JP7061528B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、複数の発電セルを積層して構成される。発電セルは、アノード電極、固体高分子電解質膜及びカソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対の燃料電池用セパレータと、を備える。

例えば、特許文献１には、発電セルに適用される一対のプレート（燃料電池用セパレータ）が開示されている。この燃料電池用セパレータの一方には、セパレータ面から突出するビード部が形成されている。ビード部は、例えば、反応ガスが流動する流路の外周側を囲い他方の燃料電池用セパレータとの間でシールを形成することで、反応ガス（流体）の漏れを防止する。

米国特許第６６０５３８０号明細書

ところで、燃料電池用セパレータは、プレート自体を凹凸状に形成し、その凸部によってもビード部を形成することができる。このようにプレートに設けられたビード部は、シール状態で突出端側が圧縮荷重を受けると、プレートに連なる根元部分が幅方向に弾力的に広がることで圧縮荷重を分散する。しかしながら、ビード部が設けられている箇所の形状等によりビード部の根元部分が硬い（強い拘束力が働いている）場合には、根元部分が弾力的に広がらないことで、突出端部（先端部）でシールしている部分が中折れする（バックリングする）可能性がある。

本発明は、上記の実情を鑑みてなされたものであり、簡単な構成によって、良好なシールを形成するビード部を有する燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック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、本発明の一態様は、プレート状に形成され、流体の漏れを防止するシールを形成するビード部を有する燃料電池用セパレータであって、前記ビード部は、断面視でプレート面から突出するように当該燃料電池用セパレータに一体成形され、且つ断面視で、前記シールを行う対象物が前記燃料電池用セパレータに積層されると共に当該対象物から圧縮荷重を受けた積層状態で複数段の台形形状に形成され、当該燃料電池用セパレータは、厚さ方向に貫通形成され、冷媒を流動可能なドレン孔と、空気を流動可能な空気抜き孔と、を有し、前記ビード部は、前記ドレン孔又は前記空気抜き孔の周囲に形成されている。

また前記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る燃料電池スタックは、上記の燃料電池用セパレータと、電解質膜・電極構造体と、を備え、複数の前記燃料電池用セパレータから構成される接合セパレータと複数の前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層されている。

本発明によれば、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックは、ビード部がプレート面から突出するように一体成形され、且つ断面視で複数段の台形形状に形成されているという簡単な構成で、流体の漏れを防止するシールを良好に形成することができる。すなわち、ビード部は、燃料電池用セパレータの積層状態で圧縮荷重を受けると、シールの対象物に接触している部分よりも複数段の台形形状の段差部分の方が積極的に変形する（撓む）。このため、ビード部は、プレート面に近い根元部分に強い拘束力が働いている場合でも、接触部分の中折れを抑制してシールすることができる。これにより、ビード部は、対象物とのシール部分からの流体の漏出を一層確実に防止し、流体を安定的に流通させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータを適用した燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池スタックの発電セルを示す分解斜視図である。 接合セパレータの冷媒ドレン用連通孔付近の構成を示す部分平面図である。 図４Ａは、図３の第１セパレータのＩＶ－ＩＶ線の断面図である。図４Ｂは、本実施形態に係る複数段のビード部の積層状態における形状変化と比較例に係る１段のビード部の積層状態における形状変化とを示すグラフである。 図５Ａは、積層前の冷媒ドレン用連通孔付近の第１及び第２セパレータ、樹脂枠部材を示す部分断面図である。図５Ｂは、積層状態の冷媒ドレン用連通孔付近の第１及び第２セパレータ、樹脂枠部材を示す部分断面図である。 図６Ａは、第１変形例に係る凸部の断面図である。図６Ｂは、第２変形例に係る凸部の断面図である。図６Ｃは、第３変形例に係る凸部の断面図である。

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。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、単位燃料電池を構成する発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に複数積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって順に配置される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって順に配置される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、発電セル１２から電力を取り出す金属製の板部材であり、その中央部に積層方向外方に延在する端子部６８ａ、６８ｂを有している。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料により形成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有すると共に、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にねじ止めされ、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

図２に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１金属セパレータ３０（以下、単に第１セパレータ３０という）と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２金属セパレータ３２（以下、単に第２セパレータ３２という）とを備える。第１及び第２セパレータ３０、３２は、プレート状に形成されており、本発明の燃料電池用セパレータに相当する。

