JP2017139218A - Method of producing fuel cell stack and method of producing metal separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを有する燃料電池スタックの製造方法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 relates to a method of manufacturing a fuel cell stack having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte membrane and a metal separator, and a method of manufacturing a metal separator for a fuel cell.
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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両(燃料電池電気自動車等)に組み込まれている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface. It has. The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators (bipolar plates). A fuel cell is usually incorporated in a fuel cell vehicle (fuel cell electric vehicle or the like) as a vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of power generation cells.
燃料電池では、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられている。シール部材は、フッ素系やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。 In a fuel cell, a metal separator may be used as a separator. At that time, the metal separator is provided with a seal member in order to prevent leakage of the reaction gas and the cooling medium which are the oxidant gas and the fuel gas. As the sealing member, an elastic rubber seal such as a fluorine-based material or silicone is used, and there is a problem that the cost increases.
そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて、金属セパレータにシーリングビードを成形する構成が採用されている。シーリングビードは、プレス成形されるため、製造コストが安価になるという利点がある。 Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, a configuration in which a sealing bead is formed on a metal separator instead of an elastic rubber seal is employed. Since the sealing bead is press-molded, there is an advantage that the manufacturing cost is low.
ところで、上記のシーリングビードでは、外部荷重に対する塑性変形が大きく、金属セパレータの積層方向への荷重変動により、前記シーリングビードに塑性変形が惹起され易い。このため、外乱が取り除かれた際、塑性変形前と同一のシール面圧を発生させることができないという問題がある。 By the way, in the above-mentioned sealing bead, plastic deformation with respect to an external load is large, and plastic deformation is likely to be caused in the sealing bead due to load fluctuation in the stacking direction of the metal separator. For this reason, when a disturbance is removed, there exists a problem that the same sealing surface pressure as before plastic deformation cannot be generated.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、荷重変動に対して塑性変形を惹起することがなく、所望のシール面圧を確実に得ることが可能な燃料電池スタックの製造方法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 solves this type of problem, and is a fuel cell stack capable of reliably obtaining a desired seal surface pressure without causing plastic deformation with respect to load fluctuation in a simple process. An object of the present invention is to provide a method for producing a metal separator for a fuel cell.
本発明に係る製造方法が適用される燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを有する発電セルを備えている。電解質膜・電極構造体と金属セパレータとの間には、一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが形成されている。燃料電池スタックは、複数の発電セルが積層されている。 The fuel cell stack to which the manufacturing method according to the present invention is applied includes a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a metal separator. Between the electrolyte membrane / electrode structure and the metal separator, a fuel gas channel for supplying fuel gas to one electrode and an oxidant gas channel for supplying oxidant gas to the other electrode are formed. . In the fuel cell stack, a plurality of power generation cells are stacked.
燃料電池スタックの製造方法は、金属セパレータをプレス成形することにより、少なくとも燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を周回してシール用ビード部を形成する工程と、一対の前記金属セパレータを、前記シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面同士を当接させた状態で、接合する工程とを有している。さらに、シール用ビード部に予備荷重を付与することにより、前記シール用ビード部を塑性変形させる工程を有している。そして、金属セパレータと電解質膜・電極構造体とを積層し、積層方向に締め付け荷重を付与することにより、燃料電池スタックを組み付ける工程を有している。 The method of manufacturing a fuel cell stack includes a step of forming a bead portion for sealing around at least a fuel gas channel or an oxidant gas channel by press-molding a metal separator, and a pair of the metal separators, And a step of joining in a state where the surfaces opposite to the surface from which the sealing bead portion protrudes are in contact with each other. Furthermore, it has the process of plastically deforming the said bead part for a seal | sticker by providing a preload to the bead part for a seal | sticker. And it has the process of assembling a fuel cell stack by laminating | stacking a metal separator and electrolyte membrane and electrode structure, and giving a clamping load to the lamination direction.
