JP2007149427A - セパレータ、それを備える燃料電池、および、セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータにおいて、両プレートと、導電性部材とが剥離することを抑制する技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池用セパレータであって、カソード側プレートと、アノード側プレートと、熱膨張率がカソード側プレートおよびアノード側プレートの熱膨張率より高い部材であって、カソード側プレートとアノード側プレートとの間に挟み込まれた状態で、カソード側プレートおよびアノード側プレートと高温下で接着され、冷却媒体流路を形成する中間部材と、冷却媒体流路中に設けられ、カソード側プレートおよびアノード側プレートと接触し、カソード側プレートおよびアノード側プレートを通電させるための導電性部材とを備える。中間部材は、熱膨張率が、カソード側プレートおよびアノード側プレートの熱膨張率以下である部材を少なくとも含む。
【選択図】図４

Description

この発明は、２枚のプレートで中間部材を挟み込み、それらを高温下で接着して、燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路を形成するセパレータに関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池としては、セパレータ、および、膜電極接合体（以下では、ＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を積層させて締結する、いわゆるスタック構造が有名である（下記特許文献１参照）。ＭＥＡは、電解質層と、電解質層を間に挟んでその表面に形成された触媒電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）等を備えている。

上述のセパレータとしては、燃料ガス流路の形成を担うアノード側プレートと、酸化ガス流路の形成を担うカソード側プレートと、これらの間に挟まれる枠状の中間部材（以下では、フレーム部材と呼ぶ。）とから構成されるセパレータが知られている。以下では、アノード側プレートとカソード側プレートとをまとめて、両プレートとも呼ぶ。このセパレータは、例えば、フレーム部材を両プレートに挟み込み、それらを高温下で接着することにより形成される。また、この場合、フレーム部材の内枠（内側）であって両プレートとの間には、燃料電池を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等）を流す流路である冷却媒体流路が形成され、さらに、この冷却媒体流路には、両プレートと接触し、両プレートを通電させるための導電性部材が設けられる。なお、燃料ガス流路は、アノードに燃料ガス（アノードガス）を供給するための流路であり、酸化ガス流路は、カソードに酸化ガス（カソードガス）を供給するための流路である。

ここで、上述したセパレータにおいて、アノード側プレートおよびカソード側プレートは、導電性材料の金属やカーボンが用いられるが、フレーム部材は、軽量化等のため、例えば、比較的軽い樹脂などが用いられる場合がある。

特開２００５−３２５０２号公報

ところで、樹脂は、一般的に金属やカーボンより熱膨張率（または熱収縮率）が高い。従って、上述のように、フレーム部材に樹脂を用いてセパレータを形成する場合において、両プレートとフレーム部材を高温下で接着した後、常温下に戻すと、樹脂を用いたフレーム部材は、金属やカーボンを用いた両プレートよりも大きく収縮する。そうすると、両プレートにおいて、フレーム部材との接着部分より内側のプレート部分は、フレーム部材の収縮力により変形する。その結果、両プレートと冷却媒体流路における導電性部材とが剥離し、それらの間の接触抵抗が上昇するおそれがあった。

なお、上記問題は、フレーム部材が、樹脂材料の場合に限らず、両プレートより熱膨張率が高い素材を用いた場合にも、同様に生じる問題である。また、フレーム部材と導電性部材が一つのプレートとして形成される場合があり、この場合において、その材料が、導電性であり、両プレートより熱膨張率が高い材料であれば、上記問題は、同様に生じる問題である。

本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池のセパレータにおいて、両プレートと、導電性部材とが剥離することを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明のセパレータは、
燃料電池に用いられるセパレータであって、
一面が、カソード側のカソードガス流路を形成し、導電性のカソード側プレートと、
一面が、アノード側のアノードガス流路を形成し、導電性のアノード側プレートと、
熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの熱膨張率より高い部材であって、前記カソード側プレートの前記一面の反対面と前記アノード側プレートの前記一面の反対面との間に挟み込まれた状態で、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートと高温下で接着され、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路を形成する中間部材と、
前記冷却媒体流路中に設けられ、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートと接触し、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートを通電させるための導電性部材と、
を備え、
前記中間部材には、
熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材が設けられていることを要旨とする。

