JP6703298B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to fuel cells.
燃料電池を組み立てる際、燃料電池本体のガス流路および反応面が中央に存在するため周辺部をボルトなどで固定する必要がある。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜と、この両側に配置される燃料極および酸化極とを含むセルを複数備える。燃料極および酸化極は、それぞれ触媒層およびガス拡散層を有する。セル同士ならびにセルを構成する各要素の密着度合いが燃料電池の性能に大きく影響していることから、密着度合いを向上させた燃料電池が種々検討されている。 When assembling the fuel cell, the gas flow path and the reaction surface of the fuel cell main body are present in the center, so it is necessary to fix the peripheral portion with bolts or the like. The fuel cell main body includes a plurality of cells including a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxidation electrode arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. The fuel electrode and the oxidation electrode each have a catalyst layer and a gas diffusion layer. Since the degree of close contact between cells and each element constituting the cell greatly affects the performance of the fuel cell, various fuel cells having improved close contact have been studied.
例えば、下記特許文献1には、縁部から中央部に向け漸次厚くされて、固体高分子膜との対向面に膨らみ部が形成されたカソード側集電板およびアノード側集電板を備える燃料電池が開示されている。 For example, in Patent Document 1 below, a fuel including a cathode-side current collector plate and an anode-side current collector plate that are gradually thickened from an edge portion toward a central portion and have a bulge portion formed on a surface facing a solid polymer membrane. Batteries are disclosed.
しかしながら、上記特許文献1に記載の燃料電池では、燃料極および酸化極の面全体に亘り均一に荷重を付与することできず、密着度合いの不均一により発電効率を低下させてしまう可能性があった。 However, in the fuel cell described in Patent Document 1, the load cannot be uniformly applied to the entire surfaces of the fuel electrode and the oxidation electrode, and there is a possibility that the power generation efficiency may be deteriorated due to the uneven adhesion degree. It was
以上のことから、本発明は、上述したような課題を解決するために為されたものであって、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させることができる燃料電池を提供することを目的としている。 From the above, the present invention has been made in order to solve the above problems, a fuel that can uniformly apply a load over the entire surface of the electrode and improve the degree of adhesion Intended to provide batteries.
前述した課題を解決する第1の発明に係る燃料電池は、触媒層とガス拡散層とを有する電極が電解質膜の両側に配置されるセルと、セパレータを介して複数の前記セルが積層され、積層された前記複数のセルの外側に配置される一対の集電板と、前記一対の集電板の外側に配置される一対の絶縁板と、前記一対の絶縁板の外側に配置される一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを締結する締結手段と、を備えた燃料電池であって、前記集電板は、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向する範囲が、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成され、前記絶縁板は、前記エンドプレートと面接触する第一絶縁板と、前記第一絶縁板が嵌まり込む凹部を有する第二絶縁板とを有し、前記第二絶縁板は、前記集電板が前記セパレータ側に対して露出可能な開口部を有し、前記第一絶縁板は、前記セパレータ側に対して押力を付与する押力付与手段を有することを特徴とする。 In the fuel cell according to the first invention for solving the above-mentioned problems, a cell in which electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and a plurality of the cells are stacked via a separator, A pair of current collecting plates arranged outside the stacked cells, a pair of insulating plates arranged outside the pair of current collecting plates, and a pair arranged outside the pair of insulating plates. Of the end plate and fastening means for fastening the pair of end plates, wherein the current collector plate has a range in which the gas diffusion layer of the electrode and the current collector plate face each other. A first insulating plate that is in surface contact with the end plate, and the first insulating plate is formed in a convex shape so that the gas diffusion layer of the electrode and the current collecting plate are thicker than a range where they do not face each other. A second insulating plate having a recess into which the plate fits, the second insulating plate has an opening through which the current collector plate is exposed to the separator side, and the first insulating plate is And a pressing force applying means for applying a pressing force to the separator side .
前述した課題を解決する第2の発明に係る燃料電池は、第1の発明に係る燃料電池において、前記集電板は、前記セパレータと面接触していることを特徴とする。 A fuel cell according to a second invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that, in the fuel cell according to the first invention, the current collector plate is in surface contact with the separator.
