JP6174524B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a framed electrolyte membrane / electrode structure in which a resin frame member is provided around an outer periphery of an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are respectively disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. .
一般的に、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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。 In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one side of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. . The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a fuel cell. A predetermined number of the fuel cells are stacked, for example, mounted on a fuel cell electric vehicle as an in-vehicle fuel cell stack.
燃料電池では、電解質膜・電極構造体の外周部にシール部材が一体化される構成が採用される場合がある。燃料ガスや酸化剤ガスの漏れ、又はこれらのクロスリークを抑制することが可能になるからである。 In a fuel cell, a configuration in which a seal member is integrated with an outer periphery of an electrolyte membrane / electrode structure may be employed. This is because it becomes possible to suppress leakage of fuel gas and oxidant gas, or cross-leakage of these.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池は、シール一体アセンブリとセパレータとが交互に積層されている。シール一体アセンブリは、MEA(膜電極接合体)と、前記MEAの両側に配置されるアノード側多孔体及びカソード側多孔体と、ガスケットとから構成されている。 For example, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, seal-integrated assemblies and separators are alternately stacked. The seal-integrated assembly includes an MEA (membrane electrode assembly), an anode-side porous body and a cathode-side porous body disposed on both sides of the MEA, and a gasket.
アノード側多孔体及びカソード側多孔体は、金属製多孔体やカーボン製多孔体から形成され、燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させる流路として機能している。ガスケットは、枠状部材であり、MEAの周囲に配置されるとともに、凸型形状のリップ部をアノード側とカソード側との両側に有している。リップ部は、セパレータ表面に密着しており、セパレータとの間でシールラインを形成している。 The anode-side porous body and the cathode-side porous body are formed from a metal porous body or a carbon porous body, and function as flow paths through which fuel gas and oxidant gas are circulated. The gasket is a frame-like member and is disposed around the MEA and has convex lip portions on both sides of the anode side and the cathode side. The lip portion is in close contact with the separator surface and forms a seal line with the separator.
ところで、上記の特許文献1では、セパレータに反応ガス流路を形成するために、前記セパレータを3枚のプレートにより構成している。このため、セパレータの構造が複雑化するとともに、プレート数が増加して経済的ではないという問題がある。 By the way, in said patent document 1, in order to form a reaction gas flow path in a separator, the said separator is comprised with three plates. For this reason, there is a problem that the structure of the separator becomes complicated and the number of plates increases, which is not economical.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、セパレータを簡単且つ良好に構成するとともに、経済的に製造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 an object of the present invention is to provide a fuel cell that can easily and satisfactorily constitute a separator and can be manufactured economically.
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極が配設される電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備えている。枠付き電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータで挟持されている。 The fuel cell according to the present invention has an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are respectively disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a resin frame member circulates around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure. A framed electrolyte membrane / electrode structure is provided. The framed electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators.
電極は、内部にセパレータ面方向に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される多孔質ガス拡散層を設けている。そして、樹脂枠部材には、多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に反応ガスを供給するガス導入部と、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から前記反応ガスを排出するガス導出部と、が設けられている。前記樹脂枠部材は、第1樹脂シート部材、第2樹脂シート部材及び第3樹脂シート部材の順に積層されるとともに、前記第1樹脂シート部材と前記第2樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である燃料ガス導入部と前記ガス導出部である燃料ガス導出部とが形成される一方、前記第2樹脂シート部材と前記第3樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である酸化剤ガス導入部と前記ガス導出部である酸化剤ガス導出部とが形成される。 The electrode is provided with a porous gas diffusion layer in which a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the separator surface direction is formed. The resin frame member includes a gas introduction part for supplying a reaction gas to the end surface on the reaction gas flow path inlet side of the porous gas diffusion layer, and the reaction gas from the reaction gas flow path outlet end surface of the porous gas diffusion layer And a gas lead-out part for discharging the gas. The resin frame member is laminated in the order of the first resin sheet member, the second resin sheet member, and the third resin sheet member, and between the first resin sheet member and the second resin sheet member, A fuel gas introduction part that is a gas introduction part and a fuel gas lead part that is the gas lead-out part are formed, and the gas introduction part is provided between the second resin sheet member and the third resin sheet member. And an oxidant gas lead-out part which is the gas lead-out part.
