JP2006156173A

JP2006156173A - 管材を用いた燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池用セパレータの製造方法

Info

Publication number: JP2006156173A
Application number: JP2004346124A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sakagami; 祐治阪上; Takeharu Kuramochi; 竹晴倉持; Akira Fujiki; 章藤木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】出力密度の向上が可能な燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】金型４０のキャビティ内に管材３４を設置する工程と、当該管材３４の周りにセパレータ材料を注入する注入工程と、を有する燃料電池用セパレータ３０の製造方法により、少なくとも１つの管材３４がセパレータ材料の内部を貫通している燃料電池用セパレータを製作し、この燃料電池用セパレータを用いて燃料電池を製作する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池のセパレータは、通常２枚のセパレータを重ねてその間に冷却水用の流路が形成されるが、２枚のセパレータを重ねるために燃料電池全体が厚くなり、出力密度（単位体積あたりの出力であり、小型化および高出力化が望まれる燃料電池の性能を評価する上での指標となる）が低くなる要因となっている。このような問題を解決するために、２枚のセパレータを重ねることなく冷却水の流路を形成できる方法として、例えば特許文献１がある。この方法は、中子を内部に配置したセパレータ形状の成形体を成形し、熱処理により中子を昇華若しくは溶融させて、冷却水の流路となる中空部をセパレータに形成するものである。しかしこの方法では、中子によりセパレータが汚染されて導電性を低下させ、燃料電池の性能を低下させる要因となる。
特開２００２−９３４３２号公報

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な出力密度を得られる燃料電池用セパレータ、燃料電池および燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータは、少なくとも１つの管材がセパレータ材料の内部を貫通していることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、少なくとも１つの管材がセパレータ材料の内部を貫通している燃料電池用セパレータを用いていることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、金型のキャビティ内に管材を設置する工程と、当該管材の周りにセパレータ材料を注入する注入工程と、を有することを特徴とする。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータは、管材の内部を冷却水を流すことができるため、従来のように中子を昇華若しくは溶融させて作製する必要がなく、セパレータが汚染されずに導電性が低下しない。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池は、管材が設けられて２枚のセパレータを重ねることなく冷却水の流路が形成されるため、燃料電池全体が薄くなって出力密度を向上させることができる。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、管材が設けられたセパレータを形成することができるため、従来のように２枚のセパレータを接着したり、セパレータ内部に形成した中子を昇華若しくは溶融させることなしに、容易に作製することができる。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図である。

燃料電池は、図１に示すような単セル１０を多数集成してなるスタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。

単セル１０は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができるデバイスであり、膜電極接合体２０、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂ、セパレータ３０Ａ，３０Ｂを有する。膜電極接合体２０は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂは、膜電極接合体２０の両面に配置される。セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂの外面に配置される。

セパレータ３０Ａとガス拡散層２１Ａの間には、空気（酸素）を流通させるための空気用流路溝３２が形成され、セパレータ３０Ｂとガス拡散層２１Ｂの間には、燃料ガス（水素）を流通させるための燃料ガス用流路溝３３が形成される。また、セパレータ３０Ａ，３０Ｂの内部には複数の管材３４Ａ，３４Ｂが設けられ、冷却水を流通させるための冷却水用流路３１Ａ，３１Ｂが形成される。

セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、その両面周縁部にガス拡散層２１Ａ，２１Ｂを囲むフレーム２２Ａ，２２Ｂが設置され、このフレーム２２Ａ，２２Ｂとセパレータ３０Ａ，３０Ｂが、燃料ガスおよび空気の漏れを防止するためのシール２３Ａ，２３Ｂを介して連結される。

図２は本実施形態に係る金型に管材を設置した際の図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図、図３は金型内にセパレータ材料を注入する際の図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図、図４は射出成形後のセパレータを示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。

本実施形態に係るセパレータ３０は、金型４０を用いて管材３４の外側にセパレータ材料を射出成形して形成される。セパレータ材料はカーボン粒子と熱可塑性樹脂を混合したものであり、熱可塑性樹脂には、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を使用する。

