JP2019186052A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】波形状の流路を備える燃料電池用セパレータの変形を抑制する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０は、平面視波形状の複数の流路１７が設けられた流路領域と、流路領域を囲む縁領域と、複数の流路１７のうち最も縁領域に近い流路１７の縁領域側に突出する突出部１７ａ間に入り込むように配置された凸部１９とを備える。突出部１７ａは、凸部１９の流路領域側の端部よりも外側に位置し、流路領域と縁領域との間に直線状に連なる平面領域が形成されない。【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスや冷却媒体の流路を備える燃料電池用のセパレータに関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜とこの電解質膜の両面に配置された一対の電極を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える単セルを、複数積層した燃料電池スタックの構成で使用される。

セパレータの電極に対向する面には、単セル内に反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を供給するための反応ガス流路が形成されている。また、セパレータの電極に対向する面とは反対側の面には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。

セパレータの端部には、反応ガスを流通させる反応ガスマニホールド孔や冷却媒体を流通させる冷却媒体マニホールド孔が形成されている。マニホールド孔は、セパレータを貫通して形成されている。単セルを積層することによって、マニホールド孔により燃料電池スタックの積層方向に貫通した形状のマニホールドが構成される。

このようなセパレータにおいて、反応ガスを電極反応面に均一且つ確実に供給するため、反応ガスマニホールド孔と反応ガス流路との間には、ガイド部が設けられている。

隣接するセパレータ間で冷却媒体流路を形成する場合、セパレータ同士が比較的広い範囲で接触しない部位が存在し、セパレータ同士が差圧により変形し損傷を受ける虞がある。そこで、セパレータの変形を抑制する技術が提案されている（特許文献１）。

特許文献１では、セパレータの流路を構成する波形凸部の両端に、波形凸部よりも高さの低い直線状凸部が連結されるとともに、直線状凸部の端部には該直線状凸部よりも高さが高く、隣接するセパレータに当接するエンボス凸部が連結されている。

特開２０１７−８４４５９号公報

特許文献１に記載のセパレータでは、波形状の流路が設けられた領域とマニホールド孔が設けられた領域との間に平面領域が存在している。波形状の流路やマニホールドが設けられた領域は曲げ方向の力に対する剛性が高く、変形を生じにくい。しかしながら、これらの間にある平面領域は曲げ方向の力に対する剛性が低く、この領域においてセパレータが変形し、発電部の端部にダメージが生じる虞がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、波形状の流路を備える燃料電池用セパレータの変形を抑制することである。

本発明の一態様に係る燃料電池用セパレータは、平面視波形状の複数の流路が設けられた流路領域と、前記流路領域を囲む縁領域と、複数の前記流路のうち最も前記縁領域に近い流路の前記縁領域側に突出する突出部間に入り込むように配置された凸部とを備える。

本発明によれば、波形状の流路を備えるセパレータの変形を抑制することが可能となる。

実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いた、燃料電池スタックを構成する単セルの分解斜視図である。 図１の燃料電池用セパレータ１０の構成を示す図である。 図２の一部を拡大した図である。 図３の部分を側方から見た図である。 図１の燃料電池用セパレータ２０の一部を拡大した図である。 燃料電池用セパレータ１０、２０を重ねた状態を示す図である。 実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いた単セルを側方から見た図である。 実施の形態に係る燃料電池用セパレータの他の構成を示す図である。 実施の形態に係る燃料電池用セパレータの他の構成を示す図である。 比較例の燃料電池用セパレータの一部を拡大した図である。 図１０の部分を側方から見た図である。 比較例の燃料電池用セパレータを用いた単セルを側方から見た図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

燃料電池は、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成するものである。燃料電池は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックの構成で使用される。

図１は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータともいう）を用いた、燃料電池スタックを構成する単セル１の分解斜視図である。図１において、左右方向をｘ方向とし、上下方向をｙ方向とする。また、単セル１の面に垂直な方向をｚ方向とする。図１に示すように、単セル１は、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０によりＭＥＡの一例である膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer(GDL) Assembly：ＭＥＧＡ）３０を挟持して構成される。図面の簡略化のため、図示を適宜省略している。

