JP4008764B2 - Manufacturing method of fuel cell separator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜にアノード側電極及びカソード側電極を添わせ、これらを両側から挟持することによりセルモジュールを構成する燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。
【0003】
このような燃料電池としては、例えば、特開2000−123848公報「燃料電池」が知られている。この公報の図1を次図に示して燃料電池について説明する。
図17は従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池200は、電解質膜201にアノード側電極202及びカソード側電極203を添わせ、これらをガスケット204,205を介して第1セパレータ206及び第2セパレータ207で挟むことでセルモジュールを構成する。
【0004】
詳細には、第1セパレータ206の面206aに燃料ガスの流路となる第1流路208が形成され、第2セパレータ207の面207aに酸化剤ガスの流路となる第2流路209が形成され、各々中央の電解質膜201に燃料ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。
【0005】
このセルモジュール1個で得る電気出力はごく小さいので、このようなセルモジュールを多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従って、第1・第2セパレータ206,207は隣のセルに燃料ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ばれる。
【0006】
第1セパレータ206は面206aに燃料ガスのための流路208を備え、第2セパレータ207は面207aに酸化剤ガスのための流路209を備えるが、ガスを効果的にアノード側電極202及びカソード側電極203に接触させる必要があり、そのために、流路208,209はごく浅い溝を多数本条設する必要がある。
【0007】
そして、第1・第2セパレータ206,207は、流路208,209に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するために上部にそれぞれ燃料ガス供給孔部210a、酸化剤ガス供給孔部211aを備え、下部にそれぞれ燃料ガス排出孔部210b、酸化剤ガス排出孔部211bを備え、また、冷却水を通すための冷却水供給孔部212aをそれぞれの上部に、冷却水排出孔部212bをそれぞれの下部に備える。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記した冷却水供給孔部212a及び冷却水排出孔部212bは、それぞれ図示せぬ冷却水通路に連結したものである。
冷却水通路は、例えば、第1セパレータ206の面206aの裏側の面及び第2セパレータ207の面207aの裏側の面のそれぞれに冷却水通路用溝を形成し、この冷却水通路用溝と、隣り合うセルのセパレータに設けた冷却水通路用溝とを合わせることにより形成するものである。
【0009】
このようにセパレータ同士を合わせて冷却水通路を形成した場合、セパレータの合わせ部に冷却水の洩れを防止するためのシール材が必要になり、シール材の厚さ、形状、材質等を考慮しなければならない。
【0010】
また、第1セパレータ206又は第2セパレータ207の一方の面にガス通路用溝、他方の面に冷却水通路用溝を設けることになり、各溝の成形が難しくなる。
さらに、セパレータ同士を合わせるために、セパレータ間の電気的な接触抵抗が増し、この接触抵抗で各セルの電圧が降下してしまい、燃料電池の出力が小さくなることがある。
【0011】
そこで、本発明の目的は、セパレータを簡単に製造することができ、さらに燃料電池の出力低下を抑えることができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1は、中子成形型のキャビティ内に電極拡散層を配置する工程と、このキャビティ内に、ガス通路を形成するための中子を水溶性ポリマーで前記電極拡散層と一体に形成する工程と、一体に形成した中子および電極拡散層を前記中子成形型から取り出して金型のキャビティ内に配置する工程と、金型のキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後金型のキャビティ内から取り出す工程と、この中子を水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層で前記ガス通路を形成する工程とから燃料電池用セパレータの製造方法を構成する。
また、請求項2は、水溶性ポリマーでガス通路を形成するための中子を形成する工程と、この中子を金型のキャビティ内に配置するとともに、キャビティ内の中子に電極拡散層を配置する工程と、このキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後キャビティ内から取り出す工程と、この中子を水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層で前記ガス通路を形成する工程とから燃料電池用セパレータの製造方法を構成する。
【0013】
請求項1,2によれば、ガス通路を形成するための中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後に中子を水で溶出することにより、ガス通路を形成することができる。
このように、セパレータ内の中子を水で溶出することができるので、セパレータにガス通路を簡単に形成することができる。
【0014】
ここで、通常の燃料電池は、アノード側電極とセパレータとの間にアノード側電極拡散層を備えるとともに、カソード側電極とセパレータとの間にカソード側電極拡散層を備える。
これにより、セパレータにアノード側電極拡散層を合わせるとともに、セパレータにカソード側電極拡散層を合わせるために、セパレータ及びアノード側電極拡散層間の電気的な接触抵抗や、セパレータ及びカソード側電極拡散層間の電気的な接触抵抗が増すことが考えられる。この接触抵抗で燃料電池の電圧が降下してしまい、燃料電池の出力が小さくなる虞がある。
【0015】
そこで、請求項1,2において、セパレータを電極拡散層と一体に形成することにした。これにより、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
【0016】
請求項3は、ガス通路用中子成形型のキャビティ内に電極拡散層を配置する工程と、
このキャビティ内に、ガス通路を形成するためのガス通路用中子を水溶性ポリマーで前記電極拡散層と一体に形成する工程と、一方、冷却水通路用中子成形型のキャビティ内に、冷却水通路を形成するための冷却水通路用中子を水溶性ポリマーで形成する工程と、前記一体に形成したガス通路用中子および電極拡散層を前記ガス通路用中子成形型から取り出して金型のキャビティ内に配置するとともに、前記冷却水通路用中子成形型から取り出した前記冷却水通路用中子を前記ガス通路用中子から所定間隔をおいて前記金型のキャビティ内に配置する工程と、金型のキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記ガス通路用中子、前記冷却水通路用中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後金型のキャビティ内から取り出す工程と、このガス通路用中子及び前記冷却水通路用中子をそれぞれ水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層でガス通路を形成するとともに、前記セパレータ内に前記冷却水通路を形成する工程とから燃料電池用セパレータの製造方法を構成する。
【0017】
ガス通路を形成するためのガス通路用中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後にガス通路用中子を水で溶出することで、ガス通路を形成することができる。
このように、セパレータ内のガス通路用中子を水で溶出することができるので、セパレータにガス通路を簡単に形成することができる。
また、セパレータを電極拡散層と一体に形成することにした。これにより、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
【0018】
ここで、通常のセパレータは、一対のセパレータを重ね合わせることにより、一方のセパレータの冷却水通路溝と、他方のセパレータの冷却水通路溝とを合わせて冷却水通路を形成する。
このように、一対のセパレータを重ね合わせることで、一対のセパレータ間の電気的な接触抵抗が増すことが考えられる。この接触抵抗で燃料電池の電圧が降下してしまい、燃料電池の出力が小さくなる虞がある。
【0019】
そこで、請求項3において、冷却水用中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後に冷却水用中子を水で溶出することで、セパレータ内に冷却水通路を形成することにした。セパレータ内に冷却水通路を形成することができるので、一対のセパレータを重ね合わせて冷却水通路を形成する必要はない。
このように、一対のセパレータを重ね合わせる必要がないので、一対のセパレータ間に発生する電気的な接触抵抗をなくすことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る燃料電池用セパレータ(第1実施形態)を備えた燃料電池の分解斜視図を示す。
燃料電池10は、一例として電解質膜12に固体高分子電解質を使用し、この電解質膜12にアノード側電極13及びカソード側電極14を添わせ、アノード側電極13側にアノード側電極拡散層15を介して第1セパレータ(セパレータ)20を合わせるとともに、カソード側電極14側にカソード側電極拡散層35を介して第2セパレータ(セパレータ)40を合わせることによりセルモジュール11を構成し、このセルモジュール11を多数個積層した固体高分子型燃料電池である。
【0021】
隣り合うセルモジュール11,11を積層する際に、一方のセルモジュール11を構成する第1セパレータ20と、他方のセルモジュール11を構成する第2セパレータ40とを、それぞれのセパレータ20,40の冷却水通路形成面20a,40aで合わせる。
【0022】
これにより、第1セパレータ20の冷却水通路溝21・・・と第2セパレータ40の冷却水通路溝41・・・とで冷却水通路30・・・(図8に示す)を形成する。
この冷却水通路30・・・には、第1、第2セパレータ20,30の上端中央の冷却水供給孔部22a,42aが連通するとともに、第1、第2セパレータ20,40の下端中央の冷却水排出孔部22b,42bが連通する。
【0023】
第1セパレータ20は、燃料ガス通路形成面(セパレータの表面)20b側にアノード側電極拡散層(電極拡散層)15を一体に成形(すなわち、一体化)することで、燃料ガス通路形成面20b側に燃料ガス通路溝(ガス通路)23・・・(図2に示す)を形成する。
この燃料ガス通路溝23・・・に、第1、第2セパレータ20,40の上端左側の燃料ガス供給孔部24a,44aを連通するとともに、第1、第2セパレータ20,40の下端右側の燃料ガス排出孔部24b,44bを連通する。
【0024】
