JP2006210060A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a separator is laminated with an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。通常、単位セルが複数積層されることにより燃料電池が構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. An electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are opposed to each other on both sides of the electrolyte membrane includes a unit cell sandwiched between separators. Usually, a fuel cell is configured by stacking a plurality of unit cells.
この単位セルにおいて、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In this unit cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel for flowing fuel gas to the anode side electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode side electrode are provided in the plane of the separator. . Further, between the separators, a cooling medium flow path for allowing a cooling medium to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。 Generally, a fuel cell constitutes a so-called internal manifold in which a fluid supply communication hole and a fluid discharge communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided inside the fuel cell. The fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium, which are fluids, are supplied to the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling medium flow path from the fluid supply communication holes, and then the fluid discharge communication holes. Have been discharged.
このため、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が混在したり、漏洩したりすることを阻止する必要がある。そこで、例えば、特許文献1に開示されている単電池は、図18に示すように、電解質膜1と、この電解質膜1の外延部を支持する一対のフレーム2と、前記電解質膜1を両側から挟持する2つの電極3と、前記電極3を挟持するとともに、各電極3との間に反応ガス流路を形成する2つの集電極4と、両集電極4の外側に配置されるセパレータ5と、前記セパレータ5と前記フレーム2との間に介装されるシール部材6とを備えている。
For this reason, it is necessary to prevent the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium from being mixed or leaked. Therefore, for example, as shown in FIG. 18, the cell disclosed in Patent Document 1 includes an electrolyte membrane 1, a pair of
一対のフレーム2は、樹脂により形成されており、各フレーム2から互いに近接する方向に突出する突出部2a、2aが溶着される一方、突出部2b、2bが電解質膜1に溶着されることにより一体化されている。
The pair of
一般に、燃料電池では、スタック全体の小型化を図るため、単電池(単位セル)の厚さを相当に薄肉化することが望まれている。従って、フレーム2と共にシール部材6自体を薄肉化する必要があり、前記シール部材6の寸法公差が高精度に要求される。これにより、シール部材6の製造コストが高騰するとともに、薄肉状の前記シール部材6の取り扱い作業性が著しく低下し、燃料電池の組立作業が煩雑化するという問題がある。
In general, in a fuel cell, in order to reduce the size of the entire stack, it is desired to reduce the thickness of a single cell (unit cell) considerably. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、所望のシール性を確保するとともに、燃料電池全体の小型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a fuel cell that has a simple and compact configuration, can secure a desired sealing property, and can reduce the overall size of the fuel cell. And
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池である。セパレータは、導電性の電極反応部と、前記電極反応部の周囲を覆って設けられる樹脂製の第1外周部とを備えるとともに、電解質・電極構造体は、電極の周囲を覆って樹脂製の第2外周部を設けている。そして、第1外周部と第2外周部との間に介装される発熱体を介して、前記第1外周部と前記第2外周部とが溶融により一体化されている。 The present invention is a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte and a separator are stacked. The separator includes a conductive electrode reaction part and a first outer peripheral part made of resin that covers the periphery of the electrode reaction part, and the electrolyte / electrode structure covers the periphery of the electrode and is made of resin. A second outer peripheral portion is provided. And the said 1st outer peripheral part and the said 2nd outer peripheral part are integrated by fusion | melting via the heat generating body interposed between the 1st outer peripheral part and the 2nd outer peripheral part.
また、本発明の燃料電池では、セパレータは、導電性の電極反応部と、前記電極反応部の周囲を覆って設けられる樹脂製の外周部とを備えるとともに、電解質・電極構造体を挟んで対向する一対のセパレータは、それぞれの外周部の間に介装される発熱体を介して、前記外周部同士が溶融により一体化されている。 In the fuel cell of the present invention, the separator includes a conductive electrode reaction part and a resin outer peripheral part provided to cover the periphery of the electrode reaction part, and is opposed to the electrolyte / electrode structure. In the pair of separators, the outer peripheral parts are integrated by melting through a heating element interposed between the outer peripheral parts.
