JP2010113945A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】対向する金属製の一対の電極プレート12,14及びこの一対の電極プレート12,14に挟持積層される樹脂製の中間プレート13を備えてなる燃料電池用セパレータであって、MEA30、及びこのMEA30の触媒電極と電極プレート12,14との間のガス流路形成部40,41の外周部に設けられ、電極プレート12,14と接触することによりガス流路形成部40,41におけるガスシール性を保持させるシール部42の、セパレータ外周部を一巡するラインSLに対応する中間プレート13部分又はその外周に補強部51を設け、セパレータ外周部における剛性を高める。
【選択図】図5
Description
これは、金属製の第1,第2プレートと、これら両プレート相互間に挟持されるプレートであって、積層時に電解質層及び電極層と重なる領域の一部に、厚さ方向に貫通し、冷媒が流れる冷媒流路を第1,第2プレート間に形成する第3プレート(中間プレート)とを備える。そして、上記冷媒流路に配置されると共に、燃料電池の発電時におけるセパレータ面内の温度分布において、より温度が高くなる領域ほど冷媒の流速が速くなるように、冷媒流路内における冷媒の流速を調整する流速調整部を備える、というものである(特許文献1参照)。
すなわち上記従来技術において、中間プレートにはシール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂が使用されることがあるが、このようなラミネート樹脂は金属製の第1,第2プレートに比べて剛性が低い。しかも、ラミネート樹脂からなる中間プレートの外周側には、その機能上、空気(酸素)、水素等のガスや水等の冷却媒体が流れるマニホールド穴が複数並んで配設されている。したがって、中間プレート外周部は極めて幅が狭く長い構造となっており、厚みも薄いことから、その部分における剛性は極めて低くなっている。
一方、燃料電池は、このようなセパレータと単セル(MEAとガス流路形成部)との組を多数配列する構造であるためこれらを一定荷重で締結するが、この際、MEAからのガスの漏れ出しをその外周部分において防ぐためのシール部(ガスケット)にも荷重分配されるため、シールライン(ガスケットライン)上は荷重がかかりやすい部分となる。
また、中間プレートの外周部分における剛性が極めて低いことによっては、セパレータと単セルとの組を多数締結する際の締結荷重によるシール部の反力で中間プレートに配設された上記マニホールド穴等のガス、冷却媒体の流路が変形し、圧損バラツキを発生させる虞がある。このため、中間プレートの位置決めは注意深く行わなければならず、面倒な作業となっていた。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、1つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
中間プレートは、対向する一対の電極プレートに挟持積層されて冷媒流路を形成させるプレートである。
シール部のライン(シールライン)は、シール部が電極プレートに接触するラインであって、多数の燃料電池用セパレータと単セル(膜−電極接合体とガス流路形成部)との組の締結時にシール部の反力を受ける部分であり、補強部はこの部分の剛性を高める。
(2) 前記補強部は、前記ラインに沿ってセパレータ外周部を連続又は断続して形成されることを特徴とする(1)項に記載の燃料電池用セパレータ。
補強部のシールラインに沿う方向に交差する方向の寸法(補強部の幅)は、補強部の材質や中間プレートの材質等を考慮して種々に設定される。
断続とは連続しない全ての形態を含み、断続する補強部のシールラインに沿う方向の寸法(補強部単体の長さ)や補強部の相互間隔等は種々に設定される。
(3) 前記補強部は、前記中間プレート中に埋込み形成されることを特徴とする(1)項又は(2)項に記載の燃料電池用セパレータ。
(4) 前記補強部は、中間プレート成形時に形成される補強用繊維混入部であることを特徴とする(1)項又は(2)項に記載の燃料電池用セパレータ。
補強用繊維としてはガラス繊維やカーボン繊維等が挙げられる。
(5) 前記補強部は、前記一対の電極プレート中のいずれか一方の電極プレートに形成され、前記中間プレートの外周端を跨いで他方の電極プレートの前記一方の電極プレートとの対向面に当接する電極プレート外周端突部であることを特徴とする(1)項又は(2)項に記載の燃料電池用セパレータ。
(6) 前記補強部は、金属材からなる(1)項、(2)項又は(3)項に記載の燃料電池用セパレータ。
金属材としては、ステンレス鋼やチタン等の高耐食性を有する金属材が挙げられる。
