JP2006309964A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that performs gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface.
燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるMEA(Membrance Electrode Assembly)を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。近年では、こうしたガス流路形成部材に金属プレートを用いることで、その薄層化が図られている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell generally has a single cell stack structure, and a single cell sandwiches a MEA (Membrance Electrode Assembly) composed of an electrolyte layer that forms a catalyst layer on the surface thereof with a gas flow path forming member for fuel gas and oxidizing gas. To do. In recent years, such a gas flow path forming member has been thinned by using a metal plate (see, for example, Patent Document 1).
この特許文献で提案された燃料電池では、平板状のカーボンプレートに凹凸を有する金属プレートを接合させているが、電池冷却についての対処が不足している。一般に、電池冷却は、水等の冷却媒体を流すことでなされるので、こうした冷却媒体の流路を形成する必要がある。上記文献の燃料電池において冷却媒体流路を設けるに際しては、カーボンプレートに流路用の溝を形成するか、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意することが簡便である。 In the fuel cell proposed in this patent document, a metal plate having unevenness is joined to a flat carbon plate, but there is a lack of measures for cooling the battery. In general, since battery cooling is performed by flowing a cooling medium such as water, it is necessary to form a flow path for such a cooling medium. When providing the cooling medium flow path in the fuel cell of the above-mentioned document, it is easy to form a groove for the flow path in the carbon plate or separately prepare another member having the cooling medium flow path.
しかしながら、冷却媒体流路は、その冷却媒体がMEAに供給される燃料ガス或いは酸化ガスに接触しないよう形成する必要があるので、カーボンプレートに流路用の溝を形成する場合には、プレート背面側に溝加工が必要となる。こうなると、冷却媒体流路を流れる冷却媒体は、溝底面のカーボンプレートを介して金属プレートに対して冷却機能を発揮するので、溝底面を介する分だけ冷却効率が下がる。その一方、冷却媒体流路を有する別部材を別途用意する場合は、当該部材を設ける分、厚くなってしまう。 However, the cooling medium flow path needs to be formed so that the cooling medium does not come into contact with the fuel gas or oxidizing gas supplied to the MEA. Groove machining is required on the side. In this case, the cooling medium flowing through the cooling medium flow path exhibits a cooling function for the metal plate via the carbon plate on the bottom surface of the groove, so that the cooling efficiency is lowered by the amount corresponding to the bottom surface of the groove. On the other hand, when another member having a cooling medium flow path is separately prepared, the thickness is increased by providing the member.
本発明は、金属プレートをガス供給に採用するに際しての上記問題点を解決するためになされ、電池冷却のための冷却媒体とガスとの遮断を確保した上で、冷却効率向上と電池薄肉化の両立を図ることをその目的とする。 The present invention is made in order to solve the above-mentioned problems when a metal plate is used for gas supply, and it is possible to improve the cooling efficiency and reduce the thickness of the battery while ensuring the insulation between the cooling medium and the gas for cooling the battery. Its purpose is to achieve both.
かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池では、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行うに当たり、電解質層側に位置する金属製の第1プレートと、該第1プレートに接合する金属製の第2プレートとを用いる。この第1プレートは、複数の突起を備え、該突起を前記電解質層側に位置させることで、前記電解質層の主面側に前記ガス流路を形成する。第2プレートは、第1プレートにおける突起形成面とは反対側の面で第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する。 In order to solve at least a part of such problems, in the fuel cell of the present invention, when supplying the gas to the electrolyte layer having a catalyst layer on the surface and cooling with a cooling medium, the fuel cell is made of a metal located on the electrolyte layer side. The first plate and a metal second plate joined to the first plate are used. The first plate includes a plurality of protrusions, and the gas flow paths are formed on the main surface side of the electrolyte layer by positioning the protrusions on the electrolyte layer side. The second plate is joined to the first plate on the surface opposite to the projection forming surface of the first plate, so that the cooling flow path through which the cooling medium passes is blocked by the plate surface of the first plate. In this way, it is formed.
従って、冷却用流路を流れる冷却媒体は、冷却用流路がガス流路側の第1プレートで塞がれていることから、ガス流路を流れるガスと接触することはなく、冷却媒体とガスの遮断は確実に確保される。その上で、冷却媒体は、第1プレートに直接接して電池冷却機能を発揮するので、冷却効率を高めることができる。しかも、第2プレートの接合対象である第1プレートで第2プレートの冷却用流路を塞ぐだけでよいことから、冷却用の別部材を必要とせず、電池薄肉化を図ることができる。 Therefore, the cooling medium flowing through the cooling flow path is not in contact with the gas flowing through the gas flow path because the cooling flow path is blocked by the first plate on the gas flow path side, and the cooling medium and the gas The interruption is surely ensured. In addition, since the cooling medium directly contacts the first plate and exhibits the battery cooling function, the cooling efficiency can be increased. In addition, since it is only necessary to block the cooling flow path of the second plate with the first plate to be joined to the second plate, a separate member for cooling is not required, and the battery can be thinned.
