JP7635691B2 - 燃料電池セパレータおよび燃料電池スタックおよび燃料電池セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体を有する発電部を厚さ方向において挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータ、および同燃料電池セパレータを備える燃料電池スタック、および同燃料電池セパレータの製造方法に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層して構成される燃料電池スタックを備えている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の単セルは、膜電極接合体を有する発電部と、同発電部を厚さ方向において挟持する一対の燃料電池セパレータとを備えている。燃料電池セパレータは、発電部から遠い側の部分をなす仕切板と、発電部および仕切板の間に設けられた多孔体流路板とによって構成されている。多孔体流路板は、複数の凹凸が交互に並んだ網目状をなしている。単セルの内部において、多孔体流路板の上記凹凸と発電部とによって区画される部分は、反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）の流路（以下、ガス流路）として機能する。

従来、燃料電池セパレータにおける上記ガス流路の内面にあたる部分全体に親水化処理を施すことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の単セルでは、発電部における発電に際して生成される水が、親水化処理された燃料電池セパレータの内部、すなわちガス流路に移動および排出され易い構造になっている。

特開２００８－１０８５７３号公報 特開２０１７－２７７６１号公報

ここで、燃料電池セパレータの構造上、ガス流路に排出された水は、同ガス流路内において均一に分布した状態にはならない。また、ガス流路に排出された水は、ガス流路における反応ガスの流れに押し流される。そのため、ガス流路においては、水が集まり易い部分と集まりにくい部分とが生じてしまう。そして、ガス流路内の水が特定の部分に集中すると、同部分を水が塞ぐなどして同ガス流路が狭くなる。これにより、ガス流路を反応ガスが流れ難くなるため、これによる発電効率の低下を招いてしまう。

なお、特許文献２に記載のように、ガス流路の内面を親水化処理することで、ガス流路内において水が広がり易くなるため、ガス流路内において部分的に水が集まる現象が生じ難くはなる。ただし、この場合においても、燃料電池セパレータの構造上、ガス流路内において水が集まり易い部分と集まりにくい部分とができてしまう。そのため、やはり特定の部分に水が集まることに起因して発電効率の低下を招く可能性は残る。

上記課題を解決するための燃料電池セパレータは、膜電極接合体を有する発電部を厚さ方向において挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータであって、前記発電部から遠い側の部分をなす仕切板と、前記発電部と前記仕切板との間に設けられて、反応ガスを流通させる網目状のガス流路部を有する多孔体流路板と、を備え、前記多孔体流路板は、前記厚さ方向において前記仕切板から遠い側の第１外面の親水性と比較して、前記厚さ方向において前記仕切板に近い側の第２外面の親水性が高くなっている。

上記構成によれば、多孔体流路板の両面の親水性の違いを利用して、燃料電池セパレータの内部、詳しくはガス流路部に排出された生成水を、同ガス流路部における仕切板側に偏らせる態様で案内することができる。そのため、ガス流路部に生成水が排出されるとはいえ、この生成水によって同ガス流路における発電部側の部分が塞がれ難い構造にすることができる。これにより、発電部による発電のための反応ガスを、ガス流路部における発電部側の部分に広い範囲にわたって安定して流すことができる。そのため、こうした燃料電池セパレータを採用することで、発電効率の向上を図ることができる。

上記燃料電池セパレータにおいて、前記仕切板における前記厚さ方向において前記多孔体流路板に近い側の第３面の親水性は、前記多孔体流路板の前記第１外面の親水性よりも高くなっていることが好ましい。

上記構成によれば、多孔体流路板の両面の親水性の差異を利用することに加えて、同多孔体流路板の第１外面と仕切板の第３面との親水性の差異を利用して、ガス流路に排出された生成水を、同ガス流路における仕切板側に偏らせる態様で案内することができる。

上記燃料電池セパレータにおいて、前記多孔体流路板は、前記厚さ方向において積層された複数の層からなる積層構造をなしており、前記複数の層の形成材料は、前記厚さ方向において前記仕切板に近い層ほど親水性の高い材料になるように定められていることが好ましい。

上記構成によれば、網目状をなす多孔体流路板における各孔の内面に、同多孔体流路板の厚さ方向における前記仕切板に近い部分の親水性を同仕切板から遠い部分の親水性よりも高くするといったように、親水性の差異を生じさせることができる。そして、そうした多孔体流路板の各孔の内面における親水性の差異を利用して、ガス流路部に排出された生成水を同ガス流路部における仕切板側に偏らせる態様で案内することができる。

