(57)【要約】【課題】低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータの製造技術を提供する。【解決手段】まず、金属製のアノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３と、樹脂製のシート部材４５Ａ，４５Ｂとを用意する。次に、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３とを、ロウ付けする。次に、冷却水流路形成部材４３と接合したアノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２との間に、シート部材４５Ａ，４５Ｂを挿入し、シート部材４５Ａとシート部材４５Ｂとを接触させる。そして、これらを加熱して接着する。【選択図】図６
2007179787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
金属からなり、前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
金属からなり、前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される層であって、前記スタック構造の積層方向から見て、前記積層体とほぼ重なる領域に、前記積層体を冷却するための冷却媒体が流れる冷却媒体流動部を少なくとも形成する中間層と、
金属からなり、前記冷却媒体流動部において、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持され、前記冷却媒体流動部に前記冷却媒体を分散させて流す冷却媒体流路を形成するための冷却媒体流路形成部材と、を備えており、
前記製造方法は、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記中間層を形成するための複数のシート部材を用意する工程と、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって、前記冷却媒体流路形成部材を挟持して加熱し、前記カソード対向プレートと、前記冷却媒体流路形成部材と、前記アノード対向プレートとを加熱接合する工程と、
該加熱接合された接合体における前記アノード対向プレートと前記カソード対向プレートとの間に、前記複数のシート部材をそれぞれ挿入するとともに、該複数のシート部材をそれぞれ接触させる工程と、
該複数のシート部材を挿入した前記接合体を加熱して、前記アノード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記カソード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記複数のシート部材同士の接着を行う工程と、
を備える製造方法。
【請求項２】
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
金属からなり、前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
金属からなり、前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される層であって、前記スタック構造の積層方向から見て、前記積層体とほぼ重なる領域に、前記積層体を冷却するための冷却媒体が流れる冷却媒体流動部を少なくとも形成する中間層と、を備えており、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうちの一方のプレートには、前記中間層を挟んで対向する他方のプレートと接合され、前記冷却媒体流動部において前記冷却媒体を分散させて流す冷却媒体流路を形成するための、金属からなる冷却媒体流路形成部が一体的に形成されており、
前記製造方法は、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記中間層を形成するための複数のシート部材を用意する工程と、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうちの一方のプレートに形成された前記冷却媒体流路形成部と、前記他方のプレートとを接触させて加熱し、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとを加熱接合する工程と、
該加熱接合された接合体における前記アノード対向プレートと前記カソード対向プレートとの間に、前記複数のシート部材をそれぞれ挿入するとともに、該複数のシート部材をそれぞれ接触させる工程と、
該複数のシート部材を挿入した前記接合体を加熱して、前記アノード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記カソード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記複数のシート部材同士の接着を行う工程と、
を備える製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の製造方法であって、
前記加熱接合する工程における加熱温度は、前記シート部材の耐熱温度よりも高い、
製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法であって、
前記樹脂は、さらに、導電性を有する、
製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法であって、
前記シート部材における他の前記シート部材との接触部は、テーパ状の断面形状を有している、
