JP2006318691A - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell, along with its manufacturing method, capable of assuring stable power generation by reducing movement resistance at draining of water generated inside the fuel cell. <P>SOLUTION: An electrode structure (MEA) 22 in which an electrolyte film 28 is arranged between an anode electrode 30 and a cathode electrode 32, and separators 24 and 26, are stacked in a fuel cell 10. A fuel gas channel 48 is formed between the anode electrode 30 and the adjoining separator 26, while an oxidant gas channel 46 is formed between the cathode electrode 32 and the adjoining separator 24. A seal member is interposed between both electrodes 30 and 32 and the adjoining separators 24 and 26, and a part of both gas channels is formed by the seal member. The contact angle of surface water of the separator forming both gas channels is 80° or less, and the difference is 40° or less from that of at least a part of the seal member forming both gas channels by adjoining the separator. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。特に、燃料電池の内部で生成される水の排水時の移動抵抗を少なくすることにより、安定した発電性を確保できる燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell. In particular, the present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell that can ensure stable power generation by reducing movement resistance during drainage of water generated inside the fuel cell.

近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑制手段として、また次世代の発電システムとして大いに期待されており、さかんに研究開発が行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などを挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車（二輪、四輪）やポータブル電源等の電力源として注目されている。   In recent years, fuel cells are highly expected as a means for suppressing global warming and environmental destruction, and as a next-generation power generation system. A fuel cell generates energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For example, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid electrolyte fuel cell, a solid polymer fuel cell, etc. Can be mentioned. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has been attracting attention as a power source for automobiles (two-wheeled and four-wheeled) and portable power sources because it can be started from room temperature and has a small size and high output.

一般的な固体高分子型燃料電池は、電極構造体（ＭＥＡ）をその基本構成単位とし、電極構造体をセパレータで挟持した発電セル（単セル）を数十個から数百個組み合わせてなるスタック（集合電池）として用いられる。スタックの基本構成単位である電極構造体は、アノード電極（燃料極）及びカソード電極（空気極）の二つの電極と、これら電極に挟持される高分子電解質膜とから形成され、通常、両電極は、高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。   A general polymer electrolyte fuel cell is a stack formed by combining several tens to hundreds of power generation cells (single cells) having an electrode structure (MEA) as a basic structural unit and sandwiching the electrode structure with a separator. Used as a (collective battery). The electrode structure, which is the basic structural unit of the stack, is formed of two electrodes, an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode), and a polymer electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Is formed of a catalyst layer that performs an oxidation / reduction reaction in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.

このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極（燃料極）側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極（空気極）側に酸素又は空気を供給することで発電する。アノード電極（燃料極）に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極（空気極）側へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。   The polymer electrolyte fuel cell having such a configuration generates power by supplying a fuel containing hydrogen to the anode electrode (fuel electrode) side and supplying oxygen or air to the cathode electrode (air electrode) side. In the fuel gas supplied to the anode electrode (fuel electrode), hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode (air electrode) side through the electrolyte membrane, and the electrons generated during that time are taken out to the external circuit. It is used as direct current electric energy.

ところで、固体高分子型燃料電池のセパレータとしては、強度、コンパクト化、低温起動性が求められる点から、金属セパレータが多く用いられる。この金属セパレータには、アノード電極（燃料極）側の燃料ガス、カソード電極（空気極）側の酸素又は空気の他、燃料電池の内部で生成する水が、液体として流路内を流れる。このため、ガスの流れの下流領域においては、発電反応により生成した水が溜まり易い傾向がある。さらには、この生成水は、ガスの流路を閉塞し、フラッディングと呼ばれる現象を引き起こすおそれがある。フラッディング現象は、燃料電池の発電安定性を損ねたり、前回の発電時に生成して残留した水が氷点下で凍結することにより燃料電池セルを劣化させたり、ガス流路を閉塞して発電不能にさせる等の不具合の原因となるため、回避しなければならないものである。   By the way, as a separator of a polymer electrolyte fuel cell, a metal separator is often used because strength, compactness, and low temperature startability are required. In this metal separator, fuel gas on the anode electrode (fuel electrode) side, oxygen or air on the cathode electrode (air electrode) side, and water generated inside the fuel cell flow in the flow path as a liquid. For this reason, in the downstream region of the gas flow, the water generated by the power generation reaction tends to accumulate easily. Furthermore, the generated water may block the gas flow path and cause a phenomenon called flooding. The flooding phenomenon impairs the power generation stability of the fuel cell, causes the water generated during the previous power generation to freeze below the freezing point, deteriorates the fuel cell, or blocks the gas flow path to disable power generation. Therefore, it must be avoided.

そこで、特許文献１においては、セパレータのガス流路となる溝部に親水性塗膜を形成することにより、燃料電池の性能の低下を防ぐ技術が提案されている。この技術によれば、セパレータのガス流路となる溝部に、親水性塗膜による親水性を付与し、ガス流通溝に存在する水滴を効率的に燃料電池の外に排出することにより、ガス流通溝が水滴により閉塞されることを防止できる。
特開２００１−０９３５３９号公報 Therefore, Patent Document 1 proposes a technique for preventing a decrease in the performance of the fuel cell by forming a hydrophilic coating film in a groove portion serving as a gas flow path of the separator. According to this technology, a gas flow is provided by imparting hydrophilicity to the groove that becomes the gas flow path of the separator by a hydrophilic coating film and efficiently discharging water droplets existing in the gas flow groove to the outside of the fuel cell. It is possible to prevent the groove from being blocked by water droplets.
JP 2001-093539 A

ところで、燃料電池のセパレータにおいては、反応ガス等の漏れ止めを行うことを目的として、シール材によるシール部が設けられる場合がある。このシール材は、生産性やシール性精度の要請から、反応ガス流路の一部を覆うことがある。生産工程の減少又は金型の単純化に繋がる上、シール材とセパレータ基材との接着強度が向上し、耐久性に優れるセパレータを得ることができるためである。   By the way, a separator of a fuel cell may be provided with a seal portion made of a seal material for the purpose of preventing leakage of a reaction gas or the like. This sealing material may cover a part of the reaction gas flow path because of demands for productivity and sealing performance accuracy. This is because the production process is reduced or the mold is simplified, and the adhesive strength between the sealing material and the separator base material is improved, so that a separator having excellent durability can be obtained.

通常、このようなシール材は撥水性を有しているため、シール部材を有するセパレータにおいては、特許文献１のようにガス流路部分に親水性を付与したのみでは、ガス流路は親水性となるものの、セパレータのシール部分に接触した水滴は玉状（図１（Ａ）参照）となり、シール部表面との接触角度θが大きくなる。このため、燃料電池の内部で生成した水の排出性は、セパレータのガス流路部分では向上するものの、シール部に接触した部分ではいまだ十分ではなく、排出すべき生成水の流れが妨げられてしまう。特に、親水性を有するガス流路部分から撥水性であるシール部分にさしかかる境界においては、撥水角度の変化が大きくなり、水の移動抵抗が急激に増大することから、排出性が著しく低下してしまう。その結果、水滴によりガスの流れが妨げられ、発電性能が不安定となっていた。   Usually, since such a sealing material has water repellency, in a separator having a sealing member, the gas flow path is hydrophilic only by imparting hydrophilicity to the gas flow path portion as in Patent Document 1. However, the water droplets that come into contact with the seal portion of the separator have a ball shape (see FIG. 1A), and the contact angle θ with the surface of the seal portion increases. For this reason, although the drainage of the water generated inside the fuel cell is improved in the gas flow path portion of the separator, the portion in contact with the seal portion is still not sufficient, and the flow of the generated water to be discharged is hindered. End up. In particular, at the boundary between the hydrophilic gas flow path portion and the water-repellent seal portion, the change in the water repellency angle increases and the water transfer resistance increases rapidly, so that the discharge performance is significantly reduced. End up. As a result, the gas flow was hindered by the water droplets, and the power generation performance was unstable.

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の内部で生成される水の排水時の移動抵抗を少なくすることにより、安定した発電性を確保できる燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a fuel cell and a fuel that can ensure stable power generation by reducing movement resistance during drainage of water generated inside the fuel cell. It aims at providing the manufacturing method of a battery.

本発明者らは上記課題を解決するため、セパレータのシール部の水との接触角度に着目して鋭意研究を重ねた。その結果、セパレータのシール部と、セパレータの基材部との接触角度の差をある基準以下としたセパレータを用いることにより、燃料電池の内部で生成された水の移動抵抗を少なくすることができ、安定した発電性を確保できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。   In order to solve the above-described problems, the present inventors have conducted extensive research focusing on the contact angle between the separator seal portion and water. As a result, it is possible to reduce the resistance to movement of water generated inside the fuel cell by using a separator in which the difference in contact angle between the separator seal portion and the base material portion of the separator is below a certain reference. The inventors have found that stable power generation can be ensured, and have completed the present invention. More specifically, the present invention provides the following.

（１） アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が配置された電極構造体と、セパレータと、が積層されて、前記アノード電極とこれに隣接するセパレータとの間に燃料ガス流路が形成され、且つ、前記カソード電極とこれに隣接するセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された燃料電池であって、前記両電極とこれらに隣接するセパレータとの間にはシール部材が介在し、このシール部材により前記両ガス流路の一部が形成されており、前記両ガス流路を形成しているセパレータは、表面の水の接触角度が８０度以下であり、且つ、このセパレータに隣接して前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差が４０度以下である燃料電池。   (1) An electrode structure in which an electrolyte membrane is disposed between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked, and a fuel gas flow path is formed between the anode electrode and a separator adjacent thereto. And a fuel cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode electrode and a separator adjacent to the cathode electrode, and a seal member is interposed between the electrodes and the separator adjacent thereto. In addition, a part of both the gas flow paths is formed by the seal member, and the separator forming the both gas flow paths has a water contact angle of 80 degrees or less on the surface, and the separator The difference between the contact angle of water on the surface of at least a part of the seal member forming both the gas flow paths adjacent to the gas passage is 40 degrees or less.

