(57)【要約】【課題】  複数の部材を有する燃料電池用セパレータにおいて、振動や熱膨張差等により生じる外部の力による部材間のずれを防止することを可能にする燃料電池用セパレータ、及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ユニットセルの面方向に複数の部材Ｉ、IIを積層して接合し、複数の部材のうちの一の部材Ｉと他の部材IIとを隣接させて接合面７ａ、７ｂを形成するとともに、少なくとも一つの接合面において、他の部材には少なくとも一部に接合面から突出する凸部を備え、凸部の少なくとも一部は、一の部材の内部側に喰い込ませる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニットセルの面方向に複数の部材が積層されて接合され、前記複数の部材のうちの一の部材と他の部材とが隣接して接合面を形成するとともに、少なくとも一つの接合面において、前記他の部材には少なくとも一部に前記接合面から突出する凸部が備えられ、前記凸部の少なくとも一部は、前記一の部材の内部側に喰い込んでいることを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記凸部を備える他の部材の硬さは、前記一の部材の硬さより大であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記複数の部材は、前記ユニットセルの面方向に直交する方向に形成された穴を有する第１部材と、前記穴の内周壁と略同一形状の外周壁を備えた第２部材とを含み、前記第１部材の穴に前記第２部材が配設され、前記内周壁と前記外周壁とが当接されて前記接合面を形成していることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記第２部材は、前記第１部材を構成する材料より大きな硬さを有する多孔質材料により形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
ユニットセルの面方向に直交する方向に貫通孔を形成した第１部材と、前記第１部材より大きな硬さを有する多孔質物質にて前記貫通孔の形状に形成した第２部材とを具備し、前記第１部材の貫通孔に前記第２部材を押し込んで接合した燃料電池用セパレータであって、前記第１部材と前記第２部材とがなす接合面では、前記第２部材が有する凸部が、前記第１部材内部側に喰い込んでいる燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
燃料電池用セパレータの製造方法であって、
ユニットセルの面方向に直交する方向に貫通孔を有する第１部材を形成する第１工程と、
前記第１部材よりも大きな硬さを有する材料により、前記貫通孔の内周壁と略同一形状を有するとともに少なくとも一部に凸部を有する外周壁、を備える第２部材を形成する第２工程と、
前記第２部材を前記第１部材の貫通孔に押し込む第３工程と、を含み、
前記第３工程により、前記第２部材外周壁凸部の少なくとも一部が、前記第１部材の貫通孔内周壁内に喰い込むように、前記第１及び２工程において前記第１及び２部材を形成することを特徴とする、燃料電池用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、燃料電池に用いられるセパレータに関し、特に複数の部材からなるセパレータとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の代表的な構成要素であるセパレータは、ユニットセルにおけるガスの気密性を保つ流路を形成するとともにセルで発生した電気を通す導体の役割をも担っている。ユニットセルと交互に積層されるセパレータには、様々な性能が要求される。まず、反応により発生した電子を集電し、隣り合うセル間の電気的コネクターとしての役割をも担うことから、良好な導電性が必要とされる。また、セパレータは、反応ガスのみではなく部分的に電極にも接触しているため、アノード電位、カソード電位、還元雰囲気、酸化雰囲気において化学的に安定であることが求められる。加えて、自動車等移動体の動力源として使用される場合には、耐振動性のほか、機械的強度等が要求される。さらに、反応ガスである水素と酸素とが混合しないように分離したまま電解質膜の反応面全体に供給するため、ガス不透過性が必要とされる場合もある。
【０００３】
燃料電池用セパレータを構成する材料に関しては、種々の検討が行われてきており、さらに、燃料電池に対する要求水準が高められるにつれ、セパレータ各部位に対する上記要求性能及びその水準が異なることに着目して、それぞれの要求性能、水準を満たす複数の部材からなり、これらの部材を接合等して一体化したセパレータが検討されるようになってきている。特許文献１には、ガス流路部材と枠体部材とを一体成形してなる燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路部材用の予備成形体と枠体部材用の予備成形体とを金型に挿入し、一体に熱圧成形する技術が開示されている。また、かかる関連分野に関する技術を開示するものとして特許文献２がある。
