JP7309596B2

JP7309596B2 - 燃料電池用接合セパレータ

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Publication number: JP7309596B2
Application number: JP2019231102A
Authority: JP
Inventors: 健斗鈴木; 堅太郎石田; 和男布川; 章仁儀賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: JP2021099927A; CN113097526A; US20210194020A1; US11431003B2; CN113097526B

Description

本発明は、燃料電池用接合セパレータに関する。

例えば、特許文献１には、接合セパレータを備えた燃料電池セルが開示されている。
燃料電池セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟む一対の接合セパレータと、を備えている（特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に関連する接合セパレータの一例を示す断面図である。接合セパレータ１２０は、図６に示すように、第１金属セパレータ１０１と、第２金属セパレータ１０２とを接合して形成されている。第１金属セパレータ１０１および第２金属セパレータ１０２は、凸状を呈するシール用ビード部１１１を備えている。第１金属セパレータ１０１と第２金属セパレータ１０２とは、シール用ビード部１１１が突出する側の面とは反対側の面同士が接合されている。シール用ビード部１１１の先端には、シール部材１１３が設けられている。

接合セパレータ１２０のうち、シール用ビード部１１１，１１１でビードシール部１２１が形成されている。一対の接合セパレータ１２０，１２０は、対向するビードシール部１２１，１２１同士で電解質膜又は電解質膜外周の樹脂フィルムを挟持してシールすることにより、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスの漏洩を防ぐことができる。

特開２０１７－１３９２１８号公報

ビードシール部１２１は、凸状のシール用ビード部１１１の反力と、シール部材１１３の追従性によりシール性を確保している。しかしながら、シール用ビード部１１１の反力は、シール用ビード部１１１（ビードシール部１２１）の断面形状の誤差や、シールライン形状（ビードシール部１２１の平面形状）の影響により、箇所によるばらつきが生じる場合がある。ビードシール部１２１の反力にばらつきがある場合には、面圧がばらつき、シール性に影響がでるおそれがある。

本発明はかかる課題を解決するために発明されたものであり、ビードシール部の面圧のばらつきを抑制し、シール性の均一化を図ることが可能な燃料電池用接合セパレータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、一対の金属セパレータが接合された燃料電池用接合セパレータであって、互いに反対方向に突出する一対のシール用ビード部で構成されたビードシール部と、前記ビードシール部の内部に配置された弾性体と、セパレータの厚さ方向に貫通して形成され反応ガス又は冷媒が流通する複数の第１連通孔と、を有し、前記ビードシール部は、セパレータの外周縁に沿うように形成されるとともに前記第１連通孔の形状に沿うように形成され、前記弾性体は、前記ビードシール部内において所定の長さで配設されていることを特徴とする。

かかる燃料電池用接合セパレータによれば、ビードシール部の内部に設けられた弾性体の反力により、低反力部の面圧が向上する。これにより、ビードシール部の箇所による面圧のばらつきを抑制することが可能となり、その結果、所望の面圧をビードシール部全周（全長）にわたって確保することが可能となる。

本発明の燃料電池用接合セパレータによれば、ビードシール部の面圧のばらつきを抑制し、シール性の均一化を図ることが可能となる。

実施例１に係る燃料電池セルの断面図である。実施例１に係る燃料電池用セパレータの組付け前の断面図である。燃料電池用接合セパレータの製造方法の弾性体配置工程を示す断面図である。実施例２に係る燃料電池用接合セパレータの平面図である。実施例２に係る燃料電池用接合セパレータにおいて、第２連通孔の周囲に形成されたビードシール部の組付け前の断面図である。実施例２に係る燃料電池用接合セパレータにおいて、第２連通孔の周囲に形成されたビードシール部に圧縮荷重が付与された後の断面図である。特許文献１に関連する接合セパレータの一例を示す断面図である。

実施形態に係る燃料電池用接合セパレータおよびその製造方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、燃料電池セル１は、電解質膜・電極構造体２と、電解質膜・電極構造体２を挟む一対の燃料電池用接合セパレータ３，３と、を備えている。

燃料電池用接合セパレータ３は、互いに反対方向に突出する一対の板厚方向の圧縮荷重により弾性変形するシール用ビード部３１，３１で構成されたビードシール部４１と、ビードシール部４１の内部に配置された弾性体４と、を有する。

