JP2004288426A

JP2004288426A - 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧測定部構造

Info

Publication number: JP2004288426A
Application number: JP2003077471A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Fujikawa; 義仁藤川
Original assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Current assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP4389456B2

Abstract

【目的】セル電圧測定機能を持つ固体高分子電解質型燃料電池の小型化や組立の簡易化を可能にする構造に関する。
【構成】固体高分子イオン交換薄膜１の両側を電極２で挟んで形成される薄膜電極接合体３と、この薄膜電極接合体３を挟んでその両側に燃料ガス流路４ａおよび酸化剤ガス流路４ｂを形成する導電性を有するガスセパレータ４とを設け、ガスセパレータ４によって挟まれた薄膜電極接合体３とガスセパレータ４とは単セル５を構成し、該単セル５を複数個直列に積層することで、燃料電池スタック６を構成する。重ね合わせた複数個のガスセパレータ４の間には外部と連通するスリット７を形成し、導電面を互いに外向きにして設けたセル電圧測定線８を前記スリット７に嵌合し、セル電圧測定線８の互いに外向きに設けた導電面が電位差を持った２枚のガスセパレータ４に接触することで、ガスセパレータ４間の電位差を確認する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セル電圧測定機能を持つ固体高分子電解質型燃料電池のガスセパレータの薄型化を可能とし、固体高分子型燃料電池の小型化、組立の簡易化を可能にする構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子イオン交換薄膜の両側を多孔質導電体からなる電極で挟んで形成される薄膜電極接合体を、導電性のある２枚のガスセパレータで挟んで形成され、このガスセパレータには薄膜電極接合体と接する部分に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を形成することで一組の燃料電池単セルを構成している。そして、１枚のガスセパレータの上面及び下面に薄膜電極接合体を位置させることで、単セルは複数個直列に積層することができ、燃料電池スタックが構成できる。
【０００３】
イオン交換機能のある薄膜電極接合体を挟んだアノード側ガスセパレータの燃料ガス流路に水素などの燃料ガス、カソード側ガスセパレータの酸化剤ガス流路に酸素を含む空気などの酸化剤ガスを流すことで、燃料ガス中の水素イオンが固体高分子イオン交換薄膜中を透過してカソードに移動し、電子はアノード側ガスセパレータとカソード側ガスセパレータとの間に接続された外部負荷を通りカソード側セパレータに移動することにより、起電力が生じ電流が流れる。
【０００４】
複数の単セルを直列に積層した燃料電池スタックでは、単セル同士が直列接続になるため、燃料電池スタックを構成する単セルの一つでも固体高分子イオン交換薄膜の破損などで発電不能になると、燃料電池スタック全体としての発電は不能になってしまう。
【０００５】
また、燃料電池スタック中の一つの単セルが発電不能になった場合、その原因が固体高分子イオン交換薄膜の破損によるものであれば、燃料電池スタック内部で燃料ガスと酸化剤ガスが混合している可能性が高く、燃焼・爆発の恐れがあるため、早急に運転を中止して発電不能な単セルを交換する必要がある。しかし、従来の電力の取出しは燃料電池スタックの出力端子だけで行なわれるから、外部からどの単セルが発電不能であるかを確認することは困難である。
【０００６】
このため、最近の燃料電池スタックを使用したシステムでは、燃料電池スタックを構成する導電性を有するガスセパレータのすべてに出力端子を設けて、各単セルのアノードガスセパレータとカソードガスセパレータ間の電圧を測定して、全ての単セルが正常に発電しているかを確認する構造が提案されている。
【０００７】
