特開 2024-94727 燃料電池用セパレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024094727

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0247 20160101AFI20240703BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20240703BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20240703BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALI20240703BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240703BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/2483

H01M8/0258

H01M8/0271

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022211461

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】山浦 訓寛

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126AA12

5H126AA13

5H126AA23

5H126BB06

5H126DD04

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126EE22

(57)【要約】

【課題】反りを抑制できる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】セパレータ４０は、流体が供給または排出されるとともに第１方向Ａに並ぶ複数のマニホールド４１と、流体が流れる流路４２と、外周縁に沿って延びる外周リブ４５とを有している。流路４２は、第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１に隣り合って設けられるとともに第２方向Ｂにおいて直線状に延びる直線部４２ａを有している。複数のマニホールド４１の周囲には、当該マニホールド４１の外周に沿って延びるとともに流体の漏洩を抑制するシールラインＳＬが設けられている。第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１を挟んで流路４２とは反対側の部分であって、シールラインＳＬよりも外周側の部分には、第２方向Ｂに交差する方向に延びる補強リブ４６が設けられている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が供給または排出されるとともに第１方向に並ぶ複数のマニホールドと、前記流体が流れる流路と、外周縁に沿って延びる外周リブと、を有する燃料電池用セパレータであって、
前記第１方向と前記セパレータの板厚方向との双方に直交する方向を第２方向とするとき、
前記流路は、前記第２方向において前記複数のマニホールドに隣り合って設けられるとともに前記第２方向において直線状に延びる直線部を有しており、
前記複数のマニホールドの周囲には、当該マニホールドの外周に沿って延びるとともに前記流体の漏洩を抑制するシールラインが設けられており、
前記第２方向において前記複数のマニホールドを挟んで前記流路とは反対側の部分であって、前記シールラインよりも外周側の部分には、前記第２方向に交差する方向に延びる補強リブが設けられている、
燃料電池用セパレータ。

【請求項2】

前記補強リブは、前記シールラインと前記外周リブとの間の部分に設けられている、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。

【請求項3】

前記補強リブの長さ方向における両端は、前記外周リブのうち前記第１方向における両側の部分にそれぞれ連結されている、
請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。

【請求項4】

前記補強リブは、前記外周リブのうち前記第１方向に延びる部分に設けられている、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。

【請求項5】

前記補強リブは、前記第１方向に延びている、
請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、流体を供給または排出する複数のマニホールドと、流体が流れる流路とを有する燃料電池用セパレータが知られている。
特許文献１に記載のセパレータは、平面視において、長辺及び短辺を有する長方形状をなしている。セパレータは、長辺方向において直線状に延びる冷却水流路を有している。冷却水流路は、セパレータの長辺方向における両端部に設けられたマニホールドとしての冷却水供給孔と冷却水排出孔との間に設けられている。

【0003】

セパレータの短辺方向における両端部には、補強リブが設けられている。補強リブは、セパレータの長辺方向、すなわち、冷却水流路が延びる方向に延びている。補強リブによってセパレータの剛性が高められることにより、セパレータの反りが抑制されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－８６７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１に記載の補強リブは、冷却水流路の延びる方向に延びている。このため、セパレータの短辺方向に直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータの反りが抑制される。一方、セパレータの長辺方向に直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータの反りは抑制されにくい。このため、セパレータの反りを抑制する上では、改善の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための燃料電池用セパレータは、流体が供給または排出されるとともに第１方向に並ぶ複数のマニホールドと、前記流体が流れる流路と、外周縁に沿って延びる外周リブと、を有する燃料電池用セパレータであって、前記第１方向と前記セパレータの板厚方向との双方に直交する方向を第２方向とするとき、前記流路は、前記第２方向において前記複数のマニホールドに隣り合って設けられるとともに前記第２方向において直線状に延びる直線部を有しており、前記複数のマニホールドの周囲には、当該マニホールドの外周に沿って延びるとともに前記流体の漏洩を抑制するシールラインが設けられており、前記第２方向において前記複数のマニホールドを挟んで前記流路とは反対側の部分であって、前記シールラインよりも外周側の部分には、前記第２方向に交差する方向に延びる補強リブが設けられている。

