JP5389767B2 - 燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより電気を供給するものであり、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるＮＯｘ及びＳＯｘ並びに地球温暖化の原因となるＣＯ_２の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。

燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離し、ガスが均等に電極に行き渡るように工夫された流路構造を持つとともに、発電に伴う反応熱を除去するための冷却用流路を持つ。燃料電池用セパレータには、反応ガス用流路を持つセパレータと冷却用流路を持つセパレータとがある。これらのセパレータは、通常、それぞれ別途に作製されるが、近年、ガス流路に多孔質部材を設置し、反応ガスと共に冷却水を混在させた混相流を流路に流し、一つの流路で電極への反応ガス供給と反応熱の排出とを行うセパレータが開発されている。

反応熱の排出には、比表面積が大きい多孔質材料を用い、混入した冷却水の気化熱を利用することが効果的であり、少ない冷却水の混入で必要な冷却を実現できるため、発電効率を高めることができる。しかしながら、気化熱による冷却は、著しい冷却効果が得られる反面、流れが偏ると冷却斑が生じ、冷却効率が低下するばかりか、電極部分を冷却水が覆い、反応ガスが電極に供給できなくなるという不具合が生じる。

したがって、多孔質部材を設置した流路では、冷却水が均等に流れる仕組みが必要になる。

ガス流路に多孔質部材を設置し、反応ガスと冷却水との混相の流れ制御を撥水・親水処理で行う従来技術としては、次のものがある。

特許文献１には、複数の反応ガス排出連通孔の開口に対応する複数の反応ガス排出部位のうち一部の反応ガス排出部位を含む反応ガス流路閉塞抑制部位を備え、この反応ガス流路閉塞抑制部位の撥水性を高くした燃料電池が開示されている。

特許文献２には、ガス流路の、ガス流れ方向に対し略垂直方向の断面積が、当該ガス流路の上流から下流に向けて小さくなるよう構成した燃料電池が開示されている。

特許文献３には、親水性領域と疎水性領域とが一体化された輸送要素を有し、親水性領域と疎水性領域とが交互に配置された縞模様をなし、親水性領域は、水の輸送をすることができ、疎水性領域は、空気を通過させることができるようにした燃料電池が開示されている。

特許文献４には、吸水層及び酸素供給層を有し、吸水層を構成する材料の親水性が酸素供給層の材料の親水性よりも高い燃料電池セルが開示されている。

特開２００７−３２８９７５号公報 特開２００６−１３４５８２号公報 特表２００９−５３８５０９号公報 特開２００７−２３４５９０号公報

上記の従来技術における撥水・親水処理による多孔質流路の混相流の制御は、出口部における液水による閉塞防止、電極部におけるフラッディング防止、反応ガスチャネルと液水チャネルの分離による物質輸送に関するものであり、反応ガス流れ及び液水流れの均一性を実現する点で改善の余地がある。

本発明の目的は、ガス流路に多孔質部材を設置した燃料電池用セパレータにおいて、流路中の反応ガスと冷却水とを混在させた混相流を制御し、多孔質流路中の冷却水を均等に流すことにある。

本発明の燃料電池用セパレータは、凸部を有する金属基板と、前記凸部で仕切られた複数の流路に設けた多孔質部材とを含み、前記多孔質部材における流れ方向に垂直な断面の中央部に親水部を有し、前記断面のうち前記流路の壁面に接する部位の少なくとも一部に撥水部を有することを特徴とする。

本発明によれば、ガス流路に多孔質部材を設置した燃料電池用セパレータにおいて、流路中の反応ガスと冷却水とを混在させた混相流を一様な流れとすることができる。

プレス成型により作製した金属セパレータを示す正面図である。 実施例の燃料電池用セパレータを示す正面図である。 実施例の多孔質部材を示す斜視図である。 図２Ｂの多孔質部材を示す断面図である。 シミュレーションに用いた多孔質部材の形状モデルを示す斜視図である。 シミュレーションに用いた多孔質流路モデルを示す斜視図である。 シミュレーションによる解析結果の一例を示す上面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 シミュレーションによる解析結果を分析するためのグラフである。 解析条件である撥水処理領域の割合を示す断面図である。 シミュレーションによる解析結果を分析して比較するためのグラフである。 実施例の燃料電池用セパレータを示す正面図である。 実施例の多孔質部材を示す斜視図である。 実施例の多孔質部材を示す断面図である。 実施例の多孔質部材の撥水処理領域の構成を示す斜視図である。 実施例の多孔質部材の撥水処理領域の構成を示す断面図である。 実施例の多孔質部材の撥水処理領域の構成を示す斜視図である。 実施例の多孔質部材の撥水処理領域の構成を示す断面図である。 実施例の燃料極側セパレータを示す正面図である。 実施例のガスケットを示す正面図である。 実施例の膜・電極接合体を示す正面図である。 実施例のガスケットを示す正面図である。 実施例の空気極側セパレータを示す正面図である。 実施例の燃料電池セルを示す上面図である。

