JP2011108547A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内部における親水性を調整して、燃料電池の排水性を向上させ、発電性能を向上させる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池は、電極面に反応ガス行き渡らせるためのガス拡散部材と、ガス拡散部材の外側に配置されるセパレータとを備える。ガス拡散部材の流路壁面とセパレータの外表面とは親水被膜によって構成されている。ガス拡散部材とセパレータの基材表面には、セパレータの親水性の方がガス拡散部材の親水性よりも高くなるように、親水被膜に親水性を向上させるための原子を含有させる第１の親水性調整加工、または、親水被膜に被覆される前の面の形状を変形させて親水性を向上させる第２の親水性調整加工が施されている。また、セパレータの外表面とガス拡散部材の流路壁面とは、水の接触角が４０°以下である。
【選択図】図５

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、通常、電解質膜の両面に電極が形成された発電体である膜電極接合体を備えている。膜電極接合体の２つの電極の外側には、反応ガスを電極面に行き渡らせるためのガス拡散部材が配置され、さらに、その外側には、ガス拡散部材に反応ガスを供給するための流路が形成されたセパレータが配置される。

ところで、燃料電池では、発電反応によって多量の水分が生成されるが、燃料電池の内部に多量の水分が存在すると、その水分によって反応ガスの流れが阻害され、燃料電池の発電性能は低下してしまう。これまで、燃料電池からの排水性を向上させるために、ガス拡散部材や、セパレータなどによって構成される反応ガスのためのガス流路において、親水性の勾配を設けることにより、水分を排出側へと誘導する技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。

しかし、ガス流路における親水性に勾配を設けた場合であっても、親水性を比較的高くした部位に水分が滞留しやすくなり、かえって当該部位における反応ガスの流れが阻害されてしまう場合がある。そのため、燃料電池内部における親水性は適切に調整されることが望ましい。また、燃料電池の運転環境下では、ガス流路を構成する基材表面の酸化や溶解、あるいは基材表面への新たな官能基の付着などが発生し易く、当該基材の表面にＵＶ処理やプラズマ処理などの親水処理を施しても、その親水性が経年的に劣化してしまう場合がある。そのため、ガス流路を構成する基材に対する親水処理は、燃料電池の運転環境に十分耐えることができるように施されることが望ましい。これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

特開２００７−１７２９６６号公報 特開２０００−０６７８８１号公報 特開２００８−１６６２６０号公報

本発明は、燃料電池内部における親水性を調整して、燃料電池の排水性を向上させ、発電性能を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体の電極面に配置され、反応ガスを前記電極面に行き渡らせるためのガス拡散部材と、前記膜電極接合体と前記ガス拡散部材とを狭持するセパレータとを備え、前記ガス拡散部材は、前記電極面へと前記反応ガスを誘導するための壁面であって、前記ガス拡散部材の基材の表面に形成された第１の親水被膜によって構成された第１の流路壁面を有しており、前記セパレータは、前記反応ガスを供給側から排出側へと誘導するための前記ガス拡散部材側の壁面であって、前記セパレータの基材の表面に形成された第２の親水被膜によって構成された第２の流路壁面を有しており、前記第１と第２の流路壁面は、前記第２の流路壁面の親水性の方が前記第１の流路壁面の親水性よりも高くなるように、前記第１または第２の親水被膜に親水性を向上させるための原子を含有させて、前記第１または第２の親水被膜の親水性を向上させる第１の親水性調整加工、または、前記ガス拡散部材または前記セパレータの基材の表面の形状を変形させて前記第１または第２の流路壁面における親水性を向上させる第２の親水性調整加工が施されており、前記第１と第２の流路壁面における水の接触角は、４０°以下である、燃料電池。
この燃料電池によれば、第１または第２の親水性調整加工により、燃料電池内部の水分が排出側へと誘導されるように、セパレータとガス拡散部材との間に親水性の勾配を適切に設けることができる。従って、燃料電池における排水性が向上し、その発電性能が向上する。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記第１の流路壁面における水の接触角は、１０°以上かつ４０°以下であり、前記第２の流路壁面における水の接触角は、５°以上かつ３０°以下であり、前記第１の流路壁面における水の接触角は、前記第２の流路壁面における水の接触角より小さい、燃料電池。
この燃料電池によれば、燃料電池内部の水分を、適切に調整された範囲の親水性の勾配に従って、効果的に排出側へと誘導することができる。従って、燃料電池における発電性能が向上する。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、さらに、前記第２の流路壁面における水の接触角と前記第１の流路壁面における水の接触角との差が、５°以上かつ３０°以下である、燃料電池。
この燃料電池によれば、さらに、効果的に排水性を向上させることができる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記親水被膜は、導電性アモルファスカーボン膜であり、前記親水性を向上させるための原子は、窒素原子（Ｎ）またはリン原子（Ｐ）である、燃料電池。
この燃料電池によれば、第１の親水性調整加工が施された流路壁面において調整された親水性が経年的に変化してしまうことを抑制できる。従って、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例５］
適用例１ないし適用例３のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記親水被膜は、導電性アモルファスカーボン膜であり、前記親水性を向上させるための原子は、窒素原子（Ｎ）である、燃料電池。
この燃料電池によれば、第１の親水性調整加工が施された流路壁面において調整された親水性が経年的に変化してしまうことを抑制できる。従って、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記第２の親水性調整加工は、前記基材の表面に対するホーニング加工である、燃料電池。
この燃料電池によれば、ホーニング加工によって調整された流路壁面の親水性は、経年的に変化しにくいため、燃料電池の発電性能の経年的な劣化を抑制することができる。なお、ホーニング加工された流路壁面に第１の親水性調整加工を施すことによってより、さらに、各流路壁面における親水性の経年的な変化が抑制される。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

