JP5234446B2 - 燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック用金属セパレータに係り、より詳細には、セパレータの周縁を凹凸構造に設計することで、複数のセパレータを積層する時に安定した構造に積層し得る燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造に関する。

図１は、従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、従来のセパレータを示す平面図である。

図１に示すように、従来の高分子電解質型燃料電池スタックは、高分子電解質膜と、その両側面にそれぞれ形成される電極とからなる膜−電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）３と、膜−電極接合体３の電極にそれぞれ接合され、反応に使用されるガスを電極に伝達する一対の気体拡散層４と、それぞれの気体拡散層４の外側面に密着して結合され、反応ガスを供給する一対の導電性セパレータ６と、反応ガスのリーク防止、及び隙間のシーリングのために膜−電極接合体３とセパレータ６との間に挿入されるガスケット５とを備えて構成される。さらに、セパレータ６の外側には、集電板７と締結板（エンドプレート）８がそれぞれ結合されて燃料電池スタック１を構成する。

セパレータ６は、反応ガスである水素と酸素とが互いに混合しないように遮断すると同時に、膜−電極接合体３を電気的に接続し、膜−電極接合体３を支持して燃料電池スタック１の形態が保持されるようにする。

したがってセパレータは、二つのガスが混合しないような緻密な構造を有する必要があり、電導体として電気電導性に優れ、また、支持体として十分な強度を備えることが要求される。

しかしながら、一つの単位電池（膜−電極接合体とガスケット、セパレータを結合する燃料電池の基本単位）で発生する電圧が小さいため、所望の電力を得るためには数十、数百個の単位電池を積層しなければならない。

このように多数の単位電池を積層する場合、セパレータが均一な面圧を保持しなければ、局部的に変形してシーリングを保持できなくなる問題点がある。これを解決するために、セパレータに複雑なシーリング構造を適用して均一な面圧を保持しているが、その結果、成形工程が複雑になり、設計上の制約が生じる問題がある。
特開平０９−１３４７３２号公報

本発明は、前記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ガスケットと接触するセパレータの周縁を凹凸構造にすることで、複数のセパレータを積層する時に安定した構造に積層し得る燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造を提供することである。

本発明は、膜−電極接合体（１１０）と、前記膜−電極接合体（１１０）の電極に反応ガスを移動させる気体拡散層と、前記気体拡散層の外側に結合され前記膜−電極接合体１１０を支持する金属セパレータ（１３０）と、前記膜−電極接合体（１１０）と金属セパレータ（１３０）との間に挿入され反応ガスのリークを防止するガスケット（１２０）とから構成される単位電池（１００）と、前記単位電池（１００）の外側に結合され前記単位電池（１００）を支持し、反応ガス及び冷却水が出入りするマニホールド（２１０）が形成される締結板（２００）とを備える燃料電池スタックにおいて、
前記金属セパレータ（１３０）は、
前記マニホールド（２１０）に対応して長手方向の一側端部に形成される複数のセパレータマニホールド（１３４）と、
周縁に沿って下方に凹んだ凹み部（１３２ａ）と、上方に突出した突出部（１３２ｂ）とが繰り返し形成される凹凸構造（１３２）を有し、隣接した金属セパレータ（１３０）との積層時に２つの金属セパレータの凹み部（１３２ａ）と突出部（１３２ｂ）とが互いに対応することを特徴とする。

前記金属セパレータは、前面に形成され前記気体拡散層と結合して反応ガスの供給及び排出が行なわれる反応面と、背面に形成され前記単位電池を冷却するための冷却面とをさらに備えることを特徴とする。

前記ガスケットは、前記金属セパレータの周縁と前記凹凸構造の間、並びに前記セパレータマニホールドの周囲に沿って設けられており、前記膜−電極接合体と前記金属セパレータとの間をシーリングすることを特徴とする。

本発明の一実施形態による燃料電池スタック用金属セパレータによれば、ガスケットと接触する金属セパレータの周縁を凹凸構造にし、複数の金属セパレータの積層時に安定した構造に積層することによって、単位電池の積層時における積層誤差を減少させ、スタック締結時の締結圧に耐えられるようになり、積層性が大きく向上する。

また、金属セパレータの成形時に直線及び曲線形状が混在するようにし、凹凸構造を採用することで、金属セパレータの周縁部分が変形に対する剛性を維持することができ、金属セパレータの変形防止及び燃料電池スタックの構造的な安定性を確保できる効果がある。

以下、本発明の高分子電解質型燃料電池の一実施形態について図面に基づいて説明する。

図３（ａ）は、本発明による金属セパレータが適用された燃料電池スタックの斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の金属セパレータの積層順序を示す分解斜視図であり、図４は、本発明による金属セパレータの積層された状態を示す断面図である。そして、図５（ａ）は、本発明による金属セパレータの反応面を示す平面図であり、図５（ｂ）は、本発明による金属セパレータの冷却面を示す平面図であり、図６は、本発明による金属セパレータが複数に積層された構造を示す構造図である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態による金属セパレータ１３０は、燃料電池スタック１０内部に順次に積層された形態として使用される。

