JP3739386B2 - POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL SEPARATOR, POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL, METHOD FOR EVALUATING POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL SEPARATOR, AND METHOD FOR PRODUCING POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL SEPARATOR - Google Patents
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Description
本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法に関する。特に、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する電導性の高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの排水性を評価する評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a method for evaluating a polymer electrolyte fuel cell separator, and a method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator. In particular, evaluation for evaluating drainage of conductive polymer electrolyte fuel cell separators, polymer electrolyte fuel cells, and polymer electrolyte fuel cell separators containing conductive carbon and a binder that solidifies conductive carbon The present invention relates to a method and a method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
高分子電解質形燃料電池においては、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどの現象によって電池性能が安定しない、または性能が低下する現象、すなわちフラッディング現象が問題となっていた。かかる問題の抑制のため、種々の高分子電解質形燃料電池用セパレータ(以下、セパレータという)、あるいは運転方法が実施あるいは提案されている。具体的には、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を上げて、結露する水分を押し流す運転方法が一般的に実施されている。 In polymer electrolyte fuel cells, there is a problem of a phenomenon in which the battery performance is not stable or deteriorates due to a phenomenon such as water clogging caused by condensation inside the gas flow path or electrode inside the battery, that is, a flooding phenomenon. It was. In order to suppress such problems, various polymer electrolyte fuel cell separators (hereinafter referred to as separators) or operation methods have been implemented or proposed. Specifically, an operation method in which the supply pressure of the anode gas and the cathode gas is increased to push away moisture that is condensed is generally performed.
しかしながら、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を上げて、結露する水分を押し流す運転方法については、これら反応ガスの供給手段を高圧の供給手段にし、かつ高分子電解質形燃料電池の構造を耐圧構造にする必要がある。加えて、反応ガスの高圧供給は高分子電解質形燃料電池のエネルギー効率を低下させることに繋がる。 However, with respect to an operation method in which the supply pressure of the anode gas and the cathode gas is increased and the moisture that is condensed is pushed away, the reaction gas supply means is made a high pressure supply means, and the structure of the polymer electrolyte fuel cell is made a pressure resistant structure. There is a need to. In addition, the high-pressure supply of the reaction gas leads to a decrease in energy efficiency of the polymer electrolyte fuel cell.
そこで、表面に撥水処理/親水処理を行う方法又はセパレータ(特許文献1〜19参照)が提案されている。また、親水性材料/撥水性材料を含む材料で構成し、セパレータと水分との接触角を大きく/小さくする方法又はセパレータ(特許文献20〜30参照)が提案されている。更に、その他、フラッディングを防止する構造のセパレータ又はセパレータと電極との組み合わせ等(特許文献31〜37参照)も提案されている。
しかしながら、一般的に、高分子電解質形燃料電池は、必要な電力負荷に応じて出力電力、すなわち出力電流を変動させている。このとき、出力電流に応じて供給ガス流量も変化させ、ほぼ一定の燃料利用率と酸素利用率で運転すると効率的である。すなわち、部分負荷運転時には供給ガス量もそれに応じて少なくしている。このとき、当然供給ガスの圧力損失も低下するため、部分負荷運転時ほどフラッディング現象、すなわちセパレータでの水詰まり現象が発生しやすい。そこで、供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)においても結露水の排出性に優れた表面を有するセパレータの開発が求められている。 However, in general, the polymer electrolyte fuel cell varies the output power, that is, the output current in accordance with the required power load. At this time, it is efficient to change the supply gas flow rate in accordance with the output current and operate at a substantially constant fuel utilization rate and oxygen utilization rate. That is, during partial load operation, the amount of gas supplied is reduced accordingly. At this time, since the pressure loss of the supply gas is naturally reduced, the flooding phenomenon, that is, the clogging phenomenon in the separator is more likely to occur as the partial load operation is performed. Therefore, development of a separator having a surface excellent in the drainage of condensed water is required even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low (for example, conditions where the pressure loss is 10 kPa or less).
先に述べた特許文献1〜37に記載の従来技術においても、供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)であっても良好な結露水の排出性を有するセパレータは実現されておらず、未だ改善の余地があった。特に、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されるセパレータ(圧縮成型セパレータ)の場合には、供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)で良好な結露水の排出性が得にくくなるという課題があった。
Even in the prior art described in
そこで、本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供することを目的する。また、本発明は、上記本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを供えており、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することを目的する。更に、本発明は、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供することを目的とする。また、本発明は、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a polymer electrolyte fuel cell separator having a surface with excellent dew condensation water discharge performance even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low. Aim. The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention, and is a highly reliable polymer electrolyte capable of sufficiently suppressing the occurrence of flooding even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low. An object is to provide a fuel cell. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for evaluating a separator for a polymer electrolyte fuel cell that can accurately evaluate the drainage of condensed water. Another object of the present invention is to provide a method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell having a surface excellent in the ability to discharge condensed water even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low.
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ね結露水の排出性について検証した結果、高分子電解質形燃料電池用セパレータ流路表面を、発電時の条件下、すなわち、運転温度下であって、かつ表面が湿潤しているという条件において、これまで着目されていなかった水滴転落角を所定の角度以下にすると優れた結露水の排出性が得られることを見出し、本発明に到達した。 The inventors of the present invention have conducted extensive research to achieve the above object, and as a result of verifying the drainage of condensed water, the polymer electrolyte fuel cell separator flow path surface is subjected to power generation conditions, that is, under operating temperature. In the condition that the surface is wet and the water droplet falling angle, which has not been noticed so far, is found to be excellent in the drainage of condensed water when it falls below a predetermined angle, and the present invention has been achieved. did.
すなわち、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されており、前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で50μL以上80μL以下の水滴を滴下した場合に5度以上25度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供する(請求項1)。 That is, the present invention contains conductive carbon and a binder that hardens the conductive carbon, and a reaction gas channel is formed on at least one main surface, and a water droplet falling angle on the surface of the reaction gas channel is provided. However, when a water droplet of 50 μL or more and 80 μL or less is dropped under the conditions of an atmospheric temperature in the range of 50 ° C. or more and 90 ° C. or less and an atmospheric humidity in the range of 70% or more and 100% or less of the relative humidity, 5 ° C. or more and 25 ° C. A polymer electrolyte fuel cell separator as described below is provided.
このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの反応ガス流路の表面が、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた特性を有するようになるので、フラッディング現象の抑制効果に優れる高分子電解質形燃料電池用セパレータを構成することができる。特に、上記の構成を電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成されるセパレータ(圧縮成型セパレータ)に適用すると、供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)であっても良好な結露水の排出性を容易かつ正確に得ることができるようになる。なお、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、電導性炭素を構成材料とする電導性のセパレータである。 With such a configuration, the surface of the reaction gas flow path of the polymer electrolyte fuel cell separator has excellent characteristics of dew condensation water discharge even under conditions where the reaction gas supply pressure loss is low. Therefore, a polymer electrolyte fuel cell separator having an excellent effect of suppressing the flooding phenomenon can be configured. In particular, when the above configuration is applied to a separator (compression molded separator) formed by compression molding a mixture containing conductive carbon and a binder, the pressure loss of the supply gas is low (for example, 10 kPa or less). Even if the condition is satisfied, it is possible to easily and accurately obtain a good dew condensation water discharge property. The separator for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a conductive separator having conductive carbon as a constituent material.
ここで、本発明において、反応ガスとは、高分子電解質形燃料電池に供給される酸化剤ガス(酸化剤を含むガス)及び還元剤ガス(還元剤を含むガス)をいう。また、本発明において、反応ガス流路とは、高分子電解質形燃料電池用セパレータ表面に形成された溝部、刳り貫き部等であって、高分子電解質形燃料電池組立状態時において反応ガスが流通する流路をいう。また、本発明において、「水滴転落角」とは、計測対象(セパレータなど)の表面の傾斜角度であって、計測対象の表面に静止している水滴が滑落し始める傾斜角度をいい、後述の図1及び図2を用いて説明する測定方法により求められる角度αをいう。 Here, in the present invention, the reaction gas refers to an oxidant gas (a gas containing an oxidant) and a reducing agent gas (a gas containing a reducing agent) supplied to the polymer electrolyte fuel cell. Further, in the present invention, the reaction gas flow path is a groove portion, a piercing portion, or the like formed on the surface of the polymer electrolyte fuel cell separator, and the reaction gas flows when the polymer electrolyte fuel cell is assembled. It refers to the flow path. Further, in the present invention, the “water drop falling angle” is an inclination angle of the surface of the measurement target (separator or the like), and refers to an inclination angle at which a water drop stationary on the surface of the measurement target starts to slide, which will be described later. The angle α obtained by the measuring method described with reference to FIGS.
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが1.5μm以上4.0μm以下であるとよい(請求項2)。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの耐久性に影響を及ぼさず、かつ酸素プラズマ処理によって水滴転落角の改善をはかることがより容易かつより正確にできる。更に、同様の観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面の中心線平均粗さが2.5μm以上4.0μm以下であることがより好ましい。なお、セパレータを実用化レベルの大きさにコンパクト化する観点、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減する観点から反応ガス流路の表面の中心線平均粗さは4.0μm以下であることが望ましい。 In the separator for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the center line average roughness of the surface of the reaction gas channel may be 1.5 μm or more and 4.0 μm or less (Claim 2). With this configuration, the durability of the polymer electrolyte fuel cell separator is not affected, and the water droplet falling angle can be easily and more accurately improved by the oxygen plasma treatment. Furthermore, from the same viewpoint, in the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, the center line average roughness of the surface of the reaction gas channel is more preferably 2.5 μm or more and 4.0 μm or less. The center line average of the surface of the reaction gas channel from the viewpoint of downsizing the separator to a practical level and from the viewpoint of sufficiently reducing the deviation from the design value of the size of the actually manufactured gas channel. The roughness is desirably 4.0 μm or less.
