JP4915070B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

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セパレータに関する。

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膜−電極接合体を備えている。そして、アノード電極層とカソード電極層には、それぞれセパレータを介して、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）が供給されるようになっている。このように、アノード電極層とカソード電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより、膜−電極接合体にて電極反応が生じて電気が発電される。そして、この膜−電極接合体にて発電された電気は、セパレータを介して、外部に出力される。

このように、固体高分子型燃料電池は、膜−電極接合体、より詳しくは、アノード電極層およびカソード電極層に対して効率よく燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することによって、膜−電極接合体における電極反応が促進されて、効率よく発電することができる。また、膜−電極接合体にて発電された電気を効率よく集電することによって、発電された電気を外部に効率よく出力することができる。

このため、従来から、固体高分子型燃料電池は、気体を透過しない金属薄板に対して多数の筋状の凹凸を形成したセパレータが採用されている。ところが、この従来のセパレータにおいては、外部から供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、セパレータの筋状の凹部（または凸部）を通過してアノード電極層およびカソード電極層に供給される。このため、供給された燃料ガスとアノード電極層、または、酸化剤ガスとカソード電極層とが接触する面積が制限されており、十分な燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できない場合がある。一方で、アノード電極層とセパレータとの接触面積、および、カソード電極層とセパレータとの接触面積は、必要以上に確保されており、セパレータは発電された電気を極めて効率よく集電することができる。

このように、従来から固体高分子型燃料電池に採用されているセパレータでは、ガスを効率よく供給する能力が劣る場合がある一方で、電気を効率よく集電する能力は極めて優れている。すなわち、ガス供給効率と集電効率とのバランスが適切でないと言うことができる。

この問題に対して、例えば、下記特許文献１には、ガス供給効率を改善した燃料電池のセパレータが示されている。この燃料電池のセパレータは、平板状の第１部材（カーボン）と、この第１部材に積層され、アノード電極層およびカソード電極層に弾発的に接触するとともにガス流路を形成する複数の突片が形成された第２部材（金属板）とから構成されている。そして、第２部材の複数の突片によって形成されたガス流路は、突片の周囲や内側に存在する空間とされていて、外部から供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスがあらゆる方向に立体的に通過するようになっている。

これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に拡散させることができ、アノード電極層およびカソード電極層に対するガス供給効率を高めるようになっている。また、従来の燃料電池のセパレータでは、アノード電極層およびカソード電極層に対して、第２部材の突片が面接触する。これにより、発電された電気を効率よく集電することができ、第１部材を介して、外部に電気を出力するようになっている。

ところで、上記従来の燃料電池のセパレータにおいては、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に拡散させることができるものの、アノード電極層およびカソード電極層と第２部材の突片とを弾性を利用して積極的に面接触させるようになっている。このため、拡散された燃料ガスおよび酸化剤ガスがアノード電極層およびカソード電極層と接触する面積が小さくなる。言い換えれば、第２部材によってアノード電極層およびカソード電極層の表面が覆われる面積が大きくなる。これにより、電極反応に必要なガス量をアノード電極層またはカソード電極層に供給できない可能性があり、改善する余地がある。

このことに対して、例えば、下記特許文献２には、よりガス供給効率を改善した燃料電池が示されている。この燃料電池においては、アノード電極層およびカソード電極層に対して、多孔質金属（ニッケル発泡体）を介して、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようになっている。これにより、アノード電極層およびカソード電極層と、多孔質金属との接触面積をより小さくし、電極反応に必要なガス量が供給されるようになっている。一方、アノード電極層およびカソード電極層と多孔質金属の表面とが接触することにより、発電された電気を効率よく集電するために必要な接触面積は確保されるため、集電効率も良好となる。

しかしながら、一般的に、多孔質金属の製造コストは非常に高く、多孔質金属を採用して燃料電池を製造した場合の製造コストも増大する。したがって、ガス供給効率および集電効率をともに高めるとともに、製造コストが安価となるセパレータの開発が熱望されている。
特開２００２−１８４４２２号公報 特開平７−２２０３７号公報

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、ガスを良好に供給するとともに発電された電気を効率よく集電して、燃料電池の発電効率を向上させる燃料電池用セパレータを提供することにある。

