(57)【要約】    【課題】  ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができると共に、耐食性を向上することが可能な燃料電池用セパレータ、及びこのセパレータを備えた燃料電池、並びにこのセパレータの製造方法を提供する。    【解決手段】  連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路３０を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面３１を構成してなり、ガス流路３０の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面３１が撥水性である燃料電池用セパレータ１８である。このセパレータ１８は、ガス流路３０の表面の少なくとも一部に親水性を付与する工程と、電極接触面３１に撥水性を付与する工程と、を備えている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、前記電極接触面が撥水性である燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ガス流路の表面のうち、少なくとも重力方向に対し最下部となる領域が親水性である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記ガス流路の全表面が親水性である請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備えた膜−電極アッセンブリの両側に、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータを、前記一対の電極の各々に接触させて配設した燃料電池。
【請求項５】
連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記ガス流路の表面の少なくとも一部に親水性を付与する工程と、
前記電極接触面に撥水性を付与する工程と、
を備えてなる燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、
前記撥水性層上に親水性層を形成する工程と、
前記電極接触面となる領域に形成された親水性層を除去する工程と、
を備えてなる請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に親水性層を形成する工程と、
前記親水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層上に、撥水性層を形成する工程と、
を備えてなる請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記親水性層が、耐腐食性を備えている請求項７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記親水性層を形成する前に、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に耐腐食性層を形成する工程をさらに備えた請求項７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記親水性層をプラズマ処理により形成する請求項５ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、
前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部に、親水性層を射出成形により形成する工程と、
を備えてなる請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１２】
前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、
前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部にプラズマ処理を行う工程と、
を備えた請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１３】
前記撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上にマスクを形成する工程と、
前記マスクを形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、
前記プラズマ処理後、前記マスクを除去する工程と、
を備えた請求項１２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１４】
前記撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上に有機材料からなる層を形成する工程と、
前記有機材料からなる層を形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、
を備えた請求項１２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１５】
前記撥水性層を形成した後、前記ガス流路の形状に対応したサイズのトーチ型プラズマ処理装置を使用して、前記ガス流路の表面となる領域にプラズマ処理を行う工程を備えた請求項１２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【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、及びこれを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法にかかり、特に、凹凸形状によって画定されたガス流路を有する燃料電池用セパレータ、及びこれを備えた燃料電池、並びにこの燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡの両側に各々配設されたセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。
【０００３】
前記セパレータとしては、前記ＭＥＡと対向する面側に凹凸形状が形成されており、凸部分が前記電極に接触し、凹部分がガスを流通させるためのガス流路となっているものがある。すなわち、前記燃料極側に配設されたセパレータは、このガス流路に燃料ガス（例えば、水素）を流通させて燃料極に燃料ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面が燃料極と接触し、前記酸化剤極側に配設されたセパレータは、このガス流路に酸化ガス（酸素、通常は空気）を流通させて酸化剤極に酸化ガスを供給すると共に、前記凸部の頂面が酸化剤極と接触する構成となっている。
