JP2007213921A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するもので、特に集電板周辺の構造に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a structure around a current collector plate.
セルとセパレータが交互に複数積層された燃料電池本体(積層体)の積層方向両端に、集電プレート(集電板)と絶縁プレート(絶縁板)とフランジプレート(加圧端板)とが順次外側方向に配設され、電池本体と集電プレートの間、集電プレートと絶縁プレートの間、絶縁プレートとフランジプレートの間にガスケットがそれぞれ設けられ、集電プレートとフランジプレートの開口の内周および周縁端付近に高分子材料系のライニングが施され、燃料電池本体、集電プレート、絶縁プレートおよびフランジプレートがボルト等により積層固定され、上記電池本体、集電プレート、絶縁プレートおよびフランジプレート間の密着性を向上させるとともに、集電プレートとフランジプレートの開口部分の耐食性を高めるようにしたものがある(例えば特許文献1参照)。
また、電極ユニットをセパレータで挟持したセルを複数個積層した積層体の積層方向に流体通路(貫通孔)が形成され、この流体通路に流体を給排する給排通路(貫通孔)を有する絶縁性の給排部材と積層体とで集電部材が挟持され、流体通路および給排通路と集電板との間にシール部材が配置され、集電部材の大きさは電極ユニットの電極の大きさと略同じで、シール部材より内側に設けられ、シール部材により集電板を流体からシールしたものがある(例えば特許文献2参照)。
A current collector plate (current collector plate), an insulating plate (insulating plate), and a flange plate (pressurized end plate) are sequentially arranged at both ends in the stacking direction of the fuel cell body (stacked body) in which a plurality of cells and separators are alternately stacked. Gaskets are provided in the outward direction, between the battery body and the current collecting plate, between the current collecting plate and the insulating plate, and between the insulating plate and the flange plate. In addition, a polymer material lining is applied in the vicinity of the peripheral edge, and the fuel cell main body, current collecting plate, insulating plate and flange plate are laminated and fixed with bolts, etc., between the battery main body, current collecting plate, insulating plate and flange plate There is one that improves the corrosion resistance of the opening part of the current collector plate and flange plate as well as improving the adhesion of If example see Patent Document 1).
In addition, a fluid passage (through hole) is formed in the stacking direction of a laminated body in which a plurality of cells each having an electrode unit sandwiched by separators are stacked, and an insulation having a supply / discharge passage (through hole) for supplying and discharging fluid to and from the fluid passage. The current collecting member is sandwiched between the conductive supply / discharge member and the laminate, and a seal member is disposed between the fluid passage and the supply / discharge passage and the current collecting plate. The size of the current collecting member is the size of the electrode of the electrode unit. In some cases, the current collector plate is sealed from the fluid by the seal member provided inside the seal member (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1に示すものは、集電板が燃料電池本体全面で挟持されているので、固定に際してセル面全面に面圧が印加される。しかし、流体の供給開口および排出開口が集電板を貫通しているので、集電板の開口部分を高分子材料系のライニング等の耐食性の材料で被覆しても、被覆材が還元性の水素ガスや、酸化性の空気や、冷却媒体等腐食性の高い流体にさらされるため長期にわたる耐久性を保証することが困難であるという課題があった。
特許文献2に示すものは、集電板が電極面の大きさに留められており、流体通路や給排通路にまで伸延しないため流体には触れない構造であるが、燃料電池の組み立てに際して、積層方向の締め付け力が主に集電板の大きさに相当する電極面に印加され、上記流体通路や給排通路の周囲に面圧の偏りが生じて、印加される面圧が弱まり、流体通路や給排通路内の流体がリークするのを防止することが困難であるという課題があった。
In the device disclosed in
The one shown in
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、集電板の腐食が防止され、発電性能が向上した燃料電池を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a fuel cell in which corrosion of a current collector plate is prevented and power generation performance is improved.
本発明に係る燃料電池は、電極ユニットがセパレータで挟持されたセルが複数積層されてなる積層体と、上記積層体の両端に配設された集電板と、この集電板の外側に配設された絶縁板とが密着固定された燃料電池において、上記積層体は積層方向に第1の貫通孔を有し、上記集電板は、上記第1の貫通孔と連通した第2の貫通孔を有し、上記絶縁板は上記第2の貫通孔と連通した第3の貫通孔を有し、上記第2の貫通孔の開口部が、上記第1の貫通孔の開口部および上記第3の貫通孔の開口部より大きく、上記第1の貫通孔の開口部および上記第3の貫通孔の開口部を包囲し、上記第2の貫通孔内に設けられ、上記第1の貫通孔の開口部および第3の貫通孔の開口部を包囲し、上記積層体と上記絶縁板とで圧接されたシール部材を備えるものである。 The fuel cell according to the present invention includes a laminate in which a plurality of cells each having an electrode unit sandwiched between separators, a current collector plate disposed at both ends of the laminate, and an outer side of the current collector plate. In the fuel cell in which the provided insulating plate is tightly fixed, the stacked body has a first through hole in the stacking direction, and the current collector plate has a second through hole communicated with the first through hole. The insulating plate has a third through-hole communicating with the second through-hole, and the opening of the second through-hole has an opening of the first through-hole and the first through-hole. 3 is larger than the opening of the three through holes, surrounds the opening of the first through hole and the opening of the third through hole, and is provided in the second through hole. And a sealing member that surrounds the opening of the third through-hole and the opening of the third through hole and is press-contacted by the laminated body and the insulating plate. It is.
シール部材により、集電板が、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤等の流体により腐食されることが防止できる。また、集電板の大きさを制限する必要がないので積層体のセル面と積層方向に面圧が印加されてシール性能が向上し、燃料電池の発電性能が向上するという効果がある。 The seal member can prevent the current collector plate from being corroded by a fluid such as fuel gas, oxidant gas or coolant. In addition, since it is not necessary to limit the size of the current collector plate, surface pressure is applied in the cell surface and the stacking direction of the stacked body, thereby improving the sealing performance and improving the power generation performance of the fuel cell.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における、燃料電池の概略構成を示す側面図であり、図2は図1の燃料電池の下端部を切り欠いて、各部材の積層状態を明確にして示す斜視図であり、図3は図1の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図である。
図1〜図3に示すように、本実施の形態の燃料電池は、所定出力規模に必要な数だけセル60を直列に積層して積層体6を構成するが、上記セル60は、一対の電極(燃料極と酸化剤極)で電解質を挟んだ電極ユニット62を、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤の流路を有するセパレータ61で挟んだもので、固体高分子電解質型燃料電池の場合は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる。
各セパレータ61の各流路は各々連通して、積層体6の積層方向に第1の貫通孔41が形成される。また、積層体6の第1の貫通孔41と、集電板2の第2の貫通孔42と、絶縁板3の第3の貫通孔43とは連通して上記第1〜第3の貫通孔内に、積層体6の積層方向(図中矢印で示す。)に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却剤等の流体を通流させる。
