JP4821111B2

JP4821111B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4821111B2
Application number: JP2004354860A
Authority: JP
Inventors: 誠治佐野; 博道佐藤; 佳史大田; 文彦乾; ▲隆▼ 梶原; 祥宇佐美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: JP2006164764A

Description

この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、単セルと呼ばれる構造を単位として形成されており、単セルは、電解質層と、電解質層の両面に設けられた触媒層と、触媒層のさらに外側に設けられたガス流路と、を備えている。燃料電池の構造の一例として、上記ガス流路を、カーボン多孔質体によって構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池では、触媒上で進行する電気化学反応に供されるガスは、カーボン多孔質体内に形成される空間を通過する。 The fuel cell is formed in units of a structure called a single cell. The single cell includes an electrolyte layer, a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte layer, and a gas flow path provided further outside the catalyst layer. It is equipped with. As an example of the structure of a fuel cell, one in which the gas flow path is constituted by a carbon porous body is known (see, for example, Patent Document 1). In such a fuel cell, the gas used for the electrochemical reaction that proceeds on the catalyst passes through a space formed in the carbon porous body.

特開平８−２５５６１９号公報JP-A-8-255619 特開平６−３４９５０８号公報JP-A-6-349508 特開２００２−３６７６５５号公報JP 2002-367655 A

燃料電池では、一般に、アノード側に供給される燃料ガスとしては、水素ガスや、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスが用いられ、カソード側に供給される酸化ガスとしては空気が用いられる。このように、活物質（酸素）濃度が低い空気を酸化ガスとして用いる場合には、燃料電池にガスを供給する際には、カソード側ガス流路に供給する酸化ガス流量を、アノード側ガス流路に供給する燃料ガス流量よりも、多くする必要がある。 In a fuel cell, in general, hydrogen gas or hydrogen-rich gas obtained by reforming hydrocarbon fuel is used as the fuel gas supplied to the anode side, and air is used as the oxidizing gas supplied to the cathode side. Used. Thus, when air with a low active material (oxygen) concentration is used as the oxidizing gas, when supplying gas to the fuel cell, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode side gas flow path is set to the anode side gas flow. It is necessary to increase the flow rate of the fuel gas supplied to the road.

ここで、燃料電池にガスを供給する際には、ガス流路における圧力損失を抑えることが望ましいが、上記のように一方のガス流路に供給するガス流量を相対的に多くする場合には、この一方のガス流路において圧力損失が大きくなってしまう。圧力損失を低減するには、ガス流路におけるガスが通過可能な空間をより大きくすればよいが、ガス流路を構成する多孔質体を大きくするという方法は、燃料電池全体が大型化してしまうため採用し難い。その他に、ガス流路を構成する多孔質体の気孔率を上昇させる方法も考えられる。ここで、カーボンは、導電性および耐食性に優れ、燃料電池の構成部材を形成する材料として優れた性質を有しているが、カーボン多孔質体の気孔率を上昇させることによってガスが通過可能な空間を確保しようとすると、カーボン多孔質体全体の強度が不十分となる可能性がある。 Here, when supplying gas to the fuel cell, it is desirable to suppress the pressure loss in the gas flow path, but when relatively increasing the gas flow rate supplied to one gas flow path as described above, The pressure loss becomes large in this one gas flow path. In order to reduce the pressure loss, it is only necessary to increase the space through which the gas can pass in the gas flow path. However, the method of enlarging the porous body constituting the gas flow path results in an increase in the size of the entire fuel cell. Therefore, it is difficult to adopt. In addition, a method of increasing the porosity of the porous body constituting the gas flow path is also conceivable. Here, carbon is excellent in conductivity and corrosion resistance, and has excellent properties as a material for forming a constituent member of a fuel cell. However, gas can pass through by increasing the porosity of the carbon porous body. If an attempt is made to secure the space, the strength of the entire carbon porous body may be insufficient.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の大型化や強度の低下を伴うことなくガス流路の空間を確保して、圧力損失を低減することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is intended to reduce the pressure loss by ensuring the space of the gas flow path without increasing the size of the fuel cell or reducing the strength. Objective.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、
各々の前記電極上に配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、該多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、前記電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と
を備え、
前記ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材に比べて、靱性がより高い材料によって形成されると共に、気孔率がより高い多孔質体から成ることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte layer;
An electrode comprising a catalyst formed on both surfaces of the electrolyte layer;
A gas flow path disposed on each of the electrodes and formed by a porous body having electron conductivity, and comprising pores formed in the porous body, is supplied to and discharged from the electrodes. And a gas flow path forming member
Among the gas flow path forming members, the gas flow path forming member that forms the gas flow path on one side where the flow rate of the supplied gas is larger is the gas flow path forming member that forms the other gas flow path. The gist of the present invention is that it is made of a material having higher toughness and having a higher porosity.

