JP2012248472A - 燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができ、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】
アノードプレート３４は、マニホールド孔３０ａと流路との間に流路が形成された流路形成領域よりも高く形成されて膨出するとともに燃料電池の電極体２１を支持する支持部４０が形成されている。支持部４０の流路側の側面には、マニホールド孔３０ａと流路に連通するガス流通孔４４が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法に関する。

固体高分子電解質形燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側及びカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成されている。又、前記膜電極接合体に対して燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側及びカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）が挟持するように配置されて電極体（ＭＥＧＡ）が形成されている。そして、この電極体を直線状もしくは蛇行状のガス流路を有するセパレータが挟持するように配置されることにより固体高分子電解質形燃料電池セルが構成されている。そして、燃料電池は前記ＭＥＧＡとセパレータからなる電池セルの積層体を締め付けて一体化したスタックからなる。

なお、セパレータには、ガス流路をエキスパンドメタル等の金属多孔体から形成してセパレータから分離させた、いわゆるフラットタイプ型のセパレータもある。
前記セパレータを金属板で構成する場合、前記金属板の中央部に流路溝（或いは突起）などの加工を施すことにより、反応ガスを通すためのガス流路を形成することが多い。

上記のようにして形成されたセパレータは流路溝（或いは突起）を押し出した分、厚さが大きくなる一方、流路溝の周辺部は板のままである。このため、流路溝を作り出した分に相当する肉厚を有する枠状のシール手段を周辺部に被せて、厚みを調整することが行われている。この場合、セパレータの端部に貫通されて反応ガスを導入又は導出のために設けられたマニホールド孔から流路溝までガスを通すための通路を設けることが必要となる。

特許文献１では、前記通路の構成及びその製造方法が開示されている。特許文献１の通路について図１１、図１２を参照して説明する。図１１に示すように、金属板からなるセパレータ１００には、反応ガス（すなわち、燃料ガス、酸化ガス）及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔１１０，１２０，１３０が形成されている。マニホールド孔１１０の開口周縁部には、セパレータ１００のセパレータ表面１００ａを切り起こして立ち上がり形成したＭＥＧＡ１４０（図１２参照）の支えとなる支持台１０４が、セパレータ１００の一部として一体的に形成されている。

支持台１０４は、セパレータ１００から垂直に立ち上がる垂直片１０１と、この垂直片１０１の先端に水平に設けられる支持片１０２と、流路１０８とマニホールド孔１１０間の流路溝高さを確保すると共にセパレータ表面１００ａに接して支持台１０４の支えとなる突部１０３と、流路１０８とマニホールド孔１１０との間を流通する燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の流通路となる複数の流通孔１０５とを有する。前記流通孔１０５及び支持台１０４の突部１０３間がマニホールド孔１１０から流路１０８までガスを通すための通路となる。

そして、図１２に示すように前記支持台１０４が電極体（ＭＥＧＡ）１４０の支えとなる。このことにより、電極体１４０の撓みが防止され、電極体１４０及びセパレータ１００とシール部材１５０間の密着性が高められて、ＭＥＧＡ１４０とセパレータ１００間のシール部材１５０のシール性能を向上させる利点がある。

特開２００６−２２１９０５号公報

ところが、特許文献１の場合、上記構成のセパレータは、金属板を単純に打ち抜くだけでは製造できない。すなわち、セパレータ１００自身にマニホールド孔１１０から流路１０８までのガスを通すための通路を設ける必要があり、そのため、セパレータにガスを通すための通路を形成するために多くの工程が必要となる。具体的には、セパレータのマニホールド孔１１０の形成予定領域に突部１０３を形成する工程、マニホールド孔１１０の形成予定領域に流通孔１０５を形成する工程、マニホールド孔１１０の形成予定領域の一辺を残して略コ字状の切り込み孔を入れる工程、マニホールド孔の形成予定領域部分を垂直に立ち上げる工程、その後に行われてマニホールド孔の形成予定領域部分の先端側をマニホールド孔１１０とは反対側に水平となるように折り曲げる工程が必要となる。

このように、従来、前記支持台は、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止ができるとともに、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるが、一方では支持台にガスを通すための通路を設けるための工程が多く、又、複雑な工程が必要であるため、コスト高となる問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決して、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、及び燃料電池を提供することにある。

又、本発明の他の目的は、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成にガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレートの製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１の発明は、燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒を流通させる各流路と、前記各流路に前記反応ガス及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔を備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートにおいて、前記マニホールド孔と前記流路との間には、前記各流路が形成された流路形成領域よりも高く形成されて膨出するとともに燃料電池の電極体を支持する膨出部が形成され、前記膨出部の前記流路側の側面には、前記マニホールド孔と前記流路に連通するガス流通孔が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プレートを要旨としている。

