(57)【要約】      （修正有）【課題】主流路に補助流路を簡単に形成し、燃料電池の気体拡散層や分離板チャンネルに存在する過量の水が排出されないために生じるフラッディング現象を低減できる燃料電池用金属分離板を提供する。【解決手段】燃料電池用金属分離板において、第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２の金属薄膜からなる金属分離板１００をスタンピング成形し、前記第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２が変形されて、前記第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２の内側に複数の冷却流路１０３が形成され、前記冷却流路１０３の間の前記第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２の外側に、凹形の各々第１主流路１０４および第２主流路１０５が形成されると共に、前記第１主流路１０４および第２主流路１０５の底面に各々第１補助流路１０７および第２補助流路１０８が形成されるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用金属分離板において、
第１金属薄膜と第２金属薄膜の金属薄膜からなる金属分離板をスタンピング成形し、前記第１金属薄膜と第２金属薄膜が変形されて、前記第１金属薄膜と第２金属薄膜の内側に複数の冷却流路が形成され、前記冷却流路の間の前記第１と第２金属薄膜の外側に、凹形の各々第１および第２主流路が形成されると共に、前記第１および第２主流路の底面に各々第１および第２補助流路が形成されるようにしたことを特徴とする燃料電池用金属分離板。
【請求項２】
前記第１金属薄膜の第１補助流路は、前記第１主流路の底面中央部に凹形に折り曲げられた空間であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項３】
前記第１補助流路は台形、半楕円形、四角形、三角形のうちいずれか一つの断面形状に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項４】
前記第１補助流路が形成された前記第１金属薄膜の内側に、凸形の差込み端が折り曲げられて形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項５】
前記第２主流路の底面中央部のある前記第２金属薄膜の内側に、前記第１金属薄膜の内側に形成された差込み端が挿入されて締結される、凹形の差込み溝が形成されることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項６】
前記第２金属薄膜の内側に差込み溝が形成され、前記差込み溝の外側に設けられた前記第２主流路の底面中央部が凸形の突出部に形成されると共に、前記第２補助流路が、前記突出部の両側縁部分に凹形に形成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項７】
燃料電池用電極膜の両側表面に形成された第１および第２ガス拡散層に前記金属分離板を配置し、一方の金属分離板は前記第１補助流路が第１ガス拡散層と向かい合うように配置され、他方の金属分離板は前記第２補助流路が第２ガス拡散層と向かい合うように配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
【請求項８】
前記第１および第２補助流路は、前記第１および第２主流路の入口から出口まで連続的な構造に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属分離板に係り、より詳細には、高分子電解質燃料電池のフラッディングを低減することができる補助流路が設けられた燃料電池用金属分離板に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質燃料電池は水素と酸素を電気化学的に反応させて水を生成しながら電気を発生させる装置であり、他の形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度および出力密度が大きく、さらに始動時間が短く、負荷変化に対して応答が早いという特性を有するため、無公害車両の動力源、自家発電用、移動用および軍事用電源など多様な分野で応用することができる。
【０００３】
前記燃料電池は、最も内側に主要構成部品である電極膜（ＭＥＡ）が位置し、この電極膜は水素陽イオンを移動させることのできる固体高分子電解質膜と、電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、すなわちカソードおよびアノードとで構成されている。さらに、電極膜（ＭＥＡ）の外側部分、すなわちカソードおよびアノードが位置する外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ）が位置する。ガス拡散層の外側に燃料を供給して反応により発生した水を排出するように流路が形成された分離板が位置する。従って、燃料電池のアノードでは水素の酸化反応が進み、水素イオンと電子が発生し、この時生成された水素イオンと電子は各々電解質膜と導線を通してカソード極に移動する。これと同時に、カソード極ではアノード極からの水素イオンと電子を受けて酸素の還元反応が進行しながら水を生成し、この時、導線に沿っては電子の流れにより、高分子電解質膜を通しては陽イオンの流れにより電気エネルギーが生成される。
