JP2014078378A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属プレートの外周端部に樹脂製枠部材を良好且つ確実に成形することができ、歩留まりの向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する第２金属セパレータ１４は、第２金属プレート６８と第２樹脂製枠部材７４とを備える。第２樹脂製枠部材７４は、第２金属プレート６８の外周端部に一体化される中間層シート７４ａを有する。第２金属プレート６８の一方の面には、第１外層シート７４ｂが一体化されるとともに、前記第２金属プレート６８の他方の面には、第２外層シート７４ｃが一体化される。第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃ間に中間層シート７４ａが積層されて一体に固着される。
【選択図】図３

Description

本発明は、カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される電解質・電極構造体と積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

セパレータとしては、例えば、カーボンセパレータや金属セパレータが採用されている。この種のセパレータでは、高価なカーボンや金属部材の使用量を削減させることが望まれている。このため、特許文献１に開示されている高分子電解質型燃料電池が知られている。

この高分子電解質型燃料電池は、図８に示すように、セパレータ１を備えている。セパレータ１は、中央部を構成する導電体２と、前記導電体２の周縁部に一体成形される樹脂枠体３とから構成されている。導電体２には、溝部により反応ガス流路４が形成されるとともに、前記導電体２の周縁部には、薄肉部５が外方に突出して設けられている。

樹脂枠体３には、マニホールド（燃料ガス、酸化剤ガス、又は冷却媒体）６が貫通形成されている。樹脂枠体３は、薄肉部５を被覆するように、導電体２の周縁部に一体成形されている。

特開２００６−１７２７５２号公報

ところで、上記のセパレータ１では、導電体２をインサートして樹脂枠体３を成形する際に、特に、前記導電体２の薄肉部５の両側と金型のキャビティ成形面とのクリアランスが、相当に狭小なスペースになっている。このため、キャビティ内における樹脂の円滑な流れが遂行されず、樹脂が確実に充填されないおそれがある。従って、樹脂枠体３では、導電体２の薄肉部５の両側に対応して成形される薄肉部分７ａ、７ｂに、成形不良が発生し易く、歩留まりが低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、金属プレートの外周端部に樹脂製枠部材を良好且つ確実に成形することができ、歩留まりの向上を図ることが可能な燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される電解質・電極構造体と積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関するものである。

この燃料電池用セパレータでは、少なくとも一方の面側に反応ガスを面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される金属プレートと、前記反応ガス流路の外周を周回して前記金属プレートに一体化される樹脂製枠部材と、を備えている。

樹脂製枠部材は、金属プレートと同一の厚さを有し、前記金属プレートの外周端部に一体化される中間層シートと、前記金属プレートの一方の面に一体化され、且つ、前記金属プレートの一方の外周縁部に重なり部を有する第１外層シートと、前記金属プレートの他方の面に一体化され、且つ、前記金属プレートの他方の外周縁部に重なり部を有する第２外層シートと、を備えている。そして、樹脂製枠部材は、中間層シートを挟んで第１外層シート及び第２外層シートが積層された３層シート構造を有している。

また、この製造方法は、少なくとも一方の面側に反応ガスを面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される金属プレートを製造する工程と、前記金属プレートと同一の厚さを有する樹脂製中間層シートを、該金属プレートの外周端部に一体化する工程と、前記金属プレートの一方の面に、該金属プレートの一方の外周縁部に重なり部を有して樹脂製第１外層シートを一体化する工程と、前記金属プレートの他方の面に、該金属プレートの他方の外周縁部に重なり部を有して樹脂製第２外層シートを一体化する工程と、前記樹脂製中間層シートを挟んで前記樹脂製第１外層シート及び前記樹脂製第２外層シートを積層して一体化させることにより、３層シート構造を有する樹脂製枠部材を得る工程と、を有している。

本発明によれば、金属プレートの外周端部に一体化される中間層シート、前記金属プレートの一方の面に、一方の外周縁部に重なり部を有して一体化される第１外層シート、及び前記金属プレートの他方の面に、他方の外周縁部に重なり部を有して一体化される第２外層シートが、積層されて３層シート構造の樹脂製枠部材が構成されている。

