JP2006019224A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造上、ターミナルプレートの腐食を適切に防止することができる燃料電池を課題とする。
【解決手段】 通電プレート５、ターミナルプレート７、絶縁プレート８、およびエンドプレート９の順に積層され、これら４つのプレート（５，７，８，９）をその積層方向に貫通するマニホールド２０を備えた燃料電池１において、少なくとも通電プレート５とターミナルプレート７との間をシールするシール部材４０を備え、シール部材４０は、ターミナルプレート７のマニホールド２０を形成する周面を覆うように設けられている燃料電池１である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ターミナルプレート、絶縁プレート、およびエンドプレートの順に積層され、これら３つのプレートをその積層方向に貫通するマニホールドを備えた燃料電池に関するものである。

この種の固体高分子型燃料電池では、上記３つのプレートのマニホールドを介してスタック本体内の流路にガス（燃料ガス、酸化ガス）や冷却水などの流体を供給または排出する。一般にターミナルプレートは金属製であり、マニホールドを流れる流体に接触するターミナルプレートは経時的に腐食し易い。そこで特許文献１に記載のものでは、マニホールドに管状部材を挿入し、管状部材内に流体を流す構成とすることで、ターミナルプレートはもとより絶縁プレートやエンドプレートの腐食を防止するようにしている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００４−１４１３０号公報（第１図）

このような従来の燃料電池では、管状部材によって流体の流路および各プレートの防食を確保することができるものの、管状部材と各プレートとの間にＯリングを別途設けてシール性を確保する必要があり、全体として部品点数が多くなる問題があった。また、燃料電池の組付け時に、管状部材がＯリングに偏荷重を付与する可能性があり、シール性が低下するおそれがあると共に、そのために組付け作業を慎重に行わなければならず、作業が煩雑であった。さらに、各プレートの面方向の荷重が付与された場合に、管状部材にき裂が発生するおそれがあった。

本発明は、構造上、ターミナルプレートの腐食を適切に防止することができる燃料電池を提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池は、通電プレート、ターミナルプレート、絶縁プレート、およびエンドプレートの順に積層され、これら４つのプレートをその積層方向に貫通するマニホールドを備えた燃料電池において、少なくとも通電プレートとターミナルプレートとの間をシールするシール部材を備え、シール部材は、ターミナルプレートのマニホールドを形成する周面を覆うように設けられているものである。

この構成によれば、通電プレートとターミナルプレートとの間をシールするシール部材により、ターミナルプレートのマニホールドを形成する周面が覆われるため、ターミナルプレートへの流体の接触を回避することができる。これにより、シール部材を有効に利用してターミナルプレートを構造上防食することができる。また、ターミナルプレートの面方向の荷重が付与されても、通電プレートとターミナルプレートとの間のシール性を適切に維持し得る。
なお、通電プレートは、単セルを構成するセパレータであってもよいし、単セルを構成しないダミーセパレータであってもよく、基材としてはカーボンやメタルなどを用いることができる。

この場合、シール部材は、ターミナルプレートのマニホールドを形成する周面を覆う部分がターミナルプレートを超えて絶縁プレート側へと積層方向に延在しており、シール部材は、ターミナルプレートとエンドプレートとの間を直接的にシールしていることが、好ましい。

この構成によれば、絶縁プレートへの流体の接触をシール部材によって回避することができ、絶縁プレートについても構造上防食することができる。

この場合、絶縁プレートのマニホールドを形成する断面積は、他の３つのプレートのマニホールドを形成する断面積よりも大きいことが、好ましい。

この構成によれば、絶縁プレートの断面積が大きくなっている部分に、ターミナルプレートとエンドプレートとの間を直接的にシールするシール部材の部位を配置することができる。すなわち、絶縁プレートにシール部材の取付け空間が確保されるため、マニホールドにおける流体の流れを妨げることなく、シール部材を適切に設けることができる。

この場合、シール部材は、接着剤によりターミナルプレートに固定されていることが、好ましい。

この構成によれば、特に燃料電池の組付け時におけるシール部材の取扱い性を高めることが可能となる。

この場合、ターミナルプレートは、通電プレート側の表面をめっき処理されていることが、好ましい。

この構成によれば、例えば通電プレートに対するターミナルプレートの接触抵抗を確保することなどが可能となる。

この場合、シール部材は、弾性を有していることが、好ましい。また、耐熱性および耐食性を考慮すると、シール部材は、フッ素ゴム材料を含有していることが、好ましい。

本発明の燃料電池によれば、ターミナルプレートの腐食を構造上適切に防止することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。この燃料電池は、シール部材を工夫した構造とすることで、特にターミナルプレートの防食を構造上図るものである。以下では、燃料電池車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。

図１に示すように、固体高分子型の燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層したスタック本体３を有している。燃料電池１は、スタック本体３の両端に位置する単セル２の外側に、順次、カバープレート５、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８およびエンドプレート９を積層して構成されている。

燃料電池１は、例えば、両エンドプレート９間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１１が各エンドプレート９にボルト１２で固定されることで、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。なお、スタック本体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、プレッシャプレート１３とばね機構１４とが設けられており、単セル２にかかる荷重の変動が吸収されるようになっている。