【０００４】
通常、分離板は黒鉛系材料を使用して機械加工を通して流路を製作するが、この黒鉛分離板２００は図５に示すように、電極膜１０の両側に位置する各ガス拡散層１２の外側に配置され、冷却流路と主流路を有する。また、黒鉛分離板２００の主流路の側面には強度を維持しながら液滴排出の効率性を極大化するために、補助流路が溝形態に加工され、これは補助流路のない分離板に比べて分離板の厚さを増加させるだけでなく、分離板の強度を低下させる原因となっている。
【０００５】
しかし、黒鉛分離板は多くの製作費用だけでなく、黒鉛の強度問題により分離板自体を薄板化させることが難しい。脆性が強い黒鉛加工分離板の場合、強度維持のために主流路の間に通常２ｍｍ以上の隔壁を形成するため、分離板自体の厚さが厚くなるなどの問題点が随伴する。
【０００６】
このような問題を解決するために、分離板の材料は強度が優れると共に、薄板化が容易な金属を利用して製作している。図６に示すように、原材料の厚さが０．１〜０．２ｍｍの金属薄板をスタンピングなどの成形工法を利用して、主流路および冷却流路を有する構造の金属分離板３００が製作されており、この金属分離板３００は機械加工を通して流路を製作する黒鉛分離板に比べ、製作時間および費用を顕著に低減することができる。
【０００７】
しかし、原材料の厚さが０．１〜０．２ｍｍの金属薄板をスタンピングなどの成形工法を利用して流路を製作する金属分離板の場合、補助流路を直接金属薄板に加工することが難しかった。すなわち、既存の金属分離板の場合、アノード流路とカソード流路はチャンネルの底面が互いに接する構造を持つため、黒鉛分離板のようにチャンネルの底面に補助流路を加工すること自体が難しかった。補助流路を金属分離板に形成しないと、フラッディング現象に弱いとの問題点がある。そのため、これを解決することが課題となっていた。
【０００８】
フラッディングとは、気体の化学反応により生成された水が、外部に適切に排出されず、流路にたまって、反応ガスの拡散を阻害し、燃料電池の性能を低下させる現象である。燃料電池スタックのフラッディングを低減させることは、燃料電池の性能を向上させる重要な技術の一つである。
【０００９】
ここで、フラッディング現象が発生する理由は以下のとおりである。高分子電解質型燃料電池の化学的反応は、２つの反応、すなわち、酸化電極（ａｎｏｄｅ）での酸化反応と還元電極（ｃａｔｈｏｄｅ）での還元反応とで構成される。この時、還元電極には、電気化学反応により生成される水と電気浸透現象により酸化電極から移動した水が過量に存在し、この過量の水は、分離板チャンネルの中を流れる還元ガス（酸素もしくは空気）により一部蒸発して還元ガスを飽和させる。また、蒸発しなかった水は液体状態で気体拡散層や分離板チャンネルに存在する。従って、気体拡散層や分離板チャンネルに存在する過量の水が、適切に外部に排出されないなら、フラッディング現象を誘発し、燃料電池の性能や信頼性を低下させることになる。
【特許文献１】特開平７−２１１３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、金属分離板をスタンピングにて製作する際、金型を変更して主流路に補助流路を簡単に形成し、燃料電池の気体拡散層や分離板チャンネルに存在する過量の水が排出されないために生じるフラッディング現象を低減させることができる燃料電池用金属分離板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池用金属分離板は、燃料電池用金属分離板において、第１金属薄膜と第２金属薄膜の金属薄膜からなる金属分離板をスタンピング成形し、前記第１金属薄膜と第２金属薄膜が変形されて、前記第１金属薄膜と第２金属薄膜の内側に複数の冷却流路が形成され、前記冷却流路の間の前記第１と第２金属薄膜の外側に、凹形の各々第１および第２主流路が形成されると共に、前記第１および第２主流路の底面に各々第１および第２補助流路が形成されるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記第１金属薄膜の第１補助流路は、前記第１主流路の底面中央部に凹形に折り曲げられた空間であることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記第１補助流路は台形、半楕円形、四角形、三角形のうちいずれか一つの断面形状に形成されることを特徴とする。
【００１４】
