JP2006114444A - Fuel cell stack and joining method for separator - Google Patents

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竹晴 倉持
Takayuki Hirao
隆行 平尾
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伸史 大江
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安栄 田中
Takashi Yamaguchi
剛史 山口
Masanori Iwamoto
雅則 岩本
Kazuo Nagashima
一雄 長島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack capable of improving conductivity by reducing contact resistance by bringing separators into contact with each other without a gap even if the separators are bent. <P>SOLUTION: In this fuel cell stack, a plurality of fuel cell single cells wherein an anode separator 15A and a cathode separator 15B which are composed of metal plates wherein flow passages having irregular shapes are press-molded in areas contributing to power generation are arranged on both sides of a polymer electrolyte film are laminated. The anode separator 15A and the cathode separator 15B are joined and integrated by a metal joint by melting a low-melting-alloy sheet 31 arranged in an apex part of a recessed part 16 formed in the area contributing to power generation and a low-melting-alloy wire rod 30 fitted and arranged in a seal groove 27. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池スタック及びセパレータの接合方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack and a method for joining a separator.

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。   For example, in a fuel cell in which hydrogen and oxygen are supplied to both surfaces of a polymer electrolyte membrane to generate electromotive force, a metal thin plate is pressed to form a gas flow path in order to further increase the electromotive force per unit volume. A so-called thin metal separator that forms a thin film has been developed.

しかしながら、プレス加工により金属板の中央部分に凹凸形状のガス流路を形成すると、セパレータの表裏で局部的な伸び量(残留応力)の相違により、セパレータ全体に反りが発生する。   However, when an uneven gas flow path is formed in the central portion of the metal plate by pressing, warpage occurs in the entire separator due to a difference in local elongation (residual stress) between the front and back of the separator.

セパレータに反りが発生すると、高分子電解質膜との接触不良による接触抵抗の増大を招き、発電性能の低下が起こる。また、各セパレータのマニホールド付近でのガスシール性の低下が生じる。   When the separator is warped, the contact resistance is increased due to poor contact with the polymer electrolyte membrane, and the power generation performance is lowered. Moreover, the gas sealing performance near the manifold of each separator is reduced.

また、金属セパレータを用いた燃料電池スタックでは、セル内抵抗の中でセパレータ同士の接触抵抗が特に大きく、ステンレスを基材とするセパレータの場合、耐食性向上のための不導体皮膜(通電性が悪い)がその表面に形成されているが、導電性の面でマイナス要因となっている。さらに、セパレータの溝高さのばらつき、平面度不良が接触抵抗を悪化させる要因となっている。   Further, in a fuel cell stack using a metal separator, the contact resistance between the separators is particularly large among the resistances in the cell, and in the case of a separator made of stainless steel as a base material, a non-conductive film (impairment of conductivity) for improving corrosion resistance ) Is formed on the surface, which is a negative factor in terms of conductivity. Further, variations in the groove height of the separator and poor flatness are factors that deteriorate the contact resistance.

そこで、金属板に凹凸形状をなすガス流路をプレス成形した後に、その凹凸部の平坦部分に菱形の微小な圧痕を形成する、或いは、金型の上面及び下面にそれぞれ圧痕形成用の突起を形成しており、ガス流路を成形するときに同時に圧痕を形成することで反りの発生を防止するようにした技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, after press forming a gas flow path having a concavo-convex shape on a metal plate, minute rhombus indentations are formed on the flat portion of the concavo-convex portion, or protrusions for forming indentations are formed on the upper and lower surfaces of the mold, respectively. A technique has been disclosed that prevents the occurrence of warpage by forming an indentation at the same time as forming a gas flow path (see, for example, Patent Document 1).

また、接合体(固体高分子電解質膜)を挟んでその両側に配置されたセパレータのうち、一方のセパレータには、2枚の金属板の間に板ばねを介在させ、燃料電池単セルが熱膨張または収縮などしたときに板ばねが弾性変形して燃料電池単セルを弾発付勢させることにより、積層体に対する加圧保持力を維持させた技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, among the separators disposed on both sides of the joined body (solid polymer electrolyte membrane), a leaf spring is interposed between two metal plates in one of the separators so that the fuel cell single cell is thermally expanded or A technique has been disclosed in which the pressure holding force on the stacked body is maintained by elastically deforming the leaf spring when the plate spring contracts and elastically biases the fuel cell unit cell (see, for example, Patent Document 2). .