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の中心線平均粗さにおいて微細な凸部間のピッチが略5μm以下であるとよい(請求項3)。このように構成すると、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても、反応ガスの供給圧損の振動をより容易かつより正確に抑制することができるので、高分子電解質形燃料電池の発電出力の振動をより容易かつより正確に抑制することができる。 In the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, the pitch between the fine protrusions in the center line average roughness of the reaction gas channel is preferably about 5 μm or less. With this configuration, the vibration of the reaction gas supply pressure loss can be more easily and more accurately suppressed even under conditions where the reaction gas supply pressure loss is low, so that the power generation output of the polymer electrolyte fuel cell can be reduced. Vibration can be suppressed more easily and more accurately.
本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、前記反応ガス流路の表面がブラスト加工、レーザー加工もしくは成形加工によって形成されるとよい(請求項4)。 From the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the surface of the reaction gas channel of the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention is preferably formed by blasting, laser processing, or molding. 4).
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が段階式ブラスト加工されているとよい(請求項5)。このような構成とすると、反応ガス流路の表面に復次凹凸構造が形成されて、比表面積が大きくなるので、水滴転落角を5度以上25度以下により容易かつより正確に調整することができる。ここで比表面積とは、セパレータ流路の単位平面積当たりの表面積を言う。ここで、段階式ブラスト加工とは、先のブラスト加工よりも後のブラスト加工の方がブラスト加工に用いられる粒子の粒径が小さくなっている、複数次のブラスト加工をいう。 In the separator for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the surface of the reaction gas channel may be stepped blasted (Claim 5). With such a configuration, a secondary concavo-convex structure is formed on the surface of the reaction gas flow path, and the specific surface area is increased. Therefore, the water droplet falling angle can be adjusted easily and more accurately by 5 degrees or more and 25 degrees or less. it can. Here, the specific surface area refers to the surface area per unit plane area of the separator channel. Here, the step-type blasting refers to multi-order blasting in which the particle size of particles used for blasting is smaller in the later blasting than in the previous blasting.
また、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、反応ガス流路の表面が酸素プラズマ処理されているとよい(請求項6)。このような構成とすると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの流路表面の水滴転落角αを5度以上25度以下に調整することができる。 In the separator for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the surface of the reaction gas channel may be subjected to oxygen plasma treatment (claim 6). With such a configuration, the water droplet falling angle α on the surface of the flow path of the polymer electrolyte fuel cell separator can be adjusted to 5 degrees or more and 25 degrees or less.
更に、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成形することにより形成されていることが好ましい。(請求項7)。先にものべたように、このような構成とすると、供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)であっても良好な結露水の排出性を有する圧縮成型セパレータを容易かつ正確に構成することができる。圧縮成型セパレータは、導電性炭素を主成分とする硬い板状部材を切削加工することにより形成されるタイプのセパレータに比較して容易かつ低コスト(例えば約100分の1)で製造できるため、このように良好な排水性を具備させることにより高分子電解質型燃料電池の大量生産の実現に大きく寄与できる。 Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention is preferably formed by compression molding a mixture containing conductive carbon and a binder. (Claim 7). As described above, with such a configuration, a compression molded separator having a good dew condensation water discharge property can be obtained easily and easily even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low (for example, a condition of 10 kPa or less). It can be configured accurately. A compression molded separator can be manufactured easily and at a lower cost (for example, about 1/100) compared to a separator of a type formed by cutting a hard plate-like member mainly composed of conductive carbon. Providing such good drainage can greatly contribute to the realization of mass production of polymer electrolyte fuel cells.
更に、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータは、上述の圧縮成型セパレータの中でも射出成型技術を利用して製造される射出圧縮成型セパレータであってもよい。この場合にはより大量生産を行ううえで有利となる。 Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention may be an injection compression molded separator manufactured using an injection molding technique among the compression molded separators described above. In this case, it is advantageous for mass production.
また、本発明は、請求項1乃至7に記載の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備えている(請求項8)高分子電解質形燃料電池を提供する。上述の本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを備える構成とすることにより、フラッディング現象を十分に抑制できるようになるので、供給ガスの圧力損失が低い条件においても安定した発電を維持することができる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を構成することができる。
The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell comprising the separator for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of
さらに、本発明は、高分子電解質形燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路の結露水の排出性を、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下における、該反応ガス流路の表面の50μL以上80μL以下の水滴の水滴転落角によって評価する(請求項9)高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供する。このように構成すると、高分子電解質形燃料電池用セパレータの反応ガス流路の表面の結露水の排出性を的確に評価することができる。 Furthermore, the present invention relates to the dew condensation water discharge property of the reaction gas channel formed in the polymer electrolyte fuel cell separator with an atmospheric temperature in the range of 50 ° C. to 90 ° C. and a relative humidity of 70% to 100%. % By the water droplet falling angle of water droplets of 50 μL or more and 80 μL or less on the surface of the reaction gas channel under the condition of atmospheric humidity within the range of% or less (claim 9). Method for evaluating a separator for a polymer electrolyte fuel cell I will provide a. If comprised in this way, the discharge | emission property of the dew condensation water of the surface of the reaction gas flow path of the separator for polymer electrolyte fuel cells can be evaluated exactly.
本発明の効果をより確実に得る観点から、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法は、前記反応ガス流路の表面に水滴を滴下することによって前記水滴転落角を取得するとよい(請求項10)。 From the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, the method for evaluating a polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention may obtain the water droplet falling angle by dropping water droplets on the surface of the reaction gas channel. (Claim 10).
また、本発明は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有しており、少なくとも一方の主面に反応ガス流路が形成されている高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法であって、反応ガス流路の表面の水滴転落角が、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で50μL以上80μL以下の水滴を滴下した場合に5度以上25度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法を提供する(請求項11)。 The present invention also relates to a method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell, comprising conductive carbon and a binder that hardens the conductive carbon, wherein a reaction gas channel is formed on at least one main surface. The drop angle of the water droplet on the surface of the reaction gas channel is 50 μL or more and 80 μL under the conditions of the atmospheric temperature within the range of 50 ° C. or higher and 90 ° C. or lower and the relative humidity within the range of 70% or higher and 100% or lower. formed to be 5 degrees or more and 25 degrees or less when dropped below water droplets, to provide a method for manufacturing a separator for a polymer electrolyte fuel cell (claim 11).
本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法によれば、上述の水滴転落角の条件を満たすようにすること以外は、公知の表面処理技術(物理的表面処理、化学的表面処理など)などの公知のセパレータ製造技術(材料選択、材料の混合方法及び材料の混合割合の調節などをすることも含む)を用いることにより、先に述べた本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に得ることができる。 According to the method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a known surface treatment technique (physical surface treatment, chemical surface treatment, etc.) other than satisfying the above-mentioned condition of the water drop falling angle. ) And other known separator manufacturing techniques (including material selection, material mixing method and material mixing ratio adjustment, etc.), the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention described above is used. Can be obtained easily and reliably.
以上のように、本発明によれば、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを提供することができる。また、本発明によれば、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池を提供することができる。更に、本発明によれば、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法を提供することができる。また、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に製造することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell separator having a surface excellent in the ability to discharge condensed water even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell that can sufficiently suppress the occurrence of flooding even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a method for evaluating a separator for a polymer electrolyte fuel cell that can accurately evaluate the drainage of condensed water. In addition, a polymer electrolyte fuel cell separator having a surface excellent in the ability to discharge condensed water can be easily and reliably produced even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low.
最初に、本発明の背景となる本発明者らの知見について説明する。 First, the knowledge of the inventors as the background of the present invention will be described.
先にも述べたように、本発明者らは、高分子電解質形燃料電池用セパレータ(以下、セパレータと略称する)のガス流路表面に付着する結露水の排出性について検証した結果、作動温度範囲で液状水がガス流路中に発生するという特有の現象の起こる高分子電解質形燃料電池においては、(1)従来のように、ガス流路表面に静止している状態の水滴の接触角(濡れ性)に着目してガス流路表面の構成(親水性、撥水性、中心線平均粗さなど)を設計すること、よりもむしろ、(2)ガス流路表面に付着した水滴がガス流路内に流れる反応ガス流により押圧されて動き出す状態となるときの当該水滴の「水滴転落角」に着目してガス流路表面の構成を設計すること(より具体的には、「反応ガス流路の表面の水滴転落角が、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で50μL以上80μL以下の水滴を滴下した場合に5度以上25度以下となる」ように設計すること)、のほうが、作動状態における良好な排水性{特に供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPa以下となる条件)における良好な排水性}を容易かつ確実に得ることができて極めて有効であることを見出した。 As described above, the present inventors have verified the discharge performance of condensed water adhering to the gas flow path surface of a polymer electrolyte fuel cell separator (hereinafter abbreviated as a separator), and as a result, the operating temperature In the polymer electrolyte fuel cell in which liquid water is generated in the gas flow path within the range, (1) the contact angle of water droplets that are stationary on the surface of the gas flow path as in the prior art Rather than designing the structure (hydrophilicity, water repellency, centerline average roughness, etc.) of the gas flow path with a focus on (wetting), (2) water droplets adhering to the gas flow path surface are gas Design the surface structure of the gas flow path by focusing on the “drop angle” of the water droplet when it is pressed by the reactive gas flow flowing in the flow path to start moving (more specifically, “reaction gas Water drop falling angle on the surface of the channel is 50 ° C or higher and 90 ° C Ambient temperature in the range of the lower and the higher 5 ° 25 ° or less when dropped atmospheric humidity conditions in 80μL following water droplets or 50μL of the range of relative humidity of 70% or more and 100% or less "as designed It is much easier to reliably and reliably obtain a good drainage property in the operating state (especially a good drainage property under conditions where the pressure loss of the supply gas is low (for example, a condition of 10 kPa or less)). I found it effective.
例えば、一般的に、セパレータのガス流路の表面が親水性または撥水性を有していると、セパレータの結露水の排出性は良くなる傾向にある。しかしながら、セパレータが単に上述の(1)の設計によるものである場合には、親水性に優れていても少しでも有限の接触角を有する場合、セパレータのガス流路表面の結露水は、有限の面積の水の塊となって存在する。そして、重畳して水滴が結露すると水滴が流路を閉塞してしまう場合がある。 For example, generally, when the surface of the gas flow path of the separator has hydrophilicity or water repellency, the dew condensation water discharge performance of the separator tends to be improved. However, if the separator is simply based on the above-mentioned design (1), the dew condensation water on the surface of the gas flow path of the separator is limited if it has excellent hydrophilicity or has a finite contact angle. It exists as a mass of water of area. When the water droplets are condensed and condensed, the water droplets may block the flow path.
