JP2021157969A - セパレータ及びセパレータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】直線部及び曲部を有するビード部の面圧のバラつきを改善することができるセパレータ及びセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】セパレータ１０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１２を構成する。このセパレータ１０は、面状に延在する基部４８と、基部４８に連なると共に当該基部４８から積層方向に突出するビード部５０とを備える。ビード部５０は、平面視で、直線状に延在する直線部６０と、直線部６０に連なり直線部６０に対して曲がる曲部６２とを含む。セパレータ１０は、基部４８から曲部６２の頂部６２ａまでの高さＨｃが、基部４８から直線部６０の頂部６０ａまでの高さＨｓよりも低く設定されている。【選択図】図２
Description
本発明は、燃料電池に適用されるセパレータ及び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、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セパレータによりＭＥＡを挟持して構成される。一対のセパレータは、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の漏出防止や反応ガス流路と反応ガス連通孔との間で所定の反応ガスのみを流通させるために、積層状態で、ＭＥＡ又は他のセパレータとの間にシールを形成している。
例えば、特許文献１には、反応ガス連通孔の周囲にシールを形成するために、セパレータ面からビードシール（ビード部）を突出させたセパレータが開示されている。このビード部は、セパレータの積層状態で、積層方向に対向する部材（ＭＥＡや他のセパレータ）に押圧されることで、面圧が発生する頂部が弾性変形してシールを形成する。
ところで、特許文献１に開示されているように、延在方向上において曲部を有するビード部は、直線状に延在する直線部（曲率がゼロに近い部分）よりも、曲率が大きい曲部のほうが弾性変形し難い。このためビード部は、直線部よりも曲部の面圧が高くなり、面圧にバラつきが生じる。このようにシール状態でビード部の面圧にバラつきが生じると、ビード部のシール性能が低下してしまう。
本発明は、上記のようにビード部を有するセパレータの技術に関連するものであり、簡単な構成によって、直線部及び曲部を有するビード部の面圧のバラつきを改善することができるセパレータ及び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セパレータであって、当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、前記ビード部は、平面視で、直線状に延在する直線部と、前記直線部に連なり前記直線部に対して曲がる曲部とを含み、前記基部から前記曲部の頂部までの高さが、前記基部から前記直線部の頂部までの高さよりも低い。
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・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成するセパレータであって、当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、前記ビード部は、平面視で、少なくとも２つの曲部を含み、曲率の大きな前記曲部の高さは、曲率の小さな前記曲部の高さよりも低い。
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セパレータの製造方法であって、当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、前記ビード部は、平面視で、直線状に延在する直線部と、前記直線部に連なり前記直線部に対して曲がる曲部とを含み、製造時に、前記基部から前記曲部の頂部までの高さが、前記基部から前記直線部の頂部までの高さよりも低くなるように前記ビード部を形成する。
上記のセパレータ及びセパレータの製造方法は、簡単な構成によって、直線部及び曲部を有するビード部の面圧のバラつきを改善することができる。
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セパレータ１０は、図１に示すように、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燃料電池１２に適用される。燃料電池１２は、単位発電セルを構成し、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１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１４（以下、枠付きＭＥＡ１４という）の両面に、一対のセパレータ１０を各々積層して構成される。枠付きＭＥＡ１４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１２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なる。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。
枠付きＭＥＡ１４の樹脂枠部材１８は、電解質膜２０の外周面部に接合される。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。
ＭＥＡ１６に接合された樹脂枠部材１８（枠付きＭＥＡ１４）は、長方形状のセパレータ１０と略同じ平面寸法に形成されている。この樹脂枠部材１８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の両端部には、セパレータ１０の複数の連通孔３６と同様に、複数の連通孔３６が設けられている。
