JP2005183304A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2005183304A
JP2005183304A JP2003425309A JP2003425309A JP2005183304A JP 2005183304 A JP2005183304 A JP 2005183304A JP 2003425309 A JP2003425309 A JP 2003425309A JP 2003425309 A JP2003425309 A JP 2003425309A JP 2005183304 A JP2005183304 A JP 2005183304A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cooling medium
communication hole
flow path
fuel cell
power generation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003425309A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4081432B2 (ja
Inventor
Seiji Sugiura
誠治 杉浦
Shuhei Goto
修平 後藤
Shigetoshi Sugita
成利 杉田
Hiroyuki Tanaka
広行 田中
Tadashi Nishiyama
忠志 西山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2003425309A priority Critical patent/JP4081432B2/ja
Priority to DE102004058730A priority patent/DE102004058730B4/de
Priority to CA2490011A priority patent/CA2490011C/en
Priority to US11/014,469 priority patent/US7846613B2/en
Priority to CNB2004101017364A priority patent/CN1311580C/zh
Publication of JP2005183304A publication Critical patent/JP2005183304A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4081432B2 publication Critical patent/JP4081432B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】反応ガス流路形状に影響されることがなく、簡単な構成で、金属セパレータ間に冷却媒体を円滑に供給して発電セルを良好に冷却することができ、所望の発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持される。第２金属セパレータ１８には凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂが一体成形され、これらが第１金属セパレータ１６の第１シール部材４０に圧接することにより、入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成される。冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３４とは、入口連結流路７２ａを介して連結されるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３４とは、出口連結流路７２ｂを介して連結される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを積層するとともに、各発電セルの積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成され、さらに隣接する前記発電セルを構成する各金属セパレータ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され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電解質膜の両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。
発電セルにおいて、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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。
上記の発電セルでは、各セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
ところで、この種のセパレータとしては、加工費の低減やコンパクト化を図るため、薄板状の金属製プレートに凹凸状のプレス加工を施した金属セパレータが採用されている。その際、金属セパレータの両面には、反応ガス流路と冷却媒体流路とが表裏一体となり、前記金属セパレータの一方の面に設けられる前記反応ガス流路の形状によって、該金属セパレータの他方の面に設けられる前記冷却媒体流路の形状が拘束されてしまう。これにより、所望の形状の冷却媒体流路を設けることができないおそれがある。
特に、金属セパレータの周縁部に、該金属セパレータの積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される内部マニホールド型燃料電池では、前記冷却媒体連通孔と冷却媒体流路とを良好に連通させることができないという問題がある。
そこで、特許文献１では、図７に示すように、燃料電池ブロック１を備えており、この燃料電池ブロック１は、電解質膜・電極構造体２とセパレータ３とを交互に積層している。電解質膜・電極構造体２は、電解質膜４の両面にカソード電極５ａとアノード電極５ｂとが配設され、各電解質膜・電極構造体２の両側には、接触板６を介装してセパレータ３が配置されている。
セパレータ３は、互いに重合されるプレート３ａ、３ｂを備え、前記プレート３ａ、３ｂの***部分が接触することにより、該プレート３ａ、３ｂ間に冷却水用室７が形成されている。
燃料電池ブロック１の積層方向（矢印Ｘ方向）に貫通して冷却水用連通孔８が形成されるとともに、この連通孔８がパッキン９を介してシールされている。連通孔８は、各セパレータ３の開口部７ａを介して室７に連通している。従って、連通孔８に供給される冷却水は、各セパレータ３の開口部７ａから室７に送られ、前記室７を通過することによって各電解質膜・電極構造体２を冷却することができる。
特開平６−２１８２７５号公報（図４）
上記の特許文献１では、セパレータ３を構成するプレート３ａ、３ｂが、薄板状に構成されるとともに、前記プレート３ａ、３ｂ間に開口部７ａを介して室７が形成されている。このため、燃料電池ブロック１に積層方向に締め付け荷重が付与されると、開口部７ａに対応してプレート３ａ、３ｂに変形が惹起され易い。これにより、冷却水を室７に良好に供給することが困難になるとともに、反応ガスや冷却水のシール性が低下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、反応ガス流路の形状に影響されることがなく、簡単な構成で、金属セパレータ間に冷却媒体を円滑に供給して発電セルを良好に冷却することができ、所望の発電性能を維持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。
本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを積層してスタックを構成している。各発電セルの積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成され、さらに隣接する前記発電セルを構成する各金属セパレータ間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成されている。
そして、少なくとも一方の金属セパレータには、電解質膜・電極構造体側とは反対側の面に凸状部材が一体成形され、前記凸状部材は、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを接続する連結流路を構成している。
また、凸状部材は、対向する金属セパレータに一体成形される平坦状シール部材との間に連結流路を形成することが好ましい。さらに、少なくとも一方の金属セパレータは、凸状部材の裏面側に電解質膜・電極構造体をシールするための部材が一体成形されるとともに、前記凸状部材の連結流路を構成する部位は、前記シール部材の少なくとも一部と積層方向に重なるように構成されることが好ましい。
