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JP5301406B2 - Fuel cell - Google Patents

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JP5301406B2
JP5301406B2 JP2009229534A JP2009229534A JP5301406B2 JP 5301406 B2 JP5301406 B2 JP 5301406B2 JP 2009229534 A JP2009229534 A JP 2009229534A JP 2009229534 A JP2009229534 A JP 2009229534A JP 5301406 B2 JP5301406 B2 JP 5301406B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve discharge performance of generated water on a reaction gas passage side and to enable to circulate uniformly the reaction gas on the separator surface. <P>SOLUTION: A fuel gas passage 34 which is communicated between a fuel gas supply communication hole 24a and a fuel gas exhaust communication hole 24b is formed on a surface 18a going to an electrolyte membrane-electrode structure 16 of a first metal separator 18 constituting a fuel cell 10. The fuel gas passage 34 has a plurality of linear passages 34a and an entrance buffer portion 36a and an exit buffer portion 36b that are installed in the vicinity of the entrance and the vicinity of the exit of the linear passage 34a. The entrance buffer portion 36a is divided into three regions 40a, 40b and 40c which are mutually independent and of which passage cross-section is established to be equal by two continuing linear guide projections 38a, 38b with different length. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure having electrodes provided on both surfaces of an electrolyte and a corrugated metal separator are laminated, and a fuel gas or an oxidant gas is circulated on one surface of the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas channel is formed and a reaction gas communication hole through which the fuel gas or the oxidant gas flows is formed.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of unit cells.

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the above fuel cell, a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode side electrode, and the cathode side electrode is opposed in the plane of the other separator. An oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

その際、セパレータには、燃料電池の積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体を流す冷却媒体連通孔が形成される、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合がある。   At that time, the separator is formed with a fuel gas communication hole through which fuel gas passes through in the stacking direction of the fuel cell, an oxidant gas communication hole through which oxidant gas flows, and a cooling medium communication hole through which a cooling medium flows. An internal manifold type fuel cell may be configured.

この種の燃料電池として、例えば、特許文献1が知られている。図6に示すように、この特許文献1に開示されているセパレータ1は、例えば、燃料ガス流路2を設けるとともに、前記燃料ガス流路2は、主流路部3を有している。主流路部3は、配流部4及び合流部5を介して入口マニホールド6a及び出口マニホールド6bに連通している。   For example, Patent Document 1 is known as this type of fuel cell. As shown in FIG. 6, the separator 1 disclosed in Patent Document 1 is provided with, for example, a fuel gas passage 2, and the fuel gas passage 2 has a main passage portion 3. The main flow path portion 3 communicates with the inlet manifold 6 a and the outlet manifold 6 b via the flow distribution portion 4 and the merge portion 5.

主流路部3は、複数のリブ7aにより分割されており、配流部4及び合流部5は、複数のリブ7b、7cにより分割されている。各リブ7b、7cは、長手方向の途中で分割部8a、8bにより複数に分割されている。各リブ7b、7cの分割部8a、8bは、隣接するリブ7b、7cの分割部8a、8bとはセパレータ1の長手方向に位置をずらせて配置されている。   The main flow path part 3 is divided | segmented by the some rib 7a, and the distribution part 4 and the confluence | merging part 5 are divided | segmented by the some rib 7b, 7c. Each of the ribs 7b and 7c is divided into a plurality of parts by divided parts 8a and 8b in the middle of the longitudinal direction. The divided portions 8a and 8b of the ribs 7b and 7c are arranged so as to be shifted in the longitudinal direction of the separator 1 from the divided portions 8a and 8b of the adjacent ribs 7b and 7c.

特開2006−172924号公報JP 2006-172924 A

しかしながら、上記のセパレータ1では、各リブ7b、7cが分割部8a、8bにより複数に分割されているため、前記分割部8a、8bに生成水が滞留し易い。その際、燃料ガスや酸化剤ガスは、生成水を迂回してリブ7b、7c間を流れるため、前記生成水が排出されないおそれがある。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能が低下するという問題がある。   However, in the separator 1 described above, since the ribs 7b and 7c are divided into a plurality of parts by the divided parts 8a and 8b, the generated water tends to stay in the divided parts 8a and 8b. At that time, since the fuel gas and the oxidant gas bypass the generated water and flow between the ribs 7b and 7c, the generated water may not be discharged. Thereby, the flow of fuel gas and oxidant gas will be inhibited, and there exists a problem that electric power generation performance falls.

