JP4792213B2 - 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池用セル - Google Patents

固体高分子型燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池用セル Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池用のセルおよびそれに用いられるセパレータに係り、特に部品点数を抑えることにより製造を容易とすることの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用のセルおよびそれに用いられるセパレータに関するものである。
固体高分子型燃料電池は、良く知られているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子膜を電解質としてその両面に重ね合わせた一対の触媒電極の表面に対して、酸化剤としての酸素（空気）と燃料としての水素を供給し、電気化学的に反応させることによって電力を得るものである。
ところで、固体高分子型燃料電池では、目的とする電圧を安定して効率的に得るために、各触媒電極の表面上に酸素や水素を安定して供給することが重要であると共に、適当な温度に維持することも重要となる。
そこで、一般に、固体高分子電解質膜の両面に対してそれぞれ通気性を有する多孔質膜状の酸化電極と燃料電極を配設した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その燃料電極の表面に第一セパレータを重ね合わせると共に、酸化電極の表面に第二セパレータを重ね合わせた構造のセルが採用されている。この単セルを、複数段重ね合わせて電気的に直列接続することで、目的とする電圧を得るようにした構造とされている。
そして、第一セパレータに設けた凹溝を燃料電極で覆蓋することによって燃料ガス流路が形成されると共に、第二セパレータに設けた凹溝を酸化電極で覆蓋することによって酸化ガス流路が形成されている。また、第一セパレータ又は第二セパレータの電極と重ね合わされる主面に対する裏側の副面には、第一セパレータ又は第二セパレータに設けた凹溝を隣接する別の単セルの副面で覆蓋することによって冷却流路が形成されている。
また、相互に重ね合わされた各単セルの外周縁部には、重ね合わせ方向に貫通するようにして、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔と、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔、更に冷却水供給孔および冷却水排出孔が、それぞれ形成されている。そして、これらの給排孔を通じて給排される酸化ガス，燃料ガス，冷却水が、各単セルにおいて、それぞれ、上述の酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路に流通せしめられて、各排出孔から排出されるようになっている。
ここにおいて、これら酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路の形態は、発電の効率や安定性に関して重要な影響を与えるものであると考えられており、従来から、各種の流路形態が提案されている。
ところが、従来構造の単セルにおいては、例えば特開２００２−８３６１０号公報（特許文献１）に開示されているように、膜／電極接合体（ＭＥＡ）の両側に重ね合わされる第一セパレータと第二セパレータは、互いに異なる構造のものが採用されている。具体的には、これら第一セパレータと第二セパレータには、ＭＥＡに重ね合わされるそれぞれの主面に対して各別に特定形態のガス流路を形成するための凹溝が形成されていると共に、第一セパレータと第二セパレータの何れか一方の副面には、冷却水流路を形成するための凹溝が形成されている。
そのために、第一セパレータと第二セパレータを合成樹脂材料やカーボン材料，金属材料の何れで形成する場合であっても、それを製造するための金型等の成形型を各別に準備しなければならなかった。また、製造された第一セパレータと第二セパレータを、各別に数量管理して製造し、供給する必要かあることから、管理に多くの労力が必要とされた。更に、燃料電池セルの製造に際しても、第一のセパレータと第二のセパレータを区別して取り扱って、ＭＥＡにおける特定の側の面に重ね合わせる必要がある。従って、製造が面倒でコストも高くなるという問題があった。
また、従来構造の単セルでは、一般に、互いに重ね合わされる部材間には、別体のシールゴムが介在するようにして配設されていた。しかしながら、上述の如く第一セパレータや第二セパレータの主面にガス通路用の凹溝が形成されいる場合には、第一セパレータや第二セパレータの外周縁部に貫設したガスの供給流路や排出流路に当該凹溝を接続する部分において、シールゴムに対する挟圧力が不足してガスシール性が低下するおそれがあった。なお、この問題に対処するために、前記特許文献には、ガスの供給流路や排出流路に凹溝を接続する部分の通路を、第一セパレータや第二セパレータの副面に形成した構造が開示されているが、このような連通構造では、第一セパレータや第二セパレータの構造が複雑となり、製造も難しく、コストが抑えられないという問題があったのである。
特開２００２−８３６１０号公報
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、ＭＥＡの表裏両面に第一セパレータと第二セパレータを重ね合わせて燃料ガス流路と酸化ガス流路を形成した固体高分子型燃料電池用のセルを、少ない部品点数で容易に製造することが出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することにある。
また、本発明は、少ない部品点数で容易に且つ低コストに製造することの出来る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用のセルを提供することも、目的とする。
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
（固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の態様１）
