JP2004146145A

JP2004146145A - Solid polyelectrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP2004146145A
Application number: JP2002308143A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Takegawa; 竹川　寿弘; Atsushi Aoki; 青木　敦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP4304955B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniaturized solid polymer fuel cell. SOLUTION: MEA4 constructed by having an electrolyte film 1 pinched between electrodes 2, 3 is pinched between a cathode side separator plate 52 constructed by forming an oxidizer gas path 66A on a face facing the MEA4 on a plate member and an anode side separator plate 51 equipped with a fuel gas path 66B on a face facing the MEA1. A stack 10 in which cells thus constituted are laminated into a plurality of laminations is provided. In a gap formed between the cathode side separator plate 52 thus constituted and the anode side separator plate 51 of the adjoining cell, a refrigerant for removing heat accompanying power generation reaction is circulated. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子電解質形燃料電池に関する。特に、固体高分子電解質形燃料電池内の冷媒流路の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、この一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子電解質形燃料電池における電極反応は以下のようになる。
【０００４】
【化式】
燃料極　：　２Ｈ_２　→　４Ｈ^＋　＋　４ｅ⁻　・・・（１）
酸化剤極：　４Ｈ^＋　＋　４ｅ⁻　＋　Ｏ_２　→　２Ｈ_２Ｏ　・・・（２）
燃料極には燃料ガスが供給され、式（１）の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で電解質、ここでは固体高分子電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと供給された酸化剤ガス中の酸素により式（２）の反応が進行する。式（１）、（２）の反応が各極で進行することで、燃料電池では起電力を生じることになる。
【０００５】
このように固体高分子電解質形燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率のよい発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種の用途が見込まれている。
【０００６】
固体高分子電解質形燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極をホットプレス等の手段により接合してなる膜電極接合体と、カーボンや金属製のガスセパレータを積層した構造を有する。ガスセパレータとしては、炭素材は非常によく用いられるが、切削加工により構成されるためコストが高く、また、スタックの容量が大きくなるという問題があった。
【０００７】
そこで従来の固体高分子電解質燃料電池においては、セパレータ板と燃料電池セルとの間に反応ガス流路を形成するとともに、セパレータ板と中間板との間に冷却水流路を設けている。ここで、中間板は、反応ガス流路と冷却水流路を備えたセパレータ板と、反応ガス流路を備えたセパレータ板との間に配置される隔壁である。このように構成することで、冷却水流路を構成するための部材を必要とせずに、燃料電池の小型化や軽量化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２２８２０７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の固体高分子電解質形燃料電池においても、セパレータ板のほかに隔壁の役割を担う中間板が必要となり、燃料電池の大型化や重量化が懸念されている。そのため、同様の出力を得ようとすると、やはり燃料電池自体の大型化を招いてしまう。
【００１０】
本発明は、上記の問題を鑑みて、冷媒流路を構成するための補助的な部品を使用することなく、小型化された固体高分子電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、反応ガスの電気化学反応により起電力を生じる固体高分子電解質形燃料電池に関する。電解質膜を電極により狭持することにより構成した膜電極接合体を、板状部材の前記膜電極接合体と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、前記膜電極接合体に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持することにより構成したセルを複数積層したスタックを備える。前記第１セパレータと、前記第２セパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【００１２】
【作用及び効果】
第１セパレータと、第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。これにより、補助的な部品を用いずに冷媒の流路を確保できるので、燃料電池の小型化、底コスト化を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成を図１に示す。ここで用いる燃料電池は、固体高分子電解質形燃料電池であり、図１には固体高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタック）１０の一部分を示す。
【００１４】
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１を、燃料極２、酸化剤極３で狭持することにより膜電極接合体（ＭＥＡ）４を構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜を用いる。各電極２、３はガス拡散層と触媒層とから構成し、触媒が存在する面が電解質膜１と対峙するように配置する。触媒層は、個別に形成してもよいし、ガス拡散層に触媒を充填させたり、ガス拡散層のセル面に塗布したりすることにより形成してもよい。ここでは、各電極２、３を白金または白金とその他の金属とからなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパから構成した触媒層と、多孔質のガス拡散層と、から構成する。
【００１５】
このようなＭＥＡ４とセパレータ５とを、交互に積層することによりスタック１０を構成する。ここで、セパレータ５、ＭＥＡ４間の隔壁の役割を担うと共に、各ＭＥＡに燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給する流路を備える。後述するようにセパレータ５は、アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２により構成されている。つまり、ＭＥＡ４をアノード側セパレータ板５１板とカソード側セパレータ板５２により狭持しりことにより単位セルを形成し、このようなセルを複数積層することによりスタック１０を構成する。このとき、アノード側セパレータ板５１と隣接するセルのカソード側セパレータ５２とが接合されて、セパレータ５が形成される。
【００１６】
また、セパレータ５の外縁部に沿ったシーリング領域６により、燃料極２に供給される水素を含有した燃料ガスや、酸化剤極３に供給される酸素を含有した空気等の酸化剤ガス、さらに各種冷却水をシールする。ここでは、セパレータ５と電解質膜１に狭持され、且つ、セパレータ５の外縁部に沿ってシール材を配置することによりシーリング領域６を構成する。
【００１７】
次に、セパレータ５の構成を説明する。ここでは、金属製の薄板を用いて製造したセパレータについて説明するが、これに限らず、例えばカーボン材料等であっても流路形状を実現できる素材については活用することができる。また、セパレータ５はプレス加工により成形する。
【００１８】
セパレータ５を、燃料極２に隣接するアノード側セパレータ板５１と、酸化剤極３に隣接するカソード側セパレータ板５２と、から構成する。図２にカソード側セパレータ板５２のセル面の概略構成を示す。ただし、図２（ａ）を反応ガスの流路、ここでは酸化剤ガスの流路を形成した面とし、図２（ｂ）をその裏面に当たる冷却水の流路を形成した面とする。
【００１９】
カソード側セパレータ板５２には、酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水ガスマニホールド６３、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを備える。
【００２０】
酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２のセル面中央付近に構成し、ここで発電反応を生じる。酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２に、酸化剤極３に向かって開放された凹溝を成形することにより構成する。凹溝の断面が矩形状または台形状となるように成形する。酸化剤ガス流路６６Ａを供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとから構成する。供給側ガス流路６６Ａａの一端は、後述するようにガス分配流路６４に連通する。排出側ガス流路６６Ａｂの一端は、後述するようにガス回収流路６５に連通する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとは、互いに非連通とする。
【００２１】
供給側ガス流路６６Ａａ、排出側ガス流路６６Ａｂは、それぞれ一方向に伸びる複数の流路を平行に配置することにより構成する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを交互に配置する。このように構成することで、後述するように、供給側ガス流路６６Ａａに供給された全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給され、反応に用いられなかった酸化剤ガスは排出側ガス流路６６Ａｂに排出される。
【００２２】
酸化剤ガス流路６６Ａの外周側には、スタック１０の積層方向に連通する酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水マニホールド６３を備える。このとき、各マニホールド６１、６２、６３は、それぞれ供給用のマニホールド（６１ａ、６２ａ、６３ａ）と排出用のマニホールド（６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ）により構成する。
【００２３】
供給用酸化剤ガスマニホールド６１ａにガス分配流路６４を接続させる。ガス分配流路６４は、セル面の供給側ガス流路６６Ａａの一端に沿って形成された流路であり、供給用ガスマニホールド６１ａから供給された酸化剤ガスを供給側ガス流路６６Ａａに分配する。また、排出用酸化剤ガスマニホールド６１ｂにガス回収流路６５を接続させる。ガス回収流路６５は、セル面の排出側ガス流路６６Ａｂの一端に沿って形成された流路であり、排出側ガス流路６６Ａｂから排出された酸化剤ガスを排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収する。
【００２４】
ここで、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを、酸化剤極３に接触する平面７０に対する凹溝により構成する。ここではプレス加工により凹溝を形成する。このとき、それぞれの酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。
【００２５】
また、ガスマニホールド６１、６２も平面７０に対する凹溝により構成し、その溝の底面の少なくとも一部に後述する連通孔６７を形成する。それぞれのガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。ここでは、マニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さと、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さを同じとなるように構成する。なお、ここではガス分配流路６４、ガス回収流路６５を酸化剤ガス流路６６Ａと同じ深さの凹溝により構成するが、この深さは供給する反応ガスの流量等により設定することができる。例えば、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５を構成する凹溝の深さが酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さより浅くなるように構成してもよい。
【００２６】
また、カソード側セパレータ板５２の外縁には最外周縁部７２を備える。最外周縁部７２のすぐ内周側には外周縁部７１を備える。外周縁部７１を、平面７０から凹溝の深さ方向に折り曲げられた部分とする。つまり、外周縁部７１は略積層方向に構成された面となる。これにより、最外周縁部７２は、外周縁部７１の分だけ平面７０より深さ方向に突出して形成される。ここで、各流路６４、６５、６６Ａを構成する凹溝の底面と、最外周縁部７２の積層方向の位置が同じになるように構成する。
【００２７】
このように形成したカソード側セパレータ板５２を、図２（ａ）と反対の面、つまり、冷却水流路２１を形成した面から見た図を図２（ｂ）に示す。ここでは、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａ、最外周縁部７２が、平面７０に対して凹方向（図面から手前に向かってくる方向）に突出した構成とする。これにより、平面７０に対して凹方向に突出していない領域を冷却水流路２１とし、冷却水ガスマニホールド６３から供給される冷却水の流路を形成する。ここでは、冷却水流路２１を供給側冷却水マニホールド６３ａから排出側冷却水マニホールド６３ｂにかけて連通した領域により構成する。特に、酸化剤ガス流路６６Ａの供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを非連通とする。これにより、冷却水流路２１を、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水を、酸化剤ガス流路６６Ａ間に沿って流通させ、排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収する流路とすることができる。
【００２８】
このような形状のカソード側セパレータ板５２を用いてスタック１０を構成する場合のセパレータ５およびＭＥＡ４の断面（図２のＡ−Ａ断面）を図３に示す。また、セパレータ５の外観を図６に示す。
【００２９】
本実施形態では、アノード側セパレータ板５１として、カソード側セパレータ板５２と同様に成形したセパレータを用いる。アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２とを、冷却水流路２１を形成した面（図２（ｂ）面）が対峙するように積層する。
【００３０】
ただし、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４は供給側燃料ガスマニホールド６２ａに接続し、ガス回収流路６５は排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに連通する。また、酸化剤ガス流路６６Ａと対峙する部分に燃料ガス流路６６Ｂを形成する。ただし、酸化剤ガス流路６６Ａ内の酸化剤ガスの流れ方向と、燃料ガス流路６６Ｂ内の燃料ガスの流れ方向とが、逆方向となるように構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２に構成したガス分配流路６４とアノード側セパレータ板５１に構成したガス回収流路６５とが対峙し、カソード側セパレータ板５２に構成したガス回収流路６５とアノード側セパレータ板５１に構成したガス分配流路６４とが対峙する。
【００３１】
ここでは、カソード側セパレータ板５２の最外周縁部７２と酸化剤ガス流路６６Ａの底面との積層方向の位置を同じとし、また、アノード側セパレータ板５１の最外周縁部７２と燃料ガス流路６６Ｂとの積層方向の位置を同じとした。これにより、スタック１０を形成する際には、アノード側セパレータ板５１、カソード側セパレータ板５２は、最外周縁部７２、反応ガス流路６６の底面で接触する。
【００３２】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いた凹溝は酸化剤ガス流路６６Ａとなる。また、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いた凹溝は燃料ガス流路６６Ｂとなる。さらに、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いていない溝と、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いていない溝とにより形成される閉じた空間は、冷却水流路２１となる。
【００３３】
また、図２のＢ−Ｂ断面を図４に示す。ここでは、Ｂ−Ｂ断面は、供給側燃料ガスマニホールド６２ａ、ガス回収マニホールド６４、排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂの断面である。
【００３４】
供給側燃料ガスマニホールド６２ａから供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４を介して燃料ガス流路６６Ｂに分配される。また、酸化剤ガス流路６６Ａから回収される酸化剤ガスは、カソード側セパレータ板５２に形成したガス回収流路６５を介して排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収される。
【００３５】
このとき、カソード側およびアノード側の供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成するそれぞれの凹溝の底面を、積層方向に同じ位置に形成する。つまり、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１を積層した際に、供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成する凹溝の底面が接触するように構成する。また、この底面の対峙する部分に積層方向に貫通する連通孔６７を設け、燃料ガスを積層方向に流通可能な構成とする。
【００３６】
ここでは供給側燃料ガスマニホールド６２ａに関して説明したが、酸化剤ガスマニホールド６１、排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに関しても同様の構成とする。つまり、ガスマニホールド６１、６２を構成する溝の底面で、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とが接触するように構成する。また、底面に積層方向に連通する連通孔６７を形成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを積層方向に流通可能とする。
