カバープレート付きセパレータ及びそれを備える燃料電池
【課題】セパレータの寸法精度が低い場合であっても、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造することが可能なセパレータ及びそれを備える燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】マニホールド孔１１ａ、１２ａと接続部２１を有するガス流路２１Ａを有するセパレータ２０Ａと、接続部２１を覆うカバープレート３１と、を有し、セパレータ２０Ａのカバープレート３１で覆われる領域には、嵌合孔２４Ａが設けられ、カバープレート３１には、嵌合孔２４Ａに嵌挿される突起部３２ａが設けられ、突起部３２ａの周面が、嵌合孔２４Ａの内面の２点少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、カバープレート３１がセパレータ２０Ａに固定される、カバープレート付きセパレータ。
【解決手段】マニホールド孔１１ａ、１２ａと接続部２１を有するガス流路２１Ａを有するセパレータ２０Ａと、接続部２１を覆うカバープレート３１と、を有し、セパレータ２０Ａのカバープレート３１で覆われる領域には、嵌合孔２４Ａが設けられ、カバープレート３１には、嵌合孔２４Ａに嵌挿される突起部３２ａが設けられ、突起部３２ａの周面が、嵌合孔２４Ａの内面の２点少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、カバープレート３１がセパレータ２０Ａに固定される、カバープレート付きセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータ及びそれを備える燃料電池、特に、導電性のカバープレート付きセパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置であり、セルを積層させて構成されているセルスタックを本体としている。
【０００３】
セルは、電解質層と、一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。ガス拡散電極の周囲には、電解質層を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケットが配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガス（これらを反応ガスという）が電池外にリークされることが防止され、また、セル内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。セパレータには、ガス拡散電極と当接する面に反応ガスを流すための溝状のガス流路が設けられている。
【０００４】
一般的に、燃料電池のセルスタックは、いわゆる内部マニホールド形が用いられている。内部マニホールド形は、セパレータの周縁部においてセパレータの厚み方向に貫通する反応ガス供給側マニホールド孔と反応ガス排出側マニホールド孔が形成され、ガス流路はこれらのマニホールド孔を結ぶように形成されている。そして、スタック組立状態において、これらのマニホールド孔が連結して、セルの積層方向に延伸する反応ガス供給側マニホールドと反応ガス排出側マニホールドが形成される。このような構成によって、反応ガス供給側マニホールドの端部からセルスタックに供給された反応ガスは、反応ガス供給側マニホールドを通流し、各セルに設けられたガス流路へ分流し、反応ガス排出側マニホールドへ流出する。
【０００５】
このような燃料電池のセルにおいて、ガス流路のマニホールド孔に接続する上流端部やガス流路のマニホールド孔に接続する下流端部に高分子電解質膜やガスケットがたれ込むことによって、反応ガスがリークするため、これらの端部を平板で覆うと共にトンネル構造にした燃料電池用ガスプレートが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている燃料電池用ガスプレート（セパレータ）では、平板がガスプレートに固定されていないため、セルスタック組み立て時にガス流路が設けられている面を下にすると平板が外れ、セルスタックの組立作業が煩雑になるという問題があった。
【０００７】
このような問題に対して、断面がコ字状のカバープレートをセパレータの端部に嵌合させた燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、ガス流路とマニホールドとを連結する連絡通路（上流端部及び下流端部）をプレート部材で覆い、予め成形したガスケットをセパレータに接着剤を用いて貼り付けることによりプレート部材を固定する、又は、セパレータとプレート部材に弾性部材を射出成形することにより、ガスケットを一体成形してプレート部材を固定する燃料電池用セパレータが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
これらのセパレータでは、ガス流路の端部を覆うカバープレートやプレート部材がセパレータに固定されているため、セルスタックの組み立て作業を効率よく行うことが可能となる。
【特許文献１】特開平９−３５７２６号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９０１４号公報
【特許文献３】特開２００５−１２９３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２に開示されている燃料電池では、カバープレート及びセパレータの構造が複雑であり、これらの製造にはコストおよび時間が必要となる。特に、圧縮成形法を採用する場合には、セパレータの寸法精度が低いため、カバープレートを嵌めても外れやすくなり、改善の余地があった。
【００１０】
また、上記特許文献３に開示されている燃料電池用セパレータでは、接着剤を使うことにより、ガスケットの位置がずれて寸法精度が低下するといった問題が生ずる。また、接着剤中に含まれる可塑剤及び未反応の低分子が溶出することによる電解質やガス拡散電極へのダメージや燃料電池の電圧低下等が懸念される。さらに、弾性部材を射出成形する場合では、セパレータの製造工程が複雑となり、また、ガス流路を構成する溝を弾性部材が遮断し、反応ガスを流通させることができない等の問題が生じ、未だ改善の余地があった。
【００１１】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、圧縮成形法を採用し、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、一定の範囲内の寸法のバラツキであれば、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造可能なカバープレート付きセパレータを提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、このようなセパレータを備えることにより、大量生産に適した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】
【００１３】
上記従来の課題を解決するために、本発明のカバープレート付きセパレータは、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極からなる電解質層部材に一方の主面が当接して用いられ、厚み方向に貫通し反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールド孔と、厚み方向に貫通し反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールド孔と、前記一方の主面に、前記反応ガス供給用マニホールド孔と前記反応ガス排出用を連通し、前記電解質層部材の電極に当接する本体部と該本体部と前記マニホールド孔との間に位置する一対の接続部とを有する溝状のガス流路と、を有するセパレータと、前記接続部を覆うカバープレートと、を有しており、前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域には、厚み方向に窪んだ少なくとも１つの嵌合孔が設けられ、前記カバープレートには、前記嵌合孔に嵌挿可能な突起部が設けられ、前記突起部の周面が、前記嵌合孔の内面の少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、前記カバープレートが前記セパレータに固定されている。
【００１４】
これにより、寸法精度が低い場合であっても、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することができ、また、効率良く、かつ、容易にセパレータを製造することができる。
【００１５】
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域が、前記セパレータの厚み方向に窪んでいてもよい。
【００１６】
前記嵌合孔及び前記突起部がそれぞれ１以上４以下設けられていてもよい。
【００１７】
前記嵌合孔は、開口形状が短径と長径を有するように形成されていてもよい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は、一対の前記カバープレート付きセパレータと、前記カバープレート付きセパレータに挟まれた電解質膜層部材と、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のカバープレート付きセパレータ及びそれを備える燃料電池によれば、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、一定の範囲内の寸法のバラツキであれば、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１００を構成するセル積層体及びセル積層体を構成するセルを模式的に示した展開図である。
【００２１】
図１に示すように、ＰＥＦＣ１００は、セルスタック５０を有している。セルスタック５０は、板状の全体形状を有するセル１０がその厚み方向に積層されてなるセル積層体と、セル積層体の両端に配置された第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂと、セル積層体と第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂとをセル１０の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂには、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル１０は、鉛直面に平行に延在しており、セル１０の積層方向は水平方向となっている。
【００２２】
セル１０は、ＭＥＡ（高分子電解質膜−電極接合体）１、ガスケット３及びセパレータ２０Ａ、２０Ｂを有している。
【００２３】
ＭＥＡ１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、アノード及びカソード（これらを、総称して電極という）と、を備えている（図示せず）。高分子電解質膜の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノードとカソードがそれぞれ設けられている。電極は、高分子電解質膜の主面上に設けられ、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層（アノード触媒層又はカソード触媒層）と、触媒反応層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層と、から構成されている。
【００２４】
電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んで一対の短形でリング状のガスケット３が配設されている。したがって、ガスケット３の中央部の開口内には、ＭＥＡ１の電極が露出している。これにより、燃料ガスや酸化剤ガス（これらを、反応ガスという）が電池外にリークされることが防止され、また、これらのガスが互いに混合されることが防止される。ガスケット３には、厚み方向の貫通孔からなる反応ガス供給用マニホールド孔１１ｃ、１３ｃ、冷却水供給用マニホールド孔１５ｃ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ｃ、１４ｃ、冷却水排出用マニホールド孔１６ｃが設けられている。
【００２５】
そして、ＭＥＡ１とガスケット３を挟むように、一対の導電性のセパレータ２０Ａ、２０Ｂが配設されている。一方のセパレータ２０Ａは、カバープレート３１Ａ１、３１Ａ２を有しており、他方のセパレータ２０Ｂは、カバープレート３１Ｂ１、３１Ｂ２を有している。これらのセパレータ２０Ａ、２０Ｂは、カーボン粉末材料を冷間プレス成形したカーボン板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸カーボン板が用いられる。あるいは、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。セパレータ２０Ａ、２０Ｂにより、ＭＥＡ１が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ１同士が互いに電気的に直列に接続される。