第2セパレータ40は、酸化剤ガス通路形成面(セパレータの表面)40b側にカソード側電極拡散層(電極拡散層)35を一体に成形(すなわち、一体化)することで、酸化剤ガス通路形成面40b側に、図8に示す酸化剤ガス通路(ガス通路)46・・・を形成する。
この酸化剤ガス通路46・・・に、第1、第2セパレータ20,40の上端右側の酸化剤ガス供給孔部25a,45aを連通するとともに、第1、第2セパレータ20,40の下端左側の酸化剤ガス排出孔部25b,25bを連通する。
【0025】
第1、第2セパレータ20,40を構成する樹脂としては、一例として耐酸性を備えた熱可塑性樹脂に、天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを単独或いは混合配合し、炭素材料を60〜90wt%含んだ樹脂組成物が該当する。
【0026】
耐酸性を備えた熱可塑性樹脂としては、例えばエチレン・酢ビ(酢酸ビニル)共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドなどが該当するが、これに限定するものではない。
【0027】
図2は図1の2−2線断面図である。
第1セパレータ20は、図1に示すように略矩形状に形成した部材で、燃料ガス通路形成面20bに燃料ガス通路用溝23・・・を多数本条有し、この燃料ガス通路形成面20bにアノード側電極拡散層15を一体に備えることで、燃料ガス通路用溝23・・・及びアノード側電極拡散層15で燃料ガス通路26・・・を形成し、冷却水通路形成面20aに冷却水通路用溝21・・・を多数本条有する。
【0028】
図3は図1の3−3線断面図であり、第1セパレータ20の燃料ガス通路形成面20b側にアノード側電極拡散層15を一体に成形することで、燃料ガス通路溝23及びアノード側電極拡散層15で燃料ガス通路26を形成し、この燃料ガス通路26に、第1セパレータ20の上端左側の燃料ガス供給孔部24aを連通した状態を示す。
【0029】
次に、燃料電池用セパレータの製造方法を図4〜図7に基づいて説明する。
先ず、図4〜図5に基づいて水溶性ポリマーで燃料ガス通路26及び冷却水通路溝21を形成するための中子50を成形する工程について説明する。
図4(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第1工程図である。
(a)において、中子成形型56を型開きした状態で、可動型57にアノード側電極拡散層15をセットした後、可動型57を矢印の如く固定型58に向けて下降して中子成形型56を型締めする。
【0030】
(b)において、中子成形型56のキャビティ56a内に、溶融状態の水溶性ポリマーを矢印▲1▼の如く充填する。水溶性ポリマーを凝固させて、中子5をアノード側電極拡散層15と一体に成形(すなわち、一体化)した後、可動型57を矢印の如く上昇する。
【0031】
水溶性ポリマーとしては、例えばポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリイタコン酸、ポリビニルアルコールなどが該当するが、これに限るものではない。すなわち、水溶性ポリマーとしては、中子として使用することが可能で、水溶性を備えたものであればよい。
【0032】
(c)において、可動型57を上昇することで型開きした中子成形型56のキャビティ56a内から、アノード側電極拡散層15に一体に成形した中子50を取り出す。
【0033】
図5は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)に使用する中子の斜視図であり、キャビティ56a(図4に示す)内から取り出したアノード側電極拡散層15と、このアノード側電極拡散層15に一体に成形した中子50を示す。
なお図5においては、中子50の形状を理解しやすくするように、中子50を上向にした状態を示す。
【0034】
アノード側電極拡散層15は、一端側に燃料ガス供給孔部16a、冷却水供給孔部18a及び酸化剤ガス供給孔部17aを備え、他端側に燃料ガス排出孔部16b、冷却水排出孔部18b及び酸化剤ガス排出孔部17bを備える。
燃料ガス供給孔部16a、冷却水供給孔部18a及び酸化剤ガス供給孔部17aに、燃料ガス供給孔中子51a、冷却水供給孔中子52a及び酸化剤ガス供給孔中子53aを備える。
【0035】
また、燃料ガス排出孔部16b、冷却水排出孔部18b及び酸化剤ガス排出孔部17bに、燃料ガス排出孔中子51b、冷却水排出孔中子52b及び酸化剤ガス排出孔中子53bを備える。
アノード側電極拡散層15に燃料ガス通路中子54を一体に成形し、燃料ガス通路中子54の供給側54aを燃料ガス供給孔中子51aに接続するとともに、燃料ガス通路中子54の排出側54bを燃料ガス排出孔中子51bに接続する。
【0036】
これにより、アノード側電極拡散層15、燃料ガス供給孔中子51a、冷却水供給孔中子52a、酸化剤ガス供給孔中子53a、燃料ガス排出孔中子51b、冷却水排出孔中子52b、酸化剤ガス排出孔中子53b及び燃料ガス通路中子54を一体にまとめることができる。
なお、燃料ガス供給孔中子51a、冷却水供給孔中子52a、酸化剤ガス供給孔中子53a、燃料ガス排出孔中子51b、冷却水排出孔中子52b、酸化剤ガス排出孔中子53b及び燃料ガス通路中子54は中子50を構成する。
【0037】
この中子50及びをアノード側電極拡散層15を金型のキャビティにセットする際には、燃料ガス供給孔中子51aの先端51c、冷却水供給孔中子52aの先端52c、酸化剤ガス供給孔中子53aの先端53c、燃料ガス排出孔中子51bの先端51e、冷却水排出孔中子52bの先端52e、酸化剤ガス排出孔中子53bの先端53eを金型のキャビティ面に載せる。
【0038】
次に、図6〜図7に基づいて第1セパレータを成形する工程について説明する。
図6(a),(b)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第2工程図である。
(a)において、金型60の固定型61に中子50及びアノード側電極拡散層16をセットし、可動型62を矢印の如く下降して金型60を型締めする。
【0039】
中子50は、図5で説明したように、燃料ガス供給孔中子51aの先端51c、冷却水供給孔中子52aの先端52c、酸化剤ガス供給孔中子53aの先端53c、燃料ガス排出孔中子51bの先端51e、冷却水排出孔中子52bの先端52e、酸化剤ガス排出孔中子53bの先端53eを金型60のキャビティ面63aに載せる。
これにより、固定型61のキャビティ面63aに中子50及びアノード側電極拡散層15をセットすることができる。
【0040】
このように、各供給孔中子51a,52a,53aや、各排出孔中子51b,52b,53bを利用して中子50をキャビティ63内に配置することができるので、中子50をキャビティ63内に配置するために通常必要とされるケレンなどの支え部材を不要にすることができる。
【0041】
ケレンなどの支え部材を備えた場合には、キャビティ63内に樹脂を充填してセパレータを成形した後、ケレンなどの支え部材の部分がセパレータに隙間として残る虞がある。
その場合、残った隙間をシリコン剤などのシール剤で塞ぐ必要があるが、第1実施形態によればその必要はない。
【0042】
(b)において、金型60を型締めすることで、中子50を金型60のキャビティ63内に配置するとともに、中子50及びキャビティ面63b間の隙間にアノード側電極拡散層15を配置する。
この状態で、キャビティ63内に溶融樹脂を矢印▲2▼の如く充填する。
【0043】
図7(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第3工程図である。
(a)において、キャビティ内の溶融樹脂を凝固させて第1セパレータ20を、中子50及びアノード側電極拡散層15に一体形成した後、可動型62を上昇して金型60を型開きし、第1セパレータ20、中子50及びアノード側電極拡散層15をキャビティ63内から取り出す。
【0044】
(b)において、第1セパレータ20、中子50及びアノード側電極拡散層15を、水槽65に蓄えた水66中に漬ける。これにより、中子50を水で溶かして第1セパレータ20内から中子50を溶出する。
中子50を水溶性ポリマーで成形することで、中子50を水で溶出することができる。このため、中子50を溶出する設備を簡単にすることができるので、設備費を抑えて、コスト低減を図ることができる。
【0045】
(c)において、水槽65内から第1セパレータ20及びアノード側電極拡散層15を取り出す。取り出した第1セパレータ20は、中子50((b)に示す)が溶出されることで燃料ガス通路26が形成されている。
なお、第1セパレータ20の冷却水通路溝21は、固定型61のキャビティ面63a((a)に示す)で成形することができる。
これにより、アノード側電極拡散層15に一体に形成した第1セパレータ20を得る。
【0046】
なお、図1に示すカソード側電極拡散層35に一体に形成した第2セパレータ40も、上記図4〜図7と同様の工程を順次実施することにより、第1セパレータ2と同様に得ることができる。
このようにして得た、アノード側電極拡散層15に一体に形成した第1セパレータ20と、カソード側電極拡散層35に一体に形成した第2セパレータ40とを合わせた状態を次図に示す。
【0047】
図8は図1の8−8線断面図であり、アノード側電極拡散層15に一体に形成した第1セパレータ20と、カソード側電極拡散層35に一体に形成した第2セパレータ40とを、それぞれのセパレータ20,40の冷却水通路形成面20a,40aで合わせた状態を示す。
【0048】
第1、第2セパレータ20,40をそれぞれの冷却水通路形成面20a,40aで合わせることで、第1セパレータ20の冷却水通路溝21・・・と第2セパレータ40の冷却水通路溝41・・・とで冷却水通路30・・・を形成することができる。
【0049】
また、アノード側電極拡散層15に第1セパレータ20を一体に成形することで、燃料ガス通路形成面20bに燃料ガス通路26・・・を形成することができる。さらに、カソード側電極拡散層35に第2セパレータ40を一体に成形することで、酸化剤ガス通路形成面40bに酸化剤ガス通路46・・・を形成することができる。
【0050】
以上説明したように、第1実施形態によれば、中子50を水溶性ポリマーで形成し、この中子50で第1セパレータ20に燃料ガス通路26・・・を成形した。これにより、第1セパレータ20の成形後に中子50を水66で溶出することで、燃料ガス通路26・・・を開けることができる。
【0051】
また、第2セパレータ40も、第1セパレータ20と同様に、中子を水溶性ポリマーで形成し、この中子で第2セパレータ40に酸化剤ガス通路46・・・を成形した。これにより、第2セパレータ40の成形後に中子を水66で溶出することで、燃料ガス通路46・・・を開けることができる。
このように、第1、第2セパレータ20,40内の中子を水66で溶出することができるので、第1、第2セパレータ20,40に燃料ガス通路26・・・及び酸化剤ガス通路46・・・を簡単に形成することができる。
【0052】
さらに、第1、第2セパレータ20,40をそれぞれアノード側電極拡散層15及びカソード電極拡散層35と一体形成した。これにより、第1セパレータ20とアノード側電極拡散層15との間の電気的な接触抵抗を抑えることができるとともに、第2セパレータ40とカソード電極拡散層35との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
