(57)【要約】【課題】  燃料ガスおよび酸化剤ガスの良好な供給性能と電極反応によって発生した生成水の良好な排水性能とを両立した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とコレクタ１２とから構成される。本体１１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混流を防止する。コレクタ１２は、網目状かつ段形状の貫通孔を形成するストランド部（貫通孔形成部）の形成方向とストランド部を連結するボンド部（連結部）の形成方向との間の角度が略６０度とされたメタルラスＭＲから成形されている。これにより、コレクタ１２のピッチＰを小さくして板厚を大きくすることができる。このため、導入されたガスの圧力損失を低減して良好なガス供給性能を確保するとともに、貫通孔間で生じる毛細管現象によってＭＥＡ３０にて発生する生成水を良好に排水することができる。【選択図】  図３
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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、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、
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、
前記電極構造体と前記セパレータ本体との間に配置されて、同セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散して前記電極層に供給するとともに前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、網目状かつ段形状の貫通孔を形成する貫通孔形成部の形成方向と同貫通孔形成部を連結する連結部の形成方向との間の角度が９０度未満となるコレクタとから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】
請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記コレクタの貫通孔形成部の形成方向と連結部の形成方向との間の角度を略６０度以上としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記コレクタを、
前記貫通孔形成部に対応するストランド部と前記連結部に対応するボンド部とによって、網目状かつ段形状に形成された多数の小径の貫通孔を有するメタルラスから成形した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１に記載した燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法であって、
薄板素材を載置する側の断面形状が９０度未満の挟角となるくさび状に形成された固定型と、同固定型に対して前記薄板素材の送り方向に配置されて前記薄板素材の板厚方向にて移動するとともに前記薄板素材の板幅方向に移動し、前記固定型における前記薄板素材を載置する側の断面形状に合わせて前記薄板素材と接触する側の断面形状が９０度未満の挟角となるくさび状に形成されて前記薄板素材をせん断することにより貫通孔を形成するせん断型とを有する成形装置を用い、
前記薄板素材を所定の加工長さ分だけ送り、同薄板素材の板幅方向における一方向に前記せん断型を移動させ、同せん断型を前記薄板素材の板厚方向にて移動させて貫通孔を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後、前記薄板素材を所定の加工長さ分だけ送り、前記薄板素材の板幅方向における他方向に前記せん断型を移動させ、同せん断型を前記薄板素材の板厚方向にて移動させて貫通孔を形成する第２の工程とを備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法。
【請求項５】
請求項４に記載した燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法において、
前記第１の工程と前記第２の工程を順次繰り返し実行することを特徴とする燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法。
【請求項６】
請求項４に記載した燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法において、
前記せん断型は、所定の間隔によって形成された複数のせん断刃を有することを特徴とする燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法。
【請求項７】
請求項６に記載した燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形方法において、
前記せん断刃は、
前記薄板素材の送り方向に対して垂直な断面形状が台形形状または三角形状であることを特徴とする燃料電池セパレータを構成するコレクタの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用される燃料電池用セパレータおよび同セパレータを構成するコレクタの成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般的に、電解質膜の一面側に形成されたアノード電極層と、他面側に形成されたカソード電極層とからなる電極構造体を備えている。そして、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、それぞれ、燃料ガス（例えば、水素ガスなど）と酸化剤ガス（例えば、空気など）が外部から供給されることにより、電極構造体にて電極反応が生じて発電される。このため、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極構造体に対して、電極反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することが重要である。