JP2010118329A - Fuel cell stack and manufacturing method of metal separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設したn個(nは偶数)の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層されるn+1個の金属セパレータとを有し、燃料ガス又は酸化剤ガスのいずれかである反応ガスを前記金属セパレータの面方向に流す反応ガス流通域と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが形成される第1の発電ユニット及び第2の発電ユニットを備え、前記第1の発電ユニットと前記第2の発電ユニットとの間に冷却媒体流路を形成して交互に積層される燃料電池スタック及び燃料電池用金属セパレータの製造方法に関する。 The present invention has n (n is an even number) electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte, and n + 1 metal separators stacked alternately with each electrolyte / electrode assembly. In addition, a reaction gas flow region for flowing a reaction gas, which is either a fuel gas or an oxidant gas, in the surface direction of the metal separator and a reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed. A fuel cell stack and a fuel cell metal that are alternately stacked by forming a cooling medium flow path between the first power generation unit and the second power generation unit The present invention relates to a method for manufacturing a separator.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode side electrode, and the cathode side electrode is opposed in the plane of the other separator. An oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas is provided. Further, between the separators, a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
その際、セパレータとして金属セパレータが使用される場合、アノード側金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。さらに、カソード側金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。 At this time, when a metal separator is used as the separator, when a recess for the fuel gas flow path is provided on one surface of the anode-side metal separator, the other surface of the metal separator has a back surface shape of the recess. A convex part is formed. Further, when a concave portion for the oxidant gas flow path is provided on one surface of the cathode-side metal separator, a convex portion that is the back surface shape of the concave portion is formed on the other surface of the metal separator.
例えば、特許文献1に開示されているように、固体電解質の両側に電極を配した燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの間に介挿されて用いられ、一方の側面には隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えるとともに、他方の側面には隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備えた燃料電池用セパレータが知られている。 For example, as disclosed in Patent Document 1, in a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having electrodes disposed on both sides of a solid electrolyte are stacked, the fuel cells are used by being interposed between the fuel cells. One side surface is provided with a fuel gas channel groove for supplying fuel gas to one adjacent fuel cell, and the other side surface is used to supply oxidant gas to the other adjacent fuel cell. A fuel cell separator having an oxidant gas channel groove is known.
このセパレータは、加工性に優れた金属材料の表裏面に電気伝導性に優れた材料がコーティングされ、且つ、その表裏面にはそれぞれ多数の突起が適当な間隔を配して設けられている。さらに、突起は、燃料電池スタックにおいて燃料電池セル面に接するように設けられており、燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝が、それぞれ、セパレータと燃料電池セルとの間において前記突起間に連通形成されている。 In this separator, a metal material having excellent workability is coated on the front and back surfaces of a metal material having excellent workability, and a large number of protrusions are provided on the front and back surfaces at appropriate intervals. Further, the protrusion is provided so as to contact the surface of the fuel cell in the fuel cell stack, and the fuel gas passage groove and the oxidant gas passage groove are provided between the protrusion and the fuel cell, respectively. Is formed in communication.
ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池に、上記の従来技術を採用すると、図30に示すように、2枚のMEA1a、1bと3枚の金属セパレータ2a、2b及び2cとを有するセルユニット3が、複数積層されることにより、前記燃料電池が構成される。
By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of unit cells. When the above-described conventional technology is employed in a fuel cell having this type of thinning cooling structure, as shown in FIG. 30, a
MEA1a、1bは、固体電解質膜4aの両側に、アノード側電極4bとカソード側電極4cとが配設されている。金属セパレータ2aは、MEA1aのアノード側電極4bに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路5を形成する複数の凸部5aを有している。一方、金属セパレータ2bは、MEA1aのカソード側電極4cに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路6を形成するための複数の凸部6aと、MEA1bのアノード側電極4bに燃料ガスを供給する燃料ガス流路5を形成するための複数の凸部5aとを交互に有している。
In the
金属セパレータ2cは、MEA1bのカソード側電極4cに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路6を形成するための複数の凸部6aを有するとともに、互いに隣接する金属セパレータ2c、2a間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路7が形成されている。
The
金属セパレータ2a、2bでは、各凸部5a、6a同士がMEA1aを挟んで互いに積層方向に対して同一位置に設定されるとともに、前記金属セパレータ2b、2cでは、それぞれの凸部5a、6a同士がMEA1bを挟んで積層方向に対して同一位置に設定されている。
In the
しかしながら、各セルユニット3間に冷却媒体流路7が形成される際、この冷却媒体流路7では、金属セパレータ2c、2a同士を積層方向に支持する構造を有していない。凸部と凹部とが、積層方向に対して互いに対向しているからである。このため、燃料電池スタックの積層時の荷重を各セルユニット3間で保持することができず、しかも、発電時の圧力変動に耐えることができないという問題がある。
However, when the cooling
これにより、MEA1a、1bや金属セパレータ2a〜2cの変形が惹起されるとともに、セルユニット3間の電気伝導が良好にできないという問題がある。
As a result, the
そこで、凹凸形状の異なる2種類の第1及び第2のセルユニットを用意し、前記第1のセルユニットと前記第2のセルユニットとを交互に積層した燃料電池スタックを採用することができる。しかしながら、各セルユニット毎に3枚の金属セパレータが使用されるため、6枚の形状の異なる金属セパレータを製造しなければならず、金型数が増加して経済的ではないという問題がある。 Accordingly, it is possible to employ a fuel cell stack in which two types of first and second cell units having different concavo-convex shapes are prepared and the first cell units and the second cell units are alternately stacked. However, since three metal separators are used for each cell unit, six metal separators having different shapes must be manufactured, and there is a problem that the number of molds increases and it is not economical.
本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、冷却媒体流路を形成する発電ユニット間の構造的な保持を確実に行うとともに、金属セパレータを簡単且つ経済的に製造することが可能な燃料電池スタック及び燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a fuel cell having a thinned cooling structure of this type, which can reliably hold the structural unit between the power generation units forming the cooling medium flow path and can easily and economically manufacture the metal separator. It aims at providing the manufacturing method of the battery stack and the metal separator for fuel cells.
