JPWO2012053288A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
燃料電池(10)を構成するセルユニット(12)は、第1電解質膜・電極構造体(14)、第1セパレータ(16)、第2電解質膜・電極構造体(18)及び第2セパレータ(20)を備える。第1及び第2電解質膜・電極構造体(14、18)は、外周に額縁部(28a、28b)を有し、前記額縁部(28a、28b)には、流体連通孔が積層方向に貫通形成される。第1及び第2セパレータ(16、20)は、流体連通孔の内方に配置されるとともに、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(82a、82b)と2枚の金属プレート(102a、102b)とを備える。
Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、第1セパレータ及び第2セパレータで挟持するセルユニットを備える燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する入口連通孔及び出口連通孔が設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの入口連通孔から電極面方向に沿って形成された燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの出口連通孔に排出されている。
例えば、特開平8−222237号公報に開示されている燃料電池用セパレータは、図32に示すように、セパレータ板1を備えている。セパレータ板1は、金属板により構成されており、その表裏面に多数の突起2a、2bがエンボス加工乃至ディンプル加工により形成されている。セパレータ板1には、突起2a、2bが形成された領域の外側に、それぞれガスマニホールドを装填するためのマニホールド装填口3a、3b、3c及び3dが貫通形成されている。
マニホールド装填口3a、3b、3c及び3dは、例えば、燃料ガス導入マニホールド、酸化剤ガス導入マニホールド、燃料ガス排出マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドとして使用されている。
しかしながら、上記のセパレータ板1では、マニホールド装填口3a、3b、3c及び3dが貫通形成されるため、前記セパレータ板1の面積が相当に大きくなってしまう。これにより、特に高価なステンレス等の素材の使用量が増大し、部品単価が高騰するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、比較的高価なセパレータを良好に小型化することができ、コストの削減を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体を、第1セパレータ及び第2セパレータで挟持するセルユニットを備える燃料電池に関するものである。
この燃料電池では、電解質・電極構造体の外周には、高分子材料で形成される枠部材が一体に設けられ、前記枠部材には、反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるとともに、前記積層方向に隣接する前記枠部材間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材が介装されている。
そして、少なくとも第1セパレータ又は第2セパレータは、外形が同一形状を有して互いに接合される2枚のプレートを備えるとともに、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータの外周端は、流体連通孔よりも内側に配置されている。
また、本発明では、第1セパレータ及び第2セパレータの外周端は、流体連通孔よりも内側に配置され、且つ、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータには、電解質・電極構造体を挟んでそれぞれ異なる反応ガスをセパレータ面方向に流通させる第1反応ガス流路及び第2反応ガス流路が形成されている。
そして、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と第1反応ガス流路とを連通する連結流路が形成されるとともに、前記連結流路は、枠部材の表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する溝部を有している。
さらにまた、本発明では、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と第1反応ガス流路とを連通する連結流路が形成されるとともに、前記連結流路は、枠部材に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する溝部と、前記溝部に連通し、第1セパレータ又は第2セパレータを前記積層方向に貫通する孔部とを有している。
また、本発明では、電解質・電極構造体の外周には、高分子材料で形成される枠部材が一体に設けられ、前記枠部材には、反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されている。第1セパレータ及び第2セパレータの外周端は、流体連通孔よりも内側に配置されるとともに、少なくとも前記第1セパレータ又は前記第2セパレータは、内部に冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路が形成される2枚のプレートを備えている。
そして、積層方向に隣接する枠部材間には、流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材が介装され、且つ、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔と冷却媒体流路とを連通する連結流路が形成されている。
本発明では、電解質・電極構造体の外周に設けられる枠部材には、流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるため、第1セパレータ及び第2セパレータには、前記流体連通孔を設ける必要がない。
従って、第1セパレータ及び第2セパレータは、発電領域に対応する外形寸法に設定することができ、小型軽量化が容易に図られ、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータの製造コストを削減することができる。これにより、第1セパレータ及び第2セパレータを効率的に製造することが可能になり、燃料電池全体を経済的に得ることができる。さらに、各セルユニット内では、シール部材を一面にのみ設けることが可能になり、燃料電池全体の積層方向の寸法を短尺化させることができる。
しかも、少なくとも第1セパレータ又は第2セパレータは、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚のプレートを備えている。このため、セパレータの製造コストが有効に削減され、経済的である。
さらに、本発明では、積層方向に隣接する枠部材間には、流体連通孔を周回して密封するシール部材が介装されるとともに、前記枠部材の表面及び第1セパレータの表面には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と反応ガス流路とを連通する連結流路が形成されている。このため、構成の簡素化が図られるとともに、燃料電池全体の積層方向の寸法を有効に短尺化させることが可能になる。
また、本発明では、積層方向に隣接する枠部材間には、流体連通孔を周回して密封するシール部材が介装されるとともに、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と第1反応ガス流路とを連通する連結流路が形成され、前記連結流路は、前記枠部材に形成され、セパレータ面方向に沿って設けられる溝部と、前記溝部に連通し、第1セパレータ又は第2セパレータを積層方向に貫通する孔部とを有している。このため、構成の簡素化が図られるとともに、燃料電池全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。
さらに、本発明では、積層方向に隣接する枠部材間には、流体連通孔を周回して密封するシール部材が介装されるとともに、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔と冷却媒体流路とを連通する連結流路が形成されている。このため、構成の簡素化が図られるとともに、燃料電池全体の積層方向の寸法を有効に短尺化させることが可能になる。
図1及び図2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、複数のセルユニット12が矢印A方向(水平方向)に積層される。
セルユニット12は、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)14、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)18及び第2セパレータ20を備える。セルユニット12が積層されることにより、第1電解質膜・電極構造体14は、第2及び第1セパレータ20、16に挟持される一方、第2電解質膜・電極構造体18は、前記第1及び第2セパレータ16、20に挟持される。
第1セパレータ16及び第2セパレータ20は、後述するように、金属薄板を波形状にプレス成形して構成されているが、これに代えて、カーボンセパレータで構成してもよい。
