JP2005100697A

JP2005100697A - 燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及び燃料電池車両

Info

Publication number: JP2005100697A
Application number: JP2003330184A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Chiba; 啓貴千葉; Makoto Kano; 眞加納; Tomoyuki Hirota; 智之広田; Nobufumi Oe; 伸史大江
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】耐食性に優れ、コーナー部での生成水の凝縮を防止して発電性能を高めた燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及びこれを搭載した燃料電池車両を提供する。
【解決手段】ガスを流通させるガス流路溝４と電流を導通させるリブ山３とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部２を備えた金属板製の燃料電池用セパレータ１であって、ガス流路部２は、ガス流路溝４を複数平行に配置した直線部６と、直線部６のガス流路溝４に対してほぼ直角にガス流路溝４が曲がるコーナー部７とを有し、１本のガス流路溝４における直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率が、１．０〜１．２であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、マルチパス・サーペンタイン型等に代表されるコーナー部を有するガス流路パターンを形成した固体高分子電解質型の燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及びこれを搭載した燃料電池車両に関する。

燃料電池は、燃料である水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。化学エネルギを電気エネルギに直接変換できるため、燃料電池の発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高い。また、化石燃料を使用しないため資源の枯渇が問題とならず、発電に伴い排気ガスが生じない等の利点を有するため、燃料電池は地球環境保護の観点からも注目されている。

燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を使用して、高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は、比較的低温で作動し、発電効率も高いため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。

上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを含み、燃料電池スタックは、基本単位となる単セルを複数個積層して加圧保持した後、両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより固定して一体に構成される。

図９は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図９に示すように、単セル３０は、固体高分子電解質膜３１の両側に酸素極３２及び水素極３３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極３２及び水素極３３は、反応膜３４及びガス拡散層３５（GDL: gas diffusion layer）を備えた２層構造であり、反応膜３４は固体高分子電解質膜３１側に形成される。酸素極３２及び水素極３３の両側には、酸素極側セパレータ３６及び水素極側セパレータ３７を各々設置し、各セパレータ３６,３７により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路を形成している。

上記構成の単セルは、固体高分子電解質膜３１の両側に酸素極３２，水素極３３を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を構成し、膜電極接合体の両側にセパレータ３６,３７を配置する。酸素極３２及び水素極３３はポーラス状であり、その内部をガスや水が通過する。上記単セルから構成される燃料電池では、水素極側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸素極側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜３１と反応膜３４との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
上記構成の燃料電池スタックにおいて、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散膜３５を介して反応膜３４側に供給され、水素極側及び酸素極側の反応膜３４において反応が起こる。

[化１]
水素極側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・式（１）
酸素極側：(１/２)Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・式（２）
水素極３３側に水素ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、２Ｈ⁺と２ｅ^-とが生成する。２Ｈ⁺は、水和状態で固体高分子電解質膜３１内を移動して酸素極３２側に流れ、２ｅ^-は負荷３８を通って水素極３３から酸素極３２に流れる。酸素極３２側では、２Ｈ⁺と２ｅ^-と供給された酸素ガスとにより、式（２）の反応が進行して、電力が生成する。

上記燃料電池スタックに使用されるセパレータは、各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良好であり、かつ、構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、セパレータは、水素ガスと酸素ガスとを隔離するものであるため、水素ガスや酸素ガスの反応ガスに対してのガス気密性が高いことが必要である。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は、８０[℃]〜９０[℃]と高温であり、セパレータは高温状態のガスに晒されるため、水素ガス及び酸素ガスの酸化還元反応に対する耐食性が要求される。

例えば、セパレータとして、原材料であるカーボンをプレート状に成形し、その両面側に反応ガス流路を形成したものが開示されている（非特許文献１参照）。

図１０は、プレート状のカーボン製セパレータを使用した単セルの構成を示す断面図である。図１０に示すように、固体高分子電解質膜３９の両面側に酸素極４０及び水素極４１を設置して膜電極接合体とし、この膜電極接合体の両面側にセパレータ４２,４３を配置している。

しかしながら、セパレータをカーボン製にすると、セパレータとガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗は低く、この点からは優れているが、金属製のセパレータと比較すると強度が低かった。セパレータの厚さを薄くして燃料電池を小型化し、燃料電池を自動車等の移動体車両に搭載したいという要求があるが、セパレータの厚さを薄くするためには限界があり、セパレータの厚さは、少なくとも１[ｍｍ]〜５[ｍｍ]程度必要であった。

