JP4422423B2

JP4422423B2 - 燃料電池およびその製造方法

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Publication number: JP4422423B2
Application number: JP2003099884A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐藤; 剛森本; 洋森川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: JP2004311084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材およびエンドプレートが配置される燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持している。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、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）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質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。なお、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）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した積層体を構成し、前記積層体の両端に各燃料電池より発電された電力を集めるためのターミナルプレート、前記積層体および前記ターミナルプレートを保持するエンドプレート、および前記ターミナルプレートと前記エンドプレートを絶縁するための絶縁プレートが配設された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００５】
この燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために相当に多数（例えば、数百個程度）の燃料電池を積層して構成する必要がある。このため、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに比較的大きな荷重（慣性力）が作用し易い。
【０００６】
特に、燃料電池スタックの積層方向が車両の進行方向と略同一に設定されている際、前記燃料電池スタックに荷重が作用すると、該燃料電池スタックの積層方向一端部に配設されている各プレート間、具体的には、ターミナルプレートと絶縁プレートとの間および前記絶縁プレートとエンドプレートとの間の締め付け圧が低下する。これにより、燃料電池スタック内に供給される燃料ガスや冷却媒体のシール性が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が採用されている。この燃料電池では、図６に示すように、単位セル１とフレーム２とが積層されたセル積層体３を備えている。積層方向の端面Ｍとベース板４との間には、端子部５が配設されている。この端子部５は、導電性を備えた集電部６と、一端部が前記集電部６に接続されるとともに、他端部がベース板４の貫通孔４ａを通って前記ベース板４の外方に突出する導電性棒状体７とを備えている。集電部６は、棒状体７に接続されて導電性を備えた板状体８と、この板状体８と端面Ｍとの間に設けられた柔軟性導電材９とから構成されている。
【０００８】
このように構成される燃料電池では、燃料電池の設置状態における傾き状態や振動等に係わらず、柔軟性導電材９の柔軟性を利用して、板状体８とセル積層体３の端面Ｍとを全面にわたって均一に電気的に接続することができる、としている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１１１１２４号公報（段落［０００８］、［００２１］、図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、ベース板４に板状体８が支持されるとともに、この板状体８が柔軟性導電材９を介してセル積層体３の端面Ｍに接続している。しかしながら、端面Ｍとの接続部位には、ベース板４および板状体８の加工公差が集積されてしまう。これにより、セル積層体３の端面Ｍに均一な面圧を得ることができず、接触抵抗が大きくなって、発電性能が低下するという問題がある。しかも、隙間を形成するためにフレーム２を採用しており、燃料電池全体の部品点数が増加し、前記燃料電池の小型化および軽量化を図ることができない。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成および工程で、均一な面圧を得ることができ、所望の発電性能を維持するとともに、小型化および軽量化を図ることが可能な燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、エンドプレートと該エンドプレートよりも外形寸法の小さなターミナルプレートとが互いに所定の隙間を形成して配設されるとともに、前記隙間、前記ターミナルプレートの外周部および前記エンドプレートの該ターミナルプレートの外方に露出する端面には、インサートモールド成形により絶縁部材が一体に設けられる。インサートモールド成形とは、成形型のキャビティ内に部品（インサート）を配置しておき、この部品を成形サイクル中に、例えば、プラスチック成形品と一体化させる成形法をいう。
【００１３】
このため、エンドプレートとターミナルプレートとの相対的な位置が高精度に調整可能となり、それぞれの加工公差の集積を回避して、燃料電池の電極面（発電面）に均一な面圧を確実に付与することができる。これにより、燃料電池は、所望の発電性能を維持するとともに、部品点数が増加することがなく、前記燃料電池全体の小型化および軽量化が容易に図られる。
【００１４】