【００２６】
セパレータ２０Ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１３ａ、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１４ａ、冷却水排出用マニホールド孔１６ａが設けられている。セパレータ２０Ａの内面（ＭＥＡ１に当接する面）には、反応ガスを流すためのガス流路２１Ａが設けられている。ガス流路２１Ａは、互いに並んで延びる複数の流路溝で構成され、本体部２１Ａａと第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとを有している。本体部２１Ａａは、セパレータ２０Ａの内面の、ＭＥＡ１の一方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ａａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１１ａとを連通するように第一接続部２１Ａｂが形成されている。また、本体部２１Ａａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１２ａとを連通するように第二接続部２１Ａｃが形成されている。そして、第一接続部２１Ａｂとセパレータ２０Ａの内面の該第一接続部２１Ａｂの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ａ１が配設され、第二接続部２１Ａｃとセパレータ２０Ａの内面の該第二接続部２１Ａｃの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ａ２が配設されている。セパレータ２０Ａの、カバープレート３１Ａ１及びカバープレート３１Ａ２が配設された部分が、設置部２３Ａ１、２３Ａ２を構成している。この設置部２３Ａ１、２３Ａ２については、後で詳しく説明する。
【００２７】
同様に、セパレータ２０Ｂの周縁部には、反応ガス供給用マニホールド孔１１ｂ、１３ｂ、冷却水供給用マニホールド孔１５ｂ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ｂ、１４ｂ、冷却水排出用マニホールド孔１６ｂが設けられている。セパレータ２０Ｂの内面（ＭＥＡ１に当接する面）には、反応ガスを流すためのガス流路２１Ｂが設けられている。ガス流路２１Ｂは、互いに並んで延びる複数の流路溝で構成され、本体部２１Ｂａと第一接続部２１Ｂｂと第二接続部２１Ｂｃとを有している。本体部２１Ｂａは、セパレータ２０Ｂの内面の、ＭＥＡ１の他方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ｂａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１３ｂとを連通するように第一接続部２１Ｂｂが形成されている。また、本体部２１Ｂａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１４ｂとを連通するように第二接続部２１Ｂｃが形成されている。そして、第一接続部２１Ｂｂとセパレータ２０Ｂの内面の該第一接続部２１Ｂｂの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ｂ１が配設され、第二接続部２１Ｂｃとセパレータ２０Ｂの内面の該第二接続部２１Ｂｃの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ｂ２が配設されている。セパレータ２０Ｂの、カバープレート３１Ｂ１及びカバープレート３１Ｂ２が配設された部分が、設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２を構成している。この設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２については、後で詳しく説明する。
【００２８】
また、セパレータ２０Ａ、２０Ｂの外面には、冷却水を流すための冷却水流路が設けられている（図示せず）。冷却水流路は、溝状に形成されていて、冷却水供給用マニホールド孔１５ａと冷却水排出用マニホールド孔１６ａ又は冷却水供給用マニホールド孔１５ｂと冷却水排出用マニホールド孔１６ｂの間を結ぶように配設されている。これにより、セル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。
【００２９】
このように形成したセル１０をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される。セパレータ２０Ａ、ガスケット３及びセパレータ２０Ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１１ｃ、１１ｂ及び反応ガス供給用マニホールド孔１３ａ、１３ｃ、１３ｂ並びに反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１２ｃ、１２ｂ及び反応ガス排出用マニホールド孔１４ａ、１４ｃ、１４ｂは、セル１０を積層したときに厚み方向につながって、反応ガス供給用マニホールド及び反応ガス排出用マニホールドがそれぞれ形成される。同様にして、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ、１５ｃ、１５ｂ及び冷却水排出用マニホールド孔１６ａ、１６ｃ、１６ｂが厚み方向につながって、冷却水供給用マニホールド及び冷却水排出用マニホールドがそれぞれ形成される。
【００３０】
これにより、反応ガス供給用マニホールドに供給された反応ガスは、ガス流路２１Ａ、２１Ｂを経てアノード又はカソードに供給され、電気化学反応により生成した水と未使用の反応ガスが反応ガス排出マニホールドから排出される。
【００３１】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００のセル１０を構成するセパレータ２０Ａについて、より詳細に説明する。なお、セパレータ２０Ｂは、セパレータ２０Ａと同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
まず、セパレータ２０Ａについて、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３３】
図２は、図１に示すセパレータ２０Ａの構成を示す模式図である。図３は、図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図である。なお、図２においては、セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図３においては、一部を省略している。
【００３４】
図２に示すように、セパレータ２０Ａは、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１３ａ、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１４ａ、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ及び冷却媒体排出用マニホールド孔１６ａを有している。図２において、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａは、セパレータ２０Ａの一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａは、セパレータ２０Ａの他方の側部（図面右側の側部：以下、第二の側部という）の下部に設けられている。反応ガス供給用マニホールド孔１３ａは、セパレータ２０Ａの第二の側部の上部に設けられ、反応ガス排出用マニホールド孔１４ａは、セパレータ２０Ａの第一の側部の下部に設けられている。冷却水供給用マニホールド孔１５ａは、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａの下方の外側に設けられ、冷却水排出用マニホールド孔１６ａは、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａの上方の外側に設けられている。
【００３５】
また、図２に示すように、セパレータ２０Ａには、ＭＥＡ１と当接する当接部分３０の略全体に亘って、サーペンタイン状に形成された溝状のガス流路２１Ａの本体部２１Ａａが設けられている。本体部２１Ａａは、セパレータ２０Ａの内面の、ＭＥＡ１の一方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ａａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１１ａとを連通するように第一接続部２１Ａｂが形成されている。また、本体部２１Ａａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１２ａとを連通するように第二接続部２１Ａｃが形成されている。第一接続部２１Ａｂに対応する設置部２３Ａ１は、第一接続部２１Ａｂとセパレータ２０Ａの内面の該第一接続部２１Ａｂの両側に位置する部分とを含み、かつ、セパレータ２０Ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されている（図３参照）。また、これと同様に、第二接続部２１Ａｃに対応する設置部２３Ａ２は、第二接続部２１Ａｃとセパレータ２０Ａの内面の該第二接続部２１Ａｃの両側に位置する部分とを含み、かつ、セパレータ２０Ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されている（図３参照）。なお、本実施の形態では、第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとは互いに同様の形態を有し、これらに対応する２つの設置部２３Ａ１、２３Ａ２も互いに同様の形態を有し、かつ、カバープレート３１Ａ１とカバープレート３１Ａ２とも互いに同様の形態を有する。従って、以下では、第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとを接続部２１と総称し、２つの設置部２３Ａ１、２３Ａ２を単に設置部２３と総称し、かつ、カバープレート３１Ａ１とカバープレート３１Ａ２とをカバープレート３１と総称し、これらの総称したものについて説明する。
【００３６】
設置部２３は、図面の左右方向に長辺を有する長方形状に形成されている。設置部２３には、接続部２１を挟んで厚み方向に更に窪んだ第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂが設けられている。なお、設置部２３は、カバープレート３１を収容することができれば、その形状、大きさは任意に定めることができる。
【００３７】
第一嵌合孔２４Ａは、開口部が楕円形状を有しており、セパレータ２０Ａの上下方向に短径ｄ１を、左右方向に長径を有するように形成されている。第二嵌合孔２４Ｂは、開口部が円形状を有しており、その直径ｄ２は短径ｄ１と同じになるように形成されている。
【００３８】
なお、ガス流路２１Ａの本体部２１Ａａは、サーペンタイン状に限られず、流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。また、セパレータ２０Ａの外面に設けられた冷却水流路（図示せず）は、上述のガス流路２１Ａと同様に形成されている。
【００３９】
一方、セパレータ２０Ｂにおいては、ガス流路２１Ｂ及び冷却水流路（図示せず）が上述のセパレータ２０Ａにおけるものと同様に形成されている。従って、セパレータ２０Ｂにおいては、第一接続部２１Ｂｂ、第二接続部２１Ｂｃ、これらに対応する設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２、カバープレート３１Ｂ１、及びカバープレート３１Ｂ２がセパレータ２０Ａにおけるものと同様の形態を有する。よって、これらに関する説明は省略し、以下では、セパレータ２０Ａに関するもののみを説明する。
【００４０】
次に、カバープレート３１について、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４１】
図４は、図１に示すカバープレート３１の構成を示す模式図である。図５は、図４のＩＶ-ＩＶ線断面図である。
【００４２】
