(57)【要約】      （修正有）【課題】単純な構成で、簡単な工程により製造でき、多孔質体の機能を損なうことがない燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】多孔質体の基体１の一方の面に設けられた燃料ガス流路３と、基体１の他方の面に設けられた酸化剤ガス流路４と、基体１の内部に設けられた冷却水流路２とを有し、冷却水流路２が、基体１を貫通する直線状の穴である燃料電池用セパレータＳ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質体の基体の一方の面に設けられた燃料ガス流路と、
前記基体の他方の面に設けられた酸化剤ガス流路と、
前記基体の内部に設けられた冷却水流路と、
を有し、
前記冷却水流路が、前記基体を貫通する直線状の穴であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記基体は、略直方体形状であり、
前記冷却水流路の両端は、前記基体の対向する一対の側面に設けられ、
前記燃料ガス流路の両端及び前記冷却水流路の両端は、前記冷却水流路の両端が設けられた一対の側面とは異なる側面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記冷却水流路は、水平に対して傾斜した角度で配置されてい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】
前記冷却水流路は、前記基体に埋め込まれた多孔質の筒状体の中空部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
前記冷却水流路を、前記基体を成型する際に、前記筒状体を埋め込むことで形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、平状金型によって形成し、
前記冷却水流路は、直線状金型によって形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
非接触加工によって、前記冷却水流路を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んだ単位セルを、セパレータを介して多数積層した燃料電池スタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給、反応させることにより、電気エネルギーと排熱を取り出すことができる。
【０００３】
一般的なセパレータは、燃料ガス流路を形成した平板状の部材と、酸化剤ガス流路及び冷却水流路を形成した平板状の部材の２つの部材を製造し、互いに貼り合わせることによって構成されている。また、セパレータをモールド成型により作成する場合、燃料ガス流路用の成型品、酸化剤ガス流路及び冷却水流路用の成型品をプレ成型し、最後に両成型品を合わせて成型することも行われている。しかし、これらの方法では、あらかじめ２つの独立した部材を別々に作成し、これを貼り合せるため、コストがかかるとともに、製造工数がかかる。このため、セパレータ単価が高くなる可能性がある。
【０００４】
これに対処するため、一方の表面側に燃料ガス流路を、他方の表面側に酸化剤ガス流路と、内部に冷却水流路を有するセパレータを一対成型する方法が提案されている。この方法では、冷却水流路と同形状の管状の樹脂成型品を埋め込んで、樹脂により、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路を一対的に成型加工する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７７４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来のセパレータは、平面方向から見て、燃料ガス流路のガスの流入口及び排出口、酸化剤ガス流路のガスの流入口及び排出口の間に、冷却水流路の冷却水の流入口及び排出口を配設している。このため、セパレータの全体を偏りなく冷却するために、平面方向から見て、蛇行するような形状で冷却水流路を形成する必要がある。すると、冷却水流路と同形状の部材を形成する工程が複雑となる。
【０００７】