図３（ｂ）に示すように、金属セパレータ１３０は、高分子電解質膜と、その両側面にそれぞれ形成される電極とからなる膜−電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の両側面にそれぞれ結合され、通常、反応に使用されるガスを電極に伝達する気体拡散層（図示せず）と一体に形成されている。膜−電極接合体１１０と金属セパレータ１３０との間には、反応ガスのリーク防止及び隙間のシーリングのためのガスケット１２０が挿入される。

このような膜−電極接合体１１０とガスケット１２０、及び金属セパレータ１３０が結合される単位電池１００が数十または数百個積層されており、積層された単位電池１００に集電板（図示せず）と締結板２００（エンドプレート）とが結合して支持することによって燃料電池スタック１０を形成する。締結板２００には、反応ガス及び冷却水を単位電池１００に供給するための複数のマニホールド２１０が形成される。

図４に示すように、単位電池１００は、膜−電極接合体１１０を中心として両側面にガスケット１２０と金属セパレータ１３０とが順に積層され、互いに密着して結合される。金属セパレータ１３０を介して膜−電極接合体１１０に供給される冷却水と空気及び水素ガスは、金属セパレータ１３０に形成される流路及びガスケット１２０によって互いに混合されず膜−電極接合体１１０に供給及び排出される。これについては後述する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、金属セパレータ１３０は、締結板２００に形成されるマニホールド２１０に対応して板面の長手方向の両端部に形成される複数のセパレータマニホールド１３４と、板面の周縁に沿って形成される凹凸構造１３２から構成される。

また、金属セパレータ１３０の前面には、気体拡散層と結合して反応ガスの供給及び排出が行なわれる反応面１３６が形成され、背面には、単位電池１００を冷却するための冷却水の通路になる冷却面１３８が形成される（金属セパレータに形成され空気と水素、冷却水の通路になる流路構造は、通常の金属セパレータで採用される構造であるため詳細な説明は省略する。）

図５（ａ）に示すように、金属セパレータ１３０の一端部に形成されるセパレータマニホールド１３４の内側には、水素ガスを単位電池１００に供給するための反応ガス流入孔１３０ａが形成される。
また、金属セパレータ１３０の他端部に形成されるセパレータマニホールド１３４の内側には、水素ガスが排出される反応ガス流出孔１３０ｂが形成される。

このような反応ガス流入孔１３０ａ及び流出孔１３０ｂにより反応ガスを供給及び排出できるようになり、反応面のシーリング構造の設計を容易にすることができる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、凹凸構造１３２は、金属セパレータ１３０の周縁に沿って下方に凹んだ凹み部１３２ａと、上方に突出した突出部１３２ｂとが繰返し形成される構造を有する。

金属セパレータ１３０は、厚さ０．１〜０．２ｍｍの金属薄板にスタンピング（ｓｔａｍｐｉｎｇ：打出−金属板の裏面から模様や浮き彫りを打ち出す技法）を用いて直線及び曲線の形状が混在するシーリング構造を有するように成形して形成する。一般的に、成形後に金属薄板が全体的にねじれる現象が発生することもあるが、金属セパレータ１３０の周縁に沿って凹凸構造１３２を形成することで、金属セパレータ１３０の周縁部が変形に対する剛性を保持することができる効果がある。

さらに、金属セパレータ１３０の周縁が凹凸構造１３２を有するように形成されるため、複数の金属セパレータ１３０を積層した時に隣接する金属セパレータ１３０の凹み部１３２ａと突出部１３２ｂとが互いに対応する。
このような積層構造により、燃料電池スタック１０が平坦に積層され、また、燃料電池スタック１０の締結時に締結圧に耐えられるようになって安定して積層されることで、燃料電池スタック１０の締結性が大きく向上する（図４及び図６参照）。
なお、凹凸構造１３２は、ガスケット１２０の結合を容易にする役割を有する。

一般的に使用される黒鉛セパレータのような場合は、ガスケット溝をセパレータの両側面に加工できるが、本発明の金属セパレータ１３０のように、燃料電池スタック１０の締結時に金属セパレータを使用する場合には、スタンピング（ｓｔａｍｐｉｎｇ）加工の特性上、両側面の同じ位置に同時にガスケットを設けるための溝を形成することができない。
しかし、本発明の金属セパレータ１３０に適用される凹凸構造１３２によって、ガスケット１２０の位置を正確に定義することができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ガスケット１２０は、金属セパレータ１３０の周縁とセパレータマニホールド１３４の周辺に沿って結合され、金属セパレータ１３０が膜−電極接合体１１０に結合される時に、金属セパレータ１３０と膜−電極接合体１１０との間をシーリングする。

