(57)【要約】【課題】  製造が容易で、シール性能にも優れたセパレータを提供する。【解決手段】  複数の単セルが重なり合って構成されるセルスタック内に設けられるセパレータ１００であって、表裏に凹凸が形成された第１プレート１１０と第２プレート１２０が重ね合わされて、各プレートに形成された凹凸により、プレートとアノードとの間，プレートとカソードとの間、及びプレート間に形成された各隙間が、それぞれ燃料の通路Ｒ１，酸化剤の通路Ｒ２、及び冷却剤の通路Ｒ３として用いられるセパレータ１００において、第１プレート１１０には貫通孔１１３が設けられ、第２プレート１２０には貫通孔１１３の内周面に嵌まり込む円筒部１２３が設けられると共に、アノード側及びカソード側にそれぞれ設けられる一対の第１シール凸部１３１，第２シール凸部１３２及びこれらを円筒部１２３の内周面側の貫通孔を介して連結する連結部１３３を有し、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止するガスケット１３０を備えることを特徴とする。【選択図】  図３
2007080612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが重なり合って構成されるセルスタック内に設けられるセパレータであって、
表裏に凹凸が形成されたプレートが２枚重ね合わされて、
各プレートに形成された凹凸により、プレートとアノードとの間，プレートとカソードとの間、及び２枚のプレート間に形成された各隙間が、それぞれ燃料の流通路，酸化剤の流通路、及び冷却剤の流通路として用いられるセパレータにおいて、
２枚のうちの一方のプレートには貫通孔が設けられ、他方のプレートには一方のプレートに設けられた貫通孔の内周面に嵌まり込む筒状部が設けられると共に、
アノード側及びカソード側にそれぞれ設けられる一対のシール凸部，及びこれらのシール凸部を前記筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結する連結部を有し、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止するガスケットを備えることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記筒状部における一方のプレート側の端部に、一方のプレートに設けられた貫通孔の開口端部を挟み込む折り曲げ部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池におけるセルスタック内に設けられるセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池（固体高分子形燃料電池）は、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。ここで、単セルは、電解質膜が触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードにより挟み込まれ、更に、これらが一対のセパレータにより挟み込まれた構成である。ここで、セパレータは、燃料の流通路及び酸化剤の流通路を形成する役割，燃料と酸化剤との分離する役割，反応ガスを各単セルに供給したり、反応に使用されなかったガスを各単セルから排出させたりするガスマニホールドとしての役割，反応熱を除去するための冷却剤を流す役割，反応ガスを電池外部へ漏らさないためのシールの役割などを担っている。
【０００３】
セパレータは、カーボンまたは金属を素材とするプレート状のものが一般的に用いられる。そして、金属製のプレートの場合には、反応領域付近に凹凸加工が施され、この凹凸部によって、燃料及び酸化剤の流通路が形成されるのが一般的である。また、このように凹凸加工が施されたプレートを２枚重ね合わせることで、プレート間にできた隙間を冷却剤の流通路として利用する技術も知られている（特許文献１〜６参照）。
【０００４】
プレートを２枚重ねてセパレータを構成する場合には、一般的な１枚のプレートからなるセパレータの場合と同様に両面にそれぞれ燃料漏れ防止のためのガスケットと酸化剤漏れ防止のためのガスケットを設けるだけでなく、２枚プレート間にもガスケットを設けなければならない。そのため、ガスケットを形成する工程数も増えてしまうなどの課題がある。
【０００５】
これを解消する技術として、重ね合わせた２枚のプレートを貫通する貫通孔を設けて、この貫通孔を介してセパレータの両側のガスケットを連結させる技術が知られている（特許文献７参照）。この従来例に係るセパレータについて図５及び図６を参照して説明する。図５は従来例に係るセパレータの模式的断面図の一部である。図６は図５における一部拡大図である。なお、図６は、図５のうちガスケットが設けられている部分を拡大した図である。
