JP2007026809A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電極層へのガスの良好な供給および発電された電気の良好な集電を達成するとともに、発電に伴って発生する反応熱を効果的に冷却する燃料電池用セパレータを提供すること。
【解決手段】 コレクタ１０は、多数の貫通孔が形成されたエキスパンドメタル１１に筋状凹部１２と筋状凸部１３が形成されている。また、コレクタ１０には、筋状凸部１３の立壁面と接触して冷媒を循環する冷却管１４が一体的に組み付けられている。そして、コレクタ１０は、ＭＥＡ４０に対して筋状凹部１２が接触するように配置されるため、ガスを良好に供給することができるとともに、接触抵抗を大幅に低減することができて発電された電気を効率よく集電することができる。さらに、冷却管１４がＭＥＡ４０により近い位置に配置されるため、反応熱を効率よく冷却することができるとともに燃料電池をコンパクトとすることができる。
【選択図】 図６

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。この従来の燃料電池は、集電体から触媒層に向かって開口径が減少するように、開口径の異なる多孔質層を積層した積層体を拡散層として用いるようになっている。そして、開口径の小さい多孔質層側に電極触媒を含む触媒層を形成してガス拡散電極とし、このガス拡散電極を電解質膜の両面に接合して、電極・電解質膜接合体を形成するようになっている。さらに、電極・電解質膜接合体を両面から集電体で挟むことにより、固体高分子型燃料電池を形成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構造も知られている。この燃料電池の構造におけるメタルセパレータは、アノード電極またはカソード電極を支持する集電部と、燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極に供給するための流路を形成する集電部サポートとを備える構造となっている。また、メタルセパレータの集電部と電極との間には、多数の貫通孔が形成されるとともにその表面に多数の凹凸形状を有するエキスパンドメタルが設けられている。そして、このエキスパンドメタルの厚み（凹凸寸法）を適宜調整することにより、燃料電池のアノード電極またはカソード電極とエキスパンドメタルとの接触を良好に確保するようになっている。

さらに、従来から、例えば、下記特許文献３に示すような燃料電池も知られている。この燃料電池は、金属製の反応ガス流路と冷媒流路を有するセパレータとＭＥＡを重ねてセルを形成するとともに、１つ以上のセルからモジュールを構成するようになっている。そして、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路にシャフト材を配置し、この状態で冷媒流路位置をセル積層方向に合わせてモジュールを重ねて、スタックを形成するようになっている。
特開２０００−５８０７３号公報 特開平８−１３８７０１号公報 特開２００５−４４６２０号公報

一般的に、燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極反応効率および集電効率を向上させることが重要である。このため、燃料電池に採用されるセパレータに要求される機能として、燃料電池に導入される燃料ガスと酸化剤ガスとを電極層に効率よく供給する機能と、電極反応により発電された電気を効率よく集電する機能が要求される。

ところで、上記特許文献１に示された従来の燃料電池においては、発電された電気を効率よく集電する機能については満足するものの、段階的に開口径が減少するガス流路を形成しているため、ガス導入に伴う抵抗（圧力損失）が大きく、ガスを充分に電極層に供給できない場合がある。このため、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。

また、上記特許文献２に示された従来の燃料電池の構造においては、エキスパンドメタルと電極との接触が良好に確保されるため、発電された電気を効率よく集電する機能は満足する。しかし、気体不透過性の集電部サポートによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが電極に供給される。このため、各電極に対して十分な燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給できず、言い換えると、ガス拡散性が不均一となり、ガスを効率よく供給する機能を満足しない場合がある。

また、上記特許文献３に示された従来の燃料電池においても、気体不透過性の反応ガス流路によって燃料ガスまたは酸化剤ガスが電極に供給されるため、ガス拡散性が不均一となる。このため、ガスを効率よく供給する機能を満足しない場合がある。さらに、上記特許文献３に示された従来の燃料電池においては、２枚の反応ガス流路を積層することによって、ＭＥＡ（電極層）における反応熱を冷却するための冷媒流路を形成する構造であるため、燃料電池自体が大型化する問題がある。

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、電極層へのガスの良好な供給および発電された電気の良好な集電を達成するとともに、発電に伴って発生する反応熱を効果的に冷却する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、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ためのガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、導電性を有する素材から成形されて、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平板状のセパレータ本体と、多数の貫通孔が形成された素材に対して筋状の凹部と筋状の凸部を連続的に成形することにより、前記電極層に接触する第１面と、前記セパレータ本体に接触する第２面と、同第１面と第２面とを互いに連結する第３面とを有して、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するとともに、前記電極層の電極反応によって発電された電気を集電するコレクタと、前記コレクタに対して、少なくとも前記第３面に接触して一体的に組み付けられて、前記電極層の電極反応によって発生した反応熱を冷却するための冷媒を循環させる冷却管とを備えたことにある。

