JP5720622B2 - Fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell separator.

従来、燃料電池に用いられるセパレータのマニホールドに、腐食等の劣化を抑制するための被覆層を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。   Conventionally, a technique of providing a coating layer for suppressing deterioration such as corrosion on a manifold of a separator used in a fuel cell is known (see, for example, Patent Document 1).

特開２００６−０８５９２６号公報JP 2006-085926 A 特開２００４−１０３２９６号公報JP 2004-103296 A

しかし、従来の技術では、被覆層を、マニホールドの部位によらず均一の厚さとしているため、マニホールドの部位によっては被覆層の厚さが十分でない場合があり、マニホールドの劣化を適切に抑制することができない場合があるといった問題があった。本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、マニホールドの劣化を適切に抑制することのできる技術を提供することを目的とする。   However, in the conventional technology, since the coating layer has a uniform thickness regardless of the manifold part, the thickness of the coating layer may not be sufficient depending on the part of the manifold, and the deterioration of the manifold is appropriately suppressed. There was a problem that could not be. The present invention has been made to solve at least a part of the conventional problems described above, and an object of the present invention is to provide a technique capable of appropriately suppressing deterioration of a manifold.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、前記セパレータには、マニホールドが形成されており；前記マニホールドの内周には、被覆層が設けられており；前記被覆層は、前記マニホールドの内周のうち、高温になる部位ほど厚く形成されている。この形態によれば、マニホールドの劣化を適切に抑制できる。
本発明の一形態によれば、複数のセパレータを積層してなる燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックによれば、前記各セパレータには、マニホールドが形成されており；前記マニホールドの内周には、被覆層が設けられており；前記被覆層は、前記マニホールドの内周のうち、高温になる部位ほど、あるいは鉛直下方側の部位ほど厚く形成されている。この形態によれば、マニホールドの劣化を適切に抑制できる。
本発明の一形態によれば、複数のセパレータを積層してなる燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックによれば、前記各セパレータには、水素用マニホールド、空気用マニホールドおよび冷却水用マニホールドが形成されており；前記各マニホールドの内周には、被覆層が設けられており；前記水素用マニホールドおよび／または空気用マニホールドに設けられている被覆層は、前記冷却水用マニホールドに設けられている被覆層より厚く形成されている。この形態によれば、マニホールドの劣化を適切に抑制できる。 In order to solve at least a part of the problems described above, the present invention can take the following forms or application examples.
According to one aspect of the present invention, a fuel cell separator is provided. The fuel cell separator has a manifold formed on the separator; a coating layer is provided on an inner periphery of the manifold; and the coating layer has a high temperature on the inner periphery of the manifold. The thicker the part is. According to this embodiment, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.
According to one aspect of the present invention, a fuel cell stack formed by stacking a plurality of separators is provided. According to this fuel cell stack, each separator is provided with a manifold; an inner periphery of the manifold is provided with a coating layer; and the coating layer is formed on the inner periphery of the manifold. The part which becomes high temperature, or the part below the perpendicular | vertical lower side, is formed thickly. According to this embodiment, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.
According to one aspect of the present invention, a fuel cell stack formed by stacking a plurality of separators is provided. According to this fuel cell stack, each separator is formed with a hydrogen manifold, an air manifold, and a cooling water manifold; a coating layer is provided on the inner periphery of each manifold; The coating layer provided on the hydrogen manifold and / or the air manifold is formed thicker than the coating layer provided on the cooling water manifold. According to this embodiment, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

[適用例１]
燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータには、マニホールドが形成されており、
前記マニホールドの内周には、被覆層が設けられており、
前記被覆層は、前記マニホールドの内周のうち、劣化がしやすい部位ほど厚く形成されている、セパレータ。
この構成によれば、被覆層は、マニホールドの内周のうち劣化しやすい部位ほど厚く形成されているので、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 [Application Example 1]
A fuel cell separator,
The separator is formed with a manifold,
A coating layer is provided on the inner periphery of the manifold,
The said coating layer is a separator formed thicker in the part which is easy to deteriorate among the inner periphery of the said manifold.
According to this configuration, since the covering layer is formed thicker in the inner periphery of the manifold, the portion that is more likely to deteriorate, the deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、セパレータの製造方法、燃料電池、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it is realizable with forms, such as a manufacturing method of a separator, a fuel cell, and a manufacturing method of a fuel cell.

