JP2007027037A - 燃料電池とセパレータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属プレート等によりセパレータを薄く形成すると剛性が低下し、スタックを構成して積層方向に荷重が作用した状態下で局部的な撓みが発生し、セパレータとセルとの間に形成される流体通路が変形したり、ガスシール性が低下したりする不具合を生じ、電池性能の低下をもたらす。
【解決手段】セパレータ１０に、マニホールド孔１２の外側域に位置するように、隣接するセル面に対向する突起部２６を設ける。この突起部は、マニホールド孔の開口形状の内側域に予め形成しておいた折返し片部１２ｔを、所期のマニホールド孔開口形状となるように該開口形状の外側域に折り返した態様でセパレータと一体に形成する。前記突起部によりマニホールド孔周辺の剛性が向上し、流路断面形状の変形を抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と燃料電池スタックを構成するセパレータおよびその製造方法に関する。

燃料電池のスタックは、多数のセルを、隣接する他のセルとの間にプレート状のセパレータを介装した状態で積層した構造となっている。セパレータは、セルに燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水など燃料電池の作動に必要な流体を供給する機能を担っており、このためにセパレータにはスタック積層方向に貫通するマニホールドを構成するマニホールド孔や、このマニホールド孔からセルの膜面に沿って流体を供給する内部流体通路が形成されている。

このセパレータの材質として、従来はカーボングラファイト等の樹脂系材料が適用されていたが、高出力密度および軽量化の要請に応えるものとして、例えば特許文献１または２に示されるような、金属製のものが適用されつつある。樹脂系材料によるものは厚さが３〜５mm程度であるのに対して、金属製では０．０５〜０．３mm程度と大幅な薄肉化が可能である。
特開平06-068883号公報 特開平06-068887号公報

金属プレートからなるセパレータは、樹脂系材料のものに比較して導電性やガス遮断性においても優れる反面、肉厚が薄いため剛性を確保しにくいという問題がある。このため、セルと共にスタックを構成して積層方向に荷重が作用した状態下で局部的な撓みが発生し、前記流体通路が変形したり、ガスシール性が低下したりする不具合を生じる。薄肉化によりセルピッチを小さくするほどこのような流路変形の影響は大きくなり、マニホールド孔からセル膜面上への適切なガス供給が妨げられて発電性能が低下し、またはセル間での出力差が生じる。

また、セパレータには積層状態で流体通路のシールを行うために、マニホールド孔の外側域を包囲するようにガスケットが形成されるが、このガスケットの形成時にセパレータが変形しないようにマニホールド孔の周囲を金型で固定しておく必要がある。この金型による固定領域は、ガスケット形成後はマニホールド孔の開口面積を制約するデッドスペースとなり、燃料電池としての作動時にはこの部分に水分が溜まり、セパレータの腐食を促したり、低温下で凝固することによりセルの性能を低下させたりするおそれを生じた。

本発明は、第１には、燃料電池のスタックを構成する複数のセル間に介装するセパレータである。本発明では、前記セパレータに、マニホールド孔の外側域に位置するように、隣接するセル面に対向する突起部を設ける。この突起部は、マニホールド孔の開口形状の内側域に予め形成しておいた折返し片部を、所期のマニホールド孔開口形状となるように該開口形状の外側域に折り返した態様でセパレータと一体に形成してあることを特徴とする。

本発明は、第２には、複数のセルとセパレータとを積層してスタックを形成する燃料電池である。本発明では、前記セパレータに、マニホールド孔の外側域に位置するように、隣接するセル面に対向する突起部を設ける。この突起部は、マニホールド孔の開口形状の内側域に予め形成しておいた折返し片部を、所期のマニホールド孔開口形状となるように該開口形状の外側域に折り返した態様でセパレータと一体に形成してあることを特徴とする。

本発明は、第３には、燃料電池スタックを構成する複数のセル間に介装するセパレータの製造方法である。本発明によるセパレータの製造方法においては、前記セパレータに開口するマニホールド孔の開口形状の内側域に予め折返し片部を延設しておき、前記マニホールド孔の外周域にガスケットを形成したのち、前記折返し片部を前記開口形状の外側域に折り返して、マニホールド孔に所期の開口形状を与えることを特徴とする。

本発明によれば、金属板等の薄板状材料からなるセパレータ面上に射出成型等によりガスケットを形成する際に、マニホールド孔の内側域に延設した折返し片部を成型金型の抑え面とすることでマニホールド孔周辺の変形を防止でき、これによりマニホールド孔周囲に生じるデッドスペースを少なくして、当該デッドスペース部分への水分の滞留に原因する燃料電池性能の低下や金属セパレータの腐食を回避することができる。

