(57)【要約】【課題】マニホールド孔の周辺部でのシール性を高めることができるコンパクトな燃料電池用金属製セパレータを提供する。【解決手段】  燃料電池用金属製セパレータは、燃料電池作動用の流体を流す複数の流路溝６と、複数の流路溝６の上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、金属製の燃料電池用のセパレータ２を貫通して形成されたマニホールド孔７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂと、複数の流路溝６の出入口とマニホールド孔７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂとの間を接続して流体を流す連通溝１０と、マニホールド孔７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの近傍に連通溝１０を横断させて設けられ、連通溝１０を区画形成するセパレータ２のセパレータ面２ａ上に貫通孔１４を形成する金属製の流体流通構造部１５と、流体流通構造部１５に形成された、連通溝１０の開口を遮蔽する部材の面に接触してシールする平滑なシール面１２ａとを備える。【選択図】  図５
2009259780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池作動用の流体を流す複数の流路溝と、
前記複数の流路溝の上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、金属製の燃料電池用のセパレータを貫通して形成されたマニホールド孔と、
前記複数の流路溝の出入口と前記マニホールド孔との間を接続して前記流体を流す連通溝と、
前記マニホールド孔の近傍に前記連通溝を横断させて設けられ、前記連通溝を区画形成する前記セパレータのセパレータ面上に貫通孔を形成する金属製の流体流通構造部と、
前記流体流通構造部に形成された、前記連通溝の開口を遮蔽する部材の面に接触してシールする平滑なシール面と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項２】
前記流体流通構造部は、前記連通溝を区画形成する前記セパレータ面に平行に、且つ前記セパレータ面から離間させて設けられ、前記平滑なシール面を形成する平板状のシール部材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項３】
前記貫通孔の部分に、前記流体流通構造部を補強する補強部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項４】
前記補強部材が、断面アーチ状の部材であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項５】
前記補強部材は、その長手方向が前記連通溝に沿って設けられ、且つ前記連通溝の横断方向に所定の間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項６】
前記流体流通構造部は、前記セパレータとは別に形成され、前記連通溝に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項７】
前記流体流通構造部は、前記セパレータの一部に折り曲げを含む加工によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項８】
前記流路溝は、横断面が台形状の波形構造であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項９】
前記連通溝は、前記マニホールド孔側から前記複数の流路溝の出入口側へと溝幅が次第に広くなっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【請求項１０】
前記連通溝の両側面は、前記セパレータのセパレータ面上に取り付けられたガスケットにより形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池用金属製セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属製セパレータに関するものであり、特に、マニホールド孔の周辺部でのシール性を改善した燃料電池用金属製セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用のセパレータとしては、黒鉛系セパレータ（厚さ２ｍｍ以上）に比べて、薄く、強靭な金属製セパレータの開発が進められている。金属製セパレータは、通常、厚さ０.１〜０.２ｍｍの金属板が用いられる。固体高分子型の燃料電池では、セパレータと、燃料電池の発電層（発電部、単セル）である膜／電極接合体（Membrane Electrode Assembly, ＭＥＡ）とが交互に積層されることにより、スタック（セルスタック）が形成され
る。