このため、金属プレートをインサートして樹脂製枠部材を成形する際のように、樹脂の流動不良による成形不良が発生することがない。従って、金属プレートの外周端部に樹脂製枠部材を良好且つ確実に成形することができる。これにより、寸法精度が高く、しかも歩留まりのよい燃料電池用セパレータを製造することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の分解概略斜視図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータのカソード側の正面説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する樹脂製枠部材の中間層シートの製造方法の説明図である。 前記樹脂製枠部材の第１外層シートの製造方法の説明図である。 前記樹脂製枠部材の第２外層シートの製造方法の説明図である。 前記中間層シートを挟んで前記第１外層シート及び前記第２外層シートを積層して前記樹脂製枠部材を製造する説明図である。 特許文献１に開示されている高分子電解質型燃料電池を構成するセパレータの断面説明図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向、又は鉛直方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。

燃料電池１０は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータである第１金属セパレータ１２、第２金属セパレータ１４及び第３金属セパレータ１６を備える。第１金属セパレータ１２と第２金属セパレータ１４との間には、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１８ａが挟持される。第２金属セパレータ１４と第３金属セパレータ１６との間には、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１８ｂが挟持される。

燃料電池１０は、上記のように、３枚のセパレータと２枚のＭＥＡとにより構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、５枚のセパレータと４枚のＭＥＡにより構成してもよい。また、燃料電池１０は、１枚のＭＥＡを一対のセパレータ間に挟持して構成してもよい。

第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するアノード電極２２及びカソード電極２４とを備える。アノード電極２２は、カソード電極２４よりも小さな平面寸法（表面積）を有する段差ＭＥＡを構成しているが、寸法の大小関係は逆でもよく、又は、同一寸法であってもよい。なお、固体高分子電解質膜２０は、ＨＣ（炭化水素）系電解質膜を用いてもよい。

アノード電極２２及びカソード電極２４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２０の両面に形成される。

燃料電池１０の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３０ａが設けられる。燃料電池１０の短辺方向の両端縁部下方には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。

燃料電池１０の上端縁部には、幅方向中央側に積層方向に貫通して位置決め用孔部３１ａが形成される。燃料電池１０の下端縁部には、幅方向中央側に積層方向に貫通して位置決め用孔部３１ｂが形成される。

第１金属セパレータ１２の第１電解質膜・電極構造体１８ａに向かう面１２ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとを連通する第１燃料ガス流路３２が形成される。第１燃料ガス流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部を有する。

第１燃料ガス流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂが設けられる。なお、入口バッファ部３４ａ及び出口バッファ部３４ｂは、エンボスに代えて、複数本の流路溝により構成してもよい。また、以下に説明する他の入口バッファ部及び出口バッファ部においても、同様である。

入口バッファ部３４ａは、複数本の溝部からなる入口連結流路３６ａを介して燃料ガス入口連通孔２８ａに連通する。出口バッファ部３４ｂは、複数本の溝部からなる出口連結流路３６ｂを介して燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する。入口連結流路３６ａ及び出口連結流路３６ｂには、蓋体３８ａ、３８ｂが配設されてブリッジ部を構成する。

第１金属セパレータ１２の面１２ｂ（面１２ａとは反対の面）には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４０の一部が形成される。冷却媒体流路４０の入口近傍及び出口近傍には、必要に応じて入口バッファ部４２ａ及び出口バッファ部４２ｂが設けられる。

図２に示すように、第２金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１８ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路４４が形成される。第１酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部を有する。

第１酸化剤ガス流路４４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。入口バッファ部４６ａは、複数本の溝部からなる入口連結流路４８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔２６ａに連通する。出口バッファ部４６ｂは、複数本の溝部からなる出口連結流路４８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに連通する。

図１に示すように、第２金属セパレータ１４の第２電解質膜・電極構造体１８ｂに向かう面１４ｂには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとを連通する第２燃料ガス流路５０が形成される。第２燃料ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

入口バッファ部５２ａは、複数本の溝部からなる入口連結流路５４ａを介して燃料ガス入口連通孔２８ａに連通する。出口バッファ部５２ｂは、複数本の溝部からなる出口連結流路５４ｂを介して燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する。入口連結流路５４ａ及び出口連結流路５４ｂには、蓋体５６ａ、５６ｂが配設されてブリッジ部を構成する。

第３金属セパレータ１６の第２電解質膜・電極構造体１８ｂに向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５８が形成される。第２酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部を有する。

