燃料電池
【課題】セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能やセパレータのリブに作用する応力といった観点で好適な構造とする。
【解決手段】 表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータ２０を含む発電セルが積層されたセル積層体と、該セル積層体のうち最も端部のセパレータ２０ｂに積層され、該セパレータ２０ｂの凸部２０ｔの少なくとも一部と当接して流体流路３６を形成する、セパレータ２０（２０ｂ）とは別の端部部材４と、を備える。端部部材４のうち裏面側は平坦となっていることが好ましい。
【解決手段】 表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータ２０を含む発電セルが積層されたセル積層体と、該セル積層体のうち最も端部のセパレータ２０ｂに積層され、該セパレータ２０ｂの凸部２０ｔの少なくとも一部と当接して流体流路３６を形成する、セパレータ２０（２０ｂ）とは別の端部部材４と、を備える。端部部材４のうち裏面側は平坦となっていることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、セル積層体のセル積層方向端部における構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）として、電解質等からなる膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）をセパレータで挟んだ発電セルを複数積層することによって構成されているものがある。このようなセル積層体の両端に位置する発電セルの外側には、例えば出力端子付きのターミナル（集電板）、インシュレータ（絶縁板）、エンドプレートが順次配置されている。さらに、両エンドプレート間に架け渡すように設けたテンションプレート（場合によってはこれに加えて弾性モジュール）により、セル積層方向へ所定の締結力（圧縮力）を作用させてセルスタックを構成している。
【０００３】
従来、このような構造の燃料電池としては、セル積層体の端に位置するセパレータが、フラットな板状部材（例えばターミナル）と当接した状態でスタック化されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セパレータ（プレスメタルセパレータ）は、ＭＥＡ側の面（反応ガス側の面）では当該ＭＥＡおよびこのＭＥＡの周囲に配置された樹脂フレームと当接し、冷媒側の面では隣接する発電セルのセパレータの凹凸面と当接して荷重を受け持つように構成されていることが一般的である。この点、上述のようにフラットな面と当接する場合のセパレータは当該状況に応じた最適設計がなされているわけではないため、例えばマニホールドのシール性能、当該セパレータのリブに作用する応力といった観点からすれば構造上好ましいとはいえない場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能やセパレータのリブに作用する応力といった観点で好適な構造の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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、例えば成形カーボンセパレータであればターミナル側がフラットとなっているセパレータは既に知られている。そこで、本発明者は、メタルプレスセパレータに特有の課題に着目しつつ検討を行った。
【０００７】
ここで、典型的な発電セルの一つに、ＭＥＡの周囲部分に枠状の樹脂フレームを重ねた状態とし、これを一対のセパレータで挟み込むというものがある（図５参照）。この場合、異部材間を封止するためのシール材として、セパレータと樹脂フレームとの間、樹脂フレームとＭＥＡ（あるいはＭＥＡの電解質膜）との間に例えば接着剤が設けられている場合があるが、このシール部材（接着剤）において不具合が生じることがある点に本発明者は着目した。
【０００８】
すなわち、上述のようにセル積層体には所定の締結力（圧縮力）が作用している状態となっているが、発電時、内部に生じる熱の影響により、セパレータとターミナルの熱膨張差に起因してセル積層体が全体としてアコーディオンのように反る（あるいは歪む）場合がある（図６参照）。例えば、セル間を流れる冷却水の水温が、入口側マニホールド付近よりも出口側マニホールド付近の方で高くなっていること等に基づく。そこで、このような状態について検討すると、反っている（歪んでいる）状況下においては、セル積層体とターミナルとの接合部であってセパレータの外周（縁）近辺に大きな応力が作用する（図６中の丸い点参照）。このため、外周（縁）寄りであって最もターミナル寄りの接着剤に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じ、結果的にシール性が不十分となることがある。
【０００９】
上記について検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわち、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能やセパレータのリブに作用する応力といった点で有用な着想を得るに至った。本発明にかかる燃料電池はこのような着想に基づくものであり、表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータを含む発電セルが積層されたセル積層体と、該セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層され、該セパレータの凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する、セパレータとは別の端部部材と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
セパレータとは別の端部部材は、セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層された状態となり、該セパレータと当接する。しかも、この端部部材は、当該最も端部のセパレータの凸部のうち少なくとも一部に当接した状態となっており、フラット面に当接するのとは異なる構造を実現する。この場合においては、当該セパレータをフラット面に当接させるために最適設計するような必要はなく、他のセパレータに当接させるのと同様にしてこの端部部材に当接させることができる。
【００１１】
また、セル積層体には所定の締結力（圧縮力）が作用しており、発電時、内部に生じる熱の影響によってセル積層体が反る場合があり、このとき、セル積層体とターミナルとの接合部であってセパレータの外周（縁）近辺に大きな応力が作用するのは上述したとおりである（図６参照）。通常の構造だと、セパレータの外周（縁）寄りであって最もターミナル寄りの接着剤に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じてシール性が不十分になることがあったのに対し、本発明にかかる燃料電池においては、セル積層体のうち最も端部のセパレータに端部部材が当接した状態となっているから、この端部部材によってセパレータの外周（縁）近辺に作用する応力を受けることが可能である。これによれば、ターミナル寄りの接着剤に応力が作用するのを低減し、当該接着剤において剥離が生じるのを抑制することができる。
【００１２】
