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技術 燃料電池

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 杉田成利杉浦誠治
出願日 2001年9月19日 (20年2ヶ月経過) 出願番号 2001-285546
公開日 2003年4月4日 (18年7ヶ月経過) 公開番号 2003-100322
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 最小厚み寸法 ブリッジ板 連通孔側 冷却用部材 冷却媒体排出口 ガスシール部材 冷却媒体供給口 有機ゴム
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

セパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、燃料電池小型軽量化する。

解決手段

各セパレータ4,5に、ガスシール部材6,7の外側に設けられる反応ガスおよび冷却媒体連通孔18と、ガスシール部材6,7をセパレータ4,5の厚さ方向に迂回して反応ガスの連通孔18とガス流路8,9とを連絡する連絡路25とを設け、冷却媒体流路を反応ガスの連通孔18に対して密封する冷却面シール部材27を、連絡路25から連通孔18側にずれた位置に配置する。一方のセパレータ5の連通孔18と反応ガス流路9との間に凸部30を設けるとともに、他方のセパレータ4に前記凸部30を受け入れる凹部32を設ける。

概要

背景

燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。

各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス(例えば、水素)の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体(例えば、純水)の流路が設けられている。

そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子外部回路に取り出され、直流電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。

これら燃料ガス、酸化剤ガス(総称して反応ガス)および冷却媒体は、各々独立した流路に流通させる必要があるため、各流路間液密または気密状態仕切シール技術が重要となる。密封すべき部位としては、例えば、反応ガスおよび冷却媒体を燃料電池の各燃料電池セルに分配供給するために貫通形成された供給口の周囲、各燃料電池セルから排出された反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ収集して排出する排出口の周囲、電極構造体の外周、隣接する燃料電池セルのセパレータ間の外周等がある。シール部材としては、有機ゴム等の柔らかくて、適度に反発力のある材質のものが採用されている。

一方、近年、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化低コスト化が大きな課題となっている。燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。

ところが、セパレータを薄肉化することには、セパレータの強度や燃料電池の剛性限界がある。また、セパレータ間の間隔寸法を小さくするには、シール部材の高さ寸法を低減することが効果的であるが、必要十分な密封性を確保するためには、十分な潰れ代を確保し得る高さ寸法が必要となるため、その低減にも自ずと限界がある。

さらに、燃料電池セルにおいて、シール部材が占有する体積は、反応ガスおよび冷却媒体を密封するために必要不可欠ではあるものの、実質的に発電に寄与しない空間であるため、極力小さくする必要がある。

図23は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号107は、燃料電池106をセパレータ109、110の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、排出口、酸化剤ガス供給口、排出口、冷却媒体供給口、排出口などの連通孔である。また、符号112は、セパレータ109,110に沿って複数の燃料ガス流路酸化剤ガス流路および冷却媒体流路が形成されている領域である。

図24は、図23の線X−Xで切断した従来の燃料電池106を示す縦断面図である。平面視において、発電に寄与しないシール部材の占有体積を極力小さくするために、従来は、燃料ガス流路100および酸化剤ガス流路101をそれぞれ密封するガスシール部材102,103と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材104とを、燃料電池セル105の積層方向に一列に並べて配置することにより、燃料電池106の積層方向の外形寸法を最小限に抑制している。

概要

セパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、燃料電池を小型軽量化する。

各セパレータ4,5に、ガスシール部材6,7の外側に設けられる反応ガスおよび冷却媒体の連通孔18と、ガスシール部材6,7をセパレータ4,5の厚さ方向に迂回して反応ガスの連通孔18とガス流路8,9とを連絡する連絡路25とを設け、冷却媒体流路を反応ガスの連通孔18に対して密封する冷却面シール部材27を、連絡路25から連通孔18側にずれた位置に配置する。一方のセパレータ5の連通孔18と反応ガス流路9との間に凸部30を設けるとともに、他方のセパレータ4に前記凸部30を受け入れる凹部32を設ける。

目的

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池を構成するセパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、積層方向の寸法を低減して小型軽量化した燃料電池を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータと、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス流路をそれぞれ密封するガスシール部材とから構成された複数の燃料電池セルを、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材を挟んで積層してなる燃料電池であって、前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部外側に設けられる反応ガス連通孔および冷却媒体連通孔と、前記ガスシール部材の電極構造体シール部をセパレータの厚さ方向に迂回して反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路とが設けられ、少なくとも一方のセパレータに前記反応ガス連絡路の裏側を少なくとも反応ガス連絡路に対応する領域にわたって突出させた凸部が設けられるとともに、他方のセパレータに前記凸部を受け入れる凹部が設けられている燃料電池。

請求項2

前記冷却媒体流路を前記反応ガス連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路に対して前記反応ガス連通孔側にずれた位置に設けられている請求項1に記載の燃料電池。