【００３７】
なお、ここでは、ガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の底面の積層方向の位置を、最外周縁部７２と同じとしたが、図５に示すようにこの限りではない。これは、セパレータ板５１、５２を形成するための金属製の板を加工した後の安定性を考慮して、適宜最適な形状が選択される。
【００３８】
ここで、スタック１０をＭＥＡ４およびセパレータ５を多数積層して形成する場合、冷却水流路２１を有するセパレータ５は、隣接するセパレータ板５１、５２同士を接合した状態でバイポーラ極として作用するため、常に電気的に導通する必要がある。接合面での抵抗を極力小さくするためには、隣接するセパレータ板５１、５２の接触面積をできるだけ大きくとることが望ましい。さらに、１０セル以上を積層してスタック１０を構成する場合、スタック１０を安定した状態に保つためには、所定の面圧でセル間が圧接していることが望まれる。積層方向に面圧がかかるため、その圧接する力をセル間に伝達するためにも、隣接するセパレータ板５１、５２は互いの底部面で常に接触していることが必要となる。
【００３９】
本実施形態では、上述したように構成することで、冷却水流路２１を構成するセパレータ板５１、５２は、反応ガス流路６６、ガスマニホールド６１、６２、および最外周縁部７２で接合される。また、ここではガス分配流路６４と、これに対峙するガス回収流路６５が接合される。これにより、セパレータ５内の電気抵抗を小さくするとともに、圧力の伝達性、積層方向の耐久性を向上することができる。
【００４０】
なお、セパレータ板５１、５２は、金属平板をプレス加工することにより形成する。ただし、平板のプレス加工により得られる成形品のそり、歪みを制御するために、マニホールド６１、６２、６３と外周縁部７１との間に形成された平面部７０ａと、最外周縁部７２は形状維持に必要な大きさを確保する必要がある。しかし、これらは発電に寄与しないため、形状維持と性能とのバランスをとったサイズが選択される。
【００４１】
各接触部の接合方法としては、溶接、導電性接着剤による接着などが選択される。また、金属材料の種類の制限が生じるが、攪拌摩擦接合も可能である。
【００４２】
次に本実施形態における効果を説明する。
【００４３】
電解質膜１を電極２、３により狭持することにより構成したＭＥＡ４を、板状部材のＭＥＡ４と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、ＭＥＡ１に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持する。このように構成したセルを複数積層したスタック１０を備える。なお、本実施形態では第１セパレータはカソード側セパレータ板５２、第１反応ガス流路は酸化剤ガス流路６６Ａ、第２セパレータではアノード側セパレータ板５１、第２反応ガス流路は燃料ガス流路６６Ｂに相当する。このように構成した第１セパレータと、隣接するセルの第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【００４４】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３と対峙する面と反対の面において、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹凸により形成される領域を冷却水流路２１として使用することができる。このとき、冷却水流路２１を構成するために補助部材を必要としないので、スタック１０の小型化および底コスト化を図ることができる。
【００４５】
また、酸化剤ガス流路６６Ａを、カソード側セパレータ５２の一部を断面が矩形または台形の複数の溝に成形することにより構成し、カソード側セパレータ板５２の外周に沿って、溝の深さ方向に折り返した最外周縁部７２を備える。カソード側セパレータ板５２と、隣接するセルのアノード側セパレータ板５１を積層する際に、少なくとも酸化剤ガス流路６６Ａの底面と最外周縁部７２とを、アノード側セパレータ板５１に接合する。このように、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ５２間に接触する領域を形成することで、積層方向の接合強度を高めることができる。また接触面性を広くすることができるので積層方向の電気抵抗を減らし発電効率を向上することができる。
【００４６】
反応ガスを各セルに分配するマニホールドの一部として、カソード側セパレータ板５２の一部に、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する溝と同じ深さ方向を持つ複数の凹部領域（マニホールド６１、６２を構成する溝に相当）を形成し、凹部領域の底面に連通孔６７を構成する。アノード側セパレータ板５１板と、隣接するセルのカソード側セパレータ板５２とを積層する際に、凹部領域の底面とアノード側セパレータ板５１を接合する。また、カソード側セパレータ板５２と隣接するセルのアノ−ド側セパレータ板５１との間で、連通孔６７を介して反応ガスを流通させることにより各セルに反応ガスを分配するマニホールド６１、６２を構成する。このように構成することで、板状部材に積層方向に反応ガスを流通するマニホールド６１、６２の一部を構成することができる。このとき、マニホールド６１、６２の成形を、プレス加工等により行うことができるので、低コストでマニホールド６１、６２を成形することができる。
【００４７】
また、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面に、冷媒を供給する、セル積層方向に伸びた供給側冷却水マニホールド６３ａと、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面から冷媒を回収する、セル積層方向に伸びた排出側冷却水マニホールド６３ｂと、を備える。カソード側セパレータ板５２を、ＭＥＡ４に対峙する面と反対の面で、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水が、酸化剤ガス流路６６Ａ付近を介して排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収されるように成形する。これにより、発電面付近に冷却水を流通させることができるので、効率的な冷却を行う冷却水流路２１を構成することができる。
【００４８】
酸化剤ガス流路６６Ａを、複数の供給側ガス流路６６Ａａと、排出側ガス流路６６Ａｂとから構成し、供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂを交互に配置するとともに、それらを非連通に構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａを形成した面と反対側の面の、酸化剤ガス流路６６Ａに沿った流路に冷媒を流通させることができる。この流路は、供給側冷却水マニホールド６３ａと排出側冷却水マニホールド６３ｂに連通するので、冷却水の流通を確保できるとともに、反応ガス流路６６に沿って形成されるので、効率のよい冷却を行うことができる。
【００４９】
さらに、第１セパレータをカソード側セパレータとし、前記第１反応ガス流路に酸化剤ガスを流通させる。反応ガスの供給側と排出側のマニホールドとが連通していない酸化剤ガス流路６６Ａを酸化剤極３側に形成することで、流路壁によって行き先をふさがれた反応ガスは強制的に多孔質材料で構成される酸化剤極３のガス拡散電極層を通り抜ける。このため、発電反応によって生成する水による酸化剤ガス流路６６Ａの閉塞を防止することができる。この流路は、電解質膜１の近傍へ反応ガスを強制的に送り込むことができるため、電解質膜１内に保有される水を持ち出しやすいため、発電によって水を生成する酸化剤ガス供給側に配置することが好ましい。
【００５０】
アノード側セパレータ板５１を、板状部材に、ＭＥＡ４と対峙する面に、隣接するカソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａに積層方向に重なるように燃料ガス流路６６Ｂを成形する。カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とを積層する際に、酸化剤ガス流路６６Ａの底面と、燃料ガス流路６６Ｂの底面を接合する。このように構成することで、冷却水流路２１の容積を十分にとることができるとともに、スタック１０をコンパクト化することができる。また、十分な接触面積を確保することができるので、電気伝導性や耐久性を維持することができる。
【００５１】
カソード側セパレータ板５２を、金属製薄板をプレス加工することにより成形する。また、本実施形態では、アノード側セパレータ板５１もプレス加工により形成する。これにより、低コストでセパレータ板５１、５２を成形することができる。また、セパレータ板５１、５２の構成部材として薄板を用いることができる。ここではプレス加工により形成しているが、折り曲げ等により成形しても良い。
【００５２】
反応ガス流路６６の裏側に冷却水流路２１を構成したセパレータ板５１、５２を用いることで、冷却水流路２１セル毎に確保することができるので、効果的な除熱を行うことが可能となる。さらに、燃料電池の組立において、セパレータ板５１、５２の一部でマニホールド６１、６２、６３を構成するので、マニホールドを構成する部材を必要としないため、燃料電池自体の小型化や軽量化に寄与することができる。また、本実施形態のセパレータは比較的容易に作成できるため、燃料電池の低コスト化に大きく貢献できる。
【００５３】
次に、第２実施形態について説明する。ここで用いるセパレータ板５１、５２の概略を図７に示す。
【００５４】
第１実施形態と基本的なセパレータ形状は違わないが、セパレータ板５１、５２の外周部に、さらにＭＥＡ４側に向かって折り返しを形成し、ＭＥＡ４とセパレータ５の接触面の外周部にシーリング領域６となる溝を形成する。
【００５５】
このように形成することで、各流路から、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が漏れるのを確実に防ぐことができる。
【００５６】
