JP2010287384A

JP2010287384A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2010287384A
Application number: JP2009139165A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Mizusaki; 君春水崎; Toshiaki Ariyoshi; 敏明有吉; Hideaki Kikuchi; 英明菊池; Masaaki Sakano; 雅章坂野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: JP5188459B2

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、所望の防水機能を有することができ、しかもコンパクト化を容易に可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２を積層するとともに、前記燃料電池１２を構成する第２セパレータ２４には、電圧測定端子４８が設けられる。電圧測定端子４８には、前記電圧測定端子４８の一部を被膜して端子シール部５０が設けられるとともに、前記端子シール部５０は、第２シール部材４０に一体に構成される。電圧測定端子４８とコネクタ５６の接続端子部６２との接続部位を覆って、樹脂製ケーシング部材６６が配設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられ、前記電流取り出し端子がコネクタに接続される燃料電池スタックに関する。

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配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池は、例えば、車載用として所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１では、図５に示すように、固体高分子型の燃料電池スタック１を備えており、この燃料電池スタック１は、複数のセル２を積層して構成されている。セル２は、２セル毎に１ユニットとして構成されるとともに、各ユニットには、電力測定端子３が配置されている。

燃料電池スタック１は、セル２の積層方向両端にエンドプレート４ａ、４ｂが配置され、前記エンドプレート４ａ、４ｂの各角部同士は、屈曲形状を有する連結板５に固着されることにより、前記セル２には、積層方向への荷重が付与されている。燃料電池スタック１の側部には、外方に突出して電圧測定端子３が配列されるとともに、前記電圧測定端子３には、図示しないコネクタが接続されている。

特開平１１−３３９８２８号公報

ところで、上記の燃料電池スタック１において、電圧測定端子３とコネクタとの接続部位に、防水構造を採用する必要がある。このため、電圧測定端子３には、個別に防水シールが設けられており、特に多数のユニットが積層される燃料電池スタック１では、製造コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、所望の防水機能を有することができ、しかもコンパクト化が容易に可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられ、前記電流取り出し端子がコネクタに接続される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、電流取り出し端子とコネクタとの接続部位を覆うケーシング部材を備え、セパレータに設けられるシール部材は、前記電流取り出し端子の一部を被膜し且つ前記ケーシング部材に嵌合する端子シール部を一体に構成している。

また、ケーシング部材は、電流取り出し端子が保持される第１部材と、コネクタが保持される第２部材とを備え、前記第１部材又は前記第２部材のいずれか一方には、外部に突出し且つ外周に環状シール部材が装着される筒状部が設けられ、且つ他方には、前記筒状部に装着された前記環状シール部材が嵌合する凹部が設けられるとともに、前記環状シール部材は、接続部位の外周を覆って配設されることが好ましい。

本発明によれば、セパレータのシール部材が、端子シール部を一体に構成するため、前記セパレータに前記シール部材を成形する際に、前記端子シール部も同時に成形することができる。従って、端子シール部を個別に成形する必要がなく、成形作業が簡素化してコストの削減が容易に図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、所望の防水機能を有することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックを構成する電圧測定端子及びコネクタの分解斜視説明図である。前記電圧測定端子及び前記コネクタの接続状態の説明図である。特許文献１の燃料電池スタックの斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池（単位セル）１２が矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層される。燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、複数のタイロッド１９を介して積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、タイロッド１９に代えて、箱状のケーシング等を用いることができる。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、重力方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４５とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４５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４２の両面に形成されている。

燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一側部には、凹部４６が形成されるとともに、例えば、第２セパレータ２４には、前記凹部４６に突出して電圧測定端子（電流取り出し端子）４８が設けられる。電圧測定端子４８には、前記電圧測定端子４８の一部を被膜して端子シール部５０が設けられるとともに、前記端子シール部５０は、第２シール部材４０に一体に構成される。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの上部側には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド５２ａと、燃料ガス入口連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド５４ａとが設けられる。第１エンドプレート１８ａの下部側には、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド５２ｂと、燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド５４ｂとが設けられる。

第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体出口連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。

各燃料電池１２を構成する第２セパレータ２４の電圧測定端子４８には、コネクタ５６が接続されるとともに、前記コネクタ５６は、ケーブル５８を介して電圧測定装置（ＥＣＵ）６０に接続される。

