(57)【要約】【課題】安定したシール性能を有するとともに、小型化を図ることのできる燃料電池用セパレータの提供。【解決手段】燃料電池（１００）においてＭＥＧＡ（１）と対向して配置され、かつ、ＭＥＧＡ面割り構造を有する燃料電池用セパレータ（１２０）である。当該セパレータ（１２０）が備える第１のセパレータ（１１）及び第２のセパレータ（１２）は、ＭＥＧＡ（１）の発電領域と対向する中央領域（１０ａ）と、中央領域（１０ａ）を囲む外縁領域（１０ｂ）とを備える。外縁領域（１０ｂ）には、中央領域（１０ａ）側から延びる平坦部（１１ｆ、１２ｆ）と、平坦部（１１ｆ、１２ｆ）と連続し平坦部（１１ｆ、１２ｆ）よりも張り出た定寸部（１１２）とが設けられている。定寸部（１１２）は、第１のセパレータ（１１）及び第２のセパレータ（１２）の端部（１１ａ、１２ａ）同士が巻締めされた巻締部（１３）を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池においてＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と対向して配置され、かつ、ＭＥＧＡ面割り構造を有する単セルに搭載される燃料電池用セパレータであって、
第１のセパレータと、
第２のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータは、前記ＭＥＧＡの発電領域と対向する中央領域と、前記中央領域を囲む外縁領域とを備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータにおける前記外縁領域には、
前記中央領域側から延びる平坦部と、
前記平坦部と連続し、前記平坦部よりも張り出た定寸部と、が設けられ、
前記定寸部は、前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの端部同士が巻締めされた巻締部を備え、
前記定寸部は、前記巻締部を前記中央領域側に曲げ加工することによって形成された、
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し、特に燃料電池単セルに使用される燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
積層した複数の単セルを備える燃料電池が利用されている。特許文献１に開示された燃料電池の単セルは、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとの間に、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）等を挟み込んだ構造を有する。当該構造は、冷却水面割り構造と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２０１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃料電池の製造方法の容易性には、改善の余地があった。そこで、発明者等は、アノード側及びカソード側のセパレータの２枚と、膜電極ガス拡散層接合体とをこの順に積層した構造を有する単セルを備える燃料電池を想起した。当該構造は、ＭＥＧＡ面割り構造と称する。
【０００５】
ＭＥＧＡ面割り構造を有する単セルの製造方法では、まず、シート状体とシール部材とを一体化する工程と、２枚のセパレータを一体化させる工程とを完了させる。その後、これらと膜電極ガス拡散層接合体とを組み付けて、単セルを形成する。まず、燃料ガスや冷却媒体をシールする構成要素同士を一体化させることによって、単セルの形成の容易化を図ることができる。
【０００６】
次に、ＭＥＧＡ面割り構造を有する単セルの一具体例について説明する。図６に示すように、燃料電池１００は、図６紙面奥行き方向（ここでは、Ｚ軸方向）に積層した複数の単セル１０を備える。単セル１０は、中央領域１０ａと、外縁領域１０ｂとを備える。外縁領域１０ｂにおいて外縁１０ｃから中央領域１０ａ側に、溶接ラインＬ１と、溶着ラインＬ２と、面圧ラインＬ３とが設けられている。隣接した単セル１０同士、又は単セル１０内において、溶接ラインＬ１と、溶着ラインＬ２と、面圧ラインＬ３とは、それぞれ、冷却媒体と、空気と、燃料ガスとをシールする。
【０００７】
図７に示すように、単セル１０は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１と、シート２と、ガスケット３と、セパレータ９１と、セパレータ９２とを備える。また、見易さのため、図７〜図９では、セパレータ９１、９２のハッチングを省略した。
【０００８】
ＭＥＧＡ１は、第１のＭＥＧＡ部材１ａと、第２のＭＥＧＡ部材１ｂとを備え、第１のＭＥＧＡ部材１ａは、第２のＭＥＧＡ部材１ｂに重なっている。第１のＭＥＧＡ部材１ａの端部における底面と、シート２の端部における主面とが接着し、この接着した部位は、単セル１０内において面圧ラインＬ３上に延びる。
【０００９】
