JP2016081909A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】シールをより確実に行うことが可能なセパレータを提供する。【解決手段】複数の燃料電池単セルが厚さ方向に積層された燃料電池スタックにおいて、燃料電池単セルは膜電極接合体の両側にセパレータを組み付けて形成され、隣接する２つの燃料電池単セルの対面する２つのセパレータ間に流体通路が画定されるか、又は、燃料電池単セルに形成された貫通口が厚さ方向に互いに整列されることにより厚さ方向に延びる流体貫流路が画定される。互いに隣接するセパレータの一方又は両方が、流体通路又は流体貫流路を囲みつつ厚さ方向外向きに突出するよう一体形成され、厚さ方向に弾性変形可能な突出部１０ｃを有し、突出部とこれに対面するセパレータとが互いに当接して、流体通路又は流体貫流路を取り囲むシール部が形成される。突出部が曲線部と直線部とを有し、直線部の一部に直線部の他部分よりも剛性が高い高剛性部１５を設ける。【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを形成するのに適したセパレータであって、燃料電池単セルは、板状の膜電極接合体の両側にそれぞれ板状の前記セパレータを組み付けることにより形成され、燃料電池スタックを形成するために複数の燃料電池単セルが燃料電池単セルの厚さ方向に互いに積層されたときに、互いに隣接する２つの燃料電池単セルの互いに対面する２つのセパレータ同士の間に流体通路が画定されるか、又は、前記燃料電池単セルに形成された貫通口が前記厚さ方向に互いに整列されることにより前記厚さ方向に延びる流体貫流路が画定されるようになっており、互いに隣接するセパレータの一方又は両方が、流体通路又は前記流体貫流路を取り囲みつつ厚さ方向外向きに突出するよう一体形成された突出部を有し、突出部は、厚さ方向に弾性変形可能であり、燃料電池スタックにおいて突出部とこれに対面するセパレータとが互いに当接することにより、流体通路又は前記流体貫流路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、突出部が曲線部と直線部とを有した、セパレータが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１では、突出部は、例えば各燃料電池単セルに対する燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体の供給／排出を行うための配管、すなわちマニホールドを囲んでいる。そして、突出部とこれに対面するセパレータとが互いに当接するとき、突出部が荷重を印加されセパレータに押し付けられ弾性変形することで、突出部とこれに対面するセパレータとがシール部として機能する。すなわち、シール部で囲まれたマニホールドとそれ以外の部分とが互いにシールされる。

特許第４９５９１９０号公報

しかし、特許文献１の突出部は曲線部及び直線部を有しているが、曲線部及び直線部での幅及び断面形状が概ね均一である。そのため、突出部の直線部と曲線部とでは剛性が相違することになる。すなわち、突出部の曲線部の剛性が、突出部の直線部の剛性よりも高くなる。その場合、剛性の高い曲線部には大きな荷重が掛かる一方、剛性の低い直線部には小さな荷重しか掛からないため、突出部に掛かる荷重にムラが発生する。その結果、荷重の小さい箇所でシールが弱くなるなど良好なシール性能が得られないおそれがある。セパレータにおけるシールをより確実に行うことが可能な技術が望まれる。

本発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを形成するのに適したセパレータであって、前記燃料電池単セルは、板状の膜電極接合体の両側にそれぞれ板状の前記セパレータを組み付けることにより形成され、前記燃料電池スタックを形成するために複数の前記燃料電池単セルが前記燃料電池単セルの厚さ方向に互いに積層されたときに、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルの互いに対面する２つの前記セパレータ同士の間に流体通路が画定されるか、又は、前記燃料電池単セルに形成された貫通口が前記厚さ方向に互いに整列されることにより前記厚さ方向に延びる流体貫流路が画定されるようになっており、前記互いに隣接する前記セパレータの一方又は両方が、前記流体通路又は前記流体貫流路を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するよう一体形成された突出部を有し、前記突出部は、前記厚さ方向に弾性変形可能であり、前記燃料電池スタックにおいて前記突出部とこれに対面する前記セパレータとが互いに当接することにより、前記流体通路又は前記流体貫流路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、前記突出部が曲線部と直線部とを有し、前記直線部の一部に、前記直線部の他の部分よりも剛性が高い高剛性部を設けた、セパレータが提供される。

セパレータでのシールをより確実に行うことが可能となる。

カソードセパレータの構成例を示す平面図である。 アノードセパレータの構成例を示す平面図である。 燃料電池スタック用の膜電極接合体の構成例を示す平面図である。 燃料電池スタックにおける図１のＥ１−Ｅ１に対応する断面図である。 燃料電池スタックにおける図１のＥ２−Ｅ２に対応する断面図である。 燃料電池スタックにおける図１のＥ３−Ｅ３に対応する断面図である。 燃料電池スタックにおける図１のＥ４−Ｅ４に対応する断面図である。 燃料ガスマニホールド用貫通口周辺のカソード突出部を示す部分平面図である。 カソード突出部の直線部の構造を示す平面図である。 図９におけるＡ−Ａ断面図である。 図９におけるＢ−Ｂ断面図である。 アノード突出部の直線部の構造を示す断面図である。 別の実施例の燃料ガスマニホールド用貫通口周辺のカソード突出部を示す部分平面図である。 図１３における直線部のＥ−Ｅ断面図である。 図１３における曲線部のＦ−Ｆ断面図である。 更に別の実施例の直線部の断面図である。 更に別の実施例の曲線部の断面図である。 更に別の実施例の直線部の断面図である。 更に別の実施例の曲線部の断面図である。 カソードセパレータ及びアノードセパレータと樹脂フレームとを接合するときに生じ得る問題点を説明する断面図である。 更に別の実施例のカソード突出部の断面図である。 更に別の実施例のカソード突出部の一部を拡大した部分平面図である。 更に別の実施例のカソード突出部の一部を拡大した部分平面図である。 図２３のＩ−Ｉ、Ｊ−Ｊ及びＫ−Ｋ断面図の一実施例を示す図である。 図２３のＩ−Ｉ、Ｊ−Ｊ及びＫ−Ｋ断面図の別の実施例を示す図である。

