(57)【要約】【課題】特に機械的強度の弱い流路形成プレートの流路に補強用リブを形成することにより、輸送や洗浄における塑性変形を防止することが可能な燃料電池用セパレータを提供するものである。【解決手段】  燃料電池用セパレータ１８は、複数枚の流路形成プレート８と、これら流路形成プレート８を間に挟んだ一対の封止プレート１１とが一体化されてなり、複数枚の流路形成プレート８の少なくとも酸化剤ガス用アーム部４および燃料ガス用アーム部５に、それぞれ酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路６及び燃料ガス流路７を局部的に封じる補強用リブ１９が、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2010238443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外観略方形板状に形成されるとともに、発電セルと交互に積層配置されて、上記発電セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する燃料電池用セパレータにおいて、
上記発電セルを覆うインターコネクト部と、このインターコネクト部の一方の対角部から当該インターコネクト部の外周に沿ってＬ字型に延在し他方の対角部へと至る帯状の酸化剤ガス用アーム部と、上記インターコネクト部の上記他方の対角部から当該インターコネクト部の外周に沿ってＬ字型に延在し上記一方の対角部へと至る帯状の燃料ガス用アーム部とが形成されるとともに、
上記インターコネクト部に酸化剤ガス流路および燃料ガス流路が形成され、且つ上記酸化剤ガス用アーム部に上記酸化剤ガス流路が形成されるとともに、上記燃料ガス用アーム部に上記燃料ガス流路が形成された複数枚の流路形成プレートと、これら流路形成プレートを間に挟んで上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を封じるとともに、一方に上記酸化剤ガス流路と連通する酸化剤ガス吹出口が穿設されるとともに、他方に上記燃料ガス通路と連通する燃料ガス吹出口が形成された一対の封止プレートとが一体化されてなり、
且つ上記複数枚の流路形成プレートの少なくとも上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を局部的に封じる補強用リブが、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
上記複数枚の流路形成プレートの上記インターコネクト部の上記酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路は、各々上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部側から上記酸化剤ガス吹出口および燃料ガス吹出口側に向けて、螺旋状を描くように形成され、且つ上記インターコネクト部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を局部的に封じる上記補強用リブが、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１の記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発電セルとセパレータを交互に複数積層することにより構成される固体酸化物形燃料電池に関するものであり、特に反応ガスを上記発電セルに供給する流路を備えた燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形燃料電池として、図９に示すように、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１４を配した発電セル１５と、燃料極層１３の外側に配した燃料極集電体１６と、空気極層１４の外側に配した空気極集電体１７と、各集電体１６，１７の外側に配した上記燃料電池用セパレータ２２とを複数積層し、燃料極層１３および空気極層１４に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することにより発電反応をさせて、所定の電力を得るものが知られている。
【０００３】
ここで、上記燃料電池用セパレータ２２は、略方形状のステンレス板等で構成されるとともに、上記発電セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する機能を有するものである。
【０００４】
図５は、本発明者などが先に開発した従来の燃料電池用セパレータ２２を示すものである。
この燃料電池用セパレータ２２は、発電セル１５を覆うインターコネクト部１と、このインターコネクト部１の一方の対角部２から当該インターコネクト部１の外周に沿ってＬ字型に延在し他方の対角部３へと至る帯状の酸化剤ガス用アーム部４と、インターコネクト部１の他方の対角部３から当該インターコネクト部１の外周に沿ってＬ字型に延在し一方の対角部２へと至る帯状の燃料ガス用アーム部５とが形成されたものである。
【０００５】
また、この燃料電池用セパレータ２２は、図６に示すように、インターコネクト部１に酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７が形成され、且つ酸化剤ガス用アーム部４に酸化剤ガス流路６が形成されるとともに、燃料ガス用アーム部５に燃料ガス流路７が形成された３枚の流路形成プレート２１と、これら流路形成プレート２１を間に挟んで酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７を封じるとともに、一方に酸化剤ガス流路６と連通する酸化剤ガス吹出口９が穿設されるとともに、他方に燃料ガス流路７と連通する燃料ガス吹出口１０が形成された一対の封止プレート１１ａ、１１ｂとが接合・一体化されて構成されている。
【０００６】
ここで、３枚の流路形成プレート２１のインターコネクト部１の酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７は、図７に示すように、各々酸化剤ガス用アーム部４および燃料ガス用アーム部５側から、酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０側に向けて、Ｌ字状を描くように形成されている。
【０００７】
