固体高分子型燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池用セル
【課題】 部材剛性を確保してガス流通領域におけるシール性能を安定して確保しつつ、薄肉化を実現し、それによって燃料電池のコンパクト化を有利に達成せしめ得る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セパレータ及び固体高分子型燃料電池用セルを提供すること。
【解決手段】 第一セパレータ４２及び第二セパレータ４２をそれぞれ金属製とすると共に、第一セパレータ４２及び第二セパレータ４２の外周縁部をそれぞれ副面５６側に傾斜して屈曲させることにより、補強リブ７６を第一，第二セパレータ４２、４２に一体形成した。
【解決手段】 第一セパレータ４２及び第二セパレータ４２をそれぞれ金属製とすると共に、第一セパレータ４２及び第二セパレータ４２の外周縁部をそれぞれ副面５６側に傾斜して屈曲させることにより、補強リブ７６を第一，第二セパレータ４２、４２に一体形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電界質膜を用いた固体高分子型燃料電池用セパレータと、それを用いた固体高分子型燃料電池用セルに係り、特に、新規な構造の金属製のセパレータとそれを用いた新規な固体高分子型燃料電池用セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、良く知られているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子膜を電解質としてその両面に重ね合わせた一対の触媒電極の表面に対して、酸化剤としての酸素（空気）と燃料としての水素を供給し、電気化学的に反応させることによって電力を得るものである。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、目的とする電圧を安定して効率的に得るために、各触媒電極の表面上に酸素や水素を安定して供給することが重要であると共に、適当な温度に維持することも重要となる。
【０００４】
そこで、一般に、固体高分子電解質膜の両面に対してそれぞれ通気性を有する多孔質膜状の酸化電極と燃料電極を配設した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その酸化電極の表面に第一セパレータを重ね合わせると共に、燃料電極の表面に第二セパレータを重ね合わせた構造のセルが採用されている。この単セルを、複数段重ね合わせて電気的に直列接続することで、目的とする電圧を得るようにした構造とされている。
【０００５】
そして、第一セパレータに設けた凹溝を酸化電極で覆蓋することによって酸化ガス流路が形成されると共に、第二セパレータに設けた凹溝を燃料電極で覆蓋することによって燃料ガス流路が形成されている。また、第一セパレータ又は第二セパレータの電極と重ね合わされる主面に対する裏側の副面には、第一セパレータ又は第二セパレータに設けた凹溝を隣接する別の単セルの副面で覆蓋することによって冷却流路が形成されている。
【０００６】
また、相互に重ね合わされた各単セルの外周縁部には、重ね合わせ方向に貫通するようにして、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔と、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔、更に冷却水供給孔および冷却水排出孔が、それぞれ形成されている。そして、これらの給排孔を通じて給排される酸化ガス，燃料ガス，冷却水が、各単セルにおいて、それぞれ、上述の酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路に流通せしめられて、各排出孔から排出されるようになっている。（例えば、特許文献１参照）
【０００７】
このような固体高分子型燃料電池においては、一つの単セルでの発電能力が０．７Ｖ程度と低いことから、前述の如く、目的とする発電性能を得るために多数のセルを重ね合わせて電気的に直列接続せしめた構造とされている。しかしながら、多数のセルを重ね合わせると、燃料電池の全体サイズが大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
なお、燃料電池の全体サイズを小さくするために、例えば、膜／電極接合体に比して性能上の寸法制限が小さい第一及び第二のセパレータを薄肉とすることも考えられる。しかしながら、第一及び第二のセパレータを薄肉とすると、部材剛性が低下してしまって、製造後の搬送等の取扱いに際して、或いは組付けに際して、セパレータが変形してしまうおそれがある。セパレータが変形すると、組付後のセルにおいて、膜／電極接合体とセパレータの重ね合わせ面間に形成されるガス流通領域のシール性能が低下するおそれがあり、性能および信頼性が低下する可能性がある。
【０００９】
特に近年では、ガス流路内に生成する水を速やかに排出して滞留を防止すると共に、電気化学的反応の効率化などを目的として、流路内のガス圧力を大きく設定する傾向にある。そのために、セパレータの剛性を確保することは、非常に重要なことと認識されている。従って、セパレータの薄肉化による燃料電池のコンパクト化は、極めて困難であったのである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、部材剛性を確保してガス流通領域におけるシール性能を安定して確保しつつ、薄肉化を実現し、それによって燃料電池のコンパクト化を有利に達成せしめ得る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の特に請求項８に記載の発明においては、内部に形成されるガス流通領域におけるシール性能を十分に確保しつつ、コンパクトなサイズの燃料電池を実現せしめ得る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１４】
すなわち、固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、矩形薄板状の金属板によって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータを構成すると共に、該第一セパレータおよび該第二セパレータの外周縁部を、それぞれ、前記膜／電極接合体に対して重ね合わせられる主面と反対の副面側に向けて傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成したことを特徴とする。
【００１５】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、第一セパレータ及び第二セパレータを金属製としたことにより、カーボン等を用いたセパレータに比して大きな強度を確保することが出来るため、第一，第二のセパレータを十分に薄肉としつつも必要な強度を確保することが出来る。しかも、カーボン等を用いたセパレータに比して金属製のセパレータは導電性に優れている。それ故、十分な強度を確保しつつ、よりコンパクトで高性能な燃料電池の実現が可能となる。
【００１６】
また、金属製のセパレータは、樹脂やカーボンに比して耐熱温度も極めて高く、熱による変形や収縮等の問題が回避され得る。
【００１７】
また、金属製としたことにより、リサイクル等による再利用も容易である。
【００１８】
更に、第一セパレータ及び第二セパレータの外周縁部を、傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成した。それ故、第一セパレータ及び第二セパレータの強度を一層有利に確保することが出来る。
【００１９】
しかも、かかる補強リブを何れのセパレータにおいても、膜／電極接合体と反対側に向かって傾斜するように形成したことによって、補強リブの突出高さ寸法を有利に確保可能となり、有効な補強効果を得ることが出来る。
【００２０】
すなわち、膜／電極接合体の厚さ寸法は５００μｍ程度と極めて薄肉であり、第一セパレータ及び第二セパレータが、膜／電極接合体の両面に対して直接に重ね合わせられることとなる。しかし、膜／電極接合体への重ね合わせ面と反対の副面側では、膜／電極接合体の表面に燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成すると共に、両セパレータの重ね合わせ面間に冷却水流路を形成するために、一般に、１ｍｍ又はそれ以上の隙間寸法が形成されることとなり、両セパレータの裏面の間に更に別の中間板を介在させる場合は勿論、両セパレータの裏面同士を直接に重ね合わせる場合でも、１．５〜２ｍｍの隙間寸法が、両セパレータの裏面間には形成されることとなる。
【００２１】
本発明では、このような燃料電池セルの特別な構造に着目して、両セパレータの外周縁部を、それぞれ、膜／電極接合体と反対側に向けて屈曲させることで補強リブを形成することにより、外周部分でスタック方向に締め付けられるセパレータの構造上、極めて有効な両セパレータの外周縁部の補強を、十分な補強リブの寸法を得ることが可能な態様で実現出来るのである。
【００２２】
また、本発明の第二の態様は、前記第一の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが、その外周縁部において、それぞれ厚さ方向に貫通して延びて燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔を形成する合計６種類の給排用孔を備えており、しかもそれら６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置になるように設定されていることによって、該第一セパレータと該第二セパレータが、同一の金型によってプレス成形された金属板を用いて形成されていることを特徴とする。
【００２３】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、膜／電極接合体の酸素側電極と燃料側電極の何れに重ね合わせられるセパレータとしても同一のものが採用され得る。従って、セパレータの製造設備を簡略化することが出来る。また、セパレータのスタック量の管理や、輸送時の数量管理，組立現場での数量管理が大幅に簡略化され得る。
【００２４】
なお、６種類の給排用孔は表裏反転状態で第一セパレータ，第二セパレータとして共用されるようになっており、好適には、第一セパレータを主面側から見た場合に、一方の対角方向で対向位置するように燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔を形成すると共に、他方の対角方向で対向位置するように酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔を形成する。ここにおいて、第二セパレータでは、表裏反転されて使用されるため、主面から見た場合に一方の対角方向で対向位置するように酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔が形成されると共に、他方の対角方向で対向位置するように燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔が形成されることとなる。従って、主面において一方の対角方向に位置する一対のガス供給孔とガス排出孔を接続する凹溝を形成しておけば、これを、第一セパレータでは燃料ガス流路形成用凹溝として利用することが出来る。一方、第二セパレータでは、これを、酸化ガス流路形成用凹溝として利用することが出来る。それ故、ガス流路形成用凹溝を含めて、第一のセパレータと第二のセパレータを、同一形状の金属製セパレータをもって構成することが可能となる。
【００２５】
また、本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータには、その４角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されており、四辺部分に形成された前記補強リブが、該切除部によって、相互に実質的に分断されて独立形成されていることを特徴とする。
【００２６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補強リブを形成することにより生じる歪を略完全に回避することが出来て、耐久性の向上を図ることが出来ると共に、優れた寸法精度をもって量産することが可能となる。
【００２７】
すなわち、矩形薄板状の金属板によって構成されたセパレータの四辺部分に形成された補強リブを周方向で連続させた場合、セパレータの角部において歪が大きくなり、残留応力が発生し易くなる。特に、セパレータは非常に薄肉であるため、係る歪に基づく応力によって、セパレータに対して予測できない割れや、歪が発生するおそれがある。ここにおいて、本態様では、セパレータの四角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されていることによって、かかる歪の発生を回避できるようになっているのである。
【００２８】
また、本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れかの態様に係る固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記補強リブが形成された外周縁部に対して、周方向に延びる補助シールゴムが固着されて形成されており、互いに重ね合わされる第一セパレータと第二セパレータの間で該補助シールゴム層が相互に当接されることによって、前記膜／電極接合体が配設される両セパレータの対向面間の領域が外部空間からシールされるようになっていることを特徴とする
【００２９】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補助シールによって両セパレータの対向面間が外部空間からシールされており、外部へのガスリークを一層効果的に防ぐことが出来ることは勿論、内部のガス成分や温度といった雰囲気を略安定して保つことが出来る。それ故、耐久性の向上や特性及び性能の安定化を実現することが可能となる。
【００３０】
また、補助シールゴムの内部には、屈曲形状の補強リブが埋設構造とされているため、大きな固着強度が有利に確保されることとなる。なお、好適には、補強シールゴムは、セパレータに対して加硫接着されることが望ましい。
【００３１】
また、本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記主面には、前記膜／電極接合体の燃料電極又は酸化電極に重ね合わされて燃料ガス流路又は酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、該燃料ガス流路および該酸化ガス流路に対して燃料ガスおよび酸化ガスを給排する燃料ガスの給排孔および酸化ガスの給排孔の周囲とを、それぞれ囲むように広がる主面シールゴム層が固着されて形成されていることを特徴とする。