さらに、セパレータは、電極の面方向に沿って所望の反応ガスを供給する反応ガス流路と、積層方向に貫通して前記反応ガスを通流させる反応ガス連通孔とを設け、発熱体は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するシールラインを形成することが好ましい。第1外周部材と第2外周部との間、又は外周部同士の間には、所望の気密性を有するシールラインが容易且つ確実に形成されるからである。 Further, the separator is provided with a reaction gas flow path for supplying a desired reaction gas along the surface direction of the electrode, and a reaction gas communication hole through which the reaction gas passes through in the stacking direction. It is preferable to form a seal line that connects the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole. This is because a seal line having desired airtightness is easily and reliably formed between the first outer peripheral member and the second outer peripheral portion or between the outer peripheral portions.
さらにまた、互いに重なり合う2つのセパレータ間には、電極の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路と、積層方向に貫通して前記冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔とが設けられるとともに、前記2つのセパレータ間に介装される発熱体を介して、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連結するシールラインが形成されることが好ましい。2つのセパレータ間には、所望の液密性を有するシールラインが容易且つ確実に形成されるからである。 Furthermore, a cooling medium flow path for supplying a cooling medium along the surface direction of the electrode and a cooling medium communication hole that passes through the cooling medium through the stacking direction are provided between the two separators that overlap each other. In addition, it is preferable that a seal line for connecting the cooling medium flow path and the cooling medium communication hole is formed via a heating element interposed between the two separators. This is because a seal line having a desired liquid tightness is easily and reliably formed between the two separators.
また、発熱体は、導電性部材で構成されるとともに、一方のセパレータの電極反応部に一部を接触させて前記一方のセパレータと電気的に接続されることが好ましく、さらに、前記発熱体は、電解質・電極構造体に一部を接触させて前記電解質・電極構造体と電気的に接続されることが好ましい。発熱体は、セル運転時の電圧を監視するためのセル電圧端子として利用することが可能になるからである。 In addition, the heating element is preferably composed of a conductive member, and is preferably electrically connected to the one separator by bringing a part thereof into contact with the electrode reaction portion of the one separator. It is preferable that a part of the electrolyte / electrode structure is brought into contact with and electrically connected to the electrolyte / electrode structure. This is because the heating element can be used as a cell voltage terminal for monitoring the voltage during cell operation.
本発明では、セパレータの外周部と電解質・電極構造体の外周部、又は、一対のセパレータの外周部同士が、発熱体を介して溶融されることにより一体化される。このため、発熱体の形状を選択するだけで、所望のシールラインを容易且つ確実に形成することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、所望のシール性を確保するとともに、燃料電池全体の小型化を図ることが可能になる。しかも、燃料電池が溶着により一体化されるため、前記燃料電池の取り扱い作業性が有効に向上する。 In the present invention, the outer peripheral portion of the separator and the outer peripheral portion of the electrolyte / electrode structure, or the outer peripheral portions of the pair of separators are integrated by being melted through the heating element. For this reason, a desired seal line can be formed easily and reliably only by selecting the shape of the heating element. As a result, it is possible to ensure a desired sealing property with a simple and compact configuration and to reduce the size of the entire fuel cell. In addition, since the fuel cells are integrated by welding, the handling workability of the fuel cells is effectively improved.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池10が積層された状態の、図1中、II−II線断面説明図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