【特許文献１】特開２００２−６３９１３号公報
【特許文献２】特開２００１−２８３８８０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、複数の部材により構成し、一体化された燃料電池用セパレータは、作動時や移動時等の振動や高温作動時に生じる熱膨張差によって、部材間にずれが生じるおそれがあるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、複数の部材を一体化して構成された燃料電池用セパレータにおいて、振動や熱膨張差等により生じる外部の力による部材間のずれを防止することを可能にする燃料電池用セパレータ、及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は以下の解決手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、ユニットセルの面方向に複数の部材が積層されて接合され、複数の部材のうちの一の部材と他の部材とが隣接して接合面を形成するとともに、少なくとも一つの接合面において、他の部材には少なくとも一部に接合面から突出する凸部が備えられ、凸部の少なくとも一部は、一の部材の内部側に喰い込んでいることを特徴とする、燃料電池用セパレータを提供するものである。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、他の部材側に設けられた凸部が、一の部材の内部側に突出して喰い込むので、燃料電池用セパレータを構成する両部材の接合面内のずれを防止することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、凸部を備える他の部材の硬さは、それに接合されている一の部材の硬さより大であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、凸部の硬さは一の部材よりも大きいので、他の部材に設けられた凸部を一の部材側に喰い込ませて、両部材を一体化することが容易となる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、複数の部材はユニットセルの面方向と直交する方向に形成された穴を有する第１部材と、穴の内周壁と略同一形状の外周壁を備えた第２部材とを含み、第１部材の穴に第２部材が配設され、内周壁と外周壁とが当接されて接合面を形成していることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、第１部材と第２部材とは嵌合構造となるので、第１部材の穴に第２部材をはめ込むだけで、両部材を一体化することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池用セパレータにおいて、第２部材は第１部材を構成する材料より大きな硬さを有する多孔質材料により形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、大きな硬さを持つ第２部材の凸部が第１部材に容易に喰い込むので、両部材間にずれ防止効果を容易に生じさせることができる。また、多孔質材料は、それ自体凸部を備えるので、凸部を加工により形成する必要がない。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、ユニットセルの面方向と直交する方向に貫通孔を形成した第１部材と、第１部材より大きな硬さを有する多孔質物質にて貫通孔の形状に形成した第２部材とを具備し、第１部材の貫通孔に第２部材を押し込んで接合した燃料電池用セパレータであって、第１部材と第２部材とがなす接合面では、第２部材が有する凸部が、第１部材内部側に喰い込んでいる燃料電池用セパレータを提供するものである。
【００１５】
請求項５の発明によれば、第１部材の貫通孔内に押し込んで接合された第２部材が多孔質物質で形成されているので、その微小な凸部が第１部材の内部に喰い込んで両部材間のずれを防止することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、燃料電池用セパレータの製造方法であって、ユニットセルの面方向と直交する方向に貫通孔を有する第１部材を形成する第１工程と、第１部材よりも大きな硬さを有する材料により貫通孔の内周壁と略同一形状を有するとともに少なくとも一部に凸部を有する外周壁を備える第２部材を形成する第２工程と、第２部材を第１部材の貫通孔に押し込む第３工程とを含み、第３工程により第２部材外周壁凸部の少なくとも一部が、第１部材の貫通孔内周壁内に喰い込むように、第１及び２工程において第１及び２部材を形成することを特徴とする、燃料電池用セパレータの製造方法を提供するものである。