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の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを配置した膜電極接合体とセパレータとを交互に積層させたスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
従来、燃料電池スタックに用いられるセパレータに関して、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、アノードに対向する燃料ガスプレートと、カソードに対向する酸化剤ガスプレートと、これらのプレートに挟持される中間プレートとを備えるセパレータに関する技術が記載されている。各プレートには、燃料電池に燃料ガスや、酸化剤ガスを供給したり、燃料電池を冷却する冷却媒体を流したりするための構造が備えられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池は、自動車等の移動体にも搭載されるため、エネルギ効率の向上の観点から、軽量化が要請されており、そのために、セパレータの軽量化が要請されている。また、発電時の発熱による発電効率の低下を抑制するために、燃料電池を効率よく冷却することが可能なセパレータが要求されている。また、発電効率向上のため、セパレータの電気抵抗を低くすることが要求されている。
【０００６】
上記特許文献１に記載されたセパレータでは、セパレータを構成する各プレートは、それぞれ金属であり、これらは熱圧着によって接合されているので、セパレータの電気抵抗は十分に低い。しかし、上記特許文献１に記載されたセパレータは、冷却媒体を流すための流路が狭いため、冷却媒体を流すときの圧力損失が大きく、冷却媒体を効率的に流すことができなかった。つまり、燃料電池の冷却効率が悪かった。また、セパレータの軽量化についても改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータの製造技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の方法は、
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
金属からなり、前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
金属からなり、前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される層であって、前記スタック構造の積層方向から見て、前記積層体とほぼ重なる領域に、前記積層体を冷却するための冷却媒体が流れる冷却媒体流動部を少なくとも形成する中間層と、
金属からなり、前記冷却媒体流動部において、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持され、前記冷却媒体流動部に前記冷却媒体を分散させて流す冷却媒体流路を形成するための冷却媒体流路形成部材と、を備えており、
前記製造方法は、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記中間層を形成するための複数のシート部材を用意する工程と、
前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって、前記冷却媒体流路形成部材を挟持して加熱し、前記カソード対向プレートと、前記冷却媒体流路形成部材と、前記アノード対向プレートとを加熱接合する工程と、
該加熱接合された接合体における前記アノード対向プレートと前記カソード対向プレートとの間に、前記複数のシート部材をそれぞれ挿入するとともに、該複数のシート部材をそれぞれ接触させる工程と、
該複数のシート部材を挿入した前記接合体を加熱して、前記アノード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記カソード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記複数のシート部材同士の接着を行う工程と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明の製造方法によって製造されるセパレータは、先に説明した従来技術における中間プレートに相当する中間層に樹脂を用いているので、中間層に金属を用いる場合と比較して、セパレータを軽量化することができる。
【００１０】
また、上記セパレータには、冷却媒体流動部が形成されていて、冷却媒体流路形成部材によって、冷却媒体流動部に冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、冷却媒体を流すときの圧力損失が小さくなるように、任意に設計可能であるので、冷却媒体を効率よく流し、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。なお、冷却媒体流路形成部材は、金属からなるので、この冷却媒体流路形成部材によって、アノード対向プレートと、カソード対向プレートとの導通は確保される。
【００１１】