以上説明した本発明の燃料電池において、第1プレートを、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備えるものとし、第2プレートの有する冷却用流路を、前記ブリッジ状突起の列と列との間に重なるようにすることもできる。この態様では、ブリッジ状突起の側壁をガスが通過できることから、電解質層の主面側に形成したガス流路では、突起にガスが衝突してその流れに乱れが起きるようなことを抑制できるので、発電性能を高めることができる。 In the fuel cell of the present invention described above, the first plate is provided in multiple rows as a bridge-like protrusion through which the protrusion side wall penetrates, and the cooling flow path of the second plate is provided on the bridge-like protrusion. It is also possible to overlap between columns. In this aspect, since the gas can pass through the side wall of the bridge-like protrusion, in the gas flow path formed on the main surface side of the electrolyte layer, it is possible to suppress the gas from colliding with the protrusion and turbulence in the flow. , Can improve power generation performance.
また、第1プレートを、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備えるものとし、第2プレートの有する冷却用流路を、閉塞状突起の列と重なるようにすることもできる。こうすれば、冷却用流路を備える冷却媒体は、電解質層の側に位置する閉塞状突起を介して電解質層を冷却するので、冷却媒体による冷却効率が高まり好ましい。この際、閉塞状突起が突起内部に空隙を有するものであれば、冷却媒体はこの閉塞状突起の内部にまで入り込むので、冷却媒体による冷却効率がより高まり好ましい。 Further, the first plate may be provided in multiple rows as closed projections with the projections closed by the projection side walls, and the cooling flow path of the second plate may overlap the closed projection rows. . In this case, the cooling medium having the cooling flow path is preferable because the cooling efficiency of the cooling medium is increased because the cooling of the electrolyte layer is performed through the closed projections located on the electrolyte layer side. At this time, if the closed projection has a gap inside the projection, the cooling medium enters the inside of the closed projection, which is preferable because the cooling efficiency by the cooling medium is further increased.
こうした第2プレートにおける冷却用流路を、第2プレートの打ち抜き孔とすれば、その形成が簡便となるばかりか、より一層の薄肉化も図ることができ、好ましい。 If such a cooling channel in the second plate is used as a punching hole in the second plate, it is not only easy to form, but it is possible to further reduce the thickness, which is preferable.
この他、本発明は、表面に触媒層を備えた電解質層を含む単セルを積層した燃料電池であって、
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第1プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第2プレートを備え、
該第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備えるようにすることもできる。
In addition, the present invention is a fuel cell in which a single cell including an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface is laminated,
Each of the single cells
A plurality of protrusions are provided, and the protrusions are positioned on the side of the electrolyte layer so that a first metal plate that forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer is formed on both sides of the electrolyte. Prepared,
Between adjacent single cells,
A metal plate joined to and sandwiched by the first plate for each single cell, wherein the first plate has a cooling flow path through which the cooling medium passes by joining to the first plate on both sides. A second plate formed so as to be blocked by the plate surface of
The second plate may include the cooling channel as a punched hole.
こうすれば、単セルと単セルとの間の第2プレートが、単セルを区画するだけに組み込まれていた既存のセパレータの代用となるので、セパレータが不要となり、その分、構成の簡略化、薄肉化を図ることができる。 In this way, the second plate between the single cells becomes a substitute for the existing separator that has been incorporated only to divide the single cells, so that no separator is required, and the configuration is simplified accordingly. Thinning can be achieved.
また、本発明は燃料電池の製造方法として、以下の手順を備える。即ち、表面に触媒層を備えた電解質層に対してガス供給と冷却媒体による冷却とを行う燃料電池の製造方法であって、
(a)複数の突起を備える金属製の第1プレートを準備する工程と、
(b)金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第2プレートを準備する工程と、
(c)前記第1プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第1プレートを配設する工程と、
(d)前記第2プレートの前記打ち抜き孔を前記第1プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第2プレートを前記第1プレートに接合する工程とを備える。
Moreover, this invention is provided with the following procedures as a manufacturing method of a fuel cell. That is, a fuel cell manufacturing method for performing gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on its surface,
(A) preparing a metal first plate having a plurality of protrusions;
(B) a step of preparing a second plate that is a metal plate and has punched holes in multiple rows;
(C) The first plate on both sides of the electrolyte layer so that the projection of the first plate is positioned on the electrolyte layer side and a gas flow path for gas supply is formed on the main surface side of the electrolyte layer. A step of arranging
(D) The second plate is formed by closing the punched hole of the second plate with the plate surface of the first plate so as to form the closed punched hole as a cooling channel through which the cooling medium passes. Joining the first plate to the first plate.