前記課題を解決するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、前記単セルは、膜電極接合体を有する発電部と、前記燃料電池セパレータのいずれかと、を備える。

前記課題を解決するための燃料電池セパレータの製造方法は、膜電極接合体を有する発電部を厚さ方向において挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータであり、且つ、前記発電部から遠い側の部分をなす仕切板と前記発電部および前記仕切板の間に設けられて反応ガスを流通させる網目状のガス流路部を有する多孔体流路板とを備える燃料電池セパレータの製造方法であって、厚さ方向における一方の面の親水性が他方の面の親水性と比較して高くなるように、シート状をなす基材を形成する基材形成工程と、前記基材形成工程の後に、前記基材をロール成形することによって前記ガス流路部を有する前記多孔体流路板を形成するロール成形工程と、前記ロール成形工程の後に、前記多孔体流路板における前記他方の面と比較して親水性の高い前記一方の面が前記仕切板の側になる態様で、前記多孔体流路板と前記仕切板とを重ねて一体に組み付ける組み付け工程と、を含む。

網目状の多孔体流路板は複雑な構造になり易いため、予め網目状に成形した基材の特定の部分に親水性を高めるための親水化処理を施す場合には、その作業が困難、且つ繁雑な作業になり易い。

上記製造方法では、先ず、厚さ方向における両面の親水性が異なるシート状の基材が形成される。これにより、単純な構造の部材を対象に親水性を付与する作業を行うことができるため、同作業を容易に行うことができる。上記製造方法では、次に、ロール成形によって上記基材が網目状に成形されて、網目状の多孔体流路板が形成される。上記製造方法によれば、このようにして、網目状をなすとともに厚さ方向における両面の親水性が異なる多孔体流路板を容易に形成することができる。そして、多孔体流路板と仕切板とを一体に重ねることにより、多孔体流路板における上記仕切板に近い側の第２外面の親水性が同仕切板から遠い側の第１外面の親水性よりも高くなる態様で、燃料電池セパレータを容易に製造することができる。

本発明の燃料電池セパレータおよび燃料電池スタックによれば、発電効率の向上を図ることができる。本発明の燃料電池セパレータの製造方法によれば、両面に親水性の違いのある燃料電池セパレータを容易に製造することができる。

一実施形態の燃料電池スタックの単セルの構成を示す分解斜視図である。 同実施形態の多孔体流路板の一部を拡大して示す斜視図である。 同実施形態の燃料電池スタックの断面図である。 同実施形態の燃料電池セパレータの側断面図である。 同実施形態の燃料電池セパレータの製造にかかる各工程を示すフローチャートである。 同実施形態のロール成形装置により基材がロール成形される様子を模式的に示す側面図である。 同実施形態の作用を説明するための作用図である。 変形例の燃料電池セパレータの側断面図である。 変形例の燃料電池セパレータの製造にかかる各工程を示すフローチャートである。

以下、図１～図７を参照して、一実施形態について説明する。
＜燃料電池スタック＞
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタックは、平面視略長方形板状をなす複数の単セル１０が積層された構造を有している。本実施形態の燃料電池スタックは、固体高分子形燃料電池を構成するものである。単セル１０は、発電部１１を構成する膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly、以下、ＭＥＧＡ３０）を備えている。また単セル１０は、ＭＥＧＡ３０を厚さ方向において挟持する第１セパレータ２０および第２セパレータ６０、並びにＭＥＧＡ３０と第２セパレータ６０との間に設けられる多孔体流路板５０を備えている。なお本実施形態では、多孔体流路板５０が仕切板に相当するとともに、多孔体流路板５０および第２セパレータ６０が燃料電池セパレータに相当する。

ＭＥＧＡ３０は、エポキシ樹脂などの樹脂材料からなる枠部材４０の内側に嵌め込まれている。枠部材４０、第１セパレータ２０および第２セパレータ６０は、いずれも平面視略長方形板状をなしており、同一の外形寸法を有している。枠部材４０は、第１セパレータ２０と第２セパレータ６０とにより厚さ方向において挟持される。

第１セパレータ２０は、発電部１１のアノード側に配置される。また、第２セパレータ６０は、発電部１１のカソード側に配置される。
図１および図２に示すように、多孔体流路板５０は、平面視略長方形状をなし、酸化剤ガスを流通させる網目状のガス流路部５１を有している。

