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JP3841732B2 - Surface treatment method for fuel cell separator - Google Patents

Surface treatment method for fuel cell separator Download PDF

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JP3841732B2
JP3841732B2 JP2002259754A JP2002259754A JP3841732B2 JP 3841732 B2 JP3841732 B2 JP 3841732B2 JP 2002259754 A JP2002259754 A JP 2002259754A JP 2002259754 A JP2002259754 A JP 2002259754A JP 3841732 B2 JP3841732 B2 JP 3841732B2
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JP
Japan
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fuel cell
separator
film
hydrophilic film
gel
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茂樹 伊藤
治夫 吉岡
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Air Water Inc
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Publication date
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータの表面処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、燃料電池には、燃料ガス(水素等)と空気(酸素等)とが混じらないようにするために、セパレータが設けられている。このセパレータは、板状であり、一方の面に燃料ガスの流路となる条溝が形成され、他方の面に空気の流路となる条溝が形成されている。また、上記セパレータの材質は、黒鉛ブロックを加工し不浸透化した不浸透化物、または膨張黒鉛シート積層成形体に液状樹脂を含浸させ硬化させた液状樹脂含浸物等である。
【0003】
そして、燃料電池の発電過程においては、燃料電池の種類によって、燃料ガスの流路側または空気の流路側に生成水が生成される。そこで、セパレータに要求される機能のひとつに、上記生成水を表面に形成された条溝から速く排出させて燃料ガスまたは空気の流路を確保するという機能がある。このように生成水を速く排出させて燃料ガスや空気の流路を確保すれば、燃料電池の性能を向上させることができるからである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記材質からなるセパレータでは、生成水をはじき易くなっているため、条溝においては、生成水が水滴になって存在し、生成水の排出が速くなかった。このことが、燃料電池の性能向上の妨げとなっていた。
【0005】
そこで、親水性を備えた膜として幅広い分野で利用されている酸化珪素薄膜を、上記条溝の表面に形成することが考えられる。この従来公知の酸化珪素薄膜は、ゾルゲル法やスパッタリング法等により製膜される。しかしながら、ゾルゲル法では、高温工程があり、スパッタリング法では、真空(減圧)工程がある等するため、製膜コストが高額になる。しかも、このようにして製膜された酸化珪素薄膜の親水性は、純水との接触角が40〜50度程度のものであり、あまり高い親水性を発揮するものではない。この理由は、高温工程等により、親水性を発揮する水酸基を備えた成分が除去されたからであると思われる。したがって、ゾルゲル法等により酸化珪素薄膜を形成しても、条溝における生成水の排出は、あまり速くなるものではない。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、燃料電池用セパレータの表面において、生成水を速く排出することができる燃料電池用セパレータの表面処理方法の提供をその目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第1の要旨の燃料電池用セパレータの表面処理方法、酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光を照射することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えており、本発明の第2の要旨の燃料電池用セパレータの表面処理方法は、上記ゲル膜に対して大気圧プラズマ処理することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程を備えている
【0008】
