JP4476463B2

JP4476463B2 - Fuel cell separator and fuel cell

Info

Publication number: JP4476463B2
Application number: JP2000292918A
Authority: JP
Inventors: 誠辻; 治巳波多野; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: JP2002100381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属製波板を重ね合わせてなる燃料電池用セパレータ、および、この燃料電池用セパレータと電極膜構造体とを交互に積層してなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜とその両側のアノード電極とカソード電極とで構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数個積層して構成されたものがある。この燃料電池では、アノード電極に対向配置されるセパレータの面に燃料ガス（例えば、水素）の流路を設け、カソード電極に対向配置されるセパレータの面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）の流路を設け、隣接するセパレータ間に冷却媒体の流路を設けている。
【０００３】
そして、この単位燃料電池では、アノード電極の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側に移動する。こ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ーとして利用される。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。また、セパレータ間に流れる冷却媒体によって発電面が冷却される。
【０００４】
ところで、燃料電池にはコンパクト化の要求があり、その一つとして積層方向の短縮化がある。積層方向短縮化のアプローチとしては、セパレータ自体の薄肉化や、複数の単位燃料電池毎に冷却媒体流路を設ける間引き冷却化等がある。
なお、現行では、セパレータはカーボン材をベースとして、切削、モールド成形等によって成形することが多いが、カーボン材をベースとするセパレータの場合、薄肉化には限界があった。
【０００５】
薄肉化限界の理由の一つに強度的なものがある。単位燃料電池を複数個積層して構成する前記燃料電池においては、積層後に締結を行うが、この締結荷重は、発電要件上必要な電極面圧、シール要件上必要なシール面圧、及び、作動ガス圧等から決定される。セパレータには、この締結荷重に耐え得るだけの最小肉厚が、セパレータの材料特性に応じて設定される。したがって、セパレータをこの最小肉厚よりも薄肉にすることはできない。
【０００６】
薄肉化限界の理由の他の一つに生産技術的なことがある。前述したように、セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を流すための流路を設けなくてはならないが、カーボン材をベースとする場合には、製造方法が切削やモールド成形に限定され、これら製造方法からセパレータの最小肉厚が決定されてしまう。
【０００７】
そこで、考えられたのが、金属製の波板を重ね合わせてなるセパレータである。金属製の波板は金属板をプレス成形することにより製造することができるので、多量生産に好適であり、コスト的にも有利である。
従来の金属製波板を重ね合わせてなるセパレータは、図６に示すように、波板１０１，１０３の凸部１０１ａ，１０３ａ同士を突き合わせ、凹部１０１ｂ，１０３ｂ同士を対向させるように重ね合わせて、一つのセパレータ１０５を構成していた。そして、このセパレータ１０５と、固体高分子電解質膜１０７の両側にアノード電極１０９、カソード電極１１１を有してなる電極膜構造体１１３とを交互に積層して、燃料電池１１５を構成していた。この場合、対向する凹部１０１ｂ，１０３ｂの間の空間を冷却媒体流路１１７とし、波板１０３の凹部１０３ｂとアノード電極１０９との間の空間を燃料ガス流路１１９とし、波板１０１の凹部１０１ｂとカソード電極１１１との間の空間を酸化剤ガス流路１２１としている（特開２０００−２１４１９号公報等）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池用のセパレータ１０５では、波板１０１の凸部１０１ａと波板１０３の凸部１０３ａを突き合わせているので、セパレータ１０５の厚さが厚くなり、燃料電池１１５の積層方向の長さが長くなるという問題がある。
また、凸部１０１ａと凸部１０３ａを突き合わせているので、接触面積が極めて小さく、接触抵抗が大きくなってしまうという問題もあった。
そこで、この発明は、積層方向の短縮化が可能な燃料電池用セパレータと燃料電池を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、波部（例えば、後述する実施の形態における波部１９，２３）の高さが異なり波部のピッチが同じである一対の金属製波板（例えば、後述する実施の形態における第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５）を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板（例えば、後述する実施の形態における第１セパレータ板１３）の凹部（例えば、後述する実施の形態における凹部１９ｂ）に、波部の高さが低い他方の金属製波板（例えば、後述する実施の形態における第２セパレータ板１５）の凸部（例えば、後述する実施の形態における２３ａ）を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却媒体流路（例えば、後述する実施の形態における冷却媒体流路２５）を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施の形態における凹部１９ｂ）で酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施の形態における酸化剤ガス流路２７）を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部（例えば、後述する実施の形態における凹部２３ｂ）で燃料ガス流路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス流路２９）を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータ（例えば、後述する実施の形態におけるセパレータ３）である。
【００１０】
このように構成することで、冷却媒体流路と酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを備えた燃料電池用セパレータの厚さを薄くすることができる。
また、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を重ね合わせているので、金属製波板同士の接触面積を大きくすることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
さらに、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成するので、酸化剤ガスの流路断面積を燃料ガス流路の流路断面積よりも大きくすることができる。
【００１１】
請求項２に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜７）をアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極９）とカソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極１１）とで挟持して構成された電極膜構造体（例えば、後述する実施の形態における電極膜構造体５）と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータとを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）である。このように構成することで、燃料電池の積層方向の寸法を短縮することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の一実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池１の縦断面図であり、燃料電池１は、燃料電池用セパレータ（以下、セパレータという）３と電極膜構造体５とが交互に積層して構成されている。
【００１３】
電極膜構造体５は、固体高分子電解質膜７と、この固体高分子電解質膜７を間に挟んで配設されたアノード電極９とカソード電極１１とから構成されている。なお、固体高分子電解質膜７は例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーで構成されており、アノード電極９およびカソード電極１１はＰｔを主体とする触媒により構成されている。固体高分子電解質膜７には、これを挟んで配設されるアノード電極９およびカソード電極１１の外周からはみ出すはみ出し部７ａが設けられている。
【００１４】
セパレータ３は、板厚０．２〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス成形されてなる第１セパレータ板（金属製波板）１３と第２セパレータ板（金属製波板）１５とを重ね合わせて構成されている。図２は第１セパレータ板１３を図１においてＡ方向から見た全体正面図であり、図３は第１セパレータ板１３を図１においてＢ方向から見た全体正面図であり、図４は第２セパレータ板１５を図１においてＣ方向から見た全体正面図である。なお、以下の説明では、図２から図４において図中左右方向を水平方向、図中上下方向を垂直方向とする。
【００１５】
第１セパレータ板１３の中央部には波板部１７が設けられており、この波板部１７には、一定の高さｈ1を有して水平方向に延びる波部１９が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。第２セパレータ板１５の中央部にも波板部２１が設けられており、波板部２１には、一定の高さｈ2を有して水平方向に延びる波部２３が垂直方向に一定のピッチで多数形成されている。第１セパレータ板１３の波部１９のピッチと第２セパレータ板１５の波部２３のピッチは同一ピッチに設定されており、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1は、第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高く設定されている（ｈ1＞ｈ2）。そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａを重ね合わせ、波部２３の凹部２３ｂに波部１９の凸部１９ａを重ね合わせて、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は一体化されている。このように重ね合わせる結果、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂと第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａとの間に空間が形成され、この空間が、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路２５になる。