図１及び図２は、燃料電池単セル用のセパレータの構成例を示す平面図である。図１はカソードセパレータ４ｃを示し、図２はアノードセパレータ４ａを示している。カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａを燃料電池の膜電極接合体のカソード極側及びアノード極側にそれぞれ組み付けることにより燃料電池単セルが形成される。

カソードセパレータ４ｃは、図１に示すように、中央領域２ｇｃと外周領域２ｆｃとを有している。中央領域２ｇｃは、膜電極接合体のカソード極に接する領域であり、カソードセパレータ４ｃの中央付近に設けられている。外周領域２ｆｃは、膜電極接合体の樹脂フレームに接する領域であり、中央領域２ｇｃを囲むように設けられている。

中央領域２ｇｃには、カソード極側（図に示さない側）に酸化剤ガス供給路用の複数の溝が設けられ、カソード極と逆側（図に示す側）に冷却媒体供給路用の複数の溝が設けられている。酸化剤ガス供給路用の溝と溝との間の堤の部分が、裏面の冷却媒体供給路用の溝となり、冷却媒体供給路用の溝と溝との間の堤の部分が、表面の酸化剤ガス供給路用の溝となる。外周領域２ｆｃには、カソードセパレータ４ｃの長手方向の両端付近の領域、すなわちマニホールド領域３ｃに、カソードセパレータ４ｃを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１、３ｃ２、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１、３ａ２及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、３ｗ２が設けられている。酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１、３ｃ２は酸化剤ガスの供給及び排出に用いられる。燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１、３ａ２は燃料ガスの供給及び排出に用いられる。冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、３ｗ２は冷却媒体の供給及び排出に用いられる。

外周領域２ｆｃには、カソード突出部１０ｃが設けられている。カソード突出部１０ｃは、カソード極と逆側に、図１の太線で示すように酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１、３ｃ２及び燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１、３ａ２の各々の周囲を囲い、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、冷却媒体供給路用の複数の溝及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ２を一まとめにした領域の周囲を囲むように形成されている。

アノードセパレータ４ａは、図２に示すように、中央領域２ｇａと外周領域２ｆａとを備えている。中央領域２ｇａは、膜電極接合体のアノード極に接する領域であり、アノードセパレータ４ａの中央付近に設けられている。外周領域２ｆａは、膜電極接合体の樹脂フレームに接する領域であり、中央領域２ｇａを囲むように設けられている。

中央領域２ｇａには、アノード極側（図に示さない側）に燃料ガス供給路用の複数の溝が設けられ、アノード極と逆側（図に示す側）に冷却媒体供給路用の複数の溝が設けられている。燃料ガス供給路用の溝と溝との間の堤の部分が、裏面の冷却媒体供給路用の溝となり、冷却媒体供給路用の溝と溝との間の堤の部分が、表面の燃料ガス供給路用の溝となる。外周領域２ｆａには、アノードセパレータ４ａの長手方向の両端付近のマニホールド領域３ａに、アノードセパレータ４ａを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ３、３ｃ４、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３、３ａ４及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ３、３ｗ４が設けられている。酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ３、３ｃ４は酸化剤ガスの供給及び排出に用いられる。燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３、３ａ４は燃料ガスの供給及び排出に用いられる。冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ３、３ｗ４は冷却媒体の供給及び排出に用いられる。

外周領域２ｆａには、アノード突出部１０ａが設けられている。アノード突出部１０ａは、アノード極と逆側に、図２の太線で示すように酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ３、３ｃ４及び燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３、３ａ４の各々の周囲を囲み、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ３、冷却媒体供給路用の複数の溝及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ４を一まとめにした領域の周囲を囲むように形成されている。

上記カソードセパレータ４ｃの酸化剤ガス供給路用の複数の溝、冷却媒体供給路用の複数の溝及びカソード突出部１０ｃは、カソードセパレータ４ｃの一体成型で形成される。同様に、上記アノードセパレータ４ａの燃料ガス供給路用の複数の溝、冷却媒体供給路用の複数の溝及びアノード突出部１０ａは、アノードセパレータ４ａの一体成型で形成される。

図３は、燃料電池スタック用の膜電極接合体５の構成例を示す平面図である。図３はカソード極５ｃ側から見た図である。膜電極接合体５は、中央領域２ｇｅと外周領域２ｆｅとを有している。

中央領域２ｇｅは、膜電極接合体５の中央付近に設けられ、電解質（図示せず）と、電解質の一側、すなわちカソードセパレータ４ｃ側（図に示す側）に設けられたカソード極５ｃと、他側、すなわちアノードセパレータ４ａ側（図に示さない側）に設けられたアノード極５ａ（図示せず）とを備えている。カソード極５ｃはカソードセパレータ４ｃの酸化剤ガス供給路用の複数の溝に接し、アノード極５ａはアノードセパレータ４ａの燃料ガス供給路用の複数の溝に接する。

外周領域２ｆｅは、中央領域２ｇｅを囲むように設けられ、樹脂フレーム５ｆで形成されている。外周領域２ｆｅでは、膜電極接合体５の長手方向の両端付近の領域、すなわちマニホールド領域３ｅに、膜電極接合体５を貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ５、３ｃ６、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ５、３ａ６及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ５、３ｗ６が設けられている。酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ５、３ｃ６は酸化剤ガスの供給及び排出に用いられる。燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ５、３ａ６は燃料ガスの供給及び排出に用いられる。冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ５、３ｗ６は冷却媒体の供給及び排出に用いられる。