上記構成のセパレータによれば、中間部材に前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材を含んでいるので、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートとを高温下で接着しても、中間部材の熱膨張を抑制することができる。従って、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートを接着後、これらを常温下に戻した場合であっても、中間部材における熱収縮は、抑制され、すなわち、中間部材の収縮力によりカソード側プレートまたはアノード側プレートが変形することを抑制される。その結果、カソード側プレートまたはアノード側プレートと導電性部材との間が剥離するのを抑制することができ、それらの間の接触抵抗の上昇を抑制することができる。

なお、上記中間部材と前記導電性部材は、一体であってもよい。例えば、これらは、一枚のプレートであってもよい。また、高温下とは、常温より高い温度下のことをいう。さらに、上記燃料電池の構成によっては、カソード側プレートおよびアノード側プレートが一つの独立したセパレータと解釈される場合があるが、このような概念も、本発明の上記セパレータに含まれる。

上記セパレータにおいて、
前記中間部材は、熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材を少なくとも含む熱膨張抑制層を前記アノード側プレートと前記カソード側プレートと略平行に備えるようにしてもよい。

このようにすれば、中間部材は、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材を層状に含むので、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートとを高温下で接着しても、中間部材の熱膨張をより抑制することができる。

上記セパレータにおいて、
前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートは、共に同様の部材から構成してもよい。

上記セパレータにおいて、
前記カソード側プレート、前記アノード側プレート、および、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材は、共に同様の部材から構成してもよい。

このようにすれば、中間部材とカソード側プレートまたはアノード側プレートを高温下で接着しても、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートの熱膨張を、略同程度に近づけることが可能である。

上記セパレータにおいて、
前記中間部材は、所定の樹脂から形成してもよい。

このようにすれば、セパレータを軽量化することができる。

上記セパレータにおいて、
前記中間部材と、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートとを接着する場合には、ラミネート接着で接着するようにしてもよい。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
上記セパレータを備えることを要旨する。

上記構成の燃料電池によれば、セパレータにおいて、中間部材に前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材を含んでいるので、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートとを高温下で接着しても、中間部材の熱膨張を抑制することができる。従って、中間部材と、カソード側プレートまたはアノード側プレートを接着後、これらを常温下に戻した場合であっても、中間部材における熱収縮は、抑制され、すなわち、中間部材の収縮力によりカソード側プレートまたはアノード側プレートが変形することを抑制される。その結果、カソード側プレートまたはアノード側プレートと導電性部材との間が剥離するのを抑制することができ、それらの間の接触抵抗の上昇を抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明のセパレータを用いた燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。また、本発明は、上記したセパレータなどの装置発明の態様に限ることなく、セパレータの製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
Ａ２．セパレータ３０の説明：
Ｂ.変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の実施例としてのセパレータ３０を用いた燃料電池１００の概略構成を表わす断面図である。ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向を、図１に示すように定める。この燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、単セルをｘ方向に複数積層したスタック構造を有している。すなわち、この燃料電池１００は、図１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。また、本実施例のセパレータ３０は、後述するように、カソード側プレート３１、アノード側プレート３２、フレーム部材の３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。以下では、まず、本実施例のセパレータ３０を用いた燃料電池１００について説明する。フレーム部材３７は、請求項における中間部材に該当する。

単セル１０は、電解質膜を含む膜−電極接合体（以下では、ＭＥＡと呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５を備える。ここで、ＭＥＡ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、固体高分子材料、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により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。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、例えばカーボン製の多孔質部材である。

第２ガス拡散層１４，１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）などから成る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る。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。

シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡの外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。

図２は、ＭＥＡ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２に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図２の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図１に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部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。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図１において一点鎖線でシール位置と示す）を、図２の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬの位置において、シールラインＳＬ内外の流体（反応ガスや生成水等）の移動防止を実現している。

また、図２では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分を、ハッチを付して示している。以下の説明では、上記ＭＥＡにおける外部に露出している部分に対応する領域を、集電領域と呼ぶ。さらに図２では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡの外周線を、点線で示している。第２ガス拡散層１４，１５は、上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部１６に嵌め込まれ、触媒電極および第１ガス拡散層２６，２８の面上に重なり接触するように配置されている。また、この場合、第２ガス拡散層１４，１５において、後述するように、第１ガス拡散層２６，２８との接触面に対する反対面は、セパレータ３０と接触する。