また、ガスケット形成後に折返し片部をマニホールド開口形状の外側域に折り返すことで得られるマニホールド孔の開口面積を十分に大きくすることができるので、燃料電池スタックを形成したときのマニホールドの圧力損失を低減することができる。

さらに、マニホールド孔の開口部周辺の剛性が折返し片部の折り曲げ部分付近にて向上することに加えて、折返し片部によって形成される突起部が、隣接するセル面に対向してスペーサとして機能するので、多数のセルとセパレータとを積層した燃料電池スタックを構成した状態で、前記開口部付近の流体通路の過度の変形を抑制することができ、これにより各セルでの流体分配を均一にしてセル間の性能差を少なくすることができる。

これらの結果として本発明によれば、金属プレート等の薄板状材料からなるセパレータの利点を生かして、高出力が安定して得られる小型軽量な燃料電池を実現することができる。

以下、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて説明する。なお各実施形態につき共通する部分については同一の符号を付して示すことにする。

図１は本発明が適用可能なセパレータの一例を示す概略図である。セパレータ１０上には燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる反応ガスが流れるマニホールド穴１１〜１４、水等の温調媒体が流れるマニホールド孔１５、１６が開口しており、例えばマニホールド孔１１から流れ込んだ反応ガスはセパレータ１０上に形成された内部流体通路１７を介して出口となるマニホールド孔１２を通過してセル外へと排出される。内部流体通路１７は、セパレータ１０に隣接して積層されるＭＥＡ（膜電極接合体）およびその保持枠等からなるセルの膜面に向かって開放しており、前記マニホールド孔１１から供給された反応ガスを前記セル膜面上に行き渡るように配流する機能を担っている。このセパレータ１０では、内部流体通路１７を構成する多数の流路に均一に反応ガスが流れ込むように、マニホールド孔１１〜１４との間で次第に流路面積が拡大または縮小するようにディフューザ部１９または２１を設けている。

２２はセパレータ１０の面上に射出成型等により形成されたガスケットであり、内部流体通路１７とその上下流に配置されるマニホールド孔１１および１２を包囲する部分と、その他のマニホールド孔１３〜１６を個別に包囲する部分とからなっている。

マニホールド孔１５および１６を流れる温調媒体やマニホールド孔１３および１４を流れる反応ガスについても上述と同様にディフューザ部が形成されており、図ではセパレータ１０を積層した際の夫々のディフューザ部分を符号１８および２０で示してある。

セパレータ１０は、後述する折り曲げ加工に耐える薄板状の金属材料からなっている。ただし、導通性や燃料電池作動環境下で十分な耐久性を保持できるものであれば他の材料、例えばエラストマなどの高弾性材料を適用してもよい。

図２は前記セパレータ１０のマニホールド孔１２付近の構成を、図３はそのＡ−Ａ端面をそれぞれ表している。図３において２３はセル、２５はセル２３を挟んで反対極側に積層された他のセパレータを示している。マニホールド孔１２は矩形状の開口形状１２ｐを有し、その開口形状１２ｐの対向する二辺からその外側の領域に位置するように、かつセル２３と対向する面上に突起部２６を設けてある。

前記突起部２６は、セパレータ１０上に前述のようにしてガスケット２２を形成した後に部分的な折り曲げ加工を施すことによって形成してある。すなわち、セパレータ１０のマニホールド孔１２をなす所期の開口形状１２ｐよりも内側域、この場合前記対向両辺部から破線で示したように折返し片部２６ｔを、プレス加工等によりセパレータ１０の打ち抜きをする際に同時に形成しておき、この折返し片部２６ｔを、ガスケット形成工程の後に開口形状１２ｐの外側に折り返して突起部２６を形成する。

折返し片部２６ｔを前記のように開口形状１２ｐの内側域に延設しておくことにより、この折返し片部２６ｔを、ガスケット２２を形成するときの金型による抑え面として利用することができ、その分だけ開口形状１２ｐとガスケット２２との間でデッドスペースとなる領域を小さくすることができ、当該デッドスペース部分への水分の滞留に原因する燃料電池性能の低下やセパレータを金属材料で形成した場合の腐食を抑制することができる。

また、このように無駄な領域を減らした分だけマニホールド孔１２の開口面積を大きく取れるので、燃料電池スタックを構成したときのマニホールドの圧力損失を低減することが可能となる。

さらに、折返し片部２６ｔを折り返した形状に基づき、マニホールド孔１２の周辺部でセパレータ１０の剛性が高められるので、燃料電池スタックとしての積層状態で作用する荷重に対抗してマニホールド孔１２の周辺の通路形状を保持させることができ、仮に過大な荷重が作用したとしても折返し片部２６ｔによって形成された突起部２６がセル２３との間の間隔保持材（スペーサ）として機能するので、流体が流通する部分の変形量を最小限に抑制することができる。これにより、各セルでの流体分配が大きく偏ることを防止して、セル間の出力性能差を少なくすることができる。