この場合、前記冷却管は、前記コレクタの第３面に対して、固着（例えば、溶着）されて一体的に組み付けられるとよい。また、前記冷却管は、さらに、前記コレクタの第２面と接触して一体的に組み付けられるとよい。また、前記コレクタと前記セパレータ本体とを一体的に固着するとよい。

また、この場合、前記コレクタに連続的に成形される筋状の凹部と筋状の凸部は、同筋状の凹部と筋状の凸部の成形方向における断面形状が略矩形状に成形されており、前記成形方向における前記第１面の成形幅が、前記第２面の成形幅に比して大きいとよい。このとき、冷媒を循環させるための冷却管の冷媒循環方向における断面の外径寸法が、前記第２面の成形幅寸法と略同一であり、前記冷却管が、前記第１面と第２面とを連結する第３面と、前記第２面とによって形成される空間内に組み付けられるとよい。さらに、前記多数の貫通孔が形成された素材は、例えば、金属製の薄板に対して網目状の多数の貫通孔が形成された略平板状のエキスパンドメタルであるとよい。

これらによれば、燃料電池用セパレータを、セパレータ本体と、多数の貫通孔を有して筋状の凹部と凸部が連続的に成形されたコレクタと、同コレクタに一体的に組み付けられた冷却管とから構成することができる。そして、この構成により、燃料電池用セパレータは、燃料ガスまたは酸化剤ガスの良好な供給と電極層にて発電された電気の良好な集電とを両立するとともに、電極層にて発生した反応熱を効率よく冷却することができる。

すなわち、外部から導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、コレクタの貫通孔を通過することにより、電極層に均一に接触する、言い換えれば、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、コレクタに対して、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。また、冷却管をコレクタの第３面に接触させるとともに第２面にも接触させて一体的に組み付けることによって、コレクタに冷却管を一体的に組み付けた場合であっても、電極層の周辺におけるガスの導通が阻害されることを防止することができる。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（電極反応）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。

このように、電極層における電極反応が促進されると、同電極反応に伴って大きな熱量の反応熱が発生する。そして、この発生した反応熱は、電極層の周囲に伝熱するとともにコレクタに伝熱される。これに対して、冷却管は、コレクタに対して、電極層に接触する第１面とセパレータ本体に接触する第２面とを連結する第３面、特に、筋状の凹部と筋状の凸部とが略矩形状に成形された場合には、第１面と第２面とを連結する第３面としての立壁面に接触するように、一体的に組み付けることができる。このように、冷却管を一体的に組み付けて、同冷却管内に冷媒を循環させた場合には、第３面（立壁面）が優先的に冷却される。特に、冷却管をコレクタの第３面（立壁面）に固着させることによって一体的に組み付けた場合には、冷却管の外面と第３面（立壁面）との間の伝熱性が良好となるため、第３面（立壁面）がより冷却される。

これにより、電極層にて発生した反応熱がコレクタの第１面を介して第３面に伝熱しやすくなり、この結果、電極層を効率よく冷却することができる。ここで、冷却管をコレクタの第３面に接触するように組み付けることにより、従来の燃料電池が備えていた冷却水路（冷却層）を設ける必要がないため、燃料電池をコンパクトにすることができる。また、冷却管をコレクタに一体的に組み付けることにより、冷却管を電極層に対してより近く配置することもできる。これにより、電極層の周囲に伝熱された反応熱も効果的に冷却することができる。さらに、コレクタに伝熱した反応熱および電極層の周囲に伝熱した反応熱を直接冷却することができるため、例えば、冷却管内を循環する冷媒の流量を変化させることによって、冷却効果を可変とすることもできる。すなわち、冷却管内を循環する冷媒の流量を大きくすると、冷却効果を大きくすることができ、冷媒の流量を小さくすると、冷却効果を小さくすることができる。したがって、冷却管内の冷媒の流量を適宜調整することによって、燃料電池の作動温度をきめ細かく調整することができ、発電効率を良好に維持することができる。

また、電極層に接触するコレクタの第１面の成形幅をセパレータ本体に接触する第２面の成形幅よりも大きくすることができる。これにより、コレクタと電極層との接触面積を大きくすることができる。また、コレクタの第１面に形成された貫通孔により、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ができる。このため、電極層にて発生した反応熱がコレクタの第１面に伝熱しやすくなり、これによっても、電極層を効率よく冷却することができる。

