JP5077226B2 - セル積層体およびこれを備えた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、セル積層体およびこれを備えた燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、セル積層体を構成しているセパレータ等の構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、セパレータには、各セルに反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）や冷却用の冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールドが形成されている。
従来、このようなセパレータとしてはカーボンセパレータやメタルセパレータが多く用いられている。このうち、例えばカーボンセパレータにおいて、表側と裏側の凹凸形状が互いに独立に形成されている場合であれば、各種流体のマニホールドと発電領域（燃料ガスと酸化ガスとが反応して発電が行われる領域）とを連通する部分にバックアップ用のリブが設けられていることがある。このリブには、隣接するセパレータとの間に介在するスペーサとなり、当該セパレータをバックアップ（あるいは支持）して変形を抑えるという機能がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６０８７４１号公報

しかしながら、例えばプレスメタルセパレータにおいて見られるように凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係の構造となっている場合、当該セパレータの変形を有効に抑えうるようなバックアップ構造については検討が十分になされていないという実情がある。
そこで、本発明は、プレスメタルセパレータにおけるように凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造となっている場合に、当該セパレータの変形を抑えるのに特に好適な構造を有するセル積層体およびこれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。プレスメタルセパレータのように凹凸形状を表面と裏面とで反転させた構造としている場合、このようなセパレータを積層する際、隣接するセパレータの凸部と凸部を対向させ、凹部と凹部を対向させることによって流体流通用のスペースを形成していることが多い。本発明者は積層体におけるこのような特徴に着目し、上記のような課題を解決しうる技術を知見するに至った。
本発明はかかる知見に基づくものであり、膜−電極アッセンブリを挟持したセパレータが積層されて構成されるセル積層体であって、隣り合うセパレータとセパレータの間には、膜−電極アッセンブリおよびこの膜−電極アッセンブリの少なくとも一部を挟持する枠状部材が挿入されている発電領域と、膜−電極アッセンブリおよび枠状部材のいずれも挿入されていない冷媒流通領域のいずれかの領域が形成されており、セパレータの変形を抑止するための変形抑止部が、当該セパレータ上であって、各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールドと膜−電極アッセンブリ上の発電領域とを連通する部分に設けられた凸部によって形成され、枠状部材が挿入されている発電領域においてセパレータの変形を抑止するための別の変形抑止部が、枠状部材に設けられた凸部によって形成されているというものである。
セル積層体においては、上述のような発電領域と冷媒流通領域とが例えば交互に形成されている。本発明においては、このようなセル積層体における冷媒流通領域、つまりは、膜−電極アッセンブリおよび枠状部材のいずれも挿入されておらず、冷却用の冷媒が流れるようになっている領域において、当該冷媒流通領域側に突出するような凸部を設け、変形抑止部を形成している。かかる変形抑止部は、例えばリブのように作用してセパレータの剛性を向上させ、あるいは、さらに隣接するセパレータの変形抑止部と接触し合って互いにバックアップ（支持）するように機能するため、当該セパレータの変形を有効に抑えることができる。
しかも、上述したようにセパレータ上の冷媒流通領域に形成される変形抑止部は、例えば複数の突起で構成される等することにより冷却用冷媒を分散させる機能も発揮しうるため、当該冷媒流通領域に行き渡らせて万遍なく流れるようにすることが可能である。
加えて、上述のごとく、セパレータの変形を抑止するための別の変形抑止部が枠状部材に設けられた凸部によって形成されていることから、当該凸部が、発電領域側からセパレータを支持して変形を抑止するように機能する結果、発電領域側と冷媒流通領域側との両方からセパレータの変形を抑止することが可能となる。
