(57)【要約】      （修正有）【課題】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）における凝縮水を吹き飛ばす事の出来る、また、ガス組成の偏りが生じない、金属セパレータを提供する。【解決手段】金属薄板４に、切曲げ加工成型により、基底に開口部を持つ、凸部１０、凹部１１を多数行、多数列設ける。この構造物を金属平板とＭＥＡで挟むことによりガス流路を形成する。この流路は、分断／分割されているので、仮に流路の一部で凝縮／閉塞が起きても、他の流路に分散し、ガス混合も行い、閉塞による影響を小さく抑えた。【選択図】  図６
2008066021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を用いる燃料電池（PEFC）における、燃料ガスおよび空気を、燃料極（Anode）側と空気極（Cathode）側に、供給する金属製構造部品で、ガス流れを分配／混合をする構造物と燃料と空気とが透過混合しないように分離する隔壁（セパレーター）とを、一体化せず、別部品として組み込むことを特長とする、ガス分配及びセパレーター  
【請求項２】
金属薄板に、図２に示すように貫通するスリットを設け、図３に示すように、プレスして凸部、凹部を交互に作り、ガスが凸部、凹部を通過するたびに分割／混合を繰り返す構造を特長とするガス分配／混合構造物。
【請求項３】
請求項２における、凸部、凹部の頂部及び底部を平面或いは緩やかな円弧とすることを特長とするガス分配／混合構造物。
【請求項４】
金属平板セパレーター、ガス分配／混合構造物、Anode電極触媒、電解質膜、Cathode電極触媒、ガス分配／混合構造物、金属平板セパレーターを積層して使用することを特長とする、ガス分配／混合構造物とセパレーターの組合わせ使用方法。  
【請求項５】
金属薄板に図２のように貫通するスリットを切り、図３に示す如くプレスして、凸部と
凹部を交互に作成する場合に、次行上下のスリット間隔を0.1〜5.0ｍｍ、次列のスリット同士の間隔を0.2〜5.0ｍｍとし、凸部、凹部は基準平面より板厚の３倍、頂部及び底部平面（緩やかな円弧）部分は、0.12〜3.0ｍｍとすることを特長とガス分配／混合構造物。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を利用する燃料電池（PEFC）の燃料／空気の分配・混合をする金属製構造物と燃料ガスと空気とが混合しないように隔離する金属性セパレーターの構造と、その使用方法及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の枯渇／高騰、地球環境の保全を考慮して、効率の高いエネルギー発生／利用技術が求められている。燃料電池発電システムはその一つであり、精力的に研究開発が進められている。  特に、低温で稼動できる固体高分子形燃料電池（PEFC）の実用化／商品化が急がれている。
PEFCの３大構成部品は、電解質膜、電極触媒、セパレーター（ガス流路込み）であり、本発明は、セパレーターとガス分配／混合を促進する流路形成部品とを分離独立させ、従来のセパレーターと流路一体構造品の欠点を解決する、新規構造のガス流路形成部品の構造、使用法及び製法に関するもので、電池の小型化とコストダウンを可能にするものである。
PEFCに採用されている電解質膜はフロン系の高分子の一部をスルフォン化して、水分の共存によりプロトン移動をさせる機能を持っている。
セパレーター（ガス流路一体型）は、電解質膜及び電極触媒と接触して、燃料ガスを分配したり（Anode）、空気を分配する（Cathode）の役割と、触媒上で発生する電子を集めて外部回路に送ったり（Anode）、外部から流れ込む電子を触媒上に送る（Cathode）の働きをする燃料電池構成部品である。セパレーターは電子伝導性が高いことと共に、燃料及び空気を均一に流す機能が求められている。
先行技術では、グラファイトが採用されているが、厚いので、多数のセルを積層すると電池が大きくなってしまう。また、高価になってしまうという問題があった。
それで、金属セパレーターの研究開発がされているが、燃料ガスと空気との隔離とそれぞれのガスを表裏に設けた流路で分配／混合するので、いくつか制約／問題が残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
＜課題  その１  独立流路の問題点＞
燃料ガス中の水素が発電反応の進行とともに減少して、下流ほど流速が低下する。水素ガスの減少により水蒸気分圧が高くなり、一部水蒸気が凝縮して流路を狭めたり、閉塞させたりするという現象が起きる。ガス流速が低下しているので、その水滴を吹き飛ばすことが出来ず、流速分布が生ずるのを解決できない問題がある。
先行技術では、図１の如く多数の溝を刻んで電極面に均一にガスを流す工夫をしているが発電反応に伴う流量減少、水蒸気の凝縮、水滴による流路閉塞問題を生じさせる恐れがある構造である。
【０００４】
＜課題  その２  ガス組成の偏りの発生＞
独立した複数の流路の内、何本かの流路に固形物や水滴が流路を狭くしたり、閉塞が起きたりすると、その流路周辺の触媒層にはガス供給量が少なくなり、発電反応により水素消費が進んで、他の場所より水素濃度が低い場所が生じてしまう。高価な貴金属を使用している触媒を有効に使えないことになってしまうのである。
【０００５】
＜課題  その３  加工精度が要求され、大きさに制約＞
１枚の薄い金属板の両面に、燃料ガスと空気のガス流路をプレス加工で製造するが、プレスにより、平面性は損なわれ反り（凹凸）が生ずることがある。このような部品を積層して組み立てると、隣接するセルにもその反り（凹凸）の影響が出て、ガス流れの均一性を維持しにくいので、高度な加工精度が要求される。
このために、流路幅1.0〜2.0ｍｍ、流路深さ0.2〜1.0ｍｍで、150ｍｍ×150ｍｍ□程度の大きさの成型が限界である。
【０００６】
＜課題  その４  集電体、触媒面との接触＞
