(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】  セパレータ１０は、セパレータ本体１１とガス流路形成部材１２とから構成される。ガス流路形成部材１２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ＥＭに、成形幅が幅広の筋状凹部１２ａと成形幅が小幅の筋状凸部１２ｂが成形されて形成されている。これにより、ガス濃度勾配を均一化して、ガスをＭＥＡ３０に効率よく供給できる。また、筋状凸部１２ｂは、セパレータ本体１１に対して、接合部１３により金属的に接合される。これにより、セパレータ本体１１とガス流路形成部材１２間の接触抵抗を大幅に低減でき、発電された電気を効率よく外部に出力できる。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ガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
導電性を有し、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、
多数の貫通孔を有し、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて前記ガス流路を形成するとともに前記電極構造体によって発電された電気を集電する金属製のガス流路形成部材とを備え、
前記セパレータ本体に対して前記ガス流路形成部材を一体的に固設して構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ガス流路形成部材は、多数の小径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から形成される請求項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、連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部とを有して構成される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３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小さく形成されており、
前記セパレータ本体に対し、前記成形幅が小さく形成された筋状の凹部または筋状の凸部を接触させて、前記ガス流路形成部材を一体的に固設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４に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体に対して、前記成形幅が小さく形成された筋状の凹部または筋状の凸部に対応した窪みを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１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体は、金属製の薄板から形成されており、
前記ガス流路形成部材を、前記セパレータ本体に対して、金属的に接合して固設す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６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と前記セパレータ本体は、
溶接工法、ロー付け工法および拡散接合工法のうちのいずれか一つの接合工法により、金属的に接合される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、
前記セパレータ本体は、カーボン粒子と導電性を有するバインダとにより構成される薄板から形成されており、
前記ガス流路形成部材を、
前記薄板を構成する前記バインダを融解および凝固することにより、前記セパレータ本体に対して一体的に固設することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
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を前記セパレータ本体の前記幅方向に形成しており、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させられ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は、網目状の多数の貫通孔が形成されているために、機械的な強度を確保することが難しく、例えば、燃料電池の組み立て時に付与される締結力によってエキスパンドメタルが変位し、その結果、変形が生じる可能性がある。このため、ガスを効率よく供給する機能が損なわれる場合がある。また、エキスパンドメタルが変形することにより、例えば、ガスの混流を防止する金属板（セパレータ本体）との接触状態が悪化し、接触抵抗が増加する場合もある。したがって、発電された電気を効率よく集電する機能が損なわれる場合がある。
【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ガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、導電性を有し、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、多数の貫通孔を有し、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて前記ガス流路を形成するとともに前記電極構造体によって発電された電気を集電する金属製のガス流路形成部材とを備え、前記セパレータ本体に対して前記ガス流路形成部材を一体的に固設して構成したことにある。
【００１３】
この場合、前記ガス流路形成部材は、多数の小径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から形成されるとよい。また、前記ガス流路形成部材は、連続的に成形された筋状の凹部と筋状の凸部とを有して構成されるとよい。また、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小さく形成されており、前記セパレータ本体に対し、前記成形幅が小さく形成された筋状の凹部または筋状の凸部を接触させて、前記ガス流路形成部材を一体的に固設するとよい。そして、この場合には、前記セパレータ本体に対して、例えば、前記成形幅が小さく形成された筋状の凹部または筋状の凸部に対応した窪みを形成するとよい。
