JP4572441B2

JP4572441B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4572441B2
Application number: JP2000108196A
Authority: JP
Inventors: 圭二橋本; 浩右川尻
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2001291522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池の一形式として、電解質膜の両面に電極を接合してなる接合体を第１のセパレータと第２のセパレータで挟持して構成された複数の電池機能部を有する燃料電池がある。当該形式の燃料電池においては、例えば、第１のセパレータは接合体の一方の面側に燃料ガスが流通する燃料ガス流路を形成するとともに、第２のセパレータは接合体の他方の面側に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を形成し、かつ、これら両セパレータは互いの接合側に冷却水が供給される冷却水流路を形成していて、電池機能部では、燃料ガスと酸化剤ガスの酸化還元反応により電力を発生させ、発生した電力を、例えば最外側に位置する集電板を介して、外部に導出させるように構成されている。
【０００３】
ところで、当該形式の従来の燃料電池を構成する各セパレータはカーボンプレートを形成材料とするもので、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路を構成する多数の溝を形成すべく、カーボンプレートの両面に機械加工による溝加工が施されたものが採用されている。また、カーボンプレートは、焼結カーボンのプレートをフェノール樹脂を含浸させたものや、樹脂モールドされたカーボンプレートが採用されている。このようなセパレータは材料に起因して重く、かつ、材料費および加工費の点から極めて高価なもので、かかるセパレータの多数枚の使用が当該形式の燃料電池の重量の増加およびコスト高の増大をまねく要因となっている。
【０００４】
これに対処すべく、各セパレータを金属プレートにより構成してコストの低減を図り、当該形式の燃料電池のコストを大幅に低減すべく意図した燃料電池が特開平１０−２３３２２０号公報にて提案されている。当該燃料電池は、複数枚の金属プレートをレーザビーム溶接して構成した２種類の各構造体を無冷却セパレエータ、冷却セパレータとしてそれぞれ採用しているものである。
【０００５】
無冷却セパレータは、プレス加工により凹凸形状に形成されている金属製のプレスプレートと、プレスプレートの両面側にて接合され金属製の２枚のマスクプレートからなり、プレスプレートと各マスクプレートの接合面にてレーザビーム溶接により接合されて構成されている。
【０００６】
冷却セパレータは、金属製の平板と、プレス加工により凹凸形状に形成されて平板の両面側に接合した２枚の金属製のプレスプレートと、各プレスプレートの外面側にて接合された金属製の２枚のマスクプレートからなり、平板、各プレスプレート、各マスクプレートの接合面にてレーザビーム溶接により接合されて構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これらの各セパレータは、金属製のプレートを形成材料とするもので、材料的には軽量かつ安価であり、また、形成材料をプレス成形およびレーザビーム溶接等を行って構成するもので、加工的にも安価である。このため、これらのセパレータを構成部材とする燃料電池は、カーボンプレートをセパレータとする従来の燃料電池に比較して軽量かつ安価に提供できる利点がある。
【０００８】
しかしながら、当該燃料電池を構成する各セパレータは、各プレスプレートと各マスクプレート、および、平板と各プレスプレートと各マスクプレートとを多数の接合面でレーザビーム溶接にて接合して構成するもので、生産性が低いとともに、各接合部からの燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩は避けられない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがない燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池に関するもので、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に電極を接合してなる接合体を第１のセパレータと第２のセパレータで挟持して構成された複数の電池機能部を有する燃料電池であり、前記各セパレータが下記のごとく構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
すなわち、前記第１のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の一方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、前記第２のセパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有し前記プレスプレートを表裏両面側から挟持する合成樹脂製のフレームからなるもので、前記接合体の他方の面側に前記フレームの開口部における前記各溝部が延びる方向の両端縁側に前記各溝部に交差して形成される連通路に連通する互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、かつ、これら両セパレータは互いの接合側に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の連通路における一方の連通路の途中をプレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池においては、前記第１のセパレータと第２のセパレータとを、前記冷却水流路を形成する側にて互いに重合して接合した合体セパレータに構成することができ、合体セパレータは下記のごとく構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
すなわち、当該合体セパレータは、断面凹凸形状を呈して表裏に交互に有する複数条の凹部からなる溝部を並列して有する金属製の２枚のプレスプレートと、内部に所定の大きさの開口部を有しこれら各プレスプレートの表裏両面側に位置してこれら両プレスプレートを互いに挟持する合成樹脂製の３枚のフレームにて構成されていて、前記接合体と交互に配設されて、前記両プレスプレート間に互いに並列する複数条の溝部からなる冷却水流路を形成し、一方の接合体の一方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる燃料ガス流路を形成し、かつ、他方の接合体の他方の面側に互いに並列する複数条の溝部からなる酸化剤ガス流路を形成し、前記各プレスプレートの互いに並列する複数条の溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路は、前記フレームの開口部の前記両端縁側の両連通路における一方の連通路の途中を前記プレスプレートが有する前記溝部を延長して同溝部の凹凸形状にて遮断することにより、前記流路の途中に折り返し部位を有する折り返し形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る燃料電池においては、前記プレスプレートの凹部からなる各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路を折り返し形状に形成するものである。当該燃料電池においては、互いに並列する複数条の溝部からなる流路は、前記フレームの開口部内の両端縁側へ所定長さ延びて同開口部の両端縁側に形成されている連通路に連通していて、前記プレスプレートに形成される複数条の凹部の１条を前記フレームの開口部の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路を折り返し形状に形成することができる。また、前記流路を構成する凹部を前記フレームの開口部の一端縁側および他端縁側へ互いにずらすことによっても、折り返し部位を形成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池においては、前記流路を構成する１または複数の凹部を前記フレームの開口部の一端縁側に延長して一端縁側の前記連通路を途中で遮断し、かつ、他方の凹部の１または複数条を前記フレームの開口部の他端縁側に延長して他端縁側の前記連通路を途中で遮断することによって、前記流路を複数段の折り返し形状に形成することができる。この場合には、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、前記ガスの上流側より下流側ほど小さく設定するようにすることができる。
【００１６】
【発明の作用・効果】
本発明に係る燃料電池は、その主要構成部材である第１のセパレータおよび第２のセパレータとして、複数の凹凸状の溝部を有する金属製のプレスプレートと同プレスプレートを両側から挟持する合成樹脂製のフレームとからなるセパレータを採用しているもので、セパレータの形成材料は金属製のプレートと合成樹脂製のフレームであって、材料的には軽量かつ安価である。また、プレスプレートとフレームの接合は、接着剤を介在させて積層または重合させるのみでよく、セパレータには金属プレスプレート同士の接合部の溶接手段は不要であって、生産性が極めて高い。また、金属製のプレスプレートと合成樹脂製のフレーム間の気密的な接合が的確になされ、プレスプレートの凹凸状の各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路から外部へのガスの漏洩、冷却水の漏洩を確実に防止することができる。
【００１７】
