JP2017091632A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却媒体を安定供給可能なセパレータ及び安定発電が可能な燃料電池。
【解決手段】カソードセパレータ1とアノードセパレータ37が接触する主面12aにおいて、冷却媒体供給マニホールド6、冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10との間の土手部分が、第1冷却媒体ガスケット10よりも第2冷却媒体ガスケット11の反力が大きく設定されているため、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37の主面12dが押し付けられ密着状態となり、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間において、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド6から冷却媒体流路溝9を通って冷却媒体排出マニホールド7に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。
【選択図】図5
【解決手段】カソードセパレータ1とアノードセパレータ37が接触する主面12aにおいて、冷却媒体供給マニホールド6、冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10との間の土手部分が、第1冷却媒体ガスケット10よりも第2冷却媒体ガスケット11の反力が大きく設定されているため、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37の主面12dが押し付けられ密着状態となり、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間において、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド6から冷却媒体流路溝9を通って冷却媒体排出マニホールド7に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。
【選択図】図5
Description
本発明は、冷却媒体を通流するための冷却媒体マニホールド及び冷却媒体流路が形成されたセパレータで構成された燃料電池に関するものである。
固体高分子型燃料電池では、電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体を有する。
上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。
また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電解質膜−電極接合体の間に配置される。電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。
一般的に、セルを複数積層して燃料電池スタックとすることで、必要な電力を確保することが可能となる。
セパレータには、電解質膜−電極接合体に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体などの流体を供給するための流路溝と、流体を供給または排出するためのマニホールドが形成される。
従来のセパレータの構成として、セパレータと当接する電解質膜−電極接合体の発電領域である電極部とほぼ同じ範囲である内周部分に反応ガス流路溝、または冷却媒体流路溝を形成し、その外周部分にガスマニホールド及び冷却媒体マニホールドを形成する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図14は、特許文献1に記載された従来のカソードセパレータの冷却面の基本構成図を示すものである。また図15は、従来のカソードセパレータを用いたセルを2つ組み合わせた状態を図14のI−Iで断面した部分断面図である。
図14に示すように、従来のカソードセパレータ201は、反応ガス供給マニホールド202と、反応ガス排出マニホールド203と、冷却媒体供給マニホールド204と、冷却媒体排出マニホールド205と、電極部206と、冷却媒体流路溝207と、ガスケット208と、外周部分209(2点鎖線外側)と、内周部分210(2点鎖線内側)と、から構成される。
外周部分209には、反応ガス供給マニホールド202と、反応ガス排出マニホールド203と、冷却媒体供給マニホールド204と、冷却媒体排出マニホールド205が形成され、内周部分210には、電極部206を冷却するために、冷却媒体流路溝207が形成されている。また、ガスケット208が、これらの構成を囲うように配置されている。
また、図15に示すように、従来のカソードセパレータ201を用いたセル250は、枠体213に支持された電解質膜−電極接合体212と、電解質膜−電極接合体212と接触する面に反応ガス流路溝211が形成されたカソードセパレータ201とアノードセ
パレータ215とで、積層されて構成されている。
パレータ215とで、積層されて構成されている。
また、カソードセパレータ201の電解質膜−電極接合体212と接触する面の反対側には、冷却面があり、冷却面の電極部206には、冷却媒体流路溝207が形成されている。また、アノードセパレータ215と枠体213には、冷却媒体供給マニホールド204及び冷却媒体排出マニホールド205が設けられている。
また、冷却媒体供給マニホールド204と冷却媒体排出マニホールド205を囲うように、ガスケット208が、アノードセパレータ215と枠体213の間と、枠体213とカソードセパレータ201の間に配置されている。
特許文献1の構成では、燃料電池スタックはセル250を複数積層して締結した状態で構成されるため、電極部206の接触抵抗を低減することと、ガスケット208のシール性を確保するために、電極部206とガスケット208に適切な荷重をかけることが重要となる。