本発明の燃料電池は、定置用電源および移動体用電源として有用である。

一般に、多孔質部材は、気孔径や細孔分布などの属性があり、これらを調整することにより反応ガスと冷却水とを混在させた混相流を制御することができると考える。しかし、気孔径や細孔分布と混相流との関係を明らかにし、冷却水の流れが均一になるように多孔質部材の気孔径や細孔分布を調整し、作製することは困難である。また、多孔質部材は、機械加工が難しく、溝などを掘る、又は、異なる気孔径や細孔分布の多孔質部材を張り合わせることも困難である。

そこで、多孔質部材にテフロン（登録商標）コーティングやプラズマ処理などの撥水処理又は親水処理を施し、反応ガスと冷却水とを混在させた混相流の流れ制御を検討することにした。本手法によれば、気孔径や細孔分布の調整、又は機械加工を必要とせず、多孔質流路における混相流の流れを容易に制御することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池について説明する。

前記燃料電池用セパレータは、凸部を有する金属基板と、凸部で仕切られた複数の流路に設けた多孔質部材とを含み、多孔質部材における流れ方向に垂直な断面の中央部に親水部を有し、前記断面のうち前記流路の壁面に接する部位の少なくとも一部に撥水部を有する。

前記燃料電池用セパレータにおいて、撥水部は、体積比率で多孔質部材の４０％以下を占める領域であり、前記断面の幅をｂとした場合、撥水部は、幅方向の両端部に分けて設けられ、両端部における撥水部の幅はそれぞれ０．２×ｂ以下であることが望ましい。

前記燃料電池用セパレータにおいて、撥水部は、体積比率で多孔質部材の４０％以下を占める領域であり、流れ方向の下流側に向かって撥水部の体積比率が一定となるように、又は増加若しくは減少するように配置されている。

前記燃料電池用セパレータにおいては、前記断面の高さが前記流路の深さ以下である。

前記燃料電池は、燃料極、酸素極及び固体高分子電解質膜を含み燃料極と酸素極との間に固体高分子電解質膜挟持した構成を有する膜・電極接合体と、燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し燃料極と電気的に接続された燃料極セパレータと、酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し酸素極と電気的に接続された酸素極セパレータとを含む燃料電池であって、燃料極セパレータ又は酸素極セパレータとして前記燃料電池用セパレータを用いている。

以下、実施例について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池用セパレータの基板である金属セパレータを示す正面図である。

燃料電池用セパレータは、反応ガスが電極に均等に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、また、電極で発電に伴う反応熱を排出するための冷却水用流路を持つ。通常の燃料電池用セパレータは、反応ガス用流路及び冷却水用流路を、それぞれ、別々に作製されるが、本図に示す金属セパレータ１００を用いた燃料電池用セパレータは、反応ガスの供給及び冷却水の供給を一つの流路で実現するものである。

金属セパレータ１００は、プレス成型によって作製されている。

本図において、金属セパレータ１００（金属基板）は、流量制御部１０１、１０２、リブ２２１等で形成された凸部を有する。凸部を除けば、金属セパレータ１００は、平板状である。

流量制御部１０１、１０２は、流路全域にガスが均等に流れるようにガス流を振り分けるために複数の流路を構成する凸部である。リブ２２１によって形成された反応ガス／冷却水供給路１０３には、多孔質部材を埋め込むことができるようになっている。

また、金属セパレータ１００は、反応ガス／冷却水供給路１０３と、ガスが注入される入口マニフォールド１０５と、ガスが排出される出口マニフォールド１０６とを有する。

金属セパレータ１００は、例えば、幅１００ｍｍ、長さ１８０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの金属基板をプレス加工して、高さ０．３ｍｍ、幅０．２５ｍｍの凸状のリブ２２１を形成し、流路形状を形成した後、反応ガスや冷却水が出入りするための出入口（入口マニフォールド１０５及び出口マニフォールド１０６）を打ち抜いて作製したものである。プレス成形で作製された反応ガス／冷却水供給路１０３は、長さ１２０ｍｍ、幅０．４５ｍｍ、高さ（深さ）０．３ｍｍの直線流路１３本で構成されている。

