JP5091271B2

JP5091271B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP5091271B2
Application number: JP2010091139A
Authority: JP
Inventors: 誠治杉浦; 龍吾鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: JP2010182690A

Description

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、セパレータとが積層されるとともに、シール部材が介装される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are stacked and a seal member is interposed.

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（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ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。 For example, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte (electrolyte membrane) / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte / electrode structures and separators.

この燃料電池において、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が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。 In this fuel cell, a 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 on the electrode catalyst, and the cathode side passes through the electrolyte. Move to the electrode side. Electrons generated in the meantime 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.

この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。ところが、電解質・電極構造体とセパレータとを積層する際に、これらの相対位置を正確に位置決めすることは極めて困難である。このため、シール部材が所望の部位に確実に密着されない場合があり、シール性が低下するおそれがある。 In this case, in the fuel cell, it is necessary to flow the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium in an airtight (liquid-tight) manner along respective dedicated flow paths. Therefore, various seal members are usually interposed between the electrolyte / electrode structure and the separator. However, when laminating the electrolyte / electrode structure and the separator, it is extremely difficult to accurately position these relative positions. For this reason, the seal member may not be securely adhered to a desired site, and the sealing performance may be deteriorated.

そこで、例えば、特許文献１の燃料電池は、図１１に示すように、燃料電池セル１およびセパレータ２ａ、２ｂを備えている。燃料電池セル１は、電解質層１ａの両側に電極膜１ｂ、１ｃを設けるとともに、前記電解質層１ａの外周が前記電極膜１ｂ、１ｃの外周から外方に突出している。電解質層１ａの外周端部には、複数の貫通孔３が形成されている。 Thus, for example, the fuel cell of Patent Document 1 includes a fuel cell 1 and separators 2a and 2b as shown in FIG. In the fuel cell 1, electrode films 1b and 1c are provided on both sides of the electrolyte layer 1a, and the outer periphery of the electrolyte layer 1a protrudes outward from the outer periphery of the electrode films 1b and 1c. A plurality of through holes 3 are formed at the outer peripheral end of the electrolyte layer 1a.

セパレータ２ａ、２ｂには、それぞれ電極膜１ｂ、１ｃに対向して反応ガス用溝４ａ、４ｂが形成されるとともに、前記電極膜１ｂ、１ｃの外周を周回して溝５ａ、５ｂが形成されている。この溝５ａ、５ｂには、ガスシール体６が配設されている。 In the separators 2a and 2b, reaction gas grooves 4a and 4b are formed to face the electrode films 1b and 1c, respectively, and grooves 5a and 5b are formed around the outer periphery of the electrode films 1b and 1c. Yes. A gas seal body 6 is disposed in the grooves 5a and 5b.

セパレータ２ａの外周端縁部には、複数の段付孔部７ａが形成される一方、セパレータ２ｂには、前記段付孔部７ａと同軸的にねじ孔７ｂが形成される。段付孔部７ａから締め付けボルト８が挿入され、この締め付けボルト８は、電解質層１ａの貫通孔３を通ってねじ孔７ｂにねじ込まれる。これにより、燃料電池セル１およびセパレータ２ａ、２ｂが一体的に保持されるとともに、前記燃料電池セル１と前記セパレータ２ａ、２ｂとは、締め付けボルト８を介して互いに位置決め支持される。 A plurality of stepped hole portions 7a are formed at the outer peripheral edge of the separator 2a, while a screw hole 7b is formed coaxially with the stepped hole portion 7a in the separator 2b. A tightening bolt 8 is inserted from the stepped hole portion 7a, and the tightening bolt 8 is screwed into the screw hole 7b through the through hole 3 of the electrolyte layer 1a. Thus, the fuel battery cell 1 and the separators 2a and 2b are integrally held, and the fuel battery cell 1 and the separators 2a and 2b are positioned and supported with each other via the fastening bolts 8.

