JP4417148B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、水平方向に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（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより単セルが構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。

この単セルにおいて、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単セルを積層してスタックを構成している。その際、各単セル同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献１の燃料電池の組立方法が知られている。

この特許文献１では、図８に示すように、加圧板１の四隅に、位置決め穴２が形成されており、各位置決め穴２に長尺なＰＴＦＥ製のノックピン３が挿入されて、前記ノックピン３が直立姿勢に維持されている。加圧板１上には、複数のセル４が積層されてスタック５が構成されている。各セル４は、ナフィオン膜６の両面に触媒電極７及びカーボンプレート８を重合して構成されており、前記セル４の四隅には、ノックピン３を挿通するための位置決め穴２が形成されている。

特開平９−１３４７３４号公報（図５）

しかしながら、上記の特許文献１では、加圧板１の位置決め穴２に一端を挿入して長尺なノックピン３が設けられており、このノックピン３を鉛直上方向に向かって直立状態で確実に支持することができない。

このため、ノックピン３が傾いてしまい、ナフィオン膜６や触媒電極７が変形するおそれがある。しかも、カーボンプレート８を薄肉に構成し、又はこのカーボンプレート８に代替して薄板状金属プレートを使用しようとすると、該カーボンプレート８や該金属プレートにも変形が惹起されてしまう。

これにより、各セル４に設けられてシール部材とカーボンプレート８又は金属プレートとの間に隙間が発生し易く、シール不良が発生したり、カーボンプレート８同士又は金属プレート同士が接触して短絡したりするという問題が指摘されている。

さらに、ノックピン３は、単セル４の内側、すなわち、各単セル４に形成されている位置決め穴２に挿入されている。従って、シール不良や短絡等が発生した場合に、外部からその発生個所を特定することが困難である。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの外周部を介して正確な位置決めを行うとともに、金属露出部が被水することを確実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を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、水平方向に積層される燃料電池である。金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が一体成形されており、前記金属プレートの外周には、積層時に下部となる一辺を除く上部及び少なくとも一方の側部に、前記被覆部材から金属が露出した積層位置決め部が設けられている。

また、積層位置決め部は、少なくとも３個所に設けられることが好ましい。

さらに、金属セパレータは、水平方向の寸法が鉛直方向の寸法よりも長尺な横長形状に構成されるとともに、積層位置決め部は、上部に２個所と一方の側部に１個所との合計３個所に設けられることが好ましい。

さらにまた、金属セパレータの上部には、上部中央に対して略対称位置にそれぞれ積層位置決め部が設けられることが好ましい。

また、金属セパレータの一方の側部には、側部略中央に積層位置決め部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、金属プレートの外周には、被覆部材から金属が露出した積層位置決め部が設けられるため、前記積層位置決め部を用いて燃料電池の積層作業を行う際に、前記被覆部材自体を前記積層位置決め部として構成する場合のように金属セパレータの外周が変形することがない。これにより、正確且つ効率的に積層作業が遂行可能になる。

しかも、積層位置決め部は、積層時に下部となる一辺を除く上部及び少なくとも一方の側部に設けられており、特に車載用燃料電池スタックとして使用する際に、金属露出部である前記積層位置決め部が被水することを阻止することが可能になる。このため、燃料電池スタックは、金属セパレータを介して漏電することを良好に阻止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の概略分解斜視図である。

燃料電池１０は、電解質膜（電解質）・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するとともに、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを備える。燃料電池１０は、単セルで構成してもよく、複数積層して燃料電池スタック６０（後述する）を構成してもよい。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、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供給連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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２６と、該固体高分子電解質膜２６の両面に設けられるアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。

図２に示すように、第１金属セパレータ１４は、水平方向（矢印Ｂ方向）の寸法が鉛直方向（矢印Ｃ方向）の寸法よりも長尺な横長形状に構成される。この第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路３２が形成される。この燃料ガス流路３２は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａとは反対の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。

第２金属セパレータ１６は、水平方向（矢印Ｂ方向）の寸法が鉛直方向（矢印Ｃ方向）の寸法よりも長尺な横長形状に構成される。この第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、例えば、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数本の溝部を備える。

図２〜図４に示すように、第１金属セパレータ１４は、波形状にプレス加工された金属プレート４０を備え、前記金属プレート４０の両面、すなわち、面１４ａ、１４ｂには、この金属プレート４０の外周縁部を周回して樹脂製の第１シール部材（被覆部材）４２が射出成形等により一体成形される。

