JP6090091B2

JP6090091B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6090091B2
Application number: JP2013206474A
Authority: JP
Inventors: 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-10-01
Also published as: CA2925249A1; CA2925249C; WO2015049859A1; US10153498B2; US20160233522A1; KR20160047547A; JP2015069968A; CN105594038A; EP3054513A4; EP3054513B1; KR101889201B1; CN105594038B; EP3054513A1

Description

本発明は、燃料電池用セパレーターと燃料電池に関する。

燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造とされ、それぞれの燃料電池セルは、向かい合うセパレーターにて膜電極接合体を挟持している。近年になり、燃料ガスのガス流路となる凹溝と冷却水流路となる凹溝とを、プレス成型による複数筋の凹凸条の形成により、セパレーターの表裏面に形成する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−５４８７２号公報

この特許文献で提案されたセパレーターによれば、構造の簡略化や燃料電池セルの積層方向の短寸化、延いては、多数個数の燃料電池セルの積層化を図ることができる。燃料電池は、積層した燃料電池セルをその積層方向に力を掛けて締結した状態で、例えば車両等に搭載され、締結力はそれぞれの燃料電池セルに、常時、及んでいる。燃料電池セルの発電領域やその周囲といったセル各部位への締結力の及び方は、必ずしも均一とはならないので、締結力が常時及ぶことで次のような不具合が起き得る。燃料電池用セパレーターの外縁部は、膜電極接合体の発電領域と対向するセパレーター中央領域から外側に延びている都合上、燃料電池用セパレーターの外縁部には、膜電極接合体の周縁とこれをシールするシール部材が重なることになる。このようにシール部材が介在することで、燃料電池用セパレーターの外縁部では、他のセパレーターとの挟持対象である膜電極接合体の周縁の厚みが増し勝ちとなる。これに対し、セパレーターの中央領域では、その対向領域が膜電極接合体の発電領域である都合上、シール部材等の他の部材は介在しないので、他のセパレーターとの挟持対象である膜電極接合体の厚みはほぼ一律となる。仮に、外縁部の側に位置して延びる流路としての凹溝とセパレーターの中央領域に位置して延びる他の流路としての凹溝とについてなんの対処もしないとすれば、上記した厚みの関係から、外縁部の側で延びた凹溝の周辺では面圧が高まり、膜電極接合体の座屈や電解質膜の損傷を招きかねない。しかしながら、上記の特許文献では、こうした不具合についての対処が十分とは言えず、セパレーターの表裏面に凹溝を形成した上での改善の余地が指摘されるに到った。この他、締結力がそれぞれの燃料電池セルに及ぶことで起き得る不具合の簡便な対処や、燃料電池の製造コストの低減等を可能とすることも要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
膜電極接合体を第１のセパレーターと第２のセパレーターで挟持する燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、前記膜電極接合体に組み付けられる、第１の面と該第１の面の裏面をなす第２の面とを有する燃料電池用セパレーターであって、
前記膜電極接合体の発電可能領域と対応する中央領域と、
前記中央領域から外縁に延びる平板状の外縁部と、
前記第１の面における、前記中央領域に形成されている第１面側凹溝部と、
前記第２の面における、前記中央領域に形成されている第２面側凹溝部とを備え、
前記第１面側凹溝部の溝と前記第２面側凹溝部の溝とは、前記中央領域に対するプレス成型による複数の凹凸条の形成により、前記中央領域において前記第１の面と前記第２の面に交互に並ぶと共に、前記第１面側凹溝部の内、前記第１面側凹溝部の外縁部側に位置する前記第１面側凹溝部の前記底部壁の立ち上がり高さが前記中央領域における他の前記第１面側凹溝部の底部壁よりも低い前記燃料電池用セパレーターを前記第１のセパレーターとして備え、
前記第１のセパレーターと第２のセパレーターとは、前記外縁部において前記膜電極接合体の発電領域外部位に接触され、
隣り合って積層されている一の燃料電池セルと他の燃料電池セルにおいて、前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターが有する前記第１面側凹溝部は前記一の燃料電池セルにおける前記膜電極接合体の発電可能領域でガス流路を形成し、前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターが有する前記第１面側凹溝部の底部壁は、前記他の燃料電池セルの前記第２のセパレーターに接触することで、前記第１のセパレーターが有する前記第２面側凹溝部を前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターと前記他の燃料電池セルの前記第２のセパレーターとの間の冷媒流路とし、前記外縁部側に位置する前記第１面側凹溝部の底部壁が受ける面圧は前記他の前記第１面側凹溝部の底部壁が受ける面圧よりも低い。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用セパレーターが提供される。この燃料電池用セパレーターは、膜電極接合体に組み付けられる燃料電池用セパレーターであって、前記膜電極接合体の発電領域と対向するセパレーター中央領域から外縁に延びる平板状の外縁部と、前記セパレーター中央領域において、一方の面の側に形成された第１面側凹溝と、前記セパレーター中央領域において、他方の面の側に形成された第２面側凹溝とを備える。そして、前記第１面側凹溝と前記第２面側凹溝とは、前記セパレーター中央領域に対するプレス成型による複数筋の凹凸条の形成により、前記セパレーター中央領域においてセパレーター表裏面で交互に並ぶと共に、前記第１面側凹溝であって最も外縁部側に位置する前記第１面側凹溝の底部壁は、前記セパレーターの中央領域に位置するその他の前記第１面側凹溝の底部壁よりも、凹溝開口端からの立ち上がり高さが低くされている。

