JP4713071B2

JP4713071B2 - 燃料電池とその製造方法

Info

Publication number: JP4713071B2
Application number: JP2003320817A
Authority: JP
Inventors: 透水野; 健野村; 裕一八神; 康荒木
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: JP2005093095A

Description

本発明は燃料電池に関し、とくに金属製セパレータを備え容易にセパレータのガス流路の高さ管理ができる固体高分子電解質型燃料電池とその製造方法に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセル（単位燃料電池、単セルともいう）を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

燃料ガスが供給される部分と酸化ガスが供給される部分を電解質を介して対向させ、効率よく発電させるには、電解質を介して燃料ガス流路と酸化ガス流路が並行して延びることが望ましい。また、セパレータを低コストで、生産性よく作製するには、セパレータを金属板とし、この金属板を板厚方向に波状に凹凸するようにプレス成形して、ガス流路をプレス成形の凹部から形成することが望ましい。
これらの要求を満足するために、特開２０００−１７３６３１号公報は、隣り合う単位燃料電池のセパレータを金属セパレータとし、凹部から流路を構成し、セパレータ間の導電性を高めるために、一方のセパレータの凸部の頂部と他方のセパレータの凸部の頂部とを突き合わせ、その接触部を導電性接着剤で接合したものを提案している。

しかし、波板金属セパレータの直線状ガス流路は、波板の特性から寸法を高精度に出すことが難しく、波板と波板の流路軸芯をそろえてセパレータを重ねると、図４に示すように、波板１，２の凸部３，４同士は位置ずれΔｗを起こし、場所による高さずれΔｈが発生して、セパレータ間およびセパレータと拡散層間の押し付け力が管理困難となり、接触不良による接触抵抗増加を引き起こす。
特開２０００−１７３６３１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池の、単位燃料電池積層方向に隣合う金属セパレータの凸部同士の位置ずれによる、接触不良および接触抵抗増加の問題である。
本発明の目的は、単位燃料電池積層方向に隣合うセパレータの凸部同士が位置ずれによる接触不良および接触抵抗増加を起こさないかまたは起こしにくい燃料電池とその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（２）（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に複数の第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に複数の第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路はセル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、積層されたときに複数の前記第１のガス流路の各々は隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差し、該斜めに交差する部位において、前記第１のセパレータと前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとが当接しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（３）（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に複数の第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に複数の第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路はセル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、前記複数の第１のガス流路はそれぞれＭＥＡを介して第２のセパレータの前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差し、該斜めに交差する点において、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータがＭＥＡを挟持しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（４）（イ）セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向にうねる波形の複数の第１のガス流路をＭＥＡ側に備える第１のセパレータと、
（ニ）セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向にうねる波形の複数の第２のガス流路を前記ＭＥＡ側に備える第２のセパレータと、
（イ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに挟まれた前記ＭＥＡと、
を含む単位燃料電池を複数積層した、燃料電池であって、
（ニ）前記波形は、第１のガス流路のそれぞれが、第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差する形状とされており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（５）（イ）複数の第１のガス流路をＭＥＡ側に備える第１のセパレータと、
複数の第２のガス流路を前記ＭＥＡ側に備える第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに挟まれたＭＥＡと、
を含む単位燃料電池を複数積層した、燃料電池であって、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路は、セル面内方向でかつ流路の伸長方向と垂直な方向に凹凸する波形の形状を有し、該波形の形状は、複数の前記第１のガス流路の各々が、前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差する形状とされており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（６）（イ）単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、１つの単位燃料電池がセル面内方向に連続して延び隣りの単位燃料電池に向かって凸となる第１の凸部を有する第１のセパレータを有し、該第１のセパレータは、該第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとの間に冷却水流路を形成しており、
（ホ）前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータは前記１つの単位燃料電池の前記第１のセパレータの第１の凸部と並行しセル面内方向に連続して延び前記１つの単位燃料電池に向かって凸となる第２の凸部を有しており、前記１つの単位燃料電池の前記第１の凸部の裏面は前記１つの単位燃料電池のＭＥＡ側に向かって凹となっていて第１のガス流路を構成し、前記隣りの単位燃料電池の第２の凸部の裏面は前記隣りの単位燃料電池のＭＥＡ側に向かって凹となっていて第２のガス流路を構成し、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路は、セル面内方向でかつ流路の伸長方向と垂直な方向に凹凸する波形の形状を有し、前記第１の凸部の軸芯と前記第２の凸部の軸芯とは、複数回斜めに交差しており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸している、
燃料電池。
（７）（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成し、
（ヘ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路との前記斜めに交差する部位で、前記第１のセパレータと、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとを互いに固着した、
燃料電池。
（８）（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成し、
（ト）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の前記第２のセパレータの第２のガス流路との交差角度は４５度より小さい、
燃料電池。
（９）前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路との前記斜めに交差する部位で、前記第１のセパレータと、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとを互いに固着した（１）〜（６）および（８）の何れか１つに記載の燃料電池。
（１０）前記第１のセパレータは前記単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板であり、前記第２のセパレータは前記単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板である（１）〜（８）の何れか１つに記載の燃料電池。
（１１）前記セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状は波形である（１）〜（３）の何れか１つに記載の燃料電池。
（１２）前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第２のセパレータの第２のガス流路におけるガスの流れは対向流である（１）〜（８）の何れか１つに記載の燃料電池。
（１３）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路の、各ガス流路の、前記セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状の凹凸量Δｄは、前記第１のガス流路の流路中心線と前記隣りの単位燃料電池の第２のガス流路の流路中心線との、流路伸長方向と直交する方向における位置ずれ許容誤差Δａより大とされている（１）〜（８）の何れか１つに記載の燃料電池。
（１４）上記（１）〜（１３）の何れか１つに記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、流路形成用の凸条、凹条を、セル面内方向で流路伸長方向と直交する方向にうねらせたプレス型を用いて、金属板をプレスして、前記第１、第２のセパレータを形成する工程を含む、燃料電池の製造方法。

