(57)【要約】  本発明の固体高分子形燃料電池セパレータは、平板と、前記平板の上に積層された波板と、を有し、前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向しない面の凹部はガス流路である。本発明の固体高分子形燃料電池セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平坦であることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、本発明によれば、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板と、前記平板の上に積層された波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、
前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向しない面の凹部はガス流路である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記波板は、前記平板に固定されている、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも大きい、請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい、請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、
前記セパレータは、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【請求項７】
請求項６に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池および固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池スタック（以下「燃料電池スタック」とも称する）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体を有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するガス流路を有する。各単セルは、セパレータを介して電気的に接続される。【０００３】
近年、金属板をプレス加工することで、固体高分子形燃料電池用セパレータ（以下単に「セパレータ」とも称する）を製造する方法が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。【０００４】
図１Ａは、特許文献２および３に開示された燃料電池スタックの断面図である。図１に示されるように燃料電池スタック１０は、単セルを積層したセル積層体３と、セル積層体を挟む一対の集電板２と、セル積層体３および集電板２を挟む一対のエンドプレート１とを有する。【０００５】
図１Ｂは、図１Ａに示された燃料電池スタック１０のセル積層体３の拡大図である。図１Ｂに示されるように、セル積層体３は、膜電極接合体２１と、膜電極接合体２１を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータ２３、空気極セパレータ２５）とからなる単セル２０を複数有する。【０００６】
燃料極セパレータ２３および空気極セパレータ２５は、表裏一体の凹凸形状を有する金属の波板であり、波形の断面形状を有する。燃料極セパレータ２３の膜電極接合体２１に接する面の凹部２４は、燃料ガス流路である。また、空気極セパレータ２５の膜電極接合体２１に接する面の凹部２６は、酸化ガス流路である。【０００７】
また、特許文献２および３では単セル２０ａの空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面と、単セル２０ａに隣接する単セル２０ｂの燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面とが接合される。このように、空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面と、燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面とを正確に張り合わせることで、空気極セパレータ２５ａと、燃料極セパレータ２３ｂとの接触面積が最大となり、単セル間の接触抵抗が低下する。また、セパレータ同士を接合することで、膜電極接合体に加わる荷重を均一にすることができる。【０００８】
また、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータを平板と波板とから構成する技術が知られている（例えば、特許文献４および５参照）。特許文献４および５に開示された溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータでは、電極に接触する集電板（平板）と、反応ガスを分離するインターコネクタ（平板）との間に、弾性を有するサポート（波板）を設ける。サポートの弾性によって、集電板の厚みの公差を吸収することができる。【０００９】
また、セパレータ内に導電性部材でコーティングされたコアを内蔵させる技術が知られている（例えば特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１００７０１号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４４５３号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０２０６６１７号明細書
【特許文献４】国際公開第９２／０２０５７号パンフレット
【特許文献５】米国特許第５３７８２４７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／０１３２１５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２および３に開示されたように、セパレータが波板である場合、図２Ａに示すように、燃料極セパレータ２３ｂおよび空気極セパレータ２５ａの配置位置がずれ、燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面と空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面とが、正確に重なり合わないことがあった。燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面と空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面とが、正確に重なり合わないと、セル間の接触面積が減少する。その結果、セル間の接触抵抗が増加し、燃料電池の出力が低下する。【００１２】
また、燃料電池スタックでは、セル内およびセル間の接触抵抗を低下させ、発電効率を上昇させるため、スタックにセルの積層方向の力を加え、セル積層体に荷重を加える。【００１３】
一方、特許文献２および３に開示されたような波板のセパレータは、セルの積層方向の力に対する剛性が弱い。このため、図２Ｂに示されるように、セルの積層方向Ｙの力を加えると、セパレータがセルの積層方向Ｙに垂直な方向Ｘに伸びてしまい、セパレータの厚さＴが減少してしまう。このため、特許文献２または３に開示されたような燃料電池スタックでは、セルの積層方向に力を加えても、セパレータが力を吸収してしまい、セル積層体にかかる荷重が増加しない。このため、セル間の接触抵抗が低下せず、燃料電池スタックの出力が十分に高まらない。【００１４】
また、特許文献２および３に開示されたような燃料電池スタックでは、低温時（例えば氷点下）に、セパレータやＭＥＡなどの構成部材が収縮する。これにより、セル積層体が積層方向に収縮し、それによりセル積層体にかかる荷重が減少する。このため、特許文献２および３に開示されたような燃料電池スタックは、低温時にセル積層体にかかる荷重が小さすぎ、低温時の始動性に優れないという問題があった。【００１５】
本発明の目的は、セル間の接触面積を一定にし、かつセル積層体に効率的に荷重を加えることができる固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、セパレータを波板と平板とで構成し、波板を平板に固定することで、セル間の接触面積を一定にし、かつセル積層体に効率的に荷重を加えることができることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。【００１７】
すなわち、本発明の第１は以下に示す固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
［１］平板と、前記平板の上に積層された波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向しない面の凹部はガス流路である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［２］前記波板は、前記平板に固定されている、［１］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［３］前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも大きい、［２］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［４］前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい、［２］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［５］前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、［１］〜［４］のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。【００１８】