第１及び第２セパレータ３０、３２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及び第２セパレータ３０、３２は、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータ３３に構成される。

発電セル１２の長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の一端縁部）には、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂがそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷媒入口連通孔３６ａは、冷媒、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の長辺方向他端縁部（矢印Ｂ２方向の他端縁部）には、積層方向に連通する燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂがそれぞれ設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、鉛直方向に配列されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷媒出口連通孔３６ｂは、冷媒を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。なお、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ、冷媒出口連通孔３６ｂの配置は、本実施形態に限定されず、要求される仕様に応じて適宜設定すればよい。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。樹脂枠部材４６としては、枠状のフィルム部材を用いてもよい。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極４４とを有する。なお、ＭＥＡ２８ａは、樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状の樹脂製フィルムを設けてもよい。

電解質膜４０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（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜４０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。

樹脂枠部材４６の内周端面は、電解質膜４０の外周端面に近接、重なる又は当接する。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられている。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ２方向の端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられている。

樹脂枠部材４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。

図３に示すように、第１セパレータ３０は、酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス流路４８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のカソード電極４４に対向する面３０ａに備える（なお図２中では、便宜的に、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４上に酸化剤ガスの流動方向を示す）。酸化剤ガス流路４８は、第１セパレータ３０の矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部４８ａ間に形成された直線状流路溝４８ｂ（又は波状流路溝）によって構成される。

酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。第１セパレータ３０の面３０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０Ａが設けられる。また、第１セパレータ３０の面３０ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０Ｂが設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ３０の面３０ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出する第１シールライン５１（シール用ビード）がプレス成形されている。第１シールライン５１は、酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０Ａ及び出口バッファ部５０Ｂを囲む内側ビード部５１ａと、内側ビード部５１ａよりも外側で第１セパレータ３０の外周に沿って延在する外側ビード部５１ｂとを含む。

また、第１シールライン５１は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部５２を有する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａや酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに連通する連通孔ビード部５２の内側と外側には、複数のブリッジ部５３が設けられている。各ブリッジ部５３は、プレス成形により樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出成形される。ブリッジ部５３は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス流路４８に連通し、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから導入される酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４８に供給するトンネル（不図示）、及び酸化剤ガス流路４８及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに連通し、酸化剤ガス流路４８から排出される酸化剤ガスを酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流出させるトンネル（不図示）を有する。内側ビード部５１ａ、外側ビード部５１ｂ及び連通孔ビード部５２は、第１セパレータ３０のプレート面（面３０ａ）から突出し、断面視（第１セパレータ３０の厚さ方向に沿った断面視）で、１段の台形形状に形成されている。

図２に戻り、第２セパレータ３２は、燃料ガスを流動させる燃料ガス流路５８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のアノード電極４２に対向する面３２ａに備える。燃料ガス流路５８は、第２セパレータ３２の矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部５８ａ間に形成された直線状流路溝５８ｂ（又は波状流路溝）によって構成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。

第２セパレータ３２の面３２ａにおいて、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０Ａが設けられる。また、第２セパレータ３２の面３２ａにおいて、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０Ｂが設けられる。

第２セパレータ３２の面３２ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出する第２シールライン６１（シール用ビード）がプレス成形されている。第２シールライン６１は、燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０Ａ及び出口バッファ部６０Ｂを囲む内側ビード部６１ａと、内側ビード部６１ａよりも外側で第２セパレータ３２の外周に沿って延在する外側ビード部６１ｂとを含む。

また、第２シールライン６１は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部６２を有する。燃料ガス入口連通孔３８ａや燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通する連通孔ビード部６２の内側と外側には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂに各々連通するブリッジ部６３が設けられている。各ブリッジ部６３は、プレス成形により樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって突出成形される。ブリッジ部６３は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス流路５８に連通し、燃料ガス入口連通孔３８ａから導入される燃料ガスを燃料ガス流路５８に供給するトンネル（不図示）、及び燃料ガス流路５８及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通し、燃料ガス流路５８から排出される燃料ガスを燃料ガス出口連通孔３８ｂに流出させるトンネル（不図示）を有する。内側ビード部６１ａ、外側ビード部６１ｂ及び連通孔ビード部６２は、第２セパレータ３２のプレート面（面３２ａ）から突出し、断面視で１段の台形形状に形成されている。

