(57)【要約】【課題】プレス成形された流体流路を有するセパレータの排水性能を向上させる。【解決手段】セパレータ１２ａとは別体の変形部材８０を凸リブ７０ａに嵌合させることにより、ガス流路３１ａの断面形状、特に、流路断面Ｒ角を９０度以上に変形させる。プレス成形等の手段で加工されたセパレータ１２ａとは別体の変形部材８０を用いてガス流路３１ａの断面形状を、その流路断面Ｒ角が９０度以上になるように変形させることが可能となり、プレス成形等の手段では成形困難な流路形状を得ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体に接し電気的に導通する凸リブと前記膜−電極接合体に供給される気体又は液体を流すための流体流路を形成する凹溝とが形成されたセパレータとを備えるセルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、前記セパレータとは別体の変形部材が前記凸リブ又は凹溝に嵌合されることにより前記流体流路の断面形状が変形されてなる、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記変形部材が前記凸リブに嵌合することにより、前記膜−電極接合体と前記変形部材とが成す接触角は９０度以上である、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックであって、前記セパレータは、メタルセパレータである、燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記凸リブ及び前記凹溝は、プレス成形されたものである、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のセルを積層して成る燃料電池スタックに関し、特に、セルに供給される反応ガス又は液体を流すための流体流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとから成るセルを積層して構成されている。ＭＥＡは、イオン交換膜から成る電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及びガス拡散層から成るアノード電極と、電解質膜の他方の面に配置された触媒層及びガス拡散層から成るカソード電極とから成る。セパレータの流路構造として、例えば、ＭＥＡに対向する面に凹溝と凸リブとが形成されており、凹溝がセルに反応ガスを供給するためのガス流路として機能する一方、凸リブが拡散層に接触し導電通路として機能するものが知られている。
【０００３】
燃料電池スタックを効率よく運転するには、電解質膜を適度に加湿する必要がある。電解質膜への水分補給方法として、例えば、加湿装置を用いて反応ガスを加湿する方法が一般的である。
【０００４】
ところが、セル面内での含水量分布が不均一であると、燃料電池スタックの出力電圧の安定性や耐久性に悪影響を与えかねない。特に、電池反応によって生じた生成水がガス流路に滞留すると、ガス拡散層におけるガス拡散が阻害され、燃料電池スタックの出力電圧の安定性が低下する。
【０００５】
このような問題に鑑み、特開２００４−２４７１５４号公報には、ガス流路溝の側面の傾斜角を変化させたり或いはガス流路溝に施された表面処理層の厚みを変化させたりすることで、セル全面での反応の均一性を保つセパレータ流路構造が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２４７１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池用セパレータの材質としては、車載用途等を考慮した省スペース化を図る上で、小型化・軽量化が求められている。靭性に劣るカーボン質セパレータでは、過度な応力や衝撃が加えられると、割れやすく、特に、過酷な振動に曝される車載用途では破損に至る亀裂が生じる可能性がある。セルの安全性を重視するならば、メタルセパレータの使用が望ましい。メタルセパレータは、材質に延性があるので、プレス成形が可能である。
【０００７】
しかし、プレス成形は、量産化に適しているものの、繊細な加工を行うには不向きである。例えば、プレス成形によって、ガス流路溝の側面の傾斜角を変化させるのは非常に困難である。加えて、プレス成形でガス流路を形成すると、ガス流路の角部には、必然的にＲ角が形成される。Ｒ角には、曲げ応力が加えられるので、亀裂が生じやすく、故に面粗度も大きくなりやすいので、生成水が滞留しやすくなる。これでは、ガス拡散層におけるガス拡散が阻害され、燃料電池スタックの出力電圧の安定性が低下してしまう。更に、低温環境下では、ガス流路に滞留している生成水が凍結し、ガス流路の圧力損失を増大させる結果、電池運転に支障を与えかねない。
【０００８】
また、アノード電極には酸化電流が流れるので、ガス流路溝に表面処理を施しても、表面層が剥離又は溶出してしまう可能性がある。
【０００９】
そこで、本発明はプレス成形された流体流路を有するセパレータの排水性能を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池スタックは、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に接し電気的に導通する凸リブと膜−電極接合体に供給される気体（例えば燃料ガス或いは酸化ガスなどの反応ガス、又は窒素ガスなどの不活性ガス）又は液体（例えば冷媒）を流すための流体流路（ガス流路又は冷媒流路）を形成する凹溝とが形成されたセパレータとを備えるセルを複数積層してなる。
【００１１】
セパレータとは別体の変形部材が凸リブ又は凹溝に嵌合されることにより流体流路の断面形状が変形されている。プレス成形等の手段で加工されたセパレータとは別体の変形部材を用いて流体流路の断面形状を所望の形状に変形することにより、プレス成形等の手段では成形困難な流路形状を得ることができる。また、流体流路に表面処理を施すものではないので、表面層の剥離等の問題も生じない。