【００３２】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、各ガス流路が形成される領域をそれぞれシールすることが出来る。それ故、燃料ガス流路／酸化ガス流路内の燃料ガス／酸化ガスが、酸化ガス流路／燃料ガス流路へとリークすることを防ぐことが出来て、耐久性の向上や性能の安定化を有利に実現できる。
【００３３】
特に、金属製のセパレータを採用したことにより、主面シールゴム層を加硫接着することで、主面シールゴム層をセパレータに対して強固に且つ確実に被着形成することが出来る
【００３４】
また、好適には、特に本発明の第四の態様と組み合わせることによって、二重のシール機構による高度なシール性能を容易に実現可能となって、耐久性向上，性能や特性の安定化といった効果をより一層有利に得ることが可能となる。
【００３５】
また、本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部に形成された前記補助シールゴムにおいては、互いに重ね合わせられる別のセパレータの補助シールゴムとの重ね合わせ面が、対応する傾斜面とされており、かかる傾斜面同士を重ね合わせることにより、該補助シールゴムによって、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来るようにしたことを特徴とする
【００３６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが、補助シールゴムによって重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来る。それ故、第一セパレータと第二セパレータの組付け作業を効率的に行うことが出来る。
【００３７】
また、本発明の第七の態様は、前記第六の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記補助シールゴムの前記傾斜面が、潤滑機能を向上させた潤滑面とされていることを特徴とする。
【００３８】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補助シールゴムの傾斜面を潤滑面とすることによって補助シールゴムの傾斜面に位置決め機能に加えて、ガイド機能を付与することが出来て、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータの補助シールゴムによる位置決めを一層効率的に行うことが可能となる。
【００３９】
なお、補助シールゴムの傾斜面を潤滑面とするための手段としては、具体的には、例えば、ゴム材料に配合したオイル分がブリードするようにした公知の自己潤滑性ゴムを採用して補助シールゴムを形成したり、或いは、補助シールゴムの成形後にレーザ光を照射して低摩擦処理を施したり、フッ素樹脂等の低摩擦性樹脂を被着する等の処理を施すことなど、公知の各種技術が採用され得る。
【００４０】
また一方、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第八の態様は、請求項１乃至７の何れかに記載の第一及び第二セパレータを用い、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して両側から重ね合わせて、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成したことを特徴とする。
【００４１】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、補強リブなどの特定構造を備えた金属製セパレータを利用することにより、剛性と電気的性能を高度に確保しつつ、セルのコンパクト化が可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにあっては、第一セパレータ及び第二セパレータの外周縁部を副面側に向けて傾斜して屈曲させて、補強リブを一体形成したことにより、十分な補強リブの突出長さを確保することが出来て、セパレータの剛性を有利に向上せしめることが可能となっている。特に、セパレータの外周縁部にかかる補強リブを形成したことにより、その組付け状態下でボルトによる締付け力等の大きな力が作用するセパレータの外周縁部の剛性を大幅に高めることに成功している。また、セパレータを金属製とすることによって、セパレータを十分に薄肉としても強度を確保することが出来ると共に、導電性に優れているため電気的性能を高度に確保することが出来る。
【００４３】
また、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、上述の理由から、高い剛性と高度な電気的性能を備えた固体高分子型燃料電池用セルを、コンパクトに実現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】
【００４４】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４５】
先ず、図１には、本発明に従う構造とされた単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成された固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。
【００４６】
より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質としてその両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。また、この膜／電極接合体１８を両面からサンドイッチ状に挟むようにして、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が重ね合わされている。そして、かかる単セル１２が、板厚方向で複数枚重ね合わされることにより、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを構成するようになっている。
【００４７】
なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００４８】
そして、各単セル１２には、膜／電極接合体１８と第一セパレータ２０の重ね合わせ面間において、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路２４が形成されている。また、膜／電極接合体１８と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間には、空気（酸素）を供給する酸化ガス流路２６が形成されている。更に、相互に重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路２８が形成されている。
【００４９】
また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３４ａと燃料ガス排出孔３４ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３４ｃと酸化ガス排出孔３４ｄが形成されている。
【００５０】
また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各中央部分には、冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。
【００５１】
さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。
【００５２】
これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆが形成されている。
【００５３】
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板３６，３８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。
【００５４】
また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８には、燃料ガス供給用ポート４０ａ，燃料ガス排出用ポート４０ｂ，酸化ガス供給用ポート４０ｃ，酸化ガス排出用ポート４０ｄ，冷却水供給用ポート４０ｅ，冷却水排出用ポート４０ｆの合計６個のポート４０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート４０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート４０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。
【００５５】
そして、これら各供給用ポート４０ａ，ｃ，ｅを通じて各供給孔３４ａ，ｃ，ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路２４および酸化ガス流路２６と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路２８を流通せしめられた後、各排出孔３４ｂ，ｄ，ｆを経て、各排出用ポート４０ｂ，ｄ，ｆを通じて排出されるようになっているのである。
【００５６】
これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。
【００５７】
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に且つ安定して発揮させるには、各単セル１２の触媒電極１６ａ，１６ｂに対して燃料ガスと酸化ガスを連続的に供給すると共に、各単セル１２に対して冷却水を連続的に供給して温度管理を実現することが必要となる。そこで、これら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排流路を形成する流路構造について、以下に説明を加える。
【００５８】
先ず、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜６に示されている如き、同一の金属製セパレータ４２が採用されている。
【００５９】
この金属製セパレータ４２は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ４２は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。
【００６０】
具体的には、金属製セパレータ４２には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部３０と第二辺縁部３２に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における３個の貫通孔４４ａ，ｅ，ｄと、第二辺縁部３２における３個の貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ４２の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ４２を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔４４ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部３０には、上から順に貫通孔４４ａ，ｅ，ｄが形成されている一方、第二辺縁部３２には、上から順に貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂが形成されている。
【００６１】
これにより、２枚の金属製セパレータ４２，４２を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向に合致して相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、各貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄ，冷却水供給孔３４ｅ，冷却水排出孔３４ｆとされている。
【００６２】
さらに、金属製セパレータ４２において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面４６には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部３０の左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａの近くから第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部３２の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部３０に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部３０の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部３２の右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝４８が形成されている。この凹溝４８は、一つの貫通孔４４ａを、略対角方向で対向位置する別の貫通孔４４ｂに接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝４８は、水平方向に延びる各直線部分が、主面４６の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。
【００６３】
特に本実施形態において、凹溝４８は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有している。なお、凹溝４８は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから２．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．３ｍｍから１．２ｍｍ、とされ、より望ましくは、開口部の溝幅が１．６ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝４８において、隣り合う凹溝４８の間隔は、好適には、開口部において０．２ｍｍから１．２ｍｍとされ、より好適には、０．７ｍｍとされるのが望ましい。
【００６４】
また、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の各貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域５０とされている。かかるガス拡散領域５０の周囲には、図５に示すように、ガス拡散領域５０を囲むようにして主面シールゴム層５２が金属製セパレータ４２の主面４６に被着されている。なお、本実施形態において、加硫成形された主面シールゴム層５２は、加硫接着によってその全面に亘って金属製セパレータ４２の主面４６に接着されて、金属製セパレータ４２に対して流体密に密着せしめられている。そして、組付け状態下において第一，第二セパレータ２０，２２の各主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２同士が圧接せしめられることによって、ガス拡散領域５０が流体密にシールされている。また、主面シールゴム層５２の内周面が燃料電極１６ａ若しくは酸化電極１６ｂの外周面に当接せしめられることにより、金属製セパレータ４２に重ね合わせられる膜／電極接合体１８が主面４６上で位置決めされる。特に本実施形態では、主面シールゴム層５２の内周面が傾斜面とされており、主面シールゴム層５２の内周が、金属製セパレータ４２の主面４６から離隔するに従って次第に広がるようにされている。