また、上記セパレータを製造する際に、中間層を形成するシート部材を１つとし、金属製のアノード対向プレートと、樹脂製のシート部材、および、冷却媒体流路形成部材と、カソード対向プレートとを重ねて加熱し、アノード対向プレートとシート部材、カソード対向プレートとシート部材をそれぞれ接合することも可能ではある。しかし、この場合、一般に、樹脂の耐熱温度は、金属製の部材同士を加熱接合するときの加熱温度よりも低く、シート部材の耐熱温度以上で加熱することができないので、樹脂の耐熱温度よりも低い温度で、アノード対向プレートと、シート部材と、カソード対向プレートとを加熱接合すると、金属製のアノード対向プレートと、冷却媒体流路形成部材と、カソード対向プレートとは、単に接触しているだけであって、接合されず、電気抵抗が高くなる。本発明の製造方法では、アノード対向プレートと、カソード対向プレートと、冷却媒体流路形成部材とを加熱接合するので、これらを単に接触させるだけの場合と比較して、セパレータの電気抵抗を低くすることができる。なお、加熱接合としては、例えば、拡散接合や、ロウ付け等が挙げられる。
【００１２】
つまり、本発明によって、低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータを製造することができる。
【００１３】
また、本発明の第２の方法は、
プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを配置した積層体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する燃料電池に用いられる前記セパレータの製造方法であって、
前記セパレータは、
金属からなり、前記積層体のアノードに対向するアノード対向プレートと、
金属からなり、前記積層体のカソードに対向するカソード対向プレートと、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとによって挟持される層であって、前記スタック構造の積層方向から見て、前記積層体とほぼ重なる領域に、前記積層体を冷却するための冷却媒体が流れる冷却媒体流動部を少なくとも形成する中間層と、を備えており、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうちの一方のプレートには、前記中間層を挟んで対向する他方のプレートと接合され、前記冷却媒体流動部において前記冷却媒体を分散させて流す冷却媒体流路を形成するための、金属からなる冷却媒体流路形成部が一体的に形成されており、
前記製造方法は、
熱可塑性を有する樹脂からなり、前記中間層を形成するための複数のシート部材を用意する工程と、
前記アノード対向プレート、および、前記カソード対向プレートのうちの一方のプレートに形成された前記冷却媒体流路形成部と、前記他方のプレートとを接触させて加熱し、前記アノード対向プレートと、前記カソード対向プレートとを加熱接合する工程と、
該加熱接合された接合体における前記アノード対向プレートと前記カソード対向プレートとの間に、前記複数のシート部材をそれぞれ挿入するとともに、該複数のシート部材をそれぞれ接触させる工程と、
該複数のシート部材を挿入した前記接合体を加熱して、前記アノード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記カソード対向プレートと前記複数のシート部材との接着、前記複数のシート部材同士の接着を行う工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１４】
こうすることによっても、先に説明した本発明の第１の方法と同様に、低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータを製造することができる。
【００１５】
なお、上記いずれかの製造方法は、前記加熱接合する工程における加熱温度が、前記シート部材の耐熱温度よりも高い場合に、特に効果的である。
【００１６】
上記いずれかの製造方法において、
前記樹脂は、さらに、導電性を有するものであることが好ましい。
【００１７】
こうすることによって、セパレータの電気抵抗を、さらに低下させることができる。
【００１８】
上記いずれかの製造方法において、
前記シート部材における他の前記シート部材との接触部は、テーパ状の断面形状を有しているようにすることが好ましい。
【００１９】
こうすることによって、シート部材同士の接触面積を広くとることができるので、シート部材同士を、より確実に接着することができる。この結果、シート部材同士の接合面における冷却媒体流動部からの冷却媒体のリークを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．燃料電池モジュールの構成：
Ｂ２．セパレータの製造工程：
Ｃ．第２実施例：
Ｃ１．燃料電池モジュールの構成：
Ｃ２．セパレータの製造工程：
Ｄ．変形例：
【００２１】
Ａ．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。この燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有する。各単セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３層構造を有しており、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、単セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２２】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、単セルとしてのＭＥＧＡユニット４６とによって構成されている。
【００２３】
