JP7120136B2

JP7120136B2 - 燃料電池用のセパレータ

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Publication number: JP7120136B2
Application number: JP2019077342A
Authority: JP
Inventors: 和則柴田; 隆梶原; 祥夫岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP2020177737A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。

燃料電池は、複数の単セルが積層されて構成される。各単セルでのセパレータには、反応ガスや冷媒をシールするビードが設けられている。例えば特許文献１では、蛇行したビードが記載されている。

特表２０１７－５３７４３３号公報

複数の単セルが締結された状態では、セパレータのビードには積層方向で圧縮荷重が作用する。このような圧縮荷重に対する反力は、蛇行したビードの方が直線状のビードよりも大きいため、蛇行したビードは高いシール性を有している。しかしながら、大きな圧縮荷重がビードに作用すると、圧縮荷重がビードの反力を上回り、シール性が低下する恐れがある。

本発明は、シール性が向上した燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。

上記目的は、平坦な基部と、前記基部から一方側に突出した複数の流路リブと、前記基部から前記一方側に突出して、前記基部の外周縁側に沿って延び前記複数の流路リブを包囲し、少なくとも第１方向に蛇行しながら延びたビードと、前記基部から前記一方側に前記ビードよりも低い突出高さで突出して前記ビードに接続した第１リブと、を備え、前記ビードの蛇行しながら前記第１方向に延びた部分は、前記基部よりも前記一方側に位置した頂部、前記基部から傾斜して前記頂部に連続し互いに対向した第１及び第２側部、を含み、前記第１側部は、前記第１リブの第１端部が接続した第１領域と、前記第１領域から前記第１方向に連続し前記第１リブの第２端部が接続した第２領域と、を有し、前記一方側からであって前記基部に垂直な方向から見た平面視で、前記第１領域内での前記第１側部の外側面上の任意の点での法線方向である第１法線方向は、前記第１方向の成分を含み、前記平面視で、前記第２領域内での前記第１側部の外側面上の任意の点での法線方向である第２法線方向は、前記第１方向とは反対方向の第２方向の成分を含み、前記平面視で、前記第１リブが前記第１端部から延びた方向は、前記第１方向と前記第１方向に直交し前記第１側部の外側の方向である第３方向との間の方向であり、前記平面視で、前記第１リブが前記第２端部から延びた方向は、前記第２方向と前記第３方向との間の方向である、燃料電池用のセパレータによって達成できる。

前記第１リブは、円弧状に湾曲していてもよい。

前記第１リブは、前記第１及び第２端部からそれぞれ直線状に延びた第１及び第２直状部を含んでもよい。

前記第１リブの幅は、前記ビードの幅よりも狭くてもよい。

前記第１側部は、前記基部の外縁に対向していてもよい。

前記第１リブが前記第１端部から延びた方向は、前記第１端部と前記第１領域との接続地点での前記第１法線方向を中心とした６０度の角度範囲内に含まれてもよい。

前記第１リブが前記第２端部から延びた方向は、前記第２端部と前記第２領域との接続地点での前記第２法線方向を中心とした６０度の角度範囲内に含まれていてもよい。

前記基部から前記一方側に前記ビードよりも低い突出高さで突出して前記ビードに接続されている第２リブを備え、前記第２側部は、前記第２リブの第３端部が接続した第３領域と、前記第３領域から前記第１方向に連続し前記第２リブの第４端部が接続した第４領域と、を有し、前記平面視で、前記第３領域内での前記第２側部の外側面上の任意の点での法線方向である第３法線方向は、前記第１方向の成分を含み、前記平面視で、前記第４領域内での前記第２側部の外側面上の任意の点での法線方向である第４法線方向は、前記第２方向の成分を含み、前記平面視で、前記第２リブが前記第３端部から延びた方向は、前記第１方向と前記第３方向の反対側の第４方向との間の方向であり、前記平面視で、前記第２リブが前記第４端部から延びた方向は、前記第２方向と前記第４方向との間の方向であってもよい。

本発明によれば、シール性が向上した燃料電池用のセパレータを提供できる。

図１は、燃料電池の斜視図である。図２は、単セルのアノードセパレータの平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ間に相当する箇所でのセル積層体の一部を示す断面図である。図４は、外周ビード周辺を示したセパレータの部分拡大斜視図である。図５は、＋Ｚ方向側から見た外周ビード周辺を示したセパレータの部分拡大平面図である。図６Ａは、図５のＡ－Ａ断面図であり、図６Ｂは、図５のＢ－Ｂ断面図である。図７は、比較例のセパレータの説明図である。図８は、図５の部分拡大図である。図９は、第１変形例であるセパレータの部分拡大平面図である。図１０は、第２変形例であるセパレータの部分拡大平面図である。

