JP2021154331A - 接合構造および燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】リークの確率を従来よりも低減することができる接合構造の提供を目的とする。【解決手段】積層される一対の薄板（セパレータ）３１、３２を、連続した接合部５０で接合することにより、接合部５０で囲まれる一対の薄板の間の空間を封止する接合構造であって、接合部５０は、複数回にわたり交差する連続した少なくとも１つの接合ライン５１、５２と、接合ライン５１、５２の隣接する２つの交差点５３と当該２つの交差点５３の間を結ぶ接合ライン５１、５２とにより囲まれる複数の空間領域５４と、を備える。【選択図】図３
Description
本発明は、接合構造および燃料電池用セパレータに関する。
従来より、２枚の薄板の外周部を全周にわたって互いに接合し、接合部分で囲まれた２枚の薄板間の内部を封止する接合構造がある。例えば特許文献１には、燃料電池用のバイポーラ型金属セパレータにおいて、２枚の金属セパレータの外周部を互いに近接する２本の直線状の外周接合ライン（溶接ビード）で接合する技術が開示されている。
上記従来の技術は、いわば接合ラインを二重にした接合構造であり、内周側と外周側のうちのいずれか一方の接合ラインに接合不良が生じても、他方の接合ラインで内部から外部へのリークが防がれる。しかし、それぞれの接合ラインに接合不良が１箇所ずつ生じた場合にはリークが生じるものであるため、これよりもリーク発生の確率が低い接合構造が望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、リークの確率を従来よりも低減することができる接合構造の提供を目的とする。
（１） 本発明に係る接合構造は、積層される一対の薄板を、連続した接合部で接合することにより、前記接合部で囲まれる前記一対の薄板の間の空間を封止する接合構造であって、前記接合部は、複数回にわたり交差する連続した少なくとも１つの接合ラインと、前記接合ラインの隣接する２つの交差点と当該２つの交差点の間を結ぶ前記接合ラインとにより囲まれる複数の空間領域と、を備える。
上記（１）によれば、複数の空間領域のそれぞれは、内周側および外周側の接合ラインで封止された構造を有する。このため、１つの空間領域を形成する内周側および外周側の双方の接合ラインがともに接合不良にならない限り、接合部全体としてはリークが生じない。このため、接合部のリークの確率を従来よりも低減することができる。
（２） （１）に記載の接合構造において、２つの前記接合ラインが所定の間隔で互いに交差しながら延在している。
（３） （２）に記載の接合構造において、前記接合ラインは波状である。
上記（２）および（３）によれば、２つの接合ラインによって複数の空間領域を容易かつ確実に形成することができる。
（４） （１）に記載の接合構造において、１つの前記接合ラインが互いに重なる複数のループ部を有する状態に延在している。
上記（４）によれば、接合ラインが１つであるため複数の空間領域を効率よく形成することができる。
（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の接合構造において、前記一対の薄板の外周部に前記接合部を有する。
上記（５）によれば、本発明では上記のようにリークの確率が低減するため、外周部の接合部に適用することでリークを効果的に抑えることができる。
（６） 本発明に係る燃料電池用セパレータは、膜電極構造体に積層される燃料電池用セパレータであって、薄板状の第１セパレータと、前記第１セパレータに積層されて接合される薄板状の第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータと第２セパレータとが、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の接合構造により接合されている。
上記（６）によれば、互いに接合される第１および第２セパレータを備える燃料電池用セパレータの接合構造において、リークの確率を低減させることができる。
本発明によれば、リークの確率を従来よりも低減することができる接合構造と、そのような接合構造を備えた燃料電池用セパレータを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明を燃料電池スタックのセパレータに適用した一実施形態を説明する。
図１は単位燃料電池を構成する発電セル１０の分解斜視図であり、図２は発電セル１０の積層構造を示す図であって図１のII−II断面を示している。
図１および図２に示すように、発電セル１０は、膜電極構造体２０と、膜電極構造体２０を挟持する燃料電池用セパレータとしての接合セパレータ３０と、を備える。複数の発電セル１０が、図１において例えば矢印Ａで示す水平方向、または矢印Ｃで示す重力方向に積層され締結されることにより、不図示の燃料電池スタックが構成される。本実施形態の発電セル１０の積層体である燃料電池スタックは、例えば燃料電池電気自動車の車載用燃料電池スタックとして用いられるが、用途はそれに制限されない。