さらに好ましくは、前記第１補助流路が形成された前記第１金属薄膜の内側に、凸形の差込み端が折り曲げられて形成されることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記第２主流路の底面中央部のある前記第２金属薄膜の内側に、前記第１金属薄膜の内側に形成された差込み端が挿入されて締結される、凹形の差込み溝が形成されることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記第２金属薄膜の内側に差込み溝が形成され、前記差込み溝の外側に設けられた前記第２主流路の底面中央部が凸形の突出部に形成されると共に、前記第２補助流路が、前記突出部の両側縁部分に凹形に形成されることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、燃料電池用電極膜の両側表面に形成された第１および第２ガス拡散層に前記金属分離板を配置し、一方の金属分離板は前記第１補助流路が第１ガス拡散層と向かい合うように配置され、他方の金属分離板は前記第２補助流路が第２ガス拡散層と向かい合うように配置されることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、前記第１および第２補助流路は前記第１および第２主流路の入口から出口まで連続的な構造に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は次のような効果を提供することができる。（１）金属分離板をスタンピング成形工法（金型使用）にて製作し、金属分離板の主流路の底面に補助流路が同時に成形されるようにしたので、別の加工工程を設けることなく補助流路を簡単に作ることができる。（２）主流路の底面に補助流路が形成されることにより、主流路に形成された液滴は補助流路と出会いながら補助流路に沿って早く伝播され、主流路を通した流体の流れを妨害することがなくなり、結果的にフラッディング現象を低減することができる。（３）既存の黒鉛分離板と異なり、補助流路をスタンピング工程で同時に形成するので、加工費用と加工時間が低減できる。（４）本発明による補助流路の形成時、互いに挿入、締結される差込み溝と差込み端を同時に形成することにより、分離板積層時の積層性を向上させることができ、分離板間のスリップを防止することができる。（５）本発明の補助流路は凹形構造に形成され、さらに差込み端および差込み溝を形成する構造は、分離板の強度を高め、燃料電池スタックのゆがみおよび変形を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。
【実施例】
【００２１】
前述のとおり、燃料電池用電極膜１０は水素陽イオンを移動させる固体高分子電解質膜と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、すなわち、カソードおよびアノードとで構成されており、このカソードおよびアノードが位置した外側部分にガス拡散層１２が位置し、このガス拡散層の外側には、燃料を供給して反応により発生した水を排出するように流路が形成された分離板が位置する。
【００２２】
本発明は上記のとおり配置される分離板を０．１〜０．２ｍｍの厚さを有する２個の金属薄膜をスタンピング成形工法にて製作し、スタンピング成形時、冷却流路および主流路だけでなく主流路の底面に補助流路が同時に形成されるようにした点に主眼点がある。
【００２３】
本発明の燃料電池用金属分離板１００は、図１〜図４に示されるように、同一構造に作られたものである。ただし、図１〜図４の補助流路の断面形状はそれぞれ異なって形成されたものである。断面形状は、図１が台形、図２が四角形、図３が半楕円形、図４が三角形の例である。ここで、本発明の金属分離板構造およびその製作方法の詳細は次のとおりである。
【００２４】
まず、金属分離板１００を２個の金属薄膜を利用したスタンピング成形工法にて製作する。スタンピング成形を行うための金型は、金属分離板に補助流路が形成される構造とする。本発明では、２個の金属薄膜中の一つを第１金属薄膜１０１とし、他方を第２金属薄膜１０２とする。
【００２５】
第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２をスタンピング金型に安着させた後、スタンピングを実施すると、互いに重なり合った第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２が外部方向に折り曲げられて変形され、その内部に冷却流路１０３のための空間が形成される。同時に、第１金属薄膜１０１と第２金属薄膜１０２の冷却流路１０３の間には、各々内部方向に折り曲げられて凹形の主流路が形成される。
【００２６】
すなわち、冷却流路１０３の間に第１金属薄膜１０１の外側に凹形に折り曲げられた第１主流路１０４が形成され、第２金属薄膜１０２の外側にも凹形に折り曲げられた第２主流路１０５が形成される。この時、スタンピングの実施と共に、上記のように第１および第２金属薄膜１０１、１０２に冷却流路１０３および主流路１０４、１０５が形成されるだけでなく、下記のように主流路１０４、１０５の側面に第１補助流路１０７、第２補助流路１０８も同時に形成される。
【００２７】