請求項3

前記冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されている請求項1または請求項2に記載の燃料電池。

技術分野

0001

本発明は、電極構造体セパレータで挟持してなる燃料電池セルを複数積層して構成された燃料電池に関するものである。

背景技術

0002

燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。

0003

各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス(例えば、水素)の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体(例えば、純水)の流路が設けられている。

0004

そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子外部回路に取り出され、直流電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。

0005

これら燃料ガス、酸化剤ガス(総称して反応ガス)および冷却媒体は、各々独立した流路に流通させる必要があるため、各流路間液密または気密状態仕切シール技術が重要となる。密封すべき部位としては、例えば、反応ガスおよび冷却媒体を燃料電池の各燃料電池セルに分配供給するために貫通形成された供給口の周囲、各燃料電池セルから排出された反応ガスおよび冷却媒体をそれぞれ収集して排出する排出口の周囲、電極構造体の外周、隣接する燃料電池セルのセパレータ間の外周等がある。シール部材としては、有機ゴム等の柔らかくて、適度に反発力のある材質のものが採用されている。

0006

一方、近年、実車への搭載に向けた実用化の動きの中で、燃料電池の小型軽量化低コスト化が大きな課題となっている。燃料電池を小型化するためには、燃料電池を構成する各燃料電池セルを薄くすること、具体的には、各燃料電池セル内部に形成されている反応ガスの流路を十分に確保しながら、セパレータ間の間隔寸法を小さくすることや、セパレータを薄肉化することが考えられる。

0007

ところが、セパレータを薄肉化することには、セパレータの強度や燃料電池の剛性限界がある。また、セパレータ間の間隔寸法を小さくするには、シール部材の高さ寸法を低減することが効果的であるが、必要十分な密封性を確保するためには、十分な潰れ代を確保し得る高さ寸法が必要となるため、その低減にも自ずと限界がある。

0008

さらに、燃料電池セルにおいて、シール部材が占有する体積は、反応ガスおよび冷却媒体を密封するために必要不可欠ではあるものの、実質的に発電に寄与しない空間であるため、極力小さくする必要がある。

0009

図23は、従来の燃料電池を示す平面図である。図中、符号107は、燃料電池106をセパレータ109、110の積層方向に貫通する燃料ガス供給口、排出口、酸化剤ガス供給口、排出口、冷却媒体供給口、排出口などの連通孔である。また、符号112は、セパレータ109,110に沿って複数の燃料ガス流路酸化剤ガス流路および冷却媒体流路が形成されている領域である。

0010

図24は、図23の線X−Xで切断した従来の燃料電池106を示す縦断面図である。平面視において、発電に寄与しないシール部材の占有体積を極力小さくするために、従来は、燃料ガス流路100および酸化剤ガス流路101をそれぞれ密封するガスシール部材102,103と、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材104とを、燃料電池セル105の積層方向に一列に並べて配置することにより、燃料電池106の積層方向の外形寸法を最小限に抑制している。

発明が解決しようとする課題

0011

しかしながら、このように構成される燃料電池106の場合に、各流路100,101を密封するガスシール部材102,103および冷却面シール部材104の全てを燃料電池セル105の積層方向に一列に並べて配置すると、燃料電池106の厚さ寸法を、各燃料電池セル105の最小厚み寸法に冷却面シール部材104の高さ寸法を加えて積層数倍した値より小さくすることができないという不都合がある。

0012

このことをさらに詳しく説明するために、再度図24を参照する。図24は、燃料電池106を燃料ガス供給口107近傍で燃料電池セル105の積層方向に切断した縦断面図である。この図24によれば、ガスシール部材102、103によって密封状態に隔離された燃料ガス供給口107と燃料ガス流路100とが連絡路108によって連絡されている。該連絡路108は、燃料ガス流路100の周囲を全周にわたって密封しているガスシール部材102をセパレータ109の厚さ方向に迂回するようにセパレータ109に設けられている。また、セパレータ110も酸化剤ガス供給口(図示略)において同様の連絡路(図示略)を有している。

0013

したがって、各セパレータ109,110は、連絡路108を形成するために比較的厚く形成されているが、各シール部材102〜104が配置されているシールラインの位置においては、図24の断面に見られるように、強度を確保するための最小限度肉厚寸法となっており、それ以上の薄肉化を図ることができない。

0014

また、各シール部材102〜104は、密封性を確保するために必要最小限の高さ寸法とされているので、これらシール部材102〜104の高さ寸法もそれ以上低減することはできない。

