JP2012248444A - Fuel battery cell and fuel battery cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用な燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell useful as an energy source for consumer cogeneration, mobile objects, and mobiles, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell.
近年、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められており、それに対する一つの候補として燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、使用する電解質の種類によって主に４種類の方式に分類される。その方式の中でも特に高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、実用化が最も進んでいる方式である。 In recent years, there has been a demand for the development of a high-efficiency and clean energy source, and fuel cells are attracting attention as one candidate for the development. Fuel cells are mainly classified into four types depending on the type of electrolyte used. Among these methods, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is the most practically used method.
高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。このような燃料電池の一般的な基本構成である単電池として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池単セルが挙げられる。
In a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air are electrochemically reacted at an anode and a cathode, which are gas diffusion electrodes, respectively, and electricity and heat are generated simultaneously. It is a battery. As a unit cell which is a general basic configuration of such a fuel cell, for example, a fuel cell unit cell disclosed in
特許文献１に開示された燃料電池単セルは、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側にある第１のセパレータ及びカソード側にある第２のセパレータを備える。
The fuel cell single cell disclosed in
膜電極接合体は、アノード電極と、カソード電極と、これらの間に配置された陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜とを備えてなる構成である。 The membrane electrode assembly is configured to include an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane that selectively transports cations (hydrogen ions) disposed therebetween.
また、第１のセパレータには、膜電極接合体と接する面に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路溝が形成され、この膜電極接合体の外周部分に対応する面に燃料ガスシール溝が形成されている。一方、第２のセパレータには、膜電極接合体と接する面に酸化ガスを流通させるための酸化剤ガス流路溝が形成され、その面とは反対側となる面には冷却水流路溝が形成されている。そして、第２のセパレータは、膜電極接合体の外周部分に対応する面に、酸化剤ガスシール溝および冷却水シール溝が設けられている。 The first separator has a fuel gas channel groove for flowing fuel gas on a surface in contact with the membrane electrode assembly, and a fuel gas seal groove on a surface corresponding to the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly. Is formed. On the other hand, in the second separator, an oxidant gas flow channel groove is formed on the surface in contact with the membrane electrode assembly, and the cooling water flow channel groove is formed on the surface opposite to the surface. Is formed. The second separator is provided with an oxidant gas seal groove and a cooling water seal groove on the surface corresponding to the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly.
そして、この燃料ガスシール溝、酸化剤ガスシール溝、および冷却水シール溝それぞれにシール部材が設けられている。そして、これらのシール部材によって、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水それぞれの流体が漏れでないように構成されている。 A seal member is provided in each of the fuel gas seal groove, the oxidant gas seal groove, and the coolant seal groove. These sealing members are configured so that the fluids of the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water do not leak.
また、上述したような高分子電解質形燃料電池としては、さらに特許文献２、３に開示された燃料電池なども開発されている。
Further, as the polymer electrolyte fuel cell as described above, the fuel cells disclosed in
しかしながら、上述のような従来技術では、燃料電池セルにおいて流体の流出を防止するために設けられたシール部材が熱劣化するという問題がある。 However, in the conventional technology as described above, there is a problem that the seal member provided to prevent the outflow of fluid in the fuel battery cell is thermally deteriorated.
より具体的には、上述の従来技術は、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水の流出を防止するためのシール部材として例えばガスケット等を利用している。ガスケットは、Ｏリング、ゴム状シート、あるいは弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等から形成されており、高温に曝されると熱劣化する。 More specifically, the above-described conventional technology uses, for example, a gasket as a seal member for preventing the outflow of fuel gas, oxidant gas, and cooling water. The gasket is formed of an O-ring, a rubber-like sheet, or a composite sheet of an elastic resin and a rigid resin, and is thermally deteriorated when exposed to a high temperature.
ここで、膜電極接合体を挟持する各セパレータは、電気伝導性が高いという性質を有するとともに、熱伝導性が高いという性質も有している。このため、膜電極接合体の触媒層における発電時に生じる発熱反応の熱は、セパレータにおいて膜電極接合体の外周部分に対応する領域に設けられているシール部材にまで伝わる。それゆえ、結果としてシール部材が高温な発熱反応の熱に晒され、熱劣化してしまうという問題が生じる。 Here, each separator sandwiching the membrane electrode assembly has a property of high electrical conductivity and also has a property of high thermal conductivity. For this reason, the heat of the exothermic reaction generated at the time of power generation in the catalyst layer of the membrane electrode assembly is transmitted to the seal member provided in the region corresponding to the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly. Therefore, as a result, there arises a problem that the sealing member is exposed to the heat of a high temperature exothermic reaction and is thermally deteriorated.
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成でシール部材の熱劣化を抑制することが可能な燃料電池セル、および燃料電池セルスタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell stack that can suppress thermal deterioration of a seal member with a simple configuration.