互いに接合される第１セパレータ３０の面３０ｂと第２セパレータ３２板の面３２ｂとの間には、冷媒入口連通孔３６ａと冷媒出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷媒流路６６が形成される。冷媒流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１セパレータ３０の他方面である裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２セパレータ３２の他方面である裏面形状とが重なり合って形成される。

第１セパレータ３０、第２セパレータ３２及び樹脂枠付きＭＥＡ２８（樹脂枠部材４６）には、平面視で略円形状の空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２が積層方向に貫通形成されている。空気抜き用連通孔７０は、冷媒中の空気を抜くための孔であり、発電セル１２の矢印Ｂ１方向側の上方角部（内側ビード部５１ａ、６１ａの最上部よりも上方）に設けられ、反応ガス連通孔及び冷媒連通孔よりも小さな開孔面積を有する。冷媒ドレン用連通孔７２は、発電セル１２の水平方向一方端側（矢印Ｂ１方向側）の下方角部（内側ビード部５１ａ、６１ａの最下部よりも下方）に設けられ、反応ガス連通孔及び冷媒連通孔よりも小さな開孔面積を有する。なお、空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２の設置位置や形状は、特に限定されるものではない。また、樹脂枠付きＭＥＡ２８、第１及び第２セパレータ３０、３２は、他のドレン（酸化剤ガスの経路から漏出した水等を流動させるカソードドレン孔、燃料ガスの経路から漏出した水等を流動させるアノードドレン孔等）を備えていてもよい。

そして、第１及び第２セパレータ３０、３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に対向する面３０ａ、３２ａには、空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２を囲む連通孔ビード部７４がそれぞれプレス成形（一体成形）されている。以下、第１セパレータ３０に設けられているものを連通孔ビード部７４ａ、第２セパレータ３２に設けられているものを連通孔ビード部７４ｂともいう。

連通孔ビード部７４は、第１及び第２セパレータ３０、３２のプレート面（面３０ａ、３２ａ）から突出し、平面視で円形状に形成されている。連通孔ビード部７４は、空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２をそれぞれ包囲しているが、基本的に同一の構成に設計されている。以下では、図３を参照して、第１セパレータ３０に設けられた冷媒ドレン用連通孔７２と、その周囲を囲う連通孔ビード部７４について代表的に説明していく。

冷媒ドレン用連通孔７２は、連結流路７６を介して冷媒流路６６に連通している。連結流路７６は、第１及び第２シールライン５１、６１の膨出形状の裏側を構成する凹部を互いに重ね合わせることにより形成される空間であり、冷媒ドレン用連通孔７２と内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間（裏側の凹部）とを連通している。

具体的には、第１及び第２シールライン５１、６１は、連結流路７６を内部に有する連結用ビード部７８ａ、７８ｂを有する。連結用ビード部７８ａ、７８ｂは、いずれか一方のみが設けられてもよい。連結用ビード部７８ａ、７８ｂは、断面視で１段の台形形状に形成され、その一端が内側ビード部５１ａ、６１ａの最下部に接続され、その他端が連通孔ビード部７４の外周側壁７４ｓ１に接続されている。

また、第１及び第２セパレータ３０、３２には、連通孔ビード部７４の内周側壁７４ｓ２から冷媒ドレン用連通孔７２に向かってトンネル７９ａ、７９ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、冷媒流路６６と冷媒ドレン用連通孔７２とは、内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間、連結用ビード部７８ａ、７８ｂの内部空間、連通孔ビード部７４ａ、７４ｂの内部空間及びトンネル７９ａ、７９ｂの内部空間を介して連通している。

そして、本実施形態に係る連通孔ビード部７４は、平面視で円環状を呈し、また図４Ａに示すように断面視で、第１及び第２セパレータ３０、３２のプレート面（面３０ａ、３２ａ）から突出する複数段の台形形状の凸部８０に形成されている。例えば、凸部８０の突出高さは、凸部８０の幅寸法に対し３５％～１０％の範囲に設定される。なお、連通孔ビード部７４の平面形状は、円環状に限定されるものではない。