(7) 前記補強部の前記プレート積層方向の寸法は、前記3つのプレートが積層組立てされた際に、中間プレートの電極プレートとの各積層面が、各々電極プレート面にシール性を保持した状態で密着される寸法に設定されることを特徴とする(1)項、(2)項又は(5)項のうちのいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。
本項に記載の発明によれば、補強部が直接、電極プレートに接触する場合に、中間プレート内方における流体が中間プレートの電極プレートとの各積層面から漏れ出すことを防止できる。
(2)項に記載の発明によれば、シールラインに沿う補強部の配設形態を必要に応じて様々に設定できる。
(3)項、(4)項に記載の発明によれば、補強部が直接、電極プレートに当接する場合の中間プレートにおけるシール性保持のための補強部の寸法設定の制約は生じない。
(5)項に記載の発明によれば、中間プレートに加工を施すことなくセパレータ外周部分における剛性の低下を防止できる。
(6)項に記載の発明によれば、金属材は入手しやすく、加工も容易でありながらセパレータ外周部分における剛性の低下防止効果は大きく、コスト対効果に優れる。
なお、(7)項に記載の発明は、本発明(特許請求の範囲に記載した発明)ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。
図1は、本発明が適用される燃料電池の一例の概略断面図である。
図示するように燃料電池は、セパレータ10と、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)30と、ガス流路形成部40,41とを順次積層した積層体を備えている。
この場合、セパレータ10は、一方の電極プレートをなすカソード側プレート12、樹脂製の中間プレート13及び他方の電極プレートをなすアノード側プレート14の3層からなる。MEA30とガス流路形成部40,41とは、発電の単位である単セル60を形成しているが、上記セパレータ10は、各単セル60間に配設されるもので、内部に冷媒流路18を形成している。なお、冷媒とは水等の冷却媒体を指す。
このような単セル60及びセパレータ10からなる構成の単位を繰り返し積層することによって燃料電池が構成される。
なお酸化ガスは、酸素を含有するガスであり、ここでは空気を用いている。
上記穴部22は、セパレータ10内の冷媒流路18へと分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成し、穴部23は、電気化学反応に供された燃料ガスが流入する燃料ガス排出マニホールドを形成する。
なお冷媒としては、例えば不凍液や空気が用いられている。また燃料ガスは、水素を含有するガスであり、ここでは水素ガスを用いている。
上記穴部24は、電気化学反応に供される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを形成し、穴部25は、セパレータ10内の冷媒流路18から排出された冷媒が流入する冷媒排出マニホールドを形成する。
なお、穴部に付された符号20〜25は、便宜上、各々対応するマニホールドにも付した。
また中間プレート13は、穴部22と冷媒流路形成部15とを連通させる複数の貫通孔(冷媒供給排出路)72を備えている。この複数の貫通孔72は、中間プレート13の長辺方向と平行に穴部22と冷媒流路形成部15との間を連通させるように、互いに平行に形成されている。更に中間プレート13は、貫通孔72と同様に穴部25と冷媒流路形成部15との間を連通させる複数の貫通孔(冷媒供給排出路)75を備えている。
また、アノード側プレート14に設けられた穴部29と、中間プレート13に設けられた連通部74とは、燃料ガス供給マニホールド24を流れる燃料ガスを、セパレータ10内部を通って、ガス流路形成部41が配設されたセパレータ10表面へと導く燃料ガス供給路を形成する。そして、アノード側プレート14に設けられた穴部28と、中間プレート13に設けられた連通部73とは、ガス流路形成部41が配設されたセパレータ10表面から、セパレータ10内部を通って、燃料ガス排出マニホールド23へと燃料ガスを導く燃料ガス排出路を形成する。
中間プレート13は、シール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂によって形成されているが、その他の材質によって形成してもよい。穴部20〜29は、打ち抜き加工によって形成されている。
セパレータ10を形成する際には、カソード側プレート12、中間プレート13、アノード側プレート14の順に、各穴部20〜25を位置合わせしつつ重ね合わせ、加熱接着により各プレート12〜14間をシール接合している。