しかも、燃料電池スタックの外部から水が導入された際には、この水が滞留して排出されず、発電性能が低下するおそれがある。   In addition, when water is introduced from the outside of the fuel cell stack, the water stays and is not discharged, and power generation performance may be reduced.

さらに、各リブ7b、7cが分割部8a、8bにより複数に分割されているため、実質的に発電に寄与しない配流部4及び合流部5の面積が大きくなる。従って、セパレータ1全体が大型化するという問題がある。   Further, since the ribs 7b and 7c are divided into a plurality of parts by the dividing parts 8a and 8b, the areas of the distribution part 4 and the joining part 5 that do not substantially contribute to power generation are increased. Therefore, there exists a problem that the separator 1 whole becomes large.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路側の生成水の排出性を向上させるとともに、セパレータ面内に反応ガスを均一に流通させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of improving the discharge of produced water on the reaction gas channel side and allowing the reaction gas to flow uniformly in the separator surface. With the goal.

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure having electrodes provided on both surfaces of an electrolyte and a corrugated metal separator are laminated, and a fuel gas or an oxidant gas is circulated on one surface of the metal separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas flow path is formed and a reaction gas communication hole through which the fuel gas or the oxidant gas flows is formed.

金属セパレータは、反応ガス流路の端部と反応ガス連通孔との間に、複数のエンボスにより構成されるバッファ部を設け、前記バッファ部は、長さの異なる2本の連続した短尺側の線状ガイド部材と長尺側の線状ガイド部材により互いに独立した3つの領域に分割されている。そして、短尺側の線状ガイド部材が伸びる方向の中間位置を通って、短尺側の前記線状ガイド部材及び長尺側の線状ガイド部材に交差する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って3つの前記領域の流路断面積が等しく設定されている。 The metal separator is provided with a buffer portion constituted by a plurality of embosses between the end portion of the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole, and the buffer portion is provided on two continuous short sides having different lengths. The linear guide member and the long-side linear guide member are divided into three regions which are independent from each other. When the virtual cross section is formed in a direction crossing the linear guide member on the short side and the linear guide member on the long side through an intermediate position in the direction in which the linear guide member on the short side extends, The cross-sectional areas of the three regions are set to be equal along the cross section.

また、2本の線状ガイド部材は、反応ガス流路を構成する線状流路凸部の端部に連続的に接続されることが好ましい。   Further, it is preferable that the two linear guide members are continuously connected to the ends of the linear flow path convex portions constituting the reaction gas flow path.

さらに、バッファ部は、反応ガス連通孔である反応ガス供給連通孔に連通する入口側バッファ部と、前記反応ガス連通孔である反応ガス排出連通孔に連通する出口側バッファ部とを有し、3つの領域毎に、前記入口側バッファ部、反応ガス流路及び前記出口側バッファ部を連ねる各反応ガス流通路長さの平均長さは、互いに等しく設定されることが好ましい。   Further, the buffer portion has an inlet side buffer portion that communicates with a reaction gas supply communication hole that is a reaction gas communication hole, and an outlet side buffer portion that communicates with a reaction gas discharge communication hole that is the reaction gas communication hole, For each of the three regions, it is preferable that the average lengths of the reaction gas flow path lengths connecting the inlet side buffer portion, the reaction gas flow path, and the outlet side buffer portion are set to be equal to each other.

本発明によれば、バッファ部は、2本の連続した線状ガイド部材により互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域に分割されている。このため、反応ガスが滞留する生成水を迂回して流通することがなく、前記反応ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができる。しかも、セパレータ面内に反応ガスを均一に供給することが可能になり、所望の発電性能を良好に維持することができる。さらに、バッファ部は、有効に狭小化することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。   According to the present invention, the buffer portion is divided into three regions that are independent from each other and have the same flow path cross-sectional area by two continuous linear guide members. For this reason, the generated water in which the reaction gas stays is bypassed and distributed, and the generated water can be easily and reliably discharged by the reaction gas. In addition, the reaction gas can be uniformly supplied into the separator surface, and the desired power generation performance can be maintained satisfactorily. Furthermore, the buffer portion can be effectively narrowed, and the entire fuel cell can be easily reduced in size.