エンドプレート１０、７０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０、６０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０、５０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０、５０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２４】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．燃料電池モジュールの構成：
図２、および、図３は、燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。図示するように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＧＡユニット４６とによって構成されている。
【００２５】
図２は、セパレータ４１の構成部品の平面図である。図示するように、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４と、２つのシート部材４５Ａ，４５Ｂと、冷却水流路形成部材４３とから構成されている。
【００２６】
本実施例では、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の外形形状を有する平板を用いるものとした。これらは、ステンレス鋼製の部材であるものとした。また、冷却水流路形成部材４３もステンレス鋼製の部材であるものとした。カソード対向プレート４２、アノード対向プレート４４、冷却水流路形成部材４３として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各部材は、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
【００２７】
シート部材４５Ａ，４５Ｂは、熱可塑性を有する樹脂からなる。また、これらは、後述するように互いに接合したときに、カソード対向プレート４２、および、アノード対向プレート４４と同一の外形形状となる形状を有している。なお、熱可塑性を有する樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。セパレータ４１には、電気抵抗が低いことが要求されるため、導電性を有する樹脂を用いるようにしてもよい。
【００２８】
図２（ａ）は、後述するＭＥＧＡユニット４６のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００２９】
図２（ｂ）は、後述するＭＥＧＡユニット４６のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００３０】
図２（ｃ）は、シート部材４５Ａ，４５Ｂの平面図、および、側面図である。図２（ｃ）の左側に、シート部材４５Ａ，４５Ｂの平面図を示し、右側に側面図を示した。
【００３１】
図示するように、シート部材４５Ａは、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａとを備えている。そして、空気供給用貫通孔４５２ａには、空気供給用貫通孔４５２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４５２ｃが設けられている。また、水素供給用貫通孔４５４ａには、水素供給用貫通孔４５４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４５２ｅが設けられている。
【００３２】
また、シート部材４５Ｂは、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂとを備えている。そして、空気排出用貫通孔４５２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４５２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４５２ｄが設けられている。また、水素排出用貫通孔４５４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４５４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４５２ｆが設けられている。
【００３３】
また、シート部材４５Ａ，４５Ｂには、図示するように、それぞれ凹部４５６Ａ，４５６Ｂが設けられている。そして、シート部材４５Ａの凹部４５６Ａの両端の先端には、それぞれテーパ状の断面形状を有する接合部４５７Ａ１，４５７Ａ２が設けられている。また、シート部材４５Ｂの凹部４５６Ｂにおける両端の先端にも、それぞれテーパ状の断面形状を有する接合部４５７Ｂ１，４５７Ｂ２が設けられている。そして、後述するセパレータ４１の製造工程において、シート部材４５Ａの接合部４５７Ａ１と、シート部材４５Ｂの接合部４５７Ｂ１とが、互いに接合され、シート部材４５Ａの接合部４５７Ａ２と、シート部材４５Ｂの接合部４５７Ｂ２とが、互いに接合されて、中間層４５が形成される。このようにシート部材４５Ａとシート部材４５Ｂとを接合して中間層４５を形成したときに、凹部４５６Ａ、および、凹部４５６Ｂによって囲まれた空間は、セパレータ４１において冷却水が流れる冷却水流動部として機能する。この空間は、本発明における冷却媒体流動部に相当する。なお、この空間（冷却水流動部）の、図における横方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａの外側から冷却水排出用貫通孔４４６ｂの外側までの長さＷ３と同じであり、縦方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａ、冷却水排出用貫通孔４４６ｂの縦方向の長さＷ２と同じである。
【００３４】