【0007】

同構成によれば、流路の直線部が第２方向に延びている。このため、セパレータの第１方向に直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータの反りが生じにくくなる。また、補強リブが第２方向に交差する方向に延びている。このため、セパレータの第２方向に直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータの反りが生じにくくなる。したがって、セパレータ全体の反りを抑制できる。

【0008】

また、補強リブは、複数のマニホールドを挟んで流路とは反対側の部分であって、シールラインよりも外周側の部分に設けられている。このため、補強リブは、セパレータのうち流体が流通しない部分に設けられている。したがって、補強リブが流体の流通を阻害することを回避できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施形態の燃料電池用セパレータが設けられるセルスタックの概略構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１のセパレータの平面図である。

【図3】図３は、図２の３－３線に沿った位置における発電セルの断面図である。

【図4】図４は、第１変更例のセパレータの平面図である。

【図5】図５は、第２変更例のセパレータが設けられた発電セルの断面図である。

【図6】図６は、第３変更例のセパレータの平面図である。

【図7】図７は、第４変更例のセパレータの平面図である。

【図8】図８は、第５変更例のセパレータが設けられた発電セルの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図１～図３を参照して、燃料電池用セパレータの一実施形態について説明する。
（燃料電池）
図１に示すように、燃料電池は、複数の発電セル１１が積層されたセルスタック１０を備えている。

【0011】

発電セル１１は、膜電極ガス拡散層接合体２０と、樹脂フレーム３０と、２つのセパレータ４０とを備えている。膜電極ガス拡散層接合体２０は、シート状をなしている。樹脂フレーム３０は、膜電極ガス拡散層接合体２０の外周部を支持している。２つのセパレータ４０は、膜電極ガス拡散層接合体２０及び樹脂フレーム３０を厚さ方向において挟持している。

【0012】

膜電極ガス拡散層接合体２０は、膜電極接合体２１と、アノードガス拡散層２５と、カソードガス拡散層２６とを有している。
膜電極接合体２１は、電解質膜２２と、アノード電極層２３と、カソード電極層２４とを有している。電解質膜２２は、例えば、固体高分子膜によって形成されている。アノード電極層２３及びカソード電極層２４は、電解質膜２２を厚さ方向において挟持している。

【0013】

アノードガス拡散層２５は、アノード電極層２３における電解質膜２２とは反対側の面を覆っている。カソードガス拡散層２６は、カソード電極層２４における電解質膜２２とは反対側の面を覆っている。アノードガス拡散層２５及びカソードガス拡散層２６は、例えば、共に炭素繊維によって形成されている。

【0014】

樹脂フレーム３０は、膜電極ガス拡散層接合体２０の外周部を取り囲む枠状をなしている。樹脂フレーム３０は、例えば、合成樹脂材料によって形成されている。
（セパレータ４０）
セパレータ４０は、アノードセパレータ５０及びカソードセパレータ６０の総称である。アノードセパレータ５０は、アノードガス拡散層２５におけるアノード電極層２３とは反対側の面に接触している。カソードセパレータ６０は、カソードガス拡散層２６におけるカソード電極層２４とは反対側の面に接触している。

【0015】

図２に示すように、セパレータ４０は、例えば、長辺及び短辺を有する長方形板状をなしている。
以降において、セパレータ４０の短辺方向を第１方向Ａと称し、第１方向Ａとセパレータ４０の板厚方向と双方に直交する方向を第２方向Ｂと称する。第２方向Ｂは、セパレータ４０の長辺方向と一致している。

【0016】

セパレータ４０の材料としては、例えば、チタンやステンレス鋼などの金属材料や、導電性粒子及び樹脂材料を含む複合材料が挙げられる。
セパレータ４０は、流体が供給または排出される複数のマニホールド４１と、流体が流れる流路４２とを有している。流体としては、例えば、水素を含有する燃料ガス、空気を含有する酸化ガス、及び冷却水が挙げられる。

【0017】

セパレータ４０の第２方向Ｂにおける両端部には、第１方向Ａに並ぶマニホールド４１が３つずつ設けられている。セパレータ４０の第２方向Ｂにおける第１端部４０ａには、マニホールド４１Ａ，マニホールド４１Ｆ，マニホールド４１Ｄが第１方向Ａの一方側から順に並んでいる。セパレータ４０の第２方向Ｂにおける第１端部４０ａとは反対側の第２端部４０ｂには、マニホールド４１Ｃ，マニホールド４１Ｅ，マニホールド４１Ｂが第１方向Ａの一方側から順に並んでいる。