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成するガス流路形成部材を、他方のガス流路を形成するガス流路形成部材よりも靱性が高い材料によって形成しているため、気孔率をより高くしても、ガス流路形成部材全体の強度を保つことができる。したがって、供給されるガスの流量がより多い側のガス流路形成部材を大型化しなくても、ガス流路形成部材の気孔率をより高くすることで、ガス流路となる空間を確保し、圧力損失を低減することができる。 According to the fuel cell of the present invention configured as described above, the gas flow path forming member that forms the gas flow path on one side where the flow rate of the supplied gas is higher is formed on the other gas flow path. Since it is formed of a material having higher toughness than the gas flow path forming member, the strength of the entire gas flow path forming member can be maintained even if the porosity is higher. Therefore, without increasing the size of the gas flow path forming member on the side where the flow rate of the supplied gas is larger, by increasing the porosity of the gas flow path forming member, a space serving as the gas flow path is secured, Pressure loss can be reduced.

本発明の燃料電池において、前記一方の側のガス流路は、カソード側のガス流路であり、前記他方のガス流路は、アノード側のガス流路であることとしても良い。例えば、カソード側に供給するガスとして簡便な空気を用いる場合には、カソード側に供給するガスの方がガス量がより多くなり、上記構成とすることで既述した効果が得られる。 In the fuel cell of the present invention, the gas flow path on the one side may be a gas flow path on the cathode side, and the gas flow path on the other side may be a gas flow path on the anode side. For example, when simple air is used as the gas supplied to the cathode side, the gas supplied to the cathode side has a larger gas amount, and the above-described effects can be obtained by adopting the above configuration.

本発明の燃料電池において、さらに、
各々の前記ガス流路形成部材の外側に隣接して設けられ、電子伝導性を有すると共に、前記ガス流路の外壁の一部を構成するセパレータを備え、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、前記他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材よりも、曲げ強度が強く、
前記一方の側の前記セパレータは、前記他方の側の前記セパレータよりも、厚みが薄く形成されていることとしても良い。 In the fuel cell of the present invention,
Provided adjacent to the outside of each of the gas flow path forming members, and has a separator that constitutes part of the outer wall of the gas flow path while having electron conductivity,
The gas flow path forming member that forms the one gas flow path is stronger in bending strength than the gas flow path forming member that forms the gas flow path on the other side,
The separator on the one side may be formed thinner than the separator on the other side.

このような構成にすれば、曲げ強度がより強いガス流路形成部材を設けた一方の側では、セパレータの外部から印加される圧力が面内で不均一な場合であっても、ガス流路形成部材が、この不均一な面圧を吸収することができる。したがって、上記一方の側のセパレータをより薄く形成しても、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。このように、セパレータの薄型化が可能となることで、燃料電池をさらに小型化することができる。なお、セパレータは、例えば、ガス流路形成部材に当接する表面が平坦な板状部材とすることができる。この場合には、燃料電池は、表面が平坦な板状部材の積層体となり、燃料電池の構成および燃料電池の組み立て工程を簡素化できる。 With such a configuration, on one side where the gas flow path forming member having higher bending strength is provided, even if the pressure applied from the outside of the separator is non-uniform in the plane, the gas flow path The forming member can absorb this uneven surface pressure. Therefore, even if the separator on one side is formed thinner, the surface pressure applied to the electrode and the electrolyte layer can be made uniform. Thus, the fuel cell can be further reduced in size by making the separator thinner. The separator can be a plate-like member having a flat surface that contacts the gas flow path forming member, for example. In this case, the fuel cell is a laminated body of plate-like members having a flat surface, and the configuration of the fuel cell and the assembly process of the fuel cell can be simplified.

また、上記燃料電池において、
前記燃料電池は、前記電解質層、前記電極、前記ガス流路形成部材および前記セパレータを備える単セルを複数積層することによって形成されており、
隣り合う前記単セル間には、各々の前記単セルが備える前記セパレータの間に、冷媒の流路を形成する中空部と、該中空部以外の領域である中実部とを備える冷媒流路形成部材が配設されていることとしても良い。 In the fuel cell,
The fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells including the electrolyte layer, the electrode, the gas flow path forming member, and the separator,
Between the adjacent single cells, a refrigerant flow path including a hollow part forming a refrigerant flow path between the separators provided in each of the single cells and a solid part that is an area other than the hollow part. The forming member may be disposed.

このような場合には、セパレータ外から単セル内部に印加される圧力が、冷媒流路形成部材における中空部に対応する領域ではより低くなり、中実部に対応する領域ではより高くなる。このように、単セルに印加される面圧が不均一となっても、供給されるガス流量が少ない上記他方の側では、セパレータの厚みを確保することによって、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。また、上記一方の側では、流路形成部材の曲げ強度をより強く形成することによって、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。 In such a case, the pressure applied from the outside of the separator to the inside of the single cell is lower in the region corresponding to the hollow portion in the refrigerant flow path forming member, and higher in the region corresponding to the solid portion. In this way, even if the surface pressure applied to the single cell becomes non-uniform, on the other side where the flow rate of the supplied gas is small, the separator and the electrolyte layer are applied by securing the thickness of the separator. The surface pressure can be made uniform. In addition, on the one side, the surface pressure applied to the electrode and the electrolyte layer can be made uniform by forming the flow path forming member with higher bending strength.

