JP2007220361A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】特にセパレータ寸法が長尺化することがなく、所望の絶縁距離を確保して絶縁性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する各発電セル１２は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６を備える。第１金属セパレータ２４は、第１金属プレート４８と、この第１金属プレート４８に一体成形される絶縁材料製の第１シール部材５０とを備える。第１シール部材５０は、第１金属プレート４８の外周端部からプレート面方向外方に膨出する外周絶縁部５４を有し、この外周絶縁部５４には、断面ジグザグの外形部位５４ａ、５４ｂがプレート面方向に沿って設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層す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）の両側に、それぞれ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・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。

上記の燃料電池では、積層方向に電気を流すために、セパレータが導電性を有する必要がある。このため、セパレータは、金属系材料や黒鉛系材料等の導電性材料で構成されており、例えば、金属系材料を使用した金属セパレータが採用されている。

その際、金属セパレータには、反応による生成水や結露水によって腐食電流が流れ、電蝕による腐食が発生し易い。従って、金属セパレータでは、反応ガス及び冷却媒体のシール機能と絶縁機能とを有するシール部材が、金属プレートに一体成形される構成が採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持している。そして、金属セパレータは、成形加工される金属プレートと、前記金属プレートの少なくとも一方の外周面を覆うシール部材とを備えるとともに、前記シール部材は、前記金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部を覆う部位の厚さが、その他の部分を覆う部位の厚さよりも大きく構成されている。

このように構成される燃料電池では、金属プレートの外周湾曲部乃至外周屈曲部がシール部材の肉厚な部位に覆われているため、前記金属プレートをプレス加工する際に寸法のばらつきが発生しても、金属部分が前記シール部材から外部に不要に露呈することがない。従って、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの絶縁不良を確実に阻止することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。

特開２００５−２７６６３７号公報（図２）

本発明はこの種のシール部材を設けた金属セパレータに関するものであり、特にセパレータ寸法が長尺化することがなく、所望の絶縁距離を確保して絶縁性の向上を図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、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層する燃料電池に関するものである。そして、金属セパレータは、金属プレートと、前記金属プレートに一体成形されるシール部材とを備え、前記シール部材は、前記金属プレートの外周端部からプレート面方向外方に膨出する外周絶縁部を有するとともに、前記外周絶縁部には、断面凹凸形状乃至断面湾曲形状の外形部位が前記プレート面方向に沿って設けられている。

また、電解質・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持する際、一方の金属セパレータに設けられる一方の外形部位と他方の金属セパレータに設けられる他方の外形部位とは、互いに嵌合することが好ましい。

さらに、一方の外形部位と他方の外形部位との合わせ面間には、部分的に空間部が形成されることが好ましい。

本発明によれば、シール部材を構成する外周絶縁部には、断面凹凸形状乃至断面湾曲形状の外形部位が設けられており、この外形部位の表面形状に倣って延在する沿面距離の全長が長尺化される。従って、直線状の外形部位を有する外周絶縁部に比べ、金属セパレータ自体が大型化することがなく、絶縁距離を有効に長尺化することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、所望の絶縁距離を確保して絶縁性の向上を図ることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の一部断面説明図である。

燃料電池１０は、複数の発電セル１２が略水平方向である矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。なお、燃料電池１０は、箱状のケーシング内に収容して構成してもよい。この燃料電池１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

図２に示すように、各発電セル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を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。

発電セル１２の矢印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（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ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供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ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を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の実施形態では、アノード側電極３６の表面積は、カソード側電極３８の表面積よりも小さく設定される。

第１金属セパレータ２４は、燃料ガス供給連通孔３２ａの近傍に複数の供給孔部４０ａを設ける一方、燃料ガス排出連通孔３２ｂの近傍に複数の排出孔部４０ｂを設ける。第１金属セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに燃料ガス流路４２を設ける（図２及び図３参照）。第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４４が設けられる。

第２金属セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに酸化剤ガス流路４６を設ける。この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔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との間に一体的に形成される冷却媒体流路４４が設けられる（図１参照）。

図４に示すように、第１金属セパレータ２４は、薄板波形状の第１金属プレート４８と、この第１金属プレート４８に一体成形される絶縁材料製の第１シール部材５０とを備える。第１シール部材５０は、面２４ａ、２４ｂに一体化されるシール部５２、５３と、第１金属プレート４８の外周端部からプレート面方向（矢印Ｃ方向）外方に膨出する外周絶縁部５４とを有する。外周絶縁部５４の両面には、第１金属プレート４８のプレート面方向に沿って断面凹凸形状、例えば、断面ジグザグの外形部位５４ａ、５４ｂが設けられる。