図16は、従来のカソードセパレータを用いたセルを、積層して締結した状態を図14のI−Iで断面した部分断面図である。図17は、従来のカソードセパレータを用いたセルを積層して締結した状態の図16のJ部拡大図である。
図16に示すように、従来のカソードセパレータを用いたセル250を積層して構成された燃料電池スタックは性能確保のため、電極部206に大きな荷重をかけるため、電極部等必要なところ以外はあえて当てない設計としている。そのため部品同士には隙間があり、内周部分210より外周部分209が反りやすくなる。
図17に示すように、内周部分210より外周部分209が反りやすくなるため、冷却媒体供給マニホールド204及びガスケット208の間において、カソードセパレータ201及びアノードセパレータ215との間に隙間214が発生するという問題があった。
また、外周部分209の反り形状を矯正するために、外周部分209にかける荷重を大きくした場合には、カソードセパレータ201及びセパレータ215が破損する可能性がある。
したがって、冷却媒体供給マニホールド204から冷却媒体流路溝207に、所定量の冷却媒体を供給できなくなり、電極部206が十分に冷却されず発電性能が低下するという問題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、前記電極の両外側に配置される一対のセパレータと、で構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であっ
て、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、前記積層方向に貫通し前記冷却媒体流路と連通する冷却マニホールドと、前記冷却媒体流路及び前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記冷却面上に配置された環状の第1冷却媒体ガスケットと、を有し、前記一方のセパレータのうちの前記第1冷却媒体ガスケットと前記冷却媒体マニホールドとの間の部分が、前記他のセパレータに接触するよう構成されているのである。
て、前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、前記積層方向に貫通し前記冷却媒体流路と連通する冷却マニホールドと、前記冷却媒体流路及び前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記冷却面上に配置された環状の第1冷却媒体ガスケットと、を有し、前記一方のセパレータのうちの前記第1冷却媒体ガスケットと前記冷却媒体マニホールドとの間の部分が、前記他のセパレータに接触するよう構成されているのである。
こうすることにより、一方のセパレータと隣接する他のセパレータの間で、平面部が密着状態となるため、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドと冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の冷却媒体ガスケットとの間において、一方のセパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生することを防止することができる。
さらに、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝に、冷却媒体を安定して供給できるようになるため、発電時に電極部が高温となることを防止することができる。
本発明の燃料電池は、簡単な構成で、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールドと冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の冷却媒体ガスケットの間の平面部において、セパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池セルを提供することができる。
さらに、この燃料電池セルを用いることで、発電時に電極部が高温となることを防止し、安定した発電性能を確保することができる。
第1の発明は、電解質膜と、電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、電極の両外側に配置される一対のセパレータとで構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であって、一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され、冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、積層方向に貫通し冷却媒体流路と連通する冷却媒体マニホールドと、冷却媒体流路及び冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの冷却面上に配置された環状の第1冷却媒体ガスケットとを有し、一方のセパレータのうちの第1冷却媒体ガスケットと冷却媒体マニホールドとの間の部分が、他のセパレータに接触するよう構成された燃料電池である。
上記構成により、冷却媒体マニホールドと第1冷却媒体ガスケットの間の平面部において、セパレータと隣接する他のセパレータの間に隙間が発生しないため、冷却媒体の安定供給が可能な燃料電池セルを提供することができる。さらに、この燃料電池セルを用いることで、発電時に電極部が高温となることを防止し、安定した発電性能を確保することができる。
第2の発明は、特に第1の発明において、冷却媒体マニホールドを囲むようにセパレータの電極側の面上に配置された環状の第2冷却媒体ガスケットが、第1冷却媒体ガスケットのうちの冷却媒体マニホールドを囲む部分より反力が大きくなるよう構成されるものである。
