(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能と耐久性とを両立させる。【解決手段】燃料極拡散層１８に対面する燃料極側セパレータ２８の一方面側に設けられた燃料ガス流路溝３４側表面が、酸化極拡散層１６に対面する酸化極側セパレータ２６の一方面側に設けられた酸化ガス流路溝３２側表面よりも高い親水性を有する。酸化ガス流路溝３２側表面の水接触角は、好ましくは１００°以上であり、熱水処理による親水化処理が好適であるが、場合によっては親水化処理されなくても良い。【選択図】図１
2009218058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する酸化極側セパレータと、
一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する酸化極側セパレータと、
一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する燃料極側セパレータと、
を備え、
前記燃料電池の運転開始前の前記燃料極側セパレータが、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角が、６０°以下であり、
前記酸化ガス流路溝側表面が、熱水により親水化処理されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角が、６０°以下であり、
前記酸化極側セパレータが、親水化処理されていないことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池において、
前記酸化ガス流路溝側表面の水接触角が、１００°以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する、親水処理されていない酸化極側セパレータと、
一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有する酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、
一方面側に燃料ガス流路溝を有し、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有する酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、
一方面側に燃料ガス流路溝を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、
を含み、
前記燃料電池の運転開始前の前記燃料極側セパレータが、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の燃料電池の製造方法において、
前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角を６０°以下にする工程と、
前記酸化ガス流路溝側表面を、熱水により親水化処理する工程と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の燃料電池の製造方法において、
前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角を６０°以下にする工程をさらに含み、
前記酸化極側セパレータを親水化処理する工程を含まないことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の燃料電池の製造方法において、
前記酸化ガス流路溝側表面の水接触角が、１００°以上であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、
一方面側に酸化ガス流路溝を有し、親水処理されていない酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、
一方面側に燃料ガス流路溝を有し、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル（燃料電池単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図１３に例示するように、酸化極触媒層１２（カソード触媒層とも称する）と燃料極触媒層１４（アノード触媒層とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、酸化極触媒層１２の外側には酸化極拡散層１６が、燃料極触媒層１４の外側には燃料極拡散層１８が、それぞれ設けられている。以下、酸化極触媒層１２および酸化極拡散層１６を総称して酸化極（側）と、燃料極触媒層１４および燃料極拡散層１８を総称して燃料極（側）と、それぞれ表す場合がある。
【０００３】
さらに図１３において、酸化極拡散層１６の外側には、酸化ガス流路１２０およびセル冷媒流路２２が形成された酸化極側セパレータ１２６が、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路１２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ１２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル２００が形成される。
【０００４】
