JP2015092445A - 燃料電池及びセパレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスケットが組立シャフトに絡み付くことを防止することが可能な燃料電池、及び、セパレータの提供を目的とする。【解決手段】セパレータを貫通する第１孔からセパレータを貫通する第２孔に向けて、セパレータの第１面に形成された第１溝部と、セパレータを貫通する第３孔からセパレータを貫通する第４孔に向けて、セパレータの第２面に形成された第２溝部と、第１溝部と第１孔と第２孔と第３孔と第４孔とを囲んで、第１面に形成された第１突部と、第２溝部と第１孔と第２孔と第３孔と第４孔とを囲んで、第２面に形成された第２突部と、第１突部に囲まれた領域及び第２突部に囲まれた領域と、セパレータの外縁との間に形成されセパレータを貫通する複数の第５孔とセパレータの外縁との間に、第１面及び第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、を備えるセパレータである。【選択図】図５

Description

本開示は、燃料電池に関する。具体的には、燃料電池を組み立てる際に用いる組立シャフトに、ガスケットが絡み付くことを防止することができることが可能な燃料電池に関する。
一般に、燃料電池では、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の両面が、一対のセパレータで挟持される。一対のセパレータと、膜／電極接合体とのそれぞれの間には、ガスケットがかいされる。上述したガスケットと、膜／電極接合体と、一対のセパレータとが単位電池セルとなる。一般的な燃料電池は、単位電池セルを積層した構成となっている。単位電池セルの積層体は、一般にスタックと呼ばれている。
燃料電池の構成要素のうち、膜／電極接合体は、例えば、固体高分子電解質膜の両面にカソード電極及びアノード電極を有する。例えば、燃料電池は、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池である。これらカソード電極及びアノード電極は、いずれも触媒層とガス拡散層とを有する。
一方、固体高分子型燃料電池の構成要素のうち、セパレータは、導電性を有する板状の部材からなる。セパレータの一方の面には、複数の流路壁が設けられる。複数の流路壁は、セパレータの一方の面とカソード電極との間に酸化ガスを流すための流路壁である。セパレータの他方の面にも、複数の流路壁が設けられる。複数の流路壁は、他方の面とアノード電極との間に燃料ガスを流すための流路壁である。これら流路壁の両端には、ガスの導入路、ガスの排出路となる孔がそれぞれ設けられる。流路壁の両端にそれぞれ設けられた孔は、スタックを構成したときに複数の単位電池セル間で連通する。これにより、各単位電池セルの流路の両端に、一連のガスの導入路と、一連のガスの排出路とが形成される。
膜／電極接合体に供給された燃料ガスは、アノード電極の拡散層によって拡散され、触媒層によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って、電子は導体であるセパレータを通って、それぞれカソード電極へ移動する。カソード電極は、これら水素イオン及び電子と、セパレータの流路を通じて供給された酸化ガスとを反応させて水を生成させる。このとき、水の電気分解と逆の原理で電気が発電される。
ここで、スタックを組み立てる際には、それぞれの単位電池セルを構成する複数のセパレータ、ガスケット及び膜／電極接合体を正確に位置決めする必要がある。従来からそれぞれの単位電池セルの構成部品の位置決めには、組立シャフトが用いられている。例えば、特許文献１には、セパレータ、樹脂フレーム及びシール部材にそれぞれ複数の挿入孔が設けられている。これらの挿入孔に組立シャフトが挿入させることにより、それぞれの単位電池セルの構成部品が位置決めされる方法が記載されている。
特開２００７−２４２４８７号公報
スタックを構成するガスケットには、一般的にゴム又はエラストマーからなる薄いシート材が用いられる。そして、スタックの構成部品が積層されたときに、ガスケットとセパレータとが部分的に接触してシールを生じさせる。シールすることで、単位電池セル内から外部へ燃料ガス、酸化ガスまたは水が漏れることを防いでいる。しかし、従来の組立シャフトを用いた位置決め方法では、それぞれの単位電池セルの構成部品が積層された後、挿入孔から組立シャフトが引き抜かれる際に、ガスケットの一部が組立シャフトに絡み付いてしまう場合がある。
ガスケットが組立シャフトに絡み付いてしまうことで、ガスケットがずれる、またはガスケットが破損する場合がある。この場合、単位電池セルのシール性が損なわれ、単位電池セルの内部から外部へ燃料ガス、酸化ガス、または、水が漏れてしまうという問題が生じる。
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスケットが組立シャフトに絡み付くことを防止することが可能な燃料電池、及び、セパレータの提供を目的とする。
請求項１に記載の燃料電池は、平面形状の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成され前記セパレータを貫通する複数の第５孔と前記セパレータの外縁との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、を備える前記セパレータと、前記膜／電極接合体と前記セパレータとの間に設けられたガスケットであって、前記第１溝及び前記第２溝に対応する位置に貫通された貫通孔と、前記第１孔、前記第２孔、前記第３孔、前記第４孔、及び前記複数の第５孔にそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔とが形成された前記ガスケットとを備えることを特徴とする燃料電池である。
請求項２に記載の燃料電池は、前記複数の第３突部は、前記複数の第５孔それぞれの周囲の一部を囲むことを特徴とする。
請求項３に記載の燃料電池は、前記複数の第３突部の頂部に、面が形成されたことを特徴とする。
請求項４に記載の燃料電池は、前記セパレータには、前記複数の第５孔の間にそれぞれ複数の第４突部が形成されることを特徴とする。
請求項５に記載の燃料電池は、前記複数の第５孔には、組み立てシャフトが挿入可能であることを特徴とする。
請求項６に記載の燃料電池は、前記膜／電極接合体は、前記セパレータの第１面と対向した第１電極と、前記セパレータの第２面と対向した第２電極と、を備え、前記第１溝部は、前記第１孔から供給される第１媒体を前記第１電極へ流すために設けられており、前記第２溝部は、前記第３孔から供給される第２媒体を前記第２電極へ流すために設けられていることを特徴とする。
請求項７に記載の燃料電池は、前記第１溝部は、酸素を含む前記第１媒体を、前記第１電極としてのカソード電極へ流すために設けられ、前記第２溝部は、水素を含む前記第２媒体を、前記第２電極としてのアノード電極へ流すために設けられていることを特徴とする。
請求項８に記載のセパレータは、平面形状の膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成された前記セパレータを貫通する複数の第５孔と前記セパレータの外縁との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、を備えることを特徴とするセパレータである。
請求項９に記載の燃料電池は、平面形状の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状の第１セパレータであって、前記第１セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第１面に形成された第１溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、を備える前記第１セパレータと、前記膜／電極接合体の他方の面に設けられる平面形状の第２セパレータであって、前記第２セパレータを貫通する第３孔から前記第２セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第２面に形成された第２溝部と、前記第２溝部と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、を備える前記第２セパレータとを備えており、前記第１セパレータは、前記第１突部に囲まれた領域と、前記第１セパレータの外縁との間に形成され前記第１セパレータを貫通する複数の第５孔と前記第１セパレータの外縁との間に前記第１面にそれぞれ形成された複数の第３突部を備えており、前記第２セパレータは、前記第２突部に囲まれた領域と、前記第２セパレータの外縁との間に形成され前記第２セパレータを貫通する複数の第６孔と前記第２セパレータの外縁との間に前記第２面にそれぞれ形成された複数の第４突部を備えており、前記膜／電極接合体と前記第１セパレータとの間に設けられた第１ガスケットであって、前記第１溝と前記第１孔と前記第２孔と前記複数の第５孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔が形成された前記第１ガスケットと、前記膜／電極接合体と前記第２セパレータとの間に設けられた第２ガスケットであって、前記第２溝と前記第３孔と前記第４孔と前記複数の第６孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔が形成された前記第２ガスケットと、を更に備えることを特徴とする燃料電池である。
本開示の燃料電池、及び、セパレータによれば、ガスケットが組立シャフトに絡み付くことを防止することができ、ガスケットの破損を防止することが可能となる。
実施形態に係る固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。 固体高分子型燃料電池のスタック１Ａの構成を示す分解斜視図である。 セパレータ１０の後ろ方向からみた平面図である。 スタック１Ａの組み立て工程を説明するための分解斜視図である。 セパレータ１０の前方向からみた平面図（ａ）、及び、平面図（ａ）のガスケットライン１８と接触する面についてのガスケット２０の平面図（ｂ）である。 セパレータ１０に形成されたガスケットライン１８を後ろ方向からみた平面図である。 セパレータ１０の部分断面図（ａ）、（ａ）の部分拡大図（ｂ）及びセパレータ１０及びガスケット２０の積層状態を示す部分断面図（ｃ）である。 セパレータ１０及び／又はガスケット２０に設けられる突起部のバリエーションを示す平面図である。
以下、本開示の実施形態に係る固体高分子型燃料電池、これを構成するセパレータ及びガスケットについて、図面を参照しつつ説明する。
＜全体構成＞
図１において、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は、スタック１Ａと、一対のエンドプレート１Ｂと、複数本のボルト１Ｃとを有する。スタック１Ａは、積層された複数の単位電池セル１ａから構成される。一対のエンドプレート１Ｂの夫々は、長方形の平面形状である。複数の単位電池セル１ａは、図１に示すように、前後方向に沿って、積層される。前後方向は、複数の単位電池セル１ａが積層される方向である。また、図１に示すように、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の長尺方向を左右方向とし、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の短尺方向を上下方向とする。一対のエンドプレート１Ｂは、スタック１Ａの前後方向の両端を挟み込む。複数本のボルト１Ｃは、スタック１Ａ及び一対のエンドプレート１Ｂを互いに固定する。複数本のボルト１Ｃの一部は、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかを貫通して、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかとスタック１Ａとを固定する。また、複数本のボルト１Ｃの残りは、一対のエンドプレート１Ｂの両方を貫通して、一対のエンドプレート１Ｂとスタック１Ａとを固定する。