一対のセパレータ１０（１１Ａ、１１Ｂ）は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、チタン板、めっき処理鋼板、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートをプレス成形して断面を凹凸に形成する等して構成される。各セパレータ１０の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば５０μｍ〜５００μｍの範囲に設定されることが好ましい。
各セパレータ１０は、枠付きＭＥＡ１４の面方向に沿って反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を流通させる反応ガス流路２６を形成する。以下、枠付きＭＥＡ１４の一方面に積層されるセパレータ１０を第１セパレータ１１Ａともいい、枠付きＭＥＡ１４の他方面に積層されるセパレータ１０を第２セパレータ１１Ｂともいう。一方の燃料電池１２の第１セパレータ１１Ａと、他方の燃料電池１２の第２セパレータ１１Ｂとは、燃料電池１２の積層に伴って相互に接触し合う。そのため、複数の燃料電池１２の積層時に、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂは、その外周同士が溶接等により接合されて一体的な接合セパレータに構成され、枠付きＭＥＡ１４に積層される。
第１セパレータ１１Ａは、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路２８（反応ガス流路２６の一方）を、枠付きＭＥＡ１４のアノード電極２２に対向する面１１Ａａに備える。燃料ガス流路２８は、第１セパレータ１１Ａの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部２９間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
第２セパレータ１１Ｂは、酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス流路３０（反応ガス流路２６）を、枠付きＭＥＡ１４のカソード電極２４に対向する面１１Ｂａに備える（図１中では、便宜的にカソード電極２４上に酸化剤ガスの流通方向を図示している）。酸化剤ガス流路３０は、第２セパレータ１１Ｂの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部３１間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
また、第１セパレータ１１Ａと第２セパレータ１１Ｂとが接触し合う面１１Ａｂ、１１Ｂｂの間には、冷媒（例えば、水）を流通させる冷媒流路３２が形成される。冷媒流路３２は、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路２８の裏面形状と、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３０の裏面形状とが重なり合うことで形成される。
そして、燃料電池１２（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材１８）は、積層方向（矢印Ａ方向）に流体を流通させる複数の連通孔３６を備える。燃料ガス連通孔３８（燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ）は、水素ガス等の燃料ガスを流通させる。酸化剤ガス連通孔４０（酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ）は、エア等の酸化剤ガスを流通させる。冷媒連通孔４２（冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ）は、水等の冷媒を流通させる。
より具体的には、燃料電池１２の長辺方向の一端部（矢印Ｂ２側の端部）には、連通孔３６として１つの燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂが設けられる。１つの燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材１８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。
燃料ガス入口連通孔３８ａは、上下方向（矢印Ｃ方向）に５つ並ぶ連通孔３６の真中に形成されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路２８に連通し、燃料ガス流路２８に燃料ガスを流入させる。
２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、燃料ガス入口連通孔３８ａの上下に隣接し、この燃料ガス入口連通孔３８ａを間に挟む位置に形成されている。各冷媒出口連通孔４２ｂは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３２に連通し、冷媒流路３２から冷媒を流出させる。
２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、上側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも上側位置と、下側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂを間に挟んでいる。各酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３０に連通し、酸化剤ガス流路３０から酸化剤ガスを流出させる。
