JP2005093394A - セパレータおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 導電材料からなる導電部31,41が絶縁材料からなる絶縁部32,42により囲繞されてなる一対のセパレータ3,4のうち、少なくとも一方のセパレータ3の絶縁部32の内面に、内周側から外周側に延出してセル内外の電気的な接続を可能とするセル側端子47を設ける。このセル側端子47は、金属プレート製とされていて、その内周側端部47aは膜電極構造体2に接し、外周側端部47cは絶縁部32,42の外周側に延出している。この外周側端部47cは、測定側端子61と接続可能になっている。
【選択図】 図1
Description
この種の燃料電池は、発電電圧確保のため、実際の使用に際しては、前記単位セルを複数積層して燃料電池スタック(以下、「スタック」という。)とする場合が多く、かかる場合には、各単位セルの発電状態を監視するために、セル電圧を測定する必要がある。
この複合型セパレータを用いてスタックを構成した場合には、単位セル間の冷却水縁面距離(絶縁距離)が長くなるので、冷却水に高度な絶縁性が要求されなくなるほか、金属製セパレータにおける錆の発生も抑えることができる。さらに、セパレータの外縁部が絶縁材料からなるので、外部との地絡も有効に防止することができる。
かかる事情から、液絡や地絡を防止しつつ、各単位セル毎の発電状態を監視可能とする技術の開発が望まれている。
請求項1に係る発明は、電極面部(例えば、後述する実施の形態における電極面部31A,41A)を有する導電部(例えば、後述する実施の形態における導電部31,41)が絶縁部(例えば、後述する実施の形態における絶縁部32,42)により囲繞されてなる燃料電池用のセパレータであって、
前記絶縁部には、その内周側から外周側に延出する内外連絡端子(例えば、後述する実施の形態におけるセル側端子47,48)が設けられていることを特徴とするセパレータ(例えば、後述する実施の形態におけるカソード側セパレータ3,アノード側セパレータ4)である。
このようなセパレータを用いて燃料電池を構成し、セル電圧測定装置側の端子を内外連絡端子の外周側端部に接続すれば、絶縁部によって外部との地絡防止が施された燃料電池に対しても、燃料電池内外の電気的な接続が確保される。
前記内外連絡端子は、少なくとも一部(例えば、後述する実施の形態におけるセル側端子47の一部47b)が前記絶縁部に埋設されていることを特徴とする。
この構成によれば、内外連絡端子の一部がセパレータと一体化されているために、内外連絡端子を別部品としてセパレータに組み付ける必要がない。また、内外連絡端子がセパレータに対して位置づれを起こすこともない。
前記内外連絡端子は、前記絶縁部のシール当接面(例えば、後述する実施の形態におけるシール当接面32D)において該絶縁部に埋設されていることを特徴とする。
このようなセパレータを用いて燃料電池を構成すれば、シール部材が絶縁部に接するシール当接面に内外連絡端子が露出せず、シール当接面における凹凸形成が抑制される。
前記導電部と前記絶縁部との間に、弾性体からなる結合部(例えば、後述する実施の形態における結合部33,43)を有することを特徴とする。
この構成によれば、温度変化時に絶縁部と導電部との間に生じ得る熱膨張差を結合部にて吸収することができる。
前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔(例えば、後述する実施の形態における入口側酸化剤ガス連通孔34a,出口側酸化剤ガス連通孔34b,入口側燃料ガス連通孔35a,出口側燃料ガス連通孔35b,入口側冷却水連通孔36a,および出口側冷却水連通孔36b)を有することを特徴とする。
この構成によれば、連通孔を流通する冷媒による液絡を絶縁部によって有効に防止しつつ、外部から容易に電位を取り出すことができる。
前記セパレータの少なくとも一方に、請求項1〜請求項5のいずれかに記載のセパレータが用いられていることを特徴とする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における単位セル1)である。
この構成によれば、冷媒による液絡や外部との地絡を絶縁部によって有効に防止しつつ、外部から容易に電位を取り出すことができる。