本発明者らは、燃料電池用セパレータの表面において生成水の排出を速めるべく、鋭意研究を重ねた。その研究の過程で、上記セパレータの表面を親水化すれば、生成水の排出が速くなることを突き止めた。また、表面の親水化は、酸化珪素を主成分とする薄膜(親水膜)を表面に形成することにより、達成できることも突き止めた。そして、さらに鋭意研究を重ねた。その結果、上記薄膜(親水膜)を形成する際に、酸化珪素を主成分とするゲル膜に対して真空紫外光の照射または大気圧プラズマ処理を行えば、形成された上記薄膜(親水膜)では、親水性を発揮する水酸基を備えた成分が除去されずに残ることを見いだした。これにより、上記薄膜(親水膜)の親水性が飛躍的に向上し、上記セパレータの表面における生成水の排出がさらに速くなった。このようにして、本発明者らは、本発明に到達した。
【0009】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【0010】
図1は、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法により処理された燃料電池用セパレータの一実施の形態を示している。この実施の形態では、燃料電池用セパレータは、板状の燃料電池用セパレータ本体1と、このセパレータ本体1の表面に形成された親水膜2とからなっている。この親水膜2は、酸化珪素を主成分とするものであり、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している。また、上記セパレータ本体1は、表裏面にそれぞれ複数(図1では、表面に3本、裏面に4本)の条溝1a,1bが形成されて凹凸状になっており、これに対応して、上記セパレータも、表裏面にそれぞれ複数(図1では、表面に3本、裏面に4本)の条溝2a,1bが形成されて凹凸状になっている。そして、そのセパレータにおける条溝2a,1bが燃料ガスや空気の流路となっている。
【0011】
より詳しく説明すると、上記セパレータ本体1の材質は、特に限定されるものではなく、上記従来の技術で説明したような通常のセパレータに用いられているものであるが、セパレータに要求される導電性と耐蝕性とを兼ね備えている点で、カーボンが主成分である材質が好ましい。このカーボンが主成分である材質としては、ガラス状カーボンやグラファイト等があげられる。そして、上記セパレータ本体1の製法は、特に限定されないが、通常、成形により作製される。また、セパレータ本体1の表面の条溝1a,1bの形成は、成形型の転写により形成してもよいし、平板状のセパレータ本体1の基板を成形した後に機械加工により形成してもよい。
【0012】
上記親水膜2は、ゾルゲル法により製膜された酸化珪素薄膜と異なり、水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有しており、この成分が親水性を発揮する成分であるため、上記ゾルゲル法により製膜された酸化珪素薄膜と比較して、飛躍的に高い親水性を発揮する。すなわち、ゾルゲル法による酸化珪素薄膜と純水との接触角は、上述したように40〜50度程度であるが、これに対して、上記親水膜2と純水との接触角は、10度以下にすることができ、親水膜2の形成条件によっては、限りなく0度に近くすることができる。さらに、上記親水膜2は、その親水性を長期間持続させることができる。そして、上記親水膜2の厚みは、特に限定されないが、10nm以上であることが好ましい。10nm未満であると、親水性を充分に発揮しないおそれがあるからである。また、上記親水膜2が水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有していることから、その親水膜2に対して赤外線吸収スペクトルを測定すると、各成分に帰属する波数に吸収帯が現れる。例えば、水酸化珪素であれば、波数940cm-1に吸収帯が現れる。
【0013】
また、上記親水膜2の形成(セパレータの表面処理)は、例えば、つぎのようにして行うことができる。すなわち、まず、酸化珪素薄膜をゾルゲル法により製膜する際に用いるゾル溶液(酸化珪素を主成分とするゾル溶液)をセパレータ本体1の表面に塗布してゲル膜を形成する。ついで、このゲル膜にエキシマランプ等を用いて真空紫外光を照射することにより、上記親水膜2を形成する。
【0014】
上記親水膜2の形成において、ゾル溶液は、ゾルゲル法により酸化珪素薄膜を製膜することができるゾル溶液であれば、特に限定されるものではなく、テトラエトキシシラン等を酸性触媒下で加水分解し、縮重合させて得られるようなゾル溶液等があげられる。また、ゾル溶液を塗布する方法は、特に限定されるものではなく、ディップ法,スピンコート法,スプレー法等の通常のゾルゲル法で用いられる方法を採用することができる。
【0015】
また、真空紫外光の照射は、通常、室温(25℃)下で行なうことができるが、燃料電池用セパレータ本体1が変質せず、ゲル膜が熱で反応を起こさない程度であれば、加熱してもよい。このように、ゲル膜に真空紫外光を照射して上記親水膜2を形成する工程では、ゾルゲル法と異なり、ゲル膜が反応を起こすような熱が加わらないため、ゲル膜に含有される水酸化珪素等の水酸基を備えた成分の少なくとも一部が反応せずに、上記親水膜2に残る。したがって、このようなセパレータの表面処理方法により形成された上記親水膜2は、ゾルゲル法により作製された酸化珪素薄膜の親水性と比較して、飛躍的に高い親水性を発揮する。その結果、上記セパレータの表面に形成された条溝2aにおいて、生成水の排出が速くなる。また、真空紫外光を照射する時間は、特に限定されないが、親水性を飛躍的に高くするためには、15秒以上であることが好ましい。
【0016】
