JP7337720B2 - 接合セパレータ、金属セパレータ及び燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合セパレータ、金属セパレータ及び燃料電池スタックの製造方法に関する。

燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と接合セパレータとが交互に積層された状態で積層方向の圧縮荷重が付与された積層体を備える。接合セパレータは、第１金属セパレータと第２金属セパレータとが互いに積層された状態で接合されてなる（例えば、特許文献１参照）。

接合セパレータの第１金属セパレータには、圧縮荷重により弾性変形してＭＥＡと第１金属セパレータとの間からの流体（反応ガス及び冷却媒体）の漏出を防止する線状の第１金属ビード部が第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形されている。接合セパレータの第２金属セパレータには、圧縮荷重により弾性変形してＭＥＡと第２金属セパレータとの間からの流体（反応ガス及び冷却媒体）の漏出を防止するための線状の第２金属ビード部が第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形されている。

第１金属ビード部と第２金属ビード部とは、セパレータ厚さ方向から見て、互いに重なるように配置されるとともに互いに同一のビード幅を有する。

米国特許出願公開第２００６／００５４６６４号明細書

上述した従来技術では、金属セパレータに圧縮荷重が付与されていない状態で、第１金属ビード部の突出端と第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対するビード幅の比率（ビード寸法比率）について何ら言及されていない。

ビード側部（第１金属ビード部の側部と第２金属ビード部の側部）のばね定数は、ビード寸法比率が小さくなるほど大きくなる。そして、ビード側部のばね定数が過度に大きくなると、金属セパレータに圧縮荷重が付与された際に、ビード頂部が座屈して凹状に変形することがある。

一方、ビード側部のばね定数は、ビード寸法比率が大きくなるほど小さくなる。そして、ビード側部のばね定数が過度に小さくなると、金属セパレータに圧縮荷重が付与された際に、ビード頂部に所望のシール面圧を作用させることができないことがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、金属セパレータに圧縮荷重が付与された際に、ビード頂部が座屈することなく所望のシール面圧を作用させることができる接合セパレータ、金属セパレータ及び燃料電池スタックの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、燃料電池スタックに組み込むための接合セパレータであって、前記接合セパレータは、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを互いに積層した状態で接合されてなり、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、前記第１金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部が形成され、前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第２金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部が形成され、前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅を有し、前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、接合セパレータである。

本発明の第２の態様は、燃料電池スタックに組み込むための金属セパレータであって、前記金属セパレータは、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、前記金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の金属ビード部が形成され、前記金属ビード部は、線状に延在するとともにセパレータ厚さ方向に一体的に突出成形され、前記金属ビード部の突出高さであるビード高さに対する前記金属ビード部のビード幅の比率は、４．５以上６．７以下に設定されている、金属セパレータである。

本発明の第３の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体を準備する第１準備工程と、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを互いに積層した状態で接合されてなる接合セパレータを準備する第２準備工程と、前記電解質膜・電極構造体と前記接合セパレータとを交互に積層する積層工程と、前記積層工程の後で前記電解質膜・電極構造体及び前記接合セパレータに対してセパレータ厚さ方向の圧縮荷重を付与する荷重付与工程と、を含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記第２準備工程では、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部を前記第１金属セパレータに形成するとともに前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部を前記第２金属セパレータに形成し、前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅を有し、前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、燃料電池スタックの製造方法である。

本発明によれば、ビード高さに対するビード幅の比率（ビード寸法比率）が２．２５以上であるため（金属ビード部の突出高さに対するビード幅の比率が４．５以上であるため）、ビード側部のばね定数が過度に大きくなることはない。そのため、金属セパレータに圧縮荷重が付与された際にビード頂部が座屈することを抑えることができる。また、ビード寸法比率が３．３５以下であるため（金属ビード部の突出高さに対するビード幅の比率が６．７以下であるため）、ビード側部のばね定数が過度に小さくなることはない。そのため、金属セパレータに圧縮荷重が付与された際にビード頂部に所望のシール面圧を作用させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 第１金属セパレータを樹脂枠付きＭＥＡ側から見た平面図である。 第２金属セパレータを樹脂枠付きＭＥＡ側から見た平面図である。 図１の燃料電池スタックの製造方法を説明するフローチャートである。 圧縮荷重が付与されていない状態の接合セパレータの一部断面図である。 図７Ａは、ビード寸法比率とビード頂部に作用する応力との関係を示すグラフであり、図７Ｂは、ビード寸法比率とシール面圧との関係を示すグラフである。 ビード高さとビード幅との設定領域を示すグラフである。

