JP5778056B2 - 燃料電池 - Google Patents

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本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けら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を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより発電セルが構成されている。通常、この発電セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、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測定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又は所定の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に開示されている燃料電池は、図8に示すように、シールガスケット一体型MEA1を備えている。このシールガスケット一体型MEA1は、それぞれ矩形状を有する第1MEA1aと第2MEA1bとを有し、前記第1MEA1a及び前記第2MEA1bの周囲には、シールガスケット2が配置されている。
シールガスケット2には、水素ガス、空気及び冷却水のそれぞれの供給、排出を行うために複数の貫通孔3が形成されている。シールガスケット2は、第1MEA1a、第2MEA1b及び各貫通孔3を周回するシールラインSLを設けるとともに、前記シールガスケット2の角部には、セル電圧モニタ用端子4が端子線5と共に埋め込まれている。セル電圧モニタ用端子4の一部は、シールガスケット2の一方の表面から露出している。
特開2008−140722号公報
ところで、上記のシールガスケット一体型MEA1では、セル電圧モニタ用端子4が、シールラインSLを構成する外周シールの外側に設けられている。このため、セル電圧モニタ用端子4の外側には、さらにシール部材が必要になり、構成が複雑化す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、セル電圧測定用端子とシール部材との干渉を回避するとともに、セル電圧を正確に測定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配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池に関するものである。
この燃料電池では、樹脂枠部材には、金属セパレータの外形線よりも外方にシール部材が設けられ、前記樹脂枠部材の表面には、セル電圧測定用端子の表面が前記樹脂枠部材の表面と同一面上に配置された状態で、前記セル電圧測定用端子を埋設するための溝部が形成されるとともに、前記セル電圧測定用端子の一端は、前記シール部材よりも内側で、隣接する前記金属セパレータに接触する一方、前記セル電圧測定用端子の他端は、前記樹脂枠部材の側部から外方に突出している。
本発明では、セル電圧測定用端子の表面が、樹脂枠部材の表面と同一面上に配置された状態で、前記セル電圧測定用端子が、前記樹脂枠部材に埋設されている。そして、セル電圧測定用端子は、シール部材よりも内側で金属セパレータに接触している。
このため、シールラインを跨がずに、セル電圧測定用端子を樹脂枠部材の外方に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になる。しかも、金属セパレータからセル電圧測定用端子を直接取り出す構成に比べ、前記金属セパレータを良好に小型化することができ、軽量化及び低コスト化が容易に遂行される。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面図である。 前記燃料電池を構成する金属セパレータの正面説明図である。 セル電圧測定用端子の正面説明図である。 前記セル電圧測定用端子の、図4中、V−V線断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図6中、VII−VII線断面図である。 特許文献1に開示されている燃料電池の説明図である。
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、金属セパレータ12と電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)14とが交互に積層される。
図2に示すように、電解質膜・電極構造体14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16と、前記固体高分子電解質膜16を挟持するアノード電極18及びカソード電極20とを備える。アノード電極18及びカソード電極20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16の両面に形成される。
固体高分子電解質膜16は、アノード電極18及びカソード電極20と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜16の外周端部には、樹脂製の額縁状枠部材である樹脂枠部材22が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
図1に示すように、樹脂枠部材22の矢印C方向の一端縁部(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入口連通孔24a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔26a、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入口連通孔28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
樹脂枠部材22の矢印C方向の他端縁部(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出口連通孔28b、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔26b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔24bが、矢印B方向に配列して設けられる。
