JP4776788B2

JP4776788B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4776788B2
Application number: JP2001024932A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 俊哉若穂囲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2002231273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外周部に絶縁構造を備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、燃料電池８７には、固体高分子電解質膜８１とその両側のアノード電極８２とカソード電極８３とで構成された電極膜構造体８４を、一対のセパレータ８５，８６で挟持して構成されたものがある。また、この燃料電池８７を複数個積層して燃料電池スタックが構成される。この燃料電池８７では、アノード電極８２に対向配置されるセパレータ８５の面に燃料ガス（例えば、水素）の流路８８を設け、カソード電極８３に対向配置されるセパレータ８６の面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路８９を設け、隣接するセパレータ８５，８６間に冷却媒体の流路９０を設けている。
【０００３】
そして、この燃料電池８７では、アノード電極８２の反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜８１を介してカソード電極８３側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極８３においては酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。また、セパレータ８５，８６間に流れる冷却媒体によって発電面が冷却される。
【０００４】
これら反応ガス及び冷却媒体は、各々独立した流路に通す必要があるため、各流路間はシール部材９１によって仕切られている。
シール部位としては、反応ガス及び冷却媒体を燃料電池スタックの各燃料電池８７に分配供給すべくセパレータ８５，８６に貫通形成された連通孔の周囲，電極膜構造体８４の外周，セパレータ８５，８６の冷媒流路面外周，及びセパレータ８５，８６の表裏面の外周等がある。
【０００５】
ところで、セパレータ８５，８６は一般に導電性を有する材質（例えば、カーボンや金属）で構成されており、燃料電池の外周ではセパレータ８５，８６の外周が露出するため、導電部が露出した状態となる。
このように構成された燃料電池では、セパレータ８５，８６の外周に結露水や鉄粉等の導電性を有する異物が付着すると、短絡する可能性がある。また、燃料電池スタックのメンテナンス時に作業者が誤ってセパレータ８５，８６の外周に接触する虞もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これに対処するに、図８に示すように、各セパレータ８５，８６の外周にゴム等からなる絶縁部材９２を設けたものが知られている。
しかしながら、この場合には、セパレータ８５，８６の一つ一つに絶縁部材９２を取り付けているので、部品点数が多くなるとともに、作業工数が増えるという問題がある。
【０００７】
また、セパレータ８５，８６の外周の絶縁性は確保されるが、高分子膜構造体８４の外周が露出し外気に晒されているため、固体高分子電解質膜８１が乾燥し、性能劣化を起こす虞がある。
さらに、高分子膜構造体８４の外周が外気に晒されていると、固体高分子電解質膜８１は湿度による膨潤の影響が大きいため、燃料電池スタックの組み立て工程の環境において湿度管理が必要になり、煩雑であった。
【０００８】
ここで、前記絶縁部材９２の厚さを厚くして、隣接する絶縁部材９２同士を当接させるようにすれば、高分子膜構造体８４の外周を露出させないようにして、固体高分子電解質膜８１の乾燥や組み立て工程時の湿度管理の問題を解決することは可能となる。しかしながら、このようにすると、シール性確保のためには、絶縁部材９２同士の接触と、セパレータ８５，８６と電極膜構造体８４との接触を同時に確保しなければならず、そのためにはシール部材９１の厚さを高精度で管理する必要が生じ、量産性に劣るものとなる。
【０００９】
