JP2006318717A - Polyelectrolyte fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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Toru Sugawa
徹 壽川
Susumu Kobayashi
晋 小林
Tsutomu Kawashima
川島  勉
Masatoshi Teranishi
正俊 寺西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte fuel cell with high energy efficiency without giving birth to choking of fluid flow channels with vapor contained in fuel gas or oxidant gas, or excess product water generated by power generation. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte fuel cell includes fluid flow channels where fuel gas G1 or oxidant gas G2 is circulated. The surface of an anode-side fluid flow channel 13 has a receding contact angle θb of water of less than 50°, and that of a cathode-side fluid flow channel 14 has a receding contact angle θb of water of not less than 50°. The receding contact angle θb may be obtained by roughening the surface of the anode-side fluid flow channel 13, or may be obtained by smoothening the surface of the cathode-side fluid flow channel 14. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用される高分子電解質を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a domestic cogeneration system, and the like.

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。   A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. .

その高分子電解質型燃料電池は次のようにして製造される。まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、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反応層が形成される。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスで拡散層が形成される。なお、この拡散層と触媒反応層とを合わせて反応電極と呼ばれ、水素の入ってくる反応電極を、アノード(水素極、燃料極)、酸素の入ってくる反応電極をカソード(酸素極、空気極)と呼ばれる。   The polymer electrolyte fuel cell is manufactured as follows. First, a catalytic reaction layer composed mainly of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, a diffusion layer is formed on the outer surface of the catalytic reaction layer using, for example, carbon paper or carbon cloth having both air permeability of fuel gas and electronic conductivity. The diffusion layer and the catalytic reaction layer are collectively referred to as a reaction electrode. A reaction electrode containing hydrogen is used as an anode (hydrogen electrode, fuel electrode), and a reaction electrode containing oxygen as a cathode (oxygen electrode, Called the air electrode).

次に、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、反応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。このシール材やガスケットは、反応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、これを、MEA(膜電極接合体)と呼ぶ場合もあり、以下本明細書ではMEAと記す。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、反応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る。この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。   Next, a gas seal material is placed around the reaction electrode with a polymer electrolyte membrane so that the supplied fuel gas or oxidant gas does not leak outside or the fuel gas and oxidant gas are mixed with each other. And a gasket is placed. The sealing material and gasket are integrated in advance with the reaction electrode and the polymer electrolyte membrane, and this may be referred to as MEA (membrane electrode assembly), which is hereinafter referred to as MEA. On the outside of the MEA, a conductive separator for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is disposed. In the portion of the separator that comes into contact with the MEA, a gas flow path is formed for supplying the reaction gas to the reaction electrode surface and carrying away the generated gas and surplus gas. This gas flow path can be provided separately from the separator, but a system in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path is common.

このガス流路としての溝に燃料ガスを供給するためは、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータに、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。   In order to supply the fuel gas to the groove as the gas flow path, a piping jig for branching the fuel gas supply pipe into the number of separators to be used and connecting the branch destination directly to the separator-like groove is required. It becomes. This jig is called a manifold, and the type that connects directly from the fuel gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold with a simplified structure. The internal manifold is a separator in which a gas flow path is formed, and a through hole is provided, and the gas flow path is passed through to the hole and fuel gas is directly supplied from the hole.

燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部がセパレータとセパレータとの間に挿入されるが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのMEAとセパレータおよび冷却部が交互に重ねられていき、10〜400セル積層された後、集電板と絶縁板とを介し、端板でこれらが挟まれ、締結ボルトで両端を固定され製造されるのが一般的な高分子電解質型燃料電池である。   Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool it with cooling water or the like in order to maintain the battery at a good temperature. Usually, a cooling part that allows cooling water to flow every 1 to 3 cells is inserted between the separators, but in many cases, a cooling water channel is provided on the back surface of the separator to form a cooling part. These MEAs, separators, and cooling units are alternately stacked, and after stacking 10 to 400 cells, they are sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates, and both ends are fixed with fastening bolts. A general polymer electrolyte fuel cell is manufactured.

このような高分子電解質型燃料電池に用いられるセパレータは、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、更に水素/酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要がある。このような理由で従来のセパレータは、グラッシーカーボン板または樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工でガス流路を形成したり、またガス流路溝を形成したプレス金型にバインダと共に膨張黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、加熱処理することで作製したりしていた。   The separator used in such a polymer electrolyte fuel cell has high conductivity and high gas tightness with respect to the fuel gas, and also has high corrosion resistance against the reaction when oxidizing / reducing hydrogen / oxygen. That is, it must have acid resistance. For this reason, conventional separators have a gas flow path formed by cutting on the surface of a glassy carbon plate or a resin-impregnated graphite plate, or expanded graphite powder together with a binder in a press mold in which a gas flow channel groove is formed. , And after pressing this, it was manufactured by heat treatment.

また、近年、前記セパレータの材料としてカーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解が起きる可能性がある。金属板が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自身のイオン電導性が低下する。このような劣化を避けるため金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッキを施すことが通例である。   In recent years, attempts have been made to use a metal plate such as stainless steel instead of a carbon material as the material of the separator. In the separator using the metal plate, the metal plate is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature. Therefore, when used for a long time, the metal plate may be corroded or dissolved. When the metal plate is corroded, the electric resistance of the corroded portion increases and the output of the battery decreases. Further, when the metal plate is dissolved, the dissolved metal ions are diffused into the polymer electrolyte and trapped at the ion exchange site of the polymer electrolyte, resulting in a decrease in the ionic conductivity of the polymer electrolyte itself. In order to avoid such deterioration, it is usual to apply gold plating having a certain thickness on the surface of the metal plate.

次に、高分子電解質型燃料電池の発電時の状態などについて説明する。
高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜内を電離した水素が移動しやすくするため、燃料ガスとしての水素を含むガスや、酸化剤としての酸素ガスを含むガスに水蒸気を混合して供給することが一般的である。一方、発電時の燃焼反応により水分(水蒸気)が生成するため、セパレータに形成されたガス流路としての溝には燃料や酸化剤と混合する水蒸気と、発電により生成する水分(水蒸気)とが通過する。セパレータ表面は生成した水が必要以上に結露しないように一定の温度に制御されるのが一般的ではあるが、発電した電力の消費量や燃料供給の変化により、燃料電池内部の発生熱量が変化し、内部温度が変動して生成水の量が変動することがある。例えば温度が低下した場合などにはセパレータ表面が結露しやすくなることがあり、このような現象を完全に排除することは不可能である。
Next, the state of the polymer electrolyte fuel cell during power generation will be described.
In polymer electrolyte fuel cells, in order to facilitate the movement of ionized hydrogen in the polymer electrolyte membrane, water vapor is mixed with gas containing hydrogen as the fuel gas or oxygen gas as the oxidant. It is common to do. On the other hand, since water (water vapor) is generated by a combustion reaction during power generation, water vapor mixed with fuel and oxidant and water (water vapor) generated by power generation are formed in a groove as a gas flow path formed in the separator. pass. The separator surface is generally controlled at a constant temperature so that the generated water does not condense more than necessary, but the amount of heat generated within the fuel cell changes due to changes in the amount of power generated and the fuel supply. However, the amount of produced water may fluctuate due to fluctuations in the internal temperature. For example, when the temperature is lowered, the separator surface is likely to condense, and it is impossible to completely eliminate such a phenomenon.

結露が発生すると、水滴がガス流路としての溝を塞ぎ、その塞いだ場所以降の反応電極に対し燃料供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下し、またその水滴が排出されると、流路閉塞が解除されるため燃料供給が回復し、電圧が上昇すると言った電圧不安定現象(フラッディング)が発生するという問題があった。   When condensation occurs, water droplets block the groove as a gas flow path, and fuel shortage occurs to the reaction electrode after the plugged place, so the voltage gradually decreases, and when the water droplets are discharged, There is a problem that a voltage instability phenomenon (flooding) occurs in which the fuel supply is restored and the voltage rises because the blockage of the flow path is released.

このような問題点を解決するために、セパレータ表面の親水性を高め、結露した水を薄い膜状に広げることで排水性を高めるという方式が提案されている。   In order to solve such problems, a method has been proposed in which the hydrophilicity of the separator surface is increased and the water drainage is improved by spreading condensed water into a thin film.

従来型の燃料電池用セパレータの材質としては、黒鉛ブロックを加工した不浸透化物、耐食性金属及び膨張黒鉛シート積層成形体に液状樹脂を含浸させ硬化させた液状樹脂含有物が用いられるが、この材質からなるセパレータは親水性に劣るものであった。そのため、セパレータの親水性を向上させる手段として各種の方法が開発されている。   As a material for a conventional fuel cell separator, an impermeate obtained by processing a graphite block, a corrosion-resistant metal, and a liquid resin-containing material obtained by impregnating and hardening a liquid resin in an expanded graphite sheet laminated molded body are used. The separator made of was inferior in hydrophilicity. For this reason, various methods have been developed as means for improving the hydrophilicity of the separator.

