JP5109267B2 - 燃料電池スタック、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタックの使用方法及び燃料電池スタックにおけるセパレータの配置方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック、特にマニホールド内を流れる液体（例えば生成水）や気体（例えば燃料ガスや酸化剤ガス）などの流体による腐食を抑制可能な燃料電池スタック及びセパレータに関する。

燃料電池スタックは、アノード側電極、電解質膜およびカソード側電極を有した基本構造（燃料電池セル）を、複数積層して直列つなぎにすることで構成される。この基本構造たる燃料電池セルは、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を配置して、さらにそれらをセパレータによって狭持することで構成される。そして、このような構成の燃料電池セルを複数積層して直列つなぎにし、積層された複数の燃料電池セルを、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することで、高電圧を発生する燃料電池スタックとして使用される。

このとき、各燃料電池セルにおいて、電解質膜およびセパレータにはマニホールド孔が形成されており、アノード側電極、電解質膜およびカソード側電極をセパレータで狭持することで、電解質膜および両セパレータのマニホールド孔が連結し、後述のマニホールドの一部を形成した状態の燃料電池セルが作製される。さらに、このような燃料電池セルを複数積層して直列つなぎにして燃料電池スタックを作製すると、各燃料電池セル間でもマニホールド孔が連結した状態となる。すなわち、各燃料電池セルにおいて形成されている後述のマニホールドの一部同士が連結した状態となる。こうして、燃料電池セルの積層によって作製された燃料電池スタックには、燃料電池スタック外部と各燃料電池セルとの間で燃料ガスや酸化剤ガスなどの供給・排出を行うためのマニホールドや、各燃料電池セルの発熱による温度上昇を抑制することを目的として燃料電池スタックの外部と各燃料電池セルとの間で冷却媒体（例えば冷却水）の供給・排出を行うためのマニホールドが、燃料電池セルの積層方向に貫通して形成されることとなる。

そして、燃料電池スタックにおいては、以上のような構成により、燃料ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池スタックの一方のエンドプレート側からガス供給用のマニホールドを通って各燃料電池セルに供給され、供給後には各燃料電池セルからガス排出用のマニホールドに排出され、排出されたガスが、ガス排出用のマニホールドを通って一方のエンドプレート側から外部に排出されるようになる。

ところで、上記のような構成の燃料電池セルにおいて、一般的には、セパレータは金属薄板（例えばステンレス薄板など）により作製され、このようなメタルセパレータにおける上記の各マニホールド孔は、いずれも打ち抜き加工により形成される。

特開２００５−５０５８４号公報 特開２００２−３６７６２４号公報

メタルセパレータにおいて、各マニホールド孔を打ち抜き加工により形成すると、形成された各マニホールド孔には、打ち抜き方向に突出したバリが発生する。そして、上記のようなバリが形成されたメタルセパレータを用いて燃料電池セルを作製し、この燃料電池セルを用いて燃料電池スタックを作製すると、作製された燃料電池スタックにおけるマニホールド内に、このバリが突出した状態が生じ得る。

このとき、各マニホールド内を流れる流体（例えば、生成水などの液体や、燃料ガスや酸化剤ガスといった気体）がバリに接触する（ぶつかる）と、このバリを起点としてメタルセパレータの腐食が生じる、といった問題があった。

本発明は、上記の問題を解決し、マニホールド内を流れる流体による腐食を抑制可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、積層された複数の燃料電池セルと、各燃料電池セルを両側から挟持し、燃料電池セルと外部との間で燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却媒体の少なくとも１つの流体を供給し排出する機能を有するセパレータと、を備え、セパレータは、一方側の面から他方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体供給用孔と、他方側の面から一方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体排出用孔と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池セルを両側から挟持し、燃料電池セルと外部との間で燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却媒体の少なくとも１つの流体を供給し排出する機能を有するセパレータであって、一方側の面から他方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体供給用孔と、他方側の面から一方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体排出用孔と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池スタックの使用方法は、マニホールド孔を有するセパレータによって両側が挟持される燃料電池セルを積層することでマニホールド孔が連結してマニホールドとなる燃料電池スタックの使用方法であって、燃料電池スタックの全てのマニホールドについて、セパレータのマニホールド孔に形成されるバリの突出方向に一致する方向へマニホールド内に流体を流すことを特徴とする。