このように、接触抵抗を抑えることで、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【0053】
次に、第1実施形態の抵抗過電圧を表1に基づいて説明する。
【0054】
【表1】
【0055】
第1比較例は、第1セパレータとアノード側電極拡散層とを一体化しないで、第1セパレータにアノード側電極拡散層を合わせて接触させたものである。
第1実施例は、第1セパレータとアノード側電極拡散層とを一体化した第1実施形態のものである。
【0056】
第1比較例と第1実施例との抵抗過電圧を以下の条件で測定した。
すなわち、セルモジュールの温度を80℃に設定し、アノードガス(燃料ガス)として純H2を供給するとともに、カソードガス(酸化剤ガス)として空気を供給した。
なお、アノード側の燃料ガス温度を80℃、カソード側の酸化剤ガス温度を80℃とし、アノード側の燃料ガス圧力を50kPa、カソード側の酸化剤ガス圧力を100kPaとした。この条件下において、電流密度が0.883A/cm2の電流を流した。
【0057】
この結果、第1実施例の抵抗過電圧を、第1比較例の抵抗過電圧と比較して、1セルモジュール当たり0.014V減らすことができた。
よって、第1実施例(第1実施形態)のように、第1セパレータとアノード側電極拡散層とを一体化することにより、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができることが分かる。
【0058】
次に、第2実施形態及び第4実施形態について説明する。なお、第2、第3実施形態において第1実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
図9(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第2実施形態)を説明する工程図である。
(a)において、中子成形型76を型締めした状態で、中子成形型76のキャビティ76a内に、溶融状態の水溶性ポリマーを矢印▲3▼の如く充填する。水溶性ポリマーを凝固させて中子50を成形した後、可動型77を矢印の如く上昇する。
【0059】
(b)において、可動型77を上昇することで型開きした中子成形型76のキャビティ76a内から中子50を取り出す。
(c)において、金型60の固定型61に中子50をセットし、中子50をセットした後、中子50にアノード側電極拡散層15を矢印の如く載せる。このように、中子50や、アノード側電極拡散層15をキャビティ63内にセットした後、可動型62を矢印の如く下降して金型60を型締めする。
【0060】
これにより、第1実施形態の図6(b)の状態になる。以下、第1実施形態と同様の工程を順次繰り返すことにより、図1に示すアノード側電極拡散層15に一体に形成した第1セパレータ20を得ることができる。
さらに、図9と同様の工程で、図1に示すカソード側電極拡散層35に一体に形成した第2セパレータ40を得ることができる。
【0061】
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第2実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、中子50をアノード側電極拡散層15と個別に成形することができる。これにより、中子50の成形方法を第1、第2実施形態のうちのいずれか一方から適宜選択することができるので、設計の自由度を高めることができる。
【0062】
次に、第3実施形態を図10〜図16に基づいて説明する。
図10は本発明に係る燃料電池用セパレータ(第3実施形態)を備えた燃料電池の分解斜視図を示す。
燃料電池80は、電解質膜12にアノード側電極13及びカソード側電極14を添わせ、アノード側電極13側にアノード側電極拡散層15を介してセパレータ(燃料電池用セパレータ)82を合わせるとともに、カソード側電極14側にカソード側電極拡散層35を介してセパレータ82を合わせることによりセルモジュール81を構成したものである。
【0063】
図11は図10の11−11線断面図である。
セパレータ82は、燃料ガス通路形成面(セパレータの両面のうちの一方の面)82a側にアノード側電極拡散層15を一体に成形することで、燃料ガス通路形成面82a側に燃料ガス通路(ガス通路)84・・・を多数本条形成する。
【0064】
また、セパレータ82は、酸化剤ガス通路形成面(セパレータの両面のうちの他方の面)82b側にカソード側電極拡散層35を一体に成形することで、酸化剤ガス通路形成面82b側に酸化剤ガス通路(ガス通路)86・・・を多数本条形成する。
さらに、セパレータ82は、燃料ガス通路83・・・及び酸化剤ガス通路84・・・間に冷却水通路85・・・を多数本条備える。
【0065】
セパレータ82を構成する樹脂としては、第1実施形態と同様に、一例として耐酸性を備えた熱可塑性樹脂に、天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを単独或いは混合配合し、炭素材料を60〜90wt%含んだ樹脂組成物が該当する。
【0066】
耐酸性を備えた熱可塑性樹脂としては、例えばエチレン・酢ビ(酢酸ビニル)共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドなどが該当するが、これに限定するものではない。
【0067】
図10に戻って、燃料ガス通路83・・・(図11に示す)に、セパレータ82の上端左側の燃料ガス供給孔部91aを連通するとともに、セパレータ82の下端右側の燃料ガス排出孔部91bを連通する。
また、酸化剤ガス通路84・・・(図11も参照)に、セパレータ82の上端右側の酸化剤ガス供給孔部92aを連通するとともに、セパレータ82の下端左側の酸化剤ガス排出孔部92bを連通する。
さらに、冷却水通路85・・・(図11に示す)に、セパレータ82の上端中央の冷却水供給孔部93aを連通するとともに、セパレータ82の下端中央に冷却水排出孔部93bを連通する。
【0068】
すなわち、第3実施形態の燃料電池用セパレータ82は、燃料ガス通路83・・・と酸化剤ガス通路84・・・との間に冷却水通路85・・・を成形することで、第1実施形態の第1、第2セパレータ20,40を一体成形した点で、第1実施形態と異なるだけで、その他の構成は第1実施形態と同じである。
このように、第1、第2セパレータ20,40を一体成形することで、一対のセパレータ20,40間に発生する電気的な接触抵抗をなくして、燃料電池の出力低下をより好適に防ぐことができる。
【0069】
次に、燃料電池用セパレータの製造方法を図12〜図16に基づいて説明する。
先ず、図12〜図14に基づいて水溶性ポリマーで燃料ガス通路83・・・、酸化剤ガス通路84・・・及び冷却水通路85・・・(図11に示す)を形成するための中子100(図14に示す)を成形する工程について説明する。
なお、中子100は、第1ガス通路用中子、第2ガス通路用中子及び冷却水通路用中子からなり、第1ガス通路用中子、第2ガス通路用中子及び冷却水通路用中子の製造工程を以下に説明する。
【0070】
なお、中子100は、第1実施形態と同様に水溶性ポリマーで成型する。水溶性ポリマーとしては、例えばポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリイタコン酸、ポリビニルアルコールなどが該当するが、これに限るものではない。
すなわち、水溶性ポリマーとしては、中子として使用することが可能で、水溶性を備えたものであればよい。
【0071】
図12(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第1工程図であり、燃料ガス通路83・・・(図11に示す)の第1ガス通路用中子を成形する例について説明する。
(a)において、中子成形型86を型開きした状態で、可動型87にアノード側電極拡散層15をセットした後、可動型87を矢印の如く固定型88に向けて下降して中子成形型86を型締めする。
【0072】
(b)において、中子成形型86のキャビティ86a内に、溶融状態の水溶性ポリマーを矢印▲4▼の如く充填する。水溶性ポリマーを凝固させて、第1ガス通路用中子101をアノード側電極拡散層15と一体に成形(すなわち、一体化)した後、可動型87を矢印の如く上昇する。
【0073】
(c)において、可動型87を上昇することで型開きした中子成形型86のキャビティ86a内から、アノード側電極拡散層15に一体に成形した第1ガス通路用中子101を取り出す。
【0074】
一方、図12の工程と同様の工程で、酸化剤ガス通路84・・・(図11に示す)の第2ガス通路用中子105(図14参照)をカソード側電極拡散層35と一体に成形することができる。
なお、燃料ガス通路83・・・の第1ガス通路用中子101及びアノード側電極拡散層15と、酸化剤ガス通路84・・・の第2ガス通路用中子105及びカソード側電極拡散層35については図14で詳説する。
【0075】
図13(a),(b)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第2工程図であり、冷却水通路85・・・(図11に示す)の冷却水通路用中子を成形する例について説明する。
(a)において、中子成形型97を型締めした状態で、中子成形型97のキャビティ97a内に、溶融状態の水溶性ポリマーを矢印▲5▼の如く充填する。水溶性ポリマーを凝固させて冷却水通路用中子111を成形した後、可動型97を矢印の如く上昇する。
【0076】
(b)において、可動型97を上昇することで型開きした中子成形型96のキャビティ97a内から冷却水通路用中子111を取り出す。
なお、成形した冷却水通路85・・・の冷却水通路用中子111については図14で詳説する。
【0077】
図14は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)に使用する中子(第1、第2ガス通路用中子及び冷却水通路用中子)の斜視図である。
アノード側電極拡散層15は、一端側に燃料ガス供給孔部16a、冷却水供給孔部18a及び酸化剤ガス供給孔部17aを備え、他端側に燃料ガス排出孔部16b、冷却水排出孔部18b及び酸化剤ガス排出孔部17bを備える。
このアノード側電極拡散層15に第1ガス通路用中子101が一体に成形されている。
【0078】
すなわち、第1ガス通路用中子101は、燃料ガス供給孔部16aに燃料ガス供給孔中子102を備え、燃料ガス排出孔部16bに燃料ガス排出孔中子103を備える。
これらの燃料ガス供給孔中子102及び燃料ガス排出孔中子103に燃料ガス通路中子104を一体成形することで第1ガス通路用中子101を得る。なお、燃料ガス通路中子104はアノード側電極拡散層15に一体に成形されている。
これにより、アノード側電極拡散層15及び第1ガス通路用中子101を一体にまとめることができる。
【0079】
カソード側電極拡散層35は、一端側に燃料ガス供給孔部36a、冷却水供給孔部38a及び酸化剤ガス供給孔部37aを備え、他端側に燃料ガス排出孔部36b、冷却水排出孔部38b及び酸化剤ガス排出孔部37bを備える。
このカソード側電極拡散層35に第2ガス通路用中子105が一体に成形されている。
【0080】
すなわち、第2ガス通路用中子105は、酸化剤ガス供給孔部37aに酸化剤ガス供給孔中子106を備え、酸化剤ガス排出孔部37bに酸化剤ガス排出孔中子107を備える。
