JP7379193B2 - 燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池に関する。
例えば、特許文献１には、セパレータと、セパレータから外方に突出するように接合された荷重受け部材とを備えた燃料電池用セパレータ部材が開示されている。荷重受け部材は、その幅方向（セパレータ厚さ方向とタブの突出方向とに直交する方向）の外部荷重がセパレータに加わった際に、外部支持部材に接触することにより前記外部荷重を受ける。
ところで、荷重受け部材が外部荷重を受ける際、セパレータの外周部と荷重受け部材との接合部に応力が集中し易い。そのため、セパレータの外周部と荷重受け部材との接合強度を向上させる必要がある。
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、セパレータの外周部と荷重受け部材との接合強度の向上を図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を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、セパレータと、前記セパレータから外方に突出するように配置された荷重受け部材と、前記セパレータの外周部と前記荷重受け部材とを互いに接合する接合部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、前記セパレータの外周部のうち前記接合部に隣接する部分には、前記荷重受け部材の突出方向に沿って延在した補強リブが設けられている、燃料電池用セパレータ部材である。
本発明の他の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一組のセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記一組のセパレータのうちの少なくとも一方は、上述した燃料電池用セパレータ部材を形成する、燃料電池である。
本発明によれば、セパレータの外周部のうち接合部に隣接する部位に、荷重受け部材の突出方向に延在した補強リブを設けている。そのため、当該補強リブによってセパレータの外周部と荷重受け部材との接合強度を向上させることができる。また、補強リブは、荷重受け部材の幅方向に対して垂直な方向に延在している。従って、セパレータに外部荷重が加わった際に、セパレータの外周部のうち荷重受け部材を支持する部分が変形することを効果的に抑えることができる。
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、複数の発電セル１２（燃料電池）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、複数の発電セル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、複数の発電セル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の積層方向の一端には、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、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、順次、配設される。
ターミナルプレート１６ａには、出力端子２２ａが電気的に接続されている。ターミナルプレート１６ｂには、出力端子２２ｂが電気的に接続されている。各インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気的絶縁性を有する絶縁プレートである。
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、燃料電池スタック１０（積層体１４）に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重（圧縮荷重）を付与する。
図２において、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（矢印Ｂ１方向）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（矢印Ｂ２方向）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。
図１及び図２に示すように、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（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ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筒状に形成してもよい。
図３に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ３４と、樹脂枠付きＭＥＡ３４を矢印Ａ方向から挟持する第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８とを有する。
発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の酸化剤ガス入口連通孔４２ａは、複数の発電セル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。各発電セル１２の冷却媒体入口連通孔４４ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体（例えば、純水、エチレングリコール、オイル等）を供給する。各発電セル１２の燃料ガス出口連通孔４６ｂ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。