従って、これらの各セパレータを構成部材とする本発明に係る燃料電池は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがないものとなる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池においては、第１のセパレータおよぶ第２のセパレータを互いに合体した合体セパレータとして採用することができる。当該合体セパレータは、金属製の２枚のプレスプレートと、これら各プレートの両面側に位置してこれら両プレスプレートを互いに挟持する合成樹脂製の３枚のフレームからなるもので、接合体とは交互に配設されて、両プレスプレート間に冷却水流路を形成し、かつ、一方の接合体の一方の面側に燃料ガス流路を形成するとともに、他方の接合体の他方の面側に酸化剤ガス流路を形成するものである。
【００１９】
かかる構成は、第１のセパレータの一方のフレームと第２のセパレータの他方のフレームを共通化するもので、両セパレータを合体することにより、両セパレータが一体の小型に形成できるとともに、軽量かつ安価になり、これに起因して、燃料電池を一層軽量、小型、安価に構成することができる。
【００２０】
本発明に係るこれらの燃料電池においては、プレスプレートが有する複数条の凹部からなる各溝部が形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路のいずれかまたは全ての流路を折り返し形状に形成されているため、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水等の接合体との接触効率を高めて電池性能を高めることができ、また、冷却水の被冷却部位との接触効率、冷却効率を高めて電池性能を高めることができる。この場合、各流路を構成する凹部からなる各溝部の１または複数条を互いに長さ方向へ延長する等により、流路を折り返し形状に容易に形成することができる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池においては、前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、前記ガスの上流側より下流側ほど小さく設定するようにすれば、電池機能部で燃料ガスや酸化剤ガス等のガス流量適宜調整することができるとともに、流れの状態を均等な状態、所望の部位に偏倚させる状態を作り出して、電池性能を一層向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明すると、図１には、本発明に係る燃料電池の一例が示されている。当該燃料電池は、電池機能部Ａを複数個並列して配置してなるもので、複数並列的に配置した全ての電池機能部Ａを左右の両側に配置した導電性の集電板１１ａ，１１ｂおよび絶縁性の支持板１２ａ，１２ｂにて挟持した状態で、複数の取付ボルト１３により締付けて組立てられている。
【００２３】
図２は、当該燃料電池を構成する電池機能部の一実施態様を示す分解斜視図であり、当該電池機能部Ａはセパレータ２０Ａと接合体３０からなり、接合体３０を２個のセパレータ２０Ａで挟持した状態で１ユニットとなっている。従って、当該燃料電池においては、セパレータ２０Ａと接合体３０が交互に配設されて燃料電池を構成されている。セパレータ２０Ａは、本発明における第１のセパレータと第２のセパレータを一体とした合体セパレータである。
【００２４】
接合体３０は、固体電解質膜３１の両面に電極３２を接合してなるもので、固体電解質膜３１としてはフッ素樹脂からなるイオン透過膜が採用され、このイオン透過膜の両面に白金または白金の合金を担持させたカーボン粉を塗布して、カーボンクロス等からなるか電極３２を接合して形成されている。
【００２５】
セパレータ２０Ａは、図２および図３に示すように、形状の異なる２枚の第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａと、形状の異なる３枚の第１，第２，第３フレーム２３，２４，２５とにより構成されている。各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム等の金属製のものであり、また、各フレーム２３，２４，２５は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂等の合成樹脂製のものである。
【００２６】
各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは、長方形状のプレートで、図示右上側部および左下側部に燃料ガスの流入マニホールド１４ａおよび流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２１ａ，２１ｂ、２２ａ，２２ｂを、左上側部および右下側部に酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａおよび流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２１ｃ，２１ｄ、２２ｃ，２２ｄを、左右側部の中間部に冷却水の流入マニホールド１６ａおよび流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２１ｅ，２１ｆ、２２ｅ，２２ｆを備えるとともに、中央部の表裏両面に多数の溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈを備えている。各プレスプレート２１Ａ，２２Ａの各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈは、プレス加工により、プレート面の表裏に上下に交互に形成されている凹部からなるものである。第１プレスプレート２１Ａにおいては、多数の溝部２１ｇ，２１ｈのうち、２本の溝部２１ｇ1、２１ｈ1が他の溝部２１ｇ，２１ｈより図示左方へ所定長さ長く形成され、かつ、２本の溝部２１ｇ2、２１ｈ2が他の溝部２１ｇ，２１ｈより図示右方へ所定長さ長く形成されている。第２プレスプレート２２Ａにおいても同様である。
【００２７】
各フレーム２３，２４，２５は、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａと同一の大きさの長方形状のプレートで、右上側部および左下側部に燃料ガスの流入マニホールド１４ａおよび流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂを、左上側部および右下側部に酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａおよび流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２３ｃ，２３ｄ、２４ｃ，２４ｄ、２５ｃ，２５ｄを、左右側部の中間部に冷却水の流入マニホールド１６ａおよび流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２３ｅ，２３ｆ、２４ｅ，２４ｆ、２５ｅ，２５ｆを備えるとともに、中央部に長方形状の開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇを備えている。
【００２８】
各フレーム２３，２４，２５の開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇにおいては、図示上下の幅は各プレスプレート２１，２２の各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈの形成部位の幅と略同一の幅に形成され、かつ、図示左右の幅は、各溝部２１ｇ1、２１ｈ1の先端と各溝部２１ｇ2、２１ｈ2の先端との間隔の幅と略同一幅に形成されている。
【００２９】
各フレーム２３，２４，２５のうち、第１フレーム２３においては、燃料ガスの流入マニホールド１４ａを構成する流通孔２３ａから開口部２３ｇへ水平方向へ延びる所定幅の燃料ガスの流入路２３ｈと、燃料ガスの流出マニホールド１４ｂを構成する流通孔２３ｂから開口部２３ｇへ水平方向へ延びる所定幅の燃料ガスの流出路２３ｉが形成されている。第２フレーム２４においては、酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａを構成する流通孔２４ｃから開口部２４ｇへ水平方向へ延びる所定幅の酸化剤ガスの流入路２４ｈと、酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂを構成する流通孔２４ｄから開口部２４ｇへ水平方向へ延びる所定幅の酸化剤ガスの流出路２４ｉが形成されている。第３フレーム２５においては、冷却水の流入マニホールド１６ａを構成する流通孔２５ｅから開口部２５ｇへ下方傾斜して延びる所定幅の冷却水の流入路２５ｈと、冷却水の流出マニホールド１６ｂを構成する流通孔２５ｆから開口部２５ｇへ上方傾斜して延びる所定幅の冷却水の流出路２５ｉが形成されている。
【００３０】
セパレータ２０Ａにおいては、図３に示すように、第１フレーム２３、第１プレフレスプレート２１Ａ、第３フレーム２５、第２プレスプレート２２Ａ、第２フレーム２４が互いに重合され、これらの部材間に接着剤を介在して接合して構成されている。電池機能部Ａは、図２に示すように、接合体３０の各面側に各セパレータ２０Ａを重合し、これらの部材間に接着剤を介在させて接合して構成されている。図４には、このように構成された電池機能部Ａの正面図が、図５〜図１０には、電池機能部Ａの各断面図がそれぞれ示されている。
【００３１】
また、図１１には、電池機能部Ａにおける第１フレーム２３と第１プレスプレート２１Ａとが形成する燃料ガス流路（同図ａ）が、第１プレスプレート２１Ａと第３フレーム２５とが形成する冷却水流路（同図ｂ）が、第２プレスプレート２２Ａと第２フレーム２４とが形成する酸化剤ガス流路（同図ｃ）がそれぞれ示されている。かかる構成の燃料電池においては、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａが有する各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈが、各フレーム２３，２４，２５における開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの左右の端縁側へ所定長さ延びていて、開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの左側端縁と各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈの左側端部との間、および、開口部２３ｇ，２４ｇ，２５ｇの右側端縁と各溝部２１ｇ，２２ｈ、２２ｇ，２２ｈの右側端部との間に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流通する左側連通路ｒ1および右側連通路ｒ2が形成されている。