また、セパレータのガス流路表面が撥水性に優れる場合、セパレータのガス流路表面に結露した水は非常に小さい水滴のまま、ガスによってセパレータのガス流路表面を転がるように押し流されるため、セパレータ流路の閉塞は起こりにくい傾向にある。しかしながら、セパレータが単に上述の(1)の設計によるものである場合には、セパレータのガス流路表面の粗度が大きい場合には、セパレータのガス流路表面の中心線平均粗さ、すなわち微細な凹凸がアンカーとなり水滴が流路を閉塞してしまう場合がある。 In addition, when the surface of the separator gas flow path is excellent in water repellency, the water condensed on the surface of the separator gas flow path remains very small and is pushed away by the gas so as to roll on the surface of the separator gas flow path. There is a tendency that blockage of the flow path does not occur easily. However, when the separator is simply based on the design of (1) described above, if the roughness of the separator gas flow path surface is large, the center line average roughness of the separator gas flow path surface, that is, fine In some cases, irregularities become anchors and water droplets block the flow path.
したがって、セパレータのガス流路表面における結露水の排出性の評価は、単に上述の(1)の設計による親水性又は撥水性のみで評価するのは不十分であることになる。 Therefore, the evaluation of the drainage of condensed water on the surface of the gas flow path of the separator is insufficient to simply evaluate the hydrophilicity or water repellency based on the above-described design (1).
本発明者らは、水滴転落角αを用いて評価することにより、単に上述の(1)の設計による親水性及び撥水性とは独立に、燃料電池の作動条件に適したセパレータのガス流路表面の結露水の排出性を容易かつ正確に評価することができることを見出した。 The present inventors have evaluated by using the water drop falling angle α, so that the gas flow path of the separator suitable for the operating conditions of the fuel cell is independent of the hydrophilicity and water repellency simply by the design of the above (1). It has been found that the discharge of condensed water on the surface can be easily and accurately evaluated.
ここで、本発明において「接触角」とは、静止液体(水滴)の自由表面が固体壁(セパレータ)に接する場所で液面と固体面とのなす角(液体の内部にある角)をいい(「岩波 理化学辞典,第5版」739頁に記載の接触角)、より具体的には、計測対象(セパレータ)の表面が水平になるように当該計測対象を配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記計測対象の表面と水滴の液面(計測対象の表面と異なり外気に接触している面)とのなす角度(水滴の内部にある角度)をいう。 Here, in the present invention, the “contact angle” refers to an angle (an angle inside the liquid) formed by the liquid surface and the solid surface where the free surface of the stationary liquid (water droplet) contacts the solid wall (separator). (Contact angle described in “Iwanami Physical and Chemical Dictionary, Fifth Edition” on page 739) More specifically, the measurement object is arranged so that the surface of the measurement object (separator) is horizontal, and a certain amount is placed on the surface. The angle between the surface of the measurement target and the water level of the water drop (the surface that is in contact with the outside air unlike the surface of the measurement target) (the angle inside the water drop) .
また、先にも述べたように、「水滴転落角」とは、後述の図1及び図2を用いて説明する測定方法により求められる角度αをいう。 As described above, the “water drop falling angle” refers to an angle α obtained by a measuring method described with reference to FIGS. 1 and 2 described later.
図1は、水滴転落角の計測方法を示す模式図である。水滴転落角は、計測対象300の表面、すなわちセパレータの流路表面を水平に配置する。そして、計測対象300の表面に所定の量の水滴310をその表面に滴下する。そして、計測対象300の表面を徐々に傾斜させて、図1に示すように、その水滴310が当初の位置から移動し始める際の計測対象300の表面の傾斜角度αを写真あるいは画像に記録する。この写真あるいは画像から水滴転落角αを計測することができる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for measuring a water drop falling angle. As for the water drop falling angle, the surface of the
また、図2は、水滴転落角の間接的計測方法を示す模式図である。一般的には、水滴転落角αは、「R・γ・(cosθr―cosθa)=m・g・sinα」によって算出される(ここで、R:水滴が計測対象300の表面と接触している面の外周長(全周長)、γ:水の表面張力、θa:前進接触角、θr:後退接触角、m:水滴の質量、g:重力)。したがって、図2に示すように、水滴が傾斜面を滑落する際の、水滴を写真あるいは画像に記録しておいて、写真あるいは画像から水滴の上記外周長R、前進接触角θa、後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。さらに、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器WET−6000によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。なお、水滴が計測対象300の表面と接触している面の形状が円(真円)に近似できる場合には、図2中に示した水滴の上記面(円)の直径Dを用いて上記外周長Rを近似計算してもよい。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an indirect measurement method of the water drop falling angle. In general, the water drop falling angle α is calculated by “R · γ · (cos θr−cos θa) = m · g · sin α” (where R: the water drop is in contact with the surface of the measurement object 300). The outer peripheral length of the surface (total peripheral length), γ: surface tension of water, θa: advancing contact angle, θr: receding contact angle, m: mass of water droplet, g: gravity). Therefore, as shown in FIG. 2, when the water droplet slides down the inclined surface, the water droplet is recorded in a photograph or an image, and the outer peripheral length R, the advancing contact angle θa, the receding contact angle of the water droplet from the photograph or the image is recorded. It is also possible to calculate the water drop falling angle α by measuring θr. Furthermore, simply, the forward contact angle θa and the backward contact angle θr are measured by a measuring instrument for the forward contact angle θa and the backward contact angle θr, for example, a dynamic wettability tester WET-6000 manufactured by Reska Co. The angle α can also be calculated. When the shape of the surface where the water droplet is in contact with the surface of the
供給ガスの圧力損失が低い条件(例えば、10kPaのわずかなガス圧)でガス流路の表面に形成された水滴を移動できるようにするためには、上述の「cosθr―cosθa」の値が小さいほうがよく、より詳しくは、水滴転落角αが本発明の条件を満たせばよい。 In order to allow water droplets formed on the surface of the gas flow path to move under conditions where the pressure loss of the supply gas is low (for example, a slight gas pressure of 10 kPa), the value of “cos θr−cos θa” described above is small. More specifically, the water drop falling angle α only needs to satisfy the conditions of the present invention.
上述の水滴転落角の条件を満たすようにすること以外は、公知の表面処理技術(物理的表面処理、化学的表面処理など)などの公知のセパレータ製造技術(材料選択、材料の混合方法及び材料の混合割合の調節などをすることも含む)を用いることにより、本発明の高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に得ることができる。 Except for satisfying the above conditions of the water drop falling angle, known separator manufacturing techniques (material selection, material mixing method and materials) such as known surface treatment techniques (physical surface treatment, chemical surface treatment, etc.) In other words, the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention can be obtained easily and reliably.
特に、本発明者らは、従来の圧縮成型セパレータが安定的かつ良好な排水性を得ることが極めて困難であったのは上述の(2)の観点からの表面設計を行わず、上述の(1)の観点から主として表面設計を行っていたことが主な原因の一つであることを見出した。 In particular, the inventors of the present invention did not perform surface design from the viewpoint of (2) described above, and it was extremely difficult for a conventional compression molded separator to obtain stable and good drainage. From the viewpoint of 1), it was found that one of the main causes was the surface design.
より具体的には、従来の圧縮成型セパレータは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を構成材料として形成される。例えば、ガス流路表面の電導性炭素からなる部分は、作動初期には撥水性が高いが、時間経過とともに徐々に水に濡れやすくなり親水性になるという特性を有している。一方、ガス流路表面のバインダー(合成樹脂)からなる部分は比較的不十分な撥水性を有している。そして、上記の電導性炭素からなる部分の親水性や撥水性は物理的構造(表面粗さなど)が変わる場合がある。従来の圧縮成型セパレータは、上述の(1)の観点から主として表面設計を行っているため、上記例示したような、ガス流路の表面の微細な化学的構造(親水性、撥水性などを決める化学組成など)や微細な物理的構造(中心線平均粗さなどをきめる凹凸形状など)が不均一な状態になりやすい。例えば、上記の電導性炭素からなる部分とバインダー(合成樹脂)からなる部分とが不均一な状態(大きさが不均一、分散状態が不均一)になりやすい。そしてこれに伴って、ガス流路表面に、上述の「cosθr―cosθa」の値が小さくなる部分(水滴が移動しやすくなる部分)だけでなく、「cosθr―cosθa」の値が大きくなる部分(水滴が移動しにくくなる部分)も多く存在することになることが、ガス流路全体として良好な排水性を得ることが極めて困難であった主な原因の一つであることを見出した。 More specifically, the conventional compression molding separator is formed using a mixture containing conductive carbon and a binder as a constituent material. For example, the portion made of conductive carbon on the surface of the gas flow path has a high water repellency at the beginning of operation, but has a characteristic that it gradually becomes wet with water and becomes hydrophilic over time. On the other hand, the portion made of the binder (synthetic resin) on the surface of the gas flow path has relatively insufficient water repellency. And the physical structure (surface roughness etc.) may change about the hydrophilic property and water repellency of the part which consists of said electroconductive carbon. Since the conventional compression-molded separator is mainly designed from the viewpoint of the above (1), the fine chemical structure (hydrophilicity, water repellency, etc.) of the surface of the gas flow path as exemplified above is determined. Chemical composition etc.) and fine physical structures (concave and convex shapes that determine centerline average roughness etc.) tend to be in a non-uniform state. For example, the portion made of the conductive carbon and the portion made of a binder (synthetic resin) tend to be in a non-uniform state (a non-uniform size and a non-uniform dispersion state). Along with this, not only the portion where the value of “cos θr−cos θa” is small (the portion where water droplets are easily moved) but also the portion where the value of “cos θr−cos θa” is large ( It has been found that the presence of a large number of portions where water droplets are difficult to move is one of the main causes that makes it very difficult to obtain good drainage as a whole gas flow path.