以下、本発明に係る接合セパレータ、金属セパレータ及び燃料電池スタックの製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）が燃料電池自動車の水平方向（車幅方向又は車長方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載される。ただし、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２の積層方向が燃料電池自動車の鉛直方向（車高方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載されてもよい。

発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ１６と、樹脂枠付きＭＥＡ１６を矢印Ａ方向から挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０とを有する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給する。各発電セル１２の冷却媒体入口連通孔２４ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体（例えば、純水、エチレングリコール、オイル等）を供給する。各発電セル１２の燃料ガス出口連通孔２６ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、燃料ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の燃料ガス入口連通孔２６ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２の冷却媒体出口連通孔２４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと燃料ガス入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２６ｂと冷却媒体入口連通孔２４ａ及び冷却媒体出口連通孔２４ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図１及び図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ１６は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２８」という）と、ＭＥＡ２８の外周部に重なり部を設けて接合されるとともに該外周部を周回する厚さが一定の樹脂枠部材３０（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。図２において、ＭＥＡ２８は、電解質膜３２と、電解質膜３２の一方の面３２ａに設けられたカソード電極３４と、電解質膜３２の他方の面３２ｂに設けられたアノード電極３６とを有する。

電解質膜３２は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜３２は、カソード電極３４及びアノード電極３６に挟持される。

詳細は図示しないが、カソード電極３４は、電解質膜３２の一方の面３２ａに接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。

アノード電極３６は、電解質膜３２の他方の面３２ｂに接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

電解質膜３２の平面寸法は、カソード電極３４及びアノード電極３６のそれぞれの平面寸法よりも小さい。カソード電極３４の外周縁部とアノード電極３６の外周縁部とは、樹脂枠部材３０の内周縁部を挟持している。樹脂枠部材３０は、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）が不透過に構成されている。樹脂枠部材３０は、ＭＥＡ２８の外周側に設けられている。

樹脂枠付きＭＥＡ１６は、樹脂枠部材３０を用いることなく、電解質膜３２を外方に突出させるように形成してもよい。また、樹脂枠付きＭＥＡ１６は、外方に突出した電解質膜３２の両側に枠形状のフィルムを設けるように形成してもよい。

図１において、第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、長方形状（四角形状）に形成されている。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、めっき処理鋼板等の鉄系板材、アルミニウム板、チタン板、或いは表面に防食用の表面処理を施した鋼薄板（例えば、７５μｍ以上１５０μｍ以下の板）の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０とは、互いに重ねた状態で外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ１１を構成する。

図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８のＭＥＡ２８に向かう面（以下、「表面１８ａ」という。）には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する酸化剤ガス流路３８が設けられる。酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝４０を有する。各酸化剤ガス流路溝４０は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

図３において、第１金属セパレータ１８の表面１８ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス流路３８との間には、複数個のエンボス部４２ａからなる第１入口バッファ部４４ａが設けられる。また、第１金属セパレータ１８の表面１８ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと酸化剤ガス流路３８との間には、複数個のエンボス部４２ｂからなる第１出口バッファ部４４ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１８には、反応ガス（例えば、空気である酸化剤ガス及び例えば、水素である燃料ガス）及び冷却媒体の流体の漏出を防止するための第１シール部４８が設けられている。第１シール部４８は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第１シール部４８は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。

第１シール部４８は、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ等）を個別に囲む複数の第１連通孔シール部５０と、第１外周側シール部５２と有する。複数の第１連通孔シール部５０は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、冷却媒体入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス出口連通孔２６ｂの周囲を個別に周回する。