そして、具体的な構造としては、固体高分子電解質型燃料電池の燃料電池スタックにおいて、アノード・カソードガスセパレータ間の電圧測定を行なう出力端子として、図５に示すようにガスセパレータの側面にネジ穴を設け、このネジ穴にリード線を結線した端子をネジ止めするのが一般的である。また、図６に示すようにガスセパレータの一部を外部に突出させてネジ穴を設けた出力端子を構成し、このネジ穴にリード線を結線した端子をネジによって接続する方法も用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池のガスセパレータの素材である樹脂含浸カーボンは、ネジ穴の加工のような機械加工を施すことが難しい上に、加工時間がかかってしまうという難点があり、更にネジ穴をガスセパレータの内部に向けて形成するときには、ガスセパレータの機械的強度が低下するという難点がある。
【０００９】
また、ガスセパレータの側面にネジ穴などの出力端子を設けるときには、このネジ穴は小さい方が、ガスセパレータの厚さを薄くすることができるが、ネジ穴の小径化に伴い固定ネジが小さくなりすぎると、ドライバによるネジ締め作業は難しくなり、作業時間がかかって作業性が低下する。
【００１０】
そのためネジの小径化には限度があり、ガスセパレータ厚さは必然的に一定以上の厚さにせざるを得ないため、ガスセパレータの薄型化は難しく、燃料電池スタックの薄型化を妨げて全高が大きくなってしまうという弊害もあり、燃料電池スタックの小型化、材料費の削減が困難である。
【００１１】
一方、ガスセパレータの一部を突出させて電圧測定リード線を締め付けナットで固定する時には、締め付けナットの高さのスペースが必要で、この方式でもガスセパレータの薄型化は難しく、部品点数が増えて作業性が悪く、コストがかかり、またガスセパレータの材料費も高くなってしまう。
【００１２】
更に、ガスセパレータの製造コスト低減のため、プレス成型によりガスセパレータを作成する方法の場合、ガスセパレータの側面部の螺旋形状を持つネジ穴を金型で成型することが考えられるが、正確なネジ穴を金型だけで成形することは不可能であり、ガスセパレータを金型成型で作製した後に、機械加工によってネジ穴加工を施す必要があるため、加工時間および製造コストの増加につながってしまう。
【００１３】
また、金属材料をガスセパレータとして用いる場合にも、ガスセパレータの厚さの問題、機械的強度低下の問題、金型上の制約の問題は、上記した樹脂含浸カーボンの場合と変わらないものであった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の問題を解決するもので、固体高分子イオン交換薄膜１の両側を電極２で挟んで形成される薄膜電極接合体３と、この薄膜電極接合体３を挟んでその両側に燃料ガス流路４ａおよび酸化剤ガス流路４ｂを形成する導電性を有するガスセパレータ４とを設け、ガスセパレータ４によって挟まれた薄膜電極接合体３とガスセパレータ４とは単セル５を構成し、該単セル５を複数個直列に積層することで、燃料電池スタック６を構成する固体高分子電解質型燃料電池において、重ね合わせた複数個の前記ガスセパレータ４の間に外部と連通して形成したスリット７と、導電面を互いに外向きにして前記スリット７に嵌合するセル電圧測定線８とを設け、前記セル電圧測定線８を前記スリット７に嵌合して各単セル５の電圧を測定する構造を有するものである。
【００１５】
また、前記ガスセパレータ４の側面と連続する上下のいずれかの面または上下の両面に金型成型により凹部７ａを形成し、前記スリット７は単セル５を積層したときに燃料電池スタック６の側面に現れるガスセパレータ４の凹部７ａによって構成することで、ガスセパレータ４の作製に機械加工が不要となる。
【００１６】
また、前記セル電圧測定線８は導電面を互いに外向きにした２枚のカード型電線８ａ・８ｂで構成し、該カード型電線８ａ・８ｂの間に、絶縁性を有する弾性体９を挟み込んで形成するものであるから、単セル５を積層しながらセル電圧測定線８を間に挟み込んでいく作業の必要がなくなった。
【００１７】
また、２枚の前記カード型電線８ａ・８ｂの間に挟み込まれた弾性体９は、カード型電線８ａ・８ｂの先端もしくは側端から突出するように形成され、該弾性体９の突出した部分に凹ストッパ１０を設け、かつガスセパレータ４のスリット７内には弾性体９に設けた凹ストッパ１０に対応する凸ストッパ１１を設け、該凹ストッパ１０と凸ストッパ１１とを嵌合させる構造とすることで、セル電圧測定線８は容易に抜けることがなくなった。
【００１８】
【作用】
固体高分子電解質型燃料電池は、複数積層されたガスセパレータ４によって挟着された薄膜電極接合体３の両側の燃料ガス流路４ａおよび酸化剤ガス流路４ｂに、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを流しており、薄膜電極接合体３に接した２枚のガスセパレータ４間には電位が発生する。そして、前記薄膜電極接合体３に接した２枚のガスセパレータ４間には発電機能が生まれるので、このガスセパレータ４を多数積層することで希望する電圧が得られる燃料電池スタック６が構成できる。