【０００４】
このような燃料電池では、セパレータのガス流路を画定する壁部の全表面が撥水性であると、ガス流路に発生した水滴が、例えば球状になってガス流路を塞ぐことがあり、水滴を効率よく外部に排出することが困難となる虞がある。そこで、燃料電池のセパレータ内において、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出し、反応ガスを安定して均一に流通させることが可能な燃料電池が提案されている。
【０００５】
このような、反応ガスを安定して均一に流通させることが可能な従来の燃料電池としては、例えば、セパレータの表面にチタンを含む親水性材料を被覆し、これを酸素雰囲気下で熱処理して酸化チタン膜（親水性膜）を形成し、その後、このセパレータの電極との接触部、即ち、電極接触面に形成された酸化チタン膜を除去してチタン面を露出させたものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、メタルセパレータの表面に親水性膜を形成する従来技術も種々提案されている。（例えば、特許文献２、３、４及び５参照）。さらに、メタルセパレータの表面に撥水性膜を形成する従来技術も種々提案されている。（例えば、特許文献６及び７参照）。
【特許文献１】特開２００１−９３５３９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５９６６号公報
【特許文献３】特開２００２−２０６９０号公報
【特許文献４】特開２００２−２５５７０号公報
【特許文献５】ＷＯ９９／４０６４２号公報
【特許文献６】特開２０００−１００４５２号公報
【特許文献７】特開２００３−１４２１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した特許文献１に記載された燃料電池では、セパレータのガス流路の表面が親水性となるため、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができる反面、セパレータの電極接触面に親水性膜が残存しているため、この部分に水が存在してしまい、水との化学反応によってセパレータの電極接触面が腐食し易くなる虞がある。特に、セパレータの電極接触面は、ガス流路において最も厳しい腐食環境にあり、この部分に水が存在すると、セパレータを構成している金属に腐食が発生する虞がある。
【０００８】
また、特許文献１〜７に記載された従来技術には、セパレータのガス流路（凹部）と電極接触面（凸部）とを、それぞれ親水性と撥水性とに分けることで、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができると共に、耐食性を向上するという技術については何ら記載されていない。
【０００９】
本発明は、このような従来の燃料電池用セパレータを改良することを課題とするものであり、ガス流路に発生した水滴を効率よく外部に排出することができると共に、耐食性を向上することが可能な燃料電池用セパレータ、及びこのセパレータを備えた燃料電池、並びにこのセパレータの製造方法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】
【００１０】
この目的を達成するため、本発明は、連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路の表面（最表面）の少なくとも一部が親水性であり、前記電極接触面が撥水性である燃料電池用セパレータを提供するものである。
【００１１】
この構成を備えた燃料電池用セパレータは、電極接触面が撥水性であるため、電極接触面で生成した水をガス流路に効率よく移動させることができる。このため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができ、当該電極接触面が腐食することを防止することができる。また、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であるため、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。
【００１２】
また、本発明にかかる燃料電池用セパレータでは、前記ガス流路の表面のうち、少なくとも重力方向に対し最下部となる領域を親水性とすることができる。このように構成することで、当該ガス流路に存在する水をさらに効率よく外部に排出することができる。
【００１３】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータでは、前記ガス流路の全表面を親水性としてもよい。このようにすることで、当該ガス流路に存在する水をより一層効率よく外部に排出することができる。
【００１４】
また、本発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成された一対の電極と、を備えた膜−電極アッセンブリの両側に、前述した本発明にかかる燃料電池用セパレータを、前記一対の電極の各々に接触させて配設した燃料電池を提供するものである。
【００１５】
この構成を備えた燃料電池は、前述した本発明にかかる燃料電池用セパレータを備えているため、ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明は、連続した凹凸形状の凹部によって画定されたガス流路を有すると共に、凸部の頂面が電極に接触する電極接触面を構成してなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記ガス流路の表面（最表面）の少なくとも一部に親水性を付与する工程と、前記電極接触面に撥水性を付与する工程と、を備えてなる燃料電池用セパレータの製造方法を提供するものである。
【００１７】
この製造方法によれば、電極接触面が撥水性であり、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であ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、電極接触面で生成した水をガス流路に効率よく移動させることができ、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができる。このため、電極接触面が腐食することを防止することができる。また、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であるため、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。
