JP2008311107A - Fuel cell and separator thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】いわゆるフラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止できるようにする。
【解決手段】フラットメタル型燃料電池用のセパレータ20であって、樹脂フレーム23と、該樹脂フレーム23を挟み込む一対の金属平板21,22と、該金属平板21,22と樹脂フレーム23とを接着する接着部材24と、を有しており、金属平板21,22には、加熱圧着された接着部材24の一部を当該金属平板21,22の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔26が設けられている。食み出し用孔26は当該セパレータ20の外周部に設けられていることが好ましく、隣接する当該セパレータ20どうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に設けられていることがより好ましい。
【選択図】図9In a so-called flat metal fuel cell, a short circuit between separators can be effectively prevented.
A separator 20 for a flat metal fuel cell, a resin frame 23, a pair of metal flat plates 21 and 22 sandwiching the resin frame 23, and the metal flat plates 21 and 22 and the resin frame 23 are bonded. And an insulating layer is formed on the metal flat plates 21 and 22 by protruding a part of the heat-pressed adhesive member 24 to the back side of the metal flat plates 21 and 22. A protrusion hole 26 is provided. The protrusion hole 26 is preferably provided in the outer peripheral portion of the separator 20, and more preferably provided in the vicinity of a portion where adjacent separators 20 can come into contact with each other to cause a short circuit.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は、燃料電池およびそのセパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、いわゆるフラットメタル型の燃料電池の構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a separator thereof. More specifically, the present invention relates to the structure of a so-called flat metal fuel cell.
燃料電池用を構成するセパレータとして、反応ガス(水素ガス、酸化ガス)や冷媒(冷却水)の溝状の流路が表面に形成されたもののほか、表面が平坦であるフラットセパレータと呼ばれるものも用いられている。また、近年においては、2枚の電極対向プレートの間に冷媒流路層を形成した2枚構成造のセパレータも提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As separators for fuel cells, in addition to those formed with groove-like channels of reaction gas (hydrogen gas, oxidizing gas) and refrigerant (cooling water) on the surface, there are also so-called flat separators with a flat surface It is used. In recent years, a separator having a two-sheet structure in which a coolant channel layer is formed between two electrode-facing plates has also been proposed (see, for example, Patent Document 1).
従来、このような2枚構成のフラットメタル型燃料電池のセパレータは、一対の金属平板(プレート)と例えば接着層を有するラミネート樹脂とを加熱接着によりシール接合して形成される等している。この場合、一対の金属平板は例えば樹脂によって接合されている。また、いずれかの金属平板(プレート)にプレス加工で突起が形成され、あるいは金属平板間に多孔体シートが挿入される等して冷媒流路が形成されている。
しかしながら、上述のようなフラットメタル型の燃料電池セパレータには樹脂が用いられている関係上、例えば80℃を超える高温運転時には剛性が低下することがある。このような状況下、例えばガスケット等の他部材の位置ずれなどに起因して曲げ応力が生じると、セパレータどうしが接触して短絡が生じることがある。 However, since the resin is used for the flat metal type fuel cell separator as described above, the rigidity may be lowered during a high temperature operation exceeding 80 ° C., for example. Under such circumstances, when a bending stress is generated due to, for example, displacement of other members such as a gasket, the separators may come into contact with each other to cause a short circuit.
そこで、本発明は、いわゆるフラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止することができる燃料電池およびそのセパレータを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a separator thereof that can effectively prevent a short circuit between separators in a so-called flat metal fuel cell.
上述のように、高温下で運転した場合に受ける影響で金属セパレータが曲がるとセパレータ間で短絡が生じうる。この場合、短絡を回避するための一般的な措置として接触面に絶縁層を挟むということも行いうるが、そうするとコスト増や生産性の低下を招くおそれがある。また、代替的な措置として例えば金属平板を接着フィルムで包み込むことも行いうるが、コスト増や生産性の低下を招くおそれがある点については同様である。このような現状に関し、金属平板を利用した構造であることに着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。 As described above, if the metal separator bends due to the influence received when operating at a high temperature, a short circuit may occur between the separators. In this case, as a general measure for avoiding a short circuit, an insulating layer may be sandwiched between the contact surfaces, but this may lead to an increase in cost and a decrease in productivity. Further, as an alternative measure, for example, a metal flat plate can be wrapped with an adhesive film, but the same is true in that there is a risk of increasing costs and reducing productivity. With regard to such a current situation, the present inventor, who has further studied focusing on the structure using a metal flat plate, has obtained new knowledge that leads to the solution of such problems.
