JP3683117B2 - 燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池に関し、詳しくは、単セルを複数積層して構成する燃料電池において、隣接する単セル間に設けられ、隣接する部材との間で燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成すると共に、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを構成する部材であって、充分なガス不透過性を備えることによって、隣り合う単セルのそれぞれに供給される燃料ガスおよび酸化ガスが混じり合うのを防いでいる。従来、このような燃料電池用ガスセパレータは、充分な導電性を有する炭素材料あるいは金属材料を用いて製造されてきた。一般に、金属材料は強度に優れているため、炭素材料を用いる場合に比べてより薄いガスセパレータを製造することが可能であり、ガスセパレータを薄くすることによって、燃料電池全体を小型化することが可能となる。
【０００３】
また、燃料電池用ガスセパレータは、通常はその表面に所定の形状の凹凸構造を有し、この凹凸構造によって、燃料電池内で隣接する部材との間で、上記した燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。このような凹凸構造を有するガスセパレータを、金属材料によって製造する方法として、金属板をプレス成形する方法が提案されている（例えば、特開平１０−２４１７０９号公報等）。このような製造方法によれば、プレス成形という簡便な方法によって燃料電池用ガスセパレータを製造することができるため、製造工程を簡素化・短期化して生産性を向上させ、製造コストの上昇を抑えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属板をプレス成形することによって、所定の形状の凹凸構造を有するガスセパレータを製造する場合には、凹凸構造が形成される領域において、金属板の「曲げ」や「延ばし」が行なわれるため、金属板の内部においてプレス成形に起因する応力が生じ、出来上がったガスセパレータに反りを生じるという問題があった。ガスセパレータに反りが生じると、このようなガスセパレータを積層して燃料電池を組み付ける操作が非常に困難になってしまうという弊害が起こる。さらに、反ったガスセパレータを無理に積層して燃料電池を組み付けた場合には、個々のガスセパレータ内に応力が生じていることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれもあった。したがって、より反りの少ないガスセパレータが望まれていたが、金属板をプレス成形してガスセパレータを製造することによる利点を損なうことなく、ガスセパレータの反りを充分に抑える方法は、従来知られていなかった。
【０００５】
本発明の燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池は、こうした問題を解決し、燃料電池用ガスセパレータの反りを充分に抑えて、ガスセパレータの反りに起因する弊害を防ぐことを目的としてなされ、次の構成を採った。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
外周形状が四角形に形成されると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記集電領域の外周線が、角部を有しない滑らかな線状に形成されていることを要旨とする。
【０００７】
また、本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
外周形状が四角形に形成されると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域の形状が略多角形状を成し、
前記集電領域の略多角形状の角部のうち、少なくとも一つの角部は、前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記角部に代えて、滑らかな曲線状に形成されていることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池用ガスセパレータによれば、燃料電池内でガスの流路を形成する凹凸構造を備える集電領域は、この凹凸構造を設けることによって集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、集電領域の外周線が、角部を有しない滑らかな線状に形成されている。また、本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータによれば、燃料電池内でガスの流路を形成する凹凸構造を備える集電部は、略多角形状を成しており、前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、略多角形状の角部のうち少なくとも一つの角部は、この角部に代えて滑らかな曲線状に形成されている。このように、集電領域内で応力の分布が偏るのが抑えられるため、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータでは、反りが充分に抑えられるという効果が得られる。また、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータによれば、この燃料電池用ガスセパレータの反りが充分に抑えられることにより、このセパレータ３０を用いて燃料電池を組み立てる際の組み付けが容易となる。
【０００９】
本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記略多角形状は、略四角形状であることとしてもよい。
【００１０】
また、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記集電領域は、金属板によって形成され、
前記凹凸構造は、金属板のプレス成形によって形成されたこととしてもよい。
【００１１】
凹凸構造を形成することで応力の分布が偏ることに起因するガスセパレータの反りは、金属板をプレス成形してセパレータを製造する際に特に問題となる。金属板をプレス成形して集電領域を形成する際に、集電領域の形状を既述した形状とすることで応力の分布の偏りを抑えることができるため、金属板をプレス成形してガスセパレータを製造する利点（製造が容易で低コストであること）を損なうことなく、充分に反りの少ない金属製のセパレータを得ることができる。また、金属製のガスセパレータの反りを抑えることが可能となることで、より薄い金属板を用いてガスセパレータを製造することができ、このようにより薄い金属板を用いることで、このガスセパレータを備える燃料電池全体をさらに小型化することができる。
【００１２】
また、このような燃料電池用ガスセパレータにおいて、金属板をプレス成形することによって前記凹凸構造を形成した前記集電領域は、前記燃料電池用ガスセパレータを構成する他の領域とは別体で形成されたこととしてもよい。
【００１３】
このような構成とすれば、集電領域を既述した形状とすることで、金属板をプレス成形する利点（簡便で低コストであること）を生かしつつ、金属製の集電領域の反りを抑えることができる。さらに、集電領域以外の領域を集電領域とは別体とすることで、反りの抑えられた集電領域と反りのない他の部材とを組み合わせることができ、セパレータ全体の反りをさらに抑えることができる。また、集電領域とは別体の他の部材を、導電性を有しない材料で形成すれば、このガスセパレータを用いて組み立てた燃料電池において、燃料電池の周囲に設ける絶縁のための構造を簡素化することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法は、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、その表面に、前記電気化学反応に供するガスの流路を前記燃料電池内で形成可能となる複数の凹凸構造を有する燃料電池用ガスセパレータの製造方法であって、
（ａ）外周形状が四角形に形成された前記燃料電池用ガスセパレータの基材を用意する工程と、
（ｂ）前記基材に対して所定の外力を加えて、前記基材の表面に、前記複数の凹凸構造を備える集電領域を形成する工程と
を備え、
前記（ｂ）工程は、前記集電領域を形成する際に、前記外力によって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記集電領域の外周線の形状を滑らかな曲線状に形成することを要旨とする。
【００１５】
以上のように構成された本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法によれば、前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのが抑えられるため、充分に反りが少ない燃料電池用ガスセパレータを製造することができる。このように、製造されたガスセパレータの反りが充分に少なくなるので、製造したガスセパレータのうち、反りに起因して不良品とされてしまうものの割合を充分に抑えることができ、ガスセパレータの生産性を充分に確保することができる。
【００１６】
このような本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法において、
前記（ａ）工程では、前記基材として金属板を用意すると共に、
前記（ｂ）工程では、前記金属板に前記外力を加えて、前記金属板をプレス成形することにより、前記集電領域を形成することとしてもよい。
【００１７】
このような製造方法によれば、既述したプレス成形の利点を損なうことなく、充分に反りの少ない金属製の燃料電池用ガスセパレータを製造することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池は、ガスの供給を受け、電気化学反応によって起電力を得る燃料電池であって、
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータを備えることを要旨とする。
【００１９】
このような燃料電池によれば、用いるガスセパレータの反りが充分に抑えられているため、燃料電池を組み付ける操作が容易となると共に、内部に大きな応力が発生しているセパレータを用いて燃料電池を組み付けることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。本発明の第１実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造によって形成されている。図１および図２は、第１実施例の燃料電池が備えるセパレータ３０の構成を表わす平面図であり、図１はセパレータ３０の一方の面の様子を表わし、図２はセパレータ３０の他方の面の様子を表わす。最初に、この図１および図２に基づいて、セパレータ３０の構成を説明する。
【００２１】
セパレータ３０は、その外枠をなす外縁部１７と、外縁部１７の内側に配設された集電部１６とからなり、全体として、燃料電池に組み込んだときの積層面が四角形である板状構造をしている。外縁部１７は、導電性を有しない樹脂によって形成されている。また、集電部１６は、金属板をプレス成形することによって形成されており、その表面には所定の形状の凹凸構造が設けられている。金属板をプレス成形してなる集電部１６に対して、所定の樹脂をインサート成型することによって、集電部１６と外縁部１７とが接合されたセパレータ３０が製造される。
