JP2006100087A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の製造工程を少なくする金属セパレータを提供する。
【解決手段】水素流路６、空気流路８を有する１枚の金属プレートを水素流路６と空気流路８の背面が対峙するように折り返し部１１によって折り返し、水素流路６と空気流路８の背面によって形成された空間を冷却水流路１８として使用する。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池の金属セパレータに関するものである。

燃料電池システムは燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出している。各電極では下記（１）、（２）の反応が行われる。

陽極（アノード）反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 式（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ 式（２）
固体高分子型燃料電池では式（１）、（２）の反応を反応エリア全体で効率良く起こさせるためにガス流路を形成した導電性プレートをセパレータとして各極に配置している。また、この導電性プレートは電池を複数積層する場合、両極のガスが混合しない目的でガスの遮断性が必要となる。そのためセパレータはグラファイト板もしくはカーボン粉と各種樹脂との複合材料を成形しいたものが主流であるが、コンパクト性を必要とされる移動体向け燃料電池ではプレートそのものの厚みも制限がある。このため、セパレータそのものの厚さを薄くする開発が試みられてきたが、カーボン系材料の場合は薄さに対する成形そのものの限界とガス透過性に対する信頼性を十分に確保できないという問題があった。

そこで、金属の薄板をプレスにて成型する金属セパレータを使用したものが、特許文献１に開示されている。
特開２００１−１９６０７９号公報

しかし、上記の発明では、アノード、カソードにそれぞれ１枚の金属セパレータを用いるので、スタッキングの際の行程数が多くなるといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、スタッキングの際の工程数を少なくし、燃料電池の製造工程を少なくすることを目的とする。

本発明では、金属セパレータを有する単位セルを積層する燃料電池において、単位セルへ水素を供給する水素流路を有する第１のセパレータと、単位セルへ酸化剤を供給する酸化剤流路を有する第２のセパレータと、水素流路と酸化剤流路の背面が対峙するように第１のセパレータと第２のセパレータを連結する連結部と、第１のセパレータと第２のセパレータとの対峙面の間に形成され、単位セルを冷却する冷却水が流れる冷却水流路と、を備える。第１と第２のセパレータは、１枚の金属プレートを連結部を中心に折り返して形成する金属セパレータとして構成される。

また、金属セパレータを有する単位セルを積層する燃料電池の製造方法において、金属セパレータは、単位セルへ水素を供給する水素流路と、酸化剤を供給する酸化剤流路を有する１枚の金属プレートを水素流路と酸化剤流路の背面が対峙するように折り返し、折り返した金属プレート間に単位セルを冷却する冷却水が流れる冷却水流路を形成する。

本発明によると、水素流路と酸化剤流路を有する一枚の金属プレートを水素流路と酸化剤流路の背面が対峙するように折り返した金属セパレータを燃料電池のセパレータとして使用することで、燃料電池の製造工程を少なくすることができる。

本発明の第１実施形態の単位セル２の構成を図１を用いて説明する。燃料電池は単位セル２を積層して構成される。

単位セル２は高分子電解質膜３（以下、電解質膜とする）と、電解質膜３の一方の面に設けたアノード４と、電解質膜３のもう一方の面に設けたカソード５と、水素が流れる水素流路６を有するセパレータ（第１のセパレータ）７と、空気が流れる空気流路（酸化剤流路）８を有するセパレータ（第２にセパレータ）９によって構成される。アノード４、カソード５は図示しないがガス拡散層、白金などの触媒層から構成される。

ここでセパレータ７、９について図２、図３、図４を用いて詳しく説明する。図２は折り返し加工を行う前の金属プレート１０であり、図３は折り返し加工を行った後の金属プレート１の側面図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面図の一部を示す概略図である。なお、図２において水素流路６と空気流路８の詳細は省略し、水素流路６、空気流路８を設けた領域を図中番号６、８とする。

金属プレート１０は例えばＳＵＳ３１６の表面に金メッキを施して耐食性を向上させたプレートであり、折り返し部（連結部）１１（図２中では破線で示す）を中心としてセパレータ７とセパレータ９に分けられる。

セパレータ７は、アノード４に水素を供給する水素流路６と、水素流路６に外部より水素を導入する水素供給マニホールド１２と、発電に使用されなかった水素を排出する水素排出マニホールド１３を備える。また、カソード５に空気を供給する空気供給マニホールド１４と、発電によって生成された水を含んだ空気を排出する空気排出マニホールド１５を備える。また、金属プレート１０が折り返された際にセパレータ７とセパレータ９との間に構成される冷却水流路１８に冷却水を導入する冷却水マニホールド１６と、冷却水流路１８から冷却水を外部へ排出する冷却水排出マニホールド１７を備える。