上記構成により、冷却媒体マニホールドと第1冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体マニホールドを囲む土手部分が、セパレータと隣接する他のセパレータとの間に隙間が発生しないため、冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に冷却媒体を安定して供給することができる。
第3の発明は、特に第2の発明において、一方のセパレータが、積層方向に貫通し反応ガスを通流するためのガスマニホールドを有し、電極及びガスマニホールドを囲むようにセパレータの電極側の面上に配置された、環状の第2反応ガスガスケットを備え、第2反応ガスガスケットのうちの少なくとも電極を囲む部分が、第1冷却媒体ガスケットの反力より大きくなるよう構成されるものである。
上記構成により、冷却媒体マニホールドと第1冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体流路と第1冷却媒体ガスケットの間の平面部と隣接する他のセパレータの間に隙間が発生しないため、冷却媒体流路内に冷却媒体を安定して流すことができる。
第4の発明は、特に第1の発明において、一方のセパレータが、冷却媒体を供給排出する冷却媒体マニホールド間を結ぶ線を含む部分が、冷却面側の面に凸状に変形した状態で
締結するように構成されたものである。
締結するように構成されたものである。
上記構成により、冷却媒体マニホールドと第1冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体マニホールドを囲む土手部分が、セパレータと隣接する他のセパレータと積極的に接触し、隙間が発生しないため、冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に冷却媒体を安定して供給することができる。
第5の発明は、特に第1の発明において、一方のセパレータが、冷却側の面の電極部分が凹状に変形し、冷却媒体マニホールド部周辺が出た状態で締結するように構成されたものである。
上記構成により、冷却媒体マニホールドと第1冷却媒体ガスケットの間の平面部の特に冷却媒体マニホールドを囲む土手部分が、セパレータと隣接する他のセパレータと積極的に接触し、隙間が発生しないため、冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に冷却媒体を安定して供給することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池における2つのセルを組み合わせた状態の斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1の燃料電池における図1のセルをAから見たカソードセパレータの冷却面の基本構成図を示すものである。図3は、本発明の実施の形態1の燃料電池における図2のカソードセパレータを裏側から見たカソード電極面の基本構成図を示すものである。
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池における2つのセルを組み合わせた状態の斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1の燃料電池における図1のセルをAから見たカソードセパレータの冷却面の基本構成図を示すものである。図3は、本発明の実施の形態1の燃料電池における図2のカソードセパレータを裏側から見たカソード電極面の基本構成図を示すものである。
図4は、本発明の実施の形態1の燃料電池における図1のセルをBから見たアノードセパレータの冷却面の基本構成図である。図5は、本発明の実施の形態1の燃料電池におけるセルを組み合わせた状態を図2のC−Cで断面した部分断面図である。図6は、本発明の実施の形態1の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態を図2のC−Cで断面した部分断面図である。
図7は、本発明の実施の形態1の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図6のE部拡大図である。図8は、本発明の実施の形態1の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態で図2のD−Dで断面した部分断面図である。図9は、本発明の実施の形態1の燃料電池におけるセルを、積層して締結した状態の図8のF部拡大図である。
図1において、セル50は、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37を用いて枠体36を挟持している。
図2において、カソードセパレータ1には、カソードセパレータ1の外周部分16に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド2及び酸化剤ガス排出マニホールド3と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド4及び燃料ガス排出マニホールド5と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド6と、冷却媒体排出マニホールド7が形成されている。
また、カソードセパレータ1の内周部分17(2点鎖線内側部分)に、隣接部材と電気的に接続される電極部8と、冷却媒体供給マニホールド6及び冷却媒体排出マニホールド7と連通し、電極部8全体に広がるサーペンタイン形状の冷却媒体流路溝9が形成されている。
また、環状の第1冷却媒体ガスケット10が、冷却媒体供給マニホールド6と、冷却媒体排出マニホールド7と、電極部8と、冷却媒体流路溝9を囲うように配置され、冷却媒体供給マニホールド6、冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間には、当接する主面12aが設けられている。
さらに、環状のガスケット18が、酸化剤ガス供給マニホールド2と、酸化剤ガス排出マニホールド3と、燃料ガス供給マニホールド4と、燃料ガス排出マニホールド5を囲うように配置されている。