さらにまた、発電セルは、水平方向に積層されるとともに、反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を備える一方、冷却媒体連通孔は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を備えており、前記６つの連通孔は、前記発電セルの左右両端に３つずつ振り分けて形成され且つ前記左右両端の中間には、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔が設けられることが好ましい。
さらに、連結流路は、冷却媒体連通孔と冷却媒体流路との間で少なくとも２方向に分岐する複数の分岐流路を備えることが好ましい。
本発明によれば、金属セパレータに一体成形された凸状部材により連結流路が構成されるため、部品点数が有効に削減され、簡単な構造で、冷却媒体連通孔と冷却媒体流路とを確実に接続することができる。従って、金属セパレータに形成される反応ガス流路の形状に影響されることがなく、冷却媒体連通孔と冷却媒体流路との間で冷却媒体を円滑且つ良好に流動させることが可能になる。
しかも、凸状部材は、対向する金属セパレータに一体成形される平坦状シール部材との間に連結流路を形成するため、前記凸状部材の位置がずれても、該連結流路を確実に形成することができる。
さらに、凸状部材が他方の金属セパレータに接触するため、燃料電池の積層方向に締め付け荷重が付与される際、連結流路が変形することがなく、発電セルを有効に冷却することができる。
また、凸状部材の連結流路を構成する部位は、電解質膜・電極構造体をシールするためのシール部材の少なくとも一部と積層方向に重なるため、この電解質膜・電極構造体に付与されるシール荷重に対して反力を発生する。これにより、シール部材は、電解質膜・電極構造体のシール機能を良好に維持することが可能になる。
さらにまた、発電セルの左右両端の中間に設けられる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔には、連結流路を構成する複数の分岐流路が接続されるため、冷却媒体流路全体に冷却媒体を円滑且つ確実に供給することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の発電セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）に積層してスタック化された前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
図１に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１４を第１及び第２金属セパレータ１６、１８により挟持して構成される。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、薄板状金属プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。
発電セル１２の矢印Ｂ方向（図１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入口連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
発電セル１２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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、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２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えるとともに、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂを介して酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、例えば、エンボス加工やディンプル加工により設けられる。
図３に示すように、第１金属セパレータ１６の他方の面１６ｂには、酸化剤ガス流路２６の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ａが設けられる。溝部３４ａは、エンボス等の入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。
第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４０が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。
第１シール部材４０は、平坦状に構成されており、図１に示すように、面１６ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通する第１平坦シール４０ａを設ける。第１シール部材４０は、図３に示すように、面１６ｂでは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路３４に連通する第２平坦シール４０ｂを設ける。第２平坦シール４０ｂは、第１平坦シール４０ａよりも長尺に構成される（図２参照）。
図４に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路５０が形成される。燃料ガス流路５０は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部５２を備える。燃料ガス流路５０は、入口バッファ部５４ａ及び入口貫通孔５５ａを介して面１８ｂから燃料ガス入口連通孔２４ａに連通するとともに、出口バッファ部５４ｂ及び出口貫通孔５５ｂを介して面１８ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。
図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、燃料ガス流路５０の形状に対応して冷却媒体流路３４の一部を構成する溝部３４ｂが設けられる。溝部３４ｂは、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂを介して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。
第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５８が一体化される。この第２シール部材５８は、上記の第１シール部材４０と同一の材料で構成される。図４に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６０と、この外側突起６０から内方に所定の距離だけ離間する内側突起６２とを、第２金属セパレータ１８の面１８ａに設ける。この内側突起６２は、後述する固体高分子電解質膜８０の外周縁部に接して燃料ガス流路５０を閉塞している（図２参照）。
図５に示すように、第２シール部材５８は、外側突起６４と、この外側突起６４の内方に離間して冷却媒体流路３４を囲繞する内側突起６６とを、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設ける。第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと入口バッファ部５６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと出口バッファ部５６ｂとの間に、それぞれ複数、例えば、３本の凸状部材６８ａ、６８ｂが一体成形される。
面１８ｂには、冷却媒体入口連通孔２２ａと第１金属セパレータ１６の入口バッファ部３６ａとの間、及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記第１金属セパレータ１６の出口バッファ部３６ｂとの間に対応して、それぞれ複数、例えば、５本の凸状部材７０ａ、７０ｂが一体成形される。凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、第２シール部材５８の一部を構成しており、これらが第１シール部材４０に圧接することにより入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成される。
冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体流路３４とは、入口連結流路７２ａを介して連結されるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂと前記冷却媒体流路３４とは、出口連結流路７２ｂを介して連結される。入口連結流路７２ａは、凸状部材６８ａ間に形成される複数の第１入口分岐流路７４ａと、凸状部材７０ａ間に形成される複数の第２入口分岐流路７６ａとを有し、少なくとも２方向に分岐する。出口連結流路７２ｂは、凸状部材６８ｂ間に形成される複数の第１出口分岐流路７４ｂと、凸状部材７０ｂ間に形成される複数の第２出口分岐流路７６ｂとを有し、少なくとも２方向に分岐する。
図４及び図５に示すように、凸状部材６８ａは、シール部材である外側突起６０の少なくとも一部６０ａと積層方向に重なるとともに、凸状部材６８ｂは、前記外側突起６０の少なくとも一部６０ｂと積層方向に重なっている。凸状部材７０ａは、外側突起６０の少なくとも一部６０ｃと積層方向に重なるとともに、凸状部材７０ｂは、前記外側突起６０の少なくとも一部６０ｄと積層方向に重なっている。
図６に示すように、第１及び第２金属セパレータ１６、１８が互いに重ね合わされることにより、溝部３４ａ、３４ｂを介して冷却媒体流路３４が形成される。この冷却媒体流路３４は、入口バッファ部３６ａ、５６ａから入口連結流路７２ａを介して冷却媒体入口連通孔２２ａに連通する一方、出口バッファ部３６ｂ、５６ｂから出口連結流路７２ｂを介して冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通する。
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、矢印Ｂ方向両端部の中央部を内方に切り欠いて構成されている。図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体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た固体高分子電解質膜８０と、前記固体高分子電解質膜８０を挟持するカソード側電極８２及びアノード側電極８４とを備える。アノード側電極８４は、カソード側電極８２よりも小さな表面積に設定されている。
カソード側電極８２及びアノード側電極８４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜８０の両面に接合されている。
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
このため、燃料ガスは、図１及び図４に示すように、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａから入口貫通孔５５ａを通って面１８ａ側に移動し、入口バッファ部５４ａを通って第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極８４に供給される。
一方、酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから入口バッファ部３２ａを通って第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。この酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極８２に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極８４に供給される燃料ガスと、カソード側電極８２に供給される酸化剤ガスとが、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。
次いで、アノード側電極８４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部５４ｂから出口貫通孔５５ｂを通り面１８ｂ側に移動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１及び図４参照）。同様に、カソード側電極８２に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂを通り酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される（図１参照）。
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図６に示すように、入口連結流路７２ａから入口バッファ部３６ａ、５６ａを経由して第１及び第２金属セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、出口連結流路７２ｂから出口バッファ部３６ｂ、５６ｂを通って冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
この場合、本実施形態では、図５に示すように、第２金属セパレータ１８に凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂが一体成形され、これらが第１金属セパレータ１６の第１シール部材４０に圧接することにより入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが構成されている。このため、簡単な構造で、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路３４とを確実に接続することができる。
従って、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に形成される酸化剤ガス流路２６及び燃料ガス流路５０の形状に影響されることがなく、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと冷却媒体流路３４との間で、冷却媒体を円滑且つ良好に流動させることが可能になるという効果が得られる。
しかも、凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、第１金属セパレータ１６の第１シール部材４０に接触している。これにより、燃料電池１０に積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重が付与された際、入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂが変形することがなく、発電セル１２を有効に冷却することができる。
また、凸状部材６８ａ、６８ｂ、７０ａ及び７０ｂは、電解質膜・電極構造体１４をシールする外側突起６０の少なくとも一部６０ａ〜６０ｄと積層方向に重なっている。このため、電解質膜・電極構造体１４に付与されるシール荷重に対して反力が発生し、外側突起６０は、前記電解質膜・電極構造体１４のシール機能を良好に維持することが可能になる。
さらに、発電セル１２の左右両端の中間に設けられる冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂには、入口連結流路７２ａ及び出口連結流路７２ｂを構成する第１及び第２入口分岐流路７４ａ、７６ａと第１及び第２出口分岐流路７４ｂ、７６ｂとが接続されている。従って、冷却媒体流路３４全体に冷却媒体を円滑且つ確実に供給することができ、各発電セル１２の冷却効率が向上するという利点がある。
本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面からの正面説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面からの正面説明図である。 前記第１及び第２金属セパレータ間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池ブロックの一部断面説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池 １２…発電セル
１６、１８…金属セパレータ ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２６…酸化剤ガス流路
３２ａ、３６ａ、５４ａ、５６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ、５４ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
３４…冷却媒体流路 ４０、５８…シール部材
５０…燃料ガス流路 ６０、６４…外側突起
６０ａ〜６０ｄ…一部 ６２、６６…内側突起
６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ…凸状部材
７２ａ…入口連結流路 ７２ｂ…出口連結流路
７４ａ、７６ａ…入口分岐流路 ７４ｂ、７６ｂ…出口分岐流路
８０…固体高分子電解質膜 ８２…カソード側電極
８４…アノード側電極