本発明の一実施例としての燃料電池用セパレータを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the separator for fuel cells as one Example of this invention. 図１における２−２断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2-2 cross section in FIG.

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池用セパレータ１００の平面構成を模式的に示す説明図である。図２は、図１における２−２断面を示す模式図である。燃料電池用セパレータ１００（以下、「セパレータ１００」ともいう。）は、ステンレス鋼によって形成された薄板であり、膜電極接合体とともに積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。なお、セパレータ１００は、ステンレス鋼以外の他の金属部材や、ガス不透過の緻密質カーボン等によって形成されていてもよい。 A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a planar configuration of a fuel cell separator 100 as one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing a section 2-2 in FIG. The fuel cell separator 100 (hereinafter also referred to as “separator 100”) is a thin plate made of stainless steel, and is laminated together with a membrane electrode assembly to constitute a fuel cell stack. The separator 100 may be formed of a metal member other than stainless steel, gas-impermeable dense carbon, or the like.

セパレータ１００の中央には、膜電極接合体によって発電領域Ｆが形成される。セパレータ１００の発電領域Ｆの外周側には、燃料ガスとしての水素ガスが通過するための水素用マニホールド１１０と、酸化ガスとしての空気が通過するための空気用マニホールド１２０と、冷却水が通過するための冷却水用マニホールド１３０とが形成されている。   In the center of the separator 100, a power generation region F is formed by the membrane electrode assembly. On the outer peripheral side of the power generation region F of the separator 100, a hydrogen manifold 110 through which hydrogen gas as a fuel gas passes, an air manifold 120 through which air as an oxidizing gas passes, and cooling water pass. A cooling water manifold 130 is formed.

これらのマニホールド１１０，１２０，１３０の内周には、マニホールドの腐食等の劣化を抑制するための被覆層１５０が設けられている。本実施例では、被覆層１５０は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）によって形成されている。ただし、被覆層１５０は、他の材料で形成されていてもよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂や、シリコーンゴム等の他の樹脂によって形成されていてもよい。なお、被覆層１５０は、種々の方法で形成することができ、例えば、樹脂成形を別途に行なってからセパレータ１００に取り付けてもよく、また、燃料電池スタックの組み立て後に、マニホールド内に治具を挿入して吹き付け等によって形成してもよい。   A coating layer 150 is provided on the inner periphery of these manifolds 110, 120, and 130 to suppress deterioration such as corrosion of the manifold. In the present embodiment, the coating layer 150 is made of ethylene propylene rubber (EPDM). However, the coating layer 150 may be formed of other materials, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), or another resin such as silicone rubber. The coating layer 150 can be formed by various methods. For example, the resin layer may be separately molded and then attached to the separator 100. After assembling the fuel cell stack, a jig may be provided in the manifold. It may be formed by inserting and spraying.

水素ガスと空気とが供給されて燃料電池が発電を開始すると、発電領域Ｆは発熱する。他の層のセパレータ（図示せず）には、発電領域Ｆを冷却するための流路が設けられているため、発電領域Ｆは冷却水によって冷却される。発電時における温度勾配は、中央の発電領域Ｆが最も高く、セパレータ１００の外周側に向かうにしたがって低くなっている。また、発電領域Ｆを冷却する冷却水は、相対的に大きな比熱を有しているため、燃料電池が発電を停止した後においても、中央の発電領域Ｆよりも外周側の方が冷えやすい。したがって、セパレータ１００は、発電領域Ｆに近いほど高温になりやすく、外周側ほど高温になりにくい。   When hydrogen gas and air are supplied and the fuel cell starts power generation, the power generation region F generates heat. Since the separator (not shown) of the other layer is provided with a flow path for cooling the power generation region F, the power generation region F is cooled by the cooling water. The temperature gradient during power generation is highest in the central power generation region F, and becomes lower toward the outer peripheral side of the separator 100. Moreover, since the cooling water that cools the power generation region F has a relatively large specific heat, the outer peripheral side is more easily cooled than the central power generation region F even after the fuel cell stops generating power. Accordingly, the separator 100 is likely to be hotter as it is closer to the power generation region F, and is less likely to be hotter toward the outer periphery.

