JP4978060B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが交互に積層された積層構造を有している。燃料電池内部には、積層方向に沿ったセル間反応ガス通路が設けられている。また、燃料電池内部には、各単セル毎に、セル内反応ガス通路が設けられていると共に、セル間反応ガス通路とセル内反応ガス通路とを接続する連通路が設けられている。そして、反応ガスは、セル間反応ガス通路と連通路とセル内反応ガス通路とを通って、単セルに供給され、電気化学反応に利用される。

セパレータには、セル間反応ガス通路を構成する孔が形成される。セパレータが金属製である場合には、該孔を形成する際に、該孔の周囲にはバリが発生し得る。該バリが存在する場合には、連通路の開口面積が減少するため、連通路を介して、セル間反応ガス通路からセル内反応ガス通路に反応ガスを効率よく供給することが困難となる。

なお、特許文献１では、複数の単セルと複数のセパレータとを積層した後に、積層方向に沿って形成される貫通孔の壁面を面一加工することにより、バリを除去する技術が開示されている。

特開２００４−１９２８９３号公報 特開２００４−３９３６５号公報 特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、従来の技術では、バリの除去処理を必要とするため、燃料電池の製造が比較的困難であるという問題があった。

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、燃料電池を容易に製造することのできる技術を提供することを目的とする。

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、
複数の単セルであって、前記各単セルは電解質層と前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と前記電解質層の他方の面に設けられた第２の電極層とを含む、前記複数の単セルと、
複数のセパレータであって、前記各セパレータは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ている、前記複数のセパレータと、
を備え、
前記各セパレータは、
前記２つの単セルのうちの第１の単セルの前記第１の電極層に対向する第１のセパレータ要素であって、前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルに供給される反応ガスが通る第１種の反応ガス通路を構成する第１の孔が形成されており、前記第１のセパレータ要素は、前記第１の孔の形成部位にバリを有する第１の面と、前記第１の孔の形成部位に前記バリを有していない第２の面と、を含む、前記第１のセパレータ要素を備え、
前記第１のセパレータ要素は、前記第１のセパレータ要素と前記第１の単セルの前記第１の電極層との間に、前記電解質層に供給される反応ガスが通る第２種の反応ガス通路が形成され、かつ、前記第２の面が前記第１種の反応ガス通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する連通路を構成する連通路構成部材と接するように、配置されていることを特徴とする。

この装置では、第１のセパレータ要素の第２の面が連通路形成部材に接しているため、第１の孔の形成部位に存在するバリによって連通路の開口面積が減少せずに済む。したがって、第１のセパレータ要素に対して該バリの除去処理を施さずに第１のセパレータ要素を利用することができ、この結果、燃料電池を容易に製造することができる。

上記の装置において、
前記各セパレータは、
前記第１のセパレータ要素と、
前記２つの単セルのうちの第２の単セルの前記第２の電極層に対向する第２のセパレータ要素と、
前記第１および第２のセパレータ要素に挟まれた第３のセパレータ要素と、
を含み、
前記第３のセパレータ要素は、前記第１のセパレータ要素の前記第２の面に接する前記連通路構成部材であり、
前記第１のセパレータ要素には、前記連通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する第２の孔が形成されているようにしてもよい。

上記の装置において、
前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルを冷却するための冷却液が通る第１種の冷却液通路を構成する第３の孔が形成されており、
前記第１のセパレータ要素の前記第１の面は、さらに、前記第３の孔の形成部位にバリを有し、前記第２の面は、前記第３の孔の形成部位に前記バリを有しておらず、
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は、前記第１種の冷却液通路から流入する冷却液が通る第２種の冷却液通路が形成されていることが好ましい。

この装置では、第１のセパレータ要素の第２の面が第３のセパレータ要素（連通路構成部材）に接しているため、第３の孔の形成部位に存在するバリによって第２種の冷却液通路の開口面積が減少せずに済む。

