JP2002075396A - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
燃料電池用セパレータおよびその製造方法Info
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- JP2002075396A JP2002075396A JP2000254288A JP2000254288A JP2002075396A JP 2002075396 A JP2002075396 A JP 2002075396A JP 2000254288 A JP2000254288 A JP 2000254288A JP 2000254288 A JP2000254288 A JP 2000254288A JP 2002075396 A JP2002075396 A JP 2002075396A
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 １つのフレームの板厚内に、段差をもたない
流路を形成した燃料電池用セパレータとその製造方法の
提供。 【解決手段】 セパレータ周囲にマニホールド２９を内
蔵した樹脂フレーム３１を有する樹脂フレーム付きの燃
料電池用セパレータ１８において、樹脂フレーム３１の
マニホールド２９より内周側部分に、マニホールド２９
と樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル
状の流路３３が形成されている燃料電池用セパレータ１
８。流路３３のセパレータ側部分の内面はセパレータ１
８の表面と同一面上にある。ピン状の中子をフレーム中
間品成形用型内に配してマニホールドより内周側部分に
トンネル状の流路３３を有し中子抜き時に干渉する部分
が欠落したフレーム中間品を形成する第１段工程と、中
子抜き時に干渉する部分を埋めてフレーム最終品を形成
する第２段工程と、を有する燃料電池用セパレータの製
造方法。
流路を形成した燃料電池用セパレータとその製造方法の
提供。 【解決手段】 セパレータ周囲にマニホールド２９を内
蔵した樹脂フレーム３１を有する樹脂フレーム付きの燃
料電池用セパレータ１８において、樹脂フレーム３１の
マニホールド２９より内周側部分に、マニホールド２９
と樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル
状の流路３３が形成されている燃料電池用セパレータ１
８。流路３３のセパレータ側部分の内面はセパレータ１
８の表面と同一面上にある。ピン状の中子をフレーム中
間品成形用型内に配してマニホールドより内周側部分に
トンネル状の流路３３を有し中子抜き時に干渉する部分
が欠落したフレーム中間品を形成する第１段工程と、中
子抜き時に干渉する部分を埋めてフレーム最終品を形成
する第２段工程と、を有する燃料電池用セパレータの製
造方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、外周部に樹脂フレ
ームを有し該フレームにトンネル状流路を有する燃料電
池用セパレータとその製造方法に関する。
ームを有し該フレームにトンネル状流路を有する燃料電
池用セパレータとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレ
ータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジ
ュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群と
し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、
インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを
構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方
向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）
にて締め付け、固定したものからなる。固体高分子電解
質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオン
と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を
カソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオン
および電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子が
セパレータを通してくる）から水を生成する反応が行わ
れる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
には、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）の
セル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形
成されており、燃料電池を冷却している。特開平８−１
６２１３１号公報は、メタルセパレータ周囲に樹脂フレ
ームを有し、樹脂フレーム内に形成されたそれぞれのマ
ニホールドから燃料ガス、酸化ガスを、樹脂フレームに
形成された流路を通してメタルセパレータに形成された
燃料ガス流路、酸化ガス流路に供給、排出する燃料電池
用セパレータを開示している。樹脂フレーム間にＭＥＡ
の膜が挟みこまれてシールされるので、樹脂フレームの
表面に流路が溝状に露出してシール面に凹凸をつけるこ
とはシール上望ましくない。そのために、樹脂フレーム
に形成された流路は２枚のフレームに溝状流路を形成し
ておき溝状流路を合わせて２枚のフレームを張り合わせ
ることにより、２枚のフレームの合成フレーム内に形成
されている。流路は、セパレータの片側表面の反応ガス
流路に連通するために、途中でフレーム板厚方向に屈曲
しており、屈曲部には流路に段差がある。
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレ
ータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジ
ュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群と
し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、
インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを
構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方