【００６５】
更に、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の一部でガス拡散領域５０の外部に形成された部分、即ち、凹溝４８の各貫通孔４４ａ，ｂ，ｃ，ｄへの接続部分である接続凹溝としての接続部５４には、その開口部を覆蓋するように、主面シールゴム層５２が橋渡し状に延びて形成されている。換言すれば、凹溝４８の貫通孔４４ａ〜ｄへの接続部分である接続部５４は、主面シールゴム層５２によって凹溝４８の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。
【００６６】
一方、金属製セパレータ４２において、凹溝４８が開口する主面４６と反対側の副面５６には、図５，６に示すように、凹状通路５８が形成されている。凹状通路５８は、主面４６に形成された複数条の凹溝４８の間で、副面５６において形成されて、燃料ガス供給孔３４ａの近くから燃料ガス排出孔３４ｂの近くまで延びている。即ち、主面４６における凹溝４８間の凸部を、その反対側の副面５６において凹状通路５８として利用しており、酸化ガス供給孔３４ｃ及び酸化ガス排出孔３４ｄの手前まで凹溝４８に沿って延びている。
【００６７】
また、冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆの近くには、接続凹所６０が形成されている。接続凹所６０は、一方の端部が冷却水供給孔３４ｅ又は冷却水排出孔３４ｆに接続されている一方、他方の端部が酸化ガス供給孔３４ｃ又は酸化ガス排出孔３４ｄの近くまで延びている。
【００６８】
そして、図６に示すように、副面５６において、金属製セパレータ４２の外周部付近および組付け状態において凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分を除く略全面には、副面シールゴム層６２が形成されている。また、凹状通路５８の内面には、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されており凹状通路５８の内側に被着せしめられている。これによって、凹状通路５８内が全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。なお、特に本実施形態では、金属製セパレータ４２に複数の接続孔６４が貫設されており、金属製セパレータ４２の主面４６と副面５６にそれぞれ固着された主面シールゴム層５２，副面シールゴム層６２が物理的に一体化せしめられて、シールゴム層６６を形成している。これにより、シールゴム層６６の被着強度の向上や、薄肉とされたシールゴム層６６の成形時におけるゴム材料の充填不良防止を実現している。
【００６９】
なお、本実施形態では、図７に示されているように、燃料電極１６ａに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部に係合凹所６８が設けられていると共に、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部には、係合突起７０が設けられている。かかる係合凹所６８と係合突起７０を係合せしめることにより、単セル１２を重ね合わせてセルスタックを構成する際に、単セル１２同士が互いに位置決めされるようになっている。
【００７０】
更に、図７に示すように、シールゴム層６６の外側、即ち金属製セパレータ４２の外周縁部には、補助シールゴム７２が略全周に亘って被着形成せしめられている。かかる補助シールゴム７２によって、組付け状態下において金属製セパレータ４２間がシールされており、万が一シールゴム層６６を越えてリークが発生した場合においても、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷却水が外部にリークすることを防止することができる。また、かかる補助シールゴム７２における金属製セパレータ４２の主面４６側と副面５６側の両面は、副面５６側から主面４６側に向かって傾斜する傾斜面とされており、かかる傾斜面がそれぞれガイド面７４とされている。このガイド面７４の主面４６側と副面５６側の傾斜角度は略同一とされており、金属製セパレータ４２を重ね合わせる際に、かかる主面４６側のガイド面７４と副面５６側のガイド面７４を相互に重ね合わせることによって金属製セパレータ４２同士を容易に位置決めすることが可能となっている。
【００７１】
特に、本実施形態では、ガイド面７４が潤滑面とされており、高いシール性能を確保すると共に、ガイド面７４の重ね合わせによる位置決めをスムーズに行うことが可能とされている。なお、ガイド面７４を潤滑面とする手段としては、具体的には、例えば、補助シールゴム７２の材料として、油分などの混合により表面に潤滑材がブリードするようにした自己潤滑性ゴムを採用したり、或いは、表面にレーザー処理や低摩擦性樹脂コートを施して潤滑性を向上させるなどの手段を用いることが考えられる。
【００７２】
更にまた、補助シールゴム７２が被着形成されている金属製セパレータ４２の外周縁部は、図７に示されているように、凹溝４８が開口形成された主面４６側と反対の副面５６に向けて傾斜して屈曲せしめられて、補強リブ７６が形成されている。かかる補強リブ７６は、金属製セパレータ４２の板面に対して略２５〜６５度程度の傾斜角度で端縁部の実質的に全周に亘って形成されており、金属製セパレータ４２の剛性を高めると共に、補助シールゴム７２を一層強固にセパレータに対して被着せしめることが可能となっている。特に本実施形態では、略矩形平板形状とされた金属製セパレータ４２の四隅に略矩形状の切欠きが設けられており、切除部としての切欠部７８とされている。この切欠部７８によって、隣り合う各辺部の補強リブ７６が互いに独立しており、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲せしめることによる、歪の発生を回避している。
【００７３】
而して、このような構造とされた金属製セパレータ４２は、膜／電極接合体１８に対して、その両側から重ね合わせられて組み付けられている。即ち、膜／電極接合体１８は、前述の如く固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化して構成されている。また、固体高分子膜１４が、金属製セパレータ４２に比して一回り小さな矩形板形状とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが、固体高分子膜１４よりも更に一回り小さな矩形板形状とされている。これによって、固体高分子膜１４の外周縁部が、全周に亘って、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂの外周縁部から所定幅寸法で突出せしめられている。そして、この突出した固体高分子膜１４の外周縁部が、第一及び第二セパレータ２０，２２間において挟み込まれており、突出した固体高分子膜１４の外周縁部が全周に亘ってガスケットとしての主面シールゴム層５２を介して挟圧保持されて、主面シールゴム層５２に圧接せしめられていることで、膜／電極接合体１８を挟んで燃料電極１６ａ側と酸化電極１６ｂ側の各ガス拡散領域がそれぞれ流体密にシールされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２０における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、燃料電極１６ａの厚さ寸法よりも大きく、第二セパレータ２２における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、酸化電極１６ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されている。具体的には、例えば、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、各セパレータにおける主面シールゴム層５２の厚さをそれぞれ０．２７５ｍｍとするのが望ましい。また、それら第一及び第二のセパレータにおける両主面シールゴム層５２，５２の層厚寸法の合計値は、膜／電極接合体１８の総厚寸法、即ち、固体高分子膜１４の膜厚寸法と燃料／酸化の両電極１６ａ，１６ｂの厚さ寸法の合計と同じか僅かに大きく設定されることが望ましい。好適には、例えば、主面シールゴム層５２の層厚の合計値を０．５５ｍｍとする一方、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、固体高分子膜１４の厚さ寸法を０．０５ｍｍとすることが望ましい。
【００７４】
なお、接続部５４の開口部では、主面シールゴム層５２が接続部５４の存在によって第一，第二セパレータ２０，２２間で十分に挟圧されず、それに伴って、主面シールゴム層５２間に挟圧保持されるべき固体高分子膜１４も十分に挟圧保持されない。その結果、極めて薄肉とされた固体高分子膜１４は、接続部５４の開口部上において接続部５４内への撓みを生じるおそれがある。そして、燃料ガス供給孔３４ａ／酸化ガス供給孔３４ｃから接続部５４を介して燃料ガス流路２４／酸化ガス流路２６へ供給されるべき燃料ガス／酸化ガスが、かかる撓みを通じて膜／電極接合体１８を挟んで反対側に形成された酸化ガス流路２６／燃料ガス流路２４、或いはガス拡散領域へ導かれることによってガスリークが発生する危険性がある。そこで、特に本実施形態では、図８に示すように、主面シールゴム層５２が接続部５４の開口部上に橋渡し状態で配設されている。これによって、固体高分子膜１４に撓みが生じるのを防ぐことが出来て、上述の如きガスリークを防止することが出来るようなっている。
【００７５】
また、金属製セパレータ４２は、各主面４６，４６を膜／電極接合体１８に対して重ね合わせられている。すなわち、膜／電極接合体１８の両側に重ね合わせられる二枚の金属製セパレータとしての第一，第二セパレータ２０，２２は、互いに表裏を反転した状態で組み付けられている。つまり、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０は、上述の如く、左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａと右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂが凹溝４８によって接続されている。一方、この第一セパレータ２０の表裏を反転せしめることにより、右上部に形成された酸化ガス供給孔３４ｃと左下部に形成された酸化ガス排出孔３４ｄが凹溝４８によって接続されて、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる第二セパレータ２２として使用することが出来るのである。
【００７６】
このようにして、膜／電極接合体１８に対して、その両側から第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を重ね合わせることによって得られた単セル１２においては、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０の主面４６に開口形成された凹溝４８の開口部が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、燃料電極１６ａと第一セパレータ２０の主面４６の間に、燃料ガス流路２４が形成されている。一方、酸化電極１６ｂと重ね合わせられる第二セパレータ２２の主面４６に形成された凹溝４８の開口部が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、酸化電極１６ｂと第二セパレータ２２の主面４６の間に、酸化ガス流路２６が形成されている。なお、上述の如く、第一，第二セパレータ２０，２２にそれぞれ被着形成された主面シールゴム層５２，５２の間で固体高分子膜１４が挟圧保持されてシールされていることにより、膜／電極接合体１８を挟んで形成される燃料ガス流路２４と酸化ガス流路２６の間で膜／電極接合体１８を越えて生じるガスリークが防止されている。
【００７７】
更に、かかる単セル１２は、互いに複数が重ね合わせられており、金属製セパレータ４２の副面５６同士が重ね合わせられることにより、一方の金属製セパレータ４２の副面５６に形成された凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２によって覆蓋されることとなって、金属製セパレータ４２の副面５６間に冷却水流路２８が形成されている。即ち、図９に示すように、互いに重ね合わせられる金属製セパレータ４２の各副面５６，５６に形成された凹状通路５８，５８において、一部では、凹状通路５８，５８が互いに重ね合わせられて冷却水流路２８が形成される一方、他の部分では、一方の金属製セパレータ４２に形成されている凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２の凹溝４８の底部によって覆蓋されて冷却水流路２８が形成されている。
【００７８】
また、一方の金属製セパレータ４２に形成された接続凹所６０の一部が、他方の金属製セパレータ４２に形成された凹状通路５８の端部と重ね合わせられて、重ね合わせ方向で接続されている。これによって、金属製セパレータ４２の副面５６が重ね合わせられた状態で、一方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、他方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられていると共に、他方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、一方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられており、冷却水供給孔３４ｅから供給された冷却水が、冷却水流路２８を通過して、冷却水排出孔３４ｆから排出されるようになっている。
【００７９】
なお、冷却水流路２８は、流路内面の全長に亘って絶縁ゴム層６３が被着形成されていると共に、凹溝４８の底部においては、副面シールゴム層６２が被覆されておらず、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分において第一セパレータ２０と第二セパレータ２２とが電気的に導通せしめられている。これによって、単セル１２間が電気的に導通せしめられて、各単セル１２が発生した総電力を図示しない陽極側集電板と陰極側集伝板を介して外部に取り出すことができると共に、冷却水流路２８が電気的に絶縁されて、各単セル１２が発電した電気が冷却水を通して散逸することを防いでいる。
