JPWO2011013313A1 - 高分子型燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

表面および裏面を有し、かつ中央部に波形に成形された波板部と、外周部に前記波板部を囲む平板部を有する第１セパレータおよび第２セパレータを有し、前記表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、前記裏面の波板部は、冷媒流路を構成する、燃料電池用セパレータ対であって、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、それぞれの前記裏面が対向し、かつ前記第１セパレータの平板部と、前記第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされ、前記第２セパレータの平板部は、前記第１セパレータの平板部から外側にはみ出しており、前記第１セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ａと、前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ｂと、前記第２セパレータの前記裏面の平板部のうち、前記第１セパレータの平板部からはみ出した領域に配置された、シール部材Ｃと、を有する燃料電池用セパレータ対。

Description

本発明は、高分子型燃料電池スタックおよび高分子型燃料電池用セパレータ対に関する。
高分子型燃料電池スタック（以下単に「燃料電池スタック」とも称する）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体を有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するガス流路を有する。セパレータはさらに運転中の燃料電池スタックの温度を制御するための冷媒が流れる冷媒流路を有する。各単セルは、セパレータを介して電気的に接続される。
また、燃料電池スタックでは、セル間のシールを確実にし、かつセル間の接触抵抗を下げるために、セルの積層方向に圧力（以下「締結圧」とも称する）が加えられる。
近年、金属板をプレス加工で波形に成形することで、セパレータを製造する方法が提案されている。金属板をプレス加工することで製造されたセパレータは、金属セパレータと称される。
上述のようにセパレータは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）や冷媒が流れる流路を有する。燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒は、それぞれ独立した流路に流通させる必要があるため、燃料電池スタックは、各流路間を密閉するシール部材を有する（例えば特許文献１〜特許文献８参照）。
特許文献１〜７では、ＭＥＡとセパレータとの間および隣接するセパレータ間にシール部材を積層することで、反応ガスおよび冷媒をシールしている。しかし、特許文献１〜７に開示された燃料電池スタックでは、セパレータの相互位置がずれたり、シール部材の配置位置がずれたりするなどのデメリットがあった。
このような問題を解決するための技術が図１に示される（例えば特許文献８参照）。図１は、特許文献８に開示された金属セパレータ対の端部の断面図である。図１では、燃料電池スタックにおいて隣り合う２つの金属セパレータ（第１金属セパレータ１および第２金属セパレータ２）とシール部材１０とが一体化されている。第１金属セパレータ１は、波板部５と平板部６を有し；第２金属セパレータ２は、波板部７および平板部８を有する。平板部６と平板部８とは接触しておらず、両者の間にはシール部材が配置されている。
このように、金属セパレータとシール部材とを一体化することで、シール部材の配置位置がずれることを防止することができ、シールの信頼性が向上する。また、金属セパレータとシール部材とを一体化することで、金属セパレータ同士の相互位置も固定されるので、より簡便に燃料電池スタックを組み立てることができる。
しかし、特許文献８に示されたような平板部６と平板部８との間にシール部材が配置されたようなシール部材一体型セパレータ対では、図２に示されるように、シール部材１０に、矢印方向の締結圧が加えられると金属セパレータ１および２の端部が歪み、金属セパレータ１および２が変形することがあった。金属セパレータが変形すると、シールの信頼性が低下したり、セル間の接触抵抗が上昇したりする。このため、特許文献８に開示されたようなセパレータ対を有する燃料電池スタックでは、反応ガスや冷媒が外部に漏れ出したり、出力が低下したりすることがあった。
このような問題を解決するために、隣り合う燃料電池スタックにおいて金属セパレータの平板部同士を互いに接触するように重ね合わせることも考えられる（例えば特許文献９参照）。
図３は、特許文献９に開示された燃料電池スタックの断面の一部拡大図である。図３に示されるように特許文献９に開示された燃料電池スタックでは隣り合う２つの金属セパレータ３０の平板部同士が接触しており、両者の間にはシール部材が配置されない。このように、隣り合う２つの金属セパレータの平板部同士を接触させることで、セル積層体の積層方向に圧力（締結圧）が加えられた場合であっても、セパレータがゆがむことが防止される。
また、図３に示された燃料電池スタックでは、隣接するセパレータ３０同士は接着剤２８で接着され、セパレータ３０とＭＥＡとも接着剤２８で接着されている。
特許第３８６８８１０号明細書 特開２００４−３１９２７９号公報 特開２００６−２１６２９４号公報 特開２００５−２４３２８６号公報 米国特許出願公開第２００６／００２４５６１号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８８７５２号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１８７８１２号明細書 特開２００７ー１７２９９２号公報 特開２００１−１５１３２号公報
しかしながら、図３に示されるように隣接する金属セパレータの平板部同士を接触させ、両者の間にシール部材を配置しない場合、隣接する金属セパレータの間を流れる冷媒が漏れ出すことがあった。金属セパレータの平板部を完全に平坦にすることは技術的に困難であり、接触した平板部の間に、微細な隙間が生じることは避けられないからである。このように、金属セパレータを有する燃料電池スタックでは、流体（反応ガスおよび冷媒）を確実にシールすることが、困難であった。
本発明の目的は、シールの信頼性が低下しないシール部材一体型燃料電池用セパレータ対を提供することである。
本発明の第１は、以下に示す燃料電池用セパレータ対に関する。
［１］表面および裏面を有し、かつ中央部に波形に成形された波板部と、外周部に前記波板部を囲む平板部とを有する第１セパレータおよび第２セパレータを有し、前記表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、前記裏面の波板部は、冷媒流路を構成する、燃料電池用セパレータ対であって、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、それぞれの前記裏面が対向し、かつ前記第１セパレータの平板部と、前記第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされ、前記第２セパレータの平板部は、前記第１セパレータの平板部から外側にはみ出しており、前記第１セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ａと、前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ｂと、前記第２セパレータの前記裏面の平板部のうち、前記第１セパレータの平板部からはみ出した領域に配置された、シール部材Ｃと、を有する燃料電池用セパレータ対。
［２］前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、かつ前記シール部材Ｂよりも外側に配置されたシール部材Ｄをさらに有し、前記シール部材Ａの配置位置と、前記シール部材Ｂの配置位置とは重なり、前記シール部材Ｃの配置位置と、前記シール部材Ｄの配置位置とは重なる、［１］に記載の燃料電池用セパレータ対。
［３］前記第１セパレータは、空気極セパレータであり、前記第２セパレータは、燃料極セパレータである、［２］に記載の燃料電池用セパレータ対。
［４］前記第２セパレータの縁を覆う、保護部材をさらに有し、前記シール部材Ａ、前記シール部材Ｂ、前記シール部材Ｃ、前記シール部材Ｄおよび前記保護部材は、一体成形されている、［２］または［３］に記載の燃料電池用セパレータ対。
［５］前記一体成形されたシール部材は開口部を有し、前記開口部からは、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータの平板部の一部が露出している、［４］に記載の燃料電池用セパレータ対。
［６］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有する、［４］または［５］に記載の燃料電池用セパレータ対。
［７］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有する、［４］または［５］に記載の燃料電池用セパレータ対。
本発明の第２は以下に示す燃料電池スタックに関する。
［８］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、［１］〜［７］のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ対と、が積層された、燃料電池スタック。
［９］前記膜電極接合体は、前記高分子電解質膜および前記触媒電極の外周を囲む枠体をさらに有する、［８］に記載の燃料電池スタック。
本発明の燃料電池用セパレータ対によれば、セパレータの流路を流れる流体を確実にシールすることができる。このため本発明の燃料電池用セパレータ対を用いれば、反応ガスおよび冷媒が外部に漏れ出さない、燃料電池スタックを提供することができる。
従来のシール部材一体型燃料電池用セパレータ対の断面図 シール部材に圧力を加えたときの従来のシール部材一体型燃料電池用セパレータ対の断面図 従来の燃料電池スタックの断面の一部拡大図 実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックに含まれる単セルの分解斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 切削形成されたセパレータを有する実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 燃料電池スタック内を流れる反応ガスおよび冷媒の流れを示す図 実施の形態２の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の断面図 シール部材が面接触する燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の平面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の製造工程を示す図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の斜視図 実施の形態４の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態５の燃料電池用セパレータ対の断面図
１．本発明の燃料電池スタックについて
本発明の燃料電池スタックは、セル積層体を有する。セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、本発明の燃料電池スタックは、さらに、集電板やセル積層体を挟むエンドプレートを有していてもよい（図４参照）。