以降において、単セル１０の長方形の長辺に沿った方向を長手方向Ｘと称し、同長方形の短辺に沿った方向を幅方向Ｙと称する。
＜単セル１０＞
図１に示すように、単セル１０には、燃料ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料ガス供給マニホールド１２と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド１３とが単セル１０の面方向において発電部１１を挟んで設けられている。詳しくは、燃料ガス供給マニホールド１２は、長手方向Ｘの一端側（同図の右側）であり、且つ幅方向Ｙの一端側（同図の上側）に位置している。また、燃料ガス排出マニホールド１３は、長手方向Ｘの他端側（同図の左側）であり、且つ幅方向Ｙの他端側（同図の下側）に位置している。

単セル１０には、酸化剤ガス（例えば空気）を供給する酸化剤ガス供給マニホールド１４と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールド１５とが単セル１０の面方向において発電部１１を挟んで設けられている。詳しくは、酸化剤ガス供給マニホールド１４は、長手方向Ｘの他端側（同図の左側）であり、且つ幅方向Ｙの一端側（同図の上側）に位置している。また、酸化剤ガス排出マニホールド１５は、長手方向Ｘの一端側（同図の右側）であり、且つ幅方向Ｙの他端側（同図の下側）に位置している。

また、単セル１０には、冷却水を供給する冷却水供給マニホールド１６と、冷却水を排出する冷却水排出マニホールド１７とが単セル１０の面方向において発電部１１を挟んで設けられている。詳しくは、冷却水供給マニホールド１６は、幅方向Ｙにおいて燃料ガス供給マニホールド１２と酸化剤ガス排出マニホールド１５との間に位置している。また、冷却水排出マニホールド１７は、幅方向Ｙにおいて燃料ガス排出マニホールド１３と酸化剤ガス供給マニホールド１４との間に位置している。

各マニホールド１２～１７は、単セル１０（第１セパレータ２０、枠部材４０、および第２セパレータ６０）を貫通している。
次に、単セル１０の各構成について詳細に説明する。

＜第１セパレータ２０＞
図１および図３に示すように、第１セパレータ２０は略長方形板状をなしている。第１セパレータ２０の中央部には、ＭＥＧＡ３０が当接される。また、第１セパレータ２０の中央部よりも外周側の部分には、枠部材４０が当接される。第１セパレータ２０は、ステンレス鋼などの金属板材によって形成されている。

第１セパレータ２０の上記中央部には、長手方向Ｘに沿って延びる溝状の複数の燃料ガス流路２１が幅方向Ｙに並設されている。第１セパレータ２０における燃料ガス供給マニホールド１２と燃料ガス流路２１との間には、燃料ガス供給マニホールド１２と燃料ガス流路２１とを接続する複数の燃料ガス供給流路２２が幅方向Ｙに並設されている。また、燃料ガス流路２１と燃料ガス排出マニホールド１３との間には、燃料ガス流路２１と燃料ガス排出マニホールド１３とを接続する複数の燃料ガス排出流路２３が幅方向Ｙに並設されている。

図３に示すように、第１セパレータ２０における燃料ガス流路２１とは反対側の面には、溝状の複数の冷却水流路２４が形成されている。冷却水流路２４は、幅方向Ｙにおいて互いに隣り合う燃料ガス流路２１同士の間の部分に１つずつ形成されており、冷却水供給マニホールド１６と冷却水排出マニホールド１７とに連通されている。なお図１では、冷却水流路２４の図示を省略している。

＜ＭＥＧＡ３０＞
図３に示すように、ＭＥＧＡ３０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、ＭＥＡ３１）と、ＭＥＡ３１を挟持するアノード側ガス拡散層３２およびカソード側ガス拡散層３３とを備えている。ＭＥＧＡ３０は、平面視略長方形状をなしている。

ＭＥＡ３１は、プロトン導電性を有する電解質膜３４と、電解質膜３４を挟持するアノード側電極触媒層３５およびカソード側電極触媒層３６とを備えている。
各電極触媒層３５，３６には、発電部１１における反応ガスの電気化学反応を促進するための触媒（例えば白金）が担持されている。

各ガス拡散層３２，３３は、反応ガスをＭＥＡ３１の面方向に拡散させるためのものであり、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性および導電性を有する材料により形成されている。

＜第２セパレータ６０＞
図１および図３に示すように、第２セパレータ６０は略長方形板状をなしている。第２セパレータ６０は、ステンレス鋼などの金属板材によって形成されている。第２セパレータ６０は、平板状の中央部６１を有している。この中央部６１には、多孔体流路板５０が当接される。中央部６１における多孔体流路板５０側の面（以下、第３面６０３）には、親水性（濡れ性）を高くするための親水化処理が施されている。本実施形態では、親水化処理として、第２セパレータ６０の外面にプラズマを照射する、いわゆるプラズマ処理が実行される。