以下、複数の第１連通孔シール部５０のうち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを囲むものを「第１連通孔シール部５０ａ」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂを囲むものを「第１連通孔シール部５０ｂ」と表記する。また、複数の第１連通孔シール部５０のうち、燃料ガス入口連通孔２６ａを囲むものを「第１連通孔シール部５０ｃ」と表記し、燃料ガス出口連通孔２６ｂを囲むものを「第１連通孔シール部５０ｄ」と表記する。第１外周側シール部５２は、酸化剤ガス流路３８、第１入口バッファ部４４ａ、第１出口バッファ部４４ｂ及び複数の第１連通孔シール部５０ａ～５０ｄを囲む。

図２において、第１シール部４８は、第２金属セパレータ２０とは反対側に向かって第１金属セパレータ１８に一体的に突出成形された第１金属ビード部５４と、第１金属ビード部５４に設けられた第１樹脂材５６とを有する。第１金属ビード部５４は、第１金属セパレータ１８から樹脂枠部材３０に向かって突出している。第１金属ビード部５４の横断面形状は、第１金属ビード部５４の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。

第１金属ビード部５４は、互いに対向するように配置された一対の第１ビード側部５８と、一対の第１ビード側部５８の突出端同士を連結する第１ビード頂部６０とを有する。一対の第１ビード側部５８の間隔は、第１ビード頂部６０に向かって徐々に狭くなっている。第１金属ビード部５４の突出端面は、接合セパレータ１１に圧縮荷重が付与された状態で平坦状に形成されている。

第１樹脂材５６は、第１金属ビード部５４の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第１樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

図３に示すように、第１金属セパレータ１８には、第１連通孔シール部５０ａの内側（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側）及び外側（酸化剤ガス流路３８側）を連通するブリッジ部６２が設けられる。また、第１金属セパレータ１８には、第１連通孔シール部５０ｂの内側（酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ側）及び外側（酸化剤ガス流路３８側）を連通するブリッジ部６４が設けられる。

図２及び図４に示すように、第２金属セパレータ２０のＭＥＡ２８に向かう面（以下、「表面２０ａ」という。）には、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス出口連通孔２６ｂとに連通する燃料ガス流路６６が設けられる。燃料ガス流路６６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝６８を有する。各燃料ガス流路溝６８は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

図４において、第２金属セパレータ２０の表面２０ａにおいて、燃料ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス流路６６との間には、複数個のエンボス部７２ａからなる第２入口バッファ部７４ａが設けられる。また、第２金属セパレータ２０の表面２０ａにおいて、燃料ガス出口連通孔２６ｂと燃料ガス流路６６との間には、複数個のエンボス部７２ｂからなる第２出口バッファ部７４ｂが設けられる。

第２金属セパレータ２０には、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）及び冷却媒体の流体の漏出を防止するための第２シール部７６が設けられている。第２シール部７６は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）から見て直線状に延在している。ただし、第２シール部７６は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在してもよい。

第２シール部７６は、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ等）を個別に囲む複数の第２連通孔シール部７８と、第２外周側シール部７９と有する。複数の第２連通孔シール部７８は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、冷却媒体入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス出口連通孔２６ｂの周囲を個別に周回する。

以下、複数の第２連通孔シール部７８のうち、燃料ガス入口連通孔２６ａを囲むものを「第２連通孔シール部７８ａ」と表記し、燃料ガス出口連通孔２６ｂを囲むものを「第２連通孔シール部７８ｂ」と表記する。また、複数の第２連通孔シール部７８のうち、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを囲むものを「第２連通孔シール部７８ｃ」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂを囲むものを「第２連通孔シール部７８ｄ」と表記する。第２外周側シール部７９は、酸化剤ガス流路３８、第２入口バッファ部７４ａ、第２出口バッファ部７４ｂ及び複数の第２連通孔シール部７８ａ～７８ｄを囲む。

図２において、第２シール部７６は、第１金属セパレータ１８とは反対側に向かって第２金属セパレータ２０に一体的に突出成形された第２金属ビード部８０と、第２金属ビード部８０に設けられた第２樹脂材８２とを有する。第２金属ビード部８０は、第２金属セパレータ２０から樹脂枠部材３０に向かって突出している。第２金属ビード部８０の横断面形状は、第１金属ビード部５４の突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。

