JP2007080612A - Separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池におけるセルスタック内に設けられるセパレータに関するものである。 The present invention relates to a separator provided in a cell stack in a fuel cell.
一般的に、燃料電池(固体高分子形燃料電池)は、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。ここで、単セルは、電解質膜が触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードにより挟み込まれ、更に、これらが一対のセパレータにより挟み込まれた構成である。ここで、セパレータは、燃料の流通路及び酸化剤の流通路を形成する役割,燃料と酸化剤との分離する役割,反応ガスを各単セルに供給したり、反応に使用されなかったガスを各単セルから排出させたりするガスマニホールドとしての役割,反応熱を除去するための冷却剤を流す役割,反応ガスを電池外部へ漏らさないためのシールの役割などを担っている。 Generally, a fuel cell (solid polymer fuel cell) has a configuration including a cell stack in which a plurality of single cells are stacked. Here, the single cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode including a catalyst layer and a gas diffusion layer, and these are sandwiched between a pair of separators. Here, the separator plays a role of forming a fuel flow path and an oxidant flow path, a role of separating the fuel and the oxidant, supplying a reactive gas to each single cell, and a gas not used in the reaction. It plays the role of a gas manifold that discharges from each single cell, the role of flowing a coolant to remove reaction heat, and the role of a seal to prevent the reaction gas from leaking outside the battery.
セパレータは、カーボンまたは金属を素材とするプレート状のものが一般的に用いられる。そして、金属製のプレートの場合には、反応領域付近に凹凸加工が施され、この凹凸部によって、燃料及び酸化剤の流通路が形成されるのが一般的である。また、このように凹凸加工が施されたプレートを2枚重ね合わせることで、プレート間にできた隙間を冷却剤の流通路として利用する技術も知られている(特許文献1〜6参照)。
As the separator, a plate-like material made of carbon or metal is generally used. In the case of a metal plate, uneven processing is generally performed in the vicinity of the reaction region, and a flow path for fuel and oxidant is generally formed by the uneven portion. In addition, a technique is also known in which a gap formed between two plates is used as a coolant flow path by superimposing two plates that have been subjected to uneven processing in this way (see
プレートを2枚重ねてセパレータを構成する場合には、一般的な1枚のプレートからなるセパレータの場合と同様に両面にそれぞれ燃料漏れ防止のためのガスケットと酸化剤漏れ防止のためのガスケットを設けるだけでなく、2枚プレート間にもガスケットを設けなければならない。そのため、ガスケットを形成する工程数も増えてしまうなどの課題がある。 When a separator is formed by stacking two plates, a gasket for preventing fuel leakage and a gasket for preventing oxidant leakage are provided on both surfaces in the same manner as in the case of a separator composed of a single plate. In addition, a gasket must be provided between the two plates. Therefore, there are problems such as an increase in the number of steps for forming the gasket.
これを解消する技術として、重ね合わせた2枚のプレートを貫通する貫通孔を設けて、この貫通孔を介してセパレータの両側のガスケットを連結させる技術が知られている(特許文献7参照)。この従来例に係るセパレータについて図5及び図6を参照して説明する。図5は従来例に係るセパレータの模式的断面図の一部である。図6は図5における一部拡大図である。なお、図6は、図5のうちガスケットが設けられている部分を拡大した図である。 As a technique for solving this problem, a technique is known in which a through-hole penetrating two stacked plates is provided and gaskets on both sides of the separator are connected through the through-hole (see Patent Document 7). The separator according to this conventional example will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a part of a schematic cross-sectional view of a separator according to a conventional example. FIG. 6 is a partially enlarged view of FIG. In addition, FIG. 6 is the figure which expanded the part in which the gasket is provided among FIG.
