JP2001093539A

JP2001093539A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2001093539A
Application number: JP27366899A
Authority: JP
Inventors: Masao Yamamoto; 雅夫山本; Satoru Fujii; 覚藤井; Junji Niikura; 順二新倉; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】セパレータのガス流通溝を水滴が閉塞するこ
とによる燃料電池の性能の低下を防ぐ。【解決手段】固体高分子電解質膜４１を挟持する燃料
極４２と酸化剤極４３の両外面に、反応ガス流通溝４５
を備えたセパレータ４４を、反応ガス流通溝４５が燃料
極４２または酸化剤極４３に面するように配置し、ガス
シール層４７で気密に保持して構成する。セパレータの
内表面の少なくとも一部には、例えば（ポリ）アミノ酸
またはタンパク質からなる親水性塗膜４８を備え、セパ
レータに冷却水流通溝４６を設けて燃料電池を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を用いる固体高分子電解質型燃料電池に関する。さら
に具体的には、本発明は、燃料電池内の単電池を構成す
るセパレータに設けられる反応ガスの流通溝の構成に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来からの固体高分子電解質型
燃料電池の単電池の基本構成を示す概略断面図である。
固体高分子電解質膜１１の両側に、電極である燃料極１
２と酸化剤極１３とを配置し、さらにその両外側に、セ
パレータ１４を配置する。このセパレータ１４には、燃
料極１２に燃料ガスを供給し、酸化剤極１３に酸化剤ガ
スを供給するガス流通溝１５と、冷却水を流通して燃料
電池を適正温度に維持するための冷却水流通溝１６とを
設ける。また、セパレータ１４は、ガス流通溝１５が燃
料極１または酸化剤極１３に面するように配置し、ガス
シール層１７により気密性を保持しながら単電池を構成
する。次に、図２は、図１に示す単電池を積層して構成
される燃料電池積層体の部分概略側面図である。単電池
が発生する電圧は１ボルト程度であるため、燃料電池は
図１に示すように、単電池の積層体として構成される。
この積層体においては、複数の単電池２１を積層し、そ
の両端に集電板２２を配置し、さらにその外側に電気絶
縁性を有する絶縁板２３を配置する。そして、締付板２
４で挟み、締付ボルト２５、皿バネ２６および締付ナッ
ト２７を用いて締付板２４で積層体を締め付け、加圧し
ながら保持する。次に、図３は、ガス流通溝を有するセ
パレータの概略斜視図である。すなわち、図３は、図１
に示す単電池におけるセパレータ３１を電極１２または
１３側から見た様子を示すものである。図３に示すよう
に、セパレータ３１の電極に面する側の中央部（電極領
域）３２には、複数のガス流通溝３３が平行に配置され
ている。外部より供給される反応ガス（すなわち、水素
などの燃料ガスまたは空気などの酸化剤ガス）は、上部
に設けられたガス入口３４より入口側マニホールド３５
へと送られ、各ガス流通溝３３に分配される。そして、
ガス流通溝３３を経て下側へ流れる反応ガスは、下部の
ガス出口３６から外部に排出される。

【０００３】また、固体高分子電解質膜としては、スル
ホン酸基を含有するポリスチレン系陽イオン交換膜（カ
チオン導電性膜）、フルオロカーボンマトリクスにおい
てトリフルオロエチレンをグラファイト化した膜、およ
びパーフルオロカーボンスルホン酸膜（例えば、米国デ
ュポン社製の「Nafion」）などがあげられる。これらの
固体高分子電解質膜は、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を備えており、常温下、飽和に水を含む状態
で比抵抗が２０Ωｃｍ以下となり、プロトン導電性電解
質として機能する。なお、膜の飽和含水量は温度によっ
て可逆的に変化する。一方、電極である燃料極および酸
化剤極は、触媒層とこれを支持する電極基材とからな
り、触媒層を固体高分子電解質膜に密着させて配置す
る。燃料極に燃料ガスである水素などを供給し、酸化剤
極に酸化剤ガスである酸素または空気などを供給する
と、それぞれの触媒層と固体高分子電解質膜との界面に
三相界面が形成され、以下の式（３）および（４）で示
される電気的な化学反応が起こる。燃料極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（３）酸化剤極：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（４）すなわち、燃料電池においては、これらの反応により水
素と酸素が反応して水を生成するのである。また、触媒
層は、一般に微小な粒子状の白金触媒と撥水性を備えた
フッ素樹脂から形成されており、反応ガスが三相界面ま
で効率的に拡散できるよう細孔を有している。