これらの酸化剤ガス供給孔中子106及び酸化剤ガス排出孔中子107に酸化剤ガス通路中子108を一体成形することで第2ガス通路用中子105を得る。なお、酸化剤ガス通路中子108はカソード側電極拡散層35に一体に成形されている。
これにより、カソード側電極拡散層35及び第2ガス通路用中子105を一体にまとめることができる。
【0081】
第1ガス通路用中子101及び第2ガス通路用中子105間に配置する冷却水通路用中子111は、冷却水通路中子112の一端側に冷却水供給孔中子113を一体形成するとともに、他端側に冷却水排出孔中子114を一体成形したものである。
この冷却水供給孔中子113を、アノード側電極拡散層15及びカソード側電極拡散層35のそれぞれの冷却水供給孔部18a,38aに嵌め込むとともに、アノード側電極拡散層15及びカソード側電極拡散層35のそれぞれの冷却水排出孔部18b,38bに嵌め込む。
【0082】
同時に、アノード側電極拡散層15側の燃料ガス供給孔中子102及び燃料ガス排出孔中子103を、カソード側電極拡散層35の燃料ガス供給孔部36a及び燃料ガス排出孔部36bにそれぞれ嵌め込む。
さらに、カソード側電極拡散層35側の酸化剤ガス供給孔中子106及び酸化剤ガス排出孔中子107を、アノード側電極拡散層15の酸化剤ガス供給孔部17a及び酸化剤ガス排出孔部17bにそれぞれ嵌め込む。
【0083】
これにより、冷却水供給孔中子113及び冷却水排出孔中子114のそれぞれの下端113a,114aがアノード側電極拡散層15と面一になる。また、冷却水供給孔中子113及び冷却水排出孔中子114のそれぞれの上端113,114bがカソード側電極拡散層35と面一になる。
【0084】
また、燃料ガス供給孔中子102及び燃料ガス排出孔中子103のそれぞれの上端102a,103aがカソード側電極拡散層35と面一になる。
さらに、酸化剤ガス供給孔中子106及び酸化剤ガス排出孔中子107のそれぞれの下端106a,107aがアノード側電極拡散層15と面一になる。
【0085】
次に、図15〜図16に基づいてセパレータを成形する工程について説明する。
図15(a),(b)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第3工程図である。
(a)において、金型120の固定型121に第1ガス通路用中子101及びアノード側電極拡散層15をセットし、第1ガス通路用中子101に冷却水通路用中子111を矢印の如く載せる。
次に、冷却水通路用中子111に第2ガス通路用中子105及びカソード側電極拡散層35を矢印の如く載せた後、可動型122を矢印の如く下降して金型120を型締めする。
【0086】
ここで、図14に示すように、第2ガス通路用中子105及びカソード側電極拡散層35を、酸化剤ガス供給孔中子106(図14に示す)及び酸化剤ガス排出孔中子107でキャビティ面123aに支えることができる。
また、冷却水通路用中子111を、冷却水供給孔中子113(図14に示す)及び冷却水排出孔中子114でキャビティ123a面に支えることができる。
【0087】
このように、第2ガス通路用中子105を酸化剤ガス供給孔中子106や酸化剤ガス排出孔中子107でキャビティ123内に配置するとともに、冷却水通路用中子111を冷却水供給孔中子113及び冷却水排出孔中子114でキャビティ123内に配置することができる。
よって、第2ガス通路用中子105や冷却水通路用中子111をキャビティ123内に配置するために通常必要とされるケレンなどの支え部材を不要にすることができる。
【0088】
ケレンなどの支え部材を備えた場合には、キャビティ123内に樹脂を充填してセパレータを成形した後、ケレンなどの支え部材の部分がセパレータに隙間として残る虞がある。
その場合、残った隙間をシリコン剤などのシール剤で塞ぐ必要があるが、第3実施形態によればその必要はない。
【0089】
(b)において、金型120を型締めすることで、第1、第2ガス通路用中子101,105及び冷却水通路用中子111を金型120のキャビティ123内に配置する。第1ガス通路用中子101及びキャビティ面123a間の隙間にアノード側電極拡散層15を配置するとともに、第2ガス通路用中子105及びキャビティ面123b間の隙間にカソード側電極拡散層35を配置する。
この状態で、キャビティ123内に溶融樹脂を矢印▲6▼の如く充填する。
【0090】
図16(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第4工程図である。
(a)において、充填した溶融樹脂を凝固させてセパレータ82を中子100(第1、第2ガス通路用中子101,105及び冷却水通路用中子111)、アノード側電極拡散層15及びカソード電極拡散層35と一体形成した後、可動型を上昇して金型120を型開きする。
型開きした後、セパレータ82、中子100、アノード側電極拡散層15及びカソード電極拡散層35をキャビティ123内から取り出す。
【0091】
(b)において、セパレータ82、中子100、アノード側電極拡散層15及びカソード電極拡散層35を、水槽125に蓄えた水126中に漬ける。
これにより、中子100を水126で溶かすことにより、セパレータ82内から溶出する。
このように、中子100を水溶性ポリマーで成形することで、中子100を水126で溶出することができる。このため、中子100を溶出する設備を簡単にすることができるので、設備費を抑えて、コスト低減を図ることができる。
【0092】
(c)において、セパレータ82内から第1、第2ガス通路用中子101,105及び冷却水通路用中子111((b)に示す)を溶出することで、セパレータ82に燃料ガス通路83・・・、冷却水通路85・・・及び酸化剤ガス通路84・・・を開けることができる。
この状態で、水槽125内からセパレータ82、アノード側電極拡散層15及びカソード側電極拡散層35を取り出すことにより、アノード側電極拡散層15とカソード側電極拡散層35間に一体形成したセパレータ82を得る。
なお、このセパレータ82は、図11に示すセパレータ82を反転した状態で示す。
【0093】
以上説明した第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、第3実施形態によれば、中子100を水溶性ポリマーで形成し、この中子100でセパレータ82に燃料ガス通路83・・・及び酸化剤ガス通路84・・・を成形した。
これにより、セパレータ82の成形後に中子100を水126で溶出することで、燃料ガス通路83・・・及び酸化剤ガス通路84・・・を開けることができる。
【0094】
このように、セパレータ82内の中子100を水126で溶出することができるので、セパレータ82に燃料ガス通路83・・・及び酸化剤ガス通路84・・・を簡単に形成することができる。
【0095】
さらに、セパレータ82をアノード側電極拡散層15及びカソード電極拡散層35と一体形成した。これにより、セパレータ82とアノード側電極拡散層15との間の電気的な接触抵抗を抑えることができるとともに、セパレータ82とカソード電極拡散層35との間の電気的な接触抵抗を抑えることができるので、燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【0096】
加えて、第3実施形態によれば、水溶性ポリマーの中子100を利用してセパレータ82内に冷却水通路85・・・を形成することにした。セパレータ82内に冷却水通路85・・・を形成することができるので、従来技術のように一対のセパレータを重ね合わせて冷却水通路を形成する必要はない。
【0097】
このように、従来必要とされていた一対のセパレータを一体成形することができるので、従来技術のように一対のセパレータ間に発生する電気的な接触抵抗を抑えることができる。
このように、接触抵抗を抑えることで、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【0098】
次に、第3実施形態の抵抗過電圧を表2に基づいて説明する。
【0099】
【表2】
【0100】
第2比較例は、第1セパレータと第2セパレータとを一体化しないで、第1セパレータに第2セパレータを合わせたものである。
第2実施例は、セパレータを一体化した第3実施形態のものである。
【0101】
第2比較例と第2実施例との抵抗過電圧を以下の条件で測定した。
すなわち、セルモジュールの温度を80℃に設定し、アノードガス(燃料ガス)として純H2を供給するとともに、カソードガス(酸化剤ガス)として空気を供給した。
なお、アノード側の燃料ガス温度を80℃、カソード側の酸化剤ガス温度を80℃とし、アノード側の燃料ガス圧力を50kPa、カソード側の酸化剤ガス圧力を100kPaとした。この条件下において、電流密度が0.883A/cm2の電流を流した。
【0102】
この結果、第2実施例の抵抗過電圧を、第2比較例の抵抗過電圧と比較して、1セルモジュール当たり0.027V減らすことができた。
よって、第2実施例(第3実施形態)のように、セパレータを一体化することにより、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができることが分かる。
【0103】
次に、第4実施形態について説明する。
第3実施形態では、図14に示すように、第1ガス通路用中子101をアノード側電極拡散層15と一体に成形し、第2ガス通路用中子105カソード側電極拡散層35と一体に成形した例について説明したが、これに限らないで、第1ガス通路用中子101をアノード側電極拡散層15から切り離して成形し、第2ガス通路用中子105カソード側電極拡散層35から切り離して成形することも可能である。
【0104】
この場合、図15に示す金型120のキャビティ123内に、先ず、アノード側電極拡散層15を配置し、アノード側電極拡散層15に第1ガス通路用中子101を載せる。この第1ガス通路用中子101に冷却水通路用中子111を載せ、冷却水通路用中子111に第2ガス通路用中子105を載せた後、第2ガス通路用中子105にカソード側電極拡散層35を載せる。
【0105】
この状態で金型120を型閉めすることにより、第3実施形態の図15(b)と同様に、第1、第2ガス通路用中子101,105及び冷却水通路用中子111、アノード側電極拡散層15及びカソード側電極拡散層35をキャビティ123内にセットすることができる。
よって、第4実施形態においても、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0106】
加えて、第4実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、第1ガス通路用中子101をアノード側電極拡散層15と個別に成形することができ、かつ第2ガス通路用中子105をカソード側電極拡散層35と個別に成形することができる。
これにより、第1、第2ガス通路用中子101,105の成形方法を第3、第4実施形態のうちのいずれか一方から適宜選択することができるので、設計の自由度を高めることができる。
【0107】
なお、前記実施形態では、電解質膜12として固体高分子電解質を使用した固体高分子型燃料電池10,80について説明したが、これに限らないで、その他の燃料電池に適用することも可能である。
【0108】
また、前記第1、第2実施形態では、第1、第2セパレータ20,40を射出成形方法で成形する例について説明したが、これに限らないで、例えば加熱プレス成形方法やトランスファー成形方法で成形することも可能である。