図1に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12をアノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とで挟持して構成される。アノード側複合セパレータ14及びカソード側複合セパレータ16は、導電性の電極反応部と、後述する樹脂製の第1外周部(第1樹脂枠部材50及び第2樹脂枠部材59)との複合体で構成される。この導電性の電極反応部として、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板が使用されるが、これに限定されるものではなく、例えば、カーボン材等、種々の導電性材料が使用可能である。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池10の長辺方向(図1中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔18aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔20bとが設けられる。
An oxidant gas inlet for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the direction of the arrow A at one end edge of the long side direction (the arrow B direction in FIG. 1) of the
燃料電池10の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔20aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔18bとが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
燃料電池10の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、22aが設けられるとともに、前記燃料電池10の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、22bが設けられる。
Cooling medium
電解質膜・電極構造体12は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するアノード側電極26及びカソード側電極28とを備える。
The electrolyte membrane /
図2に示すように、アノード側電極26及びカソード側電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層30a、30bと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層30a、30bの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層32a、32bとを有する。電極触媒層32a、32bは、固体高分子電解質膜24の両面に形成される。
As shown in FIG. 2, the anode-
カソード側電極28の外周部には、図1及び図2に示すように、樹脂枠(樹脂製の第2外周部)34が設けられる。この樹脂枠34は、熱可塑性樹脂(エラストマと含む)で構成されており、ガス拡散層30bの先端部分に含浸部位34aが設けられる(図2参照)。樹脂枠34は、接着部位36を介して固体高分子電解質膜24に接着される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a resin frame (resin-made second outer peripheral portion) 34 is provided on the outer peripheral portion of the
図3に示すように、アノード側複合セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとに連通する燃料ガス流路40が形成される。この燃料ガス流路40は、例えば、矢印B方向に延在する複数の溝部により構成される。
As shown in FIG. 3, a fuel
図1に示すように、アノード側複合セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとに連通する冷却媒体流路42が形成される。この冷却媒体流路42は、矢印C方向に延在する複数の溝部により構成される。
As shown in FIG. 1, a cooling
カソード側複合セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、矢印B方向に延在する複数の溝部からなる酸化剤ガス流路44が設けられる。この酸化剤ガス流路44は、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとに連通する。
The
図1〜図4に示すように、アノード側複合セパレータ14の面14a、14bには、導電性の電極反応部である燃料ガス流路40の周囲を覆って、第1樹脂枠部材(樹脂製の第1外周部)50が射出成形等により一体化される。第1樹脂枠部材50としては、例えば、PEEK(ポリエーテル−テルケトン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、LCP(液晶プラスチック)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PPE(ポリフェニレンエーテル)とPS(ポリスチレン)のアロイ等が用いられる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
図2に示すように、第1樹脂枠部材50の両面には、第1及び第2導電体(発熱体)52、54がアノード側複合セパレータ14の成形時に一体的に設けられる。第1及び第2導電体52、54は、例えば、銅箔をスクリーン印刷することにより設けられる。
As shown in FIG. 2, first and second conductors (heating elements) 52 and 54 are integrally provided on both surfaces of the first
図3に示すように、第1導電体52は、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとを燃料ガス流路40に連結するシールラインを形成する。この第1導電体52には、酸化剤ガス入口連通孔18aと燃料ガス出口連通孔20bとの間、及び燃料ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス出口連通孔18bとの間に位置し、アノード側複合セパレータ14の矢印B方向両端部に延在する通電部56a、56bが一体的に設けられる。
As shown in FIG. 3, the