燃料電池１２の長辺方向の他端部（矢印Ｂ１側の端部）には、連通孔３６として、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂ、１つの酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、及び２つの冷媒入口連通孔４２ａとが設けられる。２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂ、１つの酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材１８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。
酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、上下方向（矢印Ｃ方向）に５つ並ぶ連通孔３６の真中に形成されている。酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３０に連通し、酸化剤ガス流路３０に酸化剤ガスを流入させる。
２つの冷媒入口連通孔４２ａは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａの上下に隣接し、酸化剤ガス入口連通孔４０ａを間に挟んでいる。各冷媒入口連通孔４２ａは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３２に連通し、冷媒流路３２に冷媒を流入させる。
２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、上側の冷媒入口連通孔４２ａよりも上側位置と、下側の冷媒入口連通孔４２ａよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａを間に挟んでいる。各燃料ガス出口連通孔３８ｂは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路２８に連通し、燃料ガス流路２８から燃料ガスを流出させる。
各連通孔３６（燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ）は、平面視で、多角形状、例えば略六角形状に形成されている。なお、各連通孔３６の形状は、特に限定されず、例えば、三角形状や四角形状等に形成されてもよい。また連通孔３６の位置や数も、燃料電池１２に要求される仕様に応じて適宜設定されればよい。さらに、燃料電池１２（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材１８）は、他の連通孔３６として、発電時に生じた生成水を排出するための図示しないドレン孔や冷媒のエア抜き孔、冷媒のドレン孔等を備えていてもよい。
そして図１及び図２Ａに示すように、本実施形態に係るセパレータ１０は、面状に延在して反応ガス流路２６を構成する基部４８（セパレータ本体）に対し、ＭＥＡ１６に対向する矢印Ａ方向に突出したビード部５０を複数備える。なお、図２Ａは、ビード部５０を示すために、代表的に、第１セパレータ１１Ａの矢印Ｂ２側且つ上側の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを拡大した平面図である。
各ビード部５０は、基部４８に対して一体に連続している。各ビード部５０の頂部には、図示しないゴムシール等が設けられていてもよい。各ビード部５０は、複数の燃料電池１２の積層状態（燃料電池スタックを構成した状態）で、樹脂枠部材１８を介装して反対側のセパレータ１０の各ビード部５０と対向し積層方向に押圧されることでシールを形成する。
詳細には、第１セパレータ１１Ａは、ビード部５０として、面１１Ａａから樹脂枠部材１８に向かって突出する第１ビード部５０ａを備える。第１ビード部５０ａは、第１セパレータ１１Ａの外縁近くを周回する第１外側ビード５２ａと、この第１外側ビード５２ａの内側で燃料ガス流路２８、燃料ガス連通孔３８及び酸化剤ガス連通孔４０を囲う第１内側ビード５４ａとを有する。また、第１ビード部５０ａは、複数の連通孔３６（燃料ガス連通孔３８、酸化剤ガス連通孔４０、冷媒連通孔４２）を各々囲う第１連通孔ビード５６ａを有する。
第２セパレータ１１Ｂは、ビード部５０として、面１１Ｂａから樹脂枠部材１８に向かって突出する第２ビード部５０ｂを備える。第２ビード部５０ｂは、第２セパレータ１１Ｂの外縁近くを周回する第２外側ビード５２ｂと、この第２外側ビード５２ｂの内側で酸化剤ガス流路３０、燃料ガス連通孔３８及び酸化剤ガス連通孔４０を囲う第２内側ビード５４ｂとを有する。また、第２ビード部５０ｂは、複数の連通孔３６（燃料ガス連通孔３８、酸化剤ガス連通孔４０、冷媒連通孔４２）を各々囲う第２連通孔ビード５６ｂを有する。
複数の連通孔ビード５６（第１連通孔ビード５６ａ、第２連通孔ビード５６ｂ）の各々には、矢印Ｂ方向に短く延在した複数のブリッジ部５８が連設されている。具体的には、複数のブリッジ部５８は、各連通孔３６と各連通孔ビード５６との間に設けられる複数（図２Ａ中では３本）の内ブリッジ５８ａと、各連通孔ビード５６の外側に設けられる複数（図２Ａ中では２本）の外ブリッジ５８ｂとを有する。各内ブリッジ５８ａは、隣接する各連通孔３６と連通孔ビード５６との間で流体を流通させる。
一方、各外ブリッジ５８ｂには、セパレータ１０の種類及び連通孔３６に応じて矢印Ｂ方向の突出端部に図示しない開口が設けられる。すなわち、第１セパレータ１１Ａは、燃料ガス連通孔３８に対応する各外ブリッジ５８ｂに開口を備える一方で、酸化剤ガス連通孔４０に対応する各外ブリッジ５８ｂには開口を備えない。これにより、第１セパレータ１１Ａは、燃料ガス流路２８と燃料ガス連通孔３８の間で、ブリッジ部５８を介して燃料ガスを流通させる。一方、第２セパレータ１１Ｂは、酸化剤ガス連通孔４０に対応する各外ブリッジ５８ｂに開口を備える一方で、燃料ガス連通孔３８に対応する各外ブリッジ５８ｂには開口を備えない。これにより第２セパレータ１１Ｂは、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス連通孔４０との間で酸化剤ガスを流通させる。
