JP2008282728A - 燃料電池及びそのセパレータ及びその加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明により、耐蝕性膜の亀裂を抑制し、かつ、溝形状のばらつきの発電効率への影響が小さい、信頼性の高い燃料電池及びそのセパレータ及びその製造方法が実現できる。
【解決手段】電解質・電極複合体１１と複数の溝が連結した形状の発電部を持つセパレータ１２とエンドプレート９と燃料ガス供給管３と燃料ガス排出管４と酸化剤ガス供給管５と酸化剤ガス排出管６を有する燃料電池であって、電解質・電極複合体１１とセパレータ１２を交互に積層し、セパレータ１２の発電部の電解質・電極複合体１１と接触する箇所の両端に凹部１８を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に固体高分子型燃料電池等の燃料電池及びそのセパレータ及びその製造方法に関わるものである。

固体高分子型燃料電池は、イオンを通す性質を持つ固体高分子電解質の膜を用いた燃料電池である。固体高分子電解質とその表裏にアノード電極とカソード電極を配したものを電解質・電極複合体と呼ぶ。電解質・電極複合体のアノード電極側に燃料ガスを供給しカソード電極側に酸化剤ガスを供給することで、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応のエネルギーより電気エネルギーを生成する。

燃料ガスとして代表的なものは水素であり、酸化剤ガスとしては大気が用いられる。この電気化学反応より取り出せる電圧は１Ｖ程度と小さいため、通常は何層も積層して大きな電力として取り出す。燃料電池の一つの層を燃料電池セルと呼びそれを複数層重ねあげた物を燃料電池スタックと呼ぶ。

燃料電池セルを積層する際には隣合うセルのアノード電極の水素とカソード電極の酸素を分離するためにセパレータを用いる。セパレータは単に酸素と水素を分離するだけではなく、表面に形成された深さ０．５ｍｍ前後で溝間隔が１〜３ｍｍ程度の微細溝により、効率良く水素あるいは酸素を供給し生成した水を排出する役割を担う。また、セパレータはアノード電極より電子を集電し、カソード電極に供給する役割も担っている。

上記のような役割を担うためにセパレータには、水素と酸素を分離するために水素の透過性が低いことが求められる。また、表面に微細な溝を加工できる成形性や、電子を集め伝導するための低い接触抵抗や高い電気伝導性や高い耐蝕性能が求められる。

セパレータに要求されるこれらの条件を満たす材料として、従来より黒鉛が用いられてきたが、靭性や加工性に課題がある。

金属を用いたセパレータも用いられている。セパレータの利点は靭性が高く薄くできるため燃料電池の少スペース化につながることや、プレス成形を用いれば生産性が飛躍的に向上しコスト削減につながることがあげられる。それに対して、金属材料を用いる場合の最大の課題は腐食による電池性能の劣化であり、そのために、鉄、ステンレス、アルミや銅等の安価な材料を母材とし、耐蝕性と高い電気の伝導性の両方を満たすＡｕ、Ｐｔ等の貴金属をメッキしたものなどがある。あるいは、母材の上に耐蝕性の高いＴｉを圧延等で接合し、さらに接触抵抗を避けるためのコーティング処理を施した材料などが用いられている。

金属製セパレータの溝の成形方法としては、プレスを用いた加工による方法が主に用いられている。この方法では、１ないしは数回の工程でセパレータを成形するが、１工程が数秒以内で終了するために生産性が高い。但し、黒鉛製のセパレータと比較すると形状の自由度が低いという課題がある。

下記特許文献１には、溝形状を一度成形したのちに、頂部を内側に湾曲させてから、再度、平らに成形することにより電解質・電極複合体との接触面を平坦化し、接触抵抗を抑制する方法が、記載されている。また、下記特許文献２には、スペーサ部に荷重を緩和する絞りを設け発電部の接触圧を安定化する方法が、記載されている。

特開２００５−１２０４９７号公報 特開２００２−１１７８６６号公報

燃料電池に用いるセパレータは薄板状の素材を張り出しで成形するために、金属の成形限界内で成形することが重要であるが、特に重要なのは溝の角部の外周部分である。この箇所は張り出しと曲げによる歪が重なるために、歪が集中する。そのため耐蝕性膜に亀裂が生じ母材が腐食し、母材の金属イオンが溶出することで電解質を汚染するために、燃料電池の性能が低下し、寿命を短縮するという課題がある。そのため、耐蝕性膜に亀裂が生じない程度にセパレータ溝高さを低くし溝ピッチを大きくすることが、燃料電池の設計の制約条件となっている。