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに分離して供給するためのセパレータが設けられる。そして、従来から、セパレータによる燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給効率を向上させることにより、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることが行われている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防ぐセパレータ本体と、多数の貫通孔が網目状かつ階段状に形成されたラスメタル（メタルラス）から成形されて、燃料ガスまたは酸化剤ガスを電極層に供給するガス流路を形成するとともに発電された電気を集電するコレクタとから構成される燃料電池用セパレータが示されている。このように構成された燃料電池用セパレータを採用した燃料電池においては、セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスがコレクタに形成された網目状の貫通孔を通過することによって十分に拡散するため、良好なガス供給効率を確保することができる。したがって、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００７−８７７６８号公報
【発明の開示】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に示されたコレクタにおいては、一般的な製造方法に基づいて製造されるメタルラスを用いているため、通常、その板厚は小さくなる。その結果、電極層に対して燃料ガスや酸化剤ガスを導通させる際の抵抗すなわち圧力損失が大きくなる可能性がある。これにより、それぞれの電極層に対して十分に燃料ガスや酸化剤ガスを供給できない可能性があるため、改善する余地がある。この点に関し、コレクタすなわちメタルラスの板厚を大きくするために、例えば、素材（例えば、金属薄板）に対して千鳥配置にせん断加工する際の加工長さを大きくすることが考えられる。しかし、加工長さを大きくした場合には、素材の変形抵抗力が小さいために適性な板厚のメタルラスを製造することが難しくなる。そして、メタルラスの板厚が不適正である場合には、例えば、形成される貫通孔の形状が不均一となる可能性があり、さらに圧力損失が大きくなる可能性もある。
【０００６】
また、固体高分子型燃料電池においては、電極構造体にて燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いた電極反応が進行すると、電解質膜のイオン交換特性に応じてアノード電極層またはカソード電極層で水が生成する。そして、この生成した水（生成水）は、例えば、アノード電極層またはカソード電極層の表面を覆ったり、コレクタに形成された貫通孔に付着することにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの良好な供給が損なわれる可能性がある。したがって、電極反応が進行するほど、燃料電池における発電効率が低下する可能性がある。また、固体高分子型燃料電池が、例えば、低温雰囲気となる環境下に設置された場合には、内部に残存した生成水が氷結することによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが十分に供給されず、その結果、燃料電池の低温始動性が悪化する可能性もある。このため、電極反応による生成水は、効率よく外部に排出されることが必要である。
【０００７】
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、燃料ガスおよび酸化剤ガスの良好な供給性能と電極反応によって発生した生成水の良好な排水性能とを両立した燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００８】
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、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、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、前記電極構造体と前記セパレータ本体との間に配置されて、同セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散して前記電極層に供給するとともに前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、網目状かつ段形状の貫通孔を形成する貫通孔形成部の形成方向と同貫通孔形成部を連結する連結部の形成方向との間の角度が９０度未満となるコレクタとから構成したことにある。
【０００９】
この場合、前記コレクタの貫通孔形成部の形成方向と連結部の形成方向との間の角度を、例えば、略６０度以上とするとよい。また、前記コレクタを、前記貫通孔形成部に対応するストランド部と前記連結部に対応するボンド部とによって、網目状かつ段形状に形成された多数の小径の貫通孔を有するメタルラスから成形するとよい。
【００１０】
そして、この燃料電池用セパレータを構成するコレクタの成形に当たっては、薄板素材を載置する側の断面形状が９０度未満の挟角となるくさび状に形成された固定型と、同固定型に対して前記薄板素材の送り方向に配置されて前記薄板素材の板厚方向にて移動するとともに前記薄板素材の板幅方向に移動し、前記固定型における前記薄板素材を載置する側の断面形状に合わせて前記薄板素材と接触する側の断面形状が９０度未満の挟角となるくさび状に形成されて前記薄板素材をせん断することにより貫通孔を形成するせん断型とを有する成形装置を用い、前記薄板素材を所定の加工長さ分だけ送り、同薄板素材の板幅方向における一方向に前記せん断型を移動させ、同せん断型を前記薄板素材の板厚方向にて移動させて貫通孔を形成する第１の工程と、前記第１の工程後、前記薄板素材を所定の加工長さ分だけ送り、前記薄板素材の板幅方向における他方向に前記せん断型を移動させ、同せん断型を前記薄板素材の板厚方向にて移動させて貫通孔を形成する第２の工程とを備えた成形方法によって成形されるとよい。
