JP2004014299A

JP2004014299A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004014299A
Application number: JP2002166104A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mouri; 毛里　昌弘; Yosuke Fujii; 藤井　洋介; Takahiro Yoshida; 吉田　貴博
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To securely retain a required clamping load and aim at simplification of a structure. <P>SOLUTION: The fuel cell 10 is provided with an electrolyte film/electrode jointed body 14 and a first and a second separators 16, 18. A meandering oxidant gas flow channel 46 is formed to the first separator 16, and a meandering fuel gas flow channel 52 is formed to the second separator 18. A second hole part 63b for insertion of a clamping bolt, positioned at the outside of the flow channel, is formed at the inside of a folded part of the oxidant gas flow channel 46 and the fuel gas flow channel 52, and a second clamping bolt 70b is inserted into the second hole part 63b to clamp and fix the fuel cell 10. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ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。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池内で、セパレータと電解質・電極接合体との間、またはセパレータとセパレータとの間の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与する必要があるが、特に、金属セパレータを使用する場合に、プレス成形時の変形や発電時の流体圧（ガス圧や冷媒圧）の変動に起因して面圧分布が生じ易い。その際、面圧の低い部分では、抵抗過電圧が増加してしまい、電極面内の電流密度分布も変化してしまう。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，４８４，６６６号公報に開示されている燃料電池スタックが知られている。この従来技術では、電極面内に積層方向に貫通して複数の開口部が形成されており、タイロッドが前記開口部に挿通されて積層方向両端の一対のエンドプレートに固定されるとともに、それぞれの開口部は、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔を構成している。
【０００６】
このため、従来技術では、燃料電池スタックの外周縁部にタイロッドを挿通する構成に比べて、セパレータの中央側を確実に締め付け保持することができ、特に金属セパレータの面圧分布を有効に低減することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一方のエンドプレートは、燃料ガス供給連通孔、酸化剤ガス供給連通孔および冷却媒体供給連通孔が連通し、かつそれぞれのタイロッドを避けて燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却媒体供給マニホールドが形成されている。さらに、他方のエンドプレートには、同様に、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス排出連通孔および冷却媒体排出連通孔が連通し、かつそれぞれのタイロッドを避けて燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドが形成されている。
【０００８】
従って、各エンドプレートには、相当に形状の複雑な複数のマニホールドを形成しなければならない。これにより、エンドプレートの製造コストが大幅に高騰するとともに、前記エンドプレートの製造作業に時間がかかってしまい、燃料電池を効率的かつ経済的に製造することができないという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の締め付け荷重を確実に保持するとともに、構成の簡素化を図って効率的かつ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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられるとともに、少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側には、該反応ガス流路外に位置して締め付けボルト挿通用孔部が形成されている。
【００１１】
このため、電極面内に締め付けボルトを挿通することができ、電解質・電極接合体と一組のセパレータとを、一体的かつ強固に固定することが可能になる。特に、金属セパレータが使用される際や、セパレータ面積が大きい際にも、セパレータ面内の面圧分布が均一化される。これにより、簡単かつ経済的な構成で、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与することができ、接触抵抗を低減して所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が組み込まれる燃料電池スタック１２の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。
【００１３】
燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）１４と、例えば、金属板材で形成されて前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備え、前記燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１２が構成される。燃料電池１０の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、正極側集電体２０ａおよび負極側集電体２０ｂとエンドプレート２２ａ、２２ｂとが絶縁プレート２４ａ、２４ｂを介装して配設される。
【００１４】
図２に示すように、電解質膜・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２６が介装されている。
【００１５】
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供給連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１６】
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、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、および燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１７】
