(57)【要約】【課題】積層時に隣接する燃料電池のセパレータプレート間のシールのために要する所望サイズの弾性層の平面領域を容易に確保する。【解決手段】発電体を挟持する一対のセパレータプレートを有する燃料電池において、一対のセパレータプレートの第１のセパレータプレートは、燃料電池の積層時において、第１のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されるばねシール構造の凸部を備え、一対のセパレータプレートの第２のセパレータプレートは、燃料電池の積層時において、第２のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第１のセパレータプレートのばねシール構造の凸部に押圧される弾性層と、弾性層の側方に設けられた堰部と、を備える。【選択図】図３
2016219166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電体を挟持する一対のセパレータプレートを有する燃料電池であって、
前記一対のセパレータプレートの第１のセパレータプレートは、前記燃料電池の積層時において、前記第１のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されるばねシール構造の凸部を備え、
前記一対のセパレータプレートの第２のセパレータプレートは、前記燃料電池の積層時において、前記第２のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第１のセパレータプレートのばねシール構造の凸部に押圧される弾性層と、前記弾性層の側方に設けられた堰部と、を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記堰部の表面に撥水層が形成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にセパレータプレートのシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のシール構造として、特許文献１には、燃料電池のセパレータ（「セパレータプレート」とも呼ぶ）に凸部を設け、凸部の高分子膜（電解質膜）に接触する部分に高分子弾性層を設けて、シール凸部の高分子弾性層を高分子膜に当接してシールする構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０５４０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一方のセパレータプレートにばねシール構造の凸部が設けられ、他方のセパレータプレートに弾性層が設けられた一対のセパレータプレートを有する燃料電池（「単セル」とも呼ぶ）を積層して燃料電池スタックを構成する場合、セパレータプレートの凸部を、隣接する燃料電池のセパレータプレートの弾性層に当接させる。そして、ばねシール構造の凸部及び弾性層のそれぞれが弾性変形して密接することによって、隣接する燃料電池のセパレータプレート間のシールを実現する。以下では、このばねシール構造の凸部と弾性層との弾性変形によりシールする構造を「ばねシール構造」とも呼ぶ。
【０００５】
セパレータプレートの弾性層の形成方法としては、生産性を考慮した場合、スクリーン印刷を利用してゴム剤等の弾性剤をセパレータプレートの上面に塗布し、塗布した弾性剤を硬化させることにより行う方法が考えられる。以下では、スクリーン印刷による弾性剤の塗布を「スクリーン塗布」とも呼ぶ。
【０００６】
スクリーン塗布のために用いられる弾性剤としては、塗布の容易性を考慮した場合、粘度やチクソ性を低くすることが好ましい。しかしながら、弾性剤の粘度やチクソ性を低くした場合、その背反として、塗布された弾性剤の表面形状にいわゆるダレが発生し易くなる。ばねシール構造によるシール性を確保するためには、弾性変形によって凸部と密接させるための平面領域を所望の大きさで確保することが要求されるが、ダレの発生によって弾性層の平面領域が狭くなるため、所望の大きさの弾性層の平面領域の確保が困難となる可能性がある。また、ダレの状態は一定ではなくバラツキが大きいため、弾性層の平面領域の位置を所望の位置に位置決めすることが困難となる可能性がある。
【０００７】
また、ダレの発生を考慮して所望の大きさの平面領域を確保すべく、スクリーン塗布の領域のサイズを予め大きくすることも考えられる。しかしながら、この場合には、弾性層の平面領域として所望大きさを確保できるが、その外周にはダレが発生した無駄な領域も多く形成されることになり、製造効率、製造コスト、小型化等の点で望ましくない。
【０００８】
