(57)【要約】【課題】  ガスを良好に供給するとともに発電された電気を効率よく集電して、燃料電池の発電効率を向上させる燃料電池用セパレータを提供すること。【解決手段】  燃料電池用セパレータは、コレクタ１０とセパレータ本体２０とから構成される。コレクタ１０は、多数の小径の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタル１１と、より小径の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタル１２とを積層した積層エキスパンドメタルＥＭに、筋状凹部１３と筋状凸部１４が成形されて構成されている。この構成により、供給されたガスは小径の貫通孔を通過して拡散できるため、ＭＥＡ４０の反応効率が向上する。また、ＭＥＡ４０とエキスパンドメタル１２とが接触することにより、集電抵抗を低減でき、集電効率が大幅に向上する。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電された電気を集電する燃料電池用セパレータにおいて、
導電性を有する素材から成形されて、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止する平板状のセパレータ本体と、
所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された第１の金属薄板から成形されて、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するガス流路形成部材と、
前記第１の金属薄板に形成された貫通孔の所定の孔径よりも小さな所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された第２の金属薄板から成形されて、前記ガス流路形成部材と前記電極層との間にて、前記電極層の電極反応によって発電された電気を集電する集電部材とを備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１の金属薄板および第２の金属薄板は、それぞれ、所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された後に平板状に成形されたエキスパンドメタルである請求項１に記載した燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第２の金属薄板の板厚は、前記第１の金属薄板の板厚よりも小さいことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記ガス流路形成部材は、前記第１の金属薄板に対して連続的に筋状の凹部と筋状の凸部とを成形することによって、前記ガス流路を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１の金属薄板と前記第２の金属薄板とを積層し、同積層した第１の金属薄板および第２の金属薄板に対して、連続的に筋状の凹部と筋状の凸部とを成形することによって、前記ガス流路形成部材と前記集電部材とを一体的に形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部は、成形方向断面における前記筋状の凹部と筋状の凸部の成形幅のうちの一方が幅広に成形され、
この幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部が前記電極層側に配置されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、さらに、
前記集電部材と前記電極層との間にて、導電性を有する繊維を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記ガス流路形成部材は、
その幅方向の寸法が前記セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の寸法に形成されるとともに前記ガス流路が前記セパレータ本体の前記幅方向に成形されており、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を前記セパレータ本体の前記幅方向から前記電極層に対して供給することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、燃料電池に採用されるセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に示すような燃料電池は知られている。この従来の燃料電池は、集電体に多孔質金属（ニッケル発泡体）を採用して、多孔質金属の孔から燃料ガスを供給するとともに、集電抵抗を低減するようになっている。これにより、ガス供給能が確保されるとともに、集電抵抗が低減され、発電効率の優れた燃料電池を提供するようになっている。
【０００３】
また、従来から、例えば、下記特許文献２に示すような燃料電池用のセパレータは知られている。この従来の燃料電池用のセパレータは、カーボンクロスから形成される導電性多孔体を備えていて、この導電性多孔体を通過してガスが電極層に供給される。そして、導電性多孔体を介して、発電された電気を集電するようになっている。これにより、ガス供給能を確保して効率よく集電するとともに、安価な燃料電池用のセパレータを提供するようになっている。
【０００４】
また、従来から、例えば、下記特許文献３に示すような燃料電池の構造も知られている。この燃料電池の構造におけるメタルセパレータは、アノード電極またはカソード電極を支持する集電部と、燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極に供給するための流路を形成する集電部サポートとを備える構造となっている。また、メタルセパレータの集電部と電極との間には、多数の貫通孔が形成されるとともにその表面に多数の凹凸形状を有するエキスパンドメタルが設けられている。そして、このエキスパンドメタルの厚み（凹凸寸法）を適宜調整することにより、燃料電池のアノード電極またはカソード電極とエキスパンドメタルとの接触を良好に確保することができ、発電された電気の損失を低減するようになっている。
【０００５】
さらに、従来から、例えば、下記特許文献４に示すような燃料電池のセパレータも知られている。この燃料電池のセパレータは、平板状の第１部材（カーボン）と、この第１部材に積層され、燃料電池の電極層に弾性的に接触するとともにガス流路を形成する複数の突片を有する第２部材（金属板）とから構成されている。そして、第２部材の複数の突片によって形成されたガス流路は、突片の周囲や内側に存在する空間とされていて、流入したガスがあらゆる方向に立体的に連通するようになっている。これにより、電極層に対して、ガス流路を流れるガスを良好に拡散させることができ、反応効率を高めることにより、燃料電池の発電効率を向上するようになっている。
【特許文献１】特開平６−２２３８３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２０３６４５号公報
【特許文献３】特開平８−１３８７０１号公報
【特許文献４】特開２００２−１８４４２２号公報
【０００６】
一般的に、燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極反応効率および集電効率を向上させることが重要である。このため、燃料電池に採用されるセパレータに要求される機能として、燃料電池に導入される燃料ガスと酸化剤ガスとを電極層に効率よく供給する機能と、電極反応により発電された電気を効率よく集電する機能が要求される。
【０００７】
ところで、上記特許文献１および特許文献２に示された従来の燃料電池および燃料電池用のセパレータにおいては、発電された電気を効率よく集電する機能については満足するものの、ガス導入に伴う抵抗（圧力損失）が大きく、ガスを充分に電極層に供給できない場合がある。このため、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。また、上記特許文献３に示された従来の燃料電池の構造においては、エキスパンドメタルと電極との接触が良好に確保されるため、発電された電気を効率よく集電する機能は満足する。しかし、気体不透過性の集電部サポートによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが電極に供給される。このため、各電極に対して十分な燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給できず、言い換えると、ガス拡散性が不均一となり、ガスを効率よく供給する機能を満足しない場合がある。
