JP2009021022A

JP2009021022A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2009021022A
Application number: JP2007180772A
Authority: JP
Inventors: Keiji Hashimoto; 圭二橋本; Kazunari Mogi; 一成茂木
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: WO2009008534A1; JP4924829B2

Abstract

【課題】燃料ガスおよび酸化剤ガスの良好な供給性能と電極反応によって発生した生成水の良好な排水性能とを両立した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、セパレータ本体１１とコレクタ１２とから構成される。本体１１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混流を防止する。コレクタ１２は、断面略矩形状の凹凸部が連続的に成形された第１凹凸成形部１２ａと、成形部１２ａに成形された凹凸部の成形周期に対して半周期だけ異なる成形周期によって断面略矩形状の凹部が連続的に成形された第２凹凸成形部１２ｂとを有している。また、コレクタ１２は、導入されたガスを成形部１２ａから成形部１２ｂに向けて蛇行させる流路を形成する平板部１２ｃを有している。この構成により、導入されたガスを良好に拡散させることができるとともに発生した生成水を良好に排水することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用される燃料電池用セパレータに関する。

固体高分子型燃料電池は、一般的に、電解質膜の一面側に形成されたアノード電極層と、他面側に形成されたカソード電極層とからなる電極構造体を備えている。そして、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、それぞれ、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）が外部から供給されることにより、電極構造体にて電極反応が生じて発電される。このため、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極構造体に対して、電極反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することが重要である。

ここで、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに分離して供給するためのセパレータが設けられる。そして、従来から、セパレータによる燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給効率を向上させることにより、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることが行われている。

例えば、下記特許文献１には、薄平板状の基板と網目状の導電体とから構成されるセパレータを採用した燃料電池が示されている。この従来の燃料電池における網目状の導電体は、例えば、菱形のスリットが形成されたエキスパンドメタルやメタルラスなどから形成されている。そして、この網目状の導電体には、外部から導入された燃料ガスまたは空気（酸化剤ガス）の流通方向に垂直な断面形状が略矩形状に成形された複数のガス流路が形成されている。これにより、外部から導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、略矩形状に成形されたガス流路内を流通し、菱形のスリットを介して、アノード電極層またはカソード電極層に供給される。このように、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することにより、ガス供給効率が向上するようになっている。

また、例えば、下記特許文献２には、セパレータのガス供給効率を改善できる燃料電池のセパレータが示されている。この燃料電池セパレータは、平板状の第１部材（カーボン）と、この第１部材に積層されてアノード電極層およびカソード電極層に弾発的に接触するとともにガス流路を形成するための複数の突片が形成された第２部材（金属板）とから構成されている。そして、この従来の燃料電池のセパレータにおいては、第２部材の複数の突片によって形成されたガス流路内を通過させることによって、通過する燃料ガスおよび酸化剤ガスに乱流を生じさせるようになっている。これにより、ガス流路内に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスはあらゆる方向に立体的に通過することによって良好に拡散することができ、アノード電極層およびカソード電極層に対するガス供給効率が向上するようになっている。
特開２００５−２０９４７０号公報特開２００２−１８４４２２号公報

ところで、上記特許文献１に示された網目状の導電体および上記特許文献２に示された第２部材においては、断面略矩形状に成形されるガス流路や突片によって形成されるガス流路が、例えば、燃料ガスおよび酸化剤ガスを内部に導入する導入口と導入したガスを外部に導出する導出口とを結ぶ方向に対して略平行となる場合がある。このため、形成されたガス流路によって、導入口と導出口とが直線的に連通する状態となり得る。これにより、導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの一部は導電体に形成された網目や突片によって拡散されてアノード電極層およびカソード電極層により消費されるものの、他部は拡散されることなく、言い換えれば、消費されることなく外部に排出される可能性がある。このように、消費されずに排出される燃料ガスおよび酸化剤ガス、すなわち、未反応ガスが増加する状況においては、燃料電池における発電効率の向上は見込めない。

また、固体高分子型燃料電池においては、電極構造体にて燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いた電極反応が進行すると、電解質膜のイオン交換特性に応じてアノード電極層またはカソード電極層で水が生成する。そして、この生成した水（生成水）は、例えば、アノード電極層またはカソード電極層の表面を覆ったり、上記特許文献１の導電体の網目や上記特許文献２の第２部材の突片に付着したりすることにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの良好な供給が損なわれる可能性がある。したがって、電極反応が進行するほど、燃料電池における発電効率が低下する可能性がある。また、固体高分子型燃料電池が、例えば、低温雰囲気となる環境下に設置された場合には、内部に残存した生成水が氷結することによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが十分に供給されず、その結果、燃料電池の低温始動性が悪化する可能性もある。このため、電極反応による生成水は効率よく外部に排出されることが必要である。

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、燃料ガスおよび酸化剤ガスの良好な供給性能と電極反応によって発生した生成水の良好な排水性能とを両立した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、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、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、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ拡散して前記電極構造体に供給するとともに、前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第１凹凸成形部と、同第１凹凸成形部の凹部および凸部の成形周期に対して半周期だけ異なり、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第２凹凸成形部と、前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部との間に形成されて、前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部とを互いに連結するとともに、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの前記第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から前記第２凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への流路および前記第１凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から前記第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への流路を形成する流路形成部とを備えたコレクタとから構成したことにある。

これによれば、外部から導入された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、分離された燃料ガスと酸化剤ガスとを拡散して電極構造体に供給するとともに集電するコレクタとによって、燃料電池用セパレータを構成することができる。そして、コレクタは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを三次元的に流通させるための隙間を形成するために、複数の凹部と凸部の成形周期が互いに半周期だけ異なる第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を有しており、さらに、第１凹凸成形部の凹凸部によって形成される隙間を通過した燃料ガスまたは酸化剤ガスが第２凹凸成形部の凹凸部によって形成される隙間に向けて流れる流路を形成する流路形成部を有することができる。ここで、流路形成部は、分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが、半周期だけ異なる第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から第２凹凸成形部の凹部によって形成される隙間に流通する流路、および、第１凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間に流通する流路を形成することができる。

