JP4586331B2

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Publication number: JP4586331B2
Application number: JP2003081096A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤; 斉神谷; 宗久堀口; 亮一沖本
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004288540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のセパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。
【０００３】
そのために、前記燃料電池搭載車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水とに分離させる凝縮器等を備える。
【０００４】
そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールにおいて、水素と空気中の酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、前記水素と酸素との反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数の単セルを備え、かつ、該各単セルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成り、前記各単セルは、電解質膜を挟んで、拡散層を構成する空気極、及び反応層を構成する燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離するとともに、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するカーボン製のセパレータから成る。そして、前記各単セルに所定の組付荷重を加え、モジュールを組み立てるようにしている。
【０００５】
ところで、該モジュールは、前述されたように単セルの集合体から成り、各単セルを電気的に直列に接続することによって、燃料電池スタックの全体の出力電圧（例えば、２２０〔Ｖ〕）を得るようにしているが、各単セルの製造上のばらつき、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリの濡れ具合等によって各単セルの出力特性にばらつきが発生する。そこで、各単セルの出力電圧、すなわち、セル電圧を電圧センサによって検出し、所定の単セルのセル電圧が閾（しきい）値より低くなると、燃料電池スタックから取り出す出力電流を小さくするようにしている。
【０００６】
そのために、例えば、厚さ８〔ｍｍ〕で前記セパレータを形成し、該セパレータの側壁に径が４〔ｍｍ〕の挿入穴を形成し、該挿入穴にバナナクリップを挿入し、該バナナクリップを介してセル電圧を検出するための検出端子を接続するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、他の燃料電池スタックにおいては、モジュールの外部において、各セパレータと、等間隔で配設された検出端子とを接触させるようにしている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２８３１６６号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１８４４３４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のセパレータにおいて、前記カーボン製のセパレータを使用する場合、前記バナナクリップに外力が加わると、バナナクリップがセパレータから外れたり、セパレータが破損したりしてしまう。特に、燃料電池スタックを燃料電池搭載車両に搭載した場合、燃料電池搭載車両が受ける振動によって前記バナナクリップがセパレータから外れやすい状況になる。
【００１１】
したがって、燃料電池スタックの耐久性が低下してしまう。しかも、挿入穴を形成する必要があるので、セパレータが厚くなり、燃料電池スタックが大型化してしまう。
【００１２】
また、各検出端子をセパレータに接触させる場合、組付荷重によって各単セルの厚さにばらつきが発生し、各セパレータが等間隔にならない。したがって、各セパレータと検出端子との間にずれが発生し、正確なセル電圧を検出することができない。
【００１３】
本発明は、前記従来のセパレータの問題点を解決して、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができ、燃料電池スタックを小型化することができ、正確なセル電圧を検出することができるセパレータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明のセパレータにおいては、金属製の第１、第２の薄板を貼り合わせることによって形成されるようになっている。
そして、空気極側の面を形成する前記第１の薄板に、空気供給路を形成するための第１の凹凸が、燃料極側の面を形成する前記第２の薄板に、燃料供給路を形成するための第２の凹凸が形成され、前記第１、第２の薄板の外周縁の所定の箇所に、外方に向けて突出させて、前記第１、第２の薄板に被覆材料を被覆する際に前記第１、第２の薄板を保持するための接続端子が一体に形成され、該接続端子にリード線を通すための開孔が形成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの空気極側の面を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における車載燃料電池システムの概念図、図３は本発明の第１の実施の形態におけるスタックユニットの平面図、図４は本発明の第１の実施の形態におけるスタックユニットの側面図、図５は本発明の第１の実施の形態におけるモジュールの要部拡大図、図６は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の面を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における検出端子の接続状態を示す図である。
【００２３】
図において、１０は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタック、２０は該燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス供給系、３０は前記燃料電池スタック１０に媒体としての空気を供給する空気供給系、４０は前記燃料電池スタック１０に水を供給するための水供給系、５０は前記燃料電池スタック１０からガスを排出するためのガス排出系である。
【００２４】
本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を使用しているが、該固体高分子型燃料電池に代えてリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。
【００２５】
図３及び４に示されるように、前記燃料電池スタック１０は、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に配設された横長の矩（く）形の形状を有するスタックユニット５９を備え、該スタックユニット５９は、モジュールユニット５５を、横長の矩形の形状を有する第１、第２の保持部材としてのエンドプレート５７、５８によって挟み、ボルトｂ１、ｂ２、及びナットｎ１、ｎ２によって所定の組付荷重で締め付けることによって組み立てられる。そのために、前記エンドプレート５７、５８の両端には、ボルトｂ１、ｂ２を貫通させるための図示されない穴が形成される。また、前記ボルトｂ１、ｂ２は、ヘッド部ｈｄ、該ヘッド部ｈｄから延在させて形成されたロッド部ｒｄ、及び該ロッド部ｒｄより先端側（図３において下端側）に形成されたねじ部ｓｃを備え、該ねじ部ｓｃにおいて前記ナットｎ１、ｎ２と螺（ら）合させられる。前記ボルトｂ１、ｂ２及びナットｎ１、ｎ２は表面が絶縁処理される。
【００２６】
前記モジュールユニット５５は、一つ又は二つ以上のモジュール５２、該モジュール５２を挟んで配設され、燃料電池の端子を構成するターミナル５３、５４、並びに前記モジュール５２及びターミナル５３、５４を挟んで配設され、絶縁材料によって形成された絶縁材としてのインシュレータ５６を備える。
【００２７】