カソードセパレータ４ｃ、アノードセパレータ４ａ及び膜電極接合体５は、ほぼ同じサイズである。また、カソードセパレータ４ｃ、アノードセパレータ４ａ及び膜電極接合体５では、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１、３ｃ３、３ｃ５における貫通口の大きさや、貫通口の位置がほぼ同じである。同様に、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ２、３ｃ４、３ｃ６、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１、３ａ３、３ａ５、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ２、３ａ４、３ａ６、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、３ｗ３、３ｗ５及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ２、３ｗ４、３ｗ６の各々における貫通口の大きさや、貫通口の位置がほぼ同じである。そして、燃料電池単セルを形成するために、膜電極接合体５の両側にカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａに組み付けると、貫通口が厚さ方向Ｓに互いに整列されることにより厚さ方向Ｓに延びる通路、すなわち流体貫流路としてのマニホールドが画定される。例えば、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１、３ｃ３、３ｃ５が整列して酸化剤ガスマニホールド３ｃｕ（図示せず）が画定され、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ２、３ｃ４、３ｃ６が整列して酸化剤ガスマニホールド３ｃｄ（図示せず）が画定される。また、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１、３ａ３、３ａ５が整列して燃料ガスマニホールド３ａｕ（図示せず）が画定され、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ２、３ａ４、３ａ６が整列して燃料ガスマニホールド３ａｄ（図示せず）が画定される。また、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、３ｗ３、３ｗ５が整列して冷却媒体マニホールド３ｗｕ（図示せず）が画定され、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ２、３ｗ４、３ｗ６が整列して冷却媒体マニホールド３ｗｄ（図示せず）が画定される。

図４は、燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図である。すなわち、図３に示す膜電極接合体５に図１及び図２に示すセパレータを適用した場合における図１のＥ１−Ｅ１に対応する断面図である。図４を参照すると、燃料電池スタックＡは、複数の燃料電池単セル１を、燃料電池単セル１の厚さ方向Ｓに沿って積層することにより形成される。そして、燃料電池単セル１は、板状の膜電極接合体５の両側面にそれぞれ板状のセパレータ４、すなわちカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａを組み付けることにより形成される。このとき、燃料電池単セル１における、中央領域２ｇｃ、２ｇａ、２ｇｅが重なった領域を中央領域２ｇとし、外周領域２ｆｃ、２ｆａ、２ｆｅが重なった領域を外周領域２ｆとする。カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａは、酸化剤ガス（例示：空気）、燃料ガス（例示：水素ガス）、冷却媒体（例示：水）を透過させず、導電性を有する材料、例えばステンレスのような金属や炭素繊維／樹脂複合材で形成されている。

膜電極接合体５は、中央領域２ｇに、膜状の電解質５ｅと、電解質５ｅの一側に形成されたアノード極５ａと、電解質５ｅの他側に形成されたカソード極５ｃとを備え、外周領域２ｆに、樹脂フレーム５ｆを外枠として備えている。図示しない他の実施例では、膜電極接合体５は、更に、アノード極を覆うようにアノードガス拡散層を備え、カソード極を覆うようにカソードガス拡散層を備えている。

カソードセパレータ４ｃの外周領域２ｆに設けられたカソード突出部１０ｃは、カソードセパレータ４ｃが膜電極接合体５と接する面としての基準面から、厚さ方向Ｓ外向き（膜電極接合体５から離れる向き）に突出するように形成される。また、アノードセパレータ４ａの外周領域２ｆに設けられたアノード突出部１０ａは、アノードセパレータ４ａが膜電極接合体５と接する面としての基準面から、厚さ方向Ｓ外向き（ただし、カソード突出部１０ｃとは逆向きになる。）に突出するように形成される。隣り合う二つの燃料電池単セル１では、厚さ方向Ｓに印加される荷重により、一方の燃料電池単セル１のカソード突出部１０ｃと他方の燃料電池単セル１のアノード突出部１０ａとが互いに接し、カソード突出部１０ｃとアノード突出部１０ａとが互いに押し付け合う。その結果、両突出部１０ａ、１０ｃは、厚さ方向Ｓ内向き（膜電極接合体５に近づく向き）に互いに弾性変形することによりシール部９として機能する。それにより、シール部９は、両突出部１０ａ、１０ｃが隔てる一方の側から他方の側へ流体が往き来できないようする。図４に示す実施例では、カソード突出部１０ｃとアノード突出部１０ａとの接触部分にエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のようなゴム７を更に配置する。

カソードセパレータ４ｃの中央領域２ｇには、長手方向に沿って互いに平行に延びる酸化剤ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とカソード極５ｃ側の膜電極接合体５とにより複数の酸化剤ガス供給路２３が形成される。酸化剤ガス供給路２３の断面は、六角形の半分の形状、すなわち台形の形状を有する。言い換えれば、酸化剤ガス供給路２３は、カソードセパレータ４ｃの基準面から厚さ方向Ｓ斜め外向きに延びる、台形の脚に対応する二つの傾斜面と、二つの傾斜面の端部に結合した、台形の上底に対応する平行面と、台形の下底に対応するカソード極５ｃ側の膜電極接合体５とで形成される。

アノードセパレータ４ａの中央領域２ｇには、長手方向に沿って互いに平行に延びる燃料ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とアノード極５ａ側の膜電極接合体５とにより複数の燃料ガス供給路２１が形成される。燃料ガス供給路２１の断面は、六角形の半分の形状、すなわち台形の形状を有する。言い換えれば、燃料ガス供給路２１は、アノードセパレータ４ａの基準面から厚さ方向Ｓ斜め外向きに延びる、台形の脚に対応する二つの傾斜面と、二つの傾斜面の端部に結合した、台形の上底に対応する平行面と、台形の下底に対応するアノード極５ａ側の膜電極接合体５とで形成される。