【００１８】
また、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記撥水性層上に親水性層を形成する工程と、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層を除去する工程と、を備えることができる。これらの工程を行うことで、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。
【００１９】
前記撥水性層としては、例えば、カーボンを主体とした塗膜等を挙げることができる。
【００２０】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に親水性層を形成する工程と、前記親水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された親水性層上に、撥水性層を形成する工程と、を備えることもできる。これらの工程を行うことで、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。なお、この場合、前記親水性層が耐腐食性を備えていることが望ましい。あるいは、前記親水性層を形成する前に、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に耐腐食性層を形成する工程をさらに備えることが望ましい。
【００２１】
また、前記親水性層は、プラズマ処理により形成することができる。ここで、プラズマ処理は、この処理が施される物質に官能基（例えば、ＯＨ基）を付与する、表面を粗面化する、付着されていた有機汚染物を除去する、等の特徴がある。したがって、プラズマ処理より形成された親水性層は、表面が粗面化しているため、例えば、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。
【００２２】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部に、親水性層を射出成形により形成する工程と、を備えることもできる。これらの工程によっても、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。
【００２３】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池用セパレータの製造方法は、前記ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成する工程と、前記ガス流路の表面となる領域の少なくとも一部にプラズマ処理を行う工程と、を備えることもできる。これらの工程によっても、ガス流路の表面が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に得ることができる。この製造方法の場合、前記親水性層がプラズマ処理により形成されるため、当該親水性層の表面が粗面化し、例えば、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。
【００２４】
また、この製造方法の場合、前記撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上にマスクを形成する工程と、前記マスクを形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、前記プラズマ処理後、前記マスクを除去する工程と、を備えることができる。
【００２５】
この製造方法によれば、前記電極接触面となる領域は、マスクの存在によってプラズマ処理がなされないため、撥水性を維持することができ、ガス流路の表面には、プラズマ処理がなされるため、ガス流路の表面を親水性とすることができる。また、マスクが形成されていない領域にプラズマ処理が施されることになるため、例えば、セパレータの縁部（例えば、シール部と接着される部分）にもプラズマ処理が行われ、この部分を粗面化することもできる。このため、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。また、接触抵抗を低減させることもできる。
【００２６】
また、本発明にかかる燃料電池の製造方法は、ガス流路の表面及び電極接触面となる領域に撥水性層を形成した後、前記電極接触面となる領域に形成された撥水性層上に有機材料からなる層を形成する工程と、前記有機材料からなる層を形成した状態で、前記撥水性層を選択的にプラズマ処理する工程と、を備えることができる。
【００２７】
この製造方法によれば、前記電極接触面となる領域は、有機材料からなる層がマスクとして機能するため、プラズマ処理がなされないので、撥水性を維持することができる。また、ガス流路の表面となる領域には、プラズマ処理がなされるため、ガス流路の表面を親水性とすることができる。
【００２８】
ここで、有機材料からなる層は、プラズマ処理により除去されるため、プラズマ処理は、この有機材料からなる層が全て除去されたタイミングで終了させることがよい。このように、プラズマ処理時間は、有機材料からなる層の膜厚に応じて制御することもできる。また、有機材料からなる層が形成されていない領域にプラズマ処理が施されることになるため、例えば、セパレータの縁部にもプラズマ処理が行われ、この部分を粗面化することもできる。このため、燃料電池のシール部との接着力を向上させ、シールの信頼性を向上させることもできる。
【００２９】
また、前記ガス流路にプラズマ処理を行う工程では、前記のようにマスクや有機材料からなる層を利用する他、例えば、前記ガス流路の形状に対応したサイズのトーチ型プラズマ処理装置等を使用してもよい。
【００３０】
なお、本発明でいう「表面」とは、最上面（即ち、露出されている面）のことを意味している。また、「電極接触面」とは、ＭＥＡの電極と接触する「表面」のことを意味している。
【発明の効果】
【００３１】