【０００８】
一方、上記特許文献４に示された従来の燃料電池のセパレータにおいては、ガスを効率よく供給する機能については満足するものの、電極層と接触する部位が突片の頂面付近となることから電気の集電抵抗が増大して集電効率が低下する場合がある。また、薄板の金属板に突片を成形する際には、成形上の制約、例えば、成形可能な突片の高さ制約などによって、燃料電池に要求される発電効率を確保できない場合がある。
【０００９】
このような燃料電池用セパレータに対する要求を満たすために、例えば、多数の貫通孔が網目状に形成されたエキスパンドメタルにガス流路を成形すれば、各電極層との接触を良好に確保しつつ、エキスパンドメタルの貫通孔をガスが通過することにより電極層に対するガス拡散性を良好に確保することができる。したがって、燃料電池用セパレータに要求される機能すなわちガスを効率よく供給する機能および発電された電気を効率よく集電する機能を両立できると考えられる。
【００１０】
しかしながら、エキスパンドメタルに貫通孔を形成する場合には、素材としての金属薄板の板厚未満の孔径で貫通孔を成形できないという製造上の制約がある。このため、電気を効率よく集電する機能を向上させるために、例えば、微細な貫通孔を多数形成する場合には、板厚の小さい金属薄板を用いる必要がある。しかし、板厚の小さい金属薄板から製造されたエキスパンドメタルは、機械的な強度が不足するために、燃料電池の組み立て時においてセパレータ自体に変形が生じ、ガスを効率よく供給する機能が損なわれる場合がある。その結果、燃料電池用セパレータに要求される機能が満足できない可能性がある。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスを良好に供給するとともに発電された電気を効率よく集電して、燃料電池の発電効率を向上させる燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電された電気を集電する燃料電池用セパレータにおいて、導電性を有する素材から成形されて、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止する平板状のセパレータ本体と、所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された第１の金属薄板から成形されて、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するガス流路形成部材と、前記第１の金属薄板に形成された貫通孔の所定の孔径よりも小さな所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された第２の金属薄板から成形されて、前記ガス流路形成部材と前記電極層との間にて、前記電極層の電極反応によって発電された電気を集電する集電部材とを備えたことにある。この場合、前記第１の金属薄板および第２の金属薄板は、それぞれ、所定の孔径を有する多数の貫通孔が網目状に形成された後に平板状に成形されたエキスパンドメタルであるとよい。そして、この場合には、前記第２の金属薄板の板厚は、前記第１の金属薄板の板厚よりも小さいとよい。
【００１３】
また、前記ガス流路形成部材は、前記第１の金属薄板に対して、例えば、連続的に筋状の凹部と筋状の凸部とを成形することによって、前記ガス流路を形成するとよい。また、前記第１の金属薄板と前記第２の金属薄板とを積層し、同積層した第１の金属薄板および第２の金属薄板に対して、連続的に筋状の凹部と筋状の凸部とを成形することによって、前記ガス流路形成部材と前記集電部材とを一体的に形成するとよい。そして、これらの場合、前記連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部は、成形方向断面における前記筋状の凹部と筋状の凸部の成形幅のうちの一方が幅広に成形され、この幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部が前記電極層側に配置されるとよい。さらに、前記集電部材と前記電極層との間にて、導電性を有する繊維を設けるとよい。
【００１４】
これらによれば、燃料電池用セパレータは、セパレータ本体と、多数の貫通孔を有するガス流路形成部材と、ガス流路形成部材の貫通孔の孔径よりも小さな孔径の貫通孔を有する集電部材とから構成される。これにより、外部から導入されたガスは、ガス流路形成部材および集電部材の貫通孔を通過することにより、電極層に均一に接触する、言い換えれば、ガス濃度勾配を均一とすることができる。したがって、電極層の電極反応領域を大幅に向上させることができ、燃料電池の発電効率を大幅に向上させることができる。また、集電部材に形成された貫通孔の孔径は、ガス流路形成部材に形成された貫通孔の孔径よりも小さいため、例えば、ガス流路形成部材を直接電極層に接触させた場合の接触面積に比して、集電部材の電極層に対する接触面積を大幅に大きくすることができる。したがって、電気の集電抵抗を大幅に低減することができて、発電された電気を極めて効率よく集電することができる。
【００１５】
また、第１の金属薄板および第２の金属薄板として、エキスパンドメタルを採用することにより、網目状の多数の貫通孔を極めて容易にかつ安価に製造することができる。すなわち、このエキスパンドメタルは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し延ばすことによって、網目状の小径の貫通孔が連続的に形成されるものである。このため、例えば、打ち抜き加工によって形成される他の材料（例えば、パンチングメタルなど）に比して、歩留まり性が極めて良好であり、製造コストを低減することができる。したがって、このエキスパンドメタルからガス流路形成部材を形成することにより、燃料電池の製造コストを低減することができる。
【００１６】
そして、この場合、ガス流路形成部材は、より板厚の大きなエキスパンドメタルから形成することができるため、機械的な強度を十分に確保することができる。これにより、例えば、燃料電池の組み立て時に付与される締結力に対して、ガス流路形成部材の変形を防止することができ、常に、ガスを効率よく供給することができる。一方、集電部材は、より板厚の小さなエキスパンドメタルから形成することができるため、網目状の貫通孔を微細に形成できる。これにより、電極層との接触面積を大きく確保することができ、電気の集電抵抗を大幅に低減することができる。したがって、発電された電気を極めて効率よく集電することができる。
【００１７】
また、ガス流路形成部材に対して、連続的に筋状の凹部および筋状の凸部を成形して、ガス流路を形成することにより、ガスの導通に伴う抵抗すなわち圧力損失を大幅に低減することができる。このため、ガスをよりスムーズに導通させることができて、ガスと電極層との反応を促進することができる。したがって、これによっても、燃料電池の発電効率を大幅に向上することができる。一方で、圧力損失を大幅に低減することにより、ガスが導通する部分の開口面積を小さくすることもできる。これにより、燃料電池をコンパクトにすることができる。また、ガスの圧力損失が低減されることにより、電極層の電極反応によって生成される水が、電極反応で利用されなかった未反応ガスによって効率よく外部に排出される。このため、生成された水によってガス流路が塞がれることを防止でき、燃料電池に要求される発電効率を十分に確保することができる。
【００１８】
また、この場合、第１の薄肉金属と第２の薄肉金属とを積層して、連続的に筋状の凹部と筋状の凸部とを成形することができ、ガス流路形成部材と集電部材とを一体的に形成することができる。これにより、燃料電池の組み立てを効率よく行うことができるため、生産性を大幅に向上することもできる。
【００１９】
