JP5119743B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池用セパレータに関し、特に、複数のプレートが積層された燃料電池用セパレータの構造に関する。

燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。

このような燃料電池に用いられるセパレータには、種々の構造が提案されている。例えば、特開２００６−１４７４６０号公報では、燃料電池の組み付け時の取り扱い易さ、作業性、生産性等を考慮して、ＭＥＡとその両側に配設されたセパレータとが分離しないように、単位セル毎に締結してユニット化することのできるセパレータ構造が開示されている。このセパレータ構造によれば、ＭＥＡのアノード側に配置されるセパレータと、カソード側に配置されるセパレータとが、ＭＥＡを挟んで樹脂製のピンにより締結される。このような構成によれば、燃料電池の軽量化を実現しつつ、単位セルの締結を容易に行うことができる。

特開平８−３７０１２号公報 特開２０００−１２０６７号公報 特開２００１−３３８６７３号公報 特開２００４−２４１２０８号公報 特開２００６−１４７４６０号公報

ところで、燃料電池用セパレータとしては、ＭＥＡのアノード側に接するアノードプレートと、カソード側に接するカソードプレートと、両プレートの間に挟まれた中間プレートとから構成された３層構造のセパレータが知られている。このような多層構造のセパレータにおいては、その外縁部におけるアノードプレートとカソードプレートとの間に熱可塑性の接着フィルム等を介在させることにより、これらのプレートを一体化することとしている。

しかしながら、熱可塑性の樹脂系材料の曲げ剛性は金属系の材料に比して低い。このため、このような３層積層型セパレータの接着構造においては、セパレータに要求される所望の剛性を確保することができず、組み付け時における作業効率の低下や、スタックの耐久性低下などを引き起こすおそれがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数のプレートを積層して構成された燃料電池用セパレータにおいて、セパレータの剛性を高めることのできる構造を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
膜電極接合体における一方の電極面に接する第１プレートと、
前記膜電極接合体における他方の電極面に接する第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとに挟まれた中間プレートと、を備え、前記第１プレートと前記第２プレートとを樹脂系の材料で接着することにより一体として構成される燃料電池用セパレータであって、
前記第１プレートから前記第２プレートの方向へ立ち上げられたリブを備え、前記リブを前記第２プレートに設けられた貫通孔に挿入してかしめることにより、前記第１プレートと前記第２プレートとが接合され、
前記第１プレートにおける前記リブの近傍に形成された第２リブを更に備え、
前記第２リブは、前記第１プレートから立ち上げられて、前記第２プレートにおける前記中間プレート側の面に当接するように形成されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記リブは前記第１プレートに複数形成され、前記第１プレートと前記第２プレートとが、前記リブによって複数箇所において接合されていることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第２リブは、前記第１プレートから前記第２リブにおける前記第２プレートと当接する面までの高さが所定の値となるように形成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１プレートに設けられたリブが第２プレートに設けられた貫通孔に挿入されてかしめられるので、これらの両プレートが確実に接合される。このため、本発明によれば、燃料電池用セパレータとしての剛性を効果的に向上させることができ、該セパレータの組み付け作業性、更には組み付け後における燃料電池の耐久性を効果的に向上させることができる。
また、本発明によれば、第１プレートから立ち上げられた第２リブは、第２プレートにおける中間プレート側の面に当接するように形成されている。このため、本発明によれば、第１セパレータと第２セパレータとをかしめる際の積層方向の位置決めを適切に行うことができる。

第２の発明によれば、燃料電池用セパレータにおいて、第１プレートと第２プレートとが複数箇所においてかしめられて接合される。このため、本発明によれば、該セパレータの剛性を効果的に向上させることができる。

第３の発明によれば、第２リブは、第１プレートから第２リブにおける第２プレートと当接する面までの高さが所定の高さとなるように形成される。このため、本発明によれば、セパレータの厚さのばらつきを効果的に抑制することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図７に示すような発電システム（燃料電池システム）に使用される。図７は、本発明にかかる燃料電池を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。尚、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。

図７に示す燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素（以下、「アノードガス」とも称す）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される水素は高圧の水素タンク１１４に貯蔵されている。水素タンク１１４と燃料電池１００のアノードとは水素供給管１１０によって接続され、水素供給管１１０の途中にはシャットバルブ１１６および調圧バルブ１１８が配置されている。また、燃料電池１００のアノードには、アノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１１２が接続されている。オフガス排出管１１２は、水素供給管１１０における調圧バルブ１１８の下流側に接続され、水素供給管１１０と共に水素の循環系を構成している。オフガス排出管１１２の途中には、循環系内で水素を循環させるための循環ポンプ１２０が配置されている。

このシステムでは、酸化ガスとしての空気（以下、「カソードガス」とも称す）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される空気は、コンプレッサ１３４によって大気から取り込まれる。コンプレッサ１３４と燃料電池１００のカソードとは空気供給管１３０によって接続されている。また、燃料電池１００のカソードには、カソードオフガスを排出するためのオフガス排出管１３２が接続されている。オフガス排出管１３２は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整する為の調圧バルブ１３６が設けられている。