特開平８−３７０１２号公報（段落［００２７］〜［００２９］、図５）JP-A-8-37012 (paragraphs [0027] to [0029], FIG. 5)

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池セル１とセパレータ２ａ、２ｂとが、複数本の締め付けボルト８を介して一体的に締め付け保持されるため、特に、多数の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成する際には、前記締め付けボルト８の締め付け作業が相当に繁雑である。これにより、燃料電池の組み立て作業全体に相当に長い時間を要してしまい、効率的な組み付け作業が遂行されないという問題が指摘されている。しかも、多数の締め付けボルト８を用意しなければならず、取り扱い性が低下するとともに、経済的ではないという問題がある。 However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the fuel battery cell 1 and the separators 2a and 2b are integrally clamped and held via a plurality of clamping bolts 8, in particular, a fuel cell is formed by stacking a large number of fuel cells. When configuring a battery stack, the tightening operation of the tightening bolt 8 is considerably complicated. As a result, it has been pointed out that the entire assembly operation of the fuel cell takes a considerably long time and the efficient assembly operation cannot be performed. In addition, a large number of fastening bolts 8 must be prepared, which causes a problem that handling is reduced and it is not economical.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとを確実かつ容易に位置決めし、組み立て作業を効率的に行うとともに、所望のシール機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。 The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, the electrolyte / electrode structure and the separator are positioned reliably and easily, and the assembly operation is efficiently performed, and a desired sealing function is ensured. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.

本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極構造体とセパレータとが交互に積層されるとともに、シール部材が介装されている。そして、電解質・電極構造体は、一方の電極を構成するガス拡散層が、電解質全面を覆って設けられ、他方の前記電極を構成するガス拡散層が、前記電解質よりも小さな表面積を有し、セパレータ自体には、一方の電極を構成する電解質・電極構造体の外周部を位置決めするための凸状部または凹状部が形成されている。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately laminated, and the seal member is interposed. And, in the electrolyte / electrode structure, the gas diffusion layer constituting one electrode is provided so as to cover the entire surface of the electrolyte, and the gas diffusion layer constituting the other electrode has a smaller surface area than the electrolyte, the separator itself, the convex portion or concave portion for positioning the outer peripheral portion of the electrolyte electrode assembly of one of the electrodes is formed.

このため、電解質・電極構造体の外周部を凸状部または凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体をセパレータに対して正確かつ容易に位置決めすることができる。従って、電解質・電極構造体とセパレータとを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品（例えば、ボルト）が不要になり、部品点数が削減されて経済的である。 Therefore, the electrolyte / electrode structure can be accurately and easily positioned with respect to the separator only by engaging the outer peripheral portion of the electrolyte / electrode structure with the convex portion or the concave portion. Therefore, it is not necessary to fasten and fix the electrolyte / electrode structure and the separator with, for example, bolts, and the assembly operation of the fuel cell can be performed efficiently. In addition, a dedicated fastening part (for example, a bolt) is not required, and the number of parts is reduced, which is economical.

さらに、セパレータは、金属製セパレータであり、前記金属製セパレータに凸状部または凹状部が成形される。このため、金属製セパレータをプレス加工する際に、凸状部または凹状部を設けることができ、燃料電池全体を経済的に製造することが可能になる。 Furthermore, separators are metal separators, convex portion or concave portion is formed on the metal separator. For this reason, when pressing a metal separator, a convex part or a concave part can be provided, and it becomes possible to manufacture the whole fuel cell economically.

また、セパレータは、カーボン製セパレータであり、前記カーボン製セパレータに凸状部または凹状部が設けられる。このため、金属製セパレータの他、カーボン製セパレータを使用することができ、種々のセパレータに適応可能となって汎用性に優れる。 Also, separators are made of carbon separators, convex portion or concave portion is provided in the carbon-made separator. For this reason, in addition to a metal separator, a carbon separator can be used, which can be applied to various separators and is excellent in versatility.

本発明に係る燃料電池では、電解質・電極構造体の外周部を、セパレータ自体に設けられた凸状部または凹状部に係合させるだけで、前記電解質・電極構造体を前記セパレータに対して正確かつ容易に位置決めすることができる。従って、電解質・電極構造体とセパレータとを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品（例えば、ボルト）が不要になり、部品点数が削減されて経済的である。 In the fuel cell according to the present invention, the electrolyte / electrode structure can be accurately connected to the separator only by engaging the outer peripheral portion of the electrolyte / electrode structure with a convex portion or a concave portion provided in the separator itself. And it can position easily. Therefore, it is not necessary to fasten and fix the electrolyte / electrode structure and the separator with, for example, bolts, and the assembly operation of the fuel cell can be performed efficiently. In addition, a dedicated fastening part (for example, a bolt) is not required, and the number of parts is reduced, which is economical.