電解質膜・電極接合体１４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てなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００１８】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図３に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されるとともに、後述する酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の形状に対応した塗布範囲が設定されている（図２参照）。
【００１９】
シール部材２６の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２６に代替して、第１および第２セパレータ１６、１８にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２０】
図２および図４に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１４側の面１６ａには、酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４６は、それぞれ独立した複数本の酸化剤ガス流路溝４８を備え、この酸化剤ガス流路溝４８は、面１６ａに壁部５０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２１】
図５に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極接合体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、それぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝５４を備え、この燃料ガス流路溝５４は、面１８ａに壁部５６を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２２】
図２に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路５８が形成される。この冷却媒体流路５８は、それぞれ独立した複数本の冷却媒体流路溝６０を備え、この冷却媒体流路溝６０は、面１８ｂに壁部６２を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２３】
燃料電池１０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０を周回し、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して締め付けボルト挿通用の第１孔部６３ａが、例えば、８箇所に設けられる。燃料電池１０の電極面内には、少なくとも酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２の折り返し部位内側に、かつ前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５２外に位置して、締め付けボルト挿通用の第２孔部６３ｂが形成される。第２孔部６３ｂは、燃料電池１０を矢印Ａ方向に貫通しており、例えば、矢印Ｂ方向に２列でかつ矢印方向に３列の合計６個に設定されるとともに、前記第２孔部６３ｂを囲繞してシール材６５が配設されている。なお、第２孔部６３ｂの個数は、燃料電池１０の寸法や積層数等に応じて種々設定可能である。
【００２４】
図１に示すように、エンドプレート２２ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが設けられる。エンドプレート２２ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体排出連通孔３４ｂおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する燃料ガス供給口６６ａ、冷却媒体供給口６８ａ、冷却媒体排出口６８ｂおよび燃料ガス排出口６６ｂが設けられる。
【００２５】
エンドプレート２２ａ、２２ｂには、燃料電池１０の第１および第２孔部６３ａ、６３ｂに対応して第３および第４孔部６３ｃ、６３ｄが形成される。エンドプレート２２ａ、２２ｂ間では、第３および第１孔部６３ｃ、６３ａに第１締め付けボルト７０ａが挿通されるとともに、第４および第２孔部６３ｄ、６３ｂに第２締め付けボルト７０ｂが挿通される。第１および第２締め付けボルト７０ａ、７０ｂの先端には、図示しないナットが螺合しており、燃料電池スタック１２の積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。
【００２６】
第１および第２締め付けボルト７０ａ、７０ｂには、予め、絶縁皮膜による絶縁処理が施されている。なお、この絶縁処理に代えて燃料電池１０の第１および第２孔部６３ａ、６３ｂの内周面に絶縁シールや絶縁皮膜を設けてもよい。
【００２７】
このように構成される燃料電池１０の動作について、燃料電池スタック１２との関連で以下に説明する。
【００２８】
まず、燃料電池スタック１２を運転するに際しては、図１および図２に示すように、燃料ガス供給口６６ａから燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口６８ａから冷却媒体供給連通孔３４ａ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。
【００２９】
このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、この酸化剤ガス流路４６を構成する酸化剤ガス流路溝４８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する（図４参照）。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ１８の燃料ガス流路５２に導入され、この燃料ガス流路５２を構成する燃料ガス流路溝５４を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する（図５参照）。
【００３０】
従って、各電解質膜・電極接合体１４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４４ａ、４４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３１】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂ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４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３２】
また、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１６、１８の冷却媒体流路５８に導入された後、冷却媒体流路５８を構成する冷却媒体流路溝６０を介して蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。
【００３３】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０内にそれぞれ蛇行する酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２（さらに、冷却媒体流路５８）が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５２の折り返し部位内側には、該酸化剤ガス流路４６および該燃料ガス流路５２外に位置して第２孔部６３ｂが形成されている。
【００３４】
この第２孔部６３ｂには、第２締め付けボルト７０ｂが挿入され、電極面の外方に形成された第１孔部６３ａに挿入される第１締め付けボルト７０ａとともに、複数組の燃料電池１０を積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け固定している。このため、燃料電池１０では、電極面内に第２締め付けボルト７０ｂを挿通することができ、電解質・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８とを強固に固定することが可能になる。
【００３５】
