JP4304955B2

JP4304955B2 - Solid polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP4304955B2
Application number: JP2002308143A
Authority: JP
Inventors: 寿弘竹川; 敦青木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP2004146145A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子電解質形燃料電池に関する。特に、固体高分子電解質形燃料電池内の冷媒流路の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、この一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子電解質形燃料電池における電極反応は以下のようになる。
【０００４】
【化式】
燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ・・・（１）
酸化剤極：４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
燃料極には燃料ガスが供給され、式（１）の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で電解質、ここでは固体高分子電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと供給された酸化剤ガス中の酸素により式（２）の反応が進行する。式（１）、（２）の反応が各極で進行することで、燃料電池では起電力を生じることになる。
【０００５】
このように固体高分子電解質形燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率のよい発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種の用途が見込まれている。
【０００６】
固体高分子電解質形燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極をホットプレス等の手段により接合してなる膜電極接合体と、カーボンや金属製のガスセパレータを積層した構造を有する。ガスセパレータとしては、炭素材は非常によく用いられるが、切削加工により構成されるためコストが高く、また、スタックの容量が大きくなるという問題があった。
【０００７】
そこで従来の固体高分子電解質燃料電池においては、セパレータ板と燃料電池セルとの間に反応ガス流路を形成するとともに、セパレータ板と中間板との間に冷却水流路を設けている。ここで、中間板は、反応ガス流路と冷却水流路を備えたセパレータ板と、反応ガス流路を備えたセパレータ板との間に配置される隔壁である。このように構成することで、冷却水流路を構成するための部材を必要とせずに、燃料電池の小型化や軽量化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２２８２０７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の固体高分子電解質形燃料電池においても、セパレータ板のほかに隔壁の役割を担う中間板が必要となり、燃料電池の大型化や重量化が懸念されている。そのため、同様の出力を得ようとすると、やはり燃料電池自体の大型化を招いてしまう。
【００１０】
本発明は、上記の問題を鑑みて、冷媒流路を構成するための補助的な部品を使用することなく、小型化された固体高分子電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、反応ガスの電気化学反応により起電力を生じる固体高分子電解質形燃料電池に関する。電解質膜を電極により狭持することにより構成した膜電極接合体を、板状部材の前記膜電極接合体と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、前記膜電極接合体に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持することにより構成したセルを複数積層したスタックを備える。前記第１セパレータと、前記第２セパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。そして、前記第１反応ガス流路を、複数の供給側反応ガス流路と排出側反応ガス流路とから構成し、前記供給側反応ガス流路と前記排出側反応ガス流路を交互に配置するとともに、それらを非連通に構成することで、前記第１セパレータの前記第１反応ガス流路を形成した面と反対側の面の、前記第１反応ガス流路に沿った流路に冷媒を流通させる。
【００１２】
【作用及び効果】
第１セパレータと、第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。これにより、補助的な部品を用いずに冷媒の流路を確保できるので、燃料電池の小型化、底コスト化を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成を図１に示す。ここで用いる燃料電池は、固体高分子電解質形燃料電池であり、図１には固体高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタック）１０の一部分を示す。
【００１４】
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１を、燃料極２、酸化剤極３で狭持することにより膜電極接合体（ＭＥＡ）４を構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜を用いる。各電極２、３はガス拡散層と触媒層とから構成し、触媒が存在する面が電解質膜１と対峙するように配置する。触媒層は、個別に形成してもよいし、ガス拡散層に触媒を充填させたり、ガス拡散層のセル面に塗布したりすることにより形成してもよい。ここでは、各電極２、３を白金または白金とその他の金属とからなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパから構成した触媒層と、多孔質のガス拡散層と、から構成する。
【００１５】
このようなＭＥＡ４とセパレータ５とを、交互に積層することによりスタック１０を構成する。ここで、セパレータ５、ＭＥＡ４間の隔壁の役割を担うと共に、各ＭＥＡに燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給する流路を備える。後述するようにセパレータ５は、アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２により構成されている。つまり、ＭＥＡ４をアノード側セパレータ板５１板とカソード側セパレータ板５２により狭持しりことにより単位セルを形成し、このようなセルを複数積層することによりスタック１０を構成する。このとき、アノード側セパレータ板５１と隣接するセルのカソード側セパレータ５２とが接合されて、セパレータ５が形成される。
【００１６】
また、セパレータ５の外縁部に沿ったシーリング領域６により、燃料極２に供給される水素を含有した燃料ガスや、酸化剤極３に供給される酸素を含有した空気等の酸化剤ガス、さらに各種冷却水をシールする。ここでは、セパレータ５と電解質膜１に狭持され、且つ、セパレータ５の外縁部に沿ってシール材を配置することによりシーリング領域６を構成する。
【００１７】
次に、セパレータ５の構成を説明する。ここでは、金属製の薄板を用いて製造したセパレータについて説明するが、これに限らず、例えばカーボン材料等であっても流路形状を実現できる素材については活用することができる。また、セパレータ５はプレス加工により成形する。
【００１８】
セパレータ５を、燃料極２に隣接するアノード側セパレータ板５１と、酸化剤極３に隣接するカソード側セパレータ板５２と、から構成する。図２にカソード側セパレータ板５２のセル面の概略構成を示す。ただし、図２（ａ）を反応ガスの流路、ここでは酸化剤ガスの流路を形成した面とし、図２（ｂ）をその裏面に当たる冷却水の流路を形成した面とする。
【００１９】
カソード側セパレータ板５２には、酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水ガスマニホールド６３、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを備える。
【００２０】
酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２のセル面中央付近に構成し、ここで発電反応を生じる。酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２に、酸化剤極３に向かって開放された凹溝を成形することにより構成する。凹溝の断面が矩形状または台形状となるように成形する。酸化剤ガス流路６６Ａを供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとから構成する。供給側ガス流路６６Ａａの一端は、後述するようにガス分配流路６４に連通する。排出側ガス流路６６Ａｂの一端は、後述するようにガス回収流路６５に連通する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとは、互いに非連通とする。
【００２１】
供給側ガス流路６６Ａａ、排出側ガス流路６６Ａｂは、それぞれ一方向に伸びる複数の流路を平行に配置することにより構成する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを交互に配置する。このように構成することで、後述するように、供給側ガス流路６６Ａａに供給された全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給され、反応に用いられなかった酸化剤ガスは排出側ガス流路６６Ａｂに排出される。
【００２２】
酸化剤ガス流路６６Ａの外周側には、スタック１０の積層方向に連通する酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水マニホールド６３を備える。このとき、各マニホールド６１、６２、６３は、それぞれ供給用のマニホールド（６１ａ、６２ａ、６３ａ）と排出用のマニホールド（６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ）により構成する。
【００２３】