金属セパレータ12の外周端部は、樹脂枠部材22に形成される酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体出口連通孔26b及び酸化剤ガス出口連通孔24bよりも内側に配置される。
金属セパレータ12は、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薄板状の金属板により構成される。図1及び図2に示すように、金属セパレータ12は、電解質膜・電極構造体14のアノード電極18に対向するアノードセパレータ面32と、前記電解質膜・電極構造体14のカソード電極20に対向するカソードセパレータ面34とを有する。アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34とは、溶接やろう付け等により一体化される。
図3に示すように、金属セパレータ12のアノードセパレータ面32には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路36が形成される。燃料ガス流路36は、矢印C方向に延在しており、燃料ガスを鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流動させる。
金属セパレータ12は、図1に示すように、カソードセパレータ面34に、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路38が形成される。酸化剤ガス流路38は、酸化剤ガスを矢印C方向に流通させる。カソードセパレータ面34には、酸化剤ガス流路38の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部40aと冷却媒体排出孔部40bとが形成される。
金属セパレータ12の内部には、冷却媒体供給孔部40a及び冷却媒体排出孔部40bに連通して冷却媒体を矢印C方向に流通させる冷却媒体流路42が形成される。冷却媒体流路42は、燃料ガス流路36の裏面形状と酸化剤ガス流路38の裏面形状との重なり形状により構成される。
図1に示すように、樹脂枠部材22の燃料ガス流路36側の面には、外側シール部材(外側シールライン)44及び内側シール部材(内側シールライン)46が一体又は別体に成形される。外側シール部材44及び内側シール部材46には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
外側シール部材44は、金属セパレータ12の外形線よりも外方を囲繞するとともに、全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔24b、冷却媒体出口連通孔26b及び燃料ガス出口連通孔28bの外周並びに反応面(発電面)外周を周回する。
内側シール部材46は、外側シール部材44の内方に位置するとともに、金属セパレータ12の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記金属セパレータ12の外周端縁面全周(セパレータ面内)に接する。内側シール部材46は、燃料ガス入口連通孔28a及び燃料ガス出口連通孔28bを燃料ガス流路36に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体入口連通孔26a、冷却媒体出口連通孔26b及び酸化剤ガス出口連通孔24bを周回して、前記燃料ガス流路36から遮蔽する。
樹脂枠部材22の酸化剤ガス流路38側の面には、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔24a及び酸化剤ガス出口連通孔24bを酸化剤ガス流路38に連通するとともに、冷却媒体入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔28b及び冷却媒体出口連通孔26bを周回して、前記酸化剤ガス流路38から遮蔽するシール部が設けられる。
樹脂枠部材22には、例えば、一方の長辺側にセル電圧測定用端子50が埋設される。セル電圧測定用端子50は、樹脂枠部材22と一体で成形してもよく、又は別体を前記樹脂枠部材22に接着等により一体化してもよい。樹脂枠部材22とセル電圧測定用端子50との界面は、気密状態を維持する。
セル電圧測定用端子50は、薄板状の導電性端子板52を備える。図2及び図4に示すように、樹脂枠部材22の酸化剤ガス流路38側の表面22aには、端子板52の表面が前記樹脂枠部材22の表面22aと同一面上に配置された状態で、前記端子板52を埋設するための溝部22bが形成される(図5参照)。溝部22bは、端子板52の形状と同一の開口形状を有する。
端子板52は、絶縁被膜53により囲繞されており、前記端子板52の一端は、外側シール部材44の内方に位置して樹脂枠部材22の表面に露出し、隣接する金属セパレータ12(カソードセパレータ面34)に接触する露出部位52aを有する。端子板52の露出部位52a側の先端面は、樹脂枠部材22の肩部22sに当接する。露出部位52aには、絶縁被膜53が設けられていない。端子板52の他端は、樹脂枠部材22側部から外方に突出する先端露出部位52bを有する。なお、端子板52は、例えば、FPC(フレキシブルプリント基板)で構成されてもよい。
セル電圧測定用端子50は、樹脂枠部材22の外周から外方に突出する樹脂部材54を一体に設けるとともに、前記樹脂部材54は、例えば、前記樹脂枠部材22の成形時又は成形前に一体化される。
図2に示すように、セル電圧測定用端子50の先端側には、樹脂部材54に外装されてシール部材56が装着されるとともに、コネクタ58が接続自在である。コネクタ58は、ケーシング60内に収容されるU字形状の接続端子部62を有する。接続端子部62は、先端露出部位52bに電気的に接触するとともに、図示しないセル電圧測定装置に接続される。
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔24aに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、金属セパレータ12の酸化剤ガス流路38に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体14のカソード電極20に沿って矢印C方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔24bに排出される。