本発明にかかる燃料電池用セパレータによれば、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができると共に、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。このため、電極接触面が腐食することを防止することができると共に、ガス流路面に水が溜まることを防止することができる。この結果、本発明にかかる燃料電池用セパレータを燃料電池に用いた場合、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明にかかる燃料電池は、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを備えているため、セパレータの電極接触面に水が留まることを防止することができると共に、当該ガス流路に存在する水を外部に効率よく排出することができる。この結果、電極接触面が腐食することを防止することができると共に、ガス流路面に水が溜まることを防止することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３３】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、ガス流路の表面の少なくとも一部が親水性であり、電極接触面が撥水性であるセパレータを簡単に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【実施例１】
【００３５】
図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池の全体概略図、図２は、図１に示す燃料電池を構成する単セルの断面図、図３は、図２に示す単セルの一部拡大断面図、図４は、実施例１にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程を示す断面図である。
【００３６】
図１〜図４に示すように実施例１にかかる燃料電池１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極１４（アノード）及び電解質膜１１の他面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極１７（カソード）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１０と、ＭＥＡ１０を挟んで燃料極１４側及び酸化剤極１７側に各々配設されたメタルセパレータ１８と、を重ねて単セル４０を形成している。そして、単セル４０を１層以上積層してモジュール９を構成し（実施例１では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール９を複数積層してモジュール群としている。なお、符号１２はシール部、符号１３Ａは燃料ガス供給マニホールド、符号１３Ｂは燃料ガス排出マニホールド、符号１５Ａは酸化ガス供給マニホールド、符号１５Ｂは酸化ガス排出マニホールドである。
【００３７】
前記モジュール群のセル積層方向両端には、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２が配置され、前記モジュール群と、これらによってスタック２３を構成している。このスタック２３は、その外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（例えば、テンションプレート、スルーボルト等）と、ボルト２５またはナットによって固定され、セル積層方向に締め付けられ、燃料電池１となる。
【００３８】
メタルセパレータ１８は、特に図２〜図４に示すように、連続した凹凸形状を備えており、この凹部によって画定されたガス流路３０を有すると共に、凸部の頂面が、電極（燃料極１４あるいは酸化剤極１７、図３では、酸化剤極１７を示している）に接触する電極接触面３１となっている。メタルセパレータ１８のガス流路３０及び電極接触面３１が形成されている側とは反対側の面には、冷却水等の冷媒が流通する冷媒流路３２が形成されている。
【００３９】
ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域には、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３７が形成されている。このため、電極接触面３１で生成した水をガス流路３０に効率よく移動させることができると共に、ガス流路３０に存在する水を外部に効率よく排出することができる。したがって、メタルセパレータ１８の電極接触面３１に水が留まることを防止することができ、電極接触面３１が腐食することを防止することができる共に、ガス流路３０に水が停滞することを防止することができる。この結果、燃料電池１の性能を向上させることができる。
【００４０】
なお、撥水性層３７としては、例えば、カーボンを主体とした塗膜等を挙げることができる。
【００４１】
このメタルセパレータ１８は、例えば、図４（１）〜（４）に示す工程により製造することができる。即ち、図４（１）に示す工程では、所望のメタルプレートにプレス加工を行い、連続した凹凸形状を形成したメタルセパレータ本体３８を形成する。
【００４２】
次に、図４（２）に示す工程は、メタルセパレータ本体３８の表面に、撥水性を備えた材料（例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等）を塗布し、撥水性層３７を形成する。
【００４３】
次いで、図４（３）に示す工程では、撥水性層３７の表面に、親水性を備えた樹脂を、例えば、スプレー、あるいは浸漬等により塗布し、親水性層３５を形成する。
【００４４】
次に、図４（４）に示す工程では、図４（３）に示す工程で塗布した親水性を備えた樹脂が乾燥する前に、電極接触面３１となる領域に塗布されている樹脂を、例えば、ローラ等により除去する。このようにして、ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域には、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３７が形成される。以上の工程により、ガス流路３０の表面が親水性であり、電極接触面３１が撥水性であるメタルセパレータ１８を製造した。
【実施例２】
【００４５】
次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。
【００４６】
図５は、実施例２にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図、図６は、実施例２にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例２では、実施例１で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
図５及び図６に示すように、実施例２にかかるメタルセパレータ１８は、ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域に、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３９が形成されている。具体的には、メタルセパレータ本体３８上に、撥水性層３７と親水性層３５とが順に形成されており、電極接触面３１となる領域には、さらに撥水性層３９が形成されている。