更に、このシステムでは、上記の反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）とは別に、燃料電池１００を冷却するための冷媒（水、不凍液或いは空気等）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００には冷媒を供給するための冷媒供給管１４０と冷媒を排出するための冷媒排出管１４２とが接続されている。冷媒供給管１４０と冷媒排出管１４２はともにラジエータ１４６に接続され、冷媒はラジエータ１４６を通って冷媒排出管１４２から冷媒供給管１４０へ循環するようになっている。冷媒排出管１４２の途中には、循環系内で冷媒を循環させるための循環ポンプ１４８が配置されている。

本実施の形態の燃料電池１００は単位セル１０を複数積層したスタック構造を有している。図１は、単位セル１０の分解斜視図を示す。この図に示すとおり、単位セル１０は、発電体１２、酸化ガスが流れる多孔体流路１４、燃料ガスが流れる多孔体流路１６、および隣接する発電体１２を隔離するセパレータ１８によって構成されている。セパレータ１８の構成については、その詳細な説明を後述する。発電体１２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。

多孔体流路１４および１６は、ステンレス鋼や耐食性金属の金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路１４および１６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路１４および１６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ２０のアノードおよびカソードに供給される。

[本実施の形態の特徴的構成]
次に、図２乃至図５を参照して、本実施の形態の特徴的構成について説明する。図２は、図１における燃料電池１００のII−II断面を模式的に示す断面図である。この図に示すとおり、セパレータ１８は、ステンレス鋼や耐食性のある導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路１４と接触するカソードプレート２２と、多孔体流路１６と接触するアノードプレート２４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート２６とから構成されている。中間プレート２６には、冷媒流路としての複数の溝（図示せず）が形成されている。尚、中間プレート２６は、カソードプレート２２とアノードプレート２４との間に冷媒が流通するための流路（空間）が形成されるのであれば、溝が形成されたプレートに代えて、スタック積層方向に空間が形成されるように波形状に曲げ加工されたプレートを使用することとしてもよいし、また、凹凸加工が施されたプレートを使用することとしてもよい。

また、図２に示すとおり、カソードプレート２２とアノードプレート２４との間における中間プレート２６の外縁部には、熱可塑性フィルム３０が配置されている。熱可塑性フィルム３０は、所定の温度に加熱されると軟化し、温度が下がることで固まる樹脂フィルムである。所定の形状に型抜きされた熱可塑性フィルム３０は、カソードプレート２２とアノードプレート２４との間に積層されてホットプレス機等により熱圧着される。これにより、カソードプレート２２、アノードプレート２４、および中間プレート２６からなるセパレータ１８が一体化される。

ここで、熱可塑性フィルム３０として使用される樹脂系材料は金属系の材料に比して曲げ剛性が低い。このため、該セパレータ１８に要求される所望の剛性を確保することができず、組み付け時における作業効率の低下や、スタックの耐久性低下などを引き起こすおそれがある。

また、熱可塑性フィルム３０を用いた熱圧着工程においては、軟化した熱可塑性フィルム３０の厚さを管理することが困難であるため、セパレータ１８の厚さにばらつきが発生してしまうおそれがある。該セパレータ１８に形成されている各種マニホールドの周囲にはガスケット等のシール部材が当接するため、該セパレータ１８の厚さがばらつくことにより、これらのシール部材の潰れ代がばらついて反応ガスや冷媒等のシール性が低下してしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態においては、熱可塑性フィルム３０による接合に加えて、カソードプレート２２とアノードプレート２４とを直接かしめて接合することにより剛性を向上させることとする。セパレータ１８における外縁部近傍には、反応ガスや冷媒のマニホールドとしての貫通孔が複数形成されている。このため、かしめ部は、これらのマニホールドを避けた部位（例えば、マニホールドと隣接するマニホールドとの間）に配置される。

上述した図２は、セパレータ１８におけるかしめ部の断面を示している。この図に示すとおり、アノードプレート２４の一部が、対向するカソードプレート２２に向かって曲げられることによりリブ２４１が形成されている。熱可塑性フィルム３０は、リブ２４１の周囲に空間が形成されるように型抜きされている。また、カソードプレート２２におけるリブ２４１に対向する部位には、凹部２２１が形成されている。リブ２４１は、凹部２２１において折り曲げられて、カソードプレート２２とアノードプレート２４とがかしめられる。

図３乃至図５を参照して、かしめ部の構造について更に詳細に説明する。図３は、図２におけるＡ方向からみたセパレータ１８のかしめ部を示す図である。この図に示すとおり、カソードプレート２２に形成された凹部２２１には、貫通孔２２２が形成されている。一方、アノードプレート２４におけるリブ２４１には、その先端部において曲げ部２４２、２４３、および２４４が形成されている。

曲げ部２４３は、凹部２２１における内面と当接している。図４は、図３におけるIV−IV断面を示す図である。この図に示すとおり、曲げ部２４３は、カソードプレート２２から所定の高さとなる位置でプレートの面方向に水平に折り曲げられている。セパレータ１８を構成するプレートが積層されると、凹部２２１における内面（セパレータ１８の内側となる面）は、当該曲げ部２４３と当接する。これにより、カソードプレート２２とアノードプレートとの相対的な位置関係を固定することができる。