【００１２】
例えば、変形部材が凸リブに嵌合することにより、膜−電極接合体と変形部材とが成す接触角を９０度以上に補正することが望ましい。接触角を９０度以上に補正することで、電池反応により生じた生成水が流体流路の角部に滞留することがなく、排水性能を向上させることができる。
【００１３】
セパレータとしては、凸リブや凹溝をプレス成形によって容易に加工できる部材、例えば、メタルセパレータが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、プレス成形された流体流路を有するセパレータの排水性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。同一部材には同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。また、図面上の寸法比率はあくまでも説明の便宜上のものであり、図示の例に限られるものではない。
【００１６】
図１は本実施形態に係る燃料電池スタック１０の模式図である。燃料電池スタック１０は、例えば、固体高分子型燃料電池スタックであり、基本単位である多数のセル２を積層してなるスタック本体３を有している。燃料電池スタック１０は、スタック本体３の両端に位置するセル２の外側にカバープレート５、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８、及びエンドプレート９を順次積層して構成されている。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、スタック両端のそれぞれに配置されているエンドプレート９間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１５がボルト１６によって固定されることで、セル積層方向に締結荷重が加えられた状態となっている。尚、スタック本体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、プレッシャープレート１７とばね機構１４とが設けられており、スタック本体３に加えられる締結荷重の変動が吸収されるように構成されている。
【００１８】
燃料電池スタック１０内部には、各流体（燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒）を流すためのマニホールド２０ａ，２０ｂがセル積層方向に貫通形成されている。各流体（燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒）は、燃料電池スタック１０の一端に配置されているエンドプレート９に設けられた流体配管１８から入口側のマニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成された流体流路を流れる。そして最終的に各流体は、出口側のマニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けられた流体配管１９へと排出される。
【００１９】
図２にセル２の分解斜視図を示す。セル２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部がシール部材１３ａ，１３ｂによりシールされている。
【００２０】
ＭＥＡ１１は、高分子材質のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面に配置されたカソード電極２２ａと、電解質膜２１の他方の面に配置されたアノード電極２２ｂとが積層されてなる構造を有している。カソード極２２ａには、酸化ガス（空気）が供給され、アノード電極２２ｂには、燃料ガス（水素ガス）が供給される。ＭＥＡ１１のアノード側及びカソード側のそれぞれでは、以下の電気化学反応が生じる。
アノード側：  Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-
カソード側：  （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ
【００２１】
各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過性の導電性材料から構成されている。導電性材料としては、プレス成形が容易な材質、例えば、アルミニウムやステンレス等の金属材質が好適である。各セパレータ１２ａ，１２ｂには、図３に示すようにカソード電極２２ａ又はアノード電極２２ｂに面する部分をプレス加工することで、表裏各面に複数の凸リブ７０ａ及び凹溝７０ｂが形成されている。これら複数の凸リブ７０ａ及び凹溝８０ｂは、一方向に延在しており、酸化ガスを流すためのガス流路３１ａ、燃料ガスを流すためのガス流路３１ｂ、冷媒を流すための冷媒流路３２を画成している。
【００２２】
より詳細には、図２に示すようにセパレータ１２ａの両面のうちカソード電極２２ａに接する面には、酸化ガスが流れるストレート状のガス流路３１ａが複数形成され、その裏面側には、冷媒が流れるストレート状の冷媒流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの両面のうちアノード電極２２ｂに接する面には、燃料ガスが流れるストレート状のガス流路３１ｂが複数形成され、その裏面側には、冷媒が流れるストレート状の冷媒流路３２が複数形成されている。
【００２３】
セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、燃料ガスの入口側のマニホールド４２、冷媒の入口側のマニホールド４３が矩形状に穿孔されている。セパレータ１２ａ，１２ｂの他方の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、燃料ガスの出口側のマニホールド５２、冷媒の出口側のマニホールド５３が矩形状に穿孔されている。