【０００６】
図示のように、この従来例に係るセパレータ５００は、いずれも凹凸加工が施された第１プレート５１０と第２プレート５２０が重ね合わされた構成である。これにより、セパレータ５００の両面に通路Ｒ１，Ｒ２が形成され、かつ、第１プレート５１０と第２プレート５２０との間にも通路Ｒ３が形成される。通路Ｒ１，Ｒ２はいずれか一方が燃料の流通路として利用され、他方が酸化剤の流通路として用いられる。また、通路Ｒ３は冷却剤の流通路として用いられる。
【０００７】
ここで、第１プレート５１０と第２プレート５２０には、それぞれ貫通孔５１１，５１２が設けられている。これらの貫通孔５１１，５１２は、第１プレート５１０と第２プレート５２０が重ね合わされた状態で連通し、セパレータ５００を貫通する貫通孔が形成される。そして、この貫通孔を介して、セパレータ５００の両面にそれぞれ設けられる一対のシール凸部５３１，５３２が連結される。
【０００８】
このように、この従来例においては、セパレータ５００の両面にそれぞれ設けられる一
対のシール凸部５３１，５３２を一体的に有するガスケット５３０を備えている。このガスケット５３０におけるシール凸部５３１，５３２は、一方が燃料の漏れ防止のために用いられ、他方が酸化剤の漏れ防止のために用いられる。また、これらシール凸部５３１，５３２を連結する部分により、冷却剤の漏れを防止することもできる。
【０００９】
以上のように、この従来例によれば、一つのガスケット５３０で、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止することができるため、ガスケットを形成する工程を減らすことができるという利点がある。
【００１０】
しかしながら、上記のように構成される従来例においては、ガスケット５３０を成形する際に、第１プレート５１０と第２プレート５２０との間の微小隙間Ｓに、射出成形時の圧力により、ガスケット５３０の材料（ゴム）の一部が入り込んでしまうおそれがある。図６中矢印Ｘで示す部分が、微小隙間Ｓに材料の一部が入り込んでしまった部分である。このように、微小隙間Ｓに材料の一部が入り込んでしまうと、シール性能に悪影響が出てしまうおそれがある。
【００１１】
また、上記のように構成される従来例においては、第１プレート５１０と第２プレート５２０にそれぞれ設けられた貫通孔５１１，５１２が一致するように、第１プレート５１０と第２プレート５２０を位置合わせした状態で、ガスケット５３０を成形しなければならない。しかしながら、ガスケット５３０の成形時には、第１プレート５１０と第２プレート５２０に射出成形による圧力などの負荷がかかるため、ガスケット５３０の成形時に、第１プレート５１０と第２プレート５２０を正確に位置決めしておくのが難しいという問題もある。なお、予め、第１プレート５１０と第２プレート５２０を、接着剤などを用いて固定させておくことも考えられるが、その場合でも、隙間なく両者を正確に位置決め固定させるのは難しく、また、製造工程数が増えてしまうという問題がある。また、接着剤が第１プレート５１０と第２プレート５２０との間の隙間からはみ出さないようにするのも難しいと言う問題もある。
【００１２】
以上のように、上記の従来例の場合にもいくつかの課題を残している。
【特許文献１】特開２００２−１００３８１号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５００６号公報
【特許文献３】特開２００３−１７８７７６号公報
【特許文献４】特開２００４−７１５０２号公報
【特許文献５】特開２００４−１２７７１１号公報
【特許文献６】特開２００５−３２５７７号公報
【特許文献７】特開２００４−１５２７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、製造が容易で、シール性能にも優れた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】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【００１５】
すなわち、本発明のセパレータは、
複数の単セルが重なり合って構成されるセルスタック内に設けられるセパレータであって、
表裏に凹凸が形成されたプレートが２枚重ね合わされて、
各プレートに形成された凹凸により、プレートとアノードとの間，プレートとカソード