本発明の第２は以下に示す固体高分子形燃料電池単セルに関する。
［６］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、前記セパレータは、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。【００１９】
本発明の第３は以下に示す燃料電池単スタックに関する。
［７］［６］に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平坦であることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。【００２１】
また、波板を平板に固定することで、燃料電池スタックの運転時にセル積層体に効率的に荷重を加えることができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることで、温度変化による荷重の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の燃料電池スタックの断面図
【図２】従来の燃料電池スタックにおけるセパレータの接触部の拡大図
【図３】本発明のセパレータの断面図
【図４】本発明のセパレータの断面図
【図５】平板の熱膨張係数と波板の熱膨張係数との差と、低温時におけるセル積層体膜厚との関係を示すグラフ
【図６】実施の形態１の燃料電池スタックの断面図
【図７】実施の形態１の単セルの分解斜視図
【図８】実施の形態１のセパレータの分解斜視図
【図９】実施の形態２のセパレータの斜視図
【図１０】実施の形態３のセパレータの斜視図
【図１１】実施の形態４の燃料電池スタックの断面図
【図１２】実施の形態４のセパレータの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
１．本発明の燃料電池スタックについて
本発明の燃料電池スタックは、セル積層体を有する。セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルの積層体である。
【００２４】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２５】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
【００２６】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２９】
セパレータは、燃料ガスと酸化ガスとを分離するための導電性の板である。セパレータは、ＭＥＡに接触する中央部と、中央部を囲む周辺部とを有する。セパレータの中央部は、凹部と凸部を有し、凹部が反応ガス流路（燃料ガス流路または酸化ガス流路）または冷媒流路を構成する。
セパレータの周辺部は、冷媒を供給するための冷媒入口マニホールドおよび冷媒を排出するための冷媒出口マニホールドを有する。また、セパレータの周辺部は、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化ガスを給排気するためのマニホールドを有する。さらにセパレータは、冷媒や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
【００３０】
本発明は、セパレータの構造に特徴を有する。セパレータの構造については、後述する「本発明のセパレータについて」において詳細に説明する。
【００３１】
燃料電池スタックは、さらに、集電板やセル積層体を挟むエンドプレートを有していてもよい。
【００３２】
このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体にセルの積層方向に沿った荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体およびエンドプレートからなる積層物にセルの積層方向の力を加え、力を加えた状態の積層物をスタッドおよびナットで固定すればよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
【００３３】
２．本発明のセパレータについて
以下本発明のセパレータの構造について詳細に説明する。本発明のセパレータは平板と、平板上に積層された波板とを有する。
【００３４】
平板は平坦な板であり、隣接するセルのセパレータ（平板または波板）と接触する面（以下単に「隣接セル接触面」と称する）を有する板である。平板は中央部と、中央部を囲む周辺部とを有する。平板は、隣接するセルのセパレータ（平板または波板）との接触面積が一定になる程度に平坦であることが好ましい。また平板の中央部は、プレス加工や切除によって形成された凹凸形状を有さないことが好ましい。また、平板の周辺部は、平坦であってもよく、プレス加工や切除によって形成された凹凸形状を有していてもよい。平板の２つの面のうち、波板と対向しない面が隣接セル接触面である。平板の材料は、特に限定されず、金属であっても、樹脂であってもよいが、金属であることが好ましい。平板の厚さは、特に限定されないが、約０．２ｍｍである。
【００３５】
波板は、波形の断面形状を有し、ガス流路を形成する導電性の板である。波板は、例えば、導電性の板をプレス加工することによって表裏一体に形成される。本発明では、波板の２つの面のうち、平板に対向しない面の凹部がガス流路であり、凸部はガス流路を規定するリブである。つまり、波板の２つの面のうち、平板に対向しない面がＭＥＡと接する。また、波板の２つの面のうち、平板に対向する面の凹部が冷媒流路であり、凸部は冷媒流路を規定するリブであってもよい。波板の材料は、金属であっても、カーボンであってもよいが、金属であることが好ましい。
【００３６】
波板を構成する導電性の板の厚さは、特に限定されないが、平板の厚さと同程度（約０．２ｍｍ）である。またガス流路の幅は、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、ガス流路の深さも、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである。
【００３７】
このように本発明では、隣接セル接触面が平板によって構成される。したがって、仮にセパレータの配置位置にずれが生じた場合であっても（図２Ａ参照）、セル間の接触面積は、減少しない。このため、セル間の接触抵抗が安定し、出力が高い燃料電池を得られる。
【００３８】
また、上述のように、燃料電池スタックがスタッドやナットなどによって固定される場合（図６参照）、波板は、平板に固定されていることが好ましい。波板を平板に固定するには、波板の平板に対向する面の凸部を、平板に接合すればよい。接合の手段の例には、かしめや溶接、接着剤を用いた接着などが含まれる。波板を平板に固定する場合、１の平板上に複数の波板を固定してもよい（実施の形態３、図１０参照）。また、波板が平板に固定されている場合、ガス流路を規定するリブの形状は順テーパ状であることが好ましい。
【００３９】
このように、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることが可能になる。以下、波板を平板に固定することと、セル積層体に効率的に荷重を加えることとの関係について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図３Ａは、波板が平板に固定されたセパレータの断面図である。図３Ａに示されるようにセパレータは、平板１２１および波板１２３を有する。またセパレータは、ガス流路１２５およびガス流路１２５を規定するリブ１２７を有する。セパレータはＭＥＡ１１１に積層されている。
【００４１】
図３Ａに示されるように、波板１２３が平板１２１に固定されている場合、波板１２３は、Ｘ方向（セル積層体の積層方向Ｙに垂直な方向）にスライドすることができない。このため、セパレータにセル積層体の積層方向Ｙの力を加えても、波板１２３は、Ｘ方向にスライドせず、セパレータの厚さＴが変わらない。このため、セパレータは、セル積層体の積層方向Ｙの力を弱めることなく伝えることができる。
【００４２】
また、波板１２３を平板１２１に固定することで、燃料電池スタックの運転中に、セル積層体に加わる荷重を増加させることができる。上述のように平板１２１に固定された波板１２３は、Ｘ方向にスライドできない。このため波板１２３は、燃料電池スタックの運転中、運転時の熱によって、積層方向Ｙに膨張しやすく、Ｘ方向には、膨張しにくい。したがって、燃料電池スタックの運転中、セパレータの厚さＴが増大し、セル積層体は積層方向Ｙに膨張する。一方で、セル積層体を含む燃料電池スタックの積層方向の長さは、燃料電池スタックがスタッドやナットによって固定されていることから、変化しない。このため積層方向に膨張したセル積層体にかかる荷重は増大する。
【００４３】
このように、波板を平板に固定することによって、セル積層体に効率的に荷重を加えることができる。これにより、セル間の接触抵抗を減少させることができる。
【００４４】
一方、図３Ｂは、波板が平板に固定されていないセパレータの断面図である。図３Ｂに示されるように、波板が平板に固定されていないセパレータでは、波板１２３は、Ｘ方向にスライドしやすい。このため、セパレータにセル積層体の積層方向Ｙの力を加えても、波板１２３がＸ方向にスライドし、セパレータの厚さＴが減少する。このため、セパレータは、セル積層体の積層方向Ｙの力を吸収してしまい、積層方向Ｙの力を弱めてしまう。
