(57)【要約】【課題】金属材料を使用しても成形品に反りが発生せず、また従来の金属セパレータと比べて軽く生産性の高い新規なセパレータを提供する。【解決手段】セパレータ１０の発電領域に対向する部分を金属プレート２２で形成する。金属プレート２２を取り囲む外枠部分を樹脂部材で形成した樹脂外枠部２１とする。反応ガスを供給するマニホールド１３，１４を金属プレート２２以外の領域に形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電領域に対向する部分が金属プレートで形成され、該金属プレートを取り囲む外枠部分が樹脂部材で形成されており、反応ガスを供給するマニホールドが前記金属プレート以外の領域に形成されていることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記マニホールドの一部が金属プレート部と樹脂外枠部との境界部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記金属プレート部は、金属薄板の両面に交互に波形に溝が形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記金属プレート部の反応ガスを導入しない一方の面の溝端部に、樹脂部材にて流路を封鎖した構造を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記金属プレート部の端部は、少なくとも２枚以上の樹脂部材により挟持されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記金属プレート部から前記樹脂外枠部に至る金属製補強部材が前記マニホールドを越えるように架橋されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
単位セルが複数積層される燃料電池積層体において、
請求項６記載の燃料電池セパレータを備えた単位セルを少なくとも１つ使用したことを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項８】
単位セルが複数積層される燃料電池積層体において、
請求項６記載の燃料電池セパレータを備えた単位セルを少なくとも２つ使用し、
該セルの積層される位置によって、前記燃料電池セパレータを主面内で１８０［°］回転させたことにより、前記金属製補強部材によるマニホールドの架橋位置が互いに異なっていることを特徴とする燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池においてセル間を分離するとともに各セルに反応ガスを供給する燃料電池セパレータ及び燃料電池積層体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノード（負極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード（正極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
【化１】
アノード反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                …（１）
カソード反応：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    …（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する原燃料を改質して得た水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する原燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
上記燃料電池において、各極に反応ガスを流し、またガス及び冷却水等の分離を行うセパレータが使用されることは公知であり、またセパレータの面上には凹凸構造の複雑なガス流路（冷却水の場合は冷却流路）が施されていることも既に公知である。反応ガスもしくは冷却媒体を流すセパレータとしては、例えば、特許文献１にあるように、プレスした金属プレートにゴム材料の被覆層で防食処理を施したものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２４１７０９号公報（第５頁、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属プレートを最も安価に大量生産できると思われるプレスによってマニホールド穴を打抜き加工する場合、成形品には大きな反りが発生し生産性が乏しいという問題点があった。
【０００７】
更に金属セパレータは黒鉛を主成分とするセパレータと比べて、その比重が大きいために電池の重量あたりの出力が劣るという問題点があった。この場合、単純に比較すると同体積では黒鉛系セパレータと比較して金属セパレータは３〜５倍の重量負荷が生じる。これを解消するためにプレート自身の厚さを極限にまで小さくする必要があるが、薄くした場合には燃料電池スタックの圧縮力に対する形状安定性に問題があり、このため金属プレートの薄肉化には限界があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、発電領域に対向する部分が金属プレートで形成され、該金属プレートを取り囲む外枠部分が樹脂部材で形成されており、反応ガスを供給するマニホールドが前記金属プレート以外の領域に形成されていることを要旨とする燃料電池セパレータである。