特に、第１および第２セパレータ１６、１８に金属セパレータが使用される際や、セパレータ面積が大きい際にも、セパレータ面内の面圧分布を均一化することができる。これにより、各燃料電池１０に所望の締め付け荷重を付与し、接触抵抗を低減して燃料電池スタック１２全体として所望の発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３６】
さらに、第２締め付けボルト７０ｂを挿通するための第２孔部６３ｂが、折り返し型反応ガス流路である酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２の折り返し部位内側に設けられており、燃料電池スタック１２全体の反応ガスおよび冷却媒体用流路構造が有効に簡素化される。従って、例えば、エンドプレート２２ａ、２２ｂに複雑なマニホールド構造を採用する必要がなく、燃料電池スタック１２全体を経済的かつ効率的に製造することができるという利点がある。
【００３７】
図６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。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様に省略する。
【００３８】
燃料電池８０は、電解質膜・電極接合体８２と第１および第２セパレータ８４、８６と、これらの間に介装されるシール部材８８とを備える。燃料電池８０では、電極面内に対応して第２孔部６３ｂが設けられる一方、この電極面の外側には、上記の燃料電池１０に設けられている第１孔部６３ａが形成されていない。この燃料電池８０では、燃料電池８０が電極面内に設けられている第３孔部６３ｂに挿入される第２締め付けボルト７０ｂのみによって、矢印Ａ方向に締め付け固定されている。
【００３９】
従って、第２の実施形態では、電解質膜・電極接合体８２と第１および第２セパレータ８４、８６とを一体的かつ強固に固定することができ、セパレータ面内の面圧分布が有効に低減される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、燃料電池８０全体を一層小型化することが可能になる。
【００４０】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。
【００４１】
燃料電池１００は、電解質膜・電極接合体１０２と、第１および第２セパレータ１０４、１０６と、これらの間に介装されるシール部材１０８とを備える。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、下部側に酸化剤ガス供給連通孔３０ａが設けられる一方、上部側に酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００４２】
燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、下部側に燃料ガス供給連通孔３２ａが設けられる一方、上部側に燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに近接して、燃料電池１００の下端縁部および上端縁部に冷却媒体供給連通孔３４ａおよび冷却媒体排出連通孔３４ｂがそれぞれ設けられる。
【００４３】
第１セパレータ１０４に酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１０が設けられる一方、図８に示すように、第２セパレータ１０６に燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１２が設けられる。図７に示すように、第１および第２セパレータ１０４、１０６は、それぞれ酸化剤ガス流路１１０および燃料ガス流路１１２とは反対側の面に冷却媒体流路１１４を設けている。酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４は、単一の折り返し部位を設ける蛇行形状に設定される。燃料電池１００には、流路折り返し部位内側でかつ流路外に位置して、締め付けボルト挿通用の第２孔部６３ｂが矢印Ｂ方向に沿って３個形成されている。
【００４４】
このように構成される第３の実施形態では、電極面の外側に形成された第１孔部６３ａに第１締め付けボルト７０ａが挿入されるとともに、少なくとも酸化剤ガス流路１１０および燃料ガス流路１１２の折り返し部位内側に位置し、すなわち、電極面内に位置して形成された第２孔部６３ｂに第２締め付けボルト７０ｂが挿入される。
【００４５】
従って、電解質膜・電極接合体１０２と第１および第２セパレータ１０４、１０６とを一体的かつ強固に固定するとともに、セパレータ面内の面圧分布が有効に低減され、所望の発電性能を確実に維持することができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、折り返し型反応ガス流路が設けられ、少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側にかつ該反応ガス流路外に位置して、締め付けボルト挿通用孔部が形成されている。このため、電極面内に締め付けボルトを挿通することができ、電解質・電極接合体と一組のセパレータとを、一体的かつ強固に固定することが可能になる。これにより、簡単かつ経済的な構成で、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００…燃料電池　　　　１２…燃料電池スタック
１４、８２、１０２…電解質膜・電極接合体
１６、１８、８４、８６、１０４、１０６…セパレータ
２２ａ、２２ｂ…エンドプレート　　　３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔　　　　３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔　　　　　３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔　　　　　３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極　　　　　　　　４０…カソード側電極
４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層　　　　　４４ａ、４４ｂ…電極触媒層
４６、１１０…酸化剤ガス流路　　　　５２、１１２・・・燃料ガス流路
５８、１１４…冷却媒体流路　　　　　６３ａ〜６３ｄ・・・孔部
７０ａ、７０ｂ…締め付けボルト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention includes an electrolyte-electrode assembly provided with electrodes on both sides of the electrolyte, and a pair of separators sandwiching the electrolyte-electrode assembly, in a separator surface facing the electrolyte-electrode assembly, The present invention relates to a fuel cell provided with a folded reaction gas flow path for meandering and flowing a reaction gas.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte (electrolyte membrane) -electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte-electrode assemblies and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas), has hydrogen ionized on the catalyst electrode and passes through the electrolyte to the cathode side. Move to the electrode side. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons, And oxygen react to produce water.