このような燃料電池において、前記端部部材のうち裏面側は平坦となっていることが好ましい。従前における燃料電池のようにセル積層体の最も端のセパレータがターミナルのフラット面に当接している場合（図５参照）、ターミナルの表面に沿って冷却用の冷媒が流れることになるため、ターミナルが腐食し、冷媒に対する絶縁性が劣化する場合がある。つまり、高い導電性を有する金属については、耐食処理を施したとしても腐食を完全に防ぐことができず、また冷媒と接触する領域（面積）も大きいために劣化する量も多くなりやすいことから、冷媒に対する絶縁性が保たれ得ないことがある。これに対し、本発明にかかる燃料電池の場合には、当該端部部材のうち裏面側を平坦としているから、例えば当該端部部材の裏面とターミナルの表面との間で冷媒が流れる余地がない。これによれば、冷却水の影響を受けてターミナルの表面が腐食するのを抑制することができる。
【００１３】
また、前記端部部材のうち、前記流体流路を形成しているリブは中実となっていることが好ましい。端部部材の表面側には、例えば冷媒流路を形成するためリブが構成されている場合がある。このとき、当該リブを中空ではなく中実とすることにより所要の強度を確保しつつ電気伝導性や熱伝導性を確保しやすくなる。
【００１４】
ここまで説明したような前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルと、前記最も端部のセパレータとの間に配置された別の独立した部材とすることができる。例えばダミーセル等と呼ばれるような部材をこのような独立部材として端部セルとターミナルとの間に配置することにより、当該独立した部材（例えばダミーセル）を端部部材として機能させることができる。
【００１５】
あるいは、前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルの一部であってもよい。このような端部部材は、当該ターミナルにあらかじめ一体的に形成された形状となっている。
【００１６】
さらに、前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能するようになっていることも好ましい。このような空隙によれば、冷媒等の流路自体を確保できることはもちろん、流量も確保しやすくなる。
【００１７】
また、前記端部部材と前記ターミナルとの間、あるいは前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間の少なくとも一方に、当該燃料電池において生じる熱応力の作用を緩和する弾性部材が介在していることも好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能を改善し、尚かつセパレータのリブに作用する応力を低減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図４に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本実施形態における燃料電池１は、表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータ（例えばプレスメタルセパレータ）２０を含む発電セル２が積層されたセル積層体３と、該セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０に積層され、該セパレータ２０の凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する端部部材４とを有しているものである。端部部材４は、燃料電池１における各マニホールド１５〜１７のシール性能を改善し、尚かつセパレータのリブに作用する応力を低減させるように機能する。
【００２１】
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成する発電セル２の概略構成について説明し、その後、上述のような端部部材４およびその周囲の構成について説明する。
【００２２】
図１に本実施形態における燃料電池１の発電セル（以下、単にセルともいう）２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されることによってセル積層体３を構成する（図２、図３参照）。また、このように形成されたセル積層体３は、例えばその両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらに両エンドプレート８間に架け渡されるようにしてこれらエンドプレート８，８間の距離を規定する板状の拘束部材（例えばテンションプレート）９が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される（図３参照）。
【００２３】
なお、このようなセル積層体３等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池としても用いることが可能である。
【００２４】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００２５】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟む一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２６】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００２７】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２８】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図１参照）。
【００２９】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）であり、表裏での凹凸が反転した関係になっている。
【００３０】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参
照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図３においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
【００３１】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００３２】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００３３】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする。
【００３４】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば、各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用する代わりに、上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することが可能である。本実施形態では、セル２内においては接着剤をシール部材１３ａ，１３ｂとして利用し、隣接するセル２どうしの間においてはガスケット（パッキン）をシール部材１３ｃとして利用している。なお、図４においては、最も端のセパレータ２０（２０ｂ）と枠状部材４０との間をシールする部材（接着剤）を符号１３ｄで表している。
【００３５】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材である（以下、樹脂フレームという）。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００３６】
続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２、図３参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層したセル積層体３を有し、セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子５付きのターミナル（集電板）６、インシュレータ（絶縁板）７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。
