JP2006216491A - 燃料電池のセパレータおよび燃料電池のセパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池のセパレータに関し、セパレータの加工を容易にする。
【解決手段】セパレータ２５は、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３と中間プレート２４とから構成される。セパレータ２５に形成される各構成要素（アノード系、カソード系、冷却系）は、これら３枚のプレートを厚さ方向に貫通する貫通部と、塑性加工（例えば、プレス加工）によって形成される凸凹形状部から構成される。この結果、セパレータ２５は、容易で生産性の高い加工法（打ち抜き加工とプレス加工）を用いて加工することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池のセパレータに関し、特にセパレータの加工を容易にする技術に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（カソード極とアノード極）に、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それぞれ供給することにより、次式（１）および式（２）に示す反応が行なわれ、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。

カソード反応（酸素極）：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ...（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ...（２）

かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）およびセパレータを積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが開発されている。

ここで、燃料電池のセパレータとして、アノード側のプレートと、カソード側のプレートと、両プレートに挟まれた中間プレートとから構成された３層構造を有するものが知られている（例えば、特許文献１）。この３層構造のセパレータは、アノード側およびカソード側のプレートの表面に、ハーフエッチング加工により形成された反応ガス流路を備えている。そして、中間プレートに設けられた受け渡し流路と上述した反応ガス流路の端部に設けられた長孔形状のガス供給孔とを介して、反応ガスを反応ガス流路に分配している。

特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、アノード側およびカソード側のプレートの反応ガス流路をハーフエッチングにより加工しているため、作製のための加工工数が大きくなる問題があった。また、ハーフエッチングの加工性を考慮してアノード側およびカソード側のプレートの材料を選択する必要があるため、材料選択が制限され、耐食性が犠牲になるおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のセパレータにおいて、燃料電池のセパレータの加工を容易にすることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、カソード極との対向面を有するカソード対向プレートと、アノード極との対向面を有するアノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートとに挟持される中間プレートとを備える燃料電池のセパレータを提供する。本発明の第１の態様に係るセパレータは、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドと燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを備え、前記中間プレートは、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給マニホールドと連通する酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス供給流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出マニホールドと連通する酸化ガス排出流路を形成する酸化ガス排出流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給マニホールドと連通する燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス供給流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出マニホールドと連通する燃料ガス排出流路を形成する燃料ガス排出流路形成部と、を備え、前記カソード対向プレートは、塑性加工により形成されると共に前記カソード極との間に酸化ガス流路を形成する凸凹形状を有する第１の凹凸形状部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス供給孔と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、を備え、前記アノード対向プレートは、塑性加工により形成されると共に前記アノード極との間に燃料ガス流路を形成する凸凹形状を有する第２の凹凸形状部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス流路とを連通する燃料ガス供給孔と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係るセパレータは、酸化ガスが供給されてから排出されるまでの経路（以下、カソード系という。）の全て（酸化ガス供給マニホールド−酸化ガス供給流路−酸化ガス供給孔−酸化ガス流路−酸化ガス排出孔−酸化ガス排出流路−酸化ガス排出マニホールド）および燃料ガスが供給されてから排出されるまでの経路（以下、アノード系という。）の全て（燃料ガス供給マニホールド−燃料ガス供給流路−燃料ガス供給孔−燃料ガス流路−燃料ガス排出孔−燃料ガス排出流路−燃料ガス排出マニホールド）が、３枚のプレートをそれぞれ厚さ方向に貫通する貫通部と、塑性加工により形成された凸凹形状部のみによって形成される。これによって、カソード系およびアノード系を容易で生産性の高い加工法のみを用いて加工することができる。

本発明の第１の態様に係るセパレータにおいて、前記中間プレートは、平面視において前記第１の凸凹形状部および前記第２の凸凹形状部の外周を囲む環状の形状を有し、前記酸化ガス流路は、前記第１の凸凹形状部の凹部によって形成され、前記燃料ガス流路は、前記第２の凸凹形状部の凹部によって形成され、前記アノード対向プレートと前記アノード対向プレートにおける前記中間プレート側の面は、前記第１の凹凸形状部と前記第２の凸凹形状部における凹部において、互いに当接しても良い。こうすれば、アノード対向プレートとカソード対向プレートが直接当接することによって、セパレータの導電性が確保される。

