JP5344786B2 - 燃料電池セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セパレータ及びその製造方法に関するものである。

射出成形機金型を用いてセパレータにシール部を成形する方法が特許文献１に開示されている。
特開平１１−３０９７４７

特許文献１に記載の方法は、セパレータに対して垂直方向からシール材注入ゲートが設けられているため、初期射出圧でセパレータが破損又は変形する可能性がある。

また、アノード側とカソード側のセパレータに対して別個にシール部を成形する必要があり、かつシール部の成形後、双方のセパレータ同士を一体に接着する必要もあるため、大変な労力を要する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、セパレータの破損を防止することができ、かつ簡便なセパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、一方の面にアノードガス流路を有すると共に他方の面にカソードガス流路を有し、それぞれの面が電解質膜に電極を配置してなる膜電極接合体に当接する燃料電池セパレータである。この燃料電池セパレータは、アノード側とカソード側との一対のセパレータと、前記一対のセパレータをそれぞれのガス流路が外側となるように接触させて配置した状態にて当該一対のセパレータの外縁に形成されたシール部材とを備え、前記一対のセパレータの外縁は、各セパレータの平板部に挟まれ、かつ前記セパレータの外周側が開口する溝部を形成し、前記シール部材は、前記溝部の内側に形成された第一のシール部材と、前記溝部の外側であって前記外縁部における前記膜電極接合体に対向する面に前記第一のシール部材と連続して一体に形成された第二のシール部材とを備え、一体に形成された前記第一のシール部材及び前記第二のシール部材によって、前記一対のセパレータが一体化され、かつ、各セパレータの両面とも外縁が覆われてなる。

本発明によれば、シール材は一対のセパレータの外縁部に沿って注入されるため、セパレータの破損を防止することができる。また、一対のセパレータは、連続したシール部材を介して一体化されるため、別個にシール部材を形成する必要がなく簡便にセパレータを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の製造方法によって得られた燃料電池セパレータの平面概略図であり、実施の形態１では燃料電池セパレータ１００、実施の形態２では燃料電池セパレータ２００における平面概略図として説明する。

（実施の形態１）
図２、図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図２は図１におけるＡ−Ａ断面の断面概略図であり、図３は燃料電池セパレータ１００を用いた燃料電池の模式図である。

燃料電池セパレータ１００は、図２に示すように、電解質膜の両面に電極を配置してなる膜電極接合体（図３符号３０）に当接して配置されるアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２との一対のセパレータを備える。この一対のセパレータ１、２は外縁に形成されたシール部材１０を介して、一方の面にアノードガス流路３を有すると共に他方の面にカソードガス流路４を有するように一体に固定される。

このように、燃料電池セパレータ１００は、図３に示すように、膜電極接合体３０に挟まれて配置され、アノード側セパレータ１におけるアノードガス流路３を有する面が膜電極接合体３０のアノード電極に、カソード側セパレータ２におけるカソードガス流路４を有する面が膜電極接合体３０のカソード電極に当接する態様で配置される。

なお、図１に示す符号４１は燃料ガス入口マニホールド、４２は燃料ガス出口マニホールド、４３は酸化剤ガス入口マニホールド、４４は酸化剤ガス出口マニホールド、４５は冷却水入口マニホールド、４６は冷却水出口マニホールドである。

アノード側セパレータ１は、図２に示すように、アノードガス流路３として機能する波状部５と、波状部５の外縁に平板状に形成されシール部材１０が形成される外縁部としての平板部６とを有する。また、カソード側セパレータ２も、カソードガス流路４として機能する波状部７と、波状部７の外縁に平板状に形成されシール部材１０が形成される外縁部としての平板部８とを有する。このように、アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２とは、同様の形状を有している。

波状部５、７は、山部１１と谷部１２とが一定の間隔にて複数形成された形状であり、平板部６、８は、波状部５、７の最外端の谷部１２ａに連続して形成される。

アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２とは、それぞれの波状部５、７の谷部１２同士が接触して配置される。これにより、燃料電池セパレータ１００は、一方の面にアノードガス流路３を有すると共に他方の面にカソードガス流路４を有し、かつアノード側セパレータ１及びカソード側セパレータ２との間には各々の山部１１によって画成される複数の冷却水流路１３が形成される。