すなわち、固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の第１の態様は、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、矩形薄板状の金属板に対してプレス加工によって打抜き及び絞りを施して、一方向で対向位置する一対の対向辺部の各上部と各下部にそれぞれ貫通孔を設けると共に、略対角方向で対向位置せしめられた一方の対向辺部の上部貫通孔と他方の対向辺部の下部貫通孔を相互に接続する凹溝を略平行に延びるように複数条形成した金属製セパレータによって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが構成されており、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部において燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔の合計６種類の給排用孔が形成されていると共に、該６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置で重ね合わされるように、表裏で対称となる各対応する各該給排用孔が互いに同じ大きさおよび形状とされていることにより、該第一セパレータと該第二セパレータが互いに同一形状の金属板を反転させて構成されており、該第一セパレータにおける該金属板の前記膜／電極接合体への重ね合わせ面と該第二セパレータにおける該金属板の前記膜／電極接合体への重ね合わせ面とが、各該金属板における同じ側の面で構成されている一方、前記金属製セパレータにおける前記凹溝が開口する主面に対して主面シールゴム層が固着形成されており、該主面シールゴム層により、該凹溝の形成領域の周囲が囲まれていると共に、該凹溝の両端部における前記上部及び下部の貫通孔との接続部位では、該凹溝の接続部位の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層が形成されていることを、特徴とする。
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいては、金属板の一対の対向辺部の各上部と各下部にそれぞれ貫通孔を設けると共に、二枚の金属板を表裏反対とすることにより、一方の金属板の一方の対向辺部における上部貫通孔が、他方の金属板の他方の対向辺部における上部貫通孔又は一方の対向辺部における下部貫通孔とされると共に、一方の金属板の他方の対向辺部における下部貫通孔が、他方の金属板の一方の対向辺部における下部貫通孔又は他方の対向辺部における上部貫通孔とされる。その結果、一方の金属板において一方の対向辺部の上部貫通孔と他方の対向辺部の下部貫通孔を相互に接続するように形成された凹溝は、他方の金属板、即ち一方の金属板に対して表裏反対とされた金属板において、一方の対向辺部の下部貫通孔と他方の対向辺部の上部貫通孔を相互に接続するようになる。従って、同じ金属製セパレータを用いて、その凹溝が形成された方の面をＭＥＡ（膜／電極接合体）の酸化電極側と燃料電極側に重ね合わせることにより、酸化電極の表面においては、酸化ガスの供給孔と排出孔を相互に接続するように凹溝が延びることとなり酸化ガス流路が形成される。また、燃料電極の表面においては、燃料ガスの供給孔と排出孔を相互に接続するように凹溝が延びることとなり燃料ガス流路が形成される。それ故、第一セパレータと第二セパレータを表裏反対にするだけで実現できて、部品を共通化することが可能となり、部品の製造，管理及び組付けの各作業の効率化が実現される。
更に、第一、第二のセパレータを金属製としたことにより、カーボン等を用いたセパレータに比して大きな強度を確保することが出来るため、第一，第二のセパレータを十分に薄肉としつつも必要な強度を確保することが出来る。しかも、カーボン等を用いたセパレータに比して金属製のセパレータは導電性に優れている。それ故、十分な強度を確保しつつ、よりコンパクトで高性能な燃料電池の実現が可能となる。
加えて、金属のプレス加工で形成するようにしたから、非常に高い寸法精度で高い生産性が実現される。
また、金属製のセパレータは、樹脂やカーボンに比して耐熱温度も極めて高く、熱による変形や収縮等の問題が回避される。
更に、金属製としたことにより、リサイクル等による再利用も容易である。
また、本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、凹溝形成部位においても、例えば凹溝を蓋するプレート部材を別途に設けることなく、シールゴム層でシール性能を有利に確保できる。また、シールゴム層は金属製セパレータに対して固設されており、好適には金属製セパレータの主面に対して加硫接着される。従って、シールゴム層と金属製セパレータの隙間にガスが入り込むことに起因するリーク等の問題が防止される。なお、凹溝の開口部分を跨ぐシールゴム層は凹溝の両側で金属製セパレータに固着されているため、単純な剪断方向の弾性だけでなく、引張方向の弾性によっても、シール時の圧縮力が有利に確保され得る。
（固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の態様２）
また、固体高分子型燃料電池用セパレータに関する本発明の第２の態様は、前記第１の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記金属製セパレータにおいて、何れかの方向で互いに対向位置する対向辺部の各中央部分にそれぞれ中央貫通孔を設けて、それら中央貫通孔により冷却水の供給孔および排出孔が形成されるようにすると共に、かかる金属製セパレータの二枚を、前記凹溝の開口側とは反対の副面において互いに直接に重ね合わせることによって、それら凹溝の底部において互いに当接させて導通せしめるようにすると共に、互いに重ね合わせた二枚の該金属製セパレータの両副面間において、かかる対向辺部の各中央部分に設けた中央連通孔の間に跨がって延びる冷却水流路が形成されるようにしたことを特徴とする。
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、二枚の金属製セパレータを副面側で重ね合わせて、凹溝の底部において互いに当接させて導通せしめると共に、二枚の金属製セパレータの両副面間において、対向辺部の各中央部分に設けた中央連通孔の間に跨って延びる冷却水流路が形成されるようにした。従って、二枚の金属製セパレータの両副面間において、凹溝の底部を巧く使って導通状態を確保することが出来ると共に、両副面間のスペースを有効に利用して冷却水流路を形成することが出来る
（固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の態様３）
また、本発明の第３の態様は、前記第２の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、互いの副面を重ね合わせた二枚の前記金属製セパレータの両副面間において、隣り合って平行に延びる前記複数条の凹溝の間に現出する通路状の領域を利用して冷却水流路が形成されるようにしたことを特徴とする。
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、凹溝の間に現れる通路上の領域を巧く利用して、冷却水流路を形成するための特別な部品を必要とすることなく、冷却水流路を二枚の金属製セパレータの両副面間において形成することが出来る。それ故、部品点数を減らすことが可能となると共に、二枚の金属製セパレータの両副面間のスペースを巧く利用することで、よりコンパクトな固体高分子型燃料電池用セパレータを実現することが出来る。更に、凹溝の形状を適当に設定することにより、例えば蛇行した冷却水流路等、広い領域を効率的に冷却することの出来るものが実現可能となる。
（固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の態様４）