本発明に関連する燃料電池の要部分解斜視説明図である。An exploded perspective view showing main components of a fuel cell that are related to the present invention. 前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the fuel cell stack which laminates | stacks the said fuel cell. 前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。It is a partial cross section perspective explanatory view of the fuel cell. 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell. 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part sectional explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明に関連する燃料電池の要部断面説明図である。It is a cross sectional view showing main components of a fuel cell that are related to the present invention. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the said fuel cell. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。2 is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

図１は、本発明に関連する燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。 Figure 1 is an exploded perspective view showing main components of a fuel cell 10 that relate to the present invention, FIG. 2 is a cross-section view of the fuel cell 10.

図１に示すように、燃料電池１０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いる。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 16 sandwiched between first and second metal separators 18 and 20. The first and second metal separators 18 and 20 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose surface has been subjected to anticorrosion treatment.

燃料電池１０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。 One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas An agent gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b for discharging a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in the arrow C direction (vertical direction). Are provided in an array.

燃料電池１０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。 The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium. 32a and an oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

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てなる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よりも大きな表面積を有している。 The electrolyte membrane / electrode structure 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 38 and a cathode side electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 36. 40. The anode side electrode 38 has a larger surface area than the cathode side electrode 40.

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てなる電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。 The anode side electrode 38 and the cathode side electrode 40 are an electrode catalyst in which a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And having a layer. The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween.

第１金属セパレータ１８のカソード側電極４０に対向する面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通し、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路４２が設けられる。第２金属セパレータ２０のアノード側電極３８に対向する面２０ａには、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方向に延在する直線状の燃料ガス流路４４が形成される。 The surface 18a of the first metal separator 18 facing the cathode side electrode 40 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b, and has, for example, a linear shape extending in the arrow B direction. An oxidant gas flow path 42 is provided. A surface 20a of the second metal separator 20 facing the anode side electrode 38 communicates with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b, and extends in the direction of arrow B. 44 is formed.

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。 Between the surface 18b of the first metal separator 18 and the surface 20b of the second metal separator 20, a cooling medium flow path 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed. The cooling medium flow path 46 extends linearly in the direction of arrow B.

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が一体成形される。第１シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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。 A first seal member 50 is integrally formed on the surfaces 18 a and 18 b of the first metal separator 18 around the outer peripheral end portion of the first metal separator 18. The first seal member 50 uses, for example, a seal material such as EPDM, NBR, fluorine rubber, silicon rubber, fluorosilicon rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, a cushion material, or a packing material. To do.

図１〜図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ａには、この第１金属セパレータ１８の外周端部に近接して第１シール部材５０を構成する第１突部５６ａが一体化される。面１８ａには、この第１突部５６ａから内方に所定の距離だけ離間した位置に第１シール部材５０を構成する第２突部５６ｂが一体化される。 As shown in FIGS. 1 to 3, the surface 18 a of the first metal separator 18 is integrally provided with a first protrusion 56 a that constitutes the first seal member 50 in the vicinity of the outer peripheral end of the first metal separator 18. It becomes. The surface 18a is integrated with a second protrusion 56b constituting the first seal member 50 at a position spaced inward from the first protrusion 56a by a predetermined distance.

第１および第２突部５６ａ、５６ｂ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。この第２突部５６ｂ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（図２および図３参照）。 The first and second protrusions 56a and 56b can be selected from various shapes such as a tapered shape (lip shape), a trapezoidal shape, or a bowl shape. The second protrusion 56b is in direct contact with the solid polymer electrolyte membrane 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16 (see FIGS. 2 and 3).

図１および図４に示すように、第１および第２突部５６ａ、５６ｂは、酸化剤ガス流路４２を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路４２と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とを連通する。第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを囲繞してシール部材５７が設けられる。 As shown in FIGS. 1 and 4, the first and second protrusions 56a and 56b surround the oxidant gas flow path 42, and the oxidant gas flow path 42, the oxidant gas inlet communication hole 30a, and the oxidation gas. The agent gas outlet communication hole 30b is communicated. A seal member 57 is provided on the surface 18a of the first metal separator 18 so as to surround the fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium inlet communication hole 32a, the cooling medium outlet communication hole 32b, and the fuel gas outlet communication hole 34b.

