JP2009164051A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、燃料電池端部に配置されるエンドセルの技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a technique of an end cell disposed at an end portion of a fuel cell.
現在、燃料電池セルが複数積層された燃料電池積層体を備える燃料電池が実用化されている。燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極(アノード極及びカソード極)を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素ガスが水素イオン及び電子に分解され、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。 Currently, a fuel cell including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked has been put into practical use. The fuel cell includes a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes (anode electrode and cathode electrode) disposed via an electrolyte membrane, and a pair of fuel cell separators that sandwich the membrane-electrode assembly. At the time of power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode is oxygen gas, on the anode electrode side, the hydrogen gas is decomposed into hydrogen ions and electrons. Passes through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and electrons reach the cathode electrode through an external circuit. On the other hand, on the cathode side, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate water to release energy.
しかし、燃料電池積層体の積層方向端部に位置する燃料電池セルは、積層方向中央に位置する燃料電池セルより放熱量が多く、温度が低下し易いため、積層方向端部に位置する燃料電池セルでは、凝縮水が発生し易い。凝縮水が積層方向端部に位置する燃料電池セルに滞留すると、低温環境下における燃料電池の起動時間を遅延させ、発電性能の低下をもたらす場合がある。 However, since the fuel cell located at the stacking direction end of the fuel cell stack has more heat radiation than the fuel cell positioned at the center in the stacking direction and the temperature tends to decrease, the fuel cell positioned at the stacking direction end. In the cell, condensed water is likely to be generated. If the condensed water stays in the fuel cell located at the end in the stacking direction, the start-up time of the fuel cell in a low-temperature environment may be delayed, resulting in a decrease in power generation performance.
このため、近年においては、燃料電池積層体の積層方向端部に、燃料電池の発電に寄与しないエンドセルを配置する(すなわち、燃料電池積層体の積層方向端部に位置する燃料電池セルより外側にエンドセルを配置する)ことにより、積層方向端部に位置する燃料電池セルからの放熱を抑制して、発電性能の低下を抑制する燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1,2)。
Therefore, in recent years, an end cell that does not contribute to power generation of the fuel cell is disposed at the stacking direction end of the fuel cell stack (that is, outside the fuel cell positioned at the stacking direction end of the fuel cell stack). By disposing end cells), a fuel cell has been proposed that suppresses heat radiation from the fuel cell located at the end in the stacking direction and suppresses a decrease in power generation performance (for example,
通常、エンドセルは複数のプレートが積層されたものであるが、当該プレートに流体(アノードガス、カソードガス、冷却水)入口及び流体出口と連通する連通路溝を形成し、燃料電池に供給された流体をエンドセルの流体入口から連通路溝(具体的には、後述する連通路)を通過させ、流体出口から排出させることによって、燃料電池セルのコンタミネーションを抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献3)。 Normally, an end cell is a laminate of a plurality of plates. A communication channel groove communicating with a fluid (anode gas, cathode gas, cooling water) inlet and fluid outlet is formed on the plate, and the end cell is supplied to the fuel cell. There has been proposed a technique for suppressing contamination of the fuel cell by passing the fluid from the fluid inlet of the end cell through a communication channel groove (specifically, a communication channel described later) and discharging the fluid from the fluid outlet (for example, Patent Document 3).
図14(A−1,2)は、通常のエンドセルを構成する第1,2プレートの一方の面を示す模式平面図であり、図14(B−1,2)は、通常のエンドセルを構成する第1,2プレートの他方の面を示す模式平面図である。図14(B−1)に示すように、第1プレート80の他方の面には、流体連通路溝82(例えばアノードガス連通路溝)が形成されている。流体連通路溝82が形成された第1プレート80の面と図14(A−2)に示す第2プレート84との面を合わせることにより、第1プレート80と第2プレート84との間に、第1流体入口86(例えばアノードガス入口)と第1流体出口88(例えばアノードガス出口)とを連通する流体連通路が形成される。このように、第1流体入口86と第1流体出口88とを連通する流体連通路を設け、流体連通路に流体を流すことによって、流体中のコンタミ成分が捕捉される。
FIG. 14 (A-1, 2) is a schematic plan view showing one surface of the first and second plates constituting a normal end cell, and FIG. 14 (B-1, 2) shows a normal end cell. It is a schematic plan view which shows the other surface of the 1st, 2nd plate to do. As shown in FIG. 14B-1, a fluid communication channel groove 82 (for example, an anode gas communication channel groove) is formed on the other surface of the
しかし、上記のようなエンドセルは、エンドセルを構成する複数のプレート全てに、第1流体入口86及び出口88(例えばアノードガス入口及び出口)、第2流体入口90及び出口92(例えばカソードガス入口及び出口)、第3流体入口94及び出口96(例えば冷却水入口及び出口)が形成されている。そのため、プレートに形成された各流体入口及び出口の周囲には、流体漏れ等を防止するシール材98(図14では点線で表す)を配置する必要がある。その結果、シール材の使用量が多くなり、燃料電池の製造コストが高くなる。
However, the end cell as described above has a
本発明の目的は、エンドセルに設けられるシール材の使用量を低減させることができる燃料電池を提供することにある。 The objective of this invention is providing the fuel cell which can reduce the usage-amount of the sealing material provided in an end cell.