本発明はかかる知見に基づくもので、フラットメタル型燃料電池用のセパレータにおいて、樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む一対の金属平板と、該金属平板と樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有し、金属平板には、加熱圧着された接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔が設けられていることを特徴としている。 The present invention is based on such knowledge, and in a separator for a flat metal fuel cell, a resin frame, a pair of metal flat plates that sandwich the resin frame, and an adhesive member that bonds the metal flat plate and the resin frame. The metal flat plate is provided with a protrusion hole for forming an insulating layer by protruding a part of the heat-pressed adhesive member to the back side of the metal flat plate.
接着部材を介在させた状態で樹脂フレームを金属平板で挟み込み、加熱しながら圧力を加えると接着部材の一部が食み出し用孔から食み出し、裏面側へと回り込む。本発明にかかるセパレータによれば、このように接着部材を金属平板の裏側へといわば溶かし込み、固化させることによって当該金属平板の裏側の面に絶縁層を形成することが可能である。 When the resin frame is sandwiched between the metal flat plates with the adhesive member interposed therebetween and pressure is applied while heating, a part of the adhesive member protrudes from the protrusion hole and turns around to the back side. According to the separator of the present invention, it is possible to form an insulating layer on the back surface of the metal flat plate by melting the adhesive member into the back side of the flat metal plate and solidifying the adhesive member.
このようなセパレータにおいては、食み出し用孔が当該セパレータの外周部に設けられていることが好ましく、より好ましくは隣接する当該セパレータどうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に設けられていることである。 In such a separator, the protrusion hole is preferably provided in the outer peripheral portion of the separator, and more preferably provided in the vicinity of a portion where adjacent separators can come into contact with each other to cause a short circuit. It is that you are.
また、上述の食み出し用孔が、反応ガスマニホールドまたは冷媒マニホールドの外側に設けられていることがさらに好ましい。マニホールドの外側部分は、マニホールドが形成されている分だけ剛性が低く、外力の影響により曲がって短絡を生じやすい。この点、本発明によれば当該接触しやすい部分に絶縁層に形成して短絡を抑制することができる。 Moreover, it is more preferable that the above-mentioned protrusion hole is provided outside the reaction gas manifold or the refrigerant manifold. The outer portion of the manifold is low in rigidity as much as the manifold is formed, and is easily bent due to the influence of external force. In this regard, according to the present invention, it is possible to suppress short-circuiting by forming the insulating layer on the portion that is easily contacted.
本発明によれば、フラットメタル型の燃料電池においてセパレータ間での短絡が生じるのを効果的に抑止することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to suppress effectively that the short circuit between separators arises in a flat metal type fuel cell.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1〜図9に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池1のセパレータ20は、樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む2枚1組の金属平板と、該金属平板と樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有している。また、金属平板には、加熱圧着された接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させるための食み出し用孔が設けられている。以下では、燃料電池1の全体的な構成についてまず説明し、その後、この燃料電池1を構成するセパレータ20等について説明することとする。
1 to 9 show an embodiment of the present invention. The
ちなみに、本実施形態の燃料電池1は例えば車載発電システムに適用されるものであり、この場合には図示しない燃料電池ケースに収納されて車両に搭載されている。ただし、本発明にかかる燃料電池1は、燃料電池車両以外の各種移動体(例えばロボット、船舶、航空機、電車等)に搭載して利用することができ、また、建物(例えば住宅、ビル、工場等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。 Incidentally, the fuel cell 1 of the present embodiment is applied to, for example, an in-vehicle power generation system. In this case, the fuel cell 1 is housed in a fuel cell case (not shown) and mounted on a vehicle. However, the fuel cell 1 according to the present invention can be used by being mounted on various moving bodies (for example, robots, ships, airplanes, trains, etc.) other than fuel cell vehicles, and buildings (for example, houses, buildings, factories). Etc.) can also be applied to stationary power generation systems used as power generation facilities.