一方、燃料ガス入口連通孔28aに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、金属セパレータ12の燃料ガス流路36に供給される。燃料ガスは、電解質膜・電極構造体14のアノード電極18に沿って矢印C方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔28bに排出される。
従って、電解質膜・電極構造体14では、カソード電極20に供給される酸化剤ガスと、アノード電極18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。
また、冷却媒体入口連通孔26aに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、金属セパレータ12を構成するカソードセパレータ面34に形成されている複数の冷却媒体供給孔部40aから前記金属セパレータ12の内部に導入される。
金属セパレータ12の内部には、冷却媒体流路42が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路42に沿って矢印C方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部40bから冷却媒体出口連通孔26bに排出される(図1参照)。
この場合、第1の実施形態では、樹脂枠部材22に埋設されるセル電圧測定用端子50は、薄板状の端子板52を備えている。端子板52は、樹脂枠部材22の溝部22bに配置されることにより、前記端子板52の表面が前記樹脂枠部材22の表面22aと同一面上に段差なく配置され、外側シール部材44に当接している。
そして、端子板52の露出部位52aは、外側シール部材44の内方に位置して樹脂枠部材22の表面に露出し、隣接する金属セパレータ12に接触している。この露出部位52aの表面には、金メッキを施してもよい。一方、端子板52の先端露出部位52bは、樹脂枠部材22の側部から外方に突出している。
このため、シールラインである外側シール部材44を跨がずに、セル電圧測定用端子50を樹脂枠部材22の外方に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。
しかも、金属セパレータ12からセル電圧測定用端子50を直接取り出す構成に比べ、前記金属セパレータ12を良好に小型化することができ、軽量化及び低コスト化が容易に遂行される。なお、端子板52は、アノードセパレータ面32に接触するように構成してもよい。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池100の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と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。
燃料電池100は、図6及び図7に示すように、電解質膜・電極構造体14、金属セパレータ12、前記電解質膜・電極構造体14及び金属セパレータ102が積層されたセルユニットを備える。
金属セパレータ102は、単一の金属プレートにより構成され、一方の電解質膜・電極構造体14のアノード電極18に対向して燃料ガス流路36を設けるとともに、他方の電解質膜・電極構造体14のカソード電極20に対向して酸化剤ガス流路38を設ける。各燃料電池100は、金属セパレータ102を挟んで一対の電解質膜・電極構造体14間には冷却媒体流路が設けられておらず、所謂、間引き冷却構造を採用する。
図7に示すように、セル電圧測定用端子50は、薄板状の導電性端子板104を備える。端子板104の一端は、外側シール部材44の内方に位置して樹脂枠部材22の表面に露出し、隣接する金属セパレータ102に接触する露出部位104aを有する。端子板104の他端は、樹脂枠部材22の側部から外方に突出する先端露出部位104bを有する。端子板104は、金属セパレータ102の長辺側に接触しているが、前記金属セパレータ102の短辺側に接触するように構成してもよい。
このように構成される燃料電池100では、端子板104の露出部位104aは、外側シール部材44の内方に位置して樹脂枠部材22の表面に露出し、隣接する金属セパレータ102に接触している。このため、シールラインである外側シール部材44を跨がずに、セル電圧測定用端子50を樹脂枠部材22の外部に取り出すことができ、所望のシール機能を確保することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
10、100…燃料電池 12、102…金属セパレータ
14…電解質膜・電極構造体 16…固体高分子電解質膜
18…アノード電極 20…カソード電極
22…樹脂枠部材 22a…表面
22b…溝部 24a…酸化剤ガス入口連通孔
24b…酸化剤ガス出口連通孔 26a…冷却媒体入口連通孔
26b…冷却媒体出口連通孔 28a…燃料ガス入口連通孔
28b…燃料ガス出口連通孔 36…燃料ガス流路
38…酸化剤ガス流路 42…冷却媒体流路
44…外側シール部材 46…内側シール部材
50…セル電圧測定用端子 52、104…端子板
52a、104a…露出部位 52b、104b…先端露出部位
53…絶縁被膜 54…樹脂部材

Claims (1)

  1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、前記電解質・電極構造体の外周には、前記金属セパレータの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する樹脂枠部材が一体に設けられる燃料電池であって、
    前記樹脂枠部材には、前記金属セパレータの外形線よりも外方にシール部材が設けられ、
    前記樹脂枠部材の表面には、セル電圧測定用端子の表面が前記樹脂枠部材の表面と同一面上に配置された状態で、前記セル電圧測定用端子を埋設するための溝部が形成されるとともに、
    前記セル電圧測定用端子の一端は、前記シール部材よりも内側で、隣接する前記金属セパレータに接触する一方、前記セル電圧測定用端子の他端は、前記樹脂枠部材の側部から外方に突出することを特徴とする燃料電池。
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