【００４５】
また、燃料電池スタックの運転中に熱によって波板１２３が膨張したとしても、波板はＸ方向に膨張し、セル積層体は積層方向Ｙに膨張しにくい。このため、波板が平板に固定されていなかったり、セパレータが従来のセパレータのように波板だけ構成される場合（図１および図２参照）、燃料電池スタックの運転時にセル積層体にかかる荷重を増大させることができない。
【００４６】
また、低温時には、セル積層体の構成部材（ＭＥＡやセパレータなど）が縮小し、セル積層体の積層方向の長さが縮小して、セル積層体にかかる荷重が低下することがある。一方、燃料電池スタックの運転時などの高温時には、セル積層体の構成部材が膨張し、セル積層体の積層方向の長さが膨張して、セル積層体にかかる荷重が強くなりすぎることがある。このように、セル積層体にかかる荷重が変動すると、燃料電池スタックの発電効率が不安定になる。
【００４７】
しかし、本発明では、波板が平板に固定された状態で、波板の材料の熱膨張係数と平板の材料の熱膨張係数とを調節することで、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００４８】
波板の材料の熱膨張係数と平板の材料の熱膨張係数とを調節するとは、波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくすることを意味する。波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくするには、平板の材料および波板の材料に熱膨張係数の小さい材料を選択すればよい。具体的には、平板の材料および波板の材料の熱膨張率は５０×１０−６／℃以下であることが好ましい。波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくすることで、低温時のセパレータの収縮を防止し、高温時のセパレータの過度な膨張を防止することができる。
【００４９】
また、平板の材料の熱膨張係数は、波板の材料の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。より具体的には、平板の材料の熱膨張係数は、波板の材料の熱膨張係数よりも、１５×１０−６／℃以上大きいことが好ましい。このように、平板の材料の熱膨張係数を、波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることで、低温時にセパレータの厚さが減少することを抑制し、高温時にセパレータの厚さが増加することを抑制し、より好ましくは、低温時にセパレータの厚さを増大させ、高温時にセパレータの厚さを減少させることができる。これにより、温度変化によってセル積層体の積層方向の長さが変動することを抑制でき、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００５０】
平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくするには、平板の材料に比較的熱膨張係数の大きい材料を選択し、波板の材料に比較的熱膨張係数の小さい材料を選択すればよい。以下の表は、平板および波板に用いられうる金属の熱膨張係数を示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
本発明では、例えば、平板の材料をアルミニウム板（熱膨張係数２３×１０−６／℃）とし、波板の材料をＦｅ−Ｎｉ合金（熱膨張係数５×１０−６／℃）とすればよい。また、金属の熱膨張係数は、金属の結晶構造によって変化する。したがって、焼なましなどの処理によって金属の結晶粒度を調整し金属の熱膨張係数を調整してもよい。また、平板の材料を樹脂（熱膨張係数５０×１０−６／℃〜２００×１０−６／℃）とし、波板の材料を金属としてもよい（実施の形態４参照）。
【００５３】
このように、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きくすることで、セパレータの厚さが低温時に増加し、高温時に減少する。以下、図４Ａおよび図４Ｂを参照し、セパレータの厚さが低温時に増加し、高温時に減少するメカニズムについて説明する。
【００５４】
図４Ａは、低温時の本発明のセパレータの拡大断面図である。図４Ａに示されるように、低温時には熱膨張係数の大きい平板１２１の幅は、Ｘ方向に縮む。一方、波板１２３の熱膨張係数は、平板１２１のそれよりも小さいため、波板１２３は、平板１２１ほど収縮しない。しかし、上述のように波板１２３は平板１２１に固定されているので、平板１２１が縮むことで、平板１２１に固定された波板１２３の幅も、強制的に矢印Ｘ方向に縮められる。このように、波板１２３の幅が強制的にＸ方向に縮められると、順テーパ状のリブ１２７は、Ｙ方向に押し上げられる。リブ１２７がＹ方向に押し上げられると、セパレータ全体の厚さＴが増加する。
【００５５】
一方図４Ｂは、高温時の本発明のセパレータの拡大断面図である。図４Ｂに示されるように、高温時には熱膨張係数の大きい平板１２１の幅は、Ｘ方向に膨張する。一方、波板１２３の熱膨張係数は、平板１２１のそれよりも小さいため、波板１２３は、平板１２１ほど膨張しない。しかし、波板１２３は平板１２１に固定されているので、平板１２１が膨張することで、平板１２１に固定された波板１２３の幅も、強制的に矢印Ｘ方向に広げられる。このように、波板１２３の幅が強制的にＸ方向に広げられると、順テーパ状のリブ１２７は、Ｙ方向に押し下げられる。リブ１２７がＹ方向に押し下げられると、セパレータ全体の厚さＴが減少する。
【００５６】
このように、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることによって、低温時に厚さが増加し、高温時に厚さが減少するセパレータを得ることができる。
【００５７】
このように、本発明のセパレータは、高温時に厚さが減少するので、高温時にＭＥＡなどの他の構成部材が膨張した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが過度に増加することを抑制することができる。これにより、高温時にセル積層体にかかる荷重が、過度に増加することを抑制することができる。
【００５８】
また、本発明のセパレータは低温時に厚さが増加するので、低温時にＭＥＡなどの他の構成部材が縮小した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが縮小することを抑制することができる。これにより、低温時にセル積層体にかかる荷重が低下することを抑制することができる。
【００５９】
図５は、シミュレーションによって得られた、平板および波板の材料の熱膨張係数の差（平板の材料の熱膨張係数−波板の材料の熱膨張係数）と、常温時（２５℃）のセル積層体（２００セル）の長さと低温時（−５℃）のセル積層体の長さとの差（低温時のセルの長さ−常温時のセルの長さ）と、の関係を示したグラフである。図５のシミュレーションでは、セル積層体におけるセパレータ以外の部材（ＭＥＡなど）の温度変化による厚さの変化は考慮しなかった。
【００６０】
図５に示されるように、平板の熱膨張係数と波板の熱膨張係数とが同じである場合（熱膨張係数の差が０の場合）、セル積層体の厚さは低温時に１．２ｍｍ〜０．５ｍｍ減少する（ｎ＝３）。
【００６１】
一方、平板の熱膨張係数が波板の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きいとき、図５に示されるようにセパレータの厚さが低温時に増加する。このため、平板の熱膨張係数が波板の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい場合、低温時にＭＥＡなどの他の構成部材が縮小した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが縮小することを抑制することができる。
【００６２】
一方、平板および波板の材料の熱膨張係数の差があまりにも大きいと、セパレータの厚さが低温時に過度に増加し、セル積層体の積層方向の長さが変動してしまう。このため、セパレータの厚さが低温時に過度に増加しないよう、平板および波板の材料の熱膨張係数の差は、３０×１０−６／℃以下であることが好ましく、２０×１０−６／℃以下であることがさらに好ましい。
【００６３】
このように、本発明によれば、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平板によって構成されることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
【００６４】
さらに、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、波板を平板に固定し、平板の熱膨張係数を波板の熱膨張係数よりも大きくすることで、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００６５】
また、波板を平板に固定することで、ガス流路の形状を維持することができる。ガス流路の形状が維持されることでＭＥＡに安定してガスを供給することができる。
【００６６】
以下図面を参照して本発明の燃料電池スタックの実施の形態について説明する。
【００６７】
［実施の形態１］
図６は実施の形態１の燃料電池スタック１００の断面図である。図６に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、エンドプレート１０３、スタッド１０５、ナット１０７を有する。
【００６８】