図1に示すように、第2導電体54は、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとを冷却媒体流路42に連結するシールラインを形成する。この第2導電体54には、第1導電体52と同様に、アノード側複合セパレータ14の矢印B方向両端部に延在する通電部58a、58bが一体的に設けられる。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、カソード側複合セパレータ16の面16aには、導電性の電極反応部である酸化剤ガス流路44の周囲を覆って、第2樹脂枠部材(樹脂製の第1外周部)59が一体化される。第2樹脂枠部材59には、第3導電体(発熱体)60が一体成形される。この第3導電体60は、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとを酸化剤ガス流路44に連結するシールラインを形成する。
As shown in FIG. 1, the
第3導電体60には、酸化剤ガス入口連通孔18aと燃料ガス出口連通孔20bとの間、及び燃料ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス出口連通孔18bとの間に位置し、カソード側複合セパレータ16の矢印B方向両端部に延在する通電部62a、62bが一体的に設けられる。この通電部62bには、酸化剤ガス流路44側に突出して導通部64が一体成形される。
The
図4に示すように、カソード側複合セパレータ16が電解質膜・電極構造体12に積層される際、導通部64は、前記電解質膜・電極構造体12を構成するカソード側電極28に、より具体的には、ガス拡散層30bに直接接触している。すなわち、通電部62bは、カソード側電極28に一部を接触させて電気的に接続されることにより、後述するように、セル電圧端子を構成する。
As shown in FIG. 4, when the cathode-side
なお、第1〜第3導電体52、54及び60は、銅箔をスクリーン印刷することにより設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、図5に示すように、銅をスパッタリングして薄層66aを形成することにより第1〜第3導電体52、54及び60を構成してもよい。図6に示すように、複数本の銅製細線66bによって第1〜第3導電体52、54及び60を構成してもよく、さらに、図7に示すように、カーボン製フェルト材66cによって前記第1〜第3導電体52、54及び60を構成してもよい。
In addition, although the 1st-
次に、このように構成される燃料電池10を組み立てる作業について、説明する。
Next, an operation for assembling the
先ず、電解質膜・電極構造体12を挟んで、アノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とが配設されることにより、燃料電池10が積層される。この燃料電池10は、複数積層されてユニット70が得られ、このユニット70は、例えば、図8に示す加熱装置80に配置される。加熱装置80は、電源部82を備えており、この電源部82の一方のケーブル84aが、各燃料電池10の通電部56a、58a及び62aに接続されるとともに、他方のケーブル84bが、前記燃料電池10の通電部56b、58b及び62bに接続される。
First, the
そこで、ユニット70には、積層方向(矢印方向)に所定の面圧が付与されるとともに、電源部82が駆動されて第1〜第3導電体52、54及び60に通電される。このため、第1〜第3導電体52、54及び60は、通電によって発熱する。
Therefore, a predetermined surface pressure is applied to the
第1導電体52は、電解質膜・電極構造体12を構成する樹脂枠34に接触しており、この樹脂枠34及び第1樹脂枠部材50が前記第1導電体52に沿って溶融する。さらに、通電が停止されることによって、第1導電体52を覆って樹脂枠34及び第1樹脂枠部材50が溶着し、電解質膜・電極構造体12とアノード側複合セパレータ14の面14aとが密着する。その際、樹脂枠34と第1樹脂枠部材50との間には、第1導電体52の形状に沿って燃料ガス入口連通孔20a及び燃料ガス出口連通孔20bと燃料ガス流路40とを連結するシールラインが形成される。
The
一方、第3導電体60は、電解質膜・電極構造体12を構成する樹脂枠34の他方の面に接触している。従って、第3導電体60が発熱することによって、樹脂枠34及び第2樹脂枠部材59は、前記第3導電体60の形状に沿って溶融し、電解質膜・電極構造体12とカソード側複合セパレータ16の面16aとが溶着する。その際、樹脂枠34と第2樹脂枠部材59との間には、第3導電体60の形状に沿って酸化剤ガス入口連通孔18a及び酸化剤ガス出口連通孔18bと酸化剤ガス流路44とを連結するシールラインが形成される。
On the other hand, the
さらに、各燃料電池10を構成するアノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とは、第2導電体54が発熱することによって第1及び第2樹脂枠部材50、59が溶融して溶着される。このため、各燃料電池10同士は、アノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とが溶着されて一体化されるとともに、これらの間には、第2導電体54の形状に沿って冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bと冷却媒体流路42とを連結するシールラインが形成される。
Further, the anode-side
これにより、所定数の燃料電池10が積層されたユニット70は、加熱装置80により互いに溶着して一体化される。従って、燃料電池10の組み立て作業性が一挙に向上し、生産性が向上するとともに、前記燃料電池10の取り扱い作業性が良好になるという効果がある。
Thereby, the
なお、上記の加熱装置80に代えて、例えば、図9に示す高周波誘導加熱装置90を用いてもよい。この高周波誘導加熱装置90は、コイル92を備えており、前記コイル92の内方にユニット70が配置された状態で、前記コイル92に高周波電流が供給される。このため、第1〜第3導電体52、54及び60が高周波誘導加熱され、上記の加熱装置80と同様に、各燃料電池10及び前記燃料電池10同士が溶着されて一体化される。
Instead of the
次に、上記の燃料電池10の動作について、以下に説明する。
Next, the operation of the
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔18aからカソード側複合セパレータ16の酸化剤ガス流路44に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体12のカソード側電極28に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔20aからアノード側複合セパレータ14の燃料ガス流路40に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極26に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
