WO2012165257A1 - 燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

金属製の燃料電池用セパレータプレートは、燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒の一方を流通させる複数の流路を有する流路形成領域と、流路に反応ガス及び冷媒の一方を流通させるための少なくとも１つのマニホールド孔とを備える。マニホールド孔と流路との間には、流路形成領域より膨出するとともに、燃料電池の電極体を支持する少なくとも１つの膨出部が形成されている。各膨出部の流路に交差する面には、マニホールド孔と流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔が形成されている。

Description

燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法

　本発明は、燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法に関する。

　固体高分子電解質形燃料電池セルは、電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　＆　Ｇａｓ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、電極体を挟持するように配置された一対のセパレータとを備える。電極体は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側及びカソード側の触媒層とから形成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有する。又、電極体は、膜電極接合体を挟持するアノード側及びカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ）を備える。アノード側及びカソード側のガス拡散層は、前記膜電極接合体に対して燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに、電気化学反応によって生じた電気を集電する。セパレータは、直線状もしくは蛇行状のガス流路を有する。燃料電池は、前記ＭＥＧＡとセパレータとからなる電池セルを複数積層して一体化したスタックからなる。

　セパレータとして、エキスパンドメタル等の金属多孔体から形成されてセパレータ本体から分離されたガス流路を有するいわゆるフラットタイプのセパレータも用いられる。

　前記セパレータを金属板で構成する場合、前記金属板の中央部に流路溝（或いは突起）を形成することにより、反応ガスを通すためのガス流路を形成することが多い。

　上記のようにして形成されたセパレータは流路溝（或いは突起）を有するため、セパレータの中央部が厚くなる一方、金属板において流路溝の周辺部は加工されないままである。このため、流路溝の深さに相当する肉厚を有する枠状のシール部材を周辺部に被せて、セパレータの厚みが調整されている。この場合、セパレータの端部に貫通されて反応ガスを導入又は導出のために設けられたマニホールド孔から流路溝までガスを通すための通路を設けることが必要となる。

　特許文献１では、前記通路の構成及びその製造方法が開示されている。特許文献１の通路について図１１、図１２を参照して説明する。図１１に示すように、金属板からなるセパレータ１００には、反応ガス（すなわち、燃料ガス、及び酸化ガス）及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔１１０，１２０，１３０が形成されている。マニホールド孔１１０の開口周縁部には、セパレータ１００の表面１００ａにＵ字形状の切り込みを入れ、その切り込みの内側部分を起立させて、折り曲げることにより、ＭＥＧＡ１４０（図１２参照）を支持する支持台１０４が、セパレータ１００の一部として一体的に形成されている。

　支持台１０４は、セパレータ１００から垂直に延びる垂直片１０１と、この垂直片１０１の先端から水平方向に沿って延びる支持片１０２とを備えている。支持片１０２は複数の突部１０３を備え、それらの突部１０３により、流路１０８とマニホールド孔１１０との間に流路が形成されている。また、各突部１０３は、セパレータ１００の表面１００ａに接して支持台１０４を支持している。垂直片１０１には、流路１０８とマニホールド孔１１０との間を流通する燃料ガス、酸化ガスまたは冷媒の流通路となる複数の流通孔１０５が形成されている。従って、ガスはマニホールド孔１１０から流路１０８に至る間に、前記流通孔１０５及び支持台１０４の突部１０３の間を通過する。

　そして、図１２に示すように前記支持台１０４は電極体（ＭＥＧＡ）１４０を支持する。このことにより、電極体１４０の撓みが防止され、電極体１４０及びセパレータ１００の各々とシール部材１５０との間の密着性が高められて、ＭＥＧＡ１４０とセパレータ１００との間のシール部材１５０のシール性能が向上する利点がもたらされる。

特開２００６－２２１９０５号公報

　ところが、特許文献１に記載のセパレータは、金属板を単純に打ち抜くだけでは製造できない。すなわち、セパレータ１００自身にマニホールド孔１１０から流路１０８までのガスを通すための通路を形成するために多くの工程が必要となる。具体的には、セパレータのマニホールド孔１１０の形成予定領域に突部１０３を形成する工程、マニホールド孔１１０の形成予定領域に流通孔１０５を形成する工程、マニホールド孔１１０の形成予定領域の周りにＵ字形状の切り込みを入れる工程、マニホールド孔の形成予定領域の部分をセパレータ１００の表面１００ａに対して垂直に折り曲げる工程、および垂直に折り曲げられた部分の先端側をマニホールド孔１１０から離間する方向に向けて水平方向に沿って延びるように折り曲げる工程が必要となる。

　このように、従来、前記支持台は、電極体（ＭＥＧＡ）の撓みを防止できるとともに、電極体及びセパレータの各々とシール部材との間の密着性を高め、シール性能を向上させることができる。しかし、支持台にガスを通すための通路を設けるために、多くの複雑な工程が必要になり、コスト高となる問題がある。