（１）の燃料電池は、両電極に隣接するセパレータに、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を構成する溝部が形成され、且つ、シール部材により両ガス流路の一部が形成されたものである。ここで、「セパレータに隣接して前記両ガス流路を形成しているシール部材」とは、「シール部材」のうち、ガス流路を形成しているセパレータ基材に接触し、且つ、シール部材自身が両ガス流路を形成しているシール部分をいう。   In the fuel cell of (1), a groove constituting the fuel gas channel and / or the oxidant gas channel is formed in the separator adjacent to both electrodes, and a part of both gas channels is formed by the seal member. It has been done. Here, the “seal member that forms both the gas flow paths adjacent to the separator” means that the “seal member” is in contact with the separator base material that forms the gas flow path and is sealed The member itself refers to a seal portion that forms both gas flow paths.

（１）の燃料電池によれば、両ガス流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度が８０度以下であり、且つ、このセパレータに隣接して両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差を４０度以下とすることにより、ガス流路のみならず、シール部に接触した生成水の接触角度を小さくすることができる。このため、燃料電池内で生成された水がガス流路を移動する際に、シール部材に接触した場合であっても、水滴が玉状となることを防止することができ、したがって、玉状の水滴によりガスの流れが妨げられることを抑制することができる。   According to the fuel cell of (1), the contact angle of water on the surface of the separator forming both gas flow paths is 80 degrees or less, and both gas flow paths are formed adjacent to this separator. By making the difference between the contact angle of water and at least a part of the surface of the sealing member 40 degrees or less, the contact angle of the generated water contacting not only the gas flow path but also the seal portion can be reduced. For this reason, even when the water generated in the fuel cell moves through the gas flow path, even when it comes into contact with the seal member, it is possible to prevent water droplets from forming a ball shape. It is possible to prevent the gas flow from being hindered by the water droplets.

また、親水性を有するセパレータのガス流路部分と、シール部材により構成されるガス流路部分との境界において、接触角度が大きく変化することがないため、生成水がガス流路を移動する際の移動抵抗が急激に増大し、排出性が低下することを防止できる。このため、燃料電池の発電によって生成する水を効率よく燃料電池の外部に排出することができ、安定した発電性を確保することが可能となる。   In addition, since the contact angle does not change greatly at the boundary between the gas flow path portion of the separator having hydrophilicity and the gas flow path portion configured by the seal member, the generated water moves through the gas flow path. It is possible to prevent the movement resistance of the material from increasing rapidly and the discharge performance from decreasing. For this reason, the water produced | generated by the electric power generation of a fuel cell can be efficiently discharged | emitted to the exterior of a fuel cell, and it becomes possible to ensure the stable electric power generation property.

尚、両ガス流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度と、の差は、好ましくは３０度以下であり、更に好ましくは２０度以下である。   The contact angle of water on the surface of the separator that forms both gas flow paths, and the contact angle of water on the surface of at least a part of the seal member that forms both gas flow paths adjacent to the separator, Is preferably 30 degrees or less, and more preferably 20 degrees or less.

ここで「接触角度」とは、固体と液体とが接触したときにできる液滴の弧が、固体となす角度をいう。図１（Ａ）は、撥水性の固体表面に付着した水滴の状態を示す図である。また、図１（Ｂ）は、親水性の固体表面に付着した水滴の状態を示す図である。図１（Ａ）に示されるように、固体であるセパレータの表面が撥水性である場合には、水滴は玉状となり、接触角度θ_１は９０度よりも大きいものとなる。一方、図１（Ｂ）に示されるように、セパレータの表面が親水性である場合には、水滴が潰れて接触角度θ_２は９０度よりも小さくなる。 Here, the “contact angle” refers to an angle formed by an arc of a droplet formed when a solid and a liquid come into contact with the solid. FIG. 1A is a diagram illustrating a state of water droplets attached to a water-repellent solid surface. FIG. 1B is a diagram showing a state of water droplets attached to a hydrophilic solid surface. As shown in FIG. 1A, when the surface of the solid separator is water-repellent, the water droplets are ball-shaped and the contact angle θ ₁ is larger than 90 degrees. On the other hand, as shown in FIG. 1B, when the surface of the separator is hydrophilic, the water droplets are crushed and the contact angle θ ₂ becomes smaller than 90 degrees.

接触角度θ_１が大きいと、玉状の水によりガス流路の断面積の多くが塞がれ、ガスの流れが妨げられる（図１（Ａ）参照）。玉状の水によりガスの流れが妨げられると、燃料電池の各反応部に十分な反応ガスが行き渡らなくなり、発電性能を低下させてしまう。さらには、排水が十分に行われなくなることから、フラッディングと呼ばれる現象が生じ、燃料電池の発電安定性が損なわれたり、前回の発電時に生成して残留した水が氷点下で凍結することにより燃料電池セルに応力が加わるため劣化したり、発電不能となってしまう。 When the contact angle θ ₁ is large, the cross-sectional area of the gas flow path is blocked by the ball-shaped water, and the gas flow is prevented (see FIG. 1A). If the flow of gas is hindered by the ball-shaped water, sufficient reaction gas does not spread to each reaction part of the fuel cell, and power generation performance is reduced. Furthermore, since drainage is not performed sufficiently, a phenomenon called flooding occurs, and the power generation stability of the fuel cell is impaired, or the remaining water produced and generated during the previous power generation freezes below freezing point. Since stress is applied to the cell, the cell deteriorates or power generation becomes impossible.

そこで、ガス流路の閉塞を回避し、水の排出性を向上させるため、セパレータの少なくともガス流路を形成する表面は、親水性であることが要求される。セパレータの表面が親水性である場合には、水との接触角度θ_２は小さくなり、付着した水は潰れた状態となる（図１（Ｂ）参照）。このため、生成水によってガス流路が閉塞されることがなく、上記のような不具合が生ずることもない。 Therefore, in order to avoid clogging of the gas flow path and improve the water discharge performance, at least the surface forming the gas flow path of the separator is required to be hydrophilic. When the surface of the separator is hydrophilic, the contact angle θ ₂ with water is small, and the attached water is crushed (see FIG. 1B). For this reason, a gas flow path is not obstruct | occluded with produced | generated water, and the above malfunctions do not arise.

この点、本発明においては、両ガス流路を形成しているセパレータの、表面の接触角度を８０度以下としたものである。８０度以下とすることにより、反応ガス流路に付着した生成水は、潰れた状態となってセパレータ表面に広がる。したがって、生成水がガス流路における圧損体となることを防止することができ、玉状の水によりガスの流れが妨げられて燃料電池の発電性能が低下することを抑制できる。   In this regard, in the present invention, the contact angle of the surface of the separator forming both gas flow paths is set to 80 degrees or less. By setting it to 80 degrees or less, the produced water adhering to the reaction gas flow path is crushed and spreads on the separator surface. Therefore, it is possible to prevent the generated water from becoming a pressure loss body in the gas flow path, and it is possible to prevent the gas flow from being hindered by the ball-shaped water and the power generation performance of the fuel cell from being lowered.

尚、両ガス流路を形成しているセパレータ表面の接触角度は、好ましくは７０度以下であり、さらに好ましくは５０度以下である。   The contact angle between the separator surfaces forming both gas flow paths is preferably 70 degrees or less, and more preferably 50 degrees or less.

また、本発明においては、セパレータの酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を構成する溝部のみを親水性とし、その表面の水の接触角度を８０度以下とする場合は勿論、セパレータを構成する基材すべての表面の水の接触角度を８０度以下としても差し支えない。   In the present invention, the separator is of course formed only when the grooves constituting the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path of the separator are made hydrophilic and the contact angle of water on the surface thereof is 80 degrees or less. The contact angle of water on the entire surface of the substrate may be 80 degrees or less.

上記のように、ガス流路の閉塞を回避し、水の排出性を向上させることを目的としてセパレータ基材による両ガス流路を親水性とすると、反応ガスの漏れ止めを目的としたシール部材が両ガス流路の一部を形成している箇所においては、このシール部材は、セパレータのガス流路を構成する基材部分よりも撥水性が高いことから、セパレータ基材によるガス流路とシール部材によるガス流路が隣接する境界部分、例えば、両ガス流路の出入口部分や両ガス流路に接しているシール部材が存在する部分では、親水性に大きな差が生じている。このため、ガス流路を移動する水が当該地点にさしかかると、移動抵抗が急激に大きくなり停滞しやすい傾向にあり、排水性が低下してしまう。   As described above, when both gas flow paths by the separator base material are made hydrophilic for the purpose of avoiding blockage of the gas flow path and improving the water discharge performance, a sealing member for the purpose of preventing reaction gas leakage However, since the seal member has higher water repellency than the base material portion constituting the gas flow path of the separator, the gas flow path by the separator base material There is a large difference in hydrophilicity at the boundary portion where the gas flow path by the seal member is adjacent, for example, at the entrance / exit portion of both gas flow paths or the portion where the seal member is in contact with both gas flow paths. For this reason, when the water which moves a gas flow path approaches the said point, there exists a tendency for movement resistance to become large rapidly and to be stagnant, and drainage property will fall.

そこで、本発明においては、セパレータ基材によるガス流路と、シール部材によるガス流路が隣接する境界部分における親水性の差、すなわち水との接触角度の差を小さくすべく、セパレータ基材により形成されるガス流路のみならず、シール部材により形成されるガス流路の部分についても親水性を付与するものである。   Therefore, in the present invention, in order to reduce the difference in hydrophilicity at the boundary portion where the gas flow path by the separator base material and the gas flow path by the seal member are adjacent, that is, the difference in the contact angle with water, Not only the formed gas flow path but also the portion of the gas flow path formed by the seal member imparts hydrophilicity.