得られた単セル２００を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させたセルスタックを備える燃料電池がさまざまな分野で利用されている。燃料電池は一般に、酸化極触媒層１２に酸素ガスや空気等の酸化ガスを、燃料極触媒層１４に水素ガスや改質ガス等の燃料ガスを、それぞれ供給して発電する。このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するが、安定した発電を維持するためには例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御することが必要であるため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体（冷媒）を各単セルに設けられたセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止している。
【０００５】
このように燃料極および酸化極を含む電極部分において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００６】
一般に燃料電池が良好な発電を行なうためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜１０に対して所定の水分量（含水量）を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適である。電解質膜１０の含水量の不足に伴う、いわゆるドライアップの発生を防止するため、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させ、電解質膜１０の水分調節を行なう。
【０００７】
一方、燃料電池に対する水分の供給量が所定の量を超えると、ガス流路内においてガス中の水分が凝縮し、液体の水（液水）を生成する場合がある（これを凝縮水と称する）。この凝縮水がガス流路や拡散層を塞いでしまうと、反応に必要な原料ガス（反応ガスとも称する）の、触媒層への供給が不十分となってしまう、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、発電効率が低下するばかりでなく、運転状態が不安定となり、場合によってはシステムの停止に繋がるおそれもある。また、酸化極側、つまり酸化ガスが流通しているガス流路においては、加湿供給された酸化ガスに由来する水分のほか、プロトンと酸素との反応によって生成する生成水に由来する水分も含まれる。このため、一般に酸化極側の水分量は過剰となり易く、酸化極側では、水分の排出容易性が特に要求される。
【０００８】
単セル内からの水分の排出を促進し、フラッディングの防止または抑制に好適な燃料電池として、例えば特許文献１〜３が開示されている。
【０００９】
特許文献１には、気孔径の大きな多孔質部を有するセパレータの当該多孔質部を拡散層の表面に接触させて、電極内の水分を外部に排出することが記載されている。
【００１０】
特許文献２には、内部マニホールドの壁面を下流側へ行くほどより親水性を強くした燃料電池スタックが開示されている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、セパレータ材料に親水性材料を混ぜ込んで成形し、セパレータ表面を親水化させたセパレータを備える燃料電池について記載されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２９４１９２号公報
【特許文献２】特開２００７−４２５３８号公報
【特許文献３】特開平１０−３９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、発電性能と耐久性とを両立し得る燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１５】
（１）電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する酸化極側セパレータと、一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータと、を備える、燃料電池。
【００１６】
（２）燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する酸化極側セパレータと、一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する燃料極側セパレータと、を備え、前記燃料電池の運転開始前の前記燃料極側セパレータが、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する、燃料電池。
【００１７】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角が、６０°以下であり、前記酸化ガス流路溝側表面が、熱水により親水化処理されている、燃料電池。
【００１８】
（４）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角が、６０°以下であり、前記酸化極側セパレータが、親水化処理されていない、燃料電池。
【００１９】
（５）上記（３）または（４）に記載の燃料電池において、前記酸化ガス流路溝側表面の水接触角が、１００°以上である、燃料電池。
【００２０】