【００３２】
電池機能部Ａにおいては、各セパレータ２０Ａが接合体３０を挟んで位置し、各プレスプレート２１Ａ，２２Ａは接合体３０の表裏各面に接触しているとともに、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ同士が接触している。この状態においては、接合体３０と第１プレスプレート２１Ａ間に、各溝部２１ｇにより、燃料ガスが流通する多数の燃料ガス流路が形成され、接合体３０と第２プレスプレート２２Ａ間に、各溝部２２ｈにより、酸化剤ガスが流通する多数の酸化剤ガス流路が形成され、かつ、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間に、第１プレスプレート２１Ａの各溝部２１ｈと第２プレスプレート２２Ａの各溝部２２ｇとにより、冷却水が流通する多数の冷却水流路が形成されている。かかる構成のセパレータ２０Ａにおいては、第１フレーム２３、第１プレフレスプレート２１Ａおよび第３フレーム２５が本発明で規定する第１のセパレータを構成し、第３フレーム２５、第２プレスプレート２２Ａおよび第２フレーム２４が本発明で規定する第２のセパレータを構成してして、第３フレーム２５を共通の構成部材としている。従って、当該セパレータ２０Ａは、当該第１のセパレータと当該第２のセパレータとが冷却水流路を形成する側にて互いに重合されて接合した合体セパレータとなっている。
【００３３】
第１プレスプレート２１Ａと接合体３０間に形成されている燃料ガス流路は、図１１（ａ）に示すように、第１フレーム２３が形成する燃料ガスの流入路２３ｈと流出路２３ｉに連通路ｒ2，ｒ1を介して連通しているが、連通路ｒ1，ｒ2はその途中を長尺の溝部２１ｈ1，２１ｈ2（溝部の凹凸形状）にて遮断されていて、燃料ガスの流入路２３ｈと流出路２３ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３４】
第２プレスプレート２２Ａと接合体３０間に形成されている酸化剤ガス流路は、図１１（ｃ）に示すように、第２フレーム２４が形成する酸化剤ガスの流入路２４ｈと流出路２４ｉに連通路ｒ1，ｒ2を介して連通しているが、連通路ｒ1，ｒ2はその途中を長尺の溝部２２ｇ1，２２ｇ2にて遮断されていて、酸化剤ガスの流入路２４ｈと流出路２４ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３５】
第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間に形成されている冷却水流路は、図１１（ｂ）に示すように、第３フレーム２５が形成する冷却水の流入路２５ｈと流出路２５ｉに連通路ｒ2，ｒ1を介して連通しているが、連通路ｒ2，ｒ1はその途中を長尺の溝部２１ｇ1，２１ｇ2にて遮断されていて、冷却水の流入路２５ｈと流出路２５ｉ間で２回折り返しの流路に形成されている。
【００３６】
電池機能部Ａは、その複数個を左右に並列的に重合して、図１に示すように、左右の両側に配置した導電性の集電板１１ａ，１１ｂおよび絶縁性の支持板１２ａ，１２ｂにて挟持した状態で、複数の取付ボルト１３により締付けて組立てられて燃料電池を構成している。当該燃料電池の運転時には、燃料ガスの流入マニホールド１４ａへは水素が供給されるとともに、酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａへは空気が供給され、かつ、冷却水のマニホールド１６ａへは冷却水が供給される。
【００３７】
各電池機能部Ａにおいては、燃料ガスの流入マニホールド１４ａに供給された水素は、第１プレスプレート２１Ａの各溝部２１ｇにて接合体３０側に形成される燃料ガス流路を流動して燃料ガスの流出マニホールド１４ｂへ流入し、燃料ガスの流出マニホールド１４ｂを通って流出する。酸化剤ガスの流入マニホールド１５ａに供給された空気は、第２プレスプレート２２Ａの各溝部２２ｈにて接合体３０側に形成される酸化剤ガス流路を流動して酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂへ流入し、酸化剤ガスの流出マニホールド１５ｂを通って流出する。冷却水の流入マニホールド１６ａへ供給された冷却水は、両プレスプレート２１Ａ，２２Ａ間にそれらの各溝部２１ｈ，２２ｇにて形成される冷却水流路を流動して冷却水の流出マニホールド１６ｂへ流入し、冷却水の流出マニホールド１６ｂを通って流出する。この間、各電池機能部内においては、接合体３０を挟んだ水素と空気の酸化還元反応により電力が発生し、発生した電力を各プレスプレート２１Ａ，２２Ａおよび最外側に位置する集電板１１ａ，１１ｂを介して導出される。
【００３８】
このように、当該燃料電池は従来のこの種形式の燃料電池と同様に機能するが、各電池機能部Ａの主要構成部材であるセパレータ２０Ａを、プレス加工された金属製のプレスプレート２１Ａ，２２Ａと、合成樹脂製のフレーム２３〜２５にて構成している。このため、セパレータ２０の形成材料は金属製のプレートと合成樹脂製のフレームであって、材料的には軽量かつ安価である。また、プレスプレート２１Ａ，２２Ａと各フレーム２３〜２５との接合は、接着剤を介在させて積層または重合させるのみでよく、セパレータ２０Ａには金属プレスプレート２１Ａ，２２Ａ同士の接合部の溶接は不要であって、生産性が極めて高い。また、金属製のプレスプレート２１Ａ，２２Ａと合成樹脂製の各フレーム２３〜２５間の気密的接合は的確であって、プレスプレート２１Ａ，２２Ａの凹凸状の各溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈが形成する燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路から外部へのガス漏洩、冷却水の漏洩を確実に防止することができる。従って、これらの各セパレータ２０Ａを構成部材とする当該燃料電池は、軽量、小型、安価で、かつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の漏洩のおそれがないものとなる。
【００３９】
ところで、当該燃料電池の各電池機能部Ａを構成するセパレータにおいては、接合体３０の一側に燃料ガス流路を形成する第１のセパレータと、接合体３０の他側に酸化剤ガス流路を形成する第２のセパレータとを一体とした合体のセパレータ２０Ａを採用して、第１プレスプレート２１Ａと第２プレスプレート２２Ａ間に冷却水流路を構成している。このため、各電池機能部Ａを従来に比較してよりコンパクトに構成することができる。
【００４０】
また、各電池機能部Ａにおいては、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路を複数回折り返し状に形成しているため、ガス拡散性能の向上、反応生成水の排出性能の向上、冷却性能の向上等、電池性能を向上させる多くの要因を創出することができる。また、各溝部を構成する溝本数を折り返し毎に減少させるように形成しているため、換言すれば、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の折り返し部位でのガスが流入する流路の断面積を、ガスの上流側より下流側ほど小さく設定しているため、各ガスの上流側での圧損の低減、下流側での高速流の確保等を図ることができる。
【００４１】
なお、各電池機能部Ａにおいては、第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａの凹部からなる溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈのうちの長尺に形成する溝部の本数、配置を適宜設定することにより、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路の回折り返し回数を所望の回数に設定して、電池性能をさらに向上させることができる。また、第１，第２プレスプレート２１Ａ，２２Ａを同一形状に形成してもよく、これにより、電池機能部の生産性の向上を図ることができる。また、第１プレスプレート２１Ａ，第２プレスプレート２２Ａの溝部２１ｇ，２１ｈと溝部２２ｇ，２２ｈの深さを適宜変更することにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量比にあわせた低圧損で、かつコンパクトな構成とすることができる。
【００４２】
図１２〜図１９には、電池機能部の他の実施態様を示している。当該電池機能部Ｂにおいては、第１，第２プレスプレート２１Ｂ，２２Ｂが有する複数条の凹部からなる溝部２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈが、左右に交互に位置をずらして形成されているもので、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷却水流路の折り返し回数を最大限に設定しているものである。当該電池機能部Ｂにおいては、図１２〜図１９が電池機能部Ａにおける図４〜図１１に対応するもので、同一の構成部材および同一の構成部については、図４〜図１１に表示している符号と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。しかして、電池機能部Ｂを構成部材とする燃料電池においても、上記した燃料電池と同様の作用効果を奏するものである。
【００４３】