尚、本発明においては、セパレータに冷却媒体流路を設けてセパレータ同士の間に冷却媒体を流す場合と、セパレータの両面に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成し、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで発電する場合と、の両方の形態が含まれる。また、両形態を併用した燃料電池スタックであってもよい。   In the present invention, when the cooling medium flow path is provided in the separator and the cooling medium flows between the separators, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are respectively formed on both sides of the separator, and the electrode structure Both cases of generating electricity only by sandwiching one separator between the two are included. Moreover, the fuel cell stack which used both forms together may be sufficient.

（２） 前記両ガス流路は、前記セパレータにおいて積層方向に貫通しているガス入口連通孔及びガス出口連通孔に連通しており、前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部は、前記両ガス流路と前記ガス出口連通孔との連通部に配置された（１）記載の燃料電池。   (2) The two gas flow paths communicate with a gas inlet communication hole and a gas outlet communication hole penetrating in the stacking direction in the separator, and are at least one of seal members forming the gas flow paths. The fuel cell according to (1), wherein the portion is disposed in a communication portion between the both gas flow paths and the gas outlet communication hole.

燃料電池の燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体ガスの漏れ止めを行う目的で設けられるシール部材は、燃料電池の製造工程上、ガス出口連通孔やガス流路との境界部に接してしまう場合がある。このシール部材は、通常、撥水性を有することから、水の排出性の低下の原因となる。   A sealing member provided for the purpose of preventing leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling medium gas of the fuel cell comes into contact with a boundary portion between the gas outlet communication hole and the gas flow path in the manufacturing process of the fuel cell. There is a case. Since this sealing member usually has water repellency, it causes a decrease in water dischargeability.

（２）の燃料電池によれば、両ガス流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度と、両ガス流路を形成しているシール部材のうち、両ガス流路とガス出口連通孔との連通部に配置される部分の水の接触角度と、の差を４０度以下とすることにより、ガス流路と当該シール部が隣接する境界部分における親水性の差を小さくし、ガス流路を移動する水が当該地点にさしかかっても、移動抵抗が急激に大きくなることを防止することが可能となる。このため、移動抵抗の増大による水の停滞を防止でき、且つ、ガス流路の閉塞を抑制することができ、その結果、安定した発電性を確保することが可能となる。同時に、燃料電池の製造工程において、シール部材により両ガス流路が覆われてしまう箇所があつたとしても、生成水の排水性を維持できることから、燃料電池の生産性を向上することができる。   According to the fuel cell of (2), among the contact angle of water on the surface of the separator that forms both gas passages and the seal member that forms both gas passages, both gas passages and gas outlets By reducing the difference between the water contact angle of the portion arranged in the communication portion with the communication hole and 40 degrees or less, the difference in hydrophilicity at the boundary portion adjacent to the gas flow path and the seal portion is reduced, Even if the water moving through the gas flow channel reaches the point, it is possible to prevent the movement resistance from increasing rapidly. For this reason, stagnation of water due to an increase in movement resistance can be prevented, and the blockage of the gas flow path can be suppressed. As a result, stable power generation can be ensured. At the same time, even if there is a location where both gas flow paths are covered by the sealing member in the manufacturing process of the fuel cell, the drainage of the generated water can be maintained, so that the productivity of the fuel cell can be improved.

（３） 前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部は、前記両ガス流路が形成されている領域の境界部に配置された（１）又は（２）記載の燃料電池。   (3) The fuel cell according to (1) or (2), wherein at least a part of the seal member forming both the gas flow paths is arranged at a boundary portion of a region where the both gas flow paths are formed. .

（３）の燃料電池によれば、両ガス流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度と、両ガス流路を形成しているシール部材のうち、両ガス流路が形成されている領域の境界部に配置される部分の水の接触角度と、の差を４０度以下とすることにより、ガス流路とシール部との境界部分における親水性の差を小さくし、ガス流路を移動する水が当該シール部に接触しても、移動の際に受ける抵抗を小さくすることが可能となる。このため、移動抵抗による水の停滞を防止でき、且つ、ガス流路の閉塞を抑制することができ、その結果、安定した発電性を確保することが可能となる。同時に、燃料電池の製造工程において、シール部材により両ガス流路が覆われてしまう箇所があったとしても、生成水の排水性を維持できることから、燃料電池の生産性を向上することができる。   According to the fuel cell of (3), both the gas flow paths are formed among the contact angle of water on the surface of the separator that forms both the gas flow paths and the seal member that forms both the gas flow paths. By making the difference between the contact angle of the water in the portion arranged at the boundary portion of the region that is 40 degrees or less, the difference in hydrophilicity at the boundary portion between the gas flow path and the seal portion is reduced, and the gas flow Even if the water moving along the path contacts the seal portion, it is possible to reduce the resistance received during the movement. For this reason, the stagnation of water due to the movement resistance can be prevented, and the blockage of the gas flow path can be suppressed. As a result, stable power generation can be ensured. At the same time, even if there is a location where both gas flow paths are covered by the sealing member in the manufacturing process of the fuel cell, the drainage of the generated water can be maintained, so that the productivity of the fuel cell can be improved.

（４） アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を配置した電極構造体と、セパレータと、を積層して、前記アノード電極とこれに隣接するセパレータとの間に燃料ガス流路を形成し、且つ、前記カソード電極とこれに隣接するセパレータとの間に酸化剤ガス流路を形成する燃料電池の製造方法であって、前記両電極とこれらに隣接するセパレータとの間にシール部材を介在させて、このシール部材により前記両ガス流路の一部を形成し、前記両ガス流路を形成するセパレータの表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して前記両ガス流路を形成するシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差を調整する工程を含む燃料電池の製造方法。   (4) An electrode structure in which an electrolyte membrane is disposed between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked, and a fuel gas flow path is formed between the anode electrode and a separator adjacent thereto. And a method of manufacturing a fuel cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode electrode and a separator adjacent to the cathode electrode, and a seal member is interposed between the electrodes and the separator adjacent thereto. Then, a part of both gas flow paths is formed by the seal member, the water contact angle on the surface of the separator forming the both gas flow paths, and the both gas flow paths are formed adjacent to the separator. A method of manufacturing a fuel cell, comprising adjusting a difference between a contact angle of water on at least a part of a surface of a sealing member.

（４）の燃料電池の製造方法によれば、両ガス流路を形成するセパレータの表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して前記両ガス流路を形成するシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差を調整することにより、燃料電池内で生成された水がガス流路を移動する際に、シール部材に接触した場合であっても、その撥水性により水滴が玉状となることを防止することができ、したがって、玉状の水滴によりガスの流れが妨げられることを抑制した燃料電池を製造することができる。   According to the fuel cell manufacturing method of (4), the contact angle of water on the surface of the separator that forms both gas flow paths, and at least a part of the seal member that forms both gas flow paths adjacent to the separator. By adjusting the difference between the water contact angle on the surface of the liquid and the water generated in the fuel cell, even when it contacts the seal member when moving through the gas flow path, Can be prevented from forming a ball shape, and therefore, it is possible to manufacture a fuel cell in which the flow of gas is prevented from being hindered by the ball-shaped water droplets.

また、親水性を有するセパレータのガス流路部分と、シール部分により構成されるガス流路部分との境界においても、接触角度の変化を抑えることが可能となるため、生成水がガス流路を移動する際の移動抵抗が急激に増大し、排出性が低下することを防止できる。このため、燃料電池の発電によって生成する水を効率よく燃料電池の外部に排出することができ、安定した発電性を確保した燃料電池を製造することが可能となる。   In addition, since the change in the contact angle can be suppressed at the boundary between the gas flow path portion of the hydrophilic separator and the gas flow path portion constituted by the seal portion, the generated water flows through the gas flow path. It can prevent that the movement resistance at the time of movement increases rapidly, and discharge property falls. For this reason, the water produced | generated by the electric power generation of a fuel cell can be efficiently discharged | emitted to the exterior of a fuel cell, and it becomes possible to manufacture the fuel cell which ensured the stable electric power generation property.

本発明によれば、セパレータの表面を親水性とした燃料電池において、セパレータのシール部材の親水性を向上させ、両ガス流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度と、の差をある基準以下とすることにより、移動抵抗による生成水の停滞を防止し、且つ、ガス流路の閉塞を抑制することができる。その結果、ガスの流れが妨げられることを防止し、燃料電池の各反応部に十分な反応ガスが行き渡るため、発電性能の低下を抑制することができる。さらには、燃料電池内で生成した水の排水が十分に行われることから、フラッディング現象を回避することができ、安定した発電性を確保することが可能となる。   According to the present invention, in a fuel cell in which the surface of the separator is hydrophilic, the hydrophilicity of the separator sealing member is improved, the contact angle of water on the surface of the separator forming both gas flow paths, and the separator By making the difference between the contact angle of water on the surface of at least a part of the surface of the sealing member forming both gas flow paths adjacent to a certain reference or less, stagnation of generated water due to movement resistance is prevented, In addition, blockage of the gas flow path can be suppressed. As a result, the flow of gas is prevented from being hindered, and sufficient reaction gas is distributed to each reaction part of the fuel cell, so that a decrease in power generation performance can be suppressed. Furthermore, since the water generated in the fuel cell is sufficiently drained, the flooding phenomenon can be avoided and stable power generation can be ensured.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

［燃料電池（スタック）の全体構成］
図２に、本発明の実施形態にかかる燃料電池１０の斜視図を示す。燃料電池（スタック）１０は、複数の発電セル（単セル）１２が矢印Ａの方向に積層した積層体１４を備え、積層体１４の積層方向の両端には、端部発電セル１２ａ及び１２ｂ、ターミナルプレート１６ａ及び１６ｂ、及び、絶縁プレート１８ａ及び１８ｂを介してエンドプレート２０ａ及び２０ｂが配置される。 [Overall configuration of fuel cell (stack)]
FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell 10 according to the embodiment of the present invention. The fuel cell (stack) 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells (single cells) 12 are stacked in the direction of arrow A, and end power generation cells 12a and 12b are provided at both ends of the stacked body 14 in the stacking direction. End plates 20a and 20b are arranged via terminal plates 16a and 16b and insulating plates 18a and 18b.