図3において、カソードセパレータ1には、カソードセパレータ1の外周部分16に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド2及び酸化剤ガス排出マニホールド3と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド4及び燃料ガス排出マニホールド5と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド6と、冷却媒体排出マニホールド7が形成されている。
また、カソードセパレータ1の内周部分17(2点鎖線内側部分)に、隣接部材と電気的に接続される電極部8と、酸化剤ガス供給マニホールド2及び酸化剤ガス排出マニホールド3と連通し、電極部8全体に広がるサーペンタイン形状の酸化剤ガス流路溝40が形成されている。
また、環状の第2反応ガスガスケット14が、酸化剤ガス供給マニホールド2と、酸化剤ガス排出マニホールド3と、電極部8と、酸化剤ガス流路溝40を囲うように配置されている。さらに環状の第2冷却媒体ガスケット11が、冷却媒体供給マニホールド6と、冷却媒体排出マニホールド7を囲うように配置されている。
図4において、アノードセパレータ37には、アノードセパレータ37の外周部分16に、酸化剤ガスを積層方向に通流させる酸化剤ガス供給マニホールド2及び酸化剤ガス排出マニホールド3と、燃料ガスを積層方向に通流させる燃料ガス供給マニホールド4及び燃料ガス排出マニホールド5と、冷却媒体を積層方向に通流させるための冷却媒体供給マニホールド6と、冷却媒体排出マニホールド7が形成されている。
また、ここでは図示しないが、アノードセパレータ37の内周部分17(2点鎖線内側部分)に、隣接部材と電気的に接続される電極部8を含む平面部があり、冷却媒体供給マニホールド6及び冷却媒体排出マニホールド7と連通し、電極部8全体に広がるカソードセパレータ側に形成されたサーペンタイン形状の冷却媒体流路溝のリブ部と当接することで冷却媒体流路が形成される。
図5において、セル50とカソードセパレータ1は、組み合わせられ締結圧力をかける直前の状態である。
セル50は、電解質膜31と、電解質膜31を挟んで片面にアノード32と、もう一方の面にカソード33を有する電解質膜−電極接合体35と、さらに、電解質膜−電極接合体35の外両脇にガス拡散層34が配置され、また、アノード32の方にはアノードセパレータ37が配置され、カソード33の方にはカソードセパレータ1が配置され、また、ガス拡散層34と電解質膜−電極接合体35を支持する枠体36とで、構成される。
アノードセパレータ37のガス拡散層34と接触する主面12cには、燃料ガス流路溝38が形成されており、カソードセパレータ1のガス拡散層34と接触する主面12bには、酸化剤ガス流路溝40が形成されている。また、カソードセパレータ1のアノードセ
パレータ37と接触する主面12aには、冷却媒体流路溝9が形成されており、図2と同じ構成である。
パレータ37と接触する主面12aには、冷却媒体流路溝9が形成されており、図2と同じ構成である。
また、冷却媒体供給マニホールド6及び冷却媒体排出マニホールド7が、カソードセパレータ1と、アノードセパレータ37と、枠体36に設けられている。
また、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を囲うように、第1冷却媒体ガスケット10より反力が大きい第2冷却媒体ガスケット11と、環状の第2反応ガスガスケット14が、電極部8の外側にありアノードセパレータ37と枠体36の間と、枠体36とカソードセパレータ1の間に配置されている。
また、第1冷却媒体ガスケット10は、締結時に過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止するため、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37と接触する主面12aから段差を設けられたガスケット配置面13aに配置されているため、空間15ができる。
同様に、カソードセパレータ1とガス拡散層34が接触する主面12bから段差を設けられたガスケット配置面13bと、アノードセパレータ37とガス拡散層34が接触する主面12cから段差を設けられたガスケット配置面13cにも配置されている。
また、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37が接触する主面12dは、冷却媒体供給マニホールド6冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間で締結後隙間なく密着するように構成されている。
カソードセパレータ1は、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。
第1冷却媒体ガスケット10、第2冷却媒体ガスケット11、第2反応ガスガスケット14は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。
また、電解質膜31は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜である。本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(登録商標))を用いる。
また、アノード32は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、カソード33は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。
また、ガス拡散層34は、導電性及び撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を分散させて構成された部材を用いる。
枠体36は、適度な機械的強度と耐熱性、優れた耐薬品性を有する樹脂部材である。本実施の形態では、変性ポリフェニレンエーテルで形成された部材を用いる。