本実施形態に係る燃料電池用接合セパレータの製造方法では、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを、シール用ビード部３１が突出する側の面とは反対側の面同士を突き合わせつつ、一対のシール用ビード部３１の間に弾性体４を配置した状態で、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを接合して燃料電池用接合セパレータ３を形成する。これにより、シール用ビード部３１同士を接合することにより形成されたビードシール部４１内の弾性体４の反力により低反力部の面圧が向上し、所望の面圧を確保することが可能となる。以下、実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
燃料電池セル１は、アノード側より供給される水素（燃料ガス）と、カソード側より供給される酸素（酸化剤ガス）との化学反応により発電する部材である。燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セル１を並設させ、燃料電池セル１の厚さ方向に所定の圧縮荷重を付与したものである。図１では、所定の圧縮荷重を付与した状態の燃料電池セル１を描画している。

電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２は、電解質膜１１と、電極触媒層１２，１２と、ガス拡散層１３，１３とを含んで構成されている。電解質膜１１は、ガス拡散層１３よりも外側に張り出している。なお、ガス拡散層１３よりも外側に張り出す部分は、樹脂フィルム（樹脂枠部材）である場合もある。

燃料電池用接合セパレータ３は、電解質膜・電極構造体２の一方側（図１では下側）および他方側（図１では上側）にそれぞれ配置される板状部材である。電解質膜・電極構造体２を上下から挟む一対の燃料電池用接合セパレータ３，３は同じ形状・構成になっている場合が多い。

燃料電池用接合セパレータ３は、シール領域Ｒ１を形成するビードシール部４１と、ビードシール部４１に並設された複数のストッパー部４２とを有する。ストッパー部４２は、スタックされた状態で外乱（温度変化や衝突等）が発生した際にビードシール部４１が予め設定された最大圧縮量を超えて変形しないように支持する（外乱による荷重を受ける）部位である。

ビードシール部４１は、電解質膜１１に向けて突出しており、例えば、無端状態となるように燃料電池セル１の外周縁の全周に亘って形成されている。ビードシール部４１は、本実施例では１つであるが複数設けてもよい。ビードシール部４１の内部には弾性体４が設けられている。また、ビードシール部４１の先端には、シール部材５が設けられている。

弾性体４は、ビードシール部４１の内部において、延長方向に断続的又は連続的に設置されている。弾性体４は、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）からなる直径（線径）１ｍｍ程度の断面円形の部材である。弾性体４の線径は、ビードシール部４１の圧縮後の空間高さ及び容積率等に応じて適宜決定すればよい。なお、弾性体４を構成する材料は、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）に限定されるものではなく、例えば、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等を用いることができる。

シール部材５は、弾性材料で形成されており、本実施例では断面矩形のフラットガスケットである。シール部材５は、弾性を有する材料で形成すればよく、例えば、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ＳＩＦＥＬ（登録商標：信越化学工業株式会社）、樹脂等を用いることができる。シール部材５は、ビードシール部４１の延長方向に連続して設置されている。

ストッパー部４２は、複数個形成されており、電解質膜１１に向けて突出するとともに電解質膜１１に圧縮荷重を受けることなく当接するか、若しくはわずかな隙間をあけて対向している。ストッパー部４２は、ビードシール部４１の延長方向に沿って、直線状又は曲線状に延設されている。

シール領域Ｒ１は、一方（図１において下側）の燃料電池用接合セパレータ３のビードシール部４１と、他方（図１において上側）の燃料電池用接合セパレータ３のビードシール部４１とで電解質膜１１（または樹脂枠）を挟持することにより形成されている。シール領域Ｒ１によって、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスの漏洩を防ぐことができる。

また、燃料電池用接合セパレータ３のリブ部３３，３３で反応面・流路部４３が形成されている。一方の燃料電池用接合セパレータ３の反応面・流路部４３と、他方の燃料電池用接合セパレータ３の反応面・流路部４３とで電解質膜・電極構造体２（ガス拡散層１３，１３）を挟持することにより、反応ガスが流通する反応領域が形成されている。

次に、本実施例の燃料電池セル１の製造方法について説明する。燃料電池セル１の製造方法は、燃料電池用接合セパレータの製造方法を含んでおり、セパレータ成形工程と、弾性体配置工程と、接合セパレータ形成工程と、組付け工程と、圧縮工程とを行う。