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、燃料ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体出口連通孔４４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の燃料ガス入口連通孔４６ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ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４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂと燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂと冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂ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４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂと燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂと冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、本実施形態に限定されるものではなく、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、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ４８」という）と、ＭＥＡ４８の外周部に重なり部を設けて接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材５０（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。図４において、ＭＥＡ４８は、電解質膜５２と、電解質膜５２の一方の面５２ａに設けられたカソード電極５４と、電解質膜５２の他方の面５２ｂに設けられたアノード電極５６とを有する。
電解質膜５２は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、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。電解質膜５２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。電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６に挟持される。
詳細は図示しないが、カソード電極５４は、電解質膜５２の一方の面５２ａに接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１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、第１ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。
アノード電極５６は、電解質膜５２の他方の面５２ｂに接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２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、第２ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。
電解質膜５２の平面寸法は、カソード電極５４及びアノード電極５６のそれぞれの平面寸法よりも小さい。カソード電極５４の外周縁部とアノード電極５６の外周縁部とは、樹脂枠部材５０の内周縁部を挟持している。樹脂枠部材５０は、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）が不透過に構成されている。樹脂枠部材５０は、ＭＥＡ４８の外周側に設けられている。
樹脂枠付きＭＥＡ３４は、樹脂枠部材５０を用いることなく、電解質膜５２を外方に突出させるように形成してもよい。また、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、外方に突出した電解質膜５２の両側に枠形状のフィルムを設けるように形成してもよい。
図３において、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、金属製であって、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３８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、或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３８とは、互いに重ね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。第１セパレータ３６は、後述する燃料電池用セパレータ部材１１を形成する。
図３及び図４に示すように、第１セパレータ３６のＭＥＡ４８に向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａと酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとに連通する酸化剤ガス流路５８が設けられる。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝６０を有する。各酸化剤ガス流路溝６０は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。