当該電池機能部Ｂでは、各プレスプレート２１Ｂ，２２Ｂが有する複数条の凹部からなる溝部を、電池機能部Ａの各プレスプレート２１Ａ，２２Ａが有する複数条の凹部からなる溝部の形状とは変化させることにより、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路の断面積、および、これら流路の折り返し回数を変更しているものであるが、図２０には、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却水流路の断面積、および、これら流路の折り返し回数をさらに変更させた他の電池機能部Ｃの例を示している。
【００４４】
図２０は、電池機能部Ｃの図７および図１５に対応する縦断面図であり、電池機能部Ｂに対して、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の断面積は類似に、折り返し回数は同一にしているが、冷却水流路は折り返し回数を零にして流路の断面積を全く異にしている。なお、同図に示す符号中、２０Ｃはセパレータ、２１Ｃは第１プレスパネル、２２Ｃは第２プレスプレートである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】同燃料電池を構成する電池機能部の一実施態様の分解斜視図である。
【図３】同電池機能部を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図４】同電池機能部の第１フレーム側からみた正面図である。
【図５】同電池機能部の図４における５−５線で切断した拡大端面図である。
【図６】同電池機能部の図４における６−６線で切断した拡大端面図である。
【図７】同電池機能部の図４における７−７線で切断した拡大断面図である。
【図８】同電池機能部の図４における８−８線で切断した拡大端面図である。
【図９】同電池機能部の図４における９−９線で切断した拡大端面図である。
【図１０】同電池機能部の図４における１０−１０線で切断した拡大端面図で
【図１１】同電池機能部の第１プレスプレートの正面側の燃料ガス流路を示す第１フレーム側からみた正面図（ａ）、第１プレスプレートの背面側の冷却水流路を示す第１プレスプレート側からみた正面図（ｂ）、および、第２プレスプレートの背面側の酸化剤ガス流路を示す第２プレスプレート側からみた正面図（ｃ）である。
【図１２】同燃料電池を構成する他の実施態様の電池機能部の第１フレーム側からみた正面図である。
【図１３】同電池機能部の図１２における１３−１３線で切断した拡大端面図である。
【図１４】同電池機能部の図１２における１４−１４線で切断した拡大端面図である。
【図１５】同電池機能部の図１２における１５−１５線で切断した拡大端面図である。
【図１６】同電池機能部の図１２における１６−１６線で切断した拡大端面図である。
【図１７】同電池機能部の図１２における１７−１７線で切断した拡大端面図である。
【図１８】同電池機能部の図１２における１８−１８線で切断した拡大端面図である。
【図１９】同電池機能部の第１プレスプレートの正面側の燃料ガス流路を示す第１フレーム側からみた正面図（ａ）、第１プレスプレートの背面側の冷却水流路を示す第１プレスプレート側からみた正面図（ｂ）、および、第２プレスプレートの背面側の酸化剤ガス流路を示す第２プレスプレート側からみた正面図（ｃ）である。
【図２０】同燃料電池を構成するさらに他の実施態様の電池機能部を示す図７および図１５に対応する縦断面図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ…電池機能部、ｒ1，ｒ2…連通路、１１ａ，１１ｂ…集電板、１２ａ，１２ｂ…支持板、１３…取付ボルト、１４ａ…燃料ガスの流入マニホールド、１４ｂ…燃料ガスの流出マニホールド、１５ａ…酸化剤ガスの流入マニホールド、１５ｂ…酸化剤ガスの流出マニホールド、１６ａ…冷却水の流入マニホールド、１６ｂ…冷却水の流出マニホールド、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…セパレータ、２１Ａ，２２Ａ、２１Ｂ，２２Ｂ、２１Ｃ，２２Ｃ…プレスプレート、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…燃料ガスの流通孔、２１ｃ，２１ｄ、２２ｃ，２２ｄ…酸化剤ガスの流通孔、２１ｅ，２１ｆ、２２ｅ，２２ｆ…冷却水の流通孔、２１ｇ，２１ｈ、２２ｇ，２２ｈ…溝部、２３，２４，２５…フレーム、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂ…燃料ガスの流通孔、２３ｃ，２３ｄ、２４ｃ，２４ｄ、２５ｃ，２５ｄ…酸化剤ガスの流通孔、２３ｅ，２３ｆ、２４ｅ，２４ｆ、２５ｅ，２５ｆ…冷却水の流通孔、２３ｇ，２４ｇ，２５ｇ…開口部、２３ｈ…燃料ガスの流入路、２３ｉ…燃料ガスの流出路、２４ｈ…酸化剤ガスの流入路、２４ｉ…燃料ガスの流出路、２５ｈ…冷却水の流入路、２５ｉ…冷却水の流出路、３０…接合体、３１…固体電解質膜、３２…電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel cell using a fuel gas and an oxidant gas as a reaction gas.
[0002]
[Prior art]
  As one type of fuel cell using a fuel gas and an oxidant gas as a reaction gas, a joined body formed by joining electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between a first separator and a second separator.DoubleThere are fuel cells having a number of battery functions. In the fuel cell of this type, for example, the first separator forms a fuel gas flow path through which the fuel gas flows on one surface side of the joined body, and the second separator on the other surface side of the joined body. An oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows is formed, and both the separators form a cooling water flow path to which cooling water is supplied to the joint side of each other. Electric power is generated by an oxidation-reduction reaction of the agent gas, and the generated electric power is led out to the outside through, for example, a current collecting plate located on the outermost side.
[0003]
  By the way, each separator constituting the conventional fuel cell of this type uses a carbon plate as a forming material, and should form a large number of grooves constituting a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, and a cooling water flow path. A carbon plate with both sides machined is used. As the carbon plate, a sintered carbon plate impregnated with a phenol resin or a resin-molded carbon plate is used. Such separators are heavy due to the materials and are extremely expensive in terms of material and processing costs, and the use of a large number of such separators increases the weight and cost of such fuel cells. It is a factor that leads to.
[0004]
  In order to cope with this, a fuel cell intended to reduce the cost by constituting each separator with a metal plate and to significantly reduce the cost of the fuel cell of this type is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-233220. ing. The fuel cell employs two types of structures formed by laser beam welding of a plurality of metal plates as an uncooled separator and a cooled separator, respectively.
[0005]
  The uncooled separator is composed of a metal press plate formed into a concavo-convex shape by pressing and two metal mask plates joined on both sides of the press plate. The surfaces are joined by laser beam welding.
