JP2000323149A

JP2000323149A - 燃料電池用セパレータ及び製造装置

Info

Publication number: JP2000323149A
Application number: JP11127167A
Authority: JP
Inventors: Eiki Ito; 栄基伊藤; Toshiro Kobayashi; 敏郎小林; Takuya Moriga; 卓也森賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】反応ガスを均一に供給するとともに、生成水を
除去するためのガス流速のを速め、かつ厚さ方向の導電
性を付与することを課題とする。【解決手段】固体高分子膜の両側に電極を配してなる単
位セルを複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記単位セル間に配置され、一方の側面には隣接する単
位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を設
け、かつ他方の側面には隣接する別の単位セルに酸化剤
ガスを供給するための酸化剤ガス流路を設けた燃料電池
用セパレータであり、金属製薄板３１と、この金属製薄
板３１の両側に配置された矩形あるいは波形に加工され
た流路形成部材３２と、これら流路形成部材３２を金属
製薄板３１に保持する枠体３４，３５とを具備すること
を特徴とする燃料電池用セパレータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用セパレ
ータ及び燃料電池用セパレータの製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、地球環境保護の観点から燃
料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの
電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動す
ることが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇
問題を有する化石燃料を使う必要がないので排気ガス等
を発生することがないとともに、騒音をほとんど発生せ
ず、またエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と
比べて高くできる等の優れた特徴を有している。

【０００３】ところで、燃料電池を自動車に利用する場
合、燃料電池は他の付帯設備とともにできるだけ小型で
かつ軽量であることが望ましい。このようなことから、
燃料電池の中でも固体高分子膜を２種類の電極で挟み込
み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体
高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅ
ｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）が注目されて
いる。

【０００４】図１１は、固体高分子型燃料電池の原理図
を示す。燃料電池単位セル１は、固体高分子膜２の両側
に夫々酸素極３、水素極４を接合することにより構成さ
れている。そして、この接合体は、固体高分子膜２の両
側に酸素極３，水素極４を合わせた後、ホットプレス等
により製造されている。前記酸素極３，水素極４は、反
応膜５とガス拡散膜６が接合されたもので、前記固体高
分子膜２とは反応膜５の表面が接触している。また、前
記酸素極３,水素極４は、ガスや水を通過させるため内
部がポーラス状になっている。電池反応は、主に固体高
分子膜２と反応膜との間の接触面で起こる。前記酸素極
３の片側には酸素流路，水素流路，冷却水通路を有する
セパレータ７が接合され、前記水素極４の片側には酸素
流路，水素流路，冷却水流路を有するセパレータ８が夫
々接合されている。

【０００５】こうした構成の燃料電池において、酸素流
路及び水素流路は酸素及び水素を夫々供給すると、酸
素，水素は各々のガス拡散膜を介して反応膜側へ供給さ
れ、各反応膜で次のような反応が起こる。

【０００６】一方の反応膜上での反応：(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺→Ｈ₂Ｏ他方の反応膜上での反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ここで、２Ｈ⁺は固体高分子膜２を通って水素極４から
酸素極３へ流れるが、２ｅ^-は負荷９を通って水素極４
から酸素極３へ流れ、電気エネルギーが得られる。

【０００７】上述した固体高分子型燃料電池（セル）１
０は、例えば図１２に示すように複数個積層され、エン
ドフランジ１１で挟んだ状態で締結ボルト１２により固
定して締め付けられている。

【０００８】従来、上記燃料電池に使用されるセパレー
タとしては、例えば図１０に示す構成のものが知られて
いる。セパレータ１３の両面には、反応ガス（酸化剤ガ
ス、燃料ガス）を流すための溝が矢印のように蛇行して
形成されている。前記セパレータ１３の両側には酸化剤
ガスの導入，排出用のマニホールド１４，１５、燃料ガ
スの導入，排出用のマニホールド１６，１７、及び冷却
剤の導入,排出用のマニホールド１８，１９が夫々設け
られている。なお、図中の付番２０はボルト穴を示す。

【０００９】しかし、図１０のセパレータの場合、全て
金属材料で製作されているため、重量が非常に大きくな
るという問題点があった。また、金属材料を用いている
ため、酸化剤ガスや燃料ガスの導入，排出用のマニホー
ルド間をつなぐ溝の加工が難しく、コスト高を招いてい
た。