金属製セパレータは、黒鉛系セパレータと比較すると、セパレータの積層方向の厚みが薄いので、スタックのコンパクト化に貢献できる利点がある。また、金属製セパレータは、黒鉛系セパレータと比較すると、厚みが薄くても強靭性、延性があって、実用上に十分な強度があること、金属はガスを透過させることがなく、ガスを確実に遮断できること、という特長がある。
【０００３】
しかし、燃料電池の積層方向のコンパクト化を図る場合に、金属製セパレータは薄く弾力性があるため、マニホールド孔（セパレータを貫通した貫通孔であって、積層方向の各セルにガスを給排するために、積層燃料電池に共通したガス連通路を形成する孔）からＭＥＡへのガス流路形成が難しく、このガス流路形成部分のガスシールが不確実となり、ガスリークや燃料電池の発電特性の不安定化を招く可能性があった。
【０００４】
すなわち、金属製セパレータと燃料電池の発電層との間は、通常、ゴム等の軟質シール部材を設けることでシールしているが、ゴム等の軟質部材は寸法精度が悪く、また強度も低いので、マニホールド孔の周辺のシール部の強度が不十分となって、シール不足が生じ、シール不足によってガスリークが発生するおそれがある。
【０００５】
この種のセパレータのシールに関する先行技術として、例えば、特許文献１〜４が知られている。
【０００６】
図９（ａ）、（ｂ）は、特許文献１に開示された黒鉛系のセパレータを示す。図９（ａ）はセパレータの平面図、図９（ｂ）は、セパレータを用いて積層した燃料電池のマニホールド孔周辺の要部拡大断面図である。図９に示すように、マニホールド孔１０１から単電池（ＭＥＡ）１０２へのガス流路構造において、セパレータ１００の流体流路１０３とマニホールド孔１０１との連通部が、セパレータ１００の流体流路１０３が形成された面からセパレータ１００の他方の面に貫通する貫通孔１０８と、貫通孔１０８とマニホールド孔１０１とを連通する溝１０７とによって連通接続されている。また、マニホールド孔１０１の周辺における、セパレータ１００と単電池１０２との間、セパレータ１０４と単電池１０２との間、及びセパレータ１００とセパレータ１０６との間には、シール材１０５が設けられている。
【０００７】
図１０は、特許文献２に開示された黒鉛系のセパレータを示す。図１０に示すように、セパレータ１１０には、マニホールド孔１１５と流路溝１１１とが形成されている。マニホールド孔１１５と流路溝１１１との間は、セパレータ１１０の流路溝１１１を形成した面から反対側の面に貫通する貫通孔１１３と、反対側の面に形成された、マニホールド孔１１５と貫通孔１１３とを連通する溝１１４と、流路溝１１１を形成した面に形成された
、貫通孔１１３と流路溝１１１とを連通する溝１１２とによって接続されている。
【０００８】
図１１は、特許文献３に開示された表面導電処理クラッド層を持つ金属製のセパレータを示す。図１１に示すように、セパレータは、金属製セパレータ１２０と樹脂製フレーム１２３とから構成されている。金属製セパレータ１２０には、マニホールド孔１２１と、プレス加工による複数の流路溝１２２とが形成されている。また、樹脂製フレーム１２３には、マニホールド孔１２１と、発電部に対応する位置に形成された開口１２４と、マニホールド孔１２１から複数の流路溝１２２へのガス流路に形成された導入溝１２５とを備えている。
【０００９】
また、特許文献４は特許文献３のセパレータを改良したもので、基本的に、特許文献３の樹脂製フレーム１２３上にゴム等の弾性体からなるシール材をスクリーン印刷によって形成したシールフレームとすることにより、シール性を高めている。
特許文献３及び特許文献４の技術を用いると、コンパクトな燃料電池用セパレータを形成することができ、燃料電池の電池特性も安定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−８３６１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８７２号公報
【特許文献３】特許第３７２３５１５号公報
【特許文献４】特開２００６−１７２８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１及び特許文献２の黒鉛系セパレータでは、マニホールド孔から発電層へのガス流路構造として、セパレータに貫通孔１０８、１１３及び溝１０７、１１４を設け、これら貫通孔１０８、１１３及び溝１０７、１１４を、層間シールのためのセパレータ１０６等で覆って面シールする構造となっている。シールは面シールのため確実である。しかし、層間シールのために、別途にセパレータ１０６等を追加する必要があり、特許文献１及び特許文献２の技術を金属製セパレータに適用した場合、金属製セパレータの特長である、薄さやコンパクトさが半減してしまうと共に、高価なものとなってしまう。
【００１２】
一方、特許文献３及び特許文献４に開示されたセパレータでは、樹脂製フレーム１２３あるいはシールフレームを用いているため、結果的に高価になるという問題がある。また、マニホールド孔の周縁部に導入溝１２５を形成するための突起部を、樹脂製フレーム１２３またはシールフレームに設けて流路を形成する構造となっているので、シール性の確実さについて懸念がある。
【００１３】