[0006]
  The cooling separator is made of a metal flat plate, two metal press plates formed in an uneven shape by pressing and bonded to both sides of the flat plate, and a metal bonded to the outer surface side of each press plate. It consists of two mask plates, and is configured to be joined by laser beam welding at the joining surface of the flat plate, each press plate, and each mask plate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  Each of these separators uses a metal plate as a forming material, and is light and inexpensive in terms of material, and is formed by performing press molding, laser beam welding, etc. Even cheaper. For this reason, the fuel cell which uses these separators as a constituent member has an advantage that it can be provided at a lower cost and at a lower cost than conventional fuel cells using carbon plates as separators.
[0008]
  However, each separator constituting the fuel cell is configured by joining each press plate and each mask plate, and a flat plate, each press plate, and each mask plate by laser beam welding at a number of joining surfaces. In addition to low productivity, leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling water from each joint is inevitable.
[0009]
  Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell that is lightweight, small, and inexpensive, and that does not have the risk of leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling water.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention relates to a fuel cell using a fuel gas and an oxidant gas as a reaction gas. The fuel cell according to the present invention includes a first separator and a second assembly formed by joining electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane. It is composed of sandwiched by separatorsDoubleA fuel cell having a number of cell function units, wherein each of the separators is configured as follows.
[0011]
  That is, the first separator has a metal press plate having a plurality of concave portions that are alternately provided on the front and back surfaces and having a cross-sectional uneven shape, and an opening having a predetermined size inside. And press plateFront and back sidesA frame made of a synthetic resin sandwiched from the opening of the frame on one side of the joined bodyDirection in which each of the grooves extendsOn both edgesA communication path formed to intersect each of the groovesA fuel gas flow path composed of a plurality of parallel groove portions communicating with each other is formed, and the second separator has a groove portion composed of a plurality of concave portions which have an uneven cross-sectional shape and are alternately arranged on the front and back. A metal press plate and an opening of a predetermined size inside, the press plateFront and back sidesAn opening of the frame on the other surface side of the joined body.Direction in which each of the grooves extendsOn both edgesA communication path formed to intersect each of the groovesForming an oxidant gas flow path composed of a plurality of parallel groove sections communicating with each other, and these separators form a cooling water flow path composed of a plurality of groove sections parallel to each other on the joint side, Any or all of the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling water flow path formed by a plurality of parallel grooves on the press plate are provided at the opening of the frame.One communication path in the communication path on both side edgesExtend the groove part of the press plate in the middleBy blocking with the uneven shape of the groove part, the flow pathIt is formed in the folded shape which has a folding | turning site | part in the middle.
[0012]
  According to the present inventionIn fuel cells,The first separator and the second separatorAre joined to each other on the side where the cooling water flow path is formed.The united separator can be configured, and the united separator is configured as follows.
[0013]
  That is, the coalesced separator has a metal press plate having a plurality of recesses formed in parallel on the front and back sides, each having an uneven cross-sectional shape, and an opening having a predetermined size inside. Each of these press platesFront and back sidesIs composed of three synthetic resin frames sandwiching both the press plates and arranged alternately with the joined body, and a plurality of strips parallel to each other between the press plates. A cooling water flow path composed of a groove is formed, a fuel gas flow path composed of a plurality of grooves parallel to each other is formed on one surface side of one joined body, and the other surface side of the other joined body is mutually connected. One of a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, and a cooling water flow path formed by a plurality of parallel groove sections of each press plate, wherein the oxidant gas flow path is formed of a plurality of parallel groove sections. All the channels are connected to the opening of the frame.One communication path in the both communication paths on both side edgesExtend the groove part of the press plate in the middleBy blocking with the uneven shape of the groove part, the flow pathIt is formed in the folded shape which has a folding | turning site | part in the middle.
[0014]
  In the fuel cell according to the present invention, any or all of the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling water flow path formed by each groove portion formed of the recess of the press plate are formed in a folded shape. It is. In the fuel cell, the flow path composed of a plurality of grooves parallel to each other extends a predetermined length toward both end edges in the opening of the frame and is formed on both end edges of the opening.Communication pathAnd one end of the plurality of recesses formed in the press plate is extended to one end edge side of the opening of the frame toCommunication pathThe channel can be formed in a folded shape by shutting off in the middle. Also, by shifting the recesses constituting the flow path toward the one end edge side and the other end edge side of the opening of the frame,Fold the partCan be formed.
[0015]
  In the fuel cell according to the present invention, one or more recesses constituting the flow path are extended to one end edge side of the opening of the frame, and the one on the one end edge side is extended.Communication pathAnd one or more strips of the other recess are extended to the other end edge side of the opening of the frame toCommunication pathCan be formed in a multi-stage folded shape. In this case, the cross-sectional area of the flow path into which the gas flows at the folded portion of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path can be set to be smaller from the upstream side to the downstream side of the gas. .
[0016]
[Operation and effect of the invention]
  The fuel cell according to the present invention is made of a synthetic resin that sandwiches a metal press plate having a plurality of concave and convex grooves and the same press plate from both sides as a first separator and a second separator that are main constituent members thereof. The separator is made of a metal plate, and the separator is formed of a metal plate and a synthetic resin frame, which are light and inexpensive in terms of material. Further, the press plate and the frame need only be laminated or polymerized with an adhesive interposed therebetween, and the separator does not require a welding means for the joint portion between the metal press plates, and the productivity is extremely high. In addition, airtight joining between the metal press plate and the synthetic resin frame is made precisely, and the fuel gas flow path, oxidant gas flow path, and cooling water flow path formed by the uneven grooves of the press plate Gas leakage to outside and leakage of cooling water can be reliably prevented.
[0017]
  Therefore, the fuel cell according to the present invention using each of these separators as a constituent member is light, small, and inexpensive, and has no risk of leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling water.
[0018]
  In the fuel cell according to the present invention, the first separator and the second separator can be used as a combined separator that is combined with each other. The united separator is composed of two metal press plates and three synthetic resin frames that are positioned on both sides of each plate and sandwich the two press plates. Alternatingly arranged, a cooling water flow path is formed between both press plates, and a fuel gas flow path is formed on one surface side of one joined body, and on the other surface side of the other joined body. An oxidant gas flow path is formed.
[0019]
  In this configuration, one frame of the first separator and the other frame of the second separator are used in common, and by combining both separators, both separators can be formed into an integrated small size, and lightweight and inexpensive. As a result, the fuel cell can be configured to be lighter, smaller, and less expensive.
[0020]
  In these fuel cells according to the present invention, a press plateConsisting of multiple recessesAny or all of the fuel gas flow path, oxidant gas flow path, and cooling water flow path formed by each groove are formed in a folded shape.Fuel gas, oxidant gas, cooling water, etc.The battery performance can be enhanced by increasing the contact efficiency with the joined body, and the battery performance can be enhanced by increasing the contact efficiency and the cooling efficiency with the cooled portion of the cooling water.In this case, by extending one or more strips of each groove portion comprising the recesses constituting each flow channel in the length direction, etc.,The flow path can be easily formed in a folded shape.
[0021]
  In the fuel cell according to the present invention,If the cross-sectional area of the flow path into which the gas flows at the folded portion of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is set to be smaller from the upstream side to the downstream side of the gas, And gas flow rate of oxidant gasWhile being able to adjust appropriately, the state of a flow can be made uniform, and the state which can be biased to a desired site | part can be produced, and battery performance can be improved further.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a fuel cell according to the present invention. The fuel cell is formed by arranging a plurality of battery function parts A in parallel, and conductive current collecting plates 11a and 11b in which all the battery function parts A arranged in parallel are arranged on both the left and right sides. And it is assembled by tightening with a plurality of mounting bolts 13 in a state of being sandwiched between insulating support plates 12a and 12b.