そこで、近年、燃料電池の小型化及び低コスト化を実現するために、金属薄板をプレス成形して、断面が連続した波型形状を有するセパレータを使用する試みがなされている（特許文献１及び特許文献２参照）。

さらに、前述したように、セパレータの特性として、ガス拡散電極等の構成材料との間の接触電気抵抗が低く、水素ガス及び酸素ガスの酸化還元反応に対して高い耐食性を有することが要求される。このため、金属板表面に貴金属層を形成して、５％以上の圧下率で圧延加工を施してクラッド化したクラッド合金薄板を所定形状にプレス成形し、水素ガス又は酸素ガスを流通させるガス通路を形成したセパレータが開示されている（特許文献３及び特許文献４参照）。

本技術によれば、基材上に貴金属層を表面被覆して、基材及び貴金属層の両者を圧延しているため、両者の密着力が高くなりクラッド材と同程度の密着力を得られる。また、貴金属層のポーラス構造を緻密化することができるだけでなく、ピンホールが閉孔して耐食性が良くなる。このため、圧延後に塑性加工を施しても、皮膜である貴金属層が剥離することがない。さらに、圧延すると耐食性が向上するため、皮膜を薄肉化して低コスト化できるだけでなく、表面に貴金属層を形成したため、ガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗を低くすることができる。
「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」（株）技術情報協会１９９９年発行（第９２頁）特開２０００−３２３１４９号公報（第４頁、第１図）特開２００２−１９０３０５号公報（第３頁、第１図）特開２００２−２６０６８１号公報（第３頁、第２図）特開２００２−２５４１８０号公報（第２頁、第１図）

通常、燃料電池用セパレータでは、反応ガスの流速を早めて生成水の排出を促進させるために、サーペンタイン型と呼ばれるガス流路デザインを使用している。

サーペンタイン型流路を備えた燃料電池用セパレータでは、水素ガスと酸素ガスとの反応面積を大きくとるために、１パスあたり複数のガス流路溝を形成して、複数のガス流路溝から形成されるパスを複数平行に配置し、平行に配置したパス同士をコーナー部により接続して、直線部とコーナー部との各ガス流路溝を連結している。

上記構成のコーナー部を有するサーペイン型流路を備えた燃料電池用セパレータでは、直線部よりもコーナー部におけるガス流路溝の溝幅が広くなるため、１本のガス流路溝における断面積は、直線部よりもコーナー部の方が大きくなる。このため、直線部のガス流路溝を通過したガスがコーナー部のガス流路溝に流れると、ガスの流速が遅くなり、コーナー部のガス流路溝において生成水が凝縮してしまっていた。また、コーナー部のガス流路溝に、著しく生成水が凝縮した場合には、凝縮した生成水がコーナー部のガス流路溝を塞ぎガスの流通が滞り、その結果、燃料電池の発電性能が低下していた。

また、金属薄板をプレス成形して、サーペンタイン型流路を形成したセパレータとした場合には、直線部よりもコーナー部における加工度が大きくなり、コーナー部のガス流路溝断面におけるリブ山肩部が、特に強加工されてしまい、セパレータの成形が困難となっていた。

さらに、上述した金属板表面上に貴金属層を形成して５[％]以上の圧下率により軽圧延加工を施してクラッド化したクラッド合金薄板を使用した場合は、ガス流路部におけるコーナー部断面形状のリブ山肩部において、下地母材に局所的に過大な伸び歪が生じてしまっていた。そして、下地母材に過大な伸び歪が生じると、表層に形成した貴金属層が追随できず、貴金属層に数[μｍ]×数十 [μｍ]程度の多数の微小クラックが発生し、微小クラックの発生部位で下地母材が露出してしまっていた。その結果、下地母材表面に貴金属層を形成した割には、セパレータの耐食性を向上することができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、第１の発明である燃料電池用セパレータは、ガスを流通させるガス流路溝と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路部は、ガス流路溝を複数平行に配置した直線部と、前記直線部のガス流路溝に対してほぼ直角にガス流路溝が曲がるコーナー部とを有し、１本のガス流路溝における前記直線部の断面積に対する前記コーナー部の断面積の比率が、１．０〜１．２であることを要旨とする。