セパレータ成形工程は、第１金属セパレータ２１および第２金属セパレータ２２を成形する工程である。第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２は同じ外形形状になっている。セパレータ成形工程では、平板状の厚さ０．０７～０．２０ｍｍ程度の金属薄板（素材）をプレス成形することにより第１金属セパレータ２１および第２金属セパレータ２２を形成する。

第１金属セパレータ２１は、単一の凸状を呈するシール用ビード部３１と、複数の凸状を呈するストッパー用ビード部３２（本実施例ではシール用ビード部３１を挟んで２つずつ）とを備えている（図２参照）。シール用ビード部３１およびストッパー用ビード部３２はいずれもフルビード形状である。フルビード形状とは、ガスケットのシールビード構造において、同じ高さの平面部間に断面台形又は断面円弧形のビードを設けたものをいう。ストッパー用ビード部３２の板厚方向の突出高さは、シール用ビード部３１よりも小さくなっている。なお、シール用ビード部３１およびストッパー用ビード部３２の個数、配置はあくまで例示であって、適宜設定すればよい。

弾性体配置工程は、一対のシール用ビード部３１，３１の間に弾性体４を配置する工程である。弾性体配置工程では、図３に示すように、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを、シール用ビード部３１が突出する側の面とは反対側の面同士を突き合わせつつ、シール用ビード部３１同士の間に断面円形の弾性体４を配置する。すなわち、弾性体４は、互いに反対方向に突出する一対のシール用ビード部３１，３１で構成されたビードシール部４１の内部に配置する。

接合セパレータ形成工程は、燃料電池用接合セパレータ３を形成する工程である。接合セパレータ形成工程では、図２に示すように、シール用ビード部３１同士の間に弾性体４を挟んだ状態で、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを接合して燃料電池用接合セパレータ３を形成する。第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とは外周及び第一連通孔（図４の第１連通孔６１参照）の周囲をロウ付け、かしめ、溶接等で一体化する。

シール用ビード部３１，３１で構成されたビードシール部４１は中空部を備えている。ビードシール部４１の中空部には、弾性体４が配設されている。ビードシール部４１の両端（図面において上面および下面）にはシール部材５，５をそれぞれ取り付ける。また、ストッパー用ビード部３２，３２で構成されたストッパー部４２も中空部を備えている。

組付け工程は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体２（電解質膜１１）を、一対の燃料電池用接合セパレータ３，３で挟む工程である。

圧縮工程は、組み付けられた燃料電池セル１を複数個並設させつつ、所定の圧縮荷重を付与して燃料電池スタック（燃料電池セル１）を形成する工程である（図１参照）。ビードシール部４１同士で所定の荷重で電解質膜１１を挟み込むと、シール領域Ｒ１が形成される。ストッパー部４２と電解質膜１１とは圧縮荷重を受けることなく当接するか、わずかな隙間をあけて対向する。図１に示すように、燃料電池セル１に圧縮荷重を付与することで、ビードシール部４１が圧縮される。ビードシール部４１の圧縮に伴い、弾性体４は、ビードシール部４１の内面（少なくとも上下の面）に密着した状態で、略楕円形状に圧縮される。弾性体４の弾性率は、シール用ビード部３１の弾性率よりも大きくなっている。圧縮された弾性体４は、ビードシール部４１内において、ビード断面積の８０～９０％程度で充填されるのが望ましい。

次に、本実施例の作用効果について説明する。
本実施例の燃料電池用接合セパレータ３によれば、ビードシール部４１内に設けられて、圧縮された弾性体４の反力により、低反力部の面圧が向上するため、ビードシール部４１の箇所による面圧のばらつきを抑制することができる。

また、ストッパー部４２を有しているため、スタックされた状態で外乱が発生した際に、ビードシール部４１が予め設定された最大圧縮量を超えて変形しないように支持することができる。これにより、ビードシール部４１の面圧を安定させることができるため、所望のシール面圧を安定的に得ることができる。

以上のように実施形態および実施例について説明したが、適宜設計変更が可能である。前記したストッパー部４２は、電解質膜１１を挟んで両側に配置されているが、片側のみに配置される領域があってもよいし、一列でもよい。

［実施例２］
図４及び図５Ａ，５Ｂに記載された実施例２では、燃料電池用接合セパレータ３のうち、弾性体４，４Ａの配設位置の一例について説明する。説明の便宜上、図４における「上下」、「左右」は図４の矢印に従う。

