JP2005005095A

JP2005005095A - 高分子電解質型燃料電池

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Publication number: JP2005005095A
Application number: JP2003166411A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Shibata; 礎一柴田; Takayuki Urata; ▲隆▼行浦田; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部; Hideo Obara; 英夫小原; Koichi Ito; 浩一伊藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータから溶出する成分とその量を制御することにより、長期的に信頼性を維持する燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜と、その両面に配置した一対の電極と、電極の一方に燃料ガスを供給し、他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備する燃料電池において、前記導電性セパレータ１ｇ当たりから水中に溶出する成分及び量を、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下に制御する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜とその両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、およびその外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層から構成される。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーで形成される。
【０００３】
供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部にリークしたり、二種類の燃料ガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガスシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。これらのＭＥＡとセパレータを交互に重ねていき、１０〜２００セル積層し、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、これらを締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
このような高分子電解質型燃料電池において、セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対して高いガス気密性を持ち、さらに水素と酸素との酸化還元反応に対して高い耐食性、すなわち耐酸性を持つ必要がある。このような理由から従来のセパレータは、グラッシーカーボン板の表面に切削加工でガス流路を形成する方法により製造されている。また、別のセパレータの製造方法として、天然黒鉛や人造黒鉛等の導電性炭素材料に、ポリエチレンやポリビニルアルコール等の熱可塑性樹脂、またはフェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂をバインダーとして添加したものを、樹脂が黒鉛化しない温度で、加熱圧縮成形、トランスファー成形または射出成形しているものもある（例えば、特許文献１または２参照。）。
【０００５】
ところが、グラッシーカーボン板を切削加工してセパレータを作製する方法では、グラッシーカーボン板の材料コストそのものが高いうえに、切削するためのコストを引き下げることも難しく、実用化が困難である。
【０００６】
一方、バインダーとして熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を添加した導電性炭素材料を成形してセパレータを作製する方法では、樹脂の種類や添加量を最適化することにより、燃料電池のセパレータとして必要な導電性や物理的強度を付与することが可能である。また、加圧圧縮成形、トランスファー成形または射出成形といった成形方法は、切削加工に比べて生産速度が速く、熱硬化製樹脂を使用する場合には、硬化剤や硬化促進剤の添加により硬化時間の短縮が可能であるなど、量産性の面でも優れている。
【０００７】
しかしながら、導電性炭素材料と樹脂からなるセパレータは、高温の水蒸気に長時間曝されることで、導電性炭素材料中の不純物成分や樹脂成分に含まれる官能基や未反応基が遊離あるいは分解されたものが溶出することが知られている。
【０００８】
例えば、通常の天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック等の導電性炭素材料は、不純物として３０ｐｐｍ程度の硫化物を含んでおり、硫酸イオン、亜硫酸イオンとなって溶出する可能性がある。また、バインダーとして使用可能な熱硬化型樹脂であるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、その製造過程で未反応部分にクロロ基を持つため、硬化後の樹脂より塩化物イオンが溶出する。臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂からは臭化物イオンが溶出する。また、量産性を高めるために必要な硬化剤や硬化促進剤には一般的にアミン系の化合物が用いられており、硬化後の樹脂より、アンモニアあるいはアンモニウムイオンが溶出する。また、フッ素系の熱可塑性樹脂ではフッ化物イオンの溶出が起こる。また、ノボラック型のフェノール樹脂においても、燃料電池の運転時に遊離フェノール、ホルマリン、アルコール、未反応の樹脂への添加物などの有機物や、アンモニウムイオンなどのイオンの溶出が起こる（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
セパレータから溶出するイオンあるいは有機物は、以下に示すように燃料電池の特性低下を引き起こすという問題を有する。
【００１０】
第一に、特許文献３に記載の燃料電池において、冷却水や生成水の導電性が上昇することによる電池性能の低下が指摘されている。
【００１１】
第二に、塩化物イオン等のハロゲンイオンのように、白金と錯体を形成するイオン種や、アンモニアや硫化物等の白金表面への吸着性の高いイオン種は、燃料電池電極の触媒層にある白金の有効反応面積を減少させる。
【００１２】
セパレータから溶出するイオン種が白金電極に与える影響を確認するために、本発明者らは、図７に示す装置を用いて、酸化還元反応の試験を行った。
【００１３】
図７は、酸化還元反応の試験を行うための装置概略図である。
反応槽６０中の電解液として１Ｎの硫酸水溶液５００ｍＬを用い、作用極として１ｃｍ^２に面積規制したφ１ｍｍの白金線６２および対極として５ｃｍ×１０ｃｍの白金メッシュ６１を用い、参照極６３にはＲＨＥ（可逆水素電極）を用いた。
【００１４】
酸素還元反応を試験するときには酸素ガスを、水素酸化反応を試験するときには水素ガスを、作用極近傍にバブリングすることにより供給した。そして、目的とする反応ガスを３０分間以上バブリングし、作用極の電位が安定した点を自然電位とした。電位が安定した後、ポテンショスタット６４により作用極の電位を自然電位から酸化反応では＋１００ｍＶ、還元反応では−３００ｍＶの電位になるように制御し、３時間後の電流値を測定した。
【００１５】
次いで、セパレータから溶出する可能性があるイオン種を含む溶液を反応槽６０に添加し、３時間後の電流値を測定した。そして電解液を１Ｎの硫酸水溶液と交換し、さらに３時間後の電流値を測定した。この試験で添加した溶液は、硫化水素、亜硫酸、フッ化水素、塩化水素、臭化水素または硫酸アンモニウムを含んでおり、それぞれのイオン濃度を、電解液中で１００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍと変化させた。
【００１６】
図８は、塩化物イオンを５０００ｐｐｍ添加した実験における酸素還元電流の変化を、初期電流値を１００％としたときの経過時間の推移で表している。図より、実験開始から５００秒後に塩化物イオンを添加すると、電流値の値は、−０．２ｍＡ／ｃｍ^２の初期値（表中の黒ひし形）から、−０．１２ｍＡ／ｃｍ^２へと４０％も値（表中の黒三角）が減少した。次いで、実験開始から２０００秒後に電解液を交換しても電流値（表中の黒丸）は元の値に戻らなかった。
【００１７】
このことから、塩化物イオンは酸素還元電位において白金表面に吸着し、酸素還元反応が起こる活性サイトを塞いでしまうこと、つまり、塩化物イオンが白金表面の有効反応面積を減少させることが分かった。
【００１８】
次に、酸素還元電流値と電解液中での不純物濃度との関係を、不純物を含まない電解液における酸素還元電流値を１００％として図９に示す。図９より、亜硫酸イオン、塩化物イオン、臭化物イオンおよびアンモニウムイオンを不純物として電解液に添加すると、添加量の増加に伴い電流値が減少することがわかる。また、フッ化物イオンを電解液に添加しても、電流値が変化しないことがわかる。
【００１９】
また、水素酸化電流値と電解液中での不純物濃度との関係を、不純物を含まない電解液における水素酸化電流値を１００％として図１０に示す。ここでも、酸素還元反応と同様に、亜硫酸イオン、塩化物イオン、臭化物イオンおよびアンモニウムイオンを不純物として電解液に添加すると、添加量の増加に伴い電流値が減少することがわかる。また、フッ化物イオンを電解液に添加しても、電流値が変化しないことがわかる。
【００２０】
以上より、セパレータから溶出するイオン種の中で亜硫酸イオン、塩化物イオン、臭化物イオンおよびアンモニウムイオンは、アノードおよびカソードの何れの電極反応においても、白金表面の有効反応面積を減少させることがわかる。
【００２１】
第三に、有機物は触媒層の細孔、高分子電解質膜の表面または高分子電解質の官能基に吸着し、触媒層中における反応ガスや生成水の移動度を低下させる。
このような電池特性の低下を防ぐ手段として、特許文献３では、９０℃の熱水中で５００時間洗浄後、その熱水の電気伝導度が５０μＳ／ｃｍ以下となるようなセパレータを燃料電池に用いることが提案されている。
【００２２】
しかしながら、セパレータの洗浄液の電気伝導度を規定しても、非電解質である有機物の溶出量を評価することはできない。また、電気伝導度が５０μＳ／ｃｍの水には数ｐｐｍのイオン種が存在するが、上述したように、溶解するイオン種によって、電池特性が受ける影響は異なる。電池特性に影響を与えないイオン種のみが溶解している場合には、洗浄液の電気伝導度が５０μＳ／ｃｍ以上であったとしても電池特性は低下しない。逆に、電気伝導度が５０μＳ／ｃｍ以下であっても、電池特性を大きく低下させるイオン種が洗浄液に溶解している場合がある。
【００２３】
したがって、燃料電池の長期的な信頼性を得るためには、セパレータの洗浄液の電気伝導度を制御するだけでは不充分であり、セパレータから溶出する成分毎に溶出量を制御する必要がある。
【００２４】
【特許文献１】
特開昭６０−２４６５６８号公報
【特許文献２】
特開平９−５０５００２号公報
【特許文献３】
特開２００２−８６７６号公報
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記を鑑みたものであり、長期的に信頼性を維持する燃料電池を提供するために、燃料電池のセパレータから溶出する成分とその量を制御する。また、溶出成分を低減させるために、セパレータもしくはその原料の洗浄処理を行う。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電池に関し、前記導電性セパレータを８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合に、前記導電性セパレータ１ｇ当たりから前記水中に溶出する成分及び量が、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることを特徴とする。