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設したn個(nは偶数)の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層されるn+1個の金属セパレータとを有し、燃料ガス又は酸化剤ガスのいずれかである反応ガスを前記金属セパレータの面方向に流す反応ガス流通域と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが形成される第1の発電ユニット及び第2の発電ユニットを備え、前記第1の発電ユニットと前記第2の発電ユニットとの間に冷却媒体流路を形成して交互に積層される燃料電池スタック及び燃料電池用金属セパレータの製造方法に関するものである。 The present invention has n (n is an even number) electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte, and n + 1 metal separators stacked alternately with each electrolyte / electrode assembly. In addition, a reaction gas flow region for flowing a reaction gas, which is either a fuel gas or an oxidant gas, in the surface direction of the metal separator and a reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed. A fuel cell stack and a fuel cell metal that are alternately stacked by forming a cooling medium flow path between the first power generation unit and the second power generation unit The present invention relates to a method for manufacturing a separator.
この燃料電池スタックでは、第1の発電ユニット内及び第2の発電ユニット内でそれぞれ同一の位置に配置される各金属セパレータは、反応ガス流通域の形状がセパレータ面内で互いに180゜回転した形状に設定される一方、少なくとも反応ガス連通孔を含む連通孔形状が同一に設定されている。 In this fuel cell stack, the metal separators arranged at the same positions in the first power generation unit and the second power generation unit have shapes in which the shape of the reaction gas circulation region is rotated by 180 ° within the separator surface. On the other hand, the communication hole shape including at least the reaction gas communication hole is set to be the same.
また、反応ガス流通域は、少なくとも反応ガスを発電面に沿って流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通するバッファ部とを有することが好ましい。 The reactive gas flow region preferably includes at least a reactive gas flow channel for flowing the reactive gas along the power generation surface, and a buffer unit that communicates the reactive gas flow channel with the reactive gas communication hole.
さらに、バッファ部は、エンボス部を備えることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a buffer part is provided with an embossing part.
さらにまた、バッファ部は、連続ガイド部を備えることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a buffer part is provided with a continuous guide part.
また、燃料電池用金属セパレータの製造方法では、第1の金型により、各金属セパレータに反応ガス流通域を形成する第1の工程と、第2の金型により、各金属セパレータに少なくとも反応ガス連通孔を含む連通孔形状を成形する第2の工程とを有している。 Further, in the method of manufacturing a fuel cell metal separator, at least a reaction gas is formed in each metal separator by a first step of forming a reaction gas circulation region in each metal separator by a first die and a second die. And a second step of forming a communication hole shape including the communication hole.
そして、一方の金属セパレータは、第1の金型と第2の金型とに、それぞれ同一の姿勢で配置されるとともに、他方の金属セパレータは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして、前記第2の金型に対し相対的に180°回転して配置されている。 One metal separator is disposed in the same posture in the first mold and the second mold, and the other metal separator has a thickness direction intersecting the surface direction as a rotation axis. The second mold is disposed so as to be rotated by 180 ° relative to the second mold.
さらに、第2の工程は、第2の金型により、連通孔形状を成形すると同時に、各金属セパレータの外形にトリム加工を行うことが好ましい。 Further, in the second step, it is preferable to trim the outer shape of each metal separator at the same time as the communication hole shape is formed by the second mold.
さらにまた、燃料電池用金属セパレータの製造方法では、第1の金型により、各金属セパレータに反応ガス流通域を形成する第1の工程と、第2の金型により、少なくとも各金属セパレータの外形にトリム加工を行う第2の工程とを有している。 Furthermore, in the method for producing a fuel cell metal separator, at least the outer shape of each metal separator is formed by a first step of forming a reaction gas flow area in each metal separator with a first die and a second die. And a second step of performing trim processing.
そして、一方の金属セパレータは、第1の金型と前記第2の金型とに、それぞれ同一の姿勢で配置されるとともに、他方の金属セパレータは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして、前記第2の金型に対し相対的に180°回転して配置されている。 One metal separator is disposed in the same posture in each of the first mold and the second mold, and the other metal separator rotates in the thickness direction intersecting the plane direction. Thus, the second mold is disposed so as to be rotated by 180 ° relative to the second mold.
本発明によれば、第1の発電ユニット内及び第2の発電ユニット内でそれぞれ同一の位置に配置される各金属セパレータは、反応ガス流通域を成形する第1の金型と、少なくとも反応ガス連通孔を含む連通孔形状を成形する、又は少なくとも各金属セパレータの外形にトリム加工を行う第2の金型とを併用することが可能である。すなわち、一方の金属セパレータは、第1の金型と第2の金型とに、それぞれ同一の姿勢で配置されるとともに、他方の金属セパレータは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして、前記第2の金型に対し相対的に180°回転して配置される。 According to the present invention, each metal separator disposed at the same position in the first power generation unit and the second power generation unit includes the first mold for forming the reaction gas flow area, and at least the reaction gas. It is possible to use a second mold that forms a communication hole shape including the communication hole or at least trims the outer shape of each metal separator. That is, one metal separator is disposed in the same posture in the first mold and the second mold, and the other metal separator has a thickness direction intersecting the plane direction as a rotation axis. Thus, the second mold is disposed so as to rotate by 180 ° relative to the second mold.