セパレータ９は、カソード５に空気を供給する空気流路８と、空気流路８に外部より空気を導入する空気供給マニホールド１４と、発電に使用されなかった空気、または生成された水を排出する空気排出マニホールド１５を備える。また、水素供給マニホールド１２と、水素排出マニホールド１３を備える。また、金属プレート１０が折り返された際にセパレータ７とセパレータ９との間に構成される冷却水流路１８に冷却水を導入する冷却水マニホールド１６と、冷却水流路１８から冷却水を外部へ排出する冷却水排出マニホールド１７を備える。

金属プレート１０は、プレス成型により流れ方向の流路断面積がコルゲート形状（屈曲形状）の水素流路６または空気流路８が成型される。

水素流路６と空気流路８は折り返し部１１によって金属プレート１０を折り返した場合に水素流路６と空気流路８の形状が重なるように、つまりセパレータ７の冷却水流路１８とセパレータ９の冷却水流路１８が互いに対峙するように成型される。これによって水素流路６の溝底背面６ａ（以下、溝底部６ａとする）と空気流路８の溝底背面８ａ（以下、溝底部８ａとする）が対峙し、当接する。そのため隣接する単位セル２の導電性が良くなり、隣接する単位セル２の接触抵抗を小さくし、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。なお、水素流路６と空気流路８はコルゲート形状に限られず、矩形波形状などとしても良い。また、溝底部６ａ、８ａ間に導電性部材を挟み、溝底部６ａと溝底部８ａを確実に当接するようにしても良い。図４ではセパレータ７、９どうし、もしくはセパレータ７、９とガス拡散層とが断面方向からみて点接触するような構造としているが、実際は接触抵抗を低減し、接触面積を確保するため、セパレータ７、９の凹凸形状の頂上部が平らであることが望ましい。

折り返し部１１は、金属プレート１０が中心部付近から折り返されて構成される。金属プレート１０の折り返し回数、つまり折り返し部１１の厚さは、金属プレート１０を折り返した際に水素流路６と空気流路８の溝底部６ａ、８ａが当接するように設定される。折り返し部１１によって金属プレート１０を折り返すことで、水素流路６と空気流路８を有するセパレータ７、９を形成することができ、燃料電池の製造工程を少なくすることができる。

金属プレート１０を折り返した際の水素流路６の溝底部６ａと、空気流路８の溝底部８ａによって構成される空間を冷却水流路１８とする。

次に単位セル２における冷却水などのリークを防止するためのシール材について図５、図６を用いて説明する。図５はセパレータ７の水素流路６を設けた面の正面図であり、図６はセパレータ７の背面図である。なお、図５、６において水素流路６、空気流路８を設けた領域を図中番号６、８とする。

セパレータ７において水素流路６を設けた面、つまりアノード４と対峙する面には、水素がリークしないように、セパレータ７の外周に沿って、シール材３０を設ける。また、空気供給マニホールド１４と空気排出マニホールド１５から空気がリークしないようにシール材３１と、冷却水供給マニホールド１６と冷却水排出マニホールド１７から冷却水がリークしないようにシール材３２を設ける。

これによって、水素流路６にだけ水素を供給し、外部への水素のリークを防止し、更に水素流路６から水素が空気供給マニホールド１４などへリークするのを防止することができる。

セパレータ７において水素流路６を設けていない面、つまり冷却水流路１８を設け、折り返し部１１によってセパレータ９と対峙する面には、冷却水がリークしないように、セパレータ７の外周に沿って、シール材３３を設ける。また、水素供給マニホールド１２と水素排出マニホールド１３から水素がリークしないようにシール材３４と、空気供給マニホールド１４と空気排出マニホールド１５から空気がリークしないようにシール材３５を設ける。

シール材３５は、コルゲート形状に成型した水素流路６の背面に設けるので、常温硬化型の液状シリコーン樹脂（液状のシール部材）を用い、シール性能を高くする。また、潰れ代と大きい樹脂部材を用いることも可能である。

