JP2004127711A

JP2004127711A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004127711A
Application number: JP2002290001A
Authority: JP
Inventors: Masaki Shinkawa; 新川　雅樹
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】表・裏面に貴金属の皮膜を有する複数の金属セパレータを含み、隣接する金属セパレータ間に耐食性に優れた連結流路を有する燃料電池を提供する。
【解決手段】両面に燃料電極膜６と酸化剤電極膜８を個別に積層した高分子電解質膜４の両側に一対の金属セパレータ１０を配置した単セル２を複数備え、係る金属セパレータ１０は、表・裏面に貴金属の皮膜ｍ被覆した金属薄板で、上記表面１１にジグザグ状の凹溝からなる流路１２とこれと裏腹の位置の裏面１１ｂに凸条１９とが形成され、各単セル２の隣接する金属セパレータ１０，１０において平面視で同じ位置に互いに接近する筒部２０を形成し、係る一対の筒部２２の先端部２４をそれぞれ外向きに折り曲げると共に、係る一対の先端部２４の対向する表面および裏面間にシール材２８を挟持することにより、一対の筒部２２の内側に連結流路２０が形成されている、燃料電池１。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の金属セパレータを含む燃料電池に関する。尚、本明細書において、燃料電池とは固体高分子電解質形燃料電池を指す。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、高分子電解質膜の両面に白金からなる触媒層をそれぞれ固定し、その両側に複数の凹溝からなる流路を有するカーボン製の燃料電極と酸化剤電極とが個別に積層され、これらの外側に平らなカーボン板からなるセパレータをそれぞれ固定した単セルを複数厚み保意向に積層して形成されている。
近年、小型および軽量化の要請に応じて、図８（Ａ）に示すような燃料電池６０が提案されている。係る燃料電池６０は、複数の単セル６１を積み上げたもので、各単セル６１は、高分子電解質膜６２の両面に燃料電極膜（アノード）６３および酸化剤電極膜（カソード）６４を個別に積層すると共に、これらの外側に波板状の金属セパレータ６５，６６を配置している。
【０００３】
金属セパレータ６５，６６は、図８（Ａ）に示すように、高分子電解質膜６２側に複数の流路６７，６８を有し、燃料ガスまたは酸化性ガスが流される。
また、隣接する金属セパレータ６５，６６間には、図８（Ｂ）に示すように、それらの流路６７，６８の端部に設けた浅溝部６７ａ，６８ａ間を連通する連結流路７２が形成され、上記燃料ガスまたは酸化性ガスを隣接する単セル６１における同じ流路６７，６８に移送可能としている。上記連結流路７２は、セパレータ６５，６６の浅溝部６７ａ，６８ａから延びた円筒部６９，７０を同心で嵌合することにより形成されている。尚、浅溝部６７ａ，６８ａには、異なるガスとの接触を阻止する図示しない隔壁が適宜配置される。
【０００４】
【特許文献１】
上記金属セパレータ６５，６６は、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼の薄板をプレス加工することにより形成されるが、燃料電池６０の通電（発電）状態では、約８０℃の硫酸雰囲気に曝されるため、高い耐食性が求められる。このため、上記薄板の表面および裏面には、Ａｕなどの貴金属の被膜を被覆することも検討されている（特開２００１−６８１２９号公報参照）。
