(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂フレームを有する樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータは金属セパレータであり、前記セパレータの外縁部は前記樹脂フレーム内に延びるとともに前記樹脂フレーム内に形成されたマニホールドの手前で止まり、前記セパレータの外縁部が、前記樹脂フレームに埋め込まれて前記マニホールドで形成されるガス流路と外部に露出しておらず、かつ、前記樹脂フレームに一体成形されており、
前記樹脂フレームの前記マニホールドより内周側部分には、前記マニホールドと前記樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流路が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記流路は該流路の全長にわたって直線状に延びており、前記流路のセパレータ側部分の内面は前記セパレータの表面と同一面上にある、請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外周部に樹脂フレームを有し該フレームにトンネル状流路を有する燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開平８−１６２１３１号公報は、メタルセパレータ周囲に樹脂フレームを有し、樹脂フレーム内に形成されたそれぞれのマニホールドから燃料ガス、酸化ガスを、樹脂フレームに形成された流路を通してメタルセパレータに形成された燃料ガス流路、酸化ガス流路に供給、排出する燃料電池用セパレータを開示している。樹脂フレーム間にＭＥＡの膜が挟みこまれてシールされるので、樹脂フレームの表面に流路が溝状に露出してシール面に凹凸をつけることはシール上望ましくない。そのために、樹脂フレームに形成された流路は２枚のフレームに溝状流路を形成しておき溝状流路を合わせて２枚のフレームを張り合わせることにより、２枚のフレームの合成フレーム内に形成されている。流路は、セパレータの片側表面の反応ガス流路に連通するために、途中でフレーム板厚方向に屈曲しており、屈曲部には流路に段差がある。
【特許文献１】特開平８−１６２１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の燃料電池用セパレータには、つぎの問題がある。
(i) ２枚の板の張り合わせて合成フレーム内流路を形成するので、２枚の板の合わせ面のシールが新たに問題となる。また、フレームの個数が倍増し、製造コスト、組立てコスト等が大幅に増大する。
(ii)マニホルドからセパレータの片側表面の反応ガス流路までの流路にフレーム板厚方向に屈曲する段差があり、反応ガスの流れの円滑性が阻害される。
本発明の目的は、１つのフレームの板厚内に、段差を持たない流路を形成した燃料電池用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】
【０００４】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂フレームを有する樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータは金属セパレータであり、前記セパレータの外縁部は前記樹脂フレーム内に延びるとともに前記樹脂フレーム内に形成されたマニホールドの手前で止まり、前記セパレータの外縁部が、前記樹脂フレームに埋め込まれて前記マニホールドで形成されるガス流路と外部に露出しておらず、かつ、前記樹脂フレームに一体成形されており、
前記樹脂フレームの前記マニホールドより内周側部分には、前記マニホールドと前記樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流路が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（２）  前記流路は該流路の全長にわたって直線状に延びており、前記流路のセパレータ側部分の内面は前記セパレータの表面と同一面上にある、（１）記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の効果】
【０００５】
上記（１）の燃料電池用セパレータによれば、樹脂フレームにトンネル状の流路が形成されているので、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路の場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題となることがなく、かつ従来２枚であったフレームが１枚となるので、コスト低減をはかることができる。金属セパレータの外縁部が樹脂フレームに埋め込まれて、マニホールドで形成されるガス流路や外部に露出していないので、腐食が抑制される。
上記（２）の燃料電池用セパレータによれば、流路は該流路の全長にわたって直線状に延びており、流路のセパレータ側部分の内面はセパレータの表面と同一面上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて流れ抵抗が低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に、本発明の燃料電池用セパレータを図１〜図６を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図６に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【０００８】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからなる。セパレータ１８は、不透過性で、金属からなる。以下ではセパレータ１８が、複数の金属板からなる場合を示す。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、図３に示すように２セルで１モジュールを構成するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却水流路２６が設けられる。
【００１０】
セパレータ１８は、燃料電池を冷却する冷却水流路を形成するとともに反応ガスの流路を形成する冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスの流路を形成する反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータがある。