また、第２の発明である燃料電池スタックは、電解質膜の両面にそれぞれ酸化剤極及び燃料極を形成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の酸化剤極側に配置した酸化剤極側セパレータと、前記膜電極接合体の燃料極側に配置した燃料極側セパレータと、を有し、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した単セルを複数個積層し、各単セル間に冷却水流路を形成した燃料電池スタックであって、前記酸化剤極側セパレータ及び燃料極側セパレータは、上記燃料電池用セパレータであることを要旨とする。

さらに、第３の発明である燃料電池車両は、上記燃料電電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを要旨とする。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、１本のガス流路溝における直線部及びコーナー部の断面積を同程度にしてコーナー部での生成水の排出速度を直線部とほぼ同等に維持することにより、コーナー部での生成水の凝縮を防止し、燃料電池の発電性能を高めることができる。

本発明の燃料電池スタックによれば、小型化及び低コスト化できると共に、発電性能を高めることができる。

本発明の燃料電池車両によれば、小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。

以下、本発明の燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及び燃料電池車両について、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した燃料電池電気自動車の例を挙げて第１実施形態から第３実施形態までを用いて説明する。

＜第１実施形態（図１〜図４、表１）＞
本発明の実施形態では、サーペンタイン型のガス流路部を構成した固体高分子型燃料電池用セパレータ（以下、単に「燃料電池用セパレータ」とする。）を例に挙げて説明する。なお、本実施形態では、１パス当り３本のガス流路溝を備えたガス流路を構成した５パス・サーペンタイン型を適用した。

図１は、５パス・サーペンタイン型のガス流路部を形成した燃料電池用セパレータのガス流路面側の上面図であり、図２は、その断面形状を示す模式図である。

図１に示すように、燃料電池用セパレータ１は、発電部としての中央部にガス流路部２を形成しており、ガス流路部２は、電流を導通させる凸形状のリブ山３とリブ山３に隣接した凹形状のガス流路溝４とを交互に構成している。ガス流路溝４の両端は、中央部のガス流路部２対角線上の端部に形成されたガスマニホールド５a,５bに連結しており、一方のガスマニホールド５aから他端のガスマニホールド５bまで５パス構成している。

ガス流路部２は、１パス当り３本のガス流路溝４を平行に配置しており、直線部６と、直線部６のガス流路溝４に対してほぼ直角に曲がるコーナー部７と、を備えており、隣接するパスのガス流路溝４はコーナー部７で連結している。

ガス流路部２を形成した中央部外周のセパレータ１の外周縁部にはビード部８を形成している。

図２は、図１に示す燃料電池用セパレータ１の断面を模式的に示す図であり、セパレータ１を断面から観察すると、図２に示すように、ガス流路部は連続した波型形状を有する。

図３は、図１及び図２に示す燃料電池用セパレータ１の中央部２に形成されたガス流路部２を示す斜視図である。図３に示すように、燃料電池用セパレータ１のガス流路部２には、リブ山平坦部９からリブ山斜面部１０を介してガス流路溝底部１１が連続しており、リブ山平坦部９及びガス流路溝底部１１が略平行に配置される。

図１に示すセパレータ１のガス流路部２の直線部６におけるA−A´断面図を図４に模式的に示す。本図に示すように、ピッチＰ、リブ山幅Ｌ１、溝底幅Ｌ３、斜面幅Ｌ２、溝深さｄ、縦壁部の斜度θである。

本発明の実施の形態に係るセパレータにおいては、１本のガス流路溝４における、直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率を１．０〜１．２として構成することが好ましい。なお、直線部６及びコーナー部７の断面積は、図１に示すA−A´断面図及びB−B´断面図における１本のガス流路溝４について、その断面形状から（Ｐ＋Ｌ３−Ｌ１）d/２[mm^２]を算出して求めたものである。直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率が、１．０未満になるとコーナー部でのガスの流速が遅くなり発電性能が低下してしまい、一方、断面積の比率が１．２を超えると、コーナー部７におけるガス流路溝４の断面積が大となりガス流速が遅くなり生成水が凝縮しやすく、著しい場合には凝縮した生成水によりガス流路溝４が塞がり、発電性能が低下してしまうからである。より好ましくは、１本のガス流路溝４のコーナー部７と直線部６との断面積を同等とし、断面積の比率を１．０とすることが好ましく、断面積を同等にすることにより、ガスの流速を一定として、発電性能を高めることができる。