供給用酸化剤ガスマニホールド６１ａにガス分配流路６４を接続させる。ガス分配流路６４は、セル面の供給側ガス流路６６Ａａの一端に沿って形成された流路であり、供給用ガスマニホールド６１ａから供給された酸化剤ガスを供給側ガス流路６６Ａａに分配する。また、排出用酸化剤ガスマニホールド６１ｂにガス回収流路６５を接続させる。ガス回収流路６５は、セル面の排出側ガス流路６６Ａｂの一端に沿って形成された流路であり、排出側ガス流路６６Ａｂから排出された酸化剤ガスを排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収する。
【００２４】
ここで、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを、酸化剤極３に接触する平面７０に対する凹溝により構成する。ここではプレス加工により凹溝を形成する。このとき、それぞれの酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。
【００２５】
また、ガスマニホールド６１、６２も平面７０に対する凹溝により構成し、その溝の底面の少なくとも一部に後述する連通孔６７を形成する。それぞれのガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。ここでは、マニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さと、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さを同じとなるように構成する。なお、ここではガス分配流路６４、ガス回収流路６５を酸化剤ガス流路６６Ａと同じ深さの凹溝により構成するが、この深さは供給する反応ガスの流量等により設定することができる。例えば、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５を構成する凹溝の深さが酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さより浅くなるように構成してもよい。
【００２６】
また、カソード側セパレータ板５２の外縁には最外周縁部７２を備える。最外周縁部７２のすぐ内周側には外周縁部７１を備える。外周縁部７１を、平面７０から凹溝の深さ方向に折り曲げられた部分とする。つまり、外周縁部７１は略積層方向に構成された面となる。これにより、最外周縁部７２は、外周縁部７１の分だけ平面７０より深さ方向に突出して形成される。ここで、各流路６４、６５、６６Ａを構成する凹溝の底面と、最外周縁部７２の積層方向の位置が同じになるように構成する。
【００２７】
このように形成したカソード側セパレータ板５２を、図２（ａ）と反対の面、つまり、冷却水流路２１を形成した面から見た図を図２（ｂ）に示す。ここでは、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａ、最外周縁部７２が、平面７０に対して凹方向（図面から手前に向かってくる方向）に突出した構成とする。これにより、平面７０に対して凹方向に突出していない領域を冷却水流路２１とし、冷却水ガスマニホールド６３から供給される冷却水の流路を形成する。ここでは、冷却水流路２１を供給側冷却水マニホールド６３ａから排出側冷却水マニホールド６３ｂにかけて連通した領域により構成する。特に、酸化剤ガス流路６６Ａの供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを非連通とする。これにより、冷却水流路２１を、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水を、酸化剤ガス流路６６Ａ間に沿って流通させ、排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収する流路とすることができる。
【００２８】
このような形状のカソード側セパレータ板５２を用いてスタック１０を構成する場合のセパレータ５およびＭＥＡ４の断面（図２のＡ−Ａ断面）を図３に示す。また、セパレータ５の外観を図６に示す。
【００２９】
本実施形態では、アノード側セパレータ板５１として、カソード側セパレータ板５２と同様に成形したセパレータを用いる。アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２とを、冷却水流路２１を形成した面（図２（ｂ）面）が対峙するように積層する。
【００３０】
ただし、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４は供給側燃料ガスマニホールド６２ａに接続し、ガス回収流路６５は排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに連通する。また、酸化剤ガス流路６６Ａと対峙する部分に燃料ガス流路６６Ｂを形成する。ただし、酸化剤ガス流路６６Ａ内の酸化剤ガスの流れ方向と、燃料ガス流路６６Ｂ内の燃料ガスの流れ方向とが、逆方向となるように構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２に構成したガス分配流路６４とアノード側セパレータ板５１に構成したガス回収流路６５とが対峙し、カソード側セパレータ板５２に構成したガス回収流路６５とアノード側セパレータ板５１に構成したガス分配流路６４とが対峙する。
【００３１】
ここでは、カソード側セパレータ板５２の最外周縁部７２と酸化剤ガス流路６６Ａの底面との積層方向の位置を同じとし、また、アノード側セパレータ板５１の最外周縁部７２と燃料ガス流路６６Ｂとの積層方向の位置を同じとした。これにより、スタック１０を形成する際には、アノード側セパレータ板５１、カソード側セパレータ板５２は、最外周縁部７２、反応ガス流路６６の底面で接触する。
【００３２】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いた凹溝は酸化剤ガス流路６６Ａとなる。また、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いた凹溝は燃料ガス流路６６Ｂとなる。さらに、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いていない溝と、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いていない溝とにより形成される閉じた空間は、冷却水流路２１となる。
【００３３】
また、図２のＢ−Ｂ断面を図４に示す。ここでは、Ｂ−Ｂ断面は、供給側燃料ガスマニホールド６２ａ、ガス回収マニホールド６４、排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂの断面である。
【００３４】
供給側燃料ガスマニホールド６２ａから供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４を介して燃料ガス流路６６Ｂに分配される。また、酸化剤ガス流路６６Ａから回収される酸化剤ガスは、カソード側セパレータ板５２に形成したガス回収流路６５を介して排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収される。
【００３５】
このとき、カソード側およびアノード側の供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成するそれぞれの凹溝の底面を、積層方向に同じ位置に形成する。つまり、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１を積層した際に、供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成する凹溝の底面が接触するように構成する。また、この底面の対峙する部分に積層方向に貫通する連通孔６７を設け、燃料ガスを積層方向に流通可能な構成とする。
【００３６】
ここでは供給側燃料ガスマニホールド６２ａに関して説明したが、酸化剤ガスマニホールド６１、排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに関しても同様の構成とする。つまり、ガスマニホールド６１、６２を構成する溝の底面で、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とが接触するように構成する。また、底面に積層方向に連通する連通孔６７を形成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを積層方向に流通可能とする。
【００３７】
なお、ここでは、ガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の底面の積層方向の位置を、最外周縁部７２と同じとしたが、図５に示すようにこの限りではない。これは、セパレータ板５１、５２を形成するための金属製の板を加工した後の安定性を考慮して、適宜最適な形状が選択される。
【００３８】
ここで、スタック１０をＭＥＡ４およびセパレータ５を多数積層して形成する場合、冷却水流路２１を有するセパレータ５は、隣接するセパレータ板５１、５２同士を接合した状態でバイポーラ極として作用するため、常に電気的に導通する必要がある。接合面での抵抗を極力小さくするためには、隣接するセパレータ板５１、５２の接触面積をできるだけ大きくとることが望ましい。さらに、１０セル以上を積層してスタック１０を構成する場合、スタック１０を安定した状態に保つためには、所定の面圧でセル間が圧接していることが望まれる。積層方向に面圧がかかるため、その圧接する力をセル間に伝達するためにも、隣接するセパレータ板５１、５２は互いの底部面で常に接触していることが必要となる。
【００３９】
本実施形態では、上述したように構成することで、冷却水流路２１を構成するセパレータ板５１、５２は、反応ガス流路６６、ガスマニホールド６１、６２、および最外周縁部７２で接合される。また、ここではガス分配流路６４と、これに対峙するガス回収流路６５が接合される。これにより、セパレータ５内の電気抵抗を小さくするとともに、圧力の伝達性、積層方向の耐久性を向上することができる。
【００４０】
なお、セパレータ板５１、５２は、金属平板をプレス加工することにより形成する。ただし、平板のプレス加工により得られる成形品のそり、歪みを制御するために、マニホールド６１、６２、６３と外周縁部７１との間に形成された平面部７０ａと、最外周縁部７２は形状維持に必要な大きさを確保する必要がある。しかし、これらは発電に寄与しないため、形状維持と性能とのバランスをとったサイズが選択される。
【００４１】
