JP2007026899A - Fuel cell and manufacturing method of separator therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、各ガス拡散層の電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた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。 The present invention provides a gas diffusion layer having a fuel electrode on one side of an electrolyte membrane and a gas diffusion layer having an oxidizer electrode on the other side, and each gas diffusion layer is opposite to the electrolyte membrane. The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing a fuel cell separator, in which a separator is disposed in each of which a gas flow path for supplying a fuel gas and an oxidant gas is provided between each separator and each gas diffusion layer.
燃料電池には、固体高分子型燃料電池、燐酸型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池など各種のものがある。これらの燃料電池は、酸化ガスと水素などの燃料ガスとの電気化学反応により起電力を生ずる単位電池からなり、この単位電池を電気的に接続するとともに反応ガスを分離させるセパレータを備えている。 There are various types of fuel cells such as solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and molten carbonate fuel cells. These fuel cells consist of unit cells that generate an electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas such as hydrogen, and are provided with a separator that electrically connects the unit cells and separates the reaction gas.
上記した単位電池を複数積層して所定の出力を得ることもあり、積層する単位電池の数は数百に及ぶことがある。この単位電池に使用するセパレータは、カーボンや金属製のプレートにガス流路を形成している。 A plurality of unit cells may be stacked to obtain a predetermined output, and the number of unit cells stacked may be several hundreds. The separator used for this unit battery forms a gas flow path in a carbon or metal plate.
カーボン製のセパレータは、ガス流路を切削などにより加工して形成し、強度を確保するため厚さは数mm程度と比較的厚くなることから、低コスト化や薄肉化による小型化を図る上で、ステンレスやチタンなどの金属を適用する技術開発が盛んになってきている。 The carbon separator is formed by cutting the gas flow path by cutting, etc., and the thickness is relatively thick, about several millimeters, to ensure strength. Therefore, technological developments using metals such as stainless steel and titanium are becoming popular.
セパレータに金属を使用した場合には、カーボンに比べて厚さを薄くでき、ガス流路を形成する場合、プレス加工を用いることによって加工費を安価にできる特徴がある。 When a metal is used for the separator, the thickness can be reduced compared to carbon, and when a gas flow path is formed, the processing cost can be reduced by using press working.
このガス流路は、金属板を多数の凹凸部を有する形状に加工することで確保するが、凹凸部の角部にRを設けることで曲げ歪みの増大による破断を防止し、またプレス加工時に予備プレスを行って最終成形時に凹凸部の肩部の割れや破断を防止し、さらに凹凸部のガス拡散層への接触面を平坦にしてその接触面積が低減するのを防止する方法が、下記特許文献1に記載されている。
ところで、セパレータは、その周縁部をガスシールする必要があり、このガスシール部 は圧縮応力を受けることから剛性を確保する必要があり、このためある程度の板厚が必要となる。 By the way, it is necessary to gas-seal the peripheral part of the separator, and since this gas-sealed part receives compressive stress, it is necessary to ensure rigidity, and therefore a certain thickness is required.
ところが、上記した従来のセパレータでは、全体の板厚が均一であることから、ガスシール部ほどの板厚が不要なガス流路を形成する部位についても、ガスシール部と同様な比較的厚い板厚になってしまい、この結果セパレータ全体の板厚が厚くなり、これにより燃料電池として重量増加、あるいは単位電池相互間のピッチが大きくなって燃料電池の大型化を招く。 However, in the above-described conventional separator, since the overall plate thickness is uniform, a relatively thick plate similar to the gas seal portion is also used for a portion where a gas flow path that does not require a plate thickness as much as the gas seal portion is formed. As a result, the plate thickness of the entire separator increases, which increases the weight of the fuel cell or increases the pitch between unit cells, leading to an increase in the size of the fuel cell.
そこで、本発明は、セパレータ全体の板厚増大を防止することを目的としている。 Then, this invention aims at preventing the plate | board thickness increase of the whole separator.