一方、このような流路形成プレート２１および封止プレート１１ａ、１１ｂは、厚さ０．５ｍｍ程度のステンレスの薄板をプレス機でプレス加工（打ち抜き）を行なうことにより、流路形成プレート２１にインターコネクト部１、アーム部４、５、酸化剤ガス流路６、燃料ガス流路７が形成されるとともに、封止プレート１１ａ、１１ｂにインターコネクト部１、アーム部４、５、酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０が形成される。
【０００８】
この際、流路形成プレート２１は、酸化剤ガス用アーム部４および燃料ガス用アーム部５に酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７を形成しているために、アーム部４、５に流路６、７を形成していない封止プレート１１ａ、１１ｂに比べて、隙間の面積が多く、機械的強度が弱い状態にある。
【０００９】
このため、流路形成プレート２１は、プレス加工後の取出し、輸送、洗浄および接合などの製造工程においてに、垂直方向の力が加わると、特にアーム部４、５に曲げ応力が掛かり、図８に示すように、塑性変形してしまう可能性があるという問題点があった。
【００１０】
そこで、流路形成プレート２１を３枚にせず、厚さ１．５ｍｍ程度の一枚のステンレス板をプレス加工することにより、機械的強度を増す方法が考えられる。しかしながら、燃料電池用セパレータを構成するのによく用いられるフェライト系ステンレス等は、プレス加工において、打ち抜き加工する場合、板厚が増すほど塑性変形による加工硬化が大きくなるために、割れが生じる可能性がある。このために、厚さ１．５ｍｍのステンレス板を用いて流路形成プレート２１を形成するのは、困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、特に機械的強度の弱い流路形成プレートの流路に補強用リブを形成することにより、作業中における流路形成プレートの塑性変形を防止することが可能な燃料電池用セパレータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、外観略方形板状に形成されるとともに、発電セルと交互に積層配置されて、上記発電セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する燃料電池用セパレータにおいて、上記発電セルを覆うインターコネクト部と、このインターコネクト部の一方の対角部から当該インターコネクト部の外周に沿ってＬ字型に延在し他方の対角部へと至る帯状の酸化剤ガス用アーム部と、上記インターコネクト部の上記他方の対角部から当該インターコネクト部の外周に沿ってＬ字型に延在し上記一方の対角部へと至る帯状の燃料ガス用アーム部とが形成されるとともに、上記インターコネクト部に酸化剤ガス流路および燃料ガス流路が形成され、且つ上記酸化剤ガス用アーム部に上記酸化剤ガス流路が形成されるとともに、上記燃料ガス用アーム部に上記燃料ガス流路が形成された複数枚の流路形成プレートと、これら流路形成プレートを間に挟んで上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を封じるとともに、一方に上記酸化剤ガス通路と連通する酸化剤ガス吹出口が穿設されるとともに、他方に上記燃料ガス通路と連通する燃料ガス吹出口が形成された一対の封止プレートとが一体化されてなり、且つ上記複数枚の流路形成プレートの少なくとも上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を局部的に封じる補強用リブが、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
そして、請求項２に記載の本発明は、上記複数枚の流路形成プレートの上記インターコネクト部の上記酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路は、各々上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部側から上記酸化剤ガス吹出口および燃料ガス吹出口側に向けて、螺旋状を描くように形成され、且つ上記インターコネクト部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を局部的に封じる上記補強用リブが、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の本発明においては、上記複数枚の流路形成プレートの少なくとも上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成した当該酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を局部的に封じる補強用リブを、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成しているために、製造工程において、上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガスアーム部に曲げ応力が掛かっても、上記補強用リブが上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部を支持して当該両アーム部に掛かる上記曲げ応力よる歪みを軽減し、上記流路形成プレートが塑性変形してしまうことを防止することが可能となる。
【００１５】
また、請求項２に記載の本発明においては、上記複数枚の流路形成プレートの上記インターコネクト部の上記酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路は、各々上記酸化剤ガス用アーム部および燃料ガス用アーム部側から上記酸化剤ガス吹出口および燃料ガス吹出口側に向けて、螺旋状を描くように形成され、且つ上記インターコネクト部に、それぞれ上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の延在方向と直交する方向に一体形成した当該酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を局部的に封じる上記補強用リブを、上記積層方向に互いに重複しない位置に複数形成しているために、製造工程において、上記インターコネクト部に曲げ応力が掛かっても、上記補強用リブが上記流路を螺旋状に形成することにより機械的強度が低減した上記インターコネクト部を支持して当該インターコネクト部に掛かる上記曲げ応力による歪みを軽減し、上記流路形成プレートが塑性変形してしまうことを防止することが可能となる。
