(57)【要約】【課題】  セパレータ全体の肉厚増大を防止する。【解決手段】  セパレータ１を金属板で一体成形し、その周縁部におけるガスシール部３５の板厚を、ガスリークを防ぐために任意の荷重で押付けられている圧縮シール材３９の反力で変形しないものとする。このガスシール部３５の板厚に対し、その内側のガス流路部２４となる発電流路部４１およびガス連絡部３１，３３の板厚を薄くする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータをそれぞれ配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた燃料電池において、前記セパレータを金属板で形成し、前記セパレータの周縁部におけるガスシール部の板厚に対し、このガスシール部の内側の前記ガス流路を形成するガス流路部の板厚を薄くすることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータのガス流路部は、前記ガス拡散層の外側に位置し、このガス拡散層とそれよりさらに外側のガスマニホールドとを連絡するガス連絡部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータのガス流路部は、前記ガス拡散層に対応する発電流路部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記金属板で形成したセパレータは、金属を溶融可能な溶液により溶融させることで板厚を変化させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にそれぞれ配置され、前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を形成する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記セパレータを金属板で形成し、前記セパレータの周縁部におけるガスシール部の板厚に対し、このガスシール部の内側の前記ガス流路を形成するガス流路部の板厚が薄くなるように、前記金属板を溶融可能な溶液により溶融させて板厚を変化させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、各ガス拡散層の電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた燃料電池および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子型燃料電池、燐酸型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池など各種のものがある。これらの燃料電池は、酸化ガスと水素などの燃料ガスとの電気化学反応により起電力を生ずる単位電池からなり、この単位電池を電気的に接続するとともに反応ガスを分離させるセパレータを備えている。
【０００３】
上記した単位電池を複数積層して所定の出力を得ることもあり、積層する単位電池の数は数百に及ぶことがある。この単位電池に使用するセパレータは、カーボンや金属製のプレートにガス流路を形成している。
【０００４】
カーボン製のセパレータは、ガス流路を切削などにより加工して形成し、強度を確保するため厚さは数ｍｍ程度と比較的厚くなることから、低コスト化や薄肉化による小型化を図る上で、ステンレスやチタンなどの金属を適用する技術開発が盛んになってきている。
【０００５】
セパレータに金属を使用した場合には、カーボンに比べて厚さを薄くでき、ガス流路を形成する場合、プレス加工を用いることによって加工費を安価にできる特徴がある。
【０００６】
このガス流路は、金属板を多数の凹凸部を有する形状に加工することで確保するが、凹凸部の角部にＲを設けることで曲げ歪みの増大による破断を防止し、またプレス加工時に予備プレスを行って最終成形時に凹凸部の肩部の割れや破断を防止し、さらに凹凸部のガス拡散層への接触面を平坦にしてその接触面積が低減するのを防止する方法が、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、セパレータは、その周縁部をガスシールする必要があり、このガスシール部  は圧縮応力を受けることから剛性を確保する必要があり、このためある程度の板厚が必要となる。
【０００８】
ところが、上記した従来のセパレータでは、全体の板厚が均一であることから、ガスシール部ほどの板厚が不要なガス流路を形成する部位についても、ガスシール部と同様な比較的厚い板厚になってしまい、この結果セパレータ全体の板厚が厚くなり、これにより燃料電池として重量増加、あるいは単位電池相互間のピッチが大きくなって燃料電池の大型化を招く。
【０００９】
