JP6172524B2

JP6172524B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP6172524B2
Application number: JP2014026525A
Authority: JP
Inventors: 林　友和; 友和林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: JP2015153614A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

膜電極接合体（ＭＥＡ:membrane electrode assembly）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、膜電極接合体と金属セパレータとを備えた単セルを積層してセル積層体を構成し、当該セル積層体の積層方向両端からセル積層方向に締結荷重が付与されて固定された燃料電池スタックを備えたものがある。

このような燃料電池を構成する部品のうち、セパレータは、燃料電池内を流れる燃料ガス及び冷却水等が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池で生じた熱を外部へ放熱したりするという、重要な役割を担っている。

このセパレータは、通常、ＭＥＡの発電部に対応する領域に燃料ガス及び冷却水等を流通させるための凹凸形状をなす流体流路が形成されており、その両側にマニホールド孔が形成されている。このため、ＭＥＡの発電部に対応する領域は、凹凸形状の存在により断面二次モーメントが大きくなるため、曲げ剛性が高くなるが、マニホールド孔が形成されている領域は、ＭＥＡの発電部に対応する領域に比べ、凹凸形状が少なく且つマニホールド孔が開口されているため、曲げ剛性が低くなり、セパレータ全体に反りが生じることがある。

このようなセパレータ全体の反りが発生すると、セパレータ同士やセパレータと膜電極接合体との間に隙間が生じてしまうため、導電性が悪化して発電性能の低下が起こる。

そこで、セパレータに形成された凹凸形状をなす流体流路の周辺に設けられる平坦部に、流体流路とは異なる凹部又は凸部を形成することでセパレータの反りを防止する技術が開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００３−３３８２９５号公報

ところで、上述したように、セパレータやＭＥＡを含む単セルは積層されて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックは積層方向に所定の荷重で締結されるものである。この積層方向にかかる締結荷重により、セパレータに形成された流体流路が積層方向に押しつぶされるように変形してしまうおそれがあった。セパレータに形成された流体流路が変形してしまうと、流体流路に沿って流れている流体（例えば、冷却水）の流れが乱れ（以下、「脇流れ」とも称する）、セパレータ面内に均一に流体が流れにくくなる問題があった。

上記特許文献１には、セパレータの反りを防止することについては開示されているものの、セパレータに形成された流体流路の変形を抑制することや、セパレータ面内を流れる流体の流れが乱れることを抑制するような技術思想の開示及び示唆はない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セパレータの変形を抑制すると共に、セパレータ面内を流れる流体の流れが乱れることを抑制することができる燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用セパレータは、セパレータ本体の表面に流体流路を画成する凹凸が前記セパレータ本体の幅方向に複数連続して形成されてなる凹凸部を有する燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体の端部に設けられるシール部と、前記シール部と前記凹凸部のうち前記セパレータ本体の幅方向端部に位置する凸部との間に設けられるセパレータ変形抑制部と、を備え、前記セパレータ変形抑制部と前記セパレータ変形抑制部に隣り合う前記凸部との間に形成される経路の圧力損失は、前記流体流路の圧力損失よりも高いことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータを用いて燃料電池スタックが組み立てられてその積層方向に締結荷重が付与された場合には、その締結荷重を受けた凹凸部がセパレータ本体の幅方向、すなわち、凹凸が連続する方向に延伸変形しようとするが、シール部とその隣に位置する凸部との間にセパレータ変形抑制部が設けられているので、凹凸部の延伸変形を抑制することができる。また本発明に係る燃料電池用セパレータでは、セパレータ変形抑制部と当該セパレータ変形抑制部に隣り合う凸部との間に形成される経路の圧力損失が、流体流路の圧力損失よりも高くなっている。このため、流体流路を流れる流体（例えば、冷却水）が経路に流出しにくくなり、流体流路を流れる流体が凸部を乗り越えて流体流路から流出する脇流れ現象を抑制することができる。また本発明に係る燃料電池用セパレータに設けられるセパレータ変形抑制部は、積層方向に付与される締結荷重によって凹凸部よりもつぶれにくい材料もしくは、表面処理（摩擦係数を上げる）で構成されていても良く、この態様により、凹凸部がつぶれることを抑制することができる。