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、２つの部材からなる燃料電池用セパレータに関して、第１部材と第２部材とが接合面でずれることを抑制できる燃料電池用セパレータを、簡単な方法により製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池用セパレータとその製造方法によれば、２以上の部材を有する燃料電池用セパレータにおいて、振動等の外部力による部材間のずれを防止することが可能となり、当該特徴を有する燃料電池用セパレータを容易に製造する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池用セパレータを示す断面図である。燃料電池用セパレータ１００は、第１部材Ｉと、第２部材IIとを備え、これら２部材が燃料電池スタックを組み立てる際にユニットセルの面方向（図１における紙面上下方向）に積層して配置されている。第１部材Ｉは、例えばアルミニウム等の金属材料にて形成されている。第２部材は、ポーラスな（多孔質）ステンレス鋼等の金属材料により形成されている。第２部材IIの硬さは第１部材Ｉの硬さより大きい。第１部材Ｉと、第２部材IIとは、後に説明する接合方法により形成した接合面７ａ、７ｂ（図１において、楕円形の鎖線により囲まれている部分）を介して一体化されている。
【００２０】
燃料電池用セパレータ１００を構成する第１部材Ｉの表面には、燃料電池内部の電気化学反応により発生した熱を冷やすための冷却水通水溝５、５、５、…と、この冷却水及び下記する冷却用空気のシールをはかるガスケットが配置されるべき溝４、４、４が刻設されている。また、第２部材IIの表面には、上記熱を冷やすための冷却用空気の通気溝６、６、６が刻設されている。
【００２１】
図２は、燃料電池用セパレータ１００をカソード側に配置して構成された燃料電池のユニットセルを示す図である。なお、図１において説明したものと同一の部材等がある場合には、図１と同一の参照符号を付してその説明を省略する。ユニットセル５００は、アノード２１０とカソード１１０とが、膜／電極接合体（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly））１５０を両側から挟み込むように配置されている。本発明にかかる燃料電池用セパレータ１００は、電気化学反応による熱が発生するカソード１１０側に配置され、これと対をなすアノード２１０側には、全体が金属材料で形成されたアノード側セパレータ２００が配置されている。さらに、ユニットセル５００を積層して燃料電池スタックを構成し、燃料電池として使用される。
【００２２】
燃料電池の作動状態においては、カソード１１０側では、
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
なる反応が進行し、カソード１１０の下流側は上記反応により生成された水により水分リッチな雰囲気となる。
【００２３】
一方、カソード１１０側のセパレータ１００では、反応により生じた熱を冷却するため、通水溝５、５、５、…には冷却水が、通気溝６、６、６にはドライな冷却用空気が供給されている。一方、カソード下流側では生成水リッチとなっているため、両者の水の分圧差によって、水は多孔質体を通過して通気溝側に移動し、冷却用空気を加湿する。この加湿された冷却用空気は、その後カソード１１０に供給されて、上記反応にあずかるとともに、ＭＥＡ１５０を適度な水分に保つ。したがって、かかる構成をとることにより、カソード１１０下流側でのフラッディングを抑制し、カソード１１０に供給する空気の加湿器設置を省略することが可能になる。
【００２４】
再び図１に戻り説明を続ける。本実施形態にかかる燃料電池用セパレータ１００において、第２部材IIは多孔質なステンレス鋼により形成されておりその硬さは、アルミニウムで形成された第１部材Ｉの硬さよりも大きい。第２部材IIは、その多孔質ステンレス鋼の表面の微細な凸部が第１部材Ｉとの接合面７ａ、７ｂから第１部材Ｉの内部へと喰い込んでいる。このような構成をとるため、第１部材Ｉには、ユニットセル５００の面方向に直交する方向（図の左右方向）に、あらかじめ第２部材IIの大きさよりわずかに小さな形状の貫通孔５０が形成されている。この貫通孔５０に硬さが大きく多孔質ステンレス鋼材料で形成された第２部材IIを上記面方向に直交する方向に押し込んで燃料電池用セパレータ１００を形成する。このように形成された燃料電池用セパレータ１００は、多孔質ステンレス鋼材料からなる第２部材IIの微小な凸部が第１部材Ｉに喰い込んでいるため、二部材が堅固に一体化され、作動時や移動時等の振動や高温作動時に生じる熱膨張差によって、部材間にずれが生じることが防止される。またかかる燃料電池用セパレータ１００は、第１部材Ｉの貫通孔５０に第２部材IIを押し込むという簡易な加工で作製することができる。
【００２５】
以上に本発明にかかる燃料電池用セパレータの一実施形態について説明したが、以下においては上記実施形態をさらに一般化して本発明を説明する。
【００２６】