ところで、前記モジュール５２において、前記水素ガス供給系２０によって供給された水素ガスを構成する水素と、前記空気供給系３０によって供給された空気を構成する酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、前記水素と酸素との反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュール５２は、燃料電池スタック１０の要素を構成する薄い膜状の単セル６２を複数個積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成された集合体から成る。前記各単セル６２は、固体高分子から成る電解質膜１２を挟んで、拡散層を構成する空気極１１、及び反応層を構成する燃料極１３を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）６１、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１を分離するとともに、前記空気極１１に臨ませて空気供給路１８を、前記燃料極１３に臨ませて燃料供給路１９を形成するセパレータ１６から成る。なお、該各セパレータ１６は、二つの隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１間に共通の分離部材として配設される。また、本実施の形態において、前記燃料極１３は水素極によって形成される。
【００２８】
前記空気極１１及び燃料極１３における電解質膜１２と接触する面には、水素と酸素との反応を促進するために、図示されないカーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層が形成される。また、空気極１１に代えて酸素極を配設し、媒体としての空気に代えて純酸素を燃料電池スタック１０に供給することもできる。
【００２９】
前記スタックケース内には、前記燃料電池スタック１０より上方に、各空気極１１に空気を分配し、供給するための供給用のマニホールド１４が、燃料電池スタック１０より下方に、空気極１１内のガスを集合させ、ガス排出系５０に排出するための排気用のマニホールド１５が形成され、マニホールド１４、１５は前記空気供給路１８と連通させられ、燃料供給路１９と遮蔽（へい）される。そのために、前記セパレータ１６における空気極１１と面する側には、垂直方向に延びる複数の突起７１が形成され、該各突起７１間の溝７２によって前記空気供給路１８が構成される。また、前記突起７１及び溝７２によって第１の凹凸が構成される。空気は、マニホールド１４に供給された後、前記各空気供給路１８に分配され、空気供給路１８を下方に向けて流れ、マニホールド１５に送られる。
【００３０】
また、前記セパレータ１６における燃料極１３と面する側においては、全周が隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１に対して接着剤によって接着され、シールされるとともに、シールされた部分の内側には、マトリックス状に突出させて複数の突起７３が形成され、該各突起７３間の平坦（たん）部７４に、燃料極１３に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路１９が構成される。前記突起７３及び平坦部７４によって第２の凹凸が構成される。水素ガスは、水素ガスを供給するための供給用のマニホールド７５に供給された後、前記燃料供給路１９を水平に流れ、水素ガスを排出するための排出用のマニホールド７６に送られる。なお、前記マニホールド７５、７６は、後述されるように、各セパレータ１６を積層することによって形成される。
【００３１】
前記水素ガス供給系２０は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置及び水素供給装置としての燃料タンク２１、該燃料タンク２１から前記マニホールド７５を介して燃料極１３に水素ガスを供給するための供給管２２、及び該供給管２２に配設され、前記燃料極１３に供給される水素ガスの圧力を調整する水素供給調整部としての調圧弁２３を備える。
【００３２】
なお、前記燃料タンク２１に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁２３の開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電させられ、水素吸蔵合金が加熱される。
【００３３】
また、前記空気供給系３０は、空気搬送部材としてのブロア（Ｂ）３８、該ブロア３８からマニホールド１４に空気を供給するための供給管３１等を備え、前記ガス排出系５０は、ガス中の蒸気を凝縮させて水を回収する回収部材としての凝縮器３３、マニホールド１５から排出されたガスを凝縮器３３に供給するための排出管３２、前記凝縮器３３によって水が回収された後のガスを大気中に排出するための排気管３６等を備える。
【００３４】
したがって、前記ブロア３８を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記マニホールド１４に供給することができる。また、マニホールド１５から排出されたガスは、排出管３２を介して凝縮器３３に供給され、該凝縮器３３によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になり、ガス（この場合、空気）が排気管３６を介して大気中に排出される。なお、前記凝縮器３３に凝縮促進部材として冷却ファン６０が配設され、該冷却ファン６０の回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
【００３５】
そして、前記水供給系４０は、水供給源としての水タンク４２、水搬送部材としてのポンプ（Ｐ）４６、空気極冷却手段としての噴射装置（インジェクタ）４１、前記水タンク４２から排出された水を噴射装置４１に供給するための供給管４５、マニホールド１５の下部に溜（た）まり、マニホールド１５から排出された水を水タンク４２に供給するための排出管４３、前記凝縮器３３から排出された水を水タンク４２に供給するための排出管３４、マニホールド１５から排出された水、及び前記凝縮器３３から排出された水を回収し、水タンク４２に供給する水回収ポンプ４７を備える。また、図示されない制御装置によって燃料電池搭載車両に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させてポンプ（Ｐ）４６に印加する電圧を調整することにより、噴射装置４１に供給される水の圧力を調整することができる。
【００３６】
前記凝縮器３３においてガスと分離させられた水は、排出管３４、４３を流れ、最終的に水タンク４２に排出され、水タンク４２に蓄えられる。該水タンク４２に水位検出部としての水位センサ３９が配設され、該水位センサ３９によって水タンク４２内の水のレベル、すなわち、水位が検出される。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としてのアラーム４４が点滅し、水が不足していることをオペレータに通知する。この場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファン６０の回転速度を高くすることによって凝縮器３３の能力を高くし、水の回収量を多くする。
【００３７】
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることをオペレータに通知することもできる。その場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファン６０の回転速度を低くすることによって凝縮器３３の能力を低くし、水の回収量を少なくする。また、前記水位センサ３９及び冷却ファン６０を図示されない制御装置に接続し、水位センサ３９によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファン６０の回転速度を変更することもできる。
【００３８】
ところで、前記空気極１１はカソードとして、燃料極１３はアノードとして機能し、空気極１１に空気を、燃料極１３に水素ガスを供給し、空気極１１及び燃料極１３に前記セパレータ１６を介して負荷２８を接続すると、燃料極１３において形成される水素イオンが、プロトン（Ｈ⁺）の形態で水分を含んだ電解質膜１２内を空気極１１側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極１３で発生した電荷が負荷２８を介して空気極１１側に移動し、これに伴って出力電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって前記燃料電池スタック１０において出力電流が発生させられ、該出力電流を負荷２８に供給することができる。
【００３９】
なお、燃料極１３から排出された水素ガスの一部を、排気ガスとして排気管２４を介して間欠的に大気中に排出するために、前記排気管２４に排気弁２５が配設される。この場合、燃料電池搭載車両の負荷が大きくなると、燃料極１３に供給される水素ガスの量が多くされるので、燃料極１３から排出される水素ガスの量も多くなる。そこで、前記制御装置は、燃料電池搭載車両の負荷に応じて間欠的に排気弁２５を開閉し、負荷が大きくなると、排気弁２５を開放する間隔を狭くする。また、前記燃料極１３から排出される水素ガスの残りは、水素循環ポンプ４９によって循環路４８を流れた後、前記供給管２２に戻される。なお、燃料極１３から排出された水素ガスのすべてを大気中に排出することもできる。
【００４０】