従来の例としては、(1)アルミナ、シリカ、ゼオライト等の金属酸化物、PVA、PEG、アクリル酸等の親水性樹脂などの親水性物質を予め基体材料に含有させる方法(特許文献1参照)、(2)導電性粉末および結合材を主成分とする組成物を成形してなる成形体に、金属酸化物を含む親水性樹脂を塗布、含浸させた後、該親水性樹脂を効果させる方法(特許文献2参照)、(3)成形した基体に、酸化処理、酸処理、プラズマ処理、紫外線処理、界面活性剤による処理、シランカップリング材による処理等の表面処理を行う方法(特許文献3)等が開発されている。また、永続的な親水性を付与する方法としては(4)カーボン成形体をフッ素と酸素を含むガス混合で処理し、次いでこの混合ガスよりもフッ素に対する酸素のモル比の小さいガスで再び処理する方法(特許文献4参照)等がある。
特開平10−3931号公報 特開2003−217608号公報 再公表WO99―40642号公報 特開2003−112910号公報
Examples of conventional methods include (1) a method in which a base material contains a hydrophilic substance such as a metal oxide such as alumina, silica, or zeolite, or a hydrophilic resin such as PVA, PEG, or acrylic acid (see Patent Document 1). (2) A method in which a hydrophilic resin containing a metal oxide is applied to and impregnated into a molded body obtained by molding a composition mainly composed of conductive powder and a binder, and then the hydrophilic resin is made effective. (See Patent Document 2), (3) A method of subjecting a molded substrate to surface treatment such as oxidation treatment, acid treatment, plasma treatment, ultraviolet treatment, treatment with a surfactant, treatment with a silane coupling material (Patent Literature 3) ) Etc. have been developed. As a method for imparting permanent hydrophilicity, (4) the carbon molded body is treated with a gas mixture containing fluorine and oxygen, and then treated again with a gas having a smaller molar ratio of oxygen to fluorine than the mixed gas. Method (see Patent Document 4).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-3931 JP 2003-217608 A Republished WO99-40642 JP 2003-112910 A

しかしながら、前記(1)の方法で得られたセパレータは、基体に含まれる金属酸化物、親水性樹脂から、それぞれ発電を阻害する金属イオン、有機物が溶出するという問題がある上、表層部に存在する親水性物質を増やすために、その含有量を多くする必要があり、セパレータそのものの物性低下を引き起こす原因となっている。   However, the separator obtained by the method (1) has a problem that metal ions and organic substances that inhibit power generation are eluted from the metal oxide and hydrophilic resin contained in the substrate, respectively, and exists in the surface layer portion. In order to increase the amount of hydrophilic substance to be used, it is necessary to increase the content thereof, which causes a decrease in physical properties of the separator itself.

前記(2)の方法で得られたセパレータは、初期物性は良好であるものの、長期的な燃料電池の運転において、金属イオン、有機物の溶出が起こり、電解質膜及び触媒への悪影響を及ぼすという問題がある。しかも、接触抵抗上昇に対する懸念から、ガス流路のみの処理をする必要があるため、製造工程が複雑になる結果、コスト増を招いている。   The separator obtained by the method (2) has good initial physical properties, but elution of metal ions and organic substances occurs during long-term operation of the fuel cell, which adversely affects the electrolyte membrane and the catalyst. There is. In addition, due to concerns about the increase in contact resistance, it is necessary to process only the gas flow path, resulting in a complicated manufacturing process, resulting in an increase in cost.

前記(3)の方法で得られたセパレータは、親水性が持続しないという問題がある。
前記(4)の永続的な親水性を付与する方法では水の排出性を確保するのに十分な親水性を得ることができず、しかもコストが高いといった問題がある。また、高分子電解質型燃料電池はアノード側に燃料ガスとして水素、カソード側に酸化剤ガスとして空気を供給する場合が多い。したがって、アノード側に対してカソード側は空気に含まれる酸素を酸化剤として用い、また水素に比較して酸素は拡散性が低いために供給ガスに対する利用率はアノード側と比較してかなり低くなる。そして、カソード側のセパレータでは流路上に電気化学反応によって生成水が生じるので一般的に供給ガスの圧力損失を高める溝形状、流路構成がなされている。したがって、アノード側と同様の処理を行うとカソード側は流量が多いので、圧力損失が非常に高くなることが多く、エネルギー効率が悪くなるという課題がある。
The separator obtained by the method (3) has a problem that the hydrophilicity does not last.
In the method (4) of imparting permanent hydrophilicity, there is a problem that sufficient hydrophilicity to ensure water discharge cannot be obtained and the cost is high. In many cases, a polymer electrolyte fuel cell supplies hydrogen as fuel gas to the anode side and air as oxidant gas to the cathode side. Therefore, the cathode side uses oxygen contained in the air as the oxidant, and the oxygen utilization rate is lower than the anode side because oxygen is less diffusible than hydrogen. . In the separator on the cathode side, generated water is generated on the flow path by an electrochemical reaction, so that a groove shape and a flow path configuration that generally increase the pressure loss of the supply gas are formed. Therefore, when the same treatment as that on the anode side is performed, the flow rate on the cathode side is large, so that the pressure loss is often very high, and the energy efficiency is deteriorated.

以上から、前記(1)〜(4)の方法は電圧不安定現象(フラッディング)を解消するという課題に対処できていないという問題がある。   From the above, the methods (1) to (4) have a problem that they cannot cope with the problem of eliminating the voltage instability phenomenon (flooding).

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高分子電解質型燃料電池の電圧不安定現象(フラッディング)を永続的に解消し、エネルギー効率の低下を防ぐことのできる高分子電解質型燃料電池の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a polymer electrolyte fuel cell that can permanently eliminate the voltage instability phenomenon (flooding) of the polymer electrolyte fuel cell and prevent a decrease in energy efficiency. The purpose is to provide.

上記問題を解決し目的を達成するために、本発明にかかる高分子電解質型燃料電池は、燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、前記アノード側流体流路の表面は、水の後退接触角が50度未満であり、前記カソード側流体流路の表面は、水の後退接触角が50度以上であればよい。   In order to solve the above problems and achieve the object, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a fuel cell including an anode-side fluid channel through which a fuel gas flows and a cathode-side fluid channel through which an oxidant gas flows. The surface of the anode fluid passage may have a receding contact angle of water of less than 50 degrees, and the surface of the cathode fluid passage may have a receding contact angle of water of 50 degrees or more.

これにより、アノード側に関しては、流体流路内で結露した生成水が流体流路表面で玉状に大きく膨出して流体流路を完全に閉塞する現象を発生しにくくし、流体の流通箇所をほぼ常に確保することが可能となる。これは、流体流路を流れる流体の流量が比較的少なく、流速が比較的遅いアノード側に最適である。   As a result, on the anode side, the generated water condensed in the fluid flow path is greatly bulged out in a ball shape on the surface of the fluid flow path, and the phenomenon that the fluid flow path is completely blocked is less likely to occur. It is possible to ensure almost always. This is optimal for the anode side where the flow rate of the fluid flowing through the fluid flow path is relatively small and the flow rate is relatively slow.

一方、カソード側に関しては、前進接触角と後退接触角の差が少なくなって生成水が流体流路内部を移動しやすくなり、生成水滴が成長して閉塞を起こす前に排出することができる。これは、流体流路を流れる流体の流量が比較的多く流速が比較的早いカソード側に最適である。   On the other hand, on the cathode side, the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle is reduced, and the generated water can easily move inside the fluid flow path, and can be discharged before the generated water droplet grows and becomes blocked. This is optimal for the cathode side where the flow rate of the fluid flowing through the fluid flow path is relatively large and the flow velocity is relatively fast.

前記後退接触角は、前記アノード側流体流路を形成する構成材の表面を粗面化することにより前記値を満たすのが好ましい。   The receding contact angle preferably satisfies the above value by roughening the surface of the constituent material forming the anode-side fluid flow path.

また、前記アノード側流体流路の表面を、平均粗さ(Ra)が1.5μm以上4.0μm以下に形成するか、または、前記アノード側流体流路の表面を、前記粗面化により生じた凹凸の平均間隔(Sm)が10μm以上200μm以下であることとすれば、永続的にアノード側流体流路で結露した生成水が流体流路表面で玉状に大きく膨出して流体流路を完全に閉塞することを回避することができる。   Further, the surface of the anode side fluid flow path is formed to have an average roughness (Ra) of 1.5 μm or more and 4.0 μm or less, or the surface of the anode side fluid flow path is generated by the roughening. If the average interval (Sm) of the unevenness is 10 μm or more and 200 μm or less, the generated water that has permanently dewed in the anode-side fluid flow channel is greatly swelled in a ball shape on the surface of the fluid flow channel, and the fluid flow channel is Complete occlusion can be avoided.

また、前記アノード側流体流路の表面を、ブラスト加工もしくはレーザ加工、切削加工の少なくとも一つにより粗面化するか、前記アノードを、成形加工により流体流路の表面が粗面化された状態で成形すれば、容易に流体流路の表面を粗面化したアノードを得ることができる。   Further, the surface of the anode-side fluid flow path is roughened by at least one of blasting, laser processing, or cutting, or the anode is formed by roughening the surface of the fluid flow path by molding. If it shape | molds by, the anode which roughened the surface of the fluid flow path can be obtained easily.

加えて、前記アノード側流体流路の表面の少なくとも一部に親水性官能基を備えることとすれば、生成水によるアノード側流体流路の閉塞をさらに回避することができる。   In addition, if the hydrophilic functional group is provided on at least a part of the surface of the anode-side fluid flow path, blockage of the anode-side fluid flow path due to generated water can be further avoided.

また、前記アノード側流体流路は、表面に炭素が表出しており、前記アノード側流体流路の表面は、酸素を含むガスによるプラズマ処理、または、UVオゾン処理の少なくとも一つにより前記親水性官能基が設けることにより、生成水による閉塞を回避するアノードを容易に得ることができる。   In addition, carbon is exposed on the surface of the anode-side fluid flow path, and the surface of the anode-side fluid flow path is subjected to the hydrophilicity by at least one of plasma treatment with a gas containing oxygen or UV ozone treatment. By providing the functional group, it is possible to easily obtain an anode that avoids clogging with generated water.

一方、前記カソード側流体流路は、表面にカーボン粒子のベーサル面(結晶基底面)が表出しており、前記表出するベーサル面の合計面積を、前記カソード側流体流路の表面面積に対し70%以上としても良い。   On the other hand, the cathode-side fluid flow channel has a basal surface (crystal base surface) of carbon particles exposed on the surface, and the total area of the exposed basal surface with respect to the surface area of the cathode-side fluid flow channel It may be 70% or more.

これにより、永続的に水滴を流れやすくすることが可能となる。
また、前記カソード側流体流路の表面は、流体流路を形成する構成材の表面が平滑化されることにより前記水の後退接触角を満たすこととしても目的を達成できる。
Thereby, it becomes possible to make it easy to flow a water drop permanently.
The object can also be achieved by satisfying the receding contact angle of water by smoothing the surface of the constituent material forming the fluid flow path on the surface of the cathode side fluid flow path.