図２および図４に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部に近接して第３突部５６ｃが設けられ、この第３突部５６ｃから内方に所定の距離だけ離間して第４突部５６ｄが設けられる。第３および第４突部５６ｃ、５６ｄは、上記の第１および第２突部５６ａ、５６ｂと同様の形状を有している。 As shown in FIGS. 2 and 4, the surface 18b of the first metal separator 18 is provided with a third protrusion 56c adjacent to the outer peripheral end of the first metal separator 18, and the third protrusion 56c. A fourth protrusion 56d is provided inwardly by a predetermined distance. The third and fourth protrusions 56c and 56d have the same shape as the first and second protrusions 56a and 56b.

図１、図２および図５に示すように、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５８が一体成形される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材５０と同一の材料で構成される。第２金属セパレータ２０の面２０ａには、第２金属セパレータ２０の外周端部に近接して第２シール部材５８を構成する第１平面部６４が一体化される。第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、第１平面部６４よりも長尺な第２平面部６６が一体化される。 As shown in FIGS. 1, 2, and 5, a second seal member 58 is integrally formed on the surfaces 20 a and 20 b of the second metal separator 20 around the outer peripheral end of the second metal separator 20. . The second seal member 58 is made of the same material as the first seal member 50 described above. A first flat surface portion 64 constituting the second seal member 58 is integrated with the surface 20a of the second metal separator 20 in the vicinity of the outer peripheral end portion of the second metal separator 20. A second flat surface portion 66 that is longer than the first flat surface portion 64 is integrated with the surface 20 b of the second metal separator 20.

第１平面部６４は、第１シール部材５０の第１突部５６ａと密着するとともに、この第１平面部６４の内方側端部には、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための突起部（凸状部）６８が複数個所に設けられる（図１参照）。第２平面部６６は、第１シール部材５０の第３および第４突部５６ｃ、５６ｄと密着可能である。 The first flat surface portion 64 is in close contact with the first protrusion 56 a of the first seal member 50, and the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is positioned at the inner side end portion of the first flat surface portion 64. Protruding portions (convex portions) 68 for the purpose are provided at a plurality of locations (see FIG. 1). The second flat surface portion 66 can be in close contact with the third and fourth protrusions 56 c and 56 d of the first seal member 50.

第１平面部６４は、電解質膜・電極構造体１６の外周端部に摺接する位置を周回する一方、第２平面部６６は、アノード側電極３８に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。図１に示すように、第１平面部６４は、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂを燃料ガス流路４４に連通する。第２平面部６６は、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する。 The first plane portion 64 circulates at a position where it slides on the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 16, while the second plane portion 66 circulates at a position where the anode side electrode 38 is overlapped over a predetermined range. As shown in FIG. 1, the first flat portion 64 communicates the fuel gas inlet communication hole 34 a and the fuel gas outlet communication hole 34 b with the fuel gas flow path 44. As shown in FIG. 5, the second flat portion 66 communicates the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b.

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 fuel cell 10 configured as described above will be described below.

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。 First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

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、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・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から第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・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。 For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the first metal separator 18 from the oxidant gas inlet communication hole 30a, and moves in the direction of arrow B while constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16. It is supplied to the side electrode 40. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 20 from the fuel gas inlet communication hole 34a, and moves to the anode side electrode 38 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16 while moving in the arrow B direction. Supplied.

従って、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、発電が行われる。 Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 16, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 40 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 38 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, thereby generating power. Is done.

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、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。 Next, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 38 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b. Similarly, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode side electrode 40 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b.

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。 The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 46 between the first and second metal separators 18 and 20, and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 16 is cooled.

