JP2012033325A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが設けられ他方の面にカソードが設けられた構成の膜電極接合体を含む発電モジュールとセパレータとが交互に積層されたスタック構造の形態で利用される。燃料電池は、膜電極接合体に供給された反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。 In general, a fuel cell has a stack structure in which a power generation module including a membrane electrode assembly having a structure in which an anode is provided on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is provided on the other surface and separators are alternately stacked. Used. A fuel cell directly converts chemical energy of a substance into electrical energy by causing an electrochemical reaction using a reaction gas (fuel gas and oxidant gas) supplied to the membrane electrode assembly.
燃料電池に供給された反応ガスはマニホールドを介して膜電極接合体に導かれ、膜電極接合体において利用されなかった反応ガスはマニホールドへと排出される。反応ガスのマニホールドから膜電極接合体への導入部分や膜電極接合体からマニホールドへの導出部分(以下、まとめて「反応ガス導出入部」とも呼ぶ)は、反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立が要求される。 The reaction gas supplied to the fuel cell is guided to the membrane electrode assembly through the manifold, and the reaction gas not used in the membrane electrode assembly is discharged to the manifold. The reaction gas introduction part from the manifold to the membrane electrode assembly and the part from the membrane electrode assembly to the manifold (hereinafter also referred to as “reaction gas lead-in / out part”) secure the reaction gas flow path and provide gas sealing properties. It is required to be compatible with
金属製セパレータにおけるマニホールド用の開口が形成される部分を折り返し、折り返し部分にマニホールドと内部ガス流路空間とを連通する連通孔を設けることにより形成された反応ガス導出入部の構成が知られている(例えば特許文献1参照)。 A configuration of a reaction gas lead-in / out section formed by folding back a portion of a metal separator where an opening for a manifold is formed and providing a communication hole in the folded portion for communicating the manifold and the internal gas flow path space is known. (For example, refer to Patent Document 1).
上記従来の技術では、内部ガス流路空間における発電モジュールの面方向に沿った端部の位置に接着剤や熱可塑性樹脂といったシール材が配置され、シール材によって両極間における反応ガスの漏洩が防止される。そのため、シール材が不足している場合には、ガスシール性が確保されず反応ガスが漏洩するおそれがある一方、シール材が過剰である場合には、余剰のシール材が内部ガス流路空間に進入し、流路が閉塞されたり圧力損失の増加やばらつきが発生したりするおそれがある。 In the above-described conventional technology, a sealing material such as an adhesive or a thermoplastic resin is disposed at the end position along the surface direction of the power generation module in the internal gas flow path space, and the leakage of the reaction gas between the two electrodes is prevented by the sealing material. Is done. Therefore, if the sealing material is insufficient, the gas sealing performance may not be ensured, and the reaction gas may leak. On the other hand, if the sealing material is excessive, the excess sealing material is removed from the internal gas flow path space. There is a risk that the flow path may be blocked and the pressure loss may increase or vary.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成した燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and secures a reaction gas flow path and a gas seal in a reaction gas lead-in / out section while suppressing the complexity of the processing steps and the increase in the size of the fuel cell. It aims at providing the fuel cell which achieved coexistence with ensuring of property.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体層を挟むように積層された一対の拡散層と、を有する発電モジュールと、
金属板を加工することにより形成され、前記発電モジュールを挟むように配置された第1および第2のセパレータであって、前記発電モジュールの面方向に沿って前記発電モジュールに対向する位置より外側の位置に前記面方向に略垂直な複数の反応ガス流路を構成する開口を有する第1および第2のセパレータと、
前記第1のセパレータとの間に、前記第1のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第1のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第1の内部流路空間を形成する第1の内部流路形成部材と、
前記第1のセパレータとの間に、前記第2のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第2のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第2の内部流路空間を形成する第2の内部流路形成部材と、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材と前記第2のセパレータとの間をシールするシール部材と、を備え、
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記拡散層の前記第1のセパレータ側の表面に接触している、燃料電池。
Application Example 1 A fuel cell,
A power generation module having a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a pair of diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly layer;
The first and second separators are formed by processing a metal plate and are arranged so as to sandwich the power generation module, and are located outside a position facing the power generation module along the surface direction of the power generation module. First and second separators having openings constituting a plurality of reaction gas flow paths substantially perpendicular to the surface direction at positions;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the surface direction on the first separator side of the power generation module. A first internal flow path forming member that forms a first internal flow path space that communicates with the end portion;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the surface direction on the second separator side of the power generation module. A second internal flow path forming member that forms a second internal flow path space that communicates with the end,
A seal member that seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator;
An inner end portion of the first internal flow path forming member along the surface direction is in contact with the surface of the diffusion layer on the first separator side on the first separator side.
この燃料電池では、第1の内部流路形成部材により、第1のセパレータとの間に、第1のセパレータ側の電極層において使用される反応ガス用の反応ガス流路と発電モジュールの第1のセパレータ側における端部とを連通する第1の内部流路空間が形成され、第2の内部流路形成部材により、第1のセパレータとの間に、第2のセパレータ側の電極層において使用される反応ガス用の反応ガス流路と発電モジュールの第2のセパレータ側における端部とを連通する第2の内部流路空間が形成される。また、シール部材によって、第1の内部流路形成部材および第2の内部流路形成部材と第2のセパレータとの間がシールされる。また、第1の内部流路形成部材の面方向に沿った内側端部が第1のセパレータ側の拡散層の第1のセパレータ側の表面に接触している。そのため、この燃料電池では、第1の内部流路形成部材と第1のセパレータ側の拡散層との接触部分により、反応ガスの漏洩が抑制されてガスシール性が向上すると共に、第1の内部流路空間へのシール部材の進入が抑制され、第1の内部流路空間の閉塞や圧力損失の増大を抑制することができる。そのため、この燃料電池では、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。 In this fuel cell, the first internal flow path forming member and the first separator of the power generation module and the reactive gas flow path for the reactive gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the first separator. A first internal channel space that communicates with an end of the separator on the side of the separator is formed, and the second internal channel forming member is used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the first separator. A second internal flow path space is formed that communicates the reactive gas flow path for the reactive gas and the end of the power generation module on the second separator side. Further, the seal member seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator. Moreover, the inner side edge part along the surface direction of the 1st internal flow path formation member is contacting the surface by the side of the 1st separator of the diffusion layer by the side of the 1st separator. For this reason, in this fuel cell, the contact portion between the first internal flow path forming member and the diffusion layer on the first separator side suppresses the leakage of the reaction gas and improves the gas sealing performance. The entrance of the seal member into the flow path space is suppressed, and the first internal flow path space can be prevented from being blocked and the pressure loss can be increased. Therefore, in this fuel cell, it is possible to achieve both the securing of the reaction gas flow path and the securing of the gas sealing property in the reaction gas lead-in / out section while suppressing the complexity of the processing process and the increase in the size of the fuel cell. it can.