この本発明の製造方法によれば、冷却媒体とガスの確実な遮断と冷却効率向上並びに電池薄肉化が可能な燃料電池を容易に製造できる。 According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture a fuel cell capable of reliably shutting off the cooling medium and gas, improving the cooling efficiency, and reducing the battery thickness.
そして、第1プレートを準備するに当たって、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスして複数の突起を形成するようにもでき、こうすれば、プレス加工という簡単な手法で第1プレートを作製でき、簡便である。 In preparing the first plate, opposing slits can be formed at predetermined positions on the flat metal plate, and a plurality of protrusions can be formed by pressing the slits with a convex mold. In this way, the first plate can be produced by a simple technique called press working, which is convenient.
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。本発明の実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図1は実施例の燃料電池を構成する単セル20の構成の概略を現わす断面模式図である。単セル20は、表面に触媒層(図示せず)を備える電解質層21と、電解質層21を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層22,23と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するガス流路形成用の第1プレート25,26と、その外側に配設された第2プレート27,28とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The fuel cell according to the embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a
電解質層21は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)を使用した。電解質層21上に形成される触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。触媒層形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層21上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、触媒層を形成することができる。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質層21上にプレスすることによって触媒層を形成したり、上記ペーストをガス拡散層22,23側に塗布することとしても良い。
The
ガス拡散層22,23は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層22,23は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒層との間で集電を行なう。
The
第1プレート25,26は、電解質層21のそれぞれの側において、電解質層主面側にガス流路となる空間を形成する。この場合、ガス拡散層22の側に配設される第1プレート25は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路25aを形成する。また、ガス拡散層23の側に配設される第1プレート26は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路26aを形成する。ここで、本実施例では、第1プレート25,26をチタンによって形成している。チタンは耐食性に優れた金属であり、強い還元雰囲気となる単セル内燃料ガス流路や強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましい。なお、耐久性が許容できる場合には、ステンレス鋼など他種の金属のプレートを第1プレート25,26とすることもできる。あるいは、金属製板材を所定の形状に成型した後に、表面に貴金属層などの耐食層を設けることによって第1プレート25,26を形成しても良い。第1プレート25,26の構造および流路形成の様子は、本発明の要部に対応するものであり、後に詳しく説明する。
The
第2プレート27,28は、既存の単セルにおけるセパレータとしても機能する部材でもあることから、電子伝導性を有する材料で形成されてガス不透過性を有する。例えば、第2プレートを、ステンレス鋼等の金属部材やカーボン部材によって形成することができる。本実施例の第2プレート27,28は、薄板状に形成されており、ガス流路形成用のそれぞれの第1プレート25,26と接する面は、凹凸のない平坦面となっている。なお、図示の都合上、第2プレート27,28は厚肉状に描画されているが、第1プレート25,26と同様、数mm程度の肉厚に過ぎない。
Since the
なお、単セル20の外周部には、部材接合箇所におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が各部材間に適宜配設されている。また、単セル20の外周部には、単セル20の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル20に分配され、電気化学反応に供されつつ第1プレート26が形成する各単セル内燃料ガス流路26aおよびガス拡散層23を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル20に分配され、電気化学反応に供されつつ第1プレート25が形成する単セル内酸化ガス流路25aおよびガス拡散層22を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