ガスケット３は、シート２の主面に支持されている。シート２の底面と、セパレータ９２とが溶着し、この溶着した部位は、単セル１０内において溶着ラインＬ２上に延びる。
【００１０】
セパレータ９１とセパレータ９２とはレーザ溶接を用いて溶接されており、この溶接した部位は、単セル１０内において溶接ラインＬ１上に延びる。
【００１１】
次に、図８を参照して、単セル１０の製造方法の一具体例について説明する。
【００１２】
図８に示すように、まず、ＭＥＧＡ１と、ガスケット３を支持するシート２とを面圧ラインＬ３上に沿って接着させる（接着ステップＳＴ３１）。
【００１３】
続いて、セパレータ９１と、セパレータ９２とを押し合わせたまま、溶接ラインＬ１上に沿ってレーザ溶接して、セパレータ９１と、セパレータ９２とを接合する（溶接ステップＳＴ３２）。ここで、セパレータ９１と、セパレータ９２とに間に、冷却流路９３が形成される。必要に応じて、溶接ラインＬ１以外のライン上に沿ってレーザ溶接してもよい。また、事前にプレス加工を用いて、セパレータ９１と、セパレータ９２とを形成してもよい。
【００１４】
最後に、ＭＥＧＡ１とシート２とをセパレータ９１に載置したまま、溶着ラインＬ２上に沿って溶着する（溶着ステップＳＴ３３）。
【００１５】
以上より、単セル１０を形成することができる。
【００１６】
（溶接ステップＳＴ３２の詳細）
次に、図８及び図９を参照して、溶接ステップＳＴ３２の詳細について説明する。図９に示すように、セパレータ９１、９２は、燃料電池の発電領域側（ここでは、ｘ軸マイナス側）から外縁領域側（ここでは、ｘ軸プラス側）へ延びる主面９１ａ、９２ａを有する。
【００１７】
まず、セパレータ９１の主面９１ａをプレス加工し、定寸部９１２を形成する（プレス加工ステップＳＴ９１）。定寸部９１２は、燃料電池１００においてセパレータ９２側と反対側（ここでは、ｚ軸プラス側）へ張り出る形状を有し、例えば、断面略台形状を有する。セパレータ９１、９２における定寸部９１２よりも外縁領域側において、レーザを照射し、溶接部ＬＷ９を形成する。
【００１８】
ところで、図８に示すように、単セル１０の中央領域１０ａにおいて、セパレータ９１、９２の間には、冷却流路９３がある。冷却媒体を冷却流路９３に流して、溶接部ＬＷ９がセパレータ９１、９２の間をシールして、冷却媒体がセパレータ９１、９２の外方へ漏れることを防止する。
【００１９】
しかし、発明者等は、ＭＥＧＡ面割り構造を有する単セルを備える燃料電池について、以下の課題を発見した。
セパレータ同士が十分に密着していない部位が有る場合、溶接されていない部位が発生することがあった。溶接による熱変形の大きさがセパレータの部位に応じて異なり、位置ずれが生じることがあった。そのため、セパレータ同士の溶接部のシール性能の安定性について改善の余地があった。また、セパレータにも小型化の余地があった。
【００２０】
本発明は、安定したシール性能を有するとともに、小型化を図るものとする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、
燃料電池においてＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）と対向して配置され、かつ、ＭＥＧＡ面割り構造を有する単セルに搭載される燃料電池用セパレータであって、
第１のセパレータと、
第２のセパレータと、を備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータは、前記ＭＥＧＡの発電領域と対向する中央領域と、前記中央領域を囲む外縁領域とを備え、
前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータにおける前記外縁領域には、
前記中央領域側から延びる平坦部と、
前記平坦部と連続し、前記平坦部よりも張り出た定寸部と、が設けられ、
前記定寸部は、前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの端部同士が巻締めされた巻締部を備え、
前記定寸部は、前記巻締部を前記中央領域側に曲げ加工することによって形成された。
【００２２】
このような構成によれば、第１のセパレータ及び第２のセパレータの端部同士が巻締めされた巻締部を備えるため、安定したシール性能を有する。また、定寸部は、シール機能も併せ持つため、単セルも小型化することができる。しかも、ＭＥＧＡ面割り構造を有する燃料電池用単セルは、簡易な製造方法を用いて形成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、安定したシール性能を有するとともに、小型化を図ることのできる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示す模式断面図である。
【図３】実施の形態１に係る一変形例１を示す模式断面図である。
【図４】実施の形態１に係る一変形例２を示す模式断面図である。
【図５】実施の形態１に係る一変形例３を示す模式断面図である。
【図６】本発明に関連する技術の燃料電池を示す模式図である。
【図７】本発明に関連する技術の燃料電池単セルを示す模式断面図である。