【００８０】
ここにおいて、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の外周縁部に補強リブ７６を設けたことによって、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の剛性を高めることが出来る。しかも、かかる補強リブ７６を、特に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２を用いて固体高分子型燃料電池を構成する際に、ガス流路（１６ａ，１６ｂ）及び冷却水流路２８が形成されることによって比較的大きな厚さ寸法が必要とされる、各セパレータの副面５６側に向かって傾斜するように補強リブ７６を屈曲形成せしめたことによって、補強リブ７６の突出長さを有利に確保することが可能となって、第一，第二セパレータ２０，２２の高い剛性を一層有利に実現することが出来る。
【００８１】
また、第一，第二セパレータ２０，２２として金属製セパレータ４２を採用している。これによって、第一，第二セパレータ２０，２２の強度を確保しつつ、十分に薄肉とすることが出来る。それ故、単セル１２の厚みを減少させることが可能となり、単セル１２の集合によって構成されるセルスタック、延いては固体高分子型燃料電池１０のサイズのコンパクト化が実現される。しかも、金属製セパレータ４２の外周縁部において補強リブ７６を全周に亘って形成したことによって、金属製セパレータ４２の強度を一層高めることが出来て、より有利に金属製セパレータ４２の薄肉化を実現することができる。
【００８２】
さらに、導電樹脂やカーボンに比して優れた導電性を有する金属を用いて第一，第二セパレータ２０，２２を形成したことにより、高性能な固体高分子型燃料電池１０が容易に実現され得る。また、金属は樹脂やカーボンに比して耐熱温度が極めて高いため、発熱反応を生じる固体高分子型燃料電池１０内に配設しても、熱による変形や収縮などの問題が回避される。しかも、金属製セパレータ４２は、リサイクル等の再利用も容易である。
【００８３】
さらにまた、本実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２をプレス加工によって形成された金属製セパレータ４２とすることにより、非常に高い寸法精度で第一，第二セパレータ２０，２２を形成することが出来ると共に、高い生産性をも実現できる。
【００８４】
また、本実施形態では、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を、共通の金属製セパレータ４２を表裏反転せしめることにより構成している。それ故、部品点数の削減が可能となり、それに伴って部品の製造や管理を容易にすることができると共に、製造設備の簡略化も実現できる。
【００８５】
また、本実施形態では、金属製セパレータ４２の外周縁部の四角に矩形状の切欠部７８が設けられている。それ故、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲させて、補強リブ７６を形成したことによって生じる、セパレータの角部における歪を略完全に回避することが出来て、耐久性の向上や、性能や特性の安定化が実現できる。
【００８６】
また、本実施形態では、シールゴム層６６と補助シールゴム７２をそれぞれ設けた。これにより、シールゴム層６６によるガス拡散領域５０のシールと補助シールゴム７２による外部とのシールの、二重のシール機構が実現されて、高度なシール性能を容易に得ることが出来る。しかも、シールゴム層６６と補助シールゴム７２を別体として形成したことにより、それぞれのシールゴムに対する要求特性に応じて、適合するゴム材料を選択することが出来て、要求特性を高度に実現することが可能となる。
【００８７】
また、互いに重ね合わせられる複数のセパレータに設けられた補助シールゴム７２の重ね合わせ面を、互いに対応する傾斜面であるガイド面７４とすることにより、補助シールゴム７２のガイド面７４によってセパレータの位置決めを容易に行うことが出来る。しかも、補助シールゴム７２に形成されたガイド面７４を潤滑面としたことにより、補助シールゴム７２のガイド面７４によるセパレータの位置決め機能を一層効果的に発揮せしめることが出来る。
【００８８】
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータを用いた固体高分子型燃料電池用セルでは、剛性と電気的な特性を高度に確保しつつ、コンパクト化を実現することが出来る。
【００８９】
次に、図１０には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０の組付け状態が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同じ部材や部分については、図中に第一の実施形態と同一の符号を付すことによって、説明を省略する。
【００９０】
すなわち、本発明の第二の実施形態では、複数の金属製セパレータ８０に被着形成されたシールゴム層８２及び補助シールゴム８４が、略同一の形状とされている。具体的には、例えば、第一の実施形態において副面シールゴム層６２に設けられていた係合凹所６８および係合突起７０が第二の実施形態では設けられていないと共に、補助シールゴム８４が、傾斜面を持たない略直方体形状とされている。
【００９１】
このような第二の実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用金属製セパレータ８０では、金属製セパレータ８０にシールゴム層８２及び補助シールゴム８４を被着形成した状態であっても、表裏反転せしめることにより、第一セパレータ２０又は第二セパレータ２２のどちらとしても使用することが出来る。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２との部品の共通化を一層有利に実現することが出来て、組付時の各作業がより効率的に達成され得る。
【００９２】
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０を採用することにより、単セルが、表裏を反転せしめても同一の形状となるため、単セルを重ね合わせて固体高分子型燃料電池を構成する作業においても、より効率的に作業を行うことが可能となる。
【００９３】
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００９４】
例えば、第一，第二セパレータ２０，２２に形成される凹溝４８は、前記実施形態の如き葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。
【００９５】
更に、凹溝４８の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。
【００９６】
また、前記実施形態では、冷却水流路２８を凹溝４８によって第一，第二セパレータ２０，２２の副面５６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路２８は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面５６上で冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。
【００９７】
また、凹溝４８が接続される燃料ガス供給孔３４ａと酸化ガス供給孔３４ｃ、或いは、凹状通路５８が接続される冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。
【００９８】
また、前記実施形態では、シールゴム層６６，８２と補助シールゴム７２，８４は別体形成されていたが、シールゴム層６６，８２と補助シールゴム７２，８４を一体的に形成することも可能である。
【００９９】
また、前記実施形態では、金属製セパレータ４２，８０の４角部に切欠部７８を設けたが、このような切欠きは必ずしも設ける必要はない。更に、補強リブ７６に被着形成される補助シールゴム７２，８４も必ずしも必要ではない。なお、このように補助シールゴム７２，８４を被着形成しないと共に、副面シールゴム層６２において係合凹所６８及び係合突起７０を形成しないことによって、第一，第二セパレータ２０，２２を略完全に同一形状とされたセパレータによって実現することが出来て、取扱い及び組付け作業をより効率的に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池用セパレータを用いて構成された固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する単セルの構造を示す斜視図である。
【図３】図１に示された固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側を示す側面図である。
【図４】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図５】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側を示す側面図である。
【図６】図５に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図７】図１に示された固体高分子型燃料電池における単セルの組付け状態を示す断面図である。
【図８】図４に示された固体高分子型電池用セパレータの一部を拡大して示す斜視断面図である。
【図９】図４，図６に示された固体高分子型電池用セパレータの副面側の組付け状態を示す斜視断面図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態としての固体高分子型電池用セパレータを含んで構成された単セルの組付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０ 固体高分子型燃料電池
１２ 単セル
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
２４ 燃料ガス流路
２６ 酸化ガス流路
２８ 冷却水流路
４２ 金属製セパレータ
４８ 凹溝
５０ ガス拡散領域
５４ 接続部
５８ 凹状通路
６０ 接続凹所
８０ 金属製セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電界質膜を用いた固体高分子型燃料電池用セパレータと、それを用いた固体高分子型燃料電池用セルに係り、特に、新規な構造の金属製のセパレータとそれを用いた新規な固体高分子型燃料電池用セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、良く知られているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子膜を電解質としてその両面に重ね合わせた一対の触媒電極の表面に対して、酸化剤としての酸素（空気）と燃料としての水素を供給し、電気化学的に反応させることによって電力を得るものである。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、目的とする電圧を安定して効率的に得るために、各触媒電極の表面上に酸素や水素を安定して供給することが重要であると共に、適当な温度に維持することも重要となる。
【０００４】
そこで、一般に、固体高分子電解質膜の両面に対してそれぞれ通気性を有する多孔質膜状の酸化電極と燃料電極を配設した膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して、その酸化電極の表面に第一セパレータを重ね合わせると共に、燃料電極の表面に第二セパレータを重ね合わせた構造のセルが採用されている。この単セルを、複数段重ね合わせて電気的に直列接続することで、目的とする電圧を得るようにした構造とされている。
【０００５】
そして、第一セパレータに設けた凹溝を酸化電極で覆蓋することによって酸化ガス流路が形成されると共に、第二セパレータに設けた凹溝を燃料電極で覆蓋することによって燃料ガス流路が形成されている。また、第一セパレータ又は第二セパレータの電極と重ね合わされる主面に対する裏側の副面には、第一セパレータ又は第二セパレータに設けた凹溝を隣接する別の単セルの副面で覆蓋することによって冷却流路が形成されている。
【０００６】
また、相互に重ね合わされた各単セルの外周縁部には、重ね合わせ方向に貫通するようにして、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔と、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔、更に冷却水供給孔および冷却水排出孔が、それぞれ形成されている。そして、これらの給排孔を通じて給排される酸化ガス，燃料ガス，冷却水が、各単セルにおいて、それぞれ、上述の酸化ガス流路，燃料ガス流路，冷却水流路に流通せしめられて、各排出孔から排出されるようになっている。（例えば、特許文献１参照）
【０００７】
このような固体高分子型燃料電池においては、一つの単セルでの発電能力が０．７Ｖ程度と低いことから、前述の如く、目的とする発電性能を得るために多数のセルを重ね合わせて電気的に直列接続せしめた構造とされている。しかしながら、多数のセルを重ね合わせると、燃料電池の全体サイズが大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
なお、燃料電池の全体サイズを小さくするために、例えば、膜／電極接合体に比して性能上の寸法制限が小さい第一及び第二のセパレータを薄肉とすることも考えられる。しかしながら、第一及び第二のセパレータを薄肉とすると、部材剛性が低下してしまって、製造後の搬送等の取扱いに際して、或いは組付けに際して、セパレータが変形してしまうおそれがある。セパレータが変形すると、組付後のセルにおいて、膜／電極接合体とセパレータの重ね合わせ面間に形成されるガス流通領域のシール性能が低下するおそれがあり、性能および信頼性が低下する可能性がある。
【０００９】
特に近年では、ガス流路内に生成する水を速やかに排出して滞留を防止すると共に、電気化学的反応の効率化などを目的として、流路内のガス圧力を大きく設定する傾向にある。そのために、セパレータの剛性を確保することは、非常に重要なことと認識されている。従って、セパレータの薄肉化による燃料電池のコンパクト化は、極めて困難であったのである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−８３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、部材剛性を確保してガス流通領域におけるシール性能を安定して確保しつつ、薄肉化を実現し、それによって燃料電池のコンパクト化を有利に達成せしめ得る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の特に請求項８に記載の発明においては、内部に形成されるガス流通領域におけるシール性能を十分に確保しつつ、コンパクトなサイズの燃料電池を実現せしめ得る、新規な構造の固体高分子型燃料電池用セルを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１４】