図２Ａは、実施例の燃料電池用セパレータを示す正面図である。

本図において、燃料電池用セパレータ２００は、図１の金属セパレータ１００に設けた反応ガス／冷却水供給路１０３に、長さ１２０ｍｍ、幅０．４５ｍｍ、高さ０．３ｍｍの多孔質部材２０３を１５本設置したものである。

本実施例においては、反応ガス／冷却水供給路１０３の高さ（深さ）と多孔質部材２０３の高さとを等しくしてある。

図２Ｂは、実施例の燃料電池用セパレータを構成する１本の多孔質部材を示す斜視図である。図２Ｃは、図２Ｂの多孔質部材の内部構造を示す断面図である。

図２Ｃにおいて、多孔質部材２０３は、撥水部２１１及び親水部２１２で構成されている。本実施例においては、親水部２１２の周囲に撥水部２１１を設けたものである。すなわち、多孔質部材２０３の環状流路が撥水部２１１となっている。この多孔質部材２０３は、反応ガス／冷却水供給路１０３に設置した場合にリブ２２１等のガス流路壁面と接する部位の撥水性を高くしたものである。

ここで、撥水部は、部材（多孔質部材）の表面における水の接触角を９０°より大きくしたものであり、親水部は、部材（多孔質部材）の表面における水の接触角を９０°より小さくしたものである。本シミュレーションでは、解析条件に、撥水部壁面を接触角１５０°以上である超撥水を想定し、親水部壁面を接触角０°である超親水を想定して値を設定した。 次に、多孔質部材２０３における反応ガス及び冷却水の混相流についてシミュレーションによる解析を行い、流量分布を算出した結果を示す。

図３は、多孔質部材の形状を３次元でモデル化したものである。

この３次元形状モデルは、ソリッドワークスを用いて作成した。

多孔質部材の３次元形状モデルは、０．６ｍｍの気孔径を採用し、気孔と気孔との中心間距離が０．５ｍｍになるように気孔を格子状に配列して作成したものである。多孔質部材の気孔率は７３％である。気孔径や配列を変えることにより、様々な多孔質３次元形状モデルが作成可能であり、実際に用いる多孔質部材に合わせて多孔質３次元形状モデルを作製することができる。

図４は、図３の多孔質３次元形状モデルを用いて作成した多孔質流路の３次元形状モデルであり、同じくソリッドワークスを用いて作成したものである。

多孔質流路の３次元形状モデルは、図３でモデル化された多孔質部材を長さ１１．５ｍｍ、幅４．５ｍｍ、深さ１．０ｍｍの流路の配置した場合であり、反応ガス及び冷却水が流れる領域を示している。

次に、図４の多孔質流路の３次元形状モデルに基づいて３次元メッシュを作製した。３次元メッシュの作製には、アイセムＣＦＤ（有限会社アイセム・シーエフディー・ジャパン製）を用いた。シミュレーションによる反応ガス及び冷却水の混相流の流れ解析は、この３次元メッシュを用いて実施した。

図５は、シミュレーションによる混相流の流れ解析の解析結果の一例を示すものである。

多孔質流路における反応ガス及び冷却水の混相流の流れ解析には、３次元流体シミュレータであるＳＴＡＲ−ＣＤを用いて実施した。解析条件としては、図４に示す気孔径０．６ｍｍの気孔を格子状に配列し、長さ１１．５ｍｍ、幅４．５ｍｍ、深さ１．０ｍｍの流路に設置した多孔質流路を用いた。

入口条件は、反応ガスとして標準状態の空気を用い、冷却水として標準状態の水を用いた。空気と水との体積比が７対３となるように混相流を多孔質流路端面から均等に流速１ｍ／ｓで注入した。出口条件は、入口と対向する多孔質流路端面から混相流を大気中に自然放出させた。また、多孔質流路の壁面条件としては、壁面が親水処理されていることを仮定した。

本図の解析結果は、水の体積分率を示すグレースケール５０２に基づいて、流路内の水の分布を示すものである。

本図の解析結果を見ると、空気及び水の混相流が、左端面の入口部から流れ込み、右端面の出口部から排出されるまでに、多孔質流路領域５０１の流路入口付近（図中左端）においては、空気と水とが均等に混じり合った混相流であるが、下流に向かうに従い、気相と液相とが分離し、それぞれ異なる流れ（不均一な流れ）になることがわかる。

