JP5069921B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを有する単位セルを設け、前記単位セルを積層し且つ所定数の前記単位セル間に電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池に関する。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte, the electrolyte / electrode structure is sandwiched between a first separator and a second separator, and the anode side electrode A unit cell having a fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the cathode electrode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode electrode. The present invention relates to a fuel cell in which a cooling medium flow path for supplying a cooling medium along an electrode surface direction between unit cells is formed.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode catalyst electrode and a cathode electrode made of porous carbon are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. A unit cell is configured by being sandwiched by a separator (bipolar plate). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells are stacked is used.
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。 Generally, a fuel cell constitutes a so-called internal manifold in which an inlet communication hole and an outlet communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided. The fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium are supplied from the respective inlet communication holes to the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling medium flow path, and then discharged to the respective outlet communication holes. .
このため、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を個別にシールする必要があり、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この燃料電池は、図３０に示すように、燃料電池セル１を第１セパレータ２及び第２セパレータ３により挟持して構成されている。燃料電池セル１は、固体高分子電解質膜４をカソード電極５及びアノード電極６により挟持するとともに、前記カソード電極５及び前記アノード電極６には、ガス拡散層５ａ、６ａが配設されている。
For this reason, in a fuel cell, it is necessary to seal fuel gas, oxidant gas, and a cooling medium separately, for example, the fuel cell of patent document 1 is known. As shown in FIG. 30, this fuel cell is configured such that a fuel cell 1 is sandwiched between a
固体高分子電解質膜４は、カソード電極５及びアノード電極６の内周から外部に突出する一方、前記カソード電極５は、前記アノード電極６よりも表面積が小さく形成されている。
The solid polymer electrolyte membrane 4 protrudes from the inner periphery of the cathode electrode 5 and the
第１セパレータ２及び第２セパレータ３の間には、固体高分子電解質膜４に密着し、カソード電極５を囲むように第１のシール７ａが取り付けられるとともに、アノード電極６を囲むようにして第２のシール７ｂが前記第１のシール７ａを囲むようにして取り付けられている。従って、第１のシール７ａを介して酸化剤ガスをシールするとともに、第２のシール７ｂを介して燃料ガスをシールしている。これにより、第１のシール７ａと第２のシール７ｂとは、燃料電池の積層方向に対して横方向にずれた位置に配置されるため、この燃料電池全体の積層方向の薄型化が図られる。
Between the
ところで、上記の燃料電池では、複数の燃料電池が積層される際に、各燃料電池間には、燃料電池セル１を冷却するための冷却媒体流路が電極面方向に沿って形成されている。このため、各燃料電池間には、冷却媒体をシールするためのシール部材を取り付ける必要があり、このシール部材によって燃料電池間が離間し易く、燃料電池スタック全体とした小型化が図られないおそれがある。 By the way, in the above fuel cell, when a plurality of fuel cells are stacked, a cooling medium flow path for cooling the fuel cell 1 is formed between the fuel cells along the electrode surface direction. . For this reason, it is necessary to attach a sealing member for sealing the cooling medium between the fuel cells. The sealing members are likely to separate the fuel cells, and the entire fuel cell stack may not be reduced in size. There is.
本発明はこの種のシール構造に関連してなされたものであり、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をそれぞれ良好にシールするとともに、積層方向に対して可及的に薄型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with this kind of seal structure, and can satisfactorily seal fuel gas, oxidant gas and cooling medium, respectively, and reduce the thickness as much as possible in the stacking direction. An object is to provide a possible fuel cell.
本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第１セパレータ及び第２セパレータで挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを有する単位セルを設け、前記単位セルを積層し且つ所定数の前記単位セル間に電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte, the electrolyte / electrode structure is sandwiched between a first separator and a second separator, and the anode side electrode A unit cell having a fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the cathode side electrode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode. The present invention relates to a fuel cell in which a cooling medium flow path for supplying a cooling medium along the electrode surface direction is formed between the unit cells.
少なくとも第１セパレータ又は第２セパレータは、燃料ガスをシールするための第１シール部材と、酸化剤ガスをシールするための第２シール部材と、冷却媒体をシールするための第３シール部材とを設け、前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、積層方向に対して互いにオフセットして配置されている。 At least the first separator or the second separator includes a first seal member for sealing fuel gas, a second seal member for sealing oxidant gas, and a third seal member for sealing the cooling medium. The first seal member, the second seal member, and the third seal member are arranged offset with respect to the stacking direction.
