孔質炭素材又は多孔質炭素材の細孔をフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂により目埋めしたものであることが好ましい。これにより、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の外周部と中央部とを一体的に作製することができるので、これらを別個に作製して貼り合わせるといった作業を行う必要がなくなり、工程を簡素化することができる。
【００４０】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の中央部は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材により構成され、燃料極と接する側の面に、燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス孔４３と繋がる燃料ガス溝４１が設けられ、空気極と接する側の面に、空気を供給及び排出するための空気孔４４と繋がる空気溝４２が設けられている。
【００４１】
燃料ガス溝４１は、ＰＥＦＣ用セパレータ４０が燃料ガス溝４１を有する面で燃料極に当接された際に、燃料ガスの流路となる空洞を確保するために設けられる。これにより、燃料ガス溝４１を通じて、燃料極に燃料ガスを供給し、使用後の排気ガスを排出することができる。
【００４２】
燃料ガス溝４１の数としては特に限定されないが、複数設けられることが好ましい。燃料極と燃料ガスとの接触面積を充分に確保しつつ、ＰＥＦＣ用セパレータ４０の強度を、単セルを複数積層したスタック構造としても変形や破損を生じないものとするためである。
また、燃料ガス溝４１が複数設けられる場合には、燃料ガス溝４１は、互いに平行に設けられることが好ましい。燃料極に燃料ガスを均一に供給しつつ、ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するためである。
【００４３】
燃料ガス溝４１の断面形状としては特に限定されず、例えば、凹形等が挙げられる。
燃料ガス溝４１の幅としては特に限定されず、燃料ガス溝４１の数、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣの出力密度等に応じて決定される。
燃料ガス溝４１の深さとしては特に限定されないが、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の厚さの半分以下であることが好ましい。ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するためである。
【００４４】
空気溝４２は、ＰＥＦＣ用セパレータ４０が空気溝４２を有する面で空気極に当接された際に、空気の流路となる空洞を確保するために設けられる。これにより、空気溝４２を通じて、空気極に空気を供給し、使用後の排気ガスを排出することができる。
【００４５】
空気溝４２の数としては特に限定されないが、複数設けられることが好ましい。空気極と空気との接触面積を充分に確保しつつ、ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するためである。
また、空気溝４２が複数設けられる場合には、空気溝４２は、互いに平行に設けられることが好ましい。空気極に空気を均一に供給しつつ、ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するためである。なかでも、空気溝４２と燃料ガス溝４１とが、ＰＥＦＣ用セパレータ４０の上下面で互いに直交する方向に設けられることが好ましい。ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するうえで効果的であるとともに、単セルを複数積層したスタック構造とする際に、燃料ガス孔４３及び空気孔４４に接続されるパイプを配設しやすくなるからである。
【００４６】
空気溝４２の断面形状としては特に限定されず、例えば、凹形等が挙げられる。空気溝４２の幅としては特に限定されず、空気溝４２の数、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣの出力密度等に応じて決定される。
空気溝４２の深さとしては特に限定されないが、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の厚さの半分以下であることが好ましい。ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保するためである。
【００４７】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の厚さとしては特に限定されないが、単セルを薄型化及び軽量化するために、ＰＥＦＣ用セパレータ４０に必要とされる強度を確保することができる範囲で薄いことが好ましい。
第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０の大きさとしては、単セルの大きさに合わせた大きさであることが好ましく、通常、燃料極及び空気極と同一の大きさにする。
なお、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータ４０は、通常、中央部に設けられた燃料ガス溝４１又は空気溝４２を仕切る凸部、及び、外周部を均一の厚さにし、これらにより燃料極及び空気極と当接し接着することが好ましいが、燃料極及び空気極や固体高分子電解質膜を小さくする場合には、外周部の厚さを中央部の厚さよりも厚くしてもよい。
【００４８】
図３（ａ）は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの別の一例を模式的に示した分解斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に模式的に示したＰＥＦＣ用セパレータの別の一例を上からみた平面図である。