第２セパレータ６０には、酸化剤ガス供給マニホールド１４とガス流路部５１の縁部５０ａとを接続する複数の溝状の酸化剤ガス供給流路６２が設けられている。複数の酸化剤ガス供給流路６２は、縁部５０ａの幅方向Ｙの全体にわたって接続されている。

また、第２セパレータ６０には、ガス流路部５１の縁部５０ｂと酸化剤ガス排出マニホールド１５とを接続する溝状の複数の酸化剤ガス排出流路６３が設けられている。複数の酸化剤ガス排出流路６３は、縁部５０ｂの幅方向Ｙの全体にわたって接続されている。

＜多孔体流路板５０＞
図２および図３に示すように、多孔体流路板５０は、平面視略長方形状をなす網目状のガス流路部５１を有している。

図２に一部を拡大して示すように、多孔体流路板５０のガス流路部５１は、長手方向Ｘに沿って延在する平棒状の複数の平坦部５２を備えている。
また、ガス流路部５１は、平坦部５２に対してＭＥＧＡ３０側に突出する第１凸部５３と、平坦部５２に対して第２セパレータ６０側に突出する第１凹部５４とを有する。ガス流路部５１は、これら第１凸部５３および第１凹部５４が長手方向Ｘにおいて交互に配置されて波形状をなす第１波状部５５を備えている。

さらに、ガス流路部５１は、平坦部５２に対してＭＥＧＡ３０側に突出する第２凸部５６と、平坦部５２に対して第２セパレータ６０側に突出する第２凹部５７とを有する。ガス流路部５１は、これら第２凸部５６および第２凹部５７が長手方向Ｘにおいて交互に配置されて波形状をなす第２波状部５８を備えている。

第１波状部５５は、平坦部５２の幅方向Ｙの両側に配置されている。第２波状部５８は、第１波状部５５における上記平坦部５２の反対側に配置されている。
各凸部５３，５６の頂面は、ＭＥＧＡ３０のカソード側ガス拡散層３３に当接される（図３参照）。また、各凹部５４，５７における底面とは反対側の面は、第２セパレータ６０に当接される。

本実施形態の多孔体流路板５０では、第１波状部５５と第２波状部５８とが幅方向Ｙにおいて隣り合っている。詳しくは、第１波状部５５の第１凸部５３と第２波状部５８の第２凹部５７とが幅方向Ｙにおいて隣り合うとともに、第１波状部５５の第１凹部５４と第２波状部５８の第２凸部５６とが幅方向Ｙにおいて隣り合っている。

平坦部５２、第１波状部５５、および第２波状部５８は、幅方向Ｙにおいて各々が隣接する部分において互いに連結されている。
ガス流路部５１のうち上記ＭＥＧＡ３０との間に形成される流路には、基本的に、酸化剤ガスが流通する。一方、ガス流路部５１のうち上記第２セパレータ６０との間に形成される流路には、基本的に、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により生成される生成水が流通する。

多孔体流路板５０は、合成樹脂材料（例えば、ポリプロピレン［ＰＰ］）によって形成される。多孔体流路板５０は、予め形成されたシート状の基材を、後述するロール成形装置７０を利用してロール成形することによって形成される。

＜多孔体流路板５０や第２セパレータ６０の親水性＞
図４に示すように、多孔体流路板５０では、厚さ方向における上記第２セパレータ６０から遠い側（同図の上側）の第１外面５０１の親水性Ａと比較して、上記第２セパレータ６０に近い側（同図の下側）の第２外面５０２の親水性Ｂが高くなっている（Ａ＜Ｂ）。詳しくは、多孔体流路板５０の平坦部５２、第１波状部５５、および第２波状部５８のそれぞれについて、上記第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性Ａよりも、上記第２セパレータ６０に近い側の第２外面５０２の親水性Ｂが高くなっている。本実施形態では、表面の親水性（濡れ性）を高くするための親水化処理（本実施形態では、プラズマ処理）が、多孔体流路板５０の第２外面５０２に施されている。その一方で、多孔体流路板５０の第１外面５０１には、親水化処理が施されていない。これにより、多孔体流路板５０の厚さ方向における両面に親水性の違いが付与されている。

