KR101889201B1 - 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 Download PDF

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Abstract

애노드측 세퍼레이터(120)는, 프레스 성형에 의한 복수의 요철조의 형성에 의해, 제1 홈(202)과 제2 홈(204)을, MEGA(110)의 발전 영역(112)과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 교대로 배열하여 구비한다. 제1 홈(202)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 가스면측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 있어서 연장되고, 제2 홈(204)은, 가스면측과 반대인 냉각면측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 있어서 연장된다. 세퍼레이터 중앙 영역 외측의 외측 테두리부(123)의 측에서 연장된 제1 홈(202)인 단부 제1 홈(202t)은, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 측에 위치하는 다른 제1 홈(202)보다, 단부측 상승 높이 Ht가 낮다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 {FUEL CELL SEPARATOR AND FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는, 발전 단위가 되는 연료 전지 셀을 복수 적층한 스택 구조로 되고, 각각의 연료 전지 셀은, 대향하는 세퍼레이터에 의해 막 전극 접합체를 끼움 지지하고 있다. 최근 들어, 연료 가스의 가스 유로가 되는 오목 홈과 냉각수 유로가 되는 오목 홈을, 프레스 성형에 의한 복수 요철조의 형성에 의해, 세퍼레이터의 표리면에 형성하는 방법이, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2013-54872호 공보에 제안되어 있다.
이 특허문헌에서 제안된 세퍼레이터에 따르면, 구조의 간략화나 연료 전지 셀의 적층 방향의 단치수화, 나아가서는, 복수 개수의 연료 전지 셀의 적층화를 도모할 수 있다. 연료 전지는, 적층한 연료 전지 셀을 그 적층 방향으로 힘을 가해 체결한 상태에서, 예를 들어 차량 등에 탑재되고, 체결력은 각각의 연료 전지 셀에, 상시 미치고 있다. 연료 전지 셀의 발전 영역이나 그 주위와 같은 셀 각 부위에의 체결력이 미치는 방법은, 반드시 균일해지는 것은 아니므로, 체결력이 상시 미침으로써 다음과 같은 문제가 일어날 수 있다. 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 테두리부는, 막 전극 접합체의 발전 영역과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역으로부터 외측으로 연장되어 있는 사정상, 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 테두리부에는, 막 전극 접합체의 주연과 이것을 시일하는 시일 부재가 겹치게 된다. 이와 같이 시일 부재가 개재함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 테두리부에서는, 다른 세퍼레이터와의 끼움 지지 대상인 막 전극 접합체의 주연의 두께가 증가하는 경향이 있다. 이에 반해, 세퍼레이터의 중앙 영역에서는, 그 대향 영역이 막 전극 접합체의 발전 영역인 사정상, 시일 부재 등의 다른 부재는 개재하지 않으므로, 다른 세퍼레이터와의 끼움 지지 대상인 막 전극 접합체의 두께는 거의 일률적으로 된다. 가령, 외측 테두리부의 측에 위치하여 연장되는 유로로서의 오목 홈과 세퍼레이터의 중앙 영역에 위치하여 연장되는 다른 유로로서의 오목 홈에 대해 아무런 대처도 하지 않는 것으로 하면, 상기한 두께의 관계로부터, 외측 테두리부의 측에서 연장된 오목 홈의 주변에서는 면압이 높아지고, 막 전극 접합체의 좌굴이나 전해질막의 손상을 초래하기 쉽다. 그러나, 상기한 특허문헌에서는, 이러한 문제에 대한 대처가 충분하다고는 말할 수 없고, 세퍼레이터의 표리면에 오목 홈을 형성한 후에서의 개선의 여지가 지적되는 것에 이르렀다. 이 밖에, 체결력이 각각의 연료 전지 셀에 미침으로써 일어날 수 있는 문제의 간편한 대처나, 연료 전지의 제조 비용의 저감 등을 가능하게 하는 것도 요청되고 있다.
상기한 과제의 적어도 일부를 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 형태로서 실시할 수 있다.
제1 형태는, 막 전극 접합체에 조립 장착되는, 제1면과 제1면의 이면을 이루는 제2면을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다. 제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 막 전극 접합체의 발전 가능 영역과 대향하는 중앙 영역과, 상기 중앙 영역으로부터 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부와, 상기 제1면에 있어서의, 상기 중앙 영역에 형성된 제1면측 오목 홈부와, 상기 제2면에 있어서의, 상기 중앙 영역에 형성된 제2면측 오목 홈부를 구비한다. 상기 제1면측 오목 홈부의 홈과 상기 제2면측 오목 홈부의 홈은, 상기 중앙 영역에 대한 프레스 성형에 의한 복수의 요철조의 형성에 의해, 상기 중앙 영역에 있어서 상기 제1면과 제2면에 교대로 배열됨과 함께, 상기 제1면측 오목 홈부 중, 상기 막 전극 접합체와는 상이한 다른 부재의 단부가 위치할 수 있는 경계 위치에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도, 오목 홈 개구 단부로부터의 상승 높이가 낮다.
제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터는, 막 전극 접합체와는 상이한 다른 부재의 단부가 위치할 수 있는 경계 위치에 있어서의 제1면측 오목 홈부의 오목 홈 개구 단부로부터의 저부벽의 상승 높이가 세퍼레이터의 중앙 영역에 위치하는 다른 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도 낮아지는 구성을 구비하고 있다. 따라서, 세퍼레이터 중앙 영역과 그 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부에 걸쳐 면압이 가해진 경우, 제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 오목 홈 개구 단부로부터의 저부벽의 상승 높이가 낮은 만큼, 경계 위치에 있어서의 제1면측 오목 홈부의 주변에 가해지는 면압을 세퍼레이터 중앙 영역의 측에 위치하는 다른 제1면측 오목 홈부의 주변보다 완화할 수 있다. 이 결과, 제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 다른 세퍼레이터와 막 전극 접합체를 끼움 지지한 상태에서 세퍼레이터 중앙 영역과 그 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부에 걸쳐 면압이 가해져도, 경계 위치에 있어서의 제1면측 오목 홈부의 주변에서의 면압 완화에 의해, 막 전극 접합체의 좌굴이나 전해질막의 손상의 회피, 또는 억제가 가능해진다.
제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 경계 위치는, 상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 위치하고, 상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽의 상승 높이가, 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도 낮아도 된다. 또한, 상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부 홈 중, 가장 외측 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽의 상승 높이가, 상기 중앙 영역에 위치하는 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽보다도 낮아도 된다.
이들 제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터에서는, 외측 테두리부에 있어서의 1개 또는 복수의, 또는 가장 외측 테두리부의 측에 있어서의 제1면측 오목 홈부의 저부벽의 상승 높이를 낮게 하면 되고, 프레스 금형의 토출 높이 조정에 의해, 상기한 상승 높이를 용이하게 낮게 할 수 있다. 따라서, 제1 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 그 제조 비용의 저감이 가능한 것 외에, 금형 조정이라고 하는 간편한 대처로 체결력이 미침으로써 일어날 수 있는 문제를 해소 또는 억제할 수 있다.