【００２２】
セパレータ３０には、その周辺近く、すなわち、外縁部１７において、１０個の孔が設けられている。セパレータ３０の１辺の近傍には、この辺に沿って隣接する４つの孔である孔部４０〜４３が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部４４〜４７が設けられている。さらに、上記孔部４４に隣接して、セパレータ３０の四隅に備えられた角部の一つの近傍には、孔部４８が設けられており、また、孔部４７に隣接して、上記した角部に隣接する角部の近傍には、孔部４９が設けられている。なお、これらの孔部は、セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、後述するように、流体の流路となるマニホールドを形成するが、図１および図２では、各孔部の部材番号と共に、それぞれの孔部が構成するマニホールドの部材番号も括弧を付して合わせて示した。
【００２３】
また、セパレータ３０の一方の面上（図１に表わした側の面上）、すなわち集電部１６の一方の面上には、２つの凹部５０，５１が設けられている。これらの凹部は、それぞれ、互いに平行な横向きのＵ字形に形成されている。既述したように、集電部１６と外縁部１７とは接合されているため、集電部１６に形成された凹部５０は、その両端部において、外縁部１７に設けられた孔部４４および孔部４５とそれぞれ連通している。また、凹部５１は、その両端部において、孔部４６および孔部４７とそれぞれ連通している。同様に、セパレータ３０の他方の面上（図２に表わした側の面上）、すなわち集電部１６の他方の面上には、２つの凹部５２，５３が、互いに平行な横向きのＵ字形（凹部５０，５１とは逆向きのＵ字形）に形成されている。凹部５２は、その両端部において、孔部４０および孔部４１とそれぞれ連通しており、凹部５３は、その両端部において、孔部４２および孔部４３とそれぞれ連通している。これらの凹部５０〜５３は、セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、セパレータ３０に隣接する部材（後述するガス拡散電極）との間で所定の空間を形成し、電気化学反応に供するガスを導く流路を形成する。
【００２４】
後述するように、セパレータ３０を用いて形成する燃料電池は、セパレータ３０を含む複数の部材を順次積層して形成するが、集電部１６の表面に形成された凹部は、燃料電池内においてセパレータ３０に隣接する部材との間で、上記したように、電気化学反応に供するガスの流路を形成する。したがって、燃料電池内におけるセパレータ３０の積層面では、セパレータ３０のそれぞれの面上で２つの凹部が形成されている領域、すなわち集電部１６からなる領域が、燃料電池内で電気化学反応が進行する領域に対応する。
【００２５】
本実施例のセパレータ３０では、この集電部１６からなる領域は、略四角形に形成されているが、その四隅に相当する部分を形成する辺は、角部を形成しない滑らかな曲線となっていることを特徴としている。図１に基づいて説明すると、凹部５０では、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４４に接する部分と、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４０に隣接する部分とにおいて、凹部５０を形成する辺および集電部１６の外周が滑らかな曲線となっている。また、凹部５１では、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４７に接する部分と、セパレータ３０の角部近くに設けられた孔部４３に隣接する部分とにおいて、凹部５１を形成する辺および集電部１６の外周が滑らかな曲線となっている（図１中の点線の円で囲んだ領域参照）。集電部１６は、その裏面において凹部５２，５３を形成しているため、図２に示した面側においても同様に、集電部１６の四隅に相当する部分を形成する辺、および、凹部５２，５３において対応する場所に位置する辺は、角部を形成しない滑らかな曲線となっている。
【００２６】
また、図１および図２に示したセパレータ３０では、凹部５０〜５３は、底面が平坦な凹構造のように表わしたが、これらの凹部５０〜５３には、実際には、その底面から突出する所定の形状の複数の凸構造が設けられている。凹部５０〜５３に設けられたこのような凸構造の一例を図３に示す。図３（Ａ）は、孔部４４および凹部５０の一部を拡大した様子を表わす平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＡ−Ａ断面の様子を表わす断面図である。図３に示すように、凹部５０には、その底面から突出する複数の凸部５５が設けられている。これらそれぞれの凸部５５は、断面が略四角形であり、それぞれの高さが略同一となるように形成されている。
【００２７】
図３には、凹部５０に設けられた凸部５５のみを示したが、凹部５１および、セパレータ３０の他面に形成された凹部５２，５３にも、その底面から突出する複数の凸部が設けられている。セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、これらの凸部は、セパレータ３０に隣接する部材と接触することによって充分な導電性を確保すると共に、凹部５０〜５３が形成する上記したガスの流路を通過するガスを拡散させて、上記したガスの流路を通過するガスを効率よく電気化学反応に供するために働く。したがって、凸部５５の形状は、図３に示した形状とは異なる形状としてもよく、隣接する部材との間で充分な導電性を実現可能であって、凹部５０〜５３が形成するガス流路を通過するガスを充分に拡散させることができればよい。
【００２８】
次に、以上のように構成されたセパレータ３０を用いて組み立てた本実施例の燃料電池について説明する。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造として形成されている。図４は、本実施例の燃料電池を構成するスタック構造１５の基本単位である単セル２０の構成を表わす分解斜視図、図５は、スタック構造１５の外観を表わす斜視図である。単セル２０は、電解質膜３１を、カソード３２およびアノード３３（図示せず）で挟持し、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ３０で挟持することによって構成されている。このような単セル２０を所定数積層することによって、スタック構造１５が構成される。以下、図４および図５に基づいて、単セル２０およびスタック構造１５について説明する。
【００２９】
電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜３１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている。カソード３２およびアノード３３は、ガス拡散電極である。これらは、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。
【００３０】
セパレータ３０が、電解質膜３１，カソード３２およびアノード３３と共に積層されて単セル２０を形成し、さらにスタック構造１５を構成するときには、セパレータ３０上に設けられた各凹部は、隣接するガス拡散電極との間で、ガスの流路を形成する。すなわち、孔部４０と４１、および孔部４２と４３を連通させる凹部５２および５３は、隣接するカソード３２の表面との間に単セル内酸化ガス流路を形成し、孔部４４と４５、および孔部４６と４７を連通させる凹部５０および５１は、隣接するアノード３３の表面との間に単セル内燃料ガス流路を形成する。
【００３１】
単セル２０を積層してスタック構造１５を組み立てるときには、各セパレータ３０が備える孔部４０，４２は、それぞれ、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールド６０，６２を形成する。また、孔部４１，４３は、同じく、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する酸化ガス排出マニホールド６１，６３を形成する。さらに、孔部４４，４６は、同じくスタック構造をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド６４，６６をそれぞれ形成し、孔部４５，４７は、燃料ガス排出マニホールド６５，６７をそれぞれ形成する（図１参照）。スタック構造１５内に形成されたこれらガス流路内でのガスの流れについては、後に詳しく説明する（後述する図６および図７を参照）。また、スタック構造１５では、各セパレータ３０が備える孔部４８，４９は、それぞれ、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する冷却水マニホールド６８，６９を形成する（図１参照）。この冷却水マニホールドは、燃料電池の内部に冷却水を循環させるための構造である。燃料電池の内部では発電に伴って熱が発生するため、燃料電池の内部を所定の温度範囲に保つため、このような構造が設けられている。
【００３２】
以上説明した各部材を備えるスタック構造１５を組み立てるときには、セパレータ３０、カソード３２、電解質膜３１、アノード３３、セパレータ３０の順序で順次重ね合わせ、所定の数の単セル２０を積層した一方の端部にリターンプレート７０を配置する。さらに、その両端に集電板３６，３７、絶縁板３８，３９、エンドプレート８０，８８を順次配置して図５に示すスタック構造１５を完成する。
【００３３】
リターンプレート７０は、充分な導電性を備えるガス不透過な部材（例えば、緻密質カーボンなど）によって形成されている。このリターンプレート７０は、単セル２０が積層された構造と接する側の面に、所定の形状の複数の凹部が形成されている。この凹部は、セパレータ３０が備える孔部によって形成される既述したガスマニホールドの端部に対応する位置に設けられている。このような凹部によって、スタック構造１５の端部で、所定のガス排出マニホールドとガス供給マニホールドとが連通され、スタック構造１５の内部において後述するようなガスの流れが可能となる。なお、リターンプレート７０の構成は、本発明の要部とは直接関わらないため、リターンプレート７０の構造に関するこれ以上の説明は省略する。
【００３４】
集電板３６，３７は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３８，３９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート８０，８８は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３６，３７にはそれぞれ出力端子３６Ａ，３７Ａが設けられており、スタック構造１５によって構成される燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。なお、エンドプレート８０、絶縁板３８、集電板３６およびリターンプレート７０には、対応する同じ位置に、６つの孔部が設けられている。例えば、エンドプレート８０には、孔部８１〜８６が設けられている（図５参照）。
【００３５】
