JP4727910B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する発電セルを備え、前記発電セルには、積層方向に貫通して反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質(電解質膜)の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
上記の発電セルでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを気密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献1には、従来からのOリングによるシール構造が開示されている。すなわち、図11に示すように、電解質膜1の両面にアノード側電極2aおよびカソード側電極2bが配置された電解質膜・電極構造体3を、セパレータ4a、4bにより挟持するとともに、前記電解質膜1の周端部と前記セパレータ4a、4bとの間には、Oリング5a、5bが介装されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平8−148169号公報(段落[0008]、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
通常、発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガスおよび燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路とからなる。
【0007】
さらに、セパレータの周縁部には、該セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する反応ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔および燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する反応ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体流路に連通する冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔とが形成されている。
【0008】
この場合、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、シール部材により形成された連結流路を介して連通する構造が考えられる。例えば、図12に示すように、セパレータ6の一方の面6a内には、発電面に沿って反応ガス流路7aが形成されるとともに、積層方向に反応ガス連通孔7bが貫通形成されている。
【0009】
このセパレータ6の面6aには、シール部材8が配設されるとともに、前記シール部材8は、断続的に切り欠いた連結部8aを備えている。この連結部8a間には、反応ガス流路7aと反応ガス連通孔7bとを連通する連結流路7cが形成されている。セパレータ6の他方の面6bには、図示しない冷却媒体流路を密閉してシール部材9が設けられている。
【0010】
ここで、シール部材8、9は、反応ガスおよび冷却媒体のシール機能の他に発電セル面内の荷重バランスや発電セル毎の荷重バランスを均一化させるとともに、特に発電面内を必要な面圧に保持することによって、発電性能の安定化を図る必要がある。さらに、発電セル毎の間隙を均等にして流路断面積を一定にし、反応ガス連通孔7bおよび冷却媒体連通孔7dから分配される反応ガスおよび冷却媒体の流量を均一にすることにより、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図る必要がある。
【0011】
しかしながら、図12の構造では、反応ガス流路7aと反応ガス連通孔7bとの連結流路7cにおいて、シール部材8の連結部8aが断続的に設けられる一方、シール部材9のシール片部9aが前記連結部8aに対向して連続的に設けられている。このため、互いに対向する連結部8aとシール片部9aとでは、積層方向に付与される荷重に対して、それぞれの変形量(以下、シール変形量ともいう)が異なってしまう。従って、各シール部材8、9では、それぞれのシール高さが変動して流路断面積が不均一になり、シール性の低下やガス流路の閉塞による反応ガスの供給不良等が発生するという問題がある。
【0012】
また、薄板金属製のセパレータでは、シール線圧(荷重)のバランスが不均一になり、前記セパレータが積層方向に変形する場合がある。これにより、シール面圧や発電面圧が過剰または不足になって、簡単な構成で、所望の発電性能を発揮することができないという問題がある。
【0013】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの両面に設けられるシール部材の変形量を略均一にして、所望のシール機能および発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体とセパレータとを積層する複数の発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間に、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、互いに隣接する前記発電セルの各セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる。
【0015】
そして、セパレータの一方の面には、冷却媒体流路を密封する第1シールが設けられる一方、前記セパレータの他方の面には、反応ガス流路を密封する第2シールが設けられる。
【0016】
この場合、第2シールは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第1シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第1シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第1シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定される。ここで、シール重合部とは、セパレータを挟んで第2シールの受部に重なり合う第1シールの一部分をいう。
【0017】
一方、第1シールは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第2シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第2シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第2シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定される。ここで、シール重合部とは、セパレータを挟んで第1シールの受部に重なり合う第2シールの一部分をいう。
【0018】