【図８】本発明に関連する技術の燃料電池単セルの製造方法を示す模式断面図である。
【図９】本発明に関連する技術の燃料電池用セパレータの製造方法を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２６】
（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１に係る燃料電池用セパレータについて説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャートである。図２は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示す模式断面図である。なお、当然のことながら、図２及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。また、見易さのため、図２〜図５では、セパレータ１１、１２のハッチングを省略した。
【００２７】
（製造方法）
まず、第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とを、所定の位置に配置する（セパレータ配置ステップＳＴ１）。具体的には、第２のセパレータ１２の端部１２ａが、第１のセパレータ１１の端部１１ａよりも突き出つつ、第１のセパレータ１１と、第２のセパレータ１２とが対向するように、配置する。第２のセパレータ１２の端部１２ａが、第１のセパレータ１１の端部１１ａよりも突き出る長さは、製造する燃料電池用セパレータ１２０の形状に応じて、変化してもよい。
【００２８】
続いて、第１のセパレータ１１の端部１１ａと第２のセパレータ１２の端部１２ａとを巻き締めるように、かしめ加工を施して、巻締部１３を形成する（巻締加工ステップＳＴ２）。
【００２９】
具体的には、まず、第２のセパレータ１２の端部１２ａを第２のセパレータ１２の中央領域１０ａへ曲げ加工して、第１のセパレータ１１の端部１１ａを巻き締めて、巻締部１３ａを形成する（第１の巻き締めステップＳＴ２１）。
【００３０】
続いて、第１のセパレータ１１の端部１１ａを第１のセパレータ１１の中央領域１０ａへ曲げ加工して、第２のセパレータ１２の端部１２ａを巻き締めて、巻締部１３を形成する（第２の巻き締めステップＳＴ２２）。巻締部１３は、巻締部１３ａよりも第１のセパレータ１１の端部１１ａと第２のセパレータ１２の端部１２ａとを多く巻き締められている。
【００３１】
続いて、巻締部１３を第１のセパレータ１１の中央領域１０ａへ曲げ加工して、第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とを断面略台形状に変形させ、定寸部１１２を形成する（折り曲げ加工ステップＳＴ３）。具体的には、第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｂと第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｂとが、所定の角度で曲げ変形する。同様に、第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｃと、第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｃとが、所定の角度で曲げ変形する。第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｄと、第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｄとが、所定の角度で曲げ変形する。
【００３２】
以上より、燃料電池用セパレータ１２０を形成することができる。
【００３３】
（構成）
次に、引き続き図２を参照しながら、燃料電池用セパレータ１２０について説明する。
【００３４】
燃料電池用セパレータ１２０は、第１のセパレータ１１と、第２のセパレータ１２とを備える。
【００３５】
第１のセパレータ１１は、平坦部１１ｆと、平坦部１１ｆと連続し、平坦部１１ｆよりも張り出た定寸部１１２とを備える。また、第２のセパレータ１２は、平坦部１２ｆと、平坦部１２ｆと連続し、平坦部１２ｆよりも張り出た定寸部１１２とを備える。定寸部１１２が張り出る厚みは、所定の大きさを有する。定寸部１１２は、その厚み方向に弾性変形可能であるとよい。
【００３６】
定寸部１１２は、例えば、断面略台形状を有する。また、第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｂと第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｂとの角部が所定の丸みを有するとよい。同様に、所定の部位１１ｃと所定の部位１２ｃとの角部が所定の丸みを有するとよい。所定の部位１１ｄと所定の部位１２ｄとの角部が所定の丸みを有するとよい。
【００３７】
