WO2007105740A1 - セル積層体およびこれを備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

プレスメタルセパレータにおけるように凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造となっている場合に、当該セパレータの変形を抑えるのに特に好適な構造を実現する。隣り合うセパレータ（２０）とセパレータ（２０）の間には、ＭＥＡ（３０）およびこのＭＥＡ（３０）の少なくとも一部を挟持する枠状部材（４０）が挿入されている発電領域と、ＭＥＡ（３０）および枠状部材（４０）のいずれも挿入されていない冷媒流通領域のいずれかの領域が形成されており、セパレータ（２０）の変形を抑止するための変形抑止部（２４）が、当該セパレータ（２０）上に設けられた凸部によって形成されている。また、この変形抑止部（２４）の凹部となっている裏面側に向かって突出し、当該変形抑止部（２４）またはその近傍におけるセパレータ（２０）の変形を抑止するセパレータ変形抑止用凸部が枠状部材（４０）に形成されている。

Description

明細書 セル積層体およびこれを備えた燃料電池 技術分野

本発明は、 セル積層体およびこれを備えた燃料電池に関する。 さらに詳述 すると、 本発明は、 セル積層体を構成しているセパレータ等の構造の改良に 関する。 背景技術

一般に、 燃料電池 （例えば固体高分子形燃料電池） は電解質をセパレータ で挟んだセルを複数積層することによって構成されている。 また、 セパレー タには、 各セルに反応ガス （燃料ガス、 酸化ガス） や冷却用の冷媒を供給し あるいは排出するためのマ二ホールドが形成されている。

従来、 このようなセパレータとしてはカーポンセパレータゃメタルセパレ ータが多く用いられている。このうち、例えばカーポンセパレータにおいて、 表側と裏側の凹凸形状が互いに独立に形成され'ている場合であれば、 各種流 体のマ二ホールドと発電領域 （燃料ガスと酸化ガスとが反応して発電が行わ れる領域） とを連通する部分にバックアップ用のリブが設けられていること がある。 このリブには、 隣接するセパレータとの間に介在するスぺーサとな り、 当該セパレータをバックアップ （あるいは支持） して変形を抑えるとい う機能がある （例えば、 特許文献 1参照)。

[特許文献 1 ] 特許第 3 6 0 8 7 4 1号公報 発明の開示

しかしながら、 例えばプレスメタルセパレータにおいて見られるように凹 凸形状が表面と裏面とで反転した関係の構造となっている場合、 当該セパレ ータの変形を有効に抑えうるようなパックァップ構造については検討が十分 になされていないという実情がある。

そこで、 本発明は、 プレスメタルセパレータにおけるように凹凸形状が表 面と裏面とで反転した構造となっている場合に、 当該セパレータの変形を抑 えるのに特に好適な構造を有するセル積層体およびこれを備えた燃料電池を 提供することを目的とする。

力、かる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行つた。 プレスメタル セパレータのように凹凸形状を表面と裏面とで反転させた構造としている場 合、 このようなセパレータを積層する際、 隣接するセパレータの凸部と凸部 を対向させ、 凹部と凹部を対向させることによつて流体流通用のスペースを 形成していることが多い。 本発明者は積層体におけるこのような特徴に着目 し、 上記のような課題を解決しうる技術を知見するに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、 膜一電極アッセンプリを挟持し たセパレータが積層されて構成されるセル積層体であって、 隣り合うセパレ 一タとセパレータの間には、 膜—電極アッセンプリおよびこの膜一電極アツ センプリの少なくとも一部を挟持する枠状部材 揷入されている発電領域と、 膜一電極ァッセンプリおよび枠状部材のレ、ずれも挿入されていなレ、冷媒流通 領域のいずれかの領域が形成されており、 セパレータの変形を抑止するため の変形抑止部が、 当該セパレータ上であって、 各セルに反応ガスまたは冷媒 を供給しあるいは排出するためのマ^ホールドと膜一電極ァッセンプリ上の 発電領域とを連通する部分に設けられた凸部によって形成され、 枠状部材が 挿入されている発電領域においてセパレータの変形を抑止するための別の変 形抑止部が、 枠状部材に設けられた凸部によって形成されているというもの である。

セル積層体においては、 上述のような発電領域と冷媒流通領域とが例えば 交互に形成されている。 本発明においては、 このようなセル積層体における 冷媒流通領域、 つまりは、 膜一電極アツセ プリおよぴ枠状部材のいずれも 揷入されておらず、 冷却用の冷媒が流れるようになつている領域において、 当該冷媒流通領域側に突出するような凸部を設け、 変形抑止部を形成してい る。 かかる変形抑止部は、 例えばリブのように作用してセパレータの剛性を 向上させ、 あるいは、 さらに隣接するセパレータの変形抑止部と接触し合つ て互いにバックアップ （支持） するように機能するため、 当該セパレータの 変形を有効に抑えることができる。

しかも、 上述したようにセパレータ上の冷媒流通領域に形成される変形抑 止部は、 例えば複数の突起で構成される等することにより冷却用冷媒を分散 させる機能も発揮しうるため、 当該冷媒流通領域に行き渡らせて万遍なく流 れるようにすることが可能である。

加えて、 上述のごとく、 セパレータの変形を抑止するための別の変形抑止 部が枠状部材に設けられた凸部によつて形成されていること力ゝら、 当該凸部 力 発電領域側からセパレータを支持して変形を抑止するように機能する結 果、 発電領域側と冷媒流通領域側との両方からセパレータの変形を抑止する ことが可能となる。 .