このため、セパレータの両面において、第1シールと第2シールとの変形量が略同一になり、発電セル面内の荷重分布が均一になり、発電セル毎の荷重ばらつきが減少する。従って、発電性能の安定化を図るとともに、反応ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図ることができる。
【0019】
また、本発明の請求項3に係る燃料電池では、電解質・電極構造体は、電解質膜を第1および第2の電極で挟持するとともに、前記第1の電極が前記第2の電極よりも小さな表面積に設定されており、所謂、段差MEAを構成している。
【0020】
そして、第1シールは、第1の電極側の前記セパレータに設けられるとともに、電解質膜とセパレータとの間に配置される内側シールと、隣接するセパレータ間に配置される外側シールとを設ける。一方、第2シールは、第1シールの内側シールに対応する内側シールと、前記第1シールの外側シールに対応する外側シールとを設ける。これにより、発電セルの強度の向上を図るとともに、前記発電セル自体の薄型化が可能になる。
【0021】
さらに、受部とシール重合部とは、それぞれ略同一のシール線圧に設定される。シール線圧とは、単位長さ当たりの荷重をいう。これにより、簡単な構成で、発電セル内および各発電セル間の間隙が均等になって、安定した反応ガスおよび冷却媒体の連結(連通)機能とシール機能とを確保することができる。
【0022】
さらにまた、受部は、シール重合部と交差する方向に延在するシール長さが、前記シール重合部のシール幅寸法よりも長尺に構成されている。このため、簡単な構成で、第1および第2シールの変形量を略同一に設定することが可能になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10を構成する発電セル12の要部分解斜視説明図であり、図2は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層してスタック化された燃料電池10の要部断面説明図である。
【0024】
図2および図3に示すように、燃料電池10は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート14a、14bが配置される。エンドプレート14a、14bは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている発電セル12には、矢印A方向に所定の締め付け荷重が付与される。
【0025】
図1に示すように、発電セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16が、第1および第2金属セパレータ18、20に挟持されて構成される。第1および第2金属セパレータ18、20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、0.05mm〜1.0mmの範囲内に設定されている。
【0026】
発電セル12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
【0027】
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
【0028】
電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38およびカソード側電極40とを備える。アノード側電極38は、カソード側電極40よりも小さな表面積を有している。
【0029】
アノード側電極38およびカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜36の両面に接合されている。
【0030】
第1金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体16側の面18aには、例えば、矢印B方向に蛇行しながら鉛直上方向に延在する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)42が設けられる(図1および図4参照)。図5に示すように、第2金属セパレータ20の電解質膜・電極構造体16側の面20aには、後述するように、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、矢印B方向に蛇行しながら鉛直上方向(矢印C方向)に延在する燃料ガス流路(反応ガス流路)44が形成される。
【0031】
図1および図6に示すように、第1金属セパレータ18の面18bと第2金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路46が形成される。この冷却媒体流路46は、矢印B方向に直線状に延在する。
【0032】
図1および図4に示すように、第1金属セパレータ18の面18a、18bには、この第1金属セパレータ18の外周端部を周回して、第1シール部材50が一体化される。第1シール部材50は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【0033】
第1シール部材50は、第1金属セパレータ18の面18aに一体化される第1平面部52と、前記第1金属セパレータ18の面18bに一体化される第2平面部54とを備える。第2平面部54は、第1平面部52よりも長尺に構成される。
【0034】
図2に示すように、第1平面部52は、電解質膜・電極構造体16の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第2平面部54は、カソード側電極40に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図4に示すように、第1平面部52は、酸化剤ガス入口連通孔30aおよび酸化剤ガス出口連通孔30bを酸化剤ガス流路42に連通して形成される一方、第2平面部54は、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとを連通して形成される。
【0035】
第2金属セパレータ20の面20a、20bには、この第2金属セパレータ20の外周端部を周回して、第2シール部材56が一体化される。この第2シール部材56は、第2金属セパレータ20の外周端部に近接して面20aに設けられる外側シール(第1シール)58aを備え、この外側シール58aから内方に所定の距離だけ離間して内側シール(第1シール)58bが設けられる。
【0036】
外側シール58aおよび内側シール58bは、先端先細り形状(リップ形状)、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。外側シール58aは、第1金属セパレータ18に設けられている第1平面部52に接触する一方、内側シール58bは、電解質膜・電極構造体16を構成する固体高分子電解質膜36に直接接触する。
【0037】
図5に示すように、外側シール58aは、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32aおよび酸化剤ガス出口連通孔30bを囲繞する。内側シール58bは、燃料ガス流路44を囲繞するとともに、前記内側シール58bと外側シール58aとの間には、電解質膜・電極構造体16の外周端部が配置される。