孔部８１、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した燃料ガス供給マニホールド６４（各セパレータ３０が備える孔部４４によって形成される）に連通するガス流路を形成する。また、孔部８２、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した燃料ガス排出マニホールド６７（各セパレータ３０が備える孔部４７によって形成される）に連通するガス流路を形成する。同じく、孔部８３、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応して設けられた孔部は、酸化ガス供給マニホールド６０（各セパレータ３０が備える孔部４０によって形成される）に連通するガス流路を形成し、孔部８４、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応して設けられた孔部は、酸化ガス排出マニホールド６３（各セパレータ３０が備える孔部４３によって形成される）に連通するガス流路を形成する。また、孔部８５、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した冷却水マニホールド６８（各セパレータ３０が備える孔部４８によって形成される）に連通する冷却水流路を形成する。さらに、孔部８６、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した冷却水マニホールド６９（各セパレータ３０が備える孔部４９によって形成される）に連通する冷却水流路を形成する。
【００３６】
スタック構造１５からなる燃料電池を動作させるときには、エンドプレート８０が備える孔部８１と図示しない燃料ガス供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様に、燃料電池を動作させるときには、孔部８３と図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガス（空気）が燃料電池内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および加圧を行なって燃料電池に供給する装置である。また、燃料電池を動作させるときには、孔部８２と図示しない燃料ガス排出装置とが接続され、孔部８４と図示しない酸化ガス排出装置とが接続される。なお、燃料ガスとしては、炭化水素を改質して得た水素リッチガスの他、純度の高い水素ガスを用いることとしても良い。さらに、燃料電池を動作させるときには、孔部８５と図示しない冷却水供給装置とが接続され、孔部８６と図示しない冷却水排出装置とが接続される。これによって、燃料電池内で発生した熱が、冷却水によって燃料電池外部に排出される。
【００３７】
スタック構造１５を構成するときの各部材の積層順序は既述した通りであるが、電解質膜３１の周辺部には、セパレータ３０と接する領域において所定のシール部材が設けられる。このシール部材は、各単セル内部から燃料ガスおよび酸化ガスが漏れ出すのを防ぐと共に、スタック構造１５内において燃料ガスと酸化ガスとが混合してしまうのを防止する役割を果たす。
【００３８】
以上説明した各部材からなるスタック構造１５は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持され、燃料電池が完成する。スタック構造１５を押圧する構成については、本発明の要部とは関わらないため図示は省略した。スタック構造１５を押圧しながら保持するには、スタック構造１５をボルトとナットを用いて締め付ける構成としても良いし、あるいは所定の形状のスタック収納部材を用意して、このスタック収納部材の内部にスタック構造１５を収納した上でスタック収納部材の両端部を折り曲げて、スタック構造１５に押圧力を作用させる構成としても良い。
【００３９】
次に、以上のような構成を備えた燃料電池における燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて説明する。最初に、燃料ガスについて説明する。図６は、スタック構造１５内での燃料ガスの流れを立体的に表わす説明図、図７は、同じく燃料ガスの流れを平面的に表わした説明図である。既述したように、燃料電池外部に設けられた燃料ガス供給装置は、エンドプレート８０に設けられた孔部８１に接続され、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは、絶縁板３８、集電板３６およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部を介して、燃料ガス供給マニホールド６４内に導入される。燃料ガス供給マニホールド６４内を通過する燃料ガスは、各単セル２０において、各セパレータ３０が備える凹部５０と隣接するアノード３３との間で形成されるガス流路（単セル内燃料ガス流路）内に導かれる。これら単セル内燃料ガス流路に導かれた燃料ガスは、各単セルにおいて電気化学反応に供されるが、反応に関与しなかった残りの燃料ガスは、セパレータ３０に設けられた孔部４５によって形成される燃料ガス排出マニホールド６５に排出される。なお、図６では、凹部５０が形成する単セル内燃料ガス流路、および、後述する凹部５１が形成する単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ（積層面上におけるＵ字形の流れ）は、スタック構造１５の中で３カ所のみ示したが、実際にはすべての単セル２０において、内部に形成される単セル内燃料ガス流路でこのようにガスが流れる。燃料ガス排出マニホールド６５では、燃料ガス供給マニホールド６４とは逆向きに燃料ガスが通過しながら、各単セル内に形成された単セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが合流する。
【００４０】
このような燃料ガスは、スタック構造１５端部のリターンプレート７０に達すると、リターンプレート７０の表面に設けられた既述した凹部によって、さらに燃料ガス供給マニホールド６６内に導かれる。燃料ガス供給マニホールド６６内に導かれた燃料ガスは、この燃料ガス供給マニホールド６６内を通過しながら、各セパレータ３０が備える凹部５１と隣接するアノード３３との間で形成される各単セル内燃料ガス流路に分配され、この単セル内燃料ガス流路を通過しつつ電気化学反応に供される。このようにして単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド６７に排出され、燃料ガス供給マニホールド６６とは逆向きに流れながら合流し、再びリターンプレート７０に達する。リターンプレート７０に達した燃料ガスは、エンドプレート８０に設けられた孔部８２と、集電板３６、絶縁板３８およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部とを介して、孔部８２に接続する燃料ガス排出装置に排出される。
【００４１】
以上、スタック構造１５内における燃料ガスの流れについて説明したが、スタック構造１５内における酸化ガスの流れについても同様である。すなわち、酸化ガスの流れは、図６および図７に基づいた上記説明において、燃料ガス供給マニホールド６４，６６を、それぞれ酸化ガス供給マニホールド６０，６２に、燃料ガス排出マニホールド６５，６７を、酸化ガス排出マニホールド６１，６３に、凹部５０，５１が形成する単セル内燃料ガス流路を、凹部５２，５３が形成する単セル内酸化ガス流路に読み替えればよい。酸化ガス供給装置から燃料電池に供給された酸化ガスは、まず、酸化ガス供給マニホールド６０内を通過しつつ、各セパレータ３０が備える凹部５２とカソード３２との間に形成される単セル内酸化ガス流路に分配されて電気化学反応に供される。反応に関与しなかった残りの酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド６１に集合して、酸化ガス供給マニホールド６０とは逆向きに流れてリターンプレート７０に到る。
【００４２】
このような酸化ガスは、リターンプレート７０が備える所定の凹部によって、酸化ガス供給マニホールド６２内に導かれる。酸化ガス供給マニホールド６２内に導かれた酸化ガスは、各セパレータ３０が備える凹部５３とカソード３２との間に形成される単セル内酸化ガス流路に分配されて電気化学反応に供される。このようにして単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド６３に排出され、酸化ガス供給マニホールド６２とは逆向きに流れながら合流し、再びリターンプレート７０に達する。リターンプレート７０に達した酸化ガスは、エンドプレート８０に設けられた孔部８４と、絶縁板３８，集電板３６およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部とを介して、孔部８４に接続する酸化ガス排出装置に排出される。
【００４３】
以上説明した実施例によれば、それぞれのセパレータ３０において、略四角形をしている集電部１６の四隅を、角部のない滑らかな曲線となるように形成することで、集電部１６の反りが抑えられる。したがって、金属板をプレス成形してセパレータを製造するという簡便で低コストなセパレータの製造方法の利点を損なうことなく、金属セパレータが反ってしまうという問題を解決することができる。
【００４４】
既述したように、金属板をプレス成形して複数の細かい凹凸構造を形成すると、金属板の曲げや延ばしによって金属板内部に生じる応力のために金属板が反ってしまい、充分に反りの少ない金属セパレータを製造することは困難であった。しかしながら上記実施例のように、凹凸構造を備える集電領域を、その外周線が角部を有しない滑らかな線状となるように形成すると、応力が生じる原因となる凹凸構造の分布状態がより均一となる。すなわち、セパレータ３０の外形と同様に、集電領域を、角部を有する四角形状とすると、集電領域の中心から集電領域の外周線上の各点までの距離の中では、これら角部までの距離が最も長くなるため、角部を結ぶ対角線上には、応力を生じさせる凸構造が他の領域よりも多く設けられることになって強い応力が働くが、上記構成とすることによってこのような応力分布の偏りを抑えることができ、セパレータ３０の反りを効果的に少なくすることができる。
【００４５】
このように、セパレータ３０の反りが抑えられることによって、このセパレータ３０を用いて燃料電池を組み立てる際の組み付けが容易となる。また、セパレータの反りが充分に抑えられるので、製造したセパレータのうち、反りに起因して不良品とされてしまうものの割合を充分に抑えることができ、セパレータの生産性を充分に確保することができる。さらに、内部に大きな応力が発生しているセパレータを用いて燃料電池を組み付けることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれがない。
【００４６】
なお、このような金属板のプレス形成によってセパレータに生じる反りは、セパレータを製造するためにプレス成形に供する金属板が薄いほど、より顕著に現われる。したがって、上記実施例のように、外周線が角部のない滑らかな曲線状となるように集電部を形成することによって、セパレータの反りを充分に抑えるならば、より薄い金属板を用いてプレス形成に供しても、反りが充分に少ないセパレータを製造することが可能となる。また、このように、より薄い金属セパレータを製造できることによって、燃料電池のさらなる小型化が可能となる。
【００４７】