本発明の方法は、複数の単セルであって、前記各単セルは電解質層と前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と前記電解質層の他方の面に設けられた第２の電極層とを含む、前記複数の単セルと、複数のセパレータであって、前記各セパレータは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ている、前記複数のセパレータと、を備える燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記各セパレータに含まれて、前記２つの単セルのうちの第１の単セルの前記第１の電極層に対向する第１のセパレータ要素を準備する工程であって、前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルに供給される反応ガスが通る第１種の反応ガス通路を構成する第１の孔が形成されており、前記第１のセパレータ要素は、前記第１の孔の形成に伴って発生したバリを有する第１の面と、前記第１の孔の形成に伴って発生した前記バリを有していない第２の面と、を含む、前記工程と、
（ｂ）前記第１のセパレータ要素を、前記第１のセパレータ要素と前記第１の単セルの前記第１の電極層との間に、前記電解質層に供給される反応ガスが通る第２種の反応ガス通路が形成され、かつ、前記第２の面が前記第１種の反応ガス通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する連通路を構成する連通路構成部材と接するように、配置する工程と、
を備えることを特徴とする。

こうすれば、本発明の装置である燃料電池を容易に製造することができる。

上記の方法において、
前記工程（ａ）は、
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、前記第１のセパレータ要素を作製する工程を含むようにしてもよい。

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、燃料電池およびその製造方法、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。

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．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池スタックの構成：
Ａ−２．燃料電池スタックの製造方法：
Ｂ．第２実施例：

Ａ．第１実施例：
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。

図１は、第１実施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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

ガスケット２６は、図１に示すように、セパレータ５０と接触する凸部を有している。凸部は、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、凸部は、６つの長孔６１ｇ〜６６ｇの周囲に設けられている。また、凸部は、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。

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。

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。

図３は、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。

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）。

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。

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、セル間冷却通路および隣接する２つの単セル２０間のセル用冷却液通路を構成する複数の長孔７８が形成されている（図１参照）。

なお、３つのプレート５２，５４，５６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。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。

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。

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。

また、スタック１００に供給された冷却液は、中間プレート５４の長孔７８を通って、スタック１００から排出される。

Ａ−２．燃料電池スタックの製造方法：
図４は、燃料電池スタック１００の製造の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０２では、複数の単セル２０が準備される。具体的には、前述したように、ＭＥＧＡ２２とガスケット２６とを含むセルモジュールが準備されると共に、多孔質体２４ａ，２４ｃが準備される。

ステップＳ１０４では、複数のセパレータ５０が準備される。なお、ステップＳ１０４の処理については後述する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０２で準備された複数の単セル２０と、ステップＳ１０４で準備された複数のセパレータ５０と、を用いてスタック１００が作製される。具体的には、各セルモジュールと各セパレータ５０との間に多孔質体を介在させつつ、複数の単セル２０と複数のセパレータ５０とを積層することによって、スタック１００が作製される。

図５は、図４のステップＳ１０４の処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１２では、３つのプレート５２，５４，５６が作製される。具体的には、まず、金属製の板材が準備される。板材としては、前述したように、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板材が利用される。次に、板材に対して打ち抜きプレス処理が施され、これにより、各プレート５２，５４，５６が作製される。

図６は、打ち抜きプレス処理の概要を示す説明図である。打ち抜きプレス処理は、下型２１０と上型２２０とを含む金型２００を用いて行われる。なお、ここでは、カソード側プレート５２を作製する場合について説明する。

下型２１０には、複数の孔２１２が設けられており、複数の孔２１２は、図３（Ａ）に示すカソード側プレート５２の複数の孔に対応している。上型２２０には、複数の凸部２２２が設けられており、複数の凸部２２２は、カソード側プレート５２の複数の孔に対応している。下型２１０の上に板材Ｐが載置されると、上型２２０を下降させる（図６（Ａ）参照）。このとき、上型２２０の各凸部２２２は、下型２１０の各孔２１２内に挿入され、この結果、板材Ｐには複数の孔が形成される。その後、上型２２０を上昇させる（図６（Ｂ）参照）と、カソード側プレート５２が得られる。

なお、アノード側プレート５６および中間プレート５４についても、カソード側プレート５２と同様に、打ち抜きプレス処理によって作製される。

ステップＳ１１４（図５）では、ステップＳ１１２で準備された３つのプレート５２，５４，５６を積層することによって、セパレータ５０が作製される。そして、３つのプレートの積層体に対して、拡散接合処理を施すことにより、セパレータ５０が作製される。