本発明の第１の態様に係るセパレータにおいて、前記第１の凹凸形状部の凸部と前記第２の凹凸形状部の凸部とによって、前記カソードプレートと前記アノードプレートとの間に冷却媒体流路を形成し、前記セパレータは、さらに、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出マニホールドと、を備え、前記中間プレートは、さらに、厚さ方向に貫通すると共に、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体流路とを連通する冷却媒体供給流路を形成する冷却媒体供給流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記冷却媒体排出マニホールドと前記冷却媒体流路とを連通する冷却媒体排出流路を形成する冷却媒体排出流路形成部と、を備えても良い。こうすれば、さらに、燃料電池を冷却するための冷却媒体が供給されてから排出されるまでの経路（以下、冷却系という。）の全て（冷却媒体供給マニホールド−冷却媒体供給流路−冷却媒体流路−冷却媒体排出流路−冷却媒体排出マニホールド）が、３枚のプレートをそれぞれ厚さ方向に貫通する貫通部と、塑性加工により形成された凸凹形状部のみによって形成される。これによって、冷却系も容易で生産性の高い加工法のみを用いて加工することができる。

本発明の第１の態様に係るセパレータにおいて、前記第１の凹凸形状部および前記第２の凹凸形状部の外周部は、燃料電池を構成する際に、前記セパレータと隣接する部品との間をシールするシール材が当接する外周シール部であり、各マニホールドは、前記外周シール部の外側に位置し、各供給孔および各排出孔は、前記発電部外周シール部の内側に位置しても良い。こうすれば、各供給流路および各排出流路は、セパレータの内部からシール部をトンネルするので、シール材との当接部は平面とすることができ、シール性が向上する。

本発明の第１の態様に係るセパレータにおいて、各供給流路形成部および各排出流路形成部は、前記外周シール部のシール方向に複数個並んで配置されていても良い。こうすれば、シール部におけるセパレータの内部において、各種供給流路または排出流路が形成された空間部と流路が形成されていない緻密部と、シール方向に複数個交互に並んで配置されるで、アノード対向プレートやカソード対向プレートの変形を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、カソード極との対向面を有するカソード対向プレートと、アノード極との対向面を有するアノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートとに挟持される中間プレートと、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドと燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを備え、前記中間プレートは、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給マニホールドと連通する酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス供給流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出マニホールドと連通する酸化ガス排出流路を形成する酸化ガス排出流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給マニホールドと連通する燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス供給流路形成部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出マニホールドと連通する燃料ガス排出流路を形成する燃料ガス排出流路形成部と、を備え、前記カソード対向プレートは、前記カソード極との間に酸化ガス流路を形成する凸凹形状を有する第１の凹凸形状部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス供給孔と、厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、を備え、前記アノード対向プレートは、前記アノード極との間に燃料ガス流路を形成する凸凹形状を有する第２の凹凸形状部と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス流路とを連通する燃料ガス供給孔と、厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、を備える燃料電池のセパレータの製造方法を提供する。本発明の第２の態様に係るセパレータの製造方法は、前記カソード対向プレートにおける前記第１の凹凸形状部と、前記アノード対向プレートにおける前記第２の凹凸形状部は、塑性加工により形成されることを特徴とする。

こうすれば、酸化ガス流路および燃料ガス流路を、容易で生産性の高い塑性加工によって加工するので、セパレータの生産性を向上することができる。

以下、本発明に係るセパレータについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．実施例
・燃料電池およびセパレータの構成：
図１〜図４を参照して、実施例に係るセパレータおよび実施例に係るセパレータを用いて構成される燃料電池の概略構成について説明する。図１は、実施例に係るセパレータを用いて構成される燃料電池の外観構成を示す説明図である。図２は、実施例における燃料電池を構成するモジュールの概略構成を示す説明図である。図３は、実施例に係るセパレータを構成するカソード対向プレートおよびアノード対向プレートの平面図である。図４は、セパレータを構成する中間プレートと、シール一体型膜電極接合体（以下、膜電極接合体をＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）ともいう。）の平面図である。

燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、モジュール２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。モジュール２０は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。すなわち、燃料電池１０は、モジュール２０が、複数個積層された層状構造を有している。また、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、各モジュール２０は、積層方向に所定の圧縮力で締結される。

燃料電池１０には、電池反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１０を冷却する冷却媒体が供給される。簡単に説明すると、燃料電池１０のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１０から、配管２５０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２１０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管２５０には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ２２０および調圧バルブ２３０が配置されている。燃料電池１０のアノードから排出された水素は、配管２６０を介して配管２５０に戻され、再び燃料電池１０に循環される。配管２６０上には、循環のための循環ポンプ２４０が配置されている。

燃料電池１０のカソードには、エアポンプ３１０から、配管３５０を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１０のカソードから排出された空気は、配管３６０を介して大気中に放出される。燃料電池１０には、さらに、ラジエータ４２０から、配管４５０を介して、冷却媒体が供給される。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１０から排出された冷却媒体は、配管４６０を介して、ラジエータ４２０に送られ、再び燃料電池１０に循環される。配管４６０上には、循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。

モジュール２０は、図２に示すように、セパレータ２５とシール一体型ＭＥＡ２１を交互に積層して構成される。

セパレータ２５は、図２に示すように、シール一体型ＭＥＡ２１のカソード極との対向面を有するカソード対向プレート２２と、アノード極との対向面を有するアノード対向プレート２３と、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３とに挟持される中間プレート２４とを備えている。これらの３枚の板は重ね合わせて、ホットプレスすることにより接合されている。

カソード対向プレート２２は、略四角形の金属製の薄板である。本実施例では、金属製の薄板としては、ＳＵＳ（ステンレス）板を用いる。カソード対向プレート２２は、図３（ａ）に示すように、左右の端部に、セパレータ２５を構成する際に各種マニホールドを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂとを有している。カソード対向プレート２２は、さらに、上述した酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａより中央側に複数個並んで形成された酸化ガス供給孔２２５と、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂより中央側に複数個並んで形成された酸化ガス排出孔２２６とを有している。これらの各種マニホールド形成部、酸化ガス供給孔２２５、酸化ガス排出孔２２６は、全てカソード対向プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されており、打ち抜き加工により形成可能である。

カソード対向プレート２２は、燃料電池を構成する際にＭＥＡ（カソード極）と対向する発電部に、図２に示すように凸部と凹部が連続する形状（以下、凹凸形状という。）を有している。カソード対向プレート２２の凸凹形状を有している部分（発電部）を、第１の凸凹形状部と呼ぶものとする。図２および図３（ａ）に示すように、第１の凹凸形状部によって、カソード対向プレート２２には、ＭＥＡとの対向面における酸化ガス流路形成部２２９ａと、その反対面における冷却媒体流路形成部２２９ｂとが、上下方向に交互に形成される。ここで、本明細書において、第１の凸凹形状部のうち、酸化ガス流路形成部２２９ａを形成する部分（中間プレート２４との対向面側に突出している部分）を凹部とし、冷却媒体流路形成部２２９ｂを形成する部分（カソード極との対向面側に突出している部分）を凸部と呼ぶことにする。第１の凹凸形状部の凸部は、中間プレート２４との対向面に、断面形状が略矩形状の溝を形成し、第１の凹凸形状部の凹部は、カソード極との対向面に、断面形状が略矩形状の溝を形成する。第１の凸凹形状部は、プレス加工に代表される塑性加工により形成される。

アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード対向プレート２２と同じものを用いることができる。アノード対向プレート２３は、図３（ｂ）に示すように、カソード対向プレート２２と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３３ｂとを有している。アノード対向プレート２３は、さらに、上述した燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａより中央側に複数個並んで形成された燃料ガス供給孔２３７と、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂより中央側に複数個並んで形成された燃料ガス排出孔２３８とを有している。これらの各種マニホールド形成部、燃料ガス供給孔２３７、燃料ガス排出孔２３８は、全てアノード対向プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されており、打ち抜き加工により形成可能である。

アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同様に、燃料電池を構成する際にＭＥＡと対向する発電部に凸凹形状を有している（図２参照）。アノード対向プレート２３の凸凹形状を有している部分（発電部）を、第２の凸凹形状部と呼ぶものとする。図２および図３（ｂ）に示すように、第２の凸凹形状部によって、アノード対向プレート２３には、ＭＥＡとの対向面における燃料ガス流路形成部２３９ａと、その反対面における冷却媒体流路形成部２３９ｂとが、上下方向に交互に形成される。ここで、本明細書において、第２の凸凹形状部のうち、燃料ガス流路形成部２３９ａを形成する部分（中間プレート２４との対向面側に突出している部分）を凹部とし、冷却媒体流路形成部２３９ｂを形成する部分（アノード極との対向面側に突出している部分）を凸部と呼ぶことにする。第２の凹凸形状部の凸部は、中間プレート２４との対向面に、断面形状が略矩形状の溝を形成し、第２の凹凸形状部の凹部は、アノード極との対向面に、断面形状が略矩形状の溝を形成する。第２の凸凹形状部は、プレス加工に代表される塑性加工により形成される。

中間プレート２４は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じものを用いることができる。中間プレート２４は、図３（ｃ）に示すように、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂとを有している。

中間プレート２４には、図４（ａ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと一端が連通し、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａから中央方向に向かって形成された長孔である酸化ガス供給流路形成部２４５が複数個並んで形成されている。また、中間プレート２４は、酸化ガス供給流路形成部２４５と同様な形状を有する長孔として、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと一端が連通する酸化ガス排出流路形成部２４６と、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと一端が連通する燃料ガス供給流路形成部２４７と、燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと一端が連通する燃料ガス排出流路形成部２４８とを有している。

中間プレート２４は、図４（ａ）に示すように、燃料電池を構成する際にＭＥＡと対向する発電部がくり抜かれた発電部貫通部２４９を有している。これによって、中間プレート２４は、セパレータ２５を構成する際に、平面視においてカソード対向プレート２２における第１の凸凹形状部（発電部）およびアノード対向プレート２３における第２の凸凹形状部（発電部）の外周部を囲む環状の形状を有すこととなる。発電部貫通部２４９によって、セパレータ２５は、カソード対向プレート２２の第１の凸凹形状部とアノード対向プレート２３の第２の凸凹形状部とが、当接可能に構成される。詳しく説明すると、図２に示すように、第１の凸凹形状部における凹部と、第２の凸凹形状部における凹部とが、互いに当接する。言い換えれば、酸化ガス流路形成部２２９ａの背面と、冷却媒体流路形成部２３９ｂの背面とが互いに当接する。

中間プレート２４は、さらに、一端が上述した発電部貫通部２４９に連通し、他端が中間プレート２４の図４（ａ）における左側端部近傍に位置する長孔である冷却媒体供給流路形成部２４４ａを有している。中間プレート２４は、さらに、一端が上述した発電部貫通部２４９に連通し、他端が中間プレート２４の図４（ａ）における右側端部近傍に位置する長孔である冷却媒体排出流路形成部２４４ｂを有している。冷却媒体供給流路形成部２４４ａおよび冷却媒体排出流路形成部２４４ｂは、図４（ａ）における上下方向に複数個並んで形成されている。

中間プレート２４における上述した各種マニホールド形成部と、各種流路形成部は、全てアノード対向プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。中間プレート２４は、これらの貫通部以外には特に構造を有していない平板である。従って、中間プレート２４は、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製可能である。

シール一体型ＭＥＡ２１は、図４（ｂ）に示すように、ＭＥＡと、ＭＥＡの外周縁部に接合されたシール部５０とを備えている。ＭＥＡは、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜２１１と、電解質膜２１１の一方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、アノード極、図示せず）、電解質膜２１１の他方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、カソード極、図示せず）、各触媒層のセパレータ対向面に配置された拡散層２１２とを備えている。拡散層２１２は、例えば、金属製（例えば、チタン）多孔体またはカーボン製多孔体を用いて構成し得る。