【００１０】また、従来、セパレータとしては、特開平
８−２２２２３７号公報、特開平１０−７４５３０号公
報等が知られている。前者のセパレータは、金属材料か
らなるセパレータ板の表裏面に緻密カーボングラファイ
トをコーティングし、これにエンボス加工ないしディン
プル加工を施して突起を適当な間隔（数ミリ間隔）で設
け、更に前記セパレータ板をフェノール樹脂等からなる
セパレータ枠部材により挟み込み、夫々の接合部分には
予めシール材を塗布した構成となっている。しかし、前
者のセパレータによれば、突起間で形成される燃料ガス
流路溝や酸化剤ガス流路溝が平面的に見て一方向に揃っ
ていないため、反応ガスの供給が不均一になるという問
題があった。また、同様な理由により、電池反応により
生じる生成水を除去するための十分なガス流速を得るこ
とができないという問題があった。

【００１１】一方、後者のセパレータは、セパレータ本
体と該セパレータ本体の外縁部に一体的に被覆された高
分子材料からなる外枠部から構成され、前記セパレータ
本体にプレス成形により多数個の凹凸からなる膨出成形
部を形成して正極室、負極室を形成した構成となってい
る。しかし、この後者のセパレータの場合も、前者のセ
パレータと同様、反応ガスの供給が不均一で、十分なガ
ス流速を得ることができない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした事
情を考慮してなされたもので、金属製薄板と、この金属
製薄板の両側に配置された矩形あるいは波形に加工され
た流路形成部材と、これら流路形成部材を金属製薄板に
保持する枠体とを具備した構成とすることにより、反応
ガスを均一に供給できるとともに、電池反応により生じ
る生成水を除去するためのガス流速を速めることができ
る燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

【００１３】また、本発明は、流路形成部材を前記金属
製薄板に位置決めする押え治具と、前記金属製薄板と流
路形成部材との接点をスポット溶接する溶接用電極とを
具備した構成とすることにより、ガスを通過させるため
の流路をシール性よく確実に形成できるとともに、厚さ
方向の導電性を付与しえる燃料電池用セパレータの製造
装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、固体
高分子膜の両側に電極を配してなる単位セルを複数積層
してなる燃料電池スタックにおいて、前記単位セル間に
配置され、一方の側面には隣接する単位セルに燃料ガス
を供給するための燃料ガス流路を設け、かつ他方の側面
には隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するため
の酸化剤ガス流路を設けた燃料電池用セパレータであ
り、金属製薄板と、この金属製薄板の両側に配置された
矩形あるいは波形に加工された流路形成部材と、これら
流路形成部材を金属製薄板に保持する枠体とを具備する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。

【００１５】本願第２の発明は、前記燃料電池用セパレ
ータを製造する装置であり、前記流路形成部材を前記金
属製薄板に位置決めする押え治具と、前記金属製薄板と
流路形成部材との接点をスポット溶接する溶接用電極と
を具備することを特徴とする燃料電池用セパレータの製
造装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池用セパレ
ータ及び該セパレータの製造装置について更に具体的に
説明する。本発明において、前記流路形成部材は、流路
が蛇行するように加工されていることが好ましい。こう
した構成にすることにより、反応ガスを流路に沿って方
向性よく供給でき、反応ガスを単位セルへ均一に供給で
きるとともにガス流速を速めることができる。また、流
路形成部材は、スポット溶接により前記金属製薄板に固
定することができる。こうした溶接を行なえば、流路形
成部材を金属製薄板に確実に固定できるとともに、セパ
レータの厚さ方向の導電性を付与できる。

【００１７】前記流路形成部材の溝幅は、燃料ガスある
いは酸化剤ガスの入口付近では大きく、排出口付近では
小さいことが好ましい。こうした構成にすることによ
り、反応ガスの排出口付近でガスの流速を大きくするこ
とができ、生成水の排出が容易になる。前記流路形成部
材の材質としては、例えばステンレス鋼、チタン、モリ
ブデン、タングステンが挙げられる。このうち、ステン
レス鋼は導電性、耐食性に優れているので最も好まし
い。

