JP2004055296A

JP2004055296A - Separator for fuel cell, power generation cell, and fuel cell

Info

Publication number: JP2004055296A
Application number: JP2002209963A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takai; 高井　雄一
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generating cell with high corrosion resistance, high conductivity, capable of miniaturizing and thinning, enhancing productivity, and reducing a cost. <P>SOLUTION: Conductive layers 19a, 19b are formed on surfaces of separators 11, 12 made of insulating materials, and connecting terminals 20a, 20b, 38a and 38b connected to the conductive layers by inner wiring are installed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に用いられるセパレータ、このセパレータと膜・電極接合体とを有してなる発電セル、及び複数個の発電セルが積み重ねられた発電セル積層体を備えてなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、燃料気体を供給することにより発電体に電力を発生させる装置であり、供給されるガスの化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するので、高い発電効率が期待できる。
【０００３】
従来の燃料電池としては、例えば、図１２に示すような構造のものが知られている。この燃料電池１は、高分子電解質膜が中央に配置された膜・電極接合体２と、この膜・電極接合体２の一面側に配置された燃料電極側セパレータ３と、膜・電極接合体２の他面側に配置された酸化剤電極側セパレータ４とを有している。両セパレータ３，４で膜・電極接合体２を挟み込み、これらを締め付けることによって１個の発電セルが形成され、この発電セルを複数個積み重ねることによって燃料電池が構成されている。
【０００４】
膜・電極接合体２は、中央の高分子電解質膜５と、この高分子電解質膜５の一面側に配置された燃料側電極６と、高分子電解質膜５の他面側に配置された酸化剤側電極７とから構成されている。更に、燃料側電極６は、互いに接合された燃料極触媒層６ａと多孔質支持層６ｂとからなり、燃料極触媒層６ａが高分子電解質膜５に接触されている。また、酸化剤側電極７は、互いに接合された酸化剤極触媒層７ａと多孔質支持層７ｂとからなり、酸化剤極触媒層７ａが高分子電解質膜５に接触されている。
【０００５】
燃料電極側セパレータ３には燃料が流通される複数の溝が形成されており、その一面が燃料側電極６の多孔質支持層６ｂに接触され、これにより燃料の流通路８が形成されている。また、酸化剤電極側セパレータ４には酸化剤が流通される複数の溝が形成されており、その一面が酸化剤側電極７の多孔質支持層７ｂに接触され、これにより酸化剤の流通路９が形成されている。
【０００６】
このような燃料電池のセパレータの材質としては、導電性のカーボン系材料を機械加工や成形によって作ったもの、或いは金属プレートを用いたもの等が使用されている。このセパレータには、ガス不透過性、導電性、耐食性、機械的強度、低コスト等が要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のカーボン系材料のセパレータを用いたスタック型の燃料電池の場合、セパレータを薄くすると機械的強度が低くなるためセパレータを薄くすることができず、また、カーボン系材料の導電性が低いために抵抗成分が増加したり別に集電板が必要になり、しかも微細加工がし難い等の問題がある。そのため、カーボン系材料のセパレータを用いた場合には、燃料電池の小型化、薄型化が困難であるという課題があった。一方、金属製のセパレータを用いた燃料電池の場合には、低コスト化を図ることはできるが、耐食性の点で非常に劣るという課題があった。
【０００８】
更に、セパレータがカーボン系材料及び金属材料のいずれの場合においても、材料そのものが導電性を有するため、複数の発電セルをスタックする場合には、必然的に膜・電極接合体とセパレータを交互に配置して積層する構造となる。その結果、複数の発電セルは機械的にも電気的にも直列に接続されることになるが、個々の発電セルを機械的、電気的に制御するという要求が生じた場合には、これに対処し難いという不十分な点がある。また、燃料電池の量産性を考慮すると、全てのセパレータ及び膜・電極接合体を積層・組立して始めて動作確認が可能となる従来のスタック構造の燃料電池では、歩留りが悪く、コスト面で問題が残るという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、耐食性と導電性の両面に優れ、装置の小型化、薄型化が可能であり、生産性に優れ、コストダウンを図ることが可能であって、上述したような課題を解決することができるセパレータ、発電セル及び燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題等を解決し、上記目的を達成するために、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータは、絶縁材料で形成された基板の表面に、導電体層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータは、導電体層によって集電を行うことを特徴としている。
【００１２】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータは、導電体層によって電気回路が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータは、基板には、燃料、酸化剤ガス、生成水等の流体が流通される流路が形成されていることを特徴としている。
【００１４】
本出願の請求項５記載の発電セルは、絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、を有することを特徴としている。
【００１５】
本出願の請求項６記載の発電セルは、一対のセパレータには、外部と電気的に接続するための接続端子が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
本出願の請求項７記載の燃料電池は、絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、を有する発電セルが複数個設けられ、複数個の発電セルが互いに積み重ねられて積層されると共に、複数個の発電セル間が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴としている。
【００１７】
本出願の請求項８記載の燃料電池は、発電セルが複数個積み重ねられることによって形成される発電セル積層体を有し、発電セル積層体が複数個配列されると共に、複数個の発電セル積層体が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴としている。
【００１８】
上述のように構成したことにより、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータでは、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを作ることができる。
【００１９】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータでは、絶縁材料を基材としながらもセパレータに電気を集めることができる。
【００２０】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータでは、セパレータに電気配線を形成することができ、電気的接続のための多様な接続形態を採ることができる。
【００２１】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータでは、絶縁材料を基板とした積層技術等を応用することにより、燃料、酸化剤ガス等の流体が流通される微細な流路を形成することができ、セパレータの小型化、薄型化を図ることができる。
【００２２】
本出願の請求項５記載の発電セルでは、絶縁基板と導電体層の材料をそれぞれ個別に選択することにより、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを有し、耐久性に優れた発電セルを提供することができる。
【００２３】
本出願の請求項６記載の発電セルでは、積層体中の１個の発電セルを独立した１個の燃料電池として取り扱うことを可能とすることができる。
【００２４】
本出願の請求項７記載の燃料電池では、発電セルの良品のみを選別して組立生産することができ、歩留りの向上、コスト削減が可能な燃料電池を提供することができる。また、修理時の部品交換も容易に行うことができる。
【００２５】