第１セパレータ３６には、樹脂枠付きＭＥＡ３４と第１セパレータ３６との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第１シール部６２が設けられている。第１シール部６２は、第１セパレータ３６の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔４２ａ等）を周回する。第１シール部６２は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第１シール部６２は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。
図４において、第１シール部６２は、第１セパレータ３６に一体成形された第１金属ビード部６４と、第１金属ビード部６４に設けられた第１樹脂材６６とを有する。第１金属ビード部６４は、第１セパレータ３６から樹脂枠部材５０に向かって突出している。第１金属ビード部６４の横断面形状は、第１金属ビード部６４の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第１樹脂材６６は、第１金属ビード部６４の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第１樹脂材６６は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。
図３及び図４に示すように、第２セパレータ３８のＭＥＡ４８に向かう面３８ａには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとに連通する燃料ガス流路６８が設けられる。燃料ガス流路６８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝７０を有する。各燃料ガス流路溝７０は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。
第２セパレータ３８には、樹脂枠付きＭＥＡ３４と第２セパレータ３８との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する第２シール部７２が設けられている。第２シール部７２は、第２セパレータ３８の外周部を周回し、各連通孔（酸化剤ガス入口連通孔４２ａ等）を周回する。第２シール部７２は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第２シール部７２は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。
図４において、第２シール部７２は、第２セパレータ３８に一体成形された第２金属ビード部７４と、第２金属ビード部７４に設けられた第２樹脂材７６とを有する。第２金属ビード部７４は、第２セパレータ３８から樹脂枠部材５０に向かって突出している。第２金属ビード部７４の横断面形状は、第２金属ビード部７４の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。第２樹脂材７６は、第２金属ビード部７４の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第２樹脂材７６は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。
第１シール部６２及び第２シール部７２は、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように配置されている。そのため、燃料電池スタック１０に締付荷重（圧縮荷重）が付与された状態で、第１金属ビード部６４及び第２金属ビード部７４のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部６２の突出端面（第１樹脂材６６）が樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに気密及び液密に接触するとともに第２シール部７２の突出端面（第２樹脂材７６）が樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに気密及び液密に接触する。
第１樹脂材６６は、第１金属ビード部６４ではなく、樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに設けられてもよい。第２樹脂材７６は、第２金属ビード部７４ではなく、樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに設けられてもよい。また、第１樹脂材６６及び第２樹脂材７６の少なくともいずれかは、省略されてもよい。第１シール部６２及び第２シール部７２は、メタルビードシールではなく、弾性を有するゴムシール部材で形成されてもよい。
図３及び図４において、第１セパレータ３６の面３６ｂと第２セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとに連通する冷却媒体流路７８が設けられる。冷却媒体流路７８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の冷却媒体流路溝８０を有する。冷却媒体流路７８は、酸化剤ガス流路５８の裏面形状と燃料ガス流路６８の裏面形状とによって形成される。
図２及び図３に示すように、燃料電池用セパレータ部材１１は、第１セパレータ３６と、第１セパレータ３６に設けられた２つの荷重受け部材８２ａ、８２ｂとを備える。
図２、図３及び図５において、第１セパレータ３６には、２つの第１支持部８４ａ、８４ｂが設けられている。第１支持部８４ａは、第１セパレータ３６の一方の長辺（外周部）から外方（矢印Ｃ１方向）に向かって突出している。第１支持部８４ａ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よりも第１セパレータ３６の一端側（矢印Ｂ１方向）にずれて位置している。第１支持部８４ａは、プレス成形により第１セパレータ３６の外周部に一体的に設けられている。第１支持部８４ａは、荷重受け部材８２ａを支持する。
