JP2021140909A - 金属セパレータ、燃料電池及び金属セパレータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属プレートとゴム部材の間から水を良好に排出することができる金属セパレータ、燃料電池及び金属セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】金属セパレータ１４は、電解質膜・電極構造体１６の両面に各々積層されて燃料電池１０を構成する。金属セパレータ１４の製造方法は、連通孔２６及び流体流路３８を備える金属プレート５０を製造する金属プレート加工工程と、連通孔２６から流体流路３８に向かって延在する複数のゴム延在部５３を金属プレート５０に接着するゴム付加工程とを有する。ゴム付加工程では、金属プレート５０にプライマ６０を島状に塗布し、島状のプライマ６０を介して金属プレート５０とゴム延在部５３を接着する。【選択図】図５
Description
本発明は、電解質膜・電極構造体の両面に積層されて燃料電池を構成する金属セパレータに係わるものであり、またこの金属セパレータを有する燃料電池及び金属セパレータの製造方法に関する。
燃料電池は、アノード電極、固体高分子電解質膜、カソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を有し、またバイポーラ板である一対の金属セパレータによりこのＭＥＡを挟持して構成される。燃料電池を複数積層した燃料電池スタックは、互いに隣接する燃料電池の金属セパレータ同士の間に、冷媒を流通させる冷媒流路を形成する。金属セパレータは、この冷媒流路に冷媒を流通させるために、燃料電池の積層方向に貫通する冷媒連通孔を有している。
この種の金属セパレータは、特許文献１に開示されているように、発電に使用する反応ガスや冷媒の漏出防止機能と絶縁機能を成立させるために、金属プレート（基材）にゴム部材（シール部材）を設けたものがある。ゴム部材は、金属プレートの表面に塗布したプライマを介して金属プレートに一体化される。このゴム部材は、冷媒連通孔と冷媒流路の間にも設けられて、冷媒を流通可能なブリッジ部を形成している。
ところで、この種の金属セパレータは、ゴムを成形するためにプライマを一様に塗布するが、製造時におけるゴム成形の型締め等によって、金属プレートに塗布したプライマが局所的になくなる場合がある。その場合、燃料電池の発電時にプライマがなくなった箇所に対して冷媒や生成水を介した漏れ電流が集中し、電位差腐食による孔食等が発生する可能性がある。
また、燃料電池は、発電時に、金属プレートとゴム部材の間に気化した水等（冷媒）が進入して凝縮することで、金属プレートとゴム部材の間にブリスター（水ぶくれ）が生じることがある。このブリスターの発生によりゴム部材が流体の通路に膨らむと、流路断面積が減少して流体（反応ガスや冷媒）の流通が阻害される。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、簡単な構成によって金属プレートとゴム部材の間から水を良好に排出してブリスターの発生を抑制することができ、また孔食を防止することができる金属セパレータ、燃料電池及び金属セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成する金属セパレータであって、当該金属セパレータは、積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートと、前記金属プレートに接着され、前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部とを有し、前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、前記複数のゴム延在部は、前記金属プレートと前記ゴム延在部の間で複数の点状プライマを介して当該金属プレートに接着されている。
また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面の各々に金属セパレータを積層して構成される燃料電池であって、前記金属セパレータは、積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートと、前記金属プレートに接着され、前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部とを有し、前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、前記複数のゴム延在部は、前記金属プレートと前記ゴム延在部の間で複数の点状プライマを介して当該金属プレートに接着されている。
また前記の目的を達成するために、本発明の第３の態様は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成する金属セパレータの製造方法であって、積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートを製造する金属プレート加工工程と、前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部を前記金属プレートに設けるゴム付加工程とを有し、前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、前記ゴム付加工程では、複数の点状プライマを介して前記金属プレートと前記複数のゴム延在部を接着する。
上記の金属セパレータ、燃料電池及び金属セパレータの製造方法は、簡単な構成によって金属プレートとゴム部材の間から水を良好に排出することができる。また、漏れ電流の局所集中をなくすことで、電位差腐食による孔食を防ぐことができる。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池１０は、図１に示すように、反応ガスである燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）の反応に基づき発電を行う単位発電セルを構成している。この燃料電池１０は、矢印Ａ方向に複数積層されることで、図示しない燃料電池スタックを形成する。例えば、燃料電池スタックは、燃料電池自動車（不図示）に搭載され、モータ等の車載装置の電源として使用される。