［燃料電池の概略構成］
図１は、燃料電池１００の斜視図である。図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。燃料電池１００は、例えば電気自動車の電力源として利用できる。図１のように、燃料電池１００は、セル積層体１１、ターミナルプレート１２ａ及び１２ｂ、絶縁プレート１３ａ及び１３ｂ、及びエンドプレート１４ａ及び１４ｂを含む。セル積層体１１は、複数の単セル１０がＺ方向に積層されている。単セル１０は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。

ターミナルプレート１２ａ及び１２ｂは、セル積層体１１の積層方向の両端部に配置されている。絶縁プレート１３ａ及び１３ｂは、セル積層体１１の積層方向でターミナルプレート１２ａ及び１２ｂよりも外側に配置されている。エンドプレート１４ａ及び１４ｂは、セル積層体１１の積層方向で絶縁プレート１３ａ及び１３ｂよりも外側に配置されている。ターミナルプレート１２ａ及び１２ｂは、緻密性カーボン又は銅などの導電性部材で形成され、単セル１０の発電電力を取り出すために用いられる。絶縁プレート１３ａ及び１３ｂは、ゴム又は樹脂などの絶縁性部材で形成され、ターミナルプレート１２ａ及び１２ｂとエンドプレート１４ａ及び１４ｂとの間を絶縁する。エンドプレート１４ａ及び１４ｂは、セル積層体１１とターミナルプレート１２ａ及び１２ｂと絶縁プレート１３ａ及び１３ｂとを締結する。

単セル１０とターミナルプレート１２ａと絶縁プレート１３ａとエンドプレート１４ａとは、それぞれ複数のマニホールド孔を有していて、それぞれの複数のマニホールド孔が連通して複数のマニホールド２０～２５が形成されている。マニホールド２０はセル積層体１１に燃料ガスを供給するために用いられ、マニホールド２１はセル積層体１１から燃料ガスを排出するために用いられる。マニホールド２２はセル積層体１１に酸化剤ガスを供給するために用いられ、マニホールド２３はセル積層体１１から酸化剤ガスを排出するために用いられる。マニホールド２４はセル積層体１１に冷媒（例えば冷却水）を供給するために用いられ、マニホールド２５はセル積層体１１から冷媒を排出するために用いられる。

図２は、単セル１０のアノードセパレータ３７の平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ間に相当する箇所でのセル積層体１１の一部を示す断面図である。図２に示すように、アノードセパレータ（以下、単にセパレータと称する）３７は、Ｘ方向及びＹ方向をそれぞれ短手方向及び長手方向とする略矩形状であり、外周縁を画定する縁３７２～３７５を有している。縁３７２及び３７３は、Ｙ方向に略平行でありＸ方向に離れている。縁３７４及び３７５は、Ｘ方向に略平行でありＹ方向に離れている。また、セパレータ３７には、マニホールド２０～２５のそれぞれを画定するためのマニホールド孔５０～５５が形成されている。マニホールド孔５２、５４、及び５１は、縁３７４に沿って設けられている。マニホールド孔５０、５５、及び５３は、縁３７５に沿って設けられている。マニホールド孔５０、５５、及び５３と、マニホールド孔５２、５４、及び５１との間には、Ｙ方向に延びＸ方向に所定の間隔を空けて並んだ複数の流路リブ４２が形成されている。また、セパレータ３７には、冷媒や反応ガスをシールするためのマニホールドビード４４ａ～４４ｆや外周ビード４４ｇが設けられている。マニホールドビード４４ａ～４４ｆは、それぞれマニホールド孔５０～５５を包囲する。外周ビード４４ｇは、マニホールド孔５４及び５５が外側に位置するようにガスマニホールド孔５０～５３と複数の流路リブ４２を包囲し、縁３７２～３７５に沿って蛇行しながら延びている。外周ビード４４ｇについては、詳しくは後述する。

図３に示すように、単セル１０は、膜電極ガス拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）３６と、ＭＥＧＡ３６を囲む枠状の絶縁フレーム３９と、ＭＥＧＡ３６及び絶縁フレーム３９に対向したセパレータ３７と、ＭＥＧＡ３６及び絶縁フレーム３９とは反対側でセパレータ３７に対向したカソードセパレータ（以下、単にセパレータと称する）３８と、を備える。セパレータ３７及び３８は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材で形成され、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材で形成されている。絶縁フレーム３９は、例えばゴム又はエラストマー樹脂などの弾性を有する樹脂部材で形成されているが、弾性を有さない絶縁部材で形成されていてもよい。

図３に示すように、セパレータ３７は、ＸＹ平面に略平行であって平坦な基部３７１と、基部３７１から＋Ｚ方向に突出した複数の流路リブ４２と外周ビード４４ｇとを含む。図１に示したマニホールド２０を流れる燃料ガスは、マニホールド孔５０から隣接する流路リブ４２とこれに対向するＭＥＧＡ３６との間を流れて、マニホールド孔５１を介してマニホールド２１から排出される。

