(57)【要約】【課題】金属セパレータと電解質・電極複合体の接触面積を広くし、接触抵抗を下げた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体１１と、表裏に微細溝を形成した金属薄板からなる金属セパレータ１２とを備えた燃料電池において、金属セパレータ１２は、プレス成形により形成された平行部１６及び斜面部１５を有し、平行部１６が電解質・電極複合体１１に接触し、斜面部１５とつながる平行部の角部分１８の電解質・電極複合体接触面の反対の面に、角部分１８の板厚減少量相当の深さの凹部１９を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体と、表裏に微細溝を形成した金属薄板からなる金属セパレータとを備えた燃料電池において、
前記金属セパレータは、プレス成形により形成された平行部及び斜面部を有しており、前記平行部が前記電解質・電極複合体に接触し、かつ、前記斜面部とつながる平行部の角部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に、該角部分の板厚減少量相当の深さの凹部を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記平行部は、中央部分の板厚が角部分と比較して前記金属薄板の板厚の１０〜５０％厚く、かつ、中央部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に凸形状を有する特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体を備えた燃料電池に使用し、表裏に微細溝を形成した金属薄板からなる金属セパレータにおいて、
プレス成形により形成された平行部及び斜面部を有しており、前記平行部が電解質・電極複合体に接触し、かつ、前記斜面部とつながる平行部の角部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に、該角部分の板厚減少量相当の深さの凹部を設けたことを特徴とする金属セパレータ。
【請求項４】
請求項３記載の金属セパレータにおいて、
前記平行部は、中央部分の板厚が角部分と比較して前記金属薄板の板厚の１０〜５０％厚く、かつ、中央部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に凸形状を有することを特徴とする金属セパレータ。
【請求項５】
金属薄板の表裏に微細溝を形成しプレス成形して燃料電池の金属セパレータを製造する方法において、
プレス成形して前記金属薄板に平行部及び斜面部を形成する際、該斜面部とつながる平行部の角部分となる個所に、プレス成形時に該角部分に発生する板厚減少量に相当する量の深さの凹部を押圧して形成する工程を含むことを特徴とする金属セパレータの製造方法。
【請求項６】
金属薄板をプレス成形して燃料電池の金属セパレータを製造する際に使用する金型において、
プレス成形して前記金属薄板に平行部及び斜面部を形成する際、該斜面部とつながる平行部の角部分となる個所に対応する位置に、プレス成形時に該角部分に発生する板厚減少量に相当する量の高さの凸部を有することを特徴とする金型。
【請求項７】
請求項６記載の金型において、
前記凸部は、前記金属薄板の板厚の１０〜５０％の量の高さを有することを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係わり、特に金属セパレータ及びその製造方法とそれを用いた燃料固体高分子型電池や燃料電池セルに関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、表裏にアノード極側触媒層付き電極（以下「アノード電極」という）とカソード極側触媒付き電極層（以下「カソード電極」という）を配した、イオンを通す性質を持つ固体高分子電解質の膜を用いた燃料電池である。固体高分子電解質とその表裏にアノード電極とカソード電極を配したものを「電解質・電極複合体」と呼ぶ。電解質・電極複合体のアノード電極側に燃料ガスを供給しカソード電極側に酸化剤ガスを供給することで、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応のエネルギーより電気エネルギーを生成する。燃料ガスとして代表的なものは水素であり、酸化剤ガスとしては大気が用いられる。
【０００３】
アノード電極側では、供給された水素が触媒の作用により水素イオンと電子に分離する。固体高分子電解質は水素イオンやその水和物を通すが水素あるいは電子を通さない性質を持っているので、水素イオンのみ固体高分子電解質を透過し、電子は外部回路を通してカソード電極側に伝わる。透過した水素イオンは、カソード電極で酸化剤ガスの酸素と、外部回路を通してアノード電極側よりきた電子と、反応して水を生成する。この時発生するエネルギーのうちギブスの自由エネルギーに相当する部分を、外部回路に取り出すことで電池として機能する。この電気化学反応より取り出せる電圧は０.７ｖ程度と小さいため、通常は何層も積層して大きな電力として取り出す。燃料電池の一つの層を「燃料電池セル」と呼び、それを複数層重ねあげた物を「燃料電池スタック」と呼ぶ。
