(57)【要約】【課題】金属セパレータの発電部とシール部との荷重差を緩和させることができ、金属プレートの割れ等を可及的に阻止し、しかも良好なシール性を保持することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１４の面１４ａには、カソード側電極２６に対向する発電部である酸化剤ガス流路３０と、前記酸化剤ガス流路３０を囲繞する流路シール部３６ａとが設けられる。酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの間には、外部荷重が付与される際に、他の部位よりも容易に変形可能な変形部４０が設けられるとともに、この変形部４０は、流路シール部３６ａの長手方向に沿って延在するビード形状部４２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが、積層される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、前記電極に対向する発電部と、
前記シール部材により構成され、前記発電部を囲繞するシール部と、
前記発電部と前記シール部との間に設けられ、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記発電部は、反応ガスを前記電極に沿って流すための反応ガス流路を形成する凹凸形状部を有するとともに、
前記変形部は、前記反応ガス流路側に突出するビード形状部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記変形部は、他の部位に比べて薄肉形状を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（ＭＥＡ）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持して構成されている。この種の燃料電池では、車載用として使用する際に、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
この場合、セパレータとしては、カーボンセパレータの他、薄板状の金属プレートにシール部材を一体成形した金属セパレータが使用されている。この種の金属セパレータは、例えば、特許文献１に開示されているシリコーン樹脂−金属複合体の製造方法により製造されている。
【０００４】
具体的には、図６に示すように、金属薄板１の端部が金型を構成する固定側型板２ａと、可動側型板２ｂとの合わせ面に形成された金型キャビティ内に配置されている。金属薄板１の周縁部には、この金属薄板１の断面部３を介して樹脂流路４が形成されており、固定側型板２ａのゲート５から液状シリコーン樹脂が射出されている。この液状シリコーン樹脂は、表面のシリコーン樹脂層６ａから金属薄板１の断面部３の樹脂流路４を通って裏面のシリコーン樹脂層６ｂへ金型キャビティ内に充填されることにより、成形されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０９７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、金属セパレータでは、小型軽量化を図るために、金属プレートの厚さを減少させて薄肉化を図っている。このため、例えば、燃料電池の積層時に、シール部材、金属プレート又はＭＥＡの製造誤差等によって、金属セパレータの中央領域の発電部と前記発電部の周囲に設けられているシール部とに発生する荷重の差が大きくなる場合がある。これにより、金属プレートの塑性変形による割れや短絡、又はシール不良によるガス漏れ等が惹起するという問題がある。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの発電部とシール部との荷重差を緩和させることができ、金属プレートの割れ等を可及的に阻止し、しかも良好なシール性を保持することが可能な燃料電池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】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが、積層される燃料電池に関するものである。
【０００９】
金属セパレータは、電極に対向する発電部と、シール部材により構成され、前記発電部を囲繞するシール部と、前記発電部と前記シール部との間に設けられ、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部とを備えている。
【００１０】
また、発電部は、反応ガスを電極に沿って流すための反応ガス流路を形成する凹凸形状部を有するとともに、変形部は、前記反応ガス流路側に突出するビード形状部を有することが好ましい。
【００１１】
さらに、変形部は、他の部位に比べて薄肉形状を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば、シール部材、金属プレート又はＭＥＡの製造誤差等により、金属セパレータの中央領域の発電部と前記発電部の周囲のシール部とに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部が変形することによってこの荷重の差を吸収（緩和）することができる。従って、金属プレートの割れや短絡等を可及的に阻止するとともに、良好なシール性を保持することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０が積層された燃料電池スタック１１の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１４】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。
【００１５】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。なお、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよい。
【００１６】
燃料電池１０の長辺方向の上端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。
【００１７】
燃料電池１０の長辺方向の下端両角部近傍には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。
【００１８】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための上下２つ（又は、１つあるいは３つ以上）の冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための上下２つ（又は、１つあるいは３つ以上）の冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６及びアノード側電極２８とを備える。
【００２０】
カソード側電極２６及びアノード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。
【００２１】
