燃料電池のセパレータおよび燃料電池
【課題】 セパレータの屈曲に起因する短絡の発生を抑制するための技術を提供する。
【解決手段】 燃料電池は、複数の単セルと、複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備える。各単セルは、電極層と、電極層とセパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む。セパレータは、金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、第１のセパレータ要素と第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、を備える。第３のセパレータ要素は、セパレータがシール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含む。
【解決手段】 燃料電池は、複数の単セルと、複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備える。各単セルは、電極層と、電極層とセパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む。セパレータは、金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、第１のセパレータ要素と第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、を備える。第３のセパレータ要素は、セパレータがシール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、セパレータの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、積層された複数の単セルを含んでおり、隣り合う２つの単セルの間には、セパレータが配置されている。各単セルは、セパレータに接触するシール部材を含んでおり、単セルに含まれる電極層とセパレータとの間には、反応ガスが流通するガス通路（空間）が形成される。燃料電池は積層方向に押圧され、シール部材によって空間の気密性が確保される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６８３１９号公報
【特許文献２】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、金属製のセパレータが利用される場合には、燃料電池に与えられる押圧力に起因して、セパレータが屈曲し得る。このため、単セルの両側に配置された２つのセパレータが接触し、２つのセパレータが導通してしまう虞がある。すなわち、従来では、金属製のセパレータの屈曲に起因して、短絡が発生してしまう虞があった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、セパレータの屈曲に起因する短絡の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、複数の単セルと、前記複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備え、前記各単セルは、電極層と、前記電極層と前記セパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む、前記燃料電池に使用される前記セパレータであって、
金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、
金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、
前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、
を備え、
前記第３のセパレータ要素は、
前記セパレータが前記シール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含むことを特徴とする。
【０００７】
この装置では、第３のセパレータ要素は、セパレータがシール部材と接触する部位の付近において、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含んでいるため、セパレータの屈曲を低減することができ、この結果、短絡の発生を抑制することができる。
【０００８】
上記の装置において、
前記第３のセパレータ要素の端部には、前記第１の部材が存在し、
前記第３のセパレータ要素の端部は、前記第１のセパレータ要素の端部および前記第２のセパレータ要素の端部よりも、外側に突出していることが好ましい。
【０００９】
こうすれば、仮に、セパレータが屈曲して他のセパレータと接触する場合にも、短絡の発生を抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記第３のセパレータ要素は、さらに、
金属材料を用いて形成され、前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含むことが好ましい。
【００１１】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、セパレータおよびその製造方法、該セパレータを含む燃料電池、該燃料電池を含む燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．比較例における問題点：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
【００１３】
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
燃料電池システムは、通常、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却液循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、燃料ガス（水素ガス）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部は、酸化ガス（空気）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、ブロワを含んでいる。冷却液循環部は、スタック内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００１４】
図１は、比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の単セル（単電池）２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの単セル２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００１５】
単セル２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００１６】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。なお、触媒電極層とガス拡散層とは、電極層として機能する。