燃料電池の出力は、積層体6の両端部に設けられた集電板2から取り出される。集電板2の外側には絶縁板3、絶縁板3の外側には加圧端板14が積層され、加圧ロッド15と加圧ナット16により積層体6の両端からの面圧が各セル60に印加されて固定されている。加圧機構は一般的なものを示したが、いかなる加圧構造においても積層体6に面圧が印加される構造は同じである。
FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a fuel cell according to
As shown in FIGS. 1 to 3, the fuel cell according to the present embodiment forms a
Each flow path of each
The output of the fuel cell is taken out from
特に、本実施の形態の燃料電池においては、図2、図3に示すように、積層体6の第1の貫通孔41、集電板2の第2の貫通孔42、および絶縁板3の第3の貫通孔43において、第2の貫通孔42の開口部は、第1の貫通孔41および第3の貫通孔43の開口部より大きく、第2の貫通孔42の開口部の投影面内に、第1の貫通孔41の開口部と第3の貫通孔43の開口部の投影面が含まれるように、第2の貫通孔42の開口部が第1の貫通孔41の開口部および第3の貫通孔43の開口部を包囲するように構成されている。また、絶縁板3は開口部の外周に沿った環状凸部31を有するが、環状凸部31の外周は第2の貫通孔42の開口部より小さく、第2の貫通孔42の開口部内に収まる大きさである。
第2の貫通孔42内には、第1の貫通孔41の開口部および第3の貫通孔43の開口部を包囲するようにシール部材5が設けられ、シール部材5は積層体6と絶縁板3の環状凸部31とで圧接されている。また、環状凸部31と対向する積層体6の端面、即ち積層体6の末端セル60のセパレータ61にはシール部材5を安定に保持する溝11が形成されている。溝11は、強度的に強いセパレータ側に設けることにより、強度的に弱い絶縁板3側を平面にすることができるので、面圧印加状態が長期間続くことによる絶縁板の劣化、クラックの発生を防止できる。
In particular, in the fuel cell of the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the first through
A
図3に示すように、絶縁板3の環状凸部31の高さ(h1)が、集電板の厚さ(h2)より小さいので、固定に際して上下から受ける面圧を集電板2で支えることになり、積層体6においては、積層セル受圧部9で示される領域に面圧が印加される。また、絶縁板3の環状凸部31はセパレータ61との間に間隔を保ち接触しないので、積層体6においては、積層セル非受圧部8で示される領域には面圧が印加されないが、シール部材5が集電板2を上記流体から隔離するとともに、絶縁板3の環状凸部31とセパレータ61とで圧接されているので上記積層方向に通流する流体の漏れを封止し、集電板2が上記流体と接触することが防止される。そのため、集電板2として導電性に優れた低コストの金属を使用できるのでコストの低下が可能となる。
また、本実施の形態に係わる集電板2は上記のように構成されているので、外形を積層体8の端面と略同一とすることができ、積層体6のセル60面全面および積層方向全体に面圧を略均等に印加することができ、セル60内部のシール部材にも十分面圧が印加され、積層体全体にわたり流体が良好に封止され、高性能な発電性能が得られる。
As shown in FIG. 3, the height (h 1 ) of the
In addition, since the
一般的に、集電板2に用いられる金属圧延板材や絶縁板3に用いられる絶縁材は、比較的厚さ方向のバラツキが大きい素材{例えば、アルミ2017(JIS H4000)では厚さが16〜22mmの場合、バラツキは0.8mm以下に規定されている。}であり、廉価なコストで切削加工して用いる場合、表面粗さを±0.05mm程度に抑えることが限界であり、モールド成形加工においては、表面粗さを±0.05mm以下に抑えることを目的とした開発が進められている(第10回燃料電池シンポジウム講演予稿集、燃料電池開発情報センター発行、2003年、p.102)。
そこで、絶縁板3の環状凸部31の高さ(h1)と集電板2の厚さ(h2)を、h2−h1>0.05mmと設計する場合、シール部材5の厚さは、積層前でセパレータ61側の溝の深さより0.15mm以上高くすることが望ましい。この場合、部材を積層する際や固定により面圧が印加されることにより、平均0.1mm、最低でも0.05mm圧縮されれば良いことになる。この圧縮量は溝深さによって異なり、一般機器用O−リング(JIS B 2401)の場合は約8〜30%圧縮されるため、この圧縮量と集電板の厚さ(h2)と絶縁板3の環状凸部の高さ(h1)とに基づいて、シール部材5の厚さ、溝11の深さを決める。
Generally, the metal rolled plate material used for the
Therefore, when the height (h 1 ) of the
なお、本実施の形態では絶縁板3に環状凸部31を設けた場合を示したが、セパレータ61に環状凸部31を設けてもよく、環状凸部31をセパレータ61と絶縁板3の両方に設けてもよい。
また、図4は、本実施の形態における、別の燃料電池の下端部の概略構成を示す縦断面図であるが、図3のように絶縁板3に環状凸部31を設けることなく、図3の環状凸部31の高さに相当する厚さを加えたシール部材5を単独で用いたもので、図3に示すものと同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the case where the
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of the lower end portion of another fuel cell in the present embodiment, but without providing the
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2における、燃料電池端部の概略を示す縦断面図である。
本実施の形態においては、実施の形態1と同様な構成の燃料電池において、セパレータ61と集電板2との間に、集電板2と略同じ大きさのシート状の弾性部材13が挟持されているものである。ここで、弾性部材13はセパレータ61と集電板2の間に設けるため導電性であり、弾性部材13の厚さと集電板2の厚さ(h2)の合計(h3)と、絶縁板3の環状凸部31の高さ(h1)の関係が、h3−h1>0となるように設ける。このときの弾性部材13の厚さは面圧を印加した後の平均厚さである。
金属製の集電板2、樹脂などの絶縁材料で成形された絶縁板3などは、剛体であるため、積層時に均一な面接触をしようとすると表面研削等、高コストの精密加工が必要になる。従って、一般的には表面は安価な切削加工や型成形方法を行うが、この場合、一般的に、表面粗さが±0.05mmとなる。このような表面粗さによる片当りが発生し、印加面圧の偏りが生じることになり、セパレータ61と集電板2との接触面での片当りは接触抵抗の増大を招き、電池特性の低下が生じることになる。
それに対して、本実施の形態では、弾性部材13を設けることにより実施の形態1の効果に加えて、集電板2とセパレータ61の表面粗さを弾性部材13が吸収して緩衝材となり、良好な接触が得られるため、電気抵抗が低減されるとともに印加面圧の偏りが軽減されるという効果が得られる。
例えば、h3−h1>0.05mmとなるように厚さの微調整を行なうには、弾性部材13として、カーボンペーパー{商品名:TGP−H−090,東レ(株)製}、{商品名:TGP−H−060,東レ(株)製})を用いることが望ましい。上記カーボンペーパーは、導電性で、弾性により局所的な凹凸を吸収して緩衝材となり、また、経時的なクリープもほとんどみられない。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an outline of the fuel cell end portion in the second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, in the fuel cell having the same configuration as in the first embodiment, a sheet-like
Since the
On the other hand, in the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment by providing the
For example, in order to finely adjust the thickness so that h 3 −h 1 > 0.05 mm, the
なお、弾性部材13は絶縁板3と集電板2の間に挿入しても良く、この場合は、導電性でなくても良い。絶縁板3と集電板2の間に挿入する弾性部材13としては、ポリテトラフルオロエチレンまたはエチレンプロピレン共重合体からなる樹脂シート等、比較的柔軟性があるものが用いられ、絶縁板3と集電板2の凹凸の緩和による片当りの解消と上記のように厚みの微調整を容易に行なうことができる。
なお、弾性部材13は、集電板2とセパレータ61の間および絶縁板3と集電板2の間の両方に挟持されていても良い。
The
The
2 集電板、3 絶縁板、31 環状凸部、41 第1の貫通孔、42 第2の貫通孔、43 第3の貫通孔、5 シール部材、6 積層体、60 セル、61 セパレータ、62 電極ユニット、11 溝、13 弾性部材。
2 current collector plate, 3 insulating plate, 31 annular convex portion, 41 first through hole, 42 second through hole, 43 third through hole, 5 seal member, 6 laminate, 60 cells, 61 separator, 62 Electrode unit, 11 groove, 13 elastic member.
Claims (6)
The laminated body has an annular convex portion surrounding the opening portion of the first through hole on the end surface, or the insulating plate has an annular convex portion surrounding the opening portion of the third through hole, and the sealing member is the annular convex portion. The fuel cell according to claim 4, wherein a height of the annular convex portion is smaller than a sum of a thickness of the current collector plate and a thickness of the elastic member.
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