また、図６は、流路中央部Ａ−Ａで示した流れ方向に垂直な流路断面における水の分布を示したものである。

本図から、流路壁面に水が多く分布し、流路中心部には水が少なくなっている事が分かる。すなわち、空気及び水の混相流は、下流に向かうほど気相と液相とが分離して別々の流れになり、流路壁面に液相が流路中央に気相が偏って流れる傾向がうかがわれる。

この結果は、空気と水とでは、密度や粘度が異なり、水滴同士が結合して更に大きい水滴を形成しようとする作用や、流路壁面との作用が関わり、もともと空気と水との流れ特性が異なるために引き起こされる現象だと考えられる。

従って、多孔質流路に反応ガス及び冷却水の混相流を流す方式においては、気相及び液相の流れが分離し、流路壁面に水が溜まりやすく流路中央部に反応ガスが流れやすくなり、それぞれ偏った流れとなるため、流路の両端では反応ガスが流れにくく、反応ガスを電極に十分に供給できないおそれがある。一方、流路壁面に水が集まりやすいことから、流路中央部に十分な冷却水が供給できず反応熱の排出が不十分となり、冷却斑を引き起こす可能性がある。

次に、多孔質流路内で水がどのように偏って分布するのかを図５の解析結果を基に分析した。分析は、図５の多孔質流路領域５０１において多孔質部材が配置されている領域を、図５に示すように、流路幅方向（Ｙ軸方向）に９分割、流路流れ方向（Ｘ軸方向）に１９分割し、１７１個の要素に区切り、要素ごとに水の体積分率を体積加重平均により求め、次に、多孔質流路を流路幅方向（Ｙ軸方向）に９分割した分割流路Ｙ１〜Ｙ９について、１７１要素の水の体積分率を体積加重平均値から分割流路ごとの水の体積分率を算出することにより行った。

分析結果の一例を図７に示す。

本図に示すグラフは、横軸に、分割流路Ｙ１〜Ｙ９を、縦軸に各分割流路に対応する水の体積分率をまとめたものである。このグラフから、水は、流路の両端であるＹ１およびＹ９に溜まりやすく、流路の中央部では水が少なくなっている事が分かる。

この結果からも、気相及び液相の流れが分離し、流路壁面に水が溜まりやすく、流路中央部に反応ガスが流れやすくなることがわかる。また、流路幅ｂ、流路高さｈとした場合、ｂがｈに比べて大きい場合には、流路幅方向に水が移動し、流路の両端に水が多く存在する傾向にあることがわかる。

そこで、本発明においては、流路に配置する多孔質部材の流路の両端部（リブに接する部位）にあたる領域に撥水処理を施し、撥水処理した壁面が溜った水を弾いて、流路中央部へ押し出す作用を利用し、気相と液相との流れが流路内を均一に流れるように工夫した。

気相及び液相の流れが流路内を均一に流れるように、撥水処理を実施する多孔質部材の壁面領域をどのように決めるかを、シミュレーションを用いた解析結果から、以下に述べる手順で決定した。

シミュレーションによる多孔質流路における反応ガス及び冷却水の混相流解析を表１に示す解析条件で実施した。

本表において、多孔質流路の形状、入力条件および出口条件は、空気と水との体積比率が９：１であること、そして、次に述べる多孔質流路の壁面条件に関する項目以外は、図５の解析の場合と同じ条件でシミュレーションを実施した。

多孔質流路の壁面条件について述べる。

本シミュレーションは、多孔質部材に撥水処理をどのように実施すれば、反応ガス及び冷却水が均一に流路内を流れるのかを調べるのが目的である。

ところで、図７の分析結果で述べたように、流路幅ｂ、流路高さｈとした場合、ｂがｈに比べて大きくなると、流路幅方向に水が移動し、流路の両端に水が多く存在することから、高さ方向の撥水処理による効果より、幅方向の撥水処理による効果の方が大きいと考えられる。多孔質部材２０３は、流れ方向に垂直に断面を取った場合、幅４．５ｍｍ、厚さ（高さ）１．０ｍｍとなるため、４．５＞１．０となり、幅方向により冷却水が向かうと考えられるから、流路幅の両端領域に対して撥水処理をすることにした。