このように、流路形成部が燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路を形成することにより、第１凹凸成形部の凹部（凸部）によって形成される隙間からこの凹部（凸部）に対向する第２凹凸成形部の凸部（凹部）によって形成される隙間に向けての燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが阻害することができる。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第１凹凸成形部の凹部（凸部）によって形成される隙間から対向する第２凹凸成形部の凸部（凹部）によって形成される隙間に向けて直線的に通過することなく、この第２凹凸成形部における凸部（凹部）に隣接して成形される凹部（凸部）によって形成される隙間に向けて蛇行して流通する。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは第１凹凸成形部から第２凹凸成形部に向けて蛇行して流通することによって良好に拡散され、電極構造体を構成する電極層に対して十分な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、良好なガス供給性能を確保することができ、電極構造体によって消費されない未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスの量を低減することができる。

また、セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第１凹凸成形部の凹部または凸部によって形成される隙間と第２凹凸成形部の凹部または凸部によって形成される隙間を横切るように通過して、電極構造体を構成する電極層に供給される。このため、例えば、表面張力の作用により、発生した生成水がコレクタ近傍に到達すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れに乗せて生成水を未反応ガスとともに外部に排水することができる。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限り、言い換えれば、固体高分子型燃料電池が作動している限り、発生した生成水を連続的に排水することができる。したがって、良好な生成水の排水性能を確保することができる。

また、この場合、前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部との配列方向が、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通方向と略平行であるとよい。

これによれば、導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的に第１凹凸成形部の凹部および凸部によって形成される隙間と第２凹凸成形部の凹部および凸部によって形成される隙間を横切るように流通することができる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスがコレクタを流通することにより、必然的に拡散されて良好なガス供給性能を確保でき、必然的にガスの排出に伴って生成水の良好な排水性能を確保できる。

また、前記第１凹凸成形部と第２凹凸成形部とをそれぞれ形成する凹部および凸部の成形方向における形状は、略矩形状であるとよい。これによれば、別途特殊な加工を施すことなく、極めて容易に第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成することができる。したがって、燃料電池用セパレータの製造コストを低減することができる。

さらに、前記コレクタは、前記第１凹凸成形部、前記流路形成部および前記第２凹凸成形部が順にかつ連続的に複数成形されているとよい。これによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが第１凹凸成形部によって形成される隙間から第２凹凸成形部によって形成される隙間を通過する回数すなわち蛇行する回数を増やすことができる。また、第１凹凸成形部と第２凹凸成形部とが互いに隣接して配置される部分が存在することにより、分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを、セパレータ本体と電極構造体との間で三次元的に流通させることもできる。このため、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより良好に拡散させることができて、良好なガス供給性能を確保することができる。さらに、第１凹凸成形部および第２凹凸成形部が複数成形されることにより、電極構造体における電極反応によって発生した生成水がより容易にコレクタ近傍に到達しやすくなるため、より良好な生成水の排水性能を確保することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記流路形成部が、前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、前記第１凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に成形されることにもある。

そして、この場合、前記流路形成部は、前記第１凹凸成形部を形成する凹部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と、前記第１凹凸成形部を形成する凸部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面を少なくとも含んで平板形状に成形されるとよい。さらに、この場合には、前記平板形状に成形される流路形成部に対して、前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の底部がこれら底部における板厚分だけ突出し、前記第１凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部がこれら頂部における板厚分だけ突出するようにするとよい。

これらによれば、第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に、平板形状の流路形成部を成形することができる。より具体的には、平板形状の流路形成部を、第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面、すなわち、第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凹部の底部と第１凹凸成形部および第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部との略中間における中立面を含むように成形することができる。

これにより、凹部または凸部によって形成される第１凹凸成形部から第２凹凸成形部への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路は、凹部および凸部の成形方向において、平板形状の流路形成部によって分割（流路形成部が中立面を含む場合には略等分）される。このため、例えば、第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から対向する第２凹凸成形部によって形成される隙間に向けて燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しようとすると、第１凹凸成形部における凹部の底部と流路形成部との間の間隔が狭くなり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しにくくなる。また、同様に、例えば、第１凹凸成形部の凸部から対向する第２凹凸成形部に向けて燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しようとすると、第１凹凸成形部における凸部の頂部と流路形成部との間の間隔が狭くなり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しにくくなる。

その結果、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、より流通しやすい部位、具体的には、流路形成部によって分割される隙間のうち、第１凹凸成形部における凸部の下部側や凹部の上部側を優先的に流通するようになる。また、第２凹凸成形部においても、同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、より流通しやすい部位、具体的には、流路形成部によって分割される隙間のうち、凸部の下部側や凹部の上部側を優先的に流通するようになる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路形成部によって、互いに半周期だけ異なる第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間の上部側と第２凹凸成形部の凹部によって形成される隙間の上部側間、または、第１凹凸成形部の凸部によって形成される隙間の下部側と第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間の下部側間を蛇行して流通することができる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給性能を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性能を確保できる。

また、平板形状の流路形成部に対して、第１凹凸成形部の凹部および第２凹凸成形部の凹部における底部を板厚分だけ突出させ、第１凹凸成形部の凸部および第２凹凸成形部の凸部における頂部を板厚分だけ突出させることができる。これにより、例えば、第１凹凸成形部における凸部によって形成される隙間の下部側を流通した燃料ガスまたは酸化剤ガスが対向する位置に成形された第２凹凸成形部における凹部に到達した場合には、同凹部の底部側面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが衝突する。すなわち、第１凹凸成形部における凸部によって形成される隙間の下部側を流通した燃料ガスまたは酸化剤ガスが対向する第２凹凸成形部における凹部を直線的に通過することを効果的に禁止することができる。したがって、この場合には、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給効率を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性を確保できる。