また、第１シール部材は、内側シール部材を構成し、第２シール部材は、中間シール部材を構成し、第３シール部材は、外側シール部材を構成することが好ましい。 Further, it is preferable that the first seal member constitutes an inner seal member, the second seal member constitutes an intermediate seal member, and the third seal member constitutes an outer seal member.
さらに、第３シール部材は、内側シール部材を構成し、第１シール部材は、中間シール部材を構成し、第２シール部材は、外側シール部材を構成することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the third seal member constitutes an inner seal member, the first seal member constitutes an intermediate seal member, and the second seal member constitutes an outer seal member.
さらにまた、第２シール部材は、内側シール部材を構成し、第１シール部材は、中間シール部材を構成し、第３シール部材は、外側シール部材を構成することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the second seal member constitutes an inner seal member, the first seal member constitutes an intermediate seal member, and the third seal member constitutes an outer seal member.
また、少なくとも第１セパレータ又は第２セパレータのいずれか一方の外周端縁部には、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が積層方向に貫通して形成されることが好ましい。 Also, at least the outer peripheral edge of either the first separator or the second separator has a fuel gas inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidant gas inlet communication hole, an oxidant gas outlet communication hole, and a cooling medium. It is preferable that the inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are formed so as to penetrate in the stacking direction.
本発明では、燃料ガスをシールするための第１シール部材と、酸化剤ガスをシールするための第２シール部材と、冷却媒体をシールするための第３シール部材とは、積層方向に対して互いに重なり合うことがない。これにより、第１シール部材、第２シール部材及び第３シール部材の各シール高さを確保して燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をそれぞれ良好にシールすることができるとともに、積層方向に対する薄型化が図られ、燃料電池全体の小型化が容易且つ確実に遂行可能になる。 In the present invention, the first seal member for sealing the fuel gas, the second seal member for sealing the oxidant gas, and the third seal member for sealing the cooling medium are in the stacking direction. They do not overlap each other. As a result, the respective sealing heights of the first seal member, the second seal member, and the third seal member can be ensured to satisfactorily seal the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium, and the thinness in the stacking direction can be achieved. Thus, the entire fuel cell can be easily and reliably reduced in size.
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の断面説明図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池１０は、単位セル１２ａ、１２ｂを交互に矢印Ａ方向（水平方向）に積層する積層体１４を備えるとともに、前記積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。なお、エンドプレート１６ａ、１６ｂ間は、図示しないタイロッドにより締め付けられているが、例えば、積層体１４全体をケーシング（図示せず）内に収容して構成してもよい。
The
単位セル１２ａは、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０ａを第１金属セパレータ２２及び第２金属セパレータ２４で挟持するとともに、単位セル１２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ２６及び第４金属セパレータ２８で挟持する。単位セル１２ｂは、単位セル１２ａを面方向に１８０°回転させることにより構成されている。実際上、第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａと同一であり、第３金属セパレータ２６は、第１金属セパレータ２２と同一であり、第４金属セパレータ２８は、第２金属セパレータ２４と同一である。
The
図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａ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（電解質）３０ａと、該固体高分子電解質膜３０ａを挟持するカソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａとを備える。カソード側電極３２ａは、アノード側電極３４ａよりも大きな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極３２ａは、固体高分子電解質膜３０ａの全面を覆って設けられる（所謂、段差ＭＥＡ）。
As shown in FIG. 3, the first electrolyte membrane /