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、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電された電気を集電する燃料電池用セパレータであって、導電性を有する素材から成形されて、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、所定の開口形状を有する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であって、前記網目状かつ階段状の貫通孔がラスメタルの形成方向に対して左右方向にて所定のピッチだけオフセットしながら連続的に形成されるラスメタルから成形されて、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するとともに、前記電極層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と、前記コレクタと前記電極層との間に設けられて導電性を有する繊維状のカーボン層とから構成したことにある。この場合、前記電極層と前記コレクタとが接触する部位の接触面積は、前記セパレータ本体と前記コレクタとが接触する部位の接触面積以上であるとよく、前記コレクタの所定の開口形状は、例えば、六角形状、五角形状あるいは四角形状であるとよい。また、前記コレクタは、前記供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの導通方向と、前記ラスメタルの形成方向とが一致した状態で、前記ガス流路を形成するとよい。

これらによれば、コレクタを、六角形状など所定の開口形状を有する貫通孔が網目状かつ階段状に形成されたラスメタルから成形することができる。これにより、電極層に対する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス供給効率を高めることができるとともに、電極層の電極反応によって発電された電気の集電効率を良好に確保することができる。

すなわち、所定の開口形状を有する貫通孔が網目状かつ階段状に形成されたラスメタルからコレクタを成形することによって、電極層（すなわち、アノード電極層とカソード電極層）とコレクタとの接触状態（態様）を略線状あるいは略点状の接触とすることができる。これにより、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスと電極層とが接触する面積（接触面積）を増加させることができ、電極層における電極反応に必要なガスを十分に供給することができる。

また、電極層にて発電された電気は、電極層の表面からコレクタへ流れ、さらにコレクタからセパレータ本体を介して外部に出力される。このとき、電極層およびセパレータ本体とコレクタとの接触状態（態様）が略線状あるいは略点状となるものの、電気の流れに対して必要十分な接触面積を確保することができる。これにより、発電された電気が流れるときの抵抗を小さくすることができ、電気を効率よく集電することができる。したがって、燃料電池は、外部に対して効率よく電気を出力することができる。

また、コレクタに対して、ガスを導通させるための、例えば、筋状の凹凸や突片などのガス導通路を成形する必要がない。このため、コレクタを極めて容易に成形することができ、生産性を高めることができる。また、ガス導通路を成形する必要がないため、コレクタの厚み寸法を小さくすることができる。これにより、燃料電池の基本構成である単セルの厚みを小さくすることができるため、燃料電池自体の小型化を達成することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記ラスメタルを複数枚重ねて、前記コレクタを形成したことにもある。この場合、前記複数枚重ねる各ラスメタルの表面積に対する貫通孔の開口面積の比率がそれぞれ異なるとよい。

これらによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスを導通するための空間、言い換えれば、セパレータ本体と電極層との間の空間を大きくすることができるため、より多くの燃料ガスと酸化剤ガスを導通することができる。これにより、電極層における電極反応に必要なガスを効率よく供給することができる。この場合においても、電極層とセパレータ本体との接触面積を必要十分に確保できるため、効率よく発電された電気を集電することができる。

また、重ねられる各ラスメタルの表面積に対する貫通孔の開口面積の比率すなわち各コレクタの開口率をそれぞれ異ならせることができる。これにより、電極層とコレクタとの接触面積および燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を容易に変更することができる。したがって、要求される燃料電池の仕様に応じて、必要な接触面積およびガスの供給量を最適に調整することができる。

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構成される。

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電気が発電される。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。

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。

セパレータ本体１１は、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、金属製の薄板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆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）から形成することも可能である。

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と対向する位置にガス導出口１１ｂ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。

ガス導入口１１ａは、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、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又は酸化剤ガスを流通する。ガス導出口１１ｂも、略長楕円状に形成されていて、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。