そして、本発明者らは、圧縮成型セパレータであっても、上述の水滴転落角の条件を満たすように、ガス流路の表面の微細な化学的構造(親水性、撥水性などを決める化学組成など)や微細な物理的構造(中心線平均粗さなどをきめる凹凸形状など)を十分に均一となるように近づけてやることで、良好な排水性を得ることができるようになることを見出した。 And even if it is a compression molding separator, the present inventors determine the fine chemical structure (hydrophilicity, water repellency, etc.) of the surface of a gas channel so that the conditions of the above-mentioned water drop falling angle may be satisfied. Etc.) and fine physical structures (concave and convex shapes that determine centerline average roughness, etc.) are brought close enough to be uniform so that good drainage can be obtained. It was.
ここで、発電時にはセパレータ流路表面は高温、かつ湿潤状態にある。特に、セパレータが電導性炭素を含有する場合、乾燥状態と湿潤状態とではセパレータ表面の親水性及び撥水性、すなわち接触角が異なる。これは炭素の親水性及び撥水性が乾燥状態と湿潤状態とでは異なるためと推察される。したがって、水滴転落角αの計測においては、高分子電解質形燃料電池(以下、PEFCと略称する)の運転状態同等の雰囲気条件の下で、発生する結露水と同等の水滴容量で計測されることが望ましい。 Here, during power generation, the surface of the separator channel is at a high temperature and in a wet state. In particular, when the separator contains conductive carbon, the hydrophilicity and water repellency of the separator surface, that is, the contact angle differs between the dry state and the wet state. This is presumably because the hydrophilicity and water repellency of carbon differ between the dry state and the wet state. Therefore, in the measurement of the water drop falling angle α, it should be measured with a water droplet capacity equivalent to the generated dew condensation water under the atmospheric conditions equivalent to the operating state of the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as PEFC). Is desirable.
しかしながら、PEFC運転状態の雰囲気条件を正確に再現することは難しい場合がある。特にPEFC運転状態の雰囲気条件は一定ではなくPEFCの運転状態によって変動しうるので、PEFC運転状態の雰囲気条件を特定すること自体が難しいという問題がある。ここで、発明者らは実験等によって、水滴転落角αの計測には、雰囲気温度、雰囲気湿度及び水滴容量の実機条件の厳密な再現は必要ないことを見出した。すなわち、所定の条件内で計測された水滴転落角αによって的確にPEFC用セパレータの結露水の排出性の評価をすることができることがわかった。具体的には、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の雰囲気下に計測機器を置き、50μL以上80μL以下の水滴を用いて計測された水滴転落角αによって的確にPEFC用セパレータの結露水の排出性の評価をすることができることを検証した。これによって、実機条件を厳密に再現する必要なく水滴転落角αの計測が可能となるので、容易かつ的確に結露水の排出性を評価することができる。 However, it may be difficult to accurately reproduce the atmospheric conditions in the PEFC operating state. In particular, the atmospheric conditions in the PEFC operating state are not constant and can vary depending on the operating state of the PEFC, so that it is difficult to identify the atmospheric conditions in the PEFC operating state. Here, the inventors have found through experiments and the like that the measurement of the water drop falling angle α does not require exact reproduction of the actual conditions of the atmospheric temperature, atmospheric humidity, and water droplet volume. That is, it has been found that the dew condensation water discharge performance of the PEFC separator can be accurately evaluated by the water drop falling angle α measured within a predetermined condition. Specifically, a measuring instrument is placed in an atmosphere having an atmospheric temperature in the range of 50 ° C. to 90 ° C. and an atmospheric humidity in the range of 70% to 100% relative humidity, and water droplets of 50 μL to 80 μL are used. It was verified that the dew condensation water discharge performance of the PEFC separator can be accurately evaluated by the measured water drop falling angle α. As a result, it is possible to measure the water drop falling angle α without having to accurately reproduce the actual machine conditions, and therefore it is possible to easily and accurately evaluate the drainage of condensed water.
なお、水滴転落角αは、温度、相対湿度及び水滴容量をパラメータとして把握することも可能である。したがって、水滴転落角と温度、相対湿度及び水滴容量との相関関係を予め実験等で求めておき、上記の相関関係に基づいて上記の水滴転落角αをPEFC運転状態の雰囲気条件下の水滴転落角αに補正することもできる。これによって、より的確に結露水の排出性を評価することができる。 Note that the water drop falling angle α can be grasped by using temperature, relative humidity, and water drop volume as parameters. Accordingly, the correlation between the water droplet falling angle and the temperature, relative humidity, and water droplet volume is obtained in advance through experiments and the like. Based on the above correlation, the water droplet falling angle α is determined based on the above-mentioned correlation. It is also possible to correct the angle α. This makes it possible to evaluate the dew condensation water discharge more accurately.
本発明は、この知見に基づいてなされている。以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。 The present invention has been made based on this finding. The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図3は、本発明の実施の形態1に係るPEFCの斜視図である。図4は、図3のPEFCの構造を示す分解斜視図である。図4においては、説明の便宜上、PEFC(スタック)200の積層構造の一部を分解して示している。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a perspective view of the PEFC according to
PEFC200は、電気化学反応により発電する単電池(セル)100を積層して構成されている。ここでは、PEFC200は、セル100が100個積層されて構成されている。
The
セル100の積層方向端部は、集電板41,41、及び絶縁板42,42を介して端板43,43で挟まれ、端板43,43間が締結ボルト(図示せず)で両側から締結されている。ここでは、電極の面積当たり10kgf/cm2の締結圧で締結されている。
The ends of the
集電板41,41の電気端子41A,41Aは、電気機器等の外部負荷と接続されて電気を出力する。
The
PEFC200には、酸化剤ガス供給マニフォルド30D及び酸化剤ガス排出マニフォルド30Eを結ぶ酸化剤流路30と、還元剤ガス供給マニフォルド40D及び還元剤ガス排出マニフォルド40Eを結ぶ還元剤流路40とが形成されている。
The
酸化剤流路30は、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニフォルド30Dから供給され、各セル100に分岐し、各セル100流通後、再び合流して酸化剤ガス排出マニフォルド30EよりPEFC200外に排出されるように構成されている。還元剤流路40も同様にして構成されている。ここでは、酸化剤ガスとして、酸素あるいは空気が用いられている。また、還元剤ガスとして水素あるいは水素を含むガスが用いられている。
The
また、PEFC200には、冷却剤供給マニフォルド45D、冷却剤排出マニフォルド45Eが形成されている。
The
冷却剤流路45は、冷却剤が、冷却剤供給マニフォルド45Dから供給され、積層された各セル100の間に分岐し、各セル100の間を流通した後、再び合流して冷却剤排出マニフォルド45EよりPEFC200外に排出されるように構成されている。
The
ここで、セル100は、MEA10と、セパレータ15,20とを積層して構成されている。セパレータは、カソードセパレータ15とアノードセパレータ20との2種類が用いられている。両者は、その表面の流路が相違している。そして、図2に示すようにMEA10とカソードセパレータ15との間には酸化剤流路30が形成され、MEA10とアノードセパレータ20との間には還元剤流路40が形成されている。
Here, the
図5は、MEAの基本構造を示す模式図である。 FIG. 5 is a schematic diagram showing the basic structure of the MEA.
MEA10は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対の電極触媒層(酸化剤ガス側電極触媒層2及び還元剤ガス側電極触媒層3)と、この一対の電極触媒層の外面に配設された一対の拡散電極層(酸化剤ガス側拡散電極層4及び還元剤ガス側拡散電極層5)とを備えて構成されている。この拡散電極層4,5は、通気性と電子伝導性を併せ持つように構成されている。例えば、多孔性構造を有している。
The
そして、酸化剤ガス側電極触媒層2,酸化剤ガス側拡散電極層4及びカソードセパレータ15がカソードを構成している。
The oxidant gas side
また、還元剤ガス側電極触媒層3,還元剤ガス側拡散電極層5及びアノードセパレータ20がアノードを構成している。
Further, the reducing agent gas side
高分子電解質膜1は、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プロトン伝導性高分子電解質膜(米国Dupont社製Nafion112)によって構成されている。ここでは、外寸は20cm×20cmである。
The
拡散電極層4,5は、カーボンクロスによって構成されている。カーボンクロス(東レ株式会社製TGP−H−090)は、外寸12cm×12cm、厚み220μmであって、電極触媒層2,3と接する側の面には、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業株式会社製D−1)の混合物が塗布されて400℃で30分間焼成されて撥水層が形成されている。
The
電極触媒層2,3は、触媒ペーストがスクリ−ン印刷法によってカ−ボンクロス(拡散電極層4,5)に塗布されて形成されている。触媒ペーストには、平均粒径約30Åの白金粒子をアセチレンブラック粉末(電気化学工業株式会社製デンカブラックFX−35)に25重量%担持させた触媒粉末が用いられている。触媒ペーストは、この触媒粉末がイソプロパノ−ルに分散されている溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸がエチルアルコールに分散されているディスパージョン溶液(旭硝子株式会社製フレミオンFSS−1)が混合されて製作されている。触媒電極2,3に含まれる白金量は0.3mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.0mg/cm2となっている。
The electrode catalyst layers 2 and 3 are formed by applying catalyst paste to carbon cloth (
そして、MEA10は、高分子電解質膜1の両面中央部に、電極触媒層2,3が形成されているカ−ボンクロス(拡散電極層4,5)がホットプレスで接合されて形成されている。高分子電解質膜1の周縁部には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔30A、酸化剤ガス排出マニフォルド孔30B、還元剤ガス供給マニフォルド孔40A、還元剤ガス排出マニフォルド孔40B、冷却剤供給マニフォルド孔45A、冷却剤排出マニフォルド孔45Bが穿たれている。拡散電極層4,5及び各種マニフォルド孔30A,30B,40A,40B,45A,45Bの周囲の高分子電解質膜1にはバイトン製O−リング状のガスシール部材50が貼り廻らされている。
The
図6は、図4のカソードセパレータの酸化剤ガス流路パターンを示す正面図である。図7は、図4のアノードセパレータの還元剤ガス流路パターンを示す正面図である。図8は、図4のカソードセパレータの冷却剤流路パターンを示す背面図である。 FIG. 6 is a front view showing an oxidant gas flow path pattern of the cathode separator of FIG. FIG. 7 is a front view showing a reducing agent gas flow path pattern of the anode separator of FIG. 8 is a rear view showing a coolant flow path pattern of the cathode separator of FIG.