すなわち、固体高分子型燃料電池用のセパレータに関する本発明の第一の態様は、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、矩形薄板状の金属板によって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータを構成すると共に、該第一セパレータおよび該第二セパレータの外周縁部を、それぞれ、前記膜／電極接合体に対して重ね合わせられる主面と反対の副面側に向けて傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成したことを特徴とする。
【００１５】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、第一セパレータ及び第二セパレータを金属製としたことにより、カーボン等を用いたセパレータに比して大きな強度を確保することが出来るため、第一，第二のセパレータを十分に薄肉としつつも必要な強度を確保することが出来る。しかも、カーボン等を用いたセパレータに比して金属製のセパレータは導電性に優れている。それ故、十分な強度を確保しつつ、よりコンパクトで高性能な燃料電池の実現が可能となる。
【００１６】
また、金属製のセパレータは、樹脂やカーボンに比して耐熱温度も極めて高く、熱による変形や収縮等の問題が回避され得る。
【００１７】
また、金属製としたことにより、リサイクル等による再利用も容易である。
【００１８】
更に、第一セパレータ及び第二セパレータの外周縁部を、傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成した。それ故、第一セパレータ及び第二セパレータの強度を一層有利に確保することが出来る。
【００１９】
しかも、かかる補強リブを何れのセパレータにおいても、膜／電極接合体と反対側に向かって傾斜するように形成したことによって、補強リブの突出高さ寸法を有利に確保可能となり、有効な補強効果を得ることが出来る。
【００２０】
すなわち、膜／電極接合体の厚さ寸法は５００μｍ程度と極めて薄肉であり、第一セパレータ及び第二セパレータが、膜／電極接合体の両面に対して直接に重ね合わせられることとなる。しかし、膜／電極接合体への重ね合わせ面と反対の副面側では、膜／電極接合体の表面に燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成すると共に、両セパレータの重ね合わせ面間に冷却水流路を形成するために、一般に、１ｍｍ又はそれ以上の隙間寸法が形成されることとなり、両セパレータの裏面の間に更に別の中間板を介在させる場合は勿論、両セパレータの裏面同士を直接に重ね合わせる場合でも、１．５〜２ｍｍの隙間寸法が、両セパレータの裏面間には形成されることとなる。
【００２１】
本発明では、このような燃料電池セルの特別な構造に着目して、両セパレータの外周縁部を、それぞれ、膜／電極接合体と反対側に向けて屈曲させることで補強リブを形成することにより、外周部分でスタック方向に締め付けられるセパレータの構造上、極めて有効な両セパレータの外周縁部の補強を、十分な補強リブの寸法を得ることが可能な態様で実現出来るのである。
【００２２】
また、本発明の第二の態様は、前記第一の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが、その外周縁部において、それぞれ厚さ方向に貫通して延びて燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔を形成する合計６種類の給排用孔を備えており、しかもそれら６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置になるように設定されていることによって、該第一セパレータと該第二セパレータが、同一の金型によってプレス成形された金属板を用いて形成されていることを特徴とする。
【００２３】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、膜／電極接合体の酸素側電極と燃料側電極の何れに重ね合わせられるセパレータとしても同一のものが採用され得る。従って、セパレータの製造設備を簡略化することが出来る。また、セパレータのスタック量の管理や、輸送時の数量管理，組立現場での数量管理が大幅に簡略化され得る。
【００２４】
なお、６種類の給排用孔は表裏反転状態で第一セパレータ，第二セパレータとして共用されるようになっており、好適には、第一セパレータを主面側から見た場合に、一方の対角方向で対向位置するように燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔を形成すると共に、他方の対角方向で対向位置するように酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔を形成する。ここにおいて、第二セパレータでは、表裏反転されて使用されるため、主面から見た場合に一方の対角方向で対向位置するように酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔が形成されると共に、他方の対角方向で対向位置するように燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔が形成されることとなる。従って、主面において一方の対角方向に位置する一対のガス供給孔とガス排出孔を接続する凹溝を形成しておけば、これを、第一セパレータでは燃料ガス流路形成用凹溝として利用することが出来る。一方、第二セパレータでは、これを、酸化ガス流路形成用凹溝として利用することが出来る。それ故、ガス流路形成用凹溝を含めて、第一のセパレータと第二のセパレータを、同一形状の金属製セパレータをもって構成することが可能となる。
【００２５】
また、本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータには、その４角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されており、四辺部分に形成された前記補強リブが、該切除部によって、相互に実質的に分断されて独立形成されていることを特徴とする。
【００２６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補強リブを形成することにより生じる歪を略完全に回避することが出来て、耐久性の向上を図ることが出来ると共に、優れた寸法精度をもって量産することが可能となる。
【００２７】
すなわち、矩形薄板状の金属板によって構成されたセパレータの四辺部分に形成された補強リブを周方向で連続させた場合、セパレータの角部において歪が大きくなり、残留応力が発生し易くなる。特に、セパレータは非常に薄肉であるため、係る歪に基づく応力によって、セパレータに対して予測できない割れや、歪が発生するおそれがある。ここにおいて、本態様では、セパレータの四角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されていることによって、かかる歪の発生を回避できるようになっているのである。
【００２８】
また、本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れかの態様に係る固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記補強リブが形成された外周縁部に対して、周方向に延びる補助シールゴムが固着されて形成されており、互いに重ね合わされる第一セパレータと第二セパレータの間で該補助シールゴム層が相互に当接されることによって、前記膜／電極接合体が配設される両セパレータの対向面間の領域が外部空間からシールされるようになっていることを特徴とする
【００２９】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補助シールによって両セパレータの対向面間が外部空間からシールされており、外部へのガスリークを一層効果的に防ぐことが出来ることは勿論、内部のガス成分や温度といった雰囲気を略安定して保つことが出来る。それ故、耐久性の向上や特性及び性能の安定化を実現することが可能となる。
【００３０】
また、補助シールゴムの内部には、屈曲形状の補強リブが埋設構造とされているため、大きな固着強度が有利に確保されることとなる。なお、好適には、補強シールゴムは、セパレータに対して加硫接着されることが望ましい。
【００３１】
また、本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記主面には、前記膜／電極接合体の燃料電極又は酸化電極に重ね合わされて燃料ガス流路又は酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、該燃料ガス流路および該酸化ガス流路に対して燃料ガスおよび酸化ガスを給排する燃料ガスの給排孔および酸化ガスの給排孔の周囲とを、それぞれ囲むように広がる主面シールゴム層が固着されて形成されていることを特徴とする。
【００３２】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、各ガス流路が形成される領域をそれぞれシールすることが出来る。それ故、燃料ガス流路／酸化ガス流路内の燃料ガス／酸化ガスが、酸化ガス流路／燃料ガス流路へとリークすることを防ぐことが出来て、耐久性の向上や性能の安定化を有利に実現できる。
【００３３】
特に、金属製のセパレータを採用したことにより、主面シールゴム層を加硫接着することで、主面シールゴム層をセパレータに対して強固に且つ確実に被着形成することが出来る
【００３４】
また、好適には、特に本発明の第四の態様と組み合わせることによって、二重のシール機構による高度なシール性能を容易に実現可能となって、耐久性向上，性能や特性の安定化といった効果をより一層有利に得ることが可能となる。
【００３５】
また、本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部に形成された前記補助シールゴムにおいては、互いに重ね合わせられる別のセパレータの補助シールゴムとの重ね合わせ面が、対応する傾斜面とされており、かかる傾斜面同士を重ね合わせることにより、該補助シールゴムによって、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来るようにしたことを特徴とする
【００３６】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが、補助シールゴムによって重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来る。それ故、第一セパレータと第二セパレータの組付け作業を効率的に行うことが出来る。
【００３７】
また、本発明の第七の態様は、前記第六の態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、前記補助シールゴムの前記傾斜面が、潤滑機能を向上させた潤滑面とされていることを特徴とする。
【００３８】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、補助シールゴムの傾斜面を潤滑面とすることによって補助シールゴムの傾斜面に位置決め機能に加えて、ガイド機能を付与することが出来て、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータの補助シールゴムによる位置決めを一層効率的に行うことが可能となる。
【００３９】
なお、補助シールゴムの傾斜面を潤滑面とするための手段としては、具体的には、例えば、ゴム材料に配合したオイル分がブリードするようにした公知の自己潤滑性ゴムを採用して補助シールゴムを形成したり、或いは、補助シールゴムの成形後にレーザ光を照射して低摩擦処理を施したり、フッ素樹脂等の低摩擦性樹脂を被着する等の処理を施すことなど、公知の各種技術が採用され得る。
【００４０】
また一方、固体高分子型燃料電池用セルに関する本発明の第八の態様は、請求項１乃至７の何れかに記載の第一及び第二セパレータを用い、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して両側から重ね合わせて、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成したことを特徴とする。
【００４１】
このような本態様に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、補強リブなどの特定構造を備えた金属製セパレータを利用することにより、剛性と電気的性能を高度に確保しつつ、セルのコンパクト化が可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータにあっては、第一セパレータ及び第二セパレータの外周縁部を副面側に向けて傾斜して屈曲させて、補強リブを一体形成したことにより、十分な補強リブの突出長さを確保することが出来て、セパレータの剛性を有利に向上せしめることが可能となっている。特に、セパレータの外周縁部にかかる補強リブを形成したことにより、その組付け状態下でボルトによる締付け力等の大きな力が作用するセパレータの外周縁部の剛性を大幅に高めることに成功している。また、セパレータを金属製とすることによって、セパレータを十分に薄肉としても強度を確保することが出来ると共に、導電性に優れているため電気的性能を高度に確保することが出来る。
【００４３】
また、本発明に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セルでは、上述の理由から、高い剛性と高度な電気的性能を備えた固体高分子型燃料電池用セルを、コンパクトに実現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】
【００４４】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４５】
先ず、図１には、本発明に従う構造とされた単セル１２を積層状態で多数組み付けることによって構成された固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１０の概略斜視図が示されている。なお、図１に示された固体高分子型燃料電池１０は、図示された状態下での上下方向および左右方向が、鉛直方向および水平方向となるように設置されることとなる。以下の説明中、上下，左右方向および鉛直，水平方向は、原則として、この図１に示された設置状態下でのことを言うこととする。
【００４６】