【００１８】前記流路形成部材の板厚は、十分な発電性
能を保持すること及び流路を十分保持できる範囲が必要
であることから、０．０２〜１．０ｍｍの範囲が好まし
い。事実、ピッチと板厚を変えて発電特性を調べたとこ
ろ、下記表１のような結果が得られた。但し、ガスとし
てはＨ₂−Ａｒ、利用率（Ｈ₂を使用する割合）５０
％、圧力２ａｔａ、セル温度８０℃の条件下で特性を調
べた。

【００１９】

【表１】

【００２０】本発明において、前記枠体としては、厚み
方向に貫通され、燃料ガス，酸化剤ガスあるいは冷却剤
を流すマニホールドと、このマニホールドと前記流路形
成部材の流路とを連通する連絡路とを有する構成のもの
が挙げられる。ここで、前記連絡路は、枠体の縁部を利
用して枠体と一体的に形成してよいし（図１参照）、あ
るいは枠体のマニホールド部分に窪みを設け、別な部材
をこの枠体の窪みにはめ込んで形成してもよい（図７参
照）。また、枠体は例えば後述する実施例１のように金
属製薄板の両側に夫々形成する必要はなく、金属製薄板
の片側の面にのみ形成し、かつ枠体を設けない側の金属
製薄板の縁部に流路形成部材を囲むように樹脂層を形成
した構成のものでもよい。更に、前記枠体の材質として
は、ポリカーボネート等の高分子材料が挙げられる。前
記枠体は、モールド成形もしくは射出成形より形成する
ことが可能である。前記枠体の高さは、流路形成部材の
高さと略一致していることがガス漏れの防止等の点から
好ましい。

【００２１】本発明の燃料電池用セパレータの製造装置
において、金属製薄板の両側に流路形成部材を固定する
には、一方の流路形成部材を押え治具の溝形状に沿って
配置した後、金属製薄板、別な流路形成部材を順に積層
し、２つの流路形成部材と金属製薄板の３点が接してい
る点を溶接用電極でスポット溶接行うことにより実現で
きる。なお、スポット溶接を行う代わりに燃料電池の製
作時の面圧だけで流路形成部材を金属製薄板に固定する
ことも可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、下記実施例に記載された数値、材料等は一例を示す
もので、本願の権利範囲を特定するものではない。（実施例１）図１（Ａ）〜（Ｃ）及び図２を参照して説
明する。ここで、図１（Ａ）は本発明に係る燃料電池用
セパレータの展開斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の要
部Ｘの拡大斜視図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の流路形成
部材の一部の斜視図、図２は流路形成部材の概略的な平
面図を示す。

【００２３】図中の付番３１は、ステンレス鋼製の金属
製薄板を示す。この金属製薄板３１の両面には、矩形に
加工されたステンレス鋼製の流路形成部材３２が形成さ
れている。ここで、流路形成部材３２は、複数の流路部
材３２ａ〜３２ｇを流路３３が矢印Ａの如く蛇行しかつ
つながるように順次配置して構成されている。前記流路
形成部材３２は、後述するようにスポット溶接により金
属製薄板３１に固定されている。前記各流路部材３２ａ
〜３２ｇは例えば平坦な薄板を矩形にプレス加工するこ
とにより形成されるているが、波形に加工してもよい。

【００２４】前記金属製薄板３１の両面には、流路形成
部材３２を囲むように流路形成部材３２とほぼ同じ高さ
の枠体３４，３５が夫々配置されている。ここで、枠体
３４，３５の材質は、例えばポリカーボネイトからな
る。前記枠体３４，３５の両側には、燃料ガスを導入，
排出用のマニホールド（燃料ガス流路）３６，３７、酸
化剤ガス導入，排出用のマニホールド（酸化剤ガス流
路）３８，３９、冷却剤導入，排出用のマニホールド４
０，４１が夫々形成されている。

【００２５】前記マニホールド３６には、図１（Ｂ）に
示すように、流路形成部材３２の流路３３と連通する連
絡路４２が形成されている。なお、他のマニホールド３
７，３８，３９もマニホールド３６と同様な構成になっ
ている。

