JP5255251B2 - Fuel cell separator and fuel cell - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a fuel cell separator and a fuel cell using the same.

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。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.

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。   A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.

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。 Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the air electrode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the air electrode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). In this way, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out.

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。   A separator is provided outside the fuel electrode and the air electrode. The separator on the fuel electrode side is provided with a fuel gas flow path, and fuel gas is supplied to the fuel electrode. Similarly, an oxidant gas flow path is provided in the separator on the air electrode side, and oxidant gas is supplied to the air electrode. In this specification, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as “reaction gas”. In addition, a flow path of cooling water for cooling the electrodes is provided between these separators.

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。   Here, the reaction gas is usually introduced after being humidified by a humidifier, but when cooled in the reaction gas supply manifold, a large amount of condensed water is generated. If the condensed water derived from the reaction gas enters the reaction gas channel and the reaction gas channel is blocked by the condensed water, the supply of the uniform reaction gas to the electrode surface is hindered and the output of the fuel cell decreases. There was a thing. Moreover, the same problem may arise also with the produced water produced by electric power generation.

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）。   For this reason, it is known that it is useful to increase the hydrophilicity of the flow path of the reaction gas in order to improve the discharge of condensed water in the flow path of the reaction gas. As a technique for increasing the hydrophilicity of the reaction gas flow path, a technique for increasing the roughness of the separator surface using a blast method or the like is known (see Patent Documents 1 and 2).

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。
特願２００４−３３４２５４号公報 特願２００５−３４１２６６号公報 特開２００４−１７１８８７号公報 On the other hand, a technique is known in which a flow path resistance adjusting member that adjusts a pressure loss of a reactive gas supplied from a reactive gas supply manifold to a reactive gas flow path is assembled to a separator. As a flow path resistance adjusting member, there is known a nozzle plate in which nozzles having an opening area smaller than the cross-sectional area of a reactive gas flow path are inserted in each flow path (see Patent Document 3). The nozzle plate is made of synthetic resin or the like, and is bonded to the separator with an adhesive or the like. By the flow path resistance adjusting member, resistance can be generated on the upstream side of the flow path of the reaction gas, and this can be reliably adjusted. For this reason, since the distribution of the reaction gas is made uniform, the reaction gas can be introduced into the reaction gas flow path more efficiently. In addition, since the flow path resistance can be adjusted, water generated in the reaction gas flow path can be reliably discharged to the outside of the flow path.
Japanese Patent Application No. 2004-334254 Japanese Patent Application No. 2005-341266 JP 2004-171887 A

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。 When the surface of the separator is roughened in order to improve the condensate drainage in the reaction gas flow path provided in the fuel cell separator formed of a thermosetting resin and graphite material, the flow resistance of the nozzle plate or the like When the adjusting member is bonded to the separator, there is a problem that the adhesiveness between the flow path resistance adjusting member and the fuel cell separator is lowered, and the flow path resistance adjusting member is easily peeled off.

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。   The present invention has been made in view of these problems, and its purpose is to improve the drainage of condensed water in the reaction gas flow path provided in the fuel cell separator and to adjust the flow resistance of the nozzle plate and the like. The present invention provides a technique for improving the adhesion between a member and a fuel cell separator.

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。   One embodiment of the present invention is a fuel cell separator. The fuel cell separator is connected to a manifold to which reaction gas is supplied, a reaction gas introduction path communicating with the manifold, a reaction gas introduction path, and a plurality of flow streams in which the reaction gas that has passed through the reaction gas introduction path is distributed. And a bonding surface for bonding a flow resistance adjusting member that adjusts the flow of the reaction gas flowing through the reaction gas introduction path, and the surface roughness (Rmax) of the bonding surface is the surface roughness of the flow path. (Rmax) is smaller than.