図２及び図３において、第１支持部８４ｂは、第１セパレータ３６の他方の長辺（外周部）から外方（矢印Ｃ２方向）に向かって突出している。第１支持部８４ｂ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よりも第１セパレータ３６の他端側（矢印Ｂ２方向）にずれて位置している。第１支持部８４ｂは、プレス成形により第１セパレータ３６の外周部に一体的に設けられている。
燃料電池用セパレータ部材１１では、第１支持部８４ａ、８４ｂと第１セパレータ３６とを別部材として形成し、第１支持部８４ａ、８４ｂを第１セパレータ３６に対して接合してもよい。第１支持部８４ａ、８４ｂは、第１セパレータ３６の外周部から外方に突出していなくてもよい。
図５及び図６において、荷重受け部材８２ａは、第１セパレータ３６の外周部から矢印Ｃ１方向に向かって外方に突出するように第１セパレータ３６の外周部（第１支持部８４ａ）に設けられている。荷重受け部材８２ａは、金属板８８（芯金）と、金属板８８の一部を被覆する樹脂部材９０とを有する。荷重受け部材８２ａは、インサート成形によって成形される。
金属板８８の構成材料としては、第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８を構成する材料と同様のものが挙げられる。金属板８８は、第１支持部８４ａに固定される取付部９２と、取付部９２に連結して第１セパレータ３６の外方に突出したベース部９４とを含む。
取付部９２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９２は、樹脂部材９０から露出している。取付部９２は、第１支持部８４ａにおける樹脂枠付きＭＥＡ３４が位置する側の面（第２支持部８６ａとは反対側の面）に配置されている。取付部９２は、接合部９６ａによって第１支持部８４ａに接合されている。接合部９６ａは、矢印Ｂ方向に延在している。接合部９６ａは、スポット溶接、レーザ溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付け等によって形成される。
図６において、ベース部９４は、その全面が樹脂部材９０によって被覆されている。ベース部９４と樹脂部材９０とは、第１セパレータ３６の外周部（第１支持部８４ａ）から矢印Ｃ１方向に向かって外方に突出したタブ９８を形成する。荷重受け部材８２ａのタブ９８は、連結部材２４ａに形成された凹部１００ａ内に挿入されている（図５参照）。なお、連結部材２４ａは、カバー部２８に対して一体的に形成されてもよい。連結部材２４ｂについても同様である。
図５に示すように、タブ９８の中央部には、燃料電池スタック１０の製造時に各燃料電池用セパレータ部材１１を位置決めするためのロッド１０６が挿通される円形状の位置決め孔１０８が形成されている。なお、ロッド１０６は、各燃料電池用セパレータ部材１１の位置決めが完了した後で位置決め孔１０８から抜き取られてもよいし、位置決め孔１０８に残されてもよい。
樹脂部材９０は、ベース部９４と連結部材２４ａとの間の電気的な接続を遮断する。樹脂部材９０としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂及び熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
図２及び図３に示すように、荷重受け部材８２ｂは、上述した荷重受け部材８２ａと同様に構成されている。換言すれば、荷重受け部材８２ｂは、荷重受け部材８２ａを矢印Ｃ２方向に反転した形状を有する。そのため、荷重受け部材８２ｂの詳細な構成の説明については省略する。なお、荷重受け部材８２ｂのタブ９８は、連結部材２４ｂに形成された凹部１００ｂ内に挿入されている（図２参照）。
また、荷重受け部材８２ｂの取付部９２は、第１支持部８４ｂにおける樹脂枠付きＭＥＡ３４が位置する側の面（第２支持部８６ｂとは反対側の面）に配置されている。荷重受け部材８２ｂの取付部９２は、接合部９６ｂによって第１支持部８４ｂに接合されている。接合部９６ｂは、接合部９６ａと同様に形成される。
図３、図５及び図６において、第１セパレータ３６には、リブ構造１１０ａ、１１０ｂが設けられている。リブ構造１１０ａ、１１０ｂは、第１セパレータ３６をプレス成形することによって形成される。リブ構造１１０ａ、１１０ｂは、第１セパレータ３６の外周部からセパレータ厚さ方向（樹脂枠部材５０が位置する方向）に一体的に突出成形されている。リブ構造１１０ａ、１１０ｂは、第１金属ビード部６４の突出方向に沿って突出している。リブ構造１１０ａは、第１シール部６２と荷重受け部材８２ａの取付部９２との間に位置している。
図５及び図６に示すように、リブ構造１１０ａは、幅方向リブ１１２及び補強リブ１１３を含む。幅方向リブ１１２は、荷重受け部材８２ａ（タブ９８）の幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。幅方向リブ１１２は、接合部９６ａの延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在している。幅方向リブ１１２は、荷重受け部材８２ａの取付部９２に沿って取付部９２と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。
幅方向リブ１１２は、第１セパレータ３６から樹脂枠部材５０に向かって突出した第１周壁部１１８と、第１周壁部１１８の突出端に設けられた第１頂部１２０とを有する。第１周壁部１１８は、矢印Ｃ方向に互いに対向する一対の側壁部１２２ａ、１２２ｂと、矢印Ｂ方向に互いに対向する一対の端壁部１２４ａ、１２４ｂとを含む。
側壁部１２２ａは、側壁部１２２ｂよりも第１セパレータ３６の外側に位置する。一対の側壁部１２２ａ、１２２ｂのそれぞれは、矢印Ｂ方向に延在している。一対の側壁部１２２ａ、１２２ｂは、側壁部１２２ａ、１２２ｂの突出方向に向かって互いに近づくように台形状にセパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している（図５参照）。