図１に示すように、一対のエンドプレートの一方のエンドプレート１Ｂ−ａには、第１ガス孔２が形成される。さらに、図１に示すように、エンドプレート１Ｂ−ａには、第２ガス孔３が形成される。また、一対のエンドプレートの他方のエンドプレート１Ｂ−ｂには、第３ガス孔（不図示）が形成される。さらに、エンドプレート１Ｂ−ｂには、第４ガス孔（不図示）が形成される。なお、第１ガス孔２は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ａの一端に形成され、第１ガス孔２と、第２ガス孔３とは、エンドプレート１Ｂ−ａにおいて、異なる位置に形成される。また、第３ガス孔は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ｂの他端に形成され、第３ガス孔と、第４ガス孔は、エンドプレート１Ｂ−ｂにおいて、異なる位置に形成される。なお、第１ガス孔２及び第２ガス孔３は、エンドプレート１Ｂ−ａを貫通する貫通孔である。同様に、第３ガス孔及び第４ガス孔も、エンドプレート１Ｂ−ｂを貫通する貫通孔である。
図２に示すように、各単位電池セル１ａは、膜／電極接合体３０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、一対のガスケット２０と、一対のセパレータ１０とから構成される。
一対のガスケット２０の一方のガスケット２０−ａは、膜／電極接合体３０の前方向の面に接触し、一対のガスケット２０の他方のガスケット２０−ｂは、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に接触する。一対のセパレータ１０は、ガスケット２０が夫々接触された膜／電極接合体３０の両面を挟持する。以下、図２に示した固体高分子型燃料電池１の一対のセパレータ１０、一対のガスケット２０、膜／電極接合体３０を順に説明する。
＜膜／電極接合体＞
図２に示すように、膜／電極接合体３０は、長方形の平面形状からなる。膜／電極接合体３０は、固体高分子電解質膜３１、カソード電極（図示せず）及びアノード電極３３を有する。カソード電極及びアノード電極３３は、固体高分子電解質膜３１の両面に設けられる。具体的には、図２において、膜／電極接合体３０の前方向の表面に、アノード電極３３が設けられる。また、図２において、膜／電極接合体３０の後ろ方向の表面に、カソード電極（不図示）が設けられる。これらカソード電極及びアノード電極３３は、いずれも図示しない触媒層とガス拡散層とを有する。
＜ガスケット＞
ガスケット２０は、長方形のシート材からなる。ガスケット２０を形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット２０は、長方形の平面形状からなる。ガスケット２０には、第１貫通孔２１と、第２貫通孔２２と、第３貫通孔２３と、第４貫通孔２４と、第５貫通孔２５と、第６貫通孔２６とが形成される。第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０を前後方向に貫通する孔である。
ガスケット２０の中央部分には、最も大きな長方形の第１貫通孔２１が形成される。ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１が形成される略長方形の領域の外形に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１が形成される略長方形の領域の位置に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極（不図示）及びアノード電極３３の外形にも対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極（不図示）及びアノード電極３３の位置にも対応する。
本実施形態では、第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第２貫通孔２２が、ガスケット２０の右端側に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第３貫通孔２３が、ガスケット２０の左端側に、上下方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第２貫通孔２２の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第１孔１２の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第３貫通孔２３の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第２孔１３の外形及び位置にそれぞれ対応する。
さらに、図２の例では、第４貫通孔２４が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第５貫通孔２５が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第４貫通孔２４の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第３孔１４の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第５貫通孔２５の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第４孔１５の外形及び位置にそれぞれ対応する。
ガスケット２０の長方形の各長辺の近傍には、複数の第６貫通孔２６が形成される。図２の例では、複数の第６貫通孔２６が、等間隔でガスケット２０に形成されている。図２の例では、上方向の長辺に沿った複数の第６貫通孔２６は、第４貫通孔２４及び第５貫通孔２５よりも、ガスケット２０の外側に形成される。複数の第６貫通孔２６の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の複数の挿入孔１６の外形及び位置にそれぞれ対応する。
＜セパレータ＞
セパレータ１０は、金属製の長方形の平面形状からなる。例えば、セパレータ１０は、アルミニウムを用いて生成される。セパレータ１０は、カーボンまたはステンレスを用いて生成されても良い。また、本実施形態では、アルミニウムの上にカーボンが塗布されている。セパレータ１０は、ガスケット２０またはエンドプレート１Ｂとほぼ同一寸法の長方形の平面形状からなる。セパレータ１０には、複数の第１流路壁１１と、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６（第５孔、第６孔）とが形成される。第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６のそれぞれは、セパレータを上下方向に貫通する貫通孔である。
本実施形態では、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６とは、それぞれ、セパレータ１０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第１孔１２が、セパレータ１０の右端側に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第２孔１３が、セパレータ１０の左端側に、上下方向に沿って２つ形成される。さらに、図２の例では、第３孔１４が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第４孔１５が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、セパレータ１０における２つの第１孔１２は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第１ガス孔２と対応する位置に形成される。また、セパレータ１０における２つの第３孔１４は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第２ガス孔３と対応する位置に形成される。
図２に示すセパレータ１０の前方向における表面の中央に、複数の第１流路壁１１が所定の間隔をあけて互いに平行に設けられる。図２に示すように、各第１流路壁１１は、左右方向に沿って、２つの第１孔１２の近傍から２つの第２孔１３の近傍まで延びた第１溝部１１ａを備える。第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が２つの第１孔１２の近傍から２つの第２孔１３の近傍まで延びて形成されたものである。図２に示す第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第１流路壁１１を含む略長方形の領域は、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に設けられたカソード電極（図示せず）の外形に対応する。
図２の例では、第１ガス孔２から流入された酸化ガスが、セパレータ１０の２つの第１孔１２を通り抜け、さらに、ガスケット２０の第２貫通孔２２を通り抜ける。本実施形態では、酸化ガスは、固体高分子型燃料電池１の外部に存在する空気である。なお、酸化ガスとして、酸素（Ｏ2）を含む気体であれば良い。また、第１ガス孔２から流入された酸化ガス（第１媒体）が、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａに沿って、２つの第１孔１２から２つの第２孔１３へ流れる。複数の第１流路壁１１の前方向に、ガスケット２０が配置されている場合、ガスケット２０の第１貫通孔２１を介して、膜／電極接合体３０のカソード電極と、セパレータ１０−ｂの複数の第１流路壁１１とが接触する。このため、酸化ガスが、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａを沿って流れることができる。これにより、酸化ガスが、膜／電極接合体３０のカソード電極に供給される。各第１流路壁１１は、例えば、ストレート型の流路壁である。本実施形態では、図２に示すように、２つの第１孔１２が、仕切り壁１２ａによって仕切られている。また、２つの第２孔１３が、仕切り壁１３ａによって仕切られている。また、２つの第３孔１４が、仕切り壁１４ａによって仕切られている。また、２つの第４孔１５が、仕切り壁１５ａによって仕切られている。２つの第１孔１２、２つの第２孔１３、２つの第３孔１４、及び２つの第４孔１５は、それぞれ２つの孔が合わさった長方形の１つの孔であってもよい。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、ビームの役割を果たす仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが、２つの孔の間に設けられている。
図３に示すように、セパレータ１０の第１流路壁１１が形成される面と逆の面には、複数の第２流路壁１９が形成される。図３に示すセパレータ１０の後ろ方向における表面に、複数の第２流路壁１９が、所定の間隔をあけて、互いに並んで形成される。図３に示すように、各第２流路壁１９は、まず、２つの第３孔１４の近傍から、上下方向に沿って延びた第２溝部１９ａを備える。そして、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、左右方向に沿って延び、さらに、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、２つの第４孔１５に向かって上下方向に沿って延びる。図３に示す第２溝部１９ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が連続して形成されることによって構成されたものである。図３に示す第２溝部１９ａとして、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第２流路壁１９を含む領域は、膜／電極接合体３０の前方向の面に設けられたアノード電極３３の外形に対応する。各第２流路壁１９は、ストレート型の各第１流路壁１１と異なり、左右方向に沿った各第２流路壁１９の両端が、第３孔１４と第４孔１５のそれぞれに向かって直角に曲折したサーペンタイン型の流路壁である。
