JP4304082B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持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を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

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、空気等（以下、酸素含有ガスともいう）が供給される。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。

この燃料電池は、所望の発電性能を有しているか否かを検出するために、通常、電圧検出装置を用いて発電時のセル電圧を検出する作業が行われている。この種の作業に関連して、特許文献１には、セル電圧測定端子付き燃料電池スタックが開示されている。

この特許文献１は、図６に示すように、金属製のセパレータ１を備えており、このセパレータ１には、空気給気通路２ａ、冷却水通路３、水素給気通路４ａ、空気排気通路２ｂ及び水素排気通路４ｂが形成されている。セパレータ１の１つの端面５には、例えば、ピン状の電圧測定端子６がプロジェクション溶接等によって溶接されている。

特開平１１−３３９８２８号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ１の端面５からピン状の電圧測定端子６が突出しているため、燃料電池や燃料電池スタックの組み立て時に、前記電圧測定端子６が変形し易い。これにより、セパレータ１の品質が低下するとともに、組み立て工数が増加するという問題がある。特に、セパレータ１が薄肉状に構成される際、電圧測定端子６が相当に細径化し、この電圧測定端子６が容易に変形して折損が惹起されるおそれがある。

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、セパレータに一体的に成形されるセル電圧端子を強度的に補強することができ、前記セパレータの品質を良好に維持するとともに、組み立て工数の削減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、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持される燃料電池である。セパレータの外周部には、電解質膜・電極構造体で発生する電圧を検出するためのセル電圧端子が外方に突出して一体的に形成されるとともに、前記セパレータの外周部を覆って該セパレータに設けられるシール部材は、前記セル電圧端子の先端部近傍まで被覆する膨出シール部を一体的に設けている。

また、膨出シール部は、セパレータとセル電圧端子との境界部位に対応して湾曲部を設けることが好ましい。さらに、セパレータは、金属プレートで構成されることが好ましい。

本発明では、セパレータに一体的に形成されるセル電圧端子が、該セル電圧端子の先端部近傍までシール部材の膨出シール部により被覆されるため、変形し易い前記セル電圧端子と前記セパレータの外周部との境界部位が、前記シール部材を介して強度的に補強される。従って、シール部材によりセル電圧端子の先端部近傍まで被覆するという簡単な構成で、前記セル電圧端子の変形や折損等を有効に阻止するとともに、セパレータのシール性を向上させることができる。これにより、セパレータの品質を良好に維持し、しかも組み立て工数の削減が容易に可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２金属セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、メッキ処理鋼板又はこれらの金属薄板の表面に防食性の表面処理を施した金属板を使用しており、厚さは、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定されている。

第１及び第２金属セパレータ１４、１６の外周部には、矢印Ｃ方向上部一端側に位置して電解質膜・電極構造体１２で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子１８ａ、１８ｂが一体的に形成される。第１セル電圧端子１８ａと第２セル電圧端子１８ｂとは、矢印Ｂ方向に互いに位置をずらして設けられる。なお、第１及び第２金属セパレータ１４、１６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。

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２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、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２４ｂ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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、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２０ｂ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１２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２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持して保持するアノード側電極２８及びカソード側電極３０とを備える（図１〜図３参照）。

アノード側電極２８及びカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部（図示せず）とカソード側電極３０との間に形成される（図２及び図３参照）。

第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。この燃料ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード側電極２８との間に形成される（図２及び図３参照）。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。この冷却媒体流路４０は、第１金属セパレータ１４に設けられる複数の溝部と、第２金属セパレータ１６に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて一体的に構成される。

第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周部を覆って第１シール部材４２が、例えば、焼き付け等により一体化される。第１シール部材４２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を使用する。

図４に示すように、第１シール部材４２は、第１セル電圧端子１８ａの先端部近傍まで被覆する第１膨出シール部４４を一体的に有する。この第１膨出シール部４４は、図５に示すように、第１セル電圧端子１８ａ全周を囲繞するとともに、前記第１セル電圧端子１８ａと第１金属セパレータ１４との境界部位に対応して湾曲部４４ａを設ける（図４参照）。