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子と、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂とを含む。
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
ＭＥＡは、さらに枠体を有していてもよい。枠体は、高分子電解質膜および触媒電極の外周を囲み、高分子電解質膜および触媒電極を保持するための部材である。枠体は、触媒電極がセパレータと接することができるように高分子電解質膜および触媒電極を収容する。
枠体は、耐熱性および耐酸性を有することが好ましく、通常は樹脂からなる。このような枠体の材料の例には、ポリプロピレンやポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレングリコールなどが含まれる。
枠体は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を給排気するための反応ガスマニホールド穴および冷媒を給排気するための冷媒マニホールド穴を有する。
枠体は、１）枠体の形状のキャビティが成形された金型を準備し、２）金型のキャビティ内に、上述したような枠体の材料を充填し、冷却し、固体化させることによって成形されてもよい。
セパレータは、ＭＥＡに反応ガスを供給するための流路と、燃料電池を冷却するための冷媒を供給するための流路とを有する導電性の部材である。
本発明では、セパレータは、導電性の板に流路を切削加工することで製造されたセパレータであってもよいし、導電性の板に流路をプレス加工することによって製造されたセパレータ（以下、単に「波形セパレータ」とも称する）であってもよい。本発明では、セパレータは、波形セパレータであることが好ましい。波形セパレータは、中央部に波形に成形された波板部を有し、中央部を囲む外周部に平板部を有する（図５参照）。波板部は波型の断面を有し、かつ波板部を構成する導電性板の厚さは一定である。一方で、平板部を構成する導電性板は平坦である。
波形セパレータは、金属板をプレス加工することによって製造されてもよいし、カーボンシートをプレス加工することによって製造されてもよい。金属板をプレス加工することによって製造された波形セパレータを、金属セパレータとも称する。
セパレータは、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を給排気するための反応ガスマニホールド穴および冷媒を給排気するための冷媒マニホールド穴を有する。
また、セパレータは、表面および裏面を有する。ここで、「セパレータの表面」とは、セパレータの面のうち、ＭＥＡ側の面を意味し、「セパレータの裏面」とは、セパレータの表面の反対側の面を意味する。
波板セパレータの場合、表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、裏面の波板部は、冷媒流路を構成する。
上述のように燃料電池スタックでは、このような単セルが積層されることから、単セル同士が隣接する。単セル同士が隣接すると、単セルが有する金属セパレータ同士も隣接する。本発明は、このように隣接した２つの金属セパレータ（以下単に「セパレータ対」とも称する）の構造に特徴を有する。本発明のセパレータ対の構造については、以下の「２．燃料電池用セパレータ対について」で詳細に説明する。
２．本発明の燃料電池用セパレータ対について
上述のように本発明のセパレータ対は、燃料電池スタックにおいて隣接する二つのセパレータ（第１セパレータおよび第２セパレータ）と、シール部材とを有する。
本発明のセパレータ対では、第１セパレータおよび第２セパレータは、それぞれの裏面（冷媒流路が形成された面）が対向するように重ね合わされている。第１セパレータおよび第２セパレータを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に冷媒流路が形成される。また、本発明のセパレータ対では、第１セパレータの平板部と、第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされていることを特徴とする（図６Ｂ参照）。ただし、第１パレータの平板部と、第２セパレータの平板部とは接着されていない。また、第１セパレータの波板部のリブと、第２金パレータの波板部のリブとは、接触していることが好ましいが、第１セパレータの波板部のリブと、第２セパレータの波板部のリブとは、平板部と同様に接着はされていない。
従来のセパレータ対では、第１セパレータおよび第２セパレータの平板部同士が接触しておらず、両者の間は、シール部材によって埋められていた（図２参照）。このためセル積層体の積層方向に圧力（以下「締結圧」とも称する）が加えられた場合、セパレータの端部が歪むことがあった（図２参照）。一方、本発明のように、セパレータの平板部同士が接触していると、燃料電池スタックに締結圧が加えられたとしても、セパレータが変形することがない。
また、本発明では第１セパレータと第２セパレータとが接着されていないので、燃料電池スタックを分解することが容易になる。このため、本発明の燃料電池スタックでは、スタックから古くなったセパレータを交換したり、セパレータをリサイクルすることが容易になる。
また本発明は、第２セパレータの平板部が第１セパレータの平板部よりも外側に、はみ出していることを特徴とする（図６Ｂ参照）。第２セパレータの平板部のうち、第１セパレータの平板部からはみ出した領域を以下「突出領域」とも称する。
上述のように本発明のセパレータ対は、シール部材を有する。シール部材には、少なくともシール部材Ａ、シール部材Ｂおよびシール部材Ｃが含まれる。シール部材の材料は、弾性を有するものであれば特に限定されず、熱硬化性材料であっても、熱可塑性材料であってもよい。熱硬化性材料の例には、シリコーンやＥＰＤＭなどが含まれる。熱可塑性材料の例には、エラストマーなどが含まれる。各シール部材は、セパレータの平板部に固定されている。各シール部材は、締結圧によってＭＥＡに押し当てられることで、ＭＥＡとセパレータとの間の空間を密閉する（図８Ａ参照）。
シール部材Ａは、第１セパレータの表面の平板部に配置され、第１セパレータの反応ガス流路に流れる反応ガス（以下単に「第１反応ガス」とも称する）をシールする（図８Ａ参照）。シール部材Ｂは、第２セパレータの表面の平板部に配置され、第２セパレータの反応ガス流路に流れる反応ガス（以下単に「第２反応ガス」とも称する）をシールする（図８Ａ参照）。
シール部材Ｃは、第１セパレータの縁よりも燃料電池スタックの外周側に配置され、第１セパレータおよび第２セパレータの冷媒流路（第１セパレータおよび第２セパレータを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に形成された冷媒流路）に流れる冷媒をシールする（図８Ａ参照）。
また、シール部材Ｃは、第２セパレータの裏面の突出領域に配置される。このように、突出領域にシール部材Ｃを配置することで、シール部材Ｃを強固に支持することが可能となり、セル積層体の積層方向に圧力を加えたときに、シール部材Ｃがゆがむことを防止することができる（図８Ｃ参照）。
本発明のセパレータ対は、さらにシール部材Ｄを有することが好ましい（実施の形態２参照）。また、本発明のセパレータ対では、全てのシール部材が一体的に成形されることが、特に好ましい（実施の形態３参照）。
全てのシール部材が一体的に成形される場合であっても、各シール部材は、ＭＥＡに線接触することが好ましい（図１０参照）。一方、一体成形されたシール部材がＭＥＡに面接触すると、シール部材に加わる締結圧が分散してしまい、流体のシール性が低下する恐れがある（図１１参照）。
このように本発明では、第１セパレータの平板部と、第２セパレータの平板部とを重ね合わせ、かつ第２セパレータの裏面の突出領域にシール部材Ｃを配置することで、セパレータ対を流れる流体（反応ガスおよび冷媒）を確実にシールすることができる。流体を確実にシールするメカニズムについては、実施の形態１において詳細に説明する。
また、本発明では、シール部材に加わる締結圧を利用することで、流体をシールしているので、仮にシール部材が劣化しても、締結圧が弱まらない限りは、流体のシール性が悪化することはない。一方、図３に示された従来の燃料電池スタックのように接着剤２８の接着力で流体をシールしている場合、接着剤２８が劣化すると、流体のシール性が低下してしまう。
以下図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
図４は本発明の実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図を示す。図４に示されるように実施の形態１の燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セル１２０を有する。単セルの積層体（セル積層体）は、エンドプレート１０７に挟まれ、締結ボルト１０９およびナット１１１によって固定されている。
また、燃料電池スタック１００は、一方のエンドプレート１０７に第１反応ガス供給口１０１、冷媒供給口１０２、第２反応ガス供給口１０３、第１反応ガス排出口１０４、冷媒排出口１０５および第２反応ガス排出口１０６を有する。第１反応ガス供給口１０１は、第１反応ガス供給マニホールドに連結し；冷媒供給口１０２は、冷媒供給マニホールドに連結し；第２反応ガス供給口１０３は、第２反応ガス供給マニホールドに連結する。また、第１反応ガス排出口１０４は、第１反応ガス排出マニホールドに連結し；冷媒排出口１０５は、冷媒排出マニホールドに連結し；第２反応ガス排出口１０６は、第２反応ガス排出マニホールドに連結する。
図５は、実施の形態１の燃料電池スタック１００に含まれる単セル１２０の分解斜視図である。図５に示されるように、単セル１２０は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１２１と、ＭＥＡ１２１を挟む一対の金属セパレータ１３０からなる。図５に示されるように、ＭＥＡ１２１は、高分子電解質膜および触媒電極の外周を囲み、高分子電解質膜および触媒電極を保持するための枠体１２３を有する。
金属セパレータ１３０は、その中央部に波形に成形された波板部１３１を有し、その外周部に波板部を囲む平板部１３３を有する。また、金属セパレータ１３０は、表面（ＭＥＡ１２１に接する面）に反応ガス流路１３５を有し、裏面に冷媒が流れる冷媒流路１３７を有する。
図６Ａは、図４に示された燃料電池スタック１００の一点鎖線αによる断面図である。図６Ｂは、図６Ａの燃料電池スタック１００の四角Ｘで囲まれた領域の拡大図である。図６Ｂに示されるように、燃料電池スタック１００では、隣り合う金属セパレータ１３０同士がセパレータ対１４０を構成する。以下図６Ｂを参照しながら本実施の形態のセパレータ対１４０について説明する。
セパレータ対１４０は、第１金属セパレータ１３０ａ、第２金属セパレータ１３０ｂ、シール部材Ａ、シール部材Ｂおよびシール部材Ｃを有する。
第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂは、それぞれの裏面（冷媒流路が形成された面）が対向するように重ね合わされている。第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に冷媒流路１３７が形成される。また、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａと、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂとは、接触している。
