高分子电解质型燃料电池用隔离层、高分子电解质型燃料电池、高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法以及高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法

摘要

本发明目的在于提供即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层，即使在供给气体的压力损失小的条件下也可以充分抑制溢流现象的产生的可靠性良好的高分子电解质型燃料电池、可以准确评价结露水的排出性能的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法、以及即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法。本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层包含导电性碳和加固导电性碳的粘接剂，在50℃以上90℃以下范围内的周围温度、且相对湿度在70％以上100％以下的范围的周围湿度条件下，使50μL以上80μL以下的水滴滴落的情况下，使至少在一个主面上形成的反应气体流路(30C、40C)的表面的水滴掉落角度在5度以上45度以下。

说明书

发明领域

本发明涉及高分子电解质型燃料电池用隔离层、高分子电解质型燃料电池、高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法以及高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法。特别是涉及包含导电性碳和加固导电性碳的粘接剂的导电性高分子电解质型燃料电池用隔离层、对高分子电解质型燃料电池和高分子电解质型燃料电池用隔离层的排水性进行评价的评价方法、以及高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法。

背景技术

高分子电解质型燃料电池中，因在电池内部的气体流路和电极内部发生结露、水堵塞等现象导致电池性能不稳定、或者性能降低的现象、即溢流现象。为了控制这一问题，已经实施或提出了各种高分子电解质型燃料电池用隔离层(以下简称为“隔离层”)或者运行方法。具体而言，通常实施增大阳极气体和阴极气体的供给压力，驱走结露的水分的运行方法。

然而，增大阳极气体和阴极气体的供给压力驱走结露的水分的运行方法，需要将这些反应气体的供给手段做成高压的供给手段，并且将高分子电解质型燃料电池的结构做成耐压结构。除此之外，反应气体的高压供给与使高分子电解质型燃料电池的能效降低相关联。

因此，提出了对表面进行疏水处理/亲水处理的方法或隔离层的方案(参考专利文献1～19)。另外，提出了由包含亲水材料/疏水材料的材料构成以增大/减小隔离层与水分的接触角的方法或隔离层的方案(参考专利文献20～30)。此外还提出了防止溢流的结构的隔离层或者将隔离层与电极加以组合等的方案(参考专利文献31～37)。

专利文献1：特开2003-282087号公报

专利文献2：特开2003-257468号公报

专利文献3：特开2003-151585号公报

专利文献4：特开2003-151572号公报

专利文献5：特开2003-123780号公报

专利文献6：特开2003-112910号公报

专利文献7：特开2003-109619号公报

专利文献8：特开2002-313356号公报

专利文献9：特开2002-042830号公报

专利文献10：特开2002-020690号公报

专利文献11：特开2001-076740号公报

专利文献12：特开2000-251903号公报

专利文献13：特开2000-223131号公报

专利文献14：特开2000-100452号公报

专利文献15：特开2000-036309号公报

专利文献16：特开平09-298064号公报

专利文献17：特开平07-302600号公报

专利文献18：特开平05-251091号公报

专利文献19：再表99/40642号公报

专利文献20：特开2003-297385号公报

专利文献21：特开2003-217608号公报

专利文献22：特开2003-208905号公报

专利文献23：特开2003-208904号公报

专利文献24：特开2002-352813号公报

专利文献25：特开2001-283873号公报

专利文献26：特开2001-093539号公报

专利文献27：特开2000-31695号公报

专利文献28：特开平10-003931号公报

专利文献29：特开2001-509950号公报

专利文献30：特开平08-503100号公报

专利文献31：特开2003-197217号公报

专利文献32：特开2003-197203号公报

专利文献33：特开2003-168452号公报

专利文献34：特开2003-007312号公报

专利文献35：特开2002-343369号公报

专利文献36：特开2002-203571号公报

专利文献37：特开2001-110432号公报

发明内容

发明所解决的课题

然而，通常高分子电解质型燃料电池根据需要的功率负载改变输出功率即输出电流。这时，若根据输出电流也改变供给气体流量，以大致一定的燃料利用率和氧利用率进行运行，则是高效率的。即在部分负载运行时，供给气体量也与其相应减少。此时，供给气体的压力损失当然也低，因此越是在部分负载运行时，越容易产生溢流现象、即在隔离层中的水堵塞现象。因此，即使在供给气体的压力损失小的条件(例如在10kPa以下的条件)下，也要求研制出具有结露水排出性能优异的表面的隔离层。

即使在上述专利文献1～37中记载的已有技术中，也没有实现即使是在供给气体的压力损失小的条件(例如在10kPa以下的条件)下也具有优异的结露水排出性能的隔离层，尚有改善的余地。特别是面临以下所述的课题，即在将包含导电性碳和粘接剂的混合物压缩成型形成的隔离层(压缩成型隔离层)的情况下，在供给气体的压力损耗小的条件(例如在10kPa以下的条件)下，难以获得优异的结露水排出性能。

因此，本发明是鉴于上述问题而完成，其目的在于提供即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层。另外，本发明的目的还在于，提供上述本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层，并且提供即使在供给气体的压力损失小的条件下，也可以充分抑制溢流现象的产生的可靠性优异的高分子电解质型燃料电池。本发明的目的还在于，提供可以准确评价结露水的排出性能的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法。另外，本发明的目的在于，提供即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法。

本发明人为了达到上述目的，反复潜心研究，根据对结露水排出性能进行验证的结果，发现了下述情况，即对于高分子电解质型燃料电池用隔离层流路的表面，若在发电时的条件下即运行温度下，并且在表面湿润的条件下，将至此没有注重的水滴掉下的角度设定为规定的角度以下，则能够获得优异的结露水排出性能，从而能够实现本发明。

即本发明提供一种高分子电解质型燃料电池用隔离层，该隔离层包含导电性碳和加固导电性碳的粘接剂，至少在一个主面上形成反应气体流路，在50℃以上90℃以下范围内的周围温度、且相对湿度在70％以上100％以下范围内的周围湿度条件下，使50μL以上80μL以下的水滴滴落的情况下，所述反应气体流路的表面的水滴滴落角度在5度以上45度以下(权利要求1)。

若做成这样的构成，则高分子电解质型燃料电池用隔离层的反应气体流路的表面即使在反应气体的供给压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的特性，因此可以构成对溢流现象抑制效果良好的高分子电解质型燃料电池用隔离层。特别是若将上述的构成应用于将包含导电性碳和粘接剂的混合物压缩成型而形成的隔离层(压缩成型隔离层)，则即使在供给气体的压力损失小的条件下(例如在10kPa以下的条件)，也可以容易且正确地获得良好的结露水排出性能。另外，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层是将导电性碳作为结构材料的导电性隔离层。

在这里，本发明中所谓反应气体是指提供给高分子电解质燃料电池的氧化剂气体(包含氧化剂的气体)和还原剂气体(包含还原剂的气体)。另外，本发明中，所谓反应气体流路是指在形成于高分子电解质型燃料电池用隔离层表面的槽部、挖空部等流通的流路、即在高分子电解质型燃料电池组装状态下反应气体的流路。另外，本发明中，所谓「水滴掉落角度」是指测量对象(隔离层等)的表面的倾斜角度，也就是指静止于测量对象的表面的水滴开始滑落的倾斜角度，指通过用下述图1和图2说明的测量方法求出的角度α。

