JP2011003348A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、識別マークの視認性を良好に確保するとともに、地絡の発生を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池10を構成する第1金属セパレータ24の面24bには、前記第1金属セパレータ24の外周縁部、例えば、酸化剤ガス入口連通孔40aの外方に位置してシール部材84aに周回される周回部位100が設けられる。周回部位100には、第1金属セパレータ24の識別マーク102aが配置されている。識別マーク102aは、例えば、ロットナンバー、製造日、セパレータ種別及び製造条件等を記載する。周回部位100には、発電ユニット12の積層方向に貫通する孔部104が形成される。
【選択図】図4

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層され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、一対の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。
上記の燃料電池では、一方の面内にアノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方の面内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられたアノード側セパレータと、一方の面内にカソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられるとともに、他方の面内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられたカソード側セパレータとが用いられている。
また、複数の単位セル毎に冷却媒体流路を形成する、所謂、間引き冷却型燃料電池では、上記のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータの他に、一方の面内に酸化剤ガス流路が設けられ且つ他方の面内に燃料ガス流路が設けられた中間セパレータが用いられている。
このため、燃料電池スタックを組み付ける際に、作業性の向上を図るため、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ、さらに中間セパレータを容易に識別することが望まれている。そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池単セルが知られている。
この燃料電池単セルは、固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んだ膜電極接合体と、前記膜電極接合体を両面から挟み込む一対の燃料電池用セパレータと、セパレータ積層面のうち前記燃料電池単セルの機能に影響なく視認性のよい箇所に設けられ、燃料電池用セパレータに関する固有情報に対応づけられた凸状の固有情報表示部(以下、識別マークという)とを備えている。
特許第4085796号公報
しかしながら、上記の燃料電池単セルでは、特に金属セパレータが使用される際、識別マークに対応して金属表面が露呈しているため、被水や塵埃等の進入により前記識別マークの金属露呈部分の腐食や汚れが進行し易い。従って、識別マークの読み取りが容易に遂行されないおそれがある。
しかも、識別マークは、高電圧に帯電する部分であるため、塵埃や水を介して外部との地絡が惹起されるという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、識別マークの視認性を良好に確保するとともに、地絡の発生を可及的に阻止す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設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関するものである。セパレータの外周縁部には、シール部材により周回される周回部位が設けられるとともに、前記周回部位には、前記セパレータの識別マークが配置されている。
また、この燃料電池は、周回部位には、セパレータを積層方向に貫通する開口部が形成されることが好ましい。
さらに、この燃料電池は、積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるエンドプレートには、開口部に連通して外気に開放される孔部が形成されるとともに、前記孔部は、栓部材により閉塞可能に構成されることが好ましい。
さらにまた、この燃料電池は、積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるエンドプレートには、開口部に連通して外気に開放される孔部が形成されるとともに、前記孔部には、通気防水膜が配設されることが好ましい。
本発明によれば、識別マークがシール部材により周回されるため、この識別マークが設けられた周回部位への被水や塵埃等の進入を確実に阻止することができる。従って、識別マークの腐食や汚れを抑制することが可能になる。これにより、簡単な構成で、識別マークの視認性を良好に確保するとともに、地絡の発生を可及的に阻止することができる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図1中、III−III線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。 前記第1金属セパレータの要部拡大説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、発電ユニット12を備え、複数の前記発電ユニット12を水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層して構成される。
発電ユニット12の積層方向両端には、ターミナルプレート14a、14b、絶縁プレート16a、16b及びエンドプレート18a、18bが配設される。エンドプレート18a、18b間は、図示しないタイロッドにより積層方向に締め付け荷重が付与される。ターミナルプレート14a、14bには、電力取り出し端子20a、20bが設けられるとともに、前記電力取り出し端子20a、20bは、エンドプレート18a、18bから外方に突出する。なお、タイロッドに代えて、ケーシング(図示せず)を使用してもよい。
発電ユニット12は、図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ24、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)26a、第2金属セパレータ28、第2電解質膜・電極構造体26b及び第3金属セパレータ30を設ける。
第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