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータをそれぞれ配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた燃料電池において、前記セパレータを金属板で形成し、前記セパレータの周縁部におけるガスシール部の板厚に対し、このガスシール部の内側の前記ガス流路を形成するガス流路部の板厚を薄くすることを最も主要な特徴とする。 The present invention provides a gas diffusion layer having a fuel electrode on one side of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer having an oxidizer electrode on the other side, and the electrolyte membrane of each of the gas diffusion layers In the fuel cell in which separators are arranged on the opposite sides and gas flow paths for supplying fuel gas and oxidant gas are provided between the separators and the gas diffusion layers, the separators are formed of metal plates. The most important feature is that the thickness of the gas flow path portion forming the gas flow path inside the gas seal portion is made thinner than the thickness of the gas seal portion at the peripheral edge of the separator.
本発明によれば、金属板で形成するセパレータを、剛性が必要なガスシール部の板厚に対し、その内側のガス流路部の板厚を薄くするようにしたので、ガスシール部の板厚に合わせてガス流路部も同様の板厚となることによるセパレータ全体の板厚増大を防止し、これにより燃料電池として重量低減および小型化を達成することができる。 According to the present invention, the separator formed of the metal plate is made thinner in the gas flow path portion on the inner side than the plate thickness of the gas seal portion requiring rigidity. According to the thickness, the gas flow path portion has the same plate thickness, thereby preventing an increase in the plate thickness of the entire separator, thereby achieving weight reduction and miniaturization as a fuel cell.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態を示す燃料電池に使用する酸化剤極側のセパレータ1の平面図で、このセパレータ1は、例えばステンレスからなる金属板で形成したものである。図2は、セパレータ1を用いた燃料電池の図1のA−A線に対応する簡略化した断面図で、電解質膜3の一方の側に燃料極を備えるガス拡散層5を設けるとともに、電解質膜3の他方の側に酸化剤極を備えるガス拡散層7を設けている。 FIG. 1 is a plan view of a separator 1 on the oxidizer electrode side used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The separator 1 is formed of a metal plate made of, for example, stainless steel. FIG. 2 is a simplified cross-sectional view corresponding to the line AA of FIG. 1 of the fuel cell using the separator 1, in which a gas diffusion layer 5 having a fuel electrode is provided on one side of the electrolyte membrane 3, and the electrolyte A gas diffusion layer 7 having an oxidant electrode is provided on the other side of the film 3.
そして、酸化剤極を備えるガス拡散層7側に前記した酸化剤極側のセパレータ1を、燃料極を備えるガス拡散層5に燃料極側のセパレータ9を、それぞれ配置する。 Then, the separator 1 on the oxidant electrode side described above is disposed on the gas diffusion layer 7 side including the oxidant electrode, and the separator 9 on the fuel electrode side is disposed on the gas diffusion layer 5 including the fuel electrode.
上記した電解質膜3,両ガス拡散層5,7および酸化剤極側のセパレータ1,燃料極側セパレータ9により、燃料電池の単位電池を構成し、通常はこの単位電池を複数積層して燃料電池スタックとして使用する。 The above-described electrolyte membrane 3, both gas diffusion layers 5 and 7, the oxidant electrode side separator 1, and the fuel electrode side separator 9 constitute a unit cell of a fuel cell. Usually, a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell. Use as a stack.
燃料極側のセパレータ9は、酸化剤極側のセパレータ1と同様な構造であるので、以下は前記図1に示す酸化剤極側のセパレータ1について説明する。 Since the separator 9 on the fuel electrode side has the same structure as the separator 1 on the oxidant electrode side, the separator 1 on the oxidant electrode side shown in FIG. 1 will be described below.