各接触部の接合方法としては、溶接、導電性接着剤による接着などが選択される。また、金属材料の種類の制限が生じるが、攪拌摩擦接合も可能である。
【００４２】
次に本実施形態における効果を説明する。
【００４３】
電解質膜１を電極２、３により狭持することにより構成したＭＥＡ４を、板状部材のＭＥＡ４と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、ＭＥＡ１に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持する。このように構成したセルを複数積層したスタック１０を備える。なお、本実施形態では第１セパレータはカソード側セパレータ板５２、第１反応ガス流路は酸化剤ガス流路６６Ａ、第２セパレータではアノード側セパレータ板５１、第２反応ガス流路は燃料ガス流路６６Ｂに相当する。このように構成した第１セパレータと、隣接するセルの第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【００４４】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３と対峙する面と反対の面において、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹凸により形成される領域を冷却水流路２１として使用することができる。このとき、冷却水流路２１を構成するために補助部材を必要としないので、スタック１０の小型化および底コスト化を図ることができる。
【００４５】
また、酸化剤ガス流路６６Ａを、カソード側セパレータ５２の一部を断面が矩形または台形の複数の溝に成形することにより構成し、カソード側セパレータ板５２の外周に沿って、溝の深さ方向に折り返した最外周縁部７２を備える。カソード側セパレータ板５２と、隣接するセルのアノード側セパレータ板５１を積層する際に、少なくとも酸化剤ガス流路６６Ａの底面と最外周縁部７２とを、アノード側セパレータ板５１に接合する。このように、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ５２間に接触する領域を形成することで、積層方向の接合強度を高めることができる。また接触面性を広くすることができるので積層方向の電気抵抗を減らし発電効率を向上することができる。
【００４６】
反応ガスを各セルに分配するマニホールドの一部として、カソード側セパレータ板５２の一部に、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する溝と同じ深さ方向を持つ複数の凹部領域（マニホールド６１、６２を構成する溝に相当）を形成し、凹部領域の底面に連通孔６７を構成する。アノード側セパレータ板５１板と、隣接するセルのカソード側セパレータ板５２とを積層する際に、凹部領域の底面とアノード側セパレータ板５１を接合する。また、カソード側セパレータ板５２と隣接するセルのアノ−ド側セパレータ板５１との間で、連通孔６７を介して反応ガスを流通させることにより各セルに反応ガスを分配するマニホールド６１、６２を構成する。このように構成することで、板状部材に積層方向に反応ガスを流通するマニホールド６１、６２の一部を構成することができる。このとき、マニホールド６１、６２の成形を、プレス加工等により行うことができるので、低コストでマニホールド６１、６２を成形することができる。
【００４７】
また、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面に、冷媒を供給する、セル積層方向に伸びた供給側冷却水マニホールド６３ａと、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面から冷媒を回収する、セル積層方向に伸びた排出側冷却水マニホールド６３ｂと、を備える。カソード側セパレータ板５２を、ＭＥＡ４に対峙する面と反対の面で、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水が、酸化剤ガス流路６６Ａ付近を介して排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収されるように成形する。これにより、発電面付近に冷却水を流通させることができるので、効率的な冷却を行う冷却水流路２１を構成することができる。
【００４８】
酸化剤ガス流路６６Ａを、複数の供給側ガス流路６６Ａａと、排出側ガス流路６６Ａｂとから構成し、供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂを交互に配置するとともに、それらを非連通に構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａを形成した面と反対側の面の、酸化剤ガス流路６６Ａに沿った流路に冷媒を流通させることができる。この流路は、供給側冷却水マニホールド６３ａと排出側冷却水マニホールド６３ｂに連通するので、冷却水の流通を確保できるとともに、反応ガス流路６６に沿って形成されるので、効率のよい冷却を行うことができる。
【００４９】
さらに、第１セパレータをカソード側セパレータとし、前記第１反応ガス流路に酸化剤ガスを流通させる。反応ガスの供給側と排出側のマニホールドとが連通していない酸化剤ガス流路６６Ａを酸化剤極３側に形成することで、流路壁によって行き先をふさがれた反応ガスは強制的に多孔質材料で構成される酸化剤極３のガス拡散電極層を通り抜ける。このため、発電反応によって生成する水による酸化剤ガス流路６６Ａの閉塞を防止することができる。この流路は、電解質膜１の近傍へ反応ガスを強制的に送り込むことができるため、電解質膜１内に保有される水を持ち出しやすいため、発電によって水を生成する酸化剤ガス供給側に配置することが好ましい。
【００５０】
アノード側セパレータ板５１を、板状部材に、ＭＥＡ４と対峙する面に、隣接するカソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａに積層方向に重なるように燃料ガス流路６６Ｂを成形する。カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とを積層する際に、酸化剤ガス流路６６Ａの底面と、燃料ガス流路６６Ｂの底面を接合する。このように構成することで、冷却水流路２１の容積を十分にとることができるとともに、スタック１０をコンパクト化することができる。また、十分な接触面積を確保することができるので、電気伝導性や耐久性を維持することができる。
【００５１】
カソード側セパレータ板５２を、金属製薄板をプレス加工することにより成形する。また、本実施形態では、アノード側セパレータ板５１もプレス加工により形成する。これにより、低コストでセパレータ板５１、５２を成形することができる。また、セパレータ板５１、５２の構成部材として薄板を用いることができる。ここではプレス加工により形成しているが、折り曲げ等により成形しても良い。
【００５２】
反応ガス流路６６の裏側に冷却水流路２１を構成したセパレータ板５１、５２を用いることで、冷却水流路２１セル毎に確保することができるので、効果的な除熱を行うことが可能となる。さらに、燃料電池の組立において、セパレータ板５１、５２の一部でマニホールド６１、６２、６３を構成するので、マニホールドを構成する部材を必要としないため、燃料電池自体の小型化や軽量化に寄与することができる。また、本実施形態のセパレータは比較的容易に作成できるため、燃料電池の低コスト化に大きく貢献できる。
【００５３】
次に、第２実施形態について説明する。ここで用いるセパレータ板５１、５２の概略を図７に示す。
【００５４】
第１実施形態と基本的なセパレータ形状は違わないが、セパレータ板５１、５２の外周部に、さらにＭＥＡ４側に向かって折り返しを形成し、ＭＥＡ４とセパレータ５の接触面の外周部にシーリング領域６となる溝を形成する。
【００５５】
このように形成することで、各流路から、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が漏れるのを確実に防ぐことができる。
【００５６】
なお、本実施の形態で説明したセパレータ形状は、少なくともカソード側セパレータ板５２に使用すればよい。カソード側セパレータ板５２に対して、従来のアノード側セパレータ板、例えば、燃料極２に対峙する面に燃料ガス流路が形成されており、カソード側セパレータ板５２に対峙する面を平面により構成したセパレータ板を用いても良い。
【００５７】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態におけるセパレータ平面構造の概略図である。
【図３】第１の実施形態におけるセルの断面の概略図である。
【図４】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の概略図である。
【図５】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の例の概略図である。
【図６】第１の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【図７】第２の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【符号の説明】
１電解質膜
２燃料極（電極）
３酸化剤極（電極）
４膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１冷却水流路(冷媒の流通領域)
５１アノード側セパレータ板（第２セパレータ）
５２カソード側セパレータ板（第１セパレータ）
６１酸化剤ガスマニホールド
６２燃料ガスマニホールド
６３冷却水ガスマニホールド
６６Ａ酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）
６６Ｂ燃料ガス流路（第２反応ガス流路）
６７連通孔(貫通孔)
７２最外周縁部（外周部）[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell. In particular, it relates to the shape of the refrigerant flow path in the solid polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas as a reaction gas with an oxidant gas such as air. Fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes. As one of them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is known.