また、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａよりも外側にはみ出している。第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂが、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａよりも外側にはみ出すことで、突出領域１４１が形成される。
シール部材Ａは、第１金属セパレータ１３０ａの表面の平板部１３３ａに配置され、第１反応ガスをシールする。シール部材Ｂは、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部１３３ｂに配置され、第２反応ガスをシールする。
シール部材Ｃは、第２金属セパレータ１３０ｂの裏面の突出領域１４１に配置され、冷媒流路１３７に流れる冷媒をシールする。本実施の形態では、シール部材Ｃに加えられた圧力によって、突出領域１４１が変形することを防止するため、シール部材Ｃの裏側に対応する位置の枠体１２３に突起１２５が形成されている。
図６Ａおよび図６Ｂでは、シール部材Ｂが、シール部材Ａの配置位置と重なるように配置されたが、シール部材Ｂは、図６Ｃに示されるように、シール部材Ｃの配置位置と重なるように配置されてもよい。この場合、シール部材Ａに加えられた圧力によって、平板部１３３ａおよび１３３ｂが変形することを防止するため、シール部材Ａの裏側に対応する位置の枠体１２３に突起１２５が形成されている。
また、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃでは、セパレータが金属セパレータ（波形セパレータ）である形態について説明したが、セパレータは、図７に示されるように、カーボンなどからなる導電性板を切削加工することで製造されたセパレータ１３０であってもよい。
次にそれぞれのシール部材（Ａ、ＢおよびＣ）の機能について図８Ａを参照しながら説明する。図８Ａは図６Ｂに示されるセパレータ対１４０の拡大図である。図８Ａに示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの反応ガス流路１３５ａを流れる第１反応ガス１３６ａは、シール部材Ａによってシールされる。また、第２金属セパレータ１３０ｂの反応ガス流路１３５ｂを流れる第２反応ガス１３６ｂは、シール部材Ｂによってシールされる。
冷媒流路１３７を流れる冷媒１３９は、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの間から外側に漏れ出すことがある。金属セパレータ１３０の平板部１３３を完全に平坦にすることは技術的に困難であり、平板部１３３ａと平板部１３３ｂとの間に、微細な隙間が生じることは避けられないからである。
しかし、本実施の形態では、第２金属セパレータの裏面の突出領域１４１にシール部材Ｃが配置されているので、冷媒１３９がシール部材Ｃによってシールされることから、燃料電池スタックの外部に漏れ出すことはない。
また、シール部材Ａとシール部材Ｃとの間の空間Ｈに漏れ出した冷媒は空間Ｈに滞留するが、空間Ｈは閉空間となっているため、燃料電池への性能に影響を及ぼすことはない。
このように、実施の形態１の燃料電池セパレータ対では、第１金属セパレータおよび第２金属セパレータの平板部同士が接触していることから、燃料電池スタックに締結圧が加えられた場合であっても、セパレータが変形することがない。また、第２金属セパレータの一部を突出領域とし、裏面の突出領域に冷媒をシールするシール部材Ｃを配置することで、冷媒の漏れを防止することができる。
一方、図８Ｂに示されるように、セパレータ対１４０がシール部材Ｃを有さなかった場合、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの間から漏れ出した冷媒１３９が燃料電池スタック１００の外部に漏れ出してしまう。
また、図８Ｃに示されるように、シール部材Ｃをセパレータ上に配置しなくても、冷媒の漏れを防止するという効果を発揮できるとも考えられる。しかし、シール部材Ｃをセパレータ上に配置しないと、締結圧によってシール部材Ｃの位置がずれたり、ゆがんだりする。このため、シール部材Ｃは、第２金属セパレータの突出領域上に配置されることが好ましい。
［実施の形態２］
実施の形態２では、セパレータ対がシール部材Ｄをさらに有する形態について説明する。
図９は、実施の形態２のセパレータ対２４０の断面図である。実施の形態１のセパレータ対１４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。図９に示されるように、実施の形態２のセパレータ対２４０は、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部１３３ｂに配置されたシール部材Ｄを有する。また、シール部材Ｄは、シール部材Ｂよりも外側（燃料電池スタックの外周側）に配置される。図９では、シール部材Ｄは、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の突出領域１４１に配置される。
また本実施の形態では、シール部材Ａの配置位置とシール部材Ｂの配置位置とが重なり、シール部材Ｃの配置位置とシール部材Ｄの配置位置とが重なる。
このように、本実施の形態では、シール部材Ｄをさらに設けることで、第２反応ガスをシール部材Ｂとシール部材Ｄとで２重にシールすることができる。これにより、第２反応ガスのシールの信頼性をより高めることができる。燃料ガスと酸化ガスとでは、燃料ガスに含まれる水素の方が、酸化ガスに含まれる酸素よりも分子量が小さいことから、漏れ出しやすい。また、水素ガスは、反応性が高いことから、水素ガスの漏れ出しの制御がより重要になる。従って、本実施の形態では、２重にシールされる第２反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。このように本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、漏れ出しの制御がより重要になる反応ガスを２重にシールすることで、シールの信頼性をより高めることができる。
［実施の形態３］
実施の形態１および２では、それぞれのシール部材が独立している形態について説明した。実施の形態３では、それぞれのシール部材が一体成形された形態について説明する。
図１０は、実施の形態３のセパレータ対３４０の断面図である。実施の形態３のセパレータ対３４０は、それぞれシール部材が一体成形されている以外は、実施の形態２のセパレータ対２４０と同じである。実施の形態１のセパレータ対２４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１０に示されるように、実施の形態３のセパレータ対３４０は、第２金属セパレータ１３０ｂの縁を覆う保護部材１４５を有する。通常金属セパレータの表面および裏面は、表面処理が施されていることから劣化しにくいが、金属セパレータの縁は、必ずしも表面処理が施されていないため、錆などによって劣化する場合がある。本実施の形態のように、第２金属セパレータの縁を覆う保護部材１４５を設けることで、第２金属セパレータ１３０ｂの縁が劣化することを防止することができる。
また、本実施の形態では、シール部材Ａ、シール部材Ｂ、シール部材Ｃ、シール部材Ｄおよび保護部材１４５が、同一の材料で一体成形されている。このように、シール部材および保護部材を一体成形することで、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとを重ね合わせた状態で固定することができる。これにより第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの相対位置を固定することができ、燃料電池スタックの組み立て精度が向上する。また、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとを固定すると、セパレータ対３４０を一部材として扱うことができるので、セパレータ対３４０のハンドリング性が向上する。
また、本実施の形態のように、各シール部材が一体成形される場合であっても、各シール部材はＭＥＡに線接触することが好ましい。このため、シール部材Ａおよびシール部材Ｃを接続する領域Ｅおよび、シール部材Ｂとシール部材Ｄとを接続する領域Ｆは、ＭＥＡ１２１に接触しないことが好ましい。
一方で、図１１に示されるように、一体成形されたシール部材がＭＥＡに面接触する場合、シール部材に加わる締結圧が分散し、流体のシール性が低下する。
次に、図１２および図１３Ａ〜Ｂを参照しながら本実施の形態のセパレータ対３４０のマニホールド穴付近の構造について説明する。
図１２は、実施の形態３のセパレータ対３４０の第１金属セパレータ側からの平面図である。図１２に示されるようにセパレータ対３４０は、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１、冷媒供給マニホールド穴１６２、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３、第１反応ガス排出マニホールド穴１６４、冷媒排出マニホールド穴１６５および第２反応ガス排出マニホールド穴１６６を有する。セパレータ対３４０の外周を囲む太線Ｘは、一体化されたシール部材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示す。また、セパレータ対３４０はそれぞれのマニホールド穴の外周にシール部材Ｚを有する。
図１３Ａは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線αによる断面図である。図１３Ａでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ａに示されるように、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１付近のセパレータ対３４０の断面は、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１と第１反応ガス流路１３５ａとの間のガスの連通を可能にする、第１反応ガス連通部３１０を有する。
図１３Ａに示されるように、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１を流れる第１反応ガス１３６ａは、第１反応ガス連通部３１０を通って、第１反応ガス流路１３５ａに流入する。第１反応ガス連通部３１０は、シール部材Ｚによって連通部３１０が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。支持体は、枠体１２３に上に形成された突起であってもよく、第１金属セパレータ１３０ａに形成された突起であってもよく、枠体１２３と第１金属セパレータ１３０ａとの間に配置されたスペーサであってもよい。
図１３Ｂは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線βによる断面図である。図１３Ｂでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ｂに示されるように、冷媒供給マニホールド穴１６２付近のセパレータ対３４０の断面は、冷媒供給マニホールド穴１６２と冷媒流路１３７との間の冷媒の連通を可能にする、冷媒連通部３１１を有する。
図１３Ｂに示されるように、冷媒供給マニホールド穴１６２を流れる冷媒１３９は、冷媒連通部３１１を通って、冷媒流路１３７に流入する。冷媒連通部３１１は、第１反応ガス連通部３１０と同様に、シール部材Ｚによって冷媒連通部３１１が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。この場合支持体は、第１金属セパレータ１３０ａまたは第２金属セパレータ１３０ｂに形成された突起であるか、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータとの間に配置されたスペーサである。