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、セパレータ本体とガス流路形成部材とを一体的に固設することができる。この場合、ガス流路形成部材において、成形幅が小さく形成された筋状の凹部または筋状の凸部を接触させて、前記ガス流路形成部材を固設することができる。このように、セパレータ本体とガス流路形成部材とを一体的に固設することにより、ガス流路形成部材のセパレータ本体に対する相対的な変位を規制することができ、燃料電池の組み立て時におけるガス流路の変形を防止することができる。これにより、ガス流路の変形に伴う圧力損失の増加や偏流の発生を防止することができる。また、セパレータ本体とガス流路形成部材との接触状態を良好に維持することができるため、セパレータ本体とガス流路形成部材間の接触抵抗の増加も防止できる。したがって、効率よく発電された電気を集電することができる。さらに、セパレータ本体とガス流路形成部材を一体的に固設することにより、燃料電池の組み立て作業を容易とすることができて、生産効率を向上することができる。
【００１７】
一方で、ガス流路形成部材の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と電極層とを接触させることができる。したがって、ガス流路形成部材と電極層との接触面積が大きくすることができる。また、ガス流路形成部材が多数の小径の貫通孔を有することにより、単位体積当たりの表面積すなわち電極層との接触面積を大きくすることができる。このため、ガス流路形成部材と電極層との間に生じる集電抵抗を極めて小さくすることができ、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大幅に向上させることができる。
【００１８】
さらに、ガス流路形成部材を、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から形成することができる。このエキスパンドメタルは、平板状の金属製の薄板に対して、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もできる。
【００１９】
また、本発明の他の特徴は、前記セパレータ本体が、金属製の薄板から形成されており、前記ガス流路形成部材を、前記セパレータ本体に対して、金属的に接合して固設することにもある。この場合、前記ガス流路形成部材と前記セパレータ本体は、溶接工法、ロー付け工法および拡散接合工法のうちのいずれか一つの接合工法により、金属的に接合されるとよい。これらによれば、周知の接合工法を採用してセパレータ本体とガス流路形成部材とを金属的に接合することができるため、極めて容易にセパレータ本体とガス流路形成部材を一体的に固設することができる。
【００２０】
また、燃料電池においては、その発電作動に伴って、導電性を有しない酸化物がセパレータ本体とガス流路形成部材との接触部位、より詳しくは、セパレータ本体とガス流路形成部材との間の僅かな隙間に析出する場合がある。このように、酸化物が析出すると、セパレータ本体とガス流路形成部材との間の接触抵抗が増大するため、効率よく発電された電気を集電できない場合がある。これに対し、セパレータ本体とガス流路形成部材とを金属的に接合することにより、前記僅かな隙間が存在しないため、前記接触抵抗が増大せず、したがって、燃料電池の発電効率を良好に維持することができる。
【００２１】
また、本発明の他の特徴は、前記セパレータ本体が、カーボン粒子と導電性を有するバインダとにより構成される薄板から形成されており、前記ガス流路形成部材を、前記薄板を構成する前記バインダを融解および凝固することにより、前記セパレータ本体に対して一体的に固設することにもある。これによっても、セパレータ本体とガス流路形成部材との間に隙間が存在しないため、前記接触抵抗が増大せず、したがって、燃料電池の発電効率を良好に維持することができる。
【００２２】
また、本発明の他の特徴は、前記ガス流路形成部材が、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を前記セパレータ本体の前記幅方向に形成しており、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】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０という）を用いて構成された固体高分子型燃料電池のスタックの一部を概略的に示した断面図である。燃料電池スタックは、２つのセパレータ１０と、これらセパレータ１０間に配置されて積層されるフレーム２０およびＭＥＡ３０（Membrane−Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）とからなる単セルが多数積層されて構成される。そして、各単セルに対して、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外部から導入されることにより、ＭＥＡ３０による電極反応によって電気が発電される。ここで、本明細書では、以下の説明において、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、ＭＥＡ３０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ＭＥＡ３０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。
【００２４】
セパレータ１０は、図２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セパレータ本体１１と、外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスをＭＥＡ３０に導入するとともに電極反応によって発電された電気を集電するガス流路形成部材１２とから構成される。セパレータ本体１１は、金属製の薄板（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、金属製の薄板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００２５】
また、セパレータ本体１１の周縁部分には、ガス導入口１１ａと、同ガス導入口１１ａと対向する位置にガス導出口１１ｂ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１１ａ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１１ｂ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１１ａから導入されたガスのうちＭＥＡ３０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。
【００２６】
ガス流路形成部材１２は、図３に示すように、多数の小径の貫通孔が網目状に形成された金属製の薄板（以下、この金属製の薄板をエキスパンドメタルＥＭという）から形成される。このエキスパンドメタルＥＭは、例えば、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレス）であって、多数形成される孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされている。ここで、このエキスパンドメタルＥＭについては、周知の成形方法によって製造されるものであるが、以下に簡単に説明しておく。