定寸部１１２は、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の端部１１ａ、１２ａ同士が巻締めされた巻締部１３を備える。巻締部１３は、冷却媒体を通過させない、又は通過することを抑制する。ここで、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２との間に形成される冷却流路から冷却媒体が流れてきても、通過させない、又は通過を抑制する。冷却媒体は、冷却流路に導かれ、巻締部１３を通過して第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の外方へ漏れない。
【００３８】
ここで、燃料電池用セパレータ１２０は、図８に示す燃料電池用セパレータ９０と同様に、ＭＥＧＡ面割り構造を有する燃料電池１００の単セル１０に搭載して利用することができる。燃料電池１００では、燃料電池用セパレータ１２０を搭載する単セル１０が積層している。単セル１０において、燃料電池用セパレータ１２０は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１と対向して配置される。第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２は、ＭＥＧＡ１の発電領域と対向する中央領域１０ａと、中央領域１０ａを囲む外縁領域１０ｂとを備える。第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２における外縁領域１０ｂには、平坦部１１ｆ及び平坦部１２ｆとは、中央領域１０ａ側から延びる。燃料電池用セパレータ１２０は、燃料電池用セパレータ９０と同様に、中央領域１０ａにおいて、冷却流路９３と同じ構成を有する冷却流路等を備える。
【００３９】
定寸部１１２は、平坦部１２ｆよりも張り出ていることから、隣接する単セル１０、特に中央領域１０ａ同士が必要以上に互いに押圧しないよう、防止する、又は抑制することができる。定寸部１１２が弾性変形できる場合、これらの防止、又は抑制する効果がより大きくなり得るため、好ましい。
【００４０】
以上より、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の端部１１ａ、１２ａ同士が巻締めされた巻締部１３を備えるため、安定したシール性能を有する。また、定寸部１１２は、シール機能も併せ持つため、単セル１０も小型化することができる。しかも、単セル１０は、ＭＥＧＡ面割り構造を有するため、流路を構成する要素を先に形成する簡易な製造方法を用いて形成することができる。
【００４１】
（一変形例１）
図３に示す燃料電池用セパレータ２２０がある。燃料電池用セパレータ２２０は、上記した燃料電池用セパレータ１２０の一変形例１である。燃料電池用セパレータ２２０は、定寸部２１２を除いて、燃料電池用セパレータ１２０と同じ構成を備える。異なる構成についてのみ説明する。
【００４２】
図３に示すように、燃料電池用セパレータ２２０は、定寸部２１２を備える。定寸部２１２は、巻締部１３を第１のセパレータ１１の中央領域１０ａ側へ折り曲げ加工して、第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とを断面略台形状に変形させる。
【００４３】
第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｂと第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｂとの角部が丸みを有することなく、鋭角を有するとよい。同様に、所定の部位１１ｃと所定の部位１２ｃとの角部が鋭角を有するとよい。所定の部位１１ｄと所定の部位１２ｄとの角部が鋭角を有するとよい。第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とは密着するとよい。
【００４４】
定寸部２１２は、定寸部１１２と比較して、高い剛性を有する。また、燃料電池用セパレータ２２０は、燃料電池用セパレータ１２０と同様に、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の端部１１ａ、１２ａ同士が巻締めされた巻締部１３を備えるため、安定したシール性能を有する。また、定寸部２１２は、シール機能を併せ持つため、単セル１０も小型化することができる。しかも、単セル１０は、ＭＥＧＡ面割り構造を有するため、簡易な製造方法を用いて形成することができる。
【００４５】
（一変形例２）
図４に示す燃料電池用セパレータ３２０がある。燃料電池用セパレータ３２０は、上記した燃料電池用セパレータ１２０の一変形例２である。燃料電池用セパレータ３２０は、定寸部３１２を除いて、燃料電池用セパレータ１２０と同じ構成を備える。異なる構成についてのみ説明する。
【００４６】
図４に示すように、燃料電池用セパレータ３２０は、定寸部３１２を備える。定寸部３１２は、巻締部１３を第１のセパレータ１１の中央領域１０ａへ曲げ加工して、第１のセパレータ１１と第２のセパレータ１２とを断面略Ｕ字状に変形させる。
【００４７】