隣り合う二つの燃料電池単セル１では、一方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃの酸化剤ガス供給路２３の平行面と他方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａの燃料ガス供給路２１の平行面とが当接している。その結果、酸化剤ガス供給路２３の二つの傾斜面とカソードセパレータ４ｃの基準面と燃料ガス供給路２１の二つの傾斜面とアノードセパレータ４ａの基準面とにより、冷却媒体供給路２２が形成される。言い換えれば、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１の互いに対面する２つのセパレータ４同士の間に流体通路としての冷却媒体供給路２２が画定される。冷却媒体供給路２２の断面は、六角形の形状を有する。隣り合う酸化剤ガス供給路２３同士、及び、隣り合う燃料ガス供給路２１同士は、冷却媒体供給路２２で隔てられている。

したがって、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａは、流体通路である冷却媒体供給路２２又は流体貫流路である各マニホールドを取り囲みつつ厚さ方向Ｓ外向きに突出するよう一体形成されたカソード突出部１０ｃ及びアノード突出部１０ａをそれぞれ有している、ということができる。

図５は、燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図であり、図３に示す膜電極接合体５に図１及び図２に示すセパレータを適用した場合における図１のＥ２−Ｅ２に対応する断面図である。図５を参照すると、隣り合う二つの燃料電池単セル１では、冷却媒体供給路２２が、一方の燃料電池単セル１のカソードセパレータ４ｃと他方の燃料電池単セル１のアノードセパレータ４ａとの間に形成されている。冷却媒体の一部は、冷却媒体マニホールド３ｗｕから供給され、冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ１、冷却媒体供給路２２及び冷却媒体マニホールド用貫通口３ｗ２（図示せず）を介して、冷却媒体マニホールド３ｗｄ（図示せず）へ送出される。

図６は、燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図であり、図３に示す膜電極接合体５に図１及び図２に示すセパレータを適用した場合における図１のＥ３−Ｅ３に対応する断面図である。図６を参照すると、樹脂フレーム５ｆのアノードセパレータ４ａ側には、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３から中央領域２ｇまで、燃料ガスを流通させるための凹部５ｆａが形成されている。すなわち、アノードセパレータ４ａの基準面と樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆａとの間に燃料ガスが流通可能な通路が形成されている。それにより、燃料電池単セル１では、燃料ガス供給路２１が、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３から中央領域２ｇまではアノードセパレータ４ａと樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆａとの間に形成され、中央領域２ｇではアノードセパレータ４ａの燃料ガス供給路用の複数の溝とアノード極５ａ側の膜電極接合体５との間に形成され、中央領域２ｇから燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ４まで（図示せず）はアノードセパレータ４ａと樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆａとの間に形成される。燃料ガスの一部は、燃料ガスマニホールド３ａｕから供給され、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ３、燃料ガス供給路２１及び燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ４（図示せず）を介して、燃料ガスマニホールド３ａｄ（図示せず）へ送出される。ただし、燃料ガスの流れは逆向きでも良い。

図７は、燃料電池スタックＡの構成例を示す部分断面図であり、図３に示す膜電極接合体５に図１及び図２に示すセパレータを適用した場合における図１のＥ４−Ｅ４に対応する断面図である。図７を参照すると、樹脂フレーム５ｆのカソードセパレータ４ｃ側には、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ３から中央領域２ｇまで、酸化剤ガスを流通させるための凹部５ｆｂが形成されている。すなわち、カソードセパレータ４ｃの基準面と樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆｂとの間に燃料ガスが流通可能な通路が形成されている。それにより、燃料電池単セル１では、酸化剤ガス供給路２３が、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ１から中央領域２ｇまではカソードセパレータ４ｃと樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆｂとの間に形成され、中央領域２ｇではカソードセパレータ４ｃの酸化剤ガス供給路用の複数の溝とカソード極５ｃ側の膜電極接合体５との間に形成され、中央領域２ｇから酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ４まで（図示せず）はカソードセパレータ４ｃと樹脂フレーム５ｆの凹部５ｆｂとの間に形成されている。酸化剤ガスの一部は、酸化剤ガスマニホールド３ｃｕから供給され、酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ３、酸化剤ガス供給路２３及び酸化剤ガスマニホールド用貫通口３ｃ４（図示せず）を介して、酸化剤ガスマニホールド３ｃｄ（図示せず）へ送出される。ただし、酸化剤ガスの流れは逆向きでも良い。

次に、カソード突出部１０ｃについて更に説明する。カソード突出部１０ｃの基本的な構成は場所に依らず同じなので、図１に示す燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１周辺のカソード突出部１０ｃを例に説明する。

図８は、図１の燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１周辺のカソード突出部１０ｃを示す部分平面図である。燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１の周囲には、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１から燃料ガスが冷却媒体供給路２２へ侵入しないようにカソード突出部１０ｃが形成されている。すなわち、カソード突出部１０ｃは、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１の周囲を囲むように形成されている。このカソード突出部１０ｃには、直線形状を有する部分、例えば直線部Ｐや、曲線形状を有する部分、例えば曲線部Ｒが存在する。