0015

その結果、燃料電池106の厚さ寸法は、2枚のセパレータ109,110の最小肉厚寸法、連絡路108を構成するための厚さ寸法、2つのガスシール部材102,103の高さ寸法、固体高分子電解質膜111の厚さ寸法および冷却面シール部材104の高さ寸法を加えたものを積層数倍した寸法となるが、これらは全て必要不可欠な寸法であるため、それ以上の寸法低減を図ることは困難であった。

0016

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池を構成するセパレータおよび電極構造体の間の各シール部材により各種流路を確実に密封しながら、積層方向の寸法を低減して小型軽量化した燃料電池を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0017

上記課題を解決するために、請求項1の発明に係る燃料電池は、電解質の両面にそれぞれ電極を配した電極構造体(例えば、実施形態における電極構造体10)と、該電極構造体を厚さ方向に挟む一対のセパレータ(例えば、実施形態におけるセパレータ4,5)と、前記電極構造体の外周部に配置され、各セパレータと前記電極構造体との間に挟まれて両者間に形成される反応ガス流路(例えば、実施形態における燃料ガス流路8,酸化剤ガス流路9)をそれぞれ密封するガスシール部材(例えば、実施形態におけるガスシール部材6,7)とから構成された複数の燃料電池セル(例えば、実施形態における燃料電池セル2)を、これら燃料電池セル間に形成される冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材(例えば、実施形態における冷却面シール部材27)を挟んで積層してなる燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池1)であって、前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部(主環状部6a,7a)外側に設けられる反応ガス連通孔(例えば、実施形態における燃料ガス供給口17,酸化剤ガス供給口18,燃料ガス排出口20,酸化剤ガス排出口21)および冷却媒体連通孔(例えば、実施形態における冷却媒体供給口19,冷却媒体排出口22)と前記各セパレータに、前記ガスシール部材の電極構造体シール部外側に設けられる反応ガス連通孔および冷却媒体連通孔と、前記ガスシール部材の電極構造体シール部をセパレータの厚さ方向に迂回して反応ガス連通孔と反応ガス流路を連絡する反応ガス連絡路(例えば、実施形態における燃料ガス連絡路23,酸化剤ガス連絡路25)とが設けられ、少なくとも一方のセパレータ(例えば、実施形態におけるセパレータ5)に前記反応ガス連絡路(例えば、実施形態における酸化剤ガス連絡路25)の裏側を少なくとも反応ガス連絡路に対応する領域にわたって突出させた凸部(例えば、実施形態における凸部30)が設けられるとともに、他方のセパレータ(例えば、実施形態におけるセパレータ4)に前記凸部を受け入れる凹部(例えば、実施形態における凹部32)が設けられていることを特徴とする。

0018

この発明に係る燃料電池によれば、前記一方のセパレータに凸部を設けたので、このセパレータの厚みを最小限度まで薄くして、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保することができる。また、前記他方のセパレータに前記凸部を受け入れる凹部を設けたので、前記凸部による厚みの増加を前記凹部で打ち消すことができる。したがって、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がない。このため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、一対のセパレータのうち、一方のセパレータに前記反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保させておけば、前記凸部を設けなくても反応ガス連絡路を形成することができる。したがって、他方のセパレータに前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、他方のセパレータの厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータを合わせた厚みを最小限度に保持するとともに、凸部と凹部を双方のセパレータに形成する場合に比べて形成する箇所が半減するため、製造工程が容易となる。燃料電池では、数百に及ぶ燃料電池セルを積層するので、燃料電池全体としては、各燃料電池セル毎に低減された厚さの積層数倍の大幅な小型化を図ることができる。

0019

請求項2の発明に係る燃料電池は、前記冷却媒体流路を前記反応ガス連通孔に対して密封する冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路に対して前記反応ガス連通孔側にずれた位置に設けられていることを特徴とする。

0020

この発明に係る燃料電池によれば、冷却媒体流路を密封する冷却面シール部材が連絡路から連通孔側にずれた位置に配置されているので、冷却面シール部材の積層方向の位置をガスシール部材の近傍に設けられている連絡路とは無関係に決定することが可能となる。その結果、燃料電池セルの積層方向に沿う連絡路の位置と冷却面シール部材の位置とを重なり合わせることが可能となる。これにより、その重なり合った寸法分だけ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。

0021

請求項3の発明に係る燃料電池は、前記冷却面シール部材が、前記反応ガス連絡路近傍を除き、積層方向からみて、前記ガスシール部材と略同一位置に配置されていることを特徴とする。

0022

この発明に係る燃料電池によれば、ガスシール部材を厚さ方向に迂回して形成される連絡路近傍は、該連絡路の高さ分だけセパレータを厚くせざるを得ないため、冷却面シール部材を連通孔側にずらして、ガスシール部材と冷却面シール部材とが、同一のシールラインに配されることを回避し、連絡路近傍以外の部分では、ガスシール部材と冷却面シール部材とを燃料電池セルの積層方向に一列に並んだ位置に配することにより、燃料電池セルの面積を低減することが可能となる。また、連通孔近傍でシールラインをずらすことにより、請求項1記載の燃料電池と同様に、冷却面シール部材と連絡路とを積層方向に重なり合う位置に配置することが可能となり、冷却面シール部材とガスシール部材とを積層方向に近接させて燃料電池の厚さを低減することができる。