なお、本実施の形態で説明したセパレータ形状は、少なくともカソード側セパレータ板５２に使用すればよい。カソード側セパレータ板５２に対して、従来のアノード側セパレータ板、例えば、燃料極２に対峙する面に燃料ガス流路が形成されており、カソード側セパレータ板５２に対峙する面を平面により構成したセパレータ板を用いても良い。
【００５７】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態におけるセパレータ平面構造の概略図である。
【図３】第１の実施形態におけるセルの断面の概略図である。
【図４】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の概略図である。
【図５】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の例の概略図である。
【図６】第１の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【図７】第２の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【符号の説明】
１　　電解質膜
２　　燃料極（電極）
３　　酸化剤極（電極）
４　　膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１　冷却水流路（冷媒の流通領域）
５１　アノード側セパレータ板（第２セパレータ）
５２　カソード側セパレータ板（第１セパレータ）
６１　酸化剤ガスマニホールド
６２　燃料ガスマニホールド
６３　冷却水ガスマニホールド
６６Ａ　酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）
６６Ｂ　燃料ガス流路（第２反応ガス流路）
６７　連通孔（貫通孔）
７２　最外周縁部（外周部）[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell. In particular, the present invention relates to the shape of a coolant flow path in a solid polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas as a reaction gas with an oxidizing gas such as air. Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like. As one of them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is known.
[0003]
The electrode reaction in the solid polymer electrolyte fuel cell is as follows.
[0004]
[Formula]
Fuel electrode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ ... (1)
Oxidant electrode: 4H ⁺ + 4e ⁻ + O ₂ → 2H ₂ O ... (2)
Fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the reaction of Formula (1) proceeds to generate protons. In the hydrated state, the protons move through the electrolyte, here, the solid polymer electrolyte, and reach the oxidant electrode. At the oxidant electrode, the reaction of the formula (2) proceeds by the protons and oxygen in the supplied oxidant gas. As the reactions of equations (1) and (2) proceed at each pole, an electromotive force is generated in the fuel cell.
[0005]
As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell utilizing the fact that a polymer resin membrane having a proton exchange group in a molecule functions as a proton conductive electrolyte when saturated with water. Since it operates at a relatively low temperature and can generate electric power efficiently, various uses are expected, including those mounted on electric vehicles.
[0006]
The solid polymer electrolyte fuel cell stack has a structure in which a membrane electrode assembly in which gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane by means such as hot pressing, and a gas separator made of carbon or metal. Have. As a gas separator, a carbon material is very often used, but has a problem that the cost is high because the material is formed by cutting, and that the capacity of the stack is large.
[0007]
Therefore, in a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction gas flow path is formed between the separator plate and the fuel cell, and a cooling water flow path is provided between the separator plate and the intermediate plate. Here, the intermediate plate is a partition disposed between a separator plate having a reaction gas flow path and a cooling water flow path, and a separator plate having a reaction gas flow path. With this configuration, the size and weight of the fuel cell can be reduced without the need for a member for configuring the cooling water flow path (for example, see Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-228207 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell, an intermediate plate serving as a partition is required in addition to the separator plate, and there is a concern that the fuel cell will be large and heavy. Therefore, if a similar output is obtained, the size of the fuel cell itself will increase.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a miniaturized solid polymer electrolyte fuel cell without using auxiliary parts for forming a refrigerant flow path.
[0011]
[Means for solving the problem]
The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of a reaction gas. A membrane electrode assembly formed by sandwiching the electrolyte membrane between the electrodes, a first separator formed by forming a first reaction gas flow path on a surface of the plate-shaped member facing the membrane electrode assembly, A second separator having a second reaction gas flow path on a surface facing the membrane electrode assembly; and a stack formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching the cells. A coolant for removing heat accompanying the power generation reaction is passed through a gap formed between the first separator and the second separator.
