(57)【要約】【課題】燃料電池セパレータを容易に重ねて接合でき、燃料電池スタックの組立性を良好とする。【解決手段】燃料電池セパレータ１，２を多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータ１，２において、２枚の燃料電池セパレータ１，２のうち一方の燃料電池セパレータ１に溶着リブ１３を設け、溶着によって、２枚の燃料電池セパレータ１，２を一体化する。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータにおいて、
２枚の前記セパレータの少なくとも一方に溶着代部を設け、溶着によって、２枚の前記セパレータを一体化することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
溶着によって、２枚の前記セパレータの一体化と同時に、溶着した部分でシール対象領域のシールを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
溶着によって、膜・電極接合体（ＭＥＡ）を挟み込んだ状態で２枚の前記セパレータを一体化して１つのセルを構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、セパレータ同士の導電部を接触させて導電性を確保しつつ前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータにおいて、
２枚の前記セパレータの少なくとも一方に溶着代部を設け、溶着によって、２枚の前記セパレータを導電部を接触させて一体化しつつ、溶着した部分で循環水路のシールを行うことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素、酸素（空気）を反応させて、水を得る過程で電気を取り出す原理を用いて発電する電池である。燃料電池では、水素イオンを透過する電解質膜を挟み込むように２枚のセパレータが配置されている。２枚の燃料電池セパレータで電解質膜を挟み込んだものを一単位のセルと呼び、セルを何層にも重ね合わせて、すなわち燃料電池セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
セルに用いられる燃料電池セパレータは、燃料電池スタックの構成部品ごとに、水素、酸素等のガスを遮断するためのガスケットの配置が必要であり、ガスケットを配置する工程やガスケットの部品代がかさみ、コスト高となる問題があった。
【０００４】
また、燃料電池セパレータは、重ね合わされた２枚の燃料電池セパレータの間で、水素、酸素、冷却水を遮断する機能と導電性機能とを有する必要がある。このために、燃料電池セパレータの材質の一つとして、樹脂混合炭素系材が用いられている。しかし、樹脂混合炭素系材で導電性を向上させるためには、炭素粉体の混合比率を多くする必要があるため、燃料電池セパレータは強度不足となる。この強度不足の場合にガスケット等を挟み込んで押圧すると、燃料電池セパレータは損傷し易いという問題があった。
【０００５】
このような強度不足による破損を改善するため、特許文献１には、燃料電池セパレータの反応領域以外は導電率が低く、強度のある樹脂で２色成形を行う方法が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２０８１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の技術でも、２枚の燃料電池セパレータの間にガスケットを配置しており、その組立工程から燃料電池スタックの組立性が改善されてはいなかった。
【０００７】
図６に示すように、冷却水循環部の冷却水の循環水路１０６を形成する２枚の燃料電池セパレータ１０１，１０２の間は、互いの電極部１０３，１０４同士が通電可能に導通するように２枚の燃料電池セパレータ１０１，１０２を接触させる必要があり、かつ、２枚の燃料電池セパレータ１０１，１０２の間に冷却水及び水素や酸素のガスをシールするガスケット１０５を配置する必要があった。このような場合には、接触状態を保てなかったり、ガスケットへの押圧が足りなくなったりする等、燃料電池スタックへと組み立てる組立性が悪かった。
【０００８】
また、燃料電池スタックへと組み立てる際には、燃料電池セパレータをボルト等で重ねて押圧して組まれるため、燃料電池スタックの構成部材の位置ズレや仕様に応じた緩みが問題となっていた。
【０００９】
本発明は上記従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、容易に重ねて接合でき、燃料電池スタックの組立性が良好な燃料電池セパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明にあっては、セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータにおいて、２枚の前記セパレータの少なくとも一方に溶着代部を設け、溶着によって、２枚の前記セパレータを一体化することを特徴とする。