また、セパレータのプレス加工では、成形時の金型の変形や不完全な拘束のため、同一のセパレータで、中央の溝と端の溝の高さに差が生じる。そのため、電解質・電極複合体とセパレータの接触面積が異なり、発電効率に影響を与える。

上記特許文献１では、電解質・電極複合体と接触する底面を平に加工することを可能とする方式が提示されているが、溝ごとの形状のばらつきを抑制する効果は得られない。また、溝形状のばらつきによる電解質・電極複合体の接触面積のばらつきを抑制する効果も得られない。そのため、溝毎の形状のばらつきにより燃料電池の化学反応の進行速度が面内で異なるという課題があった。

また、上記特許文献２では溝の傾斜部分に薄肉部を形成することで溝の剛性を低下して接触圧を均一にする方式が提示されていが、この傾斜部に薄肉部を形成する方法として、切削除去による方法と鍛圧等の塑性流動による方法がある。前者は加工時間がかかり適切なコストで製造できないという課題があり、後者は薄肉部の面積が増大すると成形荷重が過大になり、巨大なプレスを用いた低速での製造となるためにコストが増大するという課題がある。

本発明の目的は、耐蝕性膜の亀裂を抑制し、かつ、溝形状のばらつきによる発電効率への影響が小さい燃料電池及びそのセパレータ及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、電解質・電極複合体と、複数の溝が連結した形状の発電部を持つセパレータと、エンドプレートと、燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管とを有する燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電解質・電極複合体と交互に積層され、前記発電部の電解質・電極複合体と接触する箇所の両端に、凹部を備えることを特徴とする。

また、電解質・電極複合体と、複数の溝が連結した形状の発電部を持つセパレータと、エンドプレートと、燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管とを有する燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電解質・電極複合体と交互に積層され、前記発電部の溝において角の外周側表面に、曲率中心が外周側に存在する箇所があることを特徴とする。

また、積層された複数の燃料電池セルと、それを挟むエンドプレートと、燃料の供給のための燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガスの供給のための酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管と、冷却水を供給するための冷却水供給管と、冷却水排出管とを備える燃料電池であって、
前記燃料電池セルは、電解質・電極複合体とセパレータから構成され、
前記セパレータの発電部は、前記電解質・電極複合体と面方向が同一の平行部と、前記平行部に対して角度をもつ傾斜部とを、角部を介して接続した構造を有し、
前記平行部と前記傾斜部の接続位置である前記角部の外周側において凹部が形成されていることを特徴とする。

また、前記凹部の前記平行部とのなす角度が、前記傾斜部の接線と前記平行部の接線のなす角度より大きいことを特徴とする。

また、前記電解質・電極複合体と前記セパレータ２枚を交互に積層したことを特徴とする。

また、複数の溝が連結した形状の発電部を持つ、燃料電池に用いるセパレータであって、
前記発電部の電解質・電極複合体と接触部の両端に凹部を設けたことを特徴とする。

また、前記凹部の裏面にあたる内周側に、凸部を更に設けたことを特徴とする。

また、前記凹部の裏面にあたる内周側に、凹部を更に設けたことを特徴とする。

また、複数の溝が連結した形状の発電部を持つ、燃料電池に用いるセパレータであって、
前記発電部の溝において角の外周側表面に曲率中心が外周側に存在する箇所があることを特徴とするセパレータ。

また、セパレータ加工工程と、セパレータと電解質・電極複合体を積層する積層工程と、組立工程よりなる燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータ加工工程において、
材料を均等に張り出す張出し小工程と
製品の溝形状に成形する成形小工程を含む複数の小工程でセパレータの発電部の溝を成形する溝成形小工程と、
発電部の溝の角外周表面となる箇所に凹部を形成する小工程と、
を含むことを特徴とする。

更に、セパレータ加工工程と、セパレータと電解質・電極複合体を積層する積層工程と、組立工程よりなる燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータ加工工程において、
材料を均等に張り出す張出し小工程と、
製品の溝形状に成形する成形小工程を含む複数の小工程でセパレータの発電部の溝を成形する溝成形小工程と、
成形工程の展開長よりも前記張出し工程での展開長が長くなるように張出し、成形工程より発電部の溝の角外周表面となる箇所に凹部を形成する小工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、寿命及び信頼性が高く、性能のばらつきが小さい燃料電池及びそのセパレータ及びその製造方法を実現することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例１である固体高分子型の燃料電池の燃料電池スタック１の構造を示す図である。

