JP2014216111A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、セル電圧測定用端子を設けるとともに、容易にコンパクト化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電解質膜・電極構造体１４ａには、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂよりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材２２Ａが一体に設けられる。互いに隣接する樹脂枠部材２２Ａ、２２Ｂ間には、外側シール部材３０が配置される。樹脂枠部材２２Ａには、外側シール部材３０の内側に位置し且つ周回シール３５に囲繞されて貫通孔３４が形成される。貫通孔３４には、セル電圧測定用端子３６が挿入される。【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体と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一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルが構成されている。通常、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ている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ＭＥＡ部材が知られている。このＭＥＡ部材は、ＭＥＡと、前記ＭＥＡの外縁を保持及び包囲しており、且つマニホールド孔が形成されている枠体と、前記枠体の両主面に配設されて前記ＭＥＡ及び前記マニホールド孔をそれぞれ包囲する複数の差圧用環状部を有する第１ガスケットと、を有している。そして、ＭＥＡ部材は、アノードセパレータ板とカソードセパレータ板との間に挟まれて単電池を構成している。

ＭＥＡ部材は、枠体のいずれかの主面において第１ガスケットより外縁側の位置に露出して構成された内側端子部から、前記枠体の側面外側の外側端子部まで延びるようにして前記枠体に埋設されている導電部材を有している。さらに、ＭＥＡ部材は、内側端子部を包囲する等圧用環状部を有し、且つ前記等圧用環状部は差圧用環状部から独立して枠体に配設されている第２ガスケットを有している。

特開２００９−１１７２６０号公報

しかしながら、上記のＭＥＡ部材では、セル電圧測定用端子である導電部材が枠体に埋設されている。このため、枠体自体の厚さ寸法が相当に大きくなってしまい、積層方向に大型化するとともに、製造作業が煩雑化して製造コストが高騰するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、セル電圧測定用端子を設けるとともに、容易にコンパクト化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。

本発明に係る燃料電池は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体と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ている。そして、互いに隣接する樹脂枠部材間には、シール部材が配置されている。

この燃料電池では、樹脂枠部材には、シール部材の内側に位置し且つ周回シールに囲繞されて貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔には、一端がセパレータに接触し、他端が前記樹脂枠部材の外部に突出するセル電圧測定用端子が挿入されている。

また、この燃料電池では、一方の樹脂枠部材には、シール部材の内側に配置され、セパレータの外周縁部に接触する内側シール部材が設けられ、貫通孔は、前記シール部材と前記内側シール部材との間に配置されることが好ましい。

本発明では、セル電圧測定用端子は、セパレータとは別部材で構成されている。そして、セル電圧測定用端子の一端は、セパレータに接触して樹脂枠部材に形成された貫通孔に挿入されるとともに、他端は、樹脂枠部材の外部に突出している。

このため、セル電圧測定用端子を樹脂枠部材内に埋設する必要がない。従って、簡単且つ経済的な構成で、セル電圧測定用端子を設けるとともに、容易にコンパクト化することが可能になる。

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。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部拡大斜視図である。 セル電圧測定用端子の斜視説明図である。 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。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 本発明の第３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。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 本発明の第４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。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。

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、水平方向又は鉛直方向に複数積層されて燃料電池スタック１１を構成する。燃料電池スタック１１は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、第１金属セパレータ１２ａ、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４ａ、第２金属セパレータ１２ｂ及び第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４ｂを積層して構成される。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１４ａ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、例えば、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と同一の平面寸法、又はこれらよりも大きな平面寸法に設定される。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２２Ａ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２２Ａ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（矢印Ａ方向に交差する水平方向）に配列して設けられる。

樹脂枠部材２２Ａ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。

なお、樹脂枠部材２２Ａは、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂの外形寸法よりも大きな外形寸法を有していればよい。例えば、樹脂枠部材２２Ａには、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を設けなくてもよい。換言すれば、樹脂枠部材２２Ａの少なくとも一部が、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂよりも大きければよい。

図１及び図２に示すように、樹脂枠部材２２Ａの第１金属セパレータ１２ａに対向する面２２ａには、外側シール部材（外側シールライン）３０及び内側シール部材（内側シールライン）３２が一体に成形される。外側シール部材３０及び内側シール部材３２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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

外側シール部材３０は、第１金属セパレータ１２ａの外形線よりも外方を囲繞する。外側シール部材３０は、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを後述する燃料ガス流路４２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４２から遮蔽する。外側シール部材３０は、隣接する第２電解質膜・電極構造体１４ｂの樹脂枠部材２２Ｂに直接接触する、すなわち、樹脂枠部材２２Ａ、２２Ｂ間に配置されるシール部材を構成する。

内側シール部材３２は、外側シール部材３０の内方に位置するとともに、第１金属セパレータ１２ａの外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第１金属セパレータ１２ａ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３２は、反応面（発電面）外周を周回する。

