(57)【要約】【課題】  必要な精度を満足しつつコスト低減をはかった燃料電池セパレータの提供。【解決手段】（１）セパレータ１８の厚さのばらつきを、ＭＥＡ当接領域４０と接着領域４１とで異ならせた燃料電池セパレータ。（２）ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータの厚さのばらつき（２α）を、接着領域４１でのセパレータの厚さのばらつき（２α）より小さくした。（３）ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータの厚さのばらつきを好ましくは０．０７ｍｍ以下とした。（４）接着領域４１でのセパレータの厚さのばらつきを好ましくは０．２０ｍｍ以下とした。【選択図】        図１
2006066094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ当接領域とその周囲に接着領域とを有する燃料電池セパレータにおいて、セパレータの厚さのばらつきを、ＭＥＡ当接領域と接着領域とで異ならせた燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを、前記接着領域でのセパレータの厚さのばらつきより小さくした請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．０７ｍｍ以下とした請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記接着領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．２０ｍｍ以下とした請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池セパレータに関し、とくに燃料電池用成形セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池（セル）、たとえば単位固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを重ねたものからなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられてもよい。
セルの発電領域においては、セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。セパレータの燃料ガス流路の背面側と、セパレータの酸化ガス流路の背面側には、冷媒（冷却水）流路が形成される。セルの発電領域において、セパレータは拡散層を介してＭＥＡに当接され、発電して水を生成する。
セルの発電領域の周囲にある非発電領域には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成される。ＭＥＡの両側のセパレータは、セルの周囲の非発電領域で接着剤でシールされるとともに接着される。
少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
【０００３】
セパレータは、発電領域において、発電領域の全領域で均一に発電することが望まれる。そのためには、セパレータが均一に拡散層を介してＭＥＡに当接して接触抵抗による電圧損失を全域にわたって小さくすることが必要であり、製造におけるセパレータの厚さのばらつきが高精度に管理される必要がある。
特開２００３−１９７２１５号公報は、セパレータがカーボン成形セパレータの場合、セパレータの板厚のばらつきをセパレータの全域にわたって０．１５ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ以下に管理することを提案している。
【特許文献１】特開２００３−１９７２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２００３−１９７２１５号公報に提案された燃料電池セパレータでは、セパレータの板厚のばらつきをセパレータの全領域にわたって一律に精度よく管理しなければならないので、セパレータの成形金型精度が高くなり、またセパレータ成形条件も厳しくなって、コスト高となる。
本発明の目的は、各領域での必要な精度を満足しつつ、コスト低減をはかった燃料電池セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明はつぎの通りである。
（１）  ＭＥＡ当接領域とその周囲に接着領域とを有する燃料電池セパレータにおいて、セパレータの厚さのばらつきを、ＭＥＡ当接領域と接着領域とで異ならせた燃料電池セパレータ。
（２）  前記ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを、前記接着領域でのセパレータの厚さのばらつきより小さくした（１）記載の燃料電池セパレータ。
（３）  前記ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．０７ｍｍ以下とした（１）記載の燃料電池セパレータ。