本発明は、ユニットセルの面方向に複数の部材を積層して接合する燃料電池用セパレータを提供するものである。このように複数の部材を燃料電池用セパレータに使用するのは、セパレータの部位により、セパレータとして要求される性能／水準が異なることに対応して、セパレータ全体として性能の最適化をはかるためである。例えば、上記実施形態において説明したように、セパレータを複数の部材で構成して、そのうちの一部材のみ多孔質材料で構成することにより、その部分にガス及び／または液体の透過性、浸透性を付与し、他の部分はガス不透過性にすることが考えられる。また、一部分のみを、異なる熱伝導性、異なる耐食性を有する材料により構成して、燃料電池用セパレータとして、特有の機能、性能を強化することなどが考えられる。
【００２７】
図３は、この様な複数の部材により構成された燃料電池用セパレータの一実施形態を概略的に示す斜視図である。なお、以下の説明においては、燃料電池用セパレータを構成する複数の部材の（板状の）概略形状のみ示し、表面に形成されている流路等は省略して表す。この実施形態では、図３（ａ）に示すように、ユニットセルの面方向に直交する方向に穴２が形成された第１部材Ｉと、穴２と同一形状に、形成された第２部材IIとが別体に製造される。そして図３（ｂ）に示すように、第１部材Ｉの穴２の内部に第２部材IIを配置することにより、二部材からなる燃料電池用セパレータ１０が作製される。
【００２８】
図４は、第１部材Ｉと第２部材IIとの接合面の断面を概念的に示す拡大図である。本発明において、複数の部材のうち、一の部材と隣接して接合面を形成する他の部材の少なくとも一部には接合面から突出する凸部が備えられ、凸部の少なくとも一部は、他の部材と接合されている一の部材の内部側に喰い込んでいる。なお、図４においては、接合面が鎖線Ｘで示されている。図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、第２部材IIには第１部材Ｉに面する側に多数の凸部２１ａ、２１ａ、２１ａ、…（図４（ａ））；２１ｂ、２１ｂ、２１ｂ、…（図４（ｂ））；２１ｃ、２１ｃ、２１ｃ、…（図４（ｃ））が、接合面Ｘから突出するように形成されている。これら凸部は、図４（ａ）に示されているようにその先端側の一部が第１部材Ｉの内部側に突出していてもよいし、図４（ｂ）のように全体が第１部材Ｉの内部側に喰い込むように突出していてもよい。なお、上記説明では、第２部材IIに凸部が設けられていることを前提としているが、第１部材Ｉに凸部を設けて第２部材IIの内部側に突出させても同様の効果を得ることができる。また、ここにいう接合面は、マクロ的には、第１部材Ｉと第２部材IIとが当接している面であり、ミクロ的には、図４において鎖線Ｘにより示されているように、両部材の中間にあって両部材間を仕切る仮想面である。凸部は必ずしも接合面全体に形成されている必要はなく、両部材間のずれを防止できる範囲において適宜配置されていればよい。
【００２９】
本発明において凸部の形状は特に限定されるものではないが、例えば図４（ａ）及び（ｂ）のように断面形状三角形であってもよいし、図４（ｃ）のように断面形状四角形であってもよい。またこれらの形状以外の多角形や円形、楕円形等の形状もとり得る。これらの中で、接合する工程が、第一部材Ｉの穴２に、それより僅かに大きく形成された第２部材IIを押し込むことにより両部材を接合して燃料電池用セパレータを作製する加工である場合には、先端が尖っている形状が好ましい。
【００３０】
また本発明において、凸部の大きさは特に限定されるものではなく、第１部材Ｉと第２部材IIとの間のずれを防止することができる程度の大きさであれば、目視できる大きさであってもよいし、電子顕微鏡レベルで確認できる大きさであってもよい。これらの中で、接合する工程が、上記した「押し込む工程」である場合に、押し込み加工を容易なものとするという観点からは、接合面内で両部材のずれを防止するという本発明の効果を奏することができる範囲内で、所定の大きさ以下であることが好ましい。
【００３１】
図５は、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、第１部材Ｉに対して第２部材IIがとる形状のパターンを例示する平面図である。本発明において、第１部材Ｉに対する第２部材IIの平面視形状は特に限定されない。第２部材IIは、一つの第１部材Ｉに対して（ａ）〜（ｃ）、（ｇ）、（ｈ）、及び（ｊ）〜（ｌ）に示すように、一部材であってもよいし、（ｄ）〜（ｆ）、及び（ｉ）に示すように複数の部材であってもよい。また第２部材IIの形状は、（ａ）〜（ｇ）、（ｉ）、（ｋ）、及び（ｌ）に示すような矩形、（ｈ）に示すような円形や楕円形、あるいは（ｊ）に示すようなサーペンタイン形状であってもよい。また、的確なシール性を確保するという観点からは、第２部材IIは、その周囲を第１部材Ｉにより囲まれていることが好ましい。したがって、（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｋ）、及び（ｌ）よりも、（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｇ）〜（ｊ）に示されているパターンで第１部材Ｉ及び第２部材IIが形成された燃料電池用セパレータが好ましい。
