JP2006032008A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セパレータを１枚の金属板で構成しても、その表裏両面の流体流路に連通する分配流路を形成できるようにする。
【解決手段】 水素側のセパレータ１を１枚の金属板７で構成し、その発電領域１１をプレス成形にて凹凸状とし、一方の面に水素ガス流路１３を、他方の面に冷却水流路１５をそれぞれ形成する。水素ガス流路１３に水素ガスを分配供給する水素ガス分配流路２７を、樹脂成形により金属板７に一体化させたリブ２９，３１の内側に形成する。冷却水流路１７に冷却水を分配供給する冷却水分配流路についても、樹脂成形により金属板７に一体化させたリブの内側に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を配置し、さらにこの電極の外側にセパレータを配置して構成した燃料電池に関する。

燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。

このような燃料電池は、電解質膜の両側に配置した二つの電極のうちの一方の燃料極と一方のセパレータとの間の、いわゆる発電領域に燃料ガスである水素ガスを供給し、他方の酸化剤極と他方のセパレータとの間の発電領域に酸化剤ガスである空気を供給し、さらにセパレータの各電極と反対側に冷却水を供給する。

すなわち、セパレータの表裏両面に反応ガスや冷却水を供給することになる。

このような燃料電池のセパレータは、例えば下記特許文献１に記載されているように、金属板で構成したものがある。金属板からなるセパレータは、反応ガスや冷却水が流れる流体流路をプレス成形によって凹凸状に形成する。
特開２００２−７５３９５号公報

ところで、通常燃料電池は、両側に電極を備えた電解質膜とセパレータとからならる単電池を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。この場合スタック積層方向に前記した反応ガスや冷却水が流れるマニホールドと呼ばれる貫通孔をそれぞれ設け、この各貫通孔から、前記した発電領域の各流体流路に、反応ガスや冷却水をそれぞれ分配供給する。

ここで、上記した分配流路は、前記したセパレータの表裏両面に形成する必要があり、この表裏両面の分配流路は、互いに重なり合う部分が存在することになるので、流体流路を凹凸形状で構成する金属板セパレータ１枚では、上記した表裏で重なり合う部分の分配流路を形成できず、またセパレータを２枚以上使用すれば重なり合う部分の分配流路を形成できるが、この場合には、構造が複雑化し、またスタック積層厚さも厚くなって、燃料電池の大型化を招く。

そこで、本発明は、セパレータを１枚の金属板で構成しても、その表裏両面の分配流路を形成できるようにすることを目的としている。

本発明は、電解質膜の両側に電極を配置し、さらにこの電極の外側にセパレータを配置して構成した燃料電池において、前記セパレータを１枚の金属板で構成し、このセパレータの前記電極に対向する部位に反応ガス流路を形成するとともに、前記反応ガス流路に対して反応ガスを分配供給する分配流路を形成し、この分配流路を、前記金属板に樹脂成形により一体化させたリブの内側に設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、反応ガス流路に対して反応ガスを分配供給する分配流路を、セパレータを構成する１枚の金属板に樹脂成形により一体化させたリブの内側に設定したので、１枚の金属板セパレータの表裏両面に、互いに重なり合う部分を備える形状の分配流路を設けることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池に使用する燃料ガスである水素側のセパレータ１の一方の端部付近を示す平面図で、図１（ｂ）は、セパレータ１と酸化剤ガスである空気側のセパレータ３との間に固体高分子電解質膜５を配置した燃料電池単体の図１のＡ−Ａ断面図である。この燃料電池単体を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。上記した燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスを構成している。

セパレータ１，３は、例えばステンレス合金などの１枚の金属板７を基材とし、図１（ａ）中で上端部および図示しない下端部の両端部を樹脂成形部９で被覆するように一体成形する。図１（ａ）中で上端部および図示しない下端部の各樹脂成形部９相互間の領域は燃料電池の発電領域１１であり、前記した固体高分子電解質膜５の一方側（図１（ｂ）中で下部側）に電極である水素極を、同他方側（図１（ｂ）中で上部側）に電極である空気極をそれぞれ配置する。

上記した発電領域１１のセパレータ１，３は、図１（ｂ）に示すように、左右方向に凹凸を繰り返す波板状にプレス成形する。そして、水素側のセパレータ１については、固定高分子電解質膜５に対向する凹部が水素ガス流路１３となり、これと反対側の凹部が冷却水流路１５となる。一方、空気側のセパレータ３についは、固定高分子電解質膜５に対向する凹部が空気流路１７となり、これと反対側の凹部が冷却水流路１９となる。上記した水素ガス流路１３および空気流路１７は、反応ガス流路を構成している。

次に、前記した樹脂成形部９について説明する。図２（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図２（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