図３の例では、第２ガス孔３から流入された燃料ガスが、セパレータ１０の２つの第３孔１４を通り抜ける。なお、本実施形態では、燃料ガスは、水素（Ｈ2）である。燃料ガスとして、水素（Ｈ2）を含むガスであれば良い。そして、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガス（第２媒体）が、ガスケット２０−ａの第４貫通孔２４を通り抜ける。さらに、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガスは、図３の各第２流路壁１９の第２溝部１９ａに沿って、２つの第３孔１４から、２つの第４孔１５へ流れる。詳細には、膜／電極接合体３０のアノード電極３３が、ガスケット２０―ａの第１貫通孔２１を通って、セパレータ１０−ａの複数の第２流路壁１９と接触する。このため、燃料ガスが、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａを沿って流れることができる。これにより、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。
さらに、セパレータ１０の長方形の各長辺の近傍には、それぞれ複数の挿入孔１６が形成される。図２の例では、複数の挿入孔１６が、等間隔でセパレータ１０に形成されている。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、第３孔１４及び第４孔口１５が、隣り合う２つの挿入孔１６の間の領域に形成されている。
複数の挿入孔１６には、上述した複数のボルト１Ｃがそれぞれ挿入される。挿入孔１６の直径は、ボルト１Ｃの直径よりも３ｍｍ以上大きい。挿入孔１６にボルト１Ｃが挿入されたときに、挿入孔１６とボルト１Ｃとの間には、１．５ｍｍ以上の隙間が形成される。この結果、セパレータ１０とボルト１Ｃとが確実に絶縁される。
セパレータ１０の長辺に沿って隣り合う挿入孔１６どうしの間隔は、それぞれ８０ｍｍ以下である。挿入孔１６どうしの間隔が８０ｍｍ以下であると、セパレータ１０とガスケット２０との間のシール性が向上され、特に、燃料ガスの漏れが有効に防止される。好ましくは、挿入孔１６どうしの間隔は、６０ｍｍ±１ｍｍ程度とする。
ここで、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は空冷式となっている。本実施形態の固体高分子型燃料電池１では、セパレータ１０の長方形の各長辺と、複数の第１流路壁１１の上下方向の両端との間の領域が、それぞれ放熱部１７となっている。図１に示すように、複数の単位電池セル１ａが積層されると、各セパレータ１０の放熱部１７が多数のフィンを形成し、広範な放熱面積を提供する。固体高分子型燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質膜３１を備えた燃料電池である。固体高分子型燃料電池１は、一般的な燃料電池であっても良い。一般的な燃料電池とは、例えば、固体高分子電解質膜３１以外の膜を用いた燃料電池である。
＜発電の原理＞
上述したように、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。セパレータ１０の複数の第２流路壁１９に沿って燃料ガスは供給され、アノード電極３３の拡散層によって拡散される。そして、燃料ガスは、触媒層によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜３１を通ってカソード電極へ移動する。また、電子は導体であるセパレータ１０を通って、カソード電極へ移動する。カソード電極では、上述したように、複数の第１流路壁１１に沿って流れる酸化ガスと、移動された水素イオン及び電子とが触媒層によって反応されて、水が生成される。このとき、水の電気分解と逆の原理で電気が発電される。生成された水及び／又はガスは、複数の第１流路壁１１に沿って第２孔１３を通過する。また、膜／電極接合体３０で生成される水及び／又はガスは、第４孔１５を通過する。
＜スタックの組み立て＞
図４に示すように、スタック１Ａの組み立てには、セパレータ１０及びガスケット２０を位置決めするための複数の組立シャフト４０が用いられる。複数の組立シャフト４０は、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６と同じ配置で、図示しない基台の上に設けられる。各組立シャフト４０は、挿入孔１６及び第６貫通孔２６にそれぞれ挿入される。尚、組立シャフト４０の直径は、ボルト１Ｃとは異なり、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径と略同径である。より具体的には、製造誤差に起因する径や位置のばらつきを考慮し、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径は、組立シャフト４０の直径よりも僅かに（例えば数％程度）大きく設定される。一例として、組立シャフト４０の直径は８ｍｍであり、ガスケット２０の第６貫通孔２６の直径は８．３５ｍｍである。
スタック１Ａは、セパレータ１０、ガスケット２０、膜／電極接合体３０が順に積層されることによって組み立てられる。セパレータ１０及びガスケット２０が積層される際に、組立シャフト４０が挿入孔１６及び第６貫通孔２６に挿入される。組立シャフト４０の直径が、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径と略同径であるため、これによって、セパレータ１０とガスケット２０とが正確に位置決めされる。
全てのセパレータ１０、ガスケット２０及び膜／電極接合体３０の積層が完了した場合には、これら構成部品に荷重を掛けて、複数の組立シャフト４０が挿入孔１６及び第６貫通孔２６から引き抜かれる。積層が完了した複数のセパレータ１０、及び、複数のガスケット２０に荷重が掛けられることで、一対のセパレータ１０間に設けられた一対のガスケット２０が変形し、一対のセパレータ１０間を密封することができる。このため、膜／電極接合体３０に流入される酸化ガス及び燃料ガスが、セパレータ１０の外部に漏れることを防ぐことができる。ガスケット２０を用いて、セパレータ１０間を密封するために、セパレータ１０には、ガスケットライン１８が形成される。以下、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）を用いて、ガスケットライン１８の詳細を説明する。
＜ガスケットライン１８＞
図５の（ａ）を用いて、セパレータ１０の前方向の表面に形成されるガスケットライン１８の詳細を説明する。図５の（ａ）中の太い直線は、ガスケットライン１８を示す。ガスケットライン１８は、セパレータ１０の前方向の表面に連続して形成された突部である。本実施形態のガスケットライン１８は、セパレータ１０と同じ材質を用いて、セパレータ１０と一体形成される。なお、ガスケットライン１８は、セパレータ１０と別の材質を用いて形成されても良い。また、ガスケットライン１８は、セパレータ１０と一体形成されず、それぞれ別々に形成されても良い。ガスケットライン１８（第１突部）は、複数の第１流路壁１１（第１溝部１１ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを途切れなく包囲する。つまり、ガスケットライン１８として、複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲む連続した突部が、セパレータ１０に形成される。本実施形態では、図５に示すように、ガスケットライン１８（第１突部）は、複数の第１流路壁１１（第１溝部１１ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３とを囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第３孔１４を囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第４孔１５を囲んで、セパレータ１０に形成されている。さらに、ガスケットライン１８（第４突部）は、複数の挿入孔１６のそれぞれの間にも形成されている。なお、本実施形態では、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８の外側に形成される。具体的には、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁との間にそれぞれ形成される。また、本実施形態では、ガスケット２０の前後方向の厚みは、ガスケットライン１８を構成する突部の前後方向の厚みよりも大きい。
セパレータ１０及びガスケット２０が積層されたときに、ガスケットライン１８は、ガスケット２０の表面に接触する。これにより、ガスケットライン１８に包囲された複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とが、ガスケット２０によりシールされる。ガスケット２０により、複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とがシールされることで、酸化ガス及び燃料ガスの外部への漏れを防止することになる。
ここで、図５の（ｂ）中の点線は、ガスケット２０が、セパレータ１０のガスケットライン１８と接触する接触部分を示す。セパレータ１０とガスケット２０とが積層されたときに、ガスケット２０の点線で示された部分が、ガスケットライン１８に押さえ付けられる。
図６を用いて、セパレータ１０の後ろ方向の表面に形成されるガスケットライン１８の詳細を説明する。図６中の太い直線は、ガスケットライン１８を示す。ガスケットライン１８は、セパレータ１０の後ろ方向の表面に連続して形成された突部である。ガスケットライン１８（第２突部）は、複数の第２流路壁１９（第２溝部１９ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを途切れなく包囲する。つまり、ガスケットライン１８として、複数の第２流路壁１９と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲む連続した突部が、セパレータ１０に形成される。本実施形態では、図６に示すように、ガスケットライン１８（第２突部）は、複数の第２流路壁１９（第２溝部１９ａ）と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第１孔１２を囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第２孔１３を囲んで、セパレータ１０に形成されている。さらに、ガスケットライン１８（第４突部）は、複数の挿入孔１６のそれぞれの間にも形成されている。なお、本実施形態では、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８の外側に形成される。具体的には、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁との間にそれぞれ形成される。
一方、セパレータ１０とガスケット２０とが積層された後、ガスケット２０の点線よりも外側の部分は、自由に伸縮可能となる。図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂと、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分とが隣り合っている領域は、ガスケット２０の伸縮を抑制することができる。図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂの点線で囲われた斜線の領域は、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分と離れているため、自由に伸縮することができる。特に、図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａの点線で囲われた斜線の領域では、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分と離れる領域が大きい。このため、ガスケット２０の第６貫通孔２６Ｂが形成された領域よりも、自由に伸縮する場合がある。このような第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂの点線で囲われた斜線の領域におけるガスケット２０が、組立シャフト４０に絡み付く可能性がある。このとき、従来では、組立シャフト４０を引き抜く際に、ガスケット２０の一部が組立シャフト４０に絡み付いているため、ガスケット２０が破損し、一対のセパレータ１０間の密着性が損なわれるという問題があった。