本発明は、燃料電池セルが複数積層される燃料電池積層体と、発電に要する流体が出入りする前記燃料電池積層体の積層方向端部と反対側の積層方向端部に配置されるエンドセルと、を有する燃料電池であって、前記エンドセルは前記燃料電池積層体側から順に複数のプレートが積層されたものであり、複数のプレートの内、第1プレートに形成される第1流体入口及び第1流体出口が、前記第1プレートより積層方向外側に配置される第2プレートにより覆われ、前記第1プレートと前記第2プレートとの間に、前記第1流体入口と前記第1流体出口とを連通する第1連通路が形成される。 The present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, an end cell disposed at a stacking direction end opposite to the stacking direction end of the fuel cell stack in which a fluid required for power generation enters and exits, The end cell is formed by stacking a plurality of plates in order from the fuel cell stack side, and a first fluid inlet and a first fluid formed in the first plate among the plurality of plates. An outlet is covered with a second plate disposed on the outer side in the stacking direction from the first plate, and the first fluid inlet and the first fluid outlet are communicated between the first plate and the second plate. A first communication passage is formed.
また、前記燃料電池において、前記第1プレートに形成される第2流体入口及び第2流体出口が前記第2プレートにより覆われ、前記第1プレートと前記第2プレートとの間に、前記第2流体入口と前記第2流体出口とを連通する第2連通路が形成されることが好ましい。 In the fuel cell, a second fluid inlet and a second fluid outlet formed in the first plate are covered by the second plate, and the second plate is disposed between the first plate and the second plate. It is preferable that a second communication path that communicates the fluid inlet and the second fluid outlet is formed.
また、前記燃料電池において、前記第1プレートに形成される第3流体入口及び第3流体出口と積層方向に連通するように前記第2プレートに形成される第3流体入口及び第3流体出口は、前記第2プレートより積層方向外側に配置される第3プレートにより覆われ、前記第2プレートと前記第3プレートとの間に、前記第3流体入口と前記第3流体出口とを連通する第3連通路が形成されることが好ましい。 In the fuel cell, the third fluid inlet and the third fluid outlet formed in the second plate so as to communicate with the third fluid inlet and the third fluid outlet formed in the first plate in the stacking direction are: The third plate is covered with a third plate disposed on the outer side in the stacking direction than the second plate, and communicates the third fluid inlet and the third fluid outlet between the second plate and the third plate. It is preferable that a triple communication path is formed.
また、前記燃料電池において、前記第1プレートに形成される第2流体入口及び第2流体出口と積層方向に連通するように前記第2プレートに形成される第2流体入口及び第2流体出口は、前記第2プレートより積層方向外側に配置される第3プレートにより覆われ、前記第2プレートと前記第3プレートとの間に、前記第2流体入口と前記第2流体出口とを連通する第2連通路が形成されることが好ましい。 In the fuel cell, the second fluid inlet and the second fluid outlet formed in the second plate so as to communicate with the second fluid inlet and the second fluid outlet formed in the first plate in the stacking direction are: The second plate is covered by a third plate disposed on the outer side in the stacking direction from the second plate, and communicates the second fluid inlet and the second fluid outlet between the second plate and the third plate. It is preferable that two communication paths are formed.
また、前記燃料電池において、前記第1プレート及び前記第2プレートに形成される第3流体入口及び第3流体出口と積層方向に連通するように前記第3プレートに形成される第3流体入口及び第3流体出口は、前記第3プレートより積層方向外側に配置される第4プレートにより覆われ、前記第3プレートと前記第4プレートとの間に、前記第3流体入口と前記第3流体出口とを連通する第3連通路が形成されることが好ましい。 In the fuel cell, a third fluid inlet formed in the third plate so as to communicate with a third fluid inlet and a third fluid outlet formed in the first plate and the second plate in a stacking direction; The third fluid outlet is covered with a fourth plate disposed on the outer side in the stacking direction from the third plate, and the third fluid inlet and the third fluid outlet are between the third plate and the fourth plate. It is preferable that a third communication path that communicates with each other is formed.
また、前記燃料電池において、前記燃料電池積層体の端部に形成される第3流体入口及び第3流体出口は、前記第1プレートにより覆われることが好ましい。 In the fuel cell, it is preferable that a third fluid inlet and a third fluid outlet formed at an end portion of the fuel cell stack are covered with the first plate.
