JP2007149413A - 燃料電池用のセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池からの流体の漏洩を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】積層された複数のプレートを有するプレート積層体を備えたセパレータを用いる。ここで、プレート積層体は、内部に、複数のプレートのうちの２以上のプレートによって囲まれる流体流路を有し、プレート積層体の各プレートは、流体流路をシールするように互いに接合されている。また、セパレータは、さらに、当該セパレータが有するプレート積層体における各プレートの位置ずれを防止するための固定部材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関するものである。

近年、燃料電池が普及しつつある。燃料電池としては、電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ接合体を、セパレータを介在させて、複数積層した燃料電池スタックが知られている。セパレータの中には、その内部に、冷却媒体（水や空気）や発電に利用されるガス（水素ガスや空気）等の流体が流れる流路を有するものがある。このようなセパレータとして、３枚のプレートを備えるセパレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６１０４号公報

ところで、燃料電池は種々の状況下で利用され得るので、燃料電池には種々の力が加わり得る。例えば、燃料電池が車両の駆動源として利用される場合には、車両の加速や減速による力が燃料電池に加わる。また、車両衝突などの非常時には、さらに強い力が燃料電池に加わり得る。以上の結果、燃料電池を構成する部材の位置ズレや接合部分の剥離等の不具合が生じて流体が漏洩する可能性があった。

なお、このような問題は、燃料電池が車両等の移動体に搭載されている場合に限らず、据え置き型燃料電池にも共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池からの流体の漏洩を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明による第１の態様に係るセパレータは、燃料電池用のセパレータであって、積層された複数のプレートを有するプレート積層体を備え、前記プレート積層体は、内部に、前記複数のプレートのうちの２以上のプレートによって囲まれる流体流路を有し、前記プレート積層体の各プレートは、前記流体流路をシールするように互いに接合されており、前記セパレータは、さらに、当該セパレータが有する前記プレート積層体における各プレートの位置ずれを防止するための固定部材を有する。

このセパレータによれば、プレートが接合されるとともに、さらに、固定部材によって固定されるので、燃料電池からの流体の漏洩を抑制することができる。

上記セパレータにおいて、前記固定部材は、前記各プレートを貫通する貫通部分を含むことが好ましい。

この構成によれば、貫通部分が、各プレートから積層面に平行な方向の力を受けることが可能であるので、各プレートの位置が積層面に沿ってずれることが抑制され、プレートの位置ズレに起因する流体の漏洩を抑制することができる。

上記各セパレータにおいて、前記固定部材は、前記プレート積層体の周辺部分に全周にわたって配置された複数のリベットを含むこととしてもよい。

この構成によれば、セパレータの全周が固定されるので、セパレータの強度が向上し、セパレータからの流体の漏洩を抑制することができる。

また、この発明による第２の態様に係る燃料電池は、上述した第１の態様に係るセパレータと、前記セパレータに接するとともに電解質層を含む単セルと、が積層された燃料電池スタックを備え、前記プレート積層体の一方の表面に位置する表面プレートは、前記流体流路に通じる開口を有し、前記燃料電池スタックは、さらに、前記表面プレートの表面の所定位置に押し当てられるとともに、前記開口を流れる流体の漏洩を防止するためのシール部材を有し、前記固定部材は、前記表面プレートの表面に突出する突出部分を含み、前記突出部分は、前記シール部材の位置が前記表面プレートの表面に沿って前記所定位置からずれた状態において前記シール部材に接触する位置に配置されている。

この燃料電池によれば、シール部材の位置がずれた状態において突出部分がシール部材に接触するので、シール部材の位置がさらにずれることが抑制され、シール部材の位置ズレに起因する流体の漏洩を抑制することができる。

上記燃料電池において、前記突出部分は、前記表面プレートにおける前記シール部材と接触する領域のうちの１つの連続した領域である連続接触領域と、前記表面プレートを積層方向に沿って見たときの外郭のうちの前記連続接触領域に最も近い部分との間に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、連続接触領域が表面プレートの外にはみ出ることが突出部分によって抑制されるので、流体の漏洩を適切に抑制することができる。

上記各燃料電池において、前記突出部分は４つの異方向突出部分を含み、前記各異方向突出部分は、前記表面プレートの表面に沿った方向のうちの９０度ずつ異なる４方向への位置ズレをそれぞれ抑制することが好ましい。

この構成によれば、表面プレートの表面に沿った任意の方向へのシール部材の位置ズレが抑制されるので、流体の漏洩を適切に抑制することができる。

上記燃料電池において、前記固定部材は、前記プレート積層体の一方の表面上から反対側の表面上を通って再び前記一方の表面上へ至る４つのワイヤを含み、前記各ワイヤは、前記各異方向突出部分をそれぞれ含むこととしてもよい。