トランスファー成形装置とは、成形材料をキャビティとは別のポット部に1ショット分入れ、プランジャーによって溶融状態の材料をキャビティに移送して成形する方法である。
【0109】
加熱プレス成形方法で第1、第2セパレータ20,40を成形する際には、第1、第2セパレータ20,40を構成する樹脂としては、一例として耐酸性を備えた熱硬化性樹脂に、天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを単独或いは混合配合し、炭素材料を60〜90wt%含んだ樹脂組成物が該当する。
耐酸性の有する熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール、ビニルエステルなどが該当するが、これに限定するものではない。
【0110】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1,2は、ガス通路を形成するための中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後に中子を水で溶出することで、ガス通路を形成することができる。
このように、セパレータ内の中子を水で溶出することができるので、セパレータにガス通路を簡単に形成することができ、セパレータを簡単に製造することができる。
【0111】
また、セパレータを電極拡散層と一体に形成することにした。これにより、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができるので、燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【0112】
請求項3は、ガス通路を形成するためのガス通路用中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後にガス通路用中子を水で溶出することで、ガス通路を形成することができる。
このように、セパレータ内のガス通路用中子を水で溶出することができるので、セパレータにガス通路を簡単に形成することができ、セパレータを簡単に製造することができる。
【0113】
また、セパレータを電極拡散層と一体に形成することにした。これにより、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができるので、燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【0114】
さらに、冷却水通路用中子を水溶性ポリマーで形成し、セパレータの成形後に冷却水通路用中子を水で溶出することで、セパレータ内に冷却水通路を形成することにした。セパレータ内に冷却水通路を形成することができるので、一対のセパレータを重ね合わせて冷却水通路を形成する必要はない。
このように、一対のセパレータを重ね合わせる必要がないので、従来技術のように一対のセパレータ間に発生する電気的な接触抵抗をなくして、燃料電池の出力低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池用セパレータ(第1実施形態)を備えた燃料電池の分解斜視図
【図2】図1の2−2線断面図
【図3】図1の3−3線断面図
【図4】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第1工程図
【図5】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)に使用する中子の斜視図
【図6】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第2工程図
【図7】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第1実施形態)を説明する第3工程図
【図8】図1の8−8線断面図
【図9】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第2実施形態)を説明する工程図
【図10】本発明に係る燃料電池用セパレータ(第3実施形態)を備えた燃料電池の分解斜視図
【図11】図10の11−11線断面図
【図12】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第1工程図
【図13】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第2工程図
【図14】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)に使用する中子(第1、第2ガス通路用中子及び冷却水通路用中子)の斜視図
【図15】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第3工程図
【図16】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法(第3実施形態)を説明する第4工程図
【図17】従来の燃料電池を示す分解斜視図
【符号の説明】
10,80…燃料電池、15…アノード側電極拡散層(電極拡散層)、20…第1セパレータ(燃料電池用セパレータ)、20b…燃料ガス通路形成面(セパレータの表面)、26,83…燃料ガス通路(ガス通路)、30,85…冷却水通路、35…カソード側電極拡散層(電極拡散層)、40…第2セパレータ(燃料電池用セパレータ)、40b…酸化剤ガス通路形成面、46,84…酸化剤ガス通路(ガス通路)、50,100…中子、60,120…金型、63,123…キャビティ、63a,63b,123a,123b…キャビティ面、66,126…水、82…セパレータ(燃料電池用セパレータ)、82b…酸化剤ガス通路形成面(セパレータの両面の他方)、101…第1ガス通路用中子、105…第2ガス通路用中子、111…冷却水通路用中子、82a…燃料ガス通路形成面(セパレータの両面の一方)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator that constitutes a cell module by attaching an anode side electrode and a cathode side electrode to an electrolyte membrane and sandwiching them from both sides.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a battery that utilizes the reverse principle of water electrolysis and can obtain electricity in the process of obtaining water by reacting hydrogen and oxygen. In general, since the fuel gas is replaced by hydrogen and the air or oxidant gas is replaced by oxygen, the terms fuel gas, air, and oxidant gas are often used.
[0003]
As such a fuel cell, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-123848 “Fuel Cell” is known. The fuel cell will be described with reference to FIG.
FIG. 17 is an exploded perspective view showing a conventional fuel cell.
In the
[0004]
Specifically, a
[0005]
Since the electric output obtained by one cell module is very small, a desired electric output can be obtained by stacking a large number of such cell modules. Accordingly, the first and
[0006]
The
[0007]
The first and
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The cooling
The cooling water passage, for example, forms a cooling water passage groove on each of the back surface of the surface 206a of the
[0009]
When the cooling water passage is formed by combining the separators as described above, a sealing material for preventing leakage of the cooling water is required at the mating portion of the separator, and the thickness, shape, material, etc. of the sealing material are taken into consideration. There must be.
[0010]
In addition, a gas passage groove is provided on one surface of the
Further, in order to match the separators, the electrical contact resistance between the separators increases, the voltage of each cell drops due to this contact resistance, and the output of the fuel cell may be reduced.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a separator for a fuel cell, which can easily manufacture the separator and can suppress a decrease in the output of the fuel cell.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object,