また、前記カソード側流体流路の表面は、平均粗さ(Ra)が1.0μm以下であることとすれば、上記作用効果を得ることが可能となる。   If the average roughness (Ra) of the surface of the cathode-side fluid flow path is 1.0 μm or less, the above-described effects can be obtained.

また、前記カソード側流体流路の表面は、研削加工又は研磨加工の少なくとも一つにより平滑化されることとすれば、容易に流体流路の表面を平滑化したカソードを得ることができる。   In addition, if the surface of the cathode-side fluid flow path is smoothed by at least one of grinding or polishing, a cathode in which the surface of the fluid flow path is easily smoothed can be obtained.

また、燃料ガス及び酸化剤ガスが個々に流通する流体流路を備える燃料電池の製造方法としては、アノード側流体流路の表面を粗面化する粗面化工程を含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the manufacturing method of a fuel cell provided with the fluid flow path through which fuel gas and oxidant gas individually circulate includes a roughening step of roughening the surface of the anode-side fluid flow path.

また、前記粗面化工程は、ブラスト加工もしくはレーザ加工、切削加工の少なくとも一つであることが好ましい。   The roughening step is preferably at least one of blast processing, laser processing, and cutting processing.

前記製造方法はさらに、酸素を含むガスによるプラズマ処理、または、UVオゾン処理の少なくとも一つにより前記アノード側流体流路の表面に親水性官能基を形成する親水性官能基形成工程を含むことが好ましい。   The manufacturing method further includes a hydrophilic functional group forming step of forming a hydrophilic functional group on the surface of the anode-side fluid flow path by at least one of a plasma treatment with a gas containing oxygen or a UV ozone treatment. preferable.

また、燃料ガス及び酸化剤ガスが個々に流通する流体流路を備える燃料電池の製造方法であって、カソード側流体流路の表面を平滑化する平滑化工程を含むことが好ましい。   Moreover, it is a manufacturing method of a fuel cell provided with the fluid flow path through which fuel gas and oxidant gas each distribute | circulate, Comprising: It is preferable to include the smoothing process of smoothing the surface of a cathode side fluid flow path.

前記平滑化工程は、研削加工又は研磨加工の少なくとも一つであることが好ましい。   The smoothing step is preferably at least one of grinding or polishing.

高分子電解質型燃料電池において生成水による流路の閉塞を回避し、安定した動作性を与えることができる。また、供給ガスによる圧力損失を低く抑えることができるのでエネルギー効率を高くすることが可能である。また、これらは永続的な効果を持つ。以上から、高分子電解質型燃料電池において、安定性、効率等の性能の向上を図ることができる。   In the polymer electrolyte fuel cell, blockage of the flow path by generated water can be avoided, and stable operability can be provided. In addition, since the pressure loss due to the supply gas can be kept low, energy efficiency can be increased. They also have a lasting effect. As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, it is possible to improve performance such as stability and efficiency.

次に、本発明にかかる高分子電解質型燃料電池の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。   Next, an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、高分子電解質型燃料電池の一単位である単電池21の一部を模式的に示す斜視図である。図2は、図1に示すI−I線で仮想的に切断した場合の断面図である。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of a unit cell 21 which is a unit of a polymer electrolyte fuel cell. FIG. 2 is a cross-sectional view taken virtually along the line II shown in FIG.

同図に示すように、単電池21は、MEA(膜電極接合体)シート12と、アノード側セパレータ10と、カソード側セパレータ11を備えている。   As shown in the figure, the unit cell 21 includes an MEA (membrane electrode assembly) sheet 12, an anode side separator 10, and a cathode side separator 11.

MEA(膜電極接合体)シート12は、プロトン伝導性高分子電解質膜22の表裏面にそれぞれ触媒を備えた電極である反応電極23、23が設けられたシートである。   The MEA (membrane electrode assembly) sheet 12 is a sheet in which reaction electrodes 23 and 23 which are electrodes each provided with a catalyst are provided on the front and back surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane 22.

前記プロトン伝導性高分子電解質膜22の種類や形状は特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池に用いられるものであれば良い。   The type and shape of the proton conductive polymer electrolyte membrane 22 are not particularly limited as long as they are generally used for fuel cells.

また、反応電極23も同様に限定されるものではなく、カーボンメッシュに触媒としての白金を担持させたような一般的な反応電極でよい。   Similarly, the reaction electrode 23 is not limited, and may be a general reaction electrode in which platinum as a catalyst is supported on a carbon mesh.

セパレータ10、11は、MEA(膜電極接合体)シート12とこれ隣接する図示しない単電池のMEAシートとを電気的直列に接続する板状体であって、燃料ガスや酸化剤ガスが流通する流体流路13、14が多数本平行に板状態全体に渡って並設されている。また、板状態の流体流路13、14が設けられている面と反対の面には、冷却用の流体を流通させるための流路が設けられている。   The separators 10 and 11 are plate-like bodies that electrically connect an MEA (membrane electrode assembly) sheet 12 and an adjacent MEA sheet of a unit cell (not shown) in series, and a fuel gas and an oxidant gas circulate therethrough. A large number of fluid flow paths 13 and 14 are arranged in parallel over the entire plate state. In addition, on the surface opposite to the surface on which the plate-like fluid flow paths 13 and 14 are provided, a flow path for circulating a cooling fluid is provided.

アノード側セパレータ10に設けられた流体流路は、燃料ガスが流通する燃料流路13である。当該燃料流路13の表面、すなわち溝の底面と両側面は、水の後退接触角が50度未満となるように粗面化されている。   The fluid flow path provided in the anode separator 10 is a fuel flow path 13 through which fuel gas flows. The surface of the fuel flow path 13, that is, the bottom surface and both side surfaces of the groove are roughened so that the receding contact angle of water is less than 50 degrees.

ここで、水の後退接触角とは、いわゆる動的濡れ試験で測定される角度である。この動的濡れ試験とは、所定の材料を蒸留水に沈める過程で得られる接触角(前進接触角)と、引き上げる過程で得られる接触角(後退接触角)を測定するものである。なお、材料の濡れ性に対しては、前進接触角は材料が乾いた状態での親水性を表し、後退接触角は材料が一度濡れた後の親水性を表す。   Here, the receding contact angle of water is an angle measured by a so-called dynamic wetting test. In this dynamic wetting test, a contact angle (advanced contact angle) obtained in the process of submerging a predetermined material in distilled water and a contact angle (recessed contact angle) obtained in the process of pulling up are measured. For the wettability of the material, the advancing contact angle represents the hydrophilicity when the material is dry, and the receding contact angle represents the hydrophilicity after the material is once wetted.

図3は、表面が粗面化され水の後退接触角θbが50度未満となされた燃料流路13に付着している水の様子を模式的に示す断面図である。一方図4は、水の後退接触角が50度以上となされた燃料流路13に付着している水の様子を模式的に示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the state of water adhering to the fuel flow path 13 whose surface is roughened and whose water receding contact angle θb is less than 50 degrees. On the other hand, FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the state of water adhering to the fuel flow path 13 in which the receding contact angle of water is 50 degrees or more.

図3に示すように、セパレータ10の表面が粗面化され水の後退接触角θbが50度未満になると、水はセパレータ10の表面に比較的広がりやすくなり、図4に示すように、セパレータ10表面で水がはじかれて粒となり燃料流路13を閉塞してしまうことを回避できる。なお、粗面化により後退接触角が小さくなるのはアンカー効果であると考えられる。   As shown in FIG. 3, when the surface of the separator 10 is roughened and the receding contact angle θb of water becomes less than 50 degrees, the water is relatively likely to spread on the surface of the separator 10, and as shown in FIG. It can be avoided that water is repelled on the surface 10 to become particles and block the fuel flow path 13. In addition, it is thought that it is an anchor effect that a receding contact angle becomes small by roughening.

さらに、燃料流路13を流通する燃料ガスG1はカソード側の酸化剤ガスに比較して流量が少なく流速が比較的遅いが、水の粒は燃料流路13を閉塞することなく燃料ガスG1の流れに従いゆっくりと移動して排出されることとなる。なお、水の後退接触角θbが50度未満であると、水がセパレータ10表面に付着し燃料流路13を狭くするが、燃料ガスG1が比較的小流量、低流速であるため圧力損失の上昇は大きくなく燃料電池の性能にほとんど影響を与えない。   Further, although the fuel gas G1 flowing through the fuel flow path 13 has a smaller flow rate and a relatively low flow rate as compared with the oxidant gas on the cathode side, water particles do not block the fuel flow path 13 and the fuel gas G1 It will move slowly according to the flow and be discharged. If the receding contact angle θb of water is less than 50 degrees, water adheres to the surface of the separator 10 and narrows the fuel flow path 13, but the fuel gas G1 has a relatively small flow rate and low flow rate, so that the pressure loss The increase is not significant and has little effect on fuel cell performance.

なお、燃料流路13の粗面化方法は特に限定されるものではなく、例えば、成形されたセパレータ10の燃料流路13にブラスト加工もしくはレーザ加工、切削加工を施すことにより表面を粗面化することができる。特に、ブラスト加工は乾式、湿式を問わず表面をランダムに粗面化しうるため最適である。また、セパレータ10を成形加工する際に粗面化された燃料流路13を設けてもかまわない。例えば、ホットプレスなどによりセパレータ10を成形する場合、予め流体流路に該当する部分が粗面化された金型を用い、荒れた表面を転写することにより粗面化した燃料流路13を得ても良い。   The surface roughening method of the fuel flow path 13 is not particularly limited. For example, the surface of the fuel flow path 13 of the formed separator 10 is roughened by blasting, laser processing, or cutting. can do. In particular, blasting is optimal because the surface can be randomly roughened regardless of whether it is dry or wet. Further, a roughened fuel flow path 13 may be provided when the separator 10 is molded. For example, when the separator 10 is formed by hot pressing or the like, a roughened fuel flow path 13 is obtained by transferring a rough surface using a mold whose surface corresponding to the fluid flow path is previously roughened. May be.