In addition, in order to ensure the gas-sealing property in a member joining location, sealing members, such as a gasket, are suitably arrange | positioned between each member in the outer peripheral part of the
図1に示す単セル20は、燃料ガス(H2)・酸化ガス(O2)の流れ方向が単セル内燃料ガス流路26aと単セル内酸化ガス流路25aで同方向である。これは、電解質層21の左右の第1プレート25,26を同じものとしたことによる。しかしながら、上記の両ガスの流れ方向は、上記した同方向の他、逆方向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。なお、両ガスの流れを逆方向とした場合は、単セル20の断面構造は図1と同じであるが、両ガスを直交させて流す場合の単セルでは、電解質左右の第1プレート25,26における後述の凸部32の形成の様子が異なるので、この場合の単セル断面は後述することとする。
In the
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
次に、第1プレート25,26と第2プレート27,28について説明する。図2は第1プレート25と第2プレート27とを一部拡大しつつ分解して模式的に表した斜視図である。なお、第1プレート26は第1プレート25と、第2プレート27は第2プレート28と同様の構造であるため、以下、第1プレート25と第2プレート27について以下説明する。
Next, the
図2に示すように、第1プレート25は、平板状の基板部30と、基板部30から突出して設けられた複数の凸部32と、を備えている。凸部32は、台形状に基板部30から隆起形成されて多列に並び、各列ではいわゆる千鳥状に配置されている。また、この凸部32は、図2における上下の方向においてはその側壁を貫通させたブリッジ状とされているので、基板部30に開口31を残す。第1プレート25は、この多列に並んだブリッジ状の凸部32の頂上面を電解質層21の側に位置させ、詳しくはガス拡散層22に当接させ(図1参照)、この凸部32の隆起高さに相当する分の空間を単セル内酸化ガス流路25aとして形成する。この場合、凸部32は既述したようにブリッジ状であることから、凸部32の裏側においても、図中矢印で示すようにガスが流れる。
As shown in FIG. 2, the
第1プレート25は、この他、プレート上下周縁に、酸化ガスの流入開口40と、酸化ガスの排出開口41と、燃料ガスの通過開口42,43とを備え、プレート左右周縁に、冷却媒体としての水の通過開口44を備える。酸化ガスの流入開口40と排出開口41とは上下に対角に配置され、単セル内酸化ガス流路25aにおけるガスの流れに、著しい偏りが起きないようにされている。つまり、流入開口40から流入したガス(酸化ガス)は、図中に矢印で示すように多くの分流した流れとなって単セル内酸化ガス流路25aを満遍なく通過し、排出開口41から排出される。このようにして単セル内酸化ガス流路25aを分流して流れる間に、その酸化ガスは、ガス拡散層22内を拡散して電解質層21、詳しくはその表面の触媒層に供給される。なお、この排出開口41から排出されたガスは図示しないマニホールドにて集められ、セル外に運び出される。
In addition, the
燃料電池が発電を行なう際には、単セル内酸化ガス流路25aと触媒層との間で、ガス拡散層22を介して、酸化ガスが給排される。また、燃料電池が発電する際には、電気化学反応の進行に伴いカソード側の触媒層上で生成水が生じるが、本実施例では、ガス拡散層22を介して、触媒層から単セル内酸化ガス流路25aへと生成水が排出される。なお、単セル内燃料ガス流路26aにおいても同様に、触媒層との間で燃料ガスの給排が行なわれる。
When the fuel cell generates power, the oxidizing gas is supplied and discharged through the
通過開口42,43は、隣接する単セル20における単セル内燃料ガス流路26aに燃料ガスを流し込むためのものであり、酸化ガスの流入開口40と排出開口41と同様、対角に形成されている。通過開口44は、凸部32を横方向の列と見た場合、その凸部32の列と干渉しないよう、列間および最上段列の上部、最下段列の下部に位置するよう、形成されている。
The
本実施例の第1プレート25は、1枚の金属製板状部材を一連のプレス加工によって作製される。図3は第1プレート25の作製プロセスを示す手順フロー、図4は第1プレート25の製造の様子を説明するための説明図である。第1プレート25の作製に際しては、図3に示すように、鋼板を用意する(ステップS100)。この鋼板は、第1プレート25と同寸法の厚みを備える。次に、この鋼板に、レーザー加工・剪断加工等により、既述した凸部32の形成位置にスリット35を対向して形成する(ステップS110)。図4には、第1プレート25(基板部30)における形成済みスリット35を示すが、第1プレート25(基板部30)の方形形状のシャーリング(切断)は、生産効率向上のため後述の最終工程で行うため、ステップS110においては鋼板の状態でスリット35が形成される。
The
スリット形成後には、図4に示すような台形断面を有するプレス突起45を先端に有するプレス駒46と開口打ち抜きプレス駒(図示略)とを鋼板に押圧する(ステップS120)。この際、プレス駒46は、そのプレス突起45を、スリット35の形成位置(スリットの間)に適合させて押し当てる。そうすると、スリット35の間の箇所がその周囲から隆起して、プレス突起45の凸形状に倣った凸部32が多列に形成される。排出開口41等の開口は、打ち抜きプレス駒により、凸部32の形成と並行して、或いは、凸部32の形成と前後して形成される。
After the slit formation, a
次いで、凸部32や排出開口41等を含むよう、鋼板を第1プレート25(基板部30)の方形形状、即ち図4に示す形状にシャーリング(切断)する(ステップS130)。こうすれば、規格サイズの鋼板から、複数枚の第1プレート25を効率よく作製できる。なお、先に方形形状の基板部30(第1プレート25)を準備し、1枚ずつの基板部30にスリット形成・プレスを行って、第1プレート25を作製するようにすることもできる。