このように、上記実施の形態のセパレータによれば、セパレータの表面に形成された親水膜2が水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有していることにより、その親水膜2が飛躍的に高い親水性を示し、セパレータの表面に形成された条溝2aにおける生成水の排出を速くすることができるため、燃料ガスまたは空気の流路を大きく確保することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
【0017】
また、上記実施の形態のセパレータの表面処理方法によれば、上記親水膜2の形成がゲル膜に真空紫外光を照射することにより可能となるため、従来のゾルゲル法やスパッタリング法と異なり、高温工程や真空(減圧)工程がなく、上記親水膜2の形成が簡単かつ安価にできる。特に、真空紫外光の照射をエキシマランプを用いて行えば、その照射作業が簡単かつ安価にできるため、上記親水膜2の形成がより簡単かつ安価にできる。
【0018】
つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法により処理された燃料電池用セパレータの他の実施の形態について説明する。この実施の形態は、上記親水膜2の形成(セパレータの表面処理)として、上記実施の形態において真空紫外光の照射に代えて大気圧プラズマ処理を行ったものである。すなわち、上記と同様にして形成されたゲル膜に大気圧プラズマ処理することにより、上記親水膜2を形成したものである。
【0019】
上記大気圧プラズマ処理は、特に限定されるものではなく、例えば、大気圧プラズマ処理装置として、チャンバー内に相対向する電極を設けたものを用いて行うことができる。すなわち、上記電極の間に、上記ゲル膜が形成されたセパレータ本体1を配置するとともに、上記チャンバー内に大気圧プラズマに用いるガスを供給した後、上記電極の間に電圧を印加して大気圧プラズマを発生させる。これにより、プラズマ中の活性種が上記ゲル膜に直接作用し、短時間で上記親水膜2を形成する。
【0020】
そして、上記大気圧プラズマ処理も、上記真空紫外光の照射と同様に、室温(25℃)下で行なうことができ、上記親水膜2については、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏する。また、上記大気圧プラズマ処理でも、上記真空紫外光の照射と同様に、高温工程や真空(減圧)工程がなく、上記親水膜2の形成が簡単かつ安価にできる。
【0021】
また、上記大気圧プラズマ処理において、電極の間に印加する電圧は、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、1〜10kVの範囲である。また、その電源の周波数も、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、1〜20kHzの範囲である。また、大気圧プラズマ処理を行なう時間は、特に限定されないが、親水性を飛躍的に高くするためには、5秒以上であることが好ましい。また、上記大気圧プラズマに用いるガスとしては、大気圧プラズマが発生すれば、特に限定されるものではないが、通常、ヘリウム,ネオン,アルゴン,クリプトン,キセノン,ラドンおよび窒素からなる不活性ガス群から選ばれる少なくとも一つが用いられる。
【0022】
なお、上記各実施の形態では、図1に示すように、親水膜2をセパレータ本体1の表面全体に形成しているが、セパレータ本体1の表面に形成された条溝1aの表面(条溝1aの底面および両側面)にのみ親水膜2を形成してもよい。また、親水膜2をセパレータ本体1の表面にのみ形成したが、セパレータ本体1の裏面にも同様にして親水膜2を形成してもよい。
【0023】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【0024】
【実施例1】
上記一実施の形態と同様にして、酸化珪素を主成分とし、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している親水膜2を形成した。すなわち、まず、ガラス状カーボン基板(東海カーボン社製、GL100)からなる燃料電池用セパレータ本体1の表面に、酸化珪素薄膜をゾルゲル法により製膜する際に用いるゾル溶液(高純度化学研究所製、MODコード剤Si−05S)をスピンコート法により塗布してゲル膜を形成した。ついで、このゲル膜にArエキシマ光(波長:126nm)を10分間照射することにより、厚み130nmの親水膜2を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【0025】
【実施例2】
ゲル膜に照射する真空紫外光をXeエキシマ光(波長:172nm)とした。それ以外は、上記実施例1と同様にして、厚み130nmの親水膜2を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【0026】
【実施例3】
上記他の実施の形態と同様にして、酸化珪素を主成分とし、親水性を発揮する水酸化珪素等の水酸基を備えた成分を含有している親水膜2を形成した。すなわち、上記実施例1において、ゲル膜にArエキシマ光を照射するのに代えて、大気圧プラズマ処理を1分間行なった。大気圧プラズマに用いるガスとして、アルゴンを用いた。そして、電源として、周波数が5kHzの交流電源を用い、電極の間に3kVの電圧を印加した。これにより、上記実施例1と同様の厚み130nmの親水膜2を形成し、燃料電池用セパレータを得た。