本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面図である。It is a front view of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell. 前記第1金属セパレータの要部拡大説明図である。It is principal part expansion explanatory drawing of a said 1st metal separator. 前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面図である。It is a front view of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell. 特許文献1に開示されているセパレータの説明図である。It is explanatory drawing of the separator currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池10は、電解質膜・電極構造体16が、アノード側の第1金属セパレータ18とカソード側の第2金属セパレータ20とに挟持されている。燃料電池10は、好ましくは、車載用燃料電池として使用される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 10 according to the embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure 16 having an anode-side first metal separator 18 and a cathode-side second metal separator 20. It is pinched. The fuel cell 10 is preferably used as a vehicle-mounted fuel cell.

第1及び第2金属セパレータ18、20は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。なお、第1及び第2金属セパレータ18、20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。   The first and second metal separators 18 and 20 have a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape. The first and second metal separators 18 and 20 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment.

燃料電池10の長辺方向(図1中、矢印C方向)の上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔(反応ガス連通孔)22aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(反応ガス連通孔)24aとが設けられる。   An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the direction of the arrow A at the upper edge of the long side direction (the direction of arrow C in FIG. 1) of the fuel cell 10. A communication hole (reaction gas communication hole) 22a and a fuel gas supply communication hole (reaction gas communication hole) 24a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

燃料電池10の長辺方向の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔(反応ガス連通孔)24bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔(反応ガス連通孔)22bとが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔22aと酸化剤ガス排出連通孔22bとは、点対称の位置に対応して設けられるとともに、燃料ガス供給連通孔24aと燃料ガス排出連通孔24bとは、同様に点対称の位置に対応して設けられる。   The lower end edge of the long side direction of the fuel cell 10 communicates with each other in the direction of the arrow A, and a fuel gas discharge communication hole (reaction gas communication hole) 24b for discharging the fuel gas and an oxidant gas are discharged. An oxidant gas discharge communication hole (reaction gas communication hole) 22b is provided. The oxidant gas supply communication hole 22a and the oxidant gas discharge communication hole 22b are provided so as to correspond to point-symmetrical positions, and the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b are similarly point symmetric. Are provided corresponding to the positions.

燃料電池10の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔26aが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔26bが設けられる。   At one edge of the fuel cell 10 in the short side direction (arrow B direction), there is provided a cooling medium supply communication hole 26a that communicates with each other in the arrow A direction and supplies a cooling medium. A cooling medium discharge communication hole 26b for discharging the cooling medium is provided at the other end edge.

電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜28と、前記固体高分子電解質膜28を挟持するアノード側電極30及びカソード側電極32とを備える。アノード側電極30は、カソード側電極32よりも小さな表面積を有しているが、同一の表面積を有していてもよい。   The electrolyte membrane / electrode structure 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 28 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 30 and a cathode side electrode 32 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 28. With. The anode side electrode 30 has a smaller surface area than the cathode side electrode 32, but may have the same surface area.

アノード側電極30及びカソード側電極32は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜28の両面に形成される。   The anode-side electrode 30 and the cathode-side electrode 32 have a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface uniformly on the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) formed by coating. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 28.

第1金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面18aには、燃料ガス供給連通孔24aと燃料ガス排出連通孔24bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)34が形成される。   A fuel gas flow path (reactive gas flow path) 34 that connects the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b is formed on the surface 18a of the first metal separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16. Is done.