Ａ２．セパレータ３０の詳細：
図３は、燃料電池１００に用いられる本実施例のセパレータ３０の概略構成を表わす断面図である。図４は、フレーム部材３７および冷却媒体流路形成部材３５の平面形状を示す説明図である。図５は、カソード側プレート３１の平面形状を示す説明図である。図６は、アノード側プレート３２の平面形状を示す説明図である。以下では、これらの図を用いて、本実施例のセパレータ３０を説明する。なお、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２との間に形成される層を中間層とも呼ぶ。また、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２を両プレートとも呼ぶ。

セパレータ３０は、図３に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、本発明の特徴部分であり、両プレートに挟持され、両プレートとの間に中間層を形成するためのフレーム部材３７とを備えている。

カソード側プレート３１（図５）およびアノード側プレート３２（図６）は、導電性材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）あるいはチタン（Ｔｉ）やチタン合金といった金属、または、カーボン等によって形成される薄板状部材である。これら両プレートは、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穴部を有している。この穴部の詳細については、後述する。

このフレーム部材３７は、図３に示すように、ラミネート樹脂からなる樹脂層３７ａ（ラミネート樹脂層３７ａ）と、その樹脂層３７ａに挟まれ、熱膨張抑制層３７ｂとから形成される。この場合、フレーム部材３７において、ラミネート樹脂層３７ａからなる両面は、高温下（例えば、１２０℃〜１５０℃）で接着する接着フィルムで形成される。また、熱膨張抑制層３７ｂは、両プレート面に平行な方向（以下、面方向とも呼ぶ。）に板状であり、熱膨張率（または熱収縮率）が、両プレートの熱膨張率以下である材料（以下では、熱膨張抑制材料とも呼ぶ。）から、フレーム部材３７と同様に枠状に構成される。なお、熱膨張抑制層３７ｂは、本実施例では、両プレートと同様の材料から構成されている。さらに、フレーム部材３７は、図４に示すように、凹凸のない平坦な表面を有すると共に、所定の位置に所定形状の穴部を有している。この穴部の詳細については後述する。

また、中間層には、図４に示すように、フレーム部材３７の他、冷却媒体流路形成部材３５が配置される。具体的には、この冷却媒体流路形成部材３５は、導電性多孔質体であり、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）あるいはチタン（Ｔｉ）やチタン合金といった金属などから形成され、フレーム部材３７の内側（内枠）に嵌めるように配置される。この場合、冷却媒体流路形成部材３５は、フレーム部材３７に保持されるのではなく、後述するように両プレートに挟持されることにより、保持される。従って、図３、４に示すように、冷却媒体流路形成部材３５とフレーム部材３７とは、接続されていない。また、この冷却媒体流路形成部材３５は、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等）を流れる冷却媒体流路となる。これについての詳細は、後述する。さらに、この冷却媒体流路形成部材３５は、図３に示すように、フレーム部材３７と略同程度の厚さになっている。

このセパレータ３０は、高温下（例えば１２０℃〜１５０℃程度の温度下）で、中間層を形成する部材（フレーム部材３７の内枠に冷却媒体流路形成部材３５を嵌め込んで配置したもの）を、両プレートで挟み込んで、フレーム部材３７と両プレートとをラミネート接着することにより形成される。この場合、フレーム部材３７において、両プレートと接着する部分は、ラミネート樹脂層３７ａの表面部分（図４斜線部分）であり、両プレートにおいて、フレーム部材３７と接着する部分は、それぞれ、フレーム部材３７の内枠に対応する部分より外側の部分（図５または図６斜線部分）となる。また、図３に示すように、冷却媒体流路形成部材３５と両セパレータは、面接触するように形成される。

また、カソード側プレート３１（図５）およびアノード側プレート３２（図６）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック構造を形成するために両プレートおよびフレーム部材３７が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池１００内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部４０は、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと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）。また、穴部４２は、燃料電池１００に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと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）。さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと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）。なお、フレーム部材３７は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

さらに、カソード側プレート３１は、図５に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。アノード側プレート３２は、図６に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。フレーム部材３７のフレーム部材３７においては、図４に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、集電領域側の辺が、集電領域方向へと突出する複数の突出部（以下では、連通部５４と呼ぶ。）を備える形状となっている。この連通部５４は、フレーム部材３７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と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。フレーム部材３７では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。

図１に示すように、燃料電池１００の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、フレーム部材３７の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される単セル内ガス流路（酸化ガス流路）へと流入し、面方向に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１およびフレーム部材３７の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、フレーム部材３７の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３およびフレーム部材３７の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

