JP3991681B2 - 金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属セパレータおよびこれを用いた固体高分子電解質形燃料電池(以下、単に燃料電池と称する)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、図１０(Ａ)に示すように、固体高分子膜７０の両側に金属セパレータ７２を積層し、これらの周辺部間に図示しないシール材を挟んで固定している。固体高分子膜７０は、電解質膜の両側に正極・負極の触媒電極を配置し、それらの上にカーボンペーパーまたはカーボンクロスなどからなる図示しないガス拡散電極を配置している。また、金属セパレータ７２は、図１０(Ｂ)に示すように、複数の凹溝７５を有する負極側基板７４と複数の凹溝７９を有する正極側基板７８とを、凹溝７５と凹溝７９とが直交し且つこれらの底面が互いに面接触するようにして積層したものである。
【０００３】
負極・正極側基板７４，７８は、同じサイズおよび形状からなり、前者を例として説明すると、例えば図１０(Ｃ)に示すように、金属薄板７４ａの周辺部を除いた位置に複数の凹溝７５と、これらの間に位置する複数の凸条７７と、複数の凹溝７５の長手方向における両端部を連通するヘッダー溝７６，７６と、を備えている。
以上のような負極側基板７４は、平坦な金属薄板７４ａをプレス加工することにより、上記複数の凹溝７５、複数の凸条７７、およびヘッダー溝７６が一体に形成される。尚、図１０(Ｂ)に示すように、負極側基板７４の金属薄板７４ａの底面側には、凹溝７５やヘッダー溝７６の断面形状に倣った形状の凸条７５ａと、凸条７７の断面形状に倣った形状の凹溝７７ａとが形成されている。また、かかる表・裏面の形状は、正極側基板７８についても同様である。
【０００４】
そして、負極側基板７４では、一方のヘッダー溝７６に開口した図示しない供給孔から負極活物質である燃料ガスが供給され、複数の凹溝７５内を分流した後、他方のヘッダー溝７６に開口した図示しない排出孔から排出される。かかる燃料ガスは、各凹溝７５内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分かれる。かかる水素イオンは、固体高分子膜７０の電解質(液)を貫通し、上記電子は、図示しない外部回路を経て、それぞれ正極側の触媒電極へ送られる。
また、正極側基板７８では、正極活物質である酸化剤ガスが上記と同様に流通され、各凹溝７９内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、図１０(Ａ)に示すように、複数の固体高分子膜７０，７０間に挟持される金属セパレータ７２は、２枚の金属セパレータである前記負極・正極側基板７４，７８を積層しているため、燃料電池の構成部材が多くなり且つその組み立ても煩雑になると共に、得られる燃料電池全体の厚みも過大になる、という問題があった。また、前記負極側基板７４の凸条７７と正極側基板７８の凸条との接触面積が小さいため、上下に隣接する固体高分子膜７０，７０間を流れる厚み方向に沿う電流の抵抗が大きくなる、という問題もあった。
本発明は、以上にて説明した従来の技術における問題点を解決し、１枚の金属薄板からなりその表面と裏面とに異なるガスの流通路を有し且つ電気抵抗の少ない金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池を提供する、ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、１枚の金属薄板の表面および裏面に形成する凹凸部をそれぞれガス流通路とすると共に、これらに燃料ガスや酸化剤ガスが均一に流通させるようにする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形の凹溝および凸条を交互に複数ずつ平行に形成した凹凸部と、かかる凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に、かかる凹溝および上記凸条と直交し、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた一対のヘッダー部と、を含み、上記凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に設けた一対のヘッダー部の外側に沿って、上記凹溝の深さおよび前記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの平行な流通路となり、かかる表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。更に、金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させることなく、各凹凸部の凹溝内を流通させることにより、水素イオン化および電子化などの前記反応を生じさせることができる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【０００８】
尚、前記金属薄板における表面と裏面とは、相対的な呼称であって、金属薄板の何れか一方の表面とこれと反対側の表面とを指称するものである。また、前記ヘッダー部の高さは、従来の２枚構造の正極側・負極側基板におけるヘッダー溝よりも小さくなるため、該ヘッダー部の幅は、従来よりも幅広く設定される。
また、本発明には、前記ヘッダー部は、燃料ガスや酸化剤ガスの出入口付近を深くし、それらの反対寄りを浅くするように形成されている、金属セパレータ（請求項２）も含まれる。
【０００９】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形で且つ交互に平行に形成された複数の凹溝および複数の凸条と、上記凹溝および上記凸条の一端と上記金属薄板の一辺または他辺との間に、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた複数の迂回流路と、を含み、上記凹溝および上記凸条の他端は、上記金属薄板の一辺または他辺に至ると共に、上記複数の迂回流路は、平面視で交互に逆向きに配置されている、ことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した複数の凹溝およびこれらの一端に交互に位置する迂回流路が、ジグザグ状を呈する燃料ガスまたは酸化剤ガスのための単一の流通路となる。このため、かかるジグザグ状に流通する上記各ガスの反応を確実に行わせられると共に、表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。従って、第２の金属セパレータでも、２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレス成形などすることにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用できる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００１１】
尚、前記ガスの入口や出口は、両端の凹溝の端部付近に位置する共に、金属薄板における対角位置または同じ辺の両端に配置される。更に、迂回流路の幅は、上記凹溝の幅以上に設定する。
【００１２】
また、本発明には、前記複数の迂回流路および前記凹溝または前記凸条の外側に沿って、前記金属薄体を包囲するように上記凹溝の深さおよび上記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、金属セパレータ（請求項４）も含まれる。
これによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽することができる。
【００１３】
更に、本発明には、前記金属ベース材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金からなり、前記貴金属の薄膜層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金からなる、金属セパレータ（請求項５）も含まれる。これによれば、上述したような１枚の金属薄板のみからなり耐食性に優れた金属セパレータを最適のコストで得ることが可能となる。
【００１４】
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜の間およびこれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、ことを特徴とする。これによれば、金属セパレータが１枚の金属薄板からなるため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池を提供することが可能となる。
付言すれば、本発明の燃料電池には、互いに平行な少なくとも２つの固体高分子膜の間およびそれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、燃料電池を含むことも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)，(Ｂ)，図２(Ａ)，(Ｂ)は、本発明における第１の金属セパレータ１の表面２ａおよび裏面２ｂを示す。かかる金属セパレータ１は、例えばステンレス鋼板などからなり平面視が矩形である１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図１(Ａ)，図２(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ａと、かかる凸条４ａ間に交互に位置する複数の凹溝６ａとからなる凹凸部３ａを中央部に有する。また、複数の凸条４ａおよび凹溝６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ａを設けている。各ヘッダー部７ａは、ガスの出・入口９ａの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成されている。
【００１６】
更に、金属セパレータ１の裏面２ｂも、図１(Ｂ)，図２(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｂと、かかる凸条４ｂ間に交互に位置する複数の凹溝６ｂとからなる凹凸部３ｂを中央部に有し、複数の凸条４ｂおよび凹溝６ｂの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ｂを設けている。
尚、各ヘッダー部７ｂは、ガスの出・出口９ｂの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成しても良い。尚また、図１(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４ａ，４ｂは太線で示し、凹溝６ａ，６ｂは細線で示している。
【００１７】
図１(Ａ)中におけるａ−ａ線に沿った端面である図１(ａ)と図１(Ｂ)中におけるｂ−ｂ線に沿った端面である図１(ｂ)とは、金属セパレータ１を同じ位置で切断した端面図である。図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの凸条４ａの裏側は、裏面２ｂの凹溝６ｂであり、両者は表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。また、表面２ａの凹溝６ａの裏側は、裏面２ｂの凸条４ｂであり、両者も表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。
尚、図１(α)に例示するように、凸条４ａや凹溝６ａなどは、端部をほぼ半円形の丸形とした凸条４αおよび凹溝６αからなる凹凸部３αとしても良い。