燃料電池の構成を示す概略分解斜視図。 ガス拡散部材の構成を示す概略斜視図。 燃料電池における反応ガスおよび水分の流れを説明するための模式図。 参考例としてガス拡散部材の親水性と燃料電池の発電性能との関係を説明するための説明図と、水の接触角を説明するための模式図と、ガス拡散部材の親水性の変化による高負荷時における燃料電池の発電性能の低下を説明するための説明図。 本発明の発明者による実験結果を示す説明図。 各実施例における構成を説明するための概略図。 実験により得られた実施例および比較例における発電特性を示す説明図。 セパレータにおける水の接触角とガス拡散部材における水の接触角との関係を説明するための説明図。

A．実施形態：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池の構成を示す概略分解斜視図である。なお、図には、三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、単位発電モジュールである単セル１１０が複数積層されたスタック構造を有する。

単セル１１０は、電解質膜１０の両面にそれぞれカソード１２およびアノード１３が配置された膜電極接合体１５を備える。電解質膜１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。カソード１２およびアノード１３はそれぞれ、ガスを拡散するためのガス拡散層と、発電反応を促進するための触媒層とを有する。具体的には、カソード１２およびアノード１３は、触媒（例えば白金（Ｐｔ）等）が担持されたカーボンペーパーなどによって構成される。なお、膜電極接合体１５の外周には、流体の漏洩を防止するためのシール部（図示せず）が設けられるものとしても良い。

単セル１１０は、さらに、２つのガス拡散部材２０と、カソードセパレータ３２と、アノードセパレータ３３とを備える。ガス拡散部材２０は、カソード１２とアノード１３とに面するように配置された複数の貫通孔を有する板状部材であり、各電極面に反応ガスを行き渡らせるためのガス拡散層（ガス流路）として機能する。ガス拡散部材２０は、例えば、いわゆるエキスパンドメタルによって構成することができるが、詳細は後述する。

カソードセパレータ３２およびアノードセパレータ３３はそれぞれ、カソード１２側およびアノード１３側において、ガス拡散部材２０の外側に配置される導電性を有するガス不透過の板状部材である。以後、カソードセパレータ３２とアノードセパレータ３３とを合わせて単に「セパレータ３０」とも呼ぶ。セパレータ３０は、例えば金属板によって構成される。セパレータ３０には、反応ガスのためのマニホールド（図示せず）と、ガス拡散部材２０とを接続するためのガス流路が設けられているが、その図示および説明は省略する。なお、セパレータ３０には、ガス拡散部材２０と接する面側に反応ガスのためのガス流路溝が設けられているものとしても良い。

図２（Ａ），（Ｂ）は、エキスパンドメタルによって構成されたガス拡散部材２０を示す概略斜視図である。図２（Ａ）は、ガス拡散部材２０の全体を示す概略斜視図であり、図２（Ｂ）は、ガス拡散部材２０のうちの任意の波板部２３を示す概略斜視図である。なお、図には、図１の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚに対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。