（６）電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化極と、一方面側に酸化ガス流路溝を有し、該酸化ガス流路溝側表面が前記酸化極と対面する、親水処理されていない酸化極側セパレータと、一方面側に燃料ガス流路溝を有し、該燃料ガス流路溝側表面が前記燃料極と対面する、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータと、を備える、燃料電池。
【００２１】
（７）電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、一方面側に酸化ガス流路溝を有する酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、一方面側に燃料ガス流路溝を有し、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、を含む、燃料電池の製造方法。
【００２２】
（８）燃料電池の製造方法であって、電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、一方面側に酸化ガス流路溝を有する酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、一方面側に燃料ガス流路溝を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、を含み、前記燃料電池の運転開始前の前記燃料極側セパレータが、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する、燃料電池の製造方法。
【００２３】
（９）上記（７）または（８）に記載の燃料電池の製造方法において、前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角を６０°以下にする工程と、前記酸化ガス流路溝側表面を、熱水により親水化処理する工程と、をさらに含む、燃料電池の製造方法。
【００２４】
（１０）上記（７）または（８）に記載の燃料電池の製造方法において、前記燃料ガス流路溝側表面の水接触角を６０°以下にする工程をさらに含み、前記酸化極側セパレータを親水化処理する工程を含まない、燃料電池の製造方法。
【００２５】
（１１）上記（９）または（１０）に記載の燃料電池の製造方法において、前記酸化ガス流路溝側表面の水接触角が、１００°以上である、燃料電池の製造方法。
【００２６】
（１２）電解質膜を燃料極および酸化極で挟んで対向させる工程と、一方面側に酸化ガス流路溝を有し、親水処理されていない酸化極側セパレータの該酸化ガス流路溝側表面を前記酸化極と対面させて酸化ガス流路を形成する工程と、一方面側に燃料ガス流路溝を有し、前記酸化極側セパレータよりも高い親水性を有する燃料極側セパレータの該燃料ガス流路溝側表面を前記燃料極と対面させて燃料ガス流路を形成する工程と、を含む、燃料電池の製造方法。
【発明の効果】
【００２７】
発電性能と耐久性とを両立させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す本発明の実施の形態において、図１３に示したものと同様の構成については同一の符号を付し、その説明については省略するか、または簡単な説明にとどめる。また、図面中の各部材間の寸法比は必ずしも実際の各部材間の寸法比に一致していない。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池（単セル）の構成の概略を例示したものである。
【００３０】
図１に示す単セル１００は、酸化極側セパレータ１２６および燃料極側セパレータ１２８を酸化極側セパレータ２６および燃料極側セパレータ２８にそれぞれ代えたことを除き、図１３に示す単セル２００と同様の構成を有している。
【００３１】
図１に示す燃料極側セパレータ２８には、その一方面側に燃料ガス流路溝３４が、他方面側に冷却媒体流路溝３８が、それぞれ形成されている。燃料極側セパレータ２８の燃料ガス流路溝３４側表面を、燃料極拡散層１８と対面させることにより、燃料ガスおよびそのオフガスが流通する燃料ガス流路２４が形成される。
【００３２】
一方、図１において、酸化極側セパレータ２６には、その一方面側に酸化ガス流路溝３２が、他方面側に冷却媒体流路溝３６が、それぞれ形成されている。酸化極側セパレータ２６の酸化ガス流路溝３２側表面を、酸化極拡散層１６と対面させることにより、酸化ガスおよびそのオフガスが流通する酸化ガス流路２０が形成される。
【００３３】
ところで、例えば８０℃から１００℃の熱水に所定の時間、固体表面を浸漬させてその浸漬表面を親水化させる、いわゆる熱水処理という手法が知られている。同じく親水化の手法として知られているプラズマ処理などと比較して穏やかな親水化処理が可能であることが特徴の一つである。
【００３４】
図１において、燃料電池の運転中においては、加湿した反応ガスおよび生成水に由来する水分が酸化ガス流路２０および燃料ガス流路２４内に存在し、少なくともその一部は酸化極側セパレータ２６（酸化ガス流路溝３２）および燃料極側セパレータ２８（燃料ガス流路溝３４）に接触する。
【００３５】
前述したように、図１に示す単セル１００内部は、その運転時には例えば８０℃以上の高温になり得る。このため、酸化ガス流路溝３２や燃料ガス流路溝３４は、流通する水分と熱に伴い徐々に親水化（酸化）される。特に、酸化ガス流路溝３２を含む酸化極側セパレータ２６では、その酸化雰囲気のために、酸化の程度は燃料極側セパレータ２８と比較して顕著である。