【0027】
【比較例1】
上記実施例1〜3と同様のガラス状カーボン基板からなる燃料電池用セパレータを準備した。その表面に親水膜2は形成しなかった。
【0028】
そして、上記各燃料電池用セパレータの表面に、スポイトで純水を1滴垂らし、接触角測定機(エルマ社製、G−1−1000型)を用いて純水との接触角を測定した。上記実施例1〜3の燃料電池用セパレータに対する測定は、親水膜2の形成直後およびその形成から室温(25℃)下で30日間保管した後の2回行なった。
【0029】
その結果、実施例1〜3については、どちらも、親水膜2の形成直後の接触角が0度(濡れ広がり状態)、30日後の接触角も0度(濡れ広がり状態)であったのに対し、比較例1については、110度であった。
【0030】
上記結果から、実施例1,2のように、ゲル膜にエキシマ光を照射して親水膜2を形成したり、実施例3のように、ゲル膜に大気圧プラズマ処理して親水膜2を形成したりすれば、純水との接触角が飛躍的に小さくなって親水性が飛躍的に向上するとともに、その親水性が長期間持続することがわかる。
【0031】
【実施例4】
親水膜2の赤外線吸収スペクトルを測定し易くするために、ステンレス板の表面に金をスパッタリングした基板に、上記実施例1と同様にして、親水膜2を形成した。ガラス状カーボン基板では、良好な赤外線吸収スペクトルの測定を行なうことができないからである。そして、その親水膜2の赤外線吸収スペクトルを測定した結果を図2に示した。
【0032】
図2では、ゾルゲル法により製膜した通常の酸化珪素薄膜には見られない水酸化珪素に帰属する波数940cm-1に吸収帯が現れている。この結果から、実施例4のように、ゲル膜にエキシマ光を照射して形成した親水膜2には、親水性を発揮する水酸化珪素が残っていることがわかる。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法により処理された燃料電池用セパレータは、燃料電池用セパレータ本体の表面に、酸化珪素を主成分とし、水酸基を備えた成分を含有している親水膜が形成されているため、その親水膜が飛躍的に高い親水性を示し、上記燃料電池用セパレータの表面において、生成水の排出を速くすることができる。その結果、燃料ガスや空気の流路を大きく確保することができ、燃料電池の性能を向上させることができる。
【0034】
また、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法によれば、酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光の照射または大気圧プラズマ処理を行なうことにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えているため、燃料電池用セパレータを、表面における生成水の排出が速いものとすることができる。その結果、燃料ガスや空気の流路を大きく確保することができるようになり、燃料電池の性能を向上させることができる。さらに、ゲル膜に真空紫外光を照射するという簡単な工程により親水膜を形成することができるため、安価に親水膜を形成することができる。
【0035】
そして、本発明の燃料電池用セパレータの表面処理方法において、真空紫外光の照射がエキシマランプを用いて行なわれる場合には、その照射作業が簡単かつ安価に行なうことができるため、より簡単かつ安価に上記親水膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池用セパレータの一実施の形態を示す斜視図である。
【図2】本発明の燃料電池用セパレータの表面処理法により形成した親水膜の赤外線吸収スペクトルを示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 セパレータ本体
2 親水膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface treatment method of the separators for a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In general, a fuel cell is provided with a separator so as not to mix fuel gas (such as hydrogen) and air (such as oxygen). This separator is plate-shaped, and a groove serving as a fuel gas flow path is formed on one surface, and a groove serving as an air flow path is formed on the other surface. The separator is made of an impermeable material obtained by processing a graphite block to make it impermeable, or a liquid resin impregnated material obtained by impregnating and hardening a liquid resin in an expanded graphite sheet laminated molded body.