カソード側電極３２ａ及びアノード側電極３４ａは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有し、触媒塗布範囲３６ａが設けられる。第１電解質膜・電極構造体２０ａは、全体として略四角形状に構成されるとともに、所定の凹凸形状を有する外形形状部３８ａを有する。
The
第１金属セパレータ２２は、第２金属セパレータ２４よりも小さな外形寸法に設定される。図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ２２の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２２ａには、前記第１電解質膜・電極構造体２０ａの触媒塗布範囲３６ａに対応して第１酸化剤ガス流路４０が形成される。この第１酸化剤ガス流路４０は、面２２ａ側に突出する凸部４０ａと凹部４０ｂとを設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に延在して形成されるとともに、前記第１酸化剤ガス流路４０の両側には、エンボス部４０ｃが形成される。
The
第１酸化剤ガス流路４０の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部４１ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部４１ｂが設けられる。図４に示すように、入口部４１ａ及び出口部４１ｂは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状の外方に突出している。
An
第１金属セパレータ２２は、所望の凹凸形状を有する外形形状部４２を有するとともに、この外形形状部４２は、第１電解質膜・電極構造体２０ａの外形形状部３８ａよりも大きな寸法に設定される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂ側には、第１酸化剤ガス流路４０を形成することにより、凹凸形状を反転させた第１冷却媒体流路４４が形成される。
The
図３に示すように、第２金属セパレータ２４は、横長な長方形状を有している。この第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８の矢印Ｂ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４６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４８ａ、及び燃料ガス、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５０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
As shown in FIG. 3, the
第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８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５０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図５に示すように、第２金属セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面２４ａには、触媒塗布範囲３６ａに対応して第１燃料ガス流路５２が形成される。第１燃料ガス流路５２は、面２４ａ側に突出する凸部５２ａ及び凹部５２ｂが交互に設けられることによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。この第１燃料ガス流路５２の両側には、エンボス部５２ｃが形成される。
As shown in FIG. 5, on the
図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、面２４ａ側に第１燃料ガス流路５２を形成することによって、第２冷却媒体流路５４が形成される。第２冷却媒体流路５４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部５６ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部５６ｂが設けられる。
As shown in FIG. 6, the second
入口部５６ａ及び出口部５６ｂは、第２金属セパレータ２４に第３金属セパレータ２６が重ね合わされた際に、この第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応している。冷却媒体入口連通孔４８ａは、入口部５６ａを介して第２冷却媒体流路５４に連通する一方、冷却媒体出口連通孔４８ｂは、出口部５６ｂを介して第２冷却媒体流路５４に連通する。
The
第２金属セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔５０ａに近接して２つの燃料ガス用入口孔部５８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔５０ｂに近接して２つの燃料ガス用出口孔部５８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４６ａ近傍には、３つの酸化剤ガス用入口孔部６０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂの近傍には、３つの酸化剤ガス用出口孔部６０ｂが形成される。
The
図２及び図５に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ａには、シール部材６２が一体成形される。このシール部材６２は、第１燃料ガス流路５２を周回し、順次、外方に向かって一体成形される第１シール部（第１シール部材）６２ａ、第２シール部（第２シール部材）６２ｂ及び第３シール部（第３シール部材）６２ｃを有する。シール部材６２は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、シリコーンゴム、ニトリルゴム又はアクリルゴムで構成され、例えば、シリコーン樹脂を所定温度（例えば、１６０℃〜１７０℃）に加熱した溶融樹脂を用いて射出成形される。
As shown in FIGS. 2 and 5, a
第１シール部６２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａの周縁部、すなわち、固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に接触し、第２シール部６２ｂは、第１金属セパレータ２２の周縁部に接触し、第３シール部６２ｃは、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第２金属セパレータに相当する第４金属セパレータ２８に接触する。
The
第１シール部６２ａは、燃料ガスの漏れを防止するための内側シール部材を構成し、第２シール部６２ｂは、酸化剤ガスの漏れを防止するための中間シール部材を構成し、第３シール部６２ｃは、冷却媒体の漏れを阻止するための外側シール部材を構成している。
The
