JP5684614B2 - 燃料電池スタックのシール形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有し、発電を行う発電セルが複数積層される積層体と、前記積層体の積層方向の両端部に配設され、前記発電セルに対応し且つ発電を行わないダミーセルとを備える燃料電池スタックのシール形成方法に関する。

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（ＭＥＡ）が、セパレータによって挟持され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、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の発電セルを積層しており、各発電セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧監視用端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各発電セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１に開示されているコネクタ装置は、図８に示すように、セル側コネクタ１とモニタ側コネクタ２とにより構成されている。セル側コネクタ１は、セル側端子３とセル側ハウジング４とシールゴム５とを備えている。モニタ側コネクタ２は、モニタ側端子６とモニタ側ハウジング（図示せず）とシールゴム７とを備えている。セル側コネクタ１は、燃料電池のセルに接続される一方、モニタ側コネクタ２はセル電圧を測定する測定器に接続されている。

特開２００８−１９８４２９号公報

ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱等により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。特に、積層方向端部に配置されている発電セルは、温度低下が顕著になっている。このため、発電セル積層体の両端には、発電に寄与しない、例えば、ガス流路を有する一方、ＭＥＡを持たないダミーセルが配設されている。

この場合、発電セルを構成するセパレータでは、セル側コネクタ１を構成するシールゴム５が、セル側端子３に、例えば、射出成形により成形されている。一方、ダミーセルを構成するセパレータでは、セル側コネクタ１が不要になっている。

従って、通常発電セルを構成するセパレータに対してシールゴム５を含めてシール部材を射出成形する成形型と、ダミーセルを構成するセパレータに対してシール部材を射出成形する成形型とが、個別に用いられている。これにより、設備費が高騰してしまい、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電セル用セパレータとダミーセル用セパレータとに対して同一の射出成形用金型を使用してシール部材を成形することができ、製造コストを良好に削減することが可能な燃料電池スタックのシール形成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が配設される電解質・電極構造体と金属セパレータとを有し、発電を行う発電セルが複数積層される積層体と、前記積層体の積層方向の両端部に配設され、前記発電セルに対応し且つ発電を行わないダミーセルとを備える燃料電池スタックのシール形成方法に関するものである。

また、このシール形成方法では、発電セルを構成する発電セル側金属セパレータに設けられるセル電圧監視用端子の突起部は、金属薄板の両面が露出しており、第１金型と第２金型とで該突起部が挟持されて、該突起部の先端縁部から内方を周回して端子シール部を成形する工程と、ダミーセルを構成するダミーセル側金属セパレータに、前記突起部に対応する位置にダミーセル側金属薄板が一体に設けられ、前記ダミーセル側金属薄板は、前記端子シール部を成形する前記第１金型と前記第２金型との間に配置され、該ダミーセル側金属薄板の外周を周回してダミーシール部を成形する工程とを有している。

本発明によれば、同一の金型を用いて、発電セルを構成する発電セル側金属セパレータに設けられるセル電圧監視用端子の突起部に端子シール部を成形する工程と、ダミーセルを構成するダミーセル側金属セパレータにダミーシール部を成形する工程とが行われる。

従って、発電セル側金属セパレータとダミーセル側金属セパレータとにシール部材を成形するために、それぞれ専用の金型を用いる必要がない。これにより、金型の個数を削減することができ、製造コストが良好に削減される。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部省略断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１ダミーユニットの要部概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する電圧測定端子及びコネクタの説明図である。 シール部材を射出成形するための金型装置の要部断面説明図である。 前記金型装置に第１ダミーユニットを構成する第２金属セパレータの端部が配置された状態の説明図である。 特許文献１に開示されているコネクタ装置の断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット（発電セル）１２が矢印Ａ方向に積層される積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、第１端部発電ユニット１６ａ及び第１ダミーユニット１８ａが外方に向かって配置されるとともに、前記積層体１４の積層方向他端には、第２端部発電ユニット１６ｂ及び第２ダミーユニット１８ｂが外方に向かって配置される。第１及び第２ダミーユニット１８ａ、１８ｂには、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ、絶縁プレート２２ａ、２２ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂ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。