燃料電池スタック１は、積層された複数の燃料電池セル２と、それを挟むエンドプレート９とボルト１０と、燃料の供給のための燃料ガス供給管３及び燃料ガス排出管４と、酸化剤ガスの供給のための酸化剤ガス供給管５と酸化剤ガス排出管６と冷却水を供給するための冷却水供給管７と冷却水排出管８から構成される。酸化剤ガス排出管６は反応により生成した水を排出する機能も担う。燃料ガスとしては純度の高い水素を用いることが望ましい。

また酸化剤ガスとしては窒素を７９％、酸素を２１％含む通常の大気を用いるがこの比率に限定されるものではない。固体高分子型の燃料電池は１００℃以下で、望ましくは７０℃から９０℃程度の温度で動作させるために、冷却水を用いて反応熱を排出する。燃料電池の出力は用途により様々であり、冷却水を用いなくても良い機種もある。燃料電池は燃料電池スタックの他に、燃料ガスの供給排出や冷却水の供給排出のためのポンプ類やタンク類及びこれらのコントローラー等を含めて構成される。

燃料電池スタック１は、燃料電池セル２を複数重ね合わせて実用に足る起電力を取り出す構造となっている。セルの積層段数は数層から数１０００層である。

燃料電池セル２は、電解質・電極複合体１１とセパレータ１２を積層し構成される。図３にセパレータ１２とそれに取り付けられたガスケット４０の斜視図を示す。ガスケット４０は燃料ガスや酸化剤ガスあるいは冷却水が漏洩するのを防ぐ目的で用いられる。ガスケット４０の素材としては、耐蝕性を持つ樹脂やゴムが望ましい。

セパレータには中央に複数の微細溝を連続して加工した発電部３１が存在する。また、燃料ガス供給穴３４と燃料ガス排出穴３５と酸化剤ガス供給穴３６と酸化剤ガス排出穴３７と冷却水供給穴３８と冷却水排出穴３９があり、それぞれ、燃料ガス供給管３、燃料ガス排出管４、酸化剤ガス供給管５、酸化剤ガス排出管６、冷却水供給管７、冷却水排出管８と接続してる。発電部３１への燃料ガス及び酸化剤ガス及び冷却水の供給は、ガスケット４０の形状を変更することにより変更する。図３のガスケット４０では酸化剤ガス供給穴３６、酸化剤ガス排出穴３７、冷却水供給穴３８、冷却水排出穴３９はガスケット４０により閉鎖されており、燃料ガス供給穴３４と燃料ガス排出穴３５のみ開放されているため、燃料ガスの供給と排出のみが行われる。

図２は燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル２の発電部３１の断面構造を示す図である。燃料電池セル２を構成する主な部品は、電解質・電極複合体１１と、電解質・電極複合体１１を両側より挟むセパレータ１２である。図２では電解質・電極複合体１１ｂの両面にセパレータ１２ｂとセパレータ１２ｃが配置されて、一つの燃料電池セル２を構成する。電解質・電極複合体１１は固体高分子電解質膜２１の表面にアノード触媒層２２及びカソード触媒層２３を接着した構造である。

触媒層は、例えば、直径数１０ｎｍの炭素微粒粉末に直径数ｎｍのＰｔ微粒子を担持させたカーボン担持触媒を、固体高分子電解質をバインダーとしカーボンペーパー等に塗布し、固体高分子電解質膜２１に接着したものである。セパレータ１２の材料は、鉄、アルミ、銅、マグネシウム、ニッケル、クロム、チタン等の金属元素を主成分とする母材に、耐蝕性と導電性を担う表面膜を形成した材料である。このようなセパレータ材料の一例は、母材にステンレスを用いその表裏に板厚の１０％程度のＴｉが金属接合したクラッド材料で、さらに表面に数ｎｍの厚さの貴金属膜を設けた材料であり、チタンの不働態膜が耐蝕性を担っている。