図３は、図２に示される燃料電池１０の一部切り欠き側面図である。また、図４は、図２に示される燃料電池１０を構成する発電セルの分解斜視説明図である。図３及び図４に示されるように、各発電セル（単セル）１２は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される電極構造体（ＭＥＡ）２２と、第１の金属セパレータ２４及び第２の金属セパレータ２６とを備える。   FIG. 3 is a partially cutaway side view of the fuel cell 10 shown in FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view of the power generation cell constituting the fuel cell 10 shown in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, each power generation cell (single cell) 12 includes an electrode structure (MEA) 22 stacked in the horizontal direction (the direction of arrow A), a first metal separator 24, and a second metal separator 24. Metal separator 26.

［発電セル（単セル）］
発電セル（単セル）１２の構成単位となる電極構造体（ＭＥＡ）２２は、アノード電極（燃料極）３０及びカソード電極（空気極）３２と、これらの電極間に配置された高分子電解質膜２８と、を備えている。また、これら両電極には、高分子電解質膜に接する触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）が、それぞれ構成要素として含まれる場合がある。 [Power generation cell (single cell)]
An electrode structure (MEA) 22 that is a structural unit of the power generation cell (single cell) 12 includes an anode electrode (fuel electrode) 30 and a cathode electrode (air electrode) 32, and a polymer electrolyte membrane disposed between these electrodes. 28. In some cases, both electrodes include a catalyst layer (not shown) in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer (not shown) as components.

発電セル（単セル）１２の矢印方向Ｂの一端縁部には、積層方向である矢印方向Ａに互いに連通して、例えば、酸素、空気等の酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、及び、燃料ガスとしての水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印方向Ｃ（鉛直方向）に配列して設けられる。   An oxidant gas inlet for supplying an oxygen-containing gas, such as oxygen or air, is connected to one end edge of the power generation cell (single cell) 12 in the arrow direction B in the arrow direction A which is the stacking direction. The communication hole 40a, the cooling medium inlet communication hole 42a for supplying the cooling medium, and the fuel gas outlet communication hole 44b for discharging the hydrogen-containing gas as the fuel gas are arranged in the arrow direction C (vertical direction). Provided.

発電セル（単セル）１２の矢印方向Ｂの他端縁部には、矢印方向Ａに互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印方向Ｃ（鉛直方向）に配列して設けられる。   The other end edge of the power generation cell (single cell) 12 in the arrow direction B communicates with each other in the arrow direction A, and a fuel gas inlet communication hole 44a for supplying fuel gas, and cooling for discharging the cooling medium. The medium outlet communication hole 42b and the oxidant gas outlet communication hole 40b for discharging the oxidant gas are arranged in the arrow direction C (vertical direction).

本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０においては、図２に示されるように、燃料電池（スタック）１０を構成するエンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素、空気等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。更に、冷却媒体入口連通孔４２ａに純粋やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。   In the fuel cell (stack) 10 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, in the end plate 20a constituting the fuel cell (stack) 10, the oxidizing gas inlet communication hole 40a is oxidized with oxygen, air, or the like. The agent gas is supplied, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 44a. Further, a cooling medium such as pure or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole 42a.

［セパレータ］
本実施形態に係るセパレータ２４及び２６は、電極構造体（ＭＥＡ）２２の両電極側に配置され、電極構造体（ＭＥＡ）２２とともに発電セル（単セル）１２を構成する。 [Separator]
The separators 24 and 26 according to the present embodiment are arranged on both electrode sides of the electrode structure (MEA) 22 and constitute the power generation cell (single cell) 12 together with the electrode structure (MEA) 22.

第１の金属セパレータ２４の電極構造体（ＭＥＡ）２２に隣接する面２４ａには、酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の酸化剤ガス流路溝４６ａを有するとともに、矢印方向Ｂに延在している。尚、酸化剤ガス流路溝４６ａは、例えば、矢印方向Ｂに一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。   An oxidant gas flow path 46 is provided on the surface 24 a adjacent to the electrode structure (MEA) 22 of the first metal separator 24. The oxidant gas passage 46 has a plurality of oxidant gas passage grooves 46 a and extends in the arrow direction B. Note that the oxidant gas flow channel groove 46a may constitute, for example, a serpentine flow channel that folds back and forth halfway in the arrow direction B.

第２の金属セパレータ２６の電極構造体（ＭＥＡ）２２に隣接する面２６ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印方向Ｂに延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。   A fuel gas channel 48 is provided on a surface 26 a of the second metal separator 26 adjacent to the electrode structure (MEA) 22. The fuel gas passage 48 has a plurality of fuel gas passage grooves 48 a extending in the arrow direction B, like the oxidant gas passage 46.

第１の金属セパレータ２４と、第２の金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂの間に冷却媒体流路５０を一体的に形成する（図３参照）。冷却媒体流路５０は、酸化剤ガス流路４６の裏面側、及び、燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印方向Ｂに延在する複数の冷却媒体流路５０ａを有する。この冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する。   The first metal separator 24 and the second metal separator 26 integrally form a cooling medium flow path 50 between the surfaces 24b and 26b facing each other (see FIG. 3). The cooling medium flow path 50 has a plurality of cooling medium flow paths 50 a that are integrally formed on the back side of the oxidant gas flow path 46 and the back side of the fuel gas flow path 48 and extend in the arrow direction B. . The cooling medium flow path 50 communicates with the cooling medium inlet communication hole 42a and the cooling medium outlet communication hole 42b.

尚、本発明においては、金属セパレータの両面に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成することにより、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで、発電することも可能である。したがって、本発明の燃料電池においては、必ずしも発電セルごとに冷却媒体流路を形成する必要はなく、必要に応じて適宜、冷却媒体流路を形成すればよい。   In the present invention, it is possible to generate electric power by sandwiching one separator between the electrode structures by forming a fuel gas channel and an oxidant gas channel on both surfaces of the metal separator. It is. Therefore, in the fuel cell of the present invention, it is not always necessary to form the cooling medium flow path for each power generation cell, and the cooling medium flow path may be appropriately formed as necessary.

本実施形態においては、図４（Ａ）に示されるように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１の金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガス流路４６では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝４６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝４６ａを介して、電極構造体（ＭＥＡ）２２のカソード電極（空気極）３２に沿って移動する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 46 of the first metal separator 24 from the oxidant gas inlet communication hole 40a. In the oxidant gas flow path 46, the oxidant gas is dispersed in the plurality of oxidant gas flow path grooves 46a. For this reason, the oxidant gas moves along the cathode electrode (air electrode) 32 of the electrode structure (MEA) 22 via each oxidant gas flow channel groove 46a.

一方、図４（Ｂ）に示されるように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２の金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガス流路４８では、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。更に、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して、電極構造体（ＭＥＡ）２２のアノード電極（燃料極）３０に沿って移動する。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 48 of the second metal separator 26 from the fuel gas inlet communication hole 44a. In the fuel gas channel 48, the fuel gas is dispersed in the plurality of fuel gas channel grooves 48a. Further, the fuel gas moves along the anode electrode (fuel electrode) 30 of the electrode structure (MEA) 22 via each fuel gas flow channel groove 48a.

また、電極構造体（ＭＥＡ）２２においては、アノード電極（燃料極）３０に供給される燃料となす水素含有ガス、及び、カソード電極（空気極）３２に供給される酸素含有ガスは、次式（１）及び（２）に示す電気化学反応により消費され、発電が行われる。このとき、カソード電極（空気極）３２側には、発電により水が生成する。
アノード（燃料極）反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード（空気極）反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（２） In the electrode structure (MEA) 22, the hydrogen-containing gas serving as the fuel supplied to the anode electrode (fuel electrode) 30 and the oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode (air electrode) 32 are expressed by the following equations: It is consumed by the electrochemical reaction shown in (1) and (2) and power is generated. At this time, water is generated by power generation on the cathode electrode (air electrode) 32 side.
Anode (fuel electrode) reaction: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Cathode (air electrode) reaction: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (2)

次いで、カソード電極（空気極）３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから排出される。同様に、アノード電極（燃料極）３０に供給されて消費された燃料となる水素含有ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂから排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode (air electrode) 32 is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 40b. Similarly, a hydrogen-containing gas that is supplied to and consumed by the anode electrode (fuel electrode) 30 is discharged from the fuel gas outlet communication hole 44b.

図４（Ｃ）に示されるように、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１の金属セパレータ２４及び第２の金属セパレータ２６の間に形成された冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が矢印方向Ｂ（水平方向）に移動する。このため、冷却媒体は、電極構造体（ＭＥＡ）２２の発電面全面にわたって冷却することができ、その後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。   As shown in FIG. 4C, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 42a flows into the cooling medium flow path 50 formed between the first metal separator 24 and the second metal separator 26. be introduced. In the cooling medium flow path 50, the cooling medium moves in the arrow direction B (horizontal direction). For this reason, the cooling medium can be cooled over the entire power generation surface of the electrode structure (MEA) 22, and then discharged from the cooling medium outlet communication hole 42b.

｛反応ガス流路を形成するセパレータの接触角度｝
本実施形態に係るセパレータ２４ａに設けられる酸化剤ガス流路４６、及びセパレータ２６ａに設けられる燃料ガス流路４８は、親水性を有し、これら流路を形成しているセパレータの表面の水の接触角度は８０度以下である。７０度以下がより好ましく、５０度以下がさらに好ましい。 {Contact angle of separator forming reaction gas flow path}
The oxidant gas flow path 46 provided in the separator 24a according to the present embodiment and the fuel gas flow path 48 provided in the separator 26a have hydrophilicity, and water on the surface of the separator forming these flow paths. The contact angle is 80 degrees or less. 70 degrees or less is more preferable, and 50 degrees or less is more preferable.