向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）
にて締め付け、固定したものからなる。固体高分子電解
質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオン
と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を
カソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオン
および電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子が
セパレータを通してくる）から水を生成する反応が行わ
れる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
には、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）の
セル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形
成されており、燃料電池を冷却している。特開平８−１
６２１３１号公報は、メタルセパレータ周囲に樹脂フレ
ームを有し、樹脂フレーム内に形成されたそれぞれのマ
ニホールドから燃料ガス、酸化ガスを、樹脂フレームに
形成された流路を通してメタルセパレータに形成された
燃料ガス流路、酸化ガス流路に供給、排出する燃料電池
用セパレータを開示している。樹脂フレーム間にＭＥＡ
の膜が挟みこまれてシールされるので、樹脂フレームの
表面に流路が溝状に露出してシール面に凹凸をつけるこ
とはシール上望ましくない。そのために、樹脂フレーム
に形成された流路は２枚のフレームに溝状流路を形成し
ておき溝状流路を合わせて２枚のフレームを張り合わせ
ることにより、２枚のフレームの合成フレーム内に形成
されている。流路は、セパレータの片側表面の反応ガス
流路に連通するために、途中でフレーム板厚方向に屈曲
しており、屈曲部には流路に段差がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池用セパレータには、つぎの問題がある。 ２枚の板の張り合わせて合成フレーム内流路を形成
するので、２枚の板の合わせ面のシールが新たに問題と
なる。また、フレームの個数が倍増し、製造コスト、組
立てコスト等が大幅に増大する。 マニホルドからセパレータの片側表面の反応ガス流
路までの流路にフレーム板厚方向に屈曲する段差があ
り、反応ガスの流れの円滑性が阻害される。本発明の目
的は、１つのフレームの板厚内に、段差を持たない流路
を形成した燃料電池用セパレータとその製造方法を提供
することにある。
池用セパレータには、つぎの問題がある。 ２枚の板の張り合わせて合成フレーム内流路を形成
するので、２枚の板の合わせ面のシールが新たに問題と
なる。また、フレームの個数が倍増し、製造コスト、組
立てコスト等が大幅に増大する。 マニホルドからセパレータの片側表面の反応ガス流
路までの流路にフレーム板厚方向に屈曲する段差があ
り、反応ガスの流れの円滑性が阻害される。本発明の目
的は、１つのフレームの板厚内に、段差を持たない流路
を形成した燃料電池用セパレータとその製造方法を提供
することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂
フレームを有する樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレ
ータにおいて、セパレータの外縁部が前記樹脂フレーム
に一体成形されており、前記樹脂フレームの前記マニホ
ールドより内周側部分には、前記マニホールドと前記樹
脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の
流路が形成されている、ことを特徴とする燃料電池用セ
パレータ。 （２） 前記流路は該流路の全長にわたって直線状に延
びており、前記流路のセパレータ側部分の内面は前記セ
パレータの表面と同一面上にある、（１）記載の燃料電
池用セパレータ。 （３） セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂
フレームを有し、前記樹脂フレームの前記マニホールド
より内周側部分に、前記マニホールドと前記樹脂フレー
ム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流路が形
成されている、樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレー
タの製造方法であって、流路成形用のピン状の中子をフ
レーム中間品成形用型内に配して溶融樹脂を注入し樹脂
凝固後型から外し中子を抜いて、樹脂フレームのマニホ
ールドより内周側部分にトンネル状の流路を有しマニホ
ールドより外周側部分のうち中子抜き時に干渉する部分
が欠落したフレーム中間品を形成する第１段工程と、フ
レーム中間品をフレーム最終品成形用型内に配して溶融
樹脂を注入して前記中子抜き時に干渉する部分を埋め、
樹脂凝固後型から外してフレーム最終品を形成する第２
段工程と、からなる燃料電池用セパレータの製造方法。
明はつぎの通りである。 （１） セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂
フレームを有する樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレ
ータにおいて、セパレータの外縁部が前記樹脂フレーム
に一体成形されており、前記樹脂フレームの前記マニホ
ールドより内周側部分には、前記マニホールドと前記樹
脂フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の
流路が形成されている、ことを特徴とする燃料電池用セ
パレータ。 （２） 前記流路は該流路の全長にわたって直線状に延
びており、前記流路のセパレータ側部分の内面は前記セ
パレータの表面と同一面上にある、（１）記載の燃料電
池用セパレータ。 （３） セパレータ周囲にマニホールドを内蔵した樹脂
フレームを有し、前記樹脂フレームの前記マニホールド
より内周側部分に、前記マニホールドと前記樹脂フレー
ム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流路が形
成されている、樹脂フレーム付きの燃料電池用セパレー
タの製造方法であって、流路成形用のピン状の中子をフ
レーム中間品成形用型内に配して溶融樹脂を注入し樹脂
凝固後型から外し中子を抜いて、樹脂フレームのマニホ
ールドより内周側部分にトンネル状の流路を有しマニホ
ールドより外周側部分のうち中子抜き時に干渉する部分
が欠落したフレーム中間品を形成する第１段工程と、フ
レーム中間品をフレーム最終品成形用型内に配して溶融