図3に示すように、燃料ガス流路34は、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路(又は波形状流路)34aと、前記直線状流路34aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部(配流部)36a及び出口バッファ部(合流部)36bとを有する。直線状流路34aは、面18a側に突出する直線状流路突起部(線状流路突起部)34b間に形成される。入口バッファ部36a及び出口バッファ部36bは、正面視で略三角形状を有する。   As shown in FIG. 3, the fuel gas channel 34 includes a plurality of linear channels (or wave-shaped channels) 34 a extending in the direction of arrow B along the power generation surface and arranged in the direction of arrow C. And an inlet buffer section (distribution section) 36a and an outlet buffer section (merging section) 36b provided in the vicinity of the inlet and the outlet of the linear flow path 34a. The linear flow path 34a is formed between the linear flow path protrusions (linear flow path protrusions) 34b protruding toward the surface 18a. The inlet buffer portion 36a and the outlet buffer portion 36b have a substantially triangular shape when viewed from the front.

図3及び図4に示すように、入口バッファ部36aは、燃料ガス流路34側に突出する長さの異なる2本の連続した線状ガイド突起部(線状ガイド部材)38a、38bを備える。線状ガイド突起部38a、38bは、直線状流路34aを形成する所定位置の直線状流路突起部34bの端部に連続的に接続されるとともに、入口バッファ部36aは、前記線状ガイド突起部38a、38bにより互いに独立した3つの領域40a、40b及び40cに分割される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the inlet buffer 36 a includes two continuous linear guide protrusions (linear guide members) 38 a and 38 b having different lengths protruding toward the fuel gas flow path 34. . The linear guide protrusions 38a and 38b are continuously connected to the end of the linear flow path protrusion 34b at a predetermined position forming the linear flow path 34a, and the inlet buffer 36a is connected to the linear guide. The protrusions 38a and 38b are divided into three regions 40a, 40b, and 40c that are independent of each other.

短尺側の線状ガイド突起部38aの中間位置を通って、前記線状ガイド突起部38a及び長尺側の線状ガイド突起部38bに交差(略直交)する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って3つの領域40a〜40cの流路断面積が等しく設定される(距離ha≒距離hb≒距離hc)。燃料ガス流路34は、線状ガイド突起部38a、38bにより、流路幅方向(矢印B方向)に3等分される(距離H1≒距離H2≒距離H3)。   When a virtual cross section is formed in a direction intersecting (substantially orthogonal) to the linear guide projection 38a and the long-side linear guide projection 38b through an intermediate position of the short-side linear guide projection 38a, The cross-sectional areas of the three regions 40a to 40c are set equal along the virtual cross section (distance ha≈distance hb≈distance hc). The fuel gas flow path 34 is equally divided into three in the flow path width direction (arrow B direction) by the linear guide protrusions 38a and 38b (distance H1≈distance H2≈distance H3).

図3に示すように、出口バッファ部36bは、入口バッファ部36aと同様に、燃料ガス流路34側に突出する長さの異なる2本の連続した線状ガイド突起部(線状ガイド部材)44a、44bを備える。線状ガイド突起部44a、44bは、直線状流路34aを形成する所定位置の直線状流路突起部34bの端部に連続的に接続されるとともに、出口バッファ部36bは、前記線状ガイド突起部44a、44bにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域46a、46b及び46cに分割される。   As shown in FIG. 3, the outlet buffer portion 36b has two continuous linear guide protrusions (linear guide members) with different lengths protruding toward the fuel gas flow path 34, like the inlet buffer portion 36a. 44a and 44b. The linear guide protrusions 44a and 44b are continuously connected to the end of the linear flow path protrusion 34b at a predetermined position forming the linear flow path 34a, and the outlet buffer 36b is connected to the linear guide. The projections 44a and 44b are divided into three regions 46a, 46b, and 46c that are independent from each other and have the same channel cross-sectional area.

入口バッファ部36a、燃料ガス流路34及び出口バッファ部36bでは、領域40a、直線状流路34a及び領域46aを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL1、領域40b、前記直線状流路34a及び領域46bを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL2、及び領域40c、前記直線状流路34a及び領域46cを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL3は、互いに等しく設定される(平均長さL1≒平均長さL2≒平均長さL3)。   In the inlet buffer part 36a, the fuel gas flow path 34 and the outlet buffer part 36b, the average length L1 of the length of the fuel gas flow path connecting the area 40a, the straight flow path 34a and the area 46a, the area 40b, the straight flow path. The average length L2 of the fuel gas flow path length connecting the 34a and the region 46b and the average length L3 of the fuel gas flow path length connecting the region 40c, the linear flow path 34a and the region 46c are set to be equal to each other. (Average length L1≈average length L2≈average length L3).

