JP2000251902A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池用ガスセパレータの反りを抑える 【解決手段】 セパレータ３０は、集電部１６と外縁部
１７からなり、集電部１６では、その一方の面上に２つ
の凹部５０，５１が形成されている。凹部５０，５１に
は、複数の凸部５５が設けられている。セパレータ３０
を用いて燃料電池を組み立てたときには、凹部５０，５
１およびこれらが備える凸部５５は、隣接する部材との
間でガスの流路を形成する。集電部１６は、略四角形状
を成すが、その四隅に相当する部分は、角部を有しない
滑らかな曲線状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、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、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）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３
０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５２，５
３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５
０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４
５、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４
０，４２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４
４，４６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６
５，６７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７
０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３
６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３
６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３
８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８
５、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にが備え
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１
５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３
３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６
２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１
６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３
０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１
４９，１４８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１３
０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１
５０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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、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特徴とする燃料電池用ガス
   セパレータ。
2. 【請求項２】 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、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
   を特徴とする燃料電池用ガスセパレータ。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３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。
5. 【請求項５】 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４記載の燃料電池用ガスセパレータ。
6. 【請求項６】 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）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特徴とする燃料電池用ガス
   セパレータの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６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。
8. 【請求項８】 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
   ータを備える燃料電池。