しかし、カソード突出部１０ｃの曲線部Ｒでは、その曲線形状のために、カソード突出部１０ｃの直線部Ｐと比較して剛性が高くなる。ここで、燃料電池単セル１を積層して燃料電池スタックＡを形成するために積層方向に荷重が印加されるときには、それに伴ってカソード突出部１０ｃに荷重が印加される。そのとき、カソード突出部１０ｃに印加される荷重のうち、剛性の高い曲線部Ｒが分担する荷重が大きくなり、剛性の低い直線部Ｐが分担する荷重が小さくなる。ここで、カソード突出部１０ｃのシール性は、ある程度の大きさの厚さ方向Ｓ内向きの荷重がカソード突出部１０ｃに掛かることで、カソード突出部１０ｃが対抗するアノード突出部１０ａに十分に強く押し付けられることが重要である。したがって、厚さ方向Ｓの荷重の小さい箇所がカソード突出部１０ｃに存在すると、その箇所が対向するアノード突出部１０ａに強く押し付けられないため、流体の圧力に負けてシールが不十分になるおそれがある。したがって、図８に示す実施例では、分担する荷重が小さくなる剛性の低い直線部Ｐにおいて、剛性を強くする構成を導入する。その構成について、以下、図９〜図１２を参照して説明する。

図９は直線部Ｐの構造を示す部分平面図であり、図１０は図９におけるＡ−Ａ断面図であり、図１１は図９におけるＢ−Ｂ断面図である。カソード突出部１０ｃは、カソードセパレータ４ｃの膜電極接合体５と接する面、すなわち基準面Ｄから厚さ方向Ｓ外向きに突出した形状を有するバネ構造部１１を備えている。バネ構造部１１は、弾性変形可能なバネ構造を有している。Ａ−Ａ断面の位置のバネ構造部１１は、図１０に示すように、シール機能部１２と支持部１３と立ち上がり部１４とを備えている。立ち上がり部１４は、バネ構造部１１の幅方向の両側に設けられ、基準面Ｄに接続され、その基準面Ｄから厚さ方向Ｓ外向きに立ち上がる部分である。支持部１３は、立ち上がり部１４に接続され、基準面Ｄに略平行に、バネ構造部１１の幅方向の中心に向かって延びる部分である。支持部１３の幅（片側）はｄ１であり、バネ構造部１１の幅はＬｒ１である。シール機能部１２は、バネ構造部１１の幅方向の中心に配置され、両側の支持部１３に支持され、支持部１３の形成する面よりも厚さ方向Ｓ外向きに突出している。立ち上がり部１４と支持部１３とシール機能部１２とは、板バネ的な機能を有し、シール機能部１２に加わる荷重を、立ち上がり部１４と支持部１３とシール機能部１２の弾性変形で受け止める。この断面構造は、曲線部Ｒの断面構造と同じである。

分担する荷重が小さくなる剛性の低い直線部Ｐには、図９に示すように、バネ構造部１１の途中に高剛性部１５を導入する。高剛性部１５は、バネ構造部１１のうちの剛性をより強くした箇所であり、直線部Ｐの他の部分よりも剛性が高い箇所である。具体的にはバネ構造部１１の幅を細くした箇所、あるいはバネ構造部１１のくびれた箇所である。Ｂ−Ｂ断面の位置のバネ構造部１１、すなわち高剛性部１５は、図１１に示すように、シール機能部１２と支持部１３と立ち上がり部１４とを備えているが、支持部１３の幅ｄ２がＡ−Ａ断面の位置での支持部１３の幅ｄ１と比較して小さくなっており、したがってバネ構造部１１の幅はＬｐ１（＜Ｌｒ１）である。このとき、シール機能部１２の幅は一定である。それにより、高剛性部１５では、支持部１３及び立ち上がり部１４で構成される板バネの変形を小さくでき、すなわちバネ構造部１１の剛性を高くできる。その結果、直線部Ｐが分担する荷重を十分に大きくできる。その結果、直線部Ｐが対抗する面に強く押し付けられるため、流体の圧力に負けてシールが不十分になることを防止できる。

直線部Ｐに設ける高剛性部１５の数は特に限定されない。その位置や長さや曲線部Ｒとの関係などに基づいて、実験やシミュレーションなどにより決定することができる。例えば、直線部Ｐが長い場合、高剛性部１５の数を多くすることが考えられる。あるいは、直線部Ｐが長い場合、連続的にバネ構造部１１の幅を細くした、細長い高剛性部１５を設けることが考えられる。また、幅ｄ２の大きさは、高剛性部１５に必要な剛性の大きさに応じて適宜変更される。好ましくは、高剛性部１５の剛性は曲線部Ｒの剛性と同じである。

次に、アノード突出部１０ａについて更に説明する。アノード突出部１０ａの基本的な構成は場所に依らず同じなので、図９〜図１１に示す燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１周辺のカソード突出部１０ｃに対向する位置のアノード突出部１０ａを例に説明する。

図１２は、図１０及び図１１のカソード突出部１０ｃのバネ構造部１１に対向するアノード突出部１０ａのバネ構造部１１の構造を示す断面図である。アノード突出部１０ａは、カソード突出部１０ｃの構成（高剛性部１５の有無）によらず同一の構成をとるものとする。アノード突出部１０ａのバネ構造部１１は、図１２に示すように、シール機能部がないほかは、カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１と同様の構成を有している。すなわち、アノード突出部１０ａのバネ構造部１１は、支持部１６と立ち上がり部１７とを備えている。この場合、支持部１６と立ち上がり部１７とは、支持部１３と立ち上がり部１４に対応し、板バネ的な機能を有し、支持部１６に加わる荷重を立ち上がり部１７と支持部１６の弾性変形で受け止める。アノード突出部１０ａのバネ構造部１１にシール機能部がないのは、カソード突出部１０ｃのシール機能部１２と接触可能な面積を広く確保して、確実に接触できるようにするためである。図示しない別の実施例では、カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１がシール機能部を有さず、アノード突出部１０ａのバネ構造部１１がシール機能部を有する。

