JP2005310633A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 構成部品点数を低減して生産性を向上するとともに、ガス流路を良好に確保可能な燃料電池用セパレータを提供すること。
【解決手段】 セパレータ１０は、第１および第２セパレータ本体１１，１２とガス流路形成部材２０とから構成される。本体１１，１２は、その外周縁部分が凸形状とされるとともに中央部分に窪み部１１ｂ、１２ｂが形成されている。部材２０は、エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１と筋状凸部２２が成形されて形成されている。そして、セパレータ１０は、本体１１，１２の窪み部１１ｂ、１２ｂ内に部材２０が収容されて構成されている。これにより、ガス流路を、別部材を設けることなく、良好に形成することができる。また、セパレータ１０同士が本体１１，１２の凸形状部分で当接して積層されるため、スタック構成時の寸法変化を極めて小さくできて、良好なガス流路を維持できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池、特に燃料電池に採用されるセパレータに関する。

従来から、例えば、下記特許文献1に示すような燃料電池は知られている。この燃料電池は、金属製の薄板で構成されていて、略中央部分にプレス加工による複数の平行な波形状の溝が表裏に形成されたセパレータを備えている。また、セパレータには、前記略中央部分の表裏に形成された溝を囲んで、ガスをシールするシール部材が表裏に配置されている。このように、セパレータを表裏からシール部材によって狭持する構成とすることにより、燃料電池をコンパクト化するようになっている。

また、従来から、例えば、下記特許文献２に示すような燃料電池のセパレータは知られている。この燃料電池のセパレータは、平板状の第１部材（カーボン）と、この第１部材に積層され、燃料電池の電極層に弾性的に接触させられるとともにガス流路を形成する複数の突片を有する第２部材（金属板）とから構成されている。そして、第２部材の複数の突片によって形成されたガス流路は、突片の周囲や内側に存在する空間とされていて、流入したガスがあらゆる方向に立体的に連通するようになっている。このため、ガス流路を流れるガスの反応効率が高まるとともに電極層に対するガス拡散性がより均一化することによって、燃料電池の発電効率を向上するようになっている。
特開平１１−３５４１４２号公報 特開２００２−１８４４２２号公報

上記特許文献１および特許文献２に示した従来のセパレータにおいては、その表裏にシール部材（フレーム）を配置し、この部材によって囲まれた部分にセパレータの略中央部分に形成された波形状の溝や金属板に形成された突片を配置してガス流路を形成する必要があり、部品点数が増大して燃料電池の製造コストが増大する可能性がある。また、良好にガスを導通させるとともに電極層によって発電された電気を効率よく集電するためには、シール部材（フレーム）の寸法精度、特に、厚さの寸法精度を良好に確保する必要がある。すなわち、シール部材（フレーム）の厚さ寸法が大きすぎると（厚すぎると）、特に特許文献１に示した燃料電池においては形成した波形状の溝と電極層との接触が十分に確保できず、導入されたガスが波形状の溝内を適正に導通できない場合がある。また、電極層との接触が不十分である場合には、電極層と波形状の溝または複数の突変との間の集電抵抗が増加し、効率よく発電された電気を集電できない場合がある。一方、シール部材（フレーム）の厚さ寸法が小さすぎる（薄すぎると）、電極層と形成された波形状の溝や複数の突片とがスタック組立て時に過剰な力で接触し、電極層、波形状の溝や複数の突片が劣化（へたり）が生じてガス流路が適正に確保できない場合がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構成部品点数を低減するとともに、ガス流路と集電性能を良好に確保可能な燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、平板の外周縁部分にて、同平板の一面側に突出する凸形状が形成されて、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止するセパレータ本体と、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて前記ガス流路を形成するとともに前記電極構造体によって発電された電気を集電するガス流路形成部材とを備え、前記ガス流路形成部材が、前記セパレータ本体の外周縁部分に形成された凸形状によって前記セパレータ本体の略中央部分に形成された窪み形状内に配置されて構成されることにある。

これによれば、セパレータ本体に凸形状が形成されることによって形成される窪み形状内にガス流路形成部材を配置することができるため、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を別途設ける必要がない。このため、部品点数を低減することができて、燃料電池の製造コストを低減することができる。また、セパレータ本体に形成された凸形状と、積層される他のセパレータ本体に形成された凸形状とを互いに当接させることにより、例えば、樹脂などによって形成されるシール部材やフレームに比して、スタックの組立てに必要な締め付け力や経年変化による寸法変化を極めて小さくすることができる。これにより、ガス流路形成部材によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、電極層に対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、供給ガス量の低下に伴う電極層の電極反応効率を低下させることがなくて、燃料電池の発電効率を長期にわたり維持することができる。また、セパレータをセパレータ本体とガス流路形成部材とから形成することにより、例えば、それぞれの部材の成形形状に応じて、成形性の良好な材料をそれぞれ選択することができる。これにより、各部材の製造設備の簡略化が可能となり、製造コストを低減することができる。

また、ガス流路形成部材は、多数の貫通孔を有している。これにより、外部から導入されたガスは、ガス流路形成部材の貫通孔を通過することにより、電極層に接触するガスのガス濃度勾配を均一とすることができる。したがって、電極層の電極反応領域を大幅に向上させることができ、燃料電池の発電効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明の他の特徴は、前記平板の他面側であって前記セパレータ本体の窪み形状に対応する位置にて、さらに、ガス流路形成部材を配置する構成とし、前記セパレータ本体の窪み形状に対応する位置にて配置されるガス流路形成部材は、その幅方向の寸法が前記セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の寸法に形成されるとともに前記ガス流路を前記セパレータ本体の前記幅方向に形成しており、電極層に対して、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を前記セパレータ本体の前記幅方向から供給することにもある。

これによれば、セパレータ本体に形成された窪み形状の裏面側に配置されたガス流路形成部材が、セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の幅方向の寸法とされるため、燃料電池の外部と連通した状態で燃料電池を構成することができる。これにより、外部と連通したガス流路形成部材が酸化剤ガスとして例えば空気を電極層に供給する場合には、同ガス流路形成部材は、燃料電池の側面から直接空気を導入することができ、また未反応の空気を直接外部に排出することができる。このため、燃料電池内に別途空気をガス流路形成部材まで供給するためのインナーマニホールドやガス流路形成部材から未反応の空気を排出すためのインナーマニホールドを設ける必要がなく、燃料電池を小型化することが可能となる。また、外部から直接酸化剤ガス（空気）を給排することができるため、その導通距離を短縮することができて、酸化剤ガス（空気）を導通する際の圧力損失を低減することもできる。