より詳細には、かかる固体高分子型燃料電池１０を構成する単セル１２は、図２に示されているように、固体のイオン交換膜等の固体高分子電解質膜としての固体高分子膜１４を電解質としてその両面に一対の触媒電極としての燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化した構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８を備えている。また、この膜／電極接合体１８を両面からサンドイッチ状に挟むようにして、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２が重ね合わされている。そして、かかる単セル１２が、板厚方向で複数枚重ね合わされることにより、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを構成するようになっている。
【００４７】
なお、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂは、公知のように触媒としての白金を有しており、例えばカーボン等の導電性材料によって、ガスを透過する多孔質構造等をもって形成されている。しかし、固体高分子膜１４の材質等を含めて、燃料電極１６ａと酸化電極１６ｂを含んで構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ）１８の材料やミクロ領域での構造等は、本発明において特徴的部分ではなく、従来から公知の技術が何れも適用可能であることから、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００４８】
そして、各単セル１２には、膜／電極接合体１８と第一セパレータ２０の重ね合わせ面間において、燃料（水素）を供給する燃料ガス流路２４が形成されている。また、膜／電極接合体１８と第二セパレータ２２の重ね合わせ面間には、空気（酸素）を供給する酸化ガス流路２６が形成されている。更に、相互に重ね合わされることによってセルスタックを構成する、隣接する二つの単セル１２，１２の間には、一方の単セル１２の第一セパレータ２０と他方の単セル１２の第二セパレータ２２の重ね合わせ面間において、冷却水を流通せしめる冷却水流路２８が形成されている。
【００４９】
また、各単セル１２には、固体高分子型燃料電池１０の設置状態下において水平方向で対向位置する第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各上部と下部に位置して、燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄが、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。特に、燃料ガス供給孔３４ａと燃料ガス排出孔３４ｂが、一つの対角方向で略対向位置して形成されていると共に、他方の対角方向で略対向位置するように、酸化ガス供給孔３４ｃと酸化ガス排出孔３４ｄが形成されている。
【００５０】
また、各単セル１２における第一辺縁部３０と第二辺縁部３２の各中央部分には、冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆが、水平方向で対向位置して、それぞれ、積層方向に貫通して形成されている。
【００５１】
さらに、各単セル１２では、膜／電極接合体１８が、第一及び第二セパレータ２０，２２よりも一回り小さな矩形プレート形状とされている。
【００５２】
これにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆは、膜／電極接合体１８を外周側に外れた位置において、第一及び第二セパレータ２０，２２の各対応する部分にそれぞれ貫通孔として形成されている。そして、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数枚の単セル１２間でも相互に連通せしめられており、全体として、固体高分子型燃料電池１０の主体を為すセルスタックを積層方向に貫通する形態をもって、それら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆが形成されている。
【００５３】
なお、図面上に明示はされていないが、例えば特許文献１（特開２００２−８３６１０号公報）等に記載されているように、固体高分子型燃料電池１０において、積層された複数の単セル１２のうち、積層方向で一方の端部に位置せしめられた単セル１２の第一セパレータ２０と、積層方向で他方の端部に位置せしめられた単セル１２の第二セパレータ２２には、陽極側集電板と陰極側集電板が重ねられて、直列接続された複数枚の単セル１２の総電力が、これら両集電板から外部に取り出されるようになっている。更に、陽極側集電板と陰極側集電板の各外面には、適当な絶縁スペーサ（図示せず）を介して、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８が重ね合わされている。そして、図面上に明示はされていないが、これら複数の単セル１２と両極の集電板や押え板３６，３８を含む全体が、四隅等において挿通された締付ボルトによって積層方向に締め付けられて一体的に固定されることにより、固体高分子型燃料電池１０とされている。
【００５４】
また、かかる固体高分子型燃料電池１０において、陽極側押え板３６と陰極側押え板３８には、燃料ガス供給用ポート４０ａ，燃料ガス排出用ポート４０ｂ，酸化ガス供給用ポート４０ｃ，酸化ガス排出用ポート４０ｄ，冷却水供給用ポート４０ｅ，冷却水排出用ポート４０ｆの合計６個のポート４０ａ〜ｆが形成されている。更に、これらそれぞれのポート４０ａ〜ｆが、積層された複数の単セル１２において相互に連通形成された上述の燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆの各対応する孔に対して接続されている。そして、各ポート４０ａ〜ｆに対して図示しない外部管路が接続されることにより、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排孔３４ａ〜ｆに対して、燃料ガス，酸化ガス，冷却水の給排が行われるようになっている。
【００５５】
そして、これら各供給用ポート４０ａ，ｃ，ｅを通じて各供給孔３４ａ，ｃ，ｅに供給された燃料ガス，酸化ガス，冷却水が、上述の単セル１２内に形成された燃料ガス流路２４および酸化ガス流路２６と、単セル１２，１２間に形成された冷却水流路２８を流通せしめられた後、各排出孔３４ｂ，ｄ，ｆを経て、各排出用ポート４０ｂ，ｄ，ｆを通じて排出されるようになっているのである。
【００５６】
これにより、公知の如く、固体高分子膜１４の第一セパレータ２０側に配設された燃料電極１６ａにおいて、供給される燃料ガスが触媒作用でイオン化して電子を供給する一方、固体高分子膜１４の第二セパレータ２２側に配設された酸化電極１６ｂにおいて、固体高分子膜１４を通じて送られた水素イオンが外部から供給される酸化ガス（空気）および外部の電気回路を経て帰還した電子と反応して水蒸気を生成することとなり、全体として発電作用を発揮する電池として機能する。
【００５７】
ここにおいて、目的とする発電作用を効率的に且つ安定して発揮させるには、各単セル１２の触媒電極１６ａ，１６ｂに対して燃料ガスと酸化ガスを連続的に供給すると共に、各単セル１２に対して冷却水を連続的に供給して温度管理を実現することが必要となる。そこで、これら燃料ガス，酸化ガス，冷却水の各給排流路を形成する流路構造について、以下に説明を加える。
【００５８】
先ず、本実施形態では、第一セパレータ２０および第二セパレータ２２として、図３〜６に示されている如き、同一の金属製セパレータ４２が採用されている。
【００５９】
この金属製セパレータ４２は、良好な導電性に加えて、有効な剛性と酸化雰囲気下における耐蝕性を備えた金属材料によって形成されたものであり、例えばステンレス鋼を基本材料として、必要に応じて、表面処理を施したり、カーボン等との複合材料とすることによって、要求特性を高度に達成し得るようにしたもの等が、好適に採用される。この金属製セパレータ４２は、要求される剛性と加工精度を満足し得るように、略一定の厚さ寸法（例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さ寸法）を有する平板形状の金属プレートを用いて、プレス加工によって成形されている。
【００６０】
具体的には、金属製セパレータ４２には、単セル１２を構成する場合に同じ側に位置せしめられる第一辺縁部３０と第二辺縁部３２に位置して、各同一数（本実施形態では、各３個）の貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆが打抜形成されている。これら第一辺縁部３０における３個の貫通孔４４ａ，ｅ，ｄと、第二辺縁部３２における３個の貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂは、互いに対称的な形状と位置をもって形成されている。即ち、金属製セパレータ４２の高さ方向中央を水平に延びる水平中心軸と、幅方向中央を鉛直に延びる鉛直中心軸との、何れの中心軸回りで金属製セパレータ４２を表裏反転した場合でも、左右両側の辺縁部の同じ位置に合計６個の貫通孔４４ａ〜ｆが位置せしめられるようになっている。なお、第一辺縁部３０には、上から順に貫通孔４４ａ，ｅ，ｄが形成されている一方、第二辺縁部３２には、上から順に貫通孔４４ｃ，ｆ，ｂが形成されている。
【００６１】
これにより、２枚の金属製セパレータ４２，４２を、表裏反転して重ね合わせた場合に、左右両端縁部に形成された各３個の貫通孔が、何れも、重ね合わせ方向に合致して相互に連通せしめられるようになっている。なお、本実施形態では、各貫通孔４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆがそれぞれ燃料ガス供給孔３４ａ，燃料ガス排出孔３４ｂ，酸化ガス供給孔３４ｃ，酸化ガス排出孔３４ｄ，冷却水供給孔３４ｅ，冷却水排出孔３４ｆとされている。
【００６２】
さらに、金属製セパレータ４２において、燃料電極１６ａに重ね合わせられる主面４６には、図３及び図４に示されているように、第一辺縁部３０の左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａの近くから第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出し、第二辺縁部３２の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、更にＵターンして第一辺縁部３０に向かって水平方向に延び出し、第一辺縁部３０の近くで鉛直下方に屈曲して僅かに下方に延び、再びＵターンして第二辺縁部３２に向かって水平方向に延び出して、第二辺縁部３２の右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂに至る葛折状の屈曲したガス流通用の凹溝４８が形成されている。この凹溝４８は、一つの貫通孔４４ａを、略対角方向で対向位置する別の貫通孔４４ｂに接続するものであり、特に本実施形態では、互いに略平行に延びるようにして複数本（本実施形態では５本）形成されている。特に、かかる凹溝４８は、水平方向に延びる各直線部分が、主面４６の上下方向で略一定の間隔で位置するように形成されることが望ましい。
【００６３】
特に本実施形態において、凹溝４８は、底面に向かって次第に溝幅が狭くなる略等脚台形形状の断面形状を有している。なお、凹溝４８は、好適には、溝幅が開口部で１．０ｍｍから２．０ｍｍ、底部で０．５ｍｍから１．５ｍｍとされると共に、溝深さが０．３ｍｍから１．２ｍｍ、とされ、より望ましくは、開口部の溝幅が１．６ｍｍ、底部の溝幅が１．０ｍｍとされると共に、溝深さが０．７ｍｍとされる。また、複数条形成される凹溝４８において、隣り合う凹溝４８の間隔は、好適には、開口部において０．２ｍｍから１．２ｍｍとされ、より好適には、０．７ｍｍとされるのが望ましい。
【００６４】
また、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の各貫通孔４４ａ〜ｄとの接続部分を除く部分を形成された領域が、膜／電極接合体１８と重ね合わせられる、ガス拡散領域５０とされている。かかるガス拡散領域５０の周囲には、図５に示すように、ガス拡散領域５０を囲むようにして主面シールゴム層５２が金属製セパレータ４２の主面４６に被着されている。なお、本実施形態において、加硫成形された主面シールゴム層５２は、加硫接着によってその全面に亘って金属製セパレータ４２の主面４６に接着されて、金属製セパレータ４２に対して流体密に密着せしめられている。そして、組付け状態下において第一，第二セパレータ２０，２２の各主面４６に被着形成された主面シールゴム層５２同士が圧接せしめられることによって、ガス拡散領域５０が流体密にシールされている。また、主面シールゴム層５２の内周面が燃料電極１６ａ若しくは酸化電極１６ｂの外周面に当接せしめられることにより、金属製セパレータ４２に重ね合わせられる膜／電極接合体１８が主面４６上で位置決めされる。特に本実施形態では、主面シールゴム層５２の内周面が傾斜面とされており、主面シールゴム層５２の内周が、金属製セパレータ４２の主面４６から離隔するに従って次第に広がるようにされている。
【００６５】
更に、金属製セパレータ４２の主面４６において、凹溝４８の一部でガス拡散領域５０の外部に形成された部分、即ち、凹溝４８の各貫通孔４４ａ，ｂ，ｃ，ｄへの接続部分である接続凹溝としての接続部５４には、その開口部を覆蓋するように、主面シールゴム層５２が橋渡し状に延びて形成されている。換言すれば、凹溝４８の貫通孔４４ａ〜ｄへの接続部分である接続部５４は、主面シールゴム層５２によって凹溝４８の開口が覆蓋されることにより、略トンネル状の構造とされている。
【００６６】
一方、金属製セパレータ４２において、凹溝４８が開口する主面４６と反対側の副面５６には、図５，６に示すように、凹状通路５８が形成されている。凹状通路５８は、主面４６に形成された複数条の凹溝４８の間で、副面５６において形成されて、燃料ガス供給孔３４ａの近くから燃料ガス排出孔３４ｂの近くまで延びている。即ち、主面４６における凹溝４８間の凸部を、その反対側の副面５６において凹状通路５８として利用しており、酸化ガス供給孔３４ｃ及び酸化ガス排出孔３４ｄの手前まで凹溝４８に沿って延びている。
【００６７】
また、冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆの近くには、接続凹所６０が形成されている。接続凹所６０は、一方の端部が冷却水供給孔３４ｅ又は冷却水排出孔３４ｆに接続されている一方、他方の端部が酸化ガス供給孔３４ｃ又は酸化ガス排出孔３４ｄの近くまで延びている。
【００６８】