また、幅ｄ２の大きさは、直線部Ｐの剛性の大きさが曲線部Ｒの剛性の大きさと概ね同じとなるように選択されることが好ましい。それにより、カソード突出部１０ｃ全体に均一に荷重が掛かり、すなわちカソード突出部１０ｃのほとんどの曲線部及び直線部においても概ね同じ大きさの荷重を分担でき、シールのムラをなくすことができ、安定的なシール性を確保することができる。図示しない別の実施例では、幅ｄ２の大きさは、直線部Ｐの剛性の大きさが所定の剛性の値以上になるように選択される。それにより、シールに必要な最低限度の剛性を確保できる。

図１１の実施例では、バネ構造部１１の剛性の高さは、幅ｄ２の大きさで調整している。しかし、図示しない別の実施例では、バネ構造部１１の剛性の高さは、バネ構造部１１の断面積の大きさで調整する。例えば、バネ構造部１１の剛性を高めたい場合には断面積を小さくする。

次に、別の実施例について説明する。図１３はカソード突出部１０ｃの一部を示す部分平面図である。図１４は図１３における直線部ＰのＥ−Ｅ断面図であり、図１５は図１３における曲線部ＲのＦ−Ｆ断面図である。図１３に示すように、カソード突出部１０ｃの中心、すなわちバネ構造部１１の中心を通りカソードセパレータ４ｃの基準面Ｄに平行な中心線ＣＰに沿って一定の幅のシール機能部１２が形成されている。直線部Ｐのバネ構造部１１では全体にわたって幅が狭く、曲線部Ｒのバネ構造部１１では全体にわたって幅が広く、これらの間に幅が徐々に遷移する遷移領域１５Ｔが存在する。図１４に示すように、直線部Ｐのバネ構造部１１の幅はＬｐ２であり、支持部１３の片側の幅はｄ３であり、全体として図１０の断面形状と図１２の断面形状とを組み合わせたものと同様の構成を有している。一方、図１５に示すように、曲線部Ｒのバネ構造１１の幅はＬｒ２（＞Ｌｐ２）であり、支持部１３の片側の幅はｄ４（＞３）であり、全体として図１１の断面形状と図１２の断面形状とを組み合わせたものと同様の構成を有している。また、直線部Ｐ及び曲線部Ｒのいずれにおいてもバネ構造部１１の中心を通りカソードセパレータ４ｃの基準面Ｄに垂直な中心線ＣＬに対して左右対称にシール機能部１２、支持部１３及び立ち上り部１４が配置されている。

直線部Ｐ（図１４）のバネ構造部１１の幅Ｌｐ２及び支持部１３の片側の幅ｄ３はそれぞれ上記の幅Ｌｐ１及び幅ｄ２と同様にして選択され、本実施例では幅Ｌｐ１及び幅ｄ２と同じ値である。また、曲線部Ｒ（図１５）のバネ構造部１１の幅Ｌｒ２（＞Ｌｐ２）及び支持部１３の片側の幅ｄ４（＞ｄ３）はそれぞれ上記の幅Ｌｒ１及び幅ｄ１と同様にして選択され、本実施例では幅Ｌｒ１及び幅ｄ１と同じ値である。このような構成により、直線部Ｐの剛性を相対的に高めることができるので、直線部Ｐの剛性と曲線部Ｒの剛性とをより均一にすることができる。

上記のカソード突出部１０ｃに関する説明は、燃料ガスマニホールド用貫通口３ａ１周囲のカソード突出部１０ｃについて行っているが、カソードセパレータ４ｃの他のカソード突出部１０ｃに対しても同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

また、上記のカソード突出部１０ｃに関する説明は、アノードセパレータ４ａのアノード突出部１０ａについても同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。

更に別の実施例について説明する。図１６は更に別の実施例の直線部Ｐの断面図であり、図１７は更に別の実施例の曲線部Ｒの断面図である。図１６は図１３のＥ−Ｅ断面図に対応し、図１７は図１３のＦ−Ｆ断面図に対応する。本実施例では、図１４及び図１５に示す実施例と比較して、アノードセパレータ４ａのアノード突出部１０ａの構成が相違している。すなわち、アノード突出部１０ａとして、支持部１６及び立ち上がり部１７を設けず、その代わりにゴムのような弾性部材で形成されたガスケット８をアノードセパレータ４ａ上に配置する。

このとき、一方の燃料電池単セル１のカソード突出部１０ｃと他方の燃料電池単セル１のガスケット８とが互いに接し、カソード突出部１０ｃとガスケット８とが互いに押し付け合う。その結果、カソード突出部１０ｃ及びガスケット８は、厚さ方向Ｓ内向き（樹脂フレーム５ｆに近づく向き）に互いに弾性変形することによりシール部９として機能する。この場合、シール部９のガスケット８は、セパレータに後付けされている。そのため、膜電極接合体の両側にセパレータを組み付けて燃料電池単セルを形成し、複数の燃料電池単セルを積層して燃料電池スタックを形成した後に、シール部の機能が十分でないことが判明した場合には、ガスケット８だけを交換することで対処可能である。したがって、図１０〜図１２に示す実施例と比較して、燃料電池単セルの調整、改善の自由度を高められる。

更に別の実施例について説明する。図１８は更に別の実施例の直線部Ｐの断面図であり、図１９は更に別の実施例の曲線部Ｒの断面図である。図１８は図１３のＥ−Ｅ断面図に対応し、図１９は図１３のＦ−Ｆ断面図に対応する。本実施例では、図１６及び図１７に示す実施例と比較して、カソードセパレータ４ｃのカソード突出部１０ｃの構成が相違している。すなわち、カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１に立ち上がり部１４を設けず、その代わりとして樹脂フレーム５ｆのカソードセパレータ４ｃ側に、バネ構造部１１に沿って溝状の空間１８ｐが形成される。

カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１は、シール機能部１２と支持部１３ｐとを備えている。支持部１３ｐは、空間１８ｐの幅方向の両端部から中心に向かって延びる、カソードセパレータ４ｃの平面部分である。シール機能部１２は、バネ構造部１１の幅方向の中心に配置され、両側の支持部１３ｐに支持され、支持部１３ｐの形成する面（カソードセパレータ４ｃの基準面Ｄ）よりも厚さ方向Ｓ外向きに突出している。支持部１３ｐとシール機能部１２とは板バネ的な機能を有し、シール機能部１２に印加される荷重を、支持部１３ｐやシール機能部１２が弾性変形することなどで受け止める。このとき、支持部１３ｐが基準面Ｄを中心に厚さ方向Ｓ内向き及び外向きに弾性変形可能なように、支持部１３ｐが基準面Ｄより厚さ方向Ｓ内向きに弾性変形可能な領域として、空間１８ｐが形成されている。この場合、図１６及び図１７に示す実施例と比較して、カソード突出部１０ｃの構造を簡便にすることができ、その製造を容易にすることができる。

本実施例では、カソード突出部１０ｃにおける直線部Ｐ（図１８）のバネ構造部１１の幅Ｌｐ３及び支持部１３の片側の幅ｄ５は、それぞれ上記の幅Ｌｐ２及び幅ｄ３と同様にして選択される。また、曲線部Ｒ（図１９）のバネ構造部１１の幅Ｌｒ３（＞Ｌｐ３）及び支持部１３の片側の幅ｄ６（＞ｄ５）は、それぞれ上記の幅Ｌｒ２及び幅ｄ４と同様にして選択される。幅Ｌｐ３及び幅Ｌｒ３の大きさに対応して、図１８及び図１９の断面形状での空間１８ｐの幅が決定される。

更に別の実施例について説明する。上述の図１６及び図１７に示す実施例では、カソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａと樹脂フレーム５ｆとの接合は、例えば樹脂フレーム５ｆの両側面に予め形成された接着剤層を用いて行うことができる。図２０に示すように、樹脂フレーム５ｆは、その一つの実施例として樹脂フレーム基材５０とその両側面に塗布された接着剤層（例示：熱可塑性樹脂層）５１とで構成されている。そして、接合では、接着剤層５１を熱で溶かしつつカソードセパレータ４ｃ及びアノードセパレータ４ａを樹脂フレーム５ｆの両側面に荷重Ｆにより押し付けることで、樹脂フレーム５ｆの両側面にそれぞれカソードセパレータ４ｃとアノードセパレータ４ａとを熱圧着する。

このとき、カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１と樹脂フレーム５ｆとで形成される空間１８には、カソードセパレータ４ｃと樹脂フレーム基材５０との間の接着剤層５１が荷重Ｆによりはみ出してしまう場合がある。そのような場合、はみ出した接着剤層５１の量によっては、立ち上がり部１４の内側を覆う接着剤層５１のはみ出し部５１ａが形成され、立ち上がり部１４が動き難くなり、バネ構造部１１のバネとしての機能が弱められる可能性がある。上記事態は、例えば接着剤層５１の厚みや量を適切に制御することで避けることができる。

一方、本実施例では、上記事態を避ける他の方法として、バネ構造部１１の形状を一部変更する。図２１は、本実施例のカソード突出部１０ｃの断面図である。この場合にも直線部Ｐ及び曲線部Ｒは同様であるので直線部Ｐについて説明する。カソード突出部１０ｃは、基準面Ｄから厚さ方向Ｓ外向きに三段階に突出した形状を有するバネ構造部１１を備えている。すなわち、バネ構造部１１は、シール機能部１２、支持部１３及び立ち上がり部１４という二段階に突出した形状に加えて、カソードセパレータ４ｃの基準面Ｄとの間に受容部１９という突出した形状を更に備えている。

下側の受容部１９は、バネ構造部１１の幅方向の両側に設けられ、基準面Ｄから厚さ方向Ｓ外向きに立ち上がりつつ、バネ構造部１１の幅方向の中心に向かうように形成されており、厚さ方向Ｓ外向きに凸な曲面を有している。それにより、受容部１９は、樹脂フレーム５ｆとの間に空間１８ｓを形成し、その空間１８ｓにはみ出し部５１ａを受容する。一方、立ち上がり部１４は、受容部１９に接続されている。立ち上がり部１４、支持部１３及びシール機能部１２は、板バネ的な機能を有し、シール機能部１２に加わる荷重を、立ち上がり部１４と支持部１３とシール機能部１２の弾性変形で受け止める。このような構成により、樹脂フレーム５ｆの両側面にそれぞれカソードセパレータ４ｃとアノードセパレータ４ａとが熱圧着されるとき、接着剤層５１のはみ出し部５１ａを空間１８ｓに受容して、接着剤層５１が立ち上がり部１４に達することを抑制している。それにより、はみ出し部５１ａが板バネ的機能を担う立ち上がり部１４の弾性変形を阻害することを防止することができ、バネ構造部１１での荷重による弾性変形を維持し、シール性が損なわれることを防止できる。なお、本実施例では、受容部１９は直線部及び曲線部それぞれの長さ方向全体にわたり形成される。

