(57)【要約】【課題】樹脂製のシール部を設けたフラットセパレータにおいて、シール部と他の部位との間に段差が生じることを抑制する。【解決手段】電解質膜１１ａとその両面に配設された電極１１ｂとを有する接合体１０の第一の電極側の面に対向する第一の電極対向プレート２１と、接合体１０の第二の電極側の面に対向する第二の電極対向プレート２２と、第一の電極対向プレート２１と第二の電極対向プレート２２との間に配設される中間プレート２３と、を備え、接合体１０に隣接配置されて燃料電池を構成するセパレータ２０である。中間プレート２３を構成する多孔体の所定部分に樹脂を充填してシール部２３ａを形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜とその両面に配設された電極とを有する接合体の第一の電極側の面に対向する第一の電極対向プレートと、前記接合体の第二の電極側の面に対向する第二の電極対向プレートと、前記第一の電極対向プレートと前記第二の電極対向プレートとの間に配設される中間プレートと、を備え、前記接合体に隣接配置されて燃料電池を構成するセパレータであって、
前記中間プレートは、多孔体から構成されるとともに、所定部分に樹脂が充填されてシール部が形成されてなるものである、
セパレータ。
【請求項２】
前記中間プレートは、周縁部分に樹脂が充填されて周縁シール部が形成されてなるとともに、前記周縁シール部の内側に冷媒流路部が形成されてなるものである、
請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
電解質膜とその両面に配設された電極とを有する接合体と、請求項１又は２に記載のセパレータと、を交互に積層して構成した積層体を備える、
燃料電池。
【請求項４】
電解質膜とその両面に配設された電極とを有する接合体の第一の電極側の面に対向する第一の電極対向プレートと、前記接合体の第二の電極側の面に対向する第二の電極対向プレートと、前記第一の電極対向プレートと前記第二の電極対向プレートとの間に配設され多孔体から構成される中間プレートと、を備え、前記接合体に隣接配置されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、
前記中間プレートの前記第一の電極対向プレート側の面及び／又は前記第二の電極対向プレート側の面の所定部分に樹脂膜を配置する樹脂膜配置工程と、
前記樹脂膜を加熱しつつ前記中間プレートに押圧することにより、前記樹脂膜を溶融させ前記中間プレートの所定部分に含浸・充填させて前記中間プレートのシール部を形成する樹脂含浸工程と、
を備える、
セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータ及びその製造方法並びに燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池としては、多数の単電池を積層したスタック構造のものが用いられている。単電池の積層体は、電解質である固体高分子膜の両面に電極用の触媒を配した略平板状の膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）とセパレータとを積層し、これらを積層方向に締結して形成されている。膜・電極接合体の電極には、セパレータに設けられたガス流路を介して反応ガスが供給される。
【０００３】
近年においては、２枚の電極対向プレートの間に中間プレートを挟んだ３層構造のセパレータ（以下「フラットセパレータ」という）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかるフラットセパレータにおいては、ガス流路や冷媒流路となる流路溝を中間プレートに集約して設けており、２枚の電極対向プレートには流路溝を設けていないため、薄型化を図ることが可能となる。
【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】
ところで、前記した特許文献１に記載されたような従来のフラットセパレータにおいては、中間プレートの外周部分に樹脂製のフレームを配置し、ホットプレス法により電極対向プレートを中間プレートに押し付けながら樹脂フレームを溶融させ、その後冷却して固化させることにより、中間プレートの外周部分のシールを行っていた。
【０００５】
このような従来のシール技術を採用すると、シール用の樹脂が溶融状態から固化する際に収縮するため、この樹脂が配設された中間プレートの外周部分の板厚が中央部分（冷媒流路部）よりも薄くなり、中間プレートの表面に段差が生じていた。かかる段差が生じると、段差部分において、セパレータの電極対向プレートと膜・電極接合体の電極との接触面の面圧にばらつきが生じる。