従って、第1の発電ユニット内及び第2の発電ユニット内でそれぞれ同一の位置に配置される各金属セパレータに対応し、それぞれ専用の第1の金型及び専用の第2の金型を用意する必要がない。これにより、金型の個数を半減させることができ、金属セパレータの製造作業が経済的且つ効率的に遂行される。 Therefore, corresponding to each metal separator disposed at the same position in the first power generation unit and the second power generation unit, a dedicated first mold and a dedicated second mold are prepared. There is no need. As a result, the number of molds can be halved, and the metal separator manufacturing operation can be carried out economically and efficiently.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の要部分解斜視説明図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池スタック10は、第1の発電ユニット12Aと第2の発電ユニット12Bとを水平方向(矢印A方向)に沿って交互に積層して構成される。第1の発電ユニット12Aは、図2に示すように、第1金属セパレータ14A、第1電解質膜・電極構造体(MEA)(電解質・電極構造体)16a、第2金属セパレータ18A、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20Aを設ける。なお、第1の発電ユニット12Aは、4個以上の偶数個のMEAを含む一方、5個以上の奇数個の金属セパレータを含むことも可能である。
The
第1金属セパレータ14A、第2金属セパレータ18A及び第3金属セパレータ20Aは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレート(後述する)により構成される。第1金属セパレータ14A、第2金属セパレータ18A及び第3金属セパレータ20Aは、後述するように、金属プレートを波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
The
第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える。
The first and second electrolyte membrane /
アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。
The
第1の発電ユニット12Aの長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。
A fuel gas
第1の発電ユニット12Aの長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス出口連通孔30bは、燃料ガス入口連通孔30aよりも小さな開口形状に設定される一方、酸化剤ガス出口連通孔34bは、酸化剤ガス入口連通孔34aよりも小さな開口形状に設定される。
The other end edge of the first
第1金属セパレータ14Aの第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第1酸化剤ガス流路36が形成される。第1酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数の流路溝36aを有する。
On the
第1酸化剤ガス流路36の入口及び出口近傍(少なくとも一方でもよい)には、入口バッファ部38及び出口バッファ部40が設けられて第1酸化剤ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。
An
入口バッファ部38と出口バッファ部40とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面14a側(第1電解質膜・電極構造体16a側)に突出する複数の凸部(エンボス)38a、40aと、面14b側に突出する複数の凸部(エンボス)38b、40bとを有する。凸部38a、38b、40a及び40bは、円形、長円形又は矩形等、種々の形状に設定可能である。なお、以下のエンボスについても同様である。
The
第1金属セパレータ14Aの面14bには、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとを連通する冷却媒体流路44の一部が形成される。面14bには、第1酸化剤ガス流路36を構成する複数の流路溝36a間の裏面形状である複数の流路溝(凹部)44aが形成される。流路溝44aの入口及び出口近傍には、複数の凸部40b、38bを有するバッファ部裏面形状が設けられる。
A part of the cooling
第2金属セパレータ18Aの第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔30aと燃料ガス出口連通孔30bとを連通する第1燃料ガス流路46が形成される。第1燃料ガス流路46は、矢印B方向に延在する複数の流路溝(凹部)46aを有するとともに、前記第1燃料ガス流路46の入口及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部48及び出口バッファ部50が設けられて第1燃料ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。
A first
入口バッファ部48と出口バッファ部50とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面18a側(第1電解質膜・電極構造体16a側)に突出する複数の凸部(エンボス)48a、50aと、面18b側(第2電解質膜・電極構造体16b側)に突出する複数の凸部(エンボス)48b、50bとを有する。
The
第2金属セパレータ18Aの第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第2酸化剤ガス流路52が形成される。第2酸化剤ガス流路52は、矢印B方向に延在する複数の流路溝(凹部)52aを有するとともに、前記第2酸化剤ガス流路52の入口及び出口近傍には、入口バッファ部54及び出口バッファ部56が設けられて第2酸化剤ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。第2酸化剤ガス流路52は、第1燃料ガス流路46の裏面形状である一方、入口バッファ部54及び出口バッファ部56は、入口バッファ部54及び出口バッファ部56の裏面形状である。
On the
第3金属セパレータ20Aの第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔30aと燃料ガス出口連通孔30bとを連通する第2燃料ガス流路58が形成される。第2燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の流路溝(凹部)58aを有する。第2燃料ガス流路58の入口及び出口近傍には、入口バッファ部60及び出口バッファ部62が設けられて第2燃料ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。
A second fuel
入口バッファ部60と出口バッファ部62とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面20a側(第2電解質膜・電極構造体16b側)に突出する複数の凸部(エンボス)60a、62aと、面20b側(第2発電セル12B側)に突出する複数の凸部(エンボス)60b、62bとを有する。
The
第3金属セパレータ20Aの面20bには、冷却媒体流路44の一部が形成される。面20bには、第2燃料ガス流路58を構成する複数の流路溝58aの裏面形状である複数の流路溝(凹部)44bが形成される。
A part of the
第1の発電ユニット12Aでは、第1金属セパレータ14Aと第2金属セパレータ18Aとで、第1電解質膜・電極構造体16aを挟持する際、互いに対向する第1酸化剤ガス流路36と第1燃料ガス流路46とは、それぞれの流路溝36a、46a間の凸部が積層方向に同一位置に配置される。同様に、第2金属セパレータ18Aと第3金属セパレータ20Aとで、第2電解質膜・電極構造体16bを挟持する際、第2酸化剤ガス流路52と第2燃料ガス流路58とは、それぞれの流路溝52a、58a間の凸部同士が積層方向に同一位置に配置される。
In the first
各エンボスでは、図3に示すように、第1金属セパレータ14Aと第2金属セパレータ18Aとにおいて、互いに第1電解質膜・電極構造体16a側に突出する凸部40aと48a及び38aと50aとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。
In each emboss, as shown in FIG. 3, in the
第2金属セパレータ18Aと第3金属セパレータ20Aとにおいて、第2電解質膜・電極構造体16b側に突出する凸部48bと60a及び50bと62aとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。
In the
図2に示すように、第1金属セパレータ14Aの面14a、14bには、この第1金属セパレータ14Aの外周端縁部を周回して第1シール部材64が一体成形される。第2金属セパレータ18Aの面18a、18bには、この第2金属セパレータ18Aの外周端縁部を周回して第2シール部材66が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ20Aの面20a、20bには、この第3金属セパレータ20Aの外周端縁部を周回して第3シール部材68が一体成形される。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、第2の発電ユニット12Bは、第1金属セパレータ14B、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18B、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20Bを設ける。なお、第1の発電ユニット12Aと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 1, the second
第1金属セパレータ14B、第2金属セパレータ18B及び第3金属セパレータ20Bは、それぞれ第1の発電ユニット12Aの第1金属セパレータ14A、第2金属セパレータ18A及び第3金属セパレータ20Aと同一の位置に配置される。
The