【００２４】
セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１，５１は、セパレータ１２ａに溝状に形成された入口側の連絡通路６１及び出口側の連絡通路６２を介して酸化ガス用のガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける燃料ガス用のマニホールド４２，５２は、セパレータ１２ｂに溝状に形成された入口側の連絡通路６３及び出口側の連絡通路６４を介して燃料ガス用のガス流路３１ｂに連通している。
【００２５】
また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷媒用のマニホールド４３，５３は、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成された入口側の連絡通路６５及び出口側の連絡通路６６を介して冷媒流路３２に連通している。このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの流路構造により、セル２に、燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒を適切に供給できる。例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１から連絡通路６１を介してガス流路３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、連絡通路６２を介してマニホールド５１に導出される。
【００２６】
尚、ガス流路３１ａ，３１ｂ，冷媒流路３２は、ストレート流路に限らず、サーペンタイン流路であってもよい。
【００２７】
図３にセパレータ１２ａの斜視図を示す。凸リブ７０ａには、断面略コの字型を有する変形部材８０が嵌合することにより、ガス流路３１ａの断面形状を変形させている（図４参照）。変形部材８０は、セパレータ１２ａとは別体の部材である。変形部材８０は、カソード電極２２ａに接する平面部８１と、ガス流路３１ａの側面を変形させる側面部８２とから成る。平面部８１は、導電性部材（例えば、ステンレス）から成り、側面部８２は、好ましくは表面粗度の小さい部材（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性を有する樹脂）から成る。尚、平面部８１と側面部８２とは、導電性部材により一体成形されてもよい。
【００２８】
尚、変形部材８０の長さは、凸リブ７０ａの長さと同程度でもよく、或いは凸リブ７０ａの長さよりも短くてもよい。変形部材８０の長さが凸リブ７０ａの長さよりも短い場合には、複数の変形部材８０を凸リブ７０ａの延在方向に沿って嵌合させてもよい。
【００２９】
図４はセパレータ１２ａの断面図を示す。上述の如く、断面略コの字型の変形部材８０は、凸リブ７０ａに嵌合された状態でセパレータ１２ａとカソード電極２２ａとの間に介挿されている。凸リブ７０ａは、変形部材８０の平面部８１を介してカソード電極２２ａに導通する。凸リブ７０ａの背面（凹溝）は、冷媒流路３２として機能する。凹溝７０ｂ、変形部材８０、及びカソード電極２２ａの間に画成されるストレート状の中空通路は、酸化ガスを流すためのガス流路３１ａとして機能する。凸リブ７０ａに変形部材８０が嵌合することにより、ガス流路３１ａの断面形状、特に、流路断面Ｒ角が変形している。側面部８２は、平面部８１に対して直角に形成するか、又はやや内側に屈曲させることで、カソード電極２２ａと側面部８２とが成す接触角Ｒを９０度以上、好ましくは鈍角に補正する。接触角Ｒを９０度以上に補正することで、ガス流路３１ａの角部に生成水が滞留し難くなり、円滑に排水されるようになる。更に、側面部８２を表面粗度の小さい部材で形成することにより、ガス流路３１ａの排水能力を一層高めることができる。
【００３０】
尚、図５に示すように変形部材８０を凹溝７０ｂに嵌合させてもよい。この場合、側面部８２を平面部８１に対して直角に形成するか、又はやや外側に屈曲させることで、平面部８１と側面部８２との成す接触角Ｒを９０度以上、好ましくは鈍角に補正する。このとき、カソード電極２２ａに十分な酸化ガスを供給するために、平面部８１は、ガス透過性材質、例えば、多孔質材質から構成するのが好ましい。
【００３１】
尚、酸化ガスを流すためのガス流路３１ａの断面形状を変形させる例について説明したが、燃料ガスを流すためのガス流路３１ｂや冷媒を流すための冷媒流路３２についても変形部材８０を用いてその断面形状、特に、流路断面Ｒ角を９０度以上に補正してもよい。
【００３２】
本実施形態によれば、セパレータ１２ａとは別体の変形部材８０が凸リブ７０ａ又は凹溝７０ｂに嵌合されることによりガス流路３１ａの断面形状を変形させることができる。プレス成形等の手段で加工されたセパレータ１２ａとは別体の変形部材８０を用いてガス流路３１ａの断面形状を所望の形状に変形することによりプレス成形等の手段では成形困難な流路形状を得ることができる。また、流体流路に表面処理を施すものではないので、表面層の剥離等の問題も生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池スタックの模式図である。
【図２】セルの分解斜視図である。
【図３】セパレータの斜視図である。
【図４】セパレータの断面図である。
【図５】セパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
２…セル
１０…燃料電池スタック
１１…膜−電極接合体
１２ａ，１２ｂ…セパレータ
２２ａ…カソード電極
２２ｂ…アノード電極
３１ａ，３１ｂ…ガス流路
３２…冷媒流路
７０ａ…凸リブ
７０ｂ…凹溝
８０…変形部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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