また、カソードマスク、センタープレート及びアノードマスクの外縁を所定の形状に切断するための外縁切代を残すと共に、カソードガス用貫通孔とアノードガス用貫通孔を加工せずにマニホールド切代を残すようにして2枚のセパレータを合わせて外周部を溶接した後に、その外周部を切断することで組立工程と溶接工程を容易化した技術が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2000−138065号公報(第5頁から第8頁、第2図および第3図) 特開2002−367665号公報(第2頁および第3頁、第5図および第図6) 特開2004−127699号公報(第5頁〜第7頁、第1図〜第3図)
In addition, an outer edge cutting margin for cutting the outer edges of the cathode mask, center plate, and anode mask into a predetermined shape is left, and a manifold cutting margin is left without processing the cathode gas through hole and the anode gas through hole. Thus, a technique is disclosed in which two separators are combined and the outer peripheral portion is welded, and then the outer peripheral portion is cut to facilitate the assembly process and the welding process (see, for example, Patent Document 3).
JP 2000-138065 (pages 5 to 8, FIGS. 2 and 3) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-367665 (Pages 2 and 3; FIGS. 5 and 6) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-127699 (pages 5 to 7, FIGS. 1 to 3)

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、金型に微小な圧痕を形成する必要があるため、圧痕部が経時摩耗すると共に、金型のコストアップが避けられない。また、特許文献2に記載の技術では、部品点数増加によるコストアップや重量増加の課題が残る。また、特許文献3に記載の技術では、セパレータ外周部のシールは行われるが、セパレータ間の接触抵抗については改善されない。   However, in the technique described in Patent Document 1, since it is necessary to form a minute indentation in the mold, the indentation part wears over time, and the cost of the mold cannot be avoided. Moreover, with the technique described in Patent Document 2, there remain problems of cost increase and weight increase due to an increase in the number of parts. Moreover, in the technique described in Patent Document 3, the outer periphery of the separator is sealed, but the contact resistance between the separators is not improved.

そこで、本発明は、セパレータに反りが発生していてもセパレータ同士を隙間無く密着させて接触抵抗の低減を図り、導電性を高めることのできる燃料電池スタック及びセパレータの接合方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell stack and a separator joining method capable of reducing the contact resistance by closely contacting the separators without any gap even when the separator is warped, and improving the conductivity. Objective.

本発明は、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる燃料電池単セルの複数個を積層した燃料電池スタックである。   The present invention provides a fuel in which a plurality of fuel cell single cells each having a separator made of a metal plate formed by pressing a flow path having a concavo-convex shape in a region contributing to power generation are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane. It is a battery stack.

そして、本発明では、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、少なくとも前記発電に寄与する領域に形成された凸部同士を金属接合して接合一体化させている。   In the present invention, the anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane and the cathode separator disposed on the cathode side are metal-bonded at least to the convex portions formed in the region contributing to power generation. Bonded and integrated.

本発明によれば、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、少なくとも発電に寄与する領域に形成された凸部同士を金属接合して接合一体化させているので、これら凸部同士は隙間無く金属接合されることからセパレータ間の接触抵抗を大幅に低減させることができる。したがって、本発明によれば、燃料電池単セル当たりの起電力を高めることができ、燃料電池全体としての出力を大幅に向上させることができる。   According to the present invention, the anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane and the cathode separator disposed on the cathode side are joined by metal-bonding at least convex portions formed in a region contributing to power generation. Since they are integrated, the protrusions are metal-bonded without a gap, so that the contact resistance between the separators can be greatly reduced. Therefore, according to the present invention, the electromotive force per unit fuel cell can be increased, and the output of the entire fuel cell can be greatly improved.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図2は燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図、図3はセパレータの平面図、図4は図3に示したセパレータのA−A線断面図である。   First, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a part of the laminated structure of the fuel cell stack, FIG. 3 is a plan view of the separator, and FIG. 4 is shown in FIG. It is an AA line sectional view of a separator.

燃料電池スタック1は、図1に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル2を所定数だけ積層した積層体3とされ、その積層体3の両端に集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、該積層体3の内部に貫通した貫通孔(図示は省略する)にタイロッド7を貫通させ、そのタイロッド7の端部にナット(図示は省略する)を螺合させることで構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 is a laminated body 3 in which a predetermined number of fuel cell single cells 2 as unit cells that generate an electromotive force by the reaction of fuel gas and oxidant gas are laminated. Current collector plate 4, insulating plate 5, and end plate 6 are arranged at both ends of 3, and a tie rod 7 is passed through a through-hole (not shown) penetrating through the laminated body 3. And a nut (not shown) are screwed together.

この燃料電池スタック1においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル2のセパレータ(図示は省略する)に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12および冷却水排出口13を、一方のエンドプレート6に形成している。   In this fuel cell stack 1, a fuel gas introduction port 8 for allowing fuel gas, oxidant gas, and cooling water to flow through channel grooves formed in the separators (not shown) of each fuel cell single cell 2. A fuel gas discharge port 9, an oxidant gas introduction port 10, an oxidant gas discharge port 11, a cooling water introduction port 12 and a cooling water discharge port 13 are formed in one end plate 6.

燃料ガスは、燃料ガス導入口8より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口9より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口10より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口11より排出される。冷却水は、冷却水導入口12より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口13より排出される。   The fuel gas is introduced from the fuel gas introduction port 8, flows through a fuel gas supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the fuel gas discharge port 9. The oxidant gas is introduced from the oxidant gas introduction port 10, flows through the oxidant gas supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the oxidant gas discharge port 11. The cooling water is introduced from the cooling water introduction port 12, flows through the cooling water supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the cooling water discharge port 13.