図１３Ｃは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線γによる断面図である。図１３Ｃでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ｃに示されるように、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３付近のセパレータ対３４０の断面は、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３と第２反応ガス流路１３５ｂとの間のガスの連通を可能にする、第２反応ガス連通部３１２を有する。
図１３Ｃに示されるように、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３を流れる第２反応ガス１３６ｂは、第２反応ガス連通部３１２を通って、第２反応ガス流路１３５ｂに流入する。第２反応ガス連通部３１２は、第１反応ガス連通部３１０と同様に、シール部材Ｚによって第２反応ガス連通部３１２が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。
次に、インサート射出成形を利用した本実施の形態のセパレータ対３４０の製造方法について説明する。本実施の形態のセパレータ対３４０の製造方法は、
１）第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを重ね合わせる第１ステップと、
２）重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂをシール部材および保護部材１４５の形状のキャビティが成形された金型に挿入する第２ステップと、
３）キャビティ内にシール部材および保護部材１４５の材料を射出する第３ステップと、を有する。
以下、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照し、それぞれのステップについて説明する。
図１４Ａは、第１ステップを示す。図１４Ａに示されるように、第１ステップでは、第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを準備し、それぞれの裏面が対向するように重ね合わせる。
図１４Ｂは第２ステップを示す。図１４Ｂに示されるように、第２ステップでは、重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂをシール部材および保護部材１４５の形状のキャビティが成形された金型１５０に挿入する。
また、図１４Ｂに示されるように第２ステップでは、固定部材１５１で、キャビティ内の第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３を固定することが好ましい。このように、重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３を固定することで、キャビティ内にシール部材の材料（樹脂）を射出したときに、第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの相互位置がずれたり、金属セパレータが変形したりすることを防止することができる。
図１４Ｃは、第３ステップを示す。図１４Ｃに示されるように、第３ステップでは、キャビティ内にシール部材および保護部材１４５の材料１５３を射出して、シール部材Ａ、Ｂ、ＣおよびＤならびに保護部材１４５を一体成形する。
図１５は、このように製造されたセパレータ対３４０の斜視図を示す。図１５に示されるように、一体成形されたシール部材は、固定部材が配置されていた箇所に開口部１４７を有する。開口部１４７からは、第１金属セパレータ１３０ａまたは第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部の一部が露出している。
このように、本実施の形態によれば、実施の形態２の効果に加えて、第１金属セパレータと第２金属セパレータとの相対位置を固定することができることから、燃料電池スタックの組み立て精度が向上する。また、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを固定すると、セパレータ対を一部材として扱うことができるので、セパレータ対のハンドリング性が向上する。さらに、シール部と保護部材とを一体成形することから、１ステップで保護部材と全てのシール部材と形成することができる。
［実施の形態４］
実施の形態４では、金属セパレータが穴を有する形態について説明する。
図１６は、実施の形態４のセパレータ対４４０の断面図である。実施の形態４のセパレータ対４４０は、金属セパレータが穴を有する以外は、実施の形態３のセパレータ対３４０と同じである。実施の形態３のセパレータ対３４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１６に示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａは、一体成形されたシール部材によって封止された穴１３４ａを有する。また、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、一体成形されたシール部材によって封止された穴１３４ｂを有する。
このように、金属セパレータの平板部が一体成形されたシール部材によって封止された穴を有することで、一体成形されたシール部材と金属セパレータとの固定がより確実になる。
［実施の形態５］
実施の形態５では、金属セパレータが突起を有する形態について説明する。
図１７は、実施の形態５のセパレータ対５４０の断面図である。実施の形態５のセパレータ対５４０は、金属セパレータが突起を有する以外は、実施の形態３のセパレータ対３４０と同じである。実施の形態３のセパレータ対３４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１７に示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａは、一体成形されたシール部材によって封止された突起１３８ａを有する。また、第１金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、一体成形されたシール部材によって封止された突起１３８ｂを有する。
このように、金属セパレータの平板部が一体成形されたシール部材によって封止された突起を有することで、一体成形されたシール部材と金属セパレータとの固定がより確実になる。
本出願は、２００９年７月２７日出願の特願２００９−１７４５０８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明のシール部材一体型セパレータ対は、シールの信頼性が高いことから、セパレータ流路を流れるガスや冷媒の流れを規制し、互いの混合を確実に防止する。また、本発明の燃料電池スタックは、例えばポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムに使用される。
１００ 燃料電池スタック
１０１ 第１反応ガス供給口
１０２ 冷媒供給口
１０３ 第２反応ガス供給口
１０４ 第１反応ガス排出口
１０５ 冷媒排出口
１０６ 第２反応ガス排出口
１０７ エンドプレート
１０９ 締結ボルト
１１１ ナット
１２０ 単セル
１２１ ＭＥＡ
１２３ 枠体
１２５ 突起
１３０ 金属セパレータ
１３１ 波板部
１３３ 平板部
１３４ 金属セパレータに形成された穴
１３５ 反応ガス流路
１３６ 反応ガス
１３７ 冷媒流路
１３８ 金属セパレータに形成された突起
１３９ 冷媒
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ 燃料電池セパレータ対
１４１ 突出領域
１４５ 保護部材
１４７ 開口部
１５０ 金型
１５１ 固定部材
１５３ シール部材および保護部材の材料
１６１ 第１反応ガス供給マニホールド穴
１６２ 冷媒供給マニホールド穴
１６３ 第２反応ガス供給マニホールド穴
１６４ 第１反応ガス排出マニホールド穴
１６５ 冷媒排出マニホールド穴
１６６ 第２反応ガス排出マニホールド穴
３１０ 第１反応ガス連通部
３１１ 冷媒連通部
３１２ 第２反応ガス連通部
本発明は、高分子型燃料電池スタックおよび高分子型燃料電池用セパレータ対に関する。
高分子型燃料電池スタック（以下単に「燃料電池スタック」とも称する）は、複数の単セルを積層して直列に接続したセル積層体を有する。各単セルは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」ともいう）と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータとから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両側に配置された一対の触媒電極（燃料極および空気極）とを有する。セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するガス流路を有する。セパレータはさらに運転中の燃料電池スタックの温度を制御するための冷媒が流れる冷媒流路を有する。各単セルは、セパレータを介して電気的に接続される。
また、燃料電池スタックでは、セル間のシールを確実にし、かつセル間の接触抵抗を下げるために、セルの積層方向に圧力（以下「締結圧」とも称する）が加えられる。
近年、金属板をプレス加工で波形に成形することで、セパレータを製造する方法が提案されている。金属板をプレス加工することで製造されたセパレータは、金属セパレータと称される。
上述のようにセパレータは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）や冷媒が流れる流路を有する。燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒は、それぞれ独立した流路に流通させる必要があるため、燃料電池スタックは、各流路間を密閉するシール部材を有する（例えば特許文献１〜特許文献８参照）。
特許文献１〜７では、ＭＥＡとセパレータとの間および隣接するセパレータ間にシール部材を積層することで、反応ガスおよび冷媒をシールしている。しかし、特許文献１〜７に開示された燃料電池スタックでは、セパレータの相互位置がずれたり、シール部材の配置位置がずれたりするなどのデメリットがあった。
このような問題を解決するための技術が図１に示される（例えば特許文献８参照）。図１は、特許文献８に開示された金属セパレータ対の端部の断面図である。図１では、燃料電池スタックにおいて隣り合う２つの金属セパレータ（第１金属セパレータ１および第２金属セパレータ２）とシール部材１０とが一体化されている。第１金属セパレータ１は、波板部５と平板部６を有し；第２金属セパレータ２は、波板部７および平板部８を有する。平板部６と平板部８とは接触しておらず、両者の間にはシール部材が配置されている。
このように、金属セパレータとシール部材とを一体化することで、シール部材の配置位置がずれることを防止することができ、シールの信頼性が向上する。また、金属セパレータとシール部材とを一体化することで、金属セパレータ同士の相互位置も固定されるので、より簡便に燃料電池スタックを組み立てることができる。