第1電解質膜・電極構造体14と第2電解質膜・電極構造体18とは、それぞれ、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜(電解質)22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するカソード側電極24及びアノード側電極26とを備える(図2参照)。
第1電解質膜・電極構造体14では、固体高分子電解質膜22は、カソード側電極24及びアノード側電極26と同一の表面積に設定される。なお、固体高分子電解質膜22の外周部が、カソード側電極24及びアノード側電極26よりも突出してもよく、また、前記カソード側電極24と前記アノード側電極26の表面積が異なっていてもよい。
第1電解質膜・電極構造体14では、固体高分子電解質膜22、カソード側電極24及びアノード側電極26の外周端縁部には、絶縁性を有する高分子材料で形成される額縁部(枠部材)28aが、例えば、射出成形により一体成形される。第2電解質膜・電極構造体18では、同様に固体高分子電解質膜22、カソード側電極24及びアノード側電極26の外周端縁部には、高分子材料で形成される額縁部(枠部材)28bが、例えば、射出成形により一体成形される。高分子材料としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
カソード側電極24及びアノード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22に当接する。
図1に示すように、額縁部28a、28bの矢印C方向(鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)には、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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
額縁部28a、28bの矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34b、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、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B方向に配列して設けられる。
なお、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bは、額縁部28a、28bに設けられていればよく、それぞれの位置は限定されない。
図3に示すように、額縁部28aには、第1電解質膜・電極構造体14のカソード面(カソード側電極24が設けられる面)14a側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方近傍に位置して複数の入口凸部36a及び入口溝部37aが設けられる。額縁部28aのカソード面14a側の上部には、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔30aに近接して複数の入口溝部38aが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔34aに近接して複数の入口孔部40aが貫通形成される。
額縁部28aのカソード面14a側の下部には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上方近傍に位置して複数の出口凸部36b及び出口溝部37bが設けられる。額縁部28aのカソード面14a側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔30bに近接して複数の出口溝部38bが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔34bに近接して複数の出口孔部40bが貫通形成される。
図4に示すように、額縁部28aには、第1電解質膜・電極構造体14のアノード面(アノード側電極26が設けられる面)14b側の上部に、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔34aに近接して複数の入口溝部42aが設けられる。入口溝部42aの下方近傍には、複数の入口孔部40aが貫通形成される。額縁部28aには、燃料ガス入口連通孔34aの下方に位置して複数の入口溝部46aが設けられる。
額縁部28aのアノード面14b側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔34bに近接して複数の出口溝部42bが設けられる。出口溝部42bの上方近傍には、複数の出口孔部40bが貫通形成される。額縁部28aには、燃料ガス出口連通孔34bの上方に位置して複数の出口溝部46bが設けられる。
額縁部28aのアノード面14b側には、外側シール部材(外側シールライン)48及び内側シール部材(内側シールライン)50が一体又は別体に成形される。外側シール部材48及び内側シール部材50には、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シールが用いられる。なお、以下に説明する各シール部材は、上記の外側シール部材48及び内側シール部材50と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
外側シール部材48は、額縁部28aの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bの外周並びに反応面(発電面)外周を周回する。この外側シール部材48は、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bを囲繞する。外側シール部材48により、入口溝部42a及び入口孔部40aが、冷却媒体入口連通孔32aと一体に囲繞され、出口溝部42b及び出口孔部40bが、冷却媒体出口連通孔32bと一体に囲繞される。
内側シール部材50は、外側シール部材48の内方に位置するとともに、アノード側電極26と入口溝部46a及び出口溝部46bとを一体に囲繞する。
内側シール部材50は、第1セパレータ16の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第1セパレータ16の外周端縁面全周(セパレータ面内)に接する。外側シール部材48は、第1セパレータ16の外周端外方(セパレータ面外)に配置される。外側シール部材48及び内側シール部材50により、全流体連通孔が周回密封される。
図3に示すように、額縁部28aのカソード面14a側には、入口孔部40aを囲繞するリング状入口シール部材52aと、出口孔部40bを囲繞するリング状出口シール部材52bとが設けられる。
図5に示すように、額縁部28bには、第2電解質膜・電極構造体18のカソード面(カソード側電極24が設けられる面)18a側の上部に、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方近傍に位置して複数の入口凸部54a及び複数の入口溝部56aが設けられる。
額縁部28bのカソード面18a側の上部には、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ燃料ガス入口連通孔34aに近接して複数の入口溝部58aが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔30aに近接して複数の入口孔部60aが形成される。第2電解質膜・電極構造体18の入口孔部60aは、第1電解質膜・電極構造体14の入口孔部40aと積層方向から見て互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部28bのカソード面18a側の上部には、燃料ガス入口連通孔34aの下方近傍に位置して複数の入口溝部62aが設けられるとともに、前記入口溝部62aの下端部には、複数の入口孔部64aが貫通形成される。各入口孔部64aの下方には、所定の間隔だけ離間して複数の入口孔部66aが貫通形成される。
額縁部28bのカソード面18a側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ燃料ガス出口連通孔34bに近接して複数の出口溝部58bが設けられるとともに、前記冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔30bに近接して複数の出口孔部60bが形成される。第2電解質膜・電極構造体18の出口孔部60bは、第1電解質膜・電極構造体14の出口孔部40bと積層方向から見て互いに重なり合わない位置にオフセットして配置される。
額縁部28bのカソード面18a側の下部には、燃料ガス出口連通孔34bの上方近傍に位置して複数の出口溝部62bが設けられるとともに、前記出口溝部62bの上端部には、複数の出口孔部64bが貫通形成される。各出口孔部64bの上方には、所定の間隔だけ離間して複数の出口孔部66bが貫通形成される。
図6に示すように、額縁部28bには、第2電解質膜・電極構造体18のアノード面(アノード側電極26が設けられる面)18b側の上部に、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍で且つ酸化剤ガス入口連通孔30aに近接して複数の入口溝部68aが設けられる。入口溝部68aの下方近傍には、複数の入口孔部60aが貫通形成される。額縁部28bには、燃料ガス入口連通孔34aの下方に位置して入口孔部64a、66aを連通する複数の入口溝部72aが設けられる。