【０００４】このような固体高分子電解質型燃料電池
は、固体高分子電解質膜の比抵抗を小さくして発電効率
を高く維持するため、通常５０〜１００℃の運転温度で
使用される。そして、前述のように、固体高分子電解質
膜が飽和に含水することによりその比抵抗が小さくな
り、プロトン導電性を発揮する。したがって、固体高分
子電解質型燃料電池の発電効率を維持するためには、電
解質膜の含水状態を飽和に維持することが必要となる。
これに対し、反応ガスに水を供給し、湿度を高めた反応
ガスを燃料電池へ供給することにより、電解質膜の乾燥
を防止する方法が採用されている。しかし、前述のよう
に、燃料電池の発電に際して生成する水は余剰の反応ガ
スとともに燃料電池の外部に排出されるため、単電池内
の反応ガスに含まれる水分の量が反応ガスの流れ方向に
おける位置によって差異を生ずる。すなわち、下流側
（出口側）における反応ガスは、上流側（入口側）に比
べて、生成水に相当する量の水分を余分に含むことな
る。このため、電解質膜の含水状態を飽和に維持すべく
飽和状態に加湿した反応ガスを単電池に供給すると、出
口側では水蒸気が過飽和となり、水滴と混在してしま
う。このように、反応ガス中に液体状態の水滴が含まれ
ることになると、水の表面張力が大きいことから、セパ
レータの反応ガス流通溝に停滞し、さらには流通溝を塞
いで反応ガスの流れを阻害するという問題を生じうる。
換言すれば、反応ガスの供給量が不足したり、電池特性
の低下をもたらす危険性がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、上述した
従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池の
セパレータ内において、ガス流通溝に発生した水滴を効
率よく燃料電池の外部に排出し、反応ガスが安定して均
一に流通する固体高分子電解質型燃料電池を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質膜からなる電解質層と、前記電解質層を挟む一対の
電極層と、ガス流通溝を備え、前記電極層の外側に配さ
れた一対のセパレータとからなる単電池であって、一方
のセパレータのガス流通溝に燃料ガスが供給され、他方
のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスが供給される単
電池を積層してなる固体高分子電解質型燃料電池であっ
て、各セパレータのガス流通溝の内表面に親水性塗膜が
形成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池に関する。かかる本発明の燃料電池においては、
前記燃料電池においては、前記セパレータの流通溝の内
表面において、重力方向に対し最も下側に位置する面に
のみ親水性塗膜が形成されているのが有効である。ま
た、前記セパレータの流通溝の内表面において、重力方
向に対し最も下側に位置する面に親水性塗膜が形成さ
れ、その他の面に撥水性塗膜が形成されているのが有効
である。前記親水性塗膜は有機化合物または無機化合物
から構成すればよい。前記有機化合物としては、

【０００７】

【化２】

【０００８】で示される部分を有する有機化合物が有効
である。また、前記有機化合物がアミノ酸またはタンパ
ク質であるのが有効である。また、前記無機化合物とし
てはシリカゲルが有効である。さらに、前記無機化合物
としては、金属酸化物であるのも有効である。一方、前
記撥水性塗膜はフッ素樹脂からなるのが有効である。さ
らに、本発明の燃料電池においては、前記セパレータの
流通溝の内表面において、前記親水性塗膜の臨界表面張
力をγ_a、それ以外の面の臨界表面張力をγ_bとした場
合、関係式（１）：γ_a＞γ_b が成り立つことを特徴とする請求項２〜７のいずれかに
記載の固体高分子電解質型燃料電池。

