JP2005078826A - 燃料電池セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】若干の反りがあっても隙間が生じること無く重ねることができる密着性の高い燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータにおいて、１次成形後の前記セパレータを重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行って前記セパレータの密着性を高めた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータ及びその製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、水素、酸素（空気）を反応させて、水を得る過程で電気を取り出す原理を用いて発電する電池である。燃料電池では、水素イオンを透過する電解質膜を挟み込むように２枚の燃料電池セパレータが配置されている。２枚の燃料電池セパレータで電解質膜を挟み込んだものを一単位のセルと呼び、セルを何層にも重ね合わせて、すなわち燃料電池セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックが構成される。

また、燃料電池セパレータは、重ね合わされた２枚の燃料電池セパレータの間で、水素、酸素、冷却水を遮断する機能と導電性機能とを有する必要がある。

特に、燃料電池スタックの何層にも重ね合わされた発電部を形成するセルがいくつか（例えば５層、１０層など）重なった間隔で冷却水循環部を形成する場合には、燃料電池セパレータの冷却水が流れる表面は、対向する他方の燃料電池セパレータの表面と完全に接触するようにして、電気接触抵抗をできるだけ小さくする必要がある。

この冷却水循環部では、重ねる燃料電池セパレータ間にガスケットを挟み込んでいるために生じるガスケットの反力による燃料電池セパレータの反りや、成形時の元来の燃料電池セパレータの反り等で、燃料電池セパレータ同士を完全に接触させることは困難であった。

例えば、図３に示すように、冷却水循環部の冷却水の循環水路を第２溝５，６で形成する２枚の燃料電池セパレータ１，２の間は、２枚の燃料電池セパレータ１，２を接触させ、かつ、２枚の燃料電池セパレータ１，２の間に冷却水をシールするガスケット７を循環水路の両側に配置している。しかし、図３のＡ部を拡大した図４に示すように２枚の燃料電池セパレータ１，２の間は、燃料電池セパレータ１，２が反ってしまっており、２枚の燃料電池セパレータ１，２の間には隙間が生じている。

特に、樹脂成形された燃料電池セパレータは反り易いので、特許文献１のように、燃料電池セパレータを成形後に１枚ずつ２次硬化させて反りを矯正する方法が用いられたりもしている。
特開２００３−２２８１４号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術でも、燃料電池セパレータの反りを完全に矯正できるものではなく、若干の反りが残ってしまう。このため、重ねる２枚の燃料電池セパレータには、度合いの異なる反りが未だ生じていることとなり、重ねると異なる度合いの反りによって隙間が生じてしまい、燃料電池セパレータ同士を密着させることは困難である。

このため、燃料電池スタックを構成する重ねられた燃料電池セパレータの両側端のエンドプレートを厚く強度のあるものを用い、両側から押さえ付けることで、燃料電池セパレータの反りを矯正するように対策しているが、エンドプレートが高価であり、コストアッ
プとなってしまう。

また、燃料電池セパレータ同士を完全に密着させるために、その燃料電池セパレータ同士の間に導電性のシート等を挟み込むことも考えられているが、やはり導電性のシートを必要とする分、コストアップとなってしまう。

本発明は上記従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、若干の反りがあっても隙間が生じること無く重ねることができる密着性の高い燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の燃料電池セパレータにあっては、セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータにおいて、１次成形後の前記セパレータを重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行って前記セパレータの密着性を高めたことを特徴とする。

セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータにおいて、１次成形後の前記セパレータを循環水路からの冷却水の漏れの無いように接触させて重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行って前記セパレータの密着性を高めたことを特徴とする。

また、本発明の燃料電池セパレータの製造方法にあっては、セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータの製造方法において、前記セパレータを所定形状に１次成形し、１次成形後の前記セパレータを重ねた状態で固定しつつ、前記セパレータの密着性を高めるように熱処理を行うことを特徴とする。

セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータの製造方法において、前記セパレータを所定形状に１次成形し、１次成形後の前記セパレータを循環水路からの冷却水の漏れの無いように接触させて重ねた状態で固定しつつ、前記セパレータの密着性を高めるように熱処理を行うことを特徴とする。

したがって、熱処理による燃料電池セパレータの反りの矯正を、複数の重ねられた燃料電池セパレータについて同時に接触面を合わせて行うので、燃料電池セパレータに若干の反りが残ったとしても、複数の燃料電池セパレータの反りの度合いが等しくなり、燃料電池セパレータを重ねた際に反り同士の度合いが一致して隙間を生じることが無く、密着性が高い。

このため、燃料電池セパレータは、若干の反りがあっても隙間を生じること無く重ねていくことができ、接触抵抗が低下し、燃料電池セパレータ間が接触せずに離間することによる離間領域を通過する電気の浪費もなく、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