本発明に係る燃料電池セルは、上記した課題を解決するために、電解質膜と該電解質膜を挟む一対の触媒層と前記電解質膜及び該一対の触媒層を挟む一対のガス拡散層とを有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持し、且つ前記一対のガス拡散層に接触する各主面にそれぞれに対応する反応ガスの流路溝が形成された一対の板状のセパレータと、前記一対のセパレータのうちの少なくとも１つの他の主面側に形成された、冷却流体が流通する冷却流体流路と、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記冷却流体流路を囲むように配置された、前記冷却流体の外部への漏れを防止するための環状の第１シール部材を備え、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記冷却流体流路が形成された領域の外縁が前記触媒層の外縁より外側に位置している。 In order to solve the above-described problem, a fuel battery cell according to the present invention includes an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers that sandwich the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers that sandwich the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers. A pair of plate-like separators each sandwiching the membrane electrode assembly and having a corresponding reaction gas channel groove formed on each main surface contacting the pair of gas diffusion layers; A cooling fluid passage formed on at least one other main surface of the pair of separators, through which the cooling fluid flows, and surrounds the cooling fluid passage when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. And an annular first seal member for preventing leakage of the cooling fluid to the outside, and when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, the outer edge of the region where the cooling fluid flow path is formed is Located outside the outer edge of the catalyst layer .
ここで、膜電極接合体は、供給された反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を利用して電気化学反応により電気を外部に取り出すためのものである。また、この電気化学反応は発熱反応であるため、発電時にはこの膜電極接合体の触媒層で発熱し、第１シール部材等を熱劣化させる熱源となるものである。 Here, the membrane electrode assembly is for taking out electricity to the outside by an electrochemical reaction using the supplied reaction gas (fuel gas, oxidant gas). In addition, since this electrochemical reaction is an exothermic reaction, heat is generated in the catalyst layer of the membrane electrode assembly during power generation, and becomes a heat source for thermally degrading the first seal member and the like.
上記した構成によると、前記第１シール部材を備えるため、冷却流体流路を流れる冷却流体が外部に漏れることを防ぐことができる。また、この第１シール部材は、電解質膜の厚み方向から見て、冷却流体流路を囲むように配置され、かつこの冷却流体流路が形成された領域の外縁が前記触媒層の外縁より外側に位置している。このため、第１シール部材と熱源となる触媒層との間には冷却流体流路が配置された構成となる。したがって、触媒層において生じた熱は、第１シール部材に伝わるまでにこの冷却流体流路により冷却することができる。これにより、第１シール部材が触媒層において生じた高温の熱に晒されることを防ぐことができ、第一シール部材での熱劣化を抑制することができる。 According to the configuration described above, since the first seal member is provided, it is possible to prevent the cooling fluid flowing through the cooling fluid channel from leaking to the outside. The first seal member is disposed so as to surround the cooling fluid channel as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, and the outer edge of the region where the cooling fluid channel is formed is outside the outer edge of the catalyst layer. Is located. For this reason, it becomes the structure by which the cooling fluid flow path is arrange | positioned between the 1st sealing member and the catalyst layer used as a heat source. Therefore, the heat generated in the catalyst layer can be cooled by this cooling fluid flow path before being transmitted to the first seal member. Thereby, it can prevent that a 1st seal member is exposed to the high temperature heat which arose in the catalyst layer, and can suppress the thermal deterioration in a 1st seal member.
さらにまた、本発明に係る燃料電池セルは、第１シール部材を電解質膜の厚み方向から見て、冷却流体流路が形成された領域の外縁が触媒層の外縁より外側に位置するように配置することで熱源となる触媒層から距離をとる構成である。そして、触媒層と第１シール部材との間に冷却流体流路が配置されるようにした構成である。このように、第１シール部材の熱劣化を防ぐために、特に新たな部材を設けたり、燃料電池セルの構造を複雑な構造に変更したりする必要がない。 Furthermore, the fuel cell according to the present invention is arranged such that the outer edge of the region where the cooling fluid flow path is formed is located outside the outer edge of the catalyst layer when the first seal member is viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Thus, the distance from the catalyst layer as a heat source is obtained. The cooling fluid channel is arranged between the catalyst layer and the first seal member. Thus, in order to prevent thermal degradation of the first seal member, it is not particularly necessary to provide a new member or change the structure of the fuel cell to a complicated structure.
よって、本発明に係る燃料電池セルは、簡単な構成でシール部材の熱劣化を抑制することができるという効果を奏する。 Therefore, the fuel battery cell according to the present invention has an effect that the thermal deterioration of the seal member can be suppressed with a simple configuration.
本発明に係る燃料電池セルは以上に説明したように構成され、簡単な構成でシール部材の熱劣化を抑制することができるという効果を奏する。 The fuel battery cell according to the present invention is configured as described above, and has an effect that thermal degradation of the seal member can be suppressed with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and the description thereof is omitted.