コレクタ１２は、所定形状を有する多数の小径の貫通孔が網目状に形成された金属製の薄板（以下、この金属製の薄板をラスメタルＲＭという）から成形されている。このラスメタルＲＭは、例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板に対してラス加工を施すことにより、図３（ａ）に示すように、略六角形状の貫通孔（以下、この貫通孔を六角形貫通孔という）が網目状に成形されている。また、ラスメタルＲＭは、図３（ｂ）にて図３（ａ）の側面を示すように、網目状の六角形貫通孔を形成している部分（以下、この部分をストランドという）が順次重なるように連結されて（以下、この連結部分をボンド部という）、その断面形状が階段状となっている。以下、このラスメタルＲＭを成形するラス加工について説明する。

ラスメタルＲＭは、例えば、図４（ａ）に概略的に示すラス加工装置Ａを利用して成形される。ラス加工装置Ａは、ステンレス板Ｓを順次供給するための送りローラＯＲと、ステンレス板Ｓを順次せん断加工して網目状の六角形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。刃型Ｈは、図４（ｂ）に示すように、上下動および左右動可能な上刃ＵＨとベースに組み付けられた下刃ＳＨとから構成される。そして、上刃ＵＨおよび下刃ＳＨは、せん断加工により千鳥配置に切れ目を形成するとともに、ステンレス板Ｓに対して階段状の六角形貫通孔を形成するための複数の略台形形状の刃を備えている。

このように構成されたラス加工装置Ａ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（加工ピッチ）だけ刃型Ｈに送る。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方向へ降下し、下刃ＳＨとともに略台形形状の刃によってステンレス板Ｓの一部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、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを下方に曲げ伸ばす。これにより、曲げ延ばされた部分には、上刃ＵＨの形状すなわち略台形形状が転写される。そして、上刃ＵＨは、最下点位置から上方の原位置まで復帰する。

続いて、送りローラＯＲが再び加工ピッチだけステンレス板Ｓを刃型Ｈに送る。このとき、上刃ＵＨは、左右方向にて、半ピッチだけ移動（すなわち、オフセット）する。そして、上述したように、再び上刃ＵＨが降下する。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曲げ伸ばし部分から左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る。これにより、ステンレス板Ｓには、六角形貫通孔が形成される。

そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状の六角形貫通孔が千鳥配置に形成されたラスメタルＲＭ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ラスメタルＲＭのボンド部となることにより、ストランドが順次重なるように連結されて、ラスメタルＲＭはその断面形状が図３（ｂ）に示すような階段状に形成される。そして、ラスメタルＲＭを所定寸法に切断することにより、コレクタ１２が形成される。

フレーム２０は、図１および図５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、一面側にてＭＥＡ３０に固着されるとともに、他面側にてセパレータ本体１１に固着される。これらの樹脂板本体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、図３（ｂ）に示したコレクタ１２の成形高さＬ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。

また、樹脂板本体２１，２２には、その周縁部分にて、後述するように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、コレクタ１２を収容するための収容孔２１ｃ，２２ｃが形成されている。この収容孔２１ｃ，２２ｃは、積層されて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。

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から導入することができるとともに、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、ガス導通空間を通過した未反応の燃料ガスは、一方のガス導出口１１ｂから外部に導出することができるとともに、未反応の酸化剤ガスは、他方のガス導出口１１ｂおよび貫通孔２１ｂから外部に導出することができる。

電極構造体としてのＭＥＡ３０は、図１および図５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側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側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、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。

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、ガス導通空間の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）が防止される。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、その大きさがフレーム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。

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できる。

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５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を狭持した状態で一体的に固着する。

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の収容孔２１ｃ，２２ｃ内にコレクタ１２を収容する。このとき、コレクタ１２は、積層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の配置方向すなわち導入されたガスの流通方向と、コレクタ１２（より詳しくは、ラスメタルＲＭ）の成形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。

そして、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、上下２枚のセパレータ本体１１を、例えば、接着剤などを塗布することにより、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Ｌ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とともに、コレクタ１２とセパレータ本体１１との接触状態も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。

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。

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して導通する。

すなわち、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、多数の六角形貫通孔が網目状かつ階段状に形成されたラスメタルＲＭ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、ラスメタルＲＭの多数の六角形貫通孔は千鳥配置に形成されている。

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すなわちラスメタルＲＭに形成された千鳥配置の六角形貫通孔を通過することによって乱流となる。これにより、供給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。