図示のように、この従来例に係るセパレータ500は、いずれも凹凸加工が施された第1プレート510と第2プレート520が重ね合わされた構成である。これにより、セパレータ500の両面に通路R1,R2が形成され、かつ、第1プレート510と第2プレート520との間にも通路R3が形成される。通路R1,R2はいずれか一方が燃料の流通路として利用され、他方が酸化剤の流通路として用いられる。また、通路R3は冷却剤の流通路として用いられる。
As shown in the figure, the
ここで、第1プレート510と第2プレート520には、それぞれ貫通孔511,512が設けられている。これらの貫通孔511,512は、第1プレート510と第2プレート520が重ね合わされた状態で連通し、セパレータ500を貫通する貫通孔が形成される。そして、この貫通孔を介して、セパレータ500の両面にそれぞれ設けられる一対のシール凸部531,532が連結される。
Here, the
このように、この従来例においては、セパレータ500の両面にそれぞれ設けられる一
対のシール凸部531,532を一体的に有するガスケット530を備えている。このガスケット530におけるシール凸部531,532は、一方が燃料の漏れ防止のために用いられ、他方が酸化剤の漏れ防止のために用いられる。また、これらシール凸部531,532を連結する部分により、冷却剤の漏れを防止することもできる。
As described above, this conventional example includes the
以上のように、この従来例によれば、一つのガスケット530で、燃料,酸化剤及び冷却剤の漏れを防止することができるため、ガスケットを形成する工程を減らすことができるという利点がある。
As described above, according to this conventional example, the leakage of fuel, oxidant, and coolant can be prevented with one
しかしながら、上記のように構成される従来例においては、ガスケット530を成形する際に、第1プレート510と第2プレート520との間の微小隙間Sに、射出成形時の圧力により、ガスケット530の材料(ゴム)の一部が入り込んでしまうおそれがある。図6中矢印Xで示す部分が、微小隙間Sに材料の一部が入り込んでしまった部分である。このように、微小隙間Sに材料の一部が入り込んでしまうと、シール性能に悪影響が出てしまうおそれがある。
However, in the conventional example configured as described above, when the
また、上記のように構成される従来例においては、第1プレート510と第2プレート520にそれぞれ設けられた貫通孔511,512が一致するように、第1プレート510と第2プレート520を位置合わせした状態で、ガスケット530を成形しなければならない。しかしながら、ガスケット530の成形時には、第1プレート510と第2プレート520に射出成形による圧力などの負荷がかかるため、ガスケット530の成形時に、第1プレート510と第2プレート520を正確に位置決めしておくのが難しいという問題もある。なお、予め、第1プレート510と第2プレート520を、接着剤などを用いて固定させておくことも考えられるが、その場合でも、隙間なく両者を正確に位置決め固定させるのは難しく、また、製造工程数が増えてしまうという問題がある。また、接着剤が第1プレート510と第2プレート520との間の隙間からはみ出さないようにするのも難しいと言う問題もある。
Further, in the conventional example configured as described above, the
以上のように、上記の従来例の場合にもいくつかの課題を残している。
本発明の目的は、製造が容易で、シール性能にも優れたセパレータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a separator that is easy to manufacture and excellent in sealing performance.
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
すなわち、本発明のセパレータは、
複数の単セルが重なり合って構成されるセルスタック内に設けられるセパレータであって、
表裏に凹凸が形成されたプレートが2枚重ね合わされて、
各プレートに形成された凹凸により、プレートとアノードとの間,プレートとカソード
との間、及び2枚のプレート間に形成された各隙間が、それぞれ燃料の流通路,酸化剤の流通路、及び冷却剤の流通路として用いられるセパレータにおいて、
2枚のうちの一方のプレートには貫通孔が設けられ、他方のプレートには一方のプレートに設けられた貫通孔の内周面に嵌まり込む筒状部が設けられると共に、
アノード側及びカソード側にそれぞれ設けられる一対のシール凸部,及びこれらのシール凸部を前記筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結する連結部を有し、燃料,酸化剤及び冷却剤の漏れを防止するガスケットを備えることを特徴とする。
That is, the separator of the present invention is
A separator provided in a cell stack configured by overlapping a plurality of single cells,
Two plates with irregularities formed on the front and back are superimposed,
Due to the irregularities formed in each plate, the gaps formed between the plate and the anode, between the plate and the cathode, and between the two plates are respectively a fuel flow path, an oxidant flow path, and In a separator used as a coolant flow path,
One of the two plates is provided with a through hole, and the other plate is provided with a cylindrical portion that fits into the inner peripheral surface of the through hole provided in one plate,
A pair of seal projections provided on the anode side and the cathode side, respectively, and a connecting portion for connecting these seal projections via a through hole on the inner peripheral surface side of the cylindrical portion; A gasket for preventing leakage of the coolant is provided.
本発明によれば、単一のガスケットによって、燃料,酸化剤及び冷却剤の漏れを防止することができるので、ガスケットを形成する工程が少なくて済む。また、他方のプレートに設けられた筒状部が、一方のプレートに設けられた貫通孔に嵌まり込むので、両者の位置決めを簡単に行うことができる。そして、セパレータの両面(アノード側及びカソード側)にそれぞれ設けられる一対のシール凸部は、他方のプレートに設けられた筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結されるため、プレート間にガスケットの材料の一部が入り込んでしまうこともない。 According to the present invention, the leakage of fuel, oxidant and coolant can be prevented by a single gasket, so that the number of steps for forming the gasket can be reduced. Moreover, since the cylindrical part provided in the other plate fits in the through-hole provided in one plate, both can be positioned easily. And since a pair of seal convex parts provided respectively on both surfaces (anode side and cathode side) of the separator are connected via a through hole on the inner peripheral surface side of the cylindrical part provided on the other plate, the plate Part of the gasket material does not get in between.