金属プレート４０は、例えば、厚さが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの薄板状金属製プレート、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や表面に防食処理を施した金属薄板等を用い、プレス成形により所望の形状に成形されている。第１シール部材４２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を使用する。

第１シール部材４２は、面１４ａにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａ、燃料ガス排出連通孔２４ｂ及び燃料ガス流路３２を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う（図２参照）一方、面１４ｂにおいて、冷却媒体供給連通孔２２ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路３４を覆って冷却媒体の洩れ止めを行う（図１参照）。

第１金属セパレータ１４の外周には、互いに隣り合う２つの辺４４ａ、４４ｂ、すなわち、矢印Ｂ方向（水平方向）に長尺な辺４４ａと、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に短尺な辺４４ｂとに、それぞれ金属露出部である２つの積層位置決め部４６ａ、４６ｂと、１つの積層位置決め部４６ｃとが、第１シール部材４２から外部に露呈して設けられる。

辺４４ａは、積層時に上部となる辺であり、この辺４４ａの中央に対して略対称位置に積層位置決め部４６ａ、４６ｂが設けられる。積層位置決め部４６ａ、４６ｂは、第１金属セパレータ１４の両端マニホールド部よりも内方に配置されることが望ましい。辺４４ｂは、積層時に一方の側部となる辺であり、この辺４４ｂの略中央に積層位置決め部４６ｃが設けられる。

積層位置決め部４６ｃの位置は、辺４４ｂに限定されるものではなく、積層時に他方の辺となる辺４４ｃの略中央に設定してもよい。但し、積層位置決め部４６ａ〜４６ｃは、いずれも積層時に下部となる辺４４ｄに設けられることはない。

図１に示すように、第２金属セパレータ１６は、波形状にプレス加工された金属プレート５０の外周縁部を周回して、樹脂製の第２シール部材（被覆部材）５２が射出成形等により一体成形される。第２シール部材５２は、面１６ａにおいて、酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス流路３６を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う一方、面１６ｂにおいて、冷却媒体供給連通孔２２ａ、冷却媒体排出連通孔２２ｂ及び冷却媒体流路３４を覆って冷却媒体の洩れ止めを行う。

金属プレート５０の外周には、互いに隣り合う２つの辺５４ａ、５４ｂに、それぞれ２つの積層位置決め部５６ａ、５６ｂと、１つの積層位置決め部５６ｃとが、第２シール部材５２から外部に露呈して設けられる。積層位置決め部５６ａ〜５６ｃは、上記の積層位置決め部４６ａ〜４６ｃと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図５は、燃料電池１０を複数積層して燃料電池スタック６０を組み付けるための組立装置８０の概略斜視説明図であり、図６は、前記組立装置８０の側面図である。

組立装置８０は、フレーム部材８２を備える。フレーム部材８２は、矢印Ａ方向両端に配置される固定板８４ａ、８４ｂと、前記固定板８４ａ、８４ｂの四隅に配置されて矢印Ａ方向に延在する互いに平行な４本のガイドバー８６と、前記ガイドバー８６に支持されて前記固定板８４ａ、８４ｂ間に配置される中間固定板８４ｃとを備える。中間固定板８４ｃは、固定板８４ｂに近接している。

フレーム部材８２を構成する一方の固定板８４ａには、ブロック８８ａを介して一対の滑車部９０が取り付けられる。フレーム部材８２を構成する他方の固定板８４ｂの下部には、ブロック８８ｂを介して一対の支持ロッド部９２が高さ調整可能に固定される。

滑車部９０は、ストッパ９４に保持されて水平床面Ｆ上に配置される一方、支持ロッド部９２は、前記水平床面Ｆ上に配置される。フレーム部材８２は、通常、矢印Ａ１方向先端（固定板８４ａ側）を矢印Ａ２方向先端（固定板８４ｂ側）よりも下方に傾斜している。

フレーム部材８２は、少なくともユニット化された燃料電池１０を含む各積層部品を滑車部９０側から矢印Ａ２方向に積層して燃料電池スタック６０を得るための載置部９６と、前記燃料電池スタック６０に矢印Ａ１方向に押圧力を付与するための加圧部９８とを備える。

