JP4669242B2 - 燃料電池用配管部材及びその製造方法 - 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、セパレータにより挟持する発電セルを設けた燃料電池に接続される燃料電池用配管部材及びその製造方法に関する。

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）の両側に、それぞれ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した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、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。

上記の燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すために、種々の配管構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の冷却装置では、図９に示すように、単セル１と冷却板２とを組み合せたセルスタック３を備えている。このセルスタック３の周側面には、冷媒ヘッダ兼用の燃料ガス供給用マニホールド４ａ及び燃料ガス排出用マニホールド４ｂと、酸化剤ガス供給用マニホールド５ａ及び酸化剤ガス排出用マニホールド５ｂとが配設されている。

燃料ガス供給用マニホールド４ａには、入口中空部６ａが設けられ、前記入口中空部６ａに分岐管継手７ａを介して冷媒チューブ８の一端が接続されている。冷媒チューブ８は、冷却板２に設けられている凹溝（図示せず）に嵌合して配管され、セルスタック３の側部で分岐管継手７ｂを介して出口中空部６ｂに接続されている。

冷媒チューブ８は、電気絶縁性を有する可撓性チューブであり、例えば、フッ素樹脂（電解質のリン酸に対する耐腐食が高い）で構成されている。これにより、単セル１間に電気的な短絡回路が形成されることを有効に阻止することができる、としている。

特開平５−８２１４２号公報（図１）

上記の特許文献１では、通常、冷媒チューブ８が樹脂成形、例えば、射出成形により一体成形されている。このため、シール部位を構成するシール溝に金型のパーティングラインが形成されたり、アンダーカット部が存在することによって偏肉によるヒケ等が発生したりするおそれがあり、結果的にシール機能が低下するという問題がある。これにより、例えば、冷媒チューブ８の一端が分岐管継手７ａに接続される際、この冷媒チューブ８の一端のシール性を良好に確保することができないおそれがある。

そこで、冷媒チューブ８の一端に、旋盤やマイクロマシニング等により切削加工を施すことが考えられる。しかしながら、旋盤による加工では、被加工物を回転させるため、長尺で且つ形状の複雑な冷媒チューブ８の加工に適さないという問題がある。一方、マイクロマシニングによる加工では、所望の寸法精度を得ることができないという問題がある。

さらに、樹脂成形後に切削加工を施す際には、ヒケや反り返り等が発生するおそれがあり、被加工物である冷媒チューブ８を相当に肉厚に成形する必要がある。このため、冷媒チューブ８全体が大径且つ肉厚にな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、簡単な構成及び工程で、シール部位に所望の寸法精度を維持するとともに、配管部材を効率的に製造することが可能な燃料電池用配管部材及びその製造方法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、セパレータにより挟持する発電セルを設けた燃料電池に接続される燃料電池用配管部材である。この配管部材は、燃料電池内の少なくとも反応ガス流路又は冷却媒体流路のいずれかに連通する配管接続部に装着されるとともに、切削加工乃至研削加工によりシール部位が形成される樹脂製連結部と、樹脂成形される樹脂製配管本体とを備え、前記樹脂製連結部と前記樹脂製配管本体とが一体的に接合されている。なお、樹脂成形とは、例えば、射出成形等の成形処理をいう。

また、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、セパレータにより挟持する発電セルを設けた燃料電池に接続される燃料電池用配管部材の製造方法である。この製造方法は、燃料電池内の少なくとも反応ガス流路又は冷却媒体流路のいずれかに連通する配管接続部に装着される樹脂製連結部に、切削加工乃至研削加工を施してシール部位を形成する工程と、樹脂成形処理を施して樹脂製配管本体を成形する工程と、前記樹脂製連結部と前記樹脂製配管本体とを一体的に接合する工程とを有している。

さらに、少なくとも樹脂製連結部の端面又は樹脂製配管本体の端面のいずれかを加熱した状態で、前記端面同士を熱溶着により一体的に接合することが好ましい。

本発明によれば、樹脂製連結部には、切削加工乃至研削加工によりシール部位が形成されるため、このシール部位の寸法精度が良好に向上し、所望のシール機能を確保することができる。しかも、樹脂製配管本体は、樹脂成形、例えば、射出成形により成形された後、樹脂製連結部と接合されている。このため、樹脂製配管本体は、相当に肉薄に設定可能であるとともに、前記樹脂製配管本体を効率的且つ経済的に製造することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用配管部材１０の分解斜視図であり、図２は、前記配管部材１０が後述する配管接続部６６に接続された状態の一部断面説明図である。

