(57)【要約】【課題】いわゆるフラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止できるようにする。【解決手段】フラットメタル型燃料電池用のセパレータ２０であって、樹脂フレーム２３と、該樹脂フレーム２３を挟み込む一対の金属平板２１，２２と、該金属平板２１，２２と樹脂フレーム２３とを接着する接着部材２４と、を有しており、金属平板２１，２２には、加熱圧着された接着部材２４の一部を当該金属平板２１，２２の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔２６が設けられている。食み出し用孔２６は当該セパレータ２０の外周部に設けられていることが好ましく、隣接する当該セパレータ２０どうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に設けられていることがより好ましい。【選択図】図９
2008311107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラットメタル型燃料電池用のセパレータにおいて、
樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む一対の金属平板と、該金属平板と前記樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有し、
前記金属平板には、加熱圧着された前記接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔が設けられている
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記食み出し用孔が当該セパレータの外周部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記食み出し用孔が、隣接する当該セパレータどうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記食み出し用孔が、反応ガスマニホールドまたは冷媒マニホールドの外側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセパレータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のセパレータを含むフラットメタル型の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびそのセパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、いわゆるフラットメタル型の燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用を構成するセパレータとして、反応ガス（水素ガス、酸化ガス）や冷媒（冷却水）の溝状の流路が表面に形成されたもののほか、表面が平坦であるフラットセパレータと呼ばれるものも用いられている。また、近年においては、２枚の電極対向プレートの間に冷媒流路層を形成した２枚構成造のセパレータも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来、このような２枚構成のフラットメタル型燃料電池のセパレータは、一対の金属平板（プレート）と例えば接着層を有するラミネート樹脂とを加熱接着によりシール接合して形成される等している。この場合、一対の金属平板は例えば樹脂によって接合されている。また、いずれかの金属平板（プレート）にプレス加工で突起が形成され、あるいは金属平板間に多孔体シートが挿入される等して冷媒流路が形成されている。
【特許文献１】特開２００６−１６４７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のようなフラットメタル型の燃料電池セパレータには樹脂が用いられている関係上、例えば８０℃を超える高温運転時には剛性が低下することがある。このような状況下、例えばガスケット等の他部材の位置ずれなどに起因して曲げ応力が生じると、セパレータどうしが接触して短絡が生じることがある。
【０００５】
そこで、本発明は、いわゆるフラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止することができる燃料電池およびそのセパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述のように、高温下で運転した場合に受ける影響で金属セパレータが曲がるとセパレータ間で短絡が生じうる。この場合、短絡を回避するための一般的な措置として接触面に絶縁層を挟むということも行いうるが、そうするとコスト増や生産性の低下を招くおそれがある。また、代替的な措置として例えば金属平板を接着フィルムで包み込むことも行いうるが、コスト増や生産性の低下を招くおそれがある点については同様である。このような現状に関し、金属平板を利用した構造であることに着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、フラットメタル型燃料電池用のセパレータにおいて、樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む一対の金属平板と、該金属平板と樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有し、金属平板には、加熱圧着された接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔が設けられていることを特徴としている。