ところで、金属セパレータ６５，６６にＡｕなどの貴金属の被膜７４を被覆した場合、図８（Ｃ）に拡大して示すように、上側の円筒部７０は、連結流路７２に対して被膜７４により被覆されているが、下側の円筒部６９の端面は、連結流路７２に露出している。このため、係る端面は、加湿された前記ガスから凝集した水分や反応によって得られた水分、あるいは冷却水による腐食を受ける、という問題があった。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術での問題点を解決し、表・裏面に貴金属の皮膜を有する複数の金属セパレータを含み、隣接する一対の金属セパレータ間に耐食性に優れた連結流路を有する燃料電池を提供する、ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、表・裏面に貴金属の皮膜を有し且つ隣接する一対の金属セパレータ間に形成する連結流路の内周面を、上記皮膜によって覆うことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の燃料電池（請求項１）は、両面に燃料電極膜と酸化剤電極膜とを個別に積層した高分子電解質膜の両側に一対の金属セパレータを配置した単セルを複数備え、上記金属セパレータは、表面および裏面に貴金属の皮膜を被覆した金属薄板からなり、上記表面にジグザグ状または複数の平行な凹溝からなる流路を有し且つ係る流路と裏腹の位置における裏面に凸条が形成され、上記複数の単セルにおける隣接する一対の金属セパレータにおいて、平面視で同じ位置に互いに接近する筒部をそれぞれ形成し、係る一対の筒部の先端部の少なくとも一方を外向きに折り曲げると共に、係る一対の先端部の対向する表面および裏面を直に接触させ、あるいは係る一対の先端部の対向する表面および裏面間にシール材を挟持することにより、上記一対の筒部の内側に連結流路が形成されている、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、複数の単セル間において、隣接する一対の金属セパレータにおける流路およびこれらを連通する連結流路の内周面を貴金属の被膜により、確実に覆うことができる。この結果、燃料ガスや酸化性ガスを、一方の金属セパレータの流路から上記連結流路を経て他方の金属セパレータの流路に移送しても、上記ガスは貴金属の被膜に覆われた流路を通過するため、これらの金属セパレータの腐食を確実に防ぎ、安定した発電状態を得ることが可能となる。
尚、上記流路には、ジグザグ状の形態のほか、対向する一対の辺に沿った一対のヘッダ部間に平行に配置した複数の凹溝からなる形態も含まれる。また、上記「外向き」は、一対の筒部の端面を含む先端部を連結流路の軸方向と直角に向ける形態の他、各筒部の先端付近を断面ほぼＵ字形に曲げ且つこれらを互いに嵌合する形態や、各筒部の先端付近を同じ斜め方向に沿って折り曲げた形態が含まれる。更に、これら筒部の加工には、バーリング加工や絞り加工などが用いられる。加えて、金属セパレータや先端部の前記表面および裏面は、相対的な呼称である。
【０００８】
また、本発明には、前記筒部は、前記金属セパレータにおける凹溝の端部の浅溝部、浅凹部、または隔壁により仕切られた区画部に形成されている、燃料電池（請求項２）も含まれる。
これによれば、燃料電池を形成する複数の単セル間において、隣接する一対の金属セパレータにおける流路の背面同士を接触させたコンパクトな寸法にできると共に、上記各金属セパレータの流路およびこれらを連通する連結流路における腐食を確実に防ぐことができる。
尚、上記浅溝部は前記流路の端部に位置し、上記浅凹部は前記流路と離隔して位置し、上記区画部は凹溝の一部を隔壁により区画された部分を指す。
【０００９】
更に、本発明には、前記連結流路は、隣接する各単セルにおける前記燃料電極膜と酸化剤電極膜とを積層した高分子電解質膜の外側に位置している、燃料電池（請求項３）も含まれる。
これによれば、連結流路は、各単セルの高分子電解質膜などの外側に位置し且つそれらの厚みに相当した軸方向のサイズとなるため、複数の単セルの厚み方向におけるサイズをコンパクトにした燃料電池とすることできる。
【００１０】
加えて、本発明には、前記金属セパレータにおける貴金属の皮膜は、厚みが１〜４０ｎｍのＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、またはＩｒ、あるいはこれらの１種以上を含む合金からなる、燃料電池（請求項４）も含まれる。