配管部材１０は、樹脂製配管本体１２と、前記樹脂製配管本体１２の両端（少なくとも一端）に接合される樹脂製の第１及び第２連結部１４ａ、１４ｂとを一体的に設ける。配管本体１２は、樹脂成形、例えば、フッ素系樹脂を使用して射出成形される一方、第１及び第２連結部１４ａ、１４ｂには、旋盤等による切削加工（乃至研削加工）が施されて内周面１６ａ、１６ｂと外周面（シール部位）１８ａ、１８ｂとが形成される。外周面１８ａ、１８ｂには、シール部材２０ａ、２０ｂを収容するためのリング状の凹部２２ａ、２２ｂが周回形成される。

第１連結部１４ａには、フランジ部２４ａが設けられるとともに、このフランジ部２４ａに孔部２６が形成される。第２連結部１４ｂには、フランジ部２４ｂが形成される。

図３に示すように、配管部材１０及びこの配管部材１０と略同様に構成される配管部材１０ａ〜１０ｅは、燃料電池スタック３０に接続される。この燃料電池スタック３０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

燃料電池スタック３０は、複数の発電セル３２が矢印Ａ方向に積層された積層体３４を備え、前記積層体３４の積層方向両端には、インシュレータプレート３６及びターミナルプレート３８を介装してエンドプレート４０ａ、４０ｂが配置される。エンドプレート４０ａ、４０ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向（矢印Ａ方向）に締め付けられる。

図４に示すように、各発電セル３２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）４２と、前記電解質膜・電極構造体４２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ４４、４６とを備える。

発電セル３２の長辺方向（図４中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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供給連通孔４８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔５０ａ、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５２ｂが設けられる。

発電セル３２の長辺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５２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔５０ｂ、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４８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体４２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するアノード側電極５６及びカソード側電極５８とを備える。

アノード側電極５６及びカソード側電極５８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ることにより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５４の両面側に形成される。

第１金属セパレータ４４は、電解質膜・電極構造体４２に向かう面に燃料ガス供給連通孔５２ａと燃料ガス排出連通孔５２ｂとを連通する燃料ガス流路６０を設ける。第１金属セパレータ４４は、反対の面に冷却媒体供給連通孔５０ａと冷却媒体排出連通孔５０ｂとを連通する冷却媒体流路６２を設ける。

第２金属セパレータ４６は、電解質膜・電極構造体４２に向かう面に酸化剤ガス流路６４を設けるとともに、この酸化剤ガス流路６４は、酸化剤ガス供給連通孔４８ａと酸化剤ガス排出連通孔４８ｂとに連通する。第２金属セパレータ４６は、反対の面に第１金属セパレータ４４と重なり合って冷却媒体流路６２が一体的に形成される。

燃料ガス流路６０、冷却媒体流路６２及び酸化剤ガス流路６４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１及び第２金属セパレータ４４、４６の面の周縁部には、図示しないシール部材が一体成形される。

エンドプレート４０ａには、配管接続部６６、６８が積層体３４とは反対の面に個別に、あるいは一体的に設けられる。配管接続部６６には、酸化剤ガス供給連通孔４８ａ、冷却媒体供給連通孔５０ａ、及び燃料ガス排出連通孔５２ｂに連通する接続用筒状部７０ａ、７２ａ及び７４ｂが、矢印Ａ方向に膨出形成されるとともに、前記筒状部７０ａ、７２ａ及び７４ｂには、酸化剤ガス供給連通孔４８ａ、冷却媒体供給連通孔５０ａ及び燃料ガス排出連通孔５２ｂに連通する孔部７１ａ、７３ａ及び７５ｂが形成される。筒状部７０ａ、７２ａ及び７４ｂの端部には、孔部７１ａ、７３ａ及び７５ｂに平行してそれぞれねじ穴７８が設けられる。

配管接続部６８は、燃料ガス供給連通孔５２ａ、冷却媒体排出連通孔５０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４８ｂに連通する孔部７５ａ、７３ｂ及び７１ｂが形成された接続用筒状部７４ａ、７２ｂ及び７０ｂが矢印Ａ方向に膨出形成される。筒状部７４ａ、７２ｂ及び７０ｂの端部には、孔部７５ａ、７３ｂ及び７１ｂに平行してそれぞれねじ穴７８が形成される。

