JP2012123972A - 燃料電池セパレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池セパレータ1は、膜電極接合板12を挟み込むと共にこの膜電極接合板12に燃料剤及び酸素剤を供給可能とする燃料電池セパレータ1であって、燃料剤を流通可能な燃料剤流通溝16が一方の面に形成されると共に酸素剤を流通可能な酸素剤流通溝が他方の面に形成されたセパレータ本体13と、セパレータ本体13の一方の面または他方の面のいずれかの面から突出するように形成された位置決め突起18と、位置決め突起18が設けられた側の反対側の面に形成されると共に、別のセパレータ本体13の位置決め突起18を挿入可能とされた位置決め凹部と、を有するものである。
【選択図】図2
Description
しかし、自動車モータなどの起電力を得ようとすると数百枚ものセルを積層しなければならない。つまり、このような場合は重ね合わせる燃料電池セパレータの枚数も非常に多数となり、個々のセル間のズレが累積されて全体としてズレが非常に大きくなってしまうため、燃料電池セパレータと膜電極接合板との間の隙間を完全に無くすことは困難だし、燃料剤などの漏れを抑制することも不可能になる。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、セルを多数積層して燃料電池を製造する場合においても、セル同士を互いの位置がずれることなく且つ良好な作業性をもって重ね合わせることができる燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
即ち、本発明の燃料電池セパレータは、膜電極接合板を挟み込むと共にこの膜電極接合板に燃料剤及び酸素剤を供給可能とする燃料電池セパレータであって、燃料剤を流通可能な燃料剤流通溝が一方の面に形成されると共に酸素剤を流通可能な酸素剤流通溝が他方の面に形成されたセパレータ本体と、前記セパレータ本体の一方の面または他方の面のいずれかの面から突出するように形成された位置決め突起と、前記位置決め突起が設けられた側の反対側の面に形成されると共に、別のセパレータ本体の位置決め突起を挿入可能とされた位置決め凹部と、を有することを特徴とするものである。
このようにすれば、シール部材により位置決め突起と位置決め凹部との隙間が確実に埋められるため、燃料剤や酸素剤のガス漏れを確実に防止することが可能となる。
なお、前記位置決め突起及び位置決め凹部が、前記膜電極接合板の周囲を全周に亘って囲むように配備されているのが好ましい。
なお、前記位置決め突起は、その基端から先端に向かうにつれて幅が小さくなるような形状とされており、その突端の幅が前記位置決め凹部の底部の幅と等しくなると共にその基端の幅が前記位置決め凹部の開口幅より小さくなるように形成されているのが好ましい。
なお、前記位置決め突起、位置決め凹部及びセパレータ本体が金属粉末射出成形を用いて一体成形されているのが好ましい。
このように位置決め突起及び位置決め凹部をセパレータ本体と一体成形すれば、位置決め突起、位置決め凹部及びセパレータ本体の位置関係が不変となり、セル同士をさらに精度良く位置決めしつつ重ね合わせることが可能となる。
図1(a)に示すように、燃料電池2は、起電力を発生する複数枚の板状のセル3を板厚方向(前後方向)に重ね合わしたスタック4を有している。このスタック4の外形は互いに直交し合う上下面、左右面、前後面を備える直方体であり、スタック4の前側及び後側にはスタック4を両側から挟み込むように支持する1組の支持板5F、5Rが配備されている。これら1組の支持板5F、5Rのさらに前側及び後側には、スタック4を挟み込んだ支持板5をその外側からさらに挟み込むように固定する1組の挟持板6F、6Rが設けられている。これらのスタック4と支持板5F、5Rと挟持板6F、6Rとは板厚方向にこれらを貫通する複数のボルト7を用いて互いに固定されている。
スタック4は、同じ面積の板状のセル3をその板厚方向(前後方向)に複数枚に亘って積層することで、直方体状の外形を備えている。このスタック4は、発生させようとする電位(積層枚数)に応じた厚みを前後方向に有している。例えば、自動車用の燃料電池2であれば1mm〜2mm程度のセル3を数百枚に亘って積層することでスタック4の前後方向の厚みは図例のように300mm以上となる。