平板部６と平板部８は平行に延在し、かつ波状部５、７の最外端の谷部１２ａから連続して形成される。これにより、平板部６、８と谷部１２ａとによって、一対のセパレータ１、２の間には、一対のセパレータ外縁に開口部１４を有し平板部６、８に挟まれた第一の空間１５が形成される。なお、平板部６、８には、連通孔６ａ、８ａが形成される。

シール部材１０は、第一の空間１５に充填された第一のシール部材１６と、一対のセパレータ１、２の平板部６、８における膜電極接合体３０との対向面６ｂ、８ｂのそれぞれに形成された第二のシール部材１７、１８とを有する。

一対のセパレータ１、２の外端部、つまり平板部６、８の端面６ｃ、８ｃは、シール部材１０から露出して形成され、第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは一対のセパレータ１、２によって隔てられている。しかし、第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは、平板部６、８に形成された連通孔６ａ、８ａを通じて連続した状態で形成されている。つまり、シール部材１０は、一体構造をなしている。このように、第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とが連続して形成されることによって、一対のセパレータ１、２が一体化されて燃料電池セパレータ１００を構成する。

なお、第二のシール部材１７、１８における内縁、すなわちアノードガス流路３又はカソードガス流路４の外周に沿った領域に、図２に示すような突起状シール部材１７ａ、１８ａを形成するようにしてもよい。このように、構成することによって、一対のセパレータ１、２と膜電極接合体３０とが当接した場合に、突起状シール部材１７ａ、１８ａが圧縮変形されるため、膜電極接合体３０とセパレータ１、２との気密を向上させることができる。

次に、図４を参照して燃料電池セパレータ１００の製造方法について説明する。図４は、シール部材を成形する方法を説明する図である。

燃料電池セパレータ１００は、成形型２１を用いて一対のセパレータ１、２の平板部６、８にシール部材１０を成形することによって製造される。

成形型２１は、上側２２と下型２３とからなる。上側２２と下型２３とを組み合わせることによって、成形型２１内には、一対のセパレータ１、２の波状部５、７が収容される収容部２４と、平板部６、８にシール部材１０を成形するためのキャビティ２５と、シール材の注入口である注入ゲート２６と、キャビティ２５と注入ゲート２６とを繋ぐフィルムゲート２７とが形成される。

まず、図４に示すように、一対のセパレータ１、２を、双方の谷部１２同士が接触した状態、つまりアノードガス流路３とカソードガス流路４とが外側になるように接触させて成形型２１内に配置する。

これにより、一対のセパレータ１、２の波状部５、７は収容部２４に収容され、平板部６、８はキャビティ２５に収容される。この状態において、平板部の端面６ｃ、８ｃは、キャビティ２５内壁に当接し、キャビティ２５を三つの空間に分割する。具体的には、キャビティ２５は、一対のセパレータ１、２の平板部６、８に挟まれて形成される第一の空間１５と、平板部６、８とキャビティ２５内壁とで形成される第二の空間３１、３２とに分割される。

注入ゲート２６は上型２２に形成され、注入ゲート２６と連通するフィルムゲート２７は、第一の空間１５の開口部１４に連通している。フィルムゲート２７は、平板部６、８と平行な方向から第一の空間１５にシール材を注入できるように形成されている。

一対のセパレータ１、２を成形型２１内に配置した後、注入ゲート２６からシール材を圧入する。これにより、シール材は、フィルムゲート２７を通りキャビティ２５の第一の空間１５内に流入する。このとき、シール材は、第一の空間１５内に平板部６、８に沿って流入するため、シール材の初期射出圧が平板部６、８の厚さ方向に直接作用することがない。したがって、セパレータ１、２の破損や変形を防止することができる。なお、フィルムゲート２７のゲート径を第一の空間１５の開口部１４の径と同等又はそれ以下に形成すれば、シール材の初期射出圧が、一対のセパレータ１、２の端面８ｃ、８ｃに直接作用するのを防止できるため、セパレータ１、２の破損や変形をさらに防止することができる。