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。   According to this, since the hydrophilicity of the surface of the flow path is increased by relatively roughening the surface of the flow path, the condensed water easily flows in the flow path, and the drainage of the condensed water is improved. On the other hand, since the adhesive force of the flow resistance adjusting member is increased by relatively smoothing the bonding surface to which the flow resistance adjusting member is bonded, the flow resistance adjusting member is more reliably secured by the fuel cell separator. Can be attached.

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。   In the above aspect, the surface roughness (Rmax) of the flow path may be 40 μm or more, and the surface roughness (Rmax) of the adhesion surface may be less than 40 μm. Moreover, the fuel cell separator of the above aspect may be integrally molded using a carbon material.

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。   Another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes an electrolyte membrane, a fuel cell having a fuel electrode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane. A plurality of layers are stacked.

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。   According to the present invention, the condensate drainage in the reaction gas flow path provided in the fuel cell separator is improved, and the adhesion between the flow resistance adjusting member such as the nozzle plate and the fuel cell separator is improved. Can be made.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be appropriately omitted in the following description.

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。   FIG. 1A is an exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell stack including a fuel cell separator according to the present embodiment, and FIG. 1B is a side opposite to the fuel cell stack of FIG. It is the disassembled perspective view seen from. Further, FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell including the fuel cell stack shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B).

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。   1A and 1B show a two-cell structure as an example of a stack configuration. The fuel electrode side separator 101 is disposed on the fuel electrode side of the cell 50, and the air electrode side separator 147 is disposed on the air electrode side, and a laminate is obtained by stacking a predetermined number of units. In the present embodiment, a fuel flow path is formed on one surface of the fuel electrode side separator 101, and a cooling water flow path is formed on the other surface of the fuel electrode side separator 101. In the fuel cell according to the present embodiment, the number of stacked cells 50 is not particularly limited, but for example, a stacked body of about 50 to 200 cells can be formed. An insulating plate 201 and an end plate 213 (not shown in FIGS. 1A and 1B) are provided at both ends of the laminate in this order toward the outside of the laminate. Further, as the fuel electrode side separator adjacent to the insulating plate 201, a fuel electrode side separator 171 having no cooling water flow path may be used instead of the fuel electrode side separator 101.

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。   In addition, the separator for fuel cells is arrange | positioned and laminated | stacked so that the longitudinal direction of the rectangular board | substrate may become perpendicular | vertical.

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。   Next, the configuration of the cell 50 will be described. FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the cell 50 held between the separators. A fuel electrode side separator 101 and an air electrode side separator 147 are provided on both sides of the cell 50. Although only one cell 50 is shown in this example, a fuel cell may be configured by stacking a plurality of cells 50 via the fuel electrode side separator 101 and the air electrode side separator 147.

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。   The cell 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, a fuel electrode 22, and an air electrode 24. The fuel electrode 22 has a laminated catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28, and similarly, the air electrode 24 has a laminated catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 of the air electrode 24 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.

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。   The fuel electrode side separator 101 provided on the fuel electrode 22 side is provided with a gas flow path 38, and fuel gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas flow path 40 is also provided in the air electrode side separator 147 provided on the air electrode 24 side, and an oxidant gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 40. Specifically, during operation of the fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied from the gas flow path 38 to the fuel electrode 22, and an oxidant gas such as air is supplied from the gas flow path 40 to the air electrode 24.

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。   The solid polymer electrolyte membrane 20 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the fuel electrode 22 and the air electrode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. For example, the polymer electrolyte membrane 20 is a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

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。   The catalyst layer 26 in the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 in the air electrode 24 are porous membranes and are preferably composed of an ion exchange resin and carbon particles supporting the catalyst. As the supported catalyst, for example, a mixture of one or more of platinum, ruthenium, rhodium and the like is used. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black and ketjen black.

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。   The ion exchange resin connects the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of conducting protons therebetween. The ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.

