JP2009181712A - Laminated fuel cell, separator/gasket aggregate for fuel cell, and fuel cell separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層形燃料電池、燃料電池用セパレータ・ガスケット集合体及び燃料電池用セパレータに係り、特に固体高分子形燃料電池を複数個積層した積層形燃料電池に関する。 The present invention relates to a stacked fuel cell, a fuel cell separator / gasket assembly, and a fuel cell separator, and more particularly to a stacked fuel cell in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked.
近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、固体高分子形燃料電池を始めとする水素やメタノール等を燃料とし、酸素やこれを含む空気等を酸化剤とした燃料電池が注目を集めている。 In recent years, global warming and environmental pollution problems due to mass consumption of fossil fuels have become serious problems. As a means of coping with this problem, instead of internal combustion engines that burn fossil fuels, solid polymer fuel cells and other fuel cells that use hydrogen, methanol, etc. as fuels, and oxygen, air containing them, etc., attract attention. Collecting.
燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。特に、近年の環境保護への関心の高まりから、燃料電池の分散電源や電気自動車電源への用途展開が期待されている。 The fuel cell is attracting attention as a clean power generation system because it has less burden on the environment of the waste generated by power generation. In particular, due to the recent increase in interest in environmental protection, the development of applications for fuel cell distributed power sources and electric vehicle power sources is expected.
また、高エネルギー密度の電源として、モバイル機器の電源として燃料電池の適用可能性が検討され始めている。 In addition, as a high energy density power source, the possibility of using a fuel cell as a power source for a mobile device is being studied.
燃料電池には、固体高分子形,リン酸型,溶融炭酸塩型,固体酸化物型等が挙げられる。その中で、固体高分子形燃料電池は、室温から100℃程度の比較的低温で発電が可能であり、出力密度が高いことから、上述した用途では固体高分子形燃料電池が最も適している。 Examples of the fuel cell include a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type. Among them, the polymer electrolyte fuel cell can generate power at a relatively low temperature from room temperature to about 100 ° C., and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is most suitable for the above-mentioned applications. .
固体高分子形燃料電池は、一般的に固体高分子電解質膜の両面にアノード、カソードとなる触媒金属を担持した担持カーボンの層(以下、単に電極触媒層と述べる)が配置された構造を中心に構成されている。ここでアノード、カソードの固体高分子電解質膜とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が配置される。 A polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a supported carbon layer (hereinafter simply referred to as an electrode catalyst layer) supporting a catalyst metal serving as an anode and a cathode is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. It is configured. Here, a diffusion layer is disposed on the surface opposite to the solid polymer electrolyte membranes of the anode and cathode in order to smoothly diffuse hydrogen, methanol, air, and oxygen as fuel.
固体高分子形燃料電池では、例えば燃料に水素を用いた場合、燃料中の水素と空気中の酸素から発電中に次の反応式で表される反応によって水が生成する。 In the polymer electrolyte fuel cell, for example, when hydrogen is used as the fuel, water is generated from the hydrogen in the fuel and the oxygen in the air by the reaction represented by the following reaction formula during power generation.
アノード側 H2 → 2H+ + 2e−
カソード側 1/2O2 + 2H+ + 2e− → H2O
全反応 H2 + 1/2O2 → H2O
上記の反応において固体高分子形燃料電池の発電時には最大約1Vの電圧が発生する。固体高分子形燃料電池では、単セルでは上記のように最大約1V程度の電圧しか出力されない。このために、出力規模に応じて単セルを複数個積層し、電気的に直列に接続した積層形燃料電池が実際のシステムに用いられる。燃料電池自動車用の燃料電池では50〜70kWの出力が求められており、200〜500個の単セルを積層する必要がある。積層数が増加すると積層形燃料電池の出力電圧が高くなり、200〜500セルの積層時の出力電圧は200〜500Vとなる。このような、積層形電池の出力電圧が増加は、積層したセル間の短絡が発生を容易にし、発電特性や長期安定性の低下や安全性を損なう原因となる。
Anode side H 2 → 2H + + 2e −
Cathode 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
Total reaction H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
In the above reaction, a maximum voltage of about 1 V is generated during power generation of the polymer electrolyte fuel cell. In the polymer electrolyte fuel cell, a single cell outputs only a voltage of about 1 V at the maximum as described above. For this reason, a stacked fuel cell in which a plurality of single cells are stacked in accordance with the output scale and electrically connected in series is used in an actual system. Fuel cells for fuel cell vehicles are required to have an output of 50 to 70 kW, and 200 to 500 single cells need to be stacked. When the number of stacks increases, the output voltage of the stacked fuel cell increases, and the output voltage when stacking 200 to 500 cells is 200 to 500V. Such an increase in the output voltage of the stacked battery facilitates the occurrence of a short circuit between the stacked cells, causing a decrease in power generation characteristics, long-term stability, and safety.