ガス流路形成部40,41は、導電性及びガス透過性を有する板状材からなり、ガス流路形成部40,41と接するMEA30表面上には、カーボン多孔質体からなる層が配設されている。
このガス流路形成部40,41の内部に形成される空間は、電気化学反応に供されるガスの単セル60内での流路を形成する。すなわち、MEA30とカソード側プレート12との間に配設されるガス流路形成部40は、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路を形成する。また、MEA30とアノード側プレート14(図示する単セル60の下方側に積層されている図示しないセパレータ10のアノード側プレート14を指す。)との間に配設されるガス流路形成部41は、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路を形成する。
このシール部42は、詳細な図示を省略したが、例えば金型のキャビティにMEA30部の外周端部を臨ませて、樹脂材料を射出成形することによって作製される。これにより、MEA30とシール部42とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部から漏れ出すことを防止できる。
図3は、このようなMEA30と一体形成されたシール部42の概略平面図である。
図中のシール部42は、外形状、寸法がセパレータ10とほぼ等しい長方形をなし、セパレータ10と同様に穴部20〜25が形成されている。
この図3において、冷媒供給マニホールドを形成する穴部22は「冷媒入口」、冷媒排出マニホールドを形成する穴部25は「冷媒出口」、燃料ガス供給マニホールドを形成する穴部24は「H2入口」、燃料ガス排出マニホールドを形成する穴部23は「H2出口」となっている。
分配された酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内酸化ガス流路を酸化ガス排出マニホールド21側へと流れる。単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印アで示す。
単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、セパレータ10における穴部27と連通部71とからなる酸化ガス排出路を通って、酸化ガス排出マニホールド21へと排出される。マニホールド近傍における酸化ガスの流出入の様子を、図1中に矢印イで示す。
図4は、図1に示す燃料電池の長手方向の断面図であり、その断面位置を代表して図2(a)中にIV−IV線にて示す。
図4では、冷媒供給マニホールド22を流れる冷媒が、複数の貫通孔72〔図2(b)参照〕を通って冷媒流路18へと流入する様子を矢印ウで示している。
貫通孔72を通って分配された冷媒は、冷媒流路18を冷媒排出マニホールド25側へと流れる。
冷媒流路18における冷媒の流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印エで示している。冷媒流路18内を流れた冷媒は、図2(b)に示す中間プレート13の貫通孔75を通って、冷媒排出マニホールド25へと排出される。
燃料ガス供給マニホールド24から単セル内燃料ガス流路へと燃料ガスが流入する様子を、図4に矢印オで示す。
分配された燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内燃料ガス流路を燃料ガス排出マニホールド23側へと流れる。単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印オで示す。
単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、図2に示す穴部28と連通部73とからなる燃料ガス排出路を通って、燃料ガス排出マニホールド23へと排出される。
そして、図1及び図4に示すように、MEA30及びガス流路形成部40,41の外周部に設けられ、カソード側プレート12、アノード側プレート14と接触することによりガス流路形成部40,41におけるガスシール性を保持させるシール部42が設けられたセパレータ10において、次のように構成したものである。
図5及び図6は、各々本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態の説明図である。このうち、図5は中間プレート13における補強部51の配置例を示す平面図、図6は図5中のVI−VI線拡大断面図である。なお図7〜図9は、図6とは異なる例における図5中のVI−VI線拡大断面図である。