入口バッファ部36aは、複数の貫通孔42aを介して面18b側から燃料ガス供給連通孔24aに連通する。出口バッファ部36bは、複数の貫通孔42bを介して面18b側から燃料ガス排出連通孔24bに連通する。   The inlet buffer portion 36a communicates with the fuel gas supply communication hole 24a from the surface 18b side through the plurality of through holes 42a. The outlet buffer portion 36b communicates with the fuel gas discharge communication hole 24b from the surface 18b side through the plurality of through holes 42b.

図5に示すように、第2金属セパレータ20の電解質膜・電極構造体16に向かう面20aには、酸化剤ガス供給連通孔22aと酸化剤ガス排出連通孔22bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)50が形成される。   As shown in FIG. 5, on the surface 20a of the second metal separator 20 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16, an oxidant gas flow communicating the oxidant gas supply communication hole 22a and the oxidant gas discharge communication hole 22b. A passage (reaction gas passage) 50 is formed.

酸化剤ガス流路50は、発電面に沿って矢印B方向に延在し且つ矢印C方向に配列される複数本の直線状流路50aと、前記直線状流路50aの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部52a及び出口バッファ部52bとを有する。直線状流路50aは、面20a側に突出する直線状流路突起部(線状流路突起部)50b間に形成される。入口バッファ部52a及び出口バッファ部52bは、正面視で略三角形状を有する。   The oxidant gas channel 50 includes a plurality of linear channels 50a extending in the direction of arrow B along the power generation surface and arranged in the direction of arrow C, and the vicinity of the inlet and the outlet of the linear channel 50a. An inlet buffer portion 52a and an outlet buffer portion 52b. The linear flow path 50a is formed between the linear flow path protrusions (linear flow path protrusions) 50b that protrude toward the surface 20a. The inlet buffer portion 52a and the outlet buffer portion 52b have a substantially triangular shape when viewed from the front.

入口バッファ部52aは、酸化剤ガス流路50側に突出する長さの異なる2本の連続した短尺側及び長尺側の線状ガイド突起部(線状ガイド部材)54a、54bを備える。線状ガイド突起部54a、54bは、直線状流路50aを形成し、酸化剤ガス流路50を幅方向に3等分する位置の直線状流路突起部50bの端部に連続的に接続される。入口バッファ部52aは、線状ガイド突起部54a、54bにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域56a、56b及び56cに分割される。   The inlet buffer 52a includes two continuous short-side and long-side linear guide protrusions (linear guide members) 54a and 54b that protrude toward the oxidant gas flow path 50 and have different lengths. The linear guide projections 54a and 54b form a straight channel 50a and are continuously connected to the end of the linear channel projection 50b at a position where the oxidant gas channel 50 is equally divided into three in the width direction. Is done. The inlet buffer portion 52a is divided into three regions 56a, 56b, and 56c that are independent of each other and have the same channel cross-sectional area by linear guide protrusions 54a and 54b.

出口バッファ部52bは、入口バッファ部52aと同様に、酸化剤ガス流路50側に突出する長さの異なる2本の連続した長尺側及び短尺側の線状ガイド突起部(線状ガイド部材)58a、58bを備える。線状ガイド突起部58a、58bは、直線状流路50aを形成する所定位置の直線状流路突起部50bの端部に連続的に接続されるとともに、出口バッファ部52bは、前記線状ガイド突起部58a、58bにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域60a、60b及び60cに分割される。   Similarly to the inlet buffer portion 52a, the outlet buffer portion 52b has two continuous long side and short side linear guide protrusions (linear guide members) projecting toward the oxidant gas flow path 50 side. ) 58a and 58b. The linear guide protrusions 58a and 58b are continuously connected to the end of the linear flow path protrusion 50b at a predetermined position forming the linear flow path 50a, and the outlet buffer 52b is connected to the linear guide. The protrusions 58a and 58b are divided into three regions 60a, 60b, and 60c that are independent from each other and have the same channel cross-sectional area.

