JP4824297B2 - 燃料電池スタック - 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・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかを流す流体連通孔が設けられる燃料電池スタックに関する。

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（電解質・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、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

この種の内部マニホールド型燃料電池では、必要に応じてターミナルプレートやエンドプレートにも、上記の流体供給連通孔及び流体排出連通孔が設けられている。その際、ターミナルプレートやエンドプレート等のような金属製プレートでは、反応ガス中の生成水や冷却水(冷却媒体)が接触することにより、電蝕による腐食が発生し易くなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この特許文献１では、図６に示すように、単電池のセパレータ１の側面に集電板２が配設されるとともに、この集電板２の側面に電気絶縁板３及び加圧板４が配設されている。

セパレータ１、集電板２、電気絶縁板３及び加圧板４には、積層方向に貫通して貫通孔５が形成され、この貫通孔５には、前記加圧板４に取り付けられた配管接続体６から冷却用流体が供給されている。集電板２、電気絶縁板３及び加圧板４には、それぞれの厚さと同一の厚さに設定されて貫通孔５の内壁側に絶縁性ブッシュ７ａ、７ｂ及び７ｃが装着されている。

特開平８−１３００２８号公報（図５）

しかしながら、上記の特許文献１では、集電板２、電気絶縁板３及び加圧板４に、それぞれ絶縁性ブッシュ７ａ、７ｂ及び７ｃを装着する必要があり、作業工数が増加するという問題がある。しかも、絶縁性ブッシュ７ａ、７ｂ及び７ｃの取付不良が惹起し易く、流体の洩れ等が発生するおそれがある。

さらに、絶縁性ブッシュ７ａ、７ｂ及び７ｃは、貫通孔５を閉塞する形状に変形する場合がある。このため、貫通孔５内で流体の圧損が増大するとともに、流体溜まりが発生してしまい、特に低温時の凍結が顕著になるという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成及び組立作業の簡素化が容易に図られるとともに、所望の絶縁性及びシール性を保持することが可能な燃料電池スタック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・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかを流す流体連通孔が設けられる燃料電池スタックである。

燃料電池スタックは、流体連通孔が設けられるプレート部材を備え、前記プレート部材は、前記流体連通孔の内周面に対応して樹脂モールド成形部を設けている。この樹脂モールド成形部には、流体連通孔を周回して環状溝部が設けられるとともに、前記環状溝部には、環状パッキン部材が配設されている。

また、プレート部材は、環状溝部よりも流体連通孔側に突出する薄肉部を有することが好ましい。これにより、環状溝部に配設される環状パッキンを確実に保持することができ、所望のシール性が良好に維持することが可能になる。

さらに、樹脂モールド成形部は、環状溝部を周回し、プレート部材の内方に且つ流体連通孔の連通方向に突出する第１係止部を一体に設けることが好ましい。このため、樹脂モールド成形部は、流体連通孔の連通方向に交差する方向にずれることがなく、環状パッキンのシールラインがずれることを確実に阻止することができる。

さらにまた、樹脂モールド成形部は、環状溝部を周回し、プレート部材の内方に且つ流体連通孔の連通方向に交差する方向に突出する第２係止部を一体に設けることが好ましい。これにより、スタック締め付け荷重が付与される際、樹脂モールド成形部は、流体連通孔の連通方向に変形することを有効に阻止することが可能になる。

また、流体連通孔は、矩形状を有することが好ましい。プレート部材は、樹脂モールド成形部を設けるため、矩形状の流体連通孔にも容易に対応することができ、例えば、複雑形状のグロメットを使用する必要がない。このため、プレート部材を簡単且つ経済的に構成することが可能になる。

本発明によれば、プレート部材に樹脂モールド成形部がインサートモールド成形されるため、グロメットやブッシュを装填する必要がなく、流体連通孔が複雑な形状であっても容易且つ経済的に対応することができる。しかも、ゴム製グロメットやゴム製ブッシュに比べて、流体連通孔内部の反応ガスや冷却媒体の透過率を低減させることが可能になり、地絡の発生を有効に抑えることができる。

さらに、樹脂モールド成形部は、樹脂剛性により流体連通孔内部への変形が阻止され、前記流体連通孔内部で流体の圧損が低減されるとともに、流体溜まりが削減されて低温時の凍結が抑制される。さらにまた、シール機能は、環状パッキン部材が有しており、シール性が向上するとともに、この環状パッキンのみを交換することができ、経済的である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部断面説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート（プレート部材）２０ａが外方に向かって、順次、配設される。