燃料電池１０は、枠付き電解質膜・電極構造体１２（以下、枠付きＭＥＡ１２という）と、枠付きＭＥＡ１２の両面に各々積層される一対の金属セパレータ１４とを有する。本実施形態に係る枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１６（以下、ＭＥＡ１６という）と、ＭＥＡ１６の外周の全周に固定される樹脂枠部材１８とを備える。なお、燃料電池１０は、枠付きＭＥＡ１２に代えて、樹脂枠部材１８を備えないＭＥＡ１６を適用してもよい。
図１及び図２に示すように、ＭＥＡ１６は、電解質膜２０（陽イオン交換膜）と、電解質膜２０の一方面に積層されるアノード電極２２と、電解質膜２０の他方面に積層されるカソード電極２４とを備える。
電解質膜２０は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜から構成されている。なお、電解質膜２０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
アノード電極２２及びカソード電極２４は、電解質膜２０の両面に配置される図示しない電極触媒層と、電極触媒層の外側（電解質膜２０の反対側）に配置される図示しないガス拡散層とを有する。例えば、ガス拡散層は、カーボンペーパ等により構成される。また、電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。
本実施形態に係るＭＥＡ１６は、電解質膜２０及びアノード電極２２の平面寸法よりも小さな平面寸法のカソード電極２４を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、ＭＥＡ１６は、電解質膜２０及びカソード電極２４の平面寸法よりも小さな平面寸法のアノード電極２２を有する段差型ＭＥＡであってもよい。また、ＭＥＡ１６は、非段差型（電解質膜２０、アノード電極２２及びカソード電極２４が同一の平面寸法）であってもよい。
枠付きＭＥＡ１２の樹脂枠部材１８は、ＭＥＡ１６のカソード電極２４の外周縁よりも外側において、電解質膜２０の外周面部に接着剤により接合される。樹脂枠部材１８を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック等があげられる。樹脂枠部材１８はフィルム等により構成してもよい。
樹脂枠部材１８（枠付きＭＥＡ１２）は、長方形状に形成された金属セパレータ１４の外周部に設けられる複数の連通孔２６よりも内側に配置される。なお、樹脂枠部材１８は、金属セパレータ１４と同じ平面寸法に形成され、金属セパレータ１４と同様の連通孔２６を備えた構成でもよい。
各金属セパレータ１４の複数の連通孔２６は、複数の燃料電池１０の積層方向に沿って反応ガス及び冷媒を流通させる。すなわち、燃料ガス連通孔２８（燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂ）は、反応ガス連通孔２６ａの一方を構成し、水素ガス等の燃料ガスを矢印Ａ方向に流通させる。酸化剤ガス連通孔３０（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ）は、反応ガス連通孔２６ａの他方を構成し、エア等の酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させる。冷媒連通孔３２（冷媒入口連通孔３２ａ、冷媒出口連通孔３２ｂ）は、連通孔２６を構成し、水等の冷媒を矢印Ａ方向に流通させる。
具体的には、各金属セパレータ１４の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端側の外周部には、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。各金属セパレータ１４の長辺方向（矢印Ｂ方向）他端側の外周部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。
また、燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の外周部には、冷媒入口連通孔３２ａ、冷媒出口連通孔３２ｂが複数設けられる。複数の冷媒入口連通孔３２ａは、金属セパレータ１４の長辺方向中央部よりも矢印Ｂ１側に配置され、また短辺方向両端部の各々に一対設けられている。一対の冷媒入口連通孔３２ａの間には相互を分割する隔壁３４が設けられている。一方、複数の冷媒出口連通孔３２ｂは、金属セパレータ１４の長辺方向中央部よりも矢印Ｂ２側に配置され、また短辺方向両端部の各々に一対設けられている。一対の冷媒出口連通孔３２ｂの間にも相互を分割する隔壁３４が設けられている。
なお、冷媒連通孔３２（冷媒入口連通孔３２ａ、冷媒出口連通孔３２ｂ）の形成位置や形状は、上記に限定されるものではない。例えば、冷媒入口連通孔３２ａや冷媒出口連通孔３２ｂは、燃料電池１０の長辺方向両端側に設けられ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと共に矢印Ｃ方向に並んで配置されてもよい。
燃料ガス連通孔２８は、アノード電極２２と、アノードセパレータ４０（金属セパレータ１４）との間に形成される燃料ガス流路４２に連通する。アノードセパレータ４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部をアノード電極２２に対向する面４０ａに有し、凸部間に形成された溝部（平面形状が波状流路溝又は直線状流路溝）により燃料ガス流路４２を構成する。燃料ガス流路４２は、反応ガスの一方である燃料ガスをセパレータ面に沿って流通させる流体流路３８（反応ガス流路３８ａの一方）を構成している。