端壁部１２４ａは、一対の側壁部１２２ａ、１２２ｂの一端同士を互いに連結する。端壁部１２４ｂは、一対の側壁部１２２ａ、１２２ｂの他端同士を互いに連結する。各端壁部１２４ａ、１２４ｂは、側壁部１２２ａ、１２２ｂの延在方向の外方に向かって円弧状に突出している。
第１頂部１２０は、矢印Ｂ方向に沿って延在している。幅方向リブ１１２の突出端面は、平坦状に形成されている。ただし、幅方向リブ１１２の突出端面は、円弧状に膨出してもよい。幅方向リブ１１２の突出端面は、樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに接触している。
補強リブ１１３は、複数の第１延出リブ１１４と、複数の第２延出リブ１１６とを含む。複数の第１延出リブ１１４は、幅方向リブ１１２の側壁部１２２ａから第１セパレータ３６の外方（荷重受け部材８２ａの突出方向）に向かって延出している。第１延出リブ１１４の延出端部は、円弧状に形成されている。
複数の第１延出リブ１１４は、矢印Ｂ方向に等間隔に設けられている。複数の第１延出リブ１１４は、互いに同一の形状及び大きさを有している。ただし、複数の第１延出リブ１１４は、矢印Ｂ方向に互いに異なる間隔で設けられてもよい。また、複数の第１延出リブ１１４は、互いに異なる形状及び大きさを有してもよい。
各第１延出リブ１１４は、第１セパレータ３６から樹脂枠部材５０に向かって突出した第２周壁部１２６と、第２周壁部１２６の突出端に設けられた第２頂部１２８とを有する。第２周壁部１２６及び第２頂部１２８のそれぞれは、幅方向リブ１１２の側壁部１２２ａに連結している。第１延出リブ１１４の突出高さＨ２は、幅方向リブ１１２の突出高さＨ１よりも短い（図５参照）。つまり、第２頂部１２８は、第１頂部１２０よりも第１セパレータ３６側に位置する。
荷重受け部材８２ａの突出方向に沿った各第１延出リブ１１４の長さＬ２（矢印Ｃ方向の長さ）は、荷重受け部材８２ａの幅方向に沿った幅方向リブ１１２の長さＬ１（矢印Ｂ方向の長さ）よりも短い。荷重受け部材８２ａの幅方向に沿った第１延出リブ１１４の幅Ｗ２（矢印Ｂ方向に沿った立上り部の幅）は、荷重受け部材８２ａの突出方向に沿った幅方向リブ１１２の幅Ｗ１（矢印Ｃ方向に沿った立上り部の幅）よりも狭い。
各第１延出リブ１１４は、取付部９２に形成された複数の切欠部１３０のそれぞれに配置されている。切欠部１３０は、第１延出リブ１１４の数と同じ数だけ設けられている。各切欠部１３０は、取付部９２のタブ９８とは反対側の側面９２ａに開口している。換言すれば、各切欠部１３０は、取付部９２の側面９２ａから接合部９６ａに向かって延在している。各切欠部１３０は、図６において、Ｕ字を上下反転させた形状を有する。複数の第１延出リブ１１４は、第１セパレータ３６の外周部のうち接合部９６ａに隣接する部分に設けられている。
複数の第２延出リブ１１６は、幅方向リブ１１２の側壁部１２２ｂから第１セパレータ３６の内方（荷重受け部材８２ａの突出方向とは反対方向）に向かって延出している。複数の第２延出リブ１１６は、矢印Ｂ方向に等間隔に設けられている。複数の第２延出リブ１１６は、互いに同一の形状及び大きさを有している。ただし、複数の第２延出リブ１１６は、矢印Ｂ方向に互いに異なる間隔で設けられてもよい。また、複数の第２延出リブ１１６は、互いに異なる形状及び大きさを有してもよい。
第２延出リブ１１６は、第１延出リブ１１４の中心線ＣＬ１上に位置する。第１延出リブ１１４の中心線ＣＬ１は、第１延出リブ１１４の幅方向（矢印Ｂ方向）の中心を通るとともに矢印Ｃ方向に平行な線である。詳細には、第２延出リブ１１６の中心線ＣＬ２は、第１延出リブ１１４の中心線ＣＬ１の延長線上に位置する。第２延出リブ１１６の中心線ＣＬ２は、第２延出リブ１１６の幅方向（矢印Ｂ方向）の中心を通るとともに矢印Ｃ方向に平行な線である。
各第２延出リブ１１６は、第１セパレータ３６から樹脂枠部材５０に向かって突出した第３周壁部１３２と、第３周壁部１３２の突出端に設けられた第３頂部１３４とを有する。第３周壁部１３２及び第３頂部１３４のそれぞれは、幅方向リブ１１２の側壁部１２２ｂに連結している。図５において、第２延出リブ１１６の突出高さＨ３は、幅方向リブ１１２の突出高さＨ１よりも低い。つまり、第３頂部１３４は、第１頂部１２０よりも第１セパレータ３６側に位置する。第２延出リブ１１６の突出高さＨ３は、第１延出リブ１１４の突出高さＨ２と同じである。ただし、第２延出リブ１１６の突出高さＨ３は、第１延出リブ１１４の突出高さＨ２に対して低くても高くてもよい。
荷重受け部材８２ａの突出方向に沿った各第２延出リブ１１６の長さＬ３（矢印Ｃ方向の長さ）は、荷重受け部材８２ａの幅方向に沿った幅方向リブ１１２の長さＬ１（矢印Ｂ方向の長さ）よりも短い。具体的に、第２延出リブ１１６の長さＬ３は、第１延出リブ１１４の長さＬ２と同じである。ただし、長さＬ２と長さＬ３は、互いに異なってもよい。
荷重受け部材８２ａの幅方向に沿った第２延出リブ１１６の幅Ｗ３（矢印Ｂ方向に沿った立上り部の幅）は、荷重受け部材８２ａの突出方向に沿った幅方向リブ１１２の幅Ｗ１（矢印Ｃ方向に沿った立上り部の幅）よりも狭い。具体的に、第２延出リブ１１６の幅Ｗ３は、第１延出リブ１１４の幅Ｗ２と同じである。ただし、幅Ｗ２と幅Ｗ３とは、互いに異なってもよい。
図５及び図６に示すように、各第２延出リブ１１６は、上述した第１延出リブ１１４と同様に形成されている。ただし、第２延出リブ１１６の数、大きさ及び形状は、第１延出リブ１１４の数、大きさ及び形状と異なってもよい。第２延出リブ１１６は、第１延出リブ１１４の中心線ＣＬ１から矢印Ｂ方向にずれた位置（中心線ＣＬ１に重ならない位置）に設けられてもよい。第１延出リブ１１４の数は、１つであってもよい。第２延出リブ１１６の数は、１つであってもよい。第２延出リブ１１６は、省略されてもよい。
