JP2011146345A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池におけるシール性の低下や反応ガスの配流性の低下を抑制できるセパレータを提供する。
【解決手段】セパレータ２０は、アノードプレート２０Ａｎと、カソードプレート２０Ｃａと、中間樹脂層２０Ｉｎとを有する。中間樹脂層２０Ｉｎには、反応ガスのための複数の流路が並列に配列された並列流路が設けられている。中間樹脂層２０Ｉｎは、並列流路の外側の周縁樹脂部２７を構成する融点の低い第１の樹脂部材と、並列流路壁部材２５を構成する融点の高い第２の樹脂部材とを有している。
【選択図】図７

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池スタックでは、複数の膜電極接合体のそれぞれの間にセパレータと呼ばれる板状部材が介装される。セパレータとしては、その内部に反応ガスのためのガス流路や、冷媒のための冷媒流路が設けられた多層構造を有するものが提案されている（下記特許文献１等）。ここで、一般に、燃料電池スタックでは、各膜電極接合体の外周縁にシール部材を設け、当該シール部材と各セパレータの板面との間にシールラインを形成することにより、反応ガスが外部へと漏洩してしまうことを抑制する。そのため、燃料電池スタックにおけるシール性の低下を抑制するためにも、セパレータの内部に設けられるガス流路は、そのガス流路が形成された部位におけるセパレータの板面の変形が抑制されるように形成されることが望ましい。さらに、セパレータ内部のガス流路は、燃料電池スタックに組み付けられたときに、各膜電極接合体への反応ガスの供給量が不均一となること（配流性の低下）を抑制するためにも、精度良く形成されていることが望ましい。

特開２００８−２９３８９６号公報 特開２００８−００４４９４号公報 特開２０００−１８２６３９号公報

本発明は、燃料電池におけるシール性の低下や反応ガスの配流性の低下を抑制できるセパレータを提供することを目的とする。

本発明は、上述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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体の間に介装される燃料電池用セパレータであって、前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードプレートと、前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとに狭持される中間樹脂層と、を備え、前記膜電極接合体の外周には、前記アノードプレートと前記カソードプレートとによって狭持されたときにシールラインを形成する外周シール部が設けられており、前記アノードプレートおよび前記カソードプレートにはそれぞれ、前記膜電極接合体のアノード側およびカソード側のそれぞれの発電部に連通する連通孔が設けられ、前記中間樹脂層には、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートに設けられた前記連通孔と接続するとともに、前記シールラインを横断する方向に沿って設けられたガス流路として、複数の流路が並列に配列された並列ガス流路が形成されており、前記中間樹脂層は、前記並列ガス流路の外側において、少なくとも前記アノードプレートまたは前記カソードプレートと接触する面に配置され、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートと熱圧着された融点が低い第１の樹脂部材と、前記並列ガス流路の櫛歯状の流路壁を構成する融点が高い第２の樹脂部材とを有する、燃料電池用セパレータ。
この燃料電池用セパレータであれば、第１の樹脂部材をアノードプレートまたはカソードプレートとの接着層として機能させることができるため、セパレータ外部への流体の漏洩を抑制すことができる。また、第２の樹脂部材をシールラインからのシール圧を受け止めるための支持部材として機能させることができるため、並列ガス流路が形成された部位におけるセパレータの変形が抑制され、シールラインにおけるシール性の低下が抑制される。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用セパレータ、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燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの構成を示す概略図。 シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。 アノードプレートの構成を示す概略図。 カソードプレートの構成を示す概略図。 中間樹脂層の構成を示す概略図。 第１実施例における中間樹脂層の製造工程を示す模式図。 第１実施例における加熱プレス工程を説明するための模式図。 比較例としてのセパレータの構成を示す概略図。 第２実施例における中間樹脂層の製造工程を示す模式図。 第２実施例における加熱プレス工程を示す模式図。 第３実施例におけるセパレータの製造工程を示す模式図。 第３実施例におけるセパレータの製造工程を示す模式図。 第３実施例におけるセパレータの製造工程を示す模式図。

A．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例として燃料電池スタックの構成を示す概略図である。この燃料電池スタック１００は、反応ガスの供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。具体的には、燃料ガスとして水素が供給され、酸化ガスとして酸素を含有する高圧空気が供給される。なお、燃料電池スタック１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池であるものとしても良い。燃料電池スタック１００は、複数のシール一体型膜電極接合体１０（後述）が、セパレータ２０によって狭持された積層構造を有している。