請求項１の燃料電池用セパレータプレートは、マニホールド孔と流路との間に、流路形成領域よりも高く形成された膨出部により電極体を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止が図られる。このため、電極体・セパレータ間に配置されたシール部材と、電極体及びセパレータのそれぞれの間の密着性が高められ、シール性能の向上が図ることができる。又、膨出部の形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に低減できる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記ガス流通孔は、前記膨出部が膨出加工された際の剪断により形成されていることを特徴とする。
請求項２の燃料電池用セパレータプレートのガス流通孔は、膨出加工された際の剪断により、簡単に形成され、セパレータプレートの加工が容易となる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、平板部を備え、前記平板部には、前記マニホールド孔が形成されるとともに前記流路が形成され、前記膨出部は、前記平板部から膨出形成されていることを特徴とする。

請求項３では、平板部から膨出形成された膨出部を有する燃料電池用セパレータプレートにおいて、請求項１又は請求項２の作用を容易に実現する。
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２において、凹状に形成された中央部と、前記中央部の周囲を囲む額縁部が前記中央部の周縁から膨出形成され、前記中央部が流路形成領域として前記流路を備え、前記額縁部に、前記マニホールド孔が形成され、前記マニホールド孔に隣接する前記額縁部の一部が前記膨出部とされ、前記膨出部の流路側の側面には、前記マニホールド孔と前記流路に連通するガス流通孔が形成されていることを特徴とする。

請求項４では、額縁部にマニホールド孔を有するとともに、マニホールド孔に隣接する額縁部の一部が膨出部としている燃料電池用セパレータプレートにおいて、請求項１又は請求項２の作用を容易に実現する。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータプレートを第１セパレータプレートとし、第１セパレータプレートに対して枠状のシール手段を介して前記膨出部が支持する電極体とは反対側において第２セパレータプレートとが積層された燃料電池用セパレータであって、前記第１セパレータ又は第２セパレータプレートのいずれか一方のセパレータプレートには、前記膨出部の前記電極体の反対側から前記膨出部を支持する支持手段が他方のセパレータプレートまで延出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を要旨としている。

請求項５の燃料電池用セパレータの一方のセパレータプレートから他方のセパレータプレートに支持手段が延出形成されていることにより、膨出部とともに電極体を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止が図られる。このため、電極体・第１セパレータプレート間に配置されたシール部材と、電極体及び第１セパレータプレートのそれぞれの間の密着性が高められ、シール性能の向上が図ることができる。又、第１セパレータプレートの膨出部の形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に低減できる。

請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料電池用セパレータと前記電極体とが交互に積層されていることを特徴とする燃料電池を要旨としている。
請求項６の発明の構成により、請求項５の作用を容易に実現できる燃料電池が得られる。

請求項７の発明は、燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒を流通させる各流路と、前記各流路に前記反応ガス及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔を備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートの製造方法であって、金属板の前記マニホールド孔と前記流路間の領域に対して、燃料電池の電極体を支持する膨出部を、前記各流路が形成された又は流路が形成される流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するとともに、前記プレス成形時に、前記膨出部の前記流路側の側面に、前記マニホールド孔と前記流路に連通されるガス流通孔を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータプレートの製造方法を要旨としている。

請求項７の発明の構成により、金属板の前記マニホールド孔と前記流路間の領域に対して、燃料電池の電極体を支持する膨出部を、前記各流路が形成された又は流路が形成される流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するだけで、膨出部が得られる。そして、膨出部のプレス成形時に、マニホールド孔と前記流路に連通されるガス流通孔が形成される。

請求項１の発明によれば、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレートを提供できる。

請求項２の発明によれば、膨出部の膨出加工時に、ガス流通孔が剪断により、簡単に形成すればよいため、セパレータプレートの加工を容易にすることができる。
請求項３の発明によれば、平板部から膨出形成された膨出部を有する燃料電池用セパレータプレートにおいて、請求項１又は請求項２の効果を容易に実現できる。

請求項４の発明によれば、額縁部にマニホールド孔を有するとともに、マニホールド孔に隣接する額縁部の一部が膨出部としている燃料電池用セパレータプレートにおいて、請求項１又は請求項２の効果を容易に実現できる。

請求項５の発明によれば、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータ組立体を提供することにある。

請求項６の発明によれば、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止のための電極体を支持する構成を備えることにより、電極体及びセパレータとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成に対してガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池を提供できる。

請求項７の発明によれば、電極体及びセパレータプレートとシール部材との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体を支持する構成にガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる燃料電池用セパレータプレートの製造方法を提供できる。