【００１７】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００１８】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るセル内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るセル内酸化ガス通路に設けられている。なお、セル内通路は、図１に示すように、各単セル２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００１９】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００２０】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「セルアセンブリ」と呼ぶ。
【００２１】
図２は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。図示するように、セルアセンブリは、略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図２のセルアセンブリのＡ−Ａ断面が図１に示されている。
【００２２】
ガスケット２６には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。なお、セル間通路は、図１に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の単セル２０の積層方向に沿った通路である。
【００２３】
ガスケット２６は、図１に示すように、セパレータ５０と接触する凸部２６ｐを有している。凸部２６ｐは、図１，図２に示す一点鎖線ＳＬに沿って設けられている。具体的には、凸部２６ｐは、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部２６ｐは、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられている。スタック１００は、通常、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６の凸部２６ｐによって、各セル間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各セル内通路のシール性が確保される。
【００２４】
なお、セルアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００２５】
セパレータ５０（図１）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００２６】
図３は、比較例のセパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図１に示されている。また、図３（Ｂ）には、中間プレート５４のＢ−Ｂ断面が示されている。
【００２７】
カソード側プレート５２（図３（Ａ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の入口を構成する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の出口を構成する複数の小孔７２ｃが形成されている（図１参照）。
【００２８】
アノード側プレート５６（図３（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、セル内燃料ガス通路の入口を構成する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、セル内燃料ガス通路の出口を構成する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００２９】
中間プレート５４（（図３（Ｂ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、酸化ガスをセル内酸化ガス通路に導く複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、セル間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、燃料ガスをセル内燃料ガス通路に導く複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍが形成されている。そして、中間プレート５４の中央部分には、第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍと接続され、隣り合う２つの単セル２０間のセル用冷却液通路を構成する凹部７８ｍ（図１参照）が形成されている。なお、凹部７８ｍの内側には、複数の凸部が存在している。
【００３０】
なお、カソード側プレートおよびアノード側プレート５２，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。また、中間プレート５４は、例えば、上記のような金属製の板材に対して、エッチング処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００３１】
図１に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３２】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３３】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の第５の長孔６５ｍと凹部７８ｍと第６の長孔６６ｍとを通って、スタック１００から排出される。
【００３４】
Ａ−２．比較例における問題点：
図４は、比較例の燃料電池スタック１００の端部付近を示す説明図である。なお、図４には、図２，図３のＣ−Ｃ断面が示されている。図４では、３つの単セル２０と、４つのセパレータ５０と、が示されてる。ただし、図４では、３つの単セル２０を区別するために、符号「２０」に添え字「１〜３」が付されており、４つのセパレータ５０を区別するために、符号「５０」に添え字「１〜４」が付されている。
【００３５】
前述したように、スタック１００は、単セル２０を積層することによって形成されている。しかしながら、複数の単セル２０を、積層方向から見て、同じ位置に配置することは困難である。図４では、４つのセパレータ５０1〜５０4は、積層方向から見て同じ位置に配置されているが、３つの単セル２０1〜２０3は、積層方向から見て同じ位置に配置されていない。具体的には、第１および第３の単セル２０1，２０3は、積層方向から見て同じ位置に配置されているが、第２の単セル２０2は、図中右方にずれている。このとき、積層方向から見て、第１および第３の単セル２０1，２０3に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐの位置と、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐの位置とは、ずれている。
【００３６】
前述したように、スタック１００は積層方向に押圧される。このため、積層方向から見たときに、複数の単セル２０（より具体的には、ガスケット２６の凸部）が同じ位置に配置されていない場合には、セパレータ５０は屈曲し得る。図４では、第２の単セル２０2の上側に配置された第２のセパレータ５０2の端部が下方に曲がると共に、第２の単セル２０2の下側に配置された第３のセパレータ５０3の端部が上方に曲がる。より具体的には、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐが支点となり、第２のセパレータ５０2は下方に曲がる。同様に、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐが支点となり、第３のセパレータ５０3は上方に曲がる。
