JP6384440B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料電池セルを積層した燃料電池スタックのセル積層方向の一端側にエンドプレートを備え、このエンドプレートから燃料電池スタックの各燃料電池セルに燃料ガス（例えば、水素ガス）と、酸素含有ガス（例えば、空気）と冷却水を導入している。通常、エンドプレートは、アルミ等の軽量金属から形成されるので、水分との回避のためガスや冷却水に対する絶縁性が求められる。このため、貫通孔の内周壁面から貫通孔端部のエンドプレート表面に掛けて絶縁部材を配設することが提案されている（例えば、特許文献１）。また、ガスや冷却水に対するシール性も求められるので、この特許文献では、絶縁部材に凸部を設け、この凸部でシールを図っている。

特開２００６−４９１２９号公報

ところで、絶縁部材は、絶縁性を有する樹脂等でエンドプレートに射出成形手法で一体的に形成されるものの、その形成領域に亘って絶縁部材がエンドプレートに隙なく密着している訳ではない。また、絶縁部材とエンドプレートとでは、膨張率が相違するため、燃料電池の運転温度の高低の繰り返しにより、絶縁部材の形成領域において、絶縁部材とエンドプレートとの間に隙間が顕在化し得る。そうすると、この絶縁部材の形成領域における間隙は、エンドプレートとガスや冷媒の配管部材との装着箇所に繋がって、燃料電池外部からの水分の進入経路となり得る。通常運転において、燃料電池に外部から水分が浸入することはさほど起きないが、例えば車両搭載の燃料電池では、走行中の水ハネや道路冠水による車両水没が起きると、燃料電池が水分に晒されるので、絶縁部材の形成領域における間隙から燃料電位セルへの水分の浸入が危惧される。絶縁部材の形成領域からの水分浸入の抑制は、水分抑制のためのシール材を別途設けることで達成できるとは言え、ガスや冷却水に対するシール材とは別のシール材が必要となるので、シール構造の複雑化やコスト増加を招きかねない。こうしたことから、ガスや冷却水に対するシール性と絶縁部材の形成領域からの水分の浸入抑制とを図る簡便なシール構造が要請されるに到った。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、燃料電池セルを積層した燃料電池スタックのセル積層方向の一端側に配設され、前記燃料電池セルに必要なガスまたは冷媒が通過する貫通孔を有するエンドプレートと、前記貫通孔に連続する供給孔を有し前記エンドプレートに装着される配管部材とを有する燃料電池であって、前記エンドプレートは、前記配管部材が装着される側のプレート面に、前記貫通孔を取り囲む陥没凹所と、前記貫通孔の孔周囲領域の前記陥没凹所の底面領域と前記貫通孔の内周壁面の全域とを被覆し、前記陥没凹所の陥没側壁との間に所定の間隙を残して設けられた絶縁性の絶縁被覆部材と、前記間隙に配設され、前記間隙における前記陥没凹所の底面と前記陥没凹所に対向する前記配管部材の装着面とに接触するシール材とを備える。

この形態の燃料電池によれば、絶縁被覆部材の底面被覆部位と陥没凹所の陥没側壁との間の間隙に配設した単一のシール材により、ガスや冷媒に対するシール性と、貫通孔の孔周囲領域の陥没凹所の底面領域から貫通孔の内周壁面の全域にかけての絶縁被覆部材の形成領域からの水分の浸入抑制とを共に達成できる。そして、用いるシール材が一つで済むことから、この形態の燃料電池によれば、シール構造の簡便化とシールコストの低下を図ることができる。また、水分浸入の抑制のためのシール材をガスや冷却水に対するシール材の外側に配設して両シール材を配管部材で押圧する必要はなく、配管部材をエンドプレートの陥没凹所を塞ぐことができる大きさにすればよいので、コンパクト化も達成できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の製造方法や燃料電池のエンドプレートの形態で実現することができる。

本発明の実施形態の燃料電池の構成を示す概略斜視図である。 図１における２−２線に沿った断面を配管部材の装着前後において示す説明図である。 絶縁被覆部材の形成の様子とシール材が配設される間隙の形成の様子とを示す説明図である。 シール材によるシールの様子を説明するための説明図である。