さらに、 枠状部材が挿入されていない冷媒流通領域には、 凸部と同じ高さ となるようにセパレータに設けられた凸状部分からなり、 当該凸状部分を介 して対向するセパレータの溝底面どうしの距離を隔てる枠状リブが形成され ていることが好ましい。 枠状リブは、.例えば隣り合うセパレータの枠状リブ と直接突き当たった状態などとなり、 これらセパレータの間に所定のスぺー ス （例えば冷媒流通用の流路） を形成するスぺーサとして機能することがで 含る。 ·

また、 セル積層体においては、 セパレータに形成された変形抑止部の凹部 となっている裏面側に向かって突出し、 当該変形抑止部またはその近傍にお ける'セパレータの変形を抑止するセパレータ変形抑止用凸部が枠状部材に形 成されていることがさらに好ましい。 これによれば、 セパレータと枠状部材 との間に例えば接着剤が介在しているような場合に、 当該セパレータ変形抑 止用凸部の厚み （突出量） の分だけ当該接着層 （接着剤からなる層） の厚み (突出量） を薄くすることができる。 当該接着層よりも枠状部材の方の剛性 が高ければ、 変形抑止部の裏面側をバックァップする部分の剛性を高めて当 該部分やその近傍の変形を抑止することができる。

さらに、 本発明は、 膜一電極アッセンプリを挟持したセパレータが積層さ れて構成されるセル積層体であって、 隣り合うセパレータとセパレータの間 には、 膜一電極アッセンプリおよびこの膜一電極アッセンプリの少なくとも 一部を挟持する枠状部材が揷入されている発電領域と、 膜一電極アッセンブ リおよび枠状部材のいずれも挿入されていない冷媒流通領域のいずれかの領 域が形成されており、 セパレータの変形を抑止するための変形抑止部が、 当 該セパレータ上であって、 各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排 出するためのマ-ホールドと膜一電極アッセンプリ上の発電領域とを連通す る部分に設けられた凸部によって形成され、セパレータの積層方向から視て、 変形抑止部の少なくとも一部が膜一電極アツセ'ンプリに重なっているという ものである。 重なった部分については、 膜一電極アッセンプリの弾発力や弾 性力によって生じる反力を利用して押さえ付けることができるから、 P舞接す るセルとの隙間が生じるのをさらに抑えやすいという利点がある。

また、 セル積層体において、 冷媒流通領域を介して隣り合うセパレータに 形成されている変形抑止部どうしが接触し合っていることも好ましい。 変形 抑止部どうしが互いに接触し合うことで、 セパレータどうしが密着した状態 を保ちつつ、 セパレータが変形するのを抑止することができる。

さらに本発明にかかる燃料電池は、 上述したセル積層体を備えているとい うものである。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の一実施形態を示す分解斜視図で、 本実施形態におけるセ ル積層体のセパレータのセルを分解して示すものである。

図 2 Aは、 セル積層体を構成するセパレータの構造例として、 冷却水流路 面側から見たマ二ホールド周辺の構造を示すものである。

図 2 Bは、 図 2 A中の一点鎖線の丸で囲んだ部分における断面構造を示す ものである。

図 3は、 セル積層体を構成するセパレータの構造例を示す図であり、 酸化 ガス （A I R) の流路面側から見たマ二ホールド周辺の構造を示すものであ る。

図 4は、 変形抑止部の他の形状例を示す図である。

図 5は、図 4に示した変形抑止部の周辺における断面構造を示す図である。 図 6は、 燃料電池を構成するセル積層体等を示す斜視図である。

図 7は、 燃料電池の構造例を示す側面図である。

図 8は、 本発明の他の実施形態を表す図で、 冷却水用のマ二ホールドおよ ぴその周辺における構造例を示す部分平面図である。 ，

図 9は、 図 8の IX— IX線における断面図である。 ,

図 1 0は、 本発明のさらに他の実施形態におけるセパレータの構造を示す 平面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

図 1〜図 7に本発明にかかるセル積層体 3およびこれを備えた燃料電池 1 の実施形態を示す。 本実施形態におけるセル積層体 3は、 膜一電極アッセン ブリ 3 0を挟持したセパレータ 2 0 (図 1においては、 セルを構成する 2枚 のセパレータをそれぞれ符号 2 0 a， 2 O bで示している） を複数枚、 ある いは複数組積層することによって構成されているものである。 本実施形態で は、 セル積層体 3のうち隣り合うセパレータ 2 0とセパレータ 2 0の間に発 電領域と冷媒流通領域のいずれか一方の領域を形成し、 さらに、 これらセパ レータ 2 0の変形を抑止するために変形抑止部を設けることとしている。 以下に説明する実施形態においては、 まず、 燃料電池 1を構成するセル 2 の概略構成について説明し、 その後、 上述のように設けられている変形抑止 部の構成等について説明することとする。

図 1に本実施形態における燃料電池 1のセル 2の概略構成を示す。 図示す るように構成されるセル 2は、 順次積層されることによってセル積層体 （ス タック） 3を構成する。 また、 このように形成されたセル積層体 （スタック） 3は、 例えばスタック両端を支持板 （図示省略） で挟まれ、 さらにこれら対 向する支持板どうしを繫ぐようにテンションプレート （図示省略） が配置さ れた状態で積層方向への荷重がかけられて締結される。