シール部５０は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料が用いられる。シール部５０は、金型のキャビティにＭＥＡの外周端部を臨ませて、樹脂材料を射出成形することによって作製される。こうすることで、ＭＥＡとシール部５０とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部から漏れ出すことを防止できる。シール部５０は、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３と同様に、酸化ガス供給マニホールド形成部５０１ａ、酸化ガス排出マニホールド形成部５０１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部５０２ａ、冷却媒体供給マニホールド形成部５０３ａ、冷却媒体排出マニホールド形成部５０３ｂを有している。シール部５０は、図２に示すように、燃料電池１０を構成する際に、一方の面に当接する一のセパレータ２５と他方の面に当接するセパレータ２５との間をシールしている。シール部５０は、図４（ｂ）に示すように、ＭＥＡの外周（セパレータ２５から見れば、第１および第２の凸凹形状部の外周）と、各マニホールドの外周を囲むようにシールしている。図３（ｄ）では、図を見やすくするため、シール部５０のセパレータ２５と当接部を結ぶシール線ＳＬのみを示している。

図５〜図７を参照して、セパレータ２５に形成される各種流路の構成について説明する。図５は、実施例に係るセパレータとシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図および断面図である。図６は、図５におけるＢ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面、Ｅ−Ｅ断面をそれぞれ示す断面図である。図７は、図５におけるＦ−Ｆ断面およびＧ−Ｇ断面を示す断面図である。また、図２は、図５におけるＡ−Ａ断面を示している。

セパレータ２５には、図５（ａ）においてハッチングで示すように、厚さ方向に貫通する各種マニホールドが形成されている。すなわち、上述したカソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３、中間プレート２４にそれぞれに形成された燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａ、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａ、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａとによって、燃料ガス供給マニホールドが形成される。セパレータ２５には、同様にして、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド、冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ形成される。

セパレータ２５には、図５（ａ）に示す発電部ＤＡ部分において、図２に示すように、カソード対向プレート２２の第１の凸凹形状部とアノード対向プレート２３の第２の凸凹形状部とが当接し、上述したカソード対向プレート２２の冷却媒体流路形成部２２９ｂ（第１の凸凹形状部における凸部）とアノード対向プレート２３の冷却媒体流路形成部２３９ｂ（第２の凸凹形状部における凸部）とによって、冷却媒体流路７３が形成される。さらに、燃料電池を構成すると、ＭＥＡのカソード側の拡散層２１２と上述したカソード対向プレート２２の酸化ガス流路形成部２２９ａ（第１の凸凹形状部における凹部）との間に、酸化ガス流路７２が形成される。同様に、ＭＥＡのアノード側の拡散層２１２と上述したアノード対向プレート２３の燃料ガス流路形成部２３９ａ（第２の凸凹形状部における凹部）との間に、燃料ガス流路７１が形成される。

セパレータ２５には、図５および図６（ａ）に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス供給流路形成部２４５と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、酸化ガス供給流路６３が形成される。酸化ガス供給流路６３は、一端が酸化ガス供給マニホールドと連通している。そして、酸化ガス供給孔２２５は、酸化ガス供給流路６３と上述した酸化ガス流路７２とを連通している。

セパレータ２５には、図５および図６（ｂ）に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス排出流路形成部２４６と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、酸化ガス排出流路６４が形成される。酸化ガス排出流路６４は、一端が酸化ガス排出マニホールドと連通している。そして、酸化ガス排出孔２２６は、酸化ガス排出流路６４と上述した酸化ガス流路７２とを連通している。

セパレータ２５には、さらに、図５および図６（ｃ）（ｄ）に示すように、上述した酸化ガス系と同様の構造にて、燃料ガス系についても、燃料ガス供給流路６１および燃料ガス排出流路６２が形成される。そして、酸化ガス系と同様に、燃料ガス供給流路６１は、一端が燃料ガス供給マニホールドと連通し、他端が燃料ガス供給孔２３７を介して燃料ガス流路７１と連通している。燃料ガス排出流路６２は、一端が燃料ガス排出マニホールドと連通し、他端が燃料ガス排出孔２３８を介して燃料ガス流路７１と連通している。

セパレータ２５には、図５および図７（ｂ）に示すように、中間プレート２４に形成された冷却媒体供給流路形成部２４４ａと、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、冷却媒体供給流路６６が形成される。冷却媒体供給流路６６は、一端が冷却媒体供給マニホールドと連通し、他端が、上述の第１および第２の凸凹形状によって形成される冷却媒体流路７３と連通している。