マニホールドは、高温になるほど熱によって劣化しやすい。したがって、マニホールドは、発電領域Ｆに近い部位ほど劣化しやすく、セパレータ１００の外周側に近い部位ほど劣化しにくい。そこで、本実施形態では、マニホールドにおける被覆層１５０の厚さＷは、劣化がしやすい部位ほど厚く形成されている。具体的には、被覆層１５０の厚さＷは、図２に示すように、下記の条件１を満たしている。   The manifold is more likely to deteriorate due to heat as the temperature increases. Therefore, the portion of the manifold that is closer to the power generation region F is more likely to deteriorate, and the portion that is closer to the outer peripheral side of the separator 100 is less likely to deteriorate. Therefore, in the present embodiment, the thickness W of the coating layer 150 in the manifold is formed so as to be thicker in a portion where deterioration is likely to occur. Specifically, the thickness W of the coating layer 150 satisfies the following condition 1 as shown in FIG.

条件１：マニホールドの内周のうち発電領域Ｆに近い部位に設けられている被覆層１５０の厚さＷ１≧中間の部位に設けられている被覆層１５０の厚さ≧マニホールドの内周のうちセパレータ１００の外周側に近い部位に設けられている被覆層１５０の厚さＷ２   Condition 1: The thickness W1 of the coating layer 150 provided in a portion near the power generation region F in the inner circumference of the manifold ≧ the thickness of the coating layer 150 provided in the middle portion ≧ the separator in the inner circumference of the manifold Thickness W2 of coating layer 150 provided at a portion close to the outer peripheral side of 100

このように、本実施形態では、被覆層１５０は、マニホールドの内周のうち劣化しやすい部位ほど厚く形成されているので、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。   Thus, in this embodiment, since the coating layer 150 is formed thicker in the inner periphery of the manifold, the portion that is more likely to deteriorate, the deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

Ｂ．他の実施形態：
なお、被覆層１５０は、マニホールドの内周のうち劣化しやすい部位ほど厚く形成されていることが好ましいため、以下に示す条件によって、被覆層１５０の厚さを設定してもよい。 B. Other embodiments:
In addition, since it is preferable that the coating layer 150 is formed thicker in the inner periphery of the manifold, the portion that is likely to deteriorate, the thickness of the coating layer 150 may be set according to the following conditions.

条件２：マニホールドの内周のうち端子に近い部位に設けられている被覆層１５０の厚さ≧中間の部位に設けられている被覆層１５０の厚さ≧マニホールドの内周のうち発電領域Ｆに近い部位に設けられている被覆層１５０の厚さ
集電用の端子がセパレータ１００の外周側に設けられている場合には、セパレータ１００は、外周側に近いほど高温になる。このため、マニホールドは、端子に近い部位ほど熱によって劣化しやすい状態となっている。したがって、集電用の端子がセパレータ１００の外周側に設けられている場合には、条件２を満たすように被覆層１５０の厚さを設定することによって、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 2: The thickness of the coating layer 150 provided in the portion near the terminal in the inner circumference of the manifold ≧ the thickness of the coating layer 150 provided in the middle portion ≧ the power generation region F in the inner circumference of the manifold Thickness of the coating layer 150 provided in the near part When the terminal for current collection is provided in the outer peripheral side of the separator 100, the temperature of the separator 100 becomes higher as it is closer to the outer peripheral side. For this reason, the manifold is in a state where it is more likely to be deteriorated by heat as it is closer to the terminal. Therefore, when the current collecting terminals are provided on the outer peripheral side of the separator 100, the deterioration of the manifold can be appropriately suppressed by setting the thickness of the coating layer 150 so as to satisfy the condition 2. it can.