[適用例2]適用例1に記載の燃料電池であって、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材は、前記第1のセパレータの前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記発電モジュール側の辺を折り曲げ線として前記発電モジュール側に折り返されて形成された折り返し部分により形成され、
前記折り返し部分は、前記反応ガス流路と、前記第1の内部流路空間および前記第2の内部流路空間と、を連通する連通孔を有する、燃料電池。
[Application Example 2] The fuel cell according to Application Example 1,
In the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member, at least a part of the metal plate at a position where the opening of the first separator is formed is on the power generation module side of the opening. Is formed by a folded portion formed by folding back to the power generation module side as a folding line,
The folded portion has a communication hole that communicates the reaction gas flow path with the first internal flow path space and the second internal flow path space.
この燃料電池では、折り返し部分が第2のセパレータ側に移動することを抑制することによって短絡を確実に抑制しつつ、別部品で第1,2の内部流路空間を確保する場合と比較して、部品点数の低減、加工工程の簡易化、コストの低減を図ることができる。 In this fuel cell, as compared with the case where the first and second internal flow path spaces are secured by separate parts while suppressing a short circuit by suppressing the folded portion from moving to the second separator side. In addition, it is possible to reduce the number of parts, simplify the machining process, and reduce the cost.
[適用例3]燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体層を挟むように積層された一対の拡散層と、前記一対の拡散層のそれぞれの外側に積層された一対の多孔体流路層と、を有する発電モジュールと、
金属板を加工することにより形成され、前記発電モジュールを挟むように配置された第1および第2のセパレータであって、前記発電モジュールの面方向に沿って前記発電モジュールに対向する位置より外側の位置に前記面方向に略垂直な複数の反応ガス流路を構成する開口を有する第1および第2のセパレータと、
前記第1のセパレータとの間に、前記第1のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第1のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第1の内部流路空間を形成する第1の内部流路形成部材と、
前記第1のセパレータとの間に、前記第2のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第2のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第2の内部流路空間を形成する第2の内部流路形成部材と、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材と前記第2のセパレータとの間をシールするシール部材と、を備え、
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記拡散層の前記第1のセパレータ側の表面と、前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層の前記第2のセパレータ側の表面と、の一方に接触している、燃料電池。
Application Example 3 A fuel cell,
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both sides of the electrolyte membrane; a pair of diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly layer; and each of the pair of diffusion layers A power generation module having a pair of porous flow path layers stacked on the outside;
The first and second separators are formed by processing a metal plate and are arranged so as to sandwich the power generation module, and are located outside a position facing the power generation module along the surface direction of the power generation module. First and second separators having openings constituting a plurality of reaction gas flow paths substantially perpendicular to the surface direction at positions;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the surface direction on the first separator side of the power generation module. A first internal flow path forming member that forms a first internal flow path space that communicates with the end portion;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the surface direction on the second separator side of the power generation module. A second internal flow path forming member that forms a second internal flow path space that communicates with the end,
A seal member that seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator;
The inner end along the surface direction of the first internal flow path forming member includes the surface on the first separator side of the diffusion layer on the first separator side and the surface on the first separator side. A fuel cell in contact with one of the surface of the porous body flow path layer on the second separator side.
この燃料電池では、第1の内部流路形成部材により、第1のセパレータとの間に、第1のセパレータ側の電極層において使用される反応ガス用の反応ガス流路と発電モジュールの第1のセパレータ側における端部とを連通する第1の内部流路空間が形成され、第2の内部流路形成部材により、第1のセパレータとの間に、第2のセパレータ側の電極層において使用される反応ガス用の反応ガス流路と発電モジュールの第2のセパレータ側における端部とを連通する第2の内部流路空間が形成される。また、シール部材によって、第1の内部流路形成部材および第2の内部流路形成部材と第2のセパレータとの間がシールされる。また、第1の内部流路形成部材の面方向に沿った内側端部が、第1のセパレータ側の拡散層の第1のセパレータ側の表面と、第1のセパレータ側の多孔体流路層の第2のセパレータ側の表面と、の一方に接触している。そのため、この燃料電池では、第1の内部流路形成部材と第1のセパレータ側の拡散層または第1のセパレータ側の多孔体流路層との接触部分により、ガスシール性を確保するために不足のないようにシール部材を充填してもシール部材が第1の内部流路空間の内部に進入することが抑制されるため、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。 In this fuel cell, the first internal flow path forming member and the first separator of the power generation module and the reactive gas flow path for the reactive gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the first separator. A first internal channel space that communicates with an end of the separator on the side of the separator is formed, and the second internal channel forming member is used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the first separator. A second internal flow path space is formed that communicates the reactive gas flow path for the reactive gas and the end of the power generation module on the second separator side. Further, the seal member seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator. Further, the inner end portion along the surface direction of the first internal flow path forming member includes the first separator-side surface of the first separator-side diffusion layer and the first separator-side porous flow path layer. Of the second separator and the surface on the second separator side. Therefore, in this fuel cell, in order to ensure gas sealing properties by the contact portion between the first internal flow path forming member and the first separator side diffusion layer or the first separator side porous flow path layer. Even if the sealing member is filled so that there is no shortage, the sealing member is prevented from entering the first internal flow path space, so that the complexity of the processing process and the increase in the size of the fuel cell are suppressed. On the other hand, it is possible to achieve both the securing of the reaction gas flow path and the securing of the gas sealing performance in the reaction gas lead-in / out section.
[適用例4]適用例3に記載の燃料電池であって、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材は、前記第1のセパレータの前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記発電モジュール側の辺を折り曲げ線として前記発電モジュール側に折り返されて形成された折り返し部分により形成され、
前記折り返し部分は、前記反応ガス流路と、前記第1の内部流路空間および前記第2の内部流路空間と、を連通する連通孔を有する、燃料電池。
[Application Example 4] The fuel cell according to Application Example 3,
In the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member, at least a part of the metal plate at a position where the opening of the first separator is formed is on the power generation module side of the opening. Is formed by a folded portion formed by folding back to the power generation module side as a folding line,
The folded portion has a communication hole that communicates the reaction gas flow path with the first internal flow path space and the second internal flow path space.