セパレータ２５には、さらに、図５および図７（ｂ）に示すように、上述の冷却媒体供給流路６６と同様の構成にて、冷却媒体排出流路６７が形成される。冷却媒体排出流路６７は、一端が冷却媒体排出マニホールドと連通し、他端が、上述の冷却媒体流路７３と連通している。

ここで、図５（ａ）に示すように、セパレータ２５における燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４、冷却媒体供給流路６６、冷却媒体排出流路６７は、それぞれ、凸凹形状部の外周のシール部（以下外周シール部という。）をセパレータ２５の内部からトンネルするように形成されている。すなわち、これらの流路の一端と連通する各種マニホールドは、外周シール部の外側に位置している。そして、これらの流路の他端と連通する各供給孔（酸化ガス供給孔２２５、燃料ガス供給孔２３７）、各排出孔（酸化ガス排出孔２２６、燃料ガス排出孔２３８）および冷却媒体流路７３は、外周シール部より内側に位置している。

図５（ｂ）は、外周シール部上におけるセパレータ２５およびシール一体型ＭＥＡ２１の切断面（図５（ａ）におけるｓｌ１−ｓｌ１断面）を示している。図５（ａ）に示すように、燃料ガス供給流路６１、酸化ガス供給流路６３、冷却媒体流路６５は、シール線方向に複数本ずつ並んで配置されている。従って、図５（ｂ）に示すように、外周のシール部上における断面は、燃料ガス供給流路６１、酸化ガス供給流路６３、冷却媒体流路６５が形成されている部分（空間部）と、緻密部Ｓとが交互に並んでいる。これによって、緻密部Ｓが支持体となり、シール圧によるカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３の変形を抑制している。なお、図５（ａ）におけるｓｌ２−ｓｌ２断面も同様の構成となっている。これについては、図５（ｂ）において、かっこ書きで符号を付し、詳細の説明は省略する。

・燃料電池の動作：
同じく、図５〜図７を参照して、実施例に係るセパレータを用いて構成される燃料電池の動作について簡単に説明しておく。

燃料電池１０に供給された酸化ガスは、図６（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド−酸化ガス供給流路６３−酸化ガス供給孔２２５−酸化ガス流路７２を通って、カソード側の拡散層２１２に供給される。酸化ガス流路７２に供給された酸化ガスは、発電部ＤＡ全体に亘って分配されカソード極において電気化学反応に供される。その後、酸化ガスは、図６（ｂ）において矢印で示すように、酸化ガス流路７２−酸化ガス排出孔２２６−酸化ガス排出流路６４−酸化ガス排出マニホールドを通って外部に排出される。

同様にして、燃料電池１０に供給された燃料ガスは、図６（ｃ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド−燃料ガス供給流路６１−燃料ガス供給孔２３７−燃料ガス流路７１を通って、アノード側の拡散層２１２に供給される。拡散層２１２に供給された燃料ガスは、発電部ＤＡ全体に亘って拡散し（図示は省略）アノード極において電気化学反応に供される。その後、燃料ガスは、図６（ｄ）において矢印で示すように、燃料ガス流路７１−燃料ガス排出孔２３８−燃料ガス排出流路６２−燃料ガス排出マニホールドを通って外部に排出される。

燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図７（ｂ）において矢印で示すように、冷却媒体供給マニホールド−冷却媒体供給流路６６−冷却媒体流路７３−冷却媒体排出流路６７−冷却媒体排出マニホールドを通って、外部に排出される。冷却媒体は、主として冷却媒体流路７３内を流動中に燃料電池１０の熱エネルギを吸収して燃料電池１０を冷却する。

なお、燃料ガスとしては、例えば、純度の高い水素ガスを用いることができ、酸化ガスとしては、例えば、空気を用いることができる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。

以上のように構成された実施例に係るセパレータ２５では、燃料ガス流路７１、酸化ガス流路７２および冷却媒体流路７３を、塑性加工（プレス加工）により形成された凸凹形状により形成している。さらに、それ以外の燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４、冷却媒体供給流路６６、冷却媒体排出流路６７については、容易で生産性の高い加工法（打ち抜き加工）のみを用いて加工することができる。また、中間プレート２４については、全てを容易で生産性の高い加工法（打ち抜き加工）のみを用いて加工することができる。そして、セパレータ２５は、３つの板を接合するのみで容易に作製できる。従って、燃料電池１０の生産性を向上することができる。