第1金属セパレータ14Bは、第1金属セパレータ14Aに対して、第1酸化剤ガス流通域の形状がセパレータ面内で互いに180゜回転した形状(以下、点対称ともいう)に設定される一方、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30b(以下、連通孔群ともいう)の開口形状(連通孔形状)が同一に設定される。
The
具体的には、第1酸化剤ガス流路域を構成する第1酸化剤ガス流路36と入口バッファ部38及び出口バッファ部40とは、第1金属セパレータ14Aを、面方向に交差する厚さ方向(矢印A方向)を回転軸として180°回転した際に、第1金属セパレータ14A、14Bの各第1酸化剤ガス流通域が、同一形状を有する。
Specifically, the first oxidant
第2金属セパレータ18Bは、同様に、第2金属セパレータ18Aに対して、第1燃料ガス流通域及び第2酸化剤ガス流通域の形状が点対称に設定される。第3金属セパレータ20Bは、第3金属セパレータ20Aに対して、第2燃料ガス流通域の形状が点対称に設定される。
Similarly, in the
図3及び図4に示すように、第1の発電ユニット12Aを構成する第3金属セパレータ20Aと、第2の発電ユニット12Bを構成する第1金属セパレータ14Bとの間には、冷却媒体流路44が形成される。冷却媒体流路44の両端部側には、第3金属セパレータ20A及び第1金属セパレータ14Bから互いに対向して突出する凸部60bと40b及び凸部62bと38bとが、積層方向に互いに同一の位置に配置される。なお、流路溝44b、44aは、互いに凸部同士が積層方向に同一位置に配置されることが好ましい。
As shown in FIGS. 3 and 4, a cooling medium flow path is provided between the
図5は、第1金属セパレータ14A、14Bに第1酸化剤ガス流通域を成形するための第1の金型70を示し、図6は、前記第1金属セパレータ14A、14Bに連通孔群を形成するための第2の金型72を示す。第1の金型70は、第1酸化剤ガス流路36の形状を有する凹凸形状部74と、入口バッファ部38及び出口バッファ部40の形状を有するバッファ形状部76a及び76bとを有する。
FIG. 5 shows a
第2の金型72は、連通孔群をトリム加工するために、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔34bに対応するトリム孔78a〜78cと、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b、燃料ガス出口連通孔30bに対応するトリム孔78d〜78fとを有する。この第2の金型72は、第1金属セパレータ14A、14Bの外形にトリム加工を行うこともできる。
In order to trim the communication hole group, the
次いで、第1の金型70及び第2の金型72により、第1金属セパレータ14Aを成形する際には、図7に示すように、先ず、薄板状の金属プレート80Aが用意される。この金属プレート80Aは、第1の金型70に配置される。
Next, when the
第1の金型70では、金属プレート80Aにプレス加工が施されることにより、凹凸形状部74を介して第1酸化剤ガス流路36が形成される一方、バッファ形状部76a、76bを介して入口バッファ部38及び出口バッファ部40が成形される。
In the
第1の金型70による成形処理が行われた金属プレート80Aは、同一の姿勢のまま、第2の金型72に配置されてトリム加工が施される。このトリム加工により、金属プレート80Aには、トリム孔78a〜78fに対応して、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bが形成されるとともに、外形のトリム加工が同時に行われる。
The
第2の金型72によるトリム加工が終了した金属プレート80Aには、第1シール部材64が一体成形されることにより、第1金属セパレータ14Aが製造される。
A
一方、第1金属セパレータ14Bを製造する際には、図8に示すように、同様に、薄板状の金属プレート80Bが用意される。この金属プレート80Bは、実質的に、金属プレート80Aと同一である。
On the other hand, when manufacturing the
この金属プレート80Bは、第1の金型70に配置されてプレス加工が施されることにより、第1酸化剤ガス流通域と同一形状に成形される。そして、金属プレート80Bは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして180°回転される。このため、金属プレート80Bには、第1酸化剤ガス流通域が180°反転されることによって、第2酸化剤ガス流通域が得られる。
The
次いで、金属プレート80Bは、第2の金型72に配置されてトリム孔78a〜78fを介し、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bが形成される。
Next, the
第2の金型72によるトリム加工が行われた金属プレート80Bには、第1シール部材64が一体成形されることにより、第1金属セパレータ14Bが得られる。
The
この場合、第1の実施形態では、第1の発電ユニット12Aを構成する第1金属セパレータ14Aと、第2の発電ユニット12Bを構成する第1金属セパレータ14Bとは、それぞれのユニット内で同一の位置に配置されるとともに、第1酸化剤ガス流通域の形状が点対称に設定されている。
In this case, in the first embodiment, the
一方、燃料ガス入口連通孔30aと燃料ガス出口連通孔30bとは、点対称形状ではなく、同様に、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとは、点対称形状ではない。
On the other hand, the fuel gas
このため、第1金属セパレータ14A、14Bを成形するために、単一の第1の金型70及び単一の第2の金型72を用いることが可能である。すなわち、第1金属セパレータ14Aの製造工程では、図7に示すように、金属プレート80Aを第1の金型70と第2の金型72とに同一の姿勢で配置することにより、第1酸化剤ガス流通域及び連通孔群が形成される。
For this reason, it is possible to use a single
一方、第1金属セパレータ14Bを製造する際には、図8に示すように、金属プレート80Bを、第1の金型70と第2の金型72との間で面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして180°回転させるだけで、第1酸化剤ガス流通域及び連通孔群が形成される。
On the other hand, when manufacturing the
従って、第1金属セパレータ14Aと第1金属セパレータ14Bとに、それぞれ専用の第1の金型及び専用の第2の金型を用意する必要がない。これにより、金型数を半減させることができ、セパレータ製造作業が経済的且つ効率的に遂行されるという効果が得られる。
Therefore, it is not necessary to prepare a dedicated first mold and a dedicated second mold for the
また、第2金属セパレータ18A、18Bの製造作業及び第3金属セパレータ20A、20Bの製造作業においても同様に、金型の兼用を図ることができ、金型数を半減させてセパレータ製造作業が経済的且つ効率的に遂行可能になるという効果がある。
Similarly, in the manufacturing work of the
なお、第1の実施形態では、第1金属セパレータ14Bの製造工程において、第1の金型70と第2の金型72との間で、金属プレート80Bを反転させる工程を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、第1金属セパレータ14Bの製造工程時に、第1の金型70を180°反転させ、又は、第2の金型72を180°反転させる一方、金属プレート80Bを同一の姿勢で、前記第1の金型70と前記第2の金型72とに配置することも可能である。
In the first embodiment, the manufacturing process of the
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔34aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔30aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、第1の発電ユニット12Aでは、図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔34aから第1金属セパレータ14Aの第1酸化剤ガス流路36及び第2金属セパレータ18Aの第2酸化剤ガス流路52に導入される。この酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路36に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード側電極26に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路52に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード側電極26に供給される。
Therefore, in the first
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔30aから第2金属セパレータ18Aの第1燃料ガス流路46に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード側電極24に供給される。また、燃料ガスは、第3金属セパレータ20Aの第2燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード側電極24に供給される。
On the other hand, the fuel gas moves in the horizontal direction (in the direction of arrow B) along the first fuel
従って、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bでは、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the first and second electrolyte membrane /
次いで、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bの各カソード側電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bの各アノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔30bに排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode-
