JP2004055436A - 燃料電池、そのガス分離板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス分離板の波板構造領域を機械加工で形成することによって生じる応力を緩和して、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することを可能にする。
【解決手段】この発明に係るガス分離板の製造方法は、ガス分離板１０の平坦部１８に、マニホールド孔２０、２２、２４とは離れたものであって当該平坦部１８に加わる内外方向の応力を緩和するスリット３０を波板構造領域１２の辺に沿うように形成した後に、波板構造領域１２をプレス成形等の機械加工によって形成することを特徴としている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池、特に固体高分子膜型の燃料電池用の金属製のガス分離板（セパレータとも呼ばれる）、その製造方法および当該ガス分離板を備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス分離板は、電解質膜を二つの電極で挟んで成る単位燃料電池を複数積層して燃料電池を構成するときに当該単位燃料電池間に挟んで使用される。
【０００３】
このガス分離板は、近年のものは金属製であり、燃料ガス通路を一方の面に有し酸化ガス通路を他方の面に有する波板構造領域を中央部に備え、その周囲に平坦部を備え、かつこの平坦部に、ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）や冷却媒体を通すマニホールド孔を有している。
【０００４】
このようなガス分離板の波板構造領域の形成は、通常、例えば特開平１０−２２８９１４号公報、特開２０００−２６０４３９号公報に記載されているように、金属板にプレス成形等の機械加工を施すことによって形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、金属板にプレス成形等の機械加工を施すことによって波板構造領域を形成すると、機械加工によって生じる応力によって、波板構造領域やその周囲の平坦部に、金属板の延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するという課題がある。
【０００６】
ガス分離板に上記のような歪みや湾曲等が発生すると、様々な不具合が発生する。例えば、ガスや冷却媒体が漏れる可能性が生じるので、安全性および信頼性が低下する。また、ガス分離板と電極との接触が不均一となり、内部電気抵抗が増加して燃料電池としての性能および出力安定性が低下する。
【０００７】
そこでこの発明は、ガス分離板の波板構造領域を機械加工で形成することによって生じる応力を緩和して、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することを可能にすることを主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るガス分離板の製造方法は、前記ガス分離板の平坦部に、前記マニホールド孔とは離れたものであって当該平坦部に加わる内外方向の応力を緩和するスリットおよび襞の少なくとも一方を前記波板構造領域の辺に沿うように形成した後に、前記波板構造領域を機械加工によって形成することを特徴としている（請求項１）。
【０００９】
この製造方法によれば、平坦部に予め上記スリットおよび襞の少なくとも一方を形成しておくことによって、当該スリットまたは襞が一種の自由端を形成しているので、その後の波板構造領域形成の機械加工時に平坦部に加わる内外方向の応力を、当該スリットおよび襞の少なくとも一方が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になる。
【００１０】
この発明に係るガス分離板は、前記平坦部に、前記マニホールド孔とは離れたものであって当該平坦部に加わる内外方向の応力を緩和するスリットおよび襞の少なくとも一方を前記波板構造領域の辺に沿って形成していることを特徴としている（請求項２）。
【００１１】
このガス分離板によれば、平坦部に上記スリットおよび襞の少なくとも一方を形成しておくことによって、当該スリットまたは襞が一種の自由端を形成しているので、波板構造領域形成の機械加工に伴って平坦部に発生する内外方向の応力を、当該スリットおよび襞の少なくとも一方が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になる。
【００１２】
この発明に係る燃料電池は、上記製造方法によって製造されたガス分離板を備えていることを特徴としている（請求項３）。
【００１３】
上記製造方法によって製造されたガス分離板を用いることによって、上記作用によって、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になるので、燃料電池としての信頼性および性能が向上する。即ち、ガスや冷却媒体の漏れを回避することができるので、安全性および信頼性が向上する。また、ガス分離板と電極との接触が均一となり、内部電気抵抗が減少して燃料電池としての性能および出力安定性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るガス分離板の一例を示す平面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【００１５】