[0004]
By the way, in a fuel cell, when the contact resistance between the separator and the electrolyte / electrode assembly or between the separator and the separator increases, the internal resistance loss increases and the terminal voltage decreases. For this reason, it is necessary to apply a desired tightening load to the fuel cell in order to reduce the contact resistance. In particular, when a metal separator is used, deformation during press molding or fluid pressure (gas pressure or gas pressure) during power generation is required. Surface pressure distribution is likely to occur due to fluctuations in the refrigerant pressure). At that time, in a portion where the surface pressure is low, the resistance overvoltage increases, and the current density distribution in the electrode surface also changes.
[0005]
Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in US Pat. No. 5,484,666 is known. In this conventional technique, a plurality of openings are formed in the electrode surface so as to penetrate in the stacking direction, and tie rods are inserted into the openings and fixed to a pair of end plates at both ends in the stacking direction. The opening constitutes a fuel gas supply passage, a fuel gas discharge passage, an oxidant gas supply passage, an oxidant gas discharge passage, a cooling medium supply passage, and a cooling medium discharge passage.
[0006]
For this reason, in the prior art, compared with the configuration in which the tie rod is inserted into the outer peripheral edge portion of the fuel cell stack, the center side of the separator can be securely tightened and held, and particularly the surface pressure distribution of the metal separator is effectively reduced. be able to.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, one of the end plates is connected to the fuel gas supply passage, the oxidant gas supply passage and the cooling medium supply passage, and avoids the respective tie rods. A gas supply manifold and a cooling medium supply manifold are formed. Similarly, the other end plate communicates with the fuel gas discharge communication hole, the oxidant gas discharge communication hole, and the cooling medium discharge communication hole, and avoids the respective tie rods. A manifold and a cooling medium discharge manifold are formed.
[0008]
Therefore, each end plate must be formed with a plurality of manifolds having a considerably complicated shape. As a result, it has been pointed out that the production cost of the end plate is significantly increased, and that the operation of producing the end plate takes a long time, so that the fuel cell cannot be efficiently and economically produced.
[0009]
The present invention solves this kind of problem, and provides a fuel cell that can reliably and securely hold a desired tightening load and that can be manufactured efficiently and economically with a simplified configuration. With the goal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, a folded reaction gas flow path for meandering at least a reactant gas, which is an oxidizing gas or a fuel gas, in a separator surface facing the electrolyte electrode assembly. Is provided, and a fastening bolt insertion hole is formed at least outside the reaction gas flow path inside the turnback portion of the reaction gas flow path.
[0011]
Therefore, the fastening bolt can be inserted into the electrode surface, and the electrolyte / electrode assembly and the set of separators can be integrally and firmly fixed. In particular, even when a metal separator is used or the separator area is large, the surface pressure distribution in the separator surface is made uniform. This makes it possible to apply a desired tightening load to the fuel cell with a simple and economical configuration, reduce contact resistance, and reliably maintain desired power generation performance.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a fuel cell stack 12 in which a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention is incorporated, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell 10.
[0013]
The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode assembly (electrolyte / electrode assembly) 14 and first and second separators 16 and 18 formed of, for example, a metal plate and sandwiching the electrolyte membrane / electrode assembly 14. The fuel cell stack 12 is formed by stacking a plurality of the fuel cells 10 in the direction of arrow A. At both ends of the fuel cell 10 in the stacking direction (the direction of arrow A), a positive current collector 20a and a negative current collector 20b, and end plates 22a and 22b are disposed with insulating plates 24a and 24b interposed therebetween. .
[0014]
As shown in FIG. 2, a gasket is provided between the electrolyte membrane / electrode assembly 14 and the first and second separators 16 and 18 so as to cover the periphery of a communication hole described later and the outer periphery of an electrode surface (power generation surface). And the like are interposed.
[0015]
One end of fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 2) communicates with each other in the direction of arrow A, which is a laminating direction, to oxidize an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An agent gas supply communication hole 30a and an oxidant gas discharge communication hole 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).
[0016]
The other end edges of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicate with each other in the direction of arrow A to supply a fuel gas, for example, a fuel gas supply communication hole 32a for supplying a hydrogen-containing gas, and to supply a cooling medium. The cooling medium supply communication hole 34a, the cooling medium discharge communication hole 34b for discharging the cooling medium, and the fuel gas discharge communication hole 32b for discharging the fuel gas are provided in an arrow C direction (vertical direction). Can be
[0017]
The electrolyte membrane / electrode assembly 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, an anode electrode 38 and a cathode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 36. 40.