本発明の燃料電池において、前記他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、カーボン多孔質体から成ることとしても良い。カーボン多孔質体は、耐食性に優れておりガス流路形成部材の構成部材として望ましいが、ガス流量が多い側の流路形成部材を、カーボンよりも靱性の高い材料で形成することにより、燃料電池全体を効果的に小型化することができる。 In the fuel cell of the present invention, the gas flow path forming member forming the other gas flow path may be made of a carbon porous body. The carbon porous body is excellent in corrosion resistance and is desirable as a constituent member of the gas flow path forming member. However, by forming the flow path forming member on the side having a larger gas flow rate with a material having higher toughness than carbon, the fuel cell The whole can be effectively downsized.

本発明の燃料電池において、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、金属製多孔質体から成ることとしても良い。 In the fuel cell of the present invention,
The gas flow path forming member forming the one gas flow path may be made of a metal porous body.

金属は、カーボンに比べて靱性が高い材料であり、金属を多孔質化することにより、カーボン多孔質体よりも曲げ強度の強い部材を容易に作製することができる。 Metal is a material having higher toughness than carbon, and by making the metal porous, a member having a bending strength stronger than that of the carbon porous body can be easily produced.

このような金属製多孔質体は、例えば、チタン製とすることができる。チタンは、特に耐食性に優れた材料であり、燃料電池内部のガス流路を形成する部材の材料として適している。 Such a metal porous body can be made of, for example, titanium. Titanium is a material particularly excellent in corrosion resistance, and is suitable as a material for a member that forms a gas flow path inside the fuel cell.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell system including the fuel cell of the present invention.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.

Ａ．燃料電池の構成：
本発明の実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図１は、実施例の燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。図１に示すように、実施例の燃料電池は、複数の単セル２０を積層して構成されている。単セル２０は、電解質層を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２１と、ＭＥＡ２１を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス流路形成部材２２，２３と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ２４，２５とを備えている。 A. Fuel cell configuration:
A fuel cell according to an embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a fuel cell according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell of the embodiment is configured by stacking a plurality of single cells 20. The unit cell 20 includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) 21 including an electrolyte layer, gas flow path forming members 22 and 23 that sandwich the MEA 21 from both sides to form a sandwich structure, and this sandwich structure. Further, separators 24 and 25 sandwiched from both sides are provided.

ＭＥＡ２１は、電解質層３０と、電解質層３０を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード３１およびカソード３２を備えている。電解質層３０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。アノード３１およびカソード３２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。アノード３１およびカソード３２を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層３０上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、アノード３１およびカソード３２を形成することができる。 The MEA 21 includes an electrolyte layer 30 and an anode 31 and a cathode 32 that are electrodes formed on the surface of the electrolyte layer 30 with the electrolyte layer 30 interposed therebetween. The electrolyte layer 30 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. The anode 31 and the cathode 32 include a catalyst that promotes an electrochemical reaction, for example, platinum or an alloy made of platinum and another metal. In order to form the anode 31 and the cathode 32, for example, carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal is produced, and the carbon powder carrying the catalyst is dispersed in a suitable organic solvent, and an electrolyte is prepared. A paste may be prepared by adding an appropriate amount of a solution (for example, Aldrich Chemical, Nafion Solution). By applying this paste on the electrolyte layer 30 by a method such as screen printing, the anode 31 and the cathode 32 can be formed.

ガス流路形成部材２２，２３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。アノード側のガス流路形成部材２２は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体によって形成されている。また、カソード側のガス流路形成部材２３は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の発泡金属を用いている。ここで、本実施例では、アノード側に配設されるガス流路形成部材２２よりも、カソード側に配設されるガス流路形成部材２３の方が、気孔率がより高く形成されている。このように多孔質体から成るガス流路形成部材２２，２３は、電極とセパレータとの間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間を、電気化学反応に供されるガスが通過する。すなわち、アノード３１とセパレータ２４との間でガス流路形成部材２２内部の細孔によって形成される空間は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路を形成する。また、カソード３２とセパレータ２５との間でガス流路形成部材２３内部の細孔によって形成される空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路を形成する。ここで、既述したようにガス流路形成部材２２よりもガス流路形成部材２３の方が気孔率が高く形成されており、また、ガス流路形成部材２２，２３は、ほぼ同じ厚みに形成されているため、単セル内燃料ガス流路よりも単セル内酸化ガス流路の方が、流路容積が大きくなっている。このようなガス流路形成部材２２，２３は、アノード３１あるいはカソード３２と接触することによって、集電を行なう。 The gas flow path forming members 22 and 23 are configured by members having gas permeability and electron conductivity. The gas flow path forming member 22 on the anode side is formed of a carbon porous body such as carbon cloth or carbon paper. The cathode-side gas flow path forming member 23 is formed of a metal porous body such as a foam metal or a metal mesh. In this embodiment, a foam metal made of titanium is used. Here, in this embodiment, the gas flow path forming member 23 disposed on the cathode side has a higher porosity than the gas flow path forming member 22 disposed on the anode side. . Thus, the gas flow path forming members 22 and 23 made of a porous body are arranged so as to occupy the entire space formed between the electrode and the separator, and are formed from a large number of pores formed inside. A gas to be subjected to an electrochemical reaction passes through the space. That is, the space formed by the pores in the gas flow path forming member 22 between the anode 31 and the separator 24 forms a fuel cell flow path in the single cell through which the fuel gas containing hydrogen passes. Further, the space formed by the pores inside the gas flow path forming member 23 between the cathode 32 and the separator 25 forms an in-single cell oxidizing gas flow path through which the oxidizing gas containing oxygen passes. Here, as described above, the gas flow path forming member 23 has a higher porosity than the gas flow path forming member 22, and the gas flow path forming members 22, 23 have substantially the same thickness. Thus, the flow volume of the oxidizing gas flow path in the single cell is larger than that of the fuel gas flow path in the single cell. Such gas flow path forming members 22 and 23 collect current by contacting the anode 31 or the cathode 32.