このように、金属製セパレータを用いて燃料電池の積層方向のコンパクト化を図る場合に、金属製セパレータは薄く弾力性があるため、マニホールド孔から発電層へのガス流路形成が難しく、このガス流路形成部分のガスシールが不確実となり、ガスリークや、燃料電池の発電特性の不安定化を招く可能性があった。
【００１４】
本発明は、マニホールド孔の周辺部でのシール性を高めることができるコンパクトな燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様は、燃料電池作動用の流体を流す複数の流路溝と、前記複数の流路溝の上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、金属製の燃料電池用のセパレータを貫通して
形成されたマニホールド孔と、前記複数の流路溝の出入口と前記マニホールド孔との間を接続して前記流体を流す連通溝と、前記マニホールド孔の近傍に前記連通溝を横断させて設けられ、前記連通溝を区画形成する前記セパレータのセパレータ面上に貫通孔を形成する金属製の流体流通構造部と、前記流体流通構造部に形成された、前記連通溝の開口を遮蔽する部材の面に接触してシールする平滑なシール面と、を備えたことを特徴とする燃料電池用金属製セパレータである。
【００１６】
本発明の第２の態様は、第１の態様の燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記流体流通構造部は、前記連通溝を区画形成する前記セパレータ面に平行に、且つ前記セパレータ面から離間させて設けられ、前記平滑なシール面を形成する平板状のシール部材を有する。
【００１７】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記貫通孔の部分に、前記流体流通構造部を補強する補強部材が設けられている。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第３の態様の燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記補強部材が、断面アーチ状の部材である。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第３又は第４の態様の燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記補強部材は、その長手方向が前記連通溝に沿って設けられ、且つ前記連通溝の横断方向に所定の間隔で複数配置されている。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様のいずれかの燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記流体流通構造部は、前記セパレータとは別に形成され、前記連通溝に取り付けられている。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１〜第５の態様のいずれかの燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記流体流通構造部は、前記セパレータの一部に折り曲げを含む加工によって形成されている。
【００２２】
本発明の第８の態様は、第１〜第７の態様のいずれかの燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記流路溝は、横断面が台形状の波形構造である。
【００２３】
本発明の第９の態様は、第１〜第８の態様のいずれかの燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記連通溝は、前記マニホールド孔側から前記複数の流路溝の出入口側へと溝幅が次第に広くなっている。
【００２４】
本発明の第１０の態様は、第１〜第９の態様のいずれかの燃料電池用金属製セパレータにおいて、前記連通溝の両側面は、前記セパレータのセパレータ面上に取り付けられたガスケットにより形成されている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、マニホールド孔の周辺部でのシール性を高めることができ、しかもコンパクトな燃料電池用金属製セパレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータを示すもので、図１（ａ）はセパレータの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のセパレータ上に設けられるガスケット１１ｂの斜視図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のセパレータ上に設けられるガスケット１１ａの斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータを用いて作製される燃料電池のスタックを示す分解斜視図である。
【図３】図２のスタックを、図１のＡ−Ａ線に対応した部分で切断した断面図である。