額縁部28bのアノード面18b側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍で且つ酸化剤ガス出口連通孔30bに近接して複数の出口溝部68bが設けられる。出口溝部68bの上方近傍には、複数の出口孔部60bが形成される。燃料ガス出口連通孔34bの上方に位置して出口孔部64b、66bを連通する複数の出口溝部72bが設けられる。
額縁部28bには、アノード面18b側に外側シール部材(外側シールライン)74及び内側シール部材(内側シールライン)76が一体又は別体に成形される。外側シール部材74は、額縁部28bの外周縁部から全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bの外周を周回する。
外側シール部材74は、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bを囲繞する。外側シール部材74により、入口溝部68a及び入口孔部60aが、冷却媒体入口連通孔32aと一体に囲繞され、出口溝部68b及び出口孔部60bが、冷却媒体出口連通孔32bと一体に囲繞される。
内側シール部材76は、外側シール部材74の内方に位置するとともに、アノード側電極26と入口孔部64a、66a、入口溝部72a、出口孔部64b、66b及び出口溝部72bとを一体に囲繞する。
内側シール部材76は、第2セパレータ20の外形形状に対応する輪郭線に沿って設けられ、前記第2セパレータ20の外周端縁面全周に接する。外側シール部材74は、第2セパレータ20の外周端外方に配置される。外側シール部材74及び内側シール部材76により、全流体連通孔が周回密封される。
図5に示すように、額縁部28bのカソード面18a側には、入口孔部60a、66aを囲繞するリング状入口シール部材78a、80aと、出口孔部60b、66bを囲繞するリング状出口シール部材78b、80bとが設けられる。
第1及び第2セパレータ16、20は、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34b(全流体連通孔)の内方に配置される寸法に設定される。
図2に示すように、第1セパレータ16は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)82a、82bを備え、前記金属プレート82a、82bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ密閉される内部空間を形成する。金属プレート82aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート82bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート82a、82b間(内部空間)には、冷却媒体流路88が形成される。
図7に示すように、第1セパレータ16は、金属プレート82aの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路84を設ける。酸化剤ガス流路84の上流及び下流には、入口バッファ部85a及び出口バッファ部85bが設けられる。入口バッファ部85aの上方には、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方に位置して複数の入口溝部87aが形成される。出口バッファ部85bの下方には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上方に位置して複数の出口溝部87bが形成される。
金属プレート82aの上部には、第2電解質膜・電極構造体18の複数の入口孔部60aに連通する複数の穴部90aと、前記第2電解質膜・電極構造体18の入口孔部66aに連通する複数の孔部92aとが形成される。孔部92aは、金属プレート82bにも形成されて第1セパレータ16を貫通する。
金属プレート82aの下部には、第2電解質膜・電極構造体18の複数の出口孔部60bに連通する複数の穴部90bと、前記第2電解質膜・電極構造体18の出口孔部66bに連通する複数の孔部92bとが形成される。孔部92bは、金属プレート82bにも形成されて第1セパレータ16を貫通する。
第1セパレータ16は、第1電解質膜・電極構造体14の入口孔部40aを避けるための上部逃げ部94aと、前記第1電解質膜・電極構造体14の出口孔部40bを避けるための下部逃げ部94bとを設ける。
図8に示すように、第1セパレータ16は、金属プレート82bの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路86を設ける。燃料ガス流路86の上流及び下流には、入口バッファ部96a及び出口バッファ部96bが設けられる。入口バッファ部96aの上方には、酸化剤ガス入口連通孔30aの下方に位置して複数の入口溝部98aと、冷却媒体入口連通孔32aの下方に位置して複数の入口溝部100aとが形成される。入口溝部100aは、第1セパレータ16の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
出口バッファ部96bの下方には、酸化剤ガス出口連通孔30bの上方に位置して複数の出口溝部98bと、冷却媒体出口連通孔32bの上方に位置して複数の出口溝部100bとが形成される。出口溝部100bは、第1セパレータ16の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
図2に示すように、第2セパレータ20は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)102a、102bを備え、前記金属プレート102a、102bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート102aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート102bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート102a、102b間には、冷却媒体流路88が形成される。
図9に示すように、第2セパレータ20は、金属プレート102aの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した酸化剤ガス流路84を設ける。酸化剤ガス流路84の上流及び下流には、入口バッファ部104a及び出口バッファ部104bが設けられる。金属プレート102aの上方には、第1電解質膜・電極構造体14の複数の入口孔部40aに連通する複数の穴部106aが形成される。金属プレート102aの下部には、第1電解質膜・電極構造体14の複数の出口孔部40bに連通する複数の穴部106bが形成される。
第2セパレータ20は、第2電解質膜・電極構造体18の入口孔部60aを避けるための上部逃げ部108aと、前記第2電解質膜・電極構造体18の出口孔部60bを避けるための下部逃げ部108bとを設ける。
図10に示すように、第2セパレータ20は、金属プレート102bの面内に、矢印C方向(鉛直方向)に延在する複数の流路溝を有した燃料ガス流路86を設ける。燃料ガス流路86の上流及び下流には、入口バッファ部110a及び出口バッファ部110bが設けられる。
金属プレート102bの上部には、冷却媒体入口連通孔32aの下方に位置して複数の入口溝部112aが形成される一方、前記金属プレート102bの下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方に位置して複数の出口溝部112bが形成される。入口溝部112a及び出口溝部112bは、それぞれ第2セパレータ20の内部に冷却媒体通路を形成するための凹凸構造である。
図11に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体14の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体18の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路が、同様に形成される。
酸化剤ガス連結流路113a、113bは、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。
酸化剤ガス連結流路113bは、額縁部28bの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口凸部54aと、前記額縁部28bに形成される入口溝部56aと、第1セパレータ16を構成する金属プレート82aの表面に形成され、前記入口凸部54a間の溝に連通して前記セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部87aとを有する。入口溝部56aと入口溝部87aとは、端部同士が連通する。
酸化剤ガス連結流路113aは、額縁部28aの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口凸部36aと、入口溝部37aとを有する。
図12に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路114が形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、燃料ガス出口連通孔34bと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路が、同様に形成される。