また、これらの場合、前記ガス流路形成部材は、連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部とを有して構成されるとよい。また、前記連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部の成形方向断面における前記筋状の凹部と筋状の凸部の成形幅のうちの一方が幅広に形成されていて、この幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部を前記電極層に接触させるとよい。また、前記ガス流路形成部材は、多数の小径の貫通孔が網目状に形成された後に平板状に成形されたエキスパンドメタルから形成されるとよい。さらに、前記幅広に形成された凹部または凸部は、前記電極層の表面に設けられた導電性を有する繊維を介して、前記電極層に接触するとよい。

これらによれば、ガス流路形成部材に対して、連続的に筋状の凹部および筋状の凸部を成形して、ガス流路を形成することにより、ガスの導通に伴う抵抗すなわち圧力損失を大幅に低減することができる。このため、ガスをスムーズに導通させることができて、ガスと電極層との反応を促進することができる。したがって、これによっても、燃料電池の発電効率を大幅に向上することができる。一方で、圧力損失を大幅に低減することにより、ガスが導通する部分の開口面積を小さくすることもできる。これにより、燃料電池をコンパクトにすることができる。また、ガスの圧力損失が低減されることにより、電極層の電極反応によって生成される水が、電極反応で利用されなかった未反応ガスによって効率よく外部に排出される。このため、生成された水によって、ガス流路が塞がれることを防止できる。

また、ガス流路形成部材の筋状の凹部および筋状の凸部の成形幅のうち、幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部と電極層とを接触させることにより、ガス流路形成部材と電極層との接触面積が大きくすることができる。また、ガス流路形成部材が多数の小径の貫通孔を有することにより、単位体積当たりの表面積すなわち電極層との接触面積を大きくすることもできる。このため、ガス流路形成部材と電極層との間に生じる集電抵抗を極めて小さくすることができ、電極層の電極反応によって発電された電気の集電効率を大幅に向上させることができる。

また、ガス流路形成部材を、多数の小径の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタルから形成することができる。このエキスパンドメタルは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し延ばすことによって、網目状の小径の貫通孔が形成されるものである。このため、例えば、打ち抜き加工によって形成される他の材料（例えば、パンチングメタルなど）に比して、歩留まり性が極めて良好であり、製造コストを低減することができる。したがって、このエキスパンドメタルからガス流路形成部材を形成することにより、燃料電池の製造コストを低減することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記セパレータ本体は、少なくとも前記窪み形状内に前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを導入するための貫通孔が形成されており、前記平板の他面側であって前記形成された貫通孔に対応する位置に配置されるとともに前記貫通孔と連通する貫通孔が形成されて、前記セパレータ本体に積層される他のセパレータ本体との間で導通する前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを気密的にシールするフレームを設けたことにもある。これによれば、燃料電池内に燃料ガスや酸化剤ガスを供給・排出するためのインナーマニホールドを気密性よく形成することができ、電極層に対して、効率よく燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。

さらに、本発明の他の特徴は、前記平板の一面側に突出する凸形状によって前記平板の他面側に形成される空間内部に充填される充填部材を設けたことにもある。これによれば、燃料電池スタックの組立てに必要な締め付け力に応じて、適宜充填部材を採用することができ、同締め付け力によるセパレータ本体の寸法変化を効果的に防止することができる。したがって、ガス流路形成部材によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、電極層に対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。

以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０という）を図面を用いて説明する。セパレータ１０は、図１に示すように、隣接するセパレータ１０間に、ガス流路形成部材２０、電解質膜ＥＦ、アノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥが積層されて構成される膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly以下、ＭＥＡという）が配置された状態で積層される。なお、ＭＥＡのアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥの表面は、導電性を有する繊維状のカーボンクロスＣＣによって覆われている。そして、隣接するセパレータ１０同士は、図示しない接着層を介して、互いに接合されることによって単セルを形成し、同単セルが多数積層されることにより固体高分子型燃料電池のスタックを構成する。

また、隣接するセパレータ１０同士は、ＭＥＡの電解質膜ＥＦを狭持して積層されており、一方のセパレータ１０がアノード電極ＡＥに燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、他方のセパレータ１０がカソード電極ＣＥに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。ここで、酸化剤ガスには、ＭＥＡによる電極反応によって発生する反応熱を冷却するとともにＭＥＡに適度な水分を有するように水のミストが含まれる場合がある。このように、隣接するセパレータ１０同士が電解質膜ＥＦを狭持することにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されないようになっている。なお、燃料電池の詳細な構造については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。

セパレータ１０は、図２に示すように、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２を備えており、第１セパレータ本体１１と第２セパレータ本体１２間に第１フレーム１３および第２フレーム１４を狭持して一体的に構成される。そして、これらの各部材は、かしめリング１５によってかしめられて、図３に示すように、セパレータ１０が形成される。

第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２は、ともに同一の構造とされていて、その一側にて燃料電池スタックの外部から供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス（以下、これらをまとめて単にガスともいう）をＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する。そして、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２は、その他側にて、互いに当接されて、セパレータ１０の外形を形成する。

これら第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２は、薄肉の金属板１１ａ，１２ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、この金属板１１ａ，１２ａの略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の窪み部１１ｂ、１２ｂが形成されている。なお、金属板１１ａ，１２ａとしては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。また、本実施形態においては、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２を金属板１１ａ，１２ａから形成するように実施するが、これに代えて、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２をカーボンなどから形成することも可能である。

そして、窪み部１１ｂ、１２ｂ内には、導通部を構成するガス導入口１１ｃ，１２ｃと、同導入口１１ｃ，１２ｃと対向する位置にガス排出口１１ｄ，１２ｄが形成されている。ガス導入口１１ｃ，１２ｃは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを窪み部１１ｂ、１２ｂ内に取り込むとともに、積層された他のセパレータ１０にガスを流通する。ガス排出口１１ｄ，１２ｄも、略長楕円とされた貫通孔であり、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥにて未反応のガスを窪み部１１ｂ、１２ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応のガスを流通する。

また、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の金属板１１ａ，１２ａには、導通部を構成するガス導通口１１ｅ，１２ｅと、同道通口１１ｅ，１２ｅと対向する位置にガス導出口１１ｆ，１２ｆが形成されている。ガス導通口１１ｅ，１２ｅは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを他側に隣接する第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２のガス導入口１１ｃ，１２ｃに流通するとともに、積層された他のセパレータ１０に対して燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口１１ｆ，１２ｆも、略長楕円とされた貫通孔であり、他側に接する第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２のガス排出口１１ｄ，１２ｄからの未反応のガスを流通するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。