【００１１】
この構成では、溶着だけで容易に２枚の燃料電池セパレータを一体化することができ、容易に燃料電池セパレータを重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。特に、燃料電池スタックへと組み立てる際に、溶着だけで済み、燃料電池セパレータをボルト等で重ねて押圧して組む必要がないため、燃料電池スタックの構成部材の位置ズレや仕様に応じた緩みが生じず、品質の向上を図ることもできる。
【００１２】
溶着によって、２枚の前記セパレータの一体化と同時に、溶着した部分でシール対象領域のシールを行うことが好適である。
【００１３】
この構成では、ガスケット等の他の部材を必要とせずに燃料電池セパレータ間の流体（水素、酸素、冷却水）のためのシール対象領域のシールを行うことができ、他の部材を必要としないことによる部品点数の減少ができ、かつ、他の部材の配置を行う必要がないことによる工程数の削減ができ、コストダウンを図ることができる。
【００１４】
溶着によって、膜・電極接合体（ＭＥＡ）を挟み込んだ状態で２枚の前記セパレータを一体化して１つのセルを構成することが好適である。
【００１５】
この構成では、溶着だけで容易に膜・電極接合体（ＭＥＡ）を挟み込んだ状態で２枚の燃料電池セパレータを一体化することができ、容易に燃料電池セパレータを重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。
【００１６】
セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、セパレータ同士の導電部を接触させて導電性を確保しつつ前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータにおいて、２枚の前記セパレータの少なくとも一方に溶着代部を設け、溶着によって、２枚の前記セパレータを導電部を接触させて一体化しつつ、溶着した部分で循環水路のシールを行うことを特徴とする。
【００１７】
この構成では、溶着によって、２枚の燃料電池セパレータを一体化することによって、循環水路のシールを行って冷却水の漏れを防止し、かつ、２枚の燃料電池セパレータの導電部を接触させて導通を確保することができ、容易に燃料電池セパレータを重ねて冷却水循環部を形成して燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池セパレータは、容易に重ねて接合でき、燃料電池スタックの組立性が良好である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
燃料電池セパレータ同士は、溶着によって一体化され、これを重ねて燃料電池スタックを組み立てる。これによって、容易に燃料電池セパレータを重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。特に、燃料電池スタックへと組み立てる際に、溶着によるだけで、燃料電池セパレータをボルト等で重ねて押圧して組む必要がないため、燃料電池スタックの構成部材の位置ズレや仕様に応じた緩みが生
じず、品質の向上を図ることもできる。
【実施例１】
【００２０】
図１を参照して、実施例１に係る燃料電池セパレータについて説明する。図１（ａ）は実施例１に係る燃料電池セパレータの溶着前状態を示す断面図であり、図１（ｂ）は実施例１に係る燃料電池セパレータの溶着後状態を示す断面図である。
【００２１】
本実施例の燃料電池セパレータ１，２は、燃料電池スタックの何層にも重ね合わされた発電部を形成するセルがいくつか（例えば５層、１０層など）重なった間隔で冷却水循環部を形成する場合に用いられる。冷却水循環部を形成する燃料電池セパレータ１，２は、セル同士の間に循環する冷却水を取り入れるために燃料電池セパレータ１，２同士を接合する。
【００２２】
ここで、セルは、２つの燃料電池セパレータと、２つの燃料電池セパレータに挟み込まれる電解質膜と、を備え、発電部を形成する。このため、本実施例でのセル同士を接合する間（冷却水循環部）は、燃料電池セパレータ１，２の電解質膜に向く面の裏面同士を接合することになる。
【００２３】
この冷却水循環部を形成する２枚の燃料電池セパレータ１，２のうち、一方は水素ガスを燃料極（導電部としての電極部）に流通させるセパレータであり、他方は酸素ガスを導電部としての空気極（電極部）に流通させるセパレータである。２枚の燃料電池セパレータ１，２の極３，４（電極部）は、冷却水循環部において、重ねられていく燃料電池セパレータ１，２が取り出す電気のための直列回路を形成できるように、互いの極３，４が通電可能に接触させられる。
