(57)【要約】【課題】  製造コストが低く、かつセパレータに要求される性能の向上を図った燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】  ＭＥＡ３３の両側にそれぞれ配置される燃料電池用セパレータであって、導電性金属板からなる仕切板１と、同じく導電性金属板からなる受け板１７とを重ね合わせて構成され、上記仕切板１には、複数並列に配置された長穴３と、各長穴３の両側に形成され、仕切板１の表面に対して屈曲した縦壁７と、隣接する上記長穴３間に形成された底壁１０とを備えた発電・集電部２が間隔を隔てて複数並設され、上記受け板１７には、発電・集電部２の縦壁７を収容すると共に、その縦壁７の先端部と当接する収容部１９が間隔を隔てて複数並設され、縦壁７と収容部１９とで囲まれた空間に、上記ＭＥＡ３３に供給する燃料の流路３０がそれぞれ形成されるものである。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡの両側にそれぞれ配置される燃料電池用セパレータであって、
導電性金属板からなる仕切板と、同じく導電性金属板からなる受け板とを重ね合わせて構成され、
上記仕切板には、複数並列に配置された長穴と、各長穴の両側に形成され、仕切板の表面に対して屈曲した縦壁と、隣接する上記長穴間に形成された底壁とを備えた発電・集電部が間隔を隔てて複数並設され、
上記受け板には、上記各発電・集電部の上記縦壁を収容すると共に、その縦壁の先端部と当接する収容部が間隔を隔てて複数並設され、
上記各発電・集電部の上記縦壁と上記各収容部とで囲まれた空間に、上記ＭＥＡに供給する燃料の流路がそれぞれ形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２】
上記縦壁が、上記仕切板の表面に対してほぼ９０°の角度で屈曲した請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
上記縦壁の長手方向の端部位置が、一本又は複数本おきに異なるように形成され、
隣接する燃料流路が、上記縦壁の端部位置の違いにより形成される隙間を介して連通される請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
上記隙間が、燃料流路の長手方向の両端部に交互に形成される請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
上記受け板が、上記各収容部に連続してそれぞれ形成された張出部を備えると共に、上記仕切板が上記張出部と対応する位置に形成された連通穴と、上記張出部と対応する位置外に設けられた隔離穴とを備え、
上記連通穴から供給された燃料は、上記受け板の張出部と上記仕切板とで区画された連通通路を通って上記燃料流路へと流れ、上記隔離穴から供給された燃料は上記燃料流路へは流れずに厚さ方向に流出する請求項１〜４いずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
上記仕切板及び受け板が、厚さ０．２ｍｍ以下の導電性金属板をプレス成形して形成したものである請求項１〜５いずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載のセパレータを、上記仕切板の上記底壁がＭＥＡと接触するようにして、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置してなる並列型単位セル。
【請求項８】
請求項５に記載のセパレータを、上記仕切板の上記底壁がＭＥＡと接触するようにして、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置すると共に、一方のセパレータの上記連通穴と他方のセパレータの上記隔離穴とを整合させて配置し、かつ一方のセパレータの上記隔離穴と他方のセパレータの上記連通穴とを整合させて配置してなる並列型単位セル。
【請求項９】
請求項８に記載の単位セルを複数積層してなる並列型燃料電池。
【請求項１０】
上記セパレータを構成する受け板が、受け板の表面に対して突出した凸部を有し、
上記単位セルを複数積層すると、隣接する上記セパレータの上記受け板の凸部同士の間、及び上記受け板の凸部と張出部との間に冷却液流路が形成される請求項９記載の並列型燃料電池。
【請求項１１】
上記凸部が上記収容部を囲むように形成される請求項１０記載の並列型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるセパレータ及びそれを用いた単位セル並びに燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する電池であり、電気自動車等の車両の動力源又は電源としてや、住宅用の発電機としてなど、様々な分野において実用化が進められている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は他の燃料電池システムと比較して低温で動作し、出力密度が高いことから自動車用、可搬用の動力源などとしての適用が期待されている。
【０００３】
係る固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ（Membrane Electrolyte Assembly：電解質膜と電極との接合体）と、そのＭＥＡの両側にそれぞれ配置されたセパレータとからなる「単位セル」を、必要な電圧を得るべく複数積層してスタックとしたものである。
【０００４】
上記セパレータは主に、ＭＥＡに燃料（水素、及び空気又は酸素（以下単に空気と言う））を供給する流路を形成する役割と、ＭＥＡと接触して、発生した電気を集電する役割とを有している。