本実施の形態において、前記負荷２８は、前記出力電流において直流を相電流に変換する図示されないインバータ、及び前記相電流が供給されて駆動される図示されない駆動モータから成る。なお、前記各単セル６２において発生させられたセル電圧は、第１の検出部としての電圧センサ（Ｖ）２９によって、単セル６２によって発生させられた出力電流は第２の検出部としての図示されない電流センサによって検出される。
【００４１】
そのために、前記各セパレータ１６の外周縁の所定の箇所、本実施の形態においては、側縁には、外方に向けて突出させて接続端子７７が一体に形成され、図３及び７に示されるように、各接続端子７７と検出端子７９とが接続され、該検出端子７９に前記電圧センサ２９及び電流センサが接続される。なお、図７に示されるように、接続端子７７には、配線用の開孔７８が形成され、検出端子７９のリード線９１が開孔７８に通されて、接続端子７７とリード線９１とが結ばれ、連結部がはんだ付けされた後、絶縁性の材料、本実施の形態においては、熱硬化性樹脂から成る熱収縮性チューブ９２によって包囲され、シールされる。したがって、接続端子７７とリード線９１とが外れたり、接続端子７７が他の部材に短絡したりするのを防止することができる。
【００４２】
ところで、前記水素と酸素とが反応する際に熱が発生するが、該熱によって燃料電池スタック１０の温度が高くなると、前記水素と酸素との反応の速度が低くなってしまう。そこで、前記マニホールド１４の上端に前記インジェクタ４１を配設し、該インジェクタ４１からスタックユニット５９に向けて、冷却用の水を霧状に噴射するようにしている。
【００４３】
そして、前記水は、空気と共に空気供給路１８を下方に向けて流れ、その間に周囲の空気、空気極１１の表面、電解質膜１２の表面等から熱を奪って蒸発して蒸気となり、該蒸気によって蒸発潜熱による冷却、すなわち、潜熱冷却が行われ、燃料電池スタック１０が冷却される。さらに、前記蒸気又は蒸気にならない液滴の水は、空気極１１を通過して電解質膜１２に供給される。したがって、ブロア３８による送風によって電解質膜１２が必要以上に乾燥するのを防止することができる。
【００４４】
このように、燃料電池スタック１０が冷却されるので、水素と酸素との反応の速度が低下するのを防止することができる。また、燃料電池スタック１０、特に、空気極１１、電解質膜１２等が熱によって破損するのを防止することができるだけでなく、電解質膜１２において水分が蒸発するのを防止することができる。
【００４５】
そして、空気中の反応した酸素以外の成分、燃料電池スタック１０の冷却に伴って発生した蒸気、及び反応によって生成された水は、ガスとしてマニホールド１５に送られる。
【００４６】
なお、前記空気極１１は、燃料電池スタック１０を作動させている間、生成された水、及び噴射された水に常に接触させられるので、耐水性の高い材料によって形成する必要がある。また、空気極１１の表面に水の膜が形成されると、空気極１１の実効面積が小さくなるので、空気極１１を撥（はっ）水性の高い材料によって形成する必要がある。そこで、本実施の形態においては、空気極１１として、カーボンクロスを基材とし、（Ｃ＋ＰＴＦＥ）を塗布して拡散層を形成したものを使用した。また、電解質膜１２としてはナフィオン（商品名：デュポン社製）の汎（はん）用的な薄膜を使用した。電解質膜１２の膜厚は、空気極１１側において生成された水を燃料極１３側に逆浸透させることができるように設定される。前記燃料極１３としては、部品を共通化させるために空気極１１と同じものを使用した。
【００４７】
ところで、前記モジュール５２は、前述されたように単セル６２の集合体から成り、各単セル６２を電気的に直列に接続することによって、各単セル６２のセル電圧を加算した電圧を、燃料電池スタック１０の全体の出力電圧（例えば、２２０〔Ｖ〕）として発生させるようになっているが、各単セル６２の製造上のばらつき、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１の濡れ具合等によって各単セル６２の出力特性にばらつきが発生する。そこで、各単セル６２のセル電圧を電圧センサ２９によって検出し、所定の単セル６２のセル電圧が閾値より低くなると、燃料電池スタック１０から取り出す出力電流を小さくするようにしている。
【００４８】
そして、前記各セパレータ１６は、前記各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１を挟んで配設され、前記セル電圧を出力するための集電部材として機能する。そのために、前記セパレータ１６は、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の金属から成る導電性を有する材料、すなわち、導電性材料によって形成された薄板に、プレス加工を施すことにより形成された第１、第２の薄板８１、８２を貼り合わせることによって形成され、図１及び６に示されるように、横長の矩形の形状を有する。そして、前記第１の薄板８１には前記突起７１及び溝７２が形成され、前記第２の薄板８２には前記突起７３及び平坦部７４が形成される。
【００４９】
また、前記第１、第２の薄板８１、８２には、プレス加工が施されるのに伴って、左右の側縁の近傍に、第１、第２の穴として長穴８３、８４が形成され、各セパレータ１６を積層することによって、前記長穴８３が連通させられてマニホールド７５になり、前記長穴８４が連通させられてマニホールド７６になる。さらに、前記第１、第２の薄板８１、８２には、プレス加工が施されるのに伴って、一方の端部、本実施の形態においては、長穴８３が形成される側の端部に前記接続端子７７が一体に形成され、該接続端子７７に開孔７８が形成される。なお、本実施の形態においては、第１、第２の薄板８１、８２の側縁の高さ方向における実質的に中央部分に前記接続端子７７が形成される。
【００５０】
前記第１、第２の薄板８１、８２は、前記突起７１及び溝７２を空気極１１に向けて、かつ、突起７３及び平坦部７４を燃料極１３に向けて、所定の接着剤によって貼り合わされ、セパレータ１６の板厚は０．１〔ｍｍ〕程度にされる。
【００５１】
なお、前記第１、第２の薄板８１、８２を貼り合わせることによって、第１、第２の薄板８１、８２間に隙（すき）間が形成されるが、該隙間を、前記空気供給路１８に供給される空気及びインジェクタ４１から噴射された水を一旦（いったん）取り込み、水を蒸発させて潜熱冷却を行うための冷却部の役割と水を通過させるための流路の役割とを有することができる。そして、該流路と前記空気供給路１８との間に小径の穴が形成され、流路内の空気及び水は穴を介して空気供給路１８に供給される。この場合、前記流路内及び空気供給路１８内に空気及び水を十分な時間滞留させることができるので、燃料電池スタック１０の潜熱冷却における冷却能力を高くすることができる。
【００５２】
ところで、前述されたように、スタックユニット５９は、モジュールユニット５５を所定の組付荷重で締め付けることによって組み立てられ、それに伴って、各セパレータ１６とメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１とが電気的に接続されるようになっている。そして、各単セル６２に一様に、かつ、均一な面圧が加えられるが、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ６１と各セパレータ１６との間、及び前記第１、第２の薄板８１、８２間の接触抵抗が大きいと、各単セル６２によって十分なセル電圧を発生させることができない。
【００５３】
また、前記セパレータ１６は、酸性の環境で、かつ、常に出力電流が流れる状態で使用されるので、前記導電性材料が腐蝕してしまう。
【００５４】
そこで、前記第１、第２の薄板８１、８２は、プレス加工によって形成された後、貼り合わせられる前に、表面（表裏の両面）の所定の箇所に、表面処理、本実施の形態においては、メッキ処理が施され、厚さが０．０１〔ｍｍ〕程度の表面処理層が形成される。本実施の形態においては、めっき材料として導電性が高く、耐蝕性が高い被覆材料、例えば、金が使用され、被覆される。
【００５５】
ところで、前記第１、第２の薄板８１、８２に前記表面処理層を形成するに当たり、メッキ材料として、前記金のように高価なものが使用される場合には、各セパレータ１６の単価が高くなり、燃料電池スタック１０のコストが高くなってしまう。そこで、前記第１、第２の薄板８１、８２において、少なくとも前記接続端子７７が形成される部分以外の領域、本実施の形態においては、接続端子７７及び長穴８３が形成される部分以外の領域ＡＲ１にメッキ処理が施され、少なくとも前記接続端子７７が形成される部分、本実施の形態においては、接続端子７７及び長穴８３が形成される部分の領域ＡＲ２にはメッキ処理が施されないようにしている。そのために、図示されない支持機構によって前記接続端子７７を把持した状態で第１、第２の薄板８１、８２を支持し、領域ＡＲ１だけをメッキ槽内のメッキ液に浸漬させる。
【００５６】
このように、前記接続端子７７の部分を、第１、第２の薄板８１、８２を支持するために使用することができるので、メッキ処理を容易に施すことができる。
【００５７】