ところで、図６（Ａ），（Ｂ）に示す金型２００を用いて多数のプレート５２を作製すると、金型２００が摩耗してしまう。具体的には、下型２１０の孔２１２の上端を構成するエッジや、上型２２０の凸部２２２の下端を構成するエッジが摩耗してしまう。この結果、図６（Ｂ）に拡大して示すように、プレート５２に形成される孔の周囲には、バリが発生してしまう。なお、バリは、孔の周囲に発生する凸部を意味し、例えばプレートの厚みの約５〜約３０％の高さを有する。バリは、プレート５２の２つの面のうち、下型２２０に接する一方の面のみに発生しており、上型２２０に接する他方の面には発生していない。ただし、プレート５２の他方の面には、ダレが発生し得る。以下では、プレート５２のバリを有する一方の面Ｓ５２ｂを「バリ発生面」とも呼び、バリを有していない他方の面Ｓ５２ｎを「非バリ発生面」とも呼ぶ。

なお、アノード側プレート５６および中間プレート５４についても、カソード側プレート５２と同様に、一方の面のみにバリが発生し得る。

図１において、カソード側プレート５２の第１の長孔６１ｃの周囲にバリが形成され、バリ発生面Ｓ５２ｂが中間プレート５４に接するように配置される場合には、連通孔７１ｍによって形成される連通路の入口の面積（開口面積）が減少し、この結果、該連通路を介して、セル間酸化ガス通路からセル内酸化ガス通路に酸化ガスを効率よく供給することが困難となってしまう。このため、ステップＳ１１２では、カソード側プレート５２のバリを除去するための除去処理（研磨等）が行われることが好ましい。

しかしながら、バリの除去処理は、時間および手間を要する。そこで、本実施例では、打ち抜きプレス処理を採用しつつ、バリの除去処理を省略または軽減することができるように工夫している。

具体的には、本実施例のステップＳ１１２では、カソード側プレート５２は、図３（Ａ）に表される表面がバリ発生面Ｓ５２ｂとなり、裏面が非バリ発生面Ｓ５２ｎとなるように、作製される。また、アノード側プレート５６は、図３（Ｃ）に表される表面がバリ発生面となり、裏面が非バリ発生面となるように作製される。

なお、中間プレート５４はアノード側プレート５６とカソード側プレート５２とに挟まれるため、中間プレート５４のバリは、カソード側プレート５２またはアノード側プレート５６と干渉し得る。このため、本実施例では、中間プレート５４に対しては、バリの除去処理が実行される。なお、中間プレート５４は、打ち抜きプレス処理に代えて、エッチング処理によって作製されるようにしてもよい。

そして、本実施例のステップＳ１１２では、カソード側プレート５２の非バリ発生面とアノード側プレート５６の非バリ発生面とが中間プレート５４に接するように、３つのプレート５２，５４，５６が接合される。

図７は、燃料電池スタック１００内部に形成されたセル間反応ガス通路を含む部分断面図である。図７（Ａ）には、セル間酸化ガス通路が示されており、図７（Ｂ）には、セル間燃料ガス通路が示されている。セパレータ５０は、隣り合う２つの単セル２０ａ，２０ｂの間に配置されている。

図７（Ａ）に示すように、カソード側プレート５２の第１の長孔６１ｃ付近には、バリが発生している。そして、カソード側プレート５２は、バリ発生面Ｓ５２ｂが第１の単セル２０ａのカソード側の触媒電極層３１ｃに対向し、非バリ発生面Ｓ５２ｎが中間プレート５４に接するように、配置されている。また、図７（Ａ）に示すように、アノード側プレート５６の第１の長孔６１ａ付近にも、バリが発生している。そして、アノード側プレート５６は、バリ発生面Ｓ５６ｂが第２の単セル２０ｂのアノード側の触媒電極層３１ａに対向し、非バリ発生面Ｓ５６ｎが中間プレート５４に接するように、配置されている。