具体的には、凸部８０は、発電セル１２の非積層状態で、プレート面に連なる一対の根元側傾斜部８２と、根元側傾斜部８２の上端に連なりプレート面に略平行な一対の段差部８４と、段差部８４の内側に連なりプレート面から離れる方向に突出する突出端部８６とを有する。つまり、凸部８０は、プレート面を基準とした場合に、一対の段差部８４が第１段目の隆起で、突出端部８６が第２段目の隆起となる２段階の台形形状を呈している。

一対の根元側傾斜部８２は、プレート面に対し第１傾斜角αでそれぞれ傾斜し、一対の段差部８４を所定高さで支持している。より詳細には、発電セル１２の非積層状態でプレート面から突出する凸部８０全体の突出高さに対する一対の段差部８４の高さの割合が、２０％～８５％の範囲に設定される。また、根元側傾斜部８２は、第１曲率を有するＲ状のプレート側連結部８８を介してプレート面に滑らかに連結している。

一対の段差部８４は、上述したようにプレート面と略平行で、且つ突出端部８６の幅に比べて短い幅で延在している。また段差部８４は、第２曲率を有するＲ状の根元側連結部９０を介して根元側傾斜部８２に滑らかに連結している。第２曲率は、第１曲率よりも大きく設定されている。一対の段差部８４は相互に同一の幅に設計されている。また、根元側連結部９０は、凸部８０の他の部分に比べて薄肉に形成されていてもよい。

突出端部８６は、断面視で円弧状に形成され、一対の段差部８４の端部間を架橋している。突出端部８６の幅方向中央部８６ａが、発電セル１２の非積層状態の凸部８０において最も高い位置にある。突出端部８６の幅方向外側は、段差部８４に対し第２傾斜角βで傾斜している。第２傾斜角βは、第１傾斜角αよりも小さな角度（α＞β）に設定されている。また、突出端部８６は、第３曲率を有するＲ状の突出端部側連結部９２を介して段差部８４に滑らかに連結している。第３曲率は、第２曲率よりも小さく設定されている。

突出端部８６の突出方向の表面には、ポリエステル繊維等の樹脂材９４が印刷又は塗布等により固着されている。樹脂材９４は、突出端部８６上において突出端部側連結部９２を含まない範囲（５０％～９０％程度）に設けられ、突出端部８６の幅方向に沿って湾曲して延在する。なお、樹脂材９４は、連通孔ビード部７４がシールされる対象物（樹脂枠部材４６）に設けられてもよい。また、樹脂材９４はなくてもよく、突出端部８６が樹脂枠部材４６に直接当接してもよい。

図５Ａに示すように、凸部８０（連通孔ビード部７４）は、第１及び第２セパレータ３０、３２の各々が樹脂枠部材４６から離間した状態（非積層状態）で、上述した２段の台形形状を呈している。そして図５Ｂに示すように、発電セル１２の製造時に、第１及び第２セパレータ３０、３２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８に積層した状態となる。

第１及び第２セパレータ３０、３２の外周部に位置する凸部８０は、この積層状態で、樹脂枠部材４６に接触して流体の漏れを防止するシールを形成する。また、凸部８０は、積層状態において、第１及び第２セパレータ３０、３２の積層方向に圧縮荷重がかかることで、非積層状態の形状から変形する。具体的には、２段の台形形状に形成された凸部８０は、プレート面から最も突出して樹脂枠部材４６の対向面に直接接触する突出端部８６が圧縮荷重を受ける。これにより突出端部８６は、円弧状から平坦状に押し潰されて、突出端部８６の両端部が幅方向に広がる。

その結果、突出端部８６に連なる一対の段差部８４の突出端部側連結部９２は、突出端部８６からの圧縮荷重を受けて弾性変形する。すなわち、一対の段差部８４は、圧縮荷重によって、突出端部８６に連なる突出端部側連結部９２の高さが低くなる（プレート面側に移動）一方で、一対の根元側傾斜部８２に連なる根元側連結部９０の高さを維持する。このため、一対の段差部８４及び突出端部８６は、窪み９６を有するように変形する。特に、冷媒ドレン用連通孔７２を囲う連通孔ビード部７４は、小径の円形状に形成されており（図３も参照）、根元側傾斜部８２の拘束力が高まっている（根元側傾斜部８２が変形し難くなっている）。よって、凸部８０は、段差部８４の変形を積極的に促すことで、突出端部８６が平坦状へ潰れることが容易になり、樹脂枠部材４６に突出端部８６を良好に面接触させることができる。