Next, the steel plate is sheared (cut) into the square shape of the first plate 25 (substrate portion 30), that is, the shape shown in FIG. 4 so as to include the
第2プレート27は、接合対象である第1プレート25が有する流入開口40、排出開口41および通過開口42,43に合致する開口50〜53(開口53は図5参照)を備え、これら開口は、合致する開口を通過するガスの通過開口となる。例えば、開口50は、流入開口40の手前において酸化ガスの通過開口となる。また、第2プレート27は、横方向に打ち抜きプレス加工された長穴状の開口55a〜55fを多列に並べて備える。この開口55a〜55fは、開口端部が、第1プレート25が左右に多列に有する通過開口44と合致するよう形成されている。
The
この第2プレート27は、既述した第1プレート25とほぼ同一のプロセスを取り、鋼板の用意(ステップS100)、押圧プレス(ステップS120)、方形形状シャーリング(ステップS130)の順に作製される。この押圧プレスの際には、開口50〜53や開口55a〜55fの打ち抜きようのプレス駒が用いられる。
The
次に、上記した構成の第1プレート25と第2プレート27の使用状態について説明する。図5は第1プレート25と第2プレート27とを接合させた状態を表す斜視図、図6は図5の6−6線に沿った概略断面図、図7は図5の7−7線に沿った概略断面図、図8は図5における凸部32の形成箇所に沿って折れ曲がった8−8線に沿った概略断面図である。これ図面に示すように、両プレートを接合すると、両プレートにおける流入開口40と開口50、通過開口42と開口52、通過開口43と開口53、排出開口41と開口51とがそれぞれ重なる。また、第2プレート27の開口55a〜55fは、それぞれその両端において、第1プレート25の通過開口44と重なる。なお、これら開口の重なり箇所には、図示しないガスケットが配置され、ガスシール性・水密性が確保されている。
Next, usage states of the
この場合、第1プレート25において、通過開口44は、既述したように横方向の凸部32の列と干渉しないよう、列間および列の上部・下部に位置することから、これに合致する第2プレート27の開口55a〜55fの各開口にあっても、凸部32の各列・列の上下に位置する。そして、これら開口55a〜55fは、第1プレート25の基板部30裏面にて、第1プレート25の側で塞がれることになる。
In this case, in the
その一方、第1プレート25の凸部32が属する横方向の各列は、第2プレート27における開口55a〜55fの間に位置することから、凸部32を形成することで基板部30に残る開口31は、それぞれ第2プレート27にて塞がれる。
On the other hand, the horizontal rows to which the
以上説明したように、上記構成を有する本実施例の燃料電池(単セル20)では、第1プレート25の左右の通過開口44の一方から水を流し込み、上記のように塞がれた第2プレート27の開口55a〜55fをこの水の流路とできる。そして、この開口55a〜55fを通過する冷却媒体である水は、これら開口が第1プレート25(詳しくは基板部30)で塞がれていることから、第1プレート25が凸部32を介して形成した単セル内酸化ガス流路25aを流れる酸化ガスと接触することはない。また、それぞれの凸部32に該当する開口31にあっても、既述したように第2プレート27にて塞がれることから、開口31、延いては単セル内酸化ガス流路25aと開口55a〜55fが連通することもない。これらの結果、第1プレート25と第2プレート27を接合させ、その第2プレート27に冷却用の流路たる開口55a〜55fを形成したとしても、冷却媒体である水と酸化ガスの遮断は確実に確保できる。
As described above, in the fuel cell (unit cell 20) of the present embodiment having the above-described configuration, water is poured from one of the left and
しかも、本実施例では、第2プレート27の開口55a〜55fを流れる水(冷却媒体)を、これら開口を塞ぐ第1プレート25(基板部30)に直接接して当該プレートを介してガス拡散層22や電解質層21を冷却するので、高い冷却効率で電池冷却を図ることができる。その上、こうした冷却構造を、第2プレート27が有する開口55a〜55fを第2プレート27の接合対象である第1プレート25で塞げば足りるので、特別の冷却用部材を必要とせず、単セル20の薄肉化、延いては単セル積層構造の燃料電池の薄肉化・軽量化を図ることができる。
In addition, in this embodiment, the water (cooling medium) flowing through the
また、本実施例では、凸部32をブリッジ状として、凸部裏面側においても隆起側面からガスが通過できるようにした。よって、図2に示すように、単セル内ガス流路(単セル内酸化ガス流路25a・単セル内燃料ガス流路26a)においては、複数筋に分流した流れとして、ガスを単セル内ガス流路に流すことができ、ガスが凸部32の周壁に衝突してその流れに顕著な乱れが起きないようにできる。つまり、分流に、流れが交差するような乱れを起き難くできるので、ガス拡散層への拡散(ガス給排)がより均一となり、発電性能を高めることができる。
Moreover, in the present Example, the
上記した実施例では、第1プレート25が有する凸部32の並びを横方向の列として、その列の間・列の上下に第2プレート27の開口55a〜55fが位置するようにしたが、これに限るわけではない。図9は凸部32が左右に湾曲した並びで存在するとした場合の第1プレート25と第2プレート27を表す変形例の概略斜視図である。
In the above-described embodiment, the arrangement of the
図示するように、この変形例では、第1プレート25において、凸部32は、図中点線で示す湾曲軌跡32Lに沿って点在する。この場合は、第2プレート27は、図示する湾曲軌跡32Lと湾曲軌跡32Lの間と、湾曲軌跡32Lの外側に位置するよう、開口56a〜56eを備える。これら開口56a〜56eは、その湾曲軌跡が凸部32の点在軌跡(湾曲軌跡32L)と同じとなるようにされ、プレート上下で隣の開口と連結されている。
As shown in the figure, in this modified example, in the