図３及び図４に示すように、コネクタ５６は、電圧測定端子４８に接続される接続端子部６２を有する。電圧測定端子４８と接続端子部６２との接続部位６４を覆って樹脂製ケーシング部材６６が配設される。

ケーシング部材６６は、電圧測定端子４８が保持される第１部材６８と、コネクタ５６が保持される第２部材７０とを備える。第１部材６８は、略直方体形状を有し、一端部には、外方に突出して開口断面長円形状の筒状部７２が設けられる。

筒状部７２には、接続端子部６２及び電圧測定端子４８が挿入される第１開口部７４ａが設けられる。第１開口部７４ａの内方には、電圧測定端子４８が挿入される第２開口部（スリット）７４ｂと、端子シール部５０が嵌合する第３開口部７４ｃとが連通する。第３開口部７４ｃは、第１部材６８の他端から外部に開放される。筒状部７２の外周部には、環状シール部材７６が外装される。

第２部材７０は、環状シール部材７６が嵌合する凹部７８を設けるとともに、前記凹部７８は、筒状部７２の軸方向の長さと同等の深さに設定される（図４参照）。環状シール部材７６は、電圧測定端子４８と接続端子部６２との接続部位６４を覆って配置される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス入口マニホールド５２ａから酸化剤ガス入口連通孔２６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド５４ａから燃料ガス入口連通孔２８ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、第２エンドプレート１８ｂの冷却媒体入口マニホールド（図示せず）から冷却媒体入口連通孔３０ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４５に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４５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４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出され、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス出口マニホールド５２ｂに排出される（図１参照）。

一方、アノード側電極４５に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出され、第１エンドプレート１８ａの燃料ガス出口マニホールド５４ｂに排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂから第２エンドプレート１８ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、電圧測定端子４８の一部を被膜する端子シール部５０は、第２シール部材４０に一体に構成されている。従って、第２セパレータ２４に第２シール部材４０を成形する際に、端子シール部５０も同時に成形することができる。このため、端子シール部５０を個別に成形する必要がなく、成形作業が簡素化してコストの削減が容易に図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、所望の防水機能を有することが可能になるという効果が得られる。

しかも、個別の環状シール部材７６を設けるため、コネクタ５６側に防水シールを一体成形したり、前記防水シールを接着する必要がない。従って、コネクタ５６の製造コストが大幅に削減される。その上、コネクタ５６を着脱する際に、防水シールの剥がれが惹起することがなく、防水の信頼性が向上するという利点がある。

さらに、第１部材６８を構成する筒状部７２の外周部に、環状シール部材７６が外装されるとともに、前記環状シール部材７６は、第２部材７０の凹部７８に嵌合している。このため、環状シール部材７６は、図４に示すように、電圧測定端子４８と接続端子部６２との接続部位６４を覆って配置されている。これにより、ケーシング部材６６は、矢印Ｂ方向の寸法を大幅に短尺化することが可能になる。従って、コネクタ５６は、燃料電池スタック１０から矢印Ｂ方向への突出長さが有効に短尺化され、小型化が容易に図られる。

１０…燃料電池スタック１２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜４４…カソード側電極
４５…アノード側電極４６、７８…凹部
４８…電圧測定端子５０…端子シール部
５６…コネクタ５８…ケーブル
６０…電圧測定装置６２…接続端子部
６４…接続部位６６…ケーシング部材
６８、７０…部材７２…筒状部
７６…環状シール部材

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられ、前記電流取り出し端子がコネクタに接続される燃料電池スタックであって、
前記電流取り出し端子と前記コネクタとの接続部位を覆うケーシング部材を備え、
前記セパレータに設けられるシール部材は、前記電流取り出し端子の一部を被膜し且つ前記ケーシング部材に嵌合する端子シール部を一体に構成することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記ケーシング部材は、前記電流取り出し端子が保持される第１部材と、
前記コネクタが保持される第２部材と、
を備え、
前記第１部材又は前記第２部材のいずれか一方には、外部に突出し且つ外周に環状シール部材が装着される筒状部が設けられ、且つ他方には、前記筒状部に装着された前記環状シール部材が嵌合する凹部が設けられるとともに、
前記環状シール部材は、前記接続部位の外周を覆って配設されることを特徴とする燃料電池スタック。