また、各ブリッジ部５８は、冷媒流路３２と冷媒連通孔４２の間に介在する内側ビード５４（第１内側ビード５４ａ、第２内側ビード５４ｂ）の内側にも連設されている（以下、冷媒ブリッジ５８ｃという：図１参照）。すなわち、第１セパレータ１１Ａと第２セパレータ１１Ｂの積層状態で、冷媒流路３２と冷媒連通孔４２の間は、内ブリッジ５８ａ、外ブリッジ５８ｂ、冷媒ブリッジ５８ｃによって連通した状態となる。
基部４８に対する各ビード部５０の高さは、基部４８に対する各ブリッジ部５８の高さよりも高く設定されている。各ビード部５０は、セパレータ１０を積層して燃料電池１２や燃料電池スタックを構成した状態で、樹脂枠部材１８を介して両側のセパレータ１０から積層方向に荷重がかかることで弾性変形する。
また、本実施形態に係る各連通孔ビード５６（ビード部５０）は、平面視で、各連通孔３６よりも一回り大きな略六角形状に形成されている。つまり、各連通孔ビード５６は、直線状に延在して略六角形状の辺部を構成する直線部６０と、直線部６０に連なり直線部６０に対して曲がることで略六角形状の角部を構成する曲部６２とを有する。なお、直線部６０は、曲率がゼロであることに限定されず、多少の曲率を有してもよい。また、曲部６２は、本実施形態においてＲ状（丸角）に湾曲形成されているが、Ｌ状に屈曲形成されているものでもよい。
そして、セパレータ１０（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ）は、枠付きＭＥＡ１２の積層前の状態で、直線部６０の高さＨｓと曲部６２の高さＨｃが相互に異なっている。具体的には、直線部６０及び曲部６２は、断面視で（図２Ｂ参照）、それぞれ円弧状に形成された頂部６０ａ、６２ａを有する。そして、基部４８から曲部６２の頂部６２ａまでの高さＨｃが、基部４８から直線部６０の頂部６０ａまでの高さＨｓよりも低く設定されている。
また図３Ａ及び図３Ｂに示すように、直線部６０の根元部分の間隔Ｄ１と、曲部６２の根元部分の間隔Ｄ２とは同じ寸法に設定されている。なお、直線部６０の根元部分の間隔Ｄ１と曲部６２の根元部分の間隔Ｄ２は、Ｄ１＝Ｄ２の関係でなくてもよく、例えばＤ１＜Ｄ２でもよい。さらに、直線部６０を構成する部分のセパレータ１０の肉厚と、曲部６２を構成する部分のセパレータ１０の肉厚とは同じ厚さに形成されている。
第１セパレータ１１Ａの連通孔ビード５６と第２セパレータ１１Ｂの連通孔ビード５６は、セパレータ１０を積層してシールを形成したシール状態で、樹脂枠部材１８を挟んで互いに対向配置され、樹脂枠部材１８を通して互いに押圧し合う。これにより、第１セパレータ１１Ａの連通孔ビード５６及び第２セパレータ１１Ｂの連通孔ビード５６は、直線部６０の頂部６０ａ及び曲部６２の頂部６２ａの各々が弾性変形して平坦状に変形する。この際、曲部６２の頂部６２ａは直線部６０の頂部６０ａよりも弾性率が大きく弾性変形し難くなっている。しかしながら、図３Ｂに示すシール前の曲部６２の高さＨｃが、図３Ａに示すシール前の直線部６０の高さＨｓよりも元々低くなっていることで、少ない弾性変形量で樹脂枠部材１８を、直線部６０が支持する樹脂枠部材１８と同じ高さに位置させることができる。これにより、連通孔ビード５６は、図３Ａに示すシール状態で樹脂枠部材１８から弾性変形した直線部６０にかかる面圧と、図３Ｂに示すシール状態で樹脂枠部材１８から弾性変形した曲部６２にかかる面圧とを略同一にすることができる。
また、直線部６０の頂部６０ａと曲部６２の頂部６２ａとは、図２Ｂに示す連通孔ビード５６の延在方向に沿った側面視で、相互に連続して連通孔ビード５６の稜線を構成する。この連通孔ビード５６の稜線は、連通孔ビード５６の延在方向に沿って滑らかに変化している。
詳細には、直線部６０における稜線は、平坦部分を有するように（すなわち、高さＨｓが一定のまま）延在している。その一方で、曲部６２の稜線（高さＨｃ）は、中央位置（連通孔３６の角部に最も近接した箇所）が最も低く、この中央位置から延在方向両側の直線部６０に向かって漸増している。なお図２Ｂ中では、曲部６２の中央位置にある谷部６３が円弧状に形成されているが、谷部６３が平坦部分を有する構成でもよい。
直線部６０の高さＨｓに対する曲部６２の高さＨｃ（中央位置の高さ）の比率は連通孔ビード５６の延在方向にかかる面圧や曲部６２の曲率に基づき適宜設計するとよい。例えば、直線部６０の高さＨｓに対する曲部６２の高さＨｃの比率は、７０％〜９５％程度の範囲に設定されることが好ましい。また、曲部６２の高さＨｃは、基部４８からブリッジ部５８の頂部（不図示）までの高さより高く設定される。
そして、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くする構造は、連通孔ビード５６において外側ビード５２に隣接する位置（近傍位置）に設けられることが好ましい。外側ビード５２の近傍位置にある連通孔ビード５６は、弾性変形し難く、内側（反応ガス流路２６側）に比べて面圧のバラつきが大きくなり易い傾向がある。このため、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くすることで、連通孔ビード５６の延在方向全体にわたって面圧の均一化を促進することができる。
さらに、セパレータ１０は、ビード部５０が複数の曲部６２を有する場合に、曲部６２の高さＨｃが相互に異なる構成でもよい。つまり図２Ｂに示すように、連通孔ビード５６は、面圧が大きい方の曲部６２（例えば、第１の曲部６４）の高さＨｃ１が、面圧が小さい方の曲部６２（例えば、第２の曲部６５）の高さＨｃ２よりも低く設定される。複数の曲部６２にかかる面圧は、ビード部５０の高さが一定の場合における面圧をシミュレーションにより推定（又は面圧を実際に計測）したものを用いることができる。
また、複数の曲部６２の高さは、平面視における曲部６２の曲率に応じて調整されてもよい。例えば、ビード部５０は、曲率の大きな曲部６２（第１の曲部）の高さが、曲率の小さな曲部６２（第２の曲部）の高さよりも低く設定されることが好ましい。曲率の大きな曲部６２は、曲率の小さな曲部６２に比べて弾性率が大きく弾性変形し難いため、相互の高さを変えることで、相互の面圧をより均一にすることができる。