[0012]
[Action and effect]
A coolant for removing heat accompanying the power generation reaction is passed through a gap formed between the first separator and the second separator. Thereby, the flow path of the refrigerant can be secured without using auxiliary parts, so that it is possible to reduce the size and cost of the fuel cell.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell used in the first embodiment. The fuel cell used here is a solid polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 1 shows a part of a solid polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter, stack) 10.
[0014]
A solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, electrolyte membrane) 1 is sandwiched between a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 3 to constitute a membrane electrode assembly (MEA) 4. As the electrolyte membrane 1, a proton conductive membrane made of a solid polymer material such as a fluororesin is used. Each of the electrodes 2 and 3 is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and is arranged such that the surface on which the catalyst is present faces the electrolyte membrane 1. The catalyst layer may be formed individually, or may be formed by filling the gas diffusion layer with a catalyst or applying the catalyst to the cell surface of the gas diffusion layer. Here, each of the electrodes 2 and 3 is composed of a catalyst layer composed of carbon cloth or carbon paper containing a catalyst composed of platinum or platinum and another metal, and a porous gas diffusion layer.
[0015]
The stack 10 is configured by alternately stacking such MEAs 4 and separators 5. Here, while serving as a partition between the separator 5 and the MEA 4, a flow path for supplying a fuel gas, an oxidizing gas, and cooling water to each MEA is provided. As will be described later, the separator 5 includes an anode-side separator plate 51 and a cathode-side separator plate 52. That is, a unit cell is formed by sandwiching the MEA 4 between the anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52, and the stack 10 is formed by stacking a plurality of such cells. At this time, the anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator 52 of the adjacent cell are joined to form the separator 5.
[0016]
In addition, a oxidizing gas such as a fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel electrode 2 and an air containing oxygen supplied to the oxidizing electrode 3 is further provided by the sealing region 6 along the outer edge of the separator 5. Seal various cooling water. Here, the sealing region 6 is formed by arranging a sealing material between the separator 5 and the electrolyte membrane 1 and along the outer edge of the separator 5.
[0017]
Next, the configuration of the separator 5 will be described. Here, a separator manufactured using a metal thin plate will be described. However, the present invention is not limited to this. For example, a material that can realize a flow path shape even with a carbon material or the like can be used. The separator 5 is formed by press working.
[0018]
The separator 5 includes an anode-side separator plate 51 adjacent to the fuel electrode 2 and a cathode-side separator plate 52 adjacent to the oxidant electrode 3. FIG. 2 shows a schematic configuration of the cell surface of the cathode-side separator plate 52. Note that FIG. 2A is a surface on which a flow path of a reaction gas, here, a flow path of an oxidizing gas is formed, and FIG. 2B is a surface on which a flow path of cooling water corresponding to the back surface is formed.
[0019]
The cathode-side separator plate 52 includes an oxidizing gas manifold 61, a fuel gas manifold 62, a cooling water gas manifold 63, a gas distribution channel 64, a gas recovery channel 65, and an oxidizing gas channel 66A.
[0020]
The oxidant gas flow path 66A is formed near the center of the cell surface of the cathode-side separator plate 52, where a power generation reaction occurs. The oxidant gas flow path 66 A is formed by forming a concave groove opened toward the oxidant electrode 3 in the cathode-side separator plate 52. The groove is formed so that the cross section of the groove becomes rectangular or trapezoidal. The oxidizing gas flow path 66A includes a supply-side gas flow path 66Aa and a discharge-side gas flow path 66Ab. One end of the supply-side gas channel 66Aa communicates with the gas distribution channel 64 as described later. One end of the discharge side gas passage 66Ab communicates with the gas recovery passage 65 as described later. The supply-side gas passage 66Aa and the discharge-side gas passage 66Ab are not communicated with each other.
[0021]
The supply-side gas flow path 66Aa and the discharge-side gas flow path 66Ab are configured by arranging a plurality of flow paths extending in one direction in parallel. The supply-side gas flow paths 66Aa and the discharge-side gas flow paths 66Ab are alternately arranged. With this configuration, as described later, all the oxidizing gas supplied to the supply-side gas flow path 66Aa is supplied to the oxidizing electrode 3, and the oxidizing gas not used for the reaction is discharged gas. It is discharged to the flow path 66Ab.
[0022]
An oxidizing gas manifold 61, a fuel gas manifold 62, and a cooling water manifold 63 are provided on the outer peripheral side of the oxidizing gas flow path 66A in the stacking direction of the stack 10. At this time, each of the manifolds 61, 62, and 63 includes a supply manifold (61a, 62a, 63a) and a discharge manifold (61b, 62b, 63b).
[0023]
The gas distribution channel 64 is connected to the supply oxidizing gas manifold 61a. The gas distribution flow path 64 is a flow path formed along one end of the supply gas flow path 66Aa on the cell surface, and distributes the oxidizing gas supplied from the supply gas manifold 61a to the supply gas flow path 66Aa. I do. Further, the gas recovery passage 65 is connected to the discharge oxidizing gas manifold 61b. The gas recovery flow path 65 is a flow path formed along one end of the discharge-side gas flow path 66Ab on the cell surface, and discharges the oxidizing gas discharged from the discharge-side gas flow path 66Ab to the discharge-side oxidizing gas manifold 61b. To be collected.
[0024]
Here, the gas distribution flow path 64, the gas recovery flow path 65, and the oxidizing gas flow path 66A are formed by concave grooves with respect to the flat surface 70 that contacts the oxidizing electrode 3. Here, a concave groove is formed by press working. At this time, the oxidizing gas channels 66A are configured such that the depths of the concave grooves forming the oxidizing gas channels 66A are the same.
[0025]
Further, the gas manifolds 61 and 62 are also formed by concave grooves with respect to the plane 70, and a communication hole 67 described later is formed in at least a part of the bottom surface of the groove. The configuration is such that the depths of the grooves forming the respective gas manifolds 61 and 62 are the same. Here, the depths of the grooves forming the manifolds 61 and 62 are the same as the depths of the grooves forming the oxidizing gas flow path 66A. Here, the gas distribution flow path 64 and the gas recovery flow path 65 are formed by concave grooves having the same depth as the oxidizing gas flow path 66A, but this depth can be set by the flow rate of the supplied reaction gas or the like. it can. For example, the depth of the groove forming the gas distribution flow path 64 and the gas recovery flow path 65 may be smaller than the depth of the groove forming the oxidizing gas flow path 66A.