【００３７】
このため、比較例では、第２のセパレータ５０2（より具体的にはカソード側プレート５２）の先端部分と、第３のセパレータ５０3（より具体的にはアノード側プレート５６）の先端部分と、が接触してしまい、この結果、第２のセパレータ５０2と第３のセパレータ５０3とが導通して短絡が発生してしまう虞がある。そこで、実施例では、隣り合う２つのセパレータ５０が導通しないようにセパレータの構造を工夫している。
【００３８】
Ｂ．第１実施例：
図５は、第１実施例のセパレータ５０Ｂを構成する各プレート５２，５４Ｂ，５６の平面図であり、図３に対応する。図５（Ａ），（Ｃ）は、図３（Ａ），（Ｃ）と同じであり、図５（Ｂ）が、図３（Ｂ）と異なっている。図５（Ｂ）には、中間プレート５４ＢのＢ−Ｂ断面が示されている。
【００３９】
比較例では、中間プレート５４（図３（Ｂ））は１つの部材で構成されているが、本実施例では、中間プレート５４Ｂ（図５（Ｂ））は、中央に配置された内側部材Ｍｉと、内側部材Ｍｉを囲むように配置された外側部材Ｍｏと、で構成されている。内側部材Ｍｉの厚みは、外側部材Ｍｏの厚みとほぼ等しい。外側部材Ｍｏには、比較例の中間プレート５４と同様に、４つの櫛状の孔が設けられている。内側部材Ｍｉには、比較例の中間プレート５４と同様に、凹部７８ｍ（図１参照）が形成されている。そして、外側部材Ｍｏと内側部材Ｍｉとの間には、第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍが形成されている。
【００４０】
内側部材Ｍｉは、他のプレート５２，５６と同様に、金属材料を用いて形成されており、導電性を有している。内側部材Ｍｉは、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、エッチング処理を施すことによって形成される。
【００４１】
外側部材Ｍｏは、セラミック材料を用いて形成されており、絶縁性を有している。また、外部部材Ｍｏは、緻密質であり、ガスおよび冷却液を透過させない。外側部材Ｍｏは、例えば、セラミック材料（粉末）をバインダと混練し、圧縮して焼結することによって作製される。セラミック材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や炭化珪素（ＳｉＣ）が利用される。これらのセラミック材料のヤング率は、他のプレート５２，５６を形成する金属材料のヤング率よりも高い。
【００４２】
内側部材Ｍｉと外側部材Ｍｏとは、ロウ材や接着剤を用いて接合される。そして、３つのプレート５２，５４Ｂ，５６は、ロウ材を用いて接合され、この結果、セパレータ５０Ｂが得られる。金属製の内側部材Ｍｉは、カソード側プレート５２およびアノード側プレート５６と接触しているため、比較例と同様に、カソード側プレート５２とアノード側プレート５６とは導通している。
【００４３】
なお、本実施例では、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに接合されている。しかしながら、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに囲まれると共に、カソード側プレート５２とアノード側プレート５６とに挟まれる。このため、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに接合されていなくてもよい。
【００４４】
図６は、第１実施例の燃料電池スタック１００Ｂの端部付近を示す説明図であり、図４に対応する。図６は、図４とほぼ同じであるが、４つのセパレータ５０Ｂ1〜５０Ｂ4が変更されている。
【００４５】
図示するように、各セパレータ５０Ｂは、前述の中間プレート５４Ｂを備えている。そして、中間プレート５４Ｂに含まれるセラミック製の外側部材Ｍｏは、セパレータ５０Ｂがガスケット２６の凸部２６ｐと接触する部位の付近にも存在している。このため、本実施例のセパレータ５０Ｂは、比較例のセパレータ５０と比較して、高い曲げ剛性を発揮することができる。具体的には、本実施例では、第２の単セル２０2の上側に配置された第２のセパレータ５０Ｂ2の端部が下方に曲がるのが抑制されると共に、第２の単セル２０2の下側に配置された第３のセパレータ５０Ｂ3の端部が上方に曲がるのが抑制される。換言すれば、本実施例では、第２および第３のセパレータ５０Ｂ2，５０Ｂ3の変形量（屈曲量）は、比較例における第２および第３のセパレータ５０2，５０3の変形量よりもかなり小さくなる。これにより、本実施例では、第２のセパレータ５０Ｂ2（より具体的にはカソード側プレート５２）の先端部分と、第３のセパレータ５０Ｂ3（より具体的にはアノード側プレート５６）の先端部分と、が接触するのを抑制することができ、この結果、第２のセパレータ５０Ｂ2と第３のセパレータ５０Ｂ3とが導通して短絡が発生するのを抑制することができる。
【００４６】
なお、以上の説明から分かるように、本実施例における中間プレート５４Ｂが、本発明における第３のセパレータ要素に相当し、カソード側プレート５２およびアノード側プレート５６が、本発明における第１および第２のセパレータ要素に相当する。そして、本実施例における外側部材Ｍｏが本発明における第１の部材に相当し、内側部材Ｍｉが本発明における第２の部材に相当する。また、本実施例におけるガスケット２６の凸部２６ｐが本発明におけるシール部材に相当する。
【００４７】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、セパレータ５０Ｂは、セラミック製の外側部材Ｍｏを含む中間プレート５４Ｂを備えているため、比較例と比べて、セパレータ５０Ｂの変形量は低減される。しかしながら、セパレータ５０Ｂの変形量をゼロにすることは困難である。このため、セパレータ５０Ｂの先端部分とガスケット２６の凸部２６ｐとの間の距離が比較的大きい場合や、単セル２０の厚みが比較的小さい場合には、隣り合う２つのセパレータ５０Ｂが接触して導通する虞がある。そこで、本実施例では、隣り合う２つのセパレータが接触する場合にも、該２つのセパレータが導通しないように工夫している。
【００４８】
図７は、第２実施例のセパレータ５０Ｃを構成する各プレート５２Ｃ，５４Ｂ，５６Ｃの平面図であり、図５に対応する。図７（Ｂ）は、図５（Ｂ）と同じであり、図７（Ａ），（Ｃ）が、図５（Ａ），（Ｃ）と異なっている。
【００４９】
第１実施例（図５）では、３つのプレート５２，５４Ｂ，５６のサイズ（より具体的には周囲の長さ）は、ほぼ等しく設定されているが、本実施例では、カソード側プレート５２Ｃおよびアノード側プレート５６Ｃのサイズは、中間プレート５４Ｂのサイズよりも小さく設定されている。なお、カソード側プレート５２Ｃのサイズとアノード側プレート５６Ｃのサイズとは、ほぼ等しく設定されている。
【００５０】
図８は、第２実施例の燃料電池スタック１００Ｃの端部付近を示す説明図であり、図６に対応する。図８は、図６とほぼ同じであるが、４つのセパレータ５０Ｃ1〜５０Ｃ4が変更されている。
【００５１】
本実施例のセパレータ５０Ｃは、第１実施例と同様に、セラミック製の外側部材Ｍｏを含む中間プレート５４Ｂを備えている。このため、本実施例では、第１実施例と同様に、第２および第３のセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の変形量を小さくすることができる。
【００５２】