また、前記接続端子７７がセパレータ１６の側縁に形成され、セパレータ１６の上縁又は下縁に形成されないので、セパレータ１６の高さ方向の寸法を小さくすることができる。したがって、燃料電池スタック１０の高さ方向の寸法を小さくし、燃料電池搭載車両を小型化することができる。そして、例えば、前記燃料電池スタック１０を燃料電池搭載車両の床下に搭載することが容易になり、燃料電池スタック１０の搭載性を向上させることができる。
【００５８】
さらに、セパレータ１６が金属製の第１、第２の薄板８１、８２によって形成されるので、セパレータ１６を薄くすることができる。したがって、燃料電池スタック１０を小型化することができる。
【００５９】
また、セパレータ１６が金属製の第１、第２の薄板８１、８２によって形成されるので、接続端子７７、検出端子７９に外力が加わっても、検出端子７９がセパレータ１６から外れたり、セパレータ１６が破損したりすることがない。したがって、燃料電池スタック１０の耐久性を向上させることができる。しかも、セパレータ１６の端面に挿入穴を形成する必要がないので、セパレータ１６を薄くすることができ、燃料電池スタック１０を小型化することができる。
【００６０】
また、接続端子７７がセパレータ１６と一体に形成され、前記接続端子７７と検出端子７９とが接続されるので、組付荷重によって各単セル６２の厚さにばらつきが発生して、各セパレータ１６が等間隔にならなくても、各セパレータ１６と検出端子７９との間にずれが発生することがない。したがって、正確なセル電圧を検出することができる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
【００６２】
図８は本発明の第２の実施の形態における検出端子用のコネクタを示す斜視図、図９は本発明の第２の実施の形態における接続端子と検出端子とを接続した状態を示す図である。
【００６３】
この場合、９３は検出端子、９４は該検出端子９３の先端に取り付けられた雌型の接続子である。前記接続端子７７（図１）を接続子９４内に挿入した後、接続子９４を変形させ、偏平にすることによって、接続端子７７と検出端子９３とを連結することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、セパレータにおいては、金属製の第１、第２の薄板を貼り合わせることによって形成されるようになっている。
そして、空気極側の面を形成する前記第１の薄板に、空気供給路を形成するための第１の凹凸が、燃料極側の面を形成する前記第２の薄板に、燃料供給路を形成するための第２の凹凸が形成され、前記第１、第２の薄板の外周縁の所定の箇所に、外方に向けて突出させて、前記第１、第２の薄板に被覆材料を被覆する際に前記第１、第２の薄板を保持するための接続端子が一体に形成され、該接続端子にリード線を通すための開孔が形成される。
【００６５】
この場合、金属製の第１、第２の薄板を貼り合わせることによって形成されるので、セパレータを薄くすることができる。したがって、燃料電池スタックを小型化することができる。
【００６６】
また、接続端子に外力が加わっても、セパレータが破損したりすることがない。したがって、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができる。しかも、セパレータに挿入穴を形成する必要がないので、セパレータを薄くすることができ、燃料電池スタックを小型化することができる。
【００６７】
また、接続端子がセパレータと一体に形成され、接続端子と検出端子とが接続されるので、組付荷重によって各単セルの厚さにばらつきが発生して、各セパレータが等間隔にならなくても、各セパレータと検出端子との間にずれが発生することがない。したがって、正確なセル電圧を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの空気極側の面を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における車載燃料電池システムの概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるスタックユニットの平面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるスタックユニットの側面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるモジュールの要部拡大図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の面を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における検出端子の接続状態を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における検出端子用のコネクタを示す斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における接続端子と検出端子とを接続した状態を示す図である。
【符号の説明】
１１空気極
１３燃料極
１６セパレータ
１８空気供給路
１９燃料供給路
７１、７３突起
７２溝
７４平坦部
７５、７６マニホールド
７７接続端子
８１、８２第１、第２の薄板
８３、８４長穴[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a separator for a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a vehicle equipped with a fuel cell (hereinafter referred to as “vehicle equipped with a fuel cell”), a current generated by the stacked fuel cell is supplied to a drive motor, and torque is generated by driving the drive motor. It is trying to generate.
[0003]
For this purpose, an on-vehicle fuel cell system is disposed in the vehicle equipped with the fuel cell, and the on-vehicle fuel cell system is supplied with a fuel tank in which liquid hydrogen is stored, hydrogen gas is supplied from the fuel tank, and air is supplied. A fuel cell stack constituting the stacked fuel cell, a condenser for condensing the vapor in the gas discharged from the fuel cell stack, and separating the vapor into water and gas.
[0004]
In the fuel cell stack, a module is housed in a stack case. In the module, hydrogen and oxygen in the air are reacted to generate water, and along with the reaction between the hydrogen and oxygen. Current is generated. For this purpose, the module includes a plurality of single cells constituting elements of the fuel cell, and is composed of an assembly configured by electrically connecting the single cells to each other in series. The membrane electrode assembly (MEA) formed by disposing the air electrode constituting the diffusion layer and the fuel electrode constituting the reaction layer with the electrolyte membrane interposed therebetween, and each membrane electrode And a carbon separator that separates the assembly and forms an air supply path facing the air electrode and a fuel supply path facing the fuel electrode. Then, a predetermined assembly load is applied to each single cell to assemble the module.