本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层其反应气体流路表面的粗糙度算术平均偏差值(Ra)为1.5μm以上4.0μm以下即可(权利要求2)。若采用这样的构成，则对高分子电解质燃料电池用的隔离层的耐久性没有影响，且可以通过氧等离子体处理，更容易且正确地谋求改善水滴掉落角度。还有，根据同样的观点，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层其反应气体流路表面的粗糙度算术平均偏差值(Ra)在2.5μm以上4.0μm以下则更佳。再者，从使隔离层紧凑为实用程度大小的观点、即实际上充分减少制造的气体流路的大小与设计值的偏差的观点出发，最好是反应气体流路表面的粗糙度算术平均偏差值(Ra)在4.0μm以下。

本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层其反应气体流路的粗糙度算术平均偏差值(Ra)中，其细微的凸部间的间距在大约5μm以下即可(权利要求3)。若采用这样的构成，则即使在反应气体的供给压力损耗小的条件下，也可以更容易且正确地抑制反应气体的供给压力损失的振动，因此可以更容易且正确地抑制高分子电解质型燃料电池的发电输出功率的振动。

从更可靠地获得本发明的效果的观点出发，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层其所述反应气体流路的表面也可以通过喷沙加工、激光加工或者成型加工形成(权利要求4)。

本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层对反应气体流路的表面进行了阶段式喷沙加工即可(权利要求5)。若采用这样的构成，则在反应气体流路的表面形成多级凹凸构造，比表面大，因此可以更容易且正确地将水滴掉落角度调整到5度以上45度以下。这里，所谓比表面是指隔离层流路的每单位平面积的表面积。在这里，所谓阶段式喷沙加工是指多级喷沙加工，与前面的喷沙加工相比，后面的喷沙加工其喷沙加工时使用的粒子的颗粒直径小。

又，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层对反应气体流路的表面也可以进行了氧等离子体处理(权利要求6)。若采用这样的构成，则可以将高分子电解质型燃料电池用隔离层的流路表面的水滴掉落角度α调整到5度以上45度以下。

还有，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层最好是利用含有导电性碳和粘接剂的混合物压缩成型方法的形成(权利要求7)。如上所述，若采用这样的构成，则即使在供给气体的压力损失小的条件(例如在10kPa以下的条件)下，也可以容易且正确地构成具有良好的结露水排出性能的压缩成型隔离层。压缩成型隔离层与对以导电性碳为主成分的硬的板状构件进行切削成型加工形成的类型的隔离层相比，能够容易且低成本地(例如大约100分之一)进行制造，这样，通过使其具备良好的排水性，可以对实现高分子电解质型燃料电池的大量生产作出极大贡献。

另外，本发明的高分子电解质型电池用隔离层也可以是即使在上述压缩成型隔离层中也可以是能够利用注射模塑成型技术进行制造的注射模塑压缩成型隔离层，在这种情况下，有利于进行更大量生产。

又，本发明提供具备权利要求1中所述的高分子电解质型燃料电池用隔离层(权利要求8)的高分子电解质型燃料电池。通过做成具有上述本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层的结构，可以充分抑制溢流现象，因此即使可以构成在供给气体的压力损失小的条件也能够维持稳定的发电的可靠性良好的高分子电解质型燃料电池。

还有，本发明提供根据高分子电解质型燃料电池用隔离层中形成的反应气体流路的表面的水滴掉落角度，对该反应气体流路的结露水排出性能进行评价(权利要求9)的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法。若做成这样的结构，则可以准确地评价高分子电解质型燃料电池用隔离层的反应气体流路的表面结露水的排出性能。

从更可靠地获得本发明的效果的观点出发，本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法通过使水滴滴落在所述反应气体流路的表面，获得所述水滴掉落角度即可(权利要求10)。

本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法中，所述水滴掉落角度也可以是在50℃以上90℃以下的范围内的周围温度，且相对湿度在70％以上100％以下范围内的周围湿度条件下的，50μL以上80μL以下的水滴的水滴掉落角度(权利要求11)。若做成这样的结构，则无需严格再现实际条件就可以测量水滴掉落的角度，因此可以容易且准确地评价结露水排出性能。

又，本发明提供一种含有导电性碳和加固导电性碳的粘接剂，至少在一个主面上形成反应气体流路的高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法，在50℃以上90℃以下范围内的周围温度、且相对湿度在70％以上100％以下范围内的周围湿度条件下，使50μL以上80μL以下的水滴滴落时，反应气体流路的表面形成水滴掉落角度在5度以上45度以下的结构(权利要求12)。

采用本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法，除了形成能够满足上述的水滴掉落角度的条件的结构以外，通过采用众所周知的表面处理技术(物理表面处理、化学表面处理等)等众所周知的隔离层制造技术(也包含材料选择、材料的混合方法以及材料的混合比率的调节等)，可以容易且可靠地获得上述的本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层。

发明效果

如上所述，采用本发明，则可以提供即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层。另外，若采用本发明，则可以提供即使在供给气体的压力损失小的条件下也可以充分抑制溢流现象的产生的可靠性优异的高分子电解质型燃料电池。还有，若采用本发明，则可以提供能够准确评价结露水排出性能的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法。另外，可以容易且可靠地制造即使在供给气体的压力损耗小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层。

工业应用性

本发明适用于即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层、即使在供给气体的压力损失小的条件下也可以充分抑制溢流现象产生的可靠性优异的高分子电解质型燃料电池、能够准确评价结露水排出性能的高分子电解质型燃料电池用隔离层的评价方法、以及作为容易且可靠地制造即使在供给气体的压力损失小的条件下也具有结露水排出性能优异的表面的高分子电解质型燃料电池用隔离层的高分子电解质型燃料电池用隔离层的制造方法。

具体实施形态

首先，对作为本发明背景的本发明人的见解进行说明。

如上所述，本发明人发现下述情况，即对附着在高分子电解质型燃料电池用隔离层(以下称为“隔离层”)的气体流路表面上的结露水排出性能进行验证的结果表明，在发生工作温度范围内气体流路中产生液态水的特有现象的高分子电解质型燃料电池中，与其(1)如以往那样，着眼于气体流路表面上处于静止状态的水滴的接触角度(浸湿性)对气体流路表面的结构进行设计(亲水性、疏水性、粗糙度算术平均偏差值(Ra)等)，又如(2)着眼于附着在气体流路表面上的水滴受到流入流路内的反应气体流的推压形成开始移动状态时该水滴的「水滴掉落角度」，对气体流路表面的结构进行设计(更具体而言，设计成「在50℃以上90℃以下范围内周围温度，且相对湿度在70％以上100％以下范围内的周围湿度条件下，使50μL以上80μL以下的水滴滴落时，反应气体流路的表面的水滴掉落角度在5度以上45度以下」)，后者能够容易且可靠地获得动作状态中良好的排水性{特别是在供给气体的压力损失小的条件(例如在10kPa以下的条件)下的良好的排水性}，是非常有效的。