図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状流路溝（凹凸形状部）３０ａを有するとともに、前記波状流路溝３０ａは、第１金属セパレータ１４を構成する金属プレートを凹凸状に成形することにより設けられる。
【００２２】
図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３２が形成される。燃料ガス流路３２は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の波状流路溝（凹凸形状部）３２ａを有するとともに、前記波状流路溝３２ａは、第２金属セパレータ１６を構成する金属プレートを凹凸状に成形することにより設けられる。
【００２３】
第２金属セパレータ１６の面１６ｂと、第１金属セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される（図１参照）。この冷却媒体流路３４は、酸化剤ガス流路３０の波状流路溝３０ａと燃料ガス流路３２の波状流路溝３２ａとを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【００２４】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材３６が一体成形される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材３８が一体成形される。第１及び第２シール部材３６、３８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００２５】
第１シール部材３６は、図３に示すように、面１４ａ側に酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通し、且つ発電部である前記酸化剤ガス流路３０を囲繞して設けられる流路シール部３６ａと、燃料ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス排出連通孔２０ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂをそれぞれ周回する周回シール部３６ｂとを有する。
【００２６】
第１金属セパレータ１４は、酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部４０を設ける。変形部４０は、図２に示すように、酸化剤ガス流路３０側に突出するビード形状部４２を有するとともに、このビード形状部４２は、金属プレートにビード加工を施すことにより形成される。ビード形状部４２は、実質的に流路シール部３６ａの長手方向に沿って延在しており、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂと酸化剤ガス流路３０との各連通部位において、断続的に構成することが好ましい。なお、ビード形状部４２は、第１シール部材３６に被覆されていてもよい。
【００２７】
図４に示すように、第２シール部材３８は、面１６ａ側に燃料ガス流路３２と燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂとを囲繞して設けられる流路シール部３８ａと、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂをそれぞれ周回する周回シール部３８ｂとを有する。
【００２８】
図１に示すように、第２シール部材３８は、面１６ｂ側に冷却媒体流路３４と冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂとを囲繞して設けられる流路シール部３８ｃと、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂをそれぞれ周回する周回シール部３８ｄとを有する。
【００２９】
第２金属セパレータ１６は、図４に示すように、燃料ガス流路３２と流路シール部３８ａとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部４４を設ける。変形部４４は、図２に示すように、燃料ガス流路３２側に突出するビード形状部４６を有する。ビード形状部４６は、実質的に流路シール部３８ａの長手方向に沿って延在しており、燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂと燃料ガス流路３２との各連通部位において、断続的に構成することが好ましい。
【００３０】
第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６により電解質膜・電極構造体１２が挟持された状態では、前記第１金属セパレータ１４のビード形状部４２と、前記第２金属セパレータ１６のビード形状部４６とは、前記電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２４を挟持している（図２参照）。
【００３１】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３２】
先ず、燃料電池スタック１１では、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３３】
図１に示すように、酸化剤ガスは、各燃料電池１０を構成する酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に沿って鉛直下方向に移動する（図３参照）。
【００３４】
一方、燃料ガスは、図４に示すように、各燃料電池１０を構成する燃料ガス供給連通孔２０ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３２に導入される。この燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に沿って鉛直下方向に移動する。
【００３５】
上記のように、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３６】
次いで、カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂから排出される（図１及び図３参照）。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに排出される（図４参照）。
【００３７】
また、冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３４に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される（図１参照）。
【００３８】
ところで、図２に示すように、燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、所定の締め付け荷重を付与している。ここで、第１及び第２シール部材３６、３８の寸法誤差（製造誤差）や、第１及び第２金属セパレータ１４、１６の製造誤差や、電解質膜・電極構造体１２の製造誤差等が惹起し易い。
【００３９】