また、燃料電池のセパレータは、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路における水の残留を防止するとともに、適度な湿度を維持するために、多孔質の材料で形成することが好ましい。つまり、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路から液体である水は多孔質のセパレータを介して冷却水流路に排出され、水蒸気は多孔質のセパレータを介して内部の空気を加湿し続ける必要がある。しかし、冷却水流路として管状の樹脂成型品を埋め込んだ場合には、このような水分の調整が困難となる。
【０００８】
これに対処するため、水溶性樹脂によって、冷却水流路の成型品を作成し、この成型品を用いてセパレータを成型後、所要の溶液によって水溶性樹脂を除去することが提案されている。しかし、この場合は、水溶性樹脂がセパレータ内に残留する可能性がある。特に、上記のように、冷却水流路が蛇行している場合、溶液が行き渡らずに、水溶性樹脂が残留する可能性が高くなる。また、水溶性樹脂を除去するために、所要の溶液を使用するため、コストがかかり、製造工程が複雑になる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、単純な構成で、簡単な工程により製造でき、多孔質体の機能を損なうことがない燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の燃料電池用セパレータは、多孔質体の基体の一方の面に設けられた燃料ガス流路と、前記基体の他方の面に設けられた酸化剤ガス流路と、前記基体の内部に設けられた冷却水流路と、を有し、前記冷却水流路が、前記基体を貫通する直線状の穴であることを特徴とする。
【００１１】
また、実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法は、前記冷却水流路を、前記基体を成型する際に、多孔質の筒状体を埋め込むことで形成することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態のセパレータの燃料ガス流路が形成された面の斜視図（Ａ）、酸化剤ガス流路が形成された面の斜視図（Ｂ）。
【図２】実施形態のセパレータを適用した燃料電池スタックの構成例を示す一部透視平面図。
【図３】実施形態のセパレータの筒状体埋め込みによる製造方法を示す説明図。
【図４】実施形態のセパレータの直線状金型の引き抜きによる製造方法を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施形態の燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータとする）及びその製造方法を、図面を参照して以下に説明する。
【００１４】
［セパレータ］
図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施形態のセパレータＳは、基体１、冷却水流路２、燃料ガス流路３、酸化剤ガス流路４を有する。基体１は、多孔質体によって形成されている。多孔質体としては、例えば、カーボン樹脂材を用いることができる。基体１は、略直方体形状の平板である。
【００１５】
冷却水流路２は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、基体１の内部に設けられている。冷却水流路２は、基体１を貫通する直線状の複数の穴である。冷却水流路２の両端は、基体１の対向する一対の側面に設けられている。つまり、基体１の一方の側面に、冷却水の供給端２ａが設けられ（図１（Ａ））、、他方の側面に、冷却水の排出端２ｂが設けられている（図１（Ｂ））。この一対の側面は、基体１の対向する長辺部である。このため、冷却水流路２は基体１の短辺方向に伸びた複数の直線状の穴が、平行に配置された態様となっている。本実施形態では、冷却水流路２は、基体１のほぼ全面に亘って、等間隔で形成されている。
【００１６】
燃料ガス流路３は、基体１の一方の面に設けられている。図１（Ａ）では、燃料ガス流路３は、基体１の上面に形成された断面が凹状の溝である。燃料ガス流路３の両端は、冷却水流路２の両端が設けられた一対の側面とは異なる一対の側面のうち、一方の側面に設けられている。つまり、基体１の一方の側面に、燃料ガスの供給端３ａと排出端３ｂが形成されている。供給端３ａと排出端３ｂは複数組設けられ、平面方向から見て、各組の供給端３ａから排出端３ｂまでを繋ぐコの字状の燃料ガス流路３が、多重に形成されている。本実施形態では、複数の燃料ガス流路３は、基体１のほぼ全面に亘って、等間隔で形成されている。
