JP2018120684A - 燃料電池用セパレータ部材 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材の汎用性を向上させる。【解決手段】当接する冷却面同士の間に冷却媒体流路を構成する一対のセパレータの一方のカソードセパレータ部材２は、冷却面５に、冷却媒体流路６と、冷却媒体流路６の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の接着剤用凹部９と、接着剤用凹部９の外周側に隣接してガスケットを収容可能に形成された溝状の冷却媒体ガスケット用凹部１０とを有し、接着剤用凹部９は、冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも浅く冷却媒体を接着によりシールするための接着剤に適した深さを有しており、冷却媒体ガスケット用凹部１０はガスケットの収容に適した深さを有している。【選択図】図３

Description

本発明は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、その冷却面同士の間に冷却媒体が通流する冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材に関するものである。

高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称す）は、電解質膜の両面に、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を配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有する。電解質膜−電極接合体の外周部に絶縁性の枠を設けたものを電極−膜−枠接合体と呼ぶ。

上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。

また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電極−膜−枠接合体の間に配置される。電極−膜−枠接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。

セパレータには、電極−膜−枠接合体に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体などの流体を供給するための流路溝と、流体を供給または排出するためのマニホールドとが、形成される。

セルを複数積層して燃料電池スタックとすることで、必要な電力を確保することが可能となる。

燃料電池スタックは、運転時に燃料ガスと酸化剤ガス、冷却媒体を供給し排出するが、供給した燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体が外部に漏れたり、互いに混ざったりしないように組み立て時に確認を行う。

通常、燃料電池スタックでは、発電性能や耐久性の低下が問題とならないように、セルごとにガスの漏れ量、冷却媒体の漏れ量の閾値を設けて検査している。

また、燃料電池スタックは、高効率化、高出力化にあたり、セルの積層数を多くするのが一般的であり、このためセルを構成する部品点数も増大する。

セルを全て積層した後、スタックの漏れ量を検査すると、その閾値は、セルごとの閾値を積層数だけ積算した値をみていることとなり、閾値を越えているセルがあるのかないのかの判別ができない。セルごとに検査すると確実だが時間が掛かるため、通常、漏れ量が判別可能な積層単位で検査し組み立てを行う。このセルの漏れ量が判別可能な積層単位をセル積層体と呼ぶ。

セル積層体について、漏れ量検査済みのセル積層体と次のセル積層体の間が、電極−膜−枠接合体となる場合、すなわち、セル積層体の両端面が電極−膜−枠接合体と当接する面の場合、漏れ量検査済みのセル積層体の上に電極−膜−枠接合体を置いてから次の漏れ量検査済みのセル積層体を載せることになるため、置かれた電極−膜−枠接合体と両検査済みのセル積層体の端面のセパレータとの間の漏れ検査ができていないまま燃料電池スタ
ックに組み立てられてしまうので、通常は漏れ量検査済みのセル積層体とセル積層体の間は冷却媒体を流す流路が形成される冷却面としている。

従来のセパレータの構成として、セパレータのガス流路面をシールする外周部にある第１シール部材の位置は、その裏側の冷却面同士を合わせることで構成する冷却面において冷却媒体が流れる冷却媒体流路溝に位置合わせされており、その外側にオフセットして冷却媒体をシールする為の第２シール部材として接着剤を接着剤用の凹部に塗布し、冷却面同士を接着しセパレータを一体化して部品点数を削減することや、第２シール部材として弾性シール部材を弾性シール部材用の凹部に接着することで、２枚のセパレータを冷却面で分離可能な構造となり、セル積層体の両端のセパレータとして使用することができる（例えば、特許文献１参照）。

図２０は、従来のアノードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図２１は、従来の接着用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図２２は、従来の冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図２３は、従来のガスケット付きアノードセパレータの構造を示す断面図である。図２４は、従来のガスケット付き冷却面接着セパレータの構造を示す断面図である。図２５は、従来のガスケット付きカソードセパレータの構造を示す断面図である。図２６は、従来のセル積層体の構造を示す断面図である。

図２０に示すように、従来のアノードセパレータ部材１００は、一方の主面に、燃料ガス流路１０３、燃料ガス流路１０３の外側に燃料ガスをシールする燃料ガスガスケット用凹部１０７が形成され、他方の主面（燃料ガス流路１０３の裏面）が冷却面１０５となっている。

図２１に示すように、従来の接着用カソードセパレータ部材１０１は、酸化剤ガス流路１０４の裏面が冷却面１０５になり、冷却面１０５に冷却媒体流路１０６が形成され、酸化剤ガス流路１０４が形成される面において、酸化剤ガス流路１０４の外側に、酸化剤ガスをシールする酸化剤ガスガスケット用凹部１０８が形成される。酸化剤ガスガスケット用凹部１０８は、冷却媒体流路１０６と位置合わせされている。