このため、特に、第１及び第２シール部材３６、３８は、圧縮率に差が生じて発生する面圧がばらついてしまう。これにより、例えば、第１金属セパレータ１４では、発電部である酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの面圧差が、剛体である前記第１金属セパレータ１４の金属プレートにせん断力として作用する。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４は、酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの間に、ビード形状部４２を有する変形部４０を設けている。これにより、第１金属セパレータ１４の中央領域の酸化剤ガス流路３０（発電部）と該酸化剤ガス流路３０の周囲の流路シール部３６ａとに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部４０を構成するビード形状部４２が容易に変形することによって、この荷重の差を吸収（緩和）することができる。
【００４１】
従って、第１金属セパレータ１４では、剛体である金属プレートの塑性変形による割れ等の他、短絡を可及的に阻止するとともに、酸化剤ガスの漏れを防止して良好なシール性を保持することが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
一方、第２金属セパレータ１６においても同様に、図４に示すように、中央領域の発電部である燃料ガス流路３２と、この燃料ガス流路３２の周囲の流路シール部３８ａとに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部４４を構成するビード形状部４６が容易に変形することによって、この荷重の差を吸収することができ、上記の第１金属セパレータ１４と同様の効果が得られる。
【００４３】
さらに、第１の実施形態では、変形部４０、４４が第１及び第２金属セパレータ１４、１６の面内で流路シール部３６ａ、３８ａの長手方向に沿って延在するビード形状部４２、４６を備えている。このため、流路シール部３６ａ、３８ａの長手方向に寸法誤差によるシール線圧の変化が発生しても、第１及び第２金属セパレータ１４、１６の面にうねりが惹起することがなく、酸化剤ガス及び燃料ガスの漏れを可及的に阻止することが可能になる。
【００４４】
さらにまた、図２に示すように、ビード形状部４２、４６は、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜２４に摺接し、互いに前記固体高分子電解質膜２４を挟持している。従って、酸化剤ガス流路３０に供給される酸化剤ガス及び燃料ガス流路３２に供給される燃料ガスは、外周部をバイパスして流れることがなく、各波状流路溝３０ａ、３２ａに沿って確実に流動し、発電効率の向上が図られる。
【００４５】
なお、第１の実施形態では、各燃料電池１０を構成する第１及び第２金属セパレータ１４、１６に変形部４０、４４を設けているが、燃料電池スタック１１内で、１つ置き又は複数置きに積層されている前記燃料電池１０を構成する第１及び第２金属セパレータ１４、１６のみに変形部４０、４４を設けてもよい。また、以下に説明する第２の実施形態においても同様である。
【００４６】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０が積層された燃料電池スタック６２の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ６４及び第２金属セパレータ６６とを備える。
【００４８】
第１金属セパレータ６４は、発電部である酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部６８を設ける。変形部６８は、実質的に酸化剤ガス流路３０の外周を２重に周回する２つの薄肉部７０ａ、７０ｂを有する。
【００４９】
第２金属セパレータ６６は、発電部である燃料ガス流路３２と流路シール部３８ａとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部７２を設ける。変形部７２は、実質的に燃料ガス流路３２の外周を２重に周回する薄肉部７４ａ、７４ｂを有する。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック６２に積層方向に締め付け荷重が付与される際、第１及び第２シール部材３６、３８の製造誤差等によって酸化剤ガス流路３０と流路シール部３６ａとの間、及び、燃料ガス流路３２と流路シール部３８ａとの間に荷重差が発生すると、変形部６８、７２は、それぞれ薄肉部７０ａ、７０ｂ及び７４ａ、７４ｂにより容易に変形し、前記荷重差を緩和することができる。
【００５１】
これにより、第１及び第２金属セパレータ６４、６６を構成する金属プレートの塑性変形を防止するとともに、酸化剤ガス及び燃料ガスの漏れを良好に阻止することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、第２の実施形態では、変形部６８、７２がそれぞれ２ヶ所の薄肉部７０ａ、７０ｂ及び７４ａ、７４ｂを有しているが、これに限定されるものではない。例えば、薄肉部７０ａ、７０ｂ間全体を薄肉部として構成したり、薄肉形状に代えて、リブ形状を採用したりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されているシリコーン樹脂−金属複合体の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０、６０…燃料電池                    １１、６２…燃料電池スタック
１２…電解質膜・電極構造体              １４、１６、６４、６６…金属セパレータ
１８ａ…酸化剤ガス供給連通孔            １８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２０ａ…燃料ガス供給連通孔              ２０ｂ…燃料ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔              ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４…固体高分子電解質膜                ２６…カソード側電極
２８…アノード側電極                    ３０…酸化剤ガス流路
３０ａ、３２ａ…波状流路溝              ３２…燃料ガス流路
３４…冷却媒体流路                      ３６、３８…シール部材
３６ａ、３８ａ、３８ｃ…流路シール部    ３６ｂ、３８ｂ、３８ｄ…周回シール部
４０、４４、６８、７２…変形部          ４２、４６…ビード形状部
７０ａ、７０ｂ、７４ａ、７４ｂ…薄肉部
【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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