ところで、単セルを形成するコレクタ１２は、カーボンクロスＣＣに対して、ラスメタルＲＭのボンド部、より詳しくは、階段状に形成された六角形貫通孔の一辺を構成する各ボンド部で接触する（以下、カーボンクロスＣＣと接触する側のボンド部を図３（ａ）に示すように第１ボンド部という）。これにより、図６に示すように、コレクタ１２とカーボンクロスＣＣとの接触態様が略線状となり、コレクタ１２とカーボンクロスＣＣとが接触する部分の面積（接触面積）を必要最小限の大きさとすることができる。

このように、コレクタ１２とカーボンクロスＣＣとの接触面積を必要最小限とすることにより、ガス導通空間内に一様に拡散した燃料ガスまたは酸化剤ガスとカーボンクロスＣＣとが接触する面積（ガス接触面積）を大きくすることができる。すなわち、コレクタ１２を積層したときに、接触部分によって塞がれるカーボンクロスＣＣの表面積を小さくすることができる。

これにより、カーボンクロスＣＣを通過してアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに供給される燃料ガス量または酸化剤ガス量が多くすることができる。このため、ガス供給効率が向上し、ＭＥＡ３０における電極反応の効率を向上させることができる。また、ガスを効率よく供給することができるため、ＭＥＡ３０に供給されることなく外部に排出される未反応ガスを減少させることができる。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。

ここで、コレクタ１２とカーボンクロスＣＣとの接触面積は、ＭＥＡ３０における電極反応によって発電される電気を集電する際の抵抗（以下、この抵抗を集電抵抗という）を小さくして集電効率が向上するように設定される。すなわち、接触面積をより小さく設定した場合には、カーボンクロスＣＣのガス接触面積が大きくなって燃料電池の発電効率が向上するものの、カーボンクロスＣＣからコレクタ１２への電気の流れが阻害されて集電抵抗が大きくなり、集電効率が低下する。逆に、接触面積をより大きく設定した場合には、集電抵抗が小さくなって集電効率が向上するものの、カーボンクロスＣＣのガス接触面積が小さくなって燃料電地の発電効率が低下する。

したがって、コレクタ１２とカーボンクロスＣＣとの接触面積は、燃料電池の発電効率と集電効率とがバランスよく両立できるように設定される。なお、接触面積は、例えば、ラスメタルＲＭ（すなわちコレクタ１２）の第１ボンド部の長さを適宜変更することによって、容易に調整することができる。

また、コレクタ１２は、セパレータ本体１１に対して、第１ボンド部の他側に形成されたラスメタルＲＭのボンド部（以下、セパレータ本体１１と接触する側のボンド部を図３（ｂ）に示すように第２ボンド部という）で接触する。このため、図６に示したように、コレクタ１２とセパレータ本体１１との接触態様も略線状となる。

ここで、コレクタ１２とセパレータ本体１１とは、ともに導電性の良好なステンレスの薄板から形成される。このため、コレクタ１２とセパレータ本体１１とが略線状に接触することによって接触面積を必要十分に確保でき、この結果、コレクタ１２からセパレータ本体１１に電気が流れる際の抵抗（以下、この抵抗を接触抵抗という）を十分に小さくすることができる。したがって、コレクタ１２によって集電された電気を効率よくセパレータ本体１１に供給することができる。これにより、例えば、セパレータ本体１１に接続された図示しない外部回路に対して、発電された電気を効率よく出力することができる。

以上の説明からも理解できるように、この実施形態によれば、コレクタ１２を、六角貫通孔を網目状かつ階段状に形成したラスメタルＲＭから成形することができる。これにより、ＭＥＡ３０に対する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス供給効率を高めることができるとともに、ＭＥＡ３０の電極反応によって発電された電気の集電効率を良好に確保することができる。

すなわち、六角形貫通孔が形成されたラスメタルＲＭからコレクタ１２を成形することによって、アノード電極層ＡＥとカソード電極層ＣＥ、より詳しくは、カーボンクロスＣＣとコレクタ１２との接触態様を略線状の接触とすることができる。これにより、供給されたガスとカーボンクロスＣＣとのガス接触面積を増加させることができ、アノード電極層ＡＥとカソード電極層ＣＥにおける電極反応に必要なガスを十分に供給することができる。さらに、カーボンクロスＣＣとコレクタ１２との必要十分な接触面積を確保できるため、集電抵抗を低減することもできる。

