JP6968746B2 - 燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータを備えた燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セル（発電セル）を備えている。セパレータには、電解質膜・電極構造体の発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するシール部とが設けられている。

単位セルは、通常、所定の数だけ積層して締め付けることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。そのため、シール部のシール面は、燃料電池スタックの締め付け荷重によってＭＥＡの外周部又はＭＥＡに設けられた枠部に押し付けられている。すなわち、シール部のシール面には、所定の面圧が作用している。

また、この種の燃料電池スタックでは、外部から衝撃荷重が加わる場合がある。その際、単位セルは、積層方向に直交する方向（締め付け荷重が付与されていない方向）に移動が生じ易い。

例えば、特許文献１には、このような移動を抑制することができる燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックのセパレータには、その外周部から外方に突出した板状の荷重受け部を備えている。荷重受け部は、燃料電池スタックに外部から衝撃荷重が加わった際に、スタックケースの内面から内方に向かって突出した突出部に接触する。これにより、単位セルの積層方向に直交する方向の移動が抑制される。

米国特許出願公開第２０１６／００７２１４５号明細書

セパレータのうち荷重受け部を支持する部位（支持部）は、剛性を高める必要がある。支持部の剛性を高めるためにセパレータのうちシール部と荷重受け部との間の部位からＭＥＡを挟んで反対側に位置する反対側セパレータに向かうようにリブを突出成形すると、リブの突出端面が反対側セパレータ（反対側セパレータに成形されたリブの突出端面）に接触する。

リブの延在方向の端部は、比較的剛性が高いため撓み難い。そのため、燃料電池スタックの締め付け荷重がリブの端部に作用してしまい、シール部のうちリブの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が比較的小さくなる（面圧が抜ける）ことがある。従って、シール部に作用する面圧がばらつくおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、セパレータのうち荷重受け部が設けられる支持部の剛性を向上させることができるとともにセパレータのシール部に作用する面圧のばらつきを低減することができる燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用セパレータ部材は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに設けられた板状の荷重受け部と、を備え、前記単位セルは、電解質膜・電極構造体を挟んで前記セパレータとは反対側に位置する反対側セパレータを有する燃料電池用セパレータ部材であって、前記セパレータには、前記セパレータの外周部を周回して前記電解質膜・電極構造体に密着することにより、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの間からの流体の漏れを防止するシール部と、前記セパレータのうち前記シール部と前記荷重受け部との間の部位から前記反対側セパレータに向かうように突出し、且つ前記シール部の延在方向に沿って線状に延在したリブと、が設けられ、前記リブの延在方向の少なくとも一方の端部には、開口部が形成されていることを特徴とする。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記シール部は、前記セパレータの平面視で波状に延在し、前記リブの延在方向の端部は、前記シール部のうち前記セパレータの外縁部に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部に対向していることが好ましい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記リブの突出長は、前記セパレータの厚さ方向に沿った前記シール部の長さと同一であることが好ましい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記セパレータには、前記リブから前記リブの延在方向と交差する方向に延出した補強リブが設けられていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池スタックは、上述した燃料電池用セパレータ部材を有する単位セルが複数積層されることを特徴とする。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記単位セルは、前記セパレータとしての第１セパレータと第２セパレータとが互いに接合された接合セパレータを有し、前記第２セパレータには、前記荷重受け部が設けられていないことが好ましい。

本発明によれば、セパレータのうちシール部と荷重受け部との間の部位からリブが突出しているため、セパレータにおける荷重受け部が設けられる支持部の剛性を向上させることができる。