[0003]
The electrode reaction in the solid polymer electrolyte fuel cell is as follows.
[0004]
[Formula]
Fuel electrode: 2H₂  → 4H⁺  + 4e^-  ... (1)
Oxidant electrode: 4H⁺  + 4e^-  + O₂  → 2H₂O (2)
Fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the reaction of Formula (1) proceeds to generate protons. Protons move through the electrolyte, here the solid polymer electrolyte, in a hydrated state and reach the oxidant electrode. At the oxidant electrode, the reaction of the formula (2) proceeds by the proton and oxygen in the supplied oxidant gas. As the reactions of formulas (1) and (2) proceed at each pole, an electromotive force is generated in the fuel cell.
[0005]
As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell utilizing the function of a proton conductive electrolyte when a polymer resin film having a proton exchange group in the molecule is saturatedly hydrated. Since this operates at a relatively low temperature and can generate power efficiently, various uses such as those for mounting on an electric vehicle are expected.
[0006]
A solid polymer electrolyte fuel cell stack has a structure in which a membrane electrode assembly formed by bonding gas diffusion electrodes to both sides of a solid polymer electrolyte membrane by means of hot press and the like and a carbon or metal gas separator are laminated. Have. As the gas separator, a carbon material is very often used, but it is expensive because it is formed by cutting, and there is a problem that the capacity of the stack becomes large.
[0007]
Therefore, in a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction gas flow path is formed between the separator plate and the fuel cell, and a cooling water flow path is provided between the separator plate and the intermediate plate. Here, the intermediate plate is a partition wall disposed between a separator plate having a reaction gas passage and a cooling water passage and a separator plate having a reaction gas passage. By comprising in this way, the member for comprising a cooling water flow path is not required, but size reduction and weight reduction of a fuel cell are achieved (for example, refer patent document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-228207 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell, an intermediate plate serving as a partition wall is required in addition to the separator plate, and there is a concern about an increase in size and weight of the fuel cell. Therefore, if a similar output is to be obtained, the fuel cell itself will be increased in size.
[0010]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a miniaturized solid polymer electrolyte fuel cell without using auxiliary parts for configuring a refrigerant flow path.
[0011]
[Means for solving problems]
  The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of a reaction gas. A first separator configured by forming a first reactive gas flow path on a surface of the plate-like member facing the membrane electrode assembly, the membrane electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte membrane between electrodes; A stack is formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching between a second separator having a second reaction gas flow path on a surface facing the membrane electrode assembly. A refrigerant for removing heat associated with the power generation reaction is circulated through a gap formed between the first separator and the second separator. AndThe first reaction gas flow path is composed of a plurality of supply-side reaction gas flow paths and discharge-side reaction gas flow paths, and the supply-side reaction gas flow paths and the discharge-side reaction gas flow paths are alternately arranged. By configuring them in a non-communication manner, the refrigerant flows through the flow path along the first reaction gas flow path on the surface opposite to the surface on which the first reaction gas flow path of the first separator is formed. Let
[0012]
[Action and effect]
A refrigerant for removing heat associated with the power generation reaction is circulated through a gap formed between the first separator and the second separator. Thereby, since the flow path of the refrigerant can be secured without using auxiliary parts, the fuel cell can be downsized and the bottom cost can be reduced.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A schematic configuration of the fuel cell used in the first embodiment is shown in FIG. The fuel cell used here is a solid polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 1 shows a part of a solid polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter, stack) 10.