そして、電極層の電極反応によって効率よく発電された電気は、コレクタによって集電されて、例えば、セパレータ本体を介して外部に取り出される。このとき、コレクタの第１面の電極層に対する接触面積が大きいため、電極層とコレクタ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、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、コレクタの第２面をセパレータ本体に対して固着することもできる。これにより、コレクタとセパレータ本体との接触状態を良好に維持することができ、コレクタとセパレータ本体間の接触抵抗を大幅に低減することができる。

また、燃料電池においては、その発電作動に伴って、導電性を有しない酸化物がコレクタとセパレータ本体との接触部位、より詳しくは、コレクタとセパレータ本体との間の僅かな隙間に析出する場合がある。このように、酸化物が析出すると、コレクタとセパレータ本体との間の接触抵抗が増大するため、効率よく発電された電気を集電できない場合がある。これに対し、コレクタとセパレータ本体とを固着することにより、前記僅かな隙間が存在しないために接触抵抗の増大がない。したがって、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、その結果、燃料電池は、外部に対し、安定して電気を供給することができる。

一方で、コレクタとセパレータ本体とを一体的に固着させることにより、燃料電池の組み立てを容易とすることができる。また、特に、コレクタの筋状の凹部と筋状の凸部とが略矩形状に成形された場合には、冷却管の冷媒循環方向における断面の外形（例えば、円形状、楕円形状や矩形形状など）の寸法を第２面の成形幅寸法と略同一とすることにより、冷却管のコレクタに対する位置規制が可能となる。これにより、例えば、溶着などによって、冷却管をコレクタに一体的に組み付ける必要がなく、生産性を向上させることができる。また、この場合には、冷却管が第３面（立壁面）と確実に接触するため、電極層にて発生した反応熱を良好に冷却することもできる。

さらに、コレクタを、多数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、平板状の金属製の薄板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに同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、歩溜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を用いてコレクタを成形することにより、燃料電池の製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、燃料電池のメタルセパレータを構成するコレクタ１０を示している。このコレクタ１０は、燃料電池を構成する電極層（アノード電極層およびカソード電極層）に外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、単にガスともいう）を供給する機能と、これら電極層の電極反応によって発電された電気を集電する機能とを有するものである。このため、コレクタ１０の形状としては、外部から供給されたガスを各電極層に効率よく供給することに加え、発電された電気を効率よく集電する形状が要求される。

すなわち、外部から供給されたガスを各電極に効率よく供給するためには、導通するガスの圧力損失を低減する形状であることが要求される。一方、発電された電気を効率よく集電するためには、各電極層との接触面積を大きくし集電抵抗を低減する形状であることが要求される。

したがって、コレクタ１０は、図１に示すように、多数の網目状の貫通孔が形成された素材としてのエキスパンドメタル１１に対して、導通ガスの圧力損失を低減するための多数の筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形されている。また、集電抵抗を低減するために、筋状凹部１２の成形幅に比して筋状凸部１３の成形幅が大きくなるように成形されている。以下、このコレクタ１０について詳細に説明する。

エキスパンドメタル１１は、板厚が０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度のステンレス板に対して、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伸ばすことにより、図２（ａ）に一部を拡大して示すように、孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の網目状の貫通孔１１ａが多数形成されたものである。さらに、エキスパンドメタル１１は、多数の網目状の貫通孔１１ａが形成された後、圧延加工されることにより、図２（ｂ）にて（ａ）のＸ−Ｘ断面を示すように、略平板状となっている。なお、エキスパンドメタル１１は、周知の製造方法によって製造されるものであるため、製造に関する説明を省略する。

そして、このエキスパンドメタル１１に対して、多数の筋状凹部１２および筋状凸部１３を形成することにより、コレクタ１０を成形する。以下、この筋状凹部１２および筋状凸部１３を、例えば、プレス成形により形成する場合を例示して、簡単に説明しておく。図３（ａ）〜（ｃ）は、エキスパンドメタル１１に筋状の凹凸部を形成するための筋状凹凸部形成工程を概略的に示している。この筋状凹凸部形成工程は、エキスパンドメタル１１の幅方向（図３において紙面垂直方向）全体に対して、幅広の筋状凹部１２を成形するための凹部および幅狭の筋状凸部１３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侵入してエキスパンドメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形するパンチＰと、同パンチＰによる成形中においてエキスパンドメタル１１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３（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１２および筋状凸部１３を一段送り、下型ＳＧ上に載置する。続いて、図３（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１２方向に下降させて、エキスパンドメタル１１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１１を固定した状態で、図３（ｃ）に示すように、パンチＰをエキスパンドメタル１１とともに下型ＳＧに形成された凹部方向に下降させることによって、エキスパンドメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形される。