具体的には、補強部51はセパレータ外周部をシールラインSLに沿って断続して一周、形成されている。補強部51を、セパレータ外周部を連続して一周形成してもよいが、このように形成すると、中間プレート13はその外周部分において内外周方向で2分割されてしまう。図示例のように、補強部51をシールラインSLに沿って断続して形成すれば、上記のように中間プレート13が2分割されてしまうことを回避できる。このような補強部51の断続形成によれば、隣接する補強部51相互間部分において内外周部分が連結された1枚の中間プレート13を形成し得る。
図6、図7に示した例では、補強部51として例えば金属材が用いられるが、図6、図7中の補強部51を設けた位置に相当する部分にガラス繊維やカーボン繊維等の補強用繊維を混入させて中間プレート13を成形し、この補強用繊維混入部を補強部51としてもよい。
なお、補強部51として金属材を用いる場合には、ステンレス鋼あるいはチタン等の高耐食性を有する金属材が好例として挙げられる。
いずれにしても、補強部51は中間プレート13に比較して剛性の高い材質から形成される。
中間プレート13中に補強部51を含む図7,図8の例によれば、中間プレート13自体がその外周部分において剛性が高められる。一方、中間プレート13中に補強部51を含まない図6、図9の例によれば、中間プレート13自体の剛性は高められないが、いずれの例によっても、セパレータ外周部分の剛性は補強部51を設けたことにより高められる。
すなわち補強部51の、プレート12〜14積層方向についての寸法(高さ寸法)を、3つのプレート12〜14が積層組立てされた際に、中間プレート13のプレート12,14との各積層面が、各々プレート12,14面にシール性を保持した状態で密着される寸法に設定される。基本的に、補強部51の高さ寸法は中間プレート13の厚さ(プレート積層方向についての寸法)を超えることはない。
前述したように、シールラインSLに対応するセパレータ外周部分で必要な剛性が確保されない場合、セパレータ10と単セル60(図1、図4参照)との組を多数配列するために加えられる一定の締結荷重に対して適切な荷重分配が期待できない。このため、ガスシール性の低下や、シール部ずれによる短絡を引き起こす虞があり、必要な剛性を有する場合に達成できるセパレータ10の更なる薄型化を阻んでいた。
上述した実施形態によれば、補強部51によって必要な剛性がセパレータ外周部に与えられるので、セパレータ10の更なる薄型化が可能となる。
上述した実施形態によれば、補強部51によって必要な剛性がセパレータ外周部に与えられるので、中間プレート13の位置決めの簡易化が可能となる。
このようなセパレータ10においても、補強部51は、セパレータ外周部を一巡する図示シールラインSLに対応する中間プレート13部分又はその外周に連続又は断続して設けられるもので、これによっても上述実施形態と同様の効果が得られることは勿論である。
Claims (6)
- 燃料電池を構成する複数の膜−電極接合体相互間を仕切る燃料電池用セパレータであって、
対向する金属製の一対の電極プレート及びこの一対の電極プレートに挟持積層される樹脂製の中間プレートを備えてなり、
前記膜−電極接合体、及びこの膜−電極接合体の触媒電極と前記電極プレートとの間のガス流路形成部の外周部に設けられ、前記電極プレートと接触することにより前記ガス流路形成部におけるガスシール性を保持させるシール部の、セパレータ外周部を一巡するラインに対応する前記中間プレート部分又はその外周に、補強部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 前記補強部は、前記ラインに沿ってセパレータ外周部を連続又は断続して形成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記補強部は、前記中間プレート中に埋込み形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記補強部は、中間プレート成形時に形成される補強用繊維混入部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記補強部は、前記一対の電極プレート中のいずれか一方の電極プレートに形成され、前記中間プレートの外周端を跨いで他方の電極プレートの前記一方の電極プレートとの対向面に当接する電極プレート外周端突部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記補強部は、金属材からなることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池用セパレータ。
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