JP2005050584A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性の向上を可能とするとともに、シール性を良好に確保する燃料電池用セパレータを提供すること。
【解決手段】セパレータ１０は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を有しており、その金属板本体１１ａ，１２ａの略中央部分には窪み部１１ｂ，１２ｂが形成されている。そして、窪み部１１ｂ，１２ｂ内にはガス導入口１１ｃ，１２ｃとガス排出口１１ｄ，１２ｄが形成されており、これらの間にはガス供給流路１１ｆ，１２ｆが形成されている。この部材１１，１２間には、第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５が積層される。このとき、各フレーム１３、１４および１５は、収容孔１３ｂ，１４ｂおよび導通孔１５ｂ内に窪み部１１ｂ，１２ｂを収容して積層される。この状態にて、セパレータ１０は、かしめリング１６によってかしめられ、一体的に構成される。
【選択図】 図２
【解決手段】セパレータ１０は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を有しており、その金属板本体１１ａ，１２ａの略中央部分には窪み部１１ｂ，１２ｂが形成されている。そして、窪み部１１ｂ，１２ｂ内にはガス導入口１１ｃ，１２ｃとガス排出口１１ｄ，１２ｄが形成されており、これらの間にはガス供給流路１１ｆ，１２ｆが形成されている。この部材１１，１２間には、第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５が積層される。このとき、各フレーム１３、１４および１５は、収容孔１３ｂ，１４ｂおよび導通孔１５ｂ内に窪み部１１ｂ，１２ｂを収容して積層される。この状態にて、セパレータ１０は、かしめリング１６によってかしめられ、一体的に構成される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池に採用されるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、下記の特許文献１に示すような燃料電池は知られている。この燃料電池は、センタープレートの上下面にて断面略コの字状に折り曲げられて細長い流路を形成するコルゲート材と、このセンタープレートとコルゲート材を外方から気密的に収容するマスクプレートとから構成されるセパレータを有している。そして、このセパレータはマスクプレートの上下面にてドライシールおよび電解質板を挟持した状態で積層される。このように設けられたドライシールは、電解質板からの電解液が外部に漏出することを防止するようになっている。
【０００３】
また、例えば、下記の特許文献２に示すような燃料電池も知られている。この燃料電池は、２枚のメタルセパレータ間に挟持された樹脂フレームと、同樹脂フレーム間に膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）が挟持されて構成されたセパレータを有している。そして、挟持される樹脂フレームには、同フレーム同士を接着するための接着剤のはみ出しを防止するシール保持堰や、供給される燃料ガスおよび酸化ガスをガス流路高さを維持するための突起が形成されるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３６７８１号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００３−７７４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示した従来のセパレータにおいては、コルゲート材の凹凸形状を気密性を有してガス流路とするとともに、積層されて燃料電池用スタックを形成するために、マスクプレートを設ける必要がある。このとき、マスクプレートは、センタープレートおよびコルゲート材を収容する必要があり、燃料電池用スタックが大型化する可能性がある。また、セパレータの積層に際して、ドライシールが電解質板を包囲するように配置されなければならないため、別途ドライシールの組み付け工程が必要である。さらに、ドライシールは、隣接するマスクプレート間に接着されるため、異材料同士の接着となり、十分な接着効果が得られない場合がある。また、上記特許文献２に示した従来のメタルセパレータにおいては、樹脂フレームに凹凸形状を形成する必要があり、成形コストが増大する場合がある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、上記した問題に対処するためになされたものであり、その目的は、生産性の向上を可能とするとともに、シール性を良好に確保する燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００８】
本発明の特徴は、燃料電池セパレータを、金属薄板の略中央部分に窪み部が形成されており、同窪み部内にて所定ガスを電極に供給するガス供給部が形成された第１および第２のセパレータ部材と、前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部を収容する収容孔が形成された非金属製のフレームとを備え、前記第１および第２のセパレータ部材間にて前記フレームの収容孔に前記窪み部を収容して、第１および第２セパレータ部材と前記フレームとを一体的に構成したことにある。
【０００９】
これによれば、窪み部内にガス供給流路を形成することにより、窪み部の上端面にて隣接する燃料電池用セパレータを積層することができる。このため、別途マスクプレートを設ける必要がなく、燃料電池用セパレータを構成する部品点数を減らすことができるとともに、燃料電池スタックを小型化することができる。また、窪み部をフレームの収容孔に収容して燃料電池用セパレータを構成することにより、窪み部の上端部分周辺は、フレームと当接した状態とすることができる。これにより、燃料電池用セパレータを複数積層して燃料電池スタックを形成する際に高圧をかけて強固に積層されても、第１および第２のセパレータ部材の変形を防止することができる。ここで、フレームの非金属材料としては、樹脂材料を採用可能であることはいうまでもなく、例えば、カーボン材料などを採用することができる。
【００１０】
このため、セパレータ同士を、例えば、接着剤を用いて接合する場合に、接着層がセパレータ部材の変形によって破壊されないため、良好な接着強度を得ることでき、導入された所定ガスの漏出も確実に防止することができる。また、隣接するセパレータ間にて電極膜を挟持するように燃料電池スタックが形成される場合がある。この場合においても、電極膜を挟持している部分の変形が防止されるため、燃料電池の導電性を良好に確保することができる。
【００１１】
さらに、フレームは、窪み部を収容して構成されるため、例えば、接着剤によって各部材が互いに接着される場合であっても、各部材の接着位置を位置決めする必要がない。これにより、極めて容易に接着することができて、生産性を向上することができる。また、各部材を接着した場合に、接着剤が硬化するまでの間に各部材がずれることも防止することができるため、燃料電池用セパレータの製造品質を向上することもできる。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、前記フレームは、同フレームを構成する複数の構成部材が一体的に組み立てられて形成されることにもある。これによれば、例えば、射出成形などによって、構成部材を作製することができ、材料の歩留まりを高めることができる。また、これら作製した構成部材を組み立ててフレームを形成することにより収容孔が形成される。このため、窪み部をフレームの収容孔に収容して燃料電池用セパレータを構成することにより、窪み部の上端部分周辺は、フレームと当接した状態とすることができる。これにより、燃料電池用セパレータを複数積層して燃料電池スタックを形成する際に高圧をかけて強固に積層されても、第１および第２のセパレータ部材の変形を防止することができる。
【００１３】
また、本発明の他の特徴は、前記フレームを、前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部をそれぞれ収容する収容孔が形成された第１および第２のフレーム部材と、前記第１および第２のフレーム部材間に配置されて、前記第１および第２のセパレータ部材を冷却する冷却液を導通する導通孔が形成された冷却液フレーム部材とから構成したことにもある。
【００１４】
これによれば、冷却水フレームが第１および第２のフレーム間に配置されるため、例えば、これら各部材を接着する場合には、材質が同質であり、良好な接着効果を得ることができる。したがって、シール性を良好に確保することができて、冷却水の漏出を長期間に渡り確保することができる。
【００１５】
また、本発明の他の特徴は、前記第１および第２のフレーム部材に形成された収容孔と前記冷却液フレーム部材に形成された導通孔とを打ち抜き加工によって成形したことにもある。これによれば、極めて容易に収容孔と導通孔とを形成することができて、成形コストを小さくすることができる。
【００１６】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池用セパレータを、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成したことにもある。これによれば、各構成部材を互いに接着する必要がなく、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。また、接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、燃料電池用セパレータの生産性を向上することができる。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池用セパレータを、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成したことにもある。この場合、前記フレームが前記第１および第２のフレーム部材と、同第１および第２のフレーム部材に比して外形寸法が所定量大きな冷却水フレーム部材とから構成されており、前記第１および第２のセパレータ部材と前記冷却水フレーム部材とをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成するとよい。また、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームは、前記所定ガスを前記ガス供給部に導通するとともに、隣接する第２または第１のセパレータ部材のガス供給部に前記所定ガスを導通する複数の導通部が形成されており、同導通部の開口端部周辺にて、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成するとよい。
【００１８】
これらによれば、第１および第２のセパレータ部材とフレームとが外周縁部分にてかしめられることにより、第１および第２のセパレータ部材とフレームとを強固に挟持してかしめることができる。また、第１および第２のセパレータ部材と冷却水フレームが、その外周縁部分にてかしめられた場合には、第１および第２のセパレータ部材と冷却水フレーム間が強固に挟持されるため、極めて良好なシール性を確保することができる。また、複数の導通部の開口端部周辺にてかしめられた場合には、燃料電池用セパレータ全体をより均一にかしめることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０をいう）を図面を用いて説明する。セパレータ１０は、図１に示すように、隣接するセパレータ１０間にアノード電極ＡＥ、電解質膜ＥＦおよびカソード電極ＣＥが積層されて構成される膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡ（：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）という）が配置された状態にて積層される。そして、隣接するセパレータ１０同士は、図示しない接着層を介して、互いに接合されて燃料電池スタックを構成する。
【００２０】
また、隣接するセパレータ１０同士は、ＭＥＡの電解質膜ＥＦを挟持して積層されており、一方のセパレータ１０がアノード電極ＡＥに燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、他方のセパレータ１０がカソード電極ＣＥに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。このように、隣接するセパレータ１０同士が電解質膜ＥＦを挟持することにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されないようになっている。なお、燃料電池の詳細な構造については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
セパレータ１０は、図２に示すように、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を備えており、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２間に第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５を挟持して一体的に構成される。そして、これらの各部材は、かしめリング１６によってかしめられて、図３に示すように、セパレータ１０が形成される。
【００２２】
第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、ともに同一の構造とされていて、その一側にて燃料電池スタックの外部から供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス（以下、単にガスという）をＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する。そして、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、その他側にて、互いに当接されて、セパレータ１０の外形を形成する。
【００２３】
これら第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、薄肉の金属板本体１１ａ，１２ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、この金属板本体１１ａ，１２ａの略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の窪み部１１ｂ，１２ｂが形成されている。なお、金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００２４】