【０００９】前記セパレータの流通溝の内表面におい
て、前記親水性塗膜の水に対する接触角をθ_a、それ以
外の面の水に対する接触角をθ_bとした場合に、関係式（２）：θ_a＜θ_b が成り立つのが有効である。さらに、本発明は、固体高
分子電解質膜からなる電解質層と、前記電解質層を挟む
一対の電極層と、ガス流通溝を備え、前記電極層の外側
に配された一対のセパレータとからなる単電池であっ
て、一方のセパレータのガス流通溝に燃料ガスが供給さ
れ、他方のセパレータのガス流通溝に酸化剤ガスが供給
される単電池を積層してなる固体高分子電解質燃料電池
であって、各セパレータのガス流通溝の内表面が粗面処
理されたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
に関する。また、各セパレータが前記電極層と接触する
部分には、金属被膜を形成するのが有効である。

【００１０】

【発明の実施の形態】前述のように、本発明の固体高分
子電解質型燃料電池の最大の特徴は、燃料電賃を構成す
るセパレータにおいて、ガス流通溝の内表面の少なくと
も一部に親水性を持たせることにある。これによって、
電池反応によって生成した水がガス流通溝内に停滞する
ことなく、効率よく電池外に排出され、信頼性の高い燃
料電池を提供する。このように、セパレータのガス流通
溝の内表面に親水性部分を設ける方法としては、大きく
分けて親水性塗膜を形成する方法（１）と、内表面を粗
面化して親水性を付与する方法（２）とがある。

【００１１】（１）まず、親水性塗膜を形成する方法に
ついて説明する。この親水性塗膜は、前記セパレータの
流通溝の内表面において、重力方向に対し最も下側に位
置する面にのみ形成するのが好ましい。これは、前記流
通溝において、少なくとも生成水などが流れる部位に親
水性を持たせることにより、前記生成水が流れやすく
し、流通溝内に停滞しないようにするためである。した
がって、この場合、重力方向に対し最も下側に位置する
面以外の面には、撥水性塗膜を形成するのが好ましい。
このような撥水性部位を前記内表面に形成することによ
り、生成水を親水性部位へと押しやり、より流通しやす
くするためである。

【００１２】前記親水性塗膜としては、

【００１３】

【化３】

【００１４】で示される部分を有する有機化合物からな
るものが好ましい。これらの官能基および結合部分は親
水性を有するからである。例えば酸素原子に起因する親
水性、−ＮＨＣＯ−や−ＮＨ部分の凝集エネルギーに起
因する親水性などがあげられる。かかる有機化合物とし
ては、例えばポリビニルアルコール、ポリエステル系樹
脂、ポリウレタン系樹脂、２−ヒドロキシアクリレート
樹脂などのアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボ
ネートなどの樹脂、牛血清アルブミン、ヘモグロビン、
キモトリブシンなどのタンパク酸、ポリグルタミン酸、
アスパラギン酸、ヒスチジン、リジンなどの（ポリ）ア
ミノ酸などの親水性高分子化合物があげられる。このよ
うな有機化合物のなかでも、水に対する安定性、薄膜化
が可能という理由からは、アミノ酸またはタンパク質が
好ましい。このような有機化合物からなる親水性塗膜
は、これらの化合物を含む溶液をセパレータのガス流通
溝の内表面に塗布し、乾燥して形成することができる。
また、樹脂からなる塗膜は、樹脂を構成するモノマー成
分を含む溶液を前記内表面に塗布し、熱または光などに
よって重合させることにより形成することもできる。

【００１５】つぎに、前記親水性塗膜は無機化合物で形
成してもよい。このような無機化合物としては、例えば
シリカゲルがあげられる。シリカゲルからなる親水性塗
膜を形成する場合は、有機化合物を用いた場合よりも優
れた親水性を付与することができる。例えば水に対する
接触角を０°にすることも可能である。シリカゲルから
なる塗膜は、シリカゲルを粉砕し、数〜数十μｍオーダ
ーにした後、バインダーを介して表面に固着させて形成
すればよい。また、前記無機化合物としては、例えば、
酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなど
の金属酸化物があげられる。このような金属酸化物で親
水性塗膜を形成すると、水に対する安定性など、電池駆
動時の耐久性が向上し得るという利点がある。かかる金
属酸化物からなる塗膜は、例えば（１）バインダーを介
して固着させる方法、または（２）セパレータに金属セ
パレータを用い、マスクを施すなどして流通溝のみを酸
化する方法により形成すればよい。ゾルゲル法も用いる
ことができる。