さらに、枠状部材が挿入されていない冷媒流通領域には、凸部と同じ高さとなるようにセパレータに設けられた凸状部分からなり、当該凸状部分を介して対向するセパレータの溝底面どうしの距離を隔てる枠状リブが形成されていることが好ましい。枠状リブは、例えば隣り合うセパレータの枠状リブと直接突き当たった状態などとなり、これらセパレータの間に所定のスペース（例えば冷媒流通用の流路）を形成するスペーサとして機能することができる。
また、セル積層体においては、セパレータに形成された変形抑止部の凹部となっている裏面側に向かって突出し、当該変形抑止部またはその近傍におけるセパレータの変形を抑止するセパレータ変形抑止用凸部が枠状部材に形成されていることがさらに好ましい。これによれば、セパレータと枠状部材との間に例えば接着剤が介在しているような場合に、当該セパレータ変形抑止用凸部の厚み（突出量）の分だけ当該接着層（接着剤からなる層）の厚み（突出量）を薄くすることができる。当該接着層よりも枠状部材の方の剛性が高ければ、変形抑止部の裏面側をバックアップする部分の剛性を高めて当該部分やその近傍の変形を抑止することができる。
さらに、本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持したセパレータが積層されて構成されるセル積層体であって、隣り合うセパレータとセパレータの間には、膜−電極アッセンブリおよびこの膜−電極アッセンブリの少なくとも一部を挟持する枠状部材が挿入されている発電領域と、膜−電極アッセンブリおよび枠状部材のいずれも挿入されていない冷媒流通領域のいずれかの領域が形成されており、セパレータの変形を抑止するための変形抑止部が、当該セパレータ上であって、各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールドと膜−電極アッセンブリ上の発電領域とを連通する部分に設けられた凸部によって形成され、セパレータの積層方向から視て、変形抑止部の少なくとも一部が膜−電極アッセンブリに重なっているというものである。重なった部分については、膜−電極アッセンブリの弾発力や弾性力によって生じる反力を利用して押さえ付けることができるから、隣接するセルとの隙間が生じるのをさらに抑えやすいという利点がある。
また、セル積層体において、冷媒流通領域を介して隣り合うセパレータに形成されている変形抑止部どうしが接触し合っていることも好ましい。変形抑止部どうしが互いに接触し合うことで、セパレータどうしが密着した状態を保ちつつ、セパレータが変形するのを抑止することができる。
さらに本発明にかかる燃料電池は、上述したセル積層体を備えているというものである。

図１は、本発明の一実施形態を示す分解斜視図で、本実施形態におけるセル積層体のセパレータのセルを分解して示すものである。
図２Ａは、セル積層体を構成するセパレータの構造例として、冷却水流路面側から見たマニホールド周辺の構造を示すものである。
図２Ｂは、図２Ａ中の一点鎖線の丸で囲んだ部分における断面構造を示すものである。
図３は、セル積層体を構成するセパレータの構造例を示す図であり、酸化ガス（ＡＩＲ）の流路面側から見たマニホールド周辺の構造を示すものである。
図４は、変形抑止部の他の形状例を示す図である。
図５は、図４に示した変形抑止部の周辺における断面構造を示す図である。
図６は、燃料電池を構成するセル積層体等を示す斜視図である。
図７は、燃料電池の構造例を示す側面図である。
図８は、本発明の他の実施形態を表す図で、冷却水用のマニホールドおよびその周辺における構造例を示す部分平面図である。
図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線における断面図である。
図１０は、本発明のさらに他の実施形態におけるセパレータの構造を示す平面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図７に本発明にかかるセル積層体３およびこれを備えた燃料電池１の実施形態を示す。本実施形態におけるセル積層体３は、膜−電極アッセンブリ３０を挟持したセパレータ２０（図１においては、セルを構成する２枚のセパレータをそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）を複数枚、あるいは複数組積層することによって構成されているものである。本実施形態では、セル積層体３のうち隣り合うセパレータ２０とセパレータ２０の間に発電領域と冷媒流通領域のいずれか一方の領域を形成し、さらに、これらセパレータ２０の変形を抑止するために変形抑止部を設けることとしている。
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル２の概略構成について説明し、その後、上述のように設けられている変形抑止部の構成等について説明することとする。