開口56eは、その一端側(上端側)で第1プレート25の通過開口44と重なるようにされ、開口56aは、プレートの対角位置にて第1プレート25の通過開口44と重なるようにされている。こうしても、湾曲軌跡の開口56a〜56eと隣り合う開口の連結開口部は、第2プレート27の接合対象である第1プレート25により塞がれ、既述した開口55a〜55fと同様にして、冷却媒体である水の流路となる。よって、この図9に示す変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。
The opening 56e is overlapped with the passage opening 44 of the
この他、凸部32の並びを千鳥状としたが、凸部32が各列において同じ並びとなるようにすることもできる。図10は凸部32を縦横に並べた一変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図、図11は凸部32を縦横に並べた他の変形例を示す第1プレート25と第2プレート27の略斜視図である。
In addition, the arrangement of the
図10に示す変形例では、第1プレート25において、凸部32が縦横に並ぶよう配設されている以外、第1プレート25や第2プレート27の構成は図2に示す通りである。つまり、第2プレート27は、第1プレート25が有する凸部32を横方向に並ぶとして、その列間・列の上下に開口55a〜55fを備え、これら開口を第1プレート25で塞いで冷却媒体である水の流路とする。
In the modification shown in FIG. 10, the configuration of the
図11の変形例では、第1プレート25における凸部32の配列は図9と同様であり、第2プレート27は、第1プレート25が有する凸部32は縦方向に並ぶとして、その列間・列の左右に開口57a〜57fを備え、これら開口をプレート上下で隣り合う開口同士で連結する。そして、第2プレート27は、第1プレート25と接合することで、この第1プレート25により、開口57a〜57fおよび隣り合う開口の連結開口部を塞いで冷却媒体である水の流路とする。この場合、第1プレート25が対角に有する通過開口44は、第2プレート27における両端の開口57a,57fと開口端部で重なるようにされている。
In the modification of FIG. 11, the arrangement of the
上記の両変形例にあっても、既述した実施例と同様の効果を奏することができる。 Even in both of the above-described modifications, the same effects as those of the above-described embodiments can be obtained.
次に、また別の変形例について説明する。図12は凸部32を隆起側壁が塞がれた閉塞状の突起とした変形例における第1プレート25と第2プレート27の概略斜視図、図13は図12における13−13線に沿った概略断面図である。
Next, another modification will be described. FIG. 12 is a schematic perspective view of the
この変形例では、凸部32が閉塞状に第1プレート25(基板部30)から隆起した閉塞突起である点と、第2プレート27における開口55a〜55eが凸部32の並び(横方向並び)と重なっている点に特徴がある。この場合、図では凸部32が縦横に並んだ状態としたが、横方向の列において閉塞状の凸部32が千鳥状に配置するものであってもよい。また、凸部32については、先端が球状の隆起としたが、閉塞状であればその形状は種々のもの、例えば、側面が閉塞した円錐台形状・角錐台形状等とすることもできる。
In this modification, the
この変形例では、第2プレート27が有する開口55a〜55eは、先の実施例と同様、第1プレート25(基板部30)にて塞がれるが、これら開口と凸部32の列が重なっているので、開口55a〜55eは、第1プレート25の側において、平板状の基板部30に加え、閉塞状の凸部32でも塞がれることになる。このため、第2プレート27の開口55a〜55eを通過する冷却媒体である水は、凸部32の裏面凹所32a(図13参照)の中にまで入り込む。この凸部32は、その頂上にてガス拡散層22、延いては電解質層21に接していることから、第2プレート27の開口55a〜55eを通過する冷却媒体である水は、凸部32を介してその裏面側から電解質層21等を冷却するので、冷却効率がより高まり電池性能維持の上からも好ましい。なお、プレート端部の側では、ガスケット60にて、第1プレート25の通過開口44および第2プレート27の開口55aは、単セル内酸化ガス流路25aとシールされ、このガスケット60が形成する図示しない流路を介して、通過開口44、開口55aを水が通過する。
In this modification, the
この図12に示す変形例は、その開口55a〜55eの形成の様子を、図11で示したような縦方向の開口(開口57a等)の並びとすることもできる。また、縦横に限らず、次のように変形することもできる。図14は閉塞状の凸部32を用いた場合における第2プレート27の開口の形成の様子の変形例を示す説明図である。
In the modification shown in FIG. 12, the
この図14において、図中には、点線にて、第2プレート27に接合する第1プレート25が有する閉塞状の凸部32の点在箇所と通過開口44の形成箇所を示している。第2プレート27は、凸部32の並びが斜め方向であるとして、その斜めの並びに一致するよう、開口58a〜58jを備え、開口58a〜58eをプレート上端側の開口59aで連結させ、開口58f〜58jをプレート下端側の開口59bで連結させている。この場合、開口58aとプレート端部で重なる第1プレート25の通過開口44は、冷却媒体である水の入り口となり、開口58b〜58eとプレート端部で重なる通過開口44は、水の出口となる。開口58f〜58jについても同様である。このように斜めに開口58a〜58jを有する第2プレート27を用いた変形例であっても、図12で示した変形例と同様の効果を奏することができる。
In FIG. 14, in the drawing, dotted points indicate the locations where the