[0023]
  FIG. 2 is an exploded perspective view showing an embodiment of a battery function unit constituting the fuel cell. The battery function unit A includes a separator 20A and a joined body 30, and the joined body 30 is composed of two separators 20A. It is 1 unit in the clamped state. Therefore, in the fuel cell, the separator 20A and the joined body 30 are alternately arranged to constitute the fuel cell. The separator 20A is a combined separator in which the first separator and the second separator in the present invention are integrated.
[0024]
  The joined body 30 is formed by joining electrodes 32 to both surfaces of a solid electrolyte membrane 31, and an ion permeable membrane made of a fluororesin is adopted as the solid electrolyte membrane 31, and platinum or platinum is formed on both surfaces of the ion permeable membrane. A carbon powder carrying an alloy is applied and made of carbon cloth or the like, or an electrode 32 is joined.
[0025]
  As shown in FIGS. 2 and 3, the separator 20A includes two first and second press plates 21A and 22A having different shapes, and three first, second and third frames 23 and 24 having different shapes. , 25. Each press plate 21A, 22A is made of metal such as stainless steel, iron, copper, aluminum, and each frame 23, 24, 25 is made of thermosetting resin such as epoxy resin or phenol resin, polypropylene, It is made of a synthetic resin such as a thermoplastic resin such as polyethylene.
[0026]
  Each of the press plates 21A and 22A is a rectangular plate. The upper left and lower left side portions of the press plate 21A and 22A are provided with flow holes 21a, 21b, 22a and 22b constituting the fuel gas inflow manifold 14a and the outflow manifold 14b. Further, flow holes 21c, 21d, 22c, and 22d constituting the oxidant gas inflow manifold 15a and the outflow manifold 15b are formed in the lower right side portion, and the cooling water inflow manifold 16a and the outflow manifold 16b are formed in the middle portion of the left and right side portions. With circulation holes 21e, 21f, 22e, 22fOn both sides of the centerA large number of grooves 21g, 21h, 22g, 22h are provided. The groove portions 21g, 21h, 22g, and 22h of the press plates 21A and 22A are alternately turned up and down on the front and back of the plate surface by pressing.It consists of the recessed part currently formed.In the first press plate 21A, of the multiple groove portions 21g and 21h, the two groove portions 21g1 and 21h1 are formed longer than the other groove portions 21g and 21h by a predetermined length to the left in the drawing, and the two groove portions 21g2 21h2 is formed longer than the other grooves 21g and 21h by a predetermined length to the right in the figure. The same applies to the second press plate 22A.
[0027]
  Each of the frames 23, 24, 25 is a rectangular plate having the same size as each of the press plates 21A, 22A, and the flow holes that constitute the fuel gas inflow manifold 14a and the outflow manifold 14b on the upper right side and the lower left side. 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b are provided on the upper left side and the lower right side, and flow holes 23c, 23d, 24c, 24d, 25c, 25d constituting the oxidant gas inflow manifold 15a and the outflow manifold 15b are provided. In addition, flow holes 23e, 23f, 24e, 24f, 25e, and 25f that constitute the cooling water inflow manifold 16a and the outflow manifold 16b are provided in the middle of the left and right side portions, and rectangular openings 23g, 24g, 25g.
[0028]
  In the openings 23g, 24g, and 25g of the frames 23, 24, and 25, the upper and lower widths in the figure are substantially the same as the widths of the groove portions 21g, 21h, 22g, and 22h of the press plates 21 and 22. The left and right widths formed in the figure are substantially the same as the width of the gap between the tips of the grooves 21g1, 21h1 and the tips of the grooves 21g2, 21h2.
[0029]
  Of the frames 23, 24 and 25, the first frame 23 includes a fuel gas inflow passage 23h having a predetermined width extending in a horizontal direction from the flow hole 23a constituting the fuel gas inflow manifold 14a to the opening 23g, and a fuel. A fuel gas outflow passage 23i having a predetermined width extending in the horizontal direction from the flow hole 23b constituting the gas outflow manifold 14b to the opening 23g is formed. In the second frame 24, an oxidant gas inflow passage 24h having a predetermined width extending from the flow hole 24c constituting the oxidant gas inflow manifold 15a to the opening 24g in the horizontal direction and an oxidant gas outflow manifold 15b are formed. An oxidant gas outflow passage 24i having a predetermined width extending in the horizontal direction from the flowing hole 24d to the opening 24g is formed. In the third frame 25, a cooling water inflow passage 25h having a predetermined width extending downwardly from the flow hole 25e constituting the cooling water inflow manifold 16a to the opening 25g and a flow constituting the cooling water outflow manifold 16b. A cooling water outflow passage 25i having a predetermined width extending upwardly from the hole 25f to the opening 25g is formed.
[0030]
  In the separator 20A, as shown in FIG. 3, the first frame 23, the first pre-frease plate 21A, the third frame 25, the second press plate 22A, and the second frame 24 are superposed on each other and bonded between these members. It is configured to be joined via an agent. As shown in FIG. 2, the battery function unit A is configured by polymerizing each separator 20 </ b> A on each surface side of the joined body 30 and joining them with an adhesive interposed therebetween. FIG. 4 shows a front view of the battery functional unit A configured as described above, and FIGS. 5 to 10 show cross-sectional views of the battery functional unit A, respectively.
[0031]
  In FIG. 11, a fuel gas flow path (a in FIG. 11) formed by the first frame 23 and the first press plate 21 </ b> A in the battery function unit A is formed by the first press plate 21 </ b> A and the third frame 25. A cooling water flow path (b in the same figure) is shown, and an oxidizing gas flow path (c in the same figure) formed by the second press plate 22A and the second frame 24 is shown. In the fuel cell having such a configuration, the grooves 21g, 22h, 22g, and 22h of the press plates 21A and 22A have a predetermined length toward the left and right edges of the openings 23g, 24g, and 25g in the frames 23, 24, and 25, respectively. Extending between the left edge of the openings 23g, 24g, 25g and the left edge of each of the grooves 21g, 22h, 22g, 22h, and the right edge of each of the openings 23g, 24g, 25g and each groove Fuel gas, oxidant gas, or cooling water circulates between the right end portions of 21g, 22h, 22g, and 22h.Left communication passage r1andA right communication path r2 is formed.
[0032]
  In the battery function part A, the separators 20A are positioned with the joined body 30 interposed therebetween, the press plates 21A and 22A are in contact with the front and back surfaces of the joined body 30, and the press plates 21A and 22A are in contact with each other. is doing. In this state, a large number of fuel gas passages through which fuel gas flows are formed between the joined body 30 and the first press plate 21A by the respective groove portions 21g. A large number of oxidant gas flow paths through which the oxidant gas flows are formed by the grooves 22h, and the grooves 21h of the first press plate 21A and the grooves of the second press plate 22A are formed between the press plates 21A and 22A. A large number of cooling water passages through which cooling water flows are formed by 22 g.In the separator 20A having such a configuration, the first frame 23, the first pre-fresh plate 21A, and the third frame 25 constitute the first separator defined in the present invention, and the third frame 25, the second press plate 22A, and the second frame The two frames 24 constitute a second separator defined by the present invention, and the third frame 25 is a common constituent member. Therefore, the separator 20A is a united separator in which the first separator and the second separator are polymerized and joined to each other on the side forming the cooling water flow path.