【００１６】
また、上記酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を螺旋状に形成することにより、発電時に、発電セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されるまでに、上記酸化剤ガスおよび燃料ガスを効率良く予熱することが可能であるとともに、上記酸化剤ガスが燃料電池用セパレータの熱を吸熱して当該セパレータが過剰に温度上昇してしまうことを抑制することができる。
【００１７】
さらに、従来の燃料電池用セパレータは、酸化剤ガスおよび燃料ガスが層流であるのに対して、本発明の燃料電池用セパレータは、上記補強用リブを設けたことから、上記酸化剤ガス及び燃料ガスが局部的に乱流となるために、上記発電セルに上記酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されるまでに、当該酸化剤ガスおよび燃料ガスをより一層効率良く予熱することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のセパレータを構成する流路形成プレートおよび封止プレートを示す斜視図である。
【図３】図１のセパレータを構成する流路形成プレートを示すもので、（ａ）が第１の流路形成プレートの斜視図、（ｂ）が第２の流路形成プレートの斜視図、（ｃ）が第３の流路形成プレートの斜視図である。
【図４】図１のIV部の拡大断面図である。
【図５】従来の燃料電池用セパレータの一実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５のセパレータを構成する流路形成プレートおよび封止プレートを示す斜視図である。
【図７】図５のセパレータを構成する流路形成プレートを示す斜視図である。
【図８】図５のセパレータを構成する流路形成プレートの曲げ応力が掛かった状態を示す斜視図である。
【図９】図５のセパレータを用いて構成される固体酸化物形燃料電池を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態を図１〜図３を用いて説明する。なお、従来の燃料電池用セパレータ２２のインターコネクト部１およびアーム部４、５等と同一構成については、同一符号を用いることにより説明を省略する。
【００２０】
まず、本発明に掛かる燃料電池用セパレータ１８は、安定化ジルコニアなどで構成された固体電解質層１２の両面に、Ｎｉ−ＹＳＺのサーメット等で構成された燃料極層１３と、ＬａＭｎＯ3等で構成された空気極層１４を配して構成されるとともに、その外側にＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結体で構成された燃料極集電体１６と、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結体で構成され空気極集電体１７を配した発電セル１５と交互に積層配置され、全体として固体酸化物形燃料電池を成す。
【００２１】
ここで、本実施形態の燃料電池用セパレータ１８は、板厚２．５ｍｍの略方形状に形成されたフェライト系ステンレス（例えばＳＵＳ４３０）板で形成されている。
【００２２】
そして、図１に示すように、インターコネクト部１、酸化剤ガス用アーム部４と、燃料ガス用アーム部５とが形成されている。
【００２３】
また、図２に示すように、酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７が形成された３枚の流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃと、これら流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃを間に挟むとともに、酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０が形成された一対の封止プレート１１ａ、１１ｂとが拡散接合・一体化されて構成されている。
【００２４】
ここで、３枚の流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃのインターコネクト部１の酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７は、図３に示すように、各々酸化剤ガス用アーム部４および燃料ガス用アーム部５側から酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０側に向けて、螺旋状を描くように形成されている。
【００２５】
また、３枚の流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃのインターコネクト部１、酸化剤ガス用アーム部４および燃料ガス用アーム部５には、それぞれ酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７の延在方向と直交する方向に一体形成されて当該酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７を局部的に封じる補強用リブ１９が複数（図では各々計５箇所ずつ）形成されている。
【００２６】
ここで、流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃに形成された補強用リブ１９は、上記積層方向に互いに重複して酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７が塞がることの無いように、図４に示すように、各々長手方向に間隔をおいて異なった位置に形成されている。
【００２７】
さらに、酸化剤ガス用アーム部４とインターコネクト部１の対角部３との間、および燃料ガス用アーム部５とインターコネクト部１の対角部２との間には、アーム補強用リブ２０が形成されている。
【００２８】
次に、以上の構成からなる燃料電池用セパレータ１８の製造方法について説明する。
まず、フェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０等）からなる平板状の板を、プレス機を用いてプレス加工（打ち抜き）を行なうことにより、インターコネクト部１、アーム部４、５、酸化剤ガス流路６、燃料ガス流路７および補強用リブ１９等を形成した流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃ、並びに、インターコネクト部１、アーム部４、５、酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０等を形成した封止プレート１１ａ、１１ｂが形成される。