【００１６】一方、前記撥水性塗膜は、フッ素樹脂で構
成するのが好ましい。このようなフッ素樹脂としては、
例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦ
Ｅ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピ
レン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン
−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂
（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合
体樹脂（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン樹脂
（ＰＣＴＦＥ）、フルオロビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）
などがあげられる。なかでも、ＰＴＦＥが好ましい。こ
のような、撥水性塗膜は、前述のように、高分子化合物
からなる親水性塗膜を形成する場合と同様にして形成す
ることができる。

【００１７】このように、前記セパレータの流通溝の内
表面に親水性部分が設けられたことを示すものとして、
臨界表面張力および接触角がある。すなわち、前記親水
性塗膜の臨界表面張力をγ_a、それ以外の面の臨界表面
張力をγ_bとした場合、関係式（１）：γ_a＞γ_b が成り立つのが好ましい。さらに、前記セパレータの流
通溝の内表面において、前記親水性塗膜の水に対する接
触角をθ_a、それ以外の面の水に対する接触角をθ_bとし
た場合に、関係式（２）：θ_a＜θ_b が成り立つのが好ましい。

【００１８】一方、各セパレータが前記電極層と接触す
る部分（集電部）には、金属被膜を形成するのが好まし
い。特に、金属酸化物からなる親水性塗膜を設ける場合
に、かかる金属被膜を設けるのが好ましい。これは、金
属表面を酸化処理する際、集電部が酸化されると導電性
が低下するため、電池出力が低下するという理由による
ものである。なお、上述の塗膜の厚さは、本発明の効果
を損なわない範囲で適宜選択すればよい。

【００１９】（２）つぎに、セパレータのガス流通溝の
内表面を粗面処理することにより、親水性を付与する方
法について説明する。このような粗面化処理によれば、
セパレータのガス通流溝の内表面に微細な凹凸形状が形
成され、生成水との接触面積が大きくなる。これによ
り、親水性を有するものと思われる。粗面化の程度は、
表面粗さ（Ｒ_a）で表す。本発明においては、数十分の
一μｍ程度であればよい。このような粗面化は、具体的
には、例えばサンドブラスト法、電解処理、粒子研磨、
オゾン処理などにより行えばよい。

【００２０】このように、本発明の燃料電池において
は、セパレータの流通溝を上記のような構成にすること
により、生成水の排水効率が向上し、反応ガスが安定し
て流れるようになり、固体高分子電解質型燃料電池の性
能の低下を抑えることが可能になる。上記（１）の構成
においては、臨界表面張力の大きい親水性塗膜によっ
て、生成水がセパレータ表面とより小さな接触角をなし
て水滴となる。そのため、ガス流通溝を閉塞するほどの
水滴には成長せず、また親水性塗膜表面を伝って、ガス
流通溝に留まることなく、所定の流路まで導かれること
による。また、上記（２）の構成においては、微細な凹
凸面が親水性を有し、これによって、生成水がセパレー
タ表面とより小さな接触角をなして水滴となる。そのた
め、ガス流通溝を閉塞するほどの水滴には成長せず、ま
たそれらの親水性表面を伝って、ガス通流溝に留まるこ
となく、所定の流路まで導かれることによる。

【００２１】親水性塗膜、または微細な凹凸面からなる
親水性表面は、セパレータの内表面全面に設けるのがよ
り効果的ではあるが、全面でなくセパレータの通流溝に
おいて、重力方向に対し最も下側に位置する面にのみ設
けても排水効果を向上させることができる。これは、前
記親水性処理面以外に付着した水滴は、それに働く重力
のために、その下側に設けた親水性処理面上に滴下する
ことになり、親水性処理面の表面を伝ってガス通流溝に
留まることなく、燃料電池の外部に効率よく排出される
ことになるからである。また、親水性塗膜を用いた場合
でも、親水性表面以外の面に撥水性塗膜を形成した場
合、より排水効率が向上する。水滴のセパレータ表面に
対する接着強度がより小さくなるため、より重力によっ
て滴下しやすくなるためである。なお、本発明の固体高
分子電解質型燃料電池において、前記セパレータ以外の
構成要素については、従来のものと同様であればよい。