ここで、図1で示した単セル20を例に取り、当該単セルを有する燃料電池の端部構成およびスタック構成について説明する。図15は単独の単セル20で燃料電池を構成する場合の様子を示す説明図、図16は単セル20を積層させて燃料電池を構成した場合の様子を示す説明図である。
Here, taking the
図15に示すように、単セル20単独の燃料電池では、第2プレート27,28の外側に、平板状のターミナル29を接合させた構成を有する。この燃料電池では、第2プレート27,28の開口55a〜55fを、その両側の電池外殻側のターミナル29と第1プレート25,26で塞ぐ。図16に示すように、単セル20を複数積層させたスタック構造では、隣り合う単セル20の間には、第2プレート27が一枚介在し、この一枚の第2プレート27にて、既述したように冷却流路(開口55a等)が表裏の第1プレート25にて塞がれて形成される。よって、単セル20を区切るだけの平板状のセパレータが不要となり、その分、薄肉化・軽量化を図ることができる。また、隣り合う単セル間では、冷却流路を形成する共通の第2プレート27が単独で存在するに過ぎないので、その分、部材の接触箇所が低減する。よって、接触抵抗が低減でき、電池性能上も有益である。
As shown in FIG. 15, the single-
次に、燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた場合について説明する。図17は燃料ガス・酸化ガスの流れ方向を直交させた燃料電池の単セルの概略断面図、図18は電解質層21の図示を略して第1プレート25,26と第2プレート27,28の関係を説明する斜視図である。 Next, the case where the flow directions of the fuel gas / oxidizing gas are orthogonal to each other will be described. FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a single cell of the fuel cell in which the flow directions of the fuel gas and the oxidizing gas are orthogonal to each other. FIG. It is a perspective view explaining a relationship.
図示するように、第1プレート25と第2プレート27については、既述した構成を有するが、第1プレート26は、凸部32を図における上下に亘ってブリッジ状となるように備え、第2プレート28は、第1プレート26の凸部32が図における縦方向に並んだとして、その列の間に位置するよう、開口70a〜70gを縦方向に亘って有する。この第1プレート26に第2プレート28を接合させれば、第2プレート28において、第1プレート26にて塞がれた開口70a〜70gが冷却媒体である水の流路となる。
As shown in the figure, the
そして、上記各プレートを用いた単セル20では、図示するように第1プレート25,26で凸部32の向きが異なることになる。よって、第1プレート25の側では、単セル内酸化ガス流路25aが図中上下の流れ方向で形成され、第1プレート26の側では、単セル内燃料ガス流路26aが紙面を手前から奥、或いはその逆の流れ方向で形成される。この場合、開口70a〜70gは、図における上下に延び、その範囲に亘って、第1プレート26で塞がれる。
And in the
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、上記した実施例とその変形例では、単セル内ガス流路(酸化ガス流路・燃料ガス流路)形成のための凸部32を有する第1プレート25,26と触媒層との間にガス拡散層を設けたが、ガス拡散層を設けない構成とすることも可能である。ここで、ガス拡散層は、通常は第1プレート25よりも柔らかい(構成材料の硬度が低い、あるいは部材としての圧縮弾性率が高い)部材によって形成され、燃料電池における集電性を向上させるための部材である。すなわち、ガス拡散層は、触媒層との間で、第1プレート25よりも接触面積をより大きく確保可能な部材であるため、触媒層と第1プレート25(詳しくは凸部32の頂上面)との間に配設されることで、集電性を向上させることができる。しかしながら、集電性が許容範囲であれば、ガス拡散層を設けることなく触媒層に第1プレート25(詳しくは凸部32の頂上面)とを直接接触させることとしても良い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can of course be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. is there. For example, in the above-described embodiments and modifications thereof, the
また、凸部32を有する第1プレート25と、この第1プレート25で流路を塞がれる第2プレート27とを固体高分子型燃料電池に設けているが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。他種の燃料電池であっても、高い電池冷却機能と電池薄肉化を両立することができる。
In addition, although the
また、図15や図16において、単セル20をブリッジ状の凸部32を有するものとしたが、閉塞状の凸部32(図12,図13参照)を有する第1プレート25,26を用いるようにすることもできる。さらには、図15や図16において、単セル20を、電解質層21の左右の第2プレート27,28がガスの流れが直交するような凸部32を有するもの(図17、図18参照)とすることもできる。
15 and 16, the
20...単セル
21...電解質層
22,23...ガス拡散層
25,26...第1プレート
25a...単セル内酸化ガス流路
26a...単セル内燃料ガス流路
27,28...第2プレート
29...ターミナル
30...基板部
31...開口
32...凸部
32a...裏面凹所
32L...湾曲軌跡
35...スリット
40...流入開口
41...排出開口
42〜44...通過開口
45...プレス突起
46...プレス駒
50〜53...開口
55a〜55f...開口
56a〜56e...開口
57a〜57f...開口
58a〜58j...開口
59a,59b...開口
60...ガスケット
70a〜70g...開口
20 ...