セパレータ３８は、ＸＹ平面に略平行であって平坦な基部３８１と、基部３８１から－Ｚ方向に突出した複数の流路リブ４３と外周ビード４５ｇとを含む。セパレータ３８の基部３８１は、セパレータ３８に対向するセパレータ３７の基部３７１に当接している。セパレータ３８の複数の流路リブ４３は、Ｙ方向に延びてＸ方向に所定の間隔を空けて並んでおり、セパレータ３８に対向するセパレータ３７の複数の流路リブ４２とＺ方向で対向している。図１に示したマニホールド２２を流れる酸化剤ガスは、マニホールド孔５２から隣接する流路リブ４３とこれに対向するＭＥＧＡ３６との間を流れて、マニホールド孔５３を介してマニホールド２３から排出される。図１に示したマニホールド２４を流れる冷媒は、マニホールド孔５４から対向する流路リブ４２及び４３の間を流れて、マニホールド孔５５を介してマニホールド２５から排出される。

図３に示すように、セパレータ３７の外周ビード４４ｇは、Ｚ方向の圧縮荷重に対して反力が確保できるように、基部３７１から＋Ｚ方向に突出している。同様に、セパレータ３８の外周ビード４５ｇは、Ｚ方向の圧縮荷重に対して反力が確保できるように、基部３８１から－Ｚ方向に突出している。セパレータ３７の外周ビード４４ｇは、このセパレータ３７と対向するセパレータ３８の外周ビード４５ｇとＺ方向で対向している。セパレータ３８の外周ビード４５ｇは、セパレータ３７の外周ビード４４ｇと同様に蛇行しながらセパレータ３８の外周縁に沿うように伸びている。

セパレータ３７の外周ビード４４ｇは、このセパレータ３７に対向する絶縁フレーム３９に、弾性部材であるゴム製のガスケット７０を介して押圧される。外周ビード４５ｇについても同様である。尚、図２に示したマニホールドビード４４ａ～４４ｆも、不図示のガスケットを介して絶縁フレーム３９に押圧されている。尚、図３は、セパレータ３７に設けられたリブ４７を示しているが詳しくは後述する。

尚、セパレータ３８及び絶縁フレーム３９には、セパレータ３７のマニホールド孔５０～５５と同様に、複数のマニホールド孔が設けられている。また、セパレータ３８には、セパレータ３７のマニホールドビード４４ａ～４４ｆや外周ビード４４ｇと同様に複数のシール部が設けられている。セパレータ３７及び３８は、マニホールドビード４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、及び４４ｄの周りや外周ビード４４ｇの周りで接合されている。セパレータ３７及び３８の接合は、例えばレーザ溶接によって行われるが、アーク溶接又は熱圧着接合などの他の方法で接合されてもよい。

ＭＥＧＡ３６は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）３５と、アノードガス拡散層（以下、単に拡散層と称する）３３、及びカソードガス拡散層（以下、単に拡散層と称する）３４と、を備える。ＭＥＡ３５は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面の全面に設けられたアノード触媒層（以下、単に触媒層と称する）３１と、他方の面に電解質膜３０の外周縁部３０ａを露出させて設けられたカソード触媒層（以下、単に触媒層と称する）３２と、を備える。絶縁フレーム３９は、例えば接着剤などによって電解質膜３０の外周縁部３０ａに接合されている。

電解質膜３０は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層３１及び３２は、電気化学反応を進行させる触媒（白金又は白金－コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。拡散層３３及び３４は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材で形成され、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン部材で形成されている。

［外周ビード４４ｇの詳細構成］
図４は、外周ビード４４ｇ周辺を示したセパレータ３７の部分拡大斜視図である。図５は、＋Ｚ方向側から見た外周ビード４４ｇ周辺を示したセパレータ３７の部分拡大平面図である。図５は、外周ビード４４ｇが突出した側からであって基部３７１の面に垂直な方向から見た平面図に相当する。図４及び図５では、縁３７２に沿って延びた外周ビード４４ｇの一部分を示しており、この外周ビード４４ｇの一部分は＋Ｙ方向に蛇行しながら延びている。具体的には外周ビード４４ｇは、振幅及び波長がそれぞれ略一定で波状に延びている。図６Ａは、図５のＡ－Ａ断面図である。図６Ｂは、図５のＢ－Ｂ断面図である。

外周ビード４４ｇは、側部４４１及び４４２と、頂部４４３とを含む。側部４４１及び４４２は、基部３７１に対して傾斜するように＋Ｚ方向側に突出している。頂部４４３は、基部３７１と略平行であり、基部３７１よりも＋Ｚ方向側に位置している。側部４４１は、側部４４２よりも縁３７２の近くに位置している。外周ビード４４ｇには湾曲したリブ４６及び４７が接続されている。