この構成によれば、燃料電池の製造が容易となる。

なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、セパレータ、そのセパレータを備えた燃料電池、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池用のセパレータの構成を示す分解斜視図である。このセパレータ３０は、カソード側プレート３１と、アノード側プレート３２と、これらのプレート３１、３２の間に挟まれる中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、いずれもステンレス鋼製の矩形薄板状部材であり、積層方向（厚さ方向）に沿って見た各プレートの外郭形状は同じである。また、これら３枚のプレートは、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて拡散接合により接合される。これら３枚のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の流路用の穴を有している（図示省略。後述）。

また、各プレート３１、３２、３３は、８つの固定用穴ＨＬを有している。これら８つの穴ＨＬのプレート内における位置、すなわち、積層方向Ｄ１（厚さ方向）に沿って見た各穴ＨＬの位置は、各プレートに共通である。その結果、各プレートの８つの穴ＨＬは、各プレートが接合された状態において、全プレートを貫通する８つのセパレータ貫通穴ＳＨ１〜ＳＨ８を形成する。

各セパレータ貫通穴ＳＨ１〜ＳＨ８は、セパレータ３０（各プレート）の周辺部分に設けられている。特に、図１の例では、セパレータ３０の四辺のそれぞれの近傍に、２つのセパレータ貫通穴が辺に沿って並ぶように設けられている。これらのセパレータ貫通穴ＳＨ１〜ＳＨ８には、ワイヤ１０１〜１０４が挿入されている。

第１ワイヤ１０１は、セパレータ３０の四辺のうちの一つの辺の近傍に設けられた２つのセパレータ貫通穴ＳＨ１、ＳＨ２のそれぞれを通るループ形状を有している。第１ワイヤ１０１は、各貫通穴ＳＨ１、ＳＨ２のそれぞれにおいて、他方の穴に向かって折り返している。この第１ワイヤ１０１は、堅く締められ、そして、セパレータ３０のこの周辺部分において、各プレート３１、３２、３３を固定する。他のワイヤ１０２、１０３、１０４についても同様である。これらの４本のワイヤ１０１〜１０４は、プレート３１、３２、３３を、セパレータ３０の四辺近傍においてそれぞれ固定する。具体的には、第３ワイヤ１０３は、第１ワイヤ１０１近傍の辺と対向する辺の近傍の貫通穴ＳＨ５、ＳＨ６を通るループ形状を有し、第２ワイヤ１０２は、他の２辺の内の一方の辺の近傍の貫通穴ＳＨ３、ＳＨ４を通るループ形状を有し、第４ワイヤ１０４は、他方の辺の近傍の貫通穴ＳＨ７、ＳＨ８を通るループ形状を有している。

なお、ワイヤ１０１〜１０４の材料としては任意の材料を採用可能である。例えば、ステンレス鋼を用いてもよい。また、ワイヤ１０１〜１０４を締める方法としては、任意の方法を採用可能である。例えば、ワイヤの一端と他端とを引っ張った状態で、一端と他端とを溶接によって接合してもよい。また、ターンバックルを用いてワイヤの一端と他端とを連結してもよい。

図２は、セパレータ３０（図１）を適用した燃料電池９００の概略構成を表わす断面図である。図３は、図２の右上の破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。これらの断面図は、図１におけるセパレータ３０の長手方向に沿ったＡ−Ａ断面に相当する。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、この燃料電池は、単セルを複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池は、図２に示すように、複数の単セル１０を備えると共に、各々の単セル１０間にセパレータ３０を介在させつつ単セル１０を積層させた構造を有している。

図２に示すように、単セル１０は、電解質膜を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１２と、ＭＥＡ１２の外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５を備える。また、図３に示すように、ＭＥＡ１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。

電解質膜２０は、例えば固体高分子電解質（例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂）で構成されている。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第１ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。触媒電極を表面に形成した電解質膜２０と第１ガス拡散層２６，２８とは、プレス接合により一体化されてＭＥＡ１２となる。

第２ガス拡散層１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。また、第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡ１２とセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めている。ＭＥＡ１２には、アノード側の第２ガス拡散層１５を介して燃料ガス（水素含有ガス）が供給される。また、ＭＥＡ１２には、カソード側の第２ガス拡散層１４を介して酸化ガス（酸素含有ガス）が供給される。

ここで、ＭＥＡ１２の外周部分には、シール部１６が接合されている。シール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の絶縁性樹脂材料によって形成されている。このようなシール部１６は、例えば、金型のキャビティ内にＭＥＡ１２の外周部が収まるようにＭＥＡ１２を配置し、上記樹脂材料をキャビティ内に射出成形することによって形成できる。こうすることで、ＭＥＡ１２とシール部１６とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部分から漏れ出すことを防止できる。なお、シール部１６は、電解質膜２０を保持する機能も有している。また、シール部１６は、隣り合うセパレータ３０の間に挟まれて所定の位置に保持される。

また、図３には、第１ワイヤ１０１が示されている。第１ワイヤ１０１は、カソード側プレート３１の表面に突出した突出部分１０１ａと、アノード側プレート３２の表面に突出した突出部分１０１ｂと、各プレート３１、３２、３３の穴（図示せず）を貫通する貫通部分１０１ｃと、を有している。図示しない他のワイヤ１０２、１０３、１０４についても、同様である。