図２（Ａ），（Ｂ）はシール一体型膜電極接合体１０の構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側の面を示す概略図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における切断面を示す概略断面図である。このシール一体型膜電極接合体１０は、燃料電池反応が行われる発電部１１と、その外周縁に設けられたシールガスケット１２とを有する。

発電部１１には、膜電極接合体１５が含まれる（図２（Ｂ））。膜電極接合体１５は、電解質膜１３の両面にそれぞれアノード電極１４ａとカソード電極１４ｃとが配置された発電体である。電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。アノード電極１４ａ及びカソード電極１４ｃはそれぞれ、ガス拡散性を有する多孔質な電極であり、例えば、カーボンペーパーによって構成することができる。アノード電極１４ａ及びカソード電極１４ｃにはそれぞれ、燃料電池反応を促進させるための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されている。

なお、本明細書では、各電極１４ａ、１４ｃの電解質膜１３と接しない側の外表面を「電極面」と呼ぶ。シール一体型膜電極接合体１０の２つの電極面にはそれぞれ、反応ガスが拡散するための流路となるガス拡散部材６０が配置される。ガス拡散部材６０は、カーボンや、焼結金属などの導電性を有する多孔体や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した部材によって構成することができる。

シールガスケット１２は、膜電極接合体１５の外周端を被覆するように射出成形によって形成された樹脂部材である。シールガスケット１２には、水素、空気、冷媒などの流体のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている（図２（Ａ））。具体的には、水素供給用マニホールドＭ１および冷媒供給用マニホールドＭ５と、水素排出用マニホールドＭ２および冷媒排出用マニホールドＭ６とがそれぞれ、発電部１１の互いに対向し合う２辺に沿って形成されている。なお、水素のためのマニホールドＭ１，Ｍ２はそれぞれ、発電部１１を挟んで互いに対角する位置に形成されている。また、発電部１１の残りの２辺のそれぞれに沿って、酸素供給用マニホールドＭ３と、酸素排出用マニホールドＭ４とが、互いに対向し合うように形成されている。なお、マニホールドＭ１〜Ｍ６は、他の構成・配置であっても良い。

ここで、シールガスケット１２の外表面には、突起部１６が設けられている（図２（Ｂ））。突起部１６は、各マニホールドＭ１〜Ｍ６の外周と発電部１１の外周とをそれぞれ囲むシールラインＳＬ（図２（Ａ）において一点鎖線で図示）を形成するように設けられている。即ち、燃料電池スタック１００では、この突起部１６が、セパレータ２０の板面に一様に押圧されることによって、各マニホールドＭ１〜Ｍ６および発電部１１からの流体の漏洩を防止する。なお、発電部１１の外周を囲むシールラインＳＬによって形成されるシール領域を、本明細書では、「反応ガス供給領域ＧＡ」と呼ぶ。

セパレータ２０（図１）は、アノードプレート２０Ａｎとカソードプレート２０Ｃａとそれらに挟持される中間樹脂層２０Ｉｎとを備える３層式セパレータである。アノードプレート２０Ａｎおよびカソードプレート２０Ｃａは、導電性を有する板状部材によって構成される。中間樹脂層２０Ｉｎは、流体のための流路を形成するためにアノードプレート２０Ａｎとカソードプレート２０Ｃａとの間に形成される樹脂部材を有する中間層である。これらの２枚のプレート２０Ａｎ，２０Ｃａと、中間樹脂層２０Ｉｎの具体的な構成を以下に説明する。

図３は、アノードプレート２０Ａｎの構成を示す概略図である。図３には、アノードプレート２０Ａｎのシール一体型膜電極接合体１０のアノード電極１４ａと接触する面とは反対側の面を示してある。また、図３には、シール一体型膜電極接合体１０の反応ガス供給領域ＧＡと重なる領域を一点鎖線で図示してある。アノードプレート２０Ａｎには、シール一体型膜電極接合体１０と同様に、各マニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。また、反応ガス供給領域ＧＡ内には、酸素用のマニホールドＭ３，Ｍ４に並行に伸びる長辺形の貫通孔である水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２が設けられている。水素流入孔Ｐ１は、発電部１１への水素の供給孔として機能し、水素流出孔Ｐ２は、発電部１１からの排ガスの排出孔として機能する。