【００１６】
第１セパレータ板１３の波板部１７および第２セパレータ板１５の波板部２１は、電極膜構造体５のアノード電極９およびカソード電極１１に対向配置される範囲に形成されている。そして、第１セパレータ板１３の波部１９の凸部１９ａにおいて第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂに重ね合わされない凸部１９ａがカソード電極１１に密接し、第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａにおいて第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに重ね合わされない凸部２３ａがアノード電極９に密接するように配置されている。さらに、電極膜構造体５を間に挟んで両側に配置されたセパレータ３，３においては、電極膜構造体５のカソード電極１１に密接する一方のセパレータ３の第１セパレータ板１３の凸部１９ａと、電極膜構造体５のアノード電極９に密接する他方のセパレータ３の第２セパレータ板１５の凸部２３ａとが、電極膜構造体５を間に挟んで対向するように配置されている。
【００１７】
ここで、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂとカソード電極１１との間に形成される空間が、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２７になり、第２セパレータ板１５の波部２３の凹部２３ｂとアノード電極９との間に形成される空間が、水素含有ガス等の燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２９になる。換言すると、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５を重ね合わせてなるセパレータ３の両外側の凹部のうちの一方の側の凹部１９ｂで酸化剤ガス流路２７を形成し、他方の側の凹部２３ｂで燃料ガス流路２９を形成することになる。
【００１８】
また、電極膜構造体５とその両側のセパレータ３，３とを前述の如く配置する結果、電極膜構造体５を挟んで酸化剤ガス流路２７と燃料ガス流路２９とが対向して配置されることになる。
ところで、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1が第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも高いため、酸化剤ガス流路２７の断面積の方が燃料ガス流路２９の断面積よりも大きくなる。これは、この実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いており、空気の場合には燃料ガスよりも多く流す必要があることによる。
【００１９】
第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５において波板部１７，２１よりも垂直方向外側に位置する端部には、図１に示すように、互いに面接触する平面部３１，３３が設けられており、第１セパレータ板１３の平面部３１と電極膜構造体５における固体高分子電解質膜７のはみ出し部７ａとの間にシール材３５が挟装され、第２セパレータ板１５の平面部３３とはみ出し部７ａとの間にシール材３７が挟装されている。これにより、各電極膜構造体５はその両側から一対のセパレータ３によって水密状態に挟持されることになる。
【００２０】
また、第１セパレータ板１３において平面部３１よりも外側と、第２セパレータ板１５において平面部３３よりも外側との間にはシール材３６が挟装されており、このシール材３６によって第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間も水密にシールされている。なお、シール材３６は第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の外周縁部を一周するように設けられている。
なお、１つのセパレータ３において第１セパレータ板１３の平面部３１と第２セパレータ板１５の平面部３３を、溶接またはロウ付け等のシール性を有する接合手段によって接合することにより、前記シール材３６を不要にし部品点数の削減を図ることも可能である。
【００２１】
図２および図３に示すように、第１セパレータ板１３において波板部１７よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部３９と右平坦部４１になっており、図４に示すように、第２セパレータ板１５において波板部２１よりも水平方向両外側に位置する部位は略平坦な左平坦部４３と右平坦部４５になっていて、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３が所定寸法の隙間を有して対向配置され、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５が所定寸法の隙間を有して対向配置されている。なお、図２では第１セパレータ板１３の左平坦部３９が図中左側に位置し右平坦部４１が図中右側に位置しており、図３では左平坦部３９が図中右側に位置し右平坦部４１が図中左側に位置しているのは、図２と図３は第１セパレータ板１３の表裏の関係にあるからである。また、図４において第２セパレータ板１５の左平坦部４３が図中右側に位置し右平坦部４５が図中左側に位置しているのも、図４が図２とは逆の方向から見ているからである。
【００２２】
そして、第１セパレータ板１３の左平坦部３９と第２セパレータ板１５の左平坦部４３の外周縁部が前記したシール材３６によってシールされているので、両左平坦部３９，４３は袋状に連結されていることになる。同様に、第１セパレータ板１３の右平坦部４１と第２セパレータ板１５の右平坦部４５の外周縁部も前記シール材３６によってシールされているので、両右平坦部４１，４５は袋状に連結されていることになる。
【００２３】
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の上部には燃料ガスを流通させるための入口側燃料ガス連通孔４７ａが設けられ、右平坦部４１の上部には酸化剤ガスを流通させるための入口側酸化剤ガス連通孔４９ａが設けられ、右平坦部４１の下部には燃料ガスを流通させるための出口側燃料ガス連通孔４７ｂが設けられ、左平坦部３９の下部には酸化剤ガスを流通させるための出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂが設けられている。したがって、入口側燃料ガス連通孔４７ａと出口側燃料ガス連通孔４７ｂは対角位置に位置しており、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａと出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂは対角位置に位置している。
第１セパレータ板１３の左平坦部３９の略中央部には冷却媒体を流通させるための入口側冷却媒体連通孔５１ａが設けられ、右平坦部４１の略中央部には使用後の前記冷却媒体を流通させるための出口側冷却媒体連通孔５１ｂが設けられている。
【００２４】
また、図４に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３および右平坦部４５にも、第１セパレータ板１３と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却媒体連通孔５１ａ、出口側冷却媒体連通孔５１ｂが設けられている。
【００２５】
一方、図５に示すように、電極膜構造体５の固体高分子電解質膜７は、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５の左右平坦部３９，４１，４３，４５にほぼ対応する部位に、アノード電極９およびカソード電極１１よりも水平方向外側にはみ出すはみ出し部１０，１２を有しており、このはみ出し部１０，１２に、第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５と同様に、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂ、入口側冷却媒体連通孔５１ａ、出口側冷却媒体連通孔５１ｂが設けられている。
【００２６】
第１セパレータ板１３の平面部３１と固体高分子電解質膜７のはみ出し部７ａとの間に挟装された前記シール材３５は、図２に示すように、第１セパレータ板１３の左平坦部３９において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４１において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一周する部位であって波板部１７に近い側においては、図示するように、シール材３５は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３５が設けられていない部分が酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路５３ａ，５３ｂにされている。
【００２７】
また、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５が配置される面には、入口側冷却媒体連通孔５１ａおよび出口側冷却媒体連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５５が配置されている。このシール材５５は第１セパレータ板１３の左右平坦部３９，４１と固体高分子電解質膜７のはみ出し部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
【００２８】
一方、第２セパレータ板１５の平面部３３と固体高分子電解質膜７のはみ出し部７ａとの間に挟装された前記シール材３７は、図４に示すように、第２セパレータ板１５の左平坦部４３において入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂの周囲を一周するとともに、右平坦部４５において入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂの周囲を一周して、全体としてほぼ無端状につながっている。ただし、入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一周する部位であって波板部２１に近い側においては、図示するように、シール材３７は所定ピッチの破線状に設けられており、シール材３７が設けられていない部分が燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路５７ａ，５７ｂにされている。