図４及び図５に示すように、カバープレート３１は、板状のカバープレート本体部３３とこのカバープレート本体部３３の一面に第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに対応する位置にそれぞれ突設された突起部３２ａ及び突起部３２ｂを有している。突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面とその先端面は、同じ形状になるように形成されており、ここでは、円形状に形成されている。突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、基端部から先端部へ向かうにつれて、その断面の径が小さくなるように形成されている（テーパーを有している）。また、突起部３２ａ及び突起部３２ｂの高さは、第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂの深さよりも小さく形成されている。なお、カバープレート本体部３３は、接続部２１を覆うように形成されていれば、その平面視における形状や大きさは任意である。また、カバープレート３１は、ガスケット３の垂れ込みを防止することができる強度と所定の弾性があればよく、このような材質を有するものとして、例えば、合成樹脂や金属が挙げられる。
【００４３】
次に、セパレータ２０Ａとカバープレート３１の嵌合について、図２乃至図８を参照しながら説明する。
【００４４】
図６は、図２に示すセパレータ２０Ａの設置部２３に、図４に示すカバープレート３１が嵌合した状態を示す模式図であり、図７は、図６のＶ-Ｖ線断面図である。また、図８は、図６に示す設置部２３とカバープレート３１を拡大した模式図である。なお、図８においては、接続部２１の図示を省略している。
【００４５】
ここで、図８に示すように、第一嵌合孔２４Ａの楕円形状の開口部の中心と第二嵌合孔２４Ｂの円形状の開口部の中心との距離、すなわち、ピッチをＡとする。また、図４及び図８に示すように、突起部３２ａの基端部における断面の中心と突起部３２ｂの基端部における断面の中心とのピッチをＢとし、これらの断面の直径をｄ３とする。
【００４６】
まず、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２と突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が同じである場合について説明する。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、嵌合孔間のピッチＡと突起部間のピッチＢが等しい場合には、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに嵌合される。そして、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００４８】
また、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２と突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が同じであるが、突起部間のピッチＢが、嵌合孔間のピッチＡよりも所定の範囲で長い場合（図８（ｂ））やピッチＡよりも所定の範囲で短い場合（図８（ｃ））には、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂに嵌合され、突起部３２ａは、カバープレート３１を設置部２３へ嵌挿しようとする作業者又は加工機による押圧力（以下、挿入力という）により、図面の上下方向に縮小し左右方向に伸張して、塑性変形及び弾性変形することで、第一嵌合孔２４Ａに嵌合される。そして、第一嵌合孔２４Ａの内面Ｐａ１及びＰａ２において、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する弾性変形による押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００４９】
ここで、突起部３２ａのセパレータ２０Ａへの固定について、図を用いてより詳細に説明する。図９は、図８（ｂ）の場合におけるカバープレート３１の突起部３２ａの第一嵌合孔２４Ａへの嵌合の状態を示す図であって、（ａ）は突起部３２ａを無理なく第一嵌合孔２４Ａに挿入した状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢ-ＶＩＢ線断面を示す断面図、（ｃ）は突起部３２ａを無理に第一嵌合孔２４Ａに挿入した状態を示す平面図、（ｄ）は（ｃ）のＶＩＤ-ＶＩＤ線断面を示す断面図である。
【００５０】
図９（ｂ）に示すように、カバープレート３１の突起部３２ａは基端部から先端部に向かって細くなるように形成されているので、突起部間のピッチＢが嵌合孔間のピッチＡより大きくても、突起部３２ａを第一嵌合孔２４Ａに挿入すると、最初は無理なく突起部３２ａが入る。しかし、ある深さまで挿入すると、突起部３２ａの周面の外側（突起部３２ｂから遠い側）の部分が、第一嵌合孔２４Ａの縁に当接して突起部３２ａが入らなくなる。この状態を図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す。この状態で、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えると、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、突起部３２ａが変形（塑性変形及び弾性変形して）して、該突起部３２ａが第一嵌合孔２４Ａに挿入される。この場合、突起部３２ａは、楕円形状の第一嵌合孔２４Ａの短軸方向には規制されるが長軸方向には自由であるので、変形する際に肉が長軸方向に逃げて容易に変形する。これにより、突起部３２ａはその弾性変形による弾性力によって第一嵌合孔２４Ａの内面との間に摩擦を生じ、その摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。これは、図８（ｃ）の場合も同様である。
【００５１】
次に、突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が、第一嵌合孔２４Ａの開口部の直径ｄ２及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の短径ｄ１よりも所定の範囲で小さい場合について説明する。
【００５２】
図８（ｄ）に示すように、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えることによって、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに挿入される。この際、突起部３２ａは第一嵌合孔２４Ａの縁の外側（第二嵌合孔２４Ｂに対し第一嵌合孔２４Ａの中心より遠い側）部分Ｐａ１及びＰａ２に当接し、又は、当接して変形し、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂの縁の最も外側（第一嵌合孔２４Ａから最も遠い側）部分Ｐｂ１に当接し、又は、当接して変形する。その結果、カバープレート３１は、双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁から内向きで、かつ、互いに反対方向の力（双方の突起部３２ａ、３２ｂの間隔を狭める方向の力）を受けて、その挿入状態で位置決めされ、かつ、この力によって生じる双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁と双方の突起部３２ａ、３２ｂとの間の摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。また、図８（ｅ）に示すように、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えることによって、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに挿入され、この際、突起部３２ａは、第一嵌合孔２４Ａの縁の内側（第二嵌合孔２４Ｂに対し第一嵌合孔２４Ａの中心より近い側）部分Ｐａ１及びＰａ２に当接し、又は、当接して変形し、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂの縁の最も内側（第一嵌合孔２４Ａに最も近い側）部分Ｐｂ１に当接し、又は、当接して変形する。その結果、カバープレート３１は、双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁から外向きで、かつ、互いに反対方向の力（双方の突起部３２ａ、３２ｂの間隔を広げる方向の力）を受けて、その挿入状態で位置決めされ、かつ、この力によって生じる双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁と双方の突起部３２ａ、３２ｂとの間の摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。
【００５３】
このようにして、突起部３２ａ及び突起部３２ｂがセパレータ２０Ａに固定されることにより、カバープレート３１は、セパレータ２０Ａに固定される。もし、上述の適宜な挿入力だけでは、カバープレート３１の突起部３２ａ、３２ｂが、基端部まで嵌合孔２４Ａ、２４Ｂに挿入されていない場合であっても、その後の工程において、このセパレータ２０Ａを用いて、セル１０を形成し、これを積層し締結具で締結して荷重を掛ける。これにより、カバープレート３１は、その突起部３２ａ、３２ｂが、基端部までそれぞれ嵌合孔２４Ａ、２４Ｂに挿入され、セパレータ２０Ａの周縁部と面一になる。
【００５４】
従って、本実施の形態のカバープレート３１は、突起部３２ａ、３２ｂ及び嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの寸法上のバラツキに対して、あらゆる態様および範囲において対処することはできないが、一定の態様および範囲内であれば、そのバラツキを吸収してセパレータ２０Ａに固定することができる。
【００５５】
一方、図８（ｆ）に示すように、突起部間のピッチＢが、上記所定の範囲内にない場合には、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂに嵌挿され、突起部３２ａは、第一嵌合孔２４Ａに嵌挿されるが、突起部３２ａ及び突起部３２ｂが、第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂの内面との間に摩擦を生じないため、カバープレート３１はセパレータ２０Ａに固定されない。
【００５６】
なお、上記の説明では、突起部３２ａが第一嵌合孔２４Ａに嵌合され、突起部３２ｂが第二嵌合孔２４Ｂに嵌合されるとしているが、これに限定されず、突起部３２ｂが第一嵌合孔２４Ａに嵌合され、突起部３２ａが第二嵌合孔２４Ｂに嵌合してもよい。また、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１と第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２が同じであるとして説明しているが、これに限定されず、短径ｄ１と直径ｄ２が異なってもよい。この場合、突起部３２ａ、３２ｂにおける基端部の断面の直径が、それぞれ第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１と第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２に対応するように、同じ又は所定の範囲内にあるように構成されていればよい。
【００５７】
このような構成とすることにより、一定の範囲内で寸法上のバラツキを吸収して、突起部３２ａ及び突起部３２ｂがセパレータ２０Ａに固定されるので、カバープレート３１をセパレータ２０Ａの設置部２３に固定することができる。このため、上記セパレータを使用すると、セルスタックの組み立て作業を効率よく行うことが可能となり、大量生産に適した燃料電池を提供することが可能となる。
【００５８】
次に、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００のセル１０を構成するセパレータ２０Ａの変形例について説明する。
【００５９】
［変形例１］
図１０は、本実施の形態１の変形例１のセパレータ２０Ａにおける設置部２３にカバープレート３１が嵌合した状態を示す模式図である。図１０（ａ）及び（ｂ）は、設置部２３に嵌合孔を１つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｃ）乃至（ｅ）は、設置部２３に嵌合孔を２つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｆ）は、設置部２３に嵌合孔を３つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｇ）は、設置部２３に嵌合孔を４つ設けた場合の模式図である。なお、カバープレート３１に設けられた突起部の数は、設置部２３に設けられた嵌合孔の数に対応するように設けられている。また、以下の説明では、図８と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