また、特開平７−２９５９２号公報には、高分子膜構造体の両側の各セパレータの外周に絶縁部材を設け、これら絶縁部材で固体高分子電解質膜の外周を挟み込み、さらに、これら絶縁部材と固体高分子電解質膜の外側を包囲する外枠を設け、外枠同士を連結部材で順次連結させてなる燃料電池スタックが開示されている。このようにすると、固体高分子電解質膜の乾燥を防止することは可能となるが、前記外枠同士を連結して燃料電池スタックを完成するまでは湿度管理が必要となるため、組み立て工程時の湿度管理の問題を解決することはできない。また、このようにすると、部品点数がさらに多くなってしまう。
【００１０】
なお、近似した技術として、特開平５−１０１８３７号公報に開示されているように、高分子膜構造体の外周をシール部材によって包囲するとともに、このシール部材によって高分子膜構造体とセパレータとの間をシールするようにした燃料電池もあるが、この燃料電池ではセパレータの外周が露出しているので、導電部の露出に起因する前記問題を解決することはできない。
そこで、この発明は、燃料電池の外周における絶縁性を確保でき、固体高分子電解質膜の乾燥を阻止でき、しかも組み立て性に優れた燃料電池を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜１２）をアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極１３）とカソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極１４）とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ（例えば、後述する実施の形態におけるセパレータ１６，１７）で挟持した燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１５）において、前記一対のセパレータの外周に、断面略コ字形をなし該一対のセパレータの外周縁部（例えば、後述する実施の形態における薄肉部１６ａ，１７ａ）を跨ぐように取り付けられ該一対のセパレータの外周を一周する絶縁カバー（例えば、後述する実施の形態における絶縁カバー３０）を設け、前記燃料電池同士を積層したときに隣り合う前記燃料電池の前記絶縁カバー同士が圧接して前記燃料電池間をシールすることを特徴とする。
このように構成することにより、一対のセパレータに対して一つの絶縁カバーで済み、部品点数が少なくて済む。また、燃料電池の外周の全周を絶縁することが可能になる。さらに、固体高分子電解質膜の外周が露出せず、外気に晒されなくなる。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明において、前記絶縁カバーは、一方のセパレータ側に配置される外面に外側へ突出する断面半円形状の圧接面を有し、他方のセパレータ側に配置される外面に平坦な圧接面を有し、２つの前記燃料電池を積層したときに一方の燃料電池の絶縁カバーにおける前記断面半円形状の圧接面と他方の燃料電池の絶縁カバーにおける前記平坦な圧接面とが圧接して前記燃料電池間をシールすることを特徴とする。
このように構成することにより、２つの燃料電池間を確実にシールすることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の一実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は、車載用の燃料電池スタック１１の縦断面図であり、燃料電池スタック１１は、固体高分子電解質膜１２をアノード電極１３とカソード電極１４とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ１６，１７で挟持してなる燃料電池１５を水平方向に複数個積層して構成されている。
【００１３】
アノード電極１３と、これに隣接するセパレータ１６との間には、燃料ガス（例えば、水素ガス）を流通させる燃料ガス流路１８が形成されている。また、カソード電極１４と、これに隣接するセパレータ１７との間には、酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガスまたは空気）を流通させる酸化剤ガス流路１９が形成されている。
【００１４】
さらに、各セパレータ１６，１７の背面間には、燃料電池１５を冷却するための冷却液（純水やエチレングリコールやオイル等）を流通させる冷却液流路２０が形成されている。
【００１５】
そして、上記水素ガス、空気、冷却液を各流路１８，１９，２０に供給するため、各燃料電池１５の固体高分子電解質膜１２，セパレータ１６，１７を貫通して連通孔２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂが各々形成されている。各連通孔２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂについては以下に詳述する。積層された燃料電池１５は、図示しないスタッドボルトにより締め付けられる。