一方、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、図3及び図4に示すように、第1の発電ユニット12Aを構成する第3金属セパレータ20Aと、第2の発電ユニット12Bを構成する第1金属セパレータ14Aとの間に形成された冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the cooling medium supplied to the cooling medium
また、第2の発電ユニット12Bでは、上記の第1の発電ユニット12Aと同様に、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bにより発電が行われる。
In the second
図9は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック90の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 9 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池スタック90は、第1の発電ユニット92Aと第2の発電ユニット92Bとを水平方向(矢印A方向)に沿って交互に積層して構成される。第1の発電ユニット92Aは、第1金属セパレータ94A、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ96A、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ98Aを設ける。
The
第1金属セパレータ14Aの上方側の長辺略中央には、凹部100が形成されるとともに、前記凹部100に収容されてセル電圧端子102が設けられる。セル電圧端子102は、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bで発生する電圧を検出するものである。なお、第2金属セパレータ18A及び/又は第3金属セパレータ20Aには、必要に応じてセル電圧端子102を設けてもよい。
A
第1の発電ユニット92Aの長辺方向の一端縁部に設けられる燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔34bは、同一の開口形状に設定されてもよい。同様に、第1の発電ユニット92Aの長辺方向の他端縁部に設けられる酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bは、同一の開口形状に設定されてもよい。
The fuel gas
第2の発電ユニット92Bは、第1金属セパレータ94B、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ96B、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ98Bを設ける。なお、第1の発電ユニット92Aと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
The second
第1金属セパレータ94A、94Bに第1酸化剤ガス流通域を成形するために、第1の金型70が使用される一方、前記第1金属セパレータ94A、94Bの外形にトリム加工を施す第2の金型104が、図10に示される。第2の金型104は、第1金属セパレータ94A、94Bの外形形状に対応するトリムライン106を有する。トリムライン106の一方の長辺の略中央には、凹部100に対応する凹部106aと、セル電圧端子102に対応する凸部106bとが設けられる。
In order to form the first oxidant gas flow area in the
このように構成される第2の実施形態では、第1の金型70及び第2の金型104により、第1金属セパレータ94Aを成形する際には、図11に示すように、先ず、薄板状の金属プレート110Aが用意される。この金属プレート110Aは、第1の金型70に配置され、第1酸化剤ガス流路36、入口バッファ部38及び出口バッファ部40が成形される。
In the second embodiment configured as described above, when the
第1の金型70による成形処理が行われた金属プレート110Aは、同一の姿勢のまま、第2の金型104に配置されて外形トリム加工が施される。この外形トリム加工により、金属プレート110Aは、所望の外形形状に加工されるとともに、凹部100に収容されてセル電圧端子102が形成される。
The
なお、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bは、第2の金型104で同時に形成してもよく、また他の金型で個別に形成してもよい。
The fuel gas
一方、第1金属セパレータ94Bを製造する際には、図12に示すように、同様に、薄板状の金属プレート110Bが用意される。この金属プレート110Bは、実質的に、金属プレート110Aと同一である。
On the other hand, when manufacturing the
この金属プレート110Bは、第1の金型70に配置されてプレス加工が施されることにより、第1酸化剤ガス流通域と同一形状に成形される。そして、金属プレート110Bは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして180°回転される。このため、金属プレート110Bには、第1酸化剤ガス流通域が180°反転されることによって、第2酸化剤ガス流通域が得られる。
This
次いで、金属プレート110Bは、第2の金型104に配置されて外形トリム加工が施される。従って、金属プレート110Bは、所望の外形形状に加工されるとともに、凹部100に収容されてセル電圧端子102が形成される。
Next, the
これにより、第2の実施形態では、金型数を半減させることができ、セパレータ製造作業が経済的且つ効率的に遂行される等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 Thereby, in the second embodiment, the number of molds can be halved, and the same effects as those in the first embodiment can be obtained, for example, the separator manufacturing operation can be performed economically and efficiently.
図13は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック120の要部分解斜視説明図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池スタック120は、第1の発電ユニット122Aと第2の発電ユニット122Bとが、交互に矢印A方向に積層して構成される。
The
第1の発電ユニット122Aは、図14に示すように、第1金属セパレータ124A、第1電解質膜・電極構造体(MEA)(電解質・電極構造体)126a、第2金属セパレータ128A、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ130Aを設ける。
As shown in FIG. 14, the first
第1金属セパレータ124A、第2金属セパレータ128A及び第3金属セパレータ130Aは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートにより構成される。第1金属セパレータ124A、第2金属セパレータ128A及び第3金属セパレータ130Aは、金属プレートを波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
The
第1の発電ユニット122Aの長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。第1の発電ユニット122Aの長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔30bが設けられる。
One end edge of the first
図15に示すように、第1金属セパレータ124Aの第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面124aには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第1酸化剤ガス流路136Aが形成される。第1金属セパレータ124Aの面14bには、第1酸化剤ガス流路136Aの裏面形状である第1冷却媒体流路138Aが形成される。
As shown in FIG. 15, the
第1酸化剤ガス流路136Aは、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路140aと、前記直線状流路140aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bとを有する。直線状流路140aは、面124a側に突出する直線状流路突起部140b間に形成される。第1酸化剤ガス流路136Aと入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bとにより、第1酸化剤ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。
The first oxidizing
入口バッファ部142aは、中間高さ部144aから第1酸化剤ガス流路136A側に突出する複数のエンボス凸起部146aを備える。出口バッファ部142bは、中間高さ部144bから第1酸化剤ガス流路136A側に突出する複数のエンボス凸起部146bを備える。エンボス凸起部146a、146bは、それぞれ所定の数ずつ一列に配列されたエンボス群が所定の間隔ずつ離間して複数列に配置される。
The
図14に示すように、第1金属セパレータ124Aの他方の面124bには、第1酸化剤ガス流路136Aの裏面形状である第1冷却媒体流路138Aが形成される。第1冷却媒体流路138Aは、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路148aと、前記直線状流路148aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部150a及び出口バッファ部150bとを有する。
As shown in FIG. 14, on the
直線状流路148aは、面124a側に突出する直線状流路突起部148b間に形成される。直線状流路148aは、直線状流路突起部140bの裏面形状である一方、直線状流路突起部148bは、直線状流路140aの裏面形状である。入口バッファ部150aは、入口バッファ部142aの裏面形状である一方、出口バッファ部150bは、出口バッファ部142bの裏面形状である。
The