ガス拡散部材２０は、複数の波板部２３がｚ方向に並列に配置された構成を有する（図２（Ａ））。また、各波板部２３は、互いに連続する第１ないし第４の壁部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが繰り返しｘ方向に順に配置された構成を有する（図２（Ｂ））。ここで、第１の壁部２１ａと、第３の壁部２１ｃとは互いに上下に位置する略平行な壁面を有する壁部であり、第２または第４の壁部２１ｂ、２１ｄを介して交互に配列されている。

ガス拡散部材２０では、隣り合って配置された波板部２３の互いの第１の壁部２１ａと第３の壁部２１ｃとは、連結された連続する壁部２１ｅ（以後、「連結壁部２１ｅ」とも呼ぶ）を形成する（図２（Ａ））。これによって、ガス拡散部材２０において、隣り合う波板部２３の間には、各壁部２１ａ〜２１ｄの壁面を辺とする略六角形の貫通孔２５が規則的に配列された状態で形成される。なお、このガス拡散部材２０は、１枚の金属板に対して切削加工および折り加工を施すことにより形成されている。

図３は、運転中の燃料電池１００の内部における反応ガスおよび水分の流れを説明するための模式図である。図３には、単セル１１０の内部の一部を示す概略断面図が図示されており、反応ガスおよび水分の流れを示す矢印と、図２の三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚに対応する矢印ｘ，ｙ，ｚとが図示されている。なお、ガス拡散部材２０は、単セル１１０において、各連結壁部２１ｅの壁面が電極面に対して傾斜角を有しつつ、その両端部がそれぞれカソード１２またはアノード１３と、セパレータ３０の外表面とに接するように配置されている。

ここで、カソード１２側には、燃料電池１００の外部から供給された酸素が、カソードセパレータ３２に設けられたガス流路（図示せず）を介してガス拡散部材２０へと流入する。ガス拡散部材２０に流入した酸素は、ガス拡散部材２０の各壁部２１ａ〜２１ｄの壁面（「流路壁面」とも呼ぶ）に沿ってカソード１２の外表面に渡って拡散しつつ、全体としては、カソードセパレータ３２の壁面に沿って供給側から排出側へと流れる。アノード１３側においても同様に、燃料電池１００の外部から供給された水素が、アノードセパレータ３３に設けられたガス流路（図示せず）を介してガス拡散部材２０に流入し、アノード１３の外表面全体に拡散しつつ、供給側から排出側へと流れる。なお、本実施形態では、酸素が、図３の紙面左側から供給されるとともに紙面右側に排出されており、水素が、紙面右側から供給されるとともに紙面左側に排出されている。

ガス拡散部材２０を介して酸素及び水素の供給を受けた膜電極接合体１５は、アノード１３において水素がプロトン化して電解質膜１０を伝導し、カソード１２において酸素と反応することによって発電する。ここで、カソード１２では、発電に際して水分が生成される。この水分は、主に、カソード１２側において反応に供されることのなかった酸素を含む排ガスとともに燃料電池１００の外部へと排出される。具体的には、膜電極接合体１５において生成された水分は、ガス拡散部材２０の流路壁面に沿ってセパレータ３０側へと移動するとともに、セパレータ３０の電極側の外表面（以後、単に「セパレータ３０の外表面」と呼ぶ）に沿って排出側へと移動する。

ところで、発電反応によって生成された水分が適切に排出されないと、この水分によって、単セル１１０における反応ガスの流れが阻害されてしまい、燃料電池１００の発電性能は低下してしまう。特に、カソード１２中やアノード１３中に水分が滞留してしまうと、著しく発電性能が低下してしまい、発電不能に陥ってしまう場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池１００では、ガス拡散部材２０や、セパレータ３０の基材表面に親水処理を施して親水性を高くすることにより、カソード１２およびアノード１３の水分がガス拡散部材２０側へと移動することを促進させている。なお、図３では、ガス拡散部材２０の流路壁面の断面や、セパレータ３０の外表面の断面にハッチングを付すことにより、基材表面に親水処理が施されていることを模式的に示してある。