そして、図６に示すように、副面５６において、金属製セパレータ４２の外周部付近および組付け状態において凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分を除く略全面には、副面シールゴム層６２が形成されている。また、凹状通路５８の内面には、絶縁ゴム層６３が副面シールゴム層６２と一体的に形成されており凹状通路５８の内側に被着せしめられている。これによって、凹状通路５８内が全長に亘って外部から電気的に絶縁されている。なお、特に本実施形態では、金属製セパレータ４２に複数の接続孔６４が貫設されており、金属製セパレータ４２の主面４６と副面５６にそれぞれ固着された主面シールゴム層５２，副面シールゴム層６２が物理的に一体化せしめられて、シールゴム層６６を形成している。これにより、シールゴム層６６の被着強度の向上や、薄肉とされたシールゴム層６６の成形時におけるゴム材料の充填不良防止を実現している。
【００６９】
なお、本実施形態では、図７に示されているように、燃料電極１６ａに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部に係合凹所６８が設けられていると共に、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる金属製セパレータ４２に被着形成された副面シールゴム層６２の一部には、係合突起７０が設けられている。かかる係合凹所６８と係合突起７０を係合せしめることにより、単セル１２を重ね合わせてセルスタックを構成する際に、単セル１２同士が互いに位置決めされるようになっている。
【００７０】
更に、図７に示すように、シールゴム層６６の外側、即ち金属製セパレータ４２の外周縁部には、補助シールゴム７２が略全周に亘って被着形成せしめられている。かかる補助シールゴム７２によって、組付け状態下において金属製セパレータ４２間がシールされており、万が一シールゴム層６６を越えてリークが発生した場合においても、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷却水が外部にリークすることを防止することができる。また、かかる補助シールゴム７２における金属製セパレータ４２の主面４６側と副面５６側の両面は、副面５６側から主面４６側に向かって傾斜する傾斜面とされており、かかる傾斜面がそれぞれガイド面７４とされている。このガイド面７４の主面４６側と副面５６側の傾斜角度は略同一とされており、金属製セパレータ４２を重ね合わせる際に、かかる主面４６側のガイド面７４と副面５６側のガイド面７４を相互に重ね合わせることによって金属製セパレータ４２同士を容易に位置決めすることが可能となっている。
【００７１】
特に、本実施形態では、ガイド面７４が潤滑面とされており、高いシール性能を確保すると共に、ガイド面７４の重ね合わせによる位置決めをスムーズに行うことが可能とされている。なお、ガイド面７４を潤滑面とする手段としては、具体的には、例えば、補助シールゴム７２の材料として、油分などの混合により表面に潤滑材がブリードするようにした自己潤滑性ゴムを採用したり、或いは、表面にレーザー処理や低摩擦性樹脂コートを施して潤滑性を向上させるなどの手段を用いることが考えられる。
【００７２】
更にまた、補助シールゴム７２が被着形成されている金属製セパレータ４２の外周縁部は、図７に示されているように、凹溝４８が開口形成された主面４６側と反対の副面５６に向けて傾斜して屈曲せしめられて、補強リブ７６が形成されている。かかる補強リブ７６は、金属製セパレータ４２の板面に対して略２５〜６５度程度の傾斜角度で端縁部の実質的に全周に亘って形成されており、金属製セパレータ４２の剛性を高めると共に、補助シールゴム７２を一層強固にセパレータに対して被着せしめることが可能となっている。特に本実施形態では、略矩形平板形状とされた金属製セパレータ４２の四隅に略矩形状の切欠きが設けられており、切除部としての切欠部７８とされている。この切欠部７８によって、隣り合う各辺部の補強リブ７６が互いに独立しており、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲せしめることによる、歪の発生を回避している。
【００７３】
而して、このような構造とされた金属製セパレータ４２は、膜／電極接合体１８に対して、その両側から重ね合わせられて組み付けられている。即ち、膜／電極接合体１８は、前述の如く固体高分子膜１４を燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂを重ね合わせて接合一体化して構成されている。また、固体高分子膜１４が、金属製セパレータ４２に比して一回り小さな矩形板形状とされていると共に、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂが、固体高分子膜１４よりも更に一回り小さな矩形板形状とされている。これによって、固体高分子膜１４の外周縁部が、全周に亘って、燃料電極１６ａおよび酸化電極１６ｂの外周縁部から所定幅寸法で突出せしめられている。そして、この突出した固体高分子膜１４の外周縁部が、第一及び第二セパレータ２０，２２間において挟み込まれており、突出した固体高分子膜１４の外周縁部が全周に亘ってガスケットとしての主面シールゴム層５２を介して挟圧保持されて、主面シールゴム層５２に圧接せしめられていることで、膜／電極接合体１８を挟んで燃料電極１６ａ側と酸化電極１６ｂ側の各ガス拡散領域がそれぞれ流体密にシールされている。特に本実施形態では、第一セパレータ２０における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、燃料電極１６ａの厚さ寸法よりも大きく、第二セパレータ２２における主面シールゴム層５２の厚さ寸法は、酸化電極１６ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されている。具体的には、例えば、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、各セパレータにおける主面シールゴム層５２の厚さをそれぞれ０．２７５ｍｍとするのが望ましい。また、それら第一及び第二のセパレータにおける両主面シールゴム層５２，５２の層厚寸法の合計値は、膜／電極接合体１８の総厚寸法、即ち、固体高分子膜１４の膜厚寸法と燃料／酸化の両電極１６ａ，１６ｂの厚さ寸法の合計と同じか僅かに大きく設定されることが望ましい。好適には、例えば、主面シールゴム層５２の層厚の合計値を０．５５ｍｍとする一方、燃料電極１６ａ及び酸化電極１６ｂの厚さ寸法を０．２５ｍｍとすると共に、固体高分子膜１４の厚さ寸法を０．０５ｍｍとすることが望ましい。
【００７４】
なお、接続部５４の開口部では、主面シールゴム層５２が接続部５４の存在によって第一，第二セパレータ２０，２２間で十分に挟圧されず、それに伴って、主面シールゴム層５２間に挟圧保持されるべき固体高分子膜１４も十分に挟圧保持されない。その結果、極めて薄肉とされた固体高分子膜１４は、接続部５４の開口部上において接続部５４内への撓みを生じるおそれがある。そして、燃料ガス供給孔３４ａ／酸化ガス供給孔３４ｃから接続部５４を介して燃料ガス流路２４／酸化ガス流路２６へ供給されるべき燃料ガス／酸化ガスが、かかる撓みを通じて膜／電極接合体１８を挟んで反対側に形成された酸化ガス流路２６／燃料ガス流路２４、或いはガス拡散領域へ導かれることによってガスリークが発生する危険性がある。そこで、特に本実施形態では、図８に示すように、主面シールゴム層５２が接続部５４の開口部上に橋渡し状態で配設されている。これによって、固体高分子膜１４に撓みが生じるのを防ぐことが出来て、上述の如きガスリークを防止することが出来るようなっている。
【００７５】
また、金属製セパレータ４２は、各主面４６，４６を膜／電極接合体１８に対して重ね合わせられている。すなわち、膜／電極接合体１８の両側に重ね合わせられる二枚の金属製セパレータとしての第一，第二セパレータ２０，２２は、互いに表裏を反転した状態で組み付けられている。つまり、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０は、上述の如く、左上部に形成された燃料ガス供給孔３４ａと右下部に形成された燃料ガス排出孔３４ｂが凹溝４８によって接続されている。一方、この第一セパレータ２０の表裏を反転せしめることにより、右上部に形成された酸化ガス供給孔３４ｃと左下部に形成された酸化ガス排出孔３４ｄが凹溝４８によって接続されて、酸化電極１６ｂに重ね合わせられる第二セパレータ２２として使用することが出来るのである。
【００７６】
このようにして、膜／電極接合体１８に対して、その両側から第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を重ね合わせることによって得られた単セル１２においては、燃料電極１６ａに重ね合わせられる第一セパレータ２０の主面４６に開口形成された凹溝４８の開口部が燃料電極１６ａによって覆蓋されることにより、燃料電極１６ａと第一セパレータ２０の主面４６の間に、燃料ガス流路２４が形成されている。一方、酸化電極１６ｂと重ね合わせられる第二セパレータ２２の主面４６に形成された凹溝４８の開口部が酸化電極１６ｂによって覆蓋されることにより、酸化電極１６ｂと第二セパレータ２２の主面４６の間に、酸化ガス流路２６が形成されている。なお、上述の如く、第一，第二セパレータ２０，２２にそれぞれ被着形成された主面シールゴム層５２，５２の間で固体高分子膜１４が挟圧保持されてシールされていることにより、膜／電極接合体１８を挟んで形成される燃料ガス流路２４と酸化ガス流路２６の間で膜／電極接合体１８を越えて生じるガスリークが防止されている。
【００７７】
更に、かかる単セル１２は、互いに複数が重ね合わせられており、金属製セパレータ４２の副面５６同士が重ね合わせられることにより、一方の金属製セパレータ４２の副面５６に形成された凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２によって覆蓋されることとなって、金属製セパレータ４２の副面５６間に冷却水流路２８が形成されている。即ち、図９に示すように、互いに重ね合わせられる金属製セパレータ４２の各副面５６，５６に形成された凹状通路５８，５８において、一部では、凹状通路５８，５８が互いに重ね合わせられて冷却水流路２８が形成される一方、他の部分では、一方の金属製セパレータ４２に形成されている凹状通路５８の開口部が、他方の金属製セパレータ４２の凹溝４８の底部によって覆蓋されて冷却水流路２８が形成されている。
【００７８】
また、一方の金属製セパレータ４２に形成された接続凹所６０の一部が、他方の金属製セパレータ４２に形成された凹状通路５８の端部と重ね合わせられて、重ね合わせ方向で接続されている。これによって、金属製セパレータ４２の副面５６が重ね合わせられた状態で、一方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、他方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられていると共に、他方の金属製セパレータ４２に形成される冷却水流路２８の両端が、一方の金属製セパレータ４２の接続凹所６０を介して冷却水供給孔３４ｅ及び冷却水排出孔３４ｆにそれぞれ連通せしめられており、冷却水供給孔３４ｅから供給された冷却水が、冷却水流路２８を通過して、冷却水排出孔３４ｆから排出されるようになっている。
【００７９】
なお、冷却水流路２８は、流路内面の全長に亘って絶縁ゴム層６３が被着形成されていると共に、凹溝４８の底部においては、副面シールゴム層６２が被覆されておらず、凹溝４８の底部同士が直接当接せしめられる部分において第一セパレータ２０と第二セパレータ２２とが電気的に導通せしめられている。これによって、単セル１２間が電気的に導通せしめられて、各単セル１２が発生した総電力を図示しない陽極側集電板と陰極側集伝板を介して外部に取り出すことができると共に、冷却水流路２８が電気的に絶縁されて、各単セル１２が発電した電気が冷却水を通して散逸することを防いでいる。
【００８０】
ここにおいて、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータでは、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の外周縁部に補強リブ７６を設けたことによって、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２の剛性を高めることが出来る。しかも、かかる補強リブ７６を、特に、第一セパレータ２０及び第二セパレータ２２を用いて固体高分子型燃料電池を構成する際に、ガス流路（１６ａ，１６ｂ）及び冷却水流路２８が形成されることによって比較的大きな厚さ寸法が必要とされる、各セパレータの副面５６側に向かって傾斜するように補強リブ７６を屈曲形成せしめたことによって、補強リブ７６の突出長さを有利に確保することが可能となって、第一，第二セパレータ２０，２２の高い剛性を一層有利に実現することが出来る。
【００８１】
また、第一，第二セパレータ２０，２２として金属製セパレータ４２を採用している。これによって、第一，第二セパレータ２０，２２の強度を確保しつつ、十分に薄肉とすることが出来る。それ故、単セル１２の厚みを減少させることが可能となり、単セル１２の集合によって構成されるセルスタック、延いては固体高分子型燃料電池１０のサイズのコンパクト化が実現される。しかも、金属製セパレータ４２の外周縁部において補強リブ７６を全周に亘って形成したことによって、金属製セパレータ４２の強度を一層高めることが出来て、より有利に金属製セパレータ４２の薄肉化を実現することができる。
【００８２】
さらに、導電樹脂やカーボンに比して優れた導電性を有する金属を用いて第一，第二セパレータ２０，２２を形成したことにより、高性能な固体高分子型燃料電池１０が容易に実現され得る。また、金属は樹脂やカーボンに比して耐熱温度が極めて高いため、発熱反応を生じる固体高分子型燃料電池１０内に配設しても、熱による変形や収縮などの問題が回避される。しかも、金属製セパレータ４２は、リサイクル等の再利用も容易である。
【００８３】
さらにまた、本実施形態では、第一，第二セパレータ２０，２２をプレス加工によって形成された金属製セパレータ４２とすることにより、非常に高い寸法精度で第一，第二セパレータ２０，２２を形成することが出来ると共に、高い生産性をも実現できる。
【００８４】
また、本実施形態では、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２を、共通の金属製セパレータ４２を表裏反転せしめることにより構成している。それ故、部品点数の削減が可能となり、それに伴って部品の製造や管理を容易にすることができると共に、製造設備の簡略化も実現できる。
【００８５】
また、本実施形態では、金属製セパレータ４２の外周縁部の四角に矩形状の切欠部７８が設けられている。それ故、金属製セパレータ４２の外周縁部を屈曲させて、補強リブ７６を形成したことによって生じる、セパレータの角部における歪を略完全に回避することが出来て、耐久性の向上や、性能や特性の安定化が実現できる。
【００８６】