また、前記燃料電池において、前記エンドセルのプレートを構成する材料は、導電性樹脂であることが好ましい。 In the fuel cell, the material constituting the end cell plate is preferably a conductive resin.
本発明によれば、エンドセルに設けられるシール材の使用量を低減させる燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which reduces the usage-amount of the sealing material provided in an end cell can be provided.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式側面図である。図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池の模式斜視図である。図1,2に示すように、燃料電池1は、燃料電池セル10が複数積層された燃料電池積層体12と、燃料電池積層体12の積層方向両端に配置されるエンドセル14,16と、エンドセル14,16の外側に配置されるターミナルプレート18と、燃料電池1の一方の端部に配置されるカソードガス導入管20、カソードガス排出管22、アノードガス導入管24、アノードガス排出管26、冷却水導入管28、冷却水排出管30を有する。
FIG. 1 is a schematic side view showing an example of the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the
ターミナルプレート18は、燃料電池積層体12を締め付けるプレッシャープレート及び集電体としての機能を有するものである。また、エンドセル14,16が導電性を有するものであれば、エンドセル14,16の外側にターミナルプレート18を配置しても、燃料電池積層体12とエンドセル14,16との間にターミナルプレート18を配置してもよい。エンドセル14,16が絶縁性であれば、燃料電池積層体12とエンドセル14,16との間にターミナルプレート18を配置するか、エンドセル14,16の外側にターミナルプレート18(ここでは、集電体の機能を有していなくてもよい)を配置し、燃料電池積層体12から電力が取り出せるように、燃料電池積層体12とエンドセル14,16との間に集電体、集電リードを配置する必要がある。
The
カソードガス導入管20、カソードガス排出管22、アノードガス導入管24、アノードガス排出管26、冷却水導入管28、冷却水排出管30は、一方のエンドセル14、ターミナルプレート18を介して燃料電池積層体12に接続されている。各導入管は、燃料電池積層体12に供給される流体(アノードガス、カソードガス、冷却水)が通過するものであり、各排出管は、燃料電池積層体12から排出される流体が通過するものである。
The cathode
燃料電池積層体12は、燃料電池セル10が複数積層されたものである。本実施形態では、燃料電池セル10を20層積層したものを例として以下説明するが、燃料電池セル10の積層数はこれに限定されるものではない。図3は、本発明の実施形態に用いられる燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。図3に示すように、燃料電池セル10は、膜−電極アッセンブリ32と、膜−電極アッセンブリ32を挟持するアノード極セパレータ34及びカソード極セパレータ36と、シール材40とを備える。本実施形態に用いられる燃料電池セルの膜−電極アッセンブリ32は、電解質膜41と、電解質膜41を介して配置されるアノード極42及びカソード極44とを備えるものである。アノード極セパレータ34の電解質膜41側の空洞部は、アノードガス流路46であり、カソード極セパレータ36の電解質膜41側の空洞部は、カソードガス流路48であり、電解質膜41側と反対側のアノード極セパレータ34及びカソード極セパレータ36の空洞部は、冷却水流路50である。
The
図4(A)は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図であり、図4(B)は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。図4(A)及び(B)に示すように、アノード極セパレータ34及びカソード極セパレータ36は、ガス流路溝(アノードガス流路溝46a又はカソードガス流路溝48a)、アノードガス入口52、アノードガス出口54、カソードガス入口56、カソードガス出口58、冷却水入口60、冷却水出口62、冷却水流路溝(不図示)を備える。ガス流路溝は、複数のリブ(不図示)により分割形成されている。
FIG. 4A is a schematic plan view showing an example of the configuration of the anode separator used in this embodiment, and FIG. 4B shows an example of the configuration of the cathode separator used in this embodiment. It is a schematic plan view. As shown in FIGS. 4A and 4B, the
また、アノード極セパレータ34には、アノードガス等のガス漏れ、アノードガスとその他の流体との混流等を防止するために、アノード極セパレータ34の外周部、カソードガス入口及び出口(56,58)、冷却水入口及び出口(60,62)にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。また、カソード極セパレータ36には、カソードガス等のガス漏れ、カソードガスとその他の流体との混流等を防止するために、カソード極セパレータ36の外周部、アノードガス入口及び出口(52,54)、冷却水入口及び出口(60,62)にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。
In addition, the
