JP2000138065A - 燃料電池用金属セパレータ - Google Patents

燃料電池用金属セパレータ

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JP2000138065A
JP2000138065A JP10312459A JP31245998A JP2000138065A JP 2000138065 A JP2000138065 A JP 2000138065A JP 10312459 A JP10312459 A JP 10312459A JP 31245998 A JP31245998 A JP 31245998A JP 2000138065 A JP2000138065 A JP 2000138065A
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separator
metal
gas
fuel cell
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JP10312459A
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Hiroshi Makino
浩 牧野
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Toyota Motor Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プレス加工により成形されたセパレータは、
セパレータの表裏で局部的な伸び量が異なるため、セパ
レータの表裏で残留応力が相違し、セパレータには全体
的にそりやうねりが生じる。このそりが、各セパレータ
のマニホールド付近でのガスシール性の低下やセパレー
タと電解質層との接触不良を招く。 【解決手段】 金属プレートをプレス加工することによ
りガス流路用の凹凸が形成された金属セパレータ1の塑
性加工領域に細密圧痕2を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用金属セ
パレータに関し、特に塑性加工により凹凸形状が設けら
れる燃料電池用金属セパレータに関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、天然ガス等を改質して得ら
れる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させ
て、電気エネルギーと水を発生させる装置である。燃料
電池は、水素ガス流路を有するアノード極、電解質、及
び酸素ガス流路を有するカソード極からなる単電池(セ
ル)を複数積層してその出力電圧を高めている。セパレ
ータは、セルを積層していく場合に、隣り合うセルの水
素ガス流路と酸素ガス流路が接する面を仕切り、ガスの
相互流入を防止するものである。また、セパレータは、
アノード側ガスである水素ガスの触媒反応により発生し
た電子を外部回路へ供給し、外部回路からの電子をカソ
ード側へ送給する電子の供給路としての役割を有する。
このため、燃料電池用セパレータには、機械的強度、ガ
スシール性、電気伝導性が要求される。これらの要求を
満足するセパレータとして金属セパレータが用いられて
いる。金属セパレータは、金属プレートに凹凸を設け、
凹部又は凸部をそれぞれアノード側ガス、カソード側ガ
スのガス流路としている。ガス流路となる凹凸形状は、
一般に金属プレートをプレス加工することにより形成さ
れる。プレス加工によるガス流路が形成された燃料電池
用セパレータの発明として特開平7−161365号が
ある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、プレス加工に
より成形されたセパレータは、成形形状に起因して、セ
パレータの表裏で局部的な伸び量が異なる。このため、
セパレータの表裏で残留応力が相違し、セパレータには
全体的にそりやうねりが生じる。このセパレータに発生
したそりやうねりは、各セパレータのマニホールド付近
でのガスシール性の低下を招く。また、セパレータと電
解質層との接触不良を招き、不接触又は接触圧力が弱ま
り接触抵抗が大きくなることによる発電性能が低下する
といった問題が生じていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために金属プレートの塑性加工によりガス流路用
の凹凸が設けられ、前記凹凸形状がアノード側ガス又は
カソード側ガスのガス流路を形成し、前記凹凸形状のう
ち、電解質層と接触する部分が電子の伝導路となる燃料
電池用金属セパレータであって、前記金属プレートの変
形領域の少なくとも一部に細密圧痕による塑性加工を施
したことを特徴とする。
【0005】また、本発明は、燃料電池用金属セパレー
タの凹凸形状を有するガス流路以外の周辺部にも細密圧
痕による塑性加工を施したことを特徴とする。
【0006】
【作用】ガス流路を形成する凹凸形状が塑性加工により
設けられた金属セパレータにおいて、セパレータの塑性
加工を受けた凹凸形状部分に細密圧痕を設ける。これに
より、凹凸形状を設けるためのプレスにより生じたセパ
レータの表裏面に生じた面内方向の不均一な残留応力が
相殺され、そりの発生を抑制することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1に金属セパレータを用いた燃料電池の
セル構造を示す。セルは、断面の輪郭が台形の凹凸が連
続した形状を有する金属セパレータ1及び1’と電解質
層6とからなる。上部の金属セパレータ1と電解質層6
で囲まれた上部空間7と、下部の金属セパレータ1’と
電解質層6で囲まれた下部空間8とがそれぞれガス流路
となる。上部空間7が燃料ガスである水素ガスのガス流
路であれば、対向する下部空間8が酸素ガスのガス流路
となる。電解質層6は、ガス拡散層3、触媒層4、電解
質板5からなり、電解質板5を両側から触媒層4で挟
み、さらにガス拡散層3で挟んだ構造を有する。
【0008】電解質板5は、発生した水素イオンが通過
可能な電解液を、多孔質板等に含浸させて保持したもの
であるが、電解質板5に用いられる電解質は固体電解質
であってもよい。触媒層4は、触媒が基材に結着された
層である。それぞれカソード側に酸素極触媒、アノード
側に水素極触媒が設けられている。水素極触媒により、
燃料ガスである水素が活性化し、水素イオンと電子が生