図４に示すように、実施例２の燃料電池用接合セパレータ３は、複数のビードシール部４１と、複数の弾性体４，４Ａと、複数の第１連通孔６１と、複数の第２連通孔６５とを備えている。

第１連通孔６１は、セパレータの厚さ方向に貫通して形成され反応ガス又は冷媒が流通する孔である。第１連通孔６１の形状は、本実施例では多角形状を呈するが、円形、楕円形等他の形状であってもよい。第１連通孔６１の個数は特に制限されないが、本実施例では燃料電池用接合セパレータ３の左側に３つ（第１連通孔６１Ａ～６１Ｃ）形成され、右側に３つ（第１連通孔６１Ｄ～６１Ｆ）形成されている。

例えば、左側に形成された第１連通孔６１Ａから流入した反応ガスは、燃料電池用接合セパレータの中央に形成された反応ガス流路７１を通って電解質膜・電極構造体２（図１参照）の電極触媒層１２で化学反応により消費されて発電が行われる。消費された反応ガスは反応ガス流路７１を通って右側に形成された第１連通孔６１Ｆから流出するように形成されている。

第１連通孔６１Ａの周囲には、第１連通孔６１Ａの形状に沿って全周に亘ってビードシール部４１Ａが形成されている。同様に、第１連通孔６１Ｂ～６１Ｆの周囲には、各第１連通孔の形状に沿って全周に亘ってビードシール部４１Ｂ～４１Ｆが形成されている。ビードシール部４１Ａ～４１Ｆの内部には、本実施例では弾性体４は配設されていない。

また、本実施例では、燃料電池用接合セパレータ３の外周縁に沿うように形成されるとともに第１連通孔６１Ａ～６１Ｆの形状に沿うように形成されたビードシール部４１（ビードシール部４１Ｇ）が形成されている。ビードシール部４１Ｇは、上部及び下部においては燃料電池用接合セパレータ３の上縁及び下縁とそれぞれ平行に形成されている。また、ビードシール部４１Ｇは、左右両側においては、ビードシール部４１Ａ～４１Ｃ、ビードシール部４１Ｄ～４１Ｆの間をそれぞれジグザグに通るように形成されている。

ビードシール部４１Ｇの成形後の高さが低い箇所、つまり、初期ビード高さが他の箇所より低い位置には、内部に所定の長さで、圧縮荷重を付与する前の形状が断面円形の弾性体４が配設されている。弾性体４の直径を例えば１．０ｍｍに設定した場合、潰し代は２０～４０％程度が望ましい。

また、弾性体４は、例えば、ビードシール部４１Ｇのうち曲部（Ｒ部）にも配設されている。また、弾性体４は、ビードシール部４１Ｇのうち、ビードシール部４１Ｇとビードシール部４１Ｊとが突き当たる位置にも配設されている。このようにビードシール部４１，４１同士が突き当たる部位でも面圧の低下が発生しやすいため、弾性体４を配置して面圧を確保することが好ましい。

ビードシール部４１Ｈは、燃料電池用接合セパレータ３の外周縁に沿うように周方向全体に亘って形成されている。ビードシール部４１Ｈの内部には、本実施例では弾性体４は配設されていない。

また、燃料電池用接合セパレータ３の角部には、空気抜き用又は冷媒ドレン用の第２連通孔６５が形成されている。第２連通孔６５は、本実施例では平面視円形を呈するが、楕円形、多角形であってもよい。第２連通孔６５の個数は特に制限されないが、本実施例では２つ形成されている。空気抜き用の第２連通孔６５は、冷媒中の空気を抜くための孔である。冷媒ドレン用の第２連通孔６５は、冷媒を排出するための孔である。

第２連通孔６５Ａの周囲には、第２連通孔６５Ａの形状に沿ってビードシール部４１Ｉが形成されている。ビードシール部４１Ｊは、ビードシール部４１Ｉとビードシール部４１Ｇとを連結する部位である。

第２連通孔６５Ｂの周囲には、第２連通孔６５Ｂの形状に沿ってビードシール部４１Ｋが形成されている。ビードシール部４１Ｌは、ビードシール部４１Ｋとビードシール部４１Ｇとを連結する部位である。