本発明では、密着性が高く、燃料電池セパレータに若干の反りがあっても隙間が生じること無く燃料電池セパレータを重ねることができる。

樹脂製燃料電池セパレータは、樹脂材料から所定形状に１次成形した後、燃料電池スタ
ックに組み立てる順に燃料電池セパレータを重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行う。この熱処理によって、燃料電池セパレータの１次成形後の元来の反りを矯正すると共に、燃料電池セパレータに矯正後の若干の反りが残っても、重ねられた燃料電池セパレータの反りの度合いを等しくして、重ねる燃料電池セパレータ間に隙間が生じないようにする。

また、熱処理時には、燃料電池セパレータ間に１次成形したガスケットの配置や接着剤の塗布等の組立工程をも予め行っておくことで、反りの矯正と同時に、燃料電池セパレータやガスケットの２次硬化処理や組立工程も兼ねて行うことができ、製造工程の簡略化が図れる。

図１〜図３を参照して、実施例に係る燃料電池セパレータの熱処理について説明する。図１は実施例に係る冷却水循環部の２枚の燃料電池セパレータの熱処理時の矯正状態を示す断面図であり、図２は実施例に係る熱処理後の燃料電池セパレータ間を拡大して示す断面図である。図３は冷却水循環部の２枚の燃料電池セパレータが接合された状態を示す断面図である。

本実施例の燃料電池セパレータ１，２は、燃料電池スタックの何層にも重ね合わされた発電部を形成するセルがいくつか（例えば５層、１０層など）重なった間隔で冷却水循環部を形成する場合に用いられる。冷却水循環部を形成する燃料電池セパレータ１，２は、セル同士の間に循環する冷却水を取り入れるために燃料電池セパレータ１，２同士を接合しており、その間は冷却水の漏れの無いように完全に密着させる必要がある。

ここで、セルは、２つの燃料電池セパレータと、２つの燃料電池セパレータに挟み込まれる電解質膜と、を備え、発電部を形成する。このため、本実施例でのセル同士を接合する間（冷却水循環部）は、燃料電池セパレータ１，２の外側のそれぞれの電解質膜に向く面の裏面同士を接合することになる。

この冷却水循環部を形成する２枚の燃料電池セパレータ１，２のうち、一方は水素ガスを燃料極に流通させるセパレータであり、他方は酸素ガスを空気極に流通させるセパレータである。２枚の燃料電池セパレータ１，２は、冷却水循環部において、重ねられる燃料電池セパレータ１，２が互いに通電可能に接触することで、取り出す電気のための直列回路を形成できる。

図３に示すように、本実施例の燃料電池セパレータ１，２は、互いの非対向面側である外側に電解質膜へと送るガスを通すための第１溝３，４がそれぞれ設けられている。また、燃料電池セパレータ１，２は、対向面側である内側に循環する冷却水を通すための第２溝５，６が設けられている。内側の第２溝５，６は、燃料電池セパレータ１，２が接合すると、トンネル状の循環水路となるように、両燃料電池セパレータ１，２の対向面での位置を一致させて設けられている。内側の第２溝５，６による循環水路の両側には、外部と循環水路とを隔てるガスケット７が配置されている。

次に冷却水循環部の燃料電池セパレータ１，２の製造について説明する。

（１次成型）
まず、フェノールに炭素粒子を配合した樹脂製の燃料電池セパレータ１，２を１枚ずつ、金型温度１００℃〜２００℃で圧縮成形し、金型を用いて正方形の板状である所定形状に１次成形を行う。

なお、樹脂製の燃料電池セパレータ１，２は、本実施例に用いるものに限られず、導電
性充填剤を配合したものであればよい。例えば導電性充填剤として炭素粒子などを高充填で樹脂に配合したものが挙げられる。また、樹脂としては、熱処理による矯正の効果が得られ易いものとして、一般に、２次硬化処理を必要とする、本実施例のようなフェノールやエポキシなどの熱硬化性樹脂が挙げられる。ただし、樹脂は、熱可塑性樹脂を用いていても構わない。

金型で１次成形された燃料電池セパレータ１，２は、金型から離型される。この１次成形後の燃料電池セパレータ１，２は、それぞれ離型抵抗や内部歪み等によって通常うねっており、反りを有する状態である。

（セパレータ間への部品の挟み込み）
次に、１次成形された燃料電池セパレータ１，２を２枚用意する。

そして、２枚の燃料電池セパレータ１，２のうち一方の冷却水循環部を形成する表面に、ディスペンサー、スクリーン印刷方法等を用いて、接着剤とエラストマー（高さ：０．０１ｍｍ〜３ｍｍ程度）を冷却水の通る循環水路の周りに塗布する。エラストマーは、冷却水の漏れを防止するシール性を発揮するガスケットとなるために塗布される。なお、エラストマー塗布の代わりに、１次成形したガスケット材を配置してもよい。