[0018]
As shown in FIG. 3, the anode-side electrode 38 and the cathode-side electrode 40 include gas diffusion layers 42a and 42b made of carbon paper or the like and porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface. Electrode catalyst layers 44a and 44b uniformly applied to the surface of 42b, respectively. The electrode catalyst layers 44a and 44b are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween. An application range corresponding to the shape of the road is set (see FIG. 2).
[0019]
An opening 45 is formed at the center of the seal member 26 so as to correspond to the anode 38 and the cathode 40. Instead of the seal member 26, a seal may be provided on the first and second separators 16 and 18 by baking or the like.
[0020]
As shown in FIGS. 2 and 4, an oxidizing gas flow path (return type reaction gas flow path) 46 is provided on the surface 16 a of the first separator 16 on the side of the electrolyte membrane / electrode assembly 14, and The oxidizing gas flow passage 46 communicates with the oxidizing gas supply communication hole 30a and the oxidizing gas discharge communication hole 30b. The oxidizing gas flow channel 46 includes a plurality of independent oxidizing gas flow channels 48, and the oxidizing gas flow channels 48 meander in the horizontal direction on the surface 16 a through the wall 50 while gravity. It is provided toward the direction.
[0021]
As shown in FIG. 5, a surface 18a of the second separator 18 on the side of the electrolyte membrane / electrode assembly 14 is provided with a fuel gas flow path (a folded type) communicating with a fuel gas supply passage 32a and a fuel gas discharge passage 32b. A reaction gas flow path) 52 is formed. The fuel gas passage 52 has a plurality of independent fuel gas passage grooves 54, and the fuel gas passage grooves 54 meander in the horizontal direction via the wall portion 56 on the surface 18a in the gravity direction. It is provided toward.
[0022]
As shown in FIG. 2, a cooling medium passage 58 communicating with the cooling medium supply communication hole 34a and the cooling medium discharge communication hole 34b is formed on the surface 18b of the second separator 18. The cooling medium flow path 58 includes a plurality of independent cooling medium flow grooves 60, and the cooling medium flow grooves 60 meander in the horizontal direction on the surface 18b through the wall 62 in the gravity direction. It is provided toward.
[0023]
The fuel cell 10 is provided with eight first holes 63a that penetrate the anode-side electrode 38 and the cathode-side electrode 40, penetrate in the stacking direction (the direction of the arrow A), and insert fastening bolts, for example. In the electrode surface of the fuel cell 10, at least inside the folded portion of the oxidizing gas channel 46 and the fuel gas channel 52, and located outside the oxidizing gas channel 46 and the fuel gas channel 52, A second hole 63b for inserting a fastening bolt is formed. The second holes 63b penetrate the fuel cell 10 in the direction of arrow A. For example, the second holes 63b are set in two rows in the direction of arrow B and three rows in the direction of the arrow, for a total of six holes. A seal member 65 is provided so as to surround 63b. The number of the second holes 63b can be variously set according to the dimensions of the fuel cell 10, the number of layers, and the like.
[0024]
As shown in FIG. 1, an oxidizing gas supply port 64a and an oxidizing gas discharge port communicating with the oxidizing gas supply communication hole 30a and the oxidizing gas discharge communication hole 30b are provided at one edge of the end plate 22a in the direction of arrow B. An outlet 64b is provided. At the other end of the end plate 22a in the direction of arrow B, a fuel gas supply port 32a, a coolant supply port 34a, a coolant discharge port 34b, and a fuel gas supply port 66a communicating with the fuel gas discharge port 32b are provided. , A cooling medium supply port 68a, a cooling medium discharge port 68b, and a fuel gas discharge port 66b.
[0025]
Third and fourth holes 63c and 63d are formed in the end plates 22a and 22b corresponding to the first and second holes 63a and 63b of the fuel cell 10, respectively. Between the end plates 22a and 22b, the first fastening bolt 70a is inserted through the third and first holes 63c and 63a, and the second fastening bolt 70b is inserted through the fourth and second holes 63d and 63b. . Nuts (not shown) are screwed to the ends of the first and second tightening bolts 70a and 70b, and a predetermined tightening load is applied in the stacking direction of the fuel cell stack 12.
[0026]
The first and second tightening bolts 70a, 70b are previously subjected to an insulation treatment using an insulating film. Instead of the insulation treatment, an insulation seal or an insulation film may be provided on the inner peripheral surfaces of the first and second holes 63a and 63b of the fuel cell 10.
[0027]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below in relation to the fuel cell stack 12.