また、リブの延在方向の少なくとも一方の端部に開口部を形成しているため、リブの延在方向の端部の剛性を適度に低下させることができる。これにより、燃料電池用セパレータ部材を燃料電池スタックに組み込んで積層方向に締め付け荷重を付与した際に、リブの延在方向の端部を効果的に撓ませることができる。よって、シール部のうちリブの延在方向の端部に近い部分のシール部に作用する圧力（面圧）が低下することを抑えることができる。従って、セパレータのシール部に作用する面圧のばらつきを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータ部材を備えた燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの模式的横断面図である。 図１の燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った一部省略断面図である。 図５Ａは、第１リブ及び荷重受け部を示す一部省略斜視図であり、図５Ｂは第２リブを示す一部省略斜視図である。 図６Ａは第１変形例に係るセパレータ部材の一部省略平面図であり、図６Ｂは第２変形例に係るセパレータ部材の一部省略平面図である。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、複数の単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）が燃料電池自動車の水平方向（車幅方向又は車長方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載される。ただし、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２の積層方向が燃料電池自動車の鉛直方向（車高方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載されてもよい。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａと絶縁プレート１８ａとを介してエンドプレート２０ａが、外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂと絶縁プレート１８ｂとを介してエンドプレート２０ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

つまり、一組のエンドプレート２０ａ、２０ｂは、複数の単位セル１２の積層方向の両端に位置している。エンドプレート２０ａの中央部からは、ターミナルプレート１６ａに接続された出力端子２２ａが延在している。エンドプレート２０ｂの中央部からは、ターミナルプレート１６ｂに接続された出力端子２２ｂが延在している。

各エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長の長方形状を有する。図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結部材２４ａ〜２４ｄ（連結バー）が配置される。各連結部材２４ａ〜２４ｄの両端は、ボルト２６によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されている（図１参照）。これにより、連結部材２４ａ〜２４ｄは、積層体１４に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。

連結部材２４ａは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している。連結部材２４ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。連結部材２４ｃ、２４ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各短辺の中央に位置している。

燃料電池スタック１０は、積層体１４を積層方向と直交する方向から覆うカバー部２８を備えている。カバー部２８は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの短手方向（矢印Ｃ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ａ、３０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ｃ、３０ｄとを有する。各サイドパネル３０ａ〜３０ｄは、ボルト３２によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定されている。カバー部２８は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。カバー部２８は、サイドパネル３０ａ〜３０ｄを一体の鋳物又は一体の押出材で形成してもよい。

図３及び図４に示すように、単位セル１２は、ＭＥＡ３４（電解質膜・電極構造体）と、ＭＥＡ３４を挟持する第１セパレータ３６及び第２セパレータ３７とを備えている。

図３において、単位セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。各単位セル１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、複数の単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各単位セル１２の冷却媒体入口連通孔４０ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を供給する。各単位セル１２の燃料ガス出口連通孔４２ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各単位セル１２の燃料ガス入口連通孔４２ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各単位セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各単位セル１２の酸化剤ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

なお、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂのそれぞれは、エンドプレート２０ａにも形成されている（図１参照）。

酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂの配置及び形状は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図３及び図４に示すように、第１セパレータ３６のＭＥＡ３４に向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４が設けられる。酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。

第２セパレータ３７のＭＥＡ３４に向かう面３７ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６は、矢印Ａ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。

第１セパレータ３６と第２セパレータ３７とは、互いに対向する面３６ｂ、３７ｂ間に冷却媒体流路４８を一体的に形成する。冷却媒体流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝を有する。

ＭＥＡ３４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５０（陽イオン交換膜）と、固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード電極５２及びアノード電極５４を有する。

固体高分子電解質膜５０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４よりも大きな平面寸法（外形寸法）を有する。すなわち、固体高分子電解質膜５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４よりも外周側に突出している。固体高分子電解質膜５０の外周側に突出する部分は、反応ガスが不透過な枠形状のフィルムで構成してもよい。フィルムの内周は、カソード電極５２及びアノード電極５４の外周に接触する。

カソード電極５２は、固体高分子電解質膜５０の面５０ａに接合されている。アノード電極５４は、固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに接合されている。カソード電極５２及びアノード電極５４のそれぞれは、電極触媒層とガス拡散層とを含む。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。ガス拡散層は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