図４は、カソードプレート２０Ｃａの構成を示す概略図である。図４には、カソードプレート２０Ｃａのシール一体型膜電極接合体１０のカソード電極１４ｃと接触する側の面を図示してある。図４は、水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２に換えて、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４はそれぞれ、反応ガス供給領域ＧＡ内に酸素供給用マニホールドＭ３及び酸素排出用マニホールドＭ４と並列に設けられた貫通孔である。なお、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４はそれぞれ、セパレータ２０を積層方向に沿って見たときに、アノードプレート２０Ａｎの水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２より外側に位置するように設けられている。酸素流入孔Ｐ３は、発電部１１への空気の供給孔として機能し、酸素流出孔Ｐ４は、発電部１１からのカソード排ガスの排出孔として機能する。

図５は、中間樹脂層２０Ｉｎの構成を示す概略図である。図５には、中間樹脂層２０Ｉｎのカソードプレート２０Ｃａと接触する側の面が図示してある。なお、図５には、図４と同様に、反応ガス供給領域ＧＡと重なる領域が一点鎖線によって図示されている。また、図５には、アノードプレート２０Ａｎの水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２と重なる領域と、カソードプレート２０Ｃａの酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４と重なる領域とを破線で示してある。さらに、図５には、２つのプレート２０Ａｎ、２０Ｃａに設けられている冷媒用マニホールドＭ５、Ｍ６と重なる領域を破線で示してある。

中間樹脂層２０Ｉｎには、他のプレート２０Ａｎ、２０Ｃａと同様に水素用のマニホールドＭ１，Ｍ２と、酸素用のマニホールドＭ３，Ｍ４とが貫通孔として設けられている。また、中間樹脂層２０Ｉｎには、２つのアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２が貫通して設けられている。第１のアノード流路ＡＰ１は、水素供給用マニホールドＭ１と連通しており、水素流入孔Ｐ１とほぼ重なるように設けられている。第２のアノード流路ＡＰ２は、水素排出用マニホールドＭ２と連通しており、水素流出孔Ｐ２とほぼ重なるように設けられている。

即ち、燃料電池スタック１００では、水素供給用マニホールドＭ１から供給された水素は、第１のアノード流路ＡＰ１およびアノードプレート２０Ａｎの水素流入孔Ｐ１を介してシール一体型膜電極接合体１０のアノード側の発電部１１に供給される。また、発電部１１において、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、アノードプレート２０Ａｎの水素流出孔Ｐ２および中間樹脂層２０Ｉｎの第２のアノード流路ＡＰ２を介して水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。

中間樹脂層２０Ｉｎには、酸素用のマニホールドＭ３，Ｍ４のそれぞれに接続する複数の並列な櫛歯状流路を構成する２組のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２が設けられている。第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２はそれぞれ、流路壁を構成する複数の流路壁部材２５を有している。各流路壁部材２５は、略等間隔で並列に配置されており、それらの一端は酸素供給用マニホールドＭ３または酸素排出用マニホールドＭ４まで伸びており、他端が酸素流入孔Ｐ３または酸素流出孔Ｐ４まで伸びている。

ここで、図５では、これらの流路壁部材２５（以後、「並列流路壁部材２５」とも呼ぶ）に、その周縁の樹脂で形成された部位と異なるハッチングが付してある。これは、並列流路壁部材２５と、それ以外の樹脂で形成された部位とが、融点の異なる樹脂部材によって構成されているためである。これらの中間樹脂層２０Ｉｎを構成する樹脂部材およびその融点については後述する。

このように、セパレータ２０の中間樹脂層２０Ｉｎに、第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２が設けられることにより、燃料電池スタック１００では、以下のように酸素が流れる。即ち、酸素供給用マニホールドＭ３から供給された酸素は、第１のカソード流路列ＣＰ１およびカソードプレート２０Ｃａの酸素流入孔Ｐ３を介してシール一体型膜電極接合体１０のカソード側の発電部１１に供給される。また、発電部１１において、反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスは、カソードプレート２０Ｃａの酸素流出孔Ｐ４および中間樹脂層２０Ｉｎの第２のカソード流路列ＣＰ２を介して酸素排出用マニホールドＭ４へと排出される。