図２（ｄ）は、冷却水流路形成部材４３の平面図、および、側面図である。図２（ｄ）の左側に、冷却水流路形成部材４３の平面図を示し、右側に側面図を示した。
【００３５】
図示するように、冷却水流路形成部材４３は、矩形凹凸の断面形状を有している。そして、冷却水流路形成部材４３の図における横方向の長さは、図２（ｂ）に示した冷却水供給用貫通孔４４６ａの内側から冷却水排出用貫通孔４４６ｂの内側までの長さＷ１と同じであり、縦方向の長さは、冷却水供給用貫通孔４４６ａ、冷却水排出用貫通孔４４６ｂの縦方向の長さＷ２と同じである。また、冷却水流路形成部材４３の高さは、シート部材４５Ａ，４５Ｂの厚さｔとほぼ同じである。この冷却水流路形成部材４３は、後述するセパレータ４１の製造工程において、カソード対向プレート４２における冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとの間の領域、および、アノード対向プレート４４における冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとの間の領域に接合される。なお、冷却水流路形成部材４３は、例えば、プレス加工によって作製される。
【００３６】
図３は、ＭＥＧＡユニット４６のカソード側から見た平面図、および、ＭＥＧＡ部４６１の断面図である。図３（ａ）に、ＭＥＧＡユニット４６のカソード側から見た平面図を示し、図３（ｂ）に、ＭＥＧＡ部４６１の断面図を示した。
【００３７】
このＭＥＧＡユニット４６は、電解質膜４７の一方（カソード側）の面に、カソード用触媒層４８ｃと、カソード用拡散層４９ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード用触媒層４８ａと、アノード用拡散層４９ａとを、この順にそれぞれ積層させた積層体（ＭＥＧＡ部４６１）を、シリコーンゴム製のフレームによって支持したものである。シリコーンゴムの代わりに、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。なお、図示は省略するが、フレームには、セパレータ４１との積層時に、各ガスのガス漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成されている。このフレームは、例えば、射出成形によって形成される。
【００３８】
図示するように、ＭＥＧＡユニット４６は、ＭＥＧＡ部４６１と、フレームに設けられた空気供給用貫通孔４６２ａと、空気排出用貫通孔４６２ｂと、水素供給用貫通孔４６４ａと、水素排出用貫通孔４６４ｂと、冷却水供給用貫通孔４６６ａと、冷却水排出用貫通孔４６６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４６２ａと、空気排出用貫通孔４６２ｂと、水素供給用貫通孔４６４ａと、水素排出用貫通孔４６４ｂと、冷却水供給用貫通孔４６６ａと、冷却水排出用貫通孔４６６ｂとは、ほぼ矩形であるものとした。
【００３９】
図４は、セパレータ４１の平面図である。セパレータ４１は、先に説明した、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３と、アノード対向プレート４４と、シート部材４５Ａ，４５Ｂとを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た平面図を示した。なお、セパレータ４１の製造工程については、後から詳述する。
【００４０】
図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間層４５と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００４１】
また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００４２】
なお、中間層４５における空気供給用流路形成部４５２ｃ、空気排出用流路形成部４５２ｄ、水素供給用流路形成部４５２ｅ、水素排出用流路形成部４５２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向プレート４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート４２と、中間層４５（シート部材４５Ａ，４５Ｂ）と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
【００４３】
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。図５（ａ）には、図４におけるＡ−Ａ断面図を示し、図５（ｂ）には、図４におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００４４】
ＭＥＧＡユニット４６において、ＭＥＧＡ部４６１のアノード用拡散層４９ａは、ＭＥＧＡユニット４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のアノード対向プレート４４と当接するように配置されている。また、カソード用拡散層４９ｃは、ＭＥＧＡユニット４６と、セパレータ４１とを積層させたときに、セパレータ４１のカソード対向プレート４２と当接するように配置されている。
【００４５】
図５（ａ）の図中に矢印で示したように、燃料電池モジュール４０において、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａから供給された空気は、中間層４５の空気供給用流路形成部４５２ｃを通り、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に供給される。そして、この空気は、カソード用拡散層４９ｃ中を流れ、図５（ｂ）に示したように、カソード対向プレート４２の空気排出口４２２ｏから、ＭＥＧＡ部４６１の表面に対して垂直な方向に排出され、中間層４５の空気排出用流路形成部４５２ｄを通って、アノード対向プレート４４の空気排出用貫通孔４４２ｂから排出される。