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。   The gas diffusion layer 28 in the fuel electrode 22 and the gas diffusion layer 32 in the air electrode 24 have a function of supplying the supplied hydrogen gas or air to the catalyst layer 26 and the catalyst layer 30. It also has a function of moving electric charges generated by the power generation reaction to an external circuit and a function of releasing water, unreacted gas, and the like to the outside. The gas diffusion layer 28 and the gas diffusion layer 32 are preferably composed of a porous body having electronic conductivity, and are composed of, for example, carbon paper or carbon cloth.

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。   Returning to FIG. 2, the fuel cell 225 of the present embodiment is provided with a pair of current collector plates 207, an insulating plate 201, and an end plate 213 in order toward the outside centering on the cell stack 215, and the outermost side. Is provided with a tie plate 217. Here, by providing the current collector plate 207, the electricity generated by the cell stack 215 can be extracted to the outside. Further, by providing the end plate 213, a uniform compression load can be applied to the surface of each plate constituting the cell stack 215.

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。   Two tie plates 217 sandwiching the cell stack 215 are arranged on each side. A tie rod 221 provided with screw parts 223 at both ends passes through the tie plate 217 and is tightened by a nut 219. By doing so, the cell stack 215, the current collector plate 207, the insulating plate 201, and the end plate 213 are integrated in a state where a compression load is applied. The insulating plate 201 can be selected from materials having insulating properties and heat resistance against the operating temperature of the fuel cell. For example, PPS (polyphenylene sulfide) can be used. In addition, a heat insulating material (not shown) may be provided around the fuel cell 225.

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。   Next, the configuration of the fuel electrode side separator 101 will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B). 4A and 4B are plan views of the fuel electrode side separator 101 on the fuel flow path side and the fuel flow path side, respectively.

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。   In this embodiment, a fuel flow path 105 is provided on one surface of the substrate 103 of the fuel electrode side separator 101 as shown in FIG. 4A, and the other surface is shown in FIG. 4B. As shown in FIG. The fuel flow path 105 corresponds to the gas flow path 38 in FIG.

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。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the substrate 103 includes a fuel supply manifold 107 that forms supply passages for supplying fuel gas, air, and cooling water in the stacking direction of the fuel cell stack, An air supply manifold 167, a cooling water supply manifold 111, a fuel discharge manifold 109 that forms discharge channels for discharging fuel gas, air, and cooling water in the stacking direction of the fuel cell stack, and an air discharge manifold 169 And a cooling water discharge manifold 113.

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。   In the present embodiment, the cooling water is preferably at a higher temperature than the fuel gas or air in order to cool the reaction heat at the electrode of the fuel cell. According to this, cooling of fuel gas or air can be suppressed. For example, the temperature of the fuel gas or air can be about 65 to 70 ° C., and the temperature of the cooling water in the cooling water supply manifold 111 can be 71 ° C.

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。   Here, each surface of the substrate 103 will be described in detail. As shown in FIG. 4A, a fuel introduction flow path 125, a plurality of fuel flow paths 105, and a fuel discharge flow path 127 are formed on one surface of the substrate 103.

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。   One end of the fuel introduction passage 125 communicates with the fuel supply manifold 107, and the other end of the fuel introduction passage 125 is connected to the plurality of fuel passages 105. The fuel gas introduced from the fuel supply manifold 107 is supplied to the plurality of fuel passages 105 through the fuel introduction passage 125.

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。   The plurality of fuel flow paths 105 are formed substantially parallel to each other in the longitudinal direction of the rectangular flow path forming region.

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。   One end of the fuel discharge passage 127 is connected to the plurality of fuel passages 105, and the other end of the fuel discharge passage 127 communicates with the fuel discharge manifold 109. The unreacted fuel gas that has passed through the plurality of fuel flow paths 105 is discharged to the fuel discharge manifold 109 through the fuel discharge flow path 127.

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。   The cooling water supply manifold 111 is located substantially above the fuel supply manifold 107 and the air supply manifold 167. That is, the bottom portion of the cooling water supply manifold 111 is formed to be positioned above the bottom portions of the fuel supply manifold 107 and the air supply manifold 167.