【００１１】
この成形方法においては、例えば、前記第１の工程と前記第２の工程を順次繰り返し実行するとよい。また、前記せん断型は、所定の間隔によって形成された複数のせん断刃を有するとよく、この場合、前記せん断刃は、例えば、前記薄板素材の送り方向に対して垂直な断面形状が台形形状または三角形状であるとよい。
【００１２】
これらによれば、燃料電池用セパレータを構成するコレクタは、例えば、メタルラスから成形されて、網目状かつ段形状に形成された多数の小径の貫通孔を有することができる。このため、コレクタは、セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを、形成された多数の貫通孔を通過させることによって、良好に拡散して電極層に供給することができる。また、コレクタにおいては、貫通孔形成部（ストランド部）の形成方向と連結部（ボンド部）の形成方向との間の角度が９０度未満、より具体的には、略６０度以上９０度未満することができる。これにより、電極構造体とセパレータ本体との間にコレクタを配置した場合には、電極構造体（より詳しくは電極層）またはセパレータ本体に対する貫通孔の開口面の角度を大きく、すなわち、目が立った状態にすることができる。
【００１３】
このため、例えば、従来と同様の孔径の貫通孔を形成した場合であっても、目が立った分だけコレクタの板厚を大きくすることができる。言い換えれば、上述した加工不良が生じることのない良好な加工条件下で貫通孔を成形することにより、コレクタの板厚を大きくすることができる。これにより、ガスを導通させる際の圧力損失を低減することができ、電極構造体における電極反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス供給性能を十分に確保することができる。したがって、燃料電池の発電効率を大幅に向上させることができる。
【００１４】
また、貫通孔形成部の形成方向と連結部の形成方向との間の角度が９０度未満（より具体的には略６０度）とすることにより、コレクタにおける連結部間の距離を小さくすることができる。言い換えれば、形成される貫通孔が互いに近接した状態とすることができる。このように、貫通孔が互いに近接した状態では、電極反応によって生成された生成水がコレクタ近傍に到達すると、貫通孔で生じる毛細管現象の作用により生成水が流動しやすくなる。また、燃料ガスまたは酸化剤ガスが導通している状況すなわち燃料電池が作動している状況では、この毛細管現象の作用に加えて、ガスが導通するための圧力が生成水に作用する。このため、生成水を一部の未反応ガスとともに燃料電池外に効率よく排水することができる。これにより、電極反応の進行により生成水が発生する状況であっても、発生した生成水を良好に排水することができるため、良好なガス供給性能を維持することができて燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。
【００１５】
さらに、コレクタにおける連結部間の距離を小さくすることができるため、電極構造体（より詳しくは電極層）またはセパレータ本体１１とコレクタの連結部との接触を密にすることができる。これにより、コレクタは、電極反応によって発電された電気を効率よく集電するとともに外部に出力することができる。また、特に、電極構造体とコレクタの連結部との接触が密となることにより、薄い高分子膜を基材とする電極構造体の撓みを大幅に低減することもできる。これにより、撓みに起因して電極構造体に加わる機械的な負荷を大幅に低減することができ、同機械的な負荷による電極構造体の劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一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の燃料電池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−電極接合体）とからなる単セルが複数積層されて形成される。
【００１７】
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空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタックの外部から導入されると、ＭＥＡ３０にて電極反応が起こることによって発電される。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。
【００１８】
セパレータ１０は、図１に示すように、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に対して一様に拡散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コレクタ１２とから構成される。
【００１９】
セパレータ本体１１は、素材として金属製の薄板（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、セパレータ本体１１を形成する素材としては、他に、例えば、金めっきなどの防食処理を施した鋼板などを採用することができる。また、セパレータ本体１１を金属製の薄板から形成することに代えて、導電性を有する非金属材料（例えば、カーボンなど）を素材にして形成することも可能である。
【００２０】
そして、セパレータ本体１１は、図２に示すように、略正方形の平板状に形成されており、その周縁部分には、ガス導入口１１ａと、同ガス導入口１１ａに対向するガス導出口１１ｂとからなる対が２対形成されている。なお、各対は、互いに略直交するように形成されている。
【００２１】
ガス導入口１１ａは、略長楕円状の貫通孔として形成されていて、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対して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として形成されていて、単セル内に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。