【００２９】
その後、流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃおよび封止プレート１１ａ、１１ｂの表面を研磨した後に、アセトンなどにより洗浄を行なう。
【００３０】
そして、封止プレート１１ｂ、流路形成プレート８ａ、流路形成プレート８ｂ、流路形成プレート８ｃ、封止プレート１１ａの順に積層し、真空ホットプレス装置を用いて、真空下において、加熱と加圧を行なう。
【００３１】
するとプレート８、１１表面の凹凸が接触し、酸化皮膜が破壊される。これにより凹凸の接触部の接合界面近傍において原子が拡散する。そして、さらに温度・圧力を保持することにより、凹凸により形成された接触部のボイドが収縮する。これにより、原子が結晶粒界に近づき、時間の経過とともに接合界面を横切って結晶粒が成長し、プレート８ａ、８ｂ、８ｃ、１１ａ、１１ｂが互いに完全接合する。
【００３２】
この際、本発明の燃料電池用セパレータ１８によれば、インターコネクト部１およびアーム部４、５の酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７に補強用リブ１９を形成しているために、製造工程において、インターコネクト部１およびアーム部４、５に曲げ応力が掛かっても、補強用リブ１９がインターコネクト部１およびアーム部４、５を支持して当該インターコネクト部１およびアーム部４、５に掛かる上記曲げ応力による歪みを軽減し、作業中に流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃが塑性変形してしまうことを防止することが可能となる。
【００３３】
さらに、酸化剤ガス用アーム部４とインターコネクト部１の対角部３との間、および燃料ガス用アーム部５とインターコネクト部１の対角部２との間に、アーム補強用リブ２０を形成しているために、製造工程において、アーム部４、５に曲げ応力が掛かっても、アーム補強用リブ２０がアーム部４、５を支持して当該両アーム４、５に掛かる上記曲げ応力による歪みを軽減し、作業中にアーム部４、５が塑性変形してしまうことを防止することが可能となる。
【００３４】
そして、酸化剤ガス用アーム部４とインターコネクト部１の対角部３との間、および燃料ガス用アーム部５とインターコネクト部１の対角部２との間のアーム補強用リブ２０を、レーザーなどで切除することにより、燃料電池用セパレータ１８が形成される。
【００３５】
次に上記固体酸化物形燃料電池の運転方法を説明する。
先ず、上記燃料電池用セパレータ１８の酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７に、酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する。
【００３６】
そして、燃料電池用セパレータ１８の酸化剤ガス吹出口９および燃料ガス吹出口１０から空気極集電体１７および燃料極集電体１６を介して発電セル１５の空気極層１３および燃料極層１４に昇温した酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されることにより、発電反応が行なわれて、所定の電力を得る。
【００３７】
この際、燃料電池セパレータ１８は、酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路７を螺旋状に形成しているために、発電時に、発電セル１５に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されるまでに、酸化剤ガスおよび燃料ガスを効率良く予熱することが可能であるとともに、酸化剤ガスが燃料電池用セパレータ１８の熱を吸熱して当該燃料電池用セパレータ１８が過剰に温度上昇してしまうことを抑制することができる。
【００３８】
また、補強用リブ１９を設けたために、流路６、７の圧力損失が懸念されるが、図４に示すように、各流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃに設けた補強用リブ１９は、それぞれを上記積層方向に互いに重複しない位置に形成しているために、上記圧力損失が殆ど高くなることはない。むしろ、従来の燃料電池用セパレータ２２は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが層流であるのに対して、本発明の燃料電池用セパレータ１８では、補強用リブ１９を設けたことから、燃料ガス及び酸化剤ガスが局部的に乱流となるために、発電セル１５に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されるまでに、燃料ガスおよび酸化剤ガスをより一層効率良く予熱することが可能となる。
【００３９】
なお、本発明に係る燃料電池用セパレータ１８の製造方法において、拡散接合をもちいて流路形成プレート８ａ、８ｂ、８ｃおよび封止プレート１１ａ、１１ｂを接合したが、溶接など従来の接合方法を適宜選択できる。
【００４０】
また、補強用リブ１９は、本発明に掛かる燃料電池用セパレータ１８の実施形態に限らず、封止プレート１１ａ、１１ｂとの間に少なくとも２枚の流路形成プレートを挟むとともに、当該流路形成プレートに流路６、７を形成するものであれば、何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４１】
１  インターコネクト部
２  一方の対角部
３  他方の対角部
４  酸化剤ガス用アーム部
５  燃料ガス用アーム部
６  酸化剤ガス流路
７  燃料ガス流路
８ａ  流路形成プレート（上部）
８ｂ  流路形成プレート（中央部）
８ｃ  流路形成プレート（下部）
９  酸化剤ガス流路
１０  燃料ガス流路
１１  封止プレート
１８  燃料電池用セパレータ
１９  補強用リブ
２１  流路形成プレート（従来の流路形成プレート）
２２  燃料電池用セパレータ（従来の燃料電池用セパレータ）
【図１】
2010238443.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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