【0018】

図１に示すように、流路４２は、第１方向Ａに並列する複数の突条４３と、隣り合う２つの突条４３の間に形成された溝４４とを有している。すなわち、セパレータ４０には、突条４３と溝４４とが交互に並列して設けられている。

【0019】

隣接する２つの発電セル１１の間には、冷却水が流れる冷却流路４７が設けられている。冷却流路４７は、アノードセパレータ５０の突条４３とカソードセパレータ６０の突条４３とによって区画されている。

【0020】

燃料ガスは、マニホールド４１Ａから供給された後、流路４２を経由してマニホールド４１Ｂから排出される。酸化ガスは、マニホールド４１Ｃから供給された後、流路４２を経由してマニホールド４１Ｄから排出される。冷却水は、マニホールド４１Ｅから供給された後、冷却流路４７を経由してマニホールド４１Ｆから排出される。

【0021】

図２に示すように、流路４２は、第２方向Ｂにおいて直線状に延びる直線部４２ａを有している。流路４２は、例えば、直線部４２ａのみによって構成されている。直線部４２ａは、第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１に隣り合って設けられている。

【0022】

図２に二点鎖線にて示すように、複数のマニホールド４１の周囲には、当該マニホールド４１の外周に沿って延びるとともに流体の漏洩を抑制するシールラインＳＬが設けられている。

【0023】

図３に示すように、樹脂フレーム３０には、セパレータ４０に向かって突出するとともにマニホールド４１を取り囲む突出部３１が設けられている。シールラインＳＬは、例えば、セパレータ４０のうち突出部３１が接触する部分である。突出部３１は、セパレータ４０に接触することで、流体の流通領域を画定するとともに流体の漏洩を抑制する部分として機能する。シールラインＳＬは、セパレータ４０のうちセパレータ４０と樹脂フレーム３０との間の部分をシールする部位であるとも言える。

【0024】

以降では、シールラインＳＬの一例として、カソードセパレータ６０に設けられるシールラインＳＬの構成について説明する。
図２に示すように、シールラインＳＬは、複数のシールラインＳＬ１～ＳＬ５を含む。シールラインＳＬ１は、マニホールド４１Ａの外周を取り囲んでいる。シールラインＳＬ２は、マニホールド４１Ｆの外周を取り囲んでいる。シールラインＳＬ３は、マニホールド４１Ｄ、流路４２、及びマニホールド４１Ｃの外周を取り囲んでいる。シールラインＳＬ４は、マニホールド４１Ｅの外周を取り囲んでいる。シールラインＳＬ５は、マニホールド４１Ｂの外周を取り囲んでいる。

【0025】

セパレータ４０は、外周縁に沿って延びる外周リブ４５を有している。外周リブ４５は、セパレータ４０の外周縁の全周にわたって延びている。すなわち、外周リブ４５は、平面視において枠状をなしている。

【0026】

図１に示すように、外周リブ４５は、セパレータ４０の外周縁がその他の部分よりも板厚方向の一方側、より詳しくは、樹脂フレーム３０が位置する側に突出することにより形成されている。

【0027】

外周リブ４５の突出高さは、例えば、流路４２の突条４３における突出高さと同一である。外周リブ４５の突端面は、樹脂フレーム３０に接触している。
図２に示すように、セパレータ４０の第１端部４０ａ及び第２端部４０ｂには、補強リブ４６が１つずつ設けられている。補強リブ４６は、セパレータ４０の板厚方向の一方側、より詳しくは、樹脂フレーム３０が位置する側に突出している。

【0028】

補強リブ４６は、セパレータ４０のうち第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１を挟んで流路４２とは反対側の部分に設けられている。補強リブ４６は、シールラインＳＬよりも外周側の部分に設けられている。より詳しくは、補強リブ４６は、シールラインＳＬと外周リブ４５との間の部分に設けられている。補強リブ４６は、セパレータ４０のうち流体が流通しない部分に設けられている。