従って、各電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極28に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26に供給される燃料ガスとが、電極触媒層32b、32a内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Accordingly, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極28に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔18bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード側電極26に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、アノード側複合セパレータ14の冷却媒体流路42に導入された後、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12を冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、アノード側複合セパレータ14を構成する第1樹脂枠部材50の両面には、第1及び第2導電体52、54が設けられるとともに、カソード側複合セパレータ16を構成する第2樹脂枠部材59の一方の面には、第3導電体60が設けられている。そして、電解質膜・電極構造体12を挟んで、アノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とを積層した状態で、加熱装置80又は高周波誘導加熱装置90を介して第1〜第3導電体52、54及び60が発熱される。
In this case, in the first embodiment, the first and
これによって、樹脂枠34と第1及び第2樹脂枠部材50、59とは、第1〜第3導電体52、54及び60の形状に沿って溶融されるため、電解質膜・電極構造体12の両面には、アノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とが溶着して一体化される。しかも、第1導電体52は、燃料ガス入口連通孔20a及び燃料ガス出口連通孔20bと燃料ガス流路40とを連結するシールラインを形成する一方、第3導電体60は、酸化剤ガス入口連通孔18a及び酸化剤ガス出口連通孔18bと酸化剤ガス流路44とを連通するシールラインを形成する。
Accordingly, the
従って、電解質膜・電極構造体12とアノード側複合セパレータ14及びカソード側複合セパレータ16との間には、薄肉状のシール部材(例えば、ガスケット)を配設する必要がない。これにより、第1の実施形態では、簡単な作業で、燃料ガス及び酸化剤ガスの所望のシールラインを容易且つ確実に形成することができるという効果が得られる。
Therefore, it is not necessary to dispose a thin seal member (for example, a gasket) between the electrolyte membrane /
さらに、複数の燃料電池10を積層したユニット70に対して、上記の溶融加熱処理が施される。このため、各燃料電池10間、すなわち、アノード側複合セパレータ14とカソード側複合セパレータ16とは、第2導電体54の発熱作用下に一体化されるとともに、これらの間には、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bと冷却媒体流路42とを連結するシールラインが形成される。
Further, the melting and heating process is performed on the
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、所望のシール性を確保するとともに、燃料電池10及び燃料電池スタック全体の小型化を容易に図ることが可能になる。
As a result, it is possible to ensure a desired sealing property with a simple and compact configuration and to easily reduce the size of the
さらにまた、カソード側複合セパレータ16では、第3導電体60が導通部64を備えている。この導通部64は、図4に示すように、電解質膜・電極構造体12を構成するカソード側電極28に直接接触して前記カソード側電極28に電気的に接続されている。従って、導通部64に一体化される通電部62bは、セル電圧端子として機能する。すなわち、通電部62bには、図示しないセル電圧検出器が接続され、例えば、セル電圧モニタによって各燃料電池10の電位を検出することができる。
Furthermore, in the cathode-side
なお、第1の実施形態では、アノード側複合セパレータ14及びカソード側複合セパレータ16を構成する金属プレート部分の外方に突出して第1及び第2樹脂枠部材50、59が成形されており、この第1及び第2樹脂枠部材50、59にのみ(金属プレート部分以外)酸化剤ガス入口連通孔18a、酸化剤ガス出口連通孔18b、燃料ガス入口連通孔20a、燃料ガス出口連通孔20b、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bが形成されているが、これに限定されるものではない。
In the first embodiment, the first and second
例えば、アノード側複合セパレータ14及びカソード側複合セパレータ16を構成する導電性プレート部分に酸化剤ガス入口連通孔18a、酸化剤ガス出口連通孔18b、燃料ガス入口連通孔20a、燃料ガス出口連通孔20b、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bが形成されるとともに、これらを囲繞して前記導電性プレート部分に第1及び第2樹脂枠部材50、59を成形してもよい。
For example, the oxidant gas
図10は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池100の要部分解斜視図であり、図11は、前記燃料電池100の一部拡大平面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第6の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 10 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池100は、電解質膜・電極構造体102をアノード側複合セパレータ104及びカソード側複合セパレータ106により挟持して構成される。アノード側複合セパレータ104では、第1導電体52の通電部56a、56bと、第2導電体54の導電部58a、58bとが、積層方向(矢印A方向)に対して矢印C方向に離間して設けられる。カソード側複合セパレータ106では、第3導電体60の通電部62a、62bが、積層方向に対して第1及び第2導電体52、54の通電部56a、58a間及び通電部56b、58b間に対応して設けられる。
The
カソード側複合セパレータ106の矢印B方向両端部には、第2導電体54の通電部58a、58bの位置に対応して切り欠き部108a、108bが形成される。電解質膜・電極構造体102の矢印B方向両端部には、それぞれ通電部56a、58a及び62aと、通電部56b、58b及び62bを外部に露呈させるための切り欠き部110a、110bが形成される。
At both ends of the cathode-side
このように構成される第2の実施形態では、複数の燃料電池100が積層されてユニットが構成される際、第1及び第3導電体52、60の通電部56a、62a及び56b、62bは、電解質膜・電極構造体102の切り欠き部110a、110bを介して前記電解質膜・電極構造体102の両側から外部に露呈する。さらに、第2導電体54の通電部58a、58bは、切り欠き部110a、110bとカソード側複合セパレータ106の切り欠き部108a、108bとを介して外部に露呈する(図11参照)。