Claim 2Forming a core for forming a gas passage with a water-soluble polymer, placing the core in a cavity of the mold,In the cavityCoreInThe step of arranging the electrode diffusion layer, the step of filling the cavity with the molten resin, and the separator that solidifies the molten resin,SaidCore andSaidThe step of forming it integrally with the electrode diffusion layer and then removing it from the cavity, and the coreDissolved in waterBy eluting from the separator,SaidSeparator andSaidElectrode diffusion layerIn the aboveThe process for forming the gas passage constitutes a method of manufacturing a fuel cell separator.
[0013]
According to
Thus, since the core in the separator can be eluted with water, a gas passage can be easily formed in the separator.
[0014]
Here, the normal fuel cell includes an anode side electrode diffusion layer between the anode side electrode and the separator, and also includes a cathode side electrode diffusion layer between the cathode side electrode and the separator.
Thus, in order to match the anode side electrode diffusion layer to the separator and to match the cathode side electrode diffusion layer to the separator, the electrical contact resistance between the separator and the anode side electrode diffusion layer, It is considered that the typical contact resistance increases. Due to this contact resistance, the voltage of the fuel cell drops, and the output of the fuel cell may be reduced.
[0015]
Therefore, claim 1, 2Therefore, the separator is formed integrally with the electrode diffusion layer. Thereby, the electrical contact resistance between a separator and an electrode diffusion layer can be suppressed.
[0016]
Claim3IsArranging the electrode diffusion layer in the cavity of the core forming die for the gas passage;
In the cavity, a step of forming a gas passage core for forming a gas passage integrally with the electrode diffusion layer with a water-soluble polymer, on the other hand, in the cavity of the cooling water passage core molding die,A cooling water passage core for forming the cooling water passageWater soluble polymerForming, andThe integrally formed gas passage core and electrode diffusion layer are taken out from the gas passage core mold and placed in a cavity of the mold, and the cooling is taken out from the cooling water path core mold. The water passage coreAt a predetermined interval from the gas passage coreIn the cavity of the moldArranging, andMoldThe step of filling the cavity with molten resin and the separator that solidifies the molten resin,SaidCore for gas passage,SaidCore for cooling water passage andSaidAfter forming integrally with the electrode diffusion layerMoldA step of removing from the cavity, and the core for the gas passage andSaidCore for cooling water passageEach is dissolved in waterBy eluting from the separator,SaidSeparator andSaidElectrode diffusion layersoForming a gas passage,SaidIn the separatorSaidThe manufacturing method of the separator for fuel cells is comprised from the process of forming a cooling water path.
[0017]
The gas passage core can be formed by forming a core for the gas passage for forming the gas passage with a water-soluble polymer and eluting the core for the gas passage with water after molding the separator.
Thus, since the core for gas passages in a separator can be eluted with water, a gas passage can be easily formed in a separator.
In addition, the separator is formed integrally with the electrode diffusion layer. Thereby, the electrical contact resistance between a separator and an electrode diffusion layer can be suppressed.
[0018]
Here, an ordinary separator forms a cooling water passage by combining a cooling water passage groove of one separator and a cooling water passage groove of the other separator by overlapping a pair of separators.
Thus, it is conceivable that the electrical contact resistance between the pair of separators is increased by overlapping the pair of separators. Due to this contact resistance, the voltage of the fuel cell drops, and the output of the fuel cell may be reduced.
[0019]
Therefore, the claim3The cooling water core was formed of a water-soluble polymer, and the cooling water core was eluted with water after the separator was formed, thereby forming a cooling water passage in the separator. Since the cooling water passage can be formed in the separator, it is not necessary to form a cooling water passage by overlapping a pair of separators.
Thus, since it is not necessary to overlap a pair of separator, the electrical contact resistance which generate | occur | produces between a pair of separator can be eliminated.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell provided with a fuel cell separator (first embodiment) according to the present invention.
As an example, the
[0021]
When stacking
[0022]
Thereby, the cooling
The cooling
[0023]
The
The fuel
[0024]
The
The
[0025]
As a resin constituting the first and
[0026]
Examples of the thermoplastic resin having acid resistance include ethylene / vinyl acetate (vinyl acetate) copolymer, ethylene / ethyl acrylate copolymer, linear low density polyethylene, polyphenylene sulfide, and modified polyphenylene oxide. However, the present invention is not limited to this.
[0027]
2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG.