また、ＭＥＡ３０にて発電された電気は、カーボンクロスＣＣからコレクタ１２へ流れ、さらにコレクタ１２からセパレータ本体１１を介して外部に出力される。このとき、カーボンクロスＣＣおよびセパレータ本体１１と、コレクタ１２との接触態様が略線状となるため、必要十分な接触面積を確保でき、接触抵抗を低減することができる。これにより、電気を効率よく集電することができて効率よく電気を出力することができる。

また、カーボンクロスＣＣおよびセパレータ本体１１と、コレクタ１２との接触面積を適切に確保することができるため、導電性を改善する金めっきなどを施す必要がない。これにより、コレクタ１２を極めて安価に成形（製造）することができて、燃料電池の製造コストを低減することができる。

また、コレクタ１２に対して、ガスを導通させるための、例えば、筋状の凹凸などのガス導通路を成形する必要がない。このため、コレクタ１２（すなわち、ラスメタルＲＭ）を極めて容易に成形することができ、生産性を高めることができる。また、ガス導通路を成形する必要がないため、コレクタ１２の厚み寸法を小さくすることができる。これにより、単セルの厚みを小さくすることができるため、燃料電池自体の小型化を達成することができる。

上記実施形態においては、六角形貫通孔が網目状かつ階段状に形成されたラスメタルＲＭを用いてコレクタ１２を成形して実施した。ところで、ラスメタルに形成される貫通孔の形状は、ガス供給効率を高めるとともに集電抵抗および接触抵抗を低減できる形状であれば、六角形貫通孔に限定されるものではない。以下、貫通孔形状を変更したラスメタルを採用した変形例について具体的に説明する。なお、各変形例の説明においては、上記実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ラスメタルに形成される貫通孔の形状としては、図７（ａ）に示すように、例えば、菱形（四角形）を採用することができる。以下、貫通孔の形状として菱形を採用した場合の第１変形例を説明する。菱形の貫通孔（以下、この貫通孔を菱形貫通孔という）を有するラスメタルＲＭ’も、例えば、上記実施形態のラス加工装置Ａを用いて成形される。ただし、ラスメタルＲＭ’を成形する場合には、刃型Ｈを構成する上刃ＵＨの刃形状が上記実施形態の場合と異なる。

すなわち、この第１変形例における上刃ＵＨの刃形状は、形成する菱形貫通孔の形状に合わせて複数の山谷形状（略三角形状）に変更されている。そして、この第１変形例においても、ラス加工装置Ａは、送りローラＯＲによって加工ピッチだけステンレス板Ｓを送り、左右上下動する上刃ＵＨによって、一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工するするとともにステンレス板Ｓを曲げ伸ばし、この曲げ延ばした部分に略三角形状を転写する。そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状かつ階段状の菱形貫通孔を千鳥配置に成形したラスメタルＲＭ’が連続的に形成される。

また、この第１変形例においては、上刃ＵＨの刃形状が複数の山谷形状に形成されていることによって、谷形状部分にてボンド部が形成される。すなわち、ラスメタルＲＭ’の菱形貫通孔の頂点部分にボンド部が形成される。これにより、ストランドが順次重なるように連結されて、ラスメタルＲＭ’はその断面形状が図７（ｂ）に示すような階段状に成形される。そして、ラスメタルＲＭ’は、所定寸法に切断されることによって、コレクタ１２’に成形される。このように成形されたコレクタ１２’も、上記実施形態と同様にフレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容されて、単セルを構成する。

この第１変形例においても、ガス供給インナーマニホールドを介してガス導通空間内にガスが供給されると、供給されたガスは、コレクタ１２’によって一様に拡散して導通する。すなわち、供給されたガスは、上記実施形態と同様に、コレクタ１２’に接触しながらガス導通空間内を流れる。このため、ガス導通空間内におけるガスの流れがコレクタ１２’に形成された千鳥配置の菱形貫通孔を通過することによって乱流となり、ガスは、ガス導通空間内にて一様に拡散した状態となる。したがって、上記実施形態と同様に、カーボンクロスＣＣを通過したガスは、アノード電極層ＡＥとカソード電極層ＣＥに対して、均一に供給される。