【００２２】以下に、実施例を用いて本発明をより具体
的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるもの
ではない。

【００２３】

【実施例】《実施例１》図４は、本発明の実施例１に係
る固体高分子電解質型燃料電池における単電池の一実施
例の概略分解断面図である。固体高分子電解質膜４１を
挟持する燃料極４２と酸化剤極４３の両外面に、反応ガ
ス流通溝４５を備えたセパレータ４４を配置した。セパ
レータ４４は、反応ガス流通溝４５が燃料極４２または
酸化剤極４３に面するように配置し、ガスシール体４７
で気密に保持して構成した。なお、本実施例では、固体
高分子電解質膜４１として、米国デュポン社製のナフィ
オンを用いた。また、セパレータは、カーボン粉末とフ
ェノール樹脂を混合したものを一定の金型に入れ、加圧
状態で加熱成形して得た。その後、反応ガス流通溝４５
となる内表面にポリウレタン系樹脂（東亜合成化学
（株）製のＭ１２１０）からなる親水性塗膜４８を光重
合法により設けた。

【００２４】このような構成によれば、固体高分子電解
質膜４１の含水状態を飽和に維持するために飽和状態に
加湿して供給した反応ガスの水分、および燃料電池の発
電により生成した反応生成水によって不具合が生じるこ
とはなかった。すなわち、これらの水が過飽和状態とな
って液化し、セパレータ４４の反応ガス流通溝に水滴と
して付着する事態が生じても、反応ガス流通溝４５の表
面には親水性塗膜が形成されているため、ガス流通溝を
閉塞するほどの水滴には成長せず、親水性塗膜表面を伝
ってガス流通溝に留まることなく、所定の流路まで導か
れた。これにより、燃料電池に対する反応ガスの供給が
不足する危険性が回避され、反応ガスが安定して均一に
流通することができた。なお、図４に示した構成におい
ては、セパレータに冷却水流通溝４６を設けて単電池を
冷却したが、これに限るものでなくセパレータ以外の別
途構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００２５】《実施例２〜７》セパレータの反応ガス流
通溝の内面に設ける塗膜を、ポリビニルアルコール（Ｐ
ＶＡ）、ポリエステル系樹脂（日本化薬（株）製のＨＸ
６２０）、２−ヒドロキシルアクリレート樹脂、牛血清
アルブミン（ＢＳＡ）、ポリグルタミン酸またはシリカ
ゲルに代えた以外は、実施例１と同様の構成の固体高分
子電解質型燃料電池を作製した。これらの燃料電池にお
いても、固体高分子電解質膜の含水状態を飽和に維持す
るために飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水
分、及び燃料電池の発電により生成した反応生成水によ
って不具合が生じることはなかった。すなわち、これら
の水が過飽和状態となって液化し、セパレータの反応ガ
ス流通溝に水滴として付着する事態が生じても、反応ガ
ス流通溝の表面には上記した親水性塗膜が形成されてい
るため、ガス流通溝を閉塞するほどの水滴には成長せ
ず、親水性塗膜表面を伝ってガス流通溝に留まることな
く、所定の流路まで導かれた。これにより、燃料電池に
対する反応ガスの供給が不足する危険性が回避され、反
応ガスが安定して均一に流通することができた。なお、
本実施例では、セパレータに冷却水流通溝を設けて単電
池を冷却しているが、これに限るものでなくセパレータ
以外の別途構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００２６】《実施例８》図５は、本発明の固体高分子
電解質型燃料電池における単電池の概略分解断面図であ
る。固体高分子電解質膜５１を挟持する燃料極５２と酸
化剤極５３の両外面に、反応ガス流通溝５５を備えたセ
パレータ５４を、反応ガス流通溝５５が燃料極５２ある
いは酸化剤極５３に面するように配置し、ガスシール層
５７で気密に保持して構成した。本実施例では、固体高
分子電解質膜５１として、デュポン社製のナフィオンを
用いた。また、セパレータは、カーボン粉末とフェノー
ル樹脂を混合したもの一定の金型に入れ加圧状態で、加