また、エンドプレートの中央部分に設けられる凹部に、所定の隙間を形成してターミナルプレートが配設される。そして、絶縁部材の周縁部は、ターミナルプレートの外周部を囲繞するとともに、エンドプレートの該ターミナルプレートの外方に露出する端面を覆っている。従って、ターミナルプレートとエンドプレートとが電気的に接続されることを、簡単な構成および工程で、確実に阻止することが可能になる。
【００１５】
さらに、ターミナルプレートには、積層方向に延在してエンドプレートから外部に突出する棒状電力取り出し端子が設けられるとともに、前記エンドプレートには、前記棒状電力取り出し端子を周回して絶縁部材を構成する筒状部が設けられる。このため、簡単な構成で、ターミナルプレートから電力を確実に取り出すことができるとともに、前記ターミナルプレートとエンドプレートとが電気的に接続されることがない。
【００１６】
さらにまた、エンドプレート、絶縁部材およびターミナルプレートが一体化された後、前記ターミナルプレート側の面には、平面化加工処理が施される。これにより、簡単な工程で、ターミナルプレートの平面度が一層向上し、電極面（発電面）に均一な面圧を確実に得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタック１０の概略全体構成説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、電解質膜（電解質）・電極構造体１２が、第１および第２セパレータ１４、１６を介装して複数積層された積層体１８を備える。第１および第２セパレータ１４、１６は、金属製プレートまたはカーボン製プレートにより構成される。
【００１９】
積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂと第１および第２エンドプレート２２ａ、２２ｂとが、第１および第２絶縁部材２４ａ、２４ｂを介装して配設される。第１および第２絶縁部材２４ａ、２４ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）で構成される。第１および第２エンドプレート２２ａ、２２ｂは、図示しない締め付けロッド等により互いに締め付け保持されており、燃料電池スタック１０全体に所望の締め付け荷重が付与されている。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６とにより燃料電池２６が構成される。図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。
【００２１】
燃料電池２６の水平方向（図２中、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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池２６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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
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３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２４】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、多孔質カーボン部材、例えば、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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２５】
シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２８に代替して、第１および第２セパレータ１４、１６にシールを焼き付けまたは射出成形等によって設けてもよい。
【００２６】
第１セパレータ１４のカソード側電極４０側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２７】
第２セパレータ１６のアノード側電極３８側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【００２８】
図１に示すように、第１ターミナルプレート２０ａの中央部には、積層方向（矢印Ａ方向）に延在して第１エンドプレート２２ａから外部に突出する棒状の電力取り出し端子５２が設けられる。この電力取り出し端子５２は、中央部に孔部５４が貫通形成され、この孔部５４に止めねじ部材５６が挿入される。
【００２９】
止めねじ部材５６は、第１ターミナルプレート２０ａに形成された段付き孔部５８に配置される大径部５６ａを備えるとともに、先端部には、電力取り出し端子５２の先端部から外方に突出するねじ部５６ｂが設けられる。ねじ部５６ｂには、ラグ端子６０が配置されており、ナット６２を前記ねじ部５６ｂに螺合することによって、前記ラグ端子６０が電力取り出し端子５２に装着される。このラグ端子６０には、電線６４の一端が接続されており、この電線６４が図示しない外部負荷に接続されている。
【００３０】
第１エンドプレート２２ａは、中央部分に凹部６６を設ける。凹部６６には、所定の隙間Ｈ１を形成して第１ターミナルプレート２０ａが配設されるとともに、前記隙間Ｈ１には、インサートモールド成形により第１絶縁部材２４ａが設けられる。
【００３１】
第１絶縁部材２４ａの周端部６８は、第１ターミナルプレート２０ａの外周部を囲繞するとともに、第１エンドプレート２２ａの凹部６６が設けられた端面７０を覆うように構成される。第１絶縁部材２４ａは、第１エンドプレート２２ａの中央部に形成された孔部７２の内周面に突出し、電力取り出し端子５２を周回する円筒部（筒状部）７４を設ける。
【００３２】