これにより、シール機能が低下してガスリークが発生し易くなるとともに、電極へのガス供給のばらつきや接触抵抗の増大等に起因して発電性能が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、樹脂製のシール部を設けたフラットセパレータにおいて、シール部と他の部位との間に段差が生じることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係るセパレータは、電解質膜とその両面に配設された電極とを有する接合体の第一の電極側の面に対向する第一の電極対向プレートと、接合体の第二の電極側の面に対向する第二の電極対向プレートと、第一の電極対向プレートと第二の電極対向プレートとの間に配設される中間プレートと、を備え、接合体に隣接配置されて燃料電池を構成するセパレータであって、中間プレートは、多孔体から構成されるとともに、所定部分に樹脂が充填されてシール部が形成されてなるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、多孔体から構成される中間プレートの所定部分に樹脂が充填されてシール部が形成される。シール部の心材である多孔体は、充填された樹脂が収縮しても変形しない。従って、シール部と他の部位との間に段差が生じることを抑制することができる。
【０００９】
前記セパレータにおいて、周縁部分に樹脂が充填されて周縁シール部が形成されてなるとともに、周縁シール部の内側に冷媒流路部が形成されてなる中間プレートを採用することができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜とその両面に配設された電極とを有する膜・電極接合体と、前記セパレータと、を交互に積層して構成した積層体を備えるものである。
【００１１】
かかる構成を採用すると、セパレータの中間プレートのシール部と他の部位との間に段差が生じることを抑制することができるので、セパレータの電極対向プレートと接合体の電極との接触面の面圧を均一にすることができる。これにより、シール機能が確保され、ガスリークの発生を抑制することができるとともに、電極へのガス供給のばらつきや接触抵抗の増大等に起因する発電性能の低下を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明に係るセパレータの製造方法は、電解質膜とその両面に配設された電極とを有する接合体の第一の電極側の面に対向する第一の電極対向プレートと、接合体の第二の電極側の面に対向する第二の電極対向プレートと、第一の電極対向プレートと第二の電極対向プレートとの間に配設され多孔体から構成される中間プレートと、を備え、接合体に隣接配置されて燃料電池を構成するセパレータの製造方法であって、中間プレートの第一の電極対向プレート側の面及び／又は第二の電極対向プレート側の面の所定部分に樹脂膜を配置する樹脂膜配置工程と、樹脂膜を加熱しつつ中間プレートに押圧することにより、樹脂膜を溶融させ中間プレートの所定部分に含浸・充填させて中間プレートのシール部を形成する樹脂含浸工程と、を備えるものである。
【００１３】
かかる方法を採用すると、中間プレートの所定部分に樹脂膜を配置し、この樹脂膜を加熱しつつ中間プレートに押圧することにより、樹脂膜を溶融させ中間プレートの所定部分に含浸・充填させて、中間プレートのシール部を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、樹脂製のシール部を設けたフラットセパレータにおいて、シール部と他の部位との間に段差が生じることを抑制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】
【００１５】
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池１と、燃料電池１を構成するセパレータ２０と、について説明する。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、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。
【００１６】
燃料電池１は、図１に示すように、多数の単電池２を積層したスタック構造を有している。単電池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。燃料電池１は、接合体１０とセパレータ２０が交互に積層されることにより構成されており、これにより、多数の単電池２を積層した積層体が形成されている。このモジュールの両端に位置する単電池２の外側には、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。
【００１７】
単電池により構成される燃料電池としては、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。本実施形態では、接合体１０としてＭＥＧＡを用いることとする。
【００１８】
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の単電池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。
【００１９】
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。
【００２０】
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
【００２１】