また、前記流路形成部は、前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および凸部の頂部と、前記第２凹凸成形部を形成して前記第１凹凸成形部の凹部に対向する凸部の頂部および前記第１凹凸成形部の凸部に対向する凹部の底部とを連結する三次元曲面に成形されるとよい。

これによれば、三次元曲面に成形された流路形成部が、第１凹凸成形部における凹部の底部と対向する位置に成形された第２凹凸成形部の凸部の頂部とを連結し、第１凹凸成形部における凸部の頂部と対向する位置に成形された第２凹凸成形部の凹部の底部とを連結することができる。これにより、第１凹凸成形部における凹部によって形成される隙間から第２凹凸成形部における凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第１凹凸成形部における凸部によって形成される隙間から第２凹凸成形部における凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に禁止することができる。

言い換えれば、三次元曲面に形成された流路形成部により、第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から第２凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第１凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に形成することができる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路形成部によって、互いに半周期だけ異なる第１凹凸成形部の凹部と第２凹凸成形部の凹部とによって形成される隙間、または、第１凹凸成形部の凸部と第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間を蛇行して流通することができる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給性能を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性能を確保できる。

以下、本発明の第１実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、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）を用いて構成された固体高分子型の燃料電池スタックの一部を概略的に示した断面図である。燃料電池スタックは、２つのセパレータ１０と、これらセパレータ１０間に配置されて積層されるフレーム２０およびＭＥＡ３０（Membrane-Electrode Assembly：膜−電極接合体）とからなる単セルが複数積層されて形成される。

そして、各単セルに対して、例えば、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタックの外部から導入されると、ＭＥＡ３０にて電極反応が起こることによって発電される。ここで、本明細書では、以下の説明において、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。

セパレータ１０は、図１に示すように、燃料電池スタック内に導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体１１と、外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスをＭＥＡ３０に対して一様に拡散す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コレクタ１２とから構成される。

セパレータ本体１１は、素材として金属製の薄板（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、セパレータ本体１１を形成する素材としては、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、セパレータ本体１１を金属製の薄板から形成することに代えて、導電性を有する非金属材料（例えば、カーボンなど）を素材にして形成することも可能である。

そして、セパレータ本体１１は、図２に示すように、略正方形の平板状に形成されており、その周縁部分には、ガス導入口１１ａと、同ガス導入口１１ａに対向するガス導出口１１ｂとからなる対が２対形成されている。なお、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１１ａは、略長楕円状の貫通孔として形成されていて、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１１ｂも、略長楕円状の貫通孔として形成されていて、単セル内に導入されたガスのうちＭＥＡ３０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のガスを流通する。

コレクタ１２は、平板状の素材（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。そして、コレクタ１２は、図３に概略的に示すように、素材の一部を切断することにより、素材の板幅方向にて断面略矩形状の凹部と凸部とが連続的に成形された第１凹凸成形部１２ａと、この第１凹凸成形部１２ａに成形された凹部と凸部の成形周期に対して半周期だけ異なる成形周期によって素材の板幅方向にて断面略矩形状の凹部と凸部とが連続的に成形された第２凹凸成形部１２ｂとを有している。より具体的に説明すると、例えば、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部と凸部が、図４（ａ）に示すように、図示左側から凹部、凸部、凹部、凸部…となる成形周期で成形される場合には、第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部と凸部が、図４（ｂ）に示すように、図示左側から凸部、凹部、凸部、凹部…となる成形周期で成形される。

また、コレクタ１２は、素材の長手方向にて所定の間隔を有して成形された第１凹凸成形部１２ａと第２凹凸成形部１２ｂとを互いに連結し、第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂへのガスの流路を形成する流路形成部としての平板部１２ｃを有している。

平板部１２ｃは、図５（ａ）に示すように、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部の底部を含む仮想平面と凸部の頂部を含む仮想平面との間の距離（すなわち、成形高さ寸法）の略中間に位置する面（中立面）を含むように成形されている。そして、図５（ｂ）に示すように、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部の頂部は、平板部１２ｃの上面から、例えば、板厚分だけ突出するようになっている。一方、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部の底部は、平板部１２ｃの下面から、例えば、板厚分だけ突出するようになっている。なお、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの成形高さについては、素材の材料特性（例えば、流動特性）に起因する良好な加工性を維持するために、例えば、素材の板厚に対して略３倍以下の成形高さに成形されるとよい。

そして、コレクタ１２は、素材に対して、第１凹凸成形部１２ａ、平板部１２ｃおよび第２凹凸成形部１２ｂが順に素材の長手方向にて連続的に成形されることによって構成されている。

このように構成されたコレクタ１２は、セパレータ本体１１に対して一体的に固設されて、セパレータ１０を形成する。このコレクタ１２の固設について、以下に簡単に説明する。コレクタ１２は、セパレータ本体１１の略中央部分に配置される。そして、セパレータ本体１１とコレクタ１２との接触部分は、例えば、ロー付け工法により、金属的に接合されて一体的に固設される。

具体的に説明すると、まず、コレクタ１２の一面側に対して、例えば、銅やニッケルなどのペースト状のロー材を薄く塗布する。そして、ロー材を塗布したコレクタ１２をセパレータ本体１１の所定位置に仮止めする。このとき、コレクタ１２は、セパレータ本体１１に形成された一対のガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂの配置方向と、コレクタ１２における第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの配列方向とが一致するように仮止めされる。次に、還元ガス雰囲気中にて、仮止めしたセパレータ本体１１とコレクタ１２とを所定温度で所定時間だけ加熱し、その後冷却する。これにより、セパレータ本体１１とコレクタ１２とが金属的に接合されて一体的に固設される。