酸化剤極側のセパレータ1の図1中で上下両端には、酸化ガスが通る酸化ガス入口,出口マニホールド用の孔11,13、冷却水が通る冷却水入口,出口マニホールド用の孔15,17、燃料ガスが通る燃料ガス入口,出口マニホールド用の孔19,21を、それぞれ貫通して形成してある。
The separator 1 on the oxidizer electrode side in FIG. 1 has an oxidizing gas inlet through which oxidizing gas passes, outlet manifold
これら各孔11,13,15,17,19,21は、燃料電池を構成する他の部材である電解質膜3および燃料極側のセパレータ9にも同様に形成して、これら各部材間で互いに整合する位置にある各孔によってそれぞれのマニホールドを構成する。
These
そして、図1中で上部側の各孔11,15,21と同下部側の各孔13,17,19との間には、酸化ガス入口,出口マニホールド用の孔11,13相互を連通するガス流路23を設けている。このガス流路23を備える部位をガス流路部24としている。
1, the
ガス流路23は、図1中の上下方向中央位置にて上下方向に互いに平行に延びる複数の発電部ガス流路25と、この発電部ガス流路25と酸化ガス入口マニホールド用の孔11とを連絡する拡散流路27と、発電部ガス流路25と酸化ガス出口マニホールド用の孔13とを連絡する集合流路29と、をそれぞれ備えている。上記した拡散流路27および集合流路29を備える部位をガス連絡部31および33としている。
The
また、上記したガス流路23の前記孔11,13に対応する部位を除く周囲と、各孔1,13のガス流路23に対応する部位を除く周囲と、前記した各孔15,17,19,21の周囲とを、ガスおよび冷却水のリークを防ぐガスシール部35としている。ガスシール部35の表裏両面には、図2に示すように圧縮シール材37,39を設けている。
Further, the periphery of the
ガスシール部35は、図2に示すように、それより内側の発電部ガス流路25を形成する発電流路部41より板厚を厚くしている。すなわち、酸化剤極側のセパレータ1の一部を単体で示す図3(a)のように、ガスシール部35の板厚をT、発電流路部41の板厚をt1とすると、T>t1としている。
As shown in FIG. 2, the
図3(b)は、図1のB−B断面図で、集合流路29を備えるガス連絡部33に対応している。このガス連絡部33の肉厚をt2とすると、T>t2である。
FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 and corresponds to the
図3(c)は、図1のC−C断面図を時計回り方向に90度回転して示したもので、酸化ガス出口マニホールド用の孔13を備えるガス連絡部33に対応している。この孔13付近のガス連絡部33の板厚も、上記した集合流路29を備える部位と同様にt2であり、ガスシール部35の板厚Tより薄くしている。
FIG. 3C shows the CC cross-sectional view of FIG. 1 rotated 90 degrees in the clockwise direction, and corresponds to the
また、特に図示しないが、拡散流路27を備えるガス連絡部31および、孔11付近のガス連絡部31の板厚についても、上記したガス連絡部33と同様にt2としてあり、ガスシール部35の肉厚Tより薄くしている。
Further, although not particularly shown, the thickness of the
上記したガスシール部35の板厚Tは、ガスリークを防ぐために任意の荷重で押付けられている圧縮シール材37,39の反力で変形しないものとしている。
The above-described plate thickness T of the
このように、本実施形態では、セパレータ1の周縁部におけるガスシール部35の板厚に対し、ガスシール部35の内側のガス流路23を形成する、ガス連絡部31,33および発電流路部41からなるガス流路部24の板厚を薄くしている。
Thus, in this embodiment, the
また、図3(b),(c)に示す板厚t2となるガス連絡部33(31)は、圧縮シール材37,39から反力を受けないころはもちろん、発電部ガス流路25を形成する発電流路部41のようにガス拡散層からの反力を受けないため、板厚をより薄くすることが可能であり、したがってt1>t2としてもよい。
3 (b) and 3 (c), the gas communication part 33 (31) having the plate thickness t2 is not limited to the roller that does not receive the reaction force from the
上記したようなセパレータ1の製造は、板厚Tの金属板Pに連続した凹凸部をプレス加工により成形し、これにより発電部ガス流路25,拡散流路27および集合流路29を備えるガス流路23を形成する。図4(a)は、発電部ガス流路25を備える発電流路部41におけるプレス成形後の断面図であり、プレス成形の際、セパレータ1の凹凸部の縦壁部1aには金型の抜き勾配を、曲げ部1bはRをそれぞれ与える必要がある。
In the manufacture of the separator 1 as described above, an uneven portion continuous with the metal plate P having a thickness T is formed by press working, whereby a gas including the power generation unit