このような問題を解決するために、本実施形態のセパレータ１０には、各挿入孔１６の周辺領域に、図５の（ａ）に示す突起部１００Ａ、１００Ｂが形成される。以下、本実施形態のセパレータ１０に形成された突起部１００Ａ、１００Ｂについて、図５の（ａ）、（ｂ）及び図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して詳細に説明する。
＜突起部＞
図５の（ａ）、（ｂ）及び図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００Ａ、１００Ｂ（第３突部、第４突部）は、セパレータ１０と同じ材質を用いて、セパレータ１０と一体形成される。なお、突起部１００Ａ、１００Ｂは、セパレータ１０と別の材質を用いて形成されても良い。また、突起部１００Ａ、１００Ｂは、セパレータ１０と一体形成されず、それぞれ別々に形成されても良い。
本実施形態のセパレータ１０には、各挿入孔１６Ａ、１６Ｂの周辺領域に、突起部１００Ａ、１００Ｂがそれぞれ形成される。突起部１００Ａ、１００Ｂは、いずれも突形状となっている。具体的には、突起部１００Ａはそれぞれ、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁部（角部）との間に形成される。つまり、突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａと、セパレータ１０の外縁部（角部）との間に形成される。また、突起部１００Ｂはそれぞれ、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁部との間に形成される。つまり、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂと、セパレータ１０の外縁部との間に形成される。
本実施形態における突起部１００Ａの形状は、挿入孔１６Ａとセパレータ１０の角部との間に設けられた円の１／４に相当する円弧である。また、突起部１００Ｂの形状は、挿入孔１６Ｂとセパレータ１０の外縁との間に設けられた円の１／４に相当する円弧である。突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａの円形の外縁の周りを一部取り囲む位置に形成される。また、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂの円形の外縁の周りを一部取り囲む位置に形成される。突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａの円形の外縁から所定の間隔をあけて形成される。また、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂの円形の外縁から所定の間隔をあけて形成される。
本実施形態では、図５の（ａ）中の一点鎖線で示すセパレータ１０の長辺の中心線Ａを基準として、突起部１００Ａ、１００Ｂが左右方向に線対称に形成される。セパレータ１０の長辺の両端に形成された突起部１００Ａは、セパレータ１０の長辺に沿って形成された突起部１００Ｂに対して、±４５°傾いている。挿入孔１６Ｂには、セパレータ１０の長辺に隣り合う部分にのみガスケットライン１８が形成されていないため、挿入孔１６Ｂのセパレータ１０の長辺側に突起部１００Ｂが形成されている。一方、挿入孔１６Ａには、セパレータ１０の長辺と短辺の両方に隣り合う部分にガスケットライン１８が形成されていないため、挿入孔１６Ａのセパレータ１０の長辺側と短辺側とに亘って突起部１００Ａが形成されている。
次に、本実施形態の突起部の構成について、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照しつつ更に詳細に説明する。なお、以下の説明における「突起部１００」は、上述した突起部１００Ａ、１００Ｂの両方を表す。また、「挿入孔１６」は、上述した挿入孔１６Ａ、１６Ｂの両方を表す。
図７の（ａ）に示すように、本実施形態のセパレータ１０の左右方向に沿った両面には、複数の第１流路壁１１及び複数の第２流路壁１９と、第１流路壁１１及び第２流路壁１９をそれぞれ取り囲むガスケットライン１８とが形成されている。また、セパレータ１０の左右方向に沿った両面のガスケットライン１８の外側には、複数の挿入孔１６と、突起部１００とが形成される。
図７の（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００の高さＡは、複数の第１流路壁１１と膜／電極接合体３０との接触を妨げない寸法とする。また、突起部１００の高さＡは、単位電池セル１ａの積層体をボルト１Ｃで締結したときに、ガスケット２０の厚さの１０〜４０％を潰す寸法とする。突起部１００が、ガスケット２０の厚さの１０〜４０％を潰すことで、ガスケット２０を十分に押さえることができる。この結果、ガスケット２０が、組立シャフト４０に絡み付くことを防止することができる。さらに、ガスケット２０の前後方向の厚みは、突起部１００の高さＡよりも大きい。また、突起部１００の高さＡと、ガスケットライン１８の前後方向の高さとは同じ高さであっても良い。また、突起部１００の高さＡは、セパレータ１０とガスケット２０との間に０．５ｍｍ以下の隙間が形成されても良い。この０．５ｍｍ以下の隙間が形成されることで、セパレータ１０がガスケット２０を押圧することを防ぐことが可能とする。
突起部１００の頂部には、幅０．１ｍｍ以上の平坦面Ｃが形成されても良い。突起部１００の頂部が尖っている場合は、頂部によってガスケット１０が切断されてしまう可能性がある。突起部１００の頂部に幅０．１ｍｍ以上の平坦面Ｃが形成されることで、ガスケット１０の切断を防ぐことが可能となる。
突起部１００の中心から挿入孔１６の外縁まで間には、２ｍｍ以上の間隔Ｄが形成されても良い。
なお、本実施形態では、セパレータ１０にガスケットライン１８及び突起部１００が形成されるが、この構成に限定されるものではない。セパレータ１０又はガスケット２０の少なくとも一方に、上述したガスケットライン１８及び／又は突起部１００が形成されても良い。ガスケットライン１８及び突起部１００の少なくとも一方が、ガスケット２０に形成されても良い。
＜突起部のバリエーション＞
図８の（ａ）に示す突起部１００は、挿入孔１６の付近に形成されたガスケットライン１８の形状に応じて、例えば、図８の（ｂ）〜（ｈ）に示すような種々の形状に変更されることができる。
挿入孔１６の外縁と、ガスケットライン１８とが所定の距離以内となる割合が少なくなるほど、突起部１００が挿入孔１６を囲む割合は大きくなる。このような場合、例えば、図８の（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００の形状は、円の１／２に相当する円弧、又は円の３／４に相当する円弧であっても良い。挿入孔１６とがガスケットライン１８とが所定の距離以内となる割合が全くない場合は、例えば、図８の（ｄ）に示すように、突起部１００の形状は、挿入孔１６を完全に囲む円であっても良い。
さらに、図８の（ｅ）に示すように、１つの挿入孔１６に対して、複数の円弧状の突起部１００が形成されても良い。突起部１００の形状は、円弧や円に限定されるものではなく、例えば、図８の（ｆ）に示すドット形状であっても良い。また、突起部１００の形状は、図８の（ｇ）に示す直線形状であっても良い。また、突起部１００の形状は、図８の（ｈ）に示す四角形であっても良い。
＜作用効果＞
本実施形態の固体高分子型燃料電池１、これを構成するセパレータ１０及びガスケット２０によれば、ガスケット２０が組立シャフト４０に絡み付くことを確実に防止することができ、スタック１Ａのシール性を向上させることが可能となる。
＜その他の変更＞
本実施形態のセパレータ１０及びこれを備えた固体高分子型燃料電池は、上述した実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、セパレータ１０の外形を長辺と短辺とを有する略矩形としたが、セパレータ１０の外形は、特に限定されるものではなく、任意の形状に変更することができる。
また、例えば、上述した実施形態では、酸化ガスの複数の第１流路壁１１をストレート型とし、燃料ガスの複数の第２流路壁１９をサーペンタイン型としたが、この構成も、特に限定されるものではない。複数の第１流路壁１１は、第１孔１２から第２孔１３へガスを流すものとして、設計変更することが可能である。同様に複数の第２流路壁１９も、第３孔１４から第４孔１５へガスを流すものとして、設計変更することが可能である。また、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４及び第４孔１５の位置も、上述した実施形態の位置に限定されるものではない。さらに、補強のための仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを省略し、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４、第４孔１５をそれぞれ一つずつにしてもよい。
さらに、上述した実施形態では、空冷用のセパレータ１０を例示したが、冷却水が通過するための孔を有する水冷用のセパレータに、突起部１００Ａまたは突起部１００Ｂを適用することも可能である。
１ 固体高分子型燃料電池
１Ａ スタック
１ａ 単位電池セル
１Ｂ エンドプレート
１Ｃ ボルト
１０ セパレータ
１１ 複数の第１流路壁
１１ａ 第１流路壁
１２ 第１孔
１３ 第２孔
１２ａ、１３ａ 仕切り壁
１４ 第３孔
１５ 第４孔
１４ａ、１５ａ 仕切り壁
１６ 挿入孔
１８ ガスケットライン
１９ 複数の第２流路壁
１９ａ 第２流路壁
２０ ガスケット
２１ 第１貫通孔
２２ 第２貫通孔
２３ 第３貫通孔
２４ 第４貫通孔
２５ 第５貫通孔
２６ 第６貫通孔
３０ 膜／電極接合体
３１ 固体高分子電解質膜
３３ アノード電極
４０ 組立シャフト
１００、１００Ａ、１００Ｂ 突起部
本開示は、燃料電池に関する。具体的には、燃料電池を組み立てる際に用いる組立シャフトに、ガスケットが絡み付くことを防止することができることが可能な燃料電池に関する。
一般に、燃料電池では、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の両面が、一対のセパレータで挟持される。一対のセパレータと、膜／電極接合体とのそれぞれの間には、ガスケットがかいされる。上述したガスケットと、膜／電極接合体と、一対のセパレータとが単位電池セルとなる。一般的な燃料電池は、単位電池セルを積層した構成となっている。単位電池セルの積層体は、一般にスタックと呼ばれている。
燃料電池の構成要素のうち、膜／電極接合体は、例えば、固体高分子電解質膜の両面にカソード電極及びアノード電極を有する。例えば、燃料電池は、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池である。これらカソード電極及びアノード電極は、いずれも触媒層とガス拡散層とを有する。
一方、固体高分子型燃料電池の構成要素のうち、セパレータは、導電性を有する板状の部材からなる。セパレータの一方の面には、複数の流路壁が設けられる。複数の流路壁は、セパレータの一方の面とカソード電極との間に酸化ガスを流すための流路壁である。セパレータの他方の面にも、複数の流路壁が設けられる。複数の流路壁は、他方の面とアノード電極との間に燃料ガスを流すための流路壁である。これら流路壁の両端には、ガスの導入路、ガスの排出路となる孔がそれぞれ設けられる。流路壁の両端にそれぞれ設けられた孔は、スタックを構成したときに複数の単位電池セル間で連通する。これにより、各単位電池セルの流路の両端に、一連のガスの導入路と、一連のガスの排出路とが形成される。
膜／電極接合体に供給された燃料ガスは、アノード電極の拡散層によって拡散され、触媒層によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って、電子は導体であるセパレータを通って、それぞれカソード電極へ移動する。カソード電極は、これら水素イオン及び電子と、セパレータの流路を通じて供給された酸化ガスとを反応させて水を生成させる。このとき、水の電気分解と逆の原理で電気が発電される。