[0033]
  As shown in FIG. 11A, the fuel gas flow path formed between the first press plate 21A and the joined body 30 communicates with the fuel gas inflow path 23h and the outflow path 23i formed by the first frame 23. The passages r2 and r1 communicate with each other, and the communication passages r1 and r2 have long grooves 21h1 and 21h2 (Uneven shape of groove)And is formed into a two-folded flow path between the fuel gas inflow path 23h and the outflow path 23i.
[0034]
  As shown in FIG. 11C, the oxidant gas flow path formed between the second press plate 22A and the joined body 30 includes an oxidant gas inflow path 24h and an outflow path 24i formed by the second frame 24. InVia communication paths r1 and r2Communicated,The communication paths r1 and r2The long groove portions 22g1 and 22g2 are cut off and formed into a two-folded flow path between the oxidant gas inflow path 24h and the outflow path 24i.
[0035]
  The cooling water flow path formed between the first and second press plates 21A and 22A is formed in a cooling water inflow path 25h and an outflow path 25i formed by the third frame 25, as shown in FIG.Via communication paths r2 and r1Communicated,The communication paths r2 and r1 are in the middleAre cut off by the long grooves 21g1 and 21g2, and are formed into a two-folded flow path between the inflow path 25h and the outflow path 25i of the cooling water.
[0036]
  As shown in FIG. 1, the battery function part A is superposed in parallel on the left and right sides, and as shown in FIG. 1, conductive current collecting plates 11a and 11b and insulating support plates 12a and 12b arranged on both the left and right sides. In this state, the fuel cell is constructed by being fastened and assembled by a plurality of mounting bolts 13. During operation of the fuel cell, hydrogen is supplied to the fuel gas inflow manifold 14a, air is supplied to the oxidant gas inflow manifold 15a, and cooling water is supplied to the cooling water manifold 16a. The
[0037]
  In each cell function part A, the hydrogen supplied to the fuel gas inflow manifold 14a flows through the fuel gas flow path formed on the joined body 30 side in each groove part 21g of the first press plate 21A, and flows into the fuel gas. Into the outflow manifold 14b and out through the fuel gas outflow manifold 14b. The air supplied to the oxidant gas inflow manifold 15a flows through the oxidant gas flow path formed on the joined body 30 side in each groove 22h of the second press plate 22A, and flows to the oxidant gas outflow manifold 15b. It flows in and flows out through the oxidant gas outlet manifold 15b. The cooling water supplied to the cooling water inflow manifold 16a flows between the press plates 21A and 22A through the cooling water flow paths formed by the grooves 21h and 22g and flows into the cooling water outflow manifold 16b. , And flows out through the cooling water outflow manifold 16b. In the meantime, in each battery functional unit, electric power is generated by an oxidation-reduction reaction between hydrogen and air sandwiching the joined body 30, and the generated electric power is supplied to the press plates 21A and 22A and the outermost current collecting plates 11a and 11b. Is derived through
[0038]
  Thus, the fuel cell functions in the same manner as a conventional fuel cell of this type, but the separator 20A, which is the main component of each cell function part A, is pressed into metal press plates 21A and 22A. And frames 23 to 25 made of synthetic resin. Therefore, the material for forming the separator 20 is a metal plate and a synthetic resin frame, which are light and inexpensive in terms of material. Further, the press plates 21A and 22A and the frames 23 to 25 need only be laminated or superposed with an adhesive interposed therebetween, and the separator 20A does not require welding at the joint between the metal press plates 21A and 22A. And productivity is extremely high. Further, the airtight connection between the metal press plates 21A and 22A and the synthetic resin frames 23 to 25 is accurate, and the uneven grooves 21g, 21h, 22g and 22h of the press plates 21A and 22A are provided. Gas leakage to the outside from the formed fuel gas channel, oxidant gas channel, and cooling water channel, and leakage of cooling water can be reliably prevented. Therefore, the fuel cell including each of the separators 20A as a constituent member is light, small, and inexpensive, and does not have a risk of leakage of fuel gas, oxidant gas, and cooling water.
[0039]
  By the way, in the separator which comprises each cell function part A of the said fuel cell, the 1st separator which forms a fuel gas flow path in the one side of the joined body 30, and the oxidant gas flow path in the other side of the joined body 30 The combined separator 20A is integrally formed with the second separator forming the cooling water, and a cooling water flow path is configured between the first press plate 21A and the second press plate 22A. For this reason, each battery function part A can be comprised more compactly compared with the past.
[0040]
  Moreover, in each battery function part A, since the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling water flow path are formed in a plurality of folds, the gas diffusion performance is improved and the reaction product water discharge performance is improved. Many factors that improve battery performance, such as improved cooling performance, can be created. In addition, because the number of grooves constituting each groove portion is formed so as to decrease every turn,In other words, since the cross-sectional area of the flow path into which the gas flows at the folded portion of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is set smaller toward the downstream side than the upstream side of the gas,It is possible to reduce pressure loss on the upstream side of each gas, secure a high-speed flow on the downstream side, and the like.
[0041]
  In each battery function part A, the first and second press plates 21A, 22AConsists of recessesBy appropriately setting the number and arrangement of the elongated groove portions among the groove portions 21g, 21h, 22g, and 22h, the number of times of diffracting of the fuel gas flow channel, the oxidant gas flow channel, and the cooling water flow channel can be set as desired. The battery performance can be further improved. Moreover, you may form 1st, 2nd press plate 21A, 22A in the same shape, and can aim at the improvement of productivity of a battery function part by this. Further, by appropriately changing the depths of the groove portions 21g and 21h and the groove portions 22g and 22h of the first press plate 21A and the second press plate 22A, the low pressure loss according to the flow rate ratio of the fuel gas and the oxidant gas can be obtained. It can be set as a compact structure.
[0042]
  12 to 19 show other embodiments of the battery function unit. In the battery function part B, the first and second press plates 21B, 22BConsisting of multiple recessesThe groove portions 21g, 21h, 22g, and 22h are formed by alternately shifting the positions on the left and right sides, and the number of times the fuel gas passage, the oxidant gas passage, and the cooling water passage are folded back is set to the maximum. Is. In the battery function unit B, FIGS. 12 to 19 correspond to FIGS. 4 to 11 in the battery function unit A, and the same components and the same components are displayed in FIGS. 4 to 11. The same reference numerals are used and detailed description thereof is omitted. Therefore, the fuel cell having the cell function part B as a constituent member also has the same effect as the above fuel cell.
[0043]
  In the battery function part B, each press plate 21B, 22BConsisting of multiple recessesThe groove is formed by pressing each of the press plates 21A and 22A of the battery function unit AConsisting of multiple recessesBy changing the shape of the groove, the cross-sectional area of the fuel gas flow channel, the oxidant gas flow channel, the cooling water flow channel, and the number of turns of these flow channels are changed. Further, an example of another battery function unit C in which the cross-sectional areas of the fuel gas flow channel, the oxidant gas flow channel, the cooling water flow channel, and the number of times of folding of the flow channels are further changed is shown.
[0044]
  FIG. 20 is a longitudinal sectional view of the battery function unit C corresponding to FIGS. 7 and 15, and the cross-sectional areas of the fuel gas channel and the oxidant gas channel are similar to the battery function unit B, and Are the same, but the cooling water flow path has a completely different cross-sectional area with zero folding. In addition, in the code | symbol shown in the figure, 20C is a separator, 21C is a 1st press panel, 22C is a 2nd press plate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell according to an example of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of one embodiment of a battery function unit constituting the fuel cell.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a separator constituting the battery function unit.