セル積層体１０１は、積層された複数の単セル１１０を有する。単セル１１０はそれぞれＭＥＡ１１１、燃料極セパレータ１１３、空気極セパレータ１１５およびシール部材１１７を有する。
【００６９】
セル積層体１０１およびエンドプレート１０３からなる積層物は、スタッド１０５およびナット１０７によって固定されている。セル積層体１０１およびエンドプレート１０３からなる積層物がスタッド１０５およびナット１０７によって固定されることで、セル積層体１０１に荷重が加えられる。
【００７０】
図７は単セル１１０の分解斜視図である。図７に示されるように単セル１１０は、ＭＥＡ１１１と、ＭＥＡ１１１を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５）とを有する。燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５のそれぞれは、平板１２１および波板１２３を有する。また、本実施の形態では、隣接する２つのセパレータが１の平板１２１を共有している（図６参照）。また燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５は、ＭＥＡ１１１に対向する面にガス流路１２５およびガス流路を規定するリブ１２７を有する。
【００７１】
図８は空気極セパレータ１１５の分解斜視図である。図８に示されるように空気極セパレータ１１５は、金属製の平板１２１上に波板１２３を積層することで作製される。実施の形態１では、波板１２３は平板１２１に固定されていない。また、図８では、例として空気極セパレータ１１５の分解斜視図を示したが、燃料極セパレータ１１３の構造も空気極セパレータ１１５と同じである。
【００７２】
このように、本実施の形態では、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平板によって構成されることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
【００７３】
［実施の形態２］
実施の形態１では、波板が平板に固定されていない態様について説明した。実施の形態２では、波板が平板に固定された態様について説明する。
【００７４】
図９は、実施の形態２のセパレータ２１５の斜視図である。実施の形態１のセパレータと同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図９に示されるように波板２２３の平板２２１に対向する面の凸部は、金属製の平板２２１に接合され、波板２２３は平板２２１に固定されている。
【００７５】
このように、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることができ（図３参照）、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、平板の熱膨張係数を波板の熱膨張係数よりも大きくすれば、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる（図４、図５参照）。
【００７６】
［実施の形態３］
実施の形態１および２では、１の平板に１の波板が積層される態様について説明した。実施の形態３では、１の平板に複数の波板が積層される態様について説明する。
【００７７】
図１０は実施の形態３のセパレータ３１５の斜視図である。実施の形態１のセパレータと同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図１０に示されるように、セパレータ３１５は、金属製の平板３２１と、平板３２１に積層された複数の波板３２３を有する。波板３２３はそれぞれ平板３２１に固定される。
【００７８】
このように、複数の波板を１の平板に固定することで、ガス流路のパターンを自由に設定することが可能となる。
【００７９】
［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、平板が金属である態様について説明した。実施の形態４では、平板が樹脂からなる態様について説明する。
【００８０】
図１１は実施の形態４の燃料電池スタック４００の断面図である。図１１に示されるように燃料電池スタック４００は、セル積層体１０１、エンドプレート１０３、スタッド１０５、ナット１０７を有する。
【００８１】
セル積層体１０１は、積層された複数の単セル４１０を有する。単セル４１０はそれぞれＭＥＡ１１１、燃料極セパレータ４１３、空気極セパレータ４１５およびシール部材１１７を有する。
【００８２】
図１２は空気極セパレータ４１５の斜視図である。図１２に示されるように、セパレータ４１５は、樹脂製の平板４２１と、金属製の波板４２３とを有する。本実施の形態では、波板４２３の一部は、平板４２１を貫通する突起４２５を形成する。突起４２５によって、波板４２３は平板４２１に固定される。また、平板４２１を貫通する金属製の突起４２５によって、樹脂製の平板４２１が非導電性である場合であっても、隣接するセル４１０同士が電気的に接続されうる（図１１参照）。
【００８３】
このように、平板の材料に熱膨張係数の大きい樹脂を選択し、波板の材料に熱膨張係数の小さい金属を選択することで、低温時におけるセル積層体にかかる荷重の低下を抑制する効果をより高めることができる。
【００８４】
本出願は、２００９年３月２４日出願の特願２００９−０７２６６９に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の燃料電池スタックは、セル間の接触抵抗が低く、出力が高い燃料電池スタックであることから、自動車や、家庭用コージェネレーションシステムに用いる燃料電池スタックとして有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１００、４００  燃料電池スタック
１０１  セル積層体
１０３  エンドプレート
１０５  スタッド
１０７  ナット
１１０、４１０  単セル
１１１  ＭＥＡ
１１３、１１５、２１５、３１５、４１３、４１５  セパレータ
１１７  シール部材
１２１、２２１、３２１、４２１  平板
１２３、２２３、３２３、４２３  波板
１２５  ガス流路
１２７  リブ
【図１】
2010109795.tif 000004
【図２】
2010109795.tif 000005
【図３】
2010109795.tif 000006
【図４】
2010109795.tif 000007
【図５】
2010109795.tif 000008
【図６】
2010109795.tif 000009
【図７】
2010109795.tif 000010
【図８】
2010109795.tif 000011
【図９】
2010109795.tif 000012
【図１０】
2010109795.tif 000013
【図１１】
2010109795.tif 000014
【図１２】
2010109795.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月26日(2010.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池および固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池スタック（以下「燃料電池スタック」とも称する）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体を有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するガス流路を有する。各単セルは、セパレータを介して電気的に接続される。
【０００３】
近年、金属板をプレス加工することで、固体高分子形燃料電池用セパレータ（以下単に「セパレータ」とも称する）を製造する方法が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【０００４】
図１Ａは、特許文献２および３に開示された燃料電池スタックの断面図である。図１に示されるように燃料電池スタック１０は、単セルを積層したセル積層体３と、セル積層体を挟む一対の集電板２と、セル積層体３および集電板２を挟む一対のエンドプレート１とを有する。
【０００５】
図１Ｂは、図１Ａに示された燃料電池スタック１０のセル積層体３の拡大図である。図１Ｂに示されるように、セル積層体３は、膜電極接合体２１と、膜電極接合体２１を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータ２３、空気極セパレータ２５）とからなる単セル２０を複数有する。
【０００６】
燃料極セパレータ２３および空気極セパレータ２５は、表裏一体の凹凸形状を有する金属の波板であり、波形の断面形状を有する。燃料極セパレータ２３の膜電極接合体２１に接する面の凹部２４は、燃料ガス流路である。また、空気極セパレータ２５の膜電極接合体２１に接する面の凹部２６は、酸化ガス流路である。
【０００７】
また、特許文献２および３では単セル２０ａの空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面と、単セル２０ａに隣接する単セル２０ｂの燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面とが接合される。このように、空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面と、燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面とを正確に張り合わせることで、空気極セパレータ２５ａと、燃料極セパレータ２３ｂとの接触面積が最大となり、単セル間の接触抵抗が低下する。また、セパレータ同士を接合することで、膜電極接合体に加わる荷重を均一にすることができる。