入口バッファ部52a、酸化剤ガス流路50及び出口バッファ部52bでは、領域56a、直線状流路50a及び領域60aを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さL4、領域56b、前記直線状流路50a及び領域60bを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さL5、及び領域56c、前記直線状流路50a及び領域60cを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さL6は、互いに等しく設定される(平均長さL4≒平均長さL5≒平均長さL6)。   In the inlet buffer part 52a, the oxidant gas flow path 50 and the outlet buffer part 52b, the average length L4 of the oxidant gas flow path length connecting the region 56a, the straight flow path 50a and the region 60a, the region 56b, the straight line shape. The average length L5 of the oxidant gas flow path length connecting the flow path 50a and the area 60b, and the average length L6 of the oxidant gas flow path length connecting the area 56c, the linear flow path 50a and the area 60c, They are set equal to each other (average length L4≈average length L5≈average length L6).

入口バッファ部52aは、複数の貫通孔62aを介して面20b側から酸化剤ガス供給連通孔22aに連通する。出口バッファ部52bは、複数の貫通孔62bを介して面20b側から酸化剤ガス排出連通孔22bに連通する。   The inlet buffer portion 52a communicates with the oxidant gas supply communication hole 22a from the surface 20b side through the plurality of through holes 62a. The outlet buffer portion 52b communicates with the oxidant gas discharge communication hole 22b from the surface 20b side through the plurality of through holes 62b.

第1金属セパレータ18の面18bと第2金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体供給連通孔26aと冷却媒体排出連通孔26bとを連通する冷却媒体流路64が形成される(図1参照)。   A cooling medium flow path 64 is formed between the surface 18b of the first metal separator 18 and the surface 20b of the second metal separator 20 to communicate the cooling medium supply communication hole 26a and the cooling medium discharge communication hole 26b ( (See FIG. 1).

第1金属セパレータ18の面18a、18bには、前記第1金属セパレータ18の外周縁部を周回して第1シール部材66が一体成形される。第2金属セパレータ20の面20a、20bには、この第2金属セパレータ20の外周縁部を周回して、第2シール部材68が一体成形される。   A first seal member 66 is integrally formed on the surfaces 18 a and 18 b of the first metal separator 18 around the outer peripheral edge of the first metal separator 18. A second seal member 68 is integrally formed on the surfaces 20 a and 20 b of the second metal separator 20 around the outer peripheral edge of the second metal separator 20.

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス供給連通孔22aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔26aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 22a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 24a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium supply communication hole 26a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔22aから第2金属セパレータ20の貫通孔62aを通って酸化剤ガス流路50側に導入される。この酸化剤ガスは、図5に示すように、入口バッファ部52aから直線状流路50aに沿って矢印C方向(鉛直方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極32に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas supply communication hole 22a through the through hole 62a of the second metal separator 20 to the oxidant gas flow path 50 side. As shown in FIG. 5, this oxidant gas moves in the direction of arrow C (vertical direction) from the inlet buffer 52a along the straight flow path 50a, and reaches the cathode side electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 16. Supplied.

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔24aから第1金属セパレータ18の貫通孔42aを通って燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、図3に示すように、入口バッファ部36aから直線状流路34aに沿って鉛直方向(矢印C方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極30に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 34 from the fuel gas supply communication hole 24 a through the through hole 42 a of the first metal separator 18. As shown in FIG. 3, this fuel gas moves in the vertical direction (arrow C direction) along the straight flow path 34a from the inlet buffer 36a, and is supplied to the anode side electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 16. Is done.

従って、電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極32に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極30に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 16, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 32 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 30 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極32に供給されて消費された酸化剤ガスは、図5に示すように、出口バッファ部52bから貫通孔62bを通って酸化剤ガス排出連通孔22bに排出される。同様に、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極30に供給されて消費された燃料ガスは、図3に示すように、出口バッファ部36bから貫通孔42bを通って燃料ガス排出連通孔24bに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 passes through the through hole 62b from the outlet buffer 52b and passes through the oxidant gas discharge communication hole as shown in FIG. It is discharged to 22b. Similarly, as shown in FIG. 3, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 16 passes through the through hole 42b from the outlet buffer 36b and passes through the fuel gas discharge communication hole 24b. To be discharged.