しかし、特許文献８に示されたような平板部６と平板部８との間にシール部材が配置されたようなシール部材一体型セパレータ対では、図２に示されるように、シール部材１０に、矢印方向の締結圧が加えられると金属セパレータ１および２の端部が歪み、金属セパレータ１および２が変形することがあった。金属セパレータが変形すると、シールの信頼性が低下したり、セル間の接触抵抗が上昇したりする。このため、特許文献８に開示されたようなセパレータ対を有する燃料電池スタックでは、反応ガスや冷媒が外部に漏れ出したり、出力が低下したりすることがあった。
このような問題を解決するために、隣り合う燃料電池スタックにおいて金属セパレータの平板部同士を互いに接触するように重ね合わせることも考えられる（例えば特許文献９参照）。
図３は、特許文献９に開示された燃料電池スタックの断面の一部拡大図である。図３に示されるように特許文献９に開示された燃料電池スタックでは隣り合う２つの金属セパレータ３０の平板部同士が接触しており、両者の間にはシール部材が配置されない。このように、隣り合う２つの金属セパレータの平板部同士を接触させることで、セル積層体の積層方向に圧力（締結圧）が加えられた場合であっても、セパレータがゆがむことが防止される。
また、図３に示された燃料電池スタックでは、隣接するセパレータ３０同士は接着剤２８で接着され、セパレータ３０とＭＥＡとも接着剤２８で接着されている。
特許第３８６８８１０号明細書 特開２００４−３１９２７９号公報 特開２００６−２１６２９４号公報 特開２００５−２４３２８６号公報 米国特許出願公開第２００６／００２４５６１号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８８７５２号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１８７８１２号明細書 特開２００７ー１７２９９２号公報 特開２００１−１５１３２号公報
しかしながら、図３に示されるように隣接する金属セパレータの平板部同士を接触させ、両者の間にシール部材を配置しない場合、隣接する金属セパレータの間を流れる冷媒が漏れ出すことがあった。金属セパレータの平板部を完全に平坦にすることは技術的に困難であり、接触した平板部の間に、微細な隙間が生じることは避けられないからである。このように、金属セパレータを有する燃料電池スタックでは、流体（反応ガスおよび冷媒）を確実にシールすることが、困難であった。
本発明の目的は、シールの信頼性が低下しないシール部材一体型燃料電池用セパレータ対を提供することである。
本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極、ならびに前記高分子電解質膜および前記触媒電極の外周を囲む枠体を有する膜電極接合体と、燃料電池用セパレータ対と、が積層された、燃料電池スタックであって、前記燃料電池用セパレータ対は、表面および裏面を有し、かつ中央部に波形に成形された波板部と、外周部に前記波板部を囲む平板部とを有する第１セパレータおよび第２セパレータを有し、前記表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、前記裏面の波板部は、冷媒流路を構成する、燃料電池用セパレータ対であって、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、それぞれの前記裏面が対向し、かつ前記第１セパレータの平板部と、前記第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされ、前記第２セパレータの平板部は、前記第１セパレータの平板部から外側にはみ出しており、前記第１セパレータの前記表面の平板部に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ａと、前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｂと、前記第２セパレータの前記裏面の平板部のうち、前記第１セパレータの平板部からはみ出した領域に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｃと、を有する燃料電池スタック。
［２］前記シール部材Ｂが、前記シール部材Ａとの配置位置と重なるように配置され、
前記枠体は、前記シール部材Ｃの裏側に対応する位置に、前記第１セパレータの平板部からはみ出した前記第２セパレータの平板部の領域が変形することを防止する突起をさらに有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記シール部材Ｂが、前記シール部材Ｃとの配置位置と重なるように配置され、
前記枠体は、前記シール部材Ａの裏側に対応する位置に、前記第１セパレータの平板部からはみ出した前記第２セパレータの平板部の領域が変形することを防止する突起をさらに有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、かつ前記シール部材Ｂよりも外側に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｄをさらに有し、前記シール部材Ａの配置位置と、前記シール部材Ｂの配置位置とは重なり、前記シール部材Ｃの配置位置と、前記シール部材Ｄの配置位置とは重なる、［１］に記載の燃料電池スタック。
［５］前記第１セパレータは、空気極セパレータであり、前記第２セパレータは、燃料極セパレータである、［４］に記載の燃料電池スタック。
［６］前記第２セパレータの縁を覆う、保護部材をさらに有し、前記シール部材Ａ、前記シール部材Ｂ、前記シール部材Ｃ、前記シール部材Ｄおよび前記保護部材は、一体成形されている、［４］または［５］に記載の燃料電池スタック。
［７］前記一体成形されたシール部材は開口部を有し、前記開口部からは、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータの平板部の一部が露出している、［６］に記載の燃料電池スタック。
［８］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有する、［６］または［７］に記載の燃料電池スタック。
［９］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有する、［６］または［７］に記載の燃料電池スタック。
本発明の燃料電池用セパレータ対によれば、セパレータの流路を流れる流体を確実にシールすることができる。このため本発明の燃料電池用セパレータ対を用いれば、反応ガスおよび冷媒が外部に漏れ出さない、燃料電池スタックを提供することができる。
従来のシール部材一体型燃料電池用セパレータ対の断面図 シール部材に圧力を加えたときの従来のシール部材一体型燃料電池用セパレータ対の断面図 従来の燃料電池スタックの断面の一部拡大図 実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックに含まれる単セルの分解斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 切削形成されたセパレータを有する実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 燃料電池スタック内を流れる反応ガスおよび冷媒の流れを示す図 実施の形態２の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の断面図 シール部材が面接触する燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の平面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の製造工程を示す図 実施の形態３の燃料電池用セパレータ対の斜視図 実施の形態４の燃料電池用セパレータ対の断面図 実施の形態５の燃料電池用セパレータ対の断面図
１．本発明の燃料電池スタックについて
本発明の燃料電池スタックは、セル積層体を有する。セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、本発明の燃料電池スタックは、さらに、集電板やセル積層体を挟むエンドプレートを有していてもよい（図４参照）。
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子と、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂とを含む。
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
ＭＥＡは、さらに枠体を有していてもよい。枠体は、高分子電解質膜および触媒電極の外周を囲み、高分子電解質膜および触媒電極を保持するための部材である。枠体は、触媒電極がセパレータと接することができるように高分子電解質膜および触媒電極を収容する。
枠体は、耐熱性および耐酸性を有することが好ましく、通常は樹脂からなる。このような枠体の材料の例には、ポリプロピレンやポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレングリコールなどが含まれる。
枠体は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を給排気するための反応ガスマニホールド穴および冷媒を給排気するための冷媒マニホールド穴を有する。
枠体は、１）枠体の形状のキャビティが成形された金型を準備し、２）金型のキャビティ内に、上述したような枠体の材料を充填し、冷却し、固体化させることによって成形されてもよい。
セパレータは、ＭＥＡに反応ガスを供給するための流路と、燃料電池を冷却するための冷媒を供給するための流路とを有する導電性の部材である。
本発明では、セパレータは、導電性の板に流路を切削加工することで製造されたセパレータであってもよいし、導電性の板に流路をプレス加工することによって製造されたセパレータ（以下、単に「波形セパレータ」とも称する）であってもよい。本発明では、セパレータは、波形セパレータであることが好ましい。波形セパレータは、中央部に波形に成形された波板部を有し、中央部を囲む外周部に平板部を有する（図５参照）。波板部は波型の断面を有し、かつ波板部を構成する導電性板の厚さは一定である。一方で、平板部を構成する導電性板は平坦である。
波形セパレータは、金属板をプレス加工することによって製造されてもよいし、カーボンシートをプレス加工することによって製造されてもよい。金属板をプレス加工することによって製造された波形セパレータを、金属セパレータとも称する。
セパレータは、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を給排気するための反応ガスマニホールド穴および冷媒を給排気するための冷媒マニホールド穴を有する。
また、セパレータは、表面および裏面を有する。ここで、「セパレータの表面」とは、セパレータの面のうち、ＭＥＡ側の面を意味し、「セパレータの裏面」とは、セパレータの表面の反対側の面を意味する。
波板セパレータの場合、表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、裏面の波板部は、冷媒流路を構成する。
上述のように燃料電池スタックでは、このような単セルが積層されることから、単セル同士が隣接する。単セル同士が隣接すると、単セルが有する金属セパレータ同士も隣接する。本発明は、このように隣接した２つの金属セパレータ（以下単に「セパレータ対」とも称する）の構造に特徴を有する。本発明のセパレータ対の構造については、以下の「２．燃料電池用セパレータ対について」で詳細に説明する。
２．本発明の燃料電池用セパレータ対について
上述のように本発明のセパレータ対は、燃料電池スタックにおいて隣接する二つのセパレータ（第１セパレータおよび第２セパレータ）と、シール部材とを有する。