また本実施形態では、上記第２セパレータ６０の中央部６１における厚さ方向において上記多孔体流路板５０に近い側の第３面６０３の親水性Ｃと、多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性Ｂとが略同一になっている（Ｂ≒Ｃ）。言い換えれば、上記第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性Ｃは、多孔体流路板５０の第１外面５０１の親水性Ａよりも高くなっている（Ａ＜Ｃ）。本実施形態では、金属板材からなる第２セパレータ６０の第３面６０３にも、プラズマ処理が施されている。これにより、多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性Ｂと第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性Ｃとが略同一になるとともに、同第３面６０３の親水性Ｃと多孔体流路板５０の第１外面５０１の親水性Ａとに差が付けられている（Ａ＜Ｂ≒Ｃ）。

＜製造方法＞
以下、燃料電池セパレータの製造手順について説明する。
＜シート形成工程＞
図５に示すように、燃料電池セパレータの製造に際しては、先ず、［シート形成工程］が実行される（ステップＳ１１）。この工程では、平らなシート状の基材ＢＭが形成される。具体的には、形成材料として合成樹脂材料（本実施形態では、ＰＰ）を用いるとともに、アプリケータを利用して上記基材ＢＭは形成される。

＜親水化処理工程＞
［シート形成工程］の後には、［親水化処理工程］が実行される（ステップＳ１２）。この工程では、基材ＢＭの厚さ方向における一方の面（前記第２外面５０２にあたる面）に、親水性を高めるための処理としてプラズマ処理が施される。なお本実施形態では、基材ＢＭの厚さ方向における他方の面（前記第１外面５０１にあたる面）には、プラズマ処理が施されない。親水化処理工程では、このようにして基材ＢＭの外面にプラズマ処理を施すことで、基材ＢＭの一方の面の親水性が他方の面の親水性と比較して高くされる。なお本実施形態では、シート形成工程と親水化処理工程とが、基材形成工程に相当する。

＜ロール成形工程＞
［親水化処理工程］の後には、［ロール成形工程］が実行される（ステップＳ１３）。この工程では、シート状の基材ＢＭをロール成形することによって、平坦部５２、第１波状部５５、および第２波状部５８を有する多孔体流路板５０が形成される。

図６に示すように、ロール成形装置７０は、第１軸７１と一体に回転される第１ロール７２と、第２軸７５と一体に回転される第２ロール７６とを備えている。第１軸７１および第２軸７５は互いに平行に配置されている。すなわち、第１ロール７２および第２ロール７６は、それらの外周面が対向するように配置されている。なお第１ロール７２と第２ロール７６とは互いに逆方向に回転するように構成されている。また第１ロール７２および第２ロール７６は共に、複数の刃体が軸線方向に積層された構造を有している。

［ロール成形工程］では、先ず、搬送装置（図示略）により、基材ＢＭが第１ロール７２と第２ロール７６との間に供給される。そして、回転する第１ロール７２および第２ロール７６の刃体により、基材ＢＭには網目状をなすガス流路部５１が形成される。このようにしてガス流路部５１を有する多孔体流路板５０が製造される。

＜組み付け工程＞
［ロール成形工程］の後には、［組み付け工程］が実行される（図５のステップＳ１４）。この工程では、多孔体流路板５０および第２セパレータ６０を一体に組み付けることで、単セル１０が組み立てられる。なお組み付け工程では、第２セパレータ６０として、予め所定形状に形成されるとともに第３面６０３に親水化処理が施されたものが用いられる。また組み付け工程では、多孔体流路板５０の両面のうちの親水性の高い第２外面５０２が第２セパレータ６０側になる状態（図４に示す状態）で、多孔体流路板５０と第２セパレータ６０とが重ねられて一体に組み付けられる。

＜作用効果＞
本実施形態の作用効果について説明する。
（１）発電部１１を挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータは、発電部１１から遠い側の部分をなす第２セパレータ６０を備えるとともに、発電部１１と第２セパレータ６０との間に設けられた多孔体流路板５０を備える。多孔体流路板５０は、上記第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性と比較して、同第２セパレータ６０に近い側の第２外面５０２の親水性が高くなっている。

本実施形態の単セル１０では、発電部１１における燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって生成される生成水は、多孔体流路板５０のガス流路部５１に導入（排出）される。

図７に示すように、本実施形態では、多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性が第１外面５０１の親水性よりも高くなっている。そして、こうした多孔体流路板５０における厚さ方向の両面の親水性の違いを利用して、図７中に黒塗りの矢印で示すように、ガス流路部５１内の水に対して、同水を第２セパレータ６０側に移動させる力を作用させることができる。そのため、発電部１１における発電に伴い生成された水がガス流路部５１に排出される際に、その水をガス流路部５１における第２セパレータ６０側（図７の下側）に偏らせる態様で案内することができる。したがって、ガス流路部５１に生成水が排出されるとはいえ、この生成水によって同ガス流路部５１が部分的に塞がれた状態になることを抑えることができ、ひいてはガス流路部５１内を酸化剤ガスが流れ難くなることを抑えることができる。

