(57)【要約】【課題】積層後のスタックの曲がりやよじれ等の変形を軽減し、エンドプレートを大型にすることなく接触抵抗を低減させる。【解決手段】積層される単位電池１０の間に配置され、周縁を積層方向に貫通する締結部材６によって締め付けられて固定される燃料電池用セパレータ２６，２７であって、一の単位電池１０のアノード電極１１に当接するアノードセパレータ２６と、他の単位電池１０のカソード電極１２に当接するカソードセパレータ２７とを有し、アノードセパレータ２６及びカソードセパレータ２７は、アノード電極１１及びカソード電極１２で挟まれた領域５０で接合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層される単位電池の間に配置され、周縁を締結部材によって締め付けられて固定される燃料電池用セパレータであって、
一の単位電池のアノード電極に当接するアノードセパレータと、
他の単位電池のカソード電極に当接するカソードセパレータと、
を有し、
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータは、前記アノード電極及びカソード電極で挟まれた領域で接合される、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記接合領域は、接合密度が中央から外周に向かって低下する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータは、前記アノード電極及びカソード電極で挟まれた領域の中央近傍で接合される、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータは、金属製であって溶接によって接合される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータのガス流路内を通流するガスの含有する水分量が多い領域では、水分量の少ない領域よりも溶接密度を低くする、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータのガス流路内を通流するガスの含有する水分量が多い領域では、前記ガス流路が設けられたセパレータと対峙する反対側のセパレータからの溶接の溶接密度を前記ガス流路が設けられたセパレータからの溶接の溶接密度よりも高くする、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記アノードセパレータの燃料ガス出口近傍のアノードセパレータからの溶接の溶接密度は、他の領域の溶接密度よりも低い、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記カソードセパレータの酸化剤ガス出口近傍のカソードセパレータからの溶接の溶接密度は、他の領域の接合密度よりも低い、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
隣接する単位電池の前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間の作動流体のシールが溶接にて行なわれる、
ことを特徴とする請求項４から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸化剤ガスを供給し、電解質膜側の表面で生じる電気化学反応を利用して電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
このような燃料電池は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体をそれぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。そのため、電解質膜や電極構造体と金属セパレータとの間にシール部材を介装して気密性を維持する。しかし、複数の燃料電池を積層してスタックを構成した場合には、走行時の振動や急停止または急発進時の衝撃等によって、セパレータの表面に変形、反り、うねり等が生じることがあった。そのため、介装したシール材にずれが生じてしまい、面圧の低下や接触面積の低下等が引き起こされてシール性が悪化することがあった。
【０００４】