これによれば、予め貴金属を表・裏面に被覆した前記一対の金属セパレータの流路の端部や係る端部の浅溝部などから、一対の筒部同士を突出させた際にも、それらの表面および裏面の全面も極薄くして上記皮膜により覆うことができる。尚、上記皮膜の厚みが１ｎｍ未満では、耐食性が不十分になり、一方、４０ｎｍを越えるとコスト高になるので、上記範囲としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１（Ａ）は、本発明の燃料電池に用いる金属セパレータ１０を示す平面図、図１（Ｂ），（Ｃ）は、（Ａ）中のＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線に沿った矢視における断面図である。金属セパレータ１０は、厚みが約０．２ｍｍのＳＵＳ３０４などのステンレス鋼の薄板からなり、図１（Ａ）に示すように、その表面１１には、複数のＵターン部分１３を有するジグザグ状の流路１２が形成されている。互いに平行な流路１２，１２間には、半島状の凸条１４が位置している。係る流路１２の左上隅と右下隅との端部には浅溝部１５が形成され、それらの中央付近には、後述する連結流路２０の上端である開口１６が位置している。
【００１２】
また、図１（Ａ）に示すように、表面１１の左下隅と右上隅の平坦部１１ａには、独立した浅凹部１７と、その中心部に開口する別の連結流路の上端の開口１８とが形成されている。上記浅凹部１７は、前記浅溝部１５と同じ深さである。
図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、金属セパレータ１０の流路１２は、断面ほぼ台形を呈する凹溝で、金属セパレータ１０の裏面１１ｂには、係る流路１２の裏側に突出するジグザグ状の凸条１９が突出している。
更に、図１（Ｃ）に示すように、開口１６，１８の裏面１１ｂ側には、後述する連結流路を形成する筒部２２などが突出している。前記開口１６，１６間のジグザグ状の流路１２には例えば燃料ガスが流れ、浅凹部１７の開口１８には金属セパレータ１０の厚み方向に沿って酸化剤ガスが流れる。
以上のような金属セパレータ１０は、その表面１１および裏面１１ｂの全面に、後述するＡｕ（貴金属）の皮膜が１〜４０ｎｍの厚みで予め被覆された前記ステンレス鋼板を、プレス成形などの塑性加工によって形成したものである。
【００１３】
図２（Ａ）乃至（Ｃ）は、前記金属セパレータ１０を用いた燃料電池１，１ａの断面を示す。
燃料電池１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、複数の単セル２を積層して形成され、各単セル２は、高分子電解質膜４と、その両面に個別に配置した燃料電極膜（アノード）６および酸化剤電極膜（カソード）８と、これらの上下（両側）に対称に積層した金属セパレータ１０，１０とを備えている。尚、図２（Ａ）は前記図１（Ｂ）の、図２（Ｂ）は図１（Ｃ）の位置での金属セパレータ１０を含む断面を示す。
【００１４】
各金属セパレータ１０は、その流路１２を燃料電極膜６または酸化剤電極膜８側に位置させると共に、互いの流路１２を平行とし且つ裏面（背面）１１ｂ同士で面接触している。図２（Ｂ）の左右両側に示すように、互いに積層された単セル２，２の隣接する金属セパレータ１０，１０の浅溝部１５と浅凹部１７との間には、後述する連絡流路２０が形成されている。
金属セパレータ１０は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、前記ステンレス鋼の薄板１０ａの表面１１および裏面１１ｂに、後述するＡｕ（貴金属）などの皮膜ｍが厚み１〜４０ｎｍにして予め被覆され、プレス加工などにより、前記流路１２、半島部１４、浅溝部１５、浅凹部１７、および凸条１９が成形されている。
【００１５】
係る燃料電池１の作用について、以下に説明する。
各単セル２の上側に位置する金属セパレータ１０の流路１２には、図２（Ｂ）中の実線の矢印で示す燃料ガスの一部が、一方の浅溝部１５の開口１６から流され且つ他方の浅溝部１５の開口１６から図示しない排出孔に排出される。
負極活物質である燃料ガスは、流路１２内を流通する間に隣接する高分子電解質膜４の燃料電極膜（アノード）６側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分かれる。係る水素イオンは、高分子電解質膜４中の電解質（液）を貫通し、上記電子は、図示しない外部回路を経て、それぞれ酸化剤電極膜（カソード）８側の触媒電極へ送られ、係る電子が移動する電流による発電が生じる。
尚、図２（Ｂ）中の実線の矢印で示すように、上記燃料ガスの一部は、高分子電解質膜４などを貫通し且つ内周面が絶縁された絶縁孔ｈを介して各単セル２の下側に位置する金属セパレータ１０の浅凹部１７に送られ、後述する連結流路２０を経て、下層の単セル２の上側に位置する金属セパレータ１０の浅溝部１５からその流路１２に流れる。