なお、セパレータ３０は、その表面において各凹部をＵ字形に形成されているため、各単セル内ガス流路を通過するガスは、このＵ字形の底部に相当するガス流路の屈曲部を通過することで、流れの方向が逆向きに変更される。このように、屈曲部を設けて単セル内ガス流路を途中で折り曲げることで、単セル内ガス流路の流路断面積を小さくし、流路内を通過するガスの流量および流速を増大させ、ガスの利用率の向上を図ることができるが、上記屈曲部では、流路をガスが通過する際の圧損が増大してしまう。上記実施例のように屈曲部の形状を滑らかな曲線状にすることによって、屈曲部においてガスをスムーズに導き、上記屈曲部をガスが通過する際の圧損を抑えることができる。また、このような屈曲部において、屈曲部に角部を設けた場合（略四角形の集電領域の四隅として角部が設けられている場合）には、この角部は、ガスの流れが不十分になりやすく、電気化学反応の進行状態が不十分になりやすい領域となる。したがって、上記実施例のように、集電部の四隅を滑らかな曲線にして角部に相当する集電部の面積を減らしても、電池性能にさほど影響はない。
【００４８】
さらに、上記実施例によれば、集電部１６の四隅において角部をなくして滑らかな曲線状とすることで、燃料電池内でマニホールドを効率的に配置することが可能となる。すなわち、セパレータ３０では、集電部１６およびセパレータ３０の一辺に沿って、酸化ガスマニホールドを形成する孔部４０〜４３が設けられ、これらの辺に対向する辺に沿って、燃料ガスマニホールドを形成する孔部４４〜４７が設けられている。ここで、集電部１６は、その四隅が角部のない滑らかな曲線状に形成されているため、集電部１６の四隅に隣接する孔部４０，４３，４４，４７と、セパレータ３０のそれぞれの四隅との間には、所定のスペースが生じる。したがって、このスペースに、冷却水マニホールドを形成するための孔部（孔部４８，４９）を設けることができ、冷却水マニホールドを設けるためにセパレータの横幅を大きくする必要がなく、燃料電池内でマニホールドを効率的に配置して、燃料電池の積層面における集電部の面積の割合を充分に高くすることができる。
【００４９】
なお、セパレータ３０の集電部１６を構成する金属としては、充分な導電性、強度、および耐食性を備えていればよく、例えば、ステンレスなどを用いることができる。また、セパレータ３０の耐食性をさらに向上させるために、特に耐食性に優れた導電性物質、例えば、チタンやニッケルなどの金属や、カーボンからなる被覆層を、集電部１６の表面に設ける構成も望ましい。
【００５０】
また、上記実施例のセパレータ３０では、集電部１６と外縁部１７とは異なる部材からなるが、両者を一体で形成することとしてもよい。すなわち、金属板をプレス成形して集電部を形成すると共に、この金属板の所定の位置を打ち抜いて孔部を設け、一枚の金属板から、集電部と外縁部とが一体となった金属製のセパレータを製造することとしてもよい。このような場合にも、プレス成形により形成する集電部の外縁の形状を、その四隅において角部のない滑らかな曲線状とすることで、集電部が備える凹凸形状を形成することでセパレータ内に生じる応力の分布の偏りを抑え、セパレータの反りを少なくする効果を得ることができる。なお、上記した実施例のセパレータ３０では、集電部１６を既述した形状とすることで金属製の集電部１６の反りを抑えると共に、この集電部１６を、反りを生じない樹脂製の外縁部１７と一体とすることで、セパレータ３０全体の反りをさらに抑えることができる。
【００５１】
また、上記実施例のセパレータ３０では、集電部１６は、それぞれの面上において、平行な２つのＵ字形の凹部からなることとしたが、集電部内に形成される凹部の形状は、他のいかなる形状であってもよい。すなわち、集電部の外周を、角部のない滑らかな曲線状となるように形成すれば、集電部内に形成される凹部の形状が他の形状であっても、プレス成形によって集電部内に生じる応力の分布の偏りを抑えることができ、セパレータの反りを少なくすることができる。セパレータ３０が備える凹部とは異なる形状の凹部を備えるセパレータの例を図８に示す。
【００５２】
図８に示すセパレータ１３０は、金属板をプレス成形することにより形成されており、その一方の面上に凹部１５０を備えると共に、四隅のそれぞれの近傍に孔部１４０，１４３，１４４，１４７が形成されており、さらに、孔部１４３，１４４の近傍には、孔部１４９，１４８が設けられている。ここで、凹部１５０は、略円形に形成されており、その内部において図３に示した凸部５５と同様に複数の凸構造が形成され、孔部１４４，１４７と連通している。また、セパレータ１３０の他方の面（図示せず）には、凹部１５０と同様の凹部が設けられており、この凹部は、孔部１４０，１４３と連通している。このようなセパレータ１３０を用いて燃料電池を構成する場合には、凹部１５０は単セル内燃料ガス流路を形成し、孔部１４４，１４７は燃料ガスマニホールドを、孔部１４０，１４３は酸化ガスマニホールドを、孔部１４８，１４９は冷却水マニホールドを形成する。また、セパレータ１３０を用いて構成した燃料電池内では、凹部１５０が形成する単セル内燃料ガス流路において、孔部１４４，１４７のうちの一方が形成するガスマニホールドから他方が形成するガスマニホールドに向かってガスが流れる。
【００５３】
このようなセパレータ１３０では、凹部１５０が形成される領域が既述した集電部に相当するが、この集電部を、略円形、すなわちその外周を角部のない滑らかな曲線状とすることで、既述した実施例と同様に、セパレータ１３０の反りを抑える効果を得ることができる。また、凹部１５０を上記した形状として、ガスマニホールドを形成するための孔部をこの凹部１５０に沿って設けることによって、セパレータ１３０の四隅の近傍には所定のスペースが生じる。したがって、ここに、冷却水マニホールドを形成する孔部１４８，１４９を設けることができ、既述した実施例と同様に、マニホールドを効率的に配置できるという効果も得られる。
【００５４】
なお、既述した実施例では、集電部の四隅すべてを、角部を有しない曲線状となるよう形成したが、四隅のうちの少なくとも一つにおいて、このような構成としてもよい。このような場合にも、四隅のうちの少なくとも一つを、角部を有しない曲線状とすることで、プレス成形によって凹凸形状を形成する際に生じる応力の分布の偏りを抑える所定の効果を得ることができる。また、集電部の形状は、略四角形以外の多角形状であっても、その角部に相当する形状を滑らかな曲線とすることで、セパレータの反りを抑える同様の効果を得ることができる。
【００５５】
既述した実施例では、１枚の金属板をプレス成形することによって、その両面に所定の凹凸形状を有する集電部１６を形成したが、プレス成形した金属板を２枚貼り合わせて集電部を形成することもできる。すなわち、プレス成形といった塑性加工だけでは、所望の凹凸形状を両面に有する集電部を形成するのが困難である場合には、集電部のいずれか一方の面に対応する凸構造を形成するように金属板を加工し、集電部の他方の面に対応する凸構造を形成するように加工した金属板と共に、上記凸構造が向かい合わない方向で両者を貼り合わせて、一つの集電部を形成することとしてもよい。このような場合にも、集電領域の外周の形状を、角部を有しない滑らかな線状とすることで、セパレータの反りを抑える効果を得ることができる。
【００５６】
このように、金属製の薄板をプレス成形する際には、応力分布の不均一による成形体の反りが特に大きな問題となり、集電領域を既述した形状とすることによる効果が特に顕著に得られるが、他の方法でセパレータの凹凸構造を形成する場合であっても、集電領域の外周の形状を角部のない滑らかな曲線状にすることによって、セパレータの反りを抑える所定の効果を得ることができる。例えば、平坦な金属板上に、熱で溶融させた金属を盛りつけることによって、セパレータ表面に凹凸構造を形成する場合にも、集電領域の外周の形状を角部のない滑らかな曲線状にすることで、セパレータの反りを抑えることができる。既述した実施例では、セパレータ内に分布する応力は、金属板を曲げたり伸ばしたりする外力によって生じるが、溶融金属を盛りつける場合には、セパレータに分布する応力は、熱という外力によって発生する。その他、カーボン材料をプレス成形してセパレータを製造する場合など、他の材料、他の製造方法による場合であっても、集電領域の形状を既述した形状とすることで、単セル内流路を形成するための凹凸構造を設けることでセパレータ内に生じる応力の分布が偏るのを抑え、セパレータの反りをより小さくする効果を得ることができる。
【００５７】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例であるセパレータ３０を一方の面から見た様子を表わす説明図である。
【図２】セパレータ３０を他方の面から見た様子を表わす説明図である。
【図３】凹部５０に設けられた凸部５５の様子を表わす説明図である。
【図４】単セル２０の構成を表わす分解斜視図である。
【図５】スタック構造１５の外観を表わす斜視図である。
【図６】スタック構造１５内での燃料ガスの流れを立体的に表わす説明図である。
【図７】スタック構造１５内での燃料ガスの流れを平面的に表わした説明図である。
【図８】セパレータ１３０の構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１５…スタック構造
１６…集電部
１７…外縁部
２０…単セル
３０…セパレータ
３１…電解質膜
３２…カソード
３３…アノード
３６，３７…集電板
３６Ａ，３７Ａ…出力端子
３８，３９…絶縁板
４０〜４３…孔部
４４〜４７…孔部
４８，４９…孔部
５０〜５３…凹部
５５…凸部
６０，６２…酸化ガス供給マニホールド
６１，６３…酸化ガス排出マニホールド
６４，６６…燃料ガス供給マニホールド
６５，６７…燃料ガス排出マニホールド
６８，６９…冷却水マニホールド
７０…リターンプレート
８０，８８…エンドプレート
８１〜８６…孔部
１３０…セパレータ
１４０，１４３，１４４，１４７，１４８，１４９…孔部
１５０…凹部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池に関し、詳しくは、単セルを複数積層して構成する燃料電池において、隣接する単セル間に設けられ、隣接する部材との間で燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成すると共に、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを構成する部材であって、充分なガス不透過性を備えることによって、隣り合う単セルのそれぞれに供給される燃料ガスおよび酸化ガスが混じり合うのを防いでいる。従来、このような燃料電池用ガスセパレータは、充分な導電性を有する炭素材料あるいは金属材料を用いて製造されてきた。一般に、金属材料は強度に優れているため、炭素材料を用いる場合に比べてより薄いガスセパレータを製造することが可能であり、ガスセパレータを薄くすることによって、燃料電池全体を小型化することが可能となる。
【０００３】
また、燃料電池用ガスセパレータは、通常はその表面に所定の形状の凹凸構造を有し、この凹凸構造によって、燃料電池内で隣接する部材との間で、上記した燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。このような凹凸構造を有するガスセパレータを、金属材料によって製造する方法として、金属板をプレス成形する方法が提案されている（例えば、特開平１０−２４１７０９号公報等）。このような製造方法によれば、プレス成形という簡便な方法によって燃料電池用ガスセパレータを製造することができるため、製造工程を簡素化・短期化して生産性を向上させ、製造コストの上昇を抑えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属板をプレス成形することによって、所定の形状の凹凸構造を有するガスセパレータを製造する場合には、凹凸構造が形成される領域において、金属板の「曲げ」や「延ばし」が行なわれるため、金属板の内部においてプレス成形に起因する応力が生じ、出来上がったガスセパレータに反りを生じるという問題があった。ガスセパレータに反りが生じると、このようなガスセパレータを積層して燃料電池を組み付ける操作が非常に困難になってしまうという弊害が起こる。さらに、反ったガスセパレータを無理に積層して燃料電池を組み付けた場合には、個々のガスセパレータ内に応力が生じていることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれもあった。したがって、より反りの少ないガスセパレータが望まれていたが、金属板をプレス成形してガスセパレータを製造することによる利点を損なうことなく、ガスセパレータの反りを充分に抑える方法は、従来知られていなかった。