【００２６】上記実施例１に係る燃料電池用セパレータ
は、ステンレス鋼製の金属製薄板３１と、この金属製薄
板３１の両面に矩形に加工されたステンレス鋼製の流路
形成部材３２，３２と、前記金属製薄板３１の両面に前
記流路形成部材３２，３２を夫々囲むように配置された
枠体３４，３５とを具備した構成となっている。しかる
に、流路形成部材３２によって形成される流路は、図２
に示すように方向性を有しているため、従来と比べ、各
マニホールドから流路３３へ反応ガスを均一に供給でき
るとともに、電池反応によって生じる生成水を除去する
ためのガス流速を速めることができる。また、流路形成
部材３２と枠体３４，３５の高さが同じであるため、簡
単な構造でシール性を保持できる。

【００２７】事実、上記実施例１に係る燃料電池用セパ
レータと、図５に示すように反応ガス用流路が金属材料
をディンプル加工（凸部４３）により加工されている燃
料電池用セパレータ（比較例１）、及び図６に示すよう
に反応ガス用流路４４が金属材料をプレス加工によりス
トライプ形状になっている燃料電池用セパレータ（比較
例２）とを、反応ガスの均一供給、ガス流速の速さ、流
路形状の自由度について比較したところ、下記表２に示
す結果を得た。

【００２８】

【表２】

【００２９】その結果、実施例１では比較例１，２に比
べて、ガス供給，ガス流速，流路形状の自由度の点で優
れていることが確認できた。なお、図８のように３枚の
セパレータ部材４５ａ，４５ｂ，４５ｃを導入マニホー
ルド４６、排出マニホールド４７で直列に接続する方法
もあるが、二重マニホールドが必要となるので、構造が
複雑となり、シール方法も本発明と比べて複雑となる。

【００３０】（実施例２）図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照す
る。ここで、図４（Ａ）は実施例２に係る燃料電池用セ
パレータの一構成を示す流路形成部材５０の平面図、図
４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図、図４
（Ｃ）は図４（Ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図を示す。但
し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。

【００３１】本実施例２は、流路形成部材５０の流路３
３の溝幅が図４（Ｂ）に示すように反応ガスの入口付近
でＷと大きく、反応ガスの出口付近で図４（Ｃ）に示す
ようにｗと狭くなっていることを特徴とする。なお、流
路形成部材５０は、流路部材５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，
５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇを順次流路３３がつな
がるようにして配置することにより構成されている。上
記実施例２によれば、反応ガスの出口付近でガス流速を
大きくすることができ、電池反応によって生じる生成水
の排出を容易にできる。

【００３２】（実施例３）図７を参照する。実施例３の
基本的な構成は実施例１と同様であり、マニホールド３
６の周囲の枠体３４に窪み６１を設け、流路を形成する
整流板６２を裏面にかつ厚さ方向にマニホールド３６と
同じ形状の開口部６３を形成したヘッダ部材６４を窪み
６１に装着する構成となっている。ここで、前記ヘッダ
部材６４の上面は、枠体３４の上面と同じ高さになるよ
うに加工されている。なお、他のマニホールド３７，３
８，３９も、マニホールド３６と同様な構成になってい
る。また、枠体３５も同様な構成となっている。実施例
３によれば、流路を形成する整流板６２を裏面に形成し
たヘッダ部材６４の存在により、マニホールドから流路
形成部材の流路へガスを均一に供給できる。

【００３３】（実施例４）図３を参照する。図３は、本
発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置の概略図を
示す。なお、図１と同部材は同符号を付して説明を省略
する。前記製造装置は、流路形成部材３２を金属製薄板
３１に位置決めする押え治具５１と、金属製薄板３１と
流路形成部材３２との接点をスポット溶接する溶接用電
極５２とから構成されている。前記押え治具５１の表面
には、流路形成部材３２の溝形状と対応した溝部が形成
されている。

【００３４】上記製造装置を用いて流路形成部材３２を
金属製薄板３１に固定するには、流路形成部材３２を押
え治具５１の溝部と同じになるようにセットし、その上
に順に金属製薄板３１、別の流路形成部材３２を積層し
た後、上下の流路形成部材３２と金属製薄板３１の３点
が接している点を溶接用電極５２にてスポット溶接を行
う。このスポット溶接により、流路形成部材３２を金属
製薄板３１に固定することができると同時に、セパレー
タ厚さ方向の導電性を付与することができる。なお、十
分な導電性を得るためには、スポット溶接の総面積が流
路形成部材３２の面積の０．５％以上になることが望ま
しい。