ここで、スタックを組み立てる際には、それぞれの単位電池セルを構成する複数のセパレータ、ガスケット及び膜／電極接合体を正確に位置決めする必要がある。従来からそれぞれの単位電池セルの構成部品の位置決めには、組立シャフトが用いられている。例えば、特許文献１には、セパレータ、樹脂フレーム及びシール部材にそれぞれ複数の挿入孔が設けられている。これらの挿入孔に組立シャフトが挿入させることにより、それぞれの単位電池セルの構成部品が位置決めされる方法が記載されている。
特開２００７−２４２４８７号公報
スタックを構成するガスケットには、一般的にゴム又はエラストマーからなる薄いシート材が用いられる。そして、スタックの構成部品が積層されたときに、ガスケットとセパレータとが部分的に接触してシールを生じさせる。シールすることで、単位電池セル内から外部へ燃料ガス、酸化ガスまたは水が漏れることを防いでいる。しかし、従来の組立シャフトを用いた位置決め方法では、それぞれの単位電池セルの構成部品が積層された後、挿入孔から組立シャフトが引き抜かれる際に、ガスケットの一部が組立シャフトに絡み付いてしまう場合がある。
ガスケットが組立シャフトに絡み付いてしまうことで、ガスケットがずれる、またはガスケットが破損する場合がある。この場合、単位電池セルのシール性が損なわれ、単位電池セルの内部から外部へ燃料ガス、酸化ガス、または、水が漏れてしまうという問題が生じる。
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスケットが組立シャフトに絡み付くことを防止することが可能な燃料電池、及び、セパレータの提供を目的とする。
請求項１に記載の燃料電池は、平面形状の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成され、前記セパレータを貫通し、スタックの組み立て時に前記セパレータを位置決めするための複数の組立シャフトが各々挿入される複数の第５孔と、前記セパレータの外縁と前記複数の第５孔との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、を備える前記セパレータと、前記膜／電極接合体と前記セパレータとの間に設けられたガスケットであって、前記第１溝及び前記第２溝に対応する位置に貫通された貫通孔と、前記第１孔、前記第２孔、前記第３孔、前記第４孔、及び前記複数の第５孔にそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔とが形成された前記ガスケットとを備えることを特徴とする燃料電池である。
請求項２に記載の燃料電池は、前記複数の第３突部は、前記複数の第５孔それぞれの周囲の一部を囲むことを特徴とする。
請求項３に記載の燃料電池は、前記複数の第３突部の頂部に、面が形成されたことを特徴とする。
請求項４に記載の燃料電池は、前記セパレータには、前記複数の第５孔の間にそれぞれ複数の第４突部が形成されることを特徴とする。
請求項５に記載の燃料電池は、前記膜／電極接合体は、前記セパレータの第１面と対向した第１電極と、前記セパレータの第２面と対向した第２電極と、を備え、前記第１溝部は、前記第１孔から供給される第１媒体を前記第１電極へ流すために設けられており、前記第２溝部は、前記第３孔から供給される第２媒体を前記第２電極へ流すために設けられていることを特徴とする。
請求項６に記載の燃料電池は、前記第１溝部は、酸素を含む前記第１媒体を、前記第１電極としてのカソード電極へ流すために設けられ、前記第２溝部は、水素を含む前記第２媒体を、前記第２電極としてのアノード電極へ流すために設けられていることを特徴とする。
請求項７に記載のセパレータは、平面形状の膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成され、前記セパレータを貫通し、スタックの組み立て時に前記セパレータを位置決めするための複数の組立シャフトが各々挿入される複数の第５孔と、前記セパレータの外縁と前記複数の第５孔との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、を備えることを特徴とするセパレータである。
請求項８に記載の燃料電池は、平面形状の膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状の第１セパレータであって、前記第１セパレータを貫通する第１孔から前記第１セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第１面に形成された第１溝部と、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、を備える前記第１セパレータと、前記膜／電極接合体の他方の面に設けられる平面形状の第２セパレータであって、前記第２セパレータを貫通する第３孔から前記第２セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第２面に形成された第２溝部と、前記第２溝部と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、を備える前記第２セパレータとを備えており、前記第１セパレータは、前記第１突部に囲まれた領域と、前記第１セパレータの外縁との間に形成され、前記第１セパレータを貫通し、スタックの組み立て時に前記第１セパレータ及び前記第２セパレータを位置決めするための複数の組立シャフトが各々挿入される複数の第５孔と、前記第１セパレータの外縁と前記複数の第５孔との間に、前記第１面にそれぞれ形成された複数の第３突部とを備えており、前記第２セパレータは、前記第２突部に囲まれた領域と、前記第２セパレータの外縁との間に形成され、前記第２セパレータを貫通し、スタックの組み立て時に前記複数の組立シャフトが各々挿入される複数の第６孔と、前記第２セパレータの外縁と前記複数の第６孔との間に、前記第２面にそれぞれ形成された複数の第４突部とを備えており、前記膜／電極接合体と前記第１セパレータとの間に設けられた第１ガスケットであって、前記第１溝と前記第１孔と前記第２孔と前記複数の第５孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔が形成された前記第１ガスケットと、前記膜／電極接合体と前記第２セパレータとの間に設けられた第２ガスケットであって、前記第２溝と前記第３孔と前記第４孔と前記複数の第６孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された貫通孔が形成された前記第２ガスケットと、を更に備えることを特徴とする燃料電池である。
本開示の燃料電池、及び、セパレータによれば、ガスケットが組立シャフトに絡み付くことを防止することができ、ガスケットの破損を防止することが可能となる。
実施形態に係る固体高分子型燃料電池を示す斜視図である。 固体高分子型燃料電池のスタック１Ａの構成を示す分解斜視図である。 セパレータ１０の後ろ方向からみた平面図である。 スタック１Ａの組み立て工程を説明するための分解斜視図である。 セパレータ１０の前方向からみた平面図（ａ）、及び、平面図（ａ）のガスケットライン１８と接触する面についてのガスケット２０の平面図（ｂ）である。 セパレータ１０に形成されたガスケットライン１８を後ろ方向からみた平面図である。 セパレータ１０の部分断面図（ａ）、（ａ）の部分拡大図（ｂ）及びセパレータ１０及びガスケット２０の積層状態を示す部分断面図（ｃ）である。 セパレータ１０及び／又はガスケット２０に設けられる突起部のバリエーションを示す平面図である。
以下、本開示の実施形態に係る固体高分子型燃料電池、これを構成するセパレータ及びガスケットについて、図面を参照しつつ説明する。
＜全体構成＞
図１において、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は、スタック１Ａと、一対のエンドプレート１Ｂと、複数本のボルト１Ｃとを有する。スタック１Ａは、積層された複数の単位電池セル１ａから構成される。一対のエンドプレート１Ｂの夫々は、長方形の平面形状である。複数の単位電池セル１ａは、図１に示すように、前後方向に沿って、積層される。前後方向は、複数の単位電池セル１ａが積層される方向である。また、図１に示すように、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の長尺方向を左右方向とし、一対のエンドプレート１Ｂを夫々構成する長方形の短尺方向を上下方向とする。一対のエンドプレート１Ｂは、スタック１Ａの前後方向の両端を挟み込む。複数本のボルト１Ｃは、スタック１Ａ及び一対のエンドプレート１Ｂを互いに固定する。複数本のボルト１Ｃの一部は、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかを貫通して、一対のエンドプレート１Ｂのいずれかとスタック１Ａとを固定する。また、複数本のボルト１Ｃの残りは、一対のエンドプレート１Ｂの両方を貫通して、一対のエンドプレート１Ｂとスタック１Ａとを固定する。
図１に示すように、一対のエンドプレートの一方のエンドプレート１Ｂ−ａには、第１ガス孔２が形成される。さらに、図１に示すように、エンドプレート１Ｂ−ａには、第２ガス孔３が形成される。また、一対のエンドプレートの他方のエンドプレート１Ｂ−ｂには、第３ガス孔（不図示）が形成される。さらに、エンドプレート１Ｂ−ｂには、第４ガス孔（不図示）が形成される。なお、第１ガス孔２は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ａの一端に形成され、第１ガス孔２と、第２ガス孔３とは、エンドプレート１Ｂ−ａにおいて、異なる位置に形成される。また、第３ガス孔は、左右方向に沿ったエンドプレート１Ｂ−ｂの他端に形成され、第３ガス孔と、第４ガス孔は、エンドプレート１Ｂ−ｂにおいて、異なる位置に形成される。なお、第１ガス孔２及び第２ガス孔３は、エンドプレート１Ｂ−ａを貫通する貫通孔である。同様に、第３ガス孔及び第４ガス孔も、エンドプレート１Ｂ−ｂを貫通する貫通孔である。
図２に示すように、各単位電池セル１ａは、膜／電極接合体３０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、一対のガスケット２０と、一対のセパレータ１０とから構成される。
一対のガスケット２０の一方のガスケット２０−ａは、膜／電極接合体３０の前方向の面に接触し、一対のガスケット２０の他方のガスケット２０−ｂは、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に接触する。一対のセパレータ１０は、ガスケット２０が夫々接触された膜／電極接合体３０の両面を挟持する。以下、図２に示した固体高分子型燃料電池１の一対のセパレータ１０、一対のガスケット２０、膜／電極接合体３０を順に説明する。
＜膜／電極接合体＞
図２に示すように、膜／電極接合体３０は、長方形の平面形状からなる。膜／電極接合体３０は、固体高分子電解質膜３１、カソード電極（図示せず）及びアノード電極３３を有する。カソード電極及びアノード電極３３は、固体高分子電解質膜３１の両面に設けられる。具体的には、図２において、膜／電極接合体３０の前方向の表面に、アノード電極３３が設けられる。また、図２において、膜／電極接合体３０の後ろ方向の表面に、カソード電極（不図示）が設けられる。これらカソード電極及びアノード電極３３は、いずれも図示しない触媒層とガス拡散層とを有する。
＜ガスケット＞
ガスケット２０は、長方形のシート材からなる。ガスケット２０を形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット２０は、長方形の平面形状からなる。ガスケット２０には、第１貫通孔２１と、第２貫通孔２２と、第３貫通孔２３と、第４貫通孔２４と、第５貫通孔２５と、第６貫通孔２６とが形成される。第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０を前後方向に貫通する孔である。