この燃料電池では、別部品で第1,2の内部流路空間を確保する場合と比較して、部品点数の低減、加工工程の簡易化、コストの低減を図ることができる。 In this fuel cell, the number of parts, the processing process can be simplified, and the cost can be reduced as compared with the case where the first and second internal flow path spaces are secured by separate parts.
[適用例5]適用例3または適用例4に記載の燃料電池であって、
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層の前記第2のセパレータ側の表面に接触しており、
前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層における、前記拡散層の前記面方向に沿った外側端部に対応する位置から、前記第1の内部流路形成部材と積層方向に沿って重なった部分の前記面方向に沿った内側端部に対応する位置までの部分には、目止め処理が施されている、燃料電池。
[Application Example 5] The fuel cell according to Application Example 3 or Application Example 4,
The inner end along the surface direction of the first internal flow path forming member is in contact with the surface on the second separator side of the porous flow path layer on the first separator side,
The porous body flow path layer on the first separator side overlaps the first internal flow path forming member along the stacking direction from a position corresponding to the outer end portion along the surface direction of the diffusion layer. A fuel cell in which a portion up to a position corresponding to an inner end portion along the surface direction of the portion is subjected to sealing treatment.
この燃料電池では、第1のセパレータ側の多孔体流路層における第1の内部流路形成部材と積層方向に沿って重なった部分におけるガスシール性を高めることができると共に、シール部材が第1のセパレータ側の多孔体流路層の内部を通って第1の内部流路空間に進入することが抑制されるため、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立をより確実に達成することができる。 In this fuel cell, it is possible to improve the gas sealing performance in the portion of the porous channel layer on the first separator side that overlaps the first internal channel forming member along the stacking direction, and the sealing member is the first. Of the separator-side porous body flow passage layer is prevented from entering the first internal flow passage space, so that the reaction gas flow passage and the gas sealing performance at the reaction gas lead-in / out portion are secured. A balance can be achieved more reliably.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池システム、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes, and can be realized in the form of, for example, a fuel cell, a separator for a fuel cell, a fuel cell system, a method for manufacturing these devices or systems, and the like. .
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池100を備えている。燃料電池100は、エンドプレート110と、絶縁板120と、集電板130と、複数の単セル140と、集電板130と、絶縁板120と、エンドプレート110と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池100には、高圧水素を貯蔵した水素タンク50から、シャットバルブ51、レギュレータ52、配管53を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池100において利用されなかった燃料ガス(アノードオフガス)は、排出配管63を介して燃料電池100の外部に排出される。なお、燃料電池システム10は、アノードオフガスを配管53側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池100には、また、エアポンプ60および配管61を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池100において利用されなかった酸化剤ガス(カソードオフガス)は、排出配管54を介して燃料電池100の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
Hydrogen as fuel gas is supplied to the
さらに、燃料電池100には、燃料電池100を冷却するため、ウォーターポンプ71および配管72を介して、ラジエータ70により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池100から排出された冷却媒体は、配管73を介してラジエータ70に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。
Further, the cooling medium cooled by the
図2は、燃料電池100の単セル140の平面構成を示す説明図である。単セル140は、後述するように、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体(MEAとも呼ばれる)を含む発電モジュールを、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a planar configuration of the
燃料電池100の内部には、図2に示すように、燃料電池100に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル140に分配する燃料ガス供給マニホールド162と、燃料電池100に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル140に分配する酸化剤ガス供給マニホールド152と、各単セル140において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池100の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド164と、各単セル140において利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池100の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド154と、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池100の積層方向(すなわち発電モジュールの面方向に略垂直な方向)に伸びる形状の反応ガス流路である。燃料電池100の内部には、さらに、冷却媒体を単セル140に分配する冷却媒体供給マニホールド172と、各単セル140から排出される冷却媒体を集めて燃料電池100の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド174と、が形成されている。
Inside the
図3は、単セル140の平面構成をより詳細に示す説明図である。図3(a)には、単セル140における燃料ガス供給マニホールド162付近の部分(図2のX1部)の平面構成を拡大して示しており、図3(b)には、単セル140における酸化剤ガス供給マニホールド152付近の部分(図2のX2部)の平面構成を拡大して示している。また、図4および図5は、単セル140の断面構成を示す説明図である。図4(a)には図3(a)のA1−A1断面を示しており、図4(b)には図3(a)のB1−B1断面を示しており、図5(a)には図3(b)のC1−C1断面を示しており、図5(b)には図3(b)のD1−D1断面を示している。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the planar configuration of the
図4および図5に示すように、単セル140は、発電モジュール200と、発電モジュール200を挟持する一対のセパレータ(カソード側セパレータ320およびアノード側セパレータ310)と、を有している。発電モジュール200は、カソード側多孔体流路層230と、カソード側拡散層217と、膜電極接合体210と、アノード側拡散層216と、アノード側多孔体流路層220と、が、この順に積層された構成を有している。膜電極接合体210は、電解質膜212と、電解質膜212の一方の側に配置(塗布)されたカソード215と、電解質膜212の他方の側に配置(塗布)されたアノード214と、から構成されている。図2には、単セル140の平面における発電モジュール200の位置をハッチングにより示している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