熱形成して得た。その後、セパレータの反応ガス流通溝
５５の内面のうち重力方向に対して最も下側に位置する
面５６にはポリウレタン系樹脂（東亜合成化学（株）製
のＭ１２１０）からなる親水性塗膜５８、その他の面５
７にはテトラフルオロエチレンからなる撥水性塗膜５９
を設けた。本構成においては、固体高分子電解質膜５１
の含水状態を飽和に維持するために飽和状態に加湿して
供給される反応ガスの水分、および燃料電池の発電によ
り生成された反応生成水による不具合は生じなかった。
すなわち、これらの水が過飽和状態となって液化し、セ
パレータ５４の反応ガス流通溝に水滴として付着する事
態が生じても、反応ガス流通溝５５の内面のうち重力方
向に対して最も下側に位置する面５６には親水性塗膜が
形成されているため、ガス流通溝を閉塞するほどの水滴
には成長せず、親水性塗膜表面を伝ってガス流通溝に留
まることなく、所定の流路まで導かれた。これにより、
反応ガスの供給が不足する危険性が回避され反応ガスが
安定して均一に流通することができた。なお、本実施例
では、セパレータに冷却水流通溝５６を設けて単電池を
冷却しているが、これに限るものでなくセパレータ以外
の別途構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００２７】《実施例９》図６は、本発明の固体高分子
電解質型燃料電池における実施例２に係る単電池の概略
分解断面図である。固体高分子電解質膜６１を挟持する
燃料極６２と酸化剤極６３の両外面に、反応ガス流通溝
６５を備えたセパレータ６４を、反応ガス流通溝６５が
燃料極６２あるいは酸化剤極６３に面するように配置
し、ガスシール層６７で気密に保持して構成した。本実
施例では、固体高分子電解質膜６１として、米国デュポ
ン社製のナフィオンを用いた。また、セパレータは、カ
ーボン粉末とフェノール樹脂を混合したもの一定の金型
に入れ加圧状態で、加熱形成して得た。その後、セパレ
ータの反応ガス流通溝６５の内面のうち重力方向に対し
て最も下側に位置する面６６にのみポリウレタン系樹脂
（東亜合成化学（株）製のＭ１２１０）からなる親水性
塗膜６８を設けた。本構成においては、固体高分子電解
質膜６１の含水状態を飽和に維持するために飽和状態に
加湿して供給した反応ガスの水分、および燃料電池の発
電により生成された反応生成水による不具合は生じなか
った。すなわち、これらの水が過飽和状態となって液化
し、セパレータ６４の反応ガス流通溝に水滴として付着
する事態が生じても、反応ガス流通溝６５の内面のうち
重力方向に対して最も下側に位置する面には親水性塗膜
が形成されているため、ガス流通溝を閉塞するほどの水
滴には成長せず、親水性塗膜表面を伝ってガス流通溝に
留まることなく、所定の流路まで導かれた。これによ
り、反応ガスの供給が不足する危険性が回避され反応ガ
スが安定して均一に流通することができた。なお、本実
施例では、セパレータに冷却水流通溝６６を設けて単電
池を冷却しているが、これに限るものでなくセパレータ
以外の別途構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００２８】また、セパレータ表面の臨界表面張力およ
び水に対する接触角と燃料電池の排水効率（つまり電池
性能）との間にはある一定の相関関係が成立することが
わかった。表１に、本実施例におけるセパレータ表面の
臨界表面張力（水−エタノール系でジスマンプロットに
より算出）、水に対する接触角、流通溝の排水状態、お
よび燃料電池の性能低下の様子を示す。なお、これらは
３０℃で測定した。表１より、良好な排水効率と電池性
能を示す燃料電池では、セパレータの流通溝において、
親水性塗膜を設けた面の臨界表面張力をγ_a、それ以外
の面の臨界表面張力をγ_bとしたとき、γ_aとγ_bが関係
式（１）：γ_a＞γ_bを満たすことがわかった。また、セ
パレータの流通溝において、親水性塗膜を設けた面の水
に対する接触角をθ_a、それ以外の面の水に対する接触
角をθ_bとしたとき、関係式（２）：θ_a＜θ_bを満たす
ことがわかった。