【００２７】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、エキスパンドメタルＥＭの製造工程を概略的に示している。エキスパンドメタルＥＭは、図４（ａ）に示すように、素材Ｓ（金属製の薄板）を送りローラＯＲによって上刃ＵＤおよび下刃ＬＤからなる刃型Ｄに送る。刃型Ｄの上刃ＵＤおよび下刃ＬＤの刃部は、図４（ｂ）に拡大して示すように、素材Ｓに対して千鳥配置に切れ目を順次加工するように形成されている。そして、上刃ＵＤは、上下動することにより、素材Ｓに対して順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに、下降位置にて加工した切れ目を押し延ばし、素材Ｓに段状の網目を形成する（この段状の網目が形成された素材ＳをランスカットメタルＲＭという）。
【００２８】
次に、段状の網目が形成されたランスカットメタルＲＭは、図４（ｃ）に示すように、圧延ローラＡＲによって平面状に圧延される。このように、ランスカットメタルＲＭが圧延されることにより、ランスカットメタルＲＭの段を形成しているストランドやボンド部が略平板状とされる。これにより、図３に示すような、所定の孔径を有したエキスパンドメタルＥＭが製造される。なお、エキスパンドメタルＥＭの製造については、上記製造方法に限定されることなく、他の製造方法を利用して製造可能であることはいうまでもない。
【００２９】
そして、ガス流路形成部材１２は、図１および図２に示すように、上記したエキスパンドメタルＥＭに対して、成形幅が幅広の筋状凹部１２ａと、同筋状凹部１２ａの成形幅に比して小幅の筋状凸部１２ｂとが成形されて構成される。以下、この筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂの成形について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、エキスパンドメタルＥＭに筋状の凹凸部を成形する筋状凹凸部成形工程を概略的に示している。この筋状凹凸部成形工程は、エキスパンドメタルＥＭの幅方向（図５において紙面垂直方向）全体に対して、筋状凹部１２ａを成形するための凹部および筋状凸部１２ｂを成形するための凸部が形成された下型ＳＧと、上下動可能とされて下型ＳＧに形成された凹部に進入してエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを成形するパンチＰと、同パンチＰの成形中においてエキスパンドメタルＥＭを固定する先行パッドＳＰとを備える筋状凹凸部成形機を利用する。
【００３０】
筋状凹凸部成形工程は、まず、図５（ａ）に示すように、前回の成形サイクルにより成形された筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを一段送り、下型ＳＧ上に載置する。続いて、図５（ｂ）に示すように、先行パッドＳＰを、前回の成形サイクルにより成形した筋状凹部１２ａ方向に下降させて、エキスパンドメタルＥＭを下型ＳＧとともに狭持して固定する。このように、エキスパンドメタルＥＭを固定した状態で、図５（ｃ）に示すように、パンチＰを、下型ＳＧに形成された凹部方向に、エキスパンドメタルＥＭとともに下降させることによって、エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂが成形される。
【００３１】
このように、図５（ａ）〜（ｃ）によって概略的に示される成形サイクルを繰り返すことにより、エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを連続的に成形することができる。なお、図５（ｃ）に示す工程において、矢印で示す方向にエキスパンドメタルＥＭを送ることによって、筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂの成形に際して、例えば、エキスパンドメタルＥＭの割れや破れを効果的に防止することができる。また、略平板状としたエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを成形することにより、筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを正確に成形することができる。そして、上記した筋状凹凸部成形工程によって筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂが連続的に成形されたエキスパンドメタルＥＭは、所定長さおよび所定幅となるように、詳しくは、後述するＭＥＡ３０のアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの大きさと略同一の大きさの正方形となるように切断されて、ガス流路形成部材１２が形成される。
【００３２】
そして、形成されたガス流路形成部材１２は、図６に示すように、セパレータ本体１１に対して一体的に固設される。このガス流路形成部材１２の固設について、以下に説明する。ガス流路形成部材１２は、図６（ａ）に示すように、セパレータ本体１１の略中央部分にて、筋状凸部１２ｂがセパレータ本体１１に接触するように配置される。そして、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１の接触部分は、例えば、ロー付け工法により、金属的に接合されて一体的に固設される。
【００３３】
具体的に説明すると、まず、ガス流路形成部材１２の筋状凸部１２ｂに対して、例えば、銅やニッケルなどのペースト状のロー材を塗布する。そして、ロー材を塗布したガス流路形成部材１２をセパレータ本体１１の所定位置に仮止めする。次に、還元ガス雰囲気中にて、仮止めしたガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とを所定温度で所定時間だけ加熱し、その後冷却する。これにより、図６（ｂ）に示すように、ロー材に含まれる金属の融解および凝固によって、筋状凸部１２ｂの周囲に接合部１３が形成され、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とが一体的に固設される。このように、接合部１３が形成されることにより、ガス流路形成部材１２（詳しくは、筋状凸部１２ｂ）とセパレータ本体１１とが、金属的に接合される。
【００３４】
ここで、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とを金属的に接合する接合工法については、上述したロー付け工法に限定されるものではない。すなわち、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とを金属的に接合することができる他の工法、例えば、溶接工法や拡散接合工法を採用することができる。