このガス分離板１０は、水素を含む燃料ガスを通す燃料ガス通路１４を一方の面（図１では表面）に有し、酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス通路１６を他方の面（図１では裏面）に有する波板構造領域１２を中央部に備え、その周囲に平坦部１８を備えている。この波板構造領域１２は、その断面形状に着目すれば、凹凸構造領域と呼ぶこともできる。その機能に着目すれば、ガス通路形成領域と呼ぶこともできる。
【００１６】
このガス分離板１０は、金属製であり、導電性を有している。このガス分離板１０を構成する金属には、例えば、（１）Ｆｅ　を主成分とし、Ｃ、Ｍｎ　、Ｎｉ　、Ｃｒ　、Ｔｉ　、Ｎｂ　、Ｍｏ　より選ばれる少なくとも一つの元素を含むステンレス鋼、（２）Ｔｉ　を主成分とするチタン合金、（３）Ａｌ　を主成分とするアルミニウム合金、（４）チタンそのもの、または、（５）アルミニウムそのもの、を用いるのが好ましい。これは、これらの材料は汎用性が高い等の理由による。この実施例では、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を用いている。
【００１７】
波板構造領域１２の平面寸法は、この実施例では、５ｃｍ×５ｃｍの正方形であるが、これに限られるものではなく、長方形等の他の形状および他の寸法でも良い。
【００１８】
波板構造領域１２における燃料ガス通路１４および酸化ガス通路１６の平面形状は、例えば、図１に示す例のように曲がりくねった形状でも良いし、図５に示す例のように直線状のものをそれぞれ複数列設けても良い。波板構造領域１２の（換言すれば各燃料ガス通路１４および各酸化ガス通路１６の）断面形状は、図２、図６では簡略化して矩形状の凹凸で示しているけれども、図１０に示すように、台形状の波形をしていても良い。丸みを持たせた波形（例えば正弦波状）をしていても良い。
【００１９】
ガス分離板１０の平坦部１８には、ガスや冷却媒体を通すマニホールド孔が設けられている。より具体的には、この例では、燃料ガスを通してそれを波板構造領域１２の各燃料ガス通路１４に供給し排出するガスマニホールド孔２０、酸化ガスを通してそれを各酸化ガス通路１６に供給し排出するガスマニホールド孔２２、および、燃料電池を冷却する冷却媒体（例えば水）を通す冷媒マニホールド孔２４が設けられている。こられのマニホールド孔２０、２２、２４の位置や数は、図１の例に限られるものではない。例えば図５に示す例のように、波板構造領域１２を構成する燃料ガス通路１４および酸化ガス通路１６の配列等に応じて、位置を変えても良い。
【００２０】
ガス分離板１０の平坦部１８には、この例では更に、複数の単位燃料電池５２と共に積層して燃料電池５０を構成するための締付けロッド６６（いずれも図１０参照）を通すロッド穴２６が四隅に設けられている。
【００２１】
このガス分離板１０は、更に、平坦部１８に、上記ガスマニホールド孔２０、２２および冷媒マニホールド孔２４とは別のものであって、かつそれらとは離れたものであって、当該平坦部１８に加わる内外方向の応力（特に引張り応力。以下同じ）を緩和するスリット３０を、波板構造領域１２の辺（外周の辺。以下同じ）に沿って形成している。より具体的には、この例では、波板構造領域１２の２辺にそれぞれ沿う二つのＬ字状のスリット３０と、この両スリット３０間の隙間（それを設けるのは、そうしないと波板構造領域１２の部分が抜け落ちるからである）の外側に位置する二つの直線状のスリット３０とを形成しており、この合計四つのスリット３０が協働して、波板構造領域１２のほぼ全周を囲んでいる。
【００２２】
図５および図６に示すガス分離板１０では、平坦部１８に、上記ガスマニホールド孔２０、２２および冷媒マニホールド孔２４とは別のものであって、かつそれらとは離れたものであって、当該平坦部１８に加わる内外方向の応力を緩和するスリット３０および襞３２を、波板構造領域１２の辺に沿って形成している。より具体的には、この例では、波板構造領域１２の２辺にそれぞれ沿う二つのコ字状の襞３２と、この両襞３２間の隙間の外側に位置する二つの直線状のスリット３０とを形成しており、この二つの襞３２と二つのスリット３０とが協働して、波板構造領域１２のほぼ全周を囲んでいる。襞３２は、図６に示すように上下両側に突出したものでも良いし、上または下の片側に突出したものでも良い。
【００２３】
上記スリット３０や襞３２は、１以上のものが協働して、波板構造領域１２の周囲をできるだけ多く囲むようにするのが好ましく、ほぼ全周を囲むのがより好ましい。より多く囲むほど、平坦部１８に加わる前記応力を緩和することができない領域をより少なくすることができるからである。図１および図５の例では、ガスマニホールド孔２０および２２を避ける等のために、スリット３０や襞３２を内外で二重に配置しながら、ほぼ全周を囲むようにしている。
【００２４】