第１実施形態の燃料電池の全体構成の概略図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第１実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第２実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第２実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第３実施形態のセパレータ組立体の要部拡大分解斜視図。 第３実施形態のセパレータ組立体の要部拡大断面図。 第４実施形態のセパレータの要部拡大斜視図。 第４実施形態のセパレータの要部拡大斜視図。 従来例のセパレータの要部拡大斜視図。 従来例のセパレータの要部拡大分解斜視図。

（第１実施形態）
以下、本発明の燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータ組立体を具体化した第１実施形態の燃料電池を図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態では、セパレータ３０を構成しているアノードプレート３４に膨出部が設けられるとともに、カソードプレート３５に支持手段が設けられたものである。
図１に示す本実施形態の燃料電池１０は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、燃料ガスと酸化ガス（以下、必要に応じてまとめて反応ガスと呼ぶ）との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。

図１に示すように、燃料電池１０は、燃料電池セル２０が複数積層され、その両端から図示しない一対のエンドプレート８０Ａ，８０Ｂにより狭持されている。エンドプレート８０Ａには、反応ガス等を供給あるいは排出する図示しない貫通孔が形成されており、この貫通孔を介して図示しない外部の水素タンクやコンプレッサ等から、燃料電池１０の内部に反応ガスが滞りなく供給される。

図１、図３に示すように、燃料電池セル２０は、電極体（ＭＥＧＡ）２１、及び枠状のシールガスケット３１，３２を介して電極体２１を挟むように位置する一対のセパレータ３０を備える。

図３に示すように、電極体２１は、図示はしないが膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該ＭＥＡの両側面に設けられたガス拡散層を備える。又、ＭＥＡは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側及びカソード側の電極触媒層とからなる。本実施形態では、電極体２１は、図１に示すように略長方形状に形成されている。

前記電解質膜は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。電解質膜としては、例えば、ナフィオンを挙げることができる。電解質膜の表面上に形成されたアノード側電極触媒層，カソード側電極触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。

前記ガス拡散層は、カーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層は、接合によりＭＥＡのアノード側側面及びカソード側側面と一体化されて電極体２１となる。

アノード側のガス拡散層は、アノード側の反応ガス（すなわち、燃料ガス）をその厚み方向に拡散して、アノード側電極触媒層の全面に供給する。カソード側のガス拡散層は、カソード側の反応ガス（すなわち、酸化ガス）をその厚み方向に拡散して、カソード側電極触媒層の全面に供給する。

前記シールガスケット３１，３２の枠部３１ａ，３２ａが、電極体２１の両側面の周縁に沿って配置されることにより、電極体２１とセパレータ３０との間に、反応ガスが流れる空間が形成されている。

シールガスケット３１，３２は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなる。シールガスケット３１，３２は、セパレータ３０と同様の大きさの略長方形に形成されている。図１に示すように、シールガスケット３１，３２の長手方向の両端側には、前記各流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。シールガスケット３２は、シール部材に相当する。

又、電極体２１においても、長手方向の両端側には、前記各流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。
次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ３０について説明する。セパレータ３０は、金属の薄板（金属板）からなるアノード側に配置されるアノードプレート３４と、カソード側に配置されるカソードプレート３５が、シール部材としてのシールガスケット３３を介して積層されて構成されている。シールガスケット３３はシール手段に相当する。

アノードプレート３４，及びカソードプレート３５は、例えば、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。
アノードプレート３４は第１セパレータプレートに相当し、カソードプレート３５は第２セパレータプレートに相当する。

アノードプレート３４は、略長方形状に形成された平坦な平板部３４ａからなる。平板部３４ａの中央部には複数の突部からなる流路（或いは断面が波形に形成された流路）３７が形成されて、該流路３７により、電極体２１のアノード側のガス拡散層を介してアノード側電極触媒層と接触する。流路３７は、図１に示すようにシールガスケット３２の枠部３２ａにより囲われており、電極体２１とセパレータ３０との間の反応ガスが流れる空間内に位置する。流路３７が形成された領域は、流路形成領域に相当する。

又、カソードプレート３５は、略長方形に形成された平坦な平板部３５ａからなる。平板部３５ａの中央部には複数の突部からなる流路（或いは断面が波形に形成された流路）３８が形成されて、該流路３８により、電極体２１のアノード側のガス拡散層を介してカソード側電極触媒層と接触する。なお、図１では説明の便宜上、流路３８の符号の引き出し線は、流路が形成された部分の裏側（図面上では上側）を指している。