【００１６】
また、各単セル２の下側に位置する金属セパレータ１０の流路１２には、図２（Ｂ）中の一点鎖線の矢印で示す正極活物質である酸化剤ガスの一部が、上記と同様に流され、当該流路１２内を流通する間に、隣接する高分子電解質膜４の正極側の酸化剤電極膜（カソード）８の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
尚、図２（Ｂ）中の一点鎖線の矢印で示すように、上記酸化剤ガスは、各単セル２の下側に位置する金属セパレータ１０の浅溝部１５から後述する連結流路２０を介して、隣接する下層の単セル２の上側に位置する金属セパレータ１０の浅凹部１７に流され、係る単セル２の高分子電解質膜４などを貫通する絶縁孔ｈを介して、当該単セル２の下側に位置する金属セパレータ１０の流路１２に流れる。
【００１７】
図２（Ｃ）は、変形形態の燃料電池１ａの断面を示し、その複数の単セル２ａは、両面に燃料電極膜６および酸化剤電極膜８を配置した高分子電解質膜４の上下両側に、平面視において流路１２，１２が互いに直交するように金属セパレータ１０，１０を配置している。図２（Ｃ）の左右に示すように、単セル２ａ，２ａの隣接する金属セパレータ１０，１０の浅溝１５と浅凹部１７との間には、連結流路２０が形成されている。
尚、図２（Ｃ）中の各単セル２ａにおいて、上側の金属セパレータ１０は、前記図１（Ａ）における左端の流路１２、浅溝部１５、および浅凹部１７に沿った断面を示し、下側の金属セパレータ１０は、前記図１（Ｃ）の位置での断面を示す。
【００１８】
図２（Ｃ）中の実線の矢印で示すように、前記燃料ガスの一部は、各単セル２ａの上側に位置する金属セパレータ１０の流路１２に流され、残りの燃料ガスは、高分子電解質膜４などを貫通する絶縁孔ｈを介して、各単セル２ａの下側に位置する金属セパレータ１０の浅凹部１７に送られ且つ次述する連結流路２０を経て当該単セル２ａよりも下層の単セル２ａの上側に位置する金属セパレータ１０の流路１２に流される。
また、図２（Ｃ）中の一点鎖線の矢印で示すように、前記酸化剤ガスは、各単セル２ａの下側に位置する金属セパレータ１０の浅溝部１５を経てその流路１２に流される。残りの酸化剤ガスは、単セル２ａの高分子電解質膜４などを貫通する絶縁孔ｈを介して、当該単セル２ａの下側に位置する金属セパレータ１０の流路１２に流される。
【００１９】
前記図２（Ｂ），（Ｃ）中のＤ部分を図２（Ｄ）に拡大して示す。
図２（Ｄ）に示すように、燃料電池１，１ａの隣接する金属セパレータ１０同士の前記浅溝部１５と浅凹部１７との中央付近には、バーリング加工（穴フランジ加工）によって穴明けされた連絡流路２０と、その周囲に円筒形の筒部２２とが形成されている。各筒部２２の先端部２４は、浅溝部１５または浅凹部１７とほぼ平行になるよう外向きに折り曲げられると共に、これらの間には、Ｓｉゴムを含む合成ゴムなどからなるリング形のシール材２８が挟持されている。
【００２０】
図２（Ｅ）で更に拡大して示すように、シール材２８を挟んだ上下の筒部２２の先端部２４，２４は、その表面と裏面にＡｕなどの貴金属の皮膜ｍが前記厚みで被覆され、係る皮膜ｍのない端面を連結流路２０と反対の外向きにしている。
これにより、浅溝部１５と浅凹部１７との間の連結流路２０を例えば燃料ガスが流動し、あるいは、浅凹部１７と浅溝部１５との間の連結流路２０を例えば酸化剤ガスが流動しても、これらのガスは内周面が皮膜ｍに覆われた上記連結流路２０を流れ、且つシール材２８の内側２９を通過する。
この結果、筒部２２を含む金属セパレータ１０は、上記各ガスに直に曝されないため、高い耐食性を発揮することが可能となる。従って、上記連結流路２０を含む燃料電池１，１ａは、優れた耐久性を発揮することができる。
【００２１】
ここで、前記連結流路２０の形成方法について、図３，４により説明する。
尚、図３乃至図５において、金属セパレータ１０や金属薄板１０ａにおける上側の面を表面と称し、下側の面を裏面と称する。