そして、窪み部１１ｂ，１２ｂ内には、導通部を構成するガス導入口１１ｃ，１２ｃと、同導入口１１ｃ，１２ｃから窪み部１１ｂ，１２ｂの対角線方向に隔離された位置にガス排出口１１ｄ，１２ｄが形成されている。また、窪み部１１ｂ，１２ｂ内のガス導入口１１ｃ，１２ｃとガス排出口１１ｄ，１２ｄ間には、ガス供給部としてのガス導入流路１１ｅ，１２ｅ、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆおよびガス排出流路１１ｇ，１２ｇが形成されている。
【００２５】
ガス導入口１１ｃ，１２ｃは、略長方形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを窪み部１１ｂ，１２ｂ内に取り込むとともに、積層された他のセパレータ１０にガスを流通する。ガス排出口１１ｄ，１２ｄも、略長方形とされた貫通孔であり、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥにて未反応のガスを窪み部１１ｂ，１２ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応ガスを流通する。ガス導入流路１１ｅ，１２ｅは、窪み部１１ｂ，１２ｂ内に導入されたガスをガス供給流路１１ｆ，１２ｆに流通する流路であり、ガス導入口１１ｃ，１２ｃからガス供給流路１１ｆ，１２ｆに向けて広くなるように形成されている。
【００２６】
ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、一側にてガス導入流路１１ｅ，１２ｅから流通された燃料ガスまたは酸化剤ガスをアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する流路である。また、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、その他側にて冷却水フレーム１５により取り込まれた冷却水を流通する流路を形成する。このため、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、例えば、プレス成形や液圧成形などによって、窪み部１１ｂ，１２ｂの底面から上端面方向に所定量（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ突出するように成形された多数の筋状の凸部を有しており、この多数の凸部により区画されて流路が形成されている。ガス排出流路１１ｇ，１２ｇは、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆから未反応のガスをガス排出口１１ｄ，１２ｄに流通する流路であり、ガス排出口１１ｄ，１２ｄに向けて狭くなるように形成されている。
【００２７】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の金属板本体１１ａ，１２ａには、導通部を構成するガス導通口１１ｈ，１２ｈと、同導通口１１ｈ，１２ｈから金属板本体１１ａ，１２ａの対角線方向に隔離された位置にガス導出口１１ｉ、１２ｉとが形成されている。また、金属板本体１１ａ，１２ａには、冷却水を冷却フレーム１５および他のセパレータ１０に供給するための冷却水導入口１１ｊ，１２ｊと、同導入口１１ｊ，１２ｊから金属板本体１１ａ，１２ａの長手方向に隔離された位置に冷却水排出口１１ｋ，１２ｋが形成されている。
【００２８】
ガス導通口１１ｈ，１２ｈは、略長方形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを他側に接する第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２のガス導入口１１ｃ，１２ｃに流通するとともに、積層された他のセパレータ１０に対してガスを流通する。ガス導出口１１ｉ，１２ｉも、略長方形とされた貫通孔であり、他側に接する第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２のガス排出口１１ｄ，１２ｄからの未反応のガスを流通するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応のガスを流通する。
【００２９】
冷却水導入口１１ｊ，１２ｊは、略円形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入された冷却水を冷却水フレーム１５に流通するとともに、積層された他のセパレータ１０に冷却水を流通するものである。冷却水排出口１１ｋ，１２ｋも、略円形とされた貫通孔であり、冷却水フレーム１５内を流通した冷却水を外部に排出するとともに、積層された他のセパレータ１０から排出された冷却水を流通するためのものである。
【００３０】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の金属板本体１１ａ，１２ａの外周縁部分には、窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に所定長さ（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ略直角に折り曲げられた折曲部１１ｌ，１２ｌが形成されている。そして、折曲部１１ｌ，１２ｌの先端部分は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外方に折り曲げられていて、フランジ部１１ｍ，１２ｍが形成されている。
【００３１】
第１フレーム１３および第２フレーム１４は、ともに同一の構造とされていて、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２にその一側にて固着されるものである。これら第１フレーム１３および第２フレーム１４は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の折曲部１１ｌ，１２ｌの内寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１１ｂ，１２ｂの所定深さよりも小さい板厚（例えば、０．３ｍｍ）とされた薄肉の樹脂板本体１３ａ，１４ａから成形されている。なお、樹脂板本体１３ａ，１４ａとしては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。
【００３２】
そして、樹脂板本体１３ａ，１４ａの略中央部分には、窪み部１１ｂ，１２ｂの外形と相似形であり、窪み部１１ｂ，１２ｂの外形寸法に比してわずかに大きい収容孔１３ｂ，１４ｂが形成されている。また、樹脂板本体１３ａ，１４ａには、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂを収容した状態で、ガス導通口１１ｈ，１２ｈ、ガス導出口１１ｉ、１２ｉ、冷却水導入口１１ｊ，１２ｊおよび冷却水排出口１１ｋ，１２ｋの各貫通孔に対応する位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆおよび貫通孔１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆが形成されている。
【００３３】
ここで、収容孔１３ｂ，１４ｂ、貫通孔１３ｃ〜１３ｆおよび貫通孔１４ｃ〜１４ｆは、樹脂板本体１３ａ，１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、収容孔１３ｂ，１４ｂ、貫通孔１３ｃ〜１３ｆおよび貫通孔１４ｃ〜１４ｆを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。この場合、第１フレーム１３および第２フレーム１４を複数の構成部材に予め分割し、同分割した構成部材を射出成形によって成形することも可能である。
【００３４】
冷却水フレーム１５は、第１フレーム１３と第２フレーム１４間に配置されていて、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２のガス供給流路１１ｅ，１２ｅの他側に冷却水を流通させるものである。冷却水フレーム１５は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外形寸法すなわちフランジ部１１ｍ，１２ｍの外周寸法と略同一の外形寸法とされた樹脂板本体１５ａから形成されている。
【００３５】
そして、樹脂板本体１５ａの略中央部分には、セパレータ１０を構成した際に、冷却水が流通するための流路を構成するための導通孔１５ｂが形成されている。また、樹脂板本体１５ａには、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉにそれぞれ対応した位置に、貫通孔１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆが形成されている。ここで、導通孔１５ｂおよび貫通孔１５ｃ〜１５ｆは、樹脂板本体１５ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、冷却水フレーム１５は、導通孔１５ｂおよび貫通孔１５ｃ〜１５ｆを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００３６】
かしめリング１６は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２が順に積層された状態にて、これらを一体的にかしめるものである。このかしめリング１６は、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉのそれぞれの開口周縁部分をかしめるための開口かしめリング１６ａと，第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外周をかしめるための外周かしめリング１６ｂとから構成されている。
【００３７】
開口かしめリング１６ａは、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉの開口寸法に比してわずかに小さい外径寸法を有しており、各口の形状と相似の形状とされている。そして、開口かしめリング１６ａは、図３のＡ−Ａ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図４（ａ）および（ｃ）に示すように、その端部が外方（第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２の表面に接触する方向）に折り曲げられる。これにより、かしめリング１６は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２を一体的にかしめる。
【００３８】
外周かしめリング１６ｂは、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のフランジ部１１ｍ，１２ｍの外周寸法に比して、わずかに大きな内径寸法を有して環状に形成されている。そして、外周かしめリング１６ｂは、図３のＢ−Ｂ断面を示した図４（ｂ）に示すように、フランジ部１１ｍ，１２ｍと、フランジ部１１ｍ，１２ｍ間に配置された冷却水フレーム１５とを一体的にかしめる。
【００３９】
このように構成されたセパレータ１０は、図５に概略的に示すように、隣接するセパレータ１０間にＭＥＡを配置して積層される。このセパレータ１０の積層において、セパレータ１０の開口かしめリング１６ａの折り曲げ部分は、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂ内に収容される。また、外周かしめリング１６ｂの折り曲げ部分は、フランジ部１１ｍ，１２ｍに当接した状態とされる。このため、隣接するセパレータ１０同士は、かしめリング１６の折り曲げ部分を逃がした状態で積層されるため、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。
【００４０】
そして、この状態にて、燃料電池スタックの外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、第１セパレータ部材１１のガス導入口１１ｃから窪み部１１ｂ内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１ｃを通過して第２セパレータ部材１２のガス導通口１２ｈに流れて、隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１のガス導入口１１ｃに燃料ガスが供給される。
【００４１】
ガス導入口１１ｃによって窪み部１１ｂ内に取り込まれた燃料ガスは、ガス導入流路１１ｅを通ってガス供給流路１１ｆに流れる。これにより、燃料ガスは、ガス供給流路１１ｆの上面に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１ｇを通ってガス排出口１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４２】
また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、第１セパレータ部材１１のガス導通口１１ｈを通って第２セパレータ部材１２のガス導入口１２ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、ガス導入口１２ｃを通過して、隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１のガス導通口１１ｈに酸化剤ガスが供給される。
【００４３】
ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス導入流路１２ｅを通ってガス供給流路１２ｆに流れる。これにより、酸化剤ガスは、ガス供給流路１２ｆの上面（図５においては下面）に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１２ｇを通ってガス排出口１２ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４４】
また、燃料電池スタックの外部から冷却水が導入されると、冷却水は、第１セパレータ部材１１の冷却水導入口１１ｊから冷却水フレーム１５に供給される。このとき、冷却水の一部は、第２セパレータ部材１２の冷却水排出口１２ｋを通って隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１の冷却水導入口１１ｊに供給される。