上記の接着剤とエラストマーが塗布された燃料電池セパレータと、もう一方の燃料電池セパレータとを、冷却水循環部を形成する面同士を貼り合わせる。

（熱処理）
その後、図１に示すように、矯正治具１０に、冷却水循環部を形成する面同士を貼り合わせて重ねた２枚の燃料電池セパレータ１，２を挟み込んで固定し、この状態で加熱炉内に置き、熱処理を行う。熱処理の温度は、１００℃〜２５０℃である。

熱処理によって、２枚の燃料電池セパレータ１，２の離型抵抗や内部歪み等によるうねりや反りは矯正される。また、接着剤は、接着領域８で同時に２枚の燃料電池セパレータ１，２を接合する。エラストマー９は、同時にガスケット７へと加熱成形される。

ここで、矯正治具１０は、２枚の燃料電池セパレータ１，２を重ねた状態で、その両側を挟み込む２枚の挟持板１１，１２と、２枚の挟持板１１，１２の四隅の孔に突き抜けて配置されたボルト１３と、ボルト１３に螺合して２枚の挟持板１１，１２全面を均一に締め付けるためのナット１４と、で構成される治具である。

（矯正治具からの取り外し）
熱処理後に、常温に戻った状態で、矯正治具１０から２枚が接合された燃料電池セパレータ１，２を取り外す。

以上によって、冷却水循環部側の面が密着した２枚一体型の燃料電池セパレータ１，２が製作できる。

このようにして製作された燃料電池セパレータ１，２は、従来と同様に図３に示すものとなる。そして、図３のＡ部を拡大した図２に示すように、燃料電池セパレータ間には隙間は無く（０ｍｍ）、ぴったりと密着している（密着性が高い）。本実施例では、熱処理の前に燃料電池セパレータ１，２間に接着剤を予め塗布していることから、この密着は矯正後（矯正治具解放後）も維持され続ける。

以上、本実施例では、熱処理によって、反りを矯正しただけでなく、若干の反りが残っ
ても２枚一体型の燃料電池セパレータ１，２同士の反りの度合いが等しく、密着できる。

このように密着した２枚一体型の燃料電池セパレータ１，２は、若干の反りがあっても隙間を生じること無く重なるので、接触抵抗が低下し、燃料電池セパレータ１，２間が接触せずに離間することによる離間領域を通過する電気の浪費もなく、燃料電池の発電効率の向上をも図ることができる。

なお、本実施例では、冷却水循環部を形成する２枚の燃料電池セパレータ１，２の接合について説明したが、これに限られない。例えば、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を２枚の燃料電池セパレータで挟持する発電部においても、ＭＥＡの電極層と燃料電池セパレータとの導電性を高めることができるので、本発明を適用できる。この発電部での熱処理は、ＭＥＡを挟持した状態で行われることになる。

また、燃料電池セパレータの接合は、必ずしも２枚単位としなければならないわけではなく、例えば冷却水循環部と発電部とを同時に形成する３枚以上の燃料電池セパレータを重ねた積層状態で接合してもよい。

また、本実施例では、熱処理の前に燃料電池セパレータ間に接着剤を予め塗布していたが、接着剤を塗布せず、熱処理後にあっても各部材を個別に取り出し、再度組み立て直すようにしてもよい。

また、本実施例では、冷却水のシール性を考慮してエラストマー９から加熱成形されるガスケット７を配置していたが、ガスケット７を用いずに接着剤だけでシール性を発揮するようにしてもよい。

実施例に係る冷却水循環部の２枚の燃料電池セパレータの熱処理時の矯正状態を示す断面図である。 実施例に係る熱処理後の燃料電池セパレータ間を拡大して示す断面図である。 冷却水循環部の２枚の燃料電池セパレータが接合された状態を示す断面図である。 従来技術の熱処理後の燃料電池セパレータ間を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１，２ 燃料電池セパレータ
３，４ 第１溝
５，６ 第２溝
７ ガスケット
８ 接着領域
９ エラストマー
１０ 矯正治具
１１，１２ 挟持板
１３ ボルト
１４ ナット

Claims (4)

1. セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータにおいて、
   １次成形後の前記セパレータを重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行って前記セパレータの密着性を高めたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータにおいて、
   １次成形後の前記セパレータを循環水路からの冷却水の漏れの無いように接触させて重ねた状態で固定しつつ、熱処理を行って前記セパレータの密着性を高めたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
3. セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成する燃料電池セパレータの製造方法において、
   前記セパレータを所定形状に１次成形し、
   １次成形後の前記セパレータを重ねた状態で固定しつつ、前記セパレータの密着性を高めるように熱処理を行うことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
4. セパレータを多重に重ねて燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を循環する冷却水の循環水路をセパレータ同士の間に形成する燃料電池セパレータの製造方法において、
   前記セパレータを所定形状に１次成形し、
   １次成形後の前記セパレータを循環水路からの冷却水の漏れの無いように接触させて重ねた状態で固定しつつ、前記セパレータの密着性を高めるように熱処理を行うことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。

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