JP4935611B2 - Manufacturing method of fuel cell and separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及びセパレータの製造方法に関し、詳細には、セパレータに形成される冷媒流路構造の改良技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing a separator, and more particularly, to a technique for improving a refrigerant flow path structure formed in a separator.
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工して凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている(例えば、特許文献1など参照)。 For example, in a fuel cell in which hydrogen and oxygen are supplied to both sides of a polymer electrolyte membrane to generate electromotive force, a metal thin plate is pressed to form an uneven shape in order to further increase the electromotive force per unit volume. A so-called thin metal separator that forms a flow path has been developed (for example, see Patent Document 1).
通常、金属セパレータは、プレスマシン及び金型を用いたプレス成形にて金属板に凹凸形状を形成した後、これら金属板同士を重ね合わせて溶接することで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水(冷媒)をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成している。
ところで、この種のセパレータでは、発電に寄与する部位(これをアクティブ領域という)の冷媒流路の断面積と発電に寄与する部位以外の部位(アクティブ領域外側の部位)の冷媒流路の断面積は、金属板のプレス成形による製造上のバラツキによって、その断面積バラツキが大きい。そのため、アクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつき、温度分布の均一性が損なわれる。 By the way, in this type of separator, the cross-sectional area of the refrigerant flow path of the part contributing to power generation (this is called the active area) and the cross-sectional area of the refrigerant flow path of the part other than the part contributing to power generation (the part outside the active area) Has a large cross-sectional area variation due to a variation in manufacturing due to press forming of a metal plate. For this reason, the flow rate of the cooling medium flowing through the active region varies among the separators, and the uniformity of the temperature distribution is impaired.
そこで、本発明は、アクティブ領域を流れる冷却媒体の流量バラツキを無くし、温度分布の均一化を図ることのできる燃料電池及びセパレータの製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a fuel cell and a separator capable of eliminating a variation in the flow rate of the cooling medium flowing in the active region and making the temperature distribution uniform.
本発明に係る燃料電池は、セパレータに形成された冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、該セパレータに形成した凸条部を潰して閉塞させている。 In the fuel cell according to the present invention, a part of the flow path through which the cooling medium flows in a portion of the refrigerant flow path formed in the separator that does not contribute to power generation is blocked by crushing the protruding portion formed in the separator. .
本発明の燃料電池によれば、冷媒流路のうち発電に寄与する部位以外の部位(アクティブ領域以外の部位)への冷却媒体の流入が阻止でき、それによりアクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつくことが無くなり、温度分布が均一化する。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to prevent the cooling medium from flowing into a part other than the part contributing to power generation (parts other than the active area) in the refrigerant flow path, thereby reducing the flow rate of the cooling medium flowing through the active area. There is no variation in each separator, and the temperature distribution becomes uniform.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
「燃料電池スタックの全体構成説明」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図2は燃料電池単セルの拡大断面図、図3は燃料電池スタックの断面図、図4は膜電極接合体とセパレータのシール部分を示す断面図である。
“Overall configuration of fuel cell stack”
First, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a single fuel cell, FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack, and FIG. 4 is a seal portion of a membrane electrode assembly and a separator. It is sectional drawing.
本実施形態の燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。なお、燃料電池は、自動車以外に用いられてもよい。 The fuel cell of the present embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, mounted on a fuel cell vehicle. Note that the fuel cell may be used other than an automobile.