【００１７】
酸化剤ガス流路４は、基体１の他方の面に設けられている。図１（Ｂ）では、酸化剤ガス流路４は、基体１の底面に形成された断面が凹状の溝である。酸化剤ガス流路４の両端は、冷却水流路２の両端が設けられた一対の側面とは異なる一対の側面のうち、他方の側面に設けられている。つまり、基体１の他方の側面に、酸化剤ガスの供給端４ａと排出端４ｂが形成されている。供給端４ａと排出端４ｂは複数組設けられ、平面方向から見て、各組の供給端４ａから排出端４ｂまでを繋ぐコの字状の酸化剤ガス流路４が、多重に形成されている。本実施形態では、複数の酸化剤ガス流路４は、基体１のほぼ全面に亘って、等間隔で形成されている。
【００１８】
［燃料電池スタック］
燃料電池スタック１０は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んだ単位セルを、上記のようなセパレータＳを介して多数積層した積層体の周囲に、図２に示すように、冷却水マニホールド５ａ、５ｂ、燃料ガスマニホールド６ａ、６ｂ、酸化剤ガスマニホールド７ａ、７ｂを配置して構成されている。図２は、このような燃料電池スタックのセパレータ１とマニホールドを示した簡略平面図である。図２では、理解を容易にするため、冷却水流路２を点線、燃料ガス流路３を実線、酸化剤ガス流路４を一点鎖線で示し、単位セルは図示を省略している。
【００１９】
冷却水マニホールド５ａは、冷却水流路２の供給端２ａに対応する燃料電池スタックの面を覆うように配設され、図示しない冷却水供給路から流入した冷却水を、冷却水流路２に供給する部材である。冷却水マニホールド５ｂは、冷却水流路２の排出端２ｂに対応する燃料電池スタックの面を覆うように形成され、冷却水流路２から排出された冷却水を、図示しない冷却水排出路に排出する部材である。
【００２０】
ここで、冷却水の流れは図示しないポンプにより制御される。本実施形態では、冷却水流路２の排出端２ｂ側からポンプの負圧により冷却水を吸引することにより、冷却水流路２には、供給端２ａから排出端２ｂへの冷却水の流れが形成される。
【００２１】
燃料ガスマニホールド６ａは、燃料ガス流路３の供給端３ａに対応する燃料電池スタックの面を覆うように配設され、図示しない燃料ガス供給路から流入した燃料ガスを、燃料ガス流路３に供給する部材である。燃料ガスマニホールド６ｂは、燃料ガス流路３の排出端３ｂに対応する燃料電池スタックの面を覆うように形成され、燃料ガス流路３から排出された燃料ガスを、図示しない燃料ガス排出路に排出する部材である。
【００２２】
酸化剤ガスマニホールド７ａは、酸化剤ガス流路４の供給端４ａに対応する燃料電池スタックの面を覆うように配設され、図示しない酸化剤ガス供給路から流入した酸化剤ガスを、酸化剤ガス流路４に供給する部材である。酸化剤ガスマニホールド７ｂは、酸化剤ガス流路４の排出端４ｂに対応する燃料電池スタックの面を覆うように形成され、酸化剤ガス流路４から排出された燃料ガスを、図示しない燃料ガス排出路に排出する部材である。
【００２３】
［セパレータの製造方法］
以上のようなセパレータの製造方法を説明する。
（筒状体の埋め込み）
まず、図３に示すように、筒状体８を埋め込むことにより、その内部の中空部により冷却水流路２を形成する方法を説明する。筒状体８は、多孔質の材料で形成された直線状の筒状部材である。筒状体８内部は冷却水が流通可能な中空部である。燃料ガス流路３及び酸化剤ガス流路４は、平状金型１１、１２によって形成する。平状金型１１、１２には、それぞれ燃料ガス流路３及び酸化剤ガス流路４の凹状の溝に対応する凸状のパターンが形成されている。
【００２４】
基体１となる材料としては、直方体形状のカーボン樹脂材の一対の平板１ａ、１ｂを用いる。基体１、筒状体８ともに多孔質であり、両者を同様の材料で形成してもよい。筒状体８の長さは、平板１ａ、１ｂの短辺方向の長さに等しい。
【００２５】
この平板１ａ、１ｂの間に、短辺方向の複数本の筒状体８を、互いに等間隔で配置する。筒状体８の平板１ａ、１ｂからのはみ出しはないようにする。また、平状金型１１を、パターンが平板１ａの上面に対向するように配置し、平状金型１２を、パターンが平板１ｂの下面に対向するように配置する。