図４（Ａ）は、本実施形態における参考例として、ガス拡散部材２０の親水性と燃料電池１００の発電性能との関係を示す説明図である。この参考例では、ガス拡散部材２０とセパレータ３０の親水性を変えて燃料電池１００の発電性能の変化を測定した。ここで、この参考例では、ガス拡散部材２０の流路壁面における親水性とセパレータ３０の外表面における親水性とは等しくなるように調整されている。なお、図４（Ａ）のグラフの横軸は、ガス拡散部材２０の流路壁面およびセパレータ３０の外表面の親水性として、ガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角を示している。

図４（Ｂ）は、水の接触角を説明するための模式図である。図４（Ｂ）は物質表面２００に水滴２１０が付着した状態を模式的に示している。なお、図４（Ｂ）では紙面下方向を重力方向として図示してある。ここで、物質表面２００と水滴２１０との接触界面２０１（破線で図示）と水滴２１０の表面との交点２０２を通る水滴２１０の表面接線ＴＬを「接触界面接線ＴＬ」と呼ぶ。このとき、接触界面２０１と接触界面接線ＴＬとで形成される水滴２１０側における角を「接触角θ」と呼ぶ。一般に、接触角θが小さいほど、物質表面２００の親水性は高くなる。

図４（Ａ）のグラフの縦軸は、低負荷時における燃料電池１００の限界ストイキ比を示している。ここで、本明細書において「低負荷時」とは、燃料電池の始動時など、燃料電池の出力電流量が最大電流量の２０％より小さい状態を意味する。なお、これに対して、燃料電池の出力電流量が最大電流量の５０％以上である状態を、本明細書では「高負荷時」と呼ぶ。

また、本明細書において、「ストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して理論的に必要な酸化ガス量（酸化ガスの理論的消費量）に対する実際の酸化ガスの供給量の比を意味する。そして、「限界ストイキ比」とは、燃料電池の運転において、ストイキ比を次第に低下させたときに、燃料電池の発電が停止してしまうストイキ比の限界値を意味する。なお、ストイキ比の低下によって、燃料電池が発電不能に陥るのは、主に、酸化ガス流量の低下に伴って燃料電池の排水性が低下し、燃料電池内部の水分によって反応ガスの流れが阻害されてしまうためである。

このように、この参考例では、ガス拡散部材２０の流路壁面およびセパレータ３０の外表面における水の接触角が小さいほど、燃料電池１００の低負荷時における限界ストイキ比が低くなっている。これは、低負荷時の比較的少ないガス流量であっても、親水性の勾配に従って、膜電極接合体１５から水分が排出されやすくなるためである。しかし、ガス拡散部材２０やセパレータ３０における親水性を高くすることによって、かえって燃料電池１００の発電性能が低下してしまう場合があることを本発明の発明者は見出した。

図４（Ｃ）は、ガス拡散部材２０およびセパレータ３０の親水性を変えたときの燃料電池１００の発電性能の低下を説明するための説明図である。グラフｒｆ１〜ｒｆ３はそれぞれ、ガス拡散部材２０の流路壁面およびセパレータ３０の外表面の水の接触角を５０°，３０°，１０°と変えたときの燃料電池１００の発電特性を示している。これらのグラフｒｆ１〜ｒｆ３が示すように、ガス拡散部材２０やセパレータ３０の親水性を高くしたときほど、高負荷時における燃料電池１００の発電性能が低下してしまっている。

この理由は、高負荷時に増加した生成水が、ガス拡散部材２０やセパレータ３０における親水性の増大によって、ガス拡散部材２０とセパレータ３０との間に滞留してしまい、反応ガスの流れが阻害されるためであると推察される。即ち、ガス拡散部材２０やセパレータ３０における親水性は、膜電極接合体１５の水分がガス拡散部材２０側へと誘導されるように高く設定されるとともに、ガス拡散部材２０とセパレータ３０との間に水分が滞留してしまわない程度に低く設定されることが好ましい。また、ガス拡散部材２０の流路壁面とセパレータ３０の外表面との間に親水性の勾配を設けることにより、水分がガス拡散部材２０からセパレータ３０の外表面を経て排出側へと排出されやすくすることが好ましい。本発明の発明者は、以下の実験において、ガス拡散部材２０の流路壁面の親水性とセパレータ３０の外表面の親水性とを適切に調整することにより、低負荷時においても、高負荷時においても燃料電池１００の発電性能が向上することを見出した。