FIG. 4 is a front view of the battery function unit as seen from the first frame side.
5 is an enlarged end view taken along line 5-5 in FIG. 4 of the battery function unit.
6 is an enlarged end view taken along line 6-6 in FIG. 4 of the battery function unit.
7 is an enlarged cross-sectional view of the battery function unit taken along line 7-7 in FIG.
8 is an enlarged end view of the battery functional unit taken along line 8-8 in FIG.
9 is an enlarged end view of the battery function section taken along line 9-9 in FIG.
10 is an enlarged end view taken along line 10-10 in FIG. 4 of the battery function unit.
FIG. 11A is a front view showing a fuel gas flow path on the front side of the first press plate of the battery function unit as viewed from the first frame side, and FIG. 11 is a first view showing a cooling water flow path on the back side of the first press plate. They are the front view (b) seen from the press plate side, and the front view (c) seen from the 2nd press plate side which shows the oxidizing gas flow path of the back side of the 2nd press plate.
FIG. 12 is a front view of a battery functional unit of another embodiment constituting the fuel cell as viewed from the first frame side.
13 is an enlarged end view taken along line 13-13 in FIG. 12 of the battery function unit.
14 is an enlarged end view of the battery functional unit taken along line 14-14 in FIG.
15 is an enlarged end view taken along line 15-15 in FIG. 12 of the battery function unit.
16 is an enlarged end view taken along line 16-16 in FIG. 12 of the battery function unit.
17 is an enlarged end view taken along line 17-17 in FIG. 12 of the battery function unit.
18 is an enlarged end view taken along line 18-18 in FIG. 12 of the battery function unit.
FIG. 19A is a front view showing the fuel gas flow path on the front side of the first press plate of the battery function unit as viewed from the first frame side, and FIG. 19 is a first view showing the cooling water flow path on the back side of the first press plate. They are the front view (b) seen from the press plate side, and the front view (c) seen from the 2nd press plate side which shows the oxidizing gas flow path of the back side of the 2nd press plate.
FIG. 20 is a longitudinal sectional view corresponding to FIGS. 7 and 15 showing a battery functional unit of still another embodiment constituting the fuel cell.
[Explanation of symbols]
A, B, C ... Battery function part, r1, r2 ...Communication path11a, 11b ... current collector plate, 12a, 12b ... support plate, 13 ... mounting bolt, 14a ... fuel gas inflow manifold, 14b ... fuel gas outflow manifold, 15a ... oxidant gas inflow manifold, 15b ... oxidant Gas outflow manifold, 16a ... Cooling water inflow manifold, 16b ... Cooling water outflow manifold, 20A, 20B, 20C ... Separator, 21A, 22A, 21B, 22B, 21C, 22C ... Press plate, 21a, 21b, 22a, 22b ... Fuel gas flow holes, 21c, 21d, 22c, 22d ... Oxidant gas flow holes, 21e, 21f, 22e, 22f ... Cooling water flow holes, 21g, 21h, 22g, 22h ... Groove parts, 23, 24 , 25 ... Frame, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b ... Fuel gas flow holes, 3c, 23d, 24c, 24d, 25c, 25d ... oxidant gas flow holes, 23e, 23f, 24e, 24f, 25e, 25f ... cooling water flow holes, 23g, 24g, 25g ... openings, 23h ... fuel gas , 23i: Fuel gas outflow path, 24h: Oxidant gas inflow path, 24i ... Fuel gas outflow path, 25h ... Cooling water inflow path, 25i ... Cooling water outflow path, 30: Joint, 31 ... Solid electrolyte membrane, 32 ... Electrode.

Claims

A fuel cell having a plurality of cell function parts configured by sandwiching a joined body formed by joining electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane between a first separator and a second separator, wherein the first separator has a cross section A metal press plate having a plurality of concave portions that are alternately provided on the front and back sides in an uneven shape, and an opening of a predetermined size inside, and sandwiching the press plate from both the front and back sides A frame made of a synthetic resin that communicates with a communication path formed on one surface side of the joined body and intersecting the groove portions on both side edges in the direction in which the groove portions extend in the opening of the frame. The second separator is a gold gas having a plurality of recesses arranged in parallel and alternately arranged on the front and back sides of the second separator. And manufacturing a press plate, made of the press plate made of synthetic resin for clamping from both sides the side frames have a predetermined size of an opening therein, the frame on the other side of the joint body Forming an oxidant gas flow path composed of a plurality of parallel groove portions communicating with a communication path formed crossing the groove portions on both side edges in the direction in which the groove portions extend in the opening; and The separator forms a cooling water flow path composed of a plurality of grooves parallel to each other on the joint side, and a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, a cooling formed by the plurality of parallel groove grooves of each press plate any or all of the flow path of the water flow path, said end edge one middle concave of the same by extending the groove groove with the pressing plate of the communicating path at the communication passage of the opening of the frame By blocking in shape, fuel cell characterized by being formed to the folded shape having a folded portion in the middle of the channel.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first separator and the second separator are united separators that are polymerized and joined to each other on a side where the cooling water flow path is formed, and the united separator has an uneven cross section. Two metal-made press plates having a plurality of concave portions that are alternately formed on the front and back sides in parallel, and both sides of each press plate having an opening of a predetermined size inside. A plurality of synthetic resin frames which are positioned on the side and sandwich the two press plates with each other, and are alternately arranged with the joined body, and are parallel to each other between the press plates. Forming a cooling water flow path consisting of a plurality of grooves, forming a fuel gas flow path consisting of a plurality of grooves parallel to each other on one surface side of one joined body, and on the other surface side of the other joined body Any one of a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, and a cooling water flow path formed by a plurality of parallel groove sections of each press plate is formed. Alternatively, all of the flow paths are blocked by the concave and convex shape of the groove portion by extending the groove portion of the press plate in the middle of one of the communication passages on the both end edge sides of the opening of the frame. Thus, the fuel cell is formed in a folded shape having a folded portion in the middle of the flow path .

3. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path formed of a plurality of grooves parallel to each other extends a predetermined length toward the both end edges in the opening of the frame and is formed on the both end edges. A plurality of recesses formed in the press plate are extended to one end edge side of the both end edges of the opening of the frame to interrupt the communication path on one end edge sideway. Thus, the fuel cell is formed in a folded shape having a folded portion in the middle of the flow path .

3. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path formed of a plurality of grooves parallel to each other extends a predetermined length toward the both end edges in the opening of the frame and is formed on the both end edges. One or more of the plurality of recesses formed in the press plate is extended to one end edge side of the both end edges of the opening of the frame to interrupt the communication path on one end edge side And by extending one or more strips of the other recesses to the other end edge side of the both end edges of the opening of the frame and blocking the communication path on the other end side in the middle. A fuel cell, wherein the fuel cell is formed in a folded shape of steps.

5. The fuel cell according to claim 4, wherein a cross-sectional area of a flow channel into which a gas flows at a folded portion of the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel is set to be smaller from the upstream side to the downstream side of the gas. A fuel cell characterized by comprising:

5. The fuel cell according to claim 4, wherein the folded shape of the flow path is formed by shifting a concave portion constituting the flow path toward one end edge side and the other end edge side of the both end edges of the opening of the frame. A fuel cell characterized by that.