　本発明の目的は、上記課題を解決して、電極体（ＭＥＧＡ）の撓みを防止するように電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータの各々とシール部材との間の密着性を高め、シール性能を向上させる燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、及び燃料電池を提供することにある。また、本発明の目的は、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に削減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、及び燃料電池を提供することにある。又、本発明の他の目的は、このような燃料電池用セパレータプレートの製造方法を提供することにある。

　上記問題点を解決するために、本発明の一態様は、燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒の一方を流通させる複数の流路を有する流路形成領域と、前記流路に前記反応ガス及び冷媒の一方を流通させるための少なくとも１つのマニホールド孔とを備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートを提供する。前記マニホールド孔と前記流路との間には、前記流路形成領域より膨出するとともに燃料電池の電極体を支持する少なくとも１つの膨出部が形成される。前記各膨出部の前記流路に交差する面には、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔が形成されている。

　この場合、マニホールド孔と流路との間に、流路形成領域より高く形成された膨出部は電極体を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓みが防止される。このため、電極体およびセパレータの間に配置されたシール部材と、電極体及びセパレータのそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上し得る。又、膨出部は、プレス成形により簡単に形成できる。さらに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減できる。

　燃料電池用セパレータプレートは、平板部を備え、前記平板部には、前記マニホールド孔が形成されるとともに前記流路が形成され、前記膨出部は、前記平板部から膨出していることが好ましい。

　この場合、平板部から膨出形成された膨出部を有する燃料電池用セパレータプレートにおいて、上述の作用を容易に実現する。

　前記ガス流通孔は、前記膨出部が膨出するように形成される際に、前記セパレータプレートから剪断されることにより形成されていることが好ましい。

　この場合、燃料電池用セパレータプレートのガス流通孔は、膨出するように加工される際に、セパレータプレートから剪断されることにより、簡単に形成され、ひいてはセパレータプレートの加工が容易となる。

　燃料電池用セパレータプレートは、凹状に形成された中央部と、前記中央部の周囲を囲み、かつ前記中央部の周縁から膨出するように形成された周縁部とを備え、前記中央部に前記流路が設けられ、前記周縁部に、前記マニホールド孔が形成され、前記膨出部は、前記マニホールド孔に隣接する前記周縁部の一部により構成され、前記膨出部において流路に交差する面には、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔が形成されていることが好ましい。

　この場合、周縁部にマニホールド孔を有するとともに、マニホールド孔に隣接する周縁部の一部が膨出部として構成されている燃料電池用セパレータプレートにおいて、上述の作用を容易に実現する。

　本発明の別の態様において、上述の燃料電池用セパレータプレートから構成された第１セパレータプレートと、枠状のシール部材と、そのシール部材を介して、前記第１セパレータプレートにおいて前記膨出部が膨出する方向と逆の面に積層された第２セパレータプレートとを備える燃料電池用セパレータが提供される。前記第１セパレータおよび第２セパレータプレートのいずれか一方のセパレータプレートには、前記膨出部を支持する少なくとも１つの支持部材が、他方のセパレータプレートまで延出するように形成されている。

　この場合、燃料電池用セパレータのうち一方のセパレータプレートから他方のセパレータプレートまで支持部材が延出するように形成されているため、支持部材は、膨出部とともに電極体を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓みが防止され得る。このため、電極体および第１セパレータプレートの間に配置されたシール部材と、電極体及び第１セパレータプレートのそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上し得る。又、第１セパレータプレートの膨出部は、プレス成形により簡単に形成されるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減できる。

　本発明のさらに別の態様において、上述の燃料電池用セパレータが複数個設けられ、それらの燃料電池用セパレータと複数の前記電極体とが交互に積層された燃料電池が提供される。

　この場合、上述の作用を容易に実現できる燃料電池が得られる。

　本発明のさらなる別の態様は、燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒の一方を流通させる複数の流路を有する流路形成領域と、前記流路に前記反応ガス及び冷媒の一方を流通させるための少なくとも１つのマニホールド孔とを備えた金属板から燃料電池用セパレータプレートを製造する方法を提供する。該製造方法は、前記金属板の前記マニホールド孔と前記流路との間の領域に対して、燃料電池の電極体を支持する少なくとも１つの膨出部を、前記流路形成領域よりプレス成形で膨出させるとともに、前記プレス成形時に、前記各膨出部の前記流路と交差する面に、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔を形成する。

　この場合、金属板の前記マニホールド孔と前記流路との間の領域に対して、金属板を、前記流路形成領域よりプレス成形で膨出させるだけで、膨出部が得られる。そして、膨出部のプレス成形時に、マニホールド孔と前記流路とに連通するガス流通孔が形成される。

　本発明によれば、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータの各々とシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができる。また、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に削減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレートを提供できる。

　膨出部を膨出させるように加工する時に、ガス流通孔が剪断により、簡単に形成されるため、セパレータプレートの加工を容易にすることができる。

　また、本発明によれば、燃料電池用セパレータ組立体、燃料電池、および燃料電池用セパレータプレートの製造方法が提供される。本発明によれば、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータの各々とシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができる。また、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に削減でき、コストを低減できる。