図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されることによってセル積層体（スタック）３を構成する。また、このように形成されたセル積層体（スタック）３は、例えばスタック両端を支持板（図示省略）で挟まれ、さらにこれら対向する支持板どうしを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される。
なお、このようなセル２が積層されたセル積層体（スタック）３によって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の車載発電システムに適用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池システムにも適用することが可能である。
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙと呼ぶ）３０と、ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）とで構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも一回り小さくなるように形成されている。
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極３２ａ，３２ｂ（アノードおよびカソード）とで構成されている（図１参照）。これらのうち、電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも僅かに大きくなるように形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
セパレータ２０ａ，２０ｂは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成れる溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図１参照）。
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。上述し、尚かつ以下に詳述する枠状部材は、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃよりも外力に対して（弾性）変形しづらい材料であり、この点において、変形抑止部としての第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃよりも枠状部材を機能させる方が有利である。
続いて、セル積層体３に設けられる変形抑止部などの構成について説明する（図２Ａ等参照）。
ここで、上述のような構成のセル２において、セパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとで挟まれた領域の少なくとも一部であってＭＥＡ３０および枠状部材が挿入されている領域は、水素ガスおよび酸化ガスが化学反応することによって電気を生じさせる領域（本明細書では発電領域といい、図１において符号Ａ１で示す）である。また、隣接するセル２間において隣り合うセパレータ２０，２０で挟まれた領域（例えば、図１に示すセパレータ２０ｂと、このセパレータ２０ｂに第３シール部材１３ｃを介して隣接する図示しないセパレータとで挟まれた領域）、つまり、ＭＥＡ３０および枠状部材のいずれもが挿入されてなく、冷却水を流通させるための冷却水流路３６が形成されている領域（本明細書では冷媒流通領域といい、図１において符号Ａ２で示す）である。
また、上述の枠状部材は、ＭＥＡ３０とともに発電領域Ａ１に挿入され、尚かつこのＭＥＡ３０の少なくとも一部を挟持している部材である。例えば本実施形態では、樹脂製の薄い枠形状のフレームをこの発電領域Ａ１内に介在させ、枠状部材４０として機能させている（図２Ａ、図２Ｂ参照）。この場合、枠状部材４０は、ＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するように設けられている（図２Ａ、図２Ｂ参照。ただし、図２Ａと図４ではＭＥＡ３０寄りの縁形状のみを概略的に表示）。
さらに、このセル積層体３においては、セパレータ２０の変形を抑止するための変形抑止部が設けられている。例えば本実施形態の場合であれば、冷媒流通領域Ａ２に向けて突出するような凸部を当該セパレータ２０上に設け、これら凸部によって変形抑止部２４を形成している（図２Ａ、図２Ｂ、図３参照）。このようにして形成された変形抑止部２４は、セパレータ２０を支持して変形を生じさせないようにするといういわばバックアップとして機能する。
すなわち、従前のバックアップの場合には、セパレータ自身の撓みや接着剤の収縮などにより、当該部分におけるセル２の厚みが電極部に比して薄くなる可能性があり、実際には当該バックアップが隣のセル２（あるいは当該セル２を構成するセパレータ２０）に接触しないかまたは接触しなくなることが生じ得た。より具体的には、例えば組付け時におけるセパレータ２０の反り、あるいは、電極部とそれ以外であって接着剤を含む部分の線膨張係数の差などを理由としてセル２が収縮して薄くなり、その結果、隣接するセル２どうしが離れ、バックアップが本来の機能を果たし得なくなることがあった。また、このような状態で過大なガス圧が作用すると、セル２内の接着剤が剥離してしまうおそれもあった。