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（第一の電極）側の面に対向する燃料極対向プレート（第一の電極対向プレート）２１と、接合体１０の空気極（第二の電極）側の面に対向する空気極対向プレート（第二の電極対向プレート）２２と、燃料極対向プレート２１と空気極対向プレート２２との間に配設される中間プレート２３（図４）と、を備えている。セパレータ２０は、接合体１０の平面形状に対応する形状を有しており、接合体１０とセパレータ２０を積層すると、セパレータ２０を構成する３枚のプレートは、接合体１０の全面に亘って配設される。
【００２２】
セパレータ２０を構成する３枚のプレートは一体に接合されるが、その接合時には、隣接するプレート間に樹脂シール材２４（図５）を介設して３枚のプレートを積層する。樹脂シール材２４は、熱可塑性のシート状の樹脂材（樹脂膜）であり、例えば、ラミネートフィルムが用いられる。樹脂シール材２４は、ホットプレス法により溶融されて中間プレート２３の周縁部分に含浸・充填され、固化することによりシール部を形成する。
【００２３】
燃料極対向プレート２１及び空気極対向プレート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板を用いて形成される。金属板の材質には、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。燃料極対向プレート２１及び空気極対向プレート２２の周縁部には、各々、隣接する接合体１０のガスマニホールド１３ａに連通する位置に、ガスマニホールド２１ａ、２２ａが形成されている。また、冷媒用マニホールド１３ｂに連通する位置に、冷媒用マニホールド２１ｂ、２２ｂが形成されている。ガスマニホールド２１ａ、２２ａ及び冷媒用マニホールド２１ｂ、２２ｂは燃料極対向プレート２１及び空気極対向プレート２２を積層方向に貫通しており、打ち抜き加工等により形成することができる。
【００２４】
中間プレート２３は平板状の多孔体から構成されており、例えば、カーボン製のものが用いられる。中間プレート２３として用いられる多孔体の微細孔は、独立気泡のように他の微細孔から区画されておらず互いに連通されているため、多孔体内を冷却水や反応ガス等の流体が透過可能である。また、この多孔体は厚さ方向に所定の圧縮強度を有しており、多孔体に含浸・充填させた溶融樹脂が固化する際に収縮しても多孔体の厚みは変化せず、その形状を維持することができる。また、多孔体は、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】
中間プレート２３は、図４に示すように、周縁部に所定幅のフレーム部２３ａが設けられている。フレーム部２３ａに囲まれた内部の領域（図４に示す領域Ａ）は、冷媒を流すための冷媒流路部２３ｂとして用いられる。フレーム部２３ａは、隣接する燃料極対向プレート２１及び空気極対向プレート２２のガスマニホールド２１ａ、２２ａや冷媒用マニホールド２１ｂ、２２ｂに対応する部位（図４の領域Ｂ及び領域Ｃ）を除いて、溶融した樹脂シール材２４が含浸・充填される。すなわち、フレーム部２３ａは、特定の部位（領域Ｂ及びＣ）を除いて、多孔体の微細孔に樹脂が充填され、目止めされた状態となる。よって、フレーム部２３ａは、冷媒流路部２３ｂを外部からシールする周縁シール部として機能する。
【００２６】
中間プレート２３のフレーム部２３ａの特定の部位（ガスマニホールド２１ａ、２２ａに対応する領域Ｂや冷媒用マニホールド２１ｂ、２２ｂに対応する領域Ｃ）には、反応ガスや冷媒を流すための貫通孔（ガスマニホールド２３ｃ及び冷媒用マニホールド２３ｄ）が設けられている。なお、中間プレート２３は多孔体から構成されているため、樹脂が充填されない特定の部位（領域Ｂ及び領域Ｃ）には反応ガスや冷媒を透過させることができる。従って、敢えて貫通孔を設けなくても、これら特定の部位をガスマニホールドや冷媒用マニホールドとして機能させることもできる。
【００２７】
中間プレート２３の冷媒流路部２３ｂは、多孔体の微細孔を通って冷却水等の冷媒を流すことができる。中間プレート２３の冷媒流路部２３ｂは、中間プレート２３のフレーム部２３ａに設けられた冷媒用マニホールド２３ｄと、燃料極対向プレート２１及び空気極対向プレート２２に設けられた冷媒用マニホールド２１ｂ、２２ｂと、を経由して接合体１０に設けられた冷媒用マニホールド１３ｂに連通している。
【００２８】
ここで、本実施形態に係るセパレータ２０の製造方法のうち、中間プレート２３を構成する多孔体に樹脂シール材２４を充填する工程について説明する。
【００２９】
まず、樹脂シール材２４を、中間プレート２３の樹脂含浸部分に対応する形状にカットしてフレーム部２３ａの片面又は両面に積層し、図６（Ａ）に示すように、中間プレート２３を構成する多孔体と燃料極対向プレート２１との間（及び／又は多孔体と空気極対向プレート２２との間）に配置する（樹脂膜配置工程）。次いで、樹脂シール材２４を加熱しつつ多孔体に押圧することにより、樹脂シール材２４を溶融させ多孔体の樹脂含浸部分（所定部分）の微細孔に含浸・充填させて中間プレート２３のシール部を形成する（樹脂含浸工程）。
【００３０】