第1及び第2電解質膜・電極構造体26a、26b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32と、前記固体高分子電解質膜32を挟持するアノード側電極34及びカソード側電極36とを備える。アノード側電極34は、カソード側電極36よりも小さな表面積を有する段差型MEAを構成している。
アノード側電極34及びカソード側電極36は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜32の両面に形成される。
図2に示すように、発電ユニット12の長辺方向の(矢印C方向)上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔40a、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42aが設けられる。
発電ユニット12の長辺方向の(矢印C方向)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42b、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40bが設けられる。
発電ユニット12の短辺方向(矢印B方向)の両端縁部上方には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔44aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔44bが設けられる。
第1金属セパレータ24の第1電解質膜・電極構造体26aに向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔42aと燃料ガス出口連通孔42bとを連通する第1燃料ガス流路46が形成される。第1燃料ガス流路46は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部46aを有するとともに、前記第1燃料ガス流路46の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部48及び出口バッファ部50が設けられる。
第1金属セパレータ24の面24bには、冷却媒体入口連通孔44aと冷却媒体出口連通孔44bとを連通する冷却媒体流路54の一部が形成される。面24bには、第1燃料ガス流路46を構成する複数の波状流路溝部46aの裏面形状である複数の波状流路溝部54aが形成される。
第2金属セパレータ28の第1電解質膜・電極構造体26aに向かう面28aには、酸化剤ガス入口連通孔40aと酸化剤ガス出口連通孔40bとを連通する第1酸化剤ガス流路60が形成される。第1酸化剤ガス流路60は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部60aを有する。第1酸化剤ガス流路60の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部62及び出口バッファ部64が設けられる。
第2金属セパレータ28の第2電解質膜・電極構造体26bに向かう面28bには、燃料ガス入口連通孔42aと燃料ガス出口連通孔42bとを連通する第2燃料ガス流路68が形成される。第2燃料ガス流路68は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部68aを有するとともに、前記第2燃料ガス流路68の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部70及び出口バッファ部72が設けられる。第2燃料ガス流路68は、第1酸化剤ガス流路60の裏面形状である一方、入口バッファ部70及び出口バッファ部72は、入口バッファ部62及び出口バッファ部64の裏面形状である。
第3金属セパレータ30の第2電解質膜・電極構造体26bに向かう面30aには、酸化剤ガス入口連通孔40aと酸化剤ガス出口連通孔40bとを連通する第2酸化剤ガス流路76が形成される。第2酸化剤ガス流路76は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部76aを有する。第2酸化剤ガス流路76の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部78及び出口バッファ部80が設けられる。
第3金属セパレータ30の面30bには、冷却媒体流路54の一部が形成される。面30bには、第2酸化剤ガス流路76を構成する複数の波状流路溝部76aの裏面形状である複数の波状流路溝部54bが形成される。
第1金属セパレータ24の面24a、24bには、この第1金属セパレータ24の外周端縁部を周回して第1シール部材84が一体成形される。第2金属セパレータ28の面28a、28bには、この第2金属セパレータ28の外周端縁部を周回して第2シール部材86が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ30の面30a、30bには、この第3金属セパレータ30の外周端縁部を周回して第3シール部材88が一体成形される。
第1金属セパレータ24は、燃料ガス入口連通孔42aと第1燃料ガス流路46とを連通する複数の外側供給孔部90a及び内側供給孔部90bと、燃料ガス出口連通孔42bと前記第1燃料ガス流路46とを連通する複数の外側排出孔部92a及び内側排出孔部92bとを有する。
第2金属セパレータ28は、燃料ガス入口連通孔42aと第2燃料ガス流路68とを連通する複数の供給孔部94と、燃料ガス出口連通孔42bと前記第2燃料ガス流路68とを連通する複数の排出孔部96とを有する。
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ24と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ30との間には、冷却媒体流路54が形成される。冷却媒体流路54では、複数の波状流路溝部54aと波状流路溝部54bとが異なる位相に設定される。
図4に示すように、第1金属セパレータ24の面24bには、前記第1金属セパレータ24の外周縁部、例えば、酸化剤ガス入口連通孔40aの外方に位置してシール部材84aに周回される周回部位100が設けられる。シール部材84aは、第1シール部材84とシール材の一部を共用して一体に形成されているが、この第1シール部材84とは個別に形成してもよい。
周回部位100には、第1金属セパレータ24の識別マーク102aが配置されている。図5に示すように、識別マーク102aは、例えば、ロットナンバー、製造日、セパレータ種別及び製造条件(付加情報)等を記載する。周回部位100には、発電ユニット12の積層方向に貫通する孔部(開口部)104が形成される。