図４は、ＭＥＡ１２と一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図４に示すように、シール部１６は、矩形薄板状部材であり、周辺部分に設けられた６つの穴４０〜４５と、中央部に設けられてＭＥＡ１２が組み込まれる略四角形の穴４６とを有している。シール部１６の四辺のうちの一つの辺の近傍には、その辺に沿って延びる穴４０が形成されている。また、対向する辺の近傍には、その辺に沿って延びる穴４１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には、その辺に沿って延びる穴４２、４４が形成され、他方の辺の近傍には、その辺に沿って延びる穴４３、４５が形成されている。

なお、シール部１６は、図２、図３に示すように所定の凹凸形状を有しており、上述の７つの穴４０〜４６を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する（以下、シール部１６に接するプレート３１、３２のことを「表面プレート３１、３２」とも呼ぶ）。図４では、シール部１６とセパレータ３０との接触部分にハッチングが付されている。接触部分は、７つの閉じた連続なループ接触部分４０ｓ〜４６ｓを含み、これらのループ接触部分４０ｓ〜４６ｓは、穴４０〜４６をそれぞれ取り囲んでいる。また、シール部１６は、弾性を有する樹脂材料を用いて形成されている。燃料電池内で積層方向に押圧力が加えられることにより、シール部１６は接触部分でセパレータ３０に押し当てられ、各穴４０〜４６をシールする。なお、後述するように、６つの穴４０〜４５は、セパレータ３０にも設けられている。従って、６つのループ接触部分４０ｓ〜４５ｓは、セパレータ３０とシール部１６とを連通する６つの穴４０〜４５を、それぞれシールする。例えば、穴４０は、ループ接触部分４０ｓによってシールされる（図３）。

また、図４では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡ１２の外周線が、点線で示されている。ここで、シール部１６と一体化されたＭＥＡ１２における外部に露出している部分（すなわち、ループ接触部分４６ｓで囲まれた部分）を「集電領域ＣＡ」と呼ぶ。第２ガス拡散層１４，１５は、集電領域ＣＡと略同一形状に形成されており、シール部１６の集電領域ＣＡに嵌め込まれる（図２）。カソード側の第２ガス拡散層１４は、カソード側第１ガス拡散層２６とカソード側プレート３１とに接する。アノード側の第２ガス拡散層１５は、アノード側第１ガス拡散層２８とアノード側プレート３２とに接する。

さらに、図４には、各ワイヤ１０１〜１０４と、セパレータ３０とが点線で示されている。第１ワイヤ１０１は、１つの連続した接触部分であるループ接触部分４０ｓと、セパレータ３０の外郭（すなわち、シール部１６と接触するプレート３１、３２の外郭）のうちのループ接触部分４０ｓに最も近い部分である上辺との間に位置している。従って、燃料電池に強い力が加わり、シール部１６の位置が上方向にずれようとした場合には、シール部１６の内のループ接触部分４０ｓを形成する部分（図３：凸部分１６ａ）が第１ワイヤ１０１の突出部分１０１ａに接触するので、シール部１６の上方向への位置ズレが抑制される。同様に、反対側の凸部分１６ｂも突出部分１０１ｂに接触するので、さらに、シール部１６の上方向への位置ズレが抑制される。以上の結果、ループ接触部分４０ｓがセパレータ３０の外にはみ出ることが抑制されるので、穴４０のシールが不完全となることが抑制される。また、シール部１６全体の位置ズレが抑制されるので、穴４０に限らず全ての穴４０〜４５のシールが不完全となることが抑制される。

他のワイヤ１０２〜１０４も、同様に、シール部１６の位置ズレを抑制する。具体的には、図４に示すように、第２ワイヤ１０２は、連続なループ接触部分４２ｓ、４４ｓと、セパレータ３０の外郭のうちのこれらの部分４２ｓ、４４ｓに最も近い部分である左辺との間に位置している。従って、第２ワイヤ１０２は、シール部１６の左方向への位置ズレを抑制する。第３ワイヤ１０３は、連続なループ接触部分４１ｓと、セパレータ３０の外郭のうちのこの部分４１ｓに最も近い部分である下辺との間に位置している。従って、第３ワイヤ１０３は、シール部１６の下方向への位置ズレを抑制する。第４ワイヤ１０４は、連続なループ接触部分４３ｓ、４５ｓと、セパレータ３０の外郭のうちのこれらの部分４３ｓ、４５ｓに最も近い部分である右辺との間に位置している。従って、第４ワイヤ１０４は、シール部１６の右方向への位置ズレを抑制する。

図５は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。図６は、アノード側プレート３２の形状を示す平面図である。図７は、中間プレート３３の形状を示す平面図である。カソード側プレート３１、アノード側プレート３２は、いずれも、その周辺部分において、シール部１６（図４）と同様の位置に、６つの穴４０〜４５を備えている。これらの６つの穴４０〜４５は、スタック構造を形成するために各薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に流体を導くマニホールドを形成する。なお、中間プレート３３は、上記６つの穴４０〜４５のうち、２つの穴４４，４５を有していない。この代わりに、中間プレート３３には、後述する複数の冷媒孔５８が、これらの穴４４，４５と対向するように設けられている。