また、本発明の第４の態様は、前記第２又は第３の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記金属製セパレータの副面に対して副面シールゴム層を固着形成すると共に、該副面シールゴム層を利用して、互いに重ね合わせた該金属製セパレータの副面間に形成される前記冷却水流路を部分的に形成するようにしたことを特徴とする。
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、二枚の金属製セパレータを重ね合わせる場合に、かかる二枚の金属製セパレータの両副面間の不要な対向面間の隙間を充填したり、或いは冷却水用凹溝を形成したり等することが出来る。これにより、冷却水流路の設計自由度が大きく確保できる。また、副面シールゴム層は、金属製セパレータの副面側において導通部分を除く領域に形成される。即ち、例えばセパレータの外周縁部の重ね合わせ部分を外部空間からシールするためや、或いは、ＭＥＡの配設領域の外周部分を環状にシールするために形成される。これにより、別部品としてシールゴムを形成するよりも、部品点数が少なくて済み、組付作業も容易で、組付け時のミスによる不具合発生も防止できる。更に、特に本発明では、セパレータとして金属製セパレータを採用したため、ゴムの加硫接着などによる被着形成が容易に実現可能となる。
（固体高分子型燃料電池用のセルに関する本発明の態様５）
また一方、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第５の態様は、請求項１乃至４の何れかに記載の金属製セパレータの一対を用い、該固体高分子電解質膜の両面に酸化電極と燃料電極を配した膜／電極接合体に対して、該金属製セパレータの一つを、その前記凹溝が形成された主面を該酸化電極に重ね合わせて酸化ガス流路を形成すると共に、該金属製セパレータの他の一つを、該燃料電極に重ね合わせて燃料ガス流路を形成したことを特徴とする。
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、少ない部品の種類で製造が可能であるため、部品の製造，管理及び組付け等の効率向上が実現される。更に、金属製セパレータを採用することにより、導電樹脂等によるセパレータを使用する固体高分子型燃料電池に比して、剛性と電気的性能を高度に確保しつつコンパクト化を実現することが可能となる
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた金属製のセパレータにあっては、ＭＥＡの酸素側電極と燃料側電極の何れに重ね合わせられるセパレータとしても同一のものが採用され得る。従って、酸素流路を形成するセパレータと燃料流路を形成するセパレータを製造する金型が一つで済む。また、セパレータのスタック量の管理や、輸送時の数量管理，組立現場での数量管理が大幅に簡略化され得る。しかも、ＭＥＡに重ね合わせてセルを製造するに際しても、セパレータの組み付けの労力が軽減されると共に、セパレータの組付けの間違いによる不良発生が効果的に低減され得る。
また、本発明に従う構造とされた単セルにおいては、上述の理由から、製造に際しての労力が大幅に軽減されると共に、不良品の発生も抑えられる。
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
先ず、図１には、本発明に従う構造とされた単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成された固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。
より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質としてその両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。また、この膜／電極接合体１８を両面からサンドイッチ状に挟むようにして、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が重ね合わされている。そして、かかる単セル１２が、板厚方向で複数枚重ね合わされることにより、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを構成するようになっている。
なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。
そして、各単セル１２には、膜／電極接合体１８と第一セパレータ２０の重ね合わせ面間において、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路２４が形成されている。また、膜／電極接合体１８と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間には、空気（酸素）を供給する酸化ガス流路２６が形成されている。更に、相互に重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路２８が形成されている。
また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３４ａと燃料ガス排出孔３４ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３４ｃと酸化ガス排出孔３４ｄが形成されている。
また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各中央部分には、冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。
さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。
これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆが形成されている。
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板３６，３８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。
また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８には、燃料ガス供給用ポート４０ａ，燃料ガス排出用ポート４０ｂ，酸化ガス供給用ポート４０ｃ，酸化ガス排出用ポート４０ｄ，冷却水供給用ポート４０ｅ，冷却水排出用ポート４０ｆの合計６個のポート４０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート４０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート４０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。
そして、これら各供給用ポート４０ａ，ｃ，ｅを通じて各供給孔３４ａ，ｃ，ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路２４および酸化ガス流路２６と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路２８を流通せしめられた後、各排出孔３４ｂ，ｄ，ｆを経て、各排出用ポート４０ｂ，ｄ，ｆを通じて排出されるようになっているのである。
これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に且つ安定して発揮させるには、各単セル１２の触媒電極１６ａ，１６ｂに対して燃料ガスと酸化ガスを連続的に供給すると共に、各単セル１２に対して冷却水を連続的に供給して温度管理を実現することが必要となる。そこで、これら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排流路を形成する流路構造について、以下に説明を加える。
先ず、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜６に示されている如き、同一の金属製セパレータ４２が採用されている。
この金属製セパレータ４２は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ４２は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。
具体的には、金属製セパレータ４２には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部３０と第二辺縁部３２に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における３個の貫通孔４４ａ，ｅ，ｄと、第二辺縁部３２における３個の貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ４２の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ４２を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔４４ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部３０には、上から順に貫通孔４４ａ，ｅ，ｄが形成されている一方、第二辺縁部３２には、上から順に貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂが形成されている。
これにより、２枚の金属製セパレータ４２，４２を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向に合致して相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、各貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄ，冷却水供給孔３４ｅ，冷却水排出孔３４ｆとされている。
さらに、金属製セパレータ４２において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面４６には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部３０の左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａの近くから第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部３２の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部３０に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部３０の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部３２の右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝４８が、形成されている。この凹溝４８は、一つの貫通孔４４ａを、略対角方向で対向位置する別の貫通孔４４ｂに接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝４８は、水平方向に延びる各直線部分が、主面４６の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。
特に本実施形態において、凹溝４８は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有しており、全長に亘って略一定の断面形状とされている。なお、凹溝４８は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから２．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．３ｍｍから１．２ｍｍ、とされ、より望ましくは、開口部の溝幅が１．６ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝４８において、隣り合う凹溝４８の間隔は、好適には、開口部において０．２ｍｍから１．２ｍｍとされ、より好適には、０．７ｍｍとされるのが望ましい。
また、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の各貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域５０とされている。かかるガス拡散領域５０の周囲には、図４に示すように、ガス拡散領域５０を囲むようにして主面シールゴム層５２が加硫成形されて被着されている。なお、本実施形態において、加硫成形された主面シールゴム層５２は、加硫接着によってその全面に亘って金属セパレータ４２の主面４６に接着されて、金属セパレータ４２に対して流体密に密着せしめられている。そして、組付け状態下において第一，第二セパレータ２０，２２の各主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２同士が圧接せしめられることによって、ガス拡散領域５０が流体密にシールされている。また、主面シールゴム層５２の内周面が燃料電極１６ａ若しくは酸化電極１６ｂの外周面に当接せしめられることにより、金属製セパレータ４２に重ね合わせられる膜／電極接合体１８が主面４６上で位置決めされる。
更に、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の一部でガス拡散領域５０の外部に形成された部分、即ち、凹溝４８の各貫通孔４４ａ，ｂ，ｃ，ｄへの接続部分である接続部５４には、その開口部を覆蓋するように、主面シールゴム層５２が橋渡し状に延びて形成されている。換言すれば、凹溝４８の貫通孔４４ａ〜ｄへの接続部分である接続部５４は、主面シールゴム層５２によって凹溝４８の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。