[0005]
By the way, the module is composed of an assembly of single cells as described above. By connecting the single cells electrically in series, the overall output voltage of the fuel cell stack (for example, 220 [V]) can be obtained. However, there are variations in the output characteristics of each single cell due to variations in the manufacturing of each single cell, the wetness of the membrane electrode assembly, and the like. Therefore, the output voltage of each single cell, that is, the cell voltage is detected by a voltage sensor, and when the cell voltage of a predetermined single cell becomes lower than the threshold value, the output current taken out from the fuel cell stack is reduced. ing.
[0006]
For this purpose, for example, the separator is formed with a thickness of 8 [mm], an insertion hole with a diameter of 4 [mm] is formed in the side wall of the separator, and a banana clip is inserted into the insertion hole. A detection terminal for detecting the cell voltage is connected through the connection (see, for example, Patent Document 1).
[0007]
In other fuel cell stacks, the separators and detection terminals arranged at equal intervals are brought into contact with each other outside the module (see, for example, Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-9-283166
[0009]
[Patent Document 2]
JP 2002-184434 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional separator, when the carbon separator is used, if an external force is applied to the banana clip, the banana clip is detached from the separator or the separator is damaged. In particular, when the fuel cell stack is mounted on a fuel cell vehicle, the banana clip is easily detached from the separator due to vibrations received by the fuel cell vehicle.
[0011]
Therefore, the durability of the fuel cell stack is reduced. Moreover, since it is necessary to form the insertion hole, the separator becomes thick and the fuel cell stack becomes large.
[0012]
In addition, when each detection terminal is brought into contact with the separator, the thickness of each single cell varies due to the assembly load, and the separators are not evenly spaced. Accordingly, a deviation occurs between each separator and the detection terminal, and an accurate cell voltage cannot be detected.
[0013]
The present invention can solve the problems of the conventional separator, improve the durability of the fuel cell stack, reduce the size of the fuel cell stack, and detect an accurate cell voltage. An object is to provide a separator.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the separator of this invention, it forms by bonding the metal 1st, 2nd thin plate.
The first thin plate forming the air electrode side surface has first irregularities for forming the air supply path, and the second thin plate forming the fuel electrode side surface has the fuel supply channel. Second irregularities for forming are formed, and the first and second thin plates are coated with a coating material by projecting outward at predetermined locations on the outer peripheral edges of the first and second thin plates. A connecting terminal for holding the first and second thin plates when covering is integrally formed, and an opening for passing a lead wire through the connecting terminal is formed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a diagram showing a surface on the air electrode side of a separator according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of an in-vehicle fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a side view of the stack unit according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a main part of the module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged view, FIG. 6 is a diagram showing a surface on the fuel electrode side of the separator in the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram showing a connection state of detection terminals in the first embodiment of the present invention. .
[0023]
In the figure, 10 is a stacked fuel cell, in the present embodiment, a fuel cell stack constituting a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and 20 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 10. A hydrogen gas supply system 30 for supplying air as a medium to the fuel cell stack 10, 40 a water supply system for supplying water to the fuel cell stack 10, and 50 for the fuel cell. This is a gas discharge system for discharging gas from the stack 10.
[0024]
In this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as a fuel cell. Instead of the polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) ), A solid oxide fuel cell (SOFC), a hydrazine fuel cell, a direct methanol fuel cell (DMFC), or the like can also be used.
[0025]
As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell stack 10 has a stack case (not shown) as a casing body and a horizontally long rectangular shape disposed in the stack case. The stack unit 59 includes a module unit 55 sandwiched between end plates 57 and 58 as first and second holding members having a horizontally long rectangular shape, and bolts b1 and b2 and nuts n1. , N2 to assemble with a predetermined assembly load. Therefore, holes (not shown) for penetrating the bolts b1 and b2 are formed at both ends of the end plates 57 and 58, respectively. The bolts b1 and b2 include a head portion hd, a rod portion rd formed to extend from the head portion hd, and a screw portion formed on the distal end side (lower end side in FIG. 3) from the rod portion rd. sc and is screwed with the nuts n1 and n2 at the threaded portion sc. The surfaces of the bolts b1 and b2 and the nuts n1 and n2 are insulated.
[0026]
The module unit 55 is arranged with one or more modules 52 sandwiched between the modules 52, and terminals 53 and 54 constituting terminals of the fuel cell, and the module 52 and the terminals 53 and 54 sandwiched therebetween. An insulator 56 is provided as an insulating material that is disposed and formed of an insulating material.
[0027]
By the way, in the module 52, the hydrogen constituting the hydrogen gas supplied by the hydrogen gas supply system 20 and the oxygen constituting the air supplied by the air supply system 30 are reacted to generate water. At the same time, an electric current is generated in accordance with the reaction between the hydrogen and oxygen. For this purpose, the module 52 is composed of an assembly formed by stacking a plurality of thin membrane-like single cells 62 constituting the elements of the fuel cell stack 10 and electrically connecting them in series. Each single cell 62 includes a membrane electrode formed by disposing an air electrode 11 constituting a diffusion layer and a fuel electrode 13 constituting a reaction layer with an electrolyte membrane 12 made of a solid polymer interposed therebetween. The assembly (MEA) 61 and the membrane electrode assemblies 61 are separated, and the air supply path 18 faces the air electrode 11 and the fuel supply path 19 faces the fuel electrode 13. The separator 16 is made up of. Each separator 16 is disposed as a common separating member between two adjacent membrane electrode assemblies 61. In the present embodiment, the fuel electrode 13 is formed by a hydrogen electrode.
[0028]
On the surface of the air electrode 11 and the fuel electrode 13 that are in contact with the electrolyte membrane 12, a platinum catalyst and a solid polymer are mixed with carbon (not shown) in order to promote the reaction between hydrogen and oxygen. The material is uniformly dispersed with a certain thickness to form a catalyst layer. Further, an oxygen electrode may be provided in place of the air electrode 11 so that pure oxygen can be supplied to the fuel cell stack 10 instead of air as a medium.
[0029]
In the stack case, a supply manifold 14 for distributing and supplying air to each air electrode 11 above the fuel cell stack 10 is provided below the fuel cell stack 10 in the air electrode 11. An exhaust manifold 15 for collecting gas and discharging it to the gas discharge system 50 is formed. The manifolds 14 and 15 are communicated with the air supply path 18 and shielded from the fuel supply path 19. Therefore, a plurality of protrusions 71 extending in the vertical direction are formed on the side of the separator 16 facing the air electrode 11, and the air supply path 18 is configured by the grooves 72 between the protrusions 71. The projections 71 and the grooves 72 constitute first irregularities. After the air is supplied to the manifold 14, the air is distributed to the air supply paths 18, flows downward through the air supply paths 18, and is sent to the manifold 15.
