JP2009093838A - 燃料電池及びセパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブ領域を流れる冷却媒体の流量バラツキを無くし、温度分布の均一化を図ることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】発電に寄与する領域に凹条部２６と凸条部２７を交互に形成した凹凸形状をなす金属板１５Ａ、１５Ｂ同士を貼り合わせることで燃料ガス流路１７、酸化剤ガス流路１８び冷媒流路１９を形成したセパレータ１５で、膜電極接合体１４を挟持した燃料電池において、複数ある冷媒流路１９のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を前記凸条部２７を潰して閉塞し、その潰した凹部２８に接着剤を塗布充填する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池及びセパレータの製造方法に関し、詳細には、セパレータに形成される冷媒流路構造の改良技術に関する。

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工して凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている（例えば、特許文献１など参照）。

通常、金属セパレータは、プレスマシン及び金型を用いたプレス成形にて金属板に凹凸形状を形成した後、これら金属板同士を重ね合わせて溶接することで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水（冷媒）をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成している。
特開２００５−２３５６１３号公報

ところで、この種のセパレータでは、発電に寄与する部位（これをアクティブ領域という）の冷媒流路の断面積と発電に寄与する部位以外の部位（アクティブ領域外側の部位）の冷媒流路の断面積は、金属板のプレス成形による製造上のバラツキによって、その断面積バラツキが大きい。そのため、アクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつき、温度分布の均一性が損なわれる。

そこで、本発明は、アクティブ領域を流れる冷却媒体の流量バラツキを無くし、温度分布の均一化を図ることのできる燃料電池及びセパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、セパレータに形成された冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、該セパレータに形成した凸条部を潰して閉塞させている。

本発明の燃料電池によれば、冷媒流路のうち発電に寄与する部位以外の部位（アクティブ領域以外の部位）への冷却媒体の流入が阻止でき、それによりアクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつくことが無くなり、温度分布が均一化する。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの全体構成説明」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大断面図、図３は燃料電池スタックの断面図、図４は膜電極接合体とセパレータのシール部分を示す断面図である。

本実施形態の燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。なお、燃料電池は、自動車以外に用いられてもよい。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル１０を所定数だけ積層した積層電池の形態とされる。積層された燃料電池単セル１０は、スタック内部を貫通するタイロッド５により締結されている。燃料電池単セル１０は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ程度の起電圧を生じる。

燃料電池単セル１０は、図２に示すように、高分子イオン交換膜である電解質膜１１と電極触媒層（触媒層）１２とガス拡散層１３とからなる膜電極接合体１４と、この膜電極接合体１４を２枚の金属板を貼り合わせて接合一体化したセパレータ１５とを有し、これらセパレータ１５で膜電極接合体１４を挟持した構成とされている。

電解質膜１１の両面には、電極触媒層１２がそれぞれ配置されている。また、電解質膜１１とその両面に配置された電極触媒層１２を挟持するようにガス拡散層１３が配置されている。そして、これら電解質膜１１と電極触媒層１２とガス拡散層１３からなる膜電極接合体１４を挟持するようにセパレータ１５が配置されている。膜電極接合体１４をセパレータ１５で挟持してなる燃料電池単セル１０は、燃料電池を構成する単位ユニットとなる。

燃料電池は、単位ユニットで使用されることは稀で、複数の単位ユニットが直列つなぎで使用される。セパレータ１５は、複数の単位ユニットを繋げ且つ温調媒体（冷却媒体）を流す仕様の燃料電池である場合、必ずプレート間の接触箇所が発生する。また、セパレータ１５と電解質膜１１との間には、シール部として機能するガスケット１６が介在されている。

電解質膜１１は、固体高分子材料、例えば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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電極触媒層１２は、一般的には、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む撥水層と、白金が担持されたカーボンブラックからなる触媒層が重なった構造を有する。ガス拡散層１３は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。