[0026]
Further, an outermost peripheral edge portion 72 is provided on the outer edge of the cathode-side separator plate 52. An outer peripheral edge 71 is provided immediately inside the outermost peripheral edge 72. The outer peripheral edge portion 71 is a portion bent from the flat surface 70 in the depth direction of the concave groove. That is, the outer peripheral edge portion 71 is a surface configured substantially in the stacking direction. Thus, the outermost peripheral edge 72 is formed to protrude in the depth direction from the plane 70 by the outer peripheral edge 71. Here, the bottom surface of the concave groove forming each of the flow paths 64, 65, 66A and the outermost peripheral edge portion 72 are configured to have the same position in the stacking direction.
[0027]
FIG. 2B shows the cathode-side separator plate 52 formed in this manner as viewed from the surface opposite to FIG. 2A, that is, from the surface on which the cooling water channel 21 is formed. Here, the gas distribution flow path 64, the gas recovery flow path 65, the oxidizing gas flow path 66A, and the outermost peripheral edge 72 project in a concave direction (a direction coming forward from the drawing) with respect to the plane 70. And As a result, a region that does not protrude in the concave direction with respect to the plane 70 is used as the cooling water passage 21, and a cooling water passage supplied from the cooling water gas manifold 63 is formed. Here, the cooling water flow path 21 is constituted by a region communicating from the supply-side cooling water manifold 63a to the discharge-side cooling water manifold 63b. In particular, the supply-side gas passage 66Aa and the discharge-side gas passage 66Ab of the oxidizing gas passage 66A are not connected. Thereby, the cooling water flow path 21 is configured to flow the cooling water supplied from the supply-side cooling water manifold 63a along the space between the oxidizing gas flow paths 66A and to collect the cooling water in the discharge-side cooling water manifold 63b. Can be.
[0028]
FIG. 3 shows a cross section (AA cross section in FIG. 2) of the separator 5 and the MEA 4 when the stack 10 is formed using the cathode-side separator plate 52 having such a shape. FIG. 6 shows the appearance of the separator 5.
[0029]
In the present embodiment, a separator formed in the same manner as the cathode-side separator plate 52 is used as the anode-side separator plate 51. The anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52 are stacked such that the surface on which the cooling water flow path 21 is formed (the surface in FIG. 2B) faces each other.
[0030]
However, the gas distribution channel 64 formed in the anode side separator plate 51 is connected to the supply side fuel gas manifold 62a, and the gas recovery channel 65 communicates with the discharge side fuel gas manifold 62b. Further, a fuel gas passage 66B is formed at a portion facing the oxidizing gas passage 66A. However, the flow direction of the oxidizing gas in the oxidizing gas flow path 66A is configured to be opposite to the flow direction of the fuel gas in the fuel gas flow path 66B. As a result, the gas distribution channel 64 formed in the cathode-side separator plate 52 and the gas recovery channel 65 formed in the anode-side separator plate 51 face each other, and the gas recovery channel 65 formed in the cathode-side separator plate 52 faces the anode. The gas distribution flow passage 64 formed on the side separator plate 51 faces.
[0031]
Here, the position of the outermost peripheral edge 72 of the cathode-side separator plate 52 and the bottom surface of the oxidizing gas flow path 66A in the laminating direction are the same, and the outermost peripheral edge 72 of the anode-side separator plate 51 and the fuel gas flow The position in the stacking direction with the path 66B was the same. Thus, when the stack 10 is formed, the anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52 come into contact with each other at the outermost peripheral edge 72 and the bottom surface of the reaction gas flow path 66.
[0032]
With such a configuration, the concave groove of the cathode-side separator plate 52 opened in the direction of the oxidant electrode 3 becomes the oxidant gas flow path 66A. Further, the concave groove of the anode-side separator plate 51 opened in the direction of the fuel electrode 2 becomes the fuel gas flow path 66B. Further, a closed space formed by a groove of the cathode-side separator plate 52 that is not open in the direction of the oxidant electrode 3 and a groove of the anode-side separator plate 51 that is not open in the direction of the fuel electrode 2 are formed by the cooling water flow path 21. Become.
[0033]
FIG. 4 shows a BB cross section of FIG. Here, the BB cross section is a cross section of the supply-side fuel gas manifold 62a, the gas recovery manifold 64, and the discharge-side oxidizing gas manifold 61b.
[0034]
The fuel gas supplied from the supply side fuel gas manifold 62a is distributed to the fuel gas flow path 66B via the gas distribution flow path 64 formed in the anode side separator plate 51. The oxidizing gas recovered from the oxidizing gas flow path 66A is recovered to the discharge-side oxidizing gas manifold 61b through a gas recovery flow path 65 formed in the cathode-side separator plate 52.
[0035]
At this time, the bottom surfaces of the concave grooves constituting the supply-side fuel gas manifold 62a on the cathode side and the anode side are formed at the same position in the stacking direction. That is, when the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 are stacked, the bottom surface of the groove forming the supply-side fuel gas manifold 62a is configured to contact. Further, a communicating hole 67 penetrating in the stacking direction is provided at a portion facing the bottom surface so as to allow fuel gas to flow in the stacking direction.
[0036]
Although the supply-side fuel gas manifold 62a has been described here, the oxidizing gas manifold 61 and the discharge-side fuel gas manifold 62b have the same configuration. That is, the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 are configured to be in contact with the bottom surfaces of the grooves constituting the gas manifolds 61 and 62. In addition, a communication hole 67 communicating with the stacking direction is formed on the bottom surface so that the fuel gas and the oxidizing gas can flow in the stacking direction.
[0037]
Here, the position in the stacking direction of the bottom surfaces of the concave grooves constituting the gas manifolds 61 and 62 is the same as the outermost peripheral edge portion 72, but is not limited to this as shown in FIG. In this case, an optimal shape is appropriately selected in consideration of stability after processing a metal plate for forming the separator plates 51 and 52.