セパレータ１８が金属板からなる場合、冷却用セパレータ１８Ａも反応ガス用セパレータ１８Ｂも、複数の金属板を重ね合わせた金属セパレータからなる。金属板は、たとえば、ＳＵＳ（ステンレス）板にニッケルメッキを施したものからなる。
【００１１】
セパレータ１８が金属板からなる場合、冷却用セパレータ１８Ａは、凹凸が形成され外面にガス流路２７を形成する２枚の金属板１８ａ、１８ｂと、該２枚の金属板１８ａ、１８ｂの間に挟まれ、凹凸が形成され、表裏に冷却水流路２６を形成する中間金属板１８ｃとの、合計３枚の金属板を有する。中間金属板１８ｃには、凹凸が形成されていてもよく（ただし、形成されていなくてもよい）、以下では凹凸が形成されている場合を示す。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸は、たとえばディンプル（断面が円錐台形で、各凹凸が非連続の凹凸）であり（ただし、連続した溝状の凹凸でもよい）、中間金属板１８ｃの凹凸は連続した溝状の凹凸である。中間金属板１８ｃは、金属板１８ａ、１８ｂの凹凸の凹部の底壁の内面と接触して、金属板１８ａ、１８ｂを支持している。
【００１２】
セパレータ１８が金属板からなる場合、冷却用セパレータ１８Ａでは、２枚の金属板１８ａ、１８ｂ間のスペースは冷却水流路２６である。冷却水流路２６は、中間金属板１８ｃにより、中間金属板１８ｃの表側の冷却水流路２６ａと中間金属板１８ｃの裏側の冷却水流路２６ｂとに区画される。中間金属板１８ｃの凹凸の凹の幅と凸の幅とは等しく、表側の冷却水流路２６ａと裏側の冷却水流路２６ｂの流れ抵抗は、等しいか、またはほぼ等しい。そして、冷却水は、中間金属板１８ｃの外側のフレーム３１内に形成された冷却水マニホールド２８から金属板１８ｃの表裏の冷却水流路２６に入り、冷却水流路２６ａ、２６ｂを通過した後、冷却水マニホールド２８へ出ていく。中間金属板１８ｃには、表側の冷却水流路２６ａと裏側の冷却水流路２６ｂを連通する穴３０が形成されており、容易にガス抜きされるようになっている。また、耐電食性をもたせるために、金属板１８ａ、１８ｂと中間金属板１８ｃとは同じ材質としてある。
【００１３】
冷却用セパレータ１８Ａでは、金属板１８ａ、１８ｂの外周部位は、それぞれ、樹脂製の平板状のフレーム３１内に延び、フレーム３１内に形成されたガスマニホルド２９の手前で止まり、フレーム３１に一体成形される（たとえば、埋め込まれてインサート成形される）。中間金属板１８ｃの外周部はフレーム３１の内周面かその手前で止まり、フレーム３１内には延びない。中間金属板１８ｃは金属板１８ａ、１８ｂと接触しているが、溶接等による接合はされていない。金属板１８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１８ｂの外周部が埋めこまれたフレームとが分離された時には、中間金属板１８ｃは外されて交換可能である。金属板１８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１８ｂの外周部が埋めこまれたフレームとの間にはガスケット３２が配置されており、冷却水流路２６を外部からシールしている。また、フレーム３１にはトンネル状の流路３３が形成されており、ガスマニホルド２９からのそれぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）をそれぞれのガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）に供給、排出する。
【００１４】
反応ガス用セパレータ１８Ｂは、凹凸が形成され外面にガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成する２枚の金属板１８ａ、１８ｂのみを有し、中間金属板１８ｃは有しない。反応ガス用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金属板１８ａ、１８ｂ間には冷却水は流れない。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸は、たとえばディンプル（断面が円錐台形で、各凹凸が非連続の凹凸）である（ただし、連続した溝状の凹凸でもよい）。
反応ガス用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金属板１８ａ、１８ｂの外周部は、合わされて、１つのフレーム３１に埋め込まれている。合わされた金属板１８ａ、１８ｂの外周部は、フレーム３１内でガスマニホルド２９の手前で止まっている。また、フレーム３１にはトンネル状の流路３３が形成されており、ガスマニホルド２９からのそれぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）をそれぞれのガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）に供給、排出する。
【００１５】
膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）は、冷却用セパレータ１８Ａでは、金属板１８ａ（１８ｂ）の凹凸の凸部と、反応ガス用セパレータ１８Ｂの金属板１８ａ、（１８ｂ）の凹凸の凸部とによって挟まれており、電極部は凸部の裏側で、直接、冷却水により冷却されている。
膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の外周部は隣接するフレーム３１間に挟まれており、膜１１は電極１４、１７よりさらに外周に延びて、隣接するフレーム３１間に挟まれている。
【００１６】
図５、図６は、セパレータ１８周囲にマニホールド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有する樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレータ１８における、樹脂フレーム３１と、セパレータ１８と、トンネル状の流路３３の構造を拡大して示している。
セパレータ１８の金属板１８ａ、１８ｂの外縁部は、ほぼ中央部が抜かれたほぼ四角形状の平板状の枠体からなる樹脂製のフレーム３１の、ガスマニホールド２９より内周側部分に、フレーム３１成形時に、一体成形（たとえば、埋め込まれてインサート成形）されている。金属板１８ａ、１８ｂは、冷却用セパレータ１８Ａにおけるように、１枚の金属板が１枚のフレーム３１にインサート成形されていてもよいし、反応ガス用セパレータ１８Ｂにおけるように、２枚の金属板１８ａ、１８ｂが合わされて１枚のフレーム３１にインサート成形されていてもよい。