また、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスをセパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔が設けられることが好ましい。その際、ガス導入部は、反応ガス入口連通孔に連通し樹脂枠部材の1つの辺に沿って延在する連結流路と、前記連結流路と多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面とに連なる複数本の通路と、を有することが好ましい。 In this fuel cell, the resin frame member is preferably provided with a reaction gas inlet communication hole for allowing the reaction gas to flow in the stacking direction intersecting the separator surface direction. In that case, the gas introduction part communicates with the reaction gas inlet communication hole, extends along one side of the resin frame member, and the reaction gas channel inlet of the connection channel and the porous gas diffusion layer. It is preferable to have a plurality of passages connected to the side end surface.
さらに、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスをセパレータ面方向に交差する積層方向に流通させる反応ガス出口連通孔が設けられることが好ましい。その際、ガス導出部は、反応ガス出口連通孔に連通し樹脂枠部材の1つの辺に沿って延在する連結流路と、前記連結流路と多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面とに連なる複数本の通路と、を有することが好ましい。 Further, in this fuel cell, the resin frame member is preferably provided with a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows in the stacking direction intersecting the separator surface direction. In that case, the gas lead-out part communicates with the reaction gas outlet communication hole and extends along one side of the resin frame member, and the reaction gas channel outlet of the connection channel and the porous gas diffusion layer. It is preferable to have a plurality of passages connected to the side end surface.
また、この燃料電池では、枠付き電解質膜・電極構造体に隣接する少なくとも一方のセパレータは、セパレータ面が平坦な平板形状に構成されることが好ましい。 In this fuel cell, it is preferable that at least one separator adjacent to the framed electrolyte membrane / electrode structure is formed in a flat plate shape with a flat separator surface.
さらに、この燃料電池では、セパレータの外周縁部には、シール部材が設けられるとともに、前記シール部材と樹脂枠部材とは、溶着されることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that a seal member is provided on the outer peripheral edge of the separator, and the seal member and the resin frame member are welded together.
本発明によれば、電極を構成する多孔質ガス拡散層は、内部に沿ってセパレータ面方向に反応ガスを流通させる反応ガス流路を構成している。そして、樹脂枠部材には、多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に反応ガスを供給するガス導入部と、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から反応ガスを排出するガス導出部と、が設けられている。 According to the present invention, the porous gas diffusion layer constituting the electrode constitutes a reaction gas flow path for allowing the reaction gas to flow along the inside in the separator surface direction. The resin frame member is supplied with a reaction gas from a reaction gas channel outlet side end surface of the porous gas diffusion layer and a gas introduction part for supplying a reaction gas to the reaction gas channel inlet side end surface of the porous gas diffusion layer. And a gas lead-out portion for discharging.
このため、セパレータは、反応ガス流路を含む流路系の加工が不要になり、前記セパレータの製造作業が一挙に簡素化する。これにより、セパレータを簡単且つ良好に製造することができ、燃料電池全体の製造コストが削減され、前記燃料電池を経済的に製造することが可能になる。 For this reason, the separator does not require processing of the flow path system including the reaction gas flow path, and the manufacturing work of the separator is simplified at a stroke. Thereby, a separator can be manufactured easily and satisfactorily, the manufacturing cost of the entire fuel cell is reduced, and the fuel cell can be manufactured economically.