なお、前記構成において、突起部２６の高さは積層時の荷重がかかったときのガスケット２２の高さと略同程度とすることが好ましく、これにより前記通路形状の変形を最小限とすることができる。突起部２６の高さを確保するためには、必要に応じて、例えば前記折返し片部１２ｔを複数箇所にて折り返して折返し片部２６を重畳した構成とするか、もしくは折返し片部１２ｔと該折返し片部１２ｔが対向するセパレータ面との間にスペーサ部材を介装する。前記スペーサ部材としてはセパレータ１０と同種の材料に限られず、燃料電池発電環境下において耐熱・耐加水分解・耐酸・耐食性を満足できるものであれば金属、樹脂、セラミックなどどのような材料を適用してもよく、高弾性を有する弾性材料を適用して突起部２６が積層方向に弾性変形するように図ってもよい。

また、マニホールド孔１２の周辺剛性に着目すると、ガスケット２２が存在しない辺縁部、すなわちマニホールド孔１２とセパレータ面に沿って形成される内部流体通路１７との連通部にも突起部２６を形成することがさらに好ましい。このような構成については、後に他の実施形態として詳細に説明する。

図４〜図６に本発明の第２の実施形態を示す。これはセパレータ１０の温調媒体用のマニホールド孔１５への適用例を示している。図６において３３はセル２３とは反対側にてセパレータ１０に隣接する他のセパレータである。この実施形態では、セパレータ１０のプレス加工時に、マニホールド孔１５の一辺部に折返し片部１５ｔを形成しておき、これをガスケット形成後にセル２３側に折り返すことにより突起部２６を形成してある。

図示したようにマニホールド孔１５とガスケット２２との間に一定の空間が存在する場合には、たとえばマニホールド孔１５から流体がセパレータ１０上に供給されない面であっても、図６に矢印Ｆにて示したように、セル２３側にプレート変形を生じることがある。このような変形が生じると隣接するセパレータ間に供給される温調媒体の配流が悪化し、発電性能が損なわれる。これに対して本実施形態によれば、突起部２６を形成したことにより前記変形を抑制して、配流の悪化を回避することができる。

図７〜図９に本発明の第３の実施形態を示す。図示したセパレータ１０のマニホールド開口形状等が図１のものとは異なるが、便宜上同一の符号を用いて説明する。図７は折返し片部１２ｔを折り返す前の状態、図８は折り返した後の状態を、それぞれ示している。

この実施形態では、マニホールド孔１２に形成する突起部２６ないしこれを形成するための折返し片部１２ｔを、マニホールド孔１２とセパレータ面に沿って形成される内部流体通路１７との連通部１７ｉの側に形成してある。また、この場合、前記折返し片部１２ｔを折り返して形成される突起部２６は、内部流体通路１７への流体の流れに沿った複数個（図では４個）の突条部もしくはリブ形状をなすようにしてある。

図９に示したように、リブ状の突起部２６は前記連通部１７ｉの深さｈと同程度の高さが得られるように、セパレータ面との間にスペーサ部材２６ｃを介装してある。また、図９において、２７はセパレータ１０の裏面側、つまり内部流体通路１７を形成した面とは反対側の面においてマニホールド孔１２からの流体が回り込まないように、その周囲に配置した環状のガスケットを示している。

このようなセパレータ構造においては、スタック形成時にガスケット２７に所要の荷重を加えると内部流体通路１７の連通部１７ｉが変形して配流が悪化するおそれを生じるが、本実施形態の構成によれば、リブ形状に形成した突起部２６により隣接するセル等との間で連通部１７ｉの断面形状が変形するのを抑制して前記のような配流の悪化を回避することができる。図示したような突起部２６によるリブ形状は、金属製セパレータではプレス加工によっても形成可能であるが、その場合にはセパレータの表裏に交互的に凹凸が表れるコルゲート形状となってしまうため、リブ背面側に生じる溝によって、ガスケットを介装したとしても十分なシール性を確保することが困難となる。これに対して、本実施形態によれば、折返し片部１２ｔを折り返した構造によってリブ形状を実現しているので、背面側に溝等のシールを阻害する形状が生じることがなく、したがって確実なシールが可能である。

図１０〜図１２に本発明の第４の実施形態を示す。これはマニホールド孔１２の一辺部から延設した折返し片部１２ｔの長さをマニホールド孔１２の前記延設方向の幅よりも大とし、一方マニホールド孔１２には前記折返し片部１２ｔの先端部すなわち前記マニホールド孔１２の幅寸法からはみ出る部分が嵌合する形状の切り込み部１２ｑを形成したものである。図１０は前記折返し片部１２ｔを折り返す前の状態、図１１は折り返した後の状態を、それぞれ示している。