図2に示すように、第2金属セパレータ28の面28b及び第3金属セパレータ30の面30bには、それぞれの外周縁部に位置してシール部材86a、88aに周回される周回部位100が設けられる。各周回部位100には、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30の識別マーク102b、102cと孔部104とが設けられる。
図1に示すように、エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔40aに連通する酸化剤ガス入口マニホールド106a、燃料ガス入口連通孔42aに連通する燃料ガス入口マニホールド108a、酸化剤ガス出口連通孔40bに連通する酸化剤ガス出口マニホールド106b及び燃料ガス出口連通孔42bに連通する燃料ガス出口マニホールド108bが設けられる。
エンドプレート18bには、図示しないが、各冷却媒体入口連通孔44a、44aに一体に連通する冷却媒体入口マニホールドと、各冷却媒体出口連通孔44b、44bに一体に連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。
図3に示すように、少なくとも一方の絶縁プレート16a及びエンドプレート18aには、孔部104に連通して外気に開放される孔部110及び112が形成される。エンドプレート18aには、孔部112を閉塞可能な栓部材114がねじ116を介して配設される。
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、図1に示すように、エンドプレート18aの酸化剤ガス入口マニホールド106aから酸化剤ガス入口連通孔40aに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108aから燃料ガス入口連通孔42aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート18bの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体入口連通孔44aに純水やエチレングリコール、オイ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40aから第2金属セパレータ28の第1酸化剤ガス流路60及び第3金属セパレータ30の第2酸化剤ガス流路76に導入される。この酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路60に沿って矢印C方向(重力方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体26aのカソード側電極36に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路76に沿って矢印C方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体26bのカソード側電極36に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔42aから外側供給孔部90aを通って第1金属セパレータ24の面24b側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部90bから面24a側に導入された後、第1燃料ガス流路46に沿って重力方向(矢印C方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体26aのアノード側電極34に供給される。
また、燃料ガスは、供給孔部94を通って第2金属セパレータ28の面28b側に移動する。このため、燃料ガスは、面28b側で第2燃料ガス流路68に沿って矢印C方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体26bのアノード側電極34に供給される。
従って、第1及び第2電解質膜・電極構造体26a、26bでは、カソード側電極36に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極34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て発電が行われる。
次いで、第1及び第2電解質膜・電極構造体26a、26bの各カソード側電極36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40bに沿って矢印A方向に排出される。
第1電解質膜・電極構造体26aのアノード側電極34に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部92bを通って第1金属セパレータ24の面24b側に導出される。面24b側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部92aを通って、再度、面24a側に移動し、燃料ガス出口連通孔42bに排出される。
また、第2電解質膜・電極構造体26bのアノード側電極34に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部96を通って面28a側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔42bに排出される。
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔44aに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ24と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ30との間に形成された冷却媒体流路54に導入される。
このため、各冷却媒体入口連通孔44a、44aから冷却媒体流路54に供給される冷却媒体は、矢印B方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路54の矢印B方向中央部側で衝突し、矢印C方向下方に移動した後、発電ユニット12の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔44b、44bに排出される。
この場合、第1の実施形態では、第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30の外周縁部には、酸化剤ガス入口連通孔40aの外方に位置してシール部材84a、86a及び88aに周回される周回部位100が設けられている。そして、各周回部位100には、第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30の各識別マーク102a、102b及び102cが配置されている。
このため、識別マーク102a、102b及び102cが設けられた周回部位100は、被水や塵埃等の進入を確実に阻止することができる。従って、金属表面が露呈する識別マーク102a、102b及び102cは、腐食や汚れの発生を有効に抑制することが可能になる。