これによって、冷却水流路１８にだけ冷却水を供給し、外部への冷却水のリークを防止し、更に冷却水流路１８に水素、または空気がリークするのを防止することができる。

また、金属プレート１０を折り返した場合に水素流路６または空気流路８の溝底部６ａ、８ａが対峙しない領域、つまりセパレータ７、９のどちらか一方に水素流路６、または空気流路８が成型され、もう一方のセパレータ７、９には水素流路６、または空気流路８が成型されていない箇所が対峙する領域の水素流路６または空気流路８の溝底部６ａ、８ａの溝の深さを溝底部６ａ、８ａが対峙する溝の深さよりも深くしてもよい。これによってシール材３５の量を少なくすることができる。

次にセパレータ７、９の成型方法について説明する。

セパレータ７、９は、１枚のＳＵＳ３１６を母材として、ＳＵＳ３１６の表面に金メッキを施して耐食性を向上させた金属プレート１０に水素流路６、空気流路８、水素供給マニホールド１２などをプレスにより成型する。そして、その後プレス加工によって金属プレート１０のほぼ真ん中をセパレータ７とセパレータ９の水素供給マニホールド１２などがそれぞれ重なるように折り返し、折り返し部１１を成型する。これによって水素流路６などを有するセパレータ７、９を成型する。なお、折り返し後に表面処理を施しても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態は、水素流路６、空気流路８などを設けた１枚の金属プレート１０を、水素流路６の背面と空気流路８の背面が対峙するように折り返し、対峙する水素流路６と空気流路８の背面間に冷却水流路１８とする。１枚の金属プレート１０を折り返してセパレータ７、９を成型するので、燃料電池の製造行程を少なくすることができる。また、折り返した金属プレート１０間を冷却水流路１８とすることで、冷却水を流すための新たなプレートを配置する必要がないので、さらに製造工程を少なくすることができ、コストを削減することができる。

水素流路６の溝底部６ａと空気流路８の溝底部８ａが当接するので、隣接する単位セル２間の電気抵抗を少なくすることができ、燃料電池の発電効率を良くすることができる。

水素流路６と空気流路８の背面に位置し、冷却水流路１８の冷却水のリークを防止するためのシール材３５を液状のシール材とすることで、コルゲート形状に成型された水素流路６と空気流路８の背面のシール性能を向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。図７は折り返し加工を行う前の金属プレート４０である。この実施形態は、金属プレート４０に水素流路４１と接続するマニホールド４３、４４と、空気流路４２と接続するマニホールド４５、４６と、冷却水供給マニホールド４７と、冷却水排出マニホールド４８を設ける。なお、金属プレート４０を折り返した場合に、アノード４と当接するセパレータ４９には冷却水供給マニホールド４７だけを設け、またカソード５と当接するセパレータ５０には冷却水排出マニホールド４８だけを設ける。なお、図７において水素流路４１と空気流路４２の詳細は省略し、水素流路４１、空気流路４２を設けた領域を図中番号４１、４２とする。

この実施形態の金属プレート４０を有する単位セル６０を積層した場合の金属プレート４０の配置について図８を用いて説明する。図８は単位セル積層方向への分解概略図である。図８において矢印が冷却水の流れを示す。単位セル６０についてはアノード４、カソード５を省略する。

金属プレート４０は、或る単位セル６０のセパレータ５０の冷却水排出マニホールド４８と、或る単位セル６０の隣に積層した単位セル６０のセパレータ４９の冷却水供給マニホールド４７が対峙するように単位セル６０が積層される。つまり、隣り合う金属プレート４０の折り返し部５１が反対方向となるように交互に積層される。これによって冷却水は、或る単位セル６０のセパレータ５０の冷却水排出マニホールド４８から排出された冷却水が電解質膜３などを挟んで隣接するセパレータ４９の冷却水供給マニホールド４７から、冷却水流路５２へ供給される。

この実施形態では或る金属プレート４０ではマニホールド４３が水素供給マニホールド、マニホールド４４が水素排出マニホールドとなり、マニホールド４５が空気供給マニホールド、マニホールド４６が空気排出マニホールドとなる。そして隣に積層された金属プレート４０ではマニホールド４３が水素排出マニホールド、マニホールド４４が水素供給マニホールドとなり、マニホールド４５が空気排出マニホールド、マニホールド４６が空気供給マニホールドとなる。