第２酸化剤ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂが設けられる。入口バッファ部６０ａは、複数本の溝部からなる入口連結流路６２ａを介して酸化剤ガス入口連通孔２６ａに連通する。出口バッファ部６０ｂは、複数本の溝部からなる出口連結流路６２ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに連通する。

第３金属セパレータ１６の面１６ｂには、第２酸化剤ガス流路５８の裏面形状である冷却媒体流路４０の一部が形成される。冷却媒体流路４０の入口近傍及び出口近傍には、必要に応じて入口バッファ部６４ａ及び出口バッファ部６４ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１２、第２金属セパレータ１４及び第３金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した第１金属プレート６６、第２金属プレート６８及び第３金属プレート７０により構成される。第１金属プレート６６、第２金属プレート６８及び第３金属プレート７０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

第１金属プレート６６は、一方の面に第１燃料ガス流路３２が形成されるとともに、他方の面に冷却媒体流路４０の一部が形成される。第２金属プレート６８は、一方の面に第１酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、他方の面に第２燃料ガス流路５０が形成される。第３金属プレート７０は、一方の面に第２酸化剤ガス流路５８が形成されるとともに、他方の面に冷却媒体流路４０の一部が形成される。

第１金属セパレータ１２は、第１金属プレート６６に第１樹脂製枠部材７２が一体化される。第２金属セパレータ１４は、第２金属プレート６８に第２樹脂製枠部材７４が一体化され、第３金属セパレータ１６は、第３金属プレート７０に第３樹脂製枠部材７６が一体化される。第１樹脂製枠部材７２、第２樹脂製枠部材７４及び第３樹脂製枠部材７６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）等により構成される。

第１樹脂製枠部材７２、第２樹脂製枠部材７４及び第３樹脂製枠部材７６は、３層シート構造を有する。図３に示すように、第２樹脂製枠部材７４は、第２金属プレート６８と同一の厚さを有し、前記第２金属プレート６８の外周端部に一体化される中間層シート７４ａを有する。

第２金属プレート６８の一方の面（アノード側の面１４ｂ）には、前記第２金属プレート６８の一方の外周縁部に重なり部７４ｂｏを有する第１外層シート７４ｂが一体化される。第２金属プレート６８の他方の面に（カソード側の面１４ａ）には、前記第２金属プレート６８の他方の外周縁部に重なり部７４ｃｏを有する第２外層シート７４ｃが一体化される。なお、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃは、例えば、Ｓｉ系（シリコーン系）エラストマー等のゴム状素材を使用してもよい。

第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃは、中間層シート７４ａを挟持して積層された状態で、一体的に固着されることにより、３層シート構造の第２樹脂製枠部材７４が構成される。第２樹脂製枠部材７４には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂが貫通形成される。

図１に示すように、第１外層シート７４ｂには、入口バッファ部５２ａ、出口バッファ部５２ｂ、入口連結流路５４ａ及び出口連結流路５４ｂが形成される。図２に示すように、第２外層シート７４ｃには、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、入口連結流路４８ａ及び出口連結流路４８ｂが形成される。なお、第１樹脂製枠部材７２及び第３樹脂製枠部材７６は、上記の第２樹脂製枠部材７４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

第１樹脂製枠部材７２、第２樹脂製枠部材７４及び第３樹脂製枠部材７６には、突起状の第１シール部材７８、第２シール部材８０及び第３シール部材８２が設けられる。第１シール部材７８、第２シール部材８０及び第３シール部材８２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

燃料電池１０同士が互いに積層されることにより、一方の燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１２と、他方の燃料電池１０を構成する第３金属セパレータ１６との間には、冷却媒体流路４０が形成される（図１参照）。

次いで、本実施形態に係る製造方法について、第２金属セパレータ１４を用いて以下に説明する。なお、第１金属セパレータ１２及び第３金属セパレータ１６の製造方法は、同様に行われるため、その説明は省略する。

先ず、図４中、（ａ）に示すように、長方形状の中間層シート７４ａが成形される。この中間層シート７４ａには、位置決め用孔部３１ａ、３１ｂがプレス等により形成される。次に、中間層シート７４ａには、図４中、（ｂ）に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂが貫通形成される。

中間層シート７４ａの中央部には、プレート挿入用開口部８４が形成されるとともに、必要に応じて外周部のトリミング加工が行われる。プレート挿入用開口部８４は、第２金属プレート６８の外形寸法と同一の開口寸法に設定される。