なお、ＭＥＡ３４は、固体高分子電解質膜５０の平面寸法をカソード電極５２及びアノード電極５４の平面寸法よりも小さく形成し、カソード電極５２の外周縁部とアノード電極５４の外周縁部との間に枠形状を有する樹脂フィルム（樹脂枠部材）を挟持するように構成してもよい。この場合、ＭＥＡ３４は、カソード電極５２が固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、アノード電極５４が固体高分子電解質膜５０と同一の平面寸法に設定される、いわゆる、段差ＭＥＡであってもよい。ただし、ＭＥＡ３４は、アノード電極５４が固体高分子電解質膜５０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、カソード電極５２が固体高分子電解質膜５０と同一の平面寸法に設定されてもよい。また、ＭＥＡ３４は、段差ＭＥＡに限定されず、両方のガス拡散層が互いに同一の平面寸法に設定されてもいてもよい。なお、樹脂フィルムは、反応ガスが不透過に構成されている。

第１セパレータ３６及び第２セパレータ３７は、長方形状（四角形状）に形成されている。第１セパレータ３６及び第２セパレータ３７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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ３６と第２セパレータ３７とは、面３６ｂと面３７ｂを対向させるとともに接触させた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３９を構成する。

図４及び図５Ａに示すように、第１セパレータ３６には、第１シールライン５８ａ（シール部）がＭＥＡ３４に向かって一体で膨出成形されている。第１シールライン５８ａの突出端面である第１シール面５９ａは、固体高分子電解質膜５０の面５０ａに気密に接触する平坦面である（図４参照）。ただし、第１シールライン５８ａの突出端面は、Ｒ形状であってもよい。

第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６の外周部を周回することにより、第１セパレータ３６とＭＥＡ３４との間から流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）が外部に漏出することを防止する。すなわち、第１シールライン５８ａは、その第１シール面５９ａが固体高分子電解質膜５０の面５０ａ又は外周の樹脂フィルムに直接接触（密着）して弾性変形することによりシールするメタルビードシールとして構成されている。

なお、メタルビードシールである第１シールライン５８ａの突出端面には、弾性を有する樹脂材が設けられていてもよい。この場合、第１シール面５９ａは、樹脂材に設けられる。また、第１シールライン５８ａは、弾性を有するゴムシール部材で形成されていてもよい。

図３及び図５Ａにおいて、第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６の平面視で波状に延在している。第１シールライン５８ａの波の周期及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。すなわち、第１シールライン５８ａは、第１凹状湾曲部６０ａと第１凸状湾曲部６１ａとが交互に配置された構成を有する。第１凹状湾曲部６０ａは、第１セパレータ３６の外縁部に対して凹むように湾曲している。第１凸状湾曲部６１ａは、第１セパレータ３６の外縁部に向かって突出するように湾曲している。ただし、第１シールライン５８ａは、直線状に延在していてもよい。

第１シールライン５８ａの側壁６３は、第１セパレータ３６の厚さ方向（積層方向である矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。なお、第１シールライン５８ａの側壁６３は、第１セパレータ３６の厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った断面形状が矩形状に形成されていてもよい。

図４及び図５Ｂに示すように、第２セパレータ３７には、第２シールライン５８ｂがＭＥＡ３４に向かって一体で膨出成形されている。第２シールライン５８ｂの突出端面である第２シール面５９ｂは、固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに気密に接触する平坦面である（図４参照）。ただし、第２シールライン５８ｂの第２シール面５９ｂは、Ｒ形状に膨出していてもよい。

第２シールライン５８ｂは、第２セパレータ３７の外周部を周回することにより、第２セパレータ３７とＭＥＡ３４との間から流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）が漏出することを防止する。すなわち、第２シールライン５８ｂは、その第２シール面５９ｂが固体高分子電解質膜５０の面５０ｂ又は外周の樹脂フィルムに直接接触（密着）して弾性変形することによりシールするメタルビードシールとして構成されている。