また、この製造方法では、シール用ビード部に付与される予備荷重は、燃料電池スタックの発電中に、積層方向に受ける最大荷重であることが好ましい。また、この製造方法では、前記電解質膜・電極構造体の外周には樹脂枠部材が設けられ、前記金属セパレータの弾性率k1と前記樹脂枠部材の弾性率k2は、k1>k2の関係を有することが好ましい。また、この製造方法では、前記シール用ビード部の頂部には樹脂材が設けられ、前記弾性率k1と、前記弾性率k2と、樹脂材の弾性率k3とは、k1>k3>k2の関係を有することが好ましい。 In this manufacturing method, it is preferable that the preliminary load applied to the sealing bead portion is the maximum load received in the stacking direction during power generation of the fuel cell stack. In this manufacturing method, a resin frame member is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure, and the elastic modulus k1 of the metal separator and the elastic modulus k2 of the resin frame member have a relationship of k1> k2. It is preferable. Further, in this manufacturing method, a resin material is provided on the top of the sealing bead portion, and the elastic modulus k1, the elastic modulus k2, and the elastic modulus k3 of the resin material have a relationship of k1> k3> k2. It is preferable to have.
さらにまた、本発明に係る製造方法が適用される燃料電池用金属セパレータは、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と積層されて発電セルを構成している。金属セパレータには、一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが形成されている。 Furthermore, the fuel cell metal separator to which the manufacturing method according to the present invention is applied is laminated with an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane to constitute a power generation cell. The metal separator is formed with a fuel gas channel for supplying fuel gas to one electrode and an oxidant gas channel for supplying oxidant gas to the other electrode.
金属セパレータの製造方法は、金属セパレータをプレス成形することにより、少なくとも燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を周回してシール用ビード部を形成する工程を有している。さらに、シール用ビード部に予備荷重を付与することにより、前記シール用ビード部を塑性変形させる工程を有している。 The metal separator manufacturing method includes a step of forming a bead portion for sealing around at least a fuel gas channel or an oxidant gas channel by press-molding the metal separator. Furthermore, it has the process of plastically deforming the said bead part for a seal | sticker by providing a preload to the bead part for a seal | sticker.
また、この製造方法では、シール用ビード部に付与される予備荷重は、燃料電池の発電中に、金属セパレータの積層方向に受ける最大荷重であることが好ましい。また、この製造方法では、前記金属セパレータは、3枚以上の金属セパレータと2枚以上の電解質膜・電極構造体とを備えたセルユニットにおいて、3枚以上の前記金属セパレータのうち2枚の前記電解質膜・電極構造体の間に配置される金属セパレータであることが好ましい。 In this manufacturing method, it is preferable that the preliminary load applied to the sealing bead portion is the maximum load received in the stacking direction of the metal separator during power generation of the fuel cell. In this manufacturing method, the metal separator is a cell unit including three or more metal separators and two or more electrolyte membrane / electrode structures. The metal separator is preferably disposed between the electrolyte membrane / electrode structure.
本発明によれば、燃料電池スタックの組み付け前に、シール用ビード部に予備荷重を付与することにより、前記シール用ビード部が塑性変形されている。このため、燃料電池スタックとして使用される際、荷重変動が惹起されても、シール用ビード部は、弾性ゴムシールと同様な荷重特性を有することができる。また、一対の金属セパレータを接合した後に予備荷重が付与されるため、当該接合の際の金属セパレータの変形を矯正することができる。 According to the present invention, the sealing bead portion is plastically deformed by applying a preload to the sealing bead portion before assembly of the fuel cell stack. For this reason, when used as a fuel cell stack, even if a load fluctuation is caused, the sealing bead portion can have the same load characteristics as the elastic rubber seal. In addition, since a preliminary load is applied after joining the pair of metal separators, deformation of the metal separator during the joining can be corrected.
従って、シール用ビード部は、簡単な工程で、荷重変動に対して塑性変形を惹起することがなく、所望のシール面圧を確実に得ることが可能になる。 Accordingly, the sealing bead portion can reliably obtain a desired sealing surface pressure by a simple process without causing plastic deformation due to load fluctuation.