燃料ガス連結流路114は、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。
燃料ガス連結流路114は、第2電解質膜・電極構造体18の額縁部28bに形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部62a、72aと、第1セパレータ16の外周縁部を積層方向に貫通する孔部92aとを有する。なお、入口溝部62aは、第1電解質膜・電極構造体14の額縁部28aに設けてもよい。
具体的には、額縁部28bには、入口孔部(第1貫通孔)64a及び入口孔部(第2貫通孔)66aが設けられ、前記入口孔部64aを介して前記額縁部28bの両面に形成された入口溝部62a、72aが互いに連通する。入口孔部66aは、孔部92aと積層方向に同軸上に又はオフセットして配置されており、前記入口孔部66aを介して入口溝部62a、72aが前記孔部92aから第1セパレータ16の燃料ガス流路(第1反応ガス流路)86に連通する。入口溝部72aは、第2セパレータ20の燃料ガス流路86に直接連通する。
図13及び図14に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、冷却媒体入口連通孔32aと第2セパレータ20の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116aと、前記冷却媒体入口連通孔32aと第1セパレータ16の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部28a、28b間には、冷却媒体出口連通孔32bと冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路が形成される。
冷却媒体連結流路116a、116bは、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。なお、冷却媒体連結流路116a、116bは、額縁部28a又は28bの一方に形成してもよい。
図13に示すように、冷却媒体連結流路116aは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部42a、58aと、額縁部28aに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)40aと、第2セパレータ20を構成する金属プレート102aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)106aとを有する。入口溝部42aと入口溝部58aとは、端部同士が連通する。
図14に示すように、冷却媒体連結流路116bは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部68a、38aと、額縁部28bに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)60aと、第1セパレータ16を構成する金属プレート82aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)90aとを有する。入口溝部68aと入口溝部38aとは、端部同士が連通する。
額縁部28aの入口孔部40a及び穴部106aと、額縁部28bの入口孔部60a及び穴部90aとは、積層方向から見て互いに重なり合わない位置に設定される。
この燃料電池10の動作について、以下に説明する。
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
各セルユニット12では、酸化剤ガス入口連通孔30aに供給された酸化剤ガスが、図1及び図11に示すように、第1電解質膜・電極構造体14の入口凸部36a間と第2電解質膜・電極構造体18の入口凸部54a間から入口溝部56aとに導入される。
入口凸部36aに導入された酸化剤ガスは、入口溝部37aを通って前記第2セパレータ20の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第1電解質膜・電極構造体14のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口凸部36b間から酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
一方、入口溝部56a間に導入された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体18と第1セパレータ16との間の入口溝部87aを通って前記第1セパレータ16の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体18のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部87b、56bから出口凸部54b間を通って酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔34aに供給された燃料ガスは、図1及び図12に示すように、第2電解質膜・電極構造体18の入口溝部62aに導入される。燃料ガスは、入口溝部62aから入口孔部64aを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部72aから第2セパレータ20の燃料ガス流路86に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1セパレータ16の孔部92aを通って前記第1セパレータ16と第1電解質膜・電極構造体14との間に導入され、前記1セパレータ16の燃料ガス流路86に供給される。
第2セパレータ20の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部72bに排出され、さらに出口孔部64bから出口溝部62bを通って燃料ガス出口連通孔34bに排出される。一方、第1セパレータ16の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部92bから出口孔部66bを通って出口溝部72bに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔34bに排出される。
これにより、第1電解質膜・電極構造体14及び第2電解質膜・電極構造体18では、それぞれカソード側電極24に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26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。
さらにまた、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体の一部は、図1及び図13に示すように、第1電解質膜・電極構造体14の入口溝部42aに導入され、入口溝部58aから入口孔部40aに供給される。冷却媒体は、入口孔部40aから第2セパレータ20の穴部106aを通って前記第2セパレータ20の内部に導入される。
冷却媒体は、第2セパレータ20内を入口溝部112aに沿って流通し、冷却媒体流路88に供給された後、出口溝部112bから穴部106bを通って前記第2セパレータ20から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部40bから出口溝部58b、42bを通って冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
一方、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体の他の一部は、図1及び図14に示すように、第2電解質膜・電極構造体18の入口溝部68aに導入され、入口溝部38aから入口孔部60aに供給される。冷却媒体は、入口孔部60aから第1セパレータ16の穴部90aを通って前記第1セパレータ16内部に導入される。
冷却媒体は、第1セパレータ16内を入口溝部100aに沿って流通し、冷却媒体流路88に供給された後、出口溝部100bから穴部90bを通って前記第1セパレータ16から排出される。さらに、この冷却媒体は、出口孔部60bから出口溝部38b、68bを通って冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
このため、第1電解質膜・電極構造体14及び第2電解質膜・電極構造体18は、第1セパレータ16内の冷却媒体流路88及び第2セパレータ20内の冷却媒体流路88を流通する冷却媒体により冷却される。
この場合、第1の実施形態では、第1電解質膜・電極構造体14を構成する額縁部28a及び第2電解質膜・電極構造体18を構成する額縁部28bには、全流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔30b、冷却媒体出口連通孔32b及び燃料ガス出口連通孔34bが積層方向に貫通して形成されている。
このため、第1セパレータ16及び第2セパレータ20には、流体連通孔を設ける必要がなく、前記第1セパレータ16及び前記第2セパレータ20は、発電領域に対応する外形寸法に設定することができる。従って、第1セパレータ16及び第2セパレータ20は、小型軽量化が容易に図られ、前記第1セパレータ16及び前記第2セパレータ20の製造コストを削減することが可能になる。
これにより、第1セパレータ16及び第2セパレータ20を効率的に製造することができ、燃料電池10全体を経済的に得ることが可能になる。