図７（Ａ）から分かるように、このスタック１００では、２つのプレート５２，５６のバリ発生面Ｓ５２ｂ，Ｓ５６ｂは、中間プレート５４に接していないため、中間プレート５４の連通孔７１ｍによって構成される連通路の入口面積は、バリによって減少しない。仮に、２つのプレート５２，５６のバリ発生面Ｓ５２ｂ，Ｓ５６ｂが中間プレート５４に接している場合には、連通路の入口面積は、バリによって減少してしまう。すなわち、本実施例では、該連通路を介して、セル間酸化ガス通路からセル内酸化ガス通路に酸化ガスを効率よく供給することができる。

なお、図示は省略されているが、２つのプレート５２，５６の第２の長孔６２ｃ，６２ａ付近も図７（Ａ）と同様であり、中間プレート５４の連通孔７２ｍによって構成される連通路の出口の面積（開口面積）は、バリによって減少しない。したがって、本実施例では、該連通路を介して、セル内酸化ガス通路からセル間酸化ガス通路に使用済みの酸化ガスを効率よく排出することができる。

図７（Ｂ）に示すように、カソード側プレート５２の第３の長孔６３ｃおよびアノード側プレート５６の第３の長孔６３ａ付近にも、バリが発生している。しかしながら、図７（Ｂ）から分かるように、中間プレート５４の連通孔７３ｍによって構成される連通路の入口面積は、バリによって減少しない。したがって、本実施例では、該連通路を介して、セル間燃料ガス通路からセル内燃料ガス通路に燃料ガスを効率よく供給することができる。

なお、図示は省略されているが、２つのプレート５２，５６の第４の長孔６４ｃ，６４ａ付近も図７（Ｂ）と同様であり、中間プレート５４の連通孔７４ｍによって構成される連通路の出口面積は、バリによって減少しない。したがって、本実施例では、該連通路を介して、セル内燃料ガス通路からセル間燃料ガス通路に使用済みの燃料ガスを効率よく排出することができる。

図８は、燃料電池スタック１００内部に形成されたセル間冷却液通路を含む部分断面図である。図８に示すように、カソード側プレート５２の第５の長孔６５ｃおよびアノード側プレート５６の第５の長孔６５ａ付近にも、バリが発生している。しかしながら、図８から分かるように、中間プレート５４の長孔７８によって構成されるセル用冷却液通路の入口面積は、バリによって減少しない。したがって、本実施例では、セル間冷却液通路からセル用冷却液通路に冷却液を効率よく流入させることができる。

なお、図示は省略されているが、２つのプレート５２，５６の第６の長孔６６ｃ，６６ａ付近も図８と同様であり、セル用冷却液通路からセル間冷却液通路に冷却液を効率よく流出させることができる。

ところで、ステップＳ１１２（図５）の打ち抜きプレス処理によって、実際には、カソード側プレート５２の複数の小孔７１ｃ，７２ｃの周囲にもバリが発生し得る。ただし、本実施例では、複数の小孔７１ｃ，７２ｃ付近のバリは、カソード側の多孔質体２４ｃに押し付けられるため、該バリの高さは低減される。このため、本実施例では、複数の小孔７１ｃ，７２ｃ付近のバリは、酸化ガスの流通をあまり阻害しない。しかしながら、酸化ガスの流通が阻害される場合には、複数の小孔７１ｃ，７２ｃ付近のバリは除去されることが好ましい。ただし、このような場合にも、第１の長孔６１ｃおよび第２の長孔６２ｃ付近のバリは除去する必要がないため、バリの除去処理を軽減することができる。なお、アノード側プレート５６についても同様である。

以上説明したように、本実施例では、カソード側プレート５２の非バリ発生面Ｓ５２ｎが中間プレート５４に接しているため、長孔６１ｃ，６２ｃの形成に伴って発生したバリによって連通路の開口面積が減少せずに済む。このため、カソード側プレート５２のバリの除去処理を省略または軽減することができ、この結果、スタック１００を容易に製造することができる。

同様に、本実施例では、アノード側プレート５６の非バリ発生面Ｓ５６ｎが中間プレート５４に接しているため、長孔６３ｃ，６４ｃの形成に伴って発生したバリによって連通路の開口面積が減少せずに済む。このため、アノード側プレート５６のバリの除去処理を省略または軽減することができ、この結果、スタック１００を容易に製造することができる。