【００２４】
本実施例の燃料電池セパレータ１，２は、概略正方形の熱可塑性樹脂を主成分とした材料からなるセパレータ本体５，６に対して、中心に矩形の極３，４（導電部としての電極部）が配置してある。また、極３，４へ水素、酸素等のガスを流通させるためのマニフォールド７，８がセパレータ本体５，６に設けられている。
【００２５】
極３，４には、互いの燃料電池セパレータ１，２の非対向面側である外側に電解質膜へと送るガスを通すための第１溝９，１０がそれぞれ設けられている。また、極３，４には、燃料電池セパレータ１，２の対向する内側に循環する冷却水を通すための第２溝１１，１２がそれぞれ設けられている。内側の第２溝１１，１２は、燃料電池セパレータ１，２が接合すると、トンネル状の循環水路となるように（図１（ｂ）参照）、両燃料電池セパレータ１，２の対向面での位置を一致させて設けられている。
【００２６】
極３，４は、金属材、樹脂混合炭素材、焼成炭素材等の一般に用いられる導電性材料を用いている。特に、極力、燃料電池セパレータ１，２同士を密接することができ、導電性に優れることが好ましい。
【００２７】
極３，４は、セパレータ本体５，６の成形時に既に完成していなければならず、製造工程では初めに製造される。極３，４の製造は、例えば、黒鉛粉と熱可塑性樹脂を混合した材料を用いて、圧縮成形又は射出成形にて行われる。
【００２８】
特に、極３，４は、周囲のセパレータ本体５，６が熱可塑性樹脂を主成分としていることから、接合性を考慮して、熱可塑性樹脂混合炭素系材が用いられることが好ましい。さらに好ましくは、極３，４の熱可塑性樹脂混合炭素系材の熱可塑性樹脂は、セパレータ本体５，６の熱可塑性樹脂と同一であるとよい。なお、極３，４の熱可塑性樹脂混合炭素材では、熱可塑性樹脂成分が２〜３０重量％の範囲で配合され、その他の配合材を含んでも
よい。また、その他の導電性材料を極３，４に用いる場合には、熱可塑性樹脂を主成分とするセパレータ本体５，６との接合の問題から、接合箇所には予め接着剤を塗布する等の処置を施す。
【００２９】
セパレータ本体５，６の熱可塑性樹脂を主成分とした材料としては、熱可塑性樹脂が少ないためにその後の溶着工程にて接合が不十分となることがないように、熱可塑性樹脂単独か、熱可塑性樹脂を５０重量％以上、好ましくは８０重量％以上含有しているものを用いている。特に、本実施例では、セパレータ本体５，６の熱可塑性樹脂を主成分とした材料は、絶縁性であっても導電性を有していても構わない。
【００３０】
また、本実施例での熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリアセタール、非液晶ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミドや、これらのブレンド樹脂等、一般に成形可能なものが挙げられる。
【００３１】
セパレータ本体５，６は、成形型内に極３，４を配置した状態で、熱可塑性樹脂を主成分とした材料を用いて射出成形等によって成形される。
【００３２】
燃料電池セパレータ１，２は、２枚の燃料電池セパレータ１，２同士を重ねるように並列配置した時に、互いの間でマニフォールド７，８が接続されて、ガスを通過させるため流路を形成する。
【００３３】
そして、互いの燃料電池セパレータ１，２が溶着される前の図１（ａ）に示すように、燃料電池セパレータ１のセパレータ本体５には、燃料電池セパレータ２に対向して、断面三角形の溶着リブ１３（溶着代部）が突出して設けられている。溶着リブ１３は、溶着時に溶解して燃料電池セパレータ１，２を接合、一体化する。この溶着リブ１３は、従来、ガスケットが配置されていた、マニフォールド７の周りと、極３の周りと、を囲って形成されている。
【００３４】
図１（ｂ）に示すように、互いの燃料電池セパレータ１，２が溶着された後は、溶着リブ１３はその形状を残存させずに溶解し、燃料電池セパレータ１，２が面接触状態で一体化され、極３，４同士が接触し極３，４同士の導通が確保されている。また、溶着リブ１３のあった溶着部分は、溶着リブ１３がマニフォールド７の周り及び極３の周りを囲って形成されていたため、ガスケットが配置されなくても、溶着後にマニフォールド７，８の周り及び極３，４の周りを封止し、燃料電池セパレータ１，２の間で接続されたマニフォールド７，８の流路を通過するガスのシールを行うと共に接触した極３，４間の第２溝１１，１２による循環水路を流れる冷却水のシールを行う。
【００３５】