【０００５】
現在開発されているセパレータは、主に以下の３種類に大別できる。
【０００６】
１）金属薄板セパレータ：金属板をプレス加工等により凹凸状に折り曲げて燃料流路及び集電部を形成したもの（特許文献１及び２参照）。
【０００７】
２）樹脂セパレータ：黒鉛粉末を熱硬化性樹脂バインダ等で固めて形成した板材を切削加工することにより、燃料流路および集電部を形成したもの（特許文献３参照）。
【０００８】
３）カーボンセパレータ：高強度カーボン材からなる板材を切削加工することにより、燃料流路および集電部を形成したもの。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−３０２８１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３２５９６９号公報
【特許文献３】特開平８−１６２１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、これら各セパレータはそれぞれ、以下に示すような問題点を抱えていた。
【００１１】
１）金属薄板セパレータの問題点：集電部を形成する凸部の角（コーナ）がＲ形状になってしまうため、集電効率が悪い。形状が複雑であり、製造が困難である。
【００１２】
２）樹脂セパレータの問題点：製造コストが高い。薄板化が困難である。金属と比べて強度が低い。導電性を高めるために黒鉛の含有量を増やすと成形性が悪化してしまう。
【００１３】
３）カーボンセパレータの問題点：製造コストが高い。薄板化が困難である。金属と比べて強度が低い。
【００１４】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、製造コストが低く、かつセパレータに要求される性能の向上を図った燃料電池用セパレータ及びそれを用いた単位セル並びに燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置される燃料電池用セパレータであって、導電性金属板からなる仕切板と、同じく導電性金属板からなる受け板とを重ね合わせて構成され、上記仕切板には、複数並列に配置された長穴と、各長穴の両側に形成され、仕切板の表面に対して屈曲した縦壁と、隣接する上記長穴間に形成された底壁とを備えた発電・集電部が間隔を隔てて複数並設され、上記受け板には、各発電・集電部の上記縦壁を収容すると共に、その縦壁の先端部と当接する収容部が間隔を隔てて複数並設され、上記各発電・集電部の上記縦壁と上記各収容部とで囲まれた空間に、上記ＭＥＡに供給する燃料の流路がそれぞれ形成されるようにしたものである。
【００１６】
請求項２に係る発明は、上記縦壁が、上記仕切板の表面に対してほぼ９０°の角度で屈曲するようにしたものである。
【００１７】
請求項３に係る発明は、上記縦壁の長手方向の端部位置が、一本又は複数本おきに異なるように形成され、隣接する燃料流路が、上記縦壁の端部位置の違いにより形成される隙間を介して連通されるようにしたものである。
【００１８】
請求項４に係る発明は、上記隙間が、燃料流路の長手方向の両端部に交互に形成されるようにしたものである。
【００１９】
請求項５に係る発明は、上記受け板が、上記各収容部に連続してそれぞれ形成された張出部を備えると共に、上記仕切板が上記張出部と対応する位置に形成された連通穴と、上記張出部と対応する位置外に設けられた隔離穴とを備え、上記連通穴から供給された燃料は、上記受け板の張出部と上記仕切板とで区画された連通通路を通って上記燃料流路へと流れ、上記隔離穴から供給された燃料は上記燃料流路へは流れずに厚さ方向に流出するようにしたものである。
【００２０】
請求項６に係る発明は、上記仕切板及び受け板を、厚さ０．２ｍｍ以下の導電性金属板をプレス成形して形成するようにしたものである。
【００２１】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６いずれかに記載のセパレータを、上記仕切板の上記底壁がＭＥＡと接触するようにして、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置して並列型単位セルとしたものである。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項５に記載のセパレータを、上記仕切板の上記底壁がＭＥＡと接触するようにして、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置すると共に、一方のセパレータの上記連通穴と他方のセパレータの上記隔離穴とを整合させて配置し、かつ一方のセパレータの上記隔離穴と他方のセパレータの上記連通穴とを整合させて配置して並列型単位セルとしたものである。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の単位セルを複数積層してなる並列型燃料電池としたものである。
【００２４】
請求項１０に係る発明は、上記セパレータを構成する受け板が、受け板の表面に対して突出した凸部を有し、上記単位セルを複数積層すると、隣接する上記セパレータの上記受け板の凸部同士の間、及び上記受け板の凸部と張出部との間に冷却液流路が形成されるようにしたものである。
【００２５】
請求項１１に係る発明は、上記凸部が上記収容部を囲むように形成されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、製造コストが低く、かつセパレータに要求される性能の向上が図れるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２８】