そのためにガスケット１２０は、反応面１３６と冷却面１３８においてほぼ同じ位置に結合される必要があるが、凹凸構造１３２が金属セパレータ１３０の周縁に沿って形成されるため、ガスケット１２０が凹凸構造１３２と周縁との間に位置するようにすれば、別のガイド溝がなくても、金属セパレータ１３０の両側面においてほぼ同じ位置に結合される。

また、ガスケット１２０は、セパレータマニホールド１３４の周辺もシーリングしなければならないため、セパレータマニホールド１３４の周辺に沿って結合される。
但し、反応面１３６に結合されるガスケット１２０は、反応ガス流入孔１３０ａ及び反応ガス流出孔１３０ｂを遮断しないように、セパレータマニホールド１３４と反応ガス流入孔１３０ａ及び反応ガス流出孔１３０ｂとの間に位置するように結合されることが望ましい。

しかし、冷却面１３８に結合されるガスケット１２０は、反応ガス流入孔１３０ａ及び反応ガス流出孔１３０ｂを介して反応ガスが冷却面１３８に流出しないように、反応ガス流入孔１３０ａ及び反応ガス流出孔１３０ｂの外側、即ち、金属セパレータの内側に位置するように結合されることが望ましい。

ガスケット１２０はセパレータマニホールド１３４の形状に合わせて形成されるが、取付け位置を固定するために、各セパレータマニホールド１３４間の空間にもさらに凹凸構造を備えてもよい（図５（ａ）及び図５（ｂ）のＡ部分参照）。
このようにして、別のガイド溝がなくても、ガスケット１２０の取付け位置を正確に定義することができるようになる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来のセパレータを示す平面図である。 （ａ）は、本発明による金属セパレータが適用された燃料電池スタックの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の金属セパレータの積層順序を示す分解斜視図である。 本発明による金属セパレータの積層された状態を示す断面図である。 （ａ）は、本発明による金属セパレータの反応面を示す平面図であり、（ｂ）は、本発明による金属セパレータの冷却面を示す平面図である。 本発明による金属セパレータが複数に積層された構造を示す構造図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１００…単位電池
１１０…膜−電極接合体
１２０…ガスケット
１３０…金属セパレータ
１３０ａ…反応ガス流入孔
１３０ｂ…反応ガス流出孔
１３２…凹凸構造
１３２ａ 凹み部
１３２ｂ 突出部
１３４ セパレータマニホールド
１３６…反応面
１３８…冷却面
２００ 締結板
２１０ マニホールド

Claims (4)

1. 膜−電極接合体（１１０）と、前記膜−電極接合体（１１０）の電極に反応ガスを移動させる気体拡散層と、前記気体拡散層の外側に結合され前記膜−電極接合体１１０を支持する金属セパレータ（１３０）と、前記膜−電極接合体（１１０）と金属セパレータ（１３０）との間に挿入され反応ガスのリークを防止するガスケット（１２０）とから構成される単位電池（１００）と、前記単位電池（１００）の外側に結合され前記単位電池（１００）を支持し、反応ガス及び冷却水が出入りするマニホールド（２１０）が形成される締結板（２００）とを備える燃料電池スタックにおいて、
   前記金属セパレータ（１３０）は、
   前記マニホールド（２１０）に対応して長手方向の一側端部に形成される複数のセパレータマニホールド（１３４）と、
   周縁に沿って下方に凹んだ凹み部（１３２ａ）と、上方に突出した突出部（１３２ｂ）とが繰り返し形成される凹凸構造（１３２）を有し、隣接した金属セパレータ（１３０）との積層時に２つの金属セパレータの凹み部（１３２ａ）と突出部（１３２ｂ）とが互いに対応することを特徴とする燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造。
2. 前記金属セパレータ（１３０）は、前面に形成され、前記気体拡散層と結合して反応ガスの供給及び排出が行なわれる反応面（１３６）と、背面に形成され前記単位電池（１００）を冷却するための冷却面（１３８）とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造。
3. 前記金属セパレータ（１３０）は、一側端部に備えられる前記セパレータマニホールド（１３４）に隣接し、貫通して形成される反応ガス流入孔（１３０ａ）と、前記反応ガス流入孔（１３０ａ）に対向する他側端部に形成されるセパレータマニホールド（１３４）に接し貫通して形成される反応ガス流出孔（１３０ｂ）とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造。
4. 前記ガスケット（１２０）は、前記金属セパレータ（１３０）の周縁と前記凹凸構造（１３２）との間、並びに前記セパレータマニホールド（１３４）の周囲に沿って設けられ、前記膜−電極接合体（１１０）と前記金属セパレータ（１３０）との間をシーリングすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造。

Images