本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、多孔体に含浸された樹脂が収縮しても樹脂含浸部分の多孔体が変形せず、多孔体の厚みが一定に保たれている。従って、ホットプレス法によるシール部の形成を行っても、樹脂が含浸されたフレーム部２３ａと樹脂が含浸されない冷媒流路部２３ｂの境界に段差が生じず、フレーム部２３ａを含む中間プレート２３全体の表面の平滑性が維持されている。
【００３１】
以上説明した実施形態に係るセパレータ２０は、接合体１０の燃料極側の面に対向する燃料極対向プレート２１と、空気極側の面に当接する空気極対向プレート２２と、これらの間に配設される中間プレート２３と、の３枚のプレートを積層して一体に接合した３層構造のフラットセパレータであり、中間プレート２３と燃料極対向プレート２１との間（及び／又は中間プレート２３と空気極対向プレート２２との間）に樹脂シール材２４を配設して形成される。中間プレート２３は多孔体からなり、この多孔体の周縁部を構成するフレーム部２３ａに、溶融した樹脂が含浸され、固化される。かかる構成により、フレーム部２３ａの多孔体に含浸した樹脂が固化し、多孔体を心材として備えたシール部が中間プレート２３の周縁部に形成される。多孔体をシール部の心材とすると、樹脂が固化して収縮しても心材には変形が生じないので、フレーム部２３ａと冷媒流路部２３ｂとの境界（すなわちシール部と他の部位との境界）に段差が生じることを抑制することが可能となる。
【００３２】
従って、本実施形態に係るセパレータ２０を用いて構成した燃料電池１においては、接合体１０の燃料極及び空気極とセパレータ２０との接触面の面圧を均一にすることができる。これにより、シール機能が確保され、ガスリークの発生を抑制することができる。また、燃料極や空気極へのガス供給のばらつきや接触抵抗の増大等に起因した発電性能の低下を抑制することができる。
【００３３】
比較のために、図７に従来のセパレータ１２０の断面構成を示す。セパレータ１２０に用いられる中間プレート１２３は多孔体ではなく、フレーム部１２３ａは樹脂のみで構成されている。このような構成では、フレーム部１２３ａに配設された樹脂が溶融され固化する際に収縮することにより、フレーム部１２３ａの厚みが中間プレート１２３の厚みよりも薄くなってしまう。よって、中間プレート１２３とフレーム部１２３ａの境界に段差が生じる。このような従来の構成では、燃料極及び空気極とセパレータ１２０との接触面の面圧が不均一となり、ガスリークが発生し易くなるとともに、発電性能の低下が生じ易くなっている。本実施形態では、このような不具合の発生を抑制することができる。
【００３４】
なお、以上の実施形態においては、樹脂膜（ラミネートフィルム）をフレーム部２３ａに重ねてホットプレス法で加熱・溶融することにより、樹脂を多孔体の微細孔に充填してシール部を形成する方法を採用したが、このように樹脂膜をホットプレス法で溶融させる方法に代えて、予め溶融させた樹脂をフレーム部２３ａに注入することにより多孔体の微細孔に充填する方法を採用することもできる。
【００３５】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池を燃料電池車両に搭載する例を示したが、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）に本発明に係る燃料電池を搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池を、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してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】図１に示す燃料電池を構成する単電池の断面図である。
【図３】（Ａ）は図２に示す単電池を構成する接合体の分解斜視図であり、（Ｂ）は図２に示す単電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図４】図３（Ｂ）に示すセパレータを構成する中間プレートの平面図である。
【図５】図４に示す中間プレートに配置される樹脂シール材の平面図である。
【図６】図３（Ｂ）に示すセパレータの製造方法を説明するための部分断面図であり、（Ａ）は中間プレートへの樹脂含浸前の状態を示すもの、（Ｂ）は中間プレートへの樹脂含浸後の状態を示すものである。
【図７】従来のセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池、２…単電池、１０…接合体、１１ａ…電解質膜、１１ｂ…触媒層（電極）、２０…セパレータ、２１…燃料極対向プレート（第一の電極対向プレート）、２２…空気極対向プレート（第二の電極対向プレート）、２３…中間プレート、２３ａ…フレーム部（周縁シール部）、２３ｂ…冷媒流路部、２４…樹脂シール材（樹脂膜）。
【図１】
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【図２】
2008305706.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008305706.tif 000007
【図６】
2008305706.tif 000008
【図７】
2008305706.tif 000009