(57)【要約】【課題】金属セパレータの連通孔が設けられた角部の強度を確実に向上させることができ、簡単な構成で、良好なシール性を保持することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる幅狭な、すなわち、強度の低い各角部に、荷重受け部５０間に位置して角部補強リブ６２が設けられる。角部補強リブ６２は、流路シール部４６ａよりも大きな断面積を有するとともに、前記角部補強リブ６２の単位長さ当たりの締め付け荷重は、前記流路シール部４６ａのシール線圧と同等以下に設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が設けられる金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの角部には、少なくとも反応ガスを積層方向に流す連通孔が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータの外周部には、前記角部を挟んで第１樹脂製荷重受け部及び第２樹脂製荷重受け部が設けられるとともに、
前記第１樹脂製荷重受け部と前記第２樹脂製荷重受け部との間には、前記シール部材の前記連通孔を周回する外周シール部よりも大きな断面積を有する角部補強リブが設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記角部補強リブの単位長さ当たりの締め付け荷重は、前記外周シール部のシール線圧と同等以下に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記金属セパレータの外周端部は、積層方向一方に屈曲するとともに、
前記角部補強リブは、前記金属セパレータの前記積層方向一方とは反対の積層方向他方側に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記角部補強リブは、断面形状が台形状に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記角部補強リブは、前記シール部材と同一の材料で前記金属セパレータに一体に成形されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池において、前記第１樹脂製荷重受け部及び前記第２樹脂型荷重受け部には、絶縁性クリップを一体に挿入するための孔部が前記積層方向に形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、シール部材が設けられる金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの角部には、少なくとも反応ガスを積層方向に流す連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。この種の燃料電池では、車載用として使用する際に、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
この場合、所謂、内部マニホールド型燃料電池では、燃料電池の積層方向に反応ガス及び冷却媒体を流すための連通孔が、前記積層方向に貫通して形成されている。その際、薄板状の金属プレートにシール部材を一体成形した金属セパレータでは、反応ガスを電極面に沿って供給するための反応ガス流路、冷却媒体を前記電極面方向に沿って各セル毎又は複数のセル毎に供給するための冷却媒体流路、及び連通孔を良好にシールする必要がある。
【０００４】
ところで、金属セパレータでは、小型軽量化を図るために、金属プレートの厚さを減少させて薄肉化を図っている。このため、燃料電池の積層時に、隣り合う金属セパレータ間でシール位置がずれる（以下、シールずれともいう）と、シール部材自体の反力（シール線圧によるモーメント）により金属プレートが大きく変形し易い。これにより、特に応力が集中し易い部位、例えば、連通孔の角部のシール性を保持することができないおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図５に示すように、燃料電池用セル１の両側にスペーサ２を介装してパッキン３が配置されるとともに、前記セル１の片側面には、バイポーラセパレータ４が配置されている。セル１及びバイポーラセパレータ４が多数積層されることにより、積層体５が構成されるとともに、前記積層体５は、エンドセパレータ６を介してフランジ７間に配置されている。そして、フランジ７同士がボルト８により締め付けられることにより、積層体５には、所定の締め付け力が付与されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６７５６７号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、セル１の両側に板状のスペーサ２を介装してパッキン３が配置されるとともに、このパッキン３によりバイポーラセパレータ４に形成された複数の連通孔９がシールされている。このため、バイポーラセパレータ４が薄板状金属セパレータで構成される際には、製品寸法や組立精度のばらつきによりシールずれが惹起すると、シール線圧によるモーメントが生じて前記バイポーラセパレータ４が変形し、シール性が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、金属セパレータの連通孔が設けられた角部の強度を確実に向上させることができ、良好なシール性を保持することが可能な燃料電池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】
【０００９】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が設けられる金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの角部には、少なくとも反応ガスを積層方向に流す連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１０】
金属セパレータの外周部には、角部を挟んで第１樹脂製荷重受け部及び第２樹脂製荷重受け部が設けられるとともに、前記第１樹脂製荷重受け部と前記第２樹脂製荷重受け部との間には、シール部材の連通孔を周回する外周シール部よりも大きな断面積を有する角部補強リブが設けられている。
【００１１】
また、角部補強リブの単位長さ当たりの締め付け荷重は、外周シール部のシール線圧と同等以下に設定されることが好ましい。
【００１２】
さらに、金属セパレータの外周端部は、積層方向一方に屈曲するとともに、角部補強リブは、前記金属セパレータの積層方向一方とは反対の積層方向他方側に設けられることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、角部補強リブは、断面形状が台形状に設定されることが好ましく、また、前記角部補強リブは、前記シール部材と同一の材料で金属セパレータに一体に成形されることが好ましい。
【００１４】
さらに、第１樹脂製荷重受け部及び第２樹脂製荷重受け部には、絶縁性クリップを一体に挿入するための孔部が積層方向に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シールずれ等により発生する応力が集中し易い部位、特に金属セパレータの外周部角部には、第１樹脂製荷重受け部と第２樹脂製荷重受け部との間にわたって角部補強リブが設けられている。このため、金属セパレータの外周部角部の変形を確実に阻止することができ、シール性を保持するとともに、燃料電池全体の小型軽量化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部分解概略斜視図である。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを有する単位セル１８備え、前記単位セル１８が矢印Ａ方向に積層されて構成される。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。