このように、図３（ａ）〜（ｃ）によって概略的に示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１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を連続的に成形することができる。なお、図３（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１１を送ることによって材料流れを良好に確保することができるため、筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形に際して、例えば、エキスパンドメタル１１の割れや破れを効果的に防止することができる。そして、上記した筋状凹凸部成形工程によって筋状凹部１２および筋状凸部１３が連続的に成形されたエキスパンドメタル１１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ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層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、コレクタ１０が成形される。

ここで、上述したように成形されたコレクタ１０を備える燃料電池においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスが効率よく供給されるため、発電効率が大幅に向上する。一方で、発電効率が大幅に向上した場合には、ＭＥＡ４０における電極反応に伴って発生する反応熱を冷却する必要がある。このため、コレクタ１０には、図４に示すように、所定の形状に曲げ加工されてＭＥＡ４０における反応熱を冷却するための冷却管１４が組み付けられる。冷却管１４は、所定の冷媒（例えば、水道水や不凍液）に対して発生した熱を伝熱しやすい材料（例えば、金属など）から形成されて、冷媒を循環させるための中空管である。ここで、この冷却管１４の外径寸法は、コレクタ１０の筋状凸部１３の成形寸法と略同一となるように設定される。そして、冷却管１４は、コレクタ１０の筋状凸部１３が成形された間隔（ピッチ）と一致するように、また、その長手方向寸法が筋状凸部１３の成形方向寸法に比して所定長さだけ長くなるように、曲げ加工されて成形される。以下、この曲げ加工工程について、簡単に説明しておく。

図５（ａ）〜（ｃ）は、金属製の中空管Ｐに所定の曲げ形状を加工するための曲げ加工工程を概略的に示している。この曲げ加工工程は、中空管Ｐを所定長さだけ送る送り機構ＯＫと、中空管Ｐを左右方向に略１８０゜曲げる加工ヘッドＫＨとを備える曲げ加工機を利用する。なお、曲げ加工機自体は、周知の加工機を利用することができるため、その詳細な構成および作動についての説明は省略する。

曲げ加工工程は、まず、図５（ａ）に示すように、送り機構ＯＫが中空管Ｐを所定長さだけ加工ヘッドＫＨ方向に送る。続いて、図５（ｂ）に示すように、加工ヘッドＫＨの曲げ型に沿ってクランプ型が略１８０゜移動することにより、中空管Ｐは、一方向に略１８０゜曲げ加工される。さらに、図５（ｃ）に示すように、送り機構ＯＫが、中空管Ｐを所定長さだけ加工ヘッドＫＨ方向に送るとともに、加工ヘッドＫＨが、中空管Ｐの送り方向を中心軸として略１８０゜回転する。これにより、加工ヘッドＫＨのクランプ型が曲げ型に沿って略１８０゜移動することにより、中空管Ｐは、図５（ｂ）の場合と逆方向に曲げ加工される。

このように、図５（ａ）〜（ｃ）によって概略的に示される加工サイクルを繰り返すことにより、中空管Ｐに対して左右曲げを連続的に加工することができる。そして、冷却管１４は、図６に示すように、コレクタ１０の筋状凸部１３に収容される。このとき、冷却管１４は、コレクタ１０の筋状凸部１３の第３面としての立壁面に接触するとともに、第２面としての頂面（底面）にも接触するように組み付けられる。そして、冷却管１４は、コレクタ１０に組み付けられた状態で、例えば、ロー付け加工や溶接または拡散接合などによって一体的に固着される。

このように成形されたコレクタ１０は、固体高分子型燃料電池を構成するセパレータとして用いられる。以下、このコレクタ１０を採用した固体高分子型燃料電池について説明する。固体高分子型燃料電池は、一般的に、単セルが多数積層された燃料電池スタックから形成される。そして、この実施形態に係る単セルは、図７にその構成を示すように、上述したコレクタ１０およびセパレータ本体２０から構成されるセパレータを上下に配し、同セパレータ間に２枚の樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０（Membrane-Electrode Assembly：膜―電極アッセンブリ）を備えて構成される。このように構成された単セルに対して、燃料ガス（例えば、水素ガスなど）と、酸化剤ガス（例えば、空気など）とが燃料電池スタックの外部から導入されることにより、ＭＥＡ４０での電極反応によって電気が発電される。ここで、以下の説明においては、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。なお、酸化剤ガスには、ＭＥＡ４０が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。

セパレータ本体２０は、図７に示すように、略正方形の平板状に形成されて、燃料電池スタック内に導入されたガスの混流を防ぐものである。そして、セパレータ本体２０は、薄肉金属板（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されている。なお、薄肉金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防食処理を施した鋼板などを採用することができる。また、薄肉金属板から形成されるセパレータ本体２０に代えて、平板状のカーボンなど導電性を有する他の材料からセパレータ本体２０を形成することもできる。