また、高い出力密度が求められる燃料電池自動車などの移動体向け燃料電池のセパレータには、炭素系材料に比べて成形が容易で、セパレータ厚さを薄くできる金属材料セパレータの開発が進められている。セパレータ厚さが薄くなると積層形電池の体積を低減することができ出力密度の向上が見込める。また、セパレータが薄くなったことからセパレータの変形に対応するためのシール構造が必要となる。同時に、セル間が短絡した場合には、短絡経路が短くなることにより短絡電流が増加し、発電特性や長期安定性、安全性などに対する影響が大きくなる。 In addition, as separators for fuel cells for mobile vehicles such as fuel cell vehicles that require high power density, development of metal material separators that are easier to mold than carbon-based materials and that can reduce the separator thickness is underway. . When the separator thickness is reduced, the volume of the stacked battery can be reduced and the output density can be improved. In addition, since the separator is thin, a seal structure is required to cope with the deformation of the separator. At the same time, when the cells are short-circuited, the short-circuit path is shortened, so that the short-circuit current is increased and the influence on power generation characteristics, long-term stability, safety, and the like is increased.
このような背景から、燃料や酸化剤や冷媒の外部への漏洩を防ぐためのシール材で積層形電池の外表面またはマニホールド表面を被うことにより短絡を防止する積層形燃料電池構造が提案されている。(例えば、特許文献1,2,3参照)。
Against this background, a stacked fuel cell structure has been proposed in which a short circuit is prevented by covering the outer surface of the stacked battery or the manifold surface with a sealing material for preventing leakage of fuel, oxidant and refrigerant to the outside. ing. (For example, see
金属材料セパレータの開発によりセパレータ厚さが薄くなったことから、燃料や酸化剤や冷媒の外部への漏洩を防ぐためのシール材の厚さが積層形電池の体積に与える影響度合いが比較的大きくなっている。 Since the thickness of the separator has been reduced due to the development of the metal material separator, the degree of influence of the thickness of the sealing material to prevent the leakage of fuel, oxidant, and refrigerant to the outside has a relatively large effect on the volume of the stacked battery. It has become.
従来技術では、セパレータの変形に対応しながらセル間の短絡を防ぐ構造として、燃料や酸化剤や冷媒の外部への漏洩を防ぐためのシール材で積層形燃料電池の外表面となるセパレータ外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部を被うことにより、短絡を防止する積層形燃料電池構造が提案されている。このようにセパレータ外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部をシール材で被う構造とすると、シール材の形状が複雑になるのでセパレータ外周部やマニホールド開口部に寸法精度よく成形することが困難であり、シール材の厚さが比較的厚くなる。また、シール部に積層方向の応力がかかるために金属材料セパレータの強度が問題となる。 In the prior art, the outer periphery of the separator that serves as the outer surface of the stacked fuel cell with a sealing material for preventing leakage of fuel, oxidant, and refrigerant to the outside as a structure that prevents short-circuiting between cells while accommodating deformation of the separator In addition, a stacked fuel cell structure that prevents a short circuit by covering a manifold opening on the surface of the manifold has been proposed. If the separator opening and the manifold opening on the surface of the manifold are covered with the sealing material in this way, the shape of the sealing material becomes complicated, so it is difficult to mold the separator outer periphery and the manifold opening with high dimensional accuracy. Yes, the seal material becomes relatively thick. In addition, since the stress in the stacking direction is applied to the seal portion, the strength of the metal material separator becomes a problem.
本発明の目的は、積層電池の積層方向の寸法を短くすることができ、積層電池の体積を低減して出力密度が高く、且つ、発電特性や長期安定性、安全性に優れる積層形燃料電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a stacked fuel cell that can shorten the dimension of the stacked battery in the stacking direction, has a high output density by reducing the volume of the stacked battery, and has excellent power generation characteristics, long-term stability, and safety. Is to provide.