[0003]
In the power generation process of the fuel cell, generated water is generated on the fuel gas channel side or the air channel side depending on the type of the fuel cell. Therefore, one of the functions required of the separator is a function of ensuring that a flow path for fuel gas or air is obtained by quickly discharging the generated water from the groove formed on the surface. This is because the performance of the fuel cell can be improved if the generated water is discharged quickly to secure the flow path of the fuel gas and air.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the separator made of the above material is easy to repel the generated water, the generated water is present as water droplets in the groove, and the generated water is not discharged quickly. This has been an obstacle to improving the performance of the fuel cell.
[0005]
Therefore, it is conceivable to form a silicon oxide thin film, which is used in a wide range of fields as a hydrophilic film, on the surface of the groove. This conventionally known silicon oxide thin film is formed by a sol-gel method, a sputtering method or the like. However, the sol-gel method has a high-temperature process, and the sputtering method has a vacuum (decompression) process. Moreover, the hydrophilicity of the silicon oxide thin film thus formed has a contact angle with pure water of about 40 to 50 degrees, and does not exhibit a very high hydrophilicity. The reason seems to be that a component having a hydroxyl group exhibiting hydrophilicity was removed by a high temperature process or the like. Therefore, even if a silicon oxide thin film is formed by a sol-gel method or the like, the discharge of generated water in the groove is not so fast.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, the surface of the separator for fuel cell, to provide a surface treatment method of the separators for a fuel cell can be discharged produced water fast and its object.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the surface treatment method of the first aspect separator for a fuel cell of the present invention, a gel film by coating a sol solution composed mainly of oxidation of silicon on the surface of the separator body for a fuel cell And a step of forming a hydrophilic film containing a component having a hydroxyl group by irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light. The second gist of the present invention The surface treatment method for a fuel cell separator includes a step of forming a hydrophilic film containing a component having a hydroxyl group by subjecting the gel film to an atmospheric pressure plasma treatment .
[0008]
The inventors of the present invention have made extensive studies in order to speed up the discharge of generated water on the surface of the fuel cell separator. In the course of the research, it was found that if the surface of the separator is hydrophilized, the generated water is discharged faster. It was also found that surface hydrophilization can be achieved by forming a thin film (hydrophilic film) mainly composed of silicon oxide on the surface. And further earnest research was repeated. As a result, when the thin film (hydrophilic film) is formed, if the gel film containing silicon oxide as a main component is irradiated with vacuum ultraviolet light or atmospheric pressure plasma treatment, the formed thin film (hydrophilic film) Then, it discovered that the component provided with the hydroxyl group which exhibits hydrophilicity remained without being removed. As a result, the hydrophilicity of the thin film (hydrophilic film) was dramatically improved, and the generated water was discharged faster on the surface of the separator. Thus, the present inventors have reached the present invention.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 shows an embodiment of a fuel cell separator treated by the surface treatment method for a fuel cell separator of the present invention. In this embodiment, the fuel cell separator includes a plate-shaped fuel cell separator body 1 and a hydrophilic film 2 formed on the surface of the separator body 1. This hydrophilic film 2 contains silicon oxide as a main component and contains a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide that exhibits hydrophilicity. Further, the separator body 1 has a plurality of grooves 1a and 1b formed on the front and back surfaces (in FIG. 1, three on the front surface and four on the back surface). Each of the separators is also uneven by forming a plurality of strip grooves 2a and 1b (three on the front surface and four on the back surface) on the front and back surfaces, respectively. And the groove | channel 2a, 1b in the separator is a flow path of fuel gas or air.
[0011]
More specifically, the material of the separator body 1 is not particularly limited, and is used for a normal separator as described in the above-described conventional technique. A material mainly composed of carbon is preferable in that it has both corrosion resistance and corrosion resistance. Examples of the material mainly composed of carbon include glassy carbon and graphite. And the manufacturing method of the said separator main body 1 is although it does not specifically limit, Usually, it produces by shaping | molding. Further, the grooves 1a and 1b on the surface of the separator body 1 may be formed by transferring a molding die, or may be formed by machining after the substrate of the flat separator body 1 is formed.