図２に示すように、膜電極構造体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方側の面に積層されたカソード電極２２と、電解質膜２１の他方側の面に積層されたアノード電極２３と、を備える。
電解質膜２１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長方形状の固体高分子電解質膜（陽イオン膜）である。
カソード電極２２およびアノード電極２３は、それぞれ、長方形状のカーボンペーパーからなるガス拡散層２２ａ、２３ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層２２ａ、２３ａ上に塗布することで形成された触媒層２２ｂ、２３ｂと、を備える。カソード電極２２およびアノード電極２３は、それぞれ、触媒層２２ｂ、２３ｂが電解質膜２１に接触するように、ガス拡散層２２ａ、２３ａを外側に向けて電解質膜２１に積層されている。
接合セパレータ３０は、膜電極構造体２０の両面のうちの一方の面側に配置される長方形状の第１セパレータ３１と、他方の面側に配置される長方形状の第２セパレータ３２と、を有する。第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、薄板の一例である。積層された発電セル１０において隣接する発電セル１０の一方側の発電セル１０の第１セパレータ３１と、他方側の第２セパレータ３２とが、本実施形態の接合構造により一体に接合される。
第１セパレータ３１および第２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、アルミニウム合金板等の金属製の薄板により構成される。第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、そのような金属からなる板材を波型状にプレス成形して製造される。第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の厚さは、例えば０．５ｍｍ前後とされるが、この程度の厚さに限定されない。第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、好ましくはその表面に防食処理が施される。
図２に示すように、第１セパレータ３１はカソード電極２２のガス拡散層２２ａに接触し、第２セパレータ３２はアノード電極２３のガス拡散層２３ａに接触している。発電セル１０は、第１セパレータ３１とカソード電極２２との間に複数の酸化剤ガス流路１１を有し、第２セパレータ３２とアノード電極２３との間に燃料ガス流路１２を有する。また、発電セル１０は、互いに接合する第１セパレータ３１と第２セパレータ３２との間に、冷却水等の冷媒が流される複数の冷媒流路１３を有する。
図２に示すように、第１セパレータ３１は、外周部に酸化剤ガス流路１１をシールするための第１凸条部３１１を有し、第２セパレータ３２は、外周部に燃料ガス流路１２をシールするための第２凸条部３２１を有する。これら凸条部３１１、３２１は、膜電極構造体２０のカソード電極２２およびアノード電極２３の外側に位置し、互いに対向するように電解質膜２１に向かって突出している。第１凸条部３１１および第２凸条部３２１の互いに対向する先端部が、電解質膜２１との間にそれぞれ樹脂材からなるシール１５を挟んで電解質膜２１を押圧して挟持している。これにより、酸化剤ガスおよび燃料ガスの外部へのリークが防止されるようになっている。
図１に示すように、発電セル１０は、図１において長さ方向の両端部、すなわち矢印Ｂ方向のＢ１側の端部およびＢ２側の端部のそれぞれに、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通する複数の孔からなる第１連通孔群４１および第２連通孔群４２を有する。
第１連通孔群４１は、第１セパレータ３１、第２セパレータ３２および膜電極構造体２０の電解質膜２１のそれぞれに形成された互いに連通する３つの孔を１組とする５つの連通孔４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅを有する。第２連通孔群４２は、第１セパレータ３１、第２セパレータ３２および膜電極構造体２０の電解質膜２１のそれぞれに形成された互いに連通する３つの孔を１組とする５つの連通孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅを有する。第１連通孔群４１の連通孔４１ａ〜４１ｅ、第２連通孔群４２の連通孔４２ａ〜４２ｅは、それぞれＣ方向にほぼ沿って配置されている。
第１セパレータ３１、第２セパレータ３２および膜電極構造体２０の電解質膜２１のそれぞれに形成された連通孔４１ａ〜４１ｅおよび連通孔４２ａ〜４２ｅは、酸化剤ガス流路１１に連通する酸化剤ガスの入口連通孔および出口連通孔と、燃料ガス流路１２に連通する燃料ガスの入口連通孔および出口連通孔と、冷媒流路１３に連通する冷媒の入口連通孔および出口連通孔と、に適宜に分けられて機能する。