キャビティ２５の第一の空間１５内に流入し充填されたシール材は、平板部６、８に形成された連通孔６ａ、８ａを介して第二の空間３１、３２に流入し充填される。これにより、第一の空間１５に充填された第一のシール部材１６と、第二の空間３１、３２に充填された第二のシール部材１７、１８とが形成され、かつ第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは、連通孔６ａ、８ａ中に充填されたシール部材を介して連続したシール部材１０を形成する。このように、シール部材１０は、一工程にて一対のセパレータ１、２の外縁に一体に成形される。

以上のように、連続したシール部材１０を一対のセパレータ１、２の外縁に形成することによって、一対のセパレータ１、２を一体化した燃料電池セパレータ１００を製造することができる。

なお、キャビティ２５内の第二の空間３１、３２に、突起成形部３１ａ、３２ａを形成することによって、第二のシール部材１７、１８に一対のセパレータ１、２と膜電極接合体３０とが当接した場合に圧縮変形されて膜電極接合体３０とセパレータ１、２との気密を保障する突起状シール部材１７ａ、１８ａを形成することができる。このように、突起成形部３１ａ、３２ａはシール材の注入位置から離れて形成されているため、シール部材成形後に発生する引け巣等の欠陥を防止することができ、良好なシール性を得ることができる。

以上の実施の形態１によれば、シール材は成形型２１のキャビティ２５内に平板部６、８に沿って注入されるため、シール材の初期射出圧が平板部６、８の厚さ方向に直接作用することがなく、セパレータの破損を防止することができる。

また、一対のセパレータ１、２の平板部６、８に連通孔６ａ、８ａを形成することによって、一対のセパレータ１、２に対して同時に、つまり一工程にてシール部材１０を成形することができ、かつそのシール部材１０を連続した形状に成形することができる。このように、実施の形態１によれば、一対のセパレータ１、２に対して別個にシール成形を行う必要がなく、かつそれぞれのセパレータ１、２を張り合わせる工程も必要ないため、製造に伴う工数及び製造コストを低減することができる。したがって、一対のセパレータ１、２を一体化した燃料電池セパレータ１００を簡便に製造することができる。

また、連続した形状のシール部材１０によって一体化された燃料電池セパレータ１００は高い剛性を有するため、ハンドリング特性に優れる。

さらに、シール部材１０は、燃料電池セパレータ１００の外縁に形成されるものであるため、燃料電池の反応面積を広くとることができる。

（実施の形態２）
図５、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図５は図１におけるＡ−Ａ断面の断面概略図であり、図６はシール部材を成形する方法を説明する図である。

本実施の形態２に係る燃料電池セパレータ２００の構成は、上述の実施の形態１に係る燃料電池セパレータ１００と略同様であるため、相違点を中心に説明する。なお、同様の構成には燃料電池セパレータ１００と同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態２に係る燃料電池セパレータ２００と燃料電池セパレータ１００との相違点は、図５に示すように、燃料電池セパレータ２００は平板部６、８に連通孔を有さず、第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは、平板部６、８の端面６ｃ、８ｃを覆う態様にて連続して形成される点である。

つまり、平板部６、８の端面６ｃ、８ｃは、シール部材１０から露出せずシール部材１０内に埋まった状態となっている。このように、シール部材１０を構成することによっても、第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは連続したものとなるため、燃料電池セパレータ２００も一対のセパレータ１、２がシール部材１０によって一体化された構成となる。

この燃料電池セパレータ２００の製造方法を図６を参照して説明する。本実施の形態２では、一対のセパレータ１、２を、アノードガス流路３とカソードガス流路４とが外側になるように接触させて成形型２１内に配置した状態にて、一対のセパレータ１、２の平板部６、８の端面６ｃ、８ｃとキャビティ２５内壁との間には隙間３５が設けられる。