図6に示すように、カソードセパレータ15の、MEA10に当接する正面には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔30Aと酸化剤ガス排出マニフォルド孔30Bとを結ぶように溝からなる酸化剤ガス流路溝(反応ガス流路)30Cが形成されている。酸化剤ガス流路溝30Cは、セル100において酸化剤ガス側拡散電極層4と当接する部分をくまなく流通するように形成されている。一方、図8に示すようにカソードセパレータ15の背面には、冷却剤供給マニフォルド孔45Aと冷却剤排出マニフォルド孔45Bとを結ぶように溝からなる冷却水流路溝(冷却水流路)45Cが形成されている。
As shown in FIG. 6, on the front surface of the
また、図7に示すように、アノードセパレータ20の、MEA10に当接する正面には、還元剤ガス供給マニフォルド孔40Aと還元剤ガス排出マニフォルド孔40Bとを結ぶように溝からなる還元剤ガス流路溝(反応ガス流路)40Cが形成されている。還元剤ガス流路溝40Cは、セル100において還元剤ガス側拡散電極層5と当接する部分をくまなく流通するように形成されている。また、アノードセパレータ20の背面には、カソードセパレータ15と同様にして、冷却剤供給マニフォルド孔45Aと冷却剤排出マニフォルド孔45Bとを結ぶように溝からなる冷却水流路溝45Cが形成されている。
Further, as shown in FIG. 7, on the front surface of the
ここで、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の冷却剤流路溝45Cは、セル100において酸化剤ガス流路溝30C及び還元剤ガス流路溝40Cの背面をくまなく冷却するように形成されている。そして、セル100の積層においては、カソードセパレータ15の冷却剤流路溝45Cとアノードセパレータ20の冷却剤流路溝45Cとが合一して冷却剤流路45を形成するように形成されている。
Here, the
ここでは、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の大きさは20cm×20cm、厚さは3mmと同一であり、酸化剤ガス流路溝30C及び還元剤ガス流路溝40Cは、図6及び図7に示すように、幅1.2mm深さ0.7mmの凹部が1.0mmの間隔で数本併走するようにして形成されている。カソードセパレータ15の冷却剤流路溝45Cは、図8に示すように、酸化剤ガス流路溝30Cの背面全体に亘って幅広く形成されている。その幅広い溝部の中央部には数カ所点在するようにしてカソードセパレータ15背面の平坦面が残されている。これによって、セル100積層及び締結において締結力を分散することができる。
Here, the size of the
また、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の周縁部にはMEA10と対応するようにして、酸化剤ガス供給マニフォルド孔30A、酸化剤ガス排出マニフォルド孔30B、還元剤ガス供給マニフォルド孔40A、還元剤ガス排出マニフォルド孔40B、冷却剤供給マニフォルド孔45A、冷却剤排出マニフォルド孔45Bが穿たれている。
なお、セル100組立時及びセル積層時には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔30Aが連結して酸化剤ガス供給マニフォルド30D、酸化剤ガス排出マニフォルド孔30Bが連結して酸化剤ガス排出マニフォルド30E、還元剤ガス供給マニフォルド孔40Aが転結して還元剤ガス供給マニフォルド40D、還元剤ガス排出マニフォルド孔40Bが連結して還元剤ガス排出マニフォルド40E、冷却剤供給マニフォルド孔45Aが連結して冷却剤供給マニフォルド45D、冷却剤排出マニフォルド孔45Bが連結し冷却剤排出マニフォルド45Eがそれぞれ形成されるようになっている。
Further, the oxidant gas
When the
ここで、本発明の特徴であるカソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の素材及び表面について説明する。
Here, the materials and surfaces of the
セパレータ15、20は、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを混合して形成されている。バインダーには、ゴム、樹脂等が用いられ得る。樹脂としては、高温多湿なセパレータの使用環境に耐性のある樹脂が使用され得る。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、PPS、ポリプロピレン、液晶ポリマー、PTFE等である。ここでは、平均粒径100μmの人造黒鉛粉末80wt%とカーボンブラック5wt%と熱硬化前のフェノール樹脂15wt%とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ15、20の形状を転写した形状の金型に投入され、約180℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてセパレータ15、20に成形されている。
このようにして成形されたセパレータ流路溝30C,40C表面は無処理のまま、すなわちフェノール樹脂が多く含有されているスキン層を残置させたままにされている。
The
The surfaces of the
ここで、本発明のセパレータの評価方法は、前述の水滴転落角αの計測によって、該セパレータの結露水の排出性を評価する。すなわち、50℃以上90℃以下の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の雰囲気湿度の条件下において、セパレータ15、20の酸化剤ガス流路溝30Cあるいは還元剤ガス流路溝40Cに滴下された50μL以上80μL以下の水滴の水滴転落角によって、セパレータ15、20の結露水の排出性を評価する。本実施形態においては、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約45度と算出された。
Here, the separator evaluation method of the present invention evaluates the dew condensation water discharge performance of the separator by measuring the water drop falling angle α described above. That is, in the conditions of the atmospheric temperature of 50 ° C. or higher and 90 ° C. or lower and the relative humidity of 70% or higher and 100% or lower, the oxidant gas
ここで、水滴転落角αの計測においては、水滴の転落方向に酸化剤ガス流路溝30Cあるいは還元剤ガス流路溝40Cの下面及び側面が平坦であることが望ましい。このようにすることにより、段差や屈折部等の形状効果によって水滴転落角αが変化することをより確実に防止することができるようになる。また、湿潤状態においては水滴の判別が困難な場合もあり、直接正確な水滴転落角αを測定することは困難である。そこで、水滴転落角αは、レスカ社製動的濡れ性試験器WET−6000を用いて前進接触角θa、後退接触角θrを計測することによって、前述の関係式に基づいて算出することもできる。
Here, in the measurement of the water drop falling angle α, it is desirable that the lower surface and the side surface of the oxidant gas
なお、セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さは、中心線平均粗さRa(Center -Line Average-height)=0.7であった。乾燥状態での接触角θdは約80度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約60度であった。ここで、中心線平均粗さは、触針式表面粗さ測定機(Taylor Hobson社製Form Talysurf-120)を用いてJIS B0651の計測方法に準拠して行っている。
In addition, the surface roughness of the
次に、以上のように構成されたPEFC200の動作を説明する。酸化剤ガスが酸化剤ガス供給マニフォルド30Dを経由して各セル100に分岐して供給される。各セル100では、酸化剤ガスがカソードに供給される。ここでは、酸化剤ガス側拡散電極層4に曝露される。また、水素、あるいは水素を含む還元剤ガスも同様にして、アノードに供給される。ここでは、還元剤ガス側拡散電極層5に曝露される。
Next, the operation of the
そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス側拡散電極層4を透過し、酸化剤ガス側電極触媒層2に到達する。同様にして、還元剤ガスも、還元剤ガス側拡散電極層5を透過し、還元剤ガス側電極触媒層3に到達する。
Then, the oxidant gas passes through the oxidant gas side
カソードセパレータ15、アノードセパレータ20、集電板41、41(図1参照)及び外部の電気回路(図示せず)を経由して酸化剤ガス側電極触媒層2と還元剤ガス側電極触媒層3との電気的な接続回路が構成されると、酸化剤ガス側電極触媒層2においては、還元剤ガスとのイオン化傾向の差異に基づいて、酸素がイオン化する。同様にして、還元剤ガス側電極触媒層3においては、水素がイオン化する。
The oxidant gas side
水素イオンは高分子電解質膜1を透過して酸化剤ガス側電極触媒層2において、酸素イオンと結合し、水を生成する。また、水素のイオン化に伴い還元剤ガス側電極触媒層3において発生した電子は、還元剤ガス側拡散電極層5と電導性炭素を含有するアノードセパレータ20とを経由して、隣接するセル100、あるいは外部の電気回路(図示せず)に流れ、電気出力を生じさせる。
Hydrogen ions permeate the
(実施例1)
実施例1として、実施の形態1に係るPEFC200を用いて、PEFCの一般的な燃料利用率及び酸素利用率を基準とした運転試験を行った。PEFC200は70℃に保持された。還元剤ガスには、80wt%水素及び20wt%二酸化炭素の成分のガスを用いた。
還元剤ガスは、70℃の露点となるよう加湿・加温されて還元剤ガス供給マニフォルド40Dから供給された。酸化剤ガスには、空気を用いた。酸化剤ガスは、70℃の露点となるように加湿・加温されて酸化剤ガス供給マニフォルド30Dから供給された。
Example 1
As Example 1, the
The reducing agent gas was humidified and heated to a dew point of 70 ° C. and supplied from the reducing agent
そして、還元剤ガスの燃料利用率75%、酸化剤ガスの酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の出力条件で全負荷発電が継続された。この時、還元剤ガス供給マニフォルド40Dと還元剤ガス排出マニフォルド40Eとの間の圧力損失(以下、還元剤ガス側圧力損失という)は約7kPaであり、酸化剤ガス供給マニフォルド30Dと酸化剤ガス排出マニフォルド30Eとの間の圧力損失(以下、酸化剤ガス側圧力損失という)は6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72V−43.2A)の電池出力が維持された。ここで、全負荷発電とは、PEFCが安定して最も効率よくかつ安定して発電することができる最大限の負荷時の発電をいう。
Then, full load power generation was continued under the output conditions of a fuel utilization rate of reducing agent gas of 75%, an oxygen utilization rate of oxidant gas of 50%, and a current density of 0.3 A / cm 2 . At this time, the pressure loss between the reducing agent
また、運転試験に際しては、開始直後及び500時間ごとに、全負荷発電時と同等の燃料利用効率及び酸素利用効率を維持したままの低出力運転を実施した。すなわち、燃料利用率75%、酸素利用率50%に保ったまま電流密度を0.06A/cm2まで絞った部分負荷発電を24時間継続させた。この時、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。ここで、電流密度を0.06A/cm2は、PEFC200の実用上想定される最低出力状態である。
In the operation test, immediately after the start and every 500 hours, a low output operation was performed while maintaining the fuel utilization efficiency and oxygen utilization efficiency equivalent to those during full load power generation. That is, partial load power generation with a current density reduced to 0.06 A / cm 2 was continued for 24 hours while maintaining a fuel utilization rate of 75% and an oxygen utilization rate of 50%. At this time, voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable. Here, the current density of 0.06 A / cm 2 is the lowest output state practically assumed for the
次に、電流密度を0.06A/cm2に維持しながら、燃料利用効率及び酸素利用効率の限界を確認した。すなわち、燃料利用率を75%以上に引き上げ、あるいは酸素利用率を50%以上に引き上げるべく、還元剤ガス側圧力損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を低下させる限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率75%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率50%より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の条件時における、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.5kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.3kPaであった。 Next, the limits of fuel utilization efficiency and oxygen utilization efficiency were confirmed while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 . That is, in order to raise the fuel utilization rate to 75% or more, or to raise the oxygen utilization rate to 50% or more, a limit low output test was performed to reduce the reducing agent gas side pressure loss or the oxidizing agent side pressure loss. As a result, in the reducing agent gas, voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 75%. In the oxidant gas, the occurrence of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 50%. The reducing agent gas side critical low pressure loss Pa is 2.5 kPa under the conditions of a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2. Was 2.3 kPa.