図５では、側部４４１と基部３７１との境界線である稜線Ｌ１と、側部４４２と基部３７１との境界線である稜線Ｌ２とを示している。また、図５には、稜線Ｌ１上で－Ｘ方向及び＋Ｘ方向にそれぞれ最も突出した位置である地点Ｍ１及びＭ２と、稜線Ｌ２上で＋Ｘ方向及び－Ｘ方向にそれぞれ最も突出した位置である地点Ｍ３及びＭ４とを示している。地点Ｍ１及びＭ２は、＋Ｙ方向で波状に延びた外周ビード４４ｇの１／２波長の間隔を空けて交互に並び、地点Ｍ３及びＭ４も同様である。

また、図５では、側部４４１の＋Ｙ方向に交互に繰り返される領域Ｒ１及びＲ２と、側部４４２の＋Ｙ方向に交互に繰り返される領域Ｒ３及びＲ４とを示す。領域Ｒ１は、地点Ｍ１からこの地点Ｍ１に＋Ｙ方向で隣接した地点Ｍ２までの側部４４１の領域である。領域Ｒ２は、地点Ｍ２からこの地点Ｍ２に＋Ｙ方向で隣接した地点Ｍ１までの側部４４１の領域である。領域Ｒ３は、地点Ｍ３からこの地点Ｍ３に＋Ｙ方向で隣接した地点Ｍ４までの側部４４２の領域である。領域Ｒ４は、地点Ｍ４からこの地点Ｍ４に＋Ｙ方向で隣接した地点Ｍ３までの側部４４２の領域である。領域Ｒ１は、平面視で領域Ｒ１内の外側面上の任意の点での法線方向が＋Ｙ方向の成分を含む領域である。領域Ｒ２は、平面視で領域Ｒ２内の外側面上の任意の点での法線方向が＋Ｙ方向の成分を含む領域である。領域Ｒ３は、平面視で領域Ｒ３内の外側面上の任意の点での法線方向が＋Ｙ方向の成分を含む領域である。領域Ｒ４は、平面視で領域Ｒ４内の外側面上の任意の点での法線方向が－Ｙ方向の成分を含む領域である。領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４は、それぞれ第１、第２、第３、及び第４領域の一例である。また、図５において、＋Ｙ方向は第１方向の一例であり、－Ｙ方向は第２方向の一例であり、－Ｘ方向は第３方向の一例であり、＋Ｘ方向は第４方向の一例である。

［リブ４６及び４７の詳細構成］
リブ４６の端部４６１及び４６２は、外周ビード４４ｇの側部４４１の領域Ｒ１及びＲ２にそれぞれ接続されている。同様にリブ４７の端部４７１及び４７２は、外周ビード４４ｇの側部４４２の領域Ｒ３及びＲ４にそれぞれ接続されている。リブ４６は、全体で－Ｘ方向に凸となった円弧状である。リブ４７は、全体で＋Ｘ方向に凸となった円弧状である。

図５には、領域Ｒ１及びＲ２の外側面のそれぞれの法線方向Ｎ１及びＮ２と、領域Ｒ３及びＲ４の外側面のそれぞれの法線方向Ｎ３及びＮ４を示している。法線方向Ｎ１は、領域Ｒ１とリブ４６の端部４６１との接続位置での法線方向である。法線方向Ｎ２は、領域Ｒ２とリブ４６の端部４６２との接続位置での法線方向である。法線方向Ｎ３は、領域Ｒ３とリブ４７の端部４７１との接続位置での法線方向である。法線方向Ｎ４は、領域Ｒ４とリブ４７の端部４７２との接続位置での法線方向である。リブ４６は、端部４６１から法線方向Ｎ１に延び、端部４６２から法線方向Ｎ２に延びている。従って、換言すれば、法線方向Ｎ１は、端部４６１でのリブ４６の接線方向でもあり、法線方向Ｎ２は、端部４６２でのリブ４６の接線方向でもある。同様に、リブ４７は、端部４７１から法線方向Ｎ３に延び、端部４７２から法線方向Ｎ４に延びており、法線方向Ｎ３及びＮ４はそれぞれ端部４７１及び４７２でのリブ４７の接線方向である。

尚、図４、図６Ａ、及び図６Ｂに示すように、リブ４６及び４７は、基部３７１から外周ビード４４ｇよりも低い突出高さで＋Ｚ方向側に突出している。また、リブ４６及び４７は、断面視で円弧状であるが、これに限定されず、例えば台形状であってもよいし三角形状であってもよい。

