JP2013171654A

JP2013171654A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013171654A
Application number: JP2012033739A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Mizusaki; 君春水崎; Yuki Hama; 祐樹濱; Takaaki Mitsuoka; 隆昭満岡; Akihito Giga; 章仁儀賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP5781957B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、セル電圧測定用端子とシール部材との干渉を回避するとともに、セル電圧を正確に測定することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、金属セパレータ１２と電解質膜・電極構造体１４とを積層する。電解質膜・電極構造体１４は、樹脂枠部材２２を一体に設けるとともに、前記樹脂枠部材２２には、金属セパレータ１２の外形線よりも外方に外側シール部材４４が設けられ、前記樹脂枠部材２２の内部には、セル電圧測定用端子５０が埋設される。セル電圧測定用端子５０の一端は、外側シール部材４４よりも内側で、隣接する金属セパレータ１２に接触する一方、前記セル電圧測定用端子５０の他端は、樹脂枠部材２２の側部から外方に突出している。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けら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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより発電セルが構成されている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用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、所望の発電性能を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の発電セルを積層しており、各発電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測定用端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各発電セル毎又は所定の発電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に開示されている燃料電池は、図１１に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ１を備えている。このシールガスケット一体型ＭＥＡ１は、それぞれ矩形状を有する第１ＭＥＡ１ａと第２ＭＥＡ１ｂとを有し、前記第１ＭＥＡ１ａ及び前記第２ＭＥＡ１ｂの周囲には、シールガスケット２が配置されている。

シールガスケット２には、水素ガス、空気及び冷却水のそれぞれの供給、排出を行うために複数の貫通孔３が形成されている。シールガスケット２は、第１ＭＥＡ１ａ、第２ＭＥＡ１ｂ及び各貫通孔３を周回するシールラインＳＬを設けるとともに、前記シールガスケット２の角部には、セル電圧モニタ用端子４が端子線５と共に埋め込まれている。セル電圧モニタ用端子４の一部は、シールガスケット２の一方の表面から露出している。

特開２００８−１４０７２２号公報

ところで、上記のシールガスケット一体型ＭＥＡ１では、セル電圧モニタ用端子４が、シールラインＳＬを構成する外周シールの外側に設けられている。このため、セル電圧モニタ用端子４の外側には、さらにシール部材が必要になり、構成が複雑化す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、セル電圧測定用端子とシール部材との干渉を回避するとともに、セル電圧を正確に測定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を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、樹脂枠部材には、金属セパレータの外形線よりも外方にシール部材が設けられ、前記樹脂枠部材の内部には、セル電圧測定用端子が埋設されるとともに、前記セル電圧測定用端子の一端は、前記シール部材よりも内側で、隣接する前記金属セパレータに接触する一方、前記セル電圧測定用端子の他端は、前記樹脂枠部材の側部から外方に突出している。

また、この燃料電池では、セル電圧測定用端子の一部は、インサート成形により樹脂枠部材に埋設されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、セル電圧測定用端子は、外周に樹脂材が被覆された状態で、樹脂枠部材にインサート成形されることが好ましい。

本発明では、樹脂枠部材に埋設されるセル電圧測定用端子は、シール部材よりも内側で金属セパレータに接触している。このため、シールラインを跨がずに、セル電圧測定用端子を樹脂枠部材の外方に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になる。しかも、金属セパレータからセル電圧測定用端子を直接取り出す構成に比べ、前記金属セパレータを良好に小型化することができ、軽量化及び低コスト化が容易に遂行される。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記燃料電池を構成する金属セパレータの正面説明図である。セル電圧測定用端子を製造する方法の説明図である。前記セル電圧測定用端子を製造する方法の説明図である。１次射出成形装置の概略説明図である。２次射出成形装置の概略説明図である。成形部材同士のレーザ溶着する際の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池の、図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。

図１及び図２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、金属セパレータ１２と電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４とが交互に積層される。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４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１６と、前記固体高分子電解質膜１６を挟持するアノード電極１８及びカソード電極２０とを備える。アノード電極１８及びカソード電極２０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１６の両面に形成される。

固体高分子電解質膜１６は、アノード電極１８及びカソード電極２０と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜１６の外周端部には、樹脂製の額縁状枠部材である樹脂枠部材２２が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

図１に示すように、樹脂枠部材２２の矢印Ｃ方向の一端縁部（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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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。

樹脂枠部材２２の矢印Ｃ方向の他端縁部（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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂ、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２４ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

金属セパレータ１２の外周端部は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂの内側に配置される。

金属セパレータ１２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薄板状の金属板により構成される。図１及び図２に示すように、金属セパレータ１２は、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極１８に対向するアノードセパレータ面３２と、前記電解質膜・電極構造体１４のカソード電極２０に対向するカソードセパレータ面３４とを有する。

図３に示すように、金属セパレータ１２のアノードセパレータ面３２には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在しており、燃料ガスを鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流動させる。

金属セパレータ１２は、図１に示すように、カソードセパレータ面３４に、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガスを矢印Ｃ方向に流通させる。カソードセパレータ面３４には、酸化剤ガス流路３８の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部４０ａと冷却媒体排出孔部４０ｂとが形成される。