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。   A nozzle plate 141 for narrowing the flow of the fuel gas is provided at the end portion of the fuel introduction flow path 125. FIGS. 5A and 5B are a plan view and a front view of the nozzle plate 141, respectively. As shown in FIGS. 5A and 5B, the nozzle plate 141 has a thin plate-like base portion 142 and projecting pieces 143 arranged in parallel at one end side of the base portion 142 at a predetermined interval in a comb-teeth shape. Connection portion 144. The nozzle plate 141 is provided with a plurality of nozzle holes 145 penetrating each protruding piece 143 from the other end side of the base portion 142. The diameter of the nozzle hole 145 is set to about 0.25 mm on the inlet side (the other end side of the base 142) and about 0.22 mm on the outlet side (the tip side of the protruding piece 143), and is slightly tapered so that gas can be ejected. It is a hole.

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。   As a material for the nozzle plate 141, it is preferable to use a resin that has good fluidity during molding, has high finished dimensional accuracy, is somewhat flexible, and has excellent thermal conductivity. Examples of the resin used for the nozzle plate 141 include polyacetal, polymethylpentene, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, and liquid crystal polymer. The nozzle plate 141 can be manufactured by integrally molding using these resins.

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。   The size and thickness of the nozzle plate 141 are set such that the fuel introduction flow path 125 connected to the inlets of the plurality of groove-shaped fuel flow paths 105 when attached to the fuel electrode side separator 101 as shown in FIG. The size is set so as to fit into the lower end of the. Further, the thickness is set so that the upper surface of the rib 108 (the channel convex portion for partitioning the flow channel) located between the fuel flow channels 105 and the upper surface of the nozzle plate 141 are in the same plane. Further, the protruding piece 143 is inserted into the recess of each fuel flow path 105 of the fuel electrode side separator 101.

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。   Thereby, the inlet side of each nozzle hole 145 communicates with the fuel supply manifold 107 via the fuel introduction flow path 125, and the outlet side of the nozzle hole 145 communicates with the inlet of each fuel flow path 105. That is, the fuel supply manifold 107 and each fuel flow path 105 are connected via the nozzle plate 141.

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。   The nozzle plate 141 is an example of a flow path resistance adjusting member attached to the fuel electrode side separator 101. The lower surface side of the nozzle plate 141 is attached to the bottom surface of the fuel introduction passage 125 of the fuel electrode side separator 101 by an adhesive member such as an adhesive or a pressure sensitive adhesive sheet (double-sided tape). In the present embodiment, thin plate portions 146 that are thinner than the base portion 142 are provided on both sides of the nozzle plate 141. The upper surface of the thin plate portion 146 is flush with the upper surface of the base portion 142. The lower surface of the thin plate portion 146 is attached to an upper surface of a step provided on both sides of the fuel introduction channel 125 of the fuel electrode side separator 101 by an adhesive member such as an adhesive or an adhesive sheet (double-sided tape). The depth of the step of the fuel electrode side separator 101 is equal to the thickness of the thin plate portion 146 of the nozzle plate 141, and the upper surface of the fuel electrode side separator 101 around the step and the upper surface of the nozzle plate 141 are in the same plane. .

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。   Thus, in the present embodiment, a part of the bottom surface of the fuel introduction channel 125 of the fuel electrode side separator 101 and the upper surfaces of the steps provided on both sides of the fuel introduction channel 125 of the fuel electrode side separator 101 are However, it is an adhesive surface with the nozzle plate 141.

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。   The surface roughness (Rmax) of the adhesion surface of the fuel electrode side separator 101 is smaller than the surface roughness (Rmax) of the fuel flow path 105 of the fuel electrode side separator 101. Specifically, the surface roughness (Rmax) of the bonding surface is less than 40 μm, and the surface roughness (Rmax) of the flow path is 40 μm or more. More preferably, the surface roughness (Rmax) of the bonding surface is 5 μm or more and less than 40 μm, and the surface roughness (Rmax) of the flow path is 40 μm or more and less than 60 μm. If the surface roughness (Rmax) of the adhesive surface of the separator is less than 5 μm, the adhesive strength will be reduced, and even if the surface roughness (Rmax) of the separator channel is greater than 60 μm, an improvement in hydrophilicity is expected. Absent.