すなわち、一度のスタンピングで、第１および第２金属薄膜１０１、１０２の外側に各々第１および第２主流路１０４、１０５が形成されると同時に、この第１および第２主流路１０４、１０５の底面に各々第１および第２補助流路１０７、１０８が形成される。
【００２８】
ここで、補助流路の構造をより詳しく説明すると次のとおりである。第１金属薄膜１０１の第１補助流路１０７は第１主流路１０４の底面中央部に凹形に折り曲げられた形状に形成され、特に、第１補助流路１０７は台形、半楕円形、四角形、三角形のうちいずれか一つの断面形状にて形成される。第１補助流路１０７がスタンピング工程により第１主流路１０４の底面中央部に凹形に折り曲げられて形成される時、第１補助流路１０７が形成された第１金属薄膜１０１の内側は、凸形となる。すなわち、第１補助流路１０７が凹形に折り曲げられて形成されることによって、第１補助流路１０７が形成された第１金属薄膜１０１の内側には、凸形の差込み端１０９が形成される。
【００２９】
一方、一度のスタンピング工程により、第２金属薄膜１０２の外側にも第２主流路１０５が凹形の形状をなして形成される。スタンピング時、第２主流路１０５の底面中央部のある第２金属薄膜１０２の内側は、第１金属薄膜１０１の差込み端１０９が挿入して締結されるように、凹形の差込み溝１１０が形成される。そこで、第２金属薄膜１０２の内側に形成された差込み溝１１０の外側に設けられた第２主流路１０５の底面中央部は、凸形の突出部１１１に形成されるが、この突出部１１１の両側の縁部分を相対的に凹形として、この空間を第２主流路１０５の第２補助流路１０８とする。
【００３０】
このように、第１および第２金属薄膜１０１、１０２を利用したスタンピング成形工法により、反応により発生した熱を回収するための冷却流路１０３、反応気体の移動通路となる第１および第２主流路１０４、１０５、そして主流路の液滴移動を助け、フラッディング現象を緩和させる第１および第２補助流路１０７、１０８が含まれた構造の金属分離板１００を容易に製作することができる。
【００３１】
特に、本発明の金属分離板１００は第１金属薄膜１０１の差込み端１０９と第２金属薄膜１０２の差込み溝１１０が互いに挿入されて締結される構造を有するため、より容易な分離板の積層が可能であり、分離板間のスリップ現象を防止することができる。
【００３２】
このように製作された金属分離板１００は燃料電池用電極膜１０の両側表面に形成されたガス拡散層１２の外側に配置される。ここで、電極膜１０の一方の表面に形成されたガス拡散層を第１ガス拡散層１２ａとし、他方の表面に形成されたガス拡散層を第２ガス拡散層１２ｂとする。そして、第１および第２ガス拡散層１２ａ、１２ｂの外側に、前記のように製作された金属分離板１００が、各々位置される。一つの金属分離板１００は、第１主流路１０４および第１補助流路１０７が第１ガス拡散層１２ａと向かい合うように配置され、もう一方の金属分離板１００は、第２主流路１０５および第２補助流路１０８が第２ガス拡散層１２ｂと向かい合うように配置される。
【００３３】
一方、第１および第２補助流路と１０７、１０８は、第１および第２主流路１０４、１０５の入口から出口まで連続的に平行につながった構造に形成されることが好ましい。液滴の挙動が困難な部分にのみ局部的に形成することもできる。さらに、補助流路の個数は、主流路の底面に多数個に分岐した構造に拡張して形成することもできる。
【００３４】
このように、主流路に比べて幅が狭く、断面積の小さい補助流路が主流路の底面に沿ってスタンピング成形により同時に形成されることで、主流路に形成された液滴は補助流路に沿って早く伝播し、主流路の酸素もしくは空気の流体の流れを妨害しなくなり、結果的にフラッディングを低減させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、補助流路を有する燃料電池用金属分離板に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による燃料電池用金属分離板を表す断面図である。（具体例１）
【図２】本発明による燃料電池用金属分離板を表す断面図である。（具体例２）
【図３】本発明による燃料電池用金属分離板を表す断面図である。（具体例３）
【図４】本発明による燃料電池用金属分離板を表す断面図である。（具体例４）
【図５】従来の燃料電池用金属分離板（黒鉛系材料）の断面図である。
【図６】従来の燃料電池用黒鉛分離板（金属薄板）の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    電極膜
１２    ガス拡散層
１２ａ    第１ガス拡散層
１２ｂ    第２ガス拡散層
１００    金属分離板
１０１    第１金属薄膜
１０２    第２金属薄膜
１０３    冷却流路
１０４    第１主流路
１０５    第２主流路
１０７    第１補助流路
１０８    第２補助流路
１０９    差込み端
１１０    差込み溝
１１１    突出部
【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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