【００２９】
また、第２セパレータ板１５における左右平坦部４３，４５であってシール材３７が配置される面には、入口側冷却媒体連通孔５１ａおよび出口側冷却媒体連通孔５１ｂの周囲をそれぞれ一周するシール材５９が配置されている。このシール材５９は第２セパレータ板１５の左右平坦部４３，４５と固体高分子電解質膜７のはみ出し部１０，１２との間に水密状態に挟装されている。
なお、シール材３５とシール材３７、および、シール材５５とシール材５９は固体高分子電解質膜７を挟んで対向して配置されており、これによって、第１セパレータ板１３と固体高分子電解質膜７との間がシール材３５およびシール材５５によって水密にシールされ、第２セパレータ板１５と固体高分子電解質膜７との間がシール材３７およびシール材５９によって水密にシールされるようになっている。
【００３０】
図３に示すように、第１セパレータ板１３における左右平坦部３９，４１であってシール材３５，５５が配置されない面（換言すれば、第１セパレータ板１３が第２セパレータ板１５に対向する側の面）には、入口側燃料ガス連通孔４７ａ、出口側燃料ガス連通孔４７ｂ、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａ、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂをそれぞれ一周するシール材６１，６２，６３，６４が設けられている。これらシール材６１〜６４は１つのセパレータ３における第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との間に挟装されて両者を水密にシールしている。第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５は左平坦部３９，４３の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、右平坦部４１，４５の外周縁部の間にシール材３６を設けて袋状にし、それぞれ袋状の内部を冷却媒体流路６７ａ，６７ｂにするのであるが、シール材６１は冷却媒体流路６７ａから水密に離隔して入口側燃料ガス流路７１を形成するためのものであり、シール材６２は冷却媒体流路６７ｂから水密に離隔して出口側燃料ガス流路７３を形成するためのものであり、シール材６３は冷却媒体流路６７ｂから水密に離隔して入口側酸化剤ガス流路７５を形成するためのものであり、シール材６４は冷却媒体流路６７ａから水密に離隔して出口側酸化剤ガス流路７７を形成するためのものである。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池１においては、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側燃料ガス連通孔４７ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側燃料ガス連通孔４７ａを一直線上に接続してなる入口側燃料ガス流路７１と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側燃料ガス連通孔４７ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側燃料ガス連通孔４７ｂを一直線上に接続してなる出口側燃料ガス流路７３と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側酸化剤ガス連通孔４９ａを一直線上に接続してなる入口側酸化剤ガス流路７５と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂを一直線上に接続してなる出口側酸化剤ガス流路７７と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の入口側冷却媒体連通孔５１ａおよび固体高分子電解質膜７の入口側冷却媒体連通孔５１ａを一直線上に接続してなる入口側冷却媒体流路７９と、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の出口側冷却媒体連通孔５１ｂおよび固体高分子電解質膜７の出口側冷却媒体連通孔５１ｂを一直線上に接続してなる出口側冷却媒体流路８１と、を備えることになる。
【００３２】
この燃料電池１においては、１つの電極膜構造体５と、その両側に配置された一対のセパレータ３，３のうち前記電極膜構造体５のカソード電極１１に対向配置された１つの第１セパレータ板１３と、前記電極膜構造体５のアノード電極９に対向配置された１つの第２セパレータ板１５とによって単位燃料電池８３が構成される。
【００３３】
次に、単位燃料電池８３の動作について以下に説明する。
単位燃料電池８３には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスが供給されるとともに酸化剤ガスとして酸素含有ガス（以下、例えば空気）が供給され、さらに、その発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。
燃料ガスは、入口側燃料ガス流路７１に供給され、入口側燃料ガス連通孔４７ａから燃料ガス流路５７ａを通って、各燃料ガス流路２９へと移動する。各燃料ガス流路２９に供給された燃料ガスは、アノード電極９に沿って水平方向に移動し、その際に、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極９に供給される。そして、未使用の燃料ガスは燃料ガス流路２９を移動しながらアノード電極９に供給されるとともに、燃料ガス流路２９の終端から第２セパレータ板１５の右平坦部４５と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに燃料ガス流路５７ｂを通って、出口側燃料ガス連通孔４７ｂから出口側燃料ガス流路７３に排出される。
【００３４】
また、空気は、入口側酸化剤ガス流路７５に供給され、入口側酸化剤ガス連通孔４９ａから酸化剤ガス流路５３ａを通って、各酸化剤ガス流路２７へと移動する。そして、各酸化剤ガス流路２７に供給された空気は、カソード電極１１に沿って水平方向に移動し、その際に、空気中の酸素ガスがカソード電極１１に供給される。そして、未使用の空気は酸化剤ガス流路２７を移動しながらカソード電極１１に供給されるとともに、酸化剤ガス流路２７の終端から第１セパレータ板１３の左平坦部３９と固体高分子電解質膜７との間に移動し、さらに酸化剤ガス流路５３ｂを通って、出口側酸化剤ガス連通孔４９ｂから出口側酸化剤ガス流路７７に排出される。これにより、単位燃料電池８３で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３５】
さらにまた、冷却媒体は、入口側冷却媒体流路７９に供給され、入口側冷却媒体連通孔５１ａから冷却媒体流路６７ａに移動し、ここから各冷却媒体流路２５へと供給される。冷却媒体流路２５に供給された冷却媒体は冷却媒体流路２５を水平方向に移動する間に発電面を冷却し、冷却後の冷却媒体は冷却媒体流路２５の終端から冷却媒体流路６７ｂに移動し、さらに出口側冷却媒体連通孔５１ｂから出口側冷却媒体流路８１に排出される。
【００３６】
以上のように構成されたセパレータ３においては、第１セパレータ板１３の波部１９の高さｈ1を第２セパレータ板１５の波部２３の高さｈ2よりも大きくし、第１セパレータ板１３の波部１９の凹部１９ｂに第２セパレータ板１５の波部２３の凸部２３ａを重ね合わせているので、波部１９の凸部１９ａと波部２３の凸部２３ａとを突き合わせて重ねるよりも、セパレータ３の厚さを薄くすることができるとともに、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の接触面積を大きくすることができる。
また、セパレータ３の第１セパレータ板１３および第２セパレータ板１５をプレス成形にて製造することができるので、多量生産に適し、コストダウンを図ることができる。
【００３７】
したがって、このセパレータ３と電極膜構造体５とを交互に積層して構成される燃料電池１の積層方向の寸法を短縮することができ、燃料電池１をコンパクトにすることができる。ちなみに、この実施の形態の単位燃料電池の厚さは、冷却媒体流路、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路の各断面積が全く同じとしたときの現行のカーボン材をベースとしたセパレータを用いた単位燃料電池の厚さに比し、ほぼ半減される。これは、搭載スペースに制限があり小型化が要求される車両用の燃料電池において、特に効果が大きい。
また、セパレータ３の第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５との接触面積が大きいことにより、接触抵抗を小さくすることができる。
【００３８】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、第１セパレータ板１３と第２セパレータ板１５の材質はステンレス鋼に限るものではなく、防食性を有する他の金属で構成してもよいし、あるいは、導電性に優れた防錆被膜で被覆された金属板で構成してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、冷却媒体流路と酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを備えた燃料電池用セパレータの厚さを薄くすることができるので、この燃料電池用セパレータと電極膜構造体とを積層して燃料電池を構成したときに、燃料電池の積層方向の寸法を短縮することができるという優れた効果が奏される。
【００４０】
また、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を重ね合わせているため、金属製波板同士の接触面積が大きくなるので、接触抵抗を小さくすることができるという効果がある。
さらに、重ね合わせた一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成するので、酸化剤ガスの流路断面積を燃料ガス流路の流路断面積よりも大きくすることができる。
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池の積層方向の寸法を短縮することができるので、燃料電池のコンパクト化を図ることができるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池用セパレータおよび燃料電池の一実施の形態における縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図３】図１におけるＢ方向から見た第１セパレータ板の正面図である。
【図４】図１におけるＣ方向から見た第２セパレータ板の正面図である。
