JP4794126B2

JP4794126B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP4794126B2
Application number: JP2003421826A
Authority: JP
Inventors: 正巳五十嵐; 直樹清水; 孝彦内藤
Original assignee: Sankei Giken Kogyo Co Ltd
Current assignee: Sankei Giken Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: JP2005183156A

Description

本発明は、例えば固体高分子膜型燃料電池などに用いるセパレータに関する。

上記のような固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子膜を電解質として用いるもので、例えば下記特許文献１および図４に示すように、固体高分子よりなる電解質膜１を、燃料極２と空気極３との間に配置し、その燃料極２と空気極３の外側にそれぞれセパレータ４を配置することによって１つのセルを構成し、これを図４で左右方向に複数個重ねることによって電池本体（セルスタック）を形成するものである。

上記のセパレータ４としては、従来一般に多数の溝４ａや孔を有する導電性の厚手のプレートが用いられ、燃料極２に隣接するセパレータ（図４で左側）４にあっては上記の溝４ａや孔を介して燃料極２に燃料となる水素を供給し、空気極３に隣接するセパレータ（図４で右側）４にあっては上記の溝４ａや孔を介して空気極３に空気を供給する。上記燃料極２に供給された水素は、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１を通り、電子は外部回路（不図示）を通って電力を発生させ、空気極３にそれぞれ移動する。一方、空気極３では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、上記セパレータ４を介して外部に排出される。

ところで、上記のようなセパレータは、溝や孔の幅や深さなどの構造的な因子が燃料電池の出力効率に大きく影響を及ぼすため精度のよい加工が求められている。そこで、従来は表面から加工可能な溝や孔にあっては、工作機械等による切削加工や放電加工等により形成し、工具が入らない影になる部分の加工は、切削後にＴＩＧ溶接やＹＡＧ溶接を行ってブリッジ構造等を形成していた。しかし、加工が煩雑かつ面倒で製作コストが嵩む等の不具合があり、また各セパレータを１枚のプレートから削り出して形成するため歪みが大きく、面精度管理が難しい等の問題があった。

特開２００２−９３４４０号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて提案したもので、容易・安価に且つ精度よく製作することのできる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明による燃料電池用セパレータは、以下の構成としたものである。即ち、燃料極または空気極に燃料または空気を供給する通路を有する燃料電池用セパレータであって、前記通路を構成する複数の貫通孔が設けられた２枚の第１プレートと、前記通路を構成する長円形の貫通孔が設けられた複数枚の第２プレートとを有し、前記２枚の前記第１プレートが、前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させた前記複数枚の前記第２プレートを挟む構成となるように、且つ前記第１プレートの前記貫通孔と前記第２プレートの貫通孔とが連通するように、前記第１、第２プレートを互いに厚さ方向に積層させることによって形成されることを特徴とする。また、本発明による燃料電池用セパレータの製造方法は、燃料極または空気極に燃料または空気を供給する通路を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、同時に外形形状と前記通路を構成する複数の貫通孔とを形成するプレス打ち抜き加工より、２枚の第１プレートを形成する工程と、同時に外形形状と前記通路を構成する長円形の貫通孔とを形成するプレス打ち抜き加工より、複数枚の第２プレートを形成する工程と、前記複数枚の前記第２プレートに設けられた前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させる工程と、前記２枚の前記第１プレートが、前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させた前記複数枚の前記第２プレートを挟む構成となるように、且つ前記第１プレートの前記貫通孔と前記第２プレートの貫通孔とが連通するように、前記第１、第２プレートを互いに厚さ方向に積層する工程と、積層した前記第１、第２プレートを一体的に固着する工程とを有することを特徴とする。

上記のように本発明による燃料電池用セパレータは、互いに厚さ方向に積層した複数枚のプレートで構成すると共に、その各プレートに互いに連通して燃料または空気供給用の通路を構成する貫通孔を設けたことによって、この種のセパレータを容易・安価に且つ精度よく製作することが可能となる。

図１（ａ）は本発明による燃料電池用セパレータの一実施形態を示す正面図、同図（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、図２は分解斜視図であり、前記従来例と同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態のセパレータ４は、複数枚、図の場合は４枚の薄い平板状のプレート４１〜４４で構成したもので、そのプレート４１〜４４の材質は適宜であるが、例えばステンレスやチタン等を用いることができる。また上記プレートの厚さや１つのセパレータを構成するプレートの枚数も適宜であるが、例えば０．１〜１ｍｍ程度の厚さのものを、２〜５枚程度積層して用いる。その積層したプレートは、必要に応じて溶接もしくは接着等により一体的に固着する。

上記各プレートには、互いに連通する貫通孔を形成したもので、その貫通孔の形状や配置位置および個数等は適宜であるが、図の場合はプレート４１、４４に、それぞれ１つの円形の貫通孔４１ａ、４４ａと、２つのＨ形の貫通孔４１ｂ、４４ｂとを形成し、プレート４２、４３にはそれぞれ１つの長円形の貫通孔４２ａ、４３ａを形成した構成である。上記の貫通孔はプレート４１〜４４を重ねたとき、図１（ｂ）に示すように隣り合うプレートの貫通孔の少なくとも一部が連通するように構成されている。