【００１８】
即ち、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ａは、表面２ａでは断面台形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凹部を呈する凹溝６ｂとなる。また、上記凹溝６ａは、表面２ａでは断面台形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凸部を呈する凸条４ｂとなる。尚、凹溝６ａと凹溝６ｂとの幅は、異なるようにしても良い。例えば、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが酸素の場合、両者の流路幅の比を２：１とし、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが空気の場合、両者の流路幅の比を２：５となるように、凹溝６ａ，６ｂの幅を設定する。
【００１９】
また、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ａ，３ｂや一対ずつのヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲する。
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図１(ａ)，(ｂ)および図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ａ，４ｂの高さよりも低く且つ凹溝６ａ，６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ａ，７ｂは、凸条４ａ，４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ａ，６ｂの深さのほぼ半分のレベルにある。このため、ヘッダー部７ａ，７ｂの幅は、従来よりもやや幅広の寸法に設定される。
【００２０】
図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ１の周囲には、ほぼ正方形の枠形のシール材(ガスケット)１０が配置されている。かかるシール材１０は、例えばクロロプレンゴムのような弾性を有する合成ゴムからなる一体成形体であり、その内周面における厚み方向の中央に設けたスリット１２に金属セパレータ１の周辺部２ｃ，２ｄを密着しつつ嵌合している。
また、シール材１０の内部または一部における表面側２ａには、水素などの燃料ガスの入口９ａ・出口９ａを開設し、裏面２ｂ側には、酸素などの酸化剤ガスの入口９ｂ・出口９ｂを開設する。更に、当該シール材１０における各辺の中央には、それぞれ隣接して配置される同じ金属セパレータ１を内側に嵌合したシール材１０を貫通ししつ連結するボルトの貫通孔１３が穿設されている。
尚、シール材１０の厚みは、図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの各凸条４ａの高さと裏面２ｂの各凸条４ｂの高さとの間における差とほぼ同じか、あるいはこの差よりもやや厚肉とされる。かかる厚さは、燃料電池を組み立てるため、シール材１０が弾性変形した際に凸条４ａ，４ｂ間の厚み(差)と一致する。尚また、シール材１０には、冷却水の入口ｗｉと出口ｗａとが形成されている。
【００２１】
図３(Ａ)，(Ｂ)は、異なる形態の金属セパレータ１ａの表面２ａと裏面２ｂとを示す。かかる金属セパレータ１ａも、ステンレス鋼板などからなる１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図３(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｃと、かかる凸条４ｃ間に交互に位置する複数の凹溝６ｃとからなる凹凸部３ｃを中央部に有し、複数の凸条４ｃおよび凹溝６ｃの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ａ，７ａを設けている。
また、金属セパレータ１ａの裏面２ｂも、図３(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｄと、かかる凸条４ｄ間に交互に位置する複数の凹溝６ｄとからなる凹凸部３ｄを中央部に有し、複数の凸条４ｄおよび凹溝６ｄの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ｂ，７ｂを設けている。
【００２２】
図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凹部を呈する凹溝６ｄとなる。また、上記凹溝６ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凸部を呈する凸条４ｄとなる。
尚、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ｃ，３ｄやヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲している。また、凸条４ｃや凹溝６ｃなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝６ｃ，６ｄの幅を互いに相違させても良い。
【００２３】
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ｃ，４ｄの高さよりも低く且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ｃ，７ｄは、凸条４ｃ，４ｄの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さのほぼ半分のレベルにある。
尚、金属セパレータ１ａの周辺部２ｃ，２ｄの外周縁にも、前記図１に示したシール材１０が前記同様に嵌合して配置される。
【００２４】
図４(Ａ)は、前記金属セパレータ１の凹凸部３ａ，３ｂにおける断面を示す。図示のように、金属セパレータ１を形成する金属薄板は、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼からなる厚さ０．０１〜約１ｍｍの金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる薄膜層１５とからなる。
上記薄膜層１５は、１μｍ以下、より望ましくは１００ｎｍ以下の厚みであるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金、例えばＡｕ−Ａｇ系合金からなる。かかる薄膜層１５は、メッキ、スクリーン印刷、クラッド圧延、ＣＶＤ処理、またはＰＶＤ処理(真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなど)により、金属ベース材１４の表面および裏面に被覆されている。
【００２５】
また、図４(Ｂ)は、前記金属セパレータ１ａの凹凸部３ｃ，３ｄにおける断面を示し、その金属薄板も、上記同様の金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる上記同様の薄膜層１５とからなる。
尚、凹凸部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、表面および裏面にそれぞれ薄膜層１５を被覆した金属ベース材１４からなる３層構造の金属薄板を、図示しない金型プレスを用いる塑性加工によって成形される。また、金属ベース材１４は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、例えば上記ステンレス鋼からなり、その表・裏面に薄膜層１５を被覆することにより、後述する燃料ガスや酸化剤ガスに対する耐食性を補っている。
【００２６】
図５(Ａ)は、前記金属セパレータ１(１ａ)を用いた燃料電池１６の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の両面に金属セパレータ１(１ａ)をそれぞれ平行に配置したもので、各セパレータ１(１ａ)の上／下にも図示しない固体高分子膜１７が隣接して配置される。即ち、燃料電池１６は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜１７の間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置したものである。また、固体高分子膜１７における金属セパレータ１と隣接する部分は、当該固体高分子膜１７の両側面に配置した図示しないガス拡散電極と正極の触媒電極または負極の触媒電極との３層構造を有する。
【００２７】
図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の周辺部１８は、ガス拡散電極および触媒層が形成されていない部分で、隣接する金属セパレータ１(１ａ)の周囲に設けたシール材１０，１０と面接触する。金属セパレータ１(１ａ)のヘッダー部７ａ，７ｂは、シール材１０と周辺部１８とにより、密閉された空間となる。
尚、凹溝６ａ(６ｃ)と凹溝６ｂ(６ｄ)とは、図４(Ａ)((Ｂ))に示したように互いに隣接し且つ交互に逆向きに開口するように配置される。また、図５(Ａ)では、上方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ａ(６ｃ)の直下には、下方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ｂ(６ｄ)が位置している。更に、上記シール材１０には、ヘッダー部７ａ，７ｂに開口するガスの出・入口９ａ，９ｂが設けられる。
【００２８】
ここで、金属セパレータ１を用いた燃料電池１６の作用について説明する。
図５(Ｂ)は、３つの固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間に１枚ずつの金属セパレータ１を配置した燃料電池１６の断面を示し、上側のセパレータ１では凹溝６ａが、下側のセパレータ１では凹溝６ｂが、金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。
前記ガスの入口９ａ，９ｂから燃料ガスまたは酸化剤ガスを各金属セパレータ１のヘッダー部７ａ，７ｂに供給する。図５(Ｂ)中で上側の実線で矢印で示す水素ガスまたはメタノールなどの燃料ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。
また、図５(Ｂ)中で下側の破線で矢印で示す酸素または空気などの酸化剤ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
【００２９】
上記凹溝６ａまたは凹溝６ｂ内を流通する間に、燃料ガスや酸化剤ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ，１７ｃ中の負極側または正極側の触媒電極に接触する。この際、固体高分子膜１７ａの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｂ)で実線の矢印で示す)において、これに含まれている水素は、水素イオンと電子とに分解される。かかる水素は、固体高分子膜１７ａを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電する間に所要の作用を果たした後、固体高分子膜１７ａ中の正極側の触媒電極に送られる。