In the second embodiment configured as described above, when a unit is configured by stacking a plurality of
これにより、通電部56a、56b、58a、58b及び62a、62bを介して、第1〜第3導電体52、54及び60に対する通電処理が、一層容易且つ確実に遂行されるという効果が得られる。
Thereby, the effect that the energization process with respect to the 1st-
図12は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池120が積層された状態の要部拡大断面図である。
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of a main part in a state where the
燃料電池120は、電解質膜・電極構造体122を挟持するアノード側複合セパレータ124と、カソード側複合セパレータ16とを備える。電解質膜・電極構造体122は、アノード側電極26の表面積がカソード側電極28の表面積よりも小さく設定されるとともに、前記アノード側電極26の外周部及び前記カソード側電極28の外周部にそれぞれ樹脂枠126a、126bを設ける。樹脂枠126a、126bは、接着部位36a、36bを介して固体高分子電解質膜24の両面に接着される。
The
図13は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池130が積層された状態の要部拡大断面図である。
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a main part in a state where
燃料電池130は、電解質膜・電極構造体132を挟持するアノード側複合セパレータ134及びカソード側複合セパレータ16を備える。電解質膜・電極構造体132では、第3の実施形態と同様に、アノード側電極26及びカソード側電極28に接着部位36a、36bを介して樹脂枠136a、136bが設けられる。カソード側電極28を構成するガス拡散層30bの先端部分には、金属に樹脂が含浸された含浸部位34aが設けられる。
The
このように構成される第3及び第4の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 In the third and fourth embodiments configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
図14は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池140の要部分解斜視説明図であり、図15は、前記燃料電池140の、図14中、XV−XV線断面図である。
FIG. 14 is an exploded perspective view of main parts of a
燃料電池140は、電解質膜・電極構造体12を挟持するアノード側複合セパレータ144及びカソード側複合セパレータ146を備える。アノード側複合セパレータ144に設けられる第2導電体54は、通電部58bとは反対側に、すなわち、冷却媒体流路42側に突出する通電部148を設ける。この通電部148は、アノード側複合セパレータ144の金属部位150に接触しており、通電部58bは、セル電圧端子として利用される(図15参照)。従って、第5の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
The
なお、第1〜第5の実施形態では、アノード側複合セパレータ14、104、124、134及び144と、カソード側複合セパレータ16、106及び146とに、第1〜第3導電体52、54及び60が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、電解質膜・電極構造体12、102、122及び132を構成する樹脂枠34の一方の面に第1導電体52を、あるいは、前記樹脂枠34の両方の面に第1及び第3導電体52、60を、それぞれ設けてもよい。
In the first to fifth embodiments, the anode-
図16は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池160の要部分解斜視説明図であり、図17は、前記燃料電池160の、図16中、XVII−XVII線断面図である。
FIG. 16 is an exploded perspective view of main parts of a
燃料電池160は、電解質膜・電極構造体162を挟持するアノード側複合セパレータ164及びカソード側複合セパレータ166を備える。電解質膜・電極構造体162は、固体高分子電解質膜24と略同一表面積に設定されるカソード側電極28と、前記カソード側電極28よりも小さな表面積に設定されるアノード側電極26とを備える。
The
アノード側複合セパレータ164は、燃料ガス入口連通孔20a及び燃料ガス出口連通孔20bに近接して複数の供給孔部168a及び排出孔部168bを設ける。アノード側複合セパレータ164は、電解質膜・電極構造体162に向かう一方の面に第1導電体を設けることがなく、他方の面に第3導電体54を設ける。
The anode-side
カソード側複合セパレータ166に設けられる第3導電体60は、アノード側複合セパレータ164を構成する第1樹脂枠部材50に直接接触している。この第3導電体60が発熱することによって、第1樹脂枠部材50と第2樹脂枠部材59とが一体化し、且つ電解質膜・電極構造体162を挟んでカソード側電極28側に酸化剤ガス用のシールラインが形成される。
The
これにより、第6の実施形態では、アノード側複合セパレータ164とカソード側複合セパレータ166とに設けられた第1樹脂枠部材50と第2樹脂枠部材59とは、第3導電体60の発熱作用下に溶融して一体化される。このため、所望のシールラインを容易且つ確実に形成することができる等、第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。
Thus, in the sixth embodiment, the first
10、100、120、130、140、160…燃料電池
12、102、122、132、162…電解質膜・電極構造体
14、104、124、134、144、164…アノード側複合セパレータ
16、106、146、166…カソード側複合セパレータ
18a…酸化剤ガス入口連通孔 18b…酸化剤ガス出口連通孔
20a…燃料ガス入口連通孔 20b…燃料ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24…固体高分子電解質膜 26…アノード側電極
28…カソード側電極 30a、30b…ガス拡散層
32a、32b…電極触媒層
34、126a、126b、136a、136b…樹脂枠
40…燃料ガス流路 42…冷却媒体流路
44…酸化剤ガス流路 50、59…樹脂枠部材
52、54、60…導電体
56a、56b、58a、58b、62a、62b、148…通電部
64…導通部 80…加熱装置
90…高周波誘導加熱装置
108a、108b、110a、110b…切り欠き部
150…金属部位
10, 100, 120, 130, 140, 160 ...