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。   According to this, since the hydrophilicity of the surface of the fuel flow path 105 is increased by relatively roughening the surface of the fuel flow path 105, the condensed water can easily flow through the fuel flow path 105. Drainage is improved. On the other hand, since the adhesive force of the nozzle plate 141 is increased by relatively smoothing the bonding surface to which the nozzle plate 141 is bonded, the nozzle plate 141 can be reliably attached to the fuel electrode side separator 101.

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。   As shown in FIG. 4B, a cooling water introduction channel 129, a plurality of cooling water channels 106, and a cooling water discharge channel 131 are formed on the other surface of the substrate 103.

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。   One end of the cooling water introduction channel 129 communicates with the cooling water supply manifold 111, and the other end of the cooling water introduction channel 129 is connected to the plurality of cooling water channels 106. The cooling water introduced from the cooling water supply manifold 111 is supplied to the plurality of cooling water channels 106 through the cooling water introduction channel 129.

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。   The plurality of cooling water channels 106 are formed substantially parallel to each other in the longitudinal direction of the rectangular channel forming region.

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。   One end of the cooling water discharge flow path 131 is connected to the plurality of cooling water flow paths 106, and the other end of the cooling water discharge flow path 131 communicates with the cooling water discharge manifold 113. The cooling water that has passed through the plurality of cooling water flow paths 106 is discharged to the cooling water discharge manifold 113 through the cooling water discharge flow path 131.

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。   Further, a sealing material 133 is attached to the surface of the substrate 103 around the cooling water flow path 106, and a convex bead 135 is formed. For this reason, when it forms by laminating | stacking, the adhesiveness of the fuel electrode side separator 101 and another separator is favorable, and the leak of gas and water can be suppressed suitably. As the sealing material 133, for example, an elastic member such as EPDM (ethylene-propylene-diene-rubber) can be used.

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。   In the fuel electrode side separator 101 configured as described above, the cooling water is supplied from the cooling water supply manifold 111 to the cooling water passage 106 via the cooling water introduction passage 129. Then, the cooling water that has passed through the cooling water flow path 106 flows into the cooling water discharge manifold 113 through the cooling water discharge flow path 131, is sent out in the stacking direction of the fuel cell stack, and is discharged to the outside of the fuel cell stack. .

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。   Next, the structure of the air electrode side separator 147 is demonstrated using FIG. 6 (A) and FIG. 6 (B). 6A and 6B are plan views of the flat surface side and the air flow path side of the air electrode side separator 147, respectively.

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。   In this embodiment, one surface of the substrate 149 of the air electrode side separator 147 is a flat surface in which no flow path is provided as shown in FIG. 6A, and the other surface is the surface shown in FIG. ), An air flow path 153 is provided. The air flow path 153 corresponds to the gas flow path 40 of FIG. Ribs 154 for partitioning the air flow path 153 are provided between the air flow paths 153.

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。   As shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B), the substrate 149 is similar to the substrate 103 shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B) in the stacking direction of the fuel cell stack. The fuel supply manifold 107, the air supply manifold 167, and the cooling water supply manifold 111 that form the supply flow paths for supplying the cooling water and the cooling water, respectively, and fuel gas, air, and cooling water in the stacking direction of the fuel cell stack, respectively It has a fuel discharge manifold 109, an air discharge manifold 169, and a cooling water discharge manifold 113 that form a discharge flow path for discharging.

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。   As shown in FIG. 6B, on the other surface of the substrate 149, an air introduction channel 159 that introduces air from the air supply manifold 167 and a longitudinal direction of the rectangular channel formation region are formed in parallel to each other. A plurality of air flow paths 153 formed and an air discharge flow path 170 for discharging air through the air discharge manifold 169 are formed.