【００２６】
そして、プレス機によって平状金型１１、１２の上下から圧力をかけることにより、平板１ａ、１ｂが筒状体８を挟んで一体化して基体１となるとともに、平板１ａの上面に燃料ガス流路４の溝が形成され、平板１ｂの下面に酸化剤ガス流路５の溝が形成される。これにより、燃料ガス流路４、酸化剤ガス流路５、多孔質の筒状体８による冷却水流路２を含むセパレータＳが一体的に形成される。
【００２７】
（金型の抜き取り）
直線状金型１３を埋め込み、成型後に抜き取ることにより、冷却水流路２を形成する方法を説明する。直線状金型１３は、円柱形状の棒状の金属製の部材である。直線状金型１３は、平状金型１１、１２の短辺方向の長さよりも長い。一対の平板１ａ、１ｂの間に、短辺方向の複数本の直線状金型１３を、互いに等間隔で配置する。直線状金型１３の端部は、平板１ａ、１ｂからはみ出している。
【００２８】
平状金型１１を平板１ｂの上面に、平状金型１２を平板１ｂの下面に配置して、プレス機によって圧力をかけることによって、平板１ａ、１ｂが直線状金型１３を挟んで一体化して基体１となるとともに、平板１ａに燃料ガス流路４が形成され、平板１ｂに酸化剤ガス流路５が形成される。さらに、プレス機によるプレスを維持したまま、直線状金型１３を抜き取り、最後にプレスを解放する。これにより、基体１内に冷却水流路２が形成される。
【００２９】
（穴あけ加工）
成型後の基体１に、穴あけ加工によって、冷却水流路２を形成する方法を説明する。基体１の材料を、平状金型１１及び平状金型１２で挟み、プレス機によってプレスすることにより、基体１を形成する。これにより、基体１の上面に燃料ガス流路４の溝が形成され、下面に酸化剤ガス流路５の溝が形成される。
【００３０】
そして、図１に示すように、基体１の長辺側の側面に、短辺方向に平行に複数の直線状の穴を形成する。これが、冷却水流路２となる。この穴あけ加工は、ガンドリルを用いることが考えられる。また、レーザを用いて非接触で穴あけ加工することも考えられる。
【００３１】
［作用効果］
（１）本実施形態は、多孔質体の基体１の一方の面に設けられた燃料ガス流路３と、基体１の他方の面に設けられた酸化剤ガス流路４と、基体１の内部に設けられた冷却水流路２とを有し、冷却水流路２が、基体１を貫通する直線状の穴である。
【００３２】
このため、単一の多孔質体の基体１に、燃料ガス流路３、酸化剤ガス流路４、冷却水流路２を構成するので、２枚を組み合わせて構成する場合に比べて、低コスト化が図れる。また、全体として薄型とすることができるので、小型化が可能となる。この小型化の効果は、燃料電池スタックの積層体とした場合に、より顕著となる。さらに、電子移動抵抗が小さくなることで、燃料電池の高性能化が図れる。
【００３３】
また、冷却水流路２が、基体１を貫通する直線状という単純な構成であるため、冷却水流路２を形成する工程を簡単にすることができる。例えば、蛇行した冷却水路２では困難であった金型の抜き取り、穴あけ加工により冷却水流路２を形成できる。これにより、基体１の多孔質体の機能を損なうこともない。また、多孔質体の筒状体８を埋め込むことによって冷却水流路２を形成する場合も、基体１の多孔質体の機能を損なうことがない。
【００３４】
さらに、冷却水流路２が直線状であるため、水平に対して傾斜した角度で配置されることにより、冷却水中に混入した空気が端部に移動して抜け易くなり、滞留して冷却水の流れを阻害することがない。ここで、水平に対して傾斜した角度とは、地平面に対して平行でない角度をいい、垂直の場合も含む。例えば、燃料電池スタック１０を、冷却水流路２が垂直な方向となるように配置して、システムに組み込む。つまり、セパレータＳの短辺を垂直とし、長辺は水平とすることで、冷却水流路２は垂直となる。すると、冷却水流路２に空気が混入して冷却水に気泡が発生しても、冷却水が下方の供給端２ａから上方の排出端２ｂに流れる際に、気泡が容易に上に抜けることで、冷却水流路２内に空気溜まりが発生することを抑制できる。これに対して、従来の蛇行する冷却水流路の場合、セパレータが垂直となる向きにシステム内に組み込まれると、冷却水流路はセパレータの平面内を蛇行しているため、気泡が冷却水流路内に溜まりやすくなり、冷却水の流れを阻害することになる。
【００３５】