【００２２】
コレクタ１２は、図３（ａ）に示すように、多数の小径の貫通孔が網目状にかつ段形状に形成された金属製の薄板（以下、この金属製の薄板をメタルラスＭＲという）から成形される。ここで、メタルラスＭＲは、例えば、板厚が０．１ｍｍ程度の薄板素材（例えば、ステンレスなど）から形成されるものであり、多数形成される貫通孔の孔径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされている。また、メタルラスＭＲは、図３（ｂ）にて図３（ａ）における左右方向の側面視を示すように、網目状の貫通孔を形成している部分（以下、この部分をストランド部という）が順次重なるように連結されている（以下、この連結部分をボンド部という）。ここで、メタルラスＭＲのストランド部はコレクタ１２の貫通孔形成部に対応し、メタルラスＭＲのボンド部はコレクタ１２の連結部に対応する。以下、このメタルラスＭＲを成形するラス加工について説明する。
【００２３】
メタルラスＭＲは、例えば、図４（ａ）に概略的に示すメタルラス成形装置Ｒを利用して、ステンレス板Ｓに多数の網目状の貫通孔が段形状に成形されることによって製造される。メタルラス成形装置Ｒは、ステンレス板Ｓを順次送り供給するための送りローラＯＲと、加工時にステンレス板Ｓを適切に固定するための押え機構ＯＫと、ステンレス板Ｓに順次せん断加工して網目状の貫通孔を成形する刃型Ｈとを備えている。なお、ステンレス板Ｓは、所定の長さに予め切断された板材であってもよいし、コイル状に巻き取られたコイル材であってもよい。
【００２４】
刃型Ｈは、図示省略のベースに固定されてステンレス板Ｓを載置する固定型としての下刃ＳＨと、ステンレス板Ｓの板厚方向（図４（ａ）にて紙面上下方向）およびステンレス板Ｓの板幅方向（図４（ａ）にて紙面垂直方向）に移動可能なせん断型としての上刃ＵＨとから構成される。下刃ＳＨは、図４（ａ）に示すように、ステンレス板Ｓと接触する先端側の断面形状が、例えば、略６０度の挟角となるくさび状に形成されている。また、下刃ＳＨの刃形状は、図４（ｂ）に示すように、ステンレス板Ｓと接触する側の端部形状が直線状に形成されている。そして、下刃ＳＨは、その斜面と押え機構ＯＫとの間でステンレス板Ｓを挟持して固定するようになっている。
【００２５】
上刃ＵＨは、図４（ａ）に示すように、ステンレス板Ｓと接触する先端側の断面形状が、下刃ＳＨの先端側の断面形状に合わせて、例えば、略６０度の挟角となるくさび状に形成されている。また、上刃ＵＨの刃形状は、図４（ｂ）に示すように、ステンレス板Ｓに対してせん断加工により切れ目を形成するとともに引き伸ばし加工により貫通孔を形成するために、所定の間隔にによって形成された複数の略台形状となっている。そして、上刃ＵＨは、図示しないＡＣサーボ機構によってステンレス板Ｓの板厚方向および板幅方向に移動可能とされている。
【００２６】
このように構成されたメタルラス加工装置Ｒにおいては、まず、送りローラＯＲがステンレス板Ｓを所定の加工長さだけ刃型Ｈに送り、押え機構ＯＫが下刃ＳＨの斜面とともにステンレス板Ｓを挟持して固定する。そして、刃型Ｈの上刃ＵＨは、送りローラＯＲによってステンレス板Ｓが供給されると、下刃ＳＨ方向すなわちステンレス板Ｓの板厚方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその略台形状の部分によってステンレス板Ｓをせん断して切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは、最下点位置まで降下して同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを曲げ伸ばしてストランド部を形成し、最下点位置から上方の原位置まで復帰する。これにより、ステンレス板Ｓには、上刃ＵＨの形状が転写されたストランド部が形成される。
【００２７】
続いて、送りローラＯＲが再び所定の加工長さだけステンレス板Ｓを刃型Ｈに送る。このとき、上刃ＵＨは、左右方向にて半ピッチだけ、より詳しくは、上刃ＵＨの刃長ＷＨ分だけ移動（オフセット）する。そして、上述したように、上刃ＵＨが再び降下する。これにより、ステンレス板Ｓに対して、前回の降下によって形成したストランド部から左方向または右方向に半ピッチだけオフセットした位置に切れ目加工および曲げ伸ばし加工が施され、上刃ＵＨの形状が転写された新たなストランド部が形成される。したがって、ステンレス板Ｓには、図３（ａ）に示したように、ストランド部によって略六角形状の貫通孔が形成される。
【００２８】
そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状の貫通孔が千鳥配置に形成されたメタルラスＭＲが連続的に成形される。ここで、上刃ＵＨの刃が複数の略台形状に形成されていることによって、上刃ＵＨの降下に伴ってステンレス板Ｓに切れ目が加工されない部分を設けることができる。この切れ目が加工されない部分がメタルラスＭＲのボンド部となることにより、ストランド部が順次重なるように連結される。そして、メタルラスＭＲを所定の寸法に切断することにより、コレクタ１２が形成される。
【００２９】
ところで、上述したように、下刃ＳＨと上刃ＵＨのステンレス板Ｓと接触する先端側の断面形状は、ともに略６０度の挟角を有するくさび形状に形成される。そして、メタルラスＭＲは、このくさび形状を有する下刃ＳＨと上刃ＵＨとによって成形される。これにより、メタルラス成形装置Ｒによって成形されるメタルラスＭＲにおいては、図３（ｂ）に示したように、同時に形成された（すなわち同一列に存在する）ボンド部の形成方向とこのボンド部にそれぞれ接続して貫通孔を形成するストランド部の形成方向との間の角度が９０度未満、より具体的には略６０度となる。
【００３０】