【００３７】
セル積層体３は拘束部材（以下、テンションプレートという）９によって積層状態で拘束されている。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図３参照）。また、テンションプレート９は、各エンドプレート８，８にボルト等で固定され、セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このようなテンションプレート９（あるいはこのテンションプレート９を含むスタック締結構造）は、例えばテンションボルトといった他の締結構造よりもセルスタックの捩れ作用に対して強い点で有利である。なお、図３においてはターミナル６の図示を省略している。
【００３８】
続いて、本発明にかかる燃料電池１の特徴的な構造、より具体的には、各マニホールド１５〜１７のシール性能を改善し、尚かつセパレータ２０のリブに作用する応力を低減させるための端部部材４等の構造について説明する（図４等参照）。
【００３９】
端部部材４は、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０（２０ｂ）に積層され、該セパレータ２０ｂの凸部（表裏で凹凸が反転しているリブ形状のうち当該端部部材４側に突出している部分のことで、図４において符号２０ｔで示す）の少なくとも一部と当接して流体流路を形成している部材である。この端部部材４は少なくともセパレータ２０とは別体の部材として構成されているものであり、例えば本実施形態の場合にはターミナル６とも別の独立した部材として構成されている（図４参照）。
【００４０】
このように、セパレータ２０とは別の部材としてセパレータ２０（２０ｂ）に積層された端部部材４は、熱応力による影響を緩和するダミー部材（本明細書ではダミーセルとも呼ぶ）として機能しうる。すなわち、セル積層体３を一つの構造物としてみると当該セル積層体３とターミナル６との接合部分のように形状が急に変化する部分に応力が集中しやすくなるが、本実施形態においてはこれらの間に端部部材４をいわばバッファ層として介在させることにより所定の部分に作用する応力を緩和することとしている。所定の部分とは、具体的には端部セパレータ２０ｂ、あるいはこの端部セパレータ２０ｂと樹脂フレーム４０との間に介在するシール部材（接着剤）１３ｄなどであり、本実施形態の燃料電池１によればこれらの部分に作用する応力を避け、あるいは緩和することが可能となる。別の表現をすれば、最も力の作用する箇所に位置していたものをセル積層方向に沿って内側にずらすことにより応力を避けるとともに、当該応力はバッファ層としてのダミーセル（端部部材４）で受けて緩和するようにしている。
【００４１】
上述のような端部部材４は、特に、問題となりうるシール部材（接着剤）１３ｄの剥離を抑制することが可能になるという点で好適である。すなわち、本実施形態の燃料電池１によれば、最も力の作用する箇所に位置していたものをセル積層方向に沿って内側にずらすことにより応力を避けるとともに、当該応力はバッファ層としてのダミーセル（端部部材４）で受けて緩和することにより、従前生じることのあったシール部材（接着剤）１３ｄの剥離を抑制することを可能としている。特に、本実施形態におけるようにセパレータ２０が金属製のプレスメタルセパレータである場合、当該セパレータ２０と接着剤との接着力・接合力が比較的弱くなってしまうが、この燃料電池１のように端部部材４を利用することによってこの接合部分における剥離を効果的に抑制することが可能となる。
【００４２】
ここで、このような端部部材４としては、最も端部のセパレータ２０ｂとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能するようになっていることが好ましい。セパレータ２０が表裏で反転した凹凸形状になっていることからすれば、端部部材４の表面が仮に平坦であっても所定の流体流路（例えば冷却水流路３６）が形成されるが、本実施形態では端部部材４に溝４ａからなる空隙を設け、冷却水流路３６として機能するようにしている（図４参照）。この場合、各溝４ａはセパレータ２０ｂの各凹溝に対応して設けられており、これら凹溝とともに冷却水流路３６を形成する。このように、セパレータ２０ｂとの間に設けた空隙を流体流路として機能させる本実施形態の燃料電池１においては、冷媒等の流路自体を確保できることはもちろんのこと、圧損（差圧）を抑えてその流量や流れやすさをも確保できるという点で好適である。しかも、こうした場合には冷却水の流量を増やすことによってセル積層体３における温度分布を改善し、熱応力を緩和することも可能となる。なお、端部部材４にこのような溝４ａを設けるための手段としては、当該端部部材４が例えば金属板である場合にはエッチング処理を施すといったように種々のものを採用することができる。また、隣接する溝４ａどうしの間にはこれら溝４ａと平行なリブ４ｂが形成されている（図４参照）。
【００４３】
一方、端部部材４の裏面側（本実施形態の場合、ターミナル６と接触する側）は平坦となっていることが好ましい。例えば、従前のように最も端のセパレータ（２０ｂ）がターミナル６のフラット面に当接していると（図５参照）、ターミナル６の表面に沿って冷却水が流れることになるため当該ターミナル６が腐食し、場合によっては絶縁性が劣化してしまうことがあった。この点、本実施形態では当該端部部材４の裏面側を平坦とし、ターミナル６との間において冷却水が流れないようにしている（図４参照）。したがってこの燃料電池１においては、冷却水の影響を受けてターミナル６の表面が腐食するのを抑制することが可能となっている。しかも、ターミナル６の表面を冷却水が流れない構成とした本実施形態の場合には、当該ターミナル６の表面における耐食処理を省略することも可能である。
【００４４】
また、図４においては特に詳しく示していないが、端部部材４に形成されているマニホールド（具体的には冷却水の入口側のマニホールド１７ａ、冷却水の出口側のマニホールド１７ｂ）は当該端部部材４を貫通していないことが好ましい。つまり、この場合のマニホールド（１７ａ，１７ｂ）は冷却水流路３６に対して冷媒（冷却水）を供給しまたは排出するものであれば足りるから、ターミナル６の表面が腐食するのを回避するという観点からは、ターミナル６に冷媒（冷却水）を接触させない構造となっていることが好適である。
【００４５】
上述したように、端部部材４のリブ４ｂは溝４ａの間に形成される凸部からなるものである。このリブ４ｂは中空構造となっていることもあるが、例えば所要の強度の確保、電気伝導性や熱伝導性の確保といった観点からすれば本実施形態のように中実構造となっていることが好ましい（図４参照）。
【００４６】
また、本実施形態の燃料電池１におけるリブ４ｂは、セパレータ２０（２０ｂ）の凸部（リブ）２０ｔと方向や幅が対応するように構成され、互いに当接し合って冷却水流路３６を形成していることから応力集中を低減できるという利点もある（図４参照）。すなわち、例えば断熱層を設けるため端部セパレータに波板を積層したスタック構造の場合には、波板のリブとセパレータのリブとが交差する結果、当該リブに応力集中が生じるおそれがある。この点、本実施形態の燃料電池１の場合には、端部部材４のリブ４ｂの形状パターンがセパレータ２０（２０ｂ）の凸部（リブ）２０ｔに揃っていることから、このような応力集中を緩和あるいは低減することができるという点でも好適である。
【００４７】
