JP2007172874A - Fuel cell separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator.
固体高分子型燃料電池スタック(以下「燃料電池スタック」という)は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下「MEA」という)及び両面に流路を有する一対のセパレータからなる単セルを積層することによって構成される。MEAは、電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極と、他方の面に形成されたカソード電極とから構成される。 A polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter referred to as “fuel cell stack”) is formed by laminating a single cell comprising a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) and a pair of separators having flow paths on both sides. Consists of. The MEA is composed of an anode electrode formed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode formed on the other surface.
アノード電極に接するセパレータの流路には、水素H2を含有するアノードガスが流通する。 An anode gas containing hydrogen H 2 flows through the flow path of the separator in contact with the anode electrode.
このことによってアノード電極では以下の反応が生じる。
アノード電極:2H2→4H++4e-・・・(1)
このようにしてアノード電極で生成したプロトンH+は、電解質膜を透過してカソード電極に到達する。また電子e-は外部回路を通ってカソード電極に到達する。
This causes the following reaction at the anode electrode.
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
The proton H + thus generated at the anode electrode passes through the electrolyte membrane and reaches the cathode electrode. Further, the electron e − reaches the cathode electrode through an external circuit.
カソード電極に接するセパレータの流路には、酸素O2を含有するカソードガスが流通する。 A cathode gas containing oxygen O 2 flows through the flow path of the separator in contact with the cathode electrode.
このカソードガスは、カソード電極に到達したプロトンH+及び電子e-と反応する。このことによってカソード電極では以下の反応が生じる。
カソード電極:O2+4H++4e-→2H2O・・・(2)
各単セル間では、隣接するセパレータの裏面の流路によって、冷却水流路が形成される。この冷却水流路を流通する冷却水は、単セルが発生する熱を吸収する。
This cathode gas reacts with protons H + and electrons e − that have reached the cathode electrode. This causes the following reaction at the cathode electrode.
Cathode electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
Between each single cell, a cooling water flow path is formed by the flow path on the back surface of the adjacent separator. The cooling water flowing through this cooling water flow path absorbs heat generated by the single cell.
さて、セパレータは、その役割として、燃料電池スタックの各単セルを分離すること及び各電極に各ガスを行きわたらせることが必要である。また燃料電池スタックを積層して電池として機能させるために、セパレータは、導電体であることが必要である。さらに燃料電池スタックのスペース効率を良くするために、セパレータは薄いことが必要である。 Now, as a role of the separator, it is necessary to separate each single cell of the fuel cell stack and distribute each gas to each electrode. Further, in order to stack the fuel cell stack and function as a battery, the separator needs to be a conductor. Further, the separator needs to be thin in order to improve the space efficiency of the fuel cell stack.
このようなことから、従来の燃料電池用のセパレータは、金属製の薄板をプレス加工することによって製造され、両面に上述した流路が形成されている(特許文献1参照)。
しかし、金属薄板からプレス加工によってセパレータの両面の流路を成形すると、ガスを案内する一方の面の流路の形状は、冷却媒体を案内する他方の面の流路の形状の影響を受けることになる。このことから、流路形状に制約が生じ、従来のセパレータでは、各ガスの分配が不均一になるおそれがあった。この一方では、このガスの分配の不均一を解消するために、中央付近の流路のみがプレス加工によって成形され、その他の流路が、プレス加工によって製造された別部品が貼り付けられることによって成形されていた。しかし、この場合では、別部品の流路が別部品自体の板厚によってガスや冷却媒体の流量を十分に確保することができないおそれがあった。そして、この流量を十分に確保しようとすると、別部品自体の板厚によって、単セルのセルピッチを増加させなければならないという問題が生じるおそれがあった。 However, if the flow paths on both sides of the separator are formed by pressing from a thin metal plate, the shape of the flow path on one side that guides the gas is affected by the shape of the flow path on the other side that guides the cooling medium. become. For this reason, restrictions have been imposed on the shape of the flow path, and there has been a risk of non-uniform distribution of each gas in the conventional separator. On the other hand, in order to eliminate this non-uniform distribution of gas, only the flow path near the center is formed by pressing, and the other flow paths are attached by separate parts manufactured by pressing. It was molded. However, in this case, there is a possibility that the flow rate of the gas or the cooling medium cannot be sufficiently secured due to the plate thickness of the separate component itself. And if it is going to ensure this flow enough, there existed a possibility that the problem that the cell pitch of a single cell had to be increased by the plate | board thickness of another component itself might arise.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、単セルのセルピッチ増加を招くことなく、セパレータの中央付近以外の流路形状を自由に変え、これにより各ガスの分配を適切に行うことができる燃料電池セパレータを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and without causing an increase in the cell pitch of a single cell, the flow channel shape other than the vicinity of the center of the separator can be freely changed, thereby It aims at providing the fuel cell separator which can perform distribution appropriately.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
発電用ガスが膜電極接合体に供給されて発電する燃料電池に用いられるセパレータにおいて、導電性の部材で構成されるセパレータ本体と、前記セパレータ本体の中央部をプレス加工することにより、前記セパレータ本体の表面に形成され、前記発電用ガスを導く溝状の第1の流路と、前記プレス加工により前記セパレータ本体の裏面に形成され、前記発電用ガスを導く流路と並列であり、前記発電用ガス又は冷却媒体を導く溝状の第2の流路と、前記セパレータ本体の表面の少なくとも一方の端部に配置され、前記第1の流路に連なり、前記発電用ガスを整流する第1の流路リブと、前記セパレータ本体の裏面の少なくとも一方の端部に配置され、前記第2の流路に連なり、前記発電用ガス又は前記冷却媒体を整流する第2の流路リブとを備え、前記第1の流路リブと前記第2の流路リブとは、前記セパレータ本体とは異なる素材で、かつ互いに独立して形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータを提供する。 In a separator used in a fuel cell that generates electricity by supplying a gas for power generation to a membrane electrode assembly, the separator main body is formed by pressing a separator main body composed of a conductive member and a central portion of the separator main body. A groove-shaped first flow path that leads to the power generation gas, and is formed in parallel with a flow path that is formed on the back surface of the separator body by the pressing process and that guides the power generation gas. A groove-shaped second flow path for guiding a working gas or a cooling medium, and a first flow path arranged at at least one end of the surface of the separator body and connected to the first flow path to rectify the power generation gas. And a second flow channel rib arranged at at least one end of the back surface of the separator body and connected to the second flow channel to rectify the power generation gas or the cooling medium. For example, wherein the first flow path the ribs and the second flow path the ribs provides a fuel cell separator, characterized by being formed independently with different materials, and each other with the separator body.