また、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の金属板１１ａ，１２ａの外周縁部分には、窪み部１１ｂ、１２ｂの形成方向に所定長さ（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ略直角に折り曲げられた折曲部１１ｇ，１２ｇが形成されている。そして、折曲部１１ｇ，１２ｇの先端部分は、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の外方に折り曲げられていて、フランジ部１１ｈ，１２ｈが形成されている。そして、窪み部１１ｂ、１２ｂ（詳しくは、窪み部１１ｂ、１２ｂの立設面）、折曲部１１ｇ，１２ｇおよびフランジ部１１ｈ，１２ｈによって、金属板１１ａ，１２ａの外周縁部分に凸形状が形成される。

第１フレーム１３および第２フレーム１４は、ともに同一の構造とされていて、第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２にその一側にて固着されて、セパレータ１０のガス導入口１１ｃ，１２ｃおよびガス排出口１１ｄ，１２ｄを導通するガスをシールするものである。このため、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１１ｂまたは窪み部１２ｂの所定深さと略同一の板厚とされた薄肉の樹脂板本体１３ａ，１４ａから成形されている。なお、樹脂板としては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。

そして、樹脂板本体１３ａ，１４ａの略中央部分には、窪み部１１ｂ、１２ｂの外形と相似形であり、窪み部１１ｂ、１２ｂの外形寸法に比して僅かに大きい収容孔１３ｂ，１４ｂが形成されている。また、樹脂板本体１３ａ，１４ａには、第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２の窪み部１１ｂ、１２ｂを収容した状態で、ガス導通口１１ｅ，１２ｅおよびガス導出口１１ｆ，１２ｆの各貫通孔に対応する位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄが形成されている。

ここで、収容孔１３ｂ，１４ｂおよび貫通孔１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄは、板厚管理された樹脂板本体１３ａ，１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、収容孔１３ｂ，１４ｂおよび貫通孔１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。

かしめリング１５は、第１セパレータ本体１１、第１フレーム１３、第２フレーム１４および第２セパレータ本体１２が順に積層された状態で、これらを一体的にかしめるものである。かしめリング１５は、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｅ，１２ｅおよびガス導出口１１ｆ，１２ｆの開口寸法に比して僅かに小さい外形寸法を有しており、各開口の形状と相似の形状とされている。そして、かしめリング１５は、図３のＡ−Ａ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図４（ａ）および（ｃ）に示すように、その端部が外方（第１セパレータ本体１１と第２セパレータ本体１２の表面に接触する方向）に折り曲げられる。これにより、かしめリング１５は、第１セパレータ本体１１、第１フレーム１３、第２フレーム１４および第２セパレータ本体１２を一体的にかしめる。

このように構成されたセパレータ１０は、その窪み部１１ｂ、１２ｂ内にて、外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスをＭＥＡに効率よく接触させるとともに電極反応によって発電された電気を集電するガス流路形成部材２０を収容する。ガス流路形成部材２０は、図５に示すように、多数の小径の貫通孔が網目状に形成された薄肉金属板（以下、この薄肉金属板をエキスパンドメタルＥＭという）から形成される。このエキスパンドメタルＥＭは、例えば、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレス）であって、多数形成される孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされている。ここで、エキスパンドメタルＥＭについては、周知の成形方法によって製造されるものであるが、以下に簡単に説明しておく。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、エキスパンドメタルＥＭの製造工程を概略的に示している。エキスパンドメタルＥＭは、図６（ａ）に示すように、素材Ｓ（薄肉金属板）を送りローラＯＲによって上刃ＵＤおよび下刃ＬＤからなる刃型Ｄに送る。刃型Ｄの上刃ＵＤおよび下刃ＬＤの刃部は、図６（ｂ）に拡大して示すように、素材Ｓに対して千鳥配置に切れ目を順次加工するように形成されている。そして、上刃ＵＤは、上下動することにより、素材Ｓに対して順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに、下降位置にて加工した切れ目を押し延ばし、素材Ｓに段状の網目を形成する（この段状の網目が形成された素材ＳをランスカットメタルＲＭという）。

次に、段状の網目が形成されたランスカットメタルＲＭは、図６（ｃ）に示すように、圧延ローラＡＲによって平面状に圧延される。このように、ランスカットメタルＲＭが圧延されることにより、ランスカットメタルＲＭの段を形成しているストランドやボンド部が略平板状とされる。これにより、図５に示すような、所定の孔径を有したエキスパンドメタルＥＭが製造される。なお、エキスパンドメタルＥＭの製造については、上記製造方法に限定されることなく、他の製造方法を利用して製造可能であることはいうまでもない。

また、本実施形態においては、エキスパンドメタルＥＭを採用してガス流路形成部材２０を形成するように実施するが、他の多孔板（例えば、所謂パンチングメタルなど）を採用して実施することも可能である。しかしながら、例えば、パンチングメタルを製造する際には、打ち抜き成形により薄肉金属板に貫通孔を形成するため、材料の歩留まりが悪化する。このため、切れ目を押し延ばすことにより材料の歩留まりが良好なエキスパンドメタルＥＭを採用することが望ましい。

そして、ガス流路形成部材２０は、上記したエキスパンドメタルＥＭに対して、成形幅が幅広の筋状凹部２１と、同筋状凹部２１の成形幅に比して小幅の筋状凸部２２とが成形されて構成される。以下、この筋状凹部２１および筋状凸部２２の成形について説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、エキスパンドメタルＥＭに筋状の凹凸部を成形する筋状凹凸部成形工程を概略的に示している。この筋状凹凸部成形工程は、エキスパンドメタルＥＭの幅方向（図７において紙面垂直方向）全体に対して、筋状凹部２１を成形するための凹部および筋状凸部２２を成形するための凸部が形成された下型ＳＧと、上下動可能とされて下型ＳＧに形成された凹部に進入してエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２を成形するパンチＰと、同パンチＰの成形中においてエキスパンドメタルＥＭを固定する先行パッドＳＰとを備える筋状凹凸部成形機を利用する。

筋状凹凸部成形工程は、まず、図７（ａ）に示すように、前回の成形サイクルにより成形された筋状凹部２１および筋状凸部２２を一段送り、下型ＳＧ上に載置する。続いて、図７（ｂ）に示すように、先行パッドＳＰを、前回の成形サイクルにより成形した筋状凹部２１方向に下降させて、エキスパンドメタルＥＭを下型ＳＧとともに狭持して固定する。このように、エキスパンドメタルＥＭを固定した状態で、図７（ｃ）に示すように、パンチＰを、下型ＳＧに形成された凹部方向に、エキスパンドメタルＥＭとともに下降させることによって、エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２が成形される。