本変形例では、設置部２３に設けられる嵌合孔の数とその設置位置について、以下に説明する。
【００６１】
まず、嵌合孔の設置数について説明する。
【００６２】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一嵌合孔２４Ａが長径と短径を有するような形状であれば、設置部２３に嵌合孔を１つだけ設ける構成であっても、カバープレート３１に設けられた突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００６３】
また、図１０（ｃ）乃至（ｇ）に示すように、設置部２３に複数の嵌合孔を設ける構成の場合には、カバープレート３１の位置決めが容易になり、突起部と嵌合孔を形成する内壁と嵌合する数が増えるので、より強固にカバープレート３１を設置部２３に固定することができる。このように、嵌合孔の設置数は、本発明の効果が得られる観点からそれぞれ１以上であることが好ましく、また、カバープレートの位置決めと固定が確実にできる観点から、２以上であることがより好ましい。製造コストの低減や作業工程の簡易性の観点から４以下であることが好ましい。なお、短径と長径を有するような形状としては、例えば、楕円、半円や三角形、長方形等の多角形が挙げられる。また、長径と短径を有する嵌合孔を２つ以上設ける構成としてもよく、例えば、図１０（ｅ）に示すように、第一嵌合孔２４Ａを図面の上下方向に短径を、左右方向に長径を有するように形成し、第二嵌合孔２４Ｂを設図面の左右方向に短径を、上下方向に長径を有するように形成してもよい。
【００６４】
次に、嵌合孔の設置位置について説明する。
【００６５】
嵌合孔の設置位置は、その設置数に関わらず任意であり、例えば、設置数が１つの場合では、図１０（ａ）に示すように接続部２１の左側に設けてもよく、右側に設けてもよく（図示せず）、また、接続部２１の中央に設けてもよい（図１０（ｂ））。また、設置数が２つである場合には、例えば、図１０（ｃ）に示すように、接続部２１を挟んで対抗するように第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂを設けてもよく、また、図１０（ｄ）に示すように、接続部２１の片側に設けてもよい。なお、接続部２１の中央に、嵌合孔を設ける場合、図１０（ｂ）に示すように、接続部２１は、嵌合孔を避けるように設けられる。
【００６６】
［変形例２］
図１１は、本実施の形態１の変形例２のセパレータ２０Ａにおける設置部２３にカバープレート３１が嵌合した状態を示す断面図である。図１１（ａ）乃至（ｃ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が小さくなるように形成されている場合の断面図であり、図１１（ｄ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が大きくなるように形成されている場合の断面図であり、図１１（ｅ）、（ｆ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部と先端部との間でその径が最大となるように形成されている場合の断面図である。なお、図１１において、図７と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
また、図１２は、本実施の形態１の変形例２におけるカバープレート３１に設けられた突起部３２ａ、３２ｂの変形例を示す模式図である。なお、図１２においては、一部を省略し、また、図４と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６８】
本変形例では、カバープレート３１に設けられる突起部の形状について、以下に説明する。
【００６９】
まず、突起部３２ａ、３２ｂの厚み方向の断面形状について説明する。
【００７０】
カバープレート３１に設けられる突起部３２ａ、３２ｂは、図１１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が小さくなるような断面形状を有するように形成されていてもよい。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７１】
図１１（ｃ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂの先端面に厚み方向に切り込み部分を設けてもよい。これにより、突起部３２ａ、３２ｂは、厚み方向の押圧による弾性変形を容易にすることができ、突起部３２ａ、３２ｂはセパレータ２０Ａに容易に固定される。
【００７２】
また、図１１（ｄ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂが基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が大きくなるように形成されていてもよい。なお、図１１（ｄ）では、突起部３２ａ、３２ｂの先端面の直径ｄ４が、上記実施の形態１における直径ｄ３に相当し、突起部３２ａの先端面の中心と突起部３２ｂの先端面の中心とのピッチＢ１が、ピッチＢに相当する。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７３】
さらに、図１１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部と先端部との間でその径が最大となるように形成されていてもよい。なお、図１１（ｅ）及び（ｆ）では、突起部３２ａ、３２ｂの径が最大となった部分の直径ｄ５が、上記実施の形態１における直径ｄ３に相当し、突起部３２ａの最大径を有する断面の中心と突起部３２ｂの最大径を有する断面の中心とのピッチＢ２が、ピッチＢに相当する。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７４】
次に、突起部３２ａ、３２ｂの水平方向の断面の形状について説明する。
【００７５】
突起部３２ａ、３２ｂは、上述したように基端部の断面とその先端面が相似の形状となるように構成されている。そして、その断面形状に外接する円の直径ｄ６が、上記第一嵌合孔２４Ａの短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの直径ｄ２と同じ又は所定の範囲内にあるように構成されており、例えば、図１２（ａ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂの基端部の断面の形状を互いの弦が対向するように配設された一対の半円形状や図１２（ｂ）に示すように短径を共有する一対の楕円形状のように構成されてもよく、また、図１２（ｃ）乃至（ｆ）に示すように、星型状や歯車状に構成されてもよく、さらに、図１２（ｇ）乃至（ｌ）に示すように、多角形状に構成されてもよい。突起部３２ａ、３２ｂが、第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂに嵌合されやすく外れにくい観点から、図１２（ａ）又は（ｂ）に示す形状が好ましく、突起部の周面が嵌合孔の内面とより多点で嵌合することができる観点から、図１２（ｃ）乃至（ｌ）が好ましい。
【００７６】
なお、本実施の形態では、セル１０を積層し、セル積層体を形成する構成としたが、これに限定されず、単セルで燃料電池１００を構成してもよい。また、本実施の形態では、カバープレート３１を、セパレータ２０Ａの第一設置部２３Ａ１及び第二設置部２３Ａ２それぞれに固定する構成としたが、これに限定されず、どちらか一方の設置部にカバープレート３１を固定する構成としてもよい。さらに、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池について説明したが、これに限定されず、本発明に係るセパレータは、リン酸形燃料電池等の燃料電池を構成するセパレータに使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係るセパレータは、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造することができるセパレータとして有用である。また、本発明に係る燃料電池は、上記セパレータを有することにより、大量生産に適した燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池を構成するセル積層体及びセル積層体を構成するセルを示した模式図である。
【図２】図１に示すセパレータの構成を示す模式図である。
【図３】図２に示すセパレータの構成を示す断面図である。
【図４】図１に示すカバープレートの構成を示す模式図である。
【図５】図４に示すカバープレートの断面図である。
【図６】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図７】図６に示すセパレータの断面図である。
【図８−Ａ】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図８−Ｂ】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図９】図８に示すカバープレートに設けられた突起部の第一嵌合孔への嵌合の状態を示す模式図である。
【図１０】図６に示すセパレータの設置部にカバープレートが固定された状態の変形例を示す模式図である。
【図１１−Ａ】図７に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す断面図である。
【図１１−Ｂ】図７に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す断面図である。
【図１２−Ａ】図４に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す模式図である。
【図１２−Ｂ】図４に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ＭＥＡ
３ ガスケット
１０ セル
１１ａ 反応ガス供給用マニホールド孔
１１ｂ 反応ガス供給用マニホールド孔
１１ｃ 反応ガス供給用マニホールド孔
１２ａ 反応ガス排出用マニホールド孔
１２ｂ 反応ガス排出用マニホールド孔
１２ｃ 反応ガス排出用マニホールド孔
１３ａ 反応ガス供給用マニホールド孔
１３ｂ 反応ガス供給用マニホールド孔
１３ｃ 反応ガス供給用マニホールド孔
１４ａ 反応ガス排出用マニホールド孔
１４ｂ 反応ガス排出用マニホールド孔
１４ｃ 反応ガス排出用マニホールド孔
１５ａ 冷却水供給用マニホールド孔
１５ｂ 冷却水供給用マニホールド孔
１５ｃ 冷却水供給用マニホールド孔
１６ａ 冷却水排出用マニホールド孔
１６ｂ 冷却水排出用マニホールド孔
１６ｃ 冷却水排出用マニホールド孔
２１ 接続部
２１Ａ ガス流路
２１Ａａ 本体部
２１Ａｂ 第一接続部
２１Ａｃ 第二接続部
２１Ｂ ガス流路
２１Ｂａ 本体部
２１Ｂｂ 第一接続部
２１Ｂｃ 第二接続部
２３ 設置部
２３Ａ１ 設置部
２３Ａ２ 設置部
２３Ｂ１ 設置部
２３Ｂ２ 設置部
２４Ａ 嵌合孔
２４Ｂ 嵌合孔
２４Ｃ 嵌合孔
２４Ｄ 嵌合孔
３０ 当接部分
３１ カバープレート
３１Ａ１ カバープレート
３１Ａ２ カバープレート
３１Ｂ１ カバープレート
３１Ｂ２ カバープレート
３２ａ 突起部
３２ｂ 突起部
３２ｃ 突起部
３２ｄ 突起部
３３ カバープレート本体部
１００ 高分子電解質形燃料電池
Ａ ピッチ
Ｂ ピッチ
Ｂ１ ピッチ
Ｂ２ ピッチ
ｄ１ 短径
ｄ２ 直径
ｄ３ 直径
ｄ４ 直径
ｄ５ 直径
ｄ６ 直径
Ｐａ１ 部分
Ｐａ２ 部分
Ｐｂ１ 部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータ及びそれを備える燃料電池、特に、導電性のカバープレート付きセパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置であり、セルを積層させて構成されているセルスタックを本体としている。
【０００３】
セルは、電解質層と、一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。ガス拡散電極の周囲には、電解質層を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケットが配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガス（これらを反応ガスという）が電池外にリークされることが防止され、また、セル内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。セパレータには、ガス拡散電極と当接する面に反応ガスを流すための溝状のガス流路が設けられている。