次に、燃料電池1の流体の流れについて説明する。アノードガスは、図2に示すアノードガス導入管24を通り、ターミナルプレート18、エンドセル14を介して、各燃料電池セル10(及びエンドセル16)に供給される。燃料電池セル10に供給されたアノードガスは、図4(A)に示すアノードガス入口52を介してアノードガス流路溝46a(実質的には図3に示すアノードガス流路46)を通り、アノードガス出口54から排出され、図2に示すアノードガス排出管26を通り、燃料電池外1へ排出される。カソードガスは、図2に示すカソードガス導入管20を通り、ターミナルプレート18、エンドセル14を介して、各燃料電池セル10(及びエンドセル16)に供給される。燃料電池セル10に供給されたカソードガスは、図4(B)に示すカソードガス入口56を介してカソードガス流路溝48a(実質的には図3に示すカソードガス流路48)を通り、カソードガス入口58から排出され、図2に示すカソードガス排出管22を通り、燃料電池1外へ排出される。また、冷却水は、図2に示す冷却水導入管28を通り、ターミナルプレート18、エンドセル14を介して、各燃料電池セル10(及びエンドセル14)に供給される。燃料電池セル10に供給された冷却水は、図4に示す冷却水入口60を介し、図3に示す冷却水流路50を通り、冷却水出口62から排出され、図2に示す冷却水排出管30を通り、燃料電池1外へ排出される。エンドセル16に供給される流体の流れについては、後述する。
Next, the flow of fluid in the
次に、エンドセルについて説明する。図5は、燃料電池積層体へ流体が出入りする側の端部と反対側の端部に設けられるエンドセルの構成の一例を示す模式断面図である。図5に示すようにエンドセル16は、燃料電池積層体12側から第1プレート64、第2プレート66の順で配置されている。
Next, the end cell will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the end cell provided at the end opposite to the end where fluid enters and exits the fuel cell stack. As shown in FIG. 5, the
図6(A−1,2)は、燃料電池積層体側の第1,2プレートの構成の一例を示す模式平面図であり、図6(B−1,2)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)の第1,2プレートの構成の一例を示す模式平面図である。本明細書では、アノードガスを第1流体、カソードガスを第2流体、冷却水を第3流体として説明するがこれに制限されるものではなく、カソードガス又は冷却水を第1流体、アノードガス又は冷却水を第2流体、アノードガス又はカソードガスを第3流体としてもよい。 FIG. 6 (A-1, 2) is a schematic plan view showing an example of the configuration of the first and second plates on the fuel cell stack side, and FIG. 6 (B-1, 2) is opposite to the fuel cell stack. It is a schematic plan view which shows an example of a structure of the 1st, 2nd plate of the side (terminal plate side). In this specification, the anode gas is described as the first fluid, the cathode gas as the second fluid, and the cooling water as the third fluid. However, the present invention is not limited thereto, and the cathode gas or the cooling water is defined as the first fluid and the anode gas. Alternatively, the cooling water may be the second fluid, and the anode gas or the cathode gas may be the third fluid.
図6(A−1)及び(B−1)に示すように、第1プレート64は、第1流体入口52a(例えばアノードガス入口)、第1流体出口54a(例えばアノードガス出口)、第2流体入口56a(例えばカソードガス入口)、第2流体出口58a(例えばカソードガス出口)、第3流体入口60a(例えば冷却水入口)、第3流体出口62a(例えば冷却水出口)を有する。第1プレート64の第1流体入口52aは燃料電池セル10のアノードガス入口52と積層方向に連通し、第1プレート64の第1流体出口54aは燃料電池セル10のアノードガス出口54と積層方向に連通し、第1プレート64の第2流体入口56aは燃料電池セル10のカソードガス入口56と積層方向に連通し、第1プレート64の第2流体出口58aは燃料電池セル10のカソードガス出口58と連通し、第1プレート64の第3流体入口60aは燃料電池セル10の冷却水入口60と連通し、第1プレート64の第3流体出口62aは燃料電池セル10の冷却水出口62と連通する。また、図6(B−1)に示すように、ターミナルプレート18側(第2プレート66側)の第1プレート64の面に第1流体連通路溝70(例えばアノードガス連通路溝)が形成されることにより、第1プレート64と第2プレート66との間に、第1流体入口52aと第1流体出口54aとを連通する図5の第1流体連通路72(例えばアノードガス連通路)が形成される。第1流体連通路72の流路形状は特に制限されるものではない。また、第1流体連通路溝70は、第1プレート64側に形成されたものを例としたが、第2プレート66側に第1流体連通路溝70を形成することにより、上記第1流体連通路72を形成してもよい。このように、流体入口と流体出口とを連通する連通路を設けることにより、流体へ流れ込んだコンタミ成分を効果的に捕捉することができる。
As shown in FIGS. 6A-1 and 6B-1, the
また、プレートを流れる流体の漏れ、混流等を防止するために、図6(A−1)に示すように燃料電池積層体12側の第1プレート64の面には、第1プレート64の外周、各流体入口及び出口の外周にシール材40(図中では点線で表す)が配置されている。また、図6(B−1)に示すように第2プレート66側の第1プレート64の面には、第1プレート64の外周、第2流体入口及び出口(56a,58a)、第3流体入口及び出口(60a,62a)の外周にシール材40(図中では点線で表す)が配置されている。
Further, in order to prevent leakage, mixed flow and the like of the fluid flowing through the plate, the outer surface of the