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(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして、図示しない燃料電池車両(燃料電池電気自動車)に搭載される。
As shown in FIG. 1, a plurality of
図1及び図2に示すように、燃料電池10は、枠付き電解質膜・電極構造体(枠付きMEA)12をカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16で挟持する。カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16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薄板状金属プレートにより構成される。なお、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The cathode-
図1に示すように、燃料電池10の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bが上下に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔18aは、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。燃料ガス出口連通孔20bは、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas
燃料電池10の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bが上下に設けられる。燃料ガス入口連通孔20aは、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する。酸化剤ガス出口連通孔18bは、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出する。
A fuel gas
燃料電池10の短辺方向(矢印C方向)の一端縁部(上端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を供給する、例えば、3つ(1つ以上であればよい)の冷却媒体入口連通孔22aが設けられる。燃料電池10の短辺方向(矢印C方向)の他端縁部(下端縁部)には、冷却媒体を排出するため、例えば、3つ(1つ以上であればよい)の冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。
The cooling medium is supplied to one end edge (upper edge) in the short side direction (arrow C direction) of the
図2に示すように、カソード側セパレータ14は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されるとともに、アノード側セパレータ16は、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。凹凸形状部は、アノード側セパレータ16のセパレータ面に、矢印B方向に沿って凹部と凸部とを交互に設けることにより、裏面側である面16bに矢印C方向に延在する冷却媒体流路24を形成する(図1参照)。なお、カソード側セパレータ14には、後述する第1多孔質ガス拡散層36bに当接する凸状部を設けてもよい。凸状部は、微小な高さ方向の変化を有するものであり、セパレータ面としては略平面形状を維持する。
As shown in FIG. 2, the cathode-
冷却媒体流路24は、矢印C方向に延在する複数本の流路溝により構成され、上部(入口)側が冷却媒体入口連通孔22aに連通する一方、下部(出口)側が冷却媒体出口連通孔22bに連通する。冷却媒体流路24は、アノード側セパレータ16の凹凸形状の面16bとカソード側セパレータ14の裏面である平面形状の面14bとが重なり合うことにより、形成される(図2参照)。
The cooling
図1及び図2に示すように、カソード側セパレータ14の面14a、14bの外周縁部には、該外周縁部を周回して第1シール部材26が一体成形される。アノード側セパレータ16の面16a、16bの外周縁部には、該外周縁部を周回して第2シール部材28が一体成形される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
第1シール部材26及び第2シール部材28としては、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等の弾性を有するシール材が用いられる。
As the
図1〜図3に示すように、枠付き電解質膜・電極構造体12は、電解質膜・電極構造体(MEA)30と、前記電解質膜・電極構造体30の外周を周回して設けられる樹脂枠部材32とを備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the framed electrolyte membrane /
図2に示すように、電解質膜・電極構造体30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(陽イオン交換膜)34を備える。固体高分子電解質膜34は、カソード電極36及びアノード電極38により挟持される。
As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane /
カソード電極36は、アノード電極38及び固体高分子電解質膜34の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差MEAを構成している。なお、カソード電極36、アノード電極38及び固体高分子電解質膜34は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極38は、カソード電極36及び固体高分子電解質膜34の平面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。
The
カソード電極36は、固体高分子電解質膜34の一方の面34aに接合される第1電極触媒層36aと、前記第1電極触媒層36aに積層される第1多孔質ガス拡散層36bとを有する。アノード電極38は、固体高分子電解質膜34の他方の面34bに接合される第2電極触媒層38aと、前記第2電極触媒層38aに積層される第2多孔質ガス拡散層38bとを有する。
The
第1電極触媒層36a及び第2電極触媒層38aは、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を固体高分子電解質膜34の両方の面34a、34bに印刷、塗布又は転写することによって構成される。
The first