ビードシール部４１Ｉには、弾性体４Ａが配設されている。弾性体４Ａは、図５Ａに示すように、圧縮荷重を付与する前の形状が長丸形状を呈する。つまり、弾性体４Ａは、対向する一対の直線部と、対向する一対の曲線部を備えている。弾性体４Ａは、楕円形状であってもよい。図５Ｂに示すように、圧縮荷重が付与されると、弾性体４Ａは、ビードシール部４１Ｉの形状に沿って潰れ、ビードシール部４１Ｉ内においてビード断面積の８０～９０％程度で充填されるのが望ましい。

弾性体４Ａの潰し代は適宜設定すればよいが、例えば、高さ寸法の５～２０％の範囲で適宜設定することができる。

ビードシール部４１Ｉと同様に、ビードシール部４１Ｋにも弾性体４Ａが配設されている。弾性体４Ａの長さは適宜設定すればよいが、例えば、ビードシール部４１Ｉ，４１Ｋでは、セパレータの外周側に周方向の３／４程度に亘って配設されている。

以上説明した本実施例によっても実施例１と同等の効果を得ることができる。ここで、例えば、ビードシール部４１Ｇにおいて、ビードシール部４１Ｇを構成するシール用ビード部３１（図２参照）の成形後の高さが低い場合（初期ビード高さが他に比べて低い位置がある場合）、当該箇所が低反力部となって所望の面圧が得られないおそれがある。また、例えば、ビードシール部４１，４１同士が突き当たる部位で面圧が低下する傾向がある。しかし、本実施例によれば、ビードシール部４１Ｇの低反力部の内部に所定の長さで断面円形の弾性体４を配設することにより、低反力部の面圧を改善することができる。

また、空気抜き用又は冷媒ドレン用に設けられた第２連通孔６５には積層方向に圧縮荷重を付与する際に、大きな荷重が作用する傾向がある。そこで、例えば、第２連通孔６５（６５Ａ，６５Ｂ）のように、圧縮荷重を付与する時に大きな荷重が作用する部位に断面長丸形状又は楕円形状の弾性体４Ａを配設することにより、所定の最大荷重を超えないようにすることができる。つまり、ビードシール部４１（４１Ｉ，４１Ｋ）が所定の最大圧縮量を超えないように弾性体４Ａをストッパーとして機能させることができる。

１燃料電池セル
２電解質膜・電極構造体
３燃料電池用接合セパレータ
４弾性体
４Ａ弾性体
５シール部材
１１電解質膜（フィルム）
２１第１金属セパレータ
２２第２金属セパレータ
４１ビードシール部
４２ストッパー部
６１第１連通孔
６５第２連通孔
Ｒ１シール領域

Claims

一対の金属セパレータが接合された燃料電池用接合セパレータであって、
互いに反対方向に突出する一対のシール用ビード部で構成されたビードシール部と、
前記ビードシール部の内部に配置された弾性体と、
セパレータの厚さ方向に貫通して形成され反応ガス又は冷媒が流通する複数の第１連通孔と、を有し、
前記ビードシール部は、セパレータの外周縁に沿うように形成されるとともに前記第１連通孔の形状に沿うように形成され、
前記弾性体は、前記ビードシール部の初期ビード高さが他に比べて低い位置において当該ビードシール部内に所定の長さで配設されていることを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
一対の金属セパレータが接合された燃料電池用接合セパレータであって、
互いに反対方向に突出する一対のシール用ビード部で構成されたビードシール部と、
前記ビードシール部の内部に配置された弾性体と、
セパレータの厚さ方向に貫通して形成され反応ガス又は冷媒が流通する複数の第１連通孔と、を有し、
前記ビードシール部は、セパレータの外周縁に沿うように形成されるとともに前記第１連通孔の形状に沿うように形成され、
前記弾性体は、前記ビードシール部内において所定の長さで配設されており、
前記セパレータの厚さ方向に貫通して形成され、空気抜き用又は冷媒ドレン用に設けられた第２連通孔を有し、
前記第２連通孔の周囲に形成されたビードシール部内において所定の長さで前記弾性体が配設されていることを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
積層方向に圧縮荷重が付与されていない状態において、前記弾性体の断面形状が円形状を呈することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用接合セパレータ。
積層方向に圧縮荷重が付与されていない状態において、前記第２連通孔の周囲に形成された前記ビードシール部内に配設された前記弾性体の断面形状は、楕円形状又は長丸形状を呈することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用接合セパレータ。
前記ビードシール部に並設されたストッパー部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用接合セパレータ。