本出願の請求項８記載の燃料電池では、独立した発電セル積層体を任意に配置して燃料電池を構成することができ、様々な寸法、サイズの燃料電池を作ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１乃至図１１は本発明の実施の例を示すものである。即ち、図１は本発明の発電セルの第１の実施例を示す組立前の断面図、図２は図１に示す酸化剤電極側セパレータの平面図、図３は同じく正面図、図４は図１に示す燃料電極側セパレータの平面図、図５は同じく正面図、図６は同じく分解斜視図、図７は本発明の第１の実施例に係る発電セルを３個積層した発電セル積層体の一実施例を示す断面図、図８は本発明の発電セルの第２の実施例を示す組立前の断面図、図９Ａ，Ｂは本発明の発電セルの第３の実施例を示す平面図及び正面図、図１０は図９Ｂの要部を拡大して示す説明図、図１１は本発明の燃料電池の一実施例を示す斜視図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の発電セルの第１の実施例を示す発電セル１０は、２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２と、２個の膜・電極接合体１３，１４と、燃料電極側セパレータ１５とを備えて構成されている。２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２は同一のものを用いることができるが、異なる形状、構造を有するものであってもよい。この実施例では、２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２として、同一のものが使用されている。
【００２８】
図２及び図３に示すように、酸化剤電極側セパレータ１１，１２は、矩形をなす薄い平板状の部材からなり、その一方の面には、一方の辺から他方の辺まで連続する複数の連通溝１７が、互いに所定間隔あけて平行に延在されて設けられている。そして、各連通溝１７の中途部には、他方の面まで貫通する貫通穴１８が設けられている。この連通溝１７により、酸素、空気等の酸化剤が流れる流路が構成され、また、貫通穴１８により、酸化剤を取り入れるための酸化剤供給口が構成されている。この酸化剤供給口１８から酸化剤が、ファン等で内部に供給可能とされている。
【００２９】
尚、酸化剤供給口１８は、これとは異なる構成として、例えば、大気に開放された窓として構成することもできる。また、例えば、酸化剤供給口１８に圧力送風装置等を接続し、流体の密閉された圧送用流路として構成してもよい。
【００３０】
酸化剤電極側セパレータ１１，１２の材質としては、セラミックス、ガラス、シリコン等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料、或いはガラス繊維入りエポキシ樹脂のような有機・無機混成の材料を用いることができる。その結果、これらの材料によって形成された酸化剤電極側セパレータ１１，１２は、絶縁性を有する絶縁基板として構成される。特に好ましい材質としては、強度や微細加工の容易性等を考慮すると、セラミックス、シリコン等の無機材料が好適である。
【００３１】
各セパレータ１１，１２の連通溝１７が設けられた面と反対側の面は、全面に渡って平滑な平面とされている。かかるセパレータ１１，１２の平面の、膜・電極接合体１３，１４の電極が接触する部分には、集電のための導電体層１９ａ，１９ｂが設けられている。導電体層１９ａ，１９ｂは、例えば、金属のメッキやスパッタ等の薄膜によって形成される。この導電体層１９ａ，１９ｂの材質としては、導電性、耐食性に優れた材料が好ましい。
【００３２】
更に、各セパレータ１１，１２には、外部の電子機器等と電気的に接続するか他の発電セルのセパレータ１１，１２と電気的に接続するための接続端子２０ａ，２０ｂが設けられている。第１の酸化剤電極側セパレータ１１の接続端子２０ａは、その導電体層１９ａと接続されていないが、第２の酸化剤電極側セパレータ１２の接続端子２０ｂは、その導電体層１９ｂと接続されている。これら接続端子２０ａ，２０ｂは、ランド型、ピン型その他各種のものを用いることができ、その形状、接続方法等を問うものではない。
【００３３】
２個の膜・電極接合体１３，１４は、異なる形状、構造を有するものであってもよいが、この実施例では、同一の形状、構造を有する同一のものが使用されている。膜・電極接合体１３，１４は、中央に配置された略矩形をなすイオン伝導体膜２１と、このイオン伝導体膜２１の両面に接合された触媒電極２２，２３と、これら触媒電極２２，２３の外側に接合されたガス拡散層２４，２５とから構成されている。
【００３４】
触媒電極２２，２３及びガス拡散層２４，２５は、イオン伝導体膜２１の四辺に所定幅の縁取り部ができるように若干小さく形成されている。そして、イオン伝導体膜２１の縁取り部辺には、ガスシールするためのガスケット２６が取り付けられている。図２に示す符号Ｅは、膜・電極接合体１３，１４の輪郭を現しており、各セパレータ１１，１２に対して、このような寸法関係をもって配置される。
【００３５】
燃料電極側セパレータ１５は、図４〜図６に示すような構成を有している。即ち、燃料電極側セパレータ１５は、矩形をなす薄い板状の部材からなり、その四辺のうちの一辺のみには、他の部分よりも肉厚とされたボス部２８が設けられている。燃料電極側セパレータ１５のボス部２８は、所定の幅をもって一辺の全長に渡って形成されており、その長手方向の一側には燃料供給口２９が設けられ、長手方向の他側には燃料排出口３０が設けられている。
【００３６】
燃料電極側セパレータ１５の中央部には、一面側に開口された略矩形をなす第１の凹陥部３１と、他面側に開口された略矩形をなす第２の凹陥部３２とが設けられている。これら第１及び第２の凹陥部３１，３２内には、組立時において、上述した膜・電極接合体１３，１４が収納される。更に、両凹陥部３１，３２間に残された肉厚部には、燃料供給用の流路３３が設けられている。この流路３３は、各凹陥部３１，３２の表面において略全面に渡って展開されるように幾重にも折り曲げられたつづら折り状の表面流路部３４ａ，３４ｂと、これら表面流路部３４ａ，３４ｂと燃料供給口２９とを連通する供給側連通部３５ａと、表面流路部３４ａ，３４ｂと燃料排出口３０とを連通する排出側連通部３５ｂとを有している。
【００３７】
流路３３が複雑な形状を有し、しかも、その流路３３が肉厚の極めて薄い部分に形成されている。そのため、この実施例では、図６に示すように、燃料電極側セパレータ１５を複数個のパーツに分解し、それらパーツを組み合わせて一体化させることによって燃料電極側セパレータ１５が作られている。即ち、燃料電極側セパレータ１５は、上から順に重ね合わされる、上ボス板４０と上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５と下ボス板４６とから構成されている。
【００３８】
上ボス板４０及び下ボス板４６は、同様の形状及び大きさを有する薄い棒状の部材からなり、これらは燃料電極側セパレータ１５のボス部２８に対応されている。更に、下ボス板４６には、燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ａと排出口用穴３０ａとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ上下方向へ貫通するように設けられている。
【００３９】
上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５とは、略同じ大きさを有する矩形の薄い板状の部材によって形成されている。上枠板４１と下枠板４５には、略矩形をなす開口部が表裏面間を貫通するようにそれぞれ設けられている。これらの開口部によって上述した第１及び第２の凹陥部３１，３２が形成されている。更に、下枠板４５の一辺で上記供給口用穴２９ａ及び排出口用穴３０ａと対応する位置には、同じく燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ｂと排出口用穴３０ｂとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ設けられている。
【００４０】
上流路板４２と下流路板４４には、つづら折り状に複数箇所で折り曲げられた表面流路部３４ａ，３４ｂが表裏面間を貫通するように設けられている。各表面流路部３４ａ，３４ｂは、上下のボス板４０，４６が延びる方向に延在され且つ互いに平行に配置された複数の直線部と、これら直線部の両端部を曲線によって連通する複数の曲線部との組み合わせによって形成されている。更に、下流路板４４の一辺で上記供給口用穴２９ｂ及び排出口用穴３０ｂと対応する位置には、同じく燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ｃと排出口用穴３０ｃとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ設けられている。
【００４１】
また、連通路板４３には、上下のボス板４０，４６が延びる方向と直交する方向に延在され且つ互いに平行に配置された供給側連通部３５ａと排出側連通部３５ｂとが設けられている。供給側連通部３５ａの一端は下流路板４４の供給口用穴２９ｃと対応する位置に設けられ、その他側に上下の表面流路部３４ａ，３４ｂの曲線部が複数箇所でそれぞれ連通されている。一方、排出側連通部３５ｂの一端は下流路板４４の排出口用穴３０ｃと対応する位置に設けられ、その他端に上下の表面流路部３４ａ，３４ｂの最もボス板４０，４６に近い側の直線部の一端がそれぞれ連通されている。
【００４２】
このような構成を有する上ボス板４０と上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５と下ボス板４６とを重ね合わせて一体化させることにより、上述した燃料電極側セパレータ１５が構成されている。
【００４３】
この燃料電極側セパレータ１５の材質としては、上述した酸化剤電極側セパレータ１１，１２と同様に、セラミックス、ガラス、シリコン等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料、或いはガラス繊維入りエポキシ樹脂のような有機・無機混成の材料を用いることができ、絶縁性を有する絶縁基板として構成される。特に、強度や微細加工の容易性等を考慮すると、セラミックス、シリコン等の無機材料が好ましいことも同様である。尚、燃料としては、例えば、水素ガス、メタノール等が使用される。
【００４４】
この実施例においては、上述した各パーツをセラミックスで形成すると共に、各パーツが重ね合わされた積層体を、高温で加熱して焼結し又は溶融させて一体化させるようにしている。そして、上下の膜・電極接合体１３，１４の各電極部が接触する部分に、集電のための導電体層３７ａ，３７ｂが設けられている。更に、燃料電極側セパレータ１５のボス部２８と反対側の縁部分には各導電体層３７ａ，３７ｂに接続された接続端子３８ａ，３８ｂを設け、これら接続端子３８ａ，３８ｂの先端部が第１の酸化剤電極側セパレータ１１側に露出されている。一方の接続端子３８ａは酸化剤電極側セパレータ１１の接続端子２０ａに対向され、他方の接続端子３８ｂは酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａに対向される。