第1多孔質ガス拡散層36b及び第2多孔質ガス拡散層38bは、例えば、カーボン製多孔体等により形成される。第1多孔質ガス拡散層36b及び第2多孔質ガス拡散層38bは、多孔質金属材料、例えば、多孔質チタン等で形成してもよい。第2多孔質ガス拡散層38bの平面寸法は、第1多孔質ガス拡散層36bの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。第2多孔質ガス拡散層38bの内部には、セパレータ面方向に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路40が形成される。第1多孔質ガス拡散層36bの内部には、セパレータ面方向に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路42が形成される。燃料ガス流路40と酸化剤ガス流路42とは、それぞれの流れ方向が対向流に構成される。
The first porous
図1〜図3に示すように、電解質膜・電極構造体30は、カソード電極36の終端部外方に位置して、固体高分子電解質膜34の外周縁部34aeに樹脂枠部材32が一体化される。樹脂枠部材32は、第1樹脂シート部材32a、第2樹脂シート部材32b及び第3樹脂シート部材32cの順に積層される。樹脂材としては、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンゴム)又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)等で構成される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the electrolyte membrane /
図1に示すように、樹脂枠部材32には、酸化剤ガス入口連通孔18a、燃料ガス入口連通孔20a、冷却媒体入口連通孔22a、酸化剤ガス出口連通孔18b、燃料ガス出口連通孔20b及び冷却媒体出口連通孔22bが貫通形成される。図2及び図3に示すように、第1樹脂シート部材32a及び第3樹脂シート部材32cは、額縁形状の平板を反応ガス流路系に対応して屈曲成形される一方、第2樹脂シート部材32bは、額縁形状の平板シートにより構成される。
As shown in FIG. 1, the
第1樹脂シート部材32a、第2樹脂シート部材32b及び第3樹脂シート部材32cは、互いに当接面同士が接着されることにより一体化される。図2に示すように、第2樹脂シート部材32bの内周縁部は、固体高分子電解質膜34の外周縁部34aeに接着剤44を介して接着される。
The first
第1樹脂シート部材32aは、第2樹脂シート部材32bに接着される平面部32afを有し、前記平面部32afから厚さ方向に突出して凸状部32apが一体成形される。凸状部32apと第2樹脂シート部材32bとの間には、後述するように、流路系を構成する空間部が形成される。
The first
第1樹脂シート部材32aは、内周縁部(凸状部32apの内周縁部)がアノード電極38を構成する第2多孔質ガス拡散層38bの外周縁部に重なり合って、例えば、接着される。図1に示すように、第1樹脂シート部材32aは、酸化剤ガス入口連通孔18a、酸化剤ガス出口連通孔18b、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bをそれぞれ周回して凸状部32apを有する。
The first
図1、図3及び図4に示すように、第1樹脂シート部材32aでは、凸状部32apにより燃料ガス入口連通孔20aから第2多孔質ガス拡散層38bの端面(燃料ガス流路入口側端面)38be1に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部46aが形成される。燃料ガス導入部46aは、燃料ガス入口連通孔20aに連通し樹脂枠部材32の1つの辺(燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bが設けられる一方の短辺)に沿って延在する燃料ガス連結流路48aを有する。
As shown in FIGS. 1, 3 and 4, in the first
燃料ガス連結流路48aに隣接して複数個の凹状部(平面部32af)32arが矢印C方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部32ar間には、燃料ガス連結流路48aと第2多孔質ガス拡散層38bの端面38be1とに連なる複数本の燃料ガス供給通路50aが形成される。
A plurality of concave portions (planar portions 32af) 32ar are provided adjacent to the fuel
図1に示すように、第1樹脂シート部材32aでは、凸状部32apにより第2多孔質ガス拡散層38bの端面(燃料ガス流路出口側端面)38be2から燃料ガス出口連通孔20bに燃料ガスを排出する燃料ガス導出部46bが形成される。燃料ガス導出部46bは、燃料ガス出口連通孔20bに連通し樹脂枠部材32の1つの辺(酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bが設けられる他方の短辺)に沿って延在する燃料ガス連結流路48bを有する。
As shown in FIG. 1, in the first
燃料ガス連結流路48bに隣接して複数個の凹状部(平面部32af)32arが矢印C方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部32ar間には、燃料ガス連結流路48bと第2多孔質ガス拡散層38bの端面38be2とに連なる複数本の燃料ガス排出通路50bが形成される。
A plurality of concave portions (planar portions 32af) 32ar are provided adjacent to the fuel
図2及び図3に示すように、第3樹脂シート部材32cは、第2樹脂シート部材32bに接着される平面部32cfを有し、前記平面部32cfから厚さ方向に突出して凸状部32cpが一体成形される。凸状部32cpと第2樹脂シート部材32bとの間には、後述するように、流路系を構成する空間部が形成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the third
図2に示すように、第3樹脂シート部材32cは、内周縁部(凸状部32cpの内周縁部)がカソード電極36を構成する第1多孔質ガス拡散層36bの外周縁部に重なり合って、例えば、接着される。図5に示すように、第3樹脂シート部材32cは、燃料ガス入口連通孔20a、燃料ガス出口連通孔20b、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bをそれぞれ周回して凸状部32cpを有する。
As shown in FIG. 2, the third
図5に示すように、第3樹脂シート部材32cでは、凸状部32cpにより酸化剤ガス入口連通孔18aから第1多孔質ガス拡散層36bの端面(酸化剤ガス流路入口側端面)36be1に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入部52aが形成される。酸化剤ガス導入部52aは、酸化剤ガス入口連通孔18aに連通し樹脂枠部材32の1つの辺(酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bが設けられる他方の短辺)に沿って延在する酸化剤ガス連結流路54aを有する。
As shown in FIG. 5, in the third