［比較例］
次に比較例について説明する。図７は、比較例のセパレータ３７ｘの説明図である。セパレータ３７ｘは、上述したリブ４６及び４７は設けられていない点で本実施例のセパレータ３７と異なるが、その他の点については同じである。燃料電池は、セパレータ３７ｘや絶縁フレーム３９、ＭＥＧＡ３６等が積層されて、Ｚ方向に圧縮荷重が作用するようにこれらの部材が締結される。セパレータ３７ｘの外周ビード４４ｇにＺ方向での圧縮荷重が作用すると、側部４４１上には、側部４４１上の任意の点での側部４４１の外側に向けた法線方向に力が作用し、同様に側部４４２上には、側部４４２上の任意の点での側部４４２の外側に向けた法線方向に力が作用する。

図７には、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に領域Ｒ１～Ｒ４のそれぞれに作用する力のベクトルＰ１～Ｐ４を示している。ベクトルＰ１～Ｐ４は、それぞれ領域Ｒ１～Ｒ４の法線方向の力のベクトルを示す。また、理解を容易にするために、ベクトルＰ１～Ｐ４の始点は、それぞれ図５に示した法線方向Ｎ１～Ｎ４の始点と一致させている。即ち、ベクトルＰ１～Ｐ４の始点は、それぞれ、領域Ｒ１とリブ４６の端部４６１との接続位置、領域Ｒ２とリブ４６の端部４６２との接続位置、領域Ｒ３とリブ４７の端部４７１との接続位置、及び領域Ｒ４とリブ４７の端部４７２との接続位置に一致している。そのため、ベクトルＰ１～Ｐ４の方向は、それぞれ法線方向Ｎ１～Ｎ４と一致している。

ベクトルＰ１のＹ方向成分Ｐ１ｙは＋Ｙ方向に作用しているのに対し、ベクトルＰ２のＹ方向成分Ｐ２ｙは－Ｙ方向に作用する。このため、Ｙ方向成分Ｐ１ｙ及びＰ２ｙは互いに相殺される。同様に、ベクトルＰ３のＹ方向成分Ｐ３ｙは＋Ｙ方向に作用しているのに対し、ベクトルＰ４のＹ方向成分Ｐ４ｙは－Ｙ方向に作用し、Ｙ方向成分Ｐ３ｙ及びＰ４ｙは互いに相殺される。このように、側部４４１及び４４２にそれぞれ作用した力の一部が相殺されるのは、外周ビード４４ｇが蛇行した形状だからである。このため、蛇行した外周ビード４４ｇは圧縮荷重に対する反力が確保されている。

しかしながら、ベクトルＰ１及びＰ２のそれぞれのＸ方向成分Ｐ１ｘ及びＰ２ｘは、共に－Ｘ方向に作用する。また、ベクトルＰ３及びＰ４のそれぞれのＸ方向成分Ｐ３ｘ及びＰ４ｘは、共に＋Ｘ方向に作用する。従って、外周ビード４４ｇに反力よりも大きな圧縮荷重が作用すると、側部４４１及び４４２がそれぞれ－Ｘ方向及び＋Ｘ方向に広がるように変形して、上述したガスケット７０を介しての外周ビード４４ｇと絶縁フレーム３９との間のシール性が低下する可能性がある。

［本実施例の効果］
本実施例では、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用すると、側部４４１の領域Ｒ１からリブ４６の端部４６１を介して端部４６２側へと力が伝播すると共に、側部４４１の領域Ｒ２からリブ４６の端部４６２を介して端部４６１側へと力が伝播する。この結果、端部４６１からの力と端部４６２からの力とが相殺される。

ここで、上述したように、リブ４６の、端部４６１から延びた方向は、領域Ｒ１と端部４６１との接続地点での領域Ｒ１の法線方向Ｎ１であり、リブ４６の、端部４６２から延びた方向は、領域Ｒ２と端部４６２との接続地点での領域Ｒ２の法線方向Ｎ２である。従って、例えば上述したベクトルＰ１が領域Ｒ１からリブ４６の端部４６１に作用した場合には、ベクトルＰ１の成分の大部分が、端部４６１から法線方向Ｎ１に沿って延びたリブ４６に伝播する。換言すれば、本実施例のリブ４６により、比較例のようにベクトルＰ１がＸ方向成分Ｐ１ｘ及びＹ方向成分Ｐ１ｙに分散されることが抑制されて、大きな力がリブ４６に伝播する。

同様に、ベクトルＰ２が領域Ｒ２からリブ４６の端部４６２に作用した場合にも、ベクトルＰ２の成分の大部分が、端部４６２から法線方向Ｎ２に沿って延びたリブ４６に伝播する。このように、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した場合には、側部４４１からリブ４６の端部４６１及び４６２の双方から大きな力が伝播して互いに相殺される。同様に、側部４４２からリブ４７の端部４７１及び４７２の双方から大きな力が伝播して互いに相殺される。このようにリブ４６及び４７により、外周ビード４４ｇには大きな圧縮荷重に対しても十分な反力が生じ、シール性が向上している。