本発明によれば、セパレータ本体の中央部の流路に連なる流路を、互いに独立した流路リブによって形成するため、従来のようにプレス加工による流路リブのように、その板厚分によって流量を十分に確保できないという問題が生じない。よって、流量を十分に確保するためにセルピッチを増加させることなく、流体を整流することができるセパレータを提供することができる。 According to the present invention, since the flow passages connected to the flow passage in the central portion of the separator main body are formed by the flow passage ribs independent of each other, the flow passage ribs by press working as in the past, depending on the plate thickness. There is no problem that a sufficient flow rate cannot be secured. Therefore, it is possible to provide a separator that can rectify the fluid without increasing the cell pitch in order to ensure a sufficient flow rate.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の燃料電池セパレータを用いる燃料電池スタック10の斜視図である。燃料電池スタック10は、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタックである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a
燃料電池スタック10は、積層された複数の単セル1と、一対の集電板2と、一対の絶縁体3と、一対のエンドプレート4と、ナット5とを有する。
The
単セル1は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。各単セル1は、1ボルト(V)程度の起電圧を生じる。各単セル1の構成の詳細については後述する。 The single cell 1 is a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force. Each single cell 1 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each single cell 1 will be described later.
一対の集電板2は、積層された複数の単セル1の外側にそれぞれ配置される。集電板2は、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板2は、上辺の一部に出力端子2aを備える。燃料電池スタック1は、出力端子2aによって、各単セル1で生じた電子e-を取り出して出力する。
The pair of
一対の絶縁板3は、集電板2の外側にそれぞれ配置される。絶縁板3は、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。
The pair of insulating plates 3 are respectively arranged outside the
一対のエンドプレート4は、絶縁板3の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート4は、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。 The pair of end plates 4 are respectively arranged outside the insulating plate 3. The end plate 4 is formed of a metallic material having rigidity, for example, steel.
一対のエンドプレート4のうち、一方のエンドプレート4(図1では、手前のエンドプレート4)は、冷却水入口孔41aと、冷却水出口孔41bと、アノードガス(発電用ガス)入口孔42aと、アノードガス出口孔42bと、カソードガス(発電用ガス)入口孔43aと、カソードガス出口孔43bとを有する。
Of the pair of end plates 4, one end plate 4 (the front end plate 4 in FIG. 1) includes a cooling
エンドプレート4は、冷却水入口孔41aと、アノードガス出口孔42bと、カソードガス入口孔43aとを同じ端側に有する。エンドプレート4は、冷却水出口孔41bと、アノードガス入口孔42aと、カソードガス出口孔43bとを同じ端側に有する。
The end plate 4 has a cooling
4本のナット5は、一対のエンドプレート4の外側にそれぞれ配置される。4本のナット5は、エンドプレート4の四隅付近にそれぞれ配置される。ところで、燃料電池スタック1は内部に貫通した貫通孔(図示せず)を有する。この貫通孔にはテンションロッド(図示せず)が挿通される。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドは、単セル1同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁の処理が施されている。このテンションロッドの両端にナット50が螺合する。ナット50とテンションロッドとが燃料電池スタック1を積層方向に締め付ける。
The four
図2は、本発明によるセパレータを用いた単セル1の側断面の一部を示す図である。この図では、セパレータの中央部の凹凸状の流路と、その流路に挟まれるMEA11とが示されている。
FIG. 2 is a diagram showing a part of a side cross section of a single cell 1 using a separator according to the present invention. In this figure, the uneven flow path at the center of the separator and the
単セル1は、MEA11と、セパレータ20と、セパレータ30と、ガスケット12とを有する。単セル1は、MEA11の一方の側にセパレータ20を有する。単セル1は、MEA11の他方の側にセパレータ30を有する。
The single cell 1 includes an
MEA11は、電解質膜11aと、アノード電極11bと、カソード電極11cとを有する。MEA11は、電解質膜11aの一方の面にアノード電極11bを有し、他方の面にカソード電極11cを有する。
The
電解質膜11aは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜11aは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
The
アノード電極11bは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。
The
ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。 The gas diffusion layer is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. The water repellent layer is a layer containing polyethylene fluoroethylene and a carbon material. The catalyst layer is formed from carbon black particles on which platinum is supported.