燃料電池単セル2は、図2に示すように、膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)14と、この膜電極接合体14の両面にそれぞれ配置されるセパレータ15とから構成される。膜電極接合体14のアノード側に配置されるセパレータ15を、アノードセパレータ15Aと称し、カソード側に配置されるセパレータ15をカソードセパレータ15Bと称する。   As shown in FIG. 2, the fuel cell single cell 2 includes a membrane electrode assembly (MEA) 14 and separators 15 disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly 14. The separator 15 disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 14 is referred to as an anode separator 15A, and the separator 15 disposed on the cathode side is referred to as a cathode separator 15B.

膜電極接合体14は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極(何れも図示は省略する)とからなる。かかる膜電極接合体14は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。   The membrane electrode assembly 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane that is a polymer electrolyte membrane that passes hydrogen ions, an anode electrode that includes an anode catalyst and a gas diffusion layer, and a cathode electrode that includes a cathode catalyst and a gas diffusion layer (both are (Illustration is omitted). The membrane electrode assembly 14 has a laminated structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched from both sides by an anode electrode and a cathode electrode.

セパレータ15は、板厚の薄い金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。かかるセパレータ15は、図3及び図4に示すように、発電に寄与するアクティブ領域(膜電極接合体14と接する中央部分の領域)に、凹条部16と凸条部17を交互に形成した凹凸形状(いわゆるコルゲート形状)を形成している。   The separator 15 is formed by forming a thin metal plate into a predetermined shape using a mold. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the separator 15 has the recess 16 and the protrusion 17 alternately formed in the active region that contributes to power generation (region of the central portion in contact with the membrane electrode assembly 14). An uneven shape (so-called corrugated shape) is formed.

膜電極接合体14のアノード側に接して配置される凹条部16は、膜電極接合体14との間に燃料ガス(水素H)を流通させる燃料ガス流路18を形成する。一方、膜電極接合体14のカソード側に接して配置される凹条部16は、膜電極接合体14との間に酸化剤ガス(酸素O)を流通させる酸化剤ガス流路19を形成する。そして、セパレータ15,15同士が接合された凸条部17,17で囲まれた空間部は、冷却水(LLC)を流通させる冷媒流路20を形成する。   The recess 16 disposed in contact with the anode side of the membrane electrode assembly 14 forms a fuel gas flow path 18 through which fuel gas (hydrogen H) flows. On the other hand, the concave strip portion 16 disposed in contact with the cathode side of the membrane electrode assembly 14 forms an oxidant gas flow path 19 through which an oxidant gas (oxygen O) flows. . And the space part enclosed by the protruding item | line parts 17 and 17 with which separators 15 and 15 were joined forms the coolant flow path 20 which distribute | circulates cooling water (LLC).

また、セパレータ15には、前記した燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12および冷却水排出口13と連通するそれぞれのマニホールド21、22、23、24、25、26が形成されている。例えば、図3で示すセパレータ15の右側上から下へ順次、燃料ガス導入用マニホールド21、冷却水導入用マニホールド22、酸化剤導入用マニホールド23とされている。また、セパレータ15の左前上から下へ順次、酸化剤排出用マニホールド24、冷却水排出用マニホールド25、燃料ガス排出用マニホールド26とされている。さらに、セパレータ15には、タイロッド7を貫通させるスタッキング孔40が形成されている。   The separator 15 communicates with the fuel gas inlet 8, fuel gas outlet 9, oxidant gas inlet 10, oxidant gas outlet 11, cooling water inlet 12, and cooling water outlet 13. The manifolds 21, 22, 23, 24, 25, and 26 are formed. For example, a fuel gas introduction manifold 21, a cooling water introduction manifold 22, and an oxidant introduction manifold 23 are sequentially formed from the upper right side to the lower side of the separator 15 shown in FIG. Further, an oxidant discharge manifold 24, a coolant discharge manifold 25, and a fuel gas discharge manifold 26 are sequentially formed from the upper left front side to the lower side of the separator 15. Further, the separator 15 is formed with a stacking hole 40 through which the tie rod 7 passes.

また、セパレータ15には、流路を構成する凹条部16及び凸条部17を取り囲むと共に、燃料ガス導入用マニホールド21、酸化剤導入用マニホールド23、酸化剤排出用マニホールド24及び燃料ガス排出用マニホールド26をそれぞれ取り囲むシール溝27が形成されている。かかるシール溝27は、断面半円形状をなす溝として形成され、いわゆる一筆書きとして形成されている。   In addition, the separator 15 surrounds the concave portion 16 and the convex portion 17 constituting the flow path, and also includes a fuel gas introduction manifold 21, an oxidant introduction manifold 23, an oxidant discharge manifold 24, and a fuel gas discharge. Seal grooves 27 that surround the manifolds 26 are formed. The seal groove 27 is formed as a groove having a semicircular cross section, and is formed as a so-called one stroke.