前記セパレータの少なくとも一方の絶縁部には、その内周側から外周側に延出する内外連絡端子(例えば、後述する実施の形態におけるセル側端子47,48)が設けられ、その内周側端部が前記膜電極構造体または前記導電部に接していることを特徴とする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における単位セル1)である。
この構成によれば、セル電圧測定装置側の端子を内外連絡端子の外周側端部に接続すれば、内外連絡端子の内周側端部が膜電極構造体または導電部との接点になっているので、絶縁部によって外部との地絡防止が施された燃料電池に対しても、燃料電池内外の電気的な接続が確保される。
前記内外連絡端子の内周側が接する前記膜電極構造体の反対側の面に、シール部材(例えば、後述する実施の形態における外側のリブ状シール部材51a)が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、シール部材からの弾性復元力により、内外連絡端子と膜電極構造体との接触を確実にすることができる。
前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔(例えば、後述する実施の形態における入口側酸化剤ガス連通孔34a,出口側酸化剤ガス連通孔34b,入口側燃料ガス連通孔35a,出口側燃料ガス連通孔35b,入口側冷却水連通孔36a,および出口側冷却水連通孔36b)を有することを特徴とする。
この構成によれば、連通孔を流通する冷媒による液絡を絶縁部によって有効に防止しつつ、外部から容易に電位を取り出すことができる。
請求項1に係る発明によれば、絶縁部によって外部との地絡防止が施された燃料電池を構成しても、セル電圧測定装置の端子を内外連絡端子の外周側端部に接続すれば、燃料電池内外の電気的な接続が確保されるので、外部から容易に電位を取り出すことができる。
図1は、本発明の一実施の形態による単位燃料電池の縦断面図である。
この単位燃料電池(以下、「単位セル1」という。)は、膜電極構造体(MEA)2と、これを挟持するカソード側セパレータ3及びアノード側セパレータ4とを備えてなる。そして、この単位セル1が図3に示すように多数積層されることにより、例えば車両用の燃料電池スタック(以下、「スタック5」という。)が構成される。
この膜電極構造体2は、固体高分子電解質膜21の外寸を基準にすると、カソード側ガス拡散電極22は略同寸であるが、アノード側ガス拡散電極23は小寸とされた段差構造をなしている。
これら導電部31,41は金属製に限らず、カーボンや導電性樹脂など導電材料から構成されるものであればよい。
これら絶縁部32,42は樹脂製に限らず、ゴム,シリコン,セラミックスなど絶縁材料から構成されるものであればよい。
以下、カソード側とアノード側に分けて、それぞれの構成を詳細に説明する。
これに対し、アノード側絶縁部42との間に設けられたリブ状シール部材51のうち、外側のリブ状シール部材(シール部材)51aがカソード側絶縁部32に接するシール当接面32Dを含む一定範囲においては、セル側端子47の一部47bが樹脂部32a内に埋設されている。
セル側端子47がシール当接面32Dに露出しない構成であれば、その一部47bを樹脂部32aの外面側(電極面部31A,41Aと反対側)に一旦露出させてもよい。
この外周側端部47cは、前記外周側内面32Bまたは外周端面32Cのいずれか一方の面だけに露出するものでもよい。
また、カソード側絶縁部32の内周側には、その外面が一段凹まされてなる段差部35と、該段差部35と面一をなして面方向内方(内周側)に延びるフランジ部36とが形成されている。
すなわち、導電性材料と絶縁性材料とでは一般的に熱膨張係数が異なるため、絶縁性材料からなる絶縁部32と、導電性材料からなる導電部31とを直接接着すると、温度変化した場合に熱歪みが発生し、シール性が損われることがあるが、本実施の形態では、弾性を有する結合部33が両者の熱膨張差を吸収できるので、良好なシール性が維持される。
アノード側絶縁部42の内面(電極面部31A,41A側の面)の略中央部には凹部37が形成されており、この凹部37には、前記リブ状シール部材51が前記結合部43と一体をなして収容されている。
