(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス圧によるセパレータの変形を防止できる燃料電池を提供する。【解決手段】隣り合うセパレータ１８のいずれか少なくとも一方から隣り合うセパレータ１８の他方に向って突出する断続状のバックアップ用のリブ４２を、流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体連通路４１に設け、リブ４２と、リブ４２とセパレータ１８を挟んで反対側の位置にある連続状のシールライン３３とを、セル積層方向に見た時に互いに重なるように配置した、燃料電池であって、リブ４２の突出方向先端面４２ａに弾性体５０が配置されている燃料電池。断続状のリブ４２は複数列設けられている。リブ４２の突出方向と直交する平面で切った外形形状は、円形または楕円形である。【選択図】図４
2007250353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣り合うセパレータの互いに当接するリブであって、前記セパレータの発電領域外に位置するリブ先端に製造誤差・組付誤差分を吸収可能な弾性体を設けた積層された燃料電池。
【請求項２】
ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方の連通路部位の前記リブの先端に、前記弾性体が設けられている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
隣り合うセパレータのいずれか少なくとも一方から前記隣り合うセパレータの他方に向って突出する断続状のバックアップ用のリブを、流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体連通路に設け、前記リブと、該リブとセパレータを挟んで反対側の位置にある連続状のシールラインとを、セル積層方向に見た時に互いに重なるように配置した、燃料電池であって、
前記リブの突出方向先端面に弾性体が配置されている燃料電池。
【請求項４】
前記流体連通路は、ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方からなる請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
高分子電解質を挟む一対の電極からなるＭＥＡと、前記電極にガスを供給するためのガス流路を有するセパレータを備え、前記セパレータが前記ＭＥＡを挟持した積層体の端部を接着剤を介して接着してセルを構成するとともに、前記セパレータが該セパレータから突出するリブを有し、複数のセルを積層する際に対面するセルのセパレータ間のリブが積層方向に互いに重なることでバックアップを形成する燃料電池において、
前記リブの突出方向先端面に弾性体が配置されている燃料電池。
【請求項６】
ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方の連通路部位の前記リブの突出方向先端面に、前記弾性体が配置されている請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記断続状のリブは複数列設けられている請求項１または請求項３または請求項５記載の燃料電池。
【請求項８】
前記リブの、突出方向と直交する平面で切った外形形状は、円形または楕円形である請求項１または請求項３または請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−１１６４０４号公報は、隣り合うセパレータの一方から他方に向って突出する断続状のバックアップ用のリブを、流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体連通路に設け、リブと、該リブとセパレータを挟んで反対側の位置にある連続状のシールラインとを、セル積層方向に見た時に互いに重なるように配置した、燃料電池を開示している。
【０００３】
しかし、上記公報開示の燃料電池には、つぎの問題点がある。
リブのセパレータからの突出方向長さ（リブの高さ）には製造誤差等によりむら（ばらつき）が生じる。そのため、リブの突出方向長さの短い部分のセパレータがガス圧により変形し、シール材が剥離し、ガスリークが生じるおそれがある。
【特許文献１】特開２００５−１１６４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ガス圧によるセパレータの変形を防止できる、燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  隣り合うセパレータの互いに当接するリブであって、前記セパレータの発電領域外に位置するリブ先端に製造誤差・組付誤差分を吸収可能な弾性体を設けた積層された燃料電池。
（２）  ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方の連通路部位の前記リブの先端に、前記弾性体が設けられている（１）記載の燃料電池。
（３）  隣り合うセパレータのいずれか少なくとも一方から前記隣り合うセパレータの他方に向って突出する断続状のバックアップ用のリブを、流体マニホールドと発電領域の流体流路との間の流体連通路に設け、前記リブと、該リブとセパレータを挟んで反対側の位置にある連続状のシールラインとを、セル積層方向に見た時に互いに重なるように配置した、燃料電池であって、
前記リブの突出方向先端面に弾性体が配置されている燃料電池。
（４）  前記流体連通路は、ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方からなる（３）記載の燃料電池。
（５）  高分子電解質を挟む一対の電極からなるＭＥＡと、前記電極にガスを供給するためのガス流路を有するセパレータを備え、前記セパレータが前記ＭＥＡを挟持した積層体の端部を接着剤を介して接着してセルを構成するとともに、前記セパレータが該セパレータから突出するリブを有し、複数のセルを積層する際に対面するセルのセパレータ間のリブが積層方向に互いに重なることでバックアップを形成する燃料電池において、
前記リブの突出方向先端面に弾性体が配置されている燃料電池。