【０００５】
本発明の燃料電池用ガスセパレータおよびその製造方法並びに燃料電池は、こうした問題を解決し、燃料電池用ガスセパレータの反りを充分に抑えて、ガスセパレータの反りに起因する弊害を防ぐことを目的としてなされ、次の構成を採った。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
外周形状が四角形に形成されると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記集電領域の外周線が、角部を有しない滑らかな線状に形成されていることを要旨とする。
【０００７】
また、本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータは、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
外周形状が四角形に形成されると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域の形状が略多角形状を成し、
前記集電領域の略多角形状の角部のうち、少なくとも一つの角部は、前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記角部に代えて、滑らかな曲線状に形成されていることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池用ガスセパレータによれば、燃料電池内でガスの流路を形成する凹凸構造を備える集電領域は、この凹凸構造を設けることによって集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、集電領域の外周線が、角部を有しない滑らかな線状に形成されている。また、本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータによれば、燃料電池内でガスの流路を形成する凹凸構造を備える集電部は、略多角形状を成しており、前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、略多角形状の角部のうち少なくとも一つの角部は、この角部に代えて滑らかな曲線状に形成されている。このように、集電領域内で応力の分布が偏るのが抑えられるため、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータでは、反りが充分に抑えられるという効果が得られる。また、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータによれば、この燃料電池用ガスセパレータの反りが充分に抑えられることにより、このセパレータ３０を用いて燃料電池を組み立てる際の組み付けが容易となる。
【０００９】
本発明の第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、前記略多角形状は、略四角形状であることとしてもよい。
【００１０】
また、本発明の第１および第２の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記集電領域は、金属板によって形成され、
前記凹凸構造は、金属板のプレス成形によって形成されたこととしてもよい。
【００１１】
凹凸構造を形成することで応力の分布が偏ることに起因するガスセパレータの反りは、金属板をプレス成形してセパレータを製造する際に特に問題となる。金属板をプレス成形して集電領域を形成する際に、集電領域の形状を既述した形状とすることで応力の分布の偏りを抑えることができるため、金属板をプレス成形してガスセパレータを製造する利点（製造が容易で低コストであること）を損なうことなく、充分に反りの少ない金属製のセパレータを得ることができる。また、金属製のガスセパレータの反りを抑えることが可能となることで、より薄い金属板を用いてガスセパレータを製造することができ、このようにより薄い金属板を用いることで、このガスセパレータを備える燃料電池全体をさらに小型化することができる。
【００１２】
また、このような燃料電池用ガスセパレータにおいて、金属板をプレス成形することによって前記凹凸構造を形成した前記集電領域は、前記燃料電池用ガスセパレータを構成する他の領域とは別体で形成されたこととしてもよい。
【００１３】
このような構成とすれば、集電領域を既述した形状とすることで、金属板をプレス成形する利点（簡便で低コストであること）を生かしつつ、金属製の集電領域の反りを抑えることができる。さらに、集電領域以外の領域を集電領域とは別体とすることで、反りの抑えられた集電領域と反りのない他の部材とを組み合わせることができ、セパレータ全体の反りをさらに抑えることができる。また、集電領域とは別体の他の部材を、導電性を有しない材料で形成すれば、このガスセパレータを用いて組み立てた燃料電池において、燃料電池の周囲に設ける絶縁のための構造を簡素化することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法は、複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、その表面に、前記電気化学反応に供するガスの流路を前記燃料電池内で形成可能となる複数の凹凸構造を有する燃料電池用ガスセパレータの製造方法であって、
（ａ）外周形状が四角形に形成された前記燃料電池用ガスセパレータの基材を用意する工程と、
（ｂ）前記基材に対して所定の外力を加えて、前記基材の表面に、前記複数の凹凸構造を備える集電領域を形成する工程と
を備え、
前記（ｂ）工程は、前記集電領域を形成する際に、前記外力によって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記集電領域の外周線の形状を滑らかな曲線状に形成することを要旨とする。
【００１５】
以上のように構成された本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法によれば、前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのが抑えられるため、充分に反りが少ない燃料電池用ガスセパレータを製造することができる。このように、製造されたガスセパレータの反りが充分に少なくなるので、製造したガスセパレータのうち、反りに起因して不良品とされてしまうものの割合を充分に抑えることができ、ガスセパレータの生産性を充分に確保することができる。
【００１６】
このような本発明の燃料電池用ガスセパレータの製造方法において、
前記（ａ）工程では、前記基材として金属板を用意すると共に、
前記（ｂ）工程では、前記金属板に前記外力を加えて、前記金属板をプレス成形することにより、前記集電領域を形成することとしてもよい。
【００１７】
このような製造方法によれば、既述したプレス成形の利点を損なうことなく、充分に反りの少ない金属製の燃料電池用ガスセパレータを製造することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池は、ガスの供給を受け、電気化学反応によって起電力を得る燃料電池であって、
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータを備えることを要旨とする。
【００１９】
このような燃料電池によれば、用いるガスセパレータの反りが充分に抑えられているため、燃料電池を組み付ける操作が容易となると共に、内部に大きな応力が発生しているセパレータを用いて燃料電池を組み付けることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。本発明の第１実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造によって形成されている。図１および図２は、第１実施例の燃料電池が備えるセパレータ３０の構成を表わす平面図であり、図１はセパレータ３０の一方の面の様子を表わし、図２はセパレータ３０の他方の面の様子を表わす。最初に、この図１および図２に基づいて、セパレータ３０の構成を説明する。
【００２１】
セパレータ３０は、その外枠をなす外縁部１７と、外縁部１７の内側に配設された集電部１６とからなり、全体として、燃料電池に組み込んだときの積層面が四角形である板状構造をしている。外縁部１７は、導電性を有しない樹脂によって形成されている。また、集電部１６は、金属板をプレス成形することによって形成されており、その表面には所定の形状の凹凸構造が設けられている。金属板をプレス成形してなる集電部１６に対して、所定の樹脂をインサート成型することによって、集電部１６と外縁部１７とが接合されたセパレータ３０が製造される。
【００２２】
セパレータ３０には、その周辺近く、すなわち、外縁部１７において、１０個の孔が設けられている。セパレータ３０の１辺の近傍には、この辺に沿って隣接する４つの孔である孔部４０〜４３が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部４４〜４７が設けられている。さらに、上記孔部４４に隣接して、セパレータ３０の四隅に備えられた角部の一つの近傍には、孔部４８が設けられており、また、孔部４７に隣接して、上記した角部に隣接する角部の近傍には、孔部４９が設けられている。なお、これらの孔部は、セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、後述するように、流体の流路となるマニホールドを形成するが、図１および図２では、各孔部の部材番号と共に、それぞれの孔部が構成するマニホールドの部材番号も括弧を付して合わせて示した。
【００２３】
また、セパレータ３０の一方の面上（図１に表わした側の面上）、すなわち集電部１６の一方の面上には、２つの凹部５０，５１が設けられている。これらの凹部は、それぞれ、互いに平行な横向きのＵ字形に形成されている。既述したように、集電部１６と外縁部１７とは接合されているため、集電部１６に形成された凹部５０は、その両端部において、外縁部１７に設けられた孔部４４および孔部４５とそれぞれ連通している。また、凹部５１は、その両端部において、孔部４６および孔部４７とそれぞれ連通している。同様に、セパレータ３０の他方の面上（図２に表わした側の面上）、すなわち集電部１６の他方の面上には、２つの凹部５２，５３が、互いに平行な横向きのＵ字形（凹部５０，５１とは逆向きのＵ字形）に形成されている。凹部５２は、その両端部において、孔部４０および孔部４１とそれぞれ連通しており、凹部５３は、その両端部において、孔部４２および孔部４３とそれぞれ連通している。これらの凹部５０〜５３は、セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、セパレータ３０に隣接する部材（後述するガス拡散電極）との間で所定の空間を形成し、電気化学反応に供するガスを導く流路を形成する。