本発明によれば、セパレータの変形を抑制し、セパレータ面内を流れる流体の流れが乱れることを抑制することができる燃料電池用セパレータを提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池用セパレータの概略構成を示す平面図である。図１に示す円W内の拡大図である。変形例における燃料電池用セパレータの概略構成を示す平面図である。変形例における燃料電池用セパレータの概略構成を示す平面図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。

本発明の実施形態である燃料電池用セパレータ１について図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池用セパレータ１の概略構成を示す平面図である。

図１に示すように、燃料電池用セパレータ１には、セパレータ本体１０と、凹凸部１１と、シール部材２１（シール部）と、入口側マニホールド３１、出口側マニホールド４１と、セパレータ変形抑制部５１とが設けられている。

なお、燃料電池用セパレータ１は、図示を省略するが、電解質膜、アノード電極及びカソード電極が積層されて構成される膜電極接合体（Membrane-Electrode Assembly以下、ＭＥＡという）のアノード電極側及びカソード電極側にそれぞれ配置されるものである。そして、隣接する燃料電池用セパレータ１同士は、互いに接合されて燃料電池セル（単セル）を形成し、当該単セルが多数積層されることにより燃料電池スタック（図示せず）を構成する。この燃料電池スタックは、例えばテンションプレート等（図示せず）により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持される。燃料電池スタックは、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池を構成するものである。

以下に示す実施形態においては、図１に示す燃料電池用セパレータ１の長手方向を「長さ方向」とし、燃料電池用セパレータ１の短手方向を「幅方向」とし、燃料電池用セパレータ１が積層される方向を「積層方向」とする。

セパレータ本体１０は、例えば板状の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。セパレータ本体１０の両面には、例えばプレス加工によって形成される凹凸部１１が形成されている。

凹凸部１１は、セパレータ本体１０の略中央側に設けられる、複数の凸部１２及び凹部１３からなる流体流路である。この凸部１２及び凹部１３からなる流体流路は、図１に示すように、セパレータ１０の幅方向に複数連続して形成されている。また凸部１２及び凹部１３からなる流体流路は、セパレータ本体１０の長さ方向（図１では左右方向）に流れる流体の流れ方向に沿って略平行に設けられている。換言すれば、凸部１２及び凹部１３からなる流体流路は、セパレータ本体１０にターン部を有しないストレート形状で形成されている。凹凸部１１のうち、凸部１２は、燃料ガス又は酸化剤ガス（以下、これらをまとめて単にガスともいう）が流れるガス流路として機能し、凹部１３は、冷却水が流れる冷却水流路として機能する。なお、ガスは、燃料電池用セパレータ１の電極側（図示せず）となる内側の面、すなわち凸部１２（ガス流路）内を流れ、冷却水は、その裏面（外側の面）、すなわち凹部１３（冷却水流路）内を流れるようになっている。なお、本実施形態では、凸部１２内をガスが流れ、凹部１３内を冷却水が流れるものであるが、これに限定されず、例えば凹部１３内をガスが流れるように構成しても良い。

シール部材２１は、セパレータ本体１０の端部、言い換えれば、外周縁部に設けられている。またシール部材２１は、後述する入口側マニホールド３１、出口側マニホールド４１の周縁部にも設けられている。このシール部材２１は、隣接する燃料電池用セパレータ１同士を互いに接合して燃料電池セルを構成するために接着性を有する部材で形成される。またシール部材２１は、冷却水、燃料ガス又は酸化ガスが外部へ漏洩することを防止するシールラインとしての機能を有する。なお、シール部材２１は、セパレータ本体１０の端部及び入口側マニホールド３１、出口側マニホールド４１の周辺に沿った枠体で形成されるものであるが、これに限定されるものではなく、その大きさや形状は様々なものが選択され得る。