（６）  ガスマニホールドと発電領域のガス流路との間のガス連通路と、冷媒マニホールドと発電領域の冷媒流路との間の冷媒連通路の、少なくとも一方の連通路部位の前記リブの突出方向先端面に、前記弾性体が配置されている（５）記載の燃料電池。
（７）  前記断続状のリブは複数列設けられている（１）または（３）または（５）記載の燃料電池。
（８）  前記リブの、突出方向と直交する平面で切った外形形状は、円形または楕円形である（１）または（３）または（５）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）〜（８）の燃料電池では、リブの突出方向先端面に弾性体が配置されているため、製造誤差等によりリブの突出方向長さにむら（ばらつき）が生じても、リブと、該リブと弾性体を介して対向するリブまたはセパレータとの間の隙間のばらつきを、弾性体で吸収できる。そのため、各リブがセパレータをセル積層方向に押す力を均一に近づけることができる（バックアップ力を均一に近づけることができる）。したがって、リブの突出方向長さの短い部分のセパレータがガス圧により変形することを防止でき、ガスリークが生じることを防止できる。
上記（７）の燃料電池では、断続状のリブが複数列設けられているので、断続状のリブが一列のみ設けられている場合に比べて、流体連通路に設けられるリブ数が多くなる。その結果、バックアップ力の分布がセル面方向に均一化してくる。
上記（８）の燃料電池では、リブの、突出方向と直交する平面で切った外形形状が、円形または楕円形であるため、外形形状が矩形である場合に比べて、流体連通路を流れる流体の流れをリブが阻害することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明実施例の燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。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。
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図１〜図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。
【０００８】
セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。以下では、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を流体流路２６，２７，２８ともいう。また、セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。以下では、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１を流体マニホールド２９，３０，３１ともいう。
【０００９】
膜―電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、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、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル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２４）にボルト・ナット２５にて固定し、燃料電池スタック２３を構成する。一端のエンドプレート２２に設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかける。
【００１０】
各セル１９の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７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、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、導電性樹脂セパレータ等からなり、メタルセパレータからなる場合、メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレームを介装してもよい（メタルセパレータとＭＥＡとの間に樹脂フレームが介装されている場合、セパレータはメタルセパレータと樹脂フレームの両方を含む意である）（図２では、セパレータ１８がメタルセパレータからなり樹脂フレーム３４がＭＥＡとの間に介装される場合を示している）。
【００１２】
流体流路２６、２７、２８と、流体マニホールド２９、３０、３１をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール材３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示してあるが、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。
ガス側シール材３３は、図２に示すように、セパレータ１８が樹脂フレーム３４を含む場合、アノード側メタルセパレータ１８ａとアノード側樹脂フレーム３４ａとの間と、アノード側樹脂フレーム３４ａとカソード側樹脂フレーム３４ｂとの間と、カソード側樹脂フレーム３４ｂとカソード側メタルセパレータ１８ｂとの間とに、設けられる。冷媒側シール材３２は、隣接するセルまたはセルモジュール同士の間に設けられる。ガス側シール材３２は、セパレータ１８がＭＥＡを挟持した積層体の端部に設けられる。
燃料電池スタック２３にかけられるセル積層方向の締結荷重により、ガス側シール材３３、冷媒側シール材３２にセル積層方向のシール荷重がかかる。
【００１３】
ガスマニホールド３０、３１（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）と発電領域のガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）との間の非発電領域にあるガス連通路４０と、冷媒マニホールド２９と発電領域の冷媒流路２６との間の非発電領域にある冷媒連通路４１との少なくとも何れか一方に、断続状のバックアップ用のリブ４２が形成されている。以下では、ガス連通路４０、冷媒連通路４１を流体連通路４０，４１ともいう。
【００１４】