【００４５】
このような構成を有する発電セル１０は、次のようにして簡単に組み立てることができる。まず、燃料電極側セパレータ１５の第１の凹陥部３１に第１の膜・電極接合体１３を嵌め込み、第２の凹陥部３２に第２の膜・電極接合体１４を嵌め込む。次に、燃料電極側セパレータ１５の第１の凹陥部３１側に第１の酸化剤電極側セパレータ１１を重ね合わせ、第２の凹陥部３２側に第２の酸化剤電極側セパレータ１２を重ね合わせる。その後、これら３個のセパレータ１１，１２及び１５を堅く締め付けて、或いは接着等の方法によって一体化させることにより、１個の発電セル１０が構成される。
【００４６】
この場合、第１の酸化剤電極側セパレータ１１に設けた導電体層１９ａが第１の膜・電極接合体１３の第１のガス拡散層２４を介して第１の触媒電極２２に接続される。そして、第１の膜・電極接合体１３の第２の触媒電極２３が第２のガス拡散層２５を介して燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａに接続される。同様に、第２の酸化剤電極側セパレータ１２に設けた導電体層１９ｂが第２の膜・電極接合体１４の第１のガス拡散層２４を介して第１の触媒電極２２に接続される。そして、第２の膜・電極接合体１４の第２の触媒電極２３が第２のガス拡散層２５を介して燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂに接続される。
【００４７】
更に、燃料電極側セパレータ１５の第２の接続端子３８ｂが第１の酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａに接続される。そして、燃料電極側セパレータ１５の第１の接続端子３８ａが第１の酸化剤電極側セパレータ１１の第１の接続端子２０ａに接続される。また、燃料電極側セパレータ１５の第１及び第２の凹陥部３１，３２内において、各膜・電極接合体１３，１４に設けたガスケット２６が圧縮されるため、各膜・電極接合体１３，１４が密閉された状態に保持される。
【００４８】
このように組み立てられた発電セル１０によれば、例えば、次のようにして発電が行われる。まず、水素ガスやメタノール等の燃料が燃料供給口２９から燃料電極側セパレータ１５内に導入される一方、空気や酸素等の酸化剤が第１及び第２の酸化剤電極側セパレータ１１の連通溝１７に流通される。
【００４９】
燃料供給口２９から供給された燃料は、供給側連通部３５ａを介して上下の表面流路部３４ａ，３４ｂ内に入り込み、第１及び第２の膜・電極接合体１３，１４の第２のガス拡散層２５及び触媒電極２３を介してイオン伝導体膜２１にそれぞれ接触される。一方、連通溝１７に流通された酸化剤は、各酸化剤電極側セパレータ１１，１２の貫通穴１８から取り込まれ、第１及び第２の膜・電極接合体１３，１４の第１のガス拡散層２４及び触媒電極２２を介してイオン伝導体膜２１にそれぞれ接触される。
【００５０】
その結果、燃料として供給される水素ガス（Ｈ_２）と酸化剤として供給される酸素（Ｏ_２）とが反応して、これにより所望の起電力が燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａと酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａの間、及び燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂと酸化剤電極側セパレータ１２の導電体層１９ｂの間から取り出される。これらの導電体層１９ａ，１９ｂ，３７ａ，３７ｂに集められた起電力は、第１及び第２の接続端子３８ａ，３８ｂを経由して接続端子２０ａ，２０ｂから外部に取り出すことができる。
【００５１】
この実施例によれば、１個の発電セル１０が２個の発電要素を有するため、２個の発電セルを互いに直列に接続した場合と同様の効果を得ることができる。例えば、１個の発電要素で得られる起電力が０．７Ｖ（ボルト）であるとすると、その２倍の１．４Ｖの起電力が発電セル１０の出力として得られる。
【００５２】
この実施例においては、燃料電極側セパレータ１５に燃料排出口３０を設け、この燃料排出口３０を燃料の流路３３と連通させる構成としたが、燃料供給口２９から入った燃料は流路３３を通って燃料排出口３０から出ていく間に消費されるため、燃料排出口３０を設けない構造とすることもできる。また、燃料供給口２９を燃料電極側セパレータ１５と一体に構成したが、別部品として継ぎ手等を設けて燃料供給口とする構成としてもよい。更に、この実施例では、燃料供給のための流路を２個の膜・電極接合体１３，１４が表裏両側から共有する構造としたため、発電セル全体の厚みをより薄くすることが可能となった。
【００５３】
図７は、上述した発電セル１０を３個積層させて発電セル積層体５０を構成し、この発電セル積層体５０を燃料電池とした実施例を示すものである。この場合、発電セル１０が上述したような構成を有するため、３個の発電セル１０を単に縦方向に積み重ねるだけで、上下の発電セル１０間を電気的に接続することができる。この際、燃料電極側セパレータ１５の燃料供給口１５は、図示したように、ボス部２８の上下方向に貫通させる構成にするとよい。そして、各燃料供給口１５を、互いにリークのない状態でシールし、すべての発電セル１０を締め付けて固定する。
【００５４】
この実施例の発電セル積層体５０では、各発電セル１０によって発電された起電力は、次のようにして伝達されて一箇所に集められる。まず、下段の発電セル１０によって発電された起電力は、その第１の接続端子２０ａから中段の発電セル１０の下側の第２の接続端子２０ｂを介して第２の導電体層１９ｂに伝達される。ここから起電力は、第２の膜・電極接合体１４を介して燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂに伝達される。そして、第２の導電体層３７ｂの第２の接続端子３８ｂから上側の第１の導電体層１９ａを経た後、第１の膜・電極接合体１３を介して燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａに伝達される。
【００５５】
その後、第１の接続端子３８ａから第１の接続端子２０ａを介して上段の発電セル１０に伝達される。この上段の発電セル１０においても、中段の発電セル１０と同様の経路を経て伝達され、最終的に第１の酸化剤電極側セパレータ１１の第１の接続端子２０ａから取り出される。この実施例によれば、６個の発電要素を互いに直列に接続した場合と同様の効果を得ることができる。例えば、１個の発電要素で得られる起電力が０．７Ｖであるとすると、その６倍の４．２Ｖが、発電セル積層体５０の出力として得られる。
【００５６】
また、この実施例に係る発電セル積層体５０によれば、酸化剤供給用の流路１７を上下２個の発電セル１０で共有する構造となっているため、燃料電池全体の高さをより薄くすることができる。更に、酸化剤の供給や生成水の処理を、より一層簡便化することもできる。
【００５７】
図８は、本発明の発電セルの第２の実施例を示すものである。この発電セル６０は、１個の発電要素を有するもので、酸化剤電極側セパレータ６１と燃料電極側セパレータ６２と膜・電極接合体６３とから構成されている。酸化剤電極側セパレータ６１の構成は、上記実施例の第２の酸化剤電極側セパレータ１２と略同様であり、一面には複数の連通溝１７が設けられ、他面には導電体層６４ａが設けられている。そして、導電体層６４ａには接続端子６５ａが接続されている。この酸化剤電極側セパレータ６１が酸化剤電極側セパレータ１２と異なるところは、燃料供給口６６ａ及び燃料排出口（図示せず）を設けた点である。
【００５８】
燃料電極側セパレータ６２は、上述した燃料電極側セパレータ１５の下半分を取り除いたような構成とされている。即ち、燃料電極側セパレータ６２は、矩形をなす薄い板状の部材からなり、その一面にのみ膜・電極接合体６３が収納される凹陥部６７が設けられている。この凹陥部６７内には、燃料が流通される流路６８が形成されている。この流路６８は、１個の表面流路部と供給側連通部及び排出側連通部とからなり、供給側連通部に燃料供給口６６ｂが連通され、排出側連通部に燃料排出口が連通されている。
【００５９】
更に、燃料電極側セパレータ６２の凹陥部６７内には、導電体層６４ｂが設けられている。そして、導電体層６４ｂには、外部の機器等と接続するための接続端子６５ｂが接続されている。膜・電極接合体６３は、上記実施例と同様のものである。この膜・電極接合体６３が燃料電極側セパレータ６２の凹陥部６７内に収納され、これを挟み込むように酸化剤電極側セパレータ６１が燃料電極側セパレータ６２に重ね合わされ、両セパレート６１，６２をシールして固定することにより、発電セル６０が構成される。
【００６０】
この発電セル６０を複数個積層し、一体的に固定することによって燃料電池が構成される。また、複数の発電セル６０を平面上に並べて平面配列とすることにより、薄型の燃料電池を構成することができる。
【００６１】
図９Ａ，Ｂ及び図１０は、本発明の発電セルの第３の実施例を示すものである。この発電セル７０は、上述した第１の実施例に係る発電セル１０の構成を若干変更すると共に、２個の発電要素を並列に接続して出力を取り出すようにしたものである。図９Ａ，Ｂに示すように、発電セル７０は、２個の酸化剤電極側セパレータ７１，７２と、２個の膜・電極接合体７３，７４と、燃料電極側セパレータ７５とを備えて構成されている。
【００６２】
第１の酸化剤電極側セパレータ７１は、上述した第１の酸化剤電極側セパレータ１１と同様の構成を有している。そして、酸化剤電極側セパレータ７１の一面には複数の連通溝１７が形成され、他面には第１の導電体層７６ａが設けられている。第２の酸化剤電極側セパレータ７２は、燃料電極側セパレータ７５と同一の大きさとされていて、一面には複数の連通溝１７が形成され、他面には、第２の膜・電極接合体７４を収納するための凹陥部７７ａが設けられている。そして、凹陥部７７ａの内面には第２の導電体層７６ｂが設けられている。更に、酸化剤電極側セパレータ７２には、燃料供給口７８ａと燃料排出口７９ａとが設けられている。そして、これら燃料供給口７８ａ及び燃料排出口７９ａの内面には、シール材が装着される凹部８０ａが設けられている。
【００６３】