第１実施形態の燃料電池の全体構成の概略図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第２実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第２実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第３実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第３実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第４実施形態のセパレータの要部拡大斜視図。 第４実施形態のセパレータの要部拡大斜視図。 従来例のセパレータの要部拡大斜視図。 従来例のセパレータの要部拡大断面図。

　（第１実施形態）
　以下、本発明の燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータ組立体を具体化した第１実施形態の燃料電池を図１～図４を参照して説明する。

　本実施形態では、セパレータ３０は、複数の膨出部を有するアノードプレート３４と、複数の支持部材を有するカソードプレート３５とを備えている。

　図１に示す本実施形態の燃料電池１０は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとを供給されて、燃料ガス及び酸化ガス（以下、必要に応じてまとめて反応ガスと呼ぶ）の電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。

　図１に示すように、燃料電池１０は、積層された複数の燃料電池セル２０と、該複数の燃料電池セル２０をその両端から挟持する図示しない一対のエンドプレート８０Ａ，８０Ｂとを備えている。エンドプレート８０Ａには、反応ガスを供給あるいは排出するための図示しない複数の貫通孔が形成されている。この貫通孔を介して図示しない水素タンクやコンプレッサ等の外部装置から、燃料電池１０の内部に反応ガスが滞りなく供給される。

　図１、図３に示すように、燃料電池セル２０は、電極体（ＭＥＧＡ）２１、及び枠状のシールガスケット３１，３２を介して電極体２１を挟むように位置する一対のセパレータ３０を備える。

　電極体２１は、図示はしないが膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該ＭＥＡの両側面に設けられた一対のガス拡散層とを備える。又、ＭＥＡは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層とからなる。本実施形態では、電極体２１は、図１に示すように略長方形状に形成されている。

　前記電解質膜は、プロトン伝導性を備えるとともに、湿潤状態で良好な電気伝導性を備える固体高分子材料の薄膜である。電解質膜としては、例えば、ナフィオンが用いられることができる。電解質膜の表面上に形成されたアノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金を担持している。

　前記ガス拡散層は、カーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層をＭＥＡのアノード側側面及びカソード側側面に一体に接合することにより、電極体２１が形成される。

　燃料ガスが、アノード側のガス拡散層に供給される。アノード側ガス拡散層は、燃料ガスをその厚み方向に拡散させて、アノード側電極触媒層の全面に燃料ガスを供給する。酸化ガスがカソード側のガス拡散層に供給される。カソード側ガス拡散層は、酸化ガスをその厚み方向に拡散させて、カソード側電極触媒層の全面に酸化ガスを供給する。

　前記シールガスケット３１，３２の枠部３１ａ，３２ａが、電極体２１の両側面の周縁に沿って配置される。枠部３１ａ，３２ａにより、電極体２１とセパレータ３０との間に、反応ガスが流れる空間が形成されている。

　シールガスケット３１，３２は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなる。シールガスケット３１，３２は略長方形状であり、セパレータ３０と同様の寸法を有する。図１に示すように、シールガスケット３１，３２の長手方向の両端の近傍には、前記流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する複数の貫通孔が設けられている。シールガスケット３２は、シール部材として作用する。

　又、電極体２１の長手方向の両端の近傍にも、前記流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する複数の貫通孔が設けられている。

　次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ３０について説明する。セパレータ３０は、シール部材として作用するシールガスケット３３と、シールガスケット３３において電極体２１のアノード側側面に向かって配置されるアノードプレート３４と、シールガスケット３３において電極体２１のカソード側側面に向かって配置されるカソードプレート３５とを備える。アノードプレート３４およびカソードプレート３５は、金属の薄板からなる。

　アノードプレート３４，及びカソードプレート３５は、例えば、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。

　アノードプレート３４は第１セパレータプレートに相当し、カソードプレート３５は第２セパレータプレートに相当する。

　図１の下側に示されるように、アノードプレート３４は、略長方形状の平板部３４ａからなる。平板部３４ａの中央部には平板部３４ａの長手方向に沿って延びる複数の突部が形成されている。該突部は流路３７を画定する。突部は、流路３７の断面が波形に形成されるように構成されても良い。該流路３７を通る反応ガスは、電極体２１のアノード側ガス拡散層を介してアノード側電極触媒層と接触する。流路３７は、図１に示すようにシールガスケット３２の枠部３２ａにより囲われており、電極体２１とセパレータ３０との間の反応ガスが流れる空間内に位置する。流路３７が形成された領域は、流路形成領域として作用する。

　又、カソードプレート３５は、略長方形の平板部３５ａからなる。平板部３５ａの中央部には平板部３５ａの長手方向に沿って延びる複数の突部が形成されている。該突部は流路３８を画定する。突部は、流路３８の断面が波形に形成されるように構成されても良い。該流路３８を通る反応ガスは、電極体２１のカソード側ガス拡散層を介してカソード側電極触媒層と接触する。なお、図１では説明の便宜上、流路３８は、流路が形成された部分の裏側（図１上では上側）に示されている。