第２電解質膜・電極構造体２０ｂは、上記の第１電解質膜・電極構造体２０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。
The second electrolyte membrane /
第３金属セパレータ２６は、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ側の面２６ａに、第２酸化剤ガス流路６４が形成される。第２酸化剤ガス流路６４の矢印Ｂ方向一端側には、波状に成形された入口部６３ａが設けられるとともに、矢印Ｂ方向他端側には、同様に波状に成形された出口部６３ｂが設けられる。入口部６３ａ及び出口部６３ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂの外形形状の外方に突出している。第３金属セパレータ２６の面２６ｂは、第２金属セパレータ２４の面２４ｂに重なり合うことにより、第２冷却媒体流路５４を一体的に形成する第３金属セパレータ２６が所定の凹凸形状を有する外形形状部６５を設ける。
The
図７に示すように、第４金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面２８ａには、第２燃料ガス流路６６が形成される。第２燃料ガス流路６６は、凸部６６ａと凹部６６ｂとによって矢印Ｂ方向に延在して形成されるとともに、両端側にはエンボス部６６ｃが形成される。
As shown in FIG. 7, a second
図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、面２８ａに第２燃料ガス流路６６を形成することによって、第１冷却媒体流路４４が形成される。この第１冷却媒体流路４４は、第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２とが重なり合うことによって一体的に形成される。第１冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ外方に延在して波形状の入口部６８ａと出口部６８ｂとが設けられる。
As shown in FIG. 8, the first
入口部６８ａと出口部６８ｂとは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部を介して第１冷却媒体流路４４を冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂに連通する。
The
第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４に設けられている入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂに対して積層方向の位置をずらして２つの入口孔部７０ａ及び２つの出口孔部７０ｂが形成される。第４金属セパレータ２８には、第２金属セパレータ２４の３つの入口孔部６０ａ及び３つの出口孔部６０ｂに対して積層方向の位置をずらして３つの入口孔部７２ａ及び３つの出口孔部７２ｂが形成される。
The
図７に示すように、面２８ａには、シール部材７４が一体成形される。このシール部材７４は、第２燃料ガス流路６６を周回し、順次、外方に沿って設けられる第１シール部（第１シール部材）７４ａ、第２シール部（第２シール部材）７４ｂ及び第３シール部（第３シール部材）７４ｃを一体に有する。
As shown in FIG. 7, a
燃料ガスシール用の内側シール部材である第１シール部７４ａは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを構成する固体高分子電解質膜３０ｂの周端部に接触し、酸化剤ガスシール用の中間シール部材である第２シール部７４ｂは、第３金属セパレータ２６の周端部に接触する。冷却媒体シール用の外側シール部材である第３シール部７４ｃは、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４の周縁部に接触する。
The
図９及び図１０に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部６２ｃ、７４ｃによって酸化剤ガス入口連通孔４６ａを第１酸化剤ガス流路４０及び第２酸化剤ガス流路６４に連通する通路部７６が形成される。この通路部７６は、酸化剤ガス用の入口孔部６０ａ、７２ａを有する。同様に、図１１及び図１２に示すように、第２金属セパレータ２４及び第４金属セパレータ２８には、第３シール部６２ｃ、７４ｃによって燃料ガス入口連通孔５０ａを第１燃料ガス流路５２及び第２燃料ガス流路６６に連通する通路部７８が形成される。この通路部７８は、燃料ガス用の入口孔部５８ａ、７０ａを有する。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
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。
The operation of the
図１に示すように、エンドプレート１６ａの酸化剤ガス入口連通孔４６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔５０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４８ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
ここで、単位セル１２ａを構成する第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２４ｂ側から連通する３つの入口孔部６０ａが形成される。一方、単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに面２８ｂ側から連通する３つの入口孔部７２ａが形成されている。
Here, as shown in FIG. 6, the
このため、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部６０ａを通って面２４ａ側に導入され、第１金属セパレータ２２に設けられている入口部４１ａから第１酸化剤ガス流路４０に供給される。
Therefore, as shown in FIG. 9, a part of the oxidant gas supplied to the oxidant gas
一方、図１０に示すように、単位セル１２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスの一部が、第４金属セパレータ２８に設けられている入口孔部７２ａから面２８ａ側に導入され、第３金属セパレータ２６の入口部６３ａから第２酸化剤ガス流路６４に供給される。
On the other hand, as shown in FIG. 10, in the
また、第２金属セパレータ２４には、図６に示すように、面２４ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部５８ａが形成されている。第４金属セパレータ２８には、図８に示すように、面２８ｂ側で燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する２つの入口孔部７０ａが形成されている。
Further, as shown in FIG. 6, the