ここで、第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２は、発電部１１の全幅に渡って形成されている。そのため、これら第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２によって発電部１１の全体に酸素が供給されるため、燃料電池スタック１００における酸素の配流性が向上する。また、燃料電池スタック１００を組み付けたときに、燃料電池スタック１００は、その積層方向に締結力が付与され、セパレータ２０は、隣接するシール一体型膜電極接合体１０の突起部１６（図２（Ｂ））から押圧力を受けることとなる。このとき、第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２の各並列流路壁部材２５は、その押圧力（シール圧）を受け止め、セパレータ２０の変形を抑制するための支持部材として機能する。即ち、各並列流路壁部材２５によって、セパレータ２０の変形が抑制され、第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２が設けられた部位におけるシール性の低下が抑制される。

中間樹脂層２０Ｉｎには、２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａの冷媒用のマニホールドＭ５，Ｍ６同士が連結されるように形成された冷媒用貫通領域ＷＡが設けられている。冷媒用貫通領域ＷＡには、導電性部材によって構成された複数の長方形の冷媒流路壁部材２６が並列に配置されている。これによって、冷媒用貫通領域ＷＡには、複数の並列な冷媒用の流路が形成される。なお、冷媒流路壁部材２６は、セパレータ２０を構成したときに、２つのプレート２０Ａｎ、２０Ｃａのそれぞれの板面と接触することによって、シール一体型膜電極接合体１０において発電された電気の導電パスとして機能する。

図６は、セパレータ２０の製造工程のうち、中間樹脂層２０Ｉｎの形成工程を説明するための概略図である。図６（Ａ）は、第１工程として複数の並列流路壁部材２５の形成工程を説明するための概略図である。この工程では、予め準備されたアノードプレート２０Ａｎの一方の面に、並列流路壁部材２５を射出成形によって形成する。図６（Ｂ）は、第２工程として並列流路壁部材２５以外の樹脂部位の形成工程を説明するための概略図である。この工程では、並列流路壁部材２５が形成されたアノードプレート２０Ａｎに対して、さらに、中間樹脂層２０Ｉｎの他の樹脂部位（以後、「周縁樹脂部２７」と呼ぶ）を射出成形によって形成する。なお、周縁樹脂部２７は、並列流路壁部材２５より厚みを大きく形成されるが、この理由は後述する。

ここで、前記したとおり、並列流路壁部材２５と周縁樹脂部２７とはそれぞれ、異なる融点を有する樹脂部材によって構成される。具体的には、並列流路壁部材２５は、周縁樹脂部２７を構成する樹脂部材の融点より高い融点を有する樹脂部材によって構成される。以後、本明細書においては、中間樹脂層２０Ｉｎを構成する樹脂部材のうち、比較的高い融点を有する樹脂部材を「高融点樹脂部材」と呼び、比較的低い融点を有する樹脂部材を「低融点樹脂部材」と呼ぶ。

なお、高融点樹脂部材は、低融点樹脂部材の融点以下の温度では軟化しにくい樹脂部材であることが好ましい。これによって、周縁樹脂部２７の形成工程や、後述する加熱プレス工程において、並列流路壁部材２５が軟化して、変形してしまうことが抑制される。また、低融点樹脂部材は、燃料電池スタック１００の最大運転温度（例えば１００℃）では軟化しない樹脂部材であることが好ましい。これによって、燃料電池スタック１００の運転中に中間樹脂層２０Ｉｎが劣化してしまうことが抑制される。

図６（Ｃ）は、第３工程として、冷媒流路壁部材２６の配置工程を示す概略図である。この工程では、並列流路壁部材２５と周縁樹脂部２７とが形成されたアノードプレート２０Ａｎの冷媒用貫通領域ＷＡ内に、複数の冷媒流路壁部材２６が並列に配置されるとともに接合される。この工程の後、中間樹脂層２０Ｉｎの上にカソードプレート２０Ｃａが配置され、加熱プレスにより接合されて、セパレータ２０が構成される。

図７（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２０の製造工程のうちの加熱プレス工程を説明するための模式図である。図７（Ａ），（Ｂ）には、図６（Ｃ）に示す７−７切断における中間樹脂層２０Ｉｎが形成されたアノードプレート２０Ａｎと、カソードプレート２０Ｃａとが図示されている。なお、図７（Ａ）は、加熱プレス前の状態を模式的に示しており、図７（Ｂ）は、加熱プレス後の状態を模式的に示している。