また、特に、ガス流路形成部材と集電部材とを一体的に形成した場合には、筋状の凹部および筋状の凸部の成形幅のうち、幅広に成形された筋状の凹部または筋状の凸部を電極層側に配置することにより、集電部材と電極層との接触面積が大きくすることができる。これにより、電極層との接触面積を大きくすることができ、電極層の電極反応によって発電された電気の集電効率を向上させることができる。また、電極層と集電部材との間に導電性を有する繊維を設けることにより、発電された電気が導電性を有する繊維を介して集電部材に移動しやすくなる。これによっても、集電効率を向上させることができる。さらに、導電性を有する繊維を設けることにより、導電性を有する繊維の弾性が筋状の凹部または筋状の凸部の成形誤差を吸収することができる。このため、燃料電池の組み立てを容易とすることができる。
【００２０】
また、本発明の他の特徴は、前記ガス流路形成部材は、その幅方向の寸法が前記セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の寸法に形成されるとともに前記ガス流路が前記セパレータ本体の前記幅方向に成形されており、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を前記セパレータ本体の前記幅方向から前記電極層に対して供給することにもある。これによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方を電極層へ供給するガス流路形成部材が、セパレータ本体の幅方向の寸法と略同一の幅方向の寸法とされるため、燃料電池の外部と連通した状態で燃料電池を構成することができる。これにより、外部と連通したガス流路形成部材が酸化剤ガスとして例えば空気を電極層に供給する場合には、同ガス流路形成部材は、燃料電池の側面から直接空気を導入することができ、また未反応の空気を直接外部に排出することができる。このため、燃料電池内に別途空気をガス流路形成部材まで供給するためのインナーマニホールドやガス流路形成部材から未反応の空気を排出すためのインナーマニホールドを設ける必要がなく、燃料電池を小型化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を用いて本発明の第１実施形態を詳細に説明する。図１は、燃料電池のセパレータを構成するガス流路形成部材としてのコレクタ１０を示している。このコレクタ１０は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層（アノード電極層およびカソード電極層）に外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、まとめて単にガスともいう）を供給する機能と、これら電極層の電極反応によって発電された電気を集電する機能とを有するものである。このため、コレクタ１０の形状としては、外部から供給されたガスを各電極層に効率よく供給することに加え、発電された電気を効率よく集電する形状が要求される。すなわち、外部から供給されたガスを各電極層に効率よく供給するためには、導通するガスの圧力損失を低減する形状であることが要求される。一方、発電された電気を効率よく集電するためには、各電極層との接触面積を大きくし集電抵抗を低減する形状であることが要求される。
【００２２】
したがって、コレクタ１０は、図１に示すように、多数の網目状の貫通孔が形成されたエキスパンドメタル１１，１２に対して、導通ガスの圧力損失を低減するための多数の筋状凹部１３および筋状凸部１４が成形されている。また、集電抵抗を低減するために、筋状凹部１３の成形幅に比して筋状凸部１４の成形幅が大きくなるように成形されている。以下、このコレクタ１０について詳細に説明する。
【００２３】
第１の金属薄板としてのエキスパンドメタル１１は、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のスレンレス板（例えば、フェライト系ステンレスなど）から形成されるものである。そして、エキスパンドメタル１１は、図２（ａ）に示すように、孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされた多数の小径の貫通孔が網目状に形成されている。また、エキスパンドメタル１１は、図２（ｂ）にて図２（ａ）のＸ−Ｘ断面を示すように、網目状の貫通孔を形成している部分（以下、この部分をストランドという）がボンド部１１ａによって順次連結されており、その断面形状が平板状とされている。
【００２４】
また、第２の金属薄板としてのエキスパンドメタル１２は、板厚が０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度のエキスパンドメタル１１よりも小さな板厚のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレスなど）から形成されるものである。そして、エキスパンドメタル１２は、図３（ａ）に示すように、孔径が０．０５ｍｍから０．１ｍｍ程度とされた多数の小径の貫通孔が網目状に形成されている。なお、エキスパンドメタル１２も、図３（ｂ）にて図３（ａ）のＹ−Ｙ断面を示すように、ストランドがボンド部１２ａによって順次連結されており、その断面形状が平板状とされている。
【００２５】
ここで、本実施形態においては、エキスパンドメタル１２を、エキスパンドメタル１１と同様に、例えば、フェライト系ステンレスから形成するように実施するが、エキスパンドメタル１１，１２の形成材料を互いに異ならせて実施可能であることはいうまでもない。この場合、エキスパンドメタル１２は、エキスパンドメタル１１の形成材料よりも板厚の小さな形成材料を用いて、後述するように形成される。このため、エキスパンドメタル１２の形成材料としては、例えば、成形性の低い安価な材料を採用することができる。これにより、コレクタ１０の製造コストを低減することができる。
【００２６】
これらのエキスパンドメタル１１，１２は、以下に説明するエキスパンドメタル成形工程を経て製造される。なお、エキスパンドメタル１１およびエキスパンドメタル１２は、同様のエキスパンドメタル成形工程を経て製造されるものである。このため、以下の説明においては、エキスパンドメタル１１を製造する場合を例示して、エキスパンドメタル成形工程を説明する。
【００２７】
エキスパンドメタル成形工程は、まず、図４（ａ）に概略的に示すランスカットメタル加工装置Ｒを用いて、ステンレス板Ｓ１（上述した第１の金属薄板に相当）に多数の網目状の貫通孔を成形する。ランスカットメタル加工装置Ｒは、ステンレス板Ｓ１を供給するための送りローラＯＲと、ステンレス板Ｓ１を順次せん断加工して網目状の貫通孔を成形する刃型Ｈとを備えている。なお、ステンレス板Ｓ１は、所定の長さに予め切断された板材であってもよいし、コイル状に巻き取られたコイル材であってもよい。刃型Ｈは、図４（ｂ）に示すように、上下動可能な上刃ＵＨと固設された下刃ＳＨとから構成される。そして、上刃ＵＨおよび下刃ＳＨは、ステンレス板Ｓ１に対してせん断加工により千鳥配置に切れ目を形成するために、複数の山谷形状とされた刃を備えている。
【００２８】
このように構成されたランスカットメタル加工装置Ｒは、まず、送りローラＯＲがステンレス板Ｓ１を所定の加工長さ（加工ピッチ）だけ刃型Ｈに送る。刃型Ｈの上刃ＵＨは、送りローラＯＲによってステンレス板Ｓ１が供給されると、下刃ＳＨ方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその山形状の部分によってステンレス板Ｓ１の一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは最下点位置まで降下し、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓ１を下方に曲げ伸ばし加工する。この曲げ伸ばし加工において、上刃ＵＨは、ステンレス板Ｓ１に板厚以上に降下して最下点位置に到達する。これにより、ストランドが形成されて、小径の貫通孔が成形される。そして、上刃ＵＨは、最下点位置に到達後に上方の原位置まで復帰する。この状態から、再び、送りローラＯＲが加工ピッチだけステンレス板Ｓ１を刃型Ｈに送ると、上刃ＵＨが降下し、切れ目加工および曲げ伸ばし加工が順次施される。
【００２９】
