JP5203571B2

JP5203571B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5203571B2
Application number: JP2006051828A
Authority: JP
Inventors: 修平後藤; 成利杉田; 謙高橋; 宗藤原; 貴司桑山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007234288A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが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固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・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することにより単位セルとして構成されている。

上記の燃料電池は、高出力を得るために、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セルを正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルを積層方向に貫通して位置決め用孔部を形成するとともに、前記位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。

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１は、図５に示すように、単位セル２と、この単位セル２を挟んで配置されるセパレータ３ａ、３ｂとを備えている。単位セル２は、固体高分子電解質膜２ａと、この固体高分子電解質膜２ａの一面に設けられるアノード側電極２ｂと、前記固体高分子電解質膜２ａの他面に設けられるカソード側電極２ｃとにより構成されている。

燃料電池１には、積層方向に貫通して保持ピン挿入用保持孔４が形成されるとともに、セパレータ３ｂには、止め輪挿入用保持孔５が形成されている。保持ピン挿入用保持孔４には、保持ピン６が挿入されており、この保持ピン６の止め輪挿入溝６ａには、止め輪挿入用保持孔５に配置されている止め輪７が取り付けられている。保持ピン６の先端には、面取り加工が施されたピン先端６ｂが設けられる一方、前記保持ピン６の後端には、他の保持ピン６のピン先端６ｂが嵌合される挿入穴６ｃが形成されている。

このような構成において、保持ピン６が燃料電池１の保持ピン挿入用保持孔４に挿入されるとともに、止め輪挿入用保持孔５から止め輪７が挿入される。そして、この止め輪７が、保持ピン６の止め輪挿入溝６ａに嵌め込まれることにより、燃料電池１が積層状態で保持される。

その際、保持ピン６のピン先端６ｂは、セパレータ３ｂの外面よりも突出している。このため、ピン先端６ｂが、他の燃料電池１を保持している保持ピン６の挿入穴６ｃに嵌合することにより、互いに隣接する燃料電池１同士の位置決めが行われる、としている。

特開２０００−１２０６７号公報（図１）

上記の特許文献１では、保持ピン挿入用保持孔４に保持ピン６が挿入される際に、セパレータ３ａ、３ｂの位置決め精度を確保する必要がある。このため、セパレータ３ａ、３ｂは、金属製プレートで構成されている場合に金属端面が、又は、カーボン製プレートで構成されている場合にカーボン端面が、それぞれ位置決め面として使用されている。

しかしながら、上記のように、金属端面やカーボン端面等の導電部位は、外部に露呈しているため、水の浸入によって前記導電部位を介してセパレータ３ａ、３ｂ間に短絡が惹起され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、簡単な構成で、セパレータの位置決め用孔部に対応して露呈する導電部位に水等の導電体が浸入することを阻止し、短絡の発生を可及的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・電極構造体と金属セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。そして、金属セパレータは、積層方向に貫通して絶縁性ブッシュが嵌合する位置決め用孔部を設けるとともに、前記位置決め用孔部の全周は、前記金属セパレータに一体に成形された突起状シールを構成する周回シール部材により液密に囲繞されている。

また、金属セパレータは、位置決め用孔部の周囲に略リング状の金属露出面を有するとともに、前記絶縁性ブッシュは前記金属露出面に直接接触し、さらに前記金属露出面を周回してシール面が形成されることが好ましい。

本発明によれば、金属セパレータに設けられた位置決め用孔部が、周回シール部材により液密に囲繞されるため、前記位置決め用孔部に対応して露呈する導電部位に、水等の導電体が浸入することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、短絡の発生を可及的に阻止することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１２の概略構成説明図である。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層した積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与されている。

図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜（電解質）・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、金属製プレートで構成されている。

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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、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３４ｂ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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、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３０ｂ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２２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及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０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３６の両面に形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａ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４６が形成される。この燃料ガス流路４６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に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂ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４８が形成される。この冷却媒体流路４８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セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０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。第２セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと一体に冷却媒体流路４８を形成する（図１参照）。