また、メッキにより母材に貴金属膜を直接接合した構造でも良い。耐蝕性あるいは導電性を担う表面膜は１層でも良くまた複数層でも良い。耐蝕性の膜の種類としては、チタンやクロム等の金属の不働態膜やＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属の単体もしくは合金の膜、あるいはセラミックの膜であっても高分子性の膜などで良い。

セパレータ１２の断面は表裏に台形の微細溝を連続して形成した形状である。セパレータ１２ｂと電解質・電極複合体の間の空間が酸化剤ガス流路１３であり、セパレータ１２ｃと電解質・電極複合体１１ｂの間の空間は燃料ガス流路１４である。また、セパレータ１２ａとセパレータ１２ｂの間の空間は冷却水流路１９である。

図２に示すように、セパレータ１２の発電部３１は、電解質・電極複合体１１と面方向が同一のセパレータ１２の平行部１５と、平行部１５に対して角度をもつ傾斜部１６が角部１７を介して接続した構造である。板厚は０．０５ｍｍから０．５ｍｍの範囲であり、望ましくは０．１ｍｍから０．３ｍｍである。より望ましくは０．１ｍｍ程度である。溝のピッチは１ｍｍから５ｍｍの範囲であり、望ましくは１．５ｍｍから３ｍｍである。発電部の厚みは０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲であり、望ましくは０．３ｍｍから０．５ｍｍである。傾斜部１６の平行部１５に対する角度は０から９０°の範囲内であり、望ましくは３０°から６０°の範囲である。角部の内側表面の半径は板厚の１〜５倍程度であり、望ましくは２倍程度である。また、本実施例のセパレータ１２では平行部１５と傾斜部１６の接続位置である角部の外周側に、凹部１８がある。凹部とは曲率中心が角部の外周側に存在する箇所である。

凹部１８の形状は円弧上の形状やＶ溝状やあるいは台形の形状で良い。凹部１８における板厚は平行部の最大の板厚と比較して８０％から３０％であり、望ましくは５０％程度である。また、凹部１８は電解質・電極複合体と接触していない面、すなわちセパレータ１２同士が接触している面の角部１７に形成されても良い。

セパレータ１２を電解質・電極複合体１１と重ね合わせて燃料電池セル２あるいは燃料電池スタック１を構成する場合には、平行部１５のほぼ全面が電解質・電極複合体と接触し凹部１８はその両端に位置する。また、凹部１８の一部では平行部１５となす角度が、傾斜部１６と平行部１５のなす角度よりも大きい。即ち、角部１７の周辺について、さらに詳述すると、図１１は角部１７の周辺を拡大した断面図である。傾斜部１６と平行部１５のなす角度とは、傾斜部１６の接線と平行部１５の接線のなす角度で、図１１においてωで示す角度である。凹部１８の平行部１５とのなす角度とは凹部１8の接線と平行部１５の接線のなす角度であり、凹部１８のなかで最大となる箇所の角度を図１１においてθとして示す。

θはωより大きいことが望ましい。なぜなら電解質・電極膜複合体との接触角度を大きくとれるためセパレータの高さ違いによる接触面積の違いが小さくなるからである。逆に、θがωよりも小さい場合には、凹部は図１２に示す広く浅い形状となり、この場合には接触面積自体が小さくなり抵抗が増大する。

次に、燃料電池の製造方法について図４を用いて説明する。燃料電池の製造工程はセパレータ加工工程５１とガスケット成形工程５２と積層工程５３と組立工程５４より構成される。

セパレータ加工工程５１において、金属薄板にプレス加工をほどこしてセパレータ１２を製造する。ガスケット成形工程５２にて、セパレータ１２に、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するためのガスケット４０を接着する。

接着は接着材を用いても良く、熱圧着を行っても良く、また嵌合構造で接続しても良い。また、セパレータ加工工程５１においてセパレータ１２に微細な穴を開け、セパレータ１２の両面からガスケット４０を取付、セパレータ１２の穴部で両面のガスケット４０を接着しても良い。また、射出成形等でガスケット４０の成形と同時にセパレータ１２に接着しても良い。

積層工程５３において、セパレータ１２と電解質・電極複合体１１を積層し、エンドプレート９で挟みボルト１０で締めて固定し燃料電池スタック１を製造する。組立工程５４で、燃料電池スタック１にポンプやタンク類を取り付けて燃料電池を製造する。