発明を実施するための最良の形態

0023

以下、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池1について、図面を用いて詳細に説明する。本実施形態に係る燃料電池1は、図12に示されるように、燃料電池セル2を複数積層して構成されている。燃料電池セル2は、図1に示されるように、電極構造体3を一対のセパレータ4,5で挟持することにより構成されている。電極構造体3と各セパレータ4,5との間には、ガスシール部材6,7がそれぞれ配置されている。これらガスシール部材6,7は、図12に示されるように、電極構造体3の両側に燃料ガス流路8と酸化剤ガス流路9とを密封状態に画定している。

0024

前記電極構造体3は、例えば、図2および図12に示されるように、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜10(以下、単に電解質膜という。)と、この電解質膜10の両面を挟むアノード電極11およびカソード電極12とを有している。電解質膜10は、例えば、図2に示されるように、複数の貫通孔10aを有している。電解質膜10は、後述するセパレータ4,5と同等の大きさを有し、各貫通孔10aは、セパレータ4,5の各供給口17〜19および各排出口20〜22に対応する位置に配置されている。

0025

前記アノード電極11およびカソード電極12は、例えば、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパーからなるガス拡散層の電解質膜10と接する一表面に、Ptを主体とする合金からなる触媒層を積層させることにより構成されている。

0026

燃料電池セル2を構成するセパレータ4,5には、2種類のセパレータ4,5がある。各セパレータ4,5は、図3および図4に示されるように、いずれもカーボン製平板の表面に、複数の溝13〜16(図13(b)参照)を削り込むことにより、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部4a,5aと、該波板部4a,5aに流通させる燃料ガス(例えば、水素ガス)、酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)および冷却媒体(例えば、純水)をそれぞれ供給、排出させるように各セパレータ4,5を貫通する燃料ガス供給口(反応ガス連通孔)17、酸化剤ガス供給口(反応ガス連通孔)18、冷却媒体供給口(冷却媒体連通孔)19、燃料ガス排出口(反応ガス連通孔)20、酸化剤ガス排出口(反応ガス連通孔)21および冷却媒体排出口(冷却媒体連通孔)22と、これら供給口17〜19、排出口20〜22および前記波板部4a,5aをそれぞれ取り囲むように配置される平面部4b,5bとを具備している。

0027

前記冷却媒体供給口19および冷却媒体排出口22は、図3および図4に示されるように、セパレータ4,5の幅方向(矢印P)のほぼ中央に配置されている。また、前記燃料ガス供給口17と酸化剤ガス供給口18は、前記冷却媒体供給口19を挟んでセパレータ4,5の幅方向(矢印P)の両側に配置されている。さらに、前記燃料ガス排出口20と酸化剤ガス排出口21は、前記冷却媒体排出口22を挟んでセパレータ4,5の幅方向(矢印P)の両側に配置されている。これら燃料ガス排出口20および酸化剤ガス排出口21は、それぞれ燃料ガス供給口17および酸化剤ガス供給口18に対して対角位置となるように配置されている。

0028

各セパレータ4,5の長さ方向(矢印Q)に沿う、燃料ガス供給口17および排出口20、酸化剤ガス供給口18および排出口21の長さ寸法(矢印R)は、隣接する冷却媒体供給口19および排出口22の長さ寸法(矢印S)よりも短く形成されている。これにより、燃料ガス供給口17および排出口20、酸化剤ガス供給口18および排出口21と波板部4a,5aとの間の間隔寸法(矢印T)は、冷却媒体供給口19および排出口22と波板部4a,5aとの間の間隔寸法(矢印U)よりも大きく形成されている。

0029

セパレータ4の一面側には、図3に示されるように、燃料ガス供給口17と波板部4aとの間および該波板部4aと燃料ガス排出口20との間に、燃料ガス供給口17から供給されてきた燃料ガスを波板部4aに流通させ、波板部4aを通過した燃料ガスを燃料ガス排出口20から排出させるための燃料ガス連絡路23がそれぞれ形成されている。該燃料ガス連絡路23は、セパレータの一面側に形成された複数の溝23aと、該溝23a上に掛け渡される平板上のブリッジ板23bとを備えている。ブリッジ板23bが配置されるセパレータ4の表面には、該ブリッジ板23bをはめ込む凹部24が形成されており、それによってブリッジ板23bの表面は、セパレータ4の表面4bと同一平面内に配されている。