本発明によれば、電解質と、その電解質の両面に配置した電極と、その電極のそれぞれの外表面に接触する一対のガスケット付きセパレータにより構成された単位セルと、その単位セルを冷却する冷却セパレータと、前記単位セルと前記冷却セパレータを複数個積層して両端を締付ける締付板とを有し、前記ガスケット付きセパレータと前記冷却セパレータの少なくとも外周表面に密着した高抵抗層を有することを特徴とする積層形燃料電池が提供される。ここで、セパレータの外周表面とは、その端面を含むことが必須ではなく、少なくともガスケットと積層される表面を含む意味である。もちろん、端面にも高抵抗層を形成してもよい。また、高抵抗層は通常の意味で絶縁性であっても良い。 According to the present invention, an electrolyte, electrodes disposed on both surfaces of the electrolyte, a unit cell constituted by a pair of gasketed separators in contact with each outer surface of the electrode, and a cooling separator for cooling the unit cell A plurality of the unit cells and a plurality of the cooling separators and a clamping plate for fastening both ends, and having a high resistance layer in close contact with at least the outer peripheral surface of the separator with the gasket and the cooling separator, A stacked fuel cell is provided. Here, the outer peripheral surface of the separator does not necessarily include its end face, but means that it includes at least the surface laminated with the gasket. Of course, a high resistance layer may also be formed on the end face. The high resistance layer may be insulative in a normal sense.
本発明は又、燃料及び酸化剤ガス或いは冷却水を分離する所望の流路と、燃料又は酸化剤ガス或いは冷却水を前記流路に供給し又は流路から排出するマニホールドを有するセパレータと、前記セパレータの両面に接触した一対のガスケットを有し、前記セパレータのマニホールド及びその近傍に高抵抗層を有する燃料電池用セパレータ・ガスケット集合体を提供するものである。 The present invention also provides a separator having a desired flow path for separating fuel and oxidant gas or cooling water, a manifold for supplying fuel or oxidant gas or cooling water to the flow path, or discharging the flow path from the flow path, A separator / gasket assembly for a fuel cell having a pair of gaskets in contact with both surfaces of the separator and having a high resistance layer in the vicinity of the manifold of the separator.
更に本発明は、金属体を成形して形成した流体の流路と、マニホールドを有し、その外周面とマニホールドの近傍に密着した高抵抗層を有する燃料電池用セパレータを提供するものである。 Furthermore, the present invention provides a fuel cell separator having a fluid flow path formed by molding a metal body, a manifold, and a high resistance layer in close contact with the outer peripheral surface and the vicinity of the manifold.
本発明によれば、積層電池の積層方向の寸法を短くすることができ、積層電池の体積を低減して出力密度が高く、且つ、発電特性や長期安定性、安全性に優れる積層形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to shorten the dimension of the stacked battery in the stacking direction, reduce the volume of the stacked battery, increase the output density, and have excellent power generation characteristics, long-term stability, and safety. Can be provided.
本発明の好ましい実施形態を以下に例示する。前記ガスケット付きセパレータと前記冷却セパレータのマニホールド及びその近傍に前記高抵抗層を形成することが望ましい。 Preferred embodiments of the present invention are exemplified below. It is desirable to form the high resistance layer on the manifold with the gasketed separator and the cooling separator and in the vicinity thereof.
また、前記ガスケット付きセパレータと前記冷却水セパレータが少なくとも一方が、鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなることが好ましい。これらの金属を用いると、積層形燃料電池の外表面となるセパレータ外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部に高抵抗層を形成することが容易である。これにより、薄いシール部材構成でセル間の絶縁を確保し、シール部の応力を緩和し、積層電池の積層方向の寸法を短くすることができ、積層電池の体積を低減して出力密度が高く、且つ、発電特性や長期安定性、安全性に優れる積層形燃料電池を提供することができる。 In addition, at least one of the gasketed separator and the cooling water separator is at least one metal selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium, and alloys of the metals. Preferably it consists of. When these metals are used, it is easy to form a high resistance layer in the outer periphery of the separator as the outer surface of the stacked fuel cell and the manifold opening as the manifold surface. This ensures insulation between cells with a thin seal member configuration, relieves stress at the seal part, shortens the dimension of the stacked battery in the stacking direction, reduces the volume of the stacked battery, and increases the output density. In addition, it is possible to provide a stacked fuel cell that is excellent in power generation characteristics, long-term stability, and safety.
また、前記ガスケット付きセパレータと前記冷却水セパレータの少なくとも一方が、複数の金属のクラッド材からなることが好ましい。なお、前記クラッド材の中間層は鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、かつ、前記金属層の最外表面はチタン,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,クロム,アルミニウム,金,白金,ルテニウム,パラジウムおよびこれらの合金から選ばれる金属で構成されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that at least one of the said separator with a gasket and the said cooling water separator consists of a several metal clad material. The intermediate layer of the clad material is made of at least one metal selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium and alloys of the metal, and the metal The outermost surface of the layer is preferably composed of a metal selected from titanium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, chromium, aluminum, gold, platinum, ruthenium, palladium and alloys thereof.
前記クラッド材の各層の境界面に、隣り合う金属で構成される金属間化合物層が形成されているものを用いることができる。 What has the intermetallic compound layer comprised by the metal adjacent to the boundary surface of each layer of the said cladding material can be used.