接着剤用凹部１０９は、アノードセパレータ部材１００と接着用カソードセパレータ部材１０１とを接着剤を用いて接着して冷却媒体をシールするため、冷却媒体流路１０６の外側にオフセットして配置されている。接着剤用凹部１０９の深さＤ１は、ボイドの発生等の不良発生を考慮して設定されている。

図２２に示すように、従来の冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材１０２は、接着用カソードセパレータ部材１０１と同様に、酸化剤ガス流路１０４の裏面が冷却面１０５になり、冷却面１０５に冷却媒体流路１０６が形成され、酸化剤ガス流路１０４が形成される面において、酸化剤ガス流路１０４の外側に、酸化剤ガスをシールする酸化剤ガスガスケット用凹部１０８が形成される。酸化剤ガスガスケット用凹部１０８は、冷却媒体流路１０６と位置合わせされている。

冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材１０２は、アノードセパレータ部材１００と接着されず、冷却媒体流路１０６を流れる冷却媒体を冷却媒体ガスケットを用いてシールするため、冷却媒体ガスケット用凹部１１０は、冷却媒体流路１０６の外側にオフセットして配置されている。冷却媒体ガスケット用凹部１１０の深さＤ２は、適切な圧縮率を確保することを考慮して設定されている点で、接着用カソードセパレータ部材１０１と異なる。

図２３に示すように、従来のガスケット付きアノードセパレータ１１６は、アノードセパレータ部材１００の燃料ガス流路１０３の外側に形成された燃料ガスガスケット用凹部１０７の底面に、燃料ガスガスケット１１２を設置（接着）したものである。

図２４に示すように、従来のガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１は、アノードセパレータ部材１００の冷却面１０５と、接着用カソードセパレータ部材１０１の冷却面１０５とを当接させて、接着剤用凹部１０９に塗布した接着剤１１５にて冷却面１０５同士を接着して、冷却面１０５同士の間に冷却媒体流路１０６を形成している。

アノードセパレータ部材１００の燃料ガスガスケット用凹部１０７の底面には燃料ガスガスケット１１２が接着され、接着用カソードセパレータ部材１０１の酸化剤ガスガスケット用凹部１０８の底面に酸化剤ガスガスケット１１３が接着されている。

このように構成することで、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１の冷却媒体の漏れについては、組み立て前に確認ができており、セパレータを一体化することで積層時の部品点数を削減している。

図２５に示すように、従来のガスケット付きカソードセパレータ１１７は、冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材１０２の酸化剤ガス流路１０４の外側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部１０８の底面に、酸化剤ガスガスケット１１３を設置（接着）し、冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材１０２の冷却面１０５の冷却媒体流路１０６の外側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部１１０に、冷却媒体ガスケット１１４を設置（接着）している。

図２６に示すように、従来のセル積層体２２０は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは５セル積層している。セル積層体２２０は、下方からガスケット付きアノードセパレータ１１６、電極−膜−枠接合体１１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１、電極−膜−枠接合体１１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１、電極−膜−枠接合体１１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１、電極−膜−枠接合体１１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１、電極−膜−枠接合体１１８、ガスケット付きカソードセパレータ１１７の順で積層されている。

この構成により、セル積層体２２０の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ１１６の冷却面１０５、セル積層体２２０の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ１１７の冷却面１０５となっている。

そして、セル積層体２２０のガスケット付きカソードセパレータ１１７の冷却面１０５の上に、他のセル積層体２２０のガスケット付きアノードセパレータ１１６の冷却面１０５が当接し、冷却媒体ガスケット１１４により重ねたセル積層体２２０間の冷却媒体はシールされる。

特開２００７−２１４０４９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、図２６のように、セル積層体２２０の上下端面を冷却面１０５とするには、ガスケット付きアノードセパレータ１１６、電極−膜−枠接合
体１１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１、ガスケット付きカソードセパレータ１１７の部品が必要となる。

これらの中でガスケット付きセパレータの元になるセパレータ部材に関して、ガスケット付きアノードセパレータ１１６は、アノードセパレータ部材１００、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１は、アノードセパレータ部材１００と接着用カソードセパレータ部材１０１、ガスケット付きカソードセパレータ１１７は、弾性シール部材用カソードセパレータ部材１０２から製作されている。

ここで、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１１の接着用カソードセパレータ部材１０１の代わりに弾性シール部材用カソードセパレータ部材１０２を用いようとすると、接着剤の厚みが厚くなり、ボイドが発生しやすいという問題が生じる。