本実施の形態に係る燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード（アノード電極）及びカソード（カソード電極）においてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。 In the fuel cell according to the present embodiment, a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air are electrochemically reacted at an anode (anode electrode) and a cathode (cathode electrode), which are gas diffusion electrodes, respectively. Is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that simultaneously generates heat and heat.
このような燃料電池は、燃料電池セルスタックを備えている。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成の一例を示す斜視図である。燃料電池セルスタック１００は、板形状を有する燃料電池単セル（以下、単電池）１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体１０１と、セル積層体１０１の両端に配置された第１及び第２の端板２１Ａ，２１Ｂとを備えている。この第１及び第２の端板２１Ａ，２１Ｂには不図示の集電端子がそれぞれ配設されている。なお、板形状の単電池１は、図１に示すように、厚み方向に広がる面に対して垂直となる方向に立設しており、積層される厚み方向とは、図１では水平方向となる。
Such a fuel cell includes a fuel cell stack. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The
セル積層体１０１の一方の側部（第１側部）の上部には、該セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する酸化剤ガス供給マニホールド２２が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド２２の一端は第１の端板２１Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス供給配管４１が接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド２２の他端は第２の端板２１Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の他方の側部（第２側部）の下部には、該セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する酸化剤ガス排出マニホールド２５が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド２２の一端は第１の端板２１Ａによって閉鎖されている。酸化剤ガス排出マニホールド２５の他端は第２の端板２１Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に酸化剤ガス排出配管４２が接続されている。
An oxidant
セル積層体１０１の第２側部の上部には、該セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する燃料ガス供給マニホールド２３が形成されている。燃料ガス供給マニホールド２３の一端は第１の端板２１Ａに形成された貫通孔と連通し、この貫通孔に燃料ガス供給配管４３が接続されている。燃料ガス供給マニホールド２３の他端は第２の端板２１Ｂによって閉鎖されている。また、セル積層体１０１の第１側部の下部には、該セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する燃料ガス排出マニホールド２４が形成されている。燃料ガス排出マニホールド２４の一端は第１の端板２１Ａによって閉鎖されている。燃料ガス供給マニホールド２３の他端は第２の端板２１Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス排出配管４４が接続されている。
A fuel
酸化剤ガス供給マニホールド２２の上部の内側には、セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する冷却水供給マニホールド２６が形成されている。冷却水供給マニホールド２６の一端は第１の端板２１Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水供給配管３０が接続されている。冷却水供給マニホールド２６の他端は第２の端板２１Ｂによって閉鎖されている。また、酸化剤ガス排出マニホールド２５の下部の内側には、セル積層体１０１を積層方向（厚み方向）に貫通する冷却水排出マニホールド２７が形成されている。冷却水排出マニホールド２７の一端は第１の端板２１Ａによって閉鎖されている。冷却水排出マニホールド２７の他端は第２の端板２１Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に冷却水排出配管３１が接続されている。
A cooling
上記した構成を有する本実施の形態に係る燃料電池セルスタック１００は、単電池１の構造に特徴を有する。そこで、以下において、単電池１の構成について説明する。
The
（単電池の構成）
まず、本実施の形態に係る単電池１の構成について図２、３を参照して説明する。図２は本実施の形態に係る単電池１の概略構成の一例を示す断面図である。図２は、図１に示す燃料電池セルスタック１００においてII−II平面に沿って切り出した単電池１の断面図を示す。また、図３は、図２に示す単電池１を積層した状態の一例を示す断面図である。
(Unit cell configuration)
First, the configuration of the
単電池１は、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２を挟持する一対の導電性を有する板状のセパレータ（アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃ）を備えてなる構成である。
The
単電池１では、図２に示す断面形状において、膜電極接合体２よりもアノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃの方が長く突出している。つまり、単電池１の積層方向（膜電極接合体２の高分子電解質膜２ｂの厚み方向）から見て、アノード側セパレータ４ａ内、及びカソード側セパレータ４ｃ内に膜電極接合体２が収まるように配置されている。断面形状において突出する部分、つまり、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃにおいて膜電極接合体２と対応する範囲よりはみ出た部分を、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃの外縁部と称する。
In the
また、図２に示すように、膜電極接合体２は、アノード２ａとカソード２ｃとの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜２ｂが配置された構成を有している。図２に示す断面形状において、膜電極接合体２では、アノード２ａとカソード２ｃよりも高分子電解質膜２ｂの方が長く、これらより突出している。つまり、単電池１の積層方向から見て、高分子電解質膜２ｂの範囲内にアノード２ａ及びカソード２ｃが収まるように配置されている。断面形状において突出する部分、つまり、高分子電解質膜２ｂにおいてアノード２ａ及びカソード２ｃの範囲よりはみ出る部分を、高分子電解質膜２ｂの外周部と称する。
As shown in FIG. 2, the
高分子電解質膜２ｂとしては、例えば、米国DｕPｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるNafion（登録商標）112膜）を用いることができる。
As the
アノード２ａは、触媒層３ａとガス拡散層５ａとから構成され、両者が密着した状態で配置されている。つまり、触媒層３ａは、高分子電解質膜２ｂ側に配置され、当該触媒層３ａとアノード側セパレータ４ａとの間にガス拡散層５ａが配置される。
The
一方、カソード２ｃは、触媒層３ａとガス拡散層５ａとから構成され、両者が密着した状態で配置されている。つまり、触媒層３ｃは、高分子電解質膜２ｂ側に配置され、当該触媒層３ｃとカソード側セパレータ４ｃとの間にガス拡散層５ｃが配置される。
On the other hand, the
触媒層３ａ、３ｃは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。 The catalyst layers 3a and 3c are layers mainly composed of conductive carbon particles (for example, carbon black) carrying an electrode catalyst (for example, platinum-based metal).
ガス拡散層５ａ、５ｃは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層５ａ、５ｃは、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材で構成することができる。さらには、ガス拡散層５ａ、５ｃは、この導電性多孔質基材の上に、導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成した構成としてもよい。 The gas diffusion layers 5a and 5c are layers having both gas permeability and conductivity. The gas diffusion layers 5a and 5c can be made of a conductive porous substrate made of carbon such as carbon paper or carbon felt. Further, the gas diffusion layers 5a and 5c are conductive water repellent layers (not shown) containing conductive carbon particles (for example, carbon black) and a water repellent resin such as a fluororesin on the conductive porous substrate. A structure in which
膜電極接合体２の両側に配置されるアノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃは、導電性を有し、膜電極接合体２を機械的に固定（挟持）する。また、図３に示すように、隣接する膜電極接合体２同士を互いに電気的に直列に接続して、複数の単電池１を積層し、燃料電池セルスタック１００を構成する。なお、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃは、公知の材料を用いて形成することができる。例えば、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃを、厚み３ｍｍの樹脂含浸黒鉛板から作製することができる。
The anode-
また、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃそれぞれには、溝状のガス流路１０ａ、１０ｃが形成されている。ガス流路１０ａは、アノード２ａに燃料ガス（反応ガス）を、ガス流路１０ｃはカソード２ｃに酸化剤ガス（反応ガス）を供給する流路である。さらにまた、ガス流路１０ａ、１０ｃは、電極反応により生成した生成物や未反応の燃料ガス等を含む排出ガス（反応ガス）を膜電極接合体２の外部に運び去る流路でもある。なお、ガス流路１０ａは、アノード側セパレータ４ａのアノード２ａと接する側の面に、ガス流路１０ｃはカソード側セパレータ４ｃのカソード２ｃと接する側の面にそれぞれ形成される。
In addition, groove-like
また、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃにおいて、ガス流路１０が形成されている主面とは反対側の主面に、溝状の冷却流体流路１１ａ、１１ｃがそれぞれ形成されている。この冷却流体流路１１ａ、１１ｃは単電池１の温度、すなわち、発熱する膜電極接合体２の温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水）を流すための流路である。なお、ガス流路１０及び冷却流体流路１１の幅や間隔（リブの幅）などは適宜選択される。また、ガス流路１０及び冷却流体流路１１は、一般に複数本並ぶように形成されるが、その本数、形態（サーペンタイン状、直線状、網目状等）なども適宜選択される。
Further, in the
また、単電池１では、反応ガスのガス漏れを防止するために、図２に示すように、一対のアノード側セパレータ４ａとカソード側セパレータ４ｃと間において、高分子電解質膜２ｂの外周部の周囲に、アノード側ガスケット（第２シール部材）６ａ及びカソード側ガスケット（第２シール部材）６ｃが配置される。
Further, in the
より具体的には、上述したように、本実施の形態に係る単電池１では、高分子電解質膜２ｂの方がアノード２ａ、カソード２ｃそれぞれよりも面積が大きく、これらアノード２ａ、カソード２ｃは高分子電解質膜２ｂの範囲内に収まって配置されている。そして、アノード２ａの端部と高分子電解質膜２ｂの外周部とアノード側セパレータ４ａとの間隙にアノード側ガスケット６ａが配置される。同様に、カソード２ｃの端部と高分子電解質膜２ｂの外周部とカソード側セパレータ４ｃとの間隙にカソード側ガスケット６ｃが配置される。
More specifically, as described above, in the
これにより、アノード側セパレータ４ａと、高分子電解質膜２ｂと、アノード側ガスケット６ａとにより、アノード２ａがシールされる。また、カソード側セパレータ４ｃと、高分子電解質膜２ｂと、カソード側ガスケット６ｃとにより、カソード２ｃがシールされる。そして単電池１では、これら２つのシール構造によって、アノード２ａ及びカソード２ｃに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
Thereby, the
なお、これらのアノード側ガスケット６ａ及びカソード側ガスケット６ｃは、例えば断面形状が略矩形もしくは略楕円形の環状体に形成されている。これらアノード側ガスケット６ａ及びカソード側ガスケット６ｃは、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合体等で構成される。
In addition, these
また、本実施の形態に係る単電池１では、上述したように、膜電極接合体２（特には触媒層３ａ、３ｃ）は、アノード側セパレータ４ａまたはカソード側セパレータ４ｃよりも面積が小さい。そして、膜電極接合体２（特には触媒層３ａ、３ｃ）は、アノード側セパレータ４ａまたはカソード側セパレータ４ｃの範囲内に収まる大きさとなっている。