本発明のセパレータ対では、第１セパレータおよび第２セパレータは、それぞれの裏面（冷媒流路が形成された面）が対向するように重ね合わされている。第１セパレータおよび第２セパレータを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に冷媒流路が形成される。また、本発明のセパレータ対では、第１セパレータの平板部と、第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされていることを特徴とする（図６Ｂ参照）。ただし、第１パレータの平板部と、第２セパレータの平板部とは接着されていない。また、第１セパレータの波板部のリブと、第２金パレータの波板部のリブとは、接触していることが好ましいが、第１セパレータの波板部のリブと、第２セパレータの波板部のリブとは、平板部と同様に接着はされていない。
従来のセパレータ対では、第１セパレータおよび第２セパレータの平板部同士が接触しておらず、両者の間は、シール部材によって埋められていた（図２参照）。このためセル積層体の積層方向に圧力（以下「締結圧」とも称する）が加えられた場合、セパレータの端部が歪むことがあった（図２参照）。一方、本発明のように、セパレータの平板部同士が接触していると、燃料電池スタックに締結圧が加えられたとしても、セパレータが変形することがない。
また、本発明では第１セパレータと第２セパレータとが接着されていないので、燃料電池スタックを分解することが容易になる。このため、本発明の燃料電池スタックでは、スタックから古くなったセパレータを交換したり、セパレータをリサイクルすることが容易になる。
また本発明は、第２セパレータの平板部が第１セパレータの平板部よりも外側に、はみ出していることを特徴とする（図６Ｂ参照）。第２セパレータの平板部のうち、第１セパレータの平板部からはみ出した領域を以下「突出領域」とも称する。
上述のように本発明のセパレータ対は、シール部材を有する。シール部材には、少なくともシール部材Ａ、シール部材Ｂおよびシール部材Ｃが含まれる。シール部材の材料は、弾性を有するものであれば特に限定されず、熱硬化性材料であっても、熱可塑性材料であってもよい。熱硬化性材料の例には、シリコーンやＥＰＤＭなどが含まれる。熱可塑性材料の例には、エラストマーなどが含まれる。各シール部材は、セパレータの平板部に固定されている。各シール部材は、締結圧によってＭＥＡに押し当てられることで、ＭＥＡとセパレータとの間の空間を密閉する（図８Ａ参照）。
シール部材Ａは、第１セパレータの表面の平板部に配置され、第１セパレータの反応ガス流路に流れる反応ガス（以下単に「第１反応ガス」とも称する）をシールする（図８Ａ参照）。シール部材Ｂは、第２セパレータの表面の平板部に配置され、第２セパレータの反応ガス流路に流れる反応ガス（以下単に「第２反応ガス」とも称する）をシールする（図８Ａ参照）。
シール部材Ｃは、第１セパレータの縁よりも燃料電池スタックの外周側に配置され、第１セパレータおよび第２セパレータの冷媒流路（第１セパレータおよび第２セパレータを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に形成された冷媒流路）に流れる冷媒をシールする（図８Ａ参照）。
また、シール部材Ｃは、第２セパレータの裏面の突出領域に配置される。このように、突出領域にシール部材Ｃを配置することで、シール部材Ｃを強固に支持することが可能となり、セル積層体の積層方向に圧力を加えたときに、シール部材Ｃがゆがむことを防止することができる（図８Ｃ参照）。
本発明のセパレータ対は、さらにシール部材Ｄを有することが好ましい（実施の形態２参照）。また、本発明のセパレータ対では、全てのシール部材が一体的に成形されることが、特に好ましい（実施の形態３参照）。
全てのシール部材が一体的に成形される場合であっても、各シール部材は、ＭＥＡに線接触することが好ましい（図１０参照）。一方、一体成形されたシール部材がＭＥＡに面接触すると、シール部材に加わる締結圧が分散してしまい、流体のシール性が低下する恐れがある（図１１参照）。
このように本発明では、第１セパレータの平板部と、第２セパレータの平板部とを重ね合わせ、かつ第２セパレータの裏面の突出領域にシール部材Ｃを配置することで、セパレータ対を流れる流体（反応ガスおよび冷媒）を確実にシールすることができる。流体を確実にシールするメカニズムについては、実施の形態１において詳細に説明する。
また、本発明では、シール部材に加わる締結圧を利用することで、流体をシールしているので、仮にシール部材が劣化しても、締結圧が弱まらない限りは、流体のシール性が悪化することはない。一方、図３に示された従来の燃料電池スタックのように接着剤２８の接着力で流体をシールしている場合、接着剤２８が劣化すると、流体のシール性が低下してしまう。
以下図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
図４は本発明の実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図を示す。図４に示されるように実施の形態１の燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セル１２０を有する。単セルの積層体（セル積層体）は、エンドプレート１０７に挟まれ、締結ボルト１０９およびナット１１１によって固定されている。
また、燃料電池スタック１００は、一方のエンドプレート１０７に第１反応ガス供給口１０１、冷媒供給口１０２、第２反応ガス供給口１０３、第１反応ガス排出口１０４、冷媒排出口１０５および第２反応ガス排出口１０６を有する。第１反応ガス供給口１０１は、第１反応ガス供給マニホールドに連結し；冷媒供給口１０２は、冷媒供給マニホールドに連結し；第２反応ガス供給口１０３は、第２反応ガス供給マニホールドに連結する。また、第１反応ガス排出口１０４は、第１反応ガス排出マニホールドに連結し；冷媒排出口１０５は、冷媒排出マニホールドに連結し；第２反応ガス排出口１０６は、第２反応ガス排出マニホールドに連結する。
図５は、実施の形態１の燃料電池スタック１００に含まれる単セル１２０の分解斜視図である。図５に示されるように、単セル１２０は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１２１と、ＭＥＡ１２１を挟む一対の金属セパレータ１３０からなる。図５に示されるように、ＭＥＡ１２１は、高分子電解質膜および触媒電極の外周を囲み、高分子電解質膜および触媒電極を保持するための枠体１２３を有する。
金属セパレータ１３０は、その中央部に波形に成形された波板部１３１を有し、その外周部に波板部を囲む平板部１３３を有する。また、金属セパレータ１３０は、表面（ＭＥＡ１２１に接する面）に反応ガス流路１３５を有し、裏面に冷媒が流れる冷媒流路１３７を有する。
図６Ａは、図４に示された燃料電池スタック１００の一点鎖線αによる断面図である。
図６Ｂは、図６Ａの燃料電池スタック１００の四角Ｘで囲まれた領域の拡大図である。図６Ｂに示されるように、燃料電池スタック１００では、隣り合う金属セパレータ１３０同士がセパレータ対１４０を構成する。以下図６Ｂを参照しながら本実施の形態のセパレータ対１４０について説明する。
セパレータ対１４０は、第１金属セパレータ１３０ａ、第２金属セパレータ１３０ｂ、シール部材Ａ、シール部材Ｂおよびシール部材Ｃを有する。
第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂは、それぞれの裏面（冷媒流路が形成された面）が対向するように重ね合わされている。第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを重ね合わせることによって、セパレータ対の内部に冷媒流路１３７が形成される。また、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａと、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂとは、接触している。
また、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａよりも外側にはみ出している。第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂが、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａよりも外側にはみ出すことで、突出領域１４１が形成される。
シール部材Ａは、第１金属セパレータ１３０ａの表面の平板部１３３ａに配置され、第１反応ガスをシールする。シール部材Ｂは、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部１３３ｂに配置され、第２反応ガスをシールする。
シール部材Ｃは、第２金属セパレータ１３０ｂの裏面の突出領域１４１に配置され、冷媒流路１３７に流れる冷媒をシールする。本実施の形態では、シール部材Ｃに加えられた圧力によって、突出領域１４１が変形することを防止するため、シール部材Ｃの裏側に対応する位置の枠体１２３に突起１２５が形成されている。
図６Ａおよび図６Ｂでは、シール部材Ｂが、シール部材Ａの配置位置と重なるように配置されたが、シール部材Ｂは、図６Ｃに示されるように、シール部材Ｃの配置位置と重なるように配置されてもよい。この場合、シール部材Ａに加えられた圧力によって、平板部１３３ａおよび１３３ｂが変形することを防止するため、シール部材Ａの裏側に対応する位置の枠体１２３に突起１２５が形成されている。
また、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃでは、セパレータが金属セパレータ（波形セパレータ）である形態について説明したが、セパレータは、図７に示されるように、カーボンなどからなる導電性板を切削加工することで製造されたセパレータ１３０であってもよい。
次にそれぞれのシール部材（Ａ、ＢおよびＣ）の機能について図８Ａを参照しながら説明する。図８Ａは図６Ｂに示されるセパレータ対１４０の拡大図である。図８Ａに示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの反応ガス流路１３５ａを流れる第１反応ガス１３６ａは、シール部材Ａによってシールされる。また、第２金属セパレータ１３０ｂの反応ガス流路１３５ｂを流れる第２反応ガス１３６ｂは、シール部材Ｂによってシールされる。
冷媒流路１３７を流れる冷媒１３９は、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの間から外側に漏れ出すことがある。金属セパレータ１３０の平板部１３３を完全に平坦にすることは技術的に困難であり、平板部１３３ａと平板部１３３ｂとの間に、微細な隙間が生じることは避けられないからである。
しかし、本実施の形態では、第２金属セパレータの裏面の突出領域１４１にシール部材Ｃが配置されているので、冷媒１３９がシール部材Ｃによってシールされることから、燃料電池スタックの外部に漏れ出すことはない。
また、シール部材Ａとシール部材Ｃとの間の空間Ｈに漏れ出した冷媒は空間Ｈに滞留するが、空間Ｈは閉空間となっているため、燃料電池への性能に影響を及ぼすことはない。
このように、実施の形態１の燃料電池セパレータ対では、第１金属セパレータおよび第２金属セパレータの平板部同士が接触していることから、燃料電池スタックに締結圧が加えられた場合であっても、セパレータが変形することがない。また、第２金属セパレータの一部を突出領域とし、裏面の突出領域に冷媒をシールするシール部材Ｃを配置することで、冷媒の漏れを防止することができる。
一方、図８Ｂに示されるように、セパレータ対１４０がシール部材Ｃを有さなかった場合、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの間から漏れ出した冷媒１３９が燃料電池スタック１００の外部に漏れ出してしまう。
