JP2006120572A

JP2006120572A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006120572A
Application number: JP2004309897A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sakano; 雅章坂野; Masaru Oda; 優小田; Kentaro Nagoshi; 健太郎名越
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-25
Also published as: US7846589B2; US20060088740A1; JP4516403B2

Abstract

【課題】セル電圧端子を設けるとともに、燃料電池全体の小型化を図ることができ、しかも所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は単位セル１２を備える。単位セル１２の１辺には、開口面積の異なる酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔３０ｂとが形成されるとともに、前記１辺には、相対的に開口面積の小さな前記燃料ガス出口連通孔３０ｂに近接して凹部４６が形成される。この凹部４６には、セル電圧端子４８が設けられ、前記セル電圧端子４８が単位セル１２の側方から外部に突出することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体を通流させる流体連通孔が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。通常、単位セルが複数積層されることにより燃料電池が構成されている。

この単位セルにおいて、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

ところで、燃料電池では、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的に、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置に接続して、発電時の各単位セル毎又は所定数の単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１では、複数のセル電圧モニターが燃料電池に取り付けられており、各セル電圧モニターは、燃料電池に固定される１つのハウジングとそのハウジングで保持された１以上の端子を有し、各セル電圧モニターの１つ以上の端子は、そのセル電圧モニターのハウジング内で端子同士互いに並列に且つ燃料電池のセル積層方向に列状に配置されており、各セル電圧モニターに１つずつ設けられた複数のハウジングは、燃料電池の側面に千鳥状に配置されている。

特開２００４−７９１９２号公報（図４、図５）

燃料電池では、反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）の入口及び出口に連通するとともに、積層方向に貫通して反応ガス連通孔（酸化剤ガス連通孔及び／又は燃料ガス連通孔）を設ける内部マニホールド型燃料電池が用いられている。

そこで、この内部マニホールド型燃料電池に、上記の特許文献１を採用する際、例えば、図７に示すセパレータ１が構成される。このセパレータ１の矢印Ｘ方向一端側には、酸化剤ガス入口連通孔２ａ、冷却媒体入口連通孔３ａ及び燃料ガス出口連通孔４ｂが形成されるとともに、前記セパレータの矢印Ｘ方向他端側には、燃料ガス入口連通孔４ａ、冷却媒体出口連通孔３ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２ｂが形成される。

セパレータ１には、矢印Ｘ方向一端側の端面１ａにセル端子部５ａ、５ｂが設けられる。セル端子部５ａ、５ｂでは、樹脂部材に溝部を形成することによって金属部６ａ、６ｂが露呈しており、この金属部６ａ、６ｂに図示しないセル電圧モニターの端子が接触する。

しかしながら、上記のセパレータ１では、セル端子部５ａ、５ｂを設けるために、このセパレータ１の端面１ａから酸化剤ガス入口連通孔２ａまでの距離Ｈを比較的大きく設定しなければならない。従って、電極７の面積を大きく設定することができず、所望の電極面積を得るためには、セパレータ１が矢印Ｘ方向に相当に大型化するという問題がある。

一方、セパレータ１の面内において、効率的に電極面積を確保しようとすると、端面１ａから電極７の端面までの距離を短尺化する必要がある。このため、酸化剤ガス入口連通孔２ａの開口面積が狭小化してしまい、前記酸化剤ガス入口連通孔２ａの圧損が増大するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セル電圧端子を設けるとともに、燃料電池全体の小型化を図ることができ、しかも所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体を通流させる流体連通孔が形成される燃料電池である。

そして、セパレータには、少なくとも１辺に沿って開口面積の異なる２以上の流体連通孔が形成されるとともに、前記１辺には、前記２以上の流体連通孔の中、開口面積の小さな流体連通孔に近接して凹部が形成され、且つ、前記凹部にセル電圧端子が設けられている。

また、開口面積の小さな流体連通孔は、燃料ガス出口連通孔であることが好ましい。例えば、流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔の中、前記燃料ガス出口連通孔の開口面積が最も小さいからである。

本発明では、セパレータの少なくとも１辺に凹部が設けられ、セル電圧端子が前記凹部内に収容されるため、前記セパレータの外部に前記セル電圧端子が突出することがない。従って、燃料電池全体が大型化することを有効に阻止することができる。

しかも、凹部は、２以上の流体連通孔の中、開口面積の小さな流体連通孔に近接しているため、前記凹部を設けるスペースを良好に確保することが可能になる。これにより、所望の電極面積を維持するとともに、流体連通孔の圧損を良好に抑えることができ、効率的な発電が遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池の一部断面側面図である。

図１に示すように、燃料電池を構成する燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

燃料電池スタック１０は、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング（図示せず）に収容保持され、あるいは、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を締め付けるタイロッド（図示せず）により保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとが設けられる。

通常、酸化剤ガスは空気を使用する一方、燃料ガスは水素ガスを使用するため、酸化剤ガス流量が燃料ガス流量よりも多い。このため、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２８ｂは、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂよりも開口面積が大きく設定されるとともに、それぞれの出口側は燃料ガス及び酸化剤ガスが消費されているため、入口側よりも開口面積が小さく設定される。従って、単位セル１２では、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂの順に、それぞれの開口面積が小さくなるように設定される。