これに対し、本実施形態ではこのような事態が生じにくくなるような６を構成している。つまり、本実施形態の変形抑止部２４は、冷媒流通領域Ａ２に向けて突出する構造の凸部からなり、尚かつ、冷媒流通領域Ａ２を介して隣り合うセパレータ２０に形成されている変形抑止部２４どうしが接触し合う構造となっている。しかも、これら変形抑止部２４は、セパレータ２０（あるいはセル２）の積層方向から視た場合に当該変形抑止部２４の少なくとも一部がＭＥＡ３０に重なるように形成されている（図２Ａ、図２Ｂ参照）。すなわち、例えば本実施形態では、冷却水マニホールド１７の近傍からＭＥＡ３０の縁辺を越える位置まで、冷却水の流れ方向に沿って延びるような連続した形状の変形抑止部２４を形成し、当該変形抑止部２４の少なくとも一部がＭＥＡ３０に重なるようにしている（図２Ａ、図２Ｂ参照）。こうした場合、細長形状とされた当該変形抑止部２４のうちＭＥＡ３０と重なっている部分は、このＭＥＡ３０が生じる反力（弾性力や弾発力）を利用して隣のセル２（あるいはそのセパレータ２０）との密着度を維持することが可能となる。しかも、変形抑止部２４は、ＭＥＡ３０側からマニホールド１７側に途切れることなく連続的に形成された凸状のリブである。このため、ＭＥＡ３０側からマニホールド１７側にかけて互いに離間した複数の小突起状の凸部を変形抑止部として採用する構成と比べ、撓みを抑制できるとともに、ＭＥＡ３０による反力をマニホールド１７側まで好適に伝達できる。このため、このような変形抑止部２４をバックアップとして機能させるようにした本実施形態のセル積層体３の場合には、セル積層時において隣のセル２との間に隙間が生じるのを抑止しやすい。
さらに、この変形抑止部２４の一部または全部は、発電領域Ａ１の外部（触媒が設けられた領域外）、より詳しくは、各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールド１５〜１７とＭＥＡ３０上の発電領域Ａ１とを連通する部分に設けられた凸部によって形成されている（図２Ａ、図２Ｂ等参照）。
なお、上述したように本実施形態における変形抑止部２４は冷却水の流れ方向に沿って延びる連続した形状となっているが、その具体的な形状は特に限定されない。楕円形の凸部としてもよいし、トラック形状に近似した長円形としてもよい。あるいは、図２Ａ、図２Ｂに示すように、両端が先細りするような形状（真円を横長にしたような形状）としてもよい。また、図２Ａ、図２Ｂではこれら凸部を複数に配置した例を示しているが、場合によってはこれを末広がりとなるように配置してもよい。いずれにせよ、変形抑止部２４からなるバックアップ構造そのものを細長状とし、ＭＥＡ３０と重なるバックアップ部と連続した形状とすることにより、セパレータ２０の剛性を向上させつつ、セル積層時において隣のセル２との間に隙間が生じるのを抑止することができるようになる。
また、上述したような凸部からなる本実施形態の変形抑止部２４は、入口側および出口側の冷却水マニホールド（図２Ａ等では単に符号１７で示している）の近傍に配置されている（図２Ａ参照）。このような変形抑止部２４は、複数の凸部によって構成されていることから、冷却水流路３６に対して冷却水を均等に分配することが可能となっている。また、冷却水をより均等に分配してセパレータ２０の面内に行き渡らせるようにするという観点からすれば、図２Ａに示すように同じ形状かつ同じ大きさの凸部を等間隔に配置することが好ましいし、このように平行に配置するばかりでなく、上述したように末広がりとなるように配置することも可能である。しかも、ここまで説明したように冷却水をセパレータ面内に均等となるように行き渡らせることができれば、セパレータ２０やシール部材（例えば第３シール部材１３ｃ）等が受ける負担が軽減される結果、耐久性を向上させることにもなる。
ところで、ここまでの説明では、変形抑止部２４からなるバックアップ構造そのものを細長状とし、ＭＥＡ３０と重なるバックアップ部と連続した形状にすると述べたが、これは好適な態様に過ぎず、変形抑止部２４が一端がら他端まですべて連続している場合に限るものではない。すなわち、他の例を示せば、変形抑止部２４は、例えば点状の凸部と線状の凸部というように離間した複数の凸部によって構成されていてもよい（図４、図５参照）。要は、分割された凸部によって形成されているとしても、当該変形抑止部２４によってセパレータ２０の剛性を向上させることは可能である。また、当該変形抑止部２４の少なくとも一部がＭＥＡ３０と重なりバックアップとして機能しうる構造となっていれば、セル積層時において隣のセル２との間に隙間が生じるのを抑止することも可能となる。
ここで、上述したセル２によって構成されるセル積層体３、および該セル積層体３を含む燃料電池１について説明する（図６、図７参照）。