【００３５】
溶接工法を用いて接合する場合には、例えば、スポット溶接のように、ガス流路形成部材１２（詳しくは、筋状凸部１２ｂ）とセパレータ本体１１との間の接触抵抗を利用する電気抵抗溶接を採用することができる。この場合には、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１との間における接触抵抗に電流を流すことにより発熱し、この発熱によって筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１の接触部分が融解する。そして、溶解部分が凝固することにより、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１とが金属的に接合される。このように、溶接工法を採用した場合には、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１との接触面積が小さいため、低電流で容易に接合することができる。
【００３６】
また、拡散接合工法を採用して接合する場合には、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１とを接触した状態とし、所定の荷重を付与しながら所定の温度雰囲気中に放置することにより、接触部分で相互拡散が生じる。これにより、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１とが金属的に接合される。このように、拡散接合工法を採用する場合には、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１の接触部位における板厚が共に小さいため、付加する荷重を小さくすることができ、簡便な設備で容易に接合することができる。
【００３７】
フレーム２０は、図１および図２に示すように、同一の構造とされた２枚一対の樹脂板本体２１，２２から構成されていて、２枚のセパレータ本体１１にそれぞれの一面側が固着される。これら樹脂板本体２１，２２は、セパレータ本体１１の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、ガス流路形成部材１２の筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂの成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。そして、樹脂板本体２１に対して、樹脂板本体２２は、同一平面方向にて略９０度回転して配置されて積層される。なお、樹脂板本体２１，２２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。
【００３８】
また、樹脂板本体２１，２２には、その周縁部分にて、単セルを形成した状態でセパレータ本体１１に形成されたガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂ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２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂが形成されている。また、樹脂板本体２１，２２には、その略中央部分にて、セパレータ本体１１に接合されたガス流路形成部材１２を収容する収容孔２１ｃ、２２ｃが形成されている。この収容孔２１ｃ、２２ｃは、固着されるセパレータ本体１１に形成された一対のガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂと、積層される他方の樹脂板本体２１または２２に形成された貫通孔２１ａ，２１ｂまたは貫通孔２２ａ，２２ｂとを収容するように形成されている。
【００３９】
このように、収容孔２１ｃ、２２ｃを形成することにより、固着されるセパレータ本体１１の下面（または上面）、収容孔２１ｃまたは２２ｃの内周面およびＭＥＡ３０の上面（または下面）により空間（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、ガス導通空間内に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口１１ａから、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口１１ａおよび貫通孔２１ａ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１１ｂを介して、また、他方のガス導出口１１ｂおよび貫通孔２１ｂを介して外部に導出することができる。ここで、樹脂板本体２１に形成される貫通孔２１ａ，２１ｂおよび収容孔２１ｃと、樹脂板本体２２に形成される貫通孔２２ａ，２２ｂおよび収容孔２２ｃは、板厚管理された樹脂板本体２１，２２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。また、樹脂板本体２１，２２は、それぞれ貫通孔２１ａ，２１ｂおよび収容孔２１ｃ、貫通孔２２ａ，２２ｂおよび収容孔２２ｃ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。
【００４０】
電極構造体としてのＭＥＡ３０は、図１および図２に示すように、電解質膜ＥＦと、同電解質膜ＥＦ上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、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とを主要構成部品としている。なお、これら電解質膜ＥＦ、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの作用（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。電解質膜ＥＦは、フレーム２０の樹脂板本体２１，２２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、樹脂板本体２１，２２を積層した状態で貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを塞がない大きさに形成されている。このように電解質膜ＥＦを形成することにより、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が防止される。電極層としてのアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、その大きさがフレーム２０の樹脂板本体２１，２２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。
【００４１】