一方、カソード側セパレータ11の流体流路は、酸化剤ガスが流通する酸化剤流路14である。前記酸化剤流路14の表面、すなわち溝の底面と両側面は、水の後退接触角が50度以上となるように平滑化されている。   On the other hand, the fluid channel of the cathode separator 11 is an oxidant channel 14 through which an oxidant gas flows. The surface of the oxidant channel 14, that is, the bottom surface and both side surfaces of the groove, is smoothed so that the receding contact angle of water is 50 degrees or more.

図5は、表面が平滑化され水の後退接触角θbが50度以上となされた酸化剤流路14に付着している水の様子を模式的に示す断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the state of water adhering to the oxidant channel 14 whose surface is smoothed and whose water receding contact angle θb is 50 degrees or more.

同図に示すように、セパレータ11の表面が平滑化され水の後退接触角θBが50度以上になると、水がセパレータ11表面ではじかれやすくなる。また、水の前進接触角θaとの差が小さくなるためはじかれた水が転がりやすくなる。従って、酸化剤流路14を流通する酸化剤ガスG2は比較的多流量で高流速であるため、水の粒が成長して酸化剤流路14を閉塞する前に水を容易に排出することが可能となり、容易に水が転がるため圧力損失の上昇を抑えて燃料電池の性能への悪影響を抑止することが可能となる。   As shown in the figure, when the surface of the separator 11 is smoothed and the water receding contact angle θB is 50 degrees or more, the water is easily repelled on the surface of the separator 11. Further, since the difference from the forward contact angle θa of water becomes small, the repelled water is easy to roll. Accordingly, the oxidant gas G2 flowing through the oxidant flow path 14 has a relatively high flow rate and a high flow rate, so that water can be easily discharged before the water particles grow and close the oxidant flow path 14. Since water easily rolls, an increase in pressure loss can be suppressed and adverse effects on fuel cell performance can be suppressed.

なお、酸化剤流路14の平滑化方法は特に限定されるものではなく、例えば、成形されたセパレータ11の酸化剤流路14に研削加工や研磨加工など施すことにより表面を平滑化することができる。また、セパレータ11を成形加工する際に平滑化された酸化剤流路14を設けてもかまわない。特に、セパレータ11を構成する材料を選定し成形加工方法を選定すれば、成形後のそのままで水の後退接触角θbが50度以上とすることができる。なお、当該材料及び成形加工方法は後述する。   The method for smoothing the oxidant flow path 14 is not particularly limited. For example, the surface of the oxidant flow path 14 of the molded separator 11 may be smoothed by grinding or polishing. it can. Moreover, you may provide the oxidizing agent flow path 14 smooth | blunted when the separator 11 is shape | molded. In particular, if the material constituting the separator 11 is selected and a molding method is selected, the receding contact angle θb of water can be 50 degrees or more as it is after molding. The material and the molding method will be described later.

本実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池は、前記単電池21を冷却水路を確保しつつ多数(例えば100層)積層して電池スタックとした後、この電池スタックの両端部に、集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板と締結ロッドで固定されて形成される。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, a large number (for example, 100 layers) of the unit cells 21 are stacked while securing a cooling water channel to form a battery stack, and then current collector plates are provided at both ends of the battery stack. And an insulating plate made of an electrically insulating material, and further fixed by an end plate and a fastening rod.

以上のように、上記単電池21で構成される高分子電解質型燃料電池は、MEA(膜電極接合体)シート12が水分を必要とするため、アノード側の燃料流路13、カソード側の酸化剤流路14ともに供給されるガスは加湿されているのが一般的であり、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応して水分が発生する。つまり、発電中のセパレータの流体流路表面は乾いた部分よりも供給ガスの水分の結露によって濡れている部分が多いと考えられる。   As described above, since the MEA (membrane electrode assembly) sheet 12 requires moisture in the polymer electrolyte fuel cell including the unit cell 21, the anode-side fuel flow path 13 and the cathode-side oxidation are used. The gas supplied together with the agent flow path 14 is generally humidified, and the fuel gas and the oxidant gas react to generate moisture. In other words, it is considered that the surface of the fluid flow path of the separator during power generation has more parts wet due to moisture condensation of the supply gas than the dry parts.

したがって、アノード側のセパレータ10の構成材料や成形加工方法を選定して後退接触角が50度未満としたり、粗面化された表面のアンカー効果により後退接触角を50度未満としたセパレータ10を用いたりすれば、一旦濡れると水が燃料流路13表面に広がり、燃料流路13を閉塞しにくいと考えられ、燃料ガスの流量の比較的少ないアノード側のセパレータ10であっても、水分による燃料電池の性能低下を回避することが可能となる。なお、アノード側燃料流路13の後退接触角は40度未満が望ましい。水が燃料流路13表面に十分に広がるからである。   Therefore, the separator 10 having a receding contact angle of less than 50 degrees by selecting a constituent material and a molding method of the anode-side separator 10 or having a receding contact angle of less than 50 degrees due to the anchor effect of the roughened surface is provided. If it is used, water will spread to the surface of the fuel flow path 13 once wet, and it is considered difficult to block the fuel flow path 13, and even the anode-side separator 10 with a relatively small flow rate of fuel gas is affected by moisture. It becomes possible to avoid the performance degradation of the fuel cell. The receding contact angle of the anode side fuel flow path 13 is preferably less than 40 degrees. This is because water sufficiently spreads on the surface of the fuel flow path 13.

一方、カソード側のセパレータ11の構成材料や成形加工方法を選定して後退接触角が50度以上としたり、表面状態により後退接触角を50度以上としたセパレータ11を用いたりすれば、酸化剤流路14表面で水がはじかれて粒状になり、また、前進接触角と後退接触角との差が小さくなって前記水の粒が転がりやすくなるため、流量の比較的多い酸化剤ガスによる圧力損失を上げることなく余剰生成水を容易に排出でき、水分による燃料電池の性能低下を回避することが可能となる。なお、カソード側の酸化剤流路14の後退接触角は60度以上が望ましい。水の粒が十分に転がることができるためである。   On the other hand, if the constituent material and the molding method of the cathode-side separator 11 are selected to set the receding contact angle to 50 degrees or more, or the separator 11 having the receding contact angle of 50 degrees or more depending on the surface state is used, the oxidant Since water is repelled on the surface of the flow path 14 and becomes granular, and the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle becomes small and the water particles easily roll, the pressure caused by the oxidant gas having a relatively high flow rate. Excess generated water can be easily discharged without increasing the loss, and it is possible to avoid degradation of the performance of the fuel cell due to moisture. The receding contact angle of the oxidant channel 14 on the cathode side is desirably 60 degrees or more. This is because the water grains can sufficiently roll.

なお、セパレータ10、11の材質は特に限定されるものではなく、それぞれの特性に応じた材料を選定すれば良いが、現在の所、腐食性(耐酸化性)、電気伝導性を考慮して、カーボン粒子を樹脂のバインダで固めた材料が好適であると考えられている。   In addition, the material of the separators 10 and 11 is not particularly limited, and a material corresponding to each characteristic may be selected. However, in consideration of corrosiveness (oxidation resistance) and electrical conductivity at present. A material obtained by solidifying carbon particles with a resin binder is considered suitable.

そして、セパレータ10、11の材質としてカーボン粒子をバインダで固めた材質を採用した場合、その成形加工方法は、前記セパレータ10、11の形状を得ることができる金型を用いたホットプレス加工が好適である。   And when the material which solidified the carbon particle with the binder is employ | adopted as a material of the separators 10 and 11, the hot pressing process using the metal mold | die which can obtain the shape of the said separators 10 and 11 is suitable for the shaping | molding processing method. It is.

これは、成形したままの表面状態で水の後退接触角が50度以上を確保することが可能となり、また、表面加工により、水の後退接触角を任意に設定できるからである。   This is because the receding contact angle of water can be ensured to be 50 degrees or more in the surface state as molded, and the receding contact angle of water can be arbitrarily set by surface processing.

図6は、カーボン粒子と樹脂バインダとからなるセパレータ10、11をホットプレス加工により成形して得た場合のセパレータ10、11の表面状態を概念的に示す断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view conceptually showing the surface state of the separators 10 and 11 obtained by molding the separators 10 and 11 made of carbon particles and a resin binder by hot pressing.

同図に示すように、ホットプレスにより成形されたセパレータ10、11の表層部分の層Aにおいては、カーボン粒子1のベーサル面がセパレータ10、11の表面と平行となり、最表層のカーボン粒子1は、ベーサル面が表出してセパレータ10、11の表面を形成している。そして、表出しているベーサル面の総合計は、セパレータ10、11の表面積の70%以上を占めている。   As shown in the figure, in the layer A of the surface layer portion of the separators 10 and 11 formed by hot pressing, the basal surface of the carbon particles 1 is parallel to the surfaces of the separators 10 and 11, and the carbon particles 1 of the outermost layer are The basal surface is exposed to form the surfaces of the separators 10 and 11. The total sum of the exposed basal surfaces occupies 70% or more of the surface areas of the separators 10 and 11.

このように、ホットプレス加工のみによって個々のカーボン粒子のベーサル面が一面に配置され、セパレータ10、11の表面を構成するため、セパレータ10、11表面の算術平均粗さRa=1.0μm以下の比較的平滑で水の後退接触角が50度以上の表面を備えたセパレータ10、11を得ることが可能となる。   Thus, since the basal surfaces of the individual carbon particles are arranged on one side only by hot pressing, and constitute the surfaces of the separators 10, 11, the arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the separators 10, 11 is 1.0 μm or less. Separators 10 and 11 having a relatively smooth surface with a receding contact angle of water of 50 degrees or more can be obtained.