【００１８】
図１に示すように、単位セル１８の積層方向両端には、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ、絶縁プレート２２ａ、２２ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。燃料電池１０は、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。
【００１９】
図２に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。
【００２０】
単位セル１８の長辺方向の上端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられる。
【００２１】
単位セル１８の長辺方向の下端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。
【００２２】
単位セル１８の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための上下２つ（又は、１つあるいは３つ以上）の冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａが設けられるとともに、前記単位セル１８の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための上下２つの冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。
【００２４】
カソード側電極３６及びアノード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
【００２５】
第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４０が形成される。
【００２６】
第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４２が形成される。第２金属セパレータ１６の面１６ｂと、第１金属セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。
【００２７】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第１及び第２シール部材４６、４８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００２８】
第１シール部材４６は、面１４ａ側に酸化剤ガス流路４０と酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを囲繞して設けられる流路シール部（外周シール部）４６ａと、燃料ガス供給連通孔２８ａ、燃料ガス排出連通孔２８ｂ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂをそれぞれ周回する周回シール部（外周シール部）４６ｂとを有する。
【００２９】
図３に示すように、第２シール部材４８は、面１６ａ側に燃料ガス流路４２と燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂとを囲繞して設けられる流路シール部（外周シール部）４８ａと、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂをそれぞれ周回する周回シール部（外周シール部）４８ｂとを有する。
【００３０】
図２に示すように、第２シール部材４８は、面１６ｂ側に冷却媒体流路４４と冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂとを囲繞して設けられる流路シール部（外周シール部）４８ｃと、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂをそれぞれ周回する周回シール部（外周シール部）４８ｄとを有する。
【００３１】
第１金属セパレータ１４の外周部には、複数の樹脂製荷重受け部５０が、前記第１金属セパレータ１４を構成する金属プレートの切り欠き部に対応して一体化される。各荷重受け部５０には、孔部５２ａ、５２ｂが互いに並列して設けられる。
【００３２】
第２金属セパレータ１６の外周部には、第１金属セパレータ１４の各荷重受け部５０と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の樹脂製荷重受け部５４が一体化される。各荷重受け部５４には、荷重受け部５０の孔部５２ａ、５２ｂと矢印Ａ方向に連通して孔部５６ａ、５６ｂが形成される。
【００３３】
固体高分子電解質膜３４には、孔部５２ａ、５６ａに連通する孔部５８ａと、孔部５２ｂ、５６ｂに連通する孔部５８ｂとが形成される。各単位セル１８では、孔部５２ａ、５８ａ及び５６ａ又は孔部５２ｂ、５８ｂ及び５６ｂのいずれかに、接続部材、例えば、絶縁性樹脂クリップ６０が挿入される（図２参照）。
【００３４】
第１金属セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる幅狭な、すなわち、強度の低い各角部に、荷重受け部５０間（第１樹脂製荷重受け部と第２樹脂製荷重受け部との間）に位置して角部補強リブ６２が設けられる。角部補強リブ６２は、第１シール部材４６と同一の材料で第１金属セパレータ１４に一体に成形される。
【００３５】
図４に示すように、第１金属セパレータ１４を構成する金属プレートの外周縁部は、面１４ｂ（積層方向一方）側に屈曲するとともに、角部補強リブ６２は、この面１４ｂとは反対の面１４ａ（積層方向他方）側に設けられる。角部補強リブ６２は、断面形状が台形状に設定される。
【００３６】
角部補強リブ６２の幅寸法Ｈ１は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａを周回する流路シール部４６ａの幅寸法Ｈ２よりも幅広に設定されることにより、前記角部補強リブ６２は、前記流路シール部４６ａよりも大きな断面積を有する。角部補強リブ６２の単位長さ当たりの締め付け荷重は、流路シール部４６ａのシール線圧と同等以下に設定される。流路シール部４６ａによる所望のシール機能を保持するためである。
【００３７】
図３に示すように、第２金属セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる各角部に、荷重受け部５４間（第１樹脂製荷重受け部と第２樹脂製荷重受け部との間）に位置して角部補強リブ６４が設けられる。角部補強リブ６４は、第２シール部材４８と同一の材料で第２金属セパレータ１６に一体に成形される。
【００３８】
図４に示すように、第２金属セパレータ１６を構成する金属プレートの外周縁部は、面１６ｂ（積層方向一方）側に屈曲するとともに、角部補強リブ６４は、この面１６ｂとは反対の面１６ａ（積層方向他方）側に設けられる。角部補強リブ６４は、断面形状が台形状に設定される。
【００３９】
角部補強リブ６４の幅寸法Ｈ１は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａを周回する周回シール部４８ｂの幅寸法Ｈ２よりも幅広に設定されることにより、前記補強リブ６４は、前記周回シール部４８ｂよりも大きな断面積を有する。角部補強リブ６４の単位長さ当たりの締め付け荷重は、周回シール部４８ｂのシール線圧と同等以下に設定される。周回シール部４８ｂによる所望のシール機能を保持するためである。