セパレータ２４，２５は、電子伝導性を有する材料で形成されたガス不透過な部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材やカーボン部材によって形成することができる。本実施例のセパレータ２４，２５は、凹凸のない平坦な表面を有する薄板状に形成されている。また、カソード側に配設されるセパレータ２５は、アノード側に配設されるセパレータ２４に比べて、より薄く形成されている。 The separators 24 and 25 are gas-impermeable members formed of a material having electron conductivity, and can be formed of, for example, a metal member such as stainless steel or a carbon member. The separators 24 and 25 of the present embodiment are formed in a thin plate shape having a flat surface without unevenness. Further, the separator 25 disposed on the cathode side is formed thinner than the separator 24 disposed on the anode side.

ここで、例えば、カソード側のセパレータ２５をガス流路形成部材２３と同種の金属、すなわちチタンによって形成し、セパレータ２５とガス流路形成部材２３とを溶接や拡散接合などにより接合してもよい。これにより、セパレータ２５とガス流路形成部材２３との間の接触抵抗を低減し、燃料電池の内部抵抗を低減することができる。あるいは、ガス流路形成部材と、このガス流路形成部材に隣接するセパレータとが異なる材料により形成される場合には、ガス流路形成部材と接触するセパレータ表面に、ガス流路形成部材と同じ材料から成る微粒子を埋め込むこととしても良い。このように、同種の材料同士が接触する接触部を確保することで、ガス流路形成部材とセパレータとの間の接触抵抗を低減することとしても良い。 Here, for example, the cathode-side separator 25 may be formed of the same type of metal as the gas flow path forming member 23, that is, titanium, and the separator 25 and the gas flow path forming member 23 may be bonded by welding, diffusion bonding, or the like. . Thereby, the contact resistance between the separator 25 and the gas flow path forming member 23 can be reduced, and the internal resistance of the fuel cell can be reduced. Alternatively, when the gas flow path forming member and the separator adjacent to the gas flow path forming member are formed of different materials, the same surface as the gas flow path forming member is formed on the separator surface in contact with the gas flow path forming member. It is also possible to embed fine particles made of a material. Thus, it is good also as reducing the contact resistance between a gas flow path formation member and a separator by ensuring the contact part which the same kind of materials contact.

なお、単セル２０の外周部には、単セル内燃料ガス流路および単セル内酸化ガス流路におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル２０が積層されたスタック構造の外周部には、単セル２０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路（ガス流路形成部材２２）内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路（ガス流路形成部材２３）内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。図１では、単セル内燃料ガス流路における燃料ガス（Ｈ₂）と単セル内酸化ガス流路における酸化ガス（Ｏ₂）とは並行に流れるように記載しているが、これらのガスの流れは、ガスマニホールドの配置によって、上記した並行の他、対向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。 In addition, a sealing member such as a gasket is disposed on the outer peripheral portion of the single cell 20 in order to ensure gas sealing performance in the single-cell fuel gas flow path and the single-cell oxidizing gas flow path. In addition, a plurality of gas manifolds (not shown) through which fuel gas or oxidizing gas flows are provided in the outer peripheral portion of the stack structure in which the single cells 20 are stacked in parallel with the stacking direction of the single cells 20. . The fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 20 and is supplied to an electrochemical reaction in each single cell fuel gas flow path (gas flow path forming member 22). And then collect in the fuel gas discharge manifold. Similarly, the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply manifold is distributed to each single cell 20 and passes through each single cell oxidant gas flow path (gas flow path forming member 23) while being subjected to an electrochemical reaction, and thereafter Collect in the oxidizing gas discharge manifold. In FIG. 1, the fuel gas (H ₂ ) in the single-cell fuel gas flow path and the oxidizing gas (O ₂ ) in the single-cell oxidizing gas flow path are shown to flow in parallel. Depending on the arrangement of the gas manifold, the flow may flow in different directions such as facing and orthogonal, in addition to the above-described parallel.

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.