酸化剤ガス連結流路54aに隣接して複数個の凹状部(平面部32cf)32crが矢印C方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部32cr間には、酸化剤ガス連結流路54aと第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be1とに連なる複数本の酸化剤ガス供給通路56aが形成される。
A plurality of concave portions (planar portions 32cf) 32cr are provided adjacent to the oxidant
第3樹脂シート部材32cでは、凸状部32cpにより第1多孔質ガス拡散層36bの端面(酸化剤ガス出口側端面)36be2から酸化剤ガス出口連通孔18bに酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス導出部52bが形成される。酸化剤ガス導出部52bは、酸化剤ガス出口連通孔18bに連通し樹脂枠部材32の1つの辺(燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bが設けられる一方の短辺)に沿って延在する酸化剤ガス連結流路54bを有する。
In the third
酸化剤ガス連結流路54bに隣接して複数個の凹状部(平面部32cf)32crが矢印C方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。凹状部32cr間には、酸化剤ガス連結流路54bと第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be2とに連なる複数本の酸化剤ガス排出通路56bが形成される(図4及び図5参照)。
A plurality of concave portions (planar portions 32cf) 32cr are provided adjacent to the oxidant
図2に示すように、アノード側セパレータ16に設けられた第2シール部材28と、樹脂枠部材32を構成する第1樹脂シート部材32aとは、全周に亘って溶着層58aにより溶着される。溶着層58aは、アノード側セパレータ16と第1樹脂シート部材32aとの間をシールする。カソード側セパレータ14に設けられた第1シール部材26と、樹脂枠部材32を構成する第3樹脂シート部材32cとは、全周に亘って溶着層58bにより溶着される。溶着層58bは、カソード側セパレータ14と第3樹脂シート部材32cとの間をシールする。溶着層58a、58bは、電気ヒータの他、レーザ加熱装置、超音波等の種々の加熱装置で形成することができる。
As shown in FIG. 2, 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、酸化剤ガス入口連通孔18aに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20aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、3つの冷却媒体入口連通孔22a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, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
図5に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔18aから第2樹脂シート部材32bと第3樹脂シート部材32cとの間に形成された酸化剤ガス導入部52aに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部52aを構成する酸化剤ガス連結流路54aに沿って矢印C方向に流通するとともに、前記酸化剤ガス連結流路54aに連通する複数本の酸化剤ガス供給通路56aに分流されて矢印B方向に流通する。
As shown in FIG. 5, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路56aに沿って第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be1から酸化剤ガス流路42に供給される。酸化剤ガスは、第1多孔質ガス拡散層36b内を酸化剤ガス流路42に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体30の第1電極触媒層36aに供給される。
Therefore, the oxidant gas is supplied to the oxidant
一方、燃料ガスは、図1〜図3に示すように、燃料ガス入口連通孔20aから第2樹脂シート部材32bと第1樹脂シート部材32aとの間に形成された燃料ガス導入部46aに供給される。燃料ガスは、燃料ガス導入部46aを構成する燃料ガス連結流路48aに沿って矢印C方向に流通するとともに、前記燃料ガス連結流路48aに連通する複数本の燃料ガス供給通路50aに分流されて矢印B方向に流通する。
On the other hand, as shown in FIGS. 1 to 3, the fuel gas is supplied from the fuel gas
従って、燃料ガスは、各燃料ガス供給通路50aに沿って第2多孔質ガス拡散層38bの端面38be1から燃料ガス流路40に供給される。燃料ガスは、第2多孔質ガス拡散層38b内を燃料ガス流路40に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体30の第2電極触媒層38aに供給される。
Therefore, the fuel gas is supplied from the end face 38be1 of the second porous
これにより、図2に示すように、電解質膜・電極構造体30では、カソード電極36の第1電極触媒層36aに供給される酸化剤ガスと、アノード電極38の第2電極触媒層38aに供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて発電が行われる。
As a result, as shown in FIG. 2, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体30の第1電極触媒層36aに供給されて消費された酸化剤ガスは、図2〜図5に示すように、第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be2から酸化剤ガス導出部52bに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導出部52bを構成する複数本の酸化剤ガス排出通路56bに沿って矢印B方向に流通した後、酸化剤ガス連結流路54bに合流される。酸化剤ガスは、矢印C方向に流通して酸化剤ガス連結流路54bから酸化剤ガス出口連通孔18bに排出される。
Next, as shown in FIGS. 2 to 5, the oxidant gas consumed by being supplied to the first
電解質膜・電極構造体30の第2電極触媒層38aに供給されて消費された燃料ガスは、第2多孔質ガス拡散層38bの端部38ae2から燃料ガス導出部46bに排出される。燃料ガスは、燃料ガス導出部46bを構成する複数本の燃料ガス排出通路50bに沿って矢印B方向に流通した後、燃料ガス連結流路48bに合流される。燃料ガスは、矢印C方向に流通して燃料ガス連結流路48bから燃料ガス出口連通孔20bに排出される。