従って、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第２金属セパレータ２４の入口孔部５８ａを通って面２４ａ側に導入され、この面２４ａに形成された第１燃料ガス流路５２に供給される。
Therefore, as shown in FIG. 11, a part of the fuel gas supplied to the fuel gas
さらに、図１２に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスの一部は、第４金属セパレータ２８の入口孔部７０ａから面２８ａ側に導入され、この面２８ａに形成された第２燃料ガス流路６６に供給される。
Further, as shown in FIG. 12, a part of the fuel gas supplied to the fuel gas
これにより、図３に示すように、第１電解質膜・電極構造体２０ａでは、カソード側電極３２ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ａ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、発電が行われる。同様に、第２電解質膜・電極構造体２０ｂでは、カソード側電極３２ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４ｂに供給される燃料ガスとにより発電が行われる。
Thus, as shown in FIG. 3, in the first electrolyte membrane /
単位セル１２ａの第１酸化剤ガス流路４０を流れた酸化剤ガスは、出口部４１ｂから第２金属セパレータ２４に設けられた出口孔部６０ｂを通って面２４ｂ側に移動し、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。同様に、単位セル１２ｂの第２酸化剤ガス流路６４を流れた酸化剤ガスは、出口部６３ｂから第４金属セパレータ２８に設けられた出口孔部７２ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔４６ｂに排出される。
The oxidant gas flowing through the first oxidant
また、第２金属セパレータ２４の第１燃料ガス流路５２を流れた燃料ガスは、出口孔部５８ｂを通って面２４ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。同様に、第４金属セパレータ２８の第２燃料ガス流路６６を流れた燃料ガスは、出口孔部７０ｂから面２８ｂ側に移動した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。
The fuel gas that has flowed through the first fuel
さらにまた、図８に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂには、第１冷却媒体流路４４に連通する入口部６８ａ及び出口部６８ｂが設けられるとともに、前記入口部６８ａ及び前記出口部６８ｂは、第１金属セパレータ２２の切り欠き形状部に対応している。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the
このため、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１３に示すように、第４金属セパレータ２８の面２８ｂ側から入口部６８ａを通って前記第４金属セパレータ２８と第１金属セパレータ２２との間に形成された第１冷却媒体流路４４に導入される。この第１冷却媒体流路４４を通って冷却処理を施した冷却媒体は、出口部６８ｂを通って面２８ｂ側から冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。
Therefore, the cooling medium supplied to the cooling medium
一方、図６に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第２冷却媒体流路５４に連通するとともに、第３金属セパレータ２６の切り欠き形状部に対応して入口部５６ａ及び出口部５６ｂが形成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 6, the
従って、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、図１４に示すように、面２４ｂ側から入口部５６ａを通って第２金属セパレータ２４と第３金属セパレータ２６との間に形成された第２冷却媒体流路５４に供給される。この第２冷却媒体流路５４を流れた冷却媒体は、出口部５６ｂから面２４ｂ側に流動し、冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される（図３参照）。
Therefore, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、第２金属セパレータ２４の面２４ａには、第１電解質膜・電極構造体２０ａを構成する固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に当接する第１シール部６２ａと、第２金属セパレータ２４の周縁部に当接する第２シール部６２ｂと、隣り合う単位セル１２ｂを構成する第４金属セパレータ２８（実質的に第２金属セパレータ２４と同等）に当接する第３シール部６２ｃとが一体に成形されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 5, the
すなわち、燃料ガスシール用の第１シール部６２ａ、酸化剤ガスシール用の第２シール部６２ｂ及び冷却媒体シール用の第３シール部６２ｃは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いにオフセットして配置される。このため、少なくとも燃料ガス用シール部材、酸化剤ガス用シール部材及び冷却媒体用シール部材のいずれか２つが重なる構成に比べて、薄型化が容易に図られる。
That is, the
これにより、第１シール部６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部６２ｃの各シール高さを確保して燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をそれぞれ良好にシールすることができるとともに、積層方向に対する薄型化が図られ、燃料電池１０全体の小型化が容易且つ確実に遂行可能になるという効果が得られる。
As a result, the seal heights of the
さらに、第１燃料ガス流路５２と入口孔部５８ａ及び出口孔部５８ｂとは、第１シール部６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部６２ｃの三重シール構造によりシールされている。これにより、燃料ガスのシール性が良好に向上し、この燃料ガスの漏れを可及的に阻止することができるという利点がある。なお、単位セル１２ｂでも上記の単位セル１２ａと同様の効果が得られる。
Further, the first