【００１９】
この重ねあわせたガスセパレータ４の側面には外部に連通したスリット７が設けてあり、このスリット７にセル電圧測定線８を差し込むことで、セル電圧測定線８の互いに外向きに設けた導電面が電位差を持った２枚のガスセパレータ４に接触し、このセル電圧測定線８の他端において、その電位差を計測することで、ガスセパレータ４間の電位差を確認することが出来る。
【００２０】
【実施例】
実施例を示す図によって本発明を説明すると、１は燃料電池を構成部品である固体高分子イオン交換薄膜、２はこの固体高分子イオン交換薄膜１の両側に配置した電極、３は固体高分子イオン交換薄膜１と電極２を一体に形成した薄膜電極接合体、４はこの薄膜電極接合体３の電極２に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するために薄膜電極接合体３の両側を挟むように配置したガスセパレータであり、このガスセパレータ４の素材は樹脂含浸カーボンを使い成形によって作られている。
【００２１】
５は薄膜電極接合体３を２枚のガスセパレータ４で挟んで構成する燃料電池の基本の発電素子としての単セル、６は複数の前記単セル５を積層して構成した燃料電池スタックであり、複数個の単セル５を積層することで燃料電池として所定の電圧を得ることができる。
【００２２】
４ａはガスセパレータ４と片側の電極２との間に形成した燃料ガスを薄膜電極接合体３に供給するための燃料ガス流路、４ｂは他方のガスセパレータ４と電極２との間に形成した酸化剤ガスを薄膜電極接合体３に供給するための酸化剤ガス流路である。１２は燃料電池スタック６内のすべての燃料ガス流路４ａの入口側に連通して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管、１２ａは燃料電池スタック６内のすべての燃料ガス流路４ａの排気出口側に連通した燃料ガス排気管、１３は燃料電池スタック６内のすべての酸化剤ガス流路４ｂの入口側に連通して酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管、１３ａは燃料電池スタック６内のすべての酸化剤ガス流路４ｂの排気出口側に連通した酸化剤ガス排気管である。
【００２３】
ガスセパレータ４上の燃料ガス流路４ａには燃料ガス供給管１２から燃料ガスが供給されており、燃料ガス流路４ａ上を流れる燃料ガスは、薄膜電極接合体３上で水素イオンと電子に分かれ、水素イオンは薄膜電極接合体３を透過してカソードへ移動する。一方、薄膜電極接合体３を挟んで反対側のガスセパレータ４上の酸化剤ガス流路４ｂには酸化剤ガス供給管１３から酸化剤ガスが供給されており、酸化剤ガス中の酸素は、薄膜電極接合体３を透過してきた水素イオンと、前記燃料ガス流路４ａ側のガスセパレータ４から酸化剤ガス流路４ｂ側のガスセパレータ４に向かって図示しない外部回路を経由して流れてきた電子によって酸化反応を行なって水を生成する。そして、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を続けることで、この反応が継続して行なわれるので、外部回路には電流が流れつづけ、このとき得られた電流を取出すことで直流電気エネルギとして利用することができる。なお、この酸化反応に使用されなかった燃料ガスや酸化剤ガスは、燃料ガス排気管１２ａ及び酸化剤ガス排気管１３ａによって外部に排気される。
【００２４】
このように作動する燃料電池は基本構成である単セル５を直列に積層して所定の直流電圧が得られる燃料電池スタック６を形成しているから、複数の単セル５のうち、１つでも発電不能となれば、燃料電池スタック６の全体として期待した発電能力が不能となってしまうものである。
【００２５】
また、薄膜電極接合体３の破損により単セル５の発電が不能となった場合には、単セル５の内部で燃料ガスと酸化剤ガスが混合している可能性があり、もし、燃料ガスと酸化剤ガスが混合すれば、爆発・燃焼の恐れがあるため、電圧異常時には直ちに燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を直ちに停止する措置が必要であり、発電不能の単セル５は直ちに交換する必要がある。
【００２６】
このように、燃料電池発電システムにおいては、安全に発電するために燃料電池スタック６を形成する単セル５がガスセパレータ４間に各々正常な電圧を発生しているかを常に確認する必要がある。
【００２７】