なお、 このようなセル 2が積層されたセル積層体 （スタック） 3によって 構成される燃料電池 1は、 例えば燃料電池車両 （F C H V ； Fuel Cell Hyb rid Vehicle) の車載発電システムに適用可能な'ものであるがこれに限られる ことはなく、 各種移動体 （例えば船舶や飛行機など） やロボットなどといつ た自走可能なものに搭載される発電システム、 さらには定置の燃料電池シス テムにも適用することが可能である。

セル 2は、 電解質、 具体例として朦ー電極アッセンプリ （以下 ME A； Me mbrane Electrode Assembly と呼ぶ） 3 0と、 M E A 3 0を挟持する一対 のセパレータ 2 0 (図 1においてはそれぞれ符号 2 0 a , 2 O bを付して示 している） とで構成されている （図 1参照）。 ME A 3 0およぴ各セパレータ 2 0 a , 2 0 bはおよそ矩形の板状に形成されている。 また、 ME A 3 0は その外形が各セパレータ 2 0 a , 2 0 bの外形よりも一回り小さくなるよう に形成されている。

ME A 3 0は、高分子材料のィオン交換導からなる高分子電解質膜 (以下、 単に電解質膜ともいう） 3 1と、 電解質膜 3 1を両面から挟んだ一対の電極 3 2 a , 3 2 b (アノードおよび力ソード）とで構成されている（図 1参照）。 これらのうち、 電解質膜 3 1は、 各電極 3 2 a , 3 2 bよりも僅かに大きく なるように形成されている。 この電解質膜 3 1には、 その周縁部 3 3を残し た状態で各電極 3 2 a , 3 2 bが例えばホットプレス法により接合されてい る。

ME A 3 0を構成する電極 3 2 a , 3 2 bは、 その表面に付着された白金 などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材 （拡散層） で構成されて いる。 一方の電極 （アノード） 3 2 aには燃料ガス （反応ガス） としての水 素ガス、他方の電極（力ソード） 3 2 には空気や酸化剤などの酸化ガス（反 応ガス） が供給され、 これら 2種類の反応ガスにより ME A 3 0内で電気化 学反応が生じてセル 2の起電力が得られるようになっている。

セパレータ 2 0 a , 2 0 bは、 ガス不透過性の導電性材料で構成されてい る。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、 アルミニウムやステンレス等の金属'（メタル） 'が挙げられる。 本実施形態の セパレータ 2 0 a , 2 0 bの基材は板状のメタルで形成されているものであ り （メタルセパレータ）、 この基材の電極 3 2 a , 3 2 b側の面には耐食性に 優れた膜 （例えば金メッキで形成された皮膜） が形成されている。

また、 セパレータ 2 0 a， 2 O b ©両面には、 複数の凹部によって構成さ れる溝状の流路が形成されている。 これら流路は、 例えば板状のメタルによ つて基材が形成されている本実施形態のセパレータ 2 0 a， 2 0 bの場合で あればプレス成形によって形成することができる。 このようにして形成され る溝状の流路は、 酸化ガスのガス流路 3 4や水素ガスのガス流路 3 5、 ある いは冷却水流路 3 6を構成している。 より具体的に説明すると、 セパレータ 2 0 aの電極 3 2 a側となる内側の面には水素ガスのガス流路 3 5が複数形 成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路 3 6が複数形成されている （図 1参照）。同様に、セパレータ 2 0 bの電極 3 2 b側となる内側の面には酸化 ガスのガス流路 3 4が複数形成され、 その裏面 （外側の面） には冷却水流路 3 6が複数形成されている （図 1参照）。例えば本実施形態の場合、セル 2に おけるこれらガス流路 3 4およびガス流路 3 5は互いに平行となるように形 成されている。 さらに、 本実施形態においては、 隣接する 2つのセル 2， 2 に関し、 一方のセル 2のセパレータ 2 0 aの外面と、 これに隣接するセル 2 のセパレータ の外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路 3 6が 一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造と なっている （図 1参照）。

さらに、 上述したように各セパレータ 2 0 a， 2 O bは、 少なくとも流体 の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。 より具体的に説明すると、 セパレータ 2 0 aにおいては、 水素ガスのガス流 路 3 5を形成する凸形状 （凸リブ） の裏面が冷却水流路 3 6を形成する凹形 状 （凹溝） であり、 ガス流路 3 5を形成する凹形状 （凹溝） の裏面が冷却水 流路 3 6を形成する凸形状 （凸リブ） である。 'さらに、 セパレ タ 2 O bに おいては、 酸化ガスのガス流路 3 4を形成する凸形状.（凸リブ） の裏面が冷 却水流路 3 6を形成する凹形状 （凹溝） であり、 ガス流路 3 4を形成する凹 形状 （凹溝） の裏面が冷却水流路 3 6を形成する凸形状 （凸リブ） である。 また、 セパレータ 2 0 a , 2 0 bの長手方向の端部付近 （本実 形態の場 合であれば、 図 1中向かって左側に示す一端部の近傍） には、 酸化ガスの入 口側のマ二ホールド 1 5 a、 水素ガスの出口側のマ二ホールド 1 6 b、 およ び冷却水の出口側のマ二ホールド 1 7 bが形成されている。 例えば本実施形 態の場合、 これらマ二ホールド 1 5 a， 1 6 b , 1 7 bは各セパレータ 2 0 a , 2 0 bに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている (図' 1参照）。 さらに、 セパレータ 2 0 a， 2 0 bのうち反対側の端部には、 酸化ガスの出口側のマ二ホールド 1 5 b、 水素ガスの入口側のマ二ホールド 1 6 a、 および冷却水の入口側のマ-ホールド 1 7 aが形成されている。 本 実施形態の場合、 これらマ-ホールド 1 5 b， 1 6 a , 1 7 aも略矩形ない しは台形の透孔によって形成されている （図 1参照）。