第１のセパレータ１１の端部１１ａと平坦部１１ｆとは、所定の部位１１ｅを介して連なり、第２のセパレータ１２の端部１２ａと平坦部１２ｆとは、所定の部位１２ｅを介して連なる。第１のセパレータ１１の所定の部位１１ｅと第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｅとは、所定の曲率で曲がるとよい。
【００４８】
定寸部３１２は、巻締部１３が、第１のセパレータ１１の平坦部１１ｆから所定の間隔を空けており、片持ち梁状態である。よって、定寸部３１２は、図２に示す定寸部１１２や図３に示す定寸部２１２と比較して剛性が低く、ばね定数が低い。また、燃料電池用セパレータ３２０は、燃料電池用セパレータ１２０と同様に、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の端部１１ａ、１２ａ同士が巻締めされた巻締部１３を備えるため、安定したシール性能を有する。また、定寸部３１２は、シール機能も併せ持つため、単セル１０も小型化することができる。しかも、単セル１０は、ＭＥＧＡ面割り構造を有するため、簡易な製造方法を用いて形成することができる。
【００４９】
（一変形例３）
図５に示す燃料電池用セパレータ４２０がある。燃料電池用セパレータ４２０は、上記した燃料電池用セパレータ１２０の一変形例３である。燃料電池用セパレータ４２０は、定寸部４１２を除いて、燃料電池用セパレータ１２０と同じ構成を備える。異なる構成についてのみ説明する。
【００５０】
図５に示すように、燃料電池用セパレータ４２０は、定寸部４１２を備える。定寸部４１２は、巻締部１３を第１のセパレータ１１の中央領域１０ａへ曲げ加工して、第２のセパレータ１２を断面略台形状に変形させる。
【００５１】
第２のセパレータ１２の所定の部位１２ｂにおける角部が丸みを有することなく、鋭角を有するとよい。同様に、所定の部位１２ｃ、１２ｄ、１２ｅにおける角部が鋭角を有するとよい。所定の部位１２ｄ、１２ｄ、１２ｅにおける角部が鋭角を有するとよい。
【００５２】
定寸部４１２は、第１のセパレータ１１を含むことなく、第２のセパレータ１２のみから構成されている。すなわち、定寸部４１２は、１枚のセパレータを用いて構成されている。そのため、定寸部４１２は、図２に示す定寸部１１２や、図３に示す定寸部２１２と比較して、低い剛性を有する。定寸部４１２は、定寸部９１２と殆ど同じ剛性を有する。なお、定寸部４１２は、シール機能を併せ持っていないため、定寸部１１２、２１２、３１２と比較して、単セル１０を小型化する効果が小さいと考えられる。また、燃料電池用セパレータ４２０は、燃料電池用セパレータ１２０と同様に、第１のセパレータ１１及び第２のセパレータ１２の端部１１ａ、１２ａ同士が巻締めされた巻締部１３を備えるため、安定したシール性能を有する。しかも、単セル１０は、ＭＥＧＡ面割り構造を有するため、簡易な製造方法を用いて形成することができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１２０、２２０、３２０、４２０  燃料電池用セパレータ
１１  第１のセパレータ                            １１ａ  端部
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ  部位        １１ｆ  平坦部
１２  第２のセパレータ                            １２ａ  端部
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ  部位        １２ｆ  平坦部
１３、１３ａ  巻締部
１１２、２１２、３１２、４１２  定寸部
１００  燃料電池
１０  単セル
１０ａ  中央領域                            １０ｂ  外縁領域
１０ｃ  外縁
１  ＭＥＧＡ                                １ａ、１ｂ  ＭＥＧＡ部材
２  シート                                  ３  ガスケット
Ｌ１  溶接ライン                            Ｌ２  溶着ライン
Ｌ３  面圧ライン
ＳＴ１  セパレータ配置ステップ              ＳＴ２  巻締加工ステップ
ＳＴ２１  第１の巻き締めステップ            ＳＴ２２  第２の巻き締めステップ
ＳＴ３  折り曲げ加工ステップ
ＳＴ３１  接着ステップ                      ＳＴ３２  溶接ステップ
ＳＴ３３  溶着ステップ
【図１】
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【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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【図９】
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