この発明は上記の課題を解決するもので、図１乃至図２に示すように、７ａはガスセパレータ４の重ね合わせ部において外部と連通しながら形成した凹部、７はこのガスセパレータ４の凹部７ａによって外部と連通するように燃料電池スタック６の側面に形成したスリット、８は前記スリット７の内部のガスセパレータ４と接触するように導電面を互いに外側に向けたセル電圧測定線であり、該セル電圧測定線８をスリット７に嵌合すると重ね合わせたそれぞれのガスセパレータ４のスリット７の内部とセル電圧測定線８の外側に向いた導電面とが接触することができる。
【００２８】
前記ガスセパレータ４の燃料ガス流路４ａと酸化剤ガス流路４ｂには、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスが供給されており、薄膜電極接合体３を挟んだ２枚のガスセパレータ４間には電位差が生じている。そして、前記スリット７に嵌合してガスセパレータ４間に挟まれたセル電圧測定線８はそれぞれが接触する導電面がガスセパレータ４と同電位となるため、セル電圧測定線８の他端で、単セル５の起電力を測定することにより、前記燃料電池スタック６を構成する単セル５の発電不良を検出することができる。このため、故障となった単セル５の混じった燃料電池スタック６への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止し、故障した単セル５を修理する。
【００２９】
このように、ガスセパレータ４の側面にスリット７を構成したから、互いに外向きの導電面を有するセル電圧測定線８をこのスリット７に挿入して、単セル５の出力電圧を測定できるようになり、従来のネジ固定に比べてセル電圧測定線８の取付けの作業性が格段によくなった。また、従来のようにそれぞれのガスセパレータ４に加工性の悪いネジ穴を設ける必要がなくなり、２枚のガスセパレータ４の間にスリット７を形成するだけであるから、厚さを薄くすることができ、燃料電池スタック６の小型化が実現できた。
【００３０】
また、ガスセパレータ４を金型成形で作成するときに同時に形成できるスリット７であるから、後加工で作業しなければならなかったネジ穴のようなセル電圧測定線８を取付けるための特別な作業工程は不要になり、作業時間および製造コストを抑えることができた。またネジなどの部品が不要になり部品点数は少なくなり、材料費の削減が可能になる。
【００３１】
前記凹部７ａは上下２枚重ね合わせたガスセパレータ４の重ね合わせ面にそれぞれ構成しても良いが、このように両面に形成しなくとも、図１に示すように、片側だけのガスセパレータ４に凹部７ａを形成しても良い。この時も２枚のガスセパレータ４が重ね合わせればスリット７が形成でき、前記セル電圧測定線８によって単セル５の起電力を測定することができる。また、スリット７を構成する凹部７ａが片側であれば、ガスセパレータ４を成形する金型の製作が、一方の凹部７ａが省略できるから簡単になる。
【００３２】
また、８ａ・８ｂは前記セル電圧測定線８を構成する導電面を備えた２枚のカード型電線、９はこの２枚のカード型電線８ａ・８ｂ間に挟み込んで一体化するための絶縁牲を有する弾性体であり、燃料電池スタック６を形成した後に、セル電圧測定線８を前記スリット７に差し込むと、弾性体９が変形することにより挿入が可能であり、さらに、挿入後は弾性体９の復元力によりカード型電線８ａ・８ｂの導電面がスリット７内のガスセパレータ４に強く押し付けられるため、確実な電圧測定が可能であり、またセル電圧測定線８の抜け防止効果も得ることができる。
【００３３】
また、図３に示すように、１０はカード型電線８ａ・８ｂの先端から更に突出させた絶縁性を有する弾性体９の上下面に形成した凹ストッパ、１１はガスセパレータ４に形成した凹部７ａに設けた凸ストッパであり、このガスセパレータ４の凸ストッパ１１は前記弾性体９の凹ストッパ１０と嵌合する構造とし、前記セル電圧測定線８は燃料電池スタック６の側面に形成されるスリット７に押し込まれる。このため、前記弾性体９は変形しながらカード型電線８ａ・８ｂと一緒にスリット７へ挿入され、凸ストッパ１１と凹ストッパ１０とが嵌合し、更に、弾性体９の復元力がカード型電線８ａ・８ｂの導電面を２枚のガスセパレータ４の間に形成したスリット７の内面を押す方向に働くため、従来の固定ネジを使用する時のように強固に取付けでき、セル電圧測定線８の抜け防止性能をより高めることができた。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明では、固体高分子電解質型燃料電池の単セル５を構成する薄膜電極接合体３の起電力を測定するために２枚のガスセパレータ４の間に外部に連通するスリット７を設け、このスリット７にセル電圧測定線８の互いに外向きにした導電面がガスセパレータ４に密着することで、簡単に起電力が測定できるようになった。また、このスリット７の隙間は狭くすることができるので、固体高分子電解質型燃料電池のガスセパレータ４の薄型化を可能とし、単セル５を積み重ねて一体化した燃料電池スタック６がコンパクトに実現できた。