上記の工程ではガスケット成形工程５２においてガスケット４０をセパレータ１２に接着したが、ガスケット成形工程５２を省略して、積層工程５３において積層しても良い。

続いて、図５を用いてセパレータ加工工程の詳細、特に、セパレータ１２の発電部３１の溝を加工する工程について説明する。図５は金型の１ピッチ分の断面拡大図である。セパレータ加工工程５１は材料を均等に張り出す張出し工程６１と、製品形状に成形する成形工程６２よりなる。張出し工程６１の金型は張出し上型７２と張出し下型７３よりなる。張出し上型７２と張出し下型７３の間に材料７１ａを挿入して、上下よりプレスすることにより成形する。張出し工程６１では材料の展開長が、製品の溝形状の展開長と同等もしくは長めになるように成形する。ここで、同等もしくは長めとは製品の展開長と比較して−１０％から＋２０％の範囲であり、望ましくは０〜１０％の範囲である。

また、張出し工程６１の上下の金型には溝方向に沿って形成された突起部７５がある。本実施例では突起部７５の形状は円弧上であるが、これに限るものではない。突起部７５の高さは材料７１ａの板厚よりも小さく、望ましくは５０％程度である。また、突起部の半径は材料７１ａの板厚よりも小さく望ましくはその５０％程度である。突起部７５の位置は加工後の製品形状で角部外周の位置の近傍である。上型７２及び下型７３を用いて張出し加工を行うと、張出し後材料７１ｂの形状になり凹部中間形状７６が形成される。成形工程では成形工程上型７７及び成形工程下型７８を用いて加工を行い製品形状７１Ｃとなり、凹部中間形状７６は凹部１８となる。

セパレータ加工工程５１は、他に以下の小工程より構成される。以降の工程で材料と金型の位置を一致させるための位置決め穴を加工する位置決め穴開け工程があっても良い。また、張出し工程６１において周囲の材料が発電部３１に引き込まれるのを避けるために周囲にリブを成形するリブ成形工程があっても良い。また、燃料ガス供給穴３４、燃料ガス排出穴３５、酸化剤ガス供給穴３６、酸化剤ガス排出穴３７、冷却水供給穴３８及び冷却水排出穴３９を開ける工程があっても良い。セパレータ加工工程５１の中の一連の小工程は同一プレスの中に複数の金型を並べて行ってもよく、別々のプレスで行っても良い。また、プレス加工前や加工中に耐蝕性のコーティングを施す工程を設けても良く、途中で焼鈍工程を設けても良い。また、材料はコイル状に巻かれたフープ材で提供され一連の加工後に切断するのが望ましいが、切断済みの材料を用いても良い。この場合には金型への材料の供給と搬出は人手で行っても良いし、ロボットを用いても良い。また、途中の工程で切断しても良い。

本実施例のセパレータ１２を用いると以下のような理由により、耐食層の亀裂を抑えることが可能となる。
セパレータ１２で最も亀裂が生じやすいのは、角部１７の外周側である。成形工程６２において、この箇所に張出しと曲げによる引張り歪が集中するのが、亀裂が生じる要因であるので、引張り歪を減少せしめることにより亀裂が抑制できる。曲げ加工において、金型に接触する内周側の半径が同一であれば、板厚が薄いほうが外周側の歪は小さくなる。

本実施例の加工方法では成形工程では角部の板厚が５０％程度に低減されているため、外周側の歪は小さくなる。また、材料を延ばす加工では板厚の薄い部分の引張応力が拡大し変形が集中するが、本実施例の加工方法では、張出し工程６１において、製品形状と同等以上に展開長に延ばしているため、角部の引張応力を抑制することが可能となる。よって、成形工程６２で、角部外周の亀裂を抑制することが可能となる。また、張出し工程６１で凹部１８を形成するさいには鍛圧により加工するため亀裂は生じない。ひいては、溝高さと溝ピッチの設計上の制約が緩和されるため、より性能が高い設計の燃料電池を製造することができる。