【００２７】
前記導電性セパレータは、以下に示す（ａ）〜（ｆ）のいずれかの洗浄処理を行ったものであることが好ましい。
（ａ）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に、導電性セパレータを１０時間以上浸漬させる。
（ｂ）二酸化炭素を含むガスをバブリングし、かつ８０℃以上に保持した水中に、導電性セパレータを１０時間以上浸漬させる。
（ｃ）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に、導電性セパレータを浸漬させ、１時間以上超音波洗浄を行う。
（ｄ）ガス温度８０℃以上かつ相対湿度１００％のガスに、前記導電性セパレータを１０時間以上暴露させる。
（ｅ）導電性セパレータをアノードとして、水素雰囲気下の水中あるいはｐＨが−０．３以上の酸性溶液中で、自然電位に対して＋０．０５〜＋０．２Ｖの電位をアノードにかけて０．５時間以上電気分解を行う。
（ｆ）導電性セパレータをカソードとして、水中あるいはｐＨが−０．３以上の酸性溶液中で、自然電位に対して−０．１Ｖ以下の電位をカソードにかけて０．５時間以上電気分解を行う。
なお、自然電位とは、アノードおよびカソードのどちらにも電位を印加しない安定状態において、カソードまたはアノードが可逆水素電極に対して有する電位差をいう。
【００２８】
本発明の高分子電解質型燃料電池において、前記導電性セパレータは、導電性炭素材料およびバインダー樹脂からなることが好ましい。
【００２９】
前記導電性炭素材料を、８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合、前記導電性炭素材料１ｇ当たりから水中に溶出する成分及び量は、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることが好ましい。
【００３０】
前記導電性炭素材料は、以下に示す（ｇ）〜（ｋ）のいずれかの洗浄処理を行ったものであることが好ましい。
（ｇ）不活性ガス雰囲気下または１０^−１Ｐａ以下の高真空雰囲気下で、導電性炭素材料を５００℃以上の温度で焼成処理を行う。
（ｈ）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に、導電性炭素材料を１０時間以上浸漬させる。
（ｉ）二酸化炭素を含むガスをバブリングし、かつ８０℃以上に保持した水中に、導電性炭素材料を１０時間以上浸漬させる。
（ｊ）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中で、導電性炭素材料を１時間以上超音波洗浄する。
（ｋ）ガス温度８０℃以上かつ相対湿度１００％のガスに、導電性炭素材料を１０時間以上暴露させる。
【００３１】
また、前記樹脂を、８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合、前記樹脂１ｇ当たりから水中に溶出する成分及び量は、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、導電性セパレータから溶出して燃料電池の特性低下を引き起こす不純物物質の種類と量を制御し、不純物物質がセパレータ中に含まれている場合には、これらを一定レベルまで除去する点に特徴を有する。
【００３３】
セパレータから溶出する不純物物質には、亜硫酸イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、アンモニウムイオンおよびＴＯＣがある。ここで、ＴＯＣ（ｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ）とは、水中に存在する有機物中の炭素の量を表し、有機体炭素ともいう。以下、ＴＯＣを単に有機物ともいう。
【００３４】
不純物物質は、長期間の燃料電池の運転において、微量ずつ溶出・蓄積して、電池特性劣化を進行させる。しかし、所定の除去処理を行った導電性セパレータにはイオンおよび有機物が存在しないため、その導電性セパレータを用いた燃料電池は、高い電池特性を維持することができる。
【００３５】
導電性セパレータは、導電性炭素材料とバインダー樹脂からなることが好ましい。
前記導電性炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛、メソフェーズカーボン、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、グラッシーカーボンなどを挙げることができるが、特に限定はない。さらに、導電助剤としてカーボンナノチューブなどの繊維状カーボンフィラーや、例えば、銀、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、鉛、スズ、チタン、亜鉛、タングステン、コバルト、モリブデンなどやそれらの合金などの金属フィラーを添加してもよい。
【００３６】
前記樹脂としては、熱可塑性樹脂として、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルフォン、ポリカーボネート、ポリオキサメチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、フッ素樹脂、ポリフェニルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテンなどを用いることができる。
【００３７】
また、熱硬化性樹脂としては、尿素樹脂、メラミン樹脂、グアナミン樹脂などのアミノ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ハロゲン化ビスフェノール型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、レゾール型、ノボラック型などのフェノール樹脂、およびポリイミド樹脂が好ましく、それらを単独で用いても、あるいは２種以上を混合して使用してもよい。エポキシ樹脂を使用する場合、エポキシ希釈剤としてスチレンオキシド、ブチルグリシジルエーテルなどのアルコールのグリシジルエーテル、カルボン酸のグリシジルエステルなど、さらにグリシドキシプロピルトリメトキシシランなどのシラン類を適宜添加してもよい。
【００３８】
硬化剤、硬化触媒としては、アミン、ポリアミン、アミンアダクト、アミン塩、ポリアミド、イミダゾール誘導体、ジシアンジアミド、尿素化合物、メラミン誘導体、ルイス酸塩、ケチミン、酸ヒドラジド、酸無水物、ポリチオール、スルフィド誘導体、フェノール樹脂、アミノ樹脂などを用いてもよい。
【００３９】
また、強度・靱性などの物性調整を目的として、例えば、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリニトリルブタジエンなどのゴム類、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリ塩化ビニル、セルロース類、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを適宜配合してもよい。また、安全性向上のための難燃材としてデカブロモジフェニルエーテル、ブロモビスフェノールＳ、ＴＢＢＡ誘導体、ヘキサブロモベンゼン、ペンタブロモトルエン、アリルオキシブロモベンゼン、ジブロモフェノール、ジブロモクレゾール、トリブロモフェノール、モノエポキシ、ブロモフェノキシエタノールなどを適宜配合してもよい。
【００４０】
セパレータから溶出するイオン種あるいは有機物が、電極あるいは高分子電解質の性能を劣化させることで電池特性を低下させることについては既述したが、次に実際の燃料電池の性能と溶出成分の量との関係を明らかにし、各成分について許容できる溶出量を定め、管理する必要がある。
【００４１】
本発明においては、前記導電性セパレータより切り出した試験片を、８０〜１００℃の水中に、空気に触れる部分が無いように完全に浸漬させた状態で５０時間保持した場合、前記導電性セパレータ１ｇ当たりから水中に溶出する成分及び量は、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることを要する。いずれの成分が上記範囲を外れても、燃料電池の特性が低下してしまう。いずれかの成分が上記範囲を外れる場合、例えば燃料電池を１００００時間運転すると、電圧低下等の劣化が生じる。
【００４２】
ここで、現在想定されている燃料電池の運転温度は６０〜９０℃と高温である。セパレータに使用されるバインダー樹脂の耐熱温度は約１５０〜４００℃と種類により異なり、また樹脂中の可溶成分である遊離した有機物などについても、一定温度に達しないと溶出しない場合がある。以上を鑑み、セパレータより切り出した試験片の溶出試験を行うための水の温度は、燃料電池の運転温度上限付近である８０〜１００℃が適当と言える。
【００４３】
また、溶出試験開始後、試験片の形状に依存して、しばらくの間は溶出量にバラツキが生じるが、５０時間経過後では、サンプルの表面積や形状に関係なく、溶出成分の溶出量は同レベルに収束すると考えられる。したがって、溶出試験の時間は５０時間以上が適当である。また、量産性を考慮した場合、試験時間は最短であることが望ましいことから、試験時間は５０時間が最適である。
【００４４】
溶出試験後の水中における溶出成分の定量方法については、イオンクロマトグラフィー、原子吸光分析、誘導結合プラズマ質量分析または誘導結合プラズマ発光分析などによるイオン成分の定量方法、ＴＯＣ計測装置などによるＴＯＣ成分の定量方法を用いることができる。ただし、これらに限られず、水中に溶出する微量元素の濃度を分析できれば、どのような方法を用いてもよい。
【００４５】
なお、前記成分及び量は、ＴＯＣで１００μｇ以下、アンモニウムイオンで１μｇ以下、塩化物イオンで１μｇ以下、臭化物イオンで５μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることがより好ましい。
【００４６】
次に、このようなイオン種および有機物の溶出量が少ないセパレータを作成する方法について説明する。
まず、導電性炭素材料と樹脂を混合してセパレータを成形した後、洗浄によりイオン種および有機物を抽出する方法がある。イオンのような電荷をもった化学種は、水のように比較的双極子モーメントが大きく、電子供与性や電子受容性が大きい溶媒分子との親和性が高く、溶媒和イオンを生成しやすいことから、洗浄に用いる溶媒としては、水が最も適している。洗浄に用いる水は、セパレータからのイオン抽出速度を速くし、セパレータの二次汚染を防止する点から、電気伝導度が１μＳ／ｃｍ以下であることが好ましく、望ましくは０．１μＳ／ｃｍ以下の超純水を用いることで、より高い洗浄効果が期待できる。
【００４７】
セパレータからのもう一つの溶出物質である有機物については、有機物が酢酸などの有機酸類を除いて、一般的には双極子モーメントが小さな中性分子であるため、抽出には一般的に有機溶媒が適当である。しかしながら、ほとんどの有機溶媒はセパレータの構成材量である樹脂を溶解する性質を持つため、セパレータの洗浄液としては適切でない場合がある。したがって、有機物の抽出においても、イオン種の場合と同様に、水あるいは水溶液を洗浄液として使用することが考えられる。燃料電池の運転時に溶出する有機物である遊離フェノールやアルコール類やホルマリンなどは、水に対する溶解度が高いため、洗浄液として水あるいは水溶液を用いても、必要な洗浄効果を得ることができる。
【００４８】
セパレータに対する洗浄液の量は多いほど良いが、セパレータが完全に没した状態となるに足るだけの量が最低限必要である。
【００４９】
セパレータにアミン系の樹脂が用いられている場合のようにアンモニアが溶出するときには、既述の水に酸を加えて酸性溶液とすることで、中和反応によりアンモニウムイオンの抽出速度を高くし、洗浄効果を高めることができる。
【００５０】