[0012]
Unlike the silicon oxide thin film formed by the sol-gel method, the hydrophilic film 2 contains a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide, and since this component is a component that exhibits hydrophilicity, the sol-gel Compared with a silicon oxide thin film formed by the method, it exhibits dramatically higher hydrophilicity. That is, the contact angle between the silicon oxide thin film by the sol-gel method and pure water is about 40 to 50 degrees as described above, whereas the contact angle between the hydrophilic film 2 and pure water is 10 degrees. Depending on the formation conditions of the hydrophilic film 2, it can be as close to 0 degrees as possible. Furthermore, the hydrophilic film 2 can maintain its hydrophilicity for a long time. The thickness of the hydrophilic film 2 is not particularly limited, but is preferably 10 nm or more. It is because there exists a possibility that hydrophilicity may not fully be exhibited as it is less than 10 nm. Further, since the hydrophilic film 2 contains a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide, when an infrared absorption spectrum is measured for the hydrophilic film 2, an absorption band appears in the wave number belonging to each component. . For example, in the case of silicon hydroxide, an absorption band appears at a wave number of 940 cm −1 .
[0013]
Moreover, formation of the said hydrophilic film 2 (surface treatment of a separator) can be performed as follows, for example. That is, first, a sol solution (sol solution containing silicon oxide as a main component) used when forming a silicon oxide thin film by the sol-gel method is applied to the surface of the separator body 1 to form a gel film. Next, the hydrophilic film 2 is formed by irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light using an excimer lamp or the like.
[0014]
In the formation of the hydrophilic film 2, the sol solution is not particularly limited as long as the sol solution can form a silicon oxide thin film by a sol-gel method. Tetraethoxysilane or the like is hydrolyzed under an acidic catalyst. And a sol solution obtained by condensation polymerization. Moreover, the method of apply | coating a sol solution is not specifically limited, The method used by normal sol-gel methods, such as a dip method, a spin coat method, and a spray method, is employable.
[0015]
In addition, irradiation with vacuum ultraviolet light can usually be performed at room temperature (25 ° C.), but if the fuel cell separator body 1 does not change in quality and the gel film does not react with heat, it is heated. May be. In this way, in the step of forming the hydrophilic film 2 by irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light, unlike the sol-gel method, heat that causes the gel film to react is not applied, so the water contained in the gel film At least a part of the component having a hydroxyl group such as silicon oxide remains in the hydrophilic film 2 without reacting. Therefore, the hydrophilic film 2 formed by such a separator surface treatment method exhibits a significantly higher hydrophilicity than the hydrophilicity of the silicon oxide thin film prepared by the sol-gel method. As a result, in the groove 2a formed on the surface of the separator, the generated water is discharged quickly. The time for irradiation with vacuum ultraviolet light is not particularly limited, but is preferably 15 seconds or longer in order to dramatically increase the hydrophilicity.
[0016]
Thus, according to the separator of the above embodiment, the hydrophilic film 2 formed on the surface of the separator contains a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide, so that the hydrophilic film 2 is dramatically improved. Since the discharge of the generated water in the groove 2a formed on the surface of the separator can be accelerated, a large flow path of fuel gas or air can be secured, and the performance of the fuel cell can be improved. Can be improved.
[0017]
In addition, according to the separator surface treatment method of the above embodiment, the hydrophilic film 2 can be formed by irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light. Therefore, unlike conventional sol-gel methods and sputtering methods, There is no process or vacuum (decompression) process, and the hydrophilic film 2 can be formed easily and inexpensively. In particular, if the irradiation with vacuum ultraviolet light is performed using an excimer lamp, the irradiation operation can be performed easily and inexpensively, so that the formation of the hydrophilic film 2 can be performed more easily and inexpensively.
[0018]
Next, another embodiment of the fuel cell separator treated by the surface treatment method for a fuel cell separator of the present invention will be described. In this embodiment, as the formation of the hydrophilic film 2 (surface treatment of the separator), atmospheric pressure plasma treatment is performed instead of vacuum ultraviolet light irradiation in the above embodiment. That is, the hydrophilic film 2 is formed by subjecting the gel film formed in the same manner as described above to atmospheric pressure plasma treatment.
