(57)【要約】      （修正有）【課題】  流体導入・排出部の流体連通路とシールに必要な剛性を確保するのに流体導入・排出部に別パーツ（樹脂パーツなど）を必要としない燃料電池の提供。【解決手段】（１）流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体導入・排出部４０には、第１のシール部材３２側に突出し先端面が第１のシール部材３２に当接する凸部４２がプレスで成形されており、該凸部４２によって形成される空間が流体導入・排出部の流体連通路４１を構成している、燃料電池。（２）隣接するセル間に第２のシール部材３３が設けられている。（３）第２のシール部材３３には、凸部４２の背面側の凹部に対応する部位に、凸部の背面側の凹部に進入し該凹部を埋める凹部埋め部が形成されている。（４）第１のシール部材３２および第２のシール部材３３はゴム部材である。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周縁部に第１のシール部材が配置されたＭＥＡと、ＭＥＡおよび第１のシール部材を挟持する一対のメタルセパレータと、から構成されたセルを積層した燃料電池であって、
各メタルセパレータの流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体導入・排出部には、メタルセパレータの表面から第１のシール部材側に突出しその先端面が第１のシール部材に当接する凸部が形成されており、
該凸部によって形成された空間が流体導入・排出部の連通路を構成している、燃料電池。
【請求項２】
隣接する２つのセルの間に第２のシール部材を挟んでセルを積層した請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２のシール部材には、前記凸部の背面側の凹部に対応する部位に、前記凸部の背面側の凹部に進入し該凹部を埋める凹部埋め部が形成されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のシール部材および前記第２のシール部材はゴム部材である請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、とくにメタルセパレータをもつ燃料電池の、流体導入部とシール構造とを両立させるための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−５５８１３号公報は、燃料電池のシール構造を開示しており、燃料電池の流体マニホールド部をシールするために、セパレータとは別体に形成したゴム系シール部材を、メタルセパレータに一体的に加硫接着したシール構造を開示している。
【０００３】
メタルセパレータを有する燃料電池では、流体マニホールドと発電領域の流体流路とを連通する流体導入・排出部において、流体導入・排出用空間（流体連通路）の確保と、流体連通路を設けたにかかわらずシールに必要な剛性（セル積層方向の剛性）を確保するために、ゴムシール部材とは別の樹脂パーツ（連通路が形成され、かつ、剛性をもつ樹脂部品）を必要とする。
その構造の一例として、図１０〜図１２に示す構造（比較例であって、従来公知例ではない）が考えられる。図１０のＢ−Ｂ断面（流体導入・排出部以外のシール部の断面）では、図１２に示すように、ゴムシール部材２を２つのメタルセパレータ１で挟めばよいが、図１０のＡ−Ａ断面（流体導入・排出部のシール部の断面）では、図１１に示すように、ゴムシール部材２とは別の樹脂パーツ３を設け、該樹脂パーツ３にトンネル状の流体導入・排出用連通路４を形成し、ゴムシール部材２と樹脂パーツ３とを重ねたものを２つのメタルセパレータ１で挟む必要がある。樹脂パーツとするのは、流体連通路を設けたにかかわらず、シールに必要な剛性をもたすためである。
【特許文献１】特開平１０−５５８１３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、上記比較例の構造では、シール部材とは別の樹脂パーツを必要とする、その結果、部品点数と部品コストが増大する、組み付けの作業時間がかかる、設計公差が大となる、等の課題が生じる。
本発明の目的は、流体導入・排出部において、シール部材とメタルセパレータだけで流体導入・排出用空間の確保とシールが可能である、すなわち流体導入・排出部に別パーツ（樹脂パーツなど）を必要としない、燃料電池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、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１）  周縁部に第１のシール部材が配置されたＭＥＡと、ＭＥＡおよび第１のシール部材を挟持する一対のメタルセパレータと、から構成されたセルを積層した燃料電池であって、
メタルセパレータの流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体導入・排出部には、メタルセパレータの表面から第１のシール部材側に突出しその先端面が第１のシール部材に当接する凸部が形成されており、
該凸部によって形成された空間が流体導入・排出部の連通路を構成している、燃料電池。