入口側マニホールド３１及び出口側マニホールド４１について説明する。セパレータ本体１０の長手方向における一方の端部（図１では向かって左側に示す一端部の近傍）に、冷却水、燃料ガス、酸化ガスの入口側マニホールド３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）が貫通して形成される。セパレータ本体１０の長手方向における他方の端部（図１では向かって右側に示す一端部の近傍）には、冷却水、燃料ガス、酸化ガスの出口側マニホールド４１（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ）が貫通して形成される。これらの入口側マニホールド３１及び出口側マニホールド４１は、燃料電池用セパレータ１を含む単セル（図示せず）が積層方向に積層された場合に、冷却水、燃料ガス、酸化ガスを通す貫通孔として機能する。なお、本実施形態では、入口側マニホールド３１及び出口側マニホールド４１は、略矩形ないし台形の孔によって、それぞれ３つ形成されているものであるが、その形状や個数は適宜変更され得る。

また、入口側マニホールド３１及び出口側マニホールド４１の周囲には、図１に示すように、それぞれシール部材２１が形成されている。このシール部材２１が形成されることにより、冷却水、燃料ガス、酸化ガスの漏洩を抑制することができる。

続いて図２を参照しながらセパレータ変形抑制部５１と、経路Ａ及び流体流路Ｂの圧力損失について説明する。図２は、図１に示す円W内の拡大図である。

セパレータ変形抑制部５１は、セパレータ本体１０における幅方向の両側に設けられている。より詳細には、図２に示すように、セパレータ変形抑制部５１は、セパレータ本体１０の幅方向端部に設けられるシール部材２１と、凹凸部１１の幅方向端部に位置する凸部１２ａとの間に設けられている。またセパレータ変形抑制部５１の上面５１ａは、燃料電池用セパレータ１やＭＥＡ（図示せず）等を含む燃料電池セル（図示せず）が積層方向に複数積層されたときに、当該燃料電池セルと隣接する燃料電池セルに接するようになっている。

また、セパレータ変形抑制部５１は、積層方向に付与される締結荷重によって凹凸部１１よりも変形しにくい（つぶれにくい）材料もしくは表面処理（摩擦係数を上げる）で構成され、セパレータ変形抑制部５１を積層方向に見たときの高さは、凹凸部１１を積層方向に見たときの高さと同じであることが好ましい。これにより、燃料電池用セパレータ１を用いて燃料電池スタックが組み立てられてその積層方向に締結荷重が付与された場合には、この締結荷重をセパレータ変形抑制部５１で受けることができるため、セパレータ本体１０に形成された凹凸部１１の変形を抑制することができる。

またセパレータ変形抑制部５１は、プレス工程にてセパレータ本体１０に凸部１２及び凹部１３からなる流体流路が成形されるのと同時に成形されるものであり、かかる場合には、セパレータ本体１０と同じ例えばアルミニウムやステンレス等の金属材料により成形される。

なお、セパレータ変形抑制部５１は、図１に示すように、セパレータ本体１０の幅方向の両側に、凹凸部１１と略平行に延びるように設けられるものであるが、凹凸部１１の全てに亘って設けても良いし、部分的に設けても良い。またセパレータ変形抑制部５１の形状は、図２に示すように、例えばその上面５１ａが菱形に窪んだ形状を有しているが、この形状に限定されるものではない。セパレータ変形抑制部５１は、凹凸部１１の幅方向の変形や広がりが抑制されるような機能を有していれば良く、その形状や大きさは様々なものが選択され得る。

続いて図２に示される経路Ａ及び流体流路Ｂの圧力損失について説明する。上述したように、セパレータ変形抑制部５１は、セパレータ本体１０の幅方向端部に設けられたシール部材２１と凹凸部１１の幅方向端部に位置する凸部１２ａとの間に、当該凸部１２ａと略平行に設けられる。このため、セパレータ変形抑制部５１と当該セパレータ変形抑制部５１に隣接する凸部１２ａ又は凹部１３ａとの間に形成される経路Ａの流路断面積は、凹部１３に相当する流路である流体流路Ｂの断面積よりも小さくなる。その結果、経路Ａの圧力損失は、流体流路Ｂの圧力損失よりも高くなるので、経路Ａに流体（冷却水）が流入しにくくなる。