（４）  前記接着領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．２０ｍｍ以下とした（１）記載の燃料電池セパレータ。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池セパレータによれば、セパレータの厚さのばらつきを、ＭＥＡ当接領域と接着領域とで異ならせたので、セパレータ全域にわたってセパレータの厚さのばらつきを高精度に管理する必要がなく、セパレータ全域にわたってセパレータの厚さのばらつきを高精度に管理していた従来に比べて、セパレータの製造コストを低減することができる（たとえば、金型コスト、成形型コストの低減により、セパレータの製造コストが低減する）。ＭＥＡ当接領域と接着領域とでセパレータと拡散層との接触抵抗低減からのセパレータ厚さのばらつきに対する要求条件が異なるので、セパレータの厚さのばらつきをＭＥＡ当接領域と接着領域とで異ならせてある。その結果、各領域での必要な精度を満足しつつ、コスト低減をはかることができる。
上記（２）の燃料電池セパレータによれば、ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを、接着領域でのセパレータの厚さのばらつきより小さくしたので、ＭＥＡ当接領域では、セパレータと拡散層との接触抵抗を低減しかつ均一化でき、セパレータの厚さのばらつきが接着剤の厚さで吸収できる接着領域では、セパレータの厚さのばらつきの限界を緩めることにより、セパレータのコストを低減することができる。その結果、各領域での必要な精度を満足しつつ、コスト低減をはかることができる。
上記（３）の燃料電池セパレータによれば、ＭＥＡ当接領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．０７ｍｍ以下（厚さの狙い値に対して＋０．０３５ｍｍ、−０．０３５ｍｍの範囲に入っている）としたので、
（イ）電圧安定性が向上する。電圧安定性の向上は、以下の３つの理由による。
（ｉ）セパレータ同士の接触が安定的に確保され、接触抵抗による電圧損失のばらつきが小さくなる。
（ii）セパレータと電極の（拡散層を介しての）接触が安定的に確保され、接触抵抗による電圧の損失のばらつきが小さくなる。
（iii ）ガス流路が安定的に確保され、積層されたセル間のガス分配が均一となり、安定した電圧となる。
（ロ）シール性も確保される。
積層状態において、発電領域のセパレータ板厚ばらつきが原因となってセパレータにクラックが発生しシール性に異常をきたすことはない。
上記（４）の燃料電池セパレータによれば、接着領域でのセパレータの厚さのばらつきを０．２０ｍｍ以下としたので、非発電領域において、膜を挟んで対向する２枚のセパレータがその間の接着剤を押し退けて接触し電気的短絡を生じることはなく、また、シール性に異常をきたすこともない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池セパレータを図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池セパレータが組み込まれた燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
図１〜図４に示すように、固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、リブ下にもガスを流通させ拡散させるために拡散層１３、１６が設けられる。
【０００９】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、その背面に冷媒流路２６が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成され、その背面に冷媒流路２６が形成されている。各セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する燃料ガスマニホールド３０が形成され、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する酸化ガスマニホールド３１が形成され、冷媒流路２６に冷却水を供給・排出する冷媒マニホールド２９が形成されている。
【００１０】
各セル１９では、電解質膜１１を挟んで対向する２枚のセパレータ１８間およびセパレータ１８と電解質膜１１間は、流体流路２７、２８まわりおよびマニホールド２９、３０、３１まわりにて、接着剤３３でシールされ、隣合うセル間は、流体流路２７、２８まわりおよびマニホールド２９、３０、３１まわりにて、ゴムガスケット３２でシールされる。ただし、シール材３３、３２は、接着剤シール、ガスケットシールの何れであってもよい。
【００１１】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ（電気絶縁体）２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１２】
各セルの、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１３】
セル１９の面内のうち、電解質膜１１、電極１４、１７が存在し、かつ、燃料ガス、酸化ガスが供給される領域は、発電をする発電領域４０であり、その周囲は非発電領域４１である。セパレータ１８のＭＥＡ当接領域は発電領域４０にあり（ＭＥＡ当接領域と発電領域とは実質的に同じであるため、ＭＥＡ当接領域の符号も４０とする）、セパレータ１８のシール材３３、３２によるシール領域は非発電領域４１（シール領域と非発電領域とは実質的に同じであるため、シール領域の符号も４１とする）に含まれる。
【００１４】
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、導電性樹脂セパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせ、またはこれらのセパレータの組み合わせ、の何れであってもよい。
