(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されるマニホールドと、
前記マニホールドと連通する反応ガス導入路と、
前記反応ガス導入路と接続し、前記反応ガス導入路を通過した反応ガスが分配される複数の流路と、
前記反応ガス導入路を流通する前記反応ガスの流れを調整し、ポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー、エポキシガラスからなる群より選ばれる流路抵抗調整部材を接着するための接着面と、
を備え、
熱硬化性樹脂および黒鉛材料を用いて一体成型され、
前記流路の面粗度(Rmax)が４０μｍ以上６０μｍ未満であり、前記接着面の面粗度(Rmax)が５μｍ以上４０μｍ未満であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた燃料極と前記電解質膜の他方の面に設けられた空気極とを有する燃料電池用セルが、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを介して複数個積層されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータには酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスを合わせて「反応ガス」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。
【０００６】
ここで、反応ガスは、通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却されると、大量の凝縮水が発生する。反応ガス由来の凝縮水が反応ガス流路に浸入し、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞されると、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。また、発電によって生じる生成水によっても同様の問題が発生することがある。
【０００７】
このため、反応ガスの流路における凝縮水の排出性を向上させるために、反応ガスの流路の親水性を高めることが有用であることが知られている。反応ガスの流路の親水性を高める技術として、セパレータ表面の粗度をブラスト法などを用いて大きくする技術が知られている（特許文献１、２参照）。
【０００８】
一方、反応ガス供給用のマニホールドから反応ガス流路に供給される反応ガスの圧力損失を調整する流路抵抗調整部材をセパレータに組み付ける技術が知られている。流路抵抗調整部材として、反応ガスの流路の断面積より小さい開口面積を有するノズルが各流路に内挿されたノズルプレートが知られている（特許文献３参照）。ノズルプレートは合成樹脂などで構成され、セパレータに接着剤などで接着される。流路抵抗調整部材により、反応ガスの流路の上流側に抵抗を生じさせ、これを確実に調節することができる。このため、反応ガスの分配が均一化されるため、より一層効率よく反応ガスの流路に反応ガスを導入することが可能となる。また、流路抵抗を調節することができるため、反応ガスの流路中に生じた水を流路外部に確実に排出することが可能となる。
【特許文献１】特願２００４−３３４２５４号公報
【特許文献２】特願２００５−３４１２６６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７１８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
熱硬化性樹脂および黒鉛材料で形成された燃料電池用セパレータに設けられた反応ガスの流路における凝縮水の排出性を向上させるためにセパレータの表面を粗化すると、ノズルプレートなどの流路抵抗調整部材をセパレータに接着する場合に、流路抵抗調整部材と燃料電池用セパレータとの接着性が低下し、流路抵抗調整部材が剥離しやすくなるという問題があった。
【００１０】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用セパレータに設けられた反応ガスの流路における凝縮水の排出性を向上させるとともに、ノズルプレートなどの流路抵抗調整部材と燃料電池用セパレータとの接着性を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様は、燃料電池用セパレータである。当該燃料電池用セパレータは、反応ガスが供給されるマニホールドと、マニホールドと連通する反応ガス導入路と、反応ガス導入路と接続し、反応ガス導入路を通過した反応ガスが分配される複数の流路と、反応ガス導入路を流通する反応ガスの流れを調整する流路抵抗調整部材を接着するための接着面と、を備え、接着面の面粗度(Rmax)が流路の面粗度(Rmax)がに比べて小さいことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、流路の表面を相対的に粗化することにより流路の表面の親水性が高まるため、流路の中を凝縮水が流れやすくなり、凝縮水の排水性が向上する。その一方で、流路抵抗調整部材が接着される接着面を相対的に平滑化することにより、流路抵抗調整部材の接着力が高まるため、流路抵抗調整部材を燃料電池用セパレータにより確実に取り付けることができる。