従って、弾性剤のスクリーン塗布時における表面形状のダレを抑制し、ばねシール構造のための所望サイズの弾性層の平面領域を確保可能とすることが望まれている。なお、この課題は、上記した燃料電池（単セル）を積層して燃料電池スタックを構成する場合、セパレータプレートの凸部を、隣接する燃料電池のセパレータプレートの弾性層に当接させるばねシール構造に限らず、２つの部材間をシールするために、一方の部材に設けられたばねシール構造の凸部と、他方の部材に設けられた弾性層と、で構成されるばねシール構造においても共通する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【００１０】
（１）本発明の一形態によれば、発電体を挟持する一対のセパレータプレートを有する燃料電池が提供される。この燃料電池は、前記一対のセパレータプレートの第１のセパレータプレートは、前記燃料電池の積層時において、前記第１のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第２のセパレータプレートに押圧されるばねシール構造の凸部を備える；前記一対のセパレータプレートの第２のセパレータプレートは、前記燃料電池の積層時において、前記第２のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第１のセパレータプレートのばねシール構造の凸部に押圧される弾性層と、前記弾性層の側方に設けられた堰部と、を備える。
この形態の燃料電池によれば、燃料電池の積層時において、第２のセパレータプレート側に隣接して配置される他の燃料電池の第１のセパレータプレートのばねシール構造の凸部に押圧される弾性層を、弾性層の側方に設けられた堰部で堰き止めることができるので、課題で説明したような、弾性層の表面形状にダレが発生して周囲に拡がることを抑制することができる。これにより、ばねシール構造の凸部と密接させるために要する所望サイズの弾性層の平面領域を十分に確保することができる。また、弾性層、特に、平面領域の位置を、所望の位置に容易に位置決めすることが可能となる。
【００１１】
（２）上記形態の燃料電池において、前記堰部の表面に撥水層が形成されているものとしてもよい。堰部の表面に撥水層が形成されていることによっても、弾性層の表面形状にダレが発生して周囲に拡がることを抑制することができる。これにより、ばねシール構造の凸部と密接させるために要する所望サイズの弾性層の平面領域を十分に確保することができる。また、弾性層、特に、平面領域の位置を、所望の位置に容易に位置決めすることが可能となる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の他、燃料電池を構成するセパレータプレート、燃料電池スタック等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池スタックの外観を模式的に示す説明図である。
【図２】燃料電池を積層方向の一方の側からみた平面図である。
【図３】燃料電池のシールライン近傍の断面を概略的に示す説明図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池のシールライン近傍の断面を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池スタック１０の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池１００（「単セル」とも呼ぶ）と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０、２４０と、を備える。燃料電池１００は、複数有り、積層されている。ターミナルプレート２００、２１０は、積層された燃料電池１００の両側にそれぞれ配置されており、燃料電池１００からの電圧、電流を取り出すために用いられる。絶縁プレート２２０は、ターミナルプレート２００の外側に配置されている。なお、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０が搭載される車両のボディとの固定場所によっては、ターミナルプレート２１０の外側にも絶縁プレートを配置する構成であってもよい。エンドプレート２３０、２４０は、燃料電池１００と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０と、を締結するために燃料電池スタック１０の両側に配置される。
【００１５】
燃料電池１００と、ターミナルプレート２００と、絶縁プレート２２０と、エンドプレート２３０とは、それぞれ複数の開口部を有しており、これらの開口部が連通してマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５が形成されている。マニホールド３１０は、燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するために用いられるので、酸化剤ガス供給マニホールド３１０とも呼ぶ。以下、マニホールド３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、それぞれの役割から、「酸化剤ガス排出マニホールド３１５」、「燃料ガス排出マニホールド３２０」、「燃料ガス供給マニホールド３２５」、「冷媒供給マニホールド３３０」、「冷媒排出マニホールド３３５」とも呼ぶ。