제2 형태는, 막 전극 접합체에 조립 장착되는, 제1면과 제1면의 이면을 이루는 제2면을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다. 이며, 제2 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 막 전극 접합체의 발전 가능 영역과 대응하는 중앙 영역과, 상기 막 전극 접합체의 발전 영역과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역으로부터 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부와, 상기 제1면에 있어서의, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서, 한쪽의 면의 측에 형성되어 있는 제1면측 오목 홈부와, 상기 제2면에 있어서의, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서, 다른 쪽의 면의 측에 형성되어 있는 제2면측 오목 홈부를 구비하고, 상기 제1면측 오목 홈부의 홈과 상기 제2면측 오목 홈부의 홈은, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 대한 프레스 성형에 의한 복수 줄의 요철조의 형성에 의해, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서 상기 제1면과 제2면에 세퍼레이터 표리면에서 교대로 배열됨과 함께, 상기 제1면측 오목 홈부 중, 가장 외측 테두리부측에 위치하는 가장 외측 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 상기 세퍼레이터의 중앙 영역에 위치하는 상기 중앙 영역에 위치하는 그 밖의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도, 오목 홈 개구 단부로부터의 상승 높이가 낮다.
제2 형태에 관한 상기 형태의 연료 전지용 세퍼레이터는, 가장 외측 테두리부의 측에 위치하는 가장 외측 테두리부의 측에 위치하는 제1면측 오목 홈부의 오목 홈 개구 단부로부터의 저부벽의 상승 높이가 세퍼레이터의 중앙 영역에 위치하는 다른 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도 낮아지는 구성을 구비하고 있도록 하고 있다. 따라서, 세퍼레이터 중앙 영역과 그 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부에 걸쳐 면압이 가해진 경우, 제1 형태에 관한 상기 형태의 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 오목 홈 개구 단부로부터의 저부벽의 상승 높이가 낮은 만큼, 외측 테두리부의 측에 위치하여 연장되는 외측 테두리부의 측에 위치하여 연장되는 제1면측 오목 홈부의 주변에 가해지는 면압을 세퍼레이터 중앙 영역의 측에 위치하는 다른 제1면측 오목 홈부의 주변보다 완화할 수 있다. 이 결과, 제1 형태에 관한 상기 형태의 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 다른 세퍼레이터와 막 전극 접합체를 끼움 지지한 상태에서 세퍼레이터 중앙 영역과 그 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부에 걸쳐 면압이 가해져도, 가장 외측 테두리부의 측의 가장 외측 테두리부의 측에서 연장된 제1면측 오목 홈부의 주변에서의 면압 완화에 의해, 막 전극 접합체의 좌굴이나 전해질막의 손상의 회피, 또는 억제가 가능해진다. 또한, 제2 형태에 관한 상기 형태의 연료 전지용 세퍼레이터에서는, 가장 외측 테두리부의 측에서 연장된 제1면측 오목 홈부의 저부벽의 상승 높이를 낮게 하면 되고, 프레스 금형의 토출 높이 조정에 의해, 상기한 상승 높이를 용이하게 낮게 할 수 있다. 따라서, 제2 형태에 관한 상기 형태의 연료 전지용 세퍼레이터에 따르면, 그 제조 비용의 저감이 가능한 것 외에, 금형 조정이라고 하는 간편한 대처로 체결력이 미침으로써 일어날 수 있는 문제를 해소 또는 억제할 수 있다.
제3 형태는, 연료 전지를 제공한다. 제3 형태에 관한 연료 전지는, 막 전극 접합체를 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터로 끼움 지지하는 연료 전지 셀을 복수 적층한 연료 전지이며, 상기 연료 전지 셀의 각각은, 제1 또는 제2 형태에 관한 어느 하나의 연료 전지용 세퍼레이터를 상기 제1 세퍼레이터로서 구비하여, 상기 외측 테두리부는 상기 막 전극 접합체의 발전 영역 외측 부위에 접합된다. 인접하여 적층되어 있는 연료 전지 셀에 있어서는, 하나의 상기 연료 전지 셀의 상기 제1 세퍼레이터가 갖는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 다른 상기 연료 전지 셀의 상기 제2 세퍼레이터에 접촉하고 있다.
제3 형태에 관한 연료 전지에서는, 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 제1 세퍼레이터를, 세퍼레이터 중앙 영역으로부터 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부의 측에서 제1면측 오목 홈부를 연장시키고, 이 제1면측 오목 홈부의 주변에서의 면압 완화를 가능하게 하는 세퍼레이터로 한다. 그리고, 제1, 제2 세퍼레이터로 막 전극 접합체를 끼움 지지함으로써, 막 전극 접합체의 발전 영역에 제1 세퍼레이터의 세퍼레이터 중앙 영역을 대향시키고, 제1 세퍼레이터의 외측 테두리부를, 막 전극 접합체의 발전 영역 외측 부위에 접합한다. 따라서, 제3 형태에 관한 연료 전지에서는, 세퍼레이터 중앙 영역으로부터 그 외측의 외측 테두리부에 걸쳐 가해지는 면압은, 시일부가 개재하는 외측 테두리부의 측에서 연장된 제1면측 오목 홈부의 주변에 있어서는 완화된다. 이 결과, 제3 형태에 관한 연료 전지에 따르면, 막 전극 접합체의 좌굴이나 전해질막의 손상의 회피 또는 억제를 도모할 수 있고, 전지 수명의 장수명화나 전지 성능의 유지를 가능하게 한다. 또한, 제3 형태에 관한 연료 전지에 따르면, 외측 테두리부의 측에서 연장된 제1면측 오목 홈부의 저부벽의 상승 높이를 낮게 한 제1 세퍼레이터를, 기존의 연료 전지 셀에 있어서 치환하면 되므로, 그 제조 비용의 저감이 가능한 것 외에, 체결력이 미침으로써 일어날 수 있는 문제를 용이하게 해소 또는 억제할 수 있다. 또한, 제3 형태에 관한 연료 전지에서는, 제1 세퍼레이터의 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서의 제1면측 오목 홈부를, 막 전극 접합체에 공급하는 가스의 유로로 할 수 있다. 또한, 인접하여 적층한 하나의 연료 전지 셀의 제1 세퍼레이터가 갖는 제1면측 오목 홈부의 저부벽을 다른 연료 전지 셀의 제2 세퍼레이터에 접촉시킴으로써, 제2면측 오목 홈부를 폐색하여, 이 폐색된 제2면측 오목 홈부를, 냉각수가 통과하는 냉각수 유로로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지의 제조 방법이나 연료 전지 셀로서의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
도 2는 유닛 셀(100)의 구성을 분해하여 도시하는 개략 사시도이다.
도 3은 애노드측 세퍼레이터(120)의 구성을 도시하는 개략 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 전환 영역 A 내의 연료 가스 유로(200) 중 Y 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)의 일부를 확대하여 도시하는 개략 사시도이다.