【０００４】
一般的に、燃料電池のセルスタックは、いわゆる内部マニホールド形が用いられている。内部マニホールド形は、セパレータの周縁部においてセパレータの厚み方向に貫通する反応ガス供給側マニホールド孔と反応ガス排出側マニホールド孔が形成され、ガス流路はこれらのマニホールド孔を結ぶように形成されている。そして、スタック組立状態において、これらのマニホールド孔が連結して、セルの積層方向に延伸する反応ガス供給側マニホールドと反応ガス排出側マニホールドが形成される。このような構成によって、反応ガス供給側マニホールドの端部からセルスタックに供給された反応ガスは、反応ガス供給側マニホールドを通流し、各セルに設けられたガス流路へ分流し、反応ガス排出側マニホールドへ流出する。
【０００５】
このような燃料電池のセルにおいて、ガス流路のマニホールド孔に接続する上流端部やガス流路のマニホールド孔に接続する下流端部に高分子電解質膜やガスケットがたれ込むことによって、反応ガスがリークするため、これらの端部を平板で覆うと共にトンネル構造にした燃料電池用ガスプレートが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている燃料電池用ガスプレート（セパレータ）では、平板がガスプレートに固定されていないため、セルスタック組み立て時にガス流路が設けられている面を下にすると平板が外れ、セルスタックの組立作業が煩雑になるという問題があった。
【０００７】
このような問題に対して、断面がコ字状のカバープレートをセパレータの端部に嵌合させた燃料電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、ガス流路とマニホールドとを連結する連絡通路（上流端部及び下流端部）をプレート部材で覆い、予め成形したガスケットをセパレータに接着剤を用いて貼り付けることによりプレート部材を固定する、又は、セパレータとプレート部材に弾性部材を射出成形することにより、ガスケットを一体成形してプレート部材を固定する燃料電池用セパレータが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
これらのセパレータでは、ガス流路の端部を覆うカバープレートやプレート部材がセパレータに固定されているため、セルスタックの組み立て作業を効率よく行うことが可能となる。
【特許文献１】特開平９−３５７２６号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９０１４号公報
【特許文献３】特開２００５−１２９３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２に開示されている燃料電池では、カバープレート及びセパレータの構造が複雑であり、これらの製造にはコストおよび時間が必要となる。特に、圧縮成形法を採用する場合には、セパレータの寸法精度が低いため、カバープレートを嵌めても外れやすくなり、改善の余地があった。
【００１０】
また、上記特許文献３に開示されている燃料電池用セパレータでは、接着剤を使うことにより、ガスケットの位置がずれて寸法精度が低下するといった問題が生ずる。また、接着剤中に含まれる可塑剤及び未反応の低分子が溶出することによる電解質やガス拡散電極へのダメージや燃料電池の電圧低下等が懸念される。さらに、弾性部材を射出成形する場合では、セパレータの製造工程が複雑となり、また、ガス流路を構成する溝を弾性部材が遮断し、反応ガスを流通させることができない等の問題が生じ、未だ改善の余地があった。
【００１１】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、圧縮成形法を採用し、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、一定の範囲内の寸法のバラツキであれば、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造可能なカバープレート付きセパレータを提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、このようなセパレータを備えることにより、大量生産に適した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】
【００１３】
上記従来の課題を解決するために、本発明のカバープレート付きセパレータは、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極からなる電解質層部材に一方の主面が当接して用いられ、厚み方向に貫通し反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールド孔と、厚み方向に貫通し反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールド孔と、前記一方の主面に、前記反応ガス供給用マニホールド孔と前記反応ガス排出用を連通し、前記電解質層部材の電極に当接する本体部と該本体部と前記マニホールド孔との間に位置する一対の接続部とを有する溝状のガス流路と、を有するセパレータと、前記接続部を覆うカバープレートと、を有しており、前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域には、厚み方向に窪んだ少なくとも１つの嵌合孔が設けられ、前記カバープレートには、前記嵌合孔に嵌挿可能な突起部が設けられ、前記突起部の周面が、前記嵌合孔の内面の少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、前記カバープレートが前記セパレータに固定されている。
【００１４】
これにより、寸法精度が低い場合であっても、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することができ、また、効率良く、かつ、容易にセパレータを製造することができる。
【００１５】
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域が、前記セパレータの厚み方向に窪んでいてもよい。
【００１６】
前記嵌合孔及び前記突起部がそれぞれ１以上４以下設けられていてもよい。
【００１７】
前記嵌合孔は、開口形状が短径と長径を有するように形成されていてもよい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は、一対の前記カバープレート付きセパレータと、前記カバープレート付きセパレータに挟まれた電解質膜層部材と、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のカバープレート付きセパレータ及びそれを備える燃料電池によれば、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、一定の範囲内の寸法のバラツキであれば、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１００を構成するセル積層体及びセル積層体を構成するセルを模式的に示した展開図である。
【００２１】
図１に示すように、ＰＥＦＣ１００は、セルスタック５０を有している。セルスタック５０は、板状の全体形状を有するセル１０がその厚み方向に積層されてなるセル積層体と、セル積層体の両端に配置された第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂと、セル積層体と第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂとをセル１０の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂには、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル１０は、鉛直面に平行に延在しており、セル１０の積層方向は水平方向となっている。
【００２２】
セル１０は、ＭＥＡ（高分子電解質膜−電極接合体）１、ガスケット３及びセパレータ２０Ａ、２０Ｂを有している。
【００２３】
ＭＥＡ１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、アノード及びカソード（これらを、総称して電極という）と、を備えている（図示せず）。高分子電解質膜の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノードとカソードがそれぞれ設けられている。電極は、高分子電解質膜の主面上に設けられ、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層（アノード触媒層又はカソード触媒層）と、触媒反応層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層と、から構成されている。
【００２４】
電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んで一対の短形でリング状のガスケット３が配設されている。したがって、ガスケット３の中央部の開口内には、ＭＥＡ１の電極が露出している。これにより、燃料ガスや酸化剤ガス（これらを、反応ガスという）が電池外にリークされることが防止され、また、これらのガスが互いに混合されることが防止される。ガスケット３には、厚み方向の貫通孔からなる反応ガス供給用マニホールド孔１１ｃ、１３ｃ、冷却水供給用マニホールド孔１５ｃ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ｃ、１４ｃ、冷却水排出用マニホールド孔１６ｃが設けられている。
【００２５】
そして、ＭＥＡ１とガスケット３を挟むように、一対の導電性のセパレータ２０Ａ、２０Ｂが配設されている。一方のセパレータ２０Ａは、カバープレート３１Ａ１、３１Ａ２を有しており、他方のセパレータ２０Ｂは、カバープレート３１Ｂ１、３１Ｂ２を有している。これらのセパレータ２０Ａ、２０Ｂは、カーボン粉末材料を冷間プレス成形したカーボン板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸カーボン板が用いられる。あるいは、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。セパレータ２０Ａ、２０Ｂにより、ＭＥＡ１が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ１同士が互いに電気的に直列に接続される。
【００２６】
セパレータ２０Ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１３ａ、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１４ａ、冷却水排出用マニホールド孔１６ａが設けられている。セパレータ２０Ａの内面（ＭＥＡ１に当接する面）には、反応ガスを流すためのガス流路２１Ａが設けられている。ガス流路２１Ａは、互いに並んで延びる複数の流路溝で構成され、本体部２１Ａａと第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとを有している。本体部２１Ａａは、セパレータ２０Ａの内面の、ＭＥＡ１の一方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ａａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１１ａとを連通するように第一接続部２１Ａｂが形成されている。また、本体部２１Ａａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１２ａとを連通するように第二接続部２１Ａｃが形成されている。そして、第一接続部２１Ａｂとセパレータ２０Ａの内面の該第一接続部２１Ａｂの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ａ１が配設され、第二接続部２１Ａｃとセパレータ２０Ａの内面の該第二接続部２１Ａｃの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ａ２が配設されている。セパレータ２０Ａの、カバープレート３１Ａ１及びカバープレート３１Ａ２が配設された部分が、設置部２３Ａ１、２３Ａ２を構成している。この設置部２３Ａ１、２３Ａ２については、後で詳しく説明する。
【００２７】