また、セパレータ本体２０の周縁部分には、ガス導入口２１と、同ガス導入口２１と対向する位置にガス導出口２２が２対形成されている。ここで、各対は、互いに略直交するように形成されている。ガス導入口２１は、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを単セル内に導入するとともに、積層された他の単セルに対して、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口２２も、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、単セル内にガス導入口２１から導入されたガスのうちＭＥＡ４０にて未反応のガスを外部に排出するとともに、積層された他の単セルからの未反応ガスを流通する。

さらに、セパレータ本体２０の周縁部分には、ガス導入口２１に隣接する冷媒導入部２３と、ガス導出口２２に隣接する冷媒導出部２４が２対形成されている。冷媒導入部２３は、略円形の貫通孔に形成されていて、燃料電池スタックの外部から圧送された冷媒をコレクタ１０の冷却管１４に供給するための、供給マニホールドを挿通する。冷媒導出部２４も、略円形の貫通孔に形成されていて、コレクタ１０の冷却管１４を導通した冷媒を回収するための回収マニホールドを挿通する。

ここで、コレクタ１０が組み付けられる際には、前記供給マニホールドおよび回収マニホールドがポートごとに分割され、同分割された各ポートが冷却管１４に接続されて構成される。具体的に説明すると、供給マニホールドは、単セルごとに対応したポートＤＰに分割されていて、冷却管１４の一端部側（入口側）にシール性を確保して組み付けられている。また、回収マニホールドは、単セルごとに対応したポートＣＰに分割されていて、冷却管１４の他端部側（出口側）にシール性を確保して組み付けられている。このように構成されたセパレータ本体２０に対して、コレクタ１０は、図８に示すように、セパレータ本体２０に筋状凸部１３が接触するように配置される。

樹脂フレーム３０は、図７に示すように、同一の構造とされた２枚一対の樹脂板から形成されていて、２枚のセパレータ本体２０にそれぞれの一面側が固着される。そして、樹脂フレーム３０は、セパレータ本体２０の外径寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、コレクタ１０の筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。ここで、２枚の樹脂フレーム３０は、一の樹脂フレーム３０に対して、他の樹脂フレーム３０が同一平面方向にて略９０°回転した状態で配置されて積層される。なお、樹脂フレーム３０を形成する樹脂板は、種々の樹脂材料を採用することができ、好ましくは、ガラスエポキシ樹脂を採用するとよい。

また、樹脂フレーム３０には、その周縁部分にて、単セルを構成した状態でセパレータ本体２０に形成されたガス導入口２１、ガス導出口２２、冷媒導入部２３および冷媒導出部２４に対応する位置に同各貫通孔の形状と略同一の形状の貫通孔３１〜３４が形成されている。さらに、樹脂フレーム３０には、その略中央部分にて、コレクタ１０を収容する収容孔３５が形成されている。この収容孔３５は、固着されるセパレータ本体２０に形成された一対のガス導入口２１、ガス導出口２２、冷媒導入部２３および冷媒導出部２４を収容するとともに、積層される他の樹脂フレーム３０に形成された貫通孔３１〜３４とを収容するように形成されている。

このように、収容孔３５を形成することにより、固着されるセパレータ本体２０の下面（または上面）、収容孔３５の内周面およびＭＥＡ４０の上面（または下面）によって空間（以下、この空間をガス導通空間という）が形成される。そして、ガス導通空間に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口２１から、または、酸化剤ガスを他方のガス導入口２１および貫通孔３１から導入することができる。また、ガス導通空間を通過した未反応ガスは、一方のガス導出口２２を介して、または、他方のガス導出口２２および貫通孔３２を介して外部に導出することができる。

さらに、燃料ガスが導入されるガス導通空間内に収容されたコレクタ１０の冷却管１４は、ポートＤＰが燃料ガスを導入するガス導入口２１に隣接する冷媒導入部２３にて積層された他の単セルのポートＤＰと連結される。また、冷却管１４は、ポートＣＰが未反応の燃料ガスを導出するガス導出口２２に隣接する冷媒導出部２４にて積層された他の単セルのポートＣＰと連結される。これにより、冷却管１４は、外部から圧送された冷媒を導通（循環）させることができる。

一方、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間内に収容されたコレクタ１０の冷却管１４は、ポートＤＰが酸化剤ガスを導入するガス導入口２１に隣接する冷媒導入部２３にて積層された他の単セルのポートＤＰと連結される。また、冷却管１４は、ポートＣＰが未反応の酸化剤ガスを導出するガス導出口２２に隣接する冷媒導出部２４にて積層された他の単セルのポートＣＰと連結される。これにより、冷却管１４は、外部から圧送された冷媒を導通（循環）させることができる。