ここで使用する酸は、燃料電池の性能を低下させるイオン成分を含まないことが条件であり、硫酸または炭酸がこの条件に該当する。硫酸については、濃度が濃すぎると塩化物イオンや臭化物イオンといったハロゲンイオンや有機物の溶解度を低下させたり、セパレータの耐性や、洗浄作業における安全性を低下させたりすることから、洗浄液のｐＨは−０．３以上とすることが好ましい。より好ましくはｐＨが０〜４の範囲である。
【００５１】
炭酸については、燃料電池の燃料極に供給されるガスでもあり、燃料電池の特性を低下させるイオン種が残存する可能性も低いため、洗浄に用いる酸としては望ましい。しかし、８０℃といった溶出を促進させる高温雰囲気での二酸化炭素の溶解度は非常に低く、炭酸濃度が１０^−４ｍｏｌ／Ｌの桁となるため、中和に必要な当量を得ることができない。そこで、セパレータを浸漬させた洗浄液へ二酸化炭素を含むガスをバブリングすることにより、必要な炭酸イオンを供給させることが可能となる。
【００５２】
洗浄時の液温は、８０℃未満では、効率的に溶出成分を基準値以下にすることが困難である。液温を８０℃以上とすることで、燃料電池運転時に溶出する成分を効果的に抽出することが可能となる。より好ましくは、９０℃以上である。
【００５３】
また、セパレータの浸漬時間は、１０時間未満では溶出成分を基準値以下にすることが困難であることから、１０時間以上であることが好ましい。より好ましくは、２０時間以上である。
【００５４】
超音波洗浄機を用いると、セパレータ中の遊離成分に衝撃を与え、溶出を促進させることが可能である。洗浄時間は、１時間以上であることが好ましく、セパレータを水中に浸漬させる場合よりも洗浄時間を短縮させることができる。より好ましい洗浄時間は、２時間以上である。
【００５５】
相対湿度１００％のガスにセパレータを暴露させて洗浄する方法もある。この場合、セパレータを水中に浸漬させたときと同様の洗浄効果が得られる。この方法では、セパレータ表面に結露した水が洗浄効果を示す。水蒸気を用いることから、１００℃以上の雰囲気温度における洗浄処理が可能である。また、その他の利点として、セパレータの材料である導電性炭素の細孔内部にまで水蒸気が浸透して、イオンや有機物を抽出させることもできる。
【００５６】
相対湿度１００％のガスにセパレータを暴露させる場合、洗浄時の雰囲気温度は、セパレータに含まれる樹脂が耐えられる限界温度付近まで高温とすることが、洗浄効果を高める上で望ましい。また、水中にセパレータを浸漬させる場合と同様の理由で、雰囲気温度は最低でも８０℃以上とすることが望ましい。洗浄時間については、ガス温度が高温の場合には短縮できる場合もあるが、８０℃程度の場合には、水中へ浸漬させる場合と同様に、１０時間以上が必要となる。
【００５７】
水中へセパレータを浸漬する場合と同様に、酸性物質を含むガスを洗浄に用いることで、アンモニウムイオンの抽出を促進させる効果が得られる。ここで用いる酸性物質としては、セパレータに使用されている樹脂を浸食せず、亜硫酸、塩化水素などのように燃料電池の特性を低下させないものが好適である。例えば燃料電池の燃料ガスに含まれる二酸化炭素などが適している。
【００５８】
また、洗浄ガス中の酸性物質濃度は、アンモニアの抽出速度を高めるためには高い方が望ましく、例えば１×１０^−３ｍｏｌ／Ｌ以上が望ましい。また、ここで使用する洗浄ガスは、密閉した空間内で停滞した状態でも、流速を持った状態でも、どちらの状態でも問題はない。
【００５９】
セパレータを電極として、電解液中で、電気分解を行う洗浄方法もある。
水素ガスの酸化反応では、電極となるセパレータ表面にバブリングなどにより水素を供給しながら、電極電位を自然電位から正の方向に制御する。そのとき、電極表面では、式（１）の反応が起こり、水素イオンが生成する。
【００６０】
Ｈ_２（ｇ） → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
【００６１】
式（１）の反応で生成した水素イオンは、セパレータ中のアンモニウムイオンの抽出を促進する。しかしながら、自然電位に対して０．２Ｖを超える電位を電極に印加すると、式（２）の反応により、セパレータを構成する炭素が酸化される可能性があるため、電極電位は自然電位に対して０．２Ｖ以下とする必要がある。ただし、電極電位を自然電位に対して０．０５Ｖ未満とすると、反応速度が遅くなり、電流が流れにくくなるため、電極電位は０．０５Ｖ以上、より好ましくは、０．１Ｖ以上とすることが望ましい。
【００６２】
また、電気分解を行う時間が０．５時間未満では、セパレータ中の可溶なイオン種や遊離しやすい有機物を十分に除去することができないので、０．５時間以上、より好ましくは１時間以上の電気分解を行うことが好ましい。
【００６３】
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （２）
【００６４】
このとき、電解液には、セパレータを二次汚染する虞のないものを使用しなければならない。二次汚染の虞を排除する観点からは、純水を用いることが望ましいが、純水は絶縁体であるため、電流を流すのに大量の電力を必要とする。そこで、支持電解質として硫酸を添加することで、電解液の電気伝導性を向上させてもよい。ただし、硫酸濃度が濃すぎると、塩化物イオン、臭化物イオン等のハロゲンイオンや有機物の溶解度を低下させることから、洗浄液のｐＨは−０．３以上、さらには０〜４とすることが好ましい。
【００６５】
一方、水素ガスを発生させる反応では、電極電位を自然電位から負の方向に制御する。電解液が中性の場合には式（３）の反応が進行し、酸性の場合には式（４）の反応が進行する。そして、水酸化物イオンや水素ガスが発生する。
【００６６】
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ → Ｈ_２（ｇ）＋２ＯＨ⁻ （３）
２Ｈ^＋＋２ｅ → Ｈ_２（ｇ）（４）
【００６７】
式（３）で発生した水酸化物イオンは、セパレータ中に含まれる樹脂の官能基末端にある分離しやすいハロゲンイオンと置換して、ハロゲンイオンの溶出を促進させる。また、式（５）の反応により、ホルムアルデヒドなどの有機物を分解・溶出させる。
【００６８】
２ＲＣＨＯ＋ＯＨ⁻ → ＲＣＨ_２ＯＨ＋ＲＣＯＯ⁻ （５）
【００６９】
また、セパレータ表面から水素ガスを発生させることで、その衝撃により、遊離した有機物などの溶出を促進させる効果もある。
式（３）および式（４）の反応は、電極であるセパレータの電位を自然電位から負にすることで進行する。ただし、洗浄効果を発揮するために必要なガス発生量を得るためには、セパレータの電位を自然電位に対して−０．１Ｖ以下、さらには−０．２Ｖ以下とすることが好ましい。
【００７０】
以上のように、電気分解を行う方法によれば、セパレータ表面の反応で発生する水素イオン、水酸化物イオンまたは水素ガスを、セパレータ中の可溶なイオン種や遊離しやすい有機物と反応させた上で除去することができる。従って、セパレータの洗浄に有効である。
【００７１】
セパレータの材料として、既述のイオン種や有機物の溶出が少ない導電性炭素材料や樹脂を用いる場合、洗浄を行わずに、既述のイオン種および有機物の溶出量が少ないセパレータを作製することができる。
【００７２】
セパレータに高い導電性を付与するためには、セパレータ中における導電性炭素材料の割合を大きくする必要があり、その割合は５０〜９５％に達する場合もある。このことから、セパレータから溶出する成分の量を既述の基準値以下とするためには、導電性炭素材料から溶出する成分についても、同様の基準値以下とすることが望まれる。
【００７３】
すなわち、導電性炭素材料１ｇ当たりから水中に溶出する成分及び量は、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることが好ましい。
【００７４】
このような高純度の導電性炭素材料として、例えば窒素、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気下、酸素を遮断した環境下、高真空下等で、５００℃以上の高温で、加熱処理して灰分を揮散させた黒鉛粉末などの炭素粉末が挙げられる。
【００７５】
また、通常の導電性炭素材料を、水、酸性溶液または加湿炭酸ガス等を用いて、前述したセパレータと同様に洗浄処理を行うことによっても、高純度の導電性炭素材料を得ることができる。
【００７６】
次に、樹脂については、セパレータ中の樹脂の割合を高めると、セパレータの機械的強度が向上するが、導電性が低下してしまう。そのため、セパレータ中の樹脂の割合は、一般に５０％以下である。また、樹脂１ｇ当たりから溶出する成分の溶出量の上限値についても、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下となることが好ましい。
【００７７】
このような樹脂材料としては、例えば液晶ポリマー、不飽和ポリエステル、フッ素樹脂などで、純度の高い等級のものがあげられる。これらの材料は、比較的高価であり、また、生産性を高める添加物を入れることが困難なものもあるが、溶出物の少ない高品質のセパレータを作製することができる。
【００７８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７９】
《実施例１〜２６、比較例１〜４５》
（ｉ）電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）の作製法
本実施例で使用するＭＥＡの作製方法について図１を用いて説明する。図１は、ＭＥＡの構成を示す縦断面図である。
アセチレンブラック粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒粉末とした。この触媒粉末をイソプロピルアルコールに分散させた液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散させた液を混合し、触媒ペーストを得た。
【００８０】
電極の支持体になるカーボンペーパーを撥水処理した。ここでは外寸８ｃｍ×１０ｃｍ、厚み３６０μｍのカ−ボン不織布（ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ（株）製）からなる拡散層１１を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ネオフロンＮＤ１、ダイキン工業（株）製）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分間加熱することで、撥水性を与えた。
【００８１】
拡散層１１の一方の面に、触媒ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布することで触媒層１２を形成した。このとき、触媒層１２の一部は、拡散層１１の空隙に埋め込まれた。
このようにして触媒層１２と拡散層１１とからなる電極１３を得た。電極１３に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ^２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ^２となるよう調整した。
【００８２】
次に、外寸が１０ｃｍ×２０ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜１４の裏表両面に、一対の電極１３を、触媒層１２が高分子電解質膜１４に接するようにホットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）１５とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質膜１４として、パーフルオロカーボンスルホン酸を５０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００８３】
（ｉｉ）セパレータの成形
次に、表１に記載の導電性炭素材料と樹脂、および必要に応じ硬化剤等を用い、目的の組成比となるように秤量後、ニーダーで混合し、押出成形することにより、φ３ｍｍ×５ｍｍのペレットを作成した。これをセパレータ成形用の金型を用いて、下記の［成形条件］と［圧縮条件］で圧縮成型を行い、導電性セパレータを作成した。
【００８４】
【表１】