前記高抵抗層は、セパレータの表面に密着し、容易に剥離や脱落が生じない絶縁性の膜を形成する酸化処理、溶射または陽極酸化処理によって形成されたものであることが好ましい。 The high resistance layer is preferably formed by oxidation treatment, thermal spraying or anodizing treatment that forms an insulating film that adheres to the surface of the separator and does not easily peel off or fall off.
電解質と当該電解質の両面に配置した電極と当該電極のそれぞれの外表面を被う一対のガスケット付きセパレータを単位セルとし、当該単位セルまたは複数個の当該単位セルに冷媒を用いて冷却する冷却セパレータを含み、単位セルと冷却セパレータを複数個積層して両端を締付板で締付けるようにした積層形燃料電池において、当該セパレータと当該冷却セパレータの積層形燃料電池の外表面となる外周部に密着した薄い高抵抗層を形成することを特徴とする。 A cooling separator that uses an electrolyte and electrodes disposed on both sides of the electrolyte and a pair of gasketed separators covering each outer surface of the electrode as a unit cell and cools the unit cell or a plurality of the unit cells using a refrigerant. In a stacked fuel cell in which a plurality of unit cells and cooling separators are stacked and both ends are tightened with a clamping plate, the separator and the cooling separator are in close contact with the outer peripheral portion of the stacked fuel cell The thin high resistance layer is formed.
前記の積層形燃料電池において電極の外表面を被う一対のセパレータと冷却セパレータのマニホールド表面となるマニホールド開口部に高抵抗層を形成することを特徴とする。この高抵抗層の厚さは0.5〜300μm、特に1〜100μmが好ましい。また、前記の高抵抗層の抵抗が1kΩ以上であることが好ましい。 The stacked fuel cell is characterized in that a high resistance layer is formed in a manifold opening that forms a manifold surface of a pair of separators and cooling separators that cover the outer surfaces of the electrodes. The thickness of the high resistance layer is preferably 0.5 to 300 μm, particularly 1 to 100 μm. The resistance of the high resistance layer is preferably 1 kΩ or more.
前記ガスケット付きセパレータと冷却水セパレータが鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなることが好ましい。この中で特にTi,Alが好ましく、その理由は、これらは表面に緻密な酸化物層を形成することである。この酸化物は抵抗値が高く、耐食性が優れている。又、これらの金属は比重が小さく、軽量である点も、燃料電池としては重要な利点である。 It is preferable that the gasketed separator and the cooling water separator are made of at least one metal selected from iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium and alloys of the metals. Of these, Ti and Al are particularly preferred, because they form a dense oxide layer on the surface. This oxide has a high resistance value and excellent corrosion resistance. Further, these metals have a small specific gravity and light weight, which is an important advantage as a fuel cell.
本発明の1つの実施形態を以下、図を用いて説明する。図1は第1の実施形態を示すセパレータ1の斜視図を示す。ただし、セパレータ1はその表裏面に面するガスケット5が接触されて、セパレータ・ガスケット集合体が形成される。セパレータ1は金属製で、周囲が平坦で、中央部を押出しプレス成型して流路を形成したものである。平坦部2はガスケット5を面接触するために必要な部位で、流路部3はセパレータの表裏に反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガスの総称)や冷却水を流通させるための凹凸状の溝である。さらに反応ガスおよび冷却水の出入り口となるマニホールド4が形成されている。セパレータ1の表裏面は平坦部2においてそれぞれ2枚のガスケット5が密着され、ガスケット付きセパレータ101を構成する。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a