上記（１）〜（８）、（１３）の燃料電池によれば、第１のセパレータの第１のガス流路の並行流路部分と隣りの第２のセパレータの第２のガス流路の並行流路部分が、互いに複数回斜めに交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されているので、流路同士がガス流路伸長方向と直交する方向に位置がずれても、凸部同士の接触面積が減少することが抑制される。また、一方のセパレータの凸部が他方のセパレータの凹部に入り込むことがなくなり、凸部同士の重ね高さは予め定めた重ね高さに維持される。その結果、接触不良および接触抵抗増加が起こらないか、または起こりにくい。
上記（９）、（７）の燃料電池によれば、第１のセパレータの第１のガス流路と、隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路との、斜めに交差する部位で、第１のセパレータと、隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとを互いに固着したので、セパレータ間の交差部での、導電性を向上することができる。
上記（１０）の燃料電池によれば、第１、第２のセパレータが単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板からなるため、第１のガス流路と第２のガス流路との並行流路構成と、プレスによるセパレータと流路の容易な形成を維持したまま、従来の直線状ガス流路をもつセパレータにおける接触不良および接触抵抗増加の問題を解決することができる。

上記（１１）の燃料電池によれば、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状は波形であるため、ガスの流れやその背面の冷却水の流れにほとんど影響を及ぼさず、たとえば、ほとんど圧損を増加させずに、位置ずれによる接触不良を防止することができる。
上記（１２）の燃料電池によれば、第１のセパレータの第１のガス流路と第２のセパレータの第２のガス流路におけるガスの流れは対向流であるため、生成水の自己循環を効果的に実現できる。
上記（１４）の燃料電池の製造方法によれば、並行流路部分２２の、流路伸長方向と直交する方向の凹凸は、プレス型の流路形成用の凸条，凹条を、流路伸長方向と直交する方向にうねらせておくことにより、容易に得られる。