図２及び図３に示すように、リブ構造１１０ｂは、第１シール部６２と荷重受け部材８２ｂの取付部９２との間に位置している。リブ構造１１０ｂは、上述したリブ構造１１０ａと同様に構成されている。そのため、リブ構造１１０ｂの詳細な構成の説明については省略する。
第２セパレータ３８には、２つの第２支持部８６ａ、８６ｂが設けられている。第２支持部８６ａは、第２セパレータ３８の一方の長辺（外周部）から外方（矢印Ｃ１方向）に向かって突出している。第２支持部８６ａは、第１支持部８４ａに対向している。第２支持部８６ａは、プレス成形により第２セパレータ３８の外周部に一体的に設けられている。第２支持部８６ａは、第１支持部８４ａに接触して荷重受け部材８２ａを支持する。
図３において、第２支持部８６ｂは、第２セパレータ３８の他方の長辺（外周部）から外方（矢印Ｃ２方向）に向かって突出している。第２支持部８６ｂは、第１支持部８４ｂに対向している。第２支持部８６ｂは、プレス成形により第２セパレータ３８の外周部に一体的に設けられている。第２支持部８６ｂは、第１支持部８４ｂに接触して荷重受け部材８２ｂを支持する。
なお、第２支持部８６ａ、８６ｂと第２セパレータ３８とを別部材として形成し、第２支持部８６ａ、８６ｂを第２セパレータ３８に対して接合してもよい。第２支持部８６ａ、８６ｂは、第２セパレータ３８の外周部から外方に突出していなくてもよい。
第２セパレータ３８には、リブ構造１３６ａ、１３６ｂが設けられている。リブ構造１３６ａ、１３６ｂは、上述したリブ構造１１０ａ、１１０ｂと同様に構成されている。そのため、リブ構造１３６ａ、１３６ｂの詳細な構成の説明については省略する。リブ構造１１０ａとリブ構造１３６ａとは、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように位置している。リブ構造１１０ｂとリブ構造１３６ｂとは、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように位置している。
燃料電池スタック１０に締付荷重（圧縮荷重）が付与された状態で、リブ構造１１０ａ、１１０ｂを形成する幅方向リブ１１２の突出端面が樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに接触するとともにリブ構造１３６ａ、１３６ｂを形成する幅方向リブ１１２の突出端面が樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに接触する。この際、各リブ構造１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂには、締付荷重が作用しない。すなわち、各リブ構造１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂは、弾性変形しない。そのため、リブ構造１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂによって、第１シール部６２及び第２シール部７２の面圧が抜けることはない。なお、燃料電池スタック１０に締付荷重が付与された状態でリブ構造１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂを形成する補強リブ１１３の突出端面は、樹脂枠部材５０に対して離間している。
次に、このように構成される燃料電池スタック１０の動作について説明する。
まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４６ａに供給される。冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４４ａ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４２ａから第１セパレータ３６の酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のカソード電極５４に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａから第２セパレータ３８の燃料ガス流路６８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路６８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のアノード電極５６に供給される。
従って、各ＭＥＡ４８では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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５４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４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５６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４６ｂ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４４ａ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３８との間に形成された冷却媒体流路７８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ４８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂ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方向の外部荷重が加わると、荷重受け部材８２ａのタブ９８が連結部材２４ａの凹部１００ａを形成する壁面に接触するとともに荷重受け部材８２ｂのタブ９８が連結部材２４ｂの凹部９２ｂを形成する壁面に接触する。すなわち、荷重受け部材８２ａ、８２ｂは、矢印Ｂ方向の外部荷重を受ける。これにより、燃料電池用セパレータ部材１１が矢印Ｂ方向に位置ずれすることが抑えられる。