【００８５】
［成型条件］
シリンダ温度：９０℃
射出圧力：１８０ＭＰａ
射出時間：１０ｓｅｃ
金型温度：１８０℃
硬化時間：６０ｓｅｃ
【００８６】
［圧縮条件］
成型圧力：１９０ＭＰａ
成形温度：１８０℃
成形時間：３００ｓｅｃ
【００８７】
以上の方法で作成したセパレータの外観を図２〜４に示す。図２は導電性セパレータをカソード側から見た正面概略図であり、図３はその背面図で、アノード側から見た正面概略図である。
セパレータ２０の大きさは１０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さは４ｍｍであり、一方の端部に、酸化剤ガスの供給側マニホルド孔２３ａ、燃料ガスの供給側マニホルド孔２４ａおよび冷却水の供給側マニホルド孔２５ａを有し、他方の端部に、酸化剤ガスの排出側マニホルド孔２３ｂ、燃料ガスの排出側マニホルド孔２４ｂおよび冷却水の排出側マニホルド孔２５ｂを有する。
【００８８】
図２において、セパレータ２０の表面には、マニホルド孔２３ａから２３ｂに連なる溝２６が形成され、この溝内には中央を仕切るリブ２７と複数の平行するガス流路２９を形成するためのリブ群２８が設けてある。ガス流路２９は、幅２ｍｍ、深さ１．５ｍｍの凹部を有し、リブ群２８は、セパレータ２０と同じ高さで、幅１ｍｍの凸部を有する。
【００８９】
一方、図３のセパレータ２０の表面には、燃料ガスの供給側マニホルド孔２４ａから排出側マニホルド孔２４ｂに連なる溝３０が形成され、この溝内には中央を仕切るリブ３１と複数の平行するガス流路３３を形成するためのリブ群３２が設けてある。
【００９０】
図４は、導電性セパレータの冷却水流路を有する面側の正面概略図である。このセパレータ４１は、セパレータ２０と同様に、一方の端部に、酸化剤ガスの供給側マニホルド孔４３ａ、燃料ガスの供給側マニホルド孔４４ａおよび冷却水の供給側マニホルド孔４５ａを有し、他方の端部に、酸化剤ガスの排出側マニホルド孔４３ｂ、燃料ガスの排出側マニホルド孔４４ｂおよび冷却水の排出側マニホルド孔４５ｂを有する。これらのマニホルド孔は、図２および３に示したセパレータ２０と同じ位置に形成し、同じ大きさを有する。
セパレータ４１の一方の表面には、マニホルド孔４５ａから４５ｂに連なる、深さ１．５ｍｍの冷却水の流路４６が形成され、この流路には複数の円形のリブ４７が設けてある。円形リブ４７は、セパレータ４１と同じ高さである。
【００９１】
セパレータ４１は、その一対を、冷却水流路４６を有する面を対向させて接合し、両者間に冷却水を流す冷却部を構成する。そして、一方のセパレータ４１の裏面には酸化剤ガスの流路を有し、他方のセパレータ４１の裏面には燃料ガスの流路を有する。冷却水はマニホルド孔４５ａから流入し、円形リブ４７により分流するため、冷却水流路４６の全面を流れてマニホルド孔４５ｂへと到達する。
【００９２】
（ｉｉｉ）樹脂および導電性炭素材料の溶出試験
次に、表１に記載の樹脂および導電性炭素材料の溶出試験を行った。本溶出試験では、測定する試料の重量を１ｇとした。
樹脂の場合は、樹脂のみをセパレータの成形条件と同様の条件で塊状に成形した後、目標重量となるように短冊型に切り出した。
導電性炭素材料の場合は、粉末の状態で１ｇを秤量し、これを試料とした。
【００９３】
イオン交換水を蒸留して作成した電気伝導度０．６〜０．８μＳ／ｃｍの純水を、あらかじめ９０℃に加熱した後、５０ｇを秤量して、耐熱ガラス製の密封容器内に所定の測定試料とともに密封した。次いで、密封容器を９５℃に制御されたウォーターバス中で加熱した。加熱後５０時間が経過した時点で、ウォーターバス中より密封容器を取り出し、３０分間静置した。その後、イオンクロマトグラフィーおよびＴＯＣ測定装置を用いて、上澄み液中のイオン成分およびＴＯＣの定量を行った。結果を表１に示す。
【００９４】
（ｉｖ）セパレータの洗浄
それぞれの材料で作製したセパレータは、表２〜６に記載の洗浄条件により洗浄した。なお、セパレータを収容する洗浄容器は、幅１５ｃｍ、奥行き５ｃｍ、深さ３０ｃｍとし、セパレータが完全に没するように、容器内に洗浄液を注ぎ入れた。セパレータの洗浄中、洗浄液の温度は、容器外部からヒーターで加熱することにより、所定温度に所定時間保持した。
【００９５】
【表２】