上述のような各マ二ホールドのうち、 セパレータ 2 0 aにおける水素ガス 用の入口側マ-ホールド 1 6 aと出口側マ二ホールド 1 6 bは、 セパレータ 2 0 aに溝状に形成されている入口側の連絡通路 6 1および出口側の連絡通 路 6 2を介してそれぞれが水素ガスのガス流路 3 5に連通している。同様に、 セパレータ 2 0 bにおける酸化ガス用の入口側マ二ホールド 1 5 aと出口側 マ二ホールド 1 5 bは、 セパレータ 2 0 bに溝状に形成されている入口側の 連絡通路 6 3および出口側の連絡通路 6 4を介してそれぞれが酸化ガスのガ ス流路 3 4に連通している （図 1参照）。 さらに、 各セパレータ 2 0 a , 2 0 bにおける冷却水の入口側マ二ホールド 1 7 aと出口側マ二ホールド 1 7 b は、 各セパレータ 2 0 a， 2 0 bに溝状に形成されている入口側の連絡通路 6 5および出口側の連絡通路 6 6を介してそれぞれが冷却水流路 3 6に連通 している。 ここまで説明したような各セパレータ 2 0 a， 2 O bの構成によ り、 セル 2には、 酸化ガス、 水素ガスおよび冷却水が供給されるようになつ ている。 ここで具体例を挙げておくと、 セル 2が積層された場合、 例えば水 素ガスは、 セパレータ 2 0 aの入口側マ二ホールド 1 6 aから連絡通路 6 1 を通り抜けてガス流路 3 5に流入し、 .ME A 3 0の発電に供された後、 連絡 通路 6 2を通り抜けて出口側マ二ホールド 1 6 bに流出することになる。 第 1シール部材 1 3 a、 第 2シール部材 1 3 bは、 ともに複数の部材 （例 えば小型の 4つの矩形枠体と、 流体流路を形成するための大きな枠体） で形 成されているものである （図 1参照）。 これらのうち、第 1シール部材 1 3 a は ME A 3 0とセパレータ 2 0 aとの間に設けられるもので、より詳細には、 その一部が、 電解質膜 3 1の周縁部 3 3と、 セパレータ 2 0 aのうちガス流 路 3 5の周囲の部分との間に介在するように設けられる。 また、 第 2シール 部材 1 3 bは、 ME A 3 0とセパレータ 2 0 bとの間に設けられるもので、 より詳細には、 その一部が、 電解質膜 3 1の周縁部 3 3と、 セパレータ 2 0 bのうちガス流路 3 4の周囲の部分との間に介在するように設けられる。 さらに、 隣接するセル 2 , 2のセパレータ 2 0 bとセパレータ 2 0 aとの 間には、 複数の部材 （例えば小型の 4つの矩形枠体と、 流体流路を形成する ための大きな枠体）で形成された第 3シール部材 1 3 cが設けられている（図 1参照）。 この第 3シール部材 1 3 cは、セパレータ 2 0 bにおける冷却水流 路 3 6の周囲の部分と、 セパレータ 2 0 aにおける冷却水流路 3 6の周囲の 部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。 なお、 第 1〜第 3シール部材 1 3 a〜 1 3 cとしては、 隣接する部材との 物理的な密着により流体を封止する弾性体 （ガスケット） や、 隣接する部材 との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。上述し、 尚かつ以下に詳述する枠状部材は、 第 1〜第 3シール部材 1 3 a〜 1 3 cよ りも外力に対して （弾性） 変形しづらい材料であり、 この点において、 変形 抑止部としての第 1〜第 3シール部材 1 3 a〜'1 3 cよりも枠状部材を機能 させる方が有利である。 .

続いて、 セル積層体 3に設けられる変形抑止部などの構成について説明す る （図 2 A等参照）。

ここで、 上述のような構成のセル 2において、 セパレータ 2 0 aとセパレ ータ 2 0 bとで挟まれた領域の少なくとも一部であって ME A 3 0および枠 状部材が挿入されている領域は、 水素ガスおよび酸化ガスが化学反応するこ とによって電気を生じさせる領域 （本明細書では発電領域といい、 図 1にお いて符号 A 1で示す） である。 また、 隣接するセル 2間において隣り合うセ パレータ 2 0， 2 0で挟まれた領域 （例えば、 図 1に示すセパレータ 2 0 b と、 'このセパレータ 2 0 bに第 3シール部材 1 3 cを介して隣接する図示し ないセパレータとで挟まれた領域）、つまり、 ME A 3 0および枠状部材のい ずれもが挿入されてなく、 冷却水を流通させるための冷却水流路 3 6が形成 されている領域 （本明細書では冷媒流通領域といい、 図 1において符号 A 2 で示す） である。