【００１６】
次に、カソード電極１４に隣接するセパレータ１７の具体的形状を図４に基づいて説明する。
セパレータ１７はカーボン製で、カソード電極１４に対向する面及び反対側の面が長方形状に設定されており、例えば、長辺が水平方向に指向するとともに、短辺が重力方向に指向して配置されている。
【００１７】
セパレータ１７の短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給側の連通孔２５ａと、燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給側の連通孔２６ａとが、上下方向に長尺形状を有して設けられており、また、セパレータ１７の短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス排出側の連通孔２５ｂと、燃料ガス排出側の連通孔２６ｂとが、連通孔２５ａ，２６ａと対角位置になるように、かつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００１８】
セパレータ１７の長辺側の上端縁部には、長手方向（図４において左右方向）に長尺な２つの冷却液供給側の連通孔２７ａ，２７ａが設けられると共に、長辺側の下端縁部にも同様に、長手方向に長尺な２つの冷却液排出側の連通孔２７ｂ，２７ｂが設けられている。
これら冷却液供給側の連通孔２７ａ，２７ａに、冷却液が供給される。
【００１９】
セパレータ１７においてカソード電極１４に対向する面には、酸化剤ガス供給側の連通孔２５ａと酸化剤ガス排出側の連通孔２５ｂとを連通する酸化剤ガス流路溝１９ａが、水平方向に蛇行しながら重力方向に設けられている。
この酸化剤ガス流路溝１９ａの開口がカソード電極１４で閉塞されることにより、前記酸化剤ガス流路１９が形成される。
【００２０】
そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給側の連通孔２５ａから酸化剤ガス流路溝１９ａへと流入し重力方向に逆らって蛇行して流れ、酸化剤ガス排出側の連通孔２５ｂから流出する。なお、セパレータ１７においてセパレータ１６に対向する面には溝が形成されておらず、平坦面になっている。
【００２１】
次に、アノード電極１３に隣接するセパレータ１６の具体的形状を図５に基づいて説明する。
セパレータ１６もカーボン製でセパレータ１７と同一形状をなし、セパレータ１６には、セパレータ１７と同様に、酸化剤ガス供給側の連通孔２５ａと、酸化剤ガス排出側の連通孔２５ｂと、燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給側の連通孔２６ａと、燃料ガス排出側の連通孔２６ｂと、冷却液供給側の連通孔２７ａ，２７ａと、冷却液排出側の連通孔２７ｂ，２７ｂが設けられている。
【００２２】
セパレータ１６においてアノード電極１３に対向する面には、図示を省略するが、セパレータ１７においてカソード電極１４に対向する面に形成された酸化剤ガス流路溝１９ａと同様に構成された燃料ガス流路溝が形成されており、燃料ガス流路溝の開口がアノード電極１３で閉塞されることにより、前記燃料ガス流路１８が形成される。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給側の連通孔２６ａから燃料ガス流路溝を通って燃料ガス排出側の連通孔２６ｂから流出する。
【００２３】
一方、セパレータ１６においてセパレータ１７に対向する面には、図５に示すように、冷却液供給側の連通孔２７ａ，２７ａと冷却液排出側の連通孔２７ｂ，２７ｂとを重力方向（図５において上下方向）に沿って直線的に連通する多数の冷却液流路溝２０ａが形成されており、冷却液流路溝２０ａの開口がセパレータ１７で閉塞されることにより、前記冷却液流路２０が形成される。
そして、冷却液は、冷却液供給側の連通孔２７ａから冷却液流路溝２０ａに流入し、冷却液流路溝２０ａを重力方向に流れて、冷却水排出側の連通孔２７ｂから流出する。
【００２４】
また、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却液をそれぞれ独立した流路に流すため、各連通孔２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂの周囲と、固体高分子電解質膜１２の表裏両外周と、セパレータ１６，１７の冷却液流路２０側の対向面外周に、シール部材が配置されている。
【００２５】