また、本実施形態では、シールゴム層６６と補助シールゴム７２をそれぞれ設けた。これにより、シールゴム層６６によるガス拡散領域５０のシールと補助シールゴム７２による外部とのシールの、二重のシール機構が実現されて、高度なシール性能を容易に得ることが出来る。しかも、シールゴム層６６と補助シールゴム７２を別体として形成したことにより、それぞれのシールゴムに対する要求特性に応じて、適合するゴム材料を選択することが出来て、要求特性を高度に実現することが可能となる。
【００８７】
また、互いに重ね合わせられる複数のセパレータに設けられた補助シールゴム７２の重ね合わせ面を、互いに対応する傾斜面であるガイド面７４とすることにより、補助シールゴム７２のガイド面７４によってセパレータの位置決めを容易に行うことが出来る。しかも、補助シールゴム７２に形成されたガイド面７４を潤滑面としたことにより、補助シールゴム７２のガイド面７４によるセパレータの位置決め機能を一層効果的に発揮せしめることが出来る。
【００８８】
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用セパレータを用いた固体高分子型燃料電池用セルでは、剛性と電気的な特性を高度に確保しつつ、コンパクト化を実現することが出来る。
【００８９】
次に、図１０には、本発明の第二の実施形態としての固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０の組付け状態が示されている。なお、以下の説明において、前記第一の実施形態と実質的に同じ部材や部分については、図中に第一の実施形態と同一の符号を付すことによって、説明を省略する。
【００９０】
すなわち、本発明の第二の実施形態では、複数の金属製セパレータ８０に被着形成されたシールゴム層８２及び補助シールゴム８４が、略同一の形状とされている。具体的には、例えば、第一の実施形態において副面シールゴム層６２に設けられていた係合凹所６８および係合突起７０が第二の実施形態では設けられていないと共に、補助シールゴム８４が、傾斜面を持たない略直方体形状とされている。
【００９１】
このような第二の実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用金属製セパレータ８０では、金属製セパレータ８０にシールゴム層８２及び補助シールゴム８４を被着形成した状態であっても、表裏反転せしめることにより、第一セパレータ２０又は第二セパレータ２２のどちらとしても使用することが出来る。それ故、第一セパレータ２０と第二セパレータ２２との部品の共通化を一層有利に実現することが出来て、組付時の各作業がより効率的に達成され得る。
【００９２】
また、本実施形態に従う構造とされた固体高分子型燃料電池用の金属製セパレータ８０を採用することにより、単セルが、表裏を反転せしめても同一の形状となるため、単セルを重ね合わせて固体高分子型燃料電池を構成する作業においても、より効率的に作業を行うことが可能となる。
【００９３】
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００９４】
例えば、第一，第二セパレータ２０，２２に形成される凹溝４８は、前記実施形態の如き葛折状に延びていることが望ましいが、必ずしもそのような形状である必要はない。
【００９５】
更に、凹溝４８の断面形状も実施形態に記載の形状に何等限定されない。具体的には、例えば、矩形断面を有する凹溝も採用され得る。
【００９６】
また、前記実施形態では、冷却水流路２８を凹溝４８によって第一，第二セパレータ２０，２２の副面５６に形成される凹凸を利用して形成したが、冷却水流路２８は必ずしもそのような凹凸を利用して形成する必要はない。更に、略一定の断面積で延びる流路である必要もなく、副面５６上で冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆを接続して、冷却水を流すことが出来ればよい。
【００９７】
また、凹溝４８が接続される燃料ガス供給孔３４ａと酸化ガス供給孔３４ｃ、或いは、凹状通路５８が接続される冷却水供給孔３４ｅと冷却水排出孔３４ｆは、必ずしも各一つである必要はない。即ち、複数の各供給孔及び各排出孔が開口形成されていても良く、その場合には、それら各孔を接続するように複数の流路が形成されることとなる。
【００９８】
また、前記実施形態では、シールゴム層６６，８２と補助シールゴム７２，８４は別体形成されていたが、シールゴム層６６，８２と補助シールゴム７２，８４を一体的に形成することも可能である。
【００９９】
また、前記実施形態では、金属製セパレータ４２，８０の４角部に切欠部７８を設けたが、このような切欠きは必ずしも設ける必要はない。更に、補強リブ７６に被着形成される補助シールゴム７２，８４も必ずしも必要ではない。なお、このように補助シールゴム７２，８４を被着形成しないと共に、副面シールゴム層６２において係合凹所６８及び係合突起７０を形成しないことによって、第一，第二セパレータ２０，２２を略完全に同一形状とされたセパレータによって実現することが出来て、取扱い及び組付け作業をより効率的に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第一の実施形態としての固体高分子型燃料電池用セパレータを用いて構成された固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示す固体高分子型燃料電池を構成する単セルの構造を示す斜視図である。
【図３】図１に示された固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側を示す側面図である。
【図４】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの主面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図５】図３に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側を示す側面図である。
【図６】図５に示された固体高分子型燃料電池用セパレータの副面側においてシールゴムを被着形成した状態を示す側面図である。
【図７】図１に示された固体高分子型燃料電池における単セルの組付け状態を示す断面図である。
【図８】図４に示された固体高分子型電池用セパレータの一部を拡大して示す斜視断面図である。
【図９】図４，図６に示された固体高分子型電池用セパレータの副面側の組付け状態を示す斜視断面図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態としての固体高分子型電池用セパレータを含んで構成された単セルの組付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０ 固体高分子型燃料電池
１２ 単セル
１４ 固体高分子膜
１６ａ 燃料電極
１６ｂ 酸化電極
１８ 膜／電極接合体
２０ 第一セパレータ
２２ 第二セパレータ
２４ 燃料ガス流路
２６ 酸化ガス流路
２８ 冷却水流路
４２ 金属製セパレータ
４８ 凹溝
５０ ガス拡散領域
５４ 接続部
５８ 凹状通路
６０ 接続凹所
８０ 金属製セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、
矩形薄板状の金属板によって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータを構成すると共に、該第一セパレータおよび該第二セパレータの外周縁部を、それぞれ、前記膜／電極接合体に対して重ね合わせられる主面と反対の副面側に向けて傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが、その外周縁部において、それぞれ厚さ方向に貫通して延びて燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔を形成する合計６種類の給排用孔を備えており、しかもそれら６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置になるように設定されていることによって、該第一セパレータと該第二セパレータが、同一の金型によってプレス成形された金属板を用いて形成されている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータには、その４角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されており、四辺部分に形成された前記補強リブが、該切除部によって、相互に実質的に分断されて独立形成されている請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記補強リブが形成された外周縁部に対して、周方向に延びる補助シールゴムが固着されて形成されており、互いに重ね合わされる第一セパレータと第二セパレータの間で該補助シールゴムが相互に当接されることによって、前記膜／電極接合体が配設される両セパレータの対向面間の領域が外部空間からシールされるようになっている請求項１乃至３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記主面には、前記膜／電極接合体の燃料電極又は酸化電極に重ね合わされて燃料ガス流路又は酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、該燃料ガス流路および該酸化ガス流路に対して燃料ガスおよび酸化ガスを給排する燃料ガスの給排孔および酸化ガスの給排孔の周囲とを、それぞれ囲むように広がる主面シールゴム層が固着されて形成されている請求項１乃至４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部に形成された前記補助シールゴムにおいては、互いに重ね合わせられる別のセパレータの補助シールゴムとの重ね合わせ面が、対応する傾斜面とされており、かかる傾斜面同士を重ね合わせることにより、該補助シールゴムによって、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来るようにした請求項１乃至５の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記補助シールゴムの前記傾斜面が、潤滑機能を向上させた潤滑面とされている請求項６に記載の個体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の第一及び第二セパレータを用い、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して両側から重ね合わせて、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セル。
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して、該燃料電極に重ね合わされて該燃料電極の表面に燃料ガス流路を形成する第一セパレータと、該酸化電極に重ね合わされて該酸化電極の表面に酸化ガス流路を形成する第二セパレータとからなる、固体高分子型燃料電池用セパレータであって、
矩形薄板状の金属板によって前記第一セパレータおよび前記第二セパレータを構成すると共に、該第一セパレータおよび該第二セパレータの外周縁部を、それぞれ、前記膜／電極接合体に対して重ね合わせられる主面と反対の副面側に向けて傾斜して屈曲させることにより、補強リブを一体形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータが、その外周縁部において、それぞれ厚さ方向に貫通して延びて燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔，酸化ガス供給孔，酸化ガス排出孔，冷却水供給孔，冷却水排出孔を形成する合計６種類の給排用孔を備えており、しかもそれら６種類の給排用孔が、該第一セパレータおよび該第二セパレータを表裏反転した場合に互いに対応する位置になるように設定されていることによって、該第一セパレータと該第二セパレータが、同一の金型によってプレス成形された金属板を用いて形成されている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータには、その４角部分において略矩形に切り落とした切除部がそれぞれ形成されており、四辺部分に形成された前記補強リブが、該切除部によって、相互に実質的に分断されて独立形成されている請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記補強リブが形成された外周縁部に対して、周方向に延びる補助シールゴムが固着されて形成されており、互いに重ね合わされる第一セパレータと第二セパレータの間で該補助シールゴムが相互に当接されることによって、前記膜／電極接合体が配設される両セパレータの対向面間の領域が外部空間からシールされるようになっている請求項１乃至３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータにおける前記主面には、前記膜／電極接合体の燃料電極又は酸化電極に重ね合わされて燃料ガス流路又は酸化ガス流路を形成する領域の周囲と、該燃料ガス流路および該酸化ガス流路に対して燃料ガスおよび酸化ガスを給排する燃料ガスの給排孔および酸化ガスの給排孔の周囲とを、それぞれ囲むように広がる主面シールゴム層が固着されて形成されている請求項１乃至４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記第一セパレータおよび前記第二セパレータの各外周縁部に形成された前記補助シールゴムにおいては、互いに重ね合わせられる別のセパレータの補助シールゴムとの重ね合わせ面が、対応する傾斜面とされており、かかる傾斜面同士を重ね合わせることにより、該補助シールゴムによって、互いに重ね合わせられる第一セパレータと第二セパレータが重ね合わせ方向に直交する重ね合わせ面方向で相互に位置合わせ出来るようにした請求項１乃至５の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記補助シールゴムの前記傾斜面が、潤滑機能を向上させた潤滑面とされている請求項６に記載の個体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の第一及び第二セパレータを用い、固体高分子電解質膜の両面に燃料電極と酸化電極を配した膜／電極接合体に対して両側から重ね合わせて、該燃料電極と該第一セパレータの重ね合わせ面間に燃料ガス流路を形成すると共に、該酸化電極と該第二セパレータの重ね合わせ面間に酸化ガス流路を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−４０７９２（Ｐ２００６−４０７９２Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２１６５０（Ｐ２００４−２２１６５０）
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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