条件３：入口側近傍の空気用マニホールド１２０に設けられている被覆層１５０の厚さ≧出口側近傍の空気用マニホールド１２０に設けられている被覆層１５０の厚さ
空気は加圧されて燃料電池に供給されるため、空気用マニホールド１２０の入口側近傍には、高温の空気が流れており、温度が高くなっている。そして、空気は徐々に冷却されながら、空気用マニホールド１２０の出口側から排出される。このため、入口側近傍の空気用マニホールド１２０は、出口側近傍の空気用マニホールド１２０よりも高温になり、劣化しやすい状態となっている。したがって、条件３を満たすように被覆層１５０の厚さを設定すれば、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 3: The thickness of the coating layer 150 provided in the air manifold 120 near the inlet side ≧ the thickness of the coating layer 150 provided in the air manifold 120 near the outlet side. Therefore, high-temperature air flows near the inlet side of the air manifold 120, and the temperature is high. The air is discharged from the outlet side of the air manifold 120 while being gradually cooled. For this reason, the air manifold 120 in the vicinity of the inlet side is hotter than the air manifold 120 in the vicinity of the outlet side, and is in a state of being easily deteriorated. Therefore, if the thickness of the coating layer 150 is set so as to satisfy the condition 3, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

条件４：出口側近傍の冷却水用マニホールド１３０に設けられている被覆層１５０の厚さ≧入口側近傍の冷却水用マニホールド１３０に設けられている被覆層１５０の厚さ
冷却水は、発電領域Ｆにおける熱を奪って温まるので、出口側近傍における冷却水の方が、入口側近傍の冷却水よりも高温となっている。このため、出口側近傍の冷却水用マニホールド１３０は、入口側近傍の冷却水用マニホールド１３０よりも高温になり、劣化しやすい状態となっている。したがって、条件４を満たすように被覆層１５０の厚さを設定すらば、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 4: The thickness of the coating layer 150 provided in the cooling water manifold 130 near the outlet side ≧ the thickness of the coating layer 150 provided in the cooling water manifold 130 near the inlet side. Since the heat in F is deprived and warmed, the cooling water near the outlet side is hotter than the cooling water near the inlet side. For this reason, the cooling water manifold 130 in the vicinity of the outlet side is hotter than the cooling water manifold 130 in the vicinity of the inlet side, and is in a state of being easily deteriorated. Therefore, if the thickness of the coating layer 150 is set so as to satisfy the condition 4, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

条件５：水素用、空気用マニホールド１１０、１２０の内周のうち鉛直下方側の部位に設けられている被覆層１５０の厚さ、冷却水用マニホールド１３０に設けられている被覆層１５０の厚さ≧水素用、空気用マニホールド１１０、１２０の内周のうち鉛直上方側の部位に設けられている被覆層１５０の厚さ
発電の化学反応によって生じた生成水は、重力によって、水素用、空気用マニホールド１１０、１２０の鉛直下方側に溜まる。このため、生成水は、鉛直下方側の部位において被覆層１５０を透過しやすく、被覆層１５０とマニホールドとの接着面における劣化が進行しやすい状態となっている。また、冷却水用マニホールド１３０は、内周の全面が冷却水に触れた状態となっていることが多く、劣化しやすい状態となっている。したがって、条件５を満たすように被覆層１５０の厚さを設定すれば、生成水や冷却水の透過を抑制することができ、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 5: The thickness of the coating layer 150 provided in the vertically lower part of the inner periphery of the hydrogen and air manifolds 110 and 120, and the thickness of the coating layer 150 provided in the cooling water manifold 130 ≧ Thickness of the coating layer 150 provided in the vertically upper part of the inner periphery of the manifolds 110 and 120 for hydrogen, the generated water generated by the chemical reaction of power generation is for hydrogen and air by gravity. It collects in the vertically lower side of the manifolds 110 and 120. For this reason, the generated water is likely to pass through the coating layer 150 in the vertically lower part, and deterioration in the bonding surface between the coating layer 150 and the manifold is likely to proceed. Further, the cooling water manifold 130 is often in a state in which the entire inner circumference is in contact with the cooling water and is easily deteriorated. Therefore, if the thickness of the coating layer 150 is set so as to satisfy the condition 5, permeation of generated water and cooling water can be suppressed, and deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