さらに、各セルユニット12内の単位セル(2枚のセパレータと1枚のMEA)では、図2に示すように、外側シール部材48及び内側シール部材50と外側シール部材74及び内側シール部材76とが、交互に設けられ、実質的に、シール部材が一面にのみ設けられている。このため、燃料電池10全体の積層方向の寸法を良好に短尺化してコンパクト化が遂行される。
しかも、第1セパレータ16は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート82a、82bを備え、前記金属プレート82a、82bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉されている。同様に、第2セパレータ20は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート102a、102bを備え、前記金属プレート102a、102bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉されている。
第1セパレータ16では、金属プレート82a、82b間にシールが不要になるとともに、第2セパレータ20では、金属プレート102a、102b間にシールが不要になる。このため、第1の実施形態では、第1セパレータ16及び第2セパレータ20の製造コストが有効に削減され、燃料電池10全体を経済的に製造することができる。
さらにまた、第1の実施形態では、図11に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体18の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体14の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113bとが形成されている。
そして、酸化剤ガス連結流路113a、113bは、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成されている。
具体的には、酸化剤ガス連結流路113aは、額縁部28bの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口凸部54aと、前記額縁部28bに形成される入口溝部56aと、第1セパレータ16を構成する金属プレート82aの表面に形成され、前記入口凸部54a間の溝に連通して前記セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部87aとを有し、前記入口溝部56aと前記入口溝部87aとは、端部同士が連通している。従って、燃料電池10の構成の簡素化が図られるとともに、前記燃料電池10全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。
また、第1の実施形態では、図12に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路114が形成されている。
そして、燃料ガス連結流路114は、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成されている。
燃料ガス連結流路114は、第2電解質膜・電極構造体18の額縁部28bに形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部62a、72aと、第1セパレータ16の外周縁部を積層方向に貫通する孔部92aとを有している。
具体的には、額縁部28bには、入口孔部64a及び入口孔部66aが設けられ、前記入口孔部64aを介して前記額縁部28bの両面に形成された入口溝部62a、72aが互いに連通している。入口孔部66aは、孔部92aと積層方向に同軸上に配置され、前記入口孔部66aを介して入口溝部62a、72aが前記孔部92aから第1セパレータ16の燃料ガス流路86に連通する一方、前記入口溝部72aは、第2セパレータ20の燃料ガス流路86に直接連通している。
従って、燃料電池10の構成の簡素化が図られるとともに、前記燃料電池10全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。
さらに、第1の実施形態では、図13及び図14に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、冷却媒体入口連通孔32aと第2セパレータ20の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116aと、前記冷却媒体入口連通孔32aと第1セパレータ16の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路116bとが形成されている。
そして、冷却媒体連結流路116a、116bは、額縁部28aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部28bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成されている。
具体的には、図13に示すように、冷却媒体連結流路116aは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部42a、58aと、額縁部28aに積層方向に形成される入口孔部40aと、金属プレート102aに前記積層方向に形成される穴部106aとを有し、前記入口溝部42aと前記入口溝部58aとは、端部同士が連通している。
一方、図14に示すように、冷却媒体連結流路116bは、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部68a、38aと、額縁部28bに積層方向に形成される入口孔部60aと、金属プレート82aに前記積層方向に形成される穴部90aとを有し、前記入口溝部68aと前記入口溝部38aとは、端部同士が連通している。
その際、額縁部28aの入口孔部40a及び穴部106aと、額縁部28bの入口孔部60a及び穴部90aとは、積層方向に対して互いに重なり合わない位置に設定されている。従って、燃料電池10の構成の簡素化が図られるとともに、前記燃料電池10全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。
なお、第1の実施形態では、燃料ガス用の流路構造に酸化剤ガスを流通させる一方、酸化剤ガス用の流路構造に燃料ガスを流通させてもよい。さらに、燃料ガス用及び酸化剤ガス用では、共に同一構造のブリッジ部を設けることができる。
図15は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池120の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。また、以下に説明する第3以降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。
図15及び図16に示すように、燃料電池120は、複数のセルユニット122を積層して構成されるとともに、前記セルユニット122は、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)124、第1セパレータ126、第2電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)128及び第2セパレータ130を備える。
第1電解質膜・電極構造体124及び第2電解質膜・電極構造体128は、額縁部132a及び額縁部132bを設ける。図17に示すように、額縁部132aのカソード面124a側の上部には、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍に入口溝部38aを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔32aの幅方向にわたって複数の入口孔部134aが形成される。入口孔部134aは、リング状入口シール部材136aにより囲繞される。
額縁部132aのカソード面124a側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍に出口溝部38bを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔32bの幅方向にわたって複数の出口孔部134bが形成される。出口孔部134bは、リング状出口シール部材136bにより囲繞される。
図18に示すように、額縁部132aのアノード面124b側の上部には、複数の入口孔部134aに対応する複数の入口溝部138aが設けられる一方、前記アノード面124b側の下部には、複数の出口孔部134bに対応する複数の出口溝部138bが設けられる。
図19に示すように、額縁部132bのカソード面128a側の上部には、冷却媒体入口連通孔32aの下方近傍に入口孔部60aを設けることがなく、前記冷却媒体入口連通孔32aの幅方向にわたって複数の入口溝部140aが形成される。
額縁部132bのカソード面128a側の下部には、冷却媒体出口連通孔32bの上方近傍に出口孔部60bを設けることがなく、前記冷却媒体出口連通孔32bの幅方向にわたって複数の出口溝部140bが形成される。
図20に示すように、額縁部132bのアノード面128b側には、入口溝部68a及び出口溝部68bが設けられていない。
第1セパレータ126は、単一の金属プレート部材で構成される。図21に示すように、第1セパレータ126の一方の面に設けられる酸化剤ガス流路84の上方には、複数の孔部92aと複数の入口溝部87aとが形成される一方、穴部90aが設けられない。酸化剤ガス流路84の下方には、複数の孔部92bと複数の出口溝部87bとが形成される一方、穴部90bが設けられない。