上記形態の燃料電池用セパレーターは、最も外縁部の側に位置する第１面側凹溝を、凹溝開口端からの底部壁の立ち上がり高さがセパレーターの中央領域に位置する他の第１面側凹溝の底部壁よりも低くなるようにしている。よって、セパレーター中央領域とその外縁に延びる平板状の外縁部とに掛けて面圧が掛かった場合、上記形態の燃料電池用セパレーターによれば、凹溝開口端からの底部壁の立ち上がり高さが低い分、外縁部の側に位置して延びる第１面側凹溝の周辺に掛かる面圧をセパレーター中央領域の側に位置する他の第１面側凹溝の周辺より緩和できる。この結果、上記形態の燃料電池用セパレーターによれば、他のセパレーターと膜電極接合体を挟持した状態でセパレーター中央領域とその外縁に延びる平板状の外縁部とに掛けて面圧が掛かっても、最も外縁部の側で延びた第１面側凹溝の周辺での面圧緩和により、膜電極接合体の座屈や電解質膜の損傷の回避、もしくは抑制が可能となる。また、上記形態の燃料電池用セパレーターでは、最も外縁部の側で延びた第１面側凹溝の底部壁の立ち上がり高さを低くすればよく、プレス金型の吐出高調整にて、上記の立ち上がり高さを容易に低くできる。よって、上記形態の燃料電池用セパレーターによれば、その製造コストの低減が可能であるほか、金型調整という簡便な対処で締結力が及ぶことで起き得る不具合を解消もしくは抑制できる。

（２）本発明の他の形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体を第１のセパレーターと第２のセパレーターで挟持した燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、前記燃料電池セルのそれぞれは、上記形態の燃料電池用セパレーターを前記第１のセパレーターとして備えて、前記外縁部を前記膜電極接合体の発電領域外部位に接合させる。そして、隣り合って積層された燃料電池セルは、一方の燃料電池セルの前記第１のセパレーターが有する前記第１面側凹溝の底部壁を他方の燃料電池セルの前記第２のセパレーターに接触させる。

上記形態の燃料電池では、膜電極接合体を挟持する第１のセパレーターを、セパレーター中央領域から外縁に延びる平板状の外縁部の側で第１面側凹溝を延ばし、この第１面側凹溝の周辺での面圧緩和を可能とするセパレーターとする。そして、第１、第２のセパレーターで膜電極接合体を挟持することで、膜電極接合体の発電領域に第１のセパレーターのセパレーター中央領域を対向させ、第１のセパレーターの外縁部を、膜電極接合体の発電領域外部位に接合させる。よって、上記形態の燃料電池では、セパレーター中央領域からその外側の外縁部に掛けて掛かる面圧は、シール部が介在する外縁部の側で延びた第１面側凹溝の周辺においては緩和される。この結果、上記形態の燃料電池によれば、膜電極接合体の座屈や電解質膜の損傷の回避もしくは抑制を図ることができ、電池寿命の長寿命化や電池性能の維持を可能とする。また、上記形態の燃料電池によれば、外縁部の側で延びた第１面側凹溝の底部壁の立ち上がり高さを低くした第１のセパレーターを、既存の燃料電池セルにおいて置き換えればよいので、その製造コストの低減が可能であるほか、締結力が及ぶことで起き得る不具合を容易に解消もしくは抑制できる。なお、上記形態の燃料電池では、第１のセパレーターのセパレーター中央領域における第１面側凹溝を、膜電極接合体に供給するガスの流路とできる。また、隣り合って積層した一方の燃料電池セルの第１のセパレーターが有する第１面側凹溝の底部壁を他方の燃料電池セルの第２のセパレーターに接触させることで、第２面側凹溝を閉塞して、この閉塞された第２面側凹溝を、冷却水が通過する冷却水流路とできる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や燃料電池セルとしての形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。ユニットセル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。アノード側セパレーター１２０の構成を示す概略平面図である。図３に示した転換領域Ａ内の燃料ガス流路２００のうちＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２の一部を拡大して示す概略斜視図である。図３のＣ部拡大箇所における５−５線に沿った燃料電池１０の概略断面である。ユニットセル１００の構成部材が規格寸法内である場合や組み付け精度が許容範囲内である場合に想定される過大面圧が生じる様子を説明する説明図である。アノード側セパレーターを形成する上で従来採られていた技術思想を説明する説明図である。本実施形態で採用した技術思想を説明する説明図である。図８に示した本実施形態のアノード側セパレーター１２０を成型するプレス機器の概略を示す説明図である。本実施形態のユニットセル１００を図３のＣ部拡大箇所における５−５線に沿って断面視して立上高の関係を併記して示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セルたるユニットセル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、前端側のエンドプレート１７０Ｆとユニットセル１００との間に、前端側の絶縁板１６５Ｆを介在させて前端側のターミナルプレート１６０Ｆを有する。燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅとユニットセル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。ユニットセル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１７２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１７６ＩＮおよび冷却水排出孔１７６ＯＴとを有する。これらの給排孔は、各ユニットセル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連結して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、複数の酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ＯＴは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。複数の冷却水供給孔１７６ＩＮは、燃料ガス供給孔１７２ＩＮの下側にＹ方向に沿って配置されており、複数の冷却水排出孔１７６ＯＴは、燃料ガス排出孔１７２ＯＴの上側にＹ方向に沿って配置されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１００の発電電力の集電板であり、図示しない端子から集電した電力を外部へ出力する。