[0038]
Here, when the stack 10 is formed by laminating a number of MEAs 4 and the separators 5, the separators 5 having the cooling water flow paths 21 always function as bipolar electrodes in a state where the adjacent separator plates 51 and 52 are joined to each other. It must be electrically conductive. In order to minimize the resistance at the joint surface, it is desirable to make the contact area between the adjacent separator plates 51 and 52 as large as possible. Further, when the stack 10 is formed by laminating 10 or more cells, it is desirable that the cells be pressed against each other at a predetermined surface pressure in order to keep the stack 10 stable. Since the surface pressure is applied in the laminating direction, the adjacent separator plates 51 and 52 need to be always in contact with each other on the bottom surfaces in order to transmit the pressing force between the cells.
[0039]
In the present embodiment, by configuring as described above, the separator plates 51 and 52 configuring the cooling water channel 21 are joined at the reaction gas channel 66, the gas manifolds 61 and 62, and the outermost peripheral edge 72. . Further, here, the gas distribution channel 64 and the gas recovery channel 65 opposed thereto are joined. Thereby, the electric resistance in the separator 5 can be reduced, and the pressure transmission and the durability in the stacking direction can be improved.
[0040]
The separator plates 51 and 52 are formed by pressing a flat metal plate. However, in order to control warpage and distortion of a molded product obtained by pressing a flat plate, a flat portion 70 a formed between the manifolds 61, 62, 63 and the outer peripheral portion 71 and an outermost peripheral portion 72 are formed. It is necessary to secure a size necessary for maintaining the shape. However, since they do not contribute to power generation, a size that balances shape maintenance and performance is selected.
[0041]
As a joining method of each contact portion, welding, adhesion with a conductive adhesive, or the like is selected. In addition, although the type of the metal material is limited, stirring friction welding is also possible.
[0042]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0043]
The MEA 4 formed by sandwiching the electrolyte membrane 1 between the electrodes 2 and 3 is opposed to the first separator formed by forming a first reaction gas flow path on the surface of the plate-shaped member facing the MEA 4 and the MEA 1. And a second separator provided with a second reaction gas flow path on the surface to be formed. A stack 10 in which a plurality of cells having such a configuration are stacked is provided. In this embodiment, the first separator is the cathode-side separator plate 52, the first reactant gas passage is the oxidizing gas passage 66A, the second separator is the anode-side separator plate 51, and the second reactant gas passage is the fuel gas passage. This corresponds to the road 66B. A refrigerant for removing heat accompanying the power generation reaction is passed through a gap formed between the first separator thus configured and the second separator of an adjacent cell.
[0044]
With such a configuration, a region formed by the unevenness forming the oxidizing gas flow path 66 A on the surface of the cathode-side separator plate 52 opposite to the surface facing the oxidizing electrode 3 is used as the cooling water flow path 21. can do. At this time, since an auxiliary member is not required to form the cooling water flow path 21, the size and cost of the stack 10 can be reduced.
[0045]
The oxidizing gas flow path 66A is formed by forming a part of the cathode-side separator 52 into a plurality of grooves having a rectangular or trapezoidal cross section. An outermost peripheral edge 72 turned back in the direction. When stacking the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 of an adjacent cell, at least the bottom surface of the oxidant gas flow path 66A and the outermost peripheral edge 72 are joined to the anode-side separator plate 51. As described above, by forming a region in contact between the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator 52, the bonding strength in the stacking direction can be increased. In addition, since the contact surface property can be widened, the electric resistance in the stacking direction can be reduced, and the power generation efficiency can be improved.
[0046]
As a part of a manifold for distributing the reaction gas to each cell, a plurality of concave regions (manifolds 61, 62) having the same depth direction as the grooves constituting the oxidizing gas flow path 66A are formed in a part of the cathode-side separator plate 52. Is formed, and a communication hole 67 is formed on the bottom surface of the recessed region. When stacking the anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52 of an adjacent cell, the bottom surface of the recessed region and the anode-side separator plate 51 are joined. Manifolds 61 and 62 for distributing the reaction gas to each cell by flowing the reaction gas through the communication hole 67 between the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 of the adjacent cell are provided. Constitute. With such a configuration, it is possible to configure a part of the manifolds 61 and 62 that allow the reaction gas to flow through the plate-shaped member in the stacking direction. At this time, since the manifolds 61 and 62 can be formed by press working or the like, the manifolds 61 and 62 can be formed at low cost.
[0047]
A supply-side cooling water manifold 63a that supplies a coolant and extends in the cell stacking direction, and a surface of the cathode-side separator plate 52 facing the MEA4 are provided on the surface of the cathode-side separator plate 52 opposite to the surface facing the MEA4. A discharge-side cooling water manifold 63b extending in the cell stacking direction for collecting the refrigerant from the opposite surface. The cooling water supplied from the supply-side cooling water manifold 63a is collected in the discharge-side cooling water manifold 63b through the vicinity of the oxidant gas flow path 66A on the surface of the cathode-side separator plate 52 opposite to the surface facing the MEA4. To be molded. Thereby, the cooling water can be circulated near the power generation surface, so that the cooling water passage 21 for performing efficient cooling can be configured.
[0048]
The oxidizing gas flow path 66A includes a plurality of supply-side gas flow paths 66Aa and a discharge-side gas flow path 66Ab, and the supply-side gas flow paths 66Aa and the discharge-side gas flow paths 66Ab are alternately arranged. Are not connected. This allows the refrigerant to flow through the flow path along the oxidizing gas flow path 66A on the surface of the cathode-side separator plate 52 opposite to the surface on which the oxidizing gas flow path 66A is formed. Since this flow path communicates with the supply-side cooling water manifold 63a and the discharge-side cooling water manifold 63b, the flow of the cooling water can be secured, and the cooling water is formed along the reaction gas flow path 66, so that efficient cooling is achieved. It can be carried out.
[0049]
Further, the first separator is a cathode-side separator, and an oxidizing gas flows through the first reaction gas flow path. By forming the oxidizing gas passage 66A on the oxidizing electrode 3 side where the supply gas supply side and the discharge side manifold are not in communication with each other, the reaction gas whose destination is closed by the passage wall is forced to be porous. Through the gas diffusion electrode layer of the oxidizer electrode 3 made of a porous material. Therefore, it is possible to prevent the oxidant gas flow path 66A from being blocked by water generated by the power generation reaction. Since this flow channel can force the reaction gas into the vicinity of the electrolyte membrane 1, it is easy to take out the water held in the electrolyte membrane 1, and is arranged on the oxidizing gas supply side that generates water by power generation. Is preferred.