ここで、前記したとおり、中間樹脂層２０Ｉｎの周縁樹脂部２７は、並列流路壁部材２５より、その厚みが大きく形成されている（図７（Ａ））。そこで、この加熱プレス工程では、低融点樹脂部材の融点より高く、高融点樹脂部材の融点より低い温度まで加熱し、周縁樹脂部２７を軟化させた状態で、カソードプレート２０Ｃａが、各並列流路壁部材２５と接触するまでプレスする（図７（Ｂ））。この工程によって、カソードプレート２０Ｃａと周縁樹脂部２７とが圧着され、セパレータ２０が構成される。

図８（Ａ），（Ｂ）は、本発明の比較例としてのセパレータ２０ａの構成を示す概略図である。図８（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、図７（Ｂ）のセパレータ２０と同様な部位におけるセパレータ２０ａの概略断面図が図示されている。比較例のセパレータ２０ａは、中間樹脂層２０Ｉｎの並列流路壁部材２５ａが周縁樹脂部２７と同じ融点を有する樹脂部材で構成されている点以外は、本実施例のセパレータ２０とほぼ同様の構成である。また、比較例のセパレータ２０ａは、その製造工程が本実施例のセパレータ２０の製造工程とは以下の点で異なる。即ち、比較例のセパレータ２０ａは、２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａと、中間樹脂層２０Ｉｎとをそれぞれ別途準備し、２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａによって中間樹脂層２０Ｉｎを狭持して加熱プレスにより接合して形成される。

比較例のセパレータ２０ａの製造工程では、加熱プレスがなされるまでは、中間樹脂層２０Ｉｎの並列流路壁部材２５ａの配置位置が不安定な状態のままである。そのため、比較例のセパレータ２０ａでは、各並列流路壁部材２５ａの配置間隔が不均一となる可能性が高い（図８（Ａ））。各並列流路壁部材２５ａの配置間隔が不均一となると、シール一体型膜電極接合体１０の発電部１１における酸素の配流性が低下する。また、並列流路壁部材２５ａ同士の間隔が比較的広くなってしまっている部位において、シールガスケット１２の突起部１６からの押圧力によってセパレータ２０が変形し、燃料電池スタック１００における流体のシール性が低下する可能性がある。

さらに、比較例のセパレータ２０ａでは、各並列流路壁部材２５ａと周縁樹脂部２７とが同じ融点の樹脂部材によって構成されているため、加熱プレス工程においては、周縁樹脂部２７とともに各並列流路壁部材２５ａも軟化する。従って、加熱プレス工程におけるプレス圧が過大となった場合には、並列流路壁部材２５ａの変形により、各並列流路壁部材２５ａ同士の間隔が設計値よりも狭小化してしまい、酸素の流れが阻害されてしまう可能性がある（図８（Ｂ））。

しかし、本実施例におけるセパレータ２０であれば、各並列流路壁部材２５をアノードプレート２０Ａｎの所定の位置に固定的に形成した上で、加熱プレス工程を実行する。そのため、比較例のセパレータ２０ａよりも、並列流路壁部材２５同士の間隔が不均一となることが抑制される。また、本実施例のセパレータ２０であれば、加熱プレス工程において、各並列流路壁部材２５を構成する高融点樹脂部材の融点より低い温度で加熱される。そのため、加熱プレス工程において、各流路壁部材２５が軟化により変形してしまうことが抑制される。また、本実施例のセパレータ２０では、融点の低い周縁樹脂部２７が２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａのそれぞれに熱圧着されているため、中間樹脂層２０Ｉｎからの流体の漏洩が抑制される。即ち、本実施例のセパレータ２０であれば、燃料電池スタック１００における反応ガスの配流性やシール性の低下を抑制することができる。

B．第２実施例：
図９（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第２実施例としてのセパレータ２０Ａの製造工程のうちの中間樹脂層２０ＩｎＡの製造工程を示す模式図である。図９（Ａ），（Ｂ）は、第１工程における高融点樹脂部材の射出成形工程を示す模式図である。図９（Ａ）は、並列流路壁部材２５に加えて、周縁樹脂部２７の形成部位に高融点樹脂部材が射出成形されている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるアノードプレート２０Ａｎと並列流路壁部材２５と周縁樹脂部下層２７ｌの断面を示す概略断面図である。この工程では、高融点樹脂部材によって、並列流路壁部材２５とともに、周縁樹脂部下層２７ｌが形成される。この周縁樹脂部下層２７ｌは、高融点樹脂部材によって、並列流路壁部材２５よりも厚みが小さく形成されている点以外は、第１実施例で説明した周縁樹脂部２７と同様の構成である。