【0038】
第2金属セパレータ20の面20bには、外側シール58aに対応する外側シール(第2シール)58cと、内側シール58bに対応する内側シール(第2シール)58dとが設けられる(図6参照)。外側シール58cおよび内側シール58dは、上記の外側シール58aおよび内側シール58bと同様の形状を有している。
【0039】
図5に示すように、外側シール58aは、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス流路42とを連通する入口連結部60と、酸化剤ガス出口連通孔30bと前記酸化剤ガス流路42とを連通させる出口連結部62とを備える。
【0040】
入口連結部60は、外側シール58aを矢印C方向に沿って断続的に切り欠くとともに、矢印B方向に延在する複数の受部64により構成される。各受部64間には、酸化剤ガス用の連通路が形成される。出口連結部62は、同様に外側シール58aを部分的に切り欠くとともに、矢印B方向に延在する複数の受部66を備える。各受部66間には、酸化剤ガス用の連通路が形成される。
【0041】
図7に示すように、入口連結部60の受部64と外側シール58cのシール重合部68とは、第2金属セパレータ20の両面20a、20bで互いに重なり合っている。シール重合部68とは、第2金属セパレータ20を挟んで外側シール58aの受部64に重なり合う外側シール58cの一部分をいう。受部64は、シール重合部68と交差する方向に延在しかつ前記シール重合部68のシール幅寸法、すなわち、外側シール58cのシール幅寸法よりも長尺に構成されており、前記受部64と前記シール重合部68とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【0042】
具体的には、各受部64とシール重合部68とは、略同一の単位長さ当たりの荷重、すなわち、シール線圧を有するとともに、前記受部64のシール長さL1とシール重合部68のシール長さL2とは、略同一の長さに設定される。このシール長さL2は、各受部64の配置間隔に相当するシール重合部68の長さである。なお、受部64とシール重合部68とは、バネ定数が略同一であれば同一の材料で形成される必要はなく、種々の材料が選択可能である。
【0043】
出口連結部62は、上記の入口連結部60と同様に構成されており、第2金属セパレータ20の両面20a、20bで互いに重なり合う各受部64と外側シール58cのシール重合部70とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される(図5参照)。
【0044】
図6に示すように、第2金属セパレータ20の面20bには、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体流路46とを連通する入口連結部72と、冷却媒体出口連通孔32bと前記冷却媒体流路46とを連通する出口連結部74とが設けられる。入口連結部72は、外側シール58cおよび内側シール58dを構成して矢印C方向に断続的に設けられるとともに、矢印B方向に延在する複数の受部76を備える。出口連結部74は、同様に、外側シール58cおよび内側シール58dを構成して矢印C方向に断続的に設けられるとともに、矢印B方向に延在する複数の受部78を備える。
【0045】
図8に示すように、入口連結部72は、面20aの外側シール58aおよび内側シール58bを構成するシール重合部80a、80bと、第2金属セパレータ20を介装して重なり合っている。入口連結部72を構成する各受部76とシール重合部80a、80bとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。具体的には、受部76のシール長さL3は、シール重合部80a、80bのそれぞれのシール長さL4、L5を加算した値と等しく設定される(L3=L4+L5)。このシール長さL4、L5は、各受部76の配置間隔に相当するシール重合部80a、80bの長さである。なお、受部76は、シール重合部80a、80bに一体的に跨って設けられているが、各シール重合部80a、80b毎に分割して構成してもよい。
【0046】
同様に、出口連結部74を構成する各受部78は、図6に示すように、第2金属セパレータ20の両面20a、20bで外側シール58aおよび内側シール58bのシール重合部82a、82bと重なり合っている。受部78とシール重合部82a、82bとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定される。
【0047】
図6に示すように、面20bでは、燃料ガス入口連通孔34aおよび燃料ガス出口連通孔34bの近傍に、入口連結部84および出口連結部86が設けられる。入口連結部84は、矢印C方向に配列される複数の受部88を設ける一方、出口連結部86は、同様に矢印C方向に配列される複数の受部90を備える。
【0048】
各受部88は、第2金属セパレータ20を挟んで外側シール58aおよび内側シール58bのシール重合部92a、92bと重なり合っている。各受部90は、同様に第2金属セパレータ20を挟んで外側シール58aおよび内側シール58bのシール重合部94a、94bと重なり合っている。
【0049】
入口連結部84とシール重合部92a、92bおよび出口連結部86とシール重合部94a、94bは、それぞれ積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定され、具体的には、入口連結部72と同様の構成を有している。入口連結部84および出口連結部86の近傍には、内側シール58dの外方に位置して、それぞれ複数の供給孔部96および排出孔部98が形成される。供給孔部96と排出孔部98は、第2金属セパレータ20の面20aで内側シール58bの内方にかつ燃料ガス流路44の入口側と出口側とに貫通形成される(図5参照)。
【0050】
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
【0051】
まず、図1に示すように、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【0052】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第1金属セパレータ18の酸化剤ガス流路42に導入され(図3参照)、矢印B方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体16を構成するカソード側電極40に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから供給孔部96を通って第2金属セパレータ20の燃料ガス流路44に導入され(図2参照)、矢印B方向に蛇行しながら鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体16を構成するアノード側電極38に供給される。
【0053】
従って、各電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【0054】