同様に、セパレータ２０Ｂの周縁部には、反応ガス供給用マニホールド孔１１ｂ、１３ｂ、冷却水供給用マニホールド孔１５ｂ及び反応ガス排出用マニホールド孔１２ｂ、１４ｂ、冷却水排出用マニホールド孔１６ｂが設けられている。セパレータ２０Ｂの内面（ＭＥＡ１に当接する面）には、反応ガスを流すためのガス流路２１Ｂが設けられている。ガス流路２１Ｂは、互いに並んで延びる複数の流路溝で構成され、本体部２１Ｂａと第一接続部２１Ｂｂと第二接続部２１Ｂｃとを有している。本体部２１Ｂａは、セパレータ２０Ｂの内面の、ＭＥＡ１の他方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ｂａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１３ｂとを連通するように第一接続部２１Ｂｂが形成されている。また、本体部２１Ｂａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１４ｂとを連通するように第二接続部２１Ｂｃが形成されている。そして、第一接続部２１Ｂｂとセパレータ２０Ｂの内面の該第一接続部２１Ｂｂの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ｂ１が配設され、第二接続部２１Ｂｃとセパレータ２０Ｂの内面の該第二接続部２１Ｂｃの両側に位置する部分とを覆うようにカバープレート３１Ｂ２が配設されている。セパレータ２０Ｂの、カバープレート３１Ｂ１及びカバープレート３１Ｂ２が配設された部分が、設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２を構成している。この設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２については、後で詳しく説明する。
【００２８】
また、セパレータ２０Ａ、２０Ｂの外面には、冷却水を流すための冷却水流路が設けられている（図示せず）。冷却水流路は、溝状に形成されていて、冷却水供給用マニホールド孔１５ａと冷却水排出用マニホールド孔１６ａ又は冷却水供給用マニホールド孔１５ｂと冷却水排出用マニホールド孔１６ｂの間を結ぶように配設されている。これにより、セル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。
【００２９】
このように形成したセル１０をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される。セパレータ２０Ａ、ガスケット３及びセパレータ２０Ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１１ｃ、１１ｂ及び反応ガス供給用マニホールド孔１３ａ、１３ｃ、１３ｂ並びに反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１２ｃ、１２ｂ及び反応ガス排出用マニホールド孔１４ａ、１４ｃ、１４ｂは、セル１０を積層したときに厚み方向につながって、反応ガス供給用マニホールド及び反応ガス排出用マニホールドがそれぞれ形成される。同様にして、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ、１５ｃ、１５ｂ及び冷却水排出用マニホールド孔１６ａ、１６ｃ、１６ｂが厚み方向につながって、冷却水供給用マニホールド及び冷却水排出用マニホールドがそれぞれ形成される。
【００３０】
これにより、反応ガス供給用マニホールドに供給された反応ガスは、ガス流路２１Ａ、２１Ｂを経てアノード又はカソードに供給され、電気化学反応により生成した水と未使用の反応ガスが反応ガス排出マニホールドから排出される。
【００３１】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１００のセル１０を構成するセパレータ２０Ａについて、より詳細に説明する。なお、セパレータ２０Ｂは、セパレータ２０Ａと同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
まず、セパレータ２０Ａについて、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３３】
図２は、図１に示すセパレータ２０Ａの構成を示す模式図である。図３は、図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図である。なお、図２においては、セパレータにおける上下方向を、図における上下方向として表している。また、図３においては、一部を省略している。
【００３４】
図２に示すように、セパレータ２０Ａは、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａ、１３ａ、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａ、１４ａ、冷却水供給用マニホールド孔１５ａ及び冷却媒体排出用マニホールド孔１６ａを有している。図２において、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａは、セパレータ２０Ａの一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａは、セパレータ２０Ａの他方の側部（図面右側の側部：以下、第二の側部という）の下部に設けられている。反応ガス供給用マニホールド孔１３ａは、セパレータ２０Ａの第二の側部の上部に設けられ、反応ガス排出用マニホールド孔１４ａは、セパレータ２０Ａの第一の側部の下部に設けられている。冷却水供給用マニホールド孔１５ａは、反応ガス供給用マニホールド孔１１ａの下方の外側に設けられ、冷却水排出用マニホールド孔１６ａは、反応ガス排出用マニホールド孔１２ａの上方の外側に設けられている。
【００３５】
また、図２に示すように、セパレータ２０Ａには、ＭＥＡ１と当接する当接部分３０の略全体に亘って、サーペンタイン状に形成された溝状のガス流路２１Ａの本体部２１Ａａが設けられている。本体部２１Ａａは、セパレータ２０Ａの内面の、ＭＥＡ１の一方の電極に当接する領域にサーペンタイン状に形成されている。この本体部２１Ａａの上流側の端と反応ガス供給用マニホールド孔１１ａとを連通するように第一接続部２１Ａｂが形成されている。また、本体部２１Ａａの下流側の端と反応ガス排出用マニホールド孔１２ａとを連通するように第二接続部２１Ａｃが形成されている。第一接続部２１Ａｂに対応する設置部２３Ａ１は、第一接続部２１Ａｂとセパレータ２０Ａの内面の該第一接続部２１Ａｂの両側に位置する部分とを含み、かつ、セパレータ２０Ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されている（図３参照）。また、これと同様に、第二接続部２１Ａｃに対応する設置部２３Ａ２は、第二接続部２１Ａｃとセパレータ２０Ａの内面の該第二接続部２１Ａｃの両側に位置する部分とを含み、かつ、セパレータ２０Ａの周縁部の内面より一定の深さ窪んだ凹状に形成されている（図３参照）。なお、本実施の形態では、第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとは互いに同様の形態を有し、これらに対応する２つの設置部２３Ａ１、２３Ａ２も互いに同様の形態を有し、かつ、カバープレート３１Ａ１とカバープレート３１Ａ２とも互いに同様の形態を有する。従って、以下では、第一接続部２１Ａｂと第二接続部２１Ａｃとを接続部２１と総称し、２つの設置部２３Ａ１、２３Ａ２を単に設置部２３と総称し、かつ、カバープレート３１Ａ１とカバープレート３１Ａ２とをカバープレート３１と総称し、これらの総称したものについて説明する。
【００３６】
設置部２３は、図面の左右方向に長辺を有する長方形状に形成されている。設置部２３には、接続部２１を挟んで厚み方向に更に窪んだ第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂが設けられている。なお、設置部２３は、カバープレート３１を収容することができれば、その形状、大きさは任意に定めることができる。
【００３７】
第一嵌合孔２４Ａは、開口部が楕円形状を有しており、セパレータ２０Ａの上下方向に短径ｄ１を、左右方向に長径を有するように形成されている。第二嵌合孔２４Ｂは、開口部が円形状を有しており、その直径ｄ２は短径ｄ１と同じになるように形成されている。
【００３８】
なお、ガス流路２１Ａの本体部２１Ａａは、サーペンタイン状に限られず、流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。また、セパレータ２０Ａの外面に設けられた冷却水流路（図示せず）は、上述のガス流路２１Ａと同様に形成されている。
【００３９】
一方、セパレータ２０Ｂにおいては、ガス流路２１Ｂ及び冷却水流路（図示せず）が上述のセパレータ２０Ａにおけるものと同様に形成されている。従って、セパレータ２０Ｂにおいては、第一接続部２１Ｂｂ、第二接続部２１Ｂｃ、これらに対応する設置部２３Ｂ１、２３Ｂ２、カバープレート３１Ｂ１、及びカバープレート３１Ｂ２がセパレータ２０Ａにおけるものと同様の形態を有する。よって、これらに関する説明は省略し、以下では、セパレータ２０Ａに関するもののみを説明する。
【００４０】
次に、カバープレート３１について、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４１】
図４は、図１に示すカバープレート３１の構成を示す模式図である。図５は、図４のＩＶ-ＩＶ線断面図である。
【００４２】
図４及び図５に示すように、カバープレート３１は、板状のカバープレート本体部３３とこのカバープレート本体部３３の一面に第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに対応する位置にそれぞれ突設された突起部３２ａ及び突起部３２ｂを有している。突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面とその先端面は、同じ形状になるように形成されており、ここでは、円形状に形成されている。突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、基端部から先端部へ向かうにつれて、その断面の径が小さくなるように形成されている（テーパーを有している）。また、突起部３２ａ及び突起部３２ｂの高さは、第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂの深さよりも小さく形成されている。なお、カバープレート本体部３３は、接続部２１を覆うように形成されていれば、その平面視における形状や大きさは任意である。また、カバープレート３１は、ガスケット３の垂れ込みを防止することができる強度と所定の弾性があればよく、このような材質を有するものとして、例えば、合成樹脂や金属が挙げられる。
【００４３】
次に、セパレータ２０Ａとカバープレート３１の嵌合について、図２乃至図８を参照しながら説明する。
【００４４】
図６は、図２に示すセパレータ２０Ａの設置部２３に、図４に示すカバープレート３１が嵌合した状態を示す模式図であり、図７は、図６のＶ-Ｖ線断面図である。また、図８は、図６に示す設置部２３とカバープレート３１を拡大した模式図である。なお、図８においては、接続部２１の図示を省略している。
【００４５】
ここで、図８に示すように、第一嵌合孔２４Ａの楕円形状の開口部の中心と第二嵌合孔２４Ｂの円形状の開口部の中心との距離、すなわち、ピッチをＡとする。また、図４及び図８に示すように、突起部３２ａの基端部における断面の中心と突起部３２ｂの基端部における断面の中心とのピッチをＢとし、これらの断面の直径をｄ３とする。
【００４６】
まず、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２と突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が同じである場合について説明する。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、嵌合孔間のピッチＡと突起部間のピッチＢが等しい場合には、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに嵌合される。そして、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００４８】
また、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２と突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が同じであるが、突起部間のピッチＢが、嵌合孔間のピッチＡよりも所定の範囲で長い場合（図８（ｂ））やピッチＡよりも所定の範囲で短い場合（図８（ｃ））には、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂに嵌合され、突起部３２ａは、カバープレート３１を設置部２３へ嵌挿しようとする作業者又は加工機による押圧力（以下、挿入力という）により、図面の上下方向に縮小し左右方向に伸張して、塑性変形及び弾性変形することで、第一嵌合孔２４Ａに嵌合される。そして、第一嵌合孔２４Ａの内面Ｐａ１及びＰａ２において、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する弾性変形による押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００４９】