図３に示したように、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、燃料ガス溝５１と空気溝５２とをそれぞれ外側に向けて、第一の板状部材４９と、第二の板状部材５０とが隙間なく貼り合わせられた構造からなるものであってもよい。
【００４９】
第一の板状部材４９は、外周部に、燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス孔５３、空気を供給及び排出するための空気孔５５、及び、冷却水を供給及び排出するための冷却水孔５８が設けられており、燃料極と接する側の面の中央部に、燃料ガス孔５３と繋がる燃料ガス溝５１が設けられている。
第二の板状部材５０は、外周部に、燃料ガス孔５４、空気孔５６、及び、冷却水孔５９が設けられており、空気極と接する側の面の中央部に、空気孔５６と繋がる空気溝５２が設けられている。
更に、第一の板状部材４９及び／又は第二の板状部材５０は、貼り合わせ面の中央部に、冷却水孔５８、５９と繋がる冷却水を循環させるための冷却水溝５７が設けられている。上記冷却水溝５７の形状としては特に限定されないが、ＰＥＦＣ用セパレータに必要とされる強度を確保することができる範囲で、貼り合わせ面の中央部全体に均一に形成されることが好ましい。
なお、上記貼り合わせ構造からなるＰＥＦＣ用セパレータは、その内部に冷却水を循環させるための冷却水溝５７を設けたこと以外は、一方の面に燃料ガス溝を有し、他方の面に空気溝を有する上述の一体型のＰＥＦＣ用セパレータと同様である。
【００５０】
このような貼り合わせ構造からなるＰＥＦＣ用セパレータを用いたＰＥＦＣでは、ＰＥＦＣ用セパレータの内部の空隙に冷却水を循環させることができるので、ＰＥＦＣ用セパレータを確実かつ大量に吸湿させて、燃料ガス及び空気の加湿を効果的に行うことができ、ＰＥＦＣの放熱能力も向上させることができる。
【００５１】
また、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、第一の板状部材４９及び／又は第二の板状部材５０の貼り合わせ面の中央部に冷却水溝５７を設ける代りに、第一の板状部材４９と第二の板状部材５０との間に冷却用部材を介在させ、冷却用部材の中央部に冷却水溝を設ける構成としてもよい。
この場合、上記冷却用部材は、外周部に、燃料ガス孔、空気孔、及び、冷却水孔が設けられ、中央部に、冷却水孔と繋がる冷却水を循環させるための冷却水溝が設けられる。
【００５２】
次に、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの製造方法について説明する。
（１）上述した多孔質炭素材の製造方法により、所望のＰＥＦＣ用セパレータの形状、又は、所望のＰＥＦＣ用セパレータの中央部の形状にした多孔質炭素材を作製する。上記多孔質炭素材の形状は、多孔質炭素材を成形する際の成形型の形状を調整し、必要に応じて、更に切削加工、穴あけ加工、レーザー加工等を行うことにより調整することができる。また、貼り合わせ構造からなる第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータを作製する場合には、構成部材となる複数の多孔質炭素材を作製した後、貼り合わせる。
（２）得られた多孔質炭素材に上述した酸化処理を施す。
（３）酸化処理後の多孔質炭素材の外周部のみに樹脂を含浸して硬化させる。あるいは、ＰＥＦＣ用セパレータの中央部のみを多孔質炭素材により作製した場合には、樹脂板又は金属板等を接着剤等により貼り合わせて外周部を形成する。
以上、（１）〜（３）の工程により、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータを製造することができる。
【００５３】
次に、第二の本発明の親水性多孔質炭素材について説明する。
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質が形成されてなる親水性多孔質炭素材であって、厚さ５ｍｍの板状試験片にして、１２０℃で１時間乾燥した後に、上記板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験において、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする。
【００５４】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透する。上記水浸透性評価試験の方法としては、第一の本発明の親水性多孔質炭素材における水浸透性評価試験の方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００５５】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、上記水浸透性評価試験において純水０．０２ｍｌを５分以内にすべて浸透させることができる水浸透性を有するので、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿することができるとともに、水分を充分に保持して、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入しないように遮蔽することができる。