次いで、アノード側電極38に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部98を通り燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、カソード側電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。
【0055】
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1および第2金属セパレータ18、20間の冷却媒体流路46に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体16を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
【0056】
この場合、本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔30aから酸化剤ガス流路42に酸化剤ガスを供給するために、第2金属セパレータ20の面20aには、複数の受部64を備えた入口連結部60が設けられている。図5に示すように、この入口連結部60は、外側シール58aの一部を構成しており、前記第2金属セパレータ20の面20bには、前記入口連結部60の受部64と互いに重なり合うシール重合部68が設けられる。このシール重合部68は、外側シール58cの一部を構成しており、前記シール重合部68および受部64は、弾性を有して変形し易い。
【0057】
そこで、図7に示すように、入口連結部60の各受部64とシール重合部68とは、略同一のシール線圧を有するとともに、前記受部64のシール長さL1とシール重合部68のシール長さL2とは、略同一の長さに設定されている。このため、第2金属セパレータ20の両面20a、20bで互いに重なり合う各受部64とシール重合部68とは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に維持される。
【0058】
具体的には、受部64のシール長さL1とシール重合部68のシール長さL2とを、図9に示すように変化させたところ、積層方向の荷重に対してシール長さL1とシール長さL2との比(L1/L2)に対する前記受部64と前記シール重合部68との圧縮高さの差が、図10に示すように変動した。従って、シール長さL1とシール長さL2との比が略1.0、すなわち、シール長さL1=シール長さL2の関係を満たすことによって、圧縮高さに差が生ずることがない。
【0059】
これにより、第2金属セパレータ20では、両面20a、20bにおけるシール変形量が略同一となり、前記第2金属セパレータ20に対してシール線圧(荷重)のバランスが不均一となることがなく、該第2金属セパレータ20自体の変形を良好に阻止することが可能になる。しかも、入口連結部60に変形が惹起されることがなく、酸化剤ガス入口連通孔30aから酸化剤ガス流路42に酸化剤ガスを円滑かつ確実に供給することができる。
【0060】
一方、出口連結部62では、上記の入口連結部60と同様に、各受部66とシール重合部70とのシール変形量が略同一となる。このため、第2金属セパレータ20自体の変形を阻止するとともに、酸化剤ガス流路42から酸化剤ガス出口連通孔30bに排ガス(使用済み酸化剤ガス)を確実に排出することが可能になる。
【0061】
また、図6に示すように、第2金属セパレータ20の面20bには、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体流路46とを連通する入口連結部72が設けられる。この入口連結部72の各受部76と、該受部76に第2金属セパレータ20を介装して互いに重なり合うシール重合部80a、80bとは、積層方向の荷重に対して積層方向のシール変形量が略同一に設定されている。すなわち、図8に示すように、受部76のシール長さL3が各シール重合部80a、80bのシール長さL4、L5の加算値と等しくなっている(L3=L4+L5)。
【0062】
これにより、入口連結部72とシール重合部80a、80bとのシール変形量が略同一となり、第2金属セパレータ20自体の変形を阻止するとともに、冷却媒体入口連通孔32aから冷却媒体流路46に冷却媒体を円滑かつ確実に供給することができる。
【0063】
一方、出口連結部74においても同様に、各受部78とシール重合部82a、82bとのシール変形量が略同一となって、冷却媒体を冷却媒体出口連通孔32bに円滑に排出することが可能になる。
【0064】
さらにまた、図6に示すように、燃料ガス入口連通孔34aおよび燃料ガス出口連通孔34bと燃料ガス流路44とを連通する入口連結部84および出口連結部86が設けられている。そして、それぞれの受部88、90とシール重合部92a、92bおよび94a、94bとは、シール変形量が略同一に設定されており、燃料ガスの円滑な供給および排出と、第2金属セパレータ20自体の変形の阻止とが、良好に行われる。
【0065】
これにより、本実施形態では、燃料電池10の発電性能の安定化を図るとともに、簡単な構成で、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル12毎の発電性能の均一化および安定化が確実に図られるという効果が得られる。
【0066】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、第2シールは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との間に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第1シールのシール重合部と互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記シール重合部とは、積層方向の荷重に対して変形量が略同一に設定される。
【0067】
一方、第1シールは、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に断続的に設けられ、セパレータを挟んで第2シールのシール重合部と互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記シール重合部とは、積層方向の荷重に対して変形量が略同一に設定される。
【0068】
このため、セパレータの両面において、第1シールと第2シールとの変形量が略同一になり、発電セル面内の荷重バランスおよび発電セル毎の荷重バランスが均一化される。従って、発電性能の安定化を図るとともに、反応ガスおよび冷却媒体の流量が均一化され、各発電セル毎の発電性能の均一化および安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。
【図2】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図3】前記燃料電池の他の部位の要部断面説明図である。
【図4】前記発電セルを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。