図２に示すように、筒状部７０ａは、配管部材１０を構成する第１連結部１４ａの外周面１８ａに嵌合する。フランジ部２４ａの孔部２６と筒状部７０ａに形成されるねじ穴７８とに止めねじ８０が挿入され、前記第１連結部１４ａが前記配管接続部６６に固定される。筒状部７２ａ、７４ｂ、７４ａ、７２ｂ及び７０ｂには、同様にして配管部材１０ａ〜１０ｅが接続される。

図５に示すように、配管部材１０、１０ｅは、酸化剤ガス供給部８６を構成している。酸化剤ガス供給部８６は、空気を圧縮して供給するためのスーパーチャージャ（又はポンプ）８８を設けるともに、このスーパーチャージャ８８は、加湿器９０に接続される。加湿器９０は、図示していないが、水透過性膜や中空糸膜等を用いており、前記加湿器９０に配管部材１０ａ、１０ｅが接続されて、前記配管部材１０ｅを流れる使用済みの空気（オフガス）よって前記配管部材１０を流れる反応前の空気が加湿される。

配管部材１０ｃ、１０ｂは、燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス供給部（図示せず）を構成するとともに、配管部材１０ａ、１０ｄは、図示しない冷却媒体循環系を構成しており、ポンプ等によって前記配管部材１０ｄから排出された冷却媒体を前記配管部材１０ａに循環供給する。

次に、本実施形態に係る配管部材１０の製造方法について説明する。

先ず、配管本体１２が、例えば、フッ素系樹脂を使用して射出成形されるとともに、第１及び第２連結部１４ａ、１４ｂが旋盤等により切削加工乃至研削加工される。そして、図６に示すように、加熱部材９２が所定の温度に加熱された状態で、この加熱部材９２を介して配管本体１２の一方の接合端面と第１連結部１４ａの接合端面とが加熱される。なお、配管本体１２の一方の接合端面のみ、あるいは第１連結部１４ａの接合端面のみを加熱してもよい。

さらに、図７に示すように、加熱部材９２又は配管本体１２及び第１連結部１４ａが加熱位置から取り出された後、前記配管本体１２と前記第１連結部１４ａとは、互いに近接する方向に移動される。このため、図８に示すように、配管本体１２の一方の接合端面と第１連結部１４ａの接合端面とは、互いに溶融して接合される。

同様に、配管本体１２の他方の接合端面と第２連結部１４ｂの接合端面とは、所定の加熱状態で互いに溶融して接合される。これにより、配管部材１０が製造される。なお、他の配管部材１０ａ〜１０ｅは、上記の配管部材１０と同様に製造される。

この場合、本実施形態では、第１及び第２連結部１４ａ、１４ｂには、切削加工乃至研削加工処理が施されてシール部位である外周面１８ａ、１８ｂが形成される。このため、外周面１８ａ、１８ｂの寸法精度が良好に向上し、所望のシール機能を確保することができるという効果が得られる。

しかも、配管本体１２は、樹脂成形、例えば、射出成形により成形された後、第１及び第２連結部１４ａ、１４ｂと接合されている。これにより、配管本体１２は、相当に肉薄に設定可能であるとともに、前記配管本体１２を効率的且つ経済的に製造することができる。

次いで、燃料電池スタック３０の動作について説明する。

先ず、図５に示すように、酸化剤ガス供給部８６において、スーパーチャージャ８８を介して圧縮された空気が加湿器９０に供給される。この加湿器９０には、燃料電池スタック３０の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが配管部材１０ｅを介して供給され、このオフガスから使用前の空気に加湿が行われる。そして、加湿された空気は、配管部材１０を通って燃料電池スタック３０の酸化剤ガス供給連通孔４８ａに供給される。

一方、図示しない燃料ガス供給部から配管部材１０ｃを通って燃料電池スタック３０の燃料ガス供給連通孔５２ａに供給される。また、図示しない冷却媒体供給部から配管部材１０ａを通って燃料電池スタック３０の冷却媒体供給連通孔５０ａに冷却媒体が供給される。