一方、金属製セパレータ４２において、凹溝４８が開口する主面４６と反対側の副面５６には、図５，６に示すように、凹状通路５８が形成されている。凹状通路５８は、主面４６に形成された複数条の凹溝４８の間で、副面５６において形成されて、燃料ガス供給孔３４ａの近くから燃料ガス排出孔３４ｂの近くまで延びている。即ち、主面４６における凹溝４８間の凸部を、その反対側の副面５６において凹状通路５８として利用しており、燃料ガス供給孔３４ａ及び燃料ガス排出孔３４ｂの手前まで凹溝４８に沿って延びている。
また、冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆの近くには、接続凹所６０が形成されている。接続凹所６０は、一方の端部が冷却水供給孔３４ｅ又は冷却水排出孔３４ｆに接続されている一方、他方の端部が酸化ガス供給孔３４ｃ又は酸化ガス排出孔３４ｄの近くまで延びている。
そして、図６に示すように、副面５６において、金属製セパレータ４２の外周部付近および凹溝４８の底部を除く略全面には、副面シールゴム層６２が形成されている。また、副面シールゴム層６２は、凹状通路５８の内面にも被着形成されており、凹状通路５８内が略全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。なお、特に本実施形態では、金属製セパレータ４２に複数の接続孔６４が貫設されており、金属製セパレータ４２の主面４６と副面５６にそれぞれ固着された主面シールゴム層５２，副面シールゴム層６２が物理的に一体化せしめられて、シールゴム層６６を形成している。これにより、シールゴム層６６の被着強度の向上や、薄肉とされたシールゴム層６６の成形時におけるゴム材料の充填不良防止を実現している。
なお、本実施形態では、図７に示されているように、燃料電極１６ａに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部に係合凹所６８が設けられていると共に、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部には、係合突起７０が設けられている。かかる係合凹所６８と係合突起７０を係合せしめることにより、単セル１２を重ね合わせてセルスタックを構成する際に、単セル１２同士が互いに位置決めされるようになっている。
更に、図７に示すように、シールゴム層６６の外側、即ち金属製セパレータ４２の外周縁部には、補助シールゴム７２が略全周に亘って被着形成せしめられている。かかる補助シールゴム７２によって、組付け状態下において金属製セパレータ４２間がシールされており、万が一シールゴム層６６を越えてリークが発生した場合においても、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷却水が外部にリークすることを防止することができる。また、かかる補助シールゴム７２における金属製セパレータ４２の主面４６側と副面５６側の両面は、副面５６側から主面４６側に向かって傾斜する傾斜面とされており、かかる傾斜面がそれぞれガイド面７４とされている。このガイド面７４の主面４６側と副面５６側の傾斜角度は略同一とされており、金属製セパレータ４２を重ね合わせる際に、かかる主面４６側のガイド面７４と副面５６側のガイド面７４を相互に重ね合わせることによって金属製セパレータ４２同士を容易に位置決めすることが可能となっている。
特に、本実施形態では、ガイド面７４が潤滑面とされており、高いシール性能を確保すると共に、ガイド面７４の重ね合わせによる位置決めをスムーズに行うことが可能とされている。なお、ガイド面７４を潤滑面とする手段としては、具体的には、例えば、補助シールゴム７２の材料として、油分などの混合により表面に潤滑材がブリードするようにした自己潤滑性ゴムを採用したり、或いは、表面にレーザー処理や低摩擦性樹脂コートを施して潤滑性を向上させるなどの手段を用いることが考えられる。
また、図７に示されているように、補助シールゴム７２が被着形成されている金属製セパレータ４２の外周縁部は、凹溝４８が開口形成された主面４６側と反対の副面５６に向けて傾斜せしめられて、補強リブ７６が形成されている。かかる補強リブ７６は、金属製セパレータ４２の板面に対して略２５〜６５度程度の傾斜角度で端縁部の実質的に全周に亘って形成されており、金属製セパレータ４２の強度を増すと共に、補助シールゴム７２を一層強固に固定することが可能となっている。特に本実施形態では、略矩形平板形状とされた金属製セパレータ４２の四隅に切欠部７８が設けられている。この切欠部７８によって、隣り合う各辺部の補強リブ７６が互いに独立しており、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲せしめることによる、歪の発生を回避している。
而して、このような構造とされた金属製セパレータ４２は、膜／電極接合体１８に対して、その両側から重ね合わせられて組み付けられている。膜／電極接合体１８は、前述の如く固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化して構成されている。本実施形態においては、固体高分子膜１４が、金属製セパレータ４２に比して一回り小さな矩形板形状とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが、固体高分子膜１４よりも更に一回り小さな矩形板形状とされている。そして、この突出した固体高分子膜１４の外周縁部が、第一及び第二セパレータ２０，２２間において挟み込まれており、突出した固体高分子膜１４の外周縁部が全周に亘ってガスケットとしての主面シールゴム層５２を介して挟圧保持されて、主面シールゴム層５２に圧接せしめられていることで、膜／電極接合体１８を挟んで燃料電極１６ａ側と酸化電極１６ｂ側の各ガス拡散領域がそれぞれ流体密にシールされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２０における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、燃料電極１６ａの厚さ寸法よりも大きく、第二セパレータ２２における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、酸化電極１６ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されている。具体的には、例えば、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、各セパレータにおける主面シールゴム層５２の厚さをそれぞれ０．２７５ｍｍとするのが望ましい。また、それら第一及び第二のセパレータ２０，２２における両主面シールゴム層５２，５２の層厚寸法の合計値は、膜／電極接合体１８の総厚寸法、即ち、固体高分子膜１４の膜厚寸法と燃料／酸化の両電極１６ａ，１６ｂの厚さ寸法の合計と同じか僅かに大きく設定されることが望ましい。即ち、好適には、例えば、主面シールゴム層５２の層厚の合計値を０．５５ｍｍとする一方、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法をそれぞれ０．２５ｍｍとすると共に、固体高分子膜１４の厚さ寸法を０．０５ｍｍとすることが望ましい。