【００４５】
冷却水導入口１１ｊから冷却水フレーム１５に供給された冷却水は、導通孔１５ｂ内およびガス供給流路１１ｆ，１２ｆの他側にて形成された流路内を流れて、セパレータ１０を冷却する。そして、冷却水は、冷却水排出口１１ｋを通って、燃料電池スタックの外部に排出される。また、隣接するセパレータ１０から排出された冷却水は、第２セパレータ部材１２の冷却水導入口１２ｊから第１セパレータ部材１１の冷却水排出口１１ｋを通って、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４６】
以上の説明からも理解できるように、この第１実施形態によれば、セパレータ１０は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２がかしめリング１６によって一体的にかしめられて構成される。これにより、第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５間のシール性を良好に保つことができる。また、これらフレーム間で接着を行う必要がなくなるため、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。さらに接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、セパレータ１０の生産性を向上することができる。
【００４７】
また、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２とがそのフランジ部１１ｍ，１２ｍにて、冷却水フレーム１５を挟持した状態で外周かしめリング１６ｂによってかしめられることにより、シール性が極めて良好に保たれて、導入された冷却水が外部に漏出することを確実に防止することができる。また、これによっても接着工程を省略することができて、生産性を向上することができる。
【００４８】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂ内に、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導入流路１１ｅ，１２ｅ、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆおよびガス排出流路１１ｇ，１２ｇを形成することにより、別途マスクプレートを設けなくても、窪み部１１ｂ，１２ｂの上端面にてセパレータ１０を積層することができる。このため、セパレータ１０を構成する部品点数を減らすことができる。
【００４９】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２間に積層される第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５は、樹脂の薄板に打ち抜き成形によって形成することができる。このため、極めて容易に形成することができるとともに、成形コストを小さくすることができる。
【００５０】
また、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂを収容して積層される。これにより、窪み部１１ｂ，１２ｂの上端部分周辺は、第１フレーム１３または第２フレーム１４と当接した状態とされる。したがって、燃料電池スタックを構成する際にセパレータ１０が強固に結合された場合であっても、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２が変形することを効果的に防止することができる。
【００５１】
上記第１実施形態においては、積層された第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２をかしめリング１６によって一体的にかしめて、セパレータ１０を構成するように実施した。このように、かしめリング１６によって、積層された各部材をかしめることに代えて、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２に起立面を形成し、同起立面によって一体的にかしめてセパレータ１０を構成するように実施することも可能である。以下、この変形例について詳細に説明するが、上記第１実施形態と同一部分に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５２】
この変形例に係る第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、図６に示すように、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ，１２ｉの周縁部から窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に所定高さ起立した起立面１１ｎ，１２ｎが形成されている。また、この変形例に係る第２セパレータ部材１２は、フランジ部１２ｍの先端部分が窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に折り曲げられて形成された接合部１２ｏが形成されている。
【００５３】
このように構成された変形例に係る第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の起立面１１ｎ，１２ｎは、図７（ａ）に示すように、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５および第２フレーム１４を積層した状態で、ガス導入口１１ｃ，１２ｃおよびガス排出口１１ｄ，１２ｄに挿通される。そして、起立面１１ｎ，１２ｎの先端部分が折り曲げられて、各部材を一体的にかしめる。また、第２セパレータ部材１２の接合部１２ｏは、図７（ｂ）に示すように、その先端部分が折り曲げられることにより、第１セパレータ部材１１のフランジ部１１ｍおよび冷却水フレーム１５を一体的にかしめる。
【００５４】
なお、図７（ｃ）に示すように、冷却水フレーム１５を第１フレーム１３および第２フレーム１４と略同一の外形寸法である場合には、第１セパレータ部材１１のフランジ部１１ｍと第２セパレータ部材１２の接合部１２ｏとを直接かしめることも可能である。
【００５５】
このように構成されたセパレータ１０は、図８に示すように、上記第１実施形態と同様に形成される。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、かしめリング１６を設ける必要がないため、セパレータ１０の製造コストを低減することができる。
【００５６】
上記第１実施形態および変形例に係るセパレータ１０は、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２間に冷却水フレーム１５を備えて構成した。しかしながら、燃料電池は、冷却水の循環を無くして構成することも可能である。以下、冷却水フレームを省略した第２実施形態に係るセパレータ１１０を詳細に説明する。
【００５７】
この第２実施形態に係るセパレータ１１０も、図９に示すように、隣接するセパレータ１１０間にＭＥＡが配置された状態で積層されて、燃料電池スタックを構成する。そして、隣接するセパレータ１１０同士は、ＭＥＡの電解質膜ＥＦを挟持しており、一方のセパレータ１１０がアノード電極ＡＥに燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、他方のセパレータ１１０がカソード電極ＣＥに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。このように、隣接するセパレータ１１０同士が電解質膜ＥＦを挟持することにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されないようになっている。
【００５８】
セパレータ１１０は、図１０に示すように、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２を備えており、第１セパレータ部材１１１と第２セパレータ部材１１２間に第１フレーム１１３および第２フレーム１１４を積層して構成されている。そして、これらの各部材は、かしめリング１１６によって一体的にかしめられて、図１１に示すように、セパレータ１１０が形成される。
【００５９】
第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、ともに同一の構造とされていて、その一側にて燃料電池スタックの外部から供給されるガスをＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する。そして、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、その他側にて、互いに当接されて、セパレータ１１０の外形を形成する。
【００６０】
これら第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、薄肉の金属板本体１１１ａ，１１２ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、その略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の略長方形とされた窪み部１１１ｂ，１１２ｂが形成されている。なお、金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００６１】
そして、窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内には、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃと、同導入口１１１ｃ，１１２ｃと対向する位置にガス排出口１１１ｄ，１１２ｄが形成されている。また、窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内のガス導入口１１１ｃ，１１２ｃとガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ間には、ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅ、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆおよびガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇが形成されている。
【００６２】
ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に取り込むとともに、積層された他のセパレータ１１０にガスを流通する。ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄも、略長楕円とされた貫通孔であり、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥにて未反応のガスを窪み部１１１ｂ，１１２ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応ガスを流通する。ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅは、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃから導入されたガスをガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆに流通する。
【００６３】
ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆは、一側にてガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅから流通された燃料ガスまたは酸化剤ガスをアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する流路である。このガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆは、例えば、プレス成形や液圧成形などにより、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの底面から上端面方向に所定量（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ突出するように成形された多数の筋状の凸部を有しており、この多数の凸部により区画されて流路が形成されている。ガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇは、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆから未反応のガスをガス排出口１１１ｄ，１１２ｄに流通する。
【００６４】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の金属板本体１１１ａ，１１２ａには、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈとガス導出口１１１ｉ、１１２ｉが形成されている。ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを他側に接する第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２のガス導入口１１１ｃ，１１２ｃに流通するとともに、積層された他のセパレータ１１０に対して燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口１１１ｉ，１１２ｉも、略長楕円とされた貫通孔であり、他側に接する第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２のガス排出口１１１ｄ，１１２ｄからの未反応のガスを流通するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。
【００６５】
第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、ともに同一の構造とされていて、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２にその一側にて固着されるものである。これら第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの所定深さと略同一の板厚とされた薄肉の樹脂板本体１１３ａ，１１４ａから成形されている。なお、樹脂板としては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。