図３に示すように、発電ユニット１２は、第１金属セパレータ２６、第１電解質膜・電極構造体２８ａ、第２金属セパレータ（発電セル側金属セパレータ）３０、第２電解質膜・電極構造体２８ｂ及び第３金属セパレータ３２の順に、矢印Ａ方向に積層される。

なお、本実施形態では、発電セルが２つの電解質膜・電極構造体である第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂを備えているが、３つ以上の電解質膜・電極構造体を含む発電セルや、１つの電解質膜・電極構造体を含む発電セルを採用することもできる。

第１金属セパレータ２６、第２金属セパレータ３０及び第３金属セパレータ３２は、長方形状を有しており、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。

第１〜第３金属セパレータ２６、３０及び３２は、平面が矩形状を有するとともに、金属薄板３４を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。第１〜第３金属セパレータ２６、３０及び３２は、それぞれ金属薄板３４の外周部を周回してシール部材３５が一体成形される。

発電ユニット１２の長辺方向の上端縁部には、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３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔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３６ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。

第１電解質膜・電極構造体２８ａ及び第２電解質膜・電極構造体２８ｂ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を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極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２６の第１電解質膜・電極構造体２８ａに対向する面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路４８が形成される。第１酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝を有する。第１金属セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。

第２金属セパレータ３０の第１電解質膜・電極構造体２８ａに対向する面３０ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する第１燃料ガス流路５２が形成される。第１燃料ガス流路５２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝を有する。

第２金属セパレータ３０の第２電解質膜・電極構造体２８ｂに対向する面３０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５４が形成される。

第３金属セパレータ３２の第２電解質膜・電極構造体２８ｂに対向する面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する第２燃料ガス流路５６が形成される。第３金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。

第２金属セパレータ３０は、一方の長辺側の中央部に、一対の冷却媒体排出連通孔４０ｂの間に位置して外方に突出するセル電圧監視用端子の突起部５８が設けられる。なお、突起部５８は、第１金属セパレータ２６や第３金属セパレータ３２に設けてもよい。

この突起部５８は、第２金属セパレータ３０を構成する金属薄板３４の長辺側又は短辺側外周部から一体に突出形成される。突起部５８の先端縁部から内方を周回して端子シール部３５ａが設けられる。端子シール部３５ａは、シール部材３５に一体成形される。

図２に示すように、第１端部発電ユニット１６ａは、発電ユニット１２側から第１金属セパレータ２６、第１電解質膜・電極構造体２８ａ、第２金属セパレータ３０、導電性プレート（ダミー電解質・電極構造体）６０及び第３金属セパレータ３２の順に積層される。第１端部発電ユニット１６ａは、実質的に発電ユニット１２の一部と第１ダミーユニット１８ａの一部との混合ユニットである。

第１端部発電ユニット１６ａでは、第２燃料ガス流路５６に対応するとともに、燃料ガスの流れを規制することにより断熱層６１ａが形成される。具体的には、第２燃料ガス流路５６は、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂから閉塞されている。

第１端部発電ユニット１６ａと第１ダミーユニット１８ａとの間には、冷却媒体流路５０に対応するとともに、冷却媒体の流れを規制することにより断熱層６１ｂが形成される。具体的には、冷却媒体流路５０は、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂから閉塞されている。

図４に示すように、第１ダミーユニット１８ａは、第１端部発電ユニット１６ａ側から第１金属セパレータ２６、第１導電性プレート（第１ダミー電解質・電極構造体）６２ａ、第２金属セパレータ（ダミーセル側金属セパレータ）３０Ｄ、第２導電性プレート（第２ダミー電解質・電極構造体）６２ｂ及び第３金属セパレータ３２の順に積層される。

第１ダミーユニット１８ａの第１金属セパレータ２６、第２金属セパレータ３０Ｄ及び第３金属セパレータ３２は、発電ユニット１２の第１金属セパレータ２６、第２金属セパレータ３０及び第３金属セパレータ３２同じものである。また、第１導電性プレート６２ａ及び第２導電性プレート６２ｂは、発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体２８ａ及び第２電解質膜・電極構造体２８ｂを用いてもよい。

導電性プレート６０、第１導電性プレート６２ａ及び第２導電性プレート６２ｂは、例えば、第１電解質膜・電極構造体２８ａと同等の厚さに設定されるとともに、発電機能を有していない。