図1及び図2に示すように、本発明に係る製造方法が適用される燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が水平方向(矢印A方向)又は重力方向(矢印C方向)に積層された積層体14を備える。燃料電池スタック10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、インシュレータ18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される(図2参照)。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、インシュレータ18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
A
図1に示すように、エンドプレート20a、20bは、横長(縦長でもよい)の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー24が配置される。各連結バー24は、両端をエンドプレート20a、20bの内面にボルト26を介して固定され、複数の積層された発電セル12に積層方向(矢印A方向)の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック10では、エンドプレート20a、20bを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体14を収容するように構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
発電セル12は、図3及び図4に示すように、樹脂フィルム付きMEA(電解質膜・電極構造体)28が、第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32により挟持される。第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第1金属セパレータ30と第2金属セパレータ32とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ33を構成する。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the
発電セル12の長辺方向である矢印B方向(図4中、水平方向)の一端縁部には、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36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bは、矢印C方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔36aは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔38bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
One end edge of the
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが、矢印C方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔36bは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔34bは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bと燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
A fuel gas
図3に示すように、外周に枠形状の樹脂フィルム46を有する樹脂フィルム付きMEA28は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)40と、前記固体高分子電解質膜40を挟持するアノード電極42及びカソード電極44とを有する。
As shown in FIG. 3, the
固体高分子電解質膜40は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。固体高分子電解質膜40は、アノード電極42及びカソード電極44よりも小さな平面寸法(外形寸法)を有する。固体高分子電解質膜40は、電極外周と重なり部を有する。
The solid
アノード電極42は、固体高分子電解質膜40の一方の面40aに接合される第1電極触媒層42aと、前記第1電極触媒層42aに積層される第1ガス拡散層42bとを設ける。第1電極触媒層42aは、第1ガス拡散層42bよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜40と同一(又は同一未満)の外形寸法に設定される。なお、第1電極触媒層42aは、第1ガス拡散層42bと同一の外形寸法を有してもよい。
The
カソード電極44は、固体高分子電解質膜40の面40bに接合される第2電極触媒層44aと、前記第2電極触媒層44aに積層される第2ガス拡散層44bとを設ける。第2電極触媒層44aは、第2ガス拡散層44bよりも小さな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜40と同一(又は同一未満)の外形寸法に設定される。なお、第2電極触媒層44aは、第2ガス拡散層44bと同一の外形寸法を有してもよい。
The
第1電極触媒層42aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第1ガス拡散層42bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層44aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第2ガス拡散層44bの表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層42b及び第2ガス拡散層44bは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第1電極触媒層42a及び第2電極触媒層44aは、固体高分子電解質膜40の両方の面40a、40bに形成される。
The first
第1ガス拡散層42bの外周先端縁部と第2ガス拡散層44bの外周先端縁部との間には、枠形状を有する樹脂フィルム46(樹脂枠部材)が挟持される。樹脂フィルム46の内周端面は、固体高分子電解質膜40の外周端面に近接又は当接する。図4に示すように、樹脂フィルム46の矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。樹脂フィルム46の矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。