燃料電池１は、複数のセル２が積層されてなるセル積層体３を備えているもので、当該セル積層体３の両端に位置する端セル２の積層方向外側には、断熱セル４、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている（図６、図７参照）。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。
断熱セル４は例えば２枚のセパレータ２０とシール部材（例えば第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂ）とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル２におけるものと同様の一対のセパレータ２０に、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。
ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミニウム、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。
インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。
エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。
続いて、図８と図９を用いて本発明の他の実施形態を説明する。
ここでは、入口側および出口側の冷却水マニホールド１７の近傍となる位置、より具体的には冷却水の連絡通路６５，６６に突起状の複数の凸部を設け、これら凸部により、冷却水流路３６を流れる冷却水を均等に分配できるようにしている（図８参照）。ここでは図８に示すように各凸部を中央列のみ半ピッチずらした状態で等間隔となるように３列配置しているがこれは好適な形態の一例に過ぎず、配置間隔を偏らせたり、各凸部の大きさを異ならせたりすることも可能である。
また、本実施形態においては、このようにセパレータ２０上に形成された各凸部を、当該セパレータ２０の変形を抑止するための変形抑止部２４としても機能させるようにしている。すなわち、隣り合うセパレータ２０において対向する位置にも同様に凸部からなる変形抑止部２４を設け、これら変形抑止部２４を互いに接触させた状態で各セパレータ２０を重ねるようにしている。こうした場合、隣接するセル２，２間（隣接するセパレータ２０，２０間）において各セパレータ２０に形成された各変形抑止部２４どうしが突き合う状態となり、スタック締結荷重が作用した際に当該セパレータ２０が変形するのを抑止するバックアップとしても機能する（図８、図９参照）。
さらには、セパレータ２０の変形を抑止するための別の構造を併設することも好ましい。一例を示せば、上述した枠状部材４０が挿入されている発電領域Ａ１において、当該枠状部材４０に凸部を設け、該凸部によってセパレータ２０の変形を抑止するための別の変形抑止部４３を形成することができる。このような別の変形抑止部４３は、セパレータ２０に直接接触して変形を抑止するものでもよいし、あるいは接着剤４４等を介在させた状態で当該セパレータ２０の変形を抑止するものでもよい。さらに、接着剤４４等を介在させた状態で当該セパレータ２０の変形を抑止する場合においては、当該接着剤４４中にビーズのような小粒の部材であって当該接着剤４４さらには枠状部材４０よりも剛性が高く変形量が小さい部材を混在させておくことも好ましい。
また、上述のように枠状部材４０上に形成される別の変形抑止部４３は、例えばプレス加工によって変形抑止部２４の裏側に凹部が形成されているような場合にも有効なものとなり得る。具体例を挙げて説明すれば、例えば本実施形態においては、セパレータ２０に形成された変形抑止部２４の凹部となっている裏面側に向かって突出するようなセパレータ変形抑止用凸部を設けて別の変形抑止部４３を形成し、これにより、当該変形抑止部２４またはその近傍におけるセパレータ２０の変形を抑止するようにしている（図９参照）。本実施形態の場合、変形抑止部２４と別の変形抑止部４３との間には接着剤４４からなる接着層が介在しているが、図示しているように、別の変形抑止部４３が形成されていることによって当該別の変形抑止部４３を厚み（突出量）の分だけ接着剤４４の厚みが薄くなっている。例えば当該接着剤４４よりも枠状部材４０の方の剛性が高ければ、変形抑止部２４の裏面側をバックアップする部分の剛性を高めて当該部分やその近傍部分が変形するのをさらに抑止することが可能となる（図９参照）。
また、セパレータ２０に形成された変形抑止部２４またはその近傍におけるセパレータ２０の変形を抑止するための別の変形抑止部４３の変形例としては、以下のようなものがある。すなわち、上述したように枠状部材４０の一部を変形させるばかりでなく、例えば、シール材（枠状部材４０）よりも歪（外力が作用したときの変形量）が小さい部材、例えばビーズといったような小粒の球状部材などをこのシール材（枠状部材４０）の少なくとも該当部分に混在させ、全体として剛性を向上させて変形をさらに抑制できるようにした構成とすることもできる。