도 5는 도 3의 C부 확대 개소에 있어서의 5-5선을 따른 연료 전지(10)의 개략 단면이다.
도 6은 유닛 셀(100)의 구성 부재가 규격 치수 내인 경우나 조립 장착 정밀도가 허용 범위 내인 경우에 상정되는 과대 면압이 발생하는 모습을 설명하는 설명도이다.
도 7은 애노드측 세퍼레이터를 형성하는 데 있어서 종래 채용되고 있었던 기술 사상을 설명하는 설명도이다.
도 8은 본 실시 형태에서 채용한 기술 사상을 설명하는 설명도이다.
도 9는 도 8에 도시한 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)를 성형하는 프레스 기기의 개략을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 실시 형태의 유닛 셀(100)을 도 3의 C부 확대 개소에 있어서의 5-5선을 따라 단면에서 보아 상승 높이의 관계를 병기하여 도시하는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략 사시도이다. 연료 전지(10)는, 연료 전지 셀인 유닛 셀(100)을 Z 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 함)으로 복수 적층하고, 한 쌍의 엔드 플레이트(170F, 170E)로 끼움 지지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(10)는, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)와 유닛 셀(100) 사이에, 전단부측의 절연판(165F)을 개재시켜 전단부측의 터미널 플레이트(160F)를 갖는다. 연료 전지(10)는, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)와 유닛 셀(100) 사이에도, 마찬가지로, 후단부측의 절연판(165E)을 개재시켜 후단부측의 터미널 플레이트(160E)를 갖는다. 유닛 셀(100)과, 터미널 플레이트(160F, 160E)와, 절연판(165F, 165E) 및 엔드 플레이트(170F, 170E)는, 각각, 대략 직사각 형상의 외형을 갖는 플레이트 구조를 갖고 있으며, 긴 변이 X 방향(수평 방향)이며 짧은 변이 Y 방향(수직 방향, 연직 방향)을 따르도록 배치되어 있다.
전단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170F)와 절연판(165F)과 터미널 플레이트(160F)는, 연료 가스 공급 구멍(172IN) 및 연료 가스 배출 구멍(172OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(174IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(174OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(176IN) 및 냉각수 배출 구멍(176OT)을 갖는다. 이들 급배 구멍은, 각 유닛 셀(100)의 대응하는 위치에 형성되어 있는 각각의 구멍(도시하지 않음)과 연결하여, 각각에 대응하는 가스 혹은 냉각수의 급배 매니폴드를 구성한다. 한편, 후단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170E)와 절연판(165E)과 터미널 플레이트(160E)에는, 이들 급배 구멍은 형성되어 있지 않다. 이것은, 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 유닛 셀(100)에 대해 공급 매니폴드를 통해 공급하면서, 각각의 유닛 셀(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대해 배출 매니폴드를 통해 배출하는 타입의 연료 전지인 것에 의한다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입으로 할 수 있다.
복수의 산화제 가스 공급 구멍(174IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 하단부의 외측 테두리부에 X 방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있고, 복수의 산화제 가스 배출 구멍(174OT)은, 상단부의 외측 테두리부에 X 방향을 따라 배치되어 있다. 연료 가스 공급 구멍(172IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 우측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 좌측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향의 하단부에 배치되어 있다. 복수의 냉각수 공급 구멍(176IN)은, 산화제 가스 공급 구멍(174IN)의 하측에 Y 방향을 따라 배치되어 있고, 복수의 냉각수 배출 구멍(176OT)은, 산화제 가스 배출 구멍(174OT)의 상측에 Y 방향을 따라 배치되어 있다.
전단부측의 터미널 플레이트(160F) 및 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 각 유닛 셀(100)의 발전 전력의 집전판이며, 도시하지 않은 단자로부터 집전한 전력을 외부로 출력한다.
도 2는 유닛 셀(100)의 구성을 분해하여 도시하는 개략 사시도이다. 도시하는 바와 같이, 유닛 셀(100)은, 막 전극 가스 확산층 접합체(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(110)와, MEGA(110)의 양면을 사이에 끼우도록 배치된 애노드측 세퍼레이터(120)와, 캐소드측 세퍼레이터(130)와, 접착 시일(140)과, 가스 유로 부재(150)를 구비한다.
MEGA(110)는, 전해질막의 양면에 한 쌍의 촉매 전극층이 형성된 막 전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 포함하고, 이 MEA를 가스 확산 투과를 도모하는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer/GDL)으로 끼움 지지하여 구성되는 발전체이다. 또한, MEGA를 MEA라 하는 경우도 있다.
애노드측 세퍼레이터(120) 및 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 가스 차단성 및 전자 전도성을 갖는 부재에 의해 구성되어 있고, 예를 들어 카본 입자를 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 프레스 성형한 스테인리스강이나 티타늄강 등의 금속 부재에 의해 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 애노드측 세퍼레이터(120)에 대해서는, 스테인리스강을 프레스 성형하여 제작하였다.
애노드측 세퍼레이터(120)는, MEGA(110)의 측의 면에, 복수의 홈 형상의 연료 가스 유로를 구비하고, 반대측의 면에, 복수의 홈 형상의 냉각수 유로를 구비하고, 이 양 유로를, 세퍼레이터 표리면에서 교대로 배열하고 있다. 이들 유로에 대해서는, 후술한다. 이 애노드측 세퍼레이터(120)는, 상술한 매니폴드를 구성하는 급배 구멍으로서, 연료 가스 공급 구멍(122IN) 및 연료 가스 배출 구멍(122OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(124IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(124OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(126IN) 및 냉각수 배출 구멍(126OT)을 구비한다. 마찬가지로, 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 연료 가스 공급 구멍(132IN) 및 연료 가스 배출 구멍(132OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(134IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(134OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(136IN) 및 냉각수 배출 구멍(136OT)을 구비한다. 또한, 접착 시일(140)에 있어서도, 마찬가지로, 애노드측 세퍼레이터(120)의 급배 구멍에 대응하여, 연료 가스 공급 구멍(142IN) 및 연료 가스 배출 구멍(142OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(144IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(144OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(146IN) 및 냉각수 배출 구멍(146OT)을 구비한다.