カソード電極11cはアノード電極11bと同様に構成されるため、詳細な説明は省略する。
Since the
セパレータ20は、アノード電極11bと接する。セパレータ20は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する金属薄板によって製造される。
The
セパレータ20は、一方の面に、ガス流路21を有する。ガス流路21はアノード電極11bと接する。
The
セパレータ20は、他方の面に、冷却水流路22を有する。冷却水流路22は、隣接するセパレータ30の後述する冷却水流路32と連続する。
The
セパレータ30は、カソード電極11cと接する。セパレータ30は、セパレータ20と略同等の構成のため、詳細な説明は省略する。セパレータ30は、一方の面にガス流路31を有する。ガス流路32はカソード電極11cと接する。セパレータ30は、他方の面に冷却水流路32を有する。
The
ガスケット12(シール部)は、ゴム状弾性材料で形成され、例えばシリコンゴムで形成される。 The gasket 12 (seal part) is formed of a rubber-like elastic material, for example, silicon rubber.
ガスケット12は、ガス流路21、31を流通するガスと、冷却水流路22、32を流通する冷却水とをシールする役割を果たす。ガスケット12の詳細は以下に説明する。
The
以下、単セル1における発電反応ついて説明する。アノードガスは、アノードガス入口孔42a(図1)から燃料電池スタック10内へ流通し、ガス流路21を流通する。アノードガスはガス流路21を流通しながらアノード電極11bと接する。このことにより、アノード電極11b上では、上記した式(1)の反応が生じる。ガス流路21を流通し反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス出口孔42b(図1)から外部へ排出される。
Hereinafter, the power generation reaction in the single cell 1 will be described. The anode gas flows from the anode gas inlet hole 42 a (FIG. 1) into the
一方、カソードガスは、カソードガス入口孔43a(図1)から燃料電池スタック10内へ流通し、ガス流路31を流通する。カソードガスはガス流路31を流通しながらカソード電極11cと接する。カソード電極11c上では、カソードガスと、式(1)の反応で生じたプロトンH+、電子e-とから、式(2)の反応が生じる。ガス流路31を流通し反応に利用されなかった余剰のカソードガスはカソードガス出口孔42bから外部へ排出される。
On the other hand, the cathode gas flows from the cathode
次いで、単セル1における冷却水の作用について説明する。 Next, the action of the cooling water in the single cell 1 will be described.
冷却水は、冷却水入口孔41a(図1)から燃料電池スタック10内へ流通し、冷却水流路22、32で形成される流路を流通する。この冷却水は冷却水流路22、32で形成される流路を流通しながら、セパレータ20とセパレータ30との熱を吸収する。このように熱を吸収した冷却水は冷却水出口孔41bから外部へ排出される。
The cooling water flows from the cooling
図3は、本発明によるセパレータの第1実施形態を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of a separator according to the present invention.
図3(A)は、MEA11側から見た本実施形態のセパレータ20を示す図である。図中の点線は、セパレータ20のMEA11側とは反対側の面を示す点線である。図3(B)は、図3(A)のB−B断面を示す図である。図3(C)は、セパレータ20上に配置される流路リブ101〜104を示す図である。
FIG. 3A is a diagram showing the
セパレータ20は、中央部において、表面に複数の溝状のガス流路21(第1の流路)を有し、裏面に複数の溝状の冷却水流路22(第2の流路)を有する。ガス流路21と冷却水流路22とは、セパレータ20(セパレータ本体)をプレス加工することによって形成されている。ガス流路21と冷却水流路22とは、それぞれセパレータ20の長手方向に並列に直線に延びている。各ガス流路21の間の裏面が冷却水流路22である。
The
セパレータ20は、左端に、アノードガス出口孔21b(第1の出口孔)と、冷却水入口孔22a(第2の入口孔)と、カソードガス入口孔23aとを有する。各孔は貫通形成されている。アノードガス出口孔21bは、セパレータ20の左端上に配置される。冷却水入口孔22aは、セパレータ20の左端中央に配置される。カソードガス入口孔23aは、セパレータ20の左端下に配置される(図3(A))。
The
セパレータ20は、右端に、アノードガス入口孔21a(第1の入口孔)と、冷却水出口孔22b(第2の出口孔)と、カソードガス出口孔23bとを有する。各孔は貫通形成されている。カソードガス出口孔23bは、セパレータ20の右端上に配置される。冷却水出口孔22bは、セパレータ20の右端中央に配置される。アノードガス入口孔21aは、セパレータ20の右端下に配置される。
The
ここで、アノードガス入口孔21aと、アノードガス出口孔21bと、カソードガス入口孔23aと、カソードガス出口孔23bとは略同等の形状である。また、冷却水入口孔22aと、冷却水出口孔22bとは略同等の形状である。
Here, the anode
セパレータ20は、表面において、それぞれ冷却水入口孔22aと、冷却水出口孔22bと、カソードガス入口孔23aと、カソードガス出口孔23bとを囲むように上述したガスケット12を備える。そして、セパレータ20は、表面において、アノードガス入口孔21aとアノードガス出口孔21bとを連続させるようにガスケット12を備える。このことにより、セパレータ20の表面では、アノードガスのみが流通し、冷却水とカソードガスとは流通しないのである。