The fuel gas consumed by being supplied to the second
さらにまた、上部の3つ冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、一方の燃料電池10を構成するカソード側セパレータ14と、他方の燃料電池10を構成するアノード側セパレータ16との間に形成された冷却媒体流路24に導入される。
Furthermore, the cooling medium supplied to the three upper cooling medium inlet communication holes 22 a is between the
各冷却媒体入口連通孔22aから冷却媒体流路24に供給される冷却媒体は、矢印C方向(重力方向)に沿って流動した後、各冷却媒体出口連通孔22bに排出される。このため、燃料電池10は、冷却媒体により冷却される。
The cooling medium supplied to the cooling
この場合、第1の実施形態では、図2に示すように、アノード電極38を構成する第2多孔質ガス拡散層38bは、内部に沿ってセパレータ面方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路40を構成している。一方、カソード電極36を構成する第1多孔質ガス拡散層36bは、内部に沿ってセパレータ面方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路42を構成している。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the second porous
そして、樹脂枠部材32は、第1樹脂シート部材32aと第2樹脂シート部材32bとの間に、第2多孔質ガス拡散層38bの端面38be1に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部46aが設けられている。第1樹脂シート部材32aと第2樹脂シート部材32bとの間には、さらに第2多孔質ガス拡散層38bの端面38be2から燃料ガスを排出する燃料ガス導出部46bが設けられている(図1参照)。
The
同様に、第3樹脂シート部材32cと第2樹脂シート部材32bとの間に、図5に示すように、第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be1に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入部52aが設けられている。第3樹脂シート部材32cと第2樹脂シート部材32bとの間には、さらに第1多孔質ガス拡散層36bの端面36be2から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス導出部52bが設けられている。
Similarly, as shown in FIG. 5, an oxidant gas is introduced between the third
このため、アノード側セパレータ16及びカソード側セパレータ14は、燃料ガス流路40及び酸化剤ガス流路42を含む流路系の加工が不要になる。従って、アノード側セパレータ16及びカソード側セパレータ14の製造作業が一挙に簡素化する。これにより、アノード側セパレータ16及びカソード側セパレータ14を簡単且つ良好に製造することができ、燃料電池10全体の製造コストが削減され、前記燃料電池10を経済的に製造することが可能になる。
For this reason, the
特に、カソード側セパレータ14は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されている。このため、カソード側セパレータ14の製造作業が一挙に簡素化し、製造コストが大幅に削減されるという利点がある。
In particular, the cathode-
図6に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池70は、アノード側セパレータ72を備えるとともに、前記アノード側セパレータ72とカソード側セパレータ14との間には、流路形成プレート74が介装される。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。
As shown in FIG. 6, the
アノード側セパレータ72は、カソード側セパレータ14と同様に、セパレータ面が平坦な平面形状に構成される。流路形成プレート74は、金属プレートを、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。流路形成プレート74が、隣合う燃料電池70間、すなわち、一方の燃料電池70のアノード側セパレータ72と他方の燃料電池70のカソード側セパレータ14との間に配置されることにより、冷却媒体流路24が形成される。
Similar to the cathode-
このように構成される第2の実施形態では、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ72は、セパレータ面が平坦な平面形状に構成されている。このため、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ72の製造作業が一挙に簡素化し、製造コストが大幅に削減されるという効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the cathode-
なお、第1及び第2の実施形態では、一対のセパレータ間に枠付きMEAを挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第1のセパレータ、第1の枠付きMEA、第2のセパレータ、第2の枠付きMEA及び第3のセパレータが積層された燃料電池を用いてもよい。この燃料電池では、内部に冷却媒体流路が設けられておらず、互いに隣接する燃料電池間に前記冷却媒体流路が設けられている(所謂、間引き冷却構造)。 In the first and second embodiments, the MEA with a frame is sandwiched between a pair of separators, but the present invention is not limited to this. For example, a fuel cell in which a first separator, a first framed MEA, a second separator, a second framed MEA, and a third separator may be used. In this fuel cell, no cooling medium flow path is provided therein, and the cooling medium flow path is provided between adjacent fuel cells (so-called thinning cooling structure).