また、ＭＥＡ３０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すなわちそれぞれの電極を構成する電極層とガス流路形成部材１２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品の寸法誤差を吸収するものである。なお、ＭＥＡ３０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。
【００４２】
そして、セパレータ本体１１に金属的に接合されたガス流路形成部材１２とから構成される２枚のセパレータ１０間に、フレーム２０およびＭＥＡ３０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度回転されて配置される樹脂板本体２１，２２間にＭＥＡ３０を配置し、例えば、接着剤などを塗布することにより、樹脂板本体２１，２２間にてＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦを狭持した状態で一体的に固着する。このように一体的に固着されたフレーム２０およびＭＥＡ３０に対して、２枚のセパレータ１０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、ガス流路形成部材１２は、図１および図２に示すように、成形幅が幅広の筋状凹部１２ａとカーボンクロスＣＣとが接触するように配置される。また、樹脂板本体２１，２２の板厚が筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂの成形高さよりも僅かに小さい寸法とされている。このため、筋状凹部１２ａがセパレータ本体１１によってＭＥＡ３０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、ガス流路形成部材１２とＭＥＡ３０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、多数積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。
【００４３】
このように構成された燃料電池スタックにおいては、図１に示すように、積層された単セル間でガス導入口１１ａ同士およびガス導出口１１ｂ同士がフレーム２０の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを介してすべて連通した状態となる。なお、本明細書中の以下の説明においては、各単セルのガス導入口１１ａおよびフレーム２０の貫通孔２１ａ，２２ａによって形成される連通路をガス供給インナーマニホールド、ガス導出口１１ｂおよびフレーム２０の貫通孔２１ｂ，２２ｂによって形成される連通路をガス排出インナーマニホールド、あるいは、これらガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドをまとめて単にインナーマニホールドという。
【００４４】
このガス供給インナーマニホールドを介して燃料ガスまたは酸化剤ガスがそれぞれ外部から供給されると、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス導通空間内に導入される。このように導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス流路形成部材１２によって、そのガス濃度勾配が均等化されてガス導通空間内を導通する。
【００４５】
すなわち、ガス流路形成部材１２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ＥＭから成形されており、同エキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂを連続的に成形して形成されている。このため、ガス流路形成部材１２がガス導通空間内に収容された状態では、例えば、筋状凹部１２ａに導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスが、多数の小径の貫通孔を通過してガス導通空間内全体に広がることができる。これにより、ガス導通空間内のガス濃度勾配が均一化され、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥ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が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して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、未反応ガスが減少する。したがって、燃料電池は、効率よく電気を発電することができる。
【００４６】
また、ガス流路形成部材１２は、薄肉のエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂが形成されているため、ガス導通空間内を導通する際のガスの抵抗すなわち圧力損失を低減することができる。さらに、ガス導通空間内に導入されたガスが多数の小径の貫通孔を通過する際の抵抗も小さくすることができる。これらにより、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、ガスとアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥ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。
【００４７】
一方で、電極反応の反応効率が向上すると、ＭＥＡ３０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、ガス流路形成部材１２およびセパレータ本体１１を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、ガス流路形成部材１２は、ＭＥＡ３０（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１２ａにて接触するように単セルが構成されている。また、ガス流路形成部材１２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、単位体積当たりの表面積すなわちＭＥＡ３０との接触面積が大きくなる。このように、ＭＥＡ３０との接触面積を大きくすることにより、ＭＥＡ３０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向上させて集電することができる。
【００４８】
ところで、ガス流路形成部材１２は、上述したように、セパレータ本体１１に対して、一体的に固設されている。これにより、単セル形成時に付与される締結力によって、ガス流路形成部材１２の筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂが変形することが防止される。このことを、図７および図８を用いて以下に説明する。