ＭＥＧＡ３０は、固体電解質膜と、該固体電解質膜を挟持するカソード電極及びアノード電極を含む一般的な構成のものを採用することができる。カソード電極は、固体電解質膜に接合されるカソード触媒層とこれに積層されるカソード拡散層を備える。アノード電極は、固体電解質膜に接合されるアノード触媒層と、これに積層されるアノード拡散層を備える。

カソード電極、アノード電極、固体電解質層が重なった領域が発電部３となる。図１、２において、破線の長方形で示される領域が発電部３である。カソード電極及びアノード電極は同一の外形寸法を有し、固体高分子電解質膜はカソード電極及び前記アノード電極よりも大きな外形寸法を有する。固体高分子電解質膜の外周端は、カソード電極の外周端及びアノード電極の外周端から外方に突出する。この固体電解質が突出した領域を、ＭＥＧＡ端領域５とする。ＭＥＧＡ端領域５には、固体電解質層の他、カソード触媒層やアノード触媒層等のＭＥＧＡ３０を構成する他の構成要素の一部が含まれうる。

単セル１のｘ方向の右側端部には、燃料ガス入口マニホールド孔１１、２１、３１、冷却媒体出口マニホールド孔１５、２５、３５、酸化剤ガス出口マニホールド孔１４、２４、３４が設けられている。燃料ガス入口マニホールド孔１１、２１、３１、冷却媒体出口マニホールド孔１５、２５、３５、酸化剤ガス出口マニホールド孔１４、２４、３４は、それぞれ積層方向に互いに連通してマニホールドを構成する。これらのマニホールドは、ｙ方向に配列して形成されている。

単セル１のｘ方向の左側端部には、酸化剤ガス入口マニホールド孔１３、２３、３３、冷却媒体入口マニホールド孔１６、２６、３６、燃料ガス出口マニホールド孔１２、２２、３２が設けられている。酸化剤ガス入口マニホールド孔１３、２３、３３、冷却媒体入口マニホールド孔１６、２６、３６、燃料ガス出口マニホールド孔１２、２２、３２は、それぞれ積層方向に互いに連通してマニホールドを構成する。これらのマニホールドは、ｙ方向に配列して形成されている。燃料ガスとしては、例えば、水素ガスが用いられる。また、酸化剤ガスとしては、例えば、エア等の酸素含有ガスが用いられる。

第１セパレータ１０、第２セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板等の平板状の金属板により形成される。第１セパレータ１０、第２セパレータ２０は、略矩形状の金属板をプレス加工することにより、流路１７、２７、ガイド部１８、２８、凸部１９、２９等をそれぞれ有する所定の形状に成形されている。なお、第１セパレータ１０、第２セパレータ２０として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンを用いることも可能である。

第１セパレータ１０のＭＥＧＡ３０に対向する面には、燃料ガス入口マニホールド孔１１と燃料ガス出口マニホールド孔１２に連通する燃料ガスの流路１７がｘ方向に沿って設けられている。図２は、図１の燃料電池用セパレータ１０の構成を示す図である。図２では、図１の第１セパレータ１０を裏面側から見た図が示されている。図２に示すように、平面視で波形状の複数の流路１７がｙ方向に並ぶように形成されている。流路１７は、図２の下側からｙ方向に向かって、冷却媒体が通るガス面側に凸な第１凸部と、燃料ガスが通る冷却面側に凸な第２凸部とを繰り返し有する。

実施の形態では、波形状の流路１７から燃料ガス入口マニホールド孔１１及び燃料ガス出口マニホールド孔１２に向かう領域にはガイド部１８が形成されている。ガイド部１８は、燃料ガスを燃料ガス入口マニホールド孔１１から流路１７へと導き、流路１７から燃料ガス出口マニホールド孔１２へと導く。流路１７が形成された領域が、流路領域２である。また、流路領域２を囲むように配置された領域が縁領域４である。

第２セパレータ２０のＭＥＧＡ３０に対向する面には、酸化剤ガス入口マニホールド孔２３、酸化剤ガス出口マニホールド孔２４に連通する酸化剤ガスの流路２７がｘ方向に沿って設けられている。平面視で直線形状の複数の流路２７は、ｙ方向に並ぶように形成されている。流路２７は、下側からｙ方向に向かって、冷却媒体が通るガス面側に凸な第３凸部と、酸化剤ガスが通る冷却面側に凸な第４凸部とを繰り返し有する。