【図5】前記発電セルを構成する第2金属セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図6】前記発電セルを構成する第2金属セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図7】前記発電セルに設けられた酸化剤ガスの入口連結部の説明図である。
【図8】前記発電セルに設けられた冷却媒体の入口連結部の説明図である。
【図9】シール長さと受部の長さとの関係図である。
【図10】シール長さと受部の長さと比による圧縮高さの差の説明図である。
【図11】特許文献1に開示されたシール構造の説明図である。
【図12】従来のセパレータの一部説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池 12…発電セル
16…電解質膜・電極構造体 18、20…金属セパレータ
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…冷却媒体入口連通孔 32b…冷却媒体出口連通孔
34a…燃料ガス入口連通孔 34b…燃料ガス出口連通孔
36…固体高分子電解質膜 38…アノード側電極
40…カソード側電極 42…酸化剤ガス流路
44…燃料ガス流路 46…冷却媒体流路
50、56…シール部材 52、54…平面部
58a、58c…外側シール 58b、58d…内側シール
60、72、84…入口連結部 62、74、86…出口連結部
64、66、76、78、88、90…受部
68、70、80a、80b、82a、82b、92a、92b、94a、94b…シール重合部
96…供給孔部 98…排出孔部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes a power generation cell in which an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are stacked, and the power generation cell penetrates in a stacking direction and communicates with a reaction gas channel. The present invention relates to an internal manifold fuel cell provided with a gas communication hole and a cooling medium communication hole communicating with a cooling medium flow path.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte (electrolyte membrane) made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). A power generation cell sandwiched between separators is provided. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
[0003]
In this power generation cell, the fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and the cathode side passes through the electrolyte. Move to the electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
In the above power generation cell, various seal structures are employed in order to keep the fuel gas and the oxidant gas airtight. For example,
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-8-148169 (paragraph [0008], FIG. 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Usually, in a power generation cell, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas is provided in the plane of the separator so as to face each electrode, and the power generation cell is interposed between separators constituting adjacent power generation cells. A cooling medium flow path for flowing a cooling medium to be cooled is provided. The reactive gas is an oxidant gas and a fuel gas, and the reactive gas flow path is an oxidant gas flow path for flowing the oxidant gas facing the cathode side electrode, and a fuel gas facing the anode side electrode. And a fuel gas flow path for flowing gas.
[0007]
Furthermore, a fuel gas supply communication hole and a fuel gas discharge communication hole, which are reaction gas communication holes that penetrate the separator in the stacking direction and communicate with the fuel gas flow channel, and an oxidant gas flow channel An oxidant gas supply communication hole and an oxidant gas discharge communication hole, which are reaction gas communication holes communicating with each other, and a cooling medium supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole communicating with the cooling medium flow path are formed.