また、ガスケット付きカソードセパレータ１１７の弾性シール部材用カソードセパレータ部材１０２の代わりに接着用カソードセパレータ部材１０１を用いようとすると、弾性シール部材に必要な圧縮率を確保できないという問題があり、セル積層体の部品点数は少ないが、３種類の燃料電池用セパレータ部材が必要になるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じで、元になる一対のセパレータ部材において、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路を、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着する接着剤でシールするか、それとも、一対のセパレータの冷却面同士を接着せずに分離可能にして、冷却媒体流路の外周側に収容されるガスケットでシールするかを、選択可能な汎用性に優れた燃料電池用セパレータ部材を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用セパレータ部材は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材であって、冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第１凹部と、冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第２凹部とを有し、第１凹部が第２凹部よりも浅いものである。

これにより、第１凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第１凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第２凹部にはガスケットを収容する必要はない。

また、高さ寸法が第２凹部の深さよりも高いガスケットを第２凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第２凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。

また、第１凹部が第２凹部よりも浅いので、第１凹部を接着剤の充填（接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着）に適した深さにでき、第２凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第１凹部と第２凹部とに明確な深さの差がある場合には、第１凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第２凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第１凹部とガスケット用の第２凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

本発明の燃料電池用セパレータ部材は、第１凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第１凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第２凹部にはガスケットを収容する必要はない。

また、高さ寸法が第２凹部の深さよりも高いガスケットを第２凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第２凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。

また、第１凹部が第２凹部よりも浅いので、第１凹部を接着剤の充填（接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着）に適した深さにでき、第２凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第１凹部と第２凹部とに明確な深さの差がある場合には、第１凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第２凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第１凹部とガスケット用の第２凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

本発明の実施の形態１から３における燃料電池スタックの構成を示す外観斜視図 本発明の実施の形態１から３における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１、３におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１、３におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１から３における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態１におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態２におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態３におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態３におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態３におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 本発明の実施の形態３におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図 従来のアノードセパレータ部材の構造を示す断面図 従来の接着用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図 従来の冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図 従来のガスケット付きアノードセパレータの構造を示す断面図 従来のガスケット付き冷却面接着セパレータの構造を示す断面図 従来のガスケット付きカソードセパレータの構造を示す断面図 従来のセル積層体の構造を示す断面図

第１の発明は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材であって、冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第１凹部と、冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第２凹部とを有し、第１凹部が第２凹部よりも浅いことを特徴とする。

これにより、第１凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第１凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第２凹部にはガスケットを収容する必要はない。

また、高さ寸法が第２凹部の深さよりも高いガスケットを第２凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第２凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。

また、第１凹部が第２凹部よりも浅いので、第１凹部を接着剤の充填（接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着）に適した深さにでき、第２凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第１凹部と第２凹部とに明確な深さの差がある場合には、第１凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第２凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第１凹部とガスケット用の第２凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

また、一対のセパレータで、冷却媒体をシールする接着剤が、ボイドが発生しにくい適切な深さで、接着性を考慮した適切な幅の第１凹部に塗布して接着できるようになり、シール性に優れたガスケット付き冷却面接着セパレータを製作することができ、また、同じ一対のセパレータで、冷却媒体をシールするガスケットが、ガスケットの高さ寸法と圧縮率を考慮した適切な深さで、ガスケットの収容を考慮した適切な幅の第２凹部に収納することができるようになり、ガスケット付きアノードセパレータとガスケット付きカソードセパレータを分割して使用することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１凹部が、第２凹部よりも冷却媒体流路に近い位置に配置されていることを特徴とするものである。

これにより、一対のセパレータを接着して冷却面接着セパレータとして使用する場合、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないため冷却媒体が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路に冷却媒体を安定して流すことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の一対のセパレータのうちの一方のセパレータの冷却面に、第１凹部と第２凹部とを有し、第１凹部と第２凹部とが隣接していることを特徴とするものである。

これにより、第１凹部と第２凹部の間に他方のセパレータとの当接面がなく、第１凹部に塗布する接着剤の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する第２凹部に接着剤が溢れるため、冷却媒体流路側に接着剤が溢れてセパレータ同士の接触抵抗増加による性能低下を防止することができる。また、溢れた接着剤により冷却水流路が閉塞することもないため、冷却媒体流路内に冷却媒体を安定して流すことができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明の一対のセパレータのうちの一方のセパレータの冷却面に第１凹部を有し、一対のセパレータのうちの他方のセパレータの冷却面に第２凹部を有することを特徴とするものである。