また、アノードセパレータ４０の燃料ガス流路４２の外周部には、燃料ガスの漏出を防ぐために後述するゴム部材５２が設けられる。燃料ガス連通孔２８と燃料ガス流路４２の間には、ゴム部材５２の複数の凸状のゴム延在部（不図示）によって、燃料ガスを流通させる流路溝を備えたブリッジ部４３が形成されている。具体的には、ブリッジ部４３は、アノードセパレータ４０の金属露出面、複数のゴム延在部からなる複数の流路溝により構成される。なお図１中のブリッジ部４３は、複数の流路溝を蓋で覆っているが、蓋を用いずに複数のゴム延在部を樹脂枠部材１８に接触させてもよい。
酸化剤ガス連通孔３０は、カソード電極２４と、カソードセパレータ４４（金属セパレータ１４）との間に形成される酸化剤ガス流路４６に連通する。カソードセパレータ４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部をカソード電極２４に対向する面４４ａに有し、凸部間に形成された溝部（平面形状が波状流路溝又は直線状流路溝）により酸化剤ガス流路４６を構成する。酸化剤ガス流路４６は、反応ガスの他方である酸化剤ガスをセパレータ面に沿って流通させる流体流路３８（反応ガス流路３８ａの他方）を構成している。
カソードセパレータ４４の酸化剤ガス流路４６の外周部にも、酸化剤ガスの漏出を防ぐために後述するゴム部材５２が設けられる。酸化剤ガス連通孔３０と酸化剤ガス流路４６の間には、ゴム部材５２の複数の凸状のゴム延在部（不図示）によって、酸化剤ガスを流通させる流路溝を備えたブリッジ部４７が形成されている。具体的には、ブリッジ部４７は、カソードセパレータ４４の金属露出面、複数のゴム延在部からなる複数の流路溝により構成される。なお図１中のブリッジ部４７も、複数の流路溝を蓋で覆っているが、蓋を用いずに複数のゴム延在部を樹脂枠部材１８に接触させてもよい。
冷媒連通孔３２は、隣接し合うアノードセパレータ４０とカソードセパレータ４４の間に形成される冷媒流路４８に連通する。冷媒流路４８は、セパレータ面に沿って冷媒を流通させる流体流路３８を構成する。冷媒流路４８は、アノードセパレータ４０の面４０ｂに形成された燃料ガス流路４２の裏面形状と、カソードセパレータ４４の面４４ｂに形成された酸化剤ガス流路４６の裏面形状とが重なり合って形成される。各冷媒入口連通孔３２ａから冷媒が流入されると、冷媒を矢印Ｂ２側に流通させて、各冷媒出口連通孔３２ｂから冷媒を流出させる。
金属セパレータ１４（アノードセパレータ４０、カソードセパレータ４４）は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の薄板状の金属プレート５０（基材）を有する。金属プレート５０は、プレス加工されることにより、複数本の凸部及び溝部を有する断面凹凸形状に形成される。
また、金属セパレータ１４（アノードセパレータ４０、カソードセパレータ４４）は、流体流路３８（燃料ガス流路４２、酸化剤ガス流路４６、冷媒流路４８）よりも外側に、金属プレート５０を被覆するゴム部材５２を有する。ゴム部材５２は、反応ガス及び冷媒の漏出防止機能と絶縁機能を成立させる。以下、アノードセパレータ４０に設けられるゴム部材５２をアノードゴム部材５４といい、カソードセパレータ４４に設けられるゴム部材５２をカソードゴム部材５６という。
ゴム部材５２の材料は、特に限定されず、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、或いはパッキン材等の弾性を有する樹脂材を適用することができる。
図１〜図３に示すように、カソードゴム部材５６は、カソードセパレータ４４の面４４ａにおいて酸化剤ガス流路４６を周回する平面シール部５６ｆａと、カソードセパレータ４４の面４４ｂにおいて冷媒流路４８を周回する平面シール部５６ｆｂとを有する。平面シール部５６ｆａ、５６ｆｂは、冷媒入口連通孔３２ａ及び冷媒出口連通孔３２ｂの周囲において、当該冷媒入口連通孔３２ａ及び冷媒出口連通孔３２ｂの内周縁部を連続して周回する縁部シール部５６ｒを形成している。
また、カソードゴム部材５６の平面シール部５６ｆｂには、平面シール部５６ｆｂから突出して燃料ガス及び冷媒を気密及び液密にシールする幾つかの突出シール部５６ｓが一体成形されている。突出シール部５６ｓとしては、金属プレート５０の外縁に設けられアノードゴム部材５４に接触する外側突出部５６ｓ１、及び反応ガス連通孔２６ａの各々を囲う連通孔突出部５６ｓ２があげられる。
そして、図３及び図５に示すように、カソードゴム部材５６は、カソードセパレータ４４の面４４ｂ側において平面シール部５６ｆｂ（縁部シール部５６ｒ）に連設される複数のゴム延在部５３（カソード側ゴム延在部５７）を有する。各カソード側ゴム延在部５７は、冷媒連通孔３２（冷媒入口連通孔３２ａ、冷媒出口連通孔３２ｂ）と冷媒流路４８との間を矢印Ｃ方向に延在するブロック状に形成されている。
具体的には、各カソード側ゴム延在部５７は、金属プレート５０から矢印Ａ方向（厚さ方向）に向かって縁部シール部５６ｒ（平面シール部５６ｆｂ）よりも突出している。また、各カソード側ゴム延在部５７の幅方向（矢印Ｃ方向）の寸法は、カソード側ゴム延在部５７の延在方向（矢印Ｂ方向）の寸法よりも長く（例えば、２倍以上の寸法に）設定されている。すなわち、各カソード側ゴム延在部５７は、矢印Ｃ方向に細長に形成されている。
各カソード側ゴム延在部５７は、矢印Ｂ方向に沿って相互に等間隔（間隔Ｌ１毎）に設けられている。各カソード側ゴム延在部５７同士の間は、カソードゴム部材５６が設けられずに、金属プレート５０が露出した金属露出面５１となっている。互いに隣接するカソード側ゴム延在部５７同士の間、且つ金属露出面５１からなる空間は、冷媒が流通する溝部５８ｂ（図６も参照）を構成している。