セパレータ１５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る。例えば、カーボンよりも強度に優れ且つ薄肉化が用意なステンレス材料（SUS316）などの如き耐食性に優れた金属材料をプレス加工することにより形成される。さらに、セパレータ１５の表面には、耐食性や電気抵抗を向上させるため、金メッキのような表面処理が施される。セパレータ１５には、反応ガス流路である燃料ガス流路１７及び酸化剤ガス流路１８と、冷却媒体が流れる冷媒流路１９とが形成されている。

ガスケット１６は、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の接着剤シールによって接着される。このガスケット１６が接着される電解質膜１１の表裏には、弾性係数の大きい薄板材料からなる補強板７が配置されている。例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような薄板材からなる補強板７を電解質膜１１の表裏面に配置し、そこ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したガスケット１６を設ける。

燃料電池スタック１は、前記した燃料電池単セル１０を多数積層してセル積層方向（燃料電池単セル積層方向）の両端に、集電板２、絶縁板３、エンドプレート４をこの順に配置して構成される。そして、燃料電池スタック１は、それら各部材をセル積層方向に締め付け、セル積層体の内部に貫通した貫通孔にタイロッド５を挿通し、そのタイロッド５の端部にナット７を螺合することにて締結される。タイロッド５は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、燃料電池単セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理をした構造とされている。

集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、２枚の集電板２にはそれぞれ出力端子２Ａが設けられており、燃料電池スタック１で生じた起電力を外部へ出力可能となっている。

なお、燃料電池単セル１０の締結方法は、タイロッド５を燃料電池スタック１内部に貫通する方法の他に、燃料電池スタック１外部でエンドプレート４同士をタイロッド５により締め付ける機構としても良い。この他、図3に示すように、燃料電池スタック１のセル積層方向一端の第１エンドプレート４Ａと該第１エンドプレート４Ａのセル積層方向内側に設けた絶縁板３との間に、第２エンドプレート４Ｂが配置され、第１エンドプレート４Ａと第２エンドプレート４Ｂ間にバネ等の加圧装置６を設置し、これらエンドプレート４Ａ、４Ｂ間をタイロッド５によって締め付ける機構としても良い。

以上のように構成された燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、一方のエンドプレート４に形成された燃料ガス入口孔２０からスタック内へと導入され、燃料ガス流路１７を流れた後、燃料ガス出口２１から排出される。酸化剤ガスは、同じく一方のエンドプレート４に形成された酸化剤ガス入口孔２２からスタック内へと導入され、酸化剤ガス流路１８を流れた後、酸化剤ガス出口孔２３から排出される。冷却媒体は、同じく一方のエンドプレート４に形成された冷媒入口孔２４からスタック内へと導入され、冷媒流路１９を流れた後、冷媒出口孔２５から排出される。

そして、アノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、電極触媒層１２上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜１１を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は、集電板２の出力端子２Ａから外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているため、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

「セパレータの詳細説明」
次に、セパレータ１５について詳細に説明する。図５はセパレータの外周縁部分を示す要部拡大斜視図、図６はセパレータの平面図、図７（Ａ）は図６のＡ−Ａ断面図、図７（Ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図、図８は金属板同士を溶接する溶接位置を示す図である。

本実施形態のセパレータ１５では、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の反応ガスが流れる領域）にプレス加工によって、各金属板１５Ａ、１５Ｂに凹条部２６と凸条部２７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。セパレータ１５は、この２枚の金属板１５Ａ、１５Ｂを互いの凹条部２６同士及び凸条部２７同士を重ね合わせて溶接することで接合一体化されて形成される。そして、膜電極接合体１４と接する側の凹条部２６が反応ガス流路である燃料ガス流路１７または酸化剤ガス流路１８となり、凸条部２７同士が突き合われて形成される空洞部が冷媒流路１９となる。