（２）基体１は、略直方体形状であり、冷却水流路２の両端は、基体１の対向する一対の側面に設けられ、燃料ガス流路３の両端及び冷却水流路４の両端は、冷却水流路２の両端が設けられた一対の側面とは異なる側面に設けられている。つまり、冷却水流路２の供給端２ａ、排出端２ｂとは別の側面に、燃料ガス流路３の供給端３ａ、排出端３ｂ、酸化剤ガス流路４の供給端４ａ、排出端４ｂが設けられている。
【００３６】
このため、冷却水流路２の両端を、一対の側面全体に配置すること可能となるので、直線状の冷却水流路２を基体１の全体に配設して、セパレータＳ及び単位セル全体を偏りなく冷却することができる。
【００３７】
（３）冷却水流路２の両端は、基体１の対向する長辺部に設けられている。つまり、冷却水流路２の供給端２ａ、排出端２ｂは、基体１の長辺部分の側面に設けられている。このため、直線状の冷却水流路２は、基体１の短辺部の長さとなり、流路が短くて済むので、吸込圧力、容量を抑えて、小型で低価格のポンプを用いることができる。
【００３８】
（４）埋め込みにより冷却水流路２を形成する場合、筒状体８が多孔質である。このため、基体１の多孔質の機能を損なうことがない。
【００３９】
（５）金型の抜き取りによって冷却水流路２を形成する場合、燃料ガス流路３及び酸化剤ガス流路４は、平状金型１１、１２によって形成し、冷却水流路２は、直線状金型１３によって形成する。このため、曲線状の金型とする場合に比べて、金型の用意が簡単となる。
【００４０】
（６）燃料ガス流路３及び酸化剤ガス流路４を成型加工した後、冷却水流路２を形成する。このため、筒状体８、直線状金型１３を用意する必要がない。特に、レーザ等の非接触加工によって、冷却水流路２を形成すれば、接触加工する場合に比べて、基体１の変形、損傷等のリスクを低減できる。
【００４１】
［他の実施形態］
本実施形態は、上記の実施形態に限定されるものではない。基体１を一体的に形成する方法は、プレス成型には限定されず、トランスファー成型、射出成型等、他の方法によってもよい。冷却水流路２は、直線状であればよく、その両端の位置は上記の態様には限定されない。また、上記の実施形態は、外部マニホールドを適用した例であるが、内部マニホールドの場合にも適用可能である。
【００４２】
また、直線状の冷却水流路２を基体１の平面に対して傾斜した角度で形成することにより、冷却水流路２が、水平に対して傾斜した角度で配置されるようにしてもよい。つまり、供給端２ａ及び排出端２ｂについて、基体１の厚さ方向の位置をずらすことにより、基体１が水平に配置された場合に、供給端２ａと排出端２ｂに高低差が生ずるようにする。例えば、排出端２ｂ側が供給端２ａ側よりも高くなるように設ける。すると、燃料電子スタック１０を、セパレータＳの基体１の平面が水平方向となるように配置してシステムに組み込んだ場合、冷却水流路２に、排出端２ｂ側が供給端２ａ側よりも高くなるような傾斜が生じる。
【００４３】
この場合、冷却水の排出端２ｂ側からポンプの負圧により冷却水を吸引することにより、冷却水流路２には、供給端２ａから排出端２ｂへの冷却水の流れが形成される。そして、上記のように、冷却水流路２に排出端２ｂ側が供給端２ａ側よりも高くなるような傾斜がある場合、冷却水の流れは、低い側から高い側へ上昇する方向となる。
【００４４】
すると、冷却水中に混入した空気が高い方の端部に移動して抜けるので、滞留して冷却水の流れを阻害することがない。特に、排出端２ｂの方が供給端２ａよりも高くなるように設けられているので、冷却水が排出端２ｂに向かって流れるとともに、排出端２ｂからの空気の排出が促進される。
【００４５】
上記の各実施形態、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１  基体、１ａ，１ｂ  平板、２  冷却水流路、２ａ  供給端、２ｂ  排出端、３  燃料ガス流路、３ａ  供給端、３ｂ  排出端、４  酸化剤ガス流路、４ａ  供給端、４ｂ  排出端、５ａ，５ｂ  冷却水マニホールド、６ａ，６ｂ  燃料ガスマニホールド、７ａ，７ｂ  酸化剤ガスマニホールド、８  筒状体、１０  燃料電池スタック、１１，１２  平状金型、１３  直線状金型、Ｓ  セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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