図９（Ｃ），（Ｄ）は、第２工程としての周縁樹脂部上層２７ｕの形成工程を示す模式図である。図９（Ｃ）は、図６（Ｂ）とほぼ同じである。図９（Ｄ）は、図９（Ｃ）に示すＤ−Ｄ切断におけるアノードプレート２０Ａｎおよびアノードプレート２０Ａｎに形成された各樹脂部材２５，２７Ａの断面を示す概略断面図である。この工程では、低融点樹脂部材によって、第１工程で形成された周縁樹脂部下層２７ｌに重ねて周縁樹脂部上層２７ｕが射出成形される。このように、第２実施例における中間樹脂層２０ＩｎＡの周縁樹脂部２７Ａは、高融点樹脂部材の周縁樹脂部下層２７ｌと、低融点樹脂部材の周縁樹脂部上層２７ｕとで多層的に構成される。周縁樹脂部２７Ａは、その厚みが、並列流路壁部材２５の厚みより大きくなるように構成されている。なお、この工程の後、周縁樹脂部２７Ａの冷媒用貫通領域ＷＡには、第１実施例と同様に、複数の冷媒流路壁部材２６が並列に配置され（図６（Ｃ））、中間樹脂層２０ＩｎＡが構成される。

図１０は、第２実施例のセパレータ２０Ａの製造工程のうちの加熱プレス工程を示す模式図である。図１０は、周縁樹脂部２７に換えて周縁樹脂部２７Ａが設けられている点以外は、図７とほぼ同じである。この加熱プレス工程では、第１実施例と同様に、低融点樹脂部材が軟化するとともに、高融点樹脂部材が軟化しない温度で加熱され、周縁樹脂部上層２７ｕを接着層として機能させる。一般に、加熱プレス工程では、比較的融点の低い樹脂部材ほど熱収縮の誤差が生じやすい傾向にある。従って、第２実施例のセパレータ２０Ａのように、低融点樹脂部材によって構成される部位を低減することによって、加熱プレス工程における製造誤差の発生を低減させることができる。このように、第２実施例のセパレータ２０Ａによれば、製造誤差によって、燃料電池スタック１００における反応ガスの配流性やシール性が低下してしまうことを抑制できる。

C．第３実施例：
図１１〜図１３は、本発明の第３実施例としてのセパレータ２０Ｂの製造工程を説明するための模式図である。なお、第３実施例のセパレータ２０Ｂは、中間樹脂層２０ＩｎＢに用いられる並列流路壁部材２５Ｂの形状が異なる点以外は、第１実施例のセパレータ２０とほぼ同じ形状を有している。図１１は、第１工程としての並列流路壁部材２５Ｂの準備工程を示している。図１１（Ａ）は、セパレータ２０Ｂの板面に垂直な方向と一致する方向に沿って見たときの並列流路壁部材２５Ｂを示している。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＢ−Ｂ切断における並列流路壁部材２５Ｂの概略断面図を示している。

並列流路壁部材２５Ｂは、セパレータ２０Ｂを構成したときの酸素の流れ方向へと伸びる複数の並列な流路壁部２８と、各流路壁部２８の側面を連結する板状の連結板部２９とを有する。また、並列流路壁部材２５Ｂは、最も外側の流路壁部２８の両外側の側面から、さらに外側に向かって突出して形成された両端連結板部２９ｅを有している。なお、各流路壁部２８は略等間隔で平行に配列され、連結板部２９および両端連結板部２９ｅは、燃料電池スタック１００を構成したときに、酸素の流れが阻害されないように厚みを薄く形成されていることが好ましい。並列流路壁部材２５Ｂは、高融点樹脂部材の射出成形によって、酸素供給側用と酸素排出側用の２つが形成される。

図１２は、第２工程として周縁樹脂部２７Ｂの形成工程を説明するための模式図である。図１２（Ａ）は、（Ａ）と同様な方向から周縁樹脂部２７Ｂおよび流路壁部材２５Ｂを見たときの概略図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における周縁樹脂部２７Ｂおよび流路壁部材２５Ｂの概略断面図である。この工程では、２つの流路壁部材２５Ｂを金型内に配置して、低融点部材による射出成形を行い、周縁樹脂部２７Ｂを形成する。具体的には、周縁樹脂部２７Ｂは、その厚み方向の中央に、並列流路壁部材２５Ｂの両端連結板部２９ｅの一部を包含するとともに、その厚みが、並列流路壁部材２５Ｂの流路壁部２８の厚みより大きくなるように形成される。このように、第３実施例の中間樹脂層２０ＩｎＢは、並列流路壁部材２５Ｂが周縁樹脂部２７Ｂに一体的に保持された構成として形成される。