【００３２】
図６は、第１部材Ｉ内の第２部材IIを、ユニットセルの面方向に直交する面により切断した場合の断面を示す図である。図６において紙面左右方向がユニットセルの面方向である。本発明において、図に示す断面での第１部材Ｉに対して第２部材IIがとる形状は特に限定されるものではなく、例えば（ａ）に示すように両部材の接合面Ｘがユニットセルの面方向に直交する方向に、第１部材Ｉの両面を貫通していてもよい。また（ｂ）に示すように、両部材の接合面Ｙが第１部材Ｉの厚さ方向の途中までであってもよい。さらに（ｃ）に示すように、両部材の接合面Ｚがユニットセルの面方向に直交する方向に対し角度を持っていてもよく、また（ｄ）に示すように第１部材Ｉの厚さ方向に第２部材IIの図の水平方向の断面が次第に縮小するような形状でもよい。これらの中で、第１部材Ｉを切削等により形成する加工工程の容易性、両部材を接合する工程の容易性、及び両部材間のずれ防止のしやすさ等の観点からは（ａ）に示す第１部材Ｉ、及び第２部材IIの形状が好ましい。
【００３３】
本発明において、第１部材Ｉに対する第２部材IIの接合方法は特に限定されるものではないが、加工が容易であるという観点からは、第１部材Ｉの穴２（図３参照）の内周壁形状よりわずかに第２部材IIの外周壁形状を大きく形成し、当該第２部材IIを第１部材Ｉの穴２に押し込む接合工程をとることが好ましい。この場合に凸部が形成されている部材（本実施形態では第２部材II）の硬さは、接合される相手方の部材（本実施形態においては第１部材Ｉ）の硬さより大であることが好ましい。両部材間の硬さの差は、上記押し込み加工の際に両部材間に凝着が生じない範囲で適宜選択する。また、加工の容易性と、加工後の両部材間のずれを確実に防止するという観点から、凸部の大きさは、押し込み加工が可能な範囲で大きなものが好ましい。さらに凸部の加工が不要であるという観点から、第２部材IIを形成する材料として、多孔質材料を使用することも好ましい。多孔質材料を使用することにより、セパレータ両面間に流体（気体、液体）を流通させることができるという利点もある。かかる多孔質材料として、ポーラスに形成されたカーボン、あるいはメッキ法、発泡法等により製造される発泡金属、あるいは焼結金属などを使用することができる。
【００３４】
本発明における第１部材Ｉに対する第２部材IIの接合方法として、上記押し込み加工する方法のほかに、第２部材IIを中子として、第１部材Ｉを鋳造、または射出成型する方法、または、第２部材IIを所定の処理（例えば加熱、電離放射線の照射等）によりわずかに膨張する材料にて形成し、第１部材Ｉの穴２の内部に配置後、前記所定の処理を施す方法等が挙げられる。
【００３５】
本実施形態において、第１部材Ｉを構成する材料は、第１部材Ｉの割れやクラックを防止するとともに、第２部材IIの多孔質材料の凸部を容易に喰い込ませるという観点から、金属や導電性樹脂であることが好ましい。また本発明で、複数の部材により形成される複数の接合面のうち、全ての接合面に凸部が形成されている必要はなく、たとえば、二つの接合面があるうちの一つの接合面のみに凸部が形成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池用セパレータを示す断面図である。
【図２】燃料電池用セパレータをカソード側に配置して構成された燃料電池のユニットセルを示す図である。
【図３】本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図４】第１部材と第２部材との接合面の断面を概念的に示す拡大図である。
【図５】第１部材に対して第２部材がとる形状のパターンを例示する平面図である。
【図６】第１部材内の第２部材を、ユニットセルの面方向に直交する面により切断した場合の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｉ  第１部材
II  第２部材
Ｘ、Ｙ、Ｚ  接合面
２  穴
４  ガスケット用溝
５  冷却水用溝
６  冷却空気用溝
７ａ、７ｂ  接合面
１０  燃料電池用セパレータ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  凸部
５０  貫通孔
１００、２００  燃料電池用セパレータ
１１０  カソード
１５０  ＭＥＡ
２１０  アノード
５００  ユニットセル
【図１】
2005197187.tif 000003
【図２】
2005197187.tif 000004
【図３】
2005197187.tif 000005
【図４】
2005197187.tif 000006
【図５】
2005197187.tif 000007
【図６】
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