[0014]
A membrane electrode assembly (MEA) 4 is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, electrolyte membrane) 1 between a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 3. As the electrolyte membrane 1, a proton conductive membrane is used with a solid polymer material such as a fluorine resin. Each electrode 2, 3 is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and is arranged so that the surface on which the catalyst exists faces the electrolyte membrane 1. The catalyst layer may be formed individually, or may be formed by filling the gas diffusion layer with a catalyst or by coating the cell surface of the gas diffusion layer. Here, each electrode 2 and 3 is comprised from the catalyst layer comprised from the carbon cloth or the carbon paper containing the catalyst which consists of platinum or platinum and another metal, and the porous gas diffusion layer.
[0015]
Such a MEA 4 and separator 5 are alternately stacked to form a stack 10. Here, it plays the role of the partition between separator 5 and MEA4, and is provided with the channel which supplies fuel gas, oxidant gas, and cooling water to each MEA. As will be described later, the separator 5 includes an anode side separator plate 51 and a cathode side separator plate 52. That is, the unit cell is formed by sandwiching the MEA 4 between the anode side separator plate 51 and the cathode side separator plate 52, and the stack 10 is formed by stacking a plurality of such cells. At this time, the anode side separator plate 51 and the cathode side separator 52 of the adjacent cell are joined to form the separator 5.
[0016]
Further, due to the sealing region 6 along the outer edge of the separator 5, a fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel electrode 2, an oxidant gas such as air containing oxygen supplied to the oxidant electrode 3, and Seal various cooling water. Here, the sealing region 6 is configured by sandwiching the separator 5 and the electrolyte membrane 1 and arranging a sealing material along the outer edge portion of the separator 5.
[0017]
Next, the configuration of the separator 5 will be described. Here, a separator manufactured using a thin metal plate will be described. However, the present invention is not limited to this, and for example, a carbon material can be used for a material that can realize a channel shape. The separator 5 is formed by press working.
[0018]
The separator 5 is composed of an anode side separator plate 51 adjacent to the fuel electrode 2 and a cathode side separator plate 52 adjacent to the oxidant electrode 3. FIG. 2 shows a schematic configuration of the cell surface of the cathode side separator plate 52. However, FIG. 2 (a) is a surface on which a reaction gas flow channel, here an oxidant gas flow channel, is formed, and FIG. 2 (b) is a surface on which a cooling water flow channel is formed.
[0019]
The cathode side separator plate 52 includes an oxidant gas manifold 61, a fuel gas manifold 62, a cooling water gas manifold 63, a gas distribution channel 64, a gas recovery channel 65, and an oxidant gas channel 66A.
[0020]
The oxidizing gas channel 66A is configured near the center of the cell surface of the cathode-side separator plate 52, where a power generation reaction occurs. The oxidant gas flow channel 66 </ b> A is configured by forming a concave groove opened toward the oxidant electrode 3 in the cathode side separator plate 52. The groove is shaped so that the cross section of the groove is rectangular or trapezoidal. The oxidant gas flow channel 66A includes a supply side gas flow channel 66Aa and a discharge side gas flow channel 66Ab. One end of the supply-side gas channel 66Aa communicates with the gas distribution channel 64 as will be described later. One end of the discharge-side gas channel 66Ab communicates with the gas recovery channel 65 as will be described later. The supply-side gas channel 66Aa and the discharge-side gas channel 66Ab are not in communication with each other.
[0021]
The supply-side gas channel 66Aa and the discharge-side gas channel 66Ab are configured by arranging a plurality of channels extending in one direction in parallel. Supply-side gas flow paths 66Aa and discharge-side gas flow paths 66Ab are alternately arranged. With this configuration, as will be described later, all the oxidant gas supplied to the supply-side gas flow channel 66Aa is supplied to the oxidant electrode 3, and the oxidant gas not used for the reaction is discharged-side gas. It is discharged to the channel 66Ab.
[0022]
An oxidant gas manifold 61, a fuel gas manifold 62, and a cooling water manifold 63 communicating in the stacking direction of the stack 10 are provided on the outer peripheral side of the oxidant gas flow channel 66 </ b> A. At this time, each of the manifolds 61, 62, 63 is constituted by a supply manifold (61a, 62a, 63a) and a discharge manifold (61b, 62b, 63b).
[0023]
A gas distribution channel 64 is connected to the supply oxidant gas manifold 61a. The gas distribution channel 64 is a channel formed along one end of the supply side gas channel 66Aa on the cell surface, and distributes the oxidant gas supplied from the supply gas manifold 61a to the supply side gas channel 66Aa. To do. Further, the gas recovery flow path 65 is connected to the exhaust oxidant gas manifold 61b. The gas recovery passage 65 is a passage formed along one end of the discharge side gas passage 66Ab on the cell surface, and the oxidant gas discharged from the discharge side gas passage 66Ab is discharged to the discharge side oxidant gas manifold 61b. To recover.
[0024]
Here, the gas distribution flow path 64, the gas recovery flow path 65, and the oxidant gas flow path 66 </ b> A are configured by concave grooves with respect to the plane 70 that contacts the oxidant electrode 3. Here, the concave grooves are formed by pressing. At this time, the depths of the concave grooves constituting the respective oxidizing gas flow paths 66A are configured to be the same.
[0025]
Further, the gas manifolds 61 and 62 are also constituted by concave grooves with respect to the flat surface 70, and a communication hole 67 described later is formed in at least a part of the bottom surface of the grooves. The depths of the concave grooves constituting the gas manifolds 61 and 62 are the same. Here, the depth of the concave grooves constituting the manifolds 61 and 62 is configured to be the same as the depth of the concave grooves constituting the oxidizing gas channel 66A. Here, the gas distribution flow path 64 and the gas recovery flow path 65 are configured by a concave groove having the same depth as that of the oxidant gas flow path 66A, but this depth can be set by the flow rate of the reaction gas to be supplied. it can. For example, you may comprise so that the depth of the ditch | groove which comprises the gas distribution flow path 64 and the gas collection | recovery flow path 65 may become shallower than the depth of the ditch | groove which comprises 66 A of oxidizing agent gas flow paths.