前記流路３８は、シールガスケット３１の枠部３１ａにより囲われており、電極体２１とセパレータ３０との間の反ガスが流れる空間内に位置する。
アノードプレート３４と、カソードプレート３５の間はシールガスケット３３が挟まれ、シールガスケット３３と両プレート間で形成される空間に位置するように前記流路３７，３８の裏側の形状によって、主に冷却水の流路が設けられている。

アノードプレート３４、及びカソードプレート３５の平板部３４ａ，３５ａには、マニホールド孔が貫通形成されている。
具体的には、図１に示すように、各プレート３４，３５の両短辺側にはそれぞれ燃料ガス供給用のマニホールド孔３０ａ、燃料ガス排出用のマニホールド孔３０ｂが設けられている。又、各プレート３４，３５の両短辺側にはそれぞれ酸化ガス供給用のマニホールド孔３０ｃ、酸化ガス排出用のマニホールド孔３０ｄが設けられている。又、各プレート３４，３５の両短辺側において、マニホールド孔３０ａ，３０ｄ間、及びマニホールド孔３０ｂ，３０ｃ間には、冷却水供給用のマニホールド孔３０ｅ及び冷却水排出用のマニホールド孔３０ｆが、それぞれ設けられている。

なお、説明の便宜上、図１では、アノードプレート３４のマニホールド孔３０ａ〜３０ｆは全部図示しているが、カソードプレート３５のマニホールド孔の中で、マニホールド孔３０ｂのみは、隠れているため図示されていない。

シールガスケット３３は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなる。シールガスケット３３は、アノードプレート３４，及びカソードプレート３５と略同じ大きさであって、略長方形に形成されている。図１に示すように、シールガスケット３３の長手方向の両端側には、前記各流路に連通するとともに反応ガス及び冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。

アノードプレート３４のマニホールド孔３０ａ，３０ｂにおいて、流路３７側には、平板部３４ａからアノード側に流路形成領域の高さよりも高くなるように膨出形成された膨出部としての支持部４０が設けられている。なお、流路３７が形成された領域は、流路形成領域に相当する。支持部４０は、平板部３４ａに連結された一対の脚部４１と、脚部４１の先端間を連結する頂部４２とからなる。支持部４０の断面形状は、限定するものではないが、好ましくは、頂部４２のアノード側の表面は平坦面を有することが好ましい。支持部４０は、平板部３４ａから膨出成形される際に、流路３７側が剪断されて、図３に示すように平板部３４ａとの間らガス流通孔４４が形成されている。

そして、両支持部４０は、頂部４２が電極体２１のアノード側側面に当接することにより、電極体２１を支持している。
一方、カソードプレート３５において、前記支持部４０に相対した部位の平板部３５ａには、平板部３５ａからアノード側に突出形成された支持手段としての単数又は複数の柱部４３が設けられている。柱部４３は、図３に示すように、平板部３５ａのカソード側からアノード側へプレス成型されて袋状に形成されるとともに、支持部４０側に延出形成されたものである。

柱部４３の先端面は平坦に形成されて、支持部４０の内面に当接されている。各柱部４３は、短辺に沿って並ぶように配置され、柱部４３間及び柱部４３と脚部４１間は、マニホールド孔３０ａと、アノードプレート３４の流路３７間を流れる反応ガスのガス流路Ｇとなっている。柱部４３の先端面は平坦面を有することが好ましい。

そして、各柱部４３は、頂部４２の内面に当接することにより、支持部４０を支持し、支持部４０の電極体２１の支持をサポートしている。
なお、図１に示すカソードプレート３５のマニホールド孔３０ｂの近位の部位には、アノードプレート３４のマニホールド孔３０ｂの支持部４０を支持する単数又は複数の柱部４３（図示はしない）が、マニホールド孔３０ａに近位に設けられた柱部４３と同様に設けられている。

さらに、図４に示すように、カソードプレート３５のマニホールド孔３０ｃにおいて、流路３７側には、平板部３５ａからカソード側に流路形成領域の高さよりも高くなるように膨出形成された膨出部としての支持部４０Ａが設けられている。支持部４０Ａは、平板部３５ａに連結された一対の脚部４１Ａと、脚部４１Ａの先端間を連結する頂部４２Ａとからなる。支持部４０Ａの断面形状は、支持部４０と同様に限定するものではないが、好ましくは、頂部４２Ａのアノード側の表面は平坦面を有することが好ましい。支持部４０Ａは、平板部３５ａから膨出成形される際に、流路３７側が剪断されて、図４に示すように平板部３５ａとの間に流通孔４４Ａが形成されている。