更に別の実施例について説明する。上記図２０に示す実施例において、接着剤層５１のはみ出し部５１ａの形成が抑制されるならば、カソード突出部１０ｃの全てを図２１の断面形状にする必要はない。そこで、本実施例では、カソード突出部１０ｃの一部を図２１の断面形状と同様に受容部１９を有する断面形状にし、残りを図２０の断面形状と同様の断面形状にする。図２２は本実施例のカソード突出部１０ｃの一部を拡大した部分平面図である。この場合、図２２のＧ−Ｇ断面の形状が図２０の断面の形状に対応し、図２２のＨ−Ｈ断面の形状が図２１の断面の形状に対応する。すなわち、本実施例では、図２０の断面の形状と図２１の断面の形状とが、バネ構造部１１の中心線ＣＰ方向に交互に形成されている。このような形状とすることで、図２１の断面の形状の空間１８ｓに接着剤層５１をはみ出させることができる。

更に別の実施例について説明する。燃料電池スタックＡの各燃料電池単セル１では、運転時に、膜電極接合体５の中央領域２ｇｅの両側の雰囲気が湿潤になったり乾燥したりすることで、膜電極接合体５の中央領域２ｇｅが膨張したり収縮したりする。その結果、膜電極接合体５の両側のカソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの中央領域２ｇに及ぼされる面圧が変動し、それによりカソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａの外周領域２ｆｃ、２ｆａにあるカソード突出部１０ｃやアノード突出部１０ａに掛かる荷重が変動する。ここで、面圧の変動はカソードセパレータ４ｃやアノードセパレータ４ａ内で均等に発生しないため、荷重変動もカソード突出部１０ｃやアノード突出部１０ａ内で均等に発生せず、したがって例えばカソード突出部１０ｃ内で荷重のばらつきが生じる。その結果、カソード突出部１０ｃのシール機能が十分に発揮できなくなる可能性も考えられる。その対策として、荷重の分布に対応させてバネ構造部１１の幅を場所により変更することが考え得るが、セパレータの設計が複雑になる。

そこで、本実施例では、カソード突出部１０ｃのバネ構造部１１の直線部Ｐのシール機能部１２の形状を直線形状から変更する。図２３は本実施例のカソード突出部１０ｃの直線部Ｐの一部を拡大した部分平面図である。この図の例では、カソード突出部１０ｃの中心線（バネ構造部１１の中心線）ＣＰに対してシール機能部１２が蛇行した形状、すなわち波状にうねった形状である。すなわちバネ構造部１１の幅方向の端からシール機能部１２の中心までの距離を、中心線ＣＰの両側で同一ではなく、中心線ＣＰ方向に沿って周期的に偏らせている。このようにするとシール機能部１２は概ね曲線形状で構成されることになる。それにより、本実施例の直線部Ｐのバネ構造部１１では支持部１３、１３ｐに幅の狭い箇所が長さ方向に概ね連続的に形成されるため、シール機能部１２が直線形状のみのバネ構造部１１の剛性と比較して、本実施例のバネ構造部１１の直線部Ｐの剛性は高くなる。その結果、直線部Ｐのシール機能部１２の長さ方向のいずれの位置においても荷重を分担することができる。それにより、カソード突出部１０ｃの直線部Ｐに印加される荷重にバラつきがあっても、シール機能部１２は全体としてシール機能を発揮できる。よって、図９の実施例のようにバネ構造部１１の幅を場所により変更することなく、一定の幅に保ってセパレータを設計することができる。図２３のようなカソード突出部１０ｃを実現する具体的な実施例としては、例えば以下に示す二つの実施例が考えられる。

図２４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１８又は図１９の断面形状を有するカソード突出部１０ｃにおいて、図２３に示すようにシール機能部１２の位置を中心線ＣＬから左右にずらした実施例を示している。この実施例において、図２４の（Ａ）は図２３のＩ−Ｉ断面に対応し、図２４の（Ｂ）は図２３のＪ−Ｊ断面に対応し、図２４の（Ｃ）は図２３のＫ−Ｋ断面に対応する。

図２５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１６又は図１７の断面形状を有するカソード突出部１０ｃにおいて、図２３に示すようにシール機能部１２の位置を中心線ＣＬから左右にずらした実施例を示している。この実施例において、図２５の（Ａ）は図２３のＩ−Ｉ断面に対応し、図２５の（Ｂ）は図２３のＪ−Ｊ断面に対応し、図２５の（Ｃ）は図２３のＫ−Ｋ断面に対応する。

１ 燃料電池単セル
４ セパレータ
５ 膜電極接合体
９ シール部
１０ 突出部
１５ 高剛性部
２２ 流体通路
Ａ 燃料電池スタック
Ｓ 燃料電池単セルの厚さ方向
Ｒ 曲線部
Ｐ 直線部

Claims (1)

1. 燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを形成するのに適したセパレータであって、
   前記燃料電池単セルは、板状の膜電極接合体の両側にそれぞれ板状の前記セパレータを組み付けることにより形成され、
   前記燃料電池スタックを形成するために複数の前記燃料電池単セルが前記燃料電池単セルの厚さ方向に互いに積層されたときに、互いに隣接する２つの前記燃料電池単セルの互いに対面する２つの前記セパレータ同士の間に流体通路が画定されるか、又は、前記燃料電池単セルに形成された貫通口が前記厚さ方向に互いに整列されることにより前記厚さ方向に延びる流体貫流路が画定されるようになっており、
   前記互いに隣接する前記セパレータの一方又は両方が、前記流体通路又は前記流体貫流路を取り囲みつつ前記厚さ方向外向きに突出するよう一体形成された突出部を有し、前記突出部は、前記厚さ方向に弾性変形可能であり、
   前記燃料電池スタックにおいて前記突出部とこれに対面する前記セパレータとが互いに当接することにより、前記流体通路又は前記流体貫流路を取り囲むシール部が形成されるようになっており、
   前記突出部が曲線部と直線部とを有し、
   前記直線部の一部に、前記直線部の他の部分よりも剛性が高い高剛性部を設けた、
   セパレータ。

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