特に、本実施例では、２つのプレート５２，５６の非バリ発生面Ｓ５２ｎ，Ｓ５６ｎが中間プレート５４に接しているため、２つのプレート５２，５６の長孔６１ｃ〜６４ｃ付近に発生したバリによってセル用冷却液通路の開口面積が減少せずに済むという利点もある。

なお、上記の説明から分かるように、本実施例におけるカソード側の触媒電極層３１ｃとアノード側の触媒電極層３１ａとのうちの一方が、本発明における第１の電極層に相当し、他方が第２の電極層に相当する。そして、本実施例におけるカソード側プレート５２とアノード側プレート５６とのうちの一方が本発明における第１のセパレータ要素に相当し、他方が第２のセパレータ要素に相当する。また、中間プレート５４が本発明における連通路構成部材および第３のセパレータ要素に相当する。

Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図である。図示するように、スタック１００Ｂは、単セル２０Ｂと、セパレータ５０Ｂと、を含んでいる。

単セル２０Ｂは、ＭＥＧＡ２２と、ＭＥＧＡ２２の周囲に設けられたアノード側フレーム１２２およびカソード側フレーム１２６と、を含んでいる。２つのフレーム１２２，１２６は枠状の形状を有しており、２つのフレームの間には、ＭＥＧＡ２２の端部（より具体的には電解質膜３０の端部）が挟まれている。

なお、各フレーム１２２，１２６は、例えば、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリアミド，ポリウレタン，ポリエチレンテレフタレートなどの絶縁性を有する樹脂材料で形成されている。

セパレータ５０Ｂは、カソード側プレート１５２と、アノード側プレート１５６と、を備えている。２つのプレート１５２，１５６の中央部分には、それぞれ、波状の凹凸が形成されている。カソード側プレート１５２の凹部Ｃｃは、カソード側のガス拡散層３２ｃに接しており、アノード側プレート１５６の凹部Ａｃは、アノード側のガス拡散層３２ａに接している。カソード側プレート１５２の凸部Ｃｖは、アノード側プレート１５６の凸部Ａｖと接している。

カソード側プレート１５２の凸部Ｃｖとガス拡散層３２ｃとの間には、図面の法線方向に沿って、セル内酸化ガス通路が形成されている。同様に、アノード側プレート１５６の凸部Ａｖとガス拡散層３２ａとの間には、図面の法線方向に沿って、セル内燃料ガス通路が形成されている。また、カソード側プレート１５２の凹部Ｃｃとアノード側プレート１５６の凹部Ａｃとの間には、図面の法線方向に沿って、セル用冷却液通路が形成されている。

なお、各プレート１５２，１５６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材料で形成されている。

本実施例のスタック１００Ｂも、図４，図５の処理によって作製することができる。具体的には、図５のステップＳ１１２では、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、２つのプレート１５２，１５６が作製される。なお、本実施例では、２つのプレート１５２，１５６の波状の凹凸に対応する形状を有する金型が利用される。そして、２つのプレート１５２，１５６を接合して、セパレータ５０Ｂが作製される。

図１０は、燃料電池スタック１００Ｂ内部に形成されたセル間反応ガス通路を含む部分断面図である。図１０（Ａ）には、セル間酸化ガス通路が示されており、図１０（Ｂ）には、セル間燃料ガス通路が示されている。セパレータ５０Ｂは、隣り合う２つの単セル２０Ｂａ，２０Ｂｂの間に配置されている。

図１０（Ａ）に示すように、２つのフレーム１２２，１２６および２つのプレート１５２，１５６には、セル間酸化ガス通路を構成する孔１２２ｏ，１２６ｏ，１５２ｏ，１５６ｏがそれぞれ設けられている。なお、２つのプレート１５２，１５６の間には、孔１５２ｏ，１５６ｏ付近において、間隙が設けられている。また、カソード側フレーム１２６には、セル間酸化ガス通路とセル内酸化ガス通路とを接続する連通路を構成する凹部１２６ｐが設けられている。なお、これに代えて、カソード側フレーム１２６には、該連通路を構成する孔が設けられていてもよい。