The
本発明の理解を容易にするために、上述したアノードガスが流通する領域を、アノードガス流路領域24aとして以下に説明する。
In order to facilitate understanding of the present invention, the region in which the above-described anode gas circulates will be described below as an anode gas
アノードガス流路領域24aは、アノードガス入口孔21aから、左に向かってセパレータ20の幅と略同一の幅になるように広がる。そして、アノードガス流路領域24aは、アノードガス出口孔21bに向かってすぼまる。
The anode
アノードガス流路領域24aは、入口側流路領域25aと、出口側流路領域26aとを備える。入口側流路領域25aは、アノードガス入口孔21aからガス流路21に向かって広がっている領域である。出口側流路領域26aは、ガス流路21からアノードガス出口孔21bに向かってすぼまっている領域である。
The anode
セパレータ20は、入口側流路領域25aにおいて、複数の流路リブ101(第1の流路リブ)を有する。流路リブ101は、アノードガス入口孔21aからガス流路21へ向かうアノードガスを整流する。具体的には、流路リブ101は、セパレータ20の右端下からセパレータ20の幅いっぱいに広がるようにアノードガスを整流する。
The
流路リブ101は、アノードガス入口孔21a側に4つ、ガス流路21側に4つ形成される。流路リブ101は、セパレータ20の長手方向に細長い形状である。各流路リブ101は、その間隔がアノードガス入口孔21aからガス流路21へ向かって広がる放射状に配置される。各流路リブ101の幅は、ガス流路21の幅よりも細い。各流路リブ101は、ガスケット12と略同一の高さである(図3(B))。以上の構成により流路リブ101は、アノードガスをアノードガス入口孔21aからガス流路21へスムーズに拡散する。
Four
セパレータ20は、出口側流路領域26aにおいて、複数の流路リブ102を有する。流路リブ102は、ガス流路21からアノードガス出口孔21bへ向かうアノードガスを整流する。具体的には、流路リブ102は、セパレータ20の幅いっぱいからセパレータ20の左端上に集めるようにアノードガスを整流する。
The
流路リブ102は流路リブ101と略同等に、アノードガス出口孔21bからガス流路21へ向かって広がる放射状に配置される。流路リブ102は、流路リブ101と略同等の形状であるため、詳細な説明は省略する。以上の構成により流路リブ102は、アノードガスをガス流路21からアノードガス出口孔21bへスムーズに集める。
The
セパレータ20は、裏面において、それぞれアノードガス入口孔21aと、アノードガス出口孔21bと、カソードガス入口孔23aと、カソードガス出口孔23bとを囲むように上述したガスケット12を備える。そして、セパレータ20は、裏面において、冷却水入口孔22aと冷却水出口孔22bとを連続させるようにガスケット12を備える(図3(A)点線)。このことにより、セパレータ20の裏面では、冷却水のみが流通し、アノードガスとカソードガスとは流通しないのである。ここで、セパレータ20の裏面のガスケット12の高さは、表面のガスケット12の高さと略同等である。
The
本発明の理解を容易にするために、上述した冷却水が流通する領域を、冷却水流路領域24bとして以下に説明する。
In order to facilitate understanding of the present invention, the above-described region through which the cooling water flows will be described below as a cooling water
冷却水流路領域24bは、セパレータ20の中央においてアノードガス流路領域24aと略同等の形状を有する一方、セパレータ20の両端においては異なる形状を有する。
The cooling water
冷却水流路領域24bは、入口側流路領域26bと、出口側流路領域25bとを備える。入口側流路領域26bは、出口側流路領域26aの裏面に配置される。出口側流路領域25bは、入口側流路領域25aの裏面に配置される。
The cooling
入口側流路領域26bは、冷却水入口孔22aから冷却水流路22に向かって広がっている領域である。入口側流路領域26bには、流路リブ104が配置される。流路リブ104は流路リブ101、102と略同等の形状である。流路リブ104は、流路リブ101、102と同様に冷却水入口孔22aから冷却水流路22へ向かって広がる放射状に配置される。ここで、流路リブ102はセパレータ20の左端上から広がる放射状に配置されているのに対して、その裏面の流路リブ104は左端中央から広がる放射状に配置されている。このことから、セパレータ20を挟んで、流路リブ102と流路リブ104とは並列に配置されない(図3(A)の実線及び点線)。
The inlet-side
出口側流路領域25bは、冷却水流路22から冷却水出口孔22bへ向かってすぼまっている領域である。出口側流路領域25bには、流路リブ103(第2の流路リブ)が配置される。流路リブ103は流路リブ101、102と略同等の形状である。流路リブ103は、流路リブ104と略同等に配置されるため詳細な説明は省略する。ここで、流路リブ102と流路リブ104との関係と同様に、流路リブ103と流路リブ101とは、セパレータ20を挟んで並列には配置されない(図3(A)の実線及び点線)。
The outlet
流路リブ101〜104は、セパレータ20とは別部材であって、後述のように金型を入口側流路領域25a、出口側流路領域26a、入口側流路領域26b、出口側流路領域25bに直接載置してゴムを射出して一体成形する。流路リブ101〜104は、それぞれセパレータ20に対して垂直に直立するように形成される(図3(C))。
The
セパレータ30は、セパレータ20と略同等の構成であるため、詳細な説明は省略する。
Since the