【００１６】
図２は、燃料電池１００を積層方向の一方の側からみた平面図である。図２においては、第１のセパレータプレート１５０が見えている。第１のセパレータプレート１５０は、マニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５を形成するための開口部１５０１〜１５０６を備えている。開口部１５０１〜１５０４の周りを囲うように第１のシールライン１８０が形成され、さらに、開口部１５０５、１５０６と第１のセパレータプレート１５０の内部を囲うように第２のシールライン１８２が形成されている。第２のシールライン１８２は、燃料電池１００の発電領域を取り囲むように形成されている。
【００１７】
図３は、図２の燃料電池１００を３Ａ−３Ｂ切断線で切ったときの断面を概略的に示す説明図である。図３（Ａ）に示すように、燃料電池１００は、樹脂製の補強フレーム１４０で囲われた膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０と、第１のセパレータプレート１５０と、第２のセパレータプレート１６０と、を備える。
【００１８】
膜電極接合体１１０は、触媒層接合電解質膜１２０（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ、以下「ＣＣＭ１２０」と呼ぶ）と、ガス拡散層１３０、１３２と、を備える。ＣＣＭ１２０は、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ塗工された触媒層とを備えている。ガス拡散層１３０はＣＣＭ１２０の一方の面に配置され、ガス拡散層１３２はＣＣＭ１２０の他方の面に配置される。ガス拡散層１３０、１３２は、導電性を有する部材、例えば、カーボンペーパー、カーボン不織布により形成されている。ガス拡散層１３０、１３２は、金属製の多孔体、エキスパンドメタルを含んでいても良い。なお、膜電極接合体１１０が本発明の「発電体」に相当する。
【００１９】
第１のセパレータプレート１５０は、導電性を有する部材（例えば、金属材料）で形成された略長方形の板状部材であり、例えば、プレス加工により形成される。第１のセパレータプレート１５０は、第１凸部１５２（「シールライン形成用凸部１５２」とも呼ぶ）と、第２凸部１５３と、ばね支点部１５４と、流路形成部１５６と、を備える。第１凸部１５２と第２凸部１５３は、いずれも、燃料電池１００の積層方向の外側（図３（Ａ）では上側）に凸となる形状を有している。第１凸部１５２は、第２凸部１５３の中央においえ第２凸部１５３からさらに突出するように形成されている。ばね支点部１５４は、補強フレーム１４０との接合面となる平面形状を有しており、第２凸部１５３の両側に設けられている。ばね支点部１５４の３Ｂ側（図３（Ａ）の右側）、すなわち、第１のセパレータプレート１５０の面に沿った方向の内側には、流路形成部１５６が設けられている。なお、流路形成部１５６については後述する。
【００２０】
第２のセパレータプレート１６０も、導電性を有する部材（例えば、金属材料）で形成された略長方形の板状部材であり、例えば、プレス加工により形成される。第２のセパレータプレート１６０は、シールライン形成用受部１６２（以下、単に「受部１６２」と呼ぶ）と、堰部１６３と、接合部１６４と、流路形成部１６６と、を備える。受部１６２は補強フレーム１４０と接合する接合面となる平面形状を有しており、第１のセパレータプレート１５０の第１凸部１５２に対向する位置に設けられている。堰部１６３は、燃料電池１００の積層方向の外側（図３（Ａ）では下側）に凸となる形状（突起形状）を有しており、受部１６２の両側に設けられている。接合部１６４は、受部１６２と同様に、補強フレーム１４０との接合面となる平面形状を有しており、堰部１６３の両側に設けられている。接合部１６４の３Ｂ側（図３（Ａ）の右側）、すなわち、第２のセパレータプレート１６０の面に沿った方向の内側には、流路形成部１６６が設けられている。なお、流路形成部１６６については後述する。
【００２１】
堰部１６３に挟まれた受部１６２の上面には、弾性層１７０が形成されている。弾性層１７０は、生ゴムやエラストマーなどのゴム弾性を有する部材で形成することが好ましい。弾性層１７０は、例えば、堰部１６３の間の受部１６２上の領域を埋めるように弾性剤（例えば、ＵＶ硬化ゴム剤）を塗布し、塗布した弾性剤を硬化（例えば、ＵＶ硬化）させることにより形成することができる。弾性剤の塗布は、例えば、スクリーン印刷を用いて行うことができる。
【００２２】
図３（Ａ）に示す６つの寸法Ｈ１〜Ｈ６は、下記関係を満たすように設定することが好ましい。
Ｈ２＋Ｈ５＜Ｈ３＋Ｈ６＜Ｈ１＋Ｈ４  ・・・（１）
Ｈ２＜      Ｈ３＜Ｈ１        ・・・（２）
Ｈ４≦Ｈ５        ・・・（３）
ここで、Ｈ１は、ばね支点部１５４から第１凸部１５２の頂部までの高さである。