The
[0028]
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 of FIG. 1, and the anode-side
[0029]
Next, the manufacturing method of the separator for fuel cells is demonstrated based on FIGS.
First, a process of forming the
4 (a) to 4 (c) are first process diagrams illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator (first embodiment) according to the present invention.
In (a), with the
[0030]
In (b), the melted water-soluble polymer is filled into the
[0031]
Examples of the water-soluble polymer include, but are not limited to, polyacrylamide, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyitaconic acid, and polyvinyl alcohol. That is, any water-soluble polymer may be used as long as it can be used as a core and has water solubility.
[0032]
In (c), the core 50 molded integrally with the anode-side
[0033]
FIG. 5 is a perspective view of the core used in the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment). The anode-side
FIG. 5 shows a state in which the
[0034]
The anode-side
The fuel
[0035]
Further, the fuel gas
The fuel
[0036]
Accordingly, the anode side
The fuel gas
[0037]
When the
[0038]
Next, the process of forming the first separator will be described based on FIGS.
6 (a) and 6 (b) are second process diagrams illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator (first embodiment) according to the present invention.
In (a), the
[0039]
As described with reference to FIG. 5, the
Thereby, the
[0040]
In this way, the core 50 can be disposed in the
[0041]
When a support member such as keren is provided, there is a possibility that a portion of the support member such as kelen may remain as a gap in the separator after the
In that case, the remaining gap needs to be closed with a sealing agent such as a silicon agent, but according to the first embodiment, this is not necessary.
[0042]
In (b), by clamping the
In this state, the
[0043]
FIGS. 7A to 7C are third process diagrams for explaining the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment).
In (a), after the molten resin in the cavity is solidified to integrally form the
[0044]
In (b), the
By molding the core 50 with a water-soluble polymer, the core 50 can be eluted with water. For this reason, since the installation which elutes the core 50 can be simplified, an installation cost can be suppressed and cost reduction can be aimed at.
[0045]
In (c), the
The cooling
Thereby, the
[0046]
In addition, the
A state in which the
[0047]
8 is a cross-sectional view taken along the line 8-8 in FIG. 1, and includes a
[0048]
By combining the first and
[0049]
Further, by forming the
[0050]
As described above, according to the first embodiment, the
[0051]
Similarly to the
Thus, since the cores in the first and
[0052]
Further, the first and
Thus, by suppressing the contact resistance, it is possible to reduce the resistance overvoltage and prevent the output of the fuel cell from decreasing.
[0053]
Next, the resistance overvoltage of the first embodiment will be described based on Table 1.
[0054]
[Table 1]
[0055]
In the first comparative example, the first separator and the anode-side electrode diffusion layer are not integrated, and the anode-side electrode diffusion layer is brought into contact with the first separator.
The first example is that of the first embodiment in which the first separator and the anode-side electrode diffusion layer are integrated.
[0056]
The resistance overvoltage between the first comparative example and the first example was measured under the following conditions.
That is, the temperature of the cell module is set to 80 ° C., and pure H is used as the anode gas (fuel gas).2And air as a cathode gas (oxidant gas).
The anode-side fuel gas temperature was 80 ° C., the cathode-side oxidant gas temperature was 80 ° C., the anode-side fuel gas pressure was 50 kPa, and the cathode-side oxidant gas pressure was 100 kPa. Under this condition, the current density is 0.883 A / cm.2Current was passed.
[0057]
As a result, the resistance overvoltage of the first example was reduced by 0.014 V per cell module as compared with the resistance overvoltage of the first comparative example.
Therefore, as in the first example (first embodiment), it can be seen that by integrating the first separator and the anode-side electrode diffusion layer, it is possible to reduce the resistance overvoltage and prevent the output of the fuel cell from decreasing. .
[0058]
Next, 2nd Embodiment and 4th Embodiment are described. In the second and third embodiments, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
FIGS. 9A to 9C are process diagrams for explaining a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (second embodiment).
In (a), with the core molding die 76 clamped, the melted water-soluble polymer is filled into the
[0059]
In (b), the
In (c), the
[0060]
Thereby, the state of FIG. 6B of the first embodiment is obtained. Hereinafter, the
Furthermore, the
[0061]
According to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, according to the method for manufacturing the fuel cell separator of the second embodiment, the core 50 can be formed separately from the anode-side
[0062]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 shows an exploded perspective view of a fuel cell equipped with a fuel cell separator (third embodiment) according to the present invention.
The
[0063]
11 is a cross-sectional view taken along line 11-11 of FIG.
The
[0064]
Further, the
Further, the
[0065]
As the resin constituting the
[0066]
Examples of the thermoplastic resin having acid resistance include ethylene / vinyl acetate (vinyl acetate) copolymer, ethylene / ethyl acrylate copolymer, linear low density polyethylene, polyphenylene sulfide, and modified polyphenylene oxide. However, the present invention is not limited to this.
[0067]
Returning to FIG. 10, the fuel gas supply holes 91 a on the left side of the upper end of the
Further, the oxidant gas passage 84 (see also FIG. 11) communicates with the oxidant
Furthermore, the cooling
[0068]
That is, the
As described above, by integrally forming the first and
[0069]
Next, a method for manufacturing a fuel cell separator will be described with reference to FIGS.
First, based on FIGS. 12 to 14, a water-soluble polymer is used to form a
The
[0070]
The
That is, any water-soluble polymer may be used as long as it can be used as a core and has water solubility.
[0071]
12 (a) to 12 (c) are first process diagrams for explaining a method (third embodiment) for producing a fuel cell separator according to the present invention, and a fuel gas passage 83 (shown in FIG. 11). An example of molding the first gas passage core will be described.
In (a), the anode side
[0072]
In (b), the melted water-soluble polymer is filled into the
[0073]
In (c), the first
[0074]
On the other hand, the second gas passage core 105 (see FIG. 14) of the
The first
[0075]
FIGS. 13 (a) and 13 (b) are second process diagrams for explaining a method for manufacturing a fuel cell separator (third embodiment) according to the present invention, in which a cooling water passage 85 (shown in FIG. 11). An example of forming the cooling water passage core will be described.
In (a), with the core mold 97 clamped, the melted water-soluble polymer is filled into the cavity 97a of the core mold 97 as shown by the arrow (5). After the water-soluble polymer is solidified and the cooling
[0076]
In (b), the cooling
The cooling
[0077]
FIG. 14 is a perspective view of cores (first and second gas passage cores and cooling water passage cores) used in the fuel cell separator manufacturing method (third embodiment) according to the present invention.
The anode-side
A first
[0078]
That is, the first
The fuel
Thereby, the anode side
[0079]
The cathode side
A second
[0080]
That is, the second
The oxidant
Thereby, the cathode side
[0081]
The cooling
The cooling water
[0082]
At the same time, the fuel gas
Further, the oxidant gas
[0083]
Accordingly, the lower ends 113 a and 114 a of the cooling water
[0084]
The upper ends 102 a and 103 a of the fuel gas
Further, the lower ends 106 a and 107 a of the oxidant gas
[0085]
Next, a process of forming a separator will be described based on FIGS.
FIGS. 15A and 15B are third process diagrams for explaining the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment).
In (a), the first
Next, after placing the second
[0086]
Here, as shown in FIG. 14, the second
Further, the cooling
[0087]
As described above, the second
Therefore, it is possible to eliminate the need for a support member such as kelen that is normally required for disposing the second
[0088]
When a support member such as keren is provided, there is a possibility that a portion of the support member such as kelen remains as a gap in the separator after the
In that case, it is necessary to close the remaining gap with a sealing agent such as a silicone agent, but according to the third embodiment, this is not necessary.
[0089]
In (b), the
In this state, the
[0090]
16 (a) to 16 (c) are fourth process diagrams illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment).
In (a), the filled molten resin is solidified to make the
After opening the mold, the
[0091]
In (b), the
As a result, the
Thus, the
[0092]
In (c), the first and second
In this state, the
The
[0093]
According to the third embodiment described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, according to the third embodiment, the
Thus, the
[0094]
In this way, since the
[0095]
Further, the
[0096]
In addition, according to the third embodiment, the cooling
[0097]
Thus, since a pair of separators conventionally required can be integrally formed, the electrical contact resistance generated between the pair of separators as in the prior art can be suppressed.