この場合、図１および図２に示すように、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５８が設けられるとともに、この第２シール部材５８を構成する第１平面部６４には、突起部６８が複数個所に設けられている。このため、燃料電池１０を組み立てる際に、電解質膜・電極構造体１６の外周部、すなわち、固体高分子電解質膜３６およびアノード側電極３８の外周端面を突起部６８の端面に当接させるだけで、電解質膜・電極構造体１６を第２金属セパレータ２０に対して正確かつ容易に位置決めすることができる。 In this case , as shown in FIGS. 1 and 2, the second seal member 58 is provided around the outer peripheral end portion of the second metal separator 20, and the first flat portion 64 constituting the second seal member 58 is provided. The protrusion 68 is provided at a plurality of locations. Therefore, when the fuel cell 10 is assembled, the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16, that is, the outer peripheral end surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 and the anode-side electrode 38 are merely brought into contact with the end surfaces of the protrusions 68. The electrolyte membrane / electrode structure 16 can be accurately and easily positioned with respect to the second metal separator 20.

従って、電解質膜・電極構造体１６と第２金属セパレータ２０とを、例えば、ボルトによって締め付け固定する必要がなく、燃料電池１０の組み立て作業が効率的に遂行可能になる。しかも、専用の締め付け部品が不要になり、部品点数が削減されて、燃料電池１０全体を経済的に得ることができる。 Therefore, there is no need to fasten and fix the electrolyte membrane / electrode structure 16 and the second metal separator 20 with, for example, bolts, and the assembly operation of the fuel cell 10 can be performed efficiently. In addition, a dedicated fastening part is not required, the number of parts is reduced, and the entire fuel cell 10 can be obtained economically.

さらに、電解質膜・電極構造体１６は、外周部を複数の突起部６８により位置決め支持されるため、燃料電池１０を積層してスタックを構成する際、前記燃料電池１０の取り扱い作業時に前記電解質膜・電極構造体１６に位置ずれが発生することがない。このため、電解質膜・電極構造体１６と第１および第２金属セパレータ１８、２０との相対位置決め精度が有効に向上し、組み立て作業性に優れるとともに、所望のシール機能を確保して高品質な燃料電池スタックを得ることが可能になるという効果がある。 Furthermore, since the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is positioned and supported by a plurality of protrusions 68, when the fuel cell 10 is stacked to form a stack, the electrolyte membrane / electrode structure 16 is handled when the fuel cell 10 is handled. -No positional shift occurs in the electrode structure 16. For this reason, the relative positioning accuracy between the electrolyte membrane / electrode structure 16 and the first and second metal separators 18 and 20 is effectively improved, the assembly workability is excellent, and a desired sealing function is ensured and high quality is achieved. There is an effect that a fuel cell stack can be obtained.

なお、第１平面部６４に突起部６８を設け、この突起部６８を電解質膜・電極構造体１６の位置決め用凸状部として構成しているが、例えば、前記第１平面部６４を比較的肉厚に構成し、この第１平面部６４の端面自体を位置決め用凸状部として構成してもよい。 In addition , although the projection part 68 is provided in the 1st plane part 64, and this projection part 68 is comprised as the convex-shaped part for positioning of the electrolyte membrane and electrode structure 16, the said 1st plane part 64 is comparatively made, for example It may be configured to be thick, and the end surface itself of the first flat portion 64 may be configured as a positioning convex portion.

図６は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。なお、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２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. 6 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the fuel cell 80 according to the first embodiment of the present invention. Note that the fuel cell 10 the same components as are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Similarly, in the second embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２金属セパレータ１８、８２を備える。第２金属セパレータ８２の外周端部を周回して第２シール部材８４が一体成形されるとともに、前記第２金属セパレータ８２には、凹状部８６が、例えば、プレス成形される。凹状部８６は、第２金属セパレータ８２に電解質膜・電極構造体１６を周回して設けられており、前記凹状部８６を構成する端面８８は、前記電解質膜・電極構造体１６の外周部に係合して該電解質膜・電極構造体１６を位置決め支持する。 The fuel cell 80 includes first and second metal separators 18 and 82 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 16. A second seal member 84 is integrally formed around the outer peripheral end of the second metal separator 82, and a concave portion 86 is press-molded in the second metal separator 82, for example. The concave portion 86 is provided around the electrolyte membrane / electrode structure 16 on the second metal separator 82, and an end surface 88 constituting the concave portion 86 is formed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16. The electrolyte membrane / electrode structure 16 is positioned and supported by engaging.