[0030]
Further, on the side of the separator 16 facing the fuel electrode 13, the entire circumference is adhered and sealed to the adjacent membrane electrode assembly 61 by an adhesive, and inside the sealed portion, A plurality of protrusions 73 are formed so as to protrude in a matrix, and a plurality of horizontal fuel supply passages 19 for supplying hydrogen gas to the fuel electrode 13 are formed in a flat portion 74 between the protrusions 73. Is done. The protrusions 73 and the flat portions 74 constitute second irregularities. The hydrogen gas is supplied to a supply manifold 75 for supplying hydrogen gas, and then flows horizontally through the fuel supply path 19 and is sent to a discharge manifold 76 for discharging hydrogen gas. The manifolds 75 and 76 are formed by stacking the separators 16 as will be described later.
[0031]
The hydrogen gas supply system 20 includes a fuel supply device in which liquid hydrogen is stored, a fuel tank 21 as a hydrogen supply device, and a supply for supplying hydrogen gas from the fuel tank 21 to the fuel electrode 13 through the manifold 75. A pipe 22 and a pressure regulating valve 23 as a hydrogen supply adjusting unit that is disposed in the supply pipe 22 and adjusts the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 13 are provided.
[0032]
Instead of the fuel tank 21, a hydrogen storage alloy tank that stores a hydrogen storage alloy filled with hydrogen gas can also be used. In that case, since the hydrogen storage alloy has the property of releasing hydrogen gas at room temperature and storing hydrogen gas at low temperature, the pressure of the hydrogen gas can be adjusted by simply changing the opening of the pressure regulating valve 23. it can. In a cold region, the fuel cell-equipped vehicle is placed in an extremely low temperature environment, so that the hydrogen storage alloy does not release hydrogen gas. Therefore, when the temperature of the outside air becomes lower than the set value, a heater as a heating unit (not shown) is energized to heat the hydrogen storage alloy.
[0033]
The air supply system 30 includes a blower (B) 38 as an air conveying member, a supply pipe 31 for supplying air from the blower 38 to the manifold 14, and the gas discharge system 50 A condenser 33 as a recovery member for recovering water by condensing steam, a discharge pipe 32 for supplying the gas discharged from the manifold 15 to the condenser 33, and a gas after water is recovered by the condenser 33 Are provided with an exhaust pipe 36 and the like.
[0034]
Therefore, by operating the blower 38, air taken from outside the vehicle can be supplied to the manifold 14. Further, the gas discharged from the manifold 15 is supplied to the condenser 33 via the discharge pipe 32, and the vapor in the gas is condensed into water by the condenser 33, and the gas (in this case, air) is converted into water. It is discharged into the atmosphere via the exhaust pipe 36. The condenser 33 is provided with a cooling fan 60 as a condensation accelerating member. By increasing the rotational speed of the cooling fan 60 and increasing the amount of air blown, the amount of vapor condensation can be increased.
[0035]
The water supply system 40 was discharged from a water tank 42 as a water supply source, a pump (P) 46 as a water conveyance member, an injection device (injector) 41 as an air electrode cooling means, and the water tank 42. From the supply pipe 45 for supplying water to the injection device 41 and the lower part of the manifold 15, and from the discharge pipe 43 for supplying the water discharged from the manifold 15 to the water tank 42 and the condenser 33. A discharge pipe 34 for supplying the discharged water to the water tank 42, a water discharged from the manifold 15, and a water recovery pump 47 for collecting the water discharged from the condenser 33 and supplying the water to the water tank 42 are provided. Prepare. In addition, the load applied to the fuel cell vehicle is detected by a control device (not shown), and the voltage applied to the pump (P) 46 is adjusted in accordance with the load, whereby the pressure of the water supplied to the injection device 41 is adjusted. Can be adjusted.
[0036]
The water separated from the gas in the condenser 33 flows through the discharge pipes 34 and 43, is finally discharged to the water tank 42, and is stored in the water tank 42. A water level sensor 39 as a water level detection unit is disposed in the water tank 42, and the water level sensor 39 detects the level of water in the water tank 42, that is, the water level. When the water level falls below a preset lower limit value, an alarm 44 as a notification member blinks to notify the operator that water is insufficient. In this case, for example, the operator increases the capacity of the condenser 33 by increasing the rotational speed of the cooling fan 60 and increases the amount of water recovered.
[0037]
In addition, when the water level becomes equal to or higher than a preset upper limit value, it is possible to notify the operator that the water is excessive. In that case, for example, the operator lowers the capacity of the condenser 33 by lowering the rotational speed of the cooling fan 60, and reduces the amount of water recovered. In addition, the water level sensor 39 and the cooling fan 60 can be connected to a control device (not shown), and the rotational speed of the cooling fan 60 can be automatically changed in accordance with the water level detected by the water level sensor 39.
[0038]
The air electrode 11 functions as a cathode and the fuel electrode 13 functions as an anode. Air is supplied to the air electrode 11 and hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 13. The air electrode 11 and the fuel electrode 13 are connected to the air electrode 11 via the separator 16. When the load 28 is connected, hydrogen ions formed in the fuel electrode 13 are converted into protons (H ⁺ ) Is moved to the air electrode 11 side in the form of moisture in the electrolyte membrane 12 and combined with oxygen in the air to generate water. Further, the electric charge generated at the fuel electrode 13 moves to the air electrode 11 side via the load 28, and an output current is generated accordingly. That is, by reacting hydrogen and oxygen, an output current is generated in the fuel cell stack 10, and the output current can be supplied to the load 28.
[0039]
An exhaust valve 25 is provided in the exhaust pipe 24 in order to intermittently discharge a part of the hydrogen gas discharged from the fuel electrode 13 into the atmosphere as an exhaust gas through the exhaust pipe 24. In this case, when the load on the fuel cell vehicle is increased, the amount of hydrogen gas supplied to the fuel electrode 13 is increased, so that the amount of hydrogen gas discharged from the fuel electrode 13 is also increased. Therefore, the control device intermittently opens and closes the exhaust valve 25 in accordance with the load of the fuel cell vehicle, and narrows the interval at which the exhaust valve 25 is opened when the load increases. The remainder of the hydrogen gas discharged from the fuel electrode 13 flows through the circulation path 48 by the hydrogen circulation pump 49 and is then returned to the supply pipe 22. In addition, all the hydrogen gas discharged | emitted from the fuel electrode 13 can also be discharged | emitted in air | atmosphere.
