(57)【要約】【課題】電極構造体の損傷を防止することができ、コストを低減することができる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】基板３５にリブ３６とウェブ３７とよりなる複数の突条部Ｔを平行に形成して、各突条部Ｔの間にガス流路用溝１８を形成する。前記ガス流路用溝１８と電極構造体１１とによってガス流路２０を形成する。前記突条部Ｔの左右一対のリブ３６を前記基板３５からウェブ３７に行くに従って間隔が狭くなるようにそれぞれ傾斜させる。前記両リブ３６に対し、前記ウェブ３７が前記基板３５に接近するＱ矢印方向への外力を受けたとき、前記両リブ３６を弾性変形させる薄肉部３６ａを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にリブとウェブとよりなる複数の突条部を平行に形成して、各突条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、
前記突条部の左右一対のリブを前記基板からウェブに行くに従って間隔が大きくなるようにそれぞれ傾斜させ、前記リブに対し、前記ウェブが前記基板に接近する方向への外力を受けたとき、該両リブを弾性変形させる弾性変形許容部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに形成された薄肉部であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。      
【請求項３】
請求項１において、前記弾性変形許容部は、両リブに形成された蛇行状部であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに部分的に形成された薄肉部であって、薄肉部以外の厚肉部は、突条の内側に形成された冷却水用溝側に隆起するように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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータに係り、詳しくは電極構造体の損傷を防止することができるとともに、電気抵抗を低減して、発電効率を向上することができる燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池は、図７に示すように、平板状の電極構造体１１（ＭＥＡ：Membran ｅ・Electrode ・Asembly ）の両側に正極（カソード）及び負極（アノード）のセパレータ１６，１７が積層された発電セル１０を、複数積層して燃料電池のスタックとしている。前記電極構造体１１は、正極（カソード）及び負極（アノード）を構成する一対のガス拡散型の正電極層１４及び負電極層１５の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜１３が挟着された三層構造となっている。前記セパレータ１６，１７は、電極構造体１１の両電極層１４，１５に接触され、両電極層１４，１５との間にガスを流通させる酸化ガス流路２０及び燃料ガス流路２７が形成されている。そして、例えば正電極層１４に面するガス流路２０に酸素や空気等の酸化性ガスを流し、負電極層１５に面するガス流路２７に燃料である水素ガスを流すことにより、電気化学反応が起こり、電気が発生する。（特許文献１参照）
前記セパレータ１６，１７を構成する基板３５には、一対のリブ３６とウェブ３７とよりなる複数の突条部Ｔが成形されている。前記リブ３６は基板３５に対し傾斜角αだけ傾斜するように屈曲成形されている。各突条部Ｔの間には、ガス流路用溝１８が形成され、該ガス流路用溝１８の開口１９が正電極層１４によって閉塞されることによって前記ガス流路２０が形成されている。
【０００３】
前記基板３５に対してリブ３６を傾斜させた理由は、正電極層１４に対する当接部としてのウェブ３７の接触面積を広くして通電を適正に行うとともに、ガス流路２０の通路断面積も適正に確保するためである。リブ３６を傾斜させるためには、成形装置を用いて精密コイニング加工が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４‐２６５８５６号公報（明細書の段落０００９、００１０及び図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、図７に示すリブ３６が傾斜したセパレータ１６，１７を用いた燃料電池においては、次のような問題が生じた。即ち、複数の発電セル１０は、前記両電極層１４，１５とセパレータ１６，１７との接触界面の電気抵抗を低減するため、積層状態で、二枚の図示しないエンドプレートの間に所定の締付力で互いに押圧され、前記セパレータ１６，１７と両電極層１４，１５とのそれぞれの接触面が互いに圧接されている。そして、燃料電池が発電を行っているとき、電極構造体１１のカソード側において、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成され、この生成水の大半はガス流路２０を流れる酸化（酸素）ガス流によって外部に排出される。残りの生成水は電極構造体１１の内部に浸透し、ガス流路２７に浸透水として浸入する。このため、電極構造体１１が浸透した生成水によって膨張し、前記セパレータ１６，１７にＰ，Ｑ矢印方向への押圧力が作用する。ところが、セパレータ１６，１７は剛性の高い例えばステンレス鋼板によって成形され、リブ３６の傾斜角αが大きいので、Ｐ，Ｑ矢印方向へ弾性変形されることは無い。従って、電極構造体１１が反Ｐ，Ｑ矢印方向への圧縮反力を受けることになり、電極構造体１１が過度に圧縮されて損傷する恐れがあった。