ここで、突起部３２ａのセパレータ２０Ａへの固定について、図を用いてより詳細に説明する。図９は、図８（ｂ）の場合におけるカバープレート３１の突起部３２ａの第一嵌合孔２４Ａへの嵌合の状態を示す図であって、（ａ）は突起部３２ａを無理なく第一嵌合孔２４Ａに挿入した状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢ-ＶＩＢ線断面を示す断面図、（ｃ）は突起部３２ａを無理に第一嵌合孔２４Ａに挿入した状態を示す平面図、（ｄ）は（ｃ）のＶＩＤ-ＶＩＤ線断面を示す断面図である。
【００５０】
図９（ｂ）に示すように、カバープレート３１の突起部３２ａは基端部から先端部に向かって細くなるように形成されているので、突起部間のピッチＢが嵌合孔間のピッチＡより大きくても、突起部３２ａを第一嵌合孔２４Ａに挿入すると、最初は無理なく突起部３２ａが入る。しかし、ある深さまで挿入すると、突起部３２ａの周面の外側（突起部３２ｂから遠い側）の部分が、第一嵌合孔２４Ａの縁に当接して突起部３２ａが入らなくなる。この状態を図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す。この状態で、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えると、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、突起部３２ａが変形（塑性変形及び弾性変形して）して、該突起部３２ａが第一嵌合孔２４Ａに挿入される。この場合、突起部３２ａは、楕円形状の第一嵌合孔２４Ａの短軸方向には規制されるが長軸方向には自由であるので、変形する際に肉が長軸方向に逃げて容易に変形する。これにより、突起部３２ａはその弾性変形による弾性力によって第一嵌合孔２４Ａの内面との間に摩擦を生じ、その摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。これは、図８（ｃ）の場合も同様である。
【００５１】
次に、突起部３２ａ及び突起部３２ｂの基端部の断面の直径ｄ３が、第一嵌合孔２４Ａの開口部の直径ｄ２及び第二嵌合孔２４Ｂの開口部の短径ｄ１よりも所定の範囲で小さい場合について説明する。
【００５２】
図８（ｄ）に示すように、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えることによって、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに挿入される。この際、突起部３２ａは第一嵌合孔２４Ａの縁の外側（第二嵌合孔２４Ｂに対し第一嵌合孔２４Ａの中心より遠い側）部分Ｐａ１及びＰａ２に当接し、又は、当接して変形し、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂの縁の最も外側（第一嵌合孔２４Ａから最も遠い側）部分Ｐｂ１に当接し、又は、当接して変形する。その結果、カバープレート３１は、双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁から内向きで、かつ、互いに反対方向の力（双方の突起部３２ａ、３２ｂの間隔を狭める方向の力）を受けて、その挿入状態で位置決めされ、かつ、この力によって生じる双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁と双方の突起部３２ａ、３２ｂとの間の摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。また、図８（ｅ）に示すように、カバープレート３１に適宜な挿入力を加えることによって、突起部３２ａ及び突起部３２ｂは、それぞれ第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂに挿入され、この際、突起部３２ａは、第一嵌合孔２４Ａの縁の内側（第二嵌合孔２４Ｂに対し第一嵌合孔２４Ａの中心より近い側）部分Ｐａ１及びＰａ２に当接し、又は、当接して変形し、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂの縁の最も内側（第一嵌合孔２４Ａに最も近い側）部分Ｐｂ１に当接し、又は、当接して変形する。その結果、カバープレート３１は、双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁から外向きで、かつ、互いに反対方向の力（双方の突起部３２ａ、３２ｂの間隔を広げる方向の力）を受けて、その挿入状態で位置決めされ、かつ、この力によって生じる双方の嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの縁と双方の突起部３２ａ、３２ｂとの間の摩擦力によってセパレータ２０Ａに固定される。
【００５３】
このようにして、突起部３２ａ及び突起部３２ｂがセパレータ２０Ａに固定されることにより、カバープレート３１は、セパレータ２０Ａに固定される。もし、上述の適宜な挿入力だけでは、カバープレート３１の突起部３２ａ、３２ｂが、基端部まで嵌合孔２４Ａ、２４Ｂに挿入されていない場合であっても、その後の工程において、このセパレータ２０Ａを用いて、セル１０を形成し、これを積層し締結具で締結して荷重を掛ける。これにより、カバープレート３１は、その突起部３２ａ、３２ｂが、基端部までそれぞれ嵌合孔２４Ａ、２４Ｂに挿入され、セパレータ２０Ａの周縁部と面一になる。
【００５４】
従って、本実施の形態のカバープレート３１は、突起部３２ａ、３２ｂ及び嵌合孔２４Ａ、２４Ｂの寸法上のバラツキに対して、あらゆる態様および範囲において対処することはできないが、一定の態様および範囲内であれば、そのバラツキを吸収してセパレータ２０Ａに固定することができる。
【００５５】
一方、図８（ｆ）に示すように、突起部間のピッチＢが、上記所定の範囲内にない場合には、突起部３２ｂは、第二嵌合孔２４Ｂに嵌挿され、突起部３２ａは、第一嵌合孔２４Ａに嵌挿されるが、突起部３２ａ及び突起部３２ｂが、第一嵌合孔２４Ａ及び第二嵌合孔２４Ｂの内面との間に摩擦を生じないため、カバープレート３１はセパレータ２０Ａに固定されない。
【００５６】
なお、上記の説明では、突起部３２ａが第一嵌合孔２４Ａに嵌合され、突起部３２ｂが第二嵌合孔２４Ｂに嵌合されるとしているが、これに限定されず、突起部３２ｂが第一嵌合孔２４Ａに嵌合され、突起部３２ａが第二嵌合孔２４Ｂに嵌合してもよい。また、第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１と第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２が同じであるとして説明しているが、これに限定されず、短径ｄ１と直径ｄ２が異なってもよい。この場合、突起部３２ａ、３２ｂにおける基端部の断面の直径が、それぞれ第一嵌合孔２４Ａの開口部の短径ｄ１と第二嵌合孔２４Ｂの開口部の直径ｄ２に対応するように、同じ又は所定の範囲内にあるように構成されていればよい。
【００５７】
このような構成とすることにより、一定の範囲内で寸法上のバラツキを吸収して、突起部３２ａ及び突起部３２ｂがセパレータ２０Ａに固定されるので、カバープレート３１をセパレータ２０Ａの設置部２３に固定することができる。このため、上記セパレータを使用すると、セルスタックの組み立て作業を効率よく行うことが可能となり、大量生産に適した燃料電池を提供することが可能となる。
【００５８】
次に、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００のセル１０を構成するセパレータ２０Ａの変形例について説明する。
【００５９】
［変形例１］
図１０は、本実施の形態１の変形例１のセパレータ２０Ａにおける設置部２３にカバープレート３１が嵌合した状態を示す模式図である。図１０（ａ）及び（ｂ）は、設置部２３に嵌合孔を１つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｃ）乃至（ｅ）は、設置部２３に嵌合孔を２つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｆ）は、設置部２３に嵌合孔を３つ設けた場合の模式図であり、図１０（ｇ）は、設置部２３に嵌合孔を４つ設けた場合の模式図である。なお、カバープレート３１に設けられた突起部の数は、設置部２３に設けられた嵌合孔の数に対応するように設けられている。また、以下の説明では、図８と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
本変形例では、設置部２３に設けられる嵌合孔の数とその設置位置について、以下に説明する。
【００６１】
まず、嵌合孔の設置数について説明する。
【００６２】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一嵌合孔２４Ａが長径と短径を有するような形状であれば、設置部２３に嵌合孔を１つだけ設ける構成であっても、カバープレート３１に設けられた突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００６３】
また、図１０（ｃ）乃至（ｇ）に示すように、設置部２３に複数の嵌合孔を設ける構成の場合には、カバープレート３１の位置決めが容易になり、突起部と嵌合孔を形成する内壁と嵌合する数が増えるので、より強固にカバープレート３１を設置部２３に固定することができる。このように、嵌合孔の設置数は、本発明の効果が得られる観点からそれぞれ１以上であることが好ましく、また、カバープレートの位置決めと固定が確実にできる観点から、２以上であることがより好ましい。製造コストの低減や作業工程の簡易性の観点から４以下であることが好ましい。なお、短径と長径を有するような形状としては、例えば、楕円、半円や三角形、長方形等の多角形が挙げられる。また、長径と短径を有する嵌合孔を２つ以上設ける構成としてもよく、例えば、図１０（ｅ）に示すように、第一嵌合孔２４Ａを図面の上下方向に短径を、左右方向に長径を有するように形成し、第二嵌合孔２４Ｂを設図面の左右方向に短径を、上下方向に長径を有するように形成してもよい。
【００６４】
次に、嵌合孔の設置位置について説明する。
【００６５】
嵌合孔の設置位置は、その設置数に関わらず任意であり、例えば、設置数が１つの場合では、図１０（ａ）に示すように接続部２１の左側に設けてもよく、右側に設けてもよく（図示せず）、また、接続部２１の中央に設けてもよい（図１０（ｂ））。また、設置数が２つである場合には、例えば、図１０（ｃ）に示すように、接続部２１を挟んで対抗するように第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂを設けてもよく、また、図１０（ｄ）に示すように、接続部２１の片側に設けてもよい。なお、接続部２１の中央に、嵌合孔を設ける場合、図１０（ｂ）に示すように、接続部２１は、嵌合孔を避けるように設けられる。
【００６６】
［変形例２］
図１１は、本実施の形態１の変形例２のセパレータ２０Ａにおける設置部２３にカバープレート３１が嵌合した状態を示す断面図である。図１１（ａ）乃至（ｃ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が小さくなるように形成されている場合の断面図であり、図１１（ｄ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が大きくなるように形成されている場合の断面図であり、図１１（ｅ）、（ｆ）は、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部と先端部との間でその径が最大となるように形成されている場合の断面図である。なお、図１１において、図７と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６７】
また、図１２は、本実施の形態１の変形例２におけるカバープレート３１に設けられた突起部３２ａ、３２ｂの変形例を示す模式図である。なお、図１２においては、一部を省略し、また、図４と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６８】
本変形例では、カバープレート３１に設けられる突起部の形状について、以下に説明する。
【００６９】
まず、突起部３２ａ、３２ｂの厚み方向の断面形状について説明する。