しかも、上記水をガス流路部５１における第２セパレータ６０側に偏らせることで、同ガス流路部５１における発電部１１側（図７の上側）の部分が水によって塞がれ難い構造になる。そのため、発電部１１における発電のための酸化剤ガスを、ガス流路部５１における発電部１１側の部分に広い範囲にわたって安定して流すことができる。これにより、単セル１０、ひいては燃料電池スタックの発電効率の向上を図ることができる。

（２）本実施形態では、第２セパレータ６０における上記多孔体流路板５０に近い側の第３面６０３の親水性が、同多孔体流路板５０の上記第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性よりも高くなっている。そのため、多孔体流路板５０の両面の親水性の違いを利用することに加えて、多孔体流路板５０の第１外面５０１と第２セパレータ６０の第３面６０３との親水性の違いを利用して、ガス流路部５１内の水を第２セパレータ６０側に移動させることができる。詳しくは、ガス流路部５１内の水を、ともに親水性の高い面である多孔体流路板５０の第２外面５０２と第２セパレータ６０の第３面６０３とによって囲まれた部分（図７中に「Ｓ」で示す部分）に引き込むことができるようになる。本実施形態によれば、このようにして、ガス流路部５１内の水を同ガス流路部５１における第２セパレータ６０側（図７の下側）に偏らせる態様で好適に案内することができる。

（３）本実施形態では、多孔体流路板５０および第２セパレータ６０からなる燃料電池セパレータが、シート形成工程、親水化処理工程、ロール成形工程、および組み付け工程を通じて製造される。

網目状をなす多孔体流路板５０は複雑な構造であるため、予め網目状に成形した基材の特定の部分に親水性を高めるための親水化処理を施す場合には、その作業が困難、且つ繁雑な作業になり易い。

この点、本実施形態では、多孔体流路板５０を形成する際には先ず、シート形成工程において、平らなシート状の基材ＢＭが形成される。そして、その後の親水化処理工程において、上記基材ＢＭにおける一方の面にプラズマ処理を施すことで、厚さ方向における両面の親水性が異なるシート状の基材ＢＭが形成される。このように本実施形態によれば、平らなシート状といった単純な構造の基材ＢＭを対象にプラズマ処理を施すことができる。そのため、予め網目状に形成された複雑な構造の基材に対してプラズマ処理を施す場合と比較して、プラズマ処理を簡素な作業で容易に行うことができる。

また本実施形態では、その後のロール成形工程において、両面に親水性の違いが付与されたシート状の基材ＢＭがロール成形によって成形されることで、網目状の多孔体流路板５０が形成される。本実施形態によれば、このようにして、網目状をなすとともに厚さ方向における両面の親水性が異なる多孔体流路板５０を容易に形成することができる。

そして本実施形態では、その後の組み付け工程において、多孔体流路板５０の両面のうちの親水性の高い第２外面５０２が上記第２セパレータ６０側になる態様で、多孔体流路板５０と第２セパレータ６０とが重ねられて一体に組み付けられる。これにより、多孔体流路板５０における上記第２セパレータ６０に近い側の第２外面５０２の親水性が同第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性よりも高くなる態様で、燃料電池セパレータを組み付けることができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性は、多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性と略同一に設定することに限らず、任意に設定することができる。
例えば、第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性を、多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性よりも高くなるように設定することができる。同構成によれば、多孔体流路板５０の第１外面５０１、第２外面５０２、および第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性を、第２セパレータ６０に近づくほど高くなるように設定することができる。これにより、ガス流路部５１内の水を第２セパレータ６０側に偏らせる態様で好適に案内することができるようになる。

その他、第２セパレータ６０の第３面６０３の親水性を多孔体流路板５０の第２外面５０２の親水性よりも低くなるように設定してもよい。第２セパレータ６０として、第３面６０３にプラズマ処理が施されないものを用いること等も可能である。

・カソード側ガス拡散層３３を構成するものとしては、炭素繊維不織布によって形成された基材や、合成樹脂材料および導電性材料によって形成された多孔体薄膜（Micro Porous Layer、以下ＭＰＬ）などを挙げることができる。カソード側ガス拡散層３３は、基材とＭＰＬとを積層した積層構造にしたり、基材のみによって構成したり、ＭＰＬのみによって構成したりすることができる。

