JP2007018750A - 燃料電池セル電圧検出構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 端子部周縁の金属と外周部との接合を良好に行って、セパレータに形成される反応ガスや冷却媒体の連通孔におけるシール性を確保しつつ、各燃料電池セルの電圧検出を行うことができる燃料電池セル電圧検出構造を提供する。
【解決手段】 燃料電池の各セパレータは、金属製の電極反応部と、該電極反応部の外周に設けられる樹脂製の外周部とを備える。外周部には、反応ガスまたは冷却媒体を連通させる連通孔がそれぞれ形成される。連通孔の周囲には、レーザーにより樹脂部材を溶融させたシール部がそれぞれ形成される。一対のセパレータのうち、一方のセパレータには、前記外周部から突出形成された端子部が形成される。端子部は、前記電極反応部を延出して形成されてその一方の面の一部分でセル電圧検出用コネクタと係合可能に形成される導電部と、この周囲を覆う樹脂部とを備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、金属製の電極反応部と樹脂製の外周部とを備えるセパレータを有する燃料電池セルの電圧を検出する燃料電池セル電圧検出構造に関するものである。
例えば、固体高分子型燃料電池としては、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード(水素極)とカソード(空気極)とを対設して膜電極構造体が形成され、さらに、該膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルが複数形成されたものが知られている。
この種の燃料電池用のセパレータとして、耐食性や絶縁性を強化する等のため、金属製の中央部の周りに樹脂製の外周部を備えたセパレータを用いた技術が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
特開2003−77499号公報 特開2004−296138号公報
ところで、一つの燃料電池セルのみでは、自動車を駆動するのに十分な電力を得ることは困難である。そこで、前記駆動に十分な電力が供給できるように、膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層したスタック構造の燃料電池を形成し、この燃料電池を自動車に車載することが検討されている。この場合において、燃料電池を構成する各燃料電池セルが正常に発電するかを監視するために、各燃料電池セルの電圧を検出することは非常に重要である。
しかしながら、各燃料電池セルの電圧を検出するためには、外部の電圧検出装置のコネクタに装着する端子部を各燃料電池セルに形成しなければならない。その結果、上述した特許文献1、2に記載したような従来の技術において、各燃料電池セルの端子部を金属製の中央部から延出させて樹脂製の外周部から露出させて形成すると、この端子部周縁の金属と外周部との接合が困難になる。このため、反応ガスや冷却媒体の連通孔におけるシール性を確保できない虞があるという問題がある。
本発明は、端子部周縁の金属と外周部との接合を良好に行って、セパレータに形成される反応ガスや冷却媒体の連通孔におけるシール性を確保しつつ、各燃料電池セルの電圧検出を行うことができる燃料電池セル電圧検出構造を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、一対のセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ9、10)により膜電極構造体(例えば、実施の形態における膜電極構造体7)を挟持してなる燃料電池セル(例えば、実施の形態における燃料電池セル2)を有する燃料電池(例えば、実施の形態における燃料電池1)に適用され、各セパレータは、金属製の電極反応部(例えば、実施の形態における電極反応面11a、12a)と、該電極反応部の外周に設けられる樹脂製の外周部(例えば、実施の形態における外周部13、14)とを備え、該外周部には、反応ガスまたは冷却媒体を連通させる連通孔(例えば、実施の形態における連通孔21〜26)がそれぞれ形成され、各連通孔の周囲には、レーザーにより樹脂部材を溶融させたシール部(例えば、実施の形態におけるシール部21a〜26a)がそれぞれ形成され、前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータには、前記外周部から突出形成された端子部(例えば、実施の形態における端子部17)が形成され、前記端子部は、前記電極反応部を延出して形成されてその一方の面の一部分でセル電圧検出用コネクタ(例えば、実施の形態におけるコネクタ41)と係合可能に形成される導電部(例えば、実施の形態における導電部19)と、該導電部の周囲を覆う樹脂部(例えば、実施の形態における樹脂部20)とを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、前記セル電圧検出用コネクタと係合する導電部が、前記端子部の一方の面の一部分に形成され、その周囲を前記樹脂部で覆われているので、前記端子部においても前記導電部と前記電極反応部とを連結する金属と樹脂との接合を良好に確保することができる。そして、各連通孔の周囲には、レーザーにより樹脂部材を溶融させたシール部がそれぞれ形成されているので、各連通孔におけるシール性を確保することが可能となる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記端子部には、前記樹脂部に対して凹む凹部が形成され、該凹部から導電部を露出させていることを特徴とする。
この発明によれば、前記凹部を介して前記検出用コネクタと係合するため、係合した検出用コネクタの抜け止めを行うことができ、セル電圧の検出信頼性を向上することができる。また、導電部の形成によるセパレータの厚さ増大を抑制することができる。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記端子部には、前記樹脂部に対して突出する凸部が形成され、該凸部から導電部を露出させていることを特徴とする。
この発明によれば、前記凸部を介して前記検出用コネクタと係合するため、前記樹脂部に接触させずに前記検出用コネクタとの係合を行うことが可能となり、前記端子部の耐久性を向上でき、長寿命化を図ることができる。
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載のものであって、前記一対のセパレータのうち、他方のセパレータには、前記端子部に対向する位置にダミー端子部(例えば、実施の形態におけるダミー端子部18)が形成され、前記ダミー端子部は、前記端子部と略同一形状に形成され、外表面を樹脂で覆われてなることを特徴とする。
この発明によれば、各セパレータの形状を略同一にすることができるので、各セパレータの製造工程を共通化でき、引いては、燃料電池の製造に要する時間を短縮することが可能となる。
請求項5に係る発明は、請求項4に記載のものであって、前記燃料電池を構成する各燃料電池セルのうち、一つの燃料電池セルが有する端子部と、該燃料電池セルに積層方向に隣合う燃料電池セルが有するダミー端子部とは、レーザーにより溶着されていることを特徴とする。
この発明によれば、各セパレータの厚さ自体は増大させることなく、前記端子部の剛性を前記ダミー端子部により補強することができるので、前記コネクタとの接続信頼性を向上できる。
請求項1に係る発明によれば、セパレータに形成される反応ガスや冷却媒体の連通孔におけるシール性を確保しつつ、各燃料電池セルの電圧検出を行うことができる。
請求項2に係る発明によれば、セル電圧の検出信頼性を向上することができる。また、導電部の形成によるセパレータの厚さ増大を抑制することができる。
請求項3に係る発明によれば、前記樹脂部に接触させずに前記検出用コネクタとの係合を行うことが可能となり、前記端子部の耐久性を向上でき、長寿命化を図ることができる。
請求項4に係る発明によれば、各セパレータの製造工程を共通化でき、引いては、燃料電池の製造に要する時間を短縮することが可能となる。
請求項5に係る発明によれば、前記コネクタとの接続信頼性を向上できる。
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池セル電圧検出構造を図面と共に説明する。図1は本発明の実施の形態における燃料電池を示す平面図である。同図において、紙面に直交する方向を燃料電池1の積層方向に設定している。
同図に示すように、燃料電池1を構成するセパレータ9、10は、その中央部に電極反応面11a、12aを形成したセパレータ本体11、12と、電極反応面11a、12aの外側を囲むように配設される外周部13、14とを備えている。