なお、図２Ｂでは、連通孔ビード５６において、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くした構造を説明した。しかしながら、この構造は、直線部６０及び曲部６２を有するビード部５０であればよく、連通孔ビード５６に限定されるものではない。例えば、外側ビード５２（第１外側ビード５２ａ、第２外側ビード５２ｂ）や内側ビード５４（第１内側ビード５４ａ、第２内側ビード５４ｂ）において、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くした構成でもよい。
次に、上記のビード部５０を有するセパレータ１０（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ）の製造方法について説明する。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、セパレータ１０の製造では、セパレータ１０の凹凸を設けるためにプレス加工を行うプレス工程と、プレス工程後にビード部５０の高さを調整するコンプレッション工程とを順に行う。
プレス工程では、可動型７２及び固定型７４を有するプレス装置７０を用いて、セパレータ１０の基材である平板（第１ワークＷ１：図４Ａ中ではプレス状態の第１ワークＷ１を図示している）をプレス加工する。可動型７２及び固定型７４は、連通孔ビード５６（ビード部５０）の形成予定箇所において、直線部６０及び曲部６２に対応したプレス空間７１を形成している。具体的には、直線部６０の形成予定箇所において、固定型７４は大きく突出する凸部７４ａを有し、可動型７２は凸部７４ａに対応して深く形成された凹部７２ａを有する。その一方で、曲部６２の形成予定箇所において、固定型７４は凸部７４ａよりも低い凸部７４ｂを有し、可動型７２は凹部７２ａよりも浅い凹部７２ｂを有する。
従って、プレス装置７０により可動型７２と固定型７４との間でプレスされた第２ワークＷ２の連通孔ビード５６の形成予定箇所は、直線部６０の形成予定箇所においてプレス高さＨｐｓの凸形状Ｗ２ａを有し、曲部６２においてプレス高さＨｐｃの凸形状Ｗ２ｂを有する。この場合、プレス高さＨｐｓは、最終の直線部６０の高さＨｓよりも若干高く、同様にプレス高さＨｐｃは、最終の曲部６２の高さＨｃよりも若干高い。
コンプレッション工程では、第２ワークＷ２を配置する固定台８２と、固定台８２に対し進退する押圧板８４（押圧体）とを有するコンプレッション装置８０を用いる。そして、押圧板８４の第２ワークＷ２の押圧面は、連通孔ビード５６（ビード部５０）の形成予定箇所において直線部６０及び曲部６２に対応して平坦な多段差状に形成されている。すなわち、押圧板８４は、直線部６０の形成予定箇所の押圧面８４ａよりも曲部６２の形成予定箇所の押圧面８４ｂのほうが固定台８２に向かってさらに突出している。
以上のコンプレッション装置８０は、固定台８２に固定した第２ワークＷ２に対して押圧板８４を前進させて、第２ワークＷ２の凸形状Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを押圧してセパレータ１０のビード部５０の高さを調整する。すなわち、セパレータ１０の製造方法では、コンプレッション工程後に、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低い連通孔ビード５６を有するセパレータ１０が完成する。
なお、ビード部５０の直線部６０及び曲部６２高さをセパレータ１０の製造方法は、上記に限定されず、種々の製造方法を採ることができる。例えば、セパレータ１０の製造方法では、プレス工程のみを実施して１工程で直線部６０の高さＨｓと曲部６２の高さＨｃが異なるビード部５０を直接得てもよい。以下、セパレータ１０の他の製造方法について図５Ａ〜図６Ｂを参照して幾つか説明する。
図５Ａ及び図５Ｂに示す第１変形例に係るセパレータ１０の製造方法は、プレス工程については図４Ａと同じプレス装置７０を用いて第１ワークＷ１を加工する。その一方で、コンプレッション工程で、段差がない押圧面８６ａを有する押圧板８６を用いてセパレータ１０の連通孔ビード５６（ビード部５０）の高さ調整を行う。
このように押圧面８６ａに段差がなくても、押圧板８６による第２ワークＷ２の押圧時間を適切に設定することで、押圧板８６を後退させた際に連通孔ビード５６の突出形状を弾力的に復元することができる。つまり、セパレータ１０の製造方法では、コンプレッション工程において押圧面８６ａが平坦状の押圧板８６を用いても、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低い連通孔ビード５６を形成することができる。
また、図６Ａ及び図６Ｂに示す第２変形例に係るセパレータ１０の製造方法は、プレス工程において直線部６０の形成予定箇所と曲部６２の形成予定箇所とで、同じプレス高さＨｐの凸形状Ｗ２ａ、Ｗ２ｂに形成する。すなわち、可動型７６は、直線部６０の形成予定箇所の凹部７６ａと、曲部６２の形成予定箇所の凹部７６ｂとが同形状である一方で、固定型７８は、直線部６０の形成予定箇所の凸部７８ａと、曲部６２の形成予定箇所の凸部７８ｂとが同形状である。
これにより、プレス工程後の第２ワークＷ２の連通孔ビード５６の形成予定箇所は、同じプレス高さＨｐの凸形状Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを有する。この第２ワークＷ２について、コンプレッション工程において直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低くなるように高さ調整を行う。具体的には、図４Ｂに示すコンプレッション装置８０と同様の固定台８２及び押圧板８４を用いて、第２ワークＷ２の凸形状Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを押圧する。この際、コンプレッション装置８０は、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低い連通孔ビード５６が形状付けされるように、適切な押圧時間で押圧を行う。これにより、第２変形例に係るセパレータ１０の製造方法でも、図４Ａ及び図４Ｂの製造方法と同様のセパレータ１０を得ることができる。