本実施形態に係る燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成され、以下その作用について説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに酸化剤ガスが供給され、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに燃料ガスが供給され、エンドプレート２０ａの冷媒入口連通孔３６ａに冷媒が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部５３（図３参照）を介して第１セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部６３を介して第２セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。そして、燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う。

カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８からブリッジ部５３を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５８からブリッジ部６３を介して燃料ガス出口連通孔３８ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷媒入口連通孔３６ａに供給された冷媒は、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２との間に形成された冷媒流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷媒は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷媒出口連通孔３６ｂから排出される。

ここで図２及び図３に示すように、冷媒流路６６には、内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間、連結用ビード部７８ａ、７８ｂの内部空間、連通孔ビード部７４ａ、７４ｂの内部空間及びトンネル７９ａ、７９ｂの内部空間を介して空気抜き用連通孔７０が連通している。この連通により、空気抜き用連通孔７０は、冷媒中に含まれる空気が適宜流入されることになり、積層体１４の積層方向に沿って空気を流動させることができる。また、冷媒流路６６には、内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間、連結用ビード部７８ａ、７８ｂの内部空間、連通孔ビード部７４ａ、７４ｂの内部空間及びトンネル７９ａ、７９ｂの内部空間を介して冷媒ドレン用連通孔７２が連通している。この連通により、冷媒ドレン用連通孔７２は、冷媒が適宜流入されることになり、積層体１４の積層方向に沿って冷媒を流動させることができる。

また図３、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、空気抜き用連通孔７０、冷媒ドレン用連通孔７２の周囲には、第１及び第２セパレータ３０、３２の連通孔ビード部７４ａ、７４ｂによりシールが形成されている。凸部８０は、断面視で、その突出端部８６が積層体１４の圧縮荷重の付与に伴って、円弧状から平坦状へ変形している。これにより、シール面圧の局部的な低下や増加をなくすことができ、突出端部８６でのシール幅方向の面圧分布が均一化し、シール性を向上させることが可能となる。

特に、空気抜き用連通孔７０や冷媒ドレン用連通孔７２の開孔面積は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷媒の各連通孔の流路断面積に比べて小さく、また周長が短い円形状に形成されている。このため、１段の台形形状に形成された他のビード部（内側ビード部５１ａ、６１ａ等）に比べて、凸部８０の根元部分（根元側傾斜部８２）の拘束力が強い。この根元部分の拘束力が強い場合の突出端部の形状変化について、図４Ｂを参照して説明する。図４Ｂ中の比較例の連通孔ビード部は１段の台形形状に形成され、強い拘束力が働いた場合の形状変化を示している。この場合は、圧縮荷重が加わっても根元部分の拘束力により根元部分が変位しないことで、突出端部が先に中折れする（シール部分である中央部分が凹む）可能性があり、シール性の低下が惹起されやすい。

これに対し、本実施形態に係る凸部８０（連通孔ビード部７４ａ、７４ｂ）は、拘束力により根元部分が変位しなくても、圧縮荷重付与において段差部８４の変形が積極的に促されて、突出端部８６が平坦状へ容易に潰れる。これにより樹脂枠部材４６に突出端部８６を良好に面接触させることができる（図５Ｂも参照）。その結果、冷媒ドレン用連通孔７２を流動する冷媒は、連通孔ビード部７４ａ、７４ｂのシールにより外部への漏洩が確実に遮断される。

なお、凸部８０の形状は、上述の実施形態に限定されず、種々の構成を採用することが可能である。例えば、図６Ａに示す第１変形例のように、凸部１００の突出端部１０２は、一対の段差部８４の各々から傾斜して突出する一対の突出端部側傾斜部１０２ａと、一対の突出端部側傾斜部１０２ａを架橋する端面部１０２ｂとを有し、端面部１０２ｂが平坦状に形成されていてもよい。樹脂材９４は、端面部１０２ｂの表面に固着されている。このように構成しても、凸部１００は、圧縮荷重を受けた状態で、段差部８４が上述の実施形態と同様に変形することで、端面部１０２ｂのシール状態を良好に保つことができる。