Claims (6)
前記セパレータは、導電性の電極反応部と、
前記電極反応部の周囲を覆って設けられる樹脂製の第1外周部と、
を備えるとともに、
前記電解質・電極構造体は、前記電極の周囲を覆って樹脂製の第2外周部を設け、
前記第1外周部と前記第2外周部との間に介装される発熱体を介して、前記第1外周部と前記第2外周部とを溶融により一体化することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a separator is laminated with an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes is provided on both sides of an electrolyte,
The separator includes a conductive electrode reaction part;
A resin-made first outer peripheral portion provided to cover the periphery of the electrode reaction portion;
With
The electrolyte / electrode structure is provided with a resin-made second outer peripheral portion covering the periphery of the electrode,
The fuel cell, wherein the first outer peripheral portion and the second outer peripheral portion are integrated by melting through a heating element interposed between the first outer peripheral portion and the second outer peripheral portion. .
前記セパレータは、導電性の電極反応部と、
前記電極反応部の周囲を覆って設けられる樹脂製の外周部と、
を備えるとともに、
前記電解質・電極構造体を挟んで対向する一対のセパレータは、それぞれの外周部の間に介装される発熱体を介して、前記外周部同士を溶融により一体化することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a separator is laminated with an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes is provided on both sides of an electrolyte,
The separator includes a conductive electrode reaction part;
A resin outer periphery provided to cover the periphery of the electrode reaction part;
With
A pair of separators facing each other with the electrolyte / electrode structure interposed therebetween, and the outer peripheral portions are integrated by melting through a heating element interposed between the respective outer peripheral portions. .
積層方向に貫通して前記反応ガスを通流させる反応ガス連通孔と、
を設け、
前記発熱体は、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するシールラインを形成することを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator includes a reaction gas channel that supplies a desired reaction gas along a surface direction of the electrode;
A reaction gas communication hole penetrating the reaction gas in the stacking direction;
Provided,
The fuel cell according to claim 1, wherein the heating element forms a seal line that connects the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole.
積層方向に貫通して前記冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔と、
が設けられるとともに、
前記2つのセパレータ間に介装される発熱体を介して、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連結するシールラインを形成することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a cooling medium flow path for supplying a cooling medium along a surface direction of the electrode between two overlapping separators,
A cooling medium communication hole that allows the cooling medium to flow through in the stacking direction;
Is provided,
A fuel cell, wherein a seal line that connects the cooling medium flow path and the cooling medium communication hole is formed via a heating element interposed between the two separators.
一方のセパレータの電極反応部に一部を接触させて前記一方のセパレータと電気的に接続されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the heating element is composed of a conductive member,
A fuel cell, wherein a part of the electrode reaction part of one separator is brought into contact with and electrically connected to the one separator.
前記電解質・電極構造体に一部を接触させて前記電解質・電極構造体と電気的に接続されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the heating element is composed of a conductive member,
A fuel cell, wherein a part of the electrolyte / electrode structure is brought into contact with and electrically connected to the electrolyte / electrode structure.
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