【０００８】
また、溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータを平板と波板とから構成する技術が知られている（例えば、特許文献４および５参照）。特許文献４および５に開示された溶融炭酸塩型燃料電池のセパレータでは、電極に接触する集電板（平板）と、反応ガスを分離するインターコネクタ（平板）との間に、弾性を有するサポート（波板）を設ける。サポートの弾性によって、集電板の厚みの公差を吸収することができる。
【０００９】
また、セパレータ内に導電性部材でコーティングされたコアを内蔵させる技術が知られている（例えば特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１００７０１号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４４５３号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０２０６６１７号明細書
【特許文献４】国際公開第９２／０２０５７号パンフレット
【特許文献５】米国特許第５３７８２４７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／０１３２１５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２および３に開示されたように、セパレータが波板である場合、図２Ａに示すように、燃料極セパレータ２３ｂおよび空気極セパレータ２５ａの配置位置がずれ、燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面と空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面とが、正確に重なり合わないことがあった。燃料極セパレータ２３ｂの燃料ガス流路２４ｂの裏面と空気極セパレータ２５ａの酸化ガス流路２６ａの裏面とが、正確に重なり合わないと、セル間の接触面積が減少する。その結果、セル間の接触抵抗が増加し、燃料電池の出力が低下する。
【００１２】
また、燃料電池スタックでは、セル内およびセル間の接触抵抗を低下させ、発電効率を上昇させるため、スタックにセルの積層方向の力を加え、セル積層体に荷重を加える。
【００１３】
一方、特許文献２および３に開示されたような波板のセパレータは、セルの積層方向の力に対する剛性が弱い。このため、図２Ｂに示されるように、セルの積層方向Ｙの力を加えると、セパレータがセルの積層方向Ｙに垂直な方向Ｘに伸びてしまい、セパレータの厚さＴが減少してしまう。このため、特許文献２または３に開示されたような燃料電池スタックでは、セルの積層方向に力を加えても、セパレータが力を吸収してしまい、セル積層体にかかる荷重が増加しない。このため、セル間の接触抵抗が低下せず、燃料電池スタックの出力が十分に高まらない。
【００１４】
また、特許文献２および３に開示されたような燃料電池スタックでは、低温時（例えば氷点下）に、セパレータやＭＥＡなどの構成部材が収縮する。これにより、セル積層体が積層方向に収縮し、それによりセル積層体にかかる荷重が減少する。このため、特許文献２および３に開示されたような燃料電池スタックは、低温時にセル積層体にかかる荷重が小さすぎ、低温時の始動性に優れないという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、セル間の接触面積を一定にし、かつセル積層体に効率的に荷重を加えることができる固体高分子形燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、セパレータを波板と平板とで構成し、波板を平板に固定することで、セル間の接触面積を一定にし、かつセル積層体に効率的に荷重を加えることができることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。
【００１７】
すなわち、本発明の第１は以下に示す固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
［１］導電性の平板と、前記平板の上に積層された導電性の波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、前記波板は、前記平板に、溶接または接着され、前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも大きく、前記平板の材料の熱膨張係数と、前記波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０−６／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［２］前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい、［１］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［３］前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、［１］または［２］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【００１８】
本発明の第２は以下に示す固体高分子形燃料電池単セルに関する。
［４］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、前記セパレータは、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【００１９】
本発明の第３は以下に示す燃料電池単スタックに関する。
［５］［４］に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平坦であることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
【００２１】
また、波板を平板に固定することで、燃料電池スタックの運転時にセル積層体に効率的に荷重を加えることができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることで、温度変化による荷重の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の燃料電池スタックの断面図
【図２】従来の燃料電池スタックにおけるセパレータの接触部の拡大図
【図３】本発明のセパレータの断面図
【図４】本発明のセパレータの断面図
【図５】平板の熱膨張係数と波板の熱膨張係数との差と、低温時におけるセル積層体膜厚との関係を示すグラフ
【図６】実施の形態１の燃料電池スタックの断面図
【図７】実施の形態１の単セルの分解斜視図
【図８】実施の形態１のセパレータの分解斜視図
【図９】実施の形態２のセパレータの斜視図
【図１０】実施の形態３のセパレータの斜視図
【図１１】実施の形態４の燃料電池スタックの断面図
【図１２】実施の形態４のセパレータの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
１．本発明の燃料電池スタックについて
本発明の燃料電池スタックは、セル積層体を有する。セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルの積層体である。
【００２４】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２５】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
【００２６】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２９】
セパレータは、燃料ガスと酸化ガスとを分離するための導電性の板である。セパレータは、ＭＥＡに接触する中央部と、中央部を囲む周辺部とを有する。セパレータの中央部は、凹部と凸部を有し、凹部が反応ガス流路（燃料ガス流路または酸化ガス流路）または冷媒流路を構成する。
セパレータの周辺部は、冷媒を供給するための冷媒入口マニホールドおよび冷媒を排出するための冷媒出口マニホールドを有する。また、セパレータの周辺部は、燃料ガスを給排気するためのマニホールド、および酸化ガスを給排気するためのマニホールドを有する。さらにセパレータは、冷媒や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
【００３０】
本発明は、セパレータの構造に特徴を有する。セパレータの構造については、後述する「本発明のセパレータについて」において詳細に説明する。
【００３１】
燃料電池スタックは、さらに、集電板やセル積層体を挟むエンドプレートを有していてもよい。
【００３２】
このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体にセルの積層方向に沿った荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体およびエンドプレートからなる積層物にセルの積層方向の力を加え、力を加えた状態の積層物をスタッドおよびナットで固定すればよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
【００３３】
２．本発明のセパレータについて
以下本発明のセパレータの構造について詳細に説明する。本発明のセパレータは平板と、平板上に積層された波板とを有する。
【００３４】