なお、メタルビードシールである第２シールライン５８ｂの突出端面には、弾性を有する樹脂材が設けられていてもよい。この場合、第２シール面５９ｂは、樹脂材に設けられる。また、第２シールライン５８ｂは、弾性を有するゴムシール部材で形成されていてもよい。

図３及び図５Ｂに示すように、第２シールライン５８ｂは、第２セパレータ３７の平面視で波状に延在している。第２シールライン５８ｂの波の周期及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。すなわち、第２シールライン５８ｂは、第２凹状湾曲部６０ｂと第２凸状湾曲部６１ｂとが交互に配置された構成を有する。第２凹状湾曲部６０ｂは、第２セパレータ３７の外縁部に対して凹むように湾曲している。第２凸状湾曲部６１ｂは、第２セパレータ３７の外縁部に向かって突出するように湾曲している。ただし、第２シールライン５８ｂは、直線状に延在していてもよい。

第２シールライン５８ｂの側壁６５は、第２セパレータ３７の厚さ方向に対して傾斜している。従って、第２シールライン５８ｂは、第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。なお、第２シールライン５８ｂの側壁６５は、第２セパレータ３７の厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第２シールライン５８ｂは、第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った断面形状が矩形状に形成されていてもよい。

図２及び図３に示すように、第１セパレータ３６の一方の長辺には、支持部６２ａが外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出成形されている。支持部６２ａは、連結部材２４ａに対向するように第１セパレータ３６の一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している（図２参照）。支持部６２ａは、プレス成形により第１セパレータ３６に一体的に設けられている。ただし、支持部６２ａは、第１セパレータ３６に対して接合されていてもよい。

図２〜図５Ａに示すように、支持部６２ａには、単位セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状の荷重受け部６４ａが設けられている。図４及び図５Ａにおいて、荷重受け部６４ａは、支持部６２ａから矢印Ｃ方向に向かって外方に突出した凸部６８と、凸部６８に一体的に設けられて支持部６２ａに接合された取付部７０とを備える。

荷重受け部６４ａの凸部６８は、連結部材２４ａに形成された凹部６６ａ内に挿入されている（図２参照）。凸部６８は、その幅方向（矢印Ｂ方向）の中央部に位置する凸部本体７２と、凸部本体７２の幅方向の両端から幅方向の両側に向かって膨出した一組の膨出部７４とを有する。

図４において、凸部本体７２の中央部には、燃料電池スタック１０の製造時に各単位セル１２を位置決めするためのロッド７８が挿通される位置決め孔８０が形成されている。なお、ロッド７８は、各単位セル１２の位置決めが完了した後で位置決め孔８０から抜き取られてもよいし、位置決め孔８０に残されてもよい。

図４及び図５Ａに示すように、凸部６８は、その外形形状を構成するベース部８４と、ベース部８４の外表面を被覆する絶縁部８６とを有する。ベース部８４と取付部７０とは、１枚の金属板をプレス成形することによって一体的に成形されている。ベース部８４及び取付部７０を構成する材料としては、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３７を構成する材料と同様のものが挙げられる。絶縁部８６は、ベース部８４と連結部材２４ａとの間の電気的な接続を遮断する。

取付部７０は、略長方形状に形成されており、矢印Ｂ方向に延びている。取付部７０は、支持部６２ａの矢印Ｂ方向の中央部に位置している。取付部７０は、支持部６２ａの面（第１セパレータ３６の面３６ａ）に重ねられた状態で溶接又はろう付け等によって支持部６２ａに対して接合されている。取付部７０と支持部６２ａとを互いに接合する接合部８８（溶接ビード）は、取付部７０の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。

図２及び図３に示すように、第１セパレータ３６の他方の長辺には、支持部６２ｂが外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出成形されている。支持部６２ｂは、連結部材２４ｂに対向するように第１セパレータ３６の他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している（図２参照）。支持部６２ｂは、プレス成形により第１セパレータ３６に一体的に設けられている。ただし、支持部６２ｂは、第１セパレータ３６に対して接合されていてもよい。

