(57)【要約】【課題】冷却効果に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを提供する。【解決手段】セパレータ１０は、ガス通過部１１，１２と、ガス流路部１３とを備える。ガス通過部１１，１２、およびガス流路部１３は、金属板にプレス成形を施すことによって一体的に成形される。ガス流路部１３は、ガス通過部１１とガス通過部１２との間に配置される。ガス流路部１３は、ジグザグ状に形成された複数の溝１３１〜１４１を含む。そして、ガス流路部１３は、外部からの空気（または酸素ガス）を流す。【選択図】図１
2009158148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータであって、
固体高分子型燃料電池に含まれる固体高分子電解質膜に第１のガスを供給するためのガス流路部と、
前記ガス流路部と一体に成形され、前記固体高分子電解質膜に供給される第２のガスが通過するガス通過部とを備え、
前記ガス流路部および前記ガス通過部は、金属板からなり、
前記ガス流路部は、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を含む、セパレータ。
【請求項２】
前記複数の溝の各々は、前記第１のガスが流れる方向に対してジグザグ状の形状を有する、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記複数の溝は、前記ガス流路部を構成する前記金属板の表裏面に形成されている、請求項１または請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記金属板は、ステンレス鋼からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセパレータ。
【請求項５】
単位セルからなる固体高分子型燃料電池であって
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方側に配置された第１のセパレータと、
前記固体高分子電解質膜の他方側に配置された第２のセパレータとを備え、
前記第１のセパレータは、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセパレータからなる、固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記第１のセパレータの前記複数の溝は、前記第２のガスが前記第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成されている、請求項５に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
スタック型の固体高分子型燃料電池であって、
直列に接続された複数の単位セルを備え、
前記複数の単位セルの各々は、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方側に配置された第１のセパレータと、
前記固体高分子電解質膜の他方側に配置された第２のセパレータとを含み、
前記第１のセパレータは、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセパレータからなり、
隣接する第１および第２の単位セルは、前記第１の単位セルに含まれる前記第２のセパレータと前記第２の単位セルに含まれる前記第１のセパレータとによって直列に接続されている、固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記第１のセパレータの前記複数の溝は、前記第２のガスが前記第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成される、請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に用いるセパレータ、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを電気化学的に反応させることにより、電気を取り出す燃料電池は、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を大きく低減することが可能な技術であると共に、従来の内燃機関に比べて効率が高く、静粛性に優れ、さらに、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘおよびＰＭ等の排出量が少ないという特徴を有している。
【０００３】
このため、燃料電池は、クリーンなエネルギー変換装置として国際的にも研究開発が精力的に進められており、これまでに、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等が開発されている。
【０００４】
このような状況の下、近年、自動車用および家庭用等の小型の発電に適した燃料電池として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池が注目されるようになったのは、性能が一段と向上した固体高分子電解質膜を用いることによって電池の出力密度が飛躍的に向上し、高効率という従来からの燃料電池の特性に加え、小型化および低温作動が可能になったからである。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、数十〜数百個の単位電池を直列に接続して所要電力を得る。そして、単位電池は、固体高分子電解質膜と、アノード側ガス拡散電極と、カソード側ガス拡散電極と、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを備える。アノード側ガス拡散電極およびカソード側ガス拡散電極は、固体高分子電解質膜の両側に配置される。アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散電極に接して配置され、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散電極に接して配置される。
【０００６】