【００５６】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率の好ましい下限は、１０％であり、好ましい上限は３０％である。１０％未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３０％を超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００５７】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材における水銀圧入法による平均細孔半径の好ましい下限は、０．５μｍであり、好ましい上限は２μｍである。０．５μｍ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。２μｍを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００５８】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材における通気率の好ましい下限は、０．２ｃｍ２／ｓであり、好ましい上限は３ｃｍ２／ｓである。０．２ｃｍ２／ｓ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３ｃｍ２／ｓを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００５９】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質が形成されてなるものである。
上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質が形成されることにより、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び気孔内部が親水性となる。
【００６０】
上記多孔質炭素材としては特に限定されないが、黒鉛からなることが好ましく、等方性黒鉛からなることがより好ましい。
上記多孔質炭素材を製造する方法としては特に限定されず、例えば、第一の本発明の親水性多孔質炭素材に用いられる多孔質炭素材と同様にして製造することが好ましい。
【００６１】
上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に形成される親水性物質としては特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール、イオン交換樹脂、水ガラスのゲル状固化物等が好ましく、多孔質炭素材内から溶出することを防止するため、ゲル状であることが好ましい。
上記ポリビニルアルコールは、水に溶解して多孔質炭素材内から溶出することを防止するため、鹸化度の高いものであることが好ましい。
上記イオン交換樹脂は、三次元網目構造の樹脂に共有結合でイオン交換基が保持されたものである。上記イオン交換基としては特に限定されないが、例えば、強酸性基である−ＳＯ３Ｈ、強塩基性基である−ＣＨ２Ｎ＋（ＣＨ３）２（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）等が好適に用いられる。
上記水ガラスのゲル状固化物は、水ガラス（Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２（ｎ＝２〜４））に酸を添加するか、水ガラスから水分を散逸させることにより得られる。
【００６２】
上記親水性物質は、上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に、所望の水透過性が得られる方法及び条件にて形成される。
上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質を形成する方法としては特に限定されず、例えば、親水性物質の溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、溶媒を取り除く方法、親水性物質の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、重合して上記多孔質炭素材内部で上記親水性物質を形成する方法、親水性物質の中間体の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、重合して上記多孔質炭素材内部で上記親水性物質の中間体を形成し、更に上記親水性物質の中間体を上記親水性物質に変換する方法、液状の親水性物質を多孔質炭素材に含浸させた後、固化させる方法等が挙げられる。
【００６３】
まず、親水性物質の溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、溶媒を取り除く方法について説明する。
上記親水性物質の溶液としては上記親水性物質を溶解したものであれば特に限定されないが、上記多孔質炭素材の深部まで含浸できるよう、低い粘度の液体であることが好ましい。
上記親水性物質の溶液を多孔質炭素材に含浸させる方法としては特に限定されず、例えば、注入、浸漬等が挙げられる。
上記溶媒を取り除く方法としは特に限定されず、例えば、加熱等が挙げられる。
【００６４】
次に、親水性物質の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、重合して上記多孔質炭素材内部で上記親水性物質を形成する方法について説明する。
上記親水性物質の単量体又はその溶液としては特に限定されないが、上記多孔質炭素材の深部まで含浸できるよう、低い粘度の液体であることが好ましい。
上記親水性物質の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させる方法としては特に限定されず、例えば、注入、浸漬等が挙げられる。上記親水性物質が２以上の単量体を重合してなる共重合体である場合には、２以上の単量体の混合物又はその溶液を含浸させてもよく、それぞれの単量体又はその溶液を順に含浸させてもよい。
上記重合を行う方法としては特に限定されず、例えば、加熱等が挙げられる。
【００６５】
次に、親水性物質の中間体の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させた後、重合して上記多孔質炭素材内部で上記親水性物質の中間体を形成し、更に上記親水性物質の中間体を上記親水性物質に変換する方法について説明する。