【００４６】
なお、ここでは、ＭＥＧＡ部４６１のカソードに供給される空気の流れについてのみ示したが、アノードに供給される水素の流れも同様である。
【００４７】
Ｂ２．セパレータの製造工程：
図６は、第１実施例におけるセパレータ４１の製造工程を示す説明図である。まず、先に説明したアノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３と、シート部材４５Ａ，４５Ｂとを用意する（ステップＳ１００）。
【００４８】
次に、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３とを、先に説明した所定の配置でロウ付けする（ステップＳ１１０）。ロウ付けの代わりに、拡散接合によって加熱接合するようにしてもよい。
【００４９】
次に、冷却水流路形成部材４３と接合したアノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２との間に、シート部材４５Ａ，４５Ｂを挿入し（ステップＳ１２０）、シート部材４５Ａとシート部材４５Ｂとを接触させる。つまり、シート部材４５Ａの接合部４５７Ａ１，４５７Ａ２を、それぞれシート部材４５Ｂの接合部４５７Ｂ１，４５７Ｂ２と接触させる。
【００５０】
そして、これらを加熱して接着する（ステップＳ１３０）。
【００５１】
以上の工程によって、第１実施例のセパレータ４１は、製造される。
【００５２】
以上説明した製造方法によって製造される本実施例のセパレータ４１は、中間層４５に樹脂を用いているので、中間層に金属を用いる場合と比較して、セパレータを軽量化することができる。
【００５３】
また、セパレータ４１は、中間層４５に冷却水流動部が設けられていて、冷却水流路形成部材４３によって、冷却水流動部に冷却水流路が形成されている。この冷却水流路は、冷却水を流すときの圧力損失が小さくなるように、任意に設計可能であるので、冷却水を効率よく流し、燃料電池スタック１００の冷却効率を向上させることができる。
【００５４】
また、本実施例では、セパレータ４１を製造する際に、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２と、冷却水流路形成部材４３とを、単に接触させるのではなく、加熱接合するので、接触させるだけの場合と比較して、セパレータ４１の電気抵抗を低くすることができる。
【００５５】
つまり、先に説明したセパレータの製造方法によって、低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータ４１を製造することができる。
【００５６】
Ｃ．第２実施例：
Ｃ１．燃料電池モジュールの構成：
第２実施例の燃料電池モジュールも、第１実施例の燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータと、ＭＥＧＡユニットとによって構成されている（図示省略）。ただし、第２実施例のセパレータは、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４Ａと、２つのシート部材４５Ａ，４５Ｂとから構成されており、第１実施例のセパレータ４１における冷却水流路形成部材４３は用いない。その代わりに、後述するように、アノード対向プレート４４Ａは、冷却水流路形成部４４８を備えている。
【００５７】
図７は、第２実施例におけるアノード対向プレート４４Ａを示す説明図である。図７（ａ）には、アノード対向プレート４４Ａの平面図を示し、図７（ｂ）には、Ａ−Ａ断面図を示した。
【００５８】
図示するように、アノード対向プレート４４Ａにおいて、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素供給口４４４ｉと、水素排出口４４４ｏと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、第１実施例におけるアノード対向プレート４４と同じである。そして、本実施例におけるアノード対向プレート４４Ａは、さらに、複数のディンプルからなる冷却水流路形成部４４８を備えている。冷却水流路形成部４４８において、ディンプルの深さは、シート部材４５Ａ，４５Ｂの厚さと同じである。冷却水流路形成部４４８は、例えば、プレス加工によって形成される。
【００５９】
Ｃ２．セパレータの製造工程：
図８は、第２実施例におけるセパレータ４１Ａの製造工程を示す説明図である。まず、先に説明したアノード対向プレート４４Ａと、カソード対向プレート４２と、シート部材４５Ａ，４５Ｂとを用意する（ステップＳ２００）。
【００６０】
次に、アノード対向プレート４４Ａと、カソード対向プレート４２とをロウ付けする（ステップＳ２１０）。ロウ付けの代わりに、拡散接合によって加熱接合するようにしてもよい。
【００６１】
次に、接合したアノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２との間に、シート部材４５Ａ，４５Ｂを挿入し（ステップＳ２２０）、シート部材４５Ａとシート部材４５Ｂとを接触させる。
【００６２】
そして、これらを加熱して接着する（ステップＳ２３０）。
【００６３】
以上の工程によって、第２実施例のセパレータ４１Ａは製造される。
【００６４】