図6は、燃料電池に用いる従来のセパレータに関する図である。図6(A)は、セパレータ60のMEA11側の面の一部を示す図である。図中の矢印は、アノードガスの流れを示す矢印である。図6(B)は、セパレータ60をB−Bで切断したときの断面を示す図である。
FIG. 6 is a diagram relating to a conventional separator used in a fuel cell. FIG. 6A is a diagram illustrating a part of the surface of the
従来の流路リブ600はプレス加工によって成形されている点で、射出成形によって成形される本発明の流路リブ101〜104とは異なる。
The conventional
流路リブ600は、セパレータ60の製造とは別に、プレス加工によって製造されて、出口側流路領域26aに貼り付けられている(図6(B))。
The
流路リブ600では、その板厚によって、凸部と凸部との間を流通するアノードガスの流量を十分に確保することができない。また、この流量を十分に確保しようとすると、その分だけ凸部を高くしなければならず、流路リブ600によってセルピッチを増加させなければならないという問題が生じる。
In the
このような流路リブ600に対して、本発明では上記のように流路リブ100〜104を形成したので、以下のように従来の問題を解決することができるのである。
In the present invention, since the flow channel ribs 100 to 104 are formed as described above with respect to such a
セパレータ20、30は、上述した役割、必要性及び生産性から、金属薄板をプレス加工することによって全体が製造されることが望ましい。ここで、アノードガス入口孔21a、アノードガス出口孔21b、冷却水入口孔22a、冷却水出口孔22b、カソードガス入口孔23a、カソードガス出口孔23bと、両面の中央部の流路は、セパレータ20、30で共通するため、プレス加工によって形成することができる。
The
しかし、上述したように、セパレータ20の入口側流路領域25aとその裏面の出口側流路領域25bとでは、各領域を流通する流体の移動軌跡が並列ではない。同様に、出口側流路領域26aとその裏面の入口側流路領域26bとでは、各領域を流通する流体の移動軌跡が並列ではない。これらのことから、セパレータ20の中央部の両面に形成される流路とは異なり、セパレータ20の両端の流路をプレス加工によって形成することは妥当ではない。
However, as described above, in the inlet-
そこで、本発明では、上述したように、プレス加工によらない流路リブ101〜104によって、これらの領域の流体を整流することとしたのである。本発明では、流路リブ101〜104をセパレータ20とは別部材で形成し、射出成形することによってセパレータ20に一体成形することにしたのである。このように射出成形すると、流路リブ101〜104はセパレータ20から垂直に直立する。このことから、流路リブ101〜104では、従来の流路リブ600のように板厚分によって流量が十分に確保できないという問題は生じない。したがって、流路リブ101〜104では、十分に流量を確保するために単セル1のピッチを増加させなければならないという問題が生じないのである。
Therefore, in the present invention, as described above, the fluid in these regions is rectified by the
また、入口側流路領域25aでは流路リブ101を形成し、その裏面の出口側流路領域25bでは流路リブ101とは別に流路リブ103を形成している。したがって、入口側流路領域25aと出口側流路領域25bでは、それぞれ必要な分だけ流路リブ101と流路リブ103とを形成することができる。出口側流路領域26aと入口側流路領域26bについても同様にいえる。よって、各領域の流路リブの配置を必要最小限におさえることができ、セパレータ20の製造を簡易にすることができるのである。
In addition, the
セパレータ30は、上述したようにセパレータ20と略同等に構成される。そして、セパレータ30は、セパレータ20の左端のアノードガス出口孔21bと、冷却水入口孔22aと、カソードガス入口孔23aとを右端に有する。そしてセパレータ30は、セパレータ20の右端のアノードガス入口孔21aと、冷却水出口孔22bと、カソードガス出口孔23bとを左端に有する。その上でセパレータ20と略同等にガスケット12を備え、表面でカソードガスのみを流通させ、裏面で冷却水を流通させるのである。
The
ここで、アノードガス入口孔21aと、アノードガス出口孔21bと、カソードガス入口孔23aと、カソードガス出口孔23bとは略同等の形状である。また、冷却水入口孔22aと、冷却水出口孔22bとは略同等の形状である。
Here, the anode
このことから、セパレータ20とセパレータ30とは、同等の形状であり、本発明では、セパレータ20と30とを共有することが可能になるのである。
Therefore, the
さらに金型をセパレータ20に直接載置してゴムを射出して流路リブ101〜104を形成するので、流路リブ101〜104を製造したあとにセパレータ20に貼り付ける必要がない。よって、製造工程を少なくできるのである。
Further, since the mold is placed directly on the
(第2実施形態)
図4は、本発明によるセパレータの第2実施形態を示す図である。なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a view showing a second embodiment of the separator according to the present invention. In the following embodiments, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the above-described embodiments, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.