そこで、金属セパレータの電極または連通孔の周囲を覆ってシール部材と一体とし、さらに金属セパレータとシール部位との接触面積を大きくして振動などによる変形に強い燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２０７０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セパレータ同士の接触抵抗を低減するためには十分な面圧を均一に発生させる必要がある。ところが、積層されたセパレータの両端に設けられるエンドプレートの剛性が不足している場合には、面圧が不均一となったり、面圧を十分に上げることができなかった。一方、エンドプレートの剛性を向上させるためには、エンドプレートを大形にしなければならなかった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、積層後のスタックの曲がりやよじれ等の変形を軽減し、エンドプレートを大型にすることなく接触抵抗を低減させる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、積層される単位電池（１０）の間に配置され、周縁を締結部材（６）によって締め付けられて固定される燃料電池用セパレータ（２６，２７）であって、一の単位電池（１０）のアノード電極（１１）に当接するアノードセパレータ（２６）と、他の単位電池（１０）のカソード電極（１２）に当接するカソードセパレータ（２７）とを有し、前記アノードセパレータ（２６）及びカソードセパレータ（２７）は、前記アノード電極（１１）及びカソード電極（１２）で挟まれた領域（５０）で接合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンドプレートを大形にすることなく面圧を均一にすることができる。したがって、接触抵抗が低減することができ、さらにスタックを小形・軽量・低コストにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池用セパレータを採用した燃料電池を示す構成図である。図１に示す燃料電池は、エンドプレート１，５と、集電板２，４と、セルスタック３とを備える。
【００１１】
セルスタック３は、単位電池１０を積層して構成される。単位電池１０は、後述するように燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応を起こして発電する。セルスタック３は、積層方向の両端に第１エンドプレート１と第２エンドプレート５とを備える。エンドプレート１，５は、セルスタック３に均一に面圧を加える。集電板２，４は、セルスタック３で発電された電力を取り出すための部材である。集電板２は、セルスタック３とエンドプレート１との間に配置される。集電板４は、セルスタック３とエンドプレート５との間に配置される。セルスタック３やエンドプレート１，５、集電板２，４は、これらを貫通するタイロッド６により締結され、所定の荷重を与えられている。
【００１２】
図２は、本発明による燃料電池用セパレータの第１実施形態のセルスタック３の拡大図であり、セルスタック３を構成する単位電池１０の構成を示している。
【００１３】
単位電池１０は、発電部２０をアノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７で挟み込む構成となっている。発電部２０は、電解質膜２１と、アノード電極１１と、カソード電極１２とを有する。
【００１４】
電解質膜２１は、発電部２０の中央に位置し、燃料ガスと酸化剤ガスが混じり合わないように隔離する。電解質膜２１は、アノード電極１１側で生成された水素イオンをカソード電極１２側まで運ぶ。
【００１５】
アノード電極１１は、アノード触媒層２２と、アノードガス拡散層２３とを有する。アノード触媒層２２では、燃料ガスに含まれる水素を水素イオンと電子に分離させる。アノード触媒層２２は、電解質膜２１の外側に形成される。アノードガス拡散層２３は、供給された燃料ガスをアノード触媒層２２に拡散させる。アノードガス拡散層２３は、アノード触媒層２２のさらに外側に形成される。
【００１６】
カソード電極１２は、カソード触媒層２４と、カソードガス拡散層２５とを有する。カソード触媒層２４は、アノード電極１１で生成された水素イオンと電子とを酸化剤ガスに含まれる酸素と反応させて水を生成する。このとき、アノード電極１１からカソード電極１２に電子が移動することによって電流が流れる。カソード触媒層２４は、電解質膜２１の外側でアノード触媒層２２の反対側に形成される。カソードガス拡散層２５は、供給された酸化剤ガスをカソード触媒層２４に拡散させる。カソードガス拡散層２５は、カソード触媒層２４のさらに外側に形成される。
【００１７】
アノードセパレータ２６は、長方形のプレート状に形成される。アノードセパレータ２６は、アノードガス拡散層２３のさらに外側に配置される。アノードセパレータ２６は、その中央に溝状の凹凸部２６ａが形成される。図２に示すように、凹凸部２６ａは発電部２０に対する接合面でアノードガス流路２８を形成する。
【００１８】
カソードセパレータ２７は、長方形のプレート状に形成される。カソードセパレータ２７は、カソードガス拡散層２５のさらに外側に配置される。カソードセパレータ２７は、アノードセパレータ２６と同様に、中央に溝状の凹凸部２７ａが形成される。凹凸部２７ａは、発電部２０に対する接合面でカソードガス流路２９を形成する。また、カソードセパレータ２７は、隣接する単位電池１０のアノードセパレータ２６に対する接合面でアノードセパレータ２６の凹凸部２６ａとカソードセパレータ２７の凹凸部２７ａとによって冷却水流路３０を形成する。