そして、上記得られたセパレータ10は、容易に水の後退接触角50未満となるように粗面化を施すことが可能となる。例えば、セパレータ10の表面をブラスト加工し、ベーサル面が平行に並んだ層Aを除去すれば、カーボン粒子がランダムに配置された層Bが表出し、容易に荒れた表面を得ることができる。しかも、ブラスト加工によりカーボン粒子の表面が化学的に不安定となって水を吸着しやすい状態となり、さらに後退接触角を小さくできるという2次的効果を望むことができる。   And the obtained separator 10 can be roughened so that the receding contact angle of water is less than 50 easily. For example, if the surface of the separator 10 is blasted and the layer A in which the basal planes are arranged in parallel is removed, the layer B in which the carbon particles are randomly arranged appears and a rough surface can be easily obtained. In addition, the secondary effect that the surface of the carbon particles becomes chemically unstable due to the blasting process so that water is easily adsorbed and the receding contact angle can be reduced can be expected.

図7は、ブラスト加工によりセパレータ10の表面を粗面化した表面状態を概念的に示す断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view conceptually showing a surface state in which the surface of the separator 10 is roughened by blasting.

同図に示すように、ベーサル面の向きがセパレータ10の表面と平行にそろえられたカーボン粒子1を含む層は除去され、表面より突出した突出カーボン粒子3や結晶の一部が欠損した凹型カーボン粒子4などが多く表出している。これは、ブラスト加工により層Aが除去され、さらに、バインダ2が選択的に掘られると共に、カーボン粒子1の一部が除去されているからである。   As shown in the figure, the layer containing the carbon particles 1 whose basal plane direction is aligned parallel to the surface of the separator 10 is removed, and the protruding carbon particles 3 protruding from the surface and the concave carbon in which a part of the crystal is lost are removed. Many particles 4 are exposed. This is because the layer A is removed by blasting, the binder 2 is selectively dug, and a part of the carbon particles 1 is removed.

図8は、凹型カーボン粒子4を拡大して示す図である。
カーボン粒子はさらに小さな微粒子6の集合体であり、上記ブラスト加工などによりカーボン粒子1の一部の微粒子6も除去される。そして、除去された残りの部分には、例えば微粒子6a〜6cのように、プリズム面(結晶側面)5a〜5cが表出された微粒子が多数存在することとなる。このプリズム面(結晶側面)5a〜5cはさらに拡大すると図9に示す黒鉛結晶8のような共有結合の一部が未結合の箇所7を多く持つ結晶で構成されている。
FIG. 8 is an enlarged view showing the concave carbon particles 4.
The carbon particles are aggregates of smaller fine particles 6, and some of the fine particles 6 of the carbon particles 1 are also removed by the blasting or the like. In the remaining part removed, a large number of fine particles on which prism surfaces (crystal side surfaces) 5a to 5c are exposed, such as fine particles 6a to 6c, are present. When the prism surfaces (crystal side surfaces) 5a to 5c are further enlarged, a part of covalent bonds such as the graphite crystal 8 shown in FIG.

また、ブラスト加工によって突出カーボン粒子3の表面にも同様に、図10に示すような共有結合の一部が未結合の箇所を多く持つ部分が発生する。なお、図10中太線部分が供給結合を示している。   Similarly, a part having many unbonded portions of covalent bonds as shown in FIG. 10 is generated on the surface of the protruding carbon particles 3 by blasting. In addition, the thick line part in FIG. 10 has shown supply coupling | bonding.

つまり、化学的に安定したカーボン粒子の表面や一部が破壊され、このような未結合箇所が多く表面に表出しているような化学的に不安定な状態の表面が多く表出することになる。このように化学的に不安定な状態の表面に対しては水の分子などが吸着しやすいため表面の親水性が高まる。さらに表層が除去されたときに凹凸形状が形成されているため表面積が増えアンカー効果により水の後退接触角はさらに小さくなる。   In other words, the surface or part of the chemically stable carbon particles is destroyed, and many chemically unstable surfaces such as many unbonded parts are exposed on the surface. Become. In this way, the hydrophilicity of the surface is increased because water molecules and the like are easily adsorbed to the chemically unstable surface. Further, since the uneven shape is formed when the surface layer is removed, the surface area is increased and the receding contact angle of water is further reduced by the anchor effect.

また、前記材料のセパレータ10、11であれば、セパレータそのものの物性低下、また金属イオンや有機物の溶出、接触抵抗上昇を全く起こさずに流路の閉塞性をそれぞれ別の作用により改善することができる。   Further, if the separators 10 and 11 are made of the above materials, the blockage of the flow path can be improved by different actions without causing any decrease in physical properties of the separator itself, elution of metal ions or organic substances, or increase in contact resistance. it can.

次に、本願発明の実施例を、図面を参照しつつ説明する。
まず、上記単電池21を準備する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the unit cell 21 is prepared.

はじめに、触媒層を備える反応電極23の作成方法を説明する。
アセチレンブラック粉末に、平均粒径が約30Åの白金粒子を25重量%担持したものを準備する。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた溶液に、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したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペースト状にした。
First, a method for producing the reaction electrode 23 including the catalyst layer will be described.
A acetylene black powder carrying 25% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30% is prepared. A dispersion solution in which perfluorocarbonsulfonic acid powder was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to form a catalyst paste.

一方、反応電極の支持体になるカーボンペーパーを撥水処理する。外寸14cm×14cm、厚み360μmのカ−ボン不織布(東レ製、TGP−H−120)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイキン工業製、ネオフロンND1)に含浸した後、これを乾燥し、400℃で30分加熱することで、撥水性を与える。   On the other hand, the water-repellent treatment is performed on the carbon paper that becomes the support for the reaction electrode. After impregnating a carbon nonwoven fabric (made by Toray, TGP-H-120) having an outer size of 14 cm × 14 cm and a thickness of 360 μm into a fluororesin-containing aqueous dispersion (manufactured by Daikin Industries, Neoflon ND1), this is dried. Heating at 400 ° C. for 30 minutes gives water repellency.

前記撥水処理したカ−ボン不織布の一方の面に、前記ペースト状の触媒をスクリ−ン印刷法を用いて塗布することでカーボン不織布の一面に触媒層を備える反応電極23が形成される。このとき、触媒層の一部は、カ−ボン不織布の中に埋まり込んだ状態となる。   A reaction electrode 23 having a catalyst layer on one surface of the carbon nonwoven fabric is formed by applying the paste-like catalyst on one surface of the water-repellent carbon nonwoven fabric using a screen printing method. At this time, a part of the catalyst layer is embedded in the carbon nonwoven fabric.

なお、上記スクリーン印刷によるペースト状触媒の塗布量は、形成後の反応電極中に含まれる白金量が0.6mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるように調整している。 The coating amount of the paste-like catalyst by the screen printing, the amount of platinum contained in the reaction electrode after formation 0.6 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid so that 1.2 mg / cm 2 It is adjusted.

次に、外寸が15cm×15cmのプロトン伝導性高分子電解質膜22の裏表両面に、一対の前記反応電極23を触媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合し、MEAシート12を作成する。本実施例の場合、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を30μmの厚みに薄膜化したものを用いた。   Next, a pair of the reaction electrodes 23 are bonded to the back and front surfaces of the proton conductive polymer electrolyte membrane 22 having an outer dimension of 15 cm × 15 cm by hot press so that the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane side. Create In the case of this example, a proton conductive polymer electrolyte obtained by thinning perfluorocarbon sulfonic acid to a thickness of 30 μm was used.

次に、本発明のポイントである導電性のセパレータ10、11の製造方法について記載する。   Next, the manufacturing method of the conductive separators 10 and 11 which are the points of this invention is described.

まず、平均粒径が約50μm〜100μmの人造黒鉛粉末を用意し、人造黒鉛粉末80重量%に、熱硬化性フェノール樹脂20重量%を押し出し混練機で混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝およびマニホールドを成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスし、セパレータ10、11を得る。前記ホットプレスの条件は、金型温度150℃、圧力100kg/cm2で10分間とする。 First, artificial graphite powder having an average particle size of about 50 μm to 100 μm is prepared, and 80% by weight of the artificial graphite powder is extruded and kneaded by 20% by weight of a thermosetting phenol resin, and this kneaded powder is used for a gas channel. It puts into the metal mold | die which gave the process for shape | molding a groove | channel, the groove | channel for cooling water flow paths, and a manifold, and it hot-presses and obtains the separators 10 and 11. FIG. The hot pressing is performed at a mold temperature of 150 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 for 10 minutes.

得られたセパレータは、外寸が20cm×20cm、厚みが3.0mm、溝状の流体流路13、14および冷却水流路の断面形状は共に正方形であり1.0mm×1.0mmとなるように調整されている。従って、セパレータの最も肉薄部の厚みは1.0mmである。   The obtained separator has an outer size of 20 cm × 20 cm, a thickness of 3.0 mm, and the cross-sectional shapes of the groove-like fluid flow paths 13 and 14 and the cooling water flow path are both square and 1.0 mm × 1.0 mm. Has been adjusted. Therefore, the thickness of the thinnest part of the separator is 1.0 mm.

なお、導電性カーボン材料について本実施例では、人造黒鉛を用いたが、例えば、天然黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック、などの適用も可能である。   In this embodiment, artificial graphite is used for the conductive carbon material. However, for example, natural graphite, carbon black, ketjen black, and the like can be applied.

上記条件によって作成されたセパレータ10、11の表面には、図6に示すように、厚みが1μm〜5μm程度で直径50〜100μmの平板状のカーボン粒子1がそのベーサル面をセパレータ表面と平行に配置された層Aが形成される。また、セパレータ10、11の表面には、カーボン粒子1のベーサル面が表出しており、そのベーサル面の総合計は、セパレータ10、11の表面積の70%以上を占めている。そして、当該層Aにより、セパレータ10、11表面の算術平均粗さ(Ra)は1.0μm以下となり、比較的平滑な表面状態のセパレータ10、11が得られる。   As shown in FIG. 6, flat carbon particles 1 having a thickness of about 1 μm to 5 μm and a diameter of 50 to 100 μm are parallel to the separator surface on the surfaces of the separators 10 and 11 prepared under the above conditions. Arranged layer A is formed. The basal surface of the carbon particles 1 is exposed on the surfaces of the separators 10 and 11, and the total sum of the basal surfaces occupies 70% or more of the surface area of the separators 10 and 11. And by the said layer A, the arithmetic mean roughness (Ra) of the separator 10 and 11 surface becomes 1.0 micrometer or less, and the separator 10 and 11 of a comparatively smooth surface state is obtained.