すなわち、一般的な製造方法を用いて製造される従来のメタルラスＳＭＲは、図５（ａ），（ｂ）に概略的に示すように、ステンレス板Ｓを接触する先端側の断面形状がくさび形状ではなく平面状とされた下刃ＳＨ’と上刃ＵＨ’を採用したメタルラス成形装置Ｒ’が用いられる。そして、下刃ＳＨ’と上刃ＵＨ’を用いたメタルラス成形装置Ｒ’は、上述したメタルラスＭＲの製造と同様に、ステンレス板Ｓに対して多数の網目状の貫通孔を千鳥配置に形成してメタルラスＳＭＲを製造する。このように、下刃ＳＨ’と上刃ＵＨ’を用いた従来のメタルラス成形装置Ｒ’においては、下刃ＳＨ’が押え機構ＯＫとともにステンレス板Ｓを水平方向に挟持しており、また、上刃ＵＨ’がステンレス板Ｓの板厚方向すなわち鉛直方向に上下動する。このため、製造されるメタルラスＳＭＲは、図６に示すように、ボンド部の形成方向とストランド部の形成方向との間の角度が略９０度となる。
【００３１】
これに対し、メタルラスＭＲにおいては、下刃ＳＨがステンレス板Ｓを水平方向に対して略６０度上方となるように押え機構ＯＫとともに挟持した状態で、上刃ＵＨが鉛直方向に上下動するため、図３（ｂ）に示すように、ボンド部の形成方向とストランド部の形成方向との間の角度が略６０度となる。すなわち、メタルラスＭＲとメタルラスＳＭＲとをともに水平面上に載置した場合、図７に示すように、メタルラスＭＲのストランド部を含む面と水平面との間の角度は、メタルラスＳＭＲのストランド部を含む面と水平面との間の角度に比して大きくなる。言い換えれば、メタルラスＭＲに形成される網目状の貫通孔は、従来のメタルラスＳＭＲに形成される網目状の貫通孔に比して、所謂、目が立っている状態となる。
【００３２】
このように、メタルラスＭＲにおいては、形成されたストランド部と水平面との間の角度を大きく確保することができるため、十分な成形板厚を確保することができる。すなわち、後述するように、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通性を良好に確保するためには、セパレータ本体１１とＭＥＡ３０との間の隙間を大きくすることが必要である。この場合、メタルラスＭＲから成形したコレクタ１２においては、その板厚を大きくできるため、前記隙間をより大きく確保することができる。
【００３３】
これに対し、従来のメタルラスＳＭＲでは、送りローラＯＲによって送られるステンレス板Ｓの加工長さを大きくしてメタルラスＳＭＲの成形板厚を大きくする必要がある。しかしながら、成形板厚を確保するために送りローラＯＲによって送られるステンレス板Ｓの加工長さを大きくすると、薄いステンレス板Ｓの変形抵抗が小さいため、ストランド部の形成が難しくなる。
【００３４】
また、メタルラスＭＲでは、図７に示すように、各ボンド部間の距離すなわちピッチＰを小さくすることができる。このため、メタルラスＭＲからコレクタ１２を製造し、後述するように、コレクタ１２とＭＥＡ３０とを接触させて組み付けると、コレクタ１２の連結部とＭＥＡ３０との接触間隔を短く（密に）することができ、組み付け状態にあるＭＥＡ３０の撓み（波打ち）を極めて小さくすることができる。したがって、ＭＥＡ３０に掛かる機械的な負荷を極めて小さくすることができて、ＭＥＡ３０の耐久性を十分に確保することができる。
【００３５】
これに対し、従来のメタルラスＳＭＲでは、図７に示すように、各ボンド部間の距離すなわちピッチＰ’が大きくなる。特に、成形板厚を大きくするために加工長さを大きくした場合には、ピッチＰ’はより大きくなる。このため、例えば、メタルラスＳＭＲからコレクタを製造した場合には、コレクタ１２の連結部とＭＥＡ３０との接触間隔が長くなる。その結果、組み付け状態にあるＭＥＡ３０が撓む（波打つ）ことにより機械的な負荷が掛かり耐久性を損なう可能性がある。
【００３６】
フレーム２０は、図８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１０（より詳しくは、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、コレクタ１２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、ガラスエポキシ樹脂を採用するとよい。
【００３７】
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に接合されたコレクタ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または樹脂板本体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。
【００３８】
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（または収容孔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、ガス導通空間内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。
【００３９】
電極構造体としてのＭＥＡ３０は、図１および図８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内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内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、広く知られているとともに本発明に直接関係しないため、以下の記載においてその詳細な説明を省略する。
【００４０】
電解質膜ＥＦは、カチオン（より具体的には、水素イオン（Ｈ＋））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）など）、あるいは、アニオン（より具体的には、水酸化物イオン（ＯＨ−））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、トクヤマ社製ネオセプタ（登録商標）など）から形成される。そして、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（所謂、クロスリーク）を防止することができる。
【００４１】