載置部９６は、図７に示すように、積層部品、例えば、ユニット化された燃料電池１０を位置決め支持する第１及び第２位置決め部１０２、１０４を備える。燃料電池１０は、一方の長辺（辺４４ａ、５４ａ）に積層位置決め部４６ａ、４６ｂ、５６ａ及び５６ｂが設けられるとともに、一方の短辺（辺４４ｂ、５４ｂ）に積層位置決め部４６ｃ、５６ｃが設けられる。第１位置決め部１０２は、矢印Ａ方向に互いに平行し且つそれぞれの高さ（矢印Ｃ方向）が異なる下部支持ロッド１０６ａ、１０６ｂを設ける一方、第２位置決め部１０４は、矢印Ａ方向に延在する側部支持ロッド１０８を設ける。

下部支持ロッド１０６ａは、積層位置決め部４６ａ、５６ａを支持し、下部支持ロッド１０６ｂは、積層位置決め部４６ｂ、５６ｂを支持し、側部支持ロッド１０８は、積層位置決め部４６ｃ、５６ｃを支持する。燃料電池１０の長辺（辺４４ａ、５４ａ）は、水平面に対して角度θ°だけ上方に傾斜している（図７参照）。この角度θ°は、燃料電池１０が下部支持ロッド１０６ａ、１０６ｂ及び側部支持ロッド１０８を介して安定した状態で保持される角度に設定されている。

例えば、燃料電池１０の縦横比が１：２程度の場合には、下部支持ロッド１０６ａ、下部支持ロッド１０６ｂ及び側部支持ロッド１０８にそれぞれ作用する反力を略等しくするためには、θ°＝２０°〜３０°の範囲内に設定することが望ましい。

図５及び図６に示すように、加圧部９８は、フレーム部材８２を構成する固定板８４ｂに固定されるシリンダ１１０を備える。シリンダ１１０から矢印Ａ１方向に突出するロッド１１２の先端には、押圧部１１４が連結されるとともに、この押圧部１１４が押圧プレート１１６に係合する。

押圧プレート１１６は、４本のガイドバー８６に支持されて矢印Ａ方向に進退自在である。この押圧プレート１１６の長手方向（矢印Ｂ方向）両端には、作業者が把持可能な取手部１２０が設けられる。

図６に示すように、水平床面Ｆ上には、滑車部９０側に近接する位置に、フレーム部材８２の下部に係合して前記フレーム部材８２を矢印Ｇ方向に揺動させる昇降部１２２が配置される。昇降部１２２は、例えば、ジャッキ等で構成されており、燃料電池スタック６０の積層方向上流を上方に揺動させて前記燃料電池スタック６０を水平姿勢に配置可能である。なお、昇降部１２２は、手動操作あるいは自動操作可能である種々のアクチュエータを採用可能である。

組立装置８０を用いて燃料電池スタック６０を組み立てる作業について、以下に説明する。

先ず、燃料電池１０では、電解質膜・電極構造体１２を挟んで第１及び第２金属セパレータ１４、１６が配置されるとともに、図示しない固定具等により一体的に固定されて燃料電池１０が組み付けられる。さらに、燃料電池１０は、組立装置８０を介して複数積層されることにより、燃料電池スタック６０が組み立てられる。

具体的には、図６に示すように、組立装置８０を構成するフレーム部材８２は、滑車部９０と支持ロッド部９２とが水平床面Ｆ上に配置されることにより、水平方向に対し傾斜している。そこで、フレーム部材８２の載置部９６には、固定板８４ａ側からエンドプレート１５０ａ、絶縁プレート１５２ａ及びターミナルプレート１５４ａが、順次、配置される。さらに、ターミナルプレート１５４ａに積層して、複数の燃料電池１０が載置部９６に配置される。

この場合、燃料電池１０では、図１に示すように、一方の長辺（辺４４ａ、５４ａ）に積層位置決め部４６ａ、５６ａが矢印Ａ方向に重なる位置に設けられるとともに、積層位置決め部４６ｂ、５６ｂが同様に、矢印Ａ方向に重なる位置に設けられる。さらに、燃料電池１０の一方の短辺（辺４４ｂ、５４ｂ）には、積層位置決め部４６ｃ、５６ｃが矢印Ａ方向に重なる位置に設けられている。

このため、図７に示すように、各燃料電池１０では、積層位置決め部４６ａ、５６ａが下部支持ロッド１０６ａに直接支持されるとともに、積層位置決め部４６ｂ、５６ｂが下部支持ロッド１０６ｂに直接支持され、さらに積層位置決め部４６ｃ、５６ｃが側部支持ロッド１０８に直接支持される。従って、第１及び第２位置決め部１０２、１０４に第１及び第２シール部材４２、５２の外周部が支持される場合に比べ、燃料電池１０を正確且つ確実に位置決め支持することができる。

