(57)【要約】  【課題】  塑性加工による変形や成形不良がなく、スタックしたときのガスのシール性に優れた燃料電池用セパレータを提供する。  【解決手段】  凸部３及び凹部５からなる複数の並列する通気溝が形成された反応ガス流路２と、反応ガス流路２に接続する反応ガス出入口４,８とから構成されるガス流路部１を有し、ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成されている燃料電池用金属セパレータ。  【選択図】  図１
2005216537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部及び凹部からなる複数の並列する通気溝が形成された反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接続する反応ガス出入口とから構成されるガス流路部を有する燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ガス流路部の周囲に第１の外溝が形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、一方の面に燃料ガス流路と前記燃料ガス流路に接続する燃料ガス出入口とから構成される燃料ガスのガス流路部が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス流路に接続する酸化剤ガス出入口とから構成される酸化剤ガスのガス流路部が形成されており、前記ガス流路部のパターンは両面が同じパターン、又は一方の面のパターンと他方の面を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口は前記燃料ガスのガス流路部と独立して形成されており、酸素電極側の前記燃料ガス出入口は前記酸化剤ガスのガス流路部と独立して形成されており、前記燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口の周囲及び前記酸素電極側の前記燃料ガス出入口の周囲に第２の外溝が形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、セパレータの外周に沿って独立した第３の外溝が形成されていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、外周部に膜・電極接合体の厚さの半分に相当する高さの段差部が設けられていることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属セパレータに関し、特に自動車の動力用車載燃料電池に使用することが可能な燃料電池用金属セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料から電気へのエネルギー変換効率が高く、有害物質を排出しないため、次世代の発電装置として注目されている。特に、150℃以下の温度領域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池は盛んに研究されており、数年後の実用化が見込まれている。この燃料電池は比較的低い温度で作動でき、発電の出力密度が高く、小型化が可能であるため家庭用や車載用の燃料電池として適している。
【０００３】
高分子イオン交換膜型燃料電池は、通常固体電解質膜の両面に燃料電極及び酸素電極（空気電極）を固定して単電池（セル）を形成し、これを燃料ガスと酸化剤ガス（酸素又は空気）を供給する通気溝を設けた板状セパレータを介して積層することにより構成される。固体電解質膜としてはスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜等が用いられ、電極はカーボンブラックに撥水材（PTFE）と貴金属微粒子触媒を分散したもの等により形成される。水素−酸素燃料電池が作動する際には、水素ガスが酸化されて生じたプロトンが電解質膜中を正極側に移動する。正極側では通気溝から供給された酸素と、水素の酸化反応により発生した電子と、電解質中のプロトンとが結合し水となる。これらの反応過程を継続することにより電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。
【０００４】
従来の燃料電池用セパレータの多くは黒鉛板を機械加工したものである。黒鉛セパレータは電気抵抗が低く耐食性に優れる反面、機械強度が低く加工コストが高い。これに対して、金属セパレータは高い気密性及び機械強度を有し、加工コストを低減できる。例えば、プレス成形により容易に反応ガス流路を形成でき、生産性が高い。しかしながら、プレス成形の際に金属の展延により外形が変形してしまったり、材料が流れて十分に圧力がかからず、流路等を形成する凸部（以下「リブ」ともいう。）の一部が成形不良となる等の問題が生じる。このような問題は、燃料電池を組み付けたときに電極との接触不良が生じたり、反応ガスの流速が安定しなくなる等の発電性能を低下させる原因となる。
【０００５】