【図５】図１におけるＤ方向から見た電極膜構造体の正面図である。
【図６】従来の金属製波板で構成された燃料電池用セパレータと、それを用いた燃料電池の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１・・・燃料電池
３・・・燃料電池用セパレータ
５・・・電極膜構造体
７・・・固体高分子電解質膜
９・・・アノード電極
１１・・・カソード電極
１３・・・第１セパレータ板（一方の金属製波板）
１５・・・第２セパレータ板（他方の金属製波板）
１９・・・波部
１９ｂ・・・凹部
２３・・・波部
２３ａ・・・凸部
２５・・・冷却媒体流路
２７・・・酸化剤ガス流路
２９・・・燃料ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell separator in which metal corrugated plates are stacked, and a fuel cell in which the fuel cell separator and electrode membrane structures are alternately stacked.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, a unit fuel cell is configured by sandwiching an electrode membrane structure composed of a solid polymer electrolyte membrane and anode and cathode electrodes on both sides thereof with a pair of separators. Some of them are stacked. In this fuel cell, a flow path of a fuel gas (for example, hydrogen) is provided on the surface of the separator disposed opposite to the anode electrode, and an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is disposed on the surface of the separator disposed opposite to the cathode electrode. ) And a cooling medium channel between adjacent separators.
[0003]
In this unit fuel cell, when fuel gas is supplied to the reaction surface of the anode electrode, hydrogen is ionized here and moves to the cathode electrode side through the solid polymer electrolyte membrane. Electrons generated during this time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water. Further, the power generation surface is cooled by the cooling medium flowing between the separators.
[0004]
By the way, there is a demand for downsizing of fuel cells, and one of them is shortening of the stacking direction. As approaches for shortening the stacking direction, there are thinning of the separator itself and thinning cooling by providing a cooling medium flow path for each of the plurality of unit fuel cells.
At present, separators are often formed by cutting, molding, or the like using a carbon material as a base, but in the case of a separator based on a carbon material, there is a limit to thinning.
[0005]
One of the reasons for the thinning limit is strength. In the fuel cell configured by stacking a plurality of unit fuel cells, the fastening is performed after the stacking, and this fastening load is determined by the electrode surface pressure necessary for power generation requirements, the seal surface pressure necessary for sealing requirements, and the operation. Determined from gas pressure and the like. The separator has a minimum wall thickness that can withstand this fastening load in accordance with the material characteristics of the separator. Therefore, the separator cannot be made thinner than this minimum wall thickness.
[0006]
Another reason for the thinning limit is production technology. As described above, the separator must be provided with a flow path for flowing fuel gas, oxidant gas, and cooling medium. However, when a carbon material is used as a base, the manufacturing method can be used for cutting and molding. The minimum thickness of the separator is determined by these manufacturing methods.
[0007]
In view of this, a separator formed by stacking metal corrugated sheets was considered. Since the corrugated metal plate can be manufactured by press-molding the metal plate, it is suitable for mass production and advantageous in terms of cost.
As shown in FIG. 6, the separator formed by stacking the conventional metal corrugated plates is overlapped so that the convex portions 101 a and 103 a of the corrugated plates 101 and 103 face each other and the concave portions 101 b and 103 b face each other. One separator 105 was constituted. The fuel cell 115 is configured by alternately laminating the separator 105 and the electrode membrane structure 113 having the anode electrode 109 and the cathode electrode 111 on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 107. In this case, the space between the opposing recesses 101b and 103b is the cooling medium flow path 117, the space between the recess 103b of the corrugated sheet 103 and the anode electrode 109 is the fuel gas flow path 119, and the recess 101b of the corrugated sheet 101 is. A space between the cathode electrode 111 and the cathode electrode 111 serves as an oxidant gas flow path 121 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-21419).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional separator 105 for a fuel cell, since the convex portion 101a of the corrugated plate 101 and the convex portion 103a of the corrugated plate 103 are abutted, the thickness of the separator 105 is increased, and the fuel cell 115 is stacked in the stacking direction. There is a problem that the length becomes long.
Moreover, since the convex part 101a and the convex part 103a are faced | matched, there also existed a problem that a contact area was very small and contact resistance became large.