このように、ランスカットメタル加工装置Ｒが繰り返し動作することによって、ステンレス板Ｓ１に多数の網目状の貫通孔が形成されたランスカットメタルが形成される。ここで、上刃ＵＨと下刃ＳＨに谷部分を設けることにより、上刃ＵＨの降下に伴ってステンレス板Ｓ１に切れ目が加工されない部分を形成することができる。この切れ目が加工されない部分を有することにより、製造されるランスカットメタルは、図４（ａ）に示すように、その断面形状が段形状として成形される。
【００３０】
次に、製造されたランスカットメタルを圧延することにより、エキスパンドメタル１１を製造する。以下、この圧延工程を説明する。圧延工程は、図５に概略的に示す圧延成形機Ａを用いて、上記のように製造されたランスカットメタルを圧延する。圧延成形機Ａは、上下一対の圧延ローラＡＲを備えていて、供給されたランスカットメタルを連続的に圧延する。これにより、ランスカットメタルの段形状部分が圧延ローラＡＲによって圧延されて（引き伸ばされて）、エキスパンドメタル１１が製造される。
【００３１】
ここで、エキスパンドメタル１２も、上述したエキスパンドメタル１１と同様に製造される。ただし、エキスパンドメタル１２を製造するためのスレンレス板Ｓ２（第２の金属薄板に相当）の板厚は、エキスパンドメタル１１を製造するためのステンレス板Ｓ１の板厚に比して小さく設定されている。このため、エキスパンドメタル１２を製造するに際し、ランスカットメタル加工装置Ｒの刃型Ｈの上刃ＵＨが到達する最下点位置を、エキスパンドメタル１１を製造する場合に比して小さくする。これにより、エキスパンドメタル１２の貫通孔の孔径を、エキスパンドメタル１１の貫通孔の孔径よりも小さくして形成することができる。すなわち、上述したように、ランスカットメタル加工装置Ｒを用いて、ステンレス板に網目状の貫通孔を形成する場合には、ステンレス板に対して、板厚以上の切れ目を加工するとともに板厚以上に曲げ伸ばし加工する必要がある。このため、板厚の大きなステンレス板Ｓ１を用いて、エキスパンドメタル１１を製造した場合には、網目状の貫通孔の孔径が大きくなる。言い換えれば、用いるステンレス板の板厚に応じて形成可能な貫通孔の孔径が異なる。したがって、板厚の大きなステンレス板Ｓ１を用いたエキスパンドメタル１１は、形成される網目状の貫通孔の孔径が大きくなり、板厚の小さなステンレス板Ｓ２を用いたエキスパンドメタル１２は、形成される網目状の貫通孔の孔径が小さくなる。
【００３２】
次に、上述したように製造されたエキスパンドメタル１１およびエキスパンドメタル１２に対して、多数の筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形して、コレクタ１０を最終的に製造する筋状凹凸成形工程について詳細に説明する。ここで、この第１実施形態においては、エキスパンドメタル１１を用いて本発明のガス流路形成部材が成形され、エキスパンドメタル１２を用いて本発明の集電部材が成形される。この筋状凹凸成形工程は、エキスパンドメタル１１とエキスパンドメタル１２とを積層し（以下、この積層したエキスパンドメタルを積層エキスパンドメタルＥＭという）、この積層エキスパンドメタルＥＭに対して、緩やかな凹凸形状（以下、この凹凸形状を波形形状という）を予備成形する予備成形工程と、波形形状が予備成形された積層エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形する最終成形工程とから構成される。これにより、本発明のガス流路形成部材と集電部材とが一体的に形成される。
【００３３】
予備成形工程は、図６に示すようなコルゲート成形機Ｋを用いて、積層エキスパンドメタルＥＭに波形形状を成形する。このコルゲート成形機Ｋは、ピニオンギア形状のピニオンツールＰＴとラック形状のラックツールＲＴとを備えている。ピニオンツールＰＴは、供給される積層エキスパンドメタルＥＭの幅寸法に比して大きな軸線方向寸法を有していて、図示しない駆動装置に連結されたシャフトＪに対して同軸的かつ相対回転不能に組み付けられている。ラックツールＲＴは、平板状に形成されており、ピニオンツールＰＴと対向する面には、ピニオンツールＰＴのピニオンギア形状と歯合するラック形状が形成されている。そして、ラックツールＲＴは、図示しない送り装置によって、ピニオンツールＰＴの回動に合わせてその軸線方向（図６において左右方向）に正確に変位するようになっている。また、ピニオンツールＰＴに形成されたピニオンギア形状とラックツールＲＴに形成されたラック形状の歯の高さは、予備成形工程にて成形される波形形状の凹凸の成形寸法（以下、予備成形寸法という）が後述する最終成形工程にて成形される筋状凹部１３および筋状凸部１４の最終成形寸法Ｌよりも所定寸法ΔＬだけ大きくなるように設定されている。
【００３４】
このように構成されたコルゲート成形機Ｋを用いた予備成形工程においては、上述のように製造されたエキスパンドメタル１１とエキスパンドメタル１２とが供給途中で積層され、ピニオンツールＰＴとラックツールＲＴとの歯合部分に積層エキスパンドメタルＥＭとして連続的に供給される。これにより、積層エキスパンドメタルＥＭを効率よく製造することができる。そして、積層エキスパンドメタルＥＭが供給されると、ピニオンツールＰＴは、駆動装置からシャフトＪを介して伝達された駆動力によって回動を開始する。また、ラックツールＲＴは、送り装置により、ピニオンツールＰＴの回動に合わせて軸線方向への変位を開始する。これにより、積層エキスパンドメタルＥＭは、図７（ａ）に示すように、ピニオンツールＰＴとラックツールＲＴの噛み合わせ部分（詳しくは、ピニオンギア形状とラック形状の歯の噛み合わせ部分）にて連続的に波形形状が成形される。そして、予備成形工程によって積層エキスパンドメタルＥＭに成形される波形形状の高さ方向における予備成形寸法は、図７（ｂ）に示すように、最終成形寸法ＬよりもΔＬだけ大きく成形される。言い換えれば、コレクタ１０の筋状凹部１３および筋状凸部１４の形成方向における断面の断面長に比して、予備成形された積層エキスパンドメタルＥＭの波形形状の形成方向における断面の断面長が大きく（長く）なるように成形される。
【００３５】
このように、予備成形工程によって連続的に波形形状が成形された積層エキスパンドメタルＥＭは、コレクタ１０に製品寸法と等しくなるように切断されて、最終成形工程に供給される。最終成形工程は、波形形状が予備成形された積層エキスパンドメタルＥＭに対し、最終形状としての筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形して最終的にコレクタ１０を製造する工程である。この最終成形工程は、図８（ａ）に概略的に示すように、プレス成形機Ｏを用いて筋状凹部１３と筋状凸部１４をプレス成形する。プレス成形機Ｏは、床面に固設された下型ＳＯと、同下型ＳＯの上方に配置されて上下動可能な上型ＵＯとを備えている。そして、これら下型ＳＯと上型ＵＯの対向する面には、筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形するための凹凸形状が形成されている。ここで、下型ＳＯと上型ＵＯに形成される凹形状と凸形状の形成幅については、凹形状の形成幅が凸形状の形成幅よりも大きくなるように設定されている。また、凹形状の形成深さと凸形状の形成高さについては、最終成形寸法Ｌと略等しくなるように設定されている。
【００３６】
このように構成されたプレス成形機Ｏを用いた最終成形工程においては、まず、予備成形された積層エキスパンドメタルＥＭが凹凸形状の形成された下型ＳＯの上面に載置される。この載置においては、図８（ａ）に示すように、積層エキスパンドメタルＥＭに成形された波形形状の凹凸が下型ＳＯに形成された凹凸形状と一致するように載置される。この状態にて、上型ＵＯが下型ＳＯの方向に降下すると、下型ＳＯおよび上型ＵＯに形成された凹凸形状によって、図８（ｂ）に示すように、積層エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１３および筋状凸部１４が形成される。
【００３７】