Ｈ２は、ばね支点部１５４から第２凸部１５３の頂部までの高さである。
Ｈ３は、ばね支点部１５４から流路形成部１５６の頂部までの高さである。
Ｈ４は、受部１６２（接合部１６４）から弾性層１７０の表面までの高さ、すなわち、弾性層１７０の厚さである。
Ｈ５は、受部１６２（接合部１６４）から堰部１６３の頂部までの高さである。
Ｈ６は、接合部１６４から流路形成部１６６の頂部までの高さである。
【００２３】
なお、これらの高さの関係は、積層した燃料電池１００を締結して燃料電池スタック１０を構成する前の関係である。
【００２４】
第１のセパレータプレート１５０は、ばね支点部１５４が補強フレーム１４０の第１面（図３（Ａ）の上面）に接触し、流路形成部１５６がガス拡散層１３０に接触するように配置されている。このとき、第１凸部１５２及び第２凸部１５３は、補強フレーム１４０から離れた状態である。第１凸部１５２と第２凸部１５３と補強フレーム１４０とに囲われた空間１５５は、燃料電池１００の締結時に弾性的な変形が可能な変形可能空間である。２つの凸部１５２、１５３及びばね支点部１５４の構造により、第１凸部１５２は押圧による弾性変化が可能となる。流路形成部１５６と、ガス拡散層１３０との間に、第１のガス流路１９０が形成されている。
【００２５】
また、第２のセパレータプレート１６０は、受部１６２及び接合部１６４が補強フレーム１４０の第２面（図３（Ａ）の下面）に接触し、流路形成部１６６がガス拡散層１３２に接触するように配置されている。流路形成部１６６と、ガス拡散層１３２との間に、第２のガス流路１９２が形成されている。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、図３（Ｂ）に示すように、第１のセパレータプレート１５０の第１凸部１５２と第２のセパレータプレート１６０の受部１６２の弾性層１７０とが接し、第１のセパレータプレート１５０の流路形成部１５６と、第２のセパレータプレート１６０の流路形成部１６６とが接するように、燃料電池１００が積層配置される。このとき、流路形成部１５６と流路形成部１６６との間に冷媒流路１９４が形成される。この状態で燃料電池１００の積層体に締結荷重が掛けられることにより、図３（Ｂ）に示すように、凸部１５２、１５３は、受部１６２及び弾性層１７０によって押され、ばね支点部１５４を支点として変形し、第１凸部１５２の高さＨ１が減少する。また、弾性層１７０は、第１凸部１５２によって押され、その厚みが減少する。これにより、第１凸部１５２と弾性層１７０とが、第１のセパレータプレート１５０と第２のセパレータプレート１６０との間にシールライン１８２を形成する。なお、締結荷重がかけられなくなると、凸部１５２、１５３と、弾性層１７０とは、図３（Ａ）に示す状態に戻ることが好ましい。すなわち、荷重による凸部１５２、１５３及び弾性層１７０の変形は、弾性変形であることが好ましい。このように、凸部１５２、１５３は、ばね支点部１５４を支点としたばねのように振る舞うので、「ばねシール部」あるいは「ばねシール構造部」とも呼ぶ。また、第１凸部１５２は、本発明の「ばねシール構造の凸部」に相当する。
【００２７】
シールライン１８２の幅Ｗｓは、シール性を確保するために最低限必要とされる幅以上であり、図３（Ａ）における弾性層１７０は、その表面が受部１６２の面に平行な平面で、その幅１７２ｈがシールライン１８２の幅Ｗｓよりも大きいことが好ましい。そこで、本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、受部１６２の幅１６２ｈを、シールライン１８２として形成可能な最大の幅に相当する第１凸部１５２の幅１５２ｈと同じ長さに設定することにより、弾性層１７０の幅１７２ｈを、第１凸部１５２の幅１５２ｈ以上の幅としている。これにより、シールライン１８２の幅Ｗｓを、シールに必要な幅以上に確保している。なお、受部１６２の幅１６２ｈを「堰部１６３の間隔」とも呼ぶ。
【００２８】
ここで、比較例としての燃料電池１００ｒの第２のセパレータプレート１６０ｒについて説明する。図３（Ｃ）に示すように、第２のセパレータプレート１６０ｒには、図３（Ａ）の第２のセパレータプレート１６０において設けられている受部１６２の両側の堰部１６３が設けられていない。弾性層１７０の幅１７２ｈを第１凸部１５２の幅１５２ｈと同じ幅に設定して、受部１６２上にスクリーン印刷により弾性剤を塗布して弾性層１７０を形成したものとする。この場合、形成された弾性層１７０のうちの平面領域の幅１７２ｈｒは、設定した弾性層１７０の幅１７２ｈよりも狭くなる。これは、以下の理由による。すなわち、スクリーン印刷による弾性剤の塗布を可能とするためには、塗布の容易性を考慮して粘度やチクソ性が低い弾性剤が用いられるが、その背反として、塗布された弾性剤の表面形状にダレが発生するからである。このように、弾性層１７０の平面領域の幅が狭くなると、第１凸部１５２に密接してシールライン１８２を形成するために要する弾性層１７０の部分のシールライン１８２の幅方向に沿った幅Ｗｓを確保することが困難となり、第１凸部１５２と弾性層１７０との密接性の低下や、形成されるシールラインの幅の低下等によってシール性の確保が困難となる可能性がある。また、ダレの状態は一定ではなくバラツキが大きいだめ、弾性層１７０の平面領域を第１凸部１５２の頂部を基準として対応させた所望の位置に位置決めすることが困難となる可能性もある。