このような、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、隣り合う単位電池間を電気的に接続する集電体としての役目だけでなく、単位電池の外壁構造部材としても機能し、さらに、水素および空気をそれぞれアノード側ガス拡散電極またはカソード側ガス拡散電極へ供給する通路としても機能する。
【０００７】
したがって、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、機械強度、導電性、および固体高分子型燃料電池の置かれる腐食環境に対する耐食性が要求される。
【０００８】
従来の一般的なセパレータは、黒鉛材にフェノール樹脂を含浸させた材料からなる。しかし、その製造工程には、高温で長時間を要する焼結工程および黒鉛材料の表面に水素または酸素を供給するための通路を切削加工する切削工程が必要であるため、その製造工程が煩雑になって生産性が劣り、その結果として、製造コストが高くなるという欠点があった。このようなセパレータを数百枚も重ね合わせると、燃料電池の本体価格が非常に高くなるため、燃料電池を実用化するためには、セパレータのコスト低減が必須である。
【０００９】
また、燃料電池のセパレータに要求される特性としては、水素ガスが漏れないこと、すなわち、水素ガス不透過性であること、エネルギーの変換効率を高くする上で導電性が優れていること、さらに、燃料電池に組み込む際に破損しないように機械的強度が高いこと等がある。従来のセパレータは、導電性が優れているが、水素不透過性および特に機械的強度が劣るという欠点があった。
【００１０】
そこで、金属薄板からなり、電極が位置する主要部にプレス成形によってガス流路を形成したセパレータが提案されている（特許文献１）。
【００１１】
また、固体高分子型燃料電池の出力を高くするためには、固体高分子型燃料電池の冷却効果を高めることも必要であり、優れた冷却効果を有する燃料電池も知られている（特許文献２）。特許文献２に開示された燃料電池は、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータを含む。そして、カソード側セパレータの溝は、アノード側セパレータの溝と直交する方向に形成されている。
【特許文献１】特開２０００−２１４２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献２に記載の燃料電池において、カソード側セパレータの溝は、直線状の溝からなるため、燃料電池の冷却効果が低いという問題がある。
【００１３】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却効果に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを提供することである。
【００１４】
また、この発明の別の目的は、冷却効果に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明によれば、セパレータは、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータであって、ガス流路部と、ガス通過部とを備える。ガス流路部は、固体高分子型燃料電池に含まれる固体高分子電解質膜に第１のガスを供給する。ガス通過部は、ガス流路部と一体に成形され、固体高分子電解質膜に供給される第２のガスが通過する。そして、ガス流路部およびガス通過部は、金属板からなる。また、ガス流路部は、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を含む。
【００１６】
好ましくは、複数の溝の各々は、第１のガスが流れる方向に対してジグザグ状の形状を有する。
【００１７】
好ましくは、複数の溝は、ガス流路部を構成する金属板の表裏面に形成されている。
【００１８】
好ましくは、金属板は、ステンレス鋼からなる。
【００１９】
また、この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、単位セルからなる固体高分子型燃料電池であって、固体高分子電解質膜と、第１および第２のセパレータとを備える。第１のセパレータは、固体高分子電解質膜の一方側に配置される。第２のセパレータは、固体高分子電解質膜の他方側に配置される。そして、第１のセパレータは、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセパレータからなる。
【００２０】
好ましくは、第１のセパレータの複数の溝は、第２のガスが第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成されている。
【００２１】
さらに、この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、スタック型の固体高分子型燃料電池であって、直列に接続された複数の単位セルを備える。複数の単位セルの各々は、固体高分子電解質膜と、第１および第２のセパレータとを含む。第１のセパレータは、固体高分子電解質膜の一方側に配置される。第２のセパレータは、固体高分子電解質膜の他方側に配置される。そして、第１のセパレータは、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセパレータからなる。また、隣接する第１および第２の単位セルは、第１の単位セルに含まれる第２のセパレータと第２の単位セルに含まれる第１のセパレータとによって直列に接続されている。
【００２２】
好ましくは、第１のセパレータの複数の溝は、第２のガスが第２のセパレータを流れる方向と略直交する方向に形成される。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によればセパレータは、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えるので、固体高分子型燃料電池用のガスは、直線状の溝を用いた場合よりも多くの熱を固体高分子型燃料電池から奪う。
【００２４】
したがって、この発明によれば、固体高分子型燃料電池の冷却効果を向上できる。
【００２５】