0030

また、セパレータ5の一面側にも、図4に示されるように、酸化剤ガス供給口18と波板部5aとの間、および、該波板部5aと酸化剤ガス排出口21との間に、セパレータ4と同様に、複数の溝25aとブリッジ板25bとからなる酸化剤ガス連絡路25が設けられている。なお、両セパレータ4,5の他面側には、図5(a)、(b)に示されるように、冷却媒体供給口19と波板部4a,5aとを結ぶ冷却媒体連絡路26および該波板部4a,5aと冷却媒体排出口22とを結ぶ冷却媒体連絡路26が設けられている。そして、図5(a)に示されるように一方のセパレータ5には凸部30が設けられるとともに、図5(b)に示されるように他方のセパレータ4には前記凸部30を受け入れる凹部32が設けられている。これらについては詳細を後述する。

0031

前記ガスシール部材6,7は、図6に示されるように、波板部4a,5aの外周を取り囲む主環状部6a,7aの両側に、各供給口17〜19および排出口20〜22をそれぞれ取り囲む複数の副環状部6b,7bを有する形状に一体的に構成されている。このようなガスシール部材6,7を、前記セパレータ4の一面側に配置した状態、電極構造体3の一面側に配置した状態、および、前記セパレータ5の一面側に配置した状態をそれぞれ、図7図9に示す。

0032

これらの図7図9によれば、ガスシール部材6,7の主環状部6a,7aは、各供給口17〜19および排出口20〜22と波板部4a,5aとの間の平面部4b,5bを通過するように配置される。これにより、主環状部6a,7aは、連絡路23,25に設けられたブリッジ板23b,25bの上を通過して、各供給口17〜19および排出口20〜22と波板部4a,5aとの間を連絡路23,25を構成する溝23a,25aのみによって連絡し、他の部分は密封状態に保持するようになっている。

0033

このように構成された燃料電池セル2は、図12に示されるように、冷却面シール部材27を挟んで複数積層される。冷却面シール部材27は、図10に示されるように、主環状部27aと副環状部27bとを一体的に連結した構造を有している。

0034

このような冷却面シール部材27を、各セパレータ4,5の他面側に配置した状態を図11に示す。これによれば、冷却面シール部材27の主環状部27aは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口17,18と波板部4a,5aとの間、排出口20,21と波板部4a,5aとの間を通過して、冷却媒体供給口19から冷却媒体連絡路26を介して波板部4a,5aに接続し、波板部4a,5aから冷却媒体連絡路26を介して冷却媒体排出口22に接続する冷却媒体流路28の周囲を密封している。また、冷却面シール部材27の副環状部27bは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各供給口17,18および各排出口20,21をそれぞれ独立して密封している。なお、図11においては、図示都合上、詳細を後述する凸部30や凹部32を省略している(図5参照)。

0035

冷却面シール部材27の主環状部27aのうち、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給口17,18と波板部4a,5aとの間、排出口20,21と波板部4a,5aとの間を通過する部分は、破線で示された上記ガスシール部材の主環状部6a,7aの通過位置と比較すると、供給口17,18または排出口20,21に、より近い位置を通過するようにずれた位置に配置されている。

0036

このように構成された燃料電池1の各部の断面を図12に示す。図12(a)は、図9に示される線A−Aに沿って切断した縦断面図である。また、図14は、図9に示された線E−Eに沿う縦断面図を示している。この図12(a)によれば、各セパレータ4,5を厚さ方向に貫通する酸化剤ガス供給口18から酸化剤ガス連絡路25を通してカソード電極12とセパレータ5との間に形成されている酸化剤ガス流路9へ酸化剤ガスを流通させる経路が示されている。

0037

この図12(a)を見ると、電極構造体3とその両側に配される一対のセパレータ4,5との間を密封するガスシール部材6,7が、燃料電池セル2の積層方向に対向する位置で電解質膜10を厚さ方向に挟んで配置されている。酸化剤ガス流路9のガスシール部材7の主環状部7aは、セパレータ5に形成されている酸化剤ガス連絡路25に掛け渡されたブリッジ板25b上に配置されている。すなわち、酸化剤ガス連絡路25は、ガスシール部材7の主環状部7aをセパレータ5の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材7の主環状部7aの内外を連通させ、ガスシール部材7の主環状部7aの外側の酸化剤ガス供給口18から供給される酸化剤ガスを、ガスシール部材7の主環状部7aの内側の酸化剤ガス流路9に流通させることを可能としている。

0038

この場合において、各燃料電池セル2間を密封し冷却媒体流路28を画定している冷却面シール部材27は、前記ガスシール部材7が配置されている酸化剤ガス連絡路25よりも酸化剤ガス供給口18側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材27は、セパレータ5の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した酸化剤ガス連絡路25の溝25aと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。