【００２９】
これに対して、本実施形態では、スクリーン印刷を用いた場合にも、受部１６２の両側に設けられた堰部１６３により、受部１６２に塗布された弾性剤の表面形状にダレが発生するのを抑制し、堰部１６３の間で形成された弾性層１７０の幅１７２ｈの領域を全体的に平面領域とすることが可能となる。これにより、シールライン１８２の幅Ｗｓを十分に確保することができ、シールライン１８２のシール性を容易に確保することができる。また、弾性層１７０の平面領域を第１凸部１５２に対応させた所望の位置に容易に位置決めすることができる。
【００３０】
Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池１００Ａのシールライン近傍の断面を概略的に示す説明図である。第２実施形態における燃料電池１００Ａ及びこれを用いた燃料電池スタックは、以下で説明する燃料電池１００Ａの構造を除いて、図１〜図３に示した第１実施形態の燃料電池スタック１０及び燃料電池１００と同様である。また、図４は、図３と同様に燃料電池１００Ａを３Ａ−３Ｂ切断線で切ったときの断面を概略的に示している。
【００３１】
第２実施形態の燃料電池１００Ａは、第１実施形態の燃料電池１００の第２のセパレータプレート１６０に代えて第２のセパレータプレート１６０Ａを備える。第２のセパレータプレート１６０Ａは、接合部１６４のシールライン形成用受部１６２の両側に、堰部１６３に代えて撥水層１６３Ａが形成されている。撥水層１６３Ａは、フッ素系樹脂やシリコン系樹脂等の撥水性樹脂を含む撥水剤を塗布することにより形成される。例えば、フッ素系樹脂であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含む撥水剤を用いることができる。第２のセパレータプレート１６０Ａの表面のうち、撥水層１６３Ａが形成される部分は、凹凸の無い平面部分であっても良く、あるいは、凸状に隆起した部分であっても良い。
【００３２】
Ｃ．変形例：
（１）上記第１実施形態では、堰部１６３に挟まれた受部１６２の幅１６２ｈを、第１凸部１５２の幅１５２ｈと同じ長さに設定した構成として説明している。しかしながら、これに限定されるものではなく、弾性層１７０の幅１７２ｈが、シールライン１８２の幅Ｗｓがシール性を確保するために必要な幅以上となるように、堰部１６３に挟まれた受部１６２の幅１６２ｈを設定すればよい。
【００３３】
（２）上記第１実施形態では、弾性層１７０の側面が全体的に堰部１６３の側壁に接する場合を例に説明したが、弾性層１７０と堰部１６３との間に多少の隙間が有っても良い。但し、弾性層１７０の側面の少なくとも一部が堰部１６３の側壁に接する方が好ましく、弾性層１７０の側面が全体的に堰部１６３の側壁に接する方がより好ましい。
【００３４】
（３）上記第２実施形態における撥水層１６３Ａを、上記第１実施形態における堰部１６３の表面に形成するようにしてもよい。
【００３５】
（４）上記各実施形態では、発電領域を取り囲むシールライン１８２を例にとり説明したが、他のシールライン１８０（図２参照）についても同様の構成であってもよい。
【００３６】
（５）また、弾性層１７０はスクリーン印刷以外の方法で形成されるようにしても良い。
【００３７】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…燃料電池スタック
１００，１００Ａ…燃料電池
１１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２０…触媒層接合電解質膜（ＣＣＭ）
１３０、１３２…ガス拡散層
１４０…補強フレーム
１５０…第１のセパレータプレート
１５２…第１凸部（シールライン形成用凸部）
１５３…第２凸部
１５４…ばね支点部
１５５…空間
１５６…流路形成部
１６０，１６０Ａ…第２のセパレータプレート
１６２…シールライン形成用受部（受部）
１６３…堰部
１６３Ａ…撥水層
１６４…接合部
１６６…流路形成部
１７０…弾性層
１８０、１８２…シールライン
１９０…第１のガス流路
１９２…第２のガス流路
１９４…冷媒流路
２００、２１０…ターミナルプレート
２２０…絶縁プレート
２３０…エンドプレート
３１０…酸化剤ガス供給マニホールド
３１５…酸化剤ガス排出マニホールド
３２０…燃料ガス排出マニホールド
３２５…燃料ガス供給マニホールド
３３０…冷媒供給マニホールド
３３５…冷媒排出マニホールド
１５０１〜１５０６…開口部
【図１】
2016219166.tif 000003
【図２】
2016219166.tif 000004
【図３】
2016219166.tif 000005
【図４】
2016219166.tif 000006