例如，一般而言，若隔离层的气体流路的表面具有亲水性或者疏水性，则隔离层的结露水排出性能趋向良好。然而，在隔离层只根据上述(1)设计做成的情况下，即使在亲水性优异而且即使不多也具有有限的接触角的情况下，隔离层的气体流路表面的结露水以形成有限面积的水块的状态而存在。于是，若水滴叠加在一起形成结露，则有时产生水滴堵塞流路的情况。

又，在隔离层的气体流路表面在疏水性优异的情况下，在隔离层的气体流路表面上结露的水以仍然保持非常小的水滴的状态，以从隔离层的气体流路表面上滚落的方式被气体冲走，不容易引起隔离层流路的堵塞。然而，隔离层在只根据上述(1)的设计做成的情况下，隔离层的气体流路表面的粗糙度算术平均偏差值(Ra)大时，隔离层的气体流路表面的粗糙度算术平均偏差值(Ra)、即细微的凹凸、起像锚的功能，有时产生水滴堵塞流路的情况。

因此，对于隔离层的气体流路表面中的结露水排出性能的评价，仅仅根据上述(1)的设计的亲水性或疏水性进行评价是不充分的。

本发明人发现了下述情况，即利用水滴掉落角度α进行评价，从而可以与仅仅根据上述(1)的设计的亲水性及疏水性无关地，容易且正确地对适合燃料电池的工作条件的隔离层的气体流路表面的结露水排出性能进行评价。

在这里，本发明中所谓「接触角度」，是指在静止液体(水滴)的自由表面接触固体壁(隔离层)的部位上液面与固体面形成的角度(位于液体的内部的角度)(日本「岩波的“理化学辞典”第5版」739页中所述的接触角)，更具体而言，是对该测量对象进行配置，使该测量对象(隔离层)的表面水平，在该表面上放置一定量的水滴并使其静止的情况下，上述测量对象的表面与水滴的液面(不同于测量对象的表面的与外部气体接触的面)形成的角度(位于水滴的内部的角度)。

又，如上所述，所谓「水滴掉落角度」，是指根据用后述的图1和图2说明的测量方法求出的角度α。

图1是示出水滴掉落角度的测量方法的示意图。水滴掉落角度的测量方法如下，水平地配置测量对象300的表面、即隔离层的流路表面。然后，将规定量的水滴310滴落在测量对象300的表面。然后，使测量对象300的表面逐渐倾斜，如图1所示，将该水滴310从最初的位置开始移动时的测量对象300的表面倾斜度α记录在照片或者图象中。根据该照片或者图象可以测量水滴掉落角度α。

又，图2是示出水滴掉落角度的间接测量方法的示意图。一般来说，水滴掉落角度α根据「R·γ·(cosθr-cosθa)＝m·g·sinα」算出(这里，R表示水滴与测量对象300的表面接触的面的外周长(整个一周的长度)、γ表示水的表面张力、θa表示前进接触角度，θr表示后退接触角度、m表示水滴的质量、g为重力)。因此，如图2所示，将从倾斜面滑落时的水滴预先记录在照片或者图象中，根据照片或者图象测量水滴的上述外周长R、前进接触角度θa、后退接触角度θr，从而可以计算出水滴掉落角度α。还有，为了简化测量方法，也可以利用前进接触角度θa和后退接触角度θr的测量器、例如RHESCA公司制造的动态浸湿性试验器WET-6000，对前进接触角度θa和后退接触角度θr进行测量，计算出水滴掉落角度α。再者，在水滴与测量对象300的表面接触的面的形状能够近似为圆(真圆)的情况下，也可以用图2中所示的水滴的上述面(圆)的直径D近似地计算上述外周长R。

在供给气体的压力损失小的条件(例如10kPa的不大的气体压力)下，为了能够使气体流路的表面上形成的水滴移动，上述「cosθr-cosθa 」的值还是小的好，更具体而言，只要水滴掉落角度α满足本发明的条件就可以。

除了满足上述的水滴掉落角度的条件以外，通过采用众所周知的表面处理技术(物理表面处理、化学表面处理等)众所周知的隔离层制造技术(也包含材料选择、材料混合方法以及材料混合比率的调节等)，可以容易且可靠地获得本发明的高分子电解质型燃料电池用隔离层。

特别是本发明人发现下述情况，即不进行根据上述观点(2)的表面设计，而以上述观点(1)为主进行表面设计，是已有的压缩成型隔离层极难获得稳定且良好的排水性的主要原因之一。

更具体地说，是将含有导电性碳和粘接剂的混合物作为构成材料形成已有的压缩成型隔离层。例如，气体流路表面的由导电性碳构成的部分具有在工作初期疏水性强，但随着时间的推移逐渐容易被水浸湿而转变为亲水性的特性。另一方面，由气体流路表面的粘接剂(合成树脂)构成的部分具有较为不充分的疏水性。而且，由上述的导电性碳构成的部分的亲水性和疏水性其物理结构(表面粗糙度等)有时发生变化。已有的压缩成型隔离层是以上述观点(1)为主进行表面设计的，因此如上述例子所示气体流路的表面的细微的化学结构(决定亲水性、疏水性等的化学组成等)和细微的物理结构(决定粗糙度算术平均偏差值(Ra)等的凹凸形状等)容易形成不均匀的状态。例如，由上述的导电性碳构成的部分和由粘接剂(合成树脂)构成的部分容易形成不均匀的状态(大小不均、分散状态不均)。于是发现下述情况，即伴随着该不均匀状态，不仅是上述的「cosθr-cosθa」的值小的部分(水滴容易移动的部分)，而且「cosθr-cosθa 」的值大的部分(水滴难以移动的部分)也大量存在于气体流路表面，这是作为整个气体流路极难获得良好的排水性的主要原因之一。

于是，本发明人发现下述情况，也就是即使是压缩成型隔离层，通过使气体流路表面的细微的化学结构(决定亲水性、疏水性的化学组成等)和细微的物理结构(决定粗糙度算术平均偏差值(Ra)的凹凸形状等)满足上述的水滴掉落角度的条件地接近于充分均匀，也可以获得良好的排水性。

在这里，发电时隔离层流路表面处于高温且湿润状态。特别是隔离层含有导电性碳的情况下，在干燥状态与湿润状态下，隔离层表面的亲水性和疏水性即接触角度不同。由此推测出是由于碳的亲水性和疏水性在干燥状态和湿润状态下不同。因此，测量水滴掉落角度α的过程中，最好是在与高分子电解质型燃料电池(以下简称为PEFC)的运行状态等同的氛围条件下，用与产生的结露水等同的水滴容量进行测量。

然而，有时难以准确地再现PEFC运行状态的氛围条件。特别是PEFC运行状态的氛围条件并非固定，而是因PEFC的运行状态而变动，因此产生确定PEFC运行状态的氛围条件本身就很难。在这里，发明人通过实验等发现下述情况，即在测量水滴掉落角度α时，无需严密再现周围温度、周围湿度以及水滴容量等实际条件。即认识到可以根据在规定的条件内测量出的水滴掉落角度α准确地评价PEFC用隔离层的结露水排出性能。具体来说，是验证出在50℃以上90℃以下范围内的周围温度且相对湿度在70％以上100％以下范围内的周围湿度条件下放置测量仪器，能够借助于用50μL以上80μL以下的水滴测量出的水滴掉落角度α，准确地评价PEFC用隔离层的结露水排出性能。因此，无需严密地再现实际条件进行测量，就可以测量水滴掉落角度α，因此可以容易且准确地评价结露水的排出性能。