また、第２金属セパレータ２４に設けられている第１シール部６２ａ、第２シール部６２ｂ及び第３シール部６２ｃは、Ｒ形状の先端が平面部である固体高分子電解質膜３０ａの周縁部、第１金属セパレータ２２の面２２ａ及び第４金属セパレータ２８の面２８ｂに接触している。このため、シール部位における線圧の低下やリーク発生及びセパレータ変形が惹起することを確実に阻止することができる。
Further, the
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 15 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the
燃料電池８０は、単位セル８２ａ、８２ｂを交互に矢印Ａ方向に積層する。単位セル８２ａは、第１電解質膜・電極構造体２０ａを第１金属セパレータ８３及び第２金属セパレータ８４で挟持する一方、単位セル８２ｂは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂを第３金属セパレータ８６及び第４金属セパレータ８８で挟持する。
In the fuel cell 80, the
第１金属セパレータ８３は、第２金属セパレータ８４よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、前記第２金属セパレータ８４には、シール部材９０が一体成形される。このシール部材９０は、外方に向かって、順次、形成される冷却媒体シール用の内側シール部（第３シール部材）９０ａと、燃料ガスシール用の中間シール部（第１シール部材）９０ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部（第２シール部材）９０ｃとを有する。
The
第３金属セパレータ８６は、第４金属セパレータ８８よりも小さな外形寸法に設定されるとともに、前記第４金属セパレータ８８には、シール部材９２が一体成形される。このシール部材９２は、外方に向かって、順次、形成される冷却媒体シール用の内側シール部（第３シール部材）９２ａと、燃料ガスシール用の中間シール部（第１シール部材）９２ｂと、酸化剤ガスシール用の外側シール部（第２シール部材）９２ｃとを有する。
The
この第４金属セパレータ８８は、実質的に第２金属セパレータ８４を１８０°反転させて使用する一方、第３金属セパレータ８６は、実質的に第１金属セパレータ８３を１８０°反転させて使用している。
The
内側シール部９０ａ、９２ａは、それぞれ第３金属セパレータ８６及び第１金属セパレータ８３の周縁部に当接し、中間シール部９０ｂ、９２ｂは、それぞれ第２電解質膜・電極構造体２０ｂの固体高分子電解質膜３０ｂの周縁部、及び第１電解質膜・電極構造体２０ａの固体高分子電解質膜３０ａの周縁部に当接し、外側シール部９０ｃ、９２ｃは、互いに隣接する第４金属セパレータ８８及び第２金属セパレータ８４の周縁部に当接する。
The
このように構成される第２の実施形態では、シール部材９０において、冷却媒体シール用の内側シール部９０ａ、燃料ガスシール用の中間シール部９０ｂ、及び酸化剤ガスシール用の外側シール部９０ｃは、積層方向に対して互いにオフセットして配置されている。同様に、シール部材９２において、冷却媒体シール用の内側シール部９２ａ、燃料ガスシール用の中間シール部９２ｂ、及び酸化剤ガスシール用の外側シール部９２ｃは、積層方向に対して互いにオフセットしている。
In the second embodiment configured as described above, in the
このため、各シール高さを確保した状態で、冷却媒体、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ良好にシールすることができるとともに、燃料電池８０全体の小型化が容易に遂行される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。 Therefore, the cooling medium, fuel gas, and oxidant gas can be satisfactorily sealed with each seal height secured, and the overall size of the fuel cell 80 can be easily reduced. The same effect as in the first embodiment can be obtained.
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の断面説明図である。
FIG. 16 is a cross-sectional explanatory view of a
燃料電池１００は、複数の単位セル１０２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１０２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１０４を第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１０８で挟持する（図１６及び図１７参照）。電解質膜・電極構造体１０４は、固体高分子電解質膜３０とカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０、カソード側電極３２及びアノード側電極３４は、同一の外形寸法（表面積）に設定される。
The
第１金属セパレータ１０６は、第２金属セパレータ１０８よりも小さな外形寸法に設定されており、この第１金属セパレータ１０６は、実質的に第１の実施形態の第１金属セパレータ２２と同様に構成される。
The
第２金属セパレータ１０８は、シール部材１１０を一体成形する。このシール部材１１０は、図１６及び図１８に示すように、面２４ａに第１燃料ガス流路５２を周回して形成される第１シール部１１０ａ、第２シール部１１０ｂ及び第３シール部１１０ｃを有する。
The
燃料ガスシール用の第１シール部１１０ａは、固体高分子電解質膜３０の周縁部に接触し、酸化剤ガスシール用の第２シール部１１０ｂは、第１金属セパレータ１０６の周縁部に接触し、冷却媒体シール用の第３シール部１１０ｃは、隣り合う単位セル１０２を構成する第２金属セパレータ１０８に接触する（図１６参照）。
The
このように構成される第３の実施形態では、第１の実施形態の、いわゆる、段差ＭＥＡを構成する第１電解質膜・電極構造体２０ａ及び第２電解質膜・電極構造体２０ｂに代えて、いわゆる、全面電極型の電解質膜・電極構造体１０４を用いており、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the third embodiment configured as described above, instead of the first electrolyte membrane /
図１９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０の断面説明図である。
FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view of a
燃料電池１２０は、複数の単位セル１２２を矢印Ａ方向に積層するとともに、前記単位セル１２２は、電解質膜・電極構造体１０４と第１金属セパレータ１２４及び第２金属セパレータ１２６とを備える。第１金属セパレータ１２４は、第２金属セパレータ１２６と略同一の外形寸法に設定される。