上記のようにして複数枚のプレート４１〜４４を積層したものを１つのセパレータ４として用いるもので、図３はそのセパレータ４を用いた燃料電池（セル）の一例を示すものである。本例は前記従来例と同様に固体高分子よりなる電解質膜１の両側に燃料極２と空気極３とを配置し、その燃料極２と空気極３の外側にそれぞれ上記複数枚の積層プレート４１〜４４よりなるセパレータ４を配置することによって１つのセルを構成したものである。特に図の場合は左右のセパレータ４のいずれもプレート４１〜４４をその順に図で左側から並べて積層した構成である。また上記のように構成したセルを図３で左右方向に複数個重ねることによって電池本体（セルスタック）を形成するものである。

上記のように構成したセルもしくは電池本体にあっては、上記各セパレータ４を構成するプレート４１〜４４の前記貫通孔を介して燃料極２および空気極３に燃料としての水素および空気を供給する。例えば前記図３においては燃料極２に隣接する図で左側のセパレータ４のプレート４１に形成した貫通孔４１ａ内に図に省略した管等を介して燃料としての水素を導入することによって貫通孔４２ａ、４３ａ、４４ａ、４４ｂを介して燃料極２に水素を供給する。一方、空気極３に隣接する図で右側のセパレータ４のプレート４４に形成した貫通孔４４ａ内に図に省略した管等を介して空気を導入することによって貫通孔４３ａ、４２ａ、４１ａ、４１ｂを介して空気極３に空気を供給する。

上記燃料極２に供給された水素は、前記従来例と同様に水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１を通り、電子は燃料極２と空気極３に直接もしくは前記各セパレータ４を介して導通させた外部回路（不図示）を通って、それぞれ空気極３に移動する。一方、空気極３では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、その水は図で右側のセパレータ４を介して外部に排出される。そして上記の外部回路を電子が通ることによって電力が発生するものである。

なお上記実施形態は各セパレータ４を構成するプレート４１〜４４を全体略方形に形成したが、図５（ａ）のように燃料や空気の供給口となる貫通孔４１ａ〜４４ａを外方に突出させて設けた形状にしてもよい。他の構成は上記実施形態と同様である。またプレート４１〜４４の全体形状は方形に限らず、図５（ｂ）に示すような略菱形や同図（ｃ）に示すような三角形状等その他適宜であり、又それらの形状に応じて前記貫通孔４１ａ〜４４ａ、４１ｂ、４４ｂを適宜形成すればよい。図６（ａ）〜（ｃ）は上記図５（ａ）〜（ｃ）のようなプレートを用いて構成したセル（燃料電池）の一例を示す斜視図である。

以上のように本発明においては、貫通孔を有する複数枚のプレート４１〜４４を積層することによってセパレータ４を構成するようにしたから、例えば上記の貫通孔とプレートの外形形状とを予めプレス打ち抜き等で同時に形成し、その貫通孔を有する複数枚のプレート４１〜４４を順次重ね合せて必要に応じて溶接等で固着するだけでセパレータ４を形成することができる。従って、前記従来のように工作機械等による切削加工や放電加工等で形成したり、ＴＩＧ溶接やＹＡＧ溶接でブリッジ構造等を形成する場合に比べて容易・迅速に且つ精度よくセパレータ４を形成することができる。

上記のように本発明によるセパレータは、貫通孔を有する複数枚のプレート４１〜４４をプレス打ち抜き等で形成して積層するだけで容易・迅速に作製することができるもので、この種のセパレータの製作コストや歪みを低減することが可能となる。また上記貫通孔の形状や配置位置等を適宜変更することで、燃料極や空気極への燃料や空気の供給量や供給速度、ひいては燃料電池の出力効率を変更もしくは調整することが可能となり、この種のセパレータの製作方法や設計の自由度を増大させることができる等の利点がある。

（ａ）は本発明による燃料電池用セパレータの一実施形態を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図。上記セパレータの分解斜視図。上記セパレータを用いた燃料電池の一例を示す縦断面図。従来の燃料電池の一例を示す縦断面図。（ａ）〜（ｃ）は本発明によるセパレータの変更例を示す縦断面図。（ａ）〜（ｃ）は上記セパレータを用いたセルの一例を示す斜視図。

符号の説明

１電解質膜
２燃料極
３空気極
４セパレータ
４１〜４４プレート
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４４ｂ貫通孔

Claims

燃料極または空気極に燃料または空気を供給する通路を有する燃料電池用セパレータであって、
前記通路を構成する複数の貫通孔が設けられた２枚の第１プレートと、
前記通路を構成する長円形の貫通孔が設けられた複数枚の第２プレートと、
を有し、
前記２枚の前記第１プレートが、前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させた前記複数枚の前記第２プレートを挟む構成となるように、且つ前記第１プレートの前記貫通孔と前記第２プレートの貫通孔とが連通するように、前記第１、第２プレートを互いに厚さ方向に積層させることによって形成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
燃料極または空気極に燃料または空気を供給する通路を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
同時に外形形状と前記通路を構成する複数の貫通孔とを形成するプレス打ち抜き加工より、２枚の第１プレートを形成する工程と、
同時に外形形状と前記通路を構成する長円形の貫通孔とを形成するプレス打ち抜き加工より、複数枚の第２プレートを形成する工程と、
前記複数枚の前記第２プレートに設けられた前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させる工程と、
前記２枚の前記第１プレートが、前記長円形の貫通孔の一部を相互に連通させた前記複数枚の前記第２プレートを挟む構成となるように、且つ前記第１プレートの前記貫通孔と前記第２プレートの貫通孔とが連通するように、前記第１、第２プレートを互いに厚さ方向に積層する工程と、
積層した前記第１、第２プレートを一体的に固着する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。