図２〜図５Ａにおいて、支持部６２ｂには、単位セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状の荷重受け部６４ｂが設けられている。荷重受け部６４ｂは、上述した荷重受け部６４ａと同様に構成されている。換言すれば、荷重受け部６４ｂは、荷重受け部６４ａを上下反転した形状を有する。そのため、荷重受け部６４ｂの詳細な構成の説明については省略する。なお、荷重受け部６４ｂの凸部６８は、連結部材２４ｂに形成された凹部６６ｂ内に挿入されている（図２参照）。

第１セパレータ３６には、支持部６２ａの剛性を向上させるための第１リブ９０ａ、９０ｂが成形されている。図４及び図５Ａに示すように、第１リブ９０ａは、第１セパレータ３６のうち荷重受け部６４ａと第１シールライン５８ａとの間の部位からＭＥＡ３４を挟んで第１セパレータ３６とは反対側に位置する第２セパレータ３７（反対側セパレータ）に向かうように突出している。第１リブ９０ａは、第１セパレータ３６に一体的にプレス成形されている。

第１リブ９０ａは、第１シールライン５８ａの延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在している。ただし、第１リブ９０ａは、波状に延在していてもよい。第１リブ９０ａは、荷重受け部６４ａの取付部７０に沿って取付部７０と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。第１リブ９０ａの突出端面９２は、平坦面である。ただし、第１リブ９０ａの突出端面９２は、Ｒ形状に膨出していてもよい。第１リブ９０ａの突出長は、第１シールライン５８ａの突出長（第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った長さ）と略同一である。

第１リブ９０ａの側壁９４は、第１セパレータ３６の厚さ方向（積層方向である矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、第１リブ９０ａは、第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。第１リブ９０ａは、積層方向に締め付け荷重が付与されると弾性変形する。なお、第１リブ９０ａの側壁９４は、第１セパレータ３６の厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第１リブ９０ａは、第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った断面形状が矩形状に形成されていてもよい。

図５Ａにおいて、第１リブ９０ａの両端部には、第１リブ９０ａの延在方向に開口した開口部９６が形成されている。なお、開口部９６は、第１リブ９０ａの片方の端部のみに形成されていてもよい。すなわち、第１リブ９０ａの裏側凹形状である内部空間９８は、開口部９６を介して第１セパレータ３６のＭＥＡ３４に向かう面３６ａ側の空間９９に連通している。この場合、空間９９は、第１シールライン５８ａの外側に位置するため、反応ガスが外部に流れることはない。第１リブ９０ａの両端を構成する短辺は、矢印Ｃ方向に沿って直線状に延在している。第１リブ９０ａの延在方向の両端部は、第１シールライン５８ａの第１凹状湾曲部６０ａに対向している。

第１リブ９０ｂは、荷重受け部６４ｂと第１シールライン５８ａとの間の部位からＭＥＡ３４を挟んで第１セパレータ３６とは反対側に位置する第２セパレータ３７に向かうように突出している。第１リブ９０ｂは、荷重受け部６４ｂの取付部７０に沿って取付部７０と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。第１リブ９０ｂは、上述した第１リブ９０ａと同様に構成されている。そのため、第１リブ９０ｂの構成の説明については省略する。

本実施形態では、第１セパレータ３６の支持部６２ａに荷重受け部６４ａが接合されるとともに第１セパレータ３６の支持部６２ｂに荷重受け部６４ｂが接合されることにより燃料電池用セパレータ部材（以下、「セパレータ部材１１０」と称する。）が構成される。