【０００４】
燃料電池セルを積層する際に、隣合うセルのアノード電極の水素とカソード電極の酸素を分離するためにセパレータを用いる。セパレータは、単に酸素と水素を分離するだけではなく、表面に形成された深さ０．５ｍｍ前後で幅が１〜２ｍｍ程度の微細溝により、効率良く水素あるいは酸素を供給し生成した水を排出する役割を担う。また、セパレータは、アノード電極より電子を集電し、カソード電極に供給する役割も担っている。
【０００５】
上記のような役割を担うセパレータには、水素と酸素を分離するために水素の透過性が低いことが求められる。また、表面に微細な溝を加工できる成形性や、電子を集め伝導するための低い接触抵抗や高い電気伝導性が求められる。さらに固体高分子型電解質はスルホン酸等の強酸基を持つために、セパレータには高い耐蝕性能が求められる。
【０００６】
セパレータに要求されるこれらの条件を満たす材料として、従来より黒鉛が用いられてきた。焼結した黒鉛に切削加工により微細な溝を形成した焼結黒鉛製のセパレータは、形状自由度が高く、燃料電池の試作品や少量の製品には広く用いられてきた。しかし、例えば自動車用の燃料電池などでは一台あたり数１００枚も用いるので、切削加工のように多くの工数を要する加工方法で製造するセパレータは、焼結黒鉛の素材コストの高さもあいまって、燃料電池の製造コストを増加させる要因となってきた。
【０００７】
また、同様に黒鉛を用いたセパレータでは、膨張黒鉛を用いて金型内で圧縮成形するものや、射出成形で金型に流し込んで成形するなどの方法も検討されている。しかし、これらの方法で成形した黒鉛製のセパレータでは、バインダーとして用いる樹脂が絶縁性のため電気伝導性が劣る、あるいは内部空孔が多いために水素の透過性が高いなどの課題が生じた。また、材料の靭性が低いので、それを補うために１〜２ｍｍ程度の厚さが必要であった。
【０００８】
金属を用いたセパレータも多く検討されている。金属セパレータの利点は、靭性が高く薄くできるため燃料電池の小スペース化につながることや、プレス成形を用いれば生産性が飛躍的に向上しコスト削減につながることがあげられる。それに対して、金属材料を用いる場合の最大の課題は、腐食による電池性能の劣化であり、特に溶出した金属イオンが触媒に作用することによる性能劣化を避けることが重要である。そのためにステンレスなどの耐腐食性の高い材料を用いたセパレータが検討されている。但し、ステンレスの耐蝕性は、表面の酸化膜が担うために、同時に接触抵抗を増加させる原因になる。そのため、特許文献２に見られるように、ステンレス表面に電気伝導性のある硼化物を析出させ酸化膜を貫通させることで、接触抵抗を減少させる材料が提案されている。また、特許文献２に見られるように、耐蝕性と高い電気の伝導性の両方を満たすＡｕ，Ｐｔ等の貴金属をステンレス製の材料にメッキしたものなどが提案されている。
【０００９】
また、ステンレスは燃料電池中の雰囲気では若干の金属イオンの溶出が避けられないために、特許文献３にみられるように、鉄、ステンレス、アルミや銅などの安価な材料の表面に、より耐蝕性の高いＴｉを接着し、さらに接触抵抗を避けるためのコーティング処理を施した材料などが提案されている。
【００１０】
金属製セパレータの成形方法としては、プレスを用いた張り出し成形による方法が有力とされている。この方法では、１〜数回の工程でセパレータを成形するが、全ての工程が数秒以内で終了するために生産性が高い。その一方、溝を張り出して成形する際には金属材料が伸ばされて板厚が減少するが、一般に金属材料の延性は数１０％程度であるために、破断や表面にクラックが生じるなどの欠陥が生じることがあり、金属の成形限界内で成形できるように溝形状や加工工程を工夫することが必要である。しかし、成形限界内で成形するために溝高さを減少すると、十分な流路断面積を得られずに、流動抵抗が増加する課題が生じる。このような課題を解決するために、特許文献４に見られるように、セパレータと電解質・電極複合体の接触部分に多孔質カーボンを差し込んで溝高さを大きくした燃料電池のセル構造も提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１５１１１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献３】特開２００２−３５８９７５号公報