平板は平坦な板であり、隣接するセルのセパレータ（平板または波板）と接触する面（以下単に「隣接セル接触面」と称する）を有する板である。平板は中央部と、中央部を囲む周辺部とを有する。平板は、隣接するセルのセパレータ（平板または波板）との接触面積が一定になる程度に平坦であることが好ましい。また平板の中央部は、プレス加工や切除によって形成された凹凸形状を有さないことが好ましい。また、平板の周辺部は、平坦であってもよく、プレス加工や切除によって形成された凹凸形状を有していてもよい。平板の２つの面のうち、波板と対向しない面が隣接セル接触面である。平板の材料は、特に限定されず、金属であっても、樹脂であってもよいが、金属であることが好ましい。平板の厚さは、特に限定されないが、約０．２ｍｍである。
【００３５】
波板は、波形の断面形状を有し、ガス流路を形成する導電性の板である。波板は、例えば、導電性の板をプレス加工することによって表裏一体に形成される。本発明では、波板の２つの面のうち、平板に対向しない面の凹部がガス流路であり、凸部はガス流路を規定するリブである。つまり、波板の２つの面のうち、平板に対向しない面がＭＥＡと接する。また、波板の２つの面のうち、平板に対向する面の凹部が冷媒流路であり、凸部は冷媒流路を規定するリブであってもよい。波板の材料は、金属であっても、カーボンであってもよいが、金属であることが好ましい。
【００３６】
波板を構成する導電性の板の厚さは、特に限定されないが、平板の厚さと同程度（約０．２ｍｍ）である。またガス流路の幅は、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、ガス流路の深さも、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである。
【００３７】
このように本発明では、隣接セル接触面が平板によって構成される。したがって、仮にセパレータの配置位置にずれが生じた場合であっても（図２Ａ参照）、セル間の接触面積は、減少しない。このため、セル間の接触抵抗が安定し、出力が高い燃料電池を得られる。
【００３８】
また、上述のように、燃料電池スタックがスタッドやナットなどによって固定される場合（図６参照）、波板は、平板に固定されていることが好ましい。波板を平板に固定するには、波板の平板に対向する面の凸部を、平板に接合すればよい。接合の手段の例には、かしめや溶接、接着剤を用いた接着などが含まれる。波板を平板に固定する場合、１の平板上に複数の波板を固定してもよい（実施の形態３、図１０参照）。また、波板が平板に固定されている場合、ガス流路を規定するリブの形状は順テーパ状であることが好ましい。
【００３９】
このように、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることが可能になる。以下、波板を平板に固定することと、セル積層体に効率的に荷重を加えることとの関係について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図３Ａは、波板が平板に固定されたセパレータの断面図である。図３Ａに示されるようにセパレータは、平板１２１および波板１２３を有する。またセパレータは、ガス流路１２５およびガス流路１２５を規定するリブ１２７を有する。セパレータはＭＥＡ１１１に積層されている。
【００４１】
図３Ａに示されるように、波板１２３が平板１２１に固定されている場合、波板１２３は、Ｘ方向（セル積層体の積層方向Ｙに垂直な方向）にスライドすることができない。このため、セパレータにセル積層体の積層方向Ｙの力を加えても、波板１２３は、Ｘ方向にスライドせず、セパレータの厚さＴが変わらない。このため、セパレータは、セル積層体の積層方向Ｙの力を弱めることなく伝えることができる。
【００４２】
また、波板１２３を平板１２１に固定することで、燃料電池スタックの運転中に、セル積層体に加わる荷重を増加させることができる。上述のように平板１２１に固定された波板１２３は、Ｘ方向にスライドできない。このため波板１２３は、燃料電池スタックの運転中、運転時の熱によって、積層方向Ｙに膨張しやすく、Ｘ方向には、膨張しにくい。したがって、燃料電池スタックの運転中、セパレータの厚さＴが増大し、セル積層体は積層方向Ｙに膨張する。一方で、セル積層体を含む燃料電池スタックの積層方向の長さは、燃料電池スタックがスタッドやナットによって固定されていることから、変化しない。このため積層方向に膨張したセル積層体にかかる荷重は増大する。
【００４３】
このように、波板を平板に固定することによって、セル積層体に効率的に荷重を加えることができる。これにより、セル間の接触抵抗を減少させることができる。
【００４４】
一方、図３Ｂは、波板が平板に固定されていないセパレータの断面図である。図３Ｂに示されるように、波板が平板に固定されていないセパレータでは、波板１２３は、Ｘ方向にスライドしやすい。このため、セパレータにセル積層体の積層方向Ｙの力を加えても、波板１２３がＸ方向にスライドし、セパレータの厚さＴが減少する。このため、セパレータは、セル積層体の積層方向Ｙの力を吸収してしまい、積層方向Ｙの力を弱めてしまう。
【００４５】
また、燃料電池スタックの運転中に熱によって波板１２３が膨張したとしても、波板はＸ方向に膨張し、セル積層体は積層方向Ｙに膨張しにくい。このため、波板が平板に固定されていなかったり、セパレータが従来のセパレータのように波板だけ構成される場合（図１および図２参照）、燃料電池スタックの運転時にセル積層体にかかる荷重を増大させることができない。
【００４６】
また、低温時には、セル積層体の構成部材（ＭＥＡやセパレータなど）が縮小し、セル積層体の積層方向の長さが縮小して、セル積層体にかかる荷重が低下することがある。一方、燃料電池スタックの運転時などの高温時には、セル積層体の構成部材が膨張し、セル積層体の積層方向の長さが膨張して、セル積層体にかかる荷重が強くなりすぎることがある。このように、セル積層体にかかる荷重が変動すると、燃料電池スタックの発電効率が不安定になる。
【００４７】
しかし、本発明では、波板が平板に固定された状態で、波板の材料の熱膨張係数と平板の材料の熱膨張係数とを調節することで、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００４８】
波板の材料の熱膨張係数と平板の材料の熱膨張係数とを調節するとは、波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくすることを意味する。波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくするには、平板の材料および波板の材料に熱膨張係数の小さい材料を選択すればよい。具体的には、平板の材料および波板の材料の熱膨張率は５０×１０−６／℃以下であることが好ましい。波板の材料の熱膨張係数および平板の材料の熱膨張係数を小さくすることで、低温時のセパレータの収縮を防止し、高温時のセパレータの過度な膨張を防止することができる。
【００４９】
また、平板の材料の熱膨張係数は、波板の材料の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。より具体的には、平板の材料の熱膨張係数は、波板の材料の熱膨張係数よりも、１５×１０−６／℃以上大きいことが好ましい。このように、平板の材料の熱膨張係数を、波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることで、低温時にセパレータの厚さが減少することを抑制し、高温時にセパレータの厚さが増加することを抑制し、より好ましくは、低温時にセパレータの厚さを増大させ、高温時にセパレータの厚さを減少させることができる。これにより、温度変化によってセル積層体の積層方向の長さが変動することを抑制でき、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００５０】
平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくするには、平板の材料に比較的熱膨張係数の大きい材料を選択し、波板の材料に比較的熱膨張係数の小さい材料を選択すればよい。以下の表は、平板および波板に用いられうる金属の熱膨張係数を示す。
【００５１】
【表１】
2010109795.tif 000016
【００５２】
本発明では、例えば、平板の材料をアルミニウム板（熱膨張係数２３×１０−６／℃）とし、波板の材料をＦｅ−Ｎｉ合金（熱膨張係数５×１０−６／℃）とすればよい。また、金属の熱膨張係数は、金属の結晶構造によって変化する。したがって、焼なましなどの処理によって金属の結晶粒度を調整し金属の熱膨張係数を調整してもよい。また、平板の材料を樹脂（熱膨張係数５０×１０−６／℃〜２００×１０−６／℃）とし、波板の材料を金属としてもよい（実施の形態４参照）。
【００５３】
このように、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きくすることで、セパレータの厚さが低温時に増加し、高温時に減少する。以下、図４Ａおよび図４Ｂを参照し、セパレータの厚さが低温時に増加し、高温時に減少するメカニズムについて説明する。
【００５４】
図４Ａは、低温時の本発明のセパレータの拡大断面図である。図４Ａに示されるように、低温時には熱膨張係数の大きい平板１２１の幅は、Ｘ方向に縮む。一方、波板１２３の熱膨張係数は、平板１２１のそれよりも小さいため、波板１２３は、平板１２１ほど収縮しない。しかし、上述のように波板１２３は平板１２１に固定されているので、平板１２１が縮むことで、平板１２１に固定された波板１２３の幅も、強制的に矢印Ｘ方向に縮められる。このように、波板１２３の幅が強制的にＸ方向に縮められると、順テーパ状のリブ１２７は、Ｙ方向に押し上げられる。リブ１２７がＹ方向に押し上げられると、セパレータ全体の厚さＴが増加する。