また本発明に係る燃料電池スタックにおけるセパレータの配置方法は、マニホールド孔を有するセパレータによって両側が挟持される燃料電池セルを積層することでマニホールド孔が連結してマニホールドを構成する燃料電池スタックにおけるセパレータの配置方法であって、マニホールド孔に形成されるバリの突出方向と、積層により形成されるマニホールド内を流れる流体の流れ方向とが一致するように、燃料電池セルに対しセパレータを配置することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタックのマニホールド内を流れる流体の流れ方向と、マニホールド孔のバリの突出方向とが一致し、バリが流体の流れを妨げにくくなるため、流体がバリにぶつかることにより生じる従来の問題の発生を抑制することが可能となる。すなわち、バリに対して物理的・化学的ダメージが集中的に与えられることで発生する材料劣化・腐食を抑制することができる。また、流体がバリにぶつかることで流れが停滞し、マニホールド内を通る流体の流速や流量損失が発生するといった事態の発生を抑制することも可能となる。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、アノード側電極、電解質膜およびカソード側電極をセパレータによって狭持してなる燃料電池セル１２を、複数積層して直列つなぎにし、この積層された複数の燃料電池セル１２を、さらに集電板１４ａ，１４ｂ、絶縁板１６ａ，１６ｂおよびエンドプレート１８ａ，１８ｂで狭持した構成となっている。

燃料電池スタック１０には、図１に示すように、燃料電池スタック１０の外部から燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池セル１２のアノード側電極およびカソード側電極に供給するために、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通して形成される燃料ガス供給マニホールド２０ａ（図中の左側上段）および酸化剤ガス供給マニホールド２２ａ（図中の右側上段）が備えられている。また、供給した燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池セル１２のアノード側電極およびカソード側電極から燃料電池スタック１０の外へ排出するために、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通して形成される燃料ガス排出マニホールド２０ｂ（図中の右側下段）および酸化剤ガス排出マニホールド２２ｂ（図中の左側下段）を備えている。さらに、燃料電池セル１２の発熱による温度上昇を抑制するため、燃料電池スタック１０の外部から冷却媒体（例えば冷却水）を各燃料電池セル１２内に流しているが、この冷却媒体の供給および排出を行うための冷却媒体供給マニホールド２４ａ（図中の右側中段）および冷却媒体排出マニホールド２４ｂ（図中の左側中段）も、燃料電池スタック１０を積層方向に貫通して形成されている。なお、図１における黒い太矢印は燃料ガスの流れ方向、白い太矢印は酸化剤ガスの流れ方向、斜線の太矢印は冷却媒体の流れ方向をそれぞれ示している。

ここで、この燃料電池スタック１０に用いられる燃料電池セル１２は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を配置して、さらにそれらをセパレータによって狭持することで構成されている。そして、この燃料電池セル１２を複数積層して直列つなぎにすることで、高電圧を発生する燃料電池スタック１０として使用される。

図２は、図１の燃料電池スタックを構成する各燃料電池セル１２におけるセパレータの構成を示している。また、図３は、図２のセパレータの各部の断面を示しており、図３（ａ）はＡ−Ａ線断面、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線断面、図３（ｃ）はＣ−Ｃ線断面を示す。なお、図中の各矢印は、このセパレータを有する燃料電池セルを積層させて図１に示す燃料電池スタックを作製した場合の各マニホールドに流れる流体の流れ方向を示し、黒い太矢印は燃料ガスの流れ方向、白い太矢印は酸化剤ガスの流れ方向、斜線の太矢印は冷却媒体の流れ方向をそれぞれ示している。