本実施形態のセパレータは固体高分子型燃料電池用のセパレータであり、導電性金属板からなる２つの部材（仕切板と受け板）を重ね合わせて構成したことを特徴とする。
【００２９】
また、本実施形態のセパレータの第二の特徴は、単位セル又は燃料電池を構成するために必要な要素が間隔を隔てて複数並設されていることである。つまり、本実施形態のセパレータを用いることにより、間隔を隔てて配置された複数の単位セル又は燃料電池を一体的に有する、並列型の単位セル又は燃料電池を構成することができる。
【００３０】
図１が仕切板と称される部材の正面図であり、図２が受け板と称される部材の正面図である。
【００３１】
図１に示すように、仕切板１００は導電性金属板（例えば厚さ０．２ｍｍ以下のステンレス）のプレス成形品からなり、単位セル又は燃料電池を構成するために必要な構成要素が三個、間隔を隔てて形成されている。ここでは、図中左側からそれぞれ、第一構成要素１００ａ、第二構成要素１００ｂ、第三構成要素１００ｃという。これら構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃは全て同一の構造を有する。
【００３２】
図２に示すように、受け板１０１も同様に導電性金属板（例えば厚さ０．２ｍｍ以下のステンレス）のプレス成形品からなり、単位セル又は燃料電池を構成するために必要な構成要素が三個、間隔を隔てて形成されている。ここでは、図中左側からそれぞれ、第一構成要素１０１ａ、第二構成要素１０１ｂ、第三構成要素１０１ｃという。これら構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは全て同一の構造を有する。
【００３３】
これら、仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせて接合することにより、仕切板１００の第一構成要素１００ａ，第二構成要素１００ｂ及び第三構成要素１００ｃがそれぞれ、受け板１０１の第一構成要素１０１ａ、第二構成要素１０１ｂ及び第三構成要素１０１ｃと協働し、セパレータとして必要な機能を果たす要素が三個並設されることになる。
【００３４】
最初に、図３〜図５を用いて仕切板１００の構造を説明する。以下の説明においては、構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃの代表として、第一構成要素１００ａのみを説明する。
【００３５】
図３は第一構成要素１００ａの拡大正面図、図４は図３のＡ部拡大図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。なお、図４は、明瞭化のために図３のＡ部をほぼ９０°回転させた状態を示している。
【００３６】
図に示すように、仕切板１００の第一構成要素１００ａのほぼ中央部に、発電・集電部２が形成される。発電・集電部２は、仕切板１００の側縁１ａとほぼ直交する方向に延出すると共に、仕切板１００の上下縁１ｂとほぼ直交する方向（図３の上下方向）に所定間隔を隔てて複数並列された長穴３を備える。各長穴３の長手方向（図３の左右方向）両端部には、長穴３の幅よりも大きな直径を有する円穴５がそれぞれ形成されており、その円穴５の一側（図４中左側下部）には長穴３の長手方向に所定距離延出する切り欠き６が連続的に形成される。この切り欠き６は、一つの長穴３の両端部において異なる側部に形成される。つまり、図３では、各長穴３の左側端部では下部に、右側端部では上部に切り欠き６が形成される。
【００３７】
図４及び図５から分かるように、各長穴３の両側には仕切板１００の表面に対してほぼ９０°の角度で屈曲した縦壁７がそれぞれ形成される。上述したように、長穴３の端部の一側（図４中左側下部）には切り欠き６が形成されているため、長穴３の両側に位置する縦壁７の端部位置ｋ１，ｋ２が一本おきに異なる（図４参照）。
【００３８】
各長穴３とその長穴３の両側に位置する縦壁７とで区画された空間に溝９（図４及び図５参照）が形成される。また、隣接する二つの長穴３，３間に位置する底壁１０と、その底壁１０の両側に位置する二つの縦壁７とで断面ほぼコ字状の桟１１が形成される。つまり、発電・集電部２は、仕切板１００の上下縁１ｂとほぼ直交する方向（図３の上下方向）に沿って交互に形成された溝９及び桟１１とを備える。
【００３９】
溝９は、燃料（水素又は空気）をＭＥＡ（図示せず）の電極と接触させるための燃料流路として機能するものであり、発電部と言い換えることもできる。一方、桟１１は、その内側部分が燃料流路として機能すると共に、底壁１０が、ＭＥＡと接触して発生した電子を集電する集電部として機能する。
【００４０】
このような溝９及び桟１１は、導電性金属薄板をプレス加工することにより成形できる。例えば、金属薄板に円穴５及び切り欠き６をピアス加工により打ち抜いた後、成形すべき長穴３の幅方向中央部に沿ってスリットを形成して、上下に位置する長穴５及び切り欠き６をスリットで連結する。その後、スリットの両側部に位置する部分を折り曲げて縦壁７及び長穴３を形成する。最後にリストライクを行って底壁１０と縦壁７との角部Ｒをシャープ（エッジ）にする。このような工程により、溝９及び桟１１を成形することができる。
【００４１】
本実施形態では、溝９及び桟１１の流路断面積がそれぞれ長手方向全域に亘って一定となり、かつ溝９の流路断面積と桟１１内の流路断面積とが互いに等しくなるように形成される。こうすることで、溝９及び桟１１内を流れる燃料の流速を全ての位置でほぼ一定にできる。ここで、縦壁７の高さ（溝９の深さ）をｈ、仕切板１の板厚をｔとすると、溝９の幅ｗ１は、ｗ１＝２（ｈ−ｔ−０．１）で表すことができる。なお、この式中の数値０．１は、曲げＲ部の材料余りを加味した係数である。そして、溝９の流路断面積（＝ｗ１×ｈ）と桟１１内の流路断面積（＝（ｗ２−２ｔ）×（ｈ−ｔ））とを同一にするために必要な桟１１の幅Ｗ２は、ｗ２＝｛ｈ・ｗ１／（ｈ−ｔ）｝＋２ｔとなる。このように、縦壁７の高さｈ、仕切板１の板厚ｔ等に基づいて溝９及び桟１１の幅ｗ１，ｗ２が決定される。