【０００６】
又、例えば、燃料電池が低負荷で運転されている場合には、生成水の発生量も少なくなるので、電極構造体１１に浸透する生成水も少なくなって、発電の際に生じる高温の熱によって電極構造体１１が乾燥状態になる。すると、電極構造体１１の正電極層１４及び負電極層１５が乾燥により収縮して厚みが減少するが、セパレータ１６，１７は変形しないので、電極構造体１１とセパレータ１６，１７との接触面圧が弱くなり、両部材間の電気抵抗が増大し、発電効率が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、電極構造体の損傷を防止することができるとともに、製造を容易に行い、発電効率を向上することができる燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板にリブとウェブとよりなる複数の突条部を平行に形成して、各突条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、前記突条部の左右一対のリブを前記基板からウェブに行くに従って間隔が大きくなるようにそれぞれ傾斜させ、前記リブに対し、前記ウェブが前記基板に接近する方向への外力を受けたとき、該両リブを弾性変形させる弾性変形許容部を設けたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに形成された薄肉部であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記弾性変形許容部は、両リブに形成された蛇行状部であることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記弾性変形許容部は、前記両リブに部分的に形成された薄肉部であって、薄肉部以外の厚肉部は、突条の内側に形成された冷却水用溝側に隆起するように形成されていることを要旨とする。
【００１１】
（作用）
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明は、突条部の一対のリブに弾性変形許容部が設けられているので、燃料電池の発電の際に、電極構造体に生成水が浸透して、該電極構造体が膨張し、ウェブが基板に接近する方向に押圧されても、弾性変形許容部によって前記リブが弾性変形する。このため、電極構造体の膨張が許容され、電極構造体に発生する内部応力が低減され、電極構造体の損傷が防止される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極構造体の損傷を防止することができるとともに、発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明のセパレータを用いた燃料電池の部分断面図。
【図２】燃料電池の発電セルの構成部品を示す分解斜視図。
【図３】セパレータの突条部の中心を通る断面図。
【図４】（ａ）はこの発明の別のセパレータの製造に用いられる蛇行状部を有する平板材の部分断面図、（ｂ）は成形されたセパレータの部分断面図。
【図５】この発明の別の実施形態のセパレータの部分断面図。
【図６】この発明の別の実施形態のセパレータの部分断面図。
【図７】従来の燃料電池の電極構造体及びセパレータの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した燃料電池用セパレータの一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
最初に、図２に基づいて、本実施形態のセパレータを用いた燃料電池について説明する。
【００１５】
この燃料電池の発電セル１０を構成する電極構造体１１は、四角環状の枠体１２と、該枠体１２の内側に収容された固体高分子電解質膜１３と、該固体高分子電解質膜１３の表面に積層されたガス拡散電極としての正電極層１４及び負電極層１５とによって構成されている。前記枠体１２及び正電極層１４の表面には正極用のセパレータ１６が当接され、前記枠体１２及び負電極層１５の表面には負極用のセパレータ１７が当接される。この発電セル１０が多数枚積層されて燃料電池スタックとして構成される。
【００１６】
前記正極用のセパレータ１６の前記正電極層１４に接触する面には、酸化ガス流路用溝１８が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。この酸化ガス流路用溝１８の開口１９が前記正電極層１４によって閉塞されることにより酸化ガス流路２０が形成されている。前記セパレータ１６の上部には酸素ガス供給孔２１が形成され、該酸素ガス供給孔２１から共通ガス流路２２を通して酸素ガスが前記各酸化ガス流路２０に分配供給されるようになっている。前記セパレータ１６の下部には酸素ガス排出孔２３が形成され、各酸化ガス流路２０から発電に供された酸素オフガスが共通ガス流路２４を通して酸素ガス排出孔２３から排出されるようになっている。
【００１７】
前記負極用のセパレータ１７の前記負電極層１５に接触する面には、燃料ガス流路用溝２５が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。このガス流路用溝２５の開口２６が前記負電極層１５によって閉塞されることにより燃料ガス流路２７が形成されている。前記セパレータ１７の上部には燃料ガス供給孔２８が形成され、該燃料ガス供給孔２８からガス流路（図示しないが前記共通ガス流路２２参照）を通して燃料ガスが前記各燃料ガス流路２７に分配供給されるようになっている。前記セパレータ１７の下部には燃料ガス排出孔２９が形成され、各燃料ガス流路２７から発電に供された燃料オフガスが共通ガス流路（図示しないが前記共通ガス流路２４参照）を通して燃料ガス排出孔２９から排出されるようになっている。なお、前記枠体１２には前記酸素ガス供給孔２１及び燃料ガス供給孔２８を連通する通路１２ａが形成され、前記酸素ガス排出孔２３及び燃料ガス排出孔２９を連通する通路１２ｂが形成されている。