積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート（プレート部材）２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１参照）。燃料電池スタック１０は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８に挿入されてエンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。

図２及び図３に示すように、各単セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、金属製薄板を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単セル１２の長辺方向（図３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（流体連通孔）３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）３８ａ、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（流体連通孔）４０ｂが設けられる。

単セル１２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（流体連通孔）４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）３８ｂ、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（流体連通孔）３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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し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、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを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、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金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを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により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａ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５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。

図１及び図２に示すように、絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、中央部に矩形状の凹部６０ａ、６０ｂが設けられるとともに、この凹部６０ａ、６０ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが形成される。凹部６０ａ、６０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２６ａ、２６ｂが絶縁性筒体２８を介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂの略中央部には、孔部６２ａ、６２ｂと同軸的に孔部６４ａ、６４ｂが形成される。

エンドプレート２０ａは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ（以下、単に流体連通孔ともいう）の内周面に対応してそれぞれ樹脂モールド成形部９０を設ける。

樹脂モールド成形部９０は、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリアミドイミド（ＰＡＩ）等の材料で構成され、後述するインサートモールド成形法によりエンドプレート２０ａに一体成形される。

エンドプレート２０ａには、流体連通孔を構成する薄肉部９２が略矩形状に周回形成されている。この薄肉部９２の根本部には、流体連通孔の連通方向（矢印Ａ方向）に切り込んで第１溝部９４ａ、９４ｂが周回形成されるとともに、前記矢印Ａ方向に交差する方向（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に切り込んで第２溝部９６ａ、９６ｂが周回形成される。

樹脂モールド成形部９０には、エンドプレート２０ａの両面に対応して流体連通孔を周回する環状溝部９８ａ、９８ｂが設けられ、前記環状溝部９８ａ、９８ｂには、それぞれ環状パッキン部材、例えば、Ｏリング１００ａ、１００ｂが配設される。Ｏリング１００ａ、１００ｂは、流体連通孔の形状に対応して略矩形状に構成される。

樹脂モールド成形部９０は、エンドプレート２０ａの第１溝部９４ａ、９４ｂに充填されることにより、前記エンドプレート２０ａの内方に且つ流体連通孔の連通方向に突出する第１係止部１０２ａ、１０２ｂを一体に設ける。樹脂モールド成形部９０は、第２溝部９６ａ、９６ｂに充填されることにより、エンドプレート２０ａの内方に且つ流体連通孔の連通方向に交差する方向に突出する第２係止部１０４ａ、１０４ｂを一体に設ける。

エンドプレート２０ｂは、上記のエンドプレート２０ａと同様に、流体連通孔の内周面に対応してそれぞれ樹脂モールド成形部９０を設けており、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。エンドプレート２０ａ、２０ｂには、例えば、図示しないマニホールド板が配設される。

図４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂに樹脂モールド成形部９０を成形するインサートモールド成形装置１２０の概略説明図であり、図５は、前記インサートモールド成形装置１２０の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。

インサートモールド成形装置１２０は、図５に示すように、第１金型１２２と第２金型１２４とを備える。第１及び第２金型１２２、１２４間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂを保持して互いに型締めされた状態で、各樹脂モールド成形部９０の形状に対応するキャビティ１２６が形成される。

第１金型１２２には、図４に示すように、各流体連通孔に対応して６つのゲート１２８が設けられる。各ゲート１２８は、第１及び第２金型１２２、１２４間で４つの分岐ゲート１３０に分岐するとともに、前記分岐ゲート１３０は、キャビティ１２６に連通する（図５参照）。

このように構成されるインサートモールド成形装置１２０では、第１及び第２金型１２２、１２４間にエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設された状態で、前記第１及び第２金型１２２、１２４は、所定の締め付け荷重で締め付け保持される。

次いで、各ゲート１２８には、所定温度に加熱されることによって溶融された樹脂が充填される。溶融した樹脂は、各ゲート１２８から分岐ゲート１３０に分岐供給された後、それぞれ流体連通孔に対応するキャビティ１２６に充填される。そして、所定の時間だけ冷却されることにより、キャビティ１２６内で溶融樹脂が凝固し、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各流体連通孔に対応して樹脂モールド成形部９０が一体成形される。