上記親水性物質の中間体の単量体又はその溶液としては特に限定されないが、例えば、酢酸ビニルと、ジビニルベンゼン等のビニル基を複数持つ化合物とを含有するメタノール溶液等が好適に用いられる。また、上記親水性物質の中間体の単量体又はその溶液としては、上記多孔質炭素材の深部まで含浸できるよう、低い粘度の液体であることが好ましい。
上記親水性物質の中間体の単量体又はその溶液を多孔質炭素材に含浸させる方法としては特に限定されず、例えば、注入、浸漬等が挙げられる。上記親水性物質の中間体が２以上の単量体を重合してなる共重合体である場合には、２以上の単量体の混合物又はその溶液を含浸させてもよく、それぞれの単量体又はその溶液を順に含浸させてもよい。
上記重合を行う方法としては特に限定されず、例えば、加熱等が挙げられる。
上記親水性物質の中間体を上記親水性物質に変換する方法としては特に限定されず、例えば、鹸化等の極性基の導入反応等が挙げられる。
【００６６】
次に、液状の親水性物質を多孔質炭素材に含浸させた後、固化させる方法について説明する。
上記液状の親水性物質としては特に限定されないが、水ガラス等が好適に用いられる。
上記液状の親水性物質を多孔質炭素材に含浸させる方法としては特に限定されず、例えば、注入、浸漬等が挙げられる。
上記液状の親水性物質を固化させる方法としては特に限定されないが、例えば、上記液状の親水性物質として水ガラスを用いた場合には、酸を添加する方法、水ガラスから水分を散逸させる方法等が挙げられる。
【００６７】
上述の方法のなかでも、ジビニルベンゼン及び酢酸ビニルを上記多孔質炭素材に含浸する工程、上記多孔質炭素材中に含浸させた状態で上記ジビニルベンゼンと上記酢酸ビニルとを共重合させて上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に共重合体を形成する工程、及び、上記共重合体を鹸化する工程を有する親水性多孔質炭素材の製造方法は、多孔質炭素材内からの溶出を防止したゲル状の親水性物質を多孔質炭素材の表面及び気孔内部に簡便な方法により形成することができるので好適に用いられる。
このような、多孔質炭素材の表面及び気孔内部にゲル状の親水性物質が形成されてなる第二の本発明の親水性多孔質炭素材を製造する方法であって、ジビニルベンゼン及び酢酸ビニルを上記多孔質炭素材に含浸する工程、上記多孔質炭素材中に含浸させた状態で上記ジビニルベンゼンと上記酢酸ビニルとを共重合させて上記多孔質炭素材の表面及び気孔内部に共重合体を形成する工程、及び、上記共重合体を鹸化する工程を有する親水性多孔質炭素材の製造方法もまた本発明の１つである。
【００６８】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び内部に親水性物質を形成することにより親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
第二の本発明の親水性多孔質炭素材の用途としては、例えば、ＰＥＦＣ用セパレータ、水や水溶液を吐出するノズル等の構成材料が挙げられる。なかでも、ＰＥＦＣ用セパレータの構成材料として好適に用いることができる。
【００６９】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、親水性の構成材料からなるので、セパレータ内における水分の移動が容易である。そのため、第二の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータでは、空気極において生成した水分のうち、排気ガスとともにセル外へ放出される割合を減らし、隣接するセルの燃料極へ供給する割合を増大させることができるので、ＰＥＦＣを大出力で運転した際にも、固体高分子電解質膜が乾燥して電気抵抗が増大したりせず、ＰＥＦＣの出力低下を抑えることができる。また、セパレータ内の細孔容積を小さくしてもセパレータ内における水分の移動を円滑に行うことが可能となるので、ガスの圧力により破損しない高強度のＰＥＦＣ用セパレータとすることができる。
このような第二の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなる高分子電解質型燃料電池用セパレータもまた本発明の１つである。
【００７０】
第二の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、その構成材料として、第一の本発明の親水性多孔質炭素材の代りに、第二の本発明の親水性多孔質炭素材を用いていること以外は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータと同様であり、同様の構造からなり、同様の製造方法により製造できるものであるので、その説明を省略する。
【００７１】
次に、第三の本発明の親水性多孔質炭素材について説明する。
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、黒鉛粉末又は炭素粉末及び親水性物質を含有する混合物を一軸成形又はＣＩＰ成形して得られる親水性多孔質炭素材であって、厚さ５ｍｍの板状試験片にして、１２０℃で１時間乾燥した後に、上記板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験において、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透することを特徴とする。
なお、上記一軸成形は、型押し成形を含むものである。