ここで、上述したように、予備成形工程によって成形された波形形状の予備成形寸法はＬ＋ΔＬであり、最終成形寸法によって成形された筋状凹部１３および筋状凸部１４の最終成形寸法はＬとなっている。このため、最終成形工程においては、積層エキスパンドメタルＥＭを圧縮しながら、言い換えれば、波形形状の成形方向における断面の断面長を縮めながら筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形する。これにより、特に、略直角に曲げ加工される筋状凹部１３および筋状凸部１４の角部分が過度に延ばされる（引っ張られる）ことを効果的に防止することができる。このため、積層エキスパンドメタルＥＭのように、加工硬化の生じた薄肉の素材であっても、割れや破断の発生を防止して容易に曲げ加工を施すことができる。
【００３８】
すなわち、積層エキスパンドメタルＥＭ、より詳しくは、エキスパンドメタル１１およびエキスパンドメタル１２は、その製造時において、網目状の貫通孔を成形するためのせん断加工や曲げ伸ばし加工や圧延加工によって、ボンド部１１ａ，１２ａの周辺に加工硬化が生じている。このため、上述した予備成形を行わずに筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形した場合には、例えば、ボンド部１１ａ，１２ａが筋状凹部１３や筋状凸部１４の角部分に存在していると、曲げ加工に伴う伸びが不足して割れや破断が発生する場合がある。これに対して、積層エキスパンドメタルＥＭに波形形状を予備成形しておき、圧縮しながら筋状凹部１３および筋状凸部１４を成形すれば、積層エキスパンドメタルＥＭすなわちエキスパンドメタル１１およびエキスパンドメタル１２の余肉（詳しくは、ストランド）を角部分に向けて流動させることができる。したがって、曲げ加工に伴ってボンド部１１ａ，１２ａが過度に延ばされないため、良好に曲げ可能を施すことができる。
【００３９】
このように製造されたコレクタ１０は、固体高分子型燃料電池を構成するセパレータとして用いられる。以下、コレクタ１０を採用した固体高分子型燃料電池について説明する。固体高分子型燃料電池は、一般的に、単セルが多数積層された燃料電池スタックから形成される。そして、この第１実施形態に係る単セルは、図９にその構成を示すように、上述したコレクタ１０およびセパレータ本体２０から構成されるセパレータを上下に配し、同セパレータ間に２枚の樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０（Membrane−Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）を備えて構成される。このように構成された単セルに対して、例えば水素ガスなどの燃料ガスと、例えば空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタックの外部から導入されることにより、ＭＥＡ４０での電極反応によって電気が発電される。ここで、以下の説明においては、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。なお、酸化剤ガスには、ＭＥＡ４０による電極反応に伴って発生する反応熱を冷却するとともにＭＥＡ４０が適度な水分を有するように水のミストが含まれる場合がある。
【００４０】
セパレータ本体２０は、図９に示すように、略正方形の平板状に形成されて、燃料電池スタック内に導入されたガスの混流を防ぐものである。そして、セパレータ本体２０は、薄肉金属板（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されている。なお、薄肉金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防食処理を施した鋼板などを採用することができる。また、薄肉金属板から形成されるセパレータ本体２０に代えて、平板状のカーボンなど導電性を有する他の材料からセパレータ本体２０を形成することもできる。
【００４１】
また、セパレータ本体２０の周縁部分には、ガス導入口２１と、同ガス導入口２１と対向する位置にガス導出口２２が２対形成されている。ここで、各対は、互いに略直交するように形成されている。ガス導入口２１は、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを単セル内に導入するとともに、積層された他の単セルに対して、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口２２も、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、単セル内にガス導入口２１から導入されたガスのうちＭＥＡ４０にて未反応のガスを外部に排出するとともに、積層された他の単セルからの未反応のガスを流通する。
【００４２】
樹脂フレーム３０は、図９に示すように、同一の構造とされた２枚一対の樹脂板から形成されていて、２枚のセパレータ本体２０にそれぞれの一面側が固着される。そして、樹脂フレーム３０は、セパレータ本体２０の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、コレクタ１０の筋状凹部１３および筋状凸部１４の成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。ここで、２枚の樹脂フレーム３０は、一の樹脂フレーム３０に対して、他の樹脂フレーム３０が同一平面方向にて略９０°回転した状態で配置されて積層される。なお、樹脂フレーム３０を形成する樹脂板は、種々の樹脂材料を採用することができ、好ましくは、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用するとよい。
【００４３】
また、樹脂フレーム３０には、その周縁部分にて、単セルを構成した状態でセパレータ本体２０に形成されたガス導入口２１およびガス導出口２２の各貫通孔に対応する位置に同各貫通孔の形状と略同一の形状の貫通孔３１および貫通孔３２が形成されている。さらに、樹脂フレーム３０には、その略中央部分にて、コレクタ１０を収容する収容孔３３が形成されている。この収容孔３３は、固着されるセパレータ本体２０に形成された一対のガス導入口２１およびガス導出口２２と、積層される他の樹脂フレーム３０に形成された貫通孔３１および貫通孔３２とを収容するように形成されている。ここで、樹脂フレーム３０の貫通孔３１，３２および収容孔３３は、板厚管理された樹脂板に対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、樹脂フレーム３０は、貫通孔３１，３２および収容孔３３を有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００４４】
このように、収容孔３３を形成することにより、固着されるセパレータ本体２０の下面（または上面）、収容孔３３の内周面およびＭＥＡ４０の上面（または下面）によって空間（以下、この空間をガス導通空間という）が形成される。そして、ガス導通空間に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口２１から、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口２１および貫通孔３１から導入することができる。また、ガス導通空間を通過した未反応のガスは、一方のガス導出口２２を介して、また、他方のガス導出口２２および貫通孔３２を介して外部に導出することができる。
【００４５】
電極構造体としてのＭＥＡ４０は、図９に示すように、電解質膜ＥＦを備えている。電解質膜ＥＦは、樹脂フレーム３０を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して大きく、かつ、樹脂フレーム３０を積層した状態で貫通孔３１，３２を塞がない大きさに成形されている。このように、電解質膜ＥＦを成形することにより、ガス導通空間に導入されたガスが他側に形成されたガス導通空間に漏れることを防止することができる。そして、電解質膜ＥＦ上には、図１０に詳細に示すように、燃料ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるアノード電極層ＡＥと、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるカソード電極層ＣＥとが、所定の触媒を層状に積層することにより形成される。このように、電解質膜ＥＦ上に形成されるアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、その大きさが樹脂フレーム３０を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して僅かに小さい外形寸法とされている。なお、ＭＥＡ４０における電極反応については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。