例えば、図１に示す冷却液供給側の連通孔２７ａの周辺を例として前記シール部材について説明すると、固体高分子電解質膜１２とセパレータ１６，１７の間には連通孔２７ａを包囲するようにシール材２１が配置されており、また、セパレータ１６とセパレータ１７の間には、連通孔２７ａおよび冷却液流路２０の外周を包囲するようにシール材２２が配置されている。
【００２６】
また、各燃料電池１５は、セパレータ１６，１７の外周を一周するように設けられた絶縁カバー３０によってユニット化されている。図２の部分拡大図に示すように、セパレータ１６，１７の外周縁部には、互いに対向しない側の面を凹ませた薄肉部１６ａ，１７ａが形成されており、両薄肉部１６ａ，１７ａの基部側には、凹溝１６ｂ，１７ｂがセパレータ１６，１７の外周を一周するように設けられている。
【００２７】
絶縁カバー３０はゴムなどの絶縁性材料からなり、断面略コ字形をなして環状に形成されており、セパレータ１６の薄肉部１６ａとセパレータ１７の薄肉部１７ａを跨ぐようにして取り付けられている。絶縁カバー３０のセパレータ１６側に配置される末端部３１は断面円形に形成されており、この末端部３１の内側の半円形部分がセパレータ１６の薄肉部１６ａにおける凹溝１６ｂに係合し、外側の半円形部分の一部がセパレータ１６の外面よりも外側に突出している。また、絶縁カバー３０のセパレータ１７側に配置される末端部３２は内面側が断面略半円に形成され、外面側は平坦面に形成されており、この末端部３２の内面側の半円形部分がセパレータ１７の薄肉部１７ａにおける凹溝１７ｂに係合し、外側の平坦面はセパレータ１７の外面よりも内側に位置している。
【００２８】
そして、末端部３１，３２をセパレータ１６，１７の凹溝１６ｂ，１７ｂに係合させた絶縁カバー３０が、セパレータ１６，１７の外周を一周して外周全体を囲むように取り付けられることにより、固体高分子電解質膜１２，アノード電極１３，カソード電極１４，セパレータ１６，１７は一体化され、燃料電池１５毎にユニット化されることとなる。
【００２９】
ただし、絶縁カバー３０はシール材２１，２２等のシール材の圧縮力を支配するものではなく、これらシール材の圧縮力は燃料電池１５を積層した後に図示しないスタッドボルトを締め付けることによって設定される。
【００３０】
そして、燃料電池１５を積層し前記スタッドボルトを締め付けたときに、図１に示すように、絶縁カバー３０の末端部３１の外側の半円形部分が弾性圧縮されて、隣の燃料電池１５の絶縁カバー３０の末端部３２の平坦面に圧接する。これにより、燃料電池１５同士が絶縁カバー３０によってシールされることとなる。ここで、絶縁カバー３０の末端部３２の外面側を平坦面に形成しているので、燃料電池１５を積層するときに位置決めが若干ルーズであっても、末端部３１の外側の半円形部分を末端部３２の外面側の平坦面に確実に密接させることができ、確実にシールすることができる。これに対して、末端部３２を末端部３１と同様に断面円形にした場合には、燃料電池１５を積層するときに末端部３１の外側の半円形部分と末端部３２の外側の半円形部分とを突き合わせるように配置しなければシール性の確保が難しく、従って、正確な位置決めが必要になる。
【００３１】
また、図２および図３に示すように、各燃料電池１５の絶縁カバー３０においてセパレータ１６を覆っている所定部位には、図６に示すようなセル電圧測定端子４０を取り付けるための矩形の取り付け孔３３が形成されている。この取り付け孔３３には、図６に示すようなセル電圧測定端子４０を貫通させた端子カバー３４が脱着可能に取り付けられる。端子カバー３４は、絶縁カバー３０と同材質で、取り付け孔３３にぴったりと嵌合する形状および大きさに形成されており、その底面にはシール突条３５が環状に設けられている。
【００３２】
そして、端子カバー３４を貫通したセル電圧端子４０の先端をセパレータ１６の端面に設けられたセル端子接続孔１６ｃに差し込み、端子カバー３４を取り付け孔３３に押し込むと、端子カバー３４の外周が取り付け孔３３の内周に密接するとともに、シール突条３５がセパレータ１６の端面に密接して、絶縁性およびシール性が確保できるようになっている。なお、端子カバー３４の形状は図６に示す形状に限られるものではなく、種々の形状が採用可能である。
【００３３】
以上のように構成された燃料電池スタック１１においては、燃料電池１５の外周の全周が絶縁カバー３０によって絶縁され且つシールされており、これにより燃料電池スタック１１の外周の全周が絶縁カバー３０によって絶縁され且つシールされるので、結露水や鉄粉等の導電性異物の付着による短絡を防止することができるとともに、メンテナンス時に作業者が誤って接触したときにも安全性を確保することができる。
【００３４】
また、絶縁カバー３０を取り付けて燃料電池１５毎にユニット化しているので、燃料電池１５を積層して燃料電池スタック１１を組み立てるなどのときに、極めて取り扱い易くなる。