との間、及び２枚のプレート間に形成された各隙間が、それぞれ燃料の流通路，酸化剤の流通路、及び冷却剤の流通路として用いられるセパレータにおいて、
２枚のうちの一方のプレートには貫通孔が設けられ、他方のプレートには一方のプレートに設けられた貫通孔の内周面に嵌まり込む筒状部が設けられると共に、
アノード側及びカソード側にそれぞれ設けられる一対のシール凸部，及びこれらのシール凸部を前記筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結する連結部を有し、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止するガスケットを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、単一のガスケットによって、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止することができるので、ガスケットを形成する工程が少なくて済む。また、他方のプレートに設けられた筒状部が、一方のプレートに設けられた貫通孔に嵌まり込むので、両者の位置決めを簡単に行うことができる。そして、セパレータの両面（アノード側及びカソード側）にそれぞれ設けられる一対のシール凸部は、他方のプレートに設けられた筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結されるため、プレート間にガスケットの材料の一部が入り込んでしまうこともない。
【００１７】
また、前記筒状部における一方のプレート側の端部に、一方のプレートに設けられた貫通孔の開口端部を挟み込む折り曲げ部が設けられているとよい。
【００１８】
このようにすれば、２枚のプレートを、予め位置決め固定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、製造が容易で、シール性能も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１〜図３を参照して、本発明の実施例１に係るセパレータについて説明する。図１は本発明の実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。図２は本発明の実施例１に係るセパレータの平面図である。図３は本発明の実施例１に係るセパレータの断面図の一部である。なお、図３は図２中のＡＡ断面に相当する。
【００２２】
＜燃料電池＞
特に、図１を参照して、燃料電池の構成について説明する。なお、図１では、複数の単セルを備えた燃料電池のうち、一部の単セル群についてのみ示している。燃料電池（固体高分子形燃料電池）は、上記の通り、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。
【００２３】
まず、単セルについて説明する。単セルは、触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードが電解質膜を挟み込んだ構成である。本実施例では、電解質膜の両面に、それぞれ触媒層とガス拡散層が一体的に設けられたＭＥＡ２００を備えており、電解質膜の一方の面に設けられる触媒層及びガス拡散層がアノードとして機能し、他方の面に設けられる触媒層及びガス拡散層がカソードとして機能する。このＭＥＡ２００は、一対のセパレータ１００によって挟み込まれる。そして、このＭＥＡ２００と、ＭＥＡ２００を挟み込んだ一対のセパレータ１００の対向面によって単セルが構成される。
【００２４】
また、単セルにおけるアノード側に水素を含む燃料を流し、カソード側に酸素を含む酸化剤を流すことで、触媒層において反応が生じて発電がなされる。すなわち、アノードでは、水素がプロトンと電子に分かれ、プロトンは水分子を伴って膜中を通ってカソードに移動し、電子は外部回路を通ってカソードに移動する。カソードでは酸化剤中の酸素とアノードから移動してきたプロトンと電子とが反応して水が生成される。このようにして、カソード側からアノード側に電流が流れる。
【００２５】
このように構成される単セルが複数重ね合わせられることで、セルスタック１が構成される。すなわち、図１に示すように、セパレータ１００とＭＥＡ２００が交互に配置され、ＭＥＡ２００の両面のうちの一方がアノード３００となり、他方がカソード４００となり、アノード３００とカソード４００も交互に設けられる。これにより、単セルが直列につながれた状態となり、燃料電池全体では大きな発電力が得られる。
【００２６】
＜セパレータ＞