第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の互いの対向面における各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび連通孔４２ａ〜４２ｅの周囲等の必要箇所には、各反応ガス（酸化剤ガスと燃料ガス）および冷媒が混じったりリークしたりしないように、不図示のシール部が設けられる。当該シール部は、レーザ溶接やろう付け等の手段で設けることができる。
図２および図３に示すように、本実施形態の接合セパレータ３０の第１セパレータ３１と第２セパレータ３２とは、外周部が本実施形態に係る接合構造を構成する接合部５０で接合されている。以下、当該接合構造を説明する。
本実施形態に係る接合構造は、積層される一対の薄板である第１セパレータ３１および第２セパレータ３２を、連続した接合部５０で接合することにより、接合部５０で囲まれる各セパレータ３１、３２の間の空間を封止する構造である。接合部５０は、接合セパレータ３０の外周縁に沿って周回するように連続している。
図４に示すように、接合部５０は、複数回にわたり交差する連続した２つの接合ラインである第１接合ライン５１および第２接合ライン５２と、各接合ライン５１、５２の交差する複数の交差点において隣接する２つの交差点５３と当該２つの交差点５３の間を結ぶ各接合ライン５１、５２とにより囲まれる複数の楕円状の空間領域５４と、を備える。
第１接合ライン５１および第２接合ライン５２のそれぞれは、同じ波長で互いに交差する状態に形成された波状であって、所定の間隔で交差しながら接合セパレータ３０の外周部に延在している。接合部５０は、上述した第１連通孔群４１の各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび第２連通孔群４２の各連通孔４２ａ〜４２ｅを含む第１接合ライン５１と第２接合ライン５２との間の空間を全体的に囲んで封止する。
第１接合ライン５１および第２接合ライン５２により形成される複数の空間領域５４の長さ（接合部５０の延在する方向に沿った長さ）、幅といった寸法は任意であるが、例えば、長さ：０．５〜５．０ｍｍ、幅：０．５〜２．０ｍｍといった寸法が挙げられる。また、空間領域５４の数も任意であるが、例えば１００個〜数百個といった数が挙げられる。
第１接合ライン５１および第２接合ライン５２は、本実施形態ではレーザ溶接によって連続的に形成されたレーザ溶接ビードである。なお、接合ラインとしてはレーザ溶接ビードに限定されず、レーザ溶接以外の溶接（例えば、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、シーム溶接等）によって形成された溶接ビードであってもよいし、摩擦撹拌接合やろう付け、接着剤やシーリング材等によって形成された接合部であってもよい。
以上の構成を備える本実施形態に係る発電セル１０は、以下のように動作する。
第１連通孔群４１の各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび第２連通孔群４２の各連通孔４２ａ〜４２ｅのうちの酸化剤ガス入口連通孔として設定された連通孔から、酸化剤ガス（例えば、空気）が供給され、その酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１１を流通する。これにより、カソード電極２２に酸化剤ガスが供給される。
第１連通孔群４１の各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび第２連通孔群４２の各連通孔４２ａ〜４２ｅのうちの酸化剤ガス入口連通孔として設定された連通孔から、酸化剤ガス（例えば、空気）が供給され、その酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１１を流通する。これにより、カソード電極２２に酸化剤ガスが供給される。
第１連通孔群４１の各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび第２連通孔群４２の各連通孔４２ａ〜４２ｅのうちの燃料ガス入口連通孔として設定された連通孔から、燃料ガスとして水素ガスを含むガスが供給され、燃料ガス流路１２を流通する。これにより、アノード電極２３に燃料ガスが供給される。
第１連通孔群４１の各連通孔４１ａ〜４１ｅおよび第２連通孔群４２の各連通孔４２ａ〜４２ｅのうちの冷媒入口連通孔として設定された連通孔から、冷媒（純水、エチレングリコール、オイル等）が供給され、冷媒流路１３を流通する。
膜電極構造体２０では、カソード電極２２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極２３に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電による発熱で加熱された膜電極構造体２０は、冷媒流路１３を流通する冷媒により冷却される。
カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１１から所定の酸化剤ガス出口連通孔へと流動して排出される。同時に、アノード電極２３に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路１２から所定の燃料ガス出口連通孔へと流動して排出される。冷媒は、冷媒流路１３を流通した後、所定の冷媒出口連通孔へと流動して排出される。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
燃料電池の発電セル１０を構成する接合セパレータ３０において、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の外周部を接合する本実施形態に係る接合構造は、積層される一対の第１セパレータ３１および第２セパレータ３２を、連続した接合部５０で接合することにより、接合部５０で囲まれる一対の薄板の間の空間を封止する接合構造であって、接合部５０は、複数回にわたり交差する連続した第１接合ライン５１および第２接合ライン５２と、第１接合ライン５１および第２接合ライン５２の隣接する２つの交差点５３と当該２つの交差点５３の間を結ぶ各接合ライン５１、５２とにより囲まれる複数の空間領域５４と、を備える。
燃料電池の発電セル１０を構成する接合セパレータ３０において、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の外周部を接合する本実施形態に係る接合構造は、積層される一対の第１セパレータ３１および第２セパレータ３２を、連続した接合部５０で接合することにより、接合部５０で囲まれる一対の薄板の間の空間を封止する接合構造であって、接合部５０は、複数回にわたり交差する連続した第１接合ライン５１および第２接合ライン５２と、第１接合ライン５１および第２接合ライン５２の隣接する２つの交差点５３と当該２つの交差点５３の間を結ぶ各接合ライン５１、５２とにより囲まれる複数の空間領域５４と、を備える。
これにより、複数の空間領域５４のそれぞれは、内周側および外周側の各接合ライン５１、５２で封止された構造を有する。このため、１つの空間領域５４を形成する内周側および外周側の双方の接合ライン５１、５２がともに接合不良にならない限り、接合部５０全体としてはリークが生じない。このため、接合セパレータ３０の接合部５０においてリークの確率を従来よりも低減することができる。
本実施形態では、２つの接合ラインである第１接合ライン５１および第２接合ライン５２が、所定の間隔で互いに交差しながら延在している。
これにより、２つの接合ラインである第１接合ライン５１および第２接合ライン５２によって複数の空間領域５４を容易かつ確実に形成することができる。
本実施形態では、第１接合ライン５１および第２接合ライン５２は波状である。
これにより、例えば第１接合ライン５１および第２接合ライン５２をレーザ溶接のビードで形成する場合、各ライン５１、５２は複雑に曲がったラインではないためレーザの走査を円滑かつ迅速に行うことができる。このため、複数の空間領域５４を容易かつ確実に形成することができる。
本実施形態では、一対の薄板である第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の外周部に接合部５０を有する。
これにより、本実施形態では上記のようにリークの確率が低減するため、外周部の接合部５０に適用することでリークを効果的に抑えることができる。
図５および図６は、接合部５０の変形例をそれぞれ示している。図５に示す接合部５０は、第１接合ライン５１および第２接合ライン５２がジグザグ状に延在し、隣接する２つの交差点５３の間の各空間領域５４が矩形状（菱形状）の形状を有している。
図６に示す接合部５０は、１つの接合ライン５５が互いに重なる複数の円形状のループ部５５Ａを有する状態に延在している。この場合、隣接するループ部５５Ａが交わって１つのループ部５５Ａに複数の空間領域５４が形成される。図６に示す接合部５０では、１つの接合ライン５５によりより多くの空間領域５４を効率よく形成することができる。
図７は、図６で示した１つの接合ライン５５をレーザ溶接機６０のレーザ６０ａで形成している状態を示している。このように接合ライン５５が１つである場合、例えばレーザ溶接機６０を回転させながら走査していくことにより、外周部を１周することで効率的に接合部５０を設けることができる。この場合、接合セパレータ３０側を回転させてもよく、レーザ溶接機６０と接合セパレータ３０とを相対的に回転させればよい。
なお、空間領域の形状は、楕円状、円形所、矩形状等に限定されず、様々な態様であってよい。また、接合ラインは、交差点の間の部分において図５で示したように直線の組み合わせ、円弧状、波状、ジグザグ状等、様々な態様であってよい。
次に、図８を参照して本発明の優位性を従来技術と比較して検証する。
図８は、単純形状の長方形状の接合セパレータの外周部に沿ってレーザ溶接部による連続した接合ラインを形成する場合において、接合ラインが、一本の直線的な接合ラインからなる「一本の接合ライン」、二本の平行で直線的な接合ラインからなる「二重の接合ライン」、上記実施形態で示したような二重の波線が連続的に交差した「実施形態の接合ライン」のそれぞれにおける、リークの確率を求める式（１）、（２）、（３）を示している。