また、直線状に形成された溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えるセパレータを固体高分子型燃料電池に採用することによって、空気（または酸素）が固体高分子電解質膜に供給される割合が多くなるとともに、空気（または酸素）による固体高分子型燃料電池の冷却効果が増す。
【００２６】
したがって、この発明によれば、固体高分子型燃料電池の特性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２８】
図１は、この発明の実施の形態によるセパレータの平面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるセパレータ１０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス通過部１１，１２と、ガス流路部１３と、孔１４〜１７とを備える。ガス通過部１１，１２、ガス流路部１３、および孔１４〜１７は、金属板にプレス成形を施すことによって一体的に成形される。
【００２９】
ガス通過部１１は、孔１１１〜１１４からなる。孔１１１〜１１４は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の一方端側に配置される。孔１１１〜１１４の各々は、ミリオーダーの直径を有する。また、ガス通過部１２は、孔１２１〜１２４からなる。孔１２１〜１２４は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の他方端側に孔１１１〜１１４に対向して配置される。孔１２１〜１２４の各々は、孔１１１〜１１４の直径と同じ直径を有する。
【００３０】
ガス流路部１３は、複数の溝１３１〜１４３を有する。複数の溝１３１〜１４１の各々は、セパレータ１０の基準面１８からミリオーダーの深さおよびミリオーダーの幅を有し、ガスが流れる方向ＤＲ１においてジグザグ状に形成される。そして、複数の溝１３１〜１４１は、ミリオーダーの間隔で配置される。
【００３１】
溝１４２は、方向ＤＲ１において、セパレータ１０の一方端側に配置され、溝１４３は、方向ＤＲ１においてセパレータ１０の他方端側に配置される。溝１４２，１４３の各々は、複数の溝１３１〜１４１に略直交するように直線状に形成される。そして、溝１４２，１４３の各々は、セパレータ１０の基準面１８から１ｍｍよりも小さい深さ、ミリオーダーの幅および１０ｃｍ程度の長さを有する。
【００３２】
孔１４〜１７は、セパレータ１０を貫通するようにセパレータ１０の４隅に配置される。そして、孔１４〜１７の各々は、ミリオーダーの直径を有する。
【００３３】
孔１４，１１１〜１１４，１５は、セパレータ１０の一方端側において、ミリオーダーの間隔で直線状に配置される。また、孔１６，１２１〜１２４，１７は、セパレータ１０の他方端側において、孔１４，１１１〜１１４，１５の間隔と同じ間隔で直線状に配置される。
【００３４】
ガス通過部１１の孔１１１〜１１４およびガス通過部１２の孔１２１〜１２４は、水素ガスを紙面に垂直な方向に通過させる。溝１３１〜１４１は、空気（または酸素）を方向ＤＲ１へ流す。溝１４２，１４３は、セパレータ１０と後述する固体高分子電解質膜との密着性を向上させるための板を配置するための溝である。孔１４〜１７は、固体高分子型燃料電池を組上げるときのボルトが通る孔である。
【００３５】
図２は、図１に示すセパレータ１０の裏面の平面図である。図２を参照して、凸部１３１Ａ〜１４１Ａは、それぞれ、図１に示す溝１３１〜１４１に対応する。したがって、凸１３１Ａ〜１４１Ａは、基準面１９から１ｍｍよりも小さい高さと、ミリオーダーの幅を有する。そして、凸部１３１Ａ〜１４１Ａは、ミリオーダーの間隔で配置される。
【００３６】
図３は、図１に示す溝１４２部分の拡大図である。図３を参照して、溝１４２は、複数の溝１３１〜１４１に略直交する方向に直線状に形成されている。平板３０は、１ｍｍよりも小さい厚み、ミリオーダーの幅および１０ｃｍよりも長い長さを有する（図３の（ａ）参照）。
【００３７】
そして、平板３０は、溝１４２に挿入される。平板３０は、上述したように、溝１４２と同じ寸法を有するため、平板３０の上面３０Ａは、セパレータ１０の基準面１８に一致する。
【００３８】
なお、平板３０が溝１４２に挿入されても、平板３０の厚みは、溝１３１〜１４１の深さよりも薄いため、空気（または酸素）は、溝１３１〜１４１を流れることができる。
【００３９】
また、溝１４３にも、平板３０と同じ平板が挿入される。
【００４０】
図４は、図１に示すセパレータ１０の斜視図である。図４を参照して、セパレータ１０は、上述した溝１３１〜１４１を前面１０Ａに有し、溝１５１〜１６０を裏面１０Ｂに有する。
【００４１】
溝１５１〜１６０は、それぞれ、溝１３１，１３２間、溝１３２，１３３間、溝１３３，１３４間、溝１３４，１３５間、溝１３５，１３６間、溝１３６，１３７間、溝１３７，１３８間、溝１３８，１３９間、溝１３９，１４０間、および溝１４０，１４１間に形成される。
【００４２】
そして、溝１５１〜１６０は、溝１３１〜１４１と同じ寸法を有し、溝１３１〜１４１と同じように方向ＤＲ１においてジグザグ状に形成される。
【００４３】
その結果、空気（または酸素）は、セパレータ１０の溝１３１〜１４１，１５１〜１６０を方向ＤＲ１へ流れる。すなわち、空気（または酸素）は、セパレータ１０の表裏面を流れる。
【００４４】
図５は、この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いる他のセパレータの平面図である。図５を参照して、セパレータ２０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス供給部２１と、ガス排出部２２と、凸部２３，２４と、ガス流路部２５と、凹部２６〜２９と、孔３１〜３４とを備える。
【００４５】
セパレータ２０は、セパレータ２０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んだ凹部２０１を有する。そして、ガス供給部２１、ガス排出部２２、凸部２３，２４およびガス流路部２５は、凹部２０１に形成される。
【００４６】
ガス供給部２１は、孔２１１〜２１４と、凸部２１５〜２１７とを含む。孔２１１〜２１４および凸部２１５〜２１７は、セパレータ２０の長さ方向における一方端側に配置される。そして、孔２１１〜２１４は、セパレータ２０を貫通し、セパレータ２０の幅方向に直線状に配列される。