【００１９】
また、アノードセパレータ２６及びカソードセパレータ２７は、電極反応で生じた電気を集電するため、導電性を有する材料で形成される。本実施形態では、アノードセパレータ２６及びカソードセパレータ２７は金属製である。さらに、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７は、接合されることによってセパレータアッセンブリ４０を構成する。本実施形態では、溶接によってアノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７を接合している。
【００２０】
図３は、カソードセパレータ２７の発電部２０に対する接合面を示す図である。カソードセパレータ２７は、空気入口マニホールド４１と、空気出口マニホールド４２と、水素入口マニホールド４３と、水素出口マニホールド４４と、冷却水入口マニホールド４５と、冷却水出口マニホールド４６とがそれぞれ周縁部に備えられる。
【００２１】
カソードセパレータ２７は、前述のように長方形状に形成されている。カソードセパレータ２７は、電解質膜２１に対する接合面でカソードガス流路２９を形成する溝状の凹凸部２７ａが設けられる。凹凸部２７ａは、隣接する単位電池１０のアノードセパレータ２６に対する接合面で冷却水流路３０を形成する。凹凸部２７ａは、カソードセパレータ２７の中央にサーペンタイン状に形成される。
【００２２】
カソードセパレータ２７は、凹凸部２７ａが形成されている領域の周囲に反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する連通孔を備える。空気入口マニホールド４１と空気出口マニホールド４２は、それぞれカソードセパレータ２７の対向する短辺側に形成される。空気入口マニホールド４１と空気出口マニホールド４２は、カソードセパレータ２７の対角線上に配置される。空気入口マニホールド４１と空気出口マニホールド４２は、カソードセパレータ２７の発電部２０に対する接合面においてカソードガス流路２９にて連通する。
【００２３】
カソードガス流路２９は、隣接するセパレータ間を接合する溶接部４７によって水素入口マニホールド４３及び水素出口マニホールド４４、冷却水入口マニホールド４５及び冷却水出口マニホールド４６、さらに外部からシールされている。溶接部４７は、図３において太線で示されている。
【００２４】
また、水素入口マニホールド４３は空気出口マニホールド４２と同じ短辺側に、また水素出口マニホールド４４は空気入口マニホールド４１と同じ短辺側に配置される。
【００２５】
冷却水入口マニホールド４５と冷却水出口マニホールド４６は、対向する長辺側にそれぞれ形成される。図３に示す面と反対側の面で、冷却水入口マニホールド４５と冷却水出口マニホールド４６は、前述したアノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７の凹凸部２６ａ，２７ａによって形成される冷却水流路３０にて連通している。
【００２６】
さらに、カソードセパレータ２７の外周には、積層した単位電池１０を締結するボルトを挿通する締結用ボルト穴４９が設けられている。締結用ボルト穴４９は、各マニホールドの間に設けられている。
【００２７】
一方、アノードセパレータ２６も同様に、空気入口マニホールド４１と、空気出口マニホールド４２と、水素入口マニホールド４３と、水素出口マニホールド４４と、冷却水入口マニホールド４５と、冷却水出口マニホールド４６とを備える。アノードセパレータ２６の発電部２０に対する接合面では、水素入口マニホールド４３と水素出口マニホールド４４とがアノードガス流路２８にて連通する。
【００２８】
図４は、図３と同様にカソードセパレータ２７の発電部２０に対する接合面を示し、セパレータ間を溶接する領域を示す図である。図中の斜線部は、カソードセパレータ２７が発電部２０と接触する電極接触面５０を示している。電極接触面５０は、凹凸部２７ａが形成されている領域と略等しい。本実施形態では、図４に示すように電極接触面５０の中央近傍を溶接領域５１とする。
【００２９】
図５は、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７との接合部分の拡大図である。セパレータアッセンブリ４０は、アノードガス流路２８の底面２８ａとカソードガス流路２９の底面２９ａで溶接される。溶接方法には、レーザ溶接や電子ビーム溶接などが用いられる。また、溶接する際に金属セパレータがゆがむことを防ぐために、中央から外周に向かって溶接する。さらに、最後に冷却水のシールのために電極接触面５０の周囲、作動ガスのマニホールドの周囲が溶接されることが望ましい。
【００３０】