図２はユニットセル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。図示するように、ユニットセル１００は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０と、ＭＥＧＡ１１０の両面を挟むように配置されたアノード側セパレーター１２０と、カソード側セパレーター１３０と、接着シール１４０と、ガス流路部材１５０とを備える。

ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両面に一対の触媒電極層が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含み、このＭＥＡをガス拡散透過を図るガス拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）で挟持して構成される発電体である。なお、ＭＥＧＡをＭＥＡと呼ぶ場合もある。

アノード側セパレーター１２０およびカソード側セパレーター１３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成型したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレーター１２０については、ステンレス鋼をプレス成型して作製した。

アノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０の側の面に、複数筋の溝状の燃料ガス流路を備え、反対側の面に、複数筋の溝状の冷却水流路を備え、この両流路を、セパレーター表裏面で交互に並べている。これら流路については、後述する。このアノード側セパレーター１２０は、上述したマニホールドを構成する給排孔として、燃料ガス供給孔１２２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１２２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１２４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１２６ＩＮおよび冷却水排出孔１２６ＯＴとを備える。同様に、カソード側セパレーター１３０は、燃料ガス供給孔１３２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１３２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１３４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１３４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１３６ＩＮおよび冷却水排出孔１３６ＯＴとを備える。また、接着シール１４０にあっても、同様に、アノード側セパレーター１２０の給排孔に対応して、燃料ガス供給孔１４２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１４２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１４４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１４４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１４６ＩＮおよび冷却水排出孔１４６ＯＴとを備える。

接着シール１４０は、シール性と絶縁性を有する樹脂或いはゴム等から形成され、その中央に、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状に適合した発電領域窓１４１を有する。この発電領域窓１４１の周縁は、段差形状とされており、その段差部に、ＭＥＧＡ１１０が組み込み装着される。こうして発電領域窓１４１に装着されたＭＥＧＡ１１０は、接着シール１４０の段差部において接着シール１４０と重なり、発電領域窓１４１にて露出した領域を、後述のアノード側セパレーター１２０から燃料ガスの供給を受ける発電領域１１２とする。接着シール１４０は、ＭＥＧＡ１１０が組み込まれた発電領域窓１４１の周囲領域に既述した給排孔を備え、ＭＥＧＡ１１０を発電領域窓１４１に組み込んだ状態で、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とを、それぞれの給排孔回りを含めてシールする。つまり、接着シール１４０は、段差部でＭＥＧＡ１１０をその発電領域１１２の外側領域に亘ってシールするほか、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状外周面についても、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０との間でシールする。なお、アノード側およびセパレーター側の両セパレーターは、ユニットセル１００が積層された際の燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水ごとの給排孔のシール性をセパレーター同士の接合面で確保すべく、後述の図３に示すように燃料ガス用シール材３００と、酸化剤用シール材３０１と、冷却水用シール材３０２とを備える。

ガス流路部材１５０は、接着シール１４０を介在させた上で、ＭＥＧＡ１１０とカソード側セパレーター１３０との間に位置し、カソード側セパレーター１３０の酸化剤ガス供給孔１３４ＩＮから供給される酸化剤ガスを、ＭＥＧＡ１１０の面方向（ＸＹ平面方向）に沿って流し、酸化剤ガス排出孔１３４ＯＴから排出するためのガス流路を構成する。ガス流路部材１５０としては、金属多孔体（例えば、エキスパンドメタル）などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料が用いられる。また、このガス流路部材１５０は、図２における上下端に、ガス非透過の薄葉状のシーリングシート１５１を備え、当該シートを、ＭＥＧＡ１１０の上下端領域に接合させている。

カソード側セパレーター１３０は、既述した給排孔の形成領域を含めてほぼ平板状とされ、図２におけるガス流路部材１５０の上下端近傍に、脚１３１を、図２における紙面奥側に突出させている。この脚１３１は、ユニットセル１００が積層された際に、隣り合うユニットセル１００のアノード側セパレーター１２０における後述の外縁部１２３に接触する。この様子については、後述する。