しかしながら、前述したように、セパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の変形量をゼロにすることは困難である。本実施例では、図８に示すように、中間プレート５４Ｂの先端部分は、カソード側プレート５２Ｃおよびアノード側プレート５６Ｃの先端部分よりも外側に突出している。このため、第２および第３のセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3が屈曲すると、第２のセパレータ５０Ｃ2の中間プレート５４Ｂの先端部分と、第３のセパレータ５０Ｃ3の中間プレート５４Ｂの先端部分とが、接触し得る。そして、２つのセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の中間プレート５４Ｂの先端部分には、絶縁性を有するセラミック製の外側部材Ｍｏが存在している。このため、２つのセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3が接触しても、該２つのセパレータは導通せず、短絡の発生が抑制される。
【００５３】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５４】
（１）上記実施例では、中間プレート５４Ｂは、金属製の内側部材Ｍｉとセラミック製の外側部材Ｍｏとを含んでいるが、金属製の内側部材Ｍｉに代えて、セラミック製の外側部材の一部に局所的に設けられた柱状の金属製の部材が利用されてもよい。
【００５５】
一般には、第３のセパレータ要素は、金属材料を用いて形成され、第１のセパレータ要素と第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含んでいればよい。
【００５６】
（２）上記実施例では、中間プレート５４Ｂは、金属製の内側部材Ｍｉとセラミック製の外側部材Ｍｏとを含んでいるが、金属製の内側部材Ｍｉは省略可能である。この場合には、セパレータの外部において、カソード側プレートとアノード側プレートとがワイヤ等によって電気的に接続されればよい。
【００５７】
一般には、第３のセパレータ要素は、少なくともセパレータがシール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含んでいればよい。
【００５８】
（３）上記実施例では、積層された複数のセパレータのそれぞれに本発明が適用されているが、これに代えて、隣り合う２つのセパレータの一方のみに本発明が適用されてもよい。この場合にも、第１実施例および第２実施例と同様に、短絡の発生を抑制することができる。
【００５９】
一般には、隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータに本発明が適用されればよい。
【００６０】
（４）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図２】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。
【図３】比較例のセパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図４】比較例の燃料電池スタック１００の端部付近を示す説明図である。
【図５】第１実施例のセパレータ５０Ｂを構成する各プレート５２，５４Ｂ，５６の平面図である。
【図６】第１実施例の燃料電池スタック１００Ｂの端部付近を示す説明図である。
【図７】第２実施例のセパレータ５０Ｃを構成する各プレート５２Ｃ，５４Ｂ，５６Ｃの平面図である。
【図８】第２実施例の燃料電池スタック１００Ｃの端部付近を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
２０…単セル
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
２６ｐ…凸部
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０，５０Ｂ，５０Ｃ…セパレータ
５２，５２Ｃ…カソード側プレート
５４，５４Ｂ…中間プレート
５６，５６Ｃ…アノード側プレート
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８ｍ…凹部
１００，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池スタック
Ｍｉ…内側部材
Ｍｏ…外側部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、セパレータの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、積層された複数の単セルを含んでおり、隣り合う２つの単セルの間には、セパレータが配置されている。各単セルは、セパレータに接触するシール部材を含んでおり、単セルに含まれる電極層とセパレータとの間には、反応ガスが流通するガス通路（空間）が形成される。燃料電池は積層方向に押圧され、シール部材によって空間の気密性が確保される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６８３１９号公報
【特許文献２】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、金属製のセパレータが利用される場合には、燃料電池に与えられる押圧力に起因して、セパレータが屈曲し得る。このため、単セルの両側に配置された２つのセパレータが接触し、２つのセパレータが導通してしまう虞がある。すなわち、従来では、金属製のセパレータの屈曲に起因して、短絡が発生してしまう虞があった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、セパレータの屈曲に起因する短絡の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、複数の単セルと、前記複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備え、前記各単セルは、電極層と、前記電極層と前記セパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む、前記燃料電池に使用される前記セパレータであって、
金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、
金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、
前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、
を備え、
前記第３のセパレータ要素は、
前記セパレータが前記シール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含むことを特徴とする。
【０００７】
この装置では、第３のセパレータ要素は、セパレータがシール部材と接触する部位の付近において、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含んでいるため、セパレータの屈曲を低減することができ、この結果、短絡の発生を抑制することができる。
【０００８】
上記の装置において、
前記第３のセパレータ要素の端部には、前記第１の部材が存在し、
前記第３のセパレータ要素の端部は、前記第１のセパレータ要素の端部および前記第２のセパレータ要素の端部よりも、外側に突出していることが好ましい。
【０００９】
こうすれば、仮に、セパレータが屈曲して他のセパレータと接触する場合にも、短絡の発生を抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記第３のセパレータ要素は、さらに、