【００２４】
後述するように、セパレータ３０を用いて形成する燃料電池は、セパレータ３０を含む複数の部材を順次積層して形成するが、集電部１６の表面に形成された凹部は、燃料電池内においてセパレータ３０に隣接する部材との間で、上記したように、電気化学反応に供するガスの流路を形成する。したがって、燃料電池内におけるセパレータ３０の積層面では、セパレータ３０のそれぞれの面上で２つの凹部が形成されている領域、すなわち集電部１６からなる領域が、燃料電池内で電気化学反応が進行する領域に対応する。
【００２５】
本実施例のセパレータ３０では、この集電部１６からなる領域は、略四角形に形成されているが、その四隅に相当する部分を形成する辺は、角部を形成しない滑らかな曲線となっていることを特徴としている。図１に基づいて説明すると、凹部５０では、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４４に接する部分と、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４０に隣接する部分とにおいて、凹部５０を形成する辺および集電部１６の外周が滑らかな曲線となっている。また、凹部５１では、セパレータ３０の角部の近くに設けられた孔部４７に接する部分と、セパレータ３０の角部近くに設けられた孔部４３に隣接する部分とにおいて、凹部５１を形成する辺および集電部１６の外周が滑らかな曲線となっている（図１中の点線の円で囲んだ領域参照）。集電部１６は、その裏面において凹部５２，５３を形成しているため、図２に示した面側においても同様に、集電部１６の四隅に相当する部分を形成する辺、および、凹部５２，５３において対応する場所に位置する辺は、角部を形成しない滑らかな曲線となっている。
【００２６】
また、図１および図２に示したセパレータ３０では、凹部５０〜５３は、底面が平坦な凹構造のように表わしたが、これらの凹部５０〜５３には、実際には、その底面から突出する所定の形状の複数の凸構造が設けられている。凹部５０〜５３に設けられたこのような凸構造の一例を図３に示す。図３（Ａ）は、孔部４４および凹部５０の一部を拡大した様子を表わす平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＡ−Ａ断面の様子を表わす断面図である。図３に示すように、凹部５０には、その底面から突出する複数の凸部５５が設けられている。これらそれぞれの凸部５５は、断面が略四角形であり、それぞれの高さが略同一となるように形成されている。
【００２７】
図３には、凹部５０に設けられた凸部５５のみを示したが、凹部５１および、セパレータ３０の他面に形成された凹部５２，５３にも、その底面から突出する複数の凸部が設けられている。セパレータ３０を用いて燃料電池を構成したときには、これらの凸部は、セパレータ３０に隣接する部材と接触することによって充分な導電性を確保すると共に、凹部５０〜５３が形成する上記したガスの流路を通過するガスを拡散させて、上記したガスの流路を通過するガスを効率よく電気化学反応に供するために働く。したがって、凸部５５の形状は、図３に示した形状とは異なる形状としてもよく、隣接する部材との間で充分な導電性を実現可能であって、凹部５０〜５３が形成するガス流路を通過するガスを充分に拡散させることができればよい。
【００２８】
次に、以上のように構成されたセパレータ３０を用いて組み立てた本実施例の燃料電池について説明する。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造として形成されている。図４は、本実施例の燃料電池を構成するスタック構造１５の基本単位である単セル２０の構成を表わす分解斜視図、図５は、スタック構造１５の外観を表わす斜視図である。単セル２０は、電解質膜３１を、カソード３２およびアノード３３（図示せず）で挟持し、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ３０で挟持することによって構成されている。このような単セル２０を所定数積層することによって、スタック構造１５が構成される。以下、図４および図５に基づいて、単セル２０およびスタック構造１５について説明する。
【００２９】
電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜３１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている。カソード３２およびアノード３３は、ガス拡散電極である。これらは、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。
【００３０】
セパレータ３０が、電解質膜３１，カソード３２およびアノード３３と共に積層されて単セル２０を形成し、さらにスタック構造１５を構成するときには、セパレータ３０上に設けられた各凹部は、隣接するガス拡散電極との間で、ガスの流路を形成する。すなわち、孔部４０と４１、および孔部４２と４３を連通させる凹部５２および５３は、隣接するカソード３２の表面との間に単セル内酸化ガス流路を形成し、孔部４４と４５、および孔部４６と４７を連通させる凹部５０および５１は、隣接するアノード３３の表面との間に単セル内燃料ガス流路を形成する。
【００３１】
単セル２０を積層してスタック構造１５を組み立てるときには、各セパレータ３０が備える孔部４０，４２は、それぞれ、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールド６０，６２を形成する。また、孔部４１，４３は、同じく、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する酸化ガス排出マニホールド６１，６３を形成する。さらに、孔部４４，４６は、同じくスタック構造をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド６４，６６をそれぞれ形成し、孔部４５，４７は、燃料ガス排出マニホールド６５，６７をそれぞれ形成する（図１参照）。スタック構造１５内に形成されたこれらガス流路内でのガスの流れについては、後に詳しく説明する（後述する図６および図７を参照）。また、スタック構造１５では、各セパレータ３０が備える孔部４８，４９は、それぞれ、スタック構造１５内部をその積層方向に貫通する冷却水マニホールド６８，６９を形成する（図１参照）。この冷却水マニホールドは、燃料電池の内部に冷却水を循環させるための構造である。燃料電池の内部では発電に伴って熱が発生するため、燃料電池の内部を所定の温度範囲に保つため、このような構造が設けられている。
【００３２】
以上説明した各部材を備えるスタック構造１５を組み立てるときには、セパレータ３０、カソード３２、電解質膜３１、アノード３３、セパレータ３０の順序で順次重ね合わせ、所定の数の単セル２０を積層した一方の端部にリターンプレート７０を配置する。さらに、その両端に集電板３６，３７、絶縁板３８，３９、エンドプレート８０，８８を順次配置して図５に示すスタック構造１５を完成する。
【００３３】
リターンプレート７０は、充分な導電性を備えるガス不透過な部材（例えば、緻密質カーボンなど）によって形成されている。このリターンプレート７０は、単セル２０が積層された構造と接する側の面に、所定の形状の複数の凹部が形成されている。この凹部は、セパレータ３０が備える孔部によって形成される既述したガスマニホールドの端部に対応する位置に設けられている。このような凹部によって、スタック構造１５の端部で、所定のガス排出マニホールドとガス供給マニホールドとが連通され、スタック構造１５の内部において後述するようなガスの流れが可能となる。なお、リターンプレート７０の構成は、本発明の要部とは直接関わらないため、リターンプレート７０の構造に関するこれ以上の説明は省略する。
【００３４】
集電板３６，３７は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３８，３９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート８０，８８は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３６，３７にはそれぞれ出力端子３６Ａ，３７Ａが設けられており、スタック構造１５によって構成される燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。なお、エンドプレート８０、絶縁板３８、集電板３６およびリターンプレート７０には、対応する同じ位置に、６つの孔部が設けられている。例えば、エンドプレート８０には、孔部８１〜８６が設けられている（図５参照）。
【００３５】
孔部８１、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した燃料ガス供給マニホールド６４（各セパレータ３０が備える孔部４４によって形成される）に連通するガス流路を形成する。また、孔部８２、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した燃料ガス排出マニホールド６７（各セパレータ３０が備える孔部４７によって形成される）に連通するガス流路を形成する。同じく、孔部８３、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応して設けられた孔部は、酸化ガス供給マニホールド６０（各セパレータ３０が備える孔部４０によって形成される）に連通するガス流路を形成し、孔部８４、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応して設けられた孔部は、酸化ガス排出マニホールド６３（各セパレータ３０が備える孔部４３によって形成される）に連通するガス流路を形成する。また、孔部８５、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した冷却水マニホールド６８（各セパレータ３０が備える孔部４８によって形成される）に連通する冷却水流路を形成する。さらに、孔部８６、および、絶縁板３８と集電板３６とリターンプレート７０においてこれに対応する同じ位置に設けられた孔部は、スタック構造１５を構成したときには、既述した冷却水マニホールド６９（各セパレータ３０が備える孔部４９によって形成される）に連通する冷却水流路を形成する。
【００３６】
スタック構造１５からなる燃料電池を動作させるときには、エンドプレート８０が備える孔部８１と図示しない燃料ガス供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様に、燃料電池を動作させるときには、孔部８３と図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガス（空気）が燃料電池内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および加圧を行なって燃料電池に供給する装置である。また、燃料電池を動作させるときには、孔部８２と図示しない燃料ガス排出装置とが接続され、孔部８４と図示しない酸化ガス排出装置とが接続される。なお、燃料ガスとしては、炭化水素を改質して得た水素リッチガスの他、純度の高い水素ガスを用いることとしても良い。さらに、燃料電池を動作させるときには、孔部８５と図示しない冷却水供給装置とが接続され、孔部８６と図示しない冷却水排出装置とが接続される。これによって、燃料電池内で発生した熱が、冷却水によって燃料電池外部に排出される。