電極構造体としてのＭＥＡ４０は、図７に示すように、電解質膜ＥＦを備えている。電解質膜ＥＦは、樹脂フレーム３０を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して大きく、かつ、樹脂フレーム３０を積層した状態で各貫通孔３１〜３４を塞がない大きさに成形されている。このように、電解質膜ＥＦを成形することにより、ガス導通空間に導入されたガスが他側に形成されたガス導通空間に漏れることを防止することができる。そして、電解質膜ＥＦ上には、図８に詳細に示すように、燃料ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるアノード電極層ＡＥと、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるカソード電極層ＣＥとが、所定の触媒を層状に積層することにより形成される。このように、電解質膜ＥＦ上に形成されるアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、その大きさが樹脂フレーム３０を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して僅かに小さい外径寸法とされている。なお、ＭＥＡ４０における電極反応については、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。

また、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥのそれぞれの表面側は、導電性を有した繊維としてのカーボンクロスＣＣで覆われる。このカーボンクロスＣＣは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥとコレクタ１０との接触面積を大きく確保するとともに、単セルを構成した際の各構成部品の寸法誤差を吸収するものである。なお、ＭＥＡ４０は、このカーボンクロスＣＣを省略して構成することも可能である。

そして、２枚のセパレータ本体２０間に、コレクタ１０、樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０を積層することによって単セルが構成される。具体的に説明すると、互いに同一平面内にて略９０°回転して配置される樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０を狭持し、例えば、接着剤などを塗布することにより、樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０の電解質膜ＥＦを一体的に固着する。そして、樹脂フレーム３０の収容孔３５内にコレクタ１０を収容し、２枚のセパレータ本体２０を、例えば、接着剤などを塗布することにより、一体的に固着する。

このとき、コレクタ１０は、図８に示すように、成形幅が幅広の筋状凹部１２とＭＥＡ４０（より詳しくは、カーボンクロスＣＣ）とが接触するように配置される。また、樹脂フレーム３０の板厚が筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形高さよりも僅かに小さい寸法とされているため、筋状凹部１２がセパレータ本体２０によってＭＥＡ４０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、コレクタ１０とＭＥＡ４０との接触状態を良好に保つことができる。そして、このように形成された単セルは、多数積層された後、例えば、図示しないボルトとナットによって所定の締結力（積層荷重）で固定されることによって、燃料電池スタックを構成する。なお、単セルを積層する際には、冷却管１４に接続された各ポートＤＰ，ＣＰが積層方向にて互いに連結されることによって、供給マニホールドおよび回収マニホールドが形成される。

このように構成された燃料電池スタックを有する固体高分子型燃料電池においては、コレクタ１０によって、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥに燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することができる。具体的に説明すると、コレクタ１０は、薄肉のエキスパンドメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３が形成されて構成されている。このため、外部からガス導入口２１を介してガス導通空間内に導入されたガスは、筋状凹部１２または筋状凸部１３を導通することにより、圧力損失を大幅に低減することができる。したがって、ガス導通空間内を導通するガスは、スムーズに通過して各電極層に良好に供給される。これにより、ガスと各電極層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、コレクタ１０は、多数の貫通孔１１ａの形成されたエキスパンドメタル１１から形成されている。このため、ガス導通空間内に導入されたガスは、ガス導通空間内全体に均一に広がることができる。したがって、ガス導通空間内のガス濃度勾配が均一化され、電極層の電極反応領域は、形成したアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの全面となる。すなわち、ガス導通空間内に導入されたガスは、コレクタ１０の筋状凹部１２に形成された貫通孔１１ａを介して、各電極層に供給される。この結果、有効な電極反応領域が増大することにより、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、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ができ、電極反応効率を大幅に向上させることができる。したがって、このことからも、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

そして、ＭＥＡ４０によって効率よく発電された電気は、コレクタ１０によって集電される。このとき、コレクタ１０が、ＭＥＡ４０（詳しくは、カーボンクロスＣＣ）に対して、筋状凹部１２にて接触するように単セルが構成されている。これにより、ＭＥＡ４０との接触面積が大きくなる。また、筋状凹部１２に多数の小径の貫通孔１１ａが形成されていることによっても、ＭＥＡ４０との接触面積が大きくなる。このように、ＭＥＡ４０との接触面積を大きくすることにより、電気を集電する際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、言い換えれば、集電効率を大幅に向上させて集電することができる。そして、コレクタ１０によって集電された電気は、セパレータ本体２０を介して、外部に供給される。このとき、セパレータ本体２０は、コレクタ１０を若干押圧して固着されるため、コレクタの筋状凸部１３とセパレータ本体２０との接触状態が良好に確保することができる。したがって、コレクタ１０とセパレータ本体２０との間の接触抵抗が増大することを防止することができるため、安定して電気を外部に供給することができる。