ここで、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合する接合工法については、上述したロー付け工法に限定されるものではない。すなわち、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合することができる他の工法、例えば、溶接工法や拡散接合工法を採用することができる。

フレーム２０は、図６に示すように、同一の構造とされた２枚一対の樹脂板本体２１，２２から構成されていて、２枚のセパレータ１０（より詳しくは、セパレータ本体１１）にそれぞれの一面側が固着される。これら樹脂板本体２１，２２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るとともに、コレクタ１２の成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。そして、樹脂板本体２１に対して、樹脂板本体２２は、同一平面方向にて略９０度回転して配置されて積層される。なお、樹脂板本体２１，２２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、樹脂板本体２１，２２には、その周縁部分にて、単セルを形成した状態でセパレータ本体１１に形成されたガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂ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の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂが形成されている。また、樹脂板本体２１，２２には、その略中央部分にて、セパレータ本体１１に接合されたコレクタ１２を収容する収容孔２１ｃ，２２ｃが形成されている。この収容孔２１ｃ，２２ｃは、固着されるセパレータ本体１１に形成された一対のガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂと、積層される他方の樹脂板本体２１または樹脂板本体２２に形成された貫通孔２１ａ，２１ｂまたは貫通孔２２ａ，２２ｂとを収容するように形成されている。

このように、収容孔２１ｃ，２２ｃを形成することにより、固着されるセパレータ本体１１の下面（または上面）、収容孔２１ｃ（または収容孔２２ｃ）の内周面およびＭＥＡ３０の上面（または下面）により空間（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、ガス導通空間内に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口１１ａから、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口１１ａおよび貫通孔２１ａから導入することができる。また、ガス導通空間内を通過した未反応のガスは、一方のガス導出口１１ｂを介して、また、他方のガス導出口１１ｂおよび貫通孔２１ｂを介して外部に導出することができる。

電極構造体としてのＭＥＡ３０は、図１および図６に示すように、電解質膜ＥＦと、同電解質膜ＥＦ上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、燃料ガスが導入されるガス導通空間内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内に配置されるカソード電極層ＣＥとを主要構成部品としている。なお、これら電解質膜ＥＦ、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの作用（電極反応）については、広く知られているとともに本発明に直接関係しないため、以下の記載においてその詳細な説明を省略する。

電解質膜ＥＦは、カチオン（より具体的には、水素イオン（Ｈ^＋））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）など）、あるいは、アニオン（より具体的には、水酸化物イオン（ＯＨ⁻））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、トクヤマ社製ネオセプタ（登録商標）など）から形成される。そして、電解質膜ＥＦは、フレーム２０の樹脂板本体２１，２２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、樹脂板本体２１，２２を積層した状態で貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを塞がない大きさに形成されている。このように、電解質膜ＥＦを形成することにより、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（所謂、クロスリーク）を防止することができる。

電極層としてのアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、貴金属触媒（例えば、白金（Ｐｔ）など）を担持したカーボン（担持カーボン）や水素吸蔵合金などを主成分とするものであり、電解質膜ＥＦの表面に対して層状に形成される。そして、層状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、フレーム２０の樹脂板本体２１，２２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形寸法とされている。

また、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、それぞれの表面側が導電性を有した繊維から形成されたカーボンクロスＣＣで覆われて構成される。このカーボンクロスＣＣは、ガス導通空間内に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極層に対して均一に供給するものであるとともに、電極反応によって発電された電気をコレクタ１２に効率よく供給するものである。すなわち、カーボンクロスＣＣは繊維状であるため、この繊維間を導通することによって、供給されたガスはより一様に拡散される。また、カーボンクロスＣＣは導電性を有しているため、発電された電気を効率よくコレクタ１２に流すことができる。なお、必要に応じて、カーボンクロスＣＣを省略して実施することも可能である。

そして、単セルは、セパレータ本体１１、コレクタ１２、フレーム２０およびＭＥＡ３０を順次積層することによって形成される。具体的に説明すると、図６に示したように、互いに同一平面内にて略９０度回転されて配置される上下２枚のフレーム２０間にＭＥＡ３０を配置し、例えば、接着剤などを塗布することによって各フレーム２０間にてＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦを挟持した状態で一体的に固着する。

この一体的に固着したフレーム２０およびＭＥＡ３０に対して、各フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容する。このとき、コレクタ１２は、収容されるフレーム２０に形成された一対の貫通孔２１ａ，２１ｂ（貫通孔２２ａ，２２ｂ）の配置方向すなわち導入されたガスの導通方向と、コレクタ１２における第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの配列方向とが一致するように、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容される。

そして、例えば、接着剤などを塗布することにより、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容した状態でセパレータ本体１１をフレーム２０に対して一体的に固着する。このとき、樹脂板本体２１，２２の板厚がコレクタ１２の成形高さよりも僅かに小さい寸法であるため、コレクタ１２がセパレータ本体１１によってＭＥＡ３０側に若干押圧された状態で組み付けられる。これにより、コレクタ１２とＭＥＡ３０（より詳しくは、カーボンクロスＣＣ）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、要求出力に応じて複数積層されることによって、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、図１に示すように、積層された単セル間でセパレータ本体１１のガス導入口１１ａ同士およびガス導出口１１ｂ同士がフレーム２０の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを介してすべて連通した状態となる。このため、本明細書中の以下の説明においては、各単セルのガス導入口１１ａおよびフレーム２０の貫通孔２１ａ，２２ａによって形成される連通路をガス供給インナーマニホールド、ガス導出口１１ｂおよびフレーム２０の貫通孔２１ｂ，２２ｂによって形成される連通路をガス排出インナーマニホールドという。