ガスケット２０の中央部分には、最も大きな長方形の第１貫通孔２１が形成される。ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１が形成される略長方形の領域の外形に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、後述するセパレータ１０の複数の第１流路壁１１が形成される略長方形の領域の位置に対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の外形は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極（不図示）及びアノード電極３３の外形にも対応する。また、ガスケット２０における第１貫通孔２１の位置は、膜／電極接合体３０の両面に設けられたカソード電極（不図示）及びアノード電極３３の位置にも対応する。
本実施形態では、第１貫通孔２１、第２貫通孔２２、第３貫通孔２３、第４貫通孔２４、第５貫通孔２５、及び第６貫通孔２６の夫々は、ガスケット２０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第２貫通孔２２が、ガスケット２０の右端側に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第３貫通孔２３が、ガスケット２０の左端側に、上下方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第２貫通孔２２の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第１孔１２の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第３貫通孔２３の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第２孔１３の外形及び位置にそれぞれ対応する。
さらに、図２の例では、第４貫通孔２４が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第５貫通孔２５が、ガスケット２０の上端側であり、且つ、ガスケット２０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、本実施形態では、第４貫通孔２４の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第３孔１４の外形及び位置にそれぞれ対応する。また、第５貫通孔２５の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の第４孔１５の外形及び位置にそれぞれ対応する。
ガスケット２０の長方形の各長辺の近傍には、複数の第６貫通孔２６が形成される。図２の例では、複数の第６貫通孔２６が、等間隔でガスケット２０に形成されている。図２の例では、上方向の長辺に沿った複数の第６貫通孔２６は、第４貫通孔２４及び第５貫通孔２５よりも、ガスケット２０の外側に形成される。複数の第６貫通孔２６の外形及び位置は、後述するセパレータ１０の複数の挿入孔１６の外形及び位置にそれぞれ対応する。
＜セパレータ＞
セパレータ１０は、金属製の長方形の平面形状からなる。例えば、セパレータ１０は、アルミニウムを用いて生成される。セパレータ１０は、カーボンまたはステンレスを用いて生成されても良い。また、本実施形態では、アルミニウムの上にカーボンが塗布されている。セパレータ１０は、ガスケット２０またはエンドプレート１Ｂとほぼ同一寸法の長方形の平面形状からなる。セパレータ１０には、複数の第１流路壁１１と、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６（第５孔、第６孔）とが形成される。第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６のそれぞれは、セパレータを前後方向に貫通する貫通孔である。
本実施形態では、第１孔１２と、第２孔１３と、第３孔１４と、第４孔１５と、挿入孔１６とは、それぞれ、セパレータ１０の異なる位置に形成される。具体的には、図２の例では、第１孔１２が、セパレータ１０の右端側に、上下方向に沿って２つ形成される。また、第２孔１３が、セパレータ１０の左端側に、上下方向に沿って２つ形成される。さらに、図２の例では、第３孔１４が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の右端側に、左右方向に沿って２つ形成される。また、第４孔１５が、セパレータ１０の上端側であり、且つ、セパレータ１０の左端側に、左右方向に沿って２つ形成される。なお、セパレータ１０における２つの第１孔１２は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第１ガス孔２と対応する位置に形成される。また、セパレータ１０における２つの第３孔１４は、エンドプレート１Ｂ−ａにおける第２ガス孔３と対応する位置に形成される。
図２に示すセパレータ１０の前方向における表面の中央に、複数の第１流路壁１１が所定の間隔をあけて互いに平行に設けられる。図２に示すように、各第１流路壁１１は、左右方向に沿って、２つの第１孔１２の近傍から２つの第２孔１３の近傍まで延びた第１溝部１１ａを備える。第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が２つの第１孔１２の近傍から２つの第２孔１３の近傍まで延びて形成されたものである。図２に示す第１溝部１１ａは、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第１流路壁１１を含む略長方形の領域は、膜／電極接合体３０の後ろ方向の面に設けられたカソード電極（図示せず）の外形に対応する。
図２の例では、第１ガス孔２から流入された酸化ガスが、セパレータ１０の２つの第１孔１２を通り抜け、さらに、ガスケット２０の第２貫通孔２２を通り抜ける。本実施形態では、酸化ガスは、固体高分子型燃料電池１の外部に存在する空気である。なお、酸化ガスとして、酸素（Ｏ2）を含む気体であれば良い。また、第１ガス孔２から流入された酸化ガス（第１媒体）が、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａに沿って、２つの第１孔１２から２つの第２孔１３へ流れる。複数の第１流路壁１１の前方向に、ガスケット２０が配置されている場合、ガスケット２０の第１貫通孔２１を介して、膜／電極接合体３０のカソード電極と、セパレータ１０−ｂの複数の第１流路壁１１とが接触する。このため、酸化ガスが、各第１流路壁１１の第１溝部１１ａを沿って流れることができる。これにより、酸化ガスが、膜／電極接合体３０のカソード電極に供給される。各第１流路壁１１は、例えば、ストレート型の流路壁である。本実施形態では、図２に示すように、２つの第１孔１２が、仕切り壁１２ａによって仕切られている。また、２つの第２孔１３が、仕切り壁１３ａによって仕切られている。また、２つの第３孔１４が、仕切り壁１４ａによって仕切られている。また、２つの第４孔１５が、仕切り壁１５ａによって仕切られている。２つの第１孔１２、２つの第２孔１３、２つの第３孔１４、及び２つの第４孔１５は、それぞれ２つの孔が合わさった長方形の１つの孔であってもよい。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、ビームの役割を果たす仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが、２つの孔の間に設けられている。
図３に示すように、セパレータ１０の第１流路壁１１が形成される面と逆の面には、複数の第２流路壁１９が形成される。図３に示すセパレータ１０の後ろ方向における表面に、複数の第２流路壁１９が、所定の間隔をあけて、互いに並んで形成される。図３に示すように、各第２流路壁１９は、まず、２つの第３孔１４の近傍から、上下方向に沿って延びた第２溝部１９ａを備える。そして、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、左右方向に沿って延び、さらに、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａは、２つの第４孔１５に向かって上下方向に沿って延びる。図３に示す第２溝部１９ａは、セパレータ１０の平面から凹んだ凹部が連続して形成されることによって構成されたものである。図３に示す第２溝部１９ａとして、セパレータ１０の平面から突出した突部が連続して形成されることによって構成されてもよい。複数の第２流路壁１９を含む領域は、膜／電極接合体３０の前方向の面に設けられたアノード電極３３の外形に対応する。各第２流路壁１９は、ストレート型の各第１流路壁１１と異なり、左右方向に沿った各第２流路壁１９の両端が、第３孔１４と第４孔１５のそれぞれに向かって直角に曲折したサーペンタイン型の流路壁である。
図３の例では、第２ガス孔３から流入された燃料ガスが、セパレータ１０の２つの第３孔１４を通り抜ける。なお、本実施形態では、燃料ガスは、水素（Ｈ2）である。燃料ガスとして、水素（Ｈ2）を含むガスであれば良い。そして、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガス（第２媒体）が、ガスケット２０−ａの第４貫通孔２４を通り抜ける。さらに、２つの第３孔１４を通り抜けた燃料ガスは、図３の各第２流路壁１９の第２溝部１９ａに沿って、２つの第３孔１４から、２つの第４孔１５へ流れる。詳細には、膜／電極接合体３０のアノード電極３３が、ガスケット２０―ａの第１貫通孔２１を通って、セパレータ１０−ａの複数の第２流路壁１９と接触する。このため、燃料ガスが、各第２流路壁１９の第２溝部１９ａを沿って流れることができる。これにより、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。
さらに、セパレータ１０の長方形の各長辺の近傍には、それぞれ複数の挿入孔１６が形成される。図２の例では、複数の挿入孔１６が、等間隔でセパレータ１０に形成されている。本実施形態では、セパレータ１０の強度を向上させるために、第３孔１４及び第４孔口１５が、隣り合う２つの挿入孔１６の間の領域に形成されている。
複数の挿入孔１６には、上述した複数のボルト１Ｃがそれぞれ挿入される。挿入孔１６の直径は、ボルト１Ｃの直径よりも３ｍｍ以上大きい。挿入孔１６にボルト１Ｃが挿入されたときに、挿入孔１６とボルト１Ｃとの間には、１．５ｍｍ以上の隙間が形成される。この結果、セパレータ１０とボルト１Ｃとが確実に絶縁される。
セパレータ１０の長辺に沿って隣り合う挿入孔１６どうしの間隔は、それぞれ８０ｍｍ以下である。挿入孔１６どうしの間隔が８０ｍｍ以下であると、セパレータ１０とガスケット２０との間のシール性が向上され、特に、燃料ガスの漏れが有効に防止される。好ましくは、挿入孔１６どうしの間隔は、６０ｍｍ±１ｍｍ程度とする。
ここで、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は空冷式となっている。本実施形態の固体高分子型燃料電池１では、セパレータ１０の長方形の各長辺と、複数の第１流路壁１１の上下方向の両端との間の領域が、それぞれ放熱部１７となっている。図１に示すように、複数の単位電池セル１ａが積層されると、各セパレータ１０の放熱部１７が多数のフィンを形成し、広範な放熱面積を提供する。固体高分子型燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質膜３１を備えた燃料電池である。固体高分子型燃料電池１は、一般的な燃料電池であっても良い。一般的な燃料電池とは、例えば、固体高分子電解質膜３１以外の膜を用いた燃料電池である。
＜発電の原理＞
上述したように、燃料ガスが、膜／電極接合体３０のアノード電極３３に供給される。セパレータ１０の複数の第２流路壁１９に沿って燃料ガスは供給され、アノード電極３３の拡散層によって拡散される。そして、燃料ガスは、触媒層によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜３１を通ってカソード電極へ移動する。また、電子は導体であるセパレータ１０を通って、カソード電極へ移動する。カソード電極では、上述したように、複数の第１流路壁１１に沿って流れる酸化ガスと、移動された水素イオン及び電子とが触媒層によって反応されて、水が生成される。このとき、水の電気分解と逆の原理で電気が発電される。生成された水及び／又はガスは、複数の第１流路壁１１に沿って第２孔１３を通過する。また、膜／電極接合体３０で生成される水及び／又はガスは、第４孔１５を通過する。
＜スタックの組み立て＞