一方、冷却媒体供給連通孔26aに供給された冷却媒体は、燃料電池10を構成する第1金属セパレータ18と第2金属セパレータ20との間に形成された冷却媒体流路64に導入された後、矢印B方向(水平方向)に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体16を冷却した後、冷却媒体排出連通孔26bに排出される。   On the other hand, after the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 26 a is introduced into the cooling medium flow path 64 formed between the first metal separator 18 and the second metal separator 20 constituting the fuel cell 10. Circulates in the direction of arrow B (horizontal direction). The cooling medium is discharged to the cooling medium discharge communication hole 26b after the electrolyte membrane / electrode structure 16 is cooled.

この場合、本実施形態では、例えば、燃料ガス流路34において、図3及び図4に示すように、入口バッファ部36aは、2本の連続した線状ガイド突起部38a、38bにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域40a、40b及び40cに分割されている。   In this case, in the present embodiment, for example, as shown in FIGS. 3 and 4, in the fuel gas flow path 34, the inlet buffer 36 a is independent of each other by two continuous linear guide protrusions 38 a and 38 b. In addition, it is divided into three regions 40a, 40b and 40c having equal channel cross-sectional areas.

このため、燃料ガスは、水滴を迂回して流通することがなく、前記燃料ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができる。しかも、流路断面積が等しい3つの領域40a、40b及び40cから燃料ガス流路34の流路域全面(セパレータ面内)にわたって燃料ガスを均一に供給することが可能になり、所望の発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。その上、入口バッファ部36aは、有効に狭小化することができ、燃料電池10全体の小型化が容易に図られる。   For this reason, the fuel gas does not circulate around the water droplets, and the generated water can be easily and reliably discharged by the fuel gas. In addition, the fuel gas can be uniformly supplied from the three regions 40a, 40b, and 40c having the same channel cross-sectional area over the entire channel region (in the separator surface) of the fuel gas channel 34, and desired power generation performance is achieved. Can be maintained satisfactorily. In addition, the inlet buffer portion 36a can be effectively narrowed, and the fuel cell 10 as a whole can be easily downsized.

一方、出口バッファ部36bは、図3に示すように、線状ガイド突起部44a、44bにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された3つの領域46a、46b及び46cに分割されている。従って、燃料ガスは、生成水を迂回して流通することがなく、前記燃料ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができるとともに、前記燃料ガスを均一に流通させることが可能になる。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the outlet buffer 36b is divided into three regions 46a, 46b, and 46c that are independent from each other and have the same channel cross-sectional area by linear guide protrusions 44a and 44b. . Therefore, the fuel gas does not circulate around the generated water, and the generated water can be easily and reliably discharged by the fuel gas, and the fuel gas can be circulated uniformly. .

さらに、燃料ガス流路34は、流路幅方向(矢印B方向)に3等分されるとともに、領域40a、直線状流路34a及び領域46aを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL1、領域40b、前記直線状流路34a及び領域46bを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL2、及び領域40c、前記直線状流路34a及び領域46cを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さL3は、互いに等しく設定されている。   Further, the fuel gas channel 34 is equally divided into three in the channel width direction (arrow B direction), and the average length L1 of the fuel gas flow path length connecting the region 40a, the linear channel 34a and the region 46a. The average length L2 of the fuel gas flow path connecting the region 40b, the linear flow path 34a and the region 46b, and the average length of the fuel gas flow path connecting the region 40c, the linear flow path 34a and the region 46c. The lengths L3 are set equal to each other.

これにより、燃料ガス流路34では、燃料ガスが3つの領域40a〜40cに均等に分配されるため、前記燃料ガスが発電面全面に沿って円滑且つ均一に供給され、良好な発電性能を確実に得ることが可能になるという利点がある。   As a result, in the fuel gas flow path 34, the fuel gas is evenly distributed to the three regions 40a to 40c, so that the fuel gas is supplied smoothly and uniformly along the entire power generation surface, ensuring good power generation performance. There is an advantage that it becomes possible to obtain.