再者，测量水滴掉落角度α时也可以将温度、相对湿度、以及水滴容量作为参数掌握。因此，也可以通过实验等预先求出水滴掉落角度与温度、相对湿度、以及水滴容量之间的相关关系，根据上述的相关关系将上述水滴掉落角度α修正为PEFC运行状态的氛围条件下的水滴掉落角度α。因此可以更准确地评价结露水排出性能。

本发明是根据该见解完成的。以下参考附图对实施本发明用的具体实施形态进行说明。

实施形态1

图3是实施形态1的PEFC的立体图。图4是示出图3的PEFC的结构的分解立体图。图4中，为了说明方便，分解显示PEFC(STACK)200的层叠结构的一部分。

PEFC200是将利用电化学反应发电的单体电池(cell)100加以层叠而组成的。在这里，将100个单体电池100加以层叠，组成PEFC200。

单体电池100的层叠方向端部通过集电板41、41以及绝缘板42、42被端板43、43夹住，端部43、43之间用紧固螺栓(未图示)从两侧固定。在这里每电极面积以10kgf/cm²的固定压固定。

集电板41、41的电端子41A、41A与电气设备等外部负载连结，输出电力。

使连接氧化剂气体供给歧管(manifold)30D与氧化剂气体排放歧管30E的氧化剂流路30、以及连接还原剂气体供给歧管40D与还原剂气体排放歧管40E的还原剂流路40形成于PEFC200上。

氧化剂流路30形成以下所述结构，即氧化剂气体由氧化剂气体供给歧管30D提供，分流到各个单体电池100，通过各单体电池100后，再次合流从氧化剂气体排放歧管30E排放到PEFC200外。还原剂流路40也形成相同结构。在这里，采用氧气或者空气作为氧化剂气体。另外，用氢气或含氢的气体作为还原剂气体。

又在PEFC200上形成冷却剂供给歧管45D、冷却剂排放歧管45E。

冷却剂流路45形成以下所述结构，即冷却剂由冷却剂供给歧管45D提供，分流到层叠的各单体电池100之间，通过各单体电池100之间后，再次合流从冷却剂排放歧管45E排放到PEFC200外。

在这里，单体电池100形成将MEA10与隔离层15、20层叠的结构。

隔离层使用阴极隔离层15和阳极隔离层20两种。两者表面的流路不同。而且，如图2所示，在MEA10与阴极隔离层15之间形成氧化剂流路30，在MEA10与阳极隔离层20之间形成还原剂流路40。

图5是表示MEA的基本结构的示意图。

MEA10形成以下所述结构，即具备：由有选择地使氢离子透过的离子交换膜构成的高个子电解质膜1、形成夹住高分子电解质膜1的结构的以承载铂族金属催化剂的碳粉末为主要成分的一对电极催化剂层(氧化剂气体侧电极催化剂层2以及还原剂气体侧电极催化剂层3)、以及设置于这一对的电极催化剂层的外表面的一对扩散电极层(氧化剂气体侧扩散电极层4以及还原剂气体侧扩散电极层5)。该扩散电极层4、5形成兼有透气性和电子传导性的结构。例如具有多孔性结构。

而且，氧化剂气体侧电极催化剂层2、氧化剂气体侧扩散电极层4、以及阴极隔离层15组成阴极。

又，还原剂气体侧电极催化剂层3、还原剂气体侧扩散电极层5、以及阳极隔离层20构成阳极。

高分子电解质膜1由将全氟化碳磺酸做成50μm厚的薄膜的质子传导性高分子电解质膜(美国Dupont公司制Nafionl12)构成。这里，外形尺寸为20cm×20cm。

扩散电极层4、5由碳布构成。碳布(东丽株式会社制TGP-H-090)的外形尺寸为12cm×12cm，厚度为220μm，与电极催化剂层2、3连接一侧的面上涂敷碳黑粉末和聚四氟乙烯(PTFE)的水性悬浮液(大金工业株式会社制D-1)的混合物，在400℃的条件下烧结30分钟形成疏水层。

利用丝网印刷法将催化剂糊涂敷在碳布(扩散电极层4、5)上形成电极催化剂层2、3。催化剂糊中使用平均颗粒直径约30的白金颗粒以25重量％的比例承载于乙炔黑粉末(电气化学工业株式会社的导电碳黑(DENKA BLACK)FX-35)的催化剂粉末。将全氟化碳磺酸分散在乙醇溶剂中的悬浮液(旭硝子株式会社制Flemion FSS-1)混合于该催化剂粉末分散于异丙醇溶剂的溶液，制作催化剂糊。包含在催化剂电极2、3中的白金量为0.3mg/cm²，全氟化碳磺酸的量为1.0mg/cm²。

然后，用热压方法使形成电极催化剂层2、3的碳布(扩散电极层4、5)与高分子电解质膜1的两面中央部接合，形成MEA10。穿过氧化剂气体供给歧管孔30A、氧化剂气体排放管歧孔30B、还原剂气体供给歧管孔40A、还原剂气体排放歧管孔40B、冷却剂供给歧管孔45A、以及冷却剂排放歧管孔45B到达高分子电解质膜1的边缘部。扩散电极层4、5以及各种歧管孔30A、30B、40A、40B、45A、45B周围的高分子电解质膜1上绕贴着氟化橡胶制O-环状的气体密封构件50。

图6是示出图4的阴极隔离层的氧化剂气体流路图案的正视图。图7是示出图4的阴极隔离层的还原剂气体流路图案的正视图。图8是示出图4的阴极隔离层的冷却剂流路图案的背面图。

如图6所示，在阴极隔离层15的与MEA10对接的正面上，以连接氧化剂气体供给歧管孔30A与氧化剂气体排放歧管孔30B的方式形成由槽构成的氧化剂气体流路槽(反应气体流路)30C。使氧化剂气体流路槽30C形成在单体电池100中通遍与氧化剂气体侧扩散电极层4对接的部分的结构。另一方面，如图8所示，在阴极隔离层15的背面以连接冷却剂供给歧管孔45A与冷却剂排放歧管孔45B的方式形成由槽构成的冷却水流路槽(冷却水流路)45C。

又如图7所示，阳极隔离层20的与MEA10接触的正面以将还原剂气体供给歧管孔40A与还原剂气体排放歧管孔40B加以连结的方式形成由槽构成的还原剂气体流路槽(反应气体流路)40C。使还原剂气体流路槽40C形成在单体电池100中通遍与还原剂气体侧扩散电极层5对接的部分的结构。另外，与阴极隔离层15相同，在阳极隔离层20的背面以连接冷却剂供给歧管孔45A与冷却剂排放歧管孔45B的方式形成由槽构成的冷却水流路槽45C。

在这里，使阴极隔离层15以及阳极隔离层20的冷却剂流路槽45C形成在单体电池100中氧化剂气体流路槽30C和还原剂气体流路槽40C的背面到处受到冷却的结构。而且，在单体电池100的叠层中，阴极隔离层15的冷却剂流路槽45C与阳极隔离层20的冷却剂流路槽45C合一形成冷却剂流路45。