図6において、複数積層されて締結されたセル50は、電極部8の接触抵抗を低減するために、電極部8に大きな荷重をかけるように、内周部分17と外周部分16で締結荷重
を変えて組み立てられている。
を変えて組み立てられている。
図7において、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37が接触する主面12dは、内周部分17より変形しやすい外周部分16においても、第1冷却媒体ガスケット10よりも反力が大きい枠体36とカソードセパレータ1の間と枠体36とアノードセパレータ37の間にある第2冷却媒体ガスケット11と第2反応ガスガスケット14により冷却媒体供給マニホールド6と第1冷却媒体ガスケット10の間が積極的に押し当てられ、冷却媒体流路溝9から空間15につながる隙間がなくなり密着されている。
図8において、複数積層されて締結されたセル50は、電極部8の接触抵抗を低減するために、電極部8に大きな荷重をかけるように、内周部分17と外周部分16で締結荷重を変えて組み立てられている。
図9において、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37が接触する主面12dは、内周部分17より変形しやすい外周部分16においても、第1冷却媒体ガスケット10よりも反力が大きい枠体36とカソードセパレータ1の間と枠体36とアノードセパレータ37の間にある第2反応ガスガスケット14により積極的に押し当てられ、冷却媒体流路溝9から空間15につながる隙間がなくなり密着されている。
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池のセル50について、以下その動作、作用を説明する。
まず、セル50を複数積層させた状態から荷重をかけていく過程で、内周部分17の締結荷重が大きいため先に締まり始める。
このとき第1冷却媒体ガスケット10や第2冷却媒体ガスケット11、第2反応ガスガスケット14の反力で反発しあうため外周部分16が変形するが、第1冷却媒体ガスケット10よりも第2冷却媒体ガスケット11、第2反応ガスガスケット14の反力が大きいためカソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37の主面12dが互いに当たる方向に変形する。
セル50が複数積層されて締結された状態では、ガスケット配置面13aに配置された第1冷却媒体ガスケット10は、カソードセパレータ1及びアノードセパレータ37と接触して圧縮されており、同様に、ガスケット配置面13bに配置された第2冷却媒体ガスケット11は、カソードセパレータ1及び枠体36と接触して圧縮されており、ガスケット配置面13cに配置された第2冷却媒体ガスケット11は、アノードセパレータ37及び枠体36と接触して圧縮されているため、シール性を確保し、さらに、第1冷却媒体ガスケット10及び第2冷却媒体ガスケット11からの過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止することができる。
また、カソードセパレータ1の外周部分16よりも内周部分17には大きな荷重がかかり、外周部分16が内周部分17よりも反り易い状態であるが、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37が接触する主面12aにおいて、冷却媒体供給マニホールド6、冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10との間の土手部分が、第1冷却媒体ガスケット10よりも第2冷却媒体ガスケット11の反力が大きく設定されているため、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37の主面12dが押し付けられ密着状態となり、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間において、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド6から冷却媒体流路溝9を通って冷却媒体排出マニホールド7に、冷却媒体を安定して供給することが可能
となる。
となる。
なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。カソードセパレータ1、アノードセパレータ37どちらかに一体とすることもできる。ガスケットの反力を大きくする方法としては、ガスケットの断面積を大きくしているが、ガスケットが同一断面形状の場合、ガスケット配置面と主面と段差を変えることで圧縮率を大きく設定することでも可能である。
また、カソードセパレータが端に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ37の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。
また、冷却媒体流路溝9の形状をサーペンタイン形状としたが、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、カソードセパレータ1には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。
また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。
また、電解質膜31には、水素イオン伝導性を有する、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜を用いたが、これ以外にも、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。