図３はアノード側セパレーター１２０の構成を示す概略平面図である。この図３は、アノード側セパレーター１２０に隣接する他のユニットセル１００に対向する面（以下、「冷却面」とも呼ぶ）側から見た状態を示している。この冷却面と反対のＭＥＧＡ１１０に対向する面を「ガス面」とも呼ぶ。アノード側セパレーター１２０は、ステンレス鋼等をプレス成型して形成され、図２に示すように、接着シール１４０とガス流路部材１５０とを介在させて、ＭＥＧＡ１１０をカソード側セパレーター１３０と共に挟持する。このアノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０の既述した発電領域１１２と対向するセパレーター中央領域１２１に、後述の複数筋の第１溝２０２と第２溝２０４とを交互に並べて備え、セパレーター中央領域１２１から外側に延びて当該中央領域を取り囲む平板状の外縁部１２３に、既述した反応ガスおよび冷却水の給排孔として、燃料ガス供給孔１２２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１２２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１２４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１２６ＩＮおよび冷却水排出孔１２６ＯＴとを備える。これら給排孔のうち、燃料ガス供給孔１２２ＩＮと燃料ガス排出孔１２２ＯＴとは、燃料ガス用シール材３００により個別にシールされ、複数の酸化剤ガス供給孔１２４ＩＮと複数の酸化剤ガス排出孔１２４ＯＴとは、酸化剤用シール材３０１により、孔の並びごとにシールされる。また、複数の冷却水供給孔１２６ＩＮおよび冷却水排出孔１２６ＯＴは、冷却面側のセパレーター中央領域１２１を含んで冷却水用シール材３０２によりシールされる。

第１溝２０２は、アノード側セパレーター１２０の既述したガス面側であって図３においては紙面奥側の面の側で凹な凹溝であり、このガス面において延びる。第２溝２０４は、アノード側セパレーター１２０の既述した冷却面側であって図３においては紙面手前側の面の側で凹な凹溝であり、この冷却面において延びる。そして、この第１溝２０２と第２溝２０４は、両溝形状に適合した凹凸形状の金型をセパレーター中央領域１２１に対するプレス押圧するプレス成型による複数筋の凹凸条として形成され、セパレーター中央領域１２１においてアノード側セパレーター１２０の表裏面で交互に並ぶ。つまり、アノード側セパレーター１２０は、図３における縦断面視において、この第１溝２０２と第２溝２０４とが交互に繰り返し並んだ断面凸凹形状（断面波形形状）とされている。

ガス面側で凹な第１溝２０２は、接着シール１４０の発電領域窓１４１に露出したＭＥＧＡ１１０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝（以下、「燃料ガス流路溝２０２」とも呼ぶ）を構成し、冷却面側で凹な第２溝２０４は、燃料ガス流路溝２０２を仕切るリブを構成するとともに、後述のカソード側セパレーター１３０にアノード側セパレーター１２０が接触することで、冷却水が通過する冷却水流路溝（以下、「冷却水流路溝２０４」とも呼ぶ）を構成する。そして、複数の燃料ガス流路溝２０２で構成される燃料ガス流路２００が、燃料ガス供給孔１２２ＩＮから燃料ガス排出孔１２２ＯＴへ向けてサーペンタイン状に、図３における紙面裏側の既述したガス面側に形成されている。本実施形態のユニットセル１００は、サーペンタイン状の燃料ガス流路２００において、図３に示すセパレーター中央領域１２１の上下端側に位置する燃料ガス流路溝２０２を、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向、即ち図３におけるｘ方向に延ばしている。こうすることで、セパレーター中央領域１２１がＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に対向した場合に、この発電領域１１２の周縁にも、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向に延びた燃料ガス流路溝２０２から燃料ガスを供給できる。なお、図３のＣ部拡大に示すように、セパレーター中央領域１２１の上下端側に位置して、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向に延びる第１溝２０２を、セパレーター中央領域１２１の内側に位置する第１溝２０２と区別すべく、端部第１溝２０２ｔと称することとする。

燃料ガス流路溝２０２は、サーペンタイン状の溝経路を採ることから、図３に示すセパレーター中央領域１２１の左右の水平端側領域である転換領域Ａでは、溝経路向きをＸ方向からＹ方向に変える、或いはこの逆にＸ方向からＹ方向に変える。そして、第１溝２０２は、この転換領域Ａを含め、Ｘ方向に延びる直線流路域において、冷却面側において、冷却水流路溝２０４を仕切るリブとして機能する。燃料ガス流路溝２０２は、Ｘ方向に延びる直線流路域において冷却水流路溝２０４を仕切るリブとして機能するとはいえ、冷却水排出孔１２６ＯＴの側へ向かう第２溝２０４での冷却水の流れを阻害しない。ところが、溝経路向きが変換する転換領域Ａでは、燃料ガス流路溝２０２が壁となって、冷却水供給孔１２６ＩＮから冷却水排出孔１２６ＯＴへ向かう冷却水の流れが阻害され得る。そこで、この領域の燃料ガス流路溝２０２を以下で説明する構造とすることにより、これを防止している。