図22に示すように、第1セパレータ126の他方の面に設けられる燃料ガス流路86の上方には、複数の入口溝部98aが設けられる一方、入口溝部100aが設けられない。燃料ガス流路86の下方には、複数の出口溝部98bが設けられる一方、出口溝部100bが設けられない。
図23に示すように、第2セパレータ130は、外形が同一形状を有して互いに積層される2枚の金属プレート(例えば、ステンレスプレート)142a、142bを備え、前記金属プレート142a、142bは、外周縁部を、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ内部が密閉される。金属プレート142aには、カソード側電極24に対向して酸化剤ガス流路84が形成されるとともに、金属プレート142bには、アノード側電極26に対向して燃料ガス流路86が形成される。金属プレート142a、142b間には、冷却媒体流路88が形成される。
図23に示すように、金属プレート142aの上方には、冷却媒体入口連通孔32aの下方に該冷却媒体入口連通孔32aの幅方向にわたって複数の穴部144aが形成される。酸化剤ガス流路84の下方には、冷却媒体出口連通孔32bの上方に該冷却媒体出口連通孔32bの幅方向にわたって複数の穴部144bが形成される。
図24に示すように、金属プレート142bの上方には、冷却媒体入口連通孔32aの下方に該冷却媒体入口連通孔32aの幅方向にわたって複数の入口溝部146aが形成される。燃料ガス流路86の下方には、冷却媒体出口連通孔32bの上方に該冷却媒体出口連通孔32bの幅方向にわたって複数の出口溝部146bが形成される。
図25に示すように、積層方向に隣接する額縁部132a、132b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体124の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路150aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体128の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路150bとが形成される。なお、図示しないが、額縁部132a、132b間には、酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路が、同様に形成される。
酸化剤ガス連結流路150a、150bは、額縁部132aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部132bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。
酸化剤ガス連結流路150bは、額縁部132bの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口凸部(第1溝部)54aと、前記額縁部132bの表面に形成される入口溝部56aと、第1セパレータ126の表面に形成され、前記入口凸部54a間の溝に連通して前記セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部(第2溝部)87aとを有する。入口溝部56aと入口溝部87aとは、端部同士が連通する。
酸化剤ガス連結流路150aは、額縁部132aの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って設けられる入口凸部36aと、入口溝部37aとを有する。
図26に示すように、積層方向に隣接する額縁部132a、132b間には、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路152が形成される。なお、図示しないが、額縁部132a、132b間には、燃料ガス出口連通孔34bと燃料ガス流路86とを連通する燃料ガス連結流路が、同様に形成される。
燃料ガス連結流路152は、額縁部132aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部132bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。
燃料ガス連結流路152は、第2電解質膜・電極構造体128の額縁部132bに形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部62a、72aと、第1セパレータ126の外周縁部を積層方向に貫通する孔部92aとを有する。なお、入口溝部62aは、第1電解質膜・電極構造体124の額縁部132aに形成してもよい。
具体的には、額縁部132bには、入口孔部64a及び入口孔部66aが設けられ、前記入口孔部64aを介して前記額縁部132bの両面に形成された入口溝部62a、72aが互いに連通する。入口孔部66aは、孔部92aと積層方向に同軸上に又はオフセットして配置されており、前記入口孔部66aを介して入口溝部62a、72aが前記孔部92aから第1セパレータ126の燃料ガス流路86に連通する。入口溝部72aは、第2セパレータ130の燃料ガス流路86に直接連通する。
図27に示すように、積層方向に隣接する額縁部132a、132b間には、冷却媒体入口連通孔32aと第2セパレータ130の冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路154が形成される。なお、図示しないが、額縁部132a、132b間には、冷却媒体出口連通孔32bと冷却媒体流路88とを連通する冷却媒体連結流路が、同様に形成される。
冷却媒体連結流路154は、額縁部132aの外側シール部材48及び内側シール部材50と、額縁部132bの外側シール部材74及び内側シール部材76とが積層方向から見て異なる位置に配置されることにより形成される。
冷却媒体連結流路154は、セパレータ面方向に沿って設けられる入口溝部138a、140aと、額縁部132aに積層方向に形成される入口孔部(第1孔部)134aと、金属プレート142aに前記積層方向に形成される穴部(第2孔部)144aとを有する。入口溝部138aと入口溝部140aとは、端部同士が連通する。
この燃料電池120の動作について、以下に概略的に説明する。
各セルユニット122では、酸化剤ガス入口連通孔30aに供給された酸化剤ガスが、図15及び図25に示すように、第1電解質膜・電極構造体124の入口凸部36a間と第2電解質膜・電極構造体128の入口凸部54a間から入口溝部56aとに導入される。
入口凸部36aに導入された酸化剤ガスは、入口溝部37aを通って第2セパレータ130の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第1電解質膜・電極構造体124のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口凸部36b間から酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
一方、入口溝部56a間に導入された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体128と第1セパレータ126との間の入口溝部87aを通って前記第1セパレータ126の酸化剤ガス流路84に供給される。酸化剤ガス流路84に供給された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体128のカソード側電極24に供給された後、残余の酸化剤ガスは、出口溝部87b、56bから出口凸部54b間を通って酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
また、燃料ガス入口連通孔34aに供給された燃料ガスは、図15及び図26に示すように、第2電解質膜・電極構造体128の入口溝部62aに導入される。燃料ガスは、入口溝部62aから入口孔部64aを通ってアノード側に移動し、一部分が入口溝部72aから第2セパレータ130の燃料ガス流路86に供給される。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1セパレータ126の孔部92aを通って前記第1セパレータ126と第1電解質膜・電極構造体124との間に導入され、前記1セパレータ126の燃料ガス流路86に供給される。
第2セパレータ130の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、出口溝部72bに排出され、さらに出口孔部64bから出口溝部62bを通って燃料ガス出口連通孔34bに排出される。一方、第1セパレータ126の燃料ガス流路86を流通した使用済みの燃料ガスは、孔部92bから出口孔部66bを通って出口溝部72bに排出され、同様に燃料ガス出口連通孔34bに排出される。
これにより、第1電解質膜・電極構造体124及び第2電解質膜・電極構造体128では、それぞれカソード側電極24に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26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。
さらにまた、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、図15及び図27に示すように、第1電解質膜・電極構造体124の入口溝部138aに導入され、入口溝部140aから入口孔部134aに供給される。冷却媒体は、入口孔部134aから第2セパレータ130の穴部144aを通って前記第2セパレータ130の内部に導入される。