アノード32及びカソード33には、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いたが、これ以外にも、アノード32は、導電性を有し、且つ水素の酸化反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができ、カソード33は導電性を有し、且つ酸素の還元反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができる。
また、ガス拡散層34には、PTFEを分散させて構成された部材を用いたが、これ以外にも、導電性基材としては、カーボン微粉末、カーボンクロスなどを使用することができる。
また、撥水性高分子樹脂としては、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)などを使用することができる。
また、枠体36には、変性ポリフェニレンエーテルを用いたが、これ以外にも、ポリフェニレンサルファイドやエポキシ等を用いることができる。
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図11は、本発明の実施の形態2の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図10のG−Gで断面した部分断面図である。図1〜9と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図10は、本発明の実施の形態2の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図11は、本発明の実施の形態2の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図10のG−Gで断面した部分断面図である。図1〜9と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図10において、カソードセパレータ1は、図中の太い破線で囲まれている冷却媒体供
給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を結ぶ線を含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられている。
給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を結ぶ線を含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられている。
図11において、セル50とカソードセパレータ1は、組み合わせられ締結圧力をかける直前の状態である。
セル50は、電解質膜31と、電解質膜31を挟んで片面にアノード32と、もう一方の面にカソード33を有する電解質膜−電極接合体35と、さらに、電解質膜−電極接合体35の外両脇にガス拡散層34が配置され、また、アノード32の方にはアノードセパレータ37が配置され、カソード33の方にはカソードセパレータ1が配置され、また、ガス拡散層34と電解質膜−電極接合体35を支持する枠体36とで、構成される。
アノードセパレータ37のガス拡散層34と接触する主面12cには、燃料ガス流路溝38が形成されており、カソードセパレータ1のガス拡散層34と接触する主面12bには、酸化剤ガス流路溝40が形成されている。
また、カソードセパレータ1のアノードセパレータ37と接触する主面12aには、冷却媒体流路溝9が形成されている。また、冷却媒体供給マニホールド6及び冷却媒体排出マニホールド7が、カソードセパレータ1と、アノードセパレータ37と、枠体36に設けられている。
また、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を囲うように、第2冷却媒体ガスケット11と、環状の第2反応ガスガスケット14が、電極部8の外側にあり、アノードセパレータ37と枠体36の間と、枠体36とカソードセパレータ1の間に配置されている。
また、第1冷却媒体ガスケット10は、締結時に過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止するため、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37と接触する主面12aから段差を設けられたガスケット配置面13aに配置されているため、空間15ができる。
同様に、カソードセパレータ1とガス拡散層34が接触する主面12bから段差を設けられたガスケット配置面13bと、アノードセパレータ37とガス拡散層34が接触する主面12cから段差を設けられたガスケット配置面13cにも配置されている。
また、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37が接触する主面12dは、冷却媒体供給マニホールド6冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間が締結後隙間なく密着するように構成されている。
以上のように構成されたセル50について、以下その動作、作用を説明する。
セル50を複数重ねて締結する過程において、カソードセパレータ1が、図10の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を結ぶ線を含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられた状態であるため、図11のアノードセパレータ37の主面12dとカソードセパレータ1の主面12aは、凸になっている範囲が先に接触する。
電極部8には大きな荷重をかけるため、内周部分17と外周部分16で締結荷重を変えて組み立てられる。荷重の大きい内周部分17は接触する面積が広いため電極部8は平面に矯正され、荷重の小さい外周部分16の図10の太い破線で囲まれている冷却媒体供給
マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を結ぶ線を含む範囲は、図11のアノードセパレータ37の主面12dと積極的に接触する。
マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を結ぶ線を含む範囲は、図11のアノードセパレータ37の主面12dと積極的に接触する。
すなわち冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間において、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド6から冷却媒体流路溝9を通って冷却媒体排出マニホールド7に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。
なお、本実施の形態では、カソードセパレータ1を変形させているが、アノードセパレータ37を同様に変形させることもできる。
(実施の形態3)
図12は、本発明の実施の形態3の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図13は、本発明の実施の形態3の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図12のH−Hで断面した部分断面図である。図1〜9と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図12は、本発明の実施の形態3の燃料電池におけるカソードセパレータの斜視図を示すものである。また、図13は、本発明の実施の形態3の燃料電池におけるカソードセパレータとこれを用いたセルとを組み合わせた状態を図12のH−Hで断面した部分断面図である。図1〜9と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図12において、カソードセパレータ1は、図中の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7をそれぞれ含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられている。
図13において、セル50は、電解質膜31と、電解質膜31を挟んで片面にアノード32と、もう一方の面にカソード33を有する電解質膜−電極接合体35と、さらに、電解質膜−電極接合体35の外両脇にガス拡散層34が配置され、また、アノード32の方にはアノードセパレータ37が配置され、カソード33の方にはカソードセパレータ1が配置され、また、ガス拡散層34と電解質膜−電極接合体35を支持する枠体36とで、構成される。
アノードセパレータ37のガス拡散層34と接触する主面12cには、燃料ガス流路溝38が形成されており、カソードセパレータ1のガス拡散層34と接触する主面12bには、酸化剤ガス流路溝40が形成されている。また、カソードセパレータ1のアノードセパレータ37と接触する主面12aには、冷却媒体流路溝9が形成されている。
また、冷却媒体供給マニホールド6及び冷却媒体排出マニホールド7が、カソードセパレータ1と、アノードセパレータ37と、枠体36に設けられている。また、冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7を囲うように、第2冷却媒体ガスケット11と、環状の第2反応ガスガスケット14が、電極部8の外側にあり、アノードセパレータ37と枠体36の間と、枠体36とカソードセパレータ1の間に配置されている。
また、第1冷却媒体ガスケット10は、締結時に過大な反力が発生することによる構成部材の破壊を防止するため、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37と接触する主面12aから段差を設けられたガスケット配置面13aに配置されているため、空間15ができる。
同様に、カソードセパレータ1とガス拡散層34が接触する主面12bから段差を設けられたガスケット配置面13bと、アノードセパレータ37とガス拡散層34が接触する主面12cから段差を設けられたガスケット配置面13cにも配置されている。
また、カソードセパレータ1の主面12aとアノードセパレータ37が接触する主面12dは、冷却媒体供給マニホールド6冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケ
ット10の間が締結後隙間なく密着するように構成されている。
ット10の間が締結後隙間なく密着するように構成されている。
以上のように構成されたセル50について、以下その動作、作用を説明する。
セル50を複数重ねて締結する過程において、カソードセパレータ1が、図12の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7をそれぞれ含む範囲が冷却面側に凸になるように予め変形させられた状態であるため、図13のアノードセパレータ37の主面12dとカソードセパレータ1の主面12aは、凸になっている範囲が先に接触する。
電極部8には大きな荷重をかけるために、内周部分17と外周部分16で締結荷重を変えて組み立てられる。荷重の大きい内周部分17は接触する面積が広いため電極部8は平面に矯正され、荷重の小さい外周部分16の特に図12の太い破線で囲まれている冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7近傍は、図13のアノードセパレータ37の主面12dとカソードセパレータ1の主面12aが、接触したまま当接する。
すなわち冷却媒体供給マニホールド6と冷却媒体排出マニホールド7と第1冷却媒体ガスケット10の間において、カソードセパレータ1とアノードセパレータ37との間に隙間が発生することを防止し、冷却媒体供給マニホールド6から冷却媒体流路溝9を通って冷却媒体排出マニホールド7に、冷却媒体を安定して供給することが可能となる。
なお、本実施の形態では、カソードセパレータ1を変形させているが、アノードセパレータ37を同様に変形させることもできる。
以上のように、本発明にかかる燃料電池は、冷却媒体の安定供給が可能であり、また、安定した発電性能の確保が可能であるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。