【００４８】
この構成を備えたメタルセパレータ１８も実施例１と同様に、電極接触面３１で生成した水をガス流路３０に効率よく移動させることができると共に、ガス流路３０に存在する水を外部に効率よく排出することができる。このため、メタルセパレータ１８の電極接触面３１に水が留まることを防止することができ、電極接触面３１が腐食することを防止することができる共に、ガス流路３０に水が溜まることを防止することができる。この結果、燃料電池１の性能を向上させることができる。
【００４９】
このメタルセパレータ１８は、例えば、図６（１）及び（２）に示す工程により製造することができる。即ち、図６（１）に示す工程では、前述した図４（１）〜（３）に示す工程と同様の工程を行う。
【００５０】
次に、図６（２）に示す工程では、親水性層３５の電極接触面３１となる領域上に、例えば、ローラ印刷法等により、撥水性を備えた材料（例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等）を塗布し、撥水性層３９を形成する。このようにして、ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域に、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３９が形成されているメタルセパレータ１８を得る。以上の工程により、ガス流路３０の表面が親水性であり、電極接触面３１が撥水性であるメタルセパレータ１８を製造した。
【００５１】
なお、親水性層３５は、撥水性層３７をプラズマ処理することにより形成することもできる。この場合、プラズマ処理がなされた表面が粗面化されるため、メタルセパレータ１８の縁部にもプラズマ処理を施せば、燃料電池のシール部１２と接着される部分を粗面化することができるため、メタルセパレータ１８と、シール部１２との接着性を向上させることができ、シールの信頼性を向上させることもできる。
【００５２】
また、実施例２では、撥水性層３７は、主に耐食性を付与するための層として機能しており、耐食性を備えた親水性層３５を採用すれば、撥水性層３７は、必ずしも設けなくてもよい。
【実施例３】
【００５３】
次に、本発明の実施例３にかかる燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備えた燃料電池、並びに燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。
【００５４】
図７は、実施例３にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図、図８は、実施例３にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例３では、実施例１及び２で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図７及び図８に示すように、実施例３にかかるメタルセパレータ１８は、ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域に、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３７が形成されている。具体的には、メタルセパレータ本体３８上のガス流路３０の表面となる領域には、撥水性層３７が形成されておらず、親水性層３５が直接形成されており、メタルセパレータ本体３８上の、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３７が直接形成されている。なお、実施例３では、親水性層３５は、耐食性を備えた樹脂等から形成した。
【００５６】
このメタルセパレータ１８は、例えば、図８（１）〜（３）に示す工程により製造することができる。即ち、図８（１）に示す工程では、前述した図４（１）に示す工程で使用したメタルセパレータ本体３８のガス流路３０及び電極接触面３１が形成される側の面に、金型１００を装着する。この金型１００は、メタルセパレータ本体３８のガス流路３０の表面となる領域との間に所定の空間１０１が形成されるよう構成されている。
【００５７】
次に、図８（２）に示す工程では、耐食性を備えた親水性の樹脂３５Ａを図示しない装置により加熱溶融し、図示しないプランジャまたはスクリューによって金型１００の空間１０１内に加圧注入、または加圧充填する。そして、樹脂３５Ａが、固化あるいは硬化した後、金型１００を取外す。このようにして、金型１００を使用した射出成形により親水性層３５を形成した。
【００５８】
次いで、図８（３）に示す工程では、メタルセパレータ本体３８の電極接触面３１となる領域上に、例えば、ローラ印刷法等により、撥水性を備えた材料（例えば、導電性を有する耐腐食性材料からなる塗料等：例えば、カーボン）を塗布し、撥水性層３７を形成する。このようにして、ガス流路３０の表面（底面及び立ち面）となる領域に、親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となる領域には、撥水性層３７が形成されているメタルセパレータ１８を得る。以上の工程により、ガス流路３０の表面が親水性であり、電極接触面３１が撥水性であるメタルセパレータ１８を製造した。
【００５９】
この構成を備えたメタルセパレータ１８では、親水性層３５が耐食性を備えているため、メタルセパレータ本体３８上に、耐食性を付与するための層を別途設ける必要がない。したがって、材料コストを節約することができる。
【００６０】
また、メタルセパレータ１８上に耐食性を付与するための層として、撥水性層３５を形成した後に、図８（１）〜（３）に示す工程を行えば、図３に示す構造のメタルセパレータ１８を製造することもできる。
【００６１】
そしてまた、図９に示すように、メタルセパレータ本体３８のガス流路３０の底面となる領域との間に所定の空間１０２が形成されるよう構成された金型１００を使用すれば、図１０に示すように、ガス流路３０の底面となる領域のみに親水性層３５を形成することもできる。
【００６２】
さらにまた、メタルセパレータ本体３８のガス流路３０の立ち面（側壁）となる領域との間に所定の空間が形成されるよう構成された金型を使用すれば、当該空間に対応した部分に親水性層を形成することができる。
【００６３】
このように、金型を使用した射出成形により親水性層を形成する方法では、例えば、メタルセパレータ１８が組み込まれた燃料電池１を、車体等に搭載した場合、ガス流路３０の重力方向に対応する下端部となる位置に、簡単に親水性層を形成することができる。