そして、両支持部４０Ａは、頂部４２Ａが電極体２１のカソード側側面に当接することにより、電極体２１を支持している。
なお、図４では、マニホールド孔３０ｃ側を図示しているが、カソードプレート３５のマニホールド孔３０ｄにおいても、図示はしないが同様に支持部４０Ａが形成されている。

一方、図４に示すようにアノードプレート３４において、前記支持部４０Ａに相対した部位の平板部３４ａには、平板部３４ａからカソード側に突出形成された支持手段としての単数又は複数の柱部４３Ａが設けられている。柱部４３Ａは、図４に示すように、平板部３４ａのアノード側からカソード側へプレス成型されて袋状に形成されるとともに、支持部４０Ａ側に延出形成されたものである。

柱部４３Ａの先端面は平坦に形成されて、支持部４０Ａの内面に当接されている。各柱部４３Ａは、短辺に沿って並ぶように配置され、柱部４３Ａ間及び柱部４３Ａと脚部４１Ａ間は、マニホールド孔３０ｃと、カソードプレート３５の流路間を流れる酸化ガスのガス流路ＧＡとなっている。柱部４３Ａの先端面は平坦面を有することが好ましい。

そして、各柱部４３Ａは、頂部４２Ａの内面に当接することにより、支持部４０Ａを支持し、支持部４０Ａの電極体２１の支持をサポートしている。
なお、アノードプレート３４のマニホールド孔３０ｄの近位の部位には、カソードプレート３５のマニホールド孔３０ｄの支持部４０Ａを支持する単数又は複数の柱部４３Ａ（図示はしない）が、マニホールド孔３０ｃに近位に設けられた柱部４３Ａと同様に、設けられている。 （アノードプレート３４、カソードプレート３５の製造方法について）
ここで、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の製造方法について説明する。

金属板に対して、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆ、流路３７のプレス成形と同時に支持部４０、４０Ａを金型にプレス加工する。
このプレス成形時において、金型によりマニホールド孔３０ａ〜３０ｆを抜き加工する。この抜き加工の際に、マニホールド孔３０ａと流路３７間の領域、マニホールド孔３０ｂと流路３７間の領域、マニホールド孔３０ｃと流路３７間の領域、及びマニホールド孔３０ｄと流路３７間の領域に対応した部位（すなわち、支持部４０，４０Ａとなる領域）に対して、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆの抜き加工後も、金型により、曲げ成形して膨出させる。支持部４０，４０Ａが平板部３４ａからトンネル状に膨出形成される際、支持部４０，４０Ａの流路３７が剪断されてガス流通孔４４，４４Ａが形成される。

又、前記抜き加工と同時、或いは後の工程において柱部４３，４３Ａをプレス成形により曲げ加工する。 こうして形成されたアノードプレート３４及びカソードプレート３５を積層して接合することにより、セパレータ３０の内部には各種流体の流路が形成される。

（実施形態の作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。
図３に示すように、セパレータ３０及びシールガスケット３１，３２の積層により形成されるマニホールド（マニホールド孔を含む）内を流れる燃料ガスの一部は、カソードプレート３５のマニホールド孔３０ａを通ってガス流路Ｇへ供給される。そして、ガス流路Ｇに流れた反応ガス（本実施形態では燃料ガス）は、ガス流通孔４４を介して流路３７に流れて、電極体２１での電気化学反応に供される。

又、流路３７を通過した反応ガスは、図示しないもう一方の支持部のガス流通孔、ガス流通路を介して、マニホールド孔３０ｂへ導出される。
又、セパレータ３０及びシールガスケット３１，３２の積層により形成されるマニホールド（マニホールド孔を含む）内を流れる酸化ガスの一部は、カソードプレート３５のマニホールド孔３０ｃを通ってガス流路ＧＡへ供給される。そして、ガス流路ＧＡに流れた酸化ガスは、ガス流通孔４４Ａを介して流路３７に流れて、電極体２１での電気化学反応に供される。

又、流路３７を通過した酸化ガスは、図示しないもう一方の支持部のガス流通孔、ガス流通路を介して、マニホールド孔３０ｄへ導出される。 又、本実施形態では、電極体２１は、アノードプレート３４の支持部４０，４０Ａ及び柱部４３，４３Ａにより支持されて撓みが防止され、電極体２１を保持することができる。このため、電極体２１及びセパレータ３０とシールガスケット３２（シール部材）との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができる。

又、本実施形態のアノードプレート３４の支持部４０，４０Ａを、複雑な工程を経ることなくプレス加工により容易に得ることができるとともに、ガス流路Ｇ，ＧＡの形成において、プレス加工の際に、剪断によりガス流路Ｇが形成されるため、特別な穴開け工程が必要でなくなる。