在这里，阴极隔离层15以及阳极隔离层20的大小同样为20cm×20cm，厚度同样为3mm，使氧化剂气体流路槽30C以及还原剂气体流路槽40C其宽度为1.2mm、深度为0.7mm的凹部如图6和图7所示形成以1.0mm的间隔多根并行的结构。如图8所示在整个氧化剂气体流路槽30C的整个背面上将阴极隔离层15的冷却剂流路槽45C做得宽。以散布在数点上的形式使阴极隔离层15背面的平坦面留在该宽度大的槽部的中央部。因此可以在层叠和连结单体电池100的过程中分散连结力。

又穿过氧化剂气体供给歧管孔30A、氧化剂气体排放歧管孔30B、还原剂气体供给歧管孔40A、还原剂气体排放歧管孔40B、冷却剂供给歧管孔45A、以及冷却剂排放歧管孔45B，到达阴极隔离层15和阳极隔离层20的边缘部，与MEA10对应。还有，组装单体电池100时以及电池层叠时，连结氧化剂气体供给歧管孔30A，形成氧化剂气体供给歧管30D，连结氧化剂气体排放歧管孔30B形成氧化剂气体排放歧管30E，连结还原剂气体供给歧管孔40A，形成还原剂气体供给歧管40D，连结还原剂气体排放歧管孔40B，形成还原剂气体排放歧管40E，连结冷却剂供给歧管孔45A，形成冷却剂供给歧管45D，以及连结冷却剂排放歧管孔45B形成冷却剂排放歧管45E。

在这里，对作为本发明的特征的阴极隔离层15和阳极隔离层20的原料以及表面进行说明。

将导电性碳和加固导电性碳的粘接剂加以混合形成隔离层15、20。粘接剂可以采用橡胶、树脂等。作为树脂可以使用对高温多湿的隔离层使用环境具有耐受性的树脂。例如、环氧树脂、酚醛树脂、PPS、聚丙烯、液晶聚合物、以及PTER等。这里使用将平均颗粒直径100μm的人工石墨粉末80wt％、碳黑5wt％、以及热硬化前的酚醛树脂15wt％加以混合而得到的混合物。将该混合物投入复制隔离层15、20的形状的模具，通过约180℃的热压使酚醛树脂固化，形成隔离层15、20。

这样形成的隔离层流路槽30C、40C表面保持无处理的原样、即原样保留富含酚醛树脂的表皮层。

在这里，本发明的隔离层的评价方法通过测量上述水滴掉落角度α，对该隔离层的结露水的排出性能进行评价。即根据在50℃以上90℃以下的周围温度、且相对湿度在70％以上100％以下范围的周围湿度条件下，滴落在隔离层15、20的氧化剂气体流路槽30C或者还原剂气体流路槽40C的50μL以上80μL以下的水滴的水滴滴落角度，对隔离层15、20的结露水的排出性能进行评价。本实施形态中，计算出70℃温度的湿润状态下的水滴掉落角度α约为45度。

在这里，水滴掉落角度α的测量过程中，最好是在水滴掉落方向上氧化剂气体流路槽30C或者还原剂气体流路槽40C的下表面以及侧面是平坦的。这样可以更可靠地防止水滴掉落角度α因阶梯差和曲折部等形状效果发生变化。另外，湿润状态下有时也难以对水滴作出判断，从而难以直接测量出正确的水滴掉落角度α。因此，通过使用RHESCA公司制造的动态浸湿性试验器WET-6000，对前进接触角度θa和后退接触角度θr进行测量，根据上述关系式，也可以计算出水滴掉落角度α。

再者，隔离层流路槽30C、40C的表面粗糙度其粗糙度算术平均偏差值Ra(中心线平均高度)＝0.7。干燥状态下的接触角度θd约为80度，70℃的温度的湿润状态下的接触角度θw约为60度。这里使用触针式表面粗糙度测量仪器(TaylorHobson公司制Form Talysurf-120)，依照JIS B0651的测量方法，测量粗糙度算术平均偏差值Ra。

下面对如上所述构成的PEFC200的动作进行说明。氧化剂气体经过氧化剂气体供给歧管30D分流供给各个单体电池100。各单体电池100中，氧化剂气体供给阴极。在这里曝露于氧化剂气体侧扩散电极层4。另外，氢气或者含氢的还原剂气体也同样提供给阳极。在这里曝露于还原剂气体侧扩散电极层5。

然后，氧化剂气体透过氧化剂气体侧扩散电极层4，到达氧化剂气体侧电极催化剂层2。同样，还原剂气体也透过还原剂气体侧扩散电极层5到达还原剂气体侧电极催化剂层3。

若经过阴极隔离层15、阳极隔离层20、集电板41、41(参考图1)以及外部的电气电路(未图示)，构成氧化剂气体侧电极催化剂层2与还原剂气体侧电极催化剂层3的电气连接电路，则在氧化剂气体侧电极催化剂层2中，根据与还原剂气体的离子化倾向的差异，使氧气离子化。同样，在还原剂气体侧电极催化剂层3中，使氢气离子化。

氢离子通过高分子电解质膜1在氧化剂气体侧电极催化剂层2与氧离子结合产生水。另外，随着氢气的离子化，在还原剂气体侧电极催化剂层3中产生的电子，经过还原剂气体侧扩散电极层5和含有导电性碳的阳极隔离层20，流入邻接的单体电池100或外部的电气电路(未图示)，产生电输出。

实施例1

实施例1采用实施形态1的PEFC200，以PEFC的一般燃料利用率和氧气利用率为基准进行运行试验。PEFC200保持在70℃。还原剂气体使用80wt％氢气以及20wt％二氧化碳成分的气体。

还原剂气体被加湿、加温以达到70℃的露点，并由还原剂气体供给歧管40D提供。将空气用作氧化剂气体。氧化剂气体被加湿、加温以达到70℃的露点，并由氧化剂气体供给歧管30D提供。

然后，在还原剂气体的燃料利用率75％、氧化剂气体的氧气利用率50％、电流密度0.3A/cm²的输出条件下继续满负载发电。这时，还原剂气体供给歧管40D与还原剂气体排放歧管40E之间的压力损失(以下称为还原剂气体侧压力损失)约为7kPa，还原剂气体供给歧管30D与氧化剂气体排放歧管30E之间的压力损失(以下称为氧化剂气体侧压力损失)约为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72V-43.2A)的电池输出。这里，所谓满负载发电，是指PEFC稳定地在能够最有效且稳定地进行发电的最大限度的负载时的发电。

又，运行试验时，在刚开始的瞬间以及每500小时，实施原样维持等同于满负载发电时的燃料利用效率和氧气利用效率的低输出运行。即原样保持在燃料利用率75％、氧气利用率50％，使电流密度缩小到0.06A/cm²的部分负载发电持续24小时。这时，未发现电压振动，电池输出稳定进行。在这里，将电流密度缩小到0.06A/cm²是PEFC200实用上设想的最低输出状态。