一方、固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、正極活物質である酸化剤ガス(図５(Ｂ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通する。この際、凹溝６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスは、隣接する固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【００３０】
図５(Ｃ)は、図５(Ｂ)の前後方向の何れかに隣接する断面を示し、金属セパレータ１７ａ〜１７ｃ間に金属セパレータ１をそれぞれ配置し、上側のセパレータ１では凹溝６ｂが、下側のセパレータ１では凹溝６ａが、中央の金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。図５(Ｃ)中で下側の実線で矢印で示す燃料ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。また、図５(Ｃ)中で上側の破線で矢印で示す酸化剤ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
この際、固体高分子膜１７ｂの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｃ)で実線の矢印で示す)に含まれる水素は、水素イオンと電子とに分解され、かかる水素は、固体高分子膜１７ｂを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電した後、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に送られる。
【００３１】
一方、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、酸化剤ガス(図５(Ｃ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通し、凹溝６ｂ内を流通する間に、隣接する固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
以上のような燃料電池１６によれば、複数の固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間およびその両端(上・下端)側に１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置することにより、全体がコンパクト化したサイズで且つ軽量化にできると共に、化学エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。しかも、金属セパレータ１(１ａ)を流れる電流の電気抵抗も小さくすることができる。従って、かかる燃料電池１６は、例えば車両用の電源として極めて有効となる。
尚、図５(Ｂ)，(Ｃ)において、燃料ガスと酸化剤ガスとは、互いに逆向きの流通にしたが、これらを同じ向きに流通するようにしても良い。
【００３２】
図６(Ａ)は、更に異なる形態の金属セパレータ２０の外観斜視図を示す。
金属セパレータ２０も表面２１および裏面２２を有する前記同様の金属薄板からなり、図６(Ａ)に示すように、その表面２１の中央部には、互いに平行な複数の凸条２４ａと、かかる凸条２４ａ間に交互に位置する複数の凹溝２６ａとからなる凹凸部２３ａを有する。また、複数の凸条２４ａおよび凹溝２６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部２７を設けている。
尚、各凸条２４ａおよび各凹溝２６ａは、断面が台形であるが、前記図３や図４(Ｂ)に示したように、それらの断面をコ字形(四角形)の形状としても良い。
【００３３】
図６(Ａ)，(Ｂ)に示すように、表面２１の凹凸部２３ａおよびヘッダー部２７の周囲には、段部２５，２５に囲まれており、その外周に平坦な周辺部２８が包囲している。各ヘッダー２７は図６(Ｂ)に示すように、断面が変形した台形を呈する。また、上記周辺部２８は、各凸条２４ａの頂面と同じレベルに位置し、前記同様のガスの入口９ａ、出口９ｂ、ボルトの貫通孔１３などが形成される。
また、図６(Ｂ)の断面図に示すように、金属セパレータ２０の裏面２２には、上記各凸条２４ａの裏面側に隣接する複数の凹溝２６ｂと、上記各凹溝２６ａの裏面側に隣接し且つ上記凹溝２６ｂ間に位置する複数の凸条２４ｂとからなる凹凸部２３ｂが中央部に形成されている。尚、凸条２４ａや凹溝２６ａなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝２６ａ，２６ｂの幅を互いに相違させても良い。
【００３４】
更に、凹凸部２３ｂにおける凸条２４ｂと凹溝２６ｂとの長手方向における両端には、これらと直交する断面がほぼヘ字形のヘッダー部２９が位置している。
図６(Ｂ)に示すように、表・裏面２１，２２のヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さよりも低く且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。即ち、ヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さのほぼ半分のレベルに位置すると共に、段部２５，２５を介して表面２１の各凸条２４ａの頂面と同じレベルに偏寄した周辺部２８と接続されている。上記ヘッダー部２７，２９は、燃料ガスなどの出・入口付近を深くし、その反対寄りを浅くするように形成されている。
【００３５】
図６(Ｃ)は、金属セパレータ２０を用いた燃料電池３０の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図６(Ｃ)に示すように、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜３２，３２間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ２０を平行に配置したもので、図示で上側のセパレータ２０の上面にも図示しない固体高分子膜３２が配置されている。
図６(Ｃ)に示すように、固体高分子膜３２の周囲には、前記同様の周辺部３４が位置し、その上下に四角枠形のシール材(ガスケット)３６が配置されている。かかるシール材３６も、前記同様の合成ゴムなどの弾性体からなり、隣接する固体高分子膜３２の周辺部３４との間で、金属セパレータ２０の周辺部２８を挟み付ける。かかるシール材３６と上記周辺部３４とにより、各金属セパレータ２０のヘッダー部２７，２９は、密閉された空間となる。
【００３６】
尚、図６(Ｃ)では、便宜上、上方の金属セパレータ２０の凹溝２６ａの直下には、下方の金属セパレータ２０の凹溝２６ｂが位置している。
そして、図６(Ｃ)に示すように、実線と破線の矢印で示す燃料ガスは、上下の金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２７，２９から、凹溝２６ａを分流して他方のヘッダー部２７，２９に流通する。また、上下の一点鎖線の矢印で示す酸化剤ガスは、上下の各金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２９，２７から、凹溝２６ｂを分流して他方のヘッダー部２９，２７に流通する。
【００３７】
各金属セパレータ２０における凹溝２６ａ内を流通する間に、燃料ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜３２中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分解される。また、各セパレータ２０の凹溝２６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスの一部が隣接する固体高分子膜３２中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ２０を用いる燃料電池３０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化できると共に、前記シール材３６により、複数の固体高分子膜３２と複数の金属セパレータ２０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ２０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００３８】
次に、本発明における第２の金属セパレータ４０およびこれを用いた燃料電池６０について、図７〜図９により説明する。
図７(Ａ)，(Ｂ)は、第２の金属セパレータ４０における表面４０ａ、裏面４０ｂの平面図を示す。かかる金属セパレータ４０は、前記同様の素材からなる金属薄板から成形され、図示のように、平面視でほぼ正方形(矩形)を呈する。尚、かかる金属薄板も、前記金属ベース材１４と、かかる金属ベース材１４の表面および裏面に被覆したＡｕなどの貴金属からなる前記薄膜層１５と、からなる。
【００３９】
金属セパレータ４０の表面４０ａは、図７(Ａ)，(ａ１)，(ａ２)に示すように、表面４０ａが凹部で且つ裏面４０ｂが凸部となる複数の凹溝４３，４５と、これらと交互に位置して表面４０ａが凸部で且つ裏面４０ｂが凹部となる複数の凸条４２，４４と、を有する。
図７(Ａ)で幅方向の左端の凹溝４５の斜面４５ａで例示するように、凹溝４３などおよび凸条４２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ａ)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の一端および凸条４２，４４の一端４２ａ，４４ａと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路４６，４７が交互に逆向きに設けられている。かかる迂回流路４６，４７は、凸条４２などの高さよりも低く且つ凹溝４３などの深さよりも浅い位置に設けられている。
【００４０】
金属セパレータ４０の裏面４０ｂは、図７(Ｂ)，(ｂ１)，(ｂ２)に示すように、裏面４０ｂが凸部で且つ表面４０ａが凹部となる複数の凸条５３，５５と、これらと交互に位置して裏面４０ｂが凹部で且つ表面４０ａが凸部となる複数の凹溝５２，５４と、を有する。
図７(Ｂ)で幅方向の左端の凹溝５２の斜面５２ａで例示するように、凸条５３などや凹溝５２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ｂ)に示すように、裏面４０ｂで凹溝５２，５４の一端および凸条５３，５５の一端５３ｂ，５５ｂと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路５６，５７が交互に逆向きに設けられるかかる迂回流路５６，５７は、凸条５３などの高さよりも低く且つ凹溝５２などの深さよりも浅い位置に設けれている。尚、図７(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４２などは太線で示し、凹溝４３などは細線で示している。
【００４１】
また、図７(ａ１)，(ｂ１)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凸条５３，５５が位置すると共に、表面４０ａの凸条４２，４４の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凹溝５４，５２が、互いに裏腹の関係で位置している。
更に、図７(Ａ)，(ａ２)，図８に示すように、表面４０ａにおける凹溝４３，４５の他端および凸条４２，４４の他端は、金属薄板における他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。図７(Ｂ)，(ｂ２)，図８に示すように、裏面４０ｂにおける凹溝５２，５４の他端および凸条５３，５５の他端も、金属薄板の他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。