これにより、接着剤の塗布を冷却面に冷却媒体流路や第２凹部がない状態でできるため接着剤による汚染を低減できる。また、第１凹部と第２凹部と組み合わせて間に当接部をなくして１つの空間にすることもできるので、第１凹部に塗布する接着剤の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても繋がっている第２凹部に接着剤が溢れるため、冷却媒体流路側に接着剤が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。また、溢れた接着剤により冷却媒体流路が閉塞することもないため、冷却媒体流路に冷却媒体を安定して流すことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの構成を示す外観斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断し
た断面図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図４は、本発明の実施の形態１におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図５は、本発明の実施の形態１におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図６は、本発明の実施の形態１におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図７は、本発明の実施の形態１におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図８は、本発明の実施の形態１における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図９は、本発明の実施の形態１におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック９０は、セルを積層したスタック部９１を集電板４０，４１で挟み、さらに、その外側にエンドプレート７０，７７を配置し、ボルト８０でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。

エンドプレート７０の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口７３、酸化剤ガス排出口７４、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口７５、冷却媒体排出口７６を備えている。

図２に示すように、本実施の形態のスタック部９１は、複数のセル積層体２０を積み重ねて形成され、その両端に集電板４０，４１、その外側に絶縁板４２，４３、さらに、その外側にエンドプレート７０，７７が配置されている。

図３に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材２は、電極−膜−枠接合体のカソード側のガス拡散層と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路４と、酸化剤ガス流路４の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部８とが形成され、他方の主面（冷却面５）に、冷却媒体としてのイオン交換水が流れる冷却媒体流路６と、冷却媒体流路６の外周部に第１凹部となる接着剤用凹部９と、接着剤用凹部９の外側に隣接して第２凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部１０が形成されている。

酸化剤ガスガスケット用凹部８には、酸化剤ガス流路４の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、接着剤用凹部９には、アノードセパレータ部材とカソードセパレータ部材２とを接着する接着剤が充填され、冷却媒体ガスケット用凹部１０には、冷却媒体流路６のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、接着剤用凹部９は接着剤による接着とイオン交換水のシールに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部８は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。

接着剤用凹部９は冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも浅く、接着剤用凹部９は冷却媒体ガスケット用凹部１０の間は、他方のセパレータの冷却面とは当接しない。

図４に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材１は、電極−膜−枠接合体のアノード側のガス拡散層と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素が流れる燃料ガス流路３と、燃料ガス流路３の外周部に燃料ガスガスケット用凹部７とが形成され、他
方の平坦な主面（冷却面５）が、カソードセパレータ部材２の冷却面５と当接する。燃料ガスガスケット用凹部７は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。

図５に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２の酸化剤ガス流路４が形成された面における酸化剤ガス流路４の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部８に、酸化剤ガスガスケット１３を設置し、その裏面の冷却面５の冷却媒体流路６の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置したものである。

なお、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ１７には、接着剤は使用しないため、接着剤用凹部９には、何も設置されていない。

図６に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材１の冷却面５とカソードセパレータ部材２の冷却面５を当接させて、接着剤用凹部９に塗布した接着剤１５にて冷却面５同士を接着している、アノードセパレータ部材１の冷却面５とカソードセパレータ部材２の冷却面５との間に構成される冷却媒体流路６は、接着剤１５によってシールされている。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材１の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部７には燃料ガスガスケット１２が設置され、カソードセパレータ部材２の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部８には酸化剤ガスガスケット１３が設置されている。

これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１の冷却媒体の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。

図７に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材１の燃料ガス流路３の外周側に形成された燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置したものである。

図８に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体１８は、電解質膜３１と、電解質膜３１の一方の主面に配置されたアノード３２と、電解質膜３１の他方の主面に配置されたカソード３３と、を有する電解質膜−電極接合体３５と、電解質膜−電極接合体３５のアノード３２とカソード３３とに積層配置されるガス拡散層３４と、電解質膜−電極接合体３５の外周部分で露出する電解質膜３１を覆うように電解質膜−電極接合体３５を支持する枠体３０とで、構成される。

図９に示すように、本実施の形態のセル積層体２０は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは５セル積層している。

セル積層体２０は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ１６、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付きカソードセパレータ１７の順で積層されている。

電極−膜−枠接合体１８と燃料ガス流路３の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット１
２によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体１８と酸化剤ガス流路４の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット１３によりシールされる。

この構成により、セル積層体２０の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５、セル積層体２０の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５となっている。セル積層体２０のガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５の上に、他のセル積層体２０のガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５が当接し、冷却媒体ガスケット１４により重ねたセル積層体２０間の冷却媒体流路６を流れるイオン交換水はシールされる。