一方、曲げ部２４２および２４４は、凹部２２１の外側（セパレータ１８の外側となる面）へ貫通して折り曲げられている。図４は、図３におけるV−V断面（曲げ部２４４の断面）を示す図である。尚、曲げ部２４２は曲げ部２４４と同様の構造であるため、ここでは、曲げ部２４４におけるかしめ構造のみについて代表して説明する。この図に示すとおり、セパレータ１８を構成するプレートが積層されると、カソードプレート２２は、凹部２２１における内面が曲げ部２４３と当接することにより位置決めされる。また、曲げ部２４４は、貫通孔２２２へ挿入されてカソードプレート２２における凹部２２１の外側に突出されて折り曲げられる。これにより、カソードプレート２２とアノードプレート２４とがかしめられる。

以上説明したとおり、本実施の形態によれば、熱可塑性フィルム３０による熱圧着に加えて、セパレータ１８における複数箇所（図１中では１０箇所）が、上述したかしめ構造によってかしめられる。カソードプレート２２とアノードプレート２４とがかしめられると、両プレートの相対的位置関係が固定されるため、セパレータ１８の剛性を効果的に向上させることができる。これにより、組み付け作業時の効率低下、或いは燃料電池スタックの耐久性低下を効果的に抑制することが可能となる。

また、セパレータ１８は、カソードプレート２２における凹部２２１の内面とアノードプレート２４における曲げ部２４３の上面とが当接した状態で固定される。このため、アノードプレート２４における曲げ部２４３の高さ寸法を管理することにより、熱可塑性フィルム３０では困難であったセパレータ１８の厚さ管理を適切に実行することができる。これにより、該セパレータ１８に当接するガスケット等のシール材の潰れ代を適切に保つことができ、燃料電池スタックのシール性を効果的に向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態においては、アノードプレート２４に形成されたリブ２４１をカソードプレート２２に形成された貫通孔２２２から突出させてかしめる構造としているが、両プレートの締結構造はこれに限られない。すなわち、アノードプレート２４とカソードプレート２２とをかしめることができるのであれば、その構造は特に限定せず、カソードプレート２２側からリブを立てる構造としてもよい。また、リブの形状に関しても、両プレートの相対的位置決めと締結との機能を果たすことができるのであれば、特にこれに限定せず、種々の形状を採ることとしてもよい。また、セパレータ１８におけるかしめ部の配置、個数に関しても、該セパレータ１８の機能を妨げない範囲において、種々選択することができる。

尚、上述した実施の形態においては、アノードプレート２４が前記第１の発明における「第１プレート」に、カソードプレート２２が前記第１の発明における「第２プレート」に、リブ２４１および曲げ部２４２、２４４が前記第１の発明における「リブ」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態においては、リブ２４１および曲げ部２４３が前記第１の発明における「第２リブ」に相当している。

単位セルの分解斜視図を示す図である。 セパレータのかしめ部における断面構造を説明するための図である。 セパレータのかしめ部をスタック積層方向からみた図である。 図３におけるIV−IV断面を示す図である。 図３におけるV−V断面を示す図である。 燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 単位セル
１２ 発電体
１４ 多孔体流路
１６ 多孔体流路
１８ セパレータ
２２ カソードプレート
２４ アノードプレート
２６ 中間プレート
３０ 熱可塑性フィルム
２２１ 凹部
２２２ 貫通孔
２４１ リブ
２４２、２４３、２４４ 曲げ部
１００ 燃料電池
１１０ 水素供給管
１１２ オフガス排出管
１１４ 水素タンク
１１６ シャットバルブ
１１８ 調圧バルブ
１２０ 循環ポンプ
１３０ 空気供給管
１３２ オフガス排出管
１３４ コンプレッサ
１３６ 調圧バルブ
１４０ 冷媒供給管
１４２ 冷媒排出管
１４６ ラジエータ
１４８ 循環ポンプ

Claims (3)

1. 膜電極接合体における一方の電極面に接する第１プレートと、
   前記膜電極接合体における他方の電極面に接する第２プレートと、
   前記第１プレートと前記第２プレートとに挟まれた中間プレートと、を備え、前記第１プレートと前記第２プレートとを樹脂系の材料で接着することにより一体として構成される燃料電池用セパレータであって、
   前記第１プレートから前記第２プレートの方向へ立ち上げられたリブを備え、前記リブを前記第２プレートに設けられた貫通孔に挿入してかしめることにより、前記第１プレートと前記第２プレートとが接合され、
   前記第１プレートにおける前記リブの近傍に形成された第２リブを更に備え、
   前記第２リブは、前記第１プレートから立ち上げられて、前記第２プレートにおける前記中間プレート側の面に当接するように形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記リブは前記第１プレートに複数形成され、前記第１プレートと前記第２プレートとが、前記リブによって複数箇所において接合されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記第２リブは、前記第１プレートから前記第２リブにおける前記第２プレートと当接する面までの高さが所定の値となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータ。

Images