【００４９】
図７は、セパレータ本体１１に対して、ガス流路形成部材１２が一体的に固設されていない場合を概略的に示している。図７（ａ）は、前記締結力が付与される前のガス流路形成部材１２の状態を示しており、セパレータ本体１１とＭＥＡ３０との間の距離がＨ１であり、筋状凸部１２ｂ間の中心間距離がＬ１となっている。なお、以下の説明において、締結力を付与する前の状態を初期状態という。ガス流路形成部材１２は、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ＥＭから形成されているため、同一の板厚であっても、貫通孔を有しない金属薄板に比較してその機械的な強度が低下している。また、ガス流路形成部材１２においては、筋状凸部１２ｂの成形幅が、筋状凹部１２ａの成形幅に比して小さくなるように成形されている。このため、セパレータ本体１１に対してガス流路形成部材１２が一体的に固設されていない場合においては、初期状態から締結力が付与されると、例えば、図７（ｂ）に示すように、筋状凸部１２ｂが変形することが考えられる。
【００５０】
すなわち、筋状凸部１２ｂがセパレータ本体１１に一体的に固設されていないため、セパレータ１０の積層方向に締結力が付与されると、機械的な強度の低下と成形幅の狭さによって、筋状凸部１２ｂがセパレータ本体１１の表面を滑るように変形することが考えられる。このように、筋状凸部１２ｂが変形すると、セパレータ本体１１とＭＥＡ３０との間の距離が初期状態のＨ１よりも小さいＨ２に変化し、また、筋状凸部１２ｂ間の中心間距離が初期状態のＬ１よりも大きなＬ２に変化する。これにより、ガス導通空間が小さくなって、ガスを効率よく供給する機能が損なわれる。また、筋状凸部１２ｂが変形することにより、ガス導通空間内に偏流が発生し、ガス濃度勾配が不均一となる。さらに、筋状凸部１２ｂが変形することにより、セパレータ本体１１との接触状態が悪化し、その結果、接触抵抗が増大して、電気を効率よく集電する機能も損なわれる。
【００５１】
一方、図８は、セパレータ本体１１に対して、上述したように、ガス流路形成部材１２が一体的に固設された場合を概略的に示している。図８（ａ）は、図７（ａ）と同様に、ガス流路形成部材１２が固設された場合の初期状態を示しており、セパレータ本体１１とＭＥＡ３０との間の距離がＨ１であり、筋状凸部１２ｂ間の中心間距離がＬ１となっている。そして、初期状態から締結力が付与されると、図８（ｂ）に示すように、セパレータ本体１１とＭＥＡ３０との間の距離が初期状態のＨ１よりも僅かに小さいＨ２’に変化するのみであり、筋状凸部１２ｂ間の中心間距離Ｌ１は変化しない。これは、筋状凸部１２ｂとセパレータ本体１１とが一体的に固設されているため、上述したような筋状凸部１２ｂの変形が防止される。これによって、積層方向の締結力によるセパレータ本体１１とＭＥＡ３０との相対変位が、筋状凸部１２ｂに形成された貫通孔の変形によって吸収されるためである。また、筋状凸部１２ｂが図７（ｂ）に示すように変形しないため、セパレータ本体１１との接触状態が良好に確保される。
【００５２】
また、燃料電池においては、発電に伴って、導電性を有しない酸化物がガス導通空間内に析出する場合がある。この酸化物が、特に、セパレータ本体１１とガス流路形成部材１２との接触部分における隙間に析出すると、接触抵抗が増大し、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。これに対し、ガス流路形成部材１２は、セパレータ本体１１に対して、金属的に接合して一体化される。このため、接触部分における隙間が存在せず、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１との接触抵抗の増大を防止することができる。したがって、燃料電池の発電効率を良好に維持することができる。
【００５３】
このように、セパレータ本体１１に対してガス流路形成部材１２が一体的に固設されることにより、ガス流路形成部材１２の変位を伴う好ましくない変形が効果的に防止される。したがって、ガスを効率よく供給する機能および電気を効率よく集電する機能を両立して確保することができる。これにより、燃料電池の発電効率を大幅に向上することができる。
【００５４】
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１１ａおよびＭＥＡ３０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１１ｂ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れば、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。
【００５５】
この第２実施形態においては、燃料電池用セパレータ１１０（以下、単にセパレータ１１０という）が、図９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１０に示すように、２つのセパレータ１１０間にＭＥＡ１３０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。
【００５６】
セパレータ１１０は、導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体１１１と、外部から導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスとしての空気をＭＥＡ１３０に導入するとともに電極反応によって発電された電気を集電するガス流路形成部材１１２を備えている。セパレータ本体１１１は、金属製の薄板（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１１１ａが形成されている。なお、金属製の薄板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００５７】
そして、窪み部１１１ａ内には、ガス導入口１１１ｂと、同ガス導入口１１１ｂと対向する位置にガス導出口１１１ｃとが一対形成されている。ガス導入口１１１ｂ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１１１ａ内に導入するとともに、積層された他のセパレータ１１０に対して燃料ガスを流通する。ガス導出口１１１ｃも、略長楕円とされた貫通孔であり、窪み部１１１ａ内を導通した未反応の燃料ガスを窪み部１１１ａ外に導出するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応の燃料ガスを外部に流通する。
【００５８】