In the
また、図２に示すように、アノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃの外周部でかつ、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成されている側の面には、溝が形成されている。そして、この溝に冷却流体が外部に漏れないようにするためのガスケットである冷却水ガスケット（第１シール部材）７ａ、７ｃが配置される。冷却水ガスケット７ａ、７ｃもアノード側ガスケット６ａ及びカソード側ガスケット６ｃと同様に、たとえばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合体等で構成される。
Further, as shown in FIG. 2, grooves are formed in the outer peripheral portions of the
ところで、本実施の形態に係る単電池１では、特に、冷却水ガスケット７ａ、７ｃが配置される位置と、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが設けられる位置と、アノード２ａおよびカソード２ｃが配置される範囲との位置関係に特徴がある。そこで、これらの位置関係が明確となるように図２では、Ａにより、アノード２ａおよびカソード２ｃの端部位置を示している。また、Ｂによりアノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃが配置される位置を示している。また、Ｃにより冷却水ガスケット７ａ、７ｃが配置されている位置を示している。
By the way, in the
ここで、単電池１では、Ａ−Ａ間、すなわち、アノード２ａの触媒層３ａおよびカソード２ｃの触媒層３ｃが配置されている範囲（領域）で発電反応が行なわれ、この範囲で発熱する。そして、熱は、熱伝導性の高いアノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃを通じて冷却水ガスケット７ａ、７ｃに伝わる。
Here, in the
しかしながら、本実施の形態に係る単電池１では、図２に示すように冷却水ガスケット７ａ、７ｃは、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃそれぞれの外縁部に配置されている。このため、触媒層３ａ、３ｃそれぞれと冷却水ガスケット７ａ、７ｃそれぞれとは所定間隔だけ隔てられることとなる。
However, in the
また、触媒層３ａ、３ｃそれぞれと冷却水ガスケット７ａ、７ｃそれぞれとの間には図２に示すように、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが配置されている。つまり、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃの外縁部に設けられたれ冷却水ガスケット７ａ、７ｃと触媒層３ａ、３ｃとは、冷却流体流路１１ａ、１１ｃを間に挟んで所定距離だけ離れた位置関係となる。
Further, as shown in FIG. 2, cooling
このため、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃを通じて冷却水ガスケット7ａ、７ｃに伝わる熱は、冷却水ガスケット７ａ、７ｃに達するまでに冷却流体流路１１ａ、１１ｃを流れる冷却流体により冷やされる。それゆえ、発熱反応の熱による冷却水ガスケット７ａ、７ｃの過剰な温度上昇を防ぎ、熱劣化を抑制することができる。そのため、本実施の形態に係る単電池１は、冷却流体が外部に流出しない、耐久性の高い単電池を実現する。
For this reason, the heat transmitted to the
なお、燃料電池セルスタック１００は、特に図示していないが断熱材で覆われているため、冷却水ガスケット７ａ、７ｃを触媒層３ａ、３ｃからできるだけ離れた位置に配置したとしても発熱反応による熱が高温のまま伝わってしまう可能性がある。そこで、本実施の形態に係る単電池１は、発熱反応による熱が冷却水ガスケット７ａ、７ｃに高温のまま伝わらないように、冷却流体流路１１ａ、１１ｃを流れる冷却流体によって冷却できる構成としている。
The
さらにまた、本実施の形態に係る単電池１では、図２のＢに示すように、積層方向から見て、アノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃが、冷却流体流路１１ａ、１１ｃと重なる位置となる。
Furthermore, in the
なお、単電池１では、前記膜電極接合体２全体を一様に冷却できるように、アノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃにおいて一方向に延伸した冷却流体流路１１ａ、１１ｃが、所定間隔で配置されるように構成されている。
In the
ところで、アノード側ガスケット６ａ及びカソード側ガスケット６ｃも、熱源となる触媒層３ａ、３ｃに接していることから、熱劣化する可能性が高い。そこで、アノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃそれぞれについて単電池１の積層方向からみて重なる位置に、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成されている。
By the way, since the
これにより、触媒層３ａ、３ｃの反応熱により、アノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃが温度上昇することを防止することができる。よって、本実施の形態に係る単電池１では、発熱反応によるアノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃの熱劣化をさらに抑制でき、耐久性の高い単電池を提供することができる。
Thereby, it is possible to prevent the temperature of the