Thus, by suppressing the contact resistance, it is possible to reduce the resistance overvoltage and prevent the output of the fuel cell from decreasing.
[0098]
Next, the resistance overvoltage of the third embodiment will be described based on Table 2.
[0099]
[Table 2]
[0100]
In the second comparative example, the first separator and the second separator are not integrated, and the second separator is combined with the first separator.
The second example is that of the third embodiment in which separators are integrated.
[0101]
The resistance overvoltage between the second comparative example and the second example was measured under the following conditions.
That is, the temperature of the cell module is set to 80 ° C., and pure H is used as the anode gas (fuel gas).2And air as a cathode gas (oxidant gas).
The anode-side fuel gas temperature was 80 ° C., the cathode-side oxidant gas temperature was 80 ° C., the anode-side fuel gas pressure was 50 kPa, and the cathode-side oxidant gas pressure was 100 kPa. Under this condition, the current density is 0.883 A / cm.2Current was passed.
[0102]
As a result, the resistance overvoltage of the second example was reduced by 0.027 V per cell module as compared with the resistance overvoltage of the second comparative example.
Therefore, it can be seen that by integrating the separator as in the second example (third embodiment), it is possible to reduce the resistance overvoltage and prevent the output of the fuel cell from decreasing.
[0103]
Next, a fourth embodiment will be described.
In the third embodiment, as shown in FIG. 14, the first
[0104]
In this case, first, the anode-side
[0105]
By closing the
Therefore, also in 4th Embodiment, the effect similar to 3rd Embodiment can be acquired.
[0106]
In addition, according to the fuel cell separator manufacturing method of the fourth embodiment, the first
Thereby, since the shaping | molding method of the core 101,105 for 1st, 2nd gas passages can be suitably selected from either one of 3rd, 4th embodiment, the freedom degree of design can be raised. it can.
[0107]
In the above-described embodiment, the solid
[0108]
In the first and second embodiments, the example in which the first and
The transfer molding apparatus is a method in which a molding material is put into a pot part separate from the cavity for one shot, and the molten material is transferred to the cavity by a plunger and molded.
[0109]
When the first and
Examples of the thermosetting resin having acid resistance include phenol and vinyl ester, but are not limited thereto.
[0110]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following effects by the above configuration.
Thus, since the core in a separator can be eluted with water, a gas passage can be easily formed in a separator and a separator can be manufactured easily.
[0111]
In addition, the separator is formed integrally with the electrode diffusion layer. Thereby, since the electrical contact resistance between a separator and an electrode diffusion layer can be suppressed, the output fall of a fuel cell can be prevented.
[0112]
Claim3Can form the gas passage by forming the core for the gas passage for forming the gas passage with a water-soluble polymer and eluting the core for the gas passage with water after molding the separator.
Thus, since the core for gas passages in a separator can be eluted with water, a gas passage can be easily formed in a separator and a separator can be manufactured easily.
[0113]
In addition, the separator is formed integrally with the electrode diffusion layer. Thereby, since the electrical contact resistance between a separator and an electrode diffusion layer can be suppressed, the output fall of a fuel cell can be prevented.
[0114]
Further, the cooling water passage core is formed of a water-soluble polymer, and the cooling water passage core is eluted with water after the separator is formed, so that the cooling water passage is formed in the separator. Since the cooling water passage can be formed in the separator, it is not necessary to form a cooling water passage by overlapping a pair of separators.
Thus, since it is not necessary to overlap a pair of separators, it is possible to eliminate an electrical contact resistance generated between the pair of separators as in the prior art, and to prevent a decrease in the output of the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell equipped with a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment).
2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG.
3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG.
FIG. 4 is a first process diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment);
FIG. 5 is a perspective view of a core used in the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment).
FIG. 6 is a second process diagram for explaining a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment);
FIG. 7 is a third step diagram for explaining a method of manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (first embodiment).
8 is a cross-sectional view taken along line 8-8 in FIG.
FIG. 9 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (second embodiment).
FIG. 10 is an exploded perspective view of a fuel cell equipped with a fuel cell separator (third embodiment) according to the present invention.
11 is a sectional view taken along line 11-11 in FIG.
FIG. 12 is a first process diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment).
FIG. 13 is a second process diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment).
FIG. 14 is a perspective view of a core (first and second gas passage cores and cooling water passage core) used in the fuel cell separator manufacturing method (third embodiment) according to the present invention;
FIG. 15 is a third step diagram for explaining a method of manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment).
FIG. 16 is a fourth process diagram for explaining the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention (third embodiment);
FIG. 17 is an exploded perspective view showing a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
このキャビティ内に、ガス通路を形成するための中子を水溶性ポリマーで前記電極拡散層と一体に形成する工程と、Forming a core for forming a gas passage in the cavity integrally with the electrode diffusion layer with a water-soluble polymer;
一体に形成した中子および電極拡散層を前記中子成形型から取り出して金型のキャビティ内に配置する工程と、Removing the integrally formed core and electrode diffusion layer from the core mold and placing them in the cavity of the mold; and
金型のキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、Filling the mold cavity with molten resin;
この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後金型のキャビティ内から取り出す工程と、Removing the solidified separator of the molten resin from the cavity of the mold after integrally forming the core and the electrode diffusion layer;
この中子を水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層で前記ガス通路を形成する工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法。A method for producing a fuel cell separator comprising the step of dissolving the core with water and eluting from the separator to form the gas passage by the separator and the electrode diffusion layer.
この中子を金型のキャビティ内に配置するとともに、キャビティ内の中子に電極拡散層を配置する工程と、
このキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、
この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後キャビティ内から取り出す工程と、
この中子を水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層で前記ガス通路を形成する工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法。Forming a core for forming a gas passage with a water-soluble polymer;
Placing the core in the cavity of the mold , and placing an electrode diffusion layer in the core in the cavity ;
Filling the cavity with molten resin;
A step of taking out the separator to coagulate the molten resin from said core and said electrode diffusion layer and the cavity was formed integrally,
By eluting from the separator by dissolving the core in water, the separator and method for producing a fuel cell separator comprising a step of forming the gas passage in the electrode diffusion layer.
このキャビティ内に、ガス通路を形成するためのガス通路用中子を水溶性ポリマーで前記電極拡散層と一体に形成する工程と、
冷却水通路用中子成形型のキャビティ内に、冷却水通路を形成するための冷却水通路用中子を水溶性ポリマーで形成する工程と、
前記一体に形成したガス通路用中子および電極拡散層を前記ガス通路用中子成形型から取り出して金型のキャビティ内に配置するとともに、前記冷却水通路用中子成形型から取り出した前記冷却水通路用中子を前記ガス通路用中子から所定間隔をおいて前記金型のキャビティ内に配置する工程と、
金型のキャビティ内に溶融樹脂を充填する工程と、
この溶融樹脂を凝固させたセパレータを、前記ガス通路用中子、前記冷却水通路用中子及び前記電極拡散層と一体に形成した後金型のキャビティ内から取り出す工程と、
このガス通路用中子及び前記冷却水通路用中子をそれぞれ水で溶かして前記セパレータから溶出することにより、前記セパレータ及び前記電極拡散層でガス通路を形成するとともに、前記セパレータ内に前記冷却水通路を形成する工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法。 Arranging the electrode diffusion layer in the cavity of the core forming die for the gas passage;
In the cavity, forming a gas passage core for forming a gas passage integrally with the electrode diffusion layer with a water-soluble polymer;
Forming a cooling water passage core for forming the cooling water passage in the cavity of the cooling water passage core mold with a water-soluble polymer ; and
The integrally formed gas passage core and electrode diffusion layer are taken out from the gas passage core mold and placed in a cavity of the mold, and the cooling is taken out from the cooling water path core mold. Disposing a water passage core in the cavity of the mold at a predetermined interval from the gas passage core;
Filling the mold cavity with molten resin;
A step of taking out the separator to coagulate the molten resin, the gas passage core, from the cooling water passage core and the electrode diffusion layer and the mold after forming integrally cavity,
By eluting from the separator the gas passage core and the cooling water passage core was dissolved respectively in water, to form a gas passage in the separator and the electrode diffusion layer, the cooling water in the separator The manufacturing method of the separator for fuel cells which consists of the process of forming a channel | path.
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