金属材料を用いて形成され、前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含むことが好ましい。
【００１１】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、セパレータおよびその製造方法、該セパレータを含む燃料電池、該燃料電池を含む燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する車両等の移動体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．比較例における問題点：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
【００１３】
Ａ．比較例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
燃料電池システムは、通常、燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却液循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、燃料ガス（水素ガス）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、水素タンクと減圧弁とを含んでいる。酸化ガス供給部は、酸化ガス（空気）をスタックに供給する機能を有しており、例えば、ブロワを含んでいる。冷却液循環部は、スタック内部で冷却液を循環させる機能を有しており、例えば、循環ポンプと熱交換機とを含んでいる。
【００１４】
図１は、比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。図示するように、スタック１００は、複数の単セル（単電池）２０が積層された構造を有しており、隣り合う２つの単セル２０間には、セパレータ５０が設けられている。
【００１５】
単セル２０は、膜−電極−ガス拡散層アセンブリ（以下、「ＭＥＧＡ」（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と呼ぶ）２２と、ＭＥＧＡ２２の両側に設けられた多孔質体２４ａ，２４ｃと、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたガスケット２６と、を含んでいる。
【００１６】
ＭＥＧＡ２２は、電解質膜３０を含んでおり、電解質膜３０の一方の面には、触媒電極層（アノード）３１ａとガス拡散層３２ａとがこの順に形成されており、電解質膜３０の他方の面には、触媒電極層（カソード）３１ｃとガス拡散層３２ｃとがこの順に形成されている。なお、触媒電極層とガス拡散層とは、電極層として機能する。
【００１７】
なお、電解質膜３０としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。また、触媒電極層３１ａ，３１ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。ガス拡散層３２ａ，３２ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。
【００１８】
多孔質体２４ａ，２４ｃは、ＭＥＧＡ２２とセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。具体的には、アノード側の多孔質体２４ａは、ガス拡散層３２ａと、ガス拡散層３２ａに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。カソード側の多孔質体２４ｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃと、ガス拡散層３２ｃに対向するセパレータ５０との間に形成される空間に配置されている。アノード側のガス拡散層３２ａと多孔質体２４ａとは、触媒電極層（アノード）３１ａに供給される燃料ガスが通るセル内燃料ガス通路に設けられている。また、カソード側のガス拡散層３２ｃと多孔質体２４ｃとは、触媒電極層（カソード）３１ｃに供給される酸化ガスが通るセル内酸化ガス通路に設けられている。なお、セル内通路は、図１に示すように、各単セル２０内部において、電解質膜３０と平行に設けられた通路である。
【００１９】
なお、多孔質体２４ａ，２４ｃは、ガス透過性および導電性を有する板状部材であり、例えば、チタン等の金属や、カーボンなどを用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００２０】
ガスケット２６は、ＭＥＧＡ２２と一体的に形成されている。なお、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含む構造体を以下では「セルアセンブリ」と呼ぶ。
【００２１】
図２は、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。図示するように、セルアセンブリは、略矩形の外形形状を有しており、枠状のガスケット２６の内側に、矩形のＭＥＧＡ２２が設けられている。図中、ＭＥＧＡ２２は、ハッチを付して示されている。なお、図２のセルアセンブリのＡ−Ａ断面が図１に示されている。
【００２２】
ガスケット２６には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｇ，６２ｇと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｇ，６４ｇと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｇ，６６ｇと、が形成されている。なお、セル間通路は、図１に示すように、スタック１００内部を貫通し、複数の単セル２０の積層方向に沿った通路である。
【００２３】
ガスケット２６は、図１に示すように、セパレータ５０と接触する凸部２６ｐを有している。凸部２６ｐは、図１，図２に示す一点鎖線ＳＬに沿って設けられている。具体的には、凸部２６ｐは、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部２６ｐは、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられている。スタック１００は、通常、積層方向に押圧されるため、ガスケット２６の凸部２６ｐによって、各セル間通路のシール性（気密性）が確保されると共に、各セル内通路のシール性が確保される。
【００２４】
なお、セルアセンブリは、例えば、射出成形処理によって形成可能である。具体的には、周囲に空間が設けられた金型内にＭＥＧＡ２２を配置し、該金型内の空間に樹脂材料を射出することによって形成される。樹脂材料としては、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性を有する樹脂材料が用いられる。
【００２５】
セパレータ５０（図１）は、カソード側の多孔質体２４ｃに接するカソード側プレート５２と、アノード側の多孔質体２４ａに接するアノード側プレート５６と、２つのプレート５２，５６に挟まれた中間プレート５４と、を備えている。
【００２６】
図３は、比較例のセパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、カソード側プレート５２と、中間プレート５４と、アノード側プレート５６と、を示している。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）の各プレート５２，５４，５６のＡ−Ａ断面が、図１に示されている。また、図３（Ｂ）には、中間プレート５４のＢ−Ｂ断面が示されている。