このリブ状シール部材51は、結合部43と別体であってもよい。
さらに、セル側端子47は、入口側および出口側冷却水連通孔36a,36bの周囲を避けて、入口側酸化剤ガス連通孔34a,34aの間に配設されているので、冷却水からの漏電(液絡)を有効に防止することができる。
(1)各単位セル1に測定側端子61を接続して単位セル1ごとにセル電位を取り出す代わりに、nセル(n=1以上の整数)おきに測定側端子61を接続してもよい。
(2)セル側端子47の内周側端部47aを膜電極構造体2のカソード側外面2Aに当接させる代わりに、膜電極構造体2のアノード側外面やセパレータ3,4の導電部31,32に当接させてもよい。
(4)セル側端子47は、カソード側絶縁部32に代えて、あるいはカソード側絶縁部32と共に、アノード側絶縁部31に設けてもよい。
かかる場合には、例えば図4に示すように、セル側端子48の内周側端部48aおよび外周側端部48cを樹脂部42aの内面側に露出させ、他の部分48bを樹脂部42aの内部に埋設すればよい。
また、予め作製しておいた金属箔を樹脂部32aに貼り付けてもよい。
(7)膜電極構造体2において、カソード側ガス拡散電極22とアノード側ガス拡散電極23とは同寸であってもよい。
2 膜電極構造体
3 カソード側セパレータ
4 アノード側セパレータ
5 スタック
21 固体高分子電解質膜(電解質)
22 カソード側ガス拡散電極(電極)
23 アノード側ガス拡散電極(電極)
31、41 導電部
31A、41A 電極面部
32、42 絶縁部
33、43 結合部
32D シール当接面
34a 入口側酸化剤ガス連通孔(連通孔)
34b 出口側酸化剤ガス連通孔(連通孔)
35a 入口側燃料ガス連通孔(連通孔)
35b 出口側燃料ガス連通孔(連通孔)
36a 入口側冷却水連通孔(連通孔)
36b 出口側冷却水連通孔(連通孔)
47、48 セル側端子(内外連絡端子)
47a、48a 内周側端部
47c、48c 外周側端部
51a 外側のリブ状シール部材(シール部材)
Claims (9)
- 電極面部を有する導電部が絶縁部により囲繞されてなる燃料電池用のセパレータであって、
前記絶縁部には、その内周側から外周側に延出する内外連絡端子が設けられていることを特徴とするセパレータ。 - 前記内外連絡端子は、少なくとも一部が前記絶縁部に埋設されていることを特徴とする請求項1に記載のセパレータ。
- 前記内外連絡端子は、前記絶縁部のシール当接面において該絶縁部に埋設されていることを特徴とする請求項2に記載のセパレータ。
- 前記導電部と前記絶縁部との間に、弾性体からなる結合部を有することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のセパレータ。
- 前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔を有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のセパレータ。
- 電解質の両側に電極を設けてなる膜電極構造体を一対のセパレータで挟持して構成される燃料電池であって、
前記セパレータの少なくとも一方に、請求項1〜請求項5のいずれかに記載のセパレータが用いられていることを特徴とする燃料電池。 - 電極面部を有する導電部が絶縁部により囲繞されてなる一対のセパレータにより、電解質の両側に電極を設けてなる膜電極構造体を挟持して構成される燃料電池であって、
前記セパレータの少なくとも一方の絶縁部には、その内周側から外周側に延出する内外連絡端子が設けられ、その内周側端部が前記膜電極構造体または前記導電部に接していることを特徴とする燃料電池。 - 前記内外連絡端子の内周側が接する前記膜電極構造体の反対側の面に、シール部材が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
- 前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔を有することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の燃料電池。
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