【００３５】（実施例５）上記実施例では、スポット溶
接により流路形成部材を金属製薄板に固定する場合につ
いて述べたが、本実施例５は、流路形成部材を金属製薄
板に積層時の面圧だけで固定した例を示す。こうした方
法によれば、スポット溶接の工程を省くことができ、コ
スト低減を図ることができる。

【００３６】図９は、実施例１及び実施例５の燃料電池
用セパレータの電気抵抗と組立時の面圧との関係を示
す。図９より、実施例５では、実施例１よりもセパレー
タの電気抵抗が大きくなっていることがわかるが、電極
での抵抗に比べて十分小さいので問題がない値である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の燃料電池用
セパレータによれば、金属製薄板と、この金属製薄板の
両側に配置された矩形あるいは波形に加工された流路形
成部材と、これら流路形成部材を金属製薄板に保持する
枠体とを具備した構成とすることにより、反応ガスを均
一に供給できるとともに、電池反応により生じる生成水
を除去するためのガス流速を速めることができる。

【００３８】また、本発明の燃料電池用セパレータの製
造装置によれば、流路形成部材を前記金属製薄板に位置
決めする押え治具と、前記金属製薄板と流路形成部材と
の接点をスポット溶接する溶接用電極とを具備した構成
とすることにより、ガスを通過させるための流路をシー
ル性よく確実に形成できるとともに、厚さ方向の導電性
を付与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池用セパレータ
の説明図。

【図２】図１の燃料電池用セパレータの一構成である流
路形成部材の概略的な平面図。

【図３】本発明の実施例４に係る燃料電池用セパレータ
の製造装置の説明図。

【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池用セパレータ
に使用される流路形成部材の概略的な平面図。

【図５】比較例１に係る燃料電池用セパレータの平面
図。

【図６】比較例２に係る燃料電池用セパレータの平面
図。

【図７】本発明の実施例３に係る燃料電池用セパレータ
の説明図。

【図８】３枚のセパレータ部材からなるセパレータを導
入マニホールド及び排出マニホールド間で直列に接続す
る方法の説明図。

【図９】本発明の実施例１及び実施例５に係る燃料電池
用マニホールドにおけるセパレータの電気抵抗と面圧と
の関係を示す特性図。

【図１０】従来の燃料電池セパレータの説明図。

【図１１】燃料電池の原理図。

【図１２】ＰＥＦＣスタックの説明図。

【符号の説明】

３１…金属製薄板、３２、５０…流路形成部材、３２ａ〜３２ｇ、５０ａ〜５０ｇ…流路部材、３３…流路、３４、３５…枠体、３６〜４１…マニホールド、４２…連絡路、５１…押え治具、５２…溶接用電極。

フロントページの続き (72)発明者森賀卓也広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 CC03 CC05 CC08 EE02 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜の両側に電極を配してなる
単位セルを複数積層してなる燃料電池スタックにおい
て、前記単位セル間に配置され、一方の側面には隣接す
る単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を
設け、かつ他方の側面には隣接する別の単位セルに酸化
剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を設けた燃料電
池用セパレータであり、金属製薄板と、この金属製薄板の両側に配置された矩形
あるいは波形に加工された流路形成部材と、これら流路
形成部材を金属製薄板に保持する枠体とを具備すること
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】前記流路形成部材は、流路が蛇行するよ
うに加工されていることを特徴とする請求項１記載の燃
料電池用セパレータ。
【請求項３】前記流路形成部材は、スポット溶接によ
り前記金属製薄板に固定されていることを特徴とする請
求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】前記流路形成部材の溝幅は、燃料ガスあ
るいは酸化剤ガスの入口付近では大きく、排出口付近で
は小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セ
パレータ。
【請求項５】前記枠体は、厚み方向に貫通され、燃料
ガス，酸化剤ガスあるいは冷却剤を流すマニホールド
と、このマニホールドと前記流路形成部材の流路とを連
通する連絡路とを有することを特徴とする請求項１記載
の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】請求項１記載の燃料電池用セパレータを
製造する装置であり、前記流路形成部材を前記金属製薄
板に位置決めする押え治具と、前記金属製薄板と流路形
成部材との接点をスポット溶接する溶接用電極とを具備
することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装
置。