樹脂を注入して前記中子抜き時に干渉する部分を埋め、
樹脂凝固後型から外してフレーム最終品を形成する第２
段工程と、からなる燃料電池用セパレータの製造方法。
【０００５】上記（１）の燃料電池用セパレータでは、
樹脂フレームにトンネル状の流路が形成されているの
で、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路の
場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題と
なることがなく、かつ従来２枚であったフレームが１枚
となるので、コスト低減をはかることができる。上記
（２）の燃料電池用セパレータでは、流路は該流路の全
長にわたって直線状に延びており、流路のセパレータ側
部分の内面はセパレータの表面と同一面上にあるので、
屈曲していた従来の流路に比べて流れ抵抗が低減する。
上記（３）の燃料電池用セパレータの製造方法では、ト
ンネル状の流路をピン状中子を用いて成形する工程と、
マニホルドより外側部分を埋める工程との２段工程でフ
レームを成形するので、１つのフレーム内に容易に流路
を成形することができる。
樹脂フレームにトンネル状の流路が形成されているの
で、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路の
場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題と
なることがなく、かつ従来２枚であったフレームが１枚
となるので、コスト低減をはかることができる。上記
（２）の燃料電池用セパレータでは、流路は該流路の全
長にわたって直線状に延びており、流路のセパレータ側
部分の内面はセパレータの表面と同一面上にあるので、
屈曲していた従来の流路に比べて流れ抵抗が低減する。
上記（３）の燃料電池用セパレータの製造方法では、ト
ンネル状の流路をピン状中子を用いて成形する工程と、
マニホルドより外側部分を埋める工程との２段工程でフ
レームを成形するので、１つのフレーム内に容易に流路
を成形することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池用セパ
レータを図１〜図６を参照して、説明する。本発明の燃
料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発
明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載さ
れる。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
レータを図１〜図６を参照して、説明する。本発明の燃
料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発
明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載さ
れる。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１
〜図６に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１
１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２お
よび拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）
および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５およ
び拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）と
からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Ele
ctrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水
素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するた
めの流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れ
る冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねて
セルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を
構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成
し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モ
ジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端
に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレ
ート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２
３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池
積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テン
ションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５また
はナットで固定したものからなる。
〜図６に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１
１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２お
よび拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）
および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５およ
び拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）と
からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Ele
ctrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水
素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するた
めの流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れ
る冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねて
セルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を
構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成
し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モ
ジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端
に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレ
ート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２
３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池
積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テン
ションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５また
はナットで固定したものからなる。
【０００８】触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカ
ーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからな
る。セパレータ１８は、不透過性で、通常は、カーボン
（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂
の何れかからなる。以下ではセパレータ１８が、複数の
金属板からなる場合を示すが、これに限るものではな
い。
ーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからな
る。セパレータ１８は、不透過性で、通常は、カーボン
（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂
の何れかからなる。以下ではセパレータ１８が、複数の
金属板からなる場合を示すが、これに限るものではな
い。
【０００９】セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画
するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに
電子が流れる電気の通路を形成している。冷却水流路２
６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。た
とえば、図３に示すように２セルで１モジュールを構成
するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却
水流路２６が設けられる。
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画
するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに
電子が流れる電気の通路を形成している。冷却水流路２
６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。た
とえば、図３に示すように２セルで１モジュールを構成
するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却
水流路２６が設けられる。
【００１０】セパレータ１８は、燃料電池を冷却する冷
却水流路を形成するとともに反応ガスの流路を形成する
冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスの流路を形成する
反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータが
ある。セパレータ１８が金属板からなる場合、冷却用セ
パレータ１８Ａも反応ガス用セパレータ１８Ｂも、複数
の金属板を重ね合わせた金属セパレータからなる。金属
板は、たとえば、ＳＵＳ（ステンレス）板にニッケルメ
ッキを施したものからなる。
却水流路を形成するとともに反応ガスの流路を形成する
冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスの流路を形成する
反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータが
ある。セパレータ１８が金属板からなる場合、冷却用セ
パレータ１８Ａも反応ガス用セパレータ１８Ｂも、複数
の金属板を重ね合わせた金属セパレータからなる。金属
板は、たとえば、ＳＵＳ（ステンレス）板にニッケルメ
ッキを施したものからなる。
【００１１】セパレータ１８が金属板からなる場合、冷
却用セパレータ１８Ａは、凹凸が形成され外面にガス流
路２７を形成する２枚の金属板１８ａ、１８ｂと、該２
枚の金属板１８ａ、１８ｂの間に挟まれ、凹凸が形成さ
れ、表裏に冷却水流路２６を形成する中間金属板１８ｃ
との、合計３枚の金属板を有する。中間金属板１８ｃ、
凹凸が形成されていてもよく（ただし、形成されていな
くてもよい）、以下では凹凸が形成されている場合を示
す。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸は、たとえばディンプ
ル（断面が円錐台形で、各凹凸が非連続の凹凸）であり
（ただし、連続した溝状の凹凸でもよい）、中間金属板
１８ｃの凹凸は連続した溝状の凹凸である。中間金属板
１８ｃは、金属板１８ａ、１８ｂの凹凸の凹部の底壁の
内面と接触して、金属板１８ａ、１８ｂを支持してい
る。
却用セパレータ１８Ａは、凹凸が形成され外面にガス流
路２７を形成する２枚の金属板１８ａ、１８ｂと、該２
枚の金属板１８ａ、１８ｂの間に挟まれ、凹凸が形成さ
れ、表裏に冷却水流路２６を形成する中間金属板１８ｃ
との、合計３枚の金属板を有する。中間金属板１８ｃ、
凹凸が形成されていてもよく（ただし、形成されていな
くてもよい）、以下では凹凸が形成されている場合を示
す。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸は、たとえばディンプ
ル（断面が円錐台形で、各凹凸が非連続の凹凸）であり
（ただし、連続した溝状の凹凸でもよい）、中間金属板
１８ｃの凹凸は連続した溝状の凹凸である。中間金属板
１８ｃは、金属板１８ａ、１８ｂの凹凸の凹部の底壁の
内面と接触して、金属板１８ａ、１８ｂを支持してい
る。
【００１２】セパレータ１８が金属板からなる場合、冷
却用セパレータ１８Ａでは、２枚の金属板１８ａ、１８
ｂ間のスペースは冷却水流路２６である。冷却水流路２
６は、中間金属板１８ｃにより、中間金属板１８ｃの表