燃料電極側セパレータ７５の一面には、第１の膜・電極接合体７３を収納するための凹陥部７７ｂと、一面側にのみ突出するボス部７１ａとが設けられている。そして、ボス部７１ａには、酸化剤電極側セパレータ７２の燃料供給口７８ａ及び燃料排出口７９ａと連通される燃料供給口７８ｂ及び燃料排出口７９ｂが設けられている。そして、ボス部７１ａの酸化剤電極側セパレータ７２と反対側の面には、シール材が装着される凹部８０ｂが設けられている。更に、凹陥部７７ｂの内面には下側導電体層８１ａが設けられ、反対側の面には上側導電体層８１ｂが設けられている。そして、燃料電極側セパレータ７５には、燃料電極側セパレータ１５に設けた流路３３と同様の構成を有する流路８２が設けられている。
【００６４】
このような構成を有する発電セル７０の２個の膜・電極接合体７３，７４は、例えば、図１０に示すように配線して互いに電気的に接続するようにする。即ち、第１の酸化剤電極側セパレータ７１の第１の導電体層７６ａと第２の酸化剤電極側セパレータ７２の第２の導電体層７６ｂを接続し、これを取り出すことによってプラス側の電極取出部が得られる。また、燃料電極側セパレータ７５の下側導電体層８１ａと上側導電体層８１ｂを接続し、これを取り出すことによってマイナス側の電極取出部が得られる。
【００６５】
これにより、２個の発電要素が並列接続された燃料電池が構成される。この場合、１個の発電要素当たりの起電力が０．７Ｖであるものとすると、両電極取出部からは、同じく０．７Ｖの起電力が出力される。
【００６６】
図１１は、上述した発電セル１０を用いて、カード型燃料電池９０を構成したものである。このカード型燃料電池９０は、矩形状をなす配線基板９１と、この配線基板９１上に横２列で３個ずつ合計６個並べられた発電セル１０と、同じく配線基板９１上に搭載された制御回路部９２と、発電セル１０に風を送って冷却させる２個のファン９３と、接続部９４等を備えて構成されている。
【００６７】
このようなカード型燃料電池９０によれば、例えば、ＰＣカードとして標準化されたサイズ（ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズ）に構成することにより、カードサイズの燃料電池として用いることができると共に、単なる発電デバイスとしてではなく情報処理機構も備えた電池として用いることもできる。
【００６８】
以上説明したが、本発明は上記実施の例に限定されるものではなく、例えば、図１に示した実施例の変形例として、２個の膜・電極接合体を、それらの酸化剤電極を内側に向けて内蔵する構成とすることができ、また、３個以上の膜・電極接合体を内蔵する構成としてもよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できるものである。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータによれば、基板の表面に導電体層を設け、絶縁材料と導電材料とを個別に選択できるように構成したため、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを作ることができるという効果を得ることができる。
【００７０】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータによれば、導電体層で集電を行う構成としたため、絶縁材料を基板としたセパレータ側に電気を集めることができるという効果を得ることができる。
【００７１】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータによれば、導電体層で電気回路を形成することにより、セパレータに電気配線を形成することができ、電気的接続のための多様な接続形態を採ることができるという効果を得ることができる。
【００７２】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータによれば、絶縁材料を基板とした積層技術等を利用して基板に流路を形成することにより、燃料、酸化剤ガス等の流体が流通される微細な流路を形成することができ、セパレータの小型化、薄型化を図ることができるという効果を得ることができる。
【００７３】
本出願の請求項５記載の発電セルによれば、導電体層が設けられた一対のセパレータで膜・電極接合体を挟持する構成とし、セパレータの材料として絶縁基板と導電体層の材料をそれぞれ個別に選択することとしたため、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを有し、耐久性に優れた発電セルを提供することができるという効果を得ることができる。
【００７４】
本出願の請求項６記載の発電セルによれば、一対のセパレータに接続端子を設ける構成としたため、１個の発電セルを独立した１個の燃料電池として取り扱うことを可能とすることができるという効果を得ることができる。
【００７５】
本出願の請求項７記載の燃料電池によれば、複数個の発電セルを積層させて発電セル間を電気的に直列又は並列に接続する構成としたため、発電セルの良品のみを選別して組立生産することができ、歩留りの向上、コスト削減が可能な燃料電池を提供することができるという効果を得ることができる。
【００７６】
本出願の請求項８記載の燃料電池によれば、複数の発電セル積層体を複数個配列し、発電セル積層体間を電気的に直列又は並列に接続する構成としたため、独立した発電セル積層体を任意に配置して燃料電池を構成することができ、様々な寸法、サイズの燃料電池を作ることができるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電セルの第１の実施例を示す組立前の断面図である。
【図２】本発明の発電セルの第１の実施例に係る酸化剤電極側セパレータを示す平面図である。
【図３】本発明の発電セルの第１の実施例に係る酸化剤電極側セパレータを示す正面図である。
【図４】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータを示す平面図である。
【図５】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータの中央部を断面して示す説明図である。
【図６】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータを分解して示す斜視図である。
【図７】本発明の発電セルの第１の実施例を３個積層して構成した発電セル積層体の一実施例を示す断面図である。
【図８】本発明の発電セルの第２の実施例を示す組立前の断面図である。
【図９】本発明の発電セルの第３の実施例を示すもので、同図Ａは平面図、同図Ｂは中央部断面図である。
【図１０】図９Ｂの要部を拡大して示す回路説明図である。
【図１１】本発明の発電セルを用いた燃料電池の実施例を示す斜視図である。
【図１２】従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０，６０，７０　発電セル、　１１，１２，６１，７１，７２　酸化剤電極側セパレータ、　１３，１４，６３，７３，７４　膜・電極接合体、　１５，６２，７５　燃料電極側セパレータ、　１７　連通溝、　１８　貫通穴、　１９，１９ａ，１９ｂ，３７ａ，３７ｂ，６４ａ，６４ｂ，７６ａ，７６ｂ　導電体層、　２０，２０ａ，２０ｂ，３８ａ，３８ｂ，６５ａ，６５ｂ　接続端子、　２１　イオン伝導体膜、　２２，２３　触媒電極、　２４，２５　ガス拡散層、　２６　ガスケット、　２９　燃料供給口、　３０　燃料排出口、　３３，６８，８２　流路、　５０　発電セル積層体、　９０　カード型燃料電池[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a separator used for a fuel cell, a power generation cell including the separator and a membrane / electrode assembly, and a fuel cell including a power generation cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked. It is.
[0002]
[Prior art]
Generally, a fuel cell is a device that generates electric power to a power generator by supplying a fuel gas and directly converts chemical energy of a supplied gas into electric energy, so that high power generation efficiency can be expected.
[0003]
As a conventional fuel cell, for example, a fuel cell having a structure as shown in FIG. 12 is known. The fuel cell 1 includes a membrane / electrode assembly 2 in which a polymer electrolyte membrane is arranged in the center, a fuel electrode side separator 3 arranged on one surface side of the membrane / electrode assembly 2, and a membrane / electrode assembly. 2 and an oxidant electrode side separator 4 disposed on the other surface side. A single power generation cell is formed by sandwiching the membrane / electrode assembly 2 between the separators 3 and 4 and tightening them, and a fuel cell is formed by stacking a plurality of the power generation cells.