【００４７】
また、孔２１１〜２１４の各々は、上述したセパレータ１０の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ直径を有する。そして、孔２１１〜２１４は、孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ間隔で配置される。
【００４８】
凸部２１５〜２１７は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。したがって、凸部２１５〜２１７の上面は、セパレータ２０の基準面３５に一致する。そして、凸部２１５〜２１７は、孔２１１〜２１４の直径に略等しい長さを有し、それぞれ、孔２１１，２１２間、孔２１２，２１３間、および孔２１３，２１４間に配置される。
【００４９】
ガス排出部２２は、孔２２１〜２２４と、凸部２２５〜２２７とを含む。孔２２１〜２２４および凸部２２５〜２２７は、セパレータ２０の長さ方向における他方端側に配置される。そして、孔２２１〜２２４は、セパレータ２０を貫通し、セパレータ２０の幅方向に直線状に配列される。
【００５０】
また、孔２２１〜２２４の各々は、上述したセパレータ１０の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ直径を有する。そして、孔２２１〜２２４は、孔１１１〜１１４，１２１〜１２４と同じ間隔で配置される。
【００５１】
凸部２２５〜２２７は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。したがって、凸部２２５〜２２７の上面も、セパレータ２０の基準面３５に一致する。そして、凸部２２５〜２２７は、孔２２１〜２２４の直径に略等しい長さを有し、それぞれ、孔２２１，２２２間、孔２２２，２２３間、および孔２２３，２２４間に配置される。
【００５２】
凸部２３は、セパレータ２０の幅方向にミリオーダーの間隔で直線状に配列された複数の凸部からなる。そして、凸部２３は、ガス供給部２１とガス流路部２５との間に配置され、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。
【００５３】
凸部２４は、セパレータ２０の幅方向に４ｍｍの間隔で直線状に配列された複数の凸部からなる。そして、凸部２４は、ガス排出部２２とガス流路部２５との間に配置され、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。
【００５４】
ガス流路部２５は、複数の溝２５１を有する。複数の溝２５１は、セパレータ２０の基準面３５に対して１ｍｍよりも小さい深さを有し、ミリオーダーの幅を有する。そして、複数の溝２５１は、凸部２３と凸部２４との間に直線状に形成される。隣接する２つの溝２５１，２５１間の凸部２５２は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出しており、セパレータ２０の基準面３５に一致する。
【００５５】
凹部２６は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２３の一方端側に配置され、凹部２０１に接する。凹部２７は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２３の他方端側に配置され、凹部２０１に接する。
【００５６】
凹部２８は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２４の一方端側に配置され、凹部２０１に接する。凹部２９は、セパレータ２０の幅方向において、凸部２４の他方端側に配置され、凹部２０１に接する。
【００５７】
そして、凹部２６〜２９の各々は、セパレータ２０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んでおり、ミリオーダーの幅を有する。
【００５８】
孔３１〜３４は、セパレータ２０の四隅にセパレータ２０を貫通するように形成される。そして、孔３１〜３４の各々は、ミリオーダーの直径を有する。
【００５９】
ガス供給部２１は、孔２１１〜２１４から水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス流路部２５に供給する。ガス流路部２５は、ガス供給部２１から水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス供給部２１からガス排出部２２の方向へ流す。ガス排出部２２は、ガス流路部２５から水素ガスを受け、その受けたガスを孔２２１〜２２４から排出する。
【００６０】
孔３１〜３４は、固体高分子型燃料電池を組上げるときのボルトが通る孔である。
【００６１】
セパレータ２０が固体高分子型燃料電池に用いられる場合、孔３１，３２，３３，３４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１６，１６，１４，１５に対向する。また、セパレータ２０が固体高分子型燃料電池に用いられる場合、孔２１１〜２１４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１２１〜１２４に対向し、孔２２１〜２２４は、それぞれ、セパレータ１０の孔１１１〜１１４に対向する。
【００６２】
図６は、図５に示すセパレータ２０の裏面の平面図である。図６を参照して、セパレータ２０は、裏面において、凸部２０１Ｒと、複数の凹部２５２Ｒとを有する。凸部２０１Ｒは、図５に示す凹部２０１に対応するものであり、基準面３６から１ｍｍよりも小さい高さだけ突出している。
【００６３】
複数の凹部２５２Ｒは、図５に示す複数の凸部２５２に対応するものであり、複数の凹部２５２Ｒの面は、基準面３６に一致する。複数の凹部２５２Ｒが形成される結果、複数の凸部２５１Ｒが形成される。そして、複数の凸部２５１Ｒは、図５に示す複数の溝２５１に対応する。
【００６４】