特に、図２及び図３を参照して、本実施例に係るセパレータについて詳細に説明する。本実施例に係るセパレータ１００は、金属製の第１プレート１１０と、同じく金属性の第２プレート１２０と、ゴム製のガスケット１３０とを備えている。図３に示すように、第１プレート１１０と第２プレート１２０が重ね合わされて、セパレータ１００が構成される。本実施例では、第１プレート１１０側をアノード，第２プレート１２０側をカソードとして用いる場合を例にして説明する。
【００２７】
第１プレート１１０は、薄い金属板から構成されており、反応領域に凹凸加工（例えば、プレス加工）が施されている。これにより、ＭＥＡ２００側に突出する凸部１１１はＭＥＡ２００に当接又は近接し、凸部１１１間の凹部１１２はＭＥＡ２００から離れた状態となり、特に凹部１１２において、ＭＥＡ２００との間に隙間が形成される。この隙間によって、燃料が流通する通路Ｒ１が形成される。
【００２８】
なお、図２においては、反応領域全域に至るように蛇行する１本の流通路が形成された様子を模式的に示しているが、勿論、流通路は１本で構成する必要はなく、複数本形成することができる。
【００２９】
第２プレート１２０も同様に薄い金属板から構成されており、反応領域に凹凸加工（例えば、プレス加工）が施されている。これにより、ＭＥＡ２００側に突出する凸部１２１はＭＥＡ２００に当接又は近接し、凸部１２１間の凹部１２２はＭＥＡ２００から離れた状態となり、特に凹部１２２において、ＭＥＡ２００との間に隙間が形成される。この隙間によって、酸化剤が流通する通路Ｒ２が形成される。
【００３０】
そして、第１プレート１１０における凸部１１１と、第２プレート１２０における凸部１２１との間にも隙間が形成される。この隙間によって、冷却剤が流通する通路Ｒ３が形成される。
【００３１】
また、第１プレート１１０には円形の貫通孔１１３が設けられている。そして、第２プレート１２０には、この貫通孔１１３の内周面に嵌まり込む円筒部１２３が設けられている。このように、第２プレート１２０に設けられた円筒部１２３を第１プレート１１０に設けられた貫通孔１１３に嵌め込むことにより、第１プレート１１０と第２プレート１２０は位置決めされる。なお、貫通孔１１３と円筒部１２３の個数は、プレートの形状や大きさに応じて、適宜設定すればよい。確実に位置決めするためには、最低２個設ければ良く、図示のように、セパレータの形状が四角形の場合には、各辺に最低１個ずつ設けると好適である。
【００３２】
このように、第１プレート１１０と第２プレート１２０が位置決めされた状態で、ガスケット１３０が成形により形成される。ガスケット１３０は、第１プレート１１０側に設けられる第１シール凸部１３１と、第２プレート１２０側に設けられる第２シール凸部１３２と、これらを連結する連結部１３３とを備えている。これら第１シール凸部１３１，第２シール凸部１３２及び連結部１３３は、一体成形により一体的に構成される。
【００３３】
第１シール凸部１３１は、第１プレート１１０において凹凸加工が施された領域を取り囲むように設けられており、燃料の漏れを防止する機能が発揮される。また、第２シール凸部１３２は、第２プレート１２０において凹凸加工が施された領域を取り囲むように設けられており、酸化剤の漏れを防止する機能が発揮される。
【００３４】
そして、連結部１３３は、第２プレート１２０に設けられた円筒部１２３の内周面側の貫通孔を介して、第１シール凸部１３１と第２シール凸部１３２を連結するように構成される。この連結部１３３付近により、冷却剤の漏れを防止する機能が発揮される。
【００３５】
＜本実施例の優れた点＞
本実施例に係るセパレータ１００によれば、連結部１３３は、第２プレート１２０に設けられた円筒部１２３の内周面側の貫通孔を介して、第１シール凸部１３１と第２シール凸部１３２を連結する構成であることから、ガスケット１３０を成形する際の射出成形圧力によって、材料の一部が第１プレート１１０と第２プレート１２０との間の隙間に入り込んでしまうことを防止できる。これにより、第１プレート１１０と第２プレート１２０が剥離してしまうことを防止でき、安定したシール性能を発揮させることができる。
【００３６】
また、第２プレート１２０に設けられた円筒部１２３を第１プレート１１０に設けられた貫通孔１１３に嵌め込むことで、第１プレート１１０と第２プレート１２０を、接着剤などを用いることなく簡単に位置決めすることができる。また、貫通孔１１３の内周面に円筒部１２３を嵌め込んでいることから、ガスケット１３０の成形時において、射出成形圧力を受けても、第１プレート１１０と第２プレート１２０の位置ずれを防止することができる。なお、貫通孔１１３と円筒部１２３を２組以上設けることによって、第１プレート１１０と第２プレート１２０の回転方向のずれが防止されるので、より確実にこれらの位置ずれを防止することができる。ただし、円筒部１２３の代わりに平面形状が円以外の形状（例えば、楕円，方形，星型）の筒状部として、貫通孔１１３の形状もその形状に沿った形状とすれば、１つだけでも、回転方向のずれを防止することができる。