なお、本実施形態における流体流路Ｂとは、セパレータ本体１０に形成される複数の凹部１３のうちの１つの凹部１３（流路）を意味する。また、図２に示す経路Ａを流れる冷却水の圧力損失は、経路Ａの流路断面積の周長と、経路Ａの経路長によって算出されるものである。また、流体流路Ｂを流れる冷却水の圧力損失は、流体流路Ｂの流路断面積と、周長と、流体流路Ｂの経路長によって算出されるものである。

以上のように、本実施形態では、セパレータ本体１０の幅方向端部に設けられるシール部材２１と凹凸部１１の幅方向端部に位置する凸部１２ａとの間にセパレータ変形抑制部５１が設けられている。本実施形態に係る燃料電池用セパレータ１を用いて燃料電池スタックが組立てられてその積層方向に締結荷重が付与された場合には、その締結荷重を受けた凹凸部１１がセパレータ本体１０の幅方向、すなわち、凹凸が連続する方向に延伸変形しようとするが、シール部材２１とその隣に位置する凸部１２ａとの間にセパレータ変形抑制部５１が設けられているので、凹凸部１１の延伸変形を抑制することができる。

また本実施形態では、上述したように、セパレータ変形抑制部５１と当該セパレータ変形抑制部５１に隣接する凸部１２ａ又は凹部１３ａとの間に形成される経路Ａの圧力損失は、流体流路Ｂの圧力損失よりも高くなっている。このため、凹凸部１１を流れる流体（例えば、冷却水）が経路Ａに流入しにくくなり、凹凸部１１を流れる流体が電極部を冷却するための規定の流量を確保することができる。なお、本実施形態における「流体（冷却水）の脇流れ」とは、電極部周辺のセパレータ形状により、本来電極部に流れるべき当該流体流路に沿って流れている流体の流量が減少し、代わりに電極部以外の部位（たとえば、電極部流路と外周シール部の間）に流体が流れ込んでしまうことを言う。

続いて図３及び図４を参照しながら変形例における燃料電池用セパレータ１について説明する。図３及び図４に示す燃料電池用セパレータ１B、１Cは、図１で示した燃料電池用セパレータ１におけるセパレータ変形抑制部５１の形状を変化させたもので、それ以外の構成及び機能は図１の燃料電池用セパレータ１と同じである。従って、図１の燃料電池用セパレータ１と同じ部分については同一の符合を用い、それらについての説明は省略する。

図３に示す燃料電池用セパレータ１Bでは、セパレータ変形抑制部５１Ｂが半円形状に設けられている。また、図４に示す燃料電池用セパレータ１Cでは、セパレータ変形抑制部５１Ｃが矩形形状に設けられている。図３及び図４に示すセパレータ変形抑制部５１Ｂ、５１Ｃは、凹凸部１１の幅方向端部に沿って凹凸部１１の全長に亘って設けても良いし、部分的に設けても良い。セパレータ変形抑制部５１Ｂ、５１Ｃは、凹凸部１１を流れる流体（例えば、冷却水）の脇流れ現象が抑制され、燃料電池用セパレータ１の変形が抑制されるような機能を有していれば良く、台形、半円形、矩形、山形（三角）等、その形状や大きさは様々なものが選択され得る。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１：燃料電池用セパレータ
１０：セパレータ本体
１１：凹凸部１１
１２：凸部
１３：凹部
２１：シール部材
３１：入口側マニホールド
４１：出口側マニホールド
５１：セパレータ変形抑制部
Ａ：経路
Ｂ：流体流路

Claims

セパレータ本体の表面に流体流路を画成する凹凸が前記セパレータ本体の幅方向に複数連続して形成されてなる凹凸部を有する燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータ本体の端部に設けられるシール部と、前記シール部と前記凹凸部のうち前記セパレータ本体の幅方向端部に位置する凸部との間に設けられるセパレータ変形抑制部と、を備え、前記セパレータ変形抑制部と前記セパレータ変形抑制部に隣り合う前記凸部との間に形成される経路の圧力損失は、前記流体流路の圧力損失よりも高く、
前記セパレータ変形抑制部は、前記燃料電池用セパレータを含むセルが積層される積層方向に加わる荷重に対して変形を抑制可能な剛性を有すると共に、前記凸部の長手方向両端部に沿って且つ該長手方向両端部の間の領域に沿って設けられている、燃料電池用セパレータ。