図6(A−2)及び(B−2)に示すように、第2プレート66は、第2流体入口56a、第2流体出口58a、第3流体入口60a、第3流体出口62aを有する。すなわち、第2プレートには、第1流体入口52a及び第1流体出口54aが形成されておらず、第1プレート64の第1流体入口52a及び第1流体出口54aは、第2プレート66に覆われている。したがって、第1プレート64の第1流体入口52aを通る第1流体(例えばアノードガス)は、第2プレート66以降のプレート(第3プレート68等)には流れず、第1流体連通路溝70(図5に示す第1流体連通路72)を通り、第1プレート64の第1流体出口54aから排出される(すなわち、第1流体は第2プレート66で折り返す)。流体が第1流体連通路溝70に流れることにより第1流体中のコンタミ成分を捕捉することができる。なお、第1プレート64及び第2プレート66のその他の流体入口及び出口は、それぞれ積層方向に連通しているため、第2流体(例えばカソードガス)、第3流体(例えば冷却水)は、第2プレート66以降のプレートにも流れる。
As shown in FIGS. 6A-2 and B-2, the
また、プレートを流れる流体の漏れ、混流等を防止するために、図6(A−2)に示すように燃料電池積層体側の第2プレート66の面には、第2プレート64の外周、第2流体入口及び出口(56a,58a)、第3流体入口及び出口(60a,62a)の外周にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。また、図6(B−2)に示すようにターミナルプレート18側の第2プレート66の面には、第2プレート64の外周、第2流体入口及び出口(56a,58a)、第3流体入口及び出口(60a,62a)の外周にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。通常、第2プレート66に第1流体入口52a、第1流体出口54aが形成されている場合には、ターミナルプレート18側の第2プレート66面の第1流体入口52a、第1流体出口54aの外周にシール材40を配置する必要がある。しかし、本実施形態では、第2プレートに第1流体入口52a及び第1流体出口54aが形成されていないため、ターミナルプレート18側の第2プレート66面において、通常形成される第1流体入口52a及び第1流体出口54aの外周にシール材40を配置する必要はなく、シール材40の使用量を低減させることができる。
Further, in order to prevent leakage, mixed flow, and the like of the fluid flowing through the plate, the surface of the
図7(A−1,2)は、燃料電池積層体側の第1,2プレートの構成の他の一例を示す模式平面図であり、図7(B−1,2)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)の第1,2プレートの構成の他の一例を示す模式平面図である。 FIG. 7 (A-1, 2) is a schematic plan view showing another example of the configuration of the first and second plates on the fuel cell stack side, and FIG. 7 (B-1, 2) shows the fuel cell stack side. It is a schematic plan view which shows another example of a structure of the 1st, 2nd plate on the opposite side (terminal plate side).
図7(B−1)に示すように、ターミナルプレート18側の第1プレート64の面には第1流体連通路溝70(例えばアノードガス連通路溝)、第2流体連通路溝74が形成され、第1プレート64と第2プレート66との間に、第1流体入口52aと第1流体出口54aとを連通する第1流体連通路及び第2流体入口56aと第2流体出口58aとを連通する第2流体連通路が形成される。第1流体及び第2流体が第1流体連通路溝70及び第2流体連通路溝74に流れることにより、第1流体及び第2流体中のコンタミ成分を捕捉することができる。
As shown in FIG. 7B-1, a first fluid communication channel groove 70 (for example, an anode gas communication channel groove) and a second fluid
図7(A−2)及び(B−2)に示すように、第2プレート66には、第1,2流体入口(52a,56a)、第1,2流体出口(54a,58a)が形成されておらず、第1プレート64の第1,2流体入口(52a,56a)、第1,2流体出口(54a,58a)は、第2プレート66に覆われている。通常、第2プレート66に第1,2流体入口(52a,56a)、第1,2流体出口(54a,58a)が形成されている場合には、ターミナルプレート18側の第2プレート66面の第1,2流体入口(52a,56a)、第1,2流体出口(54a,58a)の外周にもシール材40を配置する必要がある。しかし、本実施形態では、当該流体入口及び出口が形成されていないため、ターミナルプレート18側の第2プレート66面において、通常形成される当該流体入口及び出口の外周にシール材40を配置する必要はなく、シール材40の使用量を低減させることができる。また、第2プレートによって、第1プレートの第1〜3流体入口、第1〜3流体出口が覆われ、第1プレートと第2プレートとの間に、第1流体連通路、第2流体連通路、第3流体連通路が形成されてもよい。
As shown in FIGS. 7A-2 and B-2, the
上記形態のように、第1プレート64及び第2プレート66に、積層方向に連通する第3流体入口60a及び出口62a(例えば冷却水入口及び出口)が形成されている場合には、第2プレート66の第3流体入口60a及び出口62aは、第2プレート66より積層方向外側に配置される第3プレートにより覆われ、第2プレート66と第3プレートとの間に、第3流体入口60aと第3流体出口62aとを連通する第3流体連通路が形成されることが好ましい。図8(A−1〜3)は、燃料電池積層体側の第1〜3プレートの構成の一例を示す模式平面図であり、図8(B−1〜3)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)の第1〜3プレートの構成の一例を示す模式平面図である。図7に示すプレートと同様の構成については同一の符合を付し、また同様の構成についての説明は省略する。図8(A−3)に示すように、燃料電池積層体12側の第3プレート68の面には第3流体連通路溝78(例えば冷却水連通路溝)が形成され、第2プレート66と第3プレート68との間に、第3流体入口60aと第3流体出口62aとを連通する第3流体連通路が形成される。第3流体が第3流体連通路溝78に流れることにより、第3流体中のコンタミ成分を捕捉することができる。
When the third