各薄板状部材１６、３１、３２、３３（図４〜図７）が備える穴４０は、酸化ガスを各単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドを形成する（図中、Ｏ₂ inと表わす）。カソード側プレート３１（図５）は、さらに、穴４０の近傍に、穴４０よりも小さく、穴４０に沿って配置された複数の連通孔５０を備えている。これらの連通孔５０は、集電領域ＣＡと対向している。一方、中間プレート３３（図７）においては、穴４０の形状が他のプレート３１、３２とは異なっている。中間プレート３３の穴４０の集電領域ＣＡ側の辺は、集電領域ＣＡへ延びる複数の延長部分を有している。以下、この延長部分を、連通部５４と呼ぶ。これらの連通部５４は、各連通孔５０（図５）と対向するようにそれぞれ配置されている。これらの連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０（図５）と重なり合って、穴４０（酸化ガス供給マニホールド）と連通孔５０とを連通する。穴４０（酸化ガス供給マニホールド）を流れる酸化ガスは、連通部５４（図７）と連通孔５０（図５）とを介して、第２ガス拡散層１４（図２）に流入する。このように、連通部５４（図７）は、３枚のプレート３１、３２、３３に囲まれた酸化ガス流路を形成する。第２ガス拡散層１４に供給された酸素は、カソード２２における電気化学反応に利用される。

同様に、各薄板状部材１６、３１、３２、３３（図４〜図７）が備える穴４１は、各単セルから排出された酸化ガスを外部へ導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ₂ outと表わす）。カソード側プレート３１（図５）は、穴４１の近傍に、穴４１に沿って配置された複数の連通孔５１を備えている。これらの連通孔５１は、集電領域ＣＡと対向している。一方、中間プレート３３（図７）の穴４１は、穴４０と同様に、連通部５５を有している。この連通部５５は、酸化ガス排出マニホールド（穴４１）と連通孔５１とを連通する。第２ガス拡散層１４（図２）を通過した酸化ガスは、連通孔５１（図５）と連通部５５（図７）とを介して、穴４１（酸化ガス排出マニホールド）へ排出される。

また、各薄板状部材１６、３１、３２、３３（図４〜図７）が備える穴４２は、燃料ガスを各単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドを形成する（図中、Ｈ₂ inと表わす）。アノード側プレート３２（図６）は、さらに、穴４２の近傍に、穴４２よりも小さく、穴４２に沿って配置された複数の連通孔５２を備えている。これらの連通孔５２は、集電領域ＣＡと対向している。一方、中間プレート３３（図７）においては、穴４２は、他の穴４０、４１と同様に、連通孔５２（図６）に連通する連通部５６を含んでいる。穴４２（燃料ガス供給マニホールド）を流れる燃料ガスは、連通部５６（図７）と連通孔５２（図６）とを介して、第２ガス拡散層１５（図２）に流入する。第２ガス拡散層１５に供給された水素は、アノード２４における電気化学反応に利用される。

同様に、各薄板状部材１６、３１、３２、３３（図４〜図７）が備える穴４３は、各単セルから排出された燃料ガスを外部へ導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ₂ outと表わす）。アノード側プレート３２（図６）は、穴４３の近傍に、穴４３に沿って配置された複数の連通孔５３を備えている。これらの連通孔５３は、集電領域ＣＡと対向している。一方、中間プレート３３（図７）の穴４３は、穴４２と同様に、連通部５７を有している。この連通部５７は、燃料ガス排出マニホールド（穴４３）と連通孔５３（図６）と連通する。第２ガス拡散層１５（図２）を通過した燃料ガスは、連通孔５３（図６）と連通部５７（図７）とを介して、穴４３（燃料ガス排出マニホールド）へ排出される。

また、各薄板状部材１６、３１、３２（図４〜図６）が備える穴４４は、冷却水などの冷媒を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成する（図中、水 inと表わす）。同様に、穴４５は、各セパレータ３０から排出された冷媒を外部へ導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。中間プレート３３（図７）は、集電領域ＣＡと対向する部分を横切るとともに互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の各端部は、各プレート３１、３２、３３が積層されたときに、穴４４、４５とそれぞれ重なり合う。冷媒供給マニホールド（穴４４）を流れる冷媒は、冷媒孔５８を介して、冷媒排出マニホールド（穴４５）へ流れる。このように、冷媒孔５８は、３枚のプレート３１、３２、３３に囲まれた冷媒流路を形成する。

なお、上述したように、各プレート３１、３２、３３は、それぞれ平板を用いて形成されているので、所定の穴を有する各プレート３１、３２、３３の加工は簡単である。また、内部に流体流路を有するセパレータ３０の形成には、これらのプレートを接合すればよいので、セパレータ３０の製造が簡単である。