さらに本実施例のセパレータ１２を用いて、本実施例のセパレータ１２を用いた場合に燃料電池の性能を向上させる点について説明する。
実生産では、加工時の反力による金型の変形や材料の拘束状態の違いにより、セパレータ１２の発電部３１のセパレータ高さは、中央と端などの位置により異なる。電解質・電極複合体１１とセパレータ１２を積層する場合には、電解質・電極複合体１１が変形して溝の高さの違いを吸収するが、接触幅に違いが生じるため接触抵抗に違いが生じる。本実施例のセパレータ１２では凹部１８の作用により、溝高さの違いを吸収し接触抵抗を均一に保つことが可能となる。図６に本実施例のセパレータ１２の一例の溝形状の寸法を記す。溝高さＨは０．４０ｍｍであり、溝ピッチＰは２.０ｍｍであり、板厚は０．１０ｍｍであり、傾斜部の角度は４５度である。角部１７の内側の半径ｒ１は０．２０ｍｍであり、外側の半径ｒ２は０．３０ｍｍである。また、半径０．０５ｍｍで深さが０．０５ｍｍの半円の凹部１８が角部の中心にある。凹部１８の半円の中心の溝中心からの距離は０．４２ｍｍである。以上の形状のセパレータでは、食い込み高さｈがｈ１＝０．０２ｍｍからｈ２＝０．０７ｍｍの範囲において、接触幅Ｗは変化しない。そのために、電解質・電極複合体１１との接触抵抗のばらつきが小さくなり、発電性能も均一化する。また、セパレータ１２の製造時のばらつきが、燃料電池スタック１の性能に与える影響を軽減できるので、信頼性や安定性が向上しまた性能も向上する。

この結果、燃料電池として次のような効果がある。燃料電池の効率の指標の一つとして電圧効率があるが、図１３に電流密度と電圧効率の関係を模式的に示すように、電圧効率は電流密度が上昇すると低下する傾向を示す。また、内部で出力密度に分布が生じる場合には、出力密度の分布が大きいほど平均の電圧効率が下がることになる。

本実施例によれば、電解質・電極複合体とセパレータの接触の度合いが全体で均一になるため接触抵抗が均一となり、上記のような出力分布を小さくすることが可能であり、燃料電池の平均的な電圧効率が向上する。

図７は本実施例のセパレータ１２の溝形状の別の一例である。凹部１８の裏面にあたる内周側に凸部８１が設けられた形状であるが、このような一例でも、接触抵抗を安定化する効果は発揮される。

また、図８は、凹部１８の裏面にあたる内周側に凹部８２が設けられたセパレータ１２の他の一例であるが、接触抵抗を安定化する効果はこの一例でも発揮される。製造工程を変更し、張出し成形後に凹部１８を設ける小工程を別に設けても、張出し成形前に凹部を設けても、材料製造の段階で凹部１８を設けても、同様に得られる。

以上に説明したように、本実施例は電解質・電極複合体との接触面積のばらつきが低減させることで、面内で均一にするという効果があり、また、鍛圧による薄肉化を行うが、薄肉化する箇所が角部であるために面積が小さく、過度の成形荷重は必要がないため、適切な製造コストで加工することが可能となる。

この結果、本実施例によれば、セパレータに亀裂が生じ難いために信頼性が向上し、さらに製造時のばらつきによらず接触抵抗が安定した燃料電池を提供することが可能となる。

次に実施例２について、説明する。図９は実施例２の燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル２の発電部の断面構造を示す図である。燃料電池セル２を構成する主な部品は、電解質・電極複合体１１と、電解質・電極複合体１１を両側より挟むセパレータ１２である。図２では電解質・電極複合体１１ｆの両面にセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂが配置されて、一つの燃料電池セル２を構成している。電解質・電極複合体１１は固体高分子電解質膜２１の表面に表面にアノード触媒層２２及びカソード触媒層２３を接着した構造である。

セパレータ１２は隣接する燃料電池セル間で共用されており、例えばセパレータ１２ｄは電解質・電極複合体１１ｅのアノード触媒層２２と電解質・電極複合体１１ｆのカソード触媒層２３と接触して、隣接した二つの燃料電池セルで用いられる。セパレータ１２の断面は表裏に台形の微細溝を連続して形成した形状である。表裏の微細溝はそれぞれ酸化剤ガス流路１３及び燃料ガス流路１４である。

図９に示すように、セパレータ１２の発電部３１は、電解質・電極複合体１１と面方向が同一で接触しているセパレータ１２の平行部１５と、平行部１５に対して角度をもつ傾斜部１６が接続して構成される。板厚は０．０５ｍｍから０．５ｍｍの範囲であり、望ましくは０．１ｍｍから０．３ｍｍである。溝のピッチは１ｍｍから５ｍｍの範囲であり、望ましくは１．５ｍｍから３ｍｍであり、よりのぞましくは２．５ｍｍである。発電部の厚みは０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲であり、望ましくは０．３ｍｍから０．５ｍｍである。傾斜部１６の平行部１５に対しする角度は０から９０°の範囲内であり、望ましくは３０°から６０°程度である。また、本実施例のセパレータ１２では平行部１５と傾斜部１６の接続位置である角部の外周側において凹部１８が形成されている。凹部とは曲率中心が角部の外周側に存在する箇所である。