図11に本実施例による成形直後のセパレータ表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像を示す。同画像を解析することにより表面の算術平均粗さはRa=1.0になっていることを確認した。   FIG. 11 shows an image taken by a laser confocal microscope on the separator surface immediately after molding according to this example. By analyzing the image, it was confirmed that the arithmetic average roughness of the surface was Ra = 1.0.

次に、アノード側のセパレータ10の燃料流路13の表面を粗面化する。具体的には、アノード側は流体流路の表面から前述のベーサル面を持つ層Aを除去し、ランダムな方向にカーボン粒子1を表出させ、さらに、表出したカーボン粒子1の一部をも欠損させる。   Next, the surface of the fuel flow path 13 of the anode-side separator 10 is roughened. Specifically, the anode side removes the layer A having the above-described basal surface from the surface of the fluid flow path, exposes the carbon particles 1 in a random direction, and further removes a part of the exposed carbon particles 1. Deficient.

このような層Aを除去し、カーボン粒子1を欠損させる方法として、いわゆるサンドブラスト加工を採用している。このサンドブラスト加工の条件は、平均粒子径20μmの酸化アルミナ粉を直径5mmのノズルから1kg/minの吐出量で0.5m/minの平面移動速度である。当該サンドブラスト加工によってセパレータ10の表面から10μmの厚み分(おおよそ層Aの厚み)を除去すれば、水の後退接触角を50度未満を実現しうる粗面化された表面を得ることができる。なお、この加工はウェットブラスト加工など他の方法でも代替可能である。   As a method for removing the layer A and causing the carbon particles 1 to be lost, so-called sand blasting is employed. The conditions for this sandblasting are a plane moving speed of 0.5 m / min with a discharge rate of 1 kg / min from a nozzle having a diameter of 5 mm of alumina oxide powder having an average particle diameter of 20 μm. If a 10 μm thickness (approximately the thickness of the layer A) is removed from the surface of the separator 10 by the sandblasting process, a roughened surface capable of realizing a receding contact angle of water of less than 50 degrees can be obtained. This processing can be replaced by other methods such as wet blasting.

図12は、ブラスト加工後のセパレータ10表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像である。同図に基づき表面の算術平均粗さは(Ra)は1.5になっていることを確認した。   FIG. 12 is a photographed image taken by a laser confocal microscope on the surface of the separator 10 after blasting. Based on the figure, it was confirmed that the arithmetic average roughness (Ra) of the surface was 1.5.

また、さらにアノード側の閉塞性をさらに改善するためにアノード側のセパレータ10の表面には酸素プラズマ処理を施した。   Further, in order to further improve the blocking property on the anode side, the surface of the anode-side separator 10 was subjected to oxygen plasma treatment.

本実施例で用いたプラズマ処理装置は減圧型平行型の一般的なRFプラズマ装置であって、RF電源は13.56MHzの周波数、出力500W、酸素供給量は500sccm、処理時間は5分、チャンバー内圧は0.5Torrとした。   The plasma processing apparatus used in this example is a general decompression type parallel RF plasma apparatus. The RF power source has a frequency of 13.56 MHz, an output of 500 W, an oxygen supply amount of 500 sccm, a processing time of 5 minutes, and a chamber. The internal pressure was 0.5 Torr.

ブラスト加工の後このようなプラズマ処理を施すと、ブラスト加工により発生する1つの炭素原子の周囲の4つの共有結合の一部が化学的に不安定な未結合状態の部分が活性な酸素ラジカル種と反応し、酸素を含む親水官能基が形成され、これにより水の後退接触角がさらに低下するため好ましい。   When such plasma treatment is performed after blasting, oxygen radical species in which a part of four covalent bonds around one carbon atom generated by blasting is chemically unstable and an unbonded part is active. This is preferable because a hydrophilic functional group containing oxygen is formed, and the receding contact angle of water is further reduced.

このプラズマ処理後のセパレータ10の表面分析をX線光電子分光分析法(X-ray Photoelectron Spectroscopy :XPS)で行ったところ、カーボン表面には、化1および化2で示した酸化物官能基すなわち親水性官能基が付与されていたことを確認した。   When the surface analysis of the separator 10 after this plasma treatment was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the carbon surface had oxide functional groups represented by chemical formulas 1 and 2, that is, hydrophilic. It was confirmed that a functional functional group was added.

(化1)
―C=O
(化2)
―C―OH
(Chemical formula 1)
-C = O
(Chemical formula 2)
-C-OH

共有結合の未結合箇所が多く表面に表出している化学的不安定な表面が多く表出している部分に、親水性官能基を付着させる目的でプラズマ処理を行うと、CとOの結合箇所が多く形成され、さらにCとOの結合強度も高まるため、非常に強い親水性を示すとともに効果の持続性も高まることになる。ただし、当該効果も永続的ではないが、粗面化された表面による親水性(水の後退接触角が50度未満)を維持できるのは言うまでもない。   When plasma treatment is performed for the purpose of attaching a hydrophilic functional group to a portion where many chemically unstable surfaces are exposed on the surface where many covalent bonds are not bonded, the C and O bonding sites Is formed, and the bond strength between C and O is increased, so that it exhibits extremely strong hydrophilicity and the durability of the effect is also increased. However, the effect is not permanent, but it goes without saying that the hydrophilicity (the receding contact angle of water is less than 50 degrees) due to the roughened surface can be maintained.

尚、本実施例ではプラズマ処理装置として電極が平行に対向している平行平板型を用いたが、電極が円筒チャンバーの側面に配備されたバレル型でも良い。また、オゾン雰囲気で紫外光を照射するUVオゾン処理でも良い。   In this embodiment, a parallel plate type in which electrodes are opposed in parallel is used as the plasma processing apparatus. However, a barrel type in which electrodes are arranged on the side surface of a cylindrical chamber may be used. Further, UV ozone treatment in which ultraviolet light is irradiated in an ozone atmosphere may be used.

一方、カソード側のセパレータ11は平滑化処理を行った。
前述のようにホットプレスによる成形直後のセパレータ11の表面は、ベーサル面が平行に並べられたカーボン粒子の層Aがあり、比較的平滑である。そして、成形直後のセパレータ11の動的濡れ試験(後述)による評価結果は、前進接触角85度で後退接触角が55度であり、カソード側セパレータ11の要求仕様を満足している。
On the other hand, the cathode-side separator 11 was smoothed.
As described above, the surface of the separator 11 immediately after forming by hot pressing has a carbon particle layer A in which basal surfaces are arranged in parallel, and is relatively smooth. And the evaluation result by the dynamic wetting test (after-mentioned) of the separator 11 immediately after shaping | molding is a forward contact angle of 85 degree | times, and a backward contact angle is 55 degree | times, and the required specification of the cathode side separator 11 is satisfied.

しかし、エネルギー効率を高めるためには圧力損失をさらに低減させることが好ましく、成形直後のセパレータ11の後退接触角をさらに大きくし、前進接触角と後退接触角との差小さくすることが望ましい。   However, in order to increase energy efficiency, it is preferable to further reduce the pressure loss, and it is desirable to further increase the receding contact angle of the separator 11 immediately after molding and to reduce the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle.

そこで、本実施例では精密研削加工装置により表面を平滑にすることで前進接触角と後退接触角の差を十分に低減させている。   Therefore, in this embodiment, the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle is sufficiently reduced by smoothing the surface with a precision grinding apparatus.

具体的に研削加工はダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(CBN)、アルミナ等を用い、十分に時間をかけて処理を行った。また、この処理はラッピング等の遊離砥粒による研磨加工によっても可能である。   Specifically, diamond, cubic boron nitride (CBN), alumina, or the like was used for the grinding process, and the processing was performed with sufficient time. Moreover, this process is also possible by polishing with loose abrasive grains such as lapping.

図13に研削加工後のカソード側セパレーター11表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像を示す。当該画像により、表面の算術平均粗さはRa=0.2μmになっていることを確認した。   FIG. 13 shows a photographed image taken by a laser confocal microscope on the surface of the cathode separator 11 after grinding. From the image, it was confirmed that the arithmetic average roughness of the surface was Ra = 0.2 μm.

次に、上記準備したセパレータ10、11、及び、成形加工直後のセパレータの表面の濡れ性、すなわち前進接触角と後退接触角を測定した。この測定は、セパレータ10、11の平面部を縦30mm、横30mmに切断して試料板を作成し、動的濡れ試験機(レスカ製WET−6000)を用いて行った。   Next, the wettability, that is, the advancing contact angle and the receding contact angle of the separators 10 and 11 prepared above and the separator surface immediately after the molding process were measured. This measurement was performed using a dynamic wetting tester (Resca WET-6000) by cutting the plane portions of the separators 10 and 11 into a length of 30 mm and a width of 30 mm to prepare a sample plate.

この動的濡れ試験とは、試料板を蒸留水に沈める過程で得られる接触角(前進接触角)と、引き上げる過程で得られる接触角(後退接触角)を測定するものである。なお、材料の濡れ性に対しては、前進接触角は材料が乾いた状態での親水性を表し、後退接触角は材料が一度濡れた後の親水性を表す。   In this dynamic wetting test, a contact angle (advanced contact angle) obtained in the process of submerging the sample plate in distilled water and a contact angle (retreated contact angle) obtained in the process of pulling up are measured. For the wettability of the material, the advancing contact angle represents the hydrophilicity when the material is dry, and the receding contact angle represents the hydrophilicity after the material is once wetted.