また、図8(A−3)及び(B−3)に示すように、第2プレート66より積層方向外側に配置される第3プレート68には、第3流体入口及び出口(60a,62a)が形成されておらず、第2プレート66の第3流体入口及び出口(60a,62a)は、第3プレート68に覆われている。このように本実施形態では、第3プレートには、流体入口及び出口が形成されていないため、ターミナルプレート18側の第3プレート68面には、シール材40を配置する必要はなく、シール材40の使用量をより低減させることができる。
Further, as shown in FIGS. 8A-3 and B-3, the
図6に示すように、第2プレート66に第2流体入口及び出口(56a,58a)が形成されている場合には、第2プレート66に第2流体入口及び出口(56a,58a)は、第2プレート66より積層方向外側に配置される第3プレートにより覆われ、第2プレート66と第3プレートとの間に第2連通路が形成されることが好ましい。以下にその一例を説明する。図9は、燃料電池積層体へ流体が出入りする側の端部と反対側の端部に設けられるエンドセルの構成の他の一例を示す模式断面図である。図9に示すようにエンドセル16は、燃料電池積層体12側から第1プレート64、第2プレート66、第3プレート68の順で配置されている。図10(A−1〜3)は、燃料電池積層体側の第1〜3プレートの構成の他の一例を示す模式平面図であり、図10(B−1〜3)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)の第1〜3プレートの構成の他の一例を示す模式平面図である。図6に示すプレートと同様の構成については同一の符合を付し、また同様の構成についての説明は省略する。
As shown in FIG. 6, when the second fluid inlet and outlet (56a, 58a) are formed in the
図10(A−3)及び(B−3)に示すように、第3プレート68は、第3流体入口60a、第3流体出口62aを有する。また、図10(A−3)に示すように、燃料電池積層体12側の第3プレート68の面に第2流体連通路溝74が形成され、第3プレート68と第2プレート66との間に、第2流体入口56aと第2流体出口58aとを連通する第2流体連通路76(図9に示す)が形成される。また、第3プレート68には、第2流体入口及び出口(56a,58a)が形成されておらず、第2プレート66の第2流体入口及び出口(56a,58a)は、第3プレート68に覆われている。したがって、(第1プレート64及び)第2プレート66の第2流体入口56aを通る第2流体(例えばカソードガス)は、第3プレート68以降のプレート(ターミナルプレート18等)には流れず、第2流体連通路溝74(図9に示す第2流体連通路76)を通り、第2プレート66の第2流体出口58aから排出される。第2流体が第2流体連通路溝74に流れることにより、第2流体中のコンタミ成分を捕捉することができる。特に、第1流体連通路溝70と第2流体連通路溝74とをそれぞれ別のプレートに形成する方が、同一プレートの同一面に形成するより、流体の混流を効果的に防ぐことができる点で好ましい。
As shown in FIGS. 10A-3 and B-3, the
また、プレートを通過する流体の漏れ、混流等を防止するために、図10(A−3)に示すように燃料電池積層体側の第3プレート68の面には、第3プレート64の外周、第3流体入口及び出口(60a,62a)の外周にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。また、図10(B−3)に示すようにターミナルプレート18側の第3プレート68の面には、第3プレート64の外周(第3流体入口及び出口(60,62)の一部)にシール材40(図中では点線で表す)が配置される。通常、第3プレート66に第1流体入口52a、第1流体出口54a、第2流体入口56a、第2流体出口58aが形成されている場合には、第1流体入口52a、第1流体出口54a、第2流体入口56a、第2流体出口58aの外周にシール材40が配置される。しかし、本実施形態では、第2プレート66には、第1流体入口及び出口(52a,54a)が形成されておらず、また、第3プレート68には、第1流体入口及び出口(52a,54a)、第2流体入口及び出口(56a,58a)が形成されていないため、当該箇所の外周にシール材40を配置する必要はなく、シール材40の使用量を低減させることができる。
Further, in order to prevent leakage, mixed flow, etc. of the fluid passing through the plate, the outer surface of the
また、図10に示すように、第1〜3プレートに、第3流体入口及び出口(60a,62a)が形成されている場合には、第3プレート68の第3流体入口及び出口(60a,62a)は、第3プレート68より積層方向外側に配置される第4プレートにより覆われ、第3プレート68と第4プレートとの間に、第3流体入口60aと第3流体出口62aとを連通する第3流体連通路が形成されることが好ましい。図11(A−1〜4)は、燃料電池積層体側の第1〜4プレートの構成の一例を示す模式平面図であり、図11(B−1〜4)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)の第1〜4プレートの構成の一例を示す模式平面図である。図10に示すプレートと同様の構成については同一の符合を付し、また同様の構成についての説明は省略する。図11(A−4)に示すように、燃料電池積層体12側の第4プレート69の面には第3流体連通路溝78(例えば冷却水連通路溝)が形成され、第3プレート68と第4プレート69との間に、第3流体入口60aと第3流体出口62aとを連通する第3流体連通路が形成される。そして、第3流体が第3流体連通路溝78に流れることにより、第3流体中のコンタミ成分が捕捉される。図11(A−4)及び(B−4)に示すように、第3プレート68より積層方向外側に配置される第4プレート69には、第3流体入口及び出口(60a,62a)が形成されておらず、第3プレート68の第3流体入口及び出口(60a,62a)は、第4プレート68に覆われている。このように、本実施形態では、第4プレートには流体入口及び出口が形成されていないため、ターミナルプレート18側の第4プレート68面には、シール材40を配置する必要はなく、シール材40の使用量を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 10, when the third fluid inlet and outlet (60a, 62a) are formed in the first to third plates, the third fluid inlet and outlet (60a, 62a) of the