図4(A)は、セパレータ20の表面を示す図である。なお、図中の丸枠の点線は、スルーホールHを示す点線である。図4(B)は、セパレータ20をB−Bで切断したときの断面を示す図である。図4(C)は、流路リブ101、103の製造方法について説明する図である。
FIG. 4A is a diagram illustrating the surface of the
セパレータ20は、流路リブ101と、その裏面に配置される流路リブ103との交点に、スルーホールHを有する(図4(A)点線丸枠)。スルーホールHは、セパレータ20を貫通しており、流路リブ101と流路リブ103とが、スルーホールHを通して連続している(図4(B))。
The
流路リブ102と、その裏面に配置される流路リブ104についても同様であるため、詳細な説明は省略する。
The same applies to the
本実施形態の流路リブ101、103の製造方法について説明する。
A method for manufacturing the
セパレータ20の表面の流路リブ101と、流路リブ103との交点に、スルーホールHを形成する(スルーホール形成工程)。
A through hole H is formed at the intersection of the
次の工程では、スルーホールHを覆うように、射出口71aを有する金型71(第1金型)と、射出口を有さない金型72(第2金型)とを配置する(金型配置工程)。本実施形態では、金型71を、流路リブ101を形成するように配置する。金型72を、流路リブ103を形成するように配置する。ここで、金型71の型内壁とセパレータ20とで囲まれた空間の形状は、流路リブ103の形状と略同一である。また、金型72の型内壁とセパレータ20とで囲まれた空間の形状は、流路リブ103の形状と略同一の形状である。
In the next step, a mold 71 (first mold) having an
次の工程では、射出口71aから、金型71、72の内壁で囲まれた空間に、ゴムを射出する(射出工程)。
In the next step, rubber is injected from the
次の工程では、上記のように射出されたゴムを硬化する(硬化工程)。 In the next step, the injected rubber is cured as described above (curing step).
以上のようにして、ゴムが硬化するのを待って、金型71、72をセパレータ20から取り外す。このようにして形成される流路リブ101と、流路リブ103とが、図4(B)で示される流路リブ101、103である。
As described above, the
流路リブ102と流路リブ104とも同様に形成されるため、詳細な説明は省略する。
Since the
本実施形態では、セパレータ20にスルーホールHを設けたので、セパレータの一方の側からゴムを射出することによって、両面の流路リブ101〜104を同時に成形することができる。よって、セパレータ20の両方の側からゴムを射出して流路リブ101−104を形成する第1実施形態と比べて、製造工程をより簡素化することができるのである。
In this embodiment, since the through hole H is provided in the
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
図5は、本発明のセパレータを用いた燃料電池スタック10の断面を示す図である。
FIG. 5 is a view showing a cross section of the
燃料電池スタック10は、一方のエンドプレート4と絶縁板3との間に(図5右側)、第2エンドプレート4Aを有し、エンドプレート4と第2エンドプレート4Aとの間にバネなどの加圧装置6を備えてもよい。この場合、燃料電池スタック10は、テンションロッド5によって、一対のエンドプレート4の間をより強く締め付けることができる。
The
また、それ以外にも、燃料電池スタック10は、内部を挿通するテンションロッドによって締め付けるのではなく、外部で一対のエンドプレート4同士をテンションロッドによって締め付ける構成にしてもよい。
In addition, the
燃料電池スタック10は、自動車以外に用いられてもよい。
The
集電板2は、ガス不透過な導電性部材であれば、銅板などによって形成されてもよい。
The
絶縁板3は、絶縁性部材であれば、樹脂などによって形成されてもよい。 The insulating plate 3 may be formed of resin or the like as long as it is an insulating member.
エンドプレート4、第2エンドプレート4Aは、剛性を備えた材料であれば、鋼などの金属材料以外の部材で形成されてもよい。 The end plate 4 and the second end plate 4A may be formed of a member other than a metal material such as steel as long as the material has rigidity.