　前記流路３８は、シールガスケット３１の枠部３１ａにより囲われており、電極体２１とセパレータ３０との間の反応ガスが流れる空間内に位置する。

　アノードプレート３４と、カソードプレート３５との間にはシールガスケット３３が挟まれている。シールガスケット３３と、アノードプレート３４の流路３７を有さない面と、カソードプレート３５の流路３８を有さない面との間に形成される空間には、主に冷却水の流路が設けられている。

　アノードプレート３４、及びカソードプレート３５の平板部３４ａ，３５ａには、平板部３４ａ，３５ａを貫通する複数のマニホールド孔が形成されている。

　具体的には、図１に示すように、アノードプレート３４およびカソードプレート３５の各々における両短辺の近傍には、それぞれ燃料ガス供給用の第１マニホールド孔３０ａ、および燃料ガス排出用の第２マニホールド孔３０ｂが設けられている。アノードプレート３４およびカソードプレート３５の各々における両短辺の近傍には、それぞれ酸化ガス供給用の第３マニホールド孔３０ｃ、および酸化ガス排出用の第４マニホールド孔３０ｄが設けられている。アノードプレート３４およびカソードプレート３５の各々における両短辺の近傍において、第１マニホールド孔３０ａと第４マニホールド孔３０ｄとの間、及び第２マニホールド孔３０ｂと第３マニホールド孔３０ｃとの間には、冷却水供給用の第５マニホールド孔３０ｅ及び冷却水排出用の第６マニホールド孔３０ｆが、それぞれ設けられている。

　なお、説明の便宜上、図１では、カソードプレート３５の第２マニホールド孔３０ｂは、隠れているため図示されていない。

　シールガスケット３３は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなる。シールガスケット３３は、略長方形状であり、アノードプレート３４，及びカソードプレート３５と略同じ寸法を有する。図１に示すように、シールガスケット３３の長手方向の両端の近傍には、前記流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する複数の貫通孔が設けられている。

　アノードプレート３４の第１マニホールド孔３０ａおよび第２マニホールド孔３０ｂの各々において、流路３７の近傍の部分には、平板部３４ａから電極体２１のアノード側側面へ向かって膨出する膨出部が形成されている。各膨出部は、流路形成領域の高さよりも高く、支持部４０として作用する。なお、流路３７が形成された領域は、流路形成領域として作用する。各支持部４０は、図２に示されるように、平板部３４ａに連結された一対の脚部４１と、一対の脚部４１の間を連結する頂部４２とからなる。支持部４０の断面形状は、頂部４２において電極体２１のアノード側側面に対向する表面は平坦であることが好ましい。支持部４０は、平板部３４ａから膨出するように成形される。この際に、アノードプレート３４の長手方向に沿って流路３７に対向する支持部４０の端部はアノードプレート３４から剪断されて、図３に示すように支持部４０と平板部３４ａとの間にガス流通孔４４が形成されている。即ち、流路３７の方向に対して交差する支持部４０の面は、アノードプレート３４から剪断されて、ガス流通孔４４が形成される。

　そして、二つの支持部４０の頂部４２は電極体２１のアノード側側面に当接し、支持部４０は電極体２１を支持している。

　一方、カソードプレート３５の平板部３５ａにおいて、前記各支持部４０に対向する部分には、平板部３５ａから電極体２１のアノード側側面へ向かって突出する単数又は複数の柱部４３が設けられている。柱部４３は、支持部材として作用する。柱部４３は、図３に示すように、平板部３５ａをアノードプレート３４へ向けて袋状にプレス成型するとともに、支持部４０へ向けて延出形成することによって形成されている。

　柱部４３の先端面は平坦に形成されて、支持部４０として作用する膨出部の内面に当接させられている。柱部４３は、カソードプレート３５の短辺の方向に沿って並ぶように配置されている。隣り合う各対の柱部４３の間及び柱部４３と支持部４０の脚部４１との間は、第１マニホールド孔３０ａと、アノードプレート３４の流路３７との間を流れる反応ガスのガス流路Ｇを形成する。

　そして、柱部４３は、支持部４０の頂部４２の内面に当接して、支持部４０を支持し、支持部４０による電極体２１の支持を補強している。

　なお、図１に示すカソードプレート３５の第２マニホールド孔３０ｂの近傍には、第１マニホールド孔３０ａの近位に設けられた柱部４３と同様に、単数又は複数の柱部４３（図示せず）が設けられている。この柱部４３はアノードプレート３４の第２マニホールド孔３０ｂの支持部４０を支持する。

　さらに、図４に示すように、カソードプレート３５の第３マニホールド孔３０ｃにおいて、流路３７の近傍には、平板部３５ａから電極体２１のカソード側側面へ向かって膨出する膨出部が形成されている。各膨出部は、流路形成領域の高さよりも高く、支持部４０Ａとして作用する。各支持部４０Ａは、平板部３５ａに連結された一対の脚部４１Ａと、一対の脚部４１Ａの先端の間を連結する頂部４２Ａとからなる。支持部４０Ａの断面形状は、支持部４０と同様に限定されないが、好ましくは、頂部４２Ａにおいて電極体２１のカソード側側面に対向する表面は平坦であることが好ましい。支持部４０Ａは、平板部３５ａから膨出するように成形される。この際に、カソードプレート３５の長手方向に沿って流路３８に対向する支持部４０Ａの端部は剪断されて、図４に示すように支持部４０Ａと平板部３５ａとの間にガス流通孔４４Ａが形成されている。即ち、流路３８の方向に対して交差する支持部４０Ａの面は、カソードプレート３５から剪断されて、ガス流通孔４４Ａが形成される。

