JP5372627B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属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、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を備える燃料電池に関する。 In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path to be supplied is formed and a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path.
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電解質膜の両側に、それぞれ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(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、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(反応ガス流路)が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing fuel gas is provided in the surface of one separator so as to face the anode side electrode, and in the surface of the other separator, An oxidant gas flow path (reaction gas flow path) for flowing an oxidant gas is provided facing the cathode side electrode. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔(反応ガス連通孔)及び燃料ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通(反応ガス連通孔)孔及び酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス連通孔)と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。 Furthermore, in this type of fuel cell, a fuel gas inlet communication hole (reactive gas communication hole) and a fuel gas outlet communication hole (reactive gas communication hole) for flowing fuel gas through the unit cell in the stacking direction, Oxidant gas inlet communication hole (reaction gas communication hole) and oxidant gas outlet communication hole (reaction gas communication hole) for flowing the oxidant gas, and cooling medium inlet communication hole and cooling medium outlet communication hole for flowing the cooling medium In many cases, a so-called internal manifold type fuel cell is provided.
その際、反応ガス流路と反応ガス連通孔とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。ところが、セパレータと電解質・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも反応ガスが良好に流れないという問題がある。 At that time, the reaction gas channel and the reaction gas communication hole communicate with each other through a connection channel having parallel grooves or the like in order to allow the reaction gas to flow smoothly and evenly. However, when the separator and the electrolyte / electrode structure are clamped and fixed with a seal member interposed therebetween, the seal member enters the connecting flow path, and the desired sealing performance cannot be maintained. In addition, there is a problem that the reaction gas does not flow well.
そこで、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図9に示すように、セパレータ1の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路2が形成されている。この酸化剤ガス流路2は、セパレータ1の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔3と酸化剤ガス排出用貫通孔4とに連通している。セパレータ1にはパッキン5が配置されており、このセパレータ1の面内で貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。
Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, a meandering reaction gas, for example, an oxidant
貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通する連結流路6a、6bには、この連結流路6a、6bを覆ってシール部材であるSUS板7が配置されている。SUS板7は長方形状に構成されており、それぞれ2箇所に耳部7a、7bが設けられるとともに、各耳部7a、7bは、セパレータ1に形成された段差部8に嵌合している。
In the
このように、特許文献1では、SUS板7が連結流路6a、6bを覆っているために、高分子膜(図示せず)及びパッキン5が酸化剤ガス流路2に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。
Thus, in Patent Document 1, since the
上記の特許文献1では、連結流路6a、6bは、通常、複数の溝部により構成されている。このため、特に、金属セパレータが使用される際には、溝部同士の間隔が拡大されると、連結流路6a、6bを横切るシールラインの線圧が抜けてしまうという問題がある。
In the above-mentioned Patent Document 1, the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、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 provides a fuel cell capable of preventing a load drop as much as possible and ensuring a desired sealing function with an economical and simple configuration. With the goal.
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と金属セパレータとを積層し、前記電解質・電極構造体と前記金属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、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を備える燃料電池に関するものである。 In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator are stacked, and a reaction gas is passed along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path to be supplied is formed and a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path.
金属セパレータの一方の面に、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されることで、前記金属セパレータの他方の面に前記凹溝部の反対形状である凸形状部が形成されるとともに、前記金属セパレータの前記他方の面と対向する、少なくとも隣接する金属セパレータの一方の面、又は端部部材の一方の面には、前記凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。 On one surface of the metal separator, projecting a plurality of concave portions for communicating the reactant gas passage and the reactant gas flow field is by being pressed formed is opposite shape of the groove portion on the other surface of the metal separator with the shape portion is formed, the opposite to the other surface of the metallic plates, on one surface of at least one surface of the adjacent metal separators, or end member, positioned between front Kitotsu shaped portion A receiving member is provided.
また、端部部材は、絶縁プレート又はターミナルプレートであることが好ましい。 The end member is preferably an insulating plate or a terminal plate.
本発明では、金属セパレータには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されるとともに、前記凹溝部の反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられている。このため、凸形状部の間隔が拡大されても、金属セパレータ自体の剛性に依存することがなく、前記金属セパレータの薄肉化を図りながら、受け部材を介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。 In the present invention, the metal separator is press-formed with a plurality of concave grooves communicating the reactive gas communication hole and the reactive gas flow path, and is received between the convex shaped parts opposite to the concave groove. A member is provided. For this reason, even if the interval between the convex portions is enlarged, it does not depend on the rigidity of the metal separator itself, and it is possible to reduce the line pressure of the seal line through the receiving member while reducing the thickness of the metal separator. Can be suppressed.
これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。 As a result, it is possible to prevent a load drop as much as possible with an economical and simple configuration and to secure a desired sealing function.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、矢印A方向に積層されて燃料電池スタック12を構成する。燃料電池10の積層方向両端には、ターミナルプレート14a、14b、絶縁プレート16a、16b及びエンドプレート18a、18bが配設される。
As shown in FIG. 1, the
ターミナルプレート14a、14bは、絶縁プレート16a、16bの中央部に形成された凹部(図示せず)に収容されるとともに、前記ターミナルプレート14a、14bの中央から電力取り出し端子20a、20bが積層方向外方に突出する。エンドプレート18a、18bは、図示しないタイロッドにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて前記エンドプレート18a、18bを端板とするケーシング(図示せず)内に燃料電池10を収容してもよい。
The
図2及び図3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)24が、第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28に挟持される。第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28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縦長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
燃料電池10の矢印B方向(図2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、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
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、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30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図2及び図4に示すように、第1金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体24側の面26aには、例えば、矢印B方向に直線状に延在する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、第1金属セパレータ26を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備え、第1金属セパレータ26の反対側の面26bには、前記酸化剤ガス流路36の裏面形状である冷却媒体流路38の一部が形成される。
As shown in FIGS. 2 and 4, on the
酸化剤ガス流路36と酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bとは、連結流路40a、40bを介して連通する。連結流路40a、40bは、それぞれ矢印C方向に配列される複数の凹溝部42a、42bを有する(図3〜図5参照)。凹溝部42a、42bは、第1金属セパレータ26にプレス成形されている。
The oxidant
図2及び図6に示すように、第2金属セパレータ28の電解質膜・電極構造体24側の面28a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方向に延在する燃料ガス流路(反応ガス流路)44が形成される。
2 and 6, the
燃料ガス流路44は、第2金属セパレータ28を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路44と燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bとは、連結流路46a、46bを介して連通する。連結流路46a、46bは、それぞれ矢印C方向に配列される複数の凹溝部48a、48bを有する。凹溝部48a、48bは、第2金属セパレータ28にプレス成形されている。
The
図2に示すように、第2金属セパレータ28の面28aとは反対の面28b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38の一部が形成される。
As shown in FIG. 2, a part of the cooling
第1金属セパレータ26の面26a、26bには、この第1金属セパレータ26の外周端部を周回して、第1シール部材50が焼き付けや射出成形等により一体化される。第2金属セパレータ28の面28a、28bには、この第2金属セパレータ28の外周端部を周回して、第2シール部材52が焼き付けや射出成形等により一体化される。
The
第1シール部材50及び第2シール部材52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、又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。
The
第1金属セパレータ26の面26bには、図4に示すように、冷却媒体流路38側に突出し、第2金属セパレータ28に設けられた凹溝部48a、48bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材54a、54bが設けられる。受け部材54a、54bは、例えば、第1シール部材50と一体成形されているが、前記第1シール部材50と別体に構成してもよい。以下、同様である。
As shown in FIG. 4, the
第2金属セパレータ28の面28bには、冷却媒体流路38側に突出し、第1金属セパレータ26に設けられた凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材56a、56bが設けられる(図2、図3及び図5参照)。受け部材56a、56bは、例えば、第1シール部材50と一体成形される。
The receiving
図5に示すように、積層方向最端部に配置されている第1金属セパレータ26に隣接する絶縁プレート16bには、凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材58が設けられる。同様に、積層方向最端部に配置されている第2金属セパレータ28に隣接する絶縁プレート16aには、図示しないが、凹溝部48a、48bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材が設けられる。
As shown in FIG. 5, the insulating
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24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60と、前記固体高分子電解質膜60を挟持するアノード側電極62及びカソード側電極64とを備える。固体高分子電解質膜60の外周縁部は、アノード側電極62及びカソード側電極64の外周端部よりも外方に突出している。
2 and 3, the electrolyte membrane /
アノード側電極62及びカソード側電極64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、互いに固体高分子電解質膜60を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜60の両面に接合されている。
The
カソード側電極64は、面方向に沿って第1金属セパレータ26の連結流路40a、40b側(矢印B方向外方)に突出する突出端部64a、64bを備える。アノード側電極62は、面方向に沿って第2金属セパレータ28の連結流路46a、46bに突出する突出端部62a、62bを有する。
The cathode-
図1に示すように、エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bに連通する酸化剤ガス入口マニホールド66a、冷却媒体出口マニホールド68b及び燃料ガス出口マニホールド70bと、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに連通する燃料ガス入口マニホールド70a、冷却媒体入口マニホールド68a及び酸化剤ガス出口マニホールド66bとが設けられる。
As shown in FIG. 1, 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
先ず、図1に示すように、燃料ガス入口マニホールド70aから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、酸化剤ガス入口マニホールド66aから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、冷却媒体入口マニホールド68aから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 from the fuel