このように構成される第１の実施形態では、第２金属セパレータ８２に電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための端面８８が凹状部８６を介して形成されている。このため、簡単な作業および構成で、電解質膜・電極構造体１６を所望の位置に確実に位置決め支持することができる等、上記と同様の効果が得られる。 In the first embodiment configured as described above, the end surface 88 for positioning the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is formed on the second metal separator 82 via the concave portion 86. For this reason, the effects similar to the above can be obtained, for example, the electrolyte membrane / electrode structure 16 can be reliably positioned and supported at a desired position by a simple operation and configuration.

なお、第２金属セパレータ８２には、凹状部８６に代替して凸状部を形成し、この凸状部を介して電解質膜・電極構造体１６の位置決め支持を行うように構成してもよい。 The second metal separator 82 may be configured such that a convex portion is formed instead of the concave portion 86, and the positioning of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is supported through the convex portion. .

図７は、本発明に関連する燃料電池１００の要部断面説明図である。 Figure 7 is a cross-section view of a fuel cell 100 that are related to the present invention.

燃料電池１００を構成する第２金属セパレータ２０には、その外周端部を周回して第２シール部材１０２が一体成形される。この第２金属セパレータ２０の面２０ａには、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決め支持するために位置決め部材（凸状部）１０４が、接着あるいは溶接等によって取り付けられる。 A second seal member 102 is integrally formed on the second metal separator 20 constituting the fuel cell 100 around the outer peripheral end portion. A positioning member (convex portion) 104 is attached to the surface 20a of the second metal separator 20 by adhesion or welding in order to position and support the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16.

この位置決め部材１０４は、例えば、燃料電池１０を構成する突起部６８と同様に、複数個所に設けられていればよく、また、その材質は金属あるいは樹脂等、種々のものが使用可能である。 The positioning member 104, for example, similarly to the projections 68 constituting the fuel cell 10, may be provided on a plurality of locations, and the material is metal or resin, various ones can be used .

これにより、燃料電池１００では、第２金属セパレータ２０に位置決め部材１０４を取り付けるだけでよく、前記第２金属セパレータ２０の形状が簡素化するとともに、電解質膜・電極構造体１６と前記第２金属セパレータ２０との位置決めが容易かつ確実に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。 As a result, in the fuel cell 100 , it is only necessary to attach the positioning member 104 to the second metal separator 20, and the shape of the second metal separator 20 is simplified, and the electrolyte membrane / electrode structure 16 and the second metal separator. The same effect as that of the first embodiment can be obtained, for example, the positioning with 20 can be easily and reliably performed.

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の要部分解斜視説明図であり、図９は、前記燃料電池１２０の要部断面説明図である。 FIG. 8 is an exploded perspective view of the main part of the fuel cell 120 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of the main part of the fuel cell 120.

燃料電池１２０は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２セパレータ１２２、１２４を備え、この第１および第２セパレータ１２２、１２４は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。 The fuel cell 120 includes first and second separators 122 and 124 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 16, and the first and second separators 122 and 124 are made of, for example, a carbon separator.

燃料電池１２０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａおよび燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられるとともに、矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３４ａおよび酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。 An oxidant gas inlet communication hole 30a and a fuel gas outlet communication hole 34b are provided at one edge of the fuel cell 120 in the arrow B direction, and a fuel gas inlet communication hole 34a is provided at the other edge of the fuel cell 120 in the arrow B direction. In addition, an oxidant gas outlet communication hole 30b is provided.

燃料電池１２０の矢印Ｃ方向一端縁部（下端縁部）には、冷却媒体入口連通孔３２ａが設けられる一方、矢印Ｃ方向他端縁部（上端縁部）には、冷却媒体出口連通孔３２ｂが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂは、それぞれ２分割に構成してもよい。 A cooling medium inlet communication hole 32a is provided at one end edge (lower edge) in the arrow C direction of the fuel cell 120, while a cooling medium outlet communication hole 32b is provided at the other edge (upper edge) in the arrow C direction. Is provided. The cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b may each be divided into two parts.