【００７０】
カバープレート３１に設けられる突起部３２ａ、３２ｂは、図１１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が小さくなるような断面形状を有するように形成されていてもよい。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７１】
図１１（ｃ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂの先端面に厚み方向に切り込み部分を設けてもよい。これにより、突起部３２ａ、３２ｂは、厚み方向の押圧による弾性変形を容易にすることができ、突起部３２ａ、３２ｂはセパレータ２０Ａに容易に固定される。
【００７２】
また、図１１（ｄ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂが基端部から先端部へ向かうにつれて、その径が大きくなるように形成されていてもよい。なお、図１１（ｄ）では、突起部３２ａ、３２ｂの先端面の直径ｄ４が、上記実施の形態１における直径ｄ３に相当し、突起部３２ａの先端面の中心と突起部３２ｂの先端面の中心とのピッチＢ１が、ピッチＢに相当する。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７３】
さらに、図１１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂが、基端部と先端部との間でその径が最大となるように形成されていてもよい。なお、図１１（ｅ）及び（ｆ）では、突起部３２ａ、３２ｂの径が最大となった部分の直径ｄ５が、上記実施の形態１における直径ｄ３に相当し、突起部３２ａの最大径を有する断面の中心と突起部３２ｂの最大径を有する断面の中心とのピッチＢ２が、ピッチＢに相当する。これにより、突起部３２ａの周面の第一嵌合孔２４Ａの内面に対する押圧力によって生じる摩擦力により、突起部３２ａがセパレータ２０Ａに固定される。
【００７４】
次に、突起部３２ａ、３２ｂの水平方向の断面の形状について説明する。
【００７５】
突起部３２ａ、３２ｂは、上述したように基端部の断面とその先端面が相似の形状となるように構成されている。そして、その断面形状に外接する円の直径ｄ６が、上記第一嵌合孔２４Ａの短径ｄ１及び第二嵌合孔２４Ｂの直径ｄ２と同じ又は所定の範囲内にあるように構成されており、例えば、図１２（ａ）に示すように、突起部３２ａ、３２ｂの基端部の断面の形状を互いの弦が対向するように配設された一対の半円形状や図１２（ｂ）に示すように短径を共有する一対の楕円形状のように構成されてもよく、また、図１２（ｃ）乃至（ｆ）に示すように、星型状や歯車状に構成されてもよく、さらに、図１２（ｇ）乃至（ｌ）に示すように、多角形状に構成されてもよい。突起部３２ａ、３２ｂが、第一嵌合孔２４Ａ、第二嵌合孔２４Ｂに嵌合されやすく外れにくい観点から、図１２（ａ）又は（ｂ）に示す形状が好ましく、突起部の周面が嵌合孔の内面とより多点で嵌合することができる観点から、図１２（ｃ）乃至（ｌ）が好ましい。
【００７６】
なお、本実施の形態では、セル１０を積層し、セル積層体を形成する構成としたが、これに限定されず、単セルで燃料電池１００を構成してもよい。また、本実施の形態では、カバープレート３１を、セパレータ２０Ａの第一設置部２３Ａ１及び第二設置部２３Ａ２それぞれに固定する構成としたが、これに限定されず、どちらか一方の設置部にカバープレート３１を固定する構成としてもよい。さらに、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池について説明したが、これに限定されず、本発明に係るセパレータは、リン酸形燃料電池等の燃料電池を構成するセパレータに使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係るセパレータは、セパレータの寸法精度が低い場合であっても、接着剤を用いずに、簡易な構成により、カバープレートをセパレータに固定することが可能で、効率良く、かつ、容易に製造することができるセパレータとして有用である。また、本発明に係る燃料電池は、上記セパレータを有することにより、大量生産に適した燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池を構成するセル積層体及びセル積層体を構成するセルを示した模式図である。
【図２】図１に示すセパレータの構成を示す模式図である。
【図３】図２に示すセパレータの構成を示す断面図である。
【図４】図１に示すカバープレートの構成を示す模式図である。
【図５】図４に示すカバープレートの断面図である。
【図６】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図７】図６に示すセパレータの断面図である。
【図８−Ａ】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図８−Ｂ】図２に示すセパレータの設置部に、図４に示すカバープレートが固定された状態を示す模式図である。
【図９】図８に示すカバープレートに設けられた突起部の第一嵌合孔への嵌合の状態を示す模式図である。
【図１０】図６に示すセパレータの設置部にカバープレートが固定された状態の変形例を示す模式図である。
【図１１−Ａ】図７に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す断面図である。
【図１１−Ｂ】図７に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す断面図である。
【図１２−Ａ】図４に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す模式図である。
【図１２−Ｂ】図４に示すカバープレートを構成する突起部の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ＭＥＡ
３ ガスケット
１０ セル
１１ａ 反応ガス供給用マニホールド孔
１１ｂ 反応ガス供給用マニホールド孔
１１ｃ 反応ガス供給用マニホールド孔
１２ａ 反応ガス排出用マニホールド孔
１２ｂ 反応ガス排出用マニホールド孔
１２ｃ 反応ガス排出用マニホールド孔
１３ａ 反応ガス供給用マニホールド孔
１３ｂ 反応ガス供給用マニホールド孔
１３ｃ 反応ガス供給用マニホールド孔
１４ａ 反応ガス排出用マニホールド孔
１４ｂ 反応ガス排出用マニホールド孔
１４ｃ 反応ガス排出用マニホールド孔
１５ａ 冷却水供給用マニホールド孔
１５ｂ 冷却水供給用マニホールド孔
１５ｃ 冷却水供給用マニホールド孔
１６ａ 冷却水排出用マニホールド孔
１６ｂ 冷却水排出用マニホールド孔
１６ｃ 冷却水排出用マニホールド孔
２１ 接続部
２１Ａ ガス流路
２１Ａａ 本体部
２１Ａｂ 第一接続部
２１Ａｃ 第二接続部
２１Ｂ ガス流路
２１Ｂａ 本体部
２１Ｂｂ 第一接続部
２１Ｂｃ 第二接続部
２３ 設置部
２３Ａ１ 設置部
２３Ａ２ 設置部
２３Ｂ１ 設置部
２３Ｂ２ 設置部
２４Ａ 嵌合孔
２４Ｂ 嵌合孔
２４Ｃ 嵌合孔
２４Ｄ 嵌合孔
３０ 当接部分
３１ カバープレート
３１Ａ１ カバープレート
３１Ａ２ カバープレート
３１Ｂ１ カバープレート
３１Ｂ２ カバープレート
３２ａ 突起部
３２ｂ 突起部
３２ｃ 突起部
３２ｄ 突起部
３３ カバープレート本体部
１００ 高分子電解質形燃料電池
Ａ ピッチ
Ｂ ピッチ
Ｂ１ ピッチ
Ｂ２ ピッチ
ｄ１ 短径
ｄ２ 直径
ｄ３ 直径
ｄ４ 直径
ｄ５ 直径
ｄ６ 直径
Ｐａ１ 部分
Ｐａ２ 部分
Ｐｂ１ 部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極からなる電解質層部材に一方の主面が当接して用いられ、
厚み方向に貫通し反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールド孔と、厚み方向に貫通し反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールド孔と、前記一方の主面に、前記反応ガス供給用マニホールド孔と前記反応ガス排出用を連通し、前記電解質層部材の電極に当接する本体部と該本体部と前記マニホールド孔との間に位置する一対の接続部とを有する溝状のガス流路と、を有するセパレータと、前記接続部を覆うカバープレートと、を有しており、
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域には、厚み方向に窪んだ少なくとも１つの嵌合孔が設けられ、
前記カバープレートには、前記嵌合孔に嵌挿可能な突起部が設けられ、
前記突起部の周面が、前記嵌合孔の内面の少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、前記カバープレートが前記セパレータに固定されている、カバープレート付きセパレータ。
【請求項２】
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域が、前記セパレータの厚み方向に窪んでいる、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項３】
前記嵌合孔及び前記突起部がそれぞれ１以上４以下設けられている、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項４】
前記嵌合孔は、開口形状が短径と長径を有するように形成されている、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項５】
一対の請求項１に記載のカバープレート付きセパレータと、
前記カバープレート付きセパレータに挟まれた前記電解質層部材と、を有する燃料電池。
【請求項１】
電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対の電極からなる電解質層部材に一方の主面が当接して用いられ、
厚み方向に貫通し反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールド孔と、厚み方向に貫通し反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールド孔と、前記一方の主面に、前記反応ガス供給用マニホールド孔と前記反応ガス排出用を連通し、前記電解質層部材の電極に当接する本体部と該本体部と前記マニホールド孔との間に位置する一対の接続部とを有する溝状のガス流路と、を有するセパレータと、前記接続部を覆うカバープレートと、を有しており、
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域には、厚み方向に窪んだ少なくとも１つの嵌合孔が設けられ、
前記カバープレートには、前記嵌合孔に嵌挿可能な突起部が設けられ、
前記突起部の周面が、前記嵌合孔の内面の少なくとも２点に接触し、かつ、該接触により生じる摩擦力により、前記カバープレートが前記セパレータに固定されている、カバープレート付きセパレータ。
【請求項２】
前記セパレータの前記カバープレートで覆われる領域が、前記セパレータの厚み方向に窪んでいる、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項３】
前記嵌合孔及び前記突起部がそれぞれ１以上４以下設けられている、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項４】
前記嵌合孔は、開口形状が短径と長径を有するように形成されている、請求項１に記載のカバープレート付きセパレータ。
【請求項５】
一対の請求項１に記載のカバープレート付きセパレータと、
前記カバープレート付きセパレータに挟まれた前記電解質層部材と、を有する燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８−Ａ】
【図８−Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１−Ａ】
【図１１−Ｂ】
【図１２−Ａ】
【図１２−Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８−Ａ】
【図８−Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１−Ａ】
【図１１−Ｂ】
【図１２−Ａ】
【図１２−Ｂ】
【公開番号】特開２００７−３１１０９４（Ｐ２００７−３１１０９４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３７４０１（Ｐ２００６−１３７４０１）
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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