【００３５】
また、前記セル電圧測定線８は従来のように固定ネジを用いて直接ガスセパレータ４に固定する必要はなく、燃料電池スタック６に固定するためには、作業時間の短縮が難しいネジ締め作業を行なう必要がなくなり、作業性が向上した。
【００３６】
またセル電圧測定線８を差し込むためのスリット７を形成するガスセパレータ４の側面に接する上下面のいずれか、または両面に設けられた凹部７ａはガスセパレータ４を金型成型により製造する場合にも容易に形成可能であり、機械加工によるネジ穴を必要としないため、より安価に製造することが可能である。
【００３７】
また、前記セル電圧測定線８は２枚のカード型電線８ａ・８ｂの間に、絶縁性を有する弾性体９を挟み込むことにより構成したから、燃料電池スタック６を組立後にセル電圧測定線８を燃料電池スタック６のスリット７に差し込んでも、間の弾性体９が圧縮することで正しい位置に接続可能であり、前記セル電圧測定線８が容易に抜け落ちないようになった。
【００３８】
またセル電圧測定線８を構成する２枚のカード型電線８ａ・８ｂの間に挟み込んだ弾性体９は、その先端または側端のカード型電線８ａ・８ｂよりも突出した部位に凹ストッパ１０を設け、また、ガスセパレータ４のスリット７内には、該凹ストッパ１０に嵌合する凸ストッパ１１を設けたことで、セル電圧測定線８をスリット７に挿入した後からは、このセル電圧測定線８が更に抜けにくくなったものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池の単セル部を示す要部断面図。
【図２】この発明のセル電圧測定線による電圧測定部を示す斜視図である。
【図３】この発明の他の実施例のセル電圧測定線による電圧測定部を示す要部断面図である。
【図４】この発明の燃料電池の全体構成を示す正面図である。
【図５】従来の電圧測定状態を示す斜視図である。
【図６】従来の他の実施例の電圧測定状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１固体高分子イオン交換薄膜
２電極
３薄膜電極接合体
４ガスセパレータ
４ａ燃料ガス流路
４ｂ酸化剤ガス流路
５単セル
６燃料電池スタック
７スリット
７ａ凹部
８セル電圧測定線
８ａカード型電線
８ｂカード型電線
９弾性体
１０凹ストッパ
１１凸ストッパ

Claims

固体高分子イオン交換薄膜１の両側を電極２で挟んで形成される薄膜電極接合体３と、この薄膜電極接合体３を挟んでその両側に燃料ガス流路４ａおよび酸化剤ガス流路４ｂを形成する導電性を有するガスセパレータ４とを設け、ガスセパレータ４によって挟まれた薄膜電極接合体３とガスセパレータ４とは単セル５を構成し、該単セル５を複数個直列に積層することで、燃料電池スタック６を構成する固体高分子電解質型燃料電池において、
重ね合わせた複数個の前記ガスセパレータ４の間に外部と連通して形成したスリット７と、導電面を互いに外向きにして前記スリット７に嵌合するセル電圧測定線８とを設け、前記セル電圧測定線８を前記スリット７に嵌合して各単セル５の電圧を測定することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧測定部構造。
前記ガスセパレータ４の側面と連続する上下のいずれかの面または上下の両面に金型成型により凹部７ａを形成し、
前記スリット７は単セル５を積層したときに燃料電池スタック６の側面に現れるガスセパレータ４の凹部７ａによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧測定部構造。
前記セル電圧測定線８は導電面を互いに外向きにした２枚のカード型電線８ａ・８ｂで構成し、該カード型電線８ａ・８ｂの間に、絶縁性を有する弾性体９を挟み込んで形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧測定部構造。
２枚の前記カード型電線８ａ・８ｂの間に挟み込まれた弾性体９は、カード型電線８ａ・８ｂの先端もしくは側端から突出するように形成され、該弾性体９の突出した部分に凹ストッパ１０を設け、かつガスセパレータ４のスリット７内には弾性体９に設けた凹ストッパ１０に対応する凸ストッパ１１を設け、該凹ストッパ１０と凸ストッパ１１とを嵌合させたことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧測定部構造。