0039

また、一方のセパレータ5には、図12(a)や図14に示したように、前記酸化剤ガス連絡路25に対応する領域にわたって凸部30が設けられている。これにより、当該凸部30の溝25aの厚みが、酸化剤ガス連絡路25を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。そして、他方のセパレータ4には、前記凸部30を受け入れる凹部32が設けられ、当該凹部32内に前記凸部30を収納している。このように、一方のセパレータ5の凸部30を、他方のセパレータ4の凹部32で収納しているため、酸化剤ガス連絡路25を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータ5と他方のセパレータ4との双方で確保していればよい。従って、従来のように、各セパレータ4,5ごとに酸化剤ガス連絡路25を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ4,5に必要な厚みを低減することができる。よって、各燃料電池セル2毎に厚さ寸法を低減することができる。なお、前記凹部32は、前記凸部30よりも平面寸法を大きくしてあり、これにより、凹部32内に凸部30部を収納する際の位置合わせを容易にしている。上記においては、酸化剤ガス供給口18について説明したが、酸化剤ガス排出口21側においても同様のことが言える。

0040

さらに、図12(b)は、図9に示される線B−Bに沿って切断した縦断面図である。この図12(b)によれば、各セパレータ6,7を厚さ方向に貫通する燃料ガス供給口17から燃料ガス連絡路23を通してアノード電極11とセパレータ4との間に形成されている燃料ガス流路8への燃料ガスを流通させる経路が示されている。

0041

この図12(b)においても、電極構造体3とその両側に配される一対のセパレータ4,5との間を密封するガスシール部材6,7が、燃料電池セル2の積層方向に対向する位置で電解質膜10を厚さ方向に挟んで配置されており、燃料ガス流路8のガスシール部材6の主環状部6aは、セパレータ4に形成されている燃料ガス連絡路23よりも燃料ガス供給口17側にずれた位置に配置されている。すなわち、燃料ガス連絡路23は、ガスシール部材6の主環状部6aをセパレータ4の厚さ方向に迂回して、該ガスシール部材6の主環状部6aの内外を連通させ、ガスシール部材6の主環状部6aの外側の燃料ガス供給口17から供給される燃料ガスを、ガスシール部材6の主環状部6a内側の燃料ガス流路8に流通させることを可能としている。

0042

なお、セパレータ4は、酸化剤ガス連絡路25を形成するセパレータ5と異なり、燃料ガス連絡路23を形成するのに十分な厚みを有しているため、凸部を設けなくても前記燃料ガス連絡路23を形成することができる。したがって、セパレータ5にも前記凸部に対応する凹部を設ける必要がなくなるため、図12に示したように、セパレータ5の厚みを最小限度とすることができる。このようにすれば、双方のセパレータ4,5に凸部30とこれを受け入れる凹部32とそれぞれ設ける場合に比べて、双方のセパレータ4,5を合わせた厚みを変えることなく、かつ、製造工程が容易となる。なお、本実施形態においては、酸化剤ガス連絡路25を形成するセパレータ5のみに凸部30を設け、セパレータ4のみに前記凸部30を受け入れる凹部32を設ける場合について説明したが、これに限らず、セパレータ4のみに凸部30を設けるとともにセパレータ5のみに前記凸部30を受け入れる凹部32を設けてもよく、また双方のセパレータ4,5に凸部30と、これを受け入れる凹部32をそれぞれ設けてもよい。

0043

この場合において、各燃料電池セル2間を密封して冷却媒体流路28を画定している冷却面シール部材27は、前記ガスシール部材6,7が配置されている燃料ガス連絡路23よりも燃料ガス供給口17側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材27は、セパレータ4の一表面を厚さ方向に彫り込んで形成した燃料ガス連絡路23を構成する溝23aとはセパレータ4の厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。燃料ガス排出口20においても同様のことが言える。

0044

したがって、連絡路23,25の形成されている位置におけるセパレータ4,5の肉厚寸法を確保しつつ、冷却面シール部材27が十分な密封性を確保するために必要な、冷却面シール部材27の占有高さを節約することができる。また、連絡路23,25を形成するのに必要な厚みを、双方のセパレータ4,5で確保していればよく、各セパレータ4,5ごとに連絡路23,25を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータ4,5に必要な厚みを低減することができる。ゆえに、燃料電池1の高さを大幅に低減することができる。

0045

なお、図13(a)、13(b)は、それぞれ、図9に示された線C−C、線D−Dに沿う縦断面図を示している。これによれば、冷却媒体供給口19から隣接する燃料電池セル2間に画定された冷却媒体流路28に接続する冷却媒体の経路、並びに、波板部4a,5aによって画定された燃料ガス流路8、酸化剤ガス流路9および冷却媒体流路28がそれぞれ示されている。