図５は、本発明の発明者による実験結果を示す表である。この実験では、実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例３としてそれぞれ、セパレータ３０の外表面とガス拡散部材２０の流路壁面との間の親水性の関係が異なる燃料電池１００を構成して、発電評価を行った。なお、この実験では、セパレータ３０の基材としてチタン（Ｔｉ）を用いた。また、ガス拡散部材２０としては、基材としてチタンを用いて、エキスパンドメタルを構成した。

ここで、親水処理としては、一般に、ＵＶ処理やプラズマ処理が知られている。しかし、燃料電池の運転環境下では、燃料電池を構成する基材表面の酸化や溶解、または、基材表面への新たな官能基の付着などによって親水性が経年的に劣化してしまうことが知られている。そこで、本発明の発明者は、以下に説明する第１と第２の親水処理のいずれか、または、両方によって、親水被膜によって構成されたセパレータ３０の外表面およびガス拡散部材２０の流路壁面の親水性を向上させた。

第１の親水処理は、親水性を高くするための原子（以下、「親水化原子」とよぶ）を親水被膜に含有させることにより、親水被膜の親水性を向上させる方法である。この方法によれば、親水化原子の含有量比率によって親水被膜の外表面の親水性を調整することが可能である。具体的には、親水被膜としてアモルファスカーボン膜をプラズマＣＶＤ法や、スパッタ法、アークイオンプレーティング法によって成膜する場合に、アモルファスカーボン膜に窒素原子（Ｎ）やリン原子（Ｐ）などの親水化原子を含有させるものとしても良い。なお、アモルファスカーボン膜による親水被膜であれば、燃料電池の運転環境下に対しても十分な耐性を有している。また、アモルファスカーボン膜に親水化原子を含有させた場合には、親水化原子の含有比率の経年変化がほとんどないため、親水性の経年劣化が抑制される。

第２の親水処理は、基材表面の親水性が向上するように基材表面の形状を変形させる変形加工（「親水化加工」と呼ぶ）を加え、その上に重ねて親水被膜を形成する方法である。この方法によれば、加工された基材表面の形状によって構造的に親水性が高くなるとともに、親水被膜の保護によるその形状の維持によって親水性の経年劣化が抑制される。なお、親水化加工としては、基材表面に数ミクロン以下の微小な凹凸を形成できるホーニング処理などがある。

ここで、本明細書では、上記の親水化加工の程度を表す尺度として、基材の外表面に垂直な方向に基材を投影したときの投影面積に対する基材表面の表面積の実測値の比（以下、「面積倍増比」と呼ぶ）を用いる。この面積倍増比が高いほど、基材表面における水の接触角が低くなることを本発明の発明者は見出した。なお、基材表面の表面積は、レーザー顕微鏡や、光干渉測定、原子間力顕微鏡などによって観測された基材表面の凹凸の状態からコンピューター等を用いた解析処理によって測定することが可能である。

なお、この実験において、セパレータ３０の外表面およびガス拡散部材２０の流路壁面の親水性の測定は、JIS R 3257に規定された静的法によって水の接触角を測定することにより行った。また、図５の表中には、セパレータ３０の外表面における水の接触角の測定値とガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角の測定値の差を、「接触角の差」として示してある。

図６（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、実施例１〜実施例３におけるセパレータ３０とガス拡散部材２０（エキスパンドメタル）の構成を示す概略図である。なお、各図には、セパレータ３０の外表面およびガス拡散部材２０の流路壁面のそれぞれに水滴２１０を図示することにより、親水性の度合いが模式的に示されている。

実施例１（図６（Ａ））では、セパレータ３０の基材表面には親水化加工を行わず、親水化原子として窒素原子（図において黒丸によって表示）を含有させたアモルファスカーボン膜による親水被膜４０_Nを形成した。なお、親水被膜４０_Nにおける窒素原子の含有量比率は２０原子％である。このセパレータ３０の外表面における水の接触角は１０°であった。一方、実施例１におけるガス拡散部材２０の基材表面には親水化加工を施さず、親水化原子を含有しないアモルファスカーボン膜による親水被膜４０を形成した。このガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角は４０°であった。即ち、この実施例１では、アモルファスカーボン膜に含まれる窒素原子により、セパレータ３０の外表面の方が、ガス拡散部材２０の流路壁面より親水性が高くなった。