図３〜図４及び図５Ｂに示すように、第２セパレータ３７には、第１リブ９０ａ、９０ｂに対向するように２つの第２リブ１００ａ、１００ｂが成形されている。図４及び図５Ｂに示すように、第２リブ１００ａは、第２セパレータ３７のうち第２シールライン５８ｂよりも外周部からＭＥＡ３４を挟んで第２セパレータ３７とは反対側に位置する第１セパレータ３６（第１リブ９０ａ、９０ｂ）に向かうように突出している。第２リブ１００ａは、第２セパレータ３７に一体的にプレス成形されている。

第２リブ１００ａは、第２シールライン５８ｂの延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在している。ただし、第２リブ１００ａは、波状に延在していてもよい。第２リブ１００ａ全長は、第１リブ９０ａの全長と略同一である。第２リブ１００ａの突出端面１０２は、平坦面である。ただし、第２リブ１００ａの突出端面１０２は、Ｒ形状に膨出していてもよい。第２リブ１００ａの突出長は、第２シールライン５８ｂの突出長（第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った長さ）と略同一である。第２リブ１００ａの突出端面１０２は、第１リブ９０ａの突出端面９２に当接する。

第２リブ１００ａの側壁１０４は、第２セパレータ３７の厚さ方向（積層方向である矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、第２リブ１００ａは、第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。第２リブ１００ａは、積層方向に締め付け荷重が付与されると弾性変形する。なお、第２リブ１００ａの側壁１０４は、第２セパレータ３７の厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第２リブ１００ａは、第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った断面形状が矩形状に形成されていてもよい。

図５Ｂにおいて、第２リブ１００ａの両端部には、第１リブ９０ａの延在方向に開口した開口部１０６が形成されている。なお、開口部１０６は、第２リブ１００ａの片方の端部のみに形成されていてもよい。すなわち、第２リブ１００ａの裏側凹形状である内部空間１０８は、開口部１０６を介して第２セパレータ３７のＭＥＡ３４に向かう面３７ａ側の空間１０９に連通している。この場合、空間１０９は、第２シールライン５８ｂの外側に位置するため、反応ガスが外部に流れることはない。第２リブ１００ａの両端を構成する短辺は、矢印Ｃ方向に沿って直線状に延在している。第２リブ１００ａの延在方向の両端部は、第２シールライン５８ｂの第２凹状湾曲部６０ｂに対向している。

第２リブ１００ｂは、上述した第２リブ１００ａと同様に構成されている。そのため、第２リブ１００ｂの構成の説明については省略する。

次に、このように構成される燃料電池スタック１０の作用について説明する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３６の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体のカソード電極５２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ３７の燃料ガス流路４６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体のアノード電極５４に供給される。

従って、各ＭＥＡ３４では、カソード電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極５２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３６と第２セパレータ３７との間に形成された冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ３４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。

本実施形態では、外部から燃料電池スタック１０に矢印Ｂ方向の衝撃荷重が加わると、荷重受け部６４ａが連結部材２４ａの凹部６６ａを構成する壁面に接触するとともに荷重受け部６４ｂが連結部材２４ｂの凹部６６ｂを構成する壁面に接触する。これにより、単位セル１２が矢印Ｂ方向に位置ずれすることが抑えられる。

本実施形態に係るセパレータ部材１１０及び燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

第１リブ９０ａ、９０ｂは、第１セパレータ３６のうち第１シールライン５８ａと荷重受け部６４ａ、６４ｂとの間の部位からＭＥＡ３４を挟んで第１セパレータ３６とは反対側に位置する第２セパレータ３７（反対側セパレータ）に向かうように突出し、且つ第１シールライン５８ａの延在方向に沿って線状に延在している。第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の両端部には、開口部９６が形成されている。

これにより、第１リブ９０ａ、９０ｂによって第１セパレータ３６における荷重受け部６４ａ、６４ｂが設けられる支持部６２ａ、６２ｂの剛性を向上させることができる。

また、第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の両端部に開口部９６を形成しているため、第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の端部の剛性を適度に低下させることができる。よって、セパレータ部材１１０を燃料電池スタック１０に組み込んで積層方向に締め付け荷重を付与した際に、第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の端部を効果的に撓ませることができる。よって、第１シールライン５８ａのうち第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の両端部に近い部分の面圧が低下することを抑えることができる。従って、第１シールライン５８ａの面圧のばらつきを抑えることができる。