このガス供給インナーマニホールドを介して燃料ガスまたは酸化剤ガスがそれぞれ外部から供給されると、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス導通空間内に導入される。このように導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、コレクタ１２によって、ガス導通空間内を均一に拡散されて流通する。

具体的に説明すると、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入されたガスは、ガス導通空間内に配置されたコレクタ１２に接触しながらガス排出インナーマニホールドに向けて流れる。ここで、コレクタ１２は、ガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドの配置方向に対して、第１凹凸成形部１２ａ、平板部１２ｃおよび第２凹凸成形部１２ｂが連続的に配置するようになっている。

このため、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、図７に概略的に示すように、コレクタ１２の第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂに向けて、平板部１２ｃによって形成される流路を蛇行して三次元的に流れる。以下、このことを具体的に説明する。

ガス導通空間内に導入されたガスがコレクタ１２に到達すると、ガスは、ＭＥＡ３０の上面（または下面）と第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部（または凹部）とによって形成される隙間（以下、この隙間をＭＥＡ側通路という）、および、セパレータ本体１１の下面（または上面）と第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部（または凸部）とによって形成される隙間（以下、この隙間をセパレータ本体側通路という）内を流通する。ここで、以下の説明を簡単にして理解を容易とするために、ＭＥＡ３０の上面側にコレクタ１２とセパレータ本体１１が積層されて燃料ガスが流通する場合を例示して説明する。

まず、ＭＥＡ側通路における燃料ガスの流通から説明する。燃料ガスが第１凹凸成形部１２ａの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路内に流入すると、図７にて破線で示すように、この流入した燃料ガスは、平板部１２ｃにより、第２凹凸成形部１２ｂの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路に向けて流れる。

すなわち、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの凸部は、これらの各頂部が平板部１２ｃの上面から板厚分だけ突出している。このため、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部の頂部近傍に流入した燃料ガスは、平板部１２ｃの側面に衝突し、第２凹凸成形部１２ｂ方向への直線的な流通が禁止される。したがって、第１凹凸成形部１２ａによって形成されるＭＥＡ側通路内に流入した燃料ガスは、第１凹凸成形部１２ａの凸部におけるＭＥＡ３０側すなわち凸部の下部側を第２凹凸成形部１２ｂに向けて流れる。言い換えれば、燃料ガスは、ＭＥＡ３０と平板部１２ｃとの間に形成される空間（以下、この空間を隙間空間という）内を流通する。

ここで、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部と凸部の成形周期と、第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部と凸部の成形周期とは、互いに半周期だけ異なる。また、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの凹部は、これらの各底部が平板部１２ｃの下面から板厚分だけ突出している。

このため、第１凹凸成形部１２ａの凸部を横切って隙間空間内に流入した燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部の底部の側面に衝突し、隣接する第１凹凸成形部１２ａ方向への流通が禁止される。したがって、第１凹凸成形部１２ａの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路を通過した燃料ガスは、隙間空間を介して、第２凹凸成形部１２ｂの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路に向けて蛇行しながら流通する。

一方、燃料ガスが第１凹凸成形部１２ａの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路内に流入すると、図７にて実線で示すように、この流入した燃料ガスは、平板部１２ｃにより、第２凹凸成形部１２ｂの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路に向けて流れる。

すなわち、上述したように、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部の頂部は、平板部１２ｃの上面から板厚分だけ突出している。このため、第１凹凸成形部１２ａの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路を通過した燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部の頂部の側面に衝突し、第２凹凸成形部１２ｂ方向への流通が禁止される。したがって、セパレータ本体１１と平板部１２ｃとの間に形成される空間内に流入した燃料ガスは、衝突した凸部の両側に形成された第２凹凸成形部１２ｂの凹部に向けて流れる。

ここで、コレクタ１２においては、図７に示すように、第２凹凸成形部１２ｂに隣接して第１凹凸成形部１２ａが成形される部分が存在する。このため、この部分においては、第２凹凸成形部１２ｂの凹部に隣接して第１凹凸成形部１２ａの凸部が成形され、第２凹凸成形部１２ｂの凸部に隣接して第１凹凸成形部１２ａの凹部が成形される。すなわち、コレクタ１２において、第２凹凸成形部１２ｂと第１凹凸成形部１２ａとが互いに隣接している部分では、凹部と凸部（凸部と凹部）によって比較的大きな開口が形成される。

このため、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂを通過すると、形成された開口を介して、ＭＥＡ側通路方向に（図７に示すコレクタ１２の下方向）に三次元的に流れ、ＭＥＡ側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。一方、ＭＥＡ側通路を流通する燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂを通過すると、形成された開口を介して、セパレータ本体側通路方向（図７に示すコレクタ１２の上方向）に三次元的に流れ、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。

したがって、ガス導通空間内に導入された燃料ガスは、コレクタ１２を通過することにより、上下左右方向に三次元的に蛇行しながら流通する。これにより、燃料ガスは、ガス導通空間内で良好に拡散することができ、アノード電極層ＡＥに対して、効率よく供給される。

なお、上記説明においては、ＭＥＡ３０の上面側にコレクタ１２およびセパレータ本体１１を積層して燃料ガスを導通させた場合を例示して説明したが、酸化剤ガスを導通させる場合であっても全く同様である。また、ＭＥＡ３０の下面側にコレクタ１２およびセパレータ本体１１を積層する場合であっても、上記例示におけるコレクタ１２の第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの凹部または凸部が異なるのみで、燃料ガスまたは酸化剤ガスは全く同様に流通する。

ここで、固体高分子型燃料電池を構成するＭＥＡ３０においては、周知の通り、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電極反応によって、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥにて水が生成する。具体的に説明すると、例えば、ＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦがカチオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式１，２に従い、カソード電極層ＣＥにおいて水が生成する。
アノード電極層：H₂→2H⁺+2e⁻ …化学反応式１
カソード電極層：2H⁺+2e⁻+(1/2)O₂→H₂O …化学反応式２