図７は、図５に示す凸部２３および凹部２６，２７の拡大図である。図７を参照して、凹部２６の一方端２６Ａと、凹部２７の一方端２７Ａとの距離は、数ｃｍである。平板４０は、１ｍｍよりも小さい厚み、ミリオーダーの幅、および数ｃｍの長さを有する。そして、平板４０は、両端が凹部２６，２７に嵌合するように凸部２３上に配置される（図７の（ａ）参照）。
【００６５】
そうすると、凹部２０１は、セパレータ１０の基準面３５から１ｍｍよりも小さい深さだけ窪んでおり、凸部２３は、凹部２０１から１ｍｍよりも小さい高さを有し、平板４０は、１ｍｍよりも小さい厚みを有するので、平板４０の上面４０Ａは、セパレータ１０の基準面３５に一致する。
【００６６】
なお、凹部２８，２９にも、平板４０と同じ平板が挿入される。
【００６７】
図８は、この発明の実施の形態によるセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。図８を参照して、この発明の実施の形態によるセパレータを備えた固体高分子型燃料電池１００は、固体高分子電解質膜１１０と、ガス拡散電極１２０，１３０と、セパレータ１４０，１５０と、ガスケット１６０，１７０とを備える。
【００６８】
ガス拡散電極１２０は、その一主面に触媒１８０を担持し、触媒１８０が固体高分子電解質膜１１０の一方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の一方側に配置される。また、ガス拡散電極１３０は、その一主面に触媒１９０を担持し、触媒１９０が固体高分子電解質膜１１０の他方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の他方側に配置される。
【００６９】
セパレータ１４０は、図５および図６に示すセパレータ２０からなり、ガス拡散電極１２０の一主面（触媒１８０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。この場合、図５に示すセパレータ２０の面がガス拡散電極１２０側に向けられる。セパレータ１５０は、図１および図２に示すセパレータ１０からなり、ガス拡散電極１３０の一主面（触媒１９０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。この場合、図１に示すセパレータ１０の面がガス拡散電極１３０側に向けられる。
【００７０】
ガスケット１６０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１４０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１４０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。ガスケット１７０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１５０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１５０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。
【００７１】
固体高分子電解質膜１１０は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極１２０，１３０の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒１８０，１９０の各々は、白金（Ｐｔ）または白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ）からなる。ガスケット１６０，１７０の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等である。
【００７２】
図９は、図８に示す固体高分子型燃料電池１００を構成する各部品の斜視図である。固体高分子型燃料電池１００を構成するセパレータ１５０、ガスケット１７０、固体高分子電解質膜１１０、ガスケット１６０、およびセパレータ１４０を、それぞれ、図９の（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示す。
【００７３】
また、固体高分子型燃料電池１００は、ガスケット２１０，２３０をさらに備える。そして、ガスケット２１０，２３０をそれぞれ図９の（ａ），（ｇ）に示す。
【００７４】
ガスケット２１０は、ガスケット２１１０，２１２０からなる。ガスケット２１１０は、孔２１１１，２１１２，２１１３を有する。孔２１１１，２１１２，２１１３は、ガスケット２１１０を貫通する。また、ガスケット２１２０は、孔２１２１，２１２２，２１２３を有する。孔２１２１，２１２２，２１２３は、ガスケット２１２０を貫通する。
【００７５】
そして、孔２１１１，２１３３，２１２１，２１２３は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔２１１２，２１２２は、セパレータ１５０（１０）の孔１１１〜１１４，１２１〜１２４およびセパレータ１４０（２０）の孔２１１〜２１４，２２１〜２２４と同じ直径を有する。
【００７６】
ガスケット１７０は、孔１７１〜１７７を有する。孔１７１〜１７７は、ガスケット１７０を貫通する。そして、孔１７１〜１７４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔１７５，１７６は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７よりも大きい。
【００７７】
ガスケット１６０は、孔１６１〜１６７を有する。孔１６１〜１６７は、ガスケット１６０を貫通する。そして、孔１６１〜１６４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。また、孔１６５，１６６は、ガスケット１７０の孔１７５，１７６と同じ大きさを有する。
【００７８】
ガスケット２３０は、孔２３１〜２３５を有する。孔２３１〜２３５は、ガスケット２３０を貫通する。そして、孔２３１〜２３４は、セパレータ１５０（１０）の孔１４〜１７およびセパレータ１４０（２０）の孔３１〜３４と同じ直径を有する。
【００７９】