(比較例1)
比較例1として、実施の形態1と同型のPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, the same operation test as in Example 1 was performed using PEFC200 of the same type as in the first embodiment.
ただし、成形後のセパレータ流路溝30C,40C表面にサンドブラスト加工を行い、数μm程度の深さまでフェノール樹脂のスキン層が除去された。このときセパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)はRa=1.5であった。また、乾燥状態での接触角θdは約80度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約30度である。また本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約50度であった。
However, the surface of the
その結果、実施例1と同様の燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.5V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, at the time of full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.3 A / cm 2 as in Example 1, the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa, and the oxidant The gas side pressure loss was 6 kPa, and the battery output of 3.1 kW or more (72.5 V-43.2 A) was maintained over 8000 hours or more.
また、実施例1と同様の燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、一部のセルにおいて数分から数十分おきに電圧振動が発生した。電圧振動幅は約100mVであった。そこで、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させるべく、還元剤ガス側圧録損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を引き上げて、電圧振動発生が解消される限界条件、すなわち限界低圧力損失を検証したところ、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは、2.8kPaであった。また、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは、2.6kPaであった。 Also, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 as in Example 1, voltage oscillations occur every few minutes to several tens of minutes in some cells. did. The voltage oscillation width was about 100 mV. Therefore, in order to reduce the fuel utilization efficiency and the oxygen utilization efficiency, the reductant gas side pressure loss or the oxidant gas side pressure loss was raised to verify the limit condition that eliminates voltage oscillation, that is, the limit low pressure loss. The reducing gas side limit low pressure loss Pa was 2.8 kPa. Further, the oxidant gas side critical low pressure loss Pc was 2.6 kPa.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2にかかるPEFC200は、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の表面処理の相違を除いて、実施の形態1と同じである。
すなわち、実施の形態1と同様にしてセパレータ15、20が成形される。そして、セパレータ流路溝30C,40C表面に段階式ブラスト加工が行われている。ここで、段階式ブラスト加工とは、先のブラスト加工よりも後のブラスト加工の方がブラスト加工に用いられる粒子の粒径が小さくなって行われる、複数次のブラスト加工をいう。例えば、最初は、比較的大きいアルミナ粒子によってウェットブラストが行われ、続いて逐次、粒径を小さくしたアルミナ粒子によってウェットブラスト加工が数回行われている。なお、気体をキャリアとするサンドブラスト方法では細かいアルミナ粒子を用いてブラストするには不向きであることから、液体をキャリアとするウェットブラスト方法が用いられている。ここでは、ウェットブラスト洗浄装置(マコー株式会社製)が用いられている。
(Embodiment 2)
The
That is,
この段階式ブラスト加工の加減により、セパレータ流路溝30C,40C表面のセパレータ滴転落角αが調整される。ここでは、セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)RaがRa=3乃至7の範囲内になるよう段階式ブラスト加工が施されることによって、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが25度以下に調整される。このような効果が出現する理由は解明されていないが、発明者らの推察では、段階式ブラスト加工によって、セパレータ流路溝30C,40C表面において、微細な凹凸の上により微細な凹凸が形成され、すなわち、複次凹凸構造が形成される。この復次凹凸構造によって大きな比表面積が形成され、この比表面積の増大が水滴転落角αの減少、つまり、水滴転落角αの改善に繋がっているものと推察される。
By adjusting the step-type blasting, the separator drop falling angle α on the surface of the
なお、表面粗さ(中心線平均粗さ)Raと水滴転落角αとはこのような相関関係にあるが、具体的な相関関係は少なくともセパレータの材質によって異なる。 The surface roughness (centerline average roughness) Ra and the water drop falling angle α have such a correlation, but the specific correlation varies depending on at least the material of the separator.
(実施例2)
実施例2として、実施の形態2に係るPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。セパレータ15、20はセパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)がRa=3.7となるまで段階式ブラスト加工が行われた(図9の実施例2−3に該当)。本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αは25度であった。
(Example 2)
As Example 2, the same operation test as Example 1 was performed using
燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.3V−43.2A)の電池出力が維持された。 At full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa, and the oxidant gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or more (72.3V-43.2A) was maintained over 8000 hours or more.
また、実施例1と同様の燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 as in Example 1, voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable.
次に、実施例1と同様にして、電流密度を0.06A/cm2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率80%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率55%より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率80%、酸素利用率55%、電流密度0.06A/cm2の条件時における、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.4kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.3kPaであった。
Next, a critical low output test was performed in the same manner as in Example 1 while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 . As a result, in the reducing agent gas, generation of voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 80%. In the oxidant gas, generation of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 55%. The reducing agent gas side critical low pressure loss Pa under the conditions of
また、段階式ブラスト加工の加減が調整されて、セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)Raが異なるセパレータ15、20を用いて、同様の運転試験を実施した。
Further, the same operation test was performed using
図9は、実施の形態2にかかるセパレータ及びPEFCの特性を表面粗さ(中心線平均粗さ)Raをパラメータにして示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the characteristics of the separator and PEFC according to the second embodiment using the surface roughness (centerline average roughness) Ra as a parameter.
図に示すように、セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)Ra=2.5及び8の場合(実施例2−1及び2−7)には、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αは共に約50度であり、Paは3kPa及び3.5kPa、Pcは2.9kPa及び3kPaであり、部分負荷発電時においては、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させないと電池出力は安定しなかった。
As shown in the figure, when the surface roughness (centerline average roughness) Ra = 2.5 and 8 of the
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3にかかるPEFC200は、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の表面処理の相違を除いて、実施の形態2と同じである。すなわち、実施の形態1と同様にしてセパレータ15、20が成形され、セパレータ流路溝30C,40C表面には、実施の形態2と同様に段階式ブラスト加工が行われている。
(Embodiment 3)
The
そして、段階式ブラスト加工完了後に、プラズマ洗浄装置(株式会社サムコ社製PC−1000)によって酸素プラズマ処理が行われている。酸素プラズマ処理によってもセパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)は実施の形態2とほぼ同じでRa=3.7である。しかし、乾燥状態での接触角θdは約10度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約0度、すなわち測定不能である。また、本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約5度である。つまり、酸素プラズマ処理によって、図9の実施例2−3のセパレータ流路溝30C,40C表面の水滴転落角αが改善されている。
Then, after the staged blasting is completed, oxygen plasma treatment is performed by a plasma cleaning device (PC-1000 manufactured by Samco Co., Ltd.). Even with the oxygen plasma treatment, the surface roughness (centerline average roughness) of the
このような効果が出現する理由は解明されていない。そこで、発明者らがこのセパレータ流路溝30C,40C表面をXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)で分析したところ、カーボン表面には、下記のような化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。
The reason why such an effect appears is not clarified. Therefore, the inventors analyzed the surfaces of the
なお、これらプラズマ処理は、減圧処理をせずに大気圧雰囲気でプラズマを照射する方法でもよい。また、プラズマ処理装置は、電極が平行に対向している平行平板型、あるいは電極が円筒チャンバーの側面に配備されたバレル型のプラズマ処理装置でもよい。 Note that these plasma treatments may be performed by irradiating plasma in an atmospheric pressure atmosphere without performing decompression treatment. Further, the plasma processing apparatus may be a parallel plate type in which electrodes are opposed in parallel, or a barrel type plasma processing apparatus in which electrodes are arranged on the side surface of a cylindrical chamber.
また、親水性官能基を表面に多く有するセパレータ15,20の保存方法に関して説明する。撥水性である空気中の有機物等が親水性官能基に付着することを防止あるいは抑制するために、真空保存することが望ましい。しかしながら、セパレータ15,20の包装方法の違いによって、セパレータ流路溝30C,40C表面の親水性が変化することがわかった。
A method for storing the
図11は、本実施の形態のセパレータの包装方法の違いによるセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θdの比較を示す図である。図に示すように、セパレータ15,20を市販のポリエチレン袋及びアルミホイルでそれぞれ包装して真空保存した。そして、約1時間の真空保存後に双方のセパレータ15,20を取り出してセパレータ流路溝30C,40C表面の接触角θdを3回計測した。ポリエチレン袋で包装した場合には、接触角θdが大きくなり、親水性が減退していることがわかった。他方、アルミホイルで包装した場合には3回行った計測はすべて、10度以下の接触角θdを保っていた。このような効果が出現する理由は解明されていない。しかし発明者らの推察では、セパレータ流路溝30C,40C表面を形成するカーボン成形体が有機物であるため、同じ有機物であるポリエチレン袋等を接触させると表面の親水性官能基が減少するものと考えられる。他方、無機物からなるアルミホイルは有機物であるカーボン成形体とは化学的組成が異なるので、アルミホイルがセパレータ流路溝30C,40C表面に接触しても親水性官能基は減少にないものと考えられる。したがって、親水性官能基をセパレータ流路溝30C,40C表面に多く有するセパレータは無機材料で包装して真空保存する保存方法が好適であると考えられる。
FIG. 11 is a diagram showing a comparison of the contact angle θd in the dry state of the separator channel groove surface due to the difference in the separator packaging method of the present embodiment. As shown in the figure, the
さらに、段階式ブラスト加工と酸素プラズマ処理との相乗効果について説明する。 Further, a synergistic effect between the step-type blasting and the oxygen plasma processing will be described.