本実施例においても、カソード側プレート１５２の孔１５２ｏ付近には、バリが発生している。そして、カソード側プレート１５２は、バリ発生面Ｓ１５２ｂがアノード側プレート１５６に接し、非バリ発生面Ｓ１５２ｎが第１の単セル２０Ｂａのカソード側の触媒電極層３１ｃに対向するように、配置されている。

図１０（Ａ）から分かるように、このスタック１００Ｂでは、カソード側プレート１５２のバリ発生面Ｓ１５２ｂは、カソード側フレーム１２６に接していないため、カソード側フレーム１２６の凹部１２６ｐによって構成される連通路の入口面積は、バリによって減少しない。仮に、カソード側プレート１５２のバリ発生面Ｓ１５２ｂがカソード側フレーム１２６に接している場合には、連通路の入口面積は、バリによって減少してしまう。すなわち、本実施例でも、該連通路を介して、セル間酸化ガス通路からセル内酸化ガス通路に酸化ガスを効率よく供給することができる。

図１０（Ｂ）に示すように、２つのフレーム１２２，１２６および２つのプレート１５２，１５６には、セル間燃料ガス通路を構成する孔１２２ｈ，１２６ｈ，１５２ｈ，１５６ｈがそれぞれ設けられている。なお、２つのプレート１５２，１５６の間には、孔１５２ｈ，１５６ｈ付近において、間隙が設けられている。また、アノード側フレーム１２２には、セル間燃料ガス通路とセル内燃料ガス通路とを接続する連通路を構成する凹部１２２ｐが設けられている。なお、これに代えて、アノード側フレーム１２２には、該連通路を構成する孔が設けられていてもよい。

本実施例においても、アノード側プレート１５６の孔１５６ｏ付近には、バリが発生している。そして、アノード側プレート１５６は、バリ発生面Ｓ１５６ｂがカソード側プレート１５２に接し、非バリ発生面Ｓ１５６ｎが第２の単セル２０Ｂｂのアノード側の触媒電極層３１ａに対向するように、配置されている。

図１０（Ｂ）から分かるように、このスタック１００Ｂでは、アノード側プレート１５６のバリ発生面Ｓ１５６ｂは、アノード側フレーム１２２に接していないため、アノード側フレーム１２２の凹部１２２ｐによって構成される連通路の入口面積は、バリによって減少しない。したがって、本実施例でも、該連通路を介して、セル間燃料ガス通路からセル内燃料ガス通路に燃料ガスを効率よく供給することができる。

なお、図１０では、２つのフレーム１２２，１２６および２つのプレート１５２，１５６の酸化ガスおよび燃料ガスの供給側の構造について説明したが、排出側の構造も同様である。

図１１は、燃料電池スタック１００Ｂ内部に形成されたセル間冷却液通路を含む部分断面図である。図１１に示すように、２つのフレーム１２２，１２６および２つのプレート１５２，１５６には、セル間冷却液通路を構成する孔１２２ｔ，１２６ｔ，１５２ｔ，１５６ｔが設けられている。

本実施例においても、カソード側プレート１５２の孔１５２ｔおよびアノード側プレート１５６の孔１５６ｔ付近には、バリが発生している。ただし、本実施例では、図１１から分かるように、２つのプレート１５２，１５６の間に形成されるセル用冷却液通路の入口面積は、バリによって減少している。すなわち、本実施例では、セル間冷却液通路からセル用冷却液通路に冷却液を効率よく流入させることが困難である。この点において、第１実施例の構成は、第２実施例の構成よりも優れていると言える。

なお、図１１では、２つのフレーム１２２，１２６および２つのプレート１５２，１５６の冷却液の流入側の構造について説明したが、流出側の構造も同様である。

以上説明したように、本実施例では、カソード側プレート１５２の非バリ発生面Ｓ１５２ｎがアノード側プレート１５６に接しているため、孔１５２ｏの形成に伴って発生したバリによって連通路の開口面積が減少せずに済む。このため、カソード側プレート１５２のバリの除去処理を省略することができ、この結果、スタック１００Ｂを容易に製造することができる。