第２金属ビード部８０は、互いに対向するように配置された一対の第２ビード側部８４と、一対の第２ビード側部８４の突出端同士を連結する第２ビード頂部８６とを有する。一対の第２ビード側部８４の間隔は、第２ビード頂部８６に向かって徐々に狭くなっている。第２金属ビード部８０の突出端面は、接合セパレータ１１に圧縮荷重が付与された状態で平坦状に形成されている。

第２樹脂材８２は、第２金属ビード部８０の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性部材である。第２樹脂材８２は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

第１シール部４８及び第２シール部７６は、セパレータ厚さ方向から見て互いに重なるように配置されている。そのため、積層体１４に圧縮荷重が付与された状態で、第１金属ビード部５４及び第２金属ビード部８０のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部４８の突出端面４８ａ（第１樹脂材５６）が樹脂枠部材３０の一方の面３０ａに気密及び液密に接触するとともに第２シール部７６の突出端面７６ａ（第２樹脂材８２）が樹脂枠部材３０の他方の面３０ｂに気密及び液密に接触する。

第１樹脂材５６は、第１金属ビード部５４ではなく、樹脂枠部材３０の一方の面３０ａに設けられてもよい。第２樹脂材８２は、第２金属ビード部８０ではなく、樹脂枠部材３０の他方の面３０ｂに設けられてもよい。また、第１樹脂材５６及び第２樹脂材８２の少なくともいずれかは、省略されてもよい。

図４に示すように、第２金属セパレータ２０には、第２連通孔シール部７８ａの内側（燃料ガス入口連通孔２６ａ側）及び外側（燃料ガス流路６６側）を連通するブリッジ部８８が設けられる。また、第２金属セパレータ２０には、第２連通孔シール部７８ｂの内側（燃料ガス出口連通孔２６ｂ側）及び外側（燃料ガス流路６６側）を連通するブリッジ部９０が設けられる。

図１及び図２において、第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２４ａと冷却媒体出口連通孔２４ｂとに連通する冷却媒体流路９２が設けられる。冷却媒体流路９２は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の冷却媒体流路溝９４を有する。冷却媒体流路９２は、酸化剤ガス流路３８の裏面形状と燃料ガス流路６６の裏面形状とによって形成される。

次に、燃料電池スタック１０の製造方法について説明する。燃料電池スタック１０の製造方法は、図５に示すように、第１準備工程、第２準備工程、積層工程、荷重付与工程を含む。

第１準備工程（ステップＳ１）では、電解質膜３２を準備する。そして、電解質膜３２の両側に触媒ペースト（触媒と電解質膜３２の成分とを含む溶液）を塗布してホットプレスする。これにより、電解質膜３２の両側にカソード電極３４及びアノード電極３６が配設されてなる樹脂枠付きＭＥＡ１６が得られる。

第２準備工程（ステップＳ２）では、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０とを互いに積層した状態で接合されてなる接合セパレータ１１ａを準備する（図６参照）。なお、接合セパレータ１１ａは、圧縮荷重が付与される前の接合セパレータ１１である。

具体的に、第２準備工程では、図６に示すように、線状に延在するシール用の第１金属ビード部５４を第１金属セパレータ１８に対して第２金属セパレータ２０とは反対方向に向かって一体的に突出成形（プレス成形）する。接合セパレータ１１ａにおいて、第１ビード頂部６０の横断面形状は、第２金属セパレータ２０とは反対方向に突出するように円弧状に湾曲している。

また、第２準備工程では、線状に延在するシール用の第２金属ビード部８０を第２金属セパレータ２０に対して第１金属セパレータ１８とは反対方向に向かって一体的に突出成形（プレス成形）する。接合セパレータ１１ａにおいて、第２ビード頂部８６は、第１金属セパレータ１８とは反対方向に突出するように円弧状に湾曲している。

接合セパレータ１１ａにおいて、第１金属セパレータ１８に対する第１金属ビード部５４の突出高さｈ１は、第２金属セパレータ２０に対する第２金属ビード部８０の突出高さｈ２と同じである。ここで、突出高さｈ１は、第１金属ビード部５４の根元部から第１金属ビード部５４の突出端までの距離をいう。突出高さｈ２は、第２金属ビード部８０の根元部から第２金属ビード部８０の突出端までの距離をいう。