【０００８】
接着部材を介在させた状態で樹脂フレームを金属平板で挟み込み、加熱しながら圧力を加えると接着部材の一部が食み出し用孔から食み出し、裏面側へと回り込む。本発明にかかるセパレータによれば、このように接着部材を金属平板の裏側へといわば溶かし込み、固化させることによって当該金属平板の裏側の面に絶縁層を形成することが可能である。
【０００９】
このようなセパレータにおいては、食み出し用孔が当該セパレータの外周部に設けられていることが好ましく、より好ましくは隣接する当該セパレータどうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に設けられていることである。
【００１０】
また、上述の食み出し用孔が、反応ガスマニホールドまたは冷媒マニホールドの外側に設けられていることがさらに好ましい。マニホールドの外側部分は、マニホールドが形成されている分だけ剛性が低く、外力の影響により曲がって短絡を生じやすい。この点、本発明によれば当該接触しやすい部分に絶縁層に形成して短絡を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、フラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図９に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１のセパレータ２０は、樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む２枚１組の金属平板と、該金属平板と樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有している。また、金属平板には、加熱圧着された接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させるための食み出し用孔が設けられている。以下では、燃料電池１の全体的な構成についてまず説明し、その後、この燃料電池１を構成するセパレータ２０等について説明することとする。
【００１４】
ちなみに、本実施形態の燃料電池１は例えば車載発電システムに適用されるものであり、この場合には図示しない燃料電池ケースに収納されて車両に搭載されている。ただし、本発明にかかる燃料電池１は、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に搭載して利用することができ、また、建物（例えば住宅、ビル、工場等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
【００１５】
燃料電池１は、図１に示すように、多数の単セル（単電池）２を積層したスタック構造となっている。単セル２は、図２に示すように、電解質膜１１ａ及び電極１１ｂを備えた接合体１０と、接合体１０を両側から挟みこむように配設されるセパレータ２０と、により構成される。また、単セル２が積層されてなるセルスタックの積層方向両端に位置する単セル２のさらに外側には、順次、カバープレート３０、出力端子付きのターミナルプレート４０、絶縁プレート５０、エンドプレート６０が積層されている。両端のエンドプレート６０は、テンションプレート７０の端部に各々ボルト等により接合されている。これにより、燃料電池１の積層体全体が積層方向に押圧力が加えられた状態で締結されている。
【００１６】
単セル２により構成される燃料電池１としては、リン酸型等複数の種類があるが、本実施形態に係る燃料電池１は、車載や定置用に好適な固体高分子電解質型である。接合体１０としては、イオン交換膜からなる電解質（固体高分子膜）の両面に白金等の電極用触媒層を配した膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）や、触媒層の上にさらにガス拡散層を設けた膜・電極・拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。
【００１７】
燃料電池１は、図１に示すように、燃料ガス配管系３、酸化ガス配管系４、冷媒配管系５に接続されている。また、燃料電池１は、図示しない電力系や制御装置等に接続されている。燃料電池１への反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給及び排出は、燃料ガス配管系３及び酸化ガス配管系４により行われる。反応ガスの供給により、燃料電池１の単セル２で発電が行われる。燃料電池１により発電された電力は電力系により充放電され、図示しない車両搭載機器に供給される。また、燃料電池１の温度調整を行うための冷媒の供給及び排出は、冷媒配管系５により行われる。また、ガス配管系及び冷媒配管系の配管は、図示しない燃料電池ケースを貫通してケース内に延在し、例えば、エンドプレート６０に接続される。
【００１８】
接合体１０は、図２及び図３（Ａ）に示すように、全体として略平板状に形成されており、電解質膜１１ａの両面に一対の電極（空気極及び燃料極）用の触媒層１１ｂが配設された発電部１１と、発電部１１を両側から挟むように配設された一対の拡散層１２と、発電部１１を囲むように接合体１０の周縁部に設けられたシール部１３と、を備えている。