（２）  隣接する２つのセルの間に第２のシール部材を挟んでセルを積層した（１）記載の燃料電池。
（３）  前記第２のシール部材には、前記凸部の背面側の凹部に対応する部位に、前記凸部の背面側の凹部に進入し該凹部を埋める凹部埋め部が形成されている（２）記載の燃料電池。
（４）  前記第１のシール部材および前記第２のシール部材はゴム部材である（１）または（２）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池によれば、流体導入・排出部には、メタルセパレータと第１のシール部材との間に比較例の樹脂パーツが存在しておらず、部品点数削減、組み付け工数低減、コストダウンがはかられる。
また、別パーツが無いにもかかわらず、メタルセパレータの凸部によって形成された空間が流体導入・排出部の流体連通路を構成するので、流体導入・排出用空間を確保できる。
また、通常は、比較例のように流体導入・排出用空間がある場合は剛性のある樹脂パーツなどを採用して剛性を出さなければならないが、本発明では、メタルセパレータに形成されていることと、凸部の先端面が第１のシール部材に当接していることによって、流体導入・排出部における、シールに必要なセル積層方向の剛性が、満足されている。これは、メタルセパレータは剛性があること、および第１のシール部材には流路用の中空部がないのでセル積層方向に変形しにくいためである。
上記（２）、（３）の燃料電池によれば、第２のシール部材には、凸部の背面側の凹部に対応する部位に、凸部の背面側の凹部に進入し該凹部を埋める凹部埋め部が形成されているので、第２のシール部材が凸部の背面側の凹部内に撓むことが防止され、第２のシール部材も流体導入・排出部において十分なセル積層方向の剛性をもち、流体導入・排出部のシール性を確保するのに貢献する。
上記（２）、（４）では、本発明の第１、第２のシール部材はゴム部材からなる態様を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図９を参照して説明する。
本発明の燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。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】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図５、図９に示すように、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。
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からなる電極（アノード、燃料極）１４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）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拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、セル１９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。
【０００９】
セパレータ１８には、発電領域において、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、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が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。以下では、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を流体流路２６、２７、２８ともいう。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。以下では、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１を流体マニホールド２９、３０、３１ともいう。燃料ガスマニホールド３０は流体導入・排出部４０の流体導入・排出用連通路４１を介して燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は流体導入・排出部４０の流体導入・排出用連通路４１を介して酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
【００１０】
各セル１９の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換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）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は、メタルセパレータからなる。メタルセパレータ１８の材料は、たとえば、ステンレススチール、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、等である。メタルセパレータ１８は表面処理（たとえば、貴金属コート）、防食材料塗布（塗装）などが施されてもよい。
