(57)【要約】【課題】膜電極接合体３をガス流路構成材２５と平板状セパレータ本体８との２部材からなるセパレータ９で挟持してなる燃料電池セルにおいて、ガス流路構成材２５に起因して膜電極接合体３側に損傷が生じるのを抑制する。【解決手段】セパレータ９を構成するガス流路構成材２５を、金属薄板２０に複数個の切れ目２１を入れ、切れ目部分が開くように金属薄板２０を表側と裏側に向けて所定厚みを持つように折り曲げ加工する。折り曲げ加工により形成された丸みを持った折り曲げ部の頂部２２ａ，２２ｂが膜電極接合体３側に当接することにより、膜電極接合体３側に損傷が生じるのを回避する。【選択図】図３
2010021106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルであって、
前記ガス流路構成材は、金属薄板に複数個の切れ目を入れ、該切れ目部分が開くように金属薄板を表側と裏側に向けて所定厚みを持つように折り曲げ加工することによってガス流路としての空間が形成されているガス流路構成材であり、前記折り曲げ加工により形成された折り曲げ部の頂部が膜電極接合体側に当接していることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材は、金属薄板に、所定長さでありかつＹ軸方向に間隔をおいて互いに平行に形成された複数個の切れ目からなる切れ目群の複数列が、各切れ目の互いの端部同士をＹ軸方向で一致しないようにして、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に形成されており、かつ、折り曲げ頂部の方向がＹ軸方向となる金属薄板の厚み方向への折り曲げ加工が各平行切れ目の位置を境として折り曲げ方向を反転するようにしてなされており、それにより、金属薄板の厚み方向に周期的な空間を形成されているガス流路構成材であることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材における前記折り曲げ加工により形成された折り曲げ部の頂部は平坦面部分を有していることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材は矩形状であり、その複数枚を膜電極接合体と平板状セパレータ本体との間に備えることによって当該燃料電池セルに必要なガス流路が構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルに関し、特に、ガス流路構成材の構成を改良した燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の１つとして固体高分子形燃料電池が知られている。図６は、その一例を示す断面図であり、電解質膜１の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層した電極層２を備えた膜電極接合体３が形成され、その両側をガス流路４を有するセパレータ５、５で挟持することで、１つの燃料電池セルとされている。多くの場合、セパレータ５は金属薄板を板金加工して作られる。セパレータを一枚の金属薄板で作るのではなく、エキスパンドメタル（あるいはラスメタル）と称されるガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材で構成することも知られており、その場合、ガス流路構成材側を膜電極接合体の電極層側に接するようにして組み付けることで、１つの燃料電池セルとされる（特許文献１および２等参照）。このようなガス流路構成材を用いることにより、燃料ガスあるいは酸化ガスの流通効率を向上させることができる。
【０００３】
従来のセパレータ用のガス流路構成材としてのエキスパンドメタルは、基本的に、図７のようにして製造されている。すなわち、図７（ａ）に示すように、素材Ｓ（金属薄板）を送りローラＯＲによって上刃ＵＤおよび下刃ＬＤからなる刃型Ｄに送る。刃型Ｄの上刃ＵＤおよび下刃ＬＤの刃部は、素材Ｓに対して千鳥配置に切れ目を順次加工するように形成されている。そして、上刃ＵＤは、上下動することにより、素材Ｓに対して順次千鳥配置の切れ目を加工し、下降位置にて加工した切れ目を押し延ばすことで、図７（ｂ）に示すように、菱形状の空間Ｐが形成される。この作業を繰り返すことによって段状に空間Ｐを周期的に有するエキスパンドメタル７とされる。
【０００４】
図８に示すように、このエキスパンドメタル７と平板状セパレータ本体８との２部材でセパレータ９とされ、エキスパンドメタル７側を膜電極接合体３の電極層２側に接するようにして組み付けることで、１つの燃料電池セル１０となる。そして、エキスパンドメタル７はガス流路構成材として機能する。すなわち、燃料電池セル１０において、図８にＱで示す空間は、紙面に垂直な方向に連通するガス流路となり、前記したエキスパンドメタル７に形成した菱形状の空間Ｐは紙面に平行方向のガス流路となる。膜電極接合体３の発電面に流入する燃料ガスおよび酸化ガスは、空間Ｐと空間Ｑを通過しながら流れることにより、電極層２の拡散層面上でほぼ均一な分布に拡散するようになり、燃料ガスおよび酸化ガスの流通効率が向上する。