単セル２は、いずれも図示省略するが、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。各セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有している。各セパレータは、各電極に酸化ガス（酸素ガス、通常は空気）または燃料ガス（水素ガス）を供給するための流体流路を有している。このような構成により、単セル２のＭＥＡ内による電気化学反応が生じて、起電力が得られる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒が流れる流体流路が設けられている。

燃料電池１内には、燃料ガスマニホールド２０、酸化ガスマニホールド２０、および冷媒マニホールド２０がセル積層方向に貫通形成されている（実際には、これらは別体であるが同一符号を付して説明を省略している。）。これら各流体流路用のマニホールド２０は、エンドプレート９、絶縁プレート８、ターミナルプレート７、カバープレート５、および各単セル２のセパレータをセル積層方向に貫通することで燃料電池１内に形成されている。各流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、燃料電池１の一端にあるエンドプレート９に設けた各流体配管２１から入口側の各マニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成した各流体流路を流れる。そして最終的に、各流体は、出口側の各マニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けた各流体配管２２へと排出される。

図２は、図１のＡ部の詳細断面図である。カバープレート５は、カーボンやメタルなどを基材として板状に形成され、燃料電池１の最も外側位置にある単セル２（のセパレータ）と、ターミナルプレート７との間に設けられている。燃料電池１の各単セル２で発生した電気は、カバープレート５を介してターミナルプレート７に集電される。すなわち、カバープレート５は、通電性を有する通電プレートとして機能する。カバープレート５と単セル２との間には、これらの間を気密にまたは水密にシールする環状のシール部材３１が設けられている。シール部材３１は、マニホールド２０に臨まない態様でその近傍に配置されている。

また、カバープレート５には、上記の冷媒のための流体流路が形成されており、カバープレート５は、その流れる冷媒によって燃料電池１を冷却する。なお、カバープレート５に冷媒用の流体流路を形成しない場合にはカバープレート５を省略することができる。このときには、燃料電池１の最も外側位置にある単セル２を構成するセパレータが、ターミナルプレート７に対して通電プレートとして機能する。

絶縁プレート８は、ポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。エンドプレート９は、鉄、ステンレス、銅、アルミニウムなどの金属で板状に形成されている。ターミナルプレート７は、エンドプレート９と同様に各種の金属で形成され得るが、本実施形態では銅を用いて板状に形成されている。ターミナルプレート７は、カバープレート５側の表面をめっき処理などの表面処理を施されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すずなどが挙げられ、ターミナルプレート７はめっきによりカバープレート５との接触抵抗を確保されている。本実施形態では、導電性、加工性および低コスト化の観点から、すずめっきがターミナルプレート７に施されている。

ターミナルプレート７には、マニホールド２０に臨む部分にガスケット４０が設けられている。ガスケット４０（シール部材）は、マニホールド２０に対してはめ込まれ、好ましくは接着剤により接着固定される。なお、弾性を有するガスケット４０をマニホールド２０にはめ込み、ガスケット４０の弾性力により固定する構造であってもよい。この場合には、接着剤を省略することが可能となる。

ガスケット４０は、ターミナルプレート７とカバープレート５との間をシールする第１シールリップ部４１と、ターミナルプレート７とエンドプレート９との間をシールする第２シールリップ部４２と、ターミナルプレート７のマニホールド２０を形成する周面を覆う覆装部４３と、を有して全体として環状に一体形成されている。ガスケット４０は、シリコンゴム、ブチルゴム、ＥＰＤＭ、クロロゴム、ニトリルゴムなどの材料を含有した弾性を有するゴム状部材であるが、本実施形態のガスケット４０は、耐熱性や耐食性の観点からフッ素ゴム材料を含有している。

第１シールリップ部４１は、ターミナルプレート７のカバープレート５側の表面に接着された薄肉部４４に一体に形成され、薄肉部４４からカバープレート５に対して凸となるように断面三角形状に形成されている。同様に、第２シールリップ部４２は、ターミナルプレート７の絶縁プレート８側の表面に接着された厚肉部４５に一体に形成され、厚肉部４５からエンドプレート９に対して凸となるように断面三角形状に形成されている。第１シールリップ部４１および第２シールリップ部４２は、所定のつぶししろを有している。第１シールリップ部４１および第２シールリップ部４２の各シール位置は、セル積層方向において一致していると共に、上記のシール部材３１のシール位置ともセル積層方向において一致している。

第１シールリップ部４１および薄肉部４４は、カバープレート５のマニホールド２０近傍の一部を凹状にした部分５１に位置している。一方、第２シールリップ部４２および厚肉部４５は、絶縁プレート８のマニホールド２０を形成する断面積を絶縁プレート８以外の他の３つのプレート（５，７，９）のマニホールド２０を形成する断面積よりも大きくすることで、絶縁プレート８の断面積が大きくなっている部分５２に設けられている。こうすることで、絶縁プレート８に第２シールリップ部４２および厚肉部４５のための取付け空間を適切に確保して、ターミナルプレート７とエンドプレート９との間が直接的にシールされる。