そして、本実施形態のセパレータ１５では、複数形成された冷媒流路１９のうち発電に寄与しない部位（アクティブ領域以外の部位）を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部１２を潰して閉塞させている。具体的には、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流れるアクティブ領域における燃料ガス流路１７及び酸化剤ガス流路１８の最外周縁部の外側に設けられた冷媒流路１９の一部を冷却媒体が流れないように、各金属板１５Ａ、１５Ｂの凸条部２７、２７を互いに接触するまで潰して流路を閉塞させている。これら凸条部２７の一部が潰されることで、流路が閉塞される凹部２８が形成される。

前記凹部２８は、前記冷媒流路１９に冷却媒体を流出入させるセパレータ１５に形成された冷却媒体入口マニホールド２９側の冷媒入口位置近傍部及び冷却媒体出口マニホールド３０側の冷媒出口位置近傍部に形成されている。冷媒入口位置近傍部と冷媒出口位置近傍部に凹部２８を形成すれば、アクティブ領域以外の部分となる冷媒流路１９が入口から出口にかけて閉塞される。

なお、冷却媒体入口マニホールド２９の両側には、燃料ガス入口マニホールド３１と酸化剤ガス入口マニホールド３２が形成されている。また、冷却媒体出口マニホールド３０の両側には、燃料ガス出口マニホールド３３と酸化剤ガス出口マニホールド３４が形成されている。なお、図６には、酸化剤ガス入口マニホールド３２から流出する酸化剤ガスを各酸化剤ガス流路１８へと分流させる入口側ディフューザ３５と、酸化剤ガス出口マニホールド３４へと酸化剤ガスを集める出口側ディフューザ３６とが形成された酸化剤ガスの流路構造が示されている。

また、本実施形態のセパレータ１５では、二枚の金属板１５Ａ、１５Ｂの外周縁部を溶接して接合一体化させることで形成されるが、その溶接に際しては、溶接開始位置及び溶接終了位置を、前記凸条部１２を潰した部位である凹部２８としている。溶接は、最外周部の凸条部２７とその隣りの凸条部２７間の凹条部２６に行い、４箇所形成した凹部２８のうち一箇所の凹部２８を溶接開始位置及び溶接終了位置としている。なお、図５及び図８には、溶接ラインＡを示してある。

溶接には、例えばアーク溶接、レーザー溶接、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接など種々の溶接手段が採用できるが、燃料電池セパレータ端部の狭い領域に対して高い溶接精度が要求されるためレーザー溶接が好ましい。なお、接着剤によって金属板１５Ａ、１５Ｂ同士を接合しても良いが、乾燥時間を要することから溶接による手法の方が好ましい。

また、本実施形態のセパレータ１５では、図５及び図８の溶接ラインＡに沿って液状の接着剤を塗布することによりガスケット１６を形成している。接着剤を塗布するに際しては、接着剤塗布開始位置及び接着剤塗布終了位置を、前記溶接開始位置及び溶接終了位置とした凹部２８としている。接着剤塗布ラインＢは、図８の実線で示す。

溶接終始点は、一般部分と比較して凹凸が大きくなる傾向にあり、発電時の腐食の起点となる可能性がある。そのため、溶接終始点を接着剤で被覆し、反応ガス流体と接触しない構造とすることにより腐食を防止することが可能となる。また、凹部２８が接着剤で充填されて埋まるため、反応ガスのガスケット１６が形成されたシール溝（凹条部２６）への流入を阻止することができる。これにより、発電に寄与しない反応ガスの無駄な流出が無くなり、反応ガスの有効利用を図ることができる。凹部２８は、出来る限り接着剤量を増やすようにすることが好ましいが、反応ガス流路へはみ出すさない程度の接着剤量とする。なお、４箇所に形成した全ての凹部２８に接着剤を塗布充填するようにしてもよい。

本実施形態によれば、複数ある冷媒流路１９のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を潰して閉塞したので、発電に寄与する部位以外の部位（アクティブ領域以外の部位）への冷却媒体の流入を阻止することができ、それによりアクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつくことが無くなり、温度分布を均一化できる。さらに、発電反応に寄与しない部位に冷却水が流入しないため、セパレータ外周部分の温度が低下して、発電で得られた生成水の結露などによる発電性能の低下を防止できる。