図４は図３に示した転換領域Ａ内の燃料ガス流路２００のうちＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２の一部を拡大して示す概略斜視図である。図４において、上方は冷却面側であり、下方はガス面側である。Ｙ方向に沿って形成された燃料ガス流路溝２０２には、浅溝部２０８が形成されている。浅溝部２０８は、他の部分（以下、「深溝部２０６」とも呼ぶ）よりも深さが浅い部分である。ここで、燃料ガス流路溝２０２の深さとは、アノード側セパレーター１２０のガス面のＭＥＧＡ１１０に接触する部分の位置から、燃料ガス流路溝２０２の底部までの距離を意味する。従って、燃料ガス流路溝２０２の深さは、深溝部２０６の位置において深く、浅溝部２０８の位置において浅くなるものの、深溝部２０６と浅溝部２０８は、図３の転換領域Ａにおける燃料ガス流路溝２０２の溝経路に沿って交互に並んでいるが、いずれも、ＭＥＧＡ１１０とは接触しない。よって、燃料ガス流路溝２０２は、図４においてはＹ方向に沿って、図３の転換領域Ａにおいてはその流路溝経路に沿って燃料ガスを通過させる。この場合、深溝部２０６の深さは、転換領域Ａ以外の流路溝経路における燃料ガス流路溝２０２と同じとされている。

また、複数のユニットセル１００が積層された燃料電池１０（図１，２参照）において、アノード側セパレーター１２０は、隣接するユニットセル１００のカソード側セパレーター１３０の表面に、各深溝部２０６の底部壁２０２ｓの外周面、図４の図示では天井面を接触させ、浅溝部２０８の位置ではカソード側セパレーター１３０に接触させない。このため、アノード側セパレーター１２０の浅溝部２０８の位置の冷却面側には、カソード側セパレーター１３０の表面との間に、浅溝部２０８を挟んで隣接する２つの冷却水流路溝２０４を連通する連通流路溝２０５が形成される。この構造によって、冷却水は、冷却水流路溝２０４に沿ってＹ方向に流れるだけでなく、連通流路溝２０５を介してＸ方向にも流れるようにすることが可能となる。これにより、転換領域Ａにおいて、Ｘ方向に沿った冷却水流路溝２０４を流れる冷却水の流れがＹ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によって遮断されるのを防止することができる。この逆の場合も同様である。

また、図示は省略するが、図３に示した転換領域ＡのＸ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２にも同様に浅溝部２０８が形成される。これにより、Ｙ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２に平行な冷却水流路溝２０４を流れる冷却水の流れがＸ方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によって遮断されるのを防止することができる。従って、アノード側セパレーター１２０は、冷却水供給孔１２６ＩＮから供給される冷却水を、X方向およびY方向のいずれの方向に沿った燃料ガス流路溝２０２によっても遮断させずに、冷却水排出孔１２６ＯＴへ向けて流すことが可能である。

アノード側セパレーター１２０は、燃料ガス流路溝２０２を図３の転換領域Ａにおいてはその溝経路に沿って深溝部２０６と浅溝部２０８を交互に並べて備える。その一方、アノード側セパレーター１２０は、サーペンタイン状の溝経路における直線経路、即ち図３におけるｘ方向では、ガス面側の端部第１溝２０２ｔを含む他の燃料ガス流路溝２０２と、冷却水側の冷却水流路溝２０４とを、単純な凹溝形状としている。

次に、燃料電池１０におけるユニットセル１００の積層の様子を説明する。図５は図３のＣ部拡大箇所における５−５線に沿った燃料電池１０の概略断面である。図示するように、燃料電池１０は、複数のユニットセル１００を積層して構成され、ユニットセル１００は、ＭＥＧＡ１１０をアノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とで挟持する。なお、この図５では、ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両膜面に触媒電極層を接合したＭＥＡ１１０Ｄをアノード側ガス拡散層１１０Ａとカソード側ガス拡散層１１０Ｃで挟持した形態で示されている。そして、それぞれのユニットセル１００は、アノード側セパレーター１２０がセパレーター中央領域１２１の外側に延ばして備える外縁部１２３（図２〜図３参照）を、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２（図２〜図３参照）の周縁において、ＭＥＧＡ１１０に接合させる。また、それぞれのユニットセル１００は、第１溝２０２と第２溝２０４が形成済みのセパレーター中央領域１２１をＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に対向させて接触させる。これにより、端部第１溝２０２ｔと他の部位の第１溝２０２は、その凹溝開口端がＭＥＧＡ１１０で閉塞され、既述したように延びる燃料ガス流路溝２０２として機能する。

隣り合って積層されたユニットセル１００は、一方のユニットセル１００のアノード側セパレーター１２０が有する第１溝２０２の底部壁２０２ｓと端部第１溝２０２ｔの端部底部壁２０２ｔｓとを、他方のユニットセル１００のカソード側セパレーター１３０に接触させる。これにより、第２溝２０４は、その凹溝開口端が閉塞され、既述したように延びる冷却水流路溝２０４として機能する。また、隣り合って積層されたユニットセル１００は、一方のユニットセル１００のカソード側セパレーター１３０が有する脚１３１を、他方のユニットセル１００のアノード側セパレーター１２０の外縁部１２３に接触させる。これにより、脚１３１は、アノード側セパレーター１２０の外縁部１２３において、それぞれのユニットセル１００の支えとして機能する。このようにユニットセル１００を積層した燃料電池１０は、図示しない締結シャフト等にて、セル積層方向に締結され、その締結力はそれぞれのユニットセル１００の各部位、具体的には、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２のみならず、外縁部１２３の領域に、常時、及ぶことになる。