第１セパレータ１２２のカソード側電極４０に対向する面１２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に、例えば、１往復半折り返すサーペンタイン状の酸化剤ガス流路１２６が設けられる。第１セパレータ１２２の面１２２ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通するサーペンタイン状または直線状の冷却媒体流路１２８が形成される。 The surface 122a of the first separator 122 facing the cathode side electrode 40 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b, and in the direction of arrow B, for example, a serpentine shape that is folded back and forth halfway. The oxidizing gas channel 126 is provided. On the surface 122b of the first separator 122, a serpentine-shaped or linear cooling medium flow path 128 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed.

第１セパレータ１２２の面１２２ａには、酸化剤ガス流路１２６を囲繞する内側シール部材１３０と、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、燃料ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体入口連通孔３２ａおよび冷却媒体出口連通孔３２ｂを囲繞する外側シール部材１３２とが設けられる。第１セパレータ１２２の面１２２ｂには、外側シール部材１３２に対応して外側シール部材１３４が設けられる。 On the surface 122a of the first separator 122, an inner seal member 130 surrounding the oxidant gas flow path 126, an oxidant gas inlet communication hole 30a, a fuel gas outlet communication hole 34b, a fuel gas inlet communication hole 34a, an oxidant gas. An outlet communication hole 30b, a cooling medium inlet communication hole 32a, and an outer seal member 132 surrounding the cooling medium outlet communication hole 32b are provided. An outer seal member 134 is provided on the surface 122 b of the first separator 122 corresponding to the outer seal member 132.

第２セパレータ１２４のアノード側電極３８に対向する面１２４ａには、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、例えば、１往復半折り返すサーペンタイン状の燃料ガス流路１３６が設けられる。この面１２４ａには、燃料ガス流路１３６を囲繞し、電解質膜・電極構造体１６の外周部を位置決めするための凹状部１３８が形成される。 A surface 124a facing the anode side electrode 38 of the second separator 124 communicates with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b, and in the direction of arrow B, for example, a serpentine-like fuel that is folded back and forth halfway. A gas flow path 136 is provided. The surface 124 a is formed with a concave portion 138 that surrounds the fuel gas flow path 136 and positions the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure 16.

このように構成される第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６が第２セパレータ１２４の凹状部１３８に収容される。その際、凹状部１３８を構成する端面１４０が、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およびアノード側電極３８の外周面に係合し、前記電解質膜・電極構造体１６が位置決めされる。さらに、第１セパレータ１２２の内側シール部材１３０が固体高分子電解質膜３６に密着するとともに、外側シール部材１３２が第２セパレータ１２４の面１２４ａに密着して燃料電池１２０が組み立てられる。 In the second embodiment configured as described above, the electrolyte membrane / electrode structure 16 is accommodated in the concave portion 138 of the second separator 124. At that time, the end surface 140 constituting the concave portion 138 engages with the outer peripheral surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 and the anode side electrode 38 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16, and the electrolyte membrane / electrode structure 16. Is positioned. Further, the inner seal member 130 of the first separator 122 is in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 36, and the outer seal member 132 is in close contact with the surface 124 a of the second separator 124 to assemble the fuel cell 120.

従って、第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６を第２セパレータ１２４の凹状部１３８に配置するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６を容易かつ確実に位置決め保持することができ、取り扱い作業性に優れる等の効果が得られる。 Therefore, in the second embodiment, the electrolyte membrane / electrode structure 16 can be easily and reliably positioned and held only by disposing the electrolyte membrane / electrode structure 16 in the concave portion 138 of the second separator 124. The effects such as excellent handling workability can be obtained.

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１６０の要部断面説明図である。 FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view of a main part of a fuel cell 160 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池１６０は、電解質膜・電極構造体１６２と、この電解質膜・電極構造体１６２を挟持する、例えば、カーボンセパレータである第１および第２セパレータ１６４、１６６とを備える。電解質膜・電極構造体１６２は、固体高分子電解質膜３６と、この固体高分子電解質膜３６の両面全面に設けられるアノード側電極３８およびカソード側電極４０ａとを備える。 The fuel cell 160 includes an electrolyte membrane / electrode structure 162 and first and second separators 164 and 166 that are, for example, carbon separators that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 162. The electrolyte membrane / electrode structure 162 includes a solid polymer electrolyte membrane 36, and an anode side electrode 38 and a cathode side electrode 40 a provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36.