金属セパレータ１２の内部には、冷却媒体供給孔部４０ａ及び冷却媒体排出孔部４０ｂに連通して冷却媒体を矢印Ｃ方向に流通させる冷却媒体流路４２が形成される。冷却媒体流路４２は、燃料ガス流路３６の裏面形状と酸化剤ガス流路３８の裏面形状との重なり形状により構成される。

図２に示すように、樹脂枠部材２２の燃料ガス流路３６側の面には、外側シール部材（外側シールライン）４４及び内側シール部材（内側シールライン）４６が一体又は別体に成形される。外側シール部材４４及び内側シール部材４６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。

外側シール部材４４は、金属セパレータ１２の外形線よりも外方を囲繞するとともに、全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂの外周並びに反応面（発電面）外周を周回する。

内側シール部材４６は、外側シール部材４４の内方に位置するとともに、金属セパレータ１２の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記金属セパレータ１２の外周端縁面全周（セパレータ面内）に接する。内側シール部材４６は、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを燃料ガス流路３６に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを周回して、前記燃料ガス流路３６から遮蔽する。

樹脂枠部材２２の燃料ガス流路３６側の面には、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂを酸化剤ガス流路３８に連通するとともに、冷却媒体入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂを周回して、前記酸化剤ガス流路３８から遮蔽するシール部が設けられる。

樹脂枠部材２２には、例えば、一方の長辺側にセル電圧測定用端子５０が埋設される。セル電圧測定用端子５０は、薄板状の導電性端子板５２を備える。端子板５２の一端は、２カ所の屈曲部位を有しており、外側シール部材４４の内方に、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間に位置して樹脂枠部材２２の表面に露出し、隣接する金属セパレータ１２（アノードセパレータ面３２）に接触する露出部位５２ａを有する。

端子板５２の他端は、樹脂枠部材２２の側部から外方に突出する先端露出部位５２ｂを有する。セル電圧測定用端子５０は、樹脂枠部材２２の外周から外方に突出する樹脂部材５４を一体に設けるとともに、前記樹脂部材５４は、前記樹脂枠部材２２の成形時に一体化される（後述する）。

図２に示すように、セル電圧測定用端子５０の先端側には、樹脂部材５４に外装されてシール部材５６が装着されるとともに、コネクタ５８が接続自在である。コネクタ５８は、ケーシング６０内に収容されるＵ字形状の接続端子部６２を有する。接続端子部６２は、先端露出部位５２ｂに電気的に接触するとともに、図示しないセル電圧測定装置に接続される。

次いで、樹脂枠部材２２にセル電圧測定用端子５０を一体化する作業について、以下に説明する。

先ず、図４に示すように、セル電圧測定用端子５０を構成する端子板５２が用意される。端子板５２は、平板金属を所定の形状に屈曲成形されている。セル電圧測定用端子５０には、図５に示すように、樹脂部材５４及び第１成形部材２２ａ（樹脂枠部材２２を構成する）がインサート成形により一体成形される（１次成形）。

具体的には、図６に示すように、１次射出成形装置７０が使用される。１次射出成形装置７０は、第１成形型７２と第２成形型７４とを備えるとともに、型締め状態で、キャビティ７６が形成される。キャビティ７６は、樹脂部材５４及び第１成形部材２２ａの形状に対応するとともに、ゲート７８ａ、７８ｂ（単一のゲートでも良い。）に連通する。

そこで、キャビティ７６には、端子板５２が配置され、１次射出成形装置７０が形締めされた状態で、ゲート７８ａ、７８ｂから前記キャビティ７６に溶融樹脂が供給される。このため、端子板５２には、樹脂部材５４及び第１成形部材２２ａが一体成形される（インサート成形）。

次に、セル電圧測定用端子５０は、樹脂部材５４及び第１成形部材２２ａと一体に樹脂枠部材２２にインサート成形される（２次成形）。具体的には、図７に示すように、２次射出成形装置８０が使用される。２次射出成形装置８０は、第１成形型８２と第２成形型８４とを備えるとともに、型締め状態で、キャビティ８６が形成される。キャビティ８６は、樹脂枠部材２２を構成する第２成形部材２２ｂの形状に対応するとともに、ゲート８８に連通する。樹脂枠部材２２は、第１成形部材２２ａと第２成形部材２２ｂとから構成される。

そして、キャビティ８６には、樹脂部材５４及び第１成形部材２２ａが一体化された端子板５２が配置され、２次射出成形装置８０が形締めされた状態で、ゲート８８から前記キャビティ８６に溶融樹脂が供給される。このため、端子板５２には、第２成形部材２２ｂが一体成形され、前記端子板５２を埋設する一方、樹脂部材５４が一体化された樹脂枠部材２２が成形される。その際、露出部位５２ａ及び先端露出部位５２ｂは、外部に露呈する。