図６はユニットセル１００の構成部材が規格寸法内である場合や組み付け精度が許容範囲内である場合に想定される過大面圧が生じる様子を説明する説明図である。図６（Ａ）では、ＭＥＧＡ１１０や接着シール１４０、ガス流路部材１５０の組み付け精度が確保されている状況を示している。こうした状況であっても、ＭＥＧＡ１１０が装着される接着シール１４０や、ガス流路部材１５０のシーリングシート１５１が介在する箇所では、各部材が規格寸法内であっても、その誤差の累積によっては、或いはＭＥＧＡ１１０との重なり状況によっては、外縁部１２３において、カソード側セパレーター１３０との挟持対象であるＭＥＧＡ１１０の周縁、具体的には図１に示す発電領域１１２の周縁においてその厚みが増すことが有り得る。

図６（Ｂ）では、ＭＥＧＡ１１０や接着シール１４０、或いはガス流路部材１５０が図における上下に組み付け精度内でずれた状況を図示の都合上から誇張して示している。こうした状況では、各部材が規格寸法内であっても、ＭＥＧＡ１１０が装着される接着シール１４０や、ガス流路部材１５０のシーリングシート１５１の介在状態が変わるため、やはり、カソード側セパレーター１３０との挟持対象であるＭＥＧＡ１１０の周縁の厚みが増すことが有り得る。こうした状況は、外縁部１２３の側で延びる端部第１溝２０２ｔの周辺で起きる。これに対し、端部第１溝２０２ｔよりセパレーター中央領域１２１（図３参照）の内側に位置する他の第１溝２０２の周辺は、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に属する都合上、シーリングシート１５１や接着シール１４０等の他の部材は介在しないので、カソード側セパレーター１３０との挟持対象であるＭＥＧＡ１１０の厚みはほぼ一律となる。

図７はアノード側セパレーターを形成する上で従来採られていた技術思想を説明する説明図、図８は本実施形態で採用した技術思想を説明する説明図である。図７に示すように、従来のアノード側セパレーター１２０Ｈにあっても、端部第１溝２０２ｔと第１溝２０２を、共にセパレーター中央領域１２１（図２、図３参照）に含む。そして、この比較例のアノード側セパレーター１２０Ｈは、外縁部１２３の側で延びる端部第１溝２０２ｔと、セパレーター中央領域１２１の内側に位置する他の第１溝２０２とを等価に扱い、凹溝開口端から端部第１溝２０２ｔの端部底部壁２０２ｔｓまでの立ち上がり高さ（以下、端部側立上高Ｈｔ）と、凹溝開口端から他の第１溝２０２の底部壁２０２ｓまでの立ち上がり高さ（以下、立上高Ｈｓ）とを、設計寸法および実測寸法において同一としていた（端部側立上高Ｈｔ＝立上高Ｈｓ）。よって、立上高Ｈｓと端部側立上高Ｈｔとの差分ΔＨは、値ゼロとなる。これに対し、本実施形態のアノード側セパレーター１２０は、図８に示すように、端部第１溝２０２ｔについては、その端部側立上高Ｈｔが他の第１溝２０２の立上高Ｈｓより低くなるようにして、その差分ΔＨがマイナスの値となり、差分ΔＨを−０．０１〜−０．０３とした。つまり、端部第１溝２０２ｔの端部側立上高Ｈｔおよび他の第１溝２０２の立上高Ｈｓの実寸が製造公差内であったとしても、両立上高の差分ΔＨについては、その値が上記範囲のマイナスの値であることが求められる。

図９は図８に示した本実施形態のアノード側セパレーター１２０を成型するプレス機器の概略を示す説明図である。図示するように、図８のアノード側セパレーター１２０を得るに当たっては、プレス雄型Ｋｕとプレス雌型Ｋｄを用いる。プレス雌型Ｋｄは、プレス雄型Ｋｕが有する後述の各凸条が入り込む凹条のキャビティーを備え、既存構成と変わるものではない。プレス雄型Ｋｕは、アノード側セパレーター１２０の第１溝２０２の凹溝形状に適合した凸条の第１凸条Ｔｓと、端部第１溝２０２ｔの凹溝形状に適合した凸条の端部第１凸条Ｔｔｓとを備える。そして、第１凸条Ｔｓの突出高ＫＨｓと端部第１凸条Ｔｔｓの突出高ＫＨｔとに差を持たせ、その突出高差分ΔＫＨ（＝ＫＨｓ−ＫＨｔ）をプラスの値（＋０．０１〜＋０．０３）とした。この金型を用いて、既存のプレス手順で、アノード側セパレーター１２０の成型材たるステンレス鋼板Ｓｋをプレス成型することで、端部第１溝２０２ｔの端部側立上高Ｈｔが上記のマイナスの値の範囲内で他の第１溝２０２より常に低くなるようにできる。

図１０は本実施形態のユニットセル１００を図３のＣ部拡大箇所における５−５線に沿って断面視して立上高の関係を併記して示す説明図である。ユニットセル１００は、ユニット単体での完成状態では、図１０に示すように、端部第１溝２０２ｔの端部底部壁２０２ｔｓを図示する差分ΔＨだけ他の第１溝２０２より底部壁２０２ｓより小さくしている。ところが、図５に示す積層・締結後の状態、即ち燃料電池１０の形態では、それぞれのユニットセル１００は、セル各部に締結力を受けることから、端部第１溝２０２ｔにあっても、その端部底部壁２０２ｔｓを隣のユニットセル１００のカソード側セパレーター１３０に接触させている。