図12(A−1,2)及び図13(A−1〜3)は、燃料電池積層体側のプレートの構成の他の一例を示す模式平面図であり、図12(B−1,2)及び図13(A−1〜3)は、燃料電池積層体と反対側(ターミナルプレート側)のプレートの構成の他の一例を示す模式平面図である。図12及び13に示すプレートにおいて、図6及び10に示すプレートと同様の構成については同一の符合を付し、また、同様の構成についての説明は省略する。図12及び13に示すように第1プレートには、第3流体入口及び出口が設けられていない。そのため、燃料電池積層体の第3流体入口及び出口(例えば、燃料電池用セパレータの冷却水入口及び出口)は、第1プレートにより覆われる。したがって、通常形成される第3流体入口及び出口の外周にシール材40を配置する必要がないため、シール材の使用量をより減らすことができる。第3流体が他の流体に比べて、コンタミ成分量の少ない流体、例えば冷却水であれば、エンドセルに設けられる連通路溝によりコンタミ成分を捕捉する必要がほとんどないため、エンドセルを構成するプレートに第3流体入口及び出口、第3流体連通路溝を必ずしも設ける必要はない。
12 (A-1, 2) and 13 (A-1 to 3) are schematic plan views showing another example of the configuration of the plate on the fuel cell stack side, and FIG. FIGS. 13A to 13 are schematic plan views showing another example of the configuration of the plate on the side opposite to the fuel cell stack (terminal plate side). In the plates shown in FIGS. 12 and 13, the same components as those in the plates shown in FIGS. 6 and 10 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components is omitted. As shown in FIGS. 12 and 13, the first plate is not provided with a third fluid inlet and outlet. Therefore, the third fluid inlet and outlet (for example, the cooling water inlet and outlet of the fuel cell separator) of the fuel cell stack are covered with the first plate. Therefore, since it is not necessary to arrange the sealing
次に、燃料電池積層体12へ流体が出入りする側の端部に設けられるエンドセル14について説明する。エンドセル14は、複数のプレートを積層したものである。当該プレートには、各流体導入管に流れる流体を燃料電池積層体12へ供給し、燃料電池積層体12から排出される流体を各流体排出管へ流す必要があるため、例えば図4に示す燃料電池用セパレータのように各流体入口及び出口が形成されている。また、コンタミ成分を捕捉するために、プレート間に流体入口と流体出口とを連通する流体連通路が形成されてもよい。
Next, the
エンドセル14,16のプレートを構成する材料は、例えば、金属、樹脂、導電性樹脂等が挙げられるが、燃料電池積層体12端部の放熱の抑制、導電性の点で導電性樹脂であることが好ましい。プレートを構成する材料として金属を用いる場合、エンドセル14,16の熱伝導率が高く、燃料電池積層体12端部の放熱を十分に抑制することができない場合があるため、プレート間、プレートと燃料電池積層体12の間、又はプレートとターミナルプレート18の間の少なくともいずれか1つの間に断熱性樹脂シートを配置することが好ましい。断熱性樹脂シートを構成する材料としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱効硬化性樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。プレートを構成する材料として樹脂を用いる場合、エンドセルは絶縁性となるため、燃料電池積層体12から電力を取り出せるように、例えば、燃料電池積層体12とエンドセル(14,16)との間に集電板又は集電リードを配置する必要がある。プレートを構成する材料として導電性樹脂を用いる場合には、上記断熱性樹脂シート、上記集電板等を必要としないため、燃料電池1の構成を簡略化し、燃料電池1の省スペース化を図ることができる。導電性樹脂は、カーボンとフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱効硬化性樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂等の樹脂とを混合したものである。
Examples of the material constituting the plates of the
本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ34、カソード極セパレータ36)は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。
The fuel cell separator (
本実施形態に用いられる電解質膜41は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。
The
また、アノード極42及びカソード極44はそれぞれ、触媒層と拡散層とを備える。拡散層は反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層、又は電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。
The
本実施形態に用いられるシール材40は、一般的に使用される熱硬化性樹脂、例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。
As the sealing
上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。 The fuel cell and the fuel cell laminate according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, and a household power source.