尚、セパレータの接触角度の測定は、従来公知の方法を用いることができる。例えば、公知の接触角度計を用いて測定することが可能である。   In addition, a conventionally well-known method can be used for the measurement of the contact angle of a separator. For example, it can be measured using a known contact angle meter.

両ガス流路を形成しているセパレータの表面の接触角度を８０度以下とする方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、親水性を有する材料によってセパレータを製造してもよいし、少なくとも両ガス流路に親水性被膜を設ける方法、アルカリ処理を行う方法、及び、電解脱脂を行う方法等を採用することができる。   The method for setting the contact angle of the surfaces of the separators forming both gas flow paths to 80 degrees or less is not particularly limited, and a known method can be used. For example, the separator may be manufactured with a hydrophilic material, or a method of providing a hydrophilic film at least on both gas flow paths, a method of performing an alkali treatment, a method of performing electrolytic degreasing, and the like can be employed. .

尚、本発明においては、セパレータの酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を構成する部分のみを親水性として、表面の水の接触角度を８０度以下とする場合は勿論、セパレータを構成する基材の表面すべてを８０度以下としても差し支えない。   In the present invention, only the portion constituting the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path of the separator is made hydrophilic and the contact angle of water on the surface is 80 degrees or less, as a matter of course. The entire surface of the material may be 80 degrees or less.

［シール部材］
本発明のシール部材は、両電極とこれらに隣接するセパレータとの間に介在するように設けられ、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の漏れ止めを行うものであり、その一部が燃料ガス流路及び反応ガス流路の一部を構成するものである。 [Seal member]
The seal member of the present invention is provided so as to be interposed between both electrodes and a separator adjacent to these electrodes, and serves to prevent leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling medium, part of which is fuel. Part of the gas flow path and the reaction gas flow path is configured.

本実施形態においては、第１の金属セパレータ２４の面２４ａ及び２４ｂには、この第１の金属セパレータ２４の外周縁部を周回するように、第１シール部材５４が一体的に設けられる。第１シール部材５４は、面２４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、及び、酸化剤ガス流路４６を覆うことにより、酸化剤ガスの漏れ止めを行う。また、面２４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び、冷却媒体流路５０を覆うことにより、冷却媒体の漏れ止めを行う。   In the present embodiment, the first seal member 54 is integrally provided on the surfaces 24 a and 24 b of the first metal separator 24 so as to go around the outer peripheral edge of the first metal separator 24. The first seal member 54 covers the oxidant gas inlet communication hole 40a, the oxidant gas outlet communication hole 40b, and the oxidant gas flow path 46 on the surface 24a, thereby preventing the oxidant gas from leaking. In addition, the cooling medium is prevented from leaking by covering the cooling medium inlet communication hole 42a, the cooling medium outlet communication hole 42b, and the cooling medium flow path 50 on the surface 24b.

また、第２の金属セパレータ２６の面２６ａ及び２６ｂには、この第２の金属セパレータ２６の外周縁部を周回するように、第２シール部材５６が一体的に設けられる。第２シール部材５６は、面２６ａにおいて、燃料ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ、及び、燃料ガス流路４８を覆うことにより、燃料ガスの漏れ止めを行う。また、面２６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び、冷却媒体流路５０を覆うことにより、冷却媒体の漏れ止めを行う。   Further, a second seal member 56 is integrally provided on the surfaces 26 a and 26 b of the second metal separator 26 so as to go around the outer peripheral edge of the second metal separator 26. The second seal member 56 covers the fuel gas inlet communication hole 44a, the fuel gas outlet communication hole 44b, and the fuel gas passage 48 on the surface 26a, thereby preventing fuel gas from leaking. The surface 26b covers the cooling medium inlet communication hole 42a, the cooling medium outlet communication hole 42b, and the cooling medium flow path 50, thereby preventing the cooling medium from leaking.

尚、本発明においてシール部材を配置する態様としては、両電極とこれらに隣接するセパレータとの間に介在するように設けられる態様であれば、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態のように、セパレータの外周縁部を周回するようにセパレータに直接設ける態様の他、電極構造体（ＭＥＡ）に設ける態様等を挙げることができる。   In addition, as an aspect which arrange | positions a sealing member in this invention, if it is an aspect provided so that it may interpose between both electrodes and the separator adjacent to these, it will not specifically limit. For example, the embodiment provided in the electrode structure (MEA) in addition to the embodiment provided directly on the separator so as to go around the outer peripheral edge of the separator, as in the present embodiment.

尚、本発明において、金属セパレータの両面に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路をそれぞれ形成し、電極構造体の間に１枚のセパレータを挟み込むのみで発電する場合には、セパレータの酸化剤ガス流路を設ける面及び燃料ガス流路を設ける面の両面にシール部材を設けてもよい。これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスの両方の漏れ止めを行うことができる。   In the present invention, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are formed on both surfaces of the metal separator, respectively, and when power is generated simply by sandwiching one separator between the electrode structures, the oxidation of the separator is performed. Seal members may be provided on both the surface on which the agent gas flow path is provided and the surface on which the fuel gas flow path is provided. Thereby, leakage prevention of both oxidant gas and fuel gas can be performed.

｛ガス流路を形成しているシール部材の接触角度｝
本実施形態に係るシール部材５４、５６のうち、燃料ガス流路４８及び酸化剤ガス流路４６を形成するシール部材の少なくとも一部は、親水性を有している。当該シール部分と隣接しており、ガス流路を形成しているセパレータ基材の表面の水の接触角度と、当該シール部分の表面の水の接触角度と、の差は４０度以下である。この差は、好ましくは３０度以下であり、さらに好ましくは２０度以下である。 {Contact angle of seal member forming gas flow path}
Of the seal members 54 and 56 according to the present embodiment, at least a part of the seal members forming the fuel gas channel 48 and the oxidant gas channel 46 have hydrophilicity. The difference between the contact angle of water on the surface of the separator substrate that is adjacent to the seal portion and forms the gas flow path and the contact angle of water on the surface of the seal portion is 40 degrees or less. This difference is preferably 30 degrees or less, and more preferably 20 degrees or less.

尚、接触角度の測定は、上記の反応ガス流路を形成するセパレータ表面の水の接触角度の測定と同様に、従来公知の方法を用いることができる。例えば、公知の接触角度計を用いて測定することが可能である。   In addition, the measurement of a contact angle can use a conventionally well-known method similarly to the measurement of the contact angle of the water of the separator surface which forms said reaction gas flow path. For example, it can be measured using a known contact angle meter.

本発明において、ガス流路を形成しているセパレータ基材の表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度と、の差を４０度以下とするためには、当該シール部材を親水性とする必要がある。   In the present invention, the contact angle of water on the surface of the separator base material forming the gas flow path and the water on the surface of at least a part of the seal member forming both gas flow paths adjacent to the separator. In order to make the difference from the contact angle 40 degrees or less, the seal member needs to be hydrophilic.

シール部材を親水性とする方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、親水性を付与すべきシール部材の箇所に親水化処理を施す方法の他、シール部材として親水性材料を用いる方法を挙げることができる。   The method for making the seal member hydrophilic is not particularly limited. For example, a hydrophilic material is used as the seal member in addition to a method of applying a hydrophilic treatment to the portion of the seal member to which hydrophilicity should be imparted. A method can be mentioned.

親水化処理方法の具体例としては、親水性を付与すべきシール部材の箇所に、塩素化処理等のハロゲン化処理、プラズマ処理、ＵＶ処理、コロナ放電、エキシマレーザー処理、オゾン処理、放射線処理を施す方法が挙げられる。これらは単独で用いても、また２種以上を併用してもよい。これらの方法によれば、親水性を付与すべき箇所のみを処理することが可能となるため、処理による不純物混入の影響を抑制することができる。   As a specific example of the hydrophilization treatment method, a halogenation treatment such as a chlorination treatment, a plasma treatment, a UV treatment, a corona discharge, an excimer laser treatment, an ozone treatment, and a radiation treatment are performed on the position of the sealing member to be imparted with hydrophilicity. The method of giving is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. According to these methods, since it is possible to process only a portion to which hydrophilicity should be imparted, it is possible to suppress the influence of impurity contamination due to the processing.

親水化処理方法の別の例としては、親水性を付与すべきシール部材の箇所に、ポリシラザン等の親水性材料を塗布、コーティング、蒸着する方法を挙げることができる。ポリシラザンとしては、市販品を用いることも可能であり、例えば、クラリアント社製ＮＰ−Ｐ１４０−０１を用いることができる。   As another example of the hydrophilization treatment method, a method of applying, coating, and vapor-depositing a hydrophilic material such as polysilazane to the portion of the sealing member to which hydrophilicity should be imparted can be mentioned. As the polysilazane, a commercially available product can be used. For example, NP-P140-01 manufactured by Clariant can be used.

親水性を有する材料を用いてシール部材を形成する場合の具体例としては、シール部材となる材料に、親水性を有する添加剤を配合する方法を挙げることができる。親水性を有する添加剤としては、シリカ、マイカ、タルク、酸化チタン、白金等の、結合水を有する無機物、また、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、界面活性剤、高級脂肪酸、高級アルコール等の、分子構造の中に水酸基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基、スルホン酸基等の親水基を有する有機化合物を挙げることができる。   As a specific example in the case of forming a sealing member using a hydrophilic material, a method of blending a hydrophilic additive into a material to be a sealing member can be mentioned. Hydrophilic additives include silica, mica, talc, titanium oxide, platinum and other inorganic substances having bound water, and molecular structures such as PVA (polyvinyl alcohol), surfactants, higher fatty acids and higher alcohols. Examples thereof include organic compounds having a hydrophilic group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a carbonyl group, and a sulfonic acid group.