挟持板6は、支持板5よりやや大きな面積を有する厚板状の部材であり、前側の支持板5Fのさらに前面と、後側の支持板5Rのさらに後面とにそれぞれ接するように前後で1組配備されている。そして、互いに前後に接し合う挟持板6と支持板5との間には、端子板11がそれぞれ設けられている。この端子板11の上端は、支持板5や挟持板6の上面よりさらに上方に向かって突出して(張り出して)おり、この突出した部分のうち前側のものがプラス側の電極、後側のものがマイナス側の電極となっている。
流通溝には、ガス流通孔15を流れてきた水素ガスを膜電極接合板12に案内する水素ガス流通溝16(燃料剤流通溝)と、ガス流通孔15を流れてきた酸素ガスを膜電極接合板12に案内する酸素ガス流通溝17(酸素剤流通溝)とがある。水素ガス流通溝16と酸素ガス流通溝17とはセパレータ本体13の互いに異なる表面に形成されており、一方の表面(おもて面)に水素ガス流通溝16が形成される場合には、他方の表面(うら面)に酸素ガス流通溝17が形成されている。なお、図例のセル3は、セパレータ本体13の前面に水素ガス流通溝16を、また後面に酸素ガス流通溝17を有している。
この位置決め突起18はセパレータ本体13の一方の面または他方の面のいずれかの面から突出するように形成されており、また位置決め凹部19は位置決め突起18が設けられた側の反対側の面に形成されていて、位置決め突起18を位置決め凹部19に挿入することでセル3同士の積層位置を位置決めできるようになっている。また、位置決め突起18と位置決め凹部19との間には、両者の隙間を埋めるシール部材20が設けられている。
図3に示すように、位置決め突起18は、セパレータ本体13の前面から前方に向かって突出するように形成された突起であり、セパレータ本体13の中央に近い側、より具体的には上述した貫通孔14とガス流通孔15との間に形成されている。この位置決め突起18は、前方から見るとセパレータ本体13より小さな正方形の枠のように見える堤状に形成されており、セパレータ本体13の中央部、具体的には酸素ガス流通溝17の周囲を全周に亘って取り囲むように形成されている。この位置決め突起18は、後述する金属粉末射出成形法によってセパレータ本体13と一体物として成形される。
位置決め凹部19は、セパレータ本体13の後面に形成された凹みであり、位置決め突起18と対応した位置に形成されている。この位置決め凹部19は、前方から見るとセパレータ本体13より小さな正方形の枠のように見える溝状に形成されており、セパレータ本体13の中央部、具体的には酸素ガス流通溝17の周囲を全周に亘って取り囲むように形成されている。この位置決め凹部19も、位置決め突起18と同様に後述する金属粉末射出成形法によってセパレータ本体13と一体物として成形される。
図4に示すように、位置決め突起18は、その断面形状が略台形形状となっており、基端側18bの幅に比べて突端側18aの幅の方が狭くなっている。具体的には、位置決め突起18は、セパレータ本体13の前面から前方に向かって高さhだけ突出しており、基端側18bの幅bに比べて突端18aの幅a(<b)の方が小さくなっている。一方、位置決め凹部19も、その断面形状が略台形形状となっており、開口側19cの幅cに比べて奥に位置する底部19dの幅a(<c)の方が狭くなっている。そして、この位置決め突起18と位置決め凹部19とは、位置決め突起18の突端18aの幅aが位置決め凹部19の底部19dの幅aと等しくなると共に位置決め突起18の基端18bの幅bが位置決め凹部19の開口側19cの幅cより小さくなる寸法に形成されている。
図3(b)に示すように、シール部材20は、セパレータ本体13を構成する金属より軟質な合成樹脂で形成されており、位置決め突起18または位置決め凹部19の少なくとも何れか一方の表面を被覆して両者の隙間を埋めるものである。なお、本実施形態では、このシール部材20は、位置決め突起18及び位置決め凹部19の両方の表面を被覆している。具体的には、位置決め突起18の突端18aと位置決め凹部19の底部19dとの間にはセパレータ本体13の内部を貫通して両面間を繋ぐ連通孔21が形成されており、この連通孔21内を充填する樹脂により位置決め凹部19の表面を覆う樹脂と位置決め突起18の表面を覆う樹脂とが連結されて、シール部材20がセパレータ本体13に固定されている。
本発明の燃料電池セパレータ1は、上述したように位置決め突起18、位置決め凹部19及びシール部材20がセパレータ本体13に一体に成形されている点を特徴としている。次に、これらの位置決め突起18、位置決め凹部19及びシール部材20をセパレータ本体13に一体成形する方法、言い換えれば燃料電池セパレータ1の製造方法について説明する。