【００２９】

【表１】

【００３０】《実施例１０》図７は、本発明に係る固体
高分子電解質型燃料電池における別の単電池の概略分解
断面図である。固体高分子電解質膜７１を挟持する燃料
極７２と酸化剤極７３の両外面に、反応ガス流通溝７５
を備えたセパレータ７４を、反応ガス流通溝７５が燃料
極７２または酸化剤極７３に面するように配置し、ガス
シール層７７で気密に保持して構成した。本実施例で
は、固体高分子電解質膜７１として、米国デュポン社製
のナフィオンを用いた。また、セパレータはカーボン粉
末とフェノール樹脂を混合したものを一定の金型に入れ
加圧状態で、加熱形成して得た。その後、サンドブラス
ト処理により、その反応ガス流通溝７５となる内表面を
粗面処理し、微細凹凸面７８を形成した。本構成におい
ても、固体高分子電解質膜７１の含水状態を飽和に維持
するために飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水
分、および燃料電池の発電に際し生成された反応生成水
による不具合は生じなかった。すなわち、これらの水が
過飽和状態となって液化し、セパレータ７４の反応ガス
流通溝に水滴として付着する事態が生じても、反応ガス
流通溝７５の表面の凹凸に起因して親水性機能を示すた
め、ガス流通溝を閉塞するほどの水滴には成長せず、そ
の表面を伝ってガス流通溝に留まることなく、所定の流
路まで導かれた。これにより、反応ガスの供給が不足す
る危険性が回避され反応ガスが安定して均一に流通する
ことができた。なお、図７に示した構成においては、セ
パレータに冷却水流通溝７６を設けて単電池を冷却して
いるが、これに限るものでなくセパレータ以外の別途構
成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００３１】《実施例１１》図８は、本発明に係る固体
高分子電解質型燃料電池におけるまた別の単電池の概略
分解断面図である。固体高分子電解質膜８１を挟持する
燃料極８２と酸化剤極８３の両外面に、反応ガス流通溝
８５を備えたセパレータ８４を、反応ガス流通溝８５が
燃料極８２または酸化剤極８３に面するように配置し、
ガスシール層８７で気密に保持して構成した。本実施例
では、固体高分子電解質膜８１として、米国デュポン社
製のナフィオンを用いた。また、セパレータは以下のよ
うに作製した。すなわち、ステンレス鋼製のセパレータ
の表面に、チタンを含む溶液をコーティングし、酸素雰
囲気下で４００℃、１時間加熱処理し、酸化チタンから
なる金属酸化物被膜８８を形成した。その後、集電部分
の金属酸化物被膜を切削、研磨処理により除去し、金属
（チタン）面８９を露出させた本構成においては、固体
高分子電解質膜８１の含水状態を飽和に維持するために
飽和状態に加湿して供給される反応ガスの水分、および
燃料電池の発電により生成した反応生成水による不具合
は生じなかった。すなわち、これらの水が過飽和状態と
なって液化し、セパレータ８４の反応ガス流通溝に水滴
として付着する事態が生じても、反応ガス流通溝８５の
表面には親水性機能を示す金属酸化物が形成されている
ため、ガス流通溝を閉塞するほどの水滴には成長せず、
その表面を伝ってガス流通溝に留まることなく、所定の
流路まで導かれた。これにより、反応ガスの供給が不足
する危険性が回避され反応ガスが安定して均一に流通す
ることができた。なお、図８に示した構成においては、
セパレータに冷却水流通溝８６を設けて単電池を冷却し
ているが、これに限るものでなくセパレータ以外の別途
構成部品にこの冷却機能を持たせてもよい。