【図４】図１のセパレータの要部を示すものであり、図４（ａ）は、図１（ａ）のマニホールド孔周辺部を拡大した平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＲ−Ｒ線拡大断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のＵ１−Ｕ１線拡大断面図、図４（ｄ）は、図４（ａ）、（ｂ）のＵ２−Ｕ２線拡大断面図である。
【図５】図１のセパレータにおける流体流通構造部の周辺を拡大して示す斜視図である。
【図６】図２のスタックの各部分の断面を、それら断面の積層位置をそろえて配置して位置関係を示す配置図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータにおける流体流通構造部を作製する工程を示す工程図である。
【図８】図７の作製工程により形成された流体流通構造部及びその周辺のセパレータの一部を示す斜視図である
【図９】従来の黒鉛系のセパレータを示すもので、図９（ａ）はセパレータの平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のセパレータを用いて積層した燃料電池のマニホールド孔周辺の要部拡大断面図である。
【図１０】従来の黒鉛系のセパレータを示す斜視図である。
【図１１】従来のセパレータを示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータの平面図である。図１（ｂ）、図１（ｃ）は、図１（ａ）のセパレータ上に設けられるガスケットの斜視図である。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、燃料電池用の金属製のセパレータ２は、長方形状の金属板を用いて作製されている。金属板は、例えば、板厚０.１〜０.２ｍｍのものが用いられる。また、金属製のセパレータ２の材料としては、例えば、金属基材の表面をＴｉ（チタン）でクラッドし、さらに表面伝導処理を施したＴｉクラッド材が好ましい。
長方形状のセパレータ２の中央部には、燃料電池作動用の流体を給排する流体給排路となる複数の流路溝６が形成されている。複数の流路溝６は、長方形状のセパレータ２の長辺方向に沿って互いに平行に直線状に形成されている。複数の流路溝６は、図５にその一部を拡大して示すように、横断面が台形状の波形構造であり、プレス加工によって成型される。流路溝６と流路溝６との間には、リブ１６が設けられ、リブ１６により流路溝６の側面が形成されている。なお、図５に示すセパレータ２のセパレータ面２ａを表面（おもて面）とすると、セパレータ２を裏面側から見たとき、図５に示す流路溝６はリブを構成し、リブ１６は流路溝を構成する。裏面側の流路溝には、表面側とは異なる燃料電池作動用の流体が流される。
【００３０】
複数の流路溝６の一方の出入口側のセパレータ２には、セパレータ２を貫通して、矩形状のマニホールド孔７ａ，９ａ，８ｂが形成されている。また、複数の流路溝６のもう一方の出入口側のセパレータ２にも、矩形状のマニホールド孔８ａ，９ｂ，７ｂが形成されている。マニホールド孔は、セパレータ２等を積層した燃料電池の積層方向の各発電層等にガスを給排するために、燃料電池に共通したガス連通路を形成する孔である（図２参照）。
長方形状のセパレータ２の四隅部の対角位置に配置されたマニホールド孔７ａ，７ｂは、燃料ガス（例えば、水素ガス）を給排するためのマニホールド孔である。マニホールド孔７ａは燃料ガスの供給用であり、マニホールド孔７ｂは燃料ガスの排出用である。同様に、対角位置に配置されたマニホールド孔８ａ，８ｂは、酸化剤ガス（例えば、空気や酸素ガス）を給排するためのマニホールド孔である。マニホールド孔８ａは酸化剤ガスの供給用であり、マニホールド孔８ｂは燃料ガスの排出用である。また、マニホールド孔７ａ，８ｂ間に位置するマニホールド孔９ａと、マニホールド孔８ａ，７ｂ間に位置するマニホールド孔９ｂとは、冷却用流体（例えば、冷却水）を給排するためのマニホールド孔である。マニホールド孔９ａは冷却用流体の供給用であり、マニホールド孔９ｂは冷却用流体の排出用である。燃料電池作動用の流体は、燃料ガスと、酸化剤ガスと、冷却用流体とである。
【００３１】
複数の流路溝６の出入口と、マニホールド孔７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂとの間には、燃料電池作動用の流体を流す連通溝１０がそれぞれ形成される。図１（ａ）に実線で示す連通溝１０は、マニホールド孔７ａ，７ｂ側から複数の流路溝６の出入口側へと溝幅が次第に広くなった流路（ディフューザ部）に形成されている。また、図１（ａ）に鎖線で示すように、マニホールド孔８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂと複数の流路溝６の出入口との間を連通接続する連通溝１０も、同様な拡大流路（ディフューザ部）となっている。
例えば、マニホールド孔７ａから連通溝１０に供給された水素ガス等の燃料ガスは、連通溝１０内を拡大しながら流れて、複数の流路溝６に分配されて流入する。複数の流路溝６から流出した水素ガス等の燃料ガスは、マニホールド孔７ｂ側の連通溝１０で合流し、連通溝１０内で次第に集合しながら流れて、マニホールド孔７ｂから排気される。