[0028]
First, when the fuel cell stack 12 is operated, as shown in FIGS. 1 and 2, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from a fuel gas supply port 66a to a fuel gas supply communication hole 32a, and an oxidizing agent is supplied. An oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the gas supply port 64a to the oxidizing gas supply communication hole 30a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the cooling medium supply port 68a to the cooling medium supply communication hole 34a.
[0029]
Therefore, as shown in FIG. 2, the oxidizing gas is introduced from the oxidizing gas supply passage 30a into the oxidizing gas passage 46 of the first separator 16, and the oxidizing gas constituting the oxidizing gas passage 46 is formed. It moves along the cathode electrode 40 constituting the electrolyte membrane / electrode assembly 12 while meandering through the gas flow channel 48 (see FIG. 4). On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas supply passage 32 a into the fuel gas flow channel 52 of the second separator 18, and meanders through the fuel gas flow channel groove 54 constituting the fuel gas flow channel 52 while the electrolyte membrane -It moves along the anode electrode 38 constituting the electrode assembly 14 (see Fig. 5).
[0030]
Therefore, in each of the electrolyte membrane / electrode assemblies 14, the oxidizing gas supplied to the cathode 40 and the fuel gas supplied to the anode 38 are subjected to an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 44a and 44b. It is consumed and power is generated.
[0031]
Next, the fuel gas supplied to the anode 38 and consumed is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge communication hole 32b. Similarly, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrode 40 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge communication hole 30b.
[0032]
As shown in FIG. 2, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 34 a is introduced into the cooling medium flow path 58 of the first and second separators 16 and 18, and then flows through the cooling medium flow path 58. It circulates while meandering through the cooling medium flow channel groove 60 that is configured. This cooling medium is discharged from the cooling medium discharge passage 34b after cooling the electrolyte membrane / electrode assembly 14.
[0033]
In this case, in the first embodiment, the meandering oxidizing gas flow path 46 and the fuel gas flow path 52 (further, the cooling medium flow path 58) are provided in the fuel cell 10, and the oxidizing gas flow path A second hole 63b is formed outside the oxidizing gas flow path 46 and the fuel gas flow path 52 inside the turn-up portion of the fuel gas flow path 52 and the fuel gas flow path 52.
[0034]
A second tightening bolt 70b is inserted into the second hole 63b, and together with the first tightening bolt 70a inserted into the first hole 63a formed outside the electrode surface, a plurality of sets of the fuel cell 10 are inserted. It is fastened and fixed in the stacking direction (the direction of arrow A). Therefore, in the fuel cell 10, the second fastening bolt 70b can be inserted into the electrode surface, and the electrolyte / electrode assembly 14 and the first and second separators 16 and 18 can be firmly fixed. Become.
[0035]
In particular, even when a metal separator is used for the first and second separators 16 and 18 or when the area of the separator is large, the surface pressure distribution in the separator surface can be made uniform. As a result, an effect is obtained in which a desired tightening load is applied to each fuel cell 10, the contact resistance is reduced, and the desired power generation performance of the entire fuel cell stack 12 can be reliably maintained.
[0036]
Further, a second hole 63b for inserting the second tightening bolt 70b is provided inside the folded portion of the oxidizing gas flow channel 46 and the fuel gas flow channel 52, which are the folded reaction gas flow channels. The flow path structure for the reaction gas and the cooling medium of the entire battery stack 12 is effectively simplified. Therefore, for example, there is no need to employ a complicated manifold structure for the end plates 22a and 22b, and there is an advantage that the entire fuel cell stack 12 can be manufactured economically and efficiently.
[0037]
FIG. 6 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 80 according to a second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted. Also, in the third embodiment described below, the description is similarly omitted.
[0038]
The fuel cell 80 includes an electrolyte membrane / electrode assembly 82, first and second separators 84 and 86, and a seal member 88 interposed therebetween. In the fuel cell 80, the second hole 63b is provided corresponding to the inside of the electrode surface, while the first hole 63a provided in the fuel cell 10 is not formed outside the electrode surface. . In this fuel cell 80, the fuel cell 80 is tightened and fixed in the direction of arrow A only by the second tightening bolt 70b inserted into the third hole 63b provided in the electrode surface.
[0039]
Therefore, in the second embodiment, the electrolyte membrane / electrode assembly 82 and the first and second separators 84 and 86 can be integrally and firmly fixed, and the surface pressure distribution in the separator surface is effectively reduced. For example, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the size of the entire fuel cell 80 can be further reduced.