これにより、簡単な構成で、識別マーク102a、102b及び102cの視認性を良好に確保するとともに、地絡の発生を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
さらに、各周回部位100には、発電ユニット12の積層方向に貫通する孔部104が形成されている。このため、燃料電池10の組み立て時、積層された複数の発電ユニット12を圧縮する際に、閉塞されたシール部材84a、86a及び88aの圧力が上昇した状態で保持されることがない。従って、シール部材84a、86a及び88aは、過度な荷重が加わってシール構造の破損や変形が惹起することを良好に抑制することが可能になる。
しかも、第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30間では、圧縮後の内圧が均一化されている。これにより、第1金属セパレータ24、第2金属セパレータ28及び第3金属セパレータ30の変形も、確実に抑制されるという利点がある。
さらにまた、エンドプレート18aには、孔部104に連通して外気に開放される孔部112が形成されるとともに、前記エンドプレート18aには、前記孔部112を閉塞可能な栓部材114が、ねじ116を介して配設されている。すなわち、燃料電池10の組み立て時、栓部材114が孔部112から離間されることにより、積層された複数の発電ユニット12を圧縮する際に、シール部材84a、86a及び88aの圧力が上昇した状態で保持されることがない。
一方、圧縮後には、栓部材114により孔部112が閉塞される。このため、識別マーク102a、102b及び102cが設けられた周回部位100は、被水や塵埃等の進入から確実に保護することができる。しかも、進入した水の凍結による破損も防止することが可能になる。
なお、第1の実施形態では、第1金属セパレータ24、第1電解質膜・電極構造体26a、第2金属セパレータ28、第2電解質膜・電極構造体26b及び第3金属セパレータ30を備える発電ユニット12を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、1枚の電解質膜・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持する発電ユニットを用いるとともに、隣り合う前記発電ユニット間に冷却媒体流路が形成されてもよい。
また、第1の実施形態では、発電ユニット12の上端縁部に、酸化剤ガス入口連通孔40a及び燃料ガス入口連通孔42aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の下端縁部に、酸化剤ガス出口連通孔40b及び燃料ガス出口連通孔42bが設けられているが、これとは逆に、前記上端縁部に前記酸化剤ガス出口連通孔40b及び前記燃料ガス出口連通孔42bを設け、前記下端縁部に前記酸化剤ガス入口連通孔40a及び前記燃料ガス入口連通孔42aを設けてもよい。
さらに、発電ユニット12の短辺方向の両端縁部上方に一対の冷却媒体入口連通孔44aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の短辺方向の両端縁部下方に一対の冷却媒体出口連通孔44bが設けられているが、これとは逆に、前記両端縁部上方に一対の前記冷却媒体出口連通孔44bを設け、前記両端縁部下方に一対の前記冷却媒体入口連通孔44aを設けてもよい。以下に説明する第2の実施形態においても、同様である。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池120の一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。
燃料電池120を構成する少なくともエンドプレート18aには、孔部112に対応して栓部材122が、ねじ116を介して取り付けられる。栓部材122には、空気を通過させる一方、水の進入を阻止するための通気防水膜124が配設される。通気防水膜124は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の多孔質膜が採用される。
このように構成される第2の実施形態では、エンドプレート18aに孔部112に対応して通気防水膜124が配設されている。このため、燃料電池120の発電等による温度変化が発生した際に、周回部位100の内部の空気圧力が変動することを抑制することができる。
さらに、周回部位100への水の進入も阻止することが可能になり、シール構造の損傷や変形を良好に抑制しながら、内部への水、塵埃等の進入を阻止することができる。これにより、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
10、120…燃料電池 12…発電ユニット
14a、14b…ターミナルプレート 16a、16b…絶縁プレート
18a、18b…エンドプレート 24、28、30…金属セパレータ
26a、26b…電解質膜・電極構造体
32…固体高分子電解質膜 34…アノード側電極
36…カソード側電極 46、68…燃料ガス流路
54…冷却媒体流路 60、76…酸化剤ガス流路
84、84a、86、86a、88、88a…シール部材
100…周回部位 102a〜102c…識別マーク
104、110、112…孔部 114、122…栓部材
124…通気防水膜

Claims (4)

  1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池であって、
    前記セパレータの外周縁部には、シール部材により周回される周回部位が設けられるとともに、
    前記周回部位には、前記セパレータの識別マークが配置さ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、前記周回部位には、前記セパレータを積層方向に貫通する開口部が形成され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、前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるエンドプレートには、前記開口部に連通して外気に開放される孔部が形成されるとともに、
    前記孔部は、栓部材により閉塞可能に構成されることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項2記載の燃料電池において、前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるエンドプレートには、前記開口部に連通して外気に開放される孔部が形成されるとともに、
    前記孔部には、通気防水膜が配設されることを特徴とする燃料電池。
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