そこで、本発明は、セパレータ全体の板厚増大を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータをそれぞれ配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた燃料電池において、前記セパレータを金属板で形成し、前記セパレータの周縁部におけるガスシール部の板厚に対し、このガスシール部の内側の前記ガス流路を形成するガス流路部の板厚を薄くすることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属板で形成するセパレータを、剛性が必要なガスシール部の板厚に対し、その内側のガス流路部の板厚を薄くするようにしたので、ガスシール部の板厚に合わせてガス流路部も同様の板厚となることによるセパレータ全体の板厚増大を防止し、これにより燃料電池として重量低減および小型化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池に使用する酸化剤極側のセパレータ１の平面図で、このセパレータ１は、例えばステンレスからなる金属板で形成したものである。図２は、セパレータ１を用いた燃料電池の図１のＡ−Ａ線に対応する簡略化した断面図で、電解質膜３の一方の側に燃料極を備えるガス拡散層５を設けるとともに、電解質膜３の他方の側に酸化剤極を備えるガス拡散層７を設けている。
【００１４】
そして、酸化剤極を備えるガス拡散層７側に前記した酸化剤極側のセパレータ１を、燃料極を備えるガス拡散層５に燃料極側のセパレータ９を、それぞれ配置する。
【００１５】
上記した電解質膜３，両ガス拡散層５，７および酸化剤極側のセパレータ１，燃料極側セパレータ９により、燃料電池の単位電池を構成し、通常はこの単位電池を複数積層して燃料電池スタックとして使用する。
【００１６】
燃料極側のセパレータ９は、酸化剤極側のセパレータ１と同様な構造であるので、以下は前記図１に示す酸化剤極側のセパレータ１について説明する。
【００１７】
酸化剤極側のセパレータ１の図１中で上下両端には、酸化ガスが通る酸化ガス入口，出口マニホールド用の孔１１，１３、冷却水が通る冷却水入口，出口マニホールド用の孔１５，１７、燃料ガスが通る燃料ガス入口，出口マニホールド用の孔１９，２１を、それぞれ貫通して形成してある。
【００１８】
これら各孔１１，１３，１５，１７，１９，２１は、燃料電池を構成する他の部材である電解質膜３および燃料極側のセパレータ９にも同様に形成して、これら各部材間で互いに整合する位置にある各孔によってそれぞれのマニホールドを構成する。
【００１９】
そして、図１中で上部側の各孔１１，１５，２１と同下部側の各孔１３，１７，１９との間には、酸化ガス入口，出口マニホールド用の孔１１，１３相互を連通するガス流路２３を設けている。このガス流路２３を備える部位をガス流路部２４としている。
【００２０】
ガス流路２３は、図１中の上下方向中央位置にて上下方向に互いに平行に延びる複数の発電部ガス流路２５と、この発電部ガス流路２５と酸化ガス入口マニホールド用の孔１１とを連絡する拡散流路２７と、発電部ガス流路２５と酸化ガス出口マニホールド用の孔１３とを連絡する集合流路２９と、をそれぞれ備えている。上記した拡散流路２７および集合流路２９を備える部位をガス連絡部３１および３３としている。
【００２１】
また、上記したガス流路２３の前記孔１１，１３に対応する部位を除く周囲と、各孔１，１３のガス流路２３に対応する部位を除く周囲と、前記した各孔１５，１７，１９，２１の周囲とを、ガスおよび冷却水のリークを防ぐガスシール部３５としている。ガスシール部３５の表裏両面には、図２に示すように圧縮シール材３７，３９を設けている。
【００２２】
ガスシール部３５は、図２に示すように、それより内側の発電部ガス流路２５を形成する発電流路部４１より板厚を厚くしている。すなわち、酸化剤極側のセパレータ１の一部を単体で示す図３（ａ）のように、ガスシール部３５の板厚をＴ、発電流路部４１の板厚をｔ１とすると、Ｔ＞ｔ１としている。
【００２３】
図３（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面図で、集合流路２９を備えるガス連絡部３３に対応している。このガス連絡部３３の肉厚をｔ２とすると、Ｔ＞ｔ２である。
【００２４】
図３（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ断面図を時計回り方向に９０度回転して示したもので、酸化ガス出口マニホールド用の孔１３を備えるガス連絡部３３に対応している。この孔１３付近のガス連絡部３３の板厚も、上記した集合流路２９を備える部位と同様にｔ２であり、ガスシール部３５の板厚Ｔより薄くしている。
【００２５】
また、特に図示しないが、拡散流路２７を備えるガス連絡部３１および、孔１１付近のガス連絡部３１の板厚についても、上記したガス連絡部３３と同様にｔ２としてあり、ガスシール部３５の肉厚Ｔより薄くしている。
【００２６】
上記したガスシール部３５の板厚Ｔは、ガスリークを防ぐために任意の荷重で押付けられている圧縮シール材３７，３９の反力で変形しないものとしている。
【００２７】