【0029】

第１端部４０ａに設けられた補強リブ４６は、シールラインＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３よりも外周側の部分において３つのマニホールド４１Ａ，４１Ｆ，４１Ｄに隣り合うとともに第１方向Ａに延びている。第２端部４０ｂに設けられた補強リブ４６は、シールラインＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５よりも外周側の部分において３つのマニホールド４１Ｃ，４１Ｅ，４１Ｂに隣り合うとともに第１方向Ａに延びている。すなわち、補強リブ４６は、流路４２の延びる方向と直交する方向に延びている。補強リブ４６は、外周リブ４５のうち第１方向Ａに延びる部分と平行に延びている。

【0030】

図３に示すように、補強リブ４６の突出高さは、例えば、外周リブ４５の突出高さと同一である。補強リブ４６の突端面は、樹脂フレーム３０に接触している。
本実施形態の作用及び効果について説明する。

【0031】

（１）流路４２は、第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１に隣り合って設けられるとともに第２方向Ｂにおいて直線状に延びる直線部４２ａを有している。セパレータ４０のうち、第２方向Ｂにおいて複数のマニホールド４１を挟んで流路４２とは反対側の部分であって、シールラインＳＬよりも外周側の部分には、第１方向Ａに延びる補強リブ４６が設けられている。

【0032】

こうした構成によれば、外周リブ４５の第１方向Ａにおける両端部と、直線部４２ａとが第２方向Ｂに延びている。このため、セパレータ４０の第１方向Ａに直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータ４０の反りが生じにくくなる。また、外周リブ４５の第２方向Ｂにおける両端部と、補強リブ４６が第１方向Ａに延びている。このため、セパレータ４０の第２方向Ｂに直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータ４０の反りが生じにくくなる。したがって、セパレータ４０全体の反りを抑制できる。

【0033】

また、補強リブ４６が第１方向Ａに延びているため、補強リブ４６がセパレータ４０の面方向において第１方向Ａ及び第２方向Ｂに対して傾斜して延びる場合と比較して、セパレータ４０の反りを効果的に抑制できる。

【0034】

また、補強リブ４６は、複数のマニホールド４１を挟んで流路４２とは反対側の部分であって、シールラインＳＬよりも外周側の部分に設けられている。このため、補強リブ４６は、セパレータ４０のうち流体が流通しない部分に設けられている。したがって、補強リブ４６が流体の流通を阻害することを回避できる。

【0035】

（２）補強リブ４６は、シールラインＳＬと外周リブ４５との間の部分に設けられている。
こうした構成によれば、セパレータ４０のうちシールラインＳＬ及び外周リブ４５が設けられていない部分に補強リブ４６が設けられている。したがって、セパレータ４０のうち流体が流通しない部分に補強リブ４６が設けられているため、当該部分を有効的に活用できる。

【0036】

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0037】

なお、以下の図４～図７に示す第１～第４変更例において、本実施形態に対応する構成については同一の符号を付すことで重複する説明を省略する。
・図４に示すように、補強リブ４６の長さ方向における両端は、外周リブ４５のうち第１方向Ａにおける両側の部分、すなわち、外周リブ４５のうち第２方向Ｂに延びる部分にそれぞれ連結されていてもよい。こうした構成によれば、補強リブ４６と外周リブ４５とが一体化されるため、セパレータ４０の剛性が高まる。したがって、セパレータ４０の反りを抑制できる。

【0038】

・図５に示すように、補強リブ４６は、外周リブ４５のうち第１方向Ａに延びる部分に設けられていてもよい。本変更例の補強リブ４６は、外周リブ４５から樹脂フレーム３０とは反対側に突出している。本変更例の補強リブ４６は、例えば、外周リブ４５のうち第１方向Ａに延びる部分の全体にわたって設けられている。こうした構成によれば、補強リブ４６によって外周リブ４５のうち第１方向Ａに延びる部分の剛性が高められる。このため、セパレータ４０の第２方向Ｂに直交する断面を視たときの板厚方向におけるセパレータ４０の反りが生じにくくなる。したがって、セパレータ４０の反りを抑制できる。また、上記構成によれば、シールラインＳＬと外周リブ４５との間に補強リブ４６を設定するスペースが不足していた場合であっても、セパレータ４０に補強リブ４６を設定できる。