【００５５】
一方図４Ｂは、高温時の本発明のセパレータの拡大断面図である。図４Ｂに示されるように、高温時には熱膨張係数の大きい平板１２１の幅は、Ｘ方向に膨張する。一方、波板１２３の熱膨張係数は、平板１２１のそれよりも小さいため、波板１２３は、平板１２１ほど膨張しない。しかし、波板１２３は平板１２１に固定されているので、平板１２１が膨張することで、平板１２１に固定された波板１２３の幅も、強制的に矢印Ｘ方向に広げられる。このように、波板１２３の幅が強制的にＸ方向に広げられると、順テーパ状のリブ１２７は、Ｙ方向に押し下げられる。リブ１２７がＹ方向に押し下げられると、セパレータ全体の厚さＴが減少する。
【００５６】
このように、波板を平板に固定し、平板の材料の熱膨張係数を波板の材料の熱膨張係数よりも大きくすることによって、低温時に厚さが増加し、高温時に厚さが減少するセパレータを得ることができる。
【００５７】
このように、本発明のセパレータは、高温時に厚さが減少するので、高温時にＭＥＡなどの他の構成部材が膨張した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが過度に増加することを抑制することができる。これにより、高温時にセル積層体にかかる荷重が、過度に増加することを抑制することができる。
【００５８】
また、本発明のセパレータは低温時に厚さが増加するので、低温時にＭＥＡなどの他の構成部材が縮小した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが縮小することを抑制することができる。これにより、低温時にセル積層体にかかる荷重が低下することを抑制することができる。
【００５９】
図５は、シミュレーションによって得られた、平板および波板の材料の熱膨張係数の差（平板の材料の熱膨張係数−波板の材料の熱膨張係数）と、常温時（２５℃）のセル積層体（２００セル）の長さと低温時（−５℃）のセル積層体の長さとの差（低温時のセルの長さ−常温時のセルの長さ）と、の関係を示したグラフである。図５のシミュレーションでは、セル積層体におけるセパレータ以外の部材（ＭＥＡなど）の温度変化による厚さの変化は考慮しなかった。
【００６０】
図５に示されるように、平板の熱膨張係数と波板の熱膨張係数とが同じである場合（熱膨張係数の差が０の場合）、セル積層体の厚さは低温時に１．２ｍｍ〜０．５ｍｍ減少する（ｎ＝３）。
【００６１】
一方、平板の熱膨張係数が波板の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きいとき、図５に示されるようにセパレータの厚さが低温時に増加する。このため、平板の熱膨張係数が波板の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい場合、低温時にＭＥＡなどの他の構成部材が縮小した場合であっても、セル積層体の積層方向の長さが縮小することを抑制することができる。
【００６２】
一方、平板および波板の材料の熱膨張係数の差があまりにも大きいと、セパレータの厚さが低温時に過度に増加し、セル積層体の積層方向の長さが変動してしまう。このため、セパレータの厚さが低温時に過度に増加しないよう、平板および波板の材料の熱膨張係数の差は、３０×１０−６／℃以下であることが好ましく、２０×１０−６／℃以下であることがさらに好ましい。
【００６３】
このように、本発明によれば、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平板によって構成されることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
【００６４】
さらに、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、波板を平板に固定し、平板の熱膨張係数を波板の熱膨張係数よりも大きくすることで、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる。
【００６５】
また、波板を平板に固定することで、ガス流路の形状を維持することができる。ガス流路の形状が維持されることでＭＥＡに安定してガスを供給することができる。
【００６６】
以下図面を参照して本発明の燃料電池スタックの実施の形態について説明する。
【００６７】
［実施の形態１］
図６は実施の形態１の燃料電池スタック１００の断面図である。図６に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、エンドプレート１０３、スタッド１０５、ナット１０７を有する。
【００６８】
セル積層体１０１は、積層された複数の単セル１１０を有する。単セル１１０はそれぞれＭＥＡ１１１、燃料極セパレータ１１３、空気極セパレータ１１５およびシール部材１１７を有する。
【００６９】
セル積層体１０１およびエンドプレート１０３からなる積層物は、スタッド１０５およびナット１０７によって固定されている。セル積層体１０１およびエンドプレート１０３からなる積層物がスタッド１０５およびナット１０７によって固定されることで、セル積層体１０１に荷重が加えられる。
【００７０】
図７は単セル１１０の分解斜視図である。図７に示されるように単セル１１０は、ＭＥＡ１１１と、ＭＥＡ１１１を挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５）とを有する。燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５のそれぞれは、平板１２１および波板１２３を有する。また、本実施の形態では、隣接する２つのセパレータが１の平板１２１を共有している（図６参照）。また燃料極セパレータ１１３および空気極セパレータ１１５は、ＭＥＡ１１１に対向する面にガス流路１２５およびガス流路を規定するリブ１２７を有する。
【００７１】
図８は空気極セパレータ１１５の分解斜視図である。図８に示されるように空気極セパレータ１１５は、金属製の平板１２１上に波板１２３を積層することで作製される。実施の形態１では、波板１２３は平板１２１に固定されていない。また、図８では、例として空気極セパレータ１１５の分解斜視図を示したが、燃料極セパレータ１１３の構造も空気極セパレータ１１５と同じである。
【００７２】
このように、本実施の形態では、セパレータの２つの面のうち、隣接するセルに接触する面が平板によって構成されることから、セル間で常に一定の接触面積を確保することができる。このため、セル間の接触抵抗を下げることができ、出力の高い燃料電池スタックを得ることができる。
【００７３】
［実施の形態２］
実施の形態１では、波板が平板に固定されていない態様について説明した。実施の形態２では、波板が平板に固定された態様について説明する。
【００７４】
図９は、実施の形態２のセパレータ２１５の斜視図である。実施の形態１のセパレータと同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図９に示されるように波板２２３の平板２２１に対向する面の凸部は、金属製の平板２２１に接合され、波板２２３は平板２２１に固定されている。
【００７５】
このように、波板を平板に固定することで、セル積層体に効率的に荷重を加えることができ（図３参照）、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。さらに、平板の熱膨張係数を波板の熱膨張係数よりも大きくすれば、温度変化によるセル積層体にかかる荷重の変動を抑制することができる（図４、図５参照）。
【００７６】
［実施の形態３］
実施の形態１および２では、１の平板に１の波板が積層される態様について説明した。実施の形態３では、１の平板に複数の波板が積層される態様について説明する。
【００７７】
図１０は実施の形態３のセパレータ３１５の斜視図である。実施の形態１のセパレータと同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。図１０に示されるように、セパレータ３１５は、金属製の平板３２１と、平板３２１に積層された複数の波板３２３を有する。波板３２３はそれぞれ平板３２１に固定される。
【００７８】
このように、複数の波板を１の平板に固定することで、ガス流路のパターンを自由に設定することが可能となる。
【００７９】
［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、平板が金属である態様について説明した。実施の形態４では、平板が樹脂からなる態様について説明する。
【００８０】
図１１は実施の形態４の燃料電池スタック４００の断面図である。図１１に示されるように燃料電池スタック４００は、セル積層体１０１、エンドプレート１０３、スタッド１０５、ナット１０７を有する。
【００８１】
セル積層体１０１は、積層された複数の単セル４１０を有する。単セル４１０はそれぞれＭＥＡ１１１、燃料極セパレータ４１３、空気極セパレータ４１５およびシール部材１１７を有する。
【００８２】
図１２は空気極セパレータ４１５の斜視図である。図１２に示されるように、セパレータ４１５は、樹脂製の平板４２１と、金属製の波板４２３とを有する。本実施の形態では、波板４２３の一部は、平板４２１を貫通する突起４２５を形成する。突起４２５によって、波板４２３は平板４２１に固定される。また、平板４２１を貫通する金属製の突起４２５によって、樹脂製の平板４２１が非導電性である場合であっても、隣接するセル４１０同士が電気的に接続されうる（図１１参照）。
【００８３】
このように、平板の材料に熱膨張係数の大きい樹脂を選択し、波板の材料に熱膨張係数の小さい金属を選択することで、低温時におけるセル積層体にかかる荷重の低下を抑制する効果をより高めることができる。