[0004]
The membrane / electrode assembly 2 includes a central polymer electrolyte membrane 5, a fuel-side electrode 6 disposed on one side of the polymer electrolyte membrane 5, and an oxidized side disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane 5. And a drug-side electrode 7. Further, the fuel electrode 6 is composed of an anode catalyst layer 6a and a porous support layer 6b joined to each other, and the anode catalyst layer 6a is in contact with the polymer electrolyte membrane 5. The oxidant-side electrode 7 includes an oxidant electrode catalyst layer 7a and a porous support layer 7b joined to each other, and the oxidant electrode catalyst layer 7a is in contact with the polymer electrolyte membrane 5.
[0005]
A plurality of grooves through which fuel flows are formed in the fuel electrode side separator 3, and one surface thereof is in contact with the porous support layer 6 b of the fuel side electrode 6, thereby forming a fuel flow passage 8. . A plurality of grooves through which the oxidant flows are formed in the oxidant electrode-side separator 4, and one surface of the plurality of grooves is brought into contact with the porous support layer 7 b of the oxidant-side electrode 7, thereby forming a flow path for the oxidant. 9 are formed.
[0006]
As a material for such a fuel cell separator, a material made of a conductive carbon-based material by machining or molding, or a material using a metal plate is used. This separator is required to have gas impermeability, conductivity, corrosion resistance, mechanical strength, low cost, and the like.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a stack-type fuel cell using a conventional carbon-based material separator, when the separator is made thinner, the mechanical strength is lowered, so that the separator cannot be made thinner, and the conductivity of the carbon-based material is low. For this reason, there is a problem that the resistance component is increased, a current collector is separately required, and fine processing is difficult. Therefore, when a carbon-based material separator is used, there is a problem that it is difficult to reduce the size and thickness of the fuel cell. On the other hand, in the case of a fuel cell using a metal separator, the cost can be reduced, but there is a problem that the corrosion resistance is very poor.
[0008]
Further, regardless of whether the separator is a carbon-based material or a metal material, since the material itself has conductivity, when stacking a plurality of power generation cells, the membrane / electrode assembly and the separator are necessarily alternated. It is a structure of arranging and stacking. As a result, the plurality of power generation cells are connected in series both mechanically and electrically. However, if there is a request to control each of the power generation cells mechanically and electrically, this is necessary. There is an insufficient point that it is difficult to deal with. In addition, considering the mass productivity of fuel cells, the conventional stack-type fuel cell, in which operation can be checked only after all the separators and membrane / electrode assemblies are stacked and assembled, has a low yield and is problematic in terms of cost. There was a problem that remains.
[0009]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and is excellent in both corrosion resistance and conductivity, capable of reducing the size and thickness of the device, is excellent in productivity, and aims at cost reduction. It is an object of the present invention to provide a separator, a power generation cell, and a fuel cell that can solve the above-described problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems and the like and achieve the above object, a fuel cell separator according to claim 1 of the present application is provided with a conductor layer provided on a surface of a substrate formed of an insulating material. It is characterized by having.
[0011]
The fuel cell separator according to claim 2 of the present application is characterized in that current is collected by a conductor layer.
[0012]
The fuel cell separator according to claim 3 of the present application is characterized in that an electric circuit is formed by the conductor layer.
[0013]
The fuel cell separator according to claim 4 of the present application is characterized in that a flow path through which a fluid such as fuel, oxidizing gas, and generated water flows is formed on the substrate.
[0014]
The power generation cell according to claim 5 of the present application is a pair of separators provided with a conductor layer forming an electric circuit on a surface of a substrate formed of an insulating material, and a membrane-electrode junction sandwiched between the pair of separators. And a body.
[0015]
The power generation cell according to claim 6 of the present application is characterized in that the pair of separators is provided with a connection terminal for electrically connecting to the outside.
[0016]
The fuel cell according to claim 7 of the present application is a membrane-electrode junction sandwiched between a pair of separators provided with a conductor layer forming an electric circuit on a surface of a substrate formed of an insulating material. And a plurality of power generation cells each having a body, wherein the plurality of power generation cells are stacked and stacked on each other, and the plurality of power generation cells are electrically connected in series or in parallel. I have.
[0017]
The fuel cell according to claim 8 of the present application has a power generation cell stack formed by stacking a plurality of power generation cells, a plurality of power generation cell stacks are arranged, and a plurality of power generation cell stacks are arranged. The body is electrically connected in series or parallel.
[0018]
With the configuration described above, in the fuel cell separator according to claim 1 of the present application, a separator excellent in both corrosion resistance and conductivity can be manufactured.
[0019]
In the fuel cell separator according to claim 2 of the present application, electricity can be collected in the separator while using the insulating material as a base material.
[0020]
In the fuel cell separator according to claim 3 of the present application, electrical wiring can be formed on the separator, and various connection forms for electrical connection can be adopted.
[0021]
In the fuel cell separator according to claim 4 of the present application, a fine flow path through which a fluid such as a fuel or an oxidizing gas flows can be formed by applying a lamination technique using an insulating material as a substrate. Thus, the size and thickness of the separator can be reduced.
[0022]
In the power generation cell according to claim 5 of the present application, by selecting the material of the insulating substrate and the material of the conductor layer individually, a power generation cell having excellent durability on both sides of corrosion resistance and conductivity is provided. Can be provided.
[0023]
In the power generation cell according to claim 6 of the present application, one power generation cell in the stack can be handled as one independent fuel cell.
[0024]
In the fuel cell according to claim 7 of the present application, it is possible to select and manufacture only non-defective power generation cells, and to provide a fuel cell capable of improving yield and reducing costs. In addition, parts can be easily replaced at the time of repair.
[0025]
In the fuel cell according to claim 8 of the present application, the fuel cell can be configured by arbitrarily arranging independent power generation cell stacks, and fuel cells of various dimensions and sizes can be manufactured.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 to 11 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a sectional view of a power generation cell according to a first embodiment of the present invention before assembly, FIG. 2 is a plan view of an oxidant electrode-side separator shown in FIG. 1, FIG. 5 is a front view, FIG. 6 is an exploded perspective view, and FIG. 7 is a power generation cell stack in which three power generation cells according to the first embodiment of the present invention are stacked. FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the power generation cell according to the present invention, FIG. 8 is a cross-sectional view showing a power generation cell according to a second embodiment of the present invention before assembly, and FIGS. FIG. 10 is a plan view and a front view, FIG. 10 is an explanatory view showing an enlarged main part of FIG. 9B, and FIG. 11 is a perspective view showing one embodiment of the fuel cell of the present invention.
[0027]
As shown in FIG. 1, a power generating cell 10 according to a first embodiment of the present invention has two oxidant electrode side separators 11, 12 and two membrane / electrode assemblies 13, 14. , And a fuel electrode side separator 15. The same two oxidant electrode-side separators 11 and 12 can be used, but may have different shapes and structures. In this embodiment, the same one is used as the two oxidant electrode-side separators 11 and 12.
[0028]
As shown in FIGS. 2 and 3, the oxidant electrode-side separators 11 and 12 are each formed of a rectangular thin plate-like member, and one surface thereof has a plurality of continuous members from one side to the other side. The communication grooves 17 are provided to extend in parallel at a predetermined interval from each other. A through hole 18 is provided in the middle of each communication groove 17 to penetrate to the other surface. The communication groove 17 constitutes a flow path through which an oxidant such as oxygen and air flows, and the through hole 18 constitutes an oxidant supply port for taking in the oxidant. An oxidant can be supplied from the oxidant supply port 18 by a fan or the like.
[0029]
The oxidant supply port 18 may be configured differently, for example, as a window opened to the atmosphere. Further, for example, a pressure blowing device or the like may be connected to the oxidizing agent supply port 18 so as to form a pressure-sealed flow passage for fluid.
[0030]
The material of the oxidant electrode side separators 11 and 12 may be an inorganic material such as ceramics, glass, or silicon, an organic material such as epoxy resin, polyimide resin, or polyethylene terephthalate (PET), or an organic material such as epoxy resin containing glass fiber. Inorganic hybrid materials can be used. As a result, the oxidant electrode-side separators 11 and 12 formed of these materials are configured as insulating substrates having insulating properties. As a particularly preferable material, inorganic materials such as ceramics and silicon are preferable in consideration of strength, ease of fine processing, and the like.