【００１８】
次に、前記セパレータ１６の構成について説明する。なお、一方のセパレータ１７は、他方のセパレータ１６と同様に構成されているので、構成の説明を省略する。この実施形態においては、図１において、セパレータ１６のガス流路用溝１８（酸化ガス流路２０）の両側を左右とし、正電極層１４側を上部、正電極層１４から離れる側を下部とする。
【００１９】
図１に示すように、セパレータ１６の基板３５の左右両側縁には、リブ３６が一体に、かつ上端（正電極層１４側）ほど互いに間隔が大きくなるように傾斜状態に成形され、両リブ３６の先端部間には、正電極層１４に接触される平板状のウェブ３７が一体に成形されている。前記両リブ３６及びウェブ３７によって基板３５に複数の突条部Ｔが互いに平行に形成されている。各突条部Ｔの間に前記ガス流路用溝１８が形成され、前記正電極層１４によってガス流路用溝１８の開口１９が閉塞されることで、前記ガス流路用溝１８が酸化ガス流路２０に形成されている。
【００２０】
前記基板３５に対するリブ３６の傾斜角αは、例えば５０°〜８０°の範囲に設定され、この実施形態では７０°に設定されている。前記基板３５とリブ３６の境界部３８は、ガス流路用溝１８の外側に膨らむ円弧状に成形されている。前記リブ３６とウェブ３７の境界部３９は、ウェブ３７の幅方向外側に膨らむ円弧状に成形されている。前記突条部Ｔの内側に形成された溝は、燃料電池の発電の際に冷却水を流すための冷却水用溝４０として用いられる。
【００２１】
前記リブ３６の薄肉部３６ａの板厚ｔ１は、前記境界部３８，３９の板厚ｔ２，ｔ３寸法よりも薄く設定され、両リブ３６全体が弾性変形許容部としての薄肉部３６ａとなっている。
【００２２】
図２に示すように、セパレータ１６，１７に形成された突条部Ｔは、図示が簡略化されている。突条部Ｔのリブ３６及びウェブ３７の両端開口部は、図３に示すように弾性変形が可能な薄い板厚の閉塞リブ３６１によって閉塞され、共通ガス流路２２，２４と冷却水用溝４０とを区画している。なお、図３においては、セパレータ１６に対し、前記冷却水用溝４０に冷却水を循環供給する構成が施されるが、これは図示されていない。
【００２３】
上記実施形態の燃料電池用セパレータによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、図１に示すように、セパレータ１６のリブ３６に弾性変形を許容する薄肉部３６ａを形成した。このため、燃料電池の発電の際に、水素と酸素が反応してカソードの酸化ガス流路２０に生成される生成水が電極構造体１１に含浸されて電極構造体１１が膨張しても問題が生じない。即ち、前記セパレータ１６のウェブ３７に突条部Ｔを圧縮するＱ矢印方向に押圧力が作用したとき、前記薄肉部３６ａが弾性変形して、ウェブ３７が下方に変位するので、正電極層１４とウェブ３７の接触面の面圧が増大するのを防止することができる。この結果、電極構造体１１の内部に前記押圧力によって生じる内部応力を低減し、電極構造体１１の損傷を防止することができる。
【００２４】
（２）上記実施形態では、リブ３６が薄肉部３６ａによって弾性変形されるので、燃料電池の低負荷の発電状態において、生成水の量が減少して、前記電極構造体１１が乾燥状態となって、電極構造体１１が収縮した場合には、リブ３６の薄肉部３６ａが弾性変形してウェブ３７が正電極層１４に適正に押圧される。このため、正電極層１４とウェブ３７の接触面圧を適正に保持することができ、電気抵抗が増大するのを防止して、発電効率を向上することができる。
【００２５】
（３）上記実施形態では、図３に示すように、突条部Ｔの両端部の閉塞リブ３６１を薄肉にしたので、突条部Ｔの両端部における弾性変形を許容して、電極構造体１１の膨張又は収縮に適正に対応することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図４（ａ）に示すように、図示しない成形装置を用いて、被加工材４７に蛇行状部３６ｂを成形する。その後、この被加工材４７を成形装置を用いて成形し、図４（ｂ）に示すようにセパレータ１６を成形する。この実施形態の場合にも、前述した実施形態と同様の効果がある。
【００２７】
・図５に示すように、前記両リブ３６の境界部３９側に薄肉部３６ａを部分的に形成し、薄肉部３６ａ以外の厚肉部３６ｃを、突条部Ｔの内側に形成された冷却水用溝４０側に隆起するように形成してもよい。この場合には酸化ガス流路２０の通路面積を低減することなく、薄肉部３６ａ及び厚肉部３６ｃを形成することができる。
【００２８】
・図６に示すように、前記ウェブ３７の板厚寸法を、基板３５及びリブ３６の板厚寸法よりも大きくしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
Ｔ…突条部、１８，２５…ガス流路用溝、３５…基板、３６…リブ、３６ａ…薄肉部、３６ｂ…蛇行状部、３６ｃ…厚肉部、３７…ウェブ、４０…冷却水用溝。
【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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【図７】
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