尚、凸条４２や凹溝４３などは、前記同様に端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、表面４０ａの凹溝４３などと裏面４０ｂの凹溝５２などの幅を相違させても良い。また、以上のような金属セパレータ４０は、薄いステンレス鋼板を例えばプレス加工または絞り加工、あるいはこれらの併用により成形される。
【００４２】
以上のような金属セパレータ４０おいては、図７(Ａ)，図８中の一点鎖線の矢印で示すように、表面４０ａにおいて、図示しない左下隅の入口から供給された燃料ガスは、凹溝４５，４３，４５，４３，４５を、迂回流路４７，４６，４７，４６を介して流通し、対角位置の出口に向けてジグザグ状に送給される。
また、裏面４０ｂでは、図７(Ｂ)，図８中の破線の矢印で示すように、図示しない右上隅の入口から供給された酸化剤ガスは、凹溝５２，５４，５２，５４，５２を、迂回流路５６，５７，５６，５７を介して流通し、左下隅の出口に向けてジグザグ状に送給される。
【００４３】
更に、図８に示すように、金属セパレータ４０における迂回流路４６，４７，５６，５７と表面４０ａおよび裏面４０ｂにおける両端の凹溝４５や凸条５５などの外側に沿って、これらを包囲するようにシール材(ガスケット)６１が、配置される。かかるシール材６１は、弾性を有する合成ゴムなどからなり、平面視で四角枠形の本体６２と、その内周面６３の長手方向に沿って内向きに開口したスリット６５，６６を有する。図８に示すように、直線状のスリット６５には金属セパレータ４０の一対の側辺が挿入され、凹凸形のスリット６６には凸条４２，５５や凹溝４３，５２などの端部が挿入される。
【００４４】
尚、上記シール材６１は、平面視でＬ字形またはコ字形に２分割したものを接合するなどして形成しも良い。また、シール材６１のコーナー付近には、各ガスの流路６９が貫通し、その付近の内周面６３には、ガスの入口または出口６７，６８が開口されている。
そして、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ４０を内側にセットしたシール材６１を、固体高分子膜１７ａ〜１７ｃおよびこれらの周辺部１８の間に配置することにより、金属セパレータ４０を用いた燃料電池６０が得られる。尚、９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、複数の金属セパレータ４０は、互いに厚み方向で逆向きであり、且つ交互に逆向きになるよう配設される。
【００４５】
かかる燃料電池６０において、燃料ガスは、金属セパレータ４０の表面４０ａまたは裏面４０ｂにおけるジグザグ状の長い各流路を流通する間に、前記と同様に、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃの負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれる水素が水素イオンと電子とに分解される。また、酸化剤ガスが各セパレータ４０の凹溝４３などを流通する間に、かかる酸化剤ガスの一部は、隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ４０を用いる燃料電池６０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化でき、且つ前記シール材６１などにより、複数の固体高分子膜１７ａなどと複数の金属セパレータ４０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ４０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００４６】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記凸条４ａ，４ｂや、凹溝６ａ，６ｂの長手方向における両端面は、前記金属セパレータ１の厚み方向に沿った垂直面としても良い。
また、前記凸条２４ａ，２４ｂ，４２などや、凹溝２６ａ，２６ｂ，４３などは、断面ほぼ四角形またはほぼＵ字形としても良い。
更に、前記金属セパレータ１，１ａ，２０，４０の金属薄板は、耐食性に優れた単一の金属板としても良い。また、金属セパレータ１，１ａの凹凸部３ａ，３ｂなどや金属セパレータ４０における凹溝４３などの成形方法も、絞り加工や冷間鍛造などによって行うことも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上にて説明した本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面に形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となり、かかる表面および裏面を正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来のような２枚の正・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。
更に、シール材により金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させずに、各凹凸部の凹溝内を流通させ且つ水素イオン化や電子化させるなどの反応が行える。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００４８】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面にジグザグ状の流通路が確実に形成されているため、かかる表面および裏面を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となる正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。従って、１枚の金属薄板からなり、水素イオン化などの前記反応を生じ易く且つ電気抵抗の小さい金属セパレータとすることができる。
また、請求項４の金属セパレータによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽できる。
【００４９】
更に、請求項５の金属セパレータによれば、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置する金属薄板からなる金属セパレータとなる。従って、耐食性および耐久性に優れ且つ低コストまたは最適コストの金属セパレータとすることが可能となる。
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）によれば、金属セパレータを１枚の金属薄板としているため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第１の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ)，(ｂ)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ−ａ線またはｂ−ｂ線に沿った端面図、(α)は凸条および凹溝の変形形態を示す部分概略図。
【図２】 (Ａ)，(Ｂ)は図１の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図３】 (Ａ)，(Ｂ)は異なる形態の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図４】 (Ａ)は図１，２の金属セパレータの部分断面図、(Ｂ)は図３の金属セパレータの部分断面図。
【図５】 (Ａ)は図１(図３)の金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図、(Ｂ)および(Ｃ)は上記燃料電池の作用を示す概略図。
【図６】 (Ａ)は更に異なる形態の金属セパレータの表面を示す斜視図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視覚における断面図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図。
【図７】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第２の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ１)，(ａ２)，(ｂ１)，(ｂ２)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ１−ａ１線、ａ２−ａ２線、ｂ１−ｂ１線、またはｂ２−ｂ２線に沿った端面図。
【図８】図７の金属セパレータおよびこれに用いるシール材を示す斜視図。
【図９】 (Ａ)，(Ｂ)は図７，８の金属セパレータを用いた燃料電池を示す断面図。
【図１０】 (Ａ)は従来の燃料電池を示す概略図、(Ｂ)はかかる燃料電池に用いる金属セパレータを示す部分斜視図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを形成する金属薄板を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１ａ，２０，４０………………………………………金属セパレータ
２ａ，２１，４０ａ…………………………………………表面
２ｂ，２２，４０ｂ…………………………………………裏面
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，２３ａ，２３ｂ………………凹凸部
４ａ,４ｂ,２４ａ,２４ｂ，４２,４４,５３,５５………凸条
６ａ,６ｂ,２６ａ,２６ｂ，４３,４５,５２,５４………凹溝
７ａ,７ｂ，２７,２９………………………………………ヘッダー部
１０，３４，６１……………………………………………シール材
１４……………………………………………………………金属ベース材
１５……………………………………………………………薄膜層
１６，３０，６０……………………………………………燃料電池
１７，３２……………………………………………………固体高分子膜
４６，４７，５６，５７……………………………………迂回流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属セパレータおよびこれを用いた固体高分子電解質形燃料電池(以下、単に燃料電池と称する)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、図１０(Ａ)に示すように、固体高分子膜７０の両側に金属セパレータ７２を積層し、これらの周辺部間に図示しないシール材を挟んで固定している。固体高分子膜７０は、電解質膜の両側に正極・負極の触媒電極を配置し、それらの上にカーボンペーパーまたはカーボンクロスなどからなる図示しないガス拡散電極を配置している。また、金属セパレータ７２は、図１０(Ｂ)に示すように、複数の凹溝７５を有する負極側基板７４と複数の凹溝７９を有する正極側基板７８とを、凹溝７５と凹溝７９とが直交し且つこれらの底面が互いに面接触するようにして積層したものである。
【０００３】
負極・正極側基板７４，７８は、同じサイズおよび形状からなり、前者を例として説明すると、例えば図１０(Ｃ)に示すように、金属薄板７４ａの周辺部を除いた位置に複数の凹溝７５と、これらの間に位置する複数の凸条７７と、複数の凹溝７５の長手方向における両端部を連通するヘッダー溝７６，７６と、を備えている。