また、例えば、ＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦがアニオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式３，４に従い、アノード電極層ＡＥにおいて水が生成する。
アノード電極層：H₂+2OH⁻→2H₂O+2e⁻ …化学反応式３
カソード電極層：(1/2)O₂+H₂O+2e⁻→2OH⁻ …化学反応式４

そして、このように、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥにおいて生成水が多量に発生すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給が阻害される状態、すなわち、フラッディング状態が生じる場合がある。このフラッディング状態が発生した状況では、生成水は、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの表面を覆うとともに、カーボンクロスＣＣを通過してコレクタ１２に到達する。そして、コレクタ１２に到達した生成水は、その表面張力により、コレクタ１２に形成された第１凹凸成形部１２ａまたは第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部と凸部に浸入して水膜を形成するようになる。

ところで、コレクタ１２は、上述したように、ガス導通空間内に導入されたガスを三次元的に導通させることができる。すなわち、コレクタ１２には、第１凹凸成形部１２ａ、第２凹凸成形部１２ｂおよび平板部１２ｃとが連続的に成形されており、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの配列方向がガス導通方向と略平行となるようにフレーム２０内に収容される。これにより、ガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的にコレクタ１２に形成された第１凹凸成形部１２ａと第２凹凸成形部１２ｂの凹部または凸部を横切るように通過する。

したがって、ＭＥＡ３０における電極反応が進行し、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部または凸部が生成水の水膜によって塞がれる程度にまでフラッディング状態が発生する状況であっても、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入されて、ガス排出インナーマニホールドから排出されるガスの流れによって水膜の形成が防止される。さらに、所定の圧力で燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入されることから、コレクタ１２にまで到達した生成水は、一部の未反応ガスとともに単セルすなわち燃料電池スタック外に排水される。

そして、このように、コレクタ１２に到達した生成水が外部に排水されることによって、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの近傍に存在する生成水のうち、例えば、電解質膜ＥＦを保水する以外の余剰水がカーボンクロスＣＣを介して連続的にコレクタ１２近傍に到達し、この到達した生成水（余剰水）が排水される。このような、水膜の形成防止および生成水の排水は、燃料電池の作動状態時、言い換えれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限りにおいて、連続的に行われる。

したがって、燃料電池が作動している間は、コレクタ１２に生成水が溜まることがなく、また、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに余分な生成水が溜まることがないため、フラッディング状態の発生を良好に防止することができる。また、燃料電池の作動中において生成水が燃料電池スタック外に連続的に排水されるため、燃料電池の作動を停止した後における単セル、より詳しくは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥやコレクタ１２の内部に残留する生成水の量を極めて少なくすることができる。これにより、例えば、燃料電池が低温（０℃以下）となる環境下に設置された場合であっても、生成水が氷結してガスの供給量が低下することを防止することができ、低温環境下における燃料電池の良好な始動性を確保することができる。

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、コレクタ１２に成形された平板部１２ｃが燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路を形成することにより、第１凹凸成形部１２ａの凹部（凸部）によって形成される隙間からこの凹部（凸部）に対向する第２凹凸成形部１２ｂの凸部（凹部）によって形成される隙間に向けての燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが阻害することができる。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、平板部１２ｃにより、第１凹凸成形部１２ａの凹部（凸部）によって形成される隙間から第２凹凸成形部１２ｂの凸部（凹部）によって形成される隙間に向けて直線的に通過することなく、この第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部（凹部）に隣接して成形される凹部（凸部）によって形成される隙間に向けて蛇行して流通する。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂに向けて蛇行して流通することによって良好に拡散され、ＭＥＡ３０を構成するアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに対して十分な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、良好なガス供給性能を確保することができ、ＭＥＡ３０によって消費されない未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスの量を低減することができる。

また、セパレータ本体１１によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第１凹凸成形部１２ａの凹部または凸部によって形成される隙間と第２凹凸成形部１２ｂの凹部または凸部によって形成される隙間を横切るように通過して、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに供給される。このため、例えば、表面張力の作用により、発生した生成水がコレクタ１２近傍に到達すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れに乗せて生成水を未反応ガスとともに外部に排水することができる。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限り、言い換えれば、固体高分子型燃料電池が作動している限り、発生した生成水を連続的に排水することができる。したがって、良好な生成水の排水性能を確保することができる。

さらに、第１凹凸成形部１２ａ、平板部１２ｃおよび第２凹凸成形部１２ｂを順に連続的に成形することにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂを通過する回数すなわち蛇行する回数を増やすことができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを三次元的に流通させることができる。このため、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより良好に拡散させることができて、良好なガス供給性能を確保することができる。また、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂが複数成形されることにより、ＭＥＡ３０における電極反応によって発生した生成水がより容易にコレクタ１２近傍に到達しやすくなるため、より良好な生成水の排水性能を確保することができる。

上記第１実施形態においては、流路形成部としての平板部１２ｃを採用し、燃料ガスまたは酸化剤ガスの第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂへの流路を形成するように実施した。しかし、上述したように、平板部１２ｃを平板形状とするために、言い換えれば、平板状の素材に対して第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂを選択的に成形するために、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの成形高さが制限される。すなわち、上記第１実施形態においては、素材に対して局所的にせん断加工および引き伸ばし加工が施されるために加工度が高くなる。このため、良好な成形を行うために、これら加工に対する素材の材料特性（例えば、材料の流動特性）を考慮しなければならず、成形高さを制限する必要がある。