以上のように、第１実施例のセパレータ３０では、各プレート３１、３２、３３が接合されているので、これらのプレート３１、３２、３３によって囲まれた流体流路（例えば、酸化ガス供給マニホールド（図４〜図７：穴４０）や酸化ガス流路（図７：連通部５４））から流体が漏洩することが防止される。さらに、このセパレータ３０では、各プレート３１、３２、３３が、ワイヤ１０１〜１０４によって締められているので、各プレート３１、３２、３３の位置ズレや接合部分の剥離に対する耐久性を向上させることができる。特に、第１実施例のセパレータ３０では、各ワイヤ１０１〜１０４は、全てのプレート３１、３２、３３を貫通する貫通部分（例えば、図３の貫通部分１０１ｃ）を有している。この貫通部分は、各プレート３１、３２、３３から、積層面（接合面）に平行な方向の力を受けることが可能である。その結果、各プレート３１、３２、３３の位置が、積層面に平行な方向にずれることが抑制される。以上の結果、第１実施例のセパレータ３０では、各プレート３１、３２、３３の位置ズレや剥離が抑制され、その結果、セパレータ３０内部の流路からの流体の漏洩が抑制される。

また、第１実施例では、セパレータ３０に、セパレータ３０表面の開口（穴４０〜４５）をシールするシール部１６（ループ接触部分４０ｓ〜４５ｓ）が押し当てられる。一方、各ワイヤ１０１〜１０４は、セパレータ３０の表面に突出した突出部分（例えば、図３の突出部分１０１ａ、１０１ｂ）を、それぞれ有している。ここで、各ワイヤ１０１〜１０４の配置は、シール部１６の位置がセパレータ３０の表面に沿ってずれた状態において、突出部分がシール部１６に接触するように、設定されている。従って、シール部１６の位置がさらにずれることが抑制される。特に、第１実施例では、図４に示すように、各ワイヤ１０１〜１０４は、各ループ接触部分４０ｓ〜４５ｓと、セパレータ３０の外郭の内のその接触部分に最も近い部分との間に、それぞれ配置されている（例えば、第１ワイヤ１０１は、ループ接触部分４０ｓと、ループ接触部分４０ｓに最も近い上辺との間に設けられている）。その結果、接触部分がセパレータ３０の外にはみ出ることが抑制される。さらに、４つのワイヤ１０１〜１０４は、９０度ずつ異なる４方向への位置ズレ（図４における上下左右）を、それぞれ抑制する。その結果、シール部１６の位置が、セパレータ３０の表面に沿った任意の方向へずれることが抑制される。以上の結果、第１実施例のセパレータ３０では、シール部１６の位置ズレに起因する流体の漏洩を抑制することができる。

また、第１実施例では、各ワイヤ１０１〜１０４が、各プレート３１、３２、３３を固定し、さらに、シール部１６の位置ズレ抑制する突出部分を含んでいる。従って、突出部分を、各プレートを固定するワイヤとは別の部材として構成する場合と比べて、セパレータ３０の製造が容易となる。

Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例におけるカソード側プレートの形状を示す平面図である。図５に示す第１実施例との差異は、カソード側プレート３１ａの四辺のそれぞれの近傍に、３以上の固定用穴ＨＬ１〜ＨＬ４が辺に沿って並ぶように設けられている点だけである。他の構成は、図５に示すカソード側プレート３１と同じである。

積層方向に沿って見たときに、カソード側プレート３１ａの上辺の近傍に設けられた複数の第１穴ＨＬ１は、図５の例で第１ワイヤ１０１と対向していた部分に配置されている。同様に、左辺近傍に設けられた複数の第２穴ＨＬ２は、第２ワイヤ１０２と対向していた部分に配置され、下辺近傍に設けられた複数の第３穴ＨＬ３は、第３ワイヤ１０３と対向していた部分に配置され、右辺近傍に設けられた複数の第４穴ＨＬ４は、第４ワイヤ１０４と対向していた部分に配置されている。

また、図８には、シール部とカソード側プレート３１ａとの接触部分４０ｓ〜４６ｓが、ハッチングによって示されている。第２実施例におけるシール部の構成は、図４に示す第１実施例のシール部１６と同じである。従って、接触部分の形状は図４の例と同じである。

なお、図示は省略するが、第２実施例では、アノード側プレートと中間プレートとのそれぞれにも、カソード側プレート３１ａと同じ位置に固定用穴ＨＬ１〜ＨＬ４が設けられている。各プレートの固定用穴ＨＬ１〜ＨＬ４は、図１に示す第１実施例と同様に、各プレートが接合された状態において、全プレートを貫通するセパレータ貫通穴を形成する。

図９は、第２実施例における燃料電池の概略構成を示す断面図である。この断面図は、図８におけるカソード側プレート３１ａの長手方向に沿ったＢ−Ｂ断面に相当する。また、図９には、図３と同様の断面の一部が示されている。図３に示す燃料電池９００との差異は、ワイヤの代わりにリベット１１０が用いられている点だけである。