第２金属セパレータ３０Ｄは、一方の長辺側の中央部に、一対の冷却媒体排出連通孔４０ｂ間に位置して外方に突出するダミーシール部３５ｂが設けられる。ダミーシール部３５ｂは、後述するように、端子シール部３５ａと同一の金型で成形される。

第１ダミーユニット１８ａでは、第１酸化剤ガス流路４８及び第２酸化剤ガス流路５４に酸化剤ガスが流れることを規制するために、前記第１酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとが、遮断部６４ａ、６４ｂを介して閉塞される一方、前記第２酸化剤ガス流路５４と前記酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び前記酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとが、遮断部６４ａ、６４ｂを介して閉塞される。

第１ダミーユニット１８ａでは、第１燃料ガス流路５２及び第２燃料ガス流路５６に沿って燃料ガスが流通されるとともに、冷却媒体流路５０に沿って冷却媒体が流通する。

第２端部発電ユニット１６ｂは、上記の第１端部発電ユニット１６ａと同様に構成される一方、第２ダミーユニット１８ｂは、上記の第１ダミーユニット１８ａと同様に構成される。

図１に示すように、エンドプレート２４ａの上下両端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド６６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド６６ｂ、及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド６８ｂが、上下両端縁部に設けられる。

エンドプレート２４ａ側には、図示しないが、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置が結合される。なお、燃料ガス出口マニホールド６８ｂは、リターン流路（図示せず）を介して燃料ガス入口マニホールド６８ａに連通することにより、燃料ガスが循環して再利用可能に構成される。燃料ガスである水素を無駄に廃棄することを阻止するためである。

エンドプレート２４ｂの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド７０ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド７０ｂとが設けられる。

図５に示すように、第２金属セパレータ３０に設けられたセル電圧監視用端子の突起部５８には、コネクタ７２が接続されるとともに、前記コネクタ７２は、ケーブル７４を介して電圧測定装置（ＥＣＵ）７６に接続される（図１参照）。

図５に示すように、コネクタ７２は、セル電圧監視用端子の突起部５８に接続されるＵ字形状の接続端子部７７を有する。突起部５８と接続端子部７７との接続部位７８を覆って樹脂製ケーシング部材８０が配設される。ケーシング部材８０は、突起部５８が保持される第１部材８２と、コネクタ７２が保持される第２部材８４とを備える。ケーシング部材８０に設けられる筒状部８６の外周部には、環状シール部材８８が外装される。

図６は、第２金属セパレータ３０、３０Ｄにシール部材３５を一体成形するための射出成形用金型装置９０の一部断面図である。

金型装置９０は、第１金型９２と第２金型９４とを備え、前記第１金型９２及び前記第２金型９４間には、キャビティ９６が形成される。第１金型９２の内面及び第２金型９４の内面には、第２金属セパレータ３０に一体成形されるセル電圧監視用端子の突起部５８を挟持する押さえ部９８ａ、９８ｂが形成される。

第２金属セパレータ３０Ｄには、突起部５８が設けられておらず、又は前記突起部５８よりも短い前記第２金属セパレータ３０Ｄの端部３０Ｄｅは、キャビティ９６内で終端する（図６中、２点鎖線参照）。図７に示すように、第２電解質膜・電極構造体２８ｂは、金属部分が露出することがなく、全周がダミーシール部３５ｂにより覆われている。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

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２４ａにおいて、酸化剤ガス入口マニホールド６６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド６８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート２４ｂにおいて、冷却媒体入口マニホールド７０ａ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。

図３に示すように、酸化剤ガスは、各発電ユニット１２を構成する酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第１金属セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４８及び第２金属セパレータ３０の第２酸化剤ガス流路５４に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂの各カソード側電極４４に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、各発電ユニット１２を構成する燃料ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３０の第１燃料ガス流路５２及び第３金属セパレータ３２の第２燃料ガス流路５６に導入される。従って、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂの各アノード側電極４６に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂでは、各カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極４６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４４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から酸化剤ガス出口マニホールド６６ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極４６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３８ｂから燃料ガス出口マニホールド６８ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図２及び図３に示すように、各発電ユニット１２間に形成される冷却媒体流路５０に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体２８ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体２８ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂから冷却媒体出口マニホールド７０ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、発電ユニット１２を構成する金属セパレータ３０にシール部材３５を射出成形する際に、図６に示すように前記第２金属セパレータ３０を構成する金属薄板３４が金型装置９０に配置される。