本実施形態に係るセパレータ１０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１２のセパレータ１０は、積層方向（矢印Ａ方向）に荷重がかかっている。すなわち、ビード部５０は、樹脂枠部材１８に接触すると共に、樹脂枠部材１８を挟んだ一対のセパレータ１０（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ）同士の押圧により弾性変形してシールを形成している（図３Ａ及び図３Ｂも参照）。
これにより、第１セパレータ１１Ａの各連通孔ビード５６のうち燃料ガス連通孔３８を囲う各連通孔ビード５６は、各内ブリッジ５８ａ及び開口を有する各外ブリッジ５８ｂを介して燃料ガス流路２８と燃料ガス連通孔３８とを連通させる。また第１セパレータ１１Ａのうち酸化剤ガス連通孔４０及び冷媒連通孔４２を囲う各連通孔ビード５６は、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス連通孔４０の間、及び冷媒流路３２と冷媒連通孔４２の間を非連通とする。
第２セパレータ１１Ｂの各連通孔ビード５６のうち酸化剤ガス連通孔４０を囲う各連通孔ビード５６は、各内ブリッジ５８ａ及び開口を有する各外ブリッジ５８ｂを介して酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス連通孔４０とを連通させる。また第２セパレータ１１Ｂのうち燃料ガス連通孔３８及び冷媒連通孔４２を囲う各連通孔ビード５６は、燃料ガス流路２８と燃料ガス連通孔３８の間、及び冷媒流路３２と冷媒連通孔４２の間を非連通とする。
そして、燃料電池スタック（各燃料電池１２）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１２において、燃料ガス入口連通孔３８ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に燃料ガスが流通し、燃料ガス流路２８に燃料ガスが流入される。燃料ガスは、燃料ガス流路２８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１２において、酸化剤ガス入口連通孔４０ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に酸化剤ガスが流通し、酸化剤ガス流路３０に酸化剤ガスが流入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０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２８を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに流出し、燃料ガス出口連通孔３８ｂ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３０を流通した酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに流出し、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ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、各燃料電池１２において、冷媒入口連通孔４２ａを介して積層方向（矢印Ａ方向）に冷媒が流通し、冷媒流路３２に冷媒が流入される。冷媒は、冷媒流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、枠付きＭＥＡ１４の温度を調整する。冷媒流路３２を流通した冷媒は、冷媒出口連通孔４２ｂに流出し、冷媒出口連通孔４２ｂ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。
ここで、連通孔ビード５６は、図２Ｂに示すように、セパレータ１０の製造時に、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低くなるように形成される。これにより、セパレータ１０は、シール状態において各連通孔ビード５６にかかる面圧のバラつきを改善することができる。
ここで、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、連通孔ビード５６の高さ−面圧特性について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、横軸を連通孔ビード５６の高さとし、縦軸を連通孔ビード５６にかかる面圧とした場合に、直線部６０の高さ−面圧特性と、曲部６２の高さ−面圧特性とは異なる変化率であることを示している。つまり、曲部６２の高さ−面圧特性は、押圧に伴い連通孔ビード５６の高さが低くなるに連れて面圧が大きく上昇するのに対し、直線部６０の高さ−面圧特性は、押圧に伴い連通孔ビード５６の高さが低くなるに連れて面圧が小さく上昇する。すなわち、曲部６２のばね定数は、直線部６０のばね定数よりも大きい。
従って、図７Ｂに示すように、面圧がゼロ付近（荷重がかかっていない製造時の状態）において、直線部６０の高さＨｓと曲部６２の高さＨｃが同じ場合には、シール状態で荷重がかかった高さ位置Ｐに弾性変形すると、面圧のバラつきが大きくなる。
これに対し、図７Ａに示すように、本実施形態に係るセパレータ１０は、面圧がゼロ付近（荷重がかかっていない製造時の状態）において、直線部６０の高さＨｓに対して曲部６２の高さＨｃが低い。このため、連通孔ビード５６は、シール状態で荷重がかかった高さ位置Ｐに弾性変形した際に、面圧のバラつきを小さくすることができる。
また、図８のグラフに示すように、直線部６０と曲部６２の高さが同じ従来の連通孔ビードは、直線部６０と曲部６２が交互に繰り返す延在方向に沿って、面圧のバラつきが大きい。なお、図８中のグラフは、横軸が連通孔ビード５６の延在方向に沿った位置であり、縦軸が連通孔ビード５６にかかる面圧をシミュレーションにより推定したものである。