【００３７】
スタック構造１５を構成するときの各部材の積層順序は既述した通りであるが、電解質膜３１の周辺部には、セパレータ３０と接する領域において所定のシール部材が設けられる。このシール部材は、各単セル内部から燃料ガスおよび酸化ガスが漏れ出すのを防ぐと共に、スタック構造１５内において燃料ガスと酸化ガスとが混合してしまうのを防止する役割を果たす。
【００３８】
以上説明した各部材からなるスタック構造１５は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持され、燃料電池が完成する。スタック構造１５を押圧する構成については、本発明の要部とは関わらないため図示は省略した。スタック構造１５を押圧しながら保持するには、スタック構造１５をボルトとナットを用いて締め付ける構成としても良いし、あるいは所定の形状のスタック収納部材を用意して、このスタック収納部材の内部にスタック構造１５を収納した上でスタック収納部材の両端部を折り曲げて、スタック構造１５に押圧力を作用させる構成としても良い。
【００３９】
次に、以上のような構成を備えた燃料電池における燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて説明する。最初に、燃料ガスについて説明する。図６は、スタック構造１５内での燃料ガスの流れを立体的に表わす説明図、図７は、同じく燃料ガスの流れを平面的に表わした説明図である。既述したように、燃料電池外部に設けられた燃料ガス供給装置は、エンドプレート８０に設けられた孔部８１に接続され、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは、絶縁板３８、集電板３６およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部を介して、燃料ガス供給マニホールド６４内に導入される。燃料ガス供給マニホールド６４内を通過する燃料ガスは、各単セル２０において、各セパレータ３０が備える凹部５０と隣接するアノード３３との間で形成されるガス流路（単セル内燃料ガス流路）内に導かれる。これら単セル内燃料ガス流路に導かれた燃料ガスは、各単セルにおいて電気化学反応に供されるが、反応に関与しなかった残りの燃料ガスは、セパレータ３０に設けられた孔部４５によって形成される燃料ガス排出マニホールド６５に排出される。なお、図６では、凹部５０が形成する単セル内燃料ガス流路、および、後述する凹部５１が形成する単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ（積層面上におけるＵ字形の流れ）は、スタック構造１５の中で３カ所のみ示したが、実際にはすべての単セル２０において、内部に形成される単セル内燃料ガス流路でこのようにガスが流れる。燃料ガス排出マニホールド６５では、燃料ガス供給マニホールド６４とは逆向きに燃料ガスが通過しながら、各単セル内に形成された単セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが合流する。
【００４０】
このような燃料ガスは、スタック構造１５端部のリターンプレート７０に達すると、リターンプレート７０の表面に設けられた既述した凹部によって、さらに燃料ガス供給マニホールド６６内に導かれる。燃料ガス供給マニホールド６６内に導かれた燃料ガスは、この燃料ガス供給マニホールド６６内を通過しながら、各セパレータ３０が備える凹部５１と隣接するアノード３３との間で形成される各単セル内燃料ガス流路に分配され、この単セル内燃料ガス流路を通過しつつ電気化学反応に供される。このようにして単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド６７に排出され、燃料ガス供給マニホールド６６とは逆向きに流れながら合流し、再びリターンプレート７０に達する。リターンプレート７０に達した燃料ガスは、エンドプレート８０に設けられた孔部８２と、集電板３６、絶縁板３８およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部とを介して、孔部８２に接続する燃料ガス排出装置に排出される。
【００４１】
以上、スタック構造１５内における燃料ガスの流れについて説明したが、スタック構造１５内における酸化ガスの流れについても同様である。すなわち、酸化ガスの流れは、図６および図７に基づいた上記説明において、燃料ガス供給マニホールド６４，６６を、それぞれ酸化ガス供給マニホールド６０，６２に、燃料ガス排出マニホールド６５，６７を、酸化ガス排出マニホールド６１，６３に、凹部５０，５１が形成する単セル内燃料ガス流路を、凹部５２，５３が形成する単セル内酸化ガス流路に読み替えればよい。酸化ガス供給装置から燃料電池に供給された酸化ガスは、まず、酸化ガス供給マニホールド６０内を通過しつつ、各セパレータ３０が備える凹部５２とカソード３２との間に形成される単セル内酸化ガス流路に分配されて電気化学反応に供される。反応に関与しなかった残りの酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド６１に集合して、酸化ガス供給マニホールド６０とは逆向きに流れてリターンプレート７０に到る。
【００４２】
このような酸化ガスは、リターンプレート７０が備える所定の凹部によって、酸化ガス供給マニホールド６２内に導かれる。酸化ガス供給マニホールド６２内に導かれた酸化ガスは、各セパレータ３０が備える凹部５３とカソード３２との間に形成される単セル内酸化ガス流路に分配されて電気化学反応に供される。このようにして単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド６３に排出され、酸化ガス供給マニホールド６２とは逆向きに流れながら合流し、再びリターンプレート７０に達する。リターンプレート７０に達した酸化ガスは、エンドプレート８０に設けられた孔部８４と、絶縁板３８，集電板３６およびリターンプレート７０の対応する位置に設けられた孔部とを介して、孔部８４に接続する酸化ガス排出装置に排出される。
【００４３】
以上説明した実施例によれば、それぞれのセパレータ３０において、略四角形をしている集電部１６の四隅を、角部のない滑らかな曲線となるように形成することで、集電部１６の反りが抑えられる。したがって、金属板をプレス成形してセパレータを製造するという簡便で低コストなセパレータの製造方法の利点を損なうことなく、金属セパレータが反ってしまうという問題を解決することができる。
【００４４】
既述したように、金属板をプレス成形して複数の細かい凹凸構造を形成すると、金属板の曲げや延ばしによって金属板内部に生じる応力のために金属板が反ってしまい、充分に反りの少ない金属セパレータを製造することは困難であった。しかしながら上記実施例のように、凹凸構造を備える集電領域を、その外周線が角部を有しない滑らかな線状となるように形成すると、応力が生じる原因となる凹凸構造の分布状態がより均一となる。すなわち、セパレータ３０の外形と同様に、集電領域を、角部を有する四角形状とすると、集電領域の中心から集電領域の外周線上の各点までの距離の中では、これら角部までの距離が最も長くなるため、角部を結ぶ対角線上には、応力を生じさせる凸構造が他の領域よりも多く設けられることになって強い応力が働くが、上記構成とすることによってこのような応力分布の偏りを抑えることができ、セパレータ３０の反りを効果的に少なくすることができる。
【００４５】
このように、セパレータ３０の反りが抑えられることによって、このセパレータ３０を用いて燃料電池を組み立てる際の組み付けが容易となる。また、セパレータの反りが充分に抑えられるので、製造したセパレータのうち、反りに起因して不良品とされてしまうものの割合を充分に抑えることができ、セパレータの生産性を充分に確保することができる。さらに、内部に大きな応力が発生しているセパレータを用いて燃料電池を組み付けることによって、燃料電池の耐久性が損なわれてしまうおそれがない。
【００４６】
なお、このような金属板のプレス形成によってセパレータに生じる反りは、セパレータを製造するためにプレス成形に供する金属板が薄いほど、より顕著に現われる。したがって、上記実施例のように、外周線が角部のない滑らかな曲線状となるように集電部を形成することによって、セパレータの反りを充分に抑えるならば、より薄い金属板を用いてプレス形成に供しても、反りが充分に少ないセパレータを製造することが可能となる。また、このように、より薄い金属セパレータを製造できることによって、燃料電池のさらなる小型化が可能となる。
【００４７】
なお、セパレータ３０は、その表面において各凹部をＵ字形に形成されているため、各単セル内ガス流路を通過するガスは、このＵ字形の底部に相当するガス流路の屈曲部を通過することで、流れの方向が逆向きに変更される。このように、屈曲部を設けて単セル内ガス流路を途中で折り曲げることで、単セル内ガス流路の流路断面積を小さくし、流路内を通過するガスの流量および流速を増大させ、ガスの利用率の向上を図ることができるが、上記屈曲部では、流路をガスが通過する際の圧損が増大してしまう。上記実施例のように屈曲部の形状を滑らかな曲線状にすることによって、屈曲部においてガスをスムーズに導き、上記屈曲部をガスが通過する際の圧損を抑えることができる。また、このような屈曲部において、屈曲部に角部を設けた場合（略四角形の集電領域の四隅として角部が設けられている場合）には、この角部は、ガスの流れが不十分になりやすく、電気化学反応の進行状態が不十分になりやすい領域となる。したがって、上記実施例のように、集電部の四隅を滑らかな曲線にして角部に相当する集電部の面積を減らしても、電池性能にさほど影響はない。
【００４８】
さらに、上記実施例によれば、集電部１６の四隅において角部をなくして滑らかな曲線状とすることで、燃料電池内でマニホールドを効率的に配置することが可能となる。すなわち、セパレータ３０では、集電部１６およびセパレータ３０の一辺に沿って、酸化ガスマニホールドを形成する孔部４０〜４３が設けられ、これらの辺に対向する辺に沿って、燃料ガスマニホールドを形成する孔部４４〜４７が設けられている。ここで、集電部１６は、その四隅が角部のない滑らかな曲線状に形成されているため、集電部１６の四隅に隣接する孔部４０，４３，４４，４７と、セパレータ３０のそれぞれの四隅との間には、所定のスペースが生じる。したがって、このスペースに、冷却水マニホールドを形成するための孔部（孔部４８，４９）を設けることができ、冷却水マニホールドを設けるためにセパレータの横幅を大きくする必要がなく、燃料電池内でマニホールドを効率的に配置して、燃料電池の積層面における集電部の面積の割合を充分に高くすることができる。
【００４９】
なお、セパレータ３０の集電部１６を構成する金属としては、充分な導電性、強度、および耐食性を備えていればよく、例えば、ステンレスなどを用いることができる。また、セパレータ３０の耐食性をさらに向上させるために、特に耐食性に優れた導電性物質、例えば、チタンやニッケルなどの金属や、カーボンからなる被覆層を、集電部１６の表面に設ける構成も望ましい。
【００５０】