[0019]
The atmospheric pressure plasma treatment is not particularly limited, and can be performed using, for example, an atmospheric pressure plasma treatment apparatus in which electrodes facing each other are provided in a chamber. That is, the separator main body 1 on which the gel film is formed is disposed between the electrodes, a gas used for atmospheric pressure plasma is supplied into the chamber, and then a voltage is applied between the electrodes to apply atmospheric pressure. Generate plasma. Thereby, the active species in the plasma act directly on the gel film, and form the hydrophilic film 2 in a short time.
[0020]
The atmospheric pressure plasma treatment can also be performed at room temperature (25 ° C.) as in the case of the vacuum ultraviolet light irradiation, and the hydrophilic film 2 has the same functions and effects as those of the embodiment. . Further, even in the atmospheric pressure plasma treatment, there is no high temperature process or vacuum (decompression) process as in the case of the irradiation with the vacuum ultraviolet light, and the formation of the hydrophilic film 2 can be performed easily and inexpensively.
[0021]
In the atmospheric pressure plasma treatment, the voltage applied between the electrodes is not particularly limited as long as atmospheric pressure plasma is generated, but is usually in the range of 1 to 10 kV. Also, the frequency of the power source is not particularly limited as long as atmospheric pressure plasma is generated, but is usually in the range of 1 to 20 kHz. The time for performing the atmospheric pressure plasma treatment is not particularly limited, but is preferably 5 seconds or longer in order to dramatically increase the hydrophilicity. Further, the gas used for the atmospheric pressure plasma is not particularly limited as long as atmospheric pressure plasma is generated. Usually, an inert gas group consisting of helium, neon, argon, krypton, xenon, radon and nitrogen is used. At least one selected from is used.
[0022]
In each of the above embodiments, as shown in FIG. 1, the hydrophilic film 2 is formed on the entire surface of the separator body 1, but the surface of the groove 1 a formed on the surface of the separator body 1 (the groove). The hydrophilic film 2 may be formed only on the bottom surface and both side surfaces of 1a. Further, although the hydrophilic film 2 is formed only on the surface of the separator body 1, the hydrophilic film 2 may be formed on the back surface of the separator body 1 in the same manner.
[0023]
Next, examples will be described together with comparative examples.
[0024]
[Example 1]
In the same manner as in the above embodiment, a hydrophilic film 2 containing silicon oxide as a main component and a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide that exhibits hydrophilicity was formed. That is, first, a sol solution (manufactured by High Purity Chemical Research Laboratory) used when a silicon oxide thin film is formed on the surface of a fuel cell separator body 1 made of a glassy carbon substrate (GL100, manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.). MOD coding agent Si-05S) was applied by spin coating to form a gel film. The gel film was then irradiated with Ar excimer light (wavelength: 126 nm) for 10 minutes to form a hydrophilic film 2 having a thickness of 130 nm, thereby obtaining a fuel cell separator.
[0025]
[Example 2]
The vacuum ultraviolet light applied to the gel film was Xe excimer light (wavelength: 172 nm). Other than that was carried out similarly to the said Example 1, the 130-nm-thick hydrophilic film 2 was formed, and the separator for fuel cells was obtained.
[0026]
[Example 3]
In the same manner as in the other embodiments described above, a hydrophilic film 2 containing silicon oxide as a main component and a component having a hydroxyl group such as silicon hydroxide that exhibits hydrophilicity was formed. That is, in Example 1 above, instead of irradiating the gel film with Ar excimer light, atmospheric pressure plasma treatment was performed for 1 minute. Argon was used as the gas used for the atmospheric pressure plasma. Then, an AC power source having a frequency of 5 kHz was used as a power source, and a voltage of 3 kV was applied between the electrodes. As a result, a hydrophilic film 2 having a thickness of 130 nm similar to that of Example 1 was formed to obtain a fuel cell separator.
[0027]
[Comparative Example 1]
A fuel cell separator made of the same glassy carbon substrate as in Examples 1 to 3 was prepared. No hydrophilic film 2 was formed on the surface.
[0028]
And 1 drop of pure water was dripped with the dropper on the surface of each said separator for fuel cells, and the contact angle with pure water was measured using the contact angle measuring machine (The Elma company make, G-1-1000 type | mold). The measurements for the fuel cell separators of Examples 1 to 3 were performed twice immediately after the formation of the hydrophilic film 2 and after storage for 30 days at room temperature (25 ° C.).