また、分子構造の中に水酸基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基、スルホン酸基等の親水基を有する材料そのものを、シール部材の材料として用いる方法、あるいは、そのような材料をシール部材となる材料に配合する方法を採用することもできる。分子構造の中に親水基を有する材料としては、例えば、ビニルシリコーンゴム等の親水性ゴムが挙げられる。   Also, a method using a material itself having a hydrophilic group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a carbonyl group, or a sulfonic acid group in the molecular structure as a material for a seal member, or such a material is used as a seal member. A method of blending into the material can also be adopted. Examples of the material having a hydrophilic group in the molecular structure include hydrophilic rubber such as vinyl silicone rubber.

本発明においては、親水性を付与する必要のあるシール部材の箇所につき、上記いずれかの方法により親水性を付与して当該箇所の表面と水との接触角度を低減させるとともに、ガス流路を形成しているセパレータ基材の表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して両ガス流路を形成している当該シール部材の親水性付与箇所の表面の水の接触角度と、の差を４０度以下となるようにする。   In the present invention, the location of the sealing member that needs to be imparted with hydrophilicity is imparted with hydrophilicity by any of the above methods to reduce the contact angle between the surface of the location and water, and the gas flow path is provided. The difference between the contact angle of water on the surface of the separator substrate that is formed and the contact angle of water on the surface of the sealing member that forms both gas flow paths adjacent to the separator and the hydrophilicity imparted portion Is set to 40 degrees or less.

尚、本発明において、上記の親水基を有する材料以外に用いられる、シール部材の材料としては、反応ガスおよび冷却溶媒の漏れ止めを行うことのできるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、フッ素系ゴム、シリコーン系ゴム、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピエン−ジエン共重合体）等の弾性体を挙げることができる。   In the present invention, the material for the seal member used in addition to the material having the hydrophilic group is not particularly limited as long as it can prevent leakage of the reaction gas and the cooling solvent. . For example, elastic bodies such as fluorine rubber, silicone rubber, and EPDM (ethylene-propene-diene copolymer) can be used.

｛親水性を付与すべきシール部材の箇所｝
本発明において親水性を付与すべきシール部材の箇所は、シール部材全体の中でも両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部である。燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する面のうち、セパレータの基材で形成される箇所と、シール部材で形成される箇所と、の境界において、親水性に大きな差がある場合には、ガス流路を移動する生成水がシール部材に接触すると、その移動抵抗が急激に大きくなる。このため、生成水の停滞が起こりやすく、シール部材により形成されたガス流路表面の撥水性で玉状となった水によりガスの流れが抑制され、さらには排水性の低下によるフラッディング現象の誘引等から、燃料電池の発電性能が不安定となる。この点、本発明に係る燃料電池は、両ガス流路を親水性としつつ、ガス流路を形成するシール部材の少なくとも一部を親水性とし、ガス流路を移動する生成水の移動抵抗を低減させ、排出性を向上させたものである。 {Location of seal member to be hydrophilic}
In the present invention, the location of the sealing member to which hydrophilicity is to be imparted is at least a part of the sealing member forming both gas flow paths in the entire sealing member. Of the surfaces forming the fuel gas channel and the oxidant gas channel, when there is a large difference in hydrophilicity at the boundary between the location formed by the base material of the separator and the location formed by the seal member When the generated water that moves through the gas flow path comes into contact with the seal member, the movement resistance rapidly increases. For this reason, the stagnation of the generated water is likely to occur, and the gas flow is suppressed by the water-repellent ball-shaped water on the surface of the gas flow path formed by the seal member, and further the flooding phenomenon is induced due to the decrease in drainage. As a result, the power generation performance of the fuel cell becomes unstable. In this regard, in the fuel cell according to the present invention, both gas flow paths are made hydrophilic, at least a part of the seal member forming the gas flow path is made hydrophilic, and the movement resistance of the generated water moving through the gas flow path is reduced. Reduced and improved discharge.

図５は、親水性を付与すべきシール部材の箇所として、好ましい一例を示す図である。また、図６は、図５の点線範囲の部分拡大図である。さらに、図７は、図６におけるＡ−Ａ’の断面図である。   FIG. 5 is a diagram showing a preferred example of the location of the sealing member to which hydrophilicity should be imparted. FIG. 6 is a partially enlarged view of the dotted line range of FIG. Further, FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 6.

図５に示されるように、反応ガス流路の一部を形成しているシール部材のうち、親水性を付与すべき好ましい箇所としては、例えば、両ガス流路と両ガス出口連通孔との連通部（図５中の点線で囲まれた範囲Ｐ）が挙げられる。   As shown in FIG. 5, among the sealing members forming part of the reaction gas flow path, preferable locations where hydrophilicity should be imparted include, for example, both gas flow paths and both gas outlet communication holes. A communication part (range P enclosed by the dotted line in FIG. 5) is mentioned.

図６に示されるように、範囲Ｐにおける反応ガス流路は、セパレータ基材で形成される溝部（点線範囲Ｑにおける溝部）と、シール部材により形成される溝部（点線範囲Ｒにおける溝部）と、を有する。そして、セパレータ基材で形成される溝部（点線範囲Ｑにおける溝部）は、親水性を有している一方で、シール部材により形成される溝部（点線範囲Ｒにおける溝部）は、シール部材が撥水性であることから、撥水性を有しているのが通常である。尚、点線範囲Ｒにおける溝部で形成される反応ガス流路は、セパレータ及び電極構造体の大きさによっては、流路内全面がシール部材で形成される場合や、一部が電極構造体で形成される場合もある。流路内全面がシール部材で形成される場合には、少なくとも溝部を親水化することによって、良好な水の排出性を確保できる。   As shown in FIG. 6, the reaction gas flow path in the range P includes a groove portion formed by the separator base material (a groove portion in the dotted line range Q), a groove portion formed by the seal member (a groove portion in the dotted line range R), Have And while the groove part (groove part in dotted line range Q) formed with a separator base material has hydrophilicity, the seal member is water-repellent in the groove part (groove part in dotted line range R) formed by the seal member. Therefore, it usually has water repellency. The reaction gas flow path formed by the groove in the dotted line range R may be formed entirely by a seal member or partially by an electrode structure depending on the size of the separator and the electrode structure. Sometimes it is done. In the case where the entire surface in the flow path is formed of a seal member, it is possible to ensure good water discharge performance by hydrophilizing at least the groove.

このような反応ガス流路の内部を燃料電池の発電により生成した水が移動する際には、図５、図６に示される矢印方向に、即ち、両反応ガスの移動方向と同一方向に移動し、それぞれのガス出口連通孔からセル外部へと排水される。このとき、セパレータ基材で形成されるガス流路と、シール部材で形成されるガス流路との境界において、親水性の差が大きい場合には、流路表面と通過する水との接触角度は、急激に大きく変化してしまう。   When the water generated by the power generation of the fuel cell moves inside the reaction gas flow path, it moves in the direction of the arrow shown in FIGS. 5 and 6, that is, in the same direction as the movement direction of both reaction gases. Then, it is drained from each gas outlet communication hole to the outside of the cell. At this time, when the difference in hydrophilicity is large at the boundary between the gas flow path formed of the separator substrate and the gas flow path formed of the seal member, the contact angle between the flow path surface and the passing water Will change drastically.

図８及び図９は、両ガス出口連通孔との連通部付近のガス流路における、水の流れと接触角度との関係を表す図である。図８は、シール部材が撥水性である場合の図であり、図９は、シール部材が親水性である場合の図である。図８、図９におけるグラフのギャップ部分は、図６に示されるセパレータ基材で形成される溝部（点線範囲Ｑにおける溝部）と、シール部材により形成される溝部（点線範囲Ｒにおける溝部）と、の境界地点である。   8 and 9 are diagrams showing the relationship between the flow of water and the contact angle in the gas flow path in the vicinity of the communicating portion with both gas outlet communicating holes. FIG. 8 is a view when the seal member is water-repellent, and FIG. 9 is a view when the seal member is hydrophilic. The gap part of the graph in FIG. 8, FIG. 9 is the groove part (groove part in dotted line range Q) formed by the separator base material shown in FIG. 6, the groove part (groove part in dotted line range R) formed by the seal member, This is the boundary point.

図８に示されるように、シール部材が撥水性であるガス流路においては、セパレータ基材で形成される溝部（図６の点線範囲Ｑにおける溝部）と、シール部材により形成される溝部（図６の点線範囲Ｒにおける溝部）と、の境界地点においては、セパレータ基材による親水性の表面から、シール部材による撥水性の表面に変化する際の接触角度のギャップが大きい。このギャップが大きいと、水の移動抵抗が大きくなり、排出性が妨げられる場合がある。   As shown in FIG. 8, in the gas flow path in which the sealing member is water repellent, the groove formed by the separator base material (the groove in the dotted line range Q in FIG. 6) and the groove formed by the seal member (FIG. At the boundary point between the separator 6 and the groove portion in the dotted line range R, the gap of the contact angle when changing from the hydrophilic surface by the separator base material to the water-repellent surface by the seal member is large. If this gap is large, the resistance to movement of water increases, which may impede discharge.

一方で、図９に示されるように、シール部材が親水性であるガス流路においては、セパレータ基材で形成される溝部（図６の点線範囲Ｑにおける溝部）と、シール部材により形成される溝部（図６の点線範囲Ｒにおける溝部）と、の境界地点においても、セパレータ基材による表面から、シール部材による表面に変化する際の接触角度のギャップは小さい。このため、水の移動抵抗を低減することができ、その結果、良好な排出性を得ることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 9, in the gas flow path in which the seal member is hydrophilic, the seal member is formed by a groove portion (groove portion in the dotted line range Q in FIG. 6) formed by the separator base material. Even at the boundary point between the groove portion (the groove portion in the dotted line range R in FIG. 6), the gap of the contact angle when changing from the surface by the separator base material to the surface by the seal member is small. For this reason, the movement resistance of water can be reduced, and as a result, favorable discharge property can be obtained.