以下に、本発明の燃料電池とその製造方法を図１〜図３を参照して説明する。
本発明の燃料電池１０は、たとえば、固体高分子型燃料電池であり、ＭＥＡ１１を第１のガス流路１２を有する第１のセパレータ１３と第２のガス流路１４を有する第２のセパレータ１５とで挟んだ単位燃料電池１６を複数積層して構成された燃料電池である（ただし、積層方向は任意でよい）。
ここで、ＭＥＡ１１は、電解質１７をアノード１８とカソード１９で挟んだ膜電極アッセンブリである。ＭＥＡ１１とセパレータ１３，１５の間には、拡散層２０，２１が設けられてもよい。第１のガス流路１２を有する第１のセパレータ１３は、燃料ガス流路をもつアノード側セパレータと酸化ガス流路をもつカソード側セパレータのいずれか一方であり、第２のガス流路１４を有する第２のセパレータ１５は、燃料ガス流路をもつアノード側セパレータと酸化ガス流路をもつカソード側セパレータのいずれか他方である。第１のガス流路１２を有する第１のセパレータ１３が、燃料ガス流路をもつアノード側セパレータである場合は、第２のガス流路１４を有する第２のセパレータ１５は、酸化ガス流路をもつカソード側セパレータであり、第１のガス流路１２を有する第１のセパレータ１３が、酸化ガス流路をもつカソード側セパレータである場合は、第２のガス流路１４を有する第２のセパレータ１５は、燃料ガス流路をもつアノード側セパレータである。

第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２と第２のセパレータ１５（同じ単位燃料電池の第２のセパレータ１５でもよいし、あるいは隣りの単位燃料電池の第２のセパレータ１５でもよい）の第２のガス流路１４は、それらの流路の少なくとも一部分に、互いに並行して延びる並行流路部分２２を有している。第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２の並行流路部分２２と、第１のセパレータ１３の隣りの第２のセパレータ１５の第２のガス流路１４の並行流路部分２２は、互いに斜めに交差するように、セル（単位燃料電池）面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されている。符号２３は、交差部を示す。「斜め交差」には、「直交」は含まない。好ましくは４５度より小さい角度で交差するとよい。並行流路部分２２の、流路伸長方向と直交する方向に凹凸する量Δｄは、第１のガス流路１２の凸条の頂部と第２のガス流路１４の凸条の頂部との、流路伸長方向と直交する方向における最大ずれ量（製作誤差や組み付け誤差による最大ずれ量、すなわち、位置ずれ許容誤差Δａ）より大であればよい。

第１のセパレータ１３は、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板からなるメタルセパレータである。同様に、第２のセパレータ１５は、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板からなるメタルセパレータである。凹凸の凹条と凸条は、流路伸長方向に連続して延びている。流路１２，１４は、ほぼストレート流路であってもよいし、サーペンタイン流路であってもよい。
本発明の燃料電池の製造方法では、流路１２，１４はメタルセパレータをプレス成形する際にプレスにより成形される。並行流路部分２２の、流路伸長方向と直交する方向の凹凸は、プレス型の流路形成用の凸条，凹条を、流路伸長方向と直交する方向にうねらせておくことにより、容易に得られる。

第１のガス流路１２、第２のガス流路１４の、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状は、望ましくは、波形である。また、１つの並行流路部分２２に、複数の交差部２３が表れるように、１波の長さを決めることが望ましい。

一つの単位燃料電池１６の第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２と、隣りの単位燃料電池１６の第２のセパレータ１６の第２のガス流路１４との、斜めに交差する部位（交差部２３）で、第１のセパレータ１３と、隣りの単位燃料電池１６の第２のセパレータ１５とを互いに固着してもよい。符号２４は交差部２３での固着部を示す。ただし、同じ単位燃料電池１６内では、第１のセパレータ１３と第２のセパレータ１５との間には、膜１７があるので、交差部２３で、第１のセパレータ１３と第２のセパレータ１５とを固着することはできない。交差部２３でのセパレータ間の導電性を上げるために、固着は、ロー付け、溶接、導電性接着剤などの、いずれかによって実施されることが望ましい。

並行流路部分２２において、第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２と、隣りの単位燃料電池１６の、または同じ単位燃料電池１６で膜１７を介して対向する、第２のセパレータ１５の第２のガス流路１４におけるガスの流れとは、対向流であることが望ましい。対向流は、カソード１９側で発電により発生した水をＭＥＡ１１を通過させてアノード１８側に移動させ、アノード側流路の流れにのって水が下流へ移動しながら、カソード１９側上流の乾きやすい位置のＭＥＡ１１にしみ込むことによりＭＥＡ１１の適正湿り状態を作り出す水分自己循環を実現できる。ＭＥＡは乾きすぎると内部抵抗が増大し、損失が過大になり、過度に湿潤状態になると水によりガス拡散阻害や触媒反応サイトを覆って性能低下を引き起こすので、それを水分自己循環で防止する。