図７に示した比較例のアノード側セパレーター１２０Ｈを有するユニットセルにあっても、燃料電池１０としての締結状態では、既述したように、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２（図２〜図３参照）の周縁へのアノード側セパレーター１２０Ｈの外縁部１２３の接触、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２へのセパレーター中央領域１２１の接触、他方のユニットセル１００のカソード側セパレーター１３０への第１溝２０２の底部壁２０２ｓと端部第１溝２０２ｔの端部底部壁２０２ｔｓの接触、および、他方のユニットセル１００の外縁部１２３への脚１３１の接触が起きている。こうした接触状態は、締結力が付与されている間に亘って継続され、締結力は比較例のアノード側セパレーター１２０Ｈを有するそれぞれのユニットセルの発電領域１１２のみならず、外縁部１２３の領域に、常時、及ぶ。

図７の比較例のアノード側セパレーター１２０Ｈは、端部第１溝２０２ｔと他の第１溝２０２とが等価であることから、図６を用いて説明したように、接着シール１４０やガス流路部材１５０のシーリングシート１５１が介在することによる発電領域１１２の周縁での厚みの増大に対してなんの対処もなされていないことになる。よって、比較例のアノード側セパレーター１２０Ｈでは、図６に点線にて囲った発電領域１１２の周縁において、上記した厚みの増大の影響を受けて面圧が局所的に高まり、ＭＥＡ１１０Ｄの座屈や電解質膜の損傷を招きかねない。

本実施形態のアノード側セパレーター１２０は、外縁部１２３の側で延びる端部第１溝２０２ｔを、その端部底部壁２０２ｔｓの凹溝開口端からの端部側立上高Ｈｔが他の第１溝２０２の立上高Ｈｓより低くなるようにしている（差分ΔＨ＜０：図８、図１０参照）。よって、本実施形態のアノード側セパレーター１２０によれば、セパレーター中央領域１２１の外縁に延びる平板状の外縁部１２３に掛かった面圧を、端部側立上高Ｈｔと立上高Ｈｓとの差分ΔＨ（＜０）により、セパレーター中央領域１２１における他の第１溝２０２の周辺より緩和する。この結果、本実施形態のアノード側セパレーター１２０によれば、カソード側セパレーター１３０とでＭＥＧＡ１１０を挟持した状態でセパレーター中央領域１２１とその外縁に延びる平板状の外縁部１２３とに掛けて大きな面圧が掛かっても、外縁部１２３の側で延びた端部第１溝２０２ｔの周辺での面圧緩和により、ＭＥＡ１１０Ｄの座屈や電解質膜の損傷を回避、もしくは抑制できる。

本実施形態のアノード側セパレーター１２０によれば、端部第１溝２０２ｔの端部側立上高Ｈｔを他の第１溝２０２の立上高Ｈｓより低くすればよいので、図９に示すように、端部第１溝２０２ｔに対応する端部第１凸条Ｔｔｓの突出高ＫＨｔを低くするだけで済む。端部第１凸条Ｔｔｓの突出高ＫＨｔを低くすることは、精密砥石機器を用いた端部第１凸条Ｔｔｓの頂上研磨にて、容易に達成できる。よって、本実施形態のアノード側セパレーター１２０によれば、セパレーター製造コストを低減できる他、締結力がユニットセル１００の各所に及ぶことで起き得る過大面圧の発生とこれに伴うＭＥＡ座屈や電解質膜の両膜面損傷いう不具合を、プレス雄型Ｋｕにおける端部第１凸条Ｔｔｓの頂上研磨という簡便な手法で解消もしくは抑制できる。しかも、既存のプレス雄型Ｋｕに対しての頂上研磨で済むことから、既存設備の有効利用ができると共に、金型コストの低下によりセパレーター製造コストをより低減できる。

締結力がユニットセル１００の各所に及ぶことで起き得る過大面圧の発生とこれに伴うＭＥＡ座屈や電解質膜の両膜面損傷いう不具合は、図６で示したように、接着シール１４０やガス流路部材１５０のシーリングシート１５１等の各部材の累積誤差や、組み付け精度内でのこれら部材のズレによって起きる。本実施形態のアノード側セパレーター１２０は、こうした各部材の累積誤差や組み付け精度内でのズレが起きても、上記した不具合を回避もしくは抑制する。このため、各部材の製造公差や組み付け精度をある程度緩和できるので、部品製造コストや組み付けコストの低減を通して、セパレーター製造コスト、延いては燃料電池製造コストをより低減できる。

本実施形態の燃料電池１０は、外縁部１２３の側で延びた端部第１溝２０２ｔの周辺での面圧緩和をもたらすアノード側セパレーター１２０を用いている。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、その発電運転中における上記した局所的な面圧の増大を招かないので、ＭＥＡ１１０Ｄの座屈や電解質膜の損傷を回避もしくは抑制でき、電池寿命の長寿命化に加え、電池性能を維持できる。