　そして、二つの支持部４０Ａの頂部４２Ａは電極体２１のカソード側側面に当接し、支持部４０Ａは電極体２１を支持している。

　なお、図４は、第３マニホールド孔３０ｃの近傍を図示しているが、カソードプレート３５の第４マニホールド孔３０ｄにおいても、図示はしないが同様に支持部４０Ａが形成されている。

　一方、図４に示すようにアノードプレート３４の平板部３４ａにおいて、前記各支持部４０Ａに対向する部分には、平板部３４ａから電極体２１のカソード側側面へ向かって突出する単数又は複数の柱部４３Ａが設けられている。柱部４３Ａは、支持部材として作用する。柱部４３Ａは、図４に示すように、平板部３４ａをカソードプレート３５へ向けて袋状にプレス成型するとともに、支持部４０Ａへ向けて延出形成することによって形成されている。

　柱部４３Ａの先端面は平坦に形成されて、支持部４０Ａとして作用する膨出部の内面に当接させられている。柱部４３Ａは、アノードプレート３４の短辺の方向に沿って並ぶように配置されている。隣り合う各対の柱部４３Ａの間及び柱部４３Ａと支持部４０Ａの脚部４１Ａとの間は、第３マニホールド孔３０ｃと、カソードプレート３５の流路３８との間を流れる酸化ガスのガス流路ＧＡを形成する。

　そして、柱部４３Ａは、支持部４０Ａの頂部４２Ａの内面に当接して、支持部４０Ａを支持し、支持部４０Ａによる電極体２１の支持を補強している。

　なお、アノードプレート３４の第４マニホールド孔３０ｄの近傍には、第３マニホールド孔３０ｃの近位に設けられた柱部４３Ａと同様に、単数又は複数の柱部４３Ａ（図示せず）が、設けられている。この柱部４３Ａはカソードプレート３５の第４マニホールド孔３０ｄの支持部４０Ａを支持する。

　（アノードプレート３４、カソードプレート３５の製造方法について）
　ここで、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の製造方法について説明する。

　金属板に対して、マニホールド孔３０ａ～３０ｆ、および流路３７をプレス成形するのと同時に、金型を用いて支持部４０、４０Ａをプレス加工する。

　このプレス成形時において、金型によりマニホールド孔３０ａ～３０ｆを抜き加工する。抜き加工の際に、第１マニホールド孔３０ａ（又は、第３マニホールド孔３０ｃ）と流路３７との間の領域、第２マニホールド孔３０ｂ（又は、第４マニホールド孔３０ｄ）と流路３７との間の領域に対応した部分（すなわち、支持部４０（又は支持部４０Ａ）となる領域）は、膨出するように、金型により、曲げ成形される。支持部４０，４０Ａが平板部３４ａ，３５ａからトンネル状に膨出するように形成される際、支持部４０，４０Ａにおいて流路３７，３８に対向する部分が剪断されてガス流通孔４４，４４Ａが形成される。

　又、前記抜き加工と同時、或いは後の工程において、プレス成形による曲げ加工によって柱部４３，４３Ａが形成される。

　こうして形成されたアノードプレート３４及びカソードプレート３５を積層して接合することにより、セパレータ３０の内部には各種流体の流路が形成される。

　（実施形態の作用）
　次に、本実施形態の作用を説明する。

　図３に示すように、セパレータ３０及びシールガスケット３１，３２の積層によりマニホールドが形成される。マニホールド（マニホールド孔を含む）内を流れる燃料ガスの一部は、カソードプレート３５の第１マニホールド孔３０ａを通ってガス流路Ｇへ供給される。そして、ガス流路Ｇに流れた反応ガス（本実施形態では燃料ガス）は、ガス流通孔４４を介して流路３７に流れて、電極体２１での電気化学反応に供される。

　又、流路３７を通過した反応ガスは、図３には示していないもう一方の支持部のガス流通孔、ガス流路を介して、第２マニホールド孔３０ｂへ導出される。

　又、マニホールド（マニホールド孔を含む）内を流れる酸化ガスの一部は、カソードプレート３５の第３マニホールド孔３０ｃを通ってガス流路ＧＡへ供給される。そして、ガス流路ＧＡに流れた酸化ガスは、ガス流通孔４４Ａを介して流路３８に流れて、電極体２１での電気化学反応に供される。

　又、流路３８を通過した酸化ガスは、もう一方の支持部のガス流通孔、ガス流路を介して、第４マニホールド孔３０ｄへ導出される。

　本実施形態では、電極体２１は、アノードプレート３４の支持部４０，４０Ａ及び柱部４３，４３Ａにより支持されて、撓まないように保持されることができる。このため、電極体２１及びセパレータ３０とシールガスケット３２（シール部材）との間の密着性が高まり、シール性能が向上し得る。