このため、キャビティ２５の第一の空間１５内に流入し充填されたシール材は、隙間３５を介して第二の空間３１、３２に流入し充填される。これにより、第一の空間１５に充填された第一のシール部材１６と、第二の空間３１、３２に充填された第二のシール部材１７、１８とが形成され、かつ第一のシール部材１６と第二のシール部材１７、１８とは、隙間３５中に充填されたシール部材を介して連続したシール部材１０を形成する。このように、シール部材０は、一工程にて一対のセパレータ１、２の外縁に一体に成形される。

以上のように、本実施の形態２においても、連続したシール部材１０を一対のセパレータ１、２の外縁に形成することができ、一対のセパレータ１、２を一体化した燃料電池セパレータ２００を製造することができる。したがって、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。

（実施の形態３）
図７〜図１１を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図７は本実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００の平面概略図であり、図８は図７におけるＡ−Ａ断面の断面概略図であり、図９は図７におけるＢ−Ｂ断面の断面概略図である。また、図１０、図１１は実施の形態３に対する比較例を示す図であり、それぞれ図８、９に対応する図である。なお、図７では、本発明の実施の形態３の特徴部分を部分断面図Ｃとして示した。

本実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００の構成は、上述の実施の形態１に係る燃料電池セパレータ１００と略同様であるため、相違点を中心に説明する。なお、同様の構成には燃料電池セパレータ１００と同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００と燃料電池セパレータ１００との相違点は、図７〜９に示すように、燃料電池セパレータ３００は第一のシール部材１６内に、一対のセパレータ１、２の少なくとも一方が他方に当接する突起部３７が複数形成されている点である。

突起部３７は、一対のセパレータ１、２のいずれか一方を他方に当接するように曲げ加工することによって成形され、所定の間隔にて設けられる。

シール材のキャビティ２５内への注入は、突起部３７の間の領域３８にフィルムゲート２７を設けることによって行われる。したがって、実施の形態１のように平板部６、８に連通孔６ａ、８ａを設ける場合には、連通孔６ａ、８ａは、図７及び図９に示すように突起部３７の間の領域３８に設けられる。なお、図７における部分断面図Ｃにおいて、突起部３７と連通孔６ａとは同一断面には存在しないが、突起部３７と連通孔６ａとの位置関係を示すために便宜上同一断面内に図示した。

突起部を有さないセパレータの場合、図１０、図１１に示すように、シール部材１０成形後にシール部材１０が収縮した場合、セパレータ１、２もそれに伴い変形する可能性がある。しかし、本実施の形態３によれば、一体化される一対のセパレータ１、２のうち少なくとも一方には他方に当接する突起部が形成されるため、シール部材１０成形後にシール部材１０が収縮した場合でも、セパレータ１、２の変形を抑制することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、燃料電池に用いられるセパレータの製造に適用することができる。

本発明に係る製造方法によって得られた燃料電池セパレータの平面概略図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池セパレータ１００の図１におけるＡ−Ａ断面の断面概略図である。 同じく燃料電池セパレータ１００を用いた燃料電池の模式図である。 同じく燃料電池セパレータ１００に係る製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池セパレータ２００の図１におけるＡ−Ａ断面の断面概略図である。 同じく燃料電池セパレータ２００に係る製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００の平面概略図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００の図７におけるＡ−Ａ断面の断面概略図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池セパレータ３００の図７におけるＢ−Ｂ断面の断面概略図である。 本発明の実施の形態３に対する比較例を示す図である。 本発明の実施の形態３に対する比較例を示す図である。

符号の説明

１００、２００、３００ 燃料電池セパレータ
１ アノード側セパレータ
２ カソード側セパレータ
３ アノードガス流路３
４ カソードガス流路
５，７ 波状部
６，８ 平板部
６ａ，８ａ 連通孔
６ｃ，８ｃ 平板部の端面
１０ シール部材
１１ 山部
１２ 谷部
１３ 冷却水流路
１５ 第一の空間
１６ 第一のシール部材
１７，１８ 第二のシール部材
１７ａ、１８ａ 突起状シール部材
２１ 成形型
２５ キャビティ
２６ 注入ゲート
２７ フィルムゲート
３１，３２ 第二の空間
３５ 隙間
３７ 突起部