[0008]
In this case, a structure in which the reaction gas channel and the reaction gas communication hole communicate with each other via a connection channel formed by a seal member is conceivable. For example, as shown in FIG. 12, in one
[0009]
A
[0010]
Here, the
[0011]
However, in the structure of FIG. 12, in the connection flow path 7c between the reaction
[0012]
Moreover, in the separator made of a thin metal plate, the balance of the seal linear pressure (load) becomes uneven, and the separator may be deformed in the stacking direction. As a result, the seal surface pressure and the power generation surface pressure become excessive or insufficient, and there is a problem that the desired power generation performance cannot be exhibited with a simple configuration.
[0013]
The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of ensuring a desired sealing function and power generation performance by making the deformation amount of sealing members provided on both sides of a separator substantially uniform. For the purpose.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Main departure Clearly In such a fuel cell, an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are stacked. plural A reaction gas flow path that supplies a reaction gas along the electrode surface is formed between the electrolyte / electrode structure and the separator, including a power generation cell, Next to each other The power generation cell Each separator Between Is A cooling medium flow path for supplying a cooling medium is formed, and the power generation cell has a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path, and a cooling medium communication hole communicating with the cooling medium flow path. Is provided.
[0015]
A first seal that seals the cooling medium flow path is provided on one surface of the separator, and a second seal that seals the reaction gas flow path is provided on the other surface of the separator.
[0016]
In this case, the second seal is between the cooling medium flow path and the cooling medium communication hole. Connecting part A plurality of receiving portions that are intermittently provided and overlap the first seal across the separator, the receiving portion and the seal overlapping portion of the first seal overlapping the receiving portion, But ,Respectively , Set to approximately the same seal width and approximately the same spring constant In addition, the total length of the plurality of receiving portions and the length of the seal overlapping portion of the first seal located at a location corresponding to the connecting portion across the separator are set to be substantially the same. Accordingly, the deformation amount in the stacking direction is set to be substantially the same with respect to the load in the stacking direction. Here, the seal overlapping portion refers to a part of the first seal that overlaps the receiving portion of the second seal with the separator interposed therebetween.
[0017]
On the other hand, the first seal is between the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole. Connecting part A plurality of receiving portions that are intermittently provided and overlap the second seal across the separator, and the receiving portion and the seal overlapping portion of the second seal overlapping the receiving portion; But ,Respectively , Set to approximately the same seal width and approximately the same spring constant In addition, the total length of the plurality of receiving portions and the length of the seal overlapping portion of the second seal located at a location corresponding to the connecting portion across the separator are set to be substantially the same. Accordingly, the deformation amount in the stacking direction is set to be substantially the same with respect to the load in the stacking direction. Here, the seal overlapping portion refers to a part of the second seal that overlaps the receiving portion of the first seal with the separator interposed therebetween.
[0018]
For this reason, the deformation amounts of the first seal and the second seal are substantially the same on both surfaces of the separator, the load distribution in the power generation cell surface becomes uniform, and the load variation for each power generation cell is reduced. Therefore, the power generation performance can be stabilized, the flow rates of the reaction gas and the cooling medium can be made uniform, and the power generation performance for each power generation cell can be made uniform and stable.
[0019]
In the fuel cell according to
[0020]
And the first seal is Provided in the separator on the first electrode side; An inner seal disposed between the electrolyte membrane and the separator and an outer seal disposed between adjacent separators are provided. On the other hand, the second seal corresponds to the inner seal corresponding to the inner seal of the first seal and the outer seal of the first seal. Outside With side seal The Thereby, while improving the intensity | strength of a power generation cell, the said power generation cell itself can be reduced in thickness.
[0021]
further , Received Part and seal overlap part are approximately the same seal wire To pressure Is set. Seal linear pressure refers to the load per unit length. Thus, with a simple configuration, the gaps in the power generation cells and between the power generation cells are equalized, and a stable reaction gas and cooling medium connection (communication) function and a sealing function can be ensured.