【特許文献４】特開２００５−１７４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これまで示したように、燃料電池用の金属セパレータは様々な方式が検討されている。金属セパレータは薄板状の素材を張り出しで成形するために、以下に説明する課題が生じる。図７に示す従来の燃料電池の燃料電池セルの断面拡大図を用いて課題を説明する。従来の燃料電池セル２ｂは固体高分子の電解質膜の表裏にアノード電極、カソード電極を接着した電解質・電極複合体１１を、金属セパレータ１２ｂで挟んだ構造である。金属セパレータ１２ｂの断面は張り出し成形により連続した矩形形状になっており、微細溝を形成している。表裏の微細溝は、それぞれ酸化剤ガス流路１３及び燃料ガス流路１４の流路となっている。金属セパレータ１２ｂの材料は、板厚０．１６ｍｍのステンレスの表裏に板厚０．０２ｍｍのＴｉを圧延により接着し、さらに表面に数ｎｍの貴金属層を設けた材料である。
【００１２】
図７の金属セパレータ１２ｂの断面図において、電解質・電極複合体１と面方向が同一で接触している部分を金属セパレータの平行部１６ｂとし、その他の部分を斜面部１５ｂとする。平行部１６ｂを中央部分１７ｂと角部分１８ｂに分けると、微細溝の内側では中央部分１７ｂと角部分１８ｂは凹凸がなく平坦な形状をしている。それに対して電解質・電極複合体１１と接触する外側は、中央部分１７ｂが角部分１８ｂと比較して厚く凸な形状である。そのため、平行部１６ｂのうち中央部分１７ｂのみが電解質・電極複合体と接触しており接触面積が小さくなっている。
【００１３】
上記のように、角部分１８ｂが電解質・電極複合体と接触しない理由について、セパレータの成形工程を用いて説明する。図９は有限要素法により、金属セパレータの成形過程を解析した結果である。解析に用いた材料定数は図５に、解析モデルは図８に示す。図９（ａ）は成形荷重１８６ｋＮ／０．０１ｍ２で上型を０．２０ｍｍ下降させた時点での断面形状であるが、張り出しによる引っ張り力の他に曲げによる応力も加わるために、角部分で先行して板厚の減少が開始する。すると板厚の薄くなった角部分１８ｂにはさらに応力が集中するために、板厚の減少が進行する。そのため図９（ｂ）に示すように、成形荷重５０６ｋＮ／０．０１ｍ２で上型を０．４０ｍｍ下降させ平行部の中央が下型に接触した時点でも、角部分では材料が下型に接していない。この時点で１溝あたりの接触幅は、０．５ｍｍ（解析モデルでは０．２５ｍｍ）で、全体の１７％に限られている。
【００１４】
底面の平面部分の面積が減少すると、電解質・電極複合体１と金属セパレータ１２ｂの間の接触抵抗が増加し、燃料電池の性能が低下する。また、従来の電解質・電極複合体１は、金属セパレータ１２ｂにより挟まれ、若干の圧縮変形をされることで最大の性能を発揮するが、接触をしていない領域では圧縮力を受けないために電気化学反応が進まずに燃料電池の性能が低下する。そのため、燃料電池の性能を向上させるためには、金属セパレータの平行部で平面度を向上し電解質・電極複合体１との接触面積を増加することが重要である。
【００１５】
従来の成形方法でも、底面の平面度は、大きな成形荷重を掛けて塑性流動を生じることにより向上するが、加圧能力の大きなプレスが必要になる。図９（ｃ）は上型を０．４２０ｍｍ下降させ、１溝あたりの接触幅が１．０ｍにした時点での解析結果である。この時点での成形荷重は、０．０１平方メートルあたりで４３１０ｋＮという大きな値である。プレスは加圧能力が大きい程値段が高い上に成形速度が遅いので、生産性が低下し、ひいては製造コストの増加をもたらす。よって、より少ない荷重で成形することが重要である。このような課題は、張り出し成形で成形する金属製の燃料電池用セパレータであれば、金属の種類によらず生じる課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明は、微細溝の内側の中央を凸形状にすることにより、平行部の電解質・電極複合体と接触する側を平らにした金属セパレータを用いた燃料電池を提案する。具体的には、電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体を備え、該電解質・電極複合体の表裏より金属薄板の表裏に微細溝を形成した金属セパレータを用いた燃料電池で、該微細溝の電解質・電極複合体に接触する箇所の中央部の板厚が角部と比較して厚く且つ中央部が内側に凸形状であることを特徴とする固体高分子型燃料電池である。
【００１７】
すなわち、本発明は、電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体と、表裏に微細溝を形成した金属薄板からなる金属セパレータとを備えた燃料電池において、前記金属セパレータは、プレス成形により形成された平行部及び斜面部を有しており、前記平行部が前記電解質・電極複合体に接触し、かつ、前記斜面部とつながる平行部の角部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に、該角部分の板厚減少量相当の深さの凹部を設けた燃料電池である。
【００１８】
また、本発明は、前記平行部は、中央部分の板厚が角部分と比較して前記金属薄板の板厚の１０〜５０％厚く、かつ、中央部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に凸形状を有する燃料電池である。