[0026]
Further, an outermost peripheral edge 72 is provided on the outer edge of the cathode side separator plate 52. An outer peripheral edge 71 is provided immediately on the inner peripheral side of the outermost peripheral edge 72. The outer peripheral edge 71 is a portion bent from the flat surface 70 in the depth direction of the groove. That is, the outer peripheral edge 71 is a surface configured substantially in the stacking direction. Accordingly, the outermost peripheral edge portion 72 is formed to protrude in the depth direction from the plane 70 by the amount corresponding to the outer peripheral edge portion 71. Here, the bottom surfaces of the grooves forming the flow paths 64, 65, and 66A and the position in the stacking direction of the outermost peripheral edge portion 72 are configured to be the same.
[0027]
FIG. 2B shows the cathode-side separator plate 52 formed in this way as viewed from the surface opposite to FIG. 2A, that is, the surface on which the cooling water passage 21 is formed. Here, the gas distribution flow path 64, the gas recovery flow path 65, the oxidant gas flow path 66A, and the outermost peripheral edge portion 72 protrude in the concave direction (the direction toward the front from the drawing) with respect to the plane 70. And As a result, a region that does not protrude in the concave direction with respect to the plane 70 is used as the cooling water channel 21, and a channel for cooling water supplied from the cooling water gas manifold 63 is formed. Here, the cooling water flow path 21 is configured by a region communicating from the supply side cooling water manifold 63a to the discharge side cooling water manifold 63b. In particular, the supply side gas channel 66Aa and the discharge side gas channel 66Ab of the oxidant gas channel 66A are not in communication. Thereby, the cooling water flow path 21 is a flow path for circulating the cooling water supplied from the supply side cooling water manifold 63a along the oxidant gas flow path 66A and collecting it in the discharge side cooling water manifold 63b. Can do.
[0028]
FIG. 3 shows a cross section (cross section AA in FIG. 2) of the separator 5 and the MEA 4 when the stack 10 is configured using the cathode side separator plate 52 having such a shape. Moreover, the external appearance of the separator 5 is shown in FIG.
[0029]
In the present embodiment, a separator formed in the same manner as the cathode side separator plate 52 is used as the anode side separator plate 51. The anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52 are laminated so that the surface on which the cooling water channel 21 is formed (the surface in FIG. 2B) is opposed.
[0030]
However, the gas distribution channel 64 formed in the anode side separator plate 51 is connected to the supply side fuel gas manifold 62a, and the gas recovery channel 65 communicates with the discharge side fuel gas manifold 62b. Further, a fuel gas channel 66B is formed in a portion facing the oxidant gas channel 66A. However, the flow direction of the oxidant gas in the oxidant gas flow channel 66A and the flow direction of the fuel gas in the fuel gas flow channel 66B are opposite to each other. As a result, the gas distribution channel 64 configured in the cathode side separator plate 52 and the gas recovery channel 65 configured in the anode side separator plate 51 face each other, and the gas recovery channel 65 and the anode configured in the cathode side separator plate 52 are opposed to each other. The gas distribution channel 64 formed in the side separator plate 51 is opposed to the gas distribution channel 64.
[0031]
Here, the outermost peripheral edge portion 72 of the cathode side separator plate 52 and the bottom surface of the oxidizing gas channel 66A are in the same stacking position, and the outermost peripheral edge portion 72 of the anode side separator plate 51 and the fuel gas flow are the same. The position in the stacking direction with the path 66B is the same. Thereby, when forming the stack 10, the anode-side separator plate 51 and the cathode-side separator plate 52 are in contact with each other at the outermost peripheral edge portion 72 and the bottom surface of the reaction gas channel 66.
[0032]
With this configuration, the concave groove opened in the direction of the oxidant electrode 3 of the cathode side separator plate 52 becomes the oxidant gas flow channel 66A. Further, the concave groove opened in the direction of the fuel electrode 2 of the anode side separator plate 51 becomes a fuel gas flow channel 66B. Further, the closed space formed by the groove not opened in the direction of the oxidant electrode 3 of the cathode side separator plate 52 and the groove not opened in the direction of the fuel electrode 2 of the anode side separator plate 51 is formed by the cooling water flow path 21. Become.
[0033]
FIG. 4 shows a BB cross section of FIG. Here, the BB cross section is a cross section of the supply side fuel gas manifold 62a, the gas recovery manifold 64, and the discharge side oxidant gas manifold 61b.
[0034]
The fuel gas supplied from the supply side fuel gas manifold 62a is distributed to the fuel gas flow channel 66B through the gas distribution flow channel 64 formed in the anode side separator plate 51. Further, the oxidant gas recovered from the oxidant gas channel 66A is recovered to the discharge side oxidant gas manifold 61b through the gas recovery channel 65 formed in the cathode side separator plate 52.
[0035]
At this time, the bottom surfaces of the respective concave grooves constituting the supply side fuel gas manifold 62a on the cathode side and the anode side are formed at the same position in the stacking direction. That is, when the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 are stacked, the bottom surface of the concave groove constituting the supply-side fuel gas manifold 62a is in contact. In addition, a communication hole 67 penetrating in the stacking direction is provided in the opposite part of the bottom surface so that the fuel gas can flow in the stacking direction.
[0036]
Although the supply side fuel gas manifold 62a has been described here, the oxidant gas manifold 61 and the exhaust side fuel gas manifold 62b have the same configuration. That is, the cathode side separator plate 52 and the anode side separator plate 51 are configured to contact each other at the bottom surface of the groove constituting the gas manifolds 61 and 62. In addition, a communication hole 67 that communicates in the stacking direction is formed on the bottom surface so that fuel gas and oxidant gas can flow in the stacking direction.
[0037]
Here, although the position in the stacking direction of the bottom surfaces of the concave grooves constituting the gas manifolds 61 and 62 is the same as that of the outermost peripheral edge portion 72, this is not limited to this as shown in FIG. In consideration of stability after processing a metal plate for forming the separator plates 51 and 52, an optimal shape is appropriately selected.
[0038]
Here, when the stack 10 is formed by laminating a large number of MEAs 4 and separators 5, the separator 5 having the cooling water flow path 21 acts as a bipolar electrode in a state where the adjacent separator plates 51 and 52 are joined to each other. It is necessary to conduct electrically. In order to reduce the resistance at the joint surface as much as possible, it is desirable to make the contact area of the adjacent separator plates 51 and 52 as large as possible. Further, when the stack 10 is configured by stacking 10 or more cells, it is desirable that the cells are in pressure contact with each other at a predetermined surface pressure in order to keep the stack 10 in a stable state. Since surface pressure is applied in the stacking direction, the adjacent separator plates 51 and 52 must always be in contact with each other at the bottom surface in order to transmit the pressure-contacting force between the cells.