また、前記筒状部における一方のプレート側の端部に、一方のプレートに設けられた貫通孔の開口端部を挟み込む折り曲げ部が設けられているとよい。 Moreover, it is good for the edge part by the side of one plate in the said cylindrical part to provide the bending part which pinches | interposes the opening edge part of the through-hole provided in one plate.
このようにすれば、2枚のプレートを、予め位置決め固定することができる。 In this way, the two plates can be positioned and fixed in advance.
以上説明したように、本発明によれば、製造が容易で、シール性能も向上する。 As described above, according to the present invention, manufacturing is easy and the sealing performance is improved.
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be exemplarily described in detail below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. .
図1〜図3を参照して、本発明の実施例1に係るセパレータについて説明する。図1は本発明の実施例1に係る燃料電池の模式的断面図である。図2は本発明の実施例1に係るセパレータの平面図である。図3は本発明の実施例1に係るセパレータの断面図の一部である。なお、図3は図2中のAA断面に相当する。
With reference to FIGS. 1-3, the separator which concerns on Example 1 of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to
<燃料電池>
特に、図1を参照して、燃料電池の構成について説明する。なお、図1では、複数の単セルを備えた燃料電池のうち、一部の単セル群についてのみ示している。燃料電池(固体高分子形燃料電池)は、上記の通り、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。
<Fuel cell>
In particular, the configuration of the fuel cell will be described with reference to FIG. In FIG. 1, only a part of the single cell group among the fuel cells including a plurality of single cells is shown. As described above, the fuel cell (solid polymer fuel cell) includes a cell stack in which a plurality of single cells are stacked.
まず、単セルについて説明する。単セルは、触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードが電解質膜を挟み込んだ構成である。本実施例では、電解質膜の両面に、それぞれ触媒層とガス拡散層が一体的に設けられたMEA200を備えており、電解質膜の一方の面に設けられる触媒層及びガス拡散層がアノードとして機能し、他方の面に設けられる触媒層及びガス拡散層がカソードとして機能する。このMEA200は、一対のセパレータ100によって挟み込まれる。そして、このMEA200と、MEA200を挟み込んだ一対のセパレータ100の対向面によって単セルが構成される。
First, a single cell will be described. The single cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode made of a catalyst layer and a gas diffusion layer. In this embodiment, the
また、単セルにおけるアノード側に水素を含む燃料を流し、カソード側に酸素を含む酸化剤を流すことで、触媒層において反応が生じて発電がなされる。すなわち、アノードでは、水素がプロトンと電子に分かれ、プロトンは水分子を伴って膜中を通ってカソードに移動し、電子は外部回路を通ってカソードに移動する。カソードでは酸化剤中の酸素とアノードから移動してきたプロトンと電子とが反応して水が生成される。このようにして、カソード側からアノード側に電流が流れる。 In addition, when a fuel containing hydrogen is allowed to flow on the anode side of the single cell and an oxidizing agent containing oxygen is allowed to flow on the cathode side, a reaction occurs in the catalyst layer to generate power. That is, at the anode, hydrogen is divided into protons and electrons, and the protons move with water molecules through the membrane to the cathode, and the electrons move through the external circuit to the cathode. At the cathode, oxygen in the oxidant reacts with protons and electrons moving from the anode to generate water. In this way, current flows from the cathode side to the anode side.
このように構成される単セルが複数重ね合わせられることで、セルスタック1が構成される。すなわち、図1に示すように、セパレータ100とMEA200が交互に配置され、MEA200の両面のうちの一方がアノード300となり、他方がカソード400となり、アノード300とカソード400も交互に設けられる。これにより、単セルが直列につながれた状態となり、燃料電池全体では大きな発電力が得られる。
A
<セパレータ>
特に、図2及び図3を参照して、本実施例に係るセパレータについて詳細に説明する。本実施例に係るセパレータ100は、金属製の第1プレート110と、同じく金属性の第2プレート120と、ゴム製のガスケット130とを備えている。図3に示すように、第1プレート110と第2プレート120が重ね合わされて、セパレータ100が構成される。本実施例では、第1プレート110側をアノード,第2プレート120側をカソードとして用いる場合を例にして説明する。
<Separator>
In particular, the separator according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. The
第1プレート110は、薄い金属板から構成されており、反応領域に凹凸加工(例えば、プレス加工)が施されている。これにより、MEA200側に突出する凸部111はMEA200に当接又は近接し、凸部111間の凹部112はMEA200から離れた状態となり、特に凹部112において、MEA200との間に隙間が形成される。この隙間によって、燃料が流通する通路R1が形成される。
The
なお、図2においては、反応領域全域に至るように蛇行する1本の流通路が形成された様子を模式的に示しているが、勿論、流通路は1本で構成する必要はなく、複数本形成することができる。 FIG. 2 schematically shows a state in which one flow path that meanders so as to reach the entire reaction region is formed, but it is needless to say that the flow path does not need to be configured by one, and a plurality of flow paths are formed. This can be formed.
第2プレート120も同様に薄い金属板から構成されており、反応領域に凹凸加工(例えば、プレス加工)が施されている。これにより、MEA200側に突出する凸部121はMEA200に当接又は近接し、凸部121間の凹部122はMEA200から離れた状態となり、特に凹部122において、MEA200との間に隙間が形成される。この隙間によって、酸化剤が流通する通路R2が形成される。
Similarly, the
そして、第1プレート110における凸部111と、第2プレート120における凸部121との間にも隙間が形成される。この隙間によって、冷却剤が流通する通路R3が形成される。
A gap is also formed between the
また、第1プレート110には円形の貫通孔113が設けられている。そして、第2プレート120には、この貫通孔113の内周面に嵌まり込む円筒部123が設けられている。このように、第2プレート120に設けられた円筒部123を第1プレート110に設けられた貫通孔113に嵌め込むことにより、第1プレート110と第2プレート120は位置決めされる。なお、貫通孔113と円筒部123の個数は、プレートの形状や大きさに応じて、適宜設定すればよい。確実に位置決めするためには、最低2個設ければ良く、図示のように、セパレータの形状が四角形の場合には、各辺に最低1個ずつ設けると好適である。
The
このように、第1プレート110と第2プレート120が位置決めされた状態で、ガスケット130が成形により形成される。ガスケット130は、第1プレート110側に設けられる第1シール凸部131と、第2プレート120側に設けられる第2シール凸部132と、これらを連結する連結部133とを備えている。これら第1シール凸部131,第2シール凸部132及び連結部133は、一体成形により一体的に構成される。
Thus, the
第1シール凸部131は、第1プレート110において凹凸加工が施された領域を取り囲むように設けられており、燃料の漏れを防止する機能が発揮される。また、第2シール凸部132は、第2プレート120において凹凸加工が施された領域を取り囲むように設けられており、酸化剤の漏れを防止する機能が発揮される。
The first seal
そして、連結部133は、第2プレート120に設けられた円筒部123の内周面側の貫通孔を介して、第1シール凸部131と第2シール凸部132を連結するように構成される。この連結部133付近により、冷却剤の漏れを防止する機能が発揮される。
The connecting
<本実施例の優れた点>
本実施例に係るセパレータ100によれば、連結部133は、第2プレート120に設けられた円筒部123の内周面側の貫通孔を介して、第1シール凸部131と第2シール凸部132を連結する構成であることから、ガスケット130を成形する際の射出成形圧力によって、材料の一部が第1プレート110と第2プレート120との間の隙間に入り込んでしまうことを防止できる。これにより、第1プレート110と第2プレート120が剥離してしまうことを防止でき、安定したシール性能を発揮させることができる。
<Excellent points of this embodiment>
According to the
また、第2プレート120に設けられた円筒部123を第1プレート110に設けられた貫通孔113に嵌め込むことで、第1プレート110と第2プレート120を、接着剤などを用いることなく簡単に位置決めすることができる。また、貫通孔113の内周面に円筒部123を嵌め込んでいることから、ガスケット130の成形時において、射出成形圧力を受けても、第1プレート110と第2プレート120の位置ずれを防止することができる。なお、貫通孔113と円筒部123を2組以上設けることによって、第1プレート110と第2プレート120の回転方向のずれが防止されるので、より確実にこれらの位置ずれを防止することができる。ただし、円筒部123の代わりに平面形状が円以外の形状(例えば、楕円,方形,星型)の筒状部として、貫通孔113の形状もその形状に沿った形状とすれば、1つだけでも、回転方向のずれを防止することができる。
Further, by fitting the
更に、本実施例によれば、単一のガスケット130によって、燃料,酸化剤及び冷却剤の漏れを防止できるため、それぞれ専用のガスケットを形成する必要が無く、ガスケットを形成する工程が少なくて済む。
Furthermore, according to the present embodiment, the leakage of fuel, oxidant and coolant can be prevented by the
このように、ガスケットを形成する工程が少なく、かつ、第1プレート110と第2プレート120を簡単に位置決めすることができるので、セパレータ100を簡単に製造することができる。
As described above, the number of steps for forming the gasket is small, and the
<その他>
本実施例では、第1プレート110側をアノード,第2プレート120側をカソードとして用いる場合を示したが、第1プレート110側をカソード,第2プレート120側をアノードとして用いても良い。この場合、通路R1には酸化剤が流通し、通路R2には燃料が流通することは言うまでもない。
<Others>
In this embodiment, the case where the
また、本実施例では、第2プレート120に円筒部123を設け、第1プレート110には、この円筒部123に対応させて円形の貫通孔113を設ける場合の構成を示したが
、形状についてはこれらに限られるものではない。
In the present embodiment, a configuration in which the
なお、反応ガス(燃料及び酸化剤)や冷却剤を各単セルに送り込んだり、反応後の反応ガス及び反応により生じた水や冷却剤を各単セルから排出させたりするための構成(マニホールドなど)については、適宜、公知技術を適用できるので、本実施例では、その説明は省略する。 A configuration for sending reaction gas (fuel and oxidant) and coolant to each single cell, and for discharging reaction gas after reaction and water or coolant generated by the reaction from each single cell (manifold etc.) Since a publicly-known technique can be applied as appropriate, the description thereof is omitted in this embodiment.