접착 시일(140)은, 시일성과 절연성을 갖는 수지 혹은 고무 등으로 형성되고, 그 중앙에, MEGA(110)의 직사각형 형상에 적합한 발전 영역 창(141)을 갖는다. 이 발전 영역 창(141)의 주연은, 단차 형상으로 되어 있고, 그 단차부에, MEGA(110)가 조립 장착된다. 이와 같이 하여 발전 영역 창(141)에 장착된 MEGA(110)는, 접착 시일(140)의 단차부에 있어서 접착 시일(140)과 겹치고, 발전 영역 창(141)에서 노출된 영역을, 후술하는 애노드측 세퍼레이터(120)로부터 연료 가스의 공급을 받고, 적어도 일부에 있어서 전기 화학 반응에 의해 발전이 가능한 발전 가능 영역(112)(이하, 「발전 영역」이라 함)이라고 정의한다. 접착 시일(140)은, MEGA(110)가 조립된 발전 영역 창(141)의 주위 영역에 상술한 급배 구멍을 구비하고, MEGA(110)를 발전 영역 창(141)에 조립한 상태에서, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)를, 각각의 급배 구멍 주위를 포함하여 시일한다. 즉, 접착 시일(140)은, 단차부에서 MEGA(110)를 그 발전 영역(112)의 외측 영역에 걸쳐 시일하는 것 외에, MEGA(110)의 직사각형 형상 외주면에 대해서도, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130) 사이에서 시일한다. 또한, 애노드측 및 세퍼레이터측의 양 세퍼레이터는, 유닛 셀(100)이 적층되었을 때의 연료 가스, 산화제 가스, 냉각수마다의 급배 구멍의 시일성을 세퍼레이터끼리의 접합면에서 확보하기 위해, 후술하는 도 3에 도시하는 바와 같이 연료 가스용 시일재(300)와, 산화제용 시일재(301)와, 냉각수용 시일재(302)를 구비한다.
가스 유로 부재(150)는, 접착 시일(140)을 개재시킨 후에, MEGA(110)와 캐소드측 세퍼레이터(130) 사이에 위치하고, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 산화제 가스 공급 구멍(134IN)으로부터 공급되는 산화제 가스를, MEGA(110)의 면 방향(XY 평면 방향)을 따라 흘리고, 산화제 가스 배출 구멍(134OT)으로부터 배출하기 위한 가스 유로를 구성한다. 가스 유로 부재(150)로서는, 금속 다공체(예를 들어, 익스팬드 메탈) 등의 가스 확산성 및 도전성을 갖는 다공질의 재료가 사용된다. 또한, 이 가스 유로 부재(150)는, 도 2에 있어서의 상하 단부에, 가스 비투과의 박엽상의 실링 시트(151)를 구비하고, 당해 시트를, MEGA(110)의 상하 단부 영역에 접합시키고 있다.
캐소드측 세퍼레이터(130)는, 상술한 급배 구멍의 형성 영역을 포함하여 대략 평판 형상으로 되고, 도 2에 있어서의 가스 유로 부재(150)의 상하 단부 근방에, 다리(131)를, 도 2에 있어서의 지면 안측으로 돌출시키고 있다. 이 다리(131)는, 유닛 셀(100)이 적층되었을 때에, 인접하는 유닛 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)에 있어서의 후술하는 외측 테두리부(123)에 접촉한다. 이 모습에 대해서는 후술한다.
도 3은 애노드측 세퍼레이터(120)의 구성을 도시하는 개략 평면도이다. 이 도 3은 애노드측 세퍼레이터(120)에 인접하는 다른 유닛 셀(100)에 대향하는 면(이하, 「냉각면」이라고도 함)측에서 본 상태를 도시하고 있다. 이 냉각면과 반대인 MEGA(110)에 대향하는 면을 「가스면」이라고도 한다. 애노드측 세퍼레이터(120)는, 스테인리스강 등을 프레스 성형하여 형성되고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 접착 시일(140)과 가스 유로 부재(150)를 개재시켜, MEGA(110)를 캐소드측 세퍼레이터(130)와 함께 끼움 지지한다. 이 애노드측 세퍼레이터(120)는, MEGA(110)의 상술한 발전 영역(112)과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)에, 후술하는 복수의 제1 홈(202)과 제2 홈(204)을 교대로 배열하여 구비하고, 세퍼레이터 중앙 영역(121)으로부터 외측으로 연장되어 당해 중앙 영역을 둘러싸는 평판 형상의 외측 테두리부(123)에, 상술한 반응 가스 및 냉각수의 급배 구멍으로서, 연료 가스 공급 구멍(122IN) 및 연료 가스 배출 구멍(122OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(124IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(124OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(126IN) 및 냉각수 배출 구멍(126OT)을 구비한다. 이들 급배 구멍 중, 연료 가스 공급 구멍(122IN)과 연료 가스 배출 구멍(122OT)은, 연료 가스용 시일재(300)에 의해 개별적으로 시일되고, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(124IN)과 복수의 산화제 가스 배출 구멍(124OT)은, 산화제용 시일재(301)에 의해, 구멍의 배열마다 시일된다. 또한, 복수의 냉각수 공급 구멍(126IN) 및 냉각수 배출 구멍(126OT)은, 냉각면측의 세퍼레이터 중앙 영역(121)을 포함하여 냉각수용 시일재(302)에 의해 시일된다.
제1 홈(202)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 상술한 가스면측(제1면)이며 도 3에 있어서는 지면 안측의 면의 측에서 오목한 오목 홈이며, 이 가스면에 있어서 연장된다. 제2 홈(204)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 상술한 냉각면측(제2면)이며 도 3에 있어서는 지면 전방측의 면의 측에서 오목한 오목 홈이며, 이 냉각면에 있어서 연장된다. 그리고, 이 제1 홈(202)과 제2 홈(204)은, 양 홈 형상에 적합한 요철 형상의 금형을 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 대한 프레스 압박하는 프레스 성형에 의한 복수의 요철조로서 형성되고, 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 있어서 애노드측 세퍼레이터(120)의 표리면(제1면 및 제2면)에서 교대로 배열된다. 즉, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 도 3에 있어서의 종단면에서 볼 때, 이 제1 홈(202)과 제2 홈(204)이 교대로 반복해서 배열된 단면 요철 형상(단면 파형 형상)으로 되어 있다.
가스면측에서 오목한 제1 홈(202)은, 접착 시일(140)의 발전 영역 창(141)에 노출된 MEGA(110)에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 유로 홈[이하, 「연료 가스 유로 홈(202)」이라고도 함]을 구성한다. 또한, 복수의 제1 홈(202)은 제1면측 오목 홈부를 구성한다. 냉각면측에서 오목한 제2 홈(204)은, 연료 가스 유로 홈(202)을 구획하는 리브를 구성함과 함께, 후술하는 캐소드측 세퍼레이터(130)에 애노드측 세퍼레이터(120)가 접촉함으로써, 냉각수가 통과하는 냉각수 유로 홈[이하, 「냉각수 유로 홈(204)」이라고도 함]을 구성한다. 또한, 복수의 제2 홈(204)은 제2면측 오목 홈부를 구성한다. 그리고, 복수의 연료 가스 유로 홈(202)으로 구성되는 연료 가스 유로(200)가, 연료 가스 공급 구멍(122IN)으로부터 연료 가스 배출 구멍(122OT)을 향해 서펜타인 형상으로, 도 3에 있어서의 지면 이면측의 상술한 가스면측에 형성되어 있다. 본 실시 형태의 유닛 셀(100)은, 서펜타인 형상의 연료 가스 유로(200)에 있어서, 도 3에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 상하 단부측에 위치하는 연료 가스 유로 홈(202)을, 외측 테두리부(123)의 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향, 즉, 도 3에 있어서의 x 방향으로 연장하고 있다. 이와 같이 함으로써, 세퍼레이터 중앙 영역(121)이 MEGA(110)의 발전 영역(112)에 대향한 경우에, 이 발전 영역(112)의 주연에도, 외측 테두리부(123)의 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향으로 연장된 연료 가스 유로 홈(202)으로부터 연료 가스를 공급할 수 있다. 또한, 도 3의 C부 확대에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 상하 단부측에 위치하여, 외측 테두리부(123)의 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향으로 연장되는 제1 홈(202)을, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 내측에 위치하는 제1 홈(202)과 구별하기 위해, 단부 제1 홈(202t)이라고 칭하는 것으로 한다.