なお、端部部材４は、導電性を有する構造材であればその材質が特に限定されるものではない。例えば本実施形態では金属板からなる端部部材４を用いているがカーボンプレートといった構造材を用いることもでき、いずれにせよ接触抵抗が小さい材質が好適である。ちなみに、端部部材４とターミナル６のいずれもが金属の場合、両者を拡散接合やろう付け等によって接合することが可能であり、こうした場合には電気抵抗を低減させ、シール性を確保することが可能である。例えば、ＭＥＡ３０の耐熱上限は１００〜２００℃程度であるためセル２のセパレータ２０をターミナル６に直接的にろう付けすることは困難であるが、金属製の端部部材４であればターミナル６にろう付けすることが可能である。
【００４８】
以上の説明から明らかなように、この燃料電池１における端部部材４は、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０（２０ｂ）に積層され、該セパレータ２０ｂと当接した状態となる。この場合、端部部材４は、当該最も端部のセパレータ２０ｂの凸部２０ｔのうち少なくとも一部に当接した状態となっており、最も端部のセパレータ２０ｂに対し、フラット面に当接するのとは異なる構造を実現している。このため、本実施形態の燃料電池１においては、当該セパレータ２０ｂをフラット面に当接させるために最適設計するような必要がなく、他のセパレータ２０に当接させるのと同様にしてこの端部部材４に当接させることが可能となっている。
【００４９】
また、先述のようにセル積層体３には所定の締結力（圧縮力）が作用しており、発電時、内部に生じる熱の影響によって反りが生じると、当該セル積層体３とターミナル６との接合部であってセパレータ２０の外周（縁）近辺に大きな応力が作用する。この際、従前の構造だと、セパレータ２０の外周（縁）寄りであって最もターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じてシール性が不十分になることが起こり得た。この点、本実施形態にかかる燃料電池１においては、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０ｂに端部部材４が当接した状態となっているから、この端部部材４によってセパレータ２０ｂの外周（縁）近辺に作用する応力を受け、あるいは応力が作用する部位をずらすことにより、ターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）において剥離が生じるのを抑制するダミーセルとして機能することができる。なお、以上のような作用効果は最もターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）において特に顕著ということであり、シール部材１３ａ，１３ｂや樹脂フレーム４０といった他部材に対する応力を緩和ないしは低減するという作用効果もあることはいうまでもない。
【００５０】
また、この燃料電池１によれば、上述のように接着剤が剥離するのを抑制することによってシール性を保ち得るから、当該接着剤（シール部材１３ｂ）の近傍におけるマニホールド１５〜１７のシール性能を保持することにもつながる。したがって、マニホールド１５〜１７がシールされている部分、特にセル積層方向の端部近傍においてシールされている部分において、冷媒（冷却水）はもちろんのことさらには燃料ガスや酸化ガスが漏れるのを十分に抑制することが可能となる。
【００５１】
さらに付言すると、例えばセパレータ２０がカーボン製である場合、この成型カーボンセパレータのターミナル６側の面がフラットとなっているものは既に存在している。本件発明はこのような構成の燃料電池に対してではなく、あくまで表裏での凹凸が反転関係にあるプレスメタルセパレータ２０を含む燃料電池１に対して適用した場合に特有の作用効果を奏しうるという点で特徴的である。
【００５２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では最も端部のセパレータ２０ｂとターミナル６との間に端部部材４を介在させる構造としたが、熱応力をさらに逃がして作用を緩和するための部材を付加することも好ましい。例示すると、接着剤（シール部材１３ｄ）の裏面に位置するように、ゴム板などの弾性部材２１を端部部材４とセパレータ２０ｂとの間に介在させることは好適である（図４参照）。あるいは、端部部材４とターミナル６との間であって、従前の構造であれば熱応力の影響が最も大きい位置あるいはその近傍となるように弾性部材２２を介在させることも好適である（図４参照）。
【００５３】
さらに、上述した実施形態における端部部材４はターミナル６からも独立した別部材であったがこれに限られることはなく、例えば、ターミナル６の一部として形成されたものであってもよい。要は、最も端部のセパレータ２０ｂに積層され、該セパレータ２０ｂの凸部２０ｔの少なくとも一部と当接して流体流路（例えば冷却水流路３６）を形成するものであって、従前問題となっていた熱応力による影響（特に接着剤の剥離という影響）を回避または抑制しうる端部部材４であれば、ターミナル６と一体化しているか独立した部材となっているかは問わない。端部部材４がターミナル６の一部として形成されている場合、当該ターミナル６は段付きの板状部材となり、当該段付き部分からなる端部部材４が端部セパレータ２０ｂと当接することになる。
【００５４】
また、本実施形態においてはセパレータ２０ｂの凹溝と端部部材４の溝４ａとからなる空隙が冷媒流路（冷却水流路３６）である場合を例示したがこれは一例であって、この空隙が反応ガスの流路（酸化ガスのガス流路３４、水素ガスのガス流路３５）となる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池の構造を概略的に示す斜視図である。
【図３】スタック化された燃料電池の構造の一例を示す斜視図である。
【図４】セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層された端部部材およびその周辺の構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明に至るまでの着想を説明するための参考図である。
【図６】燃料電池の運転時の特性を示す図で、（Ａ）通常時（非運転時）の状態、（Ｂ）熱の影響で反った状態を解りやすく端的に表したものである。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料電池、２…セル（発電セル）、３…セル積層体、４…端部部材、４ｂ…（端部部材の）リブ、６…ターミナル（集電板）、２０…セパレータ、２０ｂ…最も端部のセパレータ、２０ｔ…最も端部のセパレータの凸部、２１…弾性部材、２２…弾性部材、３６…冷却水流路（流体流路）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、セル積層体のセル積層方向端部における構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）として、電解質等からなる膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）をセパレータで挟んだ発電セルを複数積層することによって構成されているものがある。このようなセル積層体の両端に位置する発電セルの外側には、例えば出力端子付きのターミナル（集電板）、インシュレータ（絶縁板）、エンドプレートが順次配置されている。さらに、両エンドプレート間に架け渡すように設けたテンションプレート（場合によってはこれに加えて弾性モジュール）により、セル積層方向へ所定の締結力（圧縮力）を作用させてセルスタックを構成している。
【０００３】