アノードセパレータ部材１、カソードセパレータ部材２は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。

燃料ガスガスケット１２、酸化剤ガスガスケット１３、冷却媒体ガスケット１４は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。

接着剤１５は、所定の高温耐久性と耐水性を有する。本実施の形態では、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いる。

枠体３０は、適度な機械的強度と耐熱性、優れた耐薬品性を有する樹脂部材である。本実施の形態では、変性ポリフェニレンエーテルで形成された部材を用いる。

電解質膜３１は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜であって、本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標））を用いる。

また、アノード３２は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、カソード３３は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。

ガス拡散層３４は、導電性と撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を分散させて構成された部材を用いる。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。

まず、セル積層体２０を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、ガスケット付きアノードセパレータ１６、ガスケット付きカソードセパレータ１７、電極−膜−枠接合体１８の４種類である。

ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置したものと、カソードセパレータ部材２の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３を設置したものを、カソードセパレータ部材２の冷却面５にある接着剤用凹部９に接着剤１５を塗布して、接着したものである。

接着剤１５を塗布するにあたり、接着剤用凹部９に隣接する冷却媒体ガスケット用凹部１０があるが、接着剤用凹部９と冷却媒体ガスケット用凹部１０の間にアノードセパレータ部材１との当接面がないので、接着剤用凹部９に塗布する接着剤１５の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する冷却媒体ガスケット用凹部１０に接着剤１５が溢れるため、冷却媒体流路６側に接着剤１５が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。また、溢れた接着剤１５により冷却媒体流路６が閉塞することもない。

また、浅い接着剤用凹部９が冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも冷却媒体流路６側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路６にイオン交換水を安定して流すことができる。

ガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置することで、できる。

ガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３と冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置することで、できる。

このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部１０に隣接する接着剤用凹部９があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット１４を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。

上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材１とカソードセパレータ部材２の２種類だけである。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材１、カソードセパレータ部材２、電極−膜−枠接合体１８のどちらかに一体とすることもできる。また、カソードセパレータ部材２に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材１の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。

また、冷却媒体流路６は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。

また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。

また、接着剤１５には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池スタックの構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態２における燃料電池スタックの構成は、図１に示すものである。

本発明の実施の形態２における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態２における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図２に示すものである。

本発明の実施の形態２における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態２における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図８に示すものである。

図１０は、本発明の実施の形態２におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１１は、本発明の実施の形態２におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１２は、本発明の実施の形態２におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図１３は、本発明の実施の形態２におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１４は、本発明の実施の形態２におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１５は、本発明の実施の形態２におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック９０は、セルを積層したスタック部９１を集電板４０，４１で挟み、さらに、その外側にエンドプレート７０，７７を配置し、ボルト８０でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。

エンドプレート７０の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口７３、酸化剤ガス排出口７４、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口７５、冷却媒体排出口７６を備えている。

図２に示すように、本実施の形態のスタック部９１は、複数のセル積層体２０を積み重ねて形成され、その両端に集電板４０，４１、その外側に絶縁板４２，４３、さらに、その外側にエンドプレート７０，７７が配置されている。

図８に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体１８は、電解質膜３１と、電解質膜３１の一方の主面に配置されたアノード３２と、電解質膜３１の他方の主面に配置されたカソード３３と、を有する電解質膜−電極接合体３５と、電解質膜−電極接合体３５のアノード３２とカソード３３とに積層配置されるガス拡散層３４と、電解質膜−電極接合体３５の外周部分で露出する電解質膜３１を覆うように電解質膜−電極接合体３５を支持する枠体３０とで、構成される。

図１０に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材２２は、電極−膜−枠接合体１８のカソード３３側のガス拡散層３４と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路４と、酸化剤ガス流路４の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部８とが形成され、他方の主面（冷却面５）に、冷却媒体としてのイオン交換水が流
れる冷却媒体流路６と、冷却媒体流路６の外周部に第２凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部１０が形成されている。

酸化剤ガスガスケット用凹部８には、酸化剤ガス流路４の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、冷却媒体ガスケット用凹部１０には、冷却媒体流路６のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部８は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。

また、図１１に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材２１は、電極−膜−枠接合体１８のアノード３２側のガス拡散層３４と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素が流れる燃料ガス流路３と、燃料ガス流路３の外周部に燃料ガスガスケット用凹部７とが形成され、他方の平坦な主面（冷却面５）が、カソードセパレータ部材２２の冷却面５と当接する。

アノードセパレータ部材２１の冷却面５において、アノードセパレータ部材２１の冷却面５をカソードセパレータ部材２２の冷却面５と当接させた場合に、カソードセパレータ部材２２の冷却媒体ガスケット用凹部１０の内周側に隣接する箇所に、接着剤用凹部９が形成されている。