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。   In the air electrode side separator 147, since the sealing material 151 is covered around the air flow path 153 formation region of the substrate 149, the adhesion when the air electrode side separator 147 is laminated by a bead (not shown) is improved. It is secured.

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。   In addition, a nozzle plate 141 is provided at the end portion of the air introduction channel 159, and a pressure for discharging the condensed water in the air channel 153 is ensured. Air is supplied.

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。   A part of the bottom surface of the air introduction channel 159 of the air electrode side separator 147 and the upper surface of the step provided on both sides of the air introduction channel 159 of the air electrode side separator 147 are bonded to the nozzle plate 141. It has become. The surface roughness (Rmax) of the bonding surface for bonding the nozzle plate 141 is smaller than the surface roughness (Rmax) of the air channel 153. Specifically, the surface roughness (Rmax) of the bonding surface is 5 μm or more and less than 40 μm, and the surface roughness (Rmax) of the air channel 153 is 40 μm or more and less than 60 μm.

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。   According to this, since the hydrophilicity of the surface of the air flow path 153 is increased by relatively roughening the surface of the air flow path 153, the condensed water easily flows in the air flow path 153, and the condensed water Drainage is improved. On the other hand, since the adhesive force of the nozzle plate 141 is increased by relatively smoothing the bonding surface to which the nozzle plate 141 is bonded, the nozzle plate 141 can be securely attached by the air electrode side separator 147.

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。   In the fuel cell separator configured as described above, air flows from the air supply manifold 167 to the side of the air supply manifold 167 via the air introduction channel 159 and the nozzle plate 141, and the air channel 153. To be supplied. The air that has passed through the air flow path 153 flows into the air discharge manifold 169 through the air discharge flow path 170, is discharged in the stacking direction of the fuel cell stack, and is discharged outside the fuel cell stack.

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。   The fuel electrode side separator 101 and the air electrode side separator 147 (hereinafter simply referred to as a separator) are formed by integrally molding a carbon material such as a thermosetting resin or artificial graphite, and then masking the adhesive surface of the separator to thereby flow the separator. It can be manufactured by surface roughening the road. By integrally molding the carbon material, the fuel electrode side separator 101 can be manufactured with good reproducibility and a smaller number of manufacturing steps. Examples of surface roughening include etching, blasting, and grinding. In addition, the separator is formed by integrally molding a carbon material such as a thermosetting resin or artificial graphite, and after the surface roughening process is performed on the entire surface of the separator, the flow path of the separator is masked, and the separator is bonded to the adhesive surface. It can be manufactured by applying a flattening process. Examples of the flattening process include a method of polishing with a waste cloth or a brush. The carbon material includes a carbon composite material in which a thermosetting resin and artificial graphite are mixed.

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。   The thermosetting resin is not particularly limited, and examples thereof include a resol type phenol resin, an epoxy resin, a polyester resin, a urea resin, a melamine resin, a silicone resin, a vinyl ester resin, a diallyl phthalate resin, and a benzoxazine resin. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, benzoxazine resin, epoxy resin, and resol type phenol resin are preferably used because of excellent heat resistance and mechanical strength.

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。   Artificial graphite is not particularly limited, but is obtained by firing acicular coke, firing coke, pulverizing electrodes, coal-based pitch, petroleum-based pitch, coke, activated carbon, glassy carbon, acetylene black , Carbon black, ketjen black and the like, and these can be used alone or in combination of two or more. Among these, acicular coke is suitable as artificial graphite.

（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。 (Relationship between surface roughness and adhesive strength)
Plates made of carbon materials with different surface roughness were prepared, and the relationship between surface roughness and adhesive strength was investigated. As a carbon material, it is obtained by firing a solid ammonia resol type phenol resin obtained by using an amine compound such as resol type phenol resin ammonia, primary amine, or secondary amine as a curing catalyst, and acicular coke at 2000 to 3000 ° C. A carbon composite material with a fired product was used. In order to change the surface roughness of the plate, blasting was performed using blast abrasive grains.