図１に示す燃料電池では、さらに、隣り合う単セルの間、すなわち、ある単セルを構成するセパレータ２４と、この単セルに隣接する単セルが備えるセパレータ２５との間には、冷媒流路形成部材２６が配設されている。冷媒流路形成部材２６は、電子伝導性を有する材料で形成された板状部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材や緻密質カーボンなどのカーボン部材によって形成されている。冷媒流路形成部材２６には、冷媒流路形成部材２６を厚み方向に貫通する所定の形状の貫通孔が設けられている。この貫通孔は、冷媒流路形成部材２６に隣接するセパレータ２４およびセパレータ２５に挟まれることで、冷媒流路３５（図１参照）を形成する。単セル２０が積層されたスタック構造の外周部には、既述したガスを給排するマニホールドに加えて、冷媒を給排するための冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドが設けられている（図示せず）。冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、各単セル間において冷媒流路形成部材２６によって形成される冷媒流路３５に分配され、冷媒流路３５内を流れつつスタック構造内部を冷却し、その後冷媒排出マニホールドに集合する。冷媒流路形成部材２６に設ける貫通孔は、このような冷媒流路として機能することができれば、任意の形状とすることができる。 In the fuel cell shown in FIG. 1, the refrigerant flow path is further between adjacent single cells, that is, between the separator 24 constituting a certain single cell and the separator 25 provided in the single cell adjacent to this single cell. A forming member 26 is disposed. The refrigerant flow path forming member 26 is a plate-like member formed of a material having electronic conductivity, and is formed of, for example, a metal member such as stainless steel or a carbon member such as dense carbon. The coolant channel forming member 26 is provided with a through hole having a predetermined shape that penetrates the coolant channel forming member 26 in the thickness direction. The through hole is sandwiched between the separator 24 and the separator 25 adjacent to the refrigerant flow path forming member 26, thereby forming a refrigerant flow path 35 (see FIG. 1). In addition to the above-described manifold for supplying and discharging gas, a refrigerant supply manifold and a refrigerant discharge manifold for supplying and discharging refrigerant are provided on the outer peripheral portion of the stack structure in which the single cells 20 are stacked (not shown). ) The refrigerant flowing through the refrigerant supply manifold is distributed among the single cells to the refrigerant flow path 35 formed by the refrigerant flow path forming member 26, and cools the stack structure while flowing in the refrigerant flow path 35, and then the refrigerant discharge manifold. To gather. The through hole provided in the refrigerant flow path forming member 26 can have an arbitrary shape as long as it can function as such a refrigerant flow path.

Ｂ．効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、カソード側のガス流路形成部材２３を、アノード側のガス流路形成部材２２を構成するカーボンよりも靱性の高い材料であるチタンから成る多孔質体により形成しているため、ガス流路形成部材２３において、気孔率をより高くしても、強度を維持することができる。ここで、ガス流路形成部材２３の気孔率をより高くすることにより、ガス流路形成部材２３を大型化することなく、単セル内を酸化ガスが通過する空間をより大きく確保することが可能となり、燃料ガスに比べて流量の多い酸化ガスの流路において、圧力損失を低減することができる。このように圧力損失を低減できることにより、酸化ガスを供給するために消費するエネルギを削減して、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。したがって、本実施例の燃料電池によれば、燃料電池の大型化や強度の低下を伴うことなく、酸化ガス流路における圧力損失を低減して、システム効率を向上させることができる。 B. effect:
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the cathode-side gas flow path forming member 23 is made of titanium, which is a material having higher toughness than carbon constituting the anode-side gas flow path forming member 22. Therefore, even if the porosity of the gas flow path forming member 23 is higher, the strength can be maintained. Here, by increasing the porosity of the gas flow path forming member 23, it is possible to secure a larger space for the oxidizing gas to pass through the single cell without increasing the size of the gas flow path forming member 23. Thus, the pressure loss can be reduced in the oxidizing gas flow path having a larger flow rate than the fuel gas. Since the pressure loss can be reduced in this way, the energy consumed to supply the oxidizing gas can be reduced, and the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. Therefore, according to the fuel cell of this embodiment, the pressure loss in the oxidizing gas flow path can be reduced and the system efficiency can be improved without enlarging the fuel cell and reducing the strength.

このとき、ガス流量がより少ないアノード側では、カソード側のようにガス流路形成部材の気孔率を高くしなくても圧力損失の増大を抑えることができる。したがって、ガス流路形成部材２２をカーボン多孔質体により形成していても、ガス流路形成部材２２の強度が不十分になることがなく、また、圧力損失を低減するためにガス流路形成部材２２を大型化する必要もない。このようにアノード側のガス流路形成部材２２はカーボン多孔質体を用いているため、燃料ガス流路では極めて優れた耐食性を確保することができる。 At this time, on the anode side where the gas flow rate is smaller, an increase in pressure loss can be suppressed without increasing the porosity of the gas flow path forming member as in the cathode side. Therefore, even if the gas flow path forming member 22 is formed of a carbon porous body, the strength of the gas flow path forming member 22 does not become insufficient, and the gas flow path formation is performed in order to reduce pressure loss. There is no need to increase the size of the member 22. Thus, since the anode-side gas flow path forming member 22 uses a carbon porous body, extremely excellent corrosion resistance can be secured in the fuel gas flow path.