【０００９】
また、本発明は、上記問題点を解決するため、発電領域に対向する部分が金属プレートで形成され、該金属プレートを取り囲む外枠部分が樹脂部材で形成されており、反応ガスを供給するマニホールドが前記金属プレート以外の領域に形成され、前記マニホールドの一部が金属プレート部と樹脂外枠部との境界部に配置され、前記金属プレート部から前記樹脂外枠部に至る金属製補強部材が前記マニホールドを越えるように架橋された燃料電池セパレータを用いて燃料電池積層体を構成したことを要旨とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、発電領域に対向する複雑なガス流路を金属プレートに単独で形成し、該金属プレートを取り囲む外枠部分を樹脂部材で形成したことにより、従来のガス流路部とこれを取り囲む外枠部とともにマニホールド穴を形成する場合に比べて、燃料電池セパレータの歪みを抑制できるという効果がある。
【００１１】
また、マニホールドを金属プレート部に配置しないことで、金属プレートへマニホールド部を形成するための打ち抜き工程を省略することができ、代わって金属プレート部以外の部分、すなわち加工しやすい樹脂外枠部にマニホールドを配置することで生産性を向上させることができるという効果がある。
【００１２】
更に、金属と比べて比重の小さい樹脂を燃料電池セパレータの一部に使用することで燃料電池積層体の重量を軽減させることができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池セパレータの基本構成を示した概略図である。固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、固体電解質の両面に電極を形成した膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ）の発電領域に対向するセパレータの部分には、目的、用途によって様々なデザインのガス流路溝が配置される。
【００１４】
本発明に係る燃料電池セパレータ（以下、単にセパレータと呼ぶ）１０においては、ＭＥＡの発電領域に対向する部分を金属プレート１２とし、金属プレート１２を囲むように樹脂外枠部１１を設けている。
【００１５】
金属プレート１２は、面全体に流路が配置されるのが望ましいが、樹脂部１１と接続するための接続部（流路が形成されずＭＥＡの発電領域に対向しない部分）が必要である。
【００１６】
樹脂外枠部１１は、金属プレート１２を囲うように配置され、さらに樹脂外枠部１１には、例えば燃料ガス用のマニホールド１３や酸化剤ガス用のマニホールド１４を配置することができる。
【００１７】
金属プレート１２の素材としては、燃料電池の運転状態及び保存状態において、アノードにおける水素イオン濃度に対して耐食性を有し、薄板に加工することができる金属材料、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン系合金等の耐食性金属を使用することができる。さらに耐食性を向上させるために、表面に金（Ａｕ）などの貴金属をメッキすることや導電性を有する樹脂をコーティングすることもできる。
【００１８】
本実施形態では、耐食性の特に高いオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６（１８Ｃｒ−１０Ｎｉ−２．５Ｍｏ  ）の厚さ０．１［ｍｍ］の平板を素材とし、プレス加工により両面に波形の溝を形成した後に、表面に金メッキを施して金属プレート１２を得た。
【００１９】
樹脂外枠部１１の素材としては、燃料電池に対する必要特性、すなわち耐熱性、耐加水分解・水性、耐酸性、水素・酸素に対する不透過性を満たす樹脂ならば、公知のいずれの樹脂も使用することができる。
【００２０】
更に樹脂外枠部１１をスペーサとして使用する場合、上記要求特性に絶縁性という特性も必要である。本実施形態では樹脂外枠部１１にポリイミド樹脂を用いた。
【００２１】
［第１実施形態］
図２は、本発明に係る燃料電池セパレータの第１実施形態を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿う断面図、（ｃ）は組立を説明する側面図、（ｄ）は隣接するセパレータの配置を説明する側面図である。
【００２２】
金属プレート１２は、上述仕様の金属板に溝底及びリブ上面幅ともに１［ｍｍ］、深さ０．５［ｍｍ］、溝とリブ（凹凸）のテーパー角度１０［°］の波型状にプレスしたものである。図２では便宜上のため、実際より流路本数を少なく省略して図示している。
【００２３】
図２（ａ）では紙面上側がＭＥＡに対向する面で、上面の溝内に反応ガスが流れる。従って裏面の溝部には冷却媒体が流れるために、この溝への反応ガスの流入を防止する必要がある。本実施形態ではマニホールド１３に接する金属プレート１２の紙面裏側の溝に樹脂封止材２３を充填した。これ以外に、あらかじめ流路凹凸に沿った樹脂材を成形し、これをはめ込むことによりガスの裏面流路への流れ込みを阻止することも可能である。