図６は、本発明による燃料電池用セパレータを採用した燃料電池の第１実施形態のエンドプレートの反りと面圧の関係を示す図であり、図６（Ａ）は燃料電池の側面図、図６（Ｂ）は燃料電池内の位置と面圧との関係を示す図である。図６（Ａ）に示す破線はセパレータを溶接しなかった場合のエンドプレートの反りを示している。図６（Ｂ）は横軸に面圧の大きさを示しており、左側ほど面圧が大きくなる。また、縦軸は位置を示しており、図６（Ａ）に示す燃料電池の位置に対応している。なお、破線はセパレータを溶接しなかった場合を示し、実線は本実施形態であるセパレータを溶接した場合を示す。
【００３１】
図６に示すように、単位電池１０を積層し締結して燃料電池スタックを形成すると、エンドプレートの中央がセルスタック３の反対側に凸にたわむことによってセパレータ中央近傍の面圧が低くなる。一方、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７を溶接領域５１で溶接することによって、セパレータ中央の面圧の低下を抑えることができる。
【００３２】
図７は、面圧と接触抵抗の関係を示す図である。縦軸は接触抵抗を示し、グラフ上方ほど接触抵抗が高い。また、横軸はセルの面圧を示しており、グラフ左側ほど面圧が高くなっている。図中の破線はセパレータ間の溶接を行わなかった場合を示しており、実線はセパレータの溶接領域５１で溶接を行った場合を示している。なお、接触抵抗とは、互いに接触する２つの導体に電流が流した際に接触面で生じる電気抵抗である。
【００３３】
図７に示すように、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７とを溶接領域５１で溶接することによって、エンドプレートに大きな荷重を付与することなく接触抵抗を低減させることができる。
【００３４】
本実施形態によれば、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７の電極で覆われる領域の中央近傍が互いに溶接されていることによって、積層後の荷重付与時にエンドプレートがたわむことによる中央の反りを低減することができる。したがって、セパレータ中央の面圧の低下を抑えて接触抵抗を低減させることによって発電性能の低下を防ぐことができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、セパレータ中央部分を溶接することによりセパレータの密着性が向上するため、積層後にスタックの曲がりやよじれ等の変形も軽減することができる。さらに、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７との間の冷却水流路３０のシールが溶接によって行なわれているため、セパレータの密着性がさらに向上して変形に強くなる。
【００３６】
さらに、本実施形態によれば、面圧を均一にするためにエンドプレートの剛性を上げる必要が無く、スタックを小形・軽量・低コストにすることができる。
【００３７】
（第２実施形態）
図８は、本発明による燃料電池用セパレータの第２実施形態のカソードセパレータ２７の電極接触領域５０の全域の溶接密度の分布を示す図である。ここで、溶接密度とは単位面積あたりの溶接部分の面積のことを表す。
【００３８】
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３９】
図８に示すように、電極接触面５０の中央から外周に向けて矢印の方向に溶接密度を低下させる。第１実施形態と同様に本実施形態においても溶接によるゆがみを低減するために、溶接は中央から外周方向に行なう。
【００４０】
また、空気出口マニホールド４２近傍の領域５２は、他の領域と比較してさらに溶接密度を低下させる。アノードセパレータ２６についても同様に、水素出口マニホールド４４の近傍で溶接密度を低下させる。
【００４１】
空気入口マニホールド４１から導入された空気は、電解質膜２１で起こる電気化学反応によって発生する水分を含んで空気出口マニホールド４２から排出される。また、水素出口マニホールド４４は、電解質膜２１の表面に含まれる水分を含んで排出される。したがって、これらの水分によって空気出口マニホールド４２及び水素出口マニホールド４４の近傍は腐食しやすい環境となる。
【００４２】
本実施形態によれば、図６に示すように電極接触領域５０の中央から外周に向かって面圧が上昇するのに応じてセパレータの溶接密度を低下させるため、面圧の低い部分の接触抵抗が低減されるとともに、面内の接触抵抗を均一にすることができる。また、セパレータの電極部分が全域的に溶接されることによってセパレータの密着性が向上するため、スタックの曲がりやよじれ等の変形を軽減することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態によれば空気出口マニホールド４２及び水素出口マニホールド４４の近傍で溶接密度が低くなっている。このため、腐食環境下となりやすい空気出口マニホールド４２及び水素出口マニホールド４４の近傍で、溶接部分から発生する腐食を起こりにくくすることによって耐久性を向上させることができる。