【特許文献１】特開２００５−３１０６３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したエキスパンドメタル７をガス流路構成材として用いる形態の燃料電池セル１０においては、図８に示すように、エキスパンドメタル７を製造するときにできた切断面のエッジ部分が電極層２（の拡散層）および平板状セパレータ本体８と接する部分となる。そのために、燃料電池セル１０とするとき、さらにはその他数枚を積層してスタックとするときに圧締を行うと、エッジ部分に圧力の集中が起こり、圧締力の大きさによっては、特に膜電極接合体の電極部分に損傷（ダメージ）を与えて、燃料電池の性能に影響を及ぼす恐れがある。そのために、圧締に慎重な作業を必要としている。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスおよび酸化ガスの流通効率を向上させるために、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルにおいて、ガス流路構成材に起因して膜電極接合体側に損傷が生じるのを大きく抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による燃料電池セルは、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材は、金属薄板に複数個の切れ目を入れ、該切れ目部分が開くように金属薄板を表側と裏側に向けて所定厚みを持つように折り曲げ加工することによってガス流路としての空間が形成されているガス流路構成材であり、前記折り曲げ加工により形成された折り曲げ部の頂部が膜電極接合体側に当接していることを特徴とする。
【０００８】
本発明による燃料電池セルでは、前記ガス流路構成材が膜電極接合体側に当接している部分は、金属薄板を折り曲げ加工して形成された頂部であり、接触部分は鋭利でなく丸みを持っている。また、折り曲げ部を平面状に加工することもできる。そのために、圧締時に膜電極接合体側に切れ目等の損傷が生じるのを効果的に回避することができる。
【０００９】
好ましくは、前記ガス流路構成材は、金属薄板に、所定長さでありかつＹ軸方向に間隔をおいて互いに平行に形成された複数個の平行切れ目からなる切れ目群の複数列が、各切れ目の互いの端部同士をＹ軸方向で一致しないようにして、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に形成されており、かつ、折り曲げ頂部の方向がＹ軸方向となる金属薄板の厚み方向への折り曲げ加工が各平行切れ目の位置を境として折り曲げ方向を反転するようにしてなされていて、それにより、金属薄板の厚み方向に周期的な空間を形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この形態のガス流路構成材では、基本的に、金属薄板を厚み方向にのみかつ規則的に変形させて形成することができるため、製造が容易であることに加え、折り曲げ加工時に折り曲げ頂部を平坦面とするような加工を行うことにより、折り曲げ部の頂部と膜電極接合体との接触面積を適宜調整することも容易であり、接触部分の面圧制御も容易に行うことができる。また、頂部での折り曲げ角度の調整も容易であり、頂部での折り曲げ角度を調整することによって、膜電極接合体あるいは平板状セパレータ本体とガス流路構成材との間の毛管現象による水の滞留等も制御することが可能となる。
【００１１】
さらに、上記の形態のガス流路構成材では、Ｙ軸方向には途中に障壁のない状態で貫通するガス流路を形成することができ、Ｘ軸方向では一部に障壁を有するガス流路を形成することができるので、流入するガスの方向（すなわち、Ｙ軸方向かＸ軸方向か）により、通気抵抗とガス拡散とを制御することができ、全体としてのガスの流通効率をさらに向上させることができる。
【００１２】
本発明による燃料電池セルにおいて、単一のガス流路構成材で、当該燃料電池セルに必要なガス流路を構成してもよいが、ガス流路構成材が矩形状の場合には、その複数枚を膜電極接合体と平板状セパレータ本体との間に備えることによって当該燃料電池セルに必要なガス流路が構成することもできる。前記のように、本発明によるガス流路構成材は、流入するガスの方向により、通気抵抗とガス拡散を制御できるため、例えば、ガスの流入部とそれ以外の部分とで、同じ形態のガス流路構成材を例えば９０度向きを変えて配置することにより、発電面全体において、所望のガス流速や分布量にガスの流通を調整することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池セルにおいて、ガス流路構成材に起因して膜電極接合体側に損傷が生じるのを大きく低減することができ、結果として発電効率のよい燃料電池セルが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明によるガス流路構成材の基材となる金属薄板の平面図であり、切れ目と折れ線とを図示している。