また、 上述の枠状部材は、 ME A 3 0とともに発電領域 A 1に挿入され、 尚かっこの M E A 3 0の少なくとも一部を挟持している部材である。 例えば 本実施形態では、 樹脂製の薄い枠形状のフレームをこの発電領域 A 1内に介 在させ、枠状部材 4 0として機能させている （図 2 A、 図 2 B参照）。 この場 合、 枠状部材 4 0は、 ME A 3 0の少なくとも一部、 例えば周縁部 3 3に沿 つた部分を表側と裏側から挟持するように設けられている （図 2 A、 図 2 B 参照。 ただし、 図 2 Aと図 4では ME A 3 0寄りの縁形状のみを概略的に表 示)。

さらに、 このセル積層体 3においては、 セパレータ 2 0の変形を抑止する ための変形抑止部が設けられている。 例えば本実施形態の場合であれば、 冷 媒流通領域 A 2に向けて突出するような凸部を当該セパレータ 2 0上に設け、 これら凸部によって変形抑止部 2 4を形成して'いる （図 2 A、 図.2 B、 図 3 参照）。 このようにして形成された変形抑止部 2 4は、 パレータ 2 0を支持 して変形を生じさせないようにするといういわばバックアップとして機能す る。

すなわち、 従前のパックアップの場合には、 セパレータ自身の撓みや接着 剤の収縮などにより、 当該部分におけるセル 2の厚みが電極部に比して薄く なる可能性があり、 実際には当該バックアップが隣のセル 2 (あるいは当該 セル 2を構成するセパレータ 2 0 ) に接触しないかまたは接触しなくなるこ とが生じ得た。 より具体的には、 例えば組付け時におけるセパレータ 2 0の 反り、 あるいは、 電極部とそれ以外であって接着剤を含む部分の線膨張係数 の差などを理由としてセル 2が収縮して薄くなり、 その結果、 隣接するセル 2どうしが離れ、 パックァップが本来の機能を果たし得なくなることがあつ た。 また、 このような状態で過大なガス圧が作用すると、 セル 2内の接着剤 が剥離してしまうおそれもあった。

これに対し、 本実施形態ではこのような事態が生じにくくなるような 6を 構成している。 つまり、 本実施形態の変形抑止部 2 4は、 冷媒流通領域 A 2 に向けて突出する構造の凸部からなり、 尚かつ、 冷媒流通領域 A 2を介して 隣り合うセパレータ 2 0に形成されている変形抑止部 2 4どうしが接触し合 う構造となっている。 しかも、これら変形抑止部 2 4は、セパレータ 2 0 (あ るいはセル 2 ) の積層方向から視た場合に当該変形抑止部 2 4の少なくとも 一部が ME A 3 0に重なるように形成されている （図 2 A、 図 2 B参照）。す なわち、 例えば本実施形態では、 冷却水マ二ホールド 1 7の近傍から M E A 3 0の縁辺を越える位置まで、 冷却水の流れ方向に沿って延びるような違続 した形状の変形抑止部 2 4を形成し、 当該変形抑止部 2 4の少なくとも一部 が ME A 3 0に重なるようにしている（図 2 A、図 2 B参照）。こうした場合、 細長形状とされた当該変形抑止部 2 4のうち ME A 3 0と重なっている部分 は、 この ME A 3 0が生じる反力 （弾性力ゃ弹発力） を利用して隣のセル 2 (あるいはそのセパレータ 2 0 ) との密着度を維持す,ることが可能となる。 しかも、 変形抑止部 2 4は、 M E A 3 0側からマ二ホールド 1 7側に途切れ ることなく連続的に形成された凸状のリブである。 このため、 ME A 3 0側 からマ二ホールド 1 7側にかけて互レ,、に離間した複数の小突起状の凸部を変 形抑止部として採用する構成と比べ、 橈みを抑制できるとともに、 ME A 3 0による反力をマ二ホールド 1 7側まで好適に伝達できる。 このため、 この ような変形抑止部 2 4をパックアップとして機能させるようにした本実施形 態のセル積層体 3の場合には、 セル積層時において隣のセル 2との間に隙間 が生じるのを抑止しやすい。 さらに、この変形抑止部 2 4の一部または全部は、発電領域 A 1の外部（触 媒が設けられた領域外）、 より詳しくは、各セルに反応ガスまたは冷媒を供給 しあるいは排出するためのマ二ホールド 1 5〜1 7と ME A 3 0上の発電領 域 A 1とを連通する部分に設けられた凸部によって形成されている（図 2 A、 図 2 B等参照)。

なお、 上述したように本実施形態における変形抑止部 2 4は冷却水の流れ 方向に沿って延びる連続した形状となっているが、 その具体的な形状は特に 限定されない。 楕円形の凸部としてもよいし、 トラック形状に近似した長円 形としてもよい。 あるいは、 図 2 A、 図 2 Bに示すように、 両端が先細りす るような形状（真円を横長にしたような形状） としてもよい。また、図 2 A、 図 2 Bではこれら凸部を複数に配置した例を示しているが、 場合によっては これを末広がりとなるように配置してもよい。 いずれにせよ、 変形抑止部 2 4からなるバックアップ構造そのものを細長状とし、 ME A 3 0と重なるバ ックアップ部と連続した形状とすることにより、 セパレータ 2 0の剛性を向 上させつつ、 セル積層時において隣のセル 2との間に隙間が生じるのを抑止 することができるようになる。