側の冷却水流路２６ａと中間金属板１８ｃの裏側の冷却
水流路２６ｂとに区画される。中間金属板１８ｃの凹凸
の凹の幅と凸の幅とは等しく、表側の冷却水流路２６ａ
と裏側の冷却水流路２６ｂの流れ抵抗は、等しいか、ま
たはほぼ等しい。そして、冷却水は、中間金属板１８ｃ
の外側のフレーム３１内に形成された冷却水マニホール
ド２８から金属板１８ｃの表裏の冷却水流路２６に入
り、冷却水流路２６ａ、２６ｂを通過した後、冷却水マ
ニホールド２８へ出ていく。中間金属板１８ｃには、表
側の冷却水流路２６ａと裏側の冷却水流路２６ｂを連通
する穴３０が形成されており、容易にガス抜きされるよ
うになっている。また、耐電食性をもたせるために、金
属板１８ａ、１８ｂと中間金属板１８ｃとは同じ材質と
してある。
却用セパレータ１８Ａでは、２枚の金属板１８ａ、１８
ｂ間のスペースは冷却水流路２６である。冷却水流路２
６は、中間金属板１８ｃにより、中間金属板１８ｃの表
側の冷却水流路２６ａと中間金属板１８ｃの裏側の冷却
水流路２６ｂとに区画される。中間金属板１８ｃの凹凸
の凹の幅と凸の幅とは等しく、表側の冷却水流路２６ａ
と裏側の冷却水流路２６ｂの流れ抵抗は、等しいか、ま
たはほぼ等しい。そして、冷却水は、中間金属板１８ｃ
の外側のフレーム３１内に形成された冷却水マニホール
ド２８から金属板１８ｃの表裏の冷却水流路２６に入
り、冷却水流路２６ａ、２６ｂを通過した後、冷却水マ
ニホールド２８へ出ていく。中間金属板１８ｃには、表
側の冷却水流路２６ａと裏側の冷却水流路２６ｂを連通
する穴３０が形成されており、容易にガス抜きされるよ
うになっている。また、耐電食性をもたせるために、金
属板１８ａ、１８ｂと中間金属板１８ｃとは同じ材質と
してある。
【００１３】冷却用セパレータ１８Ａでは、金属板１８
ａ、１８ｂの外周部位は、それぞれ、樹脂製の平板状の
フレーム３１内に延び、フレーム３１内に形成されたガ
スマニホルド２９の手前で止まり、フレーム３１に一体
成形される（たとえば、埋め込まれてインサート成形さ
れる）。中間金属板１８ｃの外周部はフレーム３１の内
周面かその手前で止まり、フレーム３１内には延びな
い。中間金属板１８ｃは金属板１８ａ、１８ｂと接触し
ているが、溶接等による接合はされていない。金属板１
８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１８ｂ
の外周部が埋めこまれたフレームとが分離された時に
は、中間金属板１８ｃは外されて交換可能である。金属
板１８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１
８ｂの外周部が埋めこまれたフレームとの間にはガスケ
ット３２が配置されており、冷却水流路２６を外部から
シールしている。また、フレーム３１にはトンネル状の
流路３３が形成されており、ガスマニホルド２９からの
それぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）をそれぞれ
のガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２
７ｂ）に供給、排出する。
ａ、１８ｂの外周部位は、それぞれ、樹脂製の平板状の
フレーム３１内に延び、フレーム３１内に形成されたガ
スマニホルド２９の手前で止まり、フレーム３１に一体
成形される（たとえば、埋め込まれてインサート成形さ
れる）。中間金属板１８ｃの外周部はフレーム３１の内
周面かその手前で止まり、フレーム３１内には延びな
い。中間金属板１８ｃは金属板１８ａ、１８ｂと接触し
ているが、溶接等による接合はされていない。金属板１
８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１８ｂ
の外周部が埋めこまれたフレームとが分離された時に
は、中間金属板１８ｃは外されて交換可能である。金属
板１８ａの外周部が埋めこまれたフレームと、金属板１
８ｂの外周部が埋めこまれたフレームとの間にはガスケ
ット３２が配置されており、冷却水流路２６を外部から
シールしている。また、フレーム３１にはトンネル状の
流路３３が形成されており、ガスマニホルド２９からの
それぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）をそれぞれ
のガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２
７ｂ）に供給、排出する。
【００１４】反応ガス用セパレータ１８Ｂは、凹凸が形
成され外面にガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化
ガス流路２７ｂ）を形成する２枚の金属板１８ａ、１８
ｂのみを有し、中間金属板１８ｃは有しない。反応ガス
用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金属板１８ａ、１８ｂ
間には冷却水は流れない。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸
は、たとえばディンプル（断面が円錐台形で、各凹凸が
非連続の凹凸）である（ただし、連続した溝状の凹凸で
もよい）。反応ガス用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金
属板１８ａ、１８ｂの外周部は、合わされて、１つのフ
レーム３１に埋め込まれている。合わされた金属板１８
ａ、１８ｂの外周部は、フレーム３１内でガスマニホル
ド２９の手前で止まっている。また、フレーム３１には
トンネル状の流路３３が形成されており、ガスマニホル
ド２９からのそれぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガ
ス）をそれぞれのガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、
酸化ガス流路２７ｂ）に供給、排出する。
成され外面にガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化
ガス流路２７ｂ）を形成する２枚の金属板１８ａ、１８
ｂのみを有し、中間金属板１８ｃは有しない。反応ガス
用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金属板１８ａ、１８ｂ
間には冷却水は流れない。金属板１８ａ、１８ｂの凹凸
は、たとえばディンプル（断面が円錐台形で、各凹凸が
非連続の凹凸）である（ただし、連続した溝状の凹凸で
もよい）。反応ガス用セパレータ１８Ｂでは、２枚の金
属板１８ａ、１８ｂの外周部は、合わされて、１つのフ
レーム３１に埋め込まれている。合わされた金属板１８
ａ、１８ｂの外周部は、フレーム３１内でガスマニホル
ド２９の手前で止まっている。また、フレーム３１には