また、反応ガス流路の一部を形成しているシール部材のうち、親水性を付与すべき好ましい箇所の別の例としては、両ガス流路が形成されている領域の境界部であるシール部材の箇所である。セパレータの外周縁部を周回するようにシール部材が配置される場合には、生産性の問題から、セパレータに設けられた反応ガス流路に、シール部材の端部が掛かる場合がある。このような場合には、ガス流路を移動する生成水は、当該シール部に接触し、当該シール部が撥水性である場合には、抵抗を受けてしまう。したがって、シール部材とセパレータ基材との境界部であって、両ガス流路に掛かる箇所については、当該シール部材を親水性とすることが好ましい。   Further, among the seal members forming part of the reaction gas flow path, another example of a preferable portion to which hydrophilicity should be imparted is a seal that is a boundary portion of a region where both gas flow paths are formed. It is the location of the member. When the seal member is arranged so as to go around the outer peripheral edge of the separator, the end of the seal member may be applied to the reaction gas flow path provided in the separator due to productivity problems. In such a case, the generated water that moves through the gas flow path comes into contact with the seal portion and receives resistance when the seal portion is water-repellent. Therefore, it is preferable to make the sealing member hydrophilic at a boundary portion between the sealing member and the separator base material, and at a place where both the gas flow paths are applied.

図１０は、反応ガス流路の一部を形成しているシール部材のうち、親水性を付与すべき好ましい箇所として、別の例を示す図である。図１０に示されるように、反応ガス流路の側面に配置されるシール部材に親水性を付与する態様も、本発明における好ましい態様のひとつである。   FIG. 10 is a view showing another example as a preferable portion to which hydrophilicity should be imparted among the sealing members forming a part of the reaction gas flow path. As shown in FIG. 10, an embodiment in which hydrophilicity is imparted to the seal member disposed on the side surface of the reaction gas channel is also a preferred embodiment in the present invention.

［燃料電池（スタック）の製造方法］
本実施形態に係る燃料電池（スタック）１０は、例えば、高分子電解質膜２８をアノード電極３０とカソード電極３２との間に配置して電極構造体（ＭＥＡ）２２を得る工程と、電極構造体（ＭＥＡ）２２の両側にセパレータ２４及び２６を配置することにより、アノード電極３０と第２の金属セパレータ２６との間には燃料ガス流路４８が設けられ、且つ、カソード電極３２と第１の金属セパレータ２４との間には酸化剤ガス流路４６が設けられた発電セル（単セル）１２を得る工程と、発電セル（単セル）１２を複数積層して燃料電池（スタック）１０を得る工程と、を含み、セパレータ２４、２６の外周縁部を周回して、シール部材５４、５６を設けるとともに、シール部材５４、５６に親水性を付与する工程をさらに含む製造方法により製造される。 [Manufacturing method of fuel cell (stack)]
The fuel cell (stack) 10 according to the present embodiment includes, for example, a step of obtaining the electrode structure (MEA) 22 by arranging the polymer electrolyte membrane 28 between the anode electrode 30 and the cathode electrode 32, and the electrode structure. By disposing the separators 24 and 26 on both sides of the (MEA) 22, a fuel gas flow path 48 is provided between the anode electrode 30 and the second metal separator 26, and the cathode electrode 32 and the first metal separator 26 are arranged. A step of obtaining a power generation cell (single cell) 12 provided with an oxidant gas flow path 46 between the metal separator 24 and a fuel cell (stack) 10 obtained by stacking a plurality of power generation cells (single cells) 12. A manufacturing method that further includes a step of circling the outer peripheral edges of the separators 24 and 26 to provide the sealing members 54 and 56 and imparting hydrophilicity to the sealing members 54 and 56. Ri is manufactured.

また、本発明においては、１枚のセパレータの両面に、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路をそれぞれ設けるとともに、それぞれの面の外周縁部を周回するようにシール部材を配置し、その後、電極構造体（ＭＥＡ）と当該セパレータとを交互に積層する方法を挙げることもできる。尚、この場合には、必要に応じて適宜、複数のセパレータを配置し、セパレータ間に冷却媒体流路を形成する。   Further, in the present invention, a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path are provided on both surfaces of a single separator, and a seal member is disposed so as to circulate around the outer peripheral edge of each surface. A method of alternately laminating electrode structures (MEA) and the separator can also be mentioned. In this case, a plurality of separators are appropriately arranged as necessary, and a cooling medium flow path is formed between the separators.

［セパレータの製造方法］
本実施形態にかかるセパレータ２４、２６の製造方法は、先ず、金属のプレスや、金属からの削りだしにより、セパレータそのものを成型する。その際、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却媒体流路を形成するための溝部を設ける。次に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体の漏れ止めのために必要となるシール部材を、セパレータの外周縁部を周回するように設ける。このとき、シール部材のうちで親水性とすべき箇所の接触角度と、当該箇所に隣接しているガス流路の接触角度とを、接触角度計を用いて調整しつつ、シール材を設置する。具体的には、上記した親水性を付与する方法のいずれかを用いて当該シール部材の箇所を親水性とし、隣接しているガス流路の接触角度との関係を調整する。尚、防錆性を付与するための表面処理等をさらに含んでいてもよい。 [Manufacturing method of separator]
In the manufacturing method of the separators 24 and 26 according to the present embodiment, first, the separator itself is molded by metal pressing or metal shaving. In that case, the groove part for forming a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, and a cooling medium flow path is provided. Next, a seal member necessary for preventing leakage of the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium is provided so as to go around the outer peripheral edge of the separator. At this time, the sealing material is installed while adjusting the contact angle of the portion that should be hydrophilic among the seal members and the contact angle of the gas flow path adjacent to the portion using a contact angle meter. . Specifically, the position of the sealing member is made hydrophilic by using any one of the above-described methods for imparting hydrophilicity, and the relationship with the contact angle between adjacent gas flow paths is adjusted. In addition, the surface treatment etc. for providing rust prevention property may further be included.

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

＜実施例１＞
［セパレータの成型工程］
ステンレス鋼板ＳＵＳ３１６Ｌを材料とし、プレス加工で成型することにより、燃料電池用のセパレータを得た。得られたセパレータの外周縁部を周回するように、シリコーンゴムを用いた一体シール成形を行った。 <Example 1>
[Separator molding process]
A separator for a fuel cell was obtained by using a stainless steel plate SUS316L as a material and molding it by press working. The integral seal molding using silicone rubber was performed so as to go around the outer peripheral edge of the obtained separator.

［シール部材への親水性付与工程］
得られたセパレータのうち、反応ガス出口連通孔付近のガス流路を形成するシール部材に対し、下記の装置、条件によりプラズマ照射を実施した。
装置 ：アネルバ社製ＤＥＭ−４５１Ｔ
照射条件 ：２００Ｗ、１３．５６ＭＨｚ、１ｍｉｎ [Step of imparting hydrophilicity to sealing member]
Among the obtained separators, plasma irradiation was carried out on the seal member forming the gas flow path near the reaction gas outlet communication hole under the following apparatus and conditions.
Device: DEM-451T manufactured by Anerva
Irradiation conditions: 200 W, 13.56 MHz, 1 min

＜実施例２＞
［セパレータの成型工程］
シリコーンゴムのかわりに、ＥＰＤＭゴム（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム）を用いた以外は、実施例１と同様にセパレータの成形を行った。 <Example 2>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 1 except that EPDM rubber (ethylene-propylene-diene copolymer rubber) was used instead of silicone rubber.

［シール部材への親水性付与工程］
得られたセパレータのうち、反応ガス出口連通孔付近のガス流路を形成するシール部材に対し、クロルスルホン酸（関東化学社製）を３０分間接触させることにより、塩素化処理を実施した。 [Step of imparting hydrophilicity to sealing member]
Among the obtained separators, chlorination treatment was carried out by bringing chlorosulfonic acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) into contact with a sealing member forming a gas flow path near the reaction gas outlet communication hole for 30 minutes.

＜実施例３＞
［セパレータの成型工程］
実施例１と同様にセパレータの成形を行った。 <Example 3>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 1.

［シール部材への親水性付与工程］
得られたセパレータのうち、反応ガス出口連通孔付近のガス流路を形成するシール部材に対し、ポリシラザン（クラリアント社製ＮＰ−Ｐ１４０−０１）を噴霧し、常温にて７日間放置することにより、ガラスコートの形成を実施した。 [Step of imparting hydrophilicity to sealing member]
Among the obtained separators, polysilazane (NP-P140-01 manufactured by Clariant) is sprayed on a sealing member that forms a gas flow path near the reaction gas outlet communication hole, and left at room temperature for 7 days. A glass coat was formed.

＜実施例４＞
［セパレータの成型工程］
シール部材の材料として、親水性添加剤を配合した下記の組成物を用いた以外は、実施例１と同様にセパレータの成型を行った。
ＥＰＤＭゴム（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム）：１００質量部
ドデシルベンゼンスルホン酸（関東化学社製） ：０．５質量部
酸化チタン ：１０質量部 <Example 4>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 1 except that the following composition containing a hydrophilic additive was used as the material for the seal member.
EPDM rubber (ethylene-propylene-diene copolymer rubber): 100 parts by mass Dodecylbenzenesulfonic acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.): 0.5 parts by mass Titanium oxide: 10 parts by mass

＜実施例５＞
［セパレータの成型工程］
シール部材の材料として、親水性添加剤を配合した下記の組成物を用いた以外は、実施例１と同様にセパレータの成型を行った。
ＥＰＤＭゴム（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム）：１００質量部
ドデシルベンゼンスルホン酸（関東化学社製） ：０．１質量部
酸化チタン ：３質量部 <Example 5>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 1 except that the following composition containing a hydrophilic additive was used as the material for the seal member.
EPDM rubber (ethylene-propylene-diene copolymer rubber): 100 parts by mass Dodecylbenzenesulfonic acid (manufactured by Kanto Chemical Co.): 0.1 parts by mass Titanium oxide: 3 parts by mass

＜実施例６＞
［セパレータの成型工程］
シール部材の材料として、親水性ゴムであるビニルシリコーン（睦化学工業社製、ムツミシーグレスインジェクション）を用いた以外は、実施例１と同様にセパレータの成型を行った。 <Example 6>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 1 except that vinyl silicone (manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., Mutsumi Sea Grease Injection), which is a hydrophilic rubber, was used as the material for the seal member.