また、図１に示すように、断続状バックアップ用リブ４２と、該断続状バックアップ用リブ４２とセパレータ１８を挟んで反対側の位置にある連続状のシールライン３２、３３（ガス連通路４０の断続状バックアップ用リブ４２のセパレータ背面には冷媒側シール材３２の連続状シールラインがあり、冷媒連通路４１の断続状バックアップ用リブ４２のセパレータ背面にはガス側シール材３３の連続状シールラインがある）とは、セル積層方向に見た時に互いに重なるように配置されている。
【００１５】
流体連通路４０、４１にリブ４２を設ける理由は、流体連通路４０、４１側からセパレータ１８をバックアップして、セパレータ１８にガス圧がかかった時にセパレータ１８が流体連通路４０、４１側に変形しないようにするためである。リブ４２を断続状とする理由は、流体連通路４０，４１における、ガス、冷媒の流通を確保するためである。
【００１６】
リブ４２は、図２、図４に示すように、セパレータ１８に形成されている。リブ４２は、隣り合うセパレータ１８のいずれか少なくとも一方から隣り合うセパレータ１８の他方に向って突出して設けられている。リブ４２は、望ましくは、プレスで形成される。リブ４２は、隣り合うセパレータ１８の一方のみに設けられていてもよく、一部（この「一部」は、リブ４２の高さ方向の一部であってもよいし、またはリブ４２の配置方向の一部であってもよい）が隣り合うセパレータ１８の一方に設けられ残りが隣り合うセパレータ１８の他方に設けられていてもよい。
【００１７】
リブ４２は、図１に示すように、流体マニホールド２９，３０，３１から発電領域の流体流路２６，２７，２８に向うＢ方向と直交するＣ方向に、たとえば直線上に断続状に設けられており、Ｂ方向に複数列（図示例では３列）設けられている。隣接する列間でリブ４２のＣ方向位置はずれており、流体連通路４０，４１を通る流体を拡散しやすくしている。複数列設けられたリブ４２の幅と、リブ４２セパレータ１８を挟んで反対側の位置にある連続状のシールライン３２，３３の幅とは、同じかまたはほぼ同じである。
リブ４２の、突出方向と直交する平面で切った外形形状は、任意であり、矩形、正方形であってもよいが、楕円形、円形であることが望ましい。リブ４２の突出方向先端面４２ａは、平面である。
【００１８】
図４に示すように、リブ４２の突出方向先端面４２ａに、弾性体５０が配置されている。
弾性体５０は、燃料電池スタック２３にセル積層方向の締結荷重をかけたとき、弾性体５０が配置されるリブ４２と、該リブ４２と弾性体５０を介して対向するリブ（弾性体５０が配置されるリブ４２と弾性体５０を介して対向するセパレータ１８にリブが設けられていない場合には、対向するセパレータ１８）とに、接触しており、圧縮された状態にある。
【００１９】
弾性体５０は、全部のリブ４２に設けられていることが望ましいが、一部のリブ４２のみに設けられていてもよい。弾性体５０が一部のリブ４２のみに設けられる場合、弾性体５０は、たとえば、各列で一つおきのリブ４２に設けられる。
弾性体５０は、弾性材料からなる。弾性体５０は、たとえば、シール材３２，３３に用いられる接着剤、ゴムガスケットと同一材料からなることが望ましい。その理由は、弾性体５０がシール材３２，３３に用いられる接着剤と同一材料からなる場合、シール材３２，３３をシールラインに塗布する際に同時に弾性体５０をリブ先端面４２ａに設けることができ、また、弾性体５０がシール材３２，３３に用いられるゴムガスケットと同一材料からなる場合、シール材３２，３３をシールラインに成形する際に同時に弾性体５０をリブ先端面４２ａに成形できるからである。
弾性体５０の厚みは、スタック２３の小型化をはかるために、効果を得ることができる最小限の厚さとされていることが望ましい。
【００２０】
本発明実施例の作用、効果を説明する。
リブ４２の突出方向先端面４２ａに弾性体５０が配置されているため、製造誤差等によりリブ４２の突出方向長さにむら（ばらつき）が生じても、各リブ４２がセパレータ１８をセル積層方向に押す力を均一に近づけることができる（バックアップ力を均一に近づけることができる）。また、リブ４２の突出方向先端面４２ａに弾性体５０が配置されているため、リブ４２と、該リブ４２と弾性体５０を介して対向するリブ４２またはセパレータ１８との間の隙間のばらつき（製造誤差・組付誤差）を、弾性体５０で吸収できる。したがって、各リブ４２部位で確実にセパレータ１８に面圧を付与でき、ガス圧によりセパレータ１８が流体連通路４０，４１側に変形する（ふくれる）ことをなくし、シールライン３２，３３の剥離を確実に防止することができる。
【００２１】
断続状のリブ４２が複数列設けられているので、断続状のリブ４２が一列のみ設けられている場合に比べて、流体連通路４０，４１に設けられるリブ数が多くなる。その結果、バックアップ力の分布がセル面方向に均一化してくる。
リブ４２の、突出方向と直交する平面で切った外形形状が、円形または楕円形である場合、外形形状が矩形である場合に比べて、流体連通路４０，４１を流れる流体の流れをリブ４２が阻害することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明実施例の燃料電池の、セパレータ表裏の、正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明実施例の燃料電池の、燃料電池スタックの概略側面図である。
【図４】本発明実施例の燃料電池の、弾性体とその近傍を示す部分拡大断面図である。
【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
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セルモジュール
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  外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３  ガス側シール材（たとえば、接着剤）
４０  ガス連通路
４１  冷媒連通路
４２  断続状バックアップ用リブ
４２ａ  リブの突出方向先端面
５０  弾性体
【図１】
2007250353.tif 000003
【図２】
2007250353.tif 000004
【図３】
2007250353.tif 000005
【図４】
2007250353.tif 000006