つぎに、本発明の燃料電池の作用、効果を説明する。
第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２の並行流路部分２２と第２のセパレータ１５の第２のガス流路１４の並行流路部分２２が、交差部２３で、互いに斜めに交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されているので、流路１２、１４同士がガス流路伸長方向と直交する方向に位置がずれても、凸部同士の接触面積が減少することが抑制される。また、一方のセパレータの凸部が他方のセパレータの凹部に入り込むことがなくなる。これによって、凸部同士の重ね高さは予め定めた重ね高さに維持される。その結果、セパレータ同士またはセパレータと拡散層の、接触不良および接触抵抗増加は起こらないか、または起こりにくい。

また、第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２と、隣りの単位燃料電池１６の第２のセパレータ１５の第２のガス流路１４とが斜めに交差する部位（交差部）２３で、第１のセパレータ１３と、隣りの単位燃料電池の第２のセパレータ１５とを互いに固着した場合は、セパレータ１３，１５間の交差部２３での、導電性を向上することができる。その結果、セパレータ同士の、接触不良および接触抵抗増加は起こらないか、または起こりにくい。

第１、第２のセパレータ１３，１５を波板メタルセパレータから作製できるため、第１のガス流路１２と第２のガス流路１４との並行流路構成による燃料電池の性能維持と、プレスによる流路１２，１４の形成による良好な生産性を維持することができる。また、従来の直線状ガス流路では、接触不良および接触抵抗増加の問題が生じていたが、本発明では、流路１２，１４の斜め交差により、従来の直線状ガス流路での、接触不良および接触抵抗増加の問題を解決することができる。

また、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状を波形とすることにより、ガスの流れやその背面の冷却水の流れの圧損をほとんど増加させない。
また、第１のセパレータ１３の第１のガス流路１２と、第２のセパレータ１５の第２のガス流路１４におけるガスの流れを対向流とすることにより、生成水の自己循環を効果的に実現できる。これによって、加湿タンクを車両に搭載しなくてもよくなるか、または搭載しても小型のタンクですむようになる。

本発明の燃料電池、または本発明の燃料電池の製造方法によって製造された燃料電池の第１、第２のセパレータの第１、第２のガス流路の位置関係を示すセパレータの一部分の正面図である。本発明の燃料電池の側面図である。図２の燃料電池の一部分の断面図である。高さずれを示す、従来の波板金属セパレータをもつ燃料電池の断面図である。

１０燃料電池
１１ＭＥＡ
１２第１のガス流路
１３第１のセパレータ
１４第２のガス流路
１５第２のセパレータ
１６単位燃料電池
１７電解質（電解質膜）
１８アノード
１９カソード
２０、２１拡散層
２２並行流路部分
２３交差部
２４固着部