このように構成された膜電極接合体14とセパレータ15とからなる燃料電池単セル2は、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bで膜電極接合体14をその両側から挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体14の外周縁近傍部に設けられたシール部材28を介して上下のセパレータ15、15同士を接合一体化することで形成されている。   The fuel cell single cell 2 composed of the membrane electrode assembly 14 and the separator 15 configured as described above is laminated so that the membrane electrode assembly 14 is sandwiched between the anode separator 15A and the cathode separator 15B from both sides thereof. The upper and lower separators 15 and 15 are joined and integrated with each other through a seal member 28 provided in the vicinity of the outer peripheral edge of the electrode assembly 14.

燃料電池スタック1は、図2に示すように、前記構成の燃料電池単セル2を複数積層することで積層体を構成し、その積層体の両端に集電板4、絶縁板5及びエンドプレート6を配置させタイロッド7で締結することにより構成される。そして、本実施の形態の燃料電池スタック1では、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bとを、少なくとも発電に寄与する領域に形成された凸部同士(本実施の形態では凹条部16、16同士)を金属接合することにより接合一体化している。さらに、本実施の形態では、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bに形成したシール溝27、27同士を、低融点金属29にて金属接合させて接合一体化させている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cell single cells 2 having the above-described configuration, and a current collector plate 4, an insulating plate 5, and an end plate are formed at both ends of the stack. 6 is arranged and fastened with a tie rod 7. Then, in the fuel cell stack 1 of the present embodiment, the anode separator 15A and the cathode separator 15B are provided with projections formed at least in a region contributing to power generation (in the present embodiment, the concave strips 16, 16). Are joined and integrated by metal joining. Further, in the present embodiment, the seal grooves 27 and 27 formed in the anode separator 15A and the cathode separator 15B are metal-bonded by a low-melting point metal 29 to be integrated.

アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bを金属接合するには、先ず、図5及び図6に示すように、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bの何れか一方に形成されたシール溝27内に、このシール溝27に嵌合する丸棒形状をなす低融点合金線材30を配置する。また、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bの何れかの凹条部16(凸部)の頂部に低融点合金シート31を配置させる。低融点合金線材30には、例えば半田線が使用でき、低融点合金シート31には、例えば半田シートが使用できる。   In order to metal-bond the anode separator 15A and the cathode separator 15B, first, as shown in FIGS. 5 and 6, the seal groove 27 is formed in the seal groove 27 formed in one of the anode separator 15A and the cathode separator 15B. A low-melting-point alloy wire 30 having a round bar shape to be fitted to the rod 27 is disposed. Further, the low-melting point alloy sheet 31 is disposed on the top of the concave strip portion 16 (convex portion) of either the anode separator 15A or the cathode separator 15B. For the low melting point alloy wire 30, for example, a solder wire can be used, and for the low melting point alloy sheet 31, for example, a solder sheet can be used.

低融点合金線材30は、図6に示すように、冷却水等の流体をシールする必要があるため、全てのシール溝27内に配置する。ストレート溝には、ストレート形状とした低融点合金線材30を、屈曲溝には、その形状に応じた曲線形状とした低融点合金線材30を配置する。低融点合金シート31は、低融点合金からなる幅の狭い長尺状のシートとして形成され、全ての凹条部16の頂部に配置される。低融点合金シート31を配置するに際しては、図7に示すように、凹条部16の頂部に窪み32を形成し、その窪み32に低融点合金シート31を配置させる。このようにすれば、低融点合金シート31は窪み32にガイドされるので、当該低融点合金シート31の頂部に対する位置ずれを防止することができ、その後の工程を進め易くなる。   As shown in FIG. 6, the low melting point alloy wire 30 is disposed in all the seal grooves 27 because it is necessary to seal a fluid such as cooling water. A straight line-shaped low melting point alloy wire 30 is disposed in the straight groove, and a curved line corresponding to the shape of the low melting point alloy wire 30 is disposed in the bent groove. The low melting point alloy sheet 31 is formed as a long and narrow sheet made of a low melting point alloy, and is disposed on the tops of all the concave portions 16. When placing the low melting point alloy sheet 31, as shown in FIG. 7, a recess 32 is formed at the top of the recess 16, and the low melting point alloy sheet 31 is placed in the recess 32. In this way, since the low melting point alloy sheet 31 is guided by the recess 32, it is possible to prevent the position of the low melting point alloy sheet 31 from being displaced relative to the top, and to facilitate the subsequent steps.

なお、アクティブ領域では、金属接合により電気の通り路が確保されれば良いので、材料コスト削減、重量低減を考慮して薄いシート形状の低融点合金シート31を用いる。   In the active region, it is only necessary to secure an electrical path by metal bonding, and therefore, a low melting point alloy sheet 31 having a thin sheet shape is used in consideration of material cost reduction and weight reduction.