【００９６】
【表３】

【００９７】
【表４】

【００９８】
【表５】

【００９９】
【表６】

【０１００】
洗浄液は、表に「純水」と表示されている場合には、電気伝導度が１μＳ／ｃｍの純水を使用し、「硫酸」と表示されている場合には、上記純水に市販の特級濃硫酸を加えて濃度を２ｍｏｌ／Ｌおよび１ｍｏｌ／Ｌに調整した希硫酸を用いた。
【０１０１】
ガスバブリングは、表に「あり」と表示されている場合には、純水による洗浄の間、液化二酸化炭素ボンベから供給される二酸化炭素ガスを洗浄液中にバブリングした。
【０１０２】
洗浄液のｐＨは、純水を用いた場合には、表に「７」と、希硫酸（２ｍｏｌ／Ｌ）を用いた場合には、表に「−０．６」と、希硫酸（１ｍｏｌ／Ｌ）を用いた場合には、表に「−０．３」と、炭酸ガスをバブリングした場合には、表に「４」と表示した。
【０１０３】
液温は、洗浄時の液温を６０℃、８０℃、１００℃のいずれかに調整し、また、洗浄時間は、５時間、１０時間、１５時間のいずれかとした。
【０１０４】
（ｖ）セパレータの溶出試験
次に、成形したセパレータの溶出試験を行った。本溶出試験では、測定する試料の重量を１ｇとした。試料には、成形後のセパレータを目標重量１ｇとなるように短冊型に切り出したものを用いた。
【０１０５】
イオン交換水を蒸留して作成した電気伝導度０．６〜０．８μＳ／ｃｍの純水を、あらかじめ９０℃に加熱した後、５０ｇを秤量して、耐熱ガラス製の密封容器内に所定の測定試料とともに密封した。次いで、密封容器を９５℃に制御されたウォーターバス中で加熱した。加熱後５０時間が経過した時点で、ウォーターバス中より密封容器を取り出し、３０分間静置した。その後、イオンクロマトグラフィーおよびＴＯＣ測定装置を用いて、上澄み液中のイオン成分およびＴＯＣの定量を行った。また、上澄み液の電気伝導度を測定した。以上の溶出試験の結果を表７〜９に示す。
【０１０６】
【表７】