第１シールライン５８ａは、第１セパレータ３６の平面視で波状に延在している。第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の両端部は、第１シールライン５８ａのうち第１セパレータ３６の外縁部に対して凹むように湾曲した第１凹状湾曲部６０ａに対向している。

これにより、第１リブ９０ａ、９０ｂの延在方向の両端部と第１シールライン５８ａとの離間距離を比較的長くすることができるため、第１シールライン５８ａのうち第１リブ９０ａ、９０ｂの端部に近い第１凹状湾曲部６０ａの面圧が低下することを効果的に抑えることができる。

第１リブ９０ａ、９０ｂの突出長は、第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った第１シールライン５８ａの長さ（第１シールライン５８ａの突出長）と略同一である。これにより、支持部６２ａ、６２ｂの剛性を効果的に向上させることができるとともに第１シールライン５８ａの面圧のばらつきを抑えることができる。第１リブ９０ａ、９０ｂの突出端面９２と第２リブ１００ａ、１００ｂの突出端面１０２とは、互いに当接している。これにより、第１リブ９０ａ、９０ｂと第２リブ１００ａ、１００ｂの剛性を向上させることができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。燃料電池スタック１０は、図６Ａに示す第１変形例に係るセパレータ部材１１０ａを備えていてもよい。なお、第１変形例に係るセパレータ部材１１０ａにおいて、上述したセパレータ部材１１０と同一の構成には同一の参照符号を付し、その詳細な説明については省略する。後述する第２変形例に係るセパレータ部材１１０ｂについて同様である。

図６Ａに示すように、セパレータ部材１１０ａを構成する第１セパレータ３６には、第１リブ９０ａから荷重受け部６４ａが位置する側に突出した複数の第１補強リブ１１２ａと、第１リブ９０ａから第１シールライン５８ａが位置する側に突出した複数の第２補強リブ１１２ｂとが設けられている。第１リブ９０ａの両端部には、第１リブ９０ａの延在方向に開口した開口部９６（図５Ａ参照）が形成されている。

つまり、第１補強リブ１１２ａと第２補強リブ１１２ｂとは、第１リブ９０ａから第１リブ９０ａの延在方向と交差する方向（直交する方向）に延出している。複数の第１補強リブ１１２ａは、第１リブ９０ａの延在方向に等間隔に設けられている。第１補強リブ１１２ａの突出長（第１セパレータ３６の厚さ方向に沿った長さ）は、第１リブ９０ａの突出長と略同一である。

複数の第２補強リブ１１２ｂは、第１リブ９０ａの延在方向に等間隔に設けられている。第２補強リブ１１２ｂの突出長（第２セパレータ３７の厚さ方向に沿った長さ）は、第１リブ９０ａの突出長と略同一である。

第１補強リブ１１２ａと第２補強リブ１１２ｂとは、第１リブ９０ａの延在方向の同じ位置から両側に延出している。換言すれば、第１補強リブ１１２ａと第２補強リブ１１２ｂとは、矢印Ｃ方向に並んでいる。なお、第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１２ｂは、第１リブ９０ａの両端部に設けられていない。

第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１２ｂは、第１リブ９０ａと同様に第１リブ９０ｂに設けられている。この場合、第１リブ９０ｂの両端部には、第１リブ９０ｂの延在方向に開口した開口部９６（図５Ａ参照）が形成されている。なお、第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１２ｂは、第２セパレータ３７の第２リブ１００ａ、１００ｂに設けられていてもよい。この場合、第２リブ１００ａ、１００ｂの両端部には、第２リブ１００ａ、１００ｂの延在方向に開口した開口部１０６（図５Ｂ参照）が形成されている。