これに対して、本実施形態に係る連通孔ビード５６は、高さが異なる直線部６０と曲部６２を有する（直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃが低い）ことで、延在方向に沿って面圧のバラつきが小さくなる。このように面圧のバラつきが小さいことで、連通孔ビード５６は、枠付きＭＥＡ１４との間におけるシール性能をより安定化させることが可能となる。
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。例えば、セパレータ１０は、ビード部５０（直線部６０、曲部６２）の頂部が断面視で円弧状となっているだけでなく、断面視で台形状等に形成されてもよい。このように台形状を呈しても、ビード部５０は、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くすることで、上記と同様の効果を得ることができる。
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１２を構成するセパレータ１０であって、当該セパレータ１０は、面状に延在する基部４８と、基部４８に連なると共に当該基部４８から積層方向に突出してシールを形成するビード部５０とを備え、ビード部５０は、平面視で、直線状に延在する直線部６０と、直線部６０に連なり直線部６０に対して曲がる曲部６２とを含み、基部４８から曲部６２の頂部６２ａまでの高さＨｃが、基部４８から直線部６０の頂部６０ａまでの高さＨｓよりも低い。
上記によれば、セパレータ１０は、曲部６２の高さＨｃが直線部６０の高さＨｓよりも低いという簡単な構成によって、直線部６０及び曲部６２を有するビード部５０の面圧のバラつきを改善することができる。すなわち、ビード部５０は、シール状態で曲部６２の面圧が直線部６０の面圧に比べて高くなり易いため、直線部６０の高さよりも曲部６２の高さを予め低く形成しておくことで、シール状態における面圧のバラつきを小さくして面圧の均一化を図ることが可能となる。従って、セパレータ１０は、ビード部５０のシール性能をより安定化させることができる。
また、基部４８から曲部６２の頂部６２ａまでの高さＨｃは、当該曲部６２の延在方向中央位置から延在方向両側の直線部６０に向かって漸増している。これにより、ビード部５０は、シール状態で、対向する部材から延在方向に沿って安定的に面圧を受けることができ、直線部６０と曲部６２の面圧のバラつきを一層抑制することが可能となる。
また、当該セパレータ１０は、積層方向に流体を流通させる連通孔３６を備え、ビード部５０は、連通孔３６の外側で当該連通孔３６を囲うように設けられた連通孔ビード５６を含み、連通孔ビード５６が直線部６０及び曲部６２を有する。この連通孔ビード５６によって、セパレータ１０は、連通孔３６の周囲を良好にシールすることができる。
また、連通孔３６は、平面視で、多角形状に形成され、連通孔ビード５６は、連通孔３６の辺部に隣接する位置に直線部６０を有する一方で、連通孔３６の角部に隣接する位置に曲部６２を有する。これにより、連通孔ビード５６は、シール状態で、多角形状の連通孔３６の周方向に沿って面圧のバラつきを抑えることができる。
また、ビード部５０は、連通孔ビード５６の外側且つセパレータ１０の外周部に外側ビード５２を含み、直線部６０の高さＨｓよりも曲部６２の高さＨｃを低くする構造は、連通孔ビード５６において外側ビード５２に隣接する位置に設けられる。これにより、連通孔ビード５６は、外側ビード５２に隣接する位置の面圧のバラつきを改善することができる。
また、ビード部５０は、曲部６２を複数有し、第１の曲部６４における基部４８から頂部６２ａまでの高さＨｃ１と、第２の曲部６５における基部４８から頂部６２ａまでの高さＨｃ２が互いに異なる。これにより、セパレータ１０は、複数の曲部６２のうちシール状態で面圧が高くなる箇所の曲部６２の高さをより低くすることが可能となり、面圧のバラつきを一層抑制することができる。
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の両面に各々積層されて、燃料電池１２を構成するセパレータ１０であって、当該セパレータ１０は、面状に延在する基部４８と、基部４８に連なると共に当該基部４８から積層方向に突出してシールを形成するビード部５０とを備え、ビード部５０は、平面視で、少なくとも２つの曲部６２を含み、曲率の大きな曲部６２の高さは、曲率の小さな曲部６２の高さよりも低い。これにより、セパレータ１０は、曲率が異なる複数の曲部６２を有するビード部５０のシール状態で、各曲部６２（曲率の大きな曲部６２、曲率が小さな曲部６２）間の面圧のバラつきを改善することができる。
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１２を構成するセパレータ１０の製造方法であって、当該セパレータ１０は、面状に延在する基部４８と、基部４８に連なると共に当該基部４８から積層方向に突出してシールを形成するビード部５０とを備え、ビード部５０は、平面視で、直線状に延在する直線部６０と、直線部６０に連なり直線部６０に対して曲がる曲部６２とを含み、製造時に、基部４８から曲部６２の頂部６２ａまでの高さＨｃが、基部４８から直線部６０の頂部６０ａまでの高さＨｓよりも低くなるようにビード部５０を形成する。このように、セパレータ１０の製造方法は、高さが異なる直線部６０及び曲部６２を有するビード部５０を形成することで、シール状態で、ビード部５０の延在方向に沿った面圧のバラつきを改善することができる。
また、可動型７２、７６及び固定型７４、７８により第１ワークＷ１をプレスしてビード部５０の形成予定箇所に凸形状Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを有する第２ワークＷ２を形成するプレス工程と、押圧体（押圧板８４、８６）により第２ワークＷ２を押圧してビード部５０の高さに調整するコンプレッション工程とを有する。これにより、セパレータ１０の製造方法は、ビード部５０の直線部６０の高さＨｓ及び曲部６２の高さＨｃを精度よく調整することができる。