図２によれば、燃料ガス供給マニホールド２０ａを通ってきた燃料ガスは、積層された各燃料電池セル１２において、ガス導入孔２６を通ってアノード側電極の発電面２８に供給され、発電面２８に形成された複数本の流路を経て、ガス排出孔３０から燃料ガス排出マニホールド２０ｂに排出されるようになっている。こうして、燃料ガスは、燃料電池スタック１０の一方のエンドプレート１８ａ側からガス供給マニホールド２０ａを通って各燃料電池セル１２に供給された後、各燃料電池セル１２からガス排出マニホールド２０ｂに排出され、排出されたガスは、ガス排出マニホールド２０ｂを通って一方のエンドプレート１８ａ側から外部に排出される。また、図２に示す面の裏面（図示せず）では、上記のガス導入孔２６、発電面２８およびガス排出孔３０と同様の構成により、酸化剤ガス供給マニホールド２２ａと酸化剤ガス排出マニホールド２２ｂとが連結されており、酸化剤ガスについても、燃料電池スタック１０の一方のエンドプレート１８ａ側からガス供給マニホールド２２ａを通って各燃料電池セル１２に供給後、各燃料電池セル１２からガス排出マニホールド２２ｂを通って一方のエンドプレート１８ａ側から外部に排出されるようになっている。

また、本実施形態では、図３に示すように、セパレータの各マニホールド孔は、バリ４０の突出方向がマニホールド内における流体の流れ方向と一致するように、打ち抜き加工により形成されている。すなわち、各燃料電池セル１２のセパレータにおいて、各マニホールド孔は、流体の流れ方向と一致する打ち抜き方向で、それぞれ打ち抜き加工されて形成されている。

このような打ち抜き方向を変えたマニホールド孔をセパレータに形成する打ち抜き加工は、例えば図４に示すような手順で行う。

まず、第一の工程において、被加工対象のセパレータ（例えばメタルセパレータ）に対し、抜き金型のパンチ及びダイを用いて打ち抜き加工を行い、各供給マニホールド２０ａ，２２ａ，２４ａを形成するためのマニホールド孔を形成する。具体的には、図４（ａ）に示すように、セパレータの所定箇所において、セパレータの表面側から裏面側に向けて打ち抜き加工を行う。これにより、流体の流れ方向と打ち抜き方向とが一致した、すなわち、流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とが一致した供給マニホールド２０ａ，２２ａ，２４ａを形成するためのマニホールド孔が形成される。

そして、第二の工程において、セパレータに対して抜き金型のパンチ及びダイの配置を変え、図４（ｂ）に示すように、セパレータの裏面側から表面側に向けて打ち抜き加工を行い、排出マニホールド２０ｂ，２２ｂ，２４ｂを形成するためのマニホールド孔を形成する。これにより、流体の流れ方向と打ち抜き方向とが一致した、すなわち、流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とが一致した各マニホールド孔が、セパレータに形成される。

なお、上記の手順において、第一の工程後にセパレータに対して抜き金型のパンチ及びダイの配置を変えてから第二の工程を行うのではなく、セパレータをひっくり返し、抜き金型のパンチ及びダイに対するセパレータのセットの方向（表裏）を入れ替えてから第二の工程を行うようにしても良い。

以上のような手順により、セパレータには、例えば図３に示すように、各マニホールド孔におけるバリ４０が流体の流れ方向と同方向に突出した状態で、各マニホールド孔が形成される。

そして、このような構成のセパレータを用いて燃料電池セル１２を作製し、燃料電池スタック１０におけるマニホールド内を流れる流体（燃料ガスや酸化剤ガスなど）の流れ方向と、各燃料電池セル１２のセパレータのマニホールド孔に形成されたバリ４０の突出方向とが一致するように、各燃料電池セル１２を積層させると、マニホールド内を流れる流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とが一致した構成の燃料電池スタック１０が作製される。