また、低融点合金シート31に代えて凹条部16の凸部には、図8に示すように、ペースト状の低融点合金材料33をディスペンサー34により塗布してもよい。或いは、図9に示すように、スクリーン版35を用いてスキージ36により、凹条部16の頂部に低融点合金材料33を塗布してもよい。   Further, instead of the low-melting-point alloy sheet 31, a paste-like low-melting-point alloy material 33 may be applied to the convex portion of the groove 16 by a dispenser 34 as shown in FIG. 8. Alternatively, as shown in FIG. 9, a low-melting-point alloy material 33 may be applied to the top of the recess 16 by a squeegee 36 using a screen plate 35.

そして、低融点合金線材30及び低融点合金シート31が配置されたアノードセパレータ15Aの上に、凸部同士が重なるようにし且つ前記低融点合金線材30がぴったりと嵌るようにカソードセパレータ15Bをセットして重ねる。これにより、上下のシール溝27には、隙間無く低融点合金線材30が満たされると共に、互いの凹条部16の凸部間には、低融点合金シート31が配置される。   Then, the cathode separator 15B is set on the anode separator 15A on which the low-melting-point alloy wire 30 and the low-melting-point alloy sheet 31 are arranged so that the convex portions overlap each other and the low-melting-point alloy wire 30 fits tightly. And repeat. As a result, the upper and lower seal grooves 27 are filled with the low melting point alloy wire 30 without any gaps, and the low melting point alloy sheet 31 is disposed between the convex portions of the concave strips 16.

これらアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bを重ねた後、これらを加熱してセパレータに導電性を付与するための熱処理であるイオン窒化処理(導電性付与表面処理)を行う。ステンレスを基材とする金属セパレータの場合、耐食性を満足させるため表面に不導体皮膜が形成されているが、導電性という点ではマイナス要因となるため、イオン窒化処理で不導体被膜を除去し導電性を付与する必要がある。導電性付与のための熱処理は、N及びHの混合ガス(通常の混合比率は1:1程度)を窒化時の雰囲気とし、約600℃以下の熱を加えて行う。なお、窒化処理は、更に真空とすることでOの無い条件で窒化することが好ましく、また、アンモニアガスを更に混合するようにしてもよい。 After the anode separator 15A and the cathode separator 15B are stacked, ion nitriding treatment (conducting surface treatment), which is a heat treatment for imparting conductivity to the separator by heating them, is performed. In the case of a metal separator based on stainless steel, a non-conductive film is formed on the surface in order to satisfy corrosion resistance. However, since it is a negative factor in terms of conductivity, the non-conductive film is removed by ion nitriding to conduct electricity. It is necessary to impart sex. The heat treatment for imparting conductivity is performed by using a mixed gas of N 2 and H 2 (normal mixing ratio is about 1: 1) as an atmosphere during nitriding and applying heat of about 600 ° C. or less. In the nitriding treatment, it is preferable to perform nitriding under a condition without O 2 by further applying a vacuum, and ammonia gas may be further mixed.

低融点合金線材30及び低融点合金シート31の融点は、前記600℃以下の熱処理温度よりも低い必要があり、Sn、Bi、In、Ag等の合金を使用した場合、これらの合金は約200℃の融点であり、熱処理時の熱により容易に融解する。なお、金属セパレータとしてステンレスを使用する場合は、半田付けの助剤となり酸化膜を除去する働きのあるフラックスが少量入った半田を使用することが望ましい。   The melting points of the low-melting-point alloy wire 30 and the low-melting-point alloy sheet 31 must be lower than the heat treatment temperature of 600 ° C. or less, and when an alloy such as Sn, Bi, In, Ag is used, these alloys are about 200 It has a melting point of ° C. and is easily melted by heat during heat treatment. When stainless steel is used as the metal separator, it is desirable to use solder containing a small amount of flux that serves as a soldering aid and removes the oxide film.

前記条件の下、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bに窒化処理を施すと、これらセパレータ表面に付着した不導体皮膜が除去されると共に、低融点合金線材30及び低融点合金シート31が溶融する。その結果、これらアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bには導電性が付与されると共に、シール溝27内は低融点金属29で満たされ、且つアクティブ領域の凹条部16、16の凸部同士が金属接合される。これにより、燃料電池単セル2は、セパレータ間の接触抵抗が小さくなり発電性能が向上する。   When the anode separator 15A and the cathode separator 15B are subjected to nitriding treatment under the above conditions, the non-conductive film attached to the separator surfaces is removed, and the low melting point alloy wire 30 and the low melting point alloy sheet 31 are melted. As a result, conductivity is imparted to the anode separator 15A and the cathode separator 15B, the inside of the seal groove 27 is filled with the low melting point metal 29, and the convex portions of the concave portions 16 and 16 in the active region are made of metal. Be joined. Thereby, as for the fuel cell single cell 2, the contact resistance between separators becomes small and electric power generation performance improves.