さらに、この第１変形例におけるコレクタ１２’は、カーボンクロスＣＣに対してラスメタルＲＭ’の第１ボンド部、すなわち、図７（ａ）に示すように、階段状に形成された菱形貫通孔の頂点部分を構成する各ボンド部で接触する。これにより、図８に示すように、コレクタ１２’とカーボンクロスＣＣとの接触態様が略点状となり、コレクタ１２’とカーボンクロスＣＣとの接触面積が、上記実施形態に比してより小さくなる。

このように、接触面積がより小さくなることによって、ガス導通空間内に一様に拡散したガスと接触するカーボンクロスＣＣのガス接触面積はより大きくなる。このため、カーボンクロスＣＣを通過してアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥに供給されるガスのガス供給効率が大幅に向上する。これにより、ＭＥＡ３０における電極反応の効率を向上させることができるとともに、排出される未反応ガスを減少させることができる。したがって、燃料電池は、極めて効率よく電気を発電することができる。

ただし、上記実施形態において説明したように、コレクタ１２’とカーボンクロスＣＣとの接触面積が小さくなると、集電抵抗が増大する。このため、第１変形例においては、コレクタ１２’とカーボンクロスＣＣ間の集電抵抗を低減するために、コレクタ１２’の接触部位には、例えば、金めっきなどが施される。これにより、カーボンクロスＣＣとコレクタ１２’間の導電性が大幅に改善され、その結果、集電抵抗を大幅に低減することができる。したがって、発電された電気を効率よく外部に出力することができる。

また、図７（ａ）に示したコレクタ１２’とセパレータ本体１１との第２ボンド部における接触状態も略点状となって、接触抵抗が増大することが懸念される。しかしながら、コレクタ１２’とセパレータ本体１１とは、ともに導電性の良好なステンレス板から成形されるため、コレクタ１２’のセパレータ本体１１との接触部位については、金めっきなどを施すことを省略して実施することが可能である。なお、この場合には、より接触抵抗を低減するために、例えば、コレクタ１２’とセパレータ本体１１とを接合することも可能である。

したがって、コレクタ１２’を採用した第１変形例においても、上記実施形態と同様に、ガス供給効率と集電効率をバランスよく両立することができる。これにより、上記実施形態と同様の効果が期待できる。なお、この第１変形例においては、コレクタ１２’に導電性を改善するための、例えば、金めっきを施す必要があるため、上記実施形態の場合に比して燃料電池の製造コストが上昇する可能性がある。しかし、例えば、従来の燃料電池のように多孔質金属を採用した場合と比較すると、コレクタ１２’の製造コストは大幅に低減することが可能であるため、燃料電池を安価に製造することができる。

上記第１変形例においては、菱形貫通孔を網目状かつ階段状に形成したラスメタルＲＭ’からコレクタ１２’を成形して実施した。これに代えて、貫通孔形状を略五角形としたラスメタルＲＭ’’を採用して実施することも可能である。以下、この第２変形例を説明する。

この第２変形例におけるラスメタルＲＭ’’は、図９（ａ）に示すように、網目状かつ階段状に形成される貫通孔の形状が略五角形（以下、この五角形の貫通孔を五角形貫通孔という）とされている。そして、このラスメタルＲＭ’’も、例えば、ラス加工装置Ａを用いて成形される。ただし、ラスメタルＲＭ’’を成形する場合には、刃型Ｈを構成する上刃ＵＨの刃形状が上記実施形態および第１変形例の場合と異なる。

すなわち、この第２変形例における上刃ＵＨの刃形状は、形成する五角形貫通孔の形状に合わせて変更されている。具体的に説明すると、例えば、上刃ＵＨの刃形状は、上記実施形態と同様に複数の略台形形状または上記第１変形例と同様に複数の略三角形状とされる。