シール部５２は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２を構成する固体高分子電解質膜３４の外周縁部を周回して固体高分子電解質膜３４に直接接触する内側シール部５２ａと、この電解質膜・電極構造体２２の外方を周回する外側シール部５２ｂとを有する。シール部５３は、図２に示すように、冷却媒体流路４４を冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する。

図４に示すように、第２金属セパレータ２６は、薄板波形状の第２金属プレート５６と、この第２金属プレート５６に一体成形される絶縁材料製の第２シール部材５８とを備える。

第２シール部材５８は、面２６ａ、２６ｂに一体化されるシール部６０、６２と、第２金属プレート５６の外周端部からプレート面方向外方に膨出する外周絶縁部６４とを有する。この外周絶縁部６４の両面には、断面ジグザグな外形部位６４ａ、６４ｂが設けられる。各外周絶縁部５４、６４の外形部位５４ａ、６４ａは、第１及び第２金属セパレータ２４、２６が重なり合う際に互いに嵌合する。

シール部６０は、図２に示すように、酸化剤ガス流路４６を酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通するとともに、シール部６２は、シール部５３と重なり合うことにより、冷却媒体流路４４を冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池１０において、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される一方、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

各発電セル１２内では、図２に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図２及び図３に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａから供給孔部４０ａを通って第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６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３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６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３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ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、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第１金属セパレータ２４は、第１金属プレート４８に一体成形される第１シール部材５０を備えるとともに、この第１シール部材５０は、前記第１金属プレート４８の外周端部からプレート面方向外方に膨出する外周絶縁部５４を有している。そして、外周絶縁部５４には、断面ジグザグの外形部位５４ａ、５４ｂがプレート面方向に沿って設けられている。

このため、外周絶縁部５４では、外形部位５４ａ、５４ｂの表面形状に倣って延在する沿面距離Ｌ１が、直線状の外形部位の沿面距離Ｌ０に比べて相当に長尺化される。例えば、シール部５３に絶縁不良部Ｆが発生した際、ＤＥ間の断面積が同一の場合に、沿面距離Ｌ１＞沿面距離Ｌ０となるために、絶縁抵抗値を高くすることができ、絶縁性を良好に確保することが可能になる。

従って、直線状の外形部位を有する従来の外周絶縁部に比べ、外周絶縁部５４をプレート面方向に有効に短尺化することができ、第１金属セパレータ２４自体を大型化することがなく、絶縁距離（沿面距離）を有効に長尺化することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、所望の絶縁距離を確保して、第１シール部材５０による絶縁性の向上を図ることができるという効果が得られる。

なお、第２金属セパレータ２６においても、同様に断面ジグザグの外形部位６４ａ、６４ｂを有する外周絶縁部６４が設けられており、上記の第１金属セパレータ２４と同様の効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、第１及び第２金属セパレータ２４、２６が互いに重なり合う際に、第１及び第２シール部材５０、５８の外形部位５４ａ、６４ａ及び５４ｂ、６４ｂ同士が互いに嵌合している。このため、第１及び第２金属セパレータ２４、２６同士を容易且つ確実に位置決めすることができ、各発電セル１２の位置決め精度が向上するとともに、複数の前記発電セル１２が積層された燃料電池１０を効率的に組み付けることができるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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及び第４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。

燃料電池８０は、複数の発電セル８２を矢印Ａ方向に積層するとともに、各発電セル８２は、第１及び第２金属セパレータ８４、８６を備える。第１金属セパレータ８４は、第１金属プレート４８に一体成形される第１シール部材８８を有するとともに、この第１シール部材８８は、外周絶縁部９０を設ける。

外周絶縁部９０には、断面湾曲形状、例えば、断面円弧状の外形部位９０ａ、９０ｂが第１金属プレート４８のプレート面方向に沿って設けられる。外形部位９０ａは、凹部を構成する一方、外形部位９０ｂは、凸部を構成する。

第２金属セパレータ８６は、第２金属プレート５６に一体成形される第２シール部材９２を備える。第２シール部材９２は、外周絶縁部９４を有するとともに、前記外周絶縁部９４には、断面円弧状の外形部位９４ａ、９４ｂがプレート面方向に沿って設けられる。第１及び第２金属セパレータ８４、８６が互いに重なり合う際に、各外周絶縁部９０、９４の外形部位９０ａ、９４ａ及び９０ｂ、９４ｂ同士が互いに嵌合する。

このように構成される第２の実施形態では、外形部位９０ａ、９０ｂ、９４ａ及び９４ｂが断面円弧形状を有するため、これらの表面形状に倣って延在する沿面距離Ｌ２は、直線状の沿面距離Ｌ０に比べて長尺化される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、所望の絶縁距離を確保することができる等、上記の第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１００の要部断面説明図である。

燃料電池１００を構成する各発電セル１０２は、第１及び第２金属セパレータ１０４、１０６を備える。第１金属セパレータ１０４は、第１金属プレート４８に一体成形される第１シール部材１０８を設けるとともに、この第１シール部材１０８は、外周絶縁部１１０を有する。外周絶縁部１１０には、断面ジグザグの外形部位１１０ａ、１１０ｂがプレート面方向に沿って設けられるとともに、前記外形部位１１０ａには、中央側の山部を切り欠いた切り欠き部１１２が設けられる。

第２金属セパレータ１０６は、第２金属プレート５６に一体成形される第２シール部材１１４を備える。第２シール部材１１４を構成する外周絶縁部１１６には、断面ジグザグの外形部位１１６ａ、１１６ｂがプレート面方向に沿って設けられる。外形部位１１６ｂには、中央側の山部を切り欠いた切り欠き部１１８が形成される。

第１及び第２金属セパレータ１０４、１０６が重なり合う際に、各外周絶縁部１１０、１１６の外形部位１１０ａ、１１６ａ間及び外形部位１１０ｂ、１１６ｂ間には、それぞれ切り欠き部１１２、１１８を介して空間部１２０が部分的に形成される。

このように構成される第３の実施形態では、第１及び第２シール部材１０８、１１４間には、外周絶縁部１１０、１１６によって囲まれた空間部１２０が形成されている。このため、毛細管現象によって外形部位１１０ａ、１１６ａ間及び外形部位１１０ｂ、１１６ｂ間に浸入した水は、空間部１２０に滞留してさらに上昇することが阻止される。これにより、発電セル１０２内に水が浸入することを一層確実に防止することができ、絶縁性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、外形部位１１０ａ、１１６ｂには、中央側の山部を切り欠いた切り欠き部１１２、１１８が設けられている。このため、第１及び第２シール部材１０８、１１４の成形誤差等を吸収することができ、前記第１及び第２シール部材１０８、１１４にシール荷重が過大に付与されることを阻止することが可能になる。

さらにまた、外形部位１１０ａ、１１０ｂ、１１６ａ及び１１６ｂにより長尺な沿面距離Ｌ３を確保するとともに、位置決め機能を有することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１３０の要部断面説明図である。

燃料電池１３０を構成する各発電セル１３２は、第１及び第２金属セパレータ１３４、１３６を備える。第１金属セパレータ１３４は、第１金属プレート４８に一体成形される第１シール部材１３８を備え、この第１シール部材１３８は、外周絶縁部１４０を設けている。外周絶縁部１４０には、断面円弧状の外形部位１４０ａ、１４０ｂがプレート面方向に沿って設けられるとともに、凸状側の前記外形部位１４０ｂの略中央には、窪み１４２が形成される。

第２金属セパレータ１３６は、第２金属プレート５６に一体成形される第２シール部材１４４を備え、この第２シール部材１４４には、外周絶縁部１４６が設けられる。外周絶縁部１４６には、断面円弧状の外形部位１４６ａ、１４６ｂがプレート面方向に沿って設けられるとともに、凸部側の前記外形部位１４６ａの略中央には、窪み１４８が形成される。

このように構成される第４の実施形態では、第１及び第２金属セパレータ１３４、１３６が重ね合わされる際に、各外周絶縁部１４０、１４６の外形部位１４０ａ、１４６ａ及び外形部位１４０ｂ、１４６ｂが互いに嵌合して比較的長尺な沿面距離Ｌ４が形成されている。そして、外形部位１４０ａ、１４６ａ間及び外形部位１４０ｂ、１４６ｂ間には、部分的に空間部である窪み１４２が形成されており、上記の第３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断面説明図である。 前記燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。

符号の説明

１０、８０、１００、１３０…燃料電池 １２…発電セル
１４…積層体 ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、８４、８６、１０４、１０６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４４…冷却媒体流路
４６…酸化剤ガス流路 ４８、５６…金属プレート
５０、５８、８８、９２、１０８、１１４、１３８、１４４…シール部材
５４、６４、９０、９４、１１０、１１６、１４０、１４６…外周絶縁部
５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、９０ａ、９０ｂ、９４ａ、９４ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１４６ａ、１４６ｂ…外形部位

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層する燃料電池であって、
   前記金属セパレータは、金属プレートと、
   前記金属プレートに一体成形されるシール部材と、
   を備え、
   前記シール部材は、前記金属プレートの外周端部からプレート面方向外方に膨出する外周絶縁部を有するとともに、
   前記外周絶縁部には、断面凹凸形状乃至断面湾曲形状の外形部位が前記プレート面方向に沿って設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体を一対の前記金属セパレータで挟持する際、一方の金属セパレータに設けられる一方の外形部位と他方の金属セパレータに設けられる他方の外形部位とは、互いに嵌合することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記一方の外形部位と前記他方の外形部位との合わせ面間には、部分的に空間部が形成されることを特徴とする燃料電池。

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