冷却媒体は、第2セパレータ130内を入口溝部146aに沿って流通し、冷却媒体流路88に供給された後、出口溝部146bから穴部144bを通って前記第2セパレータ130から排出される。さらに、冷却媒体は、出口孔部134bから出口溝部140b、138bを通って冷却媒体出口連通孔32bに排出される。
このため、第1電解質膜・電極構造体124及び第2電解質膜・電極構造体128は、第2セパレータ130内の冷却媒体流路88を流通する冷却媒体により間引き冷却される。
この場合、第2の実施形態では、第1セパレータ126及び第2セパレータ130は、小型軽量化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減され、燃料電池120全体を経済的に製造することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図28は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池160の分解斜視説明図である。
燃料電池160は、複数のセルユニット162が積層されるとともに、前記セルユニット162は、第1電解質膜・電極構造体14、第1セパレータ164、第2電解質膜・電極構造体18及び第2セパレータ20を備える。第1セパレータ164は、2枚の金属プレート82a、82bを備え、前記金属プレート82a、82bは、外周縁部同士を周回して、例えば、溶接や接着により一体化され、且つ密閉される内部空間を形成する。
金属プレート82a、82bには、図29及び図30に示すように、複数の孔部92a、92bが貫通して形成される。2枚の金属プレート82a、82b間には、孔部92a、92bを周回して前記金属プレート82a、82b同士を、例えば、溶接や接着により一体化することにより、前記孔部92a、92bを内部空間(冷却媒体流路88)から閉塞する接合部166a、166bが設けられる。
この第3の実施形態では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、孔部92a、92bを周回して閉塞する接合部166a、166bが設けられるため、前記孔部92a、92bから金属プレート82a、82b間(第1セパレータ164内部)に燃料ガスが進入することを可及的に阻止することが可能になる。
図31は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池170の断面説明図である。
燃料電池170では、第1セパレータ16が入口溝部87a及び出口溝部87bを設けていない。このため、特に、第1セパレータ16の構造が簡素化され、経済的である。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1セパレータ16の孔部92aを通って前記第1セパレータ16と第1電解質膜・電極構造体14との間に導入され、前記第1セパレータ16の燃料ガス流路86に供給される。
さらにまた、第1の実施形態では、図11に示すように、積層方向に隣接する額縁部28a、28b間には、酸化剤ガス入口連通孔30aと第1電解質膜・電極構造体14の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113aと、前記酸化剤ガス入口連通孔30aと第2電解質膜・電極構造体18の酸化剤ガス流路84とを連通する酸化剤ガス連結流路113bとが形成されている。
具体的には、酸化剤ガス連結流路113bは、額縁部28bの表面に形成され、セパレータ面方向に沿って延在する入口凸部54aと、前記額縁部28bに形成される入口溝部56aと、第1セパレータ16を構成する金属プレート82aの表面に形成され、前記入口凸部54a間の溝に連通して前記セパレータ面方向に沿って延在する入口溝部87aとを有し、前記入口溝部56aと前記入口溝部87aとは、端部同士が連通している。従って、燃料電池10の構成の簡素化が図られるとともに、前記燃料電池10全体の積層方向の寸法を短尺化させることが可能になる。
燃料ガスの残余の部分は、入口孔部66a及び第1セパレータ126の孔部92aを通って前記第1セパレータ126と第1電解質膜・電極構造体124との間に導入され、前記第1セパレータ126の燃料ガス流路86に供給される。
Claims (21)
- 電解質(22)の両側に一対の電極(24、26)を配設した電解質・電極構造体(14、18)を、第1セパレータ(16)及び第2セパレータ(20)で挟持するセルユニット(12)を備える燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体(14、18)の外周には、高分子材料で形成される枠部材(28a、28b)が一体に設けられ、前記枠部材(28a、28b)には、反応ガス入口連通孔(30a、34a)、反応ガス出口連通孔(30b、34b)、冷却媒体入口連通孔(32a)及び冷却媒体出口連通孔(32b)を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるとともに、前記積層方向に隣接する前記枠部材(28a、28b)間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材(48、50)が介装され、
少なくとも前記第1セパレータ(16)又は前記第2セパレータ(20)は、外形が同一形状を有して互いに接合される2枚のプレート(82a、82b)を備えるとともに、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端は、前記流体連通孔よりも内側に配置されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端縁面に接する内側シールライン(50)と、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端外方に配置される外側シールライン(48)と、
を設けることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記セルユニット(12)は、第1の前記電解質・電極構造体(14)、前記第1セパレータ(16)、第2の前記電解質・電極構造体(18)及び前記第2セパレータ(20)を備え、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)は、それぞれ2枚の前記プレート(82a、82b、102a、102b)を接合して構成されるとともに、
2枚の前記プレート(82a、82b、102a、102b)間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路(88)が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記セルユニット(122)は、第1の前記電解質・電極構造体(124)、前記第1セパレータ(126)、第2の前記電解質・電極構造体(128)及び前記第2セパレータ(130)を備え、
前記第1セパレータ(126)は、一方の面側に一方の反応ガスである燃料ガスをセパレータ面方向に流通させる燃料ガス流路(86)が形成され、且つ他方の面側に他方の反応ガスである酸化剤ガスをセパレータ面方向に流通させる酸化剤ガス流路(84)が形成される単一のプレート部材で構成され、
前記第2セパレータ(130)は、2枚の前記プレート(142a、142b)を接合して構成されるとともに、
2枚の前記プレート(142a、142b)間には、冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路(88)が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 電解質(22)の両側に一対の電極(24、26)を配設した電解質・電極構造体(14、18)を、第1セパレータ(16)及び第2セパレータ(20)で挟持するセルユニット(12)を備える燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体(14、18)の外周には、高分子材料で形成される枠部材(28a、28b)が一体に設けられ、前記枠部材(28a、28b)には、反応ガス入口連通孔(30a、34a)、反応ガス出口連通孔(30b、34b)、冷却媒体入口連通孔(32a)及び冷却媒体出口連通孔(32b)を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるとともに、前記積層方向に隣接する前記枠部材(28a、28b)間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材(48、50)が介装され、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端は、前記流体連通孔よりも内側に配置され、且つ、前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)には、前記電解質・電極構造体(14、18)を挟んでそれぞれ異なる反応ガスをセパレータ面方向に流通させる第1反応ガス流路(84)及び第2反応ガス流路(86)が形成される一方、
前記反応ガス入口連通孔(30a)及び前記反応ガス出口連通孔(30b)と前記第1反応ガス流路(84)とを連通する連結流路(113a、113b)が形成されるとともに、