Accordingly, the present invention provides a fuel cell separator and a fuel cell capable of shortening the stacking direction.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a pair of metals in which the heights of wave portions (for example, wave portions 19 and 23 in the embodiments described later) are different and the pitch of the wave portions is the same. A corrugated plate (for example, the first separator plate 13 and the second separator plate 15 in the embodiment described later), and one metal corrugated plate (for example, the first separator plate in the embodiment described later) having a large wave portion height. 1 separator plate 13) of the other metal corrugated plate (for example, the second separator plate 15 in the embodiment to be described later) having a low wave portion height in the recess (for example, the recess 19b in the embodiment described later). In a space between the concave portion and the convex portion by overlapping the convex portion (for example, 23a in the embodiment described later)Coolant for fuel cell cooling flowsA cooling medium flow path (for example, a cooling medium flow path 25 in an embodiment to be described later) is formed, and the concave portions on both outer sides of the pair of metal corrugated plates are overlapped.The height of the wave part is largeOneMetal corrugated sheetForming an oxidant gas flow path (for example, an oxidant gas flow path 27 in an embodiment to be described later) with a recess (for example, a recess 19b in the embodiment to be described later),The height of the wave part is lowThe otherMetal corrugated sheetA fuel cell separator (for example, described later), in which a fuel gas channel (for example, a fuel gas channel 29 in an embodiment (to be described later)) is formed by a recess (for example, a recess 23b in the embodiment to be described later). It is the separator 3) in embodiment to do.
[0010]
  By comprising in this way, the thickness of the separator for fuel cells provided with the cooling-medium flow path, the oxidizing gas flow path, and the fuel gas flow path can be made thin.
  Moreover, since the convex part of the other metal corrugated sheet with the low corrugated part is superimposed on the concave part of the one corrugated metal sheet with the large corrugated part, the contact area between the metallic corrugated sheets The contact resistance can be reduced.
  Further, an oxidant gas flow path is formed in the concave portion of the one metal corrugated plate having a large height of the corrugated portion of the concave portions on both sides of the pair of metal corrugated plates, and the height of the corrugated portion is increased. Since the fuel gas flow path is formed by the recess of the other metal corrugated plate having a low height, the flow path cross-sectional area of the oxidant gas can be made larger than the flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path.
[0011]
  The invention described in claim 2solidA polymer electrolyte membrane (for example, a solid polymer electrolyte membrane 7 in an embodiment described later) is used as an anode electrode (for example, an anode electrode 9 in an embodiment described later) and a cathode electrode (for example, a cathode electrode in an embodiment described later). 11) and an electrode membrane structure (for example, an electrode membrane structure 5 in an embodiment described later) and the fuel cell separator according to claim 1 alternately stacked. A fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later). By comprising in this way, the dimension of the lamination direction of a fuel cell can be shortened.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell separator and a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a fuel cell 1, and the fuel cell 1 is configured by alternately laminating fuel cell separators (hereinafter referred to as separators) 3 and electrode membrane structures 5.
[0013]
The electrode membrane structure 5 includes a solid polymer electrolyte membrane 7, and an anode electrode 9 and a cathode electrode 11 disposed with the solid polymer electrolyte membrane 7 interposed therebetween. The solid polymer electrolyte membrane 7 is made of, for example, a perfluorosulfonic acid polymer, and the anode electrode 9 and the cathode electrode 11 are made of a catalyst mainly composed of Pt. The solid polymer electrolyte membrane 7 is provided with a protruding portion 7 a that protrudes from the outer periphery of the anode electrode 9 and the cathode electrode 11 that are disposed with the membrane interposed therebetween.
[0014]
The separator 3 includes a first separator plate (metallic corrugated plate) 13 and a second separator plate (metallic corrugated plate) 15 that are formed by press-molding a stainless steel plate having a thickness of 0.2 to 0.5 mm. Configured. 2 is an overall front view of the first separator plate 13 as viewed from the direction A in FIG. 1, FIG. 3 is an overall front view of the first separator plate 13 as viewed from the direction B in FIG. 1, and FIG. It is the whole front view which looked at the 2 separator plate 15 from the C direction in FIG. In the following description, in FIGS. 2 to 4, the horizontal direction in the drawings is the horizontal direction, and the vertical direction in the drawings is the vertical direction.
[0015]
A corrugated plate portion 17 is provided at the central portion of the first separator plate 13, and a corrugated portion 19 having a constant height h 1 and extending in the horizontal direction is fixed to the corrugated plate portion 17 in the vertical direction. A large number of pitches are formed. A corrugated plate portion 21 is also provided in the central portion of the second separator plate 15, and the corrugated plate portion 21 has wave portions 23 having a constant height h 2 and extending in the horizontal direction at a constant pitch in the vertical direction. Many are formed. The pitch of the wave portion 19 of the first separator plate 13 and the pitch of the wave portion 23 of the second separator plate 15 are set to the same pitch, and the height h1 of the wave portion 19 of the first separator plate 13 is set to be the second separator. The height h2 of the wave portion 23 of the plate 15 is set higher (h1> h2). Then, the convex portion 23a of the wave portion 23 of the second separator plate 15 is superimposed on the concave portion 19b of the wave portion 19 of the first separator plate 13, and the convex portion 19a of the wave portion 19 is superimposed on the concave portion 23b of the wave portion 23. The first separator plate 13 and the second separator plate 15 are integrated. As a result of such superposition, a space is formed between the concave portion 19b of the wave portion 19 of the first separator plate 13 and the convex portion 23a of the wave portion 23 of the second separator plate 15, and this space is made of pure water or ethylene. It becomes the coolant flow path 25 for distribute | circulating coolant, such as glycol and oil.
[0016]
The corrugated plate portion 17 of the first separator plate 13 and the corrugated plate portion 21 of the second separator plate 15 are formed in a range where the corrugated plate portion 21 is disposed to face the anode electrode 9 and the cathode electrode 11 of the electrode film structure 5. Then, in the convex portion 19a of the corrugated portion 19 of the first separator plate 13, the convex portion 19a that does not overlap the concave portion 23b of the corrugated portion 23 of the second separator plate 15 is in close contact with the cathode electrode 11, and the corrugated portion of the second separator plate 15 In the convex portion 23 a of 23, the convex portion 23 a that is not superimposed on the concave portion 19 b of the wave portion 19 of the first separator plate 13 is disposed so as to be in close contact with the anode electrode 9. Further, in the separators 3 and 3 disposed on both sides with the electrode film structure 5 interposed therebetween, the convex portion 19a of the first separator plate 13 of the one separator 3 in close contact with the cathode electrode 11 of the electrode film structure 5 is provided. And the convex portion 23a of the second separator plate 15 of the other separator 3 that is in close contact with the anode electrode 9 of the electrode film structure 5 are disposed so as to face each other with the electrode film structure 5 interposed therebetween.