接着，一边将电流密度维持在0.06A/cm²，一边确认燃料利用效率以及氧气利用效率的极限。即为了将燃料利用率提高到75％，或者将氧气利用率提高到50％，进行降低还原剂气体侧压力损失或者氧化剂气体侧压力损失的低的输出极限试验。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于75％，则可以看出发现电压振动。另外，若氧化剂气体的氧气利用率高于50％，则可以看出发现电压振动。燃料利用率高于75％、氧气利用率高于50％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.5kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.3kPa。

比较例1

比较例1使用与实施形态1同型号的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

但是对成型后的隔离层流路槽30C、40C表面进行喷砂加工，去除酚醛树脂的表皮层达数μm左右的深度。这时的隔离层流路槽30C、40C的表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra＝1.5。另外，干燥状态下的接触角度θd约为80度，70℃温度的湿润状态下接触角度θw约为30度。另外，采用本发明的隔离层评价方法，则70℃温度的湿润状态下的水滴掉落角度α约为50度。

其结果是，进行与实施例1相同的燃料利用率75％、氧气利用率50％、电流密度0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.5V-43.2A)的电池输出。

又进行与实施例1相同的燃料利用率75％、氧气利用率50％、电流密度0.06A/cm²的部分负载发电时，在部分单体电池中，从每隔几分钟～几十分钟发现电压振动。电压振动幅度约为100mV。因此，为了降低燃料利用效率以及氧气利用效率，提高还原剂气体侧压力损失或者氧化剂气体侧压力损失，对消除电压振动发现的极限条件、即极限低压力损失进行检验的结果表明，还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.8kPa。另外，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.6kPa。

实施形态2

本发明实施形态2的PEFC200除了阴极隔离层15以及阳极隔离层20的表面处理不同之外，其他与实施形态1相同。

即与实施形态1一样形成隔离层15、20。然后，对隔离层流路槽30C、40C表面进行阶段式喷砂加工。这里，所谓阶段式喷砂加工，是指与先喷沙加工相比，后喷沙加工其喷沙加工时使用的粒子的颗粒直径小的多次喷砂加工。例如、最初利用比较大的氧化铝颗粒进行湿喷，接着，依次利用减小颗粒直径的氧化铝颗粒进行数次湿喷加工。另外，若利用将气体作为载体的喷砂方法，则在使用细小的氧化铝颗粒进行喷砂时不合适，因此，采用将液态作为载体的湿喷方法。这里使用湿喷清洗装置(MACOHO株式会社制)。

通过增减该阶段式喷砂加工，调整隔离层流路槽30C、40C表面的隔离层水滴掉落角度α。这里，以隔离层流路槽30C、40C的表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra在Ra＝3～7的范围内的要求实施阶段式喷砂加工，从而将根据本发明的隔离层的评价方法得到的水滴掉落角度α调整为45度以下。虽然没有将出现这样的效果的理由解释清楚，但按照本发明人的推测，通过阶段式喷砂加工，在隔离层流路槽30C、40C表面，在细微的凹凸上形成更加细微的凹凸，即形成多级凹凸结构。可以推测出利用该多级凹凸结构形成了较大的比表面积，该比表面积的增大与水滴掉落角度α的减小、即水滴掉落角度α的改善相关联。

再者，虽然表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra与水滴掉落角度α有这样的相关关系，但具体的相关关系至少因隔离层的材质而不同。

实施例2

实施例2使用实施形态2的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。进行阶段式喷砂加工，使隔离层15、20其隔离层流路槽30C、40C表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)达到Ra＝3.7为止(相当于图9的实施例2～3)。本发明的隔离层的评价方法得到的水滴掉落角度α为25度。

进行燃料利用率75％、氧气利用率50％、电流密度0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.3V-43.2A)的电池输出。

又，进行与实施例1相同的燃料利用率75％、氧气利用率50％、电流密度为0.06A/cm²的部分负载发电时，电压振动未发生，电压输出稳定进行。

接着，与实施例1一样，一边将电流密度维持在0.06A/cm²，一边进行极限低输出试验。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于80％，则可以看出发现电压振动。另外，若在氧化剂气体的氧气利用率高于55％，则可以看出发现电压振动。在燃料利用率为80％、氧气利用率为55％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.4kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.3kPa。

又，调整阶段式喷砂加工的增减，采用隔离层流路槽30C、40C表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra不同的隔离层15、20，实施同样的运行试验。

图9将表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra作为参数示出实施形态2的隔离层以及PEFC的特性。

如图所示，在隔离层流路槽30C、40C表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra＝2.5和8的情况下(实施例2-1和2-7)，本发明的隔离层的评价方法得到的水滴掉落角度α都大约为50度，Pa为3kPa和3.5kPa，Pc为2.9kPa和3kPa，部分负载发电时，若不使燃料利用效率和氧气利用效率降低，则电池输出不稳定。

实施形态3

本发明实施形态3的PEFC200除了阴极隔离层15以及阳极隔离层20的表面处理上不同之外，其他与实施形态2相同。即与实施形态1一样形成隔离层15、20，与实施形态2一样对隔离层流路槽30C、40C表面进行阶段式喷砂加工。

然后，在阶段式喷砂加工完成之后，利用等离子清洗装置(株式会社SAMCO社制PC-1000)进行氧等离子体处理。即使通过氧等离子体处理，隔离层流路槽30C、40C表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)与实施形态2大致相同，Ra＝3.7。然而，干燥状态下的接触角度θd约为10度，70℃温度的湿润状态下的接触角度θw约为0度，即测量不出。另外，若采用本发明的隔离层的评价方法，则70℃温度的湿润状态下的水滴掉落角度α约为5度。总之，通过氧等离子体处理，可以改善图9的实施例2-3的隔离层流路槽30C、40C表面的水滴掉落角度α。

出现这样的效果的理由没有搞清楚。因此，本发明人用XPS(X射线光电子分光光谱)对隔离层流路槽30C、40C表面进行分析得到的结果是，在碳表面上被授予下述化1以及化2中所示的氧化物官能团即亲水性官能团。

〔化1〕

-C＝O

〔化2〕

-C-OH

即按照本发明人的推测，推测出隔离层流路槽30C、40C表面的极性因亲水性官能团而变大，隔离层流路槽30C、40C表面形成亲水性，这对水滴掉落角度α的改善有貢献。因此，容易推测出若是使亲水性或疏水性的官能团与隔离层流路槽30C、40C表面化学结合的方法，则可以改善隔离层流路槽30C、40C表面的水滴掉落角度α。即使是在例如臭氧氛围下照射紫外线的UV臭氧处理，也可以增大隔离层流路槽30C、40C表面的极性，因此同样可以改善水滴掉落角度α。另外，利用氟等离子体处理，也可以使氟化物官能团与隔离层流路槽30C、40C表面的石墨化学结合，因此可以增大隔离层流路槽30C、40C表面的疏水性。总之，可以改善水滴掉落角度α。

再者，这些等离子体处理也可以是不进行减压处理地在大气压氛围下照射等离子体的方法。另外，等离子体处理装置也可以是电极平行对置的平行平板型、或者电极配备在圆筒处理室的侧面上的滚筒型等离子体处理装置。