前記試験の結果、ブラスト加工をしプラズマ処理をした後のアノード側セパレータ10は、前進接触角5度、後退接触角が5度であった。   As a result of the test, the anode-side separator 10 after blasting and plasma treatment had an advancing contact angle of 5 degrees and a receding contact angle of 5 degrees.

図14は、水の後退接触角θaが5度、水の後退接触角θbが5度の未満の表面付着している水の様子を示す断面図である。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing the state of water adhering to the surface where the water receding contact angle θa is 5 degrees and the water receding contact angle θb is less than 5 degrees.

同図に示すように、後退接触角ばかりでなく前進接触角も小さくなると、水は膨出することなく表面に張り付いたようになり、燃料流路13を大きく確保して圧力損失を極力回避することが可能となる。また、後退接触角と前進接触角との差がほぼ無くなるため、水の移動も容易になり余剰水の排出も容易になると考えられる。   As shown in the figure, when not only the receding contact angle but also the advancing contact angle becomes small, the water sticks to the surface without bulging, ensuring a large fuel flow path 13 and avoiding pressure loss as much as possible. It becomes possible to do. Further, since there is almost no difference between the receding contact angle and the advancing contact angle, it is considered that water can be easily moved and excess water can be easily discharged.

一方、研削加工後のカソード側セパレータ11は、前進接触角80度、後退接触角が70度であった。   On the other hand, the cathode-side separator 11 after grinding had an advancing contact angle of 80 degrees and a receding contact angle of 70 degrees.

また、前述の通り、成形直後のセパレータは、前進接触角85度、後退接触角が55度であった。   As described above, the separator immediately after molding had an advancing contact angle of 85 degrees and a receding contact angle of 55 degrees.

また、比較例として、表面処理方法を変えて種々の表面状態を備えたセパレータを作製した。図15は、前記実施例及び比較例1〜3の表面処理方法及び毛かとしての接触角を示す表である。   Further, as comparative examples, separators having various surface states were produced by changing the surface treatment method. FIG. 15 is a table showing the surface treatment methods and contact angles as hairs of the examples and comparative examples 1 to 3.

次に、上述のアノード側セパレータ10、カソード側セパレータ11、及び、比較例としての種々のセパレータを用い、MEA(膜電極接合体)シート12の一方の面にアノード側のセパレータを、裏面にカソード側のセパレータを重ね合わせて図1、図2に示すような単電池21を作製した。   Next, using the above-described anode-side separator 10, cathode-side separator 11, and various separators as comparative examples, an anode-side separator is provided on one side of a MEA (membrane electrode assembly) sheet 12, and a cathode is provided on the back side. A unit cell 21 as shown in FIGS. 1 and 2 was produced by stacking the separators on the side.

そしてこの単電池21を2セル積層した後、冷却水路溝を形成したセパレータでこの2セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して100セル積層の電池スタックを作製した。   Then, after stacking two cells of this single battery 21, the two-cell stacked battery was sandwiched by a separator having a cooling water channel groove, and this pattern was repeated to produce a battery stack having a stack of 100 cells.

この時、電池スタックの両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータの面積当たり15kgf/cm2とした。 At this time, the both ends of the battery stack were fixed with a current collector plate made of stainless steel, an insulating plate made of an electrically insulating material, and an end plate and a fastening rod. The fastening pressure at this time was 15 kgf / cm 2 per separator area.

このように作製した種々の高分子電解質型燃料電池を、80℃に保持し、アノード側セパレータに75℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方のカソード側セパレータに65℃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、96Vの電池開放電圧を得た。またこのときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約45mΩであった。   Various polymer electrolyte fuel cells produced in this way were maintained at 80 ° C., and humidified and heated to a dew point of 75 ° C. on the anode side separator, and 65 ° C. on the other cathode side separator. Humid and warmed air was supplied so that the dew point would be. As a result, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Further, when the internal resistance of the whole laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.

次に、限界燃料利用率(限界Uf)を得るために、それぞれの高分子電解質型燃料電池に次の操作を行った。   Next, in order to obtain the limit fuel utilization rate (limit Uf), each polymer electrolyte fuel cell was subjected to the following operation.

すなわち、前記燃料電池を酸素利用率40%、電流密度0.15A/cm2の条件で、燃料利用率50%から5%ずつ燃料利用率を上げていった。このとき、燃料利用率は5時間の運転中、すべてのセル電圧が安定的に運転できたとき、燃料利用率を5%上げていく。そして、5時間の運転中、セル電圧が600mVをきったところで、試験を中止し、すべてのセル電圧が安定的に運転できる最も高い燃料利用率を限界燃料利用率(限界Uf)とした。 That is, the fuel utilization rate of the fuel cell was increased from 50% to 5% at a rate of 40% oxygen utilization and 0.15 A / cm 2 current density. At this time, the fuel utilization rate is increased by 5% when all the cell voltages can be stably operated during the 5-hour operation. Then, when the cell voltage reached 600 mV during the operation for 5 hours, the test was stopped, and the highest fuel utilization rate at which all the cell voltages can be stably operated was defined as the limit fuel utilization rate (limit Uf).

次に、限界酸素利用率(限界Uo)を得るために、それぞれの高分子電解質型燃料電池に次の操作を行った。   Next, in order to obtain the limiting oxygen utilization rate (limit Uo), the following operation was performed on each polymer electrolyte fuel cell.

すなわち、前記燃料電池を燃料利用率60%、電流密度0.3A/cm2の条件で酸素利用率30%から5%ずつ酸素利用率を上げていった。このとき、酸素利用率は5時間の運転中、すべてのセル電圧が安定的に運転できたとき、酸素利用率を5%上げていく。そして、5時間の運転中、セル電圧が600mVをきったところで、試験を中止し、すべてのセル電圧が安定的に運転できる最も高い酸素利用率を限界酸素利用率(限界Uo)とした。   That is, the oxygen utilization rate of the fuel cell was increased from 30% to 5% at a fuel utilization rate of 60% and a current density of 0.3 A / cm 2. At this time, the oxygen utilization rate is increased by 5% when all the cell voltages can be stably operated during the 5-hour operation. Then, when the cell voltage reached 600 mV during the operation for 5 hours, the test was stopped, and the highest oxygen utilization rate at which all the cell voltages can be stably operated was defined as the limiting oxygen utilization rate (limit Uo).

この限界燃料利用率(限界Uf)と限界酸素利用率(限界Uo)が大きい高分子電解質型燃料電池ほど安定性が高く耐フラッディング性が良好であるといえる。この値を高分子電解質型燃料電池の電池特性評価の指標とした。また、燃料利用率60%、酸素利用率40%、電流密度0.2Aを定格の条件として、アノード側、カソード側の圧力損失値を測定し比較を行った。   It can be said that a polymer electrolyte fuel cell having a larger limit fuel utilization rate (limit Uf) and oxygen utilization rate (limit Uo) has higher stability and better flooding resistance. This value was used as an index for evaluating battery characteristics of the polymer electrolyte fuel cell. Further, pressure loss values on the anode side and the cathode side were measured and compared under the conditions of a fuel utilization rate of 60%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.2 A.

図16は、比較例1〜3と本実施例の電池特性試験と定格での圧力損失値を示した表である。なお、比較例1〜3と本発明での実施例の成形直後のセパレータは全く同じものである。   FIG. 16 is a table showing battery characteristic tests and pressure loss values at ratings of Comparative Examples 1 to 3 and this example. The separators immediately after molding in Comparative Examples 1 to 3 and the examples in the present invention are exactly the same.

図15、図16に示す結果より、比較例と実施例の考察を述べる。
まず比較例1は特に限界Ufの値が低く、アノード側は余剰生成水による閉塞性に問題があると考えられる。
From the results shown in FIG. 15 and FIG.
First, the value of the limit Uf is particularly low in Comparative Example 1, and it is considered that the anode side has a problem with the blockage due to excess generated water.

次に、比較例2はブラスト処理により比較例1に比べて限界Uf、限界Uoがともに向上している。しかし、特にカソード側では急激な圧力損失値の上昇が見られ、エネルギー効率に問題があると考えられる。   Next, in Comparative Example 2, both the limit Uf and the limit Uo are improved by blasting as compared with Comparative Example 1. However, a rapid increase in pressure loss is observed particularly on the cathode side, which is considered to be a problem in energy efficiency.

次に、比較例3ではカソード側では研削加工処理により、限界Uoが向上し圧力損失が低減している。しかし、アノード側では限界Ufが向上せず、しかも圧力損失が低減していない。これは研削加工により前進接触角と後退接触角の差が小さくなったので、余剰生成水は排出されやすくなったが、アノード側では流速が遅いために排出する前に閉塞を起こしてしまうために限界Ufが向上せず、逆に余剰生成水の閉塞によって圧力損失を高めてしまうと考えられる。   Next, in Comparative Example 3, the limit Uo is improved and the pressure loss is reduced by grinding processing on the cathode side. However, the limit Uf is not improved on the anode side, and the pressure loss is not reduced. This is because the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle was reduced by grinding, so the excess water was easily discharged, but the anode side was clogged before being discharged because the flow rate was slow. It is considered that the limit Uf does not improve, and conversely, the pressure loss is increased by the clogging of the surplus generated water.

そして、最後に、本発明の実施例について述べる。本発明の実施例では限界Uf、限界Uoともに高い値を示していることが分かる。また、アノード側、カソード側の圧力損失も低減していることが確認できた。   Finally, examples of the present invention will be described. In the embodiment of the present invention, it can be seen that both the limit Uf and the limit Uo show high values. It was also confirmed that the pressure loss on the anode side and the cathode side was also reduced.

以上のように本発明によれば、高分子電解質型燃料電池において、アノード側、カソード側のそれぞれに適した表面状態とすることではじめて高い限界利用率での運転が可能となり、しかも圧力損失を低く抑えることができる。つまり、安定性が高く、しかもエネルギー効率の高い高分子電解質型燃料電池の構成が可能になる。   As described above, according to the present invention, in a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to operate at a high limit utilization rate only when the surface state is suitable for each of the anode side and the cathode side, and the pressure loss is reduced. It can be kept low. That is, it is possible to construct a polymer electrolyte fuel cell having high stability and high energy efficiency.