【００６６】
そして、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａの略中央部分には、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの外形と相似形であり、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの外形寸法に比してわずかに大きい収容孔１１３ｂ，１１４ｂが形成されている。また、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａには、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂを収容した状態で、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈ、ガス導出口１１１ｉ、１１２ｉの各貫通孔に対応する位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄが形成されている。
【００６７】
ここで、収容孔１１３ｂ，１１４ｂおよび貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄは、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、収容孔１１３ｂ，１１４ｂおよび貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００６８】
かしめリング１１６は、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃ、ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈおよびガス導出口１１１ｉ、１１２ｉの開口寸法に比してわずかに小さい外形寸法を有しており、各開口の形状と相似の形状とされている。そして、かしめリング１１６は、第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃおよびガス排出口１１１ｄと、第２セパレータ部材１１２のガス導通口１１２ｈおよびガス導出口１１２ｉとが互いに連通するように重ねられた状態にて、第１セパレータ部材１１１（または第２セパレータ部材１１２）の各貫通孔に挿入される。
【００６９】
このように挿入されたかしめリング１１６は、図１１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図１２（ａ）から（ｃ）に示すように、その端部が外方（第１セパレータ部材１１１と第２セパレータ部材１１２の表面に接触する方向）に折り曲げられる。これにより、かしめリング１１６は、第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２を一体的にかしめる。
【００７０】
このように構成されたセパレータ１１０も、図１３に概略的に示すように、隣接するセパレータ１１０間にＭＥＡを配置して積層される。このセパレータ１１０の積層において、セパレータ１１０のかしめリング１１６の折り曲げ部分は、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に収容される。このため、隣接するセパレータ１１０同士は、かしめリング１１６の折り曲げ部分を逃がした状態で積層されるため、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。
【００７１】
そして、この状態にて、燃料電池スタックの外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃから窪み部１１１ｂ内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１１ｃを通過して第２セパレータ部材１１２のガス導通口１１２ｈに流れて、隣接するセパレータ１１０の第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃに燃料ガスが供給される。
【００７２】
ガス導入口１１１ｃによって窪み部１１１ｂ内に取り込まれた燃料ガスは、ガス導入流路１１１ｅを通ってガス供給流路１１１ｆに流れる。これにより、燃料ガスは、ガス供給流路１１１ｆの上面に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１１ｇを通ってガス排出口１１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００７３】
また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、第１セパレータ部材１１１のガス導通口１１１ｈを通って第２セパレータ部材１１２のガス導入口１１２ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、ガス導入口１１２ｃによって窪み部１１２ｂ内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、ガス導入口１１２ｃを通過して、隣接するセパレータ１１０の第１セパレータ部材１１１のガス導通口１１１ｈに酸化剤ガスが供給される。
【００７４】
ガス導入口１１２ｃによって窪み部１１２ｂ内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス導入流路１１２ｅを通ってガス供給流路１１２ｆに流れる。これにより、酸化剤ガスは、ガス供給流路１１２ｆの上面側に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１２ｇを通ってガス排出口１１２ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００７５】
以上の説明からも理解できるように、この第２実施形態によれば、セパレータ１１０は、第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２がかしめリング１１６によって一体的にかしめられて構成される。これにより、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４間の接着を行う必要がなくなるため、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。さらに接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、セパレータ１１０の生産性を向上することができる。
【００７６】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃ、ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ、ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅ、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆおよびガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇを形成することにより、別途マスクプレートを設けなくても、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの上端面にてセパレータ１１０を積層することができる。このため、セパレータ１１０を構成する部品点数を減らすことができる。
【００７７】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２間に積層される第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、樹脂の薄板に打ち抜き成形によって形成することができる。このため、極めて容易に形成することができるとともに、成形コストを小さくすることができる。また、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂを収容して積層される。これにより、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの上端部分周辺は、第１フレーム１１３または第２フレーム１１４と当接した状態とされる。したがって、燃料電池スタックを構成する際にセパレータ１１０が強固に結合された場合であっても、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２が変形することを効果的に防止することができる。
【００７８】
上記第２実施形態においては、積層された第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２をかしめリング１１６によって一体的にかしめて、セパレータ１１０を構成するように実施した。このように、かしめリング１１６によって、積層された各部材をかしめることに代えて、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２に起立面を形成し、同起立面によって一体的にかしめてセパレータ１１０を構成するように実施することも可能である。以下、この変形例について詳細に説明するが、上記第２実施形態と同一部分に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７９】
この変形例に係る第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、図１４に示すように、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈおよびガス導出口１１１ｉ，１１２ｉの周縁部から窪み部１１１ｂ，１１２ｂの形成方向に所定高さ起立した起立面１１１ｎ，１１２ｎが形成されている。
【００８０】
このように構成された変形例に係る第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２起立面１１１ｎ，１１２ｎは、図１５に示すように、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４を積層した状態で、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃおよびガス排出口１１１ｄ，１１２ｄに挿通される。そして、起立面１１１ｎ，１１２ｎの先端部分が折り曲げられて、各部材を一体的にかしめる。
【００８１】
このように構成されたセパレータ１０は、図１６に示すように、上記第２実施形態と同様に形成される。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、かしめリング１１６を設ける必要がないため、セパレータ１１０の製造コストを低減することができる。
【００８２】
また、上記各実施形態および変形例においては、かしめリング１６またはかしめリング１１６によって、セパレータ１０またはセパレータ１１０を一体的にかしめて形成するように実施したが、これらの各部材を接着剤によって互いに接着するように実施することも可能である。
【００８３】
この場合には、第１フレーム１３，１１３、第２フレーム１４，１１４および冷却水フレーム１５が、第１セパレータ部材１１，１１１または第２セパレータ部材１２，１１２の窪み部１１ｂ，１１１ｂ，１２ｂ，１１２ｂを収容して積層される。これにより、各部材の接着位置を位置決めする必要がなく、極めて容易に接着することができて、生産性を向上することができる。また、接着剤が硬化するまでの間に各部材がずれることも防止されるため、セパレータ１０，１１０の製造品質を向上することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るセパレータが積層されて燃料電池スタックを形成した状態の概略を説明するための断面図である。
【図２】図１のセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図３】図１のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図５】図１のセパレータの積層状態を説明するための概略的な断面図である。
【図６】図１のセパレータの変形例に係るセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図６のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図８】図６のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るセパレータが積層されて燃料電池スタックを形成した状態の概略を説明するための断面図である。
【図１０】図９のセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図１１】図１０のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図１２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図９のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図１３】図９のセパレータの積層状態を説明するための概略的な断面図である。
【図１４】図９のセパレータの変形例に係るセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図１５】図１４のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図１６】図１４のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…セパレータ、１１…第１セパレータ部材、１１ｂ…窪み部、１１ｃ…ガス導入口、１１ｄ…ガス排出口、１１ｆ…ガス供給流路、１２…第２セパレータ部材１２、１２ｂ…窪み部、１２ｃ…ガス導入口、１２ｄ…ガス排出口、１２ｆ…ガス供給流路、１３…第１フレーム、１３ｂ…収容孔、１４…第２フレーム、１４ｂ…収容孔、１５…冷却水フレーム、１５ｂ…導通孔１６…かしめリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池に採用されるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、下記の特許文献１に示すような燃料電池は知られている。この燃料電池は、センタープレートの上下面にて断面略コの字状に折り曲げられて細長い流路を形成するコルゲート材と、このセンタープレートとコルゲート材を外方から気密的に収容するマスクプレートとから構成されるセパレータを有している。そして、このセパレータはマスクプレートの上下面にてドライシールおよび電解質板を挟持した状態で積層される。このように設けられたドライシールは、電解質板からの電解液が外部に漏出することを防止するようになっている。