【００３２】《比較例１》セパレータ表面に親水性処理
面を形成することなく、実施例１記載と同様の構成の固
体高分子電解質型燃料電池を作製した。この燃料電池の
起電力は、初期は実施例記載のものと同等の値を示した
が、数時間経過後低下する傾向を示した。その後、燃料
電池を解体し、セパレータの流通溝での水滴の状態を観
測したところ、反応ガスの下流側すなわち出口側で多量
の水滴が観測された。電池性能の低下は、これらの水滴
による流通溝の閉塞によってガス供給量が減少したこと
に起因するものと考えられる。なお、上記実施例におい
ては、単電池を横方向に積層している燃料電池について
述べたが、本発明は、単電池を上下方向に積層した燃料
電池についても適用できる。

【００３３】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、セパレ
ータのガス流通溝の内表面に親水性部位を設けることに
よって、反応ガス流通溝における水滴による閉塞を抑制
し、反応ガスが安定して均一に流通する固体高分子電解
質型燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の固体高分子電解質型燃料電池における単
電池の基本構成を示す概略断面図である。

【図２】単電池を積層して構成される燃料電池積層体の
概略側面図である。

【図３】単電池を構成するセパレータを電極側から見た
概略斜視図である。

【図４】本発明の実施例１における単電池の概略分解断
面図である。

【図５】本発明の実施例２における単電池の概略分解断
面図である。

【図６】本発明の実施例３における単電池の概略分解断
面図である。

【図７】本発明の実施例４における単電池の概略分解断
面図である。

【図８】本発明の実施例５における単電池の概略分解断
面図である。

【符号の説明】

１１固体高分子電解質膜１２燃料極１３酸化剤極１４セパレータ１５ガス流通溝１６冷却水流通溝１７ガスシール層２１単電池２２集電板２３絶縁板２４締付板２５締付ボルト２６皿バネ２７締付ナット３１セパレータ３２電極領域３３ガス流通溝３４ガス入口３５マニホールド３６ガス出口４１固体高分子電解質膜４２燃料極４３酸化剤極４４セパレータ４５ガス流通溝４６冷却水流通溝４７ガスシール層４８親水性塗膜５１固体高分子電解質膜５２燃料極５３酸化剤極５４セパレータ５５ガス流通溝５６冷却水流通溝５７ガスシール層５８親水性塗膜５９撥水性塗膜６１固体高分子電解質膜６２燃料極６３酸化剤極６４セパレータ６５ガス流通溝６６冷却水流通溝６７ガスシール層６８親水性塗膜７１固体高分子電解質膜７２燃料極７３酸化剤極７４セパレータ７５ガス流通溝７６冷却水流通溝７７ガスシール層７８微細凹凸面８１固体高分子電解質膜８２燃料極８３酸化剤極８４セパレータ８５ガス流通溝８６冷却水流通溝８７ガスシール層８８金属酸化物被膜８９金属面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新倉順二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 HH00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜からなる電解質層
と、前記電解質層を挟む一対の電極層と、ガス流通溝を
備え、前記電極層の外側に配された一対のセパレータと
からなる単電池であって、一方のセパレータのガス流通
溝に燃料ガスが供給され、他方のセパレータのガス流通
溝に酸化剤ガスが供給される単電池を積層してなる固体
高分子電解質型燃料電池であって、各セパレータのガス
流通溝の内表面に親水性塗膜が形成されていることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】前記セパレータの流通溝の内表面におい
て、重力方向に対し最も下側に位置する面にのみ親水性
塗膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の
固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】前記セパレータの流通溝の内表面におい
て、重力方向に対し最も下側に位置する面に親水性塗膜
が形成され、その他の面に撥水性塗膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃
料電池。
【請求項４】前記親水性塗膜が、【化１】で示される部分を有する有機化合物からなることを特徴
とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子電解
質型燃料電池。
【請求項５】前記セパレータの流通溝の内表面におい
て、前記親水性塗膜の臨界表面張力をγ_a、それ以外の
面の臨界表面張力をγ_bとした場合、関係式（１）：γ_a＞γ_b が成り立つことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに
記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】前記セパレータの流通溝の内表面におい
て、前記親水性塗膜の水に対する接触角をθ_a、それ以
外の面の水に対する接触角をθ_bとした場合に、関係式（２）：θ_a＜θ_b が成り立つことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに
記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】各セパレータが前記電極層と接触する部
分に金属被膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜
６のいずれかに記載の固体高分子電解質型燃料電池。