図１は本発明の実施形態の燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セル１００をＺ方向（以下、「セル積層方向」とも呼ぶ）に複数積層した燃料電池スタック１１０を、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持する。燃料電池１０は、その一端側のエンドプレート１７０Ｆと燃料電池スタック１１０との間に、絶縁板１６５Ｆを介在させてターミナルプレート１６０Ｆを有する。以下、エンドプレート１７０Ｆが配設された燃料電池１０の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面奥側の他端側を後端側と称する。

燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅと燃料電池スタック１１０との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。燃料電池スタック１１０のそれぞれの燃料電池セル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、燃料電池スタック１１０の発電電力の集電板であり、集電端子１６１から集電した電力を外部へ出力する。前端側の絶縁板１６５Ｆおよび後端側の絶縁板１６５Ｅは、上記の各ターミナルプレートとエンドプレートとを絶縁する。前端側のエンドプレート１７０Ｆおよび後端側のエンドプレート１７０Ｅは、共に、アルミ等の軽量金属プレートであり、以下に説明するようにガスや冷却水の給排に関与する。

前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７１および燃料ガス排出孔１７２と、酸化剤ガス供給孔１７３および酸化剤ガス排出孔１７４と、冷却水供給孔１７５および冷却水排出孔１７６とを各プレートの貫通孔として有する。つまり、エンドプレート１７０Ｆは、燃料電池セル１００を積層した燃料電池スタック１１０のセル積層方向の一端側（前端側）に配設され、燃料電池スタック１１０へのガスまたは冷媒（冷却水）の供給用と排出用の燃料ガス供給孔１７１等の貫通孔を有する。上記した給排孔は、燃料電池スタック１１０の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連通して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。

その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれの燃料電池セル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれの燃料電池セル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

酸化剤ガス供給孔１７３は、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、酸化剤ガス排出孔１７４は、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７１は、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２は、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。冷却水供給孔１７５は、燃料ガス供給孔１７１の下側にＹ方向に沿って配置されており、冷却水排出孔１７６は、燃料ガス排出孔１７２の上側にＹ方向に沿って配置されている。なお、上記した各給排孔は、燃料電池スタック１１０のそれぞれの燃料電池セル１００においては、複数の給排孔に分けられている。

燃料電池１０は、燃料ガス供給孔１７１への燃料ガス供給、燃料ガス排出孔１７２からの余剰燃料ガス排出、酸化剤ガス供給孔１７３への空気供給、酸化剤ガス排出孔１７４からの余剰空気排出、冷却水供給孔１７５への冷却水供給、冷却水排出孔１７６からの冷却水回収に、それぞれ個別の配管部材を用い、各配管部材をエンドプレート１７０Ｆのプレート面１７０ｓに装着して備える。配管部材については、燃料ガス供給孔１７１への燃料ガス供給を図る配管部材を例に挙げ後述する。エンドプレート１７０Ｆは、こうした配管部材を装着してガスや冷却水の給排を図るべく、プレート面１７０ｓに、陥没凹所１７１ａ〜１７６ａを備える。これら陥没凹所、例えば陥没凹所１７１ａは、燃料ガス供給孔１７１を取り囲むようプレート面１７０ｓに陥没形成されている。他の陥没凹所１７２ａ〜１７６ａも同様である。なお、図１では、プレート面１７０ｓから陥没した陥没凹所１７１ａ〜１７６ａを、図示の都合上、平面状に示している。

図２は図１における２−２線に沿った断面を配管部材１９０の装着前後において示す説明図である。図２の上段は、配管部材１９０の装着前における断面を示し、下段は、配管部材１９０の装着後の断面を示している。なお、部材区別の煩雑さを避けるため、ハッチングを適宜省略して断面視している。