前述した課題を解決する第3の発明に係る燃料電池は、第1または第2の発明に係る燃料電池において、前記集電板の前記凸形状は、前記セパレータ側の面に設けられる段差部を有し、前記段差部は、前記電極の縁部より外側に配置されることを特徴とする。 A fuel cell according to a third invention for solving the above-mentioned problems is the fuel cell according to the first or second invention, wherein the convex shape of the current collector plate has a stepped portion provided on the surface on the separator side. And the stepped portion is arranged outside the edge portion of the electrode.
本発明によれば、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させることができる。これにより、密着度合いの均一化することができ、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, a load can be uniformly applied to the entire surface of the electrode to improve the degree of adhesion. As a result, the degree of adhesion can be made uniform and the power generation efficiency can be improved.
本発明の主な実施形態に係る燃料電池について、以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではない。 Fuel cells according to main embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments.
[主な実施形態]
本発明の主な実施形態に係る燃料電池について、図1〜図3に基づいて説明する。
[Main Embodiment]
A fuel cell according to a main embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 3.
本実施形態に係る燃料電池は、供給された燃料(例えば、水素)および空気が内部で化学反応して発電する燃料電池本体を有する。燃料電池本体100は、図1に示すように、固体高分子膜11と、固体高分子電解質膜11の両側にそれぞれ配置される燃料極13および酸化極17とで構成されるセル10を有する。燃料極13は、固体高分子電解質膜11側に配置される触媒層14と、固体高分子電解質膜11と反対側をなす触媒層14の表面側に形成されるガス拡散層15とを有する。酸化極17は、固体高分子電解質膜11側に配置される触媒層18と、固体高分子電解質膜11と反対側をなす触媒層18の表面側に形成されるガス拡散層19とを有する。
The fuel cell according to the present embodiment has a fuel cell body in which a supplied fuel (for example, hydrogen) and air chemically react inside to generate electricity. As shown in FIG. 1, the fuel cell
セル10がセパレータ21を介して複数積層され、外側からセパレータ21,21で挟まれて、セル積層体20をなしている。セル積層体20は、その両側から集電板40,40および絶縁板50,50を介してエンドプレート60,60で挟まれ、これらがボルト71およびナット72の締結具(締結手段)で一体にまとめられている。なお、クーラントガスケット22は、セパレータ21とセル10の間およびセパレータ21と集電板50の間に配置される。これにより、内部から外部へのガス漏れが防止される。
A plurality of
集電板40は、図2(a),(b)に示すように、集電板本体41とバスバー42とを有する。バスバー42は、集電板本体41の一方の側面部(裏面部)41bに接続して設けられる。バスバー42の先端側には固定穴42dが設けられている。この固定穴42dにリード線(図示せず)を図示しないボルトおよびナットで固定することで、燃料電池本体100の内部で得られた電気をこの外側へ取り出し可能となる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
集電板本体41は、平面視で長方形状をなしている。集電板本体41は、他方の側面部(表面部)41a側に設けられた突出部43を有する。すなわち、集電板本体41と突出部43とで凸形状を形成する。突出部43は、積層したときに燃料極13および酸化極17の触媒層14,18(反応面)と対向する箇所に配置される。突出部43の表面部43aは、平面をなしている。突出部43の厚さt2は、全体に亘り同じ大きさである。なお、突出部43の厚みt2は、集電板本体41の厚みt1より少ないことが好ましい。突出部43は、燃料極13および酸化極17の触媒層14,18(反応面)よりも広い形状をなしている。よって、突出部43が集電板本体41に設けられてなる段差部44は、積層したときに燃料極13および酸化極17の反応面よりも外側に配置されることになる。
The current