このように、図７（ａ）〜（ｃ）によって概略的に表される成形サイクルを繰り返すことにより、エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２を連続的に成形することができる。なお、図７（ｃ）に示す工程において、矢印で示す方向にエキスパンドメタルＥＭを送ることによって、筋状凹部２１および筋状凸部２２の成形に際して、例えば、エキスパンドメタルＥＭの割れや破れを効果的に防止することができる。また、略平板状としたエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２を成形することにより、筋状凹部２１および筋状凸部２２を正確に成形することができる。

この筋状凹凸部成形工程によって筋状凹部２１および筋状凸部２２が連続的に成形されたエキスパンドメタルＥＭは、所定長さおよび所定幅となるように、詳しくは、後述するＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥの大きさと略同一の大きさの正方形となるように切断されて、ガス流路形成部材２０が形成される。そして、ガス流路形成部材２０は、セパレータ１０の窪み部１１ｂ、１２ｂに収容される際には、セパレータ１０間に配置されるＭＥＡのアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥに対して、筋状凹部２１が接触するように収容される。

また、セパレータ１０は、ガス流路形成部材２０を窪み部１１ｂ、１２ｂに収容した状態で、図８に概略的に示すように、隣接するセパレータ１０間にＭＥＡを配置して積層される。このセパレータ１０の積層において、セパレータ１０のかしめリング１５の折り曲げ部分は、第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２の窪み部１１ｂ、１２ｂ内に収容される。このため、隣接するセパレータ１０同士は、かしめリング１５の折り曲げ部分を逃がした状態で積層されるため、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。

このように、セパレータ１０、ガス流路形成部材２０およびＭＥＡが積層された燃料電池スタックにおいては、外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、第１セパレータ本体１１のガス導入口１１ｃから窪み部１１ｂ内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１ｃを通過して第２セパレータ本体１２のガス導通口１２ｅに流れて、隣接するセパレータ１０の第１セパレータ本体１１のガス導入口１１ｃに燃料ガスが供給される。

ガス導入口１１ｃによって窪み部１１ｂ内に取り込まれた燃料ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、燃料ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出口１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、第１セパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通って第２セパレータ本体１２のガス導入口１２ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、ガス導入口１２ｃを通過して隣接するセパレータ１０の第１セパレータ本体１１のガス導通口１１ｅに酸化剤ガスが供給される。

ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の酸化剤ガスは、ガス排出口１２ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

また、燃料ガスまたは酸化剤ガスが窪み部１１ｂ、１２ｂ内に導入されると、導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０によって、そのガス濃度勾配が均等化されて窪み部１１ｂ、１２ｂ内を導通する。これを、図９を用いて、以下に詳細に説明する。

図９（ａ）は、薄肉金属板に筋状のガス流路が形成されて従来から一般的なセパレータを用いた単セルを比較のために概略的に示している。この単セルにおいては、導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスが、ガス流路を介して、ＭＥＡのアノード電極またはカソード電極に供給される。このとき、アノード電極およびカソード電極の電極反応領域は、ガスがガス流路の壁面を通過（透過）することができないため、ガス流路近傍の領域に限定される。この結果、全電極反応領域に対し有効な電極反応領域が小さい、言い換えると、全電極反応領域に対してガス濃度勾配が不均一であるため、電極反応効率の向上が望めない。

これに対して、本実施形態に係るガス流路形成部材２０は、上述したように、多数の小径の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタルＥＭを用いていて、同エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２を連続的に成形して形成されている。このため、ガス流路形成部材２０が窪み部１１ｂ、１２ｂ内に収容された状態では、例えば、筋状凹部２１に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスが、図９（ｂ）に概略的に示すように、多数の貫通孔を通過して、窪み部１１ｂ、１２ｂの全体に広がることができる。これにより、窪み部１１ｂ、１２ｂ内のガス濃度勾配が均一化され、アノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥの電極反応領域は、形成したアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥの全面となる。この結果、有効な電極反応領域を充分に確保することができ、アノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥが供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスと効率よく電極反応することにより、電極反応効率を向上させることができる。

また、ガス流路形成部材２０は、薄肉のエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部２１および筋状凸部２２が形成されているため、窪み部１１ｂ、１２ｂ内を導通する際のガスの抵抗すなわち圧力損失を低減することができる。さらに、窪み部１１ｂ、１２ｂ内に導入されたガスが多数の小径の貫通孔を通過する際に抵抗も小さくすることができる。このように、窪み部１１ｂ、１２ｂ内を導通するガスは、スムーズに導通することができるため、ガスとアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥとの反応を促進することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

一方で、電極反応の反応効率が向上すると、ＭＥＡによって、効率よく電気が発電される。この発電された電気は、ガス流路形成部材２０、第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、ガス流路形成部材２０は、ＭＥＡ（詳しくはカーボンクロスＣＣ）に対して接触面積が大きくなるように、筋状凹部２１にて接触するように窪み部１１ｂ、１２ｂ内に収容される。また、ガス流路形成部材２０の全体に対して、均等に多数の小径の貫通孔が形成されていることによっても、単位体積当たりの表面積すなわちＭＥＡとの接触面積が大きくなる。このように、ガス流路形成部材２０に対して微細で多数の接触部分を全体に均等に存在させて、ＭＥＡとの接触面積を大きくすることにより、ＭＥＡで発電された電気を集電する際の抵抗（集電抵抗）を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よくすなわち集電効率を向上させて集電することができる。

以上の説明からも理解できるように、この第１実施形態によれば、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２に凸形状が形成されることによって形成される窪み部１１ｂ、１２ｂ内にガス流路形成部材２０を配置することができるため、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を別途設ける必要がない。このため、部品点数を低減することができて、燃料電池の製造コストを低減することができる。

また、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２に形成された凸形状と、積層される他のセパレータ１０の第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２に形成された凸形状とを互いに当接させることにより、例えば、樹脂などによって形成されるシール部材やフレームに比して、スタックの組立てに必要な締め付け力や経年変化による寸法変化を極めて小さくすることができる。

これにより、ガス流路形成部材２０によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、供給ガス量の低下に伴うＭＥＡの電極反応効率を低下させることがなくて、燃料電池の発電効率を長期にわたり維持することができる。また、第１セパレータ本体１１，１２とガス流路形成部材２０とを別部材として形成することにより、例えば、それぞれの部材の成形形状に応じて、成形性の良好な材料をそれぞれ選択することができる。これにより、各部材の製造コストを低減することができる。

また、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２間に第１フレーム１３および第２フレーム１４を積層することにより、燃料電池内に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのインナーマニホールドを気密性よく形成することができ、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、効率よく燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給・排出することができる。また、第１フレーム１３および第２フレーム１４が第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の凸形状内部に収容（充填）されることにより、燃料電池スタックの組立てに必要な締め付け力による第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の寸法変化、特に、窪み部１１ｂ、１２ｂの成形高さ方向の寸法変化を効果的に防止することができる。したがって、ガス流路形成部材２０によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。