Claims (12)

1. 一方の面にアノードガス流路を有すると共に他方の面にカソードガス流路を有し、それぞれの面が電解質膜に電極を配置してなる膜電極接合体に当接する燃料電池セパレータであって、
   アノード側とカソード側との一対のセパレータと、
   前記一対のセパレータをそれぞれのガス流路が外側となるように接触させて配置した状態にて当該一対のセパレータの外縁に形成されたシール部材とを備え、
   前記一対のセパレータの外縁部は、各セパレータの互いに対向する平板部に挟まれることで、前記セパレータの外周側が開口する溝部を形成し、
   前記シール部材は、
   前記溝部の内側に形成された第一のシール部材と、
   前記外縁部における前記膜電極接合体に対向する前記平板部の、前記溝部の外側に前記第一のシール部材と連続して一体に形成された第二のシール部材と、
   を備え、
   一体に形成された前記第一のシール部材及び前記第二のシール部材によって、前記一対のセパレータが一体化され、かつ、各セパレータの両面とも外縁が覆われてなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 前記セパレータは、前記アノードガス流路または前記カソードガス流路として機能する波状部と、当該波状部の外縁に形成され少なくとも一部に平板部を有する前記外縁部と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記一対のセパレータの外縁部には、前記溝部の内外を連通する連通孔が形成され、
   前記第一のシール部材と前記第二のシール部材とは、前記連通孔を通じて連続して形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
4. 前記第一のシール部材と前記第二のシール部材とは、前記一対のセパレータの外縁部の端面を覆う態様にて連続して形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セパレータ。
5. 前記第一のシール部材内に、前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記外縁部の前記平板部を除く部分が他方に当接するように形成されてなる突起部が複数形成されてなることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
6. 前記第二のシール部材に、前記一対のセパレータと前記膜電極接合体とが当接した場合に圧縮変形されて前記膜電極接合体と前記セパレータとの気密を保障する突起状シール部材が形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池セパレータを製造する燃料電池セパレータの製造方法であって、
   アノード側とカソード側との一対のセパレータをそれぞれのガス流路が外側となるように接触させて成形型内に配置し、
   前記成形型に設けられたゲートを通じて前記一対のセパレータの外縁部に沿ってシール材を注入し、
   前記シール材は、前記一対のセパレータの外縁部に挟まれて形成される第一の空間に充填されると共に、前記一対のセパレータの外縁部と前記成形型とで形成される第二の空間に充填され、
   前記双方の空間に充填されたシール材が連続したシール部材を構成することによって前記一対のセパレータが一体化されてなることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
8. 前記一対のセパレータの外縁部には、前記第一の空間と前記第二の空間とを連通する連通孔が形成され、
   前記シール材は、前記第一の空間に充填されると共に、前記連通孔を通じて前記第二の空間に充填されることによって連続したシール部材を構成することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
9. 前記一対のセパレータが前記成形型内に配置された状態にて、前記一対のセパレータの外縁部の端面と前記成形型との間には隙間が設けられ、
   前記シール材は、前記第一の空間に充填されると共に、前記隙間を通じて前記第二の空間に充填されることによって連続したシール部材を構成することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
10. 前記セパレータは、前記アノードガス流路または前記カソードガス流路として機能する波状部と、当該波状部の外縁に形成され少なくとも一部に平板部を有する前記外縁部と、を含んで構成され、
    前記第一のシール部材内に、前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記外縁部の前記平板部を除く部分が他方に当接するように形成されてなる突起部が複数形成されてなることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
11. 前記シール材の注入は、前記複数の突起の間から行われることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
12. 前記第二の空間に充填されたシール材は、前記一対のセパレータと前記膜電極接合体とが当接した場合に圧縮変形されて前記膜電極接合体と前記セパレータとの気密を保障する突起状のシール部材を形成することを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。