【００４６】
また、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥのそれぞれの表面側は、導電性を有した繊維としてのカーボンクロスＣＣで覆われる。このカーボンクロスＣＣは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥとコレクタ１０との接触面積を大きく確保するとともに、単セルを構成した際の各構成部品の寸法誤差を吸収するものである。なお、ＭＥＡ４０は、このカーボンクロスＣＣを省略して構成することも可能である。
【００４７】
そして、２枚のセパレータ本体２０間に、コレクタ１０、樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０を積層することによって単セルが構成される。具体的に説明すると、互いに同一平面内にて略９０°回転して配置される樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０を挟持し、例えば、接着剤などを塗布することにより、樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０の電解質膜ＥＦを一体的に固着する。このように一体的に固着された樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０に対して、コレクタ１０を樹脂フレーム３０の収容孔３３内に収容した状態で、２枚のセパレータ本体２０を、例えば、接着剤などを塗布することにより、一体的に固着する。このとき、コレクタ１０は、図１０に示すように、成形幅が幅広の筋状凹部１３とＭＥＡ４０（詳しくは、カーボンクロスＣＣ）とが接触するように配置される。また、樹脂フレーム３０の板厚が筋状凹部１３および筋状凸部１４の成形高さよりも僅かに小さい寸法とされているため、筋状凹部１３がセパレータ本体２０によってＭＥＡ４０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、コレクタ１０とＭＥＡ４０との接触状態を良好に保つことができる。そして、このように形成された単セルは、多数積層された後、例えば、図示しないボルトとナットによって所定の締結力で固定されることによって、燃料電池スタックを構成する。
【００４８】
このように構成された燃料電池スタックを有する固体高分子型燃料電池においては、上述した各工程を経て製造されたコレクタ１０によって、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥに燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することができる。具体的に説明すると、コレクタ１０は、薄肉のエキスパンドメタル１１およびエキスパンドメタル１２が積層された積層エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１３および筋状凸部１４が形成されて構成されている。このため、外部からガス導入口２１を介してガス導通空間内に導入されたガスは、筋状凹部１３または筋状凸部１４を導通することにより、圧力損失を大幅に低減することができる。したがって、ガス導通空間内を導通するガスは、スムーズに導通することができるため、ガスと電極層との反応を促進することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００４９】
また、コレクタ１０を構成する積層エキスパンドメタルＥＭは、大きな孔径の貫通孔が形成されたエキスパンドメタル１１に対し、小さな孔径の貫通孔が形成されたエキスパンドメタル１２を積層して形成される。このため、ガス導通空間内に導入されたガスは、エキスパンドメタル１２に形成された小さな孔径の貫通孔を介して、容易に拡散することができる。これにより、導入されたガスは、ガス導通空間内全体に均一に広がることができる。したがって、ガス導通空間内のガス濃度勾配が均一化され、電極層の電極反応領域は、形成したアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの全面となる。この結果、有効な電極反応領域が増大することにより、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスと効率よく電極反応することができ、電極反応効率を大幅に向上させることができる。また、供給されたガスを有効に利用することができるため、未反応のガスが減少する。これらにより、燃料電池は、効率よく電気を発電することができる。
【００５０】
ところで、上述したように、ＭＥＡ４０によって効率よく発電された電気は、コレクタ１０およびセパレータ本体２０を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、コレクタ１０が、ＭＥＡ４０（詳しくは、カーボンクロスＣＣ）に対して、筋状凹部１３にて接触するように単セルが構成されている。これにより、接触面積が大きくなる。また、コレクタ１０を構成する積層エキスパンドメタルＥＭに多数の小径の貫通孔が形成されていることによっても、ＭＥＡ４０との接触面積が大きくなる。すなわち、コレクタ１０が積層エキスパンドメタルＥＭから構成される場合には、ＭＥＡ４０の電極層に対してエキスパンドメタル１２が接触するため、例えば、コレクタ１０をエキスパンドメタル１１のみから構成した場合に比して、接触面積を大幅に大きくすることができる。このように、ＭＥＡ４０との接触面積を大きくすることにより、ＭＥＡ４０で発電された電気を集電する際の抵抗（集電抵抗）を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よくすなわち集電効率を大幅に向上させて集電することができる。
【００５１】
ここで、コレクタ１０が積層エキスパンドメタルＥＭから形成されることにより、単セルが燃料電池スタックを構成する際の締結力に対して、コレクタ１０の変形が効果的に防止される。すなわち、上述したように、コレクタ１０とＭＥＡ４０との接触面積を大きくして集電抵抗を低減するためには、エキスパンドメタル１２のように、形成される網目状の貫通孔の孔径をより小さくして、単位面積当たりの貫通孔の割合、言い換えれば、開口率を大きくすることが望ましい。しかしながら、エキスパンドメタルにおいては、金属薄板の板厚を小さくして開口率を大きくしなければならず、これにより、エキスパンドメタルの機械的な強度が大幅に低下する。したがって、例えば、エキスパンドメタル１２のみからコレクタ１０を形成した場合には、前記締結力によって、コレクタ１０が変形することにより、ガス導通空間内のガスの良好な導通が阻害されたり、ＭＥＡ４０との接触面積が減少して集電抵抗が増大したりする。
【００５２】
これに対して、エキスパンドメタル１１上にエキスパンドメタル１２を積層した積層ラエキスパンドメタルＥＭを用いてコレクタ１０を形成することによって、上記問題が解決することができる。すなわち、板厚の大きな第１の金属薄板から形成されたエキスパンドメタル１１により、前記締結力に対するコレクタ１０の機械的強度が十分に確保されて、ガス流路の変形が防止され、ガス導通空間内のガスの導通を良好に確保することができる。また、上述したように、板厚の小さな第２の金属薄板から形成されたエキスパンドメタル１２により、ＭＥＡ４０との接触面積が十分に確保されて、集電抵抗を低減することができる。したがって、コレクタ１０を積層エキスパンドメタルＥＭから形成することにより、燃料電池の発電効率を大幅に向上することができる。
【００５３】