実際の電池において、本実施例によるセパレータ1を使用する場合は、ガス拡散層6やMEA(Membrane Electrode Assembly、膜−電極接合体)7等と組み合わせ単位セルとする。図1に示すように、セパレータ1の外周部及びマニホールドの近傍に高抵抗層30が形成される。これにより、薄いシール部構成でセル間の絶縁を確保し、シール部の応力を緩和し、積層方向の寸法を小さくすることができる。しかも、セパレータの表面に酸化処理、溶射などにより薄い高抵抗層を形成すれば、燃料電池の発電特性や長期安定性及び安全性に優れた燃料電池を提供することができる。
When the
図2は本実施例によるセパレータを用いた電池構成の一例を示す。ガスケット5を張り合わせたセパレータ101は2種類で構成されている。両面に反応ガスを流通させるガスケット付きセパレータ101は101Aの符合で表した。また、片面が反応ガス用、反対面が冷却水用のセパレータを101Bの符合で表わした。従って、便宜上、101Aをガスケット付きセパレータ、101Bを冷却セパレータと称する。
FIG. 2 shows an example of a battery configuration using the separator according to this embodiment. The separator 101 to which the gasket 5 is bonded is composed of two types. The separator 101 with the gasket for allowing the reaction gas to flow on both sides is represented by the
ガスケット付きセパレータ101Aあるいは101Bのガス流通面側には、ガス拡散層6/MEA7/ガス拡散層6がそれぞれ挟持されており、一つの単セルを形成する。その他、集電板8、絶縁板9および端板10を用いて積層形燃料電池を形成する。
図1に示したセパレータ1は、隣り合う部材であるガス拡散層6とセパレータ1の凸面の頂点で接している。したがって、セパレータ1の凸面頂点は導電性を有している必要がある。それ以外の面は電気の導通に無関係であるため、導電性を必要とせず、絶縁層であっても構わないし、導電性であってもよい。
The
図5は、図2の一部断面図で、セパレータ・ガスケット集合体23(燃料及び酸化剤ガス用セパレータで発電部20にのみに使われるセパレータである)とMEA7及びセパレータ・ガスケット集合体24(燃料又は酸化剤ガス及び冷却水用セパレータで、片側は発電用に、他方は冷却水部21に使われるか、もしくは冷却部21にのみ用いられる)を示す。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of FIG. 2, in which a separator / gasket assembly 23 (a separator for fuel and oxidant gas used only for the power generation unit 20),
図3は図1に示したセパレータ1のA−Aにおける断面を模式的に示した図である。高抵抗層12は積層形燃料電池の外表面となるセパレータ1外周部のセパレータ材に形成される。
FIG. 3 is a view schematically showing a cross section taken along the line AA of the
図4は同じくB−B'における断面を模式的に示した図である。高抵抗層12は積層形燃料電池の外表面となるセパレータ1外周部とマニホールド4の表面となるマニホールド開口部のセパレータ材に形成される。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line BB ′. The
このような構成とすることにより、積層形燃料電池の外表面とマニホールド4が高抵抗層12に覆われるため、積層形燃料電池の外表面に導電体の接触や埃などの堆積により短絡回路が形成されても、短絡回路の抵抗が高くなり、短絡電流を発電特性に対してほとんど影響のない電流値に低減できる。これにより、簡易な構成で積層形燃料電池のセル間の絶縁を確保し、発電特性や長期安定性、安全性が向上する。
With this configuration, the outer surface of the stacked fuel cell and the
本発明の別の実施形態を説明する。セパレータ1は、最外層金属の種類によっては最初に述べた態様では充分な長期安定性が得られないことがある。これはセパレータ1の外層がニッケルなど、充分な耐食性を有していない場合は顕著な腐食が発生し、電池を劣化させる原因となる。したがって外層として選ぶ金属はある程度の耐食性を有していることが好ましい。なかでもチタン, ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステンは高耐食な金属であると同時に、腐食生成物の放出量が他の金属に比べ極めて少ない。これは腐食生成物が酸化皮膜として表面に留まる性質を有するためである。したがって、電極や電解質膜に及ぼす悪影響は小さく、燃料電池では好ましい金属である。
Another embodiment of the present invention will be described. Depending on the type of the outermost layer metal, the
アルミニウムは前記金属に比較すると耐食性に乏しいが、腐食してもアルマイトと同質の皮膜が生成するため、腐食生成物の放出量は比較的少ない。クロムは広い電位域にわたって、安定な不動態域を形成し、耐食性がある。金、白金、ルテニウム、パラジウム等は貴金属に分類され、非常に高い耐食性能を有する。 Aluminum has poor corrosion resistance compared to the above metals, but even if it corrodes, a film having the same quality as alumite is produced, so the amount of corrosion products released is relatively small. Chromium forms a stable passive region over a wide potential range and is corrosion resistant. Gold, platinum, ruthenium, palladium and the like are classified as noble metals and have very high corrosion resistance.