연료 가스 유로 홈(202)은, 서펜타인 형상의 홈 경로를 채용하므로, 도 3에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우의 수평 단부측 영역인 전환 영역 A에서는, 홈 경로 방향을 X 방향으로부터 Y 방향으로 바꾸거나, 혹은 이 반대로 X 방향으로부터 Y 방향으로 바꾼다. 그리고, 제1 홈(202)은, 이 전환 영역 A를 포함하고, X 방향으로 연장되는 직선 유로 영역에 있어서, 냉각면측에 있어서, 냉각수 유로 홈(204)을 구획하는 리브로서 기능한다. 연료 가스 유로 홈(202)은, X 방향으로 연장되는 직선 유로 영역에 있어서 냉각수 유로 홈(204)을 구획하는 리브로서 기능한다고는 해도, 냉각수 배출 구멍(126OT)의 측을 향하는 제2 홈(204)에서의 냉각수의 흐름을 저해하지 않는다. 그런데, 홈 경로 방향이 변환되는 전환 영역 A에서는, 연료 가스 유로 홈(202)이 벽으로 되어, 냉각수 공급 구멍(126IN)으로부터 냉각수 배출 구멍(126OT)을 향하는 냉각수의 흐름이 저해될 수 있다. 따라서, 이 영역의 연료 가스 유로 홈(202)을 이하에서 설명하는 구조로 함으로써, 이것을 방지하고 있다.
도 4는 도 3에 도시한 전환 영역 A 내의 연료 가스 유로(200) 중 Y 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)의 일부를 확대하여 도시하는 개략 사시도이다. 도 4에 있어서, 상방은 냉각면측이며, 하방은 가스면측이다. Y 방향을 따라 형성된 연료 가스 유로 홈(202)에는, 얕은 홈부(208)가 형성되어 있다. 얕은 홈부(208)는, 다른 부분[이하, 「깊은 홈부(206)」라고도 함]보다도 깊이가 얕은 부분이다. 여기서, 연료 가스 유로 홈(202)의 깊이라 함은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 가스면의 MEGA(110)에 접촉하는 부분의 위치로부터, 연료 가스 유로 홈(202)의 저부까지의 거리를 의미한다. 따라서, 연료 가스 유로 홈(202)의 깊이는, 깊은 홈부(206)의 위치에 있어서 깊고, 얕은 홈부(208)의 위치에 있어서 얕아지지만, 깊은 홈부(206)와 얕은 홈부(208)는, 도 3의 전환 영역 A에 있어서의 연료 가스 유로 홈(202)의 홈 경로를 따라 교대로 배열되어 있지만, 모두, MEGA(110)와는 접촉하지 않는다. 따라서, 연료 가스 유로 홈(202)은, 도 4에 있어서는 Y 방향을 따라, 도 3의 전환 영역 A에 있어서는 그 유로 홈 경로를 따라 연료 가스를 통과시킨다. 이 경우, 깊은 홈부(206)의 깊이는, 전환 영역 A 이외의 유로 홈 경로에 있어서의 연료 가스 유로 홈(202)과 동일하게 되어 있다.
또한, 복수의 유닛 셀(100)이 적층된 연료 전지(10)(도 1, 2 참조)에 있어서, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 인접하는 유닛 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)의 표면에, 각 깊은 홈부(206)의 저부벽(202s)의 외주면, 도 4의 도시에서는 천장면을 접촉시키고, 얕은 홈부(208)의 위치에서는 캐소드측 세퍼레이터(130)에 접촉시키지 않는다. 이로 인해, 애노드측 세퍼레이터(120)의 얕은 홈부(208)의 위치의 냉각면측에는, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 표면과의 사이에, 얕은 홈부(208)를 사이에 두고 인접하는 2개의 냉각수 유로 홈(204)을 연통하는 연통 유로 홈(205)이 형성된다. 이 구조에 의해, 냉각수는, 냉각수 유로 홈(204)을 따라 Y 방향으로 흐를 뿐만 아니라, 연통 유로 홈(205)을 통해 X 방향으로도 흐르도록 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 전환 영역 A에 있어서, X 방향을 따른 냉각수 유로 홈(204)을 흐르는 냉각수의 흐름이 Y 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있다. 이 반대의 경우도 마찬가지이다.
또한, 도시는 생략하지만, 도 3에 도시한 전환 영역 A의 X 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)에도 마찬가지로 얕은 홈부(208)가 형성된다. 이에 의해, Y 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)에 평행한 냉각수 유로 홈(204)을 흐르는 냉각수의 흐름이 X 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 냉각수 공급 구멍(126IN)으로부터 공급되는 냉각수를, X 방향 및 Y 방향의 어느 방향을 따른 연료 가스 유로 홈(202)에 의해서도 차단시키지 않고, 냉각수 배출 구멍(126OT)을 향해 흐르게 하는 것이 가능하다.
애노드측 세퍼레이터(120)는, 연료 가스 유로 홈(202)을 도 3의 전환 영역 A에 있어서는 그 홈 경로를 따라 깊은 홈부(206)와 얕은 홈부(208)를 교대로 배열하여 구비한다. 한편, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 서펜타인 형상의 홈 경로에 있어서의 직선 경로, 즉, 도 3에 있어서의 x 방향에서는, 가스면측의 단부 제1 홈(202t)을 포함하는 다른 연료 가스 유로 홈(202)과, 냉각수측의 냉각수 유로 홈(204)을, 단순한 오목 홈 형상으로 하고 있다.