配管部材１９０は、エンドプレート１７０Ｆの燃料ガス供給孔１７１に連続する燃料ガス供給孔１９２を有し、装着面１９３がエンドプレート１７０Ｆのプレート面１７０ｓに密着するようボルト１９４により締め付けられて、エンドプレート１７０Ｆに装着される。エンドプレート１７０Ｆは、燃料ガス供給孔１７１から陥没凹所１７１ａに掛けて延在する絶縁被覆部材１８０と、絶縁被覆部材１８０を取り囲むように陥没凹所１７１ａに配設されたシール材２００とを有する。絶縁被覆部材１８０は、燃料ガス供給孔１７１の孔周囲領域の陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄ（図３参照）と燃料ガス供給孔１７１の内周壁面１７１ｂの全域とを被覆し、燃料ガス供給孔１７１を通過する燃料ガスに対する絶縁を図る。この絶縁被覆部材１８０は、シール性と弾性を有し燃料ガスや冷却水に対する絶縁性を有する樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ナイロン系樹脂等から形成され、後述するようにエンドプレート１７０Ｆに一体成形される。

シール材２００は、押圧を受けて部材表面に接触することでシール性を発揮するいわゆるガスケットであり、配管部材１９０のボルト締め固定による押圧を受けて、エンドプレート１７０Ｆと配管部材１９０とをシールする。このシール材２００は、燃料ガス供給孔１７１から陥没凹所１７１ａに掛けて形成済みの絶縁被覆部材１８０を取り囲む間隙１７１ｃに配設されている。この間隙１７１ｃは、図２の拡大図に示すように、絶縁被覆部材１８０が陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄ（図３参照）を被覆する底面被覆部位１８２と陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅとの間に後述するように形成される。

図３は絶縁被覆部材１８０の形成の様子とシール材２００が配設される間隙１７１ｃの形成の様子とを示す説明図である。絶縁被覆部材１８０の形成に当たっては、まず、エンドプレート１７０Ｆを準備する。このエンドプレート１７０Ｆには、絶縁被覆部材１８０の厚み分が拡径した燃料ガス供給孔１７１と、この供給孔を取り囲む陥没凹所１７１ａが形成されている。この場合、シール材２００の配設に際して、シール材２００にいびつな変形が起きないよう、陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅの角部はコーナー円弧１７１Ｒとされている。

次に、エンドプレート１７０Ｆを一体成形金型にセットする。この金型は、下型３００と上型３１０とから構成され、上型３１０は、下型３００まで突出したコア部３１２と、環状の樹脂遮蔽突起３１４を備える。エンドプレート１７０Ｆの金型セット状態において、コア部３１２は、エンドプレート１７０Ｆの燃料ガス供給孔１７１の中央に位置し、樹脂遮蔽突起３１４は、エンドプレート１７０Ｆの陥没凹所１７１ａの底面に接触する。陥没凹所１７１ａの底面への樹脂遮蔽突起３１４の接触により、キャビティー３２０が形成される。このキャビティー３２０は、燃料ガス供給孔１７１の内周壁面１７１ｂの全域と、樹脂遮蔽突起３１４からコア部３１２に掛けての領域、即ち、燃料ガス供給孔１７１の孔周囲領域の陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄとを含んでおり、絶縁被覆部材１８０の形成用の既述した樹脂材料の注入を受ける。樹脂遮蔽突起３１４は、キャビティー３２０への樹脂材料の注入により形成される絶縁被覆部材１８０の端部壁面１８３の角部がコーナー円弧１８２Ｒとなるように、突起先端の角部をコーナー円弧３１４Ｒとしている。

金型セット後は、キャビティー３２０への樹脂注入と、所定時間の冷却養生と、金型取り外しとが順次実行される。そうすると、絶縁被覆部材１８０が形成され、この絶縁被覆部材１８０は、燃料ガス供給孔１７１の孔周囲領域の陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄと燃料ガス供給孔１７１の内周壁面１７１ｂの全域とを被覆し、燃料ガス供給孔１７１を通過する燃料ガスに対する絶縁を図る。そして、陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄを被覆する絶縁被覆部材１８０の底面被覆部位１８２の端部壁面１８３と陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅとの間には、間隙１７１ｃが形成され、この間隙１７１ｃの両角部は、コーナー円弧１７１Ｒとコーナー円弧１８２Ｒとなる。こうして絶縁被覆部材１８０を一体成形したエンドプレート１７０Ｆが得られると、図２に示すように、このエンドプレート１７０Ｆの間隙１７１ｃにシール材２００が配設されて、配管部材１９０が装着される。