図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、金属セパレータ１０となるＳＵＳ３０４などのステンレス鋼からなる金属薄板１０ａの表面および裏面には、予めメッキまたは蒸着により、厚みが１〜４０ｎｍの貴金属の被膜ｍが全面に被覆されている。係る金属薄板１０ａをプレスすることで、前記流路１２、半島部１４、浅溝部１５、浅凹部１７、および凸条１９が成形された金属セパレータ１０が成形される。次に、金属セパレータ１０の浅溝部１５（浅凹部１７）の中央付近に小径の下穴を穿孔した後、係る下穴内に同軸心で図示しないポンチを圧入するバーリング加工を行う。その結果、図３（Ｃ）に示すように、浅溝部１５（浅凹部１７）の中央付近には、厚み方向に突出した円筒形の筒部２２が形成される。尚、上記下孔を穿孔した後にポンチを圧入すると、上記筒部２２の先端を平坦にし易くなる。
更に、上記筒部２２の先端寄りの部分に、ほぼ円錐形で且つ大径のポンチ（図示せず）を下側から押圧する。その結果、図３（Ｄ）に示すように、上記筒部２２の先端部２４は、浅溝部１５等とほぼ平行になるよう外向きに折り曲げられる。
【００２２】
そして、図４（Ａ）に示すように、隣接する金属セパレータ１０，１０の浅溝部１５と浅凹部１７とから延びた筒部２２，２２を同軸心にして先端部２４，２４の表面および裏面を面接触し、これらの間に例えば抵抗溶接などによるリング状の溶着部２６を形成して、内側を貫通する連結流路２０を密閉する。
あるいは、図４（Ｂ）に示すように、互いに接近する筒部２２，２２を同軸心にして先端部２４，２４の間に、リング状のシール材２８を挟み込み且つその内側２９を連結流路２０の中央付近に位置させる。
従って、前記各ガスの何れか一方は、隣接する金属セパレータ１０，１０の間を、前記皮膜ｍに覆われた連結流路２０、あるいは係る皮膜ｍとシール材２８とに囲まれた連結流路２０を介して流動するため、前記金属セパレータ１０が腐食する事態を確実に防ぐことができる。
【００２３】
図５（Ａ）は、異なる形態の連結流路２０ａを示す。
図５（Ａ）に示すように、上側の金属セパレータ１０の浅溝部１５（浅凹部１７）から下向きに延びた小径の筒部２２ａの途中に、外向きに断面ほぼＵ字形の曲げ部２３を形成することにより、その先端部２４ａを上向きに形成している。
一方、下側の金属セパレータ１０の浅凹部１７（浅溝部１５）から上向きに延びた大径の筒部２２の先端寄りに、図５（Ａ）に示すように、上記先端部２４ａをカシメつつ包囲する断面Ｕ字形の曲げ部２５を形成し、且つその先端部２４ｂの裏面を上記先端部２４ａの内側面（裏面）に面接触させている。
図５（Ａ）に示すように、互いに同軸心で径の異なる筒部２２ａおよび筒部２２ｂを貫通して連結流路２０ａが形成され、その内周面は前記皮膜ｍに覆われている。従って、隣接する金属セパレータ１０，１０間を流れる前記各ガスの何れかに腐食する事態を防止することができる。
【００２４】
図５（Ｂ）は、更に異なる形態の連結流路２０ｂを示す。
図５（Ｂ）に示すように、上側の金属セパレータ１０の浅溝部１５（浅凹部１７）から下向きに延びた筒部２２ｃの途中に、外向きに断面Ｖ字形の曲げ部２５を形成し、その先端部２４ｃを斜め外向きで且つ上向きに形成している。
一方、下側の金属セパレータ１０の浅凹部１７（浅溝部１５）から円錐形状の筒部２２ｄが斜め外向きで且つ上向きに延び、その先端部２４ｄの裏面を上記先端部２４ｃの外側面（表面）に面接触させている。
図５（Ｂ）に示すように、互いに同軸心で形が異なる筒部２２ｃおよび筒部２２ｄを貫通して連結流路２０ｃが形成され、その内周面も前記皮膜ｍに覆われている。従って、隣接する金属セパレータ１０，１０間を流れる前記各ガスの何れかに腐食する事態を防止することができる。
【００２５】
図６（Ａ）は、異なる形態の金属セパレータ３０を示す平面図、図６（Ｂ），（Ｃ）は、（Ａ）中のＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線に沿った矢視における断面図である。
金属セパレータ３０は、前記同様の貴金属の皮膜ｍを表面および裏面の全体に被覆したステンレス鋼板をプレス成形したもので、図６（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、平面視が正方形の表面３１における各辺に沿った矩形の凹溝３２と、その内側で且つ裏面３３側に位置するジグザグ状の流路３４と、を含む。係る流路３４は、Ｕターン部３６を図６（Ａ）の左右両側に交互に有する。