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１） 本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５は、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）と流路３７との間及びマニホールド孔３０ｃ（３０ｄ）と流路３７との間には、流路３７が形成された流路形成領域よりも高く形成されて膨出するとともに燃料電池の電極体２１を支持する支持部４０，４０Ａ（膨出部）が形成されている。又、支持部４０，４０Ａの流路３７側の側面には、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）と流路３７に連通するガス流通孔４４，４４Ａが形成されている。

このため、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）と流路３７との間及びマニホールド孔３０ｃ（３０ｄ）と流路３７との間に、流路形成領域よりも高く形成された支持部４０，４０Ａにより電極体２１を支持し、電極体（ＭＥＧＡ）の撓み防止が図られる。このため、電極体・セパレータ間に配置されたシールガスケット３２（シール部材）と、電極体２１及びセパレータ３０のそれぞれの間の密着性が高められ、シール性能の向上が図ることができる。又、支持部４０，４０Ａの形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に低減できる。

（２） 本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５は、ガス流通孔４４，４４Ａが、支持部４０，４０Ａが膨出加工された際の剪断により形成されているため、簡単に形成でき、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の加工が容易となる。

（３） 本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５の平板部３４ａ，３５ａには、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）が形成されるとともに流路３７が形成され、支持部４０，４０Ａは、平板部３４ａ，３５ａから膨出形成されている。この結果、平板部３４ａ，３５ａから膨出形成された支持部４０，４０Ａを有するアノードプレート３４及びカソードプレート３５において、上記（１）、及び（２）の効果を容易に実現できる。

（４） 本実施形態の燃料電池において、セパレータ３０のアノードプレート３４及びカソードプレート３５には、支持部４０，４０Ａの電極体２１の反対側から支持部４０を支持する柱部４３，４３Ａ（支持手段）がカソードプレート３５及びアノードプレート３４に延出形成されていることにより、支持部４０，４０Ａとともに電極体２１を支持し、電極体２１（ＭＥＧＡ）の撓み防止が図られる。このため、電極体・アノードプレート３４間及び電極体・カソードプレート３５間に配置されたシールガスケット３２，３１（シール部材）と、電極体２１及びアノードプレート３４並びに電極体２１及びカソードプレート３５のそれぞれの間の密着性が高められ、シール性能の向上ができる。又、アノードプレート３４及びカソードプレート３５の支持部４０，４０Ａの形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に低減できる。

（５） 本実施形態のアノードプレート３４及びカソードプレート３５の製造方法では、金属板のマニホールド孔３０ａ（３０ｂ）、３０ｃ（３０ｄ）と流路３７間の領域に対して、電極体２１を支持する支持部４０，４０Ａを、流路３７が形成される流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するとともに、該プレス成形時に、支持部４０，４０Ａの流路３７側の側面に、マニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）と流路３７に連通されるガス流通孔４４を形成する。

このため、金属板のマニホールド孔３０ａ（３０ｂ），３０ｃ（３０ｄ）と流路３７間の領域に対して、電極体２１を支持する支持部４０を、流路３７の流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するだけで、支持部４０，４０Ａが得られる。そして、支持部４０，４０Ａのプレス成形と同時に、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆと流路３７に連通されるガス流通孔４４が形成される。

この結果、電極体２１及びアノードプレート３４間，並びに電極体２１及びカソードプレート３５間に介在配置するシールガスケット３２，３３（シール部材）との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができるとともに、電極体２１を支持する構成にガスを通すための通路を設けるための工程を従来と比較して大幅に低減でき、コストを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を、図５及び図６を参照して説明する。なお、本実施形態を含めた以下の実施形態では、既に説明した実施形態と異なる構成を中心に説明し、既に説明した実施形態と同一又は相当する構成については同一符号を付す。

なお、本実施形態を含め、以下の実施形態の説明では、アノードプレート３４において、第１実施形態と異なる構成を中心にして説明し、カソードプレート３５については説明の簡略のために省略するが、第１実施形態とは異なる構成が同様にあるものと理解されたい。

本実施形態では、柱部４３をカソードプレート３５に設ける代わりに、支持部４０の頂部４２からカソードプレート３５側に向けて複数の柱部４５が設けられているところが第１実施形態と異なっている。すなわち、柱部４５は、図６に示すように、支持部４０の平坦な頂部４２からカソード側へプレス成型されて袋状に形成されるとともに、カソードプレート３５側に延出形成されたものである。本実施形態では柱部４５は、後述するガス流路Ｇにより反応ガスが流れる方向（図６では左右方向）において、支持部４０の両端にかからないように形成されている。