다음으로, 연료 전지(10)에 있어서의 유닛 셀(100)의 적층의 모습을 설명한다. 도 5는 도 3의 C부 확대 개소에 있어서의 5-5선을 따른 연료 전지(10)의 개략 단면이다. 도시하는 바와 같이, 연료 전지(10)는, 복수의 유닛 셀(100)을 적층하여 구성되고, 유닛 셀(100)은, MEGA(110)를 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)로 끼움 지지한다. 또한, 이 도 5에서는, MEGA(110)는, 전해질막의 양 막면에 촉매 전극층을 접합한 MEA(110D)를 애노드측 가스 확산층(110A)과 캐소드측 가스 확산층(110C)으로 끼움 지지한 형태로 도시되어 있다. 그리고, 각각의 유닛 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)가 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 외측으로 연장시켜 구비하는 외측 테두리부(123)(도 2∼도 3 참조)를, MEGA(110)의 발전 영역(112)(도 2∼도 3 참조)의 주연에 있어서, MEGA(110)에 접합시킨다. 또한, 각각의 유닛 셀(100)은, 제1 홈(202)과 제2 홈(204)이 형성 완료된 세퍼레이터 중앙 영역(121)을 MEGA(110)의 발전 영역(112)에 대향시켜 접촉시킨다. 이에 의해, 단부 제1 홈(202t)과 다른 부위의 제1 홈(202)은, 그 오목 홈 개구 단부가 MEGA(110)로 폐색되고, 상술한 바와 같이 연장되는 연료 가스 유로 홈(202)으로서 기능한다.
인접하여 적층된 유닛 셀(100)은, 한쪽의 유닛 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)가 갖는 제1 홈(202)의 저부벽(202s)과 단부 제1 홈(202t)의 단부 저부벽(202ts)을, 다른 쪽의 유닛 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)에 접촉시킨다. 이에 의해, 제2 홈(204)은, 그 오목 홈 개구 단부가 폐색되고, 상술한 바와 같이 연장되는 냉각수 유로 홈(204)으로서 기능한다. 또한, 인접하여 적층된 유닛 셀(100)은, 한쪽의 유닛 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)가 갖는 다리(131)를, 다른 쪽의 유닛 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)에 접촉시킨다. 이에 의해, 다리(131)는, 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)에 있어서, 각각의 유닛 셀(100)의 지주로서 기능한다. 이와 같이 유닛 셀(100)을 적층한 연료 전지(10)는, 도시하지 않은 체결 샤프트 등에 의해, 셀 적층 방향으로 체결되고, 그 체결력은 각각의 유닛 셀(100)의 각 부위, 구체적으로는, MEGA(110)의 발전 영역(112)뿐만 아니라, 외측 테두리부(123)의 영역에, 상시 미치게 된다.
도 6은 유닛 셀(100)의 구성 부재가 규격 치수 내인 경우나 조립 장착 정밀도가 허용 범위 내인 경우에 상정되는 과대 면압이 발생하는 모습을 설명하는 설명도이다. 도 6의 (A)에서는, MEGA(110)나 접착 시일(140), 가스 유로 부재(150)의 조립 장착 정밀도가 확보되어 있는 상황을 나타내고 있다. 이러한 상황이라도, MEGA(110)가 장착되는 접착 시일(140)이나, 가스 유로 부재(150)의 실링 시트(151)가 개재하는 개소에서는, 각 부재가 규격 치수 내라도, 그 오차의 누적에 따라서는, 혹은 MEGA(110)와의 겹침 상황에 따라서는, 외측 테두리부(123)에 있어서, 캐소드측 세퍼레이터(130)와의 끼움 지지 대상인 MEGA(110)의 주연, 구체적으로는 도 1에 도시하는 발전 영역(112)의 주연에 있어서 그 두께가 증가하는 일이 있을 수 있다. 즉, MEGA(110)와는 상이한 다른 부재인 접착 시일(140)이나, 가스 유로 부재(150)의 실링 시트(151)의 단부가 적층되는 개소인, 경계 위치에 있어서는, 그 적층 방향의 두께가 발전 영역(112)의 적층 방향의 두께보다도 두꺼워지는 경우가 있다.
도 6의 (B)에서는, MEGA(110)나 접착 시일(140), 혹은 가스 유로 부재(150)가 도면에 있어서의 상하로 조립 장착 정밀도 내에서 어긋난 상황을 이해를 용이하게 하기 위해 과장하여 도시하고 있다. 이러한 상황에서는, 각 부재가 규격 치수 내라도, MEGA(110)가 장착되는 접착 시일(140)이나, 가스 유로 부재(150)의 실링 시트(151)의 개재 상태가 바뀌므로, 역시, 캐소드측 세퍼레이터(130)와의 끼움 지지 대상인 MEGA(110)의 주연의 두께가 증가하는 일이 있을 수 있다. 이러한 상황은, 경계 위치에 대응하거나, 또는 근접하는 외측 테두리부(123)의 측에서 연장되는 단부 제1 홈(202t)의 주변에서 일어난다. 이에 반해, 단부 제1 홈(202t)보다 세퍼레이터 중앙 영역(121)(도 3 참조)의 내측에 위치하는 다른 제1 홈(202)의 주변은, MEGA(110)의 발전 영역(112)에 속하는 사정상, 실링 시트(151)나 접착 시일(140) 등의 다른 부재는 개재하지 않으므로(경계 위치에 상당하지 않으므로), 캐소드측 세퍼레이터(130)와의 끼움 지지 대상인 MEGA(110)의 두께는 거의 일률적으로 된다.
도 7은 애노드측 세퍼레이터를 형성하는 데 있어서 종래 채용되고 있었던 기술 사상을 설명하는 설명도, 도 8은 본 실시 형태에서 채용한 기술 사상을 설명하는 설명도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 종래의 애노드측 세퍼레이터(120H)에 있어서도, 단부 제1 홈(202t)과 제1 홈(202)을, 모두 세퍼레이터 중앙 영역(121)(도 2, 도 3 참조)에 포함한다. 그리고, 이 비교예의 애노드측 세퍼레이터(120H)는, 외측 테두리부(123)의 측에서 연장되는 단부 제1 홈(202t)과, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 내측에 위치하는 다른 제1 홈(202)을 등가로 다루고, 오목 홈 개구 단부로부터 단부 제1 홈(202t)의 단부 저부벽(202ts)까지의 상승 높이(이하, 단부측 상승 높이 Ht)와, 오목 홈 개구 단부로부터 다른 제1 홈(202)의 저부벽(202s)까지의 상승 높이(이하, 상승 높이 Hs)를, 설계 치수 및 실측 치수에 있어서 동일하게 하고 있었다(단부측 상승 높이 Ht＝상승 높이 Hs). 따라서, 상승 높이 Hs와 단부측 상승 높이 Ht의 차분 ΔH는, 값 제로가 된다. 이에 반해, 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 단부 제1 홈(202t)에 대해서는, 그 단부측 상승 높이 Ht가 다른 제1 홈(202)의 상승 높이 Hs보다 낮아지도록 하여, 그 차분 ΔH가 마이너스의 값이 되고, 차분 ΔH를 －0.01∼－0.03으로 하였다. 즉, 단부 제1 홈(202t)의 단부측 상승 높이 Ht 및 다른 제1 홈(202)의 상승 높이 Hs의 실제 치수가 제조 공차 내였다고 해도, 양 상승 높이의 차분 ΔH에 대해서는, 그 값이 상기 범위의 마이너스의 값인 것이 요구된다. 또한, 단부 제1 홈(202t)은 가장 외측 테두리부(123)의 측에 위치하는 하나의 단부 제1 홈(202t)이어도 되고, 혹은, 외측 테두리부(123)의 측 또는 근방에 위치하는 1개 또는 복수의 단부 제1 홈(202t)이어도 된다.