そこで、このような成形上の制限を設ける必要がなく、コレクタ１２を成形することができる第２実施形態を説明する。なお、この第２実施形態を説明するにあたり、上記第１実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２実施形態においては、図８に示すように、上記第１実施形態におけるコレクタ１２の平板部１２ｃに代えて、三次元的に成形された流路形成部としての三次元曲面部１２ｄが採用される点で異なる。三次元曲面部１２ｄは、図９（ａ），（ｂ）に示すように、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部の頂部と第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部の底部とを連結する曲面、および、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部の底部と第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部の頂部とを連結する曲面が複合して形成されている。

ここで、このような三次元曲面部１２ｄは、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部と凸部および第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部と凸部の成形と同時に成形することができる。すなわち、この第２実施形態においては、素材に対する加工領域を大きくすることができる。このため、例えば、加工時における素材の流動性を十分に確保することができ、良好な成形を行うことができる。したがって、第１凹凸成形部１２ａ、第２凹凸成形部１２ｂおよび三次元曲面部１２ｄの成形に伴う制限を厳密に設ける必要がない。

そして、このような三次元曲面部１２ｄが形成されたコレクタ１２も、上記第１実施形態と同様に、セパレータ本体１１に対して一体的に接合されるとともに、一体的に固着されたフレーム２０およびＭＥＡ３０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容され、単セルを形成する。ここで、この第２実施形態におけるコレクタ１２も、ガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドの配置方向に対して、第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの配列方向が略平行となるように、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容される。

そして、この第２実施形態においては、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、図１０に概略的に示すように、コレクタ１２の第１凹凸成形部１２ａから第２凹凸成形部１２ｂに向けて、三次元曲面部１２ｄによって形成される流路を蛇行して三次元的に流れる。以下、このことを具体的に説明する。なお、この説明においても、上記実施形態と同様に、理解を容易とするため、ＭＥＡ３０の上面側にコレクタ１２とセパレータ本体１１が積層されて燃料ガスが流通する場合を例示して説明する。

まず、ＭＥＡ側通路における燃料ガスの流通から説明する。燃料ガスが第１凹凸成形部１２ａの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路内に流入すると、図１０にて破線で示すように、この流入した燃料ガスは、三次元曲面部１２ｄにより、第２凹凸成形部１２ｂの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路に向けて流れる。

すなわち、三次元曲面部１２ｄは、第１凹凸成形部１２ａの凸部の頂部と第２凹凸成形部１２ｂの凹部の底部を連結する曲面と、第１凹凸成形部１２ａの凹部の底部と第２凹凸成形部１２ｂの凸部の頂部を連結する曲面とから形成される。このため、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部に流入した燃料ガスは、図１０における三次元曲面部１２ｄの下面に沿って、ＭＥＡ３０方向に流通する。すなわち、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部に流入した燃料ガスは、三次元曲面部１２ｄが第２凹凸成形部１２ｂの凹部の底部に連結されるため、第２凹凸成形部１２ｂ方向への流通が禁止される。

そして、ＭＥＡ３０に到達した燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂの凹部の両側に成形された凸部に向けて流れる。これにより、第１凹凸成形部１２ａの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路を通過した燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂの凸部によって形成されるＭＥＡ側通路に向けて蛇行しながら流通する。

一方、燃料ガスが第１凹凸成形部１２ａの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路内に流入すると、図１０にて実線で示すように、この流入した燃料ガスは、図１０に示す三次元曲面部１２ｄの上面に沿って、セパレータ本体１１に向けて流れる。すなわち、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部に流入した燃料ガスは、三次元曲面部１２ｄが第２凹凸成形部１２ｂの凸部の頂部に連結されるため、第２凹凸成形部１２ｂ方向への流通が禁止される。そして、セパレータ本体１１に到達した燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂの頂部の両側に成形された凹部に向けて流れる。

ここで、この第２実施形態におけるコレクタ１２においては、図１０にも示すように、第２凹凸成形部１２ｂの成形に伴って第１凹凸成形部１２ａが成形される部分が存在する。すなわち、第２凹凸成形部１２ｂの凹部に隣接して第１凹凸成形部１２ａの凸部が成形され、第２凹凸成形部１２ｂの凸部に隣接して第１凹凸成形部１２ａの凹部が成形される。このため、この第２実施形態におけるコレクタ１２においても、第２凹凸成形部１２ｂと第１凹凸成形部１２ａとが互いに隣接している部分では、凹部と凸部（凸部と凹部）によって比較的大きな開口が形成される。

このため、この第２実施形態におけるコレクタ１２においても、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂを通過すると、形成された開口を介して、ＭＥＡ側通路方向に（図１０に示すコレクタ１２の下方向）に三次元的に流れ、ＭＥＡ側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。一方、ＭＥＡ側通路を流通する燃料ガスは、第２凹凸成形部１２ｂを通過すると、形成された開口を介して、セパレータ本体側通路方向（図１０に示すコレクタ１２の上方向）に三次元的に流れ、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。

したがって、この第２実施形態においても、ガス導通空間内に導入された燃料ガスは、コレクタ１２を通過することにより、上下左右方向に三次元的に蛇行しながら流通する。これにより、燃料ガスは、ガス導通空間内で良好に拡散することができ、アノード電極層ＡＥに対して、効率よく供給される。なお、この第２実施形態における例示においても、酸化剤ガスを導通させる場合や、ＭＥＡ３０の下面側にコレクタ１２およびセパレータ本体１１を積層する場合は、上記例示におけるコレクタ１２の第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの凹部または凸部が異なるのみでその他の部分は全く同様である。

また、この第２実施形態におけるコレクタ１２においても、ガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的にコレクタ１２に形成された第１凹凸成形部１２ａと第２凹凸成形部１２ｂの凹部または凸部を横切るように通過する。したがって、上記第１実施形態と同様に、ＭＥＡ３０における電極反応が進行してフラッディング状態が発生する状況であっても、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れによって水膜の形成が防止される。さらに、所定の圧力で燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入されることから、コレクタ１２にまで到達した生成水は、一部の未反応ガスとともに単セルすなわち燃料電池スタック外に排水される。