また、酸化剤ガス流路50では、詳細な説明は省略するが、上記の燃料ガス流路34と同様の効果が得られる。   Further, in the oxidant gas flow channel 50, although the detailed description is omitted, the same effect as the fuel gas flow channel 34 can be obtained.

10…燃料電池 16…電解質・電極構造体
18、20…金属セパレータ 22a…酸化剤ガス供給連通孔
22b…酸化剤ガス排出連通孔 24a…燃料ガス供給連通孔
24b…燃料ガス排出連通孔 26a…冷却媒体供給連通孔
26b…冷却媒体排出連通孔 28…固体高分子電解質膜
30…アノード側電極 32…カソード側電極
34…燃料ガス流路 34a、50a…直線状流路
34b、50b…直線状流路突起部 36a、52a…入口バッファ部
36b、52b…出口バッファ部
38a、38b、44a、44b、54a、54b、58a、58b…線状ガイド突起部
40a、40b、40c、46a、46b、46c、56a、56b、56c、60a、60b、60c…領域
50…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 16 ... Electrolyte and electrode structure 18, 20 ... Metal separator 22a ... Oxidant gas supply communication hole 22b ... Oxidant gas discharge communication hole 24a ... Fuel gas supply communication hole 24b ... Fuel gas discharge communication hole 26a ... Cooling Medium supply communication hole 26b ... Cooling medium discharge communication hole 28 ... Solid polymer electrolyte membrane 30 ... Anode side electrode 32 ... Cathode side electrode 34 ... Fuel gas flow path 34a, 50a ... Linear flow path 34b, 50b ... Linear flow path Projection 36a, 52a ... Inlet buffer 36b, 52b ... Exit buffer 38a, 38b, 44a, 44b, 54a, 54b, 58a, 58b ... Linear guide projection 40a, 40b, 40c, 46a, 46b, 46c, 56a , 56b, 56c, 60a, 60b, 60c... Region 50.

Claims (3)

電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、前記反応ガス流路の端部と前記反応ガス連通孔との間に、複数のエンボスにより構成されるバッファ部を設け、
前記バッファ部は、長さの異なる2本の連続した短尺側の線状ガイド部材と長尺側の線状ガイド部材により互いに独立した3つの領域に分割されるとともに、
短尺側の前記線状ガイド部材が伸びる方向の中間位置を通って、短尺側の前記線状ガイド部材及び長尺側の前記線状ガイド部材に交差する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って3つの前記領域の流路断面積が等しく設定されることを特徴とする燃料電池。
A reaction gas flow path in which an electrolyte / electrode structure having electrodes provided on both surfaces of an electrolyte and a corrugated metal separator are laminated, and fuel gas or oxidant gas is circulated on one surface of the metal separator Is formed, and a reaction gas communication hole through which the fuel gas or the oxidant gas flows is formed through the stacking direction,
The metal separator is provided with a buffer portion constituted by a plurality of embosses between an end portion of the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole,
The buffer portion is divided into three independent regions by two continuous short-side linear guide members and long-side linear guide members having different lengths,
When a virtual cross section is formed in a direction crossing the linear guide member on the short side and the linear guide member on the long side through an intermediate position in the direction in which the linear guide member on the short side extends, the virtual The fuel cell according to claim 1, wherein the cross-sectional areas of the three regions are set to be equal along the cross section.
請求項1記載の燃料電池において、2本の前記線状ガイド部材は、前記反応ガス流路を構成する線状流路凸部の端部に連続的に接続されることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the two linear guide members are continuously connected to end portions of the linear flow path convex portions constituting the reaction gas flow path. . 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記バッファ部は、前記反応ガス連通孔である反応ガス供給連通孔に連通する入口側バッファ部と、
前記反応ガス連通孔である反応ガス排出連通孔に連通する出口側バッファ部と、
を有し、
3つの前記領域毎に、前記入口側バッファ部、前記反応ガス流路及び前記出口側バッファ部を連