【００３２】
セパレータ２面上には、セパレータ２のシール面部となるガスケット１１が接着等により取り付けられている。ガスケット１１は、電池特性に悪影響を与えることのない樹脂製またはゴム製等の材料を用いて作製されるのが好ましい。
図１に示すセパレータ２上面に設置されるガスケット１１は、マニホールド孔の外周部を囲む矩形環状のガスケット１１ｂ（図１（ｂ））と、複数の流路溝６の両側に設けられるガスケット１１ａ（図１（ｃ））とからなる。ガスケット１１ｂは、図１に示すセパレータ２上面には、マニホールド孔８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの外周部にそれぞれ設置される。ガスケット１１ａは、図１のセパレータ２上に流れる燃料ガスの流路である連通溝１０等を区画形成する部材でもあり、連通溝１０の両側、複数の流路溝６の両側、及びマニホールド孔７ａ，７ｂの連通溝１０側を除く外周部を囲むように設置される。また、酸化剤ガス、冷却用流体が流されるセパレータ２面上にも、同様にガスケットが設けられる。
【００３３】
図１（ａ）に示すセパレータ２の上面は、水素等の燃料ガスを流す流路が形成される面であり、燃料ガスを給排するマニホールド孔７ａ，７ｂの外周部に位置する連通溝１０には、連通溝１０を横断させて金属製の流体流通構造部１５が設けられている。
また、同様にして、空気等の酸化剤ガスを流す流路が形成されるセパレータ２の面では、マニホールド孔８ａ，８ｂの外周部に位置する連通溝１０に、連通溝１０を横断させて流体流通構造部１５が設けられる。また、同様に、冷却水等の冷却用流体を流す流路が形成されるセパレータ２の面では、マニホールド孔９ａ，９ｂの外周部に位置する連通溝１０に、連通溝１０を横断させて流体流通構造部１５が設けられる。
【００３４】
流体流通構造部１５を更に詳しく説明する。以下には、マニホールド孔７ａの周縁部に臨ませて設けられる流体流通構造部１５について図面を用いて説明するが、その他の連通溝１０に設置される流体流通構造部１５も同一構造である。
図４（ａ）は、図１（ａ）のマニホールド孔７ａの周辺部を拡大した平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＲ−Ｒ線拡大断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のＵ１−Ｕ１線拡大断面図、図４（ｄ）は、図４（ａ）、（ｂ）のＵ２−Ｕ２線拡大断面図である。
また、図５は、マニホールド孔７ａ側から流体流通構造部１５等をみた斜視図である。
【００３５】
流体流通構造部１５は、図４、図５に示すように、連通溝１０を区画形成するセパレータ２のセパレータ面２ａに平行に、且つセパレータ面２ａから離間させて設けられる平板状のシール部材１２を有する。シール部材１２とセパレータ面２ａとの間に形成される微小ギャップ（横断面がスリット状の流路）が、マニホールド孔７ａを流れる燃料ガスが通過する貫通孔（流通孔）１４となる。セパレータ面２ａ側とは反対側のシール部材１２の面は、平滑なシール面１２ａとなっている。シール部材１２のシール面１２ａは、連通溝１０の開口を遮蔽する部材（例えば、後述する支持枠１ａ）の面に面接触してシールする。シール部材１２の両端部及び中央部には、シール部材１２をセパレータ面２ａに取り付ける取付部１２ｂが設けられている。取付部１２ｂは、シール部材１２をセパレータ面２ａから離間させて支持するもので、例えば、シール部材１２を作製する板材をゲート状などに折り曲げることにより形成できる。取付部１２ｂは、マニホールド孔７ａの外縁部のセパレータ面２ａに、接着あるいは溶接等により固着される。
【００３６】
取付部１２ｂ、１２ｂ間の貫通孔１４には、シール部材１２を補強する補強部材１３が設けられている。補強部材１３は、セパレータ２の積層時に積層方向（セパレータ２の板厚方向）にシール部材１２に加わる面圧（例えば、１０ｋｇ／ｃｍ２程度）を受け、このシール面圧に耐え得るように、シール部材１２をセパレータ面２ａに平行に支持する。補強部材１３は、図５、図４（ｂ）に示すように、断面アーチ状の部材であり、補強部材１３の長手方向が連通溝１０に沿うように設けられる。また、補強部材１３は、シール部材１２の長手方向（連通溝１０の溝幅方向）に一定の間隔を隔てて複数配置されている。補強部材１３の凸状の面は、スポット溶接あるいは接着等によってシール部材１２に取り付け固定される。
貫通孔１４内に補強部材１３を設けているので、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、貫通孔１４は、補強部材１３、１３間に形成される貫通孔１４ａと、補強部材１３とセパレータ２との間に形成されるトンネル状の貫通孔１４ｂとから構成されることになる。
補強部材１３が、連通溝１０に沿って、且つ連通溝１０の溝幅方向に一定の間隔を隔てて複数配置されているので、貫通孔１４を通じて、連通溝１０の溝幅方向に均一にガスを連通溝１０内に流入させることができる。さらに、連通溝１０は、複数の流路溝６の出入口側へと溝幅が次第に広くなった流路であるため、連通溝１０内でガス圧の均一化が図られ、各流路溝６にガスが均一な流量で流れ込むことになる。