上記第１実施形態においては、セパレータ１０が第１セパレータ本体１１と第２セパレータ本体１２を備えて、同セパレータ本体１１，１２間に第１フレーム１３および第２フレーム１４を狭持する構成とした。そして、セパレータ１０の窪み部１１ｂ、１２ｂ内にガス流路形成部材２０を収容することによって、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を省略するように実施した。これに対して、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を省略するとともに、第１セパレータ本体１１または第２セパレータ本体１２のいずれか一方および第１フレーム１３または第２フレーム１４のいずれか一方を省略してセパレータ１０を構成することも可能である。以下、この第１変形例について詳細に説明する。なお、本第１変形例においては、上記第１実施形態の第２セパレータ本体１２および第１フレーム１３を省略し、セパレータ本体１１およびフレーム１４とから構成されたセパレータ１０について説明する。また、この第１変形例の説明においては、上記第１実施形態と同一部分に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

上記第１実施形態においては、薄板の金属板１１ａの略中央部分に所定深さの窪み部１１ｂを形成するとともに、その外周縁部分に折曲部１１ｇおよびフランジ部１１ｈを形成して金属板１１ａの外周縁部分に凸形状を構成し、第１セパレータ本体１１を形成した。これに対し、第１変形例のセパレータ本体１１は、図１０に示すように、平板状の金属板１１ａに形成したガス導入口１１ｃ、ガス排出口１１ｄ、ガス導通口１１ｅおよびガス導出口１１ｆを包囲するように所定幅および所定高さ（例えば、０．５ｍｍ程度）を有して、金属板１１ａの表面側へ突出して形成された凸形状部１１ｉを備えている。具体的に説明すると、凸形状部１１ｉは、ガス導入口１１ｃおよびガス排出口１１ｄを包囲するとともに、ガス流路形成部材２０を収容する収容部分を形成する凸形状部１１ｉ１と、同凸形状部１１ｉ１と一部が接触して、ガス導通口１１ｅとガス導出口１１ｆとをそれぞれ包囲する凸形状部１１ｉ２とから形成されている。

フレーム１４は、セパレータ本体１１の裏面側にて固着されて、セパレータ１０のガス導入口１１ｃ、ガス排出口１１ｄ、ガス導通口１１ｅおよびガス導出口１１ｆを導通するガスをシールするものである。このため、フレーム１４は、セパレータ本体１１の外形寸法と略同一の外形寸法とされた薄肉の樹脂板本体１４ａから形成されている。なお、樹脂板としては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。

そして、樹脂板本体１４ａの略中央部分には、セパレータ本体１１を積層した状態で、セパレータ本体１１に形成されたガス導通口１１ｅおよびガス導出口１１ｆを包囲するように形成された略長楕円形状の貫通孔１４ｂが形成されている。そして、この貫通孔１４ｂは、その長手方向にてガス流路形成部材２０の筋状凹部２１および筋状凸部２２の筋状形成方向が一致するように、ガス流路形成部材２０を収容するための収容部分を形成するようになっている。また、樹脂板本体１４ａには、セパレータ本体１１を積層した状態で、ガス導入口１１ｃおよびガス排出口１１ｄの各貫通孔に対応した位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１４ｃ，１４ｄが形成されている。ここで、貫通孔１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、板厚管理された樹脂板本体１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、フレーム１４は、貫通孔１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有するように、例えば、射出形成によって成形可能であることはいうまでもない。

このように構成されたセパレータ１０は、上記第１実施形態と同様に形成されたガス流路形成部材２０を収容する。具体的に説明すると、ガス流路形成部材２０は、セパレータ本体１１の凸形状部１１ｉ１によって形成された収容部分に収容される。また、ガス流路形成部材２０は、フレーム１４の貫通孔１４ｂによって形成された収容部分にも収容される。ここで、ガス流路形成部材２０は、セパレータ１０に収容される際には、セパレータ１０間に配置されるＭＥＡのアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥに対して、筋状凹部２１が接触するように収容される。そして、収容されたガス流路形成部材２０は、収容部分に収容された状態からの脱落を防止するためのバックアッププレート３０により保持される。バックアッププレート３０は、ガス流路形成部材２０にその一側にて固着されるとともに、セパレータ本体１１の金属板１１ａに固定される。また、バックアッププレート３０は、薄肉の樹脂板から成形されており、セパレータ１０がＭＥＡとともに単セルを形成した際には、ガス流路形成部材２０とＭＥＡとの間に狭持されることにより、シール性を確保するようになっている。

そして、セパレータ１０は、ガス流路形成部材２０を収容した状態で、図１１に概略的に示すように、隣接するセパレータ１０間にＭＥＡを配置して積層されて、燃料電池スタックを形成する。このように、セパレータ１０、ガス流路形成部材２０およびＭＥＡが積層された燃料電池スタックにおいては、外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、セパレータ本体１１のガス導入口１１ｃから収容部分内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１ｃおよびフレーム１４の貫通孔１４ｃを通過して、隣接するセパレータ１０のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃに燃料ガスが供給される。ガス導入口１１ｃによって収容部分内に取り込まれた燃料ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、燃料ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出口１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、セパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通って裏面側に固着されたフレーム１４の貫通孔１４ｂによって形成された収容部分内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、隣接するセパレータ１０のセパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通過して、隣接するセパレータ１０のフレーム１４の貫通孔１４ｂ酸化剤ガスが供給される。フレーム１４の収容部分内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の酸化剤ガスは、ガス導出口１１ｆに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

以上の説明からも理解できるように、この第１変形例によれば、セパレータ本体１１に凸形状部１１ｉが形成されることによって形成される収容部分内にガス流路形成部材２０を配置することができるため、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を別途設ける必要がない。このため、部品点数を低減することができて、燃料電池の製造コストを低減することができる。また、フレーム１４に形成された貫通孔１４ｂによって形成される収容部分内にガス流路形成部材２０を収容するため、上記第１実施形態に比してフレーム１４の厳密な板厚管理が必要となるものの、セパレータ１０の構成において第２セパレータ本体１２およびフレーム１３を省略することができるため、さらに、燃料電池の成形コストを低減することができる。