まず、セパレータ本体11、12について説明する。図2は、セパレータ9を構成するセパレータ本体11を示す平面図である。また、図3は、セパレータ10を構成するセパレータ本体12を示す平面図である。
図2に示すように、セパレータ本体11は、略矩形状に形成され、その一辺から外方に突出形成された突出金属部15を備えている。また、図3(a)に示すように、セパレータ本体12は、セパレータ本体11と同一形状に形成されている。なお、セパレータ本体12としては、図3(b)に示すように、突出金属部15を形成しないものを用いてもよい。
セパレータ本体11、12は、いずれも板厚0.1〜0.5mmの金属製板材をプレス成形することにより、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部が形成されている。この波板部のうち、アノード5やカソード6(いずれも図7参照)に対向する部位が電極反応面11a、12aとなる。一方、波板部のうち、電極反応面11a、12aの反対側の面が、冷却媒体流路面11b、12bとなる。なお、セパレータ本体11、12を構成する金属としては、防錆性等の点で、ステンレスやチタン製のものを用いることが好ましい。
次に、セパレータ本体11、12を備えるセパレータ9、10について説明する。図4は、セパレータ9の全体平面図である。また、図5は、セパレータ10の全体平面図である。
これらの図に示すように、セパレータ本体11、12の外側には、額縁状の外周部13、14が形成されている。外周部13、14は、枠状に形成された一対の樹脂フィルムを、セパレータ本体11、12の周縁部を挟み込むようにして上下から貼り合わせてそれぞれ構成している。このように、外周部13、14を一対の樹脂フィルムによりそれぞれ構成することで、外周部13、14の厚み精度を向上することができる。樹脂としては、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PPS(ポリフェニレンスルフィド)、PPE(ポリフェニレンエーテル)、PP(ポリプロピレン)等の熱可塑性樹脂のナチュラル色のものを用いることが好ましい。
そして、セパレータ本体11、12と、外周部13、14をそれぞれ構成する一対の樹脂シートとの間には、カップリング剤が塗布される。このようにカップリング剤が塗布されることにより、セパレータ本体11、12と、外周部13、14とを良好に密着させることが可能となる。カップリング剤としては、例えば、シラン系カップリング材を用いることができる。
前記外周部13、14には、前記燃料電池1の反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を連通させる連通孔21〜24と、冷却媒体を連通させる連通孔25、26がそれぞれ貫通形成されている。本実施の形態においては、連通孔21、22が燃料ガス供給口とその排出口、連通孔23、24が酸化剤ガス供給口とその排出口、連通孔25、26が冷却媒体供給口とその排出口にそれぞれ設定されている。
また、前記外周部13には、連通孔21、22と電極反応面11aとの間に燃料ガスを流通させる流通路31が形成されている(図10、図11参照)。また、図10、図11に示したものと同様に、前記外周部14には、連通孔23、24と電極反応面12aとの間に酸化剤ガスを流通させる流通路32が形成されている。そして、前記外周部13、14には、連通孔25、26と冷却媒体流路面11b、12bとの間に冷却媒体を流通させる流通路33が形成されている。図10、図11に示すように、流通路31〜33を連通孔21〜26から電極反応面11a、12bまたは冷却媒体流路面11b、12bに対して放射状に形成することで、反応ガスや冷却媒体が拡散・収束しやすくできる。
セパレータ9には、前記外周部13から突出形成された端子部17が形成されている。この端子部17は、突出金属部15を片面(この場合は電極反応面11aと同一面)突出端側で露出させて形成される導電部19と、突出金属部15における導電部19以外の部位を覆ってなる樹脂部20とを備えている。本実施の形態では、図15(a)に示すように、端子部17には、前記樹脂部20に対して凹む凹部が形成され、該凹部から導電部19を露出させている。
一方、セパレータ10には、端子部17に対向する位置にダミー端子部18が形成され、ダミー端子部18は、前記端子部17と略同一形状に形成され、外表面を樹脂で覆われてなる。
これらのセパレータ9、10により膜電極構造体(MEA)7を挟持することで燃料電池セル2が形成され、該燃料電池セル2を積層することで燃料電池1が構成される。
図7に示すように、膜電極構造体7は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜4(以下、単に電解質膜という。)と、この電解質膜4の両面を挟むアノード5およびカソード6とを有している。
アノード5およびカソード6は、例えば、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層の電解質膜4と接する一表面に、Ptを主体とする合金からなる触媒層を積層させることにより構成されている。
前記電解質膜4は、例えば、略矩形状に形成され、その外寸をセパレータ9、10と同寸に形成している。そして、前記電解質膜4の外寸を基準にすると、カソード6およびアノード5は小寸とされた段差構造をなしている。これら、電解質膜4、アノード5およびカソード6は、その重心を一致させて組み合わせられており、周縁における寸法格差の割合が均等になるように設定されている。また、電解質膜4において、各連通孔21〜26は、セパレータ9、10に形成した各連通孔21〜26に対応する位置に形成されている。
セパレータ本体11の電極反応面11aに形成された波板部が、膜電極構造体7を構成するアノード5との間に燃料ガスの流路を画定する。同様に、セパレータ本体12の電極反応面12aに形成された波板部が、カソード6との間に酸化剤ガスの流路を画定している。また、互いに対向配置されたセパレータ本体11、12同士の冷却媒体流通面11b、12bには、該裏面に形成された波板部により冷却媒体を流通させる流路が画定されている。
そして、上述のように画定された流路への流通が許容される反応ガスまたは冷却媒体以外の連通孔の周囲には、シール処理を施して、前記流路への流通を禁止させる。
本実施の形態では、レーザーを照射して連通孔21〜26周縁の樹脂を溶融させてシール部21a〜26aを形成している。これについて図6〜図9を用いて説明する。なお、照射するレーザーとしては、長寿命、高効率、低コストであることから半導体レーザーを用いることが好ましい。
本実施の形態においては、図6〜図9のうち、図6のセパレータ10が一番上に位置し、図7の膜電極構造体7、図8のセパレータ9、図9のセパレータ10の順で下側に位置する。換言すれば、図9のセパレータ10がセットされた状態で、図8のセパレータ9、図7の膜電極構造体7、図6のセパレータ10が順次積層されていく。そして、これらを積層する毎に、レーザーによりシール部を形成していく。
具体的には、図9に示すセパレータ10の上に、図8のセパレータ9をセットして、セパレータ9の連通孔21〜24の周縁部にレーザーを照射する。これにより、セパレータ9、10における連通孔21〜24の周縁部の樹脂が、照射されたレーザーによって溶融されて互いに接合し、連通孔21〜24の周囲にシール部21a〜24aが形成される。従って、セパレータ10の冷却媒体流通面12bには、連通孔25、26を介して冷却媒体のみが流通し、連通孔21〜24を流れる反応ガスの流通は禁止されることとなる。
また、このとき、セパレータ9に形成された端子部17と、セパレータ10に形成されたダミー端子部18とは、レーザーにより溶着される。
次に、図8に示すセパレータ9の上に、図7の膜電極構造体7をセットして、膜電極構造体7の連通孔23〜26の周縁部にレーザーを照射する。これにより、膜電極構造体7、セパレータ9における連通孔23〜26の周縁部の樹脂が、照射されたレーザーによって溶融されて互いに接合し、連通孔23〜26の周囲にシール部23a〜26aが形成される。従って、セパレータ9の電極反応面11a(すなわち膜電極構造体7のアノード5)には、連通孔21、22を介して燃料ガスのみが流通し、連通孔23〜26を流れる酸化剤ガス、冷却媒体の流通は禁止されることとなる。
そして、図7に示す膜電極構造体7の上に、図6のセパレータ10をセットして、セパレータ10の連通孔21、22、25、26の周縁部にレーザーを照射する。これにより、膜電極構造体7、セパレータ10における連通孔21、22、25、26の周縁部の樹脂が、照射されたレーザーによって溶融されて互いに接合し、連通孔21、22、25、26の周囲にシール部21a、22a、25a、26aが形成される。従って、膜電極構造体7のカソード6(すなわちセパレータ10の電極反応面12a)には、連通孔23、24を介して酸化剤ガスのみが流通し、連通孔21、22、25、26を流れる燃料ガス、冷却媒体の流通は禁止されることとなる。
また、上述のように連通孔21〜26の周縁部にレーザーを照射する際に、膜電極構造体7およびセパレータ9、10の外周縁部にもレーザーを照射して、これらの部位においてもシール部7a、9a、10aを形成する。
これらの処理が順次繰り返されて、燃料電池セル2、引いては、燃料電池1が構成される。
このように構成された燃料電池1においては、図13にその要部を示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給口21から流通路31を介して供給され、電極反応面11aを流通して、燃料ガス排出口22から排出される。
また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口23から流通路32を介して供給され、電極反応面12aを流通して、酸化剤ガス排出口24から排出される。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給口25から供給され、流通路33を介して冷却媒体流通面11b、12bを流通して、冷却媒体排出口26から排出される。
そして、燃料電池1では、アノード5で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜4を透過してカソード6まで移動し、カソード6で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴い熱が発生するが、冷却媒体流路29を流れる冷却媒体により冷却する。これにより、燃料電池1を適正な温度に維持しつつ発電させることができる。
ここで、前記連通孔21〜24と前記電極反応面11a、12aとの間に反応ガスを流通させる流通路31、32を、圧力や熱に対する耐性を有する前記樹脂製の外周部13、14に形成しているので、前記外周部13、14が加圧または加熱された場合であっても前記流通路31、32の形状を略一定に保持することができ、反応ガスの流量を略一定量に確保することができる。これにより、燃料電池1の信頼性を向上することができる。
このとき、積層方向に隣合う燃料電池セル2、2における、互いに対向する電極同士は同電位となっている。従って、本実施の形態のように、一方のセパレータ(この場合はセパレータ9)にのみ端子部17を形成しておけば、互いに隣合う燃料電池セル2、2の端子部17、17から電位を検出することで、各燃料電池セル2の電圧を測定することができる。
図12は、電圧測定機器40のコネクタ41を燃料電池1に装着した状態を示す要部断面図である。同図に示すように、端子部17に形成した凹部から露出した導電部19を介して検出用コネクタ41と係合するため、係合した検出用コネクタ41の抜け止めを行うことができ、セル電圧の検出信頼性を向上することができる。また、導電部19の形成によるセパレータ9の厚さ増大を抑制することができる。
また、端子部17とダミー端子部18とをレーザーにより溶着しているため、各セパレータ9、10の厚さ自体は増大させることなく、前記端子部17の剛性を前記ダミー端子部18により補強することができるので、前記コネクタ41との接続信頼性を向上できる。
以上説明したように、本発明の燃料電池セル電圧検出構造によれば、セパレータ9、10に形成される反応ガスや冷却媒体の連通孔21〜26におけるシール性を確保しつつ、各燃料電池セル2の電圧検出を行うことができる。
なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、外周部13、14を表裏から樹脂フィルムを貼り合わせて形成したが、これに限らず例えば射出成形で形成してもよい。また、燃料電池セル2の形状は平面視矩形状ではなく、例えば多角形状や円形状、正方形状に形成してもよい。また、実施の形態においては、各燃料電池セル2毎に冷却媒体流路を形成したが、複数の燃料電池セル(2つ以上の燃料電池セル)ごとに冷却媒体流路を形成するように燃料電池を構成してもよい。