電極触媒との接触面積を大きく採り、確実に接触することが求められるが、（０００６）のように反りが発生しては問題である。また、１枚のセパレーターの表に燃料ガス流路、裏に空気流路を設けて流路断面積を同じにすると、空気線流速が大きく圧損が大きくなる。そこで、空気流路を大きく、燃料流路を小さくする工夫も出来るがこのことは、触媒との接触面積が、空極側で小さく、燃料極側で大きくなるということになってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
＜その１  流路閉塞の影響を軽減する＞
図８に本発明の構造を示した。一方は金属平板で、もう一方は電極触媒／電解質膜／電極触媒・・で、ここに流入するガスは、  図４〜図６に示したように、流路は独立した構造ではなく、分断／分割されており、プレス加工により形成した凸部、或いは凹部を凝縮水が塞いでもガスは他に回る構造にし、流路の閉塞が上流／下流に大きな影響を与えないようにした。
【０００８】
＜その２  ガス組成の偏りの発生を解決＞
ガス流路が狭くなったり、凝縮水による閉塞が起きたりするとその流路周辺では、水素消費と補給が他の流路周辺とは異なって来るので、流速分布が異なるばかりでなく、ガス組成分布も異なって来ることは（０００５）に説明した。
本発明では、流路が独立しておらず、分断／分割されており、ガス流れを上下、左右に分配／混合する構造になっている。このため、（０００７）に記したように、一部の流路に閉塞が起きても、周辺の流路に分割されるだけでなく、上下／左右に分配／混合が起きるので組成が偏ることなく、均一になる。即ち、（０００５）示した従来技術の問題点の解決が出来るのである。
【０００９】
＜その３  構造、加工法により、寸法／精度解決＞
金属薄板に細かいスリットを多数平行して設けること。更に、そのスリット間をプレスして凸部、凹部を設けると、薄板故に150〜150ｍｍ□程度の大きさになると反ってしまい、全体を平面にすることが難しい。
本発明では、薄板を加工するときに、スリット、プレス（切曲げ成型加工）後にテンパープレスを行い、加工による力歪を除去し残さない、工夫をした結果、300〜300ｍｍ□程度の大きさの加工をしても製品としては反ることがなかった。
【００１０】
＜その４  集電体、触媒面との接触＞
表裏一体、型のセパレーターと異なりAnode及びCathodeに適した構造、寸法にすることが可能である。更に、凸部の頂部、凹部の底部を平坦にして、触媒との接触面積を大きくする工夫をした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によって、固体高分子型燃料電池の燃料極（Anode）側及び空気極（Cathode）側のガス編流を抑え、仮に凝縮水等による流路の閉塞が起きても、その影響を少なくすると共に、ガス組成の偏りを少なくし、均一化を図ることが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施する最も好ましいと考えられる形態を、図８に示した。
金属平板、ガス分割／混合構造物、MEA（膜電極触媒合体品）、ガス分割／混合構造物、金属平板・・と図８の如く積層し、燃料ガスをAnodeに、空気をCathodeに送る構造を示した。
図８では、燃料ガスと空気とが対向流で流れるように図示したが、ガス分割／混合構造物の配置方向を変えることにより、併流或いは十字流にすることも可能である。
燃料ガスまたは空気は図６に示したように、金属平板及びMEAで形成された空間を、ガス分割／混合構造物の平板部により、大きく上下に分割される。
次いで凸部、凹部で上下、左右、に分割／混合される。よって、図１の如く独立した流路では、凝縮水による流路が狭まったり、閉塞したりしたときに、流速分布や組成の偏りが大きくなってしまう傾向があるが、本発明のガス分割／混合構造物は、流路が分断／分割されているので、一箇所の閉塞が大きく周囲に影響を与えることがない。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
PEFC燃料電池発電システムは、他の燃料電池（PAFC、MCFC、SOFC）より低温稼動が可能であり、自動車搭載、家庭用据置型と市場が大きくなることが予想されており、本発明のガス分配／混合構造物と金属セパレーとの組み合わせ部品は、PEFC燃料電池発電システムの実用化／商品化を促進する物であり、大いに利用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＰＥＦＣ用の金属セパレーターの表裏の流路を示した。
【図２】本発明構造部品を製造の切曲げ成型加工を理解するため切り込みを示した。
【図３】プレス加工により、平板に凸部、凹部を作る配置を示した。
【図４】凸部、凹部を斜め上から見た図を示した。（平板部は図示していない）
【図５】平板部に凸部、凹部が並んでいるところを斜め上から見た図を示した。
【図６】凸部、凹部の形成された板の上下を平板で抑えた時のガスの流れを示した。
【図７】PEFC構成部品を示した。
【図８】本発明の構造物を組み込んだPEFCを示した。
【符号の説明】
【００１５】
１    従来型セパレーター表（Anode側）
２    従来型セパレーター裏（Cathode側）
３    ガス流路
４    金属薄板
５    スリット（切曲げ加工成型の切り込み部）
６    １ａ行
７    １ｂ行
８    １列
９    ２列
１０  凸部
１１  凹部
１２  ＭＥＡ
１３  金属平板（セパレーター）
１４  ガス分配／混合構造物
１５  金属平板（セパレーター）とガス分配／混合構造物の一体化物
１６  シール（絶縁体）
１７  燃料ガス入り口ライン
１８  燃料オフガスライン
１９  空気入り口ライン
２０  空気出口ライン
【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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