一方で、セパレータ本体１１に形成された凸形状部１１ｉによって形成される収容部分内にガス流路形成部材２０が収容されることにより、ガス流路形成部材２０によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、供給ガス量の低下に伴うＭＥＡの電極反応効率を低下させることがなくて、燃料電池の発電効率を長期にわたり維持することができる。また、セパレータ本体１１とガス流路形成部材２０とを別部材として形成することにより、例えば、それぞれの部材の成形形状に応じて、成形性の良好な材料をそれぞれ選択することができる。これにより、各部材の製造コストを低減することができる。

また、上記第１実施形態においては、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２に形成された窪み部１１ｂ、１２ｂを収容して第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２の積層を容易にするとともに、これらセパレータ本体１１，１２間を導通するガスをシールする第１フレーム１３および第２フレーム１４を設けてセパレータ１０を構成した。ところで、上記第１変形例のセパレータ本体１１では、金属板１１ａの表面側に突出する凸形状部１１ｉを形成したため、その裏面側は平板状とされている。このため、上記第１実施形態のように、セパレータ１０を第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２すなわち２枚のセパレータ本体から形成する場合には、上記第１実施形態の第１フレーム１３および第２フレーム１４を省略して構成することもできる。以下、この第２変形例を説明する。なお、この第２変形例において、セパレータ１０を構成する２枚のセパレータ本体は、上記第１変形例のセパレータ本体１１と同様であるため、同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２変形例におけるセパレータ１０は、図１２に示すように、２枚のセパレータ本体１１が互いにその裏面側にて一体的に固着されて構成される。具体的に説明すると、これらセパレータ本体１１は、一側のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃとガス排出口１１ｄに対して、他側のセパレータ本体１１のガス導通口１１ｅとガス導出口１１ｆとが一致するように固着される。なお、この２枚のセパレータ本体１１の固着に際しては、接着剤を利用して固着したり、２枚のセパレータ本体１１同士を互いにかしめたりして固着することができる。そして、このように構成されたセパレータ１０は、各セパレータ本体１１に形成された収容部分にガス流路形成部材２０を収容する。ここで、ガス流路形成部材２０は、セパレータ本体１１に収容される際には、セパレータ１０間に配置されるＭＥＡのアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥに対して、筋状凹部２１が接触するように収容される。また、この第２変形例においても、収容されたガス流路形成部材２０は、バックアッププレート３０により、収容された状態からの脱落が防止されるようになっている。

そして、セパレータ１０は、ガス流路形成部材２０を収容した状態で、図１３に概略的に示すように、隣接するセパレータ１０間にＭＥＡを配置して積層されて、燃料電池スタックを形成する。なお、セパレータ１０の積層に関しては、例えば、セパレータ本体１１の凸形状部１１ｉの所定幅を有した頂面に接着剤を塗布しておき、セパレータ１０を積層するとよい。これにより、導通するガスは、塗布した接着剤によってシールされるため、ガスの漏出を防止することができる。このように、セパレータ１０、ガス流路形成部材２０およびＭＥＡが積層された燃料電池スタックにおいては、外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、一側のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃから収容部分内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１ｃおよび他側のセパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通過して、隣接するセパレータ１０の一側のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃに燃料ガスが供給される。

ガス導入口１１ｃによって収容部分内に取り込まれた燃料ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、燃料ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出口１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、一側のセパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通って他側のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、他側のセパレータ本体１１の収容部分内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、隣接するセパレータ１０の一側のセパレータ本体１１のガス導通口１１ｅを通過して、隣接するセパレータ１０の他側のセパレータ本体１１のガス導入口１１ｃに供給される。他側のセパレータ本体１１の収容部分内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０を通過する。これにより、酸化剤ガスは、ガス流路形成部材２０の上面側に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の酸化剤ガスは、ガス導出口１１ｆに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。

以上の説明からも理解できるように、この第２変形例によっても、セパレータ本体１１に凸形状部１１ｉが形成されることによって形成される収容部分内にガス流路形成部材２０を配置することができるため、ガス流路を形成するためのシール部材（フレーム）を別途設ける必要がない。このため、部品点数を低減することができて、燃料電池の製造コストを低減することができる。また、セパレータ本体１１同士の確実な固着が必要となるものの、上記第１実施形態の構成に対して２枚のセパレータ本体１１間に第１フレーム１３および第２フレーム１４の配置を省略して構成することができるため、さらに、燃料電池の成形コストを低減することができる。

また、セパレータ本体１１に形成された凸形状部１１ｉによって形成される収容部分内にガス流路形成部材２０が収容されることにより、ガス流路形成部材２０によって形成されるガス流路が常に良好に確保されるため、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、良好に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、供給ガス量の低下に伴うＭＥＡの電極反応効率を低下させることがなくて、燃料電池の発電効率を長期にわたり維持することができる。また、セパレータ本体１１とガス流路形成部材２０とを別部材として形成することにより、例えば、それぞれの部材の成形形状に応じて、成形性の良好な材料をそれぞれ選択することができる。これにより、各部材の製造コストを低減することができる。

上記第１実施形態においては、単セル内に燃料ガスおよび酸化剤ガスを導入する導入部（インナーマニホールド）を、第１セパレータ本体１１および第２セパレータ本体１２に形成したガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｅ，１２ｅおよびガス導出口１１ｆ，１２ｆによって構成して実施した。この場合、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが空気であり、特に、外気を直接単セルのカソード電極ＣＥ側に導入可能に燃料電池を設置する場合には、酸化剤ガスを供給および排出するためのインナーマニホールドを省略することが可能である。以下、この第２実施形態について詳細に説明する。

この第２実施形態においては、燃料電池用セパレータ１１０（以下、単にセパレータ１１０という）が、図１４に示すように構成される。そして、第２実施形態における単セルは、図１１に示すように、２つのセパレータ１１０間にＭＥＡを狭持することによって構成される。さらに、単セルを多数積層することによって、燃料電池スタックが形成される。

セパレータ１１０は、導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体１１１を備えている。セパレータ本体１１１は、薄肉の金属板１１１ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、この金属板１１１ａの略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の窪み部１１１ｂが形成されている。なお、金属板１１１ａとしては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。

そして、窪み部１１１ｂ内には、ガス導入口１１１ｃと、同ガス導入口１１１ｃと対向する位置にガス排出口１１１ｄが形成されている。ガス導入口１１１ｃは、略長楕円とされた貫通孔であり、例えば、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための図示しない燃料ガス供給装置から供給された燃料ガス（水素ガスなど）を窪み部１１１ｂ内に導入するとともに、積層された他のセパレータ１１０に対して燃料ガスを流通する。ガス排出口１１１ｄも略長楕円とされた貫通孔であり、窪み部１１１ｂ内を導通した未反応の燃料ガスを窪み部１１１ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応の燃料ガスを外部に流通する。