燃料電池1は、図1に示すように、多数の単セル(単電池)2を積層したスタック構造となっている。単セル2は、図2に示すように、電解質膜11a及び電極11bを備えた接合体10と、接合体10を両側から挟みこむように配設されるセパレータ20と、により構成される。また、単セル2が積層されてなるセルスタックの積層方向両端に位置する単セル2のさらに外側には、順次、カバープレート30、出力端子付きのターミナルプレート40、絶縁プレート50、エンドプレート60が積層されている。両端のエンドプレート60は、テンションプレート70の端部に各々ボルト等により接合されている。これにより、燃料電池1の積層体全体が積層方向に押圧力が加えられた状態で締結されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 has a stack structure in which a large number of single cells (unit cells) 2 are stacked. As shown in FIG. 2, the
単セル2により構成される燃料電池1としては、リン酸型等複数の種類があるが、本実施形態に係る燃料電池1は、車載や定置用に好適な固体高分子電解質型である。接合体10としては、イオン交換膜からなる電解質(固体高分子膜)の両面に白金等の電極用触媒層を配した膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)や、触媒層の上にさらにガス拡散層を設けた膜・電極・拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)を用いることができる。
The fuel cell 1 configured by the
燃料電池1は、図1に示すように、燃料ガス配管系3、酸化ガス配管系4、冷媒配管系5に接続されている。また、燃料電池1は、図示しない電力系や制御装置等に接続されている。燃料電池1への反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給及び排出は、燃料ガス配管系3及び酸化ガス配管系4により行われる。反応ガスの供給により、燃料電池1の単セル2で発電が行われる。燃料電池1により発電された電力は電力系により充放電され、図示しない車両搭載機器に供給される。また、燃料電池1の温度調整を行うための冷媒の供給及び排出は、冷媒配管系5により行われる。また、ガス配管系及び冷媒配管系の配管は、図示しない燃料電池ケースを貫通してケース内に延在し、例えば、エンドプレート60に接続される。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is connected to a fuel
接合体10は、図2及び図3(A)に示すように、全体として略平板状に形成されており、電解質膜11aの両面に一対の電極(空気極及び燃料極)用の触媒層11bが配設された発電部11と、発電部11を両側から挟むように配設された一対の拡散層12と、発電部11を囲むように接合体10の周縁部に設けられたシール部13と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3A, the joined
拡散層12は、多数の透過孔を備えたものであり、例えば多孔質のカーボンペーパー、カーボンクロス等により形成される。シール部13は、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料により形成されており、反応ガスの供給及び排出のためのガスマニホールド13aが積層方向に貫通するように形成されている。シール部13に設けられたガスマニホールド13aや、後述するセパレータ20に設けられたガスマニホールド21a、22a等により、反応ガスを各接合体10の空気極及び燃料極に供給するための内部ガス流路が形成される。また、シール部13には、ガスマニホールド13aとは異なる位置に、後述するセパレータ20の冷媒流路部23bに冷媒を給排するための冷媒用マニホールド13bが形成されている。
The
セパレータ20は、図2及び図3(B)に示すように、接合体10の燃料極(アノード)側の面に対向する金属平板からなるアノード側プレート21と、接合体10の空気極(カソード)側の面に対向する金属平板からなるカソード側プレート22と、アノード側プレート21とカソード側プレート22との間に配設される樹脂フレーム23と、を備えている。なお、図3は単セル2の構成を概略的に示したものにすぎず、各プレート21,22や樹脂フレーム23、接合体10の形状も概略的である。これらの実際の形状は図4等に示すように細長くなっている(図4等参照)。
As shown in FIGS. 2 and 3B, the
アノード側プレート21およびカソード側プレート22は平坦な薄板材であり、例えば、表面に腐食防止のためのメッキを施した金属平板によって形成される。金属平板の材質には、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。
The
樹脂フレーム23は接着層を有する例えばラミネート樹脂であり、加熱接着されて各プレート21,22と接合される。本実施形態の単セル2の場合、熱可溶性の接着フィルム24が例えばホットプレスにより熱溶融し、上述の樹脂フレーム23と各プレート21,22の間にシール部を形成する接着部材として機能するようになっている(図7等参照)。さらに、この樹脂フレーム23は、所定幅のフレーム幅を有する枠形状であり(図5参照)、当該枠部分の内部の領域は冷媒(例えば冷却水)を流すための冷媒流路部25となる(図7参照)。
The