しかも、本実施形態では、積層位置決め部４６ａ、４６ｂは、辺４４ａの中央に対して略対称位置に設けられるとともに、積層位置決め部４６ｃは、辺４４ｂの略中央に設けられている。このため、第１及び第２位置決め部１０２、１０４を介して燃料電池１０を確実且つ安定して支持することができるという利点がある。

これにより、本実施形態では、各燃料電池１０を載置部９６に、順次、積層するだけで、前記燃料電池１０同士が互いに正確に位置決めされ、該燃料電池１０の積層作業が高精度且つ迅速に遂行されるという効果が得られる。

次いで、載置部９６に所定数の燃料電池１０が積層された後、図６に示すように、ターミナルプレート１５４ｂ、絶縁プレート１５２ｂ及びエンドプレート１５０ｂが積層される。そして、加圧部９８を構成するシリンダ１１０が駆動され、ロッド１１２を介して押圧部１１４が矢印Ａ１方向に押し出される。これにより、押圧部１１４は押圧プレート１１６を矢印Ａ１方向に押圧し、載置部９６に載置されている燃料電池スタック６０には、積層方向に沿って所定の押圧力が付与される。

さらに、燃料電池スタック６０は、図示しない締め付けロッド等を介して締め付けられ、エンドプレート１５０ａ、１５０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与される。なお、締め付けロッドに代替して、燃料電池スタック６０全体をケーシング（図示せず）によって固定する構成を採用してもよい。

燃料電池スタック６０が組み立てられた後、昇降部１２２が駆動されてフレーム部材８２が、図６中、矢印Ｇ方向に揺動される。これにより、燃料電池スタック６０は、水平姿勢に配置され、この燃料電池スタック６０をフレーム部材８２から容易に取り出すことができる。

次に、上記の燃料電池１０の動作について説明する。

図１に示すように、燃料電池１０には、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、及び純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第２金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。

また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第１金属セパレータ１４の燃料ガス流路３２に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。

カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路３４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、燃料電池１０は、図１に示すように、積層時に下部となる辺４４ｂを除く上部及び両側部において、例えば、前記上部となる辺４４ａに積層位置決め部４６ａ、４６ｂが設けられるとともに、一方の側部となる辺４４ｂに積層位置決め部４６ｃが設けられている。同様に、積層時に上部となる辺５４ａに積層位置決め部５６ａ、５６ｂが設けられるとともに、積層時に一方の側部となる辺５４ｂに積層位置決め部５６ｃが設けられている。

このため、燃料電池１０を積層した燃料電池スタック６０を図示しない燃料電池車両に搭載して使用する際に、金属露出部である積層位置決め部４６ａ〜４６ｃ及び５６ａ〜５６ｃが被水することを確実に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック６０は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６を介して漏電することがなく、所望の発電性能を確実に維持することができるという効果が得られる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記第１金属セパレータの図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記第１金属セパレータの図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 燃料電池スタックを組み立てるための組立装置の概略斜視説明図である。 前記組立装置の側面図である。 前記組立装置の正面図である。 特許文献１の組立方法の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極 ３０…カソード側電極
３２…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６…酸化剤ガス流路 ４０、５０…金属プレート
４２、５２…シール部材 ４４ａ〜４４ｄ、５４ａ、５４ｂ…辺
４６ａ〜４６ｃ、５６ａ〜５６ｃ…積層位置決め部
６０…燃料電池スタック ８０…組立装置
８２…フレーム部材 ９６…載置部
９８…加圧部 １３０…射出成形金型

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持するとともに、水平方向に積層される燃料電池であって、
   前記金属セパレータは、水平方向の寸法が鉛直方向の寸法よりも長尺な横長形状に構成され、且つ金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が一体成形されており、
   前記金属プレートの外周には、積層時に下部となる一辺を除く上部及び少なくとも一方の側部に、前記被覆部材から前記金属プレートが露出した積層位置決め部が設けられ、
   前記上部には、上部中央に対して対称位置にそれぞれ前記積層位置決め部が設けられるとともに、前記一方の側部には、側部中央に前記積層位置決め部が設けら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、前記積層位置決め部は、少なくとも３個所に設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記積層位置決め部は、前記上部に２個所と前記一方の側部に１個所との合計３個所に設けられることを特徴とする燃料電池。

Images