実施例２（図６（Ｂ））では、セパレータ３０は、実施例１と同様の構成とした。一方、実施例２のガス拡散部材２０では、親水化加工として面積率倍増比が１．３０程度となるようにホーニング処理を施した基材表面に対して、親水化原子を含有しないアモルファスカーボン膜による親水被膜４０を形成した。この親水化加工によって、実施例２のガス拡散部材２０の流路壁面の親水性は、実施例１のガス拡散部材２０よりも高くなった。なお、実施例２のガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角は２５°であり、セパレータ３０の外表面よりも親水性は低い。

実施例３（図６（Ｃ））では、セパレータ３０の基材外表面に親水化加工として、面積倍増比が１．３０程度となるようにホーニング処理を施すとともに、窒素原子を含有するアモルファスカーボンによって親水被膜４０_Nを形成した。親水被膜４０_Nにおける窒素原子の含有量比率は、２０原子％程度とした。実施例３のセパレータ３０の外表面における水の接触角は５°程度であった。一方、ガス拡散部材２０の基材表面には、親水化加工として、面積倍増比が１．３０程度となるようにホーニング処理を施すとともに、窒素原子を含有するアモルファスカーボン膜による親水被膜４０_Nを形成した。親水被膜４０_Nにおける窒素原子の含有量比率は、２０原子％程度とした。なお、実施例３のガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角は、１０°であった。

比較例１〜３（図５）では、以下のように燃料電池１００を構成した。比較例１では、セパレータ３０とガス拡散部材２０のいずれの基材表面にも、親水化加工を施さず、Ａｕナノめっきによる親水被膜を形成した。比較例１におけるセパレータ３０の外表面とガス拡散部材２０の流路壁面の水の接触角はいずれも９０°であった。

比較例２では、セパレータ３０とガス拡散部材２０のいずれの基材表面にも、面積倍増比が１．３０程度となるようにホーニング処理による親水化加工を施し、さらに、Ａｕナノめっきによる親水被膜を形成した。比較例２におけるセパレータ３０の外表面とガス拡散部材２０の流路壁面の水の接触角はいずれも５０°であった。

比較例３では、セパレータ３０とガス拡散部材２０のいずれの基材表面にも、親水化加工を施さず、窒素原子を含むアモルファスカーボン膜による親水被膜を形成した。親水被膜における窒素原子の含有量比率は２０原子％とした。比較例３におけるセパレータ３０の外表面とガス拡散部材２０の流路壁面の水の接触角はいずれも１０°であった。

上記の実施例１〜３および比較例１〜３の構成を有する燃料電池１００において、同じ条件下で発電を行い、その発電性能を評価した。具体的には、低負荷時における発電性能は、限界ストイキ比を測定することによって評価し、高負荷時における発電性能は最大電流値における電圧値を測定することによって評価した。より具体的には、低負荷時における発電性能の評価は、測定した限界ストイキ比が１．０以上、１．１以下のときを「○」とし、１．１より大きく１．２以下のときを「△」とし、１．２より大きいときを「×」とした。また、高負荷時における発電性能の評価は、実施例１を基準として評価した。即ち、実施例１において測定された電圧値に対する各実施例および各比較例において測定された電圧値の比が０．９０〜１．１０の間のときを「○」とし、０．９０より小さいときを「×」とした。

実施例１〜実施例３のそれぞれの発電性能は、高負荷時においても低負荷時においても概ね良好であった。具体的には、実施例２が高負荷時および低負荷時において最も発電性能が高く、実施例３は、実施例２に比較して高負荷時における評価が低い結果となった。また、実施例１は、実施例２，３に比較して低負荷時における評価が低い結果となった。比較例１および比較例２では、高負荷時における評価が良好であるが、低負荷時における評価は著しく劣る結果となった。比較例３では、低負荷時における評価が良好であったが、高負荷時における評価が著しく劣る結果となった。

図７に、実施例２と比較例３のそれぞれにおいて測定された燃料電池１００の発電特性を示すグラフを示す。実線グラフＧｅ２が実施例２において測定された発電特性であり、破線グラフＧｃ３が比較例３において測定された発電特性である。このように、比較例３に対して、実施例２では、高負荷時における発電特性が向上している。