【００１２】
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セル１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２、第２のシール部材３３は、望ましくは、弾性材料からなり、たとえばゴム部材である。ゴム部材の材料としては、たとえばシリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭなどが望ましい。
【００１３】
第１のシール部材３２はＭＥＡの周縁部に配置される。たとえば、第１のシール部材３２は、ＭＥＡの電解質膜１１の、外周部およびマニホールドおよび流体導入・排出用連通路４１まわりに、形成される。第１のシール部材３２は、ＭＥＡに一体的に形成されてもよい。ただし、第１のシール部材３２は、ＭＥＡに一体的でなくてもよい。
第１のシール部材３２は、望ましくは、非接着のシール材からなり、その場合は、第１のシール部材３２を挟む２つのメタルセパレータ１８とは非接着であり、第１のシール部材３２とメタルセパレータ１８とは互いに分離可能である。ただし、第１のシール部材３２が、接着剤シール材（たとえば、塗布時は液状で、固化後、接着剤シール材となる接着剤シール材）からなり、メタルセパレータ１８と接着されてもよい。
第１のシール部材３２は、２条の溝３２ｂと、その間の１条のビード３２ａを有しており、ビード３２ａをメタルセパレータ１８に当接することにより、シール性を向上させている。
【００１４】
第１のシール部材３２が周縁部に配置されたＭＥＡを、一対のメタルセパレータ１８で挟んで構成したセル１９を、積層して燃料電池スタック２３とする。セル１９を積層する場合、隣接する２つのセル１９の間に第２のシール部材３３を挟む。
【００１５】
各メタルセパレータ１８の、流体マニホールド２９、３０、３１とセル発電領域の流体流路２６、２７、２８との間の流体導入・排出部４０には、セパレータ表面（たとえば、隣接するセル同志の接触面、または第２のシール部材３３との接触面、など）から第１のシール部材３２側に突出し先端面が第１のシール部材３２に当接する１以上の凸部４２が形成されており、この凸部４２によって形成される空間は、流体連通路４１を構成している。凸部４２は、望ましくは、プレスで形成される。ただし、凸部４２は、プレス以外、たとえば、切削、鋳型、等により形成されたものであってもよい。
たとえば、各セル１９のアノード側メタルセパレータ１８には、燃料ガスマニホールド３０と発電領域の燃料ガス流路２７との間の流体導入・排出部４０には、第１のシール部材３２側に突出し先端面が第１のシール部材３２に当接する複数の凸部４２がプレスで成形されている。また、各セル１９のカソード側メタルセパレータ１８には、酸化ガスマニホールド３１と発電領域の酸化ガス流路２８との間の流体導入・排出部４０には、第１のシール部材３２側に突出し先端面が第１のシール部材３２に当接する複数の凸部４２がプレスで成形されている。
【００１６】
メタルセパレータ１８の凸部４２は、第１のシール部材３２側に立ち上がる側壁４２ｂと、先端に平面４２ａを有しており、先端の平面４２ａで第１のシール部材３２に当接される。
第１のシール部材３２のうち、凸部４２の先端の平面４２ａが当接する部位には、第１のシール部材３２の凸部４２対向面には溝３２ｂ、ビード３２ａが形成されておらず、第１のシール部材３２の凸部４２対向面は平面のままである。
凸部４２の、突出方向と直交する平面で切った外形（側壁４２ｂの外形）の形状は、任意であるが、たとえば、矩形、正方形、円形、楕円形などである。
図６、図７は、一例として、矩形外形をもつ凸部４２を、複数、並列に、かつ、凸部長手方向をマニホールドからセル発電領域に向けて、設けたものを示している。各凸部４２の背面の凹部の深さａは０．２〜２ｍｍであり、長さｂは２〜１０ｍｍであり、ピッチｃは０．５〜５ｍｍである。ただし、凸部４２の形状、配列は図６、図７に示したものに限るものではない。
【００１７】
複数の凸部４２の間の空間が、流体導入・排出部４０の流体連通路４１を構成している。流体（冷媒、燃料ガス、酸化ガス）は、流体導入側の流体連通路４１を通って、入り側の流体マニホールド２９、３０、３１からセル発電領域の流体流路２６、２７、２８に流入し、流体排出側の流体連通路４１を通って、セル発電領域の流体流路２６、２７、２８から出側の流体マニホールド２９、３０、３１に流出する。
【００１８】
隣接セル間に設けられる第２のシール部材３３は、流体マニホールド２９、３０、３１まわりおよびセパレータ外周部に延びている。第２のシール部材３３の断面形状は、任意であるが、たとえば、平板状の座部３３ｂとそれから立ち上がるビード３３ａを有することが望ましい。ビード３３ａを設ける理由は、シール性をあげるためである。
【００１９】
第２のシール部材３３には、メタルセパレータ１８の、流体導入・排出部４０の凸部４２の背面側に形成される凹部４３（凸部４２をプレスで形成すると、凸部４２の背面側は凹んで凹部となるが、その凹部）に対応する部位に、該凸部４２の背面側の凹部４３に進入し該凹部４３を埋める凹部埋め部３３ｃが形成されている。