第２電解質膜・電極構造体１４ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体１４ａと同様に構成されており、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。以下、第１電解質膜・電極構造体１４ａのみに設けられる構成について説明する。

樹脂枠部材２２Ａには、外側シール部材３０と内側シール部材３２との間に位置して貫通孔３４が形成される。貫通孔３４は、樹脂枠部材２２Ａに一体成形された周回シール３５に囲繞されるとともに、前記周回シール３５は、内側シール部材３２に一体成形される。貫通孔３４には、一端が第１金属セパレータ１２ａに接触し、他端が樹脂枠部材２２Ａの外部に突出するセル電圧測定用端子３６が挿入される。

図２〜図４に示すように、セル電圧測定用端子３６は、薄板状に形成され、第２電解質膜・電極構造体１４ｂの樹脂枠部材２２Ｂの表面に沿って配置される平板部３６ａを有する。平板部３６ａの一端（内方端部）には、屈曲して貫通孔３４に挿入される屈曲部３６ｂが設けられる。屈曲部３６ｂは、平板部３６ａに対して所定の角度（≠９０度）だけ傾斜している。屈曲部３６ｂの端部には、円弧状に湾曲（又はコ字状やくの字状に屈曲）して第１金属セパレータ１２ａに接触する接触部３６ｃが設けられる。平板部３６ａの他端は、図示しないが、コネクタを介してセル電圧測定装置に接続される。

なお、樹脂枠部材２２Ｂでは、セル電圧測定用端子３６が配置される部位で、前記セル電圧測定用端子３６と外側シール部材３０との干渉を回避することが好ましい。このため、外側シール部材３０の一部を内側に配置してもよい。

第１金属セパレータ１２ａ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。

第１金属セパレータ１２ａ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、第１金属セパレータ１２ａは、第１電解質膜・電極構造体１４ａのアノード電極１８に対向するアノードセパレータ面３８と、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのカソード電極２０に対向するカソードセパレータ面４０とを有する。

図５に示すように、第１金属セパレータ１２ａのアノードセパレータ面３８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４２が形成される。燃料ガス流路４２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。

第１金属セパレータ１２ａは、図１に示すように、カソードセパレータ面４０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４４が形成される。酸化剤ガス流路４４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４０には、酸化剤ガス流路４４の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部４６ａと冷却媒体排出孔部４６ｂとが形成される。

第１金属セパレータ１２ａの内部には、冷却媒体供給孔部４６ａ及び冷却媒体排出孔部４６ｂ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４８が形成される。冷却媒体流路４８は、燃料ガス流路４２の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状との重なり形状により構成される。

第２金属セパレータ１２ｂは、上記の第１金属セパレータ１２ａと同様に構成されており、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。以下、第１金属セパレータ１２ａのみに設けられる構成について説明する。

第１金属セパレータ１２ａの側部には、第１電解質膜・電極構造体１４ａの貫通孔３４に積層方向に重なる突出部３８ａ、４０ａが形成される。突出部３８ａは、アノードセパレータ面３８の側部から外方に突出して一体成形される一方、突出部４０ａは、カソードセパレータ面４０の側部から外方に突出して一体成形される。セル電圧測定用端子３６の接触部３６ｃは、突出部３８ａに接触する。なお、突出部３８ａ、４０ａを設けることなく、セル電圧測定用端子３６の接触部３６ｃがカソードセパレータ面４０の側部に直接接触するように構成してもよい。

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、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂの各酸化剤ガス流路４４に供給される。酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂの各カソード電極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、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂの各燃料ガス流路４２に供給される。燃料ガスは、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂの各アノード電極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、第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂ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、第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂを構成する各カソードセパレータ面４０に形成されている複数の冷却媒体供給孔部４６ａから前記第１金属セパレータ１２ａ及び前記第２金属セパレータ１２ｂの内部に導入される。

第１金属セパレータ１２ａ及び第２金属セパレータ１２ｂの内部には、冷却媒体流路４８が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路４８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４６ｂ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、図２〜図４に示すように、セル電圧測定用端子３６は、第１金属セパレータ１２ａとは別部材で構成されている。すなわち、セル電圧測定用端子３６の接触部（一端）３６ｃは、第１金属セパレータ１２ａに接触している。そして、セル電圧測定用端子３６は、屈曲部３６ｂが第１電解質膜・電極構造体１４ａの樹脂枠部材２２Ａに形成された貫通孔３４に挿入されるとともに、平板部（他端）３６ａが、前記樹脂枠部材２２Ａの外部に突出している。