燃料電池によってはマニホールド孔１２に十分な開口幅を設定できない場合があるが、そのような場合であっても、この実施形態によれば必要十分な長さの突起部２６を形成して、前述した通路断面形状が変形する問題を回避することができる。

なお、マニホールド孔１２に前記のような切り込み部１２ｑを設けると、燃料電池によっては運転時にその部分に凝縮水が溜まりやすくなる。そこで、このような構成は、図１２に示したようにセパレータ１０の辺縁部に位置するマニホールド孔（１１〜１６）に適用するとよい。このような位置にあるマニホールドにおいては、前述したような凝縮水の発生が起こりにくく、仮に凝縮水が生じても性能に及ぼす影響は少ない。

図示しないが、表裏両面に流体通路を形成したセパレータにおいて、互いに共通するマニホールド孔から前記両面の流体通路に流体を配流するような構成を有するものにおいては、マニホールド孔から派生する一方面側の流体通路にはプレス加工によりリブを形成し、他方面側の流体通路には本発明による折返し片部による突起部を形成するようにすれば、表裏に位置する各通路の変形を防止することが可能である。この場合、折り返した折返し片部が前記リブの背面側に表れる溝状部に嵌り込まないように、その幅を前記溝状部よりも大きく形成するとよい。

本発明を適用したセパレータの一例を示す平面図。 本発明の第１の実施形態を示す要部平面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った端面図。 本発明の第２の実施形態を示す要部平面図。 図４のＢ−Ｂ線に沿った端面図。 通路断面形状の変形状態を説明するためのセル端面図。 本発明の第３の実施形態を示す第１の要部平面図。 本発明の第３の実施形態を示す第２の要部平面図。 図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図。 本発明の第４の実施形態を示す第１の要部平面図。 本発明の第４の実施形態を示す第２の要部平面図。 第４の実施形態におけるマニホールド孔の配置例を示すセパレータの平面図。

符号の説明

１０ セパレータ
１２ マニホールド孔
１２ｔ 折返し片部
１２ｐ 開口形状
１７ 内部流体通路
１７ｉ 連通部
２２ ガスケット
２３ セル
２６ 突起部

Claims (10)

1. 燃料電池のスタックを構成する複数のセル間に介装するセパレータにおいて、
   前記セパレータに、マニホールド孔の外側域に位置するように、隣接するセル面に対向する突起部を備え、
   前記突起部は、マニホールド孔の開口形状の内側域に予め形成しておいた折返し片部を、所期のマニホールド孔開口形状となるように該開口形状の外側域に折り返した態様でセパレータと一体に形成してあることを特徴とする燃料電池のセパレータ。
2. 前記突起部は、前記折返し片部を複数箇所にて折り返して形成してある請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
3. 前記突起部には、前記折返し片部と該折返し片部が対向するセパレータ面との間にスペーサ部材を介装してある請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
4. 前記スペーサ部材は高弾性を有する弾性材料からなる請求項３に記載の燃料電池のセパレータ。
5. 前記セパレータは薄板状の金属材料からなる請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
6. 前記突起部は、前記マニホールド孔とセパレータ面に沿って形成される流体通路との連通部に形成してある請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池のセパレータ。
7. 前記突起部ないし折返し片部は、前記流体通路への流体の流れに沿った複数個の突条部をなすように形成してある請求項６に記載の燃料電池のセパレータ。
8. 前記マニホールド孔の一辺部から延設した折返し片部の長さをマニホールド孔の前記延設方向の幅よりも大とし、マニホールド孔には前記折返し片部の先端部が嵌合する形状の切り込み部を形成した請求項６に記載の燃料電池のセパレータ。
9. 複数のセルとセパレータとを積層してスタックを形成する燃料電池において、
   前記セパレータに、マニホールド孔の外側域に位置するように、隣接するセル面に対向する突起部を備え、
   前記突起部は、マニホールド孔の開口形状の内側域に予め形成しておいた折返し片部を、所期のマニホールド孔開口形状となるように該開口形状の外側域に折り返した態様でセパレータと一体に形成してあることを特徴とする燃料電池。
10. 燃料電池スタックを構成する複数のセル間に介装するセパレータの製造方法であって、
    前記セパレータに開口するマニホールド孔の開口形状の内側域に予め折返し片部を延設しておき、
    前記マニホールド孔の外周域にガスケットを形成したのち、
    前記折返し片部を前記開口形状の外側域に折り返して、マニホールド孔に所期の開口形状を与えるようにしたこと
    を特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。