以上説明したセパレータの製造方法によっても、先に説明した第１実施例のセパレータ４１の場合と同様に、低電気抵抗を維持しつつ、セパレータの軽量化を図るとともに、燃料電池スタックの冷却効率を向上させることが可能なセパレータ４１Ａを製造することができる。
【００６５】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００６６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、シート部材４５Ａの接合部４５７Ａ１，４５７Ａ２、および、シート部材４５Ｂの接合部４５７Ｂ１，４５７Ｂ２は、それぞれテーパ状の断面形状を有するものとしたが、これに限られない。
【００６７】
図９は、変形例としてのシート部材４５Ａ，４５Ｂの接合部の断面形状を示す説明図である。図９（ａ）に示したように、階段状の断面形状としてもよいし、図９（ｂ）に示したように、垂直な形状としてもよい。ただし、上記実施例のように、接合部をテーパ状にしたり、図９（ａ）に示したように、階段状にしたりすれば、図９（ｂ）に示した垂直な場合よりも、シート部材４５Ａとシート部材４５Ｂとの接合面積を増大させ、確実に接合することができる。そして、冷却水流動部からの冷却水のリークを確実に防止することができる。
【００６８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、中間層４５を２つのシート部材４５Ａ，４５Ｂを接合して形成するものとしたが、これに限られない。３つ以上のシート部材を接合して中間層４５を形成するようにしてもよい。
【００６９】
Ｄ３．変形例３：
上記第１実施例では、冷却水流路形成部材４３は、矩形凹凸形状を有する部材としたが、これに限られない。冷却水流路形成部材は、一般に、冷却水流動部に冷却水を分散して流すとともに、カソード対向プレート４２と、アノード対向プレート４４との導通を確保できればよい。冷却水流路形成部材４３として、例えば、金属多孔体を用いるようにしてもよい。
【００７０】
Ｄ４．変形例４：
上記第２実施例では、アノード対向プレートにディンプル状の冷却水流路形成部４４８を形成するものとしたが、これに限られない。冷却水流路形成部は、アノード対向プレートに形成する代わりに、カソード対向プレートに形成するようにしてもよい。また、冷却水流路形成部４４８は、ディンプル状に限られず、他の形状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す側面図である。
【図２】セパレータ４１の構成部品の平面図である。
【図３】燃料電池モジュール４０の構成部品の平面図である。
【図４】セパレータ４１の平面図である。
【図５】燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。
【図６】第１実施例におけるセパレータ４１の製造工程を示す説明図である。
【図７】第２実施例におけるアノード対向プレート４４Ａを示す説明図である。
【図８】第２実施例におけるセパレータ４１Ａの製造工程を示す説明図である。
【図９】変形例としてのシート部材４５Ａ，４５Ｂの接合部の断面形状を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００...燃料電池スタック
１０，７０...エンドプレート
２０，６０...絶縁板
３０，５０...集電板
４０...燃料電池モジュール
４１，４１Ａ...セパレータ
４２...カソード対向プレート
４３...冷却水流路形成部材
４４，４４Ａ...アノード対向プレート
４２２ａ...空気供給用貫通孔
４２２ｂ...空気排出用貫通孔
４２２ｉ...空気供給口
４２２ｏ...空気排出口
４２４ａ...水素供給用貫通孔
４２４ｂ...水素排出用貫通孔
４２６ａ...冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４４２ａ...空気供給用貫通孔
４４２ｂ...空気排出用貫通孔
４４４ａ...水素供給用貫通孔
４４４ｂ...水素排出用貫通孔
４４４ｉ...水素供給口
４４４ｏ...水素排出口
４４６ａ...冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４４８...冷却水流路形成部
４５...中間層
４５Ａ，４５Ｂ...シート部材
４５２ａ...空気供給用貫通孔
４５２ｂ...空気排出用貫通孔
４５２ｃ...空気供給用流路形成部
４５２ｄ...空気排出用流路形成部
４５２ｅ...水素供給用流路形成部
４５２ｆ...水素排出用流路形成部
４５４ａ...水素供給用貫通孔
４５４ｂ...水素排出用貫通孔
４５６Ａ，４５６Ｂ...凹部
４５７Ａ１，４５７Ｂ１...接合部
４５７Ａ２，４５７Ｂ２...接合部
４６...ＭＥＧＡユニット
４６１...ＭＥＧＡ部
４６２ａ...空気供給用貫通孔
４６２ｂ...空気排出用貫通孔
４６４ａ...水素供給用貫通孔
４６４ｂ...水素排出用貫通孔
４６６ａ...冷却水供給用貫通孔
４６６ｂ...冷却水排出用貫通孔
４７...電解質膜
４８ａ...アノード用触媒層
４８ｃ...カソード用触媒層
４９ａ...アノード用拡散層
４９ｃ...カソード用拡散層
【図１】
2007179787.tif 000003
【図２】
2007179787.tif 000004
【図３】
2007179787.tif 000005
【図４】
2007179787.tif 000006
【図５】
2007179787.tif 000007
【図６】
2007179787.tif 000008
【図７】
2007179787.tif 000009
【図８】
2007179787.tif 000010
【図９】
2007179787.tif 000011