[0050]
The anode separator plate 51 is formed into a plate-like member, and the fuel gas flow passage 66B is formed on the surface facing the MEA 4 so as to overlap the oxidizing gas flow passage 66A of the adjacent cathode separator plate 52 in the laminating direction. When stacking the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51, the bottom surface of the oxidizing gas passage 66A and the bottom surface of the fuel gas passage 66B are joined. With such a configuration, the volume of the cooling water flow path 21 can be sufficiently provided, and the stack 10 can be made compact. In addition, since a sufficient contact area can be secured, electric conductivity and durability can be maintained.
[0051]
The cathode-side separator plate 52 is formed by pressing a thin metal plate. In the present embodiment, the anode-side separator plate 51 is also formed by press working. Thereby, the separator plates 51 and 52 can be formed at low cost. Further, a thin plate can be used as a constituent member of the separator plates 51 and 52. Here, it is formed by pressing, but it may be formed by bending or the like.
[0052]
By using the separator plates 51 and 52 having the cooling water flow path 21 on the back side of the reaction gas flow path 66, the cooling water flow path 21 can be secured for each cell, so that effective heat removal can be performed. Become. Further, in the assembly of the fuel cell, since the manifolds 61, 62, 63 are constituted by a part of the separator plates 51, 52, the members constituting the manifold are not required, which contributes to the miniaturization and weight reduction of the fuel cell itself. can do. Further, since the separator of the present embodiment can be relatively easily formed, it can greatly contribute to a reduction in cost of the fuel cell.
[0053]
Next, a second embodiment will be described. FIG. 7 schematically shows the separator plates 51 and 52 used here.
[0054]
Although the basic separator shape is not different from that of the first embodiment, a fold is formed on the outer peripheral portions of the separator plates 51 and 52 toward the MEA 4 side, and the sealing region 6 is formed on the outer peripheral portion of the contact surface between the MEA 4 and the separator 5. Is formed.
[0055]
By forming in this way, it is possible to reliably prevent the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water from leaking from each flow path.
[0056]
Note that the separator shape described in the present embodiment may be used at least for the cathode-side separator plate 52. With respect to the cathode-side separator plate 52, a fuel gas flow path is formed on a surface facing the conventional anode-side separator plate, for example, the fuel electrode 2, and the surface facing the cathode-side separator plate 52 is formed by a flat surface. A separator plate may be used.
[0057]
As described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic view of a planar structure of a separator according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of a cross section of a cell according to the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic view of a cross section of the gas manifold according to the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a cross section of the gas manifold according to the first embodiment.
FIG. 6 is an external view of a separator according to the first embodiment.
FIG. 7 is an external view of a separator according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 electrolyte membrane
2 Fuel electrode (electrode)
3 Oxidizer electrode (electrode)
4 Membrane electrode assembly (MEA)
21 Cooling water channel (refrigerant distribution area)
51 Anode-side separator plate (second separator)
52 Cathode-side separator plate (first separator)
61 Oxidant gas manifold
62 Fuel gas manifold
63 Cooling water gas manifold
66A Oxidant gas flow path (first reaction gas flow path)
66B Fuel gas flow path (second reaction gas flow path)
67 Communication hole (through hole)
72 Outermost edge (outer edge)

Claims

In a solid polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of a reaction gas,
Membrane electrode assembly constituted by sandwiching the electrolyte membrane between the electrodes,
A first separator formed by forming a first reaction gas flow path on a surface of the plate-shaped member facing the membrane electrode assembly;
A second separator provided with a second reaction gas flow path on a surface facing the membrane electrode assembly, and a stack in which a plurality of cells configured by sandwiching the cells are stacked;
A polymer electrolyte fuel cell characterized in that a coolant for removing heat accompanying a power generation reaction flows through a gap formed between the first separator and the second separator of an adjacent cell. .

The first reaction gas flow path is configured by forming a part of the first separator into a plurality of rectangular or trapezoidal grooves,
Along with the outer periphery of the first separator, an outer peripheral portion folded in a depth direction of the groove is provided.
2. The solid polymer electrolyte form according to claim 1, wherein when stacking the first separator and the second separator of an adjacent cell, at least a bottom surface of the groove and the outer peripheral portion are joined to the second separator. 3. Fuel cell.

As a part of a manifold for distributing at least a reaction gas to each cell, a part of the first separator is formed with a concave region having the same depth direction as the groove,
A through hole penetrating a bottom surface of the concave region,
When laminating the first separator and the second separator of an adjacent cell, the bottom surface of the concave region and the second separator are joined,
The solid polymer electrolyte fuel according to claim 2, wherein the reaction gas is distributed to each cell by flowing at least the reaction gas through the through hole between the first separator and the second separator of the adjacent cell. battery.

Supplying a refrigerant to a surface of the first separator opposite to a surface facing the membrane electrode assembly, a refrigerant supply channel extending in a cell stacking direction;
A refrigerant discharge channel extending in the cell stacking direction, which collects refrigerant from a surface of the first separator opposite to the surface facing the membrane electrode assembly,
On the surface of the first separator opposite to the surface facing the membrane electrode assembly, the refrigerant supplied from the refrigerant supply channel is collected in the refrigerant discharge channel via the vicinity of the reaction gas channel. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed in such a manner.

The first reaction gas flow path comprises a plurality of supply-side reaction gas flow paths and a discharge-side reaction gas flow path,
By alternately arranging the supply-side reaction gas passages and the discharge-side reaction gas passages and making them non-communicating, the surface of the first separator opposite to the surface on which the first reaction gas passages are formed is formed. 2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a refrigerant is caused to flow through a flow path on the side of the first reaction gas flow path. 3.

The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the first separator is a cathode-side separator, and an oxidizing gas flows through the first reaction gas flow path.

A second reaction gas flow path is formed so that the second separator overlaps the first reaction gas flow path of the adjacent first separator on the surface of the plate-shaped member facing the membrane electrode assembly in the stacking direction. By configuring,
The solid according to claim 1, wherein when stacking the first separator and the second separator of an adjacent cell, a bottom surface of the first reaction gas channel and a bottom surface of the second reaction gas channel are joined. Polymer electrolyte fuel cell.

The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the first separator is formed by pressing a thin metal plate.