＜比較例１＞
プラズマ照射による親水化処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にセパレータの成形を行った。 <Comparative Example 1>
A separator was molded in the same manner as in Example 1 except that the hydrophilic treatment by plasma irradiation was not performed.

＜比較例２＞
［セパレータの成型工程］
塩素化処理による親水化処理を行わなかった以外は、実施例２と同様にセパレータの成形を行った。 <Comparative Example 2>
[Separator molding process]
A separator was molded in the same manner as in Example 2 except that the hydrophilic treatment by chlorination treatment was not performed.

＜評価＞
［接触角度の測定］
実施例１〜６及び比較例１〜２で得られたセパレータにつき、接触角度計（協和界面科学社製、ＣＡ−Ｘ）を用いて、ガス流路を形成するセパレータ基材（ステンレス鋼板ＳＵＳ３１６Ｌ）の表面と蒸留水との接触角度と、親水化処理を施したガス流路を形成するシール部材（シリコーンゴム）の表面と蒸留水との接触角度とを計測し、その差（Δ接触角）を得た。結果を表１に示す。 <Evaluation>
[Measurement of contact angle]
About the separator obtained in Examples 1-6 and Comparative Examples 1-2, a separator base material (stainless steel plate SUS316L) that forms a gas flow path using a contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., CA-X). Measure the contact angle between the surface of the water and distilled water and the contact angle between the surface of the seal member (silicone rubber) that forms the hydrophilized gas flow path and distilled water, and the difference (Δ contact angle) Got. The results are shown in Table 1.

[水排水性の評価］
実施例１〜６及び比較例１〜２で得られたセパレータにより、電極構造体（ＭＥＡ）を挟持し、発電セル（単セル）を作成した。セルのガス入口連通孔から５０ｃｃの水を添加し、その後、１０秒間、反応ガスを掃気した。掃気後のセルの重量を測定することにより水の残存量を算出し、水排出性につき以下の評価を行った。結果を表１に示す。
○ ：９０％以上の水がセル外に排出されていた。
× ：１０％より多くの水がセル内に残留していた。 [Evaluation of water drainage]
The electrode structures (MEA) were sandwiched between the separators obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, and power generation cells (single cells) were created. 50 cc of water was added from the gas inlet communication hole of the cell, and then the reaction gas was scavenged for 10 seconds. The remaining amount of water was calculated by measuring the weight of the cell after scavenging, and the following evaluation was performed for water discharge. The results are shown in Table 1.
○: 90% or more of water was discharged out of the cell.
X: More than 10% of water remained in the cell.

ガス流路を形成するシール部材を親水性とした実施例１〜６においては、シール部材が撥水性である比較例１及び２と比較して、接触角度の差（Δ接触角）が小さいことが確認された。これにより、生成水の移動抵抗が小さいことが判る。また、実施例１〜６においては、いずれも水排出性が良好である一方で、比較例１及び２は、セル内への水の残留量が大きかった。これにより、ガス流路を形成するシール部材を親水性とし、セパレータ基材によって形成されるガス流路との親水性の差をある範囲内とすることにより、水の移動抵抗が低減することによる水の排出性を向上させ、その結果、燃料電池の発電安定性を確保できることが判った。   In Examples 1 to 6 in which the seal member forming the gas flow path is hydrophilic, the difference in contact angle (Δ contact angle) is small compared to Comparative Examples 1 and 2 in which the seal member is water repellent. Was confirmed. Thereby, it turns out that the movement resistance of generated water is small. Moreover, in Examples 1-6, while water discharge property was all favorable, Comparative Examples 1 and 2 had a large residual amount of water in the cell. Thereby, the sealing member that forms the gas flow path is made hydrophilic, and the difference in hydrophilicity with the gas flow path formed by the separator base material is within a certain range, thereby reducing the water movement resistance. It was found that the water discharge performance was improved, and as a result, the power generation stability of the fuel cell could be secured.

接触角を示す図である。It is a figure which shows a contact angle. 本実施形態にかかる燃料電池１０の斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell 10 according to the present embodiment. 図２に示される燃料電池１０の一部切り欠き側面図である。FIG. 3 is a partially cutaway side view of the fuel cell 10 shown in FIG. 2. 図２に示される燃料電池１０を構成する発電セルの分解斜視説明図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of a power generation cell constituting the fuel cell 10 shown in FIG. 2. 親水性を付与すべきシール部材の箇所として、好ましい一例を示す図である。It is a figure which shows a preferable example as a location of the sealing member which should provide hydrophilicity. 図５における点線範囲Ｐの部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the dotted line range P in FIG. 図６におけるＡ−Ａ’の断面図である。It is sectional drawing of A-A 'in FIG. 水の流れと接触角度との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the flow of water and a contact angle. 水の流れと接触角度との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the flow of water and a contact angle. 親水性を付与すべきシール部材の箇所として、好ましい別の例を示す図である。It is a figure which shows another example preferable as a location of the sealing member which should provide hydrophilicity.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池（スタック）
１２ 発電セル（単セル）
１２ａ、１２ｂ 端部発電セル
１４ 積層体
１６ａ、１６ｂ ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ 絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ エンドプレート
２２ 電極構造体（ＭＥＡ）
２４ 第１の金属セパレータ
２６ 第２の金属セパレータ
２８ 高分子電解質膜
３０ アノード電極（燃料極）
３２ カソード電極（空気極）
４０ａ 酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ 酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ 冷却媒体入口連通孔
４２ｂ 冷却媒体出口連通孔
４４ａ 燃料ガス入口連通孔
４４ｂ 燃料ガス出口連通孔
４６ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５０ 冷却媒体流路
５４ 第１シール部材
５６ 第２シール部材
１ シール部材
２ セパレータ基材
３ 反応ガス流路
４ 水滴 10 Fuel cell (stack)
12 Power generation cell (single cell)
12a, 12b End power generation cell 14 Laminated body 16a, 16b Terminal plate 18a, 18b Insulating plate 20a, 20b End plate 22 Electrode structure (MEA)
24 1st metal separator 26 2nd metal separator 28 Polymer electrolyte membrane 30 Anode electrode (fuel electrode)
32 Cathode electrode (Air electrode)
40a Oxidant gas inlet communication hole 40b Oxidant gas outlet communication hole 42a Cooling medium inlet communication hole 42b Cooling medium outlet communication hole 44a Fuel gas inlet communication hole 44b Fuel gas outlet communication hole 46 Oxidant gas flow path 48 Fuel gas flow path 50 Cooling medium flow channel 54 First seal member 56 Second seal member 1 Seal member 2 Separator base material 3 Reactive gas flow channel 4 Water droplet

Claims (4)

アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が配置された電極構造体と、セパレータと、が積層されて、前記アノード電極とこれに隣接するセパレータとの間に燃料ガス流路が形成され、且つ、前記カソード電極とこれに隣接するセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成された燃料電池であって、
前記両電極とこれらに隣接するセパレータとの間にはシール部材が介在し、このシール部材により前記両ガス流路の一部が形成されており、
前記両ガス流路を形成しているセパレータは、表面の水の接触角度が８０度以下であり、且つ、このセパレータに隣接して前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差が４０度以下である燃料電池。 An electrode structure in which an electrolyte membrane is disposed between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator are laminated to form a fuel gas flow path between the anode electrode and a separator adjacent thereto; and A fuel cell in which an oxidant gas flow path is formed between the cathode electrode and a separator adjacent thereto,
A seal member is interposed between the two electrodes and the separator adjacent thereto, and a part of the two gas flow paths is formed by the seal member,
The separator that forms both the gas flow paths has a water contact angle of 80 degrees or less on the surface, and at least a part of the seal member that forms the both gas flow paths adjacent to the separator. The fuel cell whose difference with the contact angle of water of the surface of this is 40 degrees or less. 前記両ガス流路は、前記セパレータにおいて積層方向に貫通しているガス入口連通孔及びガス出口連通孔に連通しており、前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部は、前記両ガス流路と前記ガス出口連通孔との連通部に配置された請求項１記載の燃料電池。   The gas passages communicate with a gas inlet communication hole and a gas outlet communication hole penetrating in the stacking direction in the separator, and at least a part of the seal member forming the gas flow paths is The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is disposed in a communication portion between the gas flow paths and the gas outlet communication hole. 前記両ガス流路を形成しているシール部材の少なくとも一部は、前記両ガス流路が形成されている領域の境界部に配置された請求項１又は２記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the sealing member forming both the gas flow paths is disposed at a boundary portion of a region where the both gas flow paths are formed. アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を配置した電極構造体と、セパレータと、を積層して、前記アノード電極とこれに隣接するセパレータとの間に燃料ガス流路を形成し、且つ、前記カソード電極とこれに隣接するセパレータとの間に酸化剤ガス流路を形成する燃料電池の製造方法であって、
前記両電極とこれらに隣接するセパレータとの間にシール部材を介在させて、このシール部材により前記両ガス流路の一部を形成し、
前記両ガス流路を形成するセパレータの表面の水の接触角度と、このセパレータに隣接して前記両ガス流路を形成するシール部材の少なくとも一部の表面の水の接触角度との差を調整する工程を含む燃料電池の製造方法。 An electrode structure in which an electrolyte membrane is disposed between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a fuel gas flow path is formed between the anode electrode and a separator adjacent thereto; and A fuel cell manufacturing method for forming an oxidant gas flow path between the cathode electrode and a separator adjacent thereto,
A seal member is interposed between the both electrodes and the separator adjacent thereto, and a part of both gas flow paths is formed by the seal member,
Adjust the difference between the water contact angle on the surface of the separator that forms both gas flow paths and the water contact angle on the surface of at least a part of the sealing member that forms both gas flow paths adjacent to the separator. The manufacturing method of the fuel cell including the process to do.

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