各カソード側ゴム延在部５７には、矢印Ｂ方向に延在して隣接する溝部５８ｂ同士を連通する１以上、例えば、２つの切り欠き部５７ｂが形成されている。各カソード側ゴム延在部５７は、矢印Ｃ方向に２つ設けられた切り欠き部５７ｂによって、分割された３つの突出端部５７ａを有する。各切り欠き部５７ｂは、複数の溝部５８ｂ間を連通して冷媒を流通可能としている。なお、切り欠き部５７ｂは、２つ設けられることに限定されず、１つ又は３つ以上設けられてもよい。
図２及び図４に示すように、アノードゴム部材５４は、アノードセパレータ４０の面４０ａにおいて燃料ガス流路４２を周回する平面シール部５４ｆａと、アノードセパレータ４０の面４０ｂにおいて冷媒流路４８を周回する平面シール部５４ｆｂとを有する。平面シール部５４ｆａ、５４ｆｂは、冷媒入口連通孔３２ａ及び冷媒出口連通孔３２ｂの周囲において、当該冷媒入口連通孔３２ａ及び冷媒出口連通孔３２ｂの内周縁部を連続して周回する縁部シール部５４ｒを形成している。
また、アノードゴム部材５４の平面シール部５４ｆａには、平面シール部５４ｆａから突出して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする突出シール部５４ｓが一体成形されている。突出シール部５４ｓは、樹脂枠部材１８に接触する内側突出部５４ｓ１、各連通孔２６の周囲に設けられカソードゴム部材５６に接触する連通孔突出部５４ｓ２、及び金属プレート５０の外縁に設けられカソードゴム部材５６に接触する外側突出部５４ｓ３を有する。
そして、アノードゴム部材５４は、アノードセパレータ４０の面４０ｂにおいて平面シール部５４ｆｂに連設される複数のゴム延在部５３（アノード側ゴム延在部５５）を有する。各アノード側ゴム延在部５５は、冷媒入口連通孔３２ａ及び冷媒出口連通孔３２ｂと、冷媒流路４８との間を、矢印Ｃ方向に延在している。各アノード側ゴム延在部５５は、金属プレート５０から矢印Ａ方向に向かって縁部シール部５４ｒ（平面シール部５４ｆｂ）と同じ厚さに形成されている。
また、各アノード側ゴム延在部５５は、矢印Ｃ方向に沿って細長に形成され、アノードセパレータ４０とカソードセパレータ４４の積層状態で、各カソード側ゴム延在部５７に対向する位置に配置される。すなわち、平面シール部５４ｆｂのうち各アノード側ゴム延在部５５の表面５５ｆには、各カソード側ゴム延在部５７の突出端部５７ａが接触する。
各アノード側ゴム延在部５５の幅方向（矢印Ｂ方向）の寸法は、アノード側ゴム延在部５５の延在方向（矢印Ｃ方向）の寸法よりも長く（例えば、２倍以上の寸法に）設定されている。すなわち、各アノード側ゴム延在部５５は、矢印Ｃ方向に細長に形成されている。また、各アノード側ゴム延在部５５の幅方向の寸法Ｗ１は、各カソード側ゴム延在部５７の幅方向の寸法Ｗ２よりも大きく（幅広に）設定されている。このため金属セパレータ１４同士の組付け位置が長辺方向にずれても、冷媒流路４８の圧損が増加することがない。
各アノード側ゴム延在部５５は、矢印Ｂ方向に沿って相互に等間隔（間隔Ｌ２毎）に設けられている。各アノード側ゴム延在部５５同士の間は、アノードゴム部材５４が設けられずに、金属プレート５０が露出した金属露出面５１となっている。アノードセパレータ４０において互いに隣接するアノード側ゴム延在部５５同士の間、且つ金属露出面５１からなる空間は、冷媒が流通する溝部５８ａを構成している（図６も参照）。
図２、図５及び図６に示すように、以上の金属セパレータ１４（アノードセパレータ４０、カソードセパレータ４４）は、燃料電池１０の積層状態で、冷媒連通孔３２と冷媒流路４８の間に冷媒を流通可能なブリッジ構造５９を形成する。ブリッジ構造５９は、矢印Ｂ方向に並ぶ各アノード側ゴム延在部５５と各カソード側ゴム延在部５７とが相互に積層して構成される。
このため、ブリッジ構造５９は、矢印Ｂ方向に隣り合う各ゴム延在部５３（アノード側ゴム延在部５５、各カソード側ゴム延在部５７）の間に、アノードセパレータ４０側の溝部５８ａとカソードセパレータ４４側の溝部５８ｂとからなる流体通路５８を有する。各流体通路５８の矢印Ａ方向には、アノードセパレータ４０の縁部シール部５４ｒ及び金属露出面５１と、カソードセパレータ４４の縁部シール部５６ｒ及び金属露出面５１とが相互に対向している。
また、本実施形態に係る燃料電池１０は、金属プレート５０の表面にゴム部材５２を接着した金属セパレータ１４を使用している。この場合、金属セパレータ１４は、ゴム部材５２の接着前に、接着性を高めるプライマ６０を金属プレート５０の表面に塗布し、プライマ６０を介して金属プレート５０とゴム部材５２の接着力を強めている。
そして、本実施形態に係るプライマ６０は、金属プレート５０のブリッジ部分５０ａ（図３及び図４の２点鎖線も参照）において複数の点状（島状、ドット状）に塗布される。以下、ブリッジ部分５０ａに塗布されるプライマ６０を点状プライマ６１ともいう。ブリッジ部分５０ａは、冷媒連通孔３２（冷媒入口連通孔３２ａ、冷媒出口連通孔３２ｂの各々）と冷媒流路４８との間に位置する部分である。なお、点状プライマ６１は、流体通路５８を構成する縁部シール部５４ｒ、５６ｒの形成箇所にも設けられている。一方、金属セパレータ１４のブリッジ部分５０ａ以外の箇所は、金属プレート５０の表面全体にプライマ６０が塗布される（ベタ塗りされる）。以下、ブリッジ部分５０ａ以外の箇所に塗布されるプライマ６０を面状プライマ６２ともいう。
複数の点状プライマ６１は、例えば、金属プレート５０の矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に沿ったマトリクス状に配列されている。換言すれば、複数の点状プライマ６１は、縦方向及び横方向に沿って等間隔に並んでいる。なお、複数の点状プライマ６１は、マトリクス状だけでなく、不規則に配置されていてもよい。
また各点状プライマ６１は、図５中において、同じ面積を有する略四角形状に形成されている。なお、各点状プライマ６１の形状は、特に限定されず、例えば、円形状や他の多角形状でもよく、また形状や面積は同じでもよく相互に異なっていてもよい。また、各点状プライマ６１の最長寸法は、アノード側ゴム延在部５５及びカソード側ゴム延在部５７の幅より小さく設定されている。