特開2000-285934号（特許文献１）はスリットを設けたセパレータを開示している。しかし、このスリットはセパレータ（金属板）の反りや歪みを防止することはできても、プレス成形する際の展延による材料の逃げを防止し、成形性を高める効果はない。また特開2002-175818号（特許文献２）は縁部にリブ（片面側に突出し、他面側は溝の凸条）が形成されている燃料電池用セパレータを開示している。しかし、このリブは縁部の剛性を高め、反りの発生を抑制する効果はあっても、プレス成形する際の展延による材料の逃げを防止し、成形性を向上させる効果はない。
【０００６】
燃料電池用セパレータを積層し燃料電池スタックを構成する際にガスが外部に漏れないようにしたり、他極側のガスと混合しないようにする必要がある。特に水素ガスは爆発する危険があるので注意が必要である。このため、特開平11-354142号（特許文献３）等はセパレータの間にパッキン等を挟んだり、締め付けたりして密着させ、シールする方法を開示している。しかしながら、パッキンでシールする場合はパッキンを挿入できる構造にするためセパレータの形状が複雑になる。また十分な密着性を得るには高い平坦度と寸法精度が要求され、後加工等が必要になるためコストアップとなる。
【０００７】
【特許文献１】特開2000-285934号公報
【特許文献２】特開2002-175818号公報
【特許文献３】特開平11-354142号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の目的は、塑性加工による変形や成形不良がなく、スタックしたときのガスシール性に優れた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】
【０００９】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(a) セパレータのガス流路部の周囲に反応ガス流路と独立した外溝を設けること、(b) 燃料電極側の酸化剤ガス出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス出入口の周囲に外溝を設けること、(c) セパレータの外周に沿って独立した外溝を設けること、(d) セパレータの表裏を同じパターンにするか、一方の面のパターンを他方の面を90°回転させたときのパターンと鏡像となるようにすることにより、セパレータを成形する際の展延による材料の逃げを防ぎ、材料の充填効果を高め、塑性加工による流路の成形性を大幅に向上できることを発見し、本発明に想到した。
【００１０】
すなわち、凸部及び凹部からなる複数の並列する通気溝が形成された反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接続する反応ガス出入口とから構成されるガス流路部を有する燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ガス流路部の周囲に第１の外溝が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記第１の外溝は前記ガス流路部に接して形成されているのが好ましい。燃料電池用金属セパレータに形成されている第１の外溝は、複数の並列する通気溝からなる反応ガス流路と反応ガスの出入口とから構成されるガス流路部を囲む外溝であり、反応ガス流路とは独立した溝（ダミー溝）である。プレス成形で反応ガス流路を形成する際にこの外溝を同時に成形することにより材料の展延が止められ、材料の逃げによる成形不良を防ぐことができる。外溝が形成されていない従来のセパレータでは、成形時に材料が流れて金型への材料の充填が不足する。特に最外周のリブは十分な形状が得られない、所定の高さに成形できない等の成形不良が生じる。外溝は通気溝と同等以上の深さであるのが好ましい。また外溝にシール材を流し込んだりパッキンを挿入することにより、セパレータのガスシール性を容易に確保することができる。
【００１２】
一方の面に燃料ガス流路と前記燃料ガス流路に接続する燃料ガス出入口とから構成される燃料ガスのガス流路部が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス流路に接続する酸化剤ガス出入口とから構成される酸化剤ガスのガス流路部が形成されている燃料電池用金属セパレータの場合、前記ガス流路部のパターンは両面が同じパターン、又は一方の面のパターンと他方の面を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されているのが好ましい。ガス流路部が上記のパターンとなるようにセパレータを両面から同時にプレスすることにより、押された材料の逃げ場がなくなり金型内への充填効果が高くなる。このため成形性をより向上させることができる。
【００１３】
燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口が前記燃料ガスのガス流路部と独立して形成され、酸素電極側の前記燃料ガス出入口が前記酸化剤ガスのガス流路部と独立して形成されている場合、他極側の反応ガス出入口の周囲、すなわち前記燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口の周囲及び前記酸素電極側の前記燃料ガス出入口の周囲に第２の外溝が形成されているのが好ましい。セパレータの表裏両面に反応ガス流路を形成する場合、燃料ガスの出入口は燃料電極側のガス流路部内に配置され、酸化剤ガスの出入口は酸素電極側のガス流路部内に配置される。このように、各反応ガスの出入口付近の成形は片面のみの成形となるため材料が逃げやすく、その部分において成形不良が生じやすい。これを防ぐため、他極側の反応ガスの出入口の周囲にも流路の形状をかたどった外溝（ダミー溝）を設ける。これにより、ガス流路部と同様に良好に成形することができる。
【００１４】
セパレータの外周に沿って独立した第３の外溝が形成されているのが好ましい。反応ガス流路とセパレータ（金属板）の端部との距離が短い流路パターンの場合、プレス成形した際の展延によってセパレータの端部が変形し、場合によっては端部が肉薄となって切れてしまうことがある。セパレータの外周に沿って形成された外溝（ダミー溝）は、このような端部の変形を防止し、反応ガス流路の成形性を向上させる。さらに、シール材を流し込んだりパッキンを挿入することにより、ガスシールのための溝としても利用することができる。
【００１５】
燃料電池用金属セパレータの外周部には、膜・電極接合体の厚さの半分に相当する高さの段差部が設けられているのが好ましい。これにより、セパレータにより膜・電極接合体を挟んでセルを形成するときに、樹脂等からなるスペーサを設置することなく、燃料電池をシールすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池用金属セパレータは、ガス流路部の周囲に第１の外溝を有するので塑性加工による流路の成形性に優れている。また他極側の反応ガス出入口の周囲に第２の外溝を形成することにより反応ガス出入口付近の成形性を向上させることができる。さらに、セパレータの外周部に第３の外溝を形成することによりセパレータ端部の変形を防止することができる。これらの外溝が形成されたセパレータを用いることにより発電効率やガスシール性の高い燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
[1] 基材
本発明の燃料電池用金属セパレータに用いる好ましい金属材料としては、チタン、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、ニオブ、バナジウム、これらの合金等が挙げられる。中でも軽量かつ成形性に優れるアルミニウム又はアルミニウム合金、耐食性に優れるステンレス鋼（SUS316等）等がより好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金を用いる場合には、耐食性を向上させるため、通常メッキ等により耐食性被膜を形成する。高純度のアルミニウムは比較的ピンホールができにくいため、アルミニウムの純度は99.5％以上が好ましく、99.9％以上がより好ましい。また燃料電池用金属セパレータの板厚は、流路の設計上１〜４mmが好ましく、1.5〜３mmがより好ましい。
【００１８】
[2] 耐食被膜
燃料電池用セパレータの電極又は集電体（以下「電極等」と記す。）との接触面（電気伝導面）に導電性の耐食被膜を形成するのが好ましい。導電性の耐食被膜を燃料電池セパレータの全面に被覆してもよいし、電極等との接触面のみに導電性の耐食被膜を被覆し、通気溝表面には化学的又は物理的に安定な耐食被膜を被覆してもよい。後者の場合、通気溝表面を覆う耐食被膜は導電性である必要はなく、例えば高分子耐食被膜とすることもできる。
【００１９】
導電性の耐食被膜は、Pt、Au、Pd、Ru、Rh、Ir及びAgからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属、カーボン、又は導電性炭化物を含有するのが好ましい。金属被膜の場合、合金被膜であっても複数の金属被膜からなる多層被膜であってもよい。Au、Ag、Pt、Pd等の貴金属系被膜は、接触抵抗が低く耐食性も極めて良好である。カーボン被膜としてはCVDにより形成された黒鉛膜、DLC膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）等が好ましい。また黒鉛粉に撥水剤を添加したものを被覆しても良い。カーボンブラックに微量のPtを添加して電極を形成した場合、カーボン被膜と電極の接触なじみが良好となる。導電性炭化物としては炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化タングステン等が好ましい。炭化物被膜は接触抵抗が小さいのみならず、良好な耐食性及び耐酸化性を有するので、セパレータの保護膜としても有効である。
【００２０】