したがって、上記第１実施形態と同様に、燃料電池が作動している間は、コレクタ１２に生成水が溜まることがなく、また、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに余分な生成水が溜まることがないため、フラッディング状態の発生を良好に防止することができる。また、燃料電池の作動中において生成水が燃料電池スタック外に連続的に排水されるため、例えば、低温環境下においても生成水が氷結することを防止することができ、燃料電池の良好な始動性を確保することができる。

以上の説明からも理解できるように、この第２実施形態においては、局所的な成形を行わないため、成形上の制約を設ける必要がない。したがって、極めて容易にコレクタ１２を成形することができるため、歩留まりがよくなり、その結果、製造コストを低減することができる。また、成形上の制約を設ける必要がないため、コレクタ１２の設計自由度が向上する。これにより、例えば、ガス導通空間内を導通する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力損失を低減する形状の設計やコレクタ１２の厚みを小さくして燃料電池自体を小型化することも可能となる。

また、三次元曲面部１２ｄは、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部の底部と対向する位置に成形された第２凹凸成形部１２ｂの凸部の頂部とを連結し、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部の頂部と対向する位置に成形された第２凹凸成形部１２ｂの凹部の底部とを連結することができる。これにより、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部によって形成される隙間から第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第１凹凸成形部１２ａにおける凸部によって形成される隙間から第２凹凸成形部１２ｂにおける凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に禁止することができる。

さらに、第１凹凸成形部１２ａにおける凹部の底部（凸部の頂部）と第２凹凸成形部１２ｂにおける凸部の頂部（凹部の底部）とを三次元曲面部１２ｄによって連結することにより、ＭＥＡ３０（カーボンクロスＣＣ）との接触態様を線状とすることができる。これにより、ＭＥＡ３０、より詳しくは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに対するガスの供給性能をより向上させることができ、燃料電池自体の発電性能を向上させることができる。その他の効果については、上記第１実施形態と同様である。

本発明の実施に当たっては、上記第１実施形態および第２実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、コレクタ１２における第１凹凸成形部１２ａおよび第２凹凸成形部１２ｂの凹部と凸部の形状については、上記第１および第２実施形態の断面略矩形状に限定されるものではない。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスが通過可能な形状であれば、いかなる形状であってもよい。

また、上記第１および第２実施形態においては、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合することによって、一体的に固設して実施した。しかし、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合することなく実施可能であることはいうまでもない。

本発明の第１および第２実施形態に係り、燃料電池用セパレータを採用して構成した燃料電池スタックの一部を示す概略図である。図１のセパレータを構成するセパレータ本体を示した概略的な斜視図である。図１のコレクタを説明するための概略図である。図３のコレクタにおける第１凹凸成形部および第２凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を説明するための概略的な図であり、（ａ）は、図３のコレクタにおける第１凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を示し、（ｂ）は、（ａ）の第１凹凸成形部に対する第２凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を示すものである。図３のコレクタにおける平板部を説明するための概略的な図であり、（ａ）は、コレクタの長手方向における断面を示し、（ｂ）は、コレクタの幅方向における断面を示すものである。図１に示したフレームおよびＭＥＡの組み付け状態を説明するための概略的な分解斜視図である。図３のコレクタによる燃料ガスまたは酸化剤ガスの三次元的な蛇行を説明するための概略図である。本発明の第２実施形態に係るコレクタを説明するための概略的な図である。図８のコレクタにおける三次元曲面を説明するための概略的な図であり、（ａ）は、コレクタの長手方向における断面を示し、（ｂ）は、コレクタの幅方向における断面を示すものである。図８のコレクタによる燃料ガスまたは酸化剤ガスの三次元的な蛇行を説明するための概略図である。

符号の説明

１０…セパレータ、１１…セパレータ本体、１２…コレクタ、１２ａ…第１凹凸成形部、１２ｂ…第２凹凸成形部、１２ｃ…平板部（流路形成部）、１２ｄ…三次元曲面部（流路形成部）、２０…フレーム、３０…ＭＥＡ

Claims

燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、
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、
前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ拡散して前記電極構造体に供給するとともに、前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、
前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第１凹凸成形部と、
同第１凹凸成形部の凹部および凸部の成形周期に対して半周期だけ異なり、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第２凹凸成形部と、
前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部との間に形成されて、前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部とを互いに連結するとともに、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの前記第１凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から前記第２凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への流路および前記第１凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から前記第２凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への流路を形成する流路形成部とを備えたコレクタとから構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１凹凸成形部と前記第２凹凸成形部との配列方向が、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通方向と略平行であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路形成部は、
前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、前記第１凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項３に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路形成部は、
前記第１凹凸成形部を形成する凹部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と、前記第１凹凸成形部を形成する凸部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面を少なくとも含んで平板形状に成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項４に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記平板形状に成形される流路形成部に対して、
前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第２凹凸成形部を形成する凹部の底部がこれら底部における板厚分だけ突出し、前記第１凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第２凹凸成形部を形成する凸部の頂部がこれら頂部における板厚分だけ突出することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項３に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路形成部は、
前記第１凹凸成形部を形成する凹部の底部および凸部の頂部と、前記第２凹凸成形部を形成して前記第１凹凸成形部の凹部に対向する凸部の頂部および前記第１凹凸成形部の凸部に対向する凹部の底部とを連結する三次元曲面に成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１凹凸成形部と第２凹凸成形部とをそれぞれ形成する凹部および凸部の成形方向における形状は、略矩形状であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記コレクタは、前記第１凹凸成形部、前記流路形成部および前記第２凹凸成形部が順にかつ連続的に複数成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。