一方で、燃料電池の発電効率を向上させた場合には、ＭＥＡ４０に電極反応に伴う発熱が増大する場合がある。これに対して、コレクタ１０の筋状凸部１３に一体的に組み付けられた冷却管１４に冷媒を循環させることにより、電極反応に伴って発熱したＭＥＡ４０を効率よく冷却することができる。すなわち、冷却管１４に冷媒を循環させると、コレクタ１０の筋状凸部１３が優先的に冷却される。これにより、ＭＥＡ４０に発生した熱が、コレクタ１０の筋状凹部１２を介して、筋状凸部１３に伝熱しやすくなり、その結果、ＭＥＡ４０の発熱を効果的に冷却することができる。さらに、冷却管１４は、コレクタ１０の筋状凸部１３に一体的に組み付けられているため、ＭＥＡ４０までの距離を短くすることができる。これにより、ＭＥＡ４０から周囲のガスを介して冷却管１４に伝わる熱も冷却することができる。したがって、ＭＥＡ４０の発熱による電極反応効率の低下を防止することができるため、燃料電池の発電効率を良好に維持することができる。

また、ＭＥＡ４０の近接した位置にて冷却管１４を配置し、同冷却管１４内に冷媒を循環させることができるため、燃料電池の作動温度をきめ細かく管理することができる。すなわち、冷却管１４内を循環する冷媒の流量を大きくすれば、筋状凸部１３に伝熱した反応熱をより多く吸熱することができるため、ＭＥＡ４０の温度を大きく低下させることができる。一方、冷媒の流量を小さくすれば、筋状凸部１３に伝熱した反応熱の吸熱量を小さくすることができるため、ＭＥＡ４０の温度の低下を小さくすることができる。これにより、冷却管内を循環する冷媒の流量を適宜制御すれば、ＭＥＡ４０の温度すなわち燃料電池の作動温度を最適に、かつ、容易に管理することができる。したがって、燃料電池の良好な発電効率を維持することができる。

さらに、冷却管１４をコレクタ１０に対して一体的に組み付けることにより、別途冷却水路を単セルに積層する必要がない。このため、発電時の燃料電池を効果的に冷却することができて、燃料電池を小型化することができる。

上記実施形態においては、セパレータ本体２０に対して、コレクタ１０を筋状凸部１３が接触するように配置して単セルを構成するように実施した。これに対し、セパレータ本体２０とコレクタ１０とを一体的に固着して、単セルを構成するように実施することも可能である。この場合には、コレクタ１０は、図９（ａ）に示すように、セパレータ本体２０の略中央部分にて、筋状凸部１３がセパレータ本体２０に接触するように配置される。そして、コレクタ１０の筋状凸部１３とセパレータ本体２０の接触部分は、例えば、ロー付け加工や溶接または拡散接合などにより、金属的に接合されて一体的に固着される。

このように、コレクタ１０とセパレータ本体２０とが一体的に固着されることにより、コレクタ１０とセパレータ本体２０との間の接触状態を常に良好に確保することができるため、接触抵抗の増大を防止することができる。すなわち、燃料電池においては、発電に伴って、導電性を有しない酸化物がガス導通空間内に析出する場合がある。この酸化物が、特に、コレクタ１０とセパレータ本体２０との接触部分における隙間に析出すると、接触抵抗が増大し、発電された電気の集電効率が低下する可能性がある。これに対し、コレクタ１０は、セパレータ本体２０に対して、一体的に固着されるため、接触部分における隙間が存在せず、コレクタ１０とセパレータ本体２０との接触抵抗の増大を防止することができる。したがって、発電された電気を効率よく集電することができ、これにより、燃料電池は、安定して電気を外部に供給することができる。

また、図９（ｂ）に示すように、セパレータ本体２０とコレクタ１０の筋状凸部１３の頂面（底面）の固着と同時に冷却管１４と筋状凸部１３とを固着することもできる。これにより、別途、コレクタ１０の筋状凸部１３に対して冷却管１４を固着するための工程（例えば、ロー付け加工や溶接または拡散接合など）を設ける必要がない。したがって、燃料電池を組み立てるための工程を少なくすることができて、生産性を向上することができる。