カーボンセパレータの場合は、成形金型キャビティにカーボンと樹脂の混合材料を注入して成形した成形セパレータ、平板素材を成形金型でプレス成形した成形セパレータ、平板素材に流路溝等を切削加工した機械加工セパレータなどの何れであってもよい。
導電性樹脂セパレータの場合は、樹脂材の中に導電性材を混合して、カーボンセパレーアの場合と同様に成形される。
メタルセパレータの場合は、たとえば、平板を金型でプレス成形して製造される。
メタルセパレータと樹脂フレームの組み合わせの場合は、たとえば、メタルセパレータはプレスで製造され、樹脂フレームは成形金型を用いて成形される。
【００１５】
セパレータ１８は、発電領域において、溝１８ａとリブ１８ｂを有する。溝１８ａは流体流路２６、２７、２８として働く。リブ１８ｂは、ＭＥＡ側の先端で拡散層１３、１６に当接して拡散層１３、１６を押し、ＭＥＡと反対側の先端で隣りのセルのセパレータのリブに当接し、ともに、電流の流路を構成する。リブ１８ｂの拡散層１３、１６との当接力および隣りのセルとの当接力は、スタック２３の締め付け力によって生じる。当接力が小さいと電気接触抵抗が増えてセルの発電電圧の低下を生じ、当接力が大きすぎると膜にダメージを与えたり拡散層１３、１６のリブ下部分のガス拡散性を低下させて実質的に発電領域を縮小させる。したがって、当接力には適切な範囲がある。
セパレータ１８の製造において、セパレータ１８の厚さ（リブ高さを含む）がリブ間で変化すると、各リブでの当接力が変わり、それが当接力の適切な範囲から外れると、上記の問題を生じることになるので、セパレータ１８の厚さは製造において所定の範囲になるように管理されなければならない。
【００１６】
従来は、セパレータ１８の厚さの精度は、セパレータ１８の全域（発電領域も非発電領域を含む全域）にわたって同じ精度に、かつ、最も高精度が要求される部位（発電領域）の精度に統一して、管理されていた。たとえば、カーボン成形セパレータの場合、金型の、セパレータ成形部の全域にわたり、金型の形状・寸法を高精度に出していた。しかし、全域にわたって高精度では、セパレータ製造コストが高くなるという問題がある。
【００１７】
その問題を解消するために、本発明では、図１に示すように、ＭＥＡ当接領域４０とその周囲に接着領域４１とを有する燃料電池セパレータ１８において、セパレータの厚さｔ（ここで、セパレータの「厚さ」とは、たとえば、図１に示すように、少なくとも一面に流路（ガス用または冷却用）が形成されたセパレータにおいて、セパレータの一面の最大突出部位置（リブ頂面）とセパレータの他面の最大突出位置（この他面にリブがある場合はそのリブの頂面）との間のセル積層方向（セル面と直交方向）の距離である）のばらつきを、ＭＥＡ当接領域４０と接着領域４１とで異ならせてある。ここで、「厚さのばらつき」とは、厚さの狙い値ｔ0 からの公差を±αとすると、「２α」を意味する。すなわち、セパレータの厚さが、ｔ0 ±αの範囲に入ることを意味する。ただし、ＭＥＡ当接領域４０の厚さの狙い値ｔ0 と、接着領域４１の厚さの狙い値ｔ0 とは、互いに、異なってもよい。
【００１８】
ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さのばらつきは、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さのばらつきより小さくしてある。すなわち、ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さの公差を２α1 とし、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さの公差を２α2 とすると、２α1 ＜２α2 である。ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さの精度が、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さの精度より高精度とされているということである。
【００１９】
より具体的には、ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）は好ましくは０．０７ｍｍ以下とされている。すなわち、ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さは、狙い値をｔ0 とすると、ｔ0 ±αの範囲にあり、αは、好ましくは、０．０３５ｍｍ以下である。ただし、αは、０．０７５ｍｍ以下であればよく、好ましくは０．０３５ｍｍ以下、更に好ましくは０．０１５ｍｍ以下である。αを０．０７５ｍｍ以下、好ましくは０．０３５ｍｍ以下とするのは、それを越えると接触抵抗が増えたり電解質膜１１を傷めたりするおそれが出てくるからである。αは小さい方がよいが、小さくする程、型の製造コストが高くなるので、コストとのバランス上、０．０７５ｍｍ以下、好ましくは０．０３５ｍｍ以下とするのが妥当ということである。
【００２０】
また、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）は好ましくは０．２０ｍｍ以下とされている。すなわち、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さは、狙い値をｔ0 とすると、ｔ0 ±αの範囲にあり、αは好ましくは０．１０ｍｍ以下である。ただし、αは、０．４０ｍｍ以下であればよく、好ましくは０．２０ｍｍ以下、更に好ましくは０．１０ｍｍ以下である。αを０．４０ｍｍ以下、好ましくは０．１０ｍｍとするのは、それを越えると膜１１を挟んで対向する２枚のセパレータ１８同士が接触して電気的に短絡したり、接着剤シール層が薄すぎてシール性が低下したりするおそれが出てくるからである。αは小さい方がよいが、小さくする程、型の製造コストが高くなり、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さのばらつき精度を弱めた効果が減少するので、コストとのバランス上、０．４０ｍｍ以下、好ましくは０．１０ｍｍ程度が妥当ということである。