電解質膜212は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード215およびアノード214は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。カソード側拡散層217およびアノード側拡散層216は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成されている。カソード側多孔体流路層230およびアノード側多孔体流路層220は、金属多孔体(例えばエキスパンドメタル)などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。カソード側多孔体流路層230およびアノード側多孔体流路層220は、カソード側拡散層217およびアノード側拡散層216より空孔率が高いため、内部におけるガスの流動抵抗が低く、反応ガスが流動する流路として機能する。
The
なお、以下の説明では、発電モジュール200の各層を積層する方向を単に「積層方向」と呼ぶものとし、発電モジュール200の面方向(すなわち積層方向と略垂直な方向)を単に「面方向」と呼ぶものとする。また、面方向の内、燃料ガス供給マニホールド162や酸化剤ガス供給マニホールド152に最も近い発電モジュール200の各層の外周辺に平行な方向をY方向と呼び、Y方向に略垂直な面方向をX方向と呼ぶものとする(図3ないし図5参照)。
In the following description, the direction in which the layers of the
図4および図5に示すように、燃料ガス供給マニホールド162や酸化剤ガス供給マニホールド152に対向する位置において、電解質膜212およびアノード側拡散層216、アノード側多孔体流路層220のX方向に沿った長さは、発電モジュール200を構成する他の層(アノード214やカソード215、カソード側拡散層217、カソード側多孔体流路層230)の長さより長い。すなわち、燃料電池100の積層方向から発電モジュール200を見ると、電解質膜212およびアノード側拡散層216、アノード側多孔体流路層220は、他の層よりX方向に突出している。図3(a)および(b)には、単セル140の平面における電解質膜212とアノード214およびカソード215の位置をハッチングにより示している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
カソード側セパレータ320およびアノード側セパレータ310は、金属板を加工して形成される。カソード側セパレータ320には、図4(a)および図4(b)に示すように、燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口321が形成されていると共に、図5(a)および図5(b)に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口323が形成されている。
The
図6は、カソード側セパレータ320の開口321付近の構成を示す斜視図である。図4および図6に示すように、カソード側セパレータ320の燃料ガス供給マニホールド162を構成するための開口321に隣接した位置には、折り返し部分322が形成されている。折り返し部分322は、後に詳述するように、カソード側セパレータ320の材料としての金属板における開口321が形成される位置の部分の少なくとも一部が、開口321の発電モジュール200側の辺を折り曲げ線として、単セル140の積層方向に沿った内側方向(アノード側セパレータ310に向かう方向)で、かつ、X方向に沿った内側方向(発電モジュール200に向かう方向)に折り返されることにより、形成される。
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration near the
図4(a)および図4(b)に示すように、折り返し部分322は、面方向に略垂直な(積層方向に略平行な)垂直部分と面方向に略平行な平行部分とにより構成されている。折り返し部分322の平行部分の積層方向に沿った位置は、電解質膜212の位置よりカソード側よりの位置である。折り返し部分322の平行部分と、積層方向に沿って折り返し部分322の平行部分に対向するカソード側セパレータ320の部分と、の間には、内部流路空間350が形成されている。内部流路空間350は、本発明における第2の内部流路空間に相当し、折り返し部分322は、本発明における第2の内部流路空間を形成する第2の内部流路形成部材に相当する。また、折り返し部分322の垂直部分には、燃料ガス供給マニホールド162と内部流路空間350とを連通するための複数の連通孔326が形成されている。複数の連通孔326は、Y方向に沿って互いに所定の間隔を空けて並んで配置されている(図6参照)。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the folded
積層方向に沿って折り返し部分322の平行部分に対向するカソード側セパレータ320の位置には、カソード側セパレータ320からアノード側セパレータ310に向かう方向に凸な形状(すなわち内部流路空間350に突出する形状)の凸部324が複数形成されている。複数の凸部324は、Y方向に沿った位置が連通孔326と重ならないように、Y方向に沿って互いに所定間隔を空けて並んで配置されている。各凸部324は、X方向に伸びる略長方形形状の平面を有している。各凸部324の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分322の平行部分に隣接するような位置である。
A shape protruding in the direction from the
同様に、図5(a)および図5(b)に示すように、カソード側セパレータ320における酸化剤ガス供給マニホールド152を構成するための開口323に隣接した位置には、折り返し部分325が形成されている。折り返し部分325は、カソード側セパレータ320の材料としての金属板における開口323が形成される位置の部分の少なくとも一部が、開口323の発電モジュール200側の辺を折り曲げ線として、単セル140の積層方向に沿った内側方向で、かつ、X方向に沿った内側方向に折り返されることにより、形成される。折り返し部分325は、面方向に略垂直な垂直部分と面方向に略平行な平行部分とにより構成されている。折り返し部分325の平行部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分322と同様に、電解質膜212の位置よりカソード側よりの位置である。折り返し部分325の平行部分と、積層方向に沿って折り返し部分325の平行部分に対向するカソード側セパレータ320の部分と、の間には、内部流路空間360が形成されている。内部流路空間360は、本発明における第1の内部流路空間に相当し、折り返し部分325は、本発明における第1の内部流路空間を形成する第1の内部流路形成部材に相当する。折り返し部分325の垂直部分には、酸化剤ガス供給マニホールド152と内部流路空間360とを連通するための複数の連通孔326が形成されている。複数の連通孔326は、Y方向に沿って互いに所定の間隔を空けて並んで配置されている。
Similarly, as shown in FIGS. 5A and 5B, a folded
積層方向に沿って折り返し部分325の平行部分に対向するカソード側セパレータ320の位置には、カソード側セパレータ320からアノード側セパレータ310に向かう方向に凸な形状(すなわち内部流路空間360に突出する形状)の凸部324が複数形成されている。複数の凸部324は、Y方向に沿った位置が連通孔326と重ならないように、Y方向に沿って互いに所定間隔を空けて並んで配置されている。各凸部324は、X方向に伸びる略長方形形状の平面を有している。各凸部324の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分325の平行部分に隣接するような位置である。
A shape protruding in the direction from the
なお、以下の説明では、カソード側セパレータ320における燃料ガス供給マニホールド162を構成するための開口321に隣接する折り返し部分322を、燃料ガス側折り返し部分322とも呼び、カソード側セパレータ320における酸化剤ガス供給マニホールド152を構成するための開口323に隣接する折り返し部分325を、酸化剤ガス側折り返し部分325とも呼ぶ。
In the following description, the folded
図4(a)および図4(b)に示すように、燃料ガス側折り返し部分322の平行部分のX方向に沿った長さは、積層方向に沿って電解質膜212とは重ならないような長さとなっている。これに対して、図5(a)および図5(b)に示すように、酸化剤ガス側折り返し部分325の平行部分のX方向に沿った長さは、積層方向に沿って電解質膜212と重なるような長さとなっている。すなわち、燃料ガス側折り返し部分322の平行部分のX方向に沿った長さは、酸化剤ガス側折り返し部分325の平行部分のX方向に沿った長さより短い。図3(a)および(b)には、単セル140の平面における燃料ガス側折り返し部分322の平行部分および酸化剤ガス側折り返し部分325の平行部分の位置を、ハッチングにより示している。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the length along the X direction of the parallel portion of the fuel gas side folded
カソード側セパレータ320には、その他に、電解質膜212の突出部分に対向する位置に、カソード側セパレータ320からアノード側セパレータ310に向かう方向に凸な凸部327が形成されている(図4(a)および(b)参照)。凸部327の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、燃料ガス側折り返し部分322の平行部分とほぼ同じ位置である。凸部327の積層方向に沿った外側には、充填材430が充填されている。なお、凸部327は、酸化剤ガス側折り返し部分325と対向する位置には形成されていない(図5(a)および(b)参照)。
In addition, the cathode-
また、カソード側セパレータ320には、開口321の燃料ガス側折り返し部分322が形成されている側以外の三方を囲む位置、および、開口323の酸化剤ガス側折り返し部分325が形成されている側以外の三方を囲む位置に、カソード側セパレータ320からアノード側セパレータ310に向かう方向に凸な凸部329が形成されている(図3ないし図5参照)。凸部329の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分322および325の平行部分とほぼ同じ位置である。
Further, the
カソード側セパレータ320における膜電極接合体210と対向する位置には、複数のディンプル319が形成されている。複数の単セル140を積層した際に、ディンプル319の積層方向最外側の表面は、積層方向に沿って隣接する他の単セル140のアノード側セパレータ310の表面に接触する。これにより、2つの単セル140間(すなわち、カソード側セパレータ320と当該カソード側セパレータ320に膜電極接合体210を挟まずに隣接するアノード側セパレータ310との間)には、面方向に沿って連続した空間が形成される。この空間は、図2に示した冷却媒体供給マニホールド172および冷却媒体排出マニホールド174に連通しており、冷却媒体の流路として利用される。
A plurality of