導電性の耐食被膜を電極等との接触面にのみ形成する場合には、化学蒸着（プラズマCVD、レーザーCVD）、物理蒸着（真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等）、湿式メッキ、塗布（スプレイ、ディップコーティング）等により耐食被膜を形成することができる。一方、導電性の耐食被膜をセパレータの全面に被覆する場合には、入り組んだ通気溝に均一に被膜形成できる湿式メッキ、ディップコーティング等が好ましい。非導電性の耐食被膜を通気溝表面に被覆する場合にも、湿式メッキ、ディップコーティング等が好ましい。この場合、例えば高分子化合物を含有する塗布液を調製し、ディップコーティング等により高分子耐食被膜を形成することができる。耐食被膜の膜厚は0.01〜５μmが好ましい。膜厚が0.01μｍより薄いと膜強度が弱く不安定であり、５μｍより厚いとコストが高くなる。
【００２１】
[3] 構造
図１は本発明の一実施例による燃料電池用金属セパレータ10の反応ガス流路パターンを示す平面図であり、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。セパレータ10の中央部の電極等との接触面にはガス流路部１が形成されている。図１(a)に示すように表側（水素極側）のガス流路部１は反応ガス流路２とそれに接続する燃料ガス（水素）出入口４（導入口4aと排出口4b）からなり、反応ガス流路２は凸部（リブ）及び凹部からなる複数の並列する通気溝により形成され、リブ３の頂部は電極等との接触面となっている。反応ガス流路２の両端は燃料ガス（水素）出入口４と接続しており、導入口4aから導入された燃料ガス（水素）は、直線部とUターン部によりセパレータ10の表面を蛇行している反応ガス流路２を通りながら電極面と接触し、燃料電極に燃料ガス（水素）を供給した後排出口4bから排出される。
【００２２】
図１(b)に示すように、裏側（酸素極側）のガス流路部１は反応ガス流路２とそれに接続する酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８（導入口8aと排出口8b）とからなり、反応ガス流路２は凸部（リブ）３及び凹部５からなる複数の並列する通気溝により形成され、リブ３の頂部は電極等との接触面となっている。反応ガス流路２の両端は酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８と接続しており、導入口8aから導入された酸化剤ガス（酸素又は空気）は、直線部とUターン部によりセパレータ10の表面を蛇行している反応ガス流路２を通りながら酸素電極面と接触し、酸素電極に酸化剤ガス（酸素又は空気）を供給した後排出口8bから排出される。セパレータ10の表側及び裏側の四隅には冷却水の出入口９が形成されており、燃料ガス出入口４、酸化剤ガス出入口８及び冷却水出入口９はセルを積層して燃料電池スタックを構成したときにそれぞれ連通孔を形成し、反応ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流路となる。
【００２３】
図１(a)、(b)に示すように表側と裏側のガス流路部１のパターンは、一方のガス流路部１のパターンと他方のガス流路部１を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されている。燃料ガス（水素）出入口と酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口は別々に形成されており、セパレータ10の表側では燃料ガス出入口４は反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続しているが、セパレータ10の裏側では燃料ガス出入口４は独立して形成されており反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続していない。同様にセパレータ10の裏側では酸化剤ガス出入口８は反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続しているが、セパレータ10の表側では酸化剤ガス出入口８は独立して形成されており反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続していない。このように、燃料ガス（水素）の出入口は表側（水素極側）の反応ガス流路のみに接続し、水素極のみに水素を供給するように形成されており、酸化剤ガス（酸素又は空気）の出入口は裏側（酸素極側）の反応ガス流路のみに接続し、酸素極のみに酸素又は空気を供給するように形成されている。
【００２４】
本発明の燃料電池用金属セパレータ10は、ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成されており、好ましくは他極側の反応ガス出入口（燃料電極側の酸化剤ガス出入口及び酸素電極側の燃料ガス出入口）の周囲に第２の外溝B、及びセパレータ10の外周部に第３の外溝Cが形成されている。図１に示すように、外溝Aはガス流路部に接して形成されているのが好ましい。また燃料電極（水素極）側の酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス（水素）出入口の周囲にそれぞれリブ７と第２の外溝Bからなるダミーパターンが形成されているのが好ましい。これらの外溝A〜Cは流路と独立して形成され、流路として機能しないダミー溝であるが、外溝によりプレス成形する際の材料の展延が止められ、成形不良を防止することができる。これらの外溝が形成されていないと、材料が流れて金型への充填が不足する可能性がある。特に、最外周のリブは十分な形状が得られないか、所定の高さに成形できないこともある。
【００２５】
外溝A〜Cの深さは特に限定されないが、材料の逃げを効果的に防ぐ観点から通気溝と同等以上の深さが好ましい。外溝A〜Cの深さは好ましくは0.5〜3.0 mmであり、より好ましくは0.5〜1.5 mmである。また外溝A〜Cの幅は好ましくは0.5〜5.0 mmであり、より好ましくは1.0〜3.0 mmである。
【００２６】
セパレータ10の外周に沿って外溝Cを形成することにより、ガス流路部１及び他極側のガス出入口の成形性が向上するとともに、それらの成形の影響によりセパレータ10の外周部で変形が生じるのを防止することができる。特に他極側のガス出入口はセパレータ10の外周部に近いため、ガス流路部１等の成形による影響を受けやすいが、外溝Cにより材料の展延による外周部で歪みや変形を効果的に防止することができる。
【００２７】
図１に示すように流路パターンをセパレータ10の両面に設け、両面から同時にプレスすることにより押された材料の逃げ場がなくなり、金型内への充填効果が高まり成形性をより向上させることができる。しかし、燃料ガスの出入口は燃料電極側の反応ガス流路内にのみ配置され、酸化剤ガスの出入口は酸素電極側の反応ガス流路内にのみ配置されるため、ガスの出入口付近の成形は片面のみの成形となり材料が逃げやすく、その部分において成形不良を生じやすい。このため、他極側の反応ガス出入口の周囲（燃料電極側の酸化剤ガス出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス出入口の周囲）に外溝Bを設けることによりガス流路部と同様に成形性を向上させるのが好ましい。その際、外溝Bにシール材を流し込んだり、パッキンを挿入してもよい。スタックセルを形成する場合、通気溝のリブ３やダミーパターンのリブ７を膜・電極接合体（MEA）に密着させることによりガスのシールを行うが、外溝Bにシール材等を挿入または注入することでより高いシール性を確保することができる。
【００２８】
図２は本発明の別の実施例による燃料電池用金属セパレータ110の反応ガス流路パターンを示し、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。セパレータ110に形成されたガス流路部１のパターンは、両面が同パターンである。図２(a)、(b)に示すようにセパレータ110の表側では燃料ガス（水素）出入口４は反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続しているが、セパレータ110の裏側では燃料ガス（水素）出入口４は独立して形成されており、反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続していない。同様にセパレータ110の裏側では酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８は反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続しているが、セパレータ110の表側では酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８は独立して形成されており、反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続していない。すなわち、図１に示すセパレータ110と同様に燃料ガス（水素）の出入口は表側（水素極側）の反応ガス流路のみに接続し、水素極のみに水素を供給するように形成されており、酸化剤ガス（酸素又は空気）の出入口は裏側（酸素極側）の反応ガス流路のみに接続し、酸素極のみに酸素又は空気を供給するように形成されている。
【００２９】
ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成され、水素極側の酸化剤ガス（空気）出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス（水素）出入口の周囲にリブ７と第２の外溝Bが形成されている。さらに、セパレータ110の外周に沿って第３の外溝Cが形成されている。これらの外溝の作用効果は図１に示すセパレータ110と同じである。
【００３０】
図３は本発明のさらに別の実施例による燃料電池用金属セパレータ210の反応ガス流路パターンを示し、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。図３(a)、(b)に示すように表側と裏側のガス流路部１のパターンは、一方のガス流路部１のパターンと他方のガス流路部１を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されている。この例では外溝Aは外溝Bを兼ねてガス流路部１と他極側の反応ガス出入口8a, 8b（又は4a, 4b）との周囲に一体的に形成されている。この場合、他極側の反応ガスはリブ７によって遮断され反応ガス流路２内に入らないようになっている。このように外溝Aによりガス流路部１と他極側の反応ガス出入口8a, 8b（又は4a, 4b）の成形性をともに向上させることもできる。上記以外の構成は図１に示すセパレータ210と同じであるので説明を省略する。
【００３１】
一方、燃料電池の集電部の周囲にリブが形成されたセパレータ（特許文献２に開示）は、特許文献２の図２〜図４から明らかなように、片面側にリブが突出して他面側に溝が形成される構造を有するため、折り曲げ構造により縁部の剛性を高め、反りを抑制するという効果が得られるだけである。これに対し、本発明の燃料電池用金属セパレータ210は、集電部の周囲に溝を形成することによりプレス成形の際の材料の展延を防止し、優れた成形性を有するという効果を有する。特に、ガス流路部に接して外溝を形成した場合にはガス流路部の金属流れを効果的に防止でき、通気溝の成形性が一層良好となる。また特許文献２のセパレータでは端部にスペーサを設置する必要があるのに対し、本発明の燃料電池用金属セパレータ210は樹脂等のスペーサを設置する必要がなく、放熱性に優れるという利点を有する。
【００３２】
図４は本発明の燃料電池用金属セパレータの通気溝の断面形状の好ましい一例を示す。この通気溝はいずれの実施例のセパレータ10，110，210にも適用されるので、セパレータ10を例にとって説明する。
【００３３】
通気溝はリブ（凸部）３と凹部５により構成されており、凹部５は電極等との接触面側にテーパ状に広がっている。凹部５の断面形状をテーパ状にすることにより、プレス成形時の離型性が向上する。テーパ状になっていないと、プレス成形の際にガス流路部１が金型に噛みついてしまい、これを剥がそうとすると金属板が反ったり変形したりする。テーパ角度θ（セパレータ10の表面に垂直な直線とリブ３の側面とのなす鋭角側の角度θ）は、離型性の観点からは広角になるほどよいが、広すぎると通気溝の幅又は集電部と接触するリブ３の幅が狭くなってしまう。プレス成形の場合には離型性と発電効率の観点からテーパ角度θは5〜40°が好ましく、10〜30°がより好ましい。
【００３４】
図５は本発明の燃料電池用金属セパレータ10の通気溝の断面形状の好ましい例を示す。(a)はT字状断面のリブ３を示し、(b)は凹曲面状側面を有するリブ３を示す。これらの通気溝はいずれもリブ３の頂部が広いため、電極等との接触面積が大きい。また導電性耐食被膜の形成が容易であり、通気溝の幅を狭めることなく集電部との接触面積を広げることができる。
【００３５】
図５に示す断面形状のセパレータ10は２段階のプレス成形により容易に作製することができる。まず一回目のプレス成形によりセパレータ10の通気溝のリブ３を一次加工した後、２回目のプレス成形により集電部と接触するリブ３の頂部を平坦に成形する。一回目の成形で得られるリブ３は、集電部との接触面が成形されている必要はなく、山なりの形状であってもよい。一次成形されたリブ３の先端（頂部）を金型の平坦面で一定の高さに潰すことにより所定の形状（T字状等）を得ることができる。ガスの出入口や冷却水口は、プレス成形でパターンを形成した後、穴あけ加工等により形成することができる。以上のように成形されたセパレータ10はリブ３の先端が平坦に成形されているため、集電部との接触面の平坦度が高く、電極との密着性やガスのシール性が良いので、発電効率に優れている。
【００３６】
図６は本発明の燃料電池用の一対の金属セパレータ10a, 10bにより膜・電極接合体（MEA）12を挟み、セルを形成した状態を示す。セパレータ10a, 10bの外周部には、膜・電極接合体の厚さの半分に相当する高さの段差部11a, 11bを有し、段差部11a, 11bにより膜・電極接合体（MEA）12の厚さにほぼ等しい隙間が形成されるようになっている。セパレータ10a, 10bにより膜・電極接合体（MEA）12を挟むと、段差部11a, 11bによってセルをシールすることができる。このような段差部はプレス成形によって容易に形成することができる。また外溝A〜Cにシール材を充填することによってシール性をさらに向上させることもできる。段差部11a, 11bを設けた燃料電池用金属セパレータは、上記のようにセパレータによるシールを主体とするため、樹脂等のシール材を主体とした場合のような腐食等による劣化がなく、長期にわたり優れたシール性を維持できる。
【実施例】
【００３７】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
厚さ３mmのアルミニウム板（純度99.9％）を用い、プレス成形により通気溝の凹部５の幅及びリブ３の幅をそれぞれ１mm、通気溝の深さを１mm、通気溝の凹部５のテーパ角度θを10°、外溝A〜Cの幅を２mm、及び外溝A〜Cの深さを１mmに形成した。反応ガス出入口及び冷却水口を穴あけ加工した後、セパレータ全面に金メッキ処理を施して導電性皮膜を形成し、図１に示す流路パターンの燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータは成形による金属流れがなく、ガス流路部及び他極側の反応ガス出入口は良好に成形されており、外周部の歪みや変形もなかった。得られたセパレータ（1-c）について、プレス成形時の離型性及び膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
実施例２
通気溝の凹部５のテーパ角度θを５〜40°にした以外実施例１と同様にして燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータ（1-a, 1-b, 1-d, 1-e）について、プレス成形時の離型性及び膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2005216537.tif 000003
(1) 離型性の評価基準:
◎・・・ヘラを差し込むと金型から容易に外すことができる。
○・・・ヘラを差し込むと金型から比較的容易に外すことができる。
△・・・ヘラを四方から差し込み、徐々に外すことができる。
【００４１】
テーパ角度θが５°未満では離型性が悪く、テーパ角度θが40°を超えると電圧低下が大きくなり電池性能が低下した。プレス成形により離型性と電池性能の両方が良好なセパレータを得るにはテーパ角度θを５〜40°にすればよいことが分る。
【００４２】
実施例３
厚さ３mmのアルミニウム板（純度99.9％）を用い、１回目のプレス成形によりリブ３の高さが板厚（セパレータの厚さ）よりも高くなるように成形し、２回目のプレス成形によりプレス面が平坦な金型31で板厚（セパレータの厚さ）になるまで成形した。これにより、図５(a)に示すように先端が潰れてT字状断面のリブ３が形成された。得られた流路パターンは図１に示す形状を有し、通気溝の凹部５の幅（リブ３の根元部の幅）は１mm、リブ３の先端部の幅は1.5 mm、凹部５の深さは１mm、テーパ角度θは10°、外溝A〜Cの幅は２mm、及び外溝A〜Cの深さは１mmであった。
【００４３】
実施例１と同様に穴あけ加工及び金メッキ処理を施し、燃料電池用金属セパレータを作製した。実施例１と同様にセパレータに膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】
2005216537.tif 000004
【００４５】
T字状断面のリブを有する実施例３のセパレータを用いたセルは、四角形状断面のリブを有する実施例２の試料1-cのセパレータを使用したセルよりも電圧低下が少なく、電池性能が高かった。
【００４６】
比較例１
外溝A〜Cを形成しなかった以外実施例１と同様にして燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータは外周部分の通気溝の凹凸の成形性が不良であり、セパレータの端部に変形が見られた。このため、比較例１のセパレータは電極との密着性やガスのシール性が劣り、比較例１のセパレータを用いたセルは実施例１のセパレータを用いたセルに比べ電池性能が大きく低下した。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましい一例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。
【図２】本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましい別の例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。
【図３】本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましいさらに別の例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。
【図４】本発明の燃料電池用金属セパレータに形成された通気溝の好ましい一例として、凹部が電極等との接触面側にテーパ状に広がっている通気溝を示す概略断面図である。
【図５】本発明の燃料電池用金属セパレータに形成された通気溝の好ましい別の例を示す概略断面図であり、(a)はT字状断面のリブを示し、(b)は凹曲面状側面を有するリブを示す。
【図６】本発明の燃料電池用金属セパレータにより膜・電極接合体（MEA）を挟み、セルを形成した状態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・ガス流路部
２・・・反応ガス流路
３・・・凸部（リブ）
４・・・燃料ガス（水素）出入口
５・・・凹部
4a・・・導入口
4b・・・排出口
７・・・リブ
８・・・酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口
8a・・・導入口
8b・・・排出口
９・・・冷却水出入口
10，110，210・・・セパレータ
【図１】
2005216537.tif 000005
【図２】
2005216537.tif 000006
【図３】
2005216537.tif 000007
【図４】
2005216537.tif 000008
【図５】
2005216537.tif 000009
【図６】
2005216537.tif 000010