このため、燃料ガスは、図2及び図6に示すように、燃料ガス入口連通孔34aから第2金属セパレータ28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24を構成するアノード側電極62に供給される。一方、酸化剤ガスは、図2及び図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aから第1金属セパレータ26の酸化剤ガス流路36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24を構成するカソード側電極64に供給される。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 6, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体24では、カソード側電極64に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極62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 /
次いで、アノード側電極62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64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 fuel gas consumed by being supplied to the
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及び第2金属セパレータ26、28間の冷却媒体流路38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24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
この場合、第1の実施形態では、図5に示すように、第1金属セパレータ26には、連結流路40aを構成する複数の凹溝部42aが設けられるとともに、第2金属セパレータ28には、冷却媒体流路38側に突出し、前記凹溝部42aの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材56aが設けられている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the
このため、凹溝部42aの間隔(凸形状部の間隔)が拡大されても、第1金属セパレータ26自体の剛性に依存することがなく、受け部材56aを介してシールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。これにより、経済的且つ簡単な構成で、荷重抜けを可及的に阻止するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。
For this reason, even if the interval between the
しかも、第1金属セパレータ26(及び第2金属セパレータ28)の薄肉化を図ることができ、燃料電池10の小型化及び軽量化が容易に遂行可能になる。
In addition, the first metal separator 26 (and the second metal separator 28) can be thinned, and the
さらに、第1の実施形態では、絶縁プレート16bには、凹溝部42a、42bの反対形状である凸形状部間に位置して受け部材58が設けられている。従って、特に、積層方向最端部に配置されている第1金属セパレータ26は、シールラインの線圧抜けを良好に抑制することができる。
Furthermore, in 1st Embodiment, the receiving
なお、第1の実施形態では、絶縁プレート16bに受け部材58等を設けているが、これに代えて、例えば、図7に示すように、ターミナルプレート14a、14bに、凸部(受け部材)72を設けてもよい。また、図示しないが、積層方向端部にダミーセルを配設するとともに、このダミーセルに受け部材を設けてもよい。ダミーセルは、一般的に燃料電池10と同様に構成されており、電解質膜・電極構造体24に代えて同厚の板部材(非発電体)を用い、この板部材を第1金属セパレータ26と第2金属セパレータ28とで挟持して構成すればよい。さらにまた、受け部材は、少なくとも金属セパレータ、絶縁プレート、ターミナルプレート又はダミーセルのいずれかに設けてもよい。
In the first embodiment, the receiving
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池80の要部分解斜視説明図である。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。
FIG. 8 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池80は、第1金属セパレータ26、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)24a、中間金属セパレータ82、第2電解質膜・電極構造体24b及び第2金属セパレータ28を設ける。中間金属セパレータ82は、第1電解質膜・電極構造体24aに向かう面82aに燃料ガス流路84が設けられるとともに、第2電解質膜・電極構造体24bに向かう面82bに酸化剤ガス流路86が設けられる。
The
このように構成される第2の実施形態では、第1金属セパレータ26及び第2金属セパレータ28を備えており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the
10、80…燃料電池 12…燃料電池スタック
24、24a、24b…電解質膜・電極構造体
26、28…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、86…酸化剤ガス流路
38…冷却媒体流路
40a、40b、46a、46b…連結流路
42a、42b、48a、48b…凹溝部
44、84…燃料ガス流路 50、52…シール部材
54a、54b、56a、56b、58…受け部材
60…固体高分子電解質膜 62…アノード側電極
64…カソード側電極 82…中間金属セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記金属セパレータの一方の面に、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通する複数の凹溝部がプレス形成されることで、前記金属セパレータの他方の面に前記凹溝部の反対形状である凸形状部が形成されるとともに、
前記金属セパレータの前記他方の面と対向する、少なくとも隣接する金属セパレータの一方の面、又は端部部材の一方の面には、前記凸形状部間に位置して受け部材が設けられることを特徴とする燃料電池。 A reaction gas in which a pair of electrodes is provided on both sides of an electrolyte and an electrode / electrode structure and a metal separator are stacked, and a reaction gas is supplied along the electrode surface between the electrolyte / electrode structure and the metal separator. A fuel cell having a reaction gas communication hole formed therein and having a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow channel,
On one surface of the metal separator, the reaction gas passage and said reactant gas channel by a plurality of recessed grooves communicating is pressed formed, opposite shape of the groove portion on the other surface of the metal separator As a convex shape part is formed ,
The opposite to the other surface of the metal separator, at least one surface of the adjacent metal separators, or on one surface of the end member, that the receiving member is located is provided between front Kitotsu shaped portion A fuel cell.
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