さらに、本実施例の燃料電池では、ガス流路形成部材２３を構成するチタン多孔質体は、靱性に優れた材料により形成されていることに加えて、ガス流路形成部材２２を構成するカーボン多孔質体よりも曲げ強度に優れた部材であるといえる。このように曲げ強度に優れた部材でガス流路形成部材２３を形成することにより、カソード側のセパレータ２５を、アノード側のセパレータ２４に比べてより薄く形成することが可能となり、燃料電池全体をさらに小型化することが可能となる。すなわち、ガス流路形成部材２３の曲げ強度が優れているために、単セルに対して印加される面圧が不均一であっても、ガス流路形成部材２３が不均一な面圧を吸収して、ＭＥＡ２１にかかる面圧をより均一化することができるため、セパレータ２５を薄型化することができるのである。 Furthermore, in the fuel cell of this example, the titanium porous body constituting the gas flow path forming member 23 is formed of a material having excellent toughness, and in addition, the carbon constituting the gas flow path forming member 22 It can be said that the member is superior in bending strength to the porous body. Thus, by forming the gas flow path forming member 23 with a member having excellent bending strength, the cathode-side separator 25 can be formed thinner than the anode-side separator 24, and the entire fuel cell can be formed. Further downsizing is possible. That is, because the bending strength of the gas flow path forming member 23 is excellent, even if the surface pressure applied to the single cell is non-uniform, the gas flow path forming member 23 absorbs the non-uniform surface pressure. And since the surface pressure concerning MEA21 can be made more uniform, the separator 25 can be reduced in thickness.

ここで、各単セルに加えられる面圧が不均一になる主要な要因として、冷媒流路形成部材２６の形状が挙げられる。図２は、単セルにおいて面圧が不均一になる様子を示す説明図である。冷媒流路形成部材２６は、冷媒流路３５となる既述した貫通孔（中空部）と、実質的な部材として存在するその他の領域（中実部）と、を備えている。燃料電池では、単セルの積層方向に押圧力が加えられることによってスタック構造が保持されているが、冷媒流路形成部材２６を介して積層方向に押圧力が加えられると、単セル内では、上記中空部に対応する領域は、比較的弱い圧力がかかる低面圧領域となる。また、上記中実部に対応する領域は、比較的強い圧力がかかる高面圧領域となる。 Here, the shape of the refrigerant flow path forming member 26 is cited as a main factor that causes the nonuniform surface pressure applied to each single cell. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state in which the surface pressure becomes nonuniform in a single cell. The refrigerant flow path forming member 26 includes the above-described through-hole (hollow part) serving as the refrigerant flow path 35 and other regions (solid parts) existing as substantial members. In the fuel cell, the stack structure is held by applying a pressing force in the stacking direction of the single cells, but when a pressing force is applied in the stacking direction via the refrigerant flow path forming member 26, in the single cell, The region corresponding to the hollow portion is a low surface pressure region where a relatively weak pressure is applied. Further, the region corresponding to the solid portion is a high surface pressure region where a relatively strong pressure is applied.

このように面圧が不均一な状態では、低面圧領域では、高面圧領域に比べて、ガス流路形成部材２２，２３がＭＥＡ２１に対して押しつけられる力が弱い状態となる。したがって、低面圧領域では、ガス流路形成部材２２，２３と電極との間の接触抵抗が大きくなり、発電効率が部分的に低下する可能性がある。また、高面圧領域と低面圧領域とが生じると、電極上において、水素や酸素などの活物質が給排される効率や、生成水の移動効率、あるいは電子の移動効率なども不均一となり、発電効率が面内で部分的に低下する可能性がある。このように発電効率が面内で不均一になると、燃料電池全体としても発電効率が低下する。これに対して本実施例の燃料電池は、カソード側では、ガス流路形成部材２３を曲げ強度が強い部材で形成して不均一な面圧を吸収することによって、ＭＥＡ２１印加される面圧を均一化している。そのため、セパレータ２５をより薄く形成しても、ＭＥＡ２１に印加される面圧の不均一化を防止し、発電効率の低下を抑えることができる。なお、アノード側では、単セル外から加えられる面圧の不均一さが単セル内へと伝達されるのを抑えることができる程度に、セパレータ２４の厚みを確保しているため、セパレータ２４は、セパレータ２５よりも厚くなっている。 Thus, in the state where the surface pressure is not uniform, in the low surface pressure region, the force with which the gas flow path forming members 22 and 23 are pressed against the MEA 21 is weaker than in the high surface pressure region. Therefore, in the low surface pressure region, the contact resistance between the gas flow path forming members 22 and 23 and the electrode increases, and the power generation efficiency may partially decrease. In addition, when a high surface pressure region and a low surface pressure region are generated, the efficiency with which active materials such as hydrogen and oxygen are supplied and discharged on the electrodes, the efficiency of water transfer, and the electron transfer efficiency are also uneven. Thus, the power generation efficiency may be partially reduced in the plane. When the power generation efficiency becomes uneven in this way, the power generation efficiency of the fuel cell as a whole decreases. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment, on the cathode side, the surface pressure applied to the MEA 21 is reduced by forming the gas flow path forming member 23 with a member having high bending strength to absorb the uneven surface pressure. It is uniform. Therefore, even if the separator 25 is formed thinner, it is possible to prevent the surface pressure applied to the MEA 21 from becoming non-uniform and to suppress the reduction in power generation efficiency. On the anode side, since the thickness of the separator 24 is secured to such an extent that the nonuniformity of the surface pressure applied from outside the single cell can be suppressed to be transmitted into the single cell, the separator 24 is It is thicker than the separator 25.