以上のように、単電池１は、高分子電解質膜２ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層３ａ領域の外周（外縁）よりも冷却流体流路１１ａが形成される領域の外周（外縁）の方が外側に位置し、前者の領域面積よりも後者の領域面積の方が大きくなる構成である。同様にカソード触媒層３ｃの外周（外縁）よりも冷却流体流路１１ｃが形成される領域の外周（外縁）の方が外側に位置し、前者の領域面積よりも後者の領域面積の方が大きくなる構成である。さらに、アノード側ガスケット６ａおよびカソード側ガスケット６ｃと積層方向から見て重なる位置に冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成された構成であった。
As described above, the
しかしながら、単電池１は、この構成に限定されるものではない。例えば、冷却水ガスケット７ａ、７ｃの熱劣化を主として防止することだけを目的とする場合は、高分子電解質膜２ｂの厚み方向から見て、アノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｃの領域の外周よりも冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成される領域の外周の方が外側に位置していればよい。つまり、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｃの外縁部において冷却水ガスケット７ａ、７ｃと、触媒層３ａ、３ｃとの間に冷却流体流路１１ａ、１１ｃが配置されていればよい。
However, the
ただし、本実施の形態に係る単電池１のように、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが、さらにアノード側ガスケット６ａ、カソード側ガスケット６ｃそれぞれと積層方向から見て重なる位置に配置された構成の方が、これらのガスケットの温度上昇も抑制できるため好適である。
However, as in the
なお、本実施の形態に係る単電池１では、図２に示すように、冷却流体流路１１ａ、１１ｃをアノード側セパレータ４ａ、およびカソード側セパレータ４ｃにおいて所定間隔（リブの幅）で配していたがこれに限定されるものではない。
In the
例えば、図４に示すように、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃそれぞれにおいて各冷却流体流路１１ａ、１１ｃ間は、α−αの一定間隔で冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成される。しかしながら、アノード側ガスケット６ａと冷却流体流路１１ａとの間、またはカソード側ガスケット６ｃと冷却流体流路１１ｃとの間は、β−βの間隔となり両者が近接した位置関係となるように形成してもよい。なお、図４は、本実施の形態に係る単電池１の概略構成の一例を示す断面図である。
For example, as shown in FIG. 4, in each of the
このように、アノード側ガスケット６ａと冷却流体流路１１ａとの間、またはカソード側ガスケット６ｃと冷却流体流路１１ｃとの間を近接させた構成とすることで、以下のように冷却水ガスケット７ａ、７ｃの過剰な温度上昇を抑制することができる。すなわち、上述したように触媒層３ａ、３ｃから冷却水ガスケット7ａ、７ｃに伝わる熱は、冷却流体流路１１ａ、１１ｃを流れる冷却流体により冷やされる。また、冷却水ガスケット７ａ、７ｃ自身の温度上昇も冷却流体流路１１ａ、１１ｃを流れる冷却流体により冷やされる。このため、冷却水ガスケット７ａ、７ｃの過剰な温度上昇が起こらず、熱劣化を効果的に抑制できる。なお、β−β間の距離は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることが好適である。
In this way, by adopting a configuration in which the
また、本実施の形態に係る単電池１では、冷却流体流路１１ａ、１１ｃをアノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃの両方に設ける構成であったが、どちらか一方のセパレータにのみ設けられる構成であってもよい。
Further, in the
以上のように、本実施の形態に係る単電池１では、熱源であるアノード２ａの触媒層３ａおよびカソード２ｃの触媒層３ｃの端部よりも外側に突出したアノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃの外縁部に冷却水ガスケット７ａ、７ｃが配置されている。そして、この冷却水ガスケット７ａ、７ｃとアノード２ａの触媒層３ａ、カソード２ｃの触媒層３ｃの間に冷却流体流路１１ａ、１１ｃが設けられた構成である。
As described above, in the
このため、熱源である触媒層３ａ、３ｃからの熱を、冷却水ガスケット７ａ、７ｃに伝わるまでの間に、この冷却流体流路１１ａ、１１ｃを流れる冷却流体によって冷却することができる。
For this reason, the heat from the catalyst layers 3a and 3c, which are heat sources, can be cooled by the cooling fluid flowing through the cooling
したがって、冷却水ガスケット７ａ、７ｃの過剰な温度上昇を防ぎ、冷却水ガスケット７ａの熱劣化を抑制することができる。さらに、冷却流体流と１１ａ、１１ｃとアノード側ガスケット６ａ、カソード側ガスケット６ｃとを単電池１の積層方向において重なる位置に配置することで、これらのガスケットを冷却することができる。よって、アノード側ガスケット６ａ、カソード側ガスケット６ｃの過剰な温度上昇を防ぎ、熱劣化を抑制することができる。
Therefore, an excessive temperature rise of the cooling
さらに、以下において本実施形態の変形例を説明する。 Further, modifications of the present embodiment will be described below.