The
図２０〜図２２に示すように、第１金属セパレータ１２４及び第２金属セパレータ１２６には、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体入口連通孔４８ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、冷却媒体出口連通孔４８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ａ方向に貫通して設けられる。
As shown in FIGS. 20 to 22, the
図１９及び図２１に示すように、第１金属セパレータ１２４の面２２ｂには、冷却媒体流路４４を周回し、この面２２ｂの外周端縁部に沿って外側シール部（第３シール部材）１２８が一体成形される。
As shown in FIGS. 19 and 21, the cooling
図２２に示すように、第２金属セパレータ１２６の面２４ａには、燃料ガス流路５２を周回してシール部材１３０が一体成形される。シール部材１３０は、内側シール部（第１シール部材）１３０ａ及び中間シール部（第２シール部材）１３０ｂを有し、前記内側シール部１３０ａは、電解質膜・電極構造体１０４の周縁部に当接する（図１９参照）。中間シール部１３０ｂは、電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第１金属セパレータ１２４の周縁部に当接する。
As shown in FIG. 22, the
シール部材１３０は、図２２に示すように、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂを燃料ガス流路５２に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂ、冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂを閉塞する。
As shown in FIG. 22, the
燃料ガス入口連通孔５０ａと燃料ガス流路５２との間には、シール部材１３０によって溝部１４２ａが形成される一方、燃料ガス出口連通孔５０ｂと前記燃料ガス流路５２との間には、前記シール部材１３０によって溝部１４２ｂが形成される。酸化剤ガス入口連通孔４６ａの近傍には、溝部１４４ａが形成されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂの近傍には、溝部１４４ｂが形成される。
A
このように構成される燃料電池１２０では、各単位セル１２２の酸化剤ガス入口連通孔４６ａに供給された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ１２６の溝部１４４ａを通り（図２２参照）、第１金属セパレータ１２４の酸化剤ガス流路４０に供給される（図２０参照）。この酸化剤ガス流路４０で反応に使用された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ１２６の溝部１４４ｂを通って酸化剤ガス出口４６ｂに送られる。
In the
一方、各単位セル１２２の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給された燃料ガスは、図２２に示すように、溝部１４２ａを通って燃料ガス流路５２に供給される。この燃料ガス流路５２で使用された燃料ガスは、溝部１４２ｂから燃料ガス出口連通孔５０ｂに排出される。
On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel gas
さらに、冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４４に供給される（図２１参照）。そして、各単位セル１２２の冷却を行った冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔４８ｂに排出される。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
この第４の実施形態では、第１金属セパレータ１２４の外周端縁部に冷却媒体シール用の外側シール部１２８が設けられる一方、第２金属セパレータ１２６には、燃料ガスシール用の内側シール部１３０ａ及び酸化剤ガスシール用の中間シール部１３０ｂが設けられており、これらは、積層方向に対して互いにオフセットして配置されている。従って、燃料電池１２０の積層方向の寸法が可及的に短尺化され、前記燃料電池１２０全体の小型化が容易に図られる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
In the fourth embodiment, an
図２３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１５０の断面説明図である。
FIG. 23 is an explanatory cross-sectional view of a
燃料電池１５０は、複数の単位セル１５２を備え、前記単位セル１５２は、電解質膜・電極構造体１０４を第１金属セパレータ１５４及び第２金属セパレータ１５６で挟持する。
The
図２４に示すように、第１金属セパレータ１５４の面２２ａには、酸化剤ガス流路４０を周回してシール部材１５８が一体成形される。シール部材１５８は、内側シール部（第２シール部材）１５８ａ及び中間シール部（第１シール部材）１５８ｂを有する。内側シール部１５８ａは、電解質膜・電極構造体１０４のカソード側電極３２側の周端部に当接する。一方、中間シール部１５８ｂは、前記電解質膜・電極構造体１０４の外周を周回して第２金属セパレータ１５６に当接する（図２３参照）。
As shown in FIG. 24, a
第２金属セパレータ１５６の面２４ｂには、冷却媒体流路４４を周回し、この面２４ｂの外周端部に近接して外側シール部（第３シール部材）１６０が一体成形される。
An outer seal portion (third seal member) 160 is integrally formed on the
このように構成される第５の実施形態では、酸化剤ガスシール用の内側シール部１５８ａ、燃料ガスシール用の中間シール部１５８ｂ、及び冷却媒体シール用の外側シール部１６０が、積層方向に対して互いにオフセットして配置されており、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
In the fifth embodiment configured as described above, the
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１７０の断面説明図である。
FIG. 25 is an explanatory cross-sectional view of a
燃料電池１７０を構成する単位セル１７２は、電解質膜・電極構造体１７４と、第１金属セパレータ１２４及び第２金属セパレータ１２６とを備える。図２５及び図２６に示すように、電解質膜・電極構造体１７４は、固体高分子電解質膜３０及びカソード側電極３２に対して小さな表面積に設定されるアノード側電極３４ｃを有する。
The
このように構成される第６の実施形態では、上記の第４の実施形態に係る燃料電池１２０と同様の効果が得られる。