接着剤用凹部９は、アノードセパレータ部材２１の冷却面５をカソードセパレータ部材２２の冷却面５と当接させた場合に、冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも冷却媒体流路６側に位置するように形成されている。

燃料ガスガスケット用凹部７は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されており、接着剤用凹部９には、アノードセパレータ部材２１の冷却面５とカソードセパレータ部材２２の冷却面５とを接着させる接着剤１５が塗布される。

接着剤用凹部９は、アノードセパレータ部材２１の冷却面５とカソードセパレータ部材２２の冷却面５とを接着剤１５で接着させて冷却媒体流路６を流れるイオン交換水をシールするのに適した深さと幅に設定されている。

図１２に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２２の酸化剤ガス流路４が形成された面における酸化剤ガス流路４の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部８に、酸化剤ガスガスケット１３を設置し、その裏面の冷却面５の冷却媒体流路６の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置したものである。

図１３に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材２１の冷却面５とカソードセパレータ部材２２の冷却面５を当接させて、接着剤用凹部９に塗布した接着剤１５にて冷却面５同士を接着している、アノードセパレータ部材１の冷却面５とカソードセパレータ部材２の冷却面５との間に構成される冷却媒体流路６は、接着剤１５によってシールされている。

アノードセパレータ部材２１の冷却面５とカソードセパレータ部材２２の冷却面５を当接させたときに、冷却媒体ガスケット用凹部１０と接着剤用凹部９は、１つの空間を構成する。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材２１の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部７には燃料ガスガスケット１２が設置され、カソードセパレータ部材２２の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部８には酸化剤ガスガスケット１３が設置されている。

これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１のイオン交換水の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。

図１４に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材２１の、燃料ガス流路３の外側にある水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部に燃料ガスガスケット１２が設置されている。また、その裏面の冷却面５にある接着剤用凹部９には、接着剤は使用しないため何も設置しない。

図１５に示すように、本実施の形態のセル積層体２０は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは５セル積層している。

セル積層体２０は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ１６、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付きカソードセパレータ１７の順で積層されている。

電極−膜−枠接合体１８と燃料ガス流路３の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット１２によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体１８と酸化剤ガス流路４の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット１３によりシールされる。

この構成により、セル積層体２０の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５、セル積層体２０の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５となっている。

セル積層体２０のガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５の上に、他のセル積層体２０のガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５が当接し、冷却媒体ガスケット１４により重ねたセル積層体２０間の冷却媒体流路６を流れるイオン交換水はシールされる。

アノードセパレータ部材２１、カソードセパレータ部材２２は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。

まず、セル積層体２０を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、ガスケット付きアノードセパレータ１６、ガスケット付きカソードセパレータ１７、電極−膜−枠接合体１８の４種類である。

ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材２１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置したものと、カソードセパレータ部材２２の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３を設置したものを、アノードセパレータ部材２１の冷却面５にある接着剤用凹部９に接着剤１５を塗布して、接着したものである。

接着剤１５の塗布を冷却面５に冷却媒体流路や冷却媒体ガスケット用凹部がない状態でできるため、接着剤による汚染を低減できる。また、接着剤用凹部と冷却媒体ガスケット用凹部と組み合わせて当接部をなくして１つの空間にすることもできるので、接着剤用凹部９に塗布する接着剤１５の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する冷却媒体ガスケット用凹部１０に接着剤１５が溢れるため、冷却媒体流路６側に接着剤１５が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。

また、溢れた接着剤１５により冷却媒体流路６が閉塞することもない。また、浅い接着剤用凹部９が冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも冷却媒体流路６側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路６にイオン交換水を安定して流すことができる。

ガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材２１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置することでできる。

ガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２２の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３と冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置することでできる。

このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部１０に隣接する接着剤用凹部９があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット１４を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。

上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材２１とカソードセパレータ部材２２の２種類だけである。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材２１、カソードセパレータ部材２２、電極−膜−枠接合体１８のどちらかに一体とすることもできる。また、カソードセパレータ部材２２に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材２１の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。

また、冷却媒体流路６は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金
属材料を使用することができる。

また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。また、接着剤１５には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池スタックの構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態３における燃料電池スタックの構成は、図１に示すものである。

本発明の実施の形態３における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態３における燃料電池スタックを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図２に示すものである。

本発明の実施の形態３におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態３におけるアノードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図４に示すものである。

本発明の実施の形態３におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態３におけるガスケット付きアノードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図７に示すものである。