燃料電池スタック1は、図1に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル10を所定数だけ積層した積層電池の形態とされる。積層された燃料電池単セル10は、スタック内部を貫通するタイロッド5により締結されている。燃料電池単セル10は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが1V程度の起電圧を生じる。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池単セル10は、図2に示すように、高分子イオン交換膜である電解質膜11と電極触媒層(触媒層)12とガス拡散層13とからなる膜電極接合体14と、この膜電極接合体14を2枚の金属板を貼り合わせて接合一体化したセパレータ15とを有し、これらセパレータ15で膜電極接合体14を挟持した構成とされている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell
電解質膜11の両面には、電極触媒層12がそれぞれ配置されている。また、電解質膜11とその両面に配置された電極触媒層12を挟持するようにガス拡散層13が配置されている。そして、これら電解質膜11と電極触媒層12とガス拡散層13からなる膜電極接合体14を挟持するようにセパレータ15が配置されている。膜電極接合体14をセパレータ15で挟持してなる燃料電池単セル10は、燃料電池を構成する単位ユニットとなる。
燃料電池は、単位ユニットで使用されることは稀で、複数の単位ユニットが直列つなぎで使用される。セパレータ15は、複数の単位ユニットを繋げ且つ温調媒体(冷却媒体)を流す仕様の燃料電池である場合、必ずプレート間の接触箇所が発生する。また、セパレータ15と電解質膜11との間には、シール部として機能するガスケット16が介在されている。
A fuel cell is rarely used in unit units, and a plurality of unit units are used in series. When the
電解質膜11は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電極触媒層12は、一般的には、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む撥水層と、白金が担持されたカーボンブラックからなる触媒層が重なった構造を有する。ガス拡散層13は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。
The
セパレータ15は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボンよりも強度に優れ且つ薄肉化が用意なステンレス材料(SUS316)などの如き耐食性に優れた金属材料をプレス加工することにより形成される。さらに、セパレータ15の表面には、耐食性や電気抵抗を向上させるため、金メッキのような表面処理が施される。セパレータ15には、反応ガス流路である燃料ガス流路17及び酸化剤ガス流路18と、冷却媒体が流れる冷媒流路19とが形成されている。
The
ガスケット16は、例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状の接着剤シールによって接着される。このガスケット16が接着される電解質膜11の表裏には、弾性係数の大きい薄板材料からなる補強板7が配置されている。例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような薄板材からなる補強板7を電解質膜11の表裏面に配置し、そこに例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着したガスケット16を設ける。
The
燃料電池スタック1は、前記した燃料電池単セル10を多数積層してセル積層方向(燃料電池単セル積層方向)の両端に、集電板2、絶縁板3、エンドプレート4をこの順に配置して構成される。そして、燃料電池スタック1は、それら各部材をセル積層方向に締め付け、セル積層体の内部に貫通した貫通孔にタイロッド5を挿通し、そのタイロッド5の端部にナット7を螺合することにて締結される。タイロッド5は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、燃料電池単セル10同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理をした構造とされている。
In the
集電板2は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板3は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート4は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、2枚の集電板2にはそれぞれ出力端子2Aが設けられており、燃料電池スタック1で生じた起電力を外部へ出力可能となっている。
The
なお、燃料電池単セル10の締結方法は、タイロッド5を燃料電池スタック1内部に貫通する方法の他に、燃料電池スタック1外部でエンドプレート4同士をタイロッド5により締め付ける機構としても良い。この他、図3に示すように、燃料電池スタック1のセル積層方向一端の第1エンドプレート4Aと該第1エンドプレート4Aのセル積層方向内側に設けた絶縁板3との間に、第2エンドプレート4Bが配置され、第1エンドプレート4Aと第2エンドプレート4B間にバネ等の加圧装置6を設置し、これらエンドプレート4A、4B間をタイロッド5によって締め付ける機構としても良い。
In addition, the fastening method of the fuel cell
以上のように構成された燃料電池スタック1においては、燃料ガスは、一方のエンドプレート4に形成された燃料ガス入口孔20からスタック内へと導入され、燃料ガス流路17を流れた後、燃料ガス出口21から排出される。酸化剤ガスは、同じく一方のエンドプレート4に形成された酸化剤ガス入口孔22からスタック内へと導入され、酸化剤ガス流路18を流れた後、酸化剤ガス出口孔23から排出される。冷却媒体は、同じく一方のエンドプレート4に形成された冷媒入口孔24からスタック内へと導入され、冷媒流路19を流れた後、冷媒出口孔25から排出される。
In the
そして、アノード側電極に供給された燃料ガス(水素含有ガス)は、電極触媒層12上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜11を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は、集電板2の出力端子2Aから外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているため、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
Then, the fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode side electrode is hydrogen ionized on the
「セパレータの詳細説明」
次に、セパレータ15について詳細に説明する。図5はセパレータの外周縁部分を示す要部拡大斜視図、図6はセパレータの平面図、図7(A)は図6のA−A断面図、図7(B)は図6のB−B断面図、図8は金属板同士を溶接する溶接位置を示す図である。
"Detailed description of separator"
Next, the
本実施形態のセパレータ15では、発電に寄与するアクティブ領域(膜電極接合体14と接する中央部分の反応ガスが流れる領域)にプレス加工によって、各金属板15A、15Bに凹条部26と凸条部27を交互に形成した凹凸形状(いわゆるコルゲート形状)を形成している。セパレータ15は、この2枚の金属板15A、15Bを互いの凹条部26同士及び凸条部27同士を重ね合わせて溶接することで接合一体化されて形成される。そして、膜電極接合体14と接する側の凹条部26が反応ガス流路である燃料ガス流路17または酸化剤ガス流路18となり、凸条部27同士が突き合われて形成される空洞部が冷媒流路19となる。