第２ターミナルプレート２０ｂ、第２エンドプレート２２ｂおよび第２絶縁部材２４ｂは、上記の第１ターミナルプレート２０ａ、第１エンドプレート２２ａおよび第１絶縁部材２４ａ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。
【００３３】
このように構成される燃料電池スタック１０を用いて、第１の実施形態に係る製造方法を以下に説明する。
【００３４】
まず、図３に示すように、成形型８０内に第１エンドプレート２２ａと第１ターミナルプレート２０ａとが配置される。この成形型８０内では、第１エンドプレート２２ａの基準面である外面８２と、第１ターミナルプレート２０ａの基準面である押圧面８４とが、互いに平行するように調整される。この第１ターミナルプレート２０ａには、電力取り出し端子５２が嵌合するとともに、前記電力取り出し端子５２は第１エンドプレート２２ａの孔部７２に遊嵌する。
【００３５】
成形型８０内には、キャビティ８６が形成され、このキャビティ８６に注入口８８から、例えば、ポリカーボネート等の溶融樹脂が充填される。この溶融樹脂がキャビティ８６で固化することにより、第１絶縁部材２４ａがインサートモールド成形される。従って、図４に示すように、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁部材２４ａおよび第１エンドプレート２２ａが一体化されるとともに、電力取り出し端子５２は、前記第１絶縁部材２４ａの円筒部７４に周回保持される。
【００３６】
上記と同様に、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁部材２４ｂおよび第２エンドプレート２２ｂが一体化される。そして、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ間に所定数の燃料電池２６が積層された後、第１および第２エンドプレート２２ａ、２２ｂは、図示しない締め付けロッド等により互いに締め付け保持される。これにより、燃料電池スタック１０全体が製造される。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、第１エンドプレート２２ａと第１ターミナルプレート２０ａとが相対的に位置決めされた状態で、インサートモールド成形により第１絶縁部材２４ａが設けられる。従って、第１エンドプレート２２ａと第１ターミナルプレート２０ａとの相対的な位置が高精度に調整可能となり、これらの加工公差の集積を回避して、各燃料電池２６の電極面（発電面）に均一な面圧を確実に付与することができる。
【００３８】
このため、燃料電池スタック１０は、所望の発電性能を確実に維持するとともに、部品点数が増加することがなく、燃料電池スタック１０全体の小型化および軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【００３９】
さらに、第１絶縁部材２４ａの周端部６８は、第１ターミナルプレート２０ａの外周部を囲繞するととともに、第１エンドプレート２２ａの凹部６６が設けられた端面７０を覆っている。従って、第１ターミナルプレート２０ａと第１エンドプレート２２ａとが電気的に接続されることを、簡単な構成および工程で、確実に阻止することが可能になる。
【００４０】
さらにまた、第１ターミナルプレート２０ａには、積層方向に延在して第１エンドプレート２２ａから外部に突出する電力取り出し端子５２が設けられるとともに、前記第１エンドプレート２２ａの孔部７２の内周面には、前記電力取り出し端子５２を周回して第１絶縁部材２４ａを構成する円筒部７４が設けられる。このため、簡単な構成で、第１ターミナルプレート２０ａから電力を確実に取り出すことができるとともに、前記第１ターミナルプレート２０ａと第１エンドプレート２２ａとが電気的に接続されることがない。
【００４１】
また、第１の実施形態では、第１エンドプレート２２ａ、第１絶縁部材２４ａおよび第１ターミナルプレート２０ａがインサートモールド成形で一体化された後、前記第１ターミナルプレート２０ａの押圧面８４には、必要に応じて平面化加工処理が施される。これにより、簡単な工程で、第１ターミナルプレート２０ａの平面度が一層向上し、各燃料電池２６の電極面（発電面）に均一な面圧を確実に付与することができる。
【００４２】
なお、第２エンドプレート２２ｂ、第２絶縁部材２４ｂおよび第２ターミナルプレート２０ｂでは、上記の第１エンドプレート２２ａ、第１絶縁部材２４ａおよび第１ターミナルプレート２０ａと同様の効果が得られる。
【００４３】
次に、燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
まず、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａ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。
【００４５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４８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３８に沿って移動する。
【００４６】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。
【００４７】
次いで、アノード側電極３８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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０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３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１６の冷却媒体流路５０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３２ｂから排出される。