【０１０７】
【表８】

【０１０８】
【表９】

【０１０９】
なお、後述の比較例８２のセパレータから、同一重量のサンプルを１０個切り出し、その中の５個のサンプルをそれぞれ平均粒径が９５μｍ、９８μｍ、１０５μｍ、１１３μｍおよび１２０μｍとなるように粉砕処理した。１０個のサンプル（５個の切り出しサンプルと５個の粉砕サンプル）を、９０℃に保持した電気伝導度が１μＳ／ｃｍ以下の純水中に浸漬させて、可溶成分を抽出し、その濃度を５時間毎に定量した。試験時間と、溶出する塩化物イオン濃度との関係を図６に示す。
【０１１０】
図６より、試験開始後、しばらくの間は溶出量にバラツキがあるものの、５０時間経過後では、サンプルの表面積（平均粒径）や形状に関係なく、測定値のバラツキが小さくなり、いずれのサンプルにおいても溶出量が同レベルになることが確認できた。
【０１１１】
（ｖｉ）高分子電解質型燃料電池の作製
まず、図１で作製したＭＥＡのプロトン伝導性高分子電解質膜に、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガス流通用のマニホールド孔を形成した。その構成を図５に示す。図５はＭＥＡの正面概略図である。ＭＥＡ５０は、高分子電解質膜５１とこれを挟む電極５２からなり、高分子電解質膜５１には、一方の端部に、酸化剤ガスの供給側マニホルド孔５３ａ、燃料ガスの供給側マニホルド孔５４ａおよび冷却水の供給側マニホルド孔５５ａを有し、他方の端部に、酸化剤ガスの排出側マニホルド孔５３ｂ、燃料ガスの排出側マニホルド孔５４ｂおよび冷却水の排出側マニホルド孔５５ｂを有する。これらのマニホルド孔は、図２〜４に示したセパレータ２０、４１と同じ位置に形成し、同じ大きさを有する。
【０１１２】
次いで、高分子電解質膜５１の表面に、図３の所定のアノード側セパレータ２０を、また裏面に図２の所定のカソード側セパレータ２０を重ね合わせ、これを単電池とした。この単電池を２セル積層後、図４の冷却水流路４６を形成した所定のセパレータ４１で、この単電池を挟み込み、このパターンを繰り返して１００セル積層させた電池スタックを作製した。そして、電池スタックの両端部を、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料からなる絶縁板を介して端板で挟み、これらを締結ロッドで両端から固定した。この時の締結圧はセパレータの単位面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。
【０１１３】
（ｖｉｉ）連続発電試験
作製した高分子電解質型燃料電池を８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、約９６Ｖの電池開放電圧を得た。
【０１１４】
この電池を用いて、燃料利用率８５％、酸素利用率５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２の条件で連続発電試験を行い、発電開始２４時間経過後の平均電圧（Ｖ１）と１００００時間経過後の平均電圧（Ｖ２）とを計測し、Ｖ１とＶ２の電圧の差（Ｖ３）を求めた。結果を表７〜９に示す。
【０１１５】
《比較例４６》
イオン等の溶出成分が存在しない比較例のセパレータを作製した。このセパレータは、１０ｃｍ×２０ｃｍ、厚さ４ｍｍのグラッシーカーボン板に、切削加工によりガス流路を形成することにより作製した。
次に、このセパレータの溶出試験ならびにこれを用いて上記と同様の条件で作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表９に示す。
【０１１６】
［結果］
まず、不純物を含まないセパレータの一例として作成した、比較例４６のグラッシーカーボン板を材料としたセパレータでは、イオンおよびＴＯＣの溶出量が測定限界以下であった。このセパレータを用いた燃料電池では、平均電圧が１００００時間の運転後には、７．０Ｖ低下した（Ｖ３＝７．０Ｖ）。したがって、セパレータから溶出する物質以外の要因に基づく電池特性の低下は、約７．０Ｖであることがわかった。
【０１１７】
実施例１では、高純度黒鉛とフッ素樹脂とをセパレータの材料として用いることで、フッ化物イオン以外のイオン種および有機物の溶出量が低いセパレータを作製することができた。このセパレータを用いた時の連続発電試験における電圧変化は６．９Ｖであり、比較例４６（７．０Ｖ）と同等であった。このことから、溶出試験で約５０μｇ程度のフッ化物イオンが溶出するセパレータでは、電池特性の低下を引き起こさないことが明らかとなった。
【０１１８】
比較例１〜５では、表４に示す材料を用いてセパレータを作製し、かつ、セパレータの洗浄を全く行わなかったことから、ＴＯＣ、ＮＨ_４ ^＋、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻およびＳＯ_３ ^２−のいずれかの溶出量が高かった。その結果、電圧変化（Ｖ３）は１４．３〜２２．３Ｖと、比較例４６に比べて２〜３倍高い値となった。このことから、これらのセパレータから溶出するイオンや有機物は、それぞれ独立して電池特性を低下させることが確認された。なお、実施例７〜２６および比較例６〜４５のセパレータは、比較例１〜５のセパレータに対して所定の洗浄を行ったものである。
【０１１９】
実施例１、２、７、１２、１７および２２ならびに比較例１、６、１１、１６、２１、２６、３１、３６および４１のＴＯＣの溶出量を比較した。その結果、ＴＯＣの溶出量が３００μｇを超えると、電池特性の低下が比較例４６に比べて大きくなることが分かった。
【０１２０】
実施例１、３、８、１３、１８、２３および比較例２、７、１２、１７、２２、２７、３２、３７、４２のＮＨ_４ ^＋の溶出量を比較した。その結果、ＮＨ_４ ^＋の溶出量が５０μｇを超えると、電池特性の低下が比較例４６に比べて大きくなることが分かった。
【０１２１】
実施例１、４、９、１４、１９、２４および比較例３、８、１３、１８、２３、２８、３３、３８、４３のＣｌ⁻の溶出量を比較した。その結果、Ｃｌ⁻の溶出量が５０μｇを超えると、電池特性の低下が比較例４６に比べて大きくなることが分かった。
【０１２２】
実施例１、５、１０、１５、２０、２５および比較例４、９、１４、１９、２４、２９、３４、３９、４４のＢｒ⁻の溶出量を比較した。その結果、Ｂｒ⁻の溶出量が２０μｇを超えると、電池特性の低下が比較例４６に比べて大きくなることが分かった。
【０１２３】
また、実施例１、６、１１、１６、２１、２６および比較例５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５のＳＯ_３ ^２−の溶出量を比較した。その結果、ＳＯ_３ ^２−の溶出量が１０μｇを超えると、電池特性の低下が比較例４６に比べて大きくなることが分かった。
【０１２４】
以上の結果から、それぞれのイオン及び有機物の溶出成分について、溶出量の許容量となる基準値が明らかとなった。また、溶出液の電気伝導度と電池電圧の差（Ｖ３）に着目すると、ＴＯＣが存在しても電気伝導度と電池電圧の差には関係なかった。このように、電気伝導度と電池電圧の差（Ｖ３）は、電池特性との相関性が低いことから、溶出液の電気伝導度は、セパレータの適否を判断するための因子としては不十分であることが明らかとなった。
【０１２５】
洗浄条件に関しては、実施例２〜２６および比較例６〜４５の結果から、液温を８０℃以上、洗浄時間を１０時間以上とすると、各溶出成分を前述した基準値以下にすることができることが確認された。
【０１２６】
また、純水中に硫酸あるいは炭酸を供給してｐＨを低くした場合、アンモニウムイオンを除去する洗浄効果が高まることが確認された。それ以外の溶出成分については、溶出量の変化は見られなかった。しかしながら、比較例２１〜２５において、ｐＨ＝−０．６の洗浄液では、洗浄前後でのセパレータの重量変化が１％以上となり、セパレータの材料に化学的な劣化が引き起こされたため、溶出試験を行うことができなかった。以上の結果から、洗浄液のｐＨは−０．３〜７．０の間であれば良いことが確認された。
【０１２７】
《実施例２７〜３２、比較例４７〜５１》
次に、表１０および１１に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。そして、表１０および１１に記載の条件でセパレータを洗浄した。ただし、ここでは、超音波洗浄機を用いてセパレータを洗浄した。
【０１２８】
【表１０】

【０１２９】
【表１１】

【０１３０】
超音波洗浄機には、東京超音波技研（株）製の酸対応超音波洗浄機（ＰＵＣ−０７１５）を用いた。この洗浄機は、フッ酸、王水、塩酸、硫酸などの強酸に対する耐性を有する。また、洗浄機の振動板は、耐食性に優れ、かつ、添加剤をまったく含まない純粋なＰＶＤＦ樹脂からなる等の特徴を有することから、本発明で使用する洗浄機として適当である。
【０１３１】
洗浄においては、洗浄機にセパレータを入れ、セパレータが完全に没するように洗浄液を注ぎ入れた後、超音波洗浄機のスイッチを入れて所定時間保持した。洗浄液が純水の場合、前述した溶出試験と同様のものを使用した。また、洗浄液が硫酸の場合、上記純水に市販の特級濃硫酸を加えて濃度を１ｍｏｌ／Ｌに調整した希硫酸を用いた。洗浄時の液温は、不純物の溶出を防ぐために石英管に入れたヒーターを洗浄液中に投入することで、６０℃、８０℃および９５℃のいずれかに制御した。また、洗浄時間は、０．５時間、１時間および２時間のいずれかとした。
【０１３２】
次に、洗浄後のセパレータの溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後のセパレータを用いて上記と同様の条件で作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表１２に示す。
【０１３３】
【表１２】

【０１３４】
［結果］
比較例４７より、天然黒鉛とノボラック型フェノール樹脂とを組み合わせて作製したセパレータの溶出試験は、全ての溶出成分で基準値を上回った。さらに、このセパレータを用いて組み立てた燃料電池の連続発電試験では、電圧の降下速度が著しく、転極する単セルが発生したため、１００００時間に達する前に試験を中止した。同様に、比較例４９、５１でも電圧の降下速度が著しく、試験を中止した。
【０１３５】
実施例２７〜２９および比較例４８および４９の結果より、洗浄時の液温は８０℃以上、洗浄時間は１時間以上であれば、各溶出成分を基準値以下にすることができた。また、洗浄時間については、セパレータを洗浄液に浸漬させているだけの状態に比べ、超音波による振動を与えることで、１０倍も短くすることができた。
【０１３６】
また、実施例３０〜３２および比較例５０および５１の結果より、洗浄液を硫酸としても電池特性の低下を引き起こさないことが確認された。
【０１３７】
《実施例３３〜３５、比較例５２〜５５》
次に、表１３および１４に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。そして、表１３および１４に記載の条件でセパレータを洗浄した。ただし、ここでは、セパレータを加湿ガスに暴露することにより洗浄した。
【０１３８】
【表１３】