本発明の実施の形態３における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は実施の形態１と同じであり、実施の形態３における電極−膜−枠接合体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面は、図８に示すものである。

図１６は、本発明の実施の形態３におけるカソードセパレータ部材を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１７は、本発明の実施の形態３におけるガスケット付きカソードセパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１８は、本発明の実施の形態３におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図１９は、本発明の実施の形態３におけるセル積層体を図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック９０は、セルを積層したスタック部９１を集電板４０，４１で挟み、さらに、その外側にエンドプレート７０，７７を配置し、ボルト８０でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。

エンドプレート７０の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口７１、燃料ガス排出口７２、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口７３、酸化剤ガス排出口７４、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口７５、冷却媒体排出口７６を備えている。

図２に示すように、本実施の形態のスタック部９１は、複数のセル積層体２０を積み重ねて形成され、その両端に集電板４０，４１、その外側に絶縁板４２，４３、さらにその外側にエンドプレート７０，７７が配置されている。

図４に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材１は、電極−膜−枠接合体１８のアノード３２側のガス拡散層３４と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素
が流れる燃料ガス流路３と、燃料ガス流路３の外周部に燃料ガスガスケット用凹部７とが形成され、他方の平坦な主面（冷却面５）が、本実施の形態のカソードセパレータ部材の冷却面と当接する。燃料ガスガスケット用凹部７は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。

図７に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材１の燃料ガス流路３の外周側に形成された燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置したものである。

図８に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体１８は、電解質膜３１と、電解質膜３１の一方の主面に配置されたアノード３２と、電解質膜３１の他方の主面に配置されたカソード３３と、を有する電解質膜−電極接合体３５と、電解質膜−電極接合体３５のアノード３２とカソード３３とに積層配置されるガス拡散層３４と、電解質膜−電極接合体３５の外周部分で露出する電解質膜３１を覆うように電解質膜−電極接合体３５を支持する枠体３０とで、構成される。

図１６に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材２３は、電極−膜−枠接合体１８のカソード３３側のガス拡散層と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路４と、酸化剤ガス流路４の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部８とが形成され、他方の主面（冷却面５）に、冷却媒体としてのイオン交換水が流れる冷却媒体流路６と、冷却媒体流路６の外周部に第１凹部となる接着剤用凹部９と、接着剤用凹部９の外側に第２凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部１０が形成されている。

酸化剤ガスガスケット用凹部８には、酸化剤ガス流路４の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、接着剤用凹部９には、アノードセパレータ部材とカソードセパレータ部材２とを接着する接着剤が充填され、冷却媒体ガスケット用凹部１０には、冷却媒体流路６のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、接着剤用凹部９は接着剤による接着とイオン交換水のシールに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部８は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。

接着剤用凹部９は冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも浅く、接着剤用凹部９は冷却媒体ガスケット用凹部１０の間は、他方のセパレータの冷却面とは当接する。

図１７に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２３の酸化剤ガス流路４が形成された面における酸化剤ガス流路４の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部８に、酸化剤ガスガスケット１３を設置し、その裏面の冷却面５の冷却媒体流路６の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置したものである。

なお、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ１７には、接着剤は使用しないため、接着剤用凹部９には、何も設置されていない。

図１８に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材１の冷却面５とカソードセパレータ部材２３の冷却面５を当接させて、接着剤用凹部９に塗布した接着剤１５にて冷却面５同士を接着している、アノードセパレータ部材１の冷却面５とカソードセパレータ部材２３の冷却面５との間に構成される冷却媒体流路６は、接着剤１５によってシールされている。

冷却媒体ガスケット用凹部１０は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材１の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部７には燃料ガスガスケット１２が設置され、カソードセパレータ部材２３の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部８には酸化剤ガスガスケット１３が設置されている。

これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１のイオン交換水の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。

図１９に示すように、本実施の形態のセル積層体２０は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは５セル積層している。

セル積層体２０は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ１６、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、電極−膜−枠接合体１８、ガスケット付きカソードセパレータ１７の順で積層されている。

電極−膜−枠接合体１８と燃料ガス流路３の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット１２によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体１８と酸化剤ガス流路４の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット１３によりシールされる。

この構成により、セル積層体２０の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５、セル積層体２０の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５となっている。

セル積層体２０のガスケット付きカソードセパレータ１７の冷却面５の上に、他のセル積層体２０のガスケット付きアノードセパレータ１６の冷却面５が当接し、冷却媒体ガスケット１４により重ねたセル積層体２０間の冷却媒体流路６を流れるイオン交換水はシールされる。

カソードセパレータ部材２３は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。

まず、セル積層体２０を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１、ガスケット付きアノードセパレータ１６、ガスケット付きカソードセパレータ１７、電極−膜−枠接合体１８の４種類である。