【００１３】
上記態様において、流路の面粗度(Rmax)が４０μｍ以上であり、接着面の面粗度(Rmax)が４０μｍ未満であってもよい。また、上記態様の燃料電池用セパレータは、炭素材料を用いて一体成型されていてもよい。
【００１４】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた燃料極と電解質膜の他方の面に設けられた空気極とを有する燃料電池用セルが、上述の燃料電池用セパレータを介して複数個積層されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池用セパレータに設けられた反応ガスの流路における凝縮水の排出性を向上させるとともに、ノズルプレートなどの流路抵抗調整部材と燃料電池用セパレータとの接着性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。
【００１７】
図１（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池スタックを反対側から見た分解斜視図である。さらに、図２は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。
【００１８】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）では、スタック構成の例として２セル構造の場合を示している。セル５０の燃料極側に燃料極側セパレータ１０１、空気極側に空気極側セパレータ１４７を配設し、これを１単位として所定の単位数だけ積層することにより積層体が得られる。本実施の形態では、燃料極側セパレータ１０１の一方の面に燃料流路が形成され、燃料極側セパレータ１０１の他方の面に冷却水流路が形成されている。本実施の形態の燃料電池において、セル５０の積層数に特に制限はないが、たとえば５０〜２００セル程度の積層体とすることができる。積層体の両端には絶縁板２０１および端板２１３（図１（Ａ）および図１（Ｂ）では不図示）が積層体の外側に向かってこの順に設けられる。また、絶縁板２０１に隣接する燃料極側セパレータには、燃料極側セパレータ１０１に代えて、冷却水流路の設けられていない燃料極側セパレータ１７１を用いてもよい。
【００１９】
なお、燃料電池用セパレータは、その矩形の基板の長手方向が鉛直になるよう配置されて積層されている。
【００２０】
次に、セル５０の構成について説明する。図３は、セパレータに挟持されたセル５０の断面構造を模式的に示す図である。セル５０の両側には燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、燃料極側セパレータ１０１や空気極側セパレータ１４７を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池が構成されてもよい。
【００２１】
セル５０は、固体高分子電解質膜２０と、燃料極２２と、空気極２４とを有する。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。
【００２２】
燃料極２２の側に設けられる燃料極側セパレータ１０１にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４の側に設けられる空気極側セパレータ１４７にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、たとえば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、たとえば空気が供給される。
【００２３】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【００２４】
燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、たとえば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものを用いる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどがある。
【００２５】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００２６】
燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガスまたは空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能を持つ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能も持つ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。
【００２７】