図８は、図５の部分拡大図である。図８に示すように本実施例では、リブ４６は端部４６１から法線方向Ｎ１に延びているが、例えば、リブ４６は端部４６１から法線方向Ｎ１を中心とした６０度の角度範囲内、好ましくは４５度の角度範囲内、更に好ましくは３０度の角度範囲内で延びていてもよい。リブ４６の端部４６１から延びた方向と、側部４４１と端部４６１との接続地点での法線方向Ｎ１との角度差が小さいほど、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に側部４４１から端部４６１に伝播する力は大きくなり、相殺され得る力は増大して、反力を確保できるからである。同様に、リブ４６は端部４６２から法線方向Ｎ２を中心とした６０度の角度範囲内、好ましくは４５度の角度範囲内、更に好ましくは３０度の角度範囲内で延びていてもよい。リブ４７に関しても同様である。

リブ４６は、端部４６１から法線方向Ｎ１を中心とした６０度の角度範囲外から延びていてもよいが、リブ４６の端部４６１から延びた方向は、－Ｘ方向と＋Ｙ方向との間の方向であることが好ましい。同様に、リブ４６の端部４６２から延びた方向は、－Ｘ方向と－Ｙ方向との間の方向であることが好ましい。例えばＹ方向に平行なリブを想定すると、ベクトルＰ１のＹ方向成分Ｐ１ｙとベクトルＰ２のＹ方向成分Ｐ２ｙとを相殺することはできるが、ベクトルＰ１のＸ方向成分Ｐ１ｘとベクトルＰ２のＸ方向成分Ｐ２ｘとはこのようなリブに伝播せずにこれらの成分を互いに相殺することは困難になると考えられる。また、例えばリブの双方の端部が－Ｘ方向に延びた横Ｕ字状であるリブを想定すると、一方の端部から伝播した－Ｘ方向成分と、他方の端部から伝播した－Ｘ方向成分とが、リブの形状に沿って伝播せずに、互いに相殺することが困難になると考えられる。リブ４７も同様に、リブ４７の端部４７１から延びた方向は、＋Ｘ方向と＋Ｙ方向との間の方向であることが好ましく、リブ４７の端部４７２から延びた方向は、＋Ｘ方向と－Ｙ方向との間の方向であることが好ましい。

上記のように力の相殺を考慮しなくても、側部４４１にはリブ４６が接続されているため、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に側部４４１の変形を抑制でき、同様に、側部４４２に接続されたリブ４７により側部４４２の変形を抑制できる。即ち、リブ４６及び４７により側部４４１及び４４２自体の剛性を確保することができ、この作用によってもシール性が向上している。

リブ４６及び４７の各幅は外周ビード４４ｇの幅よりも広くてもよいが、本実施例のように狭い方が好ましい。例えば、外周ビード４４ｇと外周ビード４４ｇとに沿って延びた縁３７２との間のスペースが狭い場合であってもリブ４６を設けることができ、また、外周ビード４４ｇと流路リブ４２との間のスペースが狭い場合であってもリブ４７を設けることができるからである。

リブ４７の＋Ｚ方向での突出高さは、図３に示したように、周辺の他の部材に接触せず、且つアノードガスの圧損に大きな影響を与えない程度であることが好ましい。尚、リブ４６及び４７の＋Ｚ方向での突出高さは同じに限られない。

［その他］
リブ４６の端部４６１から延びた方向と法線方向Ｎ１との間の角度と、リブ４６の端部４６２から延びた方向と法線方向Ｎ２との間の角度とは同じに限定されない。また、リブ４６の端部４６１から延びた方向と、リブ４６の端部４６２から延びた方向とは、Ｘ方向に平行な線分に対して対称であることに限定されない。同様に、リブ４７の端部４７１から延びた方向と法線方向Ｎ３との間の角度と、リブ４７の端部４７２から延びた方向と法線方向Ｎ４との間の角度とは同じに限定されない。リブ４７の端部４７１から延びた方向と、リブ４７の端部４７２から延びた方向とは、Ｘ方向に平行な線分に対して対称であることに限定されない。リブ４６及び４７は、Ｙ方向に平行な線分に対して対称形状であるがこれに限定されない。即ち、リブ４６の端部４６１から延びた方向とリブ４７の端部４７２から延びた方向とは、互いに逆方向であることに限定されず、リブ４６の端部４６２から延びた方向とリブ４７の端部４７１から延びた方向とは、互いに逆方向に限定されない。