さらに、一つの絶縁カバー３０をセパレータ１６，１７に跨がせて取り付けているので、一つの燃料電池１５に対して一つの絶縁カバー３０で済み、少ない部品点数および少ない工数で燃料電池１５の外周の絶縁およびシールをすることが可能になる。
【００３５】
また、ユニット化後の燃料電池１５においては、固体高分子電解質膜１２はその両側をセパレータ１６，１７で包囲され、その外周を絶縁カバー３０で包囲されることにより、固体高分子電解質膜１２が外気に晒されなくなるので、固体高分子電解質膜１２が乾燥するのを防止することができ、その結果、固体高分子電解質膜１２の性能劣化を防止することができて、燃料電池の耐久性が向上する。
【００３６】
また、ユニット化後の燃料電池１５において固体高分子電解質膜１２が外気に晒されなくなることから、燃料電池スタック１１の組み立て環境における湿度管理が不要になり、それに係る設備が不要になって、設備コストを低減することができる。
【００３７】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、絶縁カバー３０をゴムにより構成したが、ゴム以外の種々の絶縁性材料で構成することが可能である。
また、この実施の形態では、絶縁カバー３０を環状に形成して一体物としたが、周方向に分割（例えば二分割）して構成することも可能である。このように絶縁カバー３０を分割すると組み付け性が良好となる。なお、この場合には、絶縁カバー３０が外れないようにセパレータ１６，１７に接着剤等で固定する。
【００３８】
また、前述した実施の形態では、セパレータ１６の燃料ガス流路１８及びセパレータ１７の酸化剤ガス流路１９を蛇行状に形成したが、これら流路１８，１９をセパレータ１６，１７の長手方向に沿って一方の短辺側から他方の短辺側に水平に延びる水平直線状の流路として形成してもよい。
さらに、前述した実施の形態では、セパレータ１６，１７をカーボンで構成しているが、ステンレス鋼などの金属材料で構成することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、一対のセパレータに対して一つの絶縁カバーで済むので、部品点数を少なくできて、組み立て工数を減らすことができる。
【００４０】
また、燃料電池の外周の全周を絶縁することが可能なので、結露水や鉄粉等の導電性異物の付着による短絡を防止することができるとともに、メンテナンス時の安全性が向上する。
【００４１】
さらに、固体高分子電解質膜の外周が露出せず外気に晒されないので、固体高分子電解質膜の性能劣化を防止することができ、燃料電池の耐久性が向上する。しかも、絶縁カバーを備えた段階で燃料電池をユニット化することができ、その段階で固体高分子電解質膜が外気に晒されることがなくなるので、燃料電池を多数積層して燃料電池スタックを組み立てるときには湿度管理をする必要がなく、設備コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池の一実施の形態における縦断面図である。
【図２】前記燃料電池の要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】前記燃料電池の要部の平面図である。
【図４】前記燃料電池を構成する一方のセパレータの平面図である。
【図５】前記燃料電池を構成する他方のセパレータの平面図である。
【図６】前記燃料電池の端子カバーおよびセル電圧測定端子の断面図である。
【図７】従来の燃料電池の縦断面図である。
【図８】従来の他の燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１２固体高分子電解質膜
１３アノード電極
１４カソード電極
１５燃料電池
１６，１７セパレータ
３０絶縁カバー

Claims

固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータで挟持した燃料電池において、
前記一対のセパレータの外周に、断面略コ字形をなし該一対のセパレータの外周縁部を跨ぐように取り付けられ該一対のセパレータの外周を一周する絶縁カバーを設け、
前記燃料電池同士を積層したときに隣り合う前記燃料電池の前記絶縁カバー同士が圧接して前記燃料電池間をシールすることを特徴とする燃料電池。
前記絶縁カバーは、一方のセパレータ側に配置される外面に外側へ突出する断面半円形状の圧接面を有し、他方のセパレータ側に配置される外面に平坦な圧接面を有し、２つの前記燃料電池を積層したときに一方の燃料電池の絶縁カバーにおける前記断面半円形状の圧接面と他方の燃料電池の絶縁カバーにおける前記平坦な圧接面とが圧接して前記燃料電池間をシールすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。