実施の形態では、直線状の流路２７から酸化剤ガス入口マニホールド孔２３、酸化剤ガス出口マニホールド孔２４に向かう領域にはガイド部２８が形成されている。ガイド部２８は、酸化剤ガスを酸化剤ガス入口マニホールド孔２３から流路２７へと導き、流路２７から酸化剤ガス出口マニホールド孔２４へと導く。

発電部３は、第１セパレータ１０の波形状の流路１７が形成された領域及びガイド部１８が形成された領域の一部を含む領域に対応する。また、発電部３は、凸部２９の直線状の流路２７が形成された領域に対応する。

なお、ここでは図示していないが、複数の単セルが積層されることにより、隣接する第１セパレータ１０と第２セパレータ２０との間に冷却媒体の流路が形成される。冷却媒体の流路は、ｘ方向に沿って設けられる。

上述したように、実施の形態では、流路領域２を囲む縁領域４のうち、２つの短辺には各マニホールド孔が形成されている。一方、縁領域４のマニホールド孔が形成されていない２つの長辺には、複数の凸部１９が形成されている。複数の凸部１９は、発電部３の長手方向の２つの辺に沿って配列している。複数の実施の形態では、凸部１９は第１セパレータ１０の冷却媒体により冷却される冷却面から見て凸状になっている。すなわち、凸部１９は、図２に示す第１セパレータ１０の面から突出している。凸部１９の構成については、後に詳述する。

一対のセパレータ１０間において、ＭＥＧＡ３０の周縁部には、単セル内の反応ガス流路のガスシール性を確保するために、枠状の熱可塑性樹脂等からなる樹脂シートが配置される。また、マニホールド孔の周囲には、マニホールドにおけるシール性を確保するためにガスケットが配置される。このような単セルを例えば、３００〜４００枚積層して、集電板、エンドプレート等を実装することで、燃料電池スタックが形成される。

ここで、比較例を用いて、本発明の課題について説明する。図１０は、比較例に係るセパレータ４０の一部を拡大した図である。図１０は、図２の破線６で囲まれた領域に相当する。図１１は、図１０の部分を側方から見た図である。図１２は、比較例のセパレータ４０を用いた単セルを側方から見た図である。

図１０に示すように、比較例のセパレータ４０では、流路１７と凸部４１との間に、セパレータの材料である平板状の金属板が加工されていない平面領域４２が存在する。平面領域４２は、セパレータ４０のｘ方向の幅に渡って形成される。このため、図１１に示すように、縁領域４にｚ方向の荷重がかかると、セパレータ４０が発電部３の端部の平面領域４２で曲がってしまうという問題がある。図１２に示すように、セパレータ４０を用いて単セルを構成した場合、縁領域４にｚ方向の荷重がかかると、単セルが発電部３とＭＥＧＡ端領域５との境界４３で曲がり、発電部３の端部にダメージが生じる虞がある。

そこで、実施の形態では、図３に示すように、凸部１９が、流路１７のうち最も縁領域４に近い流路１７の縁領域４側に突出する突出部１７ａ間に入り込むように配置される。すなわち、突出部１７ａは、凸部１９の流路領域２側の端部よりも外側に位置する。これにより、流路領域２と縁領域４との間に、第１セパレータ１０のｘ方向の幅に渡る平面領域が形成されない。

単セル１を積層した際に、隣接する単セルにずれがあると、縁領域４にｚ方向の力がかかることがある。実施の形態では、凸部１９が流路１７の突出部１７ａ間に入り込むことで、第１セパレータ１０の曲げ方向の力に対する剛性を向上させることができる。これにより、図４に示すように、縁領域４にｚ方向の荷重がかかったとしても、第１セパレータ１０の変形を抑制することができ、発電部３の端部へのダメージを回避することが可能となる。

実施の形態では、単セル１の平面性の維持と剛性のさらなる向上のため、第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを組み合わせている。ここで、第１セパレータ１０の構成について説明する。図５は、図１の燃料電池用セパレータ２０の一部を拡大した図である。図５に示すように、第２セパレータ２０には、流路２７と凸部２９との間にｘ方向の幅に渡って形成される平面領域７が存在する。