【００４２】
さて、図３に示すように、仕切板１００の第一構成要素１００ａにおいて、発電・集電部２よりも外側の部分には、平坦状のフランジ部１２が形成される。このフランジ部１２は、後述する受け板１０１と仕切板１００とが接合されたときに、発電・集電部２（溝９及び桟１１）に供給された燃料が外部に漏れるのを防ぐ役割を果たす。フランジ部１２には、第一〜第四燃料供給・排出穴１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂがそれぞれ形成される。第一燃料供給・排出穴１３ａと第二燃料供給・排出穴１３ｂ、および第三燃料供給・排出穴１５ａと第四燃料供給・排出穴１５ｂとはそれぞれ、第一構成要素１００ａの中央部に対して対象に（発電・集電部２を挟んで斜めに対向するように）配置される。また、第一燃料供給・排出穴１３ａ及び第三燃料供給・排出穴１５ａは発電・集電部２の上部に配置され、第二燃料供給・排出穴１３ｂ及び第四燃料供給・排出穴１５ｂは発電・集電部２の下部に配置される。更に、フランジ部１２には冷却液の供給・排出穴１６ａ，１６ｂが形成される。冷却液供給・排出穴１６ａ，１６ｂは発電・集電部２を上下に跨ぐように配置される。
【００４３】
以上が第一構成要素１００ａの構造であり、本実施形態の仕切板１００には、この第一構成要素１００ａと同様のものが３個並設されている。なお、図１から分かるように、各構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃの隣接部分ではフランジ部１２が共用される。こうすることで、各構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ同士の間隔を狭めることができ、仕切板１００の長さ（図１の左右方向長さ）を短くできる。
【００４４】
次に、図６及び図７を用いて受け板１０１の構造を説明する。以下の説明においては、構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの代表として、第一構成要素１０１ａのみを説明する。
【００４５】
図６は受け板１０１の第一構成要素１０１ａの拡大正面図、図７（ａ）は図６のＶIIａ−ＶIIａ線断面図、図７（ｂ）は図６のＶIIｂ−ＶIIｂ線断面図、図７（ｃ）は図６のＶIIｃ−ＶIIｃ線断面図である。なお、図６中、二点鎖線で示すラインは、受け板１０１の折り曲げ（屈曲）ラインを示している。
【００４６】
図に示すように、受け板１０１の第一構成要素１０１ａのほぼ中央部に、仕切板１００の第一構成要素１００ａの発電・集電部２（縦壁７）を収容するための収容部１９が形成される。収容部１９はほぼ矩形状であり、その外側には他のセパレータと重ね合わされたときに、互いの間に冷却液流路を形成するための凸部２０が形成され、凸部２０の外側には平坦状のフランジ部２１が形成される。図７から分かるように、フランジ部２１と収容部１９とは、ほぼ同一平面上に位置し、凸部２０はそれらフランジ部２１及び収容部１９よりも下方に突出している。図６に示すように、凸部２０は収容部１９を囲むように形成される。つまり、凸部２０の内側の領域に収容部１９が、外側の領域にフランジ部２１がそれぞれ形成される。収容部１９の高さｄ（凸部２０の深さ、図７（ｂ）参照）は、仕切板１の縦壁７の高さｈ（図５参照）から仕切板１の板厚ｔを減じた寸法（ｈ−ｔ）とほぼ等しく形成される。
【００４７】
また、受け板１０１の第一構成要素１０１ａは、第一及び第二連通穴２２ａ，２２ｂと、第一及び第二隔離穴２３ａ，２３ｂとを備える。これら連通穴２２ａ，２２ｂ及び隔離穴２３ａ，２３ｂは、仕切板１００と受け板１０１とが重ね合わされたときに、仕切板１００の第一構成要素１００ａの第一〜第四燃料供給・排出穴１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂと各々整合するように形成される。
【００４８】
受け板１０１の第一構成要素１０１ａは、収容部１９の一部に連続し、かつ収容部１９とほぼ同一平面上に位置する張出部２５を有しており、第一及び第二連通穴２２ａ，２２ｂはこの張出部２５に形成される。従って、第一及び第二連通穴２２ａ，２２ｂの一方から供給される燃料（水素又は空気）は張出部２５を通って収容部１９へと流れ、他方の張出部２５を通って第一及び第二連通穴２２ａ，２２ｂの他方から排出される。
【００４９】
これに対して、第一及び第二隔離穴２３ａ，２３ｂは、収容部１９とほぼ同一平面上に位置するものの、その周囲が凸部２０により囲まれた隔離部２６に形成される。従って、第一及び第二隔離穴２３ａ，２３ｂから供給される燃料（空気又は水素）は収容部１９へは流れずに受け板１０１の厚さ方向に流出する。
【００５０】
凸部２０には、冷却液の供給・排出穴２７ａ，２７ｂが形成される。冷却液供給・排出穴２７ａ，２７ｂは、仕切板１００と受け板１０１とが重ね合わされたときに、仕切板１００の第一構成要素１００ａの冷却液供給・排出穴１６ａ，１６ｂと整合するように形成される。
【００５１】