図中の左上には、セパレータ貫通穴ＳＨａが示されている。このセパレータ貫通穴ＳＨａは、カソード側プレート３１ａと、アノード側プレート３２ａと、中間プレート３３ａとのそれぞれに設けられている第１穴ＨＬ１が繋がったものである。このセパレータ貫通穴ＳＨａには、リベット１１０が挿入されている。このリベット１１０によって、３枚のプレート３１ａ、３２ａ、３３ａが固定される。セパレータ３０ａの他の位置の穴ＨＬ１〜ＨＬ４（図８参照）についても、同様に、リベットによって各プレート３１ａ、３２ａ、３３ａが固定される（図示省略）。

また、リベット１１０は、カソード側プレート３１ａの表面に突出した突出部分１１０ａと、アノード側プレート３２ａの表面に突出した突出部分１１０ｂと、各プレート３１ａ、３２ａ、３３ａを貫通する貫通部分１１０ｃと、を有している。突出部分１１０ａ、１１０ｂは、図３の突出部分１０１ａ、１０１ｂと同様に、シール部１６に接触することによって、シール部１６の上方向への位置ズレを抑制する。他の位置（図８）のリベットについても同様である。

このように、第２実施例のセパレータ３０ａでは、第１実施例のセパレータ３０よりも多くの数のセパレータ貫通穴（例えば、図９のセパレータ貫通穴ＳＨａ）に、リベットが打たれている。その結果、各プレート３１ａ、３２ａ、３３ａの位置ズレや接合部分の剥離がさらに抑制され、その結果、セパレータ３０ａ内部の流路からの流体の漏洩がさらに抑制される。

また、第２実施例のセパレータ３０ａでは、積層方向に沿って見たときに、第１実施例において４つのワイヤ１０１〜１０４（図５）のそれぞれと対向していた部分に、ワイヤの代わりに複数のリベットが打たれる（図８。穴ＨＬ１〜ＨＬ４）。すなわち、これらのリベットの突出部分（例えば、図９の突出部分１１０ａ、１１０ｂ）は、シール部の位置がセパレータの表面に沿ってずれた状態において、シール部材に接触する位置に配置されている。従って、これらのリベットの突出部分（例えば、図９の突出部分１１０ａ、１１０ｂ）は、第１実施例の各ワイヤ１０１〜１０４と同様に、シール部１６の位置ズレを抑制する。従って、第２実施例のセパレータ３０ａは、第１実施例のセパレータ３０と同様に、シール部１６の位置ズレに起因して流体が漏洩することが抑制される。

Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

変形例１：
図１に示す第１実施例において、ワイヤがループ形状を有していなくてもよい。図１０は、セパレータの変形例の構成を示す断面図である。この図中では、ワイヤ１２０にハッチングが付されている。また、各プレート３１、３２、３３の詳細な構成の図示は省略されている。このセパレータ３０ｂでは、ワイヤ１２０は、Ｃ字形状を有しており、ステープラーのように３枚のプレート３１、３２、３３をとめている。

また、固定用穴ＨＬを用いずに、ワイヤによって各プレート３１、３２、３３を固定してもよい。図１１は、セパレータの変形例の構成を示す断面図である。図１０との差異は、ワイヤ１３０が、セパレータ３０ｃの貫通穴を通らずにセパレータ３０ｃの外周を囲むループ形状を有している点だけである。この例では、各プレート３１、３２、３３の固定用穴ＨＬを省略可能である。

いずれの場合も、ワイヤの位置は、上述の第１実施例のワイヤ１０１〜１０４と同様に、シール部（図示せず）の位置がセパレータの表面に沿ってずれた状態において、ワイヤの突出部分がシール部に接触するように、設定されることが好ましい。こうすれば、シール部の位置ズレを抑え、シール部の位置ズレによって流体が漏洩することを抑制することができる。

変形例２：
上記各実施例において、固定用穴ＨＬの数は任意に設定可能である。ただし、矩形の４つの辺のそれぞれの近傍に少なくとも２以上の穴ＨＬを設けることが好ましい。こうすれば、各プレートの位置ズレや接合部分の剥離に対する耐久性を向上させることができる。また、図８の例のように、セパレータの周辺部分の全周にわたって固定用穴が設けられていることが好ましい。こうすれば、セパレータの全周を固定することができるので、セパレータの強度向上が容易となる。さらに、セパレータの周辺部分に固定部材（例えば、ワイヤやリベット）の突出部分を配置することも容易となる。その結果、シール部がセパレータの外にはみ出ることの抑制が容易となり、流体の漏洩抑制も容易となる。

変形例３：
上記各実施例において、固定部材としては、ワイヤ（図１：ワイヤ１０１〜１０４）やリベット（図９：リベット１１０）に限らず、セパレータを構成するために積層される複数の部材を固定し、各部材の位置ズレを抑制する任意の部材を採用可能である。例えば、ボルトとナットとを固定部材として採用してもよい。この場合には、ボルトをセパレータ貫通穴（例えば、図９のセパレータ貫通穴ＳＨａ）に貫通させて、ナットを締めればよい。また、固定部材の材料としても、種々の材料を採用可能である。例えば、ステンレス鋼を採用してもよく、また、カーボンを採用してもよい。