[0040]
In the present embodiment, the load 28 includes an inverter (not shown) that converts a direct current into a phase current in the output current, and a drive motor (not shown) that is driven by being supplied with the phase current. The cell voltage generated in each single cell 62 is shown by a voltage sensor (V) 29 as a first detection unit, and the output current generated by the single cell 62 is shown as a second detection unit. Detected by the current sensor.
[0041]
For this purpose, a connecting terminal 77 is integrally formed at a predetermined portion of the outer peripheral edge of each separator 16, in this embodiment, at the side edge so as to protrude outward, as shown in FIGS. Each connection terminal 77 and the detection terminal 79 are connected to each other, and the voltage sensor 29 and the current sensor are connected to the detection terminal 79. As shown in FIG. 7, an opening 78 for wiring is formed in the connection terminal 77, and the lead wire 91 of the detection terminal 79 is passed through the opening 78 to connect the connection terminal 77 and the lead wire 91. And the connecting portion is soldered and then surrounded and sealed by a heat-shrinkable tube 92 made of an insulating material, in this embodiment, a thermosetting resin. Therefore, it is possible to prevent the connection terminal 77 and the lead wire 91 from coming off or the connection terminal 77 from being short-circuited to other members.
[0042]
By the way, heat is generated when the hydrogen and oxygen react with each other. However, when the temperature of the fuel cell stack 10 increases due to the heat, the reaction rate between the hydrogen and oxygen decreases. Therefore, the injector 41 is disposed at the upper end of the manifold 14 and the cooling water is sprayed from the injector 41 toward the stack unit 59 in the form of a mist.
[0043]
The water flows downward along the air supply path 18 together with air, and during that time, heat is removed from the surrounding air, the surface of the air electrode 11, the surface of the electrolyte membrane 12, and the like to evaporate into steam. Thus, cooling by latent heat of vaporization, that is, latent heat cooling is performed, and the fuel cell stack 10 is cooled. Further, the vapor or water of droplets that do not become vapor passes through the air electrode 11 and is supplied to the electrolyte membrane 12. Therefore, it is possible to prevent the electrolyte membrane 12 from being dried more than necessary due to the blowing by the blower 38.
[0044]
Thus, since the fuel cell stack 10 is cooled, it is possible to prevent the reaction rate between hydrogen and oxygen from decreasing. Further, not only can the fuel cell stack 10, particularly the air electrode 11, the electrolyte membrane 12, etc. be damaged by heat, but also water can be prevented from evaporating in the electrolyte membrane 12.
[0045]
The components other than the reacted oxygen in the air, the steam generated as the fuel cell stack 10 is cooled, and the water generated by the reaction are sent to the manifold 15 as gas.
[0046]
Since the air electrode 11 is always brought into contact with the generated water and the jetted water while the fuel cell stack 10 is operated, it is necessary to form the air electrode 11 with a material having high water resistance. Further, when a water film is formed on the surface of the air electrode 11, the effective area of the air electrode 11 is reduced. Therefore, it is necessary to form the air electrode 11 with a highly water repellent material. Therefore, in the present embodiment, as the air electrode 11, a carbon cloth is used as a base material and (C + PTFE) is applied to form a diffusion layer. As the electrolyte membrane 12, a general thin film of Nafion (trade name: manufactured by DuPont) was used. The thickness of the electrolyte membrane 12 is set so that water generated on the air electrode 11 side can reversely osmose on the fuel electrode 13 side. As the fuel electrode 13, the same one as the air electrode 11 was used in order to make the parts common.
[0047]
By the way, the module 52 is composed of an assembly of single cells 62 as described above, and by connecting the single cells 62 in series electrically, a voltage obtained by adding the cell voltages of the single cells 62 is obtained as a fuel. The output voltage (for example, 220 [V]) of the entire battery stack 10 is generated. However, each unit cell 62 is manufactured depending on the manufacturing variation, the membrane electrode assembly 61 is wet, etc. Variations occur in the output characteristics of the cell 62. Therefore, the cell voltage of each single cell 62 is detected by the voltage sensor 29, and when the cell voltage of the predetermined single cell 62 becomes lower than the threshold value, the output current taken out from the fuel cell stack 10 is made small.
[0048]
The separators 16 are arranged with the membrane electrode assemblies 61 interposed therebetween, and function as current collecting members for outputting the cell voltage. For this purpose, the separator 16 is a first material formed by pressing a conductive material made of a metal such as stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, that is, a thin plate formed of a conductive material, It is formed by bonding the second thin plates 81 and 82, and has a horizontally long rectangular shape as shown in FIGS. The first thin plate 81 is formed with the protrusion 71 and the groove 72, and the second thin plate 82 is formed with the protrusion 73 and the flat portion 74.
[0049]
In addition, as the first and second thin plates 81 and 82 are pressed, elongated holes 83 and 84 are formed as first and second holes in the vicinity of the left and right side edges. By laminating the separators 16, the elongated holes 83 are communicated to form the manifold 75, and the elongated holes 84 are communicated to form the manifold 76. Further, as the first and second thin plates 81 and 82 are pressed, one end, in this embodiment, the end on the side where the long hole 83 is formed. The connection terminal 77 is integrally formed, and an opening 78 is formed in the connection terminal 77. In the present embodiment, the connection terminal 77 is formed substantially at the center in the height direction of the side edges of the first and second thin plates 81 and 82.
[0050]
The first and second thin plates 81 and 82 are bonded to each other with a predetermined adhesive so that the protrusion 71 and the groove 72 face the air electrode 11 and the protrusion 73 and the flat portion 74 face the fuel electrode 13. The plate thickness of the separator 16 is set to about 0.1 [mm].
[0051]
Note that a gap is formed between the first and second thin plates 81 and 82 by bonding the first and second thin plates 81 and 82 together. The air supplied to 18 and the water jetted from the injector 41 are temporarily (once) taken in, and have a role of a cooling part for evaporating the water to perform latent heat cooling and a role of a flow path for allowing the water to pass therethrough. be able to. A small-diameter hole is formed between the flow path and the air supply path 18, and air and water in the flow path are supplied to the air supply path 18 through the holes. In this case, since air and water can stay in the flow path and the air supply path 18 for a sufficient time, the cooling capacity of the fuel cell stack 10 in the latent heat cooling can be increased.
[0052]
By the way, as described above, the stack unit 59 is assembled by fastening the module unit 55 with a predetermined assembling load, and accordingly, each separator 16 and the membrane electrode assembly 61 are electrically connected. It has come to be. A uniform and uniform surface pressure is applied to each single cell 62, but between the membrane electrode assembly 61 and each separator 16 and between the first and second thin plates 81, 82. When the contact resistance of the single cell 62 is large, a sufficient cell voltage cannot be generated by each single cell 62.