各点状プライマ６１の厚みは、３μｍ〜１５μｍ程度の範囲に設定されることが好ましい。仮に、点状プライマ６１の厚みが１５μｍよりも大きい場合には、燃料電池１０の積層状態において、ゴム延在部５３にかかる線圧のばらつきが大きくなり、シール圧縮荷重特性が低下する可能性がある。
さらに、ゴム延在部５３の接着面の面積に対する複数の点状プライマ６１を合計した面積の比率（プライマ面積率）は、１０％〜３０％の範囲内に設定されることが好ましい。仮にプライマ面積率が１０％よりも小さい場合には、各点状プライマ６１を介した金属プレート５０とゴム部材５２の接着性が低下する可能性がある。一方、プライマ面積率が３０％よりも大きい場合には、後述するように金属プレート５０とゴム延在部５３の間に気化した水が入り込んで液化した際に、金属プレート５０とゴム延在部５３から液水が流出し難くなる。
金属セパレータ１４のブリッジ部分５０ａは、複数の点状プライマ６１が塗布されることで、各ゴム延在部５３の接着部分だけでなく、各ゴム延在部５３間の金属露出面５１にも各点状プライマ６１が形成されている。これにより、金属プレート５０に対するプライマ６０の塗布作業を効率的に行うことができる。
金属プレート５０に塗布するプライマ６０は、特に限定されるものではないが、シランカップリング剤を用いることが好ましい。本実施形態において、プライマ６０は、シランカップリング剤を主材料として、造膜剤、溶剤、触媒等を適宜混合したものを使用している。
ブリッジ部分５０ａは、ゴム部材５２の接合に伴って、金属プレート５０とゴム延在部５３の接合境界部６４に、点状プライマ６１を介して接着した第１接着部６４ａと、点状プライマ６１を介さずに接着した第２接着部６４ｂとが生じる。第１接着部６４ａは、第２接着部６４ｂよりも強い結合力で金属プレート５０とゴム部材５２を接着している。
そして、マトリクス状に形成される複数の第１接着部６４ａ（点状プライマ６１）に対して、第２接着部６４ｂ（非プライマ形成箇所）は、各第１接着部６４ａの間を埋めて一連に連続するように形成される。この第２接着部６４ｂは、各ゴム延在部５３の幅方向両側又は冷媒流路４８側に露出している金属プレート５０の金属露出面５１に接している。
次に、以上の金属セパレータ１４の製造方法について図７を参照して説明する。金属セパレータ１４の製造方法は、金属プレート加工工程（ステップＳ１）、ゴム付加工程（ステップＳ２）を順に実施する。また、金属プレート加工工程では、凹凸加工工程、連通孔形成工程を順に実施し金属プレート５０を成形する。さらに、ゴム付加工程では、プライマ塗布工程、部材接着工程を順に実施して、金属プレート５０とゴム部材５２を一体化する。
凹凸加工工程では、金属セパレータ１４を構成する図示しないプレートを用意して、このプレートをプレス装置（不図示）の金型にセットする。プレス装置は、セット後に金型を動作させることで、金属セパレータ１４の流路（燃料ガス流路４２、酸化剤ガス流路４６、冷媒流路４８）を構成する凹凸をプレス成形する。
連通孔形成工程では、凹凸加工工程後の図示しない凹凸プレートをプレス装置（不図示）にセットする。プレス装置は、セット後に、ピアス金型で凹凸プレートに対して連通孔２６を貫通形成する。なお、金属セパレータ１４の製造では先に連通孔２６を形成した後に流路を形成してもよく、或いはプレス（凹凸の形成）と連通孔２６の形成を同時に実施してもよい。
プライマ塗布工程では、図示しない塗布装置を用いて、加工された金属プレート５０の外周部表面にプライマ６０を塗布する。塗布装置は、例えば、ノズルの先端からプライマ６０の液滴を噴出可能なインクジェット式に構成されている。そして、塗布装置は、金属プレート５０のブリッジ部分５０ａにプライマ６０を離散的に塗布して複数の点状プライマ６１を形成する。また、塗布装置は、ブリッジ部分５０ａ以外のゴム部材５２の接着箇所に、金属プレート５０の面方向に連続してプライマ６０を塗布して面状プライマ６２を形成する。
部材接着工程では、プライマ６０が塗布された金属プレート５０を図示しない金型にセットして、金属プレート５０の外周部と金型凹部との間にゴム材料を射出することでゴム部材５２を成形する。この際、金属プレート５０のプライマ６０は、ゴム部材５２の接着性を高めることができる。
そして、ブリッジ部分５０ａ以外の箇所は、面状プライマ６２が形成されていることで、金属プレート５０とゴム部材５２とを強固に接着した状態となる。その一方で、金属プレート５０とゴム延在部５３の間の接合境界部６４は、点状プライマ６１が塗布されていることで、複数の第１接着部６４ａと、各第１接着部６４ａの周囲において連続した第２接着部６４ｂとを有した状態となる。
なお、点状プライマ６１を介して金属プレート５０とゴム延在部５３を接着する構成は、冷媒のブリッジ部分５０ａに限定されるものではない。例えば、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスが流通する流体通路５８を有するブリッジ部４３、４７において、点状プライマ６１を介した金属プレート５０とゴム延在部５３の接着を行ってもよい。
本実施形態に係る燃料電池１０及び金属セパレータ１４は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その作用効果について説明する。
図１に示すように、燃料電池スタックを構成している複数の燃料電池１０は、当該燃料電池スタックの外部から燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒が供給される。各燃料電池１０は、燃料ガス入口連通孔２８ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に燃料ガスを流通し、燃料ガス流路４２に燃料ガスを流入させる。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１６のアノード電極２２に供給される。また、各燃料電池１０は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に酸化剤ガスを流通し、酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスを流入させる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１６のカソード電極２４に供給される。