【００２４】
金属プレート１２の端部は、対向する２辺がマニホールド１３と直結しており、他の２辺は端部を両面から挟むように、上下２枚の樹脂部材２１ａ、２１ｂと接着される。接着は樹脂部材と金属部材との間に接着剤を使用することもできるし、熱プレスにより樹脂部を金属部に溶着させることも可能である。接着剤も前述した樹脂部材と同様な特性を備え、また熱水への不純物溶出がないものであれば公知のいずれの素材を使用することが可能である。
【００２５】
例えば樹脂部材の一方に金属プレート厚さ分の段差２１ｃを設けることで、２枚の樹脂部材２１ａ、２１ｂが面同士で接着することが可能である。
【００２６】
本実施形態のセパレータを用いて燃料電池積層体を構成する場合、隣り合うセパレータ１０Ａ、１０Ｂは、図２（ｄ）に示すように、主面内で互いに９０［°］回転させた関係になり、冷却水は互いに直交した溝を流れる構造となる。なお、セパレータ１０Ａでは便宜上波板の方向が分かるように図示してあり、実際はセパレータ１０Ａも側面から見た場合はセパレータ１０Ｂと同様に樹脂外枠部２１が見える。
【００２７】
［第２実施形態］
第２実施形態では、図３に示すように第１実施形態におけるセパレータのマニホールド１３を金属プレート２２と樹脂外枠２１とを架橋する形で金属プレート２２の溝幅と同じ幅の金属補強部材２６を取り付けた。
【００２８】
金属補強部材２６は金属プレート２２と一体であり、樹脂外枠部２１に取り付けられた構造である。自動車用の燃料電池は家庭用の燃料電池等に比べて高出力が要求されるので、セパレータ１０は、例えば家庭用燃料電池に比べて比較的大きくなる。このため、マニホールド１３の横方向の長さが長くなりセパレータ１０を持ち上げた場合、金属プレート２２がたわむ可能性がある。
【００２９】
従って、金属プレート２２の左右両辺を樹脂外枠部２１に接続するだけではなき、金属プレート２２に上下両辺も樹脂外枠部２１に固定する金属補強部材２６を用いることで上記の問題が改善される。
【００３０】
金属補強部材２６は樹脂部材が延長されて金属プレート２２で接続される構造も実施可能であるが、好ましくは金属プレート２２の端部から延長されて樹脂外部２１で固定されるのが好ましい。これは、金属製である方がより強固であることや、接続方法がより容易であるからである。本実施形態では金属プレート２２から延長された金属補強部材２６を樹脂外枠部２１を構成する部材２１ａ、２１ｂ（図２）によって挟み込み、加熱することで溶融接着を行って固定した。
【００３１】
更に、図３に示すように、本実施形態では、金属補強部材２６の配置方法として、一方（図中上方）のマニホールド１３では、その中央に位置する部分に、他方（図中下方）マニホールド１３にはその長さを３等分する位置に２箇所配置した。
【００３２】
このような形状で１種類のセパレータを製作し、スタック組立時に異なるセル間、好ましくは隣接セル間で、セパレータの向きを主面内で１８０［°］回転させることで、架橋部位が連通したマニホールドを通過する反応ガスに乱流を発生させるために、マニホールド内のガス拡散性が向上し、燃料電池積層体を構成する各セルへのガス分配性が向上する。
【００３３】
金属補強部材２６はセパレータやマニホールドのサイズにより適宜その位置と数を決めることができるが、本実施形態のように１種類のセパレータを回転させて使用できる構造が望ましい。
【００３４】
［第３実施形態］
図４は第３実施形態のパレータを示す概略図であり、（ａ）樹脂外枠部３１の基本形状図、（ｂ）燃料電池積層体の構成説明図、（ｃ）発電面側概略図、（ｄ）冷却面側概略図を示している。
【００３５】
樹脂外枠部３１には、発電領域対向部を取り囲むようにマニホールド１３及び１４が形成され、金属プレート３０のマニホールド１３側端部を支持するように、樹脂外枠部３１を左右を接続するブリッジ部３２が形成されている。
【００３６】
ブリッジ部３２上には、金属プレート３０上に形成された溝端部を閉塞するように樹脂流路封鎖部３５および３６がそれぞれ隣り合った流路溝３３および３４に配置されている。樹脂流路封鎖部３５および３６は、１つの流路溝毎に配置される。
【００３７】
これにより、一方のマニホールドから導入された反応ガスは流路溝の末端部で行き止まりになり、ＭＥＡのガス拡散層を通過して隣接する流路溝を流れて排出される構成になる。
【００３８】
また、樹脂外枠部３１高さを、金属プレートの波形の高さと規定荷重を掛けた場合のガス拡散層の厚さとを足し合わせた高さと等しくするように設定することで、マニホールド１３から流路溝３４へのガス導入部において、導入される反応ガスが樹脂流路封鎖部３５もしくは３６をショートカットして流路に流れ込むことを防ぎ、結果として反応ガスを効率よく使用することが可能である。
【００３９】
また、これにより設計した厚さ及び潰れ量を確保してガス拡散層を使用することが可能になる。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、樹脂外枠部３１の金属プレート３０が配置される領域の４隅の直ぐ外側には、冷却水マニホールド３７及び３８が貫通穴として配置される。これらの貫通穴は金属プレート３０に配置することもできるが、抜き打ちの工程や、この加工によりプレートに僅かな凹凸が生じることが懸念されるため、樹脂外枠部３１に配置されることが望ましい。