なお、接続部５４の開口部では、主面シールゴム層５２が接続部５４の存在によって第一，第二セパレータ２０，２２間で十分に挟圧されず、それに伴って、主面シールゴム層５２間に挟圧保持されるべき固体高分子膜１４も十分に挟圧保持されない。その結果、極めて薄肉とされた固体高分子膜１４は、接続部５４の開口部上において接続部５４内への撓みを生じるおそれがある。そして、燃料ガス供給孔３４ａ／酸化ガス供給孔３４ｃから接続部５４を介して燃料ガス流路２４／酸化ガス流路２６へ供給されるべき燃料ガス／酸化ガスが、かかる撓みを通じて膜／電極接合体１８を挟んで反対側に形成された酸化ガス流路２６／燃料ガス流路２４、或いはガス拡散領域５０に導かれることによってガスリークが発生する危険性がある。そこで、特に本実施形態では、図８に示すように、主面シールゴム層５２が接続部５４の開口部上に橋渡し状態で配設されている。これによって、固体高分子膜１４に撓みが生じるのを防ぐことが出来て、上述の如きガスリークを防止することが出来るようなっている。
そこにおいて、金属製セパレータ４２は、各主面４６，４６を膜／電極接合体１８に対して重ね合わせられている。すなわち、膜／電極接合体１８の両側に重ね合わせられる二枚の金属製セパレータとしての第一，第二セパレータ２０，２２は、互いに表裏を反転した状態で組み付けられている。つまり、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０は、上述の如く、左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａと右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂが凹溝４８によって接続されている。一方、この第一セパレータ２０の表裏を反転せしめることにより、右上部に形成された酸化ガス供給孔３４ｃと左下部に形成された酸化ガス排出孔３４ｄが凹溝４８によって接続されて、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる第二セパレータ２２として使用することが出来るのである。
このようにして、膜／電極接合体１８に対して、その両側から第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を重ね合わせることによって得られた単セル１２においては、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０の主面４６に開口形成された凹溝４８の開口部が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、燃料電極１６ａと第一セパレータ２０の主面４６の間に、燃料ガス流路２４が形成されている。一方、酸化電極１６ｂと重ね合わせられる第二セパレータ２２の主面４６に形成された凹溝４８の開口部が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、酸化電極１６ｂと第二セパレータ２２の主面４６の間に、酸化ガス流路２６が形成されている。なお、上述の如く、第一，第二セパレータ２０，２２にそれぞれ被着形成された主面シールゴム層５２，５２の間で固体高分子膜１４が挟圧保持されてシールされていることにより、膜／電極接合体１８を挟んで形成される燃料ガス流路２４と酸化ガス流路２６の間で膜／電極接合体１８を越えて生じるガスリークが防止されている。
更に、かかる単セル１２は、互いに複数が重ね合わせられており、金属製セパレータ４２の副面５６同士が重ね合わせられることにより、一方の金属製セパレータ４２の副面５６に形成された凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２によって覆蓋されることとなって、金属製セパレータ４２の副面５６間に冷却水流路２８が形成されている。即ち、図９に示すように、互いに重ね合わせられる金属製セパレータ４２の各副面５６，５６に形成された凹状通路５８，５８において、一部では、凹状通路５８，５８が互いに重ね合わせられて冷却水流路２８が形成される一方、他の部分では、一方の金属製セパレータ４２に形成されている凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２の凹溝４８の底部によって覆蓋されて冷却水流路２８が形成されている。
また、一方の金属製セパレータ４２に形成された接続凹所６０の一部が、他方の金属製セパレータ４２に形成された凹状通路５８の端部と重ね合わせられて、重ね合わせ方向で接続されている。これによって、金属製セパレータ４２の副面５６が重ね合わせられた状態で、一方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、他方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられていると共に、他方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、一方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられており、冷却水供給孔３４ｅから供給された冷却水が、冷却水流路２８を通過して、冷却水排出孔３４ｆから排出されるようになっている。
なお、冷却水流路２８は、流路内面の全長に亘って副面シールゴム層６２が被着形成されていると共に、凹溝４８の底部においては、副面シールゴム層６２が被覆されておらず、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分において第一セパレータ２０と第二セパレータ２２とが電気的に導通せしめられている。これによって、単セル１２間が電気的に導通せしめられて、各単セル１２が発生した総電力を図示しない陽極側集電板と陰極側集電板を介して外部に取り出すことができると共に、冷却水流路２８が電気的に絶縁されて、各単セル１２が発電した電気が冷却水を通して散逸することを防いでいる。
ここにおいて、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を、共通の金属製セパレータ４２を表裏反転せしめることにより構成している。それ故、部品点数の削減が可能となり、それに伴って部品の製造や管理を容易にすることができると共に、製造設備の簡略化も実現できる。
また、本実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２として金属製セパレータ４２を採用している。これによって、第一，第二セパレータ２０，２２の強度を確保しつつ、十分に薄肉とすることが出来る。それ故、単セル１２の厚みを減少させることが可能となり、単セル１２の集合によって構成されるセルスタック、延いては固体高分子型燃料電池１０のサイズのコンパクト化が実現される。しかも、金属製セパレータ４２の外周縁部において補強リブ７６を全周に亘って形成したことによって、金属製セパレータ４２の強度を一層高めることが出来て、より有利に金属製セパレータ４２の薄肉化を実現することができる。
更に、導電樹脂やカーボンに比して優れた導電性を有する金属を用いて第一，第二セパレータ２０，２２を形成したことにより、高性能な固体高分子型燃料電池１０が容易に実現され得る。また、金属は樹脂やカーボンに比して耐熱温度が極めて高いため、発熱反応を生じる固体高分子型燃料電池１０内に配設しても、熱による変形や収縮などの問題が回避される。しかも、金属製セパレータ４２は、リサイクル等の再利用も容易である。