また、上記実施例のセパレータ３０では、集電部１６と外縁部１７とは異なる部材からなるが、両者を一体で形成することとしてもよい。すなわち、金属板をプレス成形して集電部を形成すると共に、この金属板の所定の位置を打ち抜いて孔部を設け、一枚の金属板から、集電部と外縁部とが一体となった金属製のセパレータを製造することとしてもよい。このような場合にも、プレス成形により形成する集電部の外縁の形状を、その四隅において角部のない滑らかな曲線状とすることで、集電部が備える凹凸形状を形成することでセパレータ内に生じる応力の分布の偏りを抑え、セパレータの反りを少なくする効果を得ることができる。なお、上記した実施例のセパレータ３０では、集電部１６を既述した形状とすることで金属製の集電部１６の反りを抑えると共に、この集電部１６を、反りを生じない樹脂製の外縁部１７と一体とすることで、セパレータ３０全体の反りをさらに抑えることができる。
【００５１】
また、上記実施例のセパレータ３０では、集電部１６は、それぞれの面上において、平行な２つのＵ字形の凹部からなることとしたが、集電部内に形成される凹部の形状は、他のいかなる形状であってもよい。すなわち、集電部の外周を、角部のない滑らかな曲線状となるように形成すれば、集電部内に形成される凹部の形状が他の形状であっても、プレス成形によって集電部内に生じる応力の分布の偏りを抑えることができ、セパレータの反りを少なくすることができる。セパレータ３０が備える凹部とは異なる形状の凹部を備えるセパレータの例を図８に示す。
【００５２】
図８に示すセパレータ１３０は、金属板をプレス成形することにより形成されており、その一方の面上に凹部１５０を備えると共に、四隅のそれぞれの近傍に孔部１４０，１４３，１４４，１４７が形成されており、さらに、孔部１４３，１４４の近傍には、孔部１４９，１４８が設けられている。ここで、凹部１５０は、略円形に形成されており、その内部において図３に示した凸部５５と同様に複数の凸構造が形成され、孔部１４４，１４７と連通している。また、セパレータ１３０の他方の面（図示せず）には、凹部１５０と同様の凹部が設けられており、この凹部は、孔部１４０，１４３と連通している。このようなセパレータ１３０を用いて燃料電池を構成する場合には、凹部１５０は単セル内燃料ガス流路を形成し、孔部１４４，１４７は燃料ガスマニホールドを、孔部１４０，１４３は酸化ガスマニホールドを、孔部１４８，１４９は冷却水マニホールドを形成する。また、セパレータ１３０を用いて構成した燃料電池内では、凹部１５０が形成する単セル内燃料ガス流路において、孔部１４４，１４７のうちの一方が形成するガスマニホールドから他方が形成するガスマニホールドに向かってガスが流れる。
【００５３】
このようなセパレータ１３０では、凹部１５０が形成される領域が既述した集電部に相当するが、この集電部を、略円形、すなわちその外周を角部のない滑らかな曲線状とすることで、既述した実施例と同様に、セパレータ１３０の反りを抑える効果を得ることができる。また、凹部１５０を上記した形状として、ガスマニホールドを形成するための孔部をこの凹部１５０に沿って設けることによって、セパレータ１３０の四隅の近傍には所定のスペースが生じる。したがって、ここに、冷却水マニホールドを形成する孔部１４８，１４９を設けることができ、既述した実施例と同様に、マニホールドを効率的に配置できるという効果も得られる。
【００５４】
なお、既述した実施例では、集電部の四隅すべてを、角部を有しない曲線状となるよう形成したが、四隅のうちの少なくとも一つにおいて、このような構成としてもよい。このような場合にも、四隅のうちの少なくとも一つを、角部を有しない曲線状とすることで、プレス成形によって凹凸形状を形成する際に生じる応力の分布の偏りを抑える所定の効果を得ることができる。また、集電部の形状は、略四角形以外の多角形状であっても、その角部に相当する形状を滑らかな曲線とすることで、セパレータの反りを抑える同様の効果を得ることができる。
【００５５】
既述した実施例では、１枚の金属板をプレス成形することによって、その両面に所定の凹凸形状を有する集電部１６を形成したが、プレス成形した金属板を２枚貼り合わせて集電部を形成することもできる。すなわち、プレス成形といった塑性加工だけでは、所望の凹凸形状を両面に有する集電部を形成するのが困難である場合には、集電部のいずれか一方の面に対応する凸構造を形成するように金属板を加工し、集電部の他方の面に対応する凸構造を形成するように加工した金属板と共に、上記凸構造が向かい合わない方向で両者を貼り合わせて、一つの集電部を形成することとしてもよい。このような場合にも、集電領域の外周の形状を、角部を有しない滑らかな線状とすることで、セパレータの反りを抑える効果を得ることができる。
【００５６】
このように、金属製の薄板をプレス成形する際には、応力分布の不均一による成形体の反りが特に大きな問題となり、集電領域を既述した形状とすることによる効果が特に顕著に得られるが、他の方法でセパレータの凹凸構造を形成する場合であっても、集電領域の外周の形状を角部のない滑らかな曲線状にすることによって、セパレータの反りを抑える所定の効果を得ることができる。例えば、平坦な金属板上に、熱で溶融させた金属を盛りつけることによって、セパレータ表面に凹凸構造を形成する場合にも、集電領域の外周の形状を角部のない滑らかな曲線状にすることで、セパレータの反りを抑えることができる。既述した実施例では、セパレータ内に分布する応力は、金属板を曲げたり伸ばしたりする外力によって生じるが、溶融金属を盛りつける場合には、セパレータに分布する応力は、熱という外力によって発生する。その他、カーボン材料をプレス成形してセパレータを製造する場合など、他の材料、他の製造方法による場合であっても、集電領域の形状を既述した形状とすることで、単セル内流路を形成するための凹凸構造を設けることでセパレータ内に生じる応力の分布が偏るのを抑え、セパレータの反りをより小さくする効果を得ることができる。
【００５７】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例であるセパレータ３０を一方の面から見た様子を表わす説明図である。
【図２】セパレータ３０を他方の面から見た様子を表わす説明図である。
【図３】凹部５０に設けられた凸部５５の様子を表わす説明図である。
【図４】単セル２０の構成を表わす分解斜視図である。
【図５】スタック構造１５の外観を表わす斜視図である。
【図６】スタック構造１５内での燃料ガスの流れを立体的に表わす説明図である。
【図７】スタック構造１５内での燃料ガスの流れを平面的に表わした説明図である。
【図８】セパレータ１３０の構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１５…スタック構造
１６…集電部
１７…外縁部
２０…単セル
３０…セパレータ
３１…電解質膜
３２…カソード
３３…アノード
３６，３７…集電板
３６Ａ，３７Ａ…出力端子
３８，３９…絶縁板
４０〜４３…孔部
４４〜４７…孔部
４８，４９…孔部
５０〜５３…凹部
５５…凸部
６０，６２…酸化ガス供給マニホールド
６１，６３…酸化ガス排出マニホールド
６４，６６…燃料ガス供給マニホールド
６５，６７…燃料ガス排出マニホールド
６８，６９…冷却水マニホールド
７０…リターンプレート
８０，８８…エンドプレート
８１〜８６…孔部
１３０…セパレータ
１４０，１４３，１４４，１４７，１４８，１４９…孔部
１５０…凹部
Claims (11)
- 複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
四隅に角部を備えた四角形の外周形状を有すると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記外周形状とは異なり、前記集電領域の外周線が、角部を有しない滑らかな線状に形成されていることを特徴とする
燃料電池用ガスセパレータ。 - 複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
四隅に角部を備えた四角形の外周形状を有すると共に、その表面に、複数の凹凸構造を設けた集電領域を備え、
前記集電領域は、
前記燃料電池用ガスセパレータを前記燃料電池に組み込んだときには、前記凹凸構造によって、隣接する部材との間で、前記電気化学反応に供するためのガスの流路を形成すると共に、
前記集電領域の形状が略多角形状を成し、
前記集電領域の略多角形状の角部のうち、少なくとも一つの角部は、前記集電領域に前記凹凸構造を設けることによって生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記外周形状とは異なり、前記角部に代えて、滑らかな曲線状に形成されていることを特徴とする
燃料電池用ガスセパレータ。 - 前記略多角形状は、略四角形状である
請求項２記載の燃料電池用ガスセパレータ。 - 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
前記凹凸構造によって形成される前記ガスの流路は、前記ガスセパレータの面上において前記ガスをＵ字型に導く形状を有し、前記集電領域の外周線が、前記Ｕ字型の屈曲部を形成する
燃料電池用ガスセパレータ。 - 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータであって、さらに、
前記集電領域と前記角部との間に、前記ガスの流路に給排するためのガスが通過するガスマニホールドを形成する孔部、および／または、冷却水が流れる冷却水マニホールドを形成する孔部を備える
燃料電池用ガスセパレータ。 - 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
前記集電領域は、金属板によって形成され、
前記凹凸構造は、金属板のプレス成形によって形成された
燃料電池用ガスセパレータ。 - 金属板をプレス成形することによって前記凹凸構造を形成した前記集電領域は、前記燃料電池用ガスセパレータを構成する他の領域とは別体で形成された
請求項６記載の燃料電池用ガスセパレータ。 - 請求項７記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
前記他の領域は、絶縁性部材により形成される
燃料電池用ガスセパレータ。 - 複数の単セルを積層してなり電気化学反応により起電力を得る燃料電池に用いられ、電解質層および電極を形成する部材と共に前記単セルを構成する燃料電池用ガスセパレータであって、その表面に、前記電気化学反応に供するガスの流路を前記燃料電池内で形成可能となる複数の凹凸構造を有する燃料電池用ガスセパレータの製造方法であって、
（ａ）四隅に角部を備えた四角形の外周形状を有する前記燃料電池用ガスセパレータの基材を用意する工程と、
（ｂ）前記基材に対して所定の外力を加えて、前記基材の表面に、前記複数の凹凸構造を備える集電領域を形成する工程と
を備え、
前記（ｂ）工程は、前記集電領域を形成する際に、前記外力によって前記集電領域内に生じる応力の分布が偏るのを抑えるように、前記外周形状とは異なり、前記集電領域の外周線の形状を滑らかな曲線状に形成することを特徴とする
燃料電池用ガスセパレータの製造方法。 - 請求項９記載の燃料電池用ガスセパレータの製造方法であって、
前記（ａ）工程では、前記基材として金属板を用意すると共に、
前記（ｂ）工程では、前記金属板に前記外力を加えて、前記金属板をプレス成形することにより、前記集電領域を形成することを特徴とする
燃料電池用ガスセパレータの製造方法。 - ガスの供給を受け、電気化学反応によって起電力を得る燃料電池であって、
請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータを備える
燃料電池。
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