また、図８Ｃに示されるように、シール部材Ｃをセパレータ上に配置しなくても、冷媒の漏れを防止するという効果を発揮できるとも考えられる。しかし、シール部材Ｃをセパレータ上に配置しないと、締結圧によってシール部材Ｃの位置がずれたり、ゆがんだりする。このため、シール部材Ｃは、第２金属セパレータの突出領域上に配置されることが好ましい。
［実施の形態２］
実施の形態２では、セパレータ対がシール部材Ｄをさらに有する形態について説明する。
図９は、実施の形態２のセパレータ対２４０の断面図である。実施の形態１のセパレータ対１４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。図９に示されるように、実施の形態２のセパレータ対２４０は、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部１３３ｂに配置されたシール部材Ｄを有する。また、シール部材Ｄは、シール部材Ｂよりも外側（燃料電池スタックの外周側）に配置される。図９では、シール部材Ｄは、第２金属セパレータ１３０ｂの表面の突出領域１４１に配置される。
また本実施の形態では、シール部材Ａの配置位置とシール部材Ｂの配置位置とが重なり、シール部材Ｃの配置位置とシール部材Ｄの配置位置とが重なる。
このように、本実施の形態では、シール部材Ｄをさらに設けることで、第２反応ガスをシール部材Ｂとシール部材Ｄとで２重にシールすることができる。これにより、第２反応ガスのシールの信頼性をより高めることができる。燃料ガスと酸化ガスとでは、燃料ガスに含まれる水素の方が、酸化ガスに含まれる酸素よりも分子量が小さいことから、漏れ出しやすい。また、水素ガスは、反応性が高いことから、水素ガスの漏れ出しの制御がより重要になる。従って、本実施の形態では、２重にシールされる第２反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。このように本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、漏れ出しの制御がより重要になる反応ガスを２重にシールすることで、シールの信頼性をより高めることができる。
［実施の形態３］
実施の形態１および２では、それぞれのシール部材が独立している形態について説明した。実施の形態３では、それぞれのシール部材が一体成形された形態について説明する。
図１０は、実施の形態３のセパレータ対３４０の断面図である。実施の形態３のセパレータ対３４０は、それぞれシール部材が一体成形されている以外は、実施の形態２のセパレータ対２４０と同じである。実施の形態１のセパレータ対２４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１０に示されるように、実施の形態３のセパレータ対３４０は、第２金属セパレータ１３０ｂの縁を覆う保護部材１４５を有する。通常金属セパレータの表面および裏面は、表面処理が施されていることから劣化しにくいが、金属セパレータの縁は、必ずしも表面処理が施されていないため、錆などによって劣化する場合がある。本実施の形態のように、第２金属セパレータの縁を覆う保護部材１４５を設けることで、第２金属セパレータ１３０ｂの縁が劣化することを防止することができる。
また、本実施の形態では、シール部材Ａ、シール部材Ｂ、シール部材Ｃ、シール部材Ｄおよび保護部材１４５が、同一の材料で一体成形されている。このように、シール部材および保護部材を一体成形することで、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとを重ね合わせた状態で固定することができる。これにより第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとの相対位置を固定することができ、燃料電池スタックの組み立て精度が向上する。また、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータ１３０ｂとを固定すると、セパレータ対３４０を一部材として扱うことができるので、セパレータ対３４０のハンドリング性が向上する。
また、本実施の形態のように、各シール部材が一体成形される場合であっても、各シール部材はＭＥＡに線接触することが好ましい。このため、シール部材Ａおよびシール部材Ｃを接続する領域Ｅおよび、シール部材Ｂとシール部材Ｄとを接続する領域Ｆは、ＭＥＡ１２１に接触しないことが好ましい。
一方で、図１１に示されるように、一体成形されたシール部材がＭＥＡに面接触する場合、シール部材に加わる締結圧が分散し、流体のシール性が低下する。
次に、図１２および図１３Ａ〜Ｂを参照しながら本実施の形態のセパレータ対３４０のマニホールド穴付近の構造について説明する。
図１２は、実施の形態３のセパレータ対３４０の第１金属セパレータ側からの平面図である。図１２に示されるようにセパレータ対３４０は、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１、冷媒供給マニホールド穴１６２、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３、第１反応ガス排出マニホールド穴１６４、冷媒排出マニホールド穴１６５および第２反応ガス排出マニホールド穴１６６を有する。セパレータ対３４０の外周を囲む太線Ｘは、一体化されたシール部材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示す。また、セパレータ対３４０はそれぞれのマニホールド穴の外周にシール部材Ｚを有する。
図１３Ａは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線αによる断面図である。図１３Ａでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ａに示されるように、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１付近のセパレータ対３４０の断面は、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１と第１反応ガス流路１３５ａとの間のガスの連通を可能にする、第１反応ガス連通部３１０を有する。
図１３Ａに示されるように、第１反応ガス供給マニホールド穴１６１を流れる第１反応ガス１３６ａは、第１反応ガス連通部３１０を通って、第１反応ガス流路１３５ａに流入する。第１反応ガス連通部３１０は、シール部材Ｚによって連通部３１０が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。支持体は、枠体１２３に上に形成された突起であってもよく、第１金属セパレータ１３０ａに形成された突起であってもよく、枠体１２３と第１金属セパレータ１３０ａとの間に配置されたスペーサであってもよい。
図１３Ｂは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線βによる断面図である。図１３Ｂでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ｂに示されるように、冷媒供給マニホールド穴１６２付近のセパレータ対３４０の断面は、冷媒供給マニホールド穴１６２と冷媒流路１３７との間の冷媒の連通を可能にする、冷媒連通部３１１を有する。
図１３Ｂに示されるように、冷媒供給マニホールド穴１６２を流れる冷媒１３９は、冷媒連通部３１１を通って、冷媒流路１３７に流入する。冷媒連通部３１１は、第１反応ガス連通部３１０と同様に、シール部材Ｚによって冷媒連通部３１１が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。この場合支持体は、第１金属セパレータ１３０ａまたは第２金属セパレータ１３０ｂに形成された突起であるか、第１金属セパレータ１３０ａと第２金属セパレータとの間に配置されたスペーサである。
図１３Ｃは、図１２に示されたセパレータ対３４０の一点鎖線γによる断面図である。図１３Ｃでは、便宜上、ＭＥＡ１２１に挟まれた状態のセパレータ対３４０を示す。図１３Ｃに示されるように、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３付近のセパレータ対３４０の断面は、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３と第２反応ガス流路１３５ｂとの間のガスの連通を可能にする、第２反応ガス連通部３１２を有する。
図１３Ｃに示されるように、第２反応ガス供給マニホールド穴１６３を流れる第２反応ガス１３６ｂは、第２反応ガス連通部３１２を通って、第２反応ガス流路１３５ｂに流入する。第２反応ガス連通部３１２は、第１反応ガス連通部３１０と同様に、シール部材Ｚによって第２反応ガス連通部３１２が押しつぶされることを防止するための支持体を有する。
次に、インサート射出成形を利用した本実施の形態のセパレータ対３４０の製造方法について説明する。本実施の形態のセパレータ対３４０の製造方法は、
１）第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを重ね合わせる第１ステップと、
２）重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂをシール部材および保護部材１４５の形状のキャビティが成形された金型に挿入する第２ステップと、
３）キャビティ内にシール部材および保護部材１４５の材料を射出する第３ステップと、を有する。
以下、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照し、それぞれのステップについて説明する。
図１４Ａは、第１ステップを示す。図１４Ａに示されるように、第１ステップでは、第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂを準備し、それぞれの裏面が対向するように重ね合わせる。
図１４Ｂは第２ステップを示す。図１４Ｂに示されるように、第２ステップでは、重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂをシール部材および保護部材１４５の形状のキャビティが成形された金型１５０に挿入する。
また、図１４Ｂに示されるように第２ステップでは、固定部材１５１で、キャビティ内の第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３を固定することが好ましい。このように、重ね合わされた第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３を固定することで、キャビティ内にシール部材の材料（樹脂）を射出したときに、第１金属セパレータ１３０ａおよび第２金属セパレータ１３０ｂの相互位置がずれたり、金属セパレータが変形したりすることを防止することができる。
図１４Ｃは、第３ステップを示す。図１４Ｃに示されるように、第３ステップでは、キャビティ内にシール部材および保護部材１４５の材料１５３を射出して、シール部材Ａ、Ｂ、ＣおよびＤならびに保護部材１４５を一体成形する。
図１５は、このように製造されたセパレータ対３４０の斜視図を示す。図１５に示されるように、一体成形されたシール部材は、固定部材が配置されていた箇所に開口部１４７を有する。開口部１４７からは、第１金属セパレータ１３０ａまたは第２金属セパレータ１３０ｂの表面の平板部の一部が露出している。
このように、本実施の形態によれば、実施の形態２の効果に加えて、第１金属セパレータと第２金属セパレータとの相対位置を固定することができることから、燃料電池スタックの組み立て精度が向上する。また、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを固定すると、セパレータ対を一部材として扱うことができるので、セパレータ対のハンドリング性が向上する。さらに、シール部と保護部材とを一体成形することから、１ステップで保護部材と全てのシール部材と形成することができる。