じる。酸素極触媒により、水素イオンと酸素ガスと電子
より水が生じる。ガス拡散層3は、触媒層とセパレータ
間の電子の移動を効率よくするための空隙を有する導電
性層である。ガス拡散層3は、また腐食性の強い、強酸
性の電解質層、触媒層とセパレータ金属を直接接触させ
ない役割も有する。
【0009】セルでの反応について説明する。金属セパ
レータ1を流れる水素ガスは、ガス拡散層3の空隙を通
って触媒層4に到達する。触媒層4の水素極触媒によっ
て水素ガスは活性化され、水素イオンと電子となる。水
素イオンは、電解質板5を通ってカソード側へ泳動す
る。電子は、水素極触媒と接するガス拡散層3に供給さ
れ、ガス拡散層3と金属セパレータ1の接触部分を通じ
てアノード極側の金属セパレータ1へ供給される。電子
は金属セパレータ1から外部回路へ流出する。外部回路
からカソード極側の金属セパレータ1’へ電子が戻り、
ガス拡散層3を通じて触媒層4へ電子が流入する。金属
セパレータ1’を流れる酸素ガスは、ガス拡散層3の空
隙を通って触媒層に到達する。触媒層4の酸素極触媒に
よって、酸素ガスは活性化され、流入した電子と泳動し
てきた水素イオンと反応することにより水蒸気が発生す
る。発生した水蒸気は、ガス拡散層3を通ってガス流路
8から排出される。
【0010】図2に本発明の金属セパレータの拡大図を
示す。金属セパレータ1には、プレス加工により、断面
の輪郭が台形の凹凸形状が繰り返し連続的に設けられて
いる。各凹凸はガス流路が直線状になるように、直線を
形成するように設けられている。この凹凸形状の断面の
輪郭形状は、台形に限定されるものではなく、電解質層
6と接触する平坦面を有し、一定の断面高さを有してい
るものであればいずれの形状であってもよい。また、ガ
ス流路の形状も直線に限定されるものではない。また、
凹凸形状は、図1に示すように連続的なものに限られ
ず、図3に示すように島状に不連続な凹凸形状10が設
けられてもよい。凹凸形状は、従来技術のセパレータの
ガス流路を形成するいずれのパターンで形成されてもよ
い。
【0011】図2に示す金属セパレータ1の平坦部分の
表面及び裏面には、全体を覆うように菱型の微小な圧痕
2が複数設けられている。この微小な圧痕2が設けられ
ることによってプレス加工により生じた残留応力に基づ
く局部的な金属の伸びが平均化され、セパレータのそり
やうねりの発生を防止することができる。この圧痕2の
形状は、菱形に限定するものでなく、球形、角形等いず
れの形状であってもよい。圧痕2は、平坦面の表裏面の
全体に均等に形成することが、残留応力を相殺するため
には望ましい。圧痕2の大きさは、セパレータの構造強
度低下等を考慮し、深さ方向で、セパレータの厚さの4
分の1以下であることが望ましい。
【0012】圧痕は、プレス用の金型の上面及び下面に
それぞれ圧痕形成用の突起を予め設けておき、両側から
圧力を加えてプレスすることにより設けられる。作業工
程の短縮化の観点から、ガス流路を形成用の凹凸形状の
成形と同時に圧痕もプレス成形するのが望ましい。圧痕
は凹凸形状のプレス成形後に形成するものであってもよ
い。凹凸形状及び圧痕の形成は、プレス加工に限定され
るものではなく、塑性加工であればいずれの方法であっ
てもよい。
【0013】上記圧痕が形成された金属セパレータ1
は、凹凸形状成形時の残留応力が表面、裏面において均
一化され、そりやゆがみが生じにくくなるため、電解質
層6と金属セパレータ1との接触性が向上し、そりによ
る発電効率の低下を防止することができる。また、そり
が生じないことからガスのシール性も向上する。特に図
3に示すような金属セパレータ1のガスの供給、排出口
となるガスマニホールド11、12近辺のガスシール性
が向上する。
【0014】本発明の別の実施の形態では、さらに金属
セパレータのガス流路ではない平坦部分についても微細
な圧痕を設ける。この部分は図3に示したガス供給、排
出口となるマニホールド11、12が形成される部分で
ある。かかる部分にもプレスによりそり、ゆがみが発生
すると考えられ、圧痕を設けることにより、そり、ゆが
みの発生を防止でき、金属セパレータを積層する場合
に、この平坦部分同士の密着性を向上させることができ
る。
【0015】
【発明の効果】本発明の燃料電池用金属セパレータによ
れば、塑性加工によりガス流路用の凹凸形状が設けられ
た個所に細密圧痕を設けることにより、凹凸形状を成形
するための塑性加工によって生じる金属セパレータの表
裏面で不均一な残留応力を分散化し、セパレータのそり
を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 金属セパレータを用いた燃料電池のセルを示
す図である。
【図2】 本発明の実施形態に係る燃料電池用金属セパ
レータの拡大断面図である。
【図3】 島状の凹凸形状を有する金属セパレータの全
体図である。
【符号の説明】
1,1’ 金属セパレータ、2 圧痕、3 ガス拡散
層、4 触媒層、5 電解質板、6 電解質層、7 水
素ガス流路、8 酸素ガス流路、10 島状凹凸形状、
11 ガス供給マニホールド、12 ガス排出マニホー
ルド。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属プレートの塑性加工によりガス流路
    用の凹凸が設けられ、前記凹凸形状がアノード側ガス又
    はカソード側ガスのガス流路を形成し、前記凹凸形状の
    うち、電解質層と接触する部分が電子の伝導路となる燃
    料電池用金属セパレータであって、 前記金属プレートの少なくとも塑性変形領域の一部に細
    密圧痕による塑性加工を施したことを特徴とする燃料電
    池用金属セパレータ。
  2. 【請求項2】 燃料電池用金属セパレータの凹凸形状を
    有するガス流路以外の周辺部にも細密圧痕による塑性加
    工を施したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用
    金属セパレータ。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の燃料電池用金属セ
    パレータを使用した燃料電池。
JP10312459A 1998-11-02 1998-11-02 燃料電池用金属セパレータ Pending JP2000138065A (ja)

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