また、本実施形態によれば、膜電極接合体１４とセパレータ１５間をシールするシール部材であるガスケット１６を、凸条部２７を潰した凹部２８にも充填したので、反応ガスのシール溝への流入を阻止することができる。

また、本実施形態によれば、接着剤の塗布開始位置及び塗布終了位置を、凸条部２７を潰した凹部２８としたので、凹部２８に塗布充填された接着剤によってシール溝への反応ガスの流出を阻止できる。

また、本実施形態によれば、溶接開始位置及び溶接終了位置を、凸条部２７を潰した凹部２８としたので、発電時の腐食の起点となる溶接開始位置及び溶接終了位置が接着剤で被覆されることになり、反応ガスと接触がされないことで腐食防止を回避できる。

また、本実施形態によれば、凸条部２７を潰した凹部２８を、冷媒流路１９に冷却媒体が流出入する入口位置及び出口位置近傍部としたので、冷却媒体の流出入を出入口で封止することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、図９に示すように、溶接ラインＡを、凸条部２７を潰した凹部２８間において反応ガス流路を構成する凹条部２６に設け、金属板１５Ａ、１５Ｂの凹条部２６同士を溶接するようにしてもよい。こうすることで、隣り合う冷媒流路１９からの冷却媒体の流入を阻止することができる。

図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 図２は燃料電池単セルの拡大断面図である。 図３は燃料電池スタックの断面図である。 図４は膜電極接合体とセパレータのシール部分を示す断面図である。 図５はセパレータの外周縁部分を示す要部拡大斜視図である。 図６はセパレータの平面図である。 図７（Ａ）は図６のＡ−Ａ断面図、図７（Ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図である。 図８は金属板同士を溶接する溶接位置を示す図である。 図９は反応ガス流路に溶接位置を設けた例を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１０…燃料電池単セル
１１…電解質膜
１２…電極触媒層（触媒層）
１３…ガス拡散層
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１５Ａ、１５Ｂ…金属板
１６…ガスケット（シール部材）
１７…燃料ガス流路（反応ガス流路）
１８…酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
１９…冷媒流路
２６…凹条部
２７…凸条部
２８…凹部（凸条部を潰した部位）

Claims (7)

1. 発電に寄与する領域に凹条部と凸条部を交互に形成した凹凸形状をなす金属板同士を貼り合わせることで反応ガス流路及び冷媒流路を形成したセパレータと、電解質膜の両側に触媒層とガス拡散層を配置した膜電極接合体とを有し、セパレータで膜電極接合体を挟持してなる燃料電池において、
   前記冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部を潰して閉塞した
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体と前記セパレータ間をシールするシール部材を、前記凸条部を潰した部位にも充填した
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記凸条部を潰したことで形成される凹条部に接着剤を塗布することにより前記シール部材が形成され、その接着剤の塗布開始位置及び塗布終了位置を、前記凸条部を潰した部位とした
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記金属板同士を溶接にて接合し、その溶接開始位置及び溶接終了位置を、前記凸条部を潰した部位とした
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記凸条部を潰した部位を二箇所以上設け、その二箇所の部位に隣接する前記反応ガス流路を構成する凹条部同士を溶接した
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２から請求項５の何れかに記載の燃料電池であって、
   前記凸条部を潰した部位は、前記冷媒流路に冷却媒体が流出入する入口位置近傍部及び出口位置近傍部とした
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 金属板に凹条部と凸条部を交互に形成して凹凸形状を形成した後、前記凹条部同士及び前記凸条部同士を重ね合わせて２枚の金属板を接合一体化して、前記凹条部を反応ガスが流れる反応ガス流路とし且つ前記凸条部同士が突き合わされて形成される空洞部を冷却媒体が流れる冷媒流路となすセパレータの製造方法において、
   前記冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部を潰して閉塞する
   ことを特徴とするセパレータの製造方法。

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