トンネル状の流路３３が形成されており、ガスマニホル
ド２９からのそれぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化ガ
ス）をそれぞれのガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、
酸化ガス流路２７ｂ）に供給、排出する。
【００１５】膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）は、冷却
用セパレータ１８Ａでは、金属板１８ａ（１８ｂ）の凹
凸の凸部と、反応ガス用セパレータ１８Ｂの金属板１８
ａ、（１８ｂ）の凹凸の凸部とによって挟まれており、
電極部は凸部の裏側で、直接、冷却水により冷却されて
いる。膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の外周部は隣接
するフレーム３１間に挟まれており、膜１１は電極１
４、１７よりさらに外周に延びて、隣接するフレーム３
１間に挟まれている。
用セパレータ１８Ａでは、金属板１８ａ（１８ｂ）の凹
凸の凸部と、反応ガス用セパレータ１８Ｂの金属板１８
ａ、（１８ｂ）の凹凸の凸部とによって挟まれており、
電極部は凸部の裏側で、直接、冷却水により冷却されて
いる。膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の外周部は隣接
するフレーム３１間に挟まれており、膜１１は電極１
４、１７よりさらに外周に延びて、隣接するフレーム３
１間に挟まれている。
【００１６】図５、図６は、セパレータ１８周囲にマニ
ホールド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有する樹脂
フレーム付きの燃料電池用セパレータ１８における、樹
脂フレーム３１と、セパレータ１８と、トンネル状の流
路３３の構造を拡大して示している。セパレータ１８の
金属板１８ａ、１８ｂ（セパレータ１８が黒鉛からなる
場合は黒鉛板）の外縁部は、ほぼ中央部が抜かれたほぼ
四角形状の平板状の枠体からなる樹脂製のフレーム３１
の、ガスマニホールド２９より内周側部分に、フレーム
３１成形時に、一体成形（たとえば、埋め込まれてイン
サート成形成形）されている。金属板１８ａ、１８ｂ
は、冷却用セパレータ１８Ａにおけるように、１枚の金
属板が１枚のフレーム３１にインサート成形されていて
もよいし、反応ガス用セパレータ１８Ｂにおけるよう
に、２枚の金属板１８ａ、１８ｂが合わされて１枚のフ
レーム３１にインサート成形されていてもよい。
ホールド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有する樹脂
フレーム付きの燃料電池用セパレータ１８における、樹
脂フレーム３１と、セパレータ１８と、トンネル状の流
路３３の構造を拡大して示している。セパレータ１８の
金属板１８ａ、１８ｂ（セパレータ１８が黒鉛からなる
場合は黒鉛板）の外縁部は、ほぼ中央部が抜かれたほぼ
四角形状の平板状の枠体からなる樹脂製のフレーム３１
の、ガスマニホールド２９より内周側部分に、フレーム
３１成形時に、一体成形（たとえば、埋め込まれてイン
サート成形成形）されている。金属板１８ａ、１８ｂ
は、冷却用セパレータ１８Ａにおけるように、１枚の金
属板が１枚のフレーム３１にインサート成形されていて
もよいし、反応ガス用セパレータ１８Ｂにおけるよう
に、２枚の金属板１８ａ、１８ｂが合わされて１枚のフ
レーム３１にインサート成形されていてもよい。
【００１７】樹脂フレーム３１のガスマニホールド２９
より内周側部分には、マニホールド２９と樹脂フレーム
内周面の内側の反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が
流れる空間とを連通するトンネル状の流路３３が形成さ
れている。流路３３は、樹脂フレーム３１の成形時に中
子（ピン状の中子）により形成されるもので、１枚のフ
レーム３１の厚さの範囲内に形成されている。したがっ
て、従来のように２枚の板を張り合わせたフレームの溝
からなる流路ではない。流路３３は該流路の全長にわた
って直線状に延びており、従来の流路のようにフレーム
の板厚方向に屈曲していない。流路３３が直線状に延び
ているので、成形時にピン状の中子を中子軸方向に抜く
ことができる。流路３３のセパレータ１８側部分の内面
はセパレータ１８の表面と同一面上にある。したがっ
て、成形時にセパレータ１８と中子が干渉することはな
い。
より内周側部分には、マニホールド２９と樹脂フレーム
内周面の内側の反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）が
流れる空間とを連通するトンネル状の流路３３が形成さ
れている。流路３３は、樹脂フレーム３１の成形時に中
子（ピン状の中子）により形成されるもので、１枚のフ
レーム３１の厚さの範囲内に形成されている。したがっ
て、従来のように２枚の板を張り合わせたフレームの溝
からなる流路ではない。流路３３は該流路の全長にわた
って直線状に延びており、従来の流路のようにフレーム
の板厚方向に屈曲していない。流路３３が直線状に延び
ているので、成形時にピン状の中子を中子軸方向に抜く
ことができる。流路３３のセパレータ１８側部分の内面
はセパレータ１８の表面と同一面上にある。したがっ
て、成形時にセパレータ１８と中子が干渉することはな
い。
【００１８】上記の、セパレータ１８周囲にマニホール
ド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有し、樹脂フレー
ム３１のマニホールド２９より内周側部分に、マニホー
ルド２９と樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通する
トンネル状の流路３３が形成されている、樹脂フレーム
付きの燃料電池用セパレータは、つぎの第１段工程、つ
いで実行される第２段工程にしたがって、製造される。
第１段工程では、トンネル状流路成形用のピン状の中子
をフレーム中間品成形用型内に配して溶融樹脂を注入し
樹脂凝固後型から外し中子を抜いて、樹脂フレーム３１
のマニホールド２９より内周側部分にトンネル状の流路
３３を有しマニホールド２９より外周側部分のうち中子
抜き時に中子が干渉する部分（図５の２点鎖線Ｂで囲ん
だ部分）が欠落したフレーム中間品を形成する。第２段
工程では、第１段工程で製造したフレーム中間品をフレ
ーム最終品成形用型内に配して溶融樹脂を注入して中子
抜き時に干渉するために欠落させた部分（図５の２点鎖
線Ｂで囲んだ部分）を埋め、樹脂凝固後、型から外して
フレーム最終品を形成する。このように、フレーム部は
２段成形される。
ド２９を内蔵した樹脂フレーム３１を有し、樹脂フレー
ム３１のマニホールド２９より内周側部分に、マニホー