【００４４】
（第３実施形態）
本実施形態の燃料電池の構成は第１実施形態と同様である。また、アノードセパレータ２６とカソードセパレータ２７の電極接触領域５０の溶接密度の分布は第２実施形態と同様に中央から外周に向けて低下させる。
【００４５】
図９は、第３実施形態におけるカソードセパレータ２７を溶接する方向を示す図であり、図９（Ａ）はカソードガス流路２９側の面を示す図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００４６】
図９（Ａ）に示すようにカソードセパレータ２７の空気出口マニホールド４２近傍の領域５２は、図９（Ｂ）に示すようにアノードセパレータ２６側から溶接する。また、空気出口マニホールド４２近傍の領域５２は、周辺と比較してさらに溶接密度を低くする。
【００４７】
図１０は、第３実施形態におけるアノードセパレータ２６を溶接する方向を示す図であり、図１０（Ａ）はアノードガス流路２８側の面を示す図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００４８】
図１０（Ａ）に示すようにアノードセパレータ２６の水素出口マニホールド４４近傍の領域５３は、図１０（Ｂ）に示すようにカソードセパレータ２７側から溶接する。また、水素出口マニホールド４４近傍の領域５３は、周辺と比較してさらに溶接密度を低くする。
【００４９】
本実施形態によれば、作動ガスの出口マニホールド近傍で溶接密度を低くするだけでなくガス流路の反対面から溶接する。したがって、腐食環境下となりやすい空気出口マニホールド４２及び水素出口マニホールド４４の近傍で、溶接部分について水分との接触を少なくして腐食を起こりにくくすることによって耐久性を向上させることができる。
【００５０】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００５１】
例えば、図３で示した各流体のマニホールド位置や流路形状は一例であり、この形状に限るものではない。セパレータの外周には締結用ボルト穴４９が備えられているが、締結方法やボルト穴位置も一例であり、これに限るものではない。また、締結部材としてはタイロッドに限るものではなく、その他の方式も使用可能である。さらに、アノードセパレータやカソードセパレータは金属セパレータに限定されるものではなく、例えばカーボンセパレータを使用する場合には接着剤などによってセパレータを接合する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による燃料電池用セパレータを採用した燃料電池の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明による燃料電池用セパレータの第１実施形態のセルスタックの拡大図である。
【図３】本発明による燃料電池の第１実施形態のカソードセパレータの発電部に対する接合面を示す図である。
【図４】本発明による燃料電池用セパレータの第１実施形態の接触領域を示す図である。
【図５】本発明による燃料電池用セパレータの第１実施形態のセパレータアッセンブリの溶接部分の拡大図である。
【図６】燃料電池のエンドプレートの反りと面圧の関係を示す図である。
【図７】セパレータの面圧と接触抵抗の関係を示す図である。
【図８】本発明による燃料電池用セパレータの第２実施形態の溶接領域を示す図である。
【図９】本発明による燃料電池用セパレータの第３実施形態の溶接面を示す図である。
【図１０】本発明による燃料電池用セパレータの第３実施形態の溶接面を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  単位電池
１１  アノード電極
１２  カソード電極
２０  発電部
２１  電解質膜
２６  アノードセパレータ
２７  カソードセパレータ
２８  アノードガス流路
２９  カソードガス流路
３０  冷却水流路
４０  セパレータアッセンブリ
４１  空気入口マニホールド
４２  空気出口マニホールド
４３  水素入口マニホールド
４４  水素出口マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006294453.tif 000006
【図５】
2006294453.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006294453.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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