樹脂成形部９には、図２（ａ）に示すように、金属板７も同時に貫通する水素マニホールド孔２１，冷却水マニホールド孔２３，空気マニホールド孔２５をそれぞれ形成してある。この各マニホールド孔２１，２３，２５は、スタック積層方向に向けて貫通しており、積層した各燃料電池単体に供給するそれぞれの流体が流れる。

水素マニホールド孔２１と水素ガス流路１３とは、水素ガス分配流路２７を介して連通している。この水素ガス分配流路２７は、その左右両側に形成してあるリブ２９，３１の内側に設定している。水素マニホールド孔２１の水素ガス分配流路２７側を除く周囲にも、上記リブ２９，３１と同高さのリブ３３を形成している。これら各リブ２９，３１，３３は、樹脂成形部９の一部である。

冷却水マニホールド孔２３および空気マニホールド孔２５の周囲にも、上記リブ３３と同高さのリブ３５，３７を、樹脂成形部９の一部としてそれぞれ形成している。

また、前記したリブ２９，３１の発電領域１１側の端部２９ａ，３１ａに一端が連続するリブ３９，４１を、リブ２９，３１と同高さとして図１（ａ）中のセパレータ１の図示しない下端部に向けて延長するよう樹脂成形により設けている。そして、これらのリブ２９，３１，３３，３５，３７，３９，４１は、スタック積層部材相互間の流体シール機能を備えている。

水素ガス分配流路２７のほぼ中央部にも、リブ２９，３１と同高さで樹脂成形部９の一部となる流体整流用のリブ４３を設けている。

図３は、図１の水素側のセパレータ１の裏面図であり、冷却水流路１５が見えている。図３によれば、冷却水マニホールド孔２３と冷却水流路１５とは、冷却水分配流路４５を介して連通している。この冷却水分配流路４５は、図３中で左右のリブ４７，４９の内側に形成されている。冷却水マニホールド孔２３の冷却水分配流路４５側を除く周囲にも、上記リブ４７，４９と同高さのリブ５１を形成している。これら各リブ４７，４９，５１は、樹脂成形部９の一部である。

水素マニホールド孔２１および空気マニホールド孔２５の周囲にも、上記リブ５１と同高さのリブ５３，５５を、樹脂成形部９の一部としてそれぞれ形成している。

また、前記したリブ４７，４９の発電領域１１側の端部４７ａ，４９ａに一端が連続するリブ５７，５９を、リブ４７，４９と同高さとして図３中のセパレータ１の図示しない下端部に向けて延長するよう樹脂成形により設けている。そして、これらのリブ４７，４９，５１，５３，５５，５７，５９は、スタック積層部材相互間の流体シール機能を備えている。

冷却水分配流路４５のほぼ中央部にも、リブ４７，４９と同高さで樹脂成形部９の一部となる流体整流用のリブ６１を設けている。

上記した樹脂成形部９は、発電領域１１以外の図１（ａ）および図３中で上端部全体と、図示しない下端部全体を覆っており、図２（ａ）に示すように、金属板７の端面、すなわち水素マニホールド孔２１，冷却水マニホールド孔２３，空気マニホールド孔２５の各端面７ａ，７ｂ，７ｃをそれぞれ覆うとともに、外周側の端面７ｄを覆っている。

空気側セパレータ３の空気流路１７側（図１（ｂ）中で下面）における樹脂成形部９の形状は、図１（ａ）に示した水素側セパレータ１に対して左右対称であり、またその冷却水流路１９側（図１（ｂ）中で上面）における樹脂成形部９の形状は、図３に示した水素側セパレータ１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

上記した本実施形態による燃料電池のセパレータ１，３は、その例えば水素側のセパレータ１については、表裏両面にそれぞれ形成する水素ガス分配流路２７および冷却水分配流路４５を、１枚の金属板７に樹脂成形により一体化させたリブ２９，３１およびリブ４７，４９のそれぞれの内側に設定しているので、これら各分配流路２７，４５が互いに重なり合う部位があっても、セパレータ１は、１枚の金属板７で構成するものでありながら、その表裏両面に異なる流体の分配流路を形成することができる。同様にして空気側セパレータ３についても、表裏両面に異なる流体の分配流路を形成することができる。

また、発電領域１１におけるセパレータ１，３の表裏両面の空間は、すべて流体流路（水素ガス流路１３，空気流路１７，冷却水流路１５，１９）として使用でき、流体を流さないデッドスペースが発生せず、したがってその分燃料電池として無用な大型化を防止できる。