上記第１実施形態においては、単セルに燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ導入するためのガス導入口２１およびＭＥＡ４０にて未反応のガスをそれぞれ導出するためのガス導出口２２とを形成して、燃料電池スタック内にそれぞれのガスのインナーマニホールドを形成するように実施した。この場合、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが空気であり、特に、空気を直接単セルのカソード電極層ＣＥ側に導入可能に燃料電池を設置する場合には、酸化剤ガスのガス供給インナーマニホールドおよびガス排出インナーマニホールドを省略することが可能である。以下、この第２実施形態について詳細に説明する。
【００５４】
この第２実施形態においては、燃料電池用セパレータが、図１１に示すように構成される。そして、第２実施形態における単セルは、図１２に示すように、２つのセパレータ間にＭＥＡ１４０を狭持することによって構成される。さらに、単セルを多数積層することによって、燃料電池スタックが形成される。
【００５５】
この第２実施形態に係るセパレータは、上述した第１実施形態と同様に構成されたコレクタ１１０と、導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体１２０とを備えている。セパレータ本体１２０は、薄肉金属板（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、その略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の略長方形とされた窪み部１２３が形成されている。なお、薄肉金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防食処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００５６】
そして、窪み部１２３内には、上述した第１実施形態と同様のガス導入口１２１と、同ガス導入口１２１と対向する位置にガス導出口１２２とが一対形成されている。ガス導入口１２１は、略長楕円とされた貫通孔であり、例えば、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための図示しない燃料ガス供給装置から供給された燃料ガス（水素ガスなど）を窪み部１２３内に導入するとともに、積層された他のセパレータに対して燃料ガスを流通する。ガス導出口１２２も、略長楕円とされた貫通孔であり、窪み部１２３内を導通した未反応の燃料ガスを窪み部１２３外に導出するとともに、積層された他のセパレータからの未反応の燃料ガスを外部に流通する。
【００５７】
次に、第２実施形態に係る単セルの構成について具体的に説明する。第２実施形態においては、コレクタ１１０が、図１１に示すように、セパレータ本体１２０の窪み部１２３に収容される。そして、コレクタ１１０は、ガス導入口１２１から導入された燃料ガスがガス導出口１２２方向へ導通可能となるように、すなわち、ガス導入口１２１とガス導出口１２２の配置方向に対して筋状凹部１１３および筋状凸部１１４が略平行となるように収容される。一方、窪み部１２３の裏面側（空気導入側）に配置されるコレクタ１１０は、その幅がセパレータ本体１２０の幅と略同一とされるとともに、燃料電池スタックの側面方向から空気を導通可能となるように、言い換えると、窪み部１２３に収容されるコレクタ１１０の筋状凹部１１３および筋状凸部１１４と略直交するように配置される。そして、コレクタ１１０は、窪み部１２３に収容される際、または、窪み部１２３の裏面側に配置される際には、セパレータ間に配置されるＭＥＡ１４０のアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに対して、筋状凹部１１３が接触するように収容または配置される。
【００５８】
また、単セルは、フレーム１３０と２個一対のスペーサ１３４を備えている。フレーム１３０は、セパレータ本体１２０にその一側にて固着されるものである。このフレーム１１３は、セパレータ本体１２０の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１２３の所定深さと略同一の板厚とされた薄肉の樹脂板から成形されている。そして、フレーム１３０の略中央部分には、窪み部１２３の外形と相似形であり、窪み部１２３の外形寸法に比して僅かに大きい収容孔１３３が形成されている。そして、フレーム１３０がセパレータ本体１２０の窪み部１２３を収容して固着することにより、セパレータ本体１２０が略平板状に形成される。
【００５９】
スペーサ１３４は、セパレータ本体１２０およびフレーム１３０にその一側にて固着されて、酸化剤ガスとしての空気を導通するための空間を形成するとともに、他のセパレータを介して供給される燃料ガスをシールものである。このスペーサ１３４は、その長手方向寸法がセパレータ本体１２０の幅寸法と略同一で所定の幅寸法とされるとともに、コレクタ１１０の筋状凹部１１３および筋状凸部１１４の成形高さに比して、僅かに小さい板厚とされた薄肉の樹脂板から成形されている。そして、スペーサ１３４の略中央部分には、セパレータ本体１２０のガス導入口１２１およびガス導出口１２２の各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１３４ａが形成されている。
【００６０】
ここで、フレーム１３０の収容孔１３３およびスペーサ１３４の貫通孔１３４ａは、板厚管理された樹脂板に対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、フレーム１３０およびスペーサ１３４は、収容孔１３３および貫通孔１３４ａを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００６１】
さらに、セパレータは、コレクタ１１０の脱落を防止するために４枚２対のバックアッププレート１５０を備えている。バックアッププレート１５０は、コレクタ１１０にその一側にて固着されるとともに、セパレータ本体１２０またはスペーサ１３４に固定される。また、バックアッププレート１５０は、薄肉の樹脂板から成形されており、セパレータがＭＥＡ１４０とともに単セルを形成した際には、コレクタ１１０とＭＥＡ１４０との間に狭持されることにより、シール性を確保するようになっている。
【００６２】
そして、図１２に示すように、単セルが形成される。ここで、ＭＥＡ１４０は、上記第１実施形態と同様に構成されるものであるが、その形状が略長方形とされたコレクタ１１０に合わせて略長方形形状とされている。このように、単セルを形成した状態においては、セパレータ本体１２０の窪み部１２３の所定深さおよびスペーサ１３４の板厚がコレクタ１１０の筋状凹部１１３および筋状凸部１１４の成形高さよりも僅かに小さいため、筋状凹部１１３がセパレータ本体１２０によってＭＥＡ１４０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、コレクタ１１０とＭＥＡ１４０との接触状態を良好に保つことができる。そして、形成された単セルは、多数積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。
【００６３】
このように構成された燃料電池スタックにおいては、積層された単セル間で、スペーサ１３４の貫通孔１３４ａを介して、ガス導入口１２１がガス供給インナーマニホールドを形成し、ガス導出口１２２がガス排出インナーマニホールドを形成している。このため、ガス供給インナーマニホールドから燃料ガスが供給されると、供給された燃料ガスは、セパレータ本体１２０の窪み部１２３内に導入される。また、空気は、燃料電池スタックの側面すなわちセパレータ本体１２０の幅方向側から直接導入される。導入された燃料ガスおよび空気は、上記第１実施形態と同様に、コレクタ１１０によってそのガス濃度勾配が均一とされることにより、ＭＥＡ１４０のアノード電極層ＡＥにおける電極反応の反応効率が高められる。
【００６４】