　本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５の支持部４０，４０Ａは、複雑な工程を経ることなくプレス加工により容易に得ることができる。また、プレス加工の際に、剪断によりガス流路Ｇ，ＧＡが形成されるため、特別な穴開け工程が必要でなくなる。

　本実施形態は、下記の特徴を有する。

　（１）　本実施形態のアノードプレート３４は、第１マニホールド孔３０ａと流路３７との間及び第２マニホールド孔３０ｂと流路３７との間に形成された支持部４０（膨出部）を備えている。また、カソードプレート３５は、第３マニホールド孔３０ｃと流路３８との間及び第４マニホールド孔３０ｄと流路３８との間に形成された支持部４０Ａ（膨出部）を備えている。支持部４０，４０Ａは、流路３７，３８が形成された流路形成領域よりも高く膨出するとともに、燃料電池の電極体２１を支持する。支持部４０の流路３７に対向する端部には、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）と流路３７とに連通するガス流通孔４４が形成されている。支持部４０Ａの流路３８に対向する端部には、マニホールド孔３０ｃ（３０ｄ）と流路３８とに連通するガス流通孔４４Ａが形成されている。

　マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）と流路３７との間及びマニホールド孔３０ｃ（３０ｄ）と流路３８との間に、流路形成領域よりも高く形成された支持部４０，４０Ａは電極体２１を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓みを防止する。このため、電極体およびセパレータの間に配置されたシールガスケット３２（シール部材）と、電極体２１及びセパレータ３０のそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上し得る。又、支持部４０，４０Ａの形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減できる。

　（２）　本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５において、ガス流通孔４４，４４Ａは、支持部４０，４０Ａが膨出加工された際の剪断により形成されているため、簡単に形成でき、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の加工が容易となる。

　（３）　本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５の平板部３４ａ，３５ａには、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）が形成されるとともに流路３７が形成されている。また、支持部４０，４０Ａは、平板部３４ａ，３５ａから膨出するように形成されている。この結果、支持部４０，４０Ａを有するアノードプレート３４及びカソードプレート３５において、上記（１）、及び（２）の効果を容易に実現できる。

　（４）　本実施形態の燃料電池において、セパレータ３０のアノードプレート３４及びカソードプレート３５には、支持部４０，４０Ａの電極体２１の反対側から支持部４０を支持する柱部４３，４３Ａ（支持部材）が延出形成されている。柱部４３，４３Ａは、支持部４０，４０Ａとともに電極体２１を支持し、電極体２１（ＭＥＧＡ）の撓みを防止する。このため、電極体２１とアノードプレート３４との間に配置されたシールガスケット３２（シール部材）と、電極体２１およびアノードプレート３４のそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上する。同様に、電極体２１とカソードプレート３５との間に配置されたシールガスケット３１（シール部材）と、電極体２１及びカソードプレート３５のそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上する。又、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の支持部４０，４０Ａは、プレス成形により簡単に形成されるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減できる。

　（５）　本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５の製造方法では、金属板の第１マニホールド孔３０ａおよび第２マニホールド孔３０ｂの各々と流路３７との間の領域に支持部４０が形成され、第３マニホールド孔３０ｃおよび第４マニホールド孔３０ｄの各々と流路３８との間の領域に支持部４０Ａが形成される。支持部４０，４０Ａは、電極体２１を支持するために、流路３７，３８が形成される流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出させられる。該プレス成形時に、支持部４０，４０Ａの流路３７，３８に対向する端部に、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）と流路３７，３８とに連通するガス流通孔４４，４４Ａが形成される。

　このため、金属板のマニホールド孔３０ａ（３０ｂ）と流路３７との間，及びマニホールド孔３０ｃ（３０ｄ）と流路３８との間の領域に対して、流路３７の流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するだけで、支持部４０，４０Ａが得られる。そして、支持部４０，４０Ａのプレス成形と同時に、マニホールド孔３０ａ～３０ｆと流路３７とに連通するガス流通孔４４が形成される。

　この結果、電極体２１及びアノードプレート３４の間，並びに電極体２１及びカソードプレート３５の間に介在するシールガスケット３２，３３（シール部材）が電極体２１、アノードプレート３４、およびカソードプレート３５に密着し、シール性能が向上する。また、電極体２１を支持する構成にガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減でき、製造コストが削減できる。

　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態を、図５及び図６を参照して説明する。なお、第２実施形態を含めた以下の実施形態では、既に説明した実施形態と異なる構成を中心に説明する。既に説明した実施形態と同一又は相当する構成については同一符号を付す。

　なお、第２実施形態を含め、以下の実施形態の説明では、アノードプレート３４において、第１実施形態と異なる構成を中心にして説明し、カソードプレート３５については説明の簡略のために省略するが、第１実施形態とは異なる構成が同様にあるものと理解されたい。