[0039]
In the present embodiment, the separator plates 51 and 52 constituting the cooling water passage 21 are joined at the reaction gas passage 66, the gas manifolds 61 and 62, and the outermost peripheral edge portion 72 by being configured as described above. . In addition, here, the gas distribution flow path 64 and the gas recovery flow path 65 opposed thereto are joined. Thereby, while making the electrical resistance in the separator 5 small, the transmissibility of a pressure and the durability of a lamination direction can be improved.
[0040]
The separator plates 51 and 52 are formed by pressing a metal flat plate. However, in order to control warpage and distortion of a molded product obtained by pressing a flat plate, the flat surface portion 70a formed between the manifolds 61, 62, 63 and the outer peripheral edge portion 71 and the outermost peripheral edge portion 72 are It is necessary to secure the size necessary for maintaining the shape. However, since these do not contribute to power generation, a size that balances shape maintenance and performance is selected.
[0041]
As a joining method of each contact portion, welding, adhesion with a conductive adhesive, or the like is selected. Moreover, although the kind of metal material is limited, stirring friction welding is also possible.
[0042]
Next, the effect in this embodiment is demonstrated.
[0043]
The MEA 4 configured by sandwiching the electrolyte membrane 1 between the electrodes 2 and 3 is opposed to the MEA 1 and the first separator configured by forming the first reaction gas channel on the surface of the plate member facing the MEA 4. And a second separator having a second reaction gas channel on the surface to be sandwiched. A stack 10 in which a plurality of cells configured as described above are stacked is provided. In this embodiment, the first separator is the cathode side separator plate 52, the first reaction gas channel is the oxidant gas channel 66A, the second separator is the anode side separator plate 51, and the second reaction gas channel is the fuel gas flow. This corresponds to the path 66B. A refrigerant for removing heat associated with the power generation reaction is circulated in a gap formed between the first separator configured as described above and the second separator of the adjacent cell.
[0044]
With this configuration, a region formed by the unevenness constituting the oxidant gas flow channel 66A on the surface opposite to the surface facing the oxidant electrode 3 of the cathode side separator plate 52 is used as the cooling water flow channel 21. can do. At this time, since no auxiliary member is required to configure the cooling water flow path 21, the stack 10 can be downsized and the bottom cost can be reduced.
[0045]
The oxidant gas channel 66A is formed by forming a part of the cathode side separator 52 into a plurality of grooves having a rectangular or trapezoidal cross section, and the depth of the groove along the outer periphery of the cathode side separator plate 52. It has an outermost peripheral edge 72 that is folded back in the direction. When the cathode side separator plate 52 and the anode side separator plate 51 of an adjacent cell are stacked, at least the bottom surface of the oxidizing gas channel 66 </ b> A and the outermost peripheral edge portion 72 are joined to the anode side separator plate 51. In this way, by forming a region in contact between the cathode side separator plate 52 and the anode side separator 52, the bonding strength in the stacking direction can be increased. Further, since the contact surface property can be widened, the electric resistance in the stacking direction can be reduced and the power generation efficiency can be improved.
[0046]
As a part of the manifold that distributes the reaction gas to each cell, a plurality of recessed regions (manifolds 61 and 62 having the same depth direction as the grooves constituting the oxidant gas flow channel 66A are formed on a part of the cathode separator plate 52. And a communication hole 67 is formed on the bottom surface of the recessed area. When laminating the anode side separator plate 51 and the cathode side separator plate 52 of the adjacent cell, the bottom surface of the recessed area and the anode side separator plate 51 are joined. Further, manifolds 61 and 62 for distributing the reaction gas to each cell by flowing the reaction gas through the communication hole 67 between the cathode side separator plate 52 and the anode side separator plate 51 of the adjacent cell are provided. Constitute. By comprising in this way, a part of manifold 61, 62 which distribute | circulates a reactive gas to a plate-shaped member in the lamination direction can be comprised. At this time, since the manifolds 61 and 62 can be formed by pressing or the like, the manifolds 61 and 62 can be formed at low cost.
[0047]
Further, a supply side cooling water manifold 63a extending in the cell stacking direction for supplying a refrigerant to a surface opposite to the surface facing the MEA 4 of the cathode side separator plate 52, and a surface facing the MEA 4 of the cathode side separator plate 52 A discharge-side cooling water manifold 63b extending in the cell stacking direction for collecting the refrigerant from the opposite surface. The cooling water supplied from the supply-side cooling water manifold 63a on the surface opposite to the surface facing the MEA 4 of the cathode-side separator plate 52 is recovered in the discharge-side cooling water manifold 63b through the vicinity of the oxidizing gas channel 66A. To be molded. Thereby, since cooling water can be distribute | circulated to power generation surface vicinity, the cooling water flow path 21 which performs efficient cooling can be comprised.
[0048]
The oxidant gas flow channel 66A is composed of a plurality of supply side gas flow channels 66Aa and discharge side gas flow channels 66Ab, and the supply side gas flow channels 66Aa and the discharge side gas flow channels 66Ab are arranged alternately, Is configured to be non-communication. Accordingly, the refrigerant can be circulated through the flow path along the oxidant gas flow path 66A on the surface opposite to the face on which the oxidant gas flow path 66A of the cathode side separator plate 52 is formed. Since this flow path communicates with the supply-side cooling water manifold 63a and the discharge-side cooling water manifold 63b, it is possible to ensure the circulation of the cooling water and to be formed along the reaction gas flow path 66, so that efficient cooling can be achieved. It can be carried out.
[0049]
Further, the first separator is a cathode side separator, and an oxidant gas is circulated through the first reaction gas channel. By forming the oxidant gas flow channel 66A in which the reaction gas supply side and the discharge side manifold do not communicate with each other on the oxidant electrode 3 side, the reaction gas blocked by the flow channel wall is forcibly porous. It passes through the gas diffusion electrode layer of the oxidant electrode 3 made of a material. For this reason, blockage of the oxidant gas channel 66A by water generated by the power generation reaction can be prevented. Since the reaction gas can be forcibly sent to the vicinity of the electrolyte membrane 1 because this flow path can easily take out water held in the electrolyte membrane 1, it is disposed on the oxidant gas supply side that generates water by power generation. It is preferable to do.