Claims (5)

  1. 電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを積層するとともに、各発電セルの積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成され、さらに隣接する前記発電セルを構成する各金属セパレータ間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
    少なくとも一方の金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体側とは反対側の面に凸状部材が一体成形され、前記凸状部材は、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを接続する連結流路を構成することを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項１記載の燃料電池において、前記凸状部材は、対向する金属セパレータに一体成形される平坦状シール部材との間に前記連結流路を形成することを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記少なくとも一方の金属セパレータは、前記凸状部材の裏面側に前記電解質膜・電極構造体をシールするためのシール部材が一体成形されるとともに、
    前記凸状部材の前記連結流路を構成する部位は、前記シール部材の少なくとも一部と積層方向に重なるように構成されることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に燃料電池において、前記発電セルは、水平方向に積層されるとともに、
    前記反応ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を備える一方、
    前記冷却媒体連通孔は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を備えており、
    前記６つの連通孔は、前記発電セルの左右両端に３つずつ振り分けて形成され且つ前記左右両端の中間には、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記連結流路は、前記冷却媒体連通孔と前記冷却媒体流路との間で少なくとも２方向に分岐する複数の分岐流路を備えることを特徴とする燃料電池。

JP2003425309A 2003-12-22 2003-12-22 燃料電池 Expired - Fee Related JP4081432B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003425309A JP4081432B2 (ja) 2003-12-22 2003-12-22 燃料電池
DE102004058730A DE102004058730B4 (de) 2003-12-22 2004-12-06 Brennstoffzelle
CA2490011A CA2490011C (en) 2003-12-22 2004-12-09 Fuel cell with separator having a ridge member
US11/014,469 US7846613B2 (en) 2003-12-22 2004-12-15 Fuel cell with separator having a ridge member
CNB2004101017364A CN1311580C (zh) 2003-12-22 2004-12-22 燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003425309A JP4081432B2 (ja) 2003-12-22 2003-12-22 燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005183304A true JP2005183304A (ja) 2005-07-07
JP4081432B2 JP4081432B2 (ja) 2008-04-23

Family

ID=34675422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003425309A Expired - Fee Related JP4081432B2 (ja) 2003-12-22 2003-12-22 燃料電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7846613B2 (ja)
JP (1) JP4081432B2 (ja)
CN (1) CN1311580C (ja)
CA (1) CA2490011C (ja)
DE (1) DE102004058730B4 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012039005A1 (ja) * 2010-09-22 2012-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック
JP2013246948A (ja) * 2012-05-25 2013-12-09 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2015521788A (ja) * 2012-06-26 2015-07-30 パワーセル スウェーデン アーベー 燃料電池用流れ場プレート

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4189345B2 (ja) * 2004-03-24 2008-12-03 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4835001B2 (ja) * 2005-02-03 2011-12-14 株式会社デンソー 燃料電池システム
FR2887688B1 (fr) * 2005-06-28 2007-09-14 Peugeot Citroen Automobiles Sa Plaque bipolaire pour pile a combustible comprenant des nervures d'etancheite
JP4958059B2 (ja) * 2005-06-30 2012-06-20 株式会社Ｇｓユアサ 水素製造装置
DE102005057045B4 (de) * 2005-11-30 2015-06-03 Daimler Ag Bipolarplatte und deren Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit
JP5101866B2 (ja) 2006-11-09 2012-12-19 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP5197995B2 (ja) * 2007-05-24 2013-05-15 本田技研工業株式会社 燃料電池
DK176814B1 (da) * 2007-07-18 2009-10-19 Serenergy As Bipolar plade til brændselscelle omfattende en by-passed snoet flow kanal til oxiderende gas; köleplade til brændselscelle omfattende en by-passed snoet kanal til kölegas; brændselscelle omfattende nævnte plader og deres brug.
JP5208059B2 (ja) * 2009-06-25 2013-06-12 本田技研工業株式会社 燃料電池
US8802326B2 (en) * 2010-11-23 2014-08-12 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell separator plate
EP2639868A1 (de) * 2012-03-13 2013-09-18 Siemens Aktiengesellschaft Bipolarplatte sowie elektrochemische Zelle mit einer solchen Bipolarplatte
GB2515553B (en) 2013-06-28 2021-04-21 Intelligent Energy Ltd Coolant purification