ここで上記基材は、内部に生成水を蓄える保水機能を有する部材になる一方で、単セル１０内における酸化剤ガスの流れを妨げる力（流路抵抗）を生じさせる部材になる。そのため、カソード側ガス拡散層３３を上記ＭＰＬのみによって構成することで、基材を有する場合と比較して流路抵抗を小さくすることができ、その分だけ単セル１０の性能向上を図ることができる。また、カソード側ガス拡散層３３を上記ＭＰＬのみによって構成することで、基材を有する場合と比較して、部品点数を減少させたり小型化したりすることもできる。

ただし、この場合には、カソード側ガス拡散層３３が基材を有していないため、同カソード側ガス拡散層３３の保水機能（詳しくは、バッファ機能）が低くなる。これにより、単位時間あたりにガス流路部５１に排出される生成水の量が一時的に多くなる現象が発生し易くなるため、この生成水によってガス流路部５１が部分的に塞がれる状態になり易くなってしまう。

しかも、炭素繊維不織布によって形成される基材と比較して、合成樹脂材料によって形成されるＭＰＬは強度が低くなり易い。そのため、ＭＰＬの耐久性能を高くするためには、同ＭＰＬと多孔体流路板５０との接触面積を大きくすることが望ましい。この場合には、生成水が、発電部１１からガス流路部５１に排出され難くなるため、同発電部１１側に留まり易くなる。

上記実施形態によれば、カソード側ガス拡散層３３が上記ＭＰＬのみによって構成される場合であっても、各面の親水性の違いを利用して、生成水をガス流路部５１に案内したり、同ガス流路部５１における第２セパレータ６０側に案内したりすることができる。そのため、ガス流路部５１に排出される生成水によって同ガス流路部５１が部分的に塞がれた状態になることを抑えることができる。しかも、酸化剤ガスをガス流路部５１における発電部１１側の部分に広い範囲にわたって安定して流すことができる。したがって、単セル１０、ひいては燃料電池スタックの発電効率の向上を図ることができる。

・多孔体流路板５０の形成材料としては、ＰＰの他、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）など、任意の合成樹脂材料を採用することができる。その他、多孔体流路板５０の形成材料としては、金属板材などを採用することもできる。

・親水化処理としては、多孔体流路板５０の外面や第２セパレータ６０の外面に紫外光を照射するＵＶ処理や、同外面に微細な凹凸を形成する表面微細化処理など、プラズマ処理以外の処理を採用することができる。

・多孔体流路板を厚さ方向において積層された複数の層からなる積層構造にするとともに、各層の形成材料を、第２セパレータ６０に近い層ほど親水性の高い材料になるように定めるようにしてもよい。なお、こうした多孔体流路板としては、二層構造のものを採用したり、三層以上の積層構造のものを採用したりすることができる。

同構成によっても、多孔体流路板における上記第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性と比較して、同第２セパレータ６０に近い側の第２外面５０２の親水性を高くすることができる。また、網目状をなす多孔体流路板における各孔の内面に、同多孔体流路板の厚さ方向における上記第２セパレータ６０に近い部分の親水性を同第２セパレータ６０から遠い部分の親水性と比較して高くするといったように、親水性の差異を生じさせることができる。

上記構成によれば、プラズマ処理などの親水化処理を施すことなく、積層構造の多孔体流路板を形成することをもって、多孔体流路板の両面における親水性の差異や、多孔体流路板の各孔の内面における親水性の差異を付与することができる。そして、そうした多孔体流路板の両面における親水性の差異と、多孔体流路板の各孔の内面における親水性の差異とを利用して、ガス流路部５１に排出された生成水を同ガス流路部５１における第２セパレータ６０側に偏らせる態様で案内することができる。

図８に、そうした積層構造の多孔体流路板８０の一例を示す。図８に示すように、多孔体流路板８０は、第２セパレータ６０から遠い側の部分を構成する第１層８０１と、第２セパレータ６０に近い側の部分を構成する第２層８０２とからなる二層構造をなしている。第１層８０１および第２層８０２は共に合成樹脂材料によって形成されている。第１層８０１の形成材料としては、ＰＰＳや、ＰＣ、ＰＰ、ＰＥなどを採用することができる。また、第２層８０２の形成材料としては、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）や、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ＡＢＳ樹脂などを採用することができる。多孔体流路板８０においては、第１層８０１の外面の接触角よりも第２層８０２の外面の接触角が小さくなるように、各層８０１，８０２の形成材料が定められている。