【００２７】
カソード側プレート５２（図３（Ａ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１および第２の長孔６１ｃ，６２ｃと、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の長孔６３ｃ，６４ｃと、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｃ，６６ｃと、が形成されている。また、カソード側プレート５２には、第１の長孔６１ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の入口を構成する複数の小孔７１ｃが形成されていると共に、第２の長孔６２ｃ付近に、セル内酸化ガス通路の出口を構成する複数の小孔７２ｃが形成されている（図１参照）。
【００２８】
アノード側プレート５６（図３（Ｃ））には、カソード側プレート５２と同様に、第１ないし第６の長孔６１ａ〜６６ａが形成されている。ただし、アノード側プレート５６には、第３の長孔６３ａ付近に、セル内燃料ガス通路の入口を構成する複数の小孔７３ａが形成されていると共に、第４の長孔６４ａ付近に、セル内燃料ガス通路の出口を構成する複数の小孔７４ａが形成されている。
【００２９】
中間プレート５４（（図３（Ｂ））には、セル間酸化ガス通路を構成する第１の長孔６１ｍと、酸化ガスをセル内酸化ガス通路に導く複数の連通孔７１ｍと、が接続された櫛状の第１の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第２の長孔６２ｍと複数の連通孔７２ｍとが接続された櫛状の第２の孔が形成されている。また、中間プレート５４には、セル間燃料ガス通路を構成する第３の長孔６３ｍと、燃料ガスをセル内燃料ガス通路に導く複数の連通孔７３ｍと、が接続された櫛状の第３の孔が形成されている。同様に、中間プレート５４には、第４の長孔６４ｍと複数の連通孔７４ｍとが接続された櫛状の第４の孔が形成されている。さらに、中間プレート５４には、セル間冷却液通路を構成する第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍが形成されている。そして、中間プレート５４の中央部分には、第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍと接続され、隣り合う２つの単セル２０間のセル用冷却液通路を構成する凹部７８ｍ（図１参照）が形成されている。なお、凹部７８ｍの内側には、複数の凸部が存在している。
【００３０】
なお、カソード側プレートおよびアノード側プレート５２，５６は、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、打ち抜きプレス処理を施すことによって形成される。また、中間プレート５４は、例えば、上記のような金属製の板材に対して、エッチング処理を施すことによって形成される。そして、３つのプレート５２，５４，５６は、例えば拡散接合により接合され、この結果、セパレータ５０が得られる。
【００３１】
図１に示すように、スタック１００に供給された酸化ガスは、中間プレート５４の長孔６１ｍおよび連通孔７１ｍと、カソード側プレート５２の小孔７１ｃと、を通って、多孔質体２４ｃに流入する。なお、酸化ガスは、ガス拡散層３２ｃを介して触媒電極（カソード）３１ｃに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ｃを通過した使用済みの酸化ガスは、カソード側プレート５２の小孔７２ｃと、中間プレート５４の連通孔７２ｍおよび長孔６２ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３２】
同様に、スタック１００に供給された燃料ガスは、中間プレート５４の長孔６３ｍおよび連通孔７３ｍと、アノード側プレート５６の小孔７３ａと、を通って、多孔質体２４ａに流入する。なお、燃料ガスは、ガス拡散層３２ａを介して触媒電極（アノード）３１ａに到達し、電気化学反応に利用される。多孔質体２４ａを通過した使用済みの燃料ガスは、アノード側プレート５６の小孔７４ａと、中間プレート５４の連通孔７４ｍおよび長孔６４ｍを通って、スタック１００から排出される。
【００３３】
また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の第５の長孔６５ｍと凹部７８ｍと第６の長孔６６ｍとを通って、スタック１００から排出される。
【００３４】
Ａ−２．比較例における問題点：
図４は、比較例の燃料電池スタック１００の端部付近を示す説明図である。なお、図４には、図２，図３のＣ−Ｃ断面が示されている。図４では、３つの単セル２０と、４つのセパレータ５０と、が示されてる。ただし、図４では、３つの単セル２０を区別するために、符号「２０」に添え字「１〜３」が付されており、４つのセパレータ５０を区別するために、符号「５０」に添え字「１〜４」が付されている。
【００３５】
前述したように、スタック１００は、単セル２０を積層することによって形成されている。しかしながら、複数の単セル２０を、積層方向から見て、同じ位置に配置することは困難である。図４では、４つのセパレータ５０1〜５０4は、積層方向から見て同じ位置に配置されているが、３つの単セル２０1〜２０3は、積層方向から見て同じ位置に配置されていない。具体的には、第１および第３の単セル２０1，２０3は、積層方向から見て同じ位置に配置されているが、第２の単セル２０2は、図中右方にずれている。このとき、積層方向から見て、第１および第３の単セル２０1，２０3に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐの位置と、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐの位置とは、ずれている。
【００３６】
前述したように、スタック１００は積層方向に押圧される。このため、積層方向から見たときに、複数の単セル２０（より具体的には、ガスケット２６の凸部）が同じ位置に配置されていない場合には、セパレータ５０は屈曲し得る。図４では、第２の単セル２０2の上側に配置された第２のセパレータ５０2の端部が下方に曲がると共に、第２の単セル２０2の下側に配置された第３のセパレータ５０3の端部が上方に曲がる。より具体的には、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐが支点となり、第２のセパレータ５０2は下方に曲がる。同様に、第２の単セル２０2に含まれるガスケット２６の凸部２６ｐが支点となり、第３のセパレータ５０3は上方に曲がる。
【００３７】
このため、比較例では、第２のセパレータ５０2（より具体的にはカソード側プレート５２）の先端部分と、第３のセパレータ５０3（より具体的にはアノード側プレート５６）の先端部分と、が接触してしまい、この結果、第２のセパレータ５０2と第３のセパレータ５０3とが導通して短絡が発生してしまう虞がある。そこで、実施例では、隣り合う２つのセパレータ５０が導通しないようにセパレータの構造を工夫している。
【００３８】
Ｂ．第１実施例：
図５は、第１実施例のセパレータ５０Ｂを構成する各プレート５２，５４Ｂ，５６の平面図であり、図３に対応する。図５（Ａ），（Ｃ）は、図３（Ａ），（Ｃ）と同じであり、図５（Ｂ）が、図３（Ｂ）と異なっている。図５（Ｂ）には、中間プレート５４ＢのＢ−Ｂ断面が示されている。