また、金属板１１１ａの外周縁部分には、窪み部１１１ｂの形成方向に所定長さ（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ略直角に折り曲げられた折曲部１１１ｇが形成されている。そして、折曲部１１１ｇの先端部分は、セパレータ本体１１１の外報に折り曲げられていて、フランジ部１１１ｈが形成されている。そして、窪み部１１１ｂ（詳しくは、窪み部１１１ｂの立設面）、折曲部１１１ｇおよびフランジ部１１１ｈによって、セパレータ本体１１１の金属板１１１ａの外周縁部分に凸形状が形成される。

また、セパレータ１１０は、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂの裏面側にて固着されて、酸化剤ガスとしての空気を導通する空気導通空間を形成するとともに、ガス導入口１１１ｃおよびガス排出口１１１ｄを導通する燃料ガスをシールするスペーサ１１２を備えている。スペーサ１１２は、その長手方向寸法がセパレータ本体１１１の幅寸法と略同一で所定の幅寸法とされるとともに、後述するガス流路形成部材１２０の厚さ寸法に比して僅かに小さい板厚とされた薄肉の樹脂板から成形されている。そして、スペーサ１１２の略中央部分には、セパレータ本体１１１のガス導入口１１１ｃおよびガス排出口１１１ｄの貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１１２ａが形成されている。ここで、スペーサ１１２の貫通孔１１２ａは、樹脂板に対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、スペーサ１１２は、貫通孔１１２ａを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。

このように構成されたセパレータ１１０は、窪み部１１１ｂ内および同窪み部１１１ｂの裏面側にてスペーサ１１２により形成された空気導通空間内にガス流路形成部材１２０を収容している。ガス流路形成部材１２０は、上述した第１実施形態のガス流路形成部材２０と同様に、多数の小径の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタルＥＭから形成される。そして、上述した筋状凹凸部成形工程により、このエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２１および筋状凸部１２２を連続的に成形する。ここで、成形される筋状凹部１２１および筋状凸部１２２の成形高さすなわちガス流路形成部材１２０の厚さ寸法は、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂの深さ寸法およびスペーサ１１２の板厚寸法に比して、僅かに大きな成形高さとされている。なお、筋状凹部１２１および筋状凸部１２２の成形に関しては、上述した第１実施形態の筋状凹部２１および筋状凸部２２と同様に成形されるため、その詳細な説明を省略する。このように、筋状凹部１２１および筋状凸部１２２が成形されたエキスパンドメタルＥＭは、所定の大きさに成形されて、ガス流路形成部材１２０が形成される。

具体的に説明すると、図１４に示すように、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂ内に収容されるガス流路形成部材１２０は、ガス導入口１１１ｃから導入された燃料ガスがガス排出口１１１ｄ方向へ導通可能となるように、すなわち、ガス導入口１１１ｃとガス排出口１１１ｄの配置方向に対して筋状凹部１２１および筋状凸部１２２が略平行となるように成形される。一方、窪み部１１１ｂの裏面側に形成されたガス導通空間内に収容されるガス流路形成部材１２０は、その幅がセパレータ本体１１１の幅と略同一とされるとともに、燃料電池スタックの側面方向（セパレータ本体１１１の幅方向）から空気を導通可能となるように、言い換えると、窪み部１１１ｂ内に収容されるガス流路形成部材１２０の筋状凹部１２１および筋状凸部１２２と略直交するように成形される。そして、ガス流路形成部材１２０は、セパレータ１０の窪み部１１１ｂ内または空気導通空間内に収容される際には、セパレータ１１０間に配置されるＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに対して、筋状凹部１２１が接触するように収容される。なお、この第２実施形態においても、エキスパンドメタルＥＭの採用に代えて、他の他孔板（例えば、パンチングメタルなど）を採用することも可能である。

そして、ガス流路形成部材１２０は、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂおよび空気導通空間内に収容された状態からの脱落を防止するためのバックアッププレート１３０により保持される。バックアッププレート１３０は、ガス流路形成部材１２０にその一側にて固着されるとともに、セパレータ本体１１１の金属板１１１ａおよびスペーサ１１２に固定される。また、バックアッププレート１３０は、薄肉の樹脂板から成形されており、セパレータ１１０がＭＥＡとともに単セルを形成した際には、ガス流路形成部材１２０とＭＥＡとの間に狭持されることにより、シール性を確保するようになっている。

以上のように構成されたセパレータ１１０は、図１５に示すように、他のセパレータ１１０とともにＭＥＡを狭持した状態で、例えば、接着剤などによって一体的に固着されることにより、単セルを構成する。ここで、ＭＥＡは、上記第１実施形態と同様に構成されるものであるが、その形状が略長方形とされたガス流路形成部材１２０に合わせて略長方形状とされている。このように、単セルを形成した状態においては、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂの所定深さおよびスペーサ１１２の板厚がガス流路形成部材１２０の筋状凹部１２１および筋状凸部１２２の成形高さよりも僅かに小さいため、筋状凹部１２１がセパレータ本体１１１によってＭＥＡ側に若干押圧された状態で固着される。これにより、ガス流路形成部材１２０とＭＥＡとの接触状態を良好に保つことができる。そして、形成された単セルは、多数積層されることにより、燃料電池スタックを構成する。

このように構成された燃料電池スタックにおいては、積層された単セル間で、スペーサ１１２の貫通孔１１２ａを介して、ガス導入口１１１ｃが燃料ガスを導入するための導入インナーマニホールドを形成し、ガス排出口１１１ｄが未反応の燃料ガスを排出するための排出インナーマニホールドを形成している。このため、導入インナーマニホールドを介して、燃料ガスが外部から導入されると、導入された燃料ガスは、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ｂ内に導入される。また、空気は、燃料電池スタックの側面すなわちセパレータ１１０の幅方向側から直接空気導通空間内に導入される。導入された燃料ガスおよび空気は、上記第１実施形態と同様に、ガス流路形成部材１２０によってそのガス濃度勾配が均一とされることにより、ＭＥＡのアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥにおける電極反応の反応効率が高められる。

また、ガス流路形成部材１２０は、薄肉のエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２１および筋状凸部１２２が形成されているため、窪み部１１１ｂまたは空気導通空間内を導通する際のガスの抵抗すなわち圧力損失を低減することができる。さらに、窪み部１１１ｂまたは空気導通空間内に導入されたガスが多数の小径の貫通孔を通過する際に抵抗も小さくすることができる。このように、窪み部１１１ｂまたは空気導通空間内を導通するガスは、スムーズに導通することができるため、ガスとアノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥとの反応を促進することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、電極反応の反応効率が向上すると、ＭＥＡによって、効率よく電気が発電される。この発電された電気は、ガス流路形成部材１２０およびセパレータ本体１１１を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、ガス流路形成部材１２０は、ＭＥＡ（詳しくはカーボンクロスＣＣ）に対して、接触面積が大きくなるように筋状凹部１２１にて接触するように単セルが構成されている。このように、ＭＥＡに接触面積を大きくして接触することにより、ＭＥＡで発電された電気の集電抵抗を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よくすなわち集電効率を向上させて集電することができる。