図12は、段階式ブラスト加工を行わず、酸素プラズマ処理を施したセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θdの経時変化を示す。図に示すように、酸素プラズマ処理直後の接触角θdは処理直後で40度であり十分な親水性は得られていない。また、5日後には10度以上接触角θdが上昇し、最終的には約80度まで接触角θdが上昇した。 FIG. 12 shows the change with time of the contact angle θd in the dry state of the separator channel groove surface of the separator subjected to the oxygen plasma treatment without performing the step-type blasting. As shown in the figure, the contact angle θd immediately after the oxygen plasma treatment is 40 degrees immediately after the treatment, and sufficient hydrophilicity is not obtained. Further, after 5 days, the contact angle θd increased by 10 degrees or more, and finally the contact angle θd increased to about 80 degrees.
図13は、段階式ブラスト加工と酸素プラズマ処理とを行ったセパレータのセパレータ流路溝表面の乾燥状態での接触角θdの経時変化を示す。図に示すように、酸素プラズマ処理直後の接触角θdは10度以下であり、そしてその効果が30日経過しても持続していた。このような効果が出現する理由は解明されていない。発明者らの推察によれば、段階式ブラスト加工による復次凹凸構造の中にさらに酸素プラズマ処理によるエッチングの効果により更に微細な凹凸が形成され、これらによってセパレータ流路溝30C,40C表面の比表面積は増えている。そして比表面積の大きなセパレータ流路溝30C,40C表面が酸素プラズマ処理されるので、より多くの親水性官能基がセパレータ流路溝30C,40C表面に形成されることになる。この親水性官能基の多さが耐久性のある親水性に寄与しているものと考えられる。
FIG. 13 shows the change over time of the contact angle θd in the dry state of the separator channel groove surface of the separator subjected to the step-type blasting and the oxygen plasma treatment. As shown in the figure, the contact angle θd immediately after the oxygen plasma treatment was 10 degrees or less, and the effect was maintained even after 30 days. The reason why such an effect appears is not clarified. According to the inventors' inference, finer irregularities are formed in the secondary irregularity structure by stepped blasting due to the effect of etching by oxygen plasma treatment, and the ratio of the surface of the
(実施例3)
実施例3として、実施の形態3に係るPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
Example 3
As Example 3, the same operation test as Example 1 was performed using
その結果、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.6V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, during full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, oxygen utilization rate of 50%, and current density of 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa and the oxidizing gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or more (72.6V-43.2A) was maintained over 8000 hours or more.
また、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 , voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable.
次に、実施例1と同様にして、電流密度は0.06A/cm2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率90%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率65%より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率90%、酸素利用率65%、電流密度0.06A/cm2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.1kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.0kPaであった。 Next, a critical low output test was performed in the same manner as in Example 1 while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 . As a result, in the reducing agent gas, voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 90%. In the oxidant gas, the occurrence of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 65%. When the fuel utilization rate is 90%, the oxygen utilization rate is 65%, and the current density is 0.06 A / cm 2 , the reducing agent gas side critical low pressure loss Pa is 2.1 kPa, and the oxidizing gas side critical low pressure loss Pc is 2. It was 0 kPa.
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係るPEFC200は、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の素材及び表面処理の相違を除いて、実施の形態1と同じである。
(Embodiment 4)
The
すなわち、セパレータ15、20は、平均粒径100μmの人造黒鉛粉末79wt%とカーボンブラック5wt%と平均粒径0.5μmの高純度アルミナ粒子2wt%と熱硬化前のフェノール樹脂14wt%とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドはセパレータ15、20の形状を転写した形状の金型に投入され、約180℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてセパレータ15、20が成形されている。
That is, the
そして、セパレータ流路溝30C,40C表面には実施の形態2と同様に段階式ブラスト加工が行われている。セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)はRa=6.5である。
Then, stepped blasting is performed on the surfaces of the
その結果、乾燥状態での接触角θdは約20度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約0度、すなわち測定不能である。本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約10度である。 As a result, the contact angle θd in the dry state is about 20 degrees, and the contact angle θw in the wet state at a temperature of 70 ° C. is about 0 degrees, that is, cannot be measured. According to the separator evaluation method of the present invention, the water drop falling angle α in a wet state at a temperature of 70 ° C. is about 10 degrees.
(実施例4)
実施例4として、実施の形態4に係るPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
(Example 4)
As Example 4, the same operation test as Example 1 was performed using
その結果、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.3V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, during full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, oxygen utilization rate of 50%, and current density of 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa and the oxidizing gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or more (72.3V-43.2A) was maintained over 8000 hours or more.
また、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 , voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable.
次に、電流密度は0.06A/cm2のまま、燃料利用率を75%以上に引き上げて、あるいは酸素利用率を50%以上に引き上げて部分負荷発電を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率85%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率60%より高くなると電圧振動の発生が認められた。 Next, partial load power generation was performed by raising the fuel utilization rate to 75% or more while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 or raising the oxygen utilization rate to 50% or more. As a result, in the reducing agent gas, voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 85%. In the oxidant gas, the occurrence of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 60%.
燃料利用率85%、酸素利用率60%、電流密度0.06A/cm2の条件時、すなわち還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.2kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.1kPaであった。 Under the conditions of a fuel utilization rate of 85%, an oxygen utilization rate of 60%, and a current density of 0.06 A / cm 2 , that is, the reducing agent gas side critical low pressure loss Pa is 2.2 kPa, and the oxidant gas side critical low pressure loss Pc. Was 2.1 kPa.
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5に係るPEFC200は、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の素材及び表面処理の相違を除いて、実施の形態1と同じである。
(Embodiment 5)
The
すなわち、セパレータ15、20は、平均粒径100μmの人造黒鉛粉末79wt%とカーボンブラック5wt%と平均粒径0.5μmの高純度チタン粒子2wt%と熱硬化前のフェノール樹脂14wt%とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ15、20の形状を転写した形状の金型に投入され、約180℃のホットプレスによってフェノール樹脂が硬化されてパレータ15、20に成形されている。
そして、セパレータ流路溝30C,40C表面には実施の形態2と同様に段階式ブラスト加工が行われている。セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)はRa=6.5である。
その結果、乾燥状態での接触角θdは約20度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約0度、すなわち測定不能である。本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約10度である。
That is, the
Then, stepped blasting is performed on the surfaces of the
As a result, the contact angle θd in the dry state is about 20 degrees, and the contact angle θw in the wet state at a temperature of 70 ° C. is about 0 degrees, that is, cannot be measured. According to the separator evaluation method of the present invention, the water drop falling angle α in a wet state at a temperature of 70 ° C. is about 10 degrees.
(実施例5)
実施例5として、実施の形態5に係るPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
(Example 5)
As Example 5, the same operation test as Example 1 was performed using
その結果、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の条件時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.3V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, when the fuel utilization rate is 75%, the oxygen utilization rate is 50%, and the current density is 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa and the oxidant gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or higher (72.3 V-43.2 A) was maintained for 8000 hours or longer.
また、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 , voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable.
次に、実施例1と同様にして、電流密度は0.06A/cm2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率85%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率60%より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率85%、酸素利用率60%、電流密度0.06A/cm2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.2kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.1kPaであった。 Next, a critical low output test was performed in the same manner as in Example 1 while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 . As a result, in the reducing agent gas, voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 85%. In the oxidant gas, the occurrence of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 60%. When the fuel utilization rate is 85%, the oxygen utilization rate is 60%, and the current density is 0.06 A / cm 2 , the reducing agent gas side critical low pressure loss Pa is 2.2 kPa, and the oxidizing gas side critical low pressure loss Pc is 2. 1 kPa.
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6に係るPEFC200は、カソードセパレータ15及びアノードセパレータ20の素材の相違を除いて、実施の形態1と同じである。
すなわち、セパレータ15、20は、平均粒径100μmの人造黒鉛粉末79wt%とカーボンブラック5wt%とPTFE粉末2wt%と熱硬化前のエポキシ樹脂14wt%とが混合されたコンパウンドが用いられている。このコンパウンドがセパレータ15、20の形状を転写した形状の金型に投入され、約180℃のホットプレスによってエポキシ樹脂が硬化されてセパレータ15、20が成形されている。
(Embodiment 6)
The
That is, the
このようにして成形されたセパレータ流路溝30C,40C表面は無処理のまま、すなわちエポキシ樹脂のスキン層を残置させたままにされている。セパレータ流路溝30C,40C表面の表面粗さ(中心線平均粗さ)は、Ra=0.8である。また、乾燥状態での接触角θdは約110度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約100度である。本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約20度である。
The surfaces of the
(実施例6)
実施例6として、実施の形態6に係るPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
(Example 6)
As Example 6, the same operation test as Example 1 was performed using PEFC200 according to the sixth embodiment.
その結果、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.3V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, during full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, oxygen utilization rate of 50%, and current density of 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa and the oxidizing gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or more (72.3V-43.2A) was maintained over 8000 hours or more.
また、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、電圧振動は発生せず電池出力は安定して推移した。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.06 A / cm 2 , voltage oscillation did not occur and the battery output remained stable.
次に、実施例1と同様にして、電流密度は0.06A/cm2に維持しながら、限界低出力試験を行った。この結果、還元剤ガスにおいては燃料利用率80%より高くなると電圧振動の発生が認められた。また、酸化剤ガスにおいては酸素利用率55%より高くなると電圧振動の発生が認められた。燃料利用率80%、酸素利用率55%、電流密度0.06A/cm2における、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.3kPaであり、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは2.2kPaであった。 Next, a critical low output test was performed in the same manner as in Example 1 while maintaining the current density at 0.06 A / cm 2 . As a result, in the reducing agent gas, generation of voltage oscillation was observed when the fuel utilization rate was higher than 80%. In the oxidant gas, generation of voltage oscillation was observed when the oxygen utilization rate was higher than 55%. When the fuel utilization rate is 80%, the oxygen utilization rate is 55%, and the current density is 0.06 A / cm 2 , the reducing agent gas side critical low pressure loss Pa is 2.3 kPa, and the oxidant gas side critical low pressure loss Pc is 2. It was 2 kPa.