これを詳述すると、スリット３０や襞３２の平坦部１８の内外方向における位置は、波板構造領域１２の最外周縁より０．３ｃｍ〜２．０ｃｍの範囲内にするのが好ましく、０．３ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲内にするのがより好ましい。０．３ｃｍよりも小さいと、スリット３０や襞３２が波板構造領域１２に近過ぎて加工性が悪くなると共に、スリット３０や襞３２と波板構造領域１２との間の形状が崩れやすくなる。１．５ｃｍよりも大きいと、そのぶん平坦部１８を広くしなければならなくなり、無駄なスペースが増える。２．０ｃｍよりも大きくすると、平坦部１８が必要以上に大きくなって無駄なスペースがより増える。図１の実施例では、スリット３０の内外方向の位置は、波板構造領域１２の最外周縁より０．５ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲内にしている。図５の実施例でも、スリット３０および襞３２の内外方向の位置は、波板構造領域１２の最外周縁より０．５ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲内にしている。
【００２５】
スリット３０や襞３２の、波板構造領域１２を取り囲む方向の長さの１以上のものを合計した全長は、波板構造領域１２の最外周縁の長さの１．１倍〜２．０倍の範囲内にするのが好ましく、１．２倍〜１．４倍の範囲内にするのがより好ましい。１．１倍よりも小さいと、波板構造領域１２の全周を波板構造領域１２との間に隙間をあけずに囲むのが難しくなる。１．４倍よりも大きいと、波板構造領域１２の全周を囲むとしても波板構造領域１２との間に必要以上に大きな隙間をあけることになり平坦部１８が大きくなって無駄なスペースが増える。２．０倍よりも大きいと、波板構造領域１２の全周を２倍近く囲むことになり、平坦部１８が必要以上に大きくなって無駄なスペースがより増える。図１の実施例では、４本のスリット３０の周方向の全長は２６ｃｍであり、波板構造領域１２の最外周縁の長さ（２０ｃｍ）の１．３倍にしている。図５の実施例では、２本のスリット３０と２本の襞３２を合計した周方向の全長は２４ｃｍであり、波板構造領域１２の最外周縁の長さ（２０ｃｍ）の１．２倍にしている。
【００２６】
上記のようなガス分離板１０を製造するには、金属板にプレス成形等の機械加工を、次のように複数工程（少なくとも２工程）に分けて施す製造方法を採用するのが好ましい。
【００２７】
即ち、まず第１の工程によって、ガス分離板１０の平坦部１８に（より具体的には、ガス分離板１０の元になる金属板において上記平坦部１８に対応する部分に）、上記スリット３０や襞３２を、機械加工によって、例えばプレス成形によって形成する。この第１の工程において、ガスマニホールド孔２０、２２、冷媒マニホールド孔２４およびロッド穴２６を同時に形成しても良いし、これらは別の工程で形成しても良い。
【００２８】
次に、第２の工程によって、ガス分離板１０に（より具体的には、ガス分離板１０の元になる金属板において上記スリット３０や襞３２の内側の波板構造領域１２に対応する部分に）、上記波板構造領域１２を、機械加工によって、例えばプレス成形によって形成する。
【００２９】
以上の製造方法によって、図１および図２あるいは図５および図６に示したガス分離板１０が得られる。
【００３０】
このような製造方法によれば、平坦部１８に予めスリット３０や襞３２を形成しておくことによって、当該スリット３０または襞３２が一種の自由端を形成しているので、その後の波板構造領域１２形成の機械加工時に平坦部１８に加わる内外方向の応力を、当該スリット３０や襞３２が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。より具体的には、波板構造領域１２を機械加工する場合、一般的に、平坦部１８の周辺部を固定しておいて、中央の波板構造領域１２になる部分にプレス成形等の機械加工を施すことになるので、平坦部１８には引張り応力が加わる。この応力を、スリット３０や襞３２の僅かな伸びによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板１０に、より具体的にはその平坦部１８や波板構造領域１２に、延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になる。
【００３１】
ひいては、このようなガス分離板１０を用いて燃料電池を構成したときの燃料電池としての信頼性および性能が向上する。即ち、ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）や冷却媒体の漏れを回避することができるので、安全性および信頼性が向上する。また、ガス分離板１０と電極との接触が均一となり、内部電気抵抗が減少して燃料電池としての性能および出力安定性が向上する。
【００３２】
燃料電池５０（図１０参照）を構成する場合に、上記のようなガス分離板１０の平坦部１８を挟んでガスや冷却媒体をシールするガスケット４０の例を図３、図４および図７、図８に示す。
【００３３】