絶縁板50は、図1,3に示すように、集電板40を介してセル積層体20の外側に配置される。絶縁板50は、第一絶縁板本体51と第二絶縁板本体52とを有する。第一絶縁板本体51は、略直方体形状をなしている。第一絶縁板本体51は、一方の側面部(表面部)51a側に設けられ、集電板40のバスバー42を嵌め込み可能な凹部51gaを有する。第一絶縁板本体51は、積層したときに、集電板本体41の縁部(外周部)41cの外側を囲う位置に設けられた液状ガスケット溝51gbを有する。この液状ガスケット溝51gbに液状ガスケット(図示せず)を入れることにより、第二絶縁板本体52との間にて、液状ガスケット溝51gbで囲まれる領域内がシールされることになる。なお、第一絶縁板本体51の上端部51ca近傍および下端部51cb近傍には、ボルト71の軸部71bが挿通可能なボルト孔51da,51dbがそれぞれ設けられている。また、第一絶縁板本体51の上端部51ca近傍および下端部51cb近傍の横方向中央には、位置決め孔51dc,51ddがそれぞれ設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
第一絶縁板本体51は、上下方向中央に設けられ、表面部51aおよび裏面部(他方の側面部)51bを貫通するボルト孔51kを有する。ボルト孔51kは、詳細につき後述する集電板40を押圧する押圧具(押力付与手段)であるボルト53の軸部53bのネジ部と噛み合い可能になっている。ボルト孔51kは、左右方向で2箇所設けられている。
The first
第二絶縁板本体52は、凹部52fおよび開口部52eを有する。凹部52fは、第一絶縁板本体51側(エンドプレート側)の側面部(裏面部)52bに設けられる。凹部52fは、第一絶縁板本体51を嵌め込み可能な形状をなしている。開口部52eは、第二絶縁板本体52における一方の側面部(表面部)52aと他方の側面部(裏面部)52bとを連通している。第二絶縁板本体52の上端部52ca近傍および下端部52cb近傍には、第一絶縁板本体51のボルト孔51da,51dbと対応し、ボルト71の軸部71bが挿通可能なボルト孔52da,52dbがそれぞれ設けられている。また、第二絶縁板本体52の上端部52ca近傍の横方向中央には、第一絶縁板本体51の位置決め孔51dcと対応し、位置決め孔52dcが設けられている。第二絶縁板本体52の下端部52ca近傍の横方向中央には、第一絶縁板本体51の位置決め孔51ddと対応し、上端部52ca近傍の横方向中央と同様、位置決め孔(図示せず)が設けられている。
The second
第二絶縁板本体52は、さらに、側部に設けられたフランジ部52i,52iを有する。フランジ部52iには、燃料ガスおよび酸化ガスおよび水のそれぞれが流通する燃料ガス通路52haおよび酸化ガス通路52hbおよび水通路52hcが設けられている。フランジ部52iの側端部52cc近傍には、ボルト71の軸部71bが挿通可能なボルト孔52dcがそれぞれ設けられている。なお、第二絶縁板本体52とエンドプレート60との間には、燃料ガス通路52haおよび酸化ガス通路52hbおよび水通路52hcに対応してOリング54がそれぞれ配置される。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスおよび水の漏れが防止される。
The second insulating
上述した第一絶縁板本体51および第二絶縁板本体52を有する絶縁板50を用いることで、集電板本体41の他方の側面部(表面部)41a側に設けられた突出部43の表面部43aがセパレータ21側に対して露出して配置されることになる。また、治具により、第一絶縁板本体51のボルト孔51kに噛み合うボルト53の軸部53bの先端部53baが第一絶縁板本体51から突出する突出量を調整することで、集電板40の突出部43によりセル積層体20の側面部を押す力の大きさを調整することができる。すなわち、セル積層体20の各部材を面方向で均一に接触させる力を調整することができる。
By using the insulating
したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、集電板40は、燃料極13および酸化極17のガス拡散層15,19と集電板40とが対向する範囲が、燃料極13および酸化極17のガス拡散層15,19と集電板40とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成されることにより、従来と同じ大きさの締結力で締結しても、隣接する部材の隙間が小さくなる。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが燃料極13および酸化極17にて効率良く反応することになり、発電効率を向上させることができる。
Therefore, in the fuel cell according to the present embodiment, in the
集電板40の突出部43は、セパレータ21と面接触することにより、隙間による発電効率の低下を抑制することができる。
The protruding
集電板40の前記凸形状は、セパレータ21側の面に設けられる段差部44を有し、段差部44が燃料極13および酸化極17の縁部(触媒層14,18の縁部14c,18c)より外側に配置されることにより、内部へ供給する燃料ガスおよび酸化ガスや、内部から排出する燃料ガスおよび酸化ガスなどが流通する空間を確保することができ、圧力損失の低下を抑制することができる。
The convex shape of the
絶縁板50は、第一絶縁板本体51と、第一絶縁板本体51が嵌め込まれる第二絶縁板本体52とを有し、第二絶縁板本体52は、集電板本体41がセパレータ21側に対して露出可能な開口部52eを有し、第一絶縁板本体51は、セパレータ21側に対して押力を付与するボルト53を有することにより、集電板40に対しセパレータ21側へ押す力を調整することができる。
The insulating
本発明に係る燃料電池によれば、電極の面全体に亘り均一に荷重を付与して、密着度合いを向上させることができるので、電池産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to apply a load evenly over the entire surface of the electrode and improve the degree of adhesion. Therefore, the fuel cell can be extremely usefully used in the cell industry and the like.