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。   For the surface roughness of the plate, an ultradeep shape measuring microscope (manufactured by KEYENCE, trade name: VK-8500) was used. The surface roughness measurement conditions were a lens magnification of 50 times and a height direction measurement pitch of 0.1 μm, and the surface roughness (Rmax) was calculated by data processing.

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。   Moreover, the adhesive force (peeling force) of each plate was measured using a strograph (trade name: STROGRAPH-R2 manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.). Epoxy glass, which is one of the materials used for the nozzle plate, was used as a test piece, and the adhesive strength in a state where the test piece was adhered to the plate using an adhesive was evaluated.

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。   Further, the hydrophilicity of each plate was evaluated by measuring the contact angle using a reagent having a surface tension of 40 mN / m (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., mixed solution No. 40.0 for wetting tension test).

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。 FIG. 7 shows the relationship between the surface roughness (Rmax) of the separator and the adhesive force to the nozzle plate, and the relationship between the surface roughness of the separator and the hydrophilicity. As can be seen from FIG. 7, as the surface roughness (Rmax) increases, the contact angle decreases, that is, the hydrophilicity increases. On the other hand, the adhesive strength becomes the minimum value when the surface roughness (Rmax) is 40 μm or more, and in this case, the attachment parts such as the nozzle plate are easily peeled off. It was confirmed that when the surface roughness (Rmax) is less than 40 μm, the smaller the surface roughness (Rmax) is, the larger the adhesive force is, and the attachment parts such as the nozzle plate are securely bonded. Therefore, by small Ku than surface roughness of the adhesive surface of the separator (Rmax) of the flow path surface roughness of the separator (Rmax), adhesion at the adhesive surface of the drainage and the separator of the condensed water in the flow path of the separator It is possible to balance power.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

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。FIG. 1A is an exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell stack including a fuel cell separator according to the present embodiment. FIG. 1B is an exploded perspective view of the fuel cell stack of FIG. 1A viewed from the opposite side. 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。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell containing the fuel cell stack shown to FIG. 1 (A) and FIG. 1 (B). 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。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the cell 50 clamped by the separator. 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。4A and 4B are plan views of the fuel flow path side and the fuel flow path side of the fuel electrode side separator, respectively. 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。5A and 5B are a plan view and a front view of the nozzle plate 141, respectively. 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。6A and 6B are plan views of the flat surface side and the air flow path side of the air electrode side separator, respectively. 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。4 is a graph showing the relationship between the surface roughness (Rmax) of the separator and the adhesive force to the nozzle plate, and the relationship between the surface roughness of the separator and the hydrophilicity.

符号の説明Explanation of symbols

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   20 solid polymer electrolyte membrane, 22 fuel electrode, 24 air electrode, 50 cells, 101 fuel electrode side separator, 141 nozzle plate, 142 base, 145 nozzle hole, 147 air electrode side separator

Claims (2)

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。 A manifold to which the reaction gas is supplied;
A reaction gas introduction path communicating with the manifold;
A plurality of flow paths that are connected to the reaction gas introduction path and through which the reaction gas that has passed through the reaction gas introduction path is distributed;
For adjusting the flow of the reaction gas flowing through the reaction gas introduction path and bonding a flow resistance adjusting member selected from the group consisting of polyacetal, polymethylpentene, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer, and epoxy glass The adhesive surface of
With
It is integrally molded using a thermosetting resin and graphite material,
A fuel cell separator, wherein the flow path has a surface roughness (Rmax) of 40 μm or more and less than 60 μm, and the adhesive surface has a surface roughness (Rmax) of 5 μm or more and less than 40 μm . 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。 2. A fuel cell separator according to claim 1 , wherein the fuel cell has an electrolyte membrane, a fuel electrode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane. A fuel cell, wherein a plurality of the fuel cells are stacked via the fuel cell.
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