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4234093A1 (de) * 1992-10-09 1994-04-14 Siemens Ag Bauelement zum Einbau in eine verfahrenstechnische Einrichtung
JPH08222237A (ja) 1995-02-14 1996-08-30 Aisin Aw Co Ltd 燃料電池用セパレータ
EP1009051A2 (en) * 1998-12-08 2000-06-14 General Motors Corporation Liquid cooled bipolar plate consisting of glued plates for PEM fuel cells
US6322919B1 (en) 1999-08-16 2001-11-27 Alliedsignal Inc. Fuel cell and bipolar plate for use with same
JP4277387B2 (ja) 1999-10-08 2009-06-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用冷却板
DE10015360B4 (de) * 2000-03-28 2006-11-23 Ballard Power Systems Inc., Burnaby Separatoreinheit für Elektrolysezellen und Brennstoffzellen
JP2002083610A (ja) 2000-06-22 2002-03-22 Mitsubishi Electric Corp 固体高分子型燃料電池およびそのセパレータ
JP2002075395A (ja) 2000-08-24 2002-03-15 Toyota Motor Corp 燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池
JP3571696B2 (ja) * 2001-01-30 2004-09-29 本田技研工業株式会社 燃料電池及び燃料電池スタック
JP3830766B2 (ja) * 2001-03-09 2006-10-11 本田技研工業株式会社 燃料電池および燃料電池スタック
JP4000248B2 (ja) 2001-06-08 2007-10-31 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックおよびその加圧保持方法
JP3830805B2 (ja) * 2001-11-07 2006-10-11 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4344500B2 (ja) 2002-01-07 2009-10-14 本田技研工業株式会社 燃料電池
US6924052B2 (en) 2002-04-24 2005-08-02 General Motors Corporation Coolant flow field design for fuel cell stacks
JP3599280B2 (ja) 2002-05-17 2004-12-08 本田技研工業株式会社 燃料電池

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012039005A1 (ja) * 2010-09-22 2012-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック
US8501362B2 (en) 2010-09-22 2013-08-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack
JP2013246948A (ja) * 2012-05-25 2013-12-09 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2015521788A (ja) * 2012-06-26 2015-07-30 パワーセル スウェーデン アーベー 燃料電池用流れ場プレート
KR101826186B1 (ko) * 2012-06-26 2018-02-06 파워셀 스웨덴 에이비 연료 전지용 유동 장 플레이트
US9947943B2 (en) 2012-06-26 2018-04-17 Powercell Sweden Ab Flow field plate for a fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
CN1311580C (zh) 2007-04-18
DE102004058730A1 (de) 2005-07-28
US7846613B2 (en) 2010-12-07
CN1638178A (zh) 2005-07-13
CA2490011A1 (en) 2005-06-22
DE102004058730B4 (de) 2013-12-05
CA2490011C (en) 2012-02-28
JP4081432B2 (ja) 2008-04-23
US20050136306A1 (en) 2005-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5133616B2 (ja) 燃料電池
CA2527477C (en) Fuel cell
JP4634933B2 (ja) 燃料電池
JP4906891B2 (ja) 燃料電池
JP4268536B2 (ja) 燃料電池
JP4081432B2 (ja) 燃料電池
JP2008293758A (ja) 燃料電池
JP5334469B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2008226713A (ja) 燃料電池スタック
JP5235351B2 (ja) 燃料電池
JP4634737B2 (ja) 燃料電池スタック
JP5144226B2 (ja) 燃料電池
JP6308575B2 (ja) 燃料電池
JP4473519B2 (ja) 燃料電池
JP4214027B2 (ja) 燃料電池
JP4803957B2 (ja) 内部マニホールド型燃料電池
JP4266338B2 (ja) 燃料電池
JP5060169B2 (ja) 燃料電池
JP2004103255A (ja) 燃料電池
JP5491231B2 (ja) 燃料電池
JP2005268151A (ja) 燃料電池
JP2004335179A (ja) 燃料電池
JP2006147258A (ja) セパレータ及び燃料電池スタック
JP2007324122A (ja) 燃料電池
JP4486357B2 (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20051202

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070827

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070925

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071120

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080205

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080208

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110215

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4081432

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110215

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120215

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120215

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130215

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130215

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140215

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees