JP2010277812A

JP2010277812A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2010277812A
Application number: JP2009128618A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Saito; 典彦齋藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP5444851B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックの各単セルの電圧モニタ用端子の剛性を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタックに含まれる各単セルに用いられる燃料電池用セパレータは、互いに同じ位置に形成された第１の突出部をそれぞれ有し対向する一対のプレートと、一対のプレートに挟持され、第１の突出部と同じ位置に形成された第２の突出部を有する中間プレートと、積層された第１の突出部と第２の突出部とによって形成された、単セルの電圧を測定するための電圧モニタ用端子と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックの各単セルの電圧モニタ用端子に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池では、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とセパレータとを有する単セルを、複数積層した構造（スタック構造）が採用される。燃料電池スタックの各単セルにおける発電の正常性を確認するため、各単セルに電圧モニタ用端子を設け、この電圧モニタ用端子にコネクタを接続して、コネクタ経由で電圧を測定する方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００５−２１６７００号公報

各単セルの電圧モニタ用端子は、セパレータを構成する１枚のプレート（金属板）の一部を突出させて形成されているため剛性が低く、コネクタの着脱の際に折れ曲がり、隣接する端子と短絡するおそれがあった。

本発明は、燃料電池スタックの各単セルの電圧モニタ用端子の剛性を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池スタックに含まれる各単セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、互いに同じ位置に形成された第１の突出部をそれぞれ有し、対向する一対のプレートと、前記一対のプレートに挟持され、前記第１の突出部と同じ位置に形成された第２の突出部を有する中間プレートと、積層された前記第１の突出部と前記第２の突出部とによって形成された、前記単セルの電圧を測定するための電圧モニタ用端子と、を備える、燃料電池用セパレータ。

適用例１の燃料電池用セパレータにおいて、電圧モニタ用端子は、積層された一対のプレートの第１の突出部と中間プレートの第２の突出部とによって形成されているので、１枚のプレートにより電圧モニタ用端子を形成する構成に比べて、剛性を向上させることができる。

本発明のセパレータを適用した燃料電池（単セル）を備えた燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。図１に示すＡ−Ａ断面を示す断面図である。セルモニタコネクタを装着する際の燃料電池スタック１００を示す説明図である。セルモニタコネクタ６０が装着された燃料電池スタック１００におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。第２の実施例における燃料電池スタックのＡ−Ａ断面を示す断面図である。第３の実施例におけるコネクタ側端子を示す斜視図及び正面図である。

Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明のセパレータを適用した燃料電池（単セル）を備えた燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セル１０と、酸化剤ガス供給マニホールド１１と、酸化剤ガス排出マニホールド１２と、燃料ガス供給マニホールド１３と、燃料ガス排出マニホールド１４と、冷却媒体供給マニホールド１５と、冷却媒体排出マニホールド１６とを備えている。なお、図１の例では、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層部分を表わしており、その他の部分については省略している。図１の例では、燃料電池スタック１００が載置された状態において鉛直上方が＋Ｚ方向と一致している。

各単セル１０は、各単セルの電圧を測定するための電圧モニタ用端子８０を備えている。各単セル１０において、電圧モニタ用端子８０は、隣接する単セル１０と互いに位置をずらして配置されている。このような構成により、隣接する電圧モニタ用端子８０間の距離ｄ１は比較的大きい。また、このような構成により、燃料電池スタック１００の上面Ｓ１には、複数の電圧モニタ用端子８０が千鳥状に配置され、単セル１０の積層方向（Ｙ軸に沿った方向）に沿って延びた電圧モニタ用端子８０の列が２つ形成されている。なお、各単セル１０の詳細構成については後述する。

各単セル１０は、厚み方向に沿って形成された６つの貫通孔を備えており、単セル１０が積層された状態において、これら６つの貫通孔により、上述した６つのマニホールド１１〜１６が燃料電池スタック１００の内部に形成される。

酸化剤ガス供給マニホールド１１は、図示しないエアコンプレッサーから供給される酸化剤ガスとしての空気を、各単セル１０に供給する。酸化剤ガス排出マニホールド１２は、各単セル１０において用いられなかった余剰空気（カソード側オフガス）を排出する。燃料ガス供給マニホールド１３は、図示しない水素ガスタンクから供給される燃料ガスとしての水素ガスを、各単セル１０に供給する。燃料ガス排出マニホールド１４は、各単セル１０において用いられなかった余剰水素ガス（アノード側オフガス）を排出する。冷却媒体供給マニホールド１５は、各単セル１０に冷却媒体を供給する。冷却媒体排出マニホールド１６は、各単セル１０で用いられた冷却媒体を排出する。

図２は、図１に示すＡ−Ａ断面を示す断面図である。Ａ−Ａ断面は、燃料電池スタック１００の上面Ｓ１に形成された一方の電圧モニタ用端子８０の列に沿った断面である。なお、図２の例では、Ａ−Ａ断面の一部のみ表わしている。

単セル１０は、シール一体型ＭＥＡ２０と、セパレータ４０とを備えている。シール一体型ＭＥＡ２０は、発電部２２と、シール部２１とを備えている。発電部２２は、膜電極接合体２５と、多孔質体流路２６とを備えている。膜電極接合体２５は、電解質膜（例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜のNafion（登録商標）やFlemion（登録商標）等）を有する。多孔質体流路２６は、膜電極接合体２５への反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の供給、及び膜電極接合体２５からの反応ガスの排出を行う。また、多孔質体流路２６は、発電に伴って生成された水を排出する。多孔質体流路２６としては、例えば、発泡金属や金属メッシュなどを用いることができる。

セパレータ４０は、カソード側プレート４１とアノード側プレート４３と中間プレート４２とを備えており、中間プレート４２がカソード側プレート４１及び中間プレート４２により挟持された構成を有する。これら３つのプレート４１〜４３は、いずれも、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）やチタン等の金属製の薄板に貫通孔を形成することにより構成されている。図２の例では、Ａ−Ａ断面において電圧モニタ用端子８０を有するセパレータ４０（以下、「セパレータ４０ａ」と呼ぶ）と、Ａ−Ａ断面において電圧モニタ用端子８０を有しないセパレータ４０（以下、「セパレータ４０ｂ」と呼ぶ）とが交互に配置されている。

カソード側プレート４１は、酸化剤ガス供給マニホールド１１を形成する貫通孔に加えて、酸化剤ガス供給孔４５と、酸化剤ガス排出孔４６とを備えている。酸化剤ガス供給孔４５は、酸化剤ガス供給マニホールド１１から供給された酸化剤ガス（空気）を発電部２２のカソード側に供給する。酸化剤ガス排出孔４６は、発電部２２から排出されるカソード側オフガスを酸化剤ガス排出マニホールド１２に排出する。

アノード側プレート４３は、酸化剤ガス供給マニホールド１１を形成する貫通孔に加えて、燃料ガス供給マニホールド１３から供給された燃料ガス（水素ガス）を発電部２２のアノード側に供給するための貫通孔（図示省略）と、発電部２２から排出されるアノード側オフガスを燃料ガス排出マニホールド１４に排出するための貫通孔（図示省略）を備えている。なお、図２のＡ−Ａ断面には、アノード側プレート４３の有するこれらの貫通孔は現れていない。

中間プレート４２は、酸化剤ガス供給マニホールド１１を形成する貫通孔に加えて、多数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔とカソード側プレート４１とアノード側プレート４３とで囲まれた空間として、酸化剤ガス供給流路４７と、酸化剤ガス排出流路４８と、複数の冷却媒体流路４９とが形成されている。

酸化剤ガス供給流路４７は、酸化剤ガス供給マニホールド１１から酸化剤ガス供給孔４５に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス排出流路４８は、酸化剤ガス排出孔４６から酸化剤ガス排出マニホールド１２に酸化剤ガスを排出する。冷却媒体流路４９は、各単セル１０において、冷却媒体供給マニホールド１５と冷却媒体排出マニホールド１６とを接続する。

図２のセパレータ４０ａに示すように、電圧モニタ用端子８０は、セパレータ４０の一部が上方（＋Ｚ方向）に突出して形成されている。換言すると、電圧モニタ用端子８０は、各プレート４１〜４３において同じ位置に同じ形状で形成された突出部分が積層された構成を有している。このように、電圧モニタ用端子８０は３枚のプレート４１〜４３により形成されているので、高い剛性を有する。

図３は、セルモニタコネクタを装着する際の燃料電池スタック１００を示す説明図である。セルモニタコネクタ６０は、燃料電池スタック１００の複数の電圧モニタ用端子８０を覆うように着脱自在に取り付けられ、電圧モニタ用端子８０と図示しない電圧検出器とを導通させる。図３の例では、セルモニタコネクタ６０は、１４個の電圧モニタ用端子８０を覆うように取り付けられるが、セルモニタコネクタ６０の大きさに応じて、任意の数の電圧モニタ用端子８０を覆うように取り付けることができる。

セルモニタコネクタ６０は、複数のスロット６１と、各スロットに配置されたコネクタ側端子６２とを備えている。各スロットは、燃料電池スタック１００を構成する各セパレータ４０に対応して形成された溝である。コネクタ側端子６２は、図３に拡大して示すように、導電性の薄板部材（例えば金属板）を断面が略コの字形となるように屈曲させて形成されており、中央の支持部６２ｃと、支持部６２ｃに接続され互いに対向する２つの挟持部６２ａ，６２ｂと、を備えている。コネクタ側端子６２は、セルモニタコネクタ６０の各スロット６１に１つずつ配置されている。セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００に装着された際に、２つの挟持部６２ａ，６２ｂは各電圧モニタ用端子８０を挟み込み、支持部６２ｃは電圧モニタ用端子８０の端面と当接する。

図４は、セルモニタコネクタ６０が装着された燃料電池スタック１００におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４では、図２と同じ位置における燃料電池スタック１００の断面を表わしている。図４に示すように、各スロット６１にはセパレータ４０が挿入されており、各コネクタ側端子６２には３枚のプレート４１〜４３が当接している。このように、燃料電池スタック１００では、３枚のプレート４１〜４３の突出した部分が各スロット６１に挿入されてコネクタ側端子６２と当接することにより、セルモニタコネクタ６０を着脱する際に電圧モニタ用端子８０が折れ曲がることを抑制可能に構成されている。図４に示す２つのセパレータ４０ａのように、電圧モニタ用端子８０の列において互いに隣り合うセパレータ４０間の距離ｄ２は、１つおきのスロット６１間の距離とほぼ等しく、比較的長い。このような構成により、燃料電池スタック１００は、仮に、電圧モニタ用端子８０が積層方向に折れ曲がった場合であっても、同じ列の隣りに位置する電圧モニタ用端子８０への接触を抑制可能に構成されている。

以上説明したように、各単セル１０の電圧モニタ用端子８０は、各プレート４１〜４３において同じ位置に同じ形状で形成された突出部分が積層されて形成されているので、高い剛性を有する。したがって、セルモニタコネクタ６０を装着する際、またはセルモニタコネクタ６０を取り外す際に、電圧モニタ用端子８０の折れ等損傷の発生を抑制できる。また、各単セル１０における電圧モニタ用端子８０は、隣接する単セル１０と互いに位置をずらして配置されている。したがって、隣接する単セル１０の電圧モニタ用端子８０間の距離を比較的長くすることができると共に、同じ列において互いに隣り合う電圧モニタ用端子８０間の距離を比較的長くすることができる。それゆえ、仮に電圧モニタ用端子８０が折れ曲がった場合であっても、他の電圧モニタ用端子８０に接触することを抑制できる。

Ｂ．第２の実施例：
図５は、第２の実施例における燃料電池スタックのＡ−Ａ断面を示す断面図である。図５では、図２と同じ位置における燃料電池スタックの断面を表わしている。第２の実施例のセパレータは、電圧モニタ用端子の形状において第１の実施例のセパレータ４０と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

第２の実施例のセパレータ４０ｃは、第１の実施例のセパレータ４０と同じ位置に、それぞれ電圧モニタ用端子８０ａを備えている。電圧モニタ用端子８０ａにおいて、セルモニタコネクタ６０と接続する先端部８１は、先端に向かうに従って細くなる、いわゆるテーパード形状となっている。このような形状は、例えば、カソード側プレート４１及びアノード側プレート４３の電圧モニタ用端子８０ａを形成する突出部分を、それぞれ所定の角度で折り曲げることにより形成することができる。セパレータ４０ｃでは、先端部８１をテーパード形状とすることにより、先端部８１がコネクタ側端子６２に挿入され易くなるように構成されている。

先端部８１は、中間プレート４２に代えて弾性層９０を備え、この弾性層９０をカソード側プレート４１及びアノード側プレート４３で挟持する構成を有している。弾性層９０としては、例えば、シリコンゴムやブチルゴム等の弾性体により形成することができる。先端部８１の中央層を弾性層９０で形成しているのは、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００に装着される際に、弾性層９０の弾性により先端部８１の厚みを小さくできるため、先端部８１がコネクタ側端子６２に挿入され易くできるからである。また、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００に装着された後には、弾性層９０の弾性によりカソード側プレート４１及びアノード側プレート４３をコネクタ側端子６２（挟持部６２ａ，６２ｂ）に押し付けることができるので、導通性を向上させ、かつ、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００からはずれてしまうことを抑制できるからである。なお、電圧モニタ用端子８０ａにおいて先端部８１よりも中央寄りの部分（図５において下方の部分）の構成は、第１の実施例の電圧モニタ用端子８０と同じである。

以上の構成を有する第２の実施例のセパレータ４０ａ及び燃料電池スタック１００ａは、第１の実施例のセパレータ４０及び燃料電池スタック１００と同様な効果を有する。加えて、電圧モニタ用端子８０ａの先端部８１の形状はテーパード形状であるので、電圧モニタ用端子８０ａをコネクタ側端子６２に挿入し易い。また、先端部８１の中間層として、弾性層９０を配置しているので、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００に装着される際に、弾性層９０の弾性により先端部８１の厚みを小さくできるため、先端部８１がコネクタ側端子６２に挿入され易くできる。また、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００に装着された後には、弾性層９０の弾性によりカソード側プレート４１及びアノード側プレート４３をコネクタ側端子６２（挟持部６２ａ，６２ｂ）に押し付けることができるので、導通性を向上させ、かつ、セルモニタコネクタ６０が燃料電池スタック１００からはずれてしまうことを抑制できる。

Ｃ．第３の実施例：
図６（Ａ）は、第３の実施例におけるコネクタ側端子を示す斜視図である。図６（Ｂ）は、第３の実施例におけるコネクタ側端子を示す正面図である。第３の実施例のセパレータは、コネクタ側端子の形状において第１の実施例のセパレータ４０と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

第３の実施例のセパレータの有するコネクタ側端子６３は、第１の実施例のコネクタ側端子６２と同様に、導電性の薄板部材（例えば金属板）を屈曲させて形成されている。コネクタ側端子６３は、支持部６２ｃと、支持部６２ｃに接続され互いに対向する２つの挟持部６２ｄ，６２ｅと、を備えている。支持部６２ｃの形状は第１の実施例の支持部６２ｃと同じである。挟持部６２ｄは、第１の実施例の挟持部６２ａとは異なり、対向する挟持部６２ｅに近づくように屈曲した屈曲部６２ｆを備えている。同様に、挟持部６２ｅは、第１の実施例の挟持部６２ｂとは異なり、対向する挟持部６２ｄに近づくように屈曲した屈曲部６２ｇを備えている。このような構成により、２つの挟持部６２ｄ，６２ｅ間の距離は、２つの屈曲部６２ｆ，６２ｇ間において、他の部分よりも狭く構成されている。

ここで、コネクタ側端子６３は、各スロット６１において、２つの屈曲部６２ｆ，６２ｇがスロット６１の壁面よりも内側に位置するように設置されている。このような構成により、コネクタ側端子６２が電圧モニタ用端子８０に挿入される際に、２つの屈曲部６２ｆ，６２ｇはスロット６１の壁面方向に押し広げられる。

以上の構成を有する第３の実施例のセパレータ及び燃料電池スタックは、第１の実施例のセパレータ４０及び燃料電池スタック１００と同様な効果を有する。加えて、第３の実施例のコネクタ側端子６３は、互いに近づくように屈曲した２つの屈曲部６２ｆ，６２ｇを備え、コネクタ側端子６２が電圧モニタ用端子８０に挿入される際に、２つの屈曲部６２ｆ，６２ｇは押し広げられるように構成されている。したがって、電圧モニタ用端子８０（セパレータ４０）の厚みに製造ばらつきがあっても、各電圧モニタ用端子８０をコネクタ側端子６３によりしっかりとホールドすることができ、導通性を向上させることができる。

Ｄ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
各実施例では、電圧モニタ用端子８０は、隣接する単セル１０と互いに位置をずらして配置され、複数の電圧モニタ用端子８０が千鳥状に配置されていたが、これに代えて、全ての単セル１０において電圧モニタ用端子８０が同じ位置に配置され、全ての電圧モニタ用端子８０が一列に並ぶように配置することもできる。このような構成においても、各電圧モニタ用端子８０は３枚のプレート４１〜４３により形成されるので、各電圧モニタ用端子８０の剛性を向上させることができる。

Ｄ２．変形例２：
第２の実施例では、先端部８１の中央層は、弾性層９０であったが、これに代えて、第１の実施例と同様に、テーパード状に形成された中間プレート４２で構成することもできる。この構成においても、電圧モニタ用端子８０ａの先端がテーパード状であるので、コネクタ側端子６２に電圧モニタ用端子８０ａを挿入し易くできる。なお、かかる構成においては、第２の実施例と同様に、カソード側プレート４１及びアノード側プレート４３を折り曲げると共に、セパレータ４０ｃの先端を削って厚みを小さくすることにより、電圧モニタ用端子８０ａをテーパード状に形成することができる。

Ｄ３．変形例３：
各実施例では、電圧モニタ用端子８０，８０ａを構成する各プレート４１〜４３の突出部分は、いずれも同じ形状であったが、これに代えて、互いに異なる形状とすることもできる。この構成においても、各プレート４１〜４３の突出部分を、積層された状態において互いに重なる部分を有する形状とすることにより、電圧モニタ用端子の剛性を向上させることができる。

１０…単セル、１１…酸化剤ガス供給マニホールド、１２…酸化剤ガス排出マニホールド、１３…燃料ガス供給マニホールド、１４…燃料ガス排出マニホールド、１５…冷却媒体供給マニホールド、１６…冷却媒体排出マニホールド、２０…シール一体型ＭＥＡ、２１…シール部、２２…発電部、２５…膜電極接合体、２６…多孔質体流路、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…セパレータ、４１…カソード側プレート、４２…中間プレート、４３…アノード側プレート、４５…酸化剤ガス供給孔、４６…酸化剤ガス排出孔、４７…酸化剤ガス供給流路、４８…酸化剤ガス排出流路、４９…冷却媒体流路、６０…セルモニタコネクタ、６１…スロット、６２…コネクタ側端子、６２ａ，６２ｂ，６２ｄ，６２ｅ…挟持部、６２ｃ…支持部、６２ｆ，６２ｇ…屈曲部、６３…コネクタ側端子、８０，８０ａ…電圧モニタ用端子、８１…先端部、９０…弾性層、１００，１００ａ…燃料電池スタック、ｄ１，ｄ２…距離、Ｓ１…上面

Claims

燃料電池スタックに含まれる各単セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、
互いに同じ位置に形成された第１の突出部をそれぞれ有し、対向する一対のプレートと、
前記一対のプレートに挟持され、前記第１の突出部と同じ位置に形成された第２の突出部を有する中間プレートと、
積層された前記第１の突出部と前記第２の突出部とによって形成された、前記単セルの電圧を測定するための電圧モニタ用端子と、
を備える、燃料電池用セパレータ。