さらに、本実施例のような固体高分子型の燃料電池においては、ＭＥＡ２１に印加される面圧を均一化できることによって、燃料電池の耐久性を向上させることができる。すなわち、ＭＥＡ２１に印加される面圧が不均一になると、望ましくない程度に高い圧力が電解質層３０において部分的に加えられる場合があり、これにより電解質層３０が損傷を受ける可能性がある。本実施例のように流路形成部材の構成材料を選択してＭＥＡ２１に加えられる面圧を均一化することで、上記のような電解質層３０の損傷を防止し、燃料電池全体の耐久性を向上させることができる。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell as in the present embodiment, the surface pressure applied to the MEA 21 can be made uniform, whereby the durability of the fuel cell can be improved. That is, when the surface pressure applied to the MEA 21 is not uniform, an undesirably high pressure may be partially applied in the electrolyte layer 30, which may damage the electrolyte layer 30. As in this embodiment, the constituent material of the flow path forming member is selected and the surface pressure applied to the MEA 21 is made uniform, thereby preventing the electrolyte layer 30 from being damaged as described above and improving the durability of the entire fuel cell. Can be improved.

なお、上記説明では、冷媒流路形成部材２６の形状に起因して面圧の不均一が生じることとしたが、単セル内に印加される面圧の不均一さの原因は、冷媒流路形成部材２６の形状に起因する場合に限るものではない。単セル２０に対して単セル外から加えられる面圧不均一であれば、本実施例の燃料電池の構成により、同様に面圧の不均一さを緩和することができる。 In the above description, the surface pressure non-uniformity occurs due to the shape of the refrigerant flow path forming member 26. However, the non-uniform surface pressure applied in the single cell is caused by the refrigerant flow path. However, the present invention is not limited to the case of the shape of the forming member 26. If the surface pressure applied to the single cell 20 from outside the single cell is not uniform, the nonuniform surface pressure can be similarly reduced by the configuration of the fuel cell of this embodiment.

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 E. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｅ１．変形例１：
カソード側のガス流路形成部材２３は、チタン以外の材料により形成しても良い。すなわち、チタンを含有する金属は、純度の高いチタンの他、チタン合金も含めて、耐食性に優れた金属であり、強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましいが、他の材料を選択しても良い。例えば、ステンレス製の多孔質体や、ステンレス製の多孔質体表面をさらに金などの貴金属でメッキした部材等、他種の金属から成る多孔質体により、ガス流路形成部材２３を形成しても良い。アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて靱性の高い（あるいは脆性の低い）材料によって形成するならば、アノード側のガス流路形成部材よりも気孔率を高く形成しても、燃料電池の構成部材として充分な強度を保つことが可能となり、燃料電池を大型化することなく酸化ガス側の圧力損失を低減することができる。また、このような多孔質体が、アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて曲げ強度がより強い多孔質体であれば、単セル外部から加えられる圧力が面内で不均一となる場合にも、この面圧の不均一さを吸収して、電極表面における接触抵抗を面全体で良好に保つことができる。 E1. Modification 1:
The gas flow path forming member 23 on the cathode side may be formed of a material other than titanium. That is, the metal containing titanium is a metal having excellent corrosion resistance, including titanium alloy in addition to high-purity titanium, and is used as a component material for forming an oxidizing gas flow path in a single cell that forms a strong oxidizing atmosphere. Although desirable, other materials may be selected. For example, the gas flow path forming member 23 is formed of a porous body made of another kind of metal, such as a porous body made of stainless steel or a member in which the surface of the porous body made of stainless steel is further plated with a noble metal such as gold. Also good. If it is made of a material having higher toughness (or less brittleness) than the carbon porous body used on the anode side, the structure of the fuel cell can be achieved even if the porosity is higher than that of the gas flow path forming member on the anode side. It becomes possible to maintain sufficient strength as a member, and the pressure loss on the oxidizing gas side can be reduced without increasing the size of the fuel cell. In addition, if such a porous body is a porous body having a higher bending strength than the carbon porous body used on the anode side, the pressure applied from the outside of the single cell is not uniform in the plane. However, this non-uniform surface pressure can be absorbed and the contact resistance on the electrode surface can be kept good over the entire surface.