なお、溶着リブ１３の数、形状、位置は、図１（ｂ）に示すように、溶着によって残存せず、溶着後に燃料電池セパレータ１，２同士が面接触することができるように形成されていれば特に限定されるものではない。また、本実施例では、溶着リブ１３を燃料電池セパレータ１のセパレータ本体５に形成していたが、逆に燃料電池セパレータ２のセパレータ本体６に形成してもよい。さらに、本実施例では、溶着リブ１３を、マニフォールド７を囲む部分と極３を囲む部分とに形成することで、溶着でマニフォールド７，８及び極３，４のシールも行える構成としたが、いずれか一方だけを溶着で行い、他方は別途ガスケットを配置してシールするようにしてもよい。また、シールは行わない位置に溶着リブによる溶着箇所を形成してもよい。ただし、ガスケットを配置する場合には、燃料電池セパレータの全体を均等に溶着できるように各構成の配置を決定することが好ましい。
【００３６】
燃料電池セパレータ１，２の溶着は、熱溶着、超音波溶着、振動溶着、高周波誘導加熱溶着等で行われる。溶着は、所定の燃料電池スタック構成部材を組み立て、溶着リブ１３を溶着して燃料電池セパレータ１，２を一体化する。
【００３７】
この溶着の際、燃料電池セパレータ１，２の全面を同じ押圧力で型締めする。これによって、燃料電池セパレータ１，２同士の平面度及び密着性が向上する。
【００３８】
以上の本実施例では、溶着だけで容易に２枚の燃料電池セパレータ１，２を一体化することができ、これによってマニフォールド７，８の接続部分のシール及び循環水路となる第２溝１１，１２の形成された極３，４の接触領域のシールを行ってガス及び冷却水の漏れを防止し、かつ、２枚の燃料電池セパレータ１，２の極３，４を接触させて導通を確保することができ、容易に燃料電池セパレータ１，２を重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。特に、燃料電池スタックへと組み立てる際に、燃料電池セパレータ１，２をボルト等で重ねて押圧して組む必要がないため、燃料電池スタックの構成部材の位置ズレや仕様に応じた緩みが生じず、品質の向上を図ることもできる。
【実施例２】
【００３９】
図２、図３を参照して、実施例２に係る燃料電池セパレータについて説明する。図２（ａ）は実施例２に係る燃料電池セパレータの溶着前状態を示す断面図であり、図２（ｂ）は実施例２に溶着リブを図２（ａ）のＡ部領域を拡大して示す断面図である。図３は実施例２の他の例の溶着リブを拡大して示す断面図である。
【００４０】
なお、本実施例では、特徴部分だけを説明するものとし、上記実施例で説明した事項については、同構成には同符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本実施例では、冷却水循環部において、燃料電池セパレータ１，２の両方にそれぞれ溶着リブ１３，１４を設けた場合である。図２に示すように、燃料電池セパレータ１の溶着リブ１３は、実施例１と同様に、断面三角形の突起である。これに対し、溶着リブ１３に対向する位置で、燃料電池セパレータ２には、先端が凹んだ断面二股で突出した突起の溶着リブ１４が形成されている。
【００４２】
本実施例では、一対の形状の異なる溶着リブ１３，１４が対向配置されているために、断面三角形の溶着リブ１３の先端が断面二股の溶着リブ１４の先端の凹みに嵌り、位置決めが確実に行える。したがって、燃料電池セパレータ１，２の一体化において位置ズレが生じず、品質の向上を図ることができる。
【００４３】
なお、本実施例では、両燃料電池セパレータ１，２の溶着リブ１３，１４が位置決めを行うために一方が他方に嵌る構成としたが、これに限られない。例えば図３に示すように、単純に両方の溶着リブ１３，１４とも断面台形の突起であってもよい。
【実施例３】
【００４４】
図４を参照して、実施例３に係る燃料電池セパレータについて説明する。図４は実施例３に係る燃料電池セパレータの溶着前状態を示す断面図である。
【００４５】
なお、本実施例では、特徴部分だけを説明するものとし、上記実施例で説明した事項については、同構成には同符号を付して説明を省略する。
【００４６】
本実施例では、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４７を挟み込んだ状態で２枚の燃料電池セパレータ４１，４２を一体化して発電部たる１つのセルを構成する場合である。
【００４７】
本実施例での燃料電池セパレータ４１，４２は、互いの間にガスケット４８を介してＭＥＡ４７を挟み込む１単位のセルを構成するセパレータである。ＭＥＡ４７は、ガスの両極（層）を電解質膜で挟み込んで一体化したものである。
【００４８】
燃料電池セパレータ４１，４２の中心は、極ではなく、他のセルと接続して直列回路を形成するための導電性を有する導電部４３，４４である。また、セパレータ本体４５，４６は、ＭＥＡ４７の両導電部４３，４４がセパレータ本体４５，４６を介して短絡しないように、熱可塑性樹脂に非導電性の充填剤を配合しても構わないが、絶縁性で形成される。
【００４９】
本実施例では、燃料電池セパレータ４１，４２を重ねる発電部において、一対の溶着リブ１３，１４をマニフォールド７，８の周りを囲って設けている。一対の溶着リブ１３，１４は、実施例２で説明したように、断面三角形の溶着リブ１３の先端が断面二股の溶着リブ１４の先端の凹みに嵌るもので、燃料電池セパレータ４１，４２同士を位置決めできるものである。