さらに、金属板７自体は、水素側および空気側の各セパレータ１，３で同一のものを使用でき、製造コストが低減する。

また、水素ガス分配流路２７および冷却水分配流路４５をそれぞれ囲むリブ２９，３１およびリブ４７，４９に一体化する樹脂成形部９を、金属板７の端面、すなわち水素マニホールド孔２１，冷却水マニホールド孔２３，空気マニホールド孔２５の各端面７ａ，７ｂ，７ｃや、外周側の端面７ｄをそれぞれ覆うように形成しているので、金属板７と各分配流路２７，４５との位置関係を固定でき、燃料電池運転時の温度上昇による熱変形に対しても、金属板７と樹脂成形部９との相互間の追従性が向上し、信頼性の高い燃料電池となる。

また、上記したセパレータ１，３は、図４に示すように、射出成形によってリブ３９，４１を含む樹脂成形部９を金属板７に対して一体成形する。すなわち、射出成形機における固定金型６５と可動金型６７との間のキャビティ６９内に、金属板７を各金型６５，６７にそれぞれ設けた固定突起６５ａ，６７ａで固定した状態で収容し、ノズル７１からキャビティ６９内に溶融樹脂を射出して成形する。

このように、金属板７に対し、材料流動性に優れた熱可塑性樹脂を使用可能な射出成形によってリブ２９，３１やリブ４７，４９などを一体成形することで、再現性のある水素ガス分配流路２７や冷却水分配流路４５などの分配流路を形成することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池に使用する水素側のセパレータ１の一方の端部付近を示す平面図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における流体整流用の樹脂によるリブ４３に代えて、金属板７自体に、図５中で紙面表側、すなわち水素ガス分配流路２７側に向けて突出する突起７３を、プレス成形によって塑性変形させて複数設けている。したがって、この実施形態では、左右のリブ２９，３１相互間の水素ガス分配流路２７に対応する部分の金属板７には、樹脂成形部９を設けておらず、金属板７が露出している。

また、水素側セパレータ１の図５中で紙面裏側に形成してある前記図３と同様の冷却水分配流路４５にある流体整流用のリブ６１に代えて、上記した突起７３と同様な突起を複数設けている。したがって、この実施形態では、図３における左右のリブ４７，４９相互間の冷却水分配流路４５に対応する部分の金属板７には、樹脂成形部９を設けておらず、金属板７が露出している。

前記した水素ガス分配流路２７側の突起７３と冷却水分配流路４５側の図示しない突起は、金属板７の表裏両面の互いに重ならない位置に形成する。

上記した第２の実施形態によれば、金属板７における水素ガス流路１３などの流体流路をプレス成形する際に、流体整流用の突起７３を同時に成形できる。

本発明によれば、前記リブに一体化する樹脂成形部を、前記金属板の端面を覆うように設けたので、金属板と各分配流路との位置関係を固定でき、燃料電池作動時の温度上昇による熱変形に対しても、金属板と樹脂との相互の追従性が向上する。

前記リブの内側に設定した前記分配流路内の前記金属板表面に、整流用のリブを樹脂成形により一体化して設けたので、整流用のリブの形成を、分配流路の外側のリブの形成とともに同時に行える。

前記リブの内側に設定した前記分配流路内に、整流用の突起を前記金属板に対する塑性加工によって設けたので、金属板における流体流路をプレス成形する際に、流体整流用の突起を同時に成形できる。

前記リブを射出成形によって設けることで、再現性のある分配流路を形成することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池に使用する水素側セパレータの一方の端部付近を示す平面図、（ｂ）は、セパレータと空気側セパレータとの間に固体高分子電解質膜を配置した燃料電池単体の（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 図１の水素側セパレータの裏面図である。 第１の実施形態のセパレータを射出成形によって成形する状態を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池に使用する水素側セパレータの一方の端部付近を示す平面図である。

符号の説明

１ 水素側のセパレータ
３ 空気側のセパレータ
７ 金属板
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 金属板の端面
９ 樹脂成形部
１３ 水素ガス流路（反応ガス流路）
１７ 空気流路（反応ガス流路）
２７ 水素ガス分配流路（分配流路）
２９，３１，４７，４９ リブ
４３，６１ 整流用のリブ
４５ 冷却水分配流路（分配流路）
７３ 整流用の突起

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に電極を配置し、さらにこの電極の外側にセパレータを配置して構成した燃料電池において、前記セパレータを１枚の金属板で構成し、このセパレータの前記電極に対向する部位に反応ガス流路を形成するとともに、前記反応ガス流路に対して反応ガスを分配供給する分配流路を形成し、この分配流路を、前記金属板に樹脂成形により一体化させたリブの内側に設定したことを特徴とする燃料電池。
2. 前記リブに一体化する樹脂成形部を、前記金属板の端面を覆うように設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記リブの内側に設定した前記分配流路内の前記金属板表面に、整流用のリブを樹脂成形により一体化して設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記リブの内側に設定した前記分配流路内に、整流用の突起を前記金属板に対する塑性加工によって設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
5. 前記リブを射出成形によって形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池。

Images