さらに、図４中、（ｃ）に示すように、中間層シート７４ａのプレート挿入用開口部８４には、第２金属プレート６８が挿入される。第２金属プレート６８には、予め両方の面に第１酸化剤ガス流路４４と第２燃料ガス流路５０とがプレス成形されている。第２金属プレート６８は、中間層シート７４ａに接着等により固定されてもよい。

一方、図５中、（ａ）に示すように、長方形状の第１外層シート７４ｂが成形される。この第１外層シート７４ｂには、位置決め用孔部３１ａ、３１ｂがプレス等により形成される。第１外層シート７４ｂには、図５中、（ｂ）に示すように、入口バッファ部５２ａ、出口バッファ部５２ｂ、入口連結流路５４ａ及び出口連結流路５４ｂが、例えば、ホットプレス等により形成される。なお、第１外層シート７４ｂが熱可塑性樹脂である場合には、ショットブラストやエッチング等により形成することも可能である。

次いで、図５中、（ｃ）に示すように、第１外層シート７４ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂが貫通形成される。第１外層シート７４ｂの中央部には、反応部用開口部８６が形成されるとともに、必要に応じて外周部のトリミング加工が行われる。反応部用開口部８６は、第２金属プレート６８の外形寸法より小さな開口寸法に、すなわち、第２燃料ガス流路５０側の外周縁部と重なり部７４ｂｏが設けられるように、設定される（図３参照）。

また、図６中、（ａ）に示すように、長方形状の第２外層シート７４ｃが成形される。この第２外層シート７４ｃには、位置決め用孔部３１ａ、３１ｂがプレス等により形成される。第２外層シート７４ｃには、図６中、（ｂ）に示すように、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、入口連結流路４８ａ及び出口連結流路４８ｂが、例えば、ホットプレス等により形成される。なお、第２外層シート７４ｃが熱可塑性樹脂である場合には、ショットブラストやエッチング等により形成することも可能である。

次いで、図６中、（ｃ）に示すように、第２外層シート７４ｃには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂが貫通形成される。第２外層シート７４ｃの中央部には、反応部用開口部８８が形成されるとともに、必要に応じて外周部のトリミング加工が行われる。反応部用開口部８８は、第２金属プレート６８の外形寸法より小さな開口寸法に、すなわち、第１酸化剤ガス流路４４側の外周縁部と重なり部７４ｃｏが設けられるように、設定される（図３参照）。

そこで、図７中、（ａ）に示すように、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃは、中間層シート７４ａを挟んで積層される。その際、第１外層シート７４ｂ、中間層シート７４ａ及び第２外層シート７４ｃは、それぞれに形成された位置決め用孔部３１ａ、３１ｂを用いて互いに位置決めされる。

図７中、（ｂ）に示すように、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃは、中間層シート７４ａを挟んで、Ｓｉ系接着剤やＦ系接着剤（例えば、フッ素化エポキシ及びフッ素化エポキシアクリレート樹脂をベースとした透明な紫外線硬化型の光学用接着剤、フッ素ゴム接着剤、フッ素樹脂接着剤等）等により接着されて一体化される。なお、接着方式としては、種々の熱溶着方式、超音波溶着、光硬化溶着等の方式を採用することができる。また、接着剤としては、第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂに損傷を与えることがなく、これらの使用温度領域の温度変化に耐え得るものが好適である。

上記のように、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃは、中間層シート７４ａを挟んで一体化されると、前記第１外層シート７４ｂ及び前記第２外層シート７４ｃに第２シール部材８０が成形される。例えば、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃには、ホットプレス時にシール溝を形成しており、前記シール溝に第２シール部材８０を設けてもよい。

また、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃ自体がエラストマーで構成される際には、それ自体で第２シール部材８０を構成してもよい。さらにまた、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃの表面に、第２シール部材８０としてエラストマーを接着してもよい。

このように製造される第２金属セパレータ１４は、同様に製造される第１金属セパレータ１２及び第３金属セパレータ１６と共に、第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂを挟持して燃料電池１０が組立てられる。複数の燃料電池１０が積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第２金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路４４及び第３金属セパレータ１６の第２酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、図２に示すように、第１酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１８ａのカソード電極２４に供給される。また、酸化剤ガスは、図１に示すように、第２酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１８ｂのカソード電極２４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第１金属セパレータ１２の第１燃料ガス流路３２及び第２金属セパレータ１４の第２燃料ガス流路５０に導入される。燃料ガスは、第１燃料ガス流路３２に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１８ａのアノード電極２２に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１８ｂのアノード電極２２に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂでは、カソード電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂの各カソード電極２４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂの各アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらにまた、左右一対の冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、一方の燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１２と、他方の燃料電池１０を構成する第３金属セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路４０に導入される。

各冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａから冷却媒体流路４０に供給される冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して第１電解質膜・電極構造体１８ａ及び第２電解質膜・電極構造体１８ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、例えば、第２金属セパレータ１４は、第２金属プレート６８と、前記第２金属プレート６８に一体化される第２樹脂製枠部材７４とを備えている。

そして、第２樹脂製枠部材７４は、図３に示すように、第２金属プレート６８と同一の厚さを有し、前記第２金属プレート６８の外周端部に一体化される中間層シート７４ａを有する。第２金属プレート６８の一方の面１４ｂには、一方の外周縁部に重なり部７４ｂｏを有して第１外層シート７４ｂが一体化されるとともに、前記第２金属プレート６８の他方の面１４ａには、他方の外周縁部に重なり部７４ｃｏを有して第２外層シート７４ｃが一体化されている。

さらに、第１外層シート７４ｂ及び第２外層シート７４ｃ間に中間層シート７４ａが積層されて固着されることにより、３層シート構造の第２樹脂製枠部材７４が構成されている。

このため、金属プレートをインサートして樹脂製枠部材を成形する際のように、樹脂の流動不良による成形不良が発生することがない。従って、第２金属プレート６８の外周端部に第２樹脂製枠部材７４を良好且つ確実に成形することができる。これにより、寸法精度が高く、しかも歩留まりのよい第２金属セパレータ１４を製造することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池 １２、１４、１６…金属セパレータ
１８ａ、１８ｂ…電解質膜・電極構造体
２０…固体高分子電解質膜 ２２…アノード電極
２４…カソード電極 ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３１ａ、３１ｂ…位置決め用孔部
３２、５０…燃料ガス流路
３４ａ、４６ａ、５２ａ、６０ａ…入口バッファ部
３４ｂ、４６ｂ、５２ｂ、６０ｂ…出口バッファ部
３６ａ、４８ａ、５４ａ、６２ａ…入口連結流路
３６ｂ、４８ｂ、５４ｂ、６２ｂ…出口連結流路
４０…冷却媒体流路 ４４、５８…酸化剤ガス流路
６６、６８、７０…金属プレート ７２、７４、７６…樹脂製枠部材
７４ａ…中間層シート ７４ｂ、７４ｃ…外層シート
７４ｂｏ、７４ｃｏ…重なり部 ７８、８０、８２…シール部材

Claims (2)

1. カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される電解質・電極構造体と積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータであって、
   少なくとも一方の面側に反応ガスを面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される金属プレートと、
   前記反応ガス流路の外周を周回して前記金属プレートに一体化される樹脂製枠部材と、
   を備えるとともに、
   前記樹脂製枠部材は、前記金属プレートと同一の厚さを有し、該金属プレートの外周端部に一体化される中間層シートと、
   前記金属プレートの一方の面に一体化され、且つ、前記金属プレートの一方の外周縁部に重なり部を有する第１外層シートと、
   前記金属プレートの他方の面に一体化され、且つ、前記金属プレートの他方の外周縁部に重なり部を有する第２外層シートと、
   を備え、
   前記中間層シートを挟んで前記第１外層シート及び前記第２外層シートが積層された３層シート構造を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される電解質・電極構造体と積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   少なくとも一方の面側に反応ガスを面方向に沿って流通させる反応ガス流路が形成される金属プレートを製造する工程と、
   前記金属プレートと同一の厚さを有する樹脂製中間層シートを、該金属プレートの外周端部に一体化する工程と、
   前記金属プレートの一方の面に、該金属プレートの一方の外周縁部に重なり部を有して樹脂製第１外層シートを一体化する工程と、
   前記金属プレートの他方の面に、該金属プレートの他方の外周縁部に重なり部を有して樹脂製第２外層シートを一体化する工程と、
   前記樹脂製中間層シートを挟んで前記樹脂製第１外層シート及び前記樹脂製第２外層シートを積層して一体化させることにより、３層シート構造を有する樹脂製枠部材を得る工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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