以上が第一構成要素１０１ａの構造であり、本実施形態の受け板１０１には、この第一構成要素１０１ａと同様のものが３個並設されている。なお、図２から分かるように、各構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの隣接部分では凸部２０が共用され、フランジ部２１は全ての構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの収容部１９及び凸部２０を囲むように環状に形成される。こうすることで、各構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ同士の間隔を狭めることができ、受け板１０１の長さ（図２の左右方向長さ）を短くできる。
【００５２】
以上説明した仕切板１００及び受け板１０１には、酸化被膜の発生防止や、腐食防止、金属イオンの溶出防止、撥水性の付与などを目的として、金属メッキなどの表面処理を施すことが好ましい。しかしながら、現在、金属材料の開発が急ピッチで進められているため、上述したような特性を予め有する材料が開発されたならば、勿論、表面処理は不要となる。
【００５３】
次に、図８及び図９を用いて、これら仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせてなるセパレータを説明する。図８は、仕切板１００の第一構成要素１００ａと受け板１０１の第一構成要素１０１ａとの重ね合わせ部分を示す正面透視図であり、図９は図８のIＸ−IＸ線断面図である。
【００５４】
図に示すように、仕切板１００の各構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃの縦壁７の先端部（底壁１０と反対側の端部）を受け板１０１側に向けた状態で、仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせてセパレータ２９を構成する。このとき、仕切板１００の各構成要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃの発電・集電部２を受け板１０１の各構成要素１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの収容部１９内に収容する。上述したように、受け板１０１の収容部１９の深さｄが、仕切板１００の縦壁７の高さｈから板厚ｔを減じた寸法と等しいため、縦壁７の先端部が収容部１９と当接すると、仕切板１００のフランジ部１２と受け板１０１の凸部２０とが当接する。従って、フランジ部１２と凸部２０とを接合することによって、発電・集電部２（収容部１９）の周囲を全域に亘ってシールでき、燃料が外部に漏れることを防止できる。また、図８に示すように、仕切板１００の縦壁７における外側端部ｋ１が収容部１９の左右の側壁１９ａと当接する。これによって、収容部１９内に各縦壁７で区画された燃料流路３０が複数形成される。より具体的には、燃料流路３０は、仕切板１００の溝９により形成された流路３０ａと、桟１１内に形成された流路３０ｂとからなり、これら流路３０ａ，３０ｂが上下方向に交互に形成される。
【００５５】
図４に示すように、縦壁７の内側端部ｋ２は、収容部１９の側壁１９ａと当接しないため、収容部１９の側壁１９ａと内側端部ｋ２との間に隙間が形成される。この隙間により隣接する燃料流路３０同士が連通される。この隙間は各燃料流路３０の左右端部に交互に形成される。
【００５６】
図８及び図９に戻り、仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせると、仕切板１００の第一燃料供給・排出穴１３ａと受け板１０１の第一連通穴２２ａ、仕切板１００の第２燃料供給・排出穴１３ｂと受け板１０１の第二連通穴２２ｂ、仕切板１００の第三燃料供給・排出穴１５ａと受け板１０１の第一隔離穴２３ａ、仕切板１００の第四燃料供給・排出穴１５ｂと受け板１０１の第二隔離穴２３ｂとがそれぞれ整合する。また、仕切板１００のフランジ部１２と受け板１０１の張出部２５とで区画された空間には、第一燃料供給・排出穴１３ａ及び第一連通穴２２ａと収容部１９（発電・集電部２）とを連通する連通通路３１と、収容部１９と第二燃料供給・排出穴１３ｂ及び第二連通穴２２ｂとを連通する連通通路３２とが形成される。
【００５７】
このように、仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせることにより、発電・集電部２を複数個（ここでは３個）備えたセパレータが構成される。本実施形態では、仕切板１００と受け板１０１とは導電性を有する接着剤により接合される。しかしながら、本発明はこの点において限定されず、他の手段を用いても良い。
【００５８】
ここで、本出願人は、仕切板１００の板厚を受け板１０１の板厚よりも厚くするなどして、仕切板１００の剛性を受け板１０１よりも大きくすることが好ましいことを見いだした。これは、受け板１０１が仕切板１００と比較して形状が複雑であり、成形ひずみが発生しやすいことに関係している。つまり、仕切板１００の剛性を受け板１０１よりも大きくすることにより、仕切板１００と受け板１０１とを重ね合わせて接合するときに、仕切板１００の形状に受け板１０１がなじみやすくなるため、成形ひずみを吸収して適切に重ね合わせることが可能となる。なお、受け板１０１の成形ひずみを若干残すことによって、そのスプリング効果により燃料流路３０等のシール性が向上するというメリットもある。
【００５９】
次に、図１０及び図１１を用いて、上述したセパレータ２９を用いて構成される並列型単位セルの構造を説明する。図１０は並列型単位セルのうち一つの単位セル（仕切板１００及び受け板１０１の第一構成要素１００ａ，１０１ａにより構成される単位セル）の展開図であり、図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。なお、図１１は展開図ではなく、図１０における仕切板１００−１，１００−２、受け板１０１−１，１０１−２及びＭＥＡ３３を全て接合した状態を示している。以下の説明においても、仕切板１００及び受け板１０１の第一構成要素１００ａ，１０１ａにより構成される部分のみを説明する。