図４に示すように、燃料電池スタック３０内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔４８ａから第２金属セパレータ４６の酸化剤ガス流路６４に導入され、電解質膜・電極構造体４２のカソード側電極５８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔５２ａから第１金属セパレータ４４の燃料ガス流路６０に導入され、電解質膜・電極構造体４２のアノード側電極５６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体４２では、カソード側電極５８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６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。

次いで、カソード側電極５８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４８ｂに沿って流動した後、エンドプレート４０ａに連結された配管部材１０ｅに排出される。同様に、アノード側電極５６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５２ｂに排出されて流動し、エンドプレート４０ａに連結された配管部材１０ｂに排出される。

また、配管部材１０ａから燃料電池スタック３０内の冷却媒体供給連通孔５０ａに供給される冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ４４、４６間の冷却媒体流路６２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体４２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔５０ｂを移動してエンドプレート４０ａに連結された配管部材１０ｄに排出され、循環使用される。

本発明の実施形態に係る燃料電池用配管部材の分解斜視図である。 前記配管部材が配管接続部に接続された状態の一部断面説明図である。 前記配管部材が接続される燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 酸化剤ガス供給部の概略説明図である。 前記配管部材を構成する配管本体と連結部とが加熱部材により加熱される際の説明図である。 前記加熱部材が取り出される際の説明図である。 前記配管本体と前記連結部とが溶融して接合される際の説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の冷却装置の説明図である。

符号の説明

１０、１０ａ〜１０ｅ…配管部材 １２…配管本体
１４ａ、１４ｂ…連結部 １６ａ、１６ｂ…内周面
１８ａ、１８ｂ…外周面 ３０…燃料電池スタック
３２…発電セル ３４…積層体
４０ａ、４０ｂ…エンドプレート ４８ａ…酸化ガス供給連通孔
４８ｂ…酸化ガス排出連通孔 ５０ａ…冷却媒体供給連通孔
５０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ５２ａ…燃料ガス供給連通孔
５２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ５４…固体高分子電解質膜
５６…アノード側電極 ５８…カソード側電極
６０…燃料ガス流路 ６２…冷却媒体流路
６４…酸化ガス流路 ６６、６８…配管接続部
７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ…筒状部
８６…酸化ガス供給部

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、セパレータにより挟持する発電セルを設けた燃料電池に接続される燃料電池用配管部材であって、
   前記燃料電池は、前記燃料電池内の少なくとも反応ガス流路又は冷却媒体流路のいずれかに連通する孔部が形成された配管接続部を有し、
   前記配管接続部の前記孔部に嵌入される中空の筒状体を有するとともに、切削加工乃至研削加工により前記筒状体の外周面に、前記配管接続部の前記孔部の内周面に対するシール部位が形成される樹脂製連結部と、
   樹脂成形される樹脂製配管本体と、
   を備え、
   前記樹脂製連結部の前記配管接続部に嵌入される側とは反対側の端部と、前記樹脂製配管本体の一端部とが一体的に接合されることを特徴とする燃料電池用配管部材。
2. 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、セパレータにより挟持する発電セルを設けた燃料電池に接続される燃料電池用配管部材の製造方法であって、
   前記燃料電池は、前記燃料電池内の少なくとも反応ガス流路又は冷却媒体流路のいずれかに連通する孔部が形成された配管接続部を有し、
   前記配管接続部の前記孔部に嵌入される中空の筒状体を有する樹脂製連結部に、切削加工乃至研削加工を施して、前記筒状体の外周面に前記配管接続部の前記孔部の内周面に対するシール部位を形成する工程と、
   樹脂成形処理を施して樹脂製配管本体を成形する工程と、
   前記樹脂製連結部の前記配管接続部に嵌入される側とは反対側の端部と、前記樹脂製配管本体の一端部とを一体的に接合する接合工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用配管部材の製造方法。
3. 請求項２記載の製造方法において、
   前記接合工程において、
   加熱部材の一側の加熱面で前記樹脂製配管本体の接合端面を加熱して溶融させるとともに、前記加熱部材の他側の加熱面で前記樹脂製連結部の接合端面を加熱して溶融させ、
   前記樹脂製配管本体の溶融した前記接合端面と前記樹脂製連結部の溶融した前記接合端面との間から、前記加熱部材を取り出し、
   前記樹脂製配管本体と前記樹脂製連結部とを、互いに近接する方向に移動させて、前記樹脂性配管本体の接合端面と前記樹脂製連結部の接合端面とを接合することを特徴とする燃料電池用配管部材の製造方法。

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