従来、このような構造の燃料電池としては、セル積層体の端に位置するセパレータが、フラットな板状部材（例えばターミナル）と当接した状態でスタック化されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セパレータ（プレスメタルセパレータ）は、ＭＥＡ側の面（反応ガス側の面）では当該ＭＥＡおよびこのＭＥＡの周囲に配置された樹脂フレームと当接し、冷媒側の面では隣接する発電セルのセパレータの凹凸面と当接して荷重を受け持つように構成されていることが一般的である。この点、上述のようにフラットな面と当接する場合のセパレータは当該状況に応じた最適設計がなされているわけではないため、例えばマニホールドのシール性能、当該セパレータのリブに作用する応力といった観点からすれば構造上好ましいとはいえない場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能やセパレータのリブに作用する応力といった観点で好適な構造の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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、例えば成形カーボンセパレータであればターミナル側がフラットとなっているセパレータは既に知られている。そこで、本発明者は、メタルプレスセパレータに特有の課題に着目しつつ検討を行った。
【０００７】
ここで、典型的な発電セルの一つに、ＭＥＡの周囲部分に枠状の樹脂フレームを重ねた状態とし、これを一対のセパレータで挟み込むというものがある（図５参照）。この場合、異部材間を封止するためのシール材として、セパレータと樹脂フレームとの間、樹脂フレームとＭＥＡ（あるいはＭＥＡの電解質膜）との間に例えば接着剤が設けられている場合があるが、このシール部材（接着剤）において不具合が生じることがある点に本発明者は着目した。
【０００８】
すなわち、上述のようにセル積層体には所定の締結力（圧縮力）が作用している状態となっているが、発電時、内部に生じる熱の影響により、セパレータとターミナルの熱膨張差に起因してセル積層体が全体としてアコーディオンのように反る（あるいは歪む）場合がある（図６参照）。例えば、セル間を流れる冷却水の水温が、入口側マニホールド付近よりも出口側マニホールド付近の方で高くなっていること等に基づく。そこで、このような状態について検討すると、反っている（歪んでいる）状況下においては、セル積層体とターミナルとの接合部であってセパレータの外周（縁）近辺に大きな応力が作用する（図６中の丸い点参照）。このため、外周（縁）寄りであって最もターミナル寄りの接着剤に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じ、結果的にシール性が不十分となることがある。
【０００９】
上記について検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわち、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能やセパレータのリブに作用する応力といった点で有用な着想を得るに至った。本発明にかかる燃料電池はこのような着想に基づくものであり、表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータを含む発電セルが積層されたセル積層体と、該セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層され、該セパレータの凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する、セパレータとは別の端部部材と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
セパレータとは別の端部部材は、セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層された状態となり、該セパレータと当接する。しかも、この端部部材は、当該最も端部のセパレータの凸部のうち少なくとも一部に当接した状態となっており、フラット面に当接するのとは異なる構造を実現する。この場合においては、当該セパレータをフラット面に当接させるために最適設計するような必要はなく、他のセパレータに当接させるのと同様にしてこの端部部材に当接させることができる。
【００１１】
また、セル積層体には所定の締結力（圧縮力）が作用しており、発電時、内部に生じる熱の影響によってセル積層体が反る場合があり、このとき、セル積層体とターミナルとの接合部であってセパレータの外周（縁）近辺に大きな応力が作用するのは上述したとおりである（図６参照）。通常の構造だと、セパレータの外周（縁）寄りであって最もターミナル寄りの接着剤に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じてシール性が不十分になることがあったのに対し、本発明にかかる燃料電池においては、セル積層体のうち最も端部のセパレータに端部部材が当接した状態となっているから、この端部部材によってセパレータの外周（縁）近辺に作用する応力を受けることが可能である。これによれば、ターミナル寄りの接着剤に応力が作用するのを低減し、当該接着剤において剥離が生じるのを抑制することができる。
【００１２】
このような燃料電池において、前記端部部材のうち裏面側は平坦となっていることが好ましい。従前における燃料電池のようにセル積層体の最も端のセパレータがターミナルのフラット面に当接している場合（図５参照）、ターミナルの表面に沿って冷却用の冷媒が流れることになるため、ターミナルが腐食し、冷媒に対する絶縁性が劣化する場合がある。つまり、高い導電性を有する金属については、耐食処理を施したとしても腐食を完全に防ぐことができず、また冷媒と接触する領域（面積）も大きいために劣化する量も多くなりやすいことから、冷媒に対する絶縁性が保たれ得ないことがある。これに対し、本発明にかかる燃料電池の場合には、当該端部部材のうち裏面側を平坦としているから、例えば当該端部部材の裏面とターミナルの表面との間で冷媒が流れる余地がない。これによれば、冷却水の影響を受けてターミナルの表面が腐食するのを抑制することができる。
【００１３】
また、前記端部部材のうち、前記流体流路を形成しているリブは中実となっていることが好ましい。端部部材の表面側には、例えば冷媒流路を形成するためリブが構成されている場合がある。このとき、当該リブを中空ではなく中実とすることにより所要の強度を確保しつつ電気伝導性や熱伝導性を確保しやすくなる。
【００１４】
ここまで説明したような前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルと、前記最も端部のセパレータとの間に配置された別の独立した部材とすることができる。例えばダミーセル等と呼ばれるような部材をこのような独立部材として端部セルとターミナルとの間に配置することにより、当該独立した部材（例えばダミーセル）を端部部材として機能させることができる。
【００１５】
あるいは、前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルの一部であってもよい。このような端部部材は、当該ターミナルにあらかじめ一体的に形成された形状となっている。
【００１６】
さらに、前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能するようになっていることも好ましい。このような空隙によれば、冷媒等の流路自体を確保できることはもちろん、流量も確保しやすくなる。
【００１７】