ルド２９と樹脂フレーム内周面の内側空間とを連通する
トンネル状の流路３３が形成されている、樹脂フレーム
付きの燃料電池用セパレータは、つぎの第１段工程、つ
いで実行される第２段工程にしたがって、製造される。
第１段工程では、トンネル状流路成形用のピン状の中子
をフレーム中間品成形用型内に配して溶融樹脂を注入し
樹脂凝固後型から外し中子を抜いて、樹脂フレーム３１
のマニホールド２９より内周側部分にトンネル状の流路
３３を有しマニホールド２９より外周側部分のうち中子
抜き時に中子が干渉する部分（図５の２点鎖線Ｂで囲ん
だ部分）が欠落したフレーム中間品を形成する。第２段
工程では、第１段工程で製造したフレーム中間品をフレ
ーム最終品成形用型内に配して溶融樹脂を注入して中子
抜き時に干渉するために欠落させた部分（図５の２点鎖
線Ｂで囲んだ部分）を埋め、樹脂凝固後、型から外して
フレーム最終品を形成する。このように、フレーム部は
２段成形される。
【００１９】上記では、セパレータ１８が金属セパレー
タの場合を主に説明したが、セパレータ１８は金属セパ
レータに限るものではなく、ガスや液が不透過でかつ導
電性を有するものであればよく、たとえば、黒鉛セパレ
ータ、導電性樹脂セパレータであってもよい。また、流
路３３は、ガスマニホルド２９と反応ガス流路とを連通
する流路である場合を説明したが、それに限るものでは
なく、冷却水マニホルド２８とセパレータ内冷却水流路
２６とを連通する流路であってもよい。
タの場合を主に説明したが、セパレータ１８は金属セパ
レータに限るものではなく、ガスや液が不透過でかつ導
電性を有するものであればよく、たとえば、黒鉛セパレ
ータ、導電性樹脂セパレータであってもよい。また、流
路３３は、ガスマニホルド２９と反応ガス流路とを連通
する流路である場合を説明したが、それに限るものでは
なく、冷却水マニホルド２８とセパレータ内冷却水流路
２６とを連通する流路であってもよい。
【００２０】つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの
作用を説明する。樹脂フレーム３１にトンネル状の流路
３３が形成されているので、従来の溝付きフレームを２
枚重ねて形成した流路の場合のように重ね合わせたフレ
ーム間のシールが問題となることがない。また、従来２
枚のフレームの張り合わせからなる合成フレームであっ
たものが、本発明では１枚の一体フレーム３１となるの
で、製造の単純化、部品点数削減などによって、コスト
低減をはかることができる。また、流路３３は該流路の
全長にわたって直線状に延びており、流路３３のセパレ
ータ１８側部分の内面はセパレータ１８の表面と同一面
上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて、流れ
抵抗が低減する。また、流路３３をフレーム３１の厚さ
の範囲内に形成し、流路３３がフレーム３１の積層面３
４に露出しない構造としたので、ＭＥＡの電解質膜１１
のシール面が平面となり、隣り合うフレーム３１の平面
シール面間に膜１１を挟み込んでシールすることができ
る。もしもこのシール面に流路の凹凸が溝状に露出する
と膜が溝に落ち込んでシール不全が生じるが、そのよう
な事態が生じない。なお、図５において、フレーム３１
の積層面３４の内周部に段差３５があるが、これはＭＥ
Ａの拡散層と膜１１との段差を吸収するための段差であ
り、この段差３５より外側に電解質膜１１が延び、隣り
合うフレーム３１の平面シール面間でシールされる。
作用を説明する。樹脂フレーム３１にトンネル状の流路
３３が形成されているので、従来の溝付きフレームを２
枚重ねて形成した流路の場合のように重ね合わせたフレ
ーム間のシールが問題となることがない。また、従来２
枚のフレームの張り合わせからなる合成フレームであっ
たものが、本発明では１枚の一体フレーム３１となるの
で、製造の単純化、部品点数削減などによって、コスト
低減をはかることができる。また、流路３３は該流路の
全長にわたって直線状に延びており、流路３３のセパレ
ータ１８側部分の内面はセパレータ１８の表面と同一面
上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて、流れ
抵抗が低減する。また、流路３３をフレーム３１の厚さ
の範囲内に形成し、流路３３がフレーム３１の積層面３
４に露出しない構造としたので、ＭＥＡの電解質膜１１
のシール面が平面となり、隣り合うフレーム３１の平面
シール面間に膜１１を挟み込んでシールすることができ
る。もしもこのシール面に流路の凹凸が溝状に露出する
と膜が溝に落ち込んでシール不全が生じるが、そのよう
な事態が生じない。なお、図５において、フレーム３１
の積層面３４の内周部に段差３５があるが、これはＭＥ
Ａの拡散層と膜１１との段差を吸収するための段差であ
り、この段差３５より外側に電解質膜１１が延び、隣り
合うフレーム３１の平面シール面間でシールされる。
【００２１】本発明の燃料電池用セパレータ１８の製造
方法では、流路３３をピン状中子を用いて成形する工程
と、マニホルド２９より外側部分を埋める工程との２段
工程でフレーム３１を成形するので、１つのフレーム３
１内に容易に流路３３を成形することができる。
方法では、流路３３をピン状中子を用いて成形する工程
と、マニホルド２９より外側部分を埋める工程との２段
工程でフレーム３１を成形するので、１つのフレーム３
１内に容易に流路３３を成形することができる。
【００２２】
【発明の効果】請求項１の燃料電池用セパレータによれ
ば、樹脂フレームにトンネル状の流路が形成されている
ので、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路
の場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題
となることがなく、かつ従来２枚であったフレームが１
枚となるので、コスト低減をはかることができる。請求
項２の燃料電池用セパレータによれば、トンネル状の流
路は該流路の全長にわたって直線状に延びており、流路
のセパレータ側部分の内面はセパレータの表面と同一面
上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて流れ抵
抗が低減する。請求項３の燃料電池用セパレータの製造
方法によれば、トンネル状の流路をピン状中子を用いて
成形する工程と、マニホルドより外側部分を埋める工程
との２段工程でフレームを成形するので、１つのフレー
ム内に容易に流路を成形することができる。
ば、樹脂フレームにトンネル状の流路が形成されている
ので、従来の溝付きフレームを２枚重ねて形成した流路
の場合のように重ね合わせたフレーム間のシールが問題
となることがなく、かつ従来２枚であったフレームが１
枚となるので、コスト低減をはかることができる。請求
項２の燃料電池用セパレータによれば、トンネル状の流