【００１７】
樹脂フレーム３１のガスマニホールド２９より内周側部分には、マニホールド２９と樹脂フレーム内周面の内側の反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が流れる空間とを連通するトンネル状の流路３３が形成されている。流路３３は、樹脂フレーム３１の成形時に中子（ピン状の中子）により形成されるもので、１枚のフレーム３１の厚さの範囲内に形成されている。したがって、従来のように２枚の板を張り合わせたフレームの溝からなる流路ではない。
流路３３は該流路の全長にわたって直線状に延びており、従来の流路のようにフレームの板厚方向に屈曲していない。流路３３が直線状に延びているので、成形時にピン状の中子を中子軸方向に抜くことができる。
流路３３のセパレータ１８側部分の内面はセパレータ１８の表面と同一面上にある。したがって、成形時にセパレータ１８と中子が干渉することはない。
【００１８】
上記の、セパレータ１８周囲にマニホールド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有し、樹脂フレーム３１のマニホールド２９より内周側部分に、マニホールド２９と樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流路３３が形成されている、樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレータは、つぎの第１段工程、ついで実行される第２段工程にしたがって、製造される。
第１段工程では、トンネル状流路成形用のピン状の中子をフレーム中間品成形用型内に配して溶融樹脂を注入し樹脂凝固後型から外し中子を抜いて、樹脂フレーム３１のマニホールド２９より内周側部分にトンネル状の流路３３を有しマニホールド２９より外周側部分のうち中子抜き時に中子が干渉する部分（図５の２点鎖線Ｂで囲んだ部分）が欠落したフレーム中間品を形成する。
第２段工程では、第１段工程で製造したフレーム中間品をフレーム最終品成形用型内に配して溶融樹脂を注入して中子抜き時に干渉するために欠落させた部分（図５の２点鎖線Ｂで囲んだ部分）を埋め、樹脂凝固後、型から外してフレーム最終品を形成する。
このように、フレーム部は２段成形される。
【００１９】
また、流路３３は、ガスマニホルド２９と反応ガス流路とを連通する流路である場合を説明したが、それに限るものではなく、冷却水マニホルド２８とセパレータ内冷却水流路２６とを連通する流路であってもよい。
【００２０】
つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの作用を説明する。
樹脂フレーム３１にトンネル状の流路３３が形成されているので、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路の場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題となることがない。また、従来２枚のフレームの張り合わせからなる合成フレームであったものが、本発明では１枚の一体フレーム３１となるので、製造の単純化、部品点数削減などによって、コスト低減をはかることができる。
また、流路３３は該流路の全長にわたって直線状に延びており、流路３３のセパレータ１８側部分の内面はセパレータ１８の表面と同一面上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて、流れ抵抗が低減する。
また、流路３３をフレーム３１の厚さの範囲内に形成し、流路３３がフレーム３１の積層面３４に露出しない構造としたので、ＭＥＡの電解質膜１１のシール面が平面となり、隣り合うフレーム３１の平面シール面間に膜１１を挟み込んでシールすることができる。もしもこのシール面に流路の凹凸が溝状に露出すると膜が溝に落ち込んでシール不全が生じるが、そのような事態が生じない。なお、図５において、フレーム３１の積層面３４の内周部に段差３５があるが、これはＭＥＡの拡散層と膜１１との段差を吸収するための段差であり、この段差３５より外側に電解質膜１１が延び、隣り合うフレーム３１の平面シール面間でシールされる。
【００２１】
本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造方法では、流路３３をピン状中子を用いて成形する工程と、マニホルド２９より外側部分を埋める工程との２段工程でフレーム３１を成形するので、１つのフレーム３１内に容易に流路３３を成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明実施例のセパレータを備えた燃料電池の全体概略図である。
【図２】本発明実施例の燃料電池のモジュールの端部とその近傍の断面図である。
【図３】本発明実施例の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部の拡大断面図である。
【図４】本発明実施例の冷却用セパレータの中間金属板の正面図である。
【図５】本発明実施例のセパレータと樹脂フレームとトンネル状の流路の近傍部分の断面図（図６のＡ−Ａ断面図）である。
【図６】本発明実施例のセパレータと樹脂フレームとトンネル状の流路の近傍部分の正面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８Ａ  冷却用セパレータ
１８Ｂ  反応ガス用セパレータ
１８ａ、１８ｂ  金属板
１８ｃ  中間金属板
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルトまたはナット
２６  冷却水流路
２６ａ  中間金属板の表側冷却水流路
２６ｂ  中間金属板の裏側冷却水流路
２７  ガス流路
２７ａ  燃料ガス流路
２７ｂ  酸化ガス流路
２８  冷却水マニホルド
２９  ガスマニホルド
３０  穴
３１  フレーム
３２  ガスケット
３３  （トンネル状の）流路
３４  積層面
３５  段差
【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】
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【図６】
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