以上のように、本実施の形態によれば、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bとを、少なくとも発電に寄与する領域に形成された凸部同士を金属接合して接合一体化させているので、これら凸部同士を隙間無く金属接合させることができ、セパレータ間の接触抵抗を大幅に低減させることができる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池単セル2当たりの起電力を高めることができ、燃料電池全体としての出力を大幅に向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the anode separator 15A and the cathode separator 15B are integrally joined by metal-bonding the convex portions formed at least in the region contributing to power generation. The convex portions can be metal-bonded without a gap, and the contact resistance between the separators can be greatly reduced. Therefore, according to the present embodiment, the electromotive force per unit fuel cell 2 can be increased, and the output of the entire fuel cell can be greatly improved.

また、本実施の形態によれば、アノードセパレータ15A及びカソードセパレータ15Bの少なくとも外周縁部に形成されたシール溝27同士を金属接合したので、それらの間が隙間無く密着し、確実にシールすることが可能となる。   In addition, according to the present embodiment, since the seal grooves 27 formed at least on the outer peripheral edge portions of the anode separator 15A and the cathode separator 15B are metal-bonded, they are in close contact with each other without gaps, and are reliably sealed. Is possible.

また、本実施の形態によれば、凸部同士またはシール溝27同士を、低融点合金による金属接合で接合一体化したので、アクティブ領域における接触抵抗も大幅に低減できると共に、当該アクティブ領域のシール効果も向上する。また、低融点合金を使用した金属接合であるため、低コストで燃料電池スタック1を製造することができる。   Further, according to the present embodiment, since the convex portions or the seal grooves 27 are joined and integrated by metal joining using a low melting point alloy, the contact resistance in the active region can be greatly reduced, and the seal of the active region can be achieved. The effect is also improved. Moreover, since it is metal joining using a low melting point alloy, the fuel cell stack 1 can be manufactured at low cost.

また、本実施の形態によれば、不導体被膜を除去して導電性を付与するための窒化処理時の加熱で、シール溝27に嵌合配置された低融点合金線材30と凹条部16の頂部に配置された低融点合金シート31とが溶融するため、熱処理工程を一工程とすることができる。そのため、低融点合金線材30及び低融点合金シート31を溶融させるための熱処理を別途追加するのを防止できる。   In addition, according to the present embodiment, the low melting point alloy wire 30 and the groove portion 16 that are fitted and arranged in the seal groove 27 by heating at the time of nitriding treatment for removing the nonconductive film and imparting conductivity. Since the low melting point alloy sheet 31 disposed on the top of the metal melts, the heat treatment step can be made one step. Therefore, it is possible to prevent additional heat treatment for melting the low melting point alloy wire 30 and the low melting point alloy sheet 31 from being added.

また、本実施の形態によれば、半田シートからなる低融点合金を使用しているので、材料コストの削減、重量低減を図ることができる。   Further, according to the present embodiment, since a low melting point alloy made of a solder sheet is used, it is possible to reduce material cost and weight.

また、本実施の形態によれば、ペースト状の低融点合金を凸部の頂部に塗布するため、塗布作業を自動化することが可能となり、大幅な塗布作業効率を高めることができる。   Moreover, according to this Embodiment, since a paste-like low melting-point alloy is apply | coated to the top part of a convex part, it becomes possible to automate an application | coating operation | work and can raise a big application | coating work efficiency.

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。   The specific embodiment to which the present invention is applied has been described above, but the present embodiment is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.

上述の実施の形態では、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bの凹条部16の頂部に低融点合金シート31を配置または低融点合金材料を塗布して熱処理を行うことで、これらアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bを金属接合して接合一体化させたが、図10に示すように、これら凹条部16、16の凸部間にレーザーを照射し金属溶融させ、それらの間を金属接合にて接合一体化させてもよい。このように、レーザー溶接にて凸部間を金属接合すれば、母材同士が溶け合って接合されることから均一な電気的接触状態を確保することができる。   In the above-described embodiment, the anode separator 15A and the cathode separator 15A and the cathode separator 15B are disposed by placing the low-melting-point alloy sheet 31 on top of the concave portions 16 or applying a low-melting-point alloy material and performing heat treatment. Separator 15B was joined and integrated by metal joining, but as shown in FIG. 10, laser was irradiated between the convex portions of these concave strips 16 and 16 to melt the metal, and the joints were joined by metal joining. It may be integrated. In this way, if the convex portions are metal-bonded by laser welding, the base materials are melted and bonded, so that a uniform electrical contact state can be ensured.

また、レーザー溶接の代わりに、凹条部16、16の凸部間をスポット溶接して、それらの間を金属接合して接合一体化させてもよい。   Further, instead of laser welding, the convex portions of the concave strip portions 16 and 16 may be spot welded, and the portion between them may be metal-bonded and integrated.

また、図11(A)に示すように、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bを何れも平坦な板とし、凹条部16となる凸部の頂部に相当する接合部分Sのみを金属接合する。前記接合部分Sを金属接合する手法としては、例えばレーザー溶接、スポット溶接、シーム溶接などが挙げられる。   Further, as shown in FIG. 11A, both the anode separator 15A and the cathode separator 15B are flat plates, and only the joining portion S corresponding to the top of the convex portion that becomes the concave strip portion 16 is metal-joined. Examples of the technique for metal joining the joining portion S include laser welding, spot welding, and seam welding.