【０００３】
また、例えば、下記の特許文献２に示すような燃料電池も知られている。この燃料電池は、２枚のメタルセパレータ間に挟持された樹脂フレームと、同樹脂フレーム間に膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）が挟持されて構成されたセパレータを有している。そして、挟持される樹脂フレームには、同フレーム同士を接着するための接着剤のはみ出しを防止するシール保持堰や、供給される燃料ガスおよび酸化ガスをガス流路高さを維持するための突起が形成されるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３６７８１号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００３−７７４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示した従来のセパレータにおいては、コルゲート材の凹凸形状を気密性を有してガス流路とするとともに、積層されて燃料電池用スタックを形成するために、マスクプレートを設ける必要がある。このとき、マスクプレートは、センタープレートおよびコルゲート材を収容する必要があり、燃料電池用スタックが大型化する可能性がある。また、セパレータの積層に際して、ドライシールが電解質板を包囲するように配置されなければならないため、別途ドライシールの組み付け工程が必要である。さらに、ドライシールは、隣接するマスクプレート間に接着されるため、異材料同士の接着となり、十分な接着効果が得られない場合がある。また、上記特許文献２に示した従来のメタルセパレータにおいては、樹脂フレームに凹凸形状を形成する必要があり、成形コストが増大する場合がある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、上記した問題に対処するためになされたものであり、その目的は、生産性の向上を可能とするとともに、シール性を良好に確保する燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００８】
本発明の特徴は、燃料電池セパレータを、金属薄板の略中央部分に窪み部が形成されており、同窪み部内にて所定ガスを電極に供給するガス供給部が形成された第１および第２のセパレータ部材と、前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部を収容する収容孔が形成された非金属製のフレームとを備え、前記第１および第２のセパレータ部材間にて前記フレームの収容孔に前記窪み部を収容して、第１および第２セパレータ部材と前記フレームとを一体的に構成したことにある。
【０００９】
これによれば、窪み部内にガス供給流路を形成することにより、窪み部の上端面にて隣接する燃料電池用セパレータを積層することができる。このため、別途マスクプレートを設ける必要がなく、燃料電池用セパレータを構成する部品点数を減らすことができるとともに、燃料電池スタックを小型化することができる。また、窪み部をフレームの収容孔に収容して燃料電池用セパレータを構成することにより、窪み部の上端部分周辺は、フレームと当接した状態とすることができる。これにより、燃料電池用セパレータを複数積層して燃料電池スタックを形成する際に高圧をかけて強固に積層されても、第１および第２のセパレータ部材の変形を防止することができる。ここで、フレームの非金属材料としては、樹脂材料を採用可能であることはいうまでもなく、例えば、カーボン材料などを採用することができる。
【００１０】
このため、セパレータ同士を、例えば、接着剤を用いて接合する場合に、接着層がセパレータ部材の変形によって破壊されないため、良好な接着強度を得ることでき、導入された所定ガスの漏出も確実に防止することができる。また、隣接するセパレータ間にて電極膜を挟持するように燃料電池スタックが形成される場合がある。この場合においても、電極膜を挟持している部分の変形が防止されるため、燃料電池の導電性を良好に確保することができる。
【００１１】
さらに、フレームは、窪み部を収容して構成されるため、例えば、接着剤によって各部材が互いに接着される場合であっても、各部材の接着位置を位置決めする必要がない。これにより、極めて容易に接着することができて、生産性を向上することができる。また、各部材を接着した場合に、接着剤が硬化するまでの間に各部材がずれることも防止することができるため、燃料電池用セパレータの製造品質を向上することもできる。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、前記フレームは、同フレームを構成する複数の構成部材が一体的に組み立てられて形成されることにもある。これによれば、例えば、射出成形などによって、構成部材を作製することができ、材料の歩留まりを高めることができる。また、これら作製した構成部材を組み立ててフレームを形成することにより収容孔が形成される。このため、窪み部をフレームの収容孔に収容して燃料電池用セパレータを構成することにより、窪み部の上端部分周辺は、フレームと当接した状態とすることができる。これにより、燃料電池用セパレータを複数積層して燃料電池スタックを形成する際に高圧をかけて強固に積層されても、第１および第２のセパレータ部材の変形を防止することができる。
【００１３】
また、本発明の他の特徴は、前記フレームを、前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部をそれぞれ収容する収容孔が形成された第１および第２のフレーム部材と、前記第１および第２のフレーム部材間に配置されて、前記第１および第２のセパレータ部材を冷却する冷却液を導通する導通孔が形成された冷却液フレーム部材とから構成したことにもある。
【００１４】
これによれば、冷却水フレームが第１および第２のフレーム間に配置されるため、例えば、これら各部材を接着する場合には、材質が同質であり、良好な接着効果を得ることができる。したがって、シール性を良好に確保することができて、冷却水の漏出を長期間に渡り確保することができる。
【００１５】
また、本発明の他の特徴は、前記第１および第２のフレーム部材に形成された収容孔と前記冷却液フレーム部材に形成された導通孔とを打ち抜き加工によって成形したことにもある。これによれば、極めて容易に収容孔と導通孔とを形成することができて、成形コストを小さくすることができる。
【００１６】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池用セパレータを、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成したことにもある。これによれば、各構成部材を互いに接着する必要がなく、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。また、接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、燃料電池用セパレータの生産性を向上することができる。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池用セパレータを、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成したことにもある。この場合、前記フレームが前記第１および第２のフレーム部材と、同第１および第２のフレーム部材に比して外形寸法が所定量大きな冷却水フレーム部材とから構成されており、前記第１および第２のセパレータ部材と前記冷却水フレーム部材とをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成するとよい。また、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームは、前記所定ガスを前記ガス供給部に導通するとともに、隣接する第２または第１のセパレータ部材のガス供給部に前記所定ガスを導通する複数の導通部が形成されており、同導通部の開口端部周辺にて、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成するとよい。
【００１８】
これらによれば、第１および第２のセパレータ部材とフレームとが外周縁部分にてかしめられることにより、第１および第２のセパレータ部材とフレームとを強固に挟持してかしめることができる。また、第１および第２のセパレータ部材と冷却水フレームが、その外周縁部分にてかしめられた場合には、第１および第２のセパレータ部材と冷却水フレーム間が強固に挟持されるため、極めて良好なシール性を確保することができる。また、複数の導通部の開口端部周辺にてかしめられた場合には、燃料電池用セパレータ全体をより均一にかしめることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０をいう）を図面を用いて説明する。セパレータ１０は、図１に示すように、隣接するセパレータ１０間にアノード電極ＡＥ、電解質膜ＥＦおよびカソード電極ＣＥが積層されて構成される膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡ（：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）という）が配置された状態にて積層される。そして、隣接するセパレータ１０同士は、図示しない接着層を介して、互いに接合されて燃料電池スタックを構成する。
【００２０】
また、隣接するセパレータ１０同士は、ＭＥＡの電解質膜ＥＦを挟持して積層されており、一方のセパレータ１０がアノード電極ＡＥに燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、他方のセパレータ１０がカソード電極ＣＥに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。このように、隣接するセパレータ１０同士が電解質膜ＥＦを挟持することにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されないようになっている。なお、燃料電池の詳細な構造については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。
【００２１】
セパレータ１０は、図２に示すように、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を備えており、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２間に第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５を挟持して一体的に構成される。そして、これらの各部材は、かしめリング１６によってかしめられて、図３に示すように、セパレータ１０が形成される。
【００２２】
第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、ともに同一の構造とされていて、その一側にて燃料電池スタックの外部から供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス（以下、単にガスという）をＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する。そして、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、その他側にて、互いに当接されて、セパレータ１０の外形を形成する。
【００２３】
これら第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、薄肉の金属板本体１１ａ，１２ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、この金属板本体１１ａ，１２ａの略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の窪み部１１ｂ，１２ｂが形成されている。なお、金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００２４】
そして、窪み部１１ｂ，１２ｂ内には、導通部を構成するガス導入口１１ｃ，１２ｃと、同導入口１１ｃ，１２ｃから窪み部１１ｂ，１２ｂの対角線方向に隔離された位置にガス排出口１１ｄ，１２ｄが形成されている。また、窪み部１１ｂ，１２ｂ内のガス導入口１１ｃ，１２ｃとガス排出口１１ｄ，１２ｄ間には、ガス供給部としてのガス導入流路１１ｅ，１２ｅ、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆおよびガス排出流路１１ｇ，１２ｇが形成されている。
【００２５】
ガス導入口１１ｃ，１２ｃは、略長方形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを窪み部１１ｂ，１２ｂ内に取り込むとともに、積層された他のセパレータ１０にガスを流通する。ガス排出口１１ｄ，１２ｄも、略長方形とされた貫通孔であり、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥにて未反応のガスを窪み部１１ｂ，１２ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応ガスを流通する。ガス導入流路１１ｅ，１２ｅは、窪み部１１ｂ，１２ｂ内に導入されたガスをガス供給流路１１ｆ，１２ｆに流通する流路であり、ガス導入口１１ｃ，１２ｃからガス供給流路１１ｆ，１２ｆに向けて広くなるように形成されている。
【００２６】
ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、一側にてガス導入流路１１ｅ，１２ｅから流通された燃料ガスまたは酸化剤ガスをアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する流路である。また、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、その他側にて冷却水フレーム１５により取り込まれた冷却水を流通する流路を形成する。このため、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆは、例えば、プレス成形や液圧成形などによって、窪み部１１ｂ，１２ｂの底面から上端面方向に所定量（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ突出するように成形された多数の筋状の凸部を有しており、この多数の凸部により区画されて流路が形成されている。ガス排出流路１１ｇ，１２ｇは、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆから未反応のガスをガス排出口１１ｄ，１２ｄに流通する流路であり、ガス排出口１１ｄ，１２ｄに向けて狭くなるように形成されている。
【００２７】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の金属板本体１１ａ，１２ａには、導通部を構成するガス導通口１１ｈ，１２ｈと、同導通口１１ｈ，１２ｈから金属板本体１１ａ，１２ａの対角線方向に隔離された位置にガス導出口１１ｉ、１２ｉとが形成されている。また、金属板本体１１ａ，１２ａには、冷却水を冷却フレーム１５および他のセパレータ１０に供給するための冷却水導入口１１ｊ，１２ｊと、同導入口１１ｊ，１２ｊから金属板本体１１ａ，１２ａの長手方向に隔離された位置に冷却水排出口１１ｋ，１２ｋが形成されている。
【００２８】
ガス導通口１１ｈ，１２ｈは、略長方形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを他側に接する第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２のガス導入口１１ｃ，１２ｃに流通するとともに、積層された他のセパレータ１０に対してガスを流通する。ガス導出口１１ｉ，１２ｉも、略長方形とされた貫通孔であり、他側に接する第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２のガス排出口１１ｄ，１２ｄからの未反応のガスを流通するとともに、積層された他のセパレータ１０からの未反応のガスを流通する。
【００２９】
冷却水導入口１１ｊ，１２ｊは、略円形とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入された冷却水を冷却水フレーム１５に流通するとともに、積層された他のセパレータ１０に冷却水を流通するものである。冷却水排出口１１ｋ，１２ｋも、略円形とされた貫通孔であり、冷却水フレーム１５内を流通した冷却水を外部に排出するとともに、積層された他のセパレータ１０から排出された冷却水を流通するためのものである。
【００３０】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の金属板本体１１ａ，１２ａの外周縁部分には、窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に所定長さ（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ略直角に折り曲げられた折曲部１１ｌ，１２ｌが形成されている。そして、折曲部１１ｌ，１２ｌの先端部分は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外方に折り曲げられていて、フランジ部１１ｍ，１２ｍが形成されている。
【００３１】
第１フレーム１３および第２フレーム１４は、ともに同一の構造とされていて、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２にその一側にて固着されるものである。これら第１フレーム１３および第２フレーム１４は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の折曲部１１ｌ，１２ｌの内寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１１ｂ，１２ｂの所定深さよりも小さい板厚（例えば、０．３ｍｍ）とされた薄肉の樹脂板本体１３ａ，１４ａから成形されている。なお、樹脂板本体１３ａ，１４ａとしては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。
【００３２】
そして、樹脂板本体１３ａ，１４ａの略中央部分には、窪み部１１ｂ，１２ｂの外形と相似形であり、窪み部１１ｂ，１２ｂの外形寸法に比してわずかに大きい収容孔１３ｂ，１４ｂが形成されている。また、樹脂板本体１３ａ，１４ａには、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂを収容した状態で、ガス導通口１１ｈ，１２ｈ、ガス導出口１１ｉ、１２ｉ、冷却水導入口１１ｊ，１２ｊおよび冷却水排出口１１ｋ，１２ｋの各貫通孔に対応する位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆおよび貫通孔１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆが形成されている。
【００３３】
ここで、収容孔１３ｂ，１４ｂ、貫通孔１３ｃ〜１３ｆおよび貫通孔１４ｃ〜１４ｆは、樹脂板本体１３ａ，１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、収容孔１３ｂ，１４ｂ、貫通孔１３ｃ〜１３ｆおよび貫通孔１４ｃ〜１４ｆを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。この場合、第１フレーム１３および第２フレーム１４を複数の構成部材に予め分割し、同分割した構成部材を射出成形によって成形することも可能である。
【００３４】
冷却水フレーム１５は、第１フレーム１３と第２フレーム１４間に配置されていて、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２のガス供給流路１１ｅ，１２ｅの他側に冷却水を流通させるものである。冷却水フレーム１５は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外形寸法すなわちフランジ部１１ｍ，１２ｍの外周寸法と略同一の外形寸法とされた樹脂板本体１５ａから形成されている。
【００３５】
そして、樹脂板本体１５ａの略中央部分には、セパレータ１０を構成した際に、冷却水が流通するための流路を構成するための導通孔１５ｂが形成されている。また、樹脂板本体１５ａには、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉにそれぞれ対応した位置に、貫通孔１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆが形成されている。ここで、導通孔１５ｂおよび貫通孔１５ｃ〜１５ｆは、樹脂板本体１５ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、冷却水フレーム１５は、導通孔１５ｂおよび貫通孔１５ｃ〜１５ｆを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００３６】
かしめリング１６は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２が順に積層された状態にて、これらを一体的にかしめるものである。このかしめリング１６は、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉのそれぞれの開口周縁部分をかしめるための開口かしめリング１６ａと，第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の外周をかしめるための外周かしめリング１６ｂとから構成されている。
【００３７】
開口かしめリング１６ａは、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ、１２ｉの開口寸法に比してわずかに小さい外径寸法を有しており、各口の形状と相似の形状とされている。そして、開口かしめリング１６ａは、図３のＡ−Ａ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図４（ａ）および（ｃ）に示すように、その端部が外方（第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２の表面に接触する方向）に折り曲げられる。これにより、かしめリング１６は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２を一体的にかしめる。
【００３８】
外周かしめリング１６ｂは、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のフランジ部１１ｍ，１２ｍの外周寸法に比して、わずかに大きな内径寸法を有して環状に形成されている。そして、外周かしめリング１６ｂは、図３のＢ−Ｂ断面を示した図４（ｂ）に示すように、フランジ部１１ｍ，１２ｍと、フランジ部１１ｍ，１２ｍ間に配置された冷却水フレーム１５とを一体的にかしめる。
【００３９】
このように構成されたセパレータ１０は、図５に概略的に示すように、隣接するセパレータ１０間にＭＥＡを配置して積層される。このセパレータ１０の積層において、セパレータ１０の開口かしめリング１６ａの折り曲げ部分は、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂ内に収容される。また、外周かしめリング１６ｂの折り曲げ部分は、フランジ部１１ｍ，１２ｍに当接した状態とされる。このため、隣接するセパレータ１０同士は、かしめリング１６の折り曲げ部分を逃がした状態で積層されるため、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。
【００４０】
そして、この状態にて、燃料電池スタックの外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、第１セパレータ部材１１のガス導入口１１ｃから窪み部１１ｂ内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１ｃを通過して第２セパレータ部材１２のガス導通口１２ｈに流れて、隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１のガス導入口１１ｃに燃料ガスが供給される。
【００４１】
ガス導入口１１ｃによって窪み部１１ｂ内に取り込まれた燃料ガスは、ガス導入流路１１ｅを通ってガス供給流路１１ｆに流れる。これにより、燃料ガスは、ガス供給流路１１ｆの上面に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１ｇを通ってガス排出口１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４２】
また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、第１セパレータ部材１１のガス導通口１１ｈを通って第２セパレータ部材１２のガス導入口１２ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、ガス導入口１２ｃを通過して、隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１のガス導通口１１ｈに酸化剤ガスが供給される。
【００４３】
ガス導入口１２ｃによって窪み部１２ｂ内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス導入流路１２ｅを通ってガス供給流路１２ｆに流れる。これにより、酸化剤ガスは、ガス供給流路１２ｆの上面（図５においては下面）に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１２ｇを通ってガス排出口１２ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４４】
また、燃料電池スタックの外部から冷却水が導入されると、冷却水は、第１セパレータ部材１１の冷却水導入口１１ｊから冷却水フレーム１５に供給される。このとき、冷却水の一部は、第２セパレータ部材１２の冷却水排出口１２ｋを通って隣接するセパレータ１０の第１セパレータ部材１１の冷却水導入口１１ｊに供給される。
【００４５】
冷却水導入口１１ｊから冷却水フレーム１５に供給された冷却水は、導通孔１５ｂ内およびガス供給流路１１ｆ，１２ｆの他側にて形成された流路内を流れて、セパレータ１０を冷却する。そして、冷却水は、冷却水排出口１１ｋを通って、燃料電池スタックの外部に排出される。また、隣接するセパレータ１０から排出された冷却水は、第２セパレータ部材１２の冷却水導入口１２ｊから第１セパレータ部材１１の冷却水排出口１１ｋを通って、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４６】
以上の説明からも理解できるように、この第１実施形態によれば、セパレータ１０は、第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２がかしめリング１６によって一体的にかしめられて構成される。これにより、第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５間のシール性を良好に保つことができる。また、これらフレーム間で接着を行う必要がなくなるため、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。さらに接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、セパレータ１０の生産性を向上することができる。
【００４７】
また、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２とがそのフランジ部１１ｍ，１２ｍにて、冷却水フレーム１５を挟持した状態で外周かしめリング１６ｂによってかしめられることにより、シール性が極めて良好に保たれて、導入された冷却水が外部に漏出することを確実に防止することができる。また、これによっても接着工程を省略することができて、生産性を向上することができる。