また、中間層におけるフレーム部材３７は、図４に示すように、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８ａ、５８ｂを備えている。これらの冷媒孔５８ａは、フレーム部材３７を両プレートと重ね合わせたときに、穴部４４と重なり合い、また、冷媒孔５８ｂは、フレーム部材３７を両プレートと重ね合わせたときに、穴部４５と重なり合う。これにより、燃料電池１００の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷却媒体は、上記冷媒孔５８ａを介して、多孔質な冷却媒体流路形成部材３５中を流れ、そして、冷媒孔５８ｂを介して、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。従って、冷却媒体流路形成部材３５は、冷却媒体を流す冷却媒体流路として機能する。

ところで、上記セパレータ３０において、フレーム部材３７に熱膨張抑制層３７ｂを有しない場合には、高温下でフレーム部材３７と両プレートとを接着すると、フレーム部材３７は、両プレートより大きな熱膨張を生じ、その後、その状態で、常温下に戻すと、フレーム部材３７は、両プレートより大きな熱収縮を生じる。そうすると、フレーム部材３７の収縮力によって、両プレートにおいて、フレーム部材３７との接着部分（図５、図６斜線部分参照）より内側部分のプレートが変形を起こし、冷却媒体流路形成部材３５と両プレートとの間に剥離が生じ、それらの間の接触抵抗が上昇するという問題が生じる場合があった。

一方、以上のように本実施例のセパレータ３０のフレーム部材３７は、ラミネート樹脂層３７ａで、両プレートと同じ材料から構成される熱膨張抑制層３７ｂを挟んだ構成となっている。このようにすれば、フレーム部材３７が高温下となった場合であっても、熱膨張抑制層３７ｂは、ラミネート樹脂層３７ａより熱膨張せず、一方、ラミネート樹脂層３７ａは、熱膨張抑制層３７ｂより膨張しようとし、そのため、ラミネート樹脂層３７ａと熱膨張抑制層３７ｂは、面方向において互いに引き合い、その結果、ラミネート樹脂層３７ａの熱膨張は、熱膨張抑制層３７ｂによって抑制される。従って、高温下でフレーム部材３７（ラミネート樹脂層３７ａ）と両プレートとを接着した場合には、フレーム部材３７において、ラミネート樹脂層３７ａの熱膨張は、熱膨張抑制層３７ｂによって抑制され、すなわち、フレーム部材３７の熱膨張は、抑制される。そうすると、フレーム部材３７と両プレートを高温下で接着後、これらを常温下に戻したとしても、フレーム部材３７における熱収縮は、抑制される。これにより、フレーム部材３７の収縮力によって、両プレートにおいて、フレーム部材３７との接着部分（図５、図６斜線部分参照）より内側部分のプレートが変形することを抑制することができる。その結果、両プレートと冷却媒体流路形成部材３５との間が剥離するのを抑制することができ、それらの間の接触抵抗の上昇を抑制することができる。

また、以上のように、フレーム部材３７の熱膨張抑制層３７ｂは、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と同様の材料から構成されている。従って、フレーム部材３７と両プレートを高温下で接着した場合、フレーム部材３７と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２の熱膨張を、略同程度に近づけることが可能である。そのため、その後、これらを常温下に戻した場合においても、フレーム部材３７と、両プレートは、それぞれ略同程度に収縮するので、フレーム部材３７の収縮力によって両プレートが変形することを抑制することができる。その結果、両プレートと冷却媒体流路形成部材３５との間が剥離するのを抑制することができ、それらの間の接触抵抗の上昇を抑制することができる。