0046

次に、図15(a)、(b)は本発明の第2実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)にそれぞれ相当する縦断面図である。なお、以下の実施形態において第1実施形態の部材に対応する部材については、同一の符号を付して適宜その説明を省略する。この実施形態は、2つの燃料電池セル2ごとに冷却媒体流路28を形成して、2セル(2つの燃料電池セル)ごとに冷却を行っている点が異なるものである。本実施形態の燃料電池1は、冷却媒体流路28を形成しないセパレータ33を備えており、このセパレータ33は、連絡路23,25を形成できるだけの十分な厚みを備えている。この実施形態においても、第1実施形態と同様に、セパレータ4,5の厚みを低減できる効果がある。また、冷却媒体流路28の形成箇所が少なくなる分、冷却面シール部材27などの冷却用部材を低減でき、製造を容易化することができるという効果がある。なお、本実施形態においては、2セルごとに冷却を行う場合について説明したが、これに限らず、3つ以上の燃料電池セル2ごとに冷却を行うように燃料電池1を構成してもよい。

0047

次に、図16(a)、(b)は本発明の第3実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、電極構造体3のシールを、一方のシール部材6のみで行っている。このシール部材6は、固体高分子電解質膜10の周縁部に接する主環状部6aと、当該主環状部6aの外周に配される主環状部6cとを備え、これらの主環状部6a、6cにより電極構造体3を2重にシールしている。このため、第1実施形態で述べた効果に加えて、電極構造体3から外部へのガス漏れをより確実に防止できる効果がある。本実施形態においては、燃料ガス連絡路23を形成するセパレータ4のみに凸部30を設けるとともに、セパレータ5に当該凸部30を受け入れる凹部32を設けているが、これに限らず、セパレータ5のみに凸部30を設けるとともに、セパレータ4のみに当該凸部30を受け入れる凹部32を設けてもよく、また双方のセパレータ4,5にそれぞれ凸部30と、この凸部30を受け入れる凹部32とを設けてもよい。また、電極構造体3のシールを、2重の他側のシール部材7のみで行ってもよい。また、2重シール構造に限らず、3重以上の多重シール構造としてもよい。さらに、本実施形態の多重シール構造と、前実施形態の多セルごとに冷却する構造とを組み合わせてもよい。

0048

次に、図17(a)、(b)は本発明の第4実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、カソード電極12をアノード電極11よりも大きな固体高分子電解質膜10と同等の大きさに形成した点が異なっている。この実施形態においては、第1実施形態の効果に加えて、固体高分子電解質膜10をカソード電極12で補強して電極構造体3の厚さ方向の強度を高めることができるという効果がある。なお、アノード電極11をカソード電極12よりも大きく形成してもよく、さらに前実施形態と同様に構成を変えることができる。

0049

次に、図18(a)、(b)および図19(a)、(b)は本発明の第5実施形態を示すものであり、それぞれ第1実施形態の図12(a)、(b)および図13(a)、(b)に相当する縦断面図である。この実施形態においては、セパレータ4およびセパレータ5は、いずれも板厚0.2〜0.5mm程度のステンレス製板材プレス成形することにより、図1に示すような、波板部4a、5aと、供給口17〜19と、排出口20〜22と、平面部4b、5bとを具備している。本実施形態における燃料電池1は、第1実施形態の場合と同様に、各燃料電池セル2間を密封して冷却媒体流路28を画定している冷却面シール部材27は、前記ガスシール部材7の主環状部7aが配置されている連絡路23,25よりもそれぞれ供給口17,18側にずれた位置に配置されている。その結果、冷却面シール部材27は、セパレータ4,5表面同士を合わせて形成した連絡路23,25の溝23a、25aと厚さ方向に重なる位置に配置することが可能となる。これにより、その重なりあった寸法分だけ、各燃料電池セル2毎に厚さ寸法を低減することが可能となる。また、セパレータ4に、ガス連絡路23に対応する領域にわたって凸部30を設けるとともに、セパレータ5に前記凸部30を受け入れる凹部32を設けて、燃料ガス連絡路23を形成するのに必要な厚みとなるようにしている。したがって、金属材料をプレス成形したセパレータ4,5であっても、第1実施形態の場合と同様に、燃料電池セル2ごとの厚みを低減することができ、燃料電池1の高さを大幅に低減することができる。

0050

次に、図20(a)、(b)は本発明の第6実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)にそれぞれ相当する縦断面図である。この実施形態においては、第5実施形態と同様に、セパレータ4およびセパレータ5は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、図1に示すような、波板部4a、5aと、供給口17〜19と、排出口20〜22と、平面部4b、5bとを具備している。また、この実施形態においては、第2実施形態と同様に、2つの燃料電池セル2ごとに冷却媒体流路28を形成して、2セル(2つの燃料電池セル)ごとに冷却を行っており、第2実施形態の場合と同様の効果がある。