【００６０】
さて、図１０及び図１１に示すように、ＭＥＡ３３の両側面にセパレータ２９−１，２９−２を配置することで単位セル３７が形成される。このとき、各セパレータ２９−１，２９−２はそれぞれ、仕切板１００の底壁１０がＭＥＡ３３の側面の電極と接触するように配置される。
【００６１】
具体的に説明すると、図１０及び図１１においてＭＥＡ３３の上側に位置するセパレータ２９−１は、その受け板１０１−１が上方に、仕切板１００−１が下方に位置するように、即ち、仕切板１００−１の縦壁７が上方に向かって延出するように配置される。
【００６２】
一方、ＭＥＡ３３の下側に位置するセパレータ２９−２は、上側のセパレータ２９−１を図１０において左右方向に反転させた状態で配置される。即ち、下側のセパレータ２９−２は、その受け板１０１−２が下方に、仕切板１００−２が上方に位置するように、即ち、仕切板１００−２の縦壁７が下方に向かって延出するように配置される。
【００６３】
このように二つのセパレータ２９−１,２９−２を、ＭＥＡ３３を挟んで仕切板１００−１，１００−２同士が向かい合うように配置することで、両セパレータ２９−１，２９−２の仕切板１００−１，１００−２の底壁１０がＭＥＡ３３の側面とそれぞれ接触する。この結果、図１１に示すように、各仕切板１００−１，１００−２の溝９（燃料流路３０ａ）の開口部がＭＥＡ３３の側面により蓋される。
【００６４】
二つのセパレータ２９−１，２９−２をＭＥＡ３３の両側に配置すると、図１０に示すように、一方（図中上側）のセパレータ２９−１の第一連通穴２２ａ及び第一燃料供給・排出穴１３ａ（連通通路３１により発電・集電部２と連通された穴）と、他方（図中下側）のセパレータ２９−２の第四燃料供給・排出穴１５ｂ及び第二隔離穴２３ｂ（凸部２０により発電・集電部２と隔離された穴）とが整合する。同様に、一方のセパレータ２９−１の第二連通穴２２ｂ及び第二燃料供給・排出穴１３ｂと他方のセパレータ２９−２の第三燃料供給・排出穴１５ａ及び第一隔離穴２３ａとが整合し、一方のセパレータ２９−１の第一隔離穴２３ａ及び第三燃料供給・排出穴１５ａと他方のセパレータ２９−２の第二燃料供給・排出穴１３ｂ及び第二連通穴２２ｂとが整合し、一方のセパレータ２９−１の第二隔離穴２３ｂ及び第四燃料供給・排出穴１５ｂと他方のセパレータ２９−２の第一燃料供給・排出穴１３ａ及び第一連通穴２２ａとが整合する。
【００６５】
この並列型単位セル３７においては、両燃料（水素及び空気）は一方のセパレータ２９−１の受け板１０１−１の第一連通穴２２ａ及び第一隔離穴２３ａから供給される。
【００６６】
第一連通穴２２ａから供給された一方の燃料（ここでは水素とする）は連通通路３１を通ってそのセパレータ２９−１の発電・集電部２側へと流れ、各燃料流路３０を流れる。水素は燃料流路３０をその長手方向に流れ、その端部にて上述した隙間から隣接する燃料流路３０へと流れ込み、その燃料流路３０を逆向きに流れる（図４参照）。つまり、水素は溝９により形成された燃料流路３０ａと桟１１により形成された燃料流路３０ｂとを交互に折り返して流れる。このとき、溝９により形成された燃料流路３０ａを流れる水素の方向は全ての流路３０ａで同一となり、桟１１により形成された燃料流路３０ｂを流れる水素の方向も全ての流路３０ｂで同一となる。
【００６７】
溝９により形成された燃料流路３０ａ内を流れる水素はＭＥＡ３３の一側（負極）と接触して発電に寄与し、桟１１内を流れる水素はＭＥＡ３３とは接触しない。この領域は、発生した電気を桟１１（底壁１０）により集電するための領域だからである。燃料流路３０を流れた燃料は、連通通路３２を通って仕切板１００−１の第二燃料供給・排出穴１３ｂへと流れ込み、ＭＥＡ３３に形成された穴３５、他方のセパレータ２９−２の仕切板１００−２の第三燃料供給・排出穴１５ａ、受け板１０１−２の第一隔離穴２３ａを通って厚さ方向に排出される。
【００６８】
また、セパレータ２９−１の受け板１０１−１の第一連通穴２２ａから供給された水素の一部は、仕切板１００−１の第一燃料供給・排出穴１３ａ及びＭＥＡ３３に形成された穴３５を通って、他方のセパレータ２９−２へと流れる。上述したようにセパレータ２９−１の第一燃料供給・排出穴１３ａと他方のセパレータ２９−２の第四燃料供給・排出穴１５ｂ及び第二隔離穴２３ｂ（凸部２０により発電・集電部２と隔離された穴）とが整合しているため、セパレータ２９−２に流れた水素は、このセパレータ２９−２の発電・集電部２へは流れずに、第四燃料供給・排出穴１５ｂ及び第二隔離穴２３ｂから厚さ方向に流出する。
【００６９】
一方、上側のセパレータ２９−１の受け板１０１−１の第二隔離穴２３ａから供給された燃料（ここでは空気）はそのセパレータ２９−１の発電・集電部２側へは流れずに、仕切板１００−１の第三燃料供給・排出穴１５ａ及びＭＥＡ３３に形成された穴３５を通って下側のセパレータ２９−２の仕切板１００−２の第二燃料供給・排出穴１３ｂへと流れる。第二燃料供給・排出穴１３ｂへと流れた空気の一部は連通通路３２を通って発電・集電部２（燃料流路３０）へと流れ、燃料流路３０ａ内でＭＥＡ３３の他側（正極）と接触して発電に寄与する。その後、連通通路３１を通って受け板１０１−２の第一連通穴２２ａから厚さ方向に排出される。また、仕切板１００−２の第二燃料供給・排出穴１３ｂへと流れた空気の一部は受け板１０１−２の第二連通穴２２ｂを通って厚さ方向に流出する。
【００７０】
以上が単位セルの単体構造であり、本実施形態の仕切板１００と受け板１０１とからなるセパレータ２９をＭＥＡ３３の両側に配置することで、同様の構造を有する単位セルが３個並設される。
【００７１】