更にまた、第一，第二セパレータ２０，２２をプレス加工によって形成された金属製セパレータ４２とすることにより、非常に高い寸法精度で第一，第二セパレータ２０，２２を形成することが出来ると共に、高い生産性をも実現できる。
また、凹溝４８を葛折状に延びる形状としたことにより、凹溝４８によって形成される燃料ガス流路２４及び酸化ガス流路２６をガス拡散領域５０の略全面に亘って形成することが出来て、燃料電極１６ａ又は酸化電極１６ｂに対して効率的に燃料ガス又は酸化ガスを接触させることが出来る。
更に、凹溝４８を形成することによって金属製セパレータ４２の副面５６側に生じる凹凸を巧く利用して凹状通路５８を形成した。これにより、凹状通路５８によって構成される冷却水流路２８を燃料ガス流路２４或いは酸化ガス流路２６と同様に金属製セパレータ４２上の広い範囲に形成することが出来て、効率的な冷却を実現することが出来る。
また、本実施形態では、シールゴム層６６が、金属製セパレータ４２の主面４６側においてガス拡散領域５０の周りを囲むように被着形成されると共に、金属製セパレータ４２の副面５６側において、凹溝４８の底部及び金属製セパレータ４２の外周付近を除く部分に被着形成される。これによって、燃料ガス若しくは酸化ガスのリークが防止されている。
さらに、それら主面４６側の主面シールゴム層５２と副面５６側の副面シールゴム層６２が接続孔６４によって物理的に接続されて一体化されている。これにより、シールゴム層６６の金属製セパレータ４２に対する被着強度を高めることが出来ると共に、シールゴム層６６の成形時にセパレータ表面に巧くゴム材料が廻るようにすることが出来て、不良品の発生を防止することが出来る。
さらにまた、凹溝４８と貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部５４の開口を覆うようにして主面シールゴム層５２を橋渡し状に延びて形成した。それ故、接続部５４の開口部で固体高分子膜１４に撓みが生じて、燃料ガスが酸化電極１６ｂ側に漏れたり、酸化ガスが燃料電極１６ａ側に漏れたりすることを防ぐことが出来る。なお、接続部５４の開口を覆うように形成された主面シールゴム層５２は、凹溝４８の幅方向両端で金属製セパレータ４２に固着されていることから、剪断方向の弾性のみならず、引っ張り方向の弾性によってもシール時の圧縮力が有利に確保され得る。
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータを用いた固体高分子型燃料電池１０では、部品点数を少なくすることが出来ると共に、剛性や電気的性能を十分に確保しつつ、コンパクト化が可能となる。
次に、図１０には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０の組付け状態が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同じ部材や部分については、図中に第一の実施形態と同一の符号を付すことによって、説明を省略する。
すなわち、本発明の第二の実施形態では、複数の金属製セパレータ８０に被着形成されたシールゴム層８２及び補助シールゴム８４が、略同一の形状とされている。具体的には、例えば、第一の実施形態において副面シールゴム層６２に設けられていた係合凹所６８および係合突起７０が第二の実施形態では設けられていないと共に、補助シールゴム８４が、傾斜面を持たない略直方体形状とされている。
このような第二の実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０では、金属製セパレータ８０にシールゴム層８２及び補助シールゴム８４を被着形成した状態であっても、表裏反転せしめることにより、第一セパレータ２０又は第二セパレータ２２のどちらとしても使用することが出来る。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２の部品の共通化を一層有利に実現することが出来て、組付時の各作業がより効率的に達成され得る。
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０を採用することにより、単セルが、表裏を反転せしめても同一の形状となるため、単セルを重ね合わせて固体高分子型燃料電池を構成する作業においても、より効率的に作業を行うことが可能となる。
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
具体的には、例えば、金属製セパレータ４２，８０に形成される凹溝４８は、前記実施形態の如き葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。
更に、凹溝４８の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。
また、前記実施形態では、冷却水流路２８を凹溝４８によって金属製セパレータ４２，８０の副面５６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路２８は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面５６上で冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。
また、凹溝４８が接続される燃料ガス供給孔３４ａと酸化ガス供給孔３４ｃ、或いは、凹状通路５８が接続される冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。
また、前記実施形態では、膜／電極接合体１８の外周縁部が、各供給孔３４ａ，３４ｃ及び各排出孔３４ｂ，３４ｄより内周側に位置せしめられているが、膜／電極接合体１８は各供給孔３４ａ，ｃや各排出孔３４ｂ，ｄの開口位置より外側まで延び出していても良い。その場合には、膜／電極接合体１８の外周縁部が接続部５４の途上に位置していないため、上述の如き膜／電極接合体１８の外周縁部を回り込んで反対側の面へのガスリークのは生じ得ない。しかし、この場合、膜／電極接合体１８には、両セパレータ２０，２２と同様に、ガスや冷却水を流路に給排する供給孔３４ａ，ｃ，ｅ及び排出孔３４ｂ，ｄ，ｆが形成されることになる。つまり、この給排孔３４ａ〜ｆの形成部位において、膜／電極接合体１８の端縁部が存在することとなり、給排孔３４ａ〜ｄに開口する接続部５４の形成部位において、上述の場合と同様に、挟圧力を十分に確保し難い問題が発生する。従って、給排孔３４ａ〜ｄから供給／排出されるガスが、膜／電極接合体１８の反対側の面に入り込んでリーク発生するおそれが同様にあるのである。ここにおいても、本実施形態では、接続部５４全体の開口部を覆うようにして主面シールゴム層５２が形成されていることから、この主面シールゴム層５２によって、膜／電極接合体１８の挟圧シール機能が有利に確保されることとなる。