【００３７】
流体流通構造部１５は、板状のシール部材１２に、シール部材１２を支持する取付部１２ｂ及び補強部材１３が設けられることによって、所定の剛性を持った構造体となっている。この結果、シール部材１２の変形が抑制され、流体が給排されるマニホールド孔の周辺部でのシール性が大幅に向上する。
例えば、図１に示すように、マニホールド孔９ａの外周部は矩形環状のガスケット１１ｂで取り囲まれ、マニホールド孔９ａの外周部の強度及びシール性が確保されている。一方、マニホールド孔７ａはガスケット１１ａによって連通溝１０側を除く外周部の３辺が取り囲まれているが、マニホールド孔７ａの連通溝１０側の外周部の１辺は開放されている。しかしながら、ガスケット１１ａが存在しない連通溝１０側の外周部の１辺に、剛性を持った構造体である流体流通構造部１５が設けられることによって、貫通孔１４を形成した状態で、しかもマニホールド孔７ａの外周部の４辺がガスケットで取り囲まれたと同様な状態となり、マニホールド孔７ａの外周部の強度及びシール性が確保される。
従って、本実施形態に係る金属製のセパレータ２によれば、マニホールド孔の周辺部のシール不良、ガスリークを防止でき、引いては、燃料電池特性を安定させることができる。
なお、補強部材はアーチ状断面の部材でなくても良いが、補強部材及び取付部は、シー
ル部材１２に加わる面内の圧力を均一に支持しつつ、多少変形可能な弾性を有する構造とするのが好ましい。
【００３８】
流体流通構造部１５には、強度、化学的安定性の観点から、金属製のセパレータ２と同種又は類似種の金属板で形成するとよい。流体流通構造部１５は、金属製のセパレータ２のように表面の導電性は必要ないが、例えば、Ｔｉ（チタン）クラッド材、あるいはＴｉ板材を用いのが好ましく、また、板厚としては０.２ｍｍ以下、５０μｍ以上の板材を使
用するのが好ましい。使用する板材の厚さは、流路を確保する上では薄い程よいが、薄くし過ぎると強度が低下してしまうので、板厚は０.２ｍｍ以下、５０μｍ以上がよい。
【００３９】
本実施形態の流体流通構造部１５は、セパレータ２とは別に形成されてセパレータ２に設置されるので、セパレータ２の板材よりも薄い板材を用いることもでき、貫通孔１４の流路断面積の最適化が可能になると共に、シール部材１２や補強部材１３の寸法・数などを適切に選定することよってシール性・シール面圧力の最適化が可能となる。また、流体流通構造部１５の連通溝１０上の取り付け位置を自由に調整することが可能である。
【００４０】
次に、上記セパレータ２を用いた固体高分子型の燃料電池の一例を説明する。図２は、図１（ａ）のセパレータ２等を用いて積層構成する燃料電池のスタックの分解斜視図である。
【００４１】
図２に示すように、セパレータ２、２間には、燃料電池の発電層（発電部、セル）１が設けられる。発電層１は、ＭＥＡ（膜／電極接合体）１ａと、ＭＥＡ１ａの外周部を支持する支持枠１ｂとから構成される。ＭＥＡ１ａは、高分子電解質膜を２枚の電極で挟んだサンドイッチ構造のものである。ＭＥＡ１ａの高分子電解質膜は水分浸透性の樹脂からなり、支持枠１ｂは水分不浸透性の樹脂からなる。
支持枠１ｂは、セパレータ２のガスケット１１ａ、１１ｂに面接触するシール部であると共に、複数の流路溝６からなる発電流路部や連通溝１０からなる拡大流路を区画形成する部材でもある。支持枠１ｂの両側部には、スタック積層時にセパレータ２のマニホールド孔７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂに連通するマニホールド孔１ｃが、それぞれ３つずつ形成されている。複数の流路溝６が形成されたセパレータ２の発電流路部とＭＥＡ１ａとの間には、反応ガス（燃焼ガスと酸化剤ガスの総称）の拡散層３が設けられる。また、セパレータ２の拡散層３側とは反対側には、冷却用流体の拡散層４が設けられる。拡散層３、拡散層４は、カーボンクロス，カーボンペーパなどを用いて作製される。なお、拡散層４の材料には、カーボンクロスやカーボンペーパに限らず、水を汚染しない通電性及びクッション性を有する材料であればよい。
【００４２】
図２において、セパレータ２等が積層される積層方向を上下方向とすると、図示の冷却用流体の拡散層４から下側のセパレータ２までを１つのユニットＵとし、このユニットＵを繰り返して上下方向に積層することにより、燃料電池のスタック（セルスタック）Ｓが構成される。ＭＥＡ１ａは、拡散層３を介して、上下のセパレータ２の発電流路部の間に挟まれて一定圧で締め付けられる。
【００４３】
図３は、図２のスタックを、図１のＡ−Ａ線に対応した部分で切断した断面図である。図示のように、燃料ガスとしてＨ２ガスを流す層には、セパレータ２上に複数の補強部材１３を介してシール部材１２が設けられ、セパレータ２とシール部材１２との間に貫通孔１４が形成され、マニホールド孔からＨ２ガスが流れ込む。複数の補強部材１３によって支持されたシール部材１２は、発電層１の支持枠１ｂに均一な面圧で押し付けられてシールする。Ｈ２ガスを流さない層は、ガスケット１１ｂで遮蔽される。
【００４４】