図２に戻り、本実施の形態の燃料電池２２５には、セル積層体２１５を中心に、外側に向かって順次それぞれ一対の集電板２０７、絶縁板２０１、端板２１３が設けられ、最も外側にはタイプレート２１７が配置される。ここで、集電板２０７を設けることにより、セル積層体２１５で発電した電気を外部に取り出すことができる。また、端板２１３を設けることにより、セル積層体２１５を構成する各プレートの面内に均一な圧縮加重を加えることができる。
【００２８】
セル積層体２１５を挟むタイプレート２１７は、片側に２枚ずつ配置されている。タイプレート２１７には、両端にネジ部２２３が設けられたタイロッド２２１が貫通し、ナット２１９によって締め付けられる。こうすることにより、セル積層体２１５、集電板２０７、絶縁板２０１、および端板２１３が圧縮加重を印加された状態で一体化される。なお、絶縁板２０１は絶縁性および燃料電池の運転温度に対する耐熱性を有する物質から選択することができ、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などを用いることができる。また、燃料電池２２５の周囲には断熱材（不図示）が設けられてもよい。
【００２９】
次に、燃料極側セパレータ１０１の構成について、図４（Ａ）および図４（Ｂ）を用いて説明する。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、燃料極側セパレータ１０１の燃料流路側および燃料流路側の平面図である。
【００３０】
本実施の形態において、燃料極側セパレータ１０１の基板１０３の一方の面には図４（Ａ）に示されるように燃料流路１０５が設けられ、他方の面には図４（Ｂ）に示されるように冷却水流路１０６が設けられている。なお、燃料流路１０５は、図３のガス流路３８に該当する。
【００３１】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、基板１０３は、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用マニホールド１０７、空気供給用マニホールド１６７、および冷却水供給用マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用マニホールド１０９、空気排出用マニホールド１６９および冷却水排出用マニホールド１１３と、を有する。
【００３２】
本実施の形態において、燃料電池の電極における反応熱を冷却するため冷却水は、燃料ガスまたは空気より高温であることが好ましい。これによれば、燃料ガスまたは空気の冷却を抑制することができる。たとえば、燃料ガスまたは空気の温度を６５〜７０℃程度とし、冷却水供給用マニホールド１１１における冷却水の温度を７１℃とすることができる。
【００３３】
ここで、基板１０３のそれぞれの面について詳細に説明する。図４（Ａ）に示すように、基板１０３の一方の面には、燃料導入流路１２５、複数の燃料流路１０５、および燃料排出流路１２７が形成されている。
【００３４】
燃料導入流路１２５の一端は、燃料供給用マニホールド１０７と連通し、燃料導入流路１２５の他端は、複数の燃料流路１０５と接続している。燃料供給用マニホールド１０７から導入された燃料ガスは、燃料導入流路１２５を通って複数の燃料流路１０５に供給される。
【００３５】
複数の燃料流路１０５は、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成されている。
【００３６】
燃料排出流路１２７の一端は、複数の燃料流路１０５と接続し、燃料排出流路１２７の他端は燃料排出用マニホールド１０９に連通している。複数の燃料流路１０５を通過した未反応の燃料ガスは、燃料排出流路１２７を通って燃料排出用マニホールド１０９に排出される。
【００３７】
冷却水供給用マニホールド１１１は、燃料供給用マニホールド１０７および空気供給用マニホールド１６７よりも実質的に上方に位置している。すなわち、冷却水供給用マニホールド１１１の底部が、燃料供給用マニホールド１０７および空気供給用マニホールド１６７の底部よりも上方に位置するように形成されている。
【００３８】
燃料導入流路１２５の末端部分には、燃料ガスの流れを絞りこむためのノズルプレート１４１が設けられている。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、それぞれノズルプレート１４１の平面図、正面図を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、ノズルプレート１４１は、薄板状の基部１４２と、この基部１４２の一端側に所定の間隔をもって突出片１４３が櫛歯状に並設された接続部１４４とを有する。ノズルプレート１４１には、基部１４２の他端側から各突出片１４３を貫通する複数のノズル孔１４５が設けられている。ノズル孔１４５の直径は、入口側（基部１４２の他端側）が約０．２５ｍｍ、出口側（突出片１４３の先端側）が約０．２２ｍｍに設定され、ガスを噴出できるようにやや先細り孔になっている。
【００３９】