10 セル
11 固体高分子電解質膜
13 燃料極
14 触媒層
14c 縁部
15 ガス拡散層
17 酸化極
18 触媒層
18c 縁部
19 ガス拡散層
20 セル積層体
21 セパレータ
22 クーラントガスケット
40 集電板
41 集電板本体
41a 側面部
41b 側面部
41c 縁部
42 バスバー
43 突出部
44 段差部
50 絶縁板
51 第一絶縁板本体
51a 側面部
51b 側面部
51ga 凹部
51gb 液状ガスケット溝
51k ボルト孔
52 第二絶縁板本体
52a 側面部
52b 側面部
52e 開口部
52f 凹部
52i フランジ部
52ha 燃料ガス通路
52hb 酸化ガス通路
52hc 水通路
53 ボルト(押圧具)
53a ヘッド部
53b 軸部
53ba 先端部
54 Oリング
60 エンドプレート
60h ボルト孔
71 ボルト
72 ナット
100 燃料電池本体
10
Claims (3)
セパレータを介して複数の前記セルが積層され、積層された前記複数のセルの外側に配置される一対の集電板と、
前記一対の集電板の外側に配置される一対の絶縁板と、
前記一対の絶縁板の外側に配置される一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートを締結する締結手段と、を備えた燃料電池であって、
前記集電板は、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向する範囲が、前記電極の前記ガス拡散層と前記集電板とが対向しない範囲より厚くなるよう凸形状に形成され、
前記絶縁板は、前記エンドプレートと面接触する第一絶縁板と、前記第一絶縁板が嵌まり込む凹部を有する第二絶縁板とを有し、
前記第二絶縁板は、前記集電板が前記セパレータ側に対して露出可能な開口部を有し、
前記第一絶縁板は、前記セパレータ側に対して押力を付与する押力付与手段を有する
ことを特徴とする燃料電池。 A cell in which electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on both sides of the electrolyte membrane,
A plurality of the cells are stacked via a separator, a pair of current collectors arranged outside the plurality of stacked cells,
A pair of insulating plates arranged outside the pair of current collectors,
A pair of end plates arranged outside the pair of insulating plates,
A fuel cell comprising: fastening means for fastening the pair of end plates,
The current collector plate is formed in a convex shape so that a region where the gas diffusion layer of the electrode and the current collector plate face each other is thicker than a region where the gas diffusion layer of the electrode and the current collector plate do not face each other. It is,
The insulating plate has a first insulating plate that makes surface contact with the end plate, and a second insulating plate having a recess into which the first insulating plate fits.
The second insulating plate, the current collector plate has an opening that can be exposed to the separator side,
The fuel cell, wherein the first insulating plate has a pressing force applying means for applying a pressing force to the separator side .
前記集電板は、前記セパレータと面接触している
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell is characterized in that the current collector plate is in surface contact with the separator.
前記集電板の前記凸形状は、前記セパレータ側の面に設けられる段差部を有し、
前記段差部は、前記電極の縁部より外側に配置される
ことを特徴とする燃料電池。 In the fuel cell according to claim 1 or 2,
The convex shape of the current collector plate has a step portion provided on the surface on the separator side,
The fuel cell is characterized in that the step portion is disposed outside an edge portion of the electrode.
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