また、前記端部部材と前記ターミナルとの間、あるいは前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間の少なくとも一方に、当該燃料電池において生じる熱応力の作用を緩和する弾性部材が介在していることも好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セル積層体の積層方向端におけるセパレータ等の締結構造に関し、マニホールドのシール性能を改善し、尚かつセパレータのリブに作用する応力を低減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図４に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本実施形態における燃料電池１は、表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータ（例えばプレスメタルセパレータ）２０を含む発電セル２が積層されたセル積層体３と、該セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０に積層され、該セパレータ２０の凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する端部部材４とを有しているものである。端部部材４は、燃料電池１における各マニホールド１５〜１７のシール性能を改善し、尚かつセパレータのリブに作用する応力を低減させるように機能する。
【００２１】
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成する発電セル２の概略構成について説明し、その後、上述のような端部部材４およびその周囲の構成について説明する。
【００２２】
図１に本実施形態における燃料電池１の発電セル（以下、単にセルともいう）２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されることによってセル積層体３を構成する（図２、図３参照）。また、このように形成されたセル積層体３は、例えばその両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらに両エンドプレート８間に架け渡されるようにしてこれらエンドプレート８，８間の距離を規定する板状の拘束部材（例えばテンションプレート）９が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される（図３参照）。
【００２３】
なお、このようなセル積層体３等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池としても用いることが可能である。
【００２４】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００２５】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟む一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２６】
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００２７】
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２８】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図１参照）。
【００２９】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）であり、表裏での凹凸が反転した関係になっている。
【００３０】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参
照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図３においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
【００３１】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００３２】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００３３】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする。
【００３４】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば、各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用する代わりに、上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することが可能である。本実施形態では、セル２内においては接着剤をシール部材１３ａ，１３ｂとして利用し、隣接するセル２どうしの間においてはガスケット（パッキン）をシール部材１３ｃとして利用している。なお、図４においては、最も端のセパレータ２０（２０ｂ）と枠状部材４０との間をシールする部材（接着剤）を符号１３ｄで表している。
【００３５】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材である（以下、樹脂フレームという）。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００３６】
続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図２、図３参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層したセル積層体３を有し、セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子５付きのターミナル（集電板）６、インシュレータ（絶縁板）７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。
【００３７】
セル積層体３は拘束部材（以下、テンションプレートという）９によって積層状態で拘束されている。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図３参照）。また、テンションプレート９は、各エンドプレート８，８にボルト等で固定され、セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このようなテンションプレート９（あるいはこのテンションプレート９を含むスタック締結構造）は、例えばテンションボルトといった他の締結構造よりもセルスタックの捩れ作用に対して強い点で有利である。なお、図３においてはターミナル６の図示を省略している。
【００３８】
続いて、本発明にかかる燃料電池１の特徴的な構造、より具体的には、各マニホールド１５〜１７のシール性能を改善し、尚かつセパレータ２０のリブに作用する応力を低減させるための端部部材４等の構造について説明する（図４等参照）。
【００３９】
端部部材４は、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０（２０ｂ）に積層され、該セパレータ２０ｂの凸部（表裏で凹凸が反転しているリブ形状のうち当該端部部材４側に突出している部分のことで、図４において符号２０ｔで示す）の少なくとも一部と当接して流体流路を形成している部材である。この端部部材４は少なくともセパレータ２０とは別体の部材として構成されているものであり、例えば本実施形態の場合にはターミナル６とも別の独立した部材として構成されている（図４参照）。
【００４０】
このように、セパレータ２０とは別の部材としてセパレータ２０（２０ｂ）に積層された端部部材４は、熱応力による影響を緩和するダミー部材（本明細書ではダミーセルとも呼ぶ）として機能しうる。すなわち、セル積層体３を一つの構造物としてみると当該セル積層体３とターミナル６との接合部分のように形状が急に変化する部分に応力が集中しやすくなるが、本実施形態においてはこれらの間に端部部材４をいわばバッファ層として介在させることにより所定の部分に作用する応力を緩和することとしている。所定の部分とは、具体的には端部セパレータ２０ｂ、あるいはこの端部セパレータ２０ｂと樹脂フレーム４０との間に介在するシール部材（接着剤）１３ｄなどであり、本実施形態の燃料電池１によればこれらの部分に作用する応力を避け、あるいは緩和することが可能となる。別の表現をすれば、最も力の作用する箇所に位置していたものをセル積層方向に沿って内側にずらすことにより応力を避けるとともに、当該応力はバッファ層としてのダミーセル（端部部材４）で受けて緩和するようにしている。