また、図14に示すように、端子部17の平面形状は、特に限定されず、例えば、四角、三角、五角形、略Σ形状等、条件に応じて選択することが可能である。また、図15(a)(b)に示すように、凹状に形成される端子部17は、外形を鉤状に形成して内部を中空あるいは中実に形成したコネクタ41のいずれにも適用可能である。そして、図15(c)、(d)に示すように、樹脂部20に対して突出する凸部から導電部19を露出させるように形成してもよい。このようにすると、凸部を介して前記検出用コネクタ41と係合するため、樹脂部20に接触させずに検出用コネクタ41との係合を行うことが可能となり、端子部17の耐久性を向上でき、長寿命化を図ることができる。
本発明の実施の形態における燃料電池を示す平面図である。 図1の燃料電池を構成する各燃料電池セルが備える一方のセパレータ本体を示す平面図である。 図1の燃料電池を構成する各燃料電池セルが備える他方のセパレータ本体を示す平面図である。 図1の燃料電池を構成する各燃料電池セルが備える一方のセパレータの全体平面図である。 図1の燃料電池を構成する各燃料電池セルが備える他方のセパレータの全体平面図である。 各燃料電池セルのうち、一の燃料電池セルが備える他方のセパレータにレーザー溶接を行った状態を示す全体平面図である。 各燃料電池セルのうち、一の燃料電池セルが備える膜電極構造体にレーザー溶接を行った状態を示す全体平面図である。 各燃料電池セルのうち、一の燃料電池セルが備える一方のセパレータにレーザー溶接を行った状態を示す全体平面図である。 各燃料電池セルのうち、一の燃料電池セルの下側に隣接する燃料電池セルが備える他方のセパレータにレーザー溶接を行った状態を示す全体平面図である。 各セパレータにおける連通孔の周囲を示す拡大平面図である。 各セパレータに形成される流通路を示す拡大断面図である。 燃料電池にコネクタを装着した状態を示す要部断面図である。 各燃料電池セルにおける反応ガスおよび冷却媒体の流れを示す分解斜視図である。 端子部の変形例を示す平面図である。 端子部の変形例を示す断面図である。
符号の説明
1…燃料電池
2…燃料電池セル
7…膜電極構造体
9、10…セパレータ
11a、12a…電極反応面(電極反応部)
13、14…外周部
17…端子部
18…ダミー端子部
19…導電部
20…樹脂部
21…燃料ガス供給口(連通孔)
22…燃料ガス排出口(連通孔)
23…酸化剤ガス供給口(連通孔)
24…酸化剤ガス排出口(連通孔)
25…冷却媒体供給口(連通孔)
26…冷却媒体排出口(連通孔)
21a〜26a…シール部
41…コネクタ

Claims (5)

  1. 一対のセパレータにより膜電極構造体を挟持してなる燃料電池セルを有する燃料電池に適用され、
    各セパレータは、金属製の電極反応部と、該電極反応部の外周に設けられる樹脂製の外周部とを備え、
    該外周部には、反応ガスまたは冷却媒体を連通させる連通孔がそれぞれ形成され、
    各連通孔の周囲には、レーザーにより樹脂部材を溶融させたシール部がそれぞれ形成され、
    前記一対のセパレータのうち、一方のセパレータには、前記外周部から突出形成された端子部が形成され、
    前記端子部は、前記電極反応部を延出して形成されてその一方の面の一部分でセル電圧検出用コネクタと係合可能に形成される導電部と、該導電部の周囲を覆う樹脂部とを備えていることを特徴とする燃料電池セル電圧検出構造。
  2. 前記端子部には、前記樹脂部に対して凹む凹部が形成され、該凹部から導電部を露出させていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル電圧検出構造。
  3. 前記端子部には、前記樹脂部に対して突出する凸部が形成され、該凸部から導電部を露出させていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル電圧検出構造。
  4. 前記一対のセパレータのうち、他方のセパレータには、前記端子部に対向する位置にダミー端子部が形成され、
    前記ダミー端子部は、前記端子部と略同一形状に形成され、外表面を樹脂で覆われてなることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池セル電圧検出構造。
  5. 前記燃料電池を構成する各燃料電池セルのうち、一つの燃料電池セルが有する端子部と、
    該燃料電池セルに積層方向に隣合う燃料電池セルが有するダミー端子部とは、レーザーにより溶着されていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池セル電圧検出構造。
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