同様に、本実施例では、アノード側プレート１５６の非バリ発生面Ｓ１５６ｎがカソード側プレート１５２に接しているため、孔１５６ｈの形成に伴って発生したバリによって連通路の開口面積が減少せずに済む。このため、アノード側プレート５６のバリの除去処理を省略することができ、この結果、スタック１００Ｂを容易に製造することができる。

なお、上記の説明から分かるように、本実施例におけるカソード側プレート１５２とアノード側プレート１５６とのうちの一方が本発明における第１のセパレータ要素に相当し、他方が第２のセパレータ要素に相当する。また、カソード側フレーム１２６とアノード側フレーム１２２とのうちの一方が本発明における連通路構成部材に相当する。

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。

（１）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。また、上記実施例では、第１および第２実施例に示す構造を有する燃料電池スタック１００が利用されているが、他の種々の構造を有する燃料電池スタックが利用されてもよい。

例えば、第１実施例において、中間プレートは、金属製の中央部分と樹脂製の周辺部分とを含んでいてもよい。この場合には、中央部分にセル用冷却液通路を構成する孔が設けられ、周辺部分に各セル間通路を構成する孔が設けられればよい。

（２）第１実施例では、セパレータ５０を構成するプレート５２，５６は、金型を用いた打ち抜きプレス処理によって作製されているが、これに代えて、ドリル等を用いた孔開け加工処理によって作製されてもよい。この場合にも、各プレートの一方の面のみに、バリが発生し得る。

一般には、本発明は、セパレータ要素が、セル間反応ガス通路を構成する第１の孔の形成に伴って発生したバリを有する第１の面と、該バリを有していない第２の面と、を有する場合に適用可能である。

（３）上記実施例では、カソード側プレートとアノード側プレートとの双方に本発明が適用されているが、一般には、２つのプレートのうちの一方のみに本発明が適用されればよい。

第１実施例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。 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。 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。 燃料電池スタック１００の製造の手順を示すフローチャートである。 図４のステップＳ１０４の処理の手順を示すフローチャートである。 打ち抜きプレス処理の概要を示す説明図である。 燃料電池スタック１００内部に形成されたセル間反応ガス通路を含む部分断面図である。 燃料電池スタック１００内部に形成されたセル間冷却液通路を含む部分断面図である。 第２実施例における燃料電池スタック１００Ｂの部分断面図である。 燃料電池スタック１００Ｂ内部に形成されたセル間反応ガス通路を含む部分断面図である。 燃料電池スタック１００Ｂ内部に形成されたセル間冷却液通路を含む部分断面図である。

符号の説明

２０，２０Ｂ…単セル
２２…ＭＥＧＡ
２４ａ，２４ｃ…多孔質体
２６…ガスケット
３０…電解質膜
３１ａ，３１ｃ…触媒電極層
３２ａ，３２ｃ…ガス拡散層
５０，５０Ｂ…セパレータ
５２…カソード側プレート
５４…中間プレート
５６…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
７８…長孔
１００，１００Ｂ…燃料電池スタック
１２２…アノード側フレーム
１２２ｐ…凹部
１２６…カソード側フレーム
１２６ｐ…凹部
１５２…カソード側プレート
１５６…アノード側プレート
１２２ｔ，１２６ｔ，１５２ｔ，１５６ｔ…孔
１２２ｈ，１２６ｈ，１５２ｈ，１５６ｈ…孔
１２２ｏ，１２６ｏ，１５２ｏ，１５６ｏ…孔
２００…金型
２１０…下型
２１２…孔
２２０…上型
２２２…凸部
Ａｃ…凹部
Ａｖ…凸部
Ｃｃ…凹部
Ｃｖ…凸部
Ｐ…板材
Ｓ５２ｂ，Ｓ５６ｂ，Ｓ１５２ｂ，Ｓ１５６ｂ…バリ発生面
Ｓ５２ｎ，Ｓ５６ｎ，Ｓ１５２ｎ，Ｓ１５６ｎ…非バリ発生面