[0017]
Here, the space formed between the concave portion 19b of the wave portion 19 of the first separator plate 13 and the cathode electrode 11 is an oxidant gas flow path 27 for circulating an oxidant gas that is an oxygen-containing gas or air. Thus, a space formed between the concave portion 23b of the wave portion 23 of the second separator plate 15 and the anode electrode 9 becomes a fuel gas flow path 29 for circulating a fuel gas such as a hydrogen-containing gas. In other words, the oxidant gas flow path 27 is formed by the concave portion 19b on one side of the concave portions on both sides of the separator 3 formed by superimposing the first separator plate 13 and the second separator plate 15, and the other side. The fuel gas channel 29 is formed by the recess 23b.
[0018]
Further, as a result of arranging the electrode membrane structure 5 and the separators 3 and 3 on both sides thereof as described above, the oxidant gas channel 27 and the fuel gas channel 29 are arranged to face each other across the electrode membrane structure 5. Will be.
By the way, since the height h1 of the wave portion 19 of the first separator plate 13 is higher than the height h2 of the wave portion 23 of the second separator plate 15, the cross-sectional area of the oxidant gas flow channel 27 is the fuel gas flow channel. It becomes larger than the cross-sectional area of 29. This is because in this embodiment, air is used as the oxidant gas, and in the case of air, it is necessary to flow more than the fuel gas.
[0019]
In the first separator plate 13 and the second separator plate 15, flat portions 31 and 33 which are in surface contact with each other are provided at the end portions positioned on the outer side in the vertical direction from the corrugated plate portions 17 and 21 as shown in FIG. The sealing member 35 is sandwiched between the flat portion 31 of the first separator plate 13 and the protruding portion 7 a of the solid polymer electrolyte membrane 7 in the electrode membrane structure 5, and the flat portion 33 of the second separator plate 15. A sealing material 37 is sandwiched between the protruding portion 7a. Thereby, each electrode film structure 5 is clamped in a watertight state by the pair of separators 3 from both sides thereof.
[0020]
Further, a sealing material 36 is sandwiched between the outer side of the flat surface portion 31 in the first separator plate 13 and the outer side of the flat surface portion 33 of the second separator plate 15. The space between the separator plate 13 and the second separator plate 15 is also sealed watertight. The sealing material 36 is provided so as to go around the outer peripheral edges of the first separator plate 13 and the second separator plate 15.
Note that, in one separator 3, the planar portion 31 of the first separator plate 13 and the planar portion 33 of the second separator plate 15 are joined by a joining means having sealing properties such as welding or brazing, whereby the sealing material 36. It is also possible to reduce the number of parts by eliminating the need for parts.
[0021]
As shown in FIGS. 2 and 3, portions of the first separator plate 13 located on both outer sides in the horizontal direction from the corrugated plate portion 17 are a substantially flat left flat portion 39 and a right flat portion 41. FIG. As shown in the figure, the portions of the second separator plate 15 located on both outer sides in the horizontal direction from the corrugated plate portion 21 are a substantially flat left flat portion 43 and a right flat portion 45, and the left side of the first separator plate 13 is left. The flat portion 39 and the left flat portion 43 of the second separator plate 15 are arranged to face each other with a predetermined gap, and the right flat portion 41 of the first separator plate 13 and the right flat portion 45 of the second separator plate 15 are predetermined. Oppositely arranged with a dimensional gap. In FIG. 2, the left flat portion 39 of the first separator plate 13 is located on the left side in the drawing and the right flat portion 41 is located on the right side in the drawing. In FIG. 3, the left flat portion 39 is located on the right side in the drawing. The reason why the right flat portion 41 is located on the left side in the drawing is that FIGS. 2 and 3 are in a relation of front and back of the first separator plate 13. In FIG. 4, the left flat portion 43 of the second separator plate 15 is located on the right side and the right flat portion 45 is located on the left side in the drawing. FIG. 4 is viewed from the opposite direction to FIG. Because.
[0022]
And since the outer peripheral edge part of the left flat part 39 of the 1st separator plate 13 and the left flat part 43 of the 2nd separator plate 15 is sealed by the above-mentioned sealing material 36, both the left flat parts 39 and 43 are bag-like. It will be connected to. Similarly, since the outer peripheral edge portions of the right flat portion 41 of the first separator plate 13 and the right flat portion 45 of the second separator plate 15 are also sealed by the sealing material 36, the right flat portions 41 and 45 are bag-like. It will be connected to.
[0023]
An inlet-side fuel gas communication hole 47a for flowing fuel gas is provided in the upper portion of the left flat portion 39 of the first separator plate 13, and an inlet side for flowing oxidant gas in the upper portion of the right flat portion 41. An oxidant gas communication hole 49a is provided, an outlet side fuel gas communication hole 47b for flowing fuel gas is provided in the lower part of the right flat part 41, and an oxidant gas is supplied in the lower part of the left flat part 39. An outlet side oxidant gas communication hole 49b is provided. Therefore, the inlet-side fuel gas communication hole 47a and the outlet-side fuel gas communication hole 47b are located at diagonal positions, and the inlet-side oxidant gas communication hole 49a and outlet-side oxidant gas communication holes 49b are located at diagonal positions. is doing.
An inlet-side cooling medium communication hole 51a for circulating the cooling medium is provided in a substantially central portion of the left flat portion 39 of the first separator plate 13, and the used cooling medium is disposed in a substantially central portion of the right flat portion 41. Is provided with an outlet side cooling medium communication hole 51b.
[0024]
Further, as shown in FIG. 4, the left flat portion 43 and the right flat portion 45 of the second separator plate 15 are also provided with an inlet side fuel gas communication hole 47a and an outlet side fuel gas communication hole, similarly to the first separator plate 13. 47b, an inlet side oxidant gas communication hole 49a, an outlet side oxidant gas communication hole 49b, an inlet side cooling medium communication hole 51a, and an outlet side cooling medium communication hole 51b are provided.
[0025]
On the other hand, as shown in FIG. 5, the solid polymer electrolyte membrane 7 of the electrode membrane structure 5 is a portion substantially corresponding to the left and right flat portions 39, 41, 43, 45 of the first separator plate 13 and the second separator plate 15. The protruding portions 10 and 12 protrude outward in the horizontal direction from the anode electrode 9 and the cathode electrode 11, and the protruding portions 10 and 12 have the protruding portions 10 and 12 in the same manner as the first separator plate 13 and the second separator plate 15. The inlet side fuel gas communication hole 47a, the outlet side fuel gas communication hole 47b, the inlet side oxidant gas communication hole 49a, the outlet side oxidant gas communication hole 49b, the inlet side cooling medium communication hole 51a, and the outlet side cooling medium communication hole 51b are provided. Is provided.