［実施の形態４］
実施の形態４では、金属セパレータが穴を有する形態について説明する。
図１６は、実施の形態４のセパレータ対４４０の断面図である。実施の形態４のセパレータ対４４０は、金属セパレータが穴を有する以外は、実施の形態３のセパレータ対３４０と同じである。実施の形態３のセパレータ対３４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１６に示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａは、一体成形されたシール部材によって封止された穴１３４ａを有する。また、第２金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、一体成形されたシール部材によって封止された穴１３４ｂを有する。
このように、金属セパレータの平板部が一体成形されたシール部材によって封止された穴を有することで、一体成形されたシール部材と金属セパレータとの固定がより確実になる。
［実施の形態５］
実施の形態５では、金属セパレータが突起を有する形態について説明する。
図１７は、実施の形態５のセパレータ対５４０の断面図である。実施の形態５のセパレータ対５４０は、金属セパレータが突起を有する以外は、実施の形態３のセパレータ対３４０と同じである。実施の形態３のセパレータ対３４０と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。
図１７に示されるように、第１金属セパレータ１３０ａの平板部１３３ａは、一体成形されたシール部材によって封止された突起１３８ａを有する。また、第１金属セパレータ１３０ｂの平板部１３３ｂは、一体成形されたシール部材によって封止された突起１３８ｂを有する。
このように、金属セパレータの平板部が一体成形されたシール部材によって封止された突起を有することで、一体成形されたシール部材と金属セパレータとの固定がより確実になる。
本出願は、２００９年７月２７日出願の特願２００９−１７４５０８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明のシール部材一体型セパレータ対は、シールの信頼性が高いことから、セパレータ流路を流れるガスや冷媒の流れを規制し、互いの混合を確実に防止する。また、本発明の燃料電池スタックは、例えばポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムに使用される。
１００ 燃料電池スタック
１０１ 第１反応ガス供給口
１０２ 冷媒供給口
１０３ 第２反応ガス供給口
１０４ 第１反応ガス排出口
１０５ 冷媒排出口
１０６ 第２反応ガス排出口
１０７ エンドプレート
１０９ 締結ボルト
１１１ ナット
１２０ 単セル
１２１ ＭＥＡ
１２３ 枠体
１２５ 突起
１３０ 金属セパレータ
１３１ 波板部
１３３ 平板部
１３４ 金属セパレータに形成された穴
１３５ 反応ガス流路
１３６ 反応ガス
１３７ 冷媒流路
１３８ 金属セパレータに形成された突起
１３９ 冷媒
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ 燃料電池セパレータ対
１４１ 突出領域
１４５ 保護部材
１４７ 開口部
１５０ 金型
１５１ 固定部材
１５３ シール部材および保護部材の材料
１６１ 第１反応ガス供給マニホールド穴
１６２ 冷媒供給マニホールド穴
１６３ 第２反応ガス供給マニホールド穴
１６４ 第１反応ガス排出マニホールド穴
１６５ 冷媒排出マニホールド穴
１６６ 第２反応ガス排出マニホールド穴
３１０ 第１反応ガス連通部
３１１ 冷媒連通部
３１２ 第２反応ガス連通部
本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極、ならびに前記高分子電解質膜および前記触媒電極の外周を囲む枠体を有する膜電極接合体と、燃料電池用セパレータ対と、が積層された、燃料電池スタックであって、前記燃料電池用セパレータ対は、表面および裏面を有し、かつ中央部に波形に成形された波板部と、外周部に前記波板部を囲む平板部とを有する第１セパレータおよび第２セパレータを有し、前記表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、前記裏面の波板部は、冷媒流路を構成する、燃料電池用セパレータ対であって、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、それぞれの前記裏面が対向し、かつ前記第１セパレータの平板部と、前記第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされ、前記第２セパレータの平板部は、前記第１セパレータの平板部から外側にはみ出しており、前記第１セパレータの前記表面の平板部に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ａと、前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｂと、前記第２セパレータの前記裏面の平板部のうち、前記第１セパレータの平板部からはみ出した領域に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｃと、を有する燃料電池スタック。
［２］前記シール部材Ｂが、前記シール部材Ａの配置位置と重なるように配置され、
前記枠体は、前記シール部材Ｃの裏側に対応する位置に、前記第１セパレータの平板部からはみ出した前記第２セパレータの平板部の領域が変形することを防止する突起をさらに有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記シール部材Ｂが、前記シール部材Ｃの配置位置と重なるように配置され、
前記枠体は、前記シール部材Ａの裏側に対応する位置に、前記第１セパレータの平板部からはみ出した前記第２セパレータの平板部の領域が変形することを防止する突起をさらに有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、かつ前記シール部材Ｂよりも外側に配置され、対向する膜電極接合体の枠体に線接触するシール部材Ｄをさらに有し、前記シール部材Ａの配置位置と、前記シール部材Ｂの配置位置とは重なり、前記シール部材Ｃの配置位置と、前記シール部材Ｄの配置位置とは重なる、［１］に記載の燃料電池スタック。
［５］前記第１セパレータは、空気極セパレータであり、前記第２セパレータは、燃料極セパレータである、［４］に記載の燃料電池スタック。
［６］前記第２セパレータの縁を覆う、保護部材をさらに有し、前記シール部材Ａ、前記シール部材Ｂ、前記シール部材Ｃ、前記シール部材Ｄおよび前記保護部材は、一体成形されている、［４］または［５］に記載の燃料電池スタック。
［７］前記一体成形されたシール部材は開口部を有し、前記開口部からは、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータの平板部の一部が露出している、［６］に記載の燃料電池スタック。
［８］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有する、［６］または［７］に記載の燃料電池スタック。
［９］前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有し、前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有する、［６］または［７］に記載の燃料電池スタック。

Claims (9)

  1. 表面および裏面を有し、かつ中央部に波形に成形された波板部と、外周部に前記波板部を囲む平板部とを有する第１セパレータおよび第２セパレータを有し、
    前記表面の波板部は、反応ガス流路を構成し、
    前記裏面の波板部は、冷媒流路を構成する、燃料電池用セパレータ対であって、
    前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、それぞれの前記裏面が対向し、かつ前記第１セパレータの平板部と、前記第２セパレータの平板部とが接触するように重ね合わされ、
    前記第２セパレータの平板部は、前記第１セパレータの平板部から外側にはみ出しており、
    前記第１セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ａと、
    前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置された、シール部材Ｂと、
    前記第２セパレータの前記裏面の平板部のうち、前記第１セパレータの平板部からはみ出した領域に配置された、シール部材Ｃと、を有する燃料電池用セパレータ対。
  2. 前記第２セパレータの前記表面の平板部に配置され、かつ前記シール部材Ｂよりも外側に配置されたシール部材Ｄをさらに有し、
    前記シール部材Ａの配置位置と、前記シール部材Ｂの配置位置とは重なり、
    前記シール部材Ｃの配置位置と、前記シール部材Ｄの配置位置とは重なる、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ対。
  3. 前記第１セパレータは、空気極セパレータであり、
    前記第２セパレータは、燃料極セパレータである、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ対。
  4. 前記第２セパレータの縁を覆う、保護部材をさらに有し、
    前記シール部材Ａ、前記シール部材Ｂ、前記シール部材Ｃ、前記シール部材Ｄおよび前記保護部材は、一体成形されている、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ対。
  5. 前記一体成形されたシール部材は開口部を有し、
    前記開口部からは、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータの平板部の一部が露出している、請求項４に記載の燃料電池用セパレータ対。
  6. 前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有し、
    前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された穴を有する、
    請求項４に記載の燃料電池用セパレータ対。
  7. 前記第１セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有し、
    前記第２セパレータの前記平板部は、前記一体成形されたシール部材によって封止された突起を有する、
    請求項４に記載の燃料電池用セパレータ対。
  8. 高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む燃料極および酸化極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、
    請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ対と、が積層された、燃料電池スタック。
  9. 前記膜電極接合体は、前記高分子電解質膜および前記触媒電極の外周を囲む枠体をさらに有する、請求項８に記載の燃料電池スタック。
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