また、セパレータ20を構成するプレート例えばアノード側プレート21にはプレス加工により複数の突起28が形成されている。これら突起28は対向するカソード側プレート22に向かって突出しており、当該カソード側プレート22との間のスペーサとして機能し、上述の冷媒流路部25を形成する(図6等参照)。
A plurality of
なお、本実施形態ではこのような突起28を利用して冷媒流路部25を形成することとしているがこれに限らず、例えば、アノード側プレート21とカソード側プレート22との間に多孔体を介在させて冷媒流路を形成することも可能である。特に図示してはいないが、多孔体は例えば微細孔を有するもので、冷却水等の流体を透過させうるものである。この場合の多孔体としては、ホットプレス時に加熱を行っても変形しない材質のものが用いられている。
In the present embodiment, the refrigerant
また、この樹脂フレーム23および上述のアノード側プレート21、カソード側プレート22のそれぞれ対応する位置には、酸化ガスの入口側マニホールド15a、酸化ガスの出口側マニホールド15b、水素ガスの入口側マニホールド16a、水素ガスの出口側マニホールド16b、冷媒(冷却水)の入口側マニホールド17a、冷媒(冷却水)の出口側マニホールド17bが設けられている(図4〜図6参照)。これらのうち、水素ガスのマニホールド16a,16bと冷媒のマニホールド17a,17bは、各プレート21,22および樹脂フレーム23の長手方向両端部に形成されている(図4等参照)。また、酸化ガスの入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、それぞれ複数が長手方向両側の長辺に沿って並ぶように形成されている(図4等参照)。なお、これらと同様、接合体10のシール部13にも酸化ガスのマニホールド15a,15b、水素ガスのマニホールド16a,16b、冷媒のマニホールド17a,17bがそれぞれ形成されている(図3参照)。
Further, at positions corresponding to the
以上のように、本実施形態の燃料電池1は、樹脂フレーム23を金属製のフラットなプレート21,22で挟み込んだ構成のいわゆるフラットメタル型の燃料電池となっている(図7等参照)。
As described above, the fuel cell 1 according to the present embodiment is a so-called flat metal type fuel cell in which the
ここで、本実施形態においては、アノード側プレート21、カソード側プレート22のそれぞれに、接着フィルム24の一部を当該アノード側プレート21またはカソード側プレート22の裏側に食み出させるための食み出し用孔26を設けている。この場合、加熱圧着の際に軟化した接着フィルム24の一部が当該食み出し用孔26から食み出してプレート21(22)の裏側へと回り込み、固化して電気絶縁層を形成する。このような構造のセパレータ20においては、接着フィルム24をプレート21(22)の裏側へといわば溶かし込んで絶縁層を形成することが可能である。
Here, in the present embodiment, each of the
このような食み出し孔26について具体例を挙げて説明すると以下のとおりである。すなわち、例えばカソード側プレート22においては、図8(A)中楕円で示す外周部付近の各位置にそれぞれ食み出し用孔26が形成されている(図8(B)参照)。この場合、それぞれの食み出し用孔26は、隣接する当該セパレータどうしが接触して短絡を生じうる部位の付近に形成されている。
Such a
すなわち、隣接するセパレータ20’間にガスケット27を挟み込んで積層した構造の燃料電池1においては、例えば80℃を超えるような高温の条件下で燃料電池1の運転を継続したような場合、熱や積層方向圧力の影響を受けて剛性が低下することがある。このとき、図10に示すようにセパレータ20’の端部付近が曲がり、隣接するセパレータ20’どうしが接触して短絡が生じることがある(図10参照)。
That is, in the fuel cell 1 having a structure in which the
この点、本実施形態のセパレータ20においては、食み出し孔26からカソード側プレート22の裏側へと食み出した接着フィルム24によって絶縁層が形成されているから、セパレータ20どうしが接触したとしても電気的に短絡することを回避することができる。つまり、樹脂フレーム23とアノード側プレート21(またはカソード側プレート22)とを接着するため接着フィルム24を用いるのみならず、当該接着フィルム24の一部をさらに電気絶縁層としても機能させ、セパレータ20間で短絡が生じるのを効果的に抑止できるようにしている。なお、ここではカソード側プレート22を例示して説明したが、もう一方のアノード側プレート21における構成や作用も上述したものと同様である。
In this respect, in the
以上のごとき食み出し孔26は、セパレータ20の端部どうしの短絡を抑止するという観点からすれば当該セパレータの外周部やその近傍に設けられていることが好ましい。例えば本実施形態では、反応ガスのマニホールド(すなわち酸化ガスの入口側マニホールド15a、酸化ガスの出口側マニホールド15b、水素ガスの入口側マニホールド16a、水素ガスの出口側マニホールド16b)または冷媒マニホールド17a,17bの外側に設けている(図8(A)参照)。これらマニホールドが形成されている部分は積層方向の力を受けて曲がりやすいが、本実施形態ではこのように特に曲がりやすい部分の外側に食み出し孔26を設け、接触しやすい部分に接着フィルム24による絶縁層を形成するようにしている。