図３および図４に示すガスケット４０は、図１および図２に示したガス分離板１０用のものであり、前記マニホールド孔２０、２２、２４およびロッド穴２６に加えて、波板構造領域１２に対応する開口部４２と、それとガスマニホールド孔２０または２２とをつなぐ連通路４４（図３、図７の例）または連通路４６（図４、図８の例）とを有している。
【００３４】
図７および図８に示すガスケット４０は、図５および図６に示したガス分離板１０用のものであり、更に、上記襞３２に対応する部分に当該襞３２を納める抜き穴４８を設けている。襞３２が前述したように上または下の一方にのみ突出したものである場合は、当該襞３２に対応する側のガスケット４０にのみ抜き穴４８を設ければ良い。襞３２の高さは、ガスケット４０の厚さよりも小さくするのが好ましい。換言すれば、襞３２の高さは、波板構造領域１２の突出部の平坦部１８からの高さよりも小さくするのが好ましい。そのようにすれば、襞３２がガスケット４０より外に突出して他の物（例えば図１０に示す電解質膜５４や集電板６０）に当たって邪魔になることを防止することができる。
【００３５】
なお、上記スリット３０や襞３２は、前述したように、波板構造領域１２の周囲をより多く囲むほど応力緩和の作用効果はより高くなるけれども、必ずしも波板構造領域１２のほぼ全周を囲む必要はない。囲む範囲が少ない方が、ガスケット４０によるガスや冷却媒体のシール性に関しては、シール面が大きくなるので、シール性は高くなる。例えば図９に示す例のように、平坦部１８内であって、波板構造領域１２を挟んで相対向する領域に、波板構造領域１２の各辺にほぼ相当する長さ、あるいはそれ以上の長さのスリット３０をそれぞれ設けても良い。そのようなスリット３０の代わりに襞３２を設けても良い。あるいは、スリット３０と襞３２とを組み合わせて設けても良い。
【００３６】
また、例えば図９に示す例のように、ガス分離板１０の（より具体的にはその平坦部１８の）縁から各スリット３０までをつなぐ切り込み３４を更に設けても良い。この切り込み３４を更に形成しておくと、波板構造領域１２を囲む周方向に着目すると、当該切り込み３４が一種の自由端を形成することになるので、波板構造領域１２形成の機械加工時に平坦部１８に加わる周方向の応力をも、当該切り込み３４が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板１０に、より具体的にはその平坦部１８や波板構造領域１２に、延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのをより確実に抑制することが可能になる。
【００３７】
上記のような切り込み３４を設けることは、図９に示す例のようにスリット３０を設けることと併用しても良いし、前述したような襞３２を設けることと併用しても良い。
【００３８】
上述したような構造あるいは製造方法によるガス分離板１０を備える燃料電池の一例を図１０に示す。この燃料電池５０は、電解質膜（より具体的には固体高分子電解質膜）５４を二つの電極５６で挟んで成る単位燃料電池５２を、間に上述したようなガス分離板１０を挟んで２層に積層した構造をしている。より具体的には、この燃料電池５０は、二つの単位燃料電池５２を３枚のガス分離板１０でそれぞれ挟み込み、かつ各ガス分離板１０の周縁部の上下に上述したようなガスケット４０をそれぞれ配置し、更に集電板６０、絶縁物６２を介して、ステンレス製の端板６４をその両端に配置して、締付けロッド６６で締結して成る。各電極５６は、前記燃料ガスまたは酸化ガスが進入する多孔質のものである。この各電極５６とガス分離板１０との間には、この例のように、例えばカーボンペーパによるガス拡散層５８を挟み込むのが好ましいけれども、必須ではない。
【００３９】
このような燃料電池５０で、図１および図２に示したガス分離板１０（そのスリット３０の配置および寸法等は先に実施例として説明したとおり）を用いたものを実施例１とし、図５および図６に示したガス分離板１０（そのスリット３０および襞３２の配置および寸法等は先に実施例として説明したとおり）を用いたものを実施例２とし、スリット３０および襞３２のどちらも設けていないガス分離板を用いたものを比較例として、燃料利用率７０％、酸素利用率４０％、電流密度０．４Ａ／ｃｍ^２の条件で発電試験を行った際の初期出力電圧を表１にまとめて示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
この表に示すように、比較例に比べて、実施例１および実施例２の出力電圧が高いことが確かめられた。これは、実施例１、２におけるガス分離板１０は前述したようにその歪み、湾曲等が抑えられるので、当該ガス分離板１０と電極５６（あるいはガス拡散層５８）との接触が均一となって燃料電池５０の内部電気抵抗が低くなっていることと共に、ガスや冷却媒体の漏れを回避することができて性能低下が小さいことによるものと考えられる。
【００４２】
なお、上記ガス分離板１０の表裏に、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物である窒化チタン、窒化クロム、窒化アルミチタン、（窒化）炭化チタン、酸化チタン等の被覆膜を、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等によるコーティングによって形成して、ガス分離板１０の耐食性および導電性を改善することにより、燃料電池の出力電圧の向上を図ることも可能である。