図１２及び図１３を用いて、上記並列型単位セルを複数積層して構成した並列型燃料電池を説明する。以下の説明においても、仕切板１００及び受け板１０１の第一構成要素１００ａ，１０１ａにより構成される部分のみを説明する。
【００７２】
図１２は並列型燃料電池の部分側面断面図であり、図１３は図１２のＢ部拡大図である。
【００７３】
この燃料電池３６は、図１１に示したものと同様の単位セル３７を複数積層し、その積層体の上下面に冷却液流路形成用のセパレータ２９’と押さえ板３９とを配置し、それら全体をボルト締めなどにより一体的に固定したものである。
【００７４】
この燃料電池３６において、最上部に積層された単位セル３７の上側のセパレータ２９の受け板１０１の第一連通穴２２ａから供給された燃料（ここでは水素とする）はそのセパレータ２９の連通通路３１を通って発電・集電部２へと流れて発電に寄与し、仕切板１００の第二燃料供給・排出穴１３ｂから厚さ方向に排出される。また、受け板１０１の第一連通穴２２ａから供給された水素の一部は、ＭＥＡ３３の穴３５及び下側のセパレータ２９の仕切板１００の第三燃料供給・排出穴１５ｂ及び受け板１０１の第二隔離穴２３ｂを通って、隣接する単位セル３７の上側のセパレータ２９の受け板１０１の第一連通穴２２ａへと流れる。そしてそのセパレータ２９の連通通路３１を通って発電・集電部２へと流れる。つまり、水素は全ての単位セル３７の上側のセパレータ２９（ＭＥＡ３３の負極側に配置されたセパレータ２９）の発電・集電部２にのみ供給される。
【００７５】
一方、最上部に積層された単位セル３７の上側のセパレータ２９の受け板１０１の第一隔離穴２３ａから供給された空気は、全ての単位セル３３の下側のセパレータ２９（ＭＥＡ３３の正極側に配置されたセパレータ２９）の発電・集電部２にのみ供給される。
【００７６】
この結果、全ての単位セル３７のＭＥＡ３３の負極に水素が、正極に空気が供給され、発電が遂行される。各単位セル３７で発生した電気は、セパレータ２９の集電部（桟１１）により集電され、外部に取り出される。また、隣接する単位セル３７間の電気的繋がり（結線）は、隣接する単位セル３７において、セパレータ２９の受け板１０１同士がその裏面（仕切板１００と対向する側と反対の面）で接触することにより確保される。より詳しくは、図１３に示すように、一方の受け板１０１の隔離部２６と他方の受け板１０１の張出部２５とが接触することにより確保される。
【００７７】
また、係る燃料電池３６では、上下に重ね合わせて接合された二つのセパレータ２９（２９’）間に、冷却液流路４０が形成される。この冷却液流路４０は、セパレータ２９（２９’）の受け板１０１の凸部２０同士の間、及び凸部２０と張出部２５との間に形成される。各セパレータ２９の冷却液供給・排出穴２７ａ，１６ａ及び冷却液供給・排出穴２７ｂ，１６ｂ（図８参照）の一方から供給された冷却液は、冷却液流路４０（凸部２０）に沿って各セパレータ２９の発電・集電部２の周囲を流れて、冷却液供給・排出穴２７ｂ，１６ｂ及び冷却液供給・排出穴２７ａ，１６ａの他方から排出される。
【００７８】
図１３に示すように、各セパレータ２９における仕切板１００の端縁（フランジ部１２）と受け板１０１の端縁（フランジ部２１）との間に、スペーサ４１が介設される。このスペーサ４１を設けることで、単位セル３７を積層して締め付けたときに、セパレータ２９（仕切板１００及び受け板１０１）及びＭＥＡ３３を均一な面圧で締め付けることができ、応力集中を防止できる。なお、上述したように、燃料及び冷却液のシールは仕切板１００と受け板１０１および受け板１０１同士の接合により達成されるため、スペーサ４１にシール機能を持たせる必要はない。従って、スペーサ４１は比較的低コストで製造することが可能である。
【００７９】
以上が燃料電池の単体構造であり、本実施形態の仕切板１００と受け板１０１とからなるセパレータ２９を用いた単位セルを積層することで、同様の構造を有する燃料電池が３個並設される。各燃料電池から独立して電力を取り出すことも、全ての燃料電池の電力をまとめて取り出すことも可能である。
【００８０】
この燃料電池を例えば車両等に搭載する際には、各セパレータ２９の燃料流路３０が水平方向（横方向）に延出し、かつ燃料を供給する穴が上部に位置するように配置される。従って、供給された燃料は各単位セル３７のセパレータ２９の燃料流路３０を横方向に、かつ上段から下段へと流れることになる。
【００８１】
以上説明してきたような本実施形態のセパレータ及びそれを用いた単位セル並びに燃料電池によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。
【００８２】
１）セパレータ２９を仕切板１００と受け板１０１とに分割したため、各部材１００，１０１の形状がシンプルであり、製造が容易である。また、製造コストが低い。
【００８３】
２）仕切板１００の構造がシンプルであり、製造が容易であるため、縦壁７と底壁１０（集電部）との角部Ｒをシャープにできる。従って、集電効率が良い。
【００８４】
３）金属薄板のプレス成形品であるため、樹脂製及びカーボン製のセパレータと比較して薄くできる。例えば、現在開発されている樹脂セパレータでは最も厚さが薄いものでも２ｍｍ程度であるが、本実施形態のセパレータでは１ｍｍ以下にすることも容易である。
【００８５】
４）冷却液が発電・集電部２の周部を環状に流れるため、発電により生じる熱を効果的に吸収でき、温度上昇抑制効果が高い。
【００８６】
５）セパレータ２９を重ねることにより冷却液流路４０が形成されるため、冷却液流路４０を形成するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数の削減、製造コスト低減、セパレータの薄板化が図れる。