そして、ＭＥＡ１６は、アノード電極２２に供給される燃料ガスと、カソード電極２４に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料ガス流路４２を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに流出し、燃料ガス出口連通孔２８ｂを介して積層方向（矢印Ａ方向）に流通して燃料電池スタックの外部に排出される。一方、酸化剤ガス流路４６を流通した電気伝導度が低い酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに流出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを介して矢印Ａ方向に流通して燃料電池スタックの外部に排出される。
さらに、冷媒は、エチレングリコールを含む純水等の電気伝導度が低い液体によって構成され、冷媒入口連通孔３２ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に冷媒を流通し、冷媒流路４８に流入する。この冷媒は、冷媒流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、枠付きＭＥＡ１２の温度を調整する。冷媒流路４８を流通した冷媒は、冷媒出口連通孔３２ｂに流出し、冷媒出口連通孔３２ｂを介して矢印Ａ方向に流通して燃料電池スタックの外部に排出される。
燃料電池１０は、冷媒入口連通孔３２ａと冷媒流路４８の間及び冷媒流路４８と冷媒出口連通孔３２ｂの間に設けられたブリッジ構造５９の各流体通路５８を介して冷媒を流通させる。図６に示すように、各流体通路５８は、金属セパレータ１４の金属プレート５０の金属露出面５１及びゴム部材５２のゴム延在部５３に囲われて構成されている。
ここで、流体通路５８を構成するアノード側ゴム延在部５５及びカソード側ゴム延在部５７は、積層状態で相互に圧縮荷重がかかっていることで、幅方向に若干押し潰れた形状となっている。このため、流体通路５８において液体の冷媒は、接合境界部６４に浸入しにくく、流体通路５８の延在方向（矢印Ｃ方向）に沿って流通する。
一方、気化した冷媒は、ゴム部材５２を透過して金属プレート５０とゴム延在部５３（アノード側ゴム延在部５５、カソード側ゴム延在部５７）の接合境界部６４に入り込む可能性がある。接合境界部６４に入り込んだ冷媒は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、凝縮して液水となることでブリスターを形成するおそれがある。
このブリスターを抑制するために、本発明では、ゴム延在部５３の接着箇所においてプライマ６０を島状に塗布している。すなわち、接合境界部６４は、点状プライマ６１により強固に接合される第１接着部６４ａと、点状プライマ６１がない第２接着部６４ｂとで構成され、第２接着部６４ｂにより液水が通り抜け易くなっている。このため接合境界部６４に生じた液水は、第２接着部６４ｂを通るように誘導される。これにより、液水は、接合境界部６４からゴム延在部５３の周囲の金属露出面５１（又は冷媒流路４８）に容易に排出されることになり、接合境界部６４に滞留することが回避される。従って、燃料電池１０は、接合境界部６４においてブリスターの発生を良好に抑制することができる。また燃料電池１０は、接合境界部６４から液水を排出することで、漏れ電流の局所集中をなくして電位差腐食による孔食を防ぐことが可能となる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。
また例えば、島状にプライマ６０を塗布して形成するブリッジ構造５９は、冷媒連通孔３２と冷媒流路４８の間のブリッジ部分５０ａに限定されるものではない。すなわち、金属セパレータ１４は、燃料ガス連通孔２８と燃料ガス流路４２の間でゴム部材５２により構成されるブリッジ部４３に、上記のブリッジ構造５９を採用してもよい。同様に、金属セパレータ１４は、酸化剤ガス連通孔３０と酸化剤ガス流路４６の間でゴム部材５２により構成されるブリッジ部４７に、上記のブリッジ構造５９を採用してもよい。これにより、燃料ガス又は酸化剤ガスの流通経路に生じる液体の生成水が気化して、ブリッジ部４３、４７のゴム部材５２と金属プレート５０の間に浸入してもブリッジ部４３、４７から良好に排出することができる。
また、上記の燃料電池１０は、金属露出面５１（ブリッジ部分５０ａ）にも点状プライマ６１を塗布した構成としている。しかしながら、燃料電池１０（金属セパレータ１４）は、金属露出面５１においてゴム被覆が必要な場所にプライマ６０（面状プライマ６２）を塗布する構成でもよい。この場合も、金属プレート５０とゴム延在部５３の間において点状プライマ６１による接着がなされていることで、接合境界部６４から液水を良好に排出することができる。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の第１の態様は、電解質膜２０の両面に電極（アノード電極２２、カソード電極２４）が設けられる電解質膜・電極構造体１６の両面に各々積層されて、燃料電池１０を構成する金属セパレータ１４であって、当該金属セパレータ１４は、積層方向に流体を流通させる連通孔２６を有し、且つセパレータ面に沿って流体を流通させる流体流路３８を形成する金属プレート５０と、金属プレート５０に接着され、連通孔２６から流体流路３８に向かって延在する複数のゴム延在部５３とを有し、複数のゴム延在部５３同士の間には、金属プレート５０の金属面（金属露出面５１）が露出すると共に、連通孔２６と流体流路３８の間を連通する通路（流体通路５８）が形成され、複数のゴム延在部５３は、金属プレート５０とゴム延在部５３の間で複数の点状プライマ６１を介して当該金属プレート５０に接着されている。