また例えば、図６Ｂに示す第２変形例のように、凸部１１０は、２つの段差部１１２（下側段差部１１２ａ、上側段差部１１２ｂ）を有し、且つ上側段差部１１２ｂに半球状に突出する突出端部８６を備えた台形形状となっていてもよい。換言すれば、凸部８０、１００、１１０は、２段以上の台形形状に形成されていれば、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに例えば、図６Ｃに示す第３変形例のように、凸部１２０の一対の段差部１２２は、一端部（根元側連結部９０）から他端部（突出端部側連結部９２）に向かって斜め上方に傾斜している構成でもよい。つまり、凸部１２０は、段差部１２２に窪み９６（図５Ｂ参照）が生じるように適度な曲部１２４（根元側連結部９０、突出端部側連結部９２）を有しているだけでもよい。この場合でも、段差部１２２が変形することで、幅方向中央部の変形（中折れ）を抑制することが可能であり、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態に係る燃料電池用セパレータ（第１及び第２セパレータ３０、３２）及び燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

燃料電池用セパレータ（第１及び第２セパレータ３０、３２）は、ビード部（連通孔ビード部７４）が第１及び第２セパレータ３０、３２に一体成形され、且つ断面視でプレート面から突出すると共に複数段の台形形状に形成されているという簡単な構成によって、シールを良好に形成することができる。すなわち、連通孔ビード部７４は、燃料電池の製造に伴い積層した際に圧縮荷重を受けると、シールの対象物（樹脂枠部材４６）に接触する部分よりも段差部分が積極的に変形する（撓む）。このため、連通孔ビード部７４は、プレート面に近い根元部分に強い拘束力が働いている場合でも、接触部分の中折れを抑制してシールすることができる。これにより連通孔ビード部７４は、対象物とのシール部分からの流体の漏出を一層確実に防止し、流体を安定的に流通させることができる。

また、ビード部（連通孔ビード部７４）は、断面視で２段の台形形状に形成されている。このように２段の台形形状の連通孔ビード部７４は、プレス成形によって容易に加工することができ、製造コストの低廉化を図ることが可能となる。

さらに、ビード部（連通孔ビード部７４）は、断面視で、プレート面に連なると共に当該プレート面から突出する一対の根元側傾斜部８２と、一対の根元側傾斜部８２の突出端部（根元側連結部９０）にそれぞれ連なり、当該一対の根元側傾斜部８２の内側に延在する一対の段差部８４と、一対の段差部８４の内側端部（突出端部側連結部９２）に連なり、一対の段差部８４よりもプレート面から離間する突出端部８６と、を有する。これにより、連通孔ビード部７４は、圧縮荷重付与において段差部８４の変形を積極的に促して、突出端部８６が平坦状へ容易に潰れることになり、樹脂枠部材４６に突出端部８６を良好に面接触させることができる。

また、突出端部８６は、断面視で、シールを行う対象物（樹脂枠部材４６）に積層されていない状態で円弧状を呈し、樹脂枠部材４６が積層され当該樹脂枠部材４６から圧縮荷重を受けた状態で平坦状に変形する。これにより、突出端部８６は、圧縮荷重を受けると、幅方向に均等的に広がって平坦状に変形し、シール部分の面圧をより均等化することができる。

またさらに、一対の段差部８４は、プレート面の面方向と平行に延在している。これにより、一対の段差部８４は、圧縮荷重を受けた際に、プレート面側への移動をスムーズに行うことができる。

ここで、当該燃料電池用セパレータ（第１及び第２セパレータ３０、３２）は、厚さ方向に貫通形成され、冷媒を流動可能なドレン孔（冷媒ドレン用連通孔７２）と、空気を流動可能な空気抜き孔（空気抜き用連通孔７０）を有し、ビード部（連通孔ビード部７４）は、冷媒ドレン用連通孔７２又は空気抜き用連通孔７０の周囲に形成されることが好ましい。空気抜き用連通孔７０や冷媒ドレン用連通孔７２は、小さな開孔面積に形成され、その周囲の連通孔ビード部７４も小さく形成されることで、根元側が変形し難くなっている。この場合でも、連通孔ビード部７４は、複数段の台形形状の上記作用によって、圧縮荷重を受けてもシールを良好に維持することができる。その結果、空気抜き用連通孔７０や冷媒ドレン用連通孔７２からの流体の漏出を確実に遮断することができる。