このような金属をセパレータ1の最外層に選ぶことにより、金属イオンの溶出が少なくなり、MEA7の電極や電解質膜の劣化を最小限に抑えられる長寿命なセパレータが期待できる。
By selecting such a metal as the outermost layer of the
本発明の別の態様を説明する。セパレータ1の最外層金属に鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金を用いた場合これらの金属の酸化物は高い抵抗を示す。そこで、セパレータ1の積層形燃料電池の外表面となる外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部以外の部分に酸化物が生成しないようにマスキングを施し、熱処理または酸処理により高抵抗層12を形成する。このとき、熱処理温度、時間、酸処理温度、時間、酸の種類を制御、選択することによって任意の厚さの高抵抗層12を形成することができる。これにより、簡易な構成で積層形燃料電池のセル間の絶縁を確保し、発電特性や長期安定性、安全性が向上する。高抵抗層は、セパレータに密着し、はがれや脱落がなく、薄く、なるべく平滑であるのが好ましい。それにより、多数の取り扱い性を損なうことなく単位セルを容易に密着して積層することができる。
Another embodiment of the present invention will be described. When the outermost layer metal of the
本発明の別の態様を説明する。セパレータ1の最外層金属にタンタル,タングステン,金,白金,ルテニウム,パラジウムおよび該金属の合金を用いた場合これらの金属は酸化物を生成しにくい。そこで、セパレータ1の積層形燃料電池の外表面となる外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部以外の部分にマスキングを施し、溶射により高抵抗層12を形成する。溶射する材料としては酸化物系セラミック材料が高抵抗層12を形成しやすく、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウムなどが良い。これにより、簡易な構成で積層形燃料電池のセル間の絶縁を確保し、発電特性や長期安定性、安全性が向上する。
Another embodiment of the present invention will be described. When tantalum, tungsten, gold, platinum, ruthenium, palladium, or an alloy of the metal is used as the outermost layer metal of the
本発明の別の実施形態を説明する。セパレータ1の最外層金属にアルミニウム,チタン,および該金属の合金を用いた場合これらの金属は陽極酸化処理により容易に高抵抗層12を形成することができる。そこで、セパレータ1の積層形燃料電池の外表面となる外周部およびマニホールド表面となるマニホールド開口部以外の部分にマスキングを施し、陽極酸化処理により高抵抗層12を形成する。これにより、簡易な構成で積層形燃料電池のセル間の絶縁を確保し、発電特性や長期安定性、安全性が向上する。
Another embodiment of the present invention will be described. When aluminum, titanium, or an alloy of the metal is used as the outermost layer metal of the
高抵抗層12の抵抗が10kΩである場合、積層形燃料電池の出力電圧が500Vと仮定すると短絡回路が形成されると、短絡電流は最大0.05Aとなる。これは、積層形燃料電池から取り出す電流と比較して十分に小さい値であるので、高抵抗層12の抵抗は10kΩ以上であれば、発電特性や長期安定性、安全性は十分に保たれる。
When the resistance of the
(実施例1)
本発明の具体的実施例について説明する。セパレータ1に使用する多層金属板に中間層にステンレス鋼(SUS304)と銅(C1100)、外層にチタン(TP270)およびニッケル(Nickel200)を使用した例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼あるいは銅の両側に薄層のチタンあるいはニッケルを冷間圧延でクラッド化してコイル状のセパレータ基板をつくることができる。
Example 1
Specific examples of the present invention will be described. An example in which stainless steel (SUS304) and copper (C1100) are used for the intermediate layer and titanium (TP270) and nickel (Nickel200) are used for the outer layer of the multilayer metal plate used for the
ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍し、その後のプレス加工に適した性状の板材とする。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸状状を有するセパレータに加工する。これと同時に打ち抜きも行い、マニホールド4を形成する。これにより図1に示したセパレータ1と同等の形状のものを製作することができる。ただし、中間層の材質によりプレス成型後の仕上がり精度が異なる。中間層に銅を選んだ多層金属板(外層はチタン)は反りが小さく、平面度は1/100程度であった。
The finished thickness of the separator substrate used here was 0.2 mm. Since the separator substrate after being clad is work-hardened, it is annealed at a temperature of 400 to 800 ° C. to obtain a plate material having properties suitable for subsequent press working. In order to form the flow channel groove, it is processed into a separator having an uneven shape on both sides of the flat portion and the central portion with an extrusion press. At the same time, punching is performed to form the
中間層にステンレス鋼を選んだものは反りが銅より大きい、3/100前後であった。仕上がり精度は中間層に大きく依存し、弾性係数の小さい金属、伸びの大きな金属ほど仕上がり精度が高い。したがって精度を高める必要がある場合は銅やアルミニウムなどの金属が好適である。ただし、以下で述べるように、被覆層の防食性能が小さい場合はマニホールド4で中間層が露出する部位での腐食が発生することもあり、中間層の耐食性と被覆層の防食性を勘案して材料を選定する必要がある。
In the case where stainless steel was selected as the intermediate layer, the warp was about 3/100, which was larger than that of copper. Finishing accuracy depends greatly on the intermediate layer, and finishing accuracy is higher for metals with lower elastic modulus and metals with higher elongation. Accordingly, metals such as copper and aluminum are suitable when accuracy needs to be increased. However, as described below, when the anticorrosion performance of the coating layer is small, corrosion may occur at a portion where the intermediate layer is exposed in the
次に、加工後のセパレータに酸化物高抵抗層を形成する手法を説明する。酸化物高抵抗層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じて、酸化膜を除去するためのブラスト処理、あるいは研磨、酸洗を行う。ついでアルカリや有機溶剤による脱脂処理を施す。その後、酸化物高抵抗層を形成するセパレータの外周部およびマニホールド開口部以外を冷却ジャケットで被い、外周部およびマニホールド開口部に高周波ヒータを配置して、空気中、400〜800℃に急激に過熱することによりセパレータを酸化した。これによってセパレータ1が完成する。
ガスケット5は平板あるいはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作する。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴム、EPDMなどが好適である。ガスケット5は弾性体でなくとも、PPSのような硬い材料を用いることも可能である。ただし、シール効果が小さいので、セパレータ1とガスケット5の間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりガスケットつきセパレータ101が得られる。