（変形例１）
本実施の形態に係る単電池１の構成において、高分子電解質膜２ｂの外周部を囲う環状の枠体８が設けられている構成としてもよい。そして、アノード側ガスケット９ａを枠体８とアノード側セパレータ４ａとの接合面に形成し、カソード側ガスケット９ｃを枠体８とカソード側セパレータ４ｃとの接合面に形成する構成としてもよい。
(Modification 1)
In the configuration of the
すなわち、図５に示すように、変形例１に係る単電池１は、枠体８により膜電極接合体２の外周を覆うように構成されている。図５は、変形例１に係る単電池１の概略構成の一例を示す断面図である。そして、さらに枠体８とアノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃとの接合部分を通じて反応ガスが漏れるのを防ぐために、アノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｃが配置されている。
That is, as shown in FIG. 5, the
このため、膜電極接合体２から反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス等）が漏れ出ることを防ぐことができる。
For this reason, it is possible to prevent the reaction gas (fuel gas, oxidant gas, etc.) from leaking from the
また、このような構成において、熱源であるアノード２ａの触媒層３ａとカソード２ｃの触媒層３ｃとに枠体８が接しており、アノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｃそれぞれも熱に晒されることとなる。
In such a configuration, the
そこで、このような構成の場合、単電池１の積層方向（高分子電解質膜２ｂの厚み方向）からみてアノード側ガスケット９ａと冷却流体流路１１ａとが重なるように配置される。また、単電池１の積層方向からみてカソード側ガスケット９ｃと冷却流体流路１１ｃとが重なるように配置される。このような構成とすることで、枠体８に設けられたアノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｃそれぞれの過剰な温度上昇を防ぎ、熱劣化を抑制することができる。
Therefore, in the case of such a configuration, the
（変形例２）
また、本実施の形態に係る単電池１の構成において、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃそれぞれを２枚のセパレータにより形成した構成としてもよい。
(Modification 2)
In the configuration of the
すなわち、変形例２に係る単電池１では、図６に示すように、アノード側セパレータ４ａは、ガス流路１０ａが形成された第１アノード側セパレータ１２ａと冷却流体流路１１ａが形成された第２アノード側セパレータ１２ｂとから構成される点で図２に示す単電池１と異なる。
That is, in the
同様にカソード側セパレータ４ｃは、ガス流路１０ｃが形成された第１カソード側セパレータ１３ａと冷却流体流路１１ｃが形成された第２カソード側セパレータ１３ｂとから構成される点で図２に示す単電池１と異なる。
Similarly, the
なお、図６は、変形例２に係る単電池１の概略構成の一例を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the
上記した構成において、第１アノード側セパレータ１２ａと第１カソード側セパレータ１３ａとによって膜電極接合体２を挟持する。そして、第１アノード側セパレータ１２ａにおける膜電極接合体２と接しない側の面に第２アノード側セパレータ１２ｂが積層される。同様に、第１カソード側セパレータ１３ａにおける膜電極接合体２と接しない側の面に第２カソード側セパレータ１３ｂが積層される。
In the above configuration, the
また、第２アノード側セパレータ１２ｂにおける第１アノード側セパレータ１２ａと接する側の面には、冷却流体流路１１ａとアノード側の冷却水ガスケット７ａを嵌めこむための溝とが形成される。同様に、第２カソード側セパレータ１３ｂにおける第１カソード側セパレータ１３ａと接する側の面には、冷却流体流路１１ｃとカソード側の冷却水ガスケット７ｃを嵌めこむための溝とが形成される。
A cooling
冷却水ガスケット７ａおよび冷却水ガスケット７ｃを嵌めこむための溝は、図２に示す単電池１と同様に、アノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃそれぞれの外縁部に形成される。より具体的には、図６に示すように、第２アノード側セパレータ１２ｂおよび第２カソード側セパレータ１３ｂにおける、膜電極接合体２と対応する領域外となる部分（外縁部）に設けられる。
The grooves for fitting the cooling
また、第２アノード側セパレータ１２ｂおよび第２カソード側セパレータ１３ｂそれぞれの外縁部において、冷却水ガスケット７ａと膜電極接合体２との間、カソード側冷却流体ガスケット７ｃと膜電極接合体２との間には、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが形成される。そして、この冷却流体流路１１ａ、１１ｃは、積層方向から見てアノード側ガスケット６ａ、カソード側ガスケット６ｃと重なる位置となるように配置される。
Moreover, between the cooling
以上のように構成することで、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃをそれぞれ２枚のセパレータにより構成した場合であっても、図２に示す単電池１と同様に冷却水ガスケット７ａ、冷却水ガスケット７ｃの熱劣化を抑制できる。
With the above configuration, even when the anode-
また、上記した構成することで、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃをそれぞれ２枚のセパレータにより構成した場合であっても図２に示す単電池１のように以下のような構成とすることもできる。
Further, with the above-described configuration, even when the
すなわち、図７に示すように第２アノード側セパレータ１２ｂ、第２カソード側セパレータ１３ｂそれぞれにおいて、冷却流体流路１１ａと冷却水ガスケット７ａ、冷却流体流路１１ｃと冷却水ガスケット７ｃとの間の距離を近接させた構成としてもよい。
That is, as shown in FIG. 7, in each of the second
また、図８に示すように、図５の変形例１に係る単電池１と同様に、枠体８を備え、枠体８とアノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｃとの接合部にアノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｃを設ける構成としてもよい。そして、冷却流体流路１１ａ、１１ｃが、積層方向から見てアノード側ガスケット９ａ、カソード側ガスケット９ｃと重なる位置となるように配置される構成としてもよい。