另外，下面对表面富有亲水性官能团的隔离层15、20的保存方法进行说明。为了防止或者抑制疏水性的空气中的有机物等附着在亲水性官能团上，最好进行真空保存。然而，已经获知，隔离层流路槽30C、40C表面的亲水性会因隔离层15、20的包装方法的不同而发生变化。

图11示出本实施形态的隔离层的包装方法的不同的隔离层流路槽表面的干燥状态下的接触角度θd的比较。如图所示，用市场上出售的聚乙烯袋和铝箔分别包装隔离层15、20，进行真空保存。然后，经过1小时的真空保存之后，取出隔离层15、20两者，对隔离层流路槽30C、40C表面的接触角度θd进行3次测量。可知在用聚乙烯袋包装的情况下，接触角度θd增大，亲水性衰退。另一方面，用铝箔包装的情况下，进行3次的测量，接触角度θd全部保持10度以下。出现这样的效果的理由没有搞清楚。但是按照本发明人的推测，可以认为由于形成隔离层流路槽30C、40C表面的碳成型体是有机物，因此若使作为同样的有机物的聚乙烯袋等与之接触，则表面的亲水性官能团将减少。另一方面，由无机物构成的铝箔其化学成分与作为有机物的碳成型体不同，因此可以认为即使铝箔与隔离层流路槽30C、40C表面接触，亲水性官能团也不会减少。因此，可认为隔离层流路槽30C、40C表面富有亲水性官能团的隔离层适合于用无机材料包装并进行真空保存的方法。

此外，下面对阶段式喷沙加工与氧等离子体处理相辅相成的效果进行说明。

图12示出不进行阶段式喷砂加工而实施氧等离子体处理的隔离层的隔离层流路槽表面的干燥状态下的接触角度θd随时间的变化。如图所示，氧等离子体处理刚才处理过的接触角度θd在处理刚才处理过为40度，没有获得足够的亲水性。另外，在5天之后接触角度θd上升10度以上，最终接触角度θd上升到约80。

图13示出进行阶段式喷砂加工和氧等离子体处理的隔离层的隔离层流路槽表面的干燥状态下的接触角度θd随时间的变化。如图所示，氧等离子体处理刚才处理过的接触角度θd为10度以下，而且即使经过30天，该效果也保持着。出现这样的效果的理由没有得到解释。根据本发明人的推测，利用氧等离子体处理产生的蚀刻效果，在阶段式喷沙加工产生的多级凹凸结构中还形成更加细微的凹凸，隔离层流路槽30C、40C表面的比表面积因此而增加。然后，对比表面积大的隔离层流路槽30C、40C表面进行氧等离子体处理，因此在隔离层流路槽30C、40C表面上形成更多的亲水性官能团。可以认为该亲水性官能团的多少对具有耐久性的亲水性有贡献。

实施例3

实施例3使用实施形态3的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

其结果是，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.6V-43.2A)的电池输出。

另外，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.06A/cm²的部分负载发电时，电压振动未发生，电池输出稳定进行。

接着，与实施例1一样，一边将电流密度维持在0.06A/cm²，一边进行极限低输出试验。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于90％，则可以看出发现电压振动。另外，若氧化剂气体的氧气利用率高于65％，则可以看出发现电压振动。在燃料利用率为90％、氧气利用率为65％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.1kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.0kPa。

实施形态4

本发明实施形态4的PEFC200除了阴极隔离层15以及阳极隔离层20的材料以及表面处理上不同之外，其他与实施形态1相同。

即隔离层15、20采用将平均颗粒直径为100μm的人造石墨粉末79wt％、碳黑5wt％、平均颗粒直径为0.5μm的高纯度氧化铝颗粒2wt％、以及热固化前的酚醛树脂14wt％加以混合而得到的混合物。将该混合物投入复制隔离层15、20形状的模具，通过约180℃的热压使酚醛树脂固化，形成隔离层15、20。

然后，与实施形态2同样地对隔离层流路槽30C、40C表面进行阶段式喷砂加工。隔离层流路槽30C、40C的表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)为Ra＝6.5。

其结果是，干燥状态下的接触角度θd约为20度，70℃的温度的湿润状态下的接触角度θw约为0度、即测不出。根据本发明的隔离层的评价方法，70℃温度的湿润状态下的水滴滴落角度α约为10度。

实施例4

实施例4使用实施形态4的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

其结果是，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.3V-43.2A)的电池输出。

另外，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.06/cm²的部分负载发电时，电压振动未发生，电池输出稳定进行。

接着，将电流密度原样维持在0.06A/cm²，将燃料利用率提高到75％以上或者将氧气利用率提高到50％以上，进行部分负载发电。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于85％，则可以看出发现电压振动。另外，若氧化剂气体的氧气利用率高于60％，则可以看出发现电压振动。

在燃料利用率为85％、氧气利用率为60％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.2kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.1kPa。

实施形态5

本发明的实施形态5的PEFC200除了阴极隔离层15以及阳极隔离层20的材料以及表面处理不同外，其他与实施形态1相同。

即隔离层15、20采用将平均颗粒直径为100μm的人造石墨粉末79wt％、碳黑5wt％、平均颗粒直径为0.5μm的高纯度钛(titan)颗粒2wt％、以及热固化前的酚醛树脂14wt％加以混合而得到的混合物。将该混合物投入复制隔离层15、20形状的模具，通过约180℃的热压使酚醛树脂固化，形成隔离层15、20。

然后，与实施形态2一样对隔离层流路槽30C、40C表面进行阶段式喷砂加工。隔离层流路槽30C、40C的表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)为Ra＝6.5。

其结果是，干燥状态下的接触角度θd约为20度，70℃的温度的湿润状态下的接触角度θw约为0度、即测不出。若采用本发明的隔离层的评价方法，则70℃的温度下的湿润状态下的水滴滴落角度α约为10度。

实施例5

实施例5使用实施形态5的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

其结果是，在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.3A/cm²的条件下，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.3V-43.2A)的电池输出。

另外，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.06A/cm²的部分负载发电时，电压振动未发生，电池输出稳定进行。

接着，与实施例1一样，一边将电流密度维持在0.06A/cm²，一边进行极限低输出试验。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于85％，则可以看出发现电压振动。另外，若氧化剂气体的氧气利用率高于60％，则可以看出发现电压振动。在燃料利用率为85％、氧气利用率为60％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.2kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.1kPa。

实施形态6

本发明实施形态6的PEFC200除了在阴极隔离层15以及阳极隔离层20的材料上不同外，其他与实施形态1相同。

即隔离层15、20采用将平均颗粒直径为100μm的人造石墨粉末79wt％、碳黑5wt％、PEFE粉末2wt％、以及热固化前的环氧树脂14wt％加以混合而得到的混合物。将该混合物投入复制隔离层15、20形状的模具，通过约180℃的热压使环氧树脂固化，形成隔离层15、20。

这样形成的隔离层流路槽30C、40C表面保持未处理状态、即原样保留环氧树脂的表皮层。隔离层流路槽30C、40C表面的粗糙度(粗糙度算术平均偏差值为Ra＝0.8。另外，干燥状态下的接触角度θd约为110度，70℃的温度下的湿润状态下的接触角度θw约为100度。采用本发明的隔离层的评价方法时，70℃温度湿润状态下的水滴掉落角度α约为20度。

