JP3660437B2

JP3660437B2 - 燃料電池及び燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP3660437B2
Application number: JP23112696A
Authority: JP
Inventors: 政憲松川
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1074530A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素ガス等の燃料ガスを活物質として用いて電気エネルギを取り出す燃料電池の開発が盛んに進められている。燃料電池では、図７に示すように単位電池２００、セパレータ３００が厚み方向に複数個並設されている。単位電池２００は、正極及び負極を構成する一対の電極１００と、一対の電極１００に挟装されたイオンが透過する固体高分子電解質膜１０２とからなる。
【０００３】
セパレータ３００は、正極に対面する正極室３０１と、負極に対面する負極室３０２とを区画する。負極室３０２に、負極活物質を含む流体（例えば水素含有ガス）が供給されると共に、正極室３０１に、正極活物質を含む流体（例えば空気）が供給される。負極で生成されたプロトンは水の介在のもと固体高分子電解質膜１０２を移動して正極に向かうと共に、放出された電子が外部電気回路を経て正極に移動し、正極上で正極活物質を含む流体中の酸素と反応し、水を生成し、燃料電池外へ排出される。このとき、外部回路を流通した電子の流れが直流の電気エネルギとして利用できる。
【０００４】
セパレータ３００は、活物質を含む流体を仕切る機能と、電極１００に対して集電する機能とを有する。よってセパレータ３００は、導電率が良好な緻密質カーボン、ステンレス鋼等の導電材料で形成されている。以上が燃料電池の基本構成である。
ところで上記した燃料電池で使用されるセパレータ３００では、図示はしないが、厚み方向に貫通し活物質を含む流体が供給される活物質通過孔が形成されている。そして図８に示すように、活物質通過孔と正極室とをつなぐ連通路４００に別体の通路形成板４０２を宛てがい、弾性に富むガスケット４０４をその通路形成板４０２に宛てがい、厚み方向にガスケット４０４を締め付けてシールする方式のものが提供されている（実開平５−６６８７５号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した構造では、図８から理解できるように、公差等の影響で、セパレータ３００と通路形成板４０２の端面との間に嵌合隙間Ａが生成され易い。更にセパレータ３００と通路形成板４０２の表面との間に厚み方向の段差Ｂが生成され易い。この場合シール性が低下し、耐リーク性が低下する。
【０００６】
殊に、段差Ｂの影響を受ける領域Ｋａでは面圧が不足しがちであり、ガスケット４０４の締め代の不足が誘発され易く、シール性が低下し、活物質を含む流体に対して耐リーク性が低下する傾向となる。
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、活物質を含む流体に対して耐リーク性を向上させるのに有利な燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池は、正極及び負極を構成する一対の電極と、一対の電極に挟装された固体高分子電解質膜とからなり所定間隔隔てて厚み方向に複数個並設された単位電池と、
単位電池間を仕切り、正極及び負極にそれぞれ対面すると共に活物質を含む流体が流れる電極室を区画するセパレータとを具備し、
セパレータは、
電極に対して集電性をもつセパレータ本体と、
セパレータ本体の外縁部に高分子材料を基材として被覆され、厚み方向に貫通し活物質を含む流体が流れる活物質通過孔と電極室及び活物質通過孔の境界領域に設けられ両者を連通する連通路とをもつ外枠部とを備えた燃料電池において、
セパレータの外枠部は、連通路に宛てがわれた通路形成板を高分子材料の被覆膜で一体に包み込んだ状態で構成され、
被覆膜により、活物質通過孔の外縁領域の高さ位置と内縁領域の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されており、且つ、被覆膜はシール突起を有しており、
前記活物質通過孔の外縁領域のシール突起の頂部の高さ位置と、内縁領域のシール突起の頂部の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る燃料電池用セパレータは、単位電池間を仕切り、正極及び負極にそれぞれ対面すると共に活物質を含む流体が流れる電極室を区画すると共に集電性をもつセパレータ本体と、
セパレータ本体の外縁部に高分子材料を基材として被覆され、厚み方向に貫通し活物質を含む流体が流れる活物質通過孔と電極室及び活物質通過孔の境界領域に設けられ両者を連通する連通路とをもつ外枠部とを備えた燃料電池用セパレータにおいて、
外枠部は、
連通路に宛てがわれた通路形成板を高分子材料の被覆膜で一体に包み込んだ状態で構成され、被覆膜により、活物質通過孔の外縁領域の高さ位置と内縁領域の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されており、且つ、被覆膜はシール突起を有しており、