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ部材１１及び発電セル１２（燃料電池）は、以下の効果を奏する。
第１セパレータ３６の外周部のうち接合部９６ａ、９６ｂに隣接する部分には、荷重受け部材８２ａ、８２ｂの突出方向に沿って延在した補強リブ１１３が設けられている。
このような構成によれば、補強リブ１１３によって第１セパレータ３６の外周部と荷重受け部材８２ａ、８２ｂとの接合強度を向上させることができる。また、補強リブ１１３は、荷重受け部材８２ａ、８２ｂに対する外部荷重の入力方向（矢印Ｂ方向）に対して垂直な方向（矢印Ｃ方向）に延在している。従って、燃料電池スタック１０に外部荷重が加わった際に、第１セパレータ３６の外周部のうち荷重受け部材８２ａ、８２ｂを支持する部分（第１支持部８４ａ、８４ｂ）が変形することを効果的に抑えることができる。
補強リブ１１３は、第１セパレータ３６の外周部からセパレータ厚さ方向に一体的に突出成形されている。
このような構成によれば、第１セパレータ３６の外周部と荷重受け部材８２ａ、８２ｂとの接合強度を一層向上させることができる。
第１セパレータ３６の外周部には、荷重受け部材８２ａ、８２ｂの幅方向に沿って延在した幅方向リブ１１２が設けられ、補強リブ１１３は、幅方向リブ１１２から荷重受け部材８２ａ、８２ｂの突出方向に沿って延出している。
このような構成によれば、第１セパレータ３６の外周部と荷重受け部材８２ａ、８２ｂとの接合強度をより一層向上させることができる。
補強リブ１１３は、幅方向リブ１１２から接合部９６ａ（接合部９６ｂ）に向かって延出した第１延出リブ１１４と、幅方向リブ１１２から第１延出リブ１１４の延出方向とは反対方向に延出した第２延出リブ１１６とを有する。
このような構成によれば、第１セパレータ３６の外周部と荷重受け部材８２ａ、８２ｂとの接合強度を効果的に向上させることができる。
第１延出リブ１１４及び第２延出リブ１１６のそれぞれは、荷重受け部材８２ａ、８２ｂの幅方向に複数設けられている。
このような構成によれば、第１セパレータ３６の外周部と荷重受け部材８２ａ、８２ｂとの接合強度を一層効果的に向上させることができる。
補強リブ１１３の突出高さＨ２、Ｈ３は、幅方向リブ１１２の突出高さＨ１よりも低い。
このような構成によれば、幅方向リブ１１２と補強リブ１１３との間に段差が形成されるため、リブ構造１１０ａ、１１０ｂの剛性を効果的に高めることができる。
荷重受け部材８２ａ、８２ｂには、補強リブ１１３が配置される切欠部１３０が形成されている。
このような構成によれば、補強リブ１１３を接合部９６ａ、９６ｂの近くに配置し易くすることができる。換言すれば、荷重受け部材８２ａ、８２ｂにおける取付部９２の接合部９６ａ、９６ｂから取付部９２の側面９２ａまでの距離を比較的長くすることができる。これにより、荷重受け部材８２ａ、８２ｂのセパレータ厚さ方向の倒れを抑えることができる。
本発明は上述した実施形態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、種々の改変が可能である。
荷重受け部材８２ａ、８２ｂは、第１セパレータ３６ではなく第２セパレータ３８の第２支持部８６ａ、８６ｂに設けられてもよい。また、荷重受け部材８２ａ、８２ｂは、第１セパレータ３６の第１支持部８４ａ、８４ｂに加えて第２セパレータ３８の第２支持部８６ａ、８６ｂに設けられてもよい。荷重受け部材８２ａ、８２ｂは、第１セパレータ３６の外周部（第１支持部８４ａ、８４ｂ）と第２セパレータ３８の外周部（第２支持部８６ａ、８６ｂ）との間に位置してもよい。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、セパレータ（３６）と、前記セパレータから外方に突出するように配置された荷重受け部材（８２ａ、８２ｂ）と、前記セパレータの外周部と前記荷重受け部材とを互いに接合する接合部（９６ａ、９６ｂ）と、を備えた燃料電池用セパレータ部材（１１）であって、前記セパレータの外周部のうち前記接合部に隣接する部分には、前記荷重受け部材の突出方向に沿って延在した補強リブ（１１３）が設けられている、燃料電池用セパレータ部材を開示している。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記補強リブは、前記セパレータの外周部からセパレータ厚さ方向に一体的に突出成形されてもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記セパレータの外周部には、前記セパレータ厚さ方向と前記荷重受け部材の突出方向とに直交する方向である前記荷重受け部材の幅方向に沿って延在した幅方向リブ（１１２）が設けられ、前記補強リブは、前記幅方向リブから延出してもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記補強リブは、前記幅方向リブから前記接合部に向かって延出した第１延出リブ（１１４）と、前記幅方向リブから前記第１延出リブの延出方向とは反対方向に延出した第２延出リブ（１１６）と、を有してもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記第１延出リブ及び前記第２延出リブのそれぞれは、前記荷重受け部材の前記幅方向に複数設けられてもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記補強リブの突出高さ（Ｈ２、Ｈ３）は、前記幅方向リブの突出高さ（Ｈ１）よりも低くてもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記荷重受け部材の前記突出方向に沿った前記補強リブの長さ（Ｌ２、Ｌ３）は、前記荷重受け部材の前記幅方向に沿った前記幅方向リブの長さ（Ｌ１）よりも短くてもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記荷重受け部材の前記幅方向に沿った前記補強リブの幅（Ｗ２、Ｗ３）は、前記荷重受け部材の前記突出方向に沿った前記幅方向リブの幅（Ｗ１）よりも狭くてもよい。