[0053]
Further, since the separator 16 is used in an acidic environment and in a state where an output current always flows, the conductive material is corroded.
[0054]
Therefore, after the first and second thin plates 81 and 82 are formed by press working and before being bonded, surface treatment is performed at a predetermined position on the front surface (both front and back surfaces), in this embodiment. Then, a plating process is performed to form a surface treatment layer having a thickness of about 0.01 [mm]. In the present embodiment, a coating material having high conductivity and high corrosion resistance, for example, gold, is used as the plating material and is coated.
[0055]
By the way, when the surface treatment layer is formed on the first and second thin plates 81 and 82, when an expensive material such as gold is used as the plating material, the unit price of each separator 16 is high. As a result, the cost of the fuel cell stack 10 increases. Therefore, in the first and second thin plates 81 and 82, at least a region other than the portion where the connection terminal 77 is formed, in the present embodiment, other than the portion where the connection terminal 77 and the long hole 83 are formed. The region AR1 is plated so that at least the portion where the connection terminal 77 is formed, that is, the region AR2 where the connection terminal 77 and the long hole 83 are formed is not plated. I have to. For this purpose, the first and second thin plates 81 and 82 are supported while the connection terminal 77 is held by a support mechanism (not shown), and only the area AR1 is immersed in the plating solution in the plating tank.
[0056]
Thus, since the portion of the connection terminal 77 can be used to support the first and second thin plates 81 and 82, the plating process can be easily performed.
[0057]
Further, since the connection terminal 77 is formed on the side edge of the separator 16 and is not formed on the upper edge or the lower edge of the separator 16, the dimension of the separator 16 in the height direction can be reduced. Therefore, the dimension of the fuel cell stack 10 in the height direction can be reduced, and the vehicle equipped with the fuel cell can be downsized. For example, it becomes easy to mount the fuel cell stack 10 under the floor of a fuel cell-equipped vehicle, and the mountability of the fuel cell stack 10 can be improved.
[0058]
Furthermore, since the separator 16 is formed of the first and second thin plates 81 and 82 made of metal, the separator 16 can be made thinner. Therefore, the fuel cell stack 10 can be reduced in size.
[0059]
Further, since the separator 16 is formed by the first and second thin plates 81 and 82 made of metal, even if an external force is applied to the connection terminal 77 and the detection terminal 79, the detection terminal 79 may be detached from the separator 16 or the separator 16. Will not be damaged. Therefore, the durability of the fuel cell stack 10 can be improved. In addition, since there is no need to form an insertion hole in the end face of the separator 16, the separator 16 can be made thinner and the fuel cell stack 10 can be reduced in size.
[0060]
Further, since the connection terminal 77 is formed integrally with the separator 16 and the connection terminal 77 and the detection terminal 79 are connected, the thickness of each single cell 62 varies due to the assembly load, and each separator 16 Even if they are not evenly spaced, no deviation occurs between each separator 16 and the detection terminal 79. Therefore, an accurate cell voltage can be detected.
[0061]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol, and the effect of the same embodiment is used about the effect of the invention by having the same structure. .
[0062]
FIG. 8 is a perspective view showing a connector for a detection terminal in the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing a state in which the connection terminal and the detection terminal are connected in the second embodiment of the present invention. is there.
[0063]
In this case, 93 is a detection terminal, and 94 is a female connector attached to the tip of the detection terminal 93. After the connection terminal 77 (FIG. 1) is inserted into the connector 94, the connection terminal 77 and the detection terminal 93 can be coupled by deforming the connector 94 and making it flat.
[0064]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the separator is formed by bonding the first and second thin metal plates.
The first thin plate forming the air electrode side surface has first irregularities for forming the air supply path, and the second thin plate forming the fuel electrode side surface has the fuel supply channel. Second irregularities for forming are formed, and the first and second thin plates are coated with a coating material by projecting outward at predetermined locations on the outer peripheral edges of the first and second thin plates. A connecting terminal for holding the first and second thin plates when covering is integrally formed, and an opening for passing a lead wire through the connecting terminal is formed.
[0065]
In this case, since the first and second thin metal plates are bonded together, the separator can be made thinner. Therefore, the fuel cell stack can be reduced in size.
[0066]
Further, even when an external force is applied to the connection terminal, the separator is not damaged. Therefore, the durability of the fuel cell stack can be improved. In addition, since there is no need to form an insertion hole in the separator, the separator can be made thinner, and the fuel cell stack can be reduced in size.
[0067]
In addition, since the connection terminal is formed integrally with the separator and the connection terminal and the detection terminal are connected, the thickness of each single cell varies due to the assembly load, and the separators are not evenly spaced. In addition, there is no deviation between each separator and the detection terminal. Therefore, an accurate cell voltage can be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a surface on the air electrode side of a separator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of the in-vehicle fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the stack unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view of the stack unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a fuel electrode side surface of the separator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a connection state of detection terminals according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a connector for detection terminals according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which a connection terminal and a detection terminal are connected in the second exemplary embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Air electrode
13 Fuel electrode
16 Separator
18 Air supply path
19 Fuel supply path
71, 73 protrusion
72 groove
74 Flat part
75, 76 Manifold
77 Connection terminal
81, 82 first and second thin plates
83, 84 slotted hole

Claims

First metal, in the separator formed by bonding the second sheet, the first sheet metal forming the surface of the air electrode side, the first irregularities to form an air supply channel, The second thin plate that forms the surface on the fuel electrode side is provided with second irregularities for forming a fuel supply path, and an outer side is formed at a predetermined position on the outer peripheral edge of the first and second thin plates. A connection terminal for holding the first and second thin plates when the first and second thin plates are coated with a coating material is formed integrally with the lead wire. A separator having an opening for passing through.

The connection terminals are arranged in the longitudinal direction of the first and second thin plates so that only arbitrary regions of the first and second thin plates can be immersed in the plating solution when the coating material is coated. The separator according to claim 1, which is formed on one end side.

The separator according to claim 1, wherein a coating material having high conductivity and corrosion resistance is coated on the surfaces of the first and second thin plates .

The separator according to claim 3, wherein the coating material is coated on a region other than a portion where the connection terminal is formed.

The separator according to claim 1, wherein a hole for forming a manifold for supplying fuel gas and a manifold for discharging gas is formed in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the first and second thin plates .

Before SL first, between the second sheet separator according to claim 1, in which a flow path for passing the air and water for cooling is formed.