柱部４５の先端面は平坦に形成されて、カソードプレート３５の平板部３５ａに当接されている。各柱部４５は、短辺に沿って並ぶように配置され、柱部４５間及び柱部４５と脚部４１間は、マニホールド孔３０ａと、アノードプレート３４の流路３７間を流れる反応ガスのガス流路Ｇとなっている。柱部４５の先端面は平坦面を有することが好ましい。

そして、各柱部４５は、カソードプレート３５の平板部３５ａｉ当接することにより、支持部４０を支持し、支持部４０の電極体２１の支持をサポートしている。本実施形態では、柱部４５が、支持手段に相当する。

（アノードプレート３４の製造方法について）
第２実施形態のアノードプレート３４の製造方法について説明する。
金属板に対して、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆ、流路３７のプレス成形と同時に支持部４０を金型にプレス加工する。このプレス成形時において、金型によりマニホールド孔３０ａ〜３０ｆを抜き加工する。この抜き加工の際に、マニホールド孔３０ａと流路３７間の領域に対応した部位（すなわち、支持部４０となる領域）に対して、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆの抜き加工後も、金型により、曲げ成形して膨出させる。この膨出成形時に同時に金型により、柱部４５を支持部４０の膨出方向とは反対側に向かって凹設する。前記支持部４０が平板部３４ａからトンネル状に膨出形成される際、支持部４０の流路３７が剪断加工されてガス流通孔４４が形成される。

（第２実施形態の作用）
本実施形態では、電極体２１は、アノードプレート３４の支持部４０及び柱部４５により支持されて撓みが防止され、電極体２１を保持することができる。このため、電極体２１及びセパレータ３０とシールガスケット３２（シール部材）との間の密着性を高め、シール性能の向上を図ることができる。

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１） 本実施形態の燃料電池１０のセパレータ３０は、アノードプレート３４（第１セパレータプレート）には、支持部４０の電極体２１の反対側から支持部４０を支持する柱部４５（支持手段）がカソードプレート３５まで延出形成されていることにより、支持部４０とともに電極体２１を支持し、電極体２１（ＭＥＧＡ）の撓み防止が図られる。このため、電極体・アノードプレート３４間に配置されたシールガスケット３２（シール部材）と、電極体２１及びアノードプレート３４のそれぞれの間の密着性が高められ、シール性能の向上ができる。又、アノードプレート３４の支持部４０の形成は、プレス成形により簡単に行えるとともに、ガスを通すための通路を設けるための工程が従来と比較して大幅に低減できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を、図７及び図８を参照して説明する。第２実施形態では、ガス流路Ｇにより反応ガスが流れる方向（図６では左右方向）において、支持部４０の両端にかからないように形成したが、本実施形では、図に示すように支持部４０のガス流通孔４４側にかかるように複数の柱部４５Ａが形成されているところが第２実施形態と異なっている。

本実施形態においても、第２実施形態と同様の製造方法により、プレス成形と同時にガス流通孔４４の剪断加工が可能である。
第３実施形態の構成によれば、ガス流通孔４４側に柱部４５Ａが設けられているため、燃料電池セル２０がスタックされて圧縮状態で積層された際に、ガス流通孔４４（開口）に掛かる圧縮荷重をより剛直受けることができる。このため、ガス流通孔４４（開口）近傍、すなわち、アノードプレート３４とカソードプレート３５の間に位置するシールガスケット３３（シール手段）へ確実に締結荷重を伝えることができ、この結果、さらに、シール信頼性が増す構成とすることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態を図９、図１０を参照して説明する。
第４実施形態では、アノードプレート３４の四角形状をなす中央部３６が凹状になるように周縁が額縁部３９が膨出形成されて額縁部３９により中央部３６が囲まれているところが、第２実施形態及び第３実施形態と異なっている。

中央部３６には、流路３７が形成されて、流路形成領域とされている。
又、額縁部３９には、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆが形成されている。なお、図９では、説明の便宜上、マニホールド孔３０ａ、３０ｄのみが図示されている。他のマニホールド孔３０ｂ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｆの位置関係は、第１実施形態と同様であるので省略している。マニホールド孔３０ａに隣接した額縁部３９の一部が、膨出部４６としている。

膨出部４６の流路３７側（すなわち、中央部３６）の側面には、前記マニホールド孔３０ａと流路３７に連通するガス流通孔４４が形成されている。又、膨出部４６には、第２及び第３実施形態と同様に複数の柱部４５、４５Ａがそれぞれ設けられている。柱部４５，４５Ａは図示しないカソードプレートの平板部に対して当接されている。