【００４３】
更に、ガス分離板１０の波板構造領域１２に形成された多数の凸部であって単位燃料電池の電極に接触する少なくとも一部に、例えば金、ルテニウム、ロジウム等の導電性を有すると共に、耐食性に優れた金属材料を上記被覆膜の上に積層することによって、一層の出力電圧の向上を図ることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００４５】
請求項１記載のガス分離板の製造方法によれば、平坦部に予めスリットおよび襞の少なくとも一方を形成しておくことによって、その後の波板構造領域形成の機械加工時に平坦部に加わる内外方向の応力を、当該スリットおよび襞の少なくとも一方が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になる。
【００４６】
ひいては、このようなガス分離板を燃料電池に用いることによって、燃料電池としての信頼性および性能が向上する。即ち、ガスや冷却媒体の漏れを回避することができるので、安全性および信頼性が向上する。また、ガス分離板と電極との接触が均一となり、内部電気抵抗が減少して燃料電池としての性能および出力安定性が向上する。
【００４７】
請求項２記載のガス分離板によれば、平坦部にスリットおよび襞の少なくとも一方を形成しておくことによって、波板構造領域形成の機械加工に伴って平坦部に発生する内外方向の応力を、当該スリットおよび襞の少なくとも一方が僅かに伸縮することによって吸収し緩和することができる。その結果、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になる。
【００４８】
ひいては、このようなガス分離板を燃料電池に用いることによって、燃料電池としての信頼性および性能が向上する。即ち、ガスや冷却媒体の漏れを回避することができるので、安全性および信頼性が向上する。また、ガス分離板と電極との接触が均一となり、内部電気抵抗が減少して燃料電池としての性能および出力安定性が向上する。
【００４９】
請求項３記載の燃料電池によれば、ガス分離板に延性割れ、破断、歪み、湾曲等が発生するのを抑制することが可能になるので、燃料電池としての信頼性および性能が向上する。即ち、ガスや冷却媒体の漏れを回避することができるので、安全性および信頼性が向上する。また、ガス分離板と電極との接触が均一となり、内部電気抵抗が減少して燃料電池としての性能および出力安定性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るガス分離板の一例を示す平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図３】図１のガス分離板用の一方のガスケットを示す平面図である。
【図４】図１のガス分離板用の他方のガスケットを示す平面図である。
【図５】この発明に係るガス分離板の他の例を示す平面図である。
【図６】図５の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図７】図５のガス分離板用の一方のガスケットを示す平面図である。
【図８】図５のガス分離板用の他方のガスケットを示す平面図である。
【図９】この発明に係るガス分離板の更に他の例を示す平面図である。
【図１０】この発明に係る燃料電池の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　ガス分離板
１２　波板構造領域
１４　燃料ガス通路
１６　酸化ガス通路
１８　平坦部
２０、２２　ガスマニホールド孔
２４　冷媒マニホールド孔
３０　スリット
３２　襞
４０　ガスケット
５０　燃料電池
５２　単位燃料電池

Claims (3)

1. 電解質膜を二つの電極で挟んで成る単位燃料電池間に挟んで使用される金属製のガス分離板であって、燃料ガス通路を一方の面に有し酸化ガス通路を他方の面に有する波板構造領域を中央部に備え、その周囲に平坦部を備え、かつこの平坦部に、ガスや冷却媒体を通すマニホールド孔を有するガス分離板を製造する方法において、前記平坦部に、前記マニホールド孔とは離れたものであって当該平坦部に加わる内外方向の応力を緩和するスリットおよび襞の少なくとも一方を前記波板構造領域の辺に沿うように形成した後に、前記波板構造領域を機械加工によって形成することを特徴とするガス分離板の製造方法。
2. 電解質膜を二つの電極で挟んで成る単位燃料電池間に挟んで使用される金属製のガス分離板であって、燃料ガス通路を一方の面に有し酸化ガス通路を他方の面に有する波板構造領域を中央部に備え、その周囲に平坦部を備え、かつこの平坦部に、ガスや冷却媒体を通すマニホールド孔を有するガス分離板において、前記平坦部に、前記マニホールド孔とは離れたものであって当該平坦部に加わる内外方向の応力を緩和するスリットおよび襞の少なくとも一方を前記波板構造領域の辺に沿って形成していることを特徴とするガス分離板。
3. 請求項１に記載の製造方法によって製造されたガス分離板を備えている燃料電池。

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