図１３は、第３工程としての加熱プレス工程を示す模式図である。図１３（Ａ），（Ｂ）には、図１２（Ｂ）と同様な切断部位における２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａと、周縁樹脂部２７Ｂおよび流路壁部材２５Ｂの概略断面図が図示されている。この工程では、周縁樹脂部２７Ｂおよび流路壁部材２５Ｂが、別途準備されたアノードプレート２０Ａｎおよびカソードプレート２０Ｃａによって狭持される（図１３（Ａ））。そして、加熱プレスにより、２つのプレート２０Ａｎ，２０Ｃａと、周縁樹脂部２７Ｂが熱圧着され（図１３（Ｂ））、第３実施例のセパレータ２０Ｂが形成される。なお、この加熱プレス加工に先だって、アノードプレート２０Ａｎまたはカソードプレート２０Ｃａには、周縁樹脂部２７Ｂの冷媒用貫通領域ＷＡ内に並列に配列された状態で収容されるように、複数の冷媒流路壁部材２６が接合されている（図示は省略）。

このように、第４実施例のセパレータ２０Ｂであれば、並列流路壁部材２５Ｂの各流路壁部２８が一体的に連結された状態で形成されるとともに、並列流路壁部材２５Ｂが周縁樹脂部２７Ｂに一体的に保持されている。また、並列流路壁部材２５Ｂが高融点樹脂部材で構成され、周縁樹脂部２７Ｂが低融点樹脂部材で構成されている。そのため、製造誤差により、第１と第２のカソード流路列ＣＰ１，ＣＰ２における各流路の幅が不均一となってしまうことが抑制される。

１０…シール一体型膜電極接合体
１１…発電部
１２…シールガスケット
１３…電解質膜
１４ａ…アノード電極
１４ｃ…カソード電極
１５…膜電極接合体
１６…突起部
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０ａ…セパレータ
２０Ａｎ…アノードプレート
２０Ｃａ…カソードプレート
２０Ｉｎ，２０ＩｎＡ，２０ＩｎＢ…中間樹脂層
２５，２５Ｂ，２５ａ…並列流路壁部材
２６…冷媒流路壁部材
２７，２７Ａ，２７Ｂ…周縁樹脂部
２７ｌ…周縁樹脂部下層
２７ｕ…周縁樹脂部上層
２８…流路壁部
２９…連結板部
２９ｅ…端連結板部
６０…ガス拡散部材
１００…燃料電池スタック
ＡＰ１…第１のアノード流路
ＡＰ２…第２のアノード流路
ＣＰ１…第１のカソード流路列
ＣＰ２…第２のカソード流路列
ＧＡ…反応ガス供給領域
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…酸素供給用マニホールド
Ｍ４…酸素排出用マニホールド
Ｍ５…冷媒供給用マニホールド
Ｍ６…冷媒排出用マニホールド
Ｐ１…水素流入孔
Ｐ２…水素流出孔
Ｐ３…酸素流入孔
Ｐ４…酸素流出孔
ＳＬ…シールライン
ＷＡ…冷媒用貫通領域

Claims (1)

1. 燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体の間に介装される燃料電池用セパレータであって、
   前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードプレートと、
   前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードプレートと、
   前記アノードプレートと前記カソードプレートとに狭持される中間樹脂層と、
   を備え、
   前記膜電極接合体の外周には、前記アノードプレートと前記カソードプレートとによって狭持されたときにシールラインを形成する外周シール部が設けられており、
   前記アノードプレートおよび前記カソードプレートにはそれぞれ、前記膜電極接合体のアノード側およびカソード側のそれぞれの発電部に連通する連通孔が設けられ、
   前記中間樹脂層には、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートに設けられた前記連通孔と接続するとともに、前記シールラインを横断する方向に沿って設けられたガス流路として、複数の流路が並列に配列された並列ガス流路が形成されており、
   前記中間樹脂層は、前記並列ガス流路の外側において、少なくとも前記アノードプレートまたは前記カソードプレートと接触する面に配置され、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートと熱圧着された融点が低い第１の樹脂部材と、前記並列ガス流路の櫛歯状の流路壁を構成する融点が高い第２の樹脂部材とを有する、燃料電池用セパレータ。

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