テンションロッド5は、剛性を備えた材料であれば、鋼などの金属材料以外の部材で形成されてもよい。
The
電解質膜11aは、プロトン伝導性のイオン交換膜であって湿潤状態で良好な電気伝導性を示すものであればよく、フッ素系樹脂以外の固体高分子材料によって形成されてもよい。
The
アノード電極11b及びカソード電極11cを形成するガス拡散層は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材であればカーボンクロスに限られず、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどによって構成されてもよい。
The gas diffusion layer forming the
アノード電極11b及びカソード電極11cを形成する触媒層は、ガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜11aの表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されていてもよい。この場合、アノード電極11bおよびカソード電極11cは、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。
The catalyst layer forming the
セパレータ20、30は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成されればよく、カーボン材料をプレス加工することによって製造されてもよい。
ガスケット12は、EPDMまたはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されてもよい。ガスケット12はセパレータ20、30あるいは弾性係数の大きい薄板材料で成形されるセパレータに一体化されていてもよい。弾性係数の大きい薄板材料は例えば、ポリカーボネ-ト、ポリエチレンテレフタレートのような材料で形成されており、電解質膜11aに例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着される。
The
流路リブ101〜104は、樹脂、エラストマーなどを射出成形することによって一体成形されてもよい。
The
流路リブ101〜104とガスケット12とを同一の工程で、同時に配置してもよい。この場合のセパレータ20の製造工程について説明する。
You may arrange | position the flow-path ribs 101-104 and the
セパレータ20では、金属薄板をプレス加工することによって、アノードガス入口孔21aと、アノードガス出口孔21bと、冷却水入口孔22aと、冷却水出口孔22bと、カソードガス入口孔23aと、カソードガス出口孔23bとを成形し(孔成形工程)、
ガス流路21及び冷却水流路22を成形する(流路成形工程)。
In the
The
次に、セパレータ20の表面と裏面とを流通するアノードガス、カソードガス及び冷却水をシールするガスケット12と、流路リブ101〜104とを、同時に、上記射出成形によって配置する(射出工程)。
Next, the
セパレータ30は、セパレータ20と略同等に製造するため、詳細な説明は省略する。
Since the
本発明では、このようにガスケット12と流路リブ101〜104とを同時に同等の工程で配置することで、セパレータ20、30の製造工程を減少させることができるのである。
In this invention, the manufacturing process of the
流路リブ101〜104の部材は、ガスケット12の部材よりも高い硬度であってもよい。
The members of the
単セル1が積層方向に強く締め付けられ、この力によってガスケット12が変形するおそれがある。しかし、上記したように、流路リブ101〜104をガスケット12の部材よりも高い硬度の部材で形成すれば、流路リブ101〜104によってガスケット12の変形が抑えられる。よってこの場合は、ガスケット12の変形によってシール性能が低下することが防止されるのである。
The single cell 1 is strongly tightened in the stacking direction, and the
1 単セル
2 集電板
3 絶縁板
4、4A エンドプレート
12 ガスケット(シール部)
20、30 セパレータ
21、31 ガス流路
22、32 冷却水流路
25a、26b 入口側流路領域
25b、26a 出口側流路領域
101、102、103、104 流路リブ
H スルーホール
1
20, 30
Claims (12)
導電性の部材で構成されるセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の中央部をプレス加工することにより、前記セパレータ本体の表面に形成され、前記発電用ガスを導く溝状の第1の流路と、
前記プレス加工により前記セパレータ本体の裏面に形成され、前記第1の流路と並列であり、前記発電用ガス又は冷却媒体を導く溝状の第2の流路と、
前記セパレータ本体の表面の少なくとも一方の端部に配置され、前記第1の流路に連なり、前記発電用ガスを整流する第1の流路リブと、
前記セパレータ本体の裏面の少なくとも一方の端部に配置され、前記第2の流路に連なり、前記発電用ガス又は前記冷却媒体を整流する第2の流路リブと、
を備え、
前記第1の流路リブと前記第2の流路リブとは、前記セパレータ本体とは異なる素材で、かつ互いに独立して形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。 In a separator used in a fuel cell that generates electricity by supplying a gas for power generation to a membrane electrode assembly,
A separator body composed of a conductive member;
By pressing the central portion of the separator body, a groove-shaped first flow path that is formed on the surface of the separator body and guides the power generation gas;
A groove-shaped second flow path formed on the back surface of the separator main body by the pressing process, in parallel with the first flow path, for guiding the power generation gas or the cooling medium;
A first flow path rib disposed at at least one end of the surface of the separator body, connected to the first flow path, and rectifying the power generation gas;
A second channel rib disposed at at least one end of the back surface of the separator body, connected to the second channel, and rectifies the power generation gas or the cooling medium;
With
The fuel cell separator, wherein the first flow path rib and the second flow path rib are made of a material different from that of the separator body and are independent from each other.
前記セパレータ本体に貫通形成され、前記第1の流路に前記発電用ガスを供給する第1の入口孔と、
前記セパレータ本体に貫通形成され、前記第2の流路に前記発電用ガス又は前記冷却媒体を供給する第2の入口孔と、
前記セパレータ本体に貫通形成され、前記第1の流路から前記発電用ガスを排出する第1の出口孔と、
前記セパレータ本体に貫通形成され、前記第2の流路から前記発電用ガス又は前記冷却媒体を排出する第2の出口孔と、
を備えることを特徴とする燃料電池セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1, wherein
A first inlet hole formed through the separator body and supplying the power generation gas to the first flow path;
A second inlet hole formed through the separator body and supplying the power generation gas or the cooling medium to the second flow path;
A first outlet hole formed through the separator body and discharging the power generation gas from the first flow path;
A second outlet hole formed through the separator body and discharging the power generation gas or the cooling medium from the second flow path;
A fuel cell separator comprising:
前記セパレータ本体は金属板である、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1 or 2,
The separator body is a metal plate;
A fuel cell separator.