図１０は、図９に示す部品を用いて組み立てたときの固体高分子型燃料電池１００の斜視図である。図１０を参照して、固体高分子型燃料電池１００は、ガスケット２１０、セパレータ１５０（１０）、ガスケット１７０、固体高分子電解質膜１１０、ガスケット１６０、セパレータ１４０（２０）およびガスゲット２３０を順次積層した構造を有する。      
【００８０】
そして、孔２１１１，１４，１７１，１６１，３１，２３１は、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。また、孔２１１３，１７２，１６２，３２，２３２も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２１，１６，１７３，１６３，３３，２３３も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２３，１７，１７４，１６４，３４，２３４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１１２，１１１〜１１４，１７５，１６５，２１１〜２１４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。さらに、孔２１２２，１２１〜１２４，１７６，１６６，２２１〜２２４も、ガスケット２１０からガスケット２３０への方向において、直線状に配置される。
【００８１】
その結果、セパレータ１４０（２０）のガス供給部２１は、孔２１１２，１１１〜１１４，１７５，１６５を介して水素ガスを受け、その受けた水素ガスをガス流路部２５に供給する。そして、ガス流路部２５は、ガスケット１６０の孔１６７を介して固体高分子電解質膜１１０に水素ガスを供給するとともに、余った水素ガスをガス排出部２２へ流す。ガス排出部２２は、ガス流路部２５から受けた水素ガスを孔２２１〜２２４を介して排出する。
【００８２】
そして、排出された水素ガスは、孔２３５，１６６，１７６，１２１〜１２４，２１２１を介して流れる。
【００８３】
一方、空気（または酸素）は、外部からセパレータ１５０（１０）のガス流路部１３へ入り、溝１３１〜１４１を流れる。溝１３１〜１４１は、外部から入って来た空気（または酸素）をガスケット１７０の孔１７７を介して固体高分子電解質膜１１０に供給するとともに、余った空気（または酸素）を外部へ排出する。
【００８４】
このように、水素ガスは、セパレータ１５０（１０）のガス通過部１１を通ってセパレータ１４０（２０）のガス供給部２１へ供給されるとともに、セパレータ１４０（２０）のガス排出部２２から排出された後、セパレータ１５０（１０）のガス通過部２２を通って固体高分子型燃料電池１００の厚み方向に流れるので、セパレータ１５０（１０）のガス通過部１１，１２は、セパレータ１５０（１０）が固体高分子電解質膜１１０に供給する空気（または酸素）と異なる水素ガスが流れるガス通過部である。
【００８５】
再び、図８を参照して、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された電子ｅ−と水素イオンＨ＋とのうち、水素イオンＨ＋のみを触媒１９０側へ通過させる。ガス拡散電極１２０は、セパレータ１４０（２０）から供給された水素ガスを触媒１８０へ拡散させる。触媒１８０は、ガス拡散電極１２０に供給された水素ガスを電子ｅ−と水素イオンＨ＋とに分離する。
【００８６】
ガス拡散電極１３０は、セパレータ１５０（１０）から供給された空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散させる。触媒１９０は、固体高分子電解質膜１１０から供給された水素イオンＨ＋と、ガス拡散電極１３０から供給された電子ｅ−と空気（または酸素）とを反応させ、水を生成する。
【００８７】
セパレータ１４０（２０）は、ガス拡散電極１２０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１４０Ａを有する。このガス供給溝１４０Ａは、図５に示す溝２５１からなる。そして、ガス供給溝１４０Ａは、水素ガスの供給口（＝ガス供給部２１）および排出口（＝ガス排出部２２）に繋がっている。したがって、セパレータ１４０（２０）は、ガス供給溝１４０Ａを介して水素ガスをガス拡散電極１２０に供給する。
【００８８】
セパレータ１５０（１０）は、ガス拡散電極１３０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１５０Ａを有する。このガス供給溝１５０Ａは、図１に示す溝１３１〜１４１からなる。そして、ガス供給溝１５０Ａは、固体高分子型燃料電池１００の外部に繋がっている。したがって、セパレータ１５０（１０）は、ガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）をガス拡散電極１３０に供給する。
【００８９】
固体高分子型燃料電池１００が発電する動作について説明する。セパレータ１４０（２０）のガス供給溝１４０Ａを介して水素がガス拡散電極１２０へ供給されると、ガス拡散電極１２０は、水素ガスを触媒１８０へ拡散し、触媒１８０は、水素を水素イオンＨ＋と電子ｅ−とに分離する。
【００９０】
そうすると、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された水素イオンＨ＋および電子ｅ−のうち、水素イオンＨ＋のみを透過して触媒１９０へ供給する。一方、電子ｅ−は、触媒１８０からガス拡散電極１２０を介してセパレータ１４０（２０）へ移動し、セパレータ１４０（２０）から外部の負荷（図示せず）を介してセパレータ１５０（１０）へ流れる。そして、セパレータ１５０（１０）は、電子ｅ−をガス拡散電極１３０へ供給する。
【００９１】
また、セパレータ１５０（１０）のガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）がガス拡散電極１３０へ供給される。そして、ガス拡散電極１３０は、空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散し、電子ｅ−を触媒１９０へ供給する。
【００９２】
そうすると、水素イオンＨ＋、空気（または酸素）および電子ｅ−は、触媒１９０の助けを借りて反応し、水になる。
【００９３】