すなわち、接合セパレータ１１ａにおいて、第１金属ビード部５４の突出端と第２金属ビード部８０の突出端との間隔であるビード高さＨは、突出高さｈ１と突出高さｈ２とを加算した大きさになる。第１金属ビード部５４と第２金属ビード部８０とは、互いに同一のビード幅Ｗを有している。ビード幅Ｗは、第１金属ビード部５４（第２金属ビード部８０）の突出が始まる根元部の幅寸法をいう。

ビード高さＨに対するビード幅Ｗの比率であるビード寸法比率（Ｗ／Ｈ）は、２．２５以上３．３５以下に設定されている。換言すれば、接合セパレータ１１ａにおいて、突出高さｈ１（突出高さｈ２）に対するビード幅Ｗの比率は、４．５以上６．７以下に設定されている。

積層工程（ステップＳ３）では、第１準備工程で準備された樹脂枠付きＭＥＡ１６と第２準備工程で準備された接合セパレータ１１ａとを交互に積層する。

荷重付与工程（ステップＳ４）では、積層工程の後で、樹脂枠付きＭＥＡ１６及び接合セパレータ１１ａに対してセパレータ厚さ方向の圧縮荷重を付与する。そうすると、第１金属ビード部５４及び第２金属ビード部８０のそれぞれが図２示すように弾性変形し、接合セパレータ１１ａが接合セパレータ１１になる。これにより、第１シール部４８の突出端面４８ａと第２シール部７６の突出端面７６ａとのそれぞれに所望のシール面圧が作用する。荷重付与工程の完了後、燃料電池スタック１０が製造されるに至る。

次に、ビード寸法比率の設定についてさらに説明する。図６に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂに対する第１ビード側部５８の傾斜角度θ１は、ビード寸法比率が小さくなるほど大きくなる。なお、両側の第１ビード側部５８の傾斜角度θ１は、互いに同じである。また、第２金属セパレータ２０の面２０ｂに対する第２ビード側部８４の傾斜角度θ２は、ビード寸法比率が小さくなるほど大きくなる。なお、両側の第２ビード側部８４の傾斜角度θ２は、互いに同じである。

図７Ａは、ビード寸法比率と応力との関係を示したグラフである。ここで、応力とは、接合セパレータ１１ａに圧縮応力を付与した際に第１ビード頂部６０（第２ビード頂部８６）に作用する応力である。第１ビード側部５８及び第２ビード側部８４のそれぞれのばね定数は、ビード寸法比率が小さくなるほど大きくなる（傾斜角度θ１、θ２が大きくなる）。そのため、図７Ａに示すように、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重が付与された際（積層体１４に圧縮荷重が付与された際）に第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６のそれぞれに作用する応力は、ビード寸法比率が小さくなるほど大きくなる。

そして、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重を付与した際に第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６のそれぞれに作用する応力は、ビード寸法比率が２．２５よりも小さくなると座屈発生応力σ０以上になる。ここで、座屈発生応力σ０とは、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重が付与された際に、第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６の少なくともいずれかが座屈して凹状に変形するような応力をいう。このため、ビード寸法比率の下限値は、２．２５に設定される。

図７Ｂは、ビード寸法比率とシール面圧との関係を示したグラフである。第１ビード側部５８及び第２ビード側部８４のそれぞれのばね定数は、ビード寸法比率が大きくなるほど小さくなる（傾斜角度θ１、θ２が小さくなる）。そのため、図７Ｂに示すように、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重を付与した際に第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６のそれぞれに作用するシール面圧は、ビード寸法比率が大きくなるほど小さくなる。

そして、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重を付与した際に第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６のそれぞれに作用するシール面圧は、ビード寸法比率が３．３５よりも大きくなると最低シール面圧Ｐ０以下になる。ここで、最低シール面圧Ｐ０とは、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重を付与した際に、第１シール部４８及び樹脂枠部材３０の間と第２シール部７６及び樹脂枠部材３０の間との少なくともいずれかから流体（反応ガス及び冷却媒体）の漏れが発生するような圧力をいう。このため、ビード寸法比率の上限値は、３．３５に設定される。