【０１３９】
【表１４】

【０１４０】
洗浄においては、上部および下部の二箇所にバルブをつけた幅１５ｃｍ、奥行き５ｃｍ、深さ３０ｃｍの耐圧容器中に、１０ｍｌの純水とセパレータとを入れて密閉後、８０℃または１２０℃に保持した恒温層中で５時間、１０時間および１５時間のいずれかの時間保持した。
【０１４１】
ここでは、洗浄ガスとして、空気または二酸化炭素を用いた。容器中のガスを空気から二酸化炭素に入れ替える際には、セパレータを入れた容器中に純水を充満させた後、上部バルブより二酸化炭素を入れつつ、下部バルブから純水を排水することにより、容器中のガスを二酸化炭素に置換した。
【０１４２】
次に、洗浄後のセパレータの溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後のセパレータを用いて上記と同様の条件で作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表１５に示す。
【０１４３】
【表１５】

【０１４４】
［結果］
実施例３３〜３５により、セパレータを適切な温度の加湿ガス中に暴露し、適切な時間保持することで、各溶出成分を基準値以下にできることが確認された。また、実施例３３および３５ならびに比較例５２および５４の結果より、８０℃以上のガス温度と１０時間以上の洗浄時間が必要であることがわかった。また、実施例３４ならびに比較例５３および５５の結果より、洗浄に用いるガスは二酸化炭素などの酸性ガスでも問題なく使用できることが確認された。
【０１４５】
《実施例３６〜４７、比較例５６〜６９》
次に、表１６および１７に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。そして、表１６および１７に記載の条件でセパレータを洗浄した。ただし、ここでは、セパレータを電極として電解液中で電気分解を行うことにより、セパレータを洗浄した。
【０１４６】
【表１６】

【０１４７】
【表１７】

【０１４８】
ここでは、以下に説明する反応槽中にセパレータを浸漬し、電気分解を行った。
洗浄するセパレータを作用極とし、塩化白金酸中で通電する方法により白金黒化した１０ｃｍ×２０ｃｍの大きさの白金メッシュを対極として用いた。また、試験管中で水素バブリングした０．５Ｍの硫酸水溶液中にφ１ｍｍの白金線を浸漬させた電極を参照極とした。これらの電極のうち、作用極と対極は、幅３０ｃｍ、奥行き５ｃｍ、深さ３０ｃｍの容器中に入れ、それらの電極が完全に没するように、純水あるいは純水に硫酸を加えた希硫酸を電解液として注入した。このとき、作用極と対極との間隔は５ｍｍで並行となるように固定した。また、参照極については、塩橋を介して作用極表面近傍の電位との差を測定できるようにした。電気分解時には、バブリングにより、空気または水素を電解液中に送り込んだ。
【０１４９】
このように構成された反応槽中において、ポテンショスタットにより作用極の電位を制御しながら電気分解を行った。電気分解時の作用極の自然電位に対する電位は−０．５Ｖ、−０．１Ｖ、−０．０５Ｖ、０．０１Ｖ、０．２Ｖおよび０．５Ｖのいずれかとし、電気分解の時間は０．１時間、０．５時間および１時間のいずれかとした。
【０１５０】
次に、洗浄後のセパレータの溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後のセパレータを用いて上記と同様の条件で作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表１８に示す。
【０１５１】
【表１８】

【０１５２】
［結果］
実施例３６〜４７により、セパレータを適切な電位で適切な時間電気分解することにより、各溶出成分を基準値以下にできることが確認された。
【０１５３】
実施例３６〜３８および比較例５６〜５８の結果より、作用極の電位を０．０５〜０．２Ｖの間とし、かつ、電解時間を０．５時間以上としたときに、必要な洗浄効果が得られることが確認された。一方、比較例５９では、電気分解開始時より激しいガス発生が起こり、電解液が黒く濁る現象が観察された。また、この条件におけるセパレータの洗浄前後の重量変化は約５％に達しており、溶出試験を行うことができなかった。同様に、比較例６６でも、溶出試験を行うことができなかった。
【０１５４】
実施例３９〜４０および比較例６０〜６２の結果より、作用極の電位を−０．１Ｖ以下とし、かつ、電解時間を０．５時間以上としたときに、目的とする洗浄効果が得られることが確認された。
【０１５５】
また、実施例４２〜４７および比較例６３〜６９より、電解液を硫酸に代えても同様の条件で目的とする洗浄効果が得られることが確認された。
【０１５６】
《実施例４８〜５４、比較例７０〜７７》
次に、表１９および２０に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。ただし、ここでは、表１９および２０に記載の条件で、セパレータを成形する前段階で、導電性炭素材料を焼成もしくは洗浄処理した。
【０１５７】
【表１９】

【０１５８】
【表２０】

【０１５９】
焼成処理においては、導電性炭素材料として使用する天然黒鉛を電気炉に入れ、Ａｒ雰囲気で４５０℃、５００℃および５５０℃のいずれかの温度で１時間の焼成処理を行った後、電気炉による加熱を停止し、室温になるまで放置した。このとき、昇温および降温に関しては特に制御を行わなかった。
【０１６０】
洗浄処理においては、耐酸・耐熱容器中に入れた洗浄液中に、天然黒鉛を入れ、容器外部よりヒーターで加熱しながら、洗浄液の温度を所定温度に所定時間保持した。洗浄液が純水の場合、前述した溶出試験と同様のものを使用した。洗浄液が硫酸の場合、上記純水に市販の特級濃硫酸を加えて濃度を２ｍｏｌ／Ｌまたは１ｍｏｌ／Ｌに調整した希硫酸を用いた。
【０１６１】
また、二酸化炭素を含むガスをバブリングした純水による洗浄では、液化二酸化炭素ボンベから二酸化炭素ガスを供給した。洗浄液ｐＨは、純水のみの場合と、純水に硫酸または炭酸を供給した場合においては、ｐＨを７、−０．３および４のいずれかに調整した。洗浄時の液温は６０℃、８０℃および１００℃のいずれかとし、洗浄時間については５時間、１０時間および１５時間のいずれかとした。
【０１６２】
次に、洗浄後の導電性炭素材料の溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後の導電性炭素材料を用いて、上記と同様の条件でセパレータを成形し、それらのセパレータについても溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、それらのセパレータを用いて作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表２１に示す。
【０１６３】
【表２１】

【０１６４】
［結果］
導電性炭素材料およびセパレータの溶出試験の結果を比較すると、実施例４８〜５４および比較例７０〜７７の全ての場合において、セパレータ成形後の各成分の溶出量の方が値が低くなることがわかった。このことから、導電性炭素材料の溶出試験における基準値は、セパレータの溶出試験における基準値と同等であれば良いことが確認された。
【０１６５】
導電性炭素材料の焼成処理については、実施例４８および４９ならびに比較例７０の結果より、５００℃以上の焼成温度で処理することにより、導電性炭素材料中の不純物を目的の水準まで除去できることが確認された。
【０１６６】
洗浄液へ導電性炭素材料を浸漬させる洗浄処理において、実施例５０〜５２および比較例７１〜７３の結果より、洗浄液温度を８０℃以上、洗浄時間を１０時間以上とすると、各溶出成分を前述した基準値以下にすることができることが確認された。
【０１６７】
また、実施例５３および５４ならびに比較例７４〜７７の結果より、純水中に硫酸あるいは炭酸を供給してｐＨを低くした場合、アンモニウムイオン以外の溶出成分に関しては純水の場合と同等の抽出効果であったが、アンモニウムイオンについては抽出効果が高まることが確認された。
【０１６８】
《実施例５５〜６０、比較例７８〜８１》
次に、表２２および２３に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。ただし、ここでは、表２２および２３に記載の条件で、セパレータを成形する前段階で、超音波洗浄機を用いて導電性炭素材料の洗浄処理を行った。
【０１６９】
【表２２】