図２（ａ）は図１の金属薄板から製造されたガス流路構成材の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線による断面図である。図３（ａ）は図２に示したガス流路構成材を用いて燃料電池セルとした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図であり、図３（ｂ）はガス流路構成材の変形例を用いた場合での燃料電池セルのセパレータ部分を中心にして示す断面図である。図４はガス流路構成材においてガスが流れる状態を説明するための図であり、図５は複数枚を膜電極接合体を用いる場合でのガスが流れる状態を説明するための図である。
【００１５】
図１に示すように、この例において、ガス流路構成材の基材である金属薄板２０は長方形であり、Ｙ軸方向に所定の間隔ａをおいて、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に延びる長さｂの切れ目２１が、必要個数だけ形成されている。より詳細には、金属薄板２０の図で左右の側縁近傍を除いた領域には、Ｘ軸方向の長さｂありかつＹ軸方向に間隔ａをおいて互いに平行に形成された複数個（図示のものでは２個）の互いに平行な切れ目２１からなる切れ目群Ｐの複数列、図示のものではＰ１〜Ｐ４の４列が、Ｘ軸方向に形成されている。また、各切れ目群Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれの切れ目２１の端部同士がＸ軸方向ではほぼ一致するが、Ｙ軸方向で一致しないように、図示の例では、例えばＹ軸方向にａ／２の距離だけずらした状態で、すなわち、各切れ目２１が千鳥状に配列するようにして、形成されている。なお、金属薄板２０の左右の側縁領域Ｓ１，Ｓ２のＸ軸方向の幅は、前記切り目２１の長さｂの１／２と等しいか、それよりも狭い。
【００１６】
図示のものでは、各切れ目２１はＹ軸方向に９０度で交叉する方向として形成されているが、各切れ目２１が互いに平行であることを条件に、９０度以外の角度でＹ軸と交叉する方向で形成されもよい。また、前記間隔ａおよび長さｂは、製造しようとする燃料電池セルに求められる発電性能等に応じて、適宜に設定される値である。金属薄板２０としては、板圧が０．１ｍｍ程度のステンレス板などを例示できる。
【００１７】
図１のように多数の切れ目２１を成形した金属薄板２０に対して、金属薄板２０の厚み方向へ向けた折り曲げ加工を行う。折り曲げ加工は、基本的には、前記各切れ目群ＰにおけるＸ軸方向での中央部を、折り曲げ頂部２２がＹ軸と平行となる方向に加工する。Ｘ軸方向の中央部でなく、いずれかに偏った位置に頂部２２が形成されるように折り曲げ加工してもよい。いずれにおいても、その際に、図１で山折線２２ａおよび谷折線２２ｂとして示すように、金属薄板２０の厚み方向への折り曲げ方向が、各切れ目２１の位置を境として反転するようにして折り曲げ加工を行う。また、折り曲げ加工は、前記複数の山折線２２ａの頂部が同一仮想平面内に位置するように、かつ、前記複数の谷折線２２ｂの頂部が、前記複数の山折線２２ａの頂部が位置する仮想平面と平行な同一仮想平面内に位置するように、適宜の治具を用いて行う。
【００１８】
折り曲げ加工後の金属薄板、すなわち本発明によるガス流路構成材２５が図２に示される。上記のような折り曲げ加工を施すことにより、前記切れ目群Ｐ１〜Ｐ４の各切れ目２１の部分は上下方向に開いた菱形状の開口部２６を形成するようになり、全体として、金属薄板２０の厚み方向に周期的な空間が形成される。また、図２（ｂ）の断面図に示すように、加工後のガス流路構成材２５の横幅は、前記開口部２６の高さに応じた分だけ、当初の金属薄板２０横幅よりも狭いものとなる。すなわち、折り曲げ加工時に、どの程度深くまで山折りと谷折りを行うかで、成形されるガス流路構成材２５の横幅および折り曲げ頂部の角度αを、任意に制御することができる。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、前記ガス流路構成材２５は、その一方の面を図８で説明したように膜電極接合体３の電極層２に乗るようにして積層され、他方の面には、平板状セパレータ本体８が積層されて、燃料電池セル１０Ａとされる。図示のように、このガス流路構成材２５では、電極層２および平板状セパレータ本体８と接する部分は、金属薄板２０の山折り部の頂部２２ａまたは谷折り部の頂部２２ｂとなる。前記頂部２２ａ，２２ｂは丸みを持った曲面であり、燃料電池セルとして圧締するときに、膜電極接合体３側に切れ目等の損傷が生じるのを効果的に回避することができる。なお、ガス流路構成材２５の図で左右の側縁には、金属薄板２０を長方形に裁断したときに切断縁が残っており、その部分が膜電極接合体３に衝接して、膜電極接合体３に損傷を与えることが予測される場合には、前記した金属薄板２０の左右の側縁領域Ｓ１，Ｓ２のＸ軸方向の幅を狭く（例えばｂ／２よりも狭く）なるように調整することにより、その不都合を回避することができる。