以上、ここまで説明したセル積層体３、およびこのセル積層体３を備えた燃料電池１によれば、当該セル積層体３を形成するセパレータ２０が例えばプレス成形されて凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造となっている場合に、変形抑止部２４さらには別の変形抑止部４３をバックアップとして機能させることができる。このため、スタック構造となるセル積層体３に締結荷重を作用させた場合に、これら積層されているセパレータ２０が変形するのを抑えることが可能である。特に、複数のセパレータ２０間において、枠状部材（例えば樹脂フレーム）４０が介在する部分については当該枠状部材４０にバックアップを形成し、枠状部材４０が介在しない部分にはセパレータ２０自身にバックアップを形成することとすれば、スタック構造となるセル積層体３においてセパレータ２０の変形をより有効的に抑止することができるようになる。さらには、変形抑止部２４を利用して冷却水等の流体をより均等となるように分配することも可能である。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では隣接するセパレータ２０ｂ，２０ｃの場合を主に例示したが、これのみならず、積層される各セパレータ（例えば図３における２０ａ、２０ｄ）においても同様の構造とすることができることはいうまでもない。
また、枠状部材４０が挿入されていない冷媒流通領域Ａ２には、変形抑止部２４を形成する凸部、あるいは別の変形抑止部４３を形成する凸部と同じ高さとなるような凸状部分を設けて枠状リブを形成し、当該枠状リブを介して対向するセパレータ２０の溝底面どうしの距離を隔てるようにしておくことも好ましい。これについて説明を付け加えておくと以下のとおりである。
すなわち、上述したように、セパレータ２０には、燃料ガスや酸化ガス、冷却用冷媒といった流体を各セル２に供給しまたは当該セル２から排出するためのマニホールド１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成され、また、セパレータ２０のうちこれらマニホールド１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂの周囲にはシール部材１３が設けられ、各流体が所定の流路から漏れ出ないようになっている（図１０参照）。このようなシール部材１３と、マニホールド１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを形成するためセパレータ２０に設けられた孔の縁辺との間に、セル積層方向へと突出する形状の枠状リブ２１を設けている（図１０参照）。また、シール部材１３の外側（ここでいう外側とは外周側のことであり、より具体的には各マニホールド１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂとは逆の側）には、凸リブからなる別の枠状リブ２２が形成されている（図１０参照）。ちなみに、本実施形態における枠状リブ２２は、発電領域Ａ１のうち触媒層のある部分の外部においてその輪郭を囲うような枠状のリブとして形成されている（図１０参照）。なお、セパレータ２０の平面構造を表している図１０においては、シール部材１３との違いを明瞭にするため、これら枠状リブ２１、枠状リブ２２が形成された部分を太線によって表示している。
以上のような構成のセパレータ２０を積層する場合、セパレータ（例えば２０ｂとする）の内周側の枠状リブ２１と、他のセパレータ（例えばセパレータ２０ｃとする）の内周側の枠状リブ２１とを直接突き当てた状態とし、さらに、セパレータ２０ｂの外周側の枠状リブ２２と、他のセパレータ２０ｃの外周側の枠状リブ２２とを直接突き当てた状態とすることができる。こうした場合、枠状リブ２１および枠状リブ２２は、これらの間に所定のスペースを形成するスペーサとして機能することができる。こうした場合、これら枠状リブ２１，２２を介して対向するセパレータ２０（２０ｂ，２０ｃ）の溝底面どうしの距離を隔てるように機能させることができる。尚かつ、この場合において、これら枠状リブ２１，２２の高さを、変形抑止部２４や別の変形抑止部４３の高さと等しくなるようにすれば、セパレータ２０（２０ｂ，２０ｃ）を重ね合わせた場合に各凸部どうしを互いに接触させ合ってスペーサとして機能させることができる。

本発明によれば、凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造のセパレータに関し、当該セパレータの変形を抑えるのに好適なバックアップ構造を実現することができる。
よって、本発明は、そのような要求のあるセル積層体３や燃料電池１に広く利用することができる。