図６は、燃料電池用セパレータ１０、２０を重ねた状態を示す図である。図６に示すように、実施の形態では、第１セパレータ１０の突出部１７ａ間に設けられた凸部１９の流路領域２側の端部と、第２セパレータ２０の最も縁領域４側に配置された流路２７とがｘ−ｙ平面視で重なっている（重なり領域１）。また、第２セパレータ２０の凸部２９と、第１セパレータ１０の突出部１７ａとがｘ−ｙ平面視で重なっている（重なり領域２）。

図７は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いた単セルを側方から見た図である。図７に示すように、凸部１９が流路２７の流路２７と重なり、重なり領域１が形成されることにより、単セル１の曲げ剛性を向上することができる。これにより、縁領域４にｚ方向の荷重がかかった場合でも、単セル１の変形を防止し、単セル１の平面性を維持することが可能となる。

実施例
図７に示すような第１セパレータ１０と第２セパレータ２０とを用いた単セルを３００枚積層することにより、燃料電池スタックを作成した。この燃料電池スタックでは、ＭＥＧＡ端領域５と発電部３との境界におけるストレスが小さく、耐久試験をクリアすることができた。一方、比較例として、２つの第２セパレータ２０を用いて単セルを形成し、同様に燃料電池スタックを作成した。この場合、ＭＥＧＡ端領域５と発電部３との境界部におけるストレスにより、耐久試験中にリーク量の増加がみられた。

図８、９に、凸部１９の変形例を示す。図８に示す例では、凸部１９ａは、ｘ方向の幅に渡って形成された基端部１９ｂと、基端部１９ｂから流路１７に向かって延びる複数の突起部１９ｃとを有する。複数の突起部１９ｃの長さは、流路１７が縁領域４側に突出する部分では短く、流路１７が発電部３側に突出する部分では長くなっている。複数の突起部１９ｃのうち最も長さが長いものは、流路１７のうち最も縁領域４に近い流路１７の縁領域４側に突出する突出部１７ａ間に入り込むように配置される。

図９に示す例では、凸部１９ｄがｙ方向に対して、例えば４５度傾いて配置されている。この例では、２つの凸部１９ｄが突出部１７ａの間に入り込むように配置されている。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、凸部１９と流路１７の成形高さが異なっていてもよい。

１ 単セル
２ 流路領域
３ 発電部
４ 縁領域
５ ＭＥＧＡ端領域
７ 平面領域
１０ 第１セパレータ
１１ 燃料ガス入口マニホールド孔
１２ 燃料ガス出口マニホールド孔
１３ 酸化剤ガス入口マニホールド孔
１４ 酸化剤ガス出口マニホールド孔
１５ 冷却媒体出口マニホールド孔
１６ 冷却媒体入口マニホールド孔
１７ 流路
１７ａ 突出部
１８ ガイド部
１９ 凸部
１９ａ 凸部
１９ｂ 基端部
１９ｃ 突起部
１９ｄ 凸部
２０ 第２セパレータ
２１ 燃料ガス入口マニホールド孔
２２ 燃料ガス出口マニホールド孔
２３ 酸化剤ガス入口マニホールド孔
２４ 酸化剤ガス出口マニホールド孔
２５ 冷却媒体出口マニホールド孔
２６ 冷却媒体入口マニホールド孔
２７ 流路
２８ ガイド部
２９ 凸部
３０ ＭＥＧＡ
３１ 燃料ガス入口マニホールド孔
３２ 燃料ガス出口マニホールド孔
３３ 酸化剤ガス入口マニホールド孔
３４ 酸化剤ガス出口マニホールド孔
３５ 冷却媒体出口マニホールド孔
３６ 冷却媒体入口マニホールド孔
４０ セパレータ
４１ 凸部
４２ 平面領域
４３ 境界

Claims (1)

1. 平面視波形状の複数の流路が設けられた流路領域と、
   前記流路領域を囲む縁領域と、
   複数の前記流路のうち最も前記縁領域に近い流路の前記縁領域側に突出する突出部間に入り込むように配置された凸部と、
   を備える、
   燃料電池用セパレータ。

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