A resin film 46 (resin frame member) having a frame shape is sandwiched between the outer peripheral front end edge of the first
樹脂フィルム46は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム46を用いることなく、固体高分子電解質膜40を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した固体高分子電解質膜40の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
Examples of the
図4に示すように、第1金属セパレータ30の樹脂フィルム付きMEA28に向かう面30aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路48が設けられる。図5に示すように、酸化剤ガス流路48は、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bに流体的に連通する。酸化剤ガス流路48は、矢印B方向に延在する複数本の凸部48a間に直線状流路溝(又は波状流路溝)48bを有する。
As shown in FIG. 4, for example, an
酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス流路48との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部50aが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔34bと酸化剤ガス流路48との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部50bが設けられる。
Between the oxidizing gas
第1金属セパレータ30の面30aには、プレス成形により断面が波形状の酸化剤ガス流路48、入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bと一体(又は個別)に第1シールライン(メタルビードシール)52が樹脂フィルム付きMEA28に向かって膨出成形される。第1シールライン52は、面30aの外周縁部を周回する外側ビード部(シール用ビード部)52aを有する。第1シールライン52の断面形状としては、先端に向かって先細り形状、先端が平坦形状又はR形状を有する。第1シールライン52は、酸化剤ガス流路48、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部(シール用ビード部)52bを有する。
A first seal line (metal bead seal) is formed on the
第1シールライン52は、さらに燃料ガス入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bをそれぞれ周回する連通孔ビード部(シール用ビード部)52cを有する。外側ビード部52a、内側ビード部52b及び連通孔ビード部52cは、面30a側に凸形状を有する。なお、外側ビード部52aは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The
冷却媒体入口連通孔36aを周回する連通孔ビード部52cと内側ビード部52bとの間には、入口通路部54aが面30a側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔36bを周回する連通孔ビード部52cと内側ビード部52bとの間には、出口通路部54bが面30a側に膨出形成される。入口通路部54a及び出口通路部54bは、面30b側の冷却媒体流路66(後述する)に冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bを連通させる通路を構成する。
Between the communication
第1シールライン52では、図3に示すように、外側ビード部52a及び内側ビード部52bの凸部先端面に樹脂材56aが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材56aは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。図5に示すように、連通孔ビード部52cの凸部先端面には、樹脂材56aが印刷又は塗布等により固着される。なお、外側ビード部52a、内側ビード部52b及び連通孔ビード部52cの平面形状を打ち抜いたシートを貼ってもよい。
In the
図4に示すように、第2金属セパレータ32の樹脂フィルム付きMEA28に向かう面32aには、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路58が形成される。燃料ガス流路58は、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bに流体的に連通する。燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数本の凸部58a間に直線状流路溝(又は波状流路溝)58bを有する。
As shown in FIG. 4, for example, a
燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス流路58との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部60aが設けられる。燃料ガス出口連通孔38bと燃料ガス流路58との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部60bが設けられる。
Between the fuel gas
第2金属セパレータ32の面32aには、プレス成形により断面が波形状の燃料ガス流路58、入口バッファ部60a及び出口バッファ部60bと一体(又は個別)に第2シールライン(メタルビードシール)62が樹脂フィルム付きMEA28に向かって膨出成形される。第2シールライン62は、面32aの外周縁部を周回する外側ビード部(シール用ビード部)62aを有する。第2シールライン62の断面形状としては、先端に向かって先細り形状、先端が平坦形状又はR形状を有する。第2シールライン62は、燃料ガス流路58、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部(シール用ビード部)62bを有する。
A second seal line (metal bead seal) is formed on the