Claims (6)

1. 電解質膜を含む膜−電極アッセンブリと、該膜−電極アッセンブリを挟持する、凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造の板状のセパレータと、を含む構成のセルが積層されてなるセル積層体であって、
   前記セルを構成する前記セパレータとセパレータの間には、前記膜−電極アッセンブリと、この膜−電極アッセンブリの少なくとも一部を挟持する樹脂製の枠状部材とが挿入されている発電領域が形成され、前記セルとセルとの間には、前記膜−電極アッセンブリおよび前記枠状部材のいずれも挿入されていない冷媒流通領域が形成されており、
   前記セパレータの変形を抑止するためのリブ状の変形抑止部が、当該セパレータ上であって、前記セルとセルとの間に冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールドと前記冷媒流通領域とを連通する部分に設けられた、前記膜−電極アッセンブリが挟持されている側の面とは反対側の面に突出する凸部によって形成され、
   前記セパレータの積層方向から視て、前記変形抑止部の少なくとも一部が前記膜−電極アッセンブリに重なっていることにより、当該変形抑止部のうち該膜−電極アッセンブリと重なっている部分が当該膜−電極アッセンブリが生じる反力を利用して隣接するセパレータとの密着度を高めており、
   前記変形抑止部を形成する凸部の裏面に一体的に形成される凹部が、当該凹部と前記枠状部材との間に介在する接着層によってバックアップされ、
   前記枠状部材が挿入されている発電領域において前記変形抑止部の変形を抑止するための別の変形抑止部が、前記凹部に向かって突出するように前記枠状部材に設けられたセパレータ変形抑止用凸部によって形成されており、
   該枠状部材に設けられた凸部は、前記接着層の剛性よりも高い剛性を有することにより、前記セパレータ上の前記変形抑止部の裏面側をバックアップする部分の剛性をさらに高めるものであり、
   前記変形抑止部を形成する凸部の裏面に一体的に形成される凹部が、前記枠状部材に設けられた凸部および前記接着層によって充填されており、
   前記冷媒流通領域を介して隣り合う前記セパレータに形成されている前記変形抑止部どうしが接触し合っている
   セル積層体。
2. 前記冷媒流通領域には、前記変形抑止部を形成する前記凸部と同じ高さとなるように前記セパレータに設けられた凸状部分からなり、当該凸状部分を介して対向する前記セパレータの間に所定のスペースを形成するスペーサとして機能する枠状リブが、前記マニホールドおよび／または前記冷媒の流路の周囲に形成されている請求項１に記載のセル積層体。
3. 前記枠状部材に設けられた凸部には、当該枠状部材よりも歪が小さい部材が混在している請求項１または２に記載のセル積層体。
4. 電解質膜を含む膜−電極アッセンブリと、該膜−電極アッセンブリを挟持する、凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造の板状のセパレータと、を含む構成のセルが積層されてなるセル積層体であって、
   前記セルを構成する前記セパレータとセパレータの間には、前記膜−電極アッセンブリと、この膜−電極アッセンブリの少なくとも一部を挟持する樹脂製の枠状部材とが挿入されている発電領域が形成され、前記セルとセルとの間には、前記膜−電極アッセンブリおよび前記枠状部材のいずれも挿入されていない冷媒流通領域が形成されており、
   前記セパレータの変形を抑止するためのリブ状の変形抑止部が、当該セパレータ上であって、前記セルとセルとの間に冷媒を供給しあるいは排出するためのマニホールドと前記冷媒流通領域とを連通する部分に設けられた、前記膜−電極アッセンブリが挟持されている側の面とは反対側の面に突出する凸部によって形成され、
   前記セパレータの積層方向から視て、前記変形抑止部の少なくとも一部が前記膜−電極アッセンブリに重なっていることにより、当該変形抑止部のうち該膜−電極アッセンブリと重なっている部分が当該膜−電極アッセンブリが生じる反力を利用して隣接するセパレータとの密着度を高めており、
   前記変形抑止部を形成する凸部の裏面に一体的に形成される凹部が、当該凹部と前記枠状部材との間に介在する接着層によって充填された状態でバックアップされ、
   前記冷媒流通領域を介して隣り合う前記セパレータに形成されている前記変形抑止部どうしが接触し合っている
   セル積層体。
5. 前記変形抑止部は、前記膜−電極アッセンブリ側から前記マニホールド側に途切れることなく連続的に形成された複数の凸状のリブからなる請求項１から４のいずれかに記載のセル積層体。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のセル積層体を備えている燃料電池。

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