前記連結流路(113b)は、前記枠部材(28b)の表面に形成され、前記セパレータ面方向に沿って延在する溝部(56a)を有することを特徴とする燃料電池。 - 請求項5記載の燃料電池において、前記第1セパレータ(16)の表面には、前記溝部(56a)に連通して前記セパレータ面方向に沿って延在する溝部(87a)が設けられることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5又は6記載の燃料電池において、前記枠部材(28a、28b)は、セパレータ面外に外側シールライン(48、74)を有し且つセパレータ面内に内側シールライン(50、76)を有する2重シールラインを設けるとともに、
互いに隣接する一方の前記枠部材(28a)の前記2重シールラインの一部と他方の前記枠部材(28b)の前記2重シールラインの一部とは、前記積層方向から見て異なる位置に配置されることにより、前記連結流路(113a、113b)を形成することを特徴とする燃料電池。 - 請求項5記載の燃料電池において、少なくとも前記第1セパレータ(16)又は前記第2セパレータ(20)は、同一外形形状を有する2枚のプレート(82a、82b)を接合して構成されるとともに、
2枚の前記プレート(82a、82b)間には、冷却媒体流路(88)が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 電解質(20)の両側に一対の電極(24、26)を配設した電解質・電極構造体(14、18)を、第1セパレータ(16)及び第2セパレータ(20)で挟持するセルユニット(12)を備える燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体(14、18)の外周には、高分子材料で形成される枠部材(28a、28b)が一体に設けられ、前記枠部材(28a、28b)には、反応ガス入口連通孔(30a、34a)、反応ガス出口連通孔(30b、34b)、冷却媒体入口連通孔(32a)及び冷却媒体出口連通孔(32b)を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成されるとともに、前記積層方向に隣接する前記枠部材(28a、28b)間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材(48、50)が介装され、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端は、前記流体連通孔よりも内側に配置され、且つ、前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)には、前記電解質・電極構造体(14、18)を挟んでそれぞれ異なる反応ガスをセパレータ面方向に流通させる第1反応ガス流路(86)及び第2反応ガス流路(84)が形成される一方、
前記反応ガス入口連通孔(34a)及び前記反応ガス出口連通孔(34b)と前記第1反応ガス流路(86)とを連通する連結流路(114)が形成されるとともに、
前記連結流路(114)は、前記枠部材(28b)に形成され、前記セパレータ面方向に沿って延在する溝部(62a、72a)と、
前記溝部(62a、72a)に連通し、前記第1セパレータ(16)又は前記第2セパレータ(20)を前記積層方向に貫通する孔部(92a)と、
を有することを特徴とする燃料電池。 - 請求項9記載の燃料電池において、前記枠部材(28a、28b)は、セパレータ面外に外側シールライン(48、74)を有し且つセパレータ面内に内側シールライン(50、76)を有する2重シールラインを設けるとともに、
互いに隣接する一方の前記枠部材(28b)の前記2重シールラインの一部と他方の前記枠部材(28a)の前記2重シールラインの一部とは、前記積層方向から見て異なる位置に配置されることにより、前記連結流路(114)を形成することを特徴とする燃料電池。 - 請求項9又は10記載の燃料電池において、一方の前記枠部材(28b)に前記溝部(62a、72a)、第1貫通孔(64a)及び第2貫通孔(66a)が設けられ、
前記第1貫通孔(64a)を介して一方の前記枠部材(28b)の両面に形成された前記溝部(62a、72a)が互いに連通するとともに、
前記第2貫通孔(66a)を介して前記溝部(62a、72a)が前記孔部(92a)から前記第1反応ガス流路(86)に連通することを特徴とする燃料電池。 - 請求項11記載の燃料電池において、前記セルユニット(12)は、第1の前記電解質・電極構造体(14)、前記第1セパレータ(16)、第2の前記電解質・電極構造体(18)及び前記第2セパレータ(20)を備え、
第2の前記電解質・電極構造体(18)の前記枠部材(28b)に前記溝部(62a、72a)、前記第1貫通孔(64a)及び前記第2貫通孔(66a)が形成されるとともに、
前記溝部(62a、72a)は、前記第2貫通孔(66a)を介して前記第1セパレータ(16)に形成された前記孔部(92a)から該第1セパレータ(16)の前記第1反応ガス流路(86)に連通する一方、
前記溝部(62a、72a)は、前記第2セパレータ(20)の前記第1反応ガス流路(86)に直接連通することを特徴とする燃料電池。 - 請求項9記載の燃料電池において、少なくとも前記第1セパレータ(16)又は前記第2セパレータ(20)は、外形が同一形状を有する2枚のプレート(82a、82b)を接合して構成されるとともに、
2枚の前記プレート(82a、82b)間には、冷却媒体流路(88)が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項13記載の燃料電池において、2枚の前記プレート(82a、82b)は、外周縁部同士を周回して接合することにより、内部空間を形成するとともに、
前記連結流路(114)を構成する前記孔部(92a)を周回して2枚の前記プレート(82a、82b)同士を接合することにより、前記孔部(92a)を前記内部空間から閉塞する接合部(166a)が設けられることを特徴とする燃料電池。 - 電解質(22)の両側に一対の電極(24、26)を配設した電解質・電極構造体(14、18)を、第1セパレータ(16)及び第2セパレータ(20)で挟持するセルユニット(12)を備える燃料電池であって、
前記電解質・電極構造体(14、18)の外周には、高分子材料で形成される枠部材(28a、28b)が一体に設けられ、前記枠部材(28a、28b)には、反応ガス入口連通孔(30a、34a)、反応ガス出口連通孔(30b、34b)、冷却媒体入口連通孔(32a)及び冷却媒体出口連通孔(32b)を含む流体連通孔が積層方向に貫通して形成される一方、
前記第1セパレータ(16)及び前記第2セパレータ(20)の外周端は、前記流体連通孔よりも内側に配置されるとともに、少なくとも前記第1セパレータ(16)又は前記第2セパレータ(20)は、内部に冷却媒体をセパレータ面方向に流通させる冷却媒体流路(88)が形成される2枚のプレート(102a、102b)を備え、
前記積層方向に隣接する前記枠部材(28a、28b)間には、前記流体連通孔及び反応面外周を周回して密封するシール部材(48、50)が介装され、且つ、前記冷却媒体入口連通孔(32a)及び前記冷却媒体出口連通孔(32b)と前記冷却媒体流路(88)とを連通する連結流路(116a)が形成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項15記載の燃料電池において、前記枠部材(28a、28b)は、セパレータ面外に外側シールライン(48、74)を有し且つセパレータ面内に内側シールライン(50、76)を有する2重シールラインを設けるとともに、
互いに隣接する一方の前記枠部材(28a)の前記2重シールラインの一部と他方の前記枠部材(28b)の前記2重シールラインの一部とは、前記積層方向から見て異なる位置に配置されることにより、一方の前記枠部材(28a)と他方の前記枠部材(28b)との間に前記連結流路(116a)を形成することを特徴とする燃料電池。 - 請求項15又は16記載の燃料電池において、2枚の前記プレート(102a、102b)は、互いに外形が同一形状を有することを特徴とする燃料電池。
- 請求項15記載の燃料電池において、前記連結流路(116a)は、前記積層方向に隣接する前記枠部材(28a、28b)間に前記セパレータ面方向に沿って設けられる溝部(58a)と、
一方の前記枠部材(28a)に前記積層方向に形成され、前記溝部(58a)に連通する第1孔部(40a)と、
一方の前記枠部材(28a)に隣接する一方の前記プレート(102a)に前記積層方向に形成され、前記第1孔部(40a)と前記冷却媒体流路(88)とを連通する第2孔部(106a)と、
を有することを特徴とする燃料電池。 - 請求項18記載の燃料電池において、前記溝部は、一方の前記枠部材(28a)に設けられる第1溝部(42a)と、
一方の前記枠部材(28a)に積層される他方の前記枠部材(28b)に設けられる第2溝部(58a)と、
を有するとともに、
前記第1溝部(42a)と前記第2溝部(58a)とは、端部同士が連通することを特徴とする燃料電池。 - 請求項18記載の燃料電池において、一方の前記枠部材(28a)と一方の前記プレート(102a)との間には、前記第1孔部(40a)を周回するシール部材(52a)が介装されることを特徴とする燃料電池。
- 請求項18記載の燃料電池において、互いに隣接する前記枠部材(28a、28b)の前記第1孔部(40a、60a)同士及び前記第2孔部(90a、106a)同士は、前記積層方向から見て対して互いに重なり合わない位置に設定されることを特徴とする燃料電池。
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