図4および図5に示すように、アノード側セパレータ310には、カソード側セパレータ320と同様に、燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口311が形成されていると共に、酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口313が形成されている。また、アノード側セパレータ310におけるカソード側セパレータ320の燃料ガス側折り返し部分322に対向する位置から面方向外側には、アノード側セパレータ310からカソード側セパレータ320に向かう方向に凸な形状の凸部312が形成されている。凸部312の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、燃料ガス側折り返し部分322および凸部329の面方向に略平行な部分との間にシールのためのわずかな空間が確保されるような位置である。また、アノード側セパレータ310におけるカソード側セパレータ320の酸化剤ガス側折り返し部分325に対向する位置から面方向外側には、アノード側セパレータ310からカソード側セパレータ320に向かう方向に凸な形状の凸部315が形成されている。凸部315の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、酸化剤ガス側折り返し部分325および凸部329の面方向に略平行な部分との間にシールのためのわずかな空間が確保されるような位置である。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
なお、アノード側セパレータ310には、カソード側セパレータ320のように、折り返し部分322および325は形成されていない。第1実施例におけるカソード側セパレータ320は、本発明における第1のセパレータに相当し、第1実施例におけるアノード側セパレータ310は、本発明における第2のセパレータに相当する。
Note that the folded
図4(a)および(b)に示すように、カソード側セパレータ320の燃料ガス側折り返し部分322の平行部分とアノード側セパレータ310の凸部312との間(図中のR2部分)は、シール材420によりシールされている。また、カソード側セパレータ320の凸部327と電解質膜212との間(図中のR1部分)は、シール材410によりシールされている。また、図5(a)および(b)に示すように、カソード側セパレータ320の酸化剤ガス側折り返し部分325の平行部分とアノード側セパレータ310の凸部315との間、および、酸化剤ガス側折り返し部分325の平行部分と電解質膜212との間(図中のR3部分)は、シール材440によりシールされている。さらに、カソード側セパレータ320の凸部329とアノード側セパレータ310の凸部312および315との間は、シール材450によりシールされている。各シール材は、シール箇所におけるガスシール機能と短絡防止機能とを発揮する。シール材としては、例えば、接着剤や熱可塑性樹脂が用いられる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a gap between the parallel portion of the fuel gas side folded
図3ないし図5には、単セル140における燃料ガス供給マニホールド162および酸化剤ガス供給マニホールド152付近の構成を示したが、燃料ガス排出マニホールド164および酸化剤ガス排出マニホールド154付近の構成も同様である。すなわち、単セル140における燃料ガス排出マニホールド164付近には、燃料ガス排出マニホールド164を構成する開口が形成されており、当該開口の隣には金属板の一部が発電モジュール200の方向に折り返された折り返し部分322が形成されている。折り返し部分322には、折り返し部分322とカソード側セパレータ320との間に形成された内部流路空間と燃料ガス排出マニホールド164とを連通する連通孔が形成されている。また、単セル140における酸化剤ガス排出マニホールド154付近には、酸化剤ガス排出マニホールド154を構成する開口が形成されており、当該開口の隣には金属板の一部が発電モジュール200の方向に折り返された折り返し部分325が形成されている。折り返し部分325には、折り返し部分325とカソード側セパレータ320との間に形成された内部流路空間と酸化剤ガス排出マニホールド154とを連通する連通孔が形成されている。
3 to 5 show the configuration in the vicinity of the fuel
図4および図5に示すように、単セル140には、複数の単セル140を積層した際に、図2および図3に示す発電モジュール200および各マニホールド用の開口を面方向に囲むシールラインSLを形成するために、ガスケット500が配置されている。ガスケット500は、射出成形により形成される。ガスケット500は、凸部502を有している。ある単セル140に配置されたガスケット500の凸部502は、複数の単セル140を積層した際に、隣接する他の単セル140のアノード側セパレータ310の凸部312および315の表面に密着してシールラインSLを形成する。単セル140の平面におけるガスケット500および凸部502の配置は、図2および図3に示すシールラインSLが形成されるような配置となっており、図4および図5に示す断面においては、凸部324および凸部329と重なる配置となっている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図4(a)および(b)において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド162に供給された燃料ガスとしての水素は、連通孔326を介して内部流路空間350に導かれる。内部流路空間350は、発電モジュール200のアノード側における面方向に沿った端部に連通している。そのため、内部流路空間350に導かれた燃料ガスは、発電モジュール200の端部に達し、最も内部流路抵抗の小さいアノード側多孔体流路層220内に進入する。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体流路層220内を拡散しつつアノード側拡散層216およびアノード214に供給される。発電モジュール200において利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド164側に形成された図示しない内部流路空間を介して燃料ガス排出マニホールド164に排出される。
As shown by arrows in FIGS. 4A and 4B, hydrogen as fuel gas supplied to the fuel
また、図5(a)および(b)において矢印で示すように、酸化剤ガス供給マニホールド152に供給された酸化剤ガスとしての空気は、連通孔326を介して内部流路空間360に導かれる。内部流路空間360は、発電モジュール200のカソード側における面方向に沿った端部に連通している。そのため、内部流路空間360に導かれた酸化剤ガスは、発電モジュール200の端部に達し、最も内部流路抵抗の小さいカソード側多孔体流路層230内に進入する。その後、酸化剤ガスは、カソード側多孔体流路層230内を拡散しつつカソード側拡散層217およびカソード215に供給される。発電モジュール200において利用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド154側に形成された図示しない内部流路空間を介して酸化剤ガス排出マニホールド154に排出される。
5A and 5B, the air as the oxidant gas supplied to the oxidant
図7は、第1実施例における単セル140の製造工程を示すフローチャートである。単セル140の製造工程のステップS110では、カソード側セパレータ320の成形が実行される。図8は、カソード側セパレータ320の成形工程を示すフローチャートである。また、図9は、カソード側セパレータ320の成形工程における各段階でのカソード側セパレータ320の状態を示す説明図である。図9には、カソード側セパレータ320の燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口321付近の部分の状態を示しているが、酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口323付近の部分の状態も同様である。
FIG. 7 is a flowchart showing manufacturing steps of the
カソード側セパレータ320の成形工程のステップS210では、カソード側セパレータ320の材料としての金属板にプレス成形加工が施され、凸部324が形成される。図9(a)には、カソード側セパレータ320の材料としての金属板がプレス機Pでプレスされ、凸部324が形成された様子を示している。なお、金属板における凸部324が形成されない部分は、内部流路空間350(または内部流路空間360)となる。また、図9(b)には、金属板における開口321が形成される位置より面方向内側(発電モジュール200側)の位置に、凸部324が形成された様子を示している。なお、このプレス成型加工では、凸部324の他に、凸部327や凸部329も形成される。
In step S <b> 210 of the forming process of the cathode-
カソード側セパレータ320の成形工程のステップS220では、カソード側セパレータ320の材料としての金属板に孔空け加工が施され、連通孔326が形成される。図9(c)には、金属板に連通孔326が形成された様子を示している。連通孔326は、開口321(または開口323)の折り曲げ線付近にX方向に沿って並ぶように、かつ、Y方向に沿った位置が凸部324と重ならないように、形成される。
In step S <b> 220 of the forming process of the cathode-
カソード側セパレータ320の成形工程のステップS230では、カソード側セパレータ320の材料としての金属板に折り曲げ加工が施され、燃料ガス側折り返し部分322および酸化剤ガス側折り返し部分325が形成される。図9(d)には、金属板に開口321が形成されると共に、開口321が形成される位置の部分の一部が折り曲げ加工される様子を示している。これにより、カソード側セパレータ320には、燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口321および酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口323が形成されると共に、燃料ガス側折り返し部分322および酸化剤ガス側折り返し部分325が形成される。
In step S230 of the forming process of the
単セル140の製造工程(図7)のステップS120では、アノード側セパレータ310の成形が実行される。アノード側セパレータ310の成形では、材料としての金属板にプレス成型加工が施され、開口311および313や、凸部312および315が形成される。ステップS130では、カソード側セパレータ320にシール材が配置される。シール材は、上述したシール材410、420、440、450の位置に配置される。ステップS140では、カソード側セパレータ320に発電モジュール200を構成する各層が積層され、さらに、アノード側セパレータ310が積層される。ステップS150では、積層状態で熱圧着による接合が行われ、単セル140の製造が完了する。