また、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータ１は、以下に示す形状とすることにより、１本のガス流路溝４における直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率を１．０〜１．２の範囲とすることができる。

具体的には、コーナー部７のリブ山幅Ｌ１が直線部６のリブ山幅Ｌ１と同等又は直線部６よりも長くすると共に、コーナー部７の溝底の幅Ｌ３が直線部６と同等又は直線部６よりも短くすることが好ましい。本形状にリブ山幅Ｌ１を規定することにより、直線部６及びコーナー部７におけるガス流路溝４の断面積の比率を上記の値にできるだけでなく、コーナー部７での破断を防止することができる。

また、コーナー部７の縦壁部の斜度θは、直線部６の縦壁部の斜度θよりも小さくすることが好ましい。本形状に構成することにより、ガス流路部２のコーナー部７での破断を効果的に防止することができる。

さらに、ガス流路部２の断面形状におけるコーナー部７の周長の伸びが、直線部６の周長の伸びよりも小さくすることが好ましい。なお、周長の伸びは、周長測定部のセパレータを、測定する方向に切断し、光学顕微鏡にて観察・写真撮影することにより断面形状を取得し、この断面形状より測定したものである。本形状に周長の伸びを構成することにより、コーナー部７での破断を効果的に防止することができる。

また、コーナー部７のリブ山肩部曲率半径及び溝底隅部曲率半径の少なくとも一方が、直線部６のリブ山肩部曲率半径及び溝底隅部曲率半径の各々よりも大きいことが好ましい。本形状に構成することにより、コーナー部７での破断を更に効果的に防止することができるだけでなく、母材上に形成した被覆層の微小な破断の発生を防止することができる。

上記形状の燃料電池用セパレータ１は、下地母材である金属板の両面に耐食性かつ導電性の表面処理を施して被覆層を形成したクラッド合金薄板から構成される。

下地母材である金属板としては、鉄基合金、Ni基合金、Ti基合金及びステンレス合金の中から選択される１種又は２種以上を組み合わせた合金から形成すると良く、このような種類の合金を使用することにより、耐食性かつ生産性の優れた燃料電池セパレータを低コストにより提供することができる。上記鉄基合金の中でも、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼板を使用することが最も好ましく、耐食性及び生産性の優れた燃料電池セパレータを低コストにより提供することができる。

被覆層は、下地母材である金属板上に耐食性かつ導電性の表面処理を施して形成した貴金属であり、より具体的には、金属板上に厚さ０．０１[μｍ]〜０．０５[μｍ]の貴金属層を形成したものである。貴金属層の厚さを０．０１[μｍ]〜０．０５[μｍ]の範囲としたが、貴金属層の厚さが０．０１[μｍ]未満になると耐食性が低下してしまい、０．０５[μｍ]を超えるとコストが高騰するためである。そして、下地母材である金属板上に、貴金属層を形成して上で、５[％] 〜１５[％]の圧下率で圧延加工してクラッド化したクラッド合金薄板を用いている。なお、圧下率を５[％] 〜１５[％]と規定したが、圧下率が５[％]未満になると、表面金属層の欠陥が大きくなり耐食性が低下し、圧下率が１５[％]を超えると、所定の厚さにすることができないからである。

貴金属層は、金(Au)、プラチナ(Pt)又は銀(Ag)等の貴金属から構成することが好ましい。貴金属層を形成することにより、耐食性及び生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触電気抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータを得ることができる。
以下、実施例１〜実施例３及び比較例１〜比較例３により説明する。

実施例１〜実施例４
各実施例では、厚さ０.１１[ｍｍ]のSUS316L溶体化処理(BA)材の薄板の両面に、厚さ０.０３[μｍ]のAuメッキを施し、これを圧下率１０[％]で冷間圧延加工を施してクラッド化した、厚さ０.１[ｍｍ]のクラッド合金薄板を使用した。周辺部のプレス成形加工を受けていない部分の板厚は、０．１[ｍｍ]である。