図８は、単純形状の長方形状の接合セパレータの外周部に沿ってレーザ溶接部による連続した接合ラインを形成する場合において、接合ラインが、一本の直線的な接合ラインからなる「一本の接合ライン」、二本の平行で直線的な接合ラインからなる「二重の接合ライン」、上記実施形態で示したような二重の波線が連続的に交差した「実施形態の接合ライン」のそれぞれにおける、リークの確率を求める式（１）、（２）、（３）を示している。
図８では、接合ラインが欠損するなどの接合不良によって発生するリークの確率が、接合ラインの総長さＬｐ（ｍ）に１個所の確率、すなわち１／Ｌｐでリークが発生すると想定している。例えば、Ｌｐを１５ｍとした場合、従来技術の「一本の接合ライン」の接合ラインの総長さをＬとすると、リーク発生の確率は図８の（１）式：Ｌ／Ｌｐから求められる。例えばＬが３（ｍ）の場合のリーク発生の確率は、３／１５、すなわち２０％となる。
従来の技術の「二重の接合ライン」において、内側の接合ラインの長さをＬin、外側の接合ラインの長さをＬoutとすると、リーク発生の確率は図８の（２）式から求められ、およそＬ２／Ｌｐ２となる。
これに対し、「実施形態の接合ライン」では、リーク発生の確率は図８の（３）式から求められ、およそＬｓ２ ２Ｌ／Ｌｐ２Ｌｓ１となる。
ここで、図８に示す３種の接合ラインを対比すると、従来技術の「一本の接合ライン」の場合のリーク発生の確率（２０％）を１とした場合、「二重の接合ライン」はＬ／Ｌｐ、「実施形態の接合ライン」はＬｓ２ ２／ＬｐＬｓ１となる。
図８の（１）〜（３）式で表す各確率について、実際の数値例を挙げて説明する。「一本の接合ライン」のＬで示すラインを接合すべき基本的なラインとし、このＬを３（ｍ）とする。また、Ｌｐを上記のように１５ｍとする。すると、「一本の接合ライン」では、（１）式よりリーク発生の確率は上記のように２０％である。
「二重の接合ライン」においては、内側の接合ラインＬinが接合ラインＬの内側に形成され、外側の接合ラインＬoutが接合ラインＬの外側に形成されるとする。内側の接合ラインＬinを２．９（ｍ）、外側の接合ラインＬoutを３．１（ｍ）とした場合、リーク発生の確率は、（２）式より４％となる。
「実施形態の接合ライン」においては、１つの空間領域の長さＬｓ１が１（ｍｍ）、接合ラインＬｓ２の長さが１．４ｍｍとした場合、リーク発生の確率は、（３）式よりおよそ０．００２６％である。
したがって、実施形態のような第１接合ライン５１と第２接合ライン５２の交差による複数の楕円状の空間領域５４を有する接合部によれば、単純な一本の接合ラインに対して約１万分の１の確率に低減することができる。これは、複数の微細な１つの空間領域５４を構成する内側および外側の一対の接合ラインがともに接合不良になった時点ではじめてリークとなるからであって、その一対の接合ラインがともに接合不良になる確率がきわめて低いことによる。
本発明は上記実施形態に制限はされず、本発明の範囲内で適宜な変形や改良が可能である。また、本発明は燃料電池用のセパレータに限らず、一対の薄板を接合して内部を封止する構造であれば、様々な分野の部品に適用することができる。
２０ 膜電極構造体
３０ 接合セパレータ（燃料電池用セパレータ）
３１ 第１セパレータ（薄板）
３２ 第２セパレータ（薄板）
５０ 接合部
５１ 第１接合ライン（接合ライン）
５２ 第２接合ライン（接合ライン）
５３ 交差点
５４ 空間領域
５５ 接合ライン
５５Ａ ループ部
３０ 接合セパレータ（燃料電池用セパレータ）
３１ 第１セパレータ（薄板）
３２ 第２セパレータ（薄板）
５０ 接合部
５１ 第１接合ライン（接合ライン）
５２ 第２接合ライン（接合ライン）
５３ 交差点
５４ 空間領域
５５ 接合ライン
５５Ａ ループ部
Claims (6)
- 積層される一対の薄板を、連続した接合部で接合することにより、前記接合部で囲まれる前記一対の薄板の間の空間を封止する接合構造であって、
前記接合部は、複数回にわたり交差する連続した少なくとも１つの接合ラインと、
前記接合ラインの隣接する２つの交差点と当該２つの交差点の間を結ぶ前記接合ラインとにより囲まれる複数の空間領域と、を備える接合構造。 - ２つの前記接合ラインが所定の間隔で互いに交差しながら延在している請求項１に記載の接合構造。
- 前記接合ラインは波状である請求項２に記載の接合構造。
- １つの前記接合ラインが互いに重なる複数のループ部を有する状態に延在している請求項１に記載の接合構造。
- 前記一対の薄板の外周部に前記接合部を有する請求項１〜４のいずれかに記載の接合構造。
- 膜電極構造体に積層される燃料電池用セパレータであって、
薄板状の第１セパレータと、
前記第１セパレータに積層されて接合される薄板状の第２セパレータと、を備え、
前記第１セパレータと第２セパレータとが、請求項１〜５のいずれかに記載の接合構造により接合されている燃料電池用セパレータ。
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