In step S120 of the manufacturing process (FIG. 7) of the
ここで、図5(a)および図5(b)に示すように、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス供給マニホールド152に対向する位置において、カソード側拡散層217の端部がカソード側多孔体流路層230よりX方向外側に突出しており、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部(図中においてOLと示す部分)が、カソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面(積層方向外側の表面)に接触している。すなわち、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側拡散層217とが積層方向に沿ってオーバーラップしている。なお、図示しないが、酸化剤ガス排出マニホールド154に対向する位置においても、同様に、カソード側拡散層217の端部がカソード側多孔体流路層230よりX方向外側に突出しており、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部が、カソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面に接触している。
Here, as shown in FIGS. 5A and 5B, in the
このように、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部がカソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面に接触しているため、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側拡散層217とのオーバーラップ部分により空気がアノード側に漏洩することが抑制され、ガスシール性を確保することができる。特に、折り曲げ加工により形成される酸化剤ガス側折り返し部分325には、スプリングバックによって、その端部が積層方向に沿ってアノード側セパレータ310側に近づく方向の力が作用するため、酸化剤ガス側折り返し部分325の端部は、カソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面に押し付けられる。そのため、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側拡散層217とのオーバーラップ部分によって、良好なガスシール性を確保することができる。また、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側拡散層217とのオーバーラップ部分によって、酸化剤ガス側折り返し部分325とアノード側セパレータ310との間のシール材440が内部流路空間360の内部に進入することが抑制されるため、シール材440の進入による内部流路空間360の閉塞や圧力損失の増大を抑制することができる。また、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325にスプリングバックによる力が作用しても、カソード側拡散層217の存在により、酸化剤ガス側折り返し部分325がアノード側セパレータ310に近づくことが制限されるため、カソード側セパレータ320とアノード側セパレータ310との接触による短絡を確実に抑制することができる。
Thus, in the
以上説明したように、第1実施例の燃料電池100では、カソード側セパレータ320に、燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口321および酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口323が形成されており、アノード側セパレータ310に、燃料ガス供給マニホールド162を構成する開口311および酸化剤ガス供給マニホールド152を構成する開口313が形成されている。また、折り返し部分322および折り返し部分325とカソード側セパレータ320との間には、発電モジュール200の端部に連通する内部流路空間350および360が形成されている。各折り返し部分とアノード側セパレータ310との間はシール材によりシールされている。そのため、第1実施例の燃料電池100では、反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができると共に、カソード側セパレータ320およびアノード側セパレータ310の両方に反応ガス用の内部流路空間を形成する場合と比較して、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制することができる。特に、第1実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部がカソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面に接触しているため、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側拡散層217とのオーバーラップ部分により、空気がアノード側に漏洩することが抑制されてガスシール性が向上すると共に、内部流路空間360へのシール材440の進入が抑制され、内部流路空間360の閉塞や圧力損失の増大を抑制することができる。従って、第1実施例の燃料電池100では、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。
As described above, in the
また、第1実施例の燃料電池100では、内部流路空間350を確保する内部流路形成部材としての燃料ガス側折り返し部分322が、カソード側セパレータ320の材料としての金属板における開口321が形成される位置の部分の少なくとも一部が開口321の発電モジュール200側の辺を折り曲げ線として発電モジュール200側に折り返されて形成される。また、内部流路空間360を確保する内部流路形成部材としての酸化剤ガス側折り返し部分325が、金属板における開口323が形成される位置の部分の少なくとも一部が開口323の発電モジュール200側の辺を折り曲げ線として発電モジュール200側に折り返されて形成される。そして、各折り返し部分には、各マニホールドと、内部流路空間350および内部流路空間360とを連通する連通孔326が形成されている。そのため、第1実施例の燃料電池100では、各折り返し部分がアノード側セパレータ310側に移動することを抑制することによって短絡を確実に抑制しつつ、別部品で内部流路空間350,360を確保する場合と比較して、部品点数の低減、加工工程の簡易化、コストの低減を図ることができる。
Further, in the
B.第2実施例:
図10は、第2実施例における燃料電池を構成する単セル140aの断面構成を示す説明図である。図10(a)には図3(b)のC1−C1の位置に相当する断面を示しており、図10(b)には図3(b)のD1−D1の位置に相当する断面を示している。
B. Second embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the
第2実施例における単セル140aの構成は、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部付近の構成の点が、第1実施例における単セル140の構成と異なっており、その他の点では第1実施例における単セル140の構成と同じである。図10(a)および図10(b)に示すように、第2実施例の単セル140aにおいては、酸化剤ガス供給マニホールド152に対向する位置において、230の端部がカソード側拡散層217よりX方向外側に突出しており、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部(図中においてOLと示す部分)が、カソード側多孔体流路層230のアノード側セパレータ310側の表面(積層方向内側の表面)に接触している。すなわち、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側多孔体流路層230とが積層方向に沿ってオーバーラップしている。なお、図示しないが、酸化剤ガス排出マニホールド154に対向する位置においても、同様に、カソード側多孔体流路層230の端部がカソード側拡散層217よりX方向外側に突出しており、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部がカソード側多孔体流路層230のアノード側セパレータ310側の表面に接触している。
The configuration of the
カソード側多孔体流路層230における、カソード側拡散層217の面方向に沿った外側端部に対応する位置から、酸化剤ガス側折り返し部分325と積層方向に沿ってオーバーラップした部分OLの面方向に沿った内側端部に対応する位置までの部分には、目止め処理が施されている。目止め処理は、例えば、カソード側多孔体流路層230に樹脂を含浸させることによって、カソード側多孔体流路層230内の空隙を埋める処理である。なお、目止め処理として、カソード側多孔体流路層230をつぶして内部の空隙をなくす処理が行われるとしてもよい。
The surface of the portion OL that overlaps the oxidant gas side folded
このように、第2実施例の燃料電池100では、酸化剤ガス側折り返し部分325の面方向に沿った内側端部がカソード側多孔体流路層230のアノード側セパレータ310側の表面に接触しているため、酸化剤ガス側折り返し部分325とカソード側多孔体流路層230とのオーバーラップ部分により、ガスシール性を確保するために不足のないようにシール材440を充填しても、シール材440が内部流路空間360の内部に進入することが抑制される。そのため、第2実施例の燃料電池100では、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。特に、第2実施例の燃料電池100では、カソード側多孔体流路層230における、カソード側拡散層217の面方向に沿った外側端部に対応する位置から、酸化剤ガス側折り返し部分325と積層方向に沿ってオーバーラップした部分OLの面方向に沿った内側端部に対応する位置までの部分に目止め処理が施されているため、シール材がカソード側多孔体流路層230内部の空隙を通って内部流路空間360に進入することが良好に抑制され、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を確実に達成することができる。
Thus, in the
