JP2005276637A - 燃料電池及び燃料電池用金属セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの絶縁不良を確実に阻止することができ、所望の発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１及び第２金属セパレータ１６、１８により挟持している。第１金属セパレータ１６は、薄板状金属プレートにより構成されており、外周端部を周回して第１シール部材４０が一体化される。第１金属セパレータ１６の外周縁部には、絞り加工部７４が設けられており、第１シール部材４０は、この絞り加工部７４を覆う部位の厚さＨ１が、他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持する燃料電池及び燃料電池用金属セパレータに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する単セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この単セルを所定の数だけ積層したスタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

上記の燃料電池では、例えば、カーボン製セパレータよりも強度に優れ且つ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属セパレータともいう）を用いている。この金属セパレータでは、金属薄板にプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化且つ軽量化する工夫がなされている。

この場合、金属セパレータには、電気的絶縁を行うとともに、シール機能を有する樹脂シールが設けられている。例えば、特許文献１に開示されている製造方法では、図７に示すように、射出成形用金型１を構成する固定側型板２ａと可動側型板２ｂとの合わせ面に、金属薄板３が保持されている。金型キャビティには、金属薄板３の周縁部に断面部３ａを介して樹脂流路４が形成されている。

そして、金属薄板３のゲート５から金型キャビティに液状シリコーン樹脂６が射出されることにより、前記金属薄板３の両面には、周縁部を覆ってシリコーン樹脂層７が形成される。

特開平１１−３０９７４６号公報（図１）

ところで、上記の金属薄板３は、通常、予めプレス成形により凹凸状の反応ガス流路の他、外周縁部に剛性の向上を図るための絞り加工部等が設けられており、この種の加工部位には、成形時の寸法のばらつきが発生し易い。このため、金属薄板３にシリコーン樹脂層７を一体成形する際に、例えば、絞り加工部が寸法のばらつきにより前記シリコーン樹脂層７からずれて外部に露呈するおそれがある。

これにより、金属部分がシリコーン樹脂層７から外部に露呈してしまい、絶縁不良が発生するという問題がある。従って、金属セパレータの歩留まりが低下し、製造コストが高騰して経済的ではないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの絶縁不良を確実に阻止することができ、所望の発電性能を維持することが可能な燃料電池及び燃料電池用金属セパレータを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持するとともに、前記金属セパレータは、成形加工される金属プレートと、前記金属プレートの少なくとも一方の外周面を覆うシール部材とを備えている。そして、シール部材は、金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されている。

また、シール部材は、金属プレートの端部を覆うとともに、該端部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されることが好ましい。

本発明によれば、金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部がシール部材の肉厚な部位に覆われているため、前記金属プレートをプレス加工する際に寸法のばらつきが発生しても、金属部分が前記シール部材から外部に不要に露呈することがない。従って、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの絶縁不良を確実に阻止することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１及び第２金属セパレータ１６、１８により挟持している。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、薄板状金属プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えるとともに、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、例えば、エンボス加工やディンプル加工により設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ１６の他方の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ａが設けられる。溝部３４ａは、エンボス等の入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が射出成形等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材４０は、平坦状に構成されており、図１に示すように、面１６ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通するための第１平坦シール４０ａを設ける。第１シール部材４０は、図３に示すように、面１６ｂでは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３４に連通するための第２平坦シール４０ｂを設ける。第２平坦シール４０ｂは、第１平坦シール４０ａよりも長尺に構成される（図２参照）。

図４に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路５０が形成される。燃料ガス流路５０は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部５２を備える。燃料ガス流路５０は、入口バッファ部５４ａ及び入口貫通孔５５ａを介して面１８ｂから燃料ガス入口連通孔２４ａに連通するとともに、出口バッファ部５４ｂ及び出口貫通孔５５ｂを介して面１８ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。

図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、燃料ガス流路５０の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ｂが設けられる。溝部３４ｂは、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。図４に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０と、この外側突起６０から内方に所定の距離だけ離間する内側突起６２とを、第２金属セパレータ１８の面１８ａに設ける。この内側突起６２は、後述する固体高分子電解質膜８０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している（図２参照）。

図５に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６４と、この外側突起６４の内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６６とを、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部５６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部５６ｂとの間に、それぞれ複数、例えば、３本の凸状部材６８ａ、６８ｂが一体成形される。

面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと第１金属セパレータ１６の入口バッファ部３６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記第１金属セパレータ１６の出口バッファ部３６ｂとの間に対応して、それぞれ複数、例えば、５本の凸状部材７０ａ、７０ｂが一体成形される。凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、第２シール部材５８の一部を構成しており、これらが第１シール部材４０に圧接することにより入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成される。

冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３４とは、入口連結流路７２ａを介して連結されるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３４とは、出口連結流路７２ｂを介して連結される。

図６に示すように、第１及び第２金属セパレータ１６、１８が互いに重ね合わされることにより、溝部３４ａ、３４ｂを介して冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、入口バッファ部３６ａ、５６ａから入口連結流路７２ａを介して冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する一方、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂから出口連結流路７２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。