[0031]
The surface of each of the separators 11 and 12 opposite to the surface on which the communication groove 17 is provided is a flat surface over the entire surface. Conductor layers 19a and 19b for current collection are provided on portions of the planes of the separators 11 and 12 where the electrodes of the membrane / electrode assemblies 13 and 14 come into contact. The conductor layers 19a and 19b are formed by a thin film such as metal plating or sputtering. As a material of the conductor layers 19a and 19b, a material having excellent conductivity and corrosion resistance is preferable.
[0032]
Further, each of the separators 11, 12 is provided with connection terminals 20a, 20b for electrically connecting to an external electronic device or the like or for electrically connecting to the separators 11, 12 of another power generation cell. The connection terminal 20a of the first oxidant electrode side separator 11 is not connected to the conductor layer 19a, but the connection terminal 20b of the second oxidant electrode side separator 12 is connected to the conductor layer 19b. ing. These connection terminals 20a and 20b can be of land type, pin type and other various types, and do not ask for their shapes and connection methods.
[0033]
The two membrane / electrode assemblies 13 and 14 may have different shapes and structures, but in this embodiment, the same one having the same shape and structure is used. The membrane / electrode assemblies 13 and 14 include a substantially rectangular ion conductor film 21 disposed at the center, catalyst electrodes 22 and 23 bonded to both surfaces of the ion conductor film 21, and the catalyst electrodes 22 and 23. And gas diffusion layers 24 and 25 joined to the outside of the gas diffusion layer 23.
[0034]
The catalyst electrodes 22 and 23 and the gas diffusion layers 24 and 25 are formed to be slightly smaller so that the four sides of the ion conductor film 21 have rims of a predetermined width. A gasket 26 for gas sealing is attached to the rim of the ion conductor film 21. The symbol E shown in FIG. 2 represents the outline of the membrane / electrode assembly 13, 14, and is arranged with such a dimensional relationship with respect to each of the separators 11, 12.
[0035]
The fuel electrode side separator 15 has a configuration as shown in FIGS. That is, the fuel electrode side separator 15 is formed of a rectangular thin plate-shaped member, and only one of the four sides is provided with the boss portion 28 which is thicker than the other portions. The boss portion 28 of the fuel electrode side separator 15 is formed over the entire length of one side with a predetermined width, a fuel supply port 29 is provided on one side in the longitudinal direction, and the fuel supply port 29 is provided on the other side in the longitudinal direction. An outlet 30 is provided.
[0036]
At the center of the fuel electrode side separator 15, a first rectangular recess 31 opened on one side and a second rectangular recess 32 opened on the other side are provided. ing. The membrane and electrode assemblies 13 and 14 described above are housed in the first and second recesses 31 and 32 during assembly. Further, a fuel supply flow path 33 is provided in the thick portion left between the two concave portions 31 and 32. The flow path 33 includes a plurality of serpentine surface flow path sections 34a and 34b that are bent in multiple layers so as to be spread over substantially the entire surface of each of the concave sections 31 and 32; The fuel supply port 29 has a supply-side communication part 35a that communicates with the fuel supply port 29, and a discharge-side communication part 35b that communicates with the surface flow path parts 34a and 34b and the fuel discharge port 30.
[0037]
The flow path 33 has a complicated shape, and the flow path 33 is formed in an extremely thin portion. For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the fuel electrode side separator 15 is made by disassembling the fuel electrode side separator 15 into a plurality of parts and combining and integrating the parts. That is, the fuel electrode-side separator 15 is superposed in order from the top, and the upper boss plate 40, the upper frame plate 41, the upper flow path plate 42, the communication path plate 43, the lower flow path plate 44, the lower frame plate 45, and the lower boss plate 46 It is composed of
[0038]
The upper boss plate 40 and the lower boss plate 46 are formed of thin rod-shaped members having the same shape and size, and correspond to the boss portions 28 of the fuel electrode side separator 15. Further, the lower boss plate 46 is provided with a supply port hole 29a and a discharge port hole 30a forming a part of the fuel supply port 29 and the fuel discharge port 30 at predetermined intervals in the longitudinal direction, respectively, in the vertical direction. It is provided so as to penetrate.
[0039]
The upper frame plate 41, the upper flow path plate 42, the communication path plate 43, the lower flow path plate 44, and the lower frame plate 45 are formed of rectangular thin plate members having substantially the same size. The upper frame plate 41 and the lower frame plate 45 are provided with substantially rectangular openings so as to penetrate between the front and back surfaces. The first and second recesses 31 and 32 described above are formed by these openings. Further, at a position on one side of the lower frame plate 45 corresponding to the supply port hole 29a and the discharge port hole 30a, a supply port hole 29b also forming a part of the fuel supply port 29 and the fuel discharge port 30 is provided. The outlet holes 30b are provided at predetermined intervals in the longitudinal direction.
[0040]
The upper flow path plate 42 and the lower flow path plate 44 are provided with surface flow path portions 34a and 34b which are bent at a plurality of locations in a zigzag manner so as to penetrate between the front and back surfaces. Each of the surface flow passage portions 34a and 34b extends in a direction in which the upper and lower boss plates 40 and 46 extend and is disposed in parallel with each other. It is formed by a combination with a curved portion. Further, at one side of the lower flow path plate 44 corresponding to the supply port hole 29b and the discharge port hole 30b, a supply port hole 29c which also forms a part of the fuel supply port 29 and the fuel discharge port 30 is disposed. The outlet holes 30c are provided at predetermined intervals in the longitudinal direction.
[0041]
The communication passage plate 43 is provided with a supply-side communication portion 35a and a discharge-side communication portion 35b that extend in a direction perpendicular to the direction in which the upper and lower boss plates 40 and 46 extend and are arranged in parallel with each other. I have. One end of the supply side communication portion 35a is provided at a position corresponding to the supply port hole 29c of the lower flow path plate 44, and the curved portions of the upper and lower surface flow path portions 34a and 34b are connected to the other side at a plurality of locations. . On the other hand, one end of the discharge side communication portion 35b is provided at a position corresponding to the discharge port hole 30c of the lower flow passage plate 44, and the other end of the upper and lower surface flow passage portions 34a, 34b is closest to the boss plates 40, 46. Are connected to one end of each linear portion.
[0042]
The upper boss plate 40, the upper frame plate 41, the upper flow path plate 42, the communication path plate 43, the lower flow path plate 44, the lower frame plate 45, and the lower boss plate 46 having such a configuration are overlapped and integrated. The fuel electrode side separator 15 described above is configured.
[0043]
As the material of the fuel electrode side separator 15, similarly to the above-mentioned oxidant electrode side separators 11, 12, inorganic materials such as ceramics, glass and silicon, and organic materials such as epoxy resin, polyimide resin and polyethylene terephthalate (PET) are used. Alternatively, an organic / inorganic hybrid material such as an epoxy resin containing glass fiber can be used, and is configured as an insulating substrate having insulating properties. In particular, in view of strength, ease of fine processing, etc., inorganic materials such as ceramics and silicon are also preferable. As the fuel, for example, hydrogen gas, methanol, or the like is used.
[0044]
In this embodiment, each of the above-described parts is formed of ceramics, and a laminated body in which the respective parts are overlapped is heated at a high temperature and sintered or melted to be integrated. Then, conductor layers 37a and 37b for current collection are provided at portions where the respective electrode portions of the upper and lower membrane / electrode assemblies 13 and 14 are in contact with each other. Further, connection terminals 38a and 38b connected to the conductor layers 37a and 37b are provided at an edge portion of the fuel electrode side separator 15 on the side opposite to the boss portion 28, and the tips of the connection terminals 38a and 38b are the first terminals. Is exposed to the oxidant electrode side separator 11 side. One connection terminal 38a faces the connection terminal 20a of the oxidant electrode-side separator 11, and the other connection terminal 38b faces the conductor layer 19a of the oxidant electrode-side separator 11.
[0045]
The power generation cell 10 having such a configuration can be easily assembled as follows. First, the first membrane / electrode assembly 13 is fitted into the first recess 31 of the fuel electrode side separator 15, and the second membrane / electrode assembly 14 is fitted into the second recess 32. Next, the first oxidant electrode-side separator 11 is overlapped on the first recess 31 side of the fuel electrode-side separator 15, and the second oxidant electrode side separator 12 is overlapped on the second recess 32 side. . Thereafter, the three separators 11, 12, and 15 are tightly tightened or integrated by a method such as bonding to form one power generation cell 10.