図４に示すように、スタック１Ａの組み立てには、セパレータ１０及びガスケット２０を位置決めするための複数の組立シャフト４０が用いられる。複数の組立シャフト４０は、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６と同じ配置で、図示しない基台の上に設けられる。各組立シャフト４０は、挿入孔１６及び第６貫通孔２６にそれぞれ挿入される。尚、組立シャフト４０の直径は、ボルト１Ｃとは異なり、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径と略同径である。より具体的には、製造誤差に起因する径や位置のばらつきを考慮し、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径は、組立シャフト４０の直径よりも僅かに（例えば数％程度）大きく設定される。一例として、組立シャフト４０の直径は８ｍｍであり、ガスケット２０の第６貫通孔２６の直径は８．３５ｍｍである。
スタック１Ａは、セパレータ１０、ガスケット２０、膜／電極接合体３０が順に積層されることによって組み立てられる。セパレータ１０及びガスケット２０が積層される際に、組立シャフト４０が挿入孔１６及び第６貫通孔２６に挿入される。組立シャフト４０の直径が、セパレータ１０の挿入孔１６及びガスケット２０の第６貫通孔２６の直径と略同径であるため、これによって、セパレータ１０とガスケット２０とが正確に位置決めされる。
全てのセパレータ１０、ガスケット２０及び膜／電極接合体３０の積層が完了した場合には、これら構成部品に荷重を掛けて、複数の組立シャフト４０が挿入孔１６及び第６貫通孔２６から引き抜かれる。積層が完了した複数のセパレータ１０、及び、複数のガスケット２０に荷重が掛けられることで、一対のセパレータ１０間に設けられた一対のガスケット２０が変形し、一対のセパレータ１０間を密封することができる。このため、膜／電極接合体３０に流入される酸化ガス及び燃料ガスが、セパレータ１０の外部に漏れることを防ぐことができる。ガスケット２０を用いて、セパレータ１０間を密封するために、セパレータ１０には、ガスケットライン１８が形成される。以下、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）を用いて、ガスケットライン１８の詳細を説明する。
＜ガスケットライン１８＞
図５の（ａ）を用いて、セパレータ１０の前方向の表面に形成されるガスケットライン１８の詳細を説明する。図５の（ａ）中の太い直線は、ガスケットライン１８を示す。ガスケットライン１８は、セパレータ１０の前方向の表面に連続して形成された突部である。本実施形態のガスケットライン１８は、セパレータ１０と同じ材質を用いて、セパレータ１０と一体形成される。なお、ガスケットライン１８は、セパレータ１０と別の材質を用いて形成されても良い。また、ガスケットライン１８は、セパレータ１０と一体形成されず、それぞれ別々に形成されても良い。ガスケットライン１８（第１突部）は、複数の第１流路壁１１（第１溝部１１ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを途切れなく包囲する。つまり、ガスケットライン１８として、複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲む連続した突部が、セパレータ１０に形成される。本実施形態では、図５に示すように、ガスケットライン１８（第１突部）は、複数の第１流路壁１１（第１溝部１１ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３とを囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第３孔１４を囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第４孔１５を囲んで、セパレータ１０に形成されている。さらに、ガスケットライン１８（第４突部）は、複数の挿入孔１６のそれぞれの間にも形成されている。なお、本実施形態では、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８の外側に形成される。具体的には、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁との間にそれぞれ形成される。また、本実施形態では、ガスケット２０の前後方向の厚みは、ガスケットライン１８を構成する突部の前後方向の厚みよりも大きい。
セパレータ１０及びガスケット２０が積層されたときに、ガスケットライン１８は、ガスケット２０の表面に接触する。これにより、ガスケットライン１８に包囲された複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とが、ガスケット２０によりシールされる。ガスケット２０により、複数の第１流路壁１１と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とがシールされることで、酸化ガス及び燃料ガスの外部への漏れを防止することになる。
ここで、図５の（ｂ）中の点線は、ガスケット２０が、セパレータ１０のガスケットライン１８と接触する接触部分を示す。セパレータ１０とガスケット２０とが積層されたときに、ガスケット２０の点線で示された部分が、ガスケットライン１８に押さえ付けられる。
図６を用いて、セパレータ１０の後ろ方向の表面に形成されるガスケットライン１８の詳細を説明する。図６中の太い直線は、ガスケットライン１８を示す。ガスケットライン１８は、セパレータ１０の後ろ方向の表面に連続して形成された突部である。ガスケットライン１８（第２突部）は、複数の第２流路壁１９（第２溝部１９ａ）と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを途切れなく包囲する。つまり、ガスケットライン１８として、複数の第２流路壁１９と、２つの第１孔１２と、２つの第２孔１３と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲む連続した突部が、セパレータ１０に形成される。本実施形態では、図６に示すように、ガスケットライン１８（第２突部）は、複数の第２流路壁１９（第２溝部１９ａ）と、２つの第３孔１４と、２つの第４孔１５とを囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第１孔１２を囲んで、セパレータ１０に形成されている。また、ガスケットライン１８は、２つの第２孔１３を囲んで、セパレータ１０に形成されている。さらに、ガスケットライン１８（第４突部）は、複数の挿入孔１６のそれぞれの間にも形成されている。なお、本実施形態では、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８の外側に形成される。具体的には、複数の挿入孔１６は、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁との間にそれぞれ形成される。
一方、セパレータ１０とガスケット２０とが積層された後、ガスケット２０の点線よりも外側の部分は、自由に伸縮可能となる。図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂと、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分とが隣り合っている領域は、ガスケット２０の伸縮を抑制することができる。図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂの点線で囲われた斜線の領域は、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分と離れているため、自由に伸縮することができる。特に、図５の（ｂ）に示すガスケット２０の複数の第６貫通孔２６Ａの点線で囲われた斜線の領域では、ガスケットライン１８とガスケット２０との接触部分と離れる領域が大きい。このため、ガスケット２０の第６貫通孔２６Ｂが形成された領域よりも、自由に伸縮する場合がある。このような第６貫通孔２６Ａ、２６Ｂの点線で囲われた斜線の領域におけるガスケット２０が、組立シャフト４０に絡み付く可能性がある。このとき、従来では、組立シャフト４０を引き抜く際に、ガスケット２０の一部が組立シャフト４０に絡み付いているため、ガスケット２０が破損し、一対のセパレータ１０間の密着性が損なわれるという問題があった。
このような問題を解決するために、本実施形態のセパレータ１０には、各挿入孔１６の周辺領域に、図５の（ａ）に示す突起部１００Ａ、１００Ｂが形成される。以下、本実施形態のセパレータ１０に形成された突起部１００Ａ、１００Ｂについて、図５の（ａ）、（ｂ）及び図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して詳細に説明する。
＜突起部＞
図５の（ａ）、（ｂ）及び図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００Ａ、１００Ｂ（第３突部、第４突部）は、セパレータ１０と同じ材質を用いて、セパレータ１０と一体形成される。なお、突起部１００Ａ、１００Ｂは、セパレータ１０と別の材質を用いて形成されても良い。また、突起部１００Ａ、１００Ｂは、セパレータ１０と一体形成されず、それぞれ別々に形成されても良い。
本実施形態のセパレータ１０には、各挿入孔１６Ａ、１６Ｂの周辺領域に、突起部１００Ａ、１００Ｂがそれぞれ形成される。突起部１００Ａ、１００Ｂは、いずれも突形状となっている。具体的には、突起部１００Ａはそれぞれ、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁部（角部）との間に形成される。つまり、突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａと、セパレータ１０の外縁部（角部）との間に形成される。また、突起部１００Ｂはそれぞれ、ガスケットライン１８と、セパレータ１０の外縁部との間に形成される。つまり、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂと、セパレータ１０の外縁部との間に形成される。
本実施形態における突起部１００Ａの形状は、挿入孔１６Ａとセパレータ１０の角部との間に設けられた円の１／４に相当する円弧である。また、突起部１００Ｂの形状は、挿入孔１６Ｂとセパレータ１０の外縁との間に設けられた円の１／４に相当する円弧である。突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａの円形の外縁の周りを一部取り囲む位置に形成される。また、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂの円形の外縁の周りを一部取り囲む位置に形成される。突起部１００Ａは、挿入孔１６Ａの円形の外縁から所定の間隔をあけて形成される。また、突起部１００Ｂは、挿入孔１６Ｂの円形の外縁から所定の間隔をあけて形成される。
本実施形態では、図５の（ａ）中の一点鎖線で示すセパレータ１０の長辺の中心線Ａを基準として、突起部１００Ａ、１００Ｂが左右方向に線対称に形成される。セパレータ１０の長辺の両端に形成された突起部１００Ａは、セパレータ１０の長辺に沿って形成された突起部１００Ｂに対して、±４５°傾いている。挿入孔１６Ｂには、セパレータ１０の長辺に隣り合う部分にのみガスケットライン１８が形成されていないため、挿入孔１６Ｂのセパレータ１０の長辺側に突起部１００Ｂが形成されている。一方、挿入孔１６Ａには、セパレータ１０の長辺と短辺の両方に隣り合う部分にガスケットライン１８が形成されていないため、挿入孔１６Ａのセパレータ１０の長辺側と短辺側とに亘って突起部１００Ａが形成されている。
次に、本実施形態の突起部の構成について、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照しつつ更に詳細に説明する。なお、以下の説明における「突起部１００」は、上述した突起部１００Ａ、１００Ｂの両方を表す。また、「挿入孔１６」は、上述した挿入孔１６Ａ、１６Ｂの両方を表す。