このため、セル電圧測定用端子３６は、樹脂枠部材２２Ａ（又は２２Ｂ）内に埋設する必要がない。従って、燃料電池１０では、簡単且つ経済的な構成で、セル電圧測定用端子３６を設けるとともに、容易にコンパクト化することが可能になるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１電解質膜・電極構造体６０の正面説明図である。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。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第１電解質膜・電極構造体６０は、樹脂枠部材２２Ａの面２２ａ側に、シール部材６２を設ける。シール部材６２は、第１の実施形態の外側シール部材３０に対応するものであり、内側シール部材を不要にする。面２２ａには、貫通孔３４が形成されるとともに、前記貫通孔３４を囲繞して周回シール６４が成形される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３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。燃料電池１００は、水平方向又は鉛直方向に複数積層されて燃料電池スタック１０１を構成する。

燃料電池１００は、図７及び図８に示すように、第１金属セパレータ１０２、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第２金属セパレータ１２ｂ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂを積層して構成される。第１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、第１電解質膜・電極構造体１４ａのアノード電極１８に対向して燃料ガス流路４２を設ける。

第１金属セパレータ１０２は、第２電解質膜・電極構造体１４ｂのカソード電極２０に対向して酸化剤ガス流路４４を設ける。第１金属セパレータ１０２の側部には、セル電圧測定用端子３６の接触部３６ｃに対向して突出部１０２ａが必要に応じて設けられる。

各燃料電池１００では、第１金属セパレータ１０２を挟んで第１電解質膜・電極構造体１４ａ及び第２電解質膜・電極構造体１４ｂ間に、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。

このように構成される燃料電池１００では、セル電圧測定用端子３６は、第１金属セパレータ１０２とは別部材で構成されている。このため、燃料電池１００では、簡単且つ経済的な構成で、セル電圧測定用端子３６を設けるとともに、容易にコンパクト化することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視説明図である。燃料電池１２０は、水平方向又は鉛直方向に複数積層されて燃料電池スタック１２１を構成する。

燃料電池１２０は、図９及び図１０に示すように、第１金属セパレータ１２ａ、第１電解質膜・電極構造体１４ａ、第２金属セパレータ１２ｂ及び第２電解質膜・電極構造体１２２を積層して構成される。第２電解質膜・電極構造体１２２の側部には、セル電圧測定用端子１２４が設けられる。

セル電圧測定用端子１２４は、ゴム部材１２６に覆われるとともに、前記ゴム部材１２６が第２電解質膜・電極構造体１２２を構成する樹脂枠部材２２Ｂの面内に沿って配置される。なお、ゴム部材１２６は、樹脂枠部材２２Ｂに固着されてもよい。

セル電圧測定用端子１２４の平板部１２４ａの一部は、ゴム部材１２６の端部から外方に延在する。平板部１２４ａは、ゴム部材１２６に埋設されて屈曲部１２４ｂに連なるとともに、前記屈曲部１２４ｂは、前記ゴム部材１２６から突出して貫通孔３４に挿入される。屈曲部１２４ｂの先端には、接触部１２４ｃが設けられ、前記接触部１２４ｃは、第１金属セパレータ１２ａの突出部３８ａに接触する。屈曲部１２４ｂは、平板部１２４ａに対して略９０度だけ屈曲し、接触部１２４ｃは、前記屈曲部１２４ｂに対して略９０度だけ屈曲している。接触部１２４ｃに裏当てゴム１２８が当接することにより、前記接触部１２４ｃが突出部３８ａに圧接される。

このように構成される第４の実施形態では、セル電圧測定用端子１２４は、第１金属セパレータ１２ａとは別部材で構成されており、容易にコンパクト化することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１２０…燃料電池
１１、１０１、１２１…燃料電池スタック
１２ａ、１２ｂ、１０２…金属セパレータ
１４ａ、１４ｂ、６０、１２２…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 ２２Ａ、２２Ｂ…樹脂枠部材
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
３０…外側シール部材 ３２…内側シール部材
３４…貫通孔 ３５、６４…周回シール
３６、１２４…セル電圧測定用端子 ３８ａ、４０ａ、１０２ａ…突出部
４２…燃料ガス流路 ４４…酸化剤ガス流路
４８…冷却媒体流路 ６２…シール部材
１２６…ゴム部材

Claims (2)

1. 電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体と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、互いに隣接する前記樹脂枠部材間には、シール部材が配置される燃料電池であって、
   前記樹脂枠部材には、前記シール部材の内側に位置し且つ周回シールに囲繞されて貫通孔が形成されるとともに、
   前記貫通孔には、一端が前記セパレータに接触し、他端が前記樹脂枠部材の外部に突出するセル電圧測定用端子が挿入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、一方の前記樹脂枠部材には、前記シール部材の内側に配置され、前記セパレータの外周縁部に接触する内側シール部材が設けられ、
   前記貫通孔は、前記シール部材と前記内側シール部材との間に配置されることを特徴とする燃料電池。

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