【００１９】
そして、本発明は、電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極複合体を備えた燃料電池に使用し、表裏に微細溝を形成した金属薄板からなる金属セパレータにおいて、プレス成形により形成された平行部及び斜面部を有しており、前記平行部が電解質・電極複合体に接触し、かつ、前記斜面部とつながる平行部の角部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に、該角部分の板厚減少量相当の深さの凹部を設けた金属セパレータである。
【００２０】
更に、本発明は、前記平行部は、中央部分の板厚が角部分と比較して前記金属薄板の板厚の１０〜５０％厚く、かつ、中央部分の電解質・電極複合体接触面の反対の面に凸形状を有する金属セパレータである。
【００２１】
また、本発明は、金属薄板の表裏に微細溝を形成しプレス成形して燃料電池の金属セパレータを製造する方法において、プレス成形して前記金属薄板に平行部及び斜面部を形成する際、該斜面部とつながる平行部の角部分となる個所に、プレス成形時に該角部分に発生する板厚減少量に相当する量の深さの凹部を押圧して形成する工程を含む金属セパレータの製造方法である。
【００２２】
そして、本発明は、金属薄板をプレス成形して燃料電池の金属セパレータを製造する際に使用する金型において、プレス成形して前記金属薄板に平行部及び斜面部を形成する際、該斜面部とつながる平行部の角部分となる個所に対応する位置に、プレス成形時に該角部分に発生する板厚減少量に相当する量の高さの凸部を有する金型である。
【００２３】
更に、本発明は、前記凸部は、前記金属薄板の板厚の１０〜５０％の量の高さを有する金型である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、金属セパレータを用いた燃料電池において、金属セパレータとの電解質・電極複合体との接触面積が増加するため、接触抵抗による燃料電池の電力損失を減少させることが可能となり、燃料電池の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】
【００２５】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態の一つである固体高分子型燃料電池の燃料電池スタック１の構造を示す図である。本実施例の燃料電池は、水素を燃料ガスとして供給し、大気を酸化剤ガスとして供給するものである。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を積層し、フレーム７で挟み込み、ボルト８で締めて固定して構成される。また、燃料の供給のために燃料ガス供給管３及び燃料ガス排出管４を備え、酸化剤ガスの供給のために酸化剤ガス供給管５と酸化剤ガス排出管６を備える。酸化剤ガス排出管６は反応により生成した水を排出する機能も担う。水素と酸素から水を生成する電気化学反応から電気エネルギーを取り出す最小単位である発電セルは０．７Ｖ程度の起電力であるので、燃料電池スタックは図１に示すように発電セルを複数重ね合わせて実用に足りる起電力を取り出す構造となっている。
【００２６】
図２は発電セルの断面構造を示す図である。発電セル２は、固体高分子の電解質膜の表裏にアノード電極、カソード電極を接着した電解質・電極複合体１１を、金属セパレータ１２で挟んだ構造である。金属セパレータ１２は、断面が張り出し成形により連続した矩形形状になっており、微細溝を形成している。表裏の微細溝は、それぞれ酸化剤ガス流路１３及び燃料ガス流路１４の流路となっている。金属セパレータ１２の材料は、板厚０．１６ｍｍのステンレスの表裏に板厚０．０２ｍｍのＴｉを圧延により接着し、さらに表面に数ｎｍの貴金属層を設けた材料である。
【００２７】
図２の断面図において、電解質・電極複合体１１と面方向が同一で接触している部分を金属セパレータの平行部１６とし、その他の部分を斜面部１５とする。平行部１６を中央部分１７と角部分１８に分けると、角部分１８の電解質・電極複合体１１との接触面の反対の面に板厚減少量相当の深さの凹部１９を設けている。したがって、平行部１６において電解質・電極複合体１１と接触しない側である微細溝の内側は、角部分１８と比較して中央部１７が出っ張った凸形状となっているのに対して、電解質・電極複合体１１と接触する外側は全体に平坦な形状である。図２に示す凸形状の高さＡは、角部分１８の板厚減少量に相当する値であることが望ましく、本実施例では２０％程度である。
【００２８】
続いて、図３を用いて本実施例の金属セパレータを加工する金型について説明する。図３は金型の一ピッチ分の断面拡大図である。上型２１と下型２２よりなる。上型２１と下型２２は、線対称に反転して半ピッチ（Ｐ／２）分ずらした形状である。上型２１の中央が凸部２３であり、その中央に逃げ部２４が形成されている。溝ピッチＰは３ｍｍであり、溝深さＨは０．４ｍｍである。凸部２３の幅は１ｍｍであり、本金型で成形すると、平行部１６の幅は凡そ１ｍｍとなる。逃げ部２４の深さＣは、素材板厚の５０％の０．１ｍｍである。