[0022]
Furthermore , Received Part extends in the direction intersecting with the seal overlap part The seal length to be It is longer than the seal width dimension of the seal overlap portion. For this reason, it is possible to set the deformation amounts of the first and second seals to be substantially the same with a simple configuration.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
[0025]
As shown in FIG. 1, the
[0026]
One end edge of the
[0027]
The other end edge of the
[0028]
The electrolyte membrane /
[0029]
The
[0030]
On the
[0031]
As shown in FIGS. 1 and 6, the cooling medium
[0032]
As shown in FIGS. 1 and 4, the
[0033]
The
[0034]
As shown in FIG. 2, the first
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
As shown in FIG. 5, the
[0038]
An outer seal (second seal) 58c corresponding to the
[0039]
As shown in FIG. 5, the
[0040]
The
[0041]
As shown in FIG. 7, the receiving
[0042]
Specifically, each receiving
[0043]
The
[0044]
As shown in FIG. 6, on the
[0045]
As shown in FIG. 8, the
[0046]
Similarly, each receiving
[0047]
As shown in FIG. 6, on the
[0048]
Each receiving
[0049]
The
[0050]
The operation of the
[0051]
First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas
[0052]
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant
[0053]
Accordingly, in each electrolyte membrane /
[0054]
Next, the consumed fuel gas supplied to the
[0055]
The cooling medium supplied to the cooling medium
[0056]
In this case, in this embodiment, in order to supply the oxidant gas from the oxidant gas
[0057]
Therefore, as shown in FIG. 7, each receiving
[0058]
Specifically, when the seal length L1 of the receiving
[0059]
Thereby, in the
[0060]
On the other hand, in the
[0061]
Further, as shown in FIG. 6, an
[0062]
As a result, the amount of seal deformation between the
[0063]
On the other hand, in the
[0064]
Furthermore, as shown in FIG. 6, an
[0065]
Thereby, in this embodiment, while stabilizing the power generation performance of the
[0066]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the second seal is provided between the cooling medium flow path and the cooling medium communication hole. Provided intermittently , And overlap with the seal overlap part of the first seal across the separator plural The amount of deformation of the receiving portion and the seal overlapping portion overlapping the receiving portion is set to be substantially the same with respect to the load in the stacking direction.
[0067]
On the other hand, the first seal is between the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole. Provided intermittently , And overlap with the seal overlap part of the second seal across the separator plural The amount of deformation of the receiving portion and the seal overlapping portion overlapping the receiving portion is set to be substantially the same with respect to the load in the stacking direction.
[0068]
For this reason, the deformation amounts of the first seal and the second seal are substantially the same on both surfaces of the separator, and the load balance in the power generation cell plane and the load balance for each power generation cell are made uniform. Therefore, the power generation performance can be stabilized, the flow rates of the reaction gas and the cooling medium can be made uniform, and the power generation performance for each power generation cell can be made uniform and stable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a power generation cell constituting a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a main part of the fuel cell.
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of a main part of another part of the fuel cell.
FIG. 4 is a front explanatory view of a first metal separator constituting the power generation cell.
FIG. 5 is a front explanatory view of one surface of a second metal separator constituting the power generation cell.
FIG. 6 is a front explanatory view of the other surface of the second metal separator constituting the power generation cell.
FIG. 7 is an explanatory diagram of an oxidant gas inlet connection provided in the power generation cell.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an inlet connection portion of a cooling medium provided in the power generation cell.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the seal length and the length of the receiving portion.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a difference in compression height depending on a ratio between a seal length and a length of a receiving portion.
11 is an explanatory diagram of a seal structure disclosed in
FIG. 12 is a partial explanatory diagram of a conventional separator.
[Explanation of symbols]
10 ...
16 ... Electrolyte membrane /
30a ... Oxidant gas
32a ... Cooling medium
34a ... Fuel gas
36 ... Solid
40 ... Cathode side electrode 42 ... Oxidant gas flow path
44 ... Fuel
50, 56: Sealing
58a, 58c ...
60, 72, 84 ...
64, 66, 76, 78, 88, 90 ... receiving part
68, 70, 80a, 80b, 82a, 82b, 92a, 92b, 94a, 94b...
96 ...