また、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３の凹凸形状により、燃料ガス流路７１および酸化ガス流路７２と、冷却媒体流路７３を交互に形成しているので、セパレータ２５の厚さを薄くしつつ、反応ガスや冷却媒体の供給および排出を実現できる。この結果、電流密度の高い燃料電池を構成できる。

また、凹凸形状部の外周のシール部をセパレータ２５の内部からトンネルする燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４によって、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給、排出を行うので、シール部との当接部が平面となりセパレータ−セパレータ間のシール性が優れている。

また、図５（ｂ）を参照して説明したように、発電部外周シール部上における断面において、空間部と緻密部とが交互に配置されるように、燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４、冷却媒体供給流路６６、冷却媒体排出流路６７がシール方向に並んで複数個配置されている。この結果、第１実施例と同様にカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３のシール圧による変形が抑制される。

また、従来のいわゆるプレスセパレータは、実施例に係るセパレータ２５の有する機能（反応ガスの供給、排出、冷却媒体の供給、排出）を実現するためには、４点以上の部品を必要としていた（例えば、アノード側セパレータと、カソード側セパレータと、２つのセパレータ間のシール部品、反応ガスの供給、排出のための部品）が、セパレータ２５は、第１実施例と同様に、３点の部品のみで構成されているので、部品点数が削減されている。

さらに、本実施例に係る燃料電池１０は、ＭＥＡとシール部５０が一体化されたシール一体型ＭＥＡ２１を用いているので、モジュール２０は、セパレータ２５とシール一体型ＭＥＡ２１が交互に積層された簡易な構造となる。したがって、燃料電池の生産性が向上する。

Ｂ．変形例：
上記実施例において、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３を構成する金属薄板は、他の材質を用いても良い。例えば、チタン、チタン合金等、耐食性の高い材料を用いても良い。また、プレス成形後に、耐食メッキを施しても良い（Ｐｔメッキ、Ｐｄメッキ等）。

また、上記実施例において、３つの板は、ホットプレスにより接合しているが、これ以外にも、拡散接合、ロウ付け、溶接等、種々の接合方法が用いうる。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

実施例に係るセパレータを用いて構成される燃料電池の外観構成を示す説明図。 実施例における燃料電池を構成するモジュールの概略構成を示す説明図。 実施例に係るセパレータを構成するカソード対向プレートおよびアノード対向プレートの平面図。 実施例に係るセパレータを構成する中間プレートと、シール一体型ＭＥＡの平面図。 実施例に係るセパレータとシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図および断面図。 図５における各種断面を示す第１の断面図。 図５における各種断面を示す第２の断面図。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...モジュール
２１...シール一体型ＭＥＡ
２１１...電解質膜
２１２...拡散層
２２...カソード対向プレート
２２１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２２２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２２３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２２３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２２５...酸化ガス供給孔
２２６...酸化ガス排出孔
２２９ａ...酸化ガス流路形成部
２２９ｂ...冷却媒体流路形成部
２３...アノード対向プレート
２３１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２３２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２３３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２３３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２３７...燃料ガス供給孔
２３８...燃料ガス排出孔
２３９ａ...燃料ガス流路形成部
２３９ｂ...冷却媒体流路形成部
２４...中間プレート
２４１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２４１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２４２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２４２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２４４ａ...冷却媒体供給流路形成部
２４４ｂ...冷却媒体排出流路形成部
２４５...酸化ガス供給流路形成部
２４６...酸化ガス排出流路形成部
２４７...燃料ガス供給流路形成部
２４８...燃料ガス排出流路形成部
２４９...発電部貫通部
２５...セパレータ
３０...エンドプレート
３１...テンションプレート
３２...ボルト
３３...インシュレータ
３４...ターミナル
５０...シール部
５０１ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
５０１ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
５０２ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
５０２ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
５０３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
５０３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
６１...燃料ガス供給流路
６２...燃料ガス排出流路
６３...酸化ガス供給流路
６４...酸化ガス排出流路
６６...冷却媒体供給流路
６７...冷却媒体排出流路
７１...燃料ガス流路
７２...酸化ガス流路
７３...冷却媒体流路
ＤＡ...発電部