シーム溶接は、例えば図11(B)に示すように、重ね合わせたアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bを挟んでその両側に円盤形状の回転電極41、41を配置し、これら回転電極41、41を回転させると共にこれらアノードセパレータ15A及びカソードセパレータ15Bを所定速度で送りながら、前記回転電極41、41に断続的に通電することで前記接合部分Sを接合する。かかるシーム溶接を使用すれば、連続して前記接合部分Sを接合することができるため、生産性を大幅に向上させることができる。   In seam welding, for example, as shown in FIG. 11B, disk-shaped rotating electrodes 41 and 41 are arranged on both sides of the overlapped anode separator 15A and cathode separator 15B, and these rotating electrodes 41 and 41 are connected to each other. While rotating and feeding the anode separator 15A and the cathode separator 15B at a predetermined speed, the joining portions S are joined by intermittently energizing the rotating electrodes 41, 41. If such seam welding is used, the joining portion S can be joined continuously, so that productivity can be greatly improved.

次に、必要な箇所だけ金属接合したアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bの接合体を、図12に示す上型37と下型38からなる液圧成型用金型のキャビティー内に配置する。そして、これら上型37と下型38を型締めをした後、キャビティー内に所定圧力で液体を導入する。すると、キャビティー内に導入された液体によってアノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bは、前記接合部分Sを除いてお互いに離れる方向に開く。液体を導入してから所定時間経過後、上型37と下型38を開くと、図10に示した形状のセパレータ接合体が得られる。   Next, the joined body of the anode separator 15A and the cathode separator 15B, which are metal-bonded only at necessary portions, is disposed in the cavity of the hydraulic molding die including the upper die 37 and the lower die 38 shown in FIG. After the upper mold 37 and the lower mold 38 are clamped, a liquid is introduced into the cavity at a predetermined pressure. Then, the anode separator 15A and the cathode separator 15B are opened in a direction away from each other except for the joint portion S by the liquid introduced into the cavity. When the upper die 37 and the lower die 38 are opened after a lapse of a predetermined time from the introduction of the liquid, a separator assembly having the shape shown in FIG. 10 is obtained.

このように、予め必要な部分を金属接合しておいてから液圧成形を行えば、アクティブ領域にプレス加工によって凹凸形状の流路を形成するものに比べて、プレス加工時に生じる反りの問題を回避することができる。   In this way, if hydroforming is performed after the necessary parts are metal-bonded in advance, the problem of warpage occurring during pressing is less than that of forming an uneven channel by pressing in the active region. It can be avoided.

また、図13に示すように、アノードセパレータ15Aとカソードセパレータ15Bの凹条部16、16の凸部部分を、鋼製からなる一対のロール39、39を回転させながら加圧すると共に通電して、これらの間を金属接合させて接合一体化する。   Further, as shown in FIG. 13, the convex portions of the concave strip portions 16 and 16 of the anode separator 15A and the cathode separator 15B are pressurized and energized while rotating a pair of steel rolls 39 and 39, These are metal-bonded and integrated.

また、上述した実施の形態の説明で使用したセパレータ15の形状は、一例であって本実施の形態に制限されることはない。   Moreover, the shape of the separator 15 used in the description of the above-described embodiment is an example, and is not limited to the present embodiment.

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows a part of laminated structure of a fuel cell stack. セパレータの平面図である。It is a top view of a separator. 図3に示したセパレータのA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of the separator shown in FIG. シール溝に低融点合金線材を配置し且つ凹条部の頂部に低融点合金シートを配置してアノードセパレータとカソードセパレータを重ね合わせた状態を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the state which has arrange | positioned the low-melting-point alloy wire in a seal groove, and has arrange | positioned the low-melting-point alloy sheet | seat on the top part of a groove part, and overlapped the anode separator and the cathode separator. シール溝に低融点合金線材を配置し且つ凹条部の頂部に低融点合金シートを配置したセパレータの要部拡大平面図である。It is a principal part enlarged plan view of the separator which has arrange | positioned the low melting-point alloy wire in a seal groove, and has arrange | positioned the low melting-point alloy sheet | seat on the top part of a groove part. 凹条部の頂部に窪みを形成し、その窪みに低融点合金シートを配置させた例を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the example which formed the hollow in the top part of a concave part, and has arrange | positioned the low melting-point alloy sheet | seat in the hollow. 凹条部の頂部にペースト状の低融点合金材料を塗布する一例を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows an example which apply | coats a paste-form low melting-point alloy material to the top part of a concave part. 凹条部の頂部にペースト状の低融点合金材料をスクリーン印刷によって塗布する一例を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows an example which apply | coats a paste-form low melting-point alloy material to the top part of a concave part by screen printing. 凹条部の頂部同士を金属接合してセパレータ同士を接合一体化させた例を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the example which carried out the metal joining of the top parts of a concave part, and joined and integrated separators. 図11(A)は凹条部となる凸部の頂部に相当する接合部分のみを金属接合したセパレータの要部拡大断面図、図11(B)はシーム溶接の一構成例を示す図である。FIG. 11A is an enlarged cross-sectional view of a main part of a separator in which only a joining portion corresponding to the top of a convex portion serving as a concave portion is metal-bonded, and FIG. 11B is a diagram illustrating a configuration example of seam welding. . 図11に示すセパレータを液圧成形している状態を示すセパレータの要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the separator which shows the state which has carried out the hydraulic forming of the separator shown in FIG. ローラによる加圧で凸部同士を金属接合する状態を示すセパレータの要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of the separator which shows the state which metal-bonds convex parts by the pressurization by a roller.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池スタック
2…燃料電池単セル
14…膜電極接合体
15…セパレータ
15A…アノードセパレータ
15B…カソードセパレータ
16…凹条部
17…凸条部
27…シール溝
29…低融点金属
30…低融点合金線材
31…低融点合金シート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Fuel cell single cell 14 ... Membrane electrode assembly 15 ... Separator 15A ... Anode separator 15B ... Cathode separator 16 ... Concave strip 17 ... Convex strip 27 ... Sealing groove 29 ... Low melting point metal 30 ... Low Melting point alloy wire 31 ... Low melting point alloy sheet