図４はシール材２００によるシールの様子を説明するための説明図である。なお、部材区別の煩雑さを避けるため、エンドプレート１７０Ｆについてはハッチングを省略して断面視している。間隙１７１ｃ（図３参照）に配設されたシール材２００は、配管部材１９０の装着状態において、間隙１７１ｃにおける陥没凹所１７１ａの底面への接触ポイント２０１と、陥没凹所１７１ａに対向する配管部材１９０の装着面１９３への接触ポイント２０２と、底面被覆部位１８２の端部壁面１８３（図３参照）への接触ポイント２０３と、陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅ（図３参照）への接触ポイント２０４とにより、エンドプレート１７０Ｆと配管部材１９０とをシールする。

以上説明した本実施形態の燃料電池１０は、絶縁被覆部材１８０の底面被覆部位１８２と陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅとの間の間隙１７１ｃに配設したシール材２００を、配管部材１９０の装着状態において、図４に示す接触ポイント２０１〜２０２において、間隙１７１ｃにおける陥没凹所１７１ａの底面と、陥没凹所１７１ａに対向する配管部材１９０の装着面１９３とに接触させる。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、配管部材１９０の燃料ガス供給孔１９２からエンドプレート１７０Ｆの燃料ガス供給孔１７１に流れ込む燃料ガスが図４の黒塗り矢印で示す第１経路Ｒ１に沿ってエンドプレート外側にリークしようとしても、このガスリークを遮断して燃料ガスに対するシールを図る。これに加え、本実施形態の燃料電池１０は、上記した間隙１７１ｃにおける接触ポイント２０１〜２０２での陥没凹所１７１ａの底面等へのシール材２００の接触により、燃料ガス供給孔１７１の孔周囲領域の陥没凹所１７１ａの底面領域１７１ｄ（図３参照）から燃料ガス供給孔１７１の内周壁面１７１ｂの全域に掛けての絶縁被覆部材１８０の形成領域１８４を遮蔽してシールするので、絶縁被覆部材１８０の形成領域１８４は燃料電池１０の外部から浸入した水分の進入経路となり得ない。つまり、燃料電池１０の外部の水分が図４の黒塗り矢印で示す第２経路Ｒ２に沿って燃料電池セル１００野川に浸入しようとしても、浸入水分を上記の接触ポイント２０１〜２０２で遮断すると共に、形成領域１８４を浸入水分の経路としない。

これらの結果、本実施形態の燃料電池１０によれば、絶縁被覆部材１８０の底面被覆部位１８２と陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅとの間の間隙１７１ｃに配設した単一のシール材２００により、燃料ガスに対するシール性と絶縁被覆部材１８０の形成領域１８４からの水分の浸入抑制とを共に達成できる。そして、シール材２００を一つ配設すれば済むことから、本実施形態の燃料電池１０によれば、シール構造の簡便化とシールコストの低下を図ることができる。水分浸入の抑制のためのシール材を燃料ガスに対するシール材２００の外側に配設して両シール材を配管部材１９０で押圧する必要はなく、配管部材１９０をエンドプレート１７０Ｆの陥没凹所１７１ａを塞ぐことができる大きさにすればよいので、配管部材１９０をコンパクト化できる。

本実施形態の燃料電池１０は、間隙１７１ｃに配設したシール材２００を、接触ポイント２０３〜２０４おいて、絶縁被覆部材１８０の端部壁面１８３と陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅ（図３参照）とにも接触させる。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、燃料ガスに対するシール性を高めた上で、絶縁被覆部材１８０の形成領域１８４からの水分浸入についても高い実行性で抑制できる。

本実施形態の燃料電池１０は、間隙１７１ｃの底部の両角部をコーナー円弧１７１Ｒとコーナー円弧１８２Ｒとした。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、間隙１７１ｃに配設されたシール材２００にいびつな変形が起きないにできるので、シール材２００の長寿命化を図ることができる。この場合、コーナー円弧１８２Ｒは、絶縁被覆部材１８０における底面被覆部位１８２の端面に絶縁被覆部材１８０の成形時に成形されるので、コーナー円弧とするような後加工も必要としない。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