以上のような負極側基板７４は、平坦な金属薄板７４ａをプレス加工することにより、上記複数の凹溝７５、複数の凸条７７、およびヘッダー溝７６が一体に形成される。尚、図１０(Ｂ)に示すように、負極側基板７４の金属薄板７４ａの底面側には、凹溝７５やヘッダー溝７６の断面形状に倣った形状の凸条７５ａと、凸条７７の断面形状に倣った形状の凹溝７７ａとが形成されている。また、かかる表・裏面の形状は、正極側基板７８についても同様である。
【０００４】
そして、負極側基板７４では、一方のヘッダー溝７６に開口した図示しない供給孔から負極活物質である燃料ガスが供給され、複数の凹溝７５内を分流した後、他方のヘッダー溝７６に開口した図示しない排出孔から排出される。かかる燃料ガスは、各凹溝７５内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分かれる。かかる水素イオンは、固体高分子膜７０の電解質(液)を貫通し、上記電子は、図示しない外部回路を経て、それぞれ正極側の触媒電極へ送られる。
また、正極側基板７８では、正極活物質である酸化剤ガスが上記と同様に流通され、各凹溝７９内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、図１０(Ａ)に示すように、複数の固体高分子膜７０，７０間に挟持される金属セパレータ７２は、２枚の金属セパレータである前記負極・正極側基板７４，７８を積層しているため、燃料電池の構成部材が多くなり且つその組み立ても煩雑になると共に、得られる燃料電池全体の厚みも過大になる、という問題があった。また、前記負極側基板７４の凸条７７と正極側基板７８の凸条との接触面積が小さいため、上下に隣接する固体高分子膜７０，７０間を流れる厚み方向に沿う電流の抵抗が大きくなる、という問題もあった。
本発明は、以上にて説明した従来の技術における問題点を解決し、１枚の金属薄板からなりその表面と裏面とに異なるガスの流通路を有し且つ電気抵抗の少ない金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池を提供する、ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、１枚の金属薄板の表面および裏面に形成する凹凸部をそれぞれガス流通路とすると共に、これらに燃料ガスや酸化剤ガスが均一に流通させるようにする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形の凹溝および凸条を交互に複数ずつ平行に形成した凹凸部と、かかる凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に、かかる凹溝および上記凸条と直交し、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた一対のヘッダー部と、を含み、上記凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に設けた一対のヘッダー部の外側に沿って、上記凹溝の深さおよび前記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの平行な流通路となり、かかる表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。更に、金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させることなく、各凹凸部の凹溝内を流通させることにより、水素イオン化および電子化などの前記反応を生じさせることができる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【０００８】
尚、前記金属薄板における表面と裏面とは、相対的な呼称であって、金属薄板の何れか一方の表面とこれと反対側の表面とを指称するものである。また、前記ヘッダー部の高さは、従来の２枚構造の正極側・負極側基板におけるヘッダー溝よりも小さくなるため、該ヘッダー部の幅は、従来よりも幅広く設定される。
また、本発明には、前記ヘッダー部は、燃料ガスや酸化剤ガスの出入口付近を深くし、それらの反対寄りを浅くするように形成されている、金属セパレータ（請求項２）も含まれる。
【０００９】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形で且つ交互に平行に形成された複数の凹溝および複数の凸条と、上記凹溝および上記凸条の一端と上記金属薄板の一辺または他辺との間に、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた複数の迂回流路と、を含み、上記凹溝および上記凸条の他端は、上記金属薄板の一辺または他辺に至ると共に、上記複数の迂回流路は、平面視で交互に逆向きに配置されている、ことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した複数の凹溝およびこれらの一端に交互に位置する迂回流路が、ジグザグ状を呈する燃料ガスまたは酸化剤ガスのための単一の流通路となる。このため、かかるジグザグ状に流通する上記各ガスの反応を確実に行わせられると共に、表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。従って、第２の金属セパレータでも、２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレス成形などすることにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用できる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００１１】
尚、前記ガスの入口や出口は、両端の凹溝の端部付近に位置する共に、金属薄板における対角位置または同じ辺の両端に配置される。更に、迂回流路の幅は、上記凹溝の幅以上に設定する。
【００１２】
また、本発明には、前記複数の迂回流路および前記凹溝または前記凸条の外側に沿って、前記金属薄体を包囲するように上記凹溝の深さおよび上記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、金属セパレータ（請求項４）も含まれる。
これによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽することができる。
【００１３】
更に、本発明には、前記金属ベース材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金からなり、前記貴金属の薄膜層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金からなる、金属セパレータ（請求項５）も含まれる。これによれば、上述したような１枚の金属薄板のみからなり耐食性に優れた金属セパレータを最適のコストで得ることが可能となる。
【００１４】
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜の間およびこれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、ことを特徴とする。これによれば、金属セパレータが１枚の金属薄板からなるため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池を提供することが可能となる。
付言すれば、本発明の燃料電池には、互いに平行な少なくとも２つの固体高分子膜の間およびそれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、燃料電池を含むことも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)，(Ｂ)，図２(Ａ)，(Ｂ)は、本発明における第１の金属セパレータ１の表面２ａおよび裏面２ｂを示す。かかる金属セパレータ１は、例えばステンレス鋼板などからなり平面視が矩形である１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図１(Ａ)，図２(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ａと、かかる凸条４ａ間に交互に位置する複数の凹溝６ａとからなる凹凸部３ａを中央部に有する。また、複数の凸条４ａおよび凹溝６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ａを設けている。各ヘッダー部７ａは、ガスの出・入口９ａの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成されている。
【００１６】
更に、金属セパレータ１の裏面２ｂも、図１(Ｂ)，図２(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｂと、かかる凸条４ｂ間に交互に位置する複数の凹溝６ｂとからなる凹凸部３ｂを中央部に有し、複数の凸条４ｂおよび凹溝６ｂの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ｂを設けている。
尚、各ヘッダー部７ｂは、ガスの出・出口９ｂの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成しても良い。尚また、図１(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４ａ，４ｂは太線で示し、凹溝６ａ，６ｂは細線で示している。
【００１７】
図１(Ａ)中におけるａ−ａ線に沿った端面である図１(ａ)と図１(Ｂ)中におけるｂ−ｂ線に沿った端面である図１(ｂ)とは、金属セパレータ１を同じ位置で切断した端面図である。図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの凸条４ａの裏側は、裏面２ｂの凹溝６ｂであり、両者は表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。また、表面２ａの凹溝６ａの裏側は、裏面２ｂの凸条４ｂであり、両者も表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。
尚、図１(α)に例示するように、凸条４ａや凹溝６ａなどは、端部をほぼ半円形の丸形とした凸条４αおよび凹溝６αからなる凹凸部３αとしても良い。
【００１８】
即ち、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ａは、表面２ａでは断面台形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凹部を呈する凹溝６ｂとなる。また、上記凹溝６ａは、表面２ａでは断面台形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凸部を呈する凸条４ｂとなる。尚、凹溝６ａと凹溝６ｂとの幅は、異なるようにしても良い。例えば、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが酸素の場合、両者の流路幅の比を２：１とし、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが空気の場合、両者の流路幅の比を２：５となるように、凹溝６ａ，６ｂの幅を設定する。
【００１９】
また、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ａ，３ｂや一対ずつのヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲する。