【００３９】
比較例では、中間プレート５４（図３（Ｂ））は１つの部材で構成されているが、本実施例では、中間プレート５４Ｂ（図５（Ｂ））は、中央に配置された内側部材Ｍｉと、内側部材Ｍｉを囲むように配置された外側部材Ｍｏと、で構成されている。内側部材Ｍｉの厚みは、外側部材Ｍｏの厚みとほぼ等しい。外側部材Ｍｏには、比較例の中間プレート５４と同様に、４つの櫛状の孔が設けられている。内側部材Ｍｉには、比較例の中間プレート５４と同様に、凹部７８ｍ（図１参照）が形成されている。そして、外側部材Ｍｏと内側部材Ｍｉとの間には、第５および第６の長孔６５ｍ，６６ｍが形成されている。
【００４０】
内側部材Ｍｉは、他のプレート５２，５６と同様に、金属材料を用いて形成されており、導電性を有している。内側部材Ｍｉは、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材に対して、エッチング処理を施すことによって形成される。
【００４１】
外側部材Ｍｏは、セラミック材料を用いて形成されており、絶縁性を有している。また、外部部材Ｍｏは、緻密質であり、ガスおよび冷却液を透過させない。外側部材Ｍｏは、例えば、セラミック材料（粉末）をバインダと混練し、圧縮して焼結することによって作製される。セラミック材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や炭化珪素（ＳｉＣ）が利用される。これらのセラミック材料のヤング率は、他のプレート５２，５６を形成する金属材料のヤング率よりも高い。
【００４２】
内側部材Ｍｉと外側部材Ｍｏとは、ロウ材や接着剤を用いて接合される。そして、３つのプレート５２，５４Ｂ，５６は、ロウ材を用いて接合され、この結果、セパレータ５０Ｂが得られる。金属製の内側部材Ｍｉは、カソード側プレート５２およびアノード側プレート５６と接触しているため、比較例と同様に、カソード側プレート５２とアノード側プレート５６とは導通している。
【００４３】
なお、本実施例では、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに接合されている。しかしながら、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに囲まれると共に、カソード側プレート５２とアノード側プレート５６とに挟まれる。このため、内側部材Ｍｉは、外側部材Ｍｏに接合されていなくてもよい。
【００４４】
図６は、第１実施例の燃料電池スタック１００Ｂの端部付近を示す説明図であり、図４に対応する。図６は、図４とほぼ同じであるが、４つのセパレータ５０Ｂ1〜５０Ｂ4が変更されている。
【００４５】
図示するように、各セパレータ５０Ｂは、前述の中間プレート５４Ｂを備えている。そして、中間プレート５４Ｂに含まれるセラミック製の外側部材Ｍｏは、セパレータ５０Ｂがガスケット２６の凸部２６ｐと接触する部位の付近にも存在している。このため、本実施例のセパレータ５０Ｂは、比較例のセパレータ５０と比較して、高い曲げ剛性を発揮することができる。具体的には、本実施例では、第２の単セル２０2の上側に配置された第２のセパレータ５０Ｂ2の端部が下方に曲がるのが抑制されると共に、第２の単セル２０2の下側に配置された第３のセパレータ５０Ｂ3の端部が上方に曲がるのが抑制される。換言すれば、本実施例では、第２および第３のセパレータ５０Ｂ2，５０Ｂ3の変形量（屈曲量）は、比較例における第２および第３のセパレータ５０2，５０3の変形量よりもかなり小さくなる。これにより、本実施例では、第２のセパレータ５０Ｂ2（より具体的にはカソード側プレート５２）の先端部分と、第３のセパレータ５０Ｂ3（より具体的にはアノード側プレート５６）の先端部分と、が接触するのを抑制することができ、この結果、第２のセパレータ５０Ｂ2と第３のセパレータ５０Ｂ3とが導通して短絡が発生するのを抑制することができる。
【００４６】
なお、以上の説明から分かるように、本実施例における中間プレート５４Ｂが、本発明における第３のセパレータ要素に相当し、カソード側プレート５２およびアノード側プレート５６が、本発明における第１および第２のセパレータ要素に相当する。そして、本実施例における外側部材Ｍｏが本発明における第１の部材に相当し、内側部材Ｍｉが本発明における第２の部材に相当する。また、本実施例におけるガスケット２６の凸部２６ｐが本発明におけるシール部材に相当する。
【００４７】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、セパレータ５０Ｂは、セラミック製の外側部材Ｍｏを含む中間プレート５４Ｂを備えているため、比較例と比べて、セパレータ５０Ｂの変形量は低減される。しかしながら、セパレータ５０Ｂの変形量をゼロにすることは困難である。このため、セパレータ５０Ｂの先端部分とガスケット２６の凸部２６ｐとの間の距離が比較的大きい場合や、単セル２０の厚みが比較的小さい場合には、隣り合う２つのセパレータ５０Ｂが接触して導通する虞がある。そこで、本実施例では、隣り合う２つのセパレータが接触する場合にも、該２つのセパレータが導通しないように工夫している。
【００４８】
図７は、第２実施例のセパレータ５０Ｃを構成する各プレート５２Ｃ，５４Ｂ，５６Ｃの平面図であり、図５に対応する。図７（Ｂ）は、図５（Ｂ）と同じであり、図７（Ａ），（Ｃ）が、図５（Ａ），（Ｃ）と異なっている。
【００４９】
第１実施例（図５）では、３つのプレート５２，５４Ｂ，５６のサイズ（より具体的には周囲の長さ）は、ほぼ等しく設定されているが、本実施例では、カソード側プレート５２Ｃおよびアノード側プレート５６Ｃのサイズは、中間プレート５４Ｂのサイズよりも小さく設定されている。なお、カソード側プレート５２Ｃのサイズとアノード側プレート５６Ｃのサイズとは、ほぼ等しく設定されている。
【００５０】
図８は、第２実施例の燃料電池スタック１００Ｃの端部付近を示す説明図であり、図６に対応する。図８は、図６とほぼ同じであるが、４つのセパレータ５０Ｃ1〜５０Ｃ4が変更されている。
【００５１】
本実施例のセパレータ５０Ｃは、第１実施例と同様に、セラミック製の外側部材Ｍｏを含む中間プレート５４Ｂを備えている。このため、本実施例では、第１実施例と同様に、第２および第３のセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の変形量を小さくすることができる。
【００５２】
しかしながら、前述したように、セパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の変形量をゼロにすることは困難である。本実施例では、図８に示すように、中間プレート５４Ｂの先端部分は、カソード側プレート５２Ｃおよびアノード側プレート５６Ｃの先端部分よりも外側に突出している。このため、第２および第３のセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3が屈曲すると、第２のセパレータ５０Ｃ2の中間プレート５４Ｂの先端部分と、第３のセパレータ５０Ｃ3の中間プレート５４Ｂの先端部分とが、接触し得る。そして、２つのセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3の中間プレート５４Ｂの先端部分には、絶縁性を有するセラミック製の外側部材Ｍｏが存在している。このため、２つのセパレータ５０Ｃ2，５０Ｃ3が接触しても、該２つのセパレータは導通せず、短絡の発生が抑制される。
【００５３】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５４】