図７の（ａ）に示すように、本実施形態のセパレータ１０の左右方向に沿った両面には、複数の第１流路壁１１及び複数の第２流路壁１９と、第１流路壁１１及び第２流路壁１９をそれぞれ取り囲むガスケットライン１８とが形成されている。また、セパレータ１０の左右方向に沿った両面のガスケットライン１８の外側には、複数の挿入孔１６と、突起部１００とが形成される。
図７の（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００の高さＡは、複数の第１流路壁１１と膜／電極接合体３０との接触を妨げない寸法とする。また、突起部１００の高さＡは、単位電池セル１ａの積層体をボルト１Ｃで締結したときに、ガスケット２０の厚さの１０〜４０％を潰す寸法とする。突起部１００が、ガスケット２０の厚さの１０〜４０％を潰すことで、ガスケット２０を十分に押さえることができる。この結果、ガスケット２０が、組立シャフト４０に絡み付くことを防止することができる。さらに、ガスケット２０の前後方向の厚みは、突起部１００の高さＡよりも大きい。また、突起部１００の高さＡと、ガスケットライン１８の前後方向の高さとは同じ高さであっても良い。また、突起部１００の高さＡは、セパレータ１０とガスケット２０との間に０．５ｍｍ以下の隙間が形成されても良い。この０．５ｍｍ以下の隙間が形成されることで、セパレータ１０がガスケット２０を押圧することを防ぐことが可能とする。
突起部１００の頂部には、幅０．１ｍｍ以上の平坦面Ｃが形成されても良い。突起部１００の頂部が尖っている場合は、頂部によってガスケット１０が切断されてしまう可能性がある。突起部１００の頂部に幅０．１ｍｍ以上の平坦面Ｃが形成されることで、ガスケット１０の切断を防ぐことが可能となる。
突起部１００の中心から挿入孔１６の外縁まで間には、２ｍｍ以上の間隔Ｄが形成されても良い。
なお、本実施形態では、セパレータ１０にガスケットライン１８及び突起部１００が形成されるが、この構成に限定されるものではない。セパレータ１０又はガスケット２０の少なくとも一方に、上述したガスケットライン１８及び／又は突起部１００が形成されても良い。ガスケットライン１８及び突起部１００の少なくとも一方が、ガスケット２０に形成されても良い。
＜突起部のバリエーション＞
図８の（ａ）に示す突起部１００は、挿入孔１６の付近に形成されたガスケットライン１８の形状に応じて、例えば、図８の（ｂ）〜（ｈ）に示すような種々の形状に変更されることができる。
挿入孔１６の外縁と、ガスケットライン１８とが所定の距離以内となる割合が少なくなるほど、突起部１００が挿入孔１６を囲む割合は大きくなる。このような場合、例えば、図８の（ｂ）、（ｃ）に示すように、突起部１００の形状は、円の１／２に相当する円弧、又は円の３／４に相当する円弧であっても良い。挿入孔１６とがガスケットライン１８とが所定の距離以内となる割合が全くない場合は、例えば、図８の（ｄ）に示すように、突起部１００の形状は、挿入孔１６を完全に囲む円であっても良い。
さらに、図８の（ｅ）に示すように、１つの挿入孔１６に対して、複数の円弧状の突起部１００が形成されても良い。突起部１００の形状は、円弧や円に限定されるものではなく、例えば、図８の（ｆ）に示すドット形状であっても良い。また、突起部１００の形状は、図８の（ｇ）に示す直線形状であっても良い。また、突起部１００の形状は、図８の（ｈ）に示す四角形であっても良い。
＜作用効果＞
本実施形態の固体高分子型燃料電池１、これを構成するセパレータ１０及びガスケット２０によれば、ガスケット２０が組立シャフト４０に絡み付くことを確実に防止することができ、スタック１Ａのシール性を向上させることが可能となる。
＜その他の変更＞
本実施形態のセパレータ１０及びこれを備えた固体高分子型燃料電池は、上述した実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、セパレータ１０の外形を長辺と短辺とを有する略矩形としたが、セパレータ１０の外形は、特に限定されるものではなく、任意の形状に変更することができる。
また、例えば、上述した実施形態では、酸化ガスの複数の第１流路壁１１をストレート型とし、燃料ガスの複数の第２流路壁１９をサーペンタイン型としたが、この構成も、特に限定されるものではない。複数の第１流路壁１１は、第１孔１２から第２孔１３へガスを流すものとして、設計変更することが可能である。同様に複数の第２流路壁１９も、第３孔１４から第４孔１５へガスを流すものとして、設計変更することが可能である。また、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４及び第４孔１５の位置も、上述した実施形態の位置に限定されるものではない。さらに、補強のための仕切り壁１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを省略し、第１孔１２、第２孔１３、第３孔１４、第４孔１５をそれぞれ一つずつにしてもよい。
さらに、上述した実施形態では、空冷用のセパレータ１０を例示したが、冷却水が通過するための孔を有する水冷用のセパレータに、突起部１００Ａまたは突起部１００Ｂを適用することも可能である。
１ 固体高分子型燃料電池
１Ａ スタック
１ａ 単位電池セル
１Ｂ エンドプレート
１Ｃ ボルト
１０ セパレータ
１１ 複数の第１流路壁
１１ａ 第１流路壁
１２ 第１孔
１３ 第２孔
１２ａ、１３ａ 仕切り壁
１４ 第３孔
１５ 第４孔
１４ａ、１５ａ 仕切り壁
１６ 挿入孔
１８ ガスケットライン
１９ 複数の第２流路壁
１９ａ 第２流路壁
２０ ガスケット
２１ 第１貫通孔
２２ 第２貫通孔
２３ 第３貫通孔
２４ 第４貫通孔
２５ 第５貫通孔
２６ 第６貫通孔
３０ 膜／電極接合体
３１ 固体高分子電解質膜
３３ アノード電極
４０ 組立シャフト
１００、１００Ａ、１００Ｂ 突起部

Claims (9)

  1. 平面形状の膜／電極接合体と、
    前記膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、
    前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、
    前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、
    前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、
    前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、
    前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成され前記セパレータを貫通する複数の第５孔と前記セパレータの外縁との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、
    を備える前記セパレータと、
    前記膜／電極接合体と前記セパレータとの間に設けられたガスケットであって、前記第１溝部及び前記第２溝部に対応する位置に貫通された貫通孔と、前記第１孔、前記第２孔、前記第３孔、前記第４孔、及び前記複数の第５孔にそれぞれ対応する位置に貫通された複数の貫通孔とが形成された前記ガスケットと
    を備えることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記複数の第３突部は、前記複数の第５孔それぞれの周囲の一部を囲むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記複数の第３突部の頂部に、面が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記セパレータには、前記複数の第５孔の間にそれぞれ複数の第４突部が形成されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の燃料電池。
  5. 前記複数の第５孔には、組み立てシャフトが挿入可能であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の燃料電池。
  6. 前記膜／電極接合体は、
    前記セパレータの第１面と対向した第１電極と、
    前記セパレータの第２面と対向した第２電極と、
    を備え、
    前記第１溝部は、前記第１孔から供給される第１媒体を前記第１電極へ流すために設けられており、
    前記第２溝部は、前記第３孔から供給される第２媒体を前記第２電極へ流すために設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の燃料電池。
  7. 前記第１溝部は、酸素を含む前記第１媒体を、前記第１電極としてのカソード電極へ流すために設けられ、
    前記第２溝部は、水素を含む前記第２媒体を、前記第２電極としてのアノード電極へ流すために設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
  8. 平面形状の膜／電極接合体の両面に設けられる平面形状のセパレータであって、
    前記セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記セパレータの第１面に形成された第１溝部と、
    前記セパレータを貫通する第３孔から前記セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記セパレータの第２面に形成された第２溝部と、
    前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、
    前記第２溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、
    前記第１突部に囲まれた領域及び前記第２突部に囲まれた領域と、前記セパレータの外縁との間に形成され前記セパレータを貫通する複数の第５孔と前記セパレータの外縁との間に、前記第１面及び前記第２面にそれぞれ形成された複数の第３突部と、
    を備えることを特徴とするセパレータ。
  9. 平面形状の膜／電極接合体と、
    前記膜／電極接合体の一方の面に設けられる平面形状の第１セパレータであって、
    前記第１セパレータを貫通する第１孔から前記セパレータを貫通する第２孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第１面に形成された第１溝部と、
    前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔とを囲んで、前記第１面に形成された第１突部と、
    を備える前記第１セパレータと、
    前記膜／電極接合体の他方の面に設けられる平面形状の第２セパレータであって、
    前記第２セパレータを貫通する第３孔から前記第２セパレータを貫通する第４孔に向けて、前記膜／電極接合体と対向する第２面に形成された第２溝部と、
    前記第２溝部と前記第３孔と前記第４孔とを囲んで、前記第２面に形成された第２突部と、
    を備える前記第２セパレータと
    を備えており、
    前記第１セパレータは、前記第１突部に囲まれた領域と、前記第１セパレータの外縁との間に形成され前記第１セパレータを貫通する複数の第５孔と前記第１セパレータの外縁との間に前記第１面にそれぞれ形成された複数の第３突部を備えており、
    前記第２セパレータは、前記第２突部に囲まれた領域と、前記第２セパレータの外縁との間に形成され前記第２セパレータを貫通する複数の第６孔と前記第２セパレータの外縁との間に前記第２面にそれぞれ形成された複数の第４突部を備えており、
    前記膜／電極接合体と前記第１セパレータとの間に設けられた第１ガスケットであって、前記第１溝部と前記第１孔と前記第２孔と前記複数の第５孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された複数の貫通孔が形成された前記第１ガスケットと、
    前記膜／電極接合体と前記第２セパレータとの間に設けられた第２ガスケットであって、前記第２溝部と前記第３孔と前記第４孔と前記複数の第６孔とにそれぞれ対応する位置に貫通された複数の貫通孔が形成された前記第２ガスケットと、
    を更に備えることを特徴とする燃料電池。
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