第１セパレータ２４は、冷却媒体排出連通孔３２ｂと燃料ガス排出連通孔３４ｂとの間、及び、燃料ガス供給連通孔３４ａと冷却媒体供給連通孔３２ａとの間に、それぞれ第１位置決め用孔部５２を設ける。第２セパレータ２６は、第１セパレータ２４と同様に、冷却媒体排出連通孔３２ｂと燃料ガス排出連通孔３４ｂとの間、及び、燃料ガス供給連通孔３４ａと冷却媒体供給連通孔３２ａとの間に、それぞれ第２位置決め用孔部５４を設ける。

第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第１シール部材５６は、面２４ａ、２４ｂにそれぞれシールライン５８ａ、５８ｂを有する。

図３に示すように、シールライン５８ａは、燃料ガス流路４６を燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する一方、前記燃料ガス流路４６を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂから遮蔽する。シールライン５８ａは、第１位置決め用孔部５２を液密に囲繞する周回シール部材６０ａを一体に設ける。

図２に示すように、シールライン５８ｂは、冷却媒体流路４８を冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する一方、前記冷却媒体流路４８を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂから遮蔽する。シールライン５８ｂは、第１位置決め用孔部５２を液密に囲繞する周回シール部材６０ｂを一体に設ける。

図３に示すように、面２４ａには、第１位置決め用孔部５２の周囲に略リング状の金属露出面６２ａを有するとともに、第１シール部材５６は、前記金属露出面６２ａを周回してシール面を形成する（図４参照）。図２に示すように、面２４ｂには、第１位置決め用孔部５２の周囲に略リング状の金属露出面６２ｂを有するとともに、第１シール部材５６は、前記金属露出面６２ｂを周回してシール面を形成する（図４参照）。

図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材６４が一体成形される。第２シール部材６４は、第１シール部材５６と同様に、面２６ａ、２６ｂにそれぞれシールライン６６ａ、６６ｂを有する。

シールライン６６ａは、酸化剤ガス流路５０を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通するとともに、前記シールライン６６ａには、第２位置決め用孔部５４を液密に囲繞する周回シール部材６８ａが一体に設けられる。

シールライン６６ｂは、冷却媒体流路４８を冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通するとともに、前記シールライン６６ｂには、第２位置決め用孔部５４を液密に囲繞する周回シール部材６８ｂが一体に設けられる。

面２６ａ、２６ｂには、第２位置決め用孔部５４の周囲に略リング状の金属露出面７０ａ、７０ｂを有するとと、第２シール部材６４は、前記金属露出面７０ａ、７０ｂを周回してシール面を形成する（図４参照）。

図４に示すように、第１位置決め用孔部５２は、第２位置決め用孔部５４よりも大径に構成される。第１位置決め用孔部５２には、第１絶縁性ブッシュ７２が装着されるとともに、第２位置決め用孔部５４には、第２絶縁性ブッシュ７４が装着される。

第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４は、第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に接着剤、例えば、シリコン系接着剤により接着されている。第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４は、絶縁性、射出成形性及び硬度に優れる、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＬＣＰ（液晶ポリマ）等により構成される。

第１絶縁性ブッシュ７２は、略リング状に形成され、第１セパレータ２４の面２４ｂ側で金属露出面６２ｂに接触するとともに、前記第１セパレータ２４の第１位置決め用孔部５２に嵌合する膨出部７６を有する。

第２絶縁性ブッシュ７４は、略リング状に形成され、第２セパレータ２６の面２６ａ側で金属露出面７０ａに当接するとともに、前記第２セパレータ２６の第２位置決め用孔部５４に嵌合する第１膨出部７８と、前記第１膨出部７８とは反対側に突出するとともに、第１絶縁性ブッシュ７２に嵌合する第２膨出部８０とを一体的に備える。第２絶縁性ブッシュ７４は、第１膨出部７８の内方に凹部８２が設けられるとともに、第２膨出部８０の内方に軸方向（積層方向）に膨出して凸部８４が設けられる。

