(57)【要約】【課題】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、シール性を良好に向上させることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、金属セパレータ１２と電解質膜・電極構造体１４とを積層する。電解質膜・電極構造体１４は、樹脂枠部材２２を一体に設けるとともに、前記樹脂枠部材２２には、金属セパレータ１２の外形線よりも外方に外側シール部材４４が設けられる。樹脂枠部材２２の内部には、セル電圧測定用端子５０が埋設されるとともに、前記セル電圧測定用端子５０の他端外周には、コネクタ５８を構成するケーシング６０の内周面６０ａに当接する外側凸状シール部材６４ａが設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記樹脂枠部材の内部には、セル電圧測定用端子が埋設されるとともに、
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コネクタに接続され、
前記セル電圧測定用端子の他端外周には、前記コネクタの内周面に当接する凸状シール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記コネクタと前記樹脂枠部材との間には、前記セル電圧測定用端子を収容してシールキャップが配設されるとともに、
前記セル電圧測定用端子の樹脂枠部材外周近傍には、前記シールキャップの内周面に当接する内側凸状シール部材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４０７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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、シール性を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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、前記樹脂枠部材の内部には、セル電圧測定用端子が埋設されている。そして、セル電圧測定用端子の一端は、シール部材よりも内側で、隣接する金属セパレータに接触している。一方、セル電圧測定用端子の他端は、樹脂枠部材の側部から外方に突出してコネクタに接続され、前記セル電圧測定用端子の他端外周には、前記コネクタの内周面に当接する凸状シール部材が設けられている。
【００１１】
また、この燃料電池では、コネクタと樹脂枠部材との間には、セル電圧測定用端子を収容してシールキャップが配設されるとともに、前記セル電圧測定用端子の樹脂枠部材外周近傍には、前記シールキャップの内周面に当接する内側凸状シール部材が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、樹脂枠部材に埋設される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、シールライン自体を跨がずに、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。
【００１３】
さらに、セル電圧測定用端子の他端外周には、コネクタの内周面に当接する凸状シール部材が設けられている。従って、凸状シール部材には、シール面圧が発生し、セル電圧測定用端子の他端外周が押圧されている。これにより、セル電圧測定用端子と樹脂枠部材との界面に沿ってガスが移動しても、前記セル電圧測定用端子の他端外周では、前記ガスが入り込む隙間を可及的に閉塞することができ、前記ガスの移動を規制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】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。
【図４】セル電圧測定用端子の斜視説明図である。
【図５】前記セル電圧測定用端子の要部断面説明図である。
【図６】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。
【図７】前記燃料電池の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
金属セパレータ１２の外周端部は、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の内側に配置される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、薄板状の導電性端子板５２を備える。端子板５２の一端は、外側シール部材４４の内方に、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間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（アノードセパレータ面３２）に接触する露出部位５２ａを有する。
【００３０】
端子板５２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５２ｂを有する。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の成形時に一体化される。
【００３１】
図２に示すように、セル電圧測定用端子５０には、樹脂部材５４に外装されてシールキャップ５６が外装されるとともに、前記シールキャップ５６の先端側には、コネクタ５８が接続自在である。図２及び図４に示すように、シールキャップ５６は、長辺側の両端が開放される四角箱形状を有し、内周面５６ａを設ける。
【００３２】
コネクタ５８は、ケーシング６０を備えるとともに、前記ケーシング６０は、内周面６０ａを有する。ケーシング６０内には、先端がＵ字形状の接続端子部６２が収容される。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。
【００３３】
セル電圧測定用端子５０には、樹脂部材５４の外周縁部を覆って樹脂枠部材２２の外周近傍から先端露出部位５２ｂの近傍に亘ってゴムシール６４が成形される。
【００３４】
ゴムシール６４は、コネクタ５８を構成するケーシング６０の内周面６０ａに当接する２つ（１つ又は３つでもよい）の外側凸状シール部材（凸状シール部材）６４ａと、内面が長方形のシールキャップ５６の内周面５６ａに当接する１つ（又は２以上）の内側凸状シール部材６４ｂとを有する。内側凸状シール部材６４ｂは、樹脂枠部材２２を挟んで両側の対称位置に、端子板５２の全周に亘って設けられる。外側凸状シール部材６４ａと内側凸状シール部材６４ｂとの間には、端子板５２の全周を覆って隙間なく平面状シール部材６４ｃが設けられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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、薄板状の導電性端子板５２を備えている。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、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間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。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。
【００４２】
このため、シールラインである外側シール部材４４自体を跨がずに、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。
【００４３】
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。
【００４４】
さらに、セル電圧測定用端子５０の先端（他端）外周には、コネクタ５８の内周面６０ａに当接する外側凸状シール部材６４ａが設けられている。従って、図５に示すように、外側凸状シール部材６４ａには、シール面圧Ｆ１が発生し、セル電圧測定用端子５０の他端外周が押圧されている。
【００４５】
セル電圧測定用端子５０では、金属製の端子板５２を有するとともに、前記端子板５２が樹脂枠部材２２に埋設されている。このため、端子板５２と樹脂枠部材２２との界面には、ガスの移動（矢印ＧＦ参照）が発生する場合がある。その際、セル電圧測定用端子５０の先端外周では、シール面圧Ｆ１を介してガスが入り込む隙間を可及的に閉塞することができる。これにより、ガスがセル電圧測定用端子５０の内部から外部に移動することを確実に規制することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
さらにまた、セル電圧測定用端子５０の先端側には、シールキャップ５６の内周面５６ａに当接する内側凸状シール部材６４ｂが設けられている。従って、セル電圧測定用端子５０には、内側凸状シール部材６４ｂに対応してシール面圧Ｆ２が発生し、前記セル電圧測定用端子５０が押圧される。このため、樹脂部材５４の先端からゴムシール６４との界面に沿ってガスが移動しても、シール面圧Ｆ２を介して前記ガスの移動を確実に規制することができる。
【００４７】
また、端子板５２の先端には、ゴムシール６４が直接設けられている。これにより、例えば、コネクタ５８の組み付け時に、端子板５２が変形しても、ゴムシール６４自体で該変形を吸収することが可能になる。従って、樹脂枠部材２２が損傷することを有効に阻止することができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、具体的には、前記外側シール部材４４と内側シール部材４６との間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。
【００５２】
露出部位１０４ａは、第１の実施形態の端子板５２の露出部位５２ａとは反対側に屈曲する。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。
【００５３】
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。
【００５４】
しかも、セル電圧測定用端子５０には、コネクタ５８の内周面６０ａに当接する外側凸状シール部材６４ａ及びシールキャップ５６の内周面５６ａに当接する内側凸状シール部材６４ｂが設けられている。これにより、ガスがセル電圧測定用端子５０の内部から外部に移動することを良好に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
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                    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
５４…樹脂部材                      ５６…シールキャップ
５６ａ、６０ａ…内周面              ５８…コネクタ
６０…ケーシング                    ６４ａ、６４ｂ…凸状シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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