前記活物質通過孔の外縁領域のシール突起の頂部の高さ位置と、内縁領域のシール突起の頂部の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１、請求項２において、外枠部は、連通路に宛てがわれた通路形成板を高分子材料の被覆膜で一体に包み込んだ状態で構成されている。そして外枠部に形成されている活物質通過孔においては、被覆膜により、活物質通過孔の外縁領域の高さ位置と、内縁領域の高さ位置とが等応して略面一状態にされている。
よって単位電池と共に複数のセパレータが厚み方向に積層されるように燃料電池が組付けられる際にも、活物質通過孔の外縁領域における面圧と、活物質通過孔の内縁領域における面圧との間のバラツキが低減する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様について説明する。
図１は燃料電池に設けられたセパレータの平面図を示す。図２は燃料電池の要部の断面を示し、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に相当する。図５のＶ−Ｖ線に沿う断面に相当する。
【００１１】
図２に示すように、単位電池１は、正極及び負極を構成する一対の電極１０と、一対の電極１０に挟装されたプロトン透過性をもつフィルム状の高分子型の固体高分子電解質膜１２とからなる。単位電池１は、厚み方向に複数個並設されている。但し、図２では並設されている一部のみ図示する。
セパレータ２は、金属例えばステンレス鋼製のセパレータ本体２０と、セパレータ本体２０の外縁部に一体的に被覆された高分子材料、具体的にはゴム材料を基材とする外枠部２２とで構成されている。セパレータ本体２０には、プレス成形により多数個の凹凸からなる膨出成形部２０ｃが形成されている。これにより図２に示すように、単位電池１の正極に直接対面する電極室としての正極室３０が形成されている。また、単位電池１の負極に直接対面する電極室としての負極室３３が形成されている。
【００１２】
正極室３０には、正極活物質を含む流体である空気が送給される。負極室３３には、負極活物質を含む流体である燃料ガス（例えば水素含有ガス）が送給される。
図１に示すように、外枠部２２の隅部には、燃料ガス入口孔５１、燃料ガス出口孔５２が外枠部２２の厚み方向に貫通して形成されている。燃料ガス入口孔５１につながる溝状の複数個の第１連通路４１が形成されている。図２、図３に示すように、第１連通路４１を介して、燃料ガス入口孔５１と負極室３３とは連通している。
【００１３】
また図１に示すように、燃料ガス出口孔５２につながる溝状の複数個の第２連通路４２が形成されている。第２連通路４２を介して、燃料ガス出口孔５２と負極室３３とは連通している。
更に外枠部２２には、空気入口孔５３、空気出口孔５４が形成されている。空気入口孔５３につながる溝状の複数個の第３連通路４３が形成されている。第３連通路４３を介して、空気入口孔５３と正極室３０は連通する。また空気出口孔５４につながる溝状の複数個の第４連通路４４が形成されている。第４連通路４４を介して、空気出口孔５４と正極室３０とは連通している。
【００１４】
燃料ガス入口孔５１、燃料ガス出口孔５２は、それぞれ活物質通過孔として機能する。更に外枠部２２の隅部には、位置決め用の孔５７Ａ、冷却水通路５７Ｂが形成されている。外枠部２２には、外枠部２２を一周するようにシール性を高めるためのシール突起５８が一体的に形成されている。
更に本実施態様では燃料ガス入口孔５１、燃料ガス出口孔５２、空気入口孔５３、空気出口孔５４及び冷却水通路５７Ｂの周りにも、それぞれシール突起５８が１周している。
【００１５】
さて本実施態様では、剛体材料である金属材料で形成された薄肉状をなす第１通路形成板７１（図１において斜線で示す領域に相当）が用いられている。そして図５に示すように、第１連通路４１を区画するセパレータ本体２０の頂部２０ｘに第１通路形成板７１が宛てがわれた状態で、高分子材料の薄膜状をなす被覆膜２２ｋで第１通路形成板７１が型成形により一体に包み込まれている。
【００１６】
従って図３から理解できるよう、外枠部２２において、燃料ガス入口孔５１の外縁領域Ｏ_Pのシール突起５８の頂部の高さ位置と、内縁領域Ｉ_Pのシール突起５８の頂部の高さ位置とが等応しており、略面一状態とされている。更に、燃料ガス入口孔５１の外縁領域Ｏ_Pの高さ位置と、内縁領域Ｉ_Pの高さ位置とが等応しており、略面一状態とされている。
【００１７】
また外枠部２２に形成されている第２連通路４２についても、第１連通路４１の場合と同様のシール構造とされている。即ち、第２連通路４２に宛てがわれた金属製の薄肉状をなす第２通路形成板７２（図１において斜線で示す領域に相当）は、高分子材料の被覆膜２２ｋで型成形により一体に包み込まれている。従って、燃料ガス出口孔５２の外縁領域Ｏ_Rの高さ位置と内縁領域Ｉ_Rの高さ位置とが等応して略面一状態とされている。
【００１８】
なお本実施態様によれば、外枠部２２の主体を構成する外枠部本体を形成した後に、外枠部本体に通路形成板７１、７２を積層し、その後に、シール突起５８を含む被覆膜２２ｋを、成形型を用いて型成形で一体化する形態でも良いし、或いは、セパレータ本体２０、通路形成板７１、７２を成形型のキャビティの所定部位に配置した状態で、キャビティに未加硫のゴム原液を注入し、その後加硫し、これにより被覆膜２２ｋが一体化された外枠部２２を成形する形態としても良い。
【００１９】
以上説明した本実施態様によれば、図２〜図５から理解できるように、燃料ガス出口孔５２の周囲の高さ位置が等応し、略面一状態となる。この結果、燃料ガス出口孔５２の外縁領域Ｏ_Rの高さ位置と内縁領域Ｉ_Rの高さ位置とが等応して略面一状態とされている。