도 9는 도 8에 도시한 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)를 성형하는 프레스 기기의 개략을 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 도 8의 애노드측 세퍼레이터(120)를 얻는 데 있어서는, 프레스 수형 Ku와 프레스 암형 Kd를 사용한다. 프레스 암형 Kd는, 프레스 수형 Ku가 갖는 후술하는 각 볼록조가 들어가는 오목조의 캐비티를 구비하고, 기존 구성과 다른 것은 아니다. 프레스 수형 Ku는, 애노드측 세퍼레이터(120)의 제1 홈(202)의 오목 홈 형상에 적합한 볼록조의 제1 볼록조 Ts와, 단부 제1 홈(202t)의 오목 홈 형상에 적합한 볼록조의 단부 제1 볼록조 Tts를 구비한다. 그리고, 제1 볼록조 Ts의 돌출 높이 KHs와 단부 제1 볼록조 Tts의 돌출 높이 KHt에 차를 갖게 하고, 그 돌출 높이 차분 ΔKH(＝KHs－KHt)를 플러스의 값(＋0.01∼＋0.03)으로 하였다. 이 금형을 사용하여, 기존의 프레스 수순으로, 애노드측 세퍼레이터(120)의 성형재인 스테인리스 강판 Sk를 프레스 성형함으로써, 단부 제1 홈(202t)의 단부측 상승 높이 Ht가 상기한 마이너스의 값의 범위 내에서 다른 제1 홈(202)보다 항상 낮아지도록 할 수 있다.
도 10은 본 실시 형태의 유닛 셀(100)을 도 3의 C부 확대 개소에 있어서의 5-5선을 따라 단면에서 보아 상승 높이의 관계를 병기하여 도시하는 설명도이다. 유닛 셀(100)은, 유닛 단체에서의 완성 상태에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 단부 제1 홈(202t)의 단부 저부벽(202ts)을 도시하는 차분 ΔH만큼 다른 제1 홈(202)보다 저부벽(202s)보다 작게 하고 있다. 그런데, 도 5에 도시하는 적층·체결 후의 상태, 즉, 연료 전지(10)의 형태에서는, 각각의 유닛 셀(100)은, 셀 각 부에 체결력을 받으므로, 단부 제1 홈(202t)에 있어서도, 그 단부 저부벽(202ts)을 인접하는 유닛 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)에 접촉시키고 있다.
도 7에 도시한 비교예의 애노드측 세퍼레이터(120H)를 갖는 유닛 셀에 있어서도, 연료 전지(10)로서의 체결 상태에서는, 상술한 바와 같이, MEGA(110)의 발전 영역(112)(도 2∼도 3 참조)의 주연에의 애노드측 세퍼레이터(120H)의 외측 테두리부(123)의 접촉, MEGA(110)의 발전 영역(112)에의 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 접촉, 다른 쪽의 유닛 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)에의 제1 홈(202)의 저부벽(202s)과 단부 제1 홈(202t)의 단부 저부벽(202ts)의 접촉, 및 다른 쪽의 유닛 셀(100)의 외측 테두리부(123)에의 다리(131)의 접촉이 일어나고 있다. 이러한 접촉 상태는, 체결력이 부여되고 있는 동안에 걸쳐 계속되고, 체결력은 비교예의 애노드측 세퍼레이터(120H)를 갖는 각각의 유닛 셀의 발전 영역(112)뿐만 아니라, 외측 테두리부(123)의 영역에 상시 미친다.
도 7의 비교예의 애노드측 세퍼레이터(120H)는, 단부 제1 홈(202t)과 다른 제1 홈(202)이 등가이므로, 도 6을 사용하여 설명한 바와 같이, 접착 시일(140)이나 가스 유로 부재(150)의 실링 시트(151)가 개재하는 것에 의한 발전 영역(112)의 주연에서의 두께의 증대에 대해 아무런 대처도 이루어져 있지 않게 된다. 따라서, 비교예의 애노드측 세퍼레이터(120H)에서는, 도 6에 점선으로 둘러싼 발전 영역(112)의 주연에 있어서, 상기한 두께의 증대의 영향을 받아 면압이 국소적으로 높아지고, MEA(110D)의 좌굴이나 전해질막의 손상을 초래하기 쉽다.
본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)는, 외측 테두리부(123)의 측에서 연장되는 단부 제1 홈(202t)을, 그 단부 저부벽(202ts)의 오목 홈 개구 단부로부터의 단부측 상승 높이 Ht가 다른 제1 홈(202)의 상승 높이 Hs보다 낮아지도록 하고 있다(차분 ΔH＜0:도 8, 도 10 참조). 따라서, 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)에 따르면, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부(123)에 가해진 면압을, 단부측 상승 높이 Ht와 상승 높이 Hs의 차분 ΔH(＜0)에 의해, 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 있어서의 다른 제1 홈(202)의 주변보다 완화한다. 이 결과, 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)에 따르면, 캐소드측 세퍼레이터(130)로 MEGA(110)를 끼움 지지한 상태에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)과 그 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부(123)에 걸쳐 큰 면압이 가해져도, 외측 테두리부(123)의 측에서 연장된 단부 제1 홈(202t)의 주변에서의 면압 완화에 의해, MEA(110D)의 좌굴이나 전해질막의 손상을 회피, 또는 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)에 따르면, 단부 제1 홈(202t)의 단부측 상승 높이 Ht를 다른 제1 홈(202)의 상승 높이 Hs보다 낮게 하면 되므로, 도 9에 도시하는 바와 같이, 단부 제1 홈(202t)에 대응하는 단부 제1 볼록조 Tts의 돌출 높이 KHt를 낮게 하는 것만으로 충분하다. 단부 제1 볼록조 Tts의 돌출 높이 KHt를 낮게 하는 것은, 정밀 지석 기기를 사용한 단부 제1 볼록조 Tts의 정상 연마에 의해, 용이하게 달성할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)에 따르면, 세퍼레이터 제조 비용을 저감시킬 수 있는 것 외에, 체결력이 유닛 셀(100)의 각처에 미침으로써 일어날 수 있는 과대 면압의 발생과 이에 수반하는 MEA 좌굴이나 전해질막의 양 막면 손상이라고 하는 문제를, 프레스 수형 Ku에 있어서의 단부 제1 볼록조 Tts의 정상 연마라고 하는 간편한 방법으로 해소 또는 억제할 수 있다. 또한, 기존의 프레스 수형 Ku에 대한 정상 연마이면 되므로, 기존 설비의 유효 이용을 할 수 있음과 함께, 금형 비용의 저하에 의해 세퍼레이터 제조 비용을 더욱 저감시킬 수 있다.