次に、クラッド合金薄板を寸法１５０[ｍｍ]×１５０[ｍｍ]に切り出し、ガス流路部２（アクティブエリア）寸法が１００[ｍｍ]×１００[ｍｍ]の５パス・サーペンタイン型流路を張り出して成形し、セパレータとした。

なお、張り出し成形は、材料を延伸する予備プレス成形工程を１段と、所定の形状とするための仕上げプレス成形工程を１段と、を備えた多段プレス成形である。予備プレス成形後の成形高さは０．８２[ｍｍ]であり、仕上げプレス後の製品の成形高さは０．６０[ｍｍ]である。また、クラッド合金薄板の圧延方向は、サーペンタインの長手方向と直角の方向に揃えたものである。

実施例１〜実施例４は、表１に示すように、ガス流路部２の寸法を各種変えて各セパレータを構成したものであり、各セパレータは、いずれも１本のガス流路溝４における直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率を１．０〜１．２とした。

比較例１〜比較例３
比較例１〜比較例３では、１本のガス流路溝４における直線部６の断面積に対するコーナー部７の断面積の比率が１．２を超えるように各セパレータを構成したものである。その他は、上述した実施例１〜実施例４と同様の方法を使用して各セパレータを作製した。

次に、作製した実施例１〜実施例４及び比較例１〜比較例３の各セパレータを使用して、燃料電池の単セルを構成した。高分子電解質型膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２、デュポン株式会社）を用い、ガス拡散電極としてカーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ（株）製ＴＧＰ−H−０９０）を用いた。また、図示しないが、十分な剛性を備えたエンドプレートを使用して、高分子電解質型膜及びガス拡散電極を１[ＭＰａ]の面圧で締め付けて、燃料電池の単セルを構成した。

さらに、得られた燃料電池の単セルの発電性能を評価した。発電性能は、０．５[A/cm^２]の電流を取り出した時の電池の起電力[mV]により評価した。表１に、発電性能の評価結果を示す。

表１に示すように、１本のガス流路溝における直線部の断面積に対するコーナー部の断面積の比率を１．０〜１．２の範囲とした実施例１〜実施例４の各セパレータでは、上記比率の範囲外となる比較例１のセパレータに比べて、起電力が高く、発電性能が優れていた。また、特に、実施例３における、コーナー部と直線部との断面積を同様としたセパレータでは、電池の起電力が６９３[ｍV]と高い値を示しており、発電性能が良好であった。これに対して、比較例２及び比較例３の各セパレータでは、断面積の比率を１．４１以上としたため、コーナー部におけるリブ山肩部で破断が観測され、発電性能を評価することができなかった。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、サーペンタイン型ガス流路のコーナー部の断面積を直線部の断面積の比率を１．０〜１．２の範囲に規定することにより、コーナー部での生成水の凝縮を防止することができ、優れた発電性能を得ることができる。

なお、本実施形態では、１パス当り３本のガス流路溝を備えたガス流路を構成した５パス・サーペンタイン型のセパレータを例示したが、サーペンタイン型の流路を構成したセパレータに限定されるものではなく、直線部及びコーナー部のガス流路溝を形成したその他の形状のガス流路部を形成したセパレータであっても良い。

＜第２実施形態（図５〜図７）＞
本実施形態では、第１実施形態で作製した燃料電池用セパレータを用いて単セルを形成し、単セルを複数個積層して燃料電池スタックとし、燃料電池を構成した。

図５は、燃料電池スタックの一部を模式的に示した断面図である。図５に示すように、燃料電池スタック１２は、単セル１３を複数個積層したものであり、各単セル１３間の内部に冷却水流路１４を形成したバイポーラプレート構造を有する。各単セル１３は、固体高分子型電解質膜１５の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層１６と燃料極を有するガス拡散層１７とを形成して膜電極接合体（MEA）とし、膜電極接合体の酸化剤極側に酸化剤極側セパレータ１８を配置して内部に酸化剤ガス流路１９を形成し、膜電極接合体の燃料極側に燃料極側セパレータ２０を配置して内部に燃料ガス流路２１を形成している。

固体高分子型電解質膜１５としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２８（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。