図4には、本発明の実施例2が示されている。本実施例では、上記実施例1における第2セパレータに設けた円筒部の変形例を示す。その他の構成および作用については実施例1と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。図4は本発明の実施例2に係るセパレータの断面図の一部である。 FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a modification of the cylindrical portion provided in the second separator in the first embodiment will be described. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. FIG. 4 is a part of a sectional view of a separator according to Example 2 of the present invention.
図示のように、本実施例に係るセパレータ100aにおいては、第2プレート120aに設けられた円筒部123aの第1プレート110側の端部に、第1プレート110に設けられた貫通孔113の開口端部を挟み込む折り曲げ部124が設けられている。
As illustrated, in the
この折り曲げ部124は、第2プレート120aに設ける円筒部を長めに設けておいて、その端部をプレス加工などによってかしめることにより形成することができる。
The
本実施例によれば、上記実施例1と同様の効果が得られるほか、折り曲げ部124によって、貫通孔113の開口端部を挟み込むことで、第1プレート110と第2プレート120aを、位置決めだけでなく、固定することができる。従って、ガスケット130を成形する場合に、実施例1の場合に比べて、第1プレート110と第2プレート120aの取り扱いが容易になり、また、射出成形時におけるこれらの位置ずれをより確実に防止することが可能となる。
According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the
1 セルスタック
100,100a セパレータ
110 第1プレート
111 凸部
112 凹部
113 貫通孔
120,120a 第2プレート
121 凸部
122 凹部
123,123a 円筒部
124 折り曲げ部
130 ガスケット
131 第1シール凸部
132 第2シール凸部
133 連結部
200 MEA
300 アノード
400 カソード
R1,R2,R3 通路
1
300
Claims (2)
表裏に凹凸が形成されたプレートが2枚重ね合わされて、
各プレートに形成された凹凸により、プレートとアノードとの間,プレートとカソードとの間、及び2枚のプレート間に形成された各隙間が、それぞれ燃料の流通路,酸化剤の流通路、及び冷却剤の流通路として用いられるセパレータにおいて、
2枚のうちの一方のプレートには貫通孔が設けられ、他方のプレートには一方のプレートに設けられた貫通孔の内周面に嵌まり込む筒状部が設けられると共に、
アノード側及びカソード側にそれぞれ設けられる一対のシール凸部,及びこれらのシール凸部を前記筒状部の内周面側の貫通孔を介して連結する連結部を有し、燃料,酸化剤及び冷却剤の漏れを防止するガスケットを備えることを特徴とするセパレータ。 A separator provided in a cell stack configured by overlapping a plurality of single cells,
Two plates with irregularities formed on the front and back are superimposed,
Due to the irregularities formed in each plate, the gaps formed between the plate and the anode, between the plate and the cathode, and between the two plates are respectively a fuel flow path, an oxidant flow path, and In a separator used as a coolant flow path,
One of the two plates is provided with a through hole, and the other plate is provided with a cylindrical portion that fits into the inner peripheral surface of the through hole provided in one plate,
A pair of seal projections provided on the anode side and the cathode side, respectively, and a connecting portion for connecting these seal projections via a through hole on the inner peripheral surface side of the cylindrical portion; A separator comprising a gasket for preventing leakage of a coolant.
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