既述した実施形態では、燃料ガス供給のための燃料ガス供給孔１７１に配管部材１９０の燃料ガス供給孔１９２を接続する構成を例に挙げ説明したが、酸化剤ガス供給孔１７３に配管部材１９０の酸化剤ガス供給孔を接続する構成や、冷却水供給孔１７５に配管部材１９０の冷却水供給孔を接続する構成、燃料ガス排出孔１７２に配管部材１９０の燃料ガス排出孔を接続する構成、酸化剤ガス排出孔１７４に配管部材１９０の酸化剤ガス排出孔を接続する構成、冷却水排出孔１７６に配管部材１９０の冷却水排出孔を接続する構成についても適用できる。

既述した実施形態では、間隙１７１ｃに配設したシール材２００を、接触ポイント２０４おいて、陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅ（図３参照）にも接触させたが、図４に示す接触ポイント２０１〜２０２において、間隙１７１ｃにおける陥没凹所１７１ａの底面と、陥没凹所１７１ａに対向する配管部材１９０の装着面１９３とに接触していれば、底面被覆部位１８２の端部壁面１８３或いは陥没凹所１７１ａの陥没側壁１７１ｅに接触しないようにしてもよい。具体的には、図４に示す接触ポイント２０１〜２０２における接触が確保されるよう間隙１７１ｃに配設されたシール材２００に対して、底面被覆部位１８２の端部壁面１８３と間隙１７１ｃの陥没側壁１７１ｅのいずれか一方、或いは両者が離れていてもよい。

既述した実施形態では、間隙１７１ｃにシール材２００を配設したが、間隙１７１ｃにＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）と称される封止材を充填して、間隙１７１ｃをＦＩＰＧで埋め尽くすようにしてもよい。

１０…燃料電池
１００…燃料電池セル
１１０…燃料電池スタック
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６１…集電端子
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７０ｓ…プレート面
１７１…燃料ガス供給孔
１７１Ｒ…コーナー円弧
１７１ａ…陥没凹所
１７１ｂ…内周壁面
１７１ｃ…間隙
１７１ｄ…底面領域
１７１ｅ…陥没側壁
１７２…燃料ガス排出孔
１７２ａ…陥没凹所
１７３…酸化剤ガス供給孔
１７３ａ…陥没凹所
１７４…酸化剤ガス排出孔
１７４ａ…陥没凹所
１７５…冷却水供給孔
１７５ａ…陥没凹所
１７６…冷却水排出孔
１７６ａ…陥没凹所
１８０…絶縁被覆部材
１８２…底面被覆部位
１８２Ｒ…コーナー円弧
１８３…端部壁面
１８４…形成領域
１９０…配管部材
１９２…燃料ガス供給孔
１９３…装着面
１９４…ボルト
２００…シール材
２０１…接触ポイント
２０２…接触ポイント
２０３…接触ポイント
２０４…接触ポイント
３００…下型
３１０…上型
３１２…コア部
３１４…樹脂遮蔽突起
３１４Ｒ…コーナー円弧
３２０…キャビティー
Ｒ１…第１経路
Ｒ２…第２経路

Claims (1)

1. 燃料電池セルを積層した燃料電池スタックのセル積層方向の一端側に配設され、前記燃料電池セルに必要なガスまたは冷媒が通過する貫通孔を有するエンドプレートと、前記貫通孔に連続する供給孔を有し前記エンドプレートに装着される配管部材とを有する燃料電池であって、
   前記エンドプレートは、
   前記配管部材が装着される側のプレート面に、前記貫通孔を取り囲む陥没凹所と、
   前記貫通孔の孔周囲領域の前記陥没凹所の底面領域と前記貫通孔の内周壁面の全域とを被覆し、前記陥没凹所の陥没側壁との間に所定の間隙を残して設けられた絶縁性の絶縁被覆部材と、
   前記間隙に配設され、前記間隙における前記陥没凹所の底面と前記陥没凹所に対向する前記配管部材の装着面とに接触するシール材とを備える、燃料電池。

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