すなわち、図８に示すように、ビード幅Ｗ及びビード高さＨは、ビード寸法比率の下限値ラインＬａと上限値ラインＬｂとの間の領域内で設定される。具体的に、例えば、ビード高さＨを１．０ｍｍに設定した場合、ビード幅Ｗは、２．２５ｍｍ以上３．３５ｍｍ以下の範囲で設定される。換言すれば、接合セパレータ１１ａにおいて、突出高さｈ１（突出高さｈ２）に対するビード幅Ｗの比率は、４．５以上６．７以下に設定される。

次に、このように構成される燃料電池スタック１０の動作について説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａに供給される。冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２４ａに供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８のカソード電極３４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路６６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路６６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８のアノード電極３６に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８では、カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３６に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路９２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２４ｂから排出される。

本実施形態は、以下の効果を奏する。

第１金属ビード部５４と第２金属ビード部８０とは、互いに同一のビード幅Ｗを有する。接合セパレータ１１ａにおいて、第１金属ビード部５４の突出端と第２金属ビード部８０の突出端との間隔であるビード高さＨに対するビード幅Ｗの比率（第１ビード寸法比率）は、２．２５以上３．３５以下に設定されている。また、第１金属ビード部５４の突出高さｈ１（第２金属ビード部８０の突出高さｈ２）に対するビード幅Ｗの比率（第２ビード寸法比率）は、４．５以上６．７以下に設定されている。

このような構成によれば、ビード寸法比率が２．２５以上であるため（突出高さｈ１、ｈ２に対するビード幅Ｗの比率が４．５以上であるため）、第１ビード側部５８及び第２ビード側部８４のそれぞれのばね定数が過度に大きくなることはない。そのため、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重が付与された際に、第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６が座屈することを抑えることができる。また、ビード寸法比率が３．３５以下であるため（突出高さｈ１、ｈ２に対するビード幅Ｗの比率が６．７以下であるため）、第１ビード側部５８及び第２ビード側部８４のばね定数が過度に小さくなることはない。そのため、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重が付与された際に、第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６に所望のシール面圧を作用させることができる。

接合セパレータ１１ａにおいて、第１金属ビード部５４の第１ビード頂部６０と第２金属セパレータ２０の第２ビード頂部８６とのそれぞれの横断面形状は、円弧状に湾曲している。

このような構成によれば、接合セパレータ１１ａに圧縮荷重が付与された際に、第１ビード頂部６０及び第２ビード頂部８６に作用するシール面圧を効率的に高めることができる。

第１金属セパレータ１８に対する第１金属ビード部５４の突出高さｈ１は、第２金属セパレータ２０に対する第２金属ビード部８０の突出高さｈ２と同一である。

このような構成によれば、第１金属ビード部５４及び第２金属ビード部８０をバランスよく弾性変形させることができる。そのため、第１シール部４８に作用するシール面圧と第２シール部７６に作用するシール面圧とのバラツキを抑えることができる。

本発明は上述した実施形態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、種々の改変が可能である。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、燃料電池スタック（１０）に組み込むための接合セパレータ（１１ａ）であって、前記接合セパレータは、第１金属セパレータ（１８）と第２金属セパレータ（２０）とを互いに積層した状態で接合されてなり、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、前記第１金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部（５４）が形成され、前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第２金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部（８０）が形成され、前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅（Ｗ）を有し、前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さ（Ｈ）に対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、接合セパレータを開示している。

上記の接合セパレータにおいて、前記第１金属ビード部の頂部（６０）と前記第２金属セパレータの頂部（８６）とのそれぞれの横断面形状は、円弧状に湾曲してもよい。

上記の接合セパレータにおいて、前記第１金属セパレータに対する前記第１金属ビード部の突出高さ（ｈ１）は、前記第２金属セパレータに対する前記第２金属ビード部の突出高さ（ｈ２）と同一であってもよい。