図６は、図２のスタックの各部分の断面を、それら断面の積層位置をそろえて配置して
位置関係を示す配置図である。図６（ａ）は図１のＡ−Ａ線に対応した部分の断面図、図６（ｂ）は図１のＣ−Ｃ線に対応した部分の断面図、図６（ｃ）は図１のＢ−Ｂ線に対応した部分の断面図、図６（ｄ）は図１のＸ−Ｘ線に対応した部分の断面図である。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、マニホールド孔７ａ、８ｂ、９ａには、Ｈ２ガスを流す層、空気を流す層、水を流す層がそれぞれ形成されている。また、図６（ｄ）に示すように、ＭＥＡ１ａの上方と下方には、それぞれ拡散層３を介して、空気が流されるセパレータ２の流路溝６と、Ｈ２ガスが流されるセパレータ２の流路溝６とが配置されている。ＭＥＡ１ａに空気とＨ２ガスが供給され上下のセパレータ２で挟まれた発電層部の間には、冷却水が流される拡散層４を有する冷却層部が配置される。
【００４５】
次に、図２に示す１つのユニットＵにおける流体の流れを説明する。この説明において、図２のセパレータ２等が積層される積層方向を上下方向とする。
発電のための流体としては、二つの反応ガスが用いられる。ここでは、燃料ガスとしてＨ２ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。また、冷却用流体として水を用いる。
【００４６】
燃料ガスのＨ２ガスは、ユニットＵの下側に位置するセパレータ２の上面部を流れる。すなわち、上流側のマニホールド孔７ａを流れるＨ２ガスは、流体流通構造部１５を通り、上流側の連通溝１０、複数の流路溝６、下流側の連通溝１０を経由して、下流側のマニホールド孔７ｂに入り、マニホールド孔７ｂを通って外部へと排出される。複数の流路溝６を流れる間に、拡散層３を介してＭＥＡ１ａの下側の電極に、Ｈ２ガスが供給される。
【００４７】
酸化剤ガスの空気は、ユニットＵの上側に位置するセパレータ２の下面部を流れる（空気は、Ｈ２ガスとは逆向きに複数の流路溝６を流れる）。すなわち、上流側のマニホールド孔８ａを流れる空気は、流体流通構造部１５を通り、上流側の連通溝１０、複数の流路溝６、下流側の連通溝１０を通過して、下流側のマニホールド孔８ｂに入り、マニホールド孔８ｂを通って外部へと排出される。複数の流路溝６を流れる間に、拡散層３を介してＭＥＡ１ａの上側の電極に、空気が供給される。
【００４８】
冷却用流体の水は、ユニットＵの上側に位置するセパレータ２の上面部を流れる。すなわち、上流側のマニホールド孔９ａを流れる水は、流体流通構造部１５を通り、上流側の連通溝１０、複数の流路溝６、下流側の連通溝１０を通過して、下流側のマニホールド孔９ｂに入り、マニホールド孔９ｂを通って外部へと排出される。複数の流路溝６を流れる間に、拡散層４に水が供給される。また、同様にして、ユニットＵの下側に位置するセパレータ２の下面部を冷却用流体の水が流れる。
【００４９】
セパレータの役目は、ＭＥＡの高分子電解質膜を一定圧で押し付けること、電気を流すこと、ＭＥＡのカソード側に流す燃料ガスとアノード側に流す酸化剤ガスとが直接混合しないようにシールすることである。ＭＥＡの外周部とセパレータとの間のシールは比較的に容易であるが、マニホールド孔のガス出入口部は、ガスが出入する層とガスをシールする層とが積層方向に交互に存在するため、確実にガスの出入とシールとを行わないと、発電特性に大きな影響が出てしまう。
【００５０】
本実施形態の具体例として、薄板状のステンレス鋼材（ＳＵＳ）の表面にＴｉ層をクラッド接合し、更にＴｉ層上にスパッタリング法によりナノレベルでＡｕ（金）層をコートした金属材（日立電線製のクラッド材Ｍ−ＴＳＴ、厚さが０.２ｍｍ）を用いてセパレー
タ２を形成し、また、厚さ８０μｍのＴｉ板材を用いて形成した流体流通構造部１５をセパレータ２にスポット溶接で取り付けた。このセパレータ２を使用して、３０ユニット積層したスタックを作製したが、発電時の一定面圧（１０ｋｇ／ｃｍ２程度）でも、シール漏れはなく、良好な発電特性を示した。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータを説明する。
上記第１の実施形態では、セパレータ２とは別に形成された流体流通構造部１５がセパレータ２に取り付けられていたが、この第２の実施形態では、セパレータ２の一部に折り曲げ等を施して流体流通構造部２０が形成されている。その他のセパレータ２の構造は、第１の実施形態のセパレータ２と同じである。
【００５２】
図７は、第２の実施形態のセパレータにおける流体流通構造部２０を形成する工程を示す工程図、図８は、図７の工程により形成される流体流通構造部２０及びその周辺を示す斜視図である
【００５３】
以下、図７を用いて各工程を具体的に説明する。なお、図７には、マニホールド孔７ａの周縁部に流体流通構造部２０を形成する場合を示すが、他のマニホールド孔７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの周縁部についても、同様の工程で流体流通構造部２０を形成する。
（打ち抜き工程）