また、 上述したような凸部からなる本実施形態の変形抑止部 2.4は、 入口 側および出口側の冷却水マ-ホールド （図 2 A等では単に符号 1 7で示して いる）の近傍に配置されている（図 2 A参照）。このような変形抑止部 2 4は、 複数の凸部によって構成されていることから、 冷却水流路 3 6に対して冷却 水を均等に分配することが可能となつている。 また、 冷却水をより均等に分 配してセパレータ 2 0の面内に行き渡らせるようにするという観点からすれ ば、 図 2 Aに示すように同じ形状かつ同じ大きさの凸部を等間隔に配置する ことが好ましいし、 このように平行に配置するばかりでなく、 上述したよう に末広がりとなるように配置することも可能である。 しかも、 ここまで説明 したように冷却水をセパレータ面内に均等となるように行き渡らせることが できれば、 セパレータ 2 0やシール部材 （例えば第 3シール部材 1 3 c ) 等 が受ける負担が軽減される結果、 耐久性を 上させることにもなる。

ところで、 ここまでの説明では、 変形抑止部 2 4からなるバックアップ構 造そのものを細長状とし、 ME A 3 0と重なるパックアップ部と連続した形 状にすると述べたが、 これは好適な態様に過ぎず、 変形抑止部 2 4がー端か ら他端まですべて連続している場合に限るものではない。 すなわち、 他の例 を示せば、 変形抑止部 2 4は、 例えば点状の凸部と線状の凸部というように 離間した複数の凸部によって構成されていてもよい（図 4、図 5参照）。要は、 分割された凸部によって形成されているとしても、 当該変形抑止部 2 4によ つてセパレータ 2 0の剛性を向上させることは可能である。 また、 当該変形 抑止部 2 4の少なくとも一部が ME A 3 0と重なりパックアップとして機能 しうる構造となっていれば、 セル積層時において隣のセル 2との間に隙間が 生じるのを抑止することも可能となる。

ここで、 上述したセル 2によって構成されるセル積層体 3、 および該セル 積層体 3を含む燃料電池 1について説明する （図 6、 図 7参照)。

燃料電池 1は、 複数のセル 2が積層されてなるセル積層体 3を備えている もので、 当該セル積層体 3の両端に位置する端セル 2の積層方向外側には、 断熱セル 4、 出力端子 5 a付のターミナルプレート 5、.インシュレータ （絶 縁プレート） 6およびエンドプレート 7をさらに備えた構成となっている（図 6、 図 7参照）。セル積層体 3に対しては、両エンドプレート 7をつなぐよう に架け渡されたテンションプレート 8.によって積層方向への所定の圧縮力が 加えられている。 さらに、 セル積層体 3の一端側のエンドプレート 7とイン シュレータ 6との間にはプレツシャプレート 9とばね機構 9 aとが設けられ ており、 セル 2に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。 断熱セル 4は例えば 2枚のセパレータ 2 0とシール部材 （例えば第 1シー ル部材 1 3 a、第 2シール部材 1 3 b )とで断熱層が形成されているもので、 発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。 すなわ ち、 一般に、 セル積層体 3の端部は大気との熱交換により温度が低くなりや すいことから、 当該セル積層体 3の端部に断熱層を形成することによって熱 交換 （放熱） を抑えることが行われている。 このような断熱層としては、 例 えば、 セル 2におけるものと同様の一対のセパレータ 2 0に、 膜一電極アツ センプリの代わりとして導電板などの断熱部材 1 0を挟み込んだ構成のもの がある。 この場合に用いられる断熱部材 1 0は断熱性に優れるほど好適であ り、 具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。

ターミナルプレート 5は集電板として機能する部材であり、 例えば鉄、 ス テンレス、 銅、 アルミニウム等の金属で板状に形成されでいる。 ターミナル プレート 5のうち断熱セル 4側の表面には、 めっき処理等の表面処理が施さ れており、かかる表面処理により断熱セル 4との接触抵抗が確保されている。 めっきとしては、 金、 銀、 アルミニウム、 ニッケル、 亜鉛、 すず等を挙げる ことができ、 例えば本実施形態では導電性、 加工性および低廉性を勘案して すずめつき処理を施している。

インシユレータ 6は、 ターミナルプレート 5とエンドプレート 7とを電気 的に絶縁する機能を果たす部材である。 このよ'うな機能を果たすため、 かか るィンシュレータ 6は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に 形成されている。

エンドプレート 7は、 ターミナルプレート 5と同様、 各種金属 （鉄、 ステ ンレス、 銅、 アルミニウム等） で板状に形成されている。 例えば本実施形態 では銅を用いてこのェンドプレート 7を形成しているがこれは一例に過ぎず. 他の金属で形成されていても構わない。

続いて、 図 8と図 9を用いて本発明の他の実施形態を説明する。

ここでは、 入口側おょぴ出口側の冷却水マ二ホールド 1 7の近傍となる位 置、 より具体的には冷却水の連絡通路 6 5， 6 6に突起状の複数の凸部を設 け、 'これら凸部により、 冷却水流路 3 6を流れる冷却水を均等に分配できる ようにしている （図 8参照）。 ここでは図 8に示すように各凸部を中央列のみ 半ピッチずらした状態で等間隔となるように 3列配置しているがこれは好適 な形態の一例に過ぎず、 配置間隔を偏らせたり、 各凸部の大きさを異ならせ たりすることも可能である。