【0039】

・補強リブ４６は、セパレータ４０の面方向において第１方向Ａ及び第２方向Ｂに対して傾斜する方向に延びるものであってもよい。例えば、図６に示すように、セパレータ４０には、第１方向Ａ及び第２方向Ｂに対して傾斜して延びる複数の補強リブ４６が、第１方向Ａに並んで設けられていてもよい。

【0040】

・図７に示すように、補強リブ４６は、第１方向Ａに延びる第１部分４６ａと、第１部分４６ａの長さ方向における端部から屈曲して第２方向Ｂに延びる第２部分４６ｂとを有していてもよい。本変更例では、セパレータ４０の第２方向Ｂにおける両端部に設けられた第１部分４６ａが一対の第２部分４６ｂによって連結されている。本変更例における補強リブ４６は、全体として枠状をなしている。本変更例において、第２部分４６ｂは、第２方向Ｂにおいて互いに離間していてもよい。すなわち、補強リブ４６は、平面視においてＵ字状をなすものであってもよい。

【0041】

・補強リブ４６の突出高さは、外周リブ４５の突出高さより小さくてもよい。
・複数の補強リブ４６が、シールラインＳＬと外周リブ４５との間の部分において、第２方向Ｂに並んで設けられていてもよい。

【0042】

・セパレータ４０には、本実施形態の補強リブ４６に加えて、上記各変更例における少なくとも１つの補強リブ４６が設けられていてもよい。
・流路４２は、直線部４２ａに加えて、直線部４２ａに対して傾斜して延びる部分を有するものであってもよい。例えば、流路４２は、複数の直線部４２ａが折り返し部によって接続されることにより蛇行するように延びる所謂サーペンタイン形状をなすものであってもよい。

【0043】

・図８に示すように、セパレータ４０は、樹脂フレーム３０に向かって突出するとともにマニホールド４１を取り囲む突出部４８を有していてもよい。この場合、シールラインＳＬは、突出部４８が樹脂フレーム３０に接触する部分であってもよい。またこの場合、樹脂フレーム３０は、突出部３１を有していなくてもよい。

【0044】

上記実施形態は、以下の付記に記載する構成を含む。
［付記１］流体が供給または排出されるとともに第１方向に並ぶ複数のマニホールドと、前記流体が流れる流路と、外周縁に沿って延びる外周リブと、を有する燃料電池用セパレータであって、前記第１方向と前記セパレータの板厚方向との双方に直交する方向を第２方向とするとき、前記流路は、前記第２方向において前記複数のマニホールドに隣り合って設けられるとともに前記第２方向において直線状に延びる直線部を有しており、前記複数のマニホールドの周囲には、当該マニホールドの外周に沿って延びるとともに前記流体の漏洩を抑制するシールラインが設けられており、前記第２方向において前記複数のマニホールドを挟んで前記流路とは反対側の部分であって、前記シールラインよりも外周側の部分には、前記第２方向に交差する方向に延びる補強リブが設けられている、燃料電池用セパレータ。

【0045】

［付記２］前記補強リブは、前記シールラインと前記外周リブとの間の部分に設けられている、［付記１］に記載の燃料電池用セパレータ。
［付記３］前記補強リブの長さ方向における両端は、前記外周リブのうち前記第１方向における両側の部分にそれぞれ連結されている、［付記２］に記載の燃料電池用セパレータ。

【0046】

［付記４］前記補強リブは、前記外周リブのうち前記第１方向に延びる部分に設けられている、［付記１］～［付記３］のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
［付記５］前記補強リブは、前記第１方向に延びている、［付記１］～［付記４］のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。

【符号の説明】

【0047】

Ａ…第１方向
Ｂ…第２方向
ＳＬ，ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５…シールライン
１０…セルスタック
１１…発電セル
２０…膜電極ガス拡散層接合体
２１…膜電極接合体
２２…電解質膜
２３…アノード電極層
２４…カソード電極層
２５…アノードガス拡散層
２６…カソードガス拡散層
３０…樹脂フレーム
３１…突出部
４０…セパレータ
４０ａ…第１端部
４０ｂ…第２端部
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ…マニホールド
４２…流路
４２ａ…直線部
４３…突条
４４…溝
４５…外周リブ
４６…補強リブ
４６ａ…第１部分
４６ｂ…第２部分
４７…冷却流路
４８…突出部
５０…アノードセパレータ
６０…カソードセパレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】