【００７２】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、１２０℃で１時間乾燥した厚さ５ｍｍの板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌを滴下する水浸透性評価試験で、上記純水０．０２ｍｌが５分以内にすべて浸透する。上記水浸透性評価試験の方法としては、第一の本発明の親水性多孔質炭素材における水浸透性評価試験の方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００７３】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、上記水浸透性評価試験において純水０．０２ｍｌを５分以内にすべて浸透させることができる水浸透性を有するので、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿することができるとともに、水分を充分に保持して、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入しないように遮蔽することができる。
【００７４】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率の好ましい下限は、１０％であり、好ましい上限は３０％である。１０％未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３０％を超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００７５】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材における水銀圧入法による平均細孔半径の好ましい下限は、０．５μｍであり、好ましい上限は２μｍである。０．５μｍ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。２μｍを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００７６】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材における通気率の好ましい下限は、０．２ｃｍ２／ｓであり、好ましい上限は３ｃｍ２／ｓである。０．２ｃｍ２／ｓ未満であると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、空気極において生成した水分により隣接するセルに供給される燃料ガスを充分に加湿できないことがある。３ｃｍ２／ｓを超えると、ＰＥＦＣ用セパレータに用いられた際に、必要とされる強度を満たなかったり、ＰＥＦＣ用セパレータの一方の面上を流れる空気と、他方の面上を流れる燃料ガスとが混入してしまったりすることがある。
【００７７】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、黒鉛粉末又は炭素粉末及び親水性物質を含有する混合物を一軸成形又はＣＩＰ成形して得られるものである。親水性物質をバインダーとして用い、黒鉛粉末又は炭素粉末をフィラーとして用いた混合物を成形して多孔質炭素材を製造することにより、表面及び内部に親水性物質が形成された多孔質炭素材を得ることができ、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び気孔内部を親水性とすることができる。
【００７８】
上記黒鉛粉末及び上記炭素粉末の平均粒子直径の好ましい下限は、１５μｍであり、好ましい上限は５０μｍである。１５μｍ未満であると、第三の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率が小さくなり過ぎることがあり、５０μｍを超えると、第三の本発明の親水性多孔質炭素材における開気孔率が大きくなり過ぎることがある。
【００７９】
上記親水性物質からなるバインダーとしては特に限定されず、例えば、フェノール樹脂、フルフリルアルコール、ポリビニルアルコール、フラン樹脂等が挙げられる。
【００８０】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、親水性物質からなるバインダーを、黒鉛粉末又は炭素粉末からなるフィラーと混合して一軸成形又はＣＩＰ成形することにより、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び内部に親水性物質を形成し、親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
第三の本発明の親水性多孔質炭素材の用途としては、例えば、ＰＥＦＣ用セパレータ、水や水溶液を吐出するノズル等の構成材料が挙げられる。なかでも、ＰＥＦＣ用セパレータの構成材料として好適に用いることができる。
なお、ＣＩＰ成形は、湿式法、乾式法のいずれも採用することが可能である。
【００８１】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、親水性の構成材料からなるので、セパレータ内における水分の移動が容易である。そのため、第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータでは、空気極において生成した水分のうち、排気ガスとともにセル外へ放出される割合を減らし、隣接するセルの燃料極へ供給する割合を増大させることができるので、ＰＥＦＣを大出力で運転した際にも、固体高分子電解質膜が乾燥して電気抵抗が増大したりせず、ＰＥＦＣの出力低下を抑えることができる。また、セパレータ内の細孔容積を小さくしてもセパレータ内における水分の移動を円滑に行うことが可能となるので、ガスの圧力により破損しない高強度のＰＥＦＣ用セパレータとすることができる。
このような第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなる高分子電解質型燃料電池用セパレータもまた本発明の１つである。
【００８２】
第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータは、その構成材料として、第一の本発明の親水性多孔質炭素材の代りに、第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いていること以外は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータと同様であり、同様の構造からなり、同様の製造方法により製造できるものであるので、その説明を省略する。