【００４９】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタック９０の要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スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
燃料電池スタック９０の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａと第１エンドプレート９２とが、第１絶縁部材９４を介装して配置される。なお、燃料電池スタック９０の積層方向他端は、図示していないが上記の積層方向一端と同様に構成される。
【００５１】
第１エンドプレート９２と第１ターミナルプレート２０ａとは、互いに所定の隙間Ｈ２を形成して配置されるとともに、前記隙間Ｈ２には、インサートモールド成形により第１絶縁部材９４が設けられる。第１絶縁部材９４の周端部９６は、第１ターミナルプレート２０ａの外周部を囲繞している。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、第１エンドプレート９２と第１ターミナルプレート２０ａとが相対的に位置決めされた状態で、インサートモールド成形により第１絶縁部材９４が設けられる。従って、第１エンドプレート９２と第１ターミナルプレート２０ａとの相対的な位置が高精度に調整可能となり、所望の発電性能を確実に維持することができるとともに、部品点数が増加することがなく、燃料電池スタック９０全体の小型化および軽量化が容易に図られる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池およびその製造方法では、エンドプレートとターミナルプレートとの相対的な位置が高精度に調整可能となり、それぞれの加工公差の集積を回避して、燃料電池の電極面（発電面）に均一な面圧を付与することができる。これにより、燃料電池は、所望の発電性能を維持することができるとともに、部品点数が増加することがなく、前記燃料電池全体の小型化および軽量化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの概略全体構成説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１ターミナルプレート、第１絶縁部材および第１エンドプレートをインサートモールド成形する際の説明図である。
【図４】前記インサートモールド成形された状態の断面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図６】特許文献１に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【符号の説明】
１０、９０…燃料電池スタック１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ２０ａ、２０ｂ…ターミナルプレート
２２ａ、２２ｂ、９２…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ、９４…絶縁部材
２６…燃料電池３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極４０…カソード側電極
４６…酸化剤ガス流路４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路５２…電力取り出し端子
５４…孔部５６…止めねじ部材
６６…凹部６８、９６…周端部
７０…端面７４…円筒部
８０…成形型８６…キャビティ

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材およびエンドプレートが配置される燃料電池であって、
前記エンドプレートと該エンドプレートよりも外形寸法の小さな前記ターミナルプレートとは、互いに所定の隙間を形成して配設されるとともに、
前記隙間、前記ターミナルプレートの外周部および前記エンドプレートの該ターミナルプレートの外方に露出する端面には、インサートモールド成形により前記絶縁部材が一体に設けられ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、前記エンドプレートの中央部分には、凹部が設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項１または２記載の燃料電池において、前記ターミナルプレートには、前記積層方向に延在して前記エンドプレートから外部に突出する棒状電力取り出し端子が設けられるとともに、
前記エンドプレートには、前記棒状電力取り出し端子を周回して前記絶縁部材を構成する筒状部が設けられることを特徴とする燃料電池。
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材およびエンドプレートが配置される燃料電池の製造方法であって、
前記エンドプレートと該エンドプレートよりも外形寸法の小さな前記ターミナルプレートとを、互いに所定の隙間を形成して配設する工程と、
前記隙間、前記ターミナルプレートの外周部および前記エンドプレートの該ターミナルプレートの外方に露出する端面に、前記エンドプレートの外周側からインサートモールド成形により前記絶縁部材を一体に設ける工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
請求項４記載の製造方法において、前記エンドプレートの中央部分に設けられた凹部に前記隙間を形成して前記ターミナルプレートが配置されるとともに、
前記絶縁部材の周縁部は、前記ターミナルプレートの外周部を囲繞し、かつ前記エンドプレートの前記凹部が設けられた端面を覆うことを特徴とする燃料電池の製造方法。
請求項４または５記載の製造方法において、前記エンドプレート、前記絶縁部材および前記ターミナルプレートが一体化された後、該ターミナルプレート側の面には、平面化加工処理が施されることを特徴とする燃料電池の製造方法。