実施例１〜３および比較例１〜３の評価結果（図５）から、燃料電池１００は次のような構成であることが好ましいことがわかった。即ち、セパレータ３０の外表面の方がガス拡散部材２０の流路壁面より親水性が高くなるように、セパレータ３０およびガス拡散部材２０の基材表面のそれぞれに、上記の第１と第２の親水処理のうち、いずれか一方、または両方のが施されることが好ましい。また、セパレータ３０の外表面およびガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角はそれぞれ４０°以下であることが好ましい。これによって、燃料電池１００の運転中に、ガス拡散部材２０からセパレータ３０の方へと水分を誘導できるため、高負荷時の燃料電池１００において、ガス拡散部材２０からの排水性を向上させることができる。

図８は、セパレータ３０の外表面における水の接触角とガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角との関係を説明するためのグラフである。図８のグラフは、縦軸をセパレータ３０の水の接触角とし、横軸をガス拡散部材２０の水の接触角として、実施例１〜３と比較例１〜３のそれぞれについて、水の接触角により特定される点をプロットしたものである。なお、実施例１〜３については黒丸でプロットし、比較例１〜３については「×」でプロットしてある。

ここで、ガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角は１０°以上、かつ、４０°以下であることが好ましい。また、セパレータ３０の外表面における水の接触角は、５°以上、かつ、３０°以下であることが好ましく、特に、５°以上１０°以下であることがより好ましい。即ち、ガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角をＸとし、セパレータ３０の外表面における水の接触角をＹとしたとき、ＸとＹとは下記の不等式（１）〜（３）の関係を満たすことが好ましい。
１０°≦Ｘ≦４０° …（１）
５°≦Ｙ≦１０° …（２）
Ｘ＜Ｙ …（３）

ガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角Ｘが不等式（１）の範囲内にあれば、カソード１２やアノード１３の水分がガス拡散部材２０側へと誘導されやすくなるとともに、ガス拡散部材２０に水分が滞留することが抑制される。また、セパレータ３０の外表面における水の接触角Ｙが不等式（２）の範囲内であれば、ガス拡散部材２０の水分をセパレータ３０側へと誘導しやすくなるとともに、セパレータ３０に過度に水分が付着して排水性が低下することを抑制できる。上記不等式（３）は、セパレータ３０の外表面の方がガス拡散部材２０の流路壁面より親水性が高いことを表している。実施例１〜実施例３では、セパレータ３０およびガス拡散部材２０がこれらの条件式（１）〜（３）を満たすように構成されているため、発電性能が向上している。

ここで、実施例１と実施例２とを比較したときに、実施例２の方が低負荷時における発電評価が高くなっている（図５）。これは、以下の理由によるものと推察される。即ち、低負荷時には、反応ガスの流量が比較的少ない状態である。そのため、ガス拡散部材２０とセパレータ３０との間における親水性の差が著しく大きい場合には、セパレータ３０側へと誘導される水分量に対して、セパレータ３０から排出される水分量が少なくなり、水分がかえって滞留しやすくなる。

一方、実施例２と実施例３とを比較すると、実施例２の方が高負荷時における評価が若干高くなっている。これは、ガス拡散部材２０とセパレータ３０との間における親水性の差が小さいほど、親水性の勾配によってセパレータ３０側へと誘導される水分量が減少するためである。従って、ガス拡散部材２０の流路壁面における水の接触角Ｘとセパレータ３０の外表面における水の接触角Ｙとは、上記の不等式（１）〜（３）に加えて、下記の不等式（４）の関係を満していることが好ましい。
５°≦Ｘ−Ｙ≦３０° …（４）
なお、図８のグラフには、不等式（１）〜（４）によって規定される領域をハッチングを付して示してある。

このように、本実施形態の燃料電池１００によれば、ガス拡散部材２０とセパレータ３０との間の適切に調整された親水性の勾配によって、高負荷時および低負荷時における燃料電池１００の排水性が向上する。従って、燃料電池１００の発電性能が向上する。

B．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

B1．変形例１：
上記の実施形態における実施例１〜３では、セパレータ３０およびガス拡散部材２０の基材としてチタンが用いられていたが、セパレータ３０およびガス拡散部材２０の基材はチタンでなくとも良い。セパレータ３０およびガス拡散部材２０の基材としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）や、アルミニウム（Ａｌ）、チタニウム（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）等の金属を用いることができる。