【００４１】
冷却面では発電領域対向面と同様に、金属プレート３０の流路溝端部において樹脂のブリッジ部３９が配置される。このブリッジ部３９では冷却面側の全ての溝が樹脂により封鎖されマニホールド１３から反応ガスが流れ込むのを防ぐようになっている。また、ブリッジ部３９は、隣接するセパレータの樹脂外枠部３１の符号４０で示す部分と当接することになる。
【００４２】
なお、図４（ｂ）の積層のパターンになるように、セパレータ１０Ａと、セパレータ１０Ａを主面内で９０［°］回転させたセパレータ１０Ｂと、電極膜構造体（ＭＥＡ）１５とを積層して燃料電池積層体を構成する。これにより、一つの燃料電池セルのＭＥＡ１５は、セパレータ１０Ａから水素が供給され、セパレータ１０Ｂから空気が供給され、セパレータ１０Ａと１０Ｂとの間には冷却水チャネルが形成されるようになる。こうして、１種類のセパレータで燃料電池積層体を構成することができる。
【００４３】
［第４実施形態］
図５は、第４実施形態のセパレータを示す構成図である。金属プレート４２はＭＥＡの発電領域に対向する位置に配置され、金属プレート４２の外周部には樹脂外枠部４１が接合される。金属プレート４２の発電領域対向面は紙面裏側にあたり、紙面上側は冷却面になる。
【００４４】
第４実施形態のガス流路デザインは、金属プレート４２の一端に設けられた一方のマニホールドより導入された反応ガスが途中で行き止まりになるような流路溝とし、ＭＥＡのガス拡散層を通過して、他方のマニホールドに接続するガス流路溝より排出される櫛型構造のガス流路溝を有する。
【００４５】
金属プレート４２の両端部は、樹脂外枠部４１に固定され、他の両辺と樹脂部との間でマニホールド４４ａ，４４ｂを形成している。冷却面のマニホールド４５ａ，４５ｂと接する２辺上にはマニホールドから冷却面へ反応ガスが流れ込むのを防ぐように樹脂封止材４３を取り付けてある。
【００４６】
樹脂封止材４３は、前述した燃料電池構成用の樹脂部材として必要な種々の特性を有していれば公知のどの部材を使用しても良い。樹脂封止部材４３の厚み調整に関しても第３実施形態と同様である。
【００４７】
このようにセパレータの冷却面側に樹脂封止材４３を配置することで、冷却溝は１本の蛇行した流路を形成し、冷却水用のマニホールド４５ａ、４５ｂを配置することで冷却剤を循環させることが可能となる。
【００４８】
［第５実施形態］
図６は、第５実施形態のセパレータを示す概略図である。樹脂外枠部４１に反応ガス漏れを防止するガスケット５１を配置した。
【００４９】
ガスケット５１の素材は、シリコンゴム等の公知のいずれの材料を使用しても可能である。ガスケット５１は、例えば、未架橋のゴム原料をガスケット形状に樹脂外枠部４１に塗布後、加熱してゴム分子間の架橋（加硫）をしてもよい。
【００５０】
また、予め樹脂外枠部４１にガスケットを配置する溝を、例えば射出成形などで直接形成して、ガスケット５１に相当する部材を填め込む方法でもよい。
【００５１】
更に、ガスケット５１を第４実施形態の樹脂封止材４３に接続させ、冷却水を効果的に封止することも望ましい。また、樹脂外枠部４１の表面全体に弾性を有する樹脂をコーティングすることで同様の効果も期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池セパレータの基本構成を表す概略図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池セパレータを示す概略図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池セパレータを示す概略図である。
【図４】第３実施形態の燃料電池セパレータを示す概略図である。
【図５】第４実施形態の燃料電池セパレータを示す概略図である。
【図６】第５実施形態の燃料電池セパレータを示す概略図である。
【符号の説明】
１０…セパレータ
１０Ａ…セパレータ（基準方向）
１０Ｂ…セパレータ（９０°回転方向）
１０Ｃ…セパレータ（１８０°回転方向）
１１…樹脂外枠部
１２…金属プレート
１３…マニホールド
１４…マニホールド
２１…樹脂外枠部
２１ａ…発電面側の樹脂外枠部
２１ｂ…冷却面側の樹脂外枠部
２２…金属プレート
２３…樹脂封止材
２６…金属補強部材
３０…金属プレート
３１…樹脂外枠部
３２…ブリッジ部
３３…流路溝
３４…流路溝
３５…樹脂流路封鎖部
３６…樹脂流路封鎖部
３７…冷却材マニホールド（入口）
３８…冷却材マニホールド（出口）
３９…ブリッジ部
４０…相手側ブリッジ部への当接部
４１…樹脂外枠部
４２…金属プレート
４３…樹脂封止材
４４…マニホールド
４５…冷却水マニホールド
４６…冷却水流れ方向
４７…ガス流路
４８…ガス流路
５１…ガスケット
５２…金属補強部材
【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】
2004296138.tif 000007
【図６】
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