Claims

（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に複数の第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に複数の第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路はセル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、積層されたときに複数の前記第１のガス流路の各々は隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差し、該斜めに交差する部位において、前記第１のセパレータと前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとが当接しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に複数の第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に複数の第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路はセル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、前記複数の第１のガス流路はそれぞれＭＥＡを介して第２のセパレータの前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差し、該斜めに交差する点において、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータがＭＥＡを挟持しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（イ）セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向にうねる波形の複数の第１のガス流路をＭＥＡ側に備える第１のセパレータと、
（ニ）セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向にうねる波形の複数の第２のガス流路を前記ＭＥＡ側に備える第２のセパレータと、
（イ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに挟まれた前記ＭＥＡと、
を含む単位燃料電池を複数積層した、燃料電池であって、
（ニ）前記波形は、第１のガス流路のそれぞれが、第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差する形状とされており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（イ）複数の第１のガス流路をＭＥＡ側に備える第１のセパレータと、
複数の第２のガス流路を前記ＭＥＡ側に備える第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに挟まれたＭＥＡと、
を含む単位燃料電池を複数積層した、燃料電池であって、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路は、セル面内方向でかつ流路の伸長方向と垂直な方向に凹凸する波形の形状を有し、該波形の形状は、複数の前記第１のガス流路の各々が、前記第２のガス流路の少なくとも１つと複数回斜めに交差する形状とされており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成する、
燃料電池。
（イ）単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、１つの単位燃料電池がセル面内方向に連続して延び隣りの単位燃料電池に向かって凸となる第１の凸部を有する第１のセパレータを有し、該第１のセパレータは、該第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとの間に冷却水流路を形成しており、
（ホ）前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータは前記１つの単位燃料電池の前記第１のセパレータの第１の凸部と並行しセル面内方向に連続して延び前記１つの単位燃料電池に向かって凸となる第２の凸部を有しており、前記１つの単位燃料電池の前記第１の凸部の裏面は前記１つの単位燃料電池のＭＥＡ側に向かって凹となっていて第１のガス流路を構成し、前記隣りの単位燃料電池の第２の凸部の裏面は前記隣りの単位燃料電池のＭＥＡ側に向かって凹となっていて第２のガス流路を構成し、
（ニ）前記第１のガス流路と前記第２のガス流路は、セル面内方向でかつ流路の伸長方向と垂直な方向に凹凸する波形の形状を有し、前記第１の凸部の軸芯と前記第２の凸部の軸芯とは、複数回斜めに交差しており、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸している、
燃料電池。
（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成し、
（ヘ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路との前記斜めに交差する部位で、前記第１のセパレータと、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとを互いに固着した、
燃料電池。
（イ）ＭＥＡを、前記ＭＥＡ側に第１のガス流路を有する第１のセパレータと、前記ＭＥＡ側に第２のガス流路を有する第２のセパレータとで挟んだ単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池であって、
（ロ）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第２のセパレータの第２のガス流路は互いに並行して延びる並行流路部分を有し、
（ハ）前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの、該第１のセパレータおよび第２のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２あるいは第１のセパレータと接触する側の面が、単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸しており、
（ニ）前記第１のセパレータの第１のガス流路の前記並行流路部分と、前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路の前記並行流路部分とは、互いに斜めに複数回交差するように、セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状に形成されており、
（ホ）前記第１、第２のセパレータの、隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータと接触する側の面が該隣りの単位燃料電池の第２、第１のセパレータに向かって凸となる部分の裏面は、前記ＭＥＡに向かって凹となっており、それぞれ、前記第１、第２のセパレータの前記第１、第２のガス流路を構成し、
（ト）前記第１のセパレータの第１のガス流路と前記第１のセパレータに対向する隣りの単位燃料電池の前記第２のセパレータの第２のガス流路との交差角度は４５度より小さい、
燃料電池。
前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータの第２のガス流路との前記斜めに交差する部位で、前記第１のセパレータと、前記第１のセパレータに対向する前記隣りの単位燃料電池の第２のセパレータとを互いに固着した請求項１〜請求項６および請求項８の何れか１項記載の燃料電池。
前記第１のセパレータは前記単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板であり、前記第２のセパレータは前記単位燃料電池の積層方向に波状に凹凸する部分を有する金属板である請求項１〜請求項８の何れか１項記載の燃料電池。
前記セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状は波形である請求項１〜請求項３の何れか１項記載の燃料電池。
前記第１のセパレータの第１のガス流路と、前記第２のセパレータの第２のガス流路におけるガスの流れは対向流である請求項１〜請求項８の何れか１項記載の燃料電池。
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路の、各ガス流路の、前記セル面内方向でかつ流路伸長方向と直交する方向に凹凸する形状の凹凸量Δｄは、前記第１のガス流路の流路中心線と前記隣りの単位燃料電池の第２のガス流路の流路中心線との、流路伸長方向と直交する方向における位置ずれ許容誤差Δａより大とされている請求項１〜請求項８の何れか１項記載の燃料電池。
請求項１〜１３の何れか１項に記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法であって、流路形成用の凸条、凹条を、セル面内方向で流路伸長方向と直交する方向にうねらせたプレス型を用いて、金属板をプレスして、前記第１、第２のセパレータを形成する工程を含む、燃料電池の製造方法。