そして、この第２変形例においても、ラス加工装置Ａは、送りローラＯＲによって加工ピッチだけステンレス板Ｓを送り、左右上下動する上刃ＵＨによって、一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工するとともにステンレス板Ｓを曲げ伸ばし、この曲げ伸ばした部分に略台形形状を転写する。なお、上刃ＵＨの刃形状を略三角形状とした場合には、上記第１変形例の場合に比して、ステンレス板Ｓの曲げ伸ばし量が小さく設定される。そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状かつ階段状の五角形貫通孔を千鳥配置に成形したラスメタルＲＭ’’が連続的に形成される。

また、この第２変形例においては、上刃ＵＨの刃形状が複数の略台形形状または略三角形状に形成されていることによって、これら形状の谷形状部分にてボンド部が形成される。具体的に説明すると、この第２変形例においては、図９（ａ）に示すように、形成された五角形貫通孔の一辺と、同辺に対向する頂点とがそれぞれボンド部となる。これにより、ストランドが順次重なるように連結されて、ラスメタルＲＭ’’はその断面形状が図９（ｂ）に示すような階段状に成形される。そして、ラスメタルＲＭ’’は、所定寸法に切断されることによって、コレクタ１２’’に成形される。このように成形されたコレクタ１２’’も、上記実施形態と同様にフレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容されて、単セルを構成する。

そして、この第２変形例においても、ガス供給インナーマニホールドを介してガス導通空間内にガスが供給されると、供給されたガスは、コレクタ１２’’によって一様に拡散して導通する。すなわち、供給されたガスは、上記実施形態と同様に、コレクタ１２’’に接触しながらガス導通空間内を流れる。このため、ガス導通空間内におけるガスの流れがコレクタ１２’’に形成された千鳥配置の五角形貫通孔を通過することによって乱流となり、ガスは、ガス導通空間内にて一様に拡散した状態となる。したがって、上記実施形態と同様に、カーボンクロスＣＣを通過したガスは、アノード電極層ＡＥとカソード電極層ＣＥに対して、均一に供給される。

また、この第２変形例のコレクタ１２’’においては、カーボンクロスＣＣに接触するラスメタルＲＭ’’の第１ボンド部を、図９（ａ）に示すように、五角形貫通孔を形成する一辺側とすることができる。すなわち、コレクタ１２’’とカーボンクロスＣＣとの接触態様を略線状とすることができる。これにより、上記実施形態と同様に、コレクタ１２’’とカーボンクロスＣＣとの接触面積を適切に確保することができ、集電抵抗を低減することができる。より詳しくは、五角形貫通孔の開口形状（メッシュサイズ）を、例えば、六角形貫通孔と同程度のメッシュサイズとした場合には、コレクタ１２’’の第１ボンド部の線長がコレクタ１２の第１ボンド部の線長よりも長くなる。したがって、コレクタ１２’’とカーボンクロスＣＣとの間の接触面積をより大きく確保することができる。

一方、このようにカーボンクロスＣＣと五角形貫通孔の一辺側で接触するコレクタ１２’’においては、セパレータ本体１１に接触するラスメタルＲＭ’’の第２ボンド部が、図９（ａ）に示すように、五角形貫通孔を形成する頂点側となる。この場合、コレクタ１２’’（すなわちラスメタルＲＭ’’）とセパレータ本体１１とは、ともに導電性が良好なステンレス板から成形されている。これにより、コレクタ１２’’とセパレータ本体１１との接触態様が略点状となっていても、接触抵抗の上昇を抑制することができ、導電性を改善するために、例えば、高価な金めっきなどを施す必要がない。なお、この場合にも、より接触抵抗を低減するために、例えば、コレクタ１２’とセパレータ本体１１とを接合することも可能である。したがって、ガス供給効率を良好に確保するとともに、集電効率を良好に確保することができる。さらに、導電性を改善するための金めっきなどを省略することができるため、上記実施形態と同様に、極めて安価にコレクタ１２’’を成形することができる。このため、燃料電池の製造コストを大幅に低減することができる。

ここで、第２変形例においては、ラスメタルＲＭ’’として略五角形の貫通孔である五角形貫通孔を形成するように実施した。これに対して、図１０に示すように、ラスメタルＲＭ’’の第１ボンド部の線長を長くした多角形の貫通孔を形成して実施することも可能である。この場合には、コレクタ１２’’とカーボンクロスＣＣとの接触面積を極めて大きく確保することができるため、より集電抵抗を低減することができる。