覆装部４３のマニホールド２０側の内周面は、絶縁プレート８以外の他の３つのプレートのマニホールド２０を画定する周面に面一に配設されている。このため、覆装部４３がマニホールド２０の軸心側に突出されないため、ターミナルプレート７の位置において、覆装部４３がマニホールド２０での流体の流れを妨げなくて済む。覆装部４３の外周面は、ターミナルプレート７のマニホールド２０を形成する周面に接着剤により固定されている。そして、覆装部４３は、ターミナルプレート７を超えてカバープレート５側へと積層方向に延在して薄肉部４４に一体に連なっていると共に、ターミナルプレート７を超えて絶縁プレート８側へと積層方向に延在して厚肉部４５に一体に連なっている。

このようなガスケット４０の構成により、ターミナルプレート７とカバープレート５との間のシール性およびターミナルプレート７とエンドプレート９との間のシール性を確保しつつ、マニホールド２０を流れる流体がターミナルプレート７および絶縁プレート８の両者に接触しない防食構造となる。なお、マニホールド２０の断面形状は、四角形などの多角形としてもよいし円形としてもよい。マニホールド２０の断面形状を円形とした場合には、ガスケット４０の覆装部４３の内周面は円周面となる。上記のように、ガスケット４０はその各部位（４２、４３、４４）を介してターミナルプレート７に接着剤により固定されるが、ガスケット４０は、ターミナルプレート７のインサート成形時に形成されて、これに接着固定される。

すなわち、ガスケット４０は、ターミナルプレート７のマニホールド２０を形成する周面に塗布された接着剤に被覆されるようにして成形され、ターミナルプレート７と一体に形成される。このように構成されたターミナルプレート７およびガスケット４０を燃料電池１として組立てる際には、設置したエンドプレート９に対し順に絶縁プレート８、ガスケット４０付きのターミナルプレート７、カバープレート５を積層し、次いでスタック本体３を積層する。そして最終的に、上記のように、燃料電池１は、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となって、燃料電池車両等の燃料電池システムに搭載される。なおもちろん、ガスケット４０を別部品として形成しておき、後工程においてターミナルプレート７に接着剤により固定することもできる。

以上のように、本実施形態の燃料電池１によれば、ターミナルプレート７とカバープレート５との間をシールするガスケット４０がターミナルプレート７のマニホールド２０を画成する周面を覆うため、ガスケット４０を有効に利用してターミナルプレート７を構造上防食することができる。また、ガスケット４０がターミナルプレート７とエンドプレート９との間を直接的にシールするため、絶縁プレート８についても構造上適切に防食することができる。

なお、上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、ガスケット４０の覆装部４３をターミナルプレート７に接着させないで、ターミナルプレート７のマニホールド２０を形成する周面に対し所定の間隙を存するように覆装部４３を配置してもよい。また、第２シールリップ部４２をエンドプレート９に接触させているが、絶縁プレート８のターミナルプレート７側の表面に接触させるようにしてもよい。この場合には、絶縁プレート８については別途、防食設計を施すことが好ましい。さらに、上記実施形態はガスケット４０がターミナルプレート７を挟むような態様であるが、ガスケット４０がターミナルプレート７および絶縁プレート８の両者を挟むような態様としてもよい。この場合には、厚肉部４５は上記の薄肉部４４と同程度の厚みを有して形成され、絶縁プレート８のエンドプレート９側の表面に接着される。

実施形態に係る燃料電池の構成を示す側面図である。 図１のＡ部を拡大して示す燃料電池の要部断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池、２ 単セル、３ スタック本体、５ カバープレート（通電プレート）、７ ターミナルプレート、８ 絶縁プレート、９ エンドプレート、２０ マニホールド、４０ ガスケット（シール部材）、４１ 第１シールリップ部、４２ 第２シールリップ部、４３ 覆装部、４４ 薄肉部、４５ 厚肉部

Claims (7)

1. 通電プレート、ターミナルプレート、絶縁プレート、およびエンドプレートの順に積層され、これら４つのプレートをその積層方向に貫通するマニホールドを備えた燃料電池において、
   少なくとも前記通電プレートと前記ターミナルプレートとの間をシールするシール部材を備え、
   前記シール部材は、前記ターミナルプレートの前記マニホールドを形成する周面を覆うように設けられている燃料電池。
2. 前記シール部材は、前記ターミナルプレートの前記マニホールドを形成する周面を覆う部分が当該ターミナルプレートを超えて前記絶縁プレート側へと積層方向に延在しており、
   前記シール部材は、前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとの間を直接的にシールしている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記絶縁プレートの前記マニホールドを形成する断面積は、他の前記３つのプレートの前記マニホールドを形成する断面積よりも大きい請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記シール部材は、接着剤により前記ターミナルプレートに固定されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記ターミナルプレートは、前記通電プレート側の表面をめっき処理されている請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記シール部材は、弾性を有している請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記シール部材は、フッ素ゴム材料を含有している請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池。
   
   

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