Next, a method for forming an oxide high resistance layer on the processed separator will be described. Prior to forming the oxide high resistance layer, blasting for removing the oxide film, polishing, or pickling is performed according to the surface state of the separator after processing. Next, degreasing treatment with an alkali or an organic solvent is performed. Thereafter, the outer periphery of the separator forming the oxide high resistance layer and the manifold opening are covered with a cooling jacket, and a high-frequency heater is disposed on the outer periphery and the manifold opening, and rapidly increases to 400 to 800 ° C. in the air. The separator was oxidized by overheating. Thereby, the
The gasket 5 is manufactured by punching a flat or sheet-like elastic body. As the material, silicon rubber, EPDM and the like excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance are suitable. The gasket 5 may be made of a hard material such as PPS without being an elastic body. However, since the sealing effect is small, a liquid gasket or the like needs to be adhered between the
上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であって、これに限定するものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、電池構成も一例であり、これに限定するものではない。また、多層金属板を製作するプロセスも各種存在し、必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。 The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the battery configuration are merely examples, and the present invention is not limited thereto. There are also various processes for producing a multilayer metal plate, and appropriate means can be selected as necessary.
(実施例2)
本発明の具体的実施例について説明する。セパレータ1に使用する多層金属板に中間層にステンレス鋼(SUS304)と銅(C1100)、外層にチタン(TP270)およびニッケル(Nickel200)を使用した例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼あるいは銅の両側に薄層のチタンあるいはニッケルを冷間圧延でクラッド化してコイル状のセパレータ基板をつくることができる。
(Example 2)
Specific examples of the present invention will be described. An example in which stainless steel (SUS304) and copper (C1100) are used for the intermediate layer and titanium (TP270) and nickel (Nickel200) are used for the outer layer of the multilayer metal plate used for the
ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍し、その後のプレス加工に適した性状の板材とする。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸状状を有するセパレータに加工する。これと同時に打ち抜きも行い、マニホールド4を形成する。これにより図1に示したセパレータ1と同等の形状のものを製作することができる。
The finished thickness of the separator substrate used here was 0.2 mm. Since the separator substrate after being clad is work-hardened, it is annealed at a temperature of 400 to 800 ° C. to obtain a plate material having properties suitable for subsequent press working. In order to form the flow channel groove, it is processed into a separator having an uneven shape on both sides of the flat portion and the central portion with an extrusion press. At the same time, punching is performed to form the
次に、加工後のセパレータの外周部およびマニホールド開口部以外をマスキングし、溶射皮膜が密着するように溶射部分の金属表面をブラスト処理にて荒らした。その後、アルミナ皮膜を溶射により形成した。溶射後のセパレータの表面状態に応じて、酸化膜を除去するためのブラスト処理、あるいは研磨、酸洗を行う。ついでアルカリや有機溶剤による脱脂処理を施す。これによってセパレータ1が完成する。
Next, the processed separator was masked except for the outer peripheral portion of the separator and the manifold opening, and the metal surface of the sprayed portion was roughened by blasting so that the sprayed coating was in close contact. Thereafter, an alumina film was formed by thermal spraying. Depending on the surface state of the separator after thermal spraying, blasting for removing the oxide film, polishing, or pickling is performed. Next, degreasing treatment with an alkali or an organic solvent is performed. Thereby, the
ガスケット5は平板あるいはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作する。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコーンゴム、EPDMなどが好適である。ガスケット5は弾性体でなくとも、PPSのような硬い材料を用いることも可能である。ただし、シール効果が小さいので、セパレータ1とガスケット5の間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりガスケットつきセパレータ101が得られる。
The gasket 5 is manufactured by punching a flat or sheet-like elastic body. As the material, silicone rubber, EPDM and the like excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance are suitable. The gasket 5 may be made of a hard material such as PPS without being an elastic body. However, since the sealing effect is small, a liquid gasket or the like needs to be adhered between the
上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であって、これに限定するものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、電池構成も一例であり、これに限定するものではない。また、多層金属板を製作するプロセスも各種存在し、必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。 The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the battery configuration are merely examples, and the present invention is not limited thereto. There are also various processes for producing a multilayer metal plate, and appropriate means can be selected as necessary.