ノズルプレート１４１の材料として、成形時の流動性が良好で仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れる樹脂を用いることが好ましい。ノズルプレート１４１に用いられる樹脂として、たとえばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等が挙げられる。ノズルプレート１４１は、これらの樹脂を用いて一体成形することにより作製されうる。
【００４０】
ノズルプレート１４１の大きさ及び厚さは、図４（Ａ）のように燃料極側セパレータ１０１に取り付けた際に、複数の凹溝状の燃料流路１０５の入口に接続する燃料導入流路１２５の下端に嵌まり込むような大きさに設定されている。また、燃料流路１０５間に位置するリブ１０８（流路を仕切るための流路凸部）の上面とノズルプレート１４１の上面とが同一平面となるように厚さが設定されている。また、突出片１４３は、燃料極側セパレータ１０１の各燃料流路１０５の凹部内に挿入されている。
【００４１】
これにより、各ノズル孔１４５の入口側は燃料導入流路１２５を介して燃料供給用マニホールド１０７と連通し、ノズル孔１４５の出口側は各燃料流路１０５の入口と連通する。すなわち、ノズルプレート１４１を介して燃料供給用マニホールド１０７と各燃料流路１０５とが接続される。
【００４２】
ノズルプレート１４１は、燃料極側セパレータ１０１に取り付けられる流路抵抗調整部材の一例である。ノズルプレート１４１の下面側は燃料極側セパレータ１０１の燃料導入流路１２５の底面に、接着剤、粘着シート（両面テープ）などの接着部材により取り付けられている。また、本実施の形態では、ノズルプレート１４１の両側部に基部１４２に比べて薄い薄板部１４６が設けられている。薄板部１４６の上面は基部１４２の上面と同一平面である。薄板部１４６の下面は、燃料極側セパレータ１０１の燃料導入流路１２５の両脇に設けられた段差の上面に、接着剤、粘着シート（両面テープ）などの接着部材により取り付けられている。燃料極側セパレータ１０１の段差の深さは、ノズルプレート１４１の薄板部１４６の厚さと等しくなっており、段差の周囲の燃料極側セパレータ１０１の上面とノズルプレート１４１の上面とが同一平面となる。
【００４３】
このように、本実施の形態では、燃料極側セパレータ１０１の燃料導入流路１２５の底面の一部と、燃料極側セパレータ１０１の燃料導入流路１２５の両脇に設けられた段差の上面とが、ノズルプレート１４１との接着面となっている。
【００４４】
燃料極側セパレータ１０１の接着面の面粗度(Rmax)は、燃料極側セパレータ１０１の燃料流路１０５の面粗度(Rmax)に比べて小さい。具体的には、接着面の面粗度(Rmax)は４０μｍ未満であり、流路の面粗度(Rmax)は４０μｍ以上である。より好ましくは、接着面の面粗度(Rmax)は５μｍ以上４０μｍ未満であり、流路の面粗度(Rmax)は４０μｍ以上６０μｍ未満である。なお、セパレータの接着面の面粗度(Rmax)を５μｍ未満とすると、接着力が低下し、セパレータの流路の面粗度(Rmax)を６０μｍより大きくしても親水性の向上が見込まれない。
【００４５】
これによれば、燃料流路１０５の表面を相対的に粗化することにより燃料流路１０５の表面の親水性が高まるため、燃料流路１０５の中を凝縮水が流れやすくなり、凝縮水の排水性が向上する。その一方で、ノズルプレート１４１が接着される接着面を相対的に平滑化することにより、ノズルプレート１４１の接着力が高まるため、ノズルプレート１４１を燃料極側セパレータ１０１により確実に取り付けることができる。
【００４６】
また、図４（Ｂ）に示すように、基板１０３の他方の面には、冷却水導入流路１２９、複数の冷却水流路１０６および冷却水排出流路１３１が形成されている。
【００４７】
冷却水導入流路１２９の一端は、冷却水供給用マニホールド１１１と連通し、冷却水導入流路１２９の他端は、複数の冷却水流路１０６と接続している。冷却水供給用マニホールド１１１から導入された冷却水は、冷却水導入流路１２９を通って複数の冷却水流路１０６に供給される。
【００４８】
複数の冷却水流路１０６は、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成されている。
【００４９】
冷却水排出流路１３１の一端は、複数の冷却水流路１０６と接続し、冷却水排出流路１３１の他端は冷却水排出用マニホールド１１３に連通している。複数の冷却水流路１０６を通過した冷却水は、冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用マニホールド１１３に排出される。
【００５０】
また、冷却水流路１０６の周囲の基板１０３の表面にはシール材１３３が貼り付けられており、凸状のビード１３５が形成されている。このため、積層してスタックを形成した際に、燃料極側セパレータ１０１と他のセパレータとの密着性が良好であり、ガスや水の漏出を好適に抑制することができる。シール材１３３としては、たとえばＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン−ゴム）などの弾性部材を用いることができる。
【００５１】