[0040]
FIG. 7 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 100 according to a third embodiment of the present invention.
[0041]
The fuel cell 100 includes an electrolyte membrane / electrode assembly 102, first and second separators 104 and 106, and a seal member 108 interposed therebetween. At one edge of the fuel cell 100 in the direction of arrow B, an oxidizing gas supply communication hole 30a is provided on the lower side, and an oxidizing gas discharge communication hole 30b is provided on the upper side.
[0042]
At the other end of the fuel cell 100 in the direction of arrow B, a fuel gas supply passage 32a is provided on the lower side, and a fuel gas discharge passage 32b is provided on the upper side. A cooling medium supply communication hole 34a and a cooling medium discharge communication hole 34b are provided at the lower edge and the upper edge of the fuel cell 100, respectively, near the fuel gas supply communication hole 32a and the fuel gas discharge communication hole 32b.
[0043]
An oxidizing gas flow path (return type reaction gas flow path) 110 is provided in the first separator 104, while a fuel gas flow path (return type reaction gas flow path) 112 is provided in the second separator 106 as shown in FIG. Provided. As shown in FIG. 7, the first and second separators 104 and 106 are provided with a cooling medium passage 114 on a surface opposite to the oxidizing gas passage 110 and the fuel gas passage 112, respectively. The oxidizing gas channel 110, the fuel gas channel 112, and the cooling medium channel 114 are set in a meandering shape having a single folded portion. In the fuel cell 100, three second holes 63b for inserting fastening bolts are formed along the direction of the arrow B at positions inside the channel return portion and outside the channel.
[0044]
In the third embodiment configured as described above, the first fastening bolt 70a is inserted into the first hole 63a formed outside the electrode surface, and at least the oxidizing gas channel 110 and the fuel gas channel The second tightening bolt 70b is inserted into the second hole 63b formed inside the folded portion 112, that is, located in the electrode surface.
[0045]
Therefore, the electrolyte membrane / electrode assembly 102 and the first and second separators 104 and 106 are integrally and firmly fixed, and the surface pressure distribution in the separator surface is effectively reduced, so that the desired power generation performance is ensured. For example, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
[0046]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, the folded reaction gas flow path is provided in the separator surface facing the electrolyte electrode assembly, and at least inside the folded portion of the reaction gas flow path and outside the reaction gas flow path. , A fastening bolt insertion hole is formed. Therefore, the fastening bolt can be inserted into the electrode surface, and the electrolyte / electrode assembly and the set of separators can be integrally and firmly fixed. Thus, a desired tightening load can be applied to the fuel cell with a simple and economical configuration, and the desired power generation performance can be reliably maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a fuel cell stack into which a fuel cell according to a first embodiment of the present invention is incorporated.
FIG. 2 is an exploded perspective view of an essential part of the fuel cell.
FIG. 3 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory front view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is an explanatory front view of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory front view of a second separator constituting the fuel cell.
[Explanation of symbols]
10, 80, 100 ... fuel cell 12 ... fuel cell stack 14, 82, 102 ... electrolyte membrane / electrode assembly 16, 18, 84, 86, 104, 106 ... separator 22a, 22b ... end plate 30a ... oxidant gas supply Communication hole 30b Oxidant gas discharge communication hole 32a Fuel gas supply communication hole 32b Fuel gas discharge communication hole 34a Cooling medium supply communication hole 34b Cooling medium discharge communication hole 36 Solid polymer electrolyte membrane 38 Anode-side electrode 40: cathode-side electrodes 42a, 42b: gas diffusion layers 44a, 44b: electrode catalyst layers 46, 110 ... oxidant gas flow paths 52, 112 ... fuel gas flow paths 58, 114 ... cooling medium flow paths 63a to 63d. ..Hole portions 70a, 70b ... fastening bolts

Claims

電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一組のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池であって、
少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側には、該反応ガス流路外に位置して締め付けボルト挿通用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。An electrolyte-electrode assembly provided with electrodes on both sides of the electrolyte, and a set of separators sandwiching the electrolyte-electrode assembly, the separator facing the electrolyte-electrode assembly has at least an oxidizing surface. A fuel cell provided with a folded-type reaction gas flow path for meandering and flowing a reaction gas that is a chemical gas or a fuel gas,
A fuel cell, characterized in that a fastening bolt insertion hole is formed at least outside the reaction gas flow path inside the turn-back portion of the reaction gas flow path.