又、額縁部３９の周囲には、段部を介してフランジ部４８が形成され、図示しない枠状のシールガスケットが配置されている。
このアノードプレート３４の中央部３６が額縁部３９から凹状に形成された空間域に、図示しない電極体２１が架け渡された状態で配置され、電極体２１のガス拡散層（ＧＤＬ）が中央部３６の流路３７と接触するようにされている。

上記の第４実施形態では、柱部４５Ａ，４５により、第２実施形態、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。

・ 第１実施形態、第２実施形態でのアノードプレート３４（カソードプレート３５）の製造方法において、マニホールド孔３０ａ等と、流路３７のプレス成形と同時に支持部４０を形成するようにしたが、マニホールド孔３０ａ等と、流路３７のプレス成形を先に行い、後に、支持部４０をプレス成形するとともに、ガス流通孔４４を形成するようにしてもよい。

・ 前記実施形態では、ガス流通孔４４を支持部４０の形成と同時に、剪断により形成するようにしたが、マニホールド孔３０ａ〜３０ｆを形成する際にマニホールド孔３０ａ〜３０ｆを抜き加工とともに絞り加工で支持部４０を形成した後、流路３７側の側面に穴加工によりガス流通孔４４を形成するようにしてもよい。

・ 前記各実施形態では、柱部４３，４３Ａ，４５，４５Ａを設けたが、柱部４３，４３Ａ，４５、４５Ａを省略してもよい。
・ マニホールド孔３０ａ（３０ｂ）、３０ｃ（３０ｄ）に支持部（４０等）を設けることに限定されるものではなく、マニホールド孔３０ａ，３０ｂ以外の他のマニホールド孔に支持部（４０等）を設けてもよい。この場合、その支持部４０をサポートする柱部を前記実施形態と同様にもうけるようにしてもよい。

１０…燃料電池、２０…燃料電池セル、２１…電極体、３０…セパレータ、
３１…シールガスケット、３２…シールガスケット、３３…シールガスケット、
３４…アノードプレート（第１セパレータプレート）、
３４ａ…平板部、３５…カソードプレート（第２セパレータプレート）、
３５ａ…平板部、３６…中央部、３７…流路、３８…流路、
４０，４０Ａ…支持部（膨出部）、４１，４１Ａ…脚部、４２，４２Ａ…頂部、
４３，４３Ａ…柱部、４４…ガス流通孔。

Claims (7)

1. 燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒を流通させる各流路と、前記各流路に前記反応ガス及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔を備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートにおいて、
   前記マニホールド孔と前記流路との間には、前記各流路が形成された流路形成領域よりも高く形成されて膨出するとともに燃料電池の電極体を支持する膨出部が形成され、前記膨出部の前記流路側の側面には、前記マニホールド孔と前記流路に連通するガス流通孔が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プレート。
2. 前記ガス流通孔は、前記膨出部が膨出加工された際の剪断により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータプレート。
3. 平板部を備え、
   前記平板部には、前記マニホールド孔が形成されるとともに前記流路が形成され、
   前記膨出部は、前記平板部から膨出形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータプレート。
4. 凹状に形成された中央部と、前記中央部の周囲を囲む額縁部が前記中央部の周縁から膨出形成され、
   前記中央部を流路形成領域として前記流路を備え、
   前記額縁部に、前記マニホールド孔が形成され、
   前記マニホールド孔に隣接する前記額縁部の一部が前記膨出部とされ、
   前記膨出部の流路側の側面には、前記マニホールド孔と前記流路に連通するガス流通孔が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータプレート。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータプレートを第１セパレータプレートとし、第１セパレータプレートに対して枠状のシール手段を介して前記膨出部が支持する電極体とは反対側において第２セパレータプレートが積層された燃料電池用セパレータであって、
   前記第１セパレータプレート又は第２セパレータプレートのいずれか一方のセパレータプレートには、前記膨出部の前記電極体の反対側から前記膨出部を支持する支持手段が他方のセパレータプレートまで延出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。
6. 請求項５に記載の燃料電池用セパレータと前記電極体とが交互に積層されていることを特徴とする燃料電池。
7. 燃料電池に使用される反応ガス及び冷媒を流通させる各流路と、前記各流路に前記反応ガス及び冷媒を流通させるためのマニホールド孔を備えた金属製の燃料電池用セパレータプレートの製造方法であって、
   金属板の前記マニホールド孔と前記流路間の領域に対して、燃料電池の電極体を支持する膨出部を、前記各流路が形成された又は流路が形成される流路形成領域よりも高くなるようにプレス成形で膨出するとともに、前記プレス成形時に、前記膨出部の前記流路側の側面に、前記マニホールド孔と前記流路に連通されるガス流通孔を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータプレートの製造方法。

Images