本実施例のセパレータ３０において、フレーム部材３７に樹脂を用いている。このようにすれば、セパレータ３０を軽量化することができる。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例のフレーム部材３７における熱膨張抑制層３７ｂは、熱膨張抑制材料が板状に形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。熱膨張抑制層３７ｂは、熱膨張抑制材料を含んでいればよく、例えば、熱膨張抑制層３７ｂは、針状、スチールウール状の熱膨張抑制材料針状を含むようにしてもよい。また、例えば、熱膨張抑制層３７ｂは、熱膨張抑制材料を板状ではなく網状に形成してもよい。以上のようにすれば、熱膨張抑制層３７ｂに用いる熱膨張抑制材料を抑制することができ、フレーム部材３７（燃料電池１００）を軽量化することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例または上記変形例１のフレーム部材３７では、熱膨張抑制材料が、層状に形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、熱膨張抑制材料が、層状ではなく、まばらに点在していてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例のセパレータ３０において、中間層を形成するフレーム部材３７と冷却媒体流路形成部材３５は、別部材に形成されているが、本発明は、これに限られるものではなく、一体にして一つのプレートとして形成されていてもよい。このようにすれば、冷却媒体流路形成部材３５をフレーム部材３７の内枠に嵌める必要がなく、セパレータ３０の製造を容易にすることができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例のセパレータ３０において、カソード側プレート３１とアノード側プレート３２は、同材料で構成されているが、本発明は、これに限られるものではなく、異なる材料で構成されていてもよい。この場合も、熱膨張抑制層３７ｂは、両プレートの熱膨張率以下である材料から構成されればよい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例のセパレータ３０において、フレーム部材３７と両プレートとは、高温下で、ラミネート接着で接着するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、フレーム部材３７が金属で形成される場合には、高温下で、フレーム部材３７と両プレートとをロウ付けや拡散接着により接着するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

なお、上記実施例や上記変形例において、フレーム部材３７と両プレートとを接着する場合の「高温下」とは、常温よりも高い温度下である。

本発明の実施例としてのセパレータ３０を用いた燃料電池１００の概略構成を表わす断面図である。 ＭＥＡ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。 燃料電池１００に用いられる本実施例のセパレータ３０の概略構成を表わす断面図である。 フレーム部材３７および冷却媒体流路形成部材３５の平面形状を示す説明図である。 カソード側プレート３１の平面形状を示す説明図である。 アノード側プレート３２の平面形状を示す説明図である。

符号の説明

１０...単セル
１４，１５...第２ガス拡散層
１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６，２８...第１ガス拡散層
３０...セパレータ
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３５...冷却媒体流路形成部材
３７...フレーム部材
３７ａ...ラミネート樹脂層
３７ｂ...熱膨張抑制層

Claims (8)

1. 燃料電池に用いられるセパレータであって、
   一面が、カソード側のカソードガス流路を形成し、導電性のカソード側プレートと、
   一面が、アノード側のアノードガス流路を形成し、導電性のアノード側プレートと、
   熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの熱膨張率より高い部材であって、前記カソード側プレートの前記一面の反対面と前記アノード側プレートの前記一面の反対面との間に挟み込まれた状態で、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートと高温下で接着され、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路を形成する中間部材と、
   前記冷却媒体流路中に設けられ、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートと接触し、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートを通電させるための導電性部材と、
   を備え、
   前記中間部材には、
   熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材が設けられていることを特徴とするセパレータ。
2. 請求項１に記載のセパレータにおいて、
   前記中間部材は、熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材を少なくとも含む熱膨張抑制層を前記アノード側プレートと前記カソード側プレートと略平行に備えることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載のセパレータにおいて、
   前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートは、共に同様の部材から構成されることを特徴とするセパレータ。
4. 請求項１ないし請求項３に記載のセパレータにおいて、
   前記カソード側プレート、前記アノード側プレート、および、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下である部材は、共に同様の部材から構成されることを特徴とするセパレータ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセパレータにおいて、
   前記中間部材は、所定の樹脂から形成されることを特徴とするセパレータ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセパレータにおいて、
   前記中間部材と、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートとを接着する場合には、ラミネート接着で接着することを特徴とするセパレータ。
7. 燃料電池であって、
   請求項１ないし請求項６のいずれかのセパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
8. 燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、
   一面が、第１の電極側の反応ガス流路を形成し、導電性のカソード側プレートを用意する工程と、
   一面が、第２の電極側の反応ガス流路を形成し、導電性のアノード側プレートを用意する工程と、
   熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートより高い部材であって、さらに、熱膨張率が、前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートの前記熱膨張率以下の部材を少なくとも含むフレーム部材を用意する工程と、
   前記カソード側プレートと前記アノード側プレートとを通電させるための導電性部材を用意する工程と、
   前記導電性部材を前記フレーム部材の内枠に配置する工程と、
   前記導電性部材が内枠に配置された前記フレーム部材を前記カソード側プレートと前記アノード側プレートとで挟み込み、前記導電性部材と前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートとを接触させた状態で、前記フレーム部材と前記カソード側プレートおよび前記アノード側プレートとを高温下で接着し、前記カソード側プレートと前記アノード側プレートの間であって、前記フレーム部材の内枠に前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却流路を形成する工程と、
   を備えることを特徴とするセパレータの製造方法。

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