In the
そして、本実施形態のセパレータ15では、複数形成された冷媒流路19のうち発電に寄与しない部位(アクティブ領域以外の部位)を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部12を潰して閉塞させている。具体的には、反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)が流れるアクティブ領域における燃料ガス流路17及び酸化剤ガス流路18の最外周縁部の外側に設けられた冷媒流路19の一部を冷却媒体が流れないように、各金属板15A、15Bの凸条部27、27を互いに接触するまで潰して流路を閉塞させている。これら凸条部27の一部が潰されることで、流路が閉塞される凹部28が形成される。
In the
前記凹部28は、前記冷媒流路19に冷却媒体を流出入させるセパレータ15に形成された冷却媒体入口マニホールド29側の冷媒入口位置近傍部及び冷却媒体出口マニホールド30側の冷媒出口位置近傍部に形成されている。冷媒入口位置近傍部と冷媒出口位置近傍部に凹部28を形成すれば、アクティブ領域以外の部分となる冷媒流路19が入口から出口にかけて閉塞される。
The
なお、冷却媒体入口マニホールド29の両側には、燃料ガス入口マニホールド31と酸化剤ガス入口マニホールド32が形成されている。また、冷却媒体出口マニホールド30の両側には、燃料ガス出口マニホールド33と酸化剤ガス出口マニホールド34が形成されている。なお、図6には、酸化剤ガス入口マニホールド32から流出する酸化剤ガスを各酸化剤ガス流路18へと分流させる入口側ディフューザ35と、酸化剤ガス出口マニホールド34へと酸化剤ガスを集める出口側ディフューザ36とが形成された酸化剤ガスの流路構造が示されている。
A fuel
また、本実施形態のセパレータ15では、二枚の金属板15A、15Bの外周縁部を溶接して接合一体化させることで形成されるが、その溶接に際しては、溶接開始位置及び溶接終了位置を、前記凸条部12を潰した部位である凹部28としている。溶接は、最外周部の凸条部27とその隣りの凸条部27間の凹条部26に行い、4箇所形成した凹部28のうち一箇所の凹部28を溶接開始位置及び溶接終了位置としている。なお、図5及び図8には、溶接ラインAを示してある。
Further, in the
溶接には、例えばアーク溶接、レーザー溶接、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接など種々の溶接手段が採用できるが、燃料電池セパレータ端部の狭い領域に対して高い溶接精度が要求されるためレーザー溶接が好ましい。なお、接着剤によって金属板15A、15B同士を接合しても良いが、乾燥時間を要することから溶接による手法の方が好ましい。
For welding, various welding means such as arc welding, laser welding, TIG welding, MAG welding, MIG welding, plasma welding, and electron beam welding can be adopted. However, high welding accuracy can be applied to a narrow region at the end of the fuel cell separator. Therefore, laser welding is preferable. Note that the
また、本実施形態のセパレータ15では、図5及び図8の溶接ラインAに沿って液状の接着剤を塗布することによりガスケット16を形成している。接着剤を塗布するに際しては、接着剤塗布開始位置及び接着剤塗布終了位置を、前記溶接開始位置及び溶接終了位置とした凹部28としている。接着剤塗布ラインBは、図8の実線で示す。
Moreover, in the
溶接終始点は、一般部分と比較して凹凸が大きくなる傾向にあり、発電時の腐食の起点となる可能性がある。そのため、溶接終始点を接着剤で被覆し、反応ガス流体と接触しない構造とすることにより腐食を防止することが可能となる。また、凹部28が接着剤で充填されて埋まるため、反応ガスのガスケット16が形成されたシール溝(凹条部26)への流入を阻止することができる。これにより、発電に寄与しない反応ガスの無駄な流出が無くなり、反応ガスの有効利用を図ることができる。凹部28は、出来る限り接着剤量を増やすようにすることが好ましいが、反応ガス流路へはみ出すさない程度の接着剤量とする。なお、4箇所に形成した全ての凹部28に接着剤を塗布充填するようにしてもよい。
The welding start point tends to be uneven as compared with the general part, and may be a starting point of corrosion during power generation. Therefore, it is possible to prevent corrosion by covering the welding start point with an adhesive so as not to contact the reactive gas fluid. In addition, since the
本実施形態によれば、複数ある冷媒流路19のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を潰して閉塞したので、発電に寄与する部位以外の部位(アクティブ領域以外の部位)への冷却媒体の流入を阻止することができ、それによりアクティブ領域を流れる冷却媒体の流量が各セパレータでばらつくことが無くなり、温度分布を均一化できる。さらに、発電反応に寄与しない部位に冷却水が流入しないため、セパレータ外周部分の温度が低下して、発電で得られた生成水の結露などによる発電性能の低下を防止できる。
According to the present embodiment, a part of the plurality of
また、本実施形態によれば、膜電極接合体14とセパレータ15間をシールするシール部材であるガスケット16を、凸条部27を潰した凹部28にも充填したので、反応ガスのシール溝への流入を阻止することができる。
In addition, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、接着剤の塗布開始位置及び塗布終了位置を、凸条部27を潰した凹部28としたので、凹部28に塗布充填された接着剤によってシール溝への反応ガスの流出を阻止できる。
In addition, according to the present embodiment, the adhesive application start position and application end position are the
また、本実施形態によれば、溶接開始位置及び溶接終了位置を、凸条部27を潰した凹部28としたので、発電時の腐食の起点となる溶接開始位置及び溶接終了位置が接着剤で被覆されることになり、反応ガスと接触がされないことで腐食防止を回避できる。
Further, according to the present embodiment, the welding start position and the welding end position are the
また、本実施形態によれば、凸条部27を潰した凹部28を、冷媒流路19に冷却媒体が流出入する入口位置及び出口位置近傍部としたので、冷却媒体の流出入を出入口で封止することができる。
Further, according to the present embodiment, since the
以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。 Although specific embodiments to which the present invention is applied have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
例えば、図9に示すように、溶接ラインAを、凸条部27を潰した凹部28間において反応ガス流路を構成する凹条部26に設け、金属板15A、15Bの凹条部26同士を溶接するようにしてもよい。こうすることで、隣り合う冷媒流路19からの冷却媒体の流入を阻止することができる。