【００６４】
また、メタルセパレータ本体３８に親水性層を形成し、その後、メタルセパレータ本体３８の電極接触面３１となる領域との間に所定の空間が形成されるよう構成された金型を使用し、この空間に撥水性を備えた材料を充填してもよい。この方法によれば、例えば、図及び図７に示す構造のメタルセパレータ１８を製造することもできる。
【実施例４】
【００６５】
次に、本発明の実施例４にかかる燃料電池用セパレータの製造方法について図面を参照して説明する。
【００６６】
図１１は、実施例４にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。なお、実施例４では、実施例１〜３で説明した部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
図１１（１）に示す工程では、前述した図４（１）及び（２）に示す工程と同じ工程を行い、メタルセパレータ本体３８上に撥水性層３７を形成する。
【００６８】
次に、図１１（２）に示す工程では、メタルセパレータ本体３８上に形成された撥水性層３７の電極接触面３１となる領域に、マスク２００を形成し、この状態で選択的にプラズマ処理を行う。
【００６９】
次いで、図１１（３）に示す工程では、プラズマ処理が終了した後、マスク２００を除去する。このようにして、プラズマ処理がなされた領域、即ち、ガス流路３０の表面となる領域、及びシール部１２（図２参照）と接触するメタルセパ、撥水性層３７を形成した。以上の工程により、ガス流路３０の表面が親水性であり、電極接触面３１が撥水性であるメタルセパレータ１８を製造した。この場合も前述したように、プラズマ処理により形成された親水性層３５の表面が粗面化するため、燃料電池のシール部１２と、メタルセパレータ１８との接着性を向上させ、シールの信頼性を向上させることができる。
【００７０】
なお、実施例４では、撥水性層３７の電極接触面３１となる領域に、マスク２００を形成する場合について説明したが、これに限らず、マスク２００の代わりに、有機材料からなる層を形成し、これをマスクとして、選択的にプラズマ処理を行ってもよい。この場合、有機材料からなる層は、プラズマ処理により除去されるため、マスク除去工程を別途行う必要がない。また、プラズマ処理は、この有機材料からなる層が全て除去されたタイミングで終了させることができるため、プラズマ処理時間は、有機材料からなる層の膜厚に応じて制御することもできる。
【００７１】
また、図１２に示すように、マスク２００や、有機材料からなる層等を形成せずに、図１１（１）に示す工程で形成された撥水性層３７のガス流路３０の表面となる領域に、ガス流路３０の形状に対応したサイズのトーチ型プラズマ処理装置３００を使用してプラズマ処理を行い、ガス流路３０の表面となる領域に親水性層３５が形成されており、電極接触面３１となるに、撥水性層３７が形成されているメタルセパレータ１８を得ることもできる。
【００７２】
なお、実施例１〜実施例４では、ガス流路３０の全表面（底面及び立ち面）が、親水性となる（即ち、ガス流路３０の全表面となる領域に、親水性層３５を形成した）場合について説明したが、これに限らず、ガス流路３０は、表面の少なくとも一部が親水性であればよい。この場合、ガス流路３０の、少なくとも重力方向に対応する下端部となる位置が親水性であることが、水の排出効率の観点からより好ましい。
【００７３】
また、メタルセパレータ１８のガス流路面側（冷却流路とは反対側）には、耐食性及び導電性の二つの機能を有する層（塗膜）が形成されることが要求されるが、親水性層３５、撥水性層３７、３９の材料を選定する際は、各層が全て耐食性及び導電性の両方を有する必要はなく、各層は、少なくとも導電性を有すればよい。したがって、耐食性の機能は、親水性層３５または撥水性層３７、３９の少なくとも一方にあればよい。
【００７４】
また、実施例１〜実施例４では、メタルセパレータ１８が、酸化剤極１７側に配設される場合について説明したが、燃料極１４側に配設される場合についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施例１にかかる燃料電池の全体概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図３】図２に示す単セルの一部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例２にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例３にかかる燃料電池を構成する単セルの一部拡大断面図である。
【図８】本発明の実施例３にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施例にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例にかかる燃料電池を構成するセパレータの一部拡大断面図である。
【図１１】本発明の実施例４にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例にかかる燃料電池の構成要素であるメタルセパレータの製造工程の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１    燃料電池
１０    ＭＥＡ
１４    燃料極
１７    酸化剤極
１８    メタルセパレータ
３０    ガス流路
３１    電極接触面
３２    冷媒流路
３５    親水性層
３７、３９    撥水性層
３８    メタルセパレータ本体
１００    金型
１０１、１０２    空間
２００    マスク
３００    トーチ型プラズマ処理装置
【図１】
2005339846.tif 000003
【図２】
2005339846.tif 000004
【図３】
2005339846.tif 000005
【図４】
2005339846.tif 000006
【図５】
2005339846.tif 000007
【図６】
2005339846.tif 000008
【図７】
2005339846.tif 000009
【図８】
2005339846.tif 000010
【図９】
2005339846.tif 000011
【図１０】
2005339846.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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