【００２９】
続いて、本発明の金属セパレータの製造方法の一例として有限要素法により解析した結果を示す。図４は図３の金型の左半分をモデル化した解析モデルである。２次元平面歪解析で、中央が板厚０．１６ｍｍのＳＵＳの表裏に板厚０．２０ｍｍのＴｉをクラッドした厚さ０．２ｍｍの素材であり、上、下の線がそれぞれ上型、下型に相当する。貴金属のコーティングについては、厚さが薄く力学的に殆ど影響を与えないのでモデル化していない。左右の端面は、対称面としてＸ方向を固定した。上型が下型方向に移動して加工する。図５に解析に用いた材料定数を示す。図６は解析過程を示す図である。図６（ａ）は成形荷重１８５ｋＮ／０．０１ｍ２で上型を０．２ｍｍ下降した時点の図であり、平行部の角部分に相当する箇所の板厚が減少しはじめている。図６（ｂ）は成形荷重５０６ｋＮ／０．０１ｍ２で上型が０．４ｍｍ下降した時点での変形図である。平行部の中央部分１７が下型に接触をしているが、角部分は、板厚減少のために接触していない。図６（ｃ）は上型を０．４３２ｍｍ下降した時点での図である。角部分が下型に接触しており、このときの接触幅は１ｍｍである。成形荷重が８６５ｋＮである。従来方式で同様に接触幅が１ｍｍであった場合の成形荷重が４３１０ｋＮであったのと比較すると、凡そ１／５に低下する。金型の逃げ部２４があるために、低い成形荷重での加工が可能であり、そして金型の凸部２３の押圧により角部分も平坦となり、電解質・電極複合体との金属セパレータの接触面積を増加することができる。なお、上記した製造方法の一例では、１工程で金属セパレータを成形したが、複数の工程の１工程としても同様の効果が得られる。
【００３０】
また、平行部１６の凸形状の高さＡは、角部分１８での板厚減少量に相当する値が望ましい。なぜなら、角部分１８の材料は、押圧されて板厚減少量分だけその両側に位置する斜面部１５及び平行部の中央部分１７に移動する。そのため、平行部１６の凸形状の高さＡが板厚減少量よりも小さいと金属セパレータ１２と電解質・電極複合体１１の接触面積を増加させることが困難であり、平行部１６の凸形状の高さＡが板厚減少量よりも大きいと成形荷重が急増するからである。本実施例では２０％程度であるが、素材や溝の寸法の違いにより最適値は変化するので、これを限定するものではない。金属材料の延性が一般に数１０％程度であることから、板厚減少もその程度までしか許容できないために、凸形状の高さＡは素材板厚の５０％以内が適当である。
【００３１】
また、本実施例ではステンレス鋼にチタンをクラッドした材料を対象としたが、他の金属材料でも、張り出し成形で角部の板厚が減少する現象は同様に生じる。本発明は、ステンレス鋼にチタンをクラッドした材料に限定されるものではなく、他の金属系のセパレータ材料にも広く適用できるものである。
【００３２】
また、本実施例では燃料ガスとして水素を用いたが、これに限るものではない。また、同様に酸化剤ガスとして大気を用いたが、これに限るものではない。
【００３３】
以上に説明したように、固体高分子型の電解質を用いた燃料電池用で、小さな成形荷重でも金属セパレータと電解質・電極複合体の接触面積を増加することが可能となる。そのため、接触抵抗が減少して燃料電池の性能を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】燃料電池スタックの概念図。
【図２】実施例の燃料電池セルの断面拡大図。
【図３】実施例の金属セパレータを成形する金型の断面拡大図。
【図４】実施例の金属セパレータの加工工程の有限要素解析モデルの説明図。
【図５】有限要素解析に用いた材料定数を説明する図表。
【図６】実施例の金属セパレータの加工工程を示す有限要素解析結果の説明図。
【図７】従来の燃料電池セルの断面拡大図。
【図８】従来の金属セパレータを成形する金型の断面拡大図。
【図９】従来の金属セパレータの加工工程の有限要素解析モデルの説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池スタック、２  燃料電池セル、３  燃料ガス供給管、４  燃料ガス排出管、５  酸化剤ガス供給管、６  酸化剤ガス排出管、７  フレーム、８  ボルト、１１  電化質・電極複合体、１２  金属セパレータ，１３  酸化剤ガス流路，１４  燃料ガス流路、１５  斜面部、１６  平行部、１７  平行部の中央部分、１８  平行部の角部分、１９  凹部、２１  上型、２２  下型、２３  凸部、２４  逃げ部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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