【００２０】
さらに、この実施の形態では、前記したように、折り曲げ加工時に、ガス流路構成材２５の折り曲げ頂部の角度αを任意に制御することができるので、膜電極接合体３あるいは平板状セパレータ本体８とガス流路構成材２５との間の毛管現象による水の滞留等も制御することが可能となる。
【００２１】
図３（ｂ）はガス流路構成材２５の他の形態２５ａとそれを用いて製造した燃料電池セル１０Ａを示す、図３（ａ）に相当する図である。ここで、ガス流路構成材２５は、金属薄板２０の山折り部の頂部２２ａと谷折り部の頂部２２ｂが、平坦面２２ａ１，２２ｂ１となるようにして、折り曲げ加工が施されている。平坦面２２ａ１，２２ｂ１の面積をどの程度とするかは、折り曲げ加工用の治具（不図示）を調整することにより、適宜設定することができる。このような平坦面２２ａ１，２２ｂ１を形成することにより、折り曲げ部の頂部と膜電極接合体３との接触面積を適宜調整することが可能であり、接触部分の面圧制御も容易に行うことができる。
【００２２】
図４は、図３に示すようにして燃料電池セル１０、１０Ａを構成したときでの、セパレータ内でのガスの流れ方向を説明する模式図である。図３からも分かるように、Ｙ軸方向でのガス流路ａは途中に障壁のない貫通孔となっており、Ｙ軸方向でのガス流Ｆｙは、入口から出口まで、流路抵抗がきわめて小さい状態で直線状に流れることができる。一方、Ｘ軸方向でのガス流Ｆｘは、図２も参照すれば分かるように、ガス流路構成材２５のＹ軸に平行な壁面に衝突してＹ軸方向に分流することを繰り返しながら、入口から出口に向けて流れていく。すなわち、Ｘ軸方向でのガス流Ｆｘはガス拡散が促進される。このことから、前記した金属薄板２０に形成する切れ目２１のＸ軸方向およびＹ軸方向のピッチを適宜調整することによって、そのガス流路構成材２５を用いる燃料電池セルに求められる燃料ガスおよび酸化ガス双方の通気抵抗とガス拡散の程度を、所望に制御することが可能となることがわかる。
【００２３】
図５は、矩形状の前記ガス流路構成材２５の２枚を、９０度向きを変えた姿勢で配置した状態を示している。このように配置することにより、図で右側端から流入するガスは、右側のガス流路構成材２５Ａでは主に拡散作用を受けるようになり、所要に拡散を受けて左側のガス流路構成材２５Ｂに入り込んだガスは、図で左端側であるガス出口に向けて、抵抗の少ない状態で流下することができる。このように、本発明によれば、同一形状である矩形状のガス流路構成材２５の複数枚を、適宜その向きを調整しながら、膜電極接合体３と平板状セパレータ本体８との間に配置してセパレータを構成することにより、当該燃料電池セルにおける膜電極接合体の発電面に対して、最適なガス流路を容易に構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるガス流路構成材の基材となる金属薄板の平面図。
【図２】図２（ａ）は図１の金属薄板から製造されたガス流路構成材の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線による断面図。
【図３】図３（ａ）は図２に示したガス流路構成材を用いて燃料電池セルとした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図、図３（ｂ）はガス流路構成材の変形例を用いた場合での燃料電池セルのセパレータ部分を中心にして示す断面図。
【図４】ガス流路構成材においてガスが流れる状態を説明するための図。
【図５】複数枚を膜電極接合体を用いる場合でのガスが流れる状態を説明するための図。
【図６】固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図。
【図７】従来のセパレータ用のガス流路構成材その製造方法とともに説明する図。
【図８】図７に示したガス流路構成材を用いて製造して燃料電池セルを説明するための模式図。
【符号の説明】
【００２５】
１…電解質膜、２…電極層、３…膜電極接合体、７…エキスパンドメタル、８…平板状セパレータ本体、９…セパレータ、１０、１０Ａ…燃料電池セル、２０…ガス流路構成材の基材である金属薄板、２１…切れ目、２２ａ…山折線、２２ｂ…谷折線、２５、２５ａ…ガス流路構成材、２６…切れ目の部分に形成される菱形状の開口部、２７…Ｙ軸方向でのガス流路、ａ…切れ目のＹ軸方向に間隔、ｂ…切れ目のＸ軸方向の長さ、Ｐ１〜Ｐ４…切れ目群、α…折り曲げ頂部の角度、Ｆｙ…Ｙ軸方向でのガス流、Ｆｘ…Ｘ軸方向でのガス流
【図１】
2010021106.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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