上記実施形態は、燃料電池スタックに組み込むための金属セパレータ（１８、２０）であって、前記金属セパレータは、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、前記金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の金属ビード部（５４、８０）が形成され、前記金属ビード部は、線状に延在するとともにセパレータ厚さ方向に一体的に突出成形され、前記金属ビード部の突出高さであるビード高さに対する前記金属ビード部のビード幅の比率は、４．５以上６．７以下に設定されている、金属セパレータを開示している。

上記実施形態は、電解質膜（３２）の両側に電極（３４、３６）が配設されてなる電解質膜・電極構造体（１６）を準備する第１準備工程と、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを互いに積層した状態で接合されてなる接合セパレータを準備する第２準備工程と、前記電解質膜・電極構造体と前記接合セパレータとを交互に積層する積層工程と、前記積層工程の後で前記電解質膜・電極構造体及び前記接合セパレータに対してセパレータ厚さ方向の圧縮荷重を付与する荷重付与工程と、を含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記第２準備工程では、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部を前記第１金属セパレータに形成するとともに前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部を前記第２金属セパレータに形成し、前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅を有し、前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、燃料電池スタックの製造方法を開示している。

１０…燃料電池スタック １１、１１ａ…接合セパレータ
１４…積層体 １６…樹脂枠付きＭＥＡ
１８…第１金属セパレータ ２０…第２金属セパレータ
３２…電解質膜 ３４…カソード電極
３６…アノード電極 ５４…第１金属ビード部
６０…第１ビード頂部 ８０…第２金属ビード部
８６…第２ビード頂部 Ｈ…ビード高さ
Ｗ…ビード幅

Claims (5)

1. 燃料電池スタックに組み込むための接合セパレータであって、
   前記接合セパレータは、第１金属セパレータと第２金属セパレータとを互いに積層した状態で接合されてなり、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、
   前記第１金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部が形成され、
   前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、
   前記第２金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部が形成され、
   前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、
   前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅を有し、
   前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、接合セパレータ。
2. 請求項１記載の接合セパレータであって、
   前記第１金属ビード部の頂部と前記第２金属セパレータの頂部とのそれぞれの横断面形状は、円弧状に湾曲している、接合セパレータ。
3. 請求項１又は２に記載の接合セパレータであって、
   前記第１金属セパレータに対する前記第１金属ビード部の突出高さは、前記第２金属セパレータに対する前記第２金属ビード部の突出高さと同一である、接合セパレータ。
4. 燃料電池スタックに組み込むための金属セパレータであって、
   前記金属セパレータは、前記燃料電池スタックに組み込まれた際に、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重が付与されるものであり、
   前記金属セパレータには、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の金属ビード部が形成され、
   前記金属ビード部は、線状に延在するとともにセパレータ厚さ方向に一体的に突出成形され、
   前記金属ビード部の突出高さであるビード高さに対する前記金属ビード部のビード幅の比率は、４．５以上６．７以下に設定されている、金属セパレータ。
5. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体を準備する第１準備工程と、
   第１金属セパレータと第２金属セパレータとを互いに積層した状態で接合されてなる接合セパレータを準備する第２準備工程と、
   前記電解質膜・電極構造体と前記接合セパレータとを交互に積層する積層工程と、
   前記積層工程の後で前記電解質膜・電極構造体及び前記接合セパレータに対してセパレータ厚さ方向の圧縮荷重を付与する荷重付与工程と、を含む燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記第２準備工程では、前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第１金属ビード部を前記第１金属セパレータに形成するとともに前記圧縮荷重によって弾性変形可能なシール用の第２金属ビード部を前記第２金属セパレータに形成し、
   前記第１金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第１金属セパレータに対して前記第２金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、
   前記第２金属ビード部は、線状に延在するとともに前記第２金属セパレータに対して前記第１金属セパレータとは反対方向に向かって一体的に突出成形され、
   前記第１金属ビード部と前記第２金属ビード部とは、互いに同一のビード幅を有し、
   前記第１金属ビード部の突出端と前記第２金属ビード部の突出端との間隔であるビード高さに対する前記ビード幅の比率は、２．２５以上３．３５以下に設定されている、燃料電池スタックの製造方法。

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