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   複数の単セルであって、前記各単セルは電解質層と前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と前記電解質層の他方の面に設けられた第２の電極層とを含む、前記複数の単セルと、
   複数のセパレータであって、前記各セパレータは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ている、前記複数のセパレータと、
   を備え、
   前記各セパレータは、
   前記２つの単セルのうちの第１の単セルの前記第１の電極層に対向する第１のセパレータ要素であって、前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルに供給される反応ガスが通る第１種の反応ガス通路を構成する第１の孔が形成されており、前記第１のセパレータ要素は、前記第１の孔の形成部位にバリを有する第１の面と、前記第１の孔の形成部位に前記バリを有していない第２の面と、を含む、前記第１のセパレータ要素を備え、
   前記第１のセパレータ要素は、前記第１のセパレータ要素と前記第１の単セルの前記第１の電極層との間に、前記電解質層に供給される反応ガスが通る第２種の反応ガス通路が形成され、かつ、前記第２の面が前記第１種の反応ガス通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する連通路を構成する連通路構成部材と接するように、配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記各セパレータは、
   前記第１のセパレータ要素と、
   前記２つの単セルのうちの第２の単セルの前記第２の電極層に対向する第２のセパレータ要素と、
   前記第１および第２のセパレータ要素に挟まれた第３のセパレータ要素と、
   を含み、
   前記第３のセパレータ要素は、前記第１のセパレータ要素の前記第２の面に接する前記連通路構成部材であり、
   前記第１のセパレータ要素には、前記連通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する第２の孔が形成されている、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルを冷却するための冷却液が通る第１種の冷却液通路を構成する第３の孔が形成されており、
   前記第１のセパレータ要素の前記第１の面は、さらに、前記第３の孔の形成部位にバリを有し、前記第２の面は、前記第３の孔の形成部位に前記バリを有しておらず、
   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は、前記第１種の冷却液通路から流入する冷却液が通る第２種の冷却液通路が形成されている、燃料電池。
4. 複数の単セルであって、前記各単セルは電解質層と前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と前記電解質層の他方の面に設けられた第２の電極層とを含む、前記複数の単セルと、複数のセパレータであって、前記各セパレータは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ている、前記複数のセパレータと、を備える燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）前記各セパレータに含まれて、前記２つの単セルのうちの第１の単セルの前記第１の電極層に対向する第１のセパレータ要素を準備する工程であって、前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルに供給される反応ガスが通る第１種の反応ガス通路を構成する第１の孔が形成されており、前記第１のセパレータ要素は、前記第１の孔の形成に伴って発生したバリを有する第１の面と、前記第１の孔の形成に伴って発生した前記バリを有していない第２の面と、を含む、前記工程と、
   （ｂ）前記第１のセパレータ要素を、前記第１のセパレータ要素と前記第１の単セルの前記第１の電極層との間に、前記電解質層に供給される反応ガスが通る第２種の反応ガス通路が形成され、かつ、前記第２の面が前記第１種の反応ガス通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する連通路を構成する連通路構成部材と接するように、配置する工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
5. 請求項４記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記各セパレータは、
   前記第１のセパレータ要素と、
   前記２つの単セルのうちの第２の単セルの前記第２の電極層に対向する第２のセパレータ要素と、
   前記第１および第２のセパレータ要素に挟まれた第３のセパレータ要素と、
   を含み、
   前記第３のセパレータ要素は、前記第１のセパレータ要素の前記第２の面に接する前記連通路構成部材であり、
   前記第１のセパレータ要素には、前記連通路と前記第２種の反応ガス通路とを接続する第２の孔が形成されている、燃料電池の製造方法。
6. 請求項５記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記第１のセパレータ要素には、前記燃料電池内部に設けられて前記複数の単セルを冷却するための冷却液が通る第１種の冷却液通路を構成する第３の孔が形成されており、
   前記第１のセパレータ要素の前記第１の面は、さらに、前記第３の孔の形成に伴って発生したバリを有し、前記第２の面は、前記第３の孔の形成に伴って発生した前記バリを有しておらず、
   前記工程（ｂ）は、前記第１のセパレータ要素を、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、前記第１種の冷却液通路から流入する冷却液が通る第２種の冷却液通路が形成されるように、配置する工程を含む、燃料電池の製造方法。
7. 請求項４ないし６記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記工程（ａ）は、
   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、前記第１のセパレータ要素を作製する工程を含む、燃料電池の製造方法。

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