【００３６】
本発明の実施の形態において、図１に示す燃料極側セパレータ２８は、少なくともこの燃料電池の運転開始前において、酸化極側セパレータ２６よりも高い親水性を有するように形成される。より具体的には、燃料極側セパレータ２８として、少なくとも燃料ガス流路溝３４または燃料ガス流路溝３４側表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角が６０°以下、例えば５°〜６０°程度のものを適用することが可能であるが、これに限定されない。本実施の形態によれば、燃料ガスの流速および／または流量の程度にかかわらず、燃料極側からの水分を速やかに単セルの外部に排出することが可能となる。
【００３７】
一方、図１に示す酸化極側セパレータ２６として、少なくとも酸化ガス流路溝３２または酸化ガス流路溝３２側表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角が１００°以上、例えば１００°〜１４０°程度のもの、を適用することが可能であるが、これに限定されない。このとき、酸化ガス流路溝３２または酸化ガス流路溝３２側表面が所定の水接触角を有していれば酸化極側セパレータ２６は表面処理されなくてもよく、また熱水処理その他の手法により親水化処理されてもよい。また、酸化ガス流路溝３２または酸化ガス流路溝３２側表面のみならず酸化極側セパレータ２６全体が同様の水分特性を有していてもよい。本実施の形態によれば、酸化極側セパレータ２６の酸化劣化に伴う耐久性の低下を抑制することが可能となる。このとき、燃料電池の運転開始当初における酸化極側からの水分の排出を補助するために、必要に応じて酸化ガスの流速および／または流量を調整することも好適である。
【００３８】
本発明の実施の形態において、酸化極側セパレータ２６および燃料極側セパレータ２８として好適に用いられる材料として、成形の容易性や、コスト面から、例えば型成形セパレータ、切削セパレータなどが好適に用いられるが、例えばステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの金属材料を適用したいわゆるメタルセパレータや、天然黒鉛、人造黒鉛、その他の炭素材料を適用したいわゆるカーボンセパレータなど、燃料電池セパレータとして所望の性能を発揮することが可能であればいかなるものを適用することも可能である。
【００３９】
また、実施の形態において、燃料極側セパレータ２８表面の親水化は、予め形成された燃料ガス流路溝３４または燃料ガス流路溝３４側表面に、公知の親水化の方法、例えば、プラズマ処理、化学エッチング、フッ素ガスによるフッ素処理、シリカ処理などの親水化剤によるコーティング、熱水処理、ショットブラストなどを、使用するセパレータ材料の性質に応じて適宜選択することが可能である。例えばカーボンセパレータの場合、より具体的には、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角が例えば１１０°〜１４０°程度である、燃料ガス流路溝３４が形成されたセパレータ基材表面に、例えばフッ素処理とプラズマ処理とを併用することにより、少なくとも６０°以下の所望の水接触角を有する表面処理を施すことも可能である。
【００４０】
本発明の実施の形態において、例えば、低負荷運転時には、燃料ガスおよび酸化ガスの消費量は高負荷運転または通常運転時より少ないため、反応ガスの流速は一般に通常運転時よりも低い。特に、燃料極側では、低流速になりやすいが、燃料ガス流路溝表面を親水化処理することにより、フラッディングの発生を抑制し、安定した電力供給を行なうことが可能となる。
【００４１】
一方、酸化極側セパレータ２６表面の親水化処理に伴うセパレータ表面のダメージを極力抑えるために、熱水処理により穏やかな親水化処理を行うことが好ましく、もしくは酸化ガスの加湿条件によっては親水化処理を行わないことも好適である。本実施の形態によれば、酸化極側セパレータ２６の表面処理に伴う劣化を抑制し、長期にわたり安定した発電性能を維持することが可能となる。
【実施例】
【００４２】
［燃料電池］
酸化極側セパレータ２６および燃料極側セパレータ２８の組み合わせを変更しながら、図１に示した単セル１００を備える燃料電池を作製し、その電池性能を評価した。なお、以下に示す燃料電池の作製において、括弧内に示す符号は、図１に示す符号に対応している。
【００４３】
＜電解質膜＞
フッ素系の電解質膜であるナフィオン（登録商標）１１２（デュポン社製）を５ｃｍ×５ｃｍ角に裁断し、電解質膜（１０）として使用した。
【００４４】
［触媒層の作製］
カーボンブラック（ケッチェンブラック  ＥＣ６００、ライオン（株）より入手）に対し重量基準で５０％の白金を担持させた触媒を作製した。この触媒を、５％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン社製）と、分散媒として５０％エタノール水溶液とを用いて混合分散し、触媒インクを作製した。触媒とナフィオン（登録商標）との混合比は、触媒：ナフィオン（登録商標）（固形分含量）＝１：０．５とした。
【００４５】