【００８３】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００８４】
（実施例１）
（１）開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）からなる縦３５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ５ｍｍの平板状の多孔質黒鉛板を濃度６１％の硝酸中で２時間酸化処理した後、洗浄し、温度１２０℃で１時間乾燥した。
得られた酸化処理後の多孔質黒鉛板の形状を加工して、厚さ１ｍｍの平板状のＰＥＦＣ用セパレータの形状にした。
続いて、形状加工後の多孔質黒鉛板の外周部に樹脂を含浸させ、この樹脂を加熱して硬化させて、ＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
【００８５】
（２）燃料極の触媒層、固体高分子電解質膜、及び、空気極の触媒層が接合されてなる膜・電極接合体の両面それぞれに、燃料極又は空気極の多孔質支持層としてのカーボンペーパー、及び、（１）で作製したＰＥＦＣ用セパレータを順に重ねて、０．５ＭＰａの圧力で挟み込み、１セルからなるＰＥＦＣを作製した。続いて、セル間のセパレータが１枚となるように１セルからなるＰＥＦＣを２つ組み合わせて、２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００８６】
（実施例２）
開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）からなる縦３５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ５ｍｍの平板状の多孔質黒鉛板を濃度６１％の硝酸中で酸化処理する際の処理時間を１時間としたこと以外は、実施例１と同様にして２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００８７】
（実施例３）
（１）開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）を縦３５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ５ｍｍの平板状に加工して、多孔質黒鉛板を作製した。
メタノール１０００ｇに、酢酸ビニル１５０ｇ及びジビニルベンゼン２０ｇを溶かした後、予めアゾビスイソブチロニトリル１ｇをメタノール２０ｇに溶かして作製しておいた溶液を更に加えた。
こうして作製した混合溶液を、上記多孔質黒鉛板を入れた真空容器内に注入した後、真空容器内を大気圧に開放し、上記多孔質黒鉛板に上記混合溶液を浸透させた。
次いで、コンデンサーが付属している容器に上記多孔質黒鉛板及び上記混合溶液を移し、容器内を撹拌しながら６０〜６３℃に加熱することにより、下記反応式（４）で示される重合を５時間行った。
【００８８】
【化１】
2005067911.tif 000002
【００８９】
その後、室温に戻してから、４０％ＮａＯＨ水溶液２５ｍｌを加え、１時間放置して下記式（５）で示される鹸化を行った。
【００９０】
【化２】
2005067911.tif 000003
【００９１】
更に、メタノールにより繰り返し洗浄し、乾燥させ、表面及び気孔内部にゲル状の親水性物質が形成された多孔質黒鉛板を得た。
得られた親水性の多孔質黒鉛板の形状を加工し、厚さ１ｍｍの平板状のＰＥＦＣ用セパレータの形状にした。
続いて、形状加工後の多孔質黒鉛板の外周部に樹脂を含浸させ、この樹脂を加熱して硬化させて、ＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
【００９２】
（２）（１）で作製したＰＥＦＣ用セパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様にして２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００９３】
（実施例４）
反応式（４）で示される重合の時間を３時間としたこと以外は、実施例３と同様にしてＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
【００９４】
（実施例５）
（１）平均粒子直径２０μｍの黒鉛粉末を７０重量％、及び、親水性物質のバインダーとしてナイロン６６を３０重量％含有する混合物を２００℃に加熱し、型押し成形し、得られた多孔質黒鉛材の形状を加工して、厚さ１ｍｍの平板状のＰＥＦＣ用セパレータの形状にした。
続いて、形状加工後の多孔質黒鉛板の外周部に樹脂を含浸させ、この樹脂を加熱して硬化させて、ＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
【００９５】
（２）（１）で作製したＰＥＦＣ用セパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様にして２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００９６】
（比較例１）
（１）開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）の形状を加工し、厚さ１ｍｍの平板状のＰＥＦＣ用セパレータの形状をした多孔質黒鉛板を作製した。
続いて、多孔質黒鉛板の外周部に樹脂を含浸させ、この樹脂を加熱して硬化させて、ＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