第２のシール部材３３の幅は、その幅方向と同方向の凹部４３の長さ以上とされており、凹部埋め部３３ｃは、凹部４３の全長さと全深さにおいて、凹部４３を埋めている。
第２のシール部材３３のビード３３ａと第１のシール部材３２のビード３２ａとは、セル積層方向に、互いに対応する位置にあることが望ましい。
なお、プレス凹凸形状によるビード反力のばらつきに起因するシール性低下が懸念される場合には、凹部４３に金属材、樹脂材を貼り合わせることにより、ばらつきを緩和することができる。
【００２０】
第２のシール部材３３は射出成形により、メタルセパレータ１８に一体的に形成されてもよい。あるいは、メタルセパレータ１８と別体に形成して、スタック組み立て時にセル間に挟んでもよい。
第２のシール部材３３を、射出成形で形成する場合の手順は、図８に示したように、メタルセパレータ１８のプレス成形（凸部４２等成形）１０１、表面処理（貴金属コート）１０２、防食材料（塗装）１０３、エラストマー（第２のシール部材３３の）射出成形１０４となる。工程１０３、１０４は逆転させてもよい。
【００２１】
つぎに、本発明の燃料電池の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池では、流体導入・排出部４０には、メタルセパレータ１８と第１のシール部材３２との間に、比較例（図１０〜図１２）に示した樹脂パーツ３が存在しておらず、樹脂パーツ３が存在しない分、部品点数削減、組み付け工数低減、コストダウンがはかられる。
【００２２】
また、別パーツの樹脂パーツ３が無いにもかかわらず、メタルセパレータ１８の１個以上の凸部４２によって形成された空間が流体導入・排出部４０の流体連通路４１を構成するので、流体導入・排出用空間を確保できる。
また、比較例のように流体導入・排出用空間４がある場合は、孔をもつゴムでは剛性が出ないので、剛性のある樹脂パーツ３などを採用して剛性を出さなければならないが、本発明では、メタルセパレータ１８に流体連通路４１が形成されていることと、凸部４２の先端面４２ａが第１のシール部材３２に当接していることによって、流体導入・排出部４０における、シールに必要なセル積層方向の剛性が、満足されている。これは、メタルセパレータ１８は剛性があること（凸部側壁４２ｂがセル積層方向に剛性をもつこと）、および第１のシール部材３２には流路用の中空部（比較例の連通路４のような中空部）がないので第１のシール部材３２がセル積層方向に変形しにくいためである。
その結果、流体導入・排出部４０における、流体連通路用空間の確保と、セル積層方向のシールに必要な剛性の確保の両方とも満足される。
【００２３】
また、第２のシール部材３３には、凸部４２の背面側の凹部４３に対応する部位に、凸部の背面側の凹部４３に進入し該凹部４３を埋める凹部埋め部４２ｃが形成されているので、第２のシール部材３３が凸部の背面側の凹部４３内に撓んで剛性が損なわれることが防止され、第２のシール部材３３も流体導入・排出部４０において十分なセル積層方向の剛性をもち、流体導入・排出部４０のシール性を確保するのに貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池のうち、セパレータの正面図である。
【図２】図１の燃料電池の一部の拡大正面図である。
【図３】図２のＡ１−Ａ１断面図である。
【図４】図２のＡ２−Ａ２断面図である。
【図５】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の燃料電池のうち、セパレータの流体導入・排出部の凸部の断面図である。
【図７】本発明の燃料電池のうち、セパレータの流体導入・排出部の凸部の近傍の正面図である。
【図８】本発明の燃料電池の、製造の一部の工程図である。
【図９】本発明の燃料電池の、スタックの側面図である。
【図１０】比較例の燃料電池のうち、セパレータの正面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
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  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（流体流路）
２７  燃料ガス流路（流体流路）
２８  酸化ガス流路（流体流路）
２９  冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１  酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２  第１のシール部材
３２ａ  ビード
３２ｂ  溝
３３  第２のシール部材
３３ａ  ビード
３３ｂ  座部
３３ｃ  凹部埋め部
４０  流体導入・排出部
４１  流体導入・排出用連通路
４２  凸部
４２ａ  平面
４２ｂ  側壁
４３  凹部
【図１】
2006024404.tif 000003
【図２】
2006024404.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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