以上の説明からも理解できるように、この第２実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、この第２実施形態のように構成された燃料電池スタックにおいては、ガス流路形成部材１２０の幅寸法がセパレータ１１０の幅寸法と略同一とされており、筋状凹部１２１および筋状凸部１２２が幅方向に形成されているため、ガス流路形成部材１２０が外部と連通した状態であり、燃料電池スタックの側面から酸化剤ガスとしての空気を供給して排出することができる。このため、燃料電池スタック内に空気を直接供給するためのガス供給インナーマニホールドや空気を排出すためのガス排出インナーマニホールドを設ける必要がなく、燃料電池スタックを小型化することが可能となる。

また、本発明は、上記各実施形態または上記各変形例に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記第１実施形態における第１セパレータ本体１１の外周縁部分に形成した凸形状内側に第１および第２フレーム１３，１４を収容（充填）して実施した。一方、第２実施形態におけるセパレータ本体１１１の外周縁部分に形成した凸形状内側には、スペーサ１１２を収容（充填）せずに実施した。しかしながら、燃料電池スタックを形成する際の締め付け力に応じて、適宜、第１実施形態においては第１フレーム１３または第２フレーム１４の一方を省略したり、第２実施形態においては凸形状内側に別途充填部材を収容させて、締め付け力によるセパレータ１１０の変形を防止することも可能である。

また、上記第１実施形態においては、第１フレーム１３と第２フレーム１４を別体として構成したが、これら２つのフレームを一体化して実施することも可能である。また、スペーサ１１２と前記充填部材と一体的に成形して実施することも可能である。

また、上記各実施形態においては、薄肉金属板であるエキスパンドメタルＥＭからガス流路形成部材２０，１２０を形成するように実施したが、多数の貫通孔が形成可能であり、かつ、良好な導電性を有する材料（例えば、カーボンや導電性を有する樹脂材料など）からガス流路形成部材２０，１２０を形成することも可能である。この場合、上記各実施形態のガス流路形成部材２０，１２０に比して、機械的強度が劣る場合があるが、この点を除けば、上記各実施形態と同様の効果を得ることができ、燃料電池自体の軽量化を達成することができる。

さらに、上記各実施形態においては、ガス流路形成部材２０，１２０を多数の貫通孔を有する材料から成形するように実施したが、燃料電池の用途に応じて、例えば、多数の貫通孔を有しない薄肉金属板に対して単に筋状凹部２１，１２１および筋状凸部２２，１２２を成形してガス流路形成部材とすることも可能である。この場合であっても、ＭＥＡにおける反応効率が低減することを除けば、上記各実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、より安価な燃料電池を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータが積層されて燃料電池スタックを形成した状態の概略を説明するための断面図である。 図１の燃料電池スタックを構成する燃料電池用セパレータの構成を説明するための概略的な分解斜視図ある。 図２の燃料電池セパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の燃料電池セパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。 図１のガス流路形成部材を形成するエキスパンドメタルを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図５のエキスパンドメタルを成形する工程を説明するために概略的に示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１のガス流路形成部材の筋状凹部および筋状凸部を成形する工程を説明するために概略的に示した図である。 図１の燃料電池セパレータの積層状態を説明するための概略的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、ガス導通空間内におけるガスの拡散を説明するための概略図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池用セパレータの構成を説明するための概略的な分解斜視図である。 図１０の燃料電池用セパレータによって構成される単セルを説明するための部分的な分解斜視図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例に係る燃料電池用セパレータの構成を説明するための概略的な分解斜視図である。 図１２の燃料電池用セパレータによって構成される単セルを説明するための部分的な分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成を説明するための概略的な分解斜視図である。 図１４の燃料電池用セパレータによって構成される単セルを説明するための概略的な分解斜視図ある。

符号の説明

１０，１１０…燃料電池用セパレータ、１１，１２，１１１…セパレータ本体、１１ａ，１２ａ，１１１ａ…金属板、１１ｂ，１２ｂ，１１１ｂ…窪み部、１３，１４…フレーム、２０，１２０…ガス流路形成部材、２１，１２１…筋状凹部、２２，１２２…筋状凸部、ＥＭ…エキスパンドメタル

Claims (8)

1. 燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
   平板の外周縁部分にて、同平板の一面側に突出する凸形状が形成されて、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止するセパレータ本体と、
   前記セパレータ本体と前記電極層との間にて前記ガス流路を形成するとともに前記電極構造体によって発電された電気を集電するガス流路形成部材とを備え、
   前記ガス流路形成部材が、前記セパレータ本体の外周縁部分に形成された凸形状によって前記セパレータ本体の略中央部分に形成された窪み形状内に配置されて構成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記平板の他面側であって前記セパレータ本体の窪み形状に対応する位置にて、さらに、ガス流路形成部材を配置する構成とし、
   前記セパレータ本体の窪み形状に対応する位置にて配置されるガス流路形成部材は、
   その幅方向の寸法が前記セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の寸法に形成されるとともに前記ガス流路を前記セパレータ本体の前記幅方向に形成しており、
   電極層に対して、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を前記セパレータ本体の前記幅方向から供給することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記ガス流路形成部材は、連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部とを有して構成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項３に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部の成形方向断面における前記筋状の凹部と筋状の凸部の成形幅のうちの一方が幅広に形成されていて、この幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部を前記電極層に接触させることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 前記ガス流路形成部材は、多数の小径の貫通孔が網目状に形成された後に平板状に成形されたエキスパンドメタルから形成される請求項１ないし請求項４のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータ。
6. 請求項１ないし請求項５のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記幅広に形成された凹部または凸部は、前記電極層の表面に設けられた導電性を有する繊維を介して、前記電極層に接触することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
7. 請求項１ないし請求項６のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記セパレータ本体は、少なくとも前記窪み形状内に前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを導入するための貫通孔が形成されており、
   前記平板の他面側であって前記形成された貫通孔に対応する位置に配置されるとともに前記貫通孔と連通する貫通孔が形成されて、前記セパレータ本体に積層される他のセパレータ本体との間で導通する前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを気密的にシールするフレームを設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
8. 前記平板の一面側に突出する凸形状によって前記平板の他面側に形成される空間内部に充填される充填部材を設けた請求項１ないし請求項７のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータ