(57)【要約】【課題】  金属製薄板を波形に形成したセパレータの反りを防止することで、接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の低下を防止する。【解決手段】  固体電解質の両側の各電極面に対向して配置され、この電極面に対向する面に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されるガス流路１１，１７を備えるとともに、前記電極面と反対側の面に、冷却水流路１８を備えた燃料電池用セパレータは、板材を波形に形成してその凹凸形状により、前記ガス流路１１，１７および冷却水流路１８をそれぞれ有する。このガス流路１１，１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和を、これと反対側の面に形成される冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と同等とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の両側の各電極面に対向して配置され、この電極面に対向する面に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されるガス流路を備えるとともに、前記電極面と反対側に、冷却水流路を備えた燃料電池用セパレータにおいて、板材を波形に形成してその両面に、前記ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成し、前記ガス流路および冷却水流路の、前記セパレータの面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ガス流路は、前記電極面に酸化剤ガスもしくは燃料ガスを供給する供給口として一端が外部に開口する供給用ガス流路と、前記電極面から酸化剤ガスもしくは燃料ガスを排出する排出口として一端を外部に開口する排出用ガス流路とを備え、これら供給用ガス流路および排出用ガス流路を、互いに独立して設けるとともに、複数交互に配列して設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記供給用ガス流路および排出用ガス流路の前記配列方向に沿った流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和を、これらガス流路と反対側の面にて前記供給用ガス流路と排出用ガス流路形成との間に形成される前記冷却水流路の配列方向に沿った流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と同等としたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記ガス流路のうち少なくとも燃料ガスが流通する側では、前記供給用ガス流路の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和を、前記排出用ガス流路の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きくしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記供給用ガス流路および排出用ガス流路に隣接してこれと反対側の面に形成した前記冷却水流路の流路幅もしくは流路断面積を、前記供給用ガス流路および排出用ガス流路と同等としたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記冷却水流路を、流路幅の狭いものと広いものとを交互に配列したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記ガス流路のガス流れ方向と直交する断面形状が、このガス流路の配列方向の中心部を中心として点対称となっていることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記冷却水流路の流路幅を、全体で均一にしたことを特徴とする請求項１ないし５，７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記冷却水流路の反対側の面に形成されて前記固体電解質の電極面に接する凸部の端面を、凸曲面としたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
前記凸曲面の曲率半径を、０．８ｍｍ〜４．５ｍｍとしたことを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
前記凸曲面の曲率半径を、２ｍｍ〜４ｍｍとしたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板をプレス成形して前記ガス流路および冷却水流路を形成したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池の単セルを複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックを動力源として搭載したことを特徴とする燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体電解質型燃料電池に使用する燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。
【０００３】
このため地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモータの電源として利用し、このモータにより自動車を駆動することが検討されている。
【０００４】
このような燃料電池は、両面に電極（燃料極，酸化剤極）を設ける電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型など各種が知られている。このうち固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）における電極反応は以下のようになる。
【０００５】
燃料極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                ・・・（１）
酸化剤極：(1/2)Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-→Ｈ2 Ｏ  ・・・（２）
燃料極には燃料ガスを供給し、上記した式（１）の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で、電解質、ここでは固体高分子電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと、供給した酸化剤ガス中の酸素により、上記した式（２）の反応が進行する。式（１），（２）の反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
【０００６】
このように固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させると、プロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率の良い発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種用途が見込まれている。
【０００７】
このような固体高分子電解質型燃料電池において、容積を小さくしたままで高い出力を得るため、また、高効率の燃料電池システムを得るため、下記特許文献１に記載されているように、電極に対向して配置するセパレータに設けたガス流路を、電極の触媒層に反応ガスを供給する供給用ガス流路と、触媒層からガスを回収する排出用ガス流路とに分離して構成している。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報  ここでは、供給用ガス流路と排出用ガス流路とを交互に配列し、供給用ガス流路に積極的にガスを供給することにより、反応面積を増やすと同時に生成水の排出性を向上している。これにより、供給用ガス流路の全てのガスがガス拡散電極や触媒層内を通って排出用ガス流路へ排出される。このため、触媒電極を効率的に使用でき、高効率を保ったまま、単位体積当りの出力を向上できる。
【０００８】
また、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極（ガス拡散層と触媒層からなり、触媒が存在する面が高分子電解質膜に接する）をホットプレスなどの手段により接合してなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、カーボンや金属製のガスセパレータを積層した構造を有する。
【０００９】
ガスセパレータとしては、炭素材は非常によく用いられるが、切削加工により成形されるため、コストが高く、また強度が低いため、セパレータを厚くする必要があり、このため燃料電池の容積が大きくなるという問題点がある。
【００１０】
そこで、下記特許文献２に示されるような、従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、セパレータとＭＥＡとの間に反応ガス流路を形成するとともに、セパレータ板と中間板との間に冷却水流路を設けている。
【特許文献２】特開２０００−２２８２０７号公報  ここで、中間板は、反応ガス流路と冷却水流路を備えたセパレータと、反応ガス流路を備えたセパレータとの間に配置される隔壁であり、この構成により、冷却水流路を構成するための部材を必要とせず、燃料電池の小型化や軽量化を狙ったものであるが、この隔壁自体の存在により燃料電池の大型化や重量増大を招いてしまう。
【００１１】
また、セパレータ材料はＭＥＡ相互間を電気的に接続させるため、高い電気伝導性、構成材料との低い接触抵抗が必要となる。このため、「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」（株）技術情報協会  １９９９年発行のｐ．９２（図８）に開示されるように、セパレータとしては、カーボン材料をプレート状に成形し、この両面に反応ガス流路面を成形したものが用いられている。
【００１２】
しかし、カーボン材は、構成材料との接触抵抗が低い点については優れるものの、金属材料に比べると強度が低いため、燃料電池を自動車などに搭載する際に厚さを薄くし小型化する要求に対しては自ずと限界があり、１〜５ｍｍ程度の厚さが一般的である。
【００１３】
このような、燃料電池の小型化、低コスト化のため、下記特許文献３，４に開示されるように、セパレータの材料として金属製薄板を用い、プレス成形などの加工により、波形に成形することで、セパレータの厚さを低減させることが試みられている。
【特許文献３】特開２０００−３２３１４９号公報
【特許文献４】特開２００２−１９０３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このような固体高分子電解質型燃料電池において、出力密度を向上させるには、前述の特許文献１に示されるように、セパレータに設けたガス流路を、供給用ガス流路と排出用ガス流路とに分離するとともに、これら両ガス流路を交互に配列し、供給用ガス流路に積極的にガスを供給するような流路パターン（インタディジテート型とも呼ばれる）としたものを用いることは有効である。
【００１５】
しかし、このような構成とした場合、流路に直交する断面形状におけるセパレータ材料の裏表の凹凸形状の差により、セパレータに反りが発生する。このため、組立性の悪化が発生するとともに、組立後の電極とセパレータのリブ面（表面の波形の凸部）との間の面圧不均一による、トータルとしての接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の低下が問題となる。
【００１６】
そこで、この発明は、金属製薄板を波形に形成したセパレータの反りを防止することで、接触抵抗の増大、ガス配流のばらつきによる発電特性の低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の両側の各電極面に対向して配置され、この電極面に対向する面に酸化剤ガスもしくは燃料ガスが供給されるガス流路を備えるとともに、前記電極面と反対側に、冷却水流路を備えた燃料電池用セパレータにおいて、板材を波形に形成してその両面に、前記ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成し、前記ガス流路および冷却水流路の、前記セパレータの面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等とした構成としてある。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、波形に形成した板材の両面に、ガス流路および冷却水流路をそれぞれ形成し、これらガス流路および冷却水流路の、セパレータの面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等としたので、ガス流路および冷却水流路を凹凸で形成したセパレータの両面での張力が均等化し、セパレータの反りを低減することができる。この結果、燃料電池として組立性が向上するとともに、組立後の燃料電池における電極とセパレータとの面圧不均一を防止でき、トータルとしての接触抵抗低減、ガス配流のばらつきを低減でき発電特性を向上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】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
図１〜図８は、この発明の第１の実施形態〜第８の実施形態による燃料電池用セパレータ（以下単に、セパレータと呼ぶ）の断面形状を示した模式図である。また、図９〜図１１は、比較例１〜３のセパレータの断面形状を示した模式図である。なお、以下で説明するセパレータは、燃料極にガス流路を対向して形成してある燃料極側のセパレータとするが、酸化剤極にガス流路を対向して形成してある酸化剤極側のセパレータであってもよい。
【００２１】
上記した各実施形態および各比較例によるセパレータ１は、一方の面（図１２中で表側の面）に図１２に斜視図で示すようなガス流路形状を備えている。このガス流路形状は、電極に燃料ガスを供給する供給用ガス流路３と、電極から燃料ガスを排出する排出用ガス流路５とを、互いに独立して設けてある。
【００２２】
供給用ガス流路３は、供給口として燃料ガス供給孔７に連通する燃料ガス供給主流路９と、燃料ス供給主流路９から複数分岐する燃料ガス供給分岐流路１１とを有する。一方、排出用ガス流路５は、排出口として燃料ガス排出孔１３に連通する燃料ガス排出主流路１５と、燃料ガス排出主流路１５から複数分岐する燃料ガス排出分岐流路１７とを有する。そして、燃料ガス供給分岐流路１１と燃料ガス排出分岐流路１７とを、複数交互に配列してある。
【００２３】
また、セパレータ１の他方の面（図１２中で裏側の面）には、冷却水流路（図１〜図１１では、符号１８で示している）を形成してあり、前記した図１〜図８は、図１２のＡ−Ａ断面の一部に相当する。
【００２４】
さらに、上記したセパレータ１には、酸化剤ガス供給孔１９，同排出孔２１および、冷却水供給孔２３，同排出孔２５をそれぞれ形成してある。
【００２５】
このようなセパレータ１は、ＳＵＳ１６Ｌ材の板厚０．１ｍｍの板材を、プレス成形にて上記図１２に示したような所定の波型形状に成形した後、金メッキを施す。なお、今回の全ての実施形態、比較例ともガス流路および冷却水流路の深さを０．５ｍｍとしている。
【００２６】
図１３は、上記したセパレータ１を使用した燃料電池の単セルを複数積層して構成した燃料電池スタック４５の分解斜視図である。この燃料電池スタック４５は、ＭＥＡ２７の両側に燃料極側のセパレータ１および酸化剤極側のセパレータ１をそれぞれ配置して単セルとし、この単セルを多数積層してその両端にエンドプレート２９を配置し、これらを締結ボルト３１で締結している。ＭＥＡ２７は、従来の技術でも説明したように、固体高分子電解質膜の両面に、ガス拡散層と触媒層からなるガス拡散電極を、ホットプレスなどの手段により接合してなる膜電極接合体である。
【００２７】
この燃料電池スタック４５に対し、一方のエンドプレート２９に燃料供給口３３，同排出口３５，酸化剤供給口３７，同排出口３９，冷却水供給口４１，同排出口４３を、それぞれ形成する。これら各供給口および排出口は、燃料電池スタック４５全体をその積層方向に貫通している。そして、前記図１２に示した燃料ガス供給孔７は燃料供給口３３に、燃料ガス排出孔１３は燃料排出口３５に、それぞれ対応し、また酸化剤ガス供給孔１９は酸化剤供給口３７に、酸化剤ガス排出孔２１は酸化剤排出口３９に、それぞれ対応し、さらに冷却水供給孔２３は冷却水供給口４１に、冷却水排出孔２５は冷却水排出口４３に、それぞれ対応している。
【００２８】
次に、図１〜図８の各実施形態について説明する。
【００２９】
図１に示す第１の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路１１の流路幅Ｂ１を２ｍｍと太くし、燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅Ｂ２を１ｍｍと細くしている。そして、流路幅Ｂ１の燃料ガス供給分岐流路１１に対し、これと反対側の面で隣接する冷却水流路１８の幅寸法Ｌ１をＢ１と等しくし、流路幅Ｂ２の燃料ガス排出分岐流路１７に対し、これと反対側の面で隣接する冷却水流路１８の幅Ｌ２をＢ２と等しくしている。すなわち、冷却水流路１８は、流路幅の狭いものと広いものとが、冷却水流路１８の配列方向に沿って交互に配置されている。
【００３０】
また、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａは、いずれも平坦である。
【００３１】
上記図１に示すセパレータ１のガス流れ方向（図１中で紙面に直交する方向）と直交する断面の形状は、ガス流路（燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７）の配列方向の中心部である点Ｐを中心として点対称となっている。
【００３２】
また、上記断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
【００３３】
これにより、図１２に示してある燃料ガス供給主流路９および燃料ガス排出主流路１５を含む、セパレータ１の一方の面に形成してある燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７、すなわちガス流路全体のセパレータ１の一方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和と、冷却水流路１８全体のセパレータ１の他方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和とを、互いに同等としている。
【００３４】
図２に示す第２の実施形態は、供給用ガス流路３，排出用ガス流路５および冷却水流路１８のそれぞれの流路幅，配置を、第１の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａを、いずれも凸曲面としている。
【００３５】
具体的には、互いに同等の流路幅Ｂ１，Ｌ１を有する燃料ガス供給分岐流路１１，冷却水流路１８にそれぞれ対応する端面１１ａ，１８ａの曲率半径ＲＢ１，ＲＬ１を４．５ｍｍ、互いに同等の流路幅Ｂ２，Ｌ２を有する燃料ガス排出分岐流路１７，冷却水流路１８にそれぞれ対応する端面１７ａ，１８ａの曲率半径ＲＢ２，ＲＬ２を２ｍｍとしている。
【００３６】
この第２の実施形態によるセパレータ１のガス流れ方向と直交する断面の形状も、第１の実施形態と同様に、点Ｐを中心として点対称となっている。また、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法もしくは流路断面積の総和と等しくなっている。
【００３７】
図３に示す第３の実施形態は、前記図２に示した第２の実施形態に対し、互いに同等の流路幅Ｂ２，Ｌ２を有する燃料ガス排出分岐流路１７，冷却水流路１８の各端面１７ａ，１８ａの曲率半径ＲＢ２，ＲＬ２を、０．２ｍｍとしている。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００３８】
したがって、この第３の実施形態も、第１の実施形態と同様に、セパレータ１のガス流れ方向と直交する断面の形状は、断面形状が点Ｐを中心として点対称となっているとともに、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法もしくは流路断面積の総和と等しくなっている。
【００３９】
図４に示す第４の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路１１の流路幅Ｂ１を２ｍｍと太くし、燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅Ｂ２と１ｍｍと細くした点は、第１の実施形態と同様である。
【００４０】
一方冷却水流路１８の流路幅を、燃料ガス供給分岐流路１１にこれと反対側の面で隣接する冷却水流路１８の流路幅Ｌ１および、燃料ガス排出分岐流路１７にこれと反対側の面で隣接する冷却水流路１８の流路幅L２の両方を、（Ｂ１＋Ｂ２）／２＝１．５ｍｍとなるよう互いに等しくしている。
【００４１】
また、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａは、いずれも平坦である。
【００４２】
この第４の実施形態も、図４に示すセパレータ１のガス流れ方向（図４中で紙面に直交する方向）と直交する断面の形状は、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
【００４３】
図５に示す第５の実施形態は、供給用ガス流路３，排出用ガス流路５および冷却水流路１８のそれぞれの流路幅，配置を、図４に示した第４の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａを、いずれも凸曲面としている。
【００４４】
具体的には、燃料ガス供給分岐流路１１に対応する端面１１ａの曲率半径ＲＢ１を４．５ｍｍ、燃料ガス排出分岐流路１７に対応する端面１７ａの曲率半径ＲＢ２を２ｍｍ、冷却水流路１８の端面１８ａに対応する曲率半径ＲＬ１，ＲＬ２を３ｍｍとしている。
【００４５】
この第５の実施形態も、セパレータ１のガス流れ方向と直交する断面の形状が、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
【００４６】
図６に示す第６の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａを平坦としている点が第５の実施形態と異なる。その他の構成は、第５の実施形態と同様である。
【００４７】
図７に示す第７の実施形態は、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７および冷却水流路１８の流路幅をすべて等しく、１．５ｍｍとしている。
【００４８】
また、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａは、いずれも平坦である。
【００４９】
この第７の実施形態によるセパレータ１のガス流れ方向と直交する断面の形状も、図１に示した第１の実施形態と同様に、点Ｐを中心として点対称となっている。また、この断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和と、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和とが、互いに等しくなっている。
【００５０】
図８に示す第８の実施形態は、供給用ガス流路３，排出用ガス流路５および冷却水流路１８のそれぞれの流路幅，配置を、図７に示した第７の実施形態と同様とし、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａおよび、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａを、いずれも凸曲面としている。
【００５１】
具体的には、互いに同等の流路幅を有する燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７および冷却水流路１８にそれぞれ対応する端面１１ａ，１７ａおよび１８ａの各曲率半径ＲＢ１，ＲＢ２およびＲＬ１，ＲＬ２を、いずれも３ｍｍとしている。
【００５２】
図９は、比較例１を示している。この比較例１は、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の各流路幅Ｂ１，Ｂ２を、互いに等しくし、かつこれと反対側の面にある冷却水流路１８の流路幅Ｌ１より太くしている。
【００５３】
具体的には、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の各流路幅Ｂ１，Ｂ２を１．８ｍｍ、冷却水流路１８の流路幅Ｌ１を１．２ｍｍとしている。
【００５４】
このため、この比較例１は、図９に示してある断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
【００５５】
これにより、前記図１２に示してある燃料ガス供給主流路９および燃料ガス排出主流路１５を含む、セパレータ１の一方の面に形成してある燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７、すなわちガス流路全体のセパレータ１の一方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和と、冷却水流路１８全体のセパレータ１の他方の面に対向する方向から見た平面視での面積の総和とが、互いに異なっている。
【００５６】
図１０は、比較例２を示している。この比較例２は、冷却水流路１８の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１８ａを、曲率半径ＲＬ１＝ＲＬ２＝２ｍｍの凸曲面としている点が、比較例１と異なっている。その他の構成は、比較例１と同様である。
【００５７】
したがって、この比較例２においても、図１０の断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
【００５８】
図１１は、比較例３を示している。この比較例３は、燃料ガス供給分岐流路１１，燃料ガス排出分岐流路１７の形成によってこれと反対側の面に突出する各凸部の端面１１ａ，１７ａを、曲率半径ＲＢ１＝ＲＢ２＝４ｍｍの凸曲面としている点が、比較例２と異なっている。その他の構成は、比較例２と同様である。
【００５９】
したがって、この比較例３においても、図１１の断面形状における、ガス流路の配列方向に沿った燃料ガス供給分岐流路１１および燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和が、冷却水流路１８の配列方向に沿った冷却水流路１８の流路幅寸法の総和もしくは流路断面積の総和より大きく、互いに異なっている。
【００６０】
次に、上記した各実施形態および各比較例によるセパレータ１において、アクティブエリアすなわち発電部分に対応する面積を１０ｃｍ2とし、前記図１２に模式図を示すインターディジテート型流路を有するセパレータ１としてプレス成形した後、反り量を測定した。ここでの反り量とは、平面上にセパレータ１を載置した状態で、この平面に接触するセパレータ１の端部と、反りにより平面から浮き上がった部分のうちの最も平面から離れた部位までの間隔とする。
【００６１】
さらに、これらの各実施形態および各比較例のセパレータ１を、燃料極側セパレータとして用い、酸素剤極側セパレータとしては、供給用ガス流路と排出用ガス流路の各流路幅を互いに同じとしたものを用い、高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフィオン１１２、デュポン株式会社）を、ガス拡散電極としてカーボンブラックで担持した白金触媒を塗布した東レ（株）製カーボンペーパ（ＴＧＰ−Ｈ−０９０）をそれぞれ用い、前記図１３に示すように、充分な剛性を持つエンドプレート２９にて、これらを多数積層して１ＭＰａの面圧で両側から締め付けて燃料電池スタック４５を構成し、発電特性を評価した。
【００６２】
これらの評価結果を表1に示す。
【表１】
2005032578.tif 000003
表１に示すように、セパレータ１の反り量は、セパレータ１の断面形状を点対称とした第１〜第３，第７，第８の各実施形態が小さく、中でも各端面１１ａ，１７ａ，１８ａを凸曲面とした第２，第３，第８の各実施形態が特に小さくなっている。
【００６３】
これらの各実施形態に比べ、第４〜第６の各実施形態によるセパレータ１の反り量は若干大きくなるが、比較例1〜３に比べると格段に小さくなっている。
【００６４】
一方、発電性能は、０．５Ａ／ｃｍ2の電流を取り出したときの燃料電池の起電力で評価した。この発電特性については、燃料極側のセパレータ１の燃料ガス供給分岐流路１１の流路幅を燃料ガス排出分岐流路１７よりも太くした第１〜第６の各実施形態が優れている。また、この中では、各端面１１ａ，１７ａ，１８ａを凸曲面とした第２，第３，第５の各実施形態および、端面１８ａを凸曲面とした第６の実施形態が特に優れている。
【００６５】
第７，第８の各実施形態は、これら第１〜第６の各実施形態に比べ発電性能が若干劣るものの、比較例１〜３に比べると優れている。
【００６６】
また、このときの燃料電池スタック４５の反応エリア中央部の温度を計測したが、冷却水流路１８の流路幅を全体で均一とした第４〜第８の各実施形態が最も温度が低く冷却性能に優れている。これらの各実施形態に比べると、冷却水流路１８の流路幅が全体で異なる部位を有する第１〜第３の各実施形態は、若干温度が高く冷却性能が劣っているが、比較例１〜３に比べると、温度が低く冷却性能が優れている。
【００６７】
なお、第２，第３，第５，第６，第８の各実施形態における各端面１１ａ，１７ａ，１８ａの凸曲面の曲率半径は、０．８ｍｍ〜４．５ｍｍとすることが好ましく、特に２ｍｍ〜４ｍｍとすることが、より好ましい。そして、この場合、冷却水流路１８の反対側の面に形成されて固体電解質の電極面に接する凸部の端面１８ａを凸曲面とすることで、発電性能の向上に寄与することができる。
【００６８】
以上のように、本発明の各実施形態によれば、波形に形成した板材の両面に、ガス流路（供給用ガス流路３，排出用ガス流路５）および冷却水流路１８をそれぞれ形成し、これら各ガス流路３，５および冷却水流路１８のセパレータ１の面に対向する方向から見た平面視での各面積を、互いに同等としたので、ガス流路３，５および冷却水流路１８を凹凸で形成したセパレータ１の両面での張力が均等化し、セパレータ１の反りを低減することができる。
【００６９】
この結果、燃料電池として組立性が向上するとともに、組立後の燃料電池における電極（ＭＥＡ２７）とセパレータ１との面圧不均一を防止でき、トータルとしての接触抵抗低減、ガス配流のばらつきを低減でき発電特性を向上することが可能となる。
【００７０】
また、上記した各実施形態では、セパレータ１として、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板を、プレス成形により所定の形状とすることで、燃料電池の小型化に適した強度を有するセパレータ１を低コストで供給することが可能となる。
【００７１】
また、第１〜第６の各実施形態では、少なくとも燃料極側のセパレータ１では、燃料ガス供給分岐流路１１の流路幅を燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅より太くし、または燃料ガス供給分岐流路１１の流路断面積を燃料ガス排出分岐流路１７の流路断面積より大きくする構成としている。
【００７２】
ここで、燃料ガス（水素）は、電極触媒表面でプロトンとなり、このプロトンは電解質膜中を通り酸化剤ガス極側に移るため、大局的に見れば、燃料極側に供給したガスの量に比べ燃料極側から排出されるガスの量が減少する。このため、第１〜第６の各実施形態では、燃料ガス排出分岐流路１７の流路幅を、ガス量が減少する分燃料ガス供給分岐流路１１に比べて細くしており、この細くした分、セパレータ１の小型化を達成することが可能となる。
【００７３】
さらに、第４〜第６の各実施形態は、冷却水流路１８の流路幅寸法を、全体で均一にしているので、冷却性能を効果的に維持することができる。
【００７４】
また、図１４に示すように、本発明のセパレータ１を用いた発電効率のよい燃料電池スタック４５を、自動車４７の小さな空間に搭載して動力源として使用することで、燃料電池自動車として燃費・エネルギ効率向上に貢献でき、同時にスタイリングの自由度を向上できる。
【００７５】
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内でさまざまな変更が可能なことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】この発明の第１の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図２】この発明の第２の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図３】この発明の第３の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図４】この発明の第４の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図５】この発明の第５の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図６】この発明の第６の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図７】この発明の第７の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図８】この発明の第８の実施形態による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図９】比較例１による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図１０】比較例２による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図１１】比較例３による燃料電池用セパレータの断面形状を示した模式図である。
【図１２】各実施形態および各比較例による燃料電池用セパレータのガス流路形状を示す斜視図である。
【図１３】各実施形態および各比較例による燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図１４】（ａ）は各実施形態および各比較例による燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタックを搭載する自動車の側面図、（ｂ）は同平面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  燃料電池用セパレータ
３  供給用ガス流路（ガス流路）
５  排出用ガス流路（ガス流路）
７  燃料ガス供給孔（供給口）
１１  燃料ガス供給分岐流路（ガス流路）
１３  燃料ガス排出孔（排出口）
１７  燃料ガス排出分岐流路（ガス流路）
１８  冷却水流路
１８ａ  電極面に接する凸部の端面（凸曲面）
４５  燃料電池スタック
４７  自動車
【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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【図１３】
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【図１４】
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