電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に対応する位置に第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４を挿通可能な逃げ用孔部８６が形成される（図２及び図４参照）。

次に、燃料電池スタック１２を組み付ける作業について、以下に説明する。

先ず、燃料電池１０では、第１セパレータ２４の第１位置決め用孔部５２に第１絶縁性ブッシュ７２が装着されるとともに、第２セパレータ２６の第２位置決め用孔部５４に第２絶縁性ブッシュ７４が装着される。

その際、第１絶縁性ブッシュ７２は、第１セパレータ２４の面２４ｂ側で金属露出面６２ｂを支持した状態で、膨出部７６がこの第１セパレータ２４の第１位置決め用孔部５２に嵌合する。一方、第２絶縁性ブッシュ７４は、第２セパレータ２６の面２６ａ側で金属露出面７０ａを支持した状態で、膨出部７６が前記第２セパレータ２６の第２位置決め用孔部５４に嵌合する。

上記のように、第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４は、それぞれ第１及び第２セパレータ２４、２６の金属露出面６２ｂ、７０ａに直接接触している。このため、第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４による位置決め精度が有効に向上し、特に複数の燃料電池１０を高精度に積層することができる。

さらに、一方の燃料電池１０を構成する第２絶縁性ブッシュ７４の凹部８２に、他方の燃料電池２０を構成する第２絶縁性ブッシュ７４の凸部８４が嵌合されることにより、互いに積層される前記第２絶縁性ブッシュ７４同士が位置決めされる。

次に、上記の燃料電池１０の動作について、燃料電池スタック１２との関連で説明する。

燃料電池スタック１２内には、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等の冷却媒体が供給される。このため、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路５０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２２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１セパレータ２４の燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。従って、電解質膜・電極構造体２２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。

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。同様に、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。

また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４８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２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａには、第１位置決め用孔部５２の周囲に金属露出面６２ａが設けられるとともに、シールライン５８ａは、前記第１位置決め用孔部５２を液密に囲繞する周回シール部材６０ａを一体に有している。

従って、第１位置決め用孔部５２に対応して露呈する導電部位、すなわち、金属露出面６２ａに、水等の導電体が浸入することを確実に阻止することができる。また、金属露出面６２ｂ、７０ａ及び７０ｂは、同様に周回シール部材６０ｂ、６８ａ及び６８ｂにより液密に囲繞されている。

これにより、燃料電池１０では、簡単な構成で、隣接する第１及び第２セパレータ２４、２６間に短絡が発生することを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に、第１及び第２絶縁性ブッシュ７２、７４が装着されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に直接、ノックピン（図示せず）を挿入する構成や、前記第１及び第２位置決め用孔部５２、５４に装着される図示しない第１及び第２絶縁性ブッシュに、ノックピンを挿入する構成等、種々の構成が採用可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池を積層した燃料電池スタックの概略構成説明図である。前記燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。前記燃料電池の要部拡大断面図である。特許文献１に係る燃料電池の要部分解断面図である。

符号の説明

１０、２０…燃料電池１２…燃料電池スタック
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
２２…電解質膜・電極構造体２４、２６…セパレータ
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５２、５４…位置決め用孔部
５６、６４…シール部材
５８ａ、５８ｂ、６６ａ、６６ｂ…シールライン
６０ａ、６０ｂ、６８ａ、６８ｂ…周回シール部材
６２ａ、６２ｂ、７０ａ、７０ｂ…金属露出面
７２、７４…絶縁性ブッシュ

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層される燃料電池であって、
前記金属セパレータには、積層方向に貫通して絶縁性ブッシュが嵌合する位置決め用孔部を設けるとともに、
前記位置決め用孔部の全周は、前記金属セパレータに一体に成形された突起状シールを構成する周回シール部材により液密に囲繞され、
前記金属セパレータは、前記位置決め用孔部の周囲に略リング状の金属露出面を有するとともに、前記絶縁性ブッシュは前記金属露出面に直接接触し、さらに前記金属露出面を周回してシール面が形成されることを特徴とする燃料電池。