多孔質材壁面の撥水処理条件を図８に示す。

本図においては、比較のために、ａ）多孔質材壁面を全面親水処理した場合、及び、ｂ）全面撥水処理した場合も取り上げた。そして、流路幅の両端領域に撥水処理する場合として、ｃ）流路両サイドにそれぞれ１０％の撥水処理領域９０１を構成し、多孔質部材の体積に占める割合が合計で２０％になる場合、及び、ｄ）流路両サイドにそれぞれ２０％の撥水処理領域９０２を構成し、合計の多孔質部材の体積に占める割合が合計で４０％になる場合を含めて４ケースについて、シミュレーションによる混相流解析を実施した。

解析結果を図９に示す。

多孔質材壁面の撥水処理条件ごとに、図７で説明した分析方法を用いて、分割流路ごとの水の体積分率をグラフにまとめた。グラフ中、σの値は、水の体積分率の平均値からのバラつきの大きさを示す分散の推定値であり、数値が小さい程、水が均一に分布していると考えられる。

本解析の結果、水が最も均一に分布していると考えられるのは、上記ｃ）の流路両サイドにそれぞれ１０％の撥水処理領域を設定した場合であった。

以上のシミュレーションの解析結果に基づいて作製した燃料電池用セパレータを図１０Ａ〜１０Ｃに示す。

図１０Ａの燃料電池用セパレータ２００においては、金属基板（金属セパレータ１００）にステンレス鋼ＳＵＳ３１６の薄板を用い、多孔質部材１００３にニッケル製発泡金属を用いている。ニッケル製発泡金属の気孔径は０．２ｍｍであり、気孔率は９５％のである。

図１０Ｂは、本実施例の燃料電池用セパレータを構成する１本の多孔質部材を示す斜視図である。図１０Ｃは、図１０Ｂの多孔質部材の内部構造を示す断面図である。

図１０Ｃにおいて、多孔質部材１００３は、撥水部１１０１及び親水部１１０２で構成されている。本実施例においては、親水部１１０２の周囲に撥水部１１０１を設けたものである。

多孔質部材１００３を長さ１２０ｍｍ、幅１．３５ｍｍ、高さ０．３ｍｍとした場合、流路壁面に接する両サイド近傍で、撥水処理領域（撥水部１１０１）の体積比率を合計で２０％とするには、撥水処理領域を、それぞれ、壁面から０．０４５ｍｍの領域に設定する。撥水処理は、多孔質部材の撥水処理領域を、例えばフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン工業株式会社製Ｄ１）に浸し、乾燥後３００℃で１０分間熱処理して行う。

ここで、多孔質部材１００３には、アルミニウム発泡体、ステンレススチールフォーム、ニッケル発泡体などがあり、空孔率が８０％以上、空孔径が０．１ｍｍ以上であることが好ましい。具体的な材料としては、発泡金属、ステンレスウールなどが好ましい。また、撥水処理としては、テフロン（登録商標）などの撥水化処理部材の塗工、インクジェット印刷、スクリーン印刷、マスキングなどのパターニングプロセスを採用することができる。

以下、他の実施例について説明する。

注入する流速や、反応ガスと冷却水との体積比率などにより、シミュレーションの解析に基づいて適切な構成を選ぶことができる。

図１１Ａ及び１１Ｂは、他の実施例の多孔質部材の撥水処理領域（撥水部）の構成を示す斜視図及び断面図である。

これらの図において、多孔質部材１１０３は、撥水処理領域（撥水部１２０１）及び親水部１２０２で構成されている。

図１１Ａに示すように、混相流の入口側（図中左側）から出口側に向かって撥水部１２０１の断面積が大きくなるとともに、親水部１２０２の断面積が小さくなるように構成してある。また、図１１Ｂに示すように、撥水部１２０１の断面形状は、凹部を有する五角形状であり、親水部１２０２の断面形状は、凸部を有する五角形状である。

図１１Ｃ及び１１Ｄは、更に別の実施例の多孔質部材の撥水処理領域（撥水部）の構成を示す斜視図及び断面図である。

これらの図において、多孔質部材１２０３は、撥水処理領域（撥水部１２１１）及び親水部１２１２で構成されている。

本実施例においても、図１１Ｃに示すように、混相流の入口側（図中左側）から出口側に向かって撥水部１２１１の断面積が大きくなるとともに、親水部１２１２の断面積が小さくなるように構成してある。また、図１１Ｄに示すように、撥水部１２１１の断面形状は、凹部を有し、親水部１２０２の断面形状は、凸部を有する。

一般に、電気化学反応に伴い徐々に増加する反応生成水の凝縮により、液相が増加し、液相と気相の組成比率が変化する。入口側から出口側に向かって撥水部１２１１の断面積が大きく、親水部１２１２の断面積が小さくなるように構成することにより、電気化学反応に伴う反応生成水の凝縮による組成比率変化の影響を考慮することが可能となる。