上述の電解質膜（１０）の両面に、上述の触媒インクを塗布し、酸化極触媒層（１２）および燃料極触媒層（１４）をそれぞれ作製した。より具体的には、別のシート（本実施例ではＥＴＦＥフィルムを使用）上に所定量の触媒インクを塗布したものを予め作製し、これを電解質膜（１０）へ熱圧着プレスにより転写接合することにより酸化極触媒層（１２）および燃料極触媒層（１４）をそれぞれ作製する方法を採用した。ここで触媒インクの塗布量は、酸化極触媒層（１２）側における触媒塗布量が０．８ｍｇ／ｃｍ２、燃料極触媒層（１４）側における触媒塗布量が０．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにそれぞれ調整した。なお、他の実施の形態として、上述の触媒インクをスプレーで直接電解質膜（１０）の両面に塗布しても同様の触媒層（１２，１４）が得られる。
【００４６】
［拡散層の作製］
＜拡散層用基材＞
含浸層（４０，４６）用基材Ａ（以下、「基材Ａ」のように記す）として、３．５ｃｍ×３．５ｃｍ角、厚み０．２ｍｍ、密度０．４ｍｇ／ｃｍ２のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−０６０、東レ株式会社製）を使用した。
【００４７】
［拡散層作製用塗工液の調製］
導電性粒子として、平均一次粒子径３５ｎｍのカーボンブラック（アセチレンブラック）を、撥水性を有する樹脂バインダとして、平均粒子径０．２μｍのＰＴＦＥを、カーボンブラック／ＰＴＦＥ＝７０／３０（乾燥重量比）の割合でそれぞれ脱イオン水中に分散させた、固形分含量１０％の塗工液１を作製した。
【００４８】
一方、導電性繊維として、平均繊維径１５０ｎｍ、平均繊維長８μｍの気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ、昭和電工社製）を、撥水性を有する樹脂バインダとして、平均粒子径０．２μｍのＰＴＦＥをそれぞれ用い、ＶＧＣＦ／ＰＴＦＥ＝７０／３０（乾燥重量比）で脱イオン水中に分散させた、固形分含量１５％の塗工液２を作製した。
【００４９】
＜塗工液１による塗工工程＞
塗工装置としてダイコータを用い、基材Ａの一方面上に、塗工液１を、目付量０．６５ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工し、含浸させた。塗工量（目付量）の制御は、定量ポンプを用いて行うことができる。含浸層用塗工液による塗工処理後、自然乾燥し６時間放置後、多孔体層用塗工液の塗工を行った。
【００５０】
＜塗工液２による塗工工程＞
塗工装置としてダイコータを用い、塗工液１を塗工し、乾燥させた基材Ａの一方面上に、塗工液２を、目付量４ｍｇ／ｃｍ２となるように塗工した。なお、各塗工工程において示した目付量は、いずれも固形分換算した値である。塗工液２による塗工処理後、自然乾燥し６時間放置後、焼成を行った。
【００５１】
＜焼成工程＞
焼成炉を用いて、３５０℃、８時間の焼成を行った。焼成後、放冷し、厚み約０．３ｍｍの拡散層を得た。
【００５２】
［拡散層の接合］
上述のようにして作製した、電解質膜（１０）の一方面に酸化極触媒層（１２）を、他方面に燃料極触媒層（１４）を、それぞれ作製したものの両側を、上述のように作製した拡散層を酸化極拡散層（１６）および燃料極拡散層（１８）としてそれぞれ挟持し、その両側から熱圧着プレスにより接合し、ＭＥＡを作製した。なお、本実施の形態において、接合条件は、１２０℃、３ＭＰａとしたが、これに限らず、任意に設定することが可能である。なお、酸化極拡散層（１６）において、塗工液２の塗工面側を酸化極触媒層（１２）と接触するように、また、燃料極拡散層（１８）において、塗工液２の塗工面側を燃料極触媒層（１４）と接触するように、それぞれ接合させた。
【００５３】
［燃料電池セパレータ］
＜セパレータ材料＞
４．５ｃｍ×４．５ｃｍ角、厚さ５ｍｍの日清紡製セパレータ基材の一方面側に、ガス流路として形成された幅１．８ｍｍ、深さ０．５ｍｍの反応ガス流路溝を、他方面側に、冷却媒体流路として使用される、ガス流路とほぼ同形状の冷媒流路溝を、それぞれ有するカーボンセパレータ材料を作製し、セパレータ材料として使用した。
【００５４】
［セパレータ１の製造］
上記セパレータ材料のガス流路用流路溝側表面に、（株）トーヨー電機製プラズマ処理装置を用いて、セパレータ材料表面との間隔を１０ｍｍで５分間処理し、反応ガス流路溝側表面が親水化処理されたセパレータ１を得た。得られたセパレータにおいて、ガス流路用流路溝側表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角は６０°であった。なお、水接触角の値は、３回の測定により得られた値を平均したものである。
【００５５】
［セパレータ２の製造］
処理時間を３分にすることを除き、セパレータ１の製造と同様にして、反応ガス流路溝側表面が親水化処理されたセパレータ２を得た。得られたセパレータにおいて、ガス流路用流路溝側表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角は１０５°であった。
【００５６】
［セパレータ３の製造］
セパレータ材料を８０℃の温水に４８時間浸漬させて熱水処理した後、９０℃により２時間乾燥させて、反応ガス流路溝および冷媒流路溝を含む表面全体が親水処理されたセパレータ３を得た。得られたセパレータにおいて、反応ガス流路溝表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角は１００°であった。
【００５７】
［セパレータ４の製造］
上述のセパレータ材料において、流路溝表面の親水化処理を行なわないものをセパレータ４として使用した。反応ガス流路溝表面の、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（静滴法）に規定する水接触角は１４０°であった。