ここで、図２に示すように、第１成形部材２２ａと第２成形部材２２ｂとの境界部位２２ａｂは、樹脂面同士の界面であり、ガスの透過や剥離が惹起され易い。従って、図８に示すように、第１成形部材２２ａと第２成形部材２２ｂとの境界部位２２ａｂは、レーザ光Ｌの照射により溶融させて一体に溶着させる。その際、境界部位２２ａｂには、レーザ光Ｌの照射方向に傾斜する傾斜部位２２ａｂｋを設けておくことにより、前記レーザ光Ｌが効率的に照射される。これにより、第１成形部材２２ａと第２成形部材２２ｂとの境界部位２２ａｂの気密状態が維持される。

次いで、樹脂枠部材２２には、燃料ガス流路３６側の面に、外側シール部材４４及び内側シール部材４６が一体成形されるとともに、酸化剤ガス流路３８側の面にも、シール部材が一体成形される（３次成形）。樹脂枠部材２２は、固体高分子電解質膜１６、アノード電極１８及びカソード電極２０の外周端縁部に一体化されることにより、電解質膜・電極構造体１４が製造される。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、金属セパレータ１２の酸化剤ガス流路３８に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極２０に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、燃料ガス入口連通孔２８ａに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、金属セパレータ１２の燃料ガス流路３６に供給される。燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極１８に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔２８ｂに排出される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極１８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。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、金属セパレータ１２を構成するカソードセパレータ面３４に形成されている複数の冷却媒体供給孔部４０ａから前記金属セパレータ１２の内部に導入される。

金属セパレータ１２の内部には、冷却媒体流路４２が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って矢印Ｃ方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部４０ｂから冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、樹脂枠部材２２に埋設されるセル電圧測定用端子５０は、薄板状の導電性端子板５２を備えている。そして、端子板５２の露出部位５２ａは、外側シール部材４４の内方に、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間に位置して樹脂枠部材２２の表面に露出し、隣接する金属セパレータ１２に接触している。一方、端子板５２の先端露出部位５２ｂは、樹脂枠部材２２の側部から外方に突出している。

このため、シールラインである外側シール部材４４を直接跨がずに、セル電圧測定用端子５０を樹脂枠部材２２の外方に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。

しかも、金属セパレータ１２からセル電圧測定用端子５０を直接取り出す構成に比べ、前記金属セパレータ１２を良好に小型化することができ、軽量化及び低コスト化が容易に遂行される。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。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１００は、図９及び図１０に示すように、電解質膜・電極構造体１４、金属セパレータ１２、前記電解質膜・電極構造体１４及び金属セパレータ１０２が積層されたセルユニットを備える。

金属セパレータ１０２は、単一の金属プレートにより構成され、一方の電解質膜・電極構造体１４のアノード電極１８に対向して燃料ガス流路３６を設けるとともに、他方の電解質膜・電極構造体１４のカソード電極２０に対向して酸化剤ガス流路３８を設ける。各燃料電池１００は、金属セパレータ１０２を挟んで一対の電解質膜・電極構造体１４間には冷却媒体流路が設けられておらず、所謂、間引き冷却構造を採用する。

図１０に示すように、セル電圧測定用端子５０は、薄板状の導電性端子板１０４を備える。端子板１０４の一端は、外側シール部材４４の内方に、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間に位置して樹脂枠部材２２の表面に露出し、隣接する金属セパレータ１０２に接触する露出部位１０４ａを有する。露出部位１０４ａは、第１の実施形態の端子板５２の露出部位５２ａとは反対側に屈曲する。端子板１０４の他端は、樹脂枠部材２２の側部から外方に突出する先端露出部位１０４ｂを有する。

このように構成される燃料電池１００では、端子板１０４の露出部位１０４ａは、外側シール部材４４の内方に位置して樹脂枠部材２２の表面に露出し、隣接する金属セパレータ１０２に接触している。このため、シールラインである外側シール部材４４を跨がずに、セル電圧測定用端子５０を樹脂枠部材２２の外部に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００…燃料電池１２、１０２…金属セパレータ
１４…電解質膜・電極構造体１６…固体高分子電解質膜
１８…アノード電極２０…カソード電極
２２…樹脂枠部材２２ａｂ…境界部位
２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２６ａ…冷却媒体入口連通孔２６ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８ａ…燃料ガス入口連通孔２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…燃料ガス流路３８…酸化剤ガス流路
４２…冷却媒体流路４４…外側シール部材
４６…内側シール部材５０…セル電圧測定用端子
５２…端子板５２ａ、１０４ａ…露出部位
５２ｂ、１０４ｂ…先端露出部位５４…樹脂部材
７０…１次射出成形装置８０…２次射出成形装置
１０４…端子板

Claims

電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池であって、
前記樹脂枠部材には、前記金属セパレータの外形線よりも外方にシール部材が設けられ、
前記樹脂枠部材の内部には、セル電圧測定用端子が埋設されるとともに、
前記セル電圧測定用端子の一端は、前記シール部材よりも内側で、隣接する前記金属セパレータに接触する一方、前記セル電圧測定用端子の他端は、前記樹脂枠部材の側部から外方に突出することを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記セル電圧測定用端子の一部は、インサート成形により前記樹脂枠部材に埋設されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記セル電圧測定用端子は、外周に樹脂材が被覆された状態で、前記樹脂枠部材にインサート成形されることを特徴とする燃料電池。