10、70…燃料電池 12…枠付き電解質膜・電極構造体
14…カソード側セパレータ 16、72…アノード側セパレータ
18a…酸化剤ガス入口連通孔 18b…酸化剤ガス出口連通孔
20a…燃料ガス入口連通孔 20b…燃料ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24…冷却媒体流路 26、28…シール部材
30…電解質膜・電極構造体 32…樹脂枠部材
32a〜32c…樹脂シート部材 32af、32cf…平面部
32ap、32cp…凸状部 34…固体高分子電解質膜
36…カソード電極 36a、38a…電極触媒層
36b、38b…多孔質ガス拡散層 38…アノード電極
36be1、36be2、38be1、38be2…端面
40…燃料ガス流路 42…酸化剤ガス流路
44…接着剤 46a…燃料ガス導入部
46b…燃料ガス導出部 48a、48b…燃料ガス連結流路
50a…燃料ガス供給通路 50b…燃料ガス排出通路
52a…酸化剤ガス導入部 52b…酸化剤ガス導出部
54a、54b…酸化剤ガス連結流路 56a…酸化剤ガス供給通路
56b…酸化剤ガス排出通路 58a、58b…接着層
74…流路形成プレート
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電極は、内部にセパレータ面方向に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成される多孔質ガス拡散層を設けるとともに、
前記樹脂枠部材には、前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路入口側端面に前記反応ガスを供給するガス導入部と、
前記多孔質ガス拡散層の反応ガス流路出口側端面から前記反応ガスを排出するガス導出部と、
が設けられ、
前記樹脂枠部材は、第1樹脂シート部材、第2樹脂シート部材及び第3樹脂シート部材の順に積層されるとともに、
前記第1樹脂シート部材と前記第2樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である燃料ガス導入部と前記ガス導出部である燃料ガス導出部とが形成される一方、
前記第2樹脂シート部材と前記第3樹脂シート部材との間には、前記ガス導入部である酸化剤ガス導入部と前記ガス導出部である酸化剤ガス導出部とが形成されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode with a frame having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are respectively disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a resin frame member is provided around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure A fuel cell comprising a structure and sandwiching the framed electrolyte membrane / electrode structure with a pair of separators,
The electrode is provided with a porous gas diffusion layer in which a reaction gas flow path is formed to circulate the reaction gas along the separator surface direction.
In the resin frame member, a gas introduction part that supplies the reaction gas to the reaction gas channel inlet side end surface of the porous gas diffusion layer;
A gas outlet for discharging the reaction gas from the end surface on the reaction gas flow path outlet side of the porous gas diffusion layer;
Is provided ,
The resin frame member is laminated in the order of the first resin sheet member, the second resin sheet member, and the third resin sheet member,
Between the first resin sheet member and the second resin sheet member, a fuel gas introduction part that is the gas introduction part and a fuel gas lead part that is the gas lead part are formed,
Wherein the second resin sheet member is provided between the third resin sheet member, characterized Rukoto containing gas outlet portion wherein the oxidant gas inlet is a gas inlet portion is the gas outlet portion are formed A fuel cell.
前記ガス導入部は、前記反応ガス入口連通孔に連通し該樹脂枠部材の1つの辺に沿って延在する連結流路と、
前記連結流路と前記多孔質ガス拡散層の前記反応ガス流路入口側端面とに連なる複数本の通路と、
を有することを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the resin frame member is provided with a reaction gas inlet communication hole through which the reaction gas flows in a stacking direction intersecting the separator surface direction.
The gas introduction part communicates with the reaction gas inlet communication hole and extends along one side of the resin frame member;
A plurality of passages connected to the connection flow path and the end surface on the reaction gas flow path inlet side of the porous gas diffusion layer;
A fuel cell comprising:
前記ガス導出部は、前記反応ガス出口連通孔に連通し該樹脂枠部材の1つの辺に沿って延在する連結流路と、
前記連結流路と前記多孔質ガス拡散層の前記反応ガス流路出口側端面とに連なる複数本の通路と、
を有することを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the resin frame member is provided with a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows in a stacking direction intersecting the separator surface direction.
The gas outlet portion communicates with the reaction gas outlet communication hole and extends along one side of the resin frame member;
A plurality of passages connected to the connection flow path and the end surface of the porous gas diffusion layer on the reaction gas flow path outlet side;
A fuel cell comprising:
前記シール部材と前記樹脂枠部材とは、溶着されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein a seal member is provided on an outer peripheral edge of the separator,
The fuel cell, wherein the sealing member and the resin frame member are welded.
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