アノード側電極３８およびカソード側電極４０ａの外周縁部には、シール部材１６８ａ、１６８ｂが取り付けられる。第１セパレータ１６４には、カソード側電極４０ａに対向する面１６４ａに酸化剤ガス流路１２６が形成される。第２セパレータ１６６は、アノード側電極３８に対向する面１６６ａに燃料ガス流路１３６が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１６２を収容して前記電解質膜・電極構造体１６２を位置決め支持するための凹状部１３８が形成される。この凹状部１３８を構成する端面１４０には、電解質膜・電極構造体１６２を構成する固体高分子電解質膜３６、アノード側電極３８およびカソード側電極４０ａの外周端面が係合する。第２セパレータ１６６の面１６６ｂには、冷却媒体流路１２８が形成される。 Seal members 168a and 168b are attached to the outer peripheral edges of the anode side electrode 38 and the cathode side electrode 40a. In the first separator 164, an oxidant gas channel 126 is formed on a surface 164a facing the cathode side electrode 40a. The second separator 166 is provided with a fuel gas channel 136 on a surface 166a facing the anode side electrode 38, and accommodates the electrolyte membrane / electrode structure 162 to position and support the electrolyte membrane / electrode structure 162. The concave portion 138 is formed. The outer peripheral end surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36, the anode side electrode 38, and the cathode side electrode 40a constituting the electrolyte membrane / electrode structure 162 are engaged with the end surface 140 constituting the concave portion 138. A cooling medium flow path 128 is formed on the surface 166 b of the second separator 166.

このように構成される第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６２を第２セパレータ１６６の凹状部１３８に収容するだけで、前記電解質膜・電極構造体１６２の位置決め支持が容易に行われる等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。 In the third embodiment configured as described above, the electrolyte membrane / electrode structure 162 can be easily positioned and supported simply by accommodating the electrolyte membrane / electrode structure 162 in the concave portion 138 of the second separator 166. The same effects as those of the second embodiment can be obtained.

１０、８０、１００、１２０、１６０…燃料電池
１６、１６２…電解質膜・電極構造体１８、２０、８２…金属セパレータ
３６…固体高分子電解質膜３８…アノード側電極
４０、４０ａ…カソード側電極４２、１２６…酸化剤ガス流路
４４、１３６…燃料ガス流路４６、１２８…冷却媒体流路
５０、５８、８４、１０２、１６８ａ、１６８ｂ・・・シール部材
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ…突部６４、６６…平面部
６８…突起部８６、１３８…凹状部
８８、１４０…端面１０４…位置決め部材
１２２、１２４、１６４、１６６…セパレータ
１３０…内側シール部材１３２、１３４…外側シール部材 10, 80, 100, 120, 160 ... Fuel cell 16, 162 ... Electrolyte membrane / electrode structure 18, 20, 82 ... Metal separator 36 ... Solid polymer electrolyte membrane 38 ... Anode side electrode 40, 40a ... Cathode side electrode 42 , 126 ... Oxidant gas flow path 44, 136 ... Fuel gas flow path 46, 128 ... Cooling medium flow path 50, 58, 84, 102, 168a, 168b ... Seal members 56a, 56b, 56c, 56d ... Projections 64, 66 ... plane part 68 ... projection part 86, 138 ... concave part 88, 140 ... end face 104 ... positioning member 122, 124, 164, 166 ... separator 130 ... inner seal member 132, 134 ... outer seal member

Claims

An electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are alternately stacked, and a fuel cell in which a seal member is interposed,
In the electrolyte / electrode structure, the gas diffusion layer constituting one of the electrodes is provided so as to cover the entire surface of the electrolyte, and the gas diffusion layer constituting the other electrode has a smaller surface area than the electrolyte. ,
Wherein the separator itself, the fuel cell, wherein a convex portion or concave portion for positioning the outer peripheral portion of the electrolyte electrode assembly of one of the electrodes.

The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is a metal separator,
The fuel cell, wherein the convex portion or the concave portion is formed on the metal separator.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is a carbon separator,
The fuel cell according to claim 1, wherein the convex portion or the concave portion is formed on the carbon separator.