図16及び図17に示すように、入口バッファ部150aは、中間高さ部144aから第1冷却媒体流路138A側に突出する連続ガイド凸部152aを備える。中間高さ部144aから連続ガイド凸部152aの深さは、前記中間高さ部144aからエンボス凸起部146aの深さと同等に設定される。
As shown in FIGS. 16 and 17, the
図14に示すように、出口バッファ部150bは、中間高さ部144bから第1冷却媒体流路138A側に突出する連続ガイド凸部152bを備える。第1金属セパレータ124Aの表裏には、1列に配列された所定数のエンボス凸起部146a(エンボス群)と連続ガイド凸部152aとが交互に設けられるとともに、1列に配列された所定数のエンボス凸起部146b(エンボス群)と連続ガイド凸部152bとが交互に設けられる。
As shown in FIG. 14, the
図18に示すように、第2金属セパレータ128Aの第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面128aには、第1燃料ガス流路154Aが形成される。第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面128bには、第1燃料ガス流路154Aの裏面形状である第2酸化剤ガス流路156Aが形成される。
As shown in FIG. 18, a first
第1燃料ガス流路154Aは、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路158aと、前記直線状流路158aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bとを有する。直線状流路158aは、面128a側に突出する直線状流路突起部158b間に形成される。第1燃料ガス流路154Aと、入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bとにより、第1燃料ガス流通域(反応ガス流通域)が構成される。
The first
入口バッファ部160aは、中間高さ部162aから第1燃料ガス流路154A側に突出する連続ガイド凸部164aを備える。各連続ガイド凸部164aは、燃料ガスを燃料ガス入口連通孔30aから直線状流路158aに案内するように設けられる。出口バッファ部160bは、中間高さ部162bから第1燃料ガス流路154A側に突出する連続ガイド凸部164bを備える。各連続ガイド凸部164bは、燃料ガスを直線状流路158aから燃料ガス出口連通孔30bに案内するように設けられる。
The
第2金属セパレータ128Aの面128bには、図19に示すように、第1燃料ガス流路154Aの裏面形状である第2酸化剤ガス流路156Aが形成される。第2酸化剤ガス流路156Aと入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bとにより、第2酸化剤ガス流通域(反応ガス流通域)を構成する。第2酸化剤ガス流路156Aは、第1酸化剤ガス流路136Aと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
On the
図14に示すように、第3金属セパレータ130Aの第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面130aには、第2燃料ガス流路166Aが形成されるとともに、反対側の面130bには、前記第2燃料ガス流路166Aの裏面形状である第2冷却媒体流路168Aが形成される。第2燃料ガス流路166Aと入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bとにより、第2燃料ガス流通域(反応ガス流通域)を構成する。第2燃料ガス流路166Aは、第1燃料ガス流路154Aと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 14, a second
図20に示すように、第2冷却媒体流路168Aは、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路170aと、前記直線状流路170aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部172a及び出口バッファ部172bとを有する。
As shown in FIG. 20, the second
直線状流路170aは、面130b側に突出する直線状流路突起部70b間に形成される。入口バッファ部172a及び出口バッファ部172bは、中間高さ部162b、162aから第2冷却媒体流路168A側に突出する複数のエンボス凸部174a、174bを備える。
The
第1の発電ユニット122Aでは、第1金属セパレータ124Aと第2金属セパレータ128Aとで、第1電解質膜・電極構造体126aを挟持する際、互いに対向する第1酸化剤ガス流路136A及び第1燃料ガス流路154Aは、エンボス凸起部146a、146bと連続ガイド凸部164b、164aとが積層方向に同一位置に配置される。エンボス凸起部146a、146bと連続ガイド凸部164b、164aとは、第1電解質膜・電極構造体126aを挟持する。
In the first
同様に、第2金属セパレータ128Aと第3金属セパレータ130Aとで、第2電解質膜・電極構造体126bを挟持する際、第2酸化剤ガス流路156A及び第2燃料ガス流路166Aは、エンボス凸起部146a、146bと連続ガイド凸部164b、164aとが積層方向に同一位置に配置される。エンボス凸起部146a、146bと連続ガイド凸部164b、164aとは、第2電解質膜・電極構造体126bを挟持する。
Similarly, when sandwiching the second electrolyte membrane /
図14に示すように、第1金属セパレータ124Aの面124a、124bには、この第1金属セパレータ124Aの外周端縁部を周回して第1シール部材168aが一体成形される。第2金属セパレータ128Aの面128a、128bには、この第2金属セパレータ128Aの外周端縁部を周回して第2シール部材168bが一体成形されるとともに、第3金属セパレータ130Aの面130a、130bには、この第3金属セパレータ130Aの外周端縁部を周回して第3シール部材168cが一体成形される。
As shown in FIG. 14, a
図21に示すように、第2の発電ユニット122Bは、第1金属セパレータ124B、第1電解質膜・電極構造体126a、第2金属セパレータ128B、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ130Bを設ける。なお、第1の発電ユニット122Aと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 21, the second
第1金属セパレータ124Bの第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面124aには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第1酸化剤ガス流路136Bが形成される。第1金属セパレータ124Bの面124bには、第1酸化剤ガス流路136Bの裏面形状である第1冷却媒体流路138Bが形成される。
A first oxidant
第1酸化剤ガス流路136A、136Bでは、直線状流路突起部140b同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。第1冷却媒体流路138A、138Bでは、直線状流路突起部148b同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。エンボス凸起部146a、146b同士の位相及び連続ガイド凸部152a、152b同士の位相が異なっており、前記エンボス凸起部146aと前記連続ガイド凸部152b及び前記エンボス凸起部146bと前記連続ガイド凸部152aの交互に配置順が逆に設定される。
In the first oxidant
第1金属セパレータ124Aを、面方向に交差する厚さ方向(矢印A方向)を回転軸として180゜回転した際に、第1金属セパレータ124A、124Bの各第1酸化剤ガス流路域が、同一形状を有する。
When the
第2金属セパレータ128Bの第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面128aには、第1燃料ガス流路154Bが形成されるとともに、第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面128bには、前記第1燃料ガス流路154Bの裏面形状である第2酸化剤ガス流路156Bが形成される。
A first
第1燃料ガス流路154A、154Bでは、直線状流路突起部158b同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。第2酸化剤ガス流路156A、156Bでは、直線状流路突起部140b同士の位相が異なっており、表裏で凹凸が逆に設定される。エンボス凸起部146a、146b同士の位相及び連続ガイド凸部164a、164b同士の位相が異なっており、前記エンボス凸起部146aと前記連続ガイド凸部164b及び前記エンボス凸起部146bと前記連続ガイド凸部164aの交互に配置順が逆に設定される。
In the first fuel
第3金属セパレータ130Bの第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面130aには、第2燃料ガス流路166Bが形成されるとともに、反対側の面130bには、前記第2燃料ガス流路166Bの裏面形状である第2冷却媒体流路168Bが形成される。
A second
第2燃料ガス流路166A、166Bでは、直線状流路突起部58b同士の位相及び連続ガイド凸部164a、164b同士の位相が異なっている。第2冷却媒体流路168A、168Bでは、直線状流路突起部170b同士の位相及びエンボス凸部174a、174b同士の位相が異なっている(図22参照)。
In the second fuel
第2金属セパレータ128Bは、第2金属セパレータ128Aに対して、第1燃料ガス流通域及び第2酸化剤ガス流通域の形状が点対称に設定される。第3金属セパレータ130Bは、同様に第3金属セパレータ130Aに対して、第2燃料ガス流通域の形状が点対称に設定される。
In the
このように構成される第3の実施形態では、第1金属セパレータ124Aを成形する際には、図23に示すように、先ず、薄板状の金属プレート180Aが用意される。この金属プレート180Aは、第1の金型182に配置され、第1酸化剤ガス流路136A、入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bが成形される。
In the third embodiment configured as described above, when forming the
第1の金型182による成形処理が行われた金属プレート180Aは、同一の姿勢のまま、第2の金型184に配置されてトリム加工が施される。このトリム加工により、金属プレート180Aには、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bが形成されるとともに、外形のトリム加工が同時に行われる。