また、上記実施形態においては、冷却管１４と筋状凸部１３の隣接する立壁面（第３面）とを固着させるように実施したが、外径寸法と成形幅寸法とが略同一（より詳しくは、冷却管１４の外径寸法が筋状凸部１３の成形幅寸法より僅かに大きい）とすることにより、固着することなく実施することもできる。すなわち、冷却管１４の外径寸法と筋状凸部１３の成形幅寸法とが略同一の状況においては、コレクタ１０の筋状凸部１３に組み付けられた冷却管１４は位置決めされる。また、冷却管１４と筋状凸部１３の隣接する立壁面との接触が良好に確保される。これにより、筋状凸部１３と冷却管１４とを固着しなくても、上記実施形態と同様の効果が期待できるとともに、固着するための工程を省略することができて、燃料電池の生産性を向上させることができる。

また、上記実施形態においては、中空管Ｐに対して曲げ加工を施し、冷却管１４を形成するように実施した。これに対して、例えば、図１０に示すように、複数の中空管を井桁状に組み合わせた冷却管１４’を採用して実施することも可能である。これによっても、上記実施形態と同様に、コレクタ１０の筋状凸部１３に対して冷却管１４’を一体的に組み付けることができて、ＭＥＡ４０にて発生する反応熱を効果的に冷却することができる。

また、上記実施形態においては、コレクタ１０の筋状凸部１３内に冷却管１４を組み付けて実施したが、筋状凹部１２内に組み付けて実施することも可能である。この場合には、ガス導通空間内に導通されたガスとＭＥＡ４０とが接触する状態、言い換えれば、ＭＥＡ４０の電極反応領域に対するガス濃度勾配の均一性が若干乱れるものの、よりＭＥＡ４０に近づけて冷却管１４を配置することができるため、ＭＥＡ４０を効率よく冷却することができる。

さらに、冷却管１４の断面形状は、円形に限定されるものではなく、楕円、矩形であってもよい。特に、上記実施形態で説明したように、コレクタ１０の筋状凹部１２と筋状凸部１３が断面略矩形状に形成された場合において、冷却管１４の断面形状を矩形形状とすることにより、コレクタ１０の筋状凸部１３との接触面積を十分に確保することができる。このため、例えば、上記実施形態のように冷却管１４を筋状凸部１３に対して固着しなくても、反応熱を効率よく吸収することができて、ＭＥＡ４０を良好に冷却することができる。

本発明の実施形態に係るコレクタを示した斜視図である。 図１のコレクタを形成するためのエキスパンドメタルを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、コレクタ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の概略図である。 図１のコレクタに組み付けられる冷却管を示した概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、冷却管を曲げ成形する工程を説明するための概略図である。 コレクタと冷却管とを組み付けた状態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単セルの構成を説明するための概略的な分解斜視図ある。 図７の燃料電池スタックの断面を拡大して示した断面拡大図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の変形例に係り、コレクタとセパレータ本体との固着を説明するための図である。 本発明の変形例に係り、井桁状に形成した冷却管を説明するための図である。

符号の説明

１０…コレクタ、１１…エキスパンドメタル、１２…筋状凹部、１３…筋状凸部、１４，１４’…冷却管、２０…セパレータ本体、４０…ＭＥＡ

Claims (7)

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ためのガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
   導電性を有する素材から成形されて、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平板状のセパレータ本体と、
   多数の貫通孔が形成された素材に対して筋状の凹部と筋状の凸部を連続的に成形することにより、前記電極層に接触する第１面と、前記セパレータ本体に接触する第２面と、同第１面と第２面とを互いに連結する第３面とを有して、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するとともに、前記電極層の電極反応によって発電された電気を集電するコレクタと、
   前記コレクタに対して、少なくとも前記第３面に接触して一体的に組み付けられて、前記電極層の電極反応によって発生した反応熱を冷却するための冷媒を循環させる冷却管とを備えた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、
   前記冷却管は、
   前記コレクタの第３面に対して固着されて一体的に組み付けられることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記冷却管は、さらに、
   前記コレクタの第２面と接触して一体的に組み付けられることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記コレクタと前記セパレータ本体とを一体的に固着したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記コレクタに連続的に成形される筋状の凹部と筋状の凸部は、同筋状の凹部と筋状の凸部の成形方向における断面形状が略矩形状に形成されており、
   前記成形方向における前記第１面の成形幅が、前記第２面の成形幅に比して大きいことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6. 請求項５に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   冷媒を循環させるための冷却管の冷媒循環方向における断面の外径寸法が、前記第２面の成形幅寸法と略同一であり、
   前記冷却管が、前記第１面と第２面とを連結する第３面と、前記第２面とによって形成される空間内に組み付けられることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
7. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記多数の貫通孔が形成された素材は、
   金属製の薄板に対して網目状の多数の貫通孔が形成された略平板状のエキスパンドメタルであることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
   

Images