Claims (6)

1. カソード極との対向面を有するカソード対向プレートと、アノード極との対向面を有するアノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートとに挟持される中間プレートとを備える燃料電池のセパレータであって、
   前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドと燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを備え、
   前記中間プレートは、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給マニホールドと連通する酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス供給流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出マニホールドと連通する酸化ガス排出流路を形成する酸化ガス排出流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給マニホールドと連通する燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス供給流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出マニホールドと連通する燃料ガス排出流路を形成する燃料ガス排出流路形成部と、
   を備え、
   前記カソード対向プレートは、
   塑性加工により形成されると共に前記カソード極との間に酸化ガス流路を形成する凸凹形状を有する第１の凹凸形状部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス供給孔と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、
   を備え、
   前記アノード対向プレートは、
   塑性加工により形成されると共に前記アノード極との間に燃料ガス流路を形成する凸凹形状を有する第２の凹凸形状部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス流路とを連通する燃料ガス供給孔と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、
   を備えるセパレータ。
2. 請求項１に記載のセパレータにおいて、
   前記中間プレートは、
   平面視において前記第１の凸凹形状部および前記第２の凸凹形状部の外周を囲む環状の形状を有し、
   前記酸化ガス流路は、前記第１の凸凹形状部の凹部によって形成され、
   前記燃料ガス流路は、前記第２の凸凹形状部の凹部によって形成され、
   前記アノード対向プレートと前記アノード対向プレートにおける前記中間プレート側の面は、前記第１の凹凸形状部と前記第２の凸凹形状部における凹部において、互いに当接するセパレータ。
3. 請求項２に記載のセパレータにおいて、
   前記第１の凹凸形状部の凸部と前記第２の凹凸形状部の凸部とによって、前記カソードプレートと前記アノードプレートとの間に冷却媒体流路を形成し、
   前記セパレータは、さらに、
   前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出マニホールドと、
   を備え、
   前記中間プレートは、さらに、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体流路とを連通する冷却媒体供給流路を形成する冷却媒体供給流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記冷却媒体排出マニホールドと前記冷却媒体流路とを連通する冷却媒体排出流路を形成する冷却媒体排出流路形成部と、
   を備えるセパレータ。
4. 請求項１ないし請求項３に記載のセパレータにおいて、
   前記第１の凹凸形状部および前記第２の凹凸形状部の外周部は、燃料電池を構成する際に、前記セパレータと隣接する部品との間をシールするシール材が当接する外周シール部であり、
   各マニホールドは、前記外周シール部の外側に位置し、
   各供給孔および各排出孔は、前記発電部外周シール部の内側に位置するセパレータ。
5. 請求項４に記載のセパレータにおいて、
   各供給流路形成部および各排出流路形成部は、
   前記外周シール部のシール方向に複数個並んで配置されているセパレータ。
6. カソード極との対向面を有するカソード対向プレートと、アノード極との対向面を有するアノード対向プレートと、前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートとに挟持される中間プレートと、
   前記カソード対向プレートと前記アノード対向プレートと前記中間プレートとを厚さ方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドと燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを備え、
   前記中間プレートは、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給マニホールドと連通する酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス供給流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出マニホールドと連通する酸化ガス排出流路を形成する酸化ガス排出流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給マニホールドと連通する燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス供給流路形成部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出マニホールドと連通する燃料ガス排出流路を形成する燃料ガス排出流路形成部と、
   を備え、
   前記カソード対向プレートは、
   前記カソード極との間に酸化ガス流路を形成する凸凹形状を有する第１の凹凸形状部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス供給孔と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記酸化ガス排出流路と前記酸化ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、
   を備え、
   前記アノード対向プレートは、
   前記アノード極との間に燃料ガス流路を形成する凸凹形状を有する第２の凹凸形状部と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス流路とを連通する燃料ガス供給孔と、
   厚さ方向に貫通すると共に、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス流路とを連通する酸化ガス排出孔と、
   を備える燃料電池のセパレータの製造方法であって、
   前記カソード対向プレートにおける前記第１の凹凸形状部と、前記アノード対向プレートにおける前記第２の凹凸形状部は、塑性加工により形成されることを特徴とするセパレータの製造方法。

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