[0029]
As a result, in each of Examples 1 to 3, the contact angle immediately after the formation of the hydrophilic film 2 was 0 degree (wet spread state), and the contact angle after 30 days was 0 degree (wet spread state). On the other hand, in Comparative Example 1, it was 110 degrees.
[0030]
From the above results, the gel film is irradiated with excimer light to form the hydrophilic film 2 as in Examples 1 and 2, or the gel film is subjected to atmospheric pressure plasma treatment to form the hydrophilic film 2 as in Example 3. If it is formed, the contact angle with pure water is drastically reduced and the hydrophilicity is drastically improved, and the hydrophilicity is maintained for a long time.
[0031]
[Example 4]
In order to make it easy to measure the infrared absorption spectrum of the hydrophilic film 2, the hydrophilic film 2 was formed in the same manner as in Example 1 above on a substrate having gold plated on the surface of a stainless steel plate. This is because a good infrared absorption spectrum cannot be measured with a glassy carbon substrate. And the result of having measured the infrared absorption spectrum of the hydrophilic film | membrane 2 was shown in FIG.
[0032]
In FIG. 2, an absorption band appears at a wave number of 940 cm −1 belonging to silicon hydroxide that is not found in a normal silicon oxide thin film formed by the sol-gel method. From this result, it can be seen that, as in Example 4, silicon hydroxide that exhibits hydrophilicity remains in the hydrophilic film 2 formed by irradiating the gel film with excimer light.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell separator treated by the surface treatment method for a fuel cell separator of the present invention contains a component mainly composed of silicon oxide and a hydroxyl group on the surface of the fuel cell separator body. Since the hydrophilic film is formed, the hydrophilic film exhibits extremely high hydrophilicity, and the generated water can be discharged quickly on the surface of the fuel cell separator. As a result, a large flow path for fuel gas and air can be secured, and the performance of the fuel cell can be improved.
[0034]
According to the surface treatment method for a fuel cell separator of the present invention, a sol solution mainly composed of silicon oxide is applied to the surface of the fuel cell separator body to form a gel film; Forming a hydrophilic film containing a component having a hydroxyl group by performing irradiation with vacuum ultraviolet light or atmospheric pressure plasma treatment on the surface of the fuel cell separator. Discharge can be fast. As a result, a large flow path for fuel gas and air can be secured, and the performance of the fuel cell can be improved. Furthermore, since the hydrophilic film can be formed by a simple process of irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light, the hydrophilic film can be formed at a low cost.
[0035]
In the surface treatment method for a fuel cell separator according to the present invention, when irradiation with vacuum ultraviolet light is performed using an excimer lamp, the irradiation operation can be performed easily and inexpensively. The above-mentioned hydrophilic film can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a separator for a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an infrared absorption spectrum of a hydrophilic film formed by a surface treatment method for a fuel cell separator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Separator body 2 Hydrophilic membrane

Claims (3)

酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して真空紫外光を照射することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータの表面処理方法。  A step of forming a gel film by applying a sol solution containing silicon oxide as a main component to the surface of a separator body for a fuel cell, and by irradiating the gel film with vacuum ultraviolet light, a component having a hydroxyl group is formed. A surface treatment method for a fuel cell separator, comprising: forming a hydrophilic film contained therein. 真空紫外光の照射がエキシマランプを用いて行なわれる請求項記載の燃料電池用セパレータの表面処理方法。The surface treatment method of a separator for a fuel cell according to claim 1, wherein the performed irradiation of vacuum ultraviolet light using an excimer lamp. 酸化珪素を主成分とするゾル溶液を燃料電池用セパレータ本体の表面に塗布してゲル膜を形成する工程と、このゲル膜に対して大気圧プラズマ処理することにより、水酸基を備えた成分が含有されている親水膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータの表面処理方法。  A step of forming a gel film by applying a sol solution containing silicon oxide as a main component to the surface of a separator body for a fuel cell, and a component having a hydroxyl group contained by subjecting the gel film to atmospheric pressure plasma treatment A surface treatment method for a separator for a fuel cell, comprising: forming a hydrophilic film.
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