1 カソードセパレータ
2 酸化剤ガス供給マニホールド
3 酸化剤ガス排出マニホールド
4 燃料ガス供給マニホールド
5 燃料ガス排出マニホールド
6 冷却媒体供給マニホールド
7 冷却媒体排出マニホールド
8 電極部
9 冷却媒体流路溝
10 第1冷却媒体ガスケット
11 第2冷却媒体ガスケット
12a、12b、12c、12d 主面
13a、13b、13c ガスケット配置面
14 第2反応ガスガスケット
15 空間
16 外周部分
17 内周部分
18 ガスケット
31 電解質膜
32 アノード
33 カソード
34 ガス拡散層
35 電解質膜−電極接合体
36 枠体
37 アノードセパレータ
38 燃料ガス流路溝
40 酸化剤ガス流路溝
50 セル
2 酸化剤ガス供給マニホールド
3 酸化剤ガス排出マニホールド
4 燃料ガス供給マニホールド
5 燃料ガス排出マニホールド
6 冷却媒体供給マニホールド
7 冷却媒体排出マニホールド
8 電極部
9 冷却媒体流路溝
10 第1冷却媒体ガスケット
11 第2冷却媒体ガスケット
12a、12b、12c、12d 主面
13a、13b、13c ガスケット配置面
14 第2反応ガスガスケット
15 空間
16 外周部分
17 内周部分
18 ガスケット
31 電解質膜
32 アノード
33 カソード
34 ガス拡散層
35 電解質膜−電極接合体
36 枠体
37 アノードセパレータ
38 燃料ガス流路溝
40 酸化剤ガス流路溝
50 セル
Claims (5)
- 電解質膜と、前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、前記電極の両外側に配置される一対のセパレータと、で構成されたセルが複数積層され積層方向に所定圧力をかけて締結される燃料電池であって、
前記一対のセパレータのうちの一方のセパレータは、対向する他のセパレータ側の面である冷却面に形成され冷却媒体を通流するための溝状の冷却媒体流路と、前記積層方向に貫通し前記冷却媒体流路と連通する冷却マニホールドと、前記冷却媒体流路及び前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記冷却面上に配置された環状の第1冷却媒体ガスケットと、を有し、
前記一方のセパレータのうちの前記第1冷却媒体ガスケットと前記冷却媒体マニホールドとの間の部分が、前記他のセパレータに接触するよう構成された、燃料電池。 - 前記冷却媒体マニホールドを囲むように前記セパレータの前記電極側の面上に配置された環状の第2冷却媒体ガスケットは、前記第1冷却媒体ガスケットのうちの前記冷却媒体マニホールドを囲む部分より反力が大きくなるよう構成された、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記一方のセパレータは、前記積層方向に貫通し反応ガスを通流するためのガスマニホールドを有し、前記電極及び前記ガスマニホールドを囲むように前記セパレータの前記電極側の面上に配置された、環状の第2反応ガスガスケットを備え、
前記第2反応ガスガスケットのうちの少なくとも前記電極を囲む部分が、前記第1冷却媒体ガスケットの反力より大きくなるよう構成された、請求項2に記載の燃料電池。 - 前記一方のセパレータは、前記冷却媒体を供給排出する前記冷却媒体マニホールド間を結ぶ線を含む部分が、前記冷却面側の面に凸状に変形した状態で締結するように構成された、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記一方のセパレータは、前記冷却側の面の前記電極部分が凹状に変形し、前記冷却媒体マニホールド部周辺が出た状態で締結するように構成された、請求項1に記載の燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015216311A JP2017091632A (ja) | 2015-11-04 | 2015-11-04 | 燃料電池 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015216311A JP2017091632A (ja) | 2015-11-04 | 2015-11-04 | 燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2017091632A true JP2017091632A (ja) | 2017-05-25 |
Family
ID=58768540
Family Applications (1)
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JP2015216311A Pending JP2017091632A (ja) | 2015-11-04 | 2015-11-04 | 燃料電池 |
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JP (1) | JP2017091632A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10879541B2 (en) | 2018-03-13 | 2020-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack |
-
2015
- 2015-11-04 JP JP2015216311A patent/JP2017091632A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10879541B2 (en) | 2018-03-13 | 2020-12-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack |
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