このようにして、固体高分子型燃料電池１００は発電する。そして、固体高分子型燃料電池１００のセパレータ１４０（２０），１５０（２０）は、上述したように、金属板のプレス成形によって一体的に形成されるので、固体高分子型燃料電池１００を低コストで作製できる。
【００９４】
図１１は、図８に示す固体高分子型燃料電池１００の電圧および抵抗と電流密度との関係を示す図である。図１１において、縦軸は、電圧および抵抗を表し、横軸は、電流密度を表す。また、黒丸は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の電圧と電流密度との関係を示し、黒三角は、直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合の電圧と電流密度との関係を示す。さらに、白三角は、直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合の抵抗と電流密度との関係し、白丸は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の抵抗と電流密度との関係を示す。
【００９５】
図１１を参照して、電圧は、各電流密度に対して、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の方が直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合よりも高くなる。
【００９６】
また、抵抗は、各電流密度に対して、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の方が直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合よりも低くなる。
【００９７】
図１２は、電圧および抵抗の時間に対する変化を示す図である。図１２において、縦軸は、電圧および抵抗を表し、横軸は、時間を表す。また、曲線ｋ１は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の電圧の時間変化を示し、曲線ｋ２は、直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合の電圧の時間変化を示す。さらに、曲線ｋ３は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の抵抗の時間変化を示し、曲線ｋ４は、直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合の抵抗の時間変化を示す。
【００９８】
図１２を参照して、電圧は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の方が直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合よりも長時間にわたって高くなり、かつ、安定している。また、抵抗は、セパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いた場合の方が直線状の溝を有するセパレータをカソード側のセパレータとして用いた場合よりも長時間にわたって低く、かつ、安定している。
【００９９】
したがって、この発明によるセパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いることによって、固体高分子型燃料電池１００の特性が向上する。これは、ジグザグ状の溝１３１〜１４１を有するセパレータ１０をカソード側のセパレータとして用いることによって、空気（または酸素）が固体高分子電解質膜１１０に供給される割合が多くなるとともに、空気（または酸素）による固体高分子型燃料電池１００の冷却効果が増すためである。
【０１００】
なお、固体高分子型燃料電池１００においては、アノード側のセパレータであるセパレータ１４０は、直線状の溝２５１を有するセパレータ２０（図５参照）からなるが、この理由は、次のとおりである。すなわち、水素ガスは、空気（または酸素）に比べて、固体高分子型燃料電池１００の発電に必要な量が少なくて済み、カソード側の反応空気は、固体高分子型燃料電池１００の冷却も兼ねているため、より確実に固体高分子型燃料電池１００を冷却するには、ガス（空気または酸素）とセパレータとの接触面積を増やす必要があるが、アノード側には、そのような必要がないからである。
【０１０１】
図１３は、この発明の実施の形態によるセパレータを備えたスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。図１３を参照して、この発明の実施の形態によるセパレータを備えたスタック型の固体高分子型燃料電池３００は、端板３１０，３５０と、単位セル３２１〜３２ｎ（ｎは２以上の整数）と、シール部材３３１〜３３ｎ−１，３４１〜３４ｎ−１とを備える。
【０１０２】
ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎは、端板３１０と端板３５０との間に直列に配列される。単位セル３２１〜３２ｎの各々は、図８に示す固体高分子型燃料電池１００からなる。なお、図１３においては、図８に示すガス拡散電極１２０，１３０が省略されている。
【０１０３】
ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎが直列に配列される場合、単位セル３２１のセパレータ１５０（１０）は、単位セル２２２のセパレータ１４０（２０）に接し、単位セル２２２のセパレータ１５０（１０）は、単位セル３２３のセパレータ１４０（２０）に接し、以下、同様にして単位セル３２ｎ−１のセパレータ１５０（１０）は、単位セル３２ｎのセパレータ１４０（２０）に接する。この場合、セパレータ１４０（２０）の裏面とセパレータ１５０（１０）の裏面とが接する。
【０１０４】
上述したように、セパレータ１４０（＝セパレータ２０），１５０（＝セパレータ１０）は、金属板からなるので、隣接する２つの単位セル（単位セル３２１，３２２；３２２，３２３；・・・；３２ｎ−１，３２ｎ）のセパレータ１４０（２０）とセパレータ１５０（１０）とが接するようにｎ個の単位セル３２１〜３２ｎを直列に配列することによって、ｎ個の単位セル３２１〜３２ｎは、電気的に直列に接続される。
【０１０５】