【００５８】
［燃料電池性能の評価］
［評価試験１］低負荷運転時における初期電圧安定性
表２に示す組み合わせのセパレータを、エポキシシリコーン系の接着剤を用いて８０℃、１ＭＰａの圧力で３０分、加熱圧着させて燃料電池１〜６をそれぞれ作製し、表１に示す諸条件において、その性能評価を実施した。
【００５９】
【表１】
2009218058.tif 000003
【００６０】
【表２】
2009218058.tif 000004
【００６１】
［１］燃料ガス利用率特性
表１に示した評価条件において、燃料ガス利用率については任意で変更し、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ２の低負荷運転にて２時間保持し、内、後半１時間を測定時間にあて、その間の平均電圧（Ｖ）と電圧の偏差σ（ｍＶ）をそれぞれ測定した。表３および図２に平均電圧を、表４および図３にその間の電圧の偏差を３σとして、それぞれ示す。
【００６２】
【表３】
2009218058.tif 000005
【００６３】
【表４】
2009218058.tif 000006
【００６４】
図３に示すように、セパレータは、親水化処理することにより、発電安定性が向上する。また、図２に示すように、燃料極側セパレータは、親水化処理しない場合には、燃料ガスの利用率を低減すると、燃料ガスによる排水が十分でなく、発電安定性が低下するため、少なくとも燃料極側セパレータは親水化処理しておくことが好適である。これに対し、酸化極側セパレータは、図３に示すように、親水化処理をしなくてもある程度の発電安定性は確保されている。
【００６５】
［２］燃料ガス露点温度特性
表１に示した評価条件において、燃料ガスの露点温度については任意で変更し、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ２の低負荷運転にて２時間保持し、内、後半１時間を測定時間にあて、その間の平均電圧（Ｖ）と電圧の偏差σ（ｍＶ）をそれぞれ測定した。表５および図４に平均電圧を、表６および図５にその間の電圧の偏差を３σとして、それぞれ示す。
【００６６】
【表５】
2009218058.tif 000007
【００６７】
【表６】
2009218058.tif 000008
【００６８】
図５に示すように、燃料極側セパレータは、親水化処理しない場合には、特に高加湿条件下での発電安定性が低下する。これに対し、酸化極側セパレータは、親水化処理をしなくてもある程度の発電安定性は確保されている。
【００６９】
［３］酸化ガス利用率特性
表１に示した評価条件において、酸化ガス利用率については任意で変更し、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ２の低負荷運転にて２時間保持し、内、後半１時間を測定時間にあて、その間の平均電圧（Ｖ）と電圧の偏差σ（ｍＶ）をそれぞれ測定した。表７および図６に平均電圧を、表８および図７にその間の電圧の偏差を３σとして、それぞれ示す。
【００７０】
【表７】
2009218058.tif 000009
【００７１】
【表８】
2009218058.tif 000010
【００７２】
図７に示すように、燃料極側セパレータは、親水化処理しない場合には、特に高加湿条件下での発電安定性が低下する。これに対し、酸化極側セパレータは、親水化処理をしなくてもある程度の発電安定性は確保されている。
【００７３】
［４］酸化ガス露点温度特性
表１に示した評価条件において、酸化ガスの露点温度については任意で変更し、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ２の低負荷運転にて２時間保持し、内、後半１時間を測定時間にあて、その間の平均電圧（Ｖ）と電圧の偏差σ（ｍＶ）をそれぞれ測定した。表９および図８に平均電圧を、表１０および図９にその間の電圧の偏差を３σとして、それぞれ示す。
【００７４】
【表９】
2009218058.tif 000011
【００７５】
【表１０】
2009218058.tif 000012
【００７６】
図９に示すように、燃料極側セパレータは、親水化処理しない場合には、特に高加湿条件下での発電安定性が低下する。これに対し、酸化極側セパレータは、親水化処理をしなくてもある程度の発電安定性は確保されている。
【００７７】
［評価試験２］連続運転に伴う電池特性の変化
［１］連続運転に伴うセパレータ表面の水接触角の変化
表１に示した評価条件において、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２にて連続運転し、所定時間経過後における反応ガス流路溝部分の水接触角をそれぞれ測定した。
【００７８】
より具体的には、所定時間運転後の燃料電池２，４，５および６（表２参照のこと）から、中央部分の単セルを抜き取り、これを解体して、セパレータ表面の反応ガス流路溝部分の水接触角をｎ＝３で測定し、その平均値を算出した。表１１および図１０に結果を示す。
【００７９】
【表１１】
2009218058.tif 000013
【００８０】
図１０（表１１）によれば、燃料極側セパレータについては、水接触角の変化はわずかである（例えば、燃料電池２）が、酸化極側セパレータは、運転時間の経過とともに水接触角が小さくなり、親水性が高まることがわかる（例えば、燃料電池４，５，６）。一方、十分に親水化処理がなされたセパレータ１では、酸化極側においても水接触角にほとんど変化が見られない（例えば、燃料電池２）。