ガス流路形成部材１１２は、上述した第１実施形態のガス流路形成部材１２と同様に、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ＥＭから形成される。そして、上述した筋状凹凸部成形工程により、このエキスパンドメタルＥＭに筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂを連続的に成形する。ここで、成形される筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂの成形高さは、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ａの所定深さに比して、僅かに大きな高さとされている。なお、筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂの成形に関しては、上述した第１実施形態の筋状凹部１２ａおよび筋状凸部１２ｂと同様に形成されるため、その詳細な説明を省略する。このように、筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂが成形されたエキスパンドメタルＥＭは、所定の大きさに成形されて、ガス流路形成部材１１２が形成される。
【００５９】
具体的に説明すると、図９に示すように、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ａに収容されるガス流路形成部材１１２は、ガス導入口１１１ｂから導入された燃料ガスがガス導出口１１１ｃ方向へ導通可能となるように、すなわち、ガス導入口１１１ｂとガス導出口１１１ｃの配置方向に対して筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂが略平行となるように成形される。一方、窪み部１１１ａの裏面側（空気導入側）に配置されるガス流路形成部材１１２は、その幅がセパレータ本体１１１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１１１ａに収容されるガス流路形成部材１１２の筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂと略直交するように成形される。
【００６０】
そして、形成されたガス流路形成部材１１２は、上記第１実施形態と同様に、セパレータ本体１１１に一体的に固設される。このとき、ガス流路形成部材１１２は、窪み部１１１ａ内に収容される際、または、窪み部１１１ａの裏面側に配置される際には、筋状凸部１１２ｂがセパレータ本体１１１に接触するように収容または配置される。そして、筋状凸部１１２ｂとセパレータ本体１１１は、上記第１実施形態と同様の接合工法、例えば、ロー付け工法、溶接工法や拡散接合工法などによって、金属的に接合される。
【００６１】
また、セパレータ１１０は、フレーム１１３と２個一対のスペーサ１１４を備えている。フレーム１１３は、セパレータ本体１１１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１１１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１１１ａ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１１３の略中央部分には、窪み部１１１ａの外形と相似形であり、窪み部１１１ａの外形寸法に比して僅かに大きい収容孔１１３ａが形成されている。そして、フレーム１１３は、セパレータ本体１１１の窪み部１１１ａを収容して固着される。
【００６２】
スペーサ１１４は、セパレータ本体１１１およびフレーム１１３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１１０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１１４は、その長手方向寸法がセパレータ本体１１１の幅寸法と略同一で所定の幅寸法とされるとともに、ガス流路形成部材１１２の筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂ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１１４の略中央部分には、セパレータ本体１１１のガス導入口１１１ｂおよびガス導出口１１１ｃの各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１１４ａが形成されている。
【００６３】
ここで、フレーム１１３の収容孔１１３ａおよびスペーサ１１４の貫通孔１１４ａ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１１３およびスペーサ１１４は、収容孔１１３ａおよび貫通孔１１４ａ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。
【００６４】
さらに、セパレータ１１０は、積層される他のセパレータ１１０との間のシール性を確保するために４枚２対のバックアッププレート１１５を備えている。バックアッププレート１１５は、薄肉の樹脂板から成形されており、ガス流路形成部材１１２にその一側にて固着されるとともに、セパレータ本体１１１またはスペーサ１１４に固定される。そして、セパレータ１１０がＭＥＡ１３０とともに単セルを形成した際には、ガス流路形成部材１１２とＭＥＡ１３０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。
【００６５】
以上のように構成されたセパレータ１１０は、図１０に示すように、他のセパレータ１１０とともにＭＥＡ１３０を狭持した状態で、例えば、接着剤などによって一体的に固着されることにより、単セルを形成する。ここで、ＭＥＡ１３０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ガス流路形成部材１１２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１１１の窪み部１１１ａの所定深さおよびスペーサ１１４の板厚がガス流路形成部材１１２の筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂの成形高さよりも僅かに小さいため、筋状凹部１１２ａがセパレータ本体１１１によってＭＥＡ１３０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、ガス流路形成部材１１２とＭＥＡ１３０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。
【００６６】
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１１４の貫通孔１１４ａを介して、ガス導入口１１１ｂがガス供給インナーマニホールドを形成し、ガス導出口１１１ｃ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１１１の窪み部１１１ａ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１１１およびフレーム１１３から形成されるセパレータ本体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、ガス流路形成部材１１２によってそのガス濃度勾配が均一とされることにより、ＭＥＡ１３０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。