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記各実施例における燃料電池システム10の構成はあくまで一例であり、燃料電池システム10の構成は種々変更可能である。例えば、上記各実施例では、燃料ガス側折り返し部分322および酸化剤ガス側折り返し部分325により内部流路空間350,360が形成(確保)されるとしているが、燃料ガス側折り返し部分322および酸化剤ガス側折り返し部分325を形成する代わりに、アノード側セパレータ310およびカソード側セパレータ320とは別部品として、金属や樹脂により内部流路形成部材を形成することによって内部流路空間350,360を確保するとしてもよい。この場合にも、内部流路形成部材の面方向に沿った内側端部が、カソード側拡散層217のカソード側セパレータ320側の表面と、カソード側多孔体流路層230のアノード側セパレータ310側の表面と、の一方に接触した構成を採用することにより、加工工程の煩雑化や燃料電池の大きさの増大を抑制しつつ、反応ガス導出入部における反応ガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。
The configuration of the
また、上記各実施例では、発電モジュール200がアノード側多孔体流路層220およびカソード側多孔体流路層230を含んでいるとしているが、発電モジュール200がアノード側多孔体流路層220およびカソード側多孔体流路層230の一方または両方を含まないものとしてもよい。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施例の単セル140において、カソード側とアノード側とを逆にしてもよい。すなわち、上記各実施例の単セル140の構成では、カソード側セパレータ320に折り返し部分322および325が形成されており、アノード側セパレータ310には折り返し部分は形成されていないが、反対に、アノード側セパレータ310に折り返し部分が形成され、カソード側セパレータ320には折り返し部分は形成されていない構成を採用することも可能である。
Further, in the
また、上記各実施例では、電解質膜212およびアノード側拡散層216、アノード側多孔体流路層220のX方向に沿った長さが、発電モジュール200を構成する他の層の長さより長いとしているが、電解質膜212の長さのみが他の層より長く、アノード側拡散層216、アノード側多孔体流路層220の長さは他の層と同じであるとしてもよい。
In each of the above embodiments, the length of the
また、上記各実施例では、折り返し部分322および325の垂直部分に複数の連通孔326が設けられているが、複数の連通孔326の代わりに連続したスリット状の開口が設けられているとしてもよい。また、上記各実施例では、燃料電池100を構成する各部の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、カソード側多孔体流路層230およびアノード側多孔体流路層220は、金属多孔体を用いて形成されるとしているが、カーボン多孔体といった他の材料を用いて形成されるとしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, a plurality of
また、上記各実施例では、各マニホールド(酸化剤ガス供給マニホールド152、燃料ガス供給マニホールド162、酸化剤ガス排出マニホールド154、燃料ガス排出マニホールド164)を構成する開口のすべてに隣接して折り返し部分が形成されているとしているが、一部の開口のみに隣接して折り返し部分が形成されているとしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the folded portion is adjacent to all the openings constituting each manifold (oxidant
また、上記各実施例の単セル140における各マニホールドの配置はあくまで一例であり、各マニホールドの異なる配置を採用することも可能である。
Further, the arrangement of the manifolds in the
10…燃料電池システム
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…排出配管
60…エアポンプ
61…配管
63…排出配管
70…ラジエータ
71…ウォーターポンプ
72…配管
73…配管
100…燃料電池
110…エンドプレート
120…絶縁板
130…集電板
140…単セル
152…酸化剤ガス供給マニホールド
154…酸化剤ガス排出マニホールド
162…燃料ガス供給マニホールド
164…燃料ガス排出マニホールド
172…冷却媒体供給マニホールド
174…冷却媒体排出マニホールド
200…発電モジュール
210…膜電極接合体
212…電解質膜
214…アノード
215…カソード
216…アノード側拡散層
217…カソード側拡散層
220…アノード側多孔体流路層
230…カソード側多孔体流路層
310…アノード側セパレータ
311…開口
312…凸部
313…開口
315…凸部
317…端部折り曲げ部分
319…ディンプル
320…カソード側セパレータ
321…開口
322…燃料ガス側折り返し部分
323…開口
324…凸部
325…酸化剤ガス側折り返し部分
326…連通孔
327…凸部
329…凸部
350…内部流路空間
360…内部流路空間
410…シール材
420…シール材
430…充填材
440…シール材
450…シール材
500…ガスケット
502…凸部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体層を挟むように積層された一対の拡散層と、を有する発電モジュールと、
金属板を加工することにより形成され、前記発電モジュールを挟むように配置された第1および第2のセパレータであって、前記発電モジュールの面方向に沿って前記発電モジュールに対向する位置より外側の位置に前記面方向に略垂直な複数の反応ガス流路を構成する開口を有する第1および第2のセパレータと、
前記第1のセパレータとの間に、前記第1のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第1のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第1の内部流路空間を形成する第1の内部流路形成部材と、
前記第1のセパレータとの間に、前記第2のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第2のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第2の内部流路空間を形成する第2の内部流路形成部材と、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材と前記第2のセパレータとの間をシールするシール部材と、を備え、
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記拡散層の前記第1のセパレータ側の表面に接触している、燃料電池。 A fuel cell,
A power generation module having a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a pair of diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly layer;
The first and second separators are formed by processing a metal plate and are arranged so as to sandwich the power generation module, and are located outside a position facing the power generation module along the surface direction of the power generation module. First and second separators having openings constituting a plurality of reaction gas flow paths substantially perpendicular to the surface direction at positions;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the surface direction on the first separator side of the power generation module. A first internal flow path forming member that forms a first internal flow path space that communicates with the end portion;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the surface direction on the second separator side of the power generation module. A second internal flow path forming member that forms a second internal flow path space that communicates with the end,
A seal member that seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator;
An inner end portion of the first internal flow path forming member along the surface direction is in contact with the surface of the diffusion layer on the first separator side on the first separator side.
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材は、前記第1のセパレータの前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記発電モジュール側の辺を折り曲げ線として前記発電モジュール側に折り返されて形成された折り返し部分により形成され、
前記折り返し部分は、前記反応ガス流路と、前記第1の内部流路空間および前記第2の内部流路空間と、を連通する連通孔を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
In the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member, at least a part of the metal plate at a position where the opening of the first separator is formed is on the power generation module side of the opening. Is formed by a folded portion formed by folding back to the power generation module side as a folding line,