また、前記実施形態では、金属製セパレータ４２，８０の４角部に切欠部７８を設けたが、このような切欠きは必ずしも設ける必要はない。更に、金属製セパレータ４２，８０の外周縁部に設けた補強リブ７６は必ずしも必要ではない。更にまた、補強リブ７６に被着形成される補助シールゴム７２，８４も必ずしも必要ではない。このように補助シールゴム７２，８４を被着形成しないと共に、副面シールゴム層６２において係合凹所６８及び係合突起７０を形成しないことによって、第一，第二セパレータ２０，２２を略完全に同一形状とされたセパレータによって実現することが出来て、取扱い及び組付け作業をより効率的に行うことが出来る。
さらに、本実施形態では、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部に被着形成しなかったが、凹溝４８の底部同士が当接せしめられる部分を除いて、副面シールゴム層６２を凹溝４８の底部においても副面シールゴム層６２を被着形成することも出来る。これにより、冷却水流路２８が一層高度に絶縁されて、冷却水への電力の散逸を有効に防止でき、固体高分子型燃料電池の効率向上を図ることが可能となる。
本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池用セパレータを用いて構成された固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する単セルの構造を示す斜視図である。 図１に示された固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側を示す側面図である。 図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。 図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側を示す側面図である。 図５に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。 図１に示された固体高分子型燃料電池における単セルの組付け状態を示す断面図である。 図４に示された固体高分子型電池用セパレータの一部を拡大して示す斜視断面図である。 図４，図６に示された固体高分子型電池用セパレータの副面側の組付け状態を示す斜視断面図である。 本発明の第二の実施形態としての固体高分子型電池用セパレータを含んで構成された単セルの組付け状態を示す断面図である。
符号の説明
１０ 固体高分子型燃料電池
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
２４ 燃料ガス流路
２６ 酸化ガス流路
２８ 冷却水流路
３０ 第一辺縁部
３２ 第二辺縁部
３４ａ 燃料ガス供給孔
３４ｂ 燃料ガス排出孔
３４ｃ 酸化ガス供給孔
３４ｄ 酸化ガス排出孔
３４ｅ 冷却水供給孔
３４ｆ 冷却水排出孔
４２ 金属製セパレータ
４４ａ 貫通孔
４４ｂ 貫通孔
４４ｃ 貫通孔
４４ｄ 貫通孔
４４ｅ 貫通孔
４４ｆ 貫通孔
４８ 凹溝
５０ ガス拡散領域
５８ 凹状通路
６０ 接続凹所
８０ 金属製セパレータ

Claims (5)

  1. 固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、
    矩形薄板状の金属板に対してプレス加工によって打抜き及び絞りを施して、一方向で対向位置する一対の対向辺部の各上部と各下部にそれぞれ貫通孔を設けると共に、略対角方向で対向位置せしめられた一方の対向辺部の上部貫通孔と他方の対向辺部の下部貫通孔を相互に接続する凹溝を略平行に延びるように複数条形成した金属製セパレータによって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが構成されており、
    前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部において燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔の合計６種類の給排用孔が形成されていると共に、該６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置で重ね合わされるように、表裏で対称となる各対応する各該給排用孔が互いに同じ大きさおよび形状とされていることにより、該第一セパレータと該第二セパレータが互いに同一形状の金属板を反転させて構成されており、該第一セパレータにおける該金属板の前記膜／電極接合体への重ね合わせ面と該第二セパレータにおける該金属板の前記膜／電極接合体への重ね合わせ面とが、各該金属板における同じ側の面で構成されている一方、
    前記金属製セパレータにおける前記凹溝が開口する主面に対して主面シールゴム層が固着形成されており、該主面シールゴム層により、該凹溝の形成領域の周囲が囲まれていると共に、該凹溝の両端部における前記上部及び下部の貫通孔との接続部位では、該凹溝の接続部位の開口部分を跨いで溝幅方向に連続して延びるように該主面シールゴム層が形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
  2. 前記金属製セパレータにおいて、何れかの方向で互いに対向位置する対向辺部の各中央部分にそれぞれ中央貫通孔を設けて、それら中央貫通孔により冷却水の供給孔および排出孔が形成されるようにすると共に、かかる金属製セパレータの二枚を、前記凹溝の開口側とは反対の副面において互いに直接に重ね合わせることによって、それら凹溝の底部において互いに当接させて導通せしめるようにすると共に、互いに重ね合わせた二枚の該金属製セパレータの両副面間において、かかる対向辺部の各中央部分に設けた中央貫通孔の間に跨がって延びる冷却水流路が形成されるようにした請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
  3. 互いの副面を重ね合わせた二枚の前記金属製セパレータの両副面間において、隣り合って平行に延びる前記複数条の凹溝の間に現出する通路状の領域を利用して冷却水流路が形成されるようにした請求項２に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
  4. 前記金属製セパレータの副面に対して副面シールゴム層を固着形成すると共に、該副面シールゴム層を利用して、互いに重ね合わせた該金属製セパレータの副面間に形成される前記冷却水流路を部分的に形成するようにした請求項２又は３に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
  5. 請求項１乃至４の何れかに記載の金属製セパレータの一対を用い、前記固体高分子電解質膜の両面に前記酸化電極と前記燃料電極を配した前記膜／電極接合体に対して、該金属製セパレータの一つを、その前記凹溝が形成された主面を該酸化電極に重ね合わせて前記酸化ガス流路を形成すると共に、該金属製セパレータの他の一つを、該燃料電極に重ね合わせて前記燃料ガス流路を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セル。
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