The
一方、第1金属セパレータ124Bを製造する際には、図24に示すように、同様に、薄板状の金属プレート180Bが用意される。この金属プレート180Bは、実質的に、金属プレート180Aと同一である。
On the other hand, when manufacturing the
金属プレート180Bは、第1の金型182に配置されてプレス加工が施されることにより、第1酸化剤ガス流通域と同一形状に成形される。そして、金属プレート180Bは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして180°回転される。なお、金属プレート180Bを180°回転させる代わりに、第1の金型182を180°回転させてもよい。
The
次いで、金属プレート180Bは、第2の金型184に配置されて、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、酸化剤ガス出口連通孔34b、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔30bが形成される。
Next, the
これにより、第3の実施形態では、金型数を半減させることができ、セパレータ製造作業が経済的且つ効率的に遂行される等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。 Thereby, in 3rd Embodiment, the number of metal mold | dies can be reduced by half, and the effect similar to said 1st and 2nd embodiment, such as a separator manufacturing operation being performed economically and efficiently, is carried out. can get.
図25は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック190の要部分解斜視説明図である。
FIG. 25 is an exploded perspective view of a main part of a
なお、第3の実施形態に係る燃料電池スタック120と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
燃料電池スタック190は、第1の発電ユニット192Aと第2の発電ユニット192Bとが、矢印A方向に交互に積層して構成される。第1の発電ユニット192Aは、第1金属セパレータ194A、第1電解質膜・電極構造体126a、第2金属セパレータ196A、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ198Aを設ける(図25及び図26参照)。
The
第2の発電ユニット192Bは、図25及び図27に示すように、第1金属セパレータ194B、第1電解質膜・電極構造体126a、第2金属セパレータ196B、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ198Bを設ける。
As shown in FIGS. 25 and 27, the second
第1の発電ユニット192Aを構成する第1金属セパレータ194Aは、図28に示すように、面194aに第1酸化剤ガス流路136Aを設ける。この第1酸化剤ガス流路136Aは、直線状流路140aの両側に入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bを有する。
As shown in FIG. 28, the
入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bは、第1酸化剤ガス流路136A側に突出する複数の連続ガイド凸部200a、200bを設ける。連続ガイド凸部200aは、酸化剤ガス入口連通孔34aから直線状流路140aに酸化剤ガスを案内するとともに、連続ガイド凸部200bは、前記直線状流路140aから酸化剤ガス出口連通孔34bに前記酸化剤ガスを案内する。
The
図26に示すように、第1金属セパレータ194Aの面194bには、第1冷却媒体流路138Aが設けられる。この第1冷却媒体流路138Aは、入口バッファ部150a及び出口バッファ部150bを有し、前記入口バッファ部150a及び前記出口バッファ部150bは、前記第1冷却媒体流路138A側に突出する複数のエンボス凸部202a、202bを備える。所定数のエンボス凸部202a、202bは、それぞれ1列ずつ且つ連続ガイド凸部200a、200bと交互に配置される。
As shown in FIG. 26, a first
第2金属セパレータ196Aの面196aには、第1燃料ガス流路154Aが形成され、前記第1燃料ガス流路154Aは、入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bを有する。入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bは、第1燃料ガス流路154A側に突出する複数のエンボス凸部204a、204bを備える。
A first
第2金属セパレータ196Aの面196bには、図29に示すように、第2酸化剤ガス流路156Aが形成される。第2酸化剤ガス流路156Aを構成する入口バッファ部142a及び出口バッファ部142bには、第2酸化剤ガス流路156A側に突出する複数の連続ガイド凸部206a、206bが形成される。
A second oxidant
図26に示すように、第3金属セパレータ198Aの面198aには、第2燃料ガス流路166Aが設けられる。第2燃料ガス流路166Aを構成する入口バッファ部160a及び出口バッファ部160bには、第2燃料ガス流路166Aに突出する複数のエンボス凸部208a、208bが形成される。
As shown in FIG. 26, a second
第3金属セパレータ198Aの面198bには、第2冷却媒体流路168Aが形成される。第2冷却媒体流路168Aを構成する入口バッファ部150a及び出口バッファ部150bには、前記第2冷却媒体流路168A側に突出する複数の連続ガイド凸部210a、210bが形成される。
A second
第1の発電ユニット192Aでは、第1酸化剤ガス流路136Aを構成する連続ガイド凸部200a、200bと、第2金属セパレータ196Aの第1燃料ガス流路154Aを構成するエンボス凸部204b、204aとが、第1電解質膜・電極構造体126a側に突出し、且つ積層方向に重なり合って、前記第1電解質膜・電極構造体126aを挟持する。
In the first
第2金属セパレータ196Aの第2酸化剤ガス流路156Aを構成する連続ガイド凸部206a、206bと、第3金属セパレータ198Aの第2燃料ガス流路166Aを構成するエンボス凸部208b、208aとは、第2電解質膜・電極構造体126b側に積層方向に重なる位置に突出し、前記第2電解質膜・電極構造体126bを挟持する。
The continuous guide
第1の発電ユニット192A及び第2の発電ユニット192Bにおいて、第1酸化剤ガス流路136A、36Bでは、連続ガイド凸部200a、200b同士の位相が異なるとともに、第2酸化剤ガス流路156A、56Bでは、連続ガイド凸部206a、206b同士の位相が異なる。
In the first
第1燃料ガス流路154A、154Bでは、エンボス凸部204a、204b同士の位相が異なるとともに、第2燃料ガス流路166A、166Bでは、エンボス凸部28a、208b同士の位相が異なる。
In the first fuel
このように構成される第4の実施形態では、第1の発電ユニット192Aを構成する第1金属セパレータ194Aと、第2の発電ユニット192Bを構成する第1金属セパレータ194Bとは、それぞれのユニット内で同一の位置に配置されるとともに、第1酸化剤ガス流通域の形状が点対称に設定されている。これにより、金型数を半減させることができ、セパレータ製造作業が経済的且つ効率的に遂行される等、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。
In the fourth embodiment configured as described above, the
10、90、120、190…燃料電池スタック
12A、12B、92A、92B、122A、122B、192A、192B…発電ユニット
14A、14B、18A、18B、20A、20B、94A、94B、96A、96B、98A、98B、124A、124B、128A、128B、130A、130B、194A、194B、196A、196B、198A、198B…金属セパレータ
16a、16b、126a、126b…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極
36、52、136A、136B、156A、156B…酸化剤ガス流路
38、48、54、60、142a、150a、160a、172a…入口バッファ部
38a、38b、40a、40b、48a、48b、50a、50b、60a、60b、62a、62b…凸部
40、50、56、62、142b、150b、160b、172b…出口バッファ部
44、138A、138B、168A、168B…冷却媒体流路
46、58、154A、154B、166A、166B…燃料ガス流路
70、72、104…金型 74…凹凸形状部
76a、76b…バッファ形状部 78a〜78f…トリム孔
80A、80B、110A、110B…金属プレート
100…凹部 102…セル電圧端子
146a、146b…エンボス凸起部
152a、152b、164a、164b、200a、200b、206a、206b、210a、210b…連続ガイド凸部
174a、174b、202a、202b、204a、204b、208a、208b…エンボス凸部
180A、180B…金属プレート
10, 90, 120, 190 ... Fuel cell stacks 12A, 12B, 92A, 92B, 122A, 122B, 192A, 192B ...
Claims (10)