The folded portion has a communication hole that communicates the reaction gas flow path with the first internal flow path space and the second internal flow path space.
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体層を挟むように積層された一対の拡散層と、前記一対の拡散層のそれぞれの外側に積層された一対の多孔体流路層と、を有する発電モジュールと、
金属板を加工することにより形成され、前記発電モジュールを挟むように配置された第1および第2のセパレータであって、前記発電モジュールの面方向に沿って前記発電モジュールに対向する位置より外側の位置に前記面方向に略垂直な複数の反応ガス流路を構成する開口を有する第1および第2のセパレータと、
前記第1のセパレータとの間に、前記第1のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第1のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第1の内部流路空間を形成する第1の内部流路形成部材と、
前記第1のセパレータとの間に、前記第2のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記発電モジュールの前記第2のセパレータ側における前記面方向に沿った端部とを連通する第2の内部流路空間を形成する第2の内部流路形成部材と、
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材と前記第2のセパレータとの間をシールするシール部材と、を備え、
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記拡散層の前記第1のセパレータ側の表面と、前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層の前記第2のセパレータ側の表面と、の一方に接触している、燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both sides of the electrolyte membrane; a pair of diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly layer; and each of the pair of diffusion layers A power generation module having a pair of porous flow path layers stacked on the outside;
The first and second separators are formed by processing a metal plate and are arranged so as to sandwich the power generation module, and are located outside a position facing the power generation module along the surface direction of the power generation module. First and second separators having openings constituting a plurality of reaction gas flow paths substantially perpendicular to the surface direction at positions;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the first separator side between the first separator and the surface direction on the first separator side of the power generation module. A first internal flow path forming member that forms a first internal flow path space that communicates with the end portion;
The reaction gas flow path for the reaction gas used in the electrode layer on the second separator side between the first separator and the surface direction on the second separator side of the power generation module. A second internal flow path forming member that forms a second internal flow path space that communicates with the end,
A seal member that seals between the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member and the second separator;
The inner end along the surface direction of the first internal flow path forming member includes the surface on the first separator side of the diffusion layer on the first separator side and the surface on the first separator side. A fuel cell in contact with one of the surface of the porous body flow path layer on the second separator side.
前記第1の内部流路形成部材および前記第2の内部流路形成部材は、前記第1のセパレータの前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記発電モジュール側の辺を折り曲げ線として前記発電モジュール側に折り返されて形成された折り返し部分により形成され、
前記折り返し部分は、前記反応ガス流路と、前記第1の内部流路空間および前記第2の内部流路空間と、を連通する連通孔を有する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
In the first internal flow path forming member and the second internal flow path forming member, at least a part of the metal plate at a position where the opening of the first separator is formed is on the power generation module side of the opening. Is formed by a folded portion formed by folding back to the power generation module side as a folding line,
The folded portion has a communication hole that communicates the reaction gas flow path with the first internal flow path space and the second internal flow path space.
前記第1の内部流路形成部材の前記面方向に沿った内側端部は、前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層の前記第2のセパレータ側の表面に接触しており、
前記第1のセパレータ側の前記多孔体流路層における、前記拡散層の前記面方向に沿った外側端部に対応する位置から、前記第1の内部流路形成部材と積層方向に沿って重なった部分の前記面方向に沿った内側端部に対応する位置までの部分には、目止め処理が施されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
The inner end along the surface direction of the first internal flow path forming member is in contact with the surface on the second separator side of the porous flow path layer on the first separator side,
The porous body flow path layer on the first separator side overlaps the first internal flow path forming member along the stacking direction from a position corresponding to the outer end portion along the surface direction of the diffusion layer. A fuel cell in which a portion up to a position corresponding to an inner end portion along the surface direction of the portion is subjected to sealing treatment.
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US9748587B2 (en) | 2013-03-22 | 2017-08-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
JP2018181500A (en) * | 2017-04-07 | 2018-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | Manufacturing method for fuel battery single cell |
-
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- 2010-07-29 JP JP2010170398A patent/JP2012033325A/en active Pending
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