上記の金属セパレータ１４は、複数の点状プライマ６１を介して金属プレート５０とゴム延在部５３とを接着しているという簡単な構成によって、金属プレート５０とゴム延在部５３の間から液体を良好に排出することができる。すなわち、金属セパレータ１４は、金属プレート５０とゴム延在部５３の接合境界部６４に気化した流体が入り込んで液化しても、点状プライマ６１の非塗布箇所を通して接合境界部６４の外側（金属露出面５１等）に液体を流出させることが可能となる。従って、金属セパレータ１４は、金属プレート５０とゴム延在部５３の間におけるブリスターの発生を抑制することができる。さらに金属セパレータ１４は、漏れ電流の局所集中をなくして、電位差腐食による孔食を防ぐことが可能となる。
また、金属プレート５０とゴム延在部５３との間の接合境界部６４は、複数の点状プライマ６１を介して接着した第１接着部６４ａと、複数の点状プライマ６１の非塗布箇所において金属プレート５０とゴム延在部５３が直接接着した第２接着部６４ｂとを有する。これにより、金属セパレータ１４は、金属プレート５０とゴム延在部５３の間に生じた液体を、第２接着部６４ｂを通してより容易に排出することができる。
また、ゴム延在部５３の接着面の面積に対する複数の点状プライマ６１の合計面積の比率が１０％〜３０％である。これにより、金属セパレータ１４は、金属プレート５０にゴム延在部５３を良好に接着しつつ、金属プレート５０とゴム延在部５３の間に生じた液体をより確実に排出することができる。
また、複数の点状プライマ６１は、金属面（金属露出面５１）にも塗布されている。これにより、金属セパレータ１４は、複数の点状プライマ６１のプライマ塗布工程を効率化することができる。
また、ゴム延在部５３は、金属プレート５０に設けられるゴム部材５２の一部であり、複数のゴム延在部５３の接着箇所以外のゴム部材５２の接着箇所は、面状に塗布された面状プライマ６２を介して金属プレート５０に接着されている。これにより、金属セパレータ１４は、金属プレート５０とゴム部材５２を強固に一体化することができる。
また、複数の点状プライマ６１は、マトリクス状に配列されている。これにより、金属プレート５０とゴム延在部５３の間に液体が生じた場合に、液体は、点状プライマ６１同士の間で連続している非塗布箇所を一層スムーズに移動することができる。
また、金属セパレータ１４は、連通孔２６として冷媒を流通する冷媒連通孔３２を有すると共に、燃料電池１０を複数積層した状態で、流体流路３８として隣接する他の金属セパレータ１４との間に冷媒を流通させる冷媒流路４８を有し、冷媒連通孔３２と冷媒流路４８の間に、複数の点状プライマ６１により接着されたゴム延在部５３が設けられる。これにより、金属セパレータ１４は、冷媒が流通する箇所のブリスターの発生を抑制し、また電位差腐食による孔食を防ぐことができる。
また、金属セパレータ１４は、連通孔２６として反応ガスを流通する反応ガス連通孔２６ａを有すると共に、流体流路３８として電解質膜・電極構造体１６との間に反応ガスを流通させる反応ガス流路３８ａを有し、反応ガス連通孔２６ａと反応ガス流路３８ａの間に、複数の点状プライマ６１により接着されたゴム延在部５３が設けられる。これにより、金属セパレータ１４は、反応ガスが流通する箇所のブリスターの発生を抑制し、また電位差腐食による孔食を防ぐことができる。
また、本発明の第２の態様は、電解質膜２０の両面に電極（アノード電極２２、カソード電極２４）が設けられる電解質膜・電極構造体１６の両面の各々に金属セパレータ１４を積層して構成される燃料電池１０であって、金属セパレータ１４は、積層方向に流体を流通させる連通孔２６を有し、且つセパレータ面に沿って流体を流通させる流体流路３８を形成する金属プレート５０と、金属プレート５０に接着され、連通孔２６から流体流路３８に向かって延在する複数のゴム延在部５３とを有し、複数のゴム延在部５３同士の間には、金属プレート５０の金属面（金属露出面５１）が露出すると共に、連通孔２６と流体流路３８の間を連通する通路（流体通路５８）が形成され、複数のゴム延在部５３は、金属プレート５０とゴム延在部５３の間で複数の点状プライマ６１を介して当該金属プレート５０に接着されている。
また、本発明の第３の態様は、電解質膜２０の両面に電極（アノード電極２２、カソード電極２４）が設けられる電解質膜・電極構造体１６の両面に各々積層されて、燃料電池１０を構成する金属セパレータ１４の製造方法であって、積層方向に流体を流通させる連通孔２６を有し、且つセパレータ面に沿って流体を流通させる流体流路３８を形成する金属プレート５０を製造する金属プレート加工工程と、連通孔２６から流体流路３８に向かって延在する複数のゴム延在部５３を金属プレート５０に設けるゴム付加工程とを有し、複数のゴム延在部５３同士の間には、金属プレート５０の金属面（金属露出面５１）が露出すると共に、連通孔２６と流体流路３８の間を連通する通路（流体通路５８）が形成され、ゴム付加工程では、複数の点状プライマ６１を介して金属プレート５０と複数のゴム延在部５３を接着する。
１０…燃料電池 １４…金属セパレータ
１６…電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ） ２０…電解質膜
２２…アノード電極 ２４…カソード電極
２６…連通孔 ２６ａ…反応ガス連通孔
３２…冷媒連通孔 ３８…流体流路
３８ａ…反応ガス流路 ４０…アノードセパレータ
４４…カソードセパレータ ４８…冷媒流路
５０…金属プレート ５０ａ…ブリッジ部分
５１…金属露出面 ５２…ゴム部材
５３…ゴム延在部 ５４…アノードゴム部材
５５…アノード側ゴム延在部 ５６…カソードゴム部材