前記第1の発電ユニット内及び前記第2の発電ユニット内でそれぞれ同一の位置に配置される各金属セパレータは、前記反応ガス流通域の形状がセパレータ面内で互いに180゜回転した形状に設定される一方、少なくとも前記反応ガス連通孔を含む連通孔形状が同一に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel gas comprising n (n is an even number) electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and (n + 1) metal separators alternately stacked with each electrolyte / electrode assembly. Or a first gas generating unit in which a reaction gas flow region for flowing a reaction gas which is either an oxidant gas in the surface direction of the metal separator and a reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed; A fuel cell stack comprising a second power generation unit, wherein a cooling medium flow path is formed between the first power generation unit and the second power generation unit and is alternately stacked;
The metal separators arranged at the same position in the first power generation unit and the second power generation unit are set such that the shape of the reaction gas flow area is rotated by 180 ° within the separator surface. On the other hand, the fuel cell stack is characterized in that the communication hole shape including at least the reaction gas communication hole is set to be the same.
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通するバッファ部と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the reaction gas flow region includes at least a reaction gas flow channel for flowing the reaction gas along a power generation surface,
A buffer portion communicating the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole;
A fuel cell stack comprising:
第1の金型により、各金属セパレータに前記反応ガス流通域を形成する第1の工程と、
第2の金型により、各金属セパレータに少なくとも前記反応ガス連通孔を含む連通孔形状を成形する第2の工程と、
を有し、
一方の前記金属セパレータは、前記第1の金型と前記第2の金型とに、それぞれ同一の姿勢で配置されるとともに、
他方の前記金属セパレータは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして、前記第2の金型に対し相対的に180°回転して配置されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。 A fuel gas comprising n (n is an even number) electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and (n + 1) metal separators alternately stacked with each electrolyte / electrode assembly. Or a first gas generating unit in which a reaction gas flow region for flowing a reaction gas which is either an oxidant gas in the surface direction of the metal separator and a reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed; In a fuel cell stack comprising a second power generation unit and alternately stacked by forming a cooling medium flow path between the first power generation unit and the second power generation unit, And a method of manufacturing a metal separator for a fuel cell, which manufactures each metal separator disposed at the same position in the second power generation unit,
A first step of forming the reactive gas flow area in each metal separator by a first mold;
A second step of forming a communication hole shape including at least the reaction gas communication hole in each metal separator by a second mold;
Have
One of the metal separators is disposed in the same posture on the first mold and the second mold, respectively.
The other metal separator is disposed by being rotated by 180 ° relative to the second mold with a thickness direction intersecting the plane direction as a rotation axis. Manufacturing method.
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通するバッファ部と、
を有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。 6. The manufacturing method according to claim 5, wherein the reaction gas flow region includes at least a reaction gas flow channel for allowing the reaction gas to flow along a power generation surface.
A buffer portion communicating the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole;
The manufacturing method of the metal separator for fuel cells characterized by having.
第1の金型により、各金属セパレータに前記反応ガス流通域を形成する第1の工程と、
第2の金型により、少なくとも各金属セパレータの外形にトリム加工を行う第2の工程と、
を有し、
一方の前記金属セパレータは、前記第1の金型と前記第2の金型とに、それぞれ同一の姿勢で配置されるとともに、
他方の前記金属セパレータは、面方向に交差する厚さ方向を回転軸にして、前記第2の金型に対し相対的に180°回転して配置されることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。 A fuel gas comprising n (n is an even number) electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and (n + 1) metal separators alternately stacked with each electrolyte / electrode assembly. A first power generation unit in which a reaction gas flow region for flowing a reaction gas that is either an oxidant gas in the surface direction of the metal separator and a reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed; In a fuel cell stack comprising a second power generation unit and alternately stacked by forming a cooling medium flow path between the first power generation unit and the second power generation unit, And a method of manufacturing a metal separator for a fuel cell, which manufactures each metal separator disposed at the same position in the second power generation unit,
A first step of forming the reactive gas flow area in each metal separator by a first mold;
A second step of trimming at least the outer shape of each metal separator with a second mold;
Have
One of the metal separators is disposed in the same posture on the first mold and the second mold, respectively.
The other metal separator is disposed by being rotated by 180 ° relative to the second mold with a thickness direction intersecting the plane direction as a rotation axis. Manufacturing method.
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