Claims (7)
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートと、
該第1プレートに接合する金属製の第2プレートとを備え、
該第2プレートは、前記第1プレートにおける前記突起形成面とは反対側の面で前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する
燃料電池。 A fuel cell that performs gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on its surface,
A first plate made of metal that includes a plurality of protrusions and forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer by positioning the protrusions on the electrolyte layer side;
A metal second plate joined to the first plate,
The second plate is joined to the first plate on a surface opposite to the projection forming surface of the first plate, thereby providing a cooling flow path for allowing the cooling medium to pass through the plate surface of the first plate. A fuel cell that is formed so as to be blocked by a fuel cell.
前記第1プレートは、前記突起を突起側壁が貫通したブリッジ状突起として多列に備え、
前記第2プレートは、前記冷却用流路を、前記第1プレートの前記ブリッジ状突起の列と列との間と重なる位置に備える
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The first plate comprises the protrusions in multiple rows as bridge-like protrusions through which the protrusion side walls pass,
The second plate includes the cooling flow path at a position overlapping the row of the bridge-like protrusions of the first plate.
前記第1プレートは、前記突起を突起側壁が閉塞した閉塞状突起として多列に備え、
前記第2プレートは、前記冷却用流路を、前記第1プレートの前記閉塞状突起の列と重なる位置に備える
燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first plate includes the projections in multiple rows as closed projections in which projection sidewalls are closed,
The second plate includes the cooling flow path at a position overlapping the row of the closed projections of the first plate.
前記第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔で形成する
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The second plate forms the cooling flow path with a punched hole.
前記単セルのそれぞれは、
複数の突起を備え、該突起を前記電解質層の側に位置させることで、前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成する金属製の第1プレートを前記電解質の両側に備え、
隣り合う単セルの間には、
前記単セルごとの前記第1プレートに接合・挟持される金属製のプレートであって、両側の前記第1プレートと接合することで、前記冷却媒体を通過させる冷却用流路を前記第1プレートのプレート面で塞がれるようにして形成する第2プレートを備え、
該第2プレートは、前記冷却用流路を打ち抜き孔として備える
燃料電池。 A fuel cell in which a single cell including an electrolyte layer having a catalyst layer on the surface is laminated,
Each of the single cells
A plurality of protrusions are provided, and the protrusions are positioned on the side of the electrolyte layer so that a first metal plate that forms a gas flow path for gas supply on the main surface side of the electrolyte layer is formed on both sides of the electrolyte. Prepared,
Between adjacent single cells,
A metal plate joined to and sandwiched by the first plate for each unit cell, and a cooling flow path through which the cooling medium passes by joining the first plate on both sides of the first plate. A second plate formed so as to be blocked by the plate surface of
The second plate includes the cooling channel as a punching hole.
(a)複数の突起を備える金属製の第1プレートを準備する工程と、
(b)金属製のプレートであって、打ち抜き孔を多列に有する第2プレートを準備する工程と、
(c)前記第1プレートの前記突起を前記電解質層の側に位置させて前記電解質層の主面側にガス供給用のガス流路を形成するよう、前記電解質層の両側に前記第1プレートを配設する工程と、
(d)前記第2プレートの前記打ち抜き孔を前記第1プレートのプレート面で塞ぐことで該塞がれた打ち抜き孔を前記冷却媒体を通過させる冷却用流路として形成するよう、前記第2プレートを前記第1プレートに接合する工程とを備える
燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method for performing gas supply and cooling with a cooling medium on an electrolyte layer having a catalyst layer on a surface,
(A) preparing a metal first plate having a plurality of protrusions;
(B) a step of preparing a second plate which is a metal plate and has punched holes in multiple rows;
(C) The first plate on both sides of the electrolyte layer so that the projection of the first plate is positioned on the electrolyte layer side and a gas flow path for gas supply is formed on the main surface side of the electrolyte layer. A step of arranging
(D) Closing the punched hole of the second plate with the plate surface of the first plate to form the closed punched hole as a cooling flow path through which the cooling medium passes. And a step of joining the first plate to the first plate.
前記第1プレートを準備する工程(a)は、
前記複数の突起を形成するに際して、平板状の金属プレートの所定位置に、対向するスリットを形成し、該スリット間を凸形状の金型でプレスする
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to claim 6,
The step (a) of preparing the first plate includes:
A method of manufacturing a fuel cell, wherein when forming the plurality of protrusions, opposing slits are formed at predetermined positions on a flat metal plate, and a space between the slits is pressed with a convex mold.
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