そのため、単位電池１と共に複数のセパレータ２が厚み方向に積層されるように燃料電池が組付けられる際において、燃料ガス入口孔５１の外縁領域Ｏ_Pにおける面圧と、燃料ガス入口孔５１の内縁領域Ｉ_Pにおける面圧との間のバラツキが低減または回避される。故に燃料ガス入口孔５１付近のシール性が向上し、燃料ガス入口孔５１付近の耐ガスリーク性が向上する。
【００２０】
本実施態様によれば、燃料ガス入口孔５１ばかりか、燃料ガス出口孔５２も同様の構造とされている。従って、燃料ガス出口孔５２の周囲の高さ位置が等応し、略面一状態となる。そのため燃料ガス出口孔５２の外縁領域Ｏ_Rにおける面圧と、燃料ガス出口孔５２の内縁領域Ｉ_Rにおける面圧との間のバラツキが低減または回避または回避される。故に、セパレータ２の燃料ガス出口孔５２付近のシール性のバラツキが低減される。故に、燃料ガス入口孔５１ばかりか、燃料ガス出口孔５２付近の耐ガスリーク性も向上する。
【００２１】
（他の実施態様）
図６は他の実施態様を示す。この実施態様も前記した実施態様と基本的には同様であり、同一の機能を奏する部位には同一の符号を付する。この実施態様においても、第１連通路４１を区画するセパレータ本体２０の頂部２０ｘに金属製の薄肉状をなす第１通路形成板７１が宛てがわれた状態で、薄膜状をなすゴム材料の被覆膜２２ｋで第１通路形成板７１が型成形により一体に包み込まれ、面一化されている。
【００２２】
以上の実施態様においては、燃料ガス入口孔５１、燃料ガス出口孔５２、空気入口孔５３、空気出口孔５４等の周縁にシール突起５８を一重に形成したが、シール突起５８は、二重あるいは三重に形成しても良い。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１によれば、単位電池と共に複数のセパレータが厚み方向に積層されるように燃料電池が組付けられる際に、活物質通過孔の外縁領域における面圧と、活物質通過孔の内縁領域における面圧との間のバラツキが低減または回避される。従って、活物質を含む流体が送給される活物質通過孔付近のシール性が向上し、活物質を含む流体に対する耐リーク性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】セパレータを含む燃料電池の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図２の要部の拡大図である。
【図４】燃料ガス入口孔付近の断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】他の実施態様に係る断面図である。
【図７】燃料電池の基本構成を説明するための構成図である。
【図８】従来技術に係る連通路付近の断面図である。
【符号の説明】
図中、１は単位電池、１０は電極、１２は固体高分子電解質膜、２はセパレータ、２０はセパレータ本体、２２は外枠部、２２ｋは被覆膜、３０は正極室（電極室）、３３は負極室（電極室）、５１は燃料ガス入口孔（活物質通過孔）、５２は燃料ガス出口孔（活物質通過孔）、７１、７２は通路形成板を示す。

Claims

正極及び負極を構成する一対の電極と、一対の前記電極に挟装された固体高分子電解質膜とからなり厚み方向に所定間隔隔てて複数個並設された単位電池と、
前記単位電池間を仕切り、正極及び負極にそれぞれ対面すると共に活物質を含む流体が流れる電極室を区画するセパレータとを具備し、
前記セパレータは、
電極に対して集電性をもつセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の外縁部に高分子材料を基材として被覆され、厚み方向に貫通し活物質を含む流体が流れる活物質通過孔と前記電極室及び前記活物質通過孔の境界領域に設けられ両者を連通する連通路とをもつ外枠部とを備えた燃料電池において、
前記セパレータの外枠部は、前記連通路に宛てがわれた通路形成板を高分子材料の被覆膜で一体に包み込んだ状態で構成され、
前記被覆膜により、前記活物質通過孔の外縁領域の高さ位置と内縁領域の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されており、且つ、
前記被覆膜はシール突起を有しており、
前記活物質通過孔の外縁領域のシール突起の頂部の高さ位置と、内縁領域のシール突起の頂部の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されていることを特徴とする燃料電池。
単位電池間を仕切り、正極及び負極にそれぞれ対面すると共に活物質を含む流体が流れる電極室を区画すると共に集電性をもつセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の外縁部に高分子材料を基材として被覆され、厚み方向に貫通し活物質を含む流体が流れる活物質通過孔と前記電極室及び前記活物質通過孔の境界領域に設けられ両者を連通する連通路とをもつ外枠部とを備えた燃料電池用セパレータにおいて、
前記外枠部は、
前記連通路に宛てがわれた通路形成板を高分子材料の被覆膜で一体に包み込んだ状態で構成され、前記被覆膜により、前記活物質通過孔の外縁領域の高さ位置と内縁領域の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されており、且つ、
前記被覆膜はシール突起を有しており、
前記活物質通過孔の外縁領域のシール突起の頂部の高さ位置と、内縁領域のシール突起の頂部の高さ位置とが等応して略面一状態に設定されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。