上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記荷重受け部材には、前記補強リブが配置される切欠部（１３０）が形成されてもよい。
上記実施形態は、電解質膜（５２）の両側に電極（５４、５６）が配設されてなる電解質膜・電極構造体（４８）と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一組のセパレータ（３６、３８）と、を備えた燃料電池（１２）であって、前記一組のセパレータのうちの少なくとも一方は、上述した燃料電池用セパレータ部材を形成する、燃料電池を開示している。
１０…燃料電池スタック １１…燃料電池用セパレータ部材
１２…発電セル（燃料電池） ３６…第１セパレータ
３８…第２セパレータ ４８…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
５２…電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ８２ａ、８２ｂ…荷重受け部材
９６ａ、９６ｂ…接合部
１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂ…リブ構造
１１２…幅方向リブ １１３…補強リブ
１１４…第１延出リブ １１６…第２延出リブ
１２…発電セル（燃料電池） ３６…第１セパレータ
３８…第２セパレータ ４８…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
５２…電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ８２ａ、８２ｂ…荷重受け部材
９６ａ、９６ｂ…接合部
１１０ａ、１１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂ…リブ構造
１１２…幅方向リブ １１３…補強リブ
１１４…第１延出リブ １１６…第２延出リブ
Claims (9)
- セパレータと、前記セパレータから外方に突出するように配置された荷重受け部材と、前記セパレータの外周部と前記荷重受け部材とを互いに接合する接合部と、を備えた燃料電池用セパレータ部材であって、
前記セパレータの外周部のうち前記接合部に隣接する部分には、前記荷重受け部材の突出方向に沿って延在した補強リブが設けられ、
前記セパレータの外周部には、セパレータ厚さ方向と前記突出方向とに直交する方向である前記荷重受け部材の幅方向に沿って延在した幅方向リブが設けられ、
前記補強リブの突出高さは、前記幅方向リブの突出高さよりも低い、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項１記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記補強リブは、前記セパレータの外周部から前記セパレータ厚さ方向に一体的に突出成形されている、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項２記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記補強リブは、前記幅方向リブから延出している、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項３記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記補強リブは、
前記幅方向リブから前記接合部に向かって延出した第１延出リブと、
前記幅方向リブから前記第１延出リブの延出方向とは反対方向に延出した第２延出リブと、を有する、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項４記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記第１延出リブ及び前記第２延出リブのそれぞれは、前記荷重受け部材の前記幅方向に複数設けられている、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項３～５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記荷重受け部材の前記突出方向に沿った前記補強リブの長さは、前記荷重受け部材の前記幅方向に沿った前記幅方向リブの長さよりも短い、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項３～６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記荷重受け部材の前記幅方向に沿った前記補強リブの幅は、前記荷重受け部材の前記突出方向に沿った前記幅方向リブの幅よりも狭い、燃料電池用セパレータ部材。 - 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
前記荷重受け部材には、前記補強リブが配置される切欠部が形成されている、燃料電池用セパレータ部材。 - 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、
前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一組のセパレータと、を備えた燃料電池であって、
前記一組のセパレータのうちの少なくとも一方は、請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材を形成する、燃料電池。
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