【００１９】
拡散層１２は、多数の透過孔を備えたものであり、例えば多孔質のカーボンペーパー、カーボンクロス等により形成される。シール部１３は、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により形成されており、反応ガスの供給及び排出のためのガスマニホールド１３ａが積層方向に貫通するように形成されている。シール部１３に設けられたガスマニホールド１３ａや、後述するセパレータ２０に設けられたガスマニホールド２１ａ、２２ａ等により、反応ガスを各接合体１０の空気極及び燃料極に供給するための内部ガス流路が形成される。また、シール部１３には、ガスマニホールド１３ａとは異なる位置に、後述するセパレータ２０の冷媒流路部２３ｂに冷媒を給排するための冷媒用マニホールド１３ｂが形成されている。
【００２０】
セパレータ２０は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、接合体１０の燃料極（アノード）側の面に対向する金属平板からなるアノード側プレート２１と、接合体１０の空気極（カソード）側の面に対向する金属平板からなるカソード側プレート２２と、アノード側プレート２１とカソード側プレート２２との間に配設される樹脂フレーム２３と、を備えている。なお、図３は単セル２の構成を概略的に示したものにすぎず、各プレート２１，２２や樹脂フレーム２３、接合体１０の形状も概略的である。これらの実際の形状は図４等に示すように細長くなっている（図４等参照）。
【００２１】
アノード側プレート２１およびカソード側プレート２２は平坦な薄板材であり、例えば、表面に腐食防止のためのメッキを施した金属平板によって形成される。金属平板の材質には、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。
【００２２】
樹脂フレーム２３は接着層を有する例えばラミネート樹脂であり、加熱接着されて各プレート２１，２２と接合される。本実施形態の単セル２の場合、熱可溶性の接着フィルム２４が例えばホットプレスにより熱溶融し、上述の樹脂フレーム２３と各プレート２１，２２の間にシール部を形成する接着部材として機能するようになっている（図７等参照）。さらに、この樹脂フレーム２３は、所定幅のフレーム幅を有する枠形状であり（図５参照）、当該枠部分の内部の領域は冷媒（例えば冷却水）を流すための冷媒流路部２５となる（図７参照）。
【００２３】
また、セパレータ２０を構成するプレート例えばアノード側プレート２１にはプレス加工により複数の突起２８が形成されている。これら突起２８は対向するカソード側プレート２２に向かって突出しており、当該カソード側プレート２２との間のスペーサとして機能し、上述の冷媒流路部２５を形成する（図６等参照）。
【００２４】
なお、本実施形態ではこのような突起２８を利用して冷媒流路部２５を形成することとしているがこれに限らず、例えば、アノード側プレート２１とカソード側プレート２２との間に多孔体を介在させて冷媒流路を形成することも可能である。特に図示してはいないが、多孔体は例えば微細孔を有するもので、冷却水等の流体を透過させうるものである。この場合の多孔体としては、ホットプレス時に加熱を行っても変形しない材質のものが用いられている。
【００２５】
また、この樹脂フレーム２３および上述のアノード側プレート２１、カソード側プレート２２のそれぞれ対応する位置には、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ、酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側マニホールド１６ａ、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ、冷媒（冷却水）の入口側マニホールド１７ａ、冷媒（冷却水）の出口側マニホールド１７ｂが設けられている（図４〜図６参照）。これらのうち、水素ガスのマニホールド１６ａ，１６ｂと冷媒のマニホールド１７ａ，１７ｂは、各プレート２１，２２および樹脂フレーム２３の長手方向両端部に形成されている（図４等参照）。また、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、それぞれ複数が長手方向両側の長辺に沿って並ぶように形成されている（図４等参照）。なお、これらと同様、接合体１０のシール部１３にも酸化ガスのマニホールド１５ａ，１５ｂ、水素ガスのマニホールド１６ａ，１６ｂ、冷媒のマニホールド１７ａ，１７ｂがそれぞれ形成されている（図３参照）。
【００２６】
以上のように、本実施形態の燃料電池１は、樹脂フレーム２３を金属製のフラットなプレート２１，２２で挟み込んだ構成のいわゆるフラットメタル型の燃料電池となっている（図７等参照）。
【００２７】
ここで、本実施形態においては、アノード側プレート２１、カソード側プレート２２のそれぞれに、接着フィルム２４の一部を当該アノード側プレート２１またはカソード側プレート２２の裏側に食み出させるための食み出し用孔２６を設けている。この場合、加熱圧着の際に軟化した接着フィルム２４の一部が当該食み出し用孔２６から食み出してプレート２１（２２）の裏側へと回り込み、固化して電気絶縁層を形成する。このような構造のセパレータ２０においては、接着フィルム２４をプレート２１（２２）の裏側へといわば溶かし込んで絶縁層を形成することが可能である。
【００２８】