[0046]
In this case, the conductor layer 19 a provided on the first oxidant electrode-side separator 11 is connected to the first catalyst electrode 22 via the first gas diffusion layer 24 of the first membrane / electrode assembly 13. . Then, the second catalyst electrode 23 of the first membrane / electrode assembly 13 is connected to the first conductor layer 37 a of the fuel electrode side separator 15 via the second gas diffusion layer 25. Similarly, the conductor layer 19b provided on the second oxidant electrode-side separator 12 is connected to the first catalyst electrode 22 via the first gas diffusion layer 24 of the second membrane / electrode assembly 14. . Then, the second catalyst electrode 23 of the second membrane / electrode assembly 14 is connected to the second conductor layer 37b of the fuel electrode side separator 15 via the second gas diffusion layer 25.
[0047]
Further, the second connection terminal 38 b of the fuel electrode side separator 15 is connected to the conductor layer 19 a of the first oxidant electrode side separator 11. Then, the first connection terminal 38 a of the fuel electrode side separator 15 is connected to the first connection terminal 20 a of the first oxidant electrode side separator 11. Further, since the gasket 26 provided on each of the membrane / electrode assemblies 13 and 14 is compressed in the first and second recessed portions 31 and 32 of the fuel electrode side separator 15, each of the membrane / electrode assemblies 13 and 14 is compressed. 14 is kept sealed.
[0048]
According to the power generation cell 10 assembled in this way, for example, power generation is performed as follows. First, a fuel such as hydrogen gas or methanol is introduced into the fuel electrode side separator 15 from the fuel supply port 29, while an oxidant such as air or oxygen flows through the communication grooves of the first and second oxidant electrode side separators 11. 17
[0049]
The fuel supplied from the fuel supply port 29 enters the upper and lower surface flow paths 34a and 34b via the supply-side communication part 35a, and the second and the second membrane-electrode assemblies 13 and 14 of the first and second membrane-electrode assemblies 13 and 14 respectively. Contact is made with the ion conductor membrane 21 via the gas diffusion layer 25 and the catalyst electrode 23. On the other hand, the oxidant flowing through the communication groove 17 is taken in from the through holes 18 of the oxidant electrode-side separators 11 and 12 and the first gas diffusion of the first and second membrane-electrode assemblies 13 and 14. It is in contact with the ion conductor film 21 via the layer 24 and the catalyst electrode 22 respectively.
[0050]
As a result, hydrogen gas (H ₂ ) And oxygen supplied as an oxidant (O ₂ ), A desired electromotive force is generated between the first conductive layer 37a of the fuel electrode side separator 15 and the conductive layer 19a of the oxidant electrode side separator 11, and The second conductive layer 37b is taken out from between the conductive layer 19b of the oxidant electrode-side separator 12 and the conductive layer 37b. The electromotive force collected in the conductor layers 19a, 19b, 37a, 37b can be extracted from the connection terminals 20a, 20b to the outside via the first and second connection terminals 38a, 38b.
[0051]
According to this embodiment, since one power generation cell 10 has two power generation elements, the same effect as when two power generation cells are connected in series can be obtained. For example, assuming that the electromotive force obtained by one power generation element is 0.7 V (volt), an electromotive force of 1.4 V, which is twice as large, is obtained as the output of the power generation cell 10.
[0052]
In this embodiment, the fuel electrode side separator 15 is provided with the fuel outlet 30 and the fuel outlet 30 communicates with the fuel flow path 33. Since the fuel is consumed while leaving the fuel outlet 30 through the fuel outlet 30, a structure without the fuel outlet 30 may be adopted. Further, although the fuel supply port 29 is configured integrally with the fuel electrode side separator 15, a configuration may be adopted in which a joint or the like is provided as a separate component to serve as the fuel supply port. Further, in this embodiment, since the two membrane / electrode assemblies 13 and 14 share a flow path for fuel supply from both the front and back sides, it is possible to further reduce the thickness of the entire power generation cell. Was.
[0053]
FIG. 7 shows an embodiment in which three power generation cells 10 are stacked to form a power generation cell stack 50, and the power generation cell stack 50 is used as a fuel cell. In this case, since the power generation cells 10 have the above-described configuration, the upper and lower power generation cells 10 can be electrically connected simply by stacking the three power generation cells 10 in the vertical direction. At this time, the fuel supply port 15 of the fuel electrode side separator 15 may be configured to penetrate in the vertical direction of the boss 28 as illustrated. Then, the fuel supply ports 15 are sealed with no leakage from each other, and all the power generation cells 10 are tightened and fixed.
[0054]
In the power generation cell stack 50 of this embodiment, the electromotive force generated by each power generation cell 10 is transmitted and collected at one location as follows. First, the electromotive force generated by the lower power generation cell 10 is transmitted from the first connection terminal 20a to the second conductor layer 19b through the lower second connection terminal 20b of the middle power generation cell 10. Is done. From this, the electromotive force is transmitted to the second conductor layer 37b of the fuel electrode side separator 15 via the second membrane / electrode assembly 14. Then, after passing through the first conductor layer 19a on the upper side from the second connection terminal 38b of the second conductor layer 37b, the first electrode 15 of the fuel electrode side separator 15 is passed through the first membrane / electrode assembly 13. To the conductive layer 37a.
[0055]
After that, the power is transmitted from the first connection terminal 38a to the upper power generation cell 10 via the first connection terminal 20a. In the upper power generation cell 10 as well, the power is transmitted through the same path as that of the middle power generation cell 10 and finally taken out from the first connection terminal 20a of the first oxidant electrode side separator 11. According to this embodiment, the same effect as when six power generating elements are connected to each other in series can be obtained. For example, assuming that the electromotive force obtained by one power generation element is 0.7 V, 4.2 V, which is six times that of the electromotive force, is obtained as the output of the power generation cell stack 50.
[0056]
Further, according to the power generation cell stack 50 according to this embodiment, the flow path 17 for supplying the oxidant is shared by the upper and lower two power generation cells 10, so that the overall height of the fuel cell is increased. Can be thin. Further, the supply of the oxidizing agent and the treatment of the generated water can be further simplified.
[0057]
FIG. 8 shows a second embodiment of the power generation cell of the present invention. The power generation cell 60 has one power generation element, and includes an oxidant electrode-side separator 61, a fuel electrode-side separator 62, and a membrane / electrode assembly 63. The configuration of the oxidant-electrode-side separator 61 is substantially the same as that of the second oxidant-electrode-side separator 12 of the above-described embodiment. Is provided. The connection terminal 65a is connected to the conductor layer 64a. The oxidant electrode-side separator 61 differs from the oxidant electrode-side separator 12 in that a fuel supply port 66a and a fuel discharge port (not shown) are provided.
[0058]
The fuel electrode-side separator 62 is configured such that the lower half of the fuel electrode-side separator 15 is removed. That is, the fuel electrode-side separator 62 is formed of a rectangular thin plate-shaped member, and is provided with a recess 67 in which the membrane-electrode assembly 63 is housed only on one surface thereof. A flow path 68 through which fuel flows is formed in the concave portion 67. The flow path 68 includes one surface flow path, a supply-side communication part, and a discharge-side communication part. The fuel supply port 66b is connected to the supply-side communication part, and the fuel discharge port is connected to the discharge-side communication part. Have been.
[0059]
Further, a conductor layer 64b is provided in the recess 67 of the fuel electrode side separator 62. A connection terminal 65b for connecting to an external device or the like is connected to the conductor layer 64b. The membrane / electrode assembly 63 is the same as in the above embodiment. The membrane / electrode assembly 63 is housed in the recess 67 of the fuel electrode side separator 62, and the oxidant electrode side separator 61 is superposed on the fuel electrode side separator 62 so as to sandwich the membrane / electrode assembly 63, and seals both the separators 61, 62. Then, the power generation cell 60 is configured.
[0060]
A fuel cell is configured by stacking a plurality of the power generation cells 60 and integrally fixing them. Further, by arranging the plurality of power generation cells 60 on a plane to form a planar arrangement, a thin fuel cell can be configured.
[0061]
FIGS. 9A, 9B, and 10 show a third embodiment of the power generation cell of the present invention. The power generation cell 70 is obtained by slightly changing the configuration of the power generation cell 10 according to the above-described first embodiment, and connecting two power generation elements in parallel to extract an output. As shown in FIGS. 9A and 9B, the power generation cell 70 includes two oxidant electrode-side separators 71 and 72, two membrane / electrode assemblies 73 and 74, and a fuel electrode-side separator 75. Have been.