次に、燃料電池スタック１０の動作について説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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（図２参照）。

次いで、カソード側電極４６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３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４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４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、本実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂに樹脂モールド成形部９０がインサートモールド成形されている。このため、従来のゴム製グロメッドやゴム製ブッシュに比べて、流体連通孔内部の酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の透過率を低減させることが可能になり、液絡の発生を有効に抑えることができる。

しかも、グロメッドやブッシュでは、各流体連通孔に装填する作業が必要である。これにより、本実施形態では、組み付け作業性が一挙に向上するとともに、流体連通孔が矩形状等の複雑な形状であっても、容易且つ経済的に対応することが可能になるという効果が得られる。

さらに、樹脂モールド成形部９０は、樹脂剛性によりゴム材に比べて流体連通孔内部への変形が抑制される。従って、流体連通孔内部で酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体等の流体の圧損が低減されるとともに、流体溜まりが削減されて、特に、低温時の凍結が良好に回避されるという利点がある。

さらにまた、樹脂モールド成形部９０に環状溝部９８ａ、９８ｂが設けられるとともに、前記環状溝部９８ａ、９８ｂには、環状パッキンとしてＯリング１００ａ、１００ｂが配設されている。このため、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両面に配置されるＯリング１００ａ、１００ｂを、積層方向である矢印Ａ方向に対して正確に位置決めすることができる。

これにより、燃料電池スタック１０が積層方向に締め付け保持される際、Ｏリング１００ａ、１００ｂは、互いに積層方向に対してずれることがなく、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。しかも、長期間の使用によって損耗した際には、Ｏリング１００ａ、１００ｂのみを交換すればよく、経済的であるという効果がある。

また、樹脂モールド成形部９０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの内方に且つ流体連通孔の連通方向（矢印Ａ方向）に突出する第１係止部１０２ａ、１０２ｂを一体的に設けている。従って、樹脂モールド成形部９０は、矢印Ａ方向に交差する方向にずれることがなく、特に、Ｏリング１００ａ、１００ｂのシールラインがずれることを確実に阻止することができる。

さらに、樹脂モールド成形部９０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの内方に且つ矢印Ａ方向に交差する方向に突出する第２係止部１０４ａ、１０４ｂを一体に設けている。このため、燃料電池スタック１０に締め付け荷重が付与される際、樹脂モールド成形部９０は、矢印Ａ方向に変形することを有効に阻止することが可能になる。これにより、所望のシール性を確実に得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単セルの要部分解斜視図である。 インサートモールド成形装置の概略説明図である。 前記インサートモールド成形装置の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 特許文献１に係る燃料電池の要部断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３８ａ…冷却媒体供給連通孔 ３８ｂ…冷却媒体排出連通孔
４０ａ…燃料ガス供給連通孔 ４０ｂ…燃料ガス排出連通孔
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２…酸化剤ガス流路
９０…樹脂モールド成形部 ９２…薄肉部
９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ…溝部
９８ａ、９８ｂ…環状溝部 １００ａ、１００ｂ…Ｏリング
１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…係止部
１２０…インサートモールド成形装置
１２２、１２４…金型 １２６…キャビティ

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかを流す流体連通孔が設けられる燃料電池スタックであって、
   前記流体連通孔が設けられるプレート部材を備え、
   前記プレート部材には、前記流体連通孔の内周面に対応して樹脂モールド成形部を配設し、
   前記樹脂モールド成形部には、前記プレート部材と接する面と反対側の両面に前記流体連通孔を周回して環状溝部が設けられ、前記環状溝部に環状パッキン部材が配設される一方、
   前記プレート部材は、前記流体連通孔側に向かって前記環状溝部まで突出し両側面で前記樹脂モールド成形部を介して前記環状パッキン部材を保持するための前記プレート部材の積層方向両面から厚さが減少することにより形成される薄肉部を有し、前記樹脂モールド成形部は前記薄肉部を被覆していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂モールド成形部は、前記環状溝部を周回し、前記プレート部材の内方に且つ前記流体連通孔の連通方向に突出する第１係止部を一体に設けることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂モールド成形部は、前記環状溝部を周回し、前記プレート部材の内方に且つ前記流体連通孔の連通方向に交差する方向に突出する第２係止部を一体に設けることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、矩形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。

Images