また、プレス工程では、直線部６０の形成予定箇所の凸形状Ｗ２ａのプレス高さＨｐｓよりも曲部６２の形成予定箇所の凸形状Ｗ２ｂのプレス高さＨｐｃを低く形成する。このようにプレス工程において高さを異ならせることで、セパレータ１０の製造方法は、ビード部５０の直線部６０及び曲部６２の高さを容易に調整することができる。
また、プレス工程では、直線部６０の形成予定箇所の凸形状Ｗ２ａと曲部６２の形成予定箇所の凸形状Ｗ２ｂを同じ高さに形成し、コンプレッション工程では、段差状の押圧面８４ａ、８４ｂを有する押圧体（押圧板８４）により直線部６０の高さよりも曲部６２の高さが低くなるように押圧する。このようにコンプレッション工程において高さを異ならせることでも、セパレータ１０の製造方法は、直線部６０の高さＨｓと曲部６２の高さＨｃが異なるビード部５０を良好に形成することができる。
１０…セパレータ １１Ａ…第１セパレータ
１１Ｂ…第２セパレータ １２…燃料電池
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…反応ガス流路 ３６…連通孔
４８…基部 ５０…ビード部
５６…連通孔ビード ６０…直線部
６０ａ、６２ａ…頂部 ６２…曲部
７２、７６…可動型 ７４、７８…固定型
８４、８６…押圧板 ８４ａ、８４ｂ、８６ａ…押圧面
Ｗ１…第１ワーク Ｗ２…第２ワーク
１１Ｂ…第２セパレータ １２…燃料電池
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…反応ガス流路 ３６…連通孔
４８…基部 ５０…ビード部
５６…連通孔ビード ６０…直線部
６０ａ、６２ａ…頂部 ６２…曲部
７２、７６…可動型 ７４、７８…固定型
８４、８６…押圧板 ８４ａ、８４ｂ、８６ａ…押圧面
Ｗ１…第１ワーク Ｗ２…第２ワーク
Claims (11)
- 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セパレータであって、
当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、
前記ビード部は、平面視で、直線状に延在する直線部と、前記直線部に連なり前記直線部に対して曲がる曲部とを含み、
前記基部から前記曲部の頂部までの高さが、前記基部から前記直線部の頂部までの高さよりも低い
セパレータ。 - 請求項１記載のセパレータにおいて、
前記基部から前記曲部の頂部までの高さは、当該曲部の延在方向中央位置から延在方向両側の前記直線部に向かって漸増している
セパレータ。 - 請求項１又は２記載のセパレータにおいて、
当該セパレータは、前記積層方向に流体を流通させる連通孔を備え、
前記ビード部は、前記連通孔の外側で当該連通孔を囲うように設けられた連通孔ビードを含み、
前記連通孔ビードが前記直線部及び前記曲部を有する
セパレータ。 - 請求項３記載のセパレータにおいて、
前記連通孔は、平面視で、多角形状に形成され、
前記連通孔ビードは、前記連通孔の辺部に隣接する位置に前記直線部を有する一方で、前記連通孔の角部に隣接する位置に前記曲部を有する
セパレータ。 - 請求項３又は４記載のセパレータにおいて、
前記ビード部は、前記連通孔ビードの外側且つ前記セパレータの外周部に外側ビードを含み、
前記直線部の高さよりも前記曲部の高さを低くする構造は、前記連通孔ビードにおいて前記外側ビードに隣接する位置に設けられる
セパレータ。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセパレータにおいて、
前記ビード部は、前記曲部を複数有し、
第１の前記曲部における前記基部から前記頂部までの高さと、第２の前記曲部における前記基部から前記頂部までの高さが互いに異なる
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・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成するセパレータであって、
当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、
前記ビード部は、平面視で、少なくとも２つの曲部を含み、
曲率の大きな前記曲部の高さは、曲率の小さな前記曲部の高さよりも低い
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・電極構造体の両面に各々積層されて、燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、
当該セパレータは、面状に延在する基部と、前記基部に連なると共に当該基部から積層方向に突出してシールを形成するビード部とを備え、
前記ビード部は、平面視で、直線状に延在する直線部と、前記直線部に連なり前記直線部に対して曲がる曲部とを含み、
製造時に、前記基部から前記曲部の頂部までの高さが、前記基部から前記直線部の頂部までの高さよりも低くなるように前記ビード部を形成する
セパレータの製造方法。 - 請求項８記載のセパレータの製造方法において、
可動型及び固定型により第１ワークをプレスして前記ビード部の形成予定箇所に凸形状を有する第２ワークを形成するプレス工程と、
押圧体により前記第２ワークを押圧して前記ビード部の高さに調整するコンプレッション工程とを有する
セパレータの製造方法。 - 請求項９記載のセパレータの製造方法において、
前記プレス工程では、前記直線部の形成予定箇所の凸形状のプレス高さよりも前記曲部の形成予定箇所の凸形状のプレス高さを低く形成する
セパレータの製造方法。 - 請求項９記載のセパレータの製造方法において、
前記プレス工程では、前記直線部の形成予定箇所の凸形状と前記曲部の形成予定箇所の凸形状を同じ高さに形成し、
前記コンプレッション工程では、段差状の押圧面を有する前記押圧体により前記直線部の高さよりも前記曲部の高さが低くなるように押圧する
セパレータの製造方法。
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