1 燃料電池、10 燃料電池セル、12 燃料電池積層体、14,16 エンドセル、18 ターミナルプレート、20 カソードガス導入管、22 カソードガス排出管、24 アノードガス導入管、26 アノードガス排出管、28 冷却水導入管、30 冷却水排出管、32 膜−電極アッセンブリ、34 アノード極セパレータ、36 カソード極セパレータ、40,98 シール材、41 電解質膜、42 アノード極、44 カソード極、46 アノードガス流路、46a アノードガス流路溝、48 カソードガス流路、48a カソードガス流路溝、50 冷却水流路、52 アノードガス入口、52a,86 第1流体入口、54 アノードガス出口、54a,88 第1流体出口、56 カソードガス入口、56a,90 第2流体入口、58 カソードガス出口、58a,92 第2流体出口、60 冷却水入口、60a,94 第3流体入口、62 冷却水出口、62a,96 第3流体出口、64,66,68,69,80,84 プレート、70,84 第1流体連通路溝、72 第1流体連通路、74 第2流体連通路溝、76 第2流体連通路、78 第3流体連通路溝。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
複数のプレートの内、第1プレートに形成される第1流体入口及び第1流体出口が、前記第1プレートより積層方向外側に配置される第2プレートにより覆われ、
前記第1プレートと前記第2プレートとの間に、前記第1流体入口と前記第1流体出口とを連通する第1連通路が形成されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising: a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked; and an end cell disposed at a stacking direction end opposite to the stacking direction end of the fuel cell stack in which a fluid required for power generation enters and exits. The end cell is a laminate of a plurality of plates in order from the fuel cell stack side,
Of the plurality of plates, a first fluid inlet and a first fluid outlet formed in the first plate are covered by a second plate disposed on the outer side in the stacking direction than the first plate,
A fuel cell, wherein a first communication path that connects the first fluid inlet and the first fluid outlet is formed between the first plate and the second plate.
前記第1プレートと前記第2プレートとの間に、前記第2流体入口と前記第2流体出口とを連通する第2連通路が形成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein a second fluid inlet and a second fluid outlet formed in the first plate are covered by the second plate,
A fuel cell, wherein a second communication path that communicates the second fluid inlet and the second fluid outlet is formed between the first plate and the second plate.
前記第2プレートと前記第3プレートとの間に、前記第3流体入口と前記第3流体出口とを連通する第3連通路が形成されることを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 2, wherein a third fluid inlet and a third fluid inlet formed in the second plate so as to communicate with a third fluid inlet and a third fluid outlet formed in the first plate in a stacking direction. The three fluid outlet is covered by a third plate disposed outside the second plate in the stacking direction,
A fuel cell characterized in that a third communication path that connects the third fluid inlet and the third fluid outlet is formed between the second plate and the third plate.
前記第2プレートと前記第3プレートとの間に、前記第2流体入口と前記第2流体出口とを連通する第2連通路が形成されることを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the second fluid inlet and the second fluid inlet formed in the second plate so as to communicate with the second fluid inlet and the second fluid outlet formed in the first plate in the stacking direction. The two fluid outlet is covered by a third plate disposed on the outer side in the stacking direction than the second plate,
A fuel cell, wherein a second communication path that communicates the second fluid inlet and the second fluid outlet is formed between the second plate and the third plate.
前記第3プレートと前記第4プレートとの間に、前記第3流体入口と前記第3流体出口とを連通する第3連通路が形成されることを特徴とする燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 4, wherein the third plate is formed in the third plate so as to communicate with a third fluid inlet and a third fluid outlet formed in the first plate and the second plate in a stacking direction. The three fluid inlet and the third fluid outlet are covered by a fourth plate disposed on the outer side in the stacking direction than the third plate,
A fuel cell, wherein a third communication path that connects the third fluid inlet and the third fluid outlet is formed between the third plate and the fourth plate.
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