【００８７】
更に、本実施形態では仕切板１００に発電・集電部２を、受け板１０１に収容部１９を、それぞれ複数個並設し、複数個の単位セル又は燃料電池を一体的に構成することができるようにしたため、以下の効果をも得ることができる。
【００８８】
１）燃料電池を複数並設することにより、同一の電力を得るために必要な積層高さ（厚さ）を小さくできる。従って、車両のボディ床下など、スペースが少ない箇所にも搭載することが可能となり、搭載位置の自由度が増す。
【００８９】
２）同一の電力を得る場合、単体の燃料電池と比較して仕切板１００及び受け板１０１の各部位（発電・集電部２、収容部１９など）のサイズを小さくできる。従って、金型の各部品を小さくでき、金型製造コストを抑えることができる。
【００９０】
３）燃料電池の積層高さを小さくすることにより、個々の燃料電池における冷却水流路が短くなり、冷却水の排出性が向上する。
【００９１】
４）複数の燃料電池を並設することにより、ある一つの燃料電池が使用不能となった場合でも、残りの燃料電池により電力供給を確保できる。
【００９２】
５）隣接する燃料電池間にも冷却水を対流させることができるため、発電時に生じる熱の冷却効率が高い。
【００９３】
６）燃料流路が水平方向（横方向）に延出し、かつ燃料が各燃料流路を上段から下段へと流れるため、空気極側で生成された反応水の排出性が良い。つまり、燃料流路が上下方向に延出していると、水が重力に逆らって下方から上方へと移動しなければならない燃料流路が存在することになるため、排出性が悪くなってしまう。また、燃料を下段から上段へと流すようにした場合も同様の問題が生じる。このことを考慮すると、少なくとも空気（又は酸素）が燃料流路を上段から下段へと流れるように設計することが好ましい。
【００９４】
本発明は以上説明した実施形態に限定はされない。
【００９５】
例えば、仕切板１００及び受け板１０１に形成する発電・集電部２及び収容部１９の数は３個に限定されず、２個以下でも４個以上でも良い。
【００９６】
また、各単位セル及び燃料電池において、燃料流路３０の個数や長さなどは図示したものに限定されない。
【００９７】
更に、上記実施形態では、燃料流路３０を形成する縦壁７の端部位置ｋ１，ｋ２が交互に異なり、燃料が各燃料流路３０を交互に折り返すとして説明したが、本発明はこの点において限定されず、縦壁７の端部位置を複数本おきに異ならせるようにしても良い。例えば、燃料が隣接する複数本の燃料流路を同方向に流れた後、その端部で折り返して１本又は複数本の燃料流路内に流れるようにしても良い。
【００９８】
また、上記実施形態では、燃料流路３０の流路断面積が全ての位置で同一であると説明したが、本発明はこの点において限定されない。例えば、各燃料流路３０の流路断面積が長手方向において異なるようにしても良いし、溝９により形成される燃料流路３０ａの断面積と、桟１１により形成される燃料流路３０ｂの断面積とが異なるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の一実施形態に係るセパレータの構成部材の一つである仕切板の正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るセパレータの構成部材の一つである受け板の正面図である。
【図３】図１の仕切板の第一構成要素の拡大正面図である。
【図４】図３のＡ部拡大図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図２の受け板の第一構成要素の拡大正面図である。
【図７】（ａ）は図６のＶIIａ−ＶIIａ線断面図であり、（ｂ）は図６のＶIIｂ−ＶIIｂ線断面図であり、（ｃ）は図６のＶIIｃ−ＶIIｃ線断面図である。
【図８】仕切板と受け板とを重ねた状態を示す正面透視図である。
【図９】図８のIＸ−IＸ線断面図である。
【図１０】並列型単位セルのうち一つの単位セルを示す展開図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図であり、セパレータ及びＭＥＡを接合した状態を示している。
【図１２】並列型単位セルを積層して構成した並列型燃料電池の部分側面断面図である。
【図１３】図１２のＢ部拡大図である。
【符号の説明】
【０１００】
２  発電・集電部
３  長穴
７  縦壁
９  溝
１０  底壁
１１  桟
１３ａ  第一燃料供給・排出穴
１３ｂ  第二燃料供給・排出穴
１５ａ  第三燃料供給・排出穴
１５ｂ  第四燃料供給・排出穴
１９  収容部
２０  凸部
２２ａ  第一連通穴
２２ｂ  第二連通穴
２３ａ  第一隔離穴
２３ｂ  第二隔離穴
２５  張出部
２９  セパレータ
３０  燃料流路
３１  連通通路
３２  連通通路
３３  ＭＥＡ
３６  燃料電池
３７  単位セル
４０  冷却液流路
１００  仕切板
１０１  受け板
【図１】
2005243559.tif 000003
【図２】
2005243559.tif 000004
【図３】
2005243559.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005243559.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005243559.tif 000009
【図８】
2005243559.tif 000010
【図９】
2005243559.tif 000011
【図１０】
2005243559.tif 000012
【図１１】
2005243559.tif 000013
【図１２】
2005243559.tif 000014
【図１３】
2005243559.tif 000015