【００３７】
更に、本実施例によれば、単一のガスケット１３０によって、燃料，酸化剤及び冷却剤の漏れを防止できるため、それぞれ専用のガスケットを形成する必要が無く、ガスケットを形成する工程が少なくて済む。
【００３８】
このように、ガスケットを形成する工程が少なく、かつ、第１プレート１１０と第２プレート１２０を簡単に位置決めすることができるので、セパレータ１００を簡単に製造することができる。
【００３９】
＜その他＞
本実施例では、第１プレート１１０側をアノード，第２プレート１２０側をカソードとして用いる場合を示したが、第１プレート１１０側をカソード，第２プレート１２０側をアノードとして用いても良い。この場合、通路Ｒ１には酸化剤が流通し、通路Ｒ２には燃料が流通することは言うまでもない。
【００４０】
また、本実施例では、第２プレート１２０に円筒部１２３を設け、第１プレート１１０には、この円筒部１２３に対応させて円形の貫通孔１１３を設ける場合の構成を示したが
、形状についてはこれらに限られるものではない。
【００４１】
なお、反応ガス（燃料及び酸化剤）や冷却剤を各単セルに送り込んだり、反応後の反応ガス及び反応により生じた水や冷却剤を各単セルから排出させたりするための構成（マニホールドなど）については、適宜、公知技術を適用できるので、本実施例では、その説明は省略する。
【実施例２】
【００４２】
図４には、本発明の実施例２が示されている。本実施例では、上記実施例１における第２セパレータに設けた円筒部の変形例を示す。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。図４は本発明の実施例２に係るセパレータの断面図の一部である。
【００４３】
図示のように、本実施例に係るセパレータ１００ａにおいては、第２プレート１２０ａに設けられた円筒部１２３ａの第１プレート１１０側の端部に、第１プレート１１０に設けられた貫通孔１１３の開口端部を挟み込む折り曲げ部１２４が設けられている。
【００４４】
この折り曲げ部１２４は、第２プレート１２０ａに設ける円筒部を長めに設けておいて、その端部をプレス加工などによってかしめることにより形成することができる。
【００４５】
本実施例によれば、上記実施例１と同様の効果が得られるほか、折り曲げ部１２４によって、貫通孔１１３の開口端部を挟み込むことで、第１プレート１１０と第２プレート１２０ａを、位置決めだけでなく、固定することができる。従って、ガスケット１３０を成形する場合に、実施例１の場合に比べて、第１プレート１１０と第２プレート１２０ａの取り扱いが容易になり、また、射出成形時におけるこれらの位置ずれをより確実に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は本発明の実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】図２は本発明の実施例１に係るセパレータの平面図である。
【図３】図３は本発明の実施例１に係るセパレータの断面図の一部である。
【図４】図４は本発明の実施例２に係るセパレータの断面図の一部である。
【図５】図５は従来例に係るセパレータの模式的断面図の一部である。
【図６】図６は図５における一部拡大図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  セルスタック
１００，１００ａ  セパレータ
１１０  第１プレート
１１１  凸部
１１２  凹部
１１３  貫通孔
１２０，１２０ａ  第２プレート
１２１  凸部
１２２  凹部
１２３，１２３ａ  円筒部
１２４  折り曲げ部
１３０  ガスケット
１３１  第１シール凸部
１３２  第２シール凸部
１３３  連結部
２００  ＭＥＡ
３００  アノード
４００  カソード
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３  通路
【図１】
2007080612.tif 000003
【図２】
2007080612.tif 000004
【図３】
2007080612.tif 000005
【図４】
2007080612.tif 000006
【図５】
2007080612.tif 000007
【図６】
2007080612.tif 000008