[0026]
As shown in FIG. 2, the sealing material 35 sandwiched between the flat portion 31 of the first separator plate 13 and the protruding portion 7a of the solid polymer electrolyte membrane 7 is a left flat portion of the first separator plate 13. 39 around the inlet-side fuel gas communication hole 47a and the outlet-side oxidant gas communication hole 49b, and at the right flat portion 41, around the inlet-side oxidant gas communication hole 49a and the outlet-side fuel gas communication hole 47b. And as a whole, it is almost endlessly connected. However, as shown in the drawing, the sealing material 35 is in a broken line shape with a predetermined pitch on the side that goes around the inlet side oxidant gas communication hole 49a and the outlet side oxidant gas communication hole 49b and is close to the corrugated plate portion 17. The portions where the sealing material 35 is not provided are made into oxidant gas flow paths 53a and 53b for circulating the oxidant gas.
[0027]
Also, seals that make a round around the inlet side cooling medium communication hole 51a and the outlet side cooling medium communication hole 51b are provided on the surfaces of the left and right flat portions 39 and 41 of the first separator plate 13 where the sealing material 35 is disposed. A material 55 is arranged. The sealing material 55 is sandwiched between the left and right flat portions 39 and 41 of the first separator plate 13 and the protruding portions 10 and 12 of the solid polymer electrolyte membrane 7 in a watertight state.
[0028]
On the other hand, the sealing material 37 sandwiched between the flat portion 33 of the second separator plate 15 and the protruding portion 7a of the solid polymer electrolyte membrane 7 is formed on the left side of the second separator plate 15 as shown in FIG. The flat portion 43 makes a round around the inlet side fuel gas communication hole 47a and the outlet side oxidant gas communication hole 49b, and the right flat portion 45 surrounds the inlet side oxidant gas communication hole 49a and the outlet side fuel gas communication hole 47b. It is connected to endlessly as a whole. However, as shown in the drawing, the sealing material 37 is provided in a broken line shape with a predetermined pitch on the side that goes around the inlet side fuel gas communication hole 47a and the outlet side fuel gas communication hole 47b and is close to the corrugated plate portion 21. The portions where the sealing material 37 is not provided are made into fuel gas passages 57a and 57b for circulating the fuel gas.
[0029]
Further, seals that make a round around each of the inlet side cooling medium communication hole 51a and the outlet side cooling medium communication hole 51b are provided on the surfaces of the left and right flat portions 43 and 45 of the second separator plate 15 where the sealing material 37 is disposed. A material 59 is arranged. The sealing material 59 is sandwiched between the left and right flat portions 43 and 45 of the second separator plate 15 and the protruding portions 10 and 12 of the solid polymer electrolyte membrane 7 in a watertight state.
In addition, the sealing material 35 and the sealing material 37, and the sealing material 55 and the sealing material 59 are arranged to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 7 interposed therebetween, whereby the first separator plate 13 and the solid polymer electrolyte are disposed. The space between the membrane 7 is sealed with a sealing material 35 and the sealing material 55, and the space between the second separator plate 15 and the solid polymer electrolyte membrane 7 is sealed with a sealing material 37 and a sealing material 59. It has become.
[0030]
As shown in FIG. 3, the left and right flat portions 39 and 41 of the first separator plate 13 on which the sealing materials 35 and 55 are not disposed (in other words, the first separator plate 13 faces the second separator plate 15). On the side surface), the sealing materials 61, 62, which respectively go around the inlet side fuel gas communication hole 47a, the outlet side fuel gas communication hole 47b, the inlet side oxidant gas communication hole 49a, and the outlet side oxidant gas communication hole 49b, 63, 64 are provided. These sealing materials 61 to 64 are sandwiched between the first separator plate 13 and the second separator plate 15 in one separator 3 to seal both together in a watertight manner. The first separator plate 13 and the second separator plate 15 are formed into a bag shape by providing a sealing material 36 between the outer peripheral edge portions of the left flat portions 39 and 43, and the sealing material is provided between the outer peripheral edge portions of the right flat portions 41 and 45. 36 is provided to form a bag, and the inside of the bag is formed into cooling medium flow paths 67a and 67b. The sealing material 61 is separated from the cooling medium flow path 67a in a watertight manner so that the inlet side fuel gas flow path 71 is formed. The sealing material 62 is for watertight separation from the cooling medium flow path 67b to form the outlet side fuel gas flow path 73, and the sealing material 63 is watertight from the cooling medium flow path 67b. For forming the inlet side oxidant gas flow path 75, and the sealing material 64 for watertightly separating from the cooling medium flow path 67 a to form the outlet side oxidant gas flow path 77. It is.
[0031]
In the fuel cell 1 configured as described above, the inlet-side fuel gas communication holes 47a of the first separator plate 13 and the second separator plate 15 and the inlet-side fuel gas communication holes 47a of the solid polymer electrolyte membrane 7 are aligned. The inlet side fuel gas passage 71 connected to the outlet side, the outlet side fuel gas communication hole 47b of the first separator plate 13 and the second separator plate 15, and the outlet side fuel gas communication hole 47b of the solid polymer electrolyte membrane 7 are straightened. The outlet side fuel gas flow path 73 connected on the line, the inlet side oxidant gas communication hole 49a of the first separator plate 13 and the second separator plate 15, and the inlet side oxidant gas communication hole of the solid polymer electrolyte membrane 7 49a, the inlet-side oxidant gas flow path 75, the outlet-side oxidant gas communication holes 49b of the first separator plate 13 and the second separator plate 15, and the solid polymer electrolyte. 7 outlet side oxidant gas communication holes 49b connected in a straight line, the inlet side cooling medium communication holes 51a of the first separator plate 13 and the second separator plate 15 and the solid height. An inlet side cooling medium flow path 79 formed by connecting the inlet side cooling medium communication holes 51a of the molecular electrolyte membrane 7 in a straight line, the outlet side cooling medium communication holes 51b of the first separator plate 13 and the second separator plate 15, and a solid. The outlet side cooling medium flow path 81 formed by connecting the outlet side cooling medium communication holes 51b of the polymer electrolyte membrane 7 in a straight line is provided.
[0032]
In this fuel cell 1, one electrode membrane structure 5 and one first separator disposed opposite to the cathode electrode 11 of the electrode membrane structure 5 out of a pair of separators 3 and 3 disposed on both sides thereof. A unit fuel cell 83 is constituted by the plate 13 and one second separator plate 15 disposed opposite to the anode electrode 9 of the electrode membrane structure 5.
[0033]
Next, the operation of the unit fuel cell 83 will be described below.
The unit fuel cell 83 is supplied with a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons, and is supplied with an oxygen-containing gas (hereinafter, for example, air) as an oxidant gas. In order to cool, a cooling medium is supplied.