リブ４６の端部４６１は側部４４１の領域Ｒ１内の任意の位置に接続されていよく、端部４６２も側部４４１の領域Ｒ２内の任意の位置に接続されていればよい。リブ４７の端部４７１も同様に、側部４４２の領域Ｒ３内の任意の位置に接続されていればよく、端部４７２は側部４４２の領域Ｒ４内の任意の位置に接続されていればよい。リブ４６は、平面視で略一定の曲率で湾曲しているがこれに限定されず、例えば、リブ４６は、端部４６１及び４６２のそれぞれから大きい曲率で延び、端部４６１からの長さと端部４６２からの長さとが略同じとなる位置付近で曲率が小さくなった形状であってもよい。また、リブ４６は、部分的に直線状に延びた部位を有していてもよい。リブ４７についても同様である。

外周ビード４４ｇの形状は、振幅及び波長が一定の波状であるが、蛇行していればこれに限定されない。例えば、ビードは、直線状部分を含んだジグザグ状であってもよい。また、図３に示したセパレータ３８の外周ビード４５ｇにも、上述したリブ４６及び４７が接続するように設けられていてもよい。

［第１変形例］
次に複数の変形例に係るセパレータについて説明する。図９は、第１変形例であるセパレータ３７ａの部分拡大平面図である。図９は、図５に対応している。セパレータ３７ａのリブ４６ａは、端部４６１及び４６２からそれぞれ法線方向Ｎ１及びＮ２に直線状に延びた直状部４６ａ１及び４６ａ２と、直状部４６ａ１及び４６ａ２が接続した湾曲部４６ａ３とを有している。直状部４６ａ１及び４６ａ２は、互いに同じ長さであるがこれに限定されない。直状部４６ａ１及び４６ａ２の間の内角は、９０度である。湾曲部４６ａ３では、直線状の直状部４６ａ１と直状部４６ａ２とが湾曲して接続されている。同様にリブ４７ａも、端部４７１及び４７２からそれぞれ法線方向Ｎ３及びＮ４に直線状に延びた直状部４７ａ１及び４７ａ２と、直状部４７ａ１及び４７ａ２が接続した湾曲部４７ａ３とを有している。

外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に、リブ４６ａの端部４６１から直状部４６ａ１を介して湾曲部４６ａ３に力が伝播し、同様に端部４６２から直状部４６ａ２を介して湾曲部４６ａ３に力が伝播し、湾曲部４６ａ３で双方からの力が相殺される。リブ４７ａについても同様に、端部４７１から直状部４７ａ１を介して湾曲部４７ａ３に力が伝播し、同様に端部４７２から直状部４７ａ２を介して湾曲部４７ａ３に力が伝播し、湾曲部４７ａ３で双方からの力が相殺される。このようなリブ４６ａ及び４７ａによっても、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に力を相殺することにより、外周ビード４４ｇの反力を確保でき、シール性が向上している。

また、直状部４６ａ１は直線状に延びているため、側部４４１の領域Ｒ１を十分に支持することができ、外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際に側部４４１の領域Ｒ１の変形を抑制できる。同様に、直状部４６ａ２は、側部４４１の領域Ｒ２を十分に支持することができ、側部４４１の領域Ｒ２の変形を抑制できる。直状部４７ａ１及び４７ａ２についても同様である。このように、外周ビード４４ｇの剛性が確保されている。

第１変形例において、リブ４６ａの代わりに上述した本実施例でのリブ４６を採用してもよいし、リブ４７ａの代わりにリブ４７を採用してもよい。

［第２変形例］
図１０は、第２変形例であるセパレータ３７ｂの部分拡大平面図である。図１０は、図５に対応している。セパレータ３７ｂには、上述した実施例とは異なり、側部４４１に接続されたリブ４６は設けられているが、側部４４２に接続されるリブは設けられていない。ここで、リブ４６が接続された側部４４１は、縁３７２に沿って＋Ｙ方向に延びており、換言すれば基部３７１の縁３７２に対向している。ここで側部４４１が縁３７２に対向するとは、側部４４１と縁３７２との間にリブ４６以外の凹凸状の部位は形成されていないことを意味する。外周ビード４４ｇに圧縮荷重が作用した際には、リブ４６により側部４４１の反力を確保することができる。また、セパレータ３７ｂでは側部４４２に接続されるリブは設けられていないため、セパレータ３７ｂの製造が容易であり、製造コストの増大も抑制されている。

ここで、図３に示すように、セパレータ３７ｂの中央部にも複数の流路リブ４２が形成されており、外周ビード４４ｇの側部４４２は、複数の流路リブ４２側に設けられている。この複数の流路リブ４２により、セパレータ３７ｂの中央部は、縁３７２側よりも剛性が確保されている。ここで、セパレータ３７ｂの外周ビード４４ｇにＺ方向の圧縮荷重が作用する際には、実際には外周ビード４４ｇのみならず、複数の流路リブ４２にもＺ方向の圧縮荷重が作用する。このため、剛性が確保された複数の流路リブ４２に対向した側部４４２に作用する圧縮荷重は、縁３７２に対向した側部４４１に作用する圧縮荷重よりも小さいと考えられる。このため、側部４４２に接続されるリブは設けられていなくても、シール性を確保できる。