ガスケット付き冷却面接着セパレータ１１は、アノードセパレータ部材１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置したものと、カソードセパレータ部材２３の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３を設置したものを、カソードセパレータ部材２３の冷却面５にある接着剤用凹部９に接着剤１５を塗布して、接着したものである。

接着剤１５を塗布するにあたり、接着剤用凹部９の横には冷却媒体ガスケット用凹部１０があるが、接着剤用凹部９と冷却媒体ガスケット用凹部１０の間にアノードセパレータ部材１との当接面があるので、接着剤用凹部９に塗布する接着剤１５が冷却媒体ガスケット用凹部１０に流れ出て行かないため塗布した接着剤の高さの低い箇所がなく、アノードセパレータ部材１の冷却面５と接着剤１５が確実に接触して硬化するため、漏れることがない。

図では示していないが、接着剤塗布時のばらつきによる接着剤の溢れ対策として、接着剤用凹部９内や、アノードセパレータ部材１の冷却面５の接着剤当接部に溢れる分の凹部を設けている。または、接着剤が接着剤用凹部９から溢れないように正確に塗布する。

また、浅い接着剤用凹部９が冷却媒体ガスケット用凹部１０よりも冷却媒体流路６側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路６にイオン交換水を安定して流すことができる。

ガスケット付きアノードセパレータ１６は、アノードセパレータ部材１の燃料ガスガスケット用凹部７に燃料ガスガスケット１２を設置することでできる。

ガスケット付きカソードセパレータ１７は、カソードセパレータ部材２３の酸化剤ガスガスケット用凹部８に酸化剤ガスガスケット１３と冷却媒体ガスケット用凹部１０に冷却媒体ガスケット１４を設置することでできる。

このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部１０の横には接着剤用凹部９があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット１４を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。

上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材１とカソードセパレータ部材２３の２種類だけである。

これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。

なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材１、カソードセパレータ部材２３、電極−膜−枠接合体１８のどちらかに一体とすることもできる。

また、カソードセパレータ部材２３に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材１の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。

また、冷却媒体流路６は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。

また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。

また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。

また、接着剤１５には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。

以上のように、本発明にかかる燃料電池用セパレータ部材は、一対のセパレータから、冷却面を接着剤でシールする冷却面接着セパレータとすることで部品点数の削減と、冷却面をガスケットでシールするタイプとして使用することも可能であり、検査可能なセル積層体を少ない部品点数で構成することができる。

また、本発明にかかる燃料電池スタックは、安定した発電性能の確保が可能であるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。

１，２１ アノードセパレータ部材
２，２２，２３ カソードセパレータ部材
３ 燃料ガス流路
４ 酸化剤ガス流路
５ 冷却面
６ 冷却媒体流路
７ 燃料ガスガスケット用凹部
８ 酸化剤ガスガスケット用凹部
９ 接着剤用凹部
１０ 冷却媒体ガスケット用凹部
１１ ガスケット付き冷却面接着セパレータ
１２ 燃料ガスガスケット
１３ 酸化剤ガスガスケット
１４ 冷却媒体ガスケット
１５ 接着剤
１６ ガスケット付きアノードセパレータ
１７ ガスケット付きカソードセパレータ
１８ 電極−膜−枠接合体
２０ セル積層体
３０ 枠体
３１ 電解質膜
３２ アノード
３３ カソード
３４ ガス拡散層
３５ 電解質膜−電極接合体
４０ 集電板
４１ 集電板
４２ 絶縁板
４３ 絶縁板
７０ エンドプレート
７１ 燃料ガス導入口
７２ 燃料ガス排出口
７３ 酸化剤ガス導入口
７４ 酸化剤ガス排出口
７５ 冷却媒体導入口
７６ 冷却媒体排出口
７７ エンドプレート
８０ ボルト
９０ 燃料電池スタック
９１ スタック部

Claims (4)

1. 一対のセパレータの冷却面同士を当接させて前記冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第１凹部と、前記冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第２凹部とを有し、前記第１凹部は前記第２凹部よりも浅いことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。
2. 前記第１凹部は、前記第２凹部よりも前記冷却媒体流路に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ部材。
3. 一対の前記セパレータのうちの一方の前記セパレータの前記冷却面に、前記第１凹部と前記第２凹部とを有し、前記第１凹部と前記第２凹部とが隣接していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ部材。
4. 一対の前記セパレータのうちの一方の前記セパレータの前記冷却面に前記第１凹部を有し、一対の前記セパレータのうちの他方の前記セパレータの前記冷却面に前記第２凹部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ部材。