また、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、表面３１における上記凹溝３２の左上隅と左下隅には、例えば燃料ガスを上記流路３４に供給し、または流路３４から排出させ且つ隣接する金属セパレータ３０に流す連結流路２０の一端における開口４０，４１が位置する。係る開口４０，４１を囲むように、上記凹溝３２の左上隅および左下隅には、Ｓｉからなる一対ずつの隔壁３８が直角に配置されて仕切られ、独立した区画部４６，４７が形成されている。
【００２６】
更に、図６（Ａ），（Ｃ）に示すように、表面３１における上記凹溝３２の右上隅および右下隅には、例えば酸化剤ガスを上記流路３４に供給し、または流路３４から排出させ且つ隣接する金属セパレータ３０に流す連結流路２０の一端における開口４２，４３が位置している。係る開口４２，４３を囲むように、上記凹溝３２の右上隅および右下隅には、上記同様の隔壁３９，３９が配置され、独立した区画部４８，４９が形成されている。
図６（Ｂ），（Ｃ）に示すように、上記開口４０〜４３の裏面３３側には、追って連結流路２０の一部となる前記筒部２２および先端部２４が突出している。
図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、ジグザグ状の流路３４の両端の出隅部には、表面３１および凹溝３２の角部に跨って、ほぼ正三角形の切除部４５とその中央に位置する相似形の貫通孔４４とが形成される。係る貫通孔４４，４４は、上記流路３４への燃料ガスの入口および出口を構成する。貫通孔４４を含む切除部４５は、前記プレス成形の後で切り欠かれ且つ部分的に追加の金メッキが施される。
【００２７】
図７（Ａ），（Ｂ）は、前記金属セパレータ３０を用いた燃料電池５０の概略を示し、図７（Ａ）は、前記図６（Ｂ）の位置における金属セパレータ３０を複数の単セル５２の両側に配置した断面を示す。また、図７（Ｂ）は、前記図６（Ｃ）の位置における金属セパレータ３０を複数の単セル５２の両側に配置した断面を示す。
即ち、燃料電池４０は、図７（Ａ）に示すように、複数の単セル５２を積層して形成され、各単セル５２は、高分子電解質膜５４と、その両面に個別に配置した燃料電極膜（アノード）５６および酸化剤電極膜（カソード）５８と、これらの上下（両側）に対称に積層した金属セパレータ３０，３０と、を備えている。
【００２８】
各金属セパレータ３０は、その流路３４を燃料電極膜５６または酸化剤電極膜５８側に位置させ、互いの流路３４を平行とし且つ裏面（背面）３３同士で接触している。また、上記高分子電解質膜５４、燃料電極膜５６、および酸化剤電極膜５８は、図７（Ａ）に示すように、これらの両面に配置される金属セパレータ３０，３０における平面視で前記ジグザグ状の流路３４とほぼ同じ面積とされている。即ち、各金属セパレータ３０の区画部４６〜４９を含む凹溝３２は、上記高分子電解質膜５４などの外側に位置し、厚み方向に隣接する区画部４６〜４９同士の間に前記シール材２８を含む連結流路２０が配置されている。
尚、図７（Ａ）に示すように、隣接する金属セパレータ３０，３０間で対向する一対の凹溝３２，３２の各コーナーに付近に配置する隔壁３８（３９）は、係る一対の凹溝３２，３２の断面全体を塞ぐ単一のＳｉ材が用いられる。
【００２９】
図７（Ａ）中の実線の矢印で示すように、例えば燃料ガスは、各単セル５２の上側の金属セパレータ３０における左側の区画部４６から、その一部が左側の貫通孔４４を経て流路３４をジグザク状に流れた後、右側の貫通孔４４から右側の区画部４７を経て開口４１側に流れ、図７（Ａ）中の一点鎖線の矢印で示すように、開口４１を経て下層側に排出される。また、上記燃料ガスの残りは、上記区画部４６内の開口４０から、前記同様の連結流路２０を経て、当該単セル５２の下側の金属セパレータ３０における凹部４６の開口４０、および下層に位置する単セル５２の上側の金属セパレータ３０における区画部４６の開口４０に流される。この間において、上記流路３４を流れた燃料ガスは、隣接する高分子電解質膜５４の燃料電極膜５６側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分かれる。係る水素イオンは、高分子電解質膜５４中の電解質（液）を貫通し、上記電子は、図示しない外部回路を経て、それぞれ酸化剤電極膜５８側の触媒電極へ送られ、係る電子の移動による発電が行われる。