[0050]
A fuel gas channel 66B is formed on the plate-like member of the anode side separator plate 51 so as to overlap the oxidant gas channel 66A of the adjacent cathode side separator plate 52 in the stacking direction on the surface facing the MEA 4. When the cathode-side separator plate 52 and the anode-side separator plate 51 are stacked, the bottom surface of the oxidant gas channel 66A and the bottom surface of the fuel gas channel 66B are joined. By comprising in this way, the volume of the cooling water flow path 21 can be taken sufficiently, and the stack 10 can be made compact. Moreover, since sufficient contact area can be ensured, electrical conductivity and durability can be maintained.
[0051]
The cathode separator plate 52 is formed by pressing a metal thin plate. In the present embodiment, the anode separator plate 51 is also formed by pressing. Thereby, the separator plates 51 and 52 can be molded at low cost. Moreover, a thin plate can be used as a constituent member of the separator plates 51 and 52. Although it is formed by pressing here, it may be formed by bending or the like.
[0052]
By using the separator plates 51 and 52 that constitute the cooling water flow path 21 on the back side of the reaction gas flow path 66, it is possible to secure each cooling water flow path 21 cell, so that effective heat removal can be performed. Become. Further, in the assembly of the fuel cell, the manifolds 61, 62, 63 are constituted by a part of the separator plates 51, 52, so that no member constituting the manifold is required, which contributes to the reduction in size and weight of the fuel cell itself. can do. Moreover, since the separator of this embodiment can be produced comparatively easily, it can greatly contribute to cost reduction of the fuel cell.
[0053]
Next, a second embodiment will be described. The outline of the separator plates 51 and 52 used here is shown in FIG.
[0054]
The basic separator shape is not different from that of the first embodiment, but the outer periphery of the separator plates 51 and 52 is further folded toward the MEA 4 side, and the sealing region 6 is formed on the outer periphery of the contact surface between the MEA 4 and the separator 5. To form a groove.
[0055]
By forming in this way, leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling water from each flow path can be reliably prevented.
[0056]
The separator shape described in the present embodiment may be used for at least the cathode side separator plate 52. A fuel gas flow path is formed on the surface facing the cathode side separator plate 52, for example, a conventional anode side separator plate, for example, the fuel electrode 2, and the surface facing the cathode side separator plate 52 is configured by a flat surface. A separator plate may be used.
[0057]
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic view of a separator planar structure in the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of a cross section of a cell in the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic view of a cross section of a gas manifold in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic view of an example of a cross section of a gas manifold in the first embodiment.
FIG. 6 is an external view of a separator according to the first embodiment.
FIG. 7 is an external view of a separator according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte membrane
2 Fuel electrode (electrode)
3 Oxidant electrode (electrode)
4 Membrane electrode assembly (MEA)
21 Cooling water channel (refrigerant flow area)
51 Anode separator plate (second separator)
52 Cathode side separator plate (first separator)
61 Oxidant gas manifold
62 Fuel gas manifold
63 Cooling water gas manifold
66A Oxidant gas channel (first reaction gas channel)
66B Fuel gas flow path (second reactive gas flow path)
67 Communication hole (through hole)
72 Outermost peripheral edge (outer periphery)

Claims

In a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of a reaction gas,
A membrane electrode assembly constituted by sandwiching an electrolyte membrane with an electrode,
A first separator configured by forming a first reaction gas channel on a surface of the plate-like member facing the membrane electrode assembly;
A stack in which a plurality of cells constituted by sandwiching between the second separator and the second separator provided with the second reaction gas channel on the surface facing the membrane electrode assembly,
In a gap formed between the first separator and the second separator of an adjacent cell, a refrigerant for removing heat accompanying the power generation reaction is circulated .
The first reaction gas channel is composed of a plurality of supply-side reaction gas channels and a discharge-side reaction gas channel,
The supply-side reaction gas flow path and the discharge-side reaction gas flow path are alternately arranged, and are configured so as not to communicate with each other, so that they are opposite to the surface on which the first reaction gas flow path of the first separator is formed. A solid polymer electrolyte fuel cell, characterized in that a refrigerant flows through a flow path along the first reaction gas flow path on the side surface .

The first reaction gas flow path is configured by forming a part of the first separator into a plurality of grooves having a rectangular or trapezoidal cross section,
Along the outer periphery of the first separator, the outer peripheral portion folded back in the depth direction of the groove,
2. The solid polymer electrolyte form according to claim 1, wherein, when the first separator and the second separator of an adjacent cell are stacked, at least a bottom surface of the groove and the outer peripheral portion are joined to the second separator. Fuel cell.

As a part of the manifold that distributes at least the reaction gas to each cell, a concave region having the same depth direction as the groove is formed in a part of the first separator,
Comprising a through-hole penetrating the bottom surface of the recessed area;
When laminating the first separator and the second separator of an adjacent cell, the bottom surface of the recessed area and the second separator are joined,
The solid polymer electrolyte fuel according to claim 2, wherein the reaction gas is distributed to each cell by flowing at least the reaction gas through the through hole between the first separator and the second separator of the adjacent cell. battery.

A refrigerant supply channel extending in a cell stacking direction, supplying a refrigerant to a surface opposite to the surface facing the membrane electrode assembly of the first separator;
A refrigerant discharge passage extending in the cell stacking direction, recovering the refrigerant from the surface opposite to the surface facing the membrane electrode assembly of the first separator,
The refrigerant supplied from the refrigerant supply channel on the surface of the first separator opposite to the surface facing the membrane electrode assembly is recovered in the refrigerant discharge channel via the vicinity of the reaction gas channel. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, which is molded as described above.

2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the first separator is a cathode separator, and an oxidant gas is circulated through the first reaction gas channel . 3.

The second reaction gas flow path is formed so that the second separator overlaps with the first reaction gas flow path of the adjacent first separator on the surface of the plate-like member facing the membrane electrode assembly. Configured by
When stacking and said second separator of the cell adjacent to the first separator, wherein the bottom surface of the first reactant gas channel, a solid according to claim 1 for joining the bottom surface of the second reactant gas channel Polymer electrolyte fuel cell.

The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the first separator is formed by pressing a metal thin plate .