For example, as shown in FIG. 9, the welding line A is provided in the
1…燃料電池スタック
10…燃料電池単セル
11…電解質膜
12…電極触媒層(触媒層)
13…ガス拡散層
14…膜電極接合体
15…セパレータ
15A、15B…金属板
16…ガスケット(シール部材)
17…燃料ガス流路(反応ガス流路)
18…酸化剤ガス流路(反応ガス流路)
19…冷媒流路
26…凹条部
27…凸条部
28…凹部(凸条部を潰した部位)
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
17 ... Fuel gas flow path (reaction gas flow path)
18 ... Oxidant gas channel (reactive gas channel)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部を潰して閉塞した
ことを特徴とする燃料電池。 A separator that forms a reaction gas flow path and a refrigerant flow path by bonding metal plates having concave and convex shapes alternately formed with concave stripes and convex stripes in a region that contributes to power generation, and a catalyst on both sides of the electrolyte membrane In a fuel cell comprising a membrane electrode assembly in which a layer and a gas diffusion layer are arranged, and sandwiching the membrane electrode assembly with a separator,
A fuel cell, wherein a part of the flow path through which a cooling medium flows in a portion of the refrigerant flow path that does not contribute to power generation is closed by crushing the protruding line portion.
前記膜電極接合体と前記セパレータ間をシールするシール部材を、前記凸条部を潰した部位にも充填した
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell, wherein a sealing member that seals between the membrane electrode assembly and the separator is also filled in a portion where the ridges are crushed.
前記凸条部を潰したことで形成される凹条部に接着剤を塗布することにより前記シール部材が形成され、その接着剤の塗布開始位置及び塗布終了位置を、前記凸条部を潰した部位とした
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The seal member is formed by applying an adhesive to a concave portion formed by squashing the convex portion, and the application start position and application end position of the adhesive are crushed. A fuel cell characterized by being a part.
前記金属板同士を溶接にて接合し、その溶接開始位置及び溶接終了位置を、前記凸条部を潰した部位とした
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 or 3, wherein
The fuel plates, wherein the metal plates are joined together by welding, and the welding start position and the welding end position are portions where the protruding strips are crushed.
前記凸条部を潰した部位を二箇所以上設け、その二箇所の部位に隣接する前記反応ガス流路を構成する凹条部同士を溶接した
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 or 3, wherein
Two or more parts which crush the said protruding item | line part are provided, and the recessed item part which comprises the said reactive gas flow path adjacent to the two site | parts was welded. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記凸条部を潰した部位は、前記冷媒流路に冷却媒体が流出入する入口位置近傍部及び出口位置近傍部とした
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 2 to 5,
The fuel cell according to claim 1, wherein the crushed portions are a vicinity of an inlet position and a vicinity of an outlet position where a cooling medium flows into and out of the refrigerant flow path.
前記冷媒流路のうち発電に寄与しない部位を冷却媒体が流れる流路の一部を、前記凸条部を潰して閉塞する
ことを特徴とするセパレータの製造方法。 After forming concave and convex portions and convex portions alternately on the metal plate to form an uneven shape, the concave portions and the convex portions are overlapped to join and integrate the two metal plates, In the method for manufacturing a separator, wherein the concave portion is a reactive gas flow path through which the reactive gas flows and the hollow portion formed by abutting the convex portions is a refrigerant flow path through which the cooling medium flows.
A method for manufacturing a separator, wherein a portion of a flow path in which a cooling medium flows in a portion of the refrigerant flow path that does not contribute to power generation is closed by crushing the protruding portion.
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