第2シールライン62は、さらに酸化剤ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔34b、冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bをそれぞれ周回する連通孔ビード部(シール用ビード部)62cを有する。外側ビード部62a、内側ビード部62b及び連通孔ビード部62cは、面32a側に凸形状を有する。なお、外側ビード部62aは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The
冷却媒体入口連通孔36aを周回する連通孔ビード部62cと内側ビード部62bとの間には、入口通路部64aが面32a側に膨出形成される。冷却媒体出口連通孔36bを周回する連通孔ビード部62cと内側ビード部62bとの間には、出口通路部64bが面32a側に膨出形成される。入口通路部64a及び出口通路部64bは、面32b側の冷却媒体流路66(後述する)に冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bを連通させる通路を構成する。
Between the communication
第2シールライン62では、図3に示すように、外側ビード部62a及び内側ビード部62bの凸部先端面に樹脂材56bが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材56bは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。図4に示すように、連通孔ビード部62cの凸部先端面には、樹脂材56bが印刷又は塗布等により固着される。なお、外側ビード部62a、内側ビード部62b及び連通孔ビード部62cの平面形状を打ち抜いたシートを貼ってもよい。
In the
互いに接合される第1金属セパレータ30の面30bと第2金属セパレータ32の面32bとの間には、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとに流体的に連通する冷却媒体流路66が形成される。冷却媒体流路66は、酸化剤ガス流路48が形成された第1金属セパレータ30の裏面形状と、燃料ガス流路58が形成された第2金属セパレータ32の裏面形状とが重なり合って形成される。
Between the
図2に示すように、ターミナルプレート16a、16bは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート16a、16bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部68a、68bが設けられる。
As shown in FIG. 2, the
端子部68aは、絶縁性筒体70aに挿入されてインシュレータ18aの孔部72a及びエンドプレート20aの孔部74aを貫通して前記エンドプレート20aの外部に突出する。端子部68bは、絶縁性筒体70bに挿入されてインシュレータ18bの孔部72b及びエンドプレート20bの孔部74bを貫通して前記エンドプレート20bの外部に突出する。
The
インシュレータ18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ18a、18bの中央部には、積層体14に向かって開口される凹部76a、76bが形成され、前記凹部76a、76bの底面には、孔部72a、72bが設けられる。
The
インシュレータ18a及びエンドプレート20aの矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。インシュレータ18a及びエンドプレート20aの矢印B方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。
An oxidant gas
図2及び図3に示すように、インシュレータ18aの凹部76aには、ターミナルプレート16a及び断熱部材78aが収容される一方、インシュレータ18bの凹部76bには、ターミナルプレート16b及び断熱部材78bが収容される。断熱部材78aは、一対の第1断熱部材80a間に第2断熱部材82aが配設される。第1断熱部材80aは、例えば、平坦な形状を有する多孔性カーボンプレートで構成されるとともに、第2断熱部材82aは、断面波板状の金属製のプレートで構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
なお、第1断熱部材80aは、第2断熱部材82aと同一の材料で構成してもよい。さらに、断熱部材78aは、1枚の第1断熱部材80aと1枚の第2断熱部材82aとを備える一方、ターミナルプレート16aとインシュレータ18aの凹部76aの底部との間に、樹脂製スペーサ(図示せず)を介装してもよい。
The first
また、断熱部材78bは、上記の断熱部材78aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号にaに代えてbを付し、その詳細な説明は省略する。
Moreover, the
次いで、本発明の第1の実施形態に係る接合セパレータ33及び燃料電池スタック10の製造方法について、以下に説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、平板状の厚さ0.03mm〜0.3mm程度の金属薄板(素材)が用意され、この金属薄板がプレス加工されて、それぞれ断面波形状を有する第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32が成形される(図6参照)。
First, a flat metal thin plate (material) having a thickness of about 0.03 mm to 0.3 mm is prepared, and the metal thin plate is pressed to form a
図3〜図5に示すように、第1金属セパレータ30の面30aには、酸化剤ガス流路48を構成する凸部48aと第1シールライン52を構成する外側ビード部52a、内側ビード部52b及び連通孔ビード部52cとが突出成形される。面30aには、冷却媒体連結通路である入口通路部54a及び出口通路部54bが膨出形成される(図4及び図5参照)。
As shown in FIGS. 3 to 5, on the
図3及び図4に示すように、第2金属セパレータ32の面32aには、燃料ガス流路58を構成する凸部58aと第2シールライン62を構成する外側ビード部62a、内側ビード部62b及び連通孔ビード部62cとが突出成形される。面32aには、冷却媒体連結通路である入口通路部64a及び出口通路部64bが膨出形成される(図4参照)。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