このようにして得られたペレットを金型内に射出成形して中間成形体を形成した後、大気中もしくは不活性ガス中で加熱脱脂し、最後に窒素、アルゴン、水素等のガス雰囲気下で焼結を行う。この焼結は、例えば焼結後の相対密度が93%以上になるまで適度な焼結温度で行えばよく、さらに焼結密度を95%以上にすることがより好ましい。また、焼結後の製品の耐食性並びに導電性をさらに付加するために導電性の表面処理を行うことにより、さらにセパレータの性能を高めることができる。表面処理方法にはスパッタリング、メッキなどを用いることができ、表面処理を行う材料には金、ロジウム、カーボン等を用いることができる。
この工程は、シール部材20の外形を型取った金型内に、シリコン樹脂やPFAなどの耐熱性、耐食性及び絶縁性のある熱可塑性樹脂を射出するものである。このとき、位置決め突起18の突端18aと位置決め凹部19の底部19dとの間にはセパレータ本体13の内部を貫通して両面間を繋ぐ連通孔21が形成されており、射出された熱可塑性樹脂がこの連通孔21を充填することで位置決め突起18の表面を覆うシール部材20と位置決め凹部19の表面を覆うシール部材20とが一体で連結され、位置決め突起18及び位置決め凹部19の表面にシール部材20が強固に固定される。
そうすると、位置決め突起18に囲まれたセパレータ本体13の中央部の面積は膜電極接合板12より大きな面積とされているため、膜電極接合板12が位置決め突起18で周囲を覆われるように位置決め突起18の内側に収容される。そして、膜電極接合板12を内部に収容した状態で位置決め突起18を位置決め凹部19に挿入すれば、膜電極接合板12の周囲が位置決め突起18と位置決め凹部19とでなる凹凸構造で囲まれることになり、膜電極接合板12からのガス漏れを確実に防止することが可能となる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。
2 燃料電池
3 セル
4 スタック
5F 前側の支持板
5R 後側の支持板
6F 前側の挟持板
6R 後側の挟持板
7 ボルト
8 ポート
9 ポート
11 端子板
12 膜電極接合板
13 セパレータ本体
14 貫通孔
15 ガス流通孔
16 水素ガス流通溝
17 酸素ガス流通溝
18 突起
18a 突起の突端
18b 突起の基端
19 凹部
19c 凹部の開口側
19d 凹部の底部
20 シール部材
21 連通孔
Claims (6)
- 膜電極接合板を挟み込むと共にこの膜電極接合板に燃料剤及び酸素剤を供給可能とする燃料電池セパレータであって、
燃料ガスを流通可能な燃料剤流通溝が一方の面に形成されると共に酸素剤を流通可能な酸素剤流通溝が他方の面に形成されたセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の一方の面または他方の面のいずれかの面から突出するように形成された位置決め突起と、
前記位置決め突起が設けられた側の反対側の面に形成されると共に、別のセパレータ本体の位置決め突起を挿入可能とされた位置決め凹部と、
を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。 - 前記位置決め突起または位置決め凹部の少なくとも何れか一方に、当該位置決め突起と位置決め凹部との隙間を埋めるシール部材が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セパレータ。
- 前記位置決め突起及び位置決め凹部が、前記膜電極接合板の周囲を全周に亘って囲むように配備されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池セパレータ。
- 前記位置決め突起は、その基端から先端に向かうにつれて幅が小さくなるような形状とされており、その突端の幅が前記位置決め凹部の底部の幅と等しくなると共にその基端の幅が前記位置決め凹部の開口幅より小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
- 前記位置決め突起及び位置決め凹部がセパレータ本体と一体成形されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
- 前記位置決め突起、位置決め凹部及び前記セパレータ本体が金属粉末射出成形を用いて一体成形されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池セパレータ。
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