また、 本実施形態においては、 このようにセパレータ 2 0上に形成された 各凸部を、 当該セパレータ 2 0の変形を抑止するための変形抑止部 2 4とし ても機能させるようにしている。 すなわち、 隣り合うセパレータ 2 0におい て対向する位置にも同様に凸部からなる変形抑止部 2 4を設け、 これら変形 抑止部 2 4を互いに接触させた状態で各セパレータ 2 0を重ねるようにして いる。 こうした場合、 隣接するセル 2， 2間 （隣接するセパレータ 2 0， 2 0間） において各セパレータ 2 0に形成された各変形抑止部 2 4どうしが突 き合う状態となり、 スタック締結荷重が作用した際に当該セパレータ 2 0が 変形するのを抑止するバックアップとしても機能する （図 8、 図 9参照）。 さらには、 セパレータ 2 0の変形を抑止するための別の構造を併設するこ とも好ましい。 一例を示せば、 上述した枠状部材 4 0が揷入されている発電 領域 A 1において、 当該枠状部材 4 0に凸部を設け、 該凸部によってセパレ ータ 2 0の変形を抑止するための別の変形抑止部 4 3を形成することができ る。 このような別の変形抑止部 4 3は、 セパレータ 2 0に直接接触して変形 を抑止するものでもよいし、 あるいは接着剤 4 4等を介在させた状態で当該 セパレータ ₂ 0の変形を抑止するものでもよい。 さらに、 接着剤 4 4等を介 在させた状態で当該セパレータ 2 0の変形を抑止する場合においては、 当該 接着剤 4 4中にビーズのような小粒の部材であって当該接着剤 4 4さらには 枠状部材 4 0よりも剛性が高く変形量が小さい部材を混在させておくことも 好ましい。

また、 上述のように枠状部材 4 0上に形成される別の変形抑止部 4 3は、 例えばプレス加工によつて変形抑止部 2 4の裏側に凹部が形成されているよ うな場合にも有効なものとなり得る。 具体 f列を挙げて説明すれば、 例えば本 実施形態においては、 セパレータ 2 0に形成された変形抑止部 2 4の凹部と なっている裏面側に向かって突出するようなセパレータ変形抑止用凸部を設 けて別の変形抑止部 4 3を形成し、 これにより、 当該変形抑止部 2 4または その近傍におけるセパレータ 2 0の変形を抑止するようにしている （図 9参 照)。本実施形態の場合、変形抑止部 2 4と別の変形抑止部 4 3との間には接 着剤 4 4からなる接着層が介在しているが、 図示しているように、 別の変形 抑止部 4 3が形成されていることによって当該別の変形抑止部 4 3を厚み (突出量） の分だけ接着剤 4 4の厚みが薄くなっている。'例えば当該接着剤 4 4よりも枠状部材 4 0の方の剛性が高ければ、 変形抑止部 2 4の裏面側を バックァップする部分の剛性を高めて当該部分やその近傍部分が変形するの をさらに抑止することが可能となる （図 9参照）。

また、 セパレータ 2 0に形成された変形抑止部 2 4またはその近傍におけ るセパレータ 2 0の変形を抑止するための別の変形抑止部 4 3の変形例とし ては、 以下のようなものがある。 すなわち、 上述したように枠状部材 4 0の 一部を変形させるばかりでなく、 例えば、 シール材 （枠状部材 4 .0 ) よりも 歪 （外力が作用したときの変形量） が小さい部材、 例えばビーズといったよ うな小粒の球状部材などをこのシール材 （枠状部材 4 0 ) の少なくとも該当 部分に混在させ、 全体として剛性を向上させて変形をさらに抑制できるよう にした構成とすることもできる。 .

以上、 ここまで説明したセル積層体 3、 およびこのセル積層体 3を備えた 燃料電池 1によれば、 当該セル積層体 3を形成するセパレータ 2 0が例えば プレス成形されて凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造となっている場合 に、 変形抑止部 2 4さらには別の変形抑止部 4 3をパックアップとして機能 させることができる。 このため、 スタック構造となるセル積層体 3に締結荷 重を作用させた場合に、 これら積層されているセパレータ 20が変形するの を抑えることが可能である。 特に、 複数の.セパレータ 20間において、 枠状 部材 （例えば樹脂フレーム） 4 0が介在する部分については当該枠状部材 4 0にバックアップを形成し、 枠状部材 40が介在しない部分にはセパレータ 20自身にバックアップを形成することとすれば、 スタック構造となるセル 積層体 3においてセパレータ 2 0の変形をより有効的に抑止することができ るようになる。 さらには、 変形抑止部 24を利用して冷却水等の流体をより 均等となるように分配することも可能である。

なお、 上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定 されるものではなく本発明の要旨を逸脱しな 、範囲において種々変形実施可 能である。 例えば、 上述した実施形態では隣接するセパレータ 20 b， 20 cの場合を主に例示したが、 これのみならず、 積層される各セパレータ （例 えば図 3における 20 a、 20 d) においても同様の構造とすることができ ることはいうまでもない。