一方、反応生成水凝縮による液相の増加量よりも、熱移動に伴う冷却水の気化量が大きい場合は、徐々に液相が減少し、気相が増加することになる。この場合の実施例は、図１１Ａ〜１１Ｄに示す多孔質部材について、入口と出口とを反転させた構成となる。入口側から出口側に向かって撥水部１２１１の断面積が小さくするとともに、親水部１２１２の断面積が多くなるように構成することにより、気化に伴う液相の減少による組成比率変化の影響を考慮することが可能となる。

このように、水が多く存在する流路両端の領域、すなわち、多孔質部材においては、流路壁面と接する近傍で撥水の高くなるように形成することにより、壁面に溜った水を弾いて、流路中央部へ押し出すため、気相及び液相の流れが流路内を均一に流れるようになり、気相及び液相の流れの偏りに起因する冷却斑による冷却効率の低下や、電極部分において冷却水が覆い、反応ガスが電極に供給できなくなる不具合を低減することができる。

図１２Ａ〜１２Ｆは、本発明のセパレータを用いて作製した燃料電池セルを説明する図である。

セパレータとしては、図２Ａ〜２Ｃで説明したセパレータ２００が使われている。

燃料電池セルは、発電の基本ユニットであり、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０２を、燃料極側セパレータ１３０１と、空気極側セパレータ１３０３とで両側から挟むようにして作製される。膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０２は、セパレータ１３０１の流路領域をカバーする広さを持つ必要がある。例えば、流路の領域を幅１７０ｍｍ、高さ９０ｍｍとすると、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０２も幅１７０ｍｍ、高さ９０ｍｍとなる。それぞれの極でセパレータとＭＥＡの間にガスケット１３１１および１３１２を挟み、ガスが漏れないようにしてある。組みあがった燃料電池セルを横から見ると１３０５のようになる。

次に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０３について説明する。

ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両側にカソード側電極（酸素極）およびアノード側電極（燃料極）が挟み込む形で構成され、固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン（登録商標）１１７（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７、１７５μｍ、Ｄｕ ｐｏｎｔ社製）を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられ、カソード側電極およびアノード側電極は、それぞれ、触媒反応層と拡散層とで形成される。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高め、発電により発生した反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ０．２ｍｍのカーボン不織布（東レ株式会社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すため、フッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン工業株式会社製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。

触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０．００５ｍｍ程度の薄膜である。アノード側触媒反応層としては、平均一次粒子径３０ｎｍを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社製）に白金及びルテニウムをそれぞれ２５重量％担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層としては、ケッチェンブラックに白金を５０重量％担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。

カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を１：１になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作製したカソード側拡散層およびアノード側拡散層にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させることにより形成した。

このようにして、それぞれの拡散層上にカソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成させることで、カソード側電極とアノード側電極を作製した。

１００：金属セパレータ、１０１、１０２：流量制御部、１０３：反応ガス／冷却水供給路、１０５：入口マニフォールド、１０６：出口マニフォールド、２００：燃料電池用セパレータ、２２１：リブ、２０３、１００３、１１０３、１２０３：多孔質部材、２１１、１１０１、１２０１、１２１１：撥水部、２１２、１１０２、１２０２、１２１２：親水部。

Claims (5)

1. 凸部を有する金属基板と、前記凸部で仕切られた複数の流路に設けた多孔質部材とを含み、前記多孔質部材における流れ方向に垂直な断面の中央部に親水部を有し、前記断面のうち前記流路の壁面に接する部位の少なくとも一部に撥水部を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記撥水部は、体積比率で前記多孔質部材の４０％以下を占める領域であり、前記断面の幅をｂとした場合、前記撥水部は、前記幅方向の両端部に分けて設けられ、前記両端部における前記撥水部の幅はそれぞれ０．２×ｂ以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記撥水部は、体積比率で前記多孔質部材の４０％以下を占める領域であり、前記流れ方向の下流側に向かって前記撥水部の体積比率が一定となるように、又は増加若しくは減少するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記断面の高さが前記流路の深さ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 燃料極、酸素極及び固体高分子電解質膜を含み前記燃料極と前記酸素極との間に前記固体高分子電解質膜挟持した構成を有する膜・電極接合体と、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し前記燃料極と電気的に接続された燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し前記酸素極と電気的に接続された酸素極セパレータとを含む燃料電池であって、前記燃料極セパレータ又は前記酸素極セパレータとして請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。

Images