　第２実施形態では、柱部４３をカソードプレート３５に設ける代わりに、アノードプレート３４の支持部４０の頂部４２からカソードプレート３５へ向けて延びる複数の柱部４５が設けられている。すなわち、柱部４５は、図６に示すように、支持部４０の平坦な頂部４２からアノードプレート３４の平板部３４ａへ向けて袋状にプレス成型するとともに、カソードプレート３５へ向けて延出形成することによって形成される。第２実施形態では柱部４５は、後述するガス流路Ｇを通って反応ガスが流れる方向（図６では左右方向）において、支持部４０の両端にかからないように形成されている。

　柱部４５の先端面は平坦に形成されて、カソードプレート３５の平板部３５ａに当接させられている。柱部４５は、アノードプレート３４の短辺の方向に沿って並ぶように配置されている。隣り合う各対の柱部４５の間及び柱部４５と支持部４０の脚部４１との間は、第１マニホールド孔３０ａと、アノードプレート３４の流路３７間を流れる反応ガスのガス流路Ｇを形成する。

　そして、柱部４５は、カソードプレート３５の平板部３５ａに当接して、支持部４０を支持し、支持部４０による電極体２１の支持を補強している。第２実施形態では、柱部４５が、支持部材として作用する。

　（アノードプレート３４の製造方法について）
　第２実施形態のアノードプレート３４の製造方法について説明する。

　金属板に対して、マニホールド孔３０ａ～３０ｆ、および流路３７をプレス成形するのと同時に、金型を用いて支持部４０をプレス加工する。このプレス成形時において、金型によりマニホールド孔３０ａ～３０ｆを抜き加工する。抜き加工の際に、マニホールド孔３０ａと流路３７との間の領域に対応した部分（すなわち、支持部４０となる領域）は、膨出するように、金型により、曲げ成形される。この膨出するように成形する時に同時に金型により、柱部４５は、支持部４０の頂部４２から、支持部４０の膨出方向とは反対方向に向かって突出するように形成される。前記支持部４０が平板部３４ａからトンネル状に膨出するように形成される際、支持部４０において流路３７に対向する部分が剪断されてガス流通孔４４が形成される。

　（第２実施形態の作用）
　第２実施形態では、電極体２１は、アノードプレート３４の支持部４０及び柱部４５により支持されて、撓まないように保持されることができる。このため、電極体２１及びセパレータ３０とシールガスケット３２（シール部材）との間の密着性が高まり、シール性能が向上し得る。

　第２実施形態は、下記の特徴を有する。

　（１）　第２実施形態の燃料電池１０のセパレータ３０において、アノードプレート３４（第１セパレータプレート）は、支持部４０の電極体２１の反対側から支持部４０を支持する柱部４５（支持部材）を備える。柱部４５はカソードプレート３５まで延出形成されており、支持部４０とともに電極体２１を支持し、電極体２１（ＭＥＧＡ）の撓みを防止する。このため、電極体２１とアノードプレート３４との間に配置されたシールガスケット３２（シール部材）と、電極体２１及びアノードプレート３４のそれぞれとの間の密着性が高められ、シール性能が向上する。又、アノードプレート３４の支持部４０は、プレス成形により簡単に形成されるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に削減できる。

　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態を、図７及び図８を参照して説明する。第２実施形態では、ガス流路Ｇにより反応ガスが流れる方向（図６では左右方向）において、支持部４０の両端にかからないように形成したが、第３実施形態では、図７及び図８に示すように支持部４０の流路３８に対向する端部上まで延びる複数の柱部４５Ａが形成されている。

　第３実施形態において、第２実施形態と同様の製造方法により、プレス成形と同時に剪断加工によって複数のガス流通孔４４を形成することが可能である。

　第３実施形態の構成によれば、支持部４０のガス流通孔４４の近傍に柱部４５Ａが設けられている。そのため、燃料電池セル２０がスタックされて圧縮状態で積層された際に、柱部４５Ａは、ガス流通孔４４（開口）に掛かる圧縮荷重に抗して、支持部４０を支持することができる。このため、ガス流通孔４４（開口）の近傍において、アノードプレート３４とカソードプレート３５との間に位置するシールガスケット３３（シール部材）へ確実に荷重を伝えることができ、この結果、さらに、シールの信頼性を向上させることができる。

　（第４実施形態）
　次に、第４実施形態を図９、図１０を参照して説明する。

　第４実施形態では、第２実施形態及び第３実施形態と異なり、アノードプレート３４は、四角形状の中央部３６と、中央部３６より膨出して、中央部３６が凹状になるように中央部３６を囲む周縁部３９とを備えている。

　中央部３６には、流路３７が形成されて、中央部３６は流路形成領域として作用する。

　又、周縁部３９には、マニホールド孔３０ａ～３０ｆが形成されている。なお、図９では、説明の便宜上、マニホールド孔３０ａ、３０ｄのみが図示されている。他のマニホールド孔３０ｂ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｆの位置関係は、第１実施形態と同様であるので省略している。マニホールド孔３０ａに隣接した周縁部３９の一部が、膨出部４６として作用する。

　膨出部４６の流路３７（すなわち、中央部３６）に対向する側面には、前記マニホールド孔３０ａと流路３７とに連通する少なくとも１つのガス流通孔４４が形成されている。又、膨出部４６には、第２及び第３実施形態と同様の複数の柱部４５、４５Ａがそれぞれ設けられている。柱部４５，４５Ａは図９及び図１０には示されていないカソードプレートの平板部に当接している。