【００６７】
また、電極反応の反応効率が向上すると、ＭＥＡ１３０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、ガス流路形成部材１１２およびセパレータ本体１１１を介して、燃料電池外部に取り出される。このとき、ガス流路形成部材１１２は、ＭＥＡ１３０（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１１２ａにて接触するように単セルが構成されている。このように、ＭＥＡ１３０に接触面積を大きくして接触することにより、ＭＥＡ１３０で発電された電気の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向上させて集電することができる。
【００６８】
また、この第２実施形態におけるガス流路形成部材１１２も、上記第１実施形態と同様に、セパレータ本体１１１に対して金属的に接合し、一体的に固設されている。これにより、この第２実施形態においても、単セル形成時に付与される締結力によって、ガス流路形成部材１１２の筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂが変形することが防止される。また、金属的に接合して一体化されているため、燃料電池の発電に伴って析出する酸化物による接触抵抗の増大を防止することもできる。したがって、この第２実施形態においても、ガスを効率よく供給する機能および電気を効率よく集電する機能を両立して確保することができる。
【００６９】
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、ガス流路形成部材１１２の幅寸法がセパレータ本体１１１の幅寸法と略同一とされており、筋状凹部１１２ａおよび筋状凸部１１２ｂが幅方向に形成されているため、ガス流路形成部材１１２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。
【００７０】
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、上記第１実施形態においては、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とを金属的に接合することによって、一体的に固設して実施した。しかし、ガス流路形成部材１２とセパレータ本体１１とを機械的に固設して実施可能であることはいうまでもない。この場合には、例えば、ガス流路形成部材１２の筋状凸部１２ｂの先端形状および成形間隔に合わせて、セパレータ本体１１に窪みを成形しておく。そして、ガス流路形成部材１２をセパレータ本体１１に成形した窪みに合わせて設置する。これにより、締結力が付与された場合には、筋状凸部１２ｂと前記窪みとが機械的に係合するため、図７（ｂ）で示したような変形が防止される。この場合、上述した酸化物が析出した場合には、若干接触抵抗が増加することが想定されるが、この点を除けば、ガスを効率よく供給する機能および電気を効率よく集電する機能を両立して確保することができる。
【００７１】
また、上記各実施形態においては、セパレータ本体１１，１１１を金属製の薄板としてのステンレス板から形成して実施した。しかしながら、セパレータ本体１１，１１１が導電性を有することができれば、他の非金属製の薄板を用いて実施することができる。非金属製の薄板としては、例えば、カーボン粒子が導電性を有するバインダ（例えば、ポリプロピレン樹脂など）によって凝固されたカーボン製の薄板が挙げられる。このカーボン製の薄板からセパレータ本体１１，１１１形成した場合においては、以下に示すように、ガス流路形成部材１２，１１２とセパレータ本体１１，１１１とを一体的に固設するとよい。
【００７２】
すなわち、ガス流路形成部材１２，１１２を、前記バインダの融点以上に加熱する。そして、加熱したガス流路形成部材１２，１１２をセパレータ本体１１，１１１の所定位置（固設位置）に接触させる。これにより、バインダが融解するため、ガス流路形成部材１２，１１２の筋状凸部１２ｂ，１１２ｂの先端部分が、セパレータ本体１１，１１１に対して埋め込まれる。この状態から冷却することにより、バインダが再び凝固し、ガス流路形成部材１２，１１２とセパレータ本体１１，１１１とが一体的に固設される。したがって、この場合においても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの一部示す概略図である。
【図２】図１の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３】図２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４】（ａ）〜（ｃ）は、図３のエキスパンドメタルを成形する工程を説明するために概略的に示した図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、図２のガス流路形成部材の筋状凹部および筋状凸部を成形する工程を説明するために概略的に示した図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、セパレータ本体とガス流路形成部材との一体的に固設した状態を説明するための概略図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、セパレータ本体とガス流路形成部材を一体的に固設しない場合におけるガス流路形成部材の変形状態を説明するための図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、セパレータ本体とガス流路形成部材を一体的に固設した場合におけるガス流路形成部材の変形状態を説明するための図である。
【図９】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１０】図７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】
【００７４】
１０，１１０…燃料電池用セパレータ、１１，１１１…セパレータ本体、１２，１１２…ガス流路形成部材、１２ａ，１１２ａ…筋状凹部、１２ｂ，１１２ｂ…筋状凸部、１３…接合部、２０…フレーム、２１，２２…樹脂板本体、３０，１３０…ＭＥＡ、ＥＭ…エキスパンドメタル
【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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