JP2007311104A

JP2007311104A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007311104A
Application number: JP2006137614A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Inui; 文彦乾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】良好にセルモニタの取り付け状態を維持することができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】金属板２９の外周部が樹脂フレーム３０によって絶縁されたセパレータ１８の周縁にセルモニタを取り付ける。樹脂フレーム３０の取付凸部には、セルモニタが係合する抜け止め凹部５０が形成されている。一方、金属板２９には、取付凸部がセルモニタの離脱方向に外力を受けたときに該外力を当該取付凸部と共受する抜け止め片４２が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に係わり、特に、電圧測定手段の取り付け状態を良好に維持するための技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。このような燃料電池では、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられる。セルの構造は、電解質膜及びその両面側に配置された一対の電極とを有するＭＥＡ（Membrance Electrode Assembly）と、このＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成される。

セルは、各セパレータに形成されたガス流路を介して酸化ガス又は燃料ガスが各電極に供給されることで発電するようになっている。そして、この種の燃料電池スタックには、セルの電圧を検出する複数のセルモニタ（電圧測定手段）が積層方向に配列されており、これらセルモニタは、セパレータの外周部を絶縁する樹脂フレームに形成された抜け止め部（離脱抑制部）にてセル積層体に取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−８７１６３号公報

ところで、樹脂フレームは、その成形が容易であるため、セルモニタを係合させるための凹部や凸部を形成し易い反面、強度的に弱く、このため、セルモニタに大きな外力が加わった際に、樹脂フレームの抜け止め部が変形あるいは破損し、セルモニタの取り付け状態が不安定となる虞があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電圧測定手段の取り付け状態を良好に維持することができる燃料電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、ガス流路部を有するセパレータの外周部に樹脂フレームが配置された燃料電池であって、前記樹脂フレームは、前記セパレータにおける電圧測定手段との接触部と対応する位置に、前記電圧測定手段と係合して該電圧測定手段の離脱を抑制する離脱抑制部を備え、前記セパレータにおける前記接触部は、前記離脱抑制部が前記電圧測定手段の離脱方向に外力を受けたときに該外力を当該離脱抑制部と共受する受力部を備えるものである。

この構成によれば、電圧測定手段の離脱方向に外力を受けたときでも、樹脂フレームの離脱抑制部により離脱を防止するとともに、その外力の一部を受力部で負担することが可能になる、言い換えれば、受けた外力に対して受圧部が離脱抑制部をバックアップ（支持乃至補強）することが可能になるため、離脱抑制部の変形あるいは破損が抑制される。これにより、電圧測定手段の取り付け状態を良好に保持することができる。

前記セパレータは金属製であってもよい。

この構成によれば、セパレータの一部からなる受力部が金属製となり、同一の断面積であれば受力部が樹脂フレームよりも高強度（高剛性）になるので、離脱抑制部の変形あるいは破損を抑制する効果が向上する。

前記受力部は、前記セパレータの外周部の一部がそれに隣接する部分よりも面方向外方に延出してなる凸部の先端が、前記離脱抑制部の前記面方向外方を覆うように屈曲して構成されたものでもよい。

この構成によれば、離脱抑制部の前記面方向外方への変形が凸部の先端（受力部）によって規制されるので、電圧測定手段の取り付け状態を良好に保持することができる。

本発明によれば、電圧測定手段の取り付け状態を良好に維持することができる。

次に、本発明に係る燃料電池スタックの一実施の形態を説明する。以下、このセルモニタが取り付けられた燃料電池スタックを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

図１及び図２に示すように、本実施形態における固体高分子電解質型の燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）９とセパレータ１８との積層体からなり、ＭＥＡ９は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。ＭＥＡ９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、拡散層１６が設けられる。

そして、ＭＥＡ９とセパレータ１８を重ねてセル１９が構成され、複数のセル１９が積層されてセル積層体８とされ、セル積層体８のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２が配置され、セル積層体８がセル積層方向に締め付けられ、セル積層体８の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定されて、燃料電池スタック（燃料電池）２３が構成されている。

セル１９を構成している一方のセパレータ１８の一面側には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路（ガス流路部）２７が形成され、同一のセル１９を構成している他方のカソード１７の一面側には、酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、これらセパレータ１８の他面側には、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル１９毎に、または複数のセル１９毎に設けられている。

本実施形態のセパレータ１８は、中央部にガス流路２７、２８を形成する金属板２９と、その外周部に設けられる樹脂フレーム３０と、を有する合成セパレータである。

そして、プラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間にＭＥＡ９が挟まれ、中央部では金属板２９のＭＥＡ９側にガス流路２７、２８が形成され、周囲部ではプラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間に電解質膜１１が挟まれる。金属板２９同士の間、樹脂フレーム３０と金属板２９との間、金属板２９と電解質膜１１との間は、例えば接着剤にてシールされる。

図３の要部拡大図に示すように、燃料電池スタック２３には、複数のセル１９毎に、セル１９の電圧を検出するセルモニタ３１が取り付けられている。なお、このセルモニタ３１は、各セル１９毎に取り付けられる場合もある。

同図に示すように、燃料電池スタック２３には、樹脂フレーム３０に形成された取付凸部（離脱抑制部）４０の先端近傍における両側部に、抜け止め凹部５０が形成されている。一方、セルモニタ３１には、取付凹部４１を形成する第１の脚３３ｂ及び第２の脚部３３ｃの両内側部に、抜け止め凸部５１が形成されている。

そして、セルモニタ３１の取付凹部４１に樹脂フレーム３０の取付凸部４０が嵌合するように、セルモニタ３１を燃料電池スタック２３へ押し付けると、樹脂フレーム３０の取付凸部４０に形成された抜け止め凹部５０に、セルモニタ３１の取付凹部４１に形成された抜け止め凸部５１が係合し、セパレータ１８における接触部３５へのセルモニタ３１の取り付け状態が維持される。

つまり、本実施形態における樹脂フレーム３０の取付凸部４０は、金属板２９におけるセルモニタ（電圧測定手段）３１との接触部３５と対応する位置に形成されたものであり、セルモニタ３１に係合して当該セルモニタ３１の離脱を抑制する離脱抑制部の一実施形態となっている。

図４及び図５に示すように、セパレータ１８における接触部３５には、金属板２９の一部を樹脂フレーム３０側へ屈曲させることにより、抜け止め片（受力部）４２が形成されており、この抜け止め片４２によって樹脂フレーム３０の取付凸部４０の先端部が覆われている。

つまり、本実施形態では、金属板２９の外周部の一部がそれに隣接する部分よりも面方向外方に延出する凸部となっていて、その凸部の先端が取付凸部４０の前記面方向外方を覆うように屈曲して、本発明における受力部としての抜け止め片４２が構成されている。

これにより、取付凸部４０における樹脂フレーム３０は、抜け止め片４２によって保持されて補強される。つまり、取付凸部４０がセルモニタ３１の離脱方向に外力を受けたときでも、該外力は当該取付凸部４０と抜け止め片４２とによって共受されると共に、取付凸部４０のセルモニタ離脱方向（面方向外方）への変形が抜け止め片４２によって規制される。

なお、この抜け止め片４２は、セルモニタ３１の抜け止め凸部５１が係合可能な抜け止め部としての機能も有している。

ここで、セパレータ１８における接触部３５に抜け止め片４２が形成されていない場合には、セルモニタ３１の主として離脱方向（図３及び図４における紙面上下方向）への変位、言い換えれば、樹脂フレーム３０の面方向外方への変位により、樹脂フレーム３０に大きな曲げ力が付与される。このため、セルモニタ３１に大きな外力が加わると、樹脂フレーム３０が大きく変形あるいは破損して、セルモニタ３１のセル１９への取り付け状態が不安定となることがある。

これに対して、本実施形態では、抜け止め凹部５０が形成された樹脂フレーム３０の取付凸部４０が、その先端部に金属板２９の抜け止め片４２が覆い被さるように保持されているので、取付凸部４０が樹脂フレーム３０の特に上記離脱方向の外力に対して補強（バックアップ）されることになり、この樹脂フレーム３０の変形あるいは破損を抑制することができる。

また、万一、樹脂フレーム３０が変形あるいは破損してセルモニタ３１の樹脂フレーム３０との取付状態が不安定となっても、金属板２９の抜け止め片４２にセルモニタ３１の抜け止め凸部５１が係合可能であることより、セルモニタ３１の保持状態を維持することができる。

さらに、樹脂フレーム３０を補強するとともにセルモニタ３１を係合する抜け止め片４２が、金属からなる金属板２９に形成されているので、樹脂フレーム３０の補強あるいはセルモニタ３１の保持を良好に行うことができる。

なお、図６に示すように、抜け止め片４２の先端部を、取付凸部４０の基端側へ向かってさらに屈曲させて保持片４３を形成しても良く、このような構成の保持片４３を形成することにより、樹脂フレーム３０を、よりしっかり補強することができ、特に、樹脂フレーム３０の面方向への変形を極力抑えて、セルモニタ３１の取り付け状態を長期にわたって良好に保持することができる。

また、取付凸部４０の先端近傍における樹脂フレーム３０の金属板２９との対向面に溝部を形成し、この溝部に接着剤を塗布して金属板２９に接着固定しても良く、このようにすると、抜け止め凹部５０が形成された樹脂フレーム３０の取付凸部４０を金属板２９に一体化させることができるので、これにより、この樹脂フレーム３０を補強することができ、樹脂フレーム３０の変形あるいは破損を抑えることができる。

なお、樹脂フレーム３０を金属板２９へ固着させる方法としては、接着剤による接着固定以外にも、例えば、熱圧着やラミネート成形による方法でも良い。

燃料電池スタックの側面図である。燃料電池スタックを構成する単セルの断面図である。セルモニタが取り付けられた燃料電池スタックの要部拡大図である。セルモニタが取り付けられる接触部及びその周辺部分を示す斜視図である。図４に示す金属板と樹脂フレームとを分離した状態を示す分解斜視図である。セルモニタが取り付けられる接触部及びその周辺部分の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０…燃料電池、２３…燃料電池スタック（燃料電池）、２７…燃料ガス流路（ガス流路部）、２８…酸化ガス流路（ガス流路部）、２９…金属板、３０…樹脂フレーム、３１…セルモニタ、３５…接触部、４０…取付凸部（離脱抑制部）、４２…抜け止め片（受力部）、５０…抜け止め凹部。

Claims

ガス流路部を有するセパレータの外周部に樹脂フレームが配置された燃料電池であって、
前記樹脂フレームは、前記セパレータにおける電圧測定手段との接触部と対応する位置に、前記電圧測定手段と係合して該電圧測定手段の離脱を抑制する離脱抑制部を備え、
前記セパレータにおける前記接触部は、前記離脱抑制部が前記電圧測定手段の離脱方向に外力を受けたときに該外力を当該離脱抑制部と共受する受力部を備える燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記セパレータが金属製である燃料電池。
請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
前記受力部は、前記セパレータの外周部の一部がそれに隣接する部分よりも面方向外方に延出してなる凸部の先端が、前記離脱抑制部の前記面方向外方を覆うように屈曲して構成されたものである燃料電池。