凹部１８の形状は円弧上の形状やＶ溝状やあるいは台形の形状で良い。凹部１８における板厚は平行部の最大の板厚と比較して８０％から３０％であり、望ましくは５０％程度である。セパレータ１２を電解質・電極複合体１１と重ね合わせて燃料電池セル２あるいは燃料電池スタック１を構成する場合には、平行部１５のほぼ全面が電解質・電極複合体と接触し凹部１８はその両端に位置する。また、実施例１で述べたように、凹部１８の一部では平行部１５となす角度が、傾斜部１６と平行部１５のなす角度よりも大きくなる。

実施例２の燃料電池セルを用いても、実施例１の燃料電池セルと同様の効果が得られ、また、両者が一つの燃料電池で混用されても同様の効果が得られるが、更に下記の効果が得られる。

即ち、水素と酸素の化学反応より電気を取り出す燃料電池では、発電に伴い生じる熱を排出するために、実施例１のように内部に冷却水を通す構造のものがあるが、それに対して、小さいサイズで自然冷却で十分な性能が得られる場合には、実施例２に示すように冷却水路１９がない構造でも良い。冷却水路１９が無い構造ではそれに伴い燃料電池スタックの重量及び大きさが小さくなり、冷却水用のポンプなどの補器も削減可能である。よって、携帯性が望まれる小型の燃料電池では実施例２の形態がより望ましい。

続いて、図１０を用いてセパレータ加工工程５１の別の一例である実施例３を説明する。図１０は１ピッチ分の断面拡大図である。この例ではセパレータ加工工程５１は材料を均等に張り出す張出し工程９１と、凹部を加工する凹部加工工程９２と、製品形状に成形する成形工程９３よりなる。張出し工程９１の金型は張出し上型１０２と張出し下型１０３よりなる。張出し上型１０２と張出し下型１０３の間に材料１０１ａを挿入して、金型で上下よりプレスすることにより成形する。張出し工程では材料の展開長が、製品の溝形状の展開長と同等もしくは長めになるように成形する。ここで、同等もしくは長めとは製品の展開長と比較して−１０％から＋２０％の範囲であり、望ましくは０〜１０％の範囲である。

続いて凹部加工工程９２において凹部途中形状１０９を加工する。凹部加工工程９２でもちいる凹部加工上型１０４と凹部加工下型１０５には溝方向に沿って形成された突起部１０６がある。本実施例では突起部１０６の形状は円弧上であるが、これに限るものではない。突起部１０６の高さは材料１０１ａの板厚よりも小さく、望ましくは５０％程度である。また、突起部の半径は材料１０１ａの板厚よりも小さく望ましくはその５０％程度である。突起部１０６の位置は加工後の製品形状で角部外周の位置の近傍であることが望ましい。成形工程９３では成形工程上型１０７及び成形工程下型１０８を用いて加工を行い、製品形状１０１ｄとなり、凹部途中形状１０９は凹部１８となる。