[0062]
The first oxidant electrode-side separator 71 has the same configuration as the first oxidant electrode-side separator 11 described above. A plurality of communication grooves 17 are formed on one surface of the oxidant electrode-side separator 71, and a first conductor layer 76a is provided on the other surface. The second oxidant electrode-side separator 72 has the same size as the fuel electrode-side separator 75, and has a plurality of communication grooves 17 formed on one surface and a second membrane-electrode assembly on the other surface. A recess 77a for accommodating 74 is provided. The second conductor layer 76b is provided on the inner surface of the recess 77a. Further, the oxidant electrode-side separator 72 is provided with a fuel supply port 78a and a fuel discharge port 79a. Further, a concave portion 80a in which a sealing material is mounted is provided on the inner surfaces of the fuel supply port 78a and the fuel discharge port 79a.
[0063]
On one surface of the fuel electrode side separator 75, a concave portion 77b for accommodating the first membrane / electrode assembly 73 and a boss portion 71a protruding only on one surface side are provided. The boss portion 71a is provided with a fuel supply port 78b and a fuel discharge port 79b which communicate with the fuel supply port 78a and the fuel discharge port 79a of the oxidant electrode-side separator 72. On the surface of the boss portion 71a opposite to the oxidant electrode-side separator 72, a concave portion 80b in which a sealing material is mounted is provided. Further, a lower conductor layer 81a is provided on the inner surface of the recess 77b, and an upper conductor layer 81b is provided on the opposite surface. The fuel electrode side separator 75 is provided with a flow path 82 having the same configuration as the flow path 33 provided in the fuel electrode side separator 15.
[0064]
The two membrane / electrode assemblies 73 and 74 of the power generation cell 70 having such a configuration are wired and electrically connected to each other, for example, as shown in FIG. That is, the first conductor layer 76a of the first oxidant electrode-side separator 71 is connected to the second conductor layer 76b of the second oxidant electrode-side separator 72, and the positive electrode is taken out. An extraction section is obtained. Further, by connecting the lower conductor layer 81a and the upper conductor layer 81b of the fuel electrode side separator 75 and extracting the same, a negative electrode extraction portion is obtained.
[0065]
Thereby, a fuel cell in which two power generation elements are connected in parallel is configured. In this case, assuming that the electromotive force per power generating element is 0.7 V, an electromotive force of 0.7 V is also output from both electrode extraction portions.
[0066]
FIG. 11 shows a configuration of a card-type fuel cell 90 using the above-described power generation cell 10. This card-type fuel cell 90 is mounted on the wiring board 91, and a rectangular wiring board 91, three power generating cells 10 arranged in three rows in two horizontal rows on the wiring board 91, and a total of six power generating cells 10. The control circuit 92 includes a control circuit unit 92, two fans 93 for sending air to the power generation cell 10 to cool the power generation cell 10, a connection unit 94, and the like.
[0067]
According to such a card-type fuel cell 90, for example, by arranging it in a size standardized as a PC card (a size standardized by JEIDA / PCMCIA), it can be used as a card-sized fuel cell, and Instead of a power generation device, it can be used as a battery provided with an information processing mechanism.
[0068]
As described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, as a modified example of the embodiment shown in FIG. 1, two membrane-electrode assemblies, It may be configured to be built inward, or may be configured to include three or more membrane / electrode assemblies. As described above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit thereof.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell separator according to claim 1 of the present application, since the conductor layer is provided on the surface of the substrate so that the insulating material and the conductive material can be individually selected, corrosion resistance and The effect that an excellent separator can be formed on both sides of the conductive property can be obtained.
[0070]
According to the fuel cell separator described in claim 2 of the present application, since the current collection is performed by the conductor layer, it is possible to obtain an effect that electricity can be collected on the separator side using the insulating material as the substrate. .
[0071]
According to the fuel cell separator according to claim 3 of the present application, by forming an electric circuit with the conductor layer, electric wiring can be formed on the separator, and various connection forms for electric connection can be obtained. The effect of being able to take can be obtained.
[0072]
According to the fuel cell separator described in claim 4 of the present application, a fluid such as a fuel or an oxidizing gas is circulated by forming a flow path in a substrate by using a lamination technique using an insulating material as a substrate. This makes it possible to form an extremely fine flow path, and to achieve an effect that the separator can be reduced in size and thickness.
[0073]
According to the power generation cell according to claim 5 of the present application, the membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of separators provided with a conductor layer, and the materials of the insulating substrate and the conductor layer are used as separator materials. Since it is individually selected, it is possible to obtain an effect that a power generation cell having excellent durability can be provided, having a separator excellent in both corrosion resistance and conductivity.
[0074]
According to the power generation cell described in claim 6 of the present application, since the connection terminals are provided on the pair of separators, one power generation cell can be handled as one independent fuel cell. The effect can be obtained.
[0075]
According to the fuel cell described in claim 7 of the present application, since a plurality of power generation cells are stacked and electrically connected in series or in parallel between the power generation cells, only non-defective power generation cells are selected and assembled. The effect of being able to provide a fuel cell that can be produced, improve yield, and reduce costs can be obtained.
[0076]
According to the fuel cell according to claim 8 of the present application, a plurality of power generation cell stacks are arranged, and the power generation cell stacks are electrically connected in series or in parallel. The fuel cell can be configured by arbitrarily disposing the body, and the effect that fuel cells of various dimensions and sizes can be produced can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a power generation cell according to the present invention before assembly.
FIG. 2 is a plan view showing an oxidant electrode-side separator according to the first embodiment of the power generation cell of the present invention.
FIG. 3 is a front view showing an oxidant electrode-side separator according to the first embodiment of the power generation cell of the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing a fuel electrode side separator according to the first embodiment of the power generation cell of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a cross section of a central portion of a fuel electrode side separator according to the first embodiment of the power generation cell of the present invention.
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a fuel electrode side separator according to the first embodiment of the power generation cell of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing one embodiment of a power generation cell stack formed by stacking three power generation cells according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a power generation cell according to a second embodiment of the present invention before assembling.
9 shows a third embodiment of the power generation cell of the present invention, wherein FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a sectional view at the center.
FIG. 10 is an explanatory circuit diagram showing an enlarged main part of FIG. 9B;
FIG. 11 is a perspective view showing an embodiment of a fuel cell using the power generation cell of the present invention.
FIG. 12 is an exploded perspective view showing a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
10, 60, 70 Power generation cell, 11, 12, 61, 71, 72 Oxidant electrode side separator, 13, 14, 63, 73, 74 Membrane / electrode assembly, 15, 62, 75 Fuel electrode side separator, 17 communication Groove, 18 through hole, 19, 19a, 19b, 37a, 37b, 64a, 64b, 76a, 76b conductive layer, 20, 20a, 20b, 38a, 38b, 65a, 65b connection terminal, 21 ion conductive film, 22 , 23 catalyst electrode, 24, 25 gas diffusion layer, 26 gasket, 29 fuel supply port, 30 fuel outlet, 33, 68, 82 flow path, 50 power generation cell stack, 90 card type fuel cell

Claims

A separator for a fuel cell, wherein a conductor layer is provided on a surface of a substrate formed of an insulating material.

2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein current is collected by said conductor layer.

2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein an electric circuit is formed by the conductor layer.

2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a flow path through which a fluid such as fuel, oxidizing gas, and generated water flows is formed in the substrate.

A pair of separators provided with a conductor layer forming an electric circuit on the surface of a substrate formed of an insulating material,
A membrane-electrode assembly sandwiched by the pair of separators,
A power generation cell comprising:

The power generation cell according to claim 5, wherein the pair of separators is provided with a connection terminal for electrically connecting to the outside.

A plurality of power generation cells each including a pair of separators provided with a conductor layer forming an electric circuit on a surface of a substrate formed of an insulating material, and a membrane / electrode assembly sandwiched between the pair of separators are provided. And
A fuel cell, wherein the plurality of power generation cells are stacked one on top of the other, and the plurality of power generation cells are electrically connected in series or in parallel.

A power generation cell stack formed by stacking a plurality of the power generation cells, a plurality of the power generation cell stacks are arranged, and the plurality of power generation cell stacks are electrically connected in series or in parallel. The fuel cell according to claim 7, wherein the fuel cell is connected.