本発明は、高分子電解質型燃料電池に適用でき、特に電気自動車、家庭用電源、可搬型電源、ビル用コージェネレーション用等の高分子電解質が他燃料電池に適用できる。   The present invention can be applied to a polymer electrolyte fuel cell, and in particular, a polymer electrolyte such as an electric vehicle, a household power source, a portable power source, and a building cogeneration can be applied to other fuel cells.

本発明にかかる高分子電解質型燃料電池の一単位である単電池の一部を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically a part of unit cell which is one unit of the polymer electrolyte fuel cell concerning this invention. 図1に示すI−I線で仮想的に切断した断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section cut | disconnected virtually by the II line | wire shown in FIG. 表面が粗面化され、水の後退接触角が50度未満となされた場合の水の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode of the water when the surface is roughened and the receding contact angle of water is set to less than 50 degree | times. 水の後退接触角が50度以上となされた場合の水の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode of water when the receding contact angle of water shall be 50 degree | times or more. 表面が平滑化され水の後退接触角が50度以上となされた場合の水の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode of the water when the surface is smooth | blunted and the receding contact angle of water shall be 50 degree | times or more. 成形後のセパレータ表面付近の断面を示す模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the cross section of the separator surface vicinity after shaping | molding. 前記成形後のセパレータ表面にブラスト処理した後のセパレータ表面付近の断面を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the cross section of the separator surface vicinity after carrying out the blast process to the separator surface after the said shaping | molding. ブラスト処理により一部が欠損した凹型のカーボン粒子の一部を拡大して模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows typically a part of concave-shaped carbon particle which one part lost | missed by the blasting process. 黒鉛結晶のプリズム面を拡大した示す模式図である。It is a schematic diagram which expanded the prism surface of the graphite crystal. 共有結合の一部が未結合の箇所を多く持つ黒鉛結晶をの表面を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the surface of the graphite crystal | crystallization which has many unbonded parts of a covalent bond. 成型直後のセパレータ表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像を示す図である。It is a figure which shows the picked-up image by the laser confocal microscope of the separator surface immediately after shaping | molding. ブラスト処理後のセパレータ表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像を示す図である。It is a figure which shows the picked-up image by the laser confocal microscope of the separator surface after a blast process. 研削加工後のセパレータ表面のレーザ共焦点顕微鏡による撮影画像を示す図である。It is a figure which shows the picked-up image by the laser confocal microscope of the separator surface after a grinding process. 粗面化された表面にプラズマ加工により親水性が付与され、水の後退接触角が5度、水の前進接触角が5度となされた場合の水の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode of water when hydrophilicity is provided to the roughened surface by plasma processing, the receding contact angle of water is 5 degrees, and the forward contact angle of water is 5 degrees. . 比較例と実施例におけるそれぞれの表面処理条件と表面の濡れ性評価試験の結果を示す表である。It is a table | surface which shows the result of each surface treatment condition in a comparative example and an Example, and the wettability evaluation test of a surface. 比較例と実施例におけるそれぞれの電池特性と圧力損失値の測定結果を示す表である。It is a table | surface which shows the measurement result of each battery characteristic and pressure loss value in a comparative example and an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 カーボン粒子
2 バインダ樹脂
3 突出カーボン粒子
4 凹型カーボン粒子
5a 黒鉛結晶のプリズム面a
5b 黒鉛結晶のプリズム面b
5c 黒鉛結晶のプリズム面c
6a 微粒子a
6b 微粒子b
6c 微粒子c
7 黒鉛結晶における共有結合の一部が未結合の箇所
8 プリズム面を拡大した黒鉛結晶
9 突出カーボン粒子3の表面上の黒鉛結晶
10 アノード側セパレータ
11 カソード側セパレータ
12 MEA(膜電極接合体)シート
13 燃料流路
14 酸化剤流路
21 単電池
22 プロトン伝導性高分子電解質膜
23 反応電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon particle 2 Binder resin 3 Protruding carbon particle 4 Concave carbon particle 5a Prism surface a of graphite crystal
5b Prism surface b of graphite crystal
5c Prism surface c of graphite crystal
6a Fine particles a
6b Fine particles b
6c Fine particle c
7 A portion of the covalent bond in the graphite crystal where some of the covalent bonds are not bonded 8 Graphite crystal whose prism surface is enlarged 9 Graphite crystal on the surface of the protruding carbon particle 3 10 Anode-side separator 11 Cathode-side separator 12 MEA (membrane electrode assembly) sheet 13 Fuel Channel 14 Oxidant Channel 21 Single Cell 22 Proton Conducting Polymer Electrolyte Membrane 23 Reaction Electrode

Claims (18)

燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記アノード側流体流路の表面は、凹凸の平均間隔(Sm)が10μm以上200μm以下であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The polymer electrolyte fuel cell characterized in that the surface of the anode-side fluid flow channel has an average interval (Sm) of irregularities of 10 μm or more and 200 μm or less.
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記アノード側流体流路の表面は、平均粗さ(Ra)が1.5μm以上4.0μm以下であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The surface of the anode-side fluid flow channel has an average roughness (Ra) of 1.5 μm or more and 4.0 μm or less.
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記アノード側流体流路の表面は、水の後退接触角が50度未満であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the surface of the anode fluid passage has a receding contact angle of water of less than 50 degrees.
前記アノード側流体流路の表面は、流体流路を形成する構成材の表面が粗面化されることにより前記表面性状を備えることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The surface of the anode side fluid flow path is provided with the surface property by roughening the surface of the constituent material forming the fluid flow path. The polymer electrolyte fuel cell according to 1. 前記アノード側流体流路の表面は、ブラスト加工もしくはレーザ加工、切削加工の少なくとも一つにより粗面化されることを特徴とする請求項4に記載の高分子電解質型燃料電池。   5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the surface of the anode-side fluid flow path is roughened by at least one of blast processing, laser processing, and cutting processing. 前記アノードは、成形加工により流体流路の表面が粗面化された状態で成形されることを特徴とする請求項4に記載の高分子電解質型燃料電池。   5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the anode is molded in a state where the surface of the fluid flow path is roughened by molding. 前記アノード側流体流路の表面はさらに、少なくとも一部に親水性官能基を備えることを特徴とする請求項4に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the surface of the anode-side fluid flow path further comprises a hydrophilic functional group at least in part. 前記アノード側流体流路は、表面に炭素が表出しており、
前記アノード側流体流路の表面は、酸素を含むガスによるプラズマ処理、または、UVオゾン処理の少なくとも一つにより前記親水性官能基が設けられることを特徴とする請求項7に記載の高分子電解質型燃料電池。
The anode side fluid flow path has carbon exposed on the surface,
8. The polymer electrolyte according to claim 7, wherein the surface of the anode-side fluid flow path is provided with the hydrophilic functional group by at least one of a plasma treatment with a gas containing oxygen or a UV ozone treatment. 9. Type fuel cell.
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記カソード側流体流路の表面は、平均粗さ(Ra)が1.0μm以下であることを特徴とする記載の高分子電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the surface of the cathode fluid passage has an average roughness (Ra) of 1.0 μm or less.
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記カソード側流体流路の表面は、水の後退接触角が50度以上であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the surface of the cathode fluid passage has a receding contact angle of water of 50 degrees or more.
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池であって、
前記カソード側流体流路は、表面にカーボン粒子のベーサル面(結晶基底面)が表出しており、
前記表出するベーサル面の合計面積が、前記カソード側流体流路の表面面積に対し70%以上であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
The cathode-side fluid flow channel has a basal surface (crystal base surface) of carbon particles exposed on the surface,
The polymer electrolyte fuel cell, wherein a total area of the exposed basal surface is 70% or more with respect to a surface area of the cathode-side fluid flow path.
前記カソード側流体流路の表面は、流体流路を形成する構成材の表面が平滑化されることにより前記水の後退接触角を満たすことを特徴とする請求項9または請求項10に記載の高分子電解質型燃料電池。   The surface of the cathode side fluid flow path satisfies the receding contact angle of the water by smoothing the surface of the constituent material forming the fluid flow path. Polymer electrolyte fuel cell. 前記カソード側流体流路の表面は、研削加工又は研磨加工の少なくとも一つにより平滑化されることを特徴とする請求項12に記載の高分子電解質型燃料電池。   13. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 12, wherein the surface of the cathode side fluid flow path is smoothed by at least one of grinding or polishing. 燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池の製造方法であって、
アノード側流体流路の表面を粗面化する粗面化工程を含むことを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising a roughening step of roughening a surface of an anode fluid passage.
前記粗面化工程は、ブラスト加工もしくはレーザ加工、切削加工の少なくとも一つであることを特徴とする請求項14に記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。   The method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 14, wherein the roughening step is at least one of blasting, laser processing, and cutting. 前記製造方法はさらに、
酸素を含むガスによるプラズマ処理、または、UVオゾン処理の少なくとも一つにより前記アノード側流体流路の表面に親水性官能基を形成する親水性官能基形成工程を含むことを特徴とする請求項14に記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
The manufacturing method further includes:
15. A hydrophilic functional group forming step of forming a hydrophilic functional group on the surface of the anode-side fluid flow path by at least one of a plasma treatment with a gas containing oxygen or a UV ozone treatment. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell as described in 1).
燃料ガスが流通するアノード側流体流路と酸化剤ガスが流通するカソード側流体流路を備える燃料電池の製造方法であって、
カソード側流体流路の表面を平滑化する平滑化工程を含むことを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell comprising an anode-side fluid flow path through which fuel gas flows and a cathode-side fluid flow path through which oxidant gas flows,
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising a smoothing step of smoothing a surface of a cathode-side fluid flow path.
前記平滑化工程は、研削加工又は研磨加工の少なくとも一つであることを特徴とする請求項17に記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。   The method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 17, wherein the smoothing step is at least one of grinding and polishing.
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