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図１(ａ)，(ｂ)および図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ａ，４ｂの高さよりも低く且つ凹溝６ａ，６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ａ，７ｂは、凸条４ａ，４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ａ，６ｂの深さのほぼ半分のレベルにある。このため、ヘッダー部７ａ，７ｂの幅は、従来よりもやや幅広の寸法に設定される。
【００２０】
図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ１の周囲には、ほぼ正方形の枠形のシール材(ガスケット)１０が配置されている。かかるシール材１０は、例えばクロロプレンゴムのような弾性を有する合成ゴムからなる一体成形体であり、その内周面における厚み方向の中央に設けたスリット１２に金属セパレータ１の周辺部２ｃ，２ｄを密着しつつ嵌合している。
また、シール材１０の内部または一部における表面側２ａには、水素などの燃料ガスの入口９ａ・出口９ａを開設し、裏面２ｂ側には、酸素などの酸化剤ガスの入口９ｂ・出口９ｂを開設する。更に、当該シール材１０における各辺の中央には、それぞれ隣接して配置される同じ金属セパレータ１を内側に嵌合したシール材１０を貫通ししつ連結するボルトの貫通孔１３が穿設されている。
尚、シール材１０の厚みは、図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの各凸条４ａの高さと裏面２ｂの各凸条４ｂの高さとの間における差とほぼ同じか、あるいはこの差よりもやや厚肉とされる。かかる厚さは、燃料電池を組み立てるため、シール材１０が弾性変形した際に凸条４ａ，４ｂ間の厚み(差)と一致する。尚また、シール材１０には、冷却水の入口ｗｉと出口ｗａとが形成されている。
【００２１】
図３(Ａ)，(Ｂ)は、異なる形態の金属セパレータ１ａの表面２ａと裏面２ｂとを示す。かかる金属セパレータ１ａも、ステンレス鋼板などからなる１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図３(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｃと、かかる凸条４ｃ間に交互に位置する複数の凹溝６ｃとからなる凹凸部３ｃを中央部に有し、複数の凸条４ｃおよび凹溝６ｃの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ａ，７ａを設けている。
また、金属セパレータ１ａの裏面２ｂも、図３(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｄと、かかる凸条４ｄ間に交互に位置する複数の凹溝６ｄとからなる凹凸部３ｄを中央部に有し、複数の凸条４ｄおよび凹溝６ｄの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ｂ，７ｂを設けている。
【００２２】
図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凹部を呈する凹溝６ｄとなる。また、上記凹溝６ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凸部を呈する凸条４ｄとなる。
尚、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ｃ，３ｄやヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲している。また、凸条４ｃや凹溝６ｃなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝６ｃ，６ｄの幅を互いに相違させても良い。
【００２３】
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ｃ，４ｄの高さよりも低く且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ｃ，７ｄは、凸条４ｃ，４ｄの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さのほぼ半分のレベルにある。
尚、金属セパレータ１ａの周辺部２ｃ，２ｄの外周縁にも、前記図１に示したシール材１０が前記同様に嵌合して配置される。
【００２４】
図４(Ａ)は、前記金属セパレータ１の凹凸部３ａ，３ｂにおける断面を示す。図示のように、金属セパレータ１を形成する金属薄板は、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼からなる厚さ０．０１〜約１ｍｍの金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる薄膜層１５とからなる。
上記薄膜層１５は、１μｍ以下、より望ましくは１００ｎｍ以下の厚みであるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金、例えばＡｕ−Ａｇ系合金からなる。かかる薄膜層１５は、メッキ、スクリーン印刷、クラッド圧延、ＣＶＤ処理、またはＰＶＤ処理(真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなど)により、金属ベース材１４の表面および裏面に被覆されている。
【００２５】
また、図４(Ｂ)は、前記金属セパレータ１ａの凹凸部３ｃ，３ｄにおける断面を示し、その金属薄板も、上記同様の金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる上記同様の薄膜層１５とからなる。
尚、凹凸部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、表面および裏面にそれぞれ薄膜層１５を被覆した金属ベース材１４からなる３層構造の金属薄板を、図示しない金型プレスを用いる塑性加工によって成形される。また、金属ベース材１４は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、例えば上記ステンレス鋼からなり、その表・裏面に薄膜層１５を被覆することにより、後述する燃料ガスや酸化剤ガスに対する耐食性を補っている。
【００２６】
図５(Ａ)は、前記金属セパレータ１(１ａ)を用いた燃料電池１６の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の両面に金属セパレータ１(１ａ)をそれぞれ平行に配置したもので、各セパレータ１(１ａ)の上／下にも図示しない固体高分子膜１７が隣接して配置される。即ち、燃料電池１６は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜１７の間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置したものである。また、固体高分子膜１７における金属セパレータ１と隣接する部分は、当該固体高分子膜１７の両側面に配置した図示しないガス拡散電極と正極の触媒電極または負極の触媒電極との３層構造を有する。
【００２７】
図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の周辺部１８は、ガス拡散電極および触媒層が形成されていない部分で、隣接する金属セパレータ１(１ａ)の周囲に設けたシール材１０，１０と面接触する。金属セパレータ１(１ａ)のヘッダー部７ａ，７ｂは、シール材１０と周辺部１８とにより、密閉された空間となる。
尚、凹溝６ａ(６ｃ)と凹溝６ｂ(６ｄ)とは、図４(Ａ)((Ｂ))に示したように互いに隣接し且つ交互に逆向きに開口するように配置される。また、図５(Ａ)では、上方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ａ(６ｃ)の直下には、下方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ｂ(６ｄ)が位置している。更に、上記シール材１０には、ヘッダー部７ａ，７ｂに開口するガスの出・入口９ａ，９ｂが設けられる。
【００２８】
ここで、金属セパレータ１を用いた燃料電池１６の作用について説明する。
図５(Ｂ)は、３つの固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間に１枚ずつの金属セパレータ１を配置した燃料電池１６の断面を示し、上側のセパレータ１では凹溝６ａが、下側のセパレータ１では凹溝６ｂが、金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。
前記ガスの入口９ａ，９ｂから燃料ガスまたは酸化剤ガスを各金属セパレータ１のヘッダー部７ａ，７ｂに供給する。図５(Ｂ)中で上側の実線で矢印で示す水素ガスまたはメタノールなどの燃料ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。
また、図５(Ｂ)中で下側の破線で矢印で示す酸素または空気などの酸化剤ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
【００２９】
上記凹溝６ａまたは凹溝６ｂ内を流通する間に、燃料ガスや酸化剤ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ，１７ｃ中の負極側または正極側の触媒電極に接触する。この際、固体高分子膜１７ａの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｂ)で実線の矢印で示す)において、これに含まれている水素は、水素イオンと電子とに分解される。かかる水素は、固体高分子膜１７ａを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電する間に所要の作用を果たした後、固体高分子膜１７ａ中の正極側の触媒電極に送られる。
一方、固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、正極活物質である酸化剤ガス(図５(Ｂ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通する。この際、凹溝６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスは、隣接する固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【００３０】
図５(Ｃ)は、図５(Ｂ)の前後方向の何れかに隣接する断面を示し、金属セパレータ１７ａ〜１７ｃ間に金属セパレータ１をそれぞれ配置し、上側のセパレータ１では凹溝６ｂが、下側のセパレータ１では凹溝６ａが、中央の金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。図５(Ｃ)中で下側の実線で矢印で示す燃料ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。また、図５(Ｃ)中で上側の破線で矢印で示す酸化剤ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
この際、固体高分子膜１７ｂの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｃ)で実線の矢印で示す)に含まれる水素は、水素イオンと電子とに分解され、かかる水素は、固体高分子膜１７ｂを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電した後、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に送られる。
【００３１】