実施例３においても実施例１で述べたと同様の効果が得られる。実施例３では３工程の加工方法を述べたがこれに限るものではなく、さらに増えても良い。

燃料電池スタックの概念図。 実施例１の燃料電池セルの一例の断面拡大図。 実施例１のセパレータの斜視図。 実施例１の燃料電池の製造方法。 実施例１のセパレータの加工工程を示す一例の図。 実施例１において接触抵抗が安定化することを示す説明図。 実施例１のセパレータの溝形状の一例の図。 実施例１のセパレータの溝形状の他の例の図。 実施例２の燃料電池セルの断面拡大図。 実施例３のセパレータの加工工程を示す図。 実施例１のセパレータの角部の周辺を拡大した断面図。 凹部が広く浅い形状となる場合の角部の周辺を拡大した断面図。 電流密度と電圧効率の関係を示す模式図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…燃料電池セル、３…燃料ガス供給管、４…燃料ガス排出管、５…酸化剤ガス供給管、６…酸化剤ガス排出管、７…冷却水供給管、８…冷却水排出管、９…エンドプレート、１０…ボルト、１１…電解質・電極複合体、１２…セパレータ、１３…酸化剤ガス流路、１４…燃料ガス流路、１５…平行部、１６…傾斜部、１７…角部、１８…凹部、２１…固体高分子電解質膜、２２…アノード触媒層、２３…カソード触媒層、３１…発電部、３４…燃料ガス供給穴、３５…燃料ガス排出穴、３６…酸化剤ガス供給穴、３７…酸化剤ガス排出穴、３８…冷却水供給穴、３９…冷却水排出穴、４０…ガスケット、５１…セパレータ加工工程、５２…ガスケット成形工程、５３…積層工程、５４…組立工程、６１…張出し工程、６２…成形工程、７１…材料、７２…張出し上型、７３…張出し下型、７５…突起部、７６…凹部中間形状、７７…成形工程上型、７８…成形工程下型、８１…凸部、８２…凹部中間形状、９１…張出し工程、９２…凹部加工工程、９３…成形工程、１０１…材料、１０２…張出し上型、１０３…張出し下型、１０６…突起部、１０７…成形工程上型、１０８…成形工程下型、１０９…凹部中間形状。

Claims (11)

1. 電解質・電極複合体と、複数の溝が連結した形状の発電部を持つセパレータと、エンドプレートと、燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管とを有する燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極複合体と交互に積層され、前記発電部の電解質・電極複合体と接触する箇所の両端に、凹部を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 電解質・電極複合体と、複数の溝が連結した形状の発電部を持つセパレータと、エンドプレートと、燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管とを有する燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極複合体と交互に積層され、前記発電部の溝において角の外周側表面に、曲率中心が外周側に存在する箇所があることを特徴とする燃料電池。
3. 積層された複数の燃料電池セルと、それを挟むエンドプレートと、燃料の供給のための燃料ガス供給管と、燃料ガス排出管と、酸化剤ガスの供給のための酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス排出管と、冷却水を供給するための冷却水供給管と、冷却水排出管とを備える燃料電池であって、
   前記燃料電池セルは、電解質・電極複合体とセパレータから構成され、
   前記セパレータの発電部は、前記電解質・電極複合体と面方向が同一の平行部と、前記平行部に対して角度をもつ傾斜部とを、角部を介して接続した構造を有し、
   前記平行部と前記傾斜部の接続位置である前記角部の外周側において凹部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
4. 前記凹部の前記平行部とのなす角度が、前記傾斜部の接線と前記平行部の接線のなす角度より大きいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記電解質・電極複合体と前記セパレータ２枚を交互に積層したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 複数の溝が連結した形状の発電部を持つ、燃料電池に用いるセパレータであって、
   前記発電部の電解質・電極複合体と接触部の両端に凹部を設けたことを特徴とするセパレータ。
7. 前記凹部の裏面にあたる内周側に、凸部を更に設けたことを特徴とする請求項６に記載のセパレータ。
8. 前記凹部の裏面にあたる内周側に、凹部を更に設けたことを特徴とする請求項６に記載のセパレータ。
9. 複数の溝が連結した形状の発電部を持つ、燃料電池に用いるセパレータであって、
   前記発電部の溝において角の外周側表面に曲率中心が外周側に存在する箇所があることを特徴とするセパレータ。
10. セパレータ加工工程と、セパレータと電解質・電極複合体を積層する積層工程と、組立工程よりなる燃料電池の製造方法であって、
    前記セパレータ加工工程において、
    材料を均等に張り出す張出し小工程と
    製品の溝形状に成形する成形小工程を含む複数の小工程でセパレータの発電部の溝を成形する溝成形小工程と、
    発電部の溝の角外周表面となる箇所に凹部を形成する小工程と、
    を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
11. セパレータ加工工程と、セパレータと電解質・電極複合体を積層する積層工程と、組立工程よりなる燃料電池の製造方法であって、
    前記セパレータ加工工程において、
    材料を均等に張り出す張出し小工程と、
    製品の溝形状に成形する成形小工程を含む複数の小工程でセパレータの発電部の溝を成形する溝成形小工程と、
    成形工程の展開長よりも前記張出し工程での展開長が長くなるように張出し、成形工程より発電部の溝の角外周表面となる箇所に凹部を形成する小工程と、
    を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。

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