From the viewpoint of preventing short-circuiting between the end portions of the
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では複数の食み出し孔26の配置例を楕円で示したが(図8(A)参照)、これはあくまで一例にすぎない。本発明は金属平板(アノード側プレート21、カソード側プレート22)に絶縁層をいわば自動的に形成することを目的としているものであり、当該食み出し孔26の個数や形状は、セパレータ20の形状、接着フィルム24の粘性等によって適宜変更することが好ましい。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, an arrangement example of the plurality of protrusion holes 26 is indicated by an ellipse (see FIG. 8A), but this is only an example. The object of the present invention is to automatically form an insulating layer on the metal flat plate (the
1…燃料電池、15a…酸化ガスの入口側マニホールド(反応ガスマニホールド)、15b…酸化ガスの出口側マニホールド(反応ガスマニホールド)、16a…水素ガスの入口側マニホールド(反応ガスマニホールド)、16b…水素ガスの出口側マニホールド(反応ガスマニホールド)、17a…冷媒の入口側マニホールド(冷媒マニホールド)、17b…冷媒の出口側マニホールド(冷媒マニホールド)、20…セパレータ、21…アノード側プレート(金属平板)、22…カソード側プレート(金属平板)、23…樹脂フレーム、24…接着フィルム(接着部材)、25…冷媒流路部、26…食み出し用孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 15a ... oxidizing gas inlet side manifold (reaction gas manifold), 15b ... oxidizing gas outlet side manifold (reaction gas manifold), 16a ... hydrogen gas inlet side manifold (reaction gas manifold), 16b ... hydrogen Gas outlet side manifold (reaction gas manifold), 17a ... Refrigerant inlet side manifold (refrigerant manifold), 17b ... Refrigerant outlet side manifold (refrigerant manifold), 20 ... Separator, 21 ... Anode side plate (metal flat plate), 22 ... cathode side plate (metal flat plate), 23 ... resin frame, 24 ... adhesive film (adhesive member), 25 ... refrigerant flow path, 26 ... hole
Claims (5)
樹脂フレームと、該樹脂フレームを挟み込む一対の金属平板と、該金属平板と前記樹脂フレームとを接着する接着部材と、を有し、
前記金属平板には、加熱圧着された前記接着部材の一部を当該金属平板の裏側に食み出させて絶縁層を形成させる食み出し用孔が設けられている
ことを特徴とするセパレータ。 In separators for flat metal fuel cells,
A resin frame, a pair of metal flat plates that sandwich the resin frame, and an adhesive member that bonds the metal flat plate and the resin frame;
The separator is characterized in that the metal flat plate is provided with a protruding hole for forming an insulating layer by causing a part of the heat-pressed adhesive member to protrude to the back side of the metal flat plate.
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JP2011065813A (en) * | 2009-09-16 | 2011-03-31 | Toyota Motor Corp | Method of manufacturing separator for fuel cell |
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2007
- 2007-06-15 JP JP2007158403A patent/JP2008311107A/en active Pending
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