前記第1の流路リブ及び第2の流路リブは、前記セパレータ本体に弾性部材を射出成形することによって一体成形される、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein
The first channel rib and the second channel rib are integrally formed by injection molding an elastic member on the separator body.
A fuel cell separator.
前記第1の流路リブ及び第2の流路リブは、ゴムで成形される、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 In the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4,
The first channel rib and the second channel rib are formed of rubber.
A fuel cell separator.
前記第1の流路リブ及び第2の流路リブは、樹脂で成形される、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 In the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4,
The first flow path rib and the second flow path rib are formed of resin.
A fuel cell separator.
前記セパレータ本体に配置され、前記発電用ガス又は前記冷却媒体をシールするリブ状のシール部を有し、
前記第1の流路リブ及び第2の流路リブの硬度が前記シール部の硬度よりも高い、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 6, wherein
A rib-shaped seal portion that is disposed on the separator body and seals the power generation gas or the cooling medium;
The hardness of the first channel rib and the second channel rib is higher than the hardness of the seal part,
A fuel cell separator.
前記第1の流路リブと、前記第2の流路リブとの交点であって、前記セパレータ本体を貫通するスルーホールを有し、
前記第1の流路リブと、前記第2の流路リブとが前記スルーホールを通して連続する、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。 The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 7, wherein
An intersection of the first flow path rib and the second flow path rib, and having a through hole penetrating the separator body,
The first flow path rib and the second flow path rib are continuous through the through hole.
A fuel cell separator.
前記セパレータ本体の中央部をプレス加工することにより、前記セパレータ本体の表面の前記発電用ガスを導く溝状の第1の流路と、前記セパレータ本体の裏面の前記発電用ガス又は冷却媒体を導く溝状の第2の流路とを成形する流路成形工程と、
前記発電用ガス及び冷却媒体をシールするリブ状のシール部と、前記セパレータ本体の表裏の両端に配置され前記流路に連なり前記発電用ガス又は冷却媒体を整流する流路リブとを、弾性部材を射出成形することによって一体成形する射出工程と、
を備えることを特徴とするセパレータの製造方法。 A method for producing a separator used in a fuel cell that generates power by supplying a gas for power generation to a membrane electrode assembly,
By pressing the central portion of the separator body, the groove-shaped first flow path for guiding the power generation gas on the surface of the separator body and the power generation gas or the cooling medium on the back surface of the separator body are guided. A flow path forming step for forming a groove-shaped second flow path;
An elastic member includes a rib-shaped seal portion that seals the power generation gas and the cooling medium, and a flow path rib that is disposed at both ends of the separator body and that is connected to the flow path and rectifies the power generation gas or the cooling medium. An injection process of integrally molding by injection molding,
A separator manufacturing method comprising:
前記プレス加工によって、前記セパレータ本体を貫通し、前記第1の流路に前記発電用ガスを供給する第1の入口孔と、前記セパレータ本体を貫通し、前記第2の流路に前記発電用ガス又は前記冷却媒体を供給する第2の入口孔と、前記セパレータ本体を貫通し、前記第1の流路から前記発電用ガスを排出する第1の出口孔と、前記セパレータ本体を貫通し、前記第2の流路から前記発電用ガス又は前記冷却媒体を排出する第2の出口孔とを成形する孔成形工程を備えることを特徴とするセパレータの製造方法。 It is a manufacturing method of the separator according to claim 10,
A first inlet hole for supplying the power generation gas to the first flow path and the separator main body through the separator main body by the press working, and the power generation power in the second flow path. A second inlet hole for supplying gas or the cooling medium, a first outlet hole that passes through the separator body and discharges the power generation gas from the first flow path, and the separator body; A separator manufacturing method comprising a hole forming step of forming a second outlet hole for discharging the power generation gas or the cooling medium from the second flow path.
前記セパレータ本体の表面の第1の流路リブと、前記セパレータ本体の裏面の第2の流路リブとの交点に、スルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
前記スルーホールを覆うように、前記第1の流路リブの形状と略同一の内壁で囲まれた空間を有し射出口備えた第1金型を前記第1の流路リブの位置に配置し、前記第2の流路リブの形状と略同一の内壁で囲まれた空間を有する第2金型を前記第2の流路リブの位置に配置する金型配置工程と、
前記射出口から、前記第1金型と前記第2金型との型内壁で囲まれた空間に、弾性材料を射出する射出工程と、
前記弾性材料を硬化する硬化工程と、
を備えることを特徴とするセパレータの製造方法。 A method for producing a separator used in a fuel cell that generates power by supplying a gas for power generation to a membrane electrode assembly,
A through hole forming step of forming a through hole at the intersection of the first flow path rib on the surface of the separator body and the second flow path rib on the back surface of the separator body;
A first mold having a space surrounded by an inner wall substantially the same as the shape of the first flow path rib so as to cover the through hole is disposed at the position of the first flow path rib. A mold placement step of placing a second mold having a space surrounded by an inner wall substantially the same as the shape of the second flow path rib at the position of the second flow path rib;
An injection step of injecting an elastic material from the injection port into a space surrounded by the mold inner walls of the first mold and the second mold,
A curing step for curing the elastic material;
A separator manufacturing method comprising:
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