上記燃料電池スタック１２は、例えば、以下の手順により組み立てることができる。

まず、準備した酸化剤極側セパレータ１８及び燃料極側セパレータ２０上に、固体高分子電解質膜１５と酸化剤極及び燃料極を有する各ガス拡散層１６,１７を備えた膜電極接合体（MEA）を重ね合わせて、交互にセパレータ１８,２０と膜電極接合体とを複数重ね合わせて積層した。積層後、図６に示すように、両端部にエンドフランジ２２を配置して外周部を締結ボルト２３により締結して、燃料電池スタック２４を構成した。図７は、燃料電池スタック２４を斜視的に示す図である。

本実施形態によれば、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを使用して燃料電池スタックを組み立てることにより、コンパクトであると共に発電性能の良い燃料電池スタックを有する燃料電池を提供することができる。

また、本実施形態によれば、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、燃料電池スタック及び燃料電池を小型化することができる。

＜第３実施形態（図８）＞
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、第２実施形態により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。

図８は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図８(a)は電気自動車の側面図、図８(b)は電気自動車の上面図であり、図８(b)に示すように、車体２５前方に、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部２６を形成している。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、エンジンコンパートメント部２６内に燃料電池スタック２４を搭載している。

本実施形態によれば、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電性能の良い燃料電池スタックを自動車等の車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタックを車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。

さらに、本実施形態によれば、小型の燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を確保することができる。

なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。

本発明の第１実施形態における、セパレータの構成を模式的に示す平面図である。図１に示す固体高分子型燃料電池用セパレータの断面形状を示す模式図である。図１に示す固体高分子型燃料電池用セパレータのガス流路部を斜視的に示す模式図である。図１に示す固体高分子型燃料電池用セパレータの流路部の断面形状を示す断面模式図である。本発明の第２実施形態における、燃料電池スタックの一部を模式的に示した断面図である。本発明の第２実施形態における、燃料電池スタックの外観を示す構成図である。本発明の第２実施形態における、燃料電池スタックを示す斜視図である。本発明の第３実施形態における、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の上面図である。従来における、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。従来における、プレート状のカーボン製セパレータを使用した単セルの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…固体高分子型燃料電池用セパレータ,
２…ガス流路部,
３…リブ山,
４…ガス流路溝,
５a, ５b…ガスマニホールド,
６…直線部,
７…コーナー部,
８…ビード部,

Claims

ガスを流通させるガス流路溝と電流を導通させるリブ山とを隣接して交互に配置して断面が連続した波型形状のガス流路部を備えた金属板製の燃料電池用セパレータであって、
前記ガス流路部は、ガス流路溝を複数平行に配置した直線部と、前記直線部のガス流路溝に対してほぼ直角にガス流路溝が曲がるコーナー部とを有し、
１本のガス流路溝における前記直線部の断面積に対する前記コーナー部の断面積の比率が、１．０〜１．２であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記ガス流路部の断面形状における前記コーナー部のリブ山平坦部の幅が直線部と同等又は直線部よりも長いと共に、前記コーナー部の溝底の幅が直線部と同等又は直線部よりも短いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記ガス流路部の断面形状における前記コーナー部の縦壁部の斜度が、前記直線部の縦壁部の斜度よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
前記ガス流路部の断面形状における前記コーナー部の周長の伸びが、前記直線部の周長の伸びよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記ガス流路部の断面形状における前記コーナー部のリブ山肩部曲率半径及び溝底隅部曲率半径の少なくとも一方が、前記直線部よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記金属板は、鉄基合金、Ni基合金、Ti基合金及びステンレス合金の中から選択される１種又は２種以上を組み合わせた合金から形成される母材と、この母材上に耐食性かつ導電性の表面処理を施して形成された被覆層と、を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記金属板は、母材上に０．０１μｍ〜０．０５μｍの厚さの貴金属層を形成して、５％〜１５％の圧下率で圧延加工してクラッド化したクラッド合金薄板であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用セパレータ。
前記母材は、オーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池用セパレータ。
電解質膜の両面にそれぞれ酸化剤極及び燃料極を形成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の酸化剤極側に配置した酸化剤極側セパレータと、前記膜電極接合体の燃料極側に配置した燃料極側セパレータと、を有し、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した単セルを複数個積層し、各単セル間に冷却水流路を形成した燃料電池スタックであって、前記酸化剤極側セパレータ及び燃料極側セパレータは、請求項１乃至８のいずかに記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項９記載の燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを特徴とする燃料電池車両。