さらに、図7に示すように、第1金属セパレータ30の面30b(シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面)と第2金属セパレータ32の面32b(シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面)とが当接した状態で、前記第1金属セパレータ30及び前記第2金属セパレータ32が配置される。この状態で、面30bの凸部と面32bの凸部とは当接し、第1金属セパレータ30と第2金属セパレータ32は、それらの外周縁部と、酸化剤ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bの各内周縁部とが、溶接、ろう付け、かしめにより一体化され、接合セパレータ33が得られる。
Furthermore, as shown in FIG. 7, the
次に、図8に示すように、第1金属セパレータ30では、外側ビード部52a及び内側ビード部52bの凸部先端面に、樹脂材56aが印刷等で固着される。同様に、図5に示すように、連通孔ビード部52cの凸部先端面に、樹脂材56aが印刷等で固着される。
Next, as shown in FIG. 8, in the
一方、第2金属セパレータ32では、外側ビード部62a及び内側ビード部62bの凸部先端面に、樹脂材56bが印刷等で固着される。同様に、図4に示すように、連通孔ビード部62cの凸部先端面に樹脂材56bが印刷等で固着される。なお、樹脂材56a、56bは、不要にすることも可能である。また、樹脂フィルム付きMEA28の外周樹脂枠の表面に樹脂材56a、56bを設けてもよい。
On the other hand, in the
接合セパレータ33は、図9に示すように、予備荷重付与装置84に配置される。予備荷重付与装置84は、接合セパレータ33を挟んで互いに対向する型部材86a、86bと、前記型部材86a、86b間に配置されるスペーサ88とを備える。予備荷重付与装置84では、型部材86a、86bにより接合セパレータ33を挟持し、第1シールライン52及び第2シールライン62に予備荷重を付与する。予備荷重は、燃料電池スタック10の発電中に、積層方向(矢印A方向)に受ける最大荷重である。最大荷重は、発電条件、スタック寸法により、適宜設定すればよい。
As shown in FIG. 9, the
予備荷重が付与された接合セパレータ33は、図3に示すように、樹脂フィルム付きMEA28と交互に積層されて積層体14が構成される。積層体14の積層方向一端には、断熱部材78a、ターミナルプレート16a、インシュレータ18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される(図2参照)。積層体14の積層方向他端には、断熱部材78b、ターミナルプレート16b、インシュレータ18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
As shown in FIG. 3, the joining
図1に示すように、エンドプレート20a、20bに各辺間には、連結バー24が配置される。各連結バー24は、両端をエンドプレート20a、20bの内面にボルト26を介して固定され、積層体14に積層方向の締め付け荷重が付与され、燃料電池スタック10が組み付けられる。
As shown in FIG. 1, a connecting
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
まず、図1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔34aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート20aの冷却媒体入口連通孔36aに供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, for example, air is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔34aから第1金属セパレータ30の酸化剤ガス流路48に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路48に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体28のカソード電極44に供給される。
As shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2金属セパレータ32の燃料ガス流路58に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体28のアノード電極42に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the
従って、各電解質膜・電極構造体28では、カソード電極44に供給される酸化剤ガスと、アノード電極42に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層44a及び第1電極触媒層42a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
Accordingly, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極44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、アノード電極42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38bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体入口連通孔36aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ30と第2金属セパレータ32との間に形成された冷却媒体流路66に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体28を冷却した後、冷却媒体出口連通孔36bから排出される。
In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、燃料電池スタック10の組み付け前に、第1金属セパレータ30の第1シールライン52及び第2金属セパレータ32の第2シールライン62に予備荷重が付与されている(図9参照)。このため、第1シールライン52及び第2シールライン62は、第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32の積方向に向かって、予め塑性変形されている。
In this case, in the first embodiment, a preload is applied to the
例えば、第1シールライン52に予備荷重が付与されていない第1金属セパレータ30では、燃料電池スタック10に組み込んで使用されると、運転時の荷重変動により、前記第1シールライン52に塑性変形が惹起され易い。従って、図10に示すように、荷重を加えた際と荷重を抜いた際で、第1シールライン52は、塑性変形前の荷重特性線L1とは異なる荷重特性線L2上に移動する。これにより、所望のシール面圧を維持するための運転範囲が狭小になってしまい、外乱(温度変化や衝突)に耐える広い運転範囲を得ることができない。なお、図10では、横軸の発電セル12の厚さ(セル厚み)と縦軸の第1シールライン52に加わる圧力(シール圧力)との関係が示されている。また、縦軸には、第1シールライン52が破損する上限圧力、リークが発生する下限圧力及び所望の締結状態である締結圧力が示されている。