【００４８】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂ内に、ガス導入口１１ｃ，１２ｃ、ガス排出口１１ｄ，１２ｄ、ガス導入流路１１ｅ，１２ｅ、ガス供給流路１１ｆ，１２ｆおよびガス排出流路１１ｇ，１２ｇを形成することにより、別途マスクプレートを設けなくても、窪み部１１ｂ，１２ｂの上端面にてセパレータ１０を積層することができる。このため、セパレータ１０を構成する部品点数を減らすことができる。
【００４９】
また、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２間に積層される第１フレーム１３、第２フレーム１４および冷却水フレーム１５は、樹脂の薄板に打ち抜き成形によって形成することができる。このため、極めて容易に形成することができるとともに、成形コストを小さくすることができる。
【００５０】
また、第１フレーム１３および第２フレーム１４は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の窪み部１１ｂ，１２ｂを収容して積層される。これにより、窪み部１１ｂ，１２ｂの上端部分周辺は、第１フレーム１３または第２フレーム１４と当接した状態とされる。したがって、燃料電池スタックを構成する際にセパレータ１０が強固に結合された場合であっても、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２が変形することを効果的に防止することができる。
【００５１】
上記第１実施形態においては、積層された第１セパレータ部材１１、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５、第２フレーム１４および第２セパレータ部材１２をかしめリング１６によって一体的にかしめて、セパレータ１０を構成するように実施した。このように、かしめリング１６によって、積層された各部材をかしめることに代えて、第１セパレータ部材１１または第２セパレータ部材１２に起立面を形成し、同起立面によって一体的にかしめてセパレータ１０を構成するように実施することも可能である。以下、この変形例について詳細に説明するが、上記第１実施形態と同一部分に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５２】
この変形例に係る第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、図６に示すように、ガス導通口１１ｈ，１２ｈおよびガス導出口１１ｉ，１２ｉの周縁部から窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に所定高さ起立した起立面１１ｎ，１２ｎが形成されている。また、この変形例に係る第２セパレータ部材１２は、フランジ部１２ｍの先端部分が窪み部１１ｂ，１２ｂの形成方向に折り曲げられて形成された接合部１２ｏが形成されている。
【００５３】
このように構成された変形例に係る第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の起立面１１ｎ，１２ｎは、図７（ａ）に示すように、第１フレーム１３、冷却水フレーム１５および第２フレーム１４を積層した状態で、ガス導入口１１ｃ，１２ｃおよびガス排出口１１ｄ，１２ｄに挿通される。そして、起立面１１ｎ，１２ｎの先端部分が折り曲げられて、各部材を一体的にかしめる。また、第２セパレータ部材１２の接合部１２ｏは、図７（ｂ）に示すように、その先端部分が折り曲げられることにより、第１セパレータ部材１１のフランジ部１１ｍおよび冷却水フレーム１５を一体的にかしめる。
【００５４】
なお、図７（ｃ）に示すように、冷却水フレーム１５を第１フレーム１３および第２フレーム１４と略同一の外形寸法である場合には、第１セパレータ部材１１のフランジ部１１ｍと第２セパレータ部材１２の接合部１２ｏとを直接かしめることも可能である。
【００５５】
このように構成されたセパレータ１０は、図８に示すように、上記第１実施形態と同様に形成される。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、かしめリング１６を設ける必要がないため、セパレータ１０の製造コストを低減することができる。
【００５６】
上記第１実施形態および変形例に係るセパレータ１０は、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２間に冷却水フレーム１５を備えて構成した。しかしながら、燃料電池は、冷却水の循環を無くして構成することも可能である。以下、冷却水フレームを省略した第２実施形態に係るセパレータ１１０を詳細に説明する。
【００５７】
この第２実施形態に係るセパレータ１１０も、図９に示すように、隣接するセパレータ１１０間にＭＥＡが配置された状態で積層されて、燃料電池スタックを構成する。そして、隣接するセパレータ１１０同士は、ＭＥＡの電解質膜ＥＦを挟持しており、一方のセパレータ１１０がアノード電極ＡＥに燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、他方のセパレータ１１０がカソード電極ＣＥに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。このように、隣接するセパレータ１１０同士が電解質膜ＥＦを挟持することにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されないようになっている。
【００５８】
セパレータ１１０は、図１０に示すように、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２を備えており、第１セパレータ部材１１１と第２セパレータ部材１１２間に第１フレーム１１３および第２フレーム１１４を積層して構成されている。そして、これらの各部材は、かしめリング１１６によって一体的にかしめられて、図１１に示すように、セパレータ１１０が形成される。
【００５９】
第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、ともに同一の構造とされていて、その一側にて燃料電池スタックの外部から供給されるガスをＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する。そして、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、その他側にて、互いに当接されて、セパレータ１１０の外形を形成する。
【００６０】
これら第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、薄肉の金属板本体１１１ａ，１１２ａ（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されており、その略中央部分には、所定深さ（例えば、０．５ｍｍ程度）の略長方形とされた窪み部１１１ｂ，１１２ｂが形成されている。なお、金属板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
【００６１】
そして、窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内には、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃと、同導入口１１１ｃ，１１２ｃと対向する位置にガス排出口１１１ｄ，１１２ｄが形成されている。また、窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内のガス導入口１１１ｃ，１１２ｃとガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ間には、ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅ、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆおよびガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇが形成されている。
【００６２】
ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に取り込むとともに、積層された他のセパレータ１１０にガスを流通する。ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄも、略長楕円とされた貫通孔であり、ＭＥＡのアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥにて未反応のガスを窪み部１１１ｂ，１１２ｂ外に排出するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応ガスを流通する。ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅは、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃから導入されたガスをガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆに流通する。
【００６３】
ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆは、一側にてガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅから流通された燃料ガスまたは酸化剤ガスをアノード電極ＡＥまたはカソード電極ＣＥに供給する流路である。このガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆは、例えば、プレス成形や液圧成形などにより、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの底面から上端面方向に所定量（例えば、０．５ｍｍ程度）だけ突出するように成形された多数の筋状の凸部を有しており、この多数の凸部により区画されて流路が形成されている。ガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇは、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆから未反応のガスをガス排出口１１１ｄ，１１２ｄに流通する。
【００６４】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の金属板本体１１１ａ，１１２ａには、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈとガス導出口１１１ｉ、１１２ｉが形成されている。ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈは、略長楕円とされた貫通孔であり、燃料電池スタックの外部から導入されたガスを他側に接する第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２のガス導入口１１１ｃ，１１２ｃに流通するとともに、積層された他のセパレータ１１０に対して燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口１１１ｉ，１１２ｉも、略長楕円とされた貫通孔であり、他側に接する第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２のガス排出口１１１ｄ，１１２ｄからの未反応のガスを流通するとともに、積層された他のセパレータ１１０からの未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。
【００６５】
第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、ともに同一の構造とされていて、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２にその一側にて固着されるものである。これら第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの所定深さと略同一の板厚とされた薄肉の樹脂板本体１１３ａ，１１４ａから成形されている。なお、樹脂板としては、例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ樹脂などを採用することができる。
【００６６】
そして、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａの略中央部分には、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの外形と相似形であり、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの外形寸法に比してわずかに大きい収容孔１１３ｂ，１１４ｂが形成されている。また、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａには、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂを収容した状態で、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈ、ガス導出口１１１ｉ、１１２ｉの各貫通孔に対応する位置に、同各貫通孔の形状と略同一の形状とされた貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄが形成されている。
【００６７】
ここで、収容孔１１３ｂ，１１４ｂおよび貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄは、樹脂板本体１１３ａ，１１４ａに対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。なお、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、収容孔１１３ｂ，１１４ｂおよび貫通孔１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ｃ，１１４ｄを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
【００６８】