ここで、流体の流れ方向と反対方向にバリが突出していると、このバリが流体の流れを妨げてしまうことがある。この場合、流体がバリにぶつかることで、このバリに対して物理的・化学的ダメージが集中的に与えられ、その結果、バリの箇所における材料劣化、腐食が発生するといった事態が生じることとなる。また、流体がバリにぶつかることで、流れが停滞し、マニホールド内を通る流体の流速や流量損失が発生するといった事態も生じることとなる。

しかし、本実施形態における燃料電池スタック１０では、図３に示すように、マニホールド内を流れる流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とを一致させているため、バリ４０が流体の流れの妨げになりにくい。したがって、流体がバリ４０にぶつかることによる上記のような事態の発生を抑制することが可能となる。つまり、バリ４０に対して物理的・化学的ダメージが集中的に与えられることで発生する材料劣化・腐食を抑制することができる。また、流体がバリ４０にぶつかることで流れが停滞し、マニホールド内を通る流体の流速や流量損失が発生するといった事態も生じ難くなる。

なお、燃料電池スタック１０において生成した生成水が大量に流れる酸化剤ガス排出マニホールド２２ｂでの腐食が顕著であることから、少なくとも、酸化剤ガス排出マニホールド２２ｂにおいて、流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とを一致させておけば良いが、バリ４０を有する全てのマニホールドにおいて、流体の流れ方向とバリ４０の突出方向とを一致させるのが最も有効であるのは勿論のことである。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図である。 図１の燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルにおけるセパレータの構成の一例を示している。 図２のセパレータの各部の断面を示し、図３（ａ）はＡ−Ａ線概略断面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線概略断面図、図３（ｃ）はＣ−Ｃ線概略断面図である。 図３のマニホールド孔をセパレータに形成する打ち抜き加工手順を示し、図４（ａ）は第一工程後の状態、図４（ｂ）は第二工程後の状態を示す。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、１２ 燃料電池セル、１４ａ，１４ｂ 集電板、１６ａ，１６ｂ 絶縁板、１８ａ，１８ｂ エンドプレート、２０ａ 燃料ガス供給マニホールド、２０ｂ 燃料ガス排出マニホールド、２２ａ 酸化剤ガス供給マニホールド、２２ｂ 酸化剤ガス排出マニホールド、２４ａ 冷却媒体供給マニホールド、２４ｂ 冷却媒体排出マニホールド、２６ ガス導入孔、２８ 発電面、３０ ガス排出孔、４０ バリ。

Claims (4)

1. 積層された複数の燃料電池セルと、
   各燃料電池セルを両側から挟持し、燃料電池セルと外部との間で燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却媒体の少なくとも１つの流体を供給し排出する機能を有するセパレータと、
   を備え、
   セパレータは、
   一方側の面から他方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体供給用孔と、
   他方側の面から一方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体排出用孔と、
   を含むことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 燃料電池セルを両側から挟持し、燃料電池セルと外部との間で燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却媒体の少なくとも１つの流体を供給し排出する機能を有するセパレータであって、
   一方側の面から他方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体供給用孔と、
   他方側の面から一方側の面に向かって突出して形成されたバリを孔の周辺に有する流体排出用孔と、
   を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. マニホールド孔を有するセパレータによって両側が挟持される燃料電池セルを積層することでマニホールド孔が連結してマニホールドとなる燃料電池スタックの使用方法であって、
   燃料電池スタックの全てのマニホールドについて、セパレータのマニホールド孔に形成されるバリの突出方向に一致する方向へマニホールド内に流体を流すことを特徴とする燃料電池スタックの使用方法。
4. マニホールド孔を有するセパレータによって両側が挟持される燃料電池セルを積層することでマニホールド孔が連結してマニホールドを構成する燃料電池スタックにおけるセパレータの配置方法であって、
   マニホールド孔に形成されるバリの突出方向と、積層により形成されるマニホールド内を流れる流体の流れ方向とが一致するように、燃料電池セルに対しセパレータを配置することを特徴とする燃料電池スタックにおけるセパレータの配置方法。

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