Further, as shown in FIG. 8, similarly to the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の高分子電解質形燃料電池は、自動車などの移動体、分散型（オンサイト型）発電システム（家庭用コジェネレーションシステム）などの主電源又は補助電源として好適に利用されることが期待される。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is expected to be suitably used as a main power source or auxiliary power source for a moving body such as an automobile, a distributed (on-site) power generation system (home cogeneration system), and the like. The
１ 単電池
２ 膜電極接合体
２ａ アノード
２ｂ 高分子電解質膜
２ｃ カソード
３ａ アノード触媒層
３ｃ カソード触媒層
４ａ アノード側セパレータ
４ｃ カソード側セパレータ
５ａ アノード側ガス拡散層
５ｃ カソード側ガス拡散層
６ａ アノード側ガスケット
６ｃ カソード側ガスケット
７ａ アノード側冷却流体ガスケット
７ｃ カソード側冷却流体ガスケット
８ 枠体
９ａ アノード側ガスケット
９ｃ カソード側ガスケット
１０ａ ガス流路
１０ｃ ガス流路
１１ａ 冷却流体流路
１１ｃ 冷却流体流路
１２ａ 第１アノード側セパレータ
１２ｂ 第２アノード側セパレータ
１３ａ 第１カソード側セパレータ
１３ｂ 第２カソード側セパレータ
１００ 燃料電池セルスタック
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該膜電極接合体を挟持し、且つ前記一対のガス拡散層に接触する各主面にそれぞれに対応する反応ガスの流路溝が形成された一対の板状のセパレータと、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも１つの他の主面側に形成された、冷却流体が流通する冷却流体流路と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記冷却流体流路を囲むように配置された、前記冷却流体の外部への漏れを防止するための環状の第１シール部材と、を備え、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記冷却流体流路が形成された領域の外縁が前記触媒層の外縁より外側に位置している燃料電池セル。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers sandwiching the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A pair of plate-like separators each sandwiching the membrane electrode assembly and having a corresponding reaction gas channel groove formed on each main surface contacting the pair of gas diffusion layers;
A cooling fluid passage formed on at least one other main surface of the pair of separators through which the cooling fluid flows;
An annular first seal member for preventing leakage of the cooling fluid, which is disposed so as to surround the cooling fluid flow path when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The fuel cell in which the outer edge of the region where the cooling fluid flow path is formed is located outside the outer edge of the catalyst layer as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane.
隣接する前記冷却流体流路間の間隔よりも前記冷却流体流路と前記第１シール部材との間の間隔の方が小さい請求項１または２に記載の燃料電池セル。 A plurality of the cooling fluid flow paths are formed side by side on the other main surface side of at least one of the pair of separators;
3. The fuel cell according to claim 1, wherein an interval between the cooling fluid channel and the first seal member is smaller than an interval between adjacent cooling fluid channels.
前記電解質膜の厚み方向からみて、前記第２シール部材と重なる位置に前記冷却流体流路が形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。 An annular second seal member disposed so as to surround the pair of catalyst layers as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane to prevent leakage of the reaction gas to the outside;
4. The fuel cell according to claim 1, wherein the cooling fluid channel is formed at a position overlapping the second seal member as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. 5.
前記第２シール部材が、前記セパレータと前記枠体との接合面に配置されている請求項４に記載の燃料電池セル。 Further comprising an annular frame sandwiched between the pair of separators and surrounding the outer periphery of the membrane electrode assembly;
The fuel cell according to claim 4, wherein the second seal member is disposed on a joint surface between the separator and the frame.
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