　又、周縁部３９の周囲には、段差を有するフランジ部４８が形成され、図示しない枠状のシールガスケットが配置されている。

　アノードプレート３４の中央部３６が周縁部３９から凹状に形成された空間域に、図９及び図１０には示されていない電極体２１が架け渡された状態で配置され、電極体２１のガス拡散層（ＧＤＬ）は、アノードプレート３４の中央部３６の流路３７を通る反応ガスに接触する。

　第４実施形態では、柱部４５Ａ，４５により、第２実施形態、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。

　なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。

　・　第１実施形態、第２実施形態でのアノードプレート３４（カソードプレート３５）の製造方法において、マニホールド孔３０ａ～３０ｆと、流路３７とをプレス成形するのと同時に、支持部４０が形成される。代替的に、マニホールド孔３０ａ～３０ｆと、流路３７とを先にプレス成形し、後に、支持部４０をプレス成形するとともに、ガス流通孔４４を形成するようにしてもよい。

　・　前記実施形態では、ガス流通孔４４を支持部４０の形成と同時に、剪断により形成した。代替的には、マニホールド孔３０ａ～３０ｆを形成する際に、絞り加工で支持部４０を形成した後、支持部４０の流路３７に対向する側面に穴加工を施してガス流通孔４４を形成するようにしてもよい。

　・　前記各実施形態では、柱部４３，４３Ａ，４５，４５Ａを設けたが、柱部４３，４３Ａ，４５，４５Ａを省略してもよい。

　・　マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）、３０ｃ（３０ｄ）に支持部４０（４０Ａ）を設けることに限定されるものではなく、マニホールド孔３０ａ，３０ｂ以外の他のマニホールド孔に支持部を設けてもよい。この場合、その支持部４０を補強する柱部を前記実施形態と同様にもうけるようにしてもよい。

１０…燃料電池、２０…燃料電池セル、２１…電極体、３０…セパレータ、３１…シールガスケット、３２…シールガスケット、３３…シールガスケット、３４…アノードプレート（第１セパレータプレート）、３４ａ…平板部、３５…カソードプレート（第２セパレータプレート）、３５ａ…平板部、３６…中央部、３７…流路、３８…流路、４０，４０Ａ…支持部（膨出部）、４１，４１Ａ…脚部、４２，４２Ａ…頂部、４３，４３Ａ…柱部、４４…ガス流通孔。

Claims (7)

1. 　燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒の一方を流通させる複数の流路を有する流路形成領域と、前記流路に前記反応ガス及び冷媒の一方を流通させるための少なくとも１つのマニホールド孔とを備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートにおいて、
   　前記マニホールド孔と前記流路との間には、前記流路形成領域より膨出するとともに燃料電池の電極体を支持する少なくとも１つの膨出部が形成され、前記各膨出部の前記流路と交差する面には、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータプレート。
2. 　平板部を備え、
   　前記平板部には、前記マニホールド孔が形成されるとともに前記流路が形成され、
   　前記膨出部は、前記平板部から膨出していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータプレート。
3. 　前記ガス流通孔は、前記膨出部が膨出加工される際に前記セパレータプレートから剪断されることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータプレート。
4. 　凹状に形成された中央部と、前記中央部の周囲を囲み、かつ前記中央部の周縁から膨出するように形成された周縁部とを備え、
   　前記中央部に前記流路が設けられ、
   　前記周縁部に、前記マニホールド孔が形成され、
   　前記膨出部は、前記マニホールド孔に隣接する前記周縁部の一部により構成され、
   　前記膨出部の流路に交差する面には、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の燃料電池用セパレータプレート。
5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータプレートから構成された第１セパレータプレートと、枠状のシール部材と、そのシール部材を介して、前記第１セパレータプレートにおいて前記膨出部が膨出する方向と逆の面に積層された第２セパレータプレートとを備える燃料電池用セパレータであって、
   　前記第１セパレータプレートおよび第２セパレータプレートのいずれか一方のセパレータプレートには、前記膨出部を支持する少なくとも１つの支持部材が、他方のセパレータプレートまで延出するように形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6. 　請求項５に記載の燃料電池用セパレータが複数個設けられ、それらの燃料電池用セパレータと複数の前記電極体とが交互に積層されていることを特徴とする燃料電池。
7. 　燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒の一方を流通させる複数の流路を有する流路形成領域と、前記流路に前記反応ガス及び冷媒の一方を流通させるための少なくとも１つのマニホールド孔とを備えた金属板から燃料電池用セパレータプレートを製造する方法であって、
   　前記金属板の前記マニホールド孔と前記流路との間の領域に対して、燃料電池の電極体を支持する少なくとも１つの膨出部を、前記流路形成領域よりプレス成形で膨出させるとともに、前記プレス成形時に、前記各膨出部の前記流路に交差する面に、前記マニホールド孔と前記流路とに連通する少なくとも１つのガス流通孔を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータプレートの製造方法。

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