一方、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、酸化剤ガス(図５(Ｃ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通し、凹溝６ｂ内を流通する間に、隣接する固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
以上のような燃料電池１６によれば、複数の固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間およびその両端(上・下端)側に１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置することにより、全体がコンパクト化したサイズで且つ軽量化にできると共に、化学エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。しかも、金属セパレータ１(１ａ)を流れる電流の電気抵抗も小さくすることができる。従って、かかる燃料電池１６は、例えば車両用の電源として極めて有効となる。
尚、図５(Ｂ)，(Ｃ)において、燃料ガスと酸化剤ガスとは、互いに逆向きの流通にしたが、これらを同じ向きに流通するようにしても良い。
【００３２】
図６(Ａ)は、更に異なる形態の金属セパレータ２０の外観斜視図を示す。
金属セパレータ２０も表面２１および裏面２２を有する前記同様の金属薄板からなり、図６(Ａ)に示すように、その表面２１の中央部には、互いに平行な複数の凸条２４ａと、かかる凸条２４ａ間に交互に位置する複数の凹溝２６ａとからなる凹凸部２３ａを有する。また、複数の凸条２４ａおよび凹溝２６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部２７を設けている。
尚、各凸条２４ａおよび各凹溝２６ａは、断面が台形であるが、前記図３や図４(Ｂ)に示したように、それらの断面をコ字形(四角形)の形状としても良い。
【００３３】
図６(Ａ)，(Ｂ)に示すように、表面２１の凹凸部２３ａおよびヘッダー部２７の周囲には、段部２５，２５に囲まれており、その外周に平坦な周辺部２８が包囲している。各ヘッダー２７は図６(Ｂ)に示すように、断面が変形した台形を呈する。また、上記周辺部２８は、各凸条２４ａの頂面と同じレベルに位置し、前記同様のガスの入口９ａ、出口９ｂ、ボルトの貫通孔１３などが形成される。
また、図６(Ｂ)の断面図に示すように、金属セパレータ２０の裏面２２には、上記各凸条２４ａの裏面側に隣接する複数の凹溝２６ｂと、上記各凹溝２６ａの裏面側に隣接し且つ上記凹溝２６ｂ間に位置する複数の凸条２４ｂとからなる凹凸部２３ｂが中央部に形成されている。尚、凸条２４ａや凹溝２６ａなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝２６ａ，２６ｂの幅を互いに相違させても良い。
【００３４】
更に、凹凸部２３ｂにおける凸条２４ｂと凹溝２６ｂとの長手方向における両端には、これらと直交する断面がほぼヘ字形のヘッダー部２９が位置している。
図６(Ｂ)に示すように、表・裏面２１，２２のヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さよりも低く且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。即ち、ヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さのほぼ半分のレベルに位置すると共に、段部２５，２５を介して表面２１の各凸条２４ａの頂面と同じレベルに偏寄した周辺部２８と接続されている。上記ヘッダー部２７，２９は、燃料ガスなどの出・入口付近を深くし、その反対寄りを浅くするように形成されている。
【００３５】
図６(Ｃ)は、金属セパレータ２０を用いた燃料電池３０の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図６(Ｃ)に示すように、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜３２，３２間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ２０を平行に配置したもので、図示で上側のセパレータ２０の上面にも図示しない固体高分子膜３２が配置されている。
図６(Ｃ)に示すように、固体高分子膜３２の周囲には、前記同様の周辺部３４が位置し、その上下に四角枠形のシール材(ガスケット)３６が配置されている。かかるシール材３６も、前記同様の合成ゴムなどの弾性体からなり、隣接する固体高分子膜３２の周辺部３４との間で、金属セパレータ２０の周辺部２８を挟み付ける。かかるシール材３６と上記周辺部３４とにより、各金属セパレータ２０のヘッダー部２７，２９は、密閉された空間となる。
【００３６】
尚、図６(Ｃ)では、便宜上、上方の金属セパレータ２０の凹溝２６ａの直下には、下方の金属セパレータ２０の凹溝２６ｂが位置している。
そして、図６(Ｃ)に示すように、実線と破線の矢印で示す燃料ガスは、上下の金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２７，２９から、凹溝２６ａを分流して他方のヘッダー部２７，２９に流通する。また、上下の一点鎖線の矢印で示す酸化剤ガスは、上下の各金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２９，２７から、凹溝２６ｂを分流して他方のヘッダー部２９，２７に流通する。
【００３７】
各金属セパレータ２０における凹溝２６ａ内を流通する間に、燃料ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜３２中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分解される。また、各セパレータ２０の凹溝２６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスの一部が隣接する固体高分子膜３２中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ２０を用いる燃料電池３０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化できると共に、前記シール材３６により、複数の固体高分子膜３２と複数の金属セパレータ２０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ２０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００３８】
次に、本発明における第２の金属セパレータ４０およびこれを用いた燃料電池６０について、図７〜図９により説明する。
図７(Ａ)，(Ｂ)は、第２の金属セパレータ４０における表面４０ａ、裏面４０ｂの平面図を示す。かかる金属セパレータ４０は、前記同様の素材からなる金属薄板から成形され、図示のように、平面視でほぼ正方形(矩形)を呈する。尚、かかる金属薄板も、前記金属ベース材１４と、かかる金属ベース材１４の表面および裏面に被覆したＡｕなどの貴金属からなる前記薄膜層１５と、からなる。
【００３９】
金属セパレータ４０の表面４０ａは、図７(Ａ)，(ａ１)，(ａ２)に示すように、表面４０ａが凹部で且つ裏面４０ｂが凸部となる複数の凹溝４３，４５と、これらと交互に位置して表面４０ａが凸部で且つ裏面４０ｂが凹部となる複数の凸条４２，４４と、を有する。
図７(Ａ)で幅方向の左端の凹溝４５の斜面４５ａで例示するように、凹溝４３などおよび凸条４２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ａ)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の一端および凸条４２，４４の一端４２ａ，４４ａと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路４６，４７が交互に逆向きに設けられている。かかる迂回流路４６，４７は、凸条４２などの高さよりも低く且つ凹溝４３などの深さよりも浅い位置に設けられている。
【００４０】
金属セパレータ４０の裏面４０ｂは、図７(Ｂ)，(ｂ１)，(ｂ２)に示すように、裏面４０ｂが凸部で且つ表面４０ａが凹部となる複数の凸条５３，５５と、これらと交互に位置して裏面４０ｂが凹部で且つ表面４０ａが凸部となる複数の凹溝５２，５４と、を有する。
図７(Ｂ)で幅方向の左端の凹溝５２の斜面５２ａで例示するように、凸条５３などや凹溝５２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ｂ)に示すように、裏面４０ｂで凹溝５２，５４の一端および凸条５３，５５の一端５３ｂ，５５ｂと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路５６，５７が交互に逆向きに設けられるかかる迂回流路５６，５７は、凸条５３などの高さよりも低く且つ凹溝５２などの深さよりも浅い位置に設けれている。尚、図７(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４２などは太線で示し、凹溝４３などは細線で示している。
【００４１】
また、図７(ａ１)，(ｂ１)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凸条５３，５５が位置すると共に、表面４０ａの凸条４２，４４の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凹溝５４，５２が、互いに裏腹の関係で位置している。
更に、図７(Ａ)，(ａ２)，図８に示すように、表面４０ａにおける凹溝４３，４５の他端および凸条４２，４４の他端は、金属薄板における他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。図７(Ｂ)，(ｂ２)，図８に示すように、裏面４０ｂにおける凹溝５２，５４の他端および凸条５３，５５の他端も、金属薄板の他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。
尚、凸条４２や凹溝４３などは、前記同様に端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、表面４０ａの凹溝４３などと裏面４０ｂの凹溝５２などの幅を相違させても良い。また、以上のような金属セパレータ４０は、薄いステンレス鋼板を例えばプレス加工または絞り加工、あるいはこれらの併用により成形される。
【００４２】
以上のような金属セパレータ４０おいては、図７(Ａ)，図８中の一点鎖線の矢印で示すように、表面４０ａにおいて、図示しない左下隅の入口から供給された燃料ガスは、凹溝４５，４３，４５，４３，４５を、迂回流路４７，４６，４７，４６を介して流通し、対角位置の出口に向けてジグザグ状に送給される。
また、裏面４０ｂでは、図７(Ｂ)，図８中の破線の矢印で示すように、図示しない右上隅の入口から供給された酸化剤ガスは、凹溝５２，５４，５２，５４，５２を、迂回流路５６，５７，５６，５７を介して流通し、左下隅の出口に向けてジグザグ状に送給される。
【００４３】
更に、図８に示すように、金属セパレータ４０における迂回流路４６，４７，５６，５７と表面４０ａおよび裏面４０ｂにおける両端の凹溝４５や凸条５５などの外側に沿って、これらを包囲するようにシール材(ガスケット)６１が、配置される。かかるシール材６１は、弾性を有する合成ゴムなどからなり、平面視で四角枠形の本体６２と、その内周面６３の長手方向に沿って内向きに開口したスリット６５，６６を有する。図８に示すように、直線状のスリット６５には金属セパレータ４０の一対の側辺が挿入され、凹凸形のスリット６６には凸条４２，５５や凹溝４３，５２などの端部が挿入される。