その他の構成については第１実施形態と同じ構成なのでここでの説明は省略する。この構成によって、単位セル６０を積層した場合に、燃料電池の端部となるセパレータ７の冷却水供給マニホールド１６に冷却水を供給するだけで、燃料電池のもう一方の端部となるセパレータ９の冷却水排出マニホールド１７から冷却水を燃料電池から排出することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態は金属プレート４０のセパレータ７に冷却水供給マニホールド１６を設け、セパレータ９に冷却水排出マニホールド１７を設ける。そして単位セル６０を積層した場合に折り返し部１１の方向が交互となるように単位セル６０を積層する。これによって或る単位セルのセパレータ９の冷却水排出マニホールド１７が隣り合う単位セルのセパレータ７の冷却水供給マニホールド１６と対峙し、簡易な構成で燃料電池を冷却することができる。

金属プレート４０の折り返し部５２の方向が反対となるように交互に積層することで、単位セル６０を積層し、スタッキングした場合に剛性の高い折り返し部５２が一方の端部に偏らず、単位セル６０を均一の締結力で締め付けることができる。

また、シール部材などを減らすことができ、コストをより削減することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

単位セルを積層して構成する燃料電池に利用することができる。

本発明の第１実施形態の単位セルの概略図である。 本発明の第１実施形態の折り返し加工を行う前の金属プレートの概略図である。 本発明の第１実施形態の折り返し加工を行った後の金属プレートの概略図である。 図３のＡ−Ａ断面概略図である。 本発明の第１実施形態のシール材を配置したセパレータの正面概略図である。 本発明の第１実施形態のシール材を配置したセパレータの背面概略図である。 本発明の第２実施形態の折り返し加工を行う前の金属プレートの概略図である。 本発明の第２実施形態の概略分解図である。

符号の説明

２ 単位セル
６ 水素流路
６ａ 溝底背面（溝底部）
７ セパレータ（第１のセパレータ）
８ 空気流路
８ａ 溝底背面（溝底部）
９ セパレータ（第２のセパレータ）
１０ 金属プレート
１１ 折り返し部（連結部）
１６ 冷却水供給マニホールド
１７ 冷却水排出マニホールド
１８ 冷却水流路
３５ シール部材
４０ 金属プレート
４１ 水素流路
４２ 空気流路
４７ 冷却水供給マニホールド
４８ 冷却水排出マニホールド
４９ セパレータ（第１のセパレータ）
５０ セパレータ（第２のセパレータ）
５２ 冷却水流路
６０ 単位セル

Claims (8)

1. 金属セパレータを有する単位セルを積層する燃料電池において、
   前記単位セルへ水素を供給する水素流路を有する第１のセパレータと、
   前記単位セルへ酸化剤を供給する酸化剤流路を有する第２のセパレータと、
   前記水素流路と前記酸化剤流路の背面が対峙するように前記第１のセパレータと前記第２のセパレータを連結する連結部と、
   前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの対峙面の間に形成され、前記単位セルを冷却する冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、
   前記第１と第２のセパレータは、１枚の金属プレートを前記連結部を中心に折り返して形成する金属セパレータとして構成されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記金属セパレータは、前記水素流路の溝底背面と前記酸化剤流路の溝底背面が当接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 積層した前記単位セルの隣り合う前記金属セパレータの前記連結部の向きは、反対方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記金属セパレータは、
   前記連結部によって折り返された前記第１または第２のセパレータのどちらか一方に設けられ、前記冷却水流路へ冷却水を供給する冷却水供給マニホールドと、
   前記連結部によって折り返されたもう一方の前記第１または第２のセパレータに設けられ、前記冷却水流路から冷却水を排出する冷却水排出マニホールドと、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記冷却水流路から前記冷却水が漏れるのを防止するシール部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記第１と第２のセパレータは屈曲形状の前記水素流路または前記酸化剤流路を有し、
   前記水素流路または前記酸化剤流路の背面に位置する前記シール部材は液状のシール部材であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記液状のシール部材を配置する前記水素流路または前記酸化剤流路の溝底の深さは、前記液状のシール部材を配置しない前記水素流路または前記酸化剤流路の溝底の深さよりも深いことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 金属セパレータを有する単位セルを積層する燃料電池の製造方法において、
   前記金属セパレータは、前記単位セルへ水素を供給する水素流路と、酸化剤を供給する酸化剤流路を有する１枚の金属プレートを前記水素流路と前記酸化剤流路が対峙するように折り返し、
   折り返した前記金属プレート間に前記単位セルを冷却する冷却水が流れる冷却水流路を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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