上記多孔体流路板８０を有する燃料電池セパレータの製造手順について説明する。
＜基材形成工程＞
図９に示すように、燃料電池セパレータの製造に際しては、先ず、［基材形成工程］が実行される（ステップＳ２１）。この工程では、平らなシート状をなす二層構造の基材が形成される。基材はアプリケータを利用して形成される。基材の各層の形成材料としては、親水性の異なる２種類の合成樹脂材料が用いられる。具体的には、先ず、親水性の低い合成樹脂材料（例えば、ＰＰＳ）を用いて下層（上記第１層８０１にあたる層）が形成される。その後、親水性の高い合成樹脂材料（例えば、ＰＭＭＡ）を用いて、下層に重ねるようにして、上層（上記第２層８０２にあたる層）が形成される。

＜ロール成形工程＞
［基材形成工程］の後には、［ロール成形工程］が実行される（ステップＳ２２）。この工程では、平らなシート状をなす二層構造の基材をロール成形することによって、平坦部８２（図８参照）、第１波状部８５、および第２波状部８８を有する多孔体流路板８０が形成される。

＜組み付け工程＞
［ロール成形工程］の後には、［組み付け工程］が実行される（ステップＳ２３）。この工程では、多孔体流路板８０および第２セパレータ６０を一体に組み付けることで、単セル１０が組み立てられる。なお組み付け工程では、多孔体流路板８０の各層のうちの親水性の高い第２層８０２が第２セパレータ６０側になる状態（図８に示す状態）で、多孔体流路板８０と第２セパレータ６０とが重ねられて一体に組み付けられる。

・多孔体流路板としては、波板形状のベース部と、ベース部における突条をなす部分において同突条の延設方向と交差する方向に延びる多数の切り欠き部と、を有する構造のものを採用することができる。この場合においても、多孔体流路板の厚さ方向における第２セパレータ６０から遠い側の第１外面５０１の親水性と比較して、第２セパレータ６０に近い側の第２外面５０２の親水性を高くすればよい。これにより、先の（１）～（３）に記載の効果と同様の作用効果を得ることができる。

・上記実施形態にかかる燃料電池セパレータ（多孔体流路板５０および第２セパレータ６０）の構造や製造方法は、発電部１１のアノード側に配置される燃料電池セパレータにも適用可能である。

１０…単セル
１１…発電部
３０…ＭＥＧＡ
３１…ＭＥＡ（膜電極接合体）
５０…多孔体流路板
５０１…第１外面
５０２…第２外面
５１…ガス流路部
６０…第２セパレータ
６０３…第３面
６１…中央部
７０…ロール成形装置
８０…多孔体流路板
８０１…第１層
８０２…第２層
ＢＭ…基材

Claims (4)

1. 膜電極接合体を有する発電部を厚さ方向において挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータであって、
   前記発電部から遠い側の部分をなす仕切板と、
   前記発電部と前記仕切板との間に設けられて、反応ガスを流通させる網目状のガス流路部を有する多孔体流路板と、を備え、
   前記多孔体流路板は、前記厚さ方向において前記仕切板から遠い側の第１外面の親水性と比較して、前記厚さ方向において前記仕切板に近い側の第２外面の親水性が高くなっており、
   前記仕切板における前記厚さ方向において前記多孔体流路板に近い側の第３面の親水性は、前記多孔体流路板の前記第１外面の親水性よりも高くなっている
   燃料電池セパレータ。
2. 前記多孔体流路板は、前記厚さ方向において積層された複数の層からなる積層構造をなしており、
   前記複数の層の形成材料は、前記厚さ方向において前記仕切板に近い層ほど親水性の高い材料になるように定められている
   請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. 複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極接合体を有する発電部と、請求項１または２に記載の燃料電池セパレータと、を備える燃料電池スタック。
4. 膜電極接合体を有する発電部を厚さ方向において挟持する態様で設けられる燃料電池セパレータであり、且つ、前記発電部から遠い側の部分をなす仕切板と前記発電部および前記仕切板の間に設けられて反応ガスを流通させる網目状のガス流路部を有する多孔体流路板とを備える燃料電池セパレータの製造方法であって、
   厚さ方向における一方の面の親水性が他方の面の親水性と比較して高くなるように、シート状をなす基材を形成する基材形成工程と、
   前記基材形成工程の後に、前記基材をロール成形することによって前記ガス流路部を有する前記多孔体流路板を形成するロール成形工程と、
   前記ロール成形工程の後に、前記多孔体流路板における前記他方の面と比較して親水性の高い前記一方の面が前記仕切板の側になる態様で、前記多孔体流路板と前記仕切板とを重ねて一体に組み付ける組み付け工程と、を含む
   燃料電池セパレータの製造方法。

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