本実施形態の燃料電池１０では、外縁部１２３の側で延びた端部第１溝２０２ｔの端部底部壁２０２ｔｓの端部側立上高Ｈｔを低くしたアノード側セパレーター１２０を、既存のユニットセル１００において置き換えればよい。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、電池製造コストを低減を図ることができるほか、締結力がユニットセル１００の各所に及ぶことで起き得る過大面圧の発生とこれに伴うＭＥＡ座屈や電解質膜の両膜面損傷いう不具合を、容易に解消もしくは抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記した実施形態のアノード側セパレーター１２０では、セパレーター中央領域１２１に設けた第１溝２０２の内で、セパレーター中央領域１２１の上下端側に位置して外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向（図３：ｘ方向）に延びる第１溝２０２を、端部側立上高Ｈｔの低い端部第１溝２０２ｔとしたが、これに限らない。例えば、図３におけるｙ方向に外縁部１２３の側に形成された第１溝２０２についても、これを端部側立上高Ｈｔの低い端部第１溝２０２ｔとしてもよい。

１０…燃料電池
１００…ユニットセル
１１０…ＭＥＧＡ
１１０Ａ…アノード側ガス拡散層
１１０Ｃ…カソード側ガス拡散層
１１０Ｄ…ＭＥＡ
１１２…発電領域
１２０…アノード側セパレーター
１２０Ｈ…アノード側セパレーター（比較例）
１２１…セパレーター中央領域
１２２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１２２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１２３…外縁部
１２４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１２４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１２６ＩＮ…冷却水供給孔
１２６ＯＴ…冷却水排出孔
１３０…カソード側セパレーター
１３１…脚
１３２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１３２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１３４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１３４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１３６ＩＮ…冷却水供給孔
１３６ＯＴ…冷却水排出孔
１４０…接着シール
１４１…発電領域窓
１４２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１４２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１４４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１４４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１４６ＩＮ…冷却水供給孔
１４６ＯＴ…冷却水排出孔
１５０…ガス流路部材
１５１…シーリングシート
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１７２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１７４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１７４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１７６ＩＮ…冷却水供給孔
１７６ＯＴ…冷却水排出孔
２００…燃料ガス流路
２０２…第１溝（燃料ガス流路溝）
２０２ｓ…底部壁
２０２ｔ…端部第１溝
２０２ｔｓ…端部底部壁
２０４…第２溝（冷却水流路溝）
２０５…連通流路溝
２０６…深溝部
２０８…浅溝部
３００…燃料ガス用シール材
３０１…酸化剤用シール材
３０２…冷却水用シール材
Ａ…転換領域
Ｈｔ…端部側立上高
Ｈｓ…立上高
ΔＨ…差分
Ｋｄ…プレス雌型
Ｋｕ…プレス雄型
Ｓｋ…ステンレス鋼板
Ｔｓ…第１凸条
Ｔｔｓ…端部第１凸条
ＫＨｓ…突出高
ＫＨｔ…突出高
ΔＫＨ…突出高差分

Claims

膜電極接合体を第１のセパレーターと第２のセパレーターで挟持する燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、前記膜電極接合体に組み付けられる、第１の面と該第１の面の裏面をなす第２の面とを有する燃料電池用セパレーターであって、
前記膜電極接合体の発電可能領域と対応する中央領域と、
前記中央領域から外縁に延びる平板状の外縁部と、
前記第１の面における、前記中央領域に形成されている第１面側凹溝部と、
前記第２の面における、前記中央領域に形成されている第２面側凹溝部とを備え、
前記第１面側凹溝部の溝と前記第２面側凹溝部の溝とは、前記中央領域に対するプレス成型による複数の凹凸条の形成により、前記中央領域において前記第１の面と前記第２の面に交互に並ぶと共に、前記第１面側凹溝部の内、前記第１面側凹溝部の外縁部側に位置する前記第１面側凹溝部の前記底部壁の立ち上がり高さが前記中央領域における他の前記第１面側凹溝部の底部壁よりも低い前記燃料電池用セパレーターを前記第１のセパレーターとして備え、
前記第１のセパレーターと第２のセパレーターとは、前記外縁部において前記膜電極接合体の発電領域外部位に接触され、
隣り合って積層されている一の燃料電池セルと他の燃料電池セルにおいて、前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターが有する前記第１面側凹溝部は前記一の燃料電池セルにおける前記膜電極接合体の発電可能領域でガス流路を形成し、前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターが有する前記第１面側凹溝部の底部壁は、前記他の燃料電池セルの前記第２のセパレーターに接触することで、前記第１のセパレーターが有する前記第２面側凹溝部を前記一の燃料電池セルの前記第１のセパレーターと前記他の燃料電池セルの前記第２のセパレーターとの間の冷媒流路とし、前記外縁部側に位置する前記第１面側凹溝部の底部壁が受ける面圧は前記他の前記第１面側凹溝部の底部壁が受ける面圧よりも低い、
燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記第１面側凹溝部の外縁部側における前記第１面側凹溝部の前記底部壁の内、最も外縁部側に位置する前記第１面側凹溝部の前記底部壁の立ち上がり高さが、前記中央領域に位置する前記他の前記第１面側凹溝部の前記底部壁よりも低い、燃料電池。