金型装置９０では、第１金型９２及び第２金型９４の押さえ部９８ａ、９８ｂが、金属薄板３４に設けられている突起部５８を挟持した状態で、型締めされる。そして、キャビティ９６には、例えば、シリコーンゴムが射出されることにより、金属薄板３４を覆ってシール部材３５が射出成形される。

その際、突起部５８では、金属薄板３４の外周面から外方に所定の長さだけ突出してシール部材３５に周回される。これにより、発電セル側金属セパレータである第２金属セパレータ３０には、シール部材３５が一体成形される。

次いで、金型装置９０には、第１ダミーユニット１８ａを構成する第２金属セパレータ３０Ｄを製造するための金属薄板３４が配置される。この金属薄板３４は、突起部５８を設けておらず（又は突起部５８よりも短い）、キャビティ９６の端面から内方に離間した位置で終端している。

この状態で、キャビティ９６に、例えば、シリコーンゴムが射出されることにより、金属薄板３４の外周を周回してシール部材３５が一体成形される。従って、ダミーセル側金属セパレータである第２金属セパレータ３０Ｄには、シール部材３５が一体成形される。

ここで、第２金属セパレータ３０Ｄには、第２金属セパレータ３０のセル電圧監視用端子の突起部５８に対応する位置に、すなわち、端部３０Ｄｅの全周に金属部分を露出することなく、ダミーシール部３５ｂが成形される。このため、同一の金型装置９０を用いて、発電セル側金属セパレータである第２金属セパレータ３０に設けられる突起部５８に端子シール部３５ａが成形されるとともに、ダミーセル側金属セパレータである第２金属セパレータ３０Ｄにダミーシール部３５ｂが成形される。

従って、第２金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３０Ｄとにシール部材３５を成形するために、それぞれ専用の金型装置を用いる必要がない。これにより、単一の金型装置９０により対応することができ、金型の個数を削減することが可能になって、製造コストが良好に削減されるという効果が得られる。

しかも、それぞれ専用の金型装置が不要になるため、スペースの狭小化を図るとともに、金型の誤組が防止されて、成形歩止まりの向上が容易に図られるといる利点がある。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…端部発電ユニット
１８ａ、１８ｂ…ダミーユニット ２６、３０、３０Ｄ、３２…金属セパレータ
２８ａ、２８ｂ…電解質膜・電極構造体
３５…シール部材 ３５ａ…端子シール部
３５ｂ…ダミーシール部 ４２…固体高分子電解質膜
４４…カソード側電極 ４６…アノード側電極
４８、５４…酸化剤ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２、５６…燃料ガス流路 ５８…突起部
６０、６２ａ、６２ｂ…導電性プレート
６１ａ、６１ｂ…断熱層 ６６ａ…酸化剤ガス入口マニホールド
６６ｂ…酸化剤ガス出口マニホールド ６８ａ…燃料ガス入口マニホールド
６８ｂ…燃料ガス出口マニホールド ７２…コネクタ
９０…金型装置 ９２…第１金型
９４…第２金型 ９６…キャビティ

Claims (1)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体と金属セパレータとを有し、発電を行う発電セルが複数積層される積層体と、
   前記積層体の積層方向の両端部に配設され、前記発電セルに対応し且つ発電を行わないダミーセルと、
   を備える燃料電池スタックのシール形成方法であって、
   前記発電セルを構成する発電セル側金属セパレータに設けられるセル電圧監視用端子の突起部は、金属薄板の両面が露出しており、第１金型と第２金型とで該突起部が挟持されて、該突起部の先端縁部から内方を周回して端子シール部を成形する工程と、
   前記ダミーセルを構成するダミーセル側金属セパレータに、前記突起部に対応する位置にダミーセル側金属薄板が一体に設けられ、前記ダミーセル側金属薄板は、前記端子シール部を成形する前記第１金型と前記第２金型との間に配置され、該ダミーセル側金属薄板の外周を周回してダミーシール部を成形する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックのシール形成方法。

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