In the sixth embodiment configured as described above, the same effects as those of the
図２７は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１８０の断面説明図である。
FIG. 27 is an explanatory cross-sectional view of a
燃料電池１８０を構成する単位セル１８２は、電解質膜・電極構造体１０４を第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１８４で挟持する（図２７及び図２８参照）。第２金属セパレータ１８４は、面２４ａ側に内側シール部１３０ａ及び中間シール部１３０ｂを有するシール部材１３０が一体成形されるとともに、面２４ｂには、外側シール部（第３シール部材）１８６が一体成形される。この外側シール部１８６は、互いに隣接する第２金属セパレータ１８４の面２４ａに当接して冷却媒体シール用の第３シール部材を構成する（図２７参照）。
The
このように構成される第７の実施形態では、内側シール部１３０ａ、中間シール部１３０ｂ及び外側シール部１８６が積層方向に対して互いにオフセットして配置されており、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。
In the seventh embodiment configured as described above, the
図２９は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１９０の断面説明図である。
FIG. 29 is a cross-sectional explanatory view of a
燃料電池１９０を構成する単位セル１９２は、電解質膜・電極構造体１０４と第１カーボンセパレータ１９４及び第２カーボンセパレータ１９６とを備える。第２カーボンセパレータ１９６は、面２４ａ側に電解質膜・電極構造体１０４の周縁部に当接して燃料ガスシール用の内側シール部材を構成する第１シール部材１９８と、前記電解質膜・電極構造体１０４を挟んで第１カーボンセパレータ１９４に当接する酸化剤ガスシール用の中間シール部材を構成する第２シール部材２００とが配設される。
A
第２カーボンセパレータ１９６面２４ｂには、隣接する他の単位セル１９２を構成する第１カーボンセパレータ１９４の外周端縁部に当接し、冷却媒体シール用の外側シール部材を構成する第３シール部材２０２が配設される。
The
第１シール部材１９８、第２シール部材２００及び第３シール部材２０２は、積層方向に対して互いにオフセットして配置されており、燃料電池１９０全体の積層方向の寸法を可及的に短尺化することができる等、上記の第１〜７の実施形態と同様の効果が得られる。
The
１０、８０、１００、１２０、１５０、１７０、１８０、１９０…燃料電池
１２ａ、１２ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０２、１２２、１５２、１７２、１８２、１９２…単位セル
１４…積層体
２０ａ、２０ｂ、１０４、１７４…電解質膜・電極構造体
２２、２４、２６、２８、８３、８４、８６、８８、１０６、１０８、１２４、１２６、１５４、１５６、１８４…金属セパレータ
３０、３０ａ、３０ｂ…固体高分子電解質膜
３２、３２ｂ…カソード側電極
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ…アノード側電極
４０、６４…酸化剤ガス流路 ４４、５４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４８ａ…冷却媒体入口連通孔 ４８ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０ａ…燃料ガス入口連通孔 ５０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５２、６６…燃料ガス流路
６２、７４、９０、９２、１１０、１３０、１５８、１９８、２００、２０２…シール部材
６２ａ〜６２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、１１０ａ〜１１０ｃ…シール部
９０ａ、９２ａ、１３０ａ、１５８ａ…内側シール部
９０ｂ、９２ｂ、１３０ｂ、１５８ｂ…中間シール部
９０ｃ、９２ｃ、１２８、１６０、１８６…外側シール部
１９４、１９６…カーボンセパレータ
10, 80, 100, 120, 150, 170, 180, 190 ...
Claims (5)
少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータは、前記燃料ガスをシールするための第１シール部材と、
前記酸化剤ガスをシールするための第２シール部材と、
前記冷却媒体をシールするための第３シール部材と、
を設け、
前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、積層方向に対して互いにオフセットして配置されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte, the electrolyte / electrode structure is sandwiched between a first separator and a second separator, and a fuel is provided along the anode side electrode. A unit cell having a fuel gas flow path for supplying gas and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode side electrode is provided, the unit cells are stacked, and a predetermined number of the unit cells are provided. A fuel cell in which a cooling medium flow path for supplying a cooling medium along the electrode surface direction is formed,
At least the first separator or the second separator includes a first seal member for sealing the fuel gas;
A second seal member for sealing the oxidant gas;
A third seal member for sealing the cooling medium;
Provided,
The fuel cell according to claim 1, wherein the first seal member, the second seal member, and the third seal member are offset from each other in the stacking direction.
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