このように構成された燃料極側セパレータ１０１において、冷却水は、冷却水供給用マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を経由して、冷却水流路１０６に供給される。そして、冷却水流路１０６を通過した冷却水は、冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用マニホールド１１３に流れ込み、燃料電池スタックの積層方向に送出され、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００５２】
次に、空気極側セパレータ１４７の構成について、図６（Ａ）および図６（Ｂ）を用いて説明する。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、それぞれ、空気極側セパレータ１４７の平坦面側および空気流路側の平面図である。
【００５３】
本実施の形態において、空気極側セパレータ１４７の基板１４９の一方の面は図６（Ａ）に示されるように流路が設けられていない平坦面であり、他方の面には図６（Ｂ）に示されるように空気流路１５３が設けられている。なお、空気流路１５３は、図３のガス流路４０に該当する。空気流路１５３の間には空気流路１５３を仕切るためのリブ１５４が設けられている。
【００５４】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、基板１４９は、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す基板１０３と同様に、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用マニホールド１０７、空気供給用マニホールド１６７、および冷却水供給用マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用マニホールド１０９、空気排出用マニホールド１６９および冷却水排出用マニホールド１１３と、を有する。
【００５５】
図６（Ｂ）に示すように、基板１４９の他方の面には、空気を空気供給用マニホールド１６７から導入する空気導入流路１５９と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の空気流路１５３と、空気を空気排出用マニホールド１６９を介して排出する空気排出流路１７０と、が形成されている。
【００５６】
なお、空気極側セパレータ１４７においても、基板１４９の空気流路１５３形成領域周辺にシール材１５１が被覆されているため、ビード（不図示）により空気極側セパレータ１４７を積層した際の密着性が確保されている。
【００５７】
また、空気導入流路１５９の末端部分には、ノズルプレート１４１が設けられており、空気流路１５３内の凝縮水を排出するための圧力が確保されるため、空気流路１５３内に均一に空気が供給される。
【００５８】
空気極側セパレータ１４７の空気導入流路１５９の底面の一部と、空気極側セパレータ１４７の空気導入流路１５９の両脇に設けられた段差の上面とが、ノズルプレート１４１との接着面となっている。ノズルプレート１４１を接着するための接着面の面粗度(Rmax)は、空気流路１５３の面粗度(Rmax)に比べて小さい。具体的には、接着面の面粗度(Rmax)は５μｍ以上４０μｍ未満であり、空気流路１５３の面粗度(Rmax)は４０μｍ以上６０μｍ未満である。
【００５９】
これによれば、空気流路１５３の表面を相対的に粗化することにより空気流路１５３の表面の親水性が高まるため、空気流路１５３の中を凝縮水が流れやすくなり、凝縮水の排水性が向上する。その一方で、ノズルプレート１４１が接着される接着面を相対的に平滑化することにより、ノズルプレート１４１の接着力が高まるため、ノズルプレート１４１を空気極側セパレータ１４７により確実に取り付けることができる。
【００６０】
このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、空気は、空気供給用マニホールド１６７から空気供給用マニホールド１６７の側方に接続された空気導入流路１５９およびノズルプレート１４１を経由して空気流路１５３に供給される。そして、空気流路１５３を通過した空気は、空気排出流路１７０を通って空気排出用マニホールド１６９に流れ込み、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００６１】
なお、燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７（以下、単にセパレータという）は、熱硬化性樹脂、人造黒鉛などの炭素材料を一体成型した後、セパレータの接着面をマスキングし、セパレータの流路に表面粗化加工を施すことにより製造することができる。炭素材料を一体成型することにより、再現性よく、より少ない製造工数により燃料極側セパレータ１０１を製造することができる。表面粗化加工としては、エッチング法、ブラスト法、および研削などが挙げられる。また、セパレータは、熱硬化性樹脂、人造黒鉛などの炭素材料を一体成型した後、セパレータの全面について上述した表面粗化加工を施した後、セパレータの流路をマスキングし、セパレータの接着面に平坦化加工を施すことにより製造することができる。平坦化加工としては、ウェスやブラシ等で磨く方法が挙げられる。なお、炭素材料には、熱硬化性樹脂と人造黒鉛とを混合した炭素複合材料が含まれる。