【００４０】
図１に示すように、エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド６６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド６６ｂ、及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド６８ｂが、上下両端縁部に設けられる。
【００４１】
エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに一体に連通する冷却媒体入口マニホールド７０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂに一体に連通する冷却媒体出口マニホールド７０ｂとが設けられる。
【００４２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス入口マニホールド６６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド６８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド７０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４４】
図２に示すように、酸化剤ガスは、各単位セル１８を構成する酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路４０に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３６に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４５】
一方、燃料ガスは、図３に示すように、各単位セル１８を構成する燃料ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入される。この燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４６】
上記のように、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂから酸化剤ガス出口マニホールド６６ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂから燃料ガス出口マニホールド６８ｂに排出される。
【００４８】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド７０ａ内で冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに分流された後、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４４に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂから冷却媒体出口マニホールド７０ｂに排出される。
【００４９】
この場合、第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる各角部が、相当に幅狭に構成されている。このため、互いに隣り合う第１金属セパレータ１４の第１シール部材４６と第２金属セパレータ１６の第２シール部材４８とで、シールずれが惹起すると、シール線圧によるモーメントが発生し、幅狭な、すなわち、強度の低い角部に大きな変形が生じ易い。
【００５０】
そこで、本実施形態では、第１金属セパレータ１４の各角部に、荷重受け部５０間に位置して角部補強リブ６２が設けられている。この角部補強リブ６２は、第１シール部材４６の流路シール部４６ａよりも大きな断面積を有するとともに、前記角部補強リブ６２の単位長さ当たりの締め付け荷重は、前記流路シール部４６ａのシール線圧と同等以下に設定されている。
【００５１】
従って、互いに隣り合う第１シール部材４６と第２シール部材４８とにシールずれが惹起しても、角部補強リブ６２によりシール線圧のモーメントに耐え得ることができる。このため、簡単な構成で、第１金属セパレータ１４の外周部角部の変形を、確実に阻止することが可能になる。
【００５２】
これにより、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂにおけるシール性を確保するとともに、燃料電池１０全体の小型軽量化を図ることができるという効果が得られる。
【００５３】
なお、第２金属セパレータ１６においても、上記の第１金属セパレータ１４と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、第１金属セパレータ１４の外周部には、複数の荷重受け部５０が設けられるとともに、第２金属セパレータ１６の外周部には、前記第１金属セパレータ１４の各荷重受け部５０と矢印Ａ方向に重ね合う位置に対応して、複数の荷重受け部５４が設けられている。されに、各荷重受け部５０、５４は、絶縁性樹脂クリップ６０により接続されている。
【００５５】
このため、燃料電池１０に外方から外部荷重が付与されても、樹脂製荷重受け部５０、５４により確実に受けることができる。これにより、燃料電池１０内では、ずれによるシール性の低下を惹起することを阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解概略斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池の、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】特許文献１に係る燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池                        １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ                １８…単位セル
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート        ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔          ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔            ３０ａ、３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ、３２ｂ…冷却媒体排出連通孔    ３４…固体高分子電解質膜
３６…カソード側電極                  ３８…アノード側電極
４０…酸化剤ガス流路                  ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路                    ４６、４８…シール部材
４６ａ、４８ａ、４８ｃ…流路シール部  ４６ｂ、４８ｂ、４８ｄ…周回シール部
５０、５４…荷重受け部                ６０…絶縁性樹脂クリップ
６２、６４…角部補強リブ
【図１】
2008210700.tif 000003
【図２】
2008210700.tif 000004
【図３】
2008210700.tif 000005
【図４】
2008210700.tif 000006
【図５】
2008210700.tif 000007