For example, when the
これに対して、第1の実施形態では、第1シールライン52は、予め塑性変形されている。このため、第1シールライン52は、燃料電池スタック10の運転時の荷重変動により塑性変形することがなく、図11に示すように、荷重を加えた際と荷重を抜いた際で、同一の荷重特性線L3上を移動することができる。従って、運転範囲が拡大し、外乱(温度変化や衝突等)に耐え得る広い荷重特性が得られ、所望のシール面圧を確実に得ることが可能になるという効果がある。また、第1及び第2金属セパレータ30、32を接合した後に予備荷重が付与されるため、当該接合の際の第1及び第2金属セパレータ30、32の変形を矯正することができる。
On the other hand, in the first embodiment, the
ここで、第1金属セパレータ30の弾性率k1、樹脂フィルム46の弾性率k2及び樹脂材56aの弾性率k3は、k1>k3>k2の関係を有している。これにより、第1金属セパレータ30にだけ予備荷重を付与すればよい。なお、樹脂材56aを用いない場合は、k1>k2の関係を有している。
Here, the elastic modulus k1 of the
なお、第1の実施形態では、積層前の接合セパレータ33において、樹脂材56a、56bが設けられた後、予備荷重を付与しているが、これに限定されるものではない。例えば、積層前の接合セパレータ33において、樹脂材56a、56bが設けられる前に、予備荷重を付与してもよい。
In the first embodiment, the preload is applied after the
また、接合セパレータ33に予備荷重を付与しているが、これに限定されるものではない。第1の実施形態では、2枚の金属セパレータ間に電解質膜・電極構造体を挟持したセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、3枚以上の金属セパレータと2枚以上の電解質膜・電極構造体を備え、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。
Moreover, although the preliminary | backup load is provided to the joining
間引き冷却構造では、単一の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路が形成され且つ他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。従って、1枚の金属セパレータが電解質膜・電極構造体間に配置されるため、前記1枚の金属セパレータに予備荷重を付与してもよい。この場合、予備荷重は、セルユニットを組み立てる前の段階で前記1枚の金属セパレータに付与される。なお、各セル冷却構造のセルユニットの製造(組立て)において、セルユニットを組み立てる前の状態で1枚の金属セパレータに予備荷重を付与してもよい。 In the thinning cooling structure, a fuel gas flow path is formed on one surface of a single metal separator, and an oxidant gas flow path is formed on the other surface. Accordingly, since one metal separator is disposed between the electrolyte membrane / electrode structure, a preload may be applied to the one metal separator. In this case, the preliminary load is applied to the one metal separator at a stage before the cell unit is assembled. In manufacturing (assembling) the cell unit having each cell cooling structure, a preload may be applied to one metal separator in a state before the cell unit is assembled.
次いで、本発明の第2の実施形態に係る製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described.
第2の実施形態では、図12に示すように、接合セパレータ33は、予備荷重付与装置84Aにより予備荷重が付与される。予備荷重付与装置84Aでは、接合セパレータ33を一定の厚さSに圧縮することにより、前記接合セパレータ33に予備荷重を付与している。一定の厚さSは、例えば、燃料電池スタック10の発電中に接合セパレータ33が最大荷重を受ける際、前記接合セパレータ33が圧縮される厚さに相当する。
In the second embodiment, as shown in FIG. 12, the joining
このように、第2の実施形態では、接合セパレータ33に対して、一定寸法(厚さS)に応じた予備荷重の付与が行われている。このため、図13に示すように、第1シールライン52は、燃料電池スタック10の運転時の荷重変動により塑性変形することがなく、同一の荷重特性線L4上を移動する。従って、プレスによる寸法のばらつきによる荷重特性線La、Lb及びLcのばらつきを緩和することが可能になる。
Thus, in the second embodiment, a preload according to a certain dimension (thickness S) is applied to the
これにより、運転範囲が拡大し、外乱(温度変化や衝突等)に耐え得る広い荷重特性が得られ、所望のシール面圧を確実に得ることが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 As a result, the operating range is expanded, a wide load characteristic that can withstand disturbances (temperature change, collision, etc.) can be obtained, and a desired seal surface pressure can be reliably obtained. The same effect can be obtained.