（２）（１）で作製したＰＥＦＣ用セパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様にして２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００９７】
（比較例２）
開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）からなる厚さ５ｍｍの平板状の多孔質黒鉛板を濃度６１％の硝酸中で酸化処理する際の処理時間を３０分としたこと以外は、実施例１と同様にして２セルからなるＰＥＦＣを作製した。
【００９８】
（比較例３）
反応式（４）で示される重合の時間を１時間としたこと以外は、実施例３と同様にしてＰＥＦＣ用セパレータを作製した。
【００９９】
（水浸透性評価試験）
実施例１、２及び比較例２の評価に用いる板状試験片として、実施例１、２及び比較例２における酸化処理後の厚さ５ｍｍの多孔質黒鉛板を使用し、実施例３、４及び比較例３の評価に用いる板状試験片として、実施例３、４及び比較例３における表面にゲル状の親水性物質が形成された厚さ５ｍｍの多孔質黒鉛板を使用し、実施例５の評価に用いる板状試験片として、実施例５におけるＣＩＰ成形により作製した多孔質黒鉛板を使用し、比較例１の評価に用いる板状試験片として、開気孔率１５％の等方性黒鉛（イビデン製、ＥＴ−１０）からなる厚さ５ｍｍの板状体を使用して水浸透性評価試験を行った。
水浸透性評価試験は、板状試験片を１２０℃で１時間乾燥した後に、上記板状試験片の表面に純水０．０２ｍｌをマイクロシリンジにて滴下し、上記純水０．０２ｍｌがすべて浸透する時間（浸透時間）を測定することにより行った。
結果を表１に示した。
【０１００】
（電池特性試験）
実施例１〜５及び比較例１〜３に係るＰＥＦＣについて、水素導入口圧力：０．０５ＭＰａ、空気導入口圧力：０．０５ＭＰａ、セルの作動温度：８０℃、アノード側の水素ガス加湿器の設定温度：８０℃、カソード側の空気加湿器の設定温度：８０℃、水素利用率：７０％、及び、酸素利用率：４０％の条件で、電子負荷と直流電源を用いて、電流密度１Ａ／ｃｍ２にて３時間定電流駆動を行った後、開回路電圧を測定し、その後電流密度を１Ａ／ｃｍ２にして３０分通電した後の１セル当たりの端子間電圧、更に２Ａ／ｃｍ２にして３０分通電した後の１セル当たりの端子間電圧を測定し、電流電圧特性を確認した。
結果を表１に示した。
【０１０１】
【表１】
2005067911.tif 000004
【０１０２】
表１に示したように、酸化処理の時間や親水性物質の形成を行う重合の時間を長くすることにより、得られた多孔質炭素材の水浸透性評価試験における浸透時間を短くすることができた。また、ＰＥＦＣ用セパレータを構成する多孔質炭素材の水浸透性評価試験における浸透時間が短いほど、ＰＥＦＣは、電流電圧特性に優れ、高電流密度で通電した後でも、セルの端子間電圧が高かった。
【０１０３】
【発明の効果】
第一の本発明の親水性多孔質炭素材は、本来疎水性である多孔質炭素材を酸化処理することにより親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
第二の本発明の親水性多孔質炭素材は、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質を形成することにより親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
第三の本発明の親水性多孔質炭素材は、親水性物質からなるバインダーを混合させることにより、本来疎水性である多孔質炭素材の表面及び気孔内部に親水性物質を形成して親水性にしたものであり、水の浸透性に優れる。
【０１０４】
第一、第二及び第三の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなる本発明のＰＥＦＣ用セパレータは、親水性の構成材料からなるので、セパレータ内における水分の移動が容易である。そのため、本発明のＰＥＦＣ用セパレータでは、空気極において生成した水分のうち、排気ガスとともにセル外へ放出される割合を減らし、隣接するセルの燃料極へ供給する割合を増大させることができるので、大出力で運転した際にも、固体高分子電解質膜が乾燥して電気抵抗が増大したりせず、出力低下を抑えることができる。また、セパレータ内の細孔容積を小さくしてもセパレータ内における水分の移動を円滑に行うことが可能となるので、ガスの圧力により破損しない高強度のＰＥＦＣ用セパレータとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＦＣを構成する単セルの構造を模式的に示した分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの一例を模式的に示した断面図である。（ｂ）は、（ａ）に模式的に示したＰＥＦＣ用セパレータの一例を上からみた平面図である。
【図３】（ａ）は、第一の本発明の親水性多孔質炭素材を用いてなるＰＥＦＣ用セパレータの別の一例を模式的に示した分解斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に模式的に示したＰＥＦＣ用セパレータの別の一例を上からみた平面図である。
【符号の説明】
１０  単セル
１１  固体高分子電解質膜
１２  空気極
１３  燃料極
２０、３０、４０  ＰＥＦＣ用セパレータ
２１、３１、４１、５１  燃料ガス溝
２２、３２、４２、５２  空気溝
２３、３３、４３、５３、５４  燃料ガス孔
２４、３４、４４、５５、５６  空気孔
４９  第一の板状部材
５０  第二の板状部材
５７  冷却水溝
５８、５９  冷却水孔
【図１】
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【図２】
2005067911.tif 000006
【図３】
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