本発明の実施にあたっては、上記実施形態および第１、第２変形例に限定されることなく、本発明の目的を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態および第１、第２変形例においては、１枚のラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’からコレクタ１２，１２’，１２’’をそれぞれ成形し、これらのコレクタ１２，１２’，１２’’をフレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容するように実施した。これに対して、ラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’を複数枚重ねて、コレクタ１２，１２’，１２’’を成形して実施することも可能である。なお、この場合には、ラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’を重ねる枚数に応じて、フレーム２０の板厚が変更されることはいうまでもない。

このように、コレクタ１２，１２’，１２’’を成形した場合には、ガス導通空間の高さ方向寸法が大きくなるため、供給インナーマニホールドからガス導通空間内に供給する燃料ガス量および酸化剤ガス量を増大することができる。そして、このように供給される燃料ガス量および酸化剤ガス量が増大した場合であっても、コレクタ１２，１２’，１２’’によって、ガス導通空間内におけるガスの流れを乱流とすることができる。これにより、ガス供給効率をより高めることができて、燃料電池の発電効率を良好に確保することができる。

また、ラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’を複数枚重ねて、コレクタ１２，１２’，１２’’を成形した場合であっても、コレクタ１２，１２’，１２’’と、カーボンクロスＣＣまたはセパレータ本体１１との接触態様が上述した実施形態および各変形例と同様となる。これにより、集電効率を良好に確保できる。したがって、この場合においても、ガス供給効率と集電効率とをバランスよく両立して実施することができる。

また、このように複数枚のラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’を重ねてコレクタ１２，１２’，１２’’を形成する場合には、ラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’の表面積に対する貫通孔の開口面積比率（すなわち開口率）を異ならせて重ねることも可能である。このように、ラスメタルＲＭ，ＲＭ’，ＲＭ’’の開口率を異ならせて重ねることによって、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥ（より詳しくは、カーボンクロスＣＣ）とコレクタ１２，１２’，１２’’との接触面積およびガス供給量を容易に変更することができる。これにより、要求される燃料電池の仕様に応じて、必要な接触面積およびガス供給量を最適に調整することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの一部を示した概略図である。 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。 （ａ），（ｂ）は、コレクタを形成するラスメタルを説明するための図である。 （ａ）は、図３のラスメタルを成形するラス加工装置を概略的に示した概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の刃型の形状を説明するための図である。 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。 ＭＥＡおよびセパレータ本体とコレクタとの接触態様を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、図１に示した実施形態の第１変形例に係るコレクタを形成するラスメタルを説明するための図である。 第１変形例におけるＭＥＡおよびセパレータ本体とコレクタとの接触態様を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、図１に示した実施形態の第２変形例に係るコレクタを形成するラスメタルを説明するための図である。 図１に示した実施形態の第２変形例をさらに変形したコレクタを形成するラスメタルを説明するための図である。

符号の説明

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、ＲＭ…ラスメタル

Claims (6)

1. 燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電された電気を集電する燃料電池用セパレータであって、
   導電性を有する素材から成形されて、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、
   所定の開口形状を有する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であって、前記網目状かつ階段状の貫通孔がラスメタルの形成方向に対して左右方向にて所定のピッチだけオフセットしながら連続的に形成されるラスメタルから成形されて、前記セパレータ本体と前記電極層との間にて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記電極層に供給するためのガス流路を形成するとともに、前記電極層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と、
   前記コレクタと前記電極層との間に設けられて導電性を有する繊維状のカーボン層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。
2. 請求項１に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記電極層と前記コレクタとが接触する部位の接触面積は、前記セパレータ本体と前記コレクタとが接触する部位の接触面積以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 前記ラスメタルを複数枚重ねて、前記コレクタを形成した請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータ。
4. 前記複数枚重ねる各ラスメタルの表面積に対する貫通孔の開口面積の比率がそれぞれ異なる請求項３に記載した燃料電池用セパレータ。
5. 前記コレクタは、前記供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの導通方向と、前記ラスメタルの形成方向とが一致した状態で、前記ガス流路を形成する請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータ。
6. 前記コレクタの所定の開口形状は、六角形状である請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータ。

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