Ｅ２．変形例２：
また、金属などの剛性の高い材料で形成したガス流路形成部材２３とＭＥＡ２１との間に、さらに、ガス流路形成部材２３に比べて柔らかく、電子伝導性を有する多孔質体からなる部材を設けても良い。例えば、ガス流路形成部材２３よりも薄く形成したカーボン多孔質体を設けることとしても良い。ここでいう柔らかさとは、部材を構成する材料の柔らかさを表わすものではなく、部材全体としての柔らかさを表わしており、例えば圧縮弾性率によって表わされる柔らかさをいう。このような柔らかい部材をガス流路形成部材２３とカソード３２との間に介在させることで、カソード３２上での接触面積をより大きく確保して、カソード３２における集電性を向上させることができる。また、柔らかい部材を介在させることで、ガス流路形成部材２３がＭＥＡ２１側に対してより強い圧力で押圧される場合にも、電解質層３０の損傷を防止することができる。 E2. Modification 2:
Further, a member made of a porous material that is softer and more electronically conductive than the gas flow path forming member 23 is interposed between the gas flow path forming member 23 formed of a highly rigid material such as metal and the MEA 21. It may be provided. For example, a carbon porous body formed thinner than the gas flow path forming member 23 may be provided. Here, the softness does not represent the softness of the material constituting the member, but represents the softness of the entire member, for example, the softness represented by the compression modulus. By interposing such a soft member between the gas flow path forming member 23 and the cathode 32, it is possible to secure a larger contact area on the cathode 32 and improve the current collecting property at the cathode 32. . Further, by interposing a soft member, it is possible to prevent damage to the electrolyte layer 30 even when the gas flow path forming member 23 is pressed against the MEA 21 side with a stronger pressure.

Ｅ３．変形例３：
実施例では、セパレータ２４，２５を、表面が平坦な板状部材としたが、異なる形状としても良い。例えば、単セル内ガス流路を形成する側の面において、凹凸形状が形成されていても良い。このような場合にも、セパレータとＭＥＡ２１との間に形成される単セル内ガス流路全体が、多孔質体であるガス流路形成部材によって形成されるならば、カソード側のガス流路形成部材の気孔率をより高くすると共に面圧の不均一さを吸収することによる同様の効果が得られる。 E3. Modification 3:
In the embodiment, the separators 24 and 25 are plate-like members having a flat surface, but may have different shapes. For example, a concavo-convex shape may be formed on the surface on the side where the gas flow path in the single cell is formed. Even in such a case, if the entire gas flow path in the single cell formed between the separator and the MEA 21 is formed by the gas flow path forming member that is a porous body, the gas flow path formation on the cathode side is formed. The same effect can be obtained by increasing the porosity of the member and absorbing the nonuniformity of the surface pressure.

Ｅ４．変形例４：
実施例では、カソード側に供給されるガス流量をより多くして、カソード側のガス流路形成部材を、より靱性が高い材料によって形成すると共に、より気孔率が高い多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。燃料ガスおよび酸化ガスとして選択するガスによって、いずれのガス流量が多い場合であっても、本発明を適宜適用することができる。 E4. Modification 4:
In the embodiment, the gas flow rate supplied to the cathode side is increased, and the gas flow path forming member on the cathode side is formed of a material having higher toughness and a porous body having higher porosity. A different configuration may be used. The present invention can be applied as appropriate regardless of the flow rate of the gas selected as the fuel gas and the oxidizing gas.

Ｅ５．変形例５：
また、実施例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしても良い。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。 E5. Modification 5:
Further, the present invention may be applied to a fuel cell of a different type from the embodiment. For example, it can be applied to a direct methanol fuel cell. Or the fuel cell which has electrolyte layers other than a solid polymer may be sufficient, and the same effect is acquired by applying this invention.

実施例の燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing the outline of a structure of the fuel cell of an Example. 単セルにおいて面圧が不均一になる様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that surface pressure becomes non-uniform in a single cell.

Explanation of symbols

２０…単セル
２１…ＭＥＡ
２２，２３…ガス流路形成部材
２４，２５…セパレータ
２６…冷媒流路形成部材
３０…電解質層
３１…アノード
３２…カソード
３５…冷媒流路 20 ... single cell 21 ... MEA
22, 23 ... Gas flow path forming member 24, 25 ... Separator 26 ... Refrigerant flow path forming member 30 ... Electrolyte layer 31 ... Anode 32 ... Cathode 35 ... Refrigerant flow path

Claims

A fuel cell,
An electrolyte layer;
An electrode comprising a catalyst formed on both surfaces of the electrolyte layer;
On each of the electrodes, a metal separator having electron conductivity provided so as to form a space between the electrodes,
A space formed by a porous body that is disposed so as to occupy the entire space in contact with both the electrode and the separator and that has electronic conductivity, and is formed of pores formed in the porous body. Comprises a gas flow path forming member that becomes a flow path of gas supplied to and discharged from the electrode,
Among the gas flow path forming members, the gas flow path forming member that forms the gas flow path on one side where the flow rate of the supplied gas is larger is the gas flow path that forms the gas flow path on the other side. compared to the formation member, the toughness and bending strength are formed by a higher metal material, Ri consists porosity higher porous body,
The gas flow path forming member forming the gas flow path on the other side is composed of a carbon porous body,
The separator is a plate-like member having a flat surface in contact with the gas flow path forming member,
The separator on one side is formed thinner than the separator on the other side,
The fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells including the electrolyte layer, the electrode, the gas flow path forming member, and the separator,
Between the adjacent single cells, a refrigerant flow path including a hollow part forming a refrigerant flow path between the separators provided in each of the single cells and a solid part that is an area other than the hollow part. A fuel cell in which a forming member is disposed .

The fuel cell according to claim 1, wherein
The one side gas flow path is a cathode side gas flow path, and the other side gas flow path is an anode side gas flow path.

The fuel cell according to claim 1 or 2 ,
The metal porous body is made of titanium. Fuel cell.