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、貴金属触媒（例えば、白金（Ｐｔ）など）を担持したカーボン（担持カーボン）や水素吸蔵合金などを主成分とするものであり、電解質膜ＥＦの表面に対して層状に形成される。そして、層状に形成されるアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥ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僅かに小さい外形寸法とされている。
【００４２】
また、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、それぞれの表面側が導電性を有した繊維から形成されたカーボンクロスＣＣで覆われて構成される。このカーボンクロスＣＣは、ガス導通空間内に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極層に対して均一に供給するものであるとともに、電極反応によって発電された電気をコレクタ１２に効率よく供給するものである。すなわち、カーボンクロスＣＣは繊維状であるため、この繊維間を導通することによって、供給されたガスはより一様に拡散される。また、カーボンクロスＣＣは導電性を有しているため、発電された電気を効率よくコレクタ１２に流すことができる。なお、必要に応じて、カーボンクロスＣＣを省略して実施することも可能である。
【００４３】
そして、単セルは、セパレータ本体１１、コレクタ１２、フレーム２０およびＭＥＡ３０を順次積層することによって形成される。具体的に説明すると、図７に示したように、互いに同一平面内にて略９０度回転されて配置される上下２枚のフレーム２０間にＭＥＡ３０を配置し、例えば、接着剤などを塗布することによって各フレーム２０間にてＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦを挟持した状態で一体的に固着する。
【００４４】
この一体的に固着したフレーム２０およびＭＥＡ３０に対して、各フレーム２０の収容穴２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容する。このとき、コレクタ１２は、収容されるフレーム２０に形成された一対の貫通孔２１ａ，２１ｂ（貫通孔２２ａ，２２ｂ）の配置方向すなわち導入されたガスの導通方向と、コレクタ１２（メタルラスＭＲ）における網目状の貫通孔の開口方向とが一致するように、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容される。
【００４５】
そして、例えば、接着剤などを塗布することにより、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容した状態でセパレータ本体１１をフレーム２０に対して一体的に固着する。このとき、樹脂板本体２１，２２の板厚がコレクタ１２の成形高さよりも僅かに小さい寸法であるため、コレクタ１２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組み付けられる。これにより、コレクタ１２とＭＥＡ３０（より詳しくは、カーボンクロスＣＣ）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、要求出力に応じて複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。
【００４６】
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セパレータ本体１１のガス導入口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。このため、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という。
【００４７】
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、コレクタ１２によって、ガス導通空間内を均一に拡散されて流通する。
【００４８】
すなわち、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入されたガスは、ガス導通空間内に配置されたコレクタ１２に接触しながらガス排出インナーマニホールドに向けて流れる。ここで、コレクタ１２は、上述したように、多数の略六角形の貫通孔が網目状かつ段形状に形成されたメタルラスＭＲから成形されている。さらに詳しくは、ガスの流れる方向に対して、コレクタ１２の多数の貫通孔は千鳥配置に形成されている。
【００４９】
このため、ガス導通空間内におけるガスの流れは、コレクタ１２すなわちメタルラスＭＲに形成された千鳥配置の貫通孔を通過することによって乱流となる。これにより、ガス供給インナーマニホールドから導入されたガスは、ガス導通空間内において均一に拡散した状態、言い換えれば、ガス濃度勾配が均一化される。このように、ガス導通空間内のガス濃度勾配が均一化され、さらに、ガスがカーボンクロスＣＣを通過することにより、アノード電極層ＡＥとカソード電極層ＣＥに対して、燃料ガスまたは酸化剤ガスが均一に供給される。
【００５０】
さらに、コレクタ１２は、上述したように、成形板厚を大きくしたメタルラスＭＲから成形されている。これにより、コレクタ１２は、上述した極めて優れたガス拡散性を確保できるとともに、ガス導通空間内を導通する際のガスの流通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均一に成形された多数の小径の貫通孔を通過する際に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。
【００５１】
このように、ガスが均一に拡散され、また、ガス導通空間内をスムーズに導通することにより、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することができる。その結果、燃料電池における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。
【００５２】