図２に示すように、第１金属セパレータ１６の外周端縁部には、剛性の向上を図るために絞り加工部（外周湾曲部乃至外周屈曲部）７４が成形されている。第１シール部材４０では、絞り加工部７４を覆う部位の厚さＨ１が、その他の部分、すなわち、平坦部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成される。第１シール部材４０では、さらに第１金属セパレータ１６の端部を覆う部位の厚さＨ３が、その他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成される。

例えば、第１金属セパレータ１６の厚さが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定される際、第１シール部材４０の厚さＨ１＝０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚さＨ２＝０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ、厚さＨ３＝０．２ｍｍ〜１．０ｍｍに設定される。

第２金属セパレータ１８は、同様に、外周端縁部に剛性の向上を図るための絞り加工部７６を設けている。第２シール部材５８は、絞り加工部７６を覆う部位の厚さＨ１が、その他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成されるとともに、前記第２金属セパレータ１８の端部を覆う部位の厚さＨ３が、前記厚さＨ２よりも大きく構成される。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、矢印Ｂ方向両端部の中央部を内方に切り欠いて構成されている。図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するカソード側電極８２及びアノード側電極８４とを備える。アノード側電極８４は、カソード側電極８２よりも小さな表面積に設定されている。

カソード側電極８２及びアノード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜８０の両面に接合されている。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから入口貫通孔５５ａを通って面１８ａ側に移動し、入口バッファ部５４ａを通って第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８４に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部３２ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。この酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極８４に供給される燃料ガスと、カソード側電極８２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、アノード側電極８４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂから出口貫通孔５５ｂを通り面１８ｂ側に移動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１及び図４参照）。同様に、カソード側電極８２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂを通り酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１参照）。

また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図６に示すように、入口連結流路７２ａから入口バッファ部３６ａ、５６ａを経由して第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、出口連結流路７２ｂから出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

ところで、第１金属セパレータ１６では、予め、プレス加工により絞り加工部７４の他、酸化剤ガス流路２６を構成する波形状部等の加工部位が設けられている。この種の加工部位には、プレス成形時の寸法のばらつきが発生し易く、例えば、絞り加工部７４には、寸法にばらつきが発生している場合がある。

そこで、本実施形態では、第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して略額縁状の第１シール部材４０が一体化されるとともに、図２に示すように、この第１シール部材４０は、絞り加工部７４を覆う部位の厚さＨ１が、その他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成されている。

このように、第１シール部材４０において、絞り加工部７４を覆う部位の肉厚を大きく設定することにより、前記絞り加工部７４の寸法のばらつきが発生していても、前記第１シール部材４０から外部に金属部分（絞り加工部７４）が不要に露呈することはない。これにより、第１金属セパレータ１６は、簡単且つ経済的な構成で、該第１金属セパレータ１６の絶縁不良を確実に阻止することができ、燃料電池１０は、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１金属セパレータ１６では、トリム加工部である端部の寸法のばらつきが発生し易い。そこで、この端部を覆う第１シール部材４０の肉厚を大きく設定することにより、該端部が外部に露呈することはない。

さらにまた、第２金属セパレータ１８においても同様に、外周端縁部に絞り加工部７６が設けられており、第２シール部材５８は、この絞り加工部７６を覆う部分の厚さＨ１を、他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成している。このため、プレス加工時の寸法のばらつきに影響されることがなく、絞り加工部７６を第２シール部材５８を介して確実に覆うことができ、第２金属セパレータ１８の絶縁不良を良好に阻止することが可能になる。

さらにまた、第２金属セパレータ１８の端部を覆う第２シール部材５８の肉厚を大きく設定することにより、この端部が前記第２シール部材５８から外部に露呈することがない。

なお、本実施形態では、例えば、第１シール部材４０は、第１金属セパレータ１６の両方の面１６ａ、１６ｂに設けられる第１及び第２平坦シール４０ａ、４０ｂを備えているが、前記第１平坦シール４０ａのみを備えていてもよい。その際、第１平坦シール４０ａでは、絞り加工部７４を覆う部位の厚さＨ１を、他の部分を覆う部位の厚さＨ２よりも大きく構成している。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面からの説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面からの説明図である。 前記第１及び第２金属セパレータ間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。 特許文献１に開示されている製造方法の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電セル
１６、１８…金属セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…酸化剤ガス流路
３２ａ、３６ａ、５４ａ、５６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ、５４ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３４…冷却媒体流路 ４０、５８…シール部材
５０…燃料ガス流路 ６０、６４…外側突起
６２、６６…内側突起 ６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ…凸状部材
７２ａ…入口連結流路 ７２ｂ…出口連結流路
７４、７６…絞り加工部 ８０…固体高分子電解質膜
８２…カソード側電極 ８４…アノード側電極

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持する燃料電池であって、
   前記金属セパレータは、成形加工される金属プレートと、
   前記金属プレートの少なくとも一方の外周面を覆うシール部材と、
   を備えるとともに、
   前記シール部材は、前記金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記シール部材は、前記金属プレートの端部を覆うとともに、
   該端部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を挟持する燃料電池用金属セパレータであって、
   成形加工される金属プレートと、
   前記金属プレートの少なくとも一方の外周面を覆うシール部材と、
   を備えるとともに、
   前記シール部材は、前記金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
4. 請求項３記載の金属セパレータにおいて、前記シール部材は、前記金属プレートの端部を覆うとともに、
   該端部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。

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