例えば、外周ビード４４ｇに作用する圧縮荷重の大きさが比較的大きい場合には、上述した本実施例又は第１変形例のセパレータ３７又は３７ａを採用し、外周ビード４４ｇに作用する圧縮荷重の大きさが比較的大きくない場合には、製造コストが抑制されている第２変形例のセパレータ３７ｂを採用してもよい。

第２変形例において、リブ４６の代わりに第１変形例に示したリブ４６ａを採用してもよい。

第２変形例では、側部４４２に接続されたリブが設けられていないセパレータ３７ｂを説明したが、側部４４２に接続されたリブは設けられているが側部４４１に接続されたリブは設けられてないセパレータを用いてもよい。

上述した本実施例及び変形例では、外周ビード４４ｇに接続されたリブ４６等を説明したがこれに限定されず、マニホールド孔５０～５５をそれぞれ包囲するマニホールドビード４４ａ～４４ｆの少なくとも一つを蛇行した形状としてこれに接続されたリブ４６等を設けてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００燃料電池
３７、３７ａ、３７ｂアノードセパレータ（燃料電池用のセパレータ）
３７１基部
３７２縁
４４ｇ外周ビード（ビード）
４６、４７、４６ａ、４７ａリブ
４６１端部（第１端部）
４６２端部（第２端部）
Ｎ１～Ｎ４法線方向

Claims

平坦な基部と、
前記基部から一方側に突出した複数の流路リブと、
前記基部から前記一方側に突出して、前記基部の外周縁側に沿って延び前記複数の流路リブを包囲し、少なくとも第１方向に蛇行しながら延びたビードと、
前記基部から前記一方側に前記ビードよりも低い突出高さで突出して前記ビードに接続した第１リブと、を備え、
前記ビードの蛇行しながら前記第１方向に延びた部分は、前記基部よりも前記一方側に位置した頂部、前記基部から傾斜して前記頂部に連続し互いに対向した第１及び第２側部、を含み、
前記第１側部は、前記第１リブの第１端部が接続した第１領域と、前記第１領域から前記第１方向に連続し前記第１リブの第２端部が接続した第２領域と、を有し、
前記一方側からであって前記基部に垂直な方向から見た平面視で、前記第１領域内での前記第１側部の外側面上の任意の点での法線方向である第１法線方向は、前記第１方向の成分を含み、
前記平面視で、前記第２領域内での前記第１側部の外側面上の任意の点での法線方向である第２法線方向は、前記第１方向とは反対方向の第２方向の成分を含み、
前記平面視で、前記第１リブが前記第１端部から延びた方向は、前記第１方向と前記第１方向に直交し前記第１側部の外側の方向である第３方向との間の方向であり、
前記平面視で、前記第１リブが前記第２端部から延びた方向は、前記第２方向と前記第３方向との間の方向である、燃料電池用のセパレータ。
前記第１リブは、円弧状に湾曲している、請求項１の燃料電池用のセパレータ。
前記第１リブは、前記第１及び第２端部からそれぞれ直線状に延びた第１及び第２直状部を含む、請求項１の燃料電池用のセパレータ。
前記第１リブの幅は、前記ビードの幅よりも狭い、請求項１乃至３の何れかの燃料電池用のセパレータ。
前記第１側部は、前記基部の外縁に対向している、請求項１乃至４の何れかの燃料電池用のセパレータ。
前記第１リブが前記第１端部から延びた方向は、前記第１端部と前記第１領域との接続地点での前記第１法線方向を中心とした６０度の角度範囲内に含まれる、請求項１乃至５の何れかの燃料電池用のセパレータ。
前記第１リブが前記第２端部から延びた方向は、前記第２端部と前記第２領域との接続地点での前記第２法線方向を中心とした６０度の角度範囲内に含まれる、請求項１乃至６の何れかの燃料電池用のセパレータ。
前記基部から前記一方側に前記ビードよりも低い突出高さで突出して前記ビードに接続されている第２リブを備え、
前記第２側部は、前記第２リブの第３端部が接続した第３領域と、前記第３領域から前記第１方向に連続し前記第２リブの第４端部が接続した第４領域と、を有し、
前記平面視で、前記第３領域内での前記第２側部の外側面上の任意の点での法線方向である第３法線方向は、前記第１方向の成分を含み、
前記平面視で、前記第４領域内での前記第２側部の外側面上の任意の点での法線方向である第４法線方向は、前記第２方向の成分を含み、
前記平面視で、前記第２リブが前記第３端部から延びた方向は、前記第１方向と前記第３方向の反対側の第４方向との間の方向であり、
前記平面視で、前記第２リブが前記第４端部から延びた方向は、前記第２方向と前記第４方向との間の方向である、請求項１乃至７の何れかの燃料電池用のセパレータ。