路は該流路の全長にわたって直線状に延びており、流路
のセパレータ側部分の内面はセパレータの表面と同一面
上にあるので、屈曲していた従来の流路に比べて流れ抵
抗が低減する。請求項３の燃料電池用セパレータの製造
方法によれば、トンネル状の流路をピン状中子を用いて
成形する工程と、マニホルドより外側部分を埋める工程
との２段工程でフレームを成形するので、１つのフレー
ム内に容易に流路を成形することができる。
【図１】本発明実施例のセパレータを備えた燃料電池の
全体概略図である。
全体概略図である。
【図２】本発明実施例の燃料電池のモジュールの端部と
その近傍の断面図である。
その近傍の断面図である。
【図３】本発明実施例の燃料電池の電解質膜−電極アッ
センブリの一部の拡大断面図である。
センブリの一部の拡大断面図である。
【図４】本発明実施例の冷却用セパレータの中間金属板
の正面図である。
の正面図である。
【図５】本発明実施例のセパレータと樹脂フレームとト
ンネル状の流路の近傍部分の断面図（図６のＡ−Ａ断面
図）である。
ンネル状の流路の近傍部分の断面図（図６のＡ−Ａ断面
図）である。
【図６】本発明実施例のセパレータと樹脂フレームとト
ンネル状の流路の近傍部分の正面図である。
ンネル状の流路の近傍部分の正面図である。
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １８Ａ 冷却用セパレータ １８Ｂ 反応ガス用セパレータ １８ａ、１８ｂ 金属板 １８ｃ 中間金属板 １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ 締結部材（テンションプレート） ２５ ボルトまたはナット ２６ 冷却水流路 ２６ａ 中間金属板の表側冷却水流路 ２６ｂ 中間金属板の裏側冷却水流路 ２７ ガス流路 ２７ａ 燃料ガス流路 ２７ｂ 酸化ガス流路 ２８ 冷却水マニホルド ２９ ガスマニホルド ３０ 穴 ３１ フレーム ３２ ガスケット ３３ （トンネル状の）流路 ３４ 積層面 ３５ 段差
Claims (3)
- 【請求項１】 セパレータ周囲にマニホールドを内蔵し
た樹脂フレームを有する樹脂フレーム付きの燃料電池用
セパレータにおいて、 セパレータの外縁部が前記樹脂フレームに一体成形され
ており、 前記樹脂フレームの前記マニホールドより内周側部分に
は、前記マニホールドと前記樹脂フレーム内周面の内側
空間とを連通するトンネル状の流路が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 前記流路は該流路の全長にわたって直線
状に延びており、前記流路のセパレータ側部分の内面は
前記セパレータの表面と同一面上にある、請求項１記載
の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項３】 セパレータ周囲にマニホールドを内蔵し
た樹脂フレームを有し、前記樹脂フレームの前記マニホ
ールドより内周側部分に、前記マニホールドと前記樹脂
フレーム内周面の内側空間とを連通するトンネル状の流
路が形成されている、樹脂フレーム付きの燃料電池用セ
パレータの製造方法であって、 流路成形用のピン状の中子をフレーム中間品成形用型内
に配して溶融樹脂を注入し樹脂凝固後型から外し中子を
抜いて、樹脂フレームのマニホールドより内周側部分に
トンネル状の流路を有しマニホールドより外周側部分の
うち中子抜き時に干渉する部分が欠落したフレーム中間
品を形成する第１段工程と、 フレーム中間品をフレーム最終品成形用型内に配して溶
融樹脂を注入して前記中子抜き時に干渉する部分を埋
め、樹脂凝固後型から外してフレーム最終品を形成する
第２段工程と、からなる燃料電池用セパレータの製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000254288A JP3785909B2 (ja) | 2000-08-24 | 2000-08-24 | 燃料電池用セパレータの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006024171A Division JP4569483B2 (ja) | 2006-02-01 | 2006-02-01 | 燃料電池用セパレータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002075396A true JP2002075396A (ja) | 2002-03-15 |
| JP3785909B2 JP3785909B2 (ja) | 2006-06-14 |
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|---|---|---|---|
| JP2000254288A Expired - Fee Related JP3785909B2 (ja) | 2000-08-24 | 2000-08-24 | 燃料電池用セパレータの製造方法 |
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|---|---|
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2007536705A (ja) * | 2004-05-03 | 2007-12-13 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ及びこれを組み込んだデバイス |
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| US7553576B2 (en) | 2002-04-26 | 2009-06-30 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Separator for fuel cell |
-
2000
- 2000-08-24 JP JP2000254288A patent/JP3785909B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101056623B1 (ko) | 2002-08-28 | 2011-08-16 | 누베라 퓨엘 셀스 유로프 에스.아르.엘. | 멤브레인 전기화학 발전기 |
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| US8592094B2 (en) | 2002-08-28 | 2013-11-26 | Nuvera Fuel Cells Europe S.R.L. | Membrane electrochemical generator |
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