0051

次に、図21(a)、(b)は本発明の第7実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第5実施形態と同様に、セパレータ4およびセパレータ5は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、図1に示すような、波板部4a、5aと、供給口17〜19と、排出口20〜22と、平面部4b、5bとを具備している。また、この実施形態においては、第3実施形態と同様に、電極構造体3のシールを一方のシール部材6のみで行うとともに、2重にシールしており、第3実施形態の場合と同様の効果がある。

0052

次に、図22(a)、(b)は本発明の第8実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12(a)、(b)に相当する縦断面図である。この実施形態においては、第5実施形態と同様に、セパレータ4およびセパレータ5は、ステンレス製板材をプレス成形することにより、図1に示すような、波板部4a、5aと、供給口17〜19と、排出口20〜22と、平面部4b、5bとを具備している。また、この実施形態においては、第4実施形態と同様に、カソード電極12をアノード電極11よりも大きな固体高分子電解質膜10と同等の大きさに形成しており、第4実施形態の場合と同様の効果がある。

発明の効果

0053

以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を奏する。
(1) 請求項1記載の発明に係る燃料電池によれば、反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを、一方のセパレータと他方のセパレータとの双方で確保していればよく、各セパレータごとに反応ガス連絡路を形成するのに必要な厚みを確保する必要がないため、その分だけそれぞれのセパレータに必要な厚みを低減することができ、各燃料電池セル毎に厚さ寸法を低減することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。

0054

(2) 請求項2記載の発明に係る燃料電池によれば、燃料電池セルの厚さ方向に沿う冷却面シール部材の位置と連絡路の位置とを重ならせることができるので、その重なった分の厚さ寸法を燃料電池セルごとに節約することができる。その結果、複数の燃料電池セルを積層状態に配してなる燃料電池の厚さ寸法を大幅に削減することができるという効果がある。

0055

(3) 請求項3記載の発明に係る燃料電池によれば、連絡路の近傍においては、上述した冷却面シール部材を連絡路からずらし、それ以外の部分においては、ガスシール部材と厚さ方向に一列に並べるように配置することにより、燃料電池の面積の増加を抑えつつ、厚さ寸法を大幅に低減することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0056

図1図1は本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池セルを模式的に示す分解斜視図である。
図2図1の燃料電池セルを構成する電極構造体を示す平面図である。
図3図1の燃料電池セルを構成する一方のセパレータを示す平面図である。
図4図1の燃料電池セルを構成する他方のセパレータを示す平面図である。
図5図3および図4のセパレータの裏面を示す平面図である。
図6図1の燃料電池セルを構成するガスシール部材を示す平面図である。
図7図6のガスシール部材を図3のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。
図8図6のガスシール部材を図2の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。
図9図6のガスシール部材を図4の電極構造体上に配置した状態を示す平面図である。
図10図1の燃料電池を構成する冷却面シール部材を示す平面図である。
図11図10の冷却面シール部材を図5のセパレータ上に配置した状態を示す平面図である。
図12図9の線A−A断面、線B−B断面でそれぞれ切断した図1の燃料電池を示す縦断面図である。
図13図9の線C−C断面、線D−D断面でそれぞれ切断した図1の燃料電池を示す縦断面図である。
図14図9の線E−E断面で切断した図1の燃料電池を示す縦断面図である。
図15本発明の第2実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図16本発明の第3実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図17本発明の第4実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図18本発明の第5実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図19本発明の第5実施形態を示すものであり、第1実施形態の図13に相当する縦断面図である。
図20本発明の第6実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図21本発明の第7実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図22本発明の第8実施形態を示すものであり、第1実施形態の図12に相当する縦断面図である。
図23従来の燃料電池の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。
図24図23の燃料電池を線X−Xで切断した燃料ガス供給口近傍を示す縦断面図である。

--

0057

1燃料電池
2燃料電池セル
3電極構造体
4,5セパレータ
6,7ガスシール部材
8,9ガス流路
10固体高分子電解質膜(電解質膜)
11アノード電極(電極)
12カソード電極(電極)
17燃料ガス供給口(反応ガス連通孔)
18酸化剤ガス供給口(反応ガス連通孔)
19冷却媒体供給口(冷却媒体連通孔)
20燃料ガス排出口(反応ガス連通孔)
21酸化剤ガス排出口(反応ガス連通孔)
22冷却媒体排出口(冷却媒体連通孔)
23燃料ガス連絡路(反応ガス連絡路)
25酸化剤ガス連絡路(反応ガス連絡路)
27冷却面シール部材
28冷却媒体流路
30 凸部
32 凹部

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