(比較例2)
比較例2として、実施の形態6と同型のPEFC200を用いて実施例1と同じ運転試験を行った。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, the same operation test as in Example 1 was performed using PEFC200 of the same type as in the sixth embodiment.
ただし、成形後のセパレータ流路溝30C,40C表面には実施の形態2と同様に段階式ブラスト加工が行われた。セパレータ流路溝30C,40Cの表面粗さ(中心線平均粗さ)はRa=6.3であった。また、乾燥状態での接触角θdは約110度であり、70℃の温度における湿潤状態での接触角θwは約100度である。本発明のセパレータの評価方法によると、70℃の温度における湿潤状態での水滴転落角αは約50度であった。
However, stepped blasting was performed on the surfaces of the molded
その結果、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.3A/cm2の全負荷発電時では、還元剤ガス側圧力損失が約7kPaであり、酸化剤ガス側圧力損失が6kPaであり、8000時間以上にわたって3.1kW以上(72.3V−43.2A)の電池出力が維持された。 As a result, during full load power generation with a fuel utilization rate of 75%, oxygen utilization rate of 50%, and current density of 0.3 A / cm 2 , the reducing agent gas side pressure loss is about 7 kPa and the oxidizing gas side pressure loss is 6 kPa. The battery output of 3.1 kW or more (72.3V-43.2A) was maintained over 8000 hours or more.
また、燃料利用率75%、酸素利用率50%、電流密度0.06A/cm2の部分負荷発電時には、一部のセルにおいて数分から数十分おきに電圧振動が発生した。電圧振動幅は約70mVであった。そこで、燃料利用効率及び酸素利用効率を低下させるべく、還元剤ガス側圧力損失あるいは酸化剤ガス側圧力損失を引き上げて、電圧振動発生が解消される限界条件、すなわち限界低圧力損失を検証したところ、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは、2.7kPaであった。また、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは、2.5kPaであった。 Further, during partial load power generation with a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 50% and a current density of 0.06 A / cm 2 , voltage oscillations occurred every few minutes to several tens of minutes in some cells. The voltage oscillation width was about 70 mV. Therefore, in order to reduce the fuel utilization efficiency and the oxygen utilization efficiency, the reducing agent gas side pressure loss or the oxidant gas side pressure loss is raised to verify the limit condition that eliminates the occurrence of voltage oscillation, that is, the limit low pressure loss. The reducing gas side limit low pressure loss Pa was 2.7 kPa. Further, the oxidant gas side critical low pressure loss Pc was 2.5 kPa.
ここで、以上の実施例及び比較例の結果をまとめて説明する。 Here, the results of the above examples and comparative examples will be described together.
図10は、実施例1〜6及び比較例1,2のセパレータ及びPEFCの特性を示す図である。部分負荷発電時において、全負荷発電定格出力時と同等の燃料利用効率及び酸素利用効率を維持するには、還元剤ガス側限界低圧力損失Paは2.5kPa以下、酸化剤ガス側限界低圧力損失Pcは、2.3kPa以下となる必要がある。かかる条件を満たすのは、図に示すように、本発明のセパレータの評価方法による水滴転落角αが5度から25度の範囲にある。 FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of the separators and PEFCs of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. In partial load power generation, in order to maintain the fuel utilization efficiency and oxygen utilization efficiency equivalent to those at full load power generation rated output, the reductant gas side critical low pressure loss Pa is 2.5 kPa or less, the oxidant gas side critical low pressure. The loss Pc needs to be 2.3 kPa or less. As shown in the figure, this condition satisfies the water drop falling angle α by the separator evaluation method of the present invention in the range of 5 to 25 degrees.
他方で、セパレータ15,20つまり、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する材質のセパレータにおいては、セパレータ流路溝30C,40Cの形状に関わらず、表面粗さ(中心線平均粗さ)RaがRa=4.0μm以下である場合には、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減できていることが確認された。
On the other hand, in the
また、実施の形態3において説明したように、セパレータ15,20つまり、電導性炭素と電導性炭素を固めるバインダーとを含有する材質のセパレータの水滴転落角αの改善手段としては酸素プラズマ処理が有効である。ここで、Ra=1.5以上の表面の場合には、酸素プラズマ処理による水滴転落角αの有意な改善をより十分に得ることができる。これは、Ra=1.5μm以上であると、表面の粗さ、つまり微細な凹凸が十分に形成されているので、酸素プラズマ処理により官能基を十分に形成することができていることが要因と推察される。したがって、セパレータ流路溝30C,40C表面はRa=1.5μm以上であることが望ましい。
Further, as described in the third embodiment, the oxygen plasma treatment is effective as a means for improving the water droplet falling angle α of the
まとめると、セパレータ流路溝30C,40C表面は中心線平均粗さが1.5以上4.0μm以下であると、セパレータ15,20を実用化レベルの大きさにコンパクト化することが容易であり、実際に製造されるガス流路の大きさの設計値からのずれを十分に低減することができ、かつ酸素プラズマ処理によって水滴転落角αの改善を十分に図ることができる。したがって、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れるPEFC用セパレータとして好適である。
In summary, if the center line average roughness of the
また、微細な凸部間のピッチが略5μm以下である表面とするとセパレータ流路溝30C,40C表面に結露した水がいわゆるアンカー効果で引っかかり、圧損が大きく振動する現象をより十分に防止することができる。したがって、セパレータ流路溝30C,40C表面は微細な凸部間のピッチが略5μm以下であると、反応ガスの供給圧力の損失が低い条件においても、反応ガスの供給圧損の振動を抑制することができるので、PEFC100の発電出力の振動を抑制することができる。
Further, when the surface between the fine protrusions is about 5 μm or less, water condensed on the surface of the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において当業者はいろいろな改良や代替手段を用いることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art can use various improvements and alternative means within the scope of the present invention.
本発明は、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータとして、供給ガスの圧力損失が低い条件においてもフラッディング現象の発生を十分に抑制できる信頼性に優れた高分子電解質形燃料電池として、結露水の排出性を的確に評価することができる高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法として、及び、供給ガスの圧力損失が低い条件においても結露水の排出性に優れた表面を有する高分子電解質形燃料電池用セパレータを容易かつ確実に製造する高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法として有用である。 The present invention is a polymer electrolyte fuel cell separator having a surface with excellent dew condensation water discharge performance even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low, so that flooding can occur even under conditions where the pressure loss of the supply gas is low. As a highly reliable polymer electrolyte fuel cell that can be sufficiently suppressed, as a method for evaluating a separator for a polymer electrolyte fuel cell that can accurately evaluate the discharge of condensed water, and pressure loss of the supply gas Therefore, it is useful as a method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator that can easily and reliably produce a separator for a polymer electrolyte fuel cell having a surface excellent in the ability to discharge condensed water even under low conditions.
1 高分子電解質膜
2 酸化剤ガス側電極触媒層
3 還元剤ガス側電極触媒層
4 酸化剤ガス側拡散電極層
5 還元剤ガス側拡散電極層
10 MEA
15 カソードセパレータ
20 アノードセパレータ
30 酸化剤ガス流路
30A 酸化剤ガス供給マニフォルド孔
30B 酸化剤ガス排出マニフォルド孔
30C 酸化剤ガス流路溝(セパレータ流路溝)
30D 酸化剤ガス供給マニフォルド
30E 酸化剤ガス排出マニフォルド
40 還元剤流路
40A 還元剤ガス供給マニフォルド孔
40B 還元剤ガス排出マニフォルド孔
40C 還元剤ガス流路溝(セパレータ流路溝)
40D 還元剤ガス供給マニフォルド
40E 還元剤ガス排出マニフォルド
41 集電板
41A 電気端子
42 絶縁板
43 端板
45 冷却剤流路
45A 冷却剤供給マニフォルド孔
45B 冷却剤排出マニフォルド孔
45C 冷却剤流路溝
45D 冷却剤供給マニフォルド
45E 冷却剤排出マニフォルド
50 ガスシール部材
100 セル
200 高分子電解質形燃料電池(PEFC)
300 計測対象
310 水滴
θd 乾燥状態での接触角
θw 70℃の温度における湿潤状態での接触角
θa 前進接触角
θr 後退接触角
α 水滴転落角
Pa 還元剤ガス側限界低圧力損失
Pc 酸化剤ガス側限界低圧力損失
DESCRIPTION OF
15
30D Oxidant
40D Reductant
300
Claims (11)
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で50μL以上80μL以下の水滴を滴下した場合に5度以上25度以下となっている、高分子電解質形燃料電池用セパレータ。 Containing a conductive carbon and a binder that hardens the conductive carbon, a reaction gas flow path is formed on at least one main surface,
The water droplet falling angle on the surface of the reaction gas channel is 50 μL or more and 80 μL or less under the conditions of an atmospheric temperature in the range of 50 ° C. or higher and 90 ° C. or lower and an atmospheric humidity in the range of 70% or higher and 100% or lower relative humidity. A separator for a polymer electrolyte fuel cell, which has a temperature of 5 degrees or more and 25 degrees or less when a water droplet is dropped.
前記反応ガス流路の表面の水滴転落角が、50℃以上90℃以下の範囲内の雰囲気温度、かつ相対湿度70%以上100%以下の範囲内の雰囲気湿度の条件下で50μL以上80μL以下の水滴を滴下した場合に5度以上25度以下となるように形成する、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法。 A method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a conductive carbon and a binder that solidifies the conductive carbon, wherein a reaction gas channel is formed on at least one main surface,
The water droplet falling angle on the surface of the reaction gas channel is 50 μL or more and 80 μL or less under the conditions of an atmospheric temperature in the range of 50 ° C. or higher and 90 ° C. or lower and an atmospheric humidity in the range of 70% or higher and 100% or lower relative humidity. A method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell, which is formed so as to be 5 degrees or more and 25 degrees or less when a water droplet is dropped.
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