一方で、燃料電池の発電効率が向上すると、効率よく発電された電気はコレクタ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、コレクタ１２に多数の小径の貫通孔が形成されていることに加えて連結部間の距離すなわちピッチＰが小さいことにより、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に抵抗（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ることができる。
【００５３】
ところで、固体高分子型燃料電池を構成するＭＥＡ３０においては、周知の通り、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電極反応によって、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥにて水が生成する。具体的に説明すると、例えば、ＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦがカチオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式１，２に従い、カソード電極層ＣＥにおいて水が生成する。
アノード電極層：H2→2H++2e−  …化学反応式１
カソード電極層：2H++2e−+(1/2)O2→H2O  …化学反応式２
【００５４】
また、例えば、ＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦがアニオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式３，４に従い、アノード電極層ＡＥにおいて水が生成する。
アノード電極層：H2+2OH−→2H2O+2e−  …化学反応式３
カソード電極層：(1/2)O2+H2O+2e−→2OH−  …化学反応式４
【００５５】
そして、このように、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥにおいて生成水が多量に発生すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給が阻害される状態、すなわち、フラッディング状態が生じる場合がある。このフラッディング状態が発生した状況では、生成水は、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの表面を覆うとともに、カーボンクロスＣＣを通過してコレクタ１２に到達する。
【００５６】
ここで、コレクタ１２は、連結部の形成方向と貫通孔を形成する貫通孔形成部の形成方向との間の角度が９０度未満、言い換えれば、ピッチＰが小さく目が立ってため、例えば、メタルラスＳＭＲから成形する場合に比して、順次形成された貫通孔同士がガスの導通方向にてより接近した状態となる。このように、互いに接近した小径の貫通孔の近傍に生成水が到達すると、貫通孔内を通過するガスの圧力の作用および毛細管現象の作用により、コレクタ１２に到達した生成水は外部に良好に排水される。
【００５７】
すなわち、メタルラスＭＲから成形したコレクタ１２においては、ピッチＰが小さいため、形成された貫通孔の開口面がより多くＭＥＡ３０（より詳しくはカーボンクロスＣＣ）に接触する。これにより、コレクタ１２まで到達した生成水は、その表面張力によって毛細管現象により貫通孔内部方向に流動するようになる。そして、この生成水の流動に加えて、ガス導通空間内を導通するガスの圧力が作用することにより、コレクタ１２まで到達した生成水は一部の未反応ガスの流れに乗って燃料電池スタック外に排水される。
【００５８】
そして、このように、コレクタ１２に到達した生成水が外部に排水されることによって、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの近傍に存在する生成水のうち、例えば、電解質膜ＥＦを保水する以外の余剰水がカーボンクロスＣＣを介して連続的にコレクタ１２近傍に到達し、この到達した生成水（余剰水）が排水される。このような、生成水の排水は、燃料電池の作動状態時、言い換えれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限りにおいて、連続的に行われる。
【００５９】
したがって、燃料電池が作動している間は、コレクタ１２に生じる毛細管現象に加えて燃料ガスまたは酸化剤ガスが導通するために、コレクタ１２に生成水が溜まることがなく、また、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに余分な生成水が溜まることがないため、フラッディング状態の発生を良好に防止することができる。また、燃料電池の作動中において生成水が燃料電池スタック外に連続的に排水されるため、燃料電池の作動を停止した後における単セル、より詳しくは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥやコレクタ１２の内部に残留する生成水の量を極めて少なくすることができる。これにより、例えば、燃料電池が低温（０℃以下）となる環境下に設置された場合であっても、生成水が氷結してガスの供給量が低下することを防止することができ、低温環境下における燃料電池の良好な始動性を確保することもできる。
【００６０】
以上の説明からも理解できるように、本実施形態によれば、コレクタ１２は、網目状かつ段形状に形成された多数の小径の貫通孔を有するメタルラスＭＲから成形することができるため、セパレータ本体１１によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを良好に拡散してアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに供給することができる。ここで、メタルラスＭＲは、ストランド部の形成方向とボンド部の形成方向との間の角度が略６０度となるように製造される。これにより、ＭＥＡ３０とセパレータ本体１１との間にコレクタ１２を配置した場合には、ＭＥＡ３０またはセパレータ本体１１に対する貫通孔の開口面の角度を大きく（所謂、目が立った状態に）することができる。
【００６１】