このような食み出し孔２６について具体例を挙げて説明すると以下のとおりである。すなわち、例えばカソード側プレート２２においては、図８（Ａ）中楕円で示す外周部付近の各位置にそれぞれ食み出し用孔２６が形成されている（図８（Ｂ）参照）。この場合、それぞれの食み出し用孔２６は、隣接する当該セパレータどうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に形成されている。
【００２９】
すなわち、隣接するセパレータ２０’間にガスケット２７を挟み込んで積層した構造の燃料電池１においては、例えば８０℃を超えるような高温の条件下で燃料電池１の運転を継続したような場合、熱や積層方向圧力の影響を受けて剛性が低下することがある。このとき、図１０に示すようにセパレータ２０’の端部付近が曲がり、隣接するセパレータ２０’どうしが接触して短絡が生じることがある（図１０参照）。
【００３０】
この点、本実施形態のセパレータ２０においては、食み出し孔２６からカソード側プレート２２の裏側へと食み出した接着フィルム２４によって絶縁層が形成されているから、セパレータ２０どうしが接触したとしても電気的に短絡することを回避することができる。つまり、樹脂フレーム２３とアノード側プレート２１（またはカソード側プレート２２）とを接着するため接着フィルム２４を用いるのみならず、当該接着フィルム２４の一部をさらに電気絶縁層としても機能させ、セパレータ２０間で短絡が生じるのを効果的に抑止できるようにしている。なお、ここではカソード側プレート２２を例示して説明したが、もう一方のアノード側プレート２１における構成や作用も上述したものと同様である。
【００３１】
以上のごとき食み出し孔２６は、セパレータ２０の端部どうしの短絡を抑止するという観点からすれば当該セパレータの外周部やその近傍に設けられていることが好ましい。例えば本実施形態では、反応ガスのマニホールド（すなわち酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ、酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側マニホールド１６ａ、水素ガスの出口側マニホールド１６ｂ）または冷媒マニホールド１７ａ，１７ｂの外側に設けている（図８（Ａ）参照）。これらマニホールドが形成されている部分は積層方向の力を受けて曲がりやすいが、本実施形態ではこのように特に曲がりやすい部分の外側に食み出し孔２６を設け、接触しやすい部分に接着フィルム２４による絶縁層を形成するようにしている。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では複数の食み出し孔２６の配置例を楕円で示したが（図８（Ａ）参照）、これはあくまで一例にすぎない。本発明は金属平板（アノード側プレート２１、カソード側プレート２２）に絶縁層をいわば自動的に形成することを目的としているものであり、当該食み出し孔２６の個数や形状は、セパレータ２０の形状、接着フィルム２４の粘性等によって適宜変更することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図２】燃料電池を構成する単セルの構成例を示す断面図である。
【図３】単セルを構成する接合体の分解斜視図である。
【図４】燃料電池を構成するカソード側プレート（金属平板）の構成例を示す平面図である。
【図５】燃料電池を構成する樹脂フレームの構成例を示す平面図である。
【図６】燃料電池を構成するアノード側プレート（金属平板）の構成例を示す平面図である。
【図７】単セルの構成例を概略的に示す側面図である。
【図８】（Ａ）は接着部材の一部を食み出させるための食み出し孔の配置例を示す金属平板（カソード側プレート）の平面図、（Ｂ）は楕円で示す外周部付近の拡大図である。
【図９】向かって左側はセパレータの端部付近にセル積層方向の外力が作用している様子、右側は当該外力の影響でセパレータ端部が曲がった様子を示す概略図である。
【図１０】向かって左側はセパレータの端部付近にセル積層方向の外力が作用している様子、右側は当該外力の影響でセパレータ端部が曲がった様子を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…燃料電池、１５ａ…酸化ガスの入口側マニホールド（反応ガスマニホールド）、１５ｂ…酸化ガスの出口側マニホールド（反応ガスマニホールド）、１６ａ…水素ガスの入口側マニホールド（反応ガスマニホールド）、１６ｂ…水素ガスの出口側マニホールド（反応ガスマニホールド）、１７ａ…冷媒の入口側マニホールド（冷媒マニホールド）、１７ｂ…冷媒の出口側マニホールド（冷媒マニホールド）、２０…セパレータ、２１…アノード側プレート（金属平板）、２２…カソード側プレート（金属平板）、２３…樹脂フレーム、２４…接着フィルム（接着部材）、２５…冷媒流路部、２６…食み出し用孔
【図１】
2008311107.tif 000003
【図２】
2008311107.tif 000004
【図３】
2008311107.tif 000005
【図４】
2008311107.tif 000006
【図５】
2008311107.tif 000007
【図６】
2008311107.tif 000008
【図７】
2008311107.tif 000009
【図８】
2008311107.tif 000010
【図９】
2008311107.tif 000011
【図１０】
2008311107.tif 000012