シール部材３３１〜３３ｎ−１は、それぞれ、単位セル３２１のガス供給部２１側と単位セル３２２のガス供給部２１側との間、単位セル３２２のガス供給部２１側と単位セル３２３のガス供給部２１側との間、・・・、単位セル３２ｎ−１のガス供給部２１側と単位セル３２ｎのガス供給部２１側との間に配置される。また、シール部材３４１〜３４ｎ−１は、それぞれ、単位セル３２１のガス排出部２２側と単位セル３２２のガス排出部２２側との間、単位セル３２２のガス排出部２２側と単位セル３２３のガス排出部２２側との間、・・・、単位セル３２ｎ−１のガス排出部２２側と単位セル３２ｎのガス排出部２２側との間に配置される。
【０１０６】
上述したように、セパレータ１５０（１０）の裏面がセパレータ１４０（２０）の裏面と接触し、セパレータ１５０（１０）は、空気（または酸素）を流すための溝１３１〜１４１，１５１〜１６０が表面および裏面に形成されているため、スタック型の固体高分子型燃料電池３００においては、セパレータ１５０（１０）は、隣接する２つの単位セルを冷却する。したがって、セパレータ１５０（１０）を用いることによって、固体高分子型燃料電池３００の冷却効果を高くでき、その結果、固体高分子型燃料電池３００の特性を向上できる。
【０１０７】
上述したように、この発明によるセパレータ１０は、金属板をプレス成形することによって作製されるので、ガス通過部１１，１２、およびガス流路部１３を有するセパレータ１０を低コストで作製できる。
【０１０８】
また、この発明による固体高分子型燃料電池１００，３００は、この発明によるセパレータ１０を備えるので、固体高分子型燃料電池１００，３００を低コストで作製できる。
【０１０９】
なお、セパレータ１０は、ステンレス鋼に限らず、硫酸に対して耐腐食性を有する金属板から成っていればよい。
【０１１０】
また、上記においては、セパレータ１０は、ジグザグ状に形成された複数の溝１３１〜１４１を含むと説明したが、この発明においては、これに限らず、セパレータ１０は、一般的には、直線状の溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えていればよく、複数の溝の形状は、どのような形状であってもよい。直線状の溝の長さよりも長い長さを有する複数の溝を備えていれば、固体高分子型燃料電池１００の冷却効果を向上できるとともに、固体高分子電解質膜１１０へ空気（または酸素）を効率的に供給して固体高分子型燃料電池１００の特性を向上できるからである。
【０１１１】
さらに、この発明による固体高分子型燃料電池１００，３００は、自動車に代表される各種移動体、家庭用電源およびおよびパーソナルコンピュータの電源等に用いられる。
【０１１２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
この発明は、冷却効果に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータに適用される。また、この発明は、冷却効果に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを備えた固体高分子型燃料電池に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】この発明の実施の形態によるセパレータの平面図である。
【図２】図１に示すセパレータの裏面の平面図である。
【図３】図１に示す溝部分の拡大図である。
【図４】図１に示すセパレータの斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態による固体高分子型燃料電池に用いる他のセパレータの平面図である。
【図６】図５に示すセパレータの裏面の平面図である。
【図７】図５に示す凸部および凹部の拡大図である。
【図８】この発明の実施の形態によるセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図９】図８に示す固体高分子型燃料電池を構成する各部品の斜視図である。
【図１０】図９に示す部品を用いて組み立てたときの固体高分子型燃料電池の斜視図である。
【図１１】図８に示す固体高分子型燃料電池の電圧および抵抗と電流密度との関係を示す図である。
【図１２】電圧および抵抗の時間に対する変化を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態によるセパレータを備えたスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０，２０，１４０，１５０  セパレータ、１１，１２  ガス通過部、１３，２５  ガス流路部、２１  ガス供給部、２２  ガス排出部、１４〜１７，３１〜３４，１１１〜１１４，１２１〜１２４，１６１〜１６７，１７１〜１７７，２１１〜２１４，２２１〜２２４，２３１〜２３５，２１１１〜２１１３，２１２１〜２１２３  孔、１８，１９，３５，３６  基準面、２３，２４，１３１Ａ〜１４１Ａ，２１５〜２１７，２２５〜２２７，２５２  凸部、２６〜２９  凹部、３０，４０  平板、３０Ａ，４０Ａ  上面、１００，３００  固体高分子型燃料電池  １１０  固体高分子電解質膜、１２０，１３０  ガス拡散電極、１３１〜１４３，２５１  溝、１６０，１７０，２１０，２３０  ガスケット、１８０，１９０  触媒、３１０，３５０  端板、３２１〜３２ｎ  単位セル、３３１〜３３ｎ−１，３４１〜３４ｎ−１  シール部材。
【図１】
2009158148.tif 000003
【図２】
2009158148.tif 000004
【図３】
2009158148.tif 000005
【図４】
2009158148.tif 000006
【図５】
2009158148.tif 000007
【図６】
2009158148.tif 000008
【図７】
2009158148.tif 000009
【図８】
2009158148.tif 000010
【図９】
2009158148.tif 000011
【図１０】
2009158148.tif 000012
【図１１】
2009158148.tif 000013
【図１２】
2009158148.tif 000014
【図１３】
2009158148.tif 000015