체결력이 유닛 셀(100)의 각처에 미침으로써 일어날 수 있는 과대 면압의 발생과 이에 수반하는 MEA 좌굴이나 전해질막의 양 막면 손상이라고 하는 문제는, 도 6에서 도시한 바와 같이, 접착 시일(140)이나 가스 유로 부재(150)의 실링 시트(151) 등의 각 부재의 누적 오차나, 조립 장착 정밀도 내에서의 이들 부재의 어긋남에 의해 일어난다. 본 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)는, 이러한 각 부재의 누적 오차나 조립 장착 정밀도 내에서의 어긋남이 일어나도, 상기한 문제를 회피 또는 억제한다. 이로 인해, 각 부재의 제조 공차나 조립 장착 정밀도를 어느 정도 완화할 수 있으므로, 부품 제조 비용이나 조립 장착 비용의 저감을 통해, 세퍼레이터 제조 비용, 나아가서는 연료 전지 제조 비용을 더욱 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)는, 외측 테두리부(123)의 측에서 연장된 단부 제1 홈(202t)의 주변에서의 면압 완화를 초래하는 애노드측 세퍼레이터(120)를 사용하고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지(10)에 따르면, 그 발전 운전 중에 있어서의 상기한 국소적인 면압의 증대를 초래하지 않으므로, MEA(110D)의 좌굴이나 전해질막의 손상을 회피 또는 억제할 수 있고, 전지 수명의 장수명화에 더하여, 전지 성능을 유지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)에서는, 외측 테두리부(123)의 측에서 연장된 단부 제1 홈(202t)의 단부 저부벽(202ts)의 단부측 상승 높이 Ht를 낮게 한 애노드측 세퍼레이터(120)를, 기존의 유닛 셀(100)에 있어서 치환하면 된다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지(10)에 따르면, 전지 제조 비용의 저감을 도모할 수 있는 것 외에, 체결력이 유닛 셀(100)의 각처에 미침으로써 일어날 수 있는 과대 면압의 발생과 이에 수반하는 MEA 좌굴이나 전해질막의 양 막면 손상이라고 하는 문제를, 용이하게 해소 또는 억제할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 대체나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.
상기한 실시 형태의 애노드측 세퍼레이터(120)에서는, 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 형성한 제1 홈(202) 내에서, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 상하 단부측에 위치하여 외측 테두리부(123)의 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향(도 3:x 방향)으로 연장되는 제1 홈(202)을, 단부측 상승 높이 Ht가 낮은 단부 제1 홈(202t)으로 하였지만, 이것에 한정하지 않는다. 예를 들어, 도 3에 있어서의 y 방향으로 외측 테두리부(123)의 측에 형성된 제1 홈(202)에 대해서도, 이것을 단부측 상승 높이 Ht가 낮은 단부 제1 홈(202t)으로 해도 된다.

Claims (5)

  1. 막 전극 접합체를 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터로 끼움 지지하는 연료 전지 셀을 복수 적층한 연료 전지이며,
    상기 연료 전지 셀의 각각은, 막 전극 접합체에 조립 장착되는, 제1면과 제1면의 이면을 이루는 제2면을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터이며,
    상기 막 전극 접합체의 발전 가능 영역과 대응하는 중앙 영역과,
    상기 중앙 영역으로부터 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부와,
    상기 제1면에 있어서의, 상기 중앙 영역에 형성되어 있는 제1면측 오목 홈부와,
    상기 제2면에 있어서의, 상기 중앙 영역에 형성되어 있는 제2면측 오목 홈 부를 구비하고,
    상기 제1면측 오목 홈부의 홈과 상기 제2면측 오목 홈부의 홈은, 상기 중앙 영역에 대한 프레스 성형에 의한 복수의 요철조의 형성에 의해, 상기 중앙 영역에 있어서 상기 제1면과 제2면에 교대로 배열됨과 함께, 상기 제1면측 오목 홈부 중, 상기 막 전극 접합체와는 상이한 다른 부재의 단부가 위치할 수 있는 경계 위치에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도, 오목 홈 개구 단부로부터의 상승 높이가 낮은 연료 전지용 세퍼레이터를 상기 제1 세퍼레이터로서 구비하고, 상기 외측 테두리부는 상기 막 전극 접합체의 발전 영역 외측 부위에 접합되고,
    인접하여 적층되어 있는 상기 연료 전지 셀에 있어서, 하나의 상기 연료 전지 셀의 상기 제1 세퍼레이터가 갖는 상기 경계 위치에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽 및 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 다른 상기 연료 전지 셀의 상기 제2 세퍼레이터에 접촉하고 있고, 상기 경계 위치에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽이 받는 면압은 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽이 받는 면압보다도 낮은, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경계 위치는, 상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 위치하고, 상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽의 상승 높이가, 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도 낮은, 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1면측 오목 홈부의 외측 테두리부측에 있어서의 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽 중, 가장 외측 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽의 상승 높이가, 상기 중앙 영역에 위치하는 상기 다른 상기 제1면측 오목 홈부의 상기 저부벽보다도 낮은, 연료 전지.
  4. 막 전극 접합체를 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터로 끼움 지지하는 연료 전지 셀을 복수 적층한 연료 전지이며,
    상기 연료 전지 셀의 각각은, 막 전극 접합체에 조립 장착되는, 제1면과 제1면의 이면을 이루는 제2면을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터이며,
    상기 막 전극 접합체의 발전 가능 영역과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역으로부터 외측 테두리로 연장되는 평판 형상의 외측 테두리부와,
    상기 제1면에 있어서의, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서, 한쪽의 면의 측에 형성되어 있는 제1면측 오목 홈부와,
    상기 제2면에 있어서의, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서, 다른 쪽의 면의 측에 형성되어 있는 제2면측 오목 홈부를 구비하고,
    상기 제1면측 오목 홈부의 홈과 상기 제2면측 오목 홈부의 홈은, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 대한 프레스 성형에 의한 복수의 요철조의 형성에 의해, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 있어서 상기 제1면과 제2면에 세퍼레이터 표리면에서 교대로 배열됨과 함께, 상기 제1면측 오목 홈부 중, 가장 외측 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 위치하는 그 밖의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽보다도, 오목 홈 개구 단부로부터의 상승 높이가 낮은, 연료 전지용 세퍼레이터를 상기 제1 세퍼레이터로서 구비하고, 상기 외측 테두리부는 상기 막 전극 접합체의 발전 영역 외측 부위에 접합되고,
    인접하여 적층되어 있는 상기 연료 전지 셀에 있어서, 하나의 상기 연료 전지 셀의 상기 제1 세퍼레이터가 갖는 상기 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽 및 상기 세퍼레이터 중앙 영역에 위치하는 그 밖의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽은, 다른 상기 연료 전지 셀의 상기 제2 세퍼레이터에 접촉하고 있고, 상기 가장 외측 테두리부측에 위치하는 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽이 받는 면압은 상기 그 밖의 상기 제1면측 오목 홈부의 저부벽이 받는 면압보다도 낮은, 연료 전지.
  5. 삭제
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