また、固定部材としては、セパレータを構成するために積層される複数のプレート（例えば、図１のプレート３１、３２、３３）を貫通するものに限らず、これらのプレートを貫通せずにプレートを固定するものであってもよい。図１２は、セパレータの変形例の構成を示す断面図である。図１１の例との差異は、ワイヤ１３０の代わりにクリップ１４０が採用されている点だけである。このクリップ１４０は、Ｃ字形状を有し、３枚のプレート３１、３２、３３の接合体の端部を挟んでいる。このセパレータ３０ｄでは、各プレートの固定用穴ＨＬを省略することができる。ただし、固定部材が、貫通部分を含むことが好ましい。こうすれば、各プレートの積層面に沿った位置ズレを、さらに抑制し、流体が漏洩することを抑制できる。

また、固定部材の位置としては、シール部材の位置がずれた状態で固定部材の突出部分とシール部材とが接触する位置に限らず、他の任意の位置を設定可能である。ただし、固定部材の突出部分と位置のずれたシール部材とが接触する位置に固定部材を配置すれば、シール部材の位置ズレを抑制し、流体の漏洩を抑制できる。

また、セパレータを積層方向に沿って見たときの固定部材の位置は、連続接触領域と、表面プレートの外郭のうちのその連続接触領域に最も近い部分との間に限らず、他の任意の位置を採用可能である。ここで、連続接触領域とは、シール部材と表面プレートとが接触する領域のうちの１つの連続した領域（例えば、図４のループ接触部分４０ｓ）である。また、表面プレートとは、セパレータが有する複数のプレートのうちのシール部と接触するプレート（例えば、図３のプレート３１、３２）である。また、外郭とは、積層方向に沿って見たときの外郭を意味している。例えば、図４の例において、固定部材を、ループ接触部分４０ｓとループ接触部分４６ｓとの間に設けてもよい。ただし、固定部材の位置を、連続接触領域と、表面プレートの外郭のうちのその連続接触領域に最も近い部分との間に設定すれば、シール部材がセパレータの外にはみ出ることを抑制し、流体の漏洩を抑制できる。

また、固定部材によって抑制されるシール部材の位置ズレ方向としては、任意の方向を採用可能である。例えば、図４に示す実施例において、第１ワイヤ１０１を省略してもよい。この場合には、各ワイヤ１０２〜１０４によって、シール部１６の左右下のそれぞれの方向への位置ズレが抑制される。ただし、上記各実施例のように、突出部分が４つの異方向突出部分を含み（例えば、図４の各ワイヤ１０１〜１０４の突出部分）、これらの異方向突出部分が、表面プレートの表面に沿った方向のうちの９０度ずつ異なる４方向への位置ズレを抑制することが好ましい。こうすれば、表面プレートの表面に沿った任意の方向へのシール部材の位置ズレが抑制され、流体が漏洩することが抑制される。

なお、セパレータの一方の面のみにおいて、突出部分が位置ズレしたシール部材と接触する構成を採用してもよい。ただし、一方の面と他方の面との両方において突出部分が位置ズレしたシール部材と接触する構成を採用すれば、シール部材の位置ズレの抑制の効果が顕著となる。また、セパレータの一方の面と他方の面とで、突出部分とシール部材との接触位置が異なっていても良い。

変形例４：
上記各実施例において、各プレート３１、３２、３３の材料としては、種々の導電性材料（例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金といった金属や、カーボン板）を採用可能である。また、接合方法としても任意の方法を採用可能である。材料として金属を採用する場合には、例えば、拡散接合や蝋付け、溶接を採用可能である。また、材料としてカーボン板を採用する場合には、例えば、接着剤を用いて接合する方法を採用可能である。なお、材料としては、非導電性材料（例えば、樹脂）を採用してもよい。ただし、集電効率の向上のためには、少なくとも電極に接する部材（カソード側プレート３１とアノード側プレート３２）が、導電性材料によって形成されることが好ましい。

変形例５：
セパレータのプレート（例えば、プレート３１、３２、３３：図１、図３）の構成としては、上述の各実施例の構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、４枚以上のプレートを接合することによってセパレータを構成してもよい。また、２枚のプレートを接合することによってセパレータを構成してもよい。また、積層方向に沿って見たときの外郭形状が、プレート毎に異なっていても良い。また、セパレータ内部の流体流路の構成としても、上述の各実施例の構成に限らず、任意の構成を採用可能である。例えば、図７の例における複数の連通部５４が、一つの幅広な流路にまとめられていてもよい。いずれの場合も、各プレートを接合することによって、流体流路をシールする、すなわち、流体流路からの漏洩を防止することが可能となる。

また、各プレートにおける他の部材（例えば、プレートやシール部材）との積層面が平坦でなくてもよい。ただし、積層面が平坦であれば、平板に所定の穴を開けることによって各プレートを形成することができるので、各プレートの加工が容易となる。また、プレートの、シール部材と接する面が平坦である場合には、シール部材の位置がずれやすくなる場合がある。そこで、セパレータが、シール部の位置がプレートの表面に沿ってずれた状態においてシール部材に接触する突出部分を有することとすれば、シール部材の位置ズレを抑え、流体の漏洩を抑制することができる。ここで、上記各実施例のように、固定部材が突出部分を含む構成を採用すれば、突出部分を固定部材とは別の部材として構成する場合と比べて、セパレータの製造が容易となる。