实施例6

实施例6使用实施形态6的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

其结果是，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.3V-43.2A)的电池输出。

另外，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.06/cm²的部分负载发电时，电压振动未发生，电池输出稳定进行。

接着，与实施例1一样，一边将电流密度维持在0.06A/cm²，一边进行极限低输出试验。其结果是，若还原剂气体的燃料利用率高于80％，则可以看出发现电压振动。另外，若氧化剂气体的氧气利用率高于55％，则可以看出发现电压振动。在燃料利用率为80％、氧气利用率为55％、电流密度为0.06A/cm²条件下的还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.3kPa，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.2kPa。

比较例2

比较例2使用与实施形态6同型号的PEFC200进行与实施例1相同的运行试验。

但是与实施形态2同样地对成型后的隔离层流路槽30C、40C表面进行阶段式喷砂加工。隔离层流路槽30C、40C的粗糙度(粗糙度算术平均偏差值Ra)为Ra＝6.3。另外，干燥状态下的接触角度θd约为110度，70℃温度湿润状态下的接触角度θw约为100度。若采用本发明的隔离层的评价方法，则70℃温度、湿润状态下的水滴掉落角度α约为50度。

其结果是，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.3A/cm²的满负载发电时，还原剂气体侧压力损失约为7kPa，氧化剂气体侧压力损失为6kPa，持续8000小时以上维持3.1kW以上(72.3V-43.2A)的电池输出。

另外，进行燃料利用率为75％、氧气利用率为50％、电流密度为0.06A/cm2的部分负载发电时，在部分单体电池中，每隔几分钟～几十分钟发现电压振动。电压振动幅度约为70mV。因此，为了降低燃料利用效率以及氧气利用效率，提高还原剂气体侧压力损失或者氧化剂气体侧压力损失，对消除电压振动发现的极限条件即极限低压力损失进行验证时，还原剂气体侧极限低压力损失Pa为2.7kPa。另外，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc为2.5kPa。

在这里，对以上实施例和比较例的结果进行汇总说明。

图10示出实施例1～6和比较例1、2中的隔离层以及PEFC的特性。进行部分负载发电时，为了维持等同于满负载发电额定输出时的燃料利用效率和氧气利用效率，需要使还原剂气体侧极限低压力损失Pa在2.5kPa以下，氧化剂气体侧极限低压力损失Pc在2.3kPa以下。如图所示，利用本发明的隔离层的评价方法得到的水滴掉落角度α在5度～45度范围时能够满足这样的条件。

在另一方面，已经确认隔离层15、20、即包含导电性碳和加固导电性碳的粘接剂的材质的隔离层中，与隔离层流路槽30C、40C的形状无关，在表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra为Ra＝4.0μm的情况下，可以充分降低实际制造的气体流路的大小与设计值的偏移。

另外，如实施形态3中说明的那样，氧等离子体处理作为隔离层15、20、即包含导电性碳和加固导电性碳的粘接剂的材料的隔离层的水滴掉落角度α的改善手段是有效的。在这里，在Ra＝1.5以上的表面的情况下，氧等离子体处理可以更充分地有意义地改善水滴掉落角度α。根据推测，其主要原因是，若Ra＝1.5μm以上，则能够充分形成表面粗糙度、即细微的凹凸，因此通过氧等离子体处理可以充分形成官能团。因此，最好是隔离层流路槽30C、40C表面为Ra＝1.5μm以上。

综上所述，若隔离层流路槽30C、40C表面其粗糙度算术平均偏差值Ra在1.5以上4.0μm以下，则容易将隔离层15、20紧凑化为实用化水平的大小，从而可以充分降低实际制造的气体流路的大小与设计值的偏差，并且可以通过氧等离子体处理充分谋求改善水滴掉落角度α。因此，即使在供给气体的压力损失低的条件下，作为结露水的排出性能优异的PEFC用隔离层也是适合的。

另外，若做成细微的凸部间的间距大致为5μm以下的表面，则在隔离层流路槽30C、40C表面结露的水因锚效果将被挂住，压力损失大，从而可以更充分地防止振动现象。因此，若隔离层流路槽30C、40C表面其细微的凸部间的间距大致为5μm以下，则即使在供给的反应气体的压力损失低的条件下，也也可以抑制反应气体的供给压力损失的振动，因此可以抑制PEFC100的发电输出的振动。

以上对本发明的实施形态进行了说明，但本发明并非局限于上述实施形态，在本发明的范围内本行业的普通技术人员可以使用各种改良手段和替代手段。

附图说明

图1是水滴掉落角度的测量方法的示意图。

图2是水滴掉落角度的间接测量方法的示意图。

图3是实施形态1的PEFC的立体图。

图4是图3的PEFC的结构的分解立体图。

图5是MEA的基本结构的示意图。

图6是图4的阴极隔离层的氧化剂气体流路图案的正视图。

图7是图4的阳极隔离层的还原剂气体流路图案的正视图。

图8是图4的阴极隔离层的冷却剂流路图案的背面图。

图9将表面粗糙度(粗糙度算术平均偏差值)Ra作为参数表示实施形态2的隔离层以及PEFC的特性。

图10表示实施例1～6和比较例1、2中的隔离层以及PEFC的特性。

图11是本实施形态的隔离层因包装方法的不同而造成的隔离层流路槽表面在干燥状态下的接触角度θd的比较图。

图12示出不进行阶段式喷砂加工而实施氧等离子体处理的隔离层的隔离层流路槽表面在于燥状态下的接触角度θd的随时间的变化。

图13示出进行阶段式喷砂加工和氧等离子体处理的隔离层的隔离层流路槽表面在干燥状态下的接触角度θd随时间的变化。

符号说明

1    高分子电解质膜

2    氧化剂气体侧电极催化剂层

3    还原剂气体侧电极催化剂层

4    氧化剂气体侧扩散电极层

5    还原剂气体侧扩散电极层

10   MEA

15   阴极隔离层

20   阳极隔离层

30   氧化剂气体流路

30A  氧化剂气体供给歧管孔

30B  氧化剂气体排放歧管孔

30C  氧化剂气体流路槽(隔离层流路槽)

30D  氧化剂气体供给歧管

30E  氧化剂气体排放歧管

40   还原剂流路

40A  原剂气体供给歧管孔

40B  还原剂气体排放歧管孔

40C  还原剂气体流路槽(隔离层流路槽)

40D  还原剂气体供给歧管

40E  还原剂气体排放歧管

41   集电板

41A  电气端子

42   绝缘板

43   端板

45   冷却剂流路

45A  冷却剂供给歧管孔

45B  冷却剂排放歧管孔

45C  冷却剂流路槽

45D  冷却剂供给歧管

45E  冷却剂排放歧管

50   气体密封构件

100  单体电池

200  高分子电解质型燃料电池(PEFC)

300  测量对象

310  水滴

θd  干燥状态下的接触角度

θw  70℃的温度下的湿润状态下的接触角度

θa  前进接触角度

θr  后退接触角度

α   水滴掉落角度

Pa   还原剂气体侧极限低压力损失

Pc   氧化剂气体侧极限低压力损失