本実施形態に使用される管材３４は、例えばステンレス製であるが、銅やアルミ等の他の材料を使用することもでき、錆び難いものが好ましい。

まず、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、複数の管材３４を上型４１、下型４２からなる金型４０内に設置する。管材３４は、図２（Ｂ）に示すように、その両端部が上型４１および下型４２の端部で挟持され、金型４０の内壁面と管材３４の間には、セパレータ材料を注入するための隙間が設けられる。

上型４１には、セパレータ材料の流路となるランナー４３およびゲート４４が設けられている。

次に、図３に示すように、ランナー４３の入口にノズル４５が挿入され、加熱溶融されたセパレータ材料がノズル４５からランナー４３、ゲート４４を通って金型４０のキャビティ内に注入される。なお、セパレータ材料の温度および流動性に応じて、金型４０に加熱源が設けられることもある。

注入後、所定の時間が経過してセパレータ材料が硬化すると、図４に示すように金型４０を離型し、管材３４の周囲にセパレータ材料が設けられたセパレータ３０を金型４０から取り出す。

図５は、管材の変形例を示す断面図、図６はセパレータの変形例を示す要部断面図である。

本実施形態に使用される管材３４の断面形状は、円筒形状のみに限定されるものではなく、例えば図５（Ａ）に示すように矩形形状の管材や、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように外形形状が波形状、突出形状または矩形形状等にすることができる。このように、管材の外表面積または内表面積を大きくすることによって、より大きな冷却性能を得ることができる。また、内表面積を大きくすることによって大きな冷却性能を得ることも可能である。

また、本実施形態に係るセパレータ３０は、管材３４の周囲を覆う部位の断面形状が、射出成形によるセパレータ材料の流動性を考慮して円弧状となっているが、セパレータ材料の流動性に問題がなければ他の形状でもよく、例えば、図６に示すように矩形形状であってもよい。

熱処理により中子を昇華若しくは溶融させて、冷却水の流路が形成される従来のセパレータは、昇華若しくは溶融された中子によりセパレータが汚染される問題があるが、本実施形態のセパレータ３０は、管材３４を用いて冷却水の流路を設けるため、セパレータ３０が汚染されず、燃料電池の性能を向上させることができる。

また、図７に示すような２枚のセパレータ５１，５２を重ねて冷却水の流路５３が形成される従来のセパレータと比較した場合、本実施形態のセパレータ３０は、１枚のセパレータ３０のみで冷却水用流路３１が形成されるため、燃料電池の厚みを減少させ、出力密度を向上させることができる。

また、従来のセパレータ５１，５２はシール５４を介して接着剤等で連結されるが、本実施形態では接着する必要が無いため、加工工数を減らして容易に製造が可能であると同時に冷却水の漏れを防止することでき、また使用されるシール材およびセパレータ材料を減少させてコストを低減できる。

また、本実施形態のセパレータ３０は、管材３４が内部に設けられているため強度が強く、変形や破損の発生を低減できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、本実施形態ではセパレータ材料に熱可塑性樹脂を用いているが、例えばフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。また、セパレータを射出成形ではなく、射出圧縮成形により成形することもできる。

本発明に係る燃料電池の単セルを示す要部断面図である。本実施形態に係る金型に管材を設置した際の図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。金型内にセパレータ材料を注入する際の図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。射出成形後のセパレータを示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。管材の変形例を示す断面図である。セパレータの変形例を示す要部断面図である。従来の燃料電池の単セルを示す要部断面図である。

符号の説明

１０単セル、
２０膜電極接合体、
２１Ａ，２１Ｂガス拡散層、
２２Ａ，２２Ｂフレーム、
２３Ａ，２３Ｂシール、
３０Ａ，３０Ｂセパレータ、
３１冷却水用流路、
３２空気用流路溝、
３３燃料ガス用流路溝、
３４管材、
４０金型、
４１上型、
４２下型、
４３ランナー、
４４ゲート、
４５ノズル。

Claims

少なくとも１つの管材がセパレータ材料の内部を貫通していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記管材は、冷却水の流路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
少なくとも１つの管材がセパレータ材料の内部を貫通している燃料電池用セパレータを用いていることを特徴とする燃料電池。
前記管材は、冷却水の流路であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
金型のキャビティ内に管材を設置する工程と、
当該管材の周りにセパレータ材料を注入する注入工程と、を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
前記注入工程は、射出成形により行われることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
前記注入工程は、射出圧縮成形により行われることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。