条件６：水素用マニホールド１１０に設けられている被覆層１５０の厚さ≧冷却水用マニホールド１３０に設けられている被覆層１５０の厚さ
水素用マニホールド１１０に排水される生成水には、マニホールドの劣化を引き起こしやすい物質（例えばフッ素等）が含まれている。このため、生成水は、冷却水に比べて、マニホールドの劣化を引き起こしやすく、水素用マニホールド１１０の方が、冷却水用マニホールド１３０よりも劣化しやすい状態となっている。したがって、条件６を満たすように被覆層１５０の厚さを設定すれば、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 6: The thickness of the coating layer 150 provided in the hydrogen manifold 110 ≧ the thickness of the coating layer 150 provided in the cooling water manifold 130 The generated water drained into the hydrogen manifold 110 includes Substances that easily cause deterioration (for example, fluorine) are included. For this reason, the generated water is more likely to cause deterioration of the manifold than the cooling water, and the hydrogen manifold 110 is more likely to deteriorate than the cooling water manifold 130. Therefore, if the thickness of the coating layer 150 is set so as to satisfy the condition 6, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

条件７：空気用マニホールド１２０に設けられている被覆層１５０の厚さ≧冷却水用マニホールド１３０に設けられている被覆層１５０の厚さ
空気用マニホールド１２０に排水される生成水には、マニホールドの劣化を引き起こしやすい物質（例えばフッ素等）が含まれている。このため、生成水は、冷却水に比べて、マニホールドの劣化を引き起こしやすく、空気用マニホールド１２０の方が、冷却水用マニホールド１３０よりも劣化しやすい状態となっている。したがって、条件７を満たすように被覆層１５０の厚さを設定すれば、マニホールドの劣化を適切に抑制することができる。 Condition 7: The thickness of the coating layer 150 provided on the air manifold 120 ≧ the thickness of the coating layer 150 provided on the cooling water manifold 130 The generated water drained to the air manifold 120 includes Substances that easily cause deterioration (for example, fluorine) are included. Therefore, the generated water is more likely to cause deterioration of the manifold than the cooling water, and the air manifold 120 is more likely to deteriorate than the cooling water manifold 130. Therefore, if the thickness of the coating layer 150 is set so as to satisfy the condition 7, deterioration of the manifold can be appropriately suppressed.

なお、上記の条件を複数組み合わせて、被覆層１５０の厚さを設定することがさらに好ましい。   It is more preferable to set the thickness of the coating layer 150 by combining a plurality of the above conditions.

１００…燃料電池用セパレータ
１１０…水素用マニホールド
１２０…空気用マニホールド
１３０…冷却水用マニホールド
１５０…被覆層
Ｆ…発電領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell separator 110 ... Hydrogen manifold 120 ... Air manifold 130 ... Cooling water manifold 150 ... Covering layer F ... Power generation region

Claims (3)

燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータには、マニホールドが形成されており、
前記マニホールドの内周には、被覆層が設けられており、
前記被覆層は、前記マニホールドの内周のうち、高温になる部位ほど厚く形成されている、セパレータ。 A fuel cell separator,
The separator is formed with a manifold,
A coating layer is provided on the inner periphery of the manifold,
The said coating layer is a separator currently formed thicker as the part which becomes high temperature among the inner periphery of the said manifold. 複数のセパレータを積層してなる燃料電池スタックであって、
前記各セパレータには、マニホールドが形成されており、
前記マニホールドの内周には、被覆層が設けられており、
前記被覆層は、前記マニホールドの内周のうち、高温になる部位ほど、あるいは鉛直下方側の部位ほど厚く形成されている、燃料電池スタック。 A fuel cell stack formed by laminating a plurality of separators ,
Each separator is formed with a manifold,
A coating layer is provided on the inner periphery of the manifold,
The coating layer is a fuel cell stack in which the higher the portion of the inner periphery of the manifold, the thicker the portion on the vertically lower side . 複数のセパレータを積層してなる燃料電池スタックであって、
前記各セパレータには、水素用マニホールド、空気用マニホールドおよび冷却水用マニホールドが形成されており、
前記各マニホールドの内周には、被覆層が設けられており、
前記水素用マニホールドおよび／または空気用マニホールドに設けられている被覆層は、前記冷却水用マニホールドに設けられている被覆層より厚く形成されている、燃料電池スタック。 A fuel cell stack formed by laminating a plurality of separators ,
Each separator is formed with a manifold for hydrogen, a manifold for air, and a manifold for cooling water .
A coating layer is provided on the inner periphery of each manifold,
The fuel cell stack , wherein the coating layer provided on the hydrogen manifold and / or the air manifold is formed thicker than the coating layer provided on the cooling water manifold .
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