このように、本実施形態では、セパレータ１の周縁部におけるガスシール部３５の板厚に対し、ガスシール部３５の内側のガス流路２３を形成する、ガス連絡部３１，３３および発電流路部４１からなるガス流路部２４の板厚を薄くしている。
【００２８】
また、図３（ｂ），（ｃ）に示す板厚ｔ２となるガス連絡部３３（３１）は、圧縮シール材３７，３９から反力を受けないころはもちろん、発電部ガス流路２５を形成する発電流路部４１のようにガス拡散層からの反力を受けないため、板厚をより薄くすることが可能であり、したがってｔ１＞ｔ２としてもよい。
【００２９】
上記したようなセパレータ１の製造は、板厚Ｔの金属板Ｐに連続した凹凸部をプレス加工により成形し、これにより発電部ガス流路２５，拡散流路２７および集合流路２９を備えるガス流路２３を形成する。図４（ａ）は、発電部ガス流路２５を備える発電流路部４１におけるプレス成形後の断面図であり、プレス成形の際、セパレータ１の凹凸部の縦壁部１ａには金型の抜き勾配を、曲げ部１ｂはＲをそれぞれ与える必要がある。
【００３０】
その後、図４（ｂ）に示すように、シール部３５に相当する部位を、マスキング材４３で適宜マスキングした状態で、金属を溶融させる溶液中に成形後の金属板Ｐを浸し、シール部３５以外の部位に対してエッジング加工を行う。図４（ｃ）は、上記発電流路部４１におけるエッジング加工後の状態を示す。これにより、プレス成形部位（凹凸形状部）などのマスキングしていない部位の板厚がシール部３５の板厚Ｔより薄いｔ１あるいはｔ２となるセパレータ１が得られる。
【００３１】
なお、シール部３５における圧縮シール材３７，３９の設置部位の凹部は、エッジング加工後に機械加工すればよい。
【００３２】
このように、本実施形態の燃料電池に使用するセパレータ１は、金属板を一体成形するとともに、剛性が必要なガスシール部３５の板厚に対し、その内側のガス流路２３を形成するガス流路部２４の板厚を薄くしているので、剛性が必要なガスシール部３５の板厚に合わせて他の部位、すなわちガス流路２３を形成するガス流路部２４も同様の板厚となることによるセパレータ全体の板厚増大を防止し、これにより燃料電池として重量低減を達成できるとともに、単位電池相互間のピッチを小さくできて燃料電池の小型化を達成することができる。
【００３３】
また、図５（ａ）のように、エッジング加工後の凹凸部の曲げ部１ｂは、プレス成形後のＲ形状を維持しているが、これをさらにエッジング加工によって、図５（ｂ）に示すように、曲げ部１ｂのＲを無くすか、あるいはＲを小さくすることができる。これにより、セパレータ１のガス拡散層との接触面積が増大して接触抵抗が低減し、発電効率を高めることができる。
【００３４】
この際のマスキングは、図５（ａ）に二点鎖線で示すように、凹部となる部位にマスキング材４５を設置し、凹部と反対側の凸部分をエッジングにより溶融させて板厚を薄くすることで、曲げ部１ｂのＲを無くすか、あるいはＲを小さくすることができる。
【００３５】
さらに、ガス拡散層と接する発電部ガス流路２５を備える発電流路部４１の板厚を薄くすることで、燃料電池の起動時などの熱膨張による変形を、セパレータ１の上記した発電流路部４１が弾性変形することで吸収しやすくなり、燃料電池の性能向上に寄与することができる。
【００３６】
また、プレス加工とエッジング加工の２工程で、セパレータ１の板厚を変えられるので、例えば金属板の表面にカーボンを部分的に付着させて板厚を変える場合に比較して、加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池に使用するカソード側のセパレータの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に対応する燃料電池の簡略化した断面図である。
【図３】（ａ）は図２の燃料電池におけるセパレータの一部を単体で示す断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図を時計回り方向に９０度回転して示した断面図である。
【図４】図１のセパレータの製造方法を示す説明図で、（ａ）はプレス成形後の断面図、（ｂ）プレス成形後にマスキングしている状態を示す断面図、（ｃ）はマスキング状態でエッジング加工した状態を示す断面図である。
【図５】（ａ）はプレス成形後のセパレータの曲げ部をエッジング加工する際のマスキング状態を示す断面図、（ｂ）はエッジング加工によりセパレータの曲げ部のＲ形状を無くした状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  カソード側のセパレータ
３  電解質膜
５  燃料極を備えたガス拡散層
７  酸化剤極を備えたガス拡散層
９  アノード側のセパレータ
２３  ガス流路
２４  ガス流路部
３１，３３  ガス連絡部
３５  ガスシール部
４１  発電流路部
【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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