打ち抜き工程では、連通溝１０の溝幅方向に沿って等間隔に櫛の歯状に、補強部材となる補強部２１ｍが並ぶように開口部２１ｉを打ち抜く。同時に、開口部２１ｉの連通溝１０の溝幅方向の両側に、開口部２１ｉに繋がるスリット２１ｊを形成する。スリット２１ｊは、後述の折り曲げ工程後に形成されるマニホールド孔７ｂとほぼ同じ寸法まで切り込まれる。また、スリット２１ｊの形成と同時に、スリット２１ｊ，２１ｊの端部の間に、連通溝１０の溝幅方向に沿って等間隔に孔２１ｋを複数形成する。孔２１ｋは、補強部２１ｍと同じ間隔で且つ隣接する補強部２１ｍ間に位置するように、形成する。
【００５４】
（プレス工程）
次のプレス工程では、補強部２１ｍをプレス成型し、細長の補強部２１ｍの中心線部を、図７の紙面の下方に凹んだアーチ形状に成形する。この場合、補強部２１ｍの根本部分は成形しない。
【００５５】
（折り曲げ工程）
次の折り曲げ工程では、２回の折り曲げを行う。
第１回目の折り曲げ工程では、補強部２１ｍの根元部を通る折り曲げ線ｐの位置で、補強部２１ｍを図７の紙面上方を経由して略１８０度、連通溝１０側に折り曲げる。折り曲げられた各補強部２１ｍは、隣接する孔２１ｋ間に位置する。また、折り曲げられた補強部２１ｍがある領域のスリット２１ｊ、２１ｊ間のセパレータ２部が、次の第２回目の折り曲げによって、流体流通構造部２０のシール面を形成するシール部２１ｎとなる。
【００５６】
第２回目の折り曲げ工程では、複数の孔２１ｋの中心線を折り曲げ線ｑとして、折り曲げられた補強部２１ｍがあるスリット２１ｊ、２１ｊ間のセパレータ２部を、連通溝１０側に略１８０度折り曲げる。これにより、セパレータ面２ａと平行なシール部材となるシール部２１ｎが形成される。シール部２１ｎとセパレータ面２ａとの間には、補強部材となるアーチ形状断面の補強部２１ｍが設けられ、シール部２１ｎは補強部２１ｍによって支持される。また、開口部２１ｉが第２回目の折り曲げによって拡大され、マニホールド孔７ａが形成される。
（固着工程）
この工程は、強度上、必要に応じて行われる。固着工程では、プレス成型によって形成された各補強部２１ｍとシール部２１ｎとの接触点部などをスポット溶接等によって固着する。なお、この固着工程は、第１回目の折り曲げ工程の後に実施しても良い。
【００５７】
以上の工程により、図８に示すように、マニホールド孔７ａの連通溝１０側の周縁部に、本実施形態の流体流通構造部２０が形成される。マニホールド孔７ａを流れるガスは、
連通溝１０に溝幅方向に等間隔に並ぶ孔２１ｋを通り、さらに、シール部２１ｎのセパレータ面２ａとの間で且つ隣接する補強部２１ｍ間に形成される、孔２１ｋに接続される貫通孔２１ｈを通過して、連通溝１０内に流入する。
【００５８】
本実施形態の具体例として、薄板状のステンレス鋼材（ＳＵＳ）の表面にＴｉ層をクラッド接合し、更にＴｉ層上にスパッタリング法によりナノレベルでＡｕ（金）層をコートした金属材（日立電線製のクラッド材Ｍ−ＴＳＴ、厚さが０.１ｍｍ）を用い、打ち抜き
、プレス、折り曲げ、固着により、流体流通構造部２０を形成した。このセパレータ２を使用して、１０ユニット積層したスタックを作製し、発電試験を行ったが、良好な発電特性が得られた。
【００５９】
なお、上記の実施形態において、セパレータ２に複数の流路溝６をプレス成型した後、或いは、セパレータ２へのガスケット１１ａ、１１ｂの取付後に、流体流通構造部１５，２０を設置あるいは形成するようにすれば、シール性は確実となると共に、量産性のある製造方法となり、コスト低下が期待できる。
【００６０】
また、上記の実施形態によらずに、マニホールド孔の周辺部のセパレータ面に複数の突起部を形成して、これら突起部の上面等をシールする構造も検討したが、シール性が不確実で、シールに手間かかってしまった。これに対し、上記の実施形態の構造では、効率よくスタックの組み立てを行うことができ、シール性も確実であった。
【符号の説明】
【００６１】
１     発電層
１ａ   ＭＥＡ
１ｂ   支持枠
２     セパレータ
３     拡散層
４     拡散層
６     流路溝
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ  マニホールド孔
１０    連通溝
１１、１１ａ、１１ｂ  ガスケット
１２    シール部材
１３    補強部材
１４    貫通孔
１５    流体流通構造部
２０    流体流通構造部
２１ｈ  貫通孔
２１ｋ  孔
２１ｍ  補強部（補強部材）  
２１ｎ  シール部（シール部材）
【図１】
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【図２】
2009259780.tif 000004
【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】
2009259780.tif 000009
【図８】
2009259780.tif 000010
【図９】
2009259780.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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