Claims (6)
前記セパレータの一方の面には、前記反応ガス流路を密封する第1シールが設けられ、前記セパレータの他方の面には、前記冷却媒体流路を密封する第2シールが設けられるとともに、
前記第2シールは、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、前記セパレータを挟んで前記第1シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第1シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第1シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定されることを特徴とする燃料電池。A plurality of power generation cells in which an electrolyte / electrode structure and a separator, each having an electrolyte disposed between a pair of electrodes, are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the separator. A reaction gas flow path to be supplied is formed, a cooling medium flow path for supplying a cooling medium is formed between the separators of the power generation cells adjacent to each other, and the power generation cell penetrates in the stacking direction. An internal manifold type fuel cell provided with a reaction gas communication hole communicating with the reaction gas flow channel and a cooling medium communication hole communicating with the cooling medium flow channel,
A first seal that seals the reaction gas flow path is provided on one surface of the separator, and a second seal that seals the cooling medium flow path is provided on the other surface of the separator,
The second seal is provided intermittently at a connecting portion between the cooling medium flow path and the cooling medium communication hole, and includes a plurality of receiving portions that overlap the first seal with the separator interposed therebetween, receiving the said overlap receiving portion first seal sealing overlapping portions, respectively, while being set in the seal width and substantially the same spring constant substantially the same, the sum of the lengths of the plurality of receiving the By setting the length of the seal overlap portion of the first seal located at a position corresponding to the connecting portion with the separator interposed therebetween, the deformation amount in the stacking direction is substantially reduced with respect to the load in the stacking direction. A fuel cell characterized by being set identically.
前記セパレータの一方の面には、前記反応ガス流路を密封する第1シールが設けられ、前記セパレータの他方の面には、前記冷却媒体流路を密封する第2シールが設けられるとともに、
前記第1シールは、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間の連結部に断続的に設けられ、前記セパレータを挟んで前記第2シールと互いに重なり合う複数の受部を備え、前記受部と該受部に重なり合う前記第2シールのシール重合部とが、それぞれ、略同一のシール幅および略同一のバネ定数に設定されるとともに、前記複数の受部の長さの合計と前記セパレータを挟んで前記連結部に対応する箇所に位置する前記第2シールの前記シール重合部の長さとが略同一に設定されることにより、積層方向の荷重に対して積層方向の変形量が略同一に設定されることを特徴とする燃料電池。A plurality of power generation cells in which an electrolyte / electrode structure and a separator, each having an electrolyte disposed between a pair of electrodes, are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the separator. A reaction gas flow path to be supplied is formed, a cooling medium flow path for supplying a cooling medium is formed between the separators of the power generation cells adjacent to each other, and the power generation cell penetrates in the stacking direction. An internal manifold type fuel cell provided with a reaction gas communication hole communicating with the reaction gas flow channel and a cooling medium communication hole communicating with the cooling medium flow channel,
A first seal that seals the reaction gas flow path is provided on one surface of the separator, and a second seal that seals the cooling medium flow path is provided on the other surface of the separator,
The first seal is provided intermittently at a connection portion between the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole, and includes a plurality of receiving portions that overlap the second seal with the separator interposed therebetween, receiving the said overlap receiving portion second seal sealing overlapping portions, respectively, while being set to the seal width, and approximately the same spring constant substantially the same, the sum of the lengths of the plurality of receiving the By setting the length of the seal overlapping portion of the second seal located at a position corresponding to the connecting portion across the separator, the deformation amount in the stacking direction is substantially equal to the load in the stacking direction. A fuel cell characterized by being set identically.
前記第1シールは、前記第1の電極側の前記セパレータに設けられるとともに、
前記電解質膜と前記セパレータとの間に配置される内側シールと、
隣接するセパレータ間に配置される外側シールと、
を設けることを特徴とする燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte / electrode structure includes an electrolyte membrane sandwiched between the first and second electrodes, and the first electrode has a smaller surface area than the second electrode. Is set,
The first seal is provided on the separator on the first electrode side,
An inner seal disposed between the electrolyte membrane and the separator;
An outer seal disposed between adjacent separators;
A fuel cell comprising:
前記第1シールの前記外側シールに対応する外側シールと、
を設けることを特徴とする燃料電池。4. The fuel cell according to claim 3, wherein the second seal is an inner seal corresponding to the inner seal of the first seal;
An outer seal corresponding to the outer seal of the first seal;
A fuel cell comprising:
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