(実施例3)
本発明の更に他の具体的実施例について説明する。セパレータ1に使用する多層金属板に中間層にアルミニウム(A5052)、外層にチタン(TP270)を使用した例を示す。コイル状薄板のアルミニウムの両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化してコイル状のセパレータ基板をつくることができる。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは0.2mmとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため400〜800℃の間で焼鈍し、その後のプレス加工に適した性状の板材とする。
(Example 3)
Still another specific embodiment of the present invention will be described. An example in which aluminum (A5052) is used for the intermediate layer and titanium (TP270) is used for the outer layer in the multilayer metal plate used for the
流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸状状を有するセパレータに加工する。これと同時に打ち抜きも行い、マニホールド4を形成する。これにより図1に示したセパレータ1と同等の形状のものを製作することができる。
In order to form the flow channel groove, it is processed into a separator having an uneven shape on both sides of the flat portion and the central portion with an extrusion press. At the same time, punching is performed to form the
次に、加工後のセパレータに酸化物高抵抗層を形成する手法を説明する。陽極酸化処理で高抵抗層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じて、酸化膜を除去するためのブラスト処理、あるいは研磨、酸洗を行う。ついでアルカリや有機溶剤による脱脂処理を施す。その後、酸化物高抵抗層を形成するセパレータの外周部およびマニホールド開口部以外をマスキングした。 Next, a method for forming an oxide high resistance layer on the processed separator will be described. Prior to forming the high resistance layer by anodizing, blasting for removing the oxide film, polishing, or pickling is performed according to the surface state of the separator after processing. Next, degreasing treatment with an alkali or an organic solvent is performed. Thereafter, the portions other than the outer periphery of the separator and the manifold opening were formed to form the oxide high resistance layer.
陽極酸化処理は、電解浴に3〜10%のシュウ酸を用い、電圧を30〜100V、温度10℃以下、処理時間20〜120分で処理を行い、膜厚は20〜50μmであった。その後、沸騰水中で封孔処理を行った。これによってセパレータ1が完成する。
In the anodizing treatment, 3 to 10% oxalic acid was used in the electrolytic bath, the voltage was 30 to 100 V, the temperature was 10 ° C. or less, the treatment time was 20 to 120 minutes, and the film thickness was 20 to 50 μm. Then, the sealing process was performed in boiling water. Thereby, the
ガスケット5は平板あるいはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作する。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴム、EPDMなどが好適である。ガスケット5は弾性体でなくとも、PPSのような硬い材料を用いることも可能である。ただし、シール効果が小さいので、セパレータ1とガスケット5の間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりガスケットつきセパレータ101が得られる。
The gasket 5 is manufactured by punching a flat or sheet-like elastic body. The material is preferably silicon rubber, EPDM or the like which is excellent in heat resistance, water resistance and creep resistance. The gasket 5 may be made of a hard material such as PPS without being an elastic body. However, since the sealing effect is small, a liquid gasket or the like needs to be adhered between the
上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であって、これに限定するものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、電池構成も一例であり、これに限定するものではない。また、多層金属板を製作するプロセスも各種存在し、必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。 The material used above is an example for explaining the present embodiment, and the present invention is not limited to this. Further, the separator manifold, the flow path structure, the gasket structure, and the battery configuration are merely examples, and the present invention is not limited thereto. There are also various processes for producing a multilayer metal plate, and appropriate means can be selected as necessary.
1…セパレータ、2…平坦部、3…流通部、4…マニホールド、5…ガスケット、6…ガス拡散層、7…MEA、8…集電板、9…絶縁板、10…端板、12…高抵抗層、20…発電部、21…冷却部、23…発電部セパレータ、24…冷却部セパレータ、30…高抵抗層、101A…ガスケット付きセパレータ、101B…冷却用セパレータ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008017514A JP2009181712A (en) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Laminated fuel cell, separator/gasket aggregate for fuel cell, and fuel cell separator |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008017514A JP2009181712A (en) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Laminated fuel cell, separator/gasket aggregate for fuel cell, and fuel cell separator |
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Family
ID=41035535
Family Applications (1)
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JP2008017514A Pending JP2009181712A (en) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Laminated fuel cell, separator/gasket aggregate for fuel cell, and fuel cell separator |
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Citations (2)
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JP2005347282A (en) * | 2005-08-22 | 2005-12-15 | Hitachi Ltd | Separator for solid polymer fuel cell and fuel cell |
-
2008
- 2008-01-29 JP JP2008017514A patent/JP2009181712A/en active Pending
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