【００４１】
上述のような端部部材４は、特に、問題となりうるシール部材（接着剤）１３ｄの剥離を抑制することが可能になるという点で好適である。すなわち、本実施形態の燃料電池１によれば、最も力の作用する箇所に位置していたものをセル積層方向に沿って内側にずらすことにより応力を避けるとともに、当該応力はバッファ層としてのダミーセル（端部部材４）で受けて緩和することにより、従前生じることのあったシール部材（接着剤）１３ｄの剥離を抑制することを可能としている。特に、本実施形態におけるようにセパレータ２０が金属製のプレスメタルセパレータである場合、当該セパレータ２０と接着剤との接着力・接合力が比較的弱くなってしまうが、この燃料電池１のように端部部材４を利用することによってこの接合部分における剥離を効果的に抑制することが可能となる。
【００４２】
ここで、このような端部部材４としては、最も端部のセパレータ２０ｂとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能するようになっていることが好ましい。セパレータ２０が表裏で反転した凹凸形状になっていることからすれば、端部部材４の表面が仮に平坦であっても所定の流体流路（例えば冷却水流路３６）が形成されるが、本実施形態では端部部材４に溝４ａからなる空隙を設け、冷却水流路３６として機能するようにしている（図４参照）。この場合、各溝４ａはセパレータ２０ｂの各凹溝に対応して設けられており、これら凹溝とともに冷却水流路３６を形成する。このように、セパレータ２０ｂとの間に設けた空隙を流体流路として機能させる本実施形態の燃料電池１においては、冷媒等の流路自体を確保できることはもちろんのこと、圧損（差圧）を抑えてその流量や流れやすさをも確保できるという点で好適である。しかも、こうした場合には冷却水の流量を増やすことによってセル積層体３における温度分布を改善し、熱応力を緩和することも可能となる。なお、端部部材４にこのような溝４ａを設けるための手段としては、当該端部部材４が例えば金属板である場合にはエッチング処理を施すといったように種々のものを採用することができる。また、隣接する溝４ａどうしの間にはこれら溝４ａと平行なリブ４ｂが形成されている（図４参照）。
【００４３】
一方、端部部材４の裏面側（本実施形態の場合、ターミナル６と接触する側）は平坦となっていることが好ましい。例えば、従前のように最も端のセパレータ（２０ｂ）がターミナル６のフラット面に当接していると（図５参照）、ターミナル６の表面に沿って冷却水が流れることになるため当該ターミナル６が腐食し、場合によっては絶縁性が劣化してしまうことがあった。この点、本実施形態では当該端部部材４の裏面側を平坦とし、ターミナル６との間において冷却水が流れないようにしている（図４参照）。したがってこの燃料電池１においては、冷却水の影響を受けてターミナル６の表面が腐食するのを抑制することが可能となっている。しかも、ターミナル６の表面を冷却水が流れない構成とした本実施形態の場合には、当該ターミナル６の表面における耐食処理を省略することも可能である。
【００４４】
また、図４においては特に詳しく示していないが、端部部材４に形成されているマニホールド（具体的には冷却水の入口側のマニホールド１７ａ、冷却水の出口側のマニホールド１７ｂ）は当該端部部材４を貫通していないことが好ましい。つまり、この場合のマニホールド（１７ａ，１７ｂ）は冷却水流路３６に対して冷媒（冷却水）を供給しまたは排出するものであれば足りるから、ターミナル６の表面が腐食するのを回避するという観点からは、ターミナル６に冷媒（冷却水）を接触させない構造となっていることが好適である。
【００４５】
上述したように、端部部材４のリブ４ｂは溝４ａの間に形成される凸部からなるものである。このリブ４ｂは中空構造となっていることもあるが、例えば所要の強度の確保、電気伝導性や熱伝導性の確保といった観点からすれば本実施形態のように中実構造となっていることが好ましい（図４参照）。
【００４６】
また、本実施形態の燃料電池１におけるリブ４ｂは、セパレータ２０（２０ｂ）の凸部（リブ）２０ｔと方向や幅が対応するように構成され、互いに当接し合って冷却水流路３６を形成していることから応力集中を低減できるという利点もある（図４参照）。すなわち、例えば断熱層を設けるため端部セパレータに波板を積層したスタック構造の場合には、波板のリブとセパレータのリブとが交差する結果、当該リブに応力集中が生じるおそれがある。この点、本実施形態の燃料電池１の場合には、端部部材４のリブ４ｂの形状パターンがセパレータ２０（２０ｂ）の凸部（リブ）２０ｔに揃っていることから、このような応力集中を緩和あるいは低減することができるという点でも好適である。
【００４７】
なお、端部部材４は、導電性を有する構造材であればその材質が特に限定されるものではない。例えば本実施形態では金属板からなる端部部材４を用いているがカーボンプレートといった構造材を用いることもでき、いずれにせよ接触抵抗が小さい材質が好適である。ちなみに、端部部材４とターミナル６のいずれもが金属の場合、両者を拡散接合やろう付け等によって接合することが可能であり、こうした場合には電気抵抗を低減させ、シール性を確保することが可能である。例えば、ＭＥＡ３０の耐熱上限は１００〜２００℃程度であるためセル２のセパレータ２０をターミナル６に直接的にろう付けすることは困難であるが、金属製の端部部材４であればターミナル６にろう付けすることが可能である。
【００４８】
以上の説明から明らかなように、この燃料電池１における端部部材４は、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０（２０ｂ）に積層され、該セパレータ２０ｂと当接した状態となる。この場合、端部部材４は、当該最も端部のセパレータ２０ｂの凸部２０ｔのうち少なくとも一部に当接した状態となっており、最も端部のセパレータ２０ｂに対し、フラット面に当接するのとは異なる構造を実現している。このため、本実施形態の燃料電池１においては、当該セパレータ２０ｂをフラット面に当接させるために最適設計するような必要がなく、他のセパレータ２０に当接させるのと同様にしてこの端部部材４に当接させることが可能となっている。
【００４９】
また、先述のようにセル積層体３には所定の締結力（圧縮力）が作用しており、発電時、内部に生じる熱の影響によって反りが生じると、当該セル積層体３とターミナル６との接合部であってセパレータ２０の外周（縁）近辺に大きな応力が作用する。この際、従前の構造だと、セパレータ２０の外周（縁）寄りであって最もターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）に最も大きな力がかかり、当該接着剤において剥離が生じてシール性が不十分になることが起こり得た。この点、本実施形態にかかる燃料電池１においては、セル積層体３のうち最も端部のセパレータ２０ｂに端部部材４が当接した状態となっているから、この端部部材４によってセパレータ２０ｂの外周（縁）近辺に作用する応力を受け、あるいは応力が作用する部位をずらすことにより、ターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）において剥離が生じるのを抑制するダミーセルとして機能することができる。なお、以上のような作用効果は最もターミナル６寄りの接着剤（シール部材１３ｄ）において特に顕著ということであり、シール部材１３ａ，１３ｂや樹脂フレーム４０といった他部材に対する応力を緩和ないしは低減するという作用効果もあることはいうまでもない。