The fuel gas is supplied to the inlet-side fuel gas flow channel 71 and moves from the inlet-side fuel gas communication hole 47a to the fuel gas flow channels 29 through the fuel gas flow channel 57a. The fuel gas supplied to each fuel gas channel 29 moves in the horizontal direction along the anode electrode 9, and at that time, hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode electrode 9. Unused fuel gas is supplied to the anode electrode 9 while moving through the fuel gas passage 29, and the right flat portion 45 of the second separator plate 15 and the solid polymer electrolyte membrane from the end of the fuel gas passage 29. 7, and further passes through the fuel gas passage 57 b and is discharged from the outlet side fuel gas communication hole 47 b to the outlet side fuel gas passage 73.
[0034]
Air is supplied to the inlet-side oxidant gas flow path 75 and moves from the inlet-side oxidant gas communication hole 49a to the oxidant gas flow paths 27 through the oxidant gas flow path 53a. Then, the air supplied to each oxidant gas flow path 27 moves in the horizontal direction along the cathode electrode 11, and oxygen gas in the air is supplied to the cathode electrode 11 at that time. Unused air is supplied to the cathode electrode 11 while moving through the oxidant gas flow path 27, and from the end of the oxidant gas flow path 27 to the left flat portion 39 of the first separator plate 13 and the solid polymer electrolyte. It moves between the membrane 7 and further passes through the oxidant gas flow path 53 b and is discharged from the outlet side oxidant gas communication hole 49 b to the outlet side oxidant gas flow path 77. As a result, power is generated by the unit fuel cell 83 and, for example, power is supplied to a motor (not shown).
[0035]
Furthermore, the cooling medium is supplied to the inlet side cooling medium flow path 79, moves from the inlet side cooling medium communication hole 51 a to the cooling medium flow path 67 a, and is supplied from here to each cooling medium flow path 25. The cooling medium supplied to the cooling medium flow path 25 cools the power generation surface while moving in the horizontal direction in the cooling medium flow path 25, and the cooled cooling medium passes from the end of the cooling medium flow path 25 to the cooling medium flow path 67b. And is discharged from the outlet side cooling medium communication hole 51b to the outlet side cooling medium flow path 81.
[0036]
In the separator 3 configured as described above, the height h1 of the wave portion 19 of the first separator plate 13 is made larger than the height h2 of the wave portion 23 of the second separator plate 15, and Since the convex portion 23a of the wave portion 23 of the second separator plate 15 is superimposed on the concave portion 19b of the wave portion 19, rather than overlapping the convex portion 19a of the wave portion 19 and the convex portion 23a of the wave portion 23, The thickness of the separator 3 can be reduced, and the contact area between the first separator plate 13 and the second separator plate 15 can be increased.
Moreover, since the 1st separator plate 13 and the 2nd separator plate 15 of the separator 3 can be manufactured by press molding, it is suitable for mass production and can aim at cost reduction.
[0037]
Therefore, the dimension in the stacking direction of the fuel cell 1 configured by alternately stacking the separators 3 and the electrode film structures 5 can be shortened, and the fuel cell 1 can be made compact. Incidentally, the thickness of the unit fuel cell of this embodiment is a separator based on the current carbon material when the cross-sectional areas of the coolant flow path, the fuel gas flow path, and the oxidant gas flow path are exactly the same. Compared to the thickness of the unit fuel cell using, it is almost halved. This is particularly effective in a fuel cell for a vehicle in which the mounting space is limited and miniaturization is required.
Further, since the contact area between the first separator plate 13 and the second separator plate 15 of the separator 3 is large, the contact resistance can be reduced.
[0038]
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the material of the first separator plate 13 and the second separator plate 15 is not limited to stainless steel, but may be composed of other metals having anticorrosion properties, or may be a rust preventive film having excellent conductivity. You may comprise a coated metal plate.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the thickness of the fuel cell separator including the cooling medium flow path, the oxidant gas flow path, and the fuel gas flow path can be reduced. Therefore, when a fuel cell is configured by laminating the fuel cell separator and the electrode membrane structure, an excellent effect that the dimension in the stacking direction of the fuel cell can be shortened is achieved.
[0040]
  Moreover, since the convex part of the other metal corrugated sheet with a low corrugated part is overlapped with the concave part of one metallic corrugated sheet with a large corrugated part, the contact area between the metallic corrugated sheets Increases, so that the contact resistance can be reduced.
  Further, an oxidant gas flow path is formed by the concave portion of one of the metal corrugated plates having a large height of the corrugated portion of the concave portions on both outer sides of the pair of metal corrugated plates, and the height of the corrugated portion is Since the fuel gas flow path is formed by the recess of the other lower metal corrugated plate, the cross-sectional area of the oxidant gas can be made larger than the cross-sectional area of the fuel gas flow path.
  According to the invention described in claim 2, since the dimension of the fuel cell in the stacking direction can be shortened, an effect that the fuel cell can be made compact is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel cell separator and a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a front view of the first separator plate as viewed from the direction A in FIG.
FIG. 3 is a front view of the first separator plate as viewed from the direction B in FIG.
4 is a front view of the second separator plate as viewed from the direction C in FIG. 1. FIG.
5 is a front view of the electrode film structure as viewed from the direction D in FIG. 1. FIG.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing an example of a fuel cell separator composed of a conventional metal corrugated plate and a fuel cell using the same.
[Explanation of symbols]
1 ... Fuel cell
3 ... Fuel cell separator
5 ... Electrode film structure
7 ... Solid polymer electrolyte membrane
9 ... Anode electrode
11 ... Cathode electrode
13 ... 1st separator plate (one metal corrugated plate)
15 ... 2nd separator plate (other metal corrugated plate)
19 ... Wave
19b ... recess
23 ... Wave
23a ... convex part
25 ... Cooling medium flow path
27 ... Oxidant gas flow path
29 ... Fuel gas flow path

Claims

波部の高さが異なり波部のピッチが同じである一対の金属製波板を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却媒体流路を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータ。A pair of metal corrugated plates with different corrugated heights and the same pitch of corrugated portions are provided, and the corrugated portion of one metallic corrugated plate with a large corrugated portion is disposed in the other corrugated portion with a low corrugated portion. The metal corrugated plate projections are overlapped to form a coolant flow path through which a coolant for cooling the fuel cell flows in the space between the recesses and the projections, and the pair of metal plates in the recess of the one height is large metallic corrugated plate wave portion forming the oxidant gas flow path of the both outer sides of the recess of the corrugated sheet, the height is low the other wave portion of the metallic corrugated plate A fuel cell separator is formed by a recess of the fuel cell.

固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成された電極膜構造体と、前記請求項１記載の燃料電池用セパレータとを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池。 2. A fuel cell comprising: an electrode membrane structure configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode; and a fuel cell separator according to claim 1 alternately stacked. .