その後、図4(b)に示すように、シール部35に相当する部位を、マスキング材43で適宜マスキングした状態で、金属を溶融させる溶液中に成形後の金属板Pを浸し、シール部35以外の部位に対してエッジング加工を行う。図4(c)は、上記発電流路部41におけるエッジング加工後の状態を示す。これにより、プレス成形部位(凹凸形状部)などのマスキングしていない部位の板厚がシール部35の板厚Tより薄いt1あるいはt2となるセパレータ1が得られる。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, the molded metal plate P is immersed in a solution that melts the metal in a state where the portion corresponding to the
なお、シール部35における圧縮シール材37,39の設置部位の凹部は、エッジング加工後に機械加工すればよい。
In addition, what is necessary is just to machine the recessed part of the installation site | part of the
このように、本実施形態の燃料電池に使用するセパレータ1は、金属板を一体成形するとともに、剛性が必要なガスシール部35の板厚に対し、その内側のガス流路23を形成するガス流路部24の板厚を薄くしているので、剛性が必要なガスシール部35の板厚に合わせて他の部位、すなわちガス流路23を形成するガス流路部24も同様の板厚となることによるセパレータ全体の板厚増大を防止し、これにより燃料電池として重量低減を達成できるとともに、単位電池相互間のピッチを小さくできて燃料電池の小型化を達成することができる。
As described above, the separator 1 used in the fuel cell according to the present embodiment integrally forms a metal plate and forms a
また、図5(a)のように、エッジング加工後の凹凸部の曲げ部1bは、プレス成形後のR形状を維持しているが、これをさらにエッジング加工によって、図5(b)に示すように、曲げ部1bのRを無くすか、あるいはRを小さくすることができる。これにより、セパレータ1のガス拡散層との接触面積が増大して接触抵抗が低減し、発電効率を高めることができる。 Further, as shown in FIG. 5 (a), the bent portion 1b of the concavo-convex portion after the edging process maintains the R shape after the press forming, and this is further shown in FIG. 5 (b) by the edging process. As described above, R of the bent portion 1b can be eliminated or R can be reduced. Thereby, the contact area with the gas diffusion layer of the separator 1 increases, the contact resistance decreases, and the power generation efficiency can be increased.
この際のマスキングは、図5(a)に二点鎖線で示すように、凹部となる部位にマスキング材45を設置し、凹部と反対側の凸部分をエッジングにより溶融させて板厚を薄くすることで、曲げ部1bのRを無くすか、あるいはRを小さくすることができる。
In this case, as shown by a two-dot chain line in FIG. 5 (a), a masking
さらに、ガス拡散層と接する発電部ガス流路25を備える発電流路部41の板厚を薄くすることで、燃料電池の起動時などの熱膨張による変形を、セパレータ1の上記した発電流路部41が弾性変形することで吸収しやすくなり、燃料電池の性能向上に寄与することができる。
Further, by reducing the plate thickness of the power generation
また、プレス加工とエッジング加工の2工程で、セパレータ1の板厚を変えられるので、例えば金属板の表面にカーボンを部分的に付着させて板厚を変える場合に比較して、加工時間を短縮することができる。 In addition, the plate thickness of the separator 1 can be changed in two steps, pressing and edging, so the processing time is shortened compared to, for example, changing the plate thickness by partially attaching carbon to the surface of a metal plate. can do.
1 カソード側のセパレータ
3 電解質膜
5 燃料極を備えたガス拡散層
7 酸化剤極を備えたガス拡散層
9 アノード側のセパレータ
23 ガス流路
24 ガス流路部
31,33 ガス連絡部
35 ガスシール部
41 発電流路部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode side separator 3 Electrolyte membrane 5 Gas diffusion layer provided with fuel electrode 7 Gas diffusion layer provided with oxidant electrode 9 Separator on
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