Claims (10)

発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路をプレス成形した金属板からなるセパレータを、高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置してなる燃料電池単セルの複数個を積層した燃料電池スタックであって、
前記高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、少なくとも前記発電に寄与する領域に形成された凸部同士を金属接合して接合一体化してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
This is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell single cells are formed by laminating separators made of metal plates, which are formed by pressing a flow path having an uneven shape in a region contributing to power generation, on both sides of the polymer electrolyte membrane. And
The anode separator disposed on the anode side of the polymer electrolyte membrane and the cathode separator disposed on the cathode side are joined and integrated by metal-bonding at least convex portions formed in the region contributing to power generation. A fuel cell stack characterized by that.
請求項1に記載の燃料電池スタックであって、
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータの少なくとも外周縁部に形成されたシール溝同士を金属接合してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
A fuel cell stack, wherein seal grooves formed at least on the outer peripheral edge of the anode separator and the cathode separator are metal-bonded.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部同士または前記シール溝同士を、低融点合金による金属接合で接合一体化してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The fuel cell stack, wherein the convex portions or the seal grooves are joined and integrated by metal joining using a low melting point alloy.
請求項1に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部同士を、ローラによる加圧で金属接合して接合一体化してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The fuel cell stack, wherein the convex portions are metal-bonded and integrated by pressing with a roller.
請求項1に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部同士を、レーザ溶接にて接合一体化してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The fuel cell stack, wherein the convex portions are joined and integrated by laser welding.
請求項1に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部同士を、スポット溶接して接合一体化してなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The fuel cell stack is characterized in that the convex portions are joined together by spot welding.
金属板をプレス成形して、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路と少なくとも外周縁部にシール溝を形成してセパレータを成形する工程と、
一方のセパレータに形成された前記流路を構成する凹凸形状の凸部の頂部に低融点合金を配置すると共に、前記シール溝内に低融点合金線材を嵌合配置する工程と、
前記凸部同士を重ねて他方のセパレータを一方のセパレータに対して重ね合わせる工程と、
これらセパレータを加熱して前記低融点合金及び前記低融点合金線材を溶融させる熱処理工程とを備えた
ことを特徴とするセパレータの接合方法。
A step of forming a separator by pressing a metal plate, forming a channel having a concavo-convex shape in a region contributing to power generation, and forming a seal groove at least on the outer peripheral edge; and
Placing a low melting point alloy on the top of the concavo-convex shaped convex portion constituting the flow path formed in one separator, and fitting and placing a low melting point alloy wire in the seal groove;
A step of overlapping the convex portions with each other and overlapping the other separator on one separator;
A heat treatment step for heating the separator to melt the low-melting-point alloy and the low-melting-point alloy wire.
請求項7に記載のセパレータの接合方法であって、
前記熱処理工程は、セパレータ表面の不導体皮膜を除去して導電性を確保する窒化処理である
ことを特徴とするセパレータの接合方法。
A separator joining method according to claim 7,
The separator is characterized in that the heat treatment step is a nitriding treatment that removes a non-conductive film on the separator surface to ensure conductivity.
請求項7または請求項8に記載のセパレータの接合方法であって、
前記凸部の頂部に、半田シートからなる低融点合金を配置する
ことを特徴とするセパレータの接合方法。
A separator joining method according to claim 7 or claim 8,
A separator joining method, wherein a low melting point alloy made of a solder sheet is disposed on the top of the convex portion.
請求項7または請求項8に記載のセパレータの接合方法であって、
前記凸部の頂部に、ペースト状の低融点合金を塗布する
ことを特徴とするセパレータの接合方法。
A separator joining method according to claim 7 or claim 8,
A separator bonding method, wherein a paste-like low melting point alloy is applied to the top of the convex portion.
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