また、 枠状部材 40が揷入されていない冷媒流通領域 A 2には、 変形抑止 部 24を形成する凸部、 あるいは別の変形抑止部 4 3を形成する凸部と同じ 高さとなるような凸状部分を設けて'枠状リブを形成し、 当該枠状リブを介し て対向するセパレータ 20の溝底面どうしの距離を隔てるようにしておくこ とも好ましい。 これについて説明を付け加えておくと以下のとおりである。 すなわち、 上述したように、 セパレータ 20には、 燃料ガスや酸化ガス、 冷却用冷媒といった流体を各セル 2に供給しまたは当該セル 2か,ら排出する ためのマユホールド 1 5 a , 1 5 b, 1 6 a, 1 6 b, 1 7 a, 1 7 bが形 成され、 また、 セパレータ 20のうちこれらマ二ホールド 1 5 a , 1 5 b, 1 6 a, 1 6 b， 1 7 a , 1 7 bの周囲にはシール部材 1 3が設けられ、 各 流体が所定の流路から漏れ出ないようになつている （図 1 0参照）。 このよう なシール部材 1 3と、 マ二ホールド 1 5 a， 1 5 b, 1 6 a, 1 6 b, 1 7 a, · 1 7 bを形成するためセパレータ 20に設けられた孔の縁辺との間に、 セル積層方向へと突出する形状の枠状リブ 21を設けている （図 10参照）。 また、 シール部材 13の外側 （ここでいう外側とは外周側のことであり、 よ り具体的には各マ二ホールド 1 5 a， 1 5 b， 16 a, 16 b, 1 7 a, 1 7 bとは逆の側） には、 凸リブからなる別の枠状リブ 22が形成されている (図 10参照）。 ちなみに、本実施形態における枠状リブ 22は、発電領域 A 1のうち触媒層のある部分の外部においてその輪郭を囲うような枠状のリブ として形成されている （図 10参照）。 なお、セパレータ 20の平面構造を表 している図 10においては、 シール部材 13との違いを明瞭にするため、 こ れら枠状リブ 21、 枠状リブ 22が形成された部分を太線によって表示して いる。

以上のような構成のセパレータ 20を積層する場合、 セパレータ （例えば 2 O bとする） の内周側の枠状リブ 21と、 他のセパレータ （例えばセパレ ータ 20 cとする） の内周側の枠状リブ 21とを直接突き当てた状態とし、 さらに、 セパレータ 20 bの外周側の枠状リブ 22と、 他のセパレータ 20 cの外周側の枠状リブ 22とを直接突き当てた状態とすることができる。 こ うした場合、 枠状リブ 21および枠状リブ 22は、 これらの間に所定のスぺ ースを形成するスぺーサとして機能することができる。. こうした場合、 これ ら枠状リブ 21, 22を介して対向するセパレータ 20 (20 b, 20 c) の溝底面どうしの距離を隔てるように機能させることができる。 尚かつ、 こ の場合において、 これら枠状リブ 21., 22の高さを、 変形抑止部 24や別 の変形抑止部 43の高さと等しくなるようにすれば、 セパレータ 20 (20 b, 20 c) を重ね合わせた場合に各凸部どうしを互いに接触させ合ってス ぺーサとして機能させることができる。 . 産業上の利用可能性 本発明によれば、 凹凸形状が表面と裏面とで反転した構造のセパレータに 関し、 当該セパレータの変形を抑えるのに好適なパックアツプ構造を実現す ることができる。

よって、 本発明は、 そのような要求のあるセル積層体 3や燃料電池 1に広 く利用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 膜一電極アッセンプリを挟持したセパレータが積層されて構成される セル積層体であって、

隣り合う前記セパレータとセパレータの間には、 前記膜一電極アッセンブ リおよびこの膜一電極ァッセンプリの少なくとも一部を挟持する枠状部材が 挿入されている発電領域と、 前記膜一電極ァッセンプリおよび前記枠状部材 のいずれも挿入されていない冷媒流通領域のいずれかの領域が形成されてお り、

前記セパレータの変形を抑止するための変形抑止部が、'当該セパレータ上 であって、 各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排出するためのマ 二ホールドと前記膜一電極アッセンプリ上の前記発電領域とを連通する部分 に設けられた凸部によって形成され、

前記枠状部材が揷入されている発電領域において前記セパレータの変形を 抑止するための別の変形抑止部が、 前記枠状部材に設けられた凸部によって 形成されている

セル積層体。 .

2 . 前記枠状部材が揷入されていない冷媒流通領域には、 前記凸部と同じ 高さとなるように前記セパレータに設けられた凸状部分からなり、 当該凸状 部分を介して対向する前記セパレータの溝底面どうしの距離を隔てる枠状リ ブが形成されている請求項 1に記載のセル積層体。

3 . 前記セパレータに形成された前記変形抑止部の凹部となっている裏面 側に向かって突出し、 当該変形抑止部またはその近傍における前記セパレー タの変形を抑止するセパレータ変形抑止用凸部が前記枠状部材に形成されて いる請求項 1または 2に記載のセル積層体。

4 . 膜一電極アッセンプリを挟持したセパレータが積層されて構成される セル積層体であって、

隣り合う前記セパレータとセパレータの閩には、 前記膜一電極ァッセンプ リおよびこの膜一電極アッセンプリの少なくとも一部を挟持する枠状部材が 挿入されている発電領域と、 前記膜一電極ァッセンプリおよび前記枠状部材 のいずれも揷入されていない冷媒流通領域のいずれかの領域が形成されてお り、

前記セパレータの変形を抑止するための変形抑止部が、 当該セパレータ上 であって、 各セルに反応ガスまたは冷媒を供給しあるいは排出するためのマ 二ホールドと前記膜一電極ァッセンプリ上の前記発電領域とを連通する部分 に設けられた凸部によって形成され、

前記セパレータの積層方向から視て、 前記変形抑止部の少なくとも一部が 前記膜一電極ァッセンプリに重なっている

セル積層体。

5 . 前記冷媒流通領域を介して隣り合う前記セパレータに形成されている 前記変形抑止部どうしが接触し合っている請求項 1から 4のいずれかに記載 のセル積層体。

6 . 請求項 1から 5のいずれかに記載のセル積層体を備えている燃料電池。