【００５０】
以上の実施例３に説明したように、セルを構成する発電部に溶着リブ１３，１４を用いて溶着によって燃料電池セパレータ４１，４２を一体化することもできる。これによっても、容易に燃料電池セパレータ４１，４２を重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。
【実施例４】
【００５１】
図５を参照して、実施例４に係る燃料電池セパレータについて説明する。図５は実施例４に係る燃料電池セパレータの溶着前状態を示す断面図である。
【００５２】
なお、本実施例では、特徴部分だけを説明するものとし、上記実施例で説明した事項については、同構成には同符号を付して説明を省略する。
【００５３】
本実施例では、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４７を挟み込んだ状態で２枚の燃料電池セパレータ５１，５２と、２枚の燃料電池セパレータ５３，５４を一体化して発電部たるセルを構成すると共に、そのセル同士の間（燃料電池セパレータ５２，５３間）に所定の間隔で形成される冷却水循環部を構成する場合である。
【００５４】
本実施例での燃料電池セパレータ５１，５２及び燃料電池セパレータ５３，５４は、互いの間にガスケット４８を介してＭＥＡ４７を挟み込む１単位のセルとそのセルの間に冷却水循環部とを構成する燃料電池セパレータ５２，５３である。ＭＥＡ４７は、ガスの両極（層）を電解質膜で挟み込んで一体化したものである。
【００５５】
燃料電池セパレータ５１，５２，５３，５４の中心は、極ではなく、セル同士を接続して直列回路を形成するための導電性を有する導電部５５，５６，５７，５８である。特に冷却水循環部では、導電部５６，５７同士は接触して導電性を確保する。また、セパレータ本体６１，６２，６３，６４は、ＭＥＡ４７を挟む導電部５５，５６，５７，５８がセパレータ本体６１，６２，６３，６４を介して短絡しないように、熱可塑性樹脂に非導電性の充填剤を配合しても構わないが、絶縁性で形成される。
【００５６】
本実施例では、燃料電池セパレータ５１〜５４を重ねる発電部及び冷却水循環部において、燃料電池セパレータ５１〜５４の両面形成された溶着リブ１３，１４が対向し、対向する一対の溶着リブ１３，１４をマニフォールド６５，６６，６７，６８の周りを囲って設けている。溶着リブ１３，１４は、燃料電池セパレータ５１〜５４の両面において片面
ごとに形状を異ならせており、実施例２で説明したように、断面三角形の溶着リブ１３の先端が断面二股の溶着リブ１４の先端の凹みに嵌るもので、燃料電池セパレータ５１〜５４の重なる２枚をそれぞれ位置決めできるものである。
【００５７】
以上の実施例４に説明したように、セルを構成する発電部及び冷却水循環部に溶着リブ１３，１４を用いて溶着によって燃料電池セパレータ５１〜５４を一体化することもできる。これによっても、容易に燃料電池セパレータ５１〜５４を重ねて燃料電池スタックを組み立てることができ、燃料電池スタックの組立性が良好である。
【００５８】
なお、本実施例では、シール性が極めて要求される冷却水循環部の燃料電池セパレータ５２．５３を先にしっかりと溶着するか、同時に全ての燃料電池セパレータ５１〜５４を溶着する方法が採用される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例１に係る燃料電池セパレータの溶着前と溶着後を示す断面図である。
【図２】実施例２に係る燃料電池セパレータの溶着前と溶着リブを示す断面図である。
【図３】実施例２の他の例に係る溶着リブを示す断面図である。
【図４】実施例３に係る燃料電池セパレータの溶着前を示す断面図である。
【図５】実施例４に係る燃料電池セパレータの溶着前を示す断面図である。
【図６】従来技術に係る燃料電池セパレータの冷却水冷却部の組み付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，２，４１，４２，５１，５２，５３，５４  燃料電池セパレータ
３，４  極
５，６，４５，４６，６１，６２，６３，６４  セパレータ本体
７，８，６５，６６，６７，６８  マニフォールド
９，１０  第１溝
１１，１２  第２溝
１３，１４  溶着リブ
４３，４４，５５，５６，５７，５８  導電部
４８  ガスケット
【図１】
2005078827.tif 000003
【図２】
2005078827.tif 000004
【図３】
2005078827.tif 000005
【図４】
2005078827.tif 000006
【図５】
2005078827.tif 000007
【図６】
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