B2．変形例２：
上記の実施形態における実施例１〜３では、セパレータ３０の外表面およびガス拡散部材２０の流路壁面に対する親水化加工としてホーニング処理を実施していた。しかし、親水化加工としては、ホーニング処理以外の処理が実施されるものとしても良い。

B3．変形例３：
上記の実施形態における実施例１〜３では、アモルファスカーボンに親水化原子として窒素原子を含有させていたが、窒素原子に変えてリン原子を含有させるものとしても良い。また、実施例１〜３では、親水被膜４０_Nの窒素原子の含有量率は、２０原子％程度であったが、窒素原子の含有量率は、２０原子％より小さいものとしても良い。前記したとおり、窒素原子の含有量率によって親水被膜４０_Nの親水性を調整することが可能である。ただし、窒素原子の含有量率を、２０原子％より大きくすると、親水被膜４０_Nの緻密さが著しく低下してしまうため好ましくない。

B4．変形例４：
上記実施例において、ガス拡散部材２０はエキスパンドメタルとして構成されていたが、ガス拡散部材２０は他の流路壁面を有する部材によって構成されるものとしても良い。ガス拡散部材２０としては、例えば、板状部材の板面上に複数の貫通孔を配列した、いわゆるパンチングメタルやオリフィス板によって構成されるものとしても良い。

B5．変形例５：
上記実施形態では、カソード１２側およびアノード１３側の両方において、セパレータ３０とガス拡散部材２０との間の親水性が調整されていた。しかし、カソード１２側においてのみ、セパレータ３０とガス拡散部材２０との間の親水性が調整されるものとしても良い。

１０…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１５…膜電極接合体
２０…ガス拡散部材
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…壁部
２１ｅ…連結壁部
２３…波板部
２５…貫通孔
３０…セパレータ
３２…カソードセパレータ
３３…アノードセパレータ
４０，４０Ｎ…親水被膜
１００…燃料電池
１１０…単セル
２００…物質表面
２０１…接触界面
２０２…交点
２１０…水滴
ＴＬ…接触界面接線

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
   膜電極接合体の電極面に配置され、反応ガスを前記電極面に行き渡らせるためのガス拡散部材と、
   前記膜電極接合体と前記ガス拡散部材とを狭持するセパレータと、
   を備え、
   前記ガス拡散部材は、前記電極面へと前記反応ガスを誘導するための壁面であって、前記ガス拡散部材の基材の表面に形成された第１の親水被膜によって構成された第１の流路壁面を有しており、
   前記セパレータは、前記反応ガスを供給側から排出側へと誘導するための前記ガス拡散部材側の壁面であって、前記セパレータの基材の表面に形成された第２の親水被膜によって構成された第２の流路壁面を有しており、
   前記第１と第２の流路壁面は、前記第２の流路壁面の親水性の方が前記第１の流路壁面の親水性よりも高くなるように、
   前記第１または第２の親水被膜に親水性を向上させるための原子を含有させて、前記第１または第２の親水被膜の親水性を向上させる第１の親水性調整加工、または、
   前記ガス拡散部材または前記セパレータの基材の表面の形状を変形させて前記第１または第２の流路壁面における親水性を向上させる第２の親水性調整加工が施されており、
   前記第１と第２の流路壁面における水の接触角は、４０°以下である、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記第１の流路壁面における水の接触角は、１０°以上かつ４０°以下であり、前記第２の流路壁面における水の接触角は、５°以上かつ３０°以下であり、前記第１の流路壁面における水の接触角は、前記第２の流路壁面における水の接触角より小さい、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
   前記第２の流路壁面における水の接触角と前記第１の流路壁面における水の接触角との差が、５°以上かつ３０°以下である、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記親水被膜は、導電性アモルファスカーボン膜であり、
   前記親水性を向上させるための原子は、窒素原子（Ｎ）またはリン原子（Ｐ）である、燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記親水被膜は、導電性アモルファスカーボン膜であり、
   前記親水性を向上させるための原子は、窒素原子（Ｎ）である、燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記第２の親水性調整加工は、前記基材の表面に対するホーニング加工である、燃料電池。

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