【００８４】
本出願は、２００９年３月２４日出願の特願２００９−０７２６６９に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の燃料電池スタックは、セル間の接触抵抗が低く、出力が高い燃料電池スタックであることから、自動車や、家庭用コージェネレーションシステムに用いる燃料電池スタックとして有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１００、４００  燃料電池スタック
１０１  セル積層体
１０３  エンドプレート
１０５  スタッド
１０７  ナット
１１０、４１０  単セル
１１１  ＭＥＡ
１１３、１１５、２１５、３１５、４１３、４１５  セパレータ
１１７  シール部材
１２１、２２１、３２１、４２１  平板
１２３、２２３、３２３、４２３  波板
１２５  ガス流路
１２７  リブ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の平板と、前記平板の上に積層された導電性の波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、
前記波板は、前記平板に、溶接または接着され、
前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも大きく、
前記平板の材料の熱膨張係数と、前記波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０−６／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記平板の材料の熱膨張係数は、前記波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きい、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記波板の２つの面のうち、前記平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、
前記セパレータは、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【請求項５】
請求項４に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010109795.tif 000017
【図２】
2010109795.tif 000018
【図３】
2010109795.tif 000019
【図４】
2010109795.tif 000020
【図５】
2010109795.tif 000021
【図６】
2010109795.tif 000022
【図７】
2010109795.tif 000023
【図８】
2010109795.tif 000024
【図９】
2010109795.tif 000025
【図１０】
2010109795.tif 000026
【図１１】
2010109795.tif 000027
【図１２】
2010109795.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月20日(2011.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
すなわち、本発明の第１は以下に示す固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
［１］導電性の金属平板と、前記金属平板の上に積層された導電性の金属波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、前記金属波板は、前記金属平板に、溶接または接着され、前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも大きく、前記金属平板の材料の熱膨張係数と、前記金属波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０-6／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［２］前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０-6／℃以上大きい、［１］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［３］前記金属波板の２つの面のうち、前記金属平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記金属平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、［１］または［２］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の金属平板と、前記金属平板の上に積層された導電性の金属波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、
前記金属波板は、前記金属平板に、溶接または接着され、
前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも大きく、
前記金属平板の材料の熱膨張係数と、前記金属波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０-6／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０-6／℃以上大きい、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記金属波板の２つの面のうち、前記金属平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記金属平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、
前記セパレータは、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【請求項５】
請求項４に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月1日(2011.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
すなわち、本発明の第１は以下に示す固体高分子形燃料電池用セパレータに関する。
［１］導電性の金属平板と、前記金属平板の上に積層された導電性の金属波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、前記金属波板は、前記金属平板に、溶接または接着され、前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きく、前記金属平板の材料の熱膨張係数と、前記金属波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０−６／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
［２］前記金属波板の２つの面のうち、前記金属平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記金属平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、［１］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の第２は以下に示す固体高分子形燃料電池単セルに関する。
［３］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、前記セパレータは、［１］又は［２］に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の第３は以下に示す燃料電池単スタックに関する。
［４］［３］に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の金属平板と、前記金属平板の上に積層された導電性の金属波板と、を有する固体高分子形燃料電池用セパレータであって、
前記金属波板は、前記金属平板に、溶接または接着され、
前記金属平板の材料の熱膨張係数は、前記金属波板の材料の熱膨張係数よりも１５×１０−６／℃以上大きく、
前記金属平板の材料の熱膨張係数と、前記金属波板の材料の熱膨張係数との差は、３０×１０−６／℃以下である、固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記金属波板の２つの面のうち、前記金属平板に対向しない面の凹部はガス流路であり、前記金属平板に対向する面の凹部は冷媒流路である、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を有する固体高分子形燃料電池単セルであって、
前記セパレータは、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータである、燃料電池単セル。
【請求項４】
請求項３に記載の単セルを積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック。
【国際調査報告】
2010109795.tif 000029
2010109795.tif 000030
2010109795.tif 000031
2010109795.tif 000032