単位セル１２の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、３２ａが設けられるとともに、前記単位セル１２の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。

カソード側電極３６及びアノード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。図３に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６の面２６ｂには、第１金属セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。

単位セル１２の少なくとも外周部の１辺には、開口面積の異なる酸化剤ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられるとともに、これらの中、開口面積の小さな前記燃料ガス出口連通孔３０ｂに近接して凹部４６が形成される。凹部４６は、矢印Ａ方向に連通しており、例えば、第２金属セパレータ２６には、前記凹部４６に収容されてセル電圧端子４８が設けられる。

セル電圧端子４８は、電解質膜・電極構造体２２で発生する電圧を検出するものであり、第２金属セパレータ２６に一体的に設けられるとともに、後述するように金属表面が外部に露呈している。図１に示すように、所定数のセル電圧端子４８毎にセル電圧検出器５０が一体的に接続される。このセル電圧検出器５０は、例えば、セル電圧モニターを備え、単位セル１２の同極の第２金属セパレータ２６に接触して前記単位セル１２の電位を検出する。

図３に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端部を周回して第２シール部材５４が一体成形される。第２シール部材５４は、セル電圧端子４８から剥離されており、このセル電圧端子４８の金属表面が外部に露呈している。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５６ａ、５６ｂが形成される。端子部５６ａ、５６ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向一端には、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに連結される酸化剤ガス供給配管６０ａと、燃料ガス出口連通孔３０ｂに連結される燃料ガス排出配管６２ｂとが設けられる。エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端には、燃料ガス入口連通孔３０ａに連結される燃料ガス供給配管６２ａと、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに連結される酸化剤ガス排出配管６０ｂとが設けられる。

エンドプレート２０ａの上端部には、冷却媒体入口連通孔３２ａに連結される冷却媒体供給配管６４ａが設けられるとともに、前記エンドプレート２０ａの下端部には、冷却媒体出口連通孔３２ｂに連結される冷却媒体排出配管６４ｂが設けられる。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給配管６０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給配管６２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給配管６４ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３８に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出配管６０ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出配管６２ｂから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３２ａから第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂを移動してエンドプレート２０ａの冷却媒体排出配管６４ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、第２金属セパレータ２６の一辺に凹部４６が設けられるとともに、この凹部４６に収容されてセル電圧端子４８が形成されている。このため、第２金属セパレータ２６の一辺から外部にセル電圧端子４８が突出することを阻止することができ、所定数の前記セル電圧端子４８に一体的に接続されるセル電圧検出器５０の配置スペースが外方に拡大することがない。従って、燃料電池スタック１０全体が大型化することを有効に阻止することが可能になる。

しかも、凹部４６は、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂの中、開口面積の小さな前記燃料ガス出口連通孔３０ｂに近接して設けられている。これにより、酸化剤ガス入口連通孔２８ａの開口面積を減少させる必要がなく、前記凹部４６を設けるスペースを良好に確保することが可能になる。従って、所望の電極面積を維持するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２８ａの圧損を良好に抑えることができ、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。

さらに、燃料ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び前記燃料ガス出口連通孔３０ｂの中、開口面積が最も小さく設定されている。このため、凹部４６を設けるためのスペースを容易且つ確実に確保することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セル７０の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する単位セル１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、燃料ガス出口連通孔３０ｂが幅狭部７２を設けており、この幅狭部７２に対応して凹部４６が形成される。第２金属セパレータ２６（又は第１金属セパレータ２４）には、凹部４６に収容されてセル電圧端子４８が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、最も開口面積の小さな燃料ガス出口連通孔３０ｂの形状を変更して幅狭部７２を設けることにより、凹部４６を設けるスペースを一層有効に確保することができる他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セル８０の分解斜視説明図である。

この第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態とは反対側に、凹部４６が設けられる。すなわち、凹部４６は、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの中、開口面積の小さな前記燃料ガス入口連通孔３０ａに近接して設けられる。

従って、第３の実施形態では、凹部４６を設けるスペースを良好に確保することができ、所望の電極面積を維持するとともに、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの圧損等を良好に抑えることが可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の一部分解概略斜視図である。前記燃料電池の一部断面側面図である。前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。前記単位セルを構成するセパレータの正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。特許文献１が採用されるセパレータの正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２、７０、８０…単位セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体２４、２６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス入口連通孔２８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４…固体高分子電解質膜３６…カソード側電極
３８…アノード側電極４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路４４…酸化剤ガス流路
４６…凹部４８…セル電圧端子
５０…セル電圧検出器７２…幅狭部

Claims

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体を通流させる流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータには、少なくとも１辺に沿って開口面積の異なる２以上の流体連通孔が形成されるとともに、
前記１辺には、前記２以上の流体連通孔の中、開口面積の小さな流体連通孔に近接して凹部が形成され、且つ、前記凹部にセル電圧端子が設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記開口面積の小さな流体連通孔は、燃料ガス出口連通孔であることを特徴とする燃料電池。