【００４４】
尚、上記シール材６１は、平面視でＬ字形またはコ字形に２分割したものを接合するなどして形成しも良い。また、シール材６１のコーナー付近には、各ガスの流路６９が貫通し、その付近の内周面６３には、ガスの入口または出口６７，６８が開口されている。
そして、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ４０を内側にセットしたシール材６１を、固体高分子膜１７ａ〜１７ｃおよびこれらの周辺部１８の間に配置することにより、金属セパレータ４０を用いた燃料電池６０が得られる。尚、９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、複数の金属セパレータ４０は、互いに厚み方向で逆向きであり、且つ交互に逆向きになるよう配設される。
【００４５】
かかる燃料電池６０において、燃料ガスは、金属セパレータ４０の表面４０ａまたは裏面４０ｂにおけるジグザグ状の長い各流路を流通する間に、前記と同様に、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃの負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれる水素が水素イオンと電子とに分解される。また、酸化剤ガスが各セパレータ４０の凹溝４３などを流通する間に、かかる酸化剤ガスの一部は、隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ４０を用いる燃料電池６０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化でき、且つ前記シール材６１などにより、複数の固体高分子膜１７ａなどと複数の金属セパレータ４０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ４０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００４６】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記凸条４ａ，４ｂや、凹溝６ａ，６ｂの長手方向における両端面は、前記金属セパレータ１の厚み方向に沿った垂直面としても良い。
また、前記凸条２４ａ，２４ｂ，４２などや、凹溝２６ａ，２６ｂ，４３などは、断面ほぼ四角形またはほぼＵ字形としても良い。
更に、前記金属セパレータ１，１ａ，２０，４０の金属薄板は、耐食性に優れた単一の金属板としても良い。また、金属セパレータ１，１ａの凹凸部３ａ，３ｂなどや金属セパレータ４０における凹溝４３などの成形方法も、絞り加工や冷間鍛造などによって行うことも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上にて説明した本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面に形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となり、かかる表面および裏面を正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来のような２枚の正・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。
更に、シール材により金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させずに、各凹凸部の凹溝内を流通させ且つ水素イオン化や電子化させるなどの反応が行える。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００４８】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面にジグザグ状の流通路が確実に形成されているため、かかる表面および裏面を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となる正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。従って、１枚の金属薄板からなり、水素イオン化などの前記反応を生じ易く且つ電気抵抗の小さい金属セパレータとすることができる。
また、請求項４の金属セパレータによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽できる。
【００４９】
更に、請求項５の金属セパレータによれば、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置する金属薄板からなる金属セパレータとなる。従って、耐食性および耐久性に優れ且つ低コストまたは最適コストの金属セパレータとすることが可能となる。
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）によれば、金属セパレータを１枚の金属薄板としているため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第１の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ)，(ｂ)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ−ａ線またはｂ−ｂ線に沿った端面図、(α)は凸条および凹溝の変形形態を示す部分概略図。
【図２】 (Ａ)，(Ｂ)は図１の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図３】 (Ａ)，(Ｂ)は異なる形態の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図４】 (Ａ)は図１，２の金属セパレータの部分断面図、(Ｂ)は図３の金属セパレータの部分断面図。
【図５】 (Ａ)は図１(図３)の金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図、(Ｂ)および(Ｃ)は上記燃料電池の作用を示す概略図。
【図６】 (Ａ)は更に異なる形態の金属セパレータの表面を示す斜視図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視覚における断面図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図。
【図７】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第２の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ１)，(ａ２)，(ｂ１)，(ｂ２)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ１−ａ１線、ａ２−ａ２線、ｂ１−ｂ１線、またはｂ２−ｂ２線に沿った端面図。
【図８】図７の金属セパレータおよびこれに用いるシール材を示す斜視図。
【図９】 (Ａ)，(Ｂ)は図７，８の金属セパレータを用いた燃料電池を示す断面図。
【図１０】 (Ａ)は従来の燃料電池を示す概略図、(Ｂ)はかかる燃料電池に用いる金属セパレータを示す部分斜視図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを形成する金属薄板を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１ａ，２０，４０………………………………………金属セパレータ
２ａ，２１，４０ａ…………………………………………表面
２ｂ，２２，４０ｂ…………………………………………裏面
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，２３ａ，２３ｂ………………凹凸部
４ａ,４ｂ,２４ａ,２４ｂ，４２,４４,５３,５５………凸条
６ａ,６ｂ,２６ａ,２６ｂ，４３,４５,５２,５４………凹溝
７ａ,７ｂ，２７,２９………………………………………ヘッダー部
１０，３４，６１……………………………………………シール材
１４……………………………………………………………金属ベース材
１５……………………………………………………………薄膜層
１６，３０，６０……………………………………………燃料電池
１７，３２……………………………………………………固体高分子膜
４６，４７，５６，５７……………………………………迂回流路
Claims (6)
- 平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、
表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形の凹溝および凸条を交互に複数ずつ平行に形成した凹凸部と、
上記凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に、かかる凹溝および上記凸条と直交し、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた一対のヘッダー部と、を含み、
上記凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に設けた一対のヘッダー部の外側に沿って、上記凹溝の深さおよび前記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、
ことを特徴とする金属セパレータ。 - 前記ヘッダー部は、燃料ガスや酸化剤ガスの出入口付近を深くし、それらの反対寄りを浅くするように形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の金属セパレータ。 - 平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、
表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形で且つ交互に平行に形成された複数の凹溝および複数の凸条と、
上記凹溝および上記凸条の一端と上記金属薄板の一辺または他辺との間に、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた複数の迂回流路と、を含み、
上記凹溝および上記凸条の他端は、上記金属薄板の一辺または他辺に至ると共に、
上記複数の迂回流路は、平面視で交互に逆向きに配置されている、
ことを特徴とする金属セパレータ。 - 前記複数の迂回流路および前記凹溝または前記凸条の外側に沿って、前記金属薄体を包囲するように上記凹溝の深さおよび上記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、
ことを特徴とする請求項３に記載の金属セパレータ。 - 前記金属ベース材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金からなり、前記貴金属の薄膜層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の金属セパレータ。 - 互いに平行に配置した複数の固体高分子膜の間およびこれらの両端側に、請求項１乃至５の何れか一項に記載の金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、
ことを特徴とする燃料電池。
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