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…インシュレータ 20a、20b…エンドプレート
28…樹脂フィルム付きMEA 30、32…金属セパレータ
33…接合セパレータ 34a…酸化剤ガス入口連通孔
34b…酸化剤ガス出口連通孔 36a…冷却媒体入口連通孔
36b…冷却媒体出口連通孔 38a…燃料ガス入口連通孔
38b…燃料ガス出口連通孔 40…固体高分子電解質膜
42…アノード電極 44…カソード電極
46…樹脂フィルム 48…酸化剤ガス流路
52、62…シールライン 52a、62a…外側ビード部
52b、62b…内側ビード部 52c、62c…連通孔ビード部
54a、64a…入口通路部 54b、64b…出口通路部
56a、56b…樹脂材 58…燃料ガス流路
66…冷却媒体流路 84、84A…予備荷重付与装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記金属セパレータをプレス成形することにより、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路を周回してシール用ビード部を形成する工程と、
一対の前記金属セパレータを、前記シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面同士を当接させた状態で、接合する工程と、
前記シール用ビード部に予備荷重を付与することにより、該シール用ビード部を塑性変形させる工程と、
前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを積層し、積層方向に締め付け荷重を付与することにより、前記燃料電池スタックを組み付ける工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 An electrolyte membrane / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane and a metal separator, and fuel gas is supplied to one electrode between the electrolyte membrane / electrode structure and the metal separator A fuel cell stack including a power generation cell in which a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the other electrode are formed, and a plurality of the power generation cells are stacked,
Forming the bead portion for sealing by orbiting at least the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path by press molding the metal separator;
Joining the pair of metal separators in a state where the surfaces opposite to the surfaces from which the sealing bead portions protrude are in contact with each other;
Applying a preliminary load to the sealing bead portion to plastically deform the sealing bead portion;
The step of assembling the fuel cell stack by laminating the metal separator and the electrolyte membrane / electrode structure, and applying a tightening load in the laminating direction;
A method for manufacturing a fuel cell stack, comprising:
前記金属セパレータの弾性率k1と前記樹脂枠部材の弾性率k2は、k1>k2の関係を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 It is a manufacturing method of Claim 1 or 2, Comprising: The resin frame member is provided in the outer periphery of the said electrolyte membrane electrode structure,
The method of manufacturing a fuel cell stack, wherein the elastic modulus k1 of the metal separator and the elastic modulus k2 of the resin frame member have a relationship of k1> k2.
前記弾性率k1と、前記弾性率k2と、前記樹脂材の弾性率k3とは、k1>k3>k2の関係を有することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 It is a manufacturing method of Claim 3, Comprising: The resin material is provided in the top part of the said bead part for a seal | sticker,
The method of manufacturing a fuel cell stack, wherein the elastic modulus k1, the elastic modulus k2, and the elastic modulus k3 of the resin material have a relationship of k1>k3> k2.
前記金属セパレータをプレス成形することにより、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路を周回してシール用ビード部を形成する工程と、
前記シール用ビード部に予備荷重を付与することにより、該シール用ビード部を塑性変形させる工程と、
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。 Stacked with an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane to form a power generation cell, a fuel gas flow path for supplying fuel gas to one electrode, and an oxidant gas to the other electrode A method of manufacturing a fuel cell metal separator in which an oxidant gas flow path is formed,
Forming the bead portion for sealing by orbiting at least the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path by press molding the metal separator;
Applying a preliminary load to the sealing bead portion to plastically deform the sealing bead portion;
The manufacturing method of the metal separator for fuel cells characterized by having.
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