このような構成によれば、第１セパレータ３６の支持部６２ａ、６２ｂの剛性を第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１２ｂによって一層効果的に向上させることができる。

燃料電池スタック１０は、図６Ｂに示す第２変形例に係るセパレータ部材１１０ｂを備えていてもよい。図６Ｂに示すように、セパレータ部材１１０ｂを構成する第１セパレータ３６には、上述した第１補強リブ１１２ａと第２補強リブ１１２ｂとが設けられている。

この第１補強リブ１１２ａと第２補強リブ１１２ｂとは、第１リブ９０ａの延在方向に互い違い（千鳥状）に配置されている。なお、第１リブ９０ａの両端部には、第１リブ９０ａの延在方向に開口した開口部９６（図５Ａ参照）が形成されている。つまり、第１リブ９０ａのうち互いに隣接する第１補強リブ１１２ａが延出する間の部分から第２補強リブ１１２ｂが延出している。このようなセパレータ部材１１０ｂでは、上述したセパレータ部材１１０ａと同様の効果を奏する。

図６Ｂに示す第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１１２ｂは、第１リブ９０ａと同様に第１リブ９０ｂに設けられていてもよい。この場合、第１リブ９０ｂの両端部には、第１リブ９０ｂの延在方向に開口した開口部９６（図５Ａ参照）が形成されている。また、図６Ｂに示す第１補強リブ１１２ａ及び第２補強リブ１１２ｂは、第２セパレータ３７の第２リブ１００ａ、１００ｂに設けられていてもよい。この場合、第２リブ１００ａ、１００ｂの両端部には、第２リブ１００ａ、１００ｂの延在方向に開口した開口部１０６（図５Ｂ参照）が形成されている。

荷重受け部６４ａ、６４ｂは、第１セパレータ３６各長辺の中央に位置していてもよい。また、荷重受け部６４ａ、６４ｂは、第１セパレータ３６の各長辺又は各短辺に２つ以上設けられていてもよい。荷重受け部６４ａ、６４ｂは、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３７の両方に設けられていてもよい。

本発明に係る燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池スタック １２…単位セル
３４…電解質膜・電極構造体 ３６…第１セパレータ
３７…第２セパレータ ５８ａ…第１シールライン（シール部）
５９ａ…第１シール面 ６４ａ、６４ｂ…荷重受け部
９０ａ、９０ｂ…第１リブ ９６…開口部
１１０、１１０ａ、１１０ｂ…燃料電池用セパレータ部材

Claims (6)

1. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセパレータと、前記セパレータの外周部から外方に突出するように前記セパレータに設けられた板状の荷重受け部と、を備え、前記単位セルは、電解質膜・電極構造体を挟んで前記セパレータとは反対側に位置する反対側セパレータを有する燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記セパレータには、
   前記セパレータの外周部を周回して前記電解質膜・電極構造体に密着することにより、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの間からの流体の漏れを防止するシール部と、
   前記セパレータのうち前記シール部と前記荷重受け部との間の部位から前記反対側セパレータに向かうように突出し、且つ前記シール部の延在方向に沿って線状に延在したリブと、が設けられ、
   前記リブの延在方向の少なくとも一方の端部には、開口部が形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータ部材において、
   前記シール部は、前記セパレータの平面視で波状に延在し、
   前記リブの延在方向の端部は、前記シール部のうち前記セパレータの外縁部に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部に対向している、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ部材において、
   前記リブの突出長は、前記セパレータの厚さ方向に沿った前記シール部の長さと同一である、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材において、
   前記セパレータには、前記リブから前記リブの延在方向と交差する方向に延出した補強リブが設けられている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材を有する単位セルが複数積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記単位セルは、前記セパレータとしての第１セパレータと第２セパレータとが互いに接合された接合セパレータを有し、
   前記第２セパレータには、前記荷重受け部が設けられていない、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

Images