【００８１】
［２］６００時間運転後の酸化ガス露点温度特性
表１に示した評価条件において、酸化ガスの露点温度については任意で変更し、電流密度０．０６Ａ／ｃｍ２の低負荷運転にて５００時間保持し、内、最後の１時間を測定時間にあて、その間の平均電圧（Ｖ）と電圧の偏差σ（ｍＶ）をそれぞれ測定した。表１２および図１１に平均電圧を、表１３および図１２にその間の電圧の偏差を３σとして、それぞれ示す。
【００８２】
【表１２】
2009218058.tif 000014
【００８３】
【表１３】
2009218058.tif 000015
【００８４】
図１２に示すように、酸化極側セパレータが、連続運転により親水化されるため、酸化極側セパレータの親水化処理がなされていなかった燃料電池５や、酸化極側セパレータの親水化処理がごくわずかであった燃料電池６においても、発電安定性が向上する。
【００８５】
［評価試験３］連続運転に伴う接着強度の変化
表１に示した評価条件において、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２にて連続運転し、所定時間経過後における酸化極側セパレータと燃料極側セパレータとの接着強度（Ｎ／ｍｍ２）を常温にてそれぞれ測定した。
【００８６】
具体的には、所定時間運転後の燃料電池１〜６から、中央部分の単セルを抜き取り、酸化極側セパレータと燃料極側セパレータとが接着剤を介して接着固定された、単セルの外周部分を切断して１０ｍｍ×２０ｍｍの試験片を作製し、接着強度の測定に供した。測定には、引張試験機（ＡＧ−２０Ｎ、島津製作所製）を用いた。上記試験片の引張速度を１０ｍｍ／ｍｉｎとして、接着部分が剥がれるときの荷重をｎ＝３で測定し、その平均値を算出した。表１４に結果を示す。
【００８７】
【表１４】
2009218058.tif 000016
【００８８】
表１４によれば、酸化極側セパレータ表面をプラズマ処理などの強力な親水化処理を実施した場合と比較して、熱水処理または親水化処理を行わない場合には、接着強度の低下はわずかである。つまり、ガスシール性などの電池特性が長期にわたり維持され、耐久性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、いかなる燃料電池に対しても利用することが可能であるが、特に低負荷運転や高加湿運転に供される燃料電池に対して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態における単セルの構成の概略を示した拡大図である。
【図２】種々の燃料ガス利用率における、各セパレータのセル電圧に対する影響について説明するグラフである。
【図３】種々の燃料ガス利用率における、各セパレータの電圧偏差に対する影響について説明するグラフである。
【図４】種々の燃料ガス露点温度条件における、各セパレータのセル電圧に対する影響について説明するグラフである。
【図５】種々の燃料ガス露点温度条件における、各セパレータの電圧偏差に対する影響について説明するグラフである。
【図６】種々の酸化ガス利用率における、各セパレータのセル電圧に対する影響について説明するグラフである。
【図７】種々の酸化ガス利用率における、各セパレータの電圧偏差に対する影響について説明するグラフである。
【図８】種々の酸化ガス露点温度条件における、各セパレータのセル電圧に対する影響について説明するグラフである。
【図９】種々の酸化ガス露点温度条件における、各セパレータの電圧偏差に対する影響について説明するグラフである。
【図１０】反応ガス流路溝部分の水接触角の変化について説明するグラフである。
【図１１】種々の酸化ガス露点温度条件における、各セパレータのセル電圧に対する長時間運転後の影響について説明するグラフである。
【図１２】種々の酸化ガス露点温度条件における、各セパレータの電圧偏差に対する長時間運転後の影響について説明するグラフである。
【図１３】単セルの構成の概略を示した拡大図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０  電解質膜、１２  酸化極触媒層、１４  燃料極触媒層、１６  酸化極拡散層、１８  燃料極拡散層、２０，１２０  酸化ガス流路、２２  セル冷媒流路、２４，１２４  燃料ガス流路、２６，１２６  酸化極側セパレータ、２８，１２８  燃料極側セパレータ、３０  膜電極接合体（ＭＥＡ）、３２  酸化ガス流路溝、３４  燃料ガス流路溝、３６、３８  冷却媒体流路溝、１００，２００  単セル。
【図１】
2009218058.tif 000017
【図２】
2009218058.tif 000018
【図３】
2009218058.tif 000019
【図４】
2009218058.tif 000020
【図５】
2009218058.tif 000021
【図６】
2009218058.tif 000022
【図７】
2009218058.tif 000023
【図８】
2009218058.tif 000024
【図９】
2009218058.tif 000025
【図１０】
2009218058.tif 000026
【図１１】
2009218058.tif 000027
【図１２】
2009218058.tif 000028
【図１３】
2009218058.tif 000029