【０１７０】
【表２３】

【０１７１】
超音波洗浄機には、既述の実施例と同様の理由により、東京超音波技研（株）製の酸対応超音波洗浄機（ＰＵＣ−０７１５）を用いた。
【０１７２】
洗浄においては、洗浄機に天然黒鉛を入れ、天然黒鉛が完全に没するように洗浄液を注ぎ入れた後、超音波洗浄機のスイッチを入れて所定時間保持した。洗浄液が純水の場合、前述した溶出試験と同様のものを使用した。また、洗浄液が硫酸の場合、上記純水に市販の特級濃硫酸を加えて濃度を１ｍｏｌ／Ｌに調整した希硫酸を用いた。洗浄時の液温は、不純物の溶出を防ぐために石英管に入れたヒーターを洗浄液中に投入することで、６０℃、８０℃および１００℃のいずれかに制御した。また、洗浄時間は、０．５時間、１時間および２時間のいずれかとした。
【０１７３】
次に、洗浄後の導電性炭素材料の溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後の導電性炭素材料を用いて、上記と同様の条件でセパレータを成形し、それらのセパレータについても溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、それらのセパレータを用いて作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。結果を表２４に示す。
【０１７４】
【表２４】

【０１７５】
［評価］
実施例５５〜５７ならびに比較例７８および７９の結果から、洗浄時の液温が８０℃以上、洗浄時間が１時間以上であれば、各溶出成分を基準値以下にできることが確認できた。また、洗浄時間については、導電性炭素材料を洗浄液に浸漬させているだけの状態に比べ、超音波による振動を与えることで、１０倍も短くすることができた。
【０１７６】
《実施例６１〜６３、比較例８２〜８５》
次に、表２５および２６に記載の導電性炭素材料と樹脂とを用い、既述の実施例と同様の条件で導電性セパレータを作成した。ただし、ここでは、表２５および２６に記載の条件で、セパレータを成形する前段階で、導電性炭素材料を加湿ガスに暴露することにより、導電性炭素材料の洗浄処理を行った。
【０１７７】
【表２５】

【０１７８】
【表２６】

【０１７９】
洗浄においては、上部および下部の二箇所にバルブをつけた幅１５ｃｍ、奥行き５ｃｍ、深さ３０ｃｍの耐圧容器中に、１０ｍｌの純水と１００ｇの導電性炭素材料とを入れて密閉後、８０℃または１２０℃に保持した恒温層中で５時間、１０時間および１５時間のいずれかの時間保持した。
【０１８０】
ここでは、洗浄ガスとして、空気または二酸化炭素を用いた。容器中のガスを空気から二酸化炭素に入れ替える際には、導電性炭素材料を入れた容器中に純水を充満させた後、上部バルブより二酸化炭素を入れつつ、下部バルブから濾紙を介して、純水を排水することにより、容器中のガスを二酸化炭素に置換した。
【０１８１】
次に、洗浄後の導電性炭素材料の溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、洗浄後の導電性炭素材料を用いて、上記と同様の条件でセパレータを成形し、それらのセパレータについても溶出試験と溶出液の電気伝導度の測定を行った。また、それらのセパレータを用いて作製した燃料電池の連続発電試験を、上記と同様に行った。その結果を表２７に示す。
【０１８２】
【表２７】

【０１８３】
［結果］
実施例６１〜６３より、導電性炭素材料を適切な温度の加湿ガス中で適当な時間保持することで、各溶出成分を基準値以下にできることが確認された。
また、実施例６１および６３ならびに比較例８２および８４の結果から、本発明の洗浄方法では、８０℃以上のガス温度と１０時間以上の洗浄時間が必要であることがわかった。また、実施例６２ならびに比較例８３および８５から、洗浄に用いるガスが二酸化炭素などの酸性ガスでも問題がないことが確認された。
【０１８４】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池のセパレータから溶出するＴＯＣ、アンモニウムイオン、塩化物イオン、臭化物イオン、および亜硫酸イオンの量を所定の基準値以下に制御することにより、燃料電池の長期連続運転における特性劣化を抑制することが可能である。
【０１８５】
また、セパレータの構成材料である導電性炭素材料や樹脂として、既述の成分の溶出量が基準値以下である材料を用いる、構成材料を洗浄処理する、もしくははセパレータを成形後に洗浄処理をすることにより、上記特性を有するセパレータを作製することが可能となる。従って、安価で、加工性と成形性に優れた樹脂を材料に用いてセパレータを製造することが可能となり、燃料電池のセパレータの生産性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかるＭＥＡの構成を示す縦断面図である。
【図２】導電性セパレータをカソード側から見た正面概略図である。
【図３】導電性セパレータをアノード側から見た正面概略図である。
【図４】導電性セパレータを冷却水流路側から見た正面概略図である。
【図５】ＭＥＡの正面概略図である。
【図６】溶出試験における溶出時間と溶出成分（塩化物イオン）濃度との関係を示す図である。
【図７】酸化還元反応の試験を行うための装置概略図である。
【図８】塩化物イオンが酸素還元電流に与える影響を示す図である。
【図９】種々のイオンが酸素還元電流に与える影響を示す図である。
【図１０】種々のイオンが水素酸化電流に与える影響を示す図である。
【符号の説明】
１１拡散層
１２触媒層
１３、５２電極
１４、５１高分子電解質膜
１５ＭＥＡ
２０、４１セパレータ
２３ａ、４３ａ、５３ａ酸化剤ガスの供給側マニホルド孔
２４ａ、４４ａ、５４ａ燃料ガスの供給側マニホルド孔
２５ａ、４５ａ、５５ａ冷却水の供給側マニホルド孔
２３ｂ、４３ｂ、５３ｂ酸化剤ガスの排出側マニホルド孔
２４ｂ、４４ｂ、５４ｂ燃料ガスの排出側マニホルド孔
２５ｂ、４５ｂ、５５ｂ冷却水の排出側マニホルド孔
２６、３０溝
２７、３１中央を仕切るリブ
２８、３２リブ群
２９、３３ガス流路
４６冷却水流路
４７円形のリブ
５０ＭＥＡ
６１白金メッシュ
６２白金線
６３参照極
６４ポテンショスタット

Claims

水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給し、他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電池において、
前記導電性セパレータは、８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合に、前記導電性セパレータ１ｇ当たりから前記水中に溶出する成分及び量が、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
（１）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に１０時間以上浸漬させる処理、
（２）二酸化炭素を含むガスをバブリングし、かつ８０℃以上に保持した水中に１０時間以上浸漬させる処理、
（３）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中で１時間以上超音波洗浄する処理、または
（４）ガス温度８０℃以上かつ相対湿度１００％のガスに１０時間以上暴露させる処理、を行った導電性セパレータを用いたことを特徴とする請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記導電性セパレータは、それをアノードとして電気分解を行う処理が行われており、前記処理においては、水素雰囲気下の水中またはｐＨが−０．３以上の酸性溶液中で、自然電位に対して＋０．０５〜＋０．２Ｖの電位を前記アノードにかけて０．５時間以上の電気分解が行われている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記導電性セパレータは、それをカソードとして電気分解を行う処理が行われており、前記処理においては、水またはｐＨが−０．３以上の酸性溶液中で、自然電位に対して−０．１Ｖ以下の電位を前記カソードにかけて０．５時間以上の電気分解が行われている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
前記導電性セパレータは、導電性炭素材料およびバインダー樹脂からなり、前記導電性炭素材料は、８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合に、前記導電性炭素材料１ｇ当たりから前記水中に溶出する成分及び量が、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
（１）不活性ガス雰囲気下または１０^−１Ｐａ以下の高真空雰囲気下で、５００℃以上の温度で焼成する処理、
（２）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中に１０時間以上浸漬させる処理、
（３）二酸化炭素を含むガスをバブリングし、かつ８０℃以上に保持した水中に１０時間以上浸漬させる処理、
（４）８０℃以上に保持した水またはｐＨが−０．３以上の水溶液中で１時間以上超音波洗浄する処理、または
（５）ガス温度８０℃以上かつ相対湿度１００％のガスに１０時間以上暴露させる処理、を行った導電性炭素材料を用いたことを特徴とする請求項５記載の高分子電解質型燃料電池。
前記導電性セパレータは、導電性炭素材料およびバインダー樹脂からなり、前記樹脂は、８０〜１００℃の水中に浸漬させた状態で５０時間保持した場合に、前記樹脂１ｇ当たりから前記水中に溶出する成分及び量が、ＴＯＣで３００μｇ以下、アンモニウムイオンで５０μｇ以下、塩化物イオンで５０μｇ以下、臭化物イオンで２０μｇ以下、亜硫酸イオンで１０μｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。