さらにまた、ビード部（連通孔ビード部７４）は、燃料電池用セパレータの厚さ方向から見て円環状に形成されているとよい。この場合でも、連通孔ビード部７４の根元側が変形し難くなるが、複数段の台形形状の上記作用によって、圧縮荷重を受けてもシールを良好に維持することができる。

また、燃料電池スタック１０は、上述の燃料電池用セパレータ（第１及び第２セパレータ３０、３２）と、電解質膜・電極構造体２８ａと、を備え、複数の第１及び第２セパレータ３０、３２から構成される接合セパレータ３３と複数のＭＥＡ２８ａとが交互に積層されている構成とすることができる。燃料電池スタック１０は、上記のビード部（連通孔ビード部７４）を有することで、積層状態で、シールを良好に形成して、流体の漏れを確実に遮断することができる。

なお、本発明は、上述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、ビード部（凸部８０、１００、１１０、１２０）は、空気抜き用連通孔７０、冷媒ドレン用連通孔７２の周囲に設けられるものに限定されず、第１及び第２シールライン５１、６１の他の部分に適用し得る。つまり内側ビード部５１ａ、６１ａ、外側ビード部５１ｂ、６１ｂ、連通孔ビード部５２、６２等も、複数段の台形形状の凸部８０、１００、１１０、１２０を適用してよい。

また例えば、空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２の平面形状は、円形に限定されず、例えば、長方形、正方形、六角形等の多角形、又は楕円等の種々の形状を採ることができる。なお、多角形状の連通孔は、角部にＲ形状を付けることが好ましい。そして、空気抜き用連通孔７０及び冷媒ドレン用連通孔７２を囲うビード部（凸部８０、１００、１１０、１２０）の平面形状も、連通孔の平面形状に応じて、長方形、正方形、六角形等の多角形状、又は楕円等の形状を採用し得る。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 ２８…樹脂枠付きＭＥＡ
２８ａ…ＭＥＡ ３０…第１セパレータ
３２…第２セパレータ ４６…樹脂枠部材
５１…第１シールライン ６１…第２シールライン
７０…空気抜き用連通孔 ７２…冷媒ドレン用連通孔
７４、７４ａ、７４ｂ…連通孔ビード部 ８０、１００、１１０、１２０…凸部
８２…根元側傾斜部 ８４、１１２、１２２…段差部
８６、１０２…突出端部

Claims (7)

1. プレート状に形成され、流体の漏れを防止するシールを形成するビード部を有する燃料電池用セパレータであって、
   前記ビード部は、断面視でプレート面から突出するように当該燃料電池用セパレータに一体成形され、且つ断面視で、前記シールを行う対象物が前記燃料電池用セパレータに積層されると共に当該対象物から圧縮荷重を受けた積層状態で複数段の台形形状に形成され、
   当該燃料電池用セパレータは、厚さ方向に貫通形成され、冷媒を流動可能なドレン孔と、空気を流動可能な空気抜き孔と、を有し、
   前記ビード部は、前記ドレン孔又は前記空気抜き孔の周囲に形成されている
   燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記ビード部は、断面視で２段の台形形状に形成されている
   燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記ビード部は、断面視で、
   前記プレート面に連なると共に当該プレート面から突出する一対の根元側傾斜部と、
   前記一対の根元側傾斜部の突出端部にそれぞれ連なり、当該一対の根元側傾斜部の内側に延在する一対の段差部と、
   前記一対の段差部の内側端部に連なり、前記一対の段差部よりも前記プレート面から離間する突出端部と、を有する
   燃料電池用セパレータ。
4. 請求項３記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記突出端部は、断面視で、前記シールを行う対象物に積層されていない状態で円弧状を呈し、前記対象物が積層され当該対象物から圧縮荷重を受けた状態で平坦状に変形する
   燃料電池用セパレータ。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記一対の段差部は、前記プレート面の面方向と平行に延在している
   燃料電池用セパレータ。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記ビード部は、前記燃料電池用セパレータの厚さ方向から見て円環状に形成されている
   燃料電池用セパレータ。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータと、
   電解質膜・電極構造体と、を備え、
   複数の前記燃料電池用セパレータから構成される接合セパレータと複数の前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層されている
   燃料電池スタック。

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