かしめリング１１６は、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃ、ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈおよびガス導出口１１１ｉ、１１２ｉの開口寸法に比してわずかに小さい外形寸法を有しており、各開口の形状と相似の形状とされている。そして、かしめリング１１６は、第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃおよびガス排出口１１１ｄと、第２セパレータ部材１１２のガス導通口１１２ｈおよびガス導出口１１２ｉとが互いに連通するように重ねられた状態にて、第１セパレータ部材１１１（または第２セパレータ部材１１２）の各貫通孔に挿入される。
【００６９】
このように挿入されたかしめリング１１６は、図１１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面を示した図１２（ａ）から（ｃ）に示すように、その端部が外方（第１セパレータ部材１１１と第２セパレータ部材１１２の表面に接触する方向）に折り曲げられる。これにより、かしめリング１１６は、第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２を一体的にかしめる。
【００７０】
このように構成されたセパレータ１１０も、図１３に概略的に示すように、隣接するセパレータ１１０間にＭＥＡを配置して積層される。このセパレータ１１０の積層において、セパレータ１１０のかしめリング１１６の折り曲げ部分は、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に収容される。このため、隣接するセパレータ１１０同士は、かしめリング１１６の折り曲げ部分を逃がした状態で積層されるため、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。
【００７１】
そして、この状態にて、燃料電池スタックの外部から燃料ガスが導入されると、燃料ガスは、第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃから窪み部１１１ｂ内に取り込まれる。このとき、燃料ガスの一部は、ガス導入口１１１ｃを通過して第２セパレータ部材１１２のガス導通口１１２ｈに流れて、隣接するセパレータ１１０の第１セパレータ部材１１１のガス導入口１１１ｃに燃料ガスが供給される。
【００７２】
ガス導入口１１１ｃによって窪み部１１１ｂ内に取り込まれた燃料ガスは、ガス導入流路１１１ｅを通ってガス供給流路１１１ｆに流れる。これにより、燃料ガスは、ガス供給流路１１１ｆの上面に配置されたアノード電極ＡＥに供給される。そして、アノード電極ＡＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１１ｇを通ってガス排出口１１１ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００７３】
また、燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスが導入されると、酸化剤ガスは、第１セパレータ部材１１１のガス導通口１１１ｈを通って第２セパレータ部材１１２のガス導入口１１２ｃに流れる。そして、酸化剤ガスは、ガス導入口１１２ｃによって窪み部１１２ｂ内に取り込まれる。このとき、酸化剤ガスの一部は、ガス導入口１１２ｃを通過して、隣接するセパレータ１１０の第１セパレータ部材１１１のガス導通口１１１ｈに酸化剤ガスが供給される。
【００７４】
ガス導入口１１２ｃによって窪み部１１２ｂ内に取り込まれた酸化剤ガスは、ガス導入流路１１２ｅを通ってガス供給流路１１２ｆに流れる。これにより、酸化剤ガスは、ガス供給流路１１２ｆの上面側に配置されたカソード電極ＣＥに供給される。そして、カソード電極ＣＥにて未反応の燃料ガスは、ガス排出流路１１２ｇを通ってガス排出口１１２ｄに流れて、燃料電池スタックの外部に排出される。
【００７５】
以上の説明からも理解できるように、この第２実施形態によれば、セパレータ１１０は、第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２がかしめリング１１６によって一体的にかしめられて構成される。これにより、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４間の接着を行う必要がなくなるため、接着剤を所定位置に塗布する接着工程を省略することができる。さらに接着剤が硬化するまでの時間が不要となる。したがって、セパレータ１１０の生産性を向上することができる。
【００７６】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂ内に、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃ、ガス排出口１１１ｄ，１１２ｄ、ガス導入流路１１１ｅ，１１２ｅ、ガス供給流路１１１ｆ，１１２ｆおよびガス排出流路１１１ｇ，１１２ｇを形成することにより、別途マスクプレートを設けなくても、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの上端面にてセパレータ１１０を積層することができる。このため、セパレータ１１０を構成する部品点数を減らすことができる。
【００７７】
また、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２間に積層される第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、樹脂の薄板に打ち抜き成形によって形成することができる。このため、極めて容易に形成することができるとともに、成形コストを小さくすることができる。また、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４は、第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２の窪み部１１１ｂ，１１２ｂを収容して積層される。これにより、窪み部１１１ｂ，１１２ｂの上端部分周辺は、第１フレーム１１３または第２フレーム１１４と当接した状態とされる。したがって、燃料電池スタックを構成する際にセパレータ１１０が強固に結合された場合であっても、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２が変形することを効果的に防止することができる。
【００７８】
上記第２実施形態においては、積層された第１セパレータ部材１１１、第１フレーム１１３、第２フレーム１１４および第２セパレータ部材１１２をかしめリング１１６によって一体的にかしめて、セパレータ１１０を構成するように実施した。このように、かしめリング１１６によって、積層された各部材をかしめることに代えて、第１セパレータ部材１１１または第２セパレータ部材１１２に起立面を形成し、同起立面によって一体的にかしめてセパレータ１１０を構成するように実施することも可能である。以下、この変形例について詳細に説明するが、上記第２実施形態と同一部分に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７９】
この変形例に係る第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２は、図１４に示すように、ガス導通口１１１ｈ，１１２ｈおよびガス導出口１１１ｉ，１１２ｉの周縁部から窪み部１１１ｂ，１１２ｂの形成方向に所定高さ起立した起立面１１１ｎ，１１２ｎが形成されている。
【００８０】
このように構成された変形例に係る第１セパレータ部材１１１および第２セパレータ部材１１２起立面１１１ｎ，１１２ｎは、図１５に示すように、第１フレーム１１３および第２フレーム１１４を積層した状態で、ガス導入口１１１ｃ，１１２ｃおよびガス排出口１１１ｄ，１１２ｄに挿通される。そして、起立面１１１ｎ，１１２ｎの先端部分が折り曲げられて、各部材を一体的にかしめる。
【００８１】
このように構成されたセパレータ１０は、図１６に示すように、上記第２実施形態と同様に形成される。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、かしめリング１１６を設ける必要がないため、セパレータ１１０の製造コストを低減することができる。
【００８２】
また、上記各実施形態および変形例においては、かしめリング１６またはかしめリング１１６によって、セパレータ１０またはセパレータ１１０を一体的にかしめて形成するように実施したが、これらの各部材を接着剤によって互いに接着するように実施することも可能である。
【００８３】
この場合には、第１フレーム１３，１１３、第２フレーム１４，１１４および冷却水フレーム１５が、第１セパレータ部材１１，１１１または第２セパレータ部材１２，１１２の窪み部１１ｂ，１１１ｂ，１２ｂ，１１２ｂを収容して積層される。これにより、各部材の接着位置を位置決めする必要がなく、極めて容易に接着することができて、生産性を向上することができる。また、接着剤が硬化するまでの間に各部材がずれることも防止されるため、セパレータ１０，１１０の製造品質を向上することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るセパレータが積層されて燃料電池スタックを形成した状態の概略を説明するための断面図である。
【図２】図１のセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図３】図１のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図５】図１のセパレータの積層状態を説明するための概略的な断面図である。
【図６】図１のセパレータの変形例に係るセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図６のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図８】図６のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るセパレータが積層されて燃料電池スタックを形成した状態の概略を説明するための断面図である。
【図１０】図９のセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図１１】図１０のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【図１２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図９のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図１３】図９のセパレータの積層状態を説明するための概略的な断面図である。
【図１４】図９のセパレータの変形例に係るセパレータの構成を説明するための斜視図である。
【図１５】図１４のセパレータのかしめ部分を説明するための概略的な断面図である。
【図１６】図１４のセパレータが組み立てられた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…セパレータ、１１…第１セパレータ部材、１１ｂ…窪み部、１１ｃ…ガス導入口、１１ｄ…ガス排出口、１１ｆ…ガス供給流路、１２…第２セパレータ部材１２、１２ｂ…窪み部、１２ｃ…ガス導入口、１２ｄ…ガス排出口、１２ｆ…ガス供給流路、１３…第１フレーム、１３ｂ…収容孔、１４…第２フレーム、１４ｂ…収容孔、１５…冷却水フレーム、１５ｂ…導通孔１６…かしめリング
Claims (8)
- 金属薄板の略中央部分に窪み部が形成されており、同窪み部内にて所定ガスを電極に供給するガス供給部が形成された第１および第２のセパレータ部材と、
前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部を収容する収容孔が形成された非金属製のフレームとを備え、
前記第１および第２のセパレータ部材間にて前記フレームの収容孔に前記窪み部を収容して、第１および第２セパレータ部材と前記フレームとを一体的に構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 前記フレームは、
同フレームを構成する複数の構成部材が一体的に組み立てられて形成される請求項１に記載した燃料電池用セパレータ。 - 前記フレームを、
前記第１および第２のセパレータ部材に形成された窪み部をそれぞれ収容する収容孔が形成された第１および第２のフレーム部材と、
前記第１および第２のフレーム部材間に配置されて、前記第１および第２のセパレータ部材を冷却する冷却液を導通する導通孔が形成された冷却液フレーム部材とから構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載した燃料電池用セパレータ。 - 請求項３に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１および第２のフレーム部材に形成された収容孔と前記冷却液フレーム部材に形成された導通孔とを打ち抜き加工によって成形したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 請求項５に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 請求項６に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記フレームが前記第１および第２のフレーム部材と、同第１および第２のフレーム部材に比して外形寸法が所定量大きな冷却水フレーム部材とから構成されており、
前記第１および第２のセパレータ部材と前記冷却水フレーム部材とをその外周縁部分にてかしめて一体的に構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 請求項１ないし請求項７のうちのいずれか一つに記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームは、前記所定ガスを前記ガス供給部に導通するとともに、隣接する第２または第１のセパレータ部材のガス供給部に前記所定ガスを導通する複数の導通部が形成されており、同導通部の開口端部周辺にて、前記第１および第２のセパレータ部材と前記フレームとをかしめて一体的に構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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-
2003
- 2003-07-30 JP JP2003203944A patent/JP2005050584A/ja active Pending
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