また、電極反応の反応効率が向上すると、ＭＥＡ１４０によって、効率よく電気が発電される。この発電された電気は、上記第１実施形態と同様に、コレクタ１１０およびセパレータ本体１２０を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、コレクタ１１０は、ＭＥＡ１４０（詳しくは、カーボンクロスＣＣ）に対して、接触面積が大きくなるように筋状凹部１１３にて接触するように単セルが構成されている。また、コレクタ１１０を構成する積層エキスパンドメタルＥＭに多数の小径の貫通孔が形成されていることによっても、ＭＥＡ１４０との接触面積が大きくなる。すなわち、コレクタ１１０が積層エキスパンドメタルＥＭから構成される場合には、ＭＥＡ１４０の電極層に対してエキスパンドメタル１１２が接触するため、例えば、コレクタ１１０をエキスパンドメタル１１１のみから構成した場合に比して、接触面積を大幅に大きくすることができる。このように、ＭＥＡ１４０との接触面積を大きくすることにより、ＭＥＡ１４０で発電された電気を集電する際の抵抗（集電抵抗）を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よくすなわち集電効率を大幅に向上させて集電することができる。
【００６５】
さらに、上記のように構成された燃料電池スタックにおいては、コレクタ１１０の幅寸法がセパレータ本体１２０の幅寸法と略同一とされており、筋状凹部１１３および筋状凸部１１４が幅方向に形成されているため、コレクタ１１０が外部と連通した状態であり、燃料電池スタックの側面から酸化剤ガスとしての空気を供給して排出することができる。このため、燃料電池スタック内に空気を直接供給するためのガス供給インナーマニホールドや空気を排出すためのガス排出インナーマニホールドを設ける必要がなく、燃料電池スタックを小型化することが可能となる。
【００６６】
また、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記各実施形態においては、エキスパンドメタル１１，１２を積層した積層エキスパンドメタルＥＭを用いて、コレクタ１０，１１０を製造するように実施した。しかしながら、ランスカットメタル加工装置Ｒによって製造した段形状のランスカットメタルをそのまま用いて、コレクタ１０，１１０を製造するように実施してもよい。この場合、上述した第１実施形態のエキスパンドメタル１１，１２と同様に、形成される孔径が異なるランスカットメタルを製造しておく。そして、これらのランスカットメタルを積層し、この積層したランスカットメタルに対して、予備成形および最終成形を施して、コレクタ１０，１１０を製造する。このように製造されるコレクタにおいても、上記各実施形態と同様に、ガス導入空間内におけるガス濃度勾配を均一とすることができ、また、ＭＥＡ４０，１４０における電極反応により発電された電気を効率よく集電することができるため、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【００６７】
また、上記各実施形態においては、積層エキスパンドメタルＥＭを用い、ガス流路形成部材と集電部材とを一体的に形成したコレクタ１０，１１０を製造するように実施した。しかしながら、コレクタ１０，１１０をガス流路形成部材と集電部材とに分離して構成することも可能である。この場合においては、例えば、第１実施形態を例に説明すると、エキスパンドメタル１１に筋状凹部１３と筋状凸部１４を形成してガス流路形成部材を成形しておく。また、エキスパンドメタル１２を平板状に形成して集電部材を成形しておく。そして、ガス流路形成部材とＭＥＡ４０との間に集電部材を配置する。これにより、エキスパンドメタル１１から成形したガス流路形成部材によって、ガス導入空間内におけるガス濃度勾配を均一とすることができ、また、エキスパンドメタル１２から成形した集電部材によって、ＭＥＡ４０における電極反応により発電された電気を効率よく集電することができる。したがって、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【００６８】
さらに、上記各実施形態においては、ＭＥＡ４０，１４０のアノード電極層ＡＥ側とカソード電極層ＣＥ側に配置されるコレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０は、ともに同様の材料から形成されるように実施した。ところで、燃料電池においては、ＭＥＡ４０の電極反応に伴って、コレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０が材料劣化する場合があり、この材料劣化は、アノード電極層ＡＥ側とカソード電極層ＣＥ側とで、その劣化メカニズムが異なる場合がある。すなわち、アノード電極層ＡＥ側においては、コレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０の形成材料（金属材料）から、例えば、金属イオンが溶出することによって、材料劣化が発生する場合がある。一方、カソード電極層ＣＥ側においては、コレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０の形成材料（金属材料）の表面に、例えば、厚い酸化皮膜が形成されることによって、材料劣化が発生する場合がある。
【００６９】
このため、本発明の実施においては、アノード電極層ＡＥ側に配置されるコレクタ１０，１１０の形成材料およびアノード電極層ＡＥ側に面するセパレータ本体２０，１２０の形成材料（より詳しくは、同本体２０，１２０の表面の形成材料）と、カソード電極層ＣＥ側に配置されるコレクタ１０，１１０の形成材料およびカソード電極層ＣＥ側に面するセパレータ本体２０，１２０の形成材料（より詳しくは、同本体２０，１２０の表面の形成材料）とを互いに異ならせて実施することも可能である。この場合においては、アノード電極層ＡＥ側に配置されるコレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０の形成材料として、例えば、クロム合金など、金属イオンが溶出しにくい材料を採用するとよい。一方、カソード電極層ＣＥ側に配置されるコレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０の形成材料として、例えば、ニッケル合金など、酸化皮膜を形成しにくい材料を採用するとよい。これにより、コレクタ１０，１１０およびセパレータ本体２０，１２０の材料劣化が大幅に低減され、上記実施形態と同様の効果を長期に渡り維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコレクタを示した斜視図である。
【図２】図１のコレクタのガス流路形成部材を形成するエキスパンドメタルを説明するための図である。
【図３】図１のコレクタの集電部材を形成するエキスパンドメタルを説明するための図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、図１，２のエキスパンドメタルを成形するエキスパンドメタル成形工程を説明するために概略的に示した図である。
【図５】図４に示したエキスパンドメタル成形工程によって成形されたランスカットメタルを圧延する圧延工程を説明するための図である。
【図６】積層エキスパンドメタルに波形形状を形成する予備成形工程を説明するための図である。
【図７】（ａ）は、図６の予備成形工程をより詳しく示した拡大図であり、（ｂ）は、予備成形された積層エキスパンドメタルを示す概略図である。
【図８】（ａ）は、コレクタの筋状凹部および筋状凸部を成形する最終工程を説明するための概略図であり、（ｂ）は、最終成形されたコレクタを示す概略図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単セルの構成を説明するための概略的な分解斜視図ある。
【図１０】図９の単セルにおけるコレクタを説明するための概略図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成を説明するための概略的な分解斜視図である。
【図１２】図１１の燃料電池用セパレータによって構成される単セルを説明するための概略的な分解斜視図ある。
【符号の説明】
【００７１】
１０，１１０…コレクタ、１１…エキスパンドメタル、１２…エキスパンドメタル、１３…筋状凹部、１４…筋状凸部、２０，１２０…セパレータ本体、４０，１４０…ＭＥＡ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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