【００３０】
一方、酸化剤ガスは、図７（Ｂ）の示すように、各単セル５２の下側の金属セパレータ３０における左側の隔壁３９の奥側に位置する前記区画部４８から、その一部が左側の貫通孔４４を経て流路３４をジグザク状に流れた後、右側の貫通孔４４から右側の区画部４９に流れ、そこに位置する前記開口４３を経て下層側に排出される。また、上記酸化剤ガスの残りは、上記各区画部４８の開口４２から前記同様の連結流路２０を経て、下側の金属セパレータ３０における区画部４８の開口４２、および下層に位置する単セル５２の下側の金属セパレータ３０における区画部４８の開口４２に流される。
この間において、上記流路３４を流れた酸化剤ガスは、隣接する高分子電解質膜５４の正極側の酸化剤電極膜（カソード）５８の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【００３１】
以上のような燃料電池５０においても、複数の単セル５２，５２の金属セパレータ３０は、全面にＡｕなどの貴金属の皮膜ｍが被覆され、且つ隣接する金属セパレータ３０，３０間を連通する連結流路２０の内周面にも上記皮膜ｍが被覆されているため、高い耐食性を発揮することが可能となる。しかも、連結流路２０は、各単セル５２の高分子電解質膜５４などの外側に位置し且つそれらの厚みに相当した軸方向のサイズとなるため、複数の単セル５２，５２の厚み方向におけるサイズをコンパクトにすることも可能となる。
従って、上記連結流路２０を含む燃料電池５０は、コンパクトで優れた耐久性を発揮することができる。
尚、隣接する金属セパレータ３０，３０間には、前記連結流路２０ａ，２０ｂを配置することも可能である。
【００３２】
本発明は、以上に説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記金属セパレータ１０，３０に形成する流路は、前記ジグザグ状の凹溝からなる流路１２，３４に限らず、対向する一対の辺に沿った一対のヘッダ部間に平行に配置した複数の凹溝からなる形態も含まれる。
また、前記金属セパレータ１０，３０は、前記ステンレス鋼板に限らず、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｔｉ、またはＴｉ基合金からなる金属薄板の表・裏面に前記貴金属の皮膜を被覆したものを用いることも可能である。更に、前記金属セパレータに被覆する貴金属の皮膜には、前記Ａｕに限らず、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、またはＩｒ、あるいはこれらの１種以上を含む合金を用いることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明した本発明の燃料電池（請求項１）によれば、複数の単セル間で隣接する一対の金属セパレータにおける流路およびこれらを連通する連結流路の内周面は、貴金属の被膜によって確実に覆われる。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、一方の金属セパレータの流路から上記連結流路を経て他方の金属セパレータの流路に送るに際し、上記ガスは貴金属の被膜に覆われた流路を通るため、これらの金属セパレータの腐食を確実に防げ、安定した発電状態が得られる。
また、請求項２の燃料電池によれば、燃料電池を形成する複数の単セル間において、隣接する一対の金属セパレータの流路における背面同士を接触させたコンパクトな寸法にできると共に、上記各金属セパレータの流路およびこれらを連通する連結流路における腐食を確実に防ぐことができる。
【００３４】
更に、請求項３の燃料電池によれば、連結流路は、各単セルの高分子電解質膜などの外側に位置し且つそれらの厚みに相当した軸方向のサイズとなるため、複数の単セルの厚み方向におけるサイズをコンパクトにした燃料電池となる。