変形例６：
上述の各実施例におけるセパレータを適用する燃料電池としては、固体高分子電解質型燃料電池に限らず、種々の燃料電池を採用可能である。例えば、固体酸化物電解質型や、リン酸電解質型や、アルカリ水溶液電解質型や、溶融炭酸塩電解質型等の種々の型の燃料電池を採用可能である。また、燃料電池における流体流路の構成としても、上述の各実施例における構成に限らず、種々の構成を採用可能である。さらに、単セルの構成としても、上述の実施例における構成に限らず、種々の構成を採用可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池用のセパレータの構成を示す分解斜視図である。 セパレータ３０（図１）を適用した燃料電池９００の概略構成を表わす断面図である。 図２の右上の破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。 ＭＥＡ１２と一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３２の形状を示す平面図である。 中間プレート３３の形状を示す平面図である。 第２実施例におけるカソード側プレートの形状を示す平面図である。 第２実施例における燃料電池の概略構成を示す断面図である。 セパレータの変形例の構成を示す断面図である。 セパレータの変形例の構成を示す断面図である。 セパレータの変形例の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０...単セル
１２...膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１４...第２ガス拡散層
１５...第２ガス拡散層
１６...シール部
１６...薄板状部材
１６ａ、１６ｂ...凸部分
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６...カソード側第１ガス拡散層
２８...アノード側第１ガス拡散層
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ...セパレータ
３１、３１ａ...カソード側プレート
３２、３２ａ...アノード側プレート
３３、３３ａ...中間プレート
４０...穴
４０ｓ...ループ接触部分
４１〜４６...穴
４１ｓ〜４６ｓ...ループ接触部分
５０〜５３...連通孔
５４〜５７...連通部
５８...冷媒孔
１０１...第１ワイヤ
１０２...第２ワイヤ
１０３...第３ワイヤ
１０４...第４ワイヤ
１０１ａ...突出部分
１０１ｂ...突出部分
１０１ｃ...貫通部分
１１０...リベット
１１０ａ...突出部分
１１０ｂ...突出部分
１１０ｃ...貫通部分
１２０、１３０...ワイヤ
１４０...クリップ
９００...燃料電池
ＣＡ...集電領域
ＨＬ、ＨＬ１〜ＨＬ４...固定用穴
ＳＨ１〜ＳＨ８、ＳＨａ...セパレータ貫通穴

Claims (7)

1. 燃料電池用のセパレータであって、
   積層された複数のプレートを有するプレート積層体を備え、
   前記プレート積層体は、内部に、前記複数のプレートのうちの２以上のプレートによって囲まれる流体流路を有し、
   前記プレート積層体の各プレートは、前記流体流路をシールするように互いに接合されており、
   前記セパレータは、さらに、当該セパレータが有する前記プレート積層体における各プレートの位置ずれを防止するための固定部材を有する、
   セパレータ。
2. 請求項１に記載のセパレータであって、
   前記固定部材は、前記各プレートを貫通する貫通部分を含む、セパレータ。
3. 請求項２に記載のセパレータであって、
   前記固定部材は、前記プレート積層体の周辺部分に全周にわたって配置された複数のリベットを含む、セパレータ。
4. 燃料電池であって、
   請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセパレータと、前記セパレータに接するとともに電解質層を含む単セルと、が積層された燃料電池スタックを備え、
   前記プレート積層体の一方の表面に位置する表面プレートは、前記流体流路に通じる開口を有し、
   前記燃料電池スタックは、さらに、前記表面プレートの表面の所定位置に押し当てられるとともに、前記開口を流れる流体の漏洩を防止するためのシール部材を有し、
   前記固定部材は、前記表面プレートの表面に突出する突出部分を含み、
   前記突出部分は、前記シール部材の位置が前記表面プレートの表面に沿って前記所定位置からずれた状態において前記シール部材に接触する位置に配置されている、
   燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池であって、
   前記突出部分は、前記表面プレートにおける前記シール部材と接触する領域のうちの１つの連続した領域である連続接触領域と、前記表面プレートを積層方向に沿って見たときの外郭のうちの前記連続接触領域に最も近い部分との間に設けられている、燃料電池。
6. 請求項４または請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記突出部分は４つの異方向突出部分を含み、
   前記各異方向突出部分は、前記表面プレートの表面に沿った方向のうちの９０度ずつ異なる４方向への位置ズレをそれぞれ抑制する、燃料電池。
7. 請求項６に記載の燃料電池であって、
   前記固定部材は、前記プレート積層体の一方の表面上から反対側の表面上を通って再び前記一方の表面上へ至る４つのワイヤを含み、
   前記各ワイヤは、前記各異方向突出部分をそれぞれ含む、燃料電池。

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