上記はセパレータ１８が型で成形されるセパレータで説明したが、セパレータ１８は型で成形されたセパレータ以外でもよく、たとえば、プレス成形セパレータでも同じことが成立する。
【００２１】
つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池セパレータでは、セパレータ１８の厚さのばらつき（２α）を、セパレータのＭＥＡ当接領域４０とセパレータの接着領域４１とで異ならせたので、セパレータ全域にわたってセパレータ１８の厚さのばらつきを高精度に管理する必要がなく、セパレータ全域にわたってセパレータの厚さのばらつきを高精度に管理していた従来に比べて、セパレータ１８の製造コストを低減することができる。たとえば、金型コスト、成形型コストの低減により、セパレータの製造コストが低減する。ＭＥＡ当接領域４０と接着領域４１とで、セパレータ１８と拡散層１３、１６との接触抵抗低減からのセパレータ厚さのばらつき（２α）に対する要求条件が異なる（ＭＥＡ当接領域４０の条件は厳しいが、接着領域４１の条件は緩い）ので、それぞれの要求条件に合わせてセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）を、ＭＥＡ当接領域４０と接着領域４１とで異ならせたため、ＭＥＡ当接領域４０と接着領域４１のそれぞれの領域で、接触抵抗上、シール性上、問題を生じることがない。
【００２２】
また、ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）を、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）より小さくしたので、ＭＥＡ当接領域４０では、セパレータ１８と拡散層１３、１６との接触抵抗を低減しかつ均一化でき、かつその背面側の隣りのセパレータ１８との接触抵抗を低減しかつ均一化できる。また、セパレータ１８の厚さのばらつきが接着剤３３の厚さで吸収できる接着領域４１では、セパレータ１８の厚さのばらつき（２α）の限界（許容値）を緩めることにより、セパレータ全域にわたってセパレータの厚さのばらつきを高精度に管理していた従来に比べて、セパレータ１８のコストを低減することができる。
【００２３】
また、ＭＥＡ当接領域４０でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）を好ましくは０．０７ｍｍ以下（厚さの狙い値に対して＋０．０３５ｍｍ、−０．０３５ｍｍの範囲に入っている）としたので、以下の（イ）、（ロ）の作用・効果が得られる。
（イ）電圧安定性が向上する。電圧安定性の向上は、以下の３つの理由による。
（ｉ）隣り合う２つのセル間でのセパレータ１８同士の接触が安定的に確保され、接触抵抗による電圧損失のばらつきが小さくなる。
（ii）１つのセル内でのセパレータ１８と電極１４、１７の（拡散層１３、１６を介しての）接触が安定的に確保され、接触抵抗による電圧の損失のばらつきが小さくなる。
（iii ）ガス流路２７、２８が安定的に確保され（リブ１８ｂを通してのガスの短絡流れがなく、セル面内でガスがほぼ全域に均一に流れ）、積層されたセル間のガス分配が均一となり、安定した電圧となる。
（ロ）シール性も確保される。
積層状態において、発電領域４０のセパレータ板厚ばらつきが原因となってセパレータ１８にクラックが発生しシール性に異常をきたすことはない。
【００２４】
また、接着領域４１でのセパレータ１８の厚さのばらつき（２α）を好ましくは０．２０ｍｍ以下としたので、非発電領域４１において、１つのセル内の、膜１１を挟んで対向する２枚のセパレータ１８が、その間の接着剤３３を押し退けて接触し電気的短絡を生じることはなく、また、シール性に異常をきたすこともない。
これによって、製造コストの低減と、シール性の確保が、両立する（両方共に満足される）。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池セパレータの断面図である。
【図２】本発明の燃料電池セパレータを組み込んだ燃料電池の側面図である。
【図３】図２の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図４】図２の燃料電池のセルの正面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８ａ  溝
１８ｂ  リブ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド（冷却水マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  ガスケット
３３  接着剤
４０  ＭＥＡ当接領域（発電領域）
４１  接着領域（非発電領域）
【図１】
2006066094.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006066094.tif 000005
【図４】
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