（１）上記実施例では、中間プレート５４Ｂは、金属製の内側部材Ｍｉとセラミック製の外側部材Ｍｏとを含んでいるが、金属製の内側部材Ｍｉに代えて、セラミック製の外側部材の一部に局所的に設けられた柱状の金属製の部材が利用されてもよい。
【００５５】
一般には、第３のセパレータ要素は、金属材料を用いて形成され、第１のセパレータ要素と第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含んでいればよい。
【００５６】
（２）上記実施例では、中間プレート５４Ｂは、金属製の内側部材Ｍｉとセラミック製の外側部材Ｍｏとを含んでいるが、金属製の内側部材Ｍｉは省略可能である。この場合には、セパレータの外部において、カソード側プレートとアノード側プレートとがワイヤ等によって電気的に接続されればよい。
【００５７】
一般には、第３のセパレータ要素は、少なくともセパレータがシール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含んでいればよい。
【００５８】
（３）上記実施例では、積層された複数のセパレータのそれぞれに本発明が適用されているが、これに代えて、隣り合う２つのセパレータの一方のみに本発明が適用されてもよい。この場合にも、第１実施例および第２実施例と同様に、短絡の発生を抑制することができる。
【００５９】
一般には、隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータに本発明が適用されればよい。
【００６０】
（４）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】比較例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。
【図２】ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルアセンブリを示す平面図である。
【図３】比較例のセパレータ５０を構成する各プレート５２，５４，５６の平面図である。
【図４】比較例の燃料電池スタック１００の端部付近を示す説明図である。
【図５】第１実施例のセパレータ５０Ｂを構成する各プレート５２，５４Ｂ，５６の平面図である。
【図６】第１実施例の燃料電池スタック１００Ｂの端部付近を示す説明図である。
【図７】第２実施例のセパレータ５０Ｃを構成する各プレート５２Ｃ，５４Ｂ，５６Ｃの平面図である。
【図８】第２実施例の燃料電池スタック１００Ｃの端部付近を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
２０…単セル
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
２６ｐ…凸部
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０，５０Ｂ，５０Ｃ…セパレータ
５２，５２Ｃ…カソード側プレート
５４，５４Ｂ…中間プレート
５６，５６Ｃ…アノード側プレート
６１ａ〜６６ａ…長孔
６１ｃ〜６６ｃ…長孔
６１ｇ〜６６ｇ…長孔
６１ｍ〜６４ｍ…長孔
７１ｃ，７２ｃ…小孔
７１ｍ，７２ｍ…連通孔
７３ａ，７４ａ…小孔
７３ｍ，７４ｍ…連通孔
７８ｍ…凹部
１００，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池スタック
Ｍｉ…内側部材
Ｍｏ…外側部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、複数の単セルと、前記複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備え、前記各単セルは、電極層と、前記電極層と前記セパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む、前記燃料電池に使用される前記セパレータであって、
金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、
金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、
前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、
を備え、
前記第３のセパレータ要素は、
前記セパレータが前記シール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含むことを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１記載のセパレータであって、
前記第３のセパレータ要素の端部には、前記第１の部材が存在し、
前記第３のセパレータ要素の端部は、前記第１のセパレータ要素の端部および前記第２のセパレータ要素の端部よりも、外側に突出している、セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のセパレータであって、
前記第３のセパレータ要素は、さらに、
金属材料を用いて形成され、前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含む、セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記複数の単セルと、
前記セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、複数の単セルと、前記複数の単セルのうちの隣り合う２つの単セルの間に配置されるセパレータと、を備え、前記各単セルは、電極層と、前記電極層と前記セパレータとの間に形成される空間の気密性を確保するためのシール部材と、を含む、前記燃料電池に使用される前記セパレータであって、
金属材料を用いて形成された第１のセパレータ要素と、
金属材料を用いて形成された第２のセパレータ要素と、
前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素との間に配置された第３のセパレータ要素と、
を備え、
前記第３のセパレータ要素は、
前記セパレータが前記シール部材と接触する部位の付近に設けられ、セラミック材料を用いて形成された第１の部材を含むことを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１記載のセパレータであって、
前記第３のセパレータ要素の端部には、前記第１の部材が存在し、
前記第３のセパレータ要素の端部は、前記第１のセパレータ要素の端部および前記第２のセパレータ要素の端部よりも、外側に突出している、セパレータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のセパレータであって、
前記第３のセパレータ要素は、さらに、
金属材料を用いて形成され、前記第１のセパレータ要素と前記第２のセパレータ要素とを導通させるための第２の部材を含む、セパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記複数の単セルと、
前記セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２１４３７（Ｐ２００８−２１４３７Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９０１８８（Ｐ２００６−１９０１８８）
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]