加えて、請求項４の燃料電池によれば、貴金属を全面に被覆した前記金属セパレータの流路の端部の浅溝部などから、一対の筒部同士を突出させた際にも、それらの表面および裏面の全面も極薄くして上記皮膜により覆うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の燃料電池に用いる金属セパレータの平面図、（Ｂ），（Ｃ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線に沿った矢視における断面図。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は図１の金属セパレータを用いた燃料電池を示す異なる位置における断面図、（Ｃ）は上記燃料電池の変形形態を示す断面図、（Ｄ）は（Ｂ），（Ｃ）中の矢印部分Ｄの拡大図、（Ｅ）は（Ｄ）中の一点鎖線部分Ｅの拡大図。
【図３】（Ａ）は金属セパレータとなる金属薄板を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中の一点鎖線部分Ｂの拡大図、（Ｃ），（Ｄ）は連結流路の形成工程を示す概略図。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は本発明の燃料電池における連結流路を示す断面図。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は異なる形態の連結流路を示す断面図。
【図６】（Ａ）は異なる形態の金属セパレータを示す平面図、（Ｂ），（Ｃ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線またはＣ−Ｃ線に沿った矢視における断面図。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は図６の金属セパレータを用いた異なる形態の燃料電池を示す異なる位置における断面図。
【図８】（Ａ）は従来の燃料電池を示す概略図、（Ｂ）は（Ａ）中の一点鎖線部分Ｂの拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）中の一点鎖線部分Ｃの拡大図。
【符号の説明】
１，１ａ，５０…………燃料電池
２，２ａ，５２…………単セル
４，５４…………………高分子電解質膜
６，５６…………………燃料電極膜
８，５８…………………酸化剤電極膜
１０，３０………………金属セパレータ
１１，３１………………表面
１１ｂ，３３……………裏面
１２，３４………………流路
１５………………………浅溝部
１７………………………浅凹部
２０，２０ａ，２０ｂ……連結流路
２２，２２ａ〜２２ｄ…筒部
２４，２４ａ〜２４ｄ…先端部
２８………………………シール材
３８，３９………………隔壁
４６〜４９………………区画部
ｍ…………………………貴金属の被膜

Claims

両面に燃料電極膜と酸化剤電極膜とを個別に積層した高分子電解質膜の両側に一対の金属セパレータを配置した単セルを複数備え、
上記金属セパレータは、表面および裏面に貴金属の皮膜を被覆した金属薄板からなり、上記表面にジグザグ状または複数の平行な凹溝からなる流路を有し且つ係る流路と裏腹の位置における裏面に凸条が形成され、
上記複数の単セルにおける隣接する一対の金属セパレータにおいて、平面視で同じ位置に互いに接近する筒部をそれぞれ形成し、係る一対の筒部の先端部の少なくとも一方を外向きに折り曲げると共に、
上記一対の先端部の対向する表面および裏面を直に接触させ、あるいは係る一対の先端部の対向する表面および裏面間にシール材を挟持することにより、上記一対の筒部の内側に連結流路が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池。
前記筒部は、前記金属セパレータにおける凹溝の端部の浅溝部、浅凹部、または隔壁により仕切られた区画部に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記連結流路は、隣接する各単セルにおける前記燃料電極膜と酸化剤電極膜とを積層した高分子電解質膜の外側に位置している、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記金属セパレータにおける貴金属の皮膜は、厚みが１〜４０ｎｍのＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、またはＩｒ、あるいはこれらの１種以上を含む合金からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の燃料電池。