このため、例えば、メタルラスＭＲの貫通孔径をメタルラスＳＭＲの貫通孔径と同じとした場合には、コレクタ１２の板厚を大きくすることができる。言い換えれば、従来から製造されてきたメタルラスＳＭＲと同じ加工長さで同じ貫通孔径を形成した場合であっても、メタルラスＭＲからコレクタ１２を成形することによって板厚を大きくすることができる。これにより、ガスを導通させる際の圧力損失を低減することができ、ＭＥＡ３０における電極反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス供給性能を十分に確保することができる。したがって、燃料電池の発電効率を大幅に向上させることができる。
【００６２】
また、メタルラスＭＲからコレクタ１２を成形することにより、コレクタ１２におけるボンド部間の距離すなわちピッチＰを小さくすることができる。言い換えれば、コレクタ１２の貫通孔が互いに近接した状態とすることができる。このように、貫通孔が互いに近接した状態では、電極反応によって生成された生成水がコレクタ１２近傍に到達すると、貫通孔で生じる毛細管現象の作用により生成水が流動しやすくなる。さらに、この毛細管現象の作用に加えて、燃料ガスまたは酸化剤ガスが導通している状況では、これらガスが導通するための圧力が生成水に作用するため、生成水を一部の未反応ガスとともに燃料電池スタック外に効率よく排水することができる。これにより、電極反応の進行により生成水が発生する状況であっても、発生した生成水を良好に排水することができるため、フラッディングの発生を防止して良好なガス供給性能を維持することができる。したがって、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。
【００６３】
さらに、コレクタ１２におけるピッチＰを小さくすることができるため、ＭＥＡ３０（より詳しくはアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥ、さらに詳しくはカーボンクロスＣＣ）またはセパレータ本体１１とコレクタ１２のボンド部との接触を密にすることができる。これにより、コレクタ１２は、電極反応によって発電された電気を効率よく集電するとともに外部に出力することができる。
【００６４】
また、特に、ＭＥＡ３０とコレクタ１２との接触を密にすることにより、薄い電解質膜ＥＦを基材とするＭＥＡ３０の撓みを大幅に低減することもできる。これにより、ＭＥＡ３０に加わる機械的な負荷を大幅に低減することができ、同機械的な負荷によるＭＥＡ３０の劣化を防止することができる。
【００６５】
本発明の実施に当たっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。
【００６６】
例えば、上記実施形態においては、コレクタ１２（メタルラスＭＲ）に形成される貫通孔の形状を略六角形として実施した。しかし、コレクタ１２（メタルラスＭＲ）に形成される貫通孔の形状に関しては、燃料ガスまたは酸化剤ガスが通過可能な形状であれば、いかなる形状であってもよく、例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、四角形（菱形）や五角形などの多角形の開口形状を有する貫通孔を形成して実施することも可能である。なお、この場合、特に、四角形（菱形）の開口形状を有する貫通孔を形成するときには、せん断型としての上刃ＵＨは、所定の間隔によって形成された複数の略三角形状の刃形状を有するとよい。
【００６７】
また、上記実施形態においては、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容したのち、セパレータ本体１１を樹脂板本体２１，２２に組み付けて単セルを形成するように実施した。しかし、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを予め金属的に一体的に接合した後、コレクタ１２をフレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容するとともにセパレータ本体１１を樹脂板本体２１，２２に組み付けて単セルを形成するように実施することも可能である。この場合、セパレータ本体１１とコレクタ１２とは、例えば、ロー付けや溶接、拡散接合などの周知の工法を利用して一体的に接合するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態に係り、本発明の燃料電池用セパレータを採用して構成した燃料電池スタックの一部を示す概略図である。
【図２】図１のセパレータを構成するセパレータ本体を示した概略的な斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図１のコレクタ（メタルラス）を説明するための概略図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、メタルラスを製造するためのメタルラス成形装置の構成を説明するための概略図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、従来のメタルラスを製造するためのメタルラス成形装置の構成を説明するための概略図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、図５にメタルラス成形装置によって製造される比較例としてのメタルラスを説明するための概略図である。
【図７】図３に示したメタルラスと図６に示したメタルラスのピッチ差を説明するための図である。
【図８】図１に示したフレームおよびＭＥＡの組み付け状態を説明するための概略的な分解斜視図である。
【図９】コレクタ（メタルラス）の貫通孔の変形例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…セパレータ、１１…セパレータ本体、１２…コレクタ、２０…フレーム、３０…ＭＥＡ、ＭＲ…メタルラス
【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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