第１シール部材４２は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス流路３６を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとを連通する。第１シール部材４２は、面１４ｂにおいて、冷却媒体流路４０を囲繞するとともに、前記冷却媒体流路４０と冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂとを連通する。

第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周部を覆って第２シール部材４６が一体化される。この第２シール部材４６は、上記の第１シール部材４２と同一の材料で構成される。

第２シール部材４６は、図１及び図３に示すように、第２セル電圧端子１８ｂの先端部近傍まで被覆する第２膨出シール部４８を一体的に有する。この第２膨出シール部４８は、第２セル電圧端子１８ｂと第２金属セパレータ１６との境界部位に対応して湾曲部４８ａを設ける。

第２シール部材４６は、第２金属セパレータ１６の面１６ａにおいて、燃料ガス流路３８を囲繞するとともに、前記燃料ガス流路３８と燃料ガス供給連通孔２４ａ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する。この第２シール部材４６は、面１６ｂにおいて、冷却媒体流路４０を囲繞するとともに、前記冷却媒体流路４０を冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する。

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。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、アノード側電極２８に供給される燃料ガスと、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスとが、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、アノード側電極２８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２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０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２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４０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１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図４及び図５に示すように、第１金属セパレータ１４の外周部に外方に突出して第１セル電圧端子１８ａが一体的に形成されるとともに、前記第１金属セパレータ１４の外周部を覆って設けられる第１シール部材４２は、前記第１セル電圧端子１８ａの先端部近傍まで被覆する第１膨出シール部４４を一体的に有している。すなわち、第１セル電圧端子１８ａにおいて、特に変形や破損等が発生し易い該第１セル電圧端子１８ａと第１金属セパレータ１４の外周部との境界部位を覆って第１シール部材４２が設けられている。

従って、第１セル電圧端子１８ａと第１金属セパレータ１４の外周部との境界部位は、第１シール部材４２を介して強度的に補強され、簡単な構成で、前記第１セル電圧端子１８ａの変形や折損等を有効に阻止するとともに、前記第１金属セパレータ１４のシール性を向上させることができるという効果が得られる。これにより、第１金属セパレータ１４の品質を良好に維持し、しかも燃料電池１０の組立工数の削減が容易に可能になる。

さらに、第１膨出シール部４４は、第１セル電圧端子１８ａと第１金属セパレータ１４の外周部との境界部位に対応して湾曲部４４ａを設けている。このため、前記境界部位に応力が集中することがなく、該境界部位の破損を良好に阻止することができる。

さらにまた、第１金属セパレータ１４は、厚さが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの薄板プレートで構成されていても、薄肉状の第１セル電圧端子１８ａに変形や折損等が惹起することを確実に阻止することが可能になるという利点がある。

なお、第２金属セパレータ１６においても、第２シール部材４６は、第２セル電圧端子１８ｂの先端部近傍まで被覆して第２膨出シール部４８を一体的に設けており、上記の第１金属セパレータ１４と同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、第１及び第２金属セパレータ１４、１６に第１及び第２セル電圧端子１８ａ、１８ｂを設けているが、これに限定されるものではない。電圧検出装置（図示せず）の構造によっては、例えば、第１金属セパレータ１４にのみ第１セル電圧端子１８ａを設ける一方、第２金属セパレータ１６には、第２セル電圧端子１８ｂを設けなくてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの一部断面正面図である。 前記第１金属セパレータの図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 特許文献１のセパレータの正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ １８ａ、１８ｂ…セル電圧端子
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔 ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔 ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４６…シール部材 ４４、４８…膨出シール部
４４ａ、４８ａ…湾曲部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持される燃料電池において、
   前記セパレータの外周部には、前記電解質膜・電極構造体で発生する電圧を検出するためのセル電圧端子が外方に突出して一体的に形成されるとともに、
   前記セパレータの外周部を覆って該セパレータに設けられるシール部材は、前記セル電圧端子の先端部近傍まで被覆する膨出シール部を一体的に設けることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記膨出シール部は、前記セパレータと前記セル電圧端子との境界部位に対応して湾曲部を設けることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属プレートで構成されることを特徴とする燃料電池。
   
   

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