５７…カソード側ゴム延在部 ５８…流体通路
６０…プライマ ６４…接合境界部
６４ａ…第１接着部 ６４ｂ…第２接着部
１６…電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ） ２０…電解質膜
２２…アノード電極 ２４…カソード電極
２６…連通孔 ２６ａ…反応ガス連通孔
３２…冷媒連通孔 ３８…流体流路
３８ａ…反応ガス流路 ４０…アノードセパレータ
４４…カソードセパレータ ４８…冷媒流路
５０…金属プレート ５０ａ…ブリッジ部分
５１…金属露出面 ５２…ゴム部材
５３…ゴム延在部 ５４…アノードゴム部材
５５…アノード側ゴム延在部 ５６…カソードゴム部材
５７…カソード側ゴム延在部 ５８…流体通路
６０…プライマ ６４…接合境界部
６４ａ…第１接着部 ６４ｂ…第２接着部
Claims (10)
- 電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成する金属セパレータであって、
当該金属セパレータは、
積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートと、
前記金属プレートに接着され、前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部とを有し、
前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、
前記複数のゴム延在部は、前記金属プレートと前記ゴム延在部の間で複数の点状プライマを介して当該金属プレートに接着されている
金属セパレータ。 - 請求項１記載の金属セパレータにおいて、
前記金属プレートと前記ゴム延在部と間の接合境界部は、
前記複数の点状プライマを介して接着した第１接着部と、
前記複数の点状プライマの非塗布箇所において前記金属プレートと前記ゴム延在部が直接接着した第２接着部とを有する
金属セパレータ。 - 請求項１又は２記載の金属セパレータにおいて、
前記ゴム延在部の接着面の面積に対する前記複数の点状プライマの合計面積の比率が１０％〜３０％である
金属セパレータ。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属セパレータにおいて、
前記複数の点状プライマは、前記金属面にも塗布されている
金属セパレータ。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属セパレータにおいて、
前記ゴム延在部は、前記金属プレートに設けられるゴム部材の一部であり、
前記複数のゴム延在部の接着箇所以外の前記ゴム部材の接着箇所は、面状に塗布された面状プライマを介して前記金属プレートに接着されている
金属セパレータ。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属セパレータにおいて、
前記複数の点状プライマは、マトリクス状に配列されている
金属セパレータ。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属セパレータにおいて、
前記金属セパレータは、前記連通孔として冷媒を流通する冷媒連通孔を有すると共に、前記燃料電池を複数積層した状態で、前記流体流路として隣接する他の金属セパレータとの間に前記冷媒を流通させる冷媒流路を有し、
前記冷媒連通孔と前記冷媒流路の間に、前記複数の点状プライマにより接着された前記ゴム延在部が設けられる
金属セパレータ。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属セパレータにおいて、
前記金属セパレータは、前記連通孔として反応ガスを流通する反応ガス連通孔を有すると共に、前記流体流路として前記電解質膜・電極構造体との間に前記反応ガスを流通させる反応ガス流路を有し、
前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路の間に、前記複数の点状プライマにより接着された前記ゴム延在部が設けられる
金属セパレータ。 - 電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面の各々に金属セパレータを積層して構成される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、
積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートと、
前記金属プレートに接着され、前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部とを有し、
前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、
前記複数のゴム延在部は、前記金属プレートと前記ゴム延在部の間で複数の点状プライマを介して当該金属プレートに接着されている
燃料電池。 - 電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成する金属セパレータの製造方法であって、
積層方向に流体を流通させる連通孔を有し、且つセパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路を形成する金属プレートを製造する金属プレート加工工程と、
前記連通孔から前記流体流路に向かって延在する複数のゴム延在部を前記金属プレートに設けるゴム付加工程とを有し、
前記複数のゴム延在部同士の間には、前記金属プレートの金属面が露出すると共に、前記連通孔と前記流体流路の間を連通する通路が形成され、
前記ゴム付加工程では、複数の点状プライマを介して前記金属プレートと前記複数のゴム延在部を接着する
金属セパレータの製造方法。
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