【００５０】
また、この燃料電池１によれば、上述のように接着剤が剥離するのを抑制することによってシール性を保ち得るから、当該接着剤（シール部材１３ｂ）の近傍におけるマニホールド１５〜１７のシール性能を保持することにもつながる。したがって、マニホールド１５〜１７がシールされている部分、特にセル積層方向の端部近傍においてシールされている部分において、冷媒（冷却水）はもちろんのことさらには燃料ガスや酸化ガスが漏れるのを十分に抑制することが可能となる。
【００５１】
さらに付言すると、例えばセパレータ２０がカーボン製である場合、この成型カーボンセパレータのターミナル６側の面がフラットとなっているものは既に存在している。本件発明はこのような構成の燃料電池に対してではなく、あくまで表裏での凹凸が反転関係にあるプレスメタルセパレータ２０を含む燃料電池１に対して適用した場合に特有の作用効果を奏しうるという点で特徴的である。
【００５２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では最も端部のセパレータ２０ｂとターミナル６との間に端部部材４を介在させる構造としたが、熱応力をさらに逃がして作用を緩和するための部材を付加することも好ましい。例示すると、接着剤（シール部材１３ｄ）の裏面に位置するように、ゴム板などの弾性部材２１を端部部材４とセパレータ２０ｂとの間に介在させることは好適である（図４参照）。あるいは、端部部材４とターミナル６との間であって、従前の構造であれば熱応力の影響が最も大きい位置あるいはその近傍となるように弾性部材２２を介在させることも好適である（図４参照）。
【００５３】
さらに、上述した実施形態における端部部材４はターミナル６からも独立した別部材であったがこれに限られることはなく、例えば、ターミナル６の一部として形成されたものであってもよい。要は、最も端部のセパレータ２０ｂに積層され、該セパレータ２０ｂの凸部２０ｔの少なくとも一部と当接して流体流路（例えば冷却水流路３６）を形成するものであって、従前問題となっていた熱応力による影響（特に接着剤の剥離という影響）を回避または抑制しうる端部部材４であれば、ターミナル６と一体化しているか独立した部材となっているかは問わない。端部部材４がターミナル６の一部として形成されている場合、当該ターミナル６は段付きの板状部材となり、当該段付き部分からなる端部部材４が端部セパレータ２０ｂと当接することになる。
【００５４】
また、本実施形態においてはセパレータ２０ｂの凹溝と端部部材４の溝４ａとからなる空隙が冷媒流路（冷却水流路３６）である場合を例示したがこれは一例であって、この空隙が反応ガスの流路（酸化ガスのガス流路３４、水素ガスのガス流路３５）となる場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池の構造を概略的に示す斜視図である。
【図３】スタック化された燃料電池の構造の一例を示す斜視図である。
【図４】セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層された端部部材およびその周辺の構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明に至るまでの着想を説明するための参考図である。
【図６】燃料電池の運転時の特性を示す図で、（Ａ）通常時（非運転時）の状態、（Ｂ）熱の影響で反った状態を解りやすく端的に表したものである。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料電池、２…セル（発電セル）、３…セル積層体、４…端部部材、４ｂ…（端部部材の）リブ、６…ターミナル（集電板）、２０…セパレータ、２０ｂ…最も端部のセパレータ、２０ｔ…最も端部のセパレータの凸部、２１…弾性部材、２２…弾性部材、３６…冷却水流路（流体流路）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータを含む発電セルが積層されたセル積層体と、
該セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層され、該セパレータの凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する、セパレータとは別の端部部材と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記端部部材のうち裏面側は平坦となっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記端部部材のうち、前記流体流路を形成しているリブが中実となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルと、前記最も端部のセパレータとの間に配置された別の独立した部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルの一部であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記端部部材と前記ターミナルとの間、あるいは前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間の少なくとも一方に、当該燃料電池において生じる熱応力の作用を緩和する弾性部材が介在していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１】
表裏での凹凸が反転関係にあるセパレータを含む発電セルが積層されたセル積層体と、
該セル積層体のうち最も端部のセパレータに積層され、該セパレータの凸部の少なくとも一部と当接して流体流路を形成する、セパレータとは別の端部部材と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記端部部材のうち裏面側は平坦となっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記端部部材のうち、前記流体流路を形成しているリブが中実となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルと、前記最も端部のセパレータとの間に配置された別の独立した部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記端部部材は、前記発電セルが発電した電気を集電するためのターミナルの一部であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間に空隙が形成され、該空隙が反応ガス流路または冷媒流路のいずれかとして機能することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記端部部材と前記ターミナルとの間、あるいは前記端部部材と前記最も端部のセパレータとの間の少なくとも一方に、当該燃料電池において生じる熱応力の作用を緩和する弾性部材が介在していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３１７４２８（Ｐ２００７−３１７４２８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４４０９８（Ｐ２００６−１４４０９８）
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【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１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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