【００６２】
なお、熱硬化性樹脂は、特に限定されないが、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ベンゾキサジン樹脂等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐熱性および機械的強度に優れていることから、ベンゾキサジン樹脂、エポキシ樹脂、レゾール型フェノール樹脂が好適に用いられる。
【００６３】
また、人造黒鉛は、特に限定されないが、針状コークスを焼成したもの、塊状コークスを焼成したもの、電極を粉砕したもの、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、コークス、活性炭、ガラス状カーボン、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。このうち、人造黒鉛として針状コークスが好適である。
【００６４】
（面粗度と接着力との関係）
面粗度の異なる炭素材料からなるプレートを用意し、面粗度と接着力との関係を調べた。炭素材料としては、レゾール型フェノール樹脂アンモニア，１級アミン，２級アミンなどのアミン化合物を硬化触媒として得られる固形アンモニアレゾール型フェノール樹脂と、針状コークスを２０００〜３０００℃で焼成して得られる焼成物との炭素複合材料を用いた。プレートの面粗度を変えるために、ブラスト砥粒を用いてブラスト加工を行った。
【００６５】
プレートの面粗度は、超深度形状測定顕微鏡（KEYENCE社製、商品名：VK-8500）を用いた。面粗度の測定条件は、レンズ倍率５０倍、高さ方向測定ピッチ０．１μｍとし、面粗度(Rmax)をデータ処理により算出した。
【００６６】
また、各プレートの接着力（剥離力）を、ストログラフ（東洋精機社製、商品名：STROGRAPH−R2）を用いて測定した。試験片として、ノズルプレートに用いられる材料の一つであるエポキシガラスを用い、試験片を接着剤を用いてプレートに接着した状態での接着力を評価した。
【００６７】
また、表面張力が４０ｍＮ／ｍの試薬（和光純薬工業製、ぬれ張力試験用混合液Ｎｏ．４０．０）を用いて接触角を測定することにより、各プレートの親水性を評価した。
【００６８】
図７は、セパレータの面粗度(Rmax)とノズルプレートに対する接着力との関係およびセパレータの面粗度と親水性との関係を示す。図７からわかるように、面粗度(Rmax)が大きくなると、接触角が小さくなる、すなわち親水性が高くなる。一方、接着力は、面粗度(Rmax)が４０μｍ以上で最低値となり、この場合には、ノズルプレートなどの取り付け部品が剥がれやすい状態となる。面粗度(Rmax)が４０μｍ未満では、面粗度(Rmax)が小さいほど接着力が大きくなり、ノズルプレートなどの取り付け部品が確実に接着された状態となることが確認された。このため、セパレータの接着面の面粗度(Rmax)をセパレータの流路の面粗度(Rmax)より小さくすることにより、セパレータの流路における凝縮水の排水性とセパレータの接着面における接着力とを両立させることができる。
【００６９】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池スタックを反対側から見た分解斜視図である。
【図２】図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図３】セパレータに挟持されたセル５０の断面構造を模式的に示す図である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、燃料極側セパレータの燃料流路側および燃料流路側の平面図である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、それぞれノズルプレート１４１の平面図、正面図である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、それぞれ、空気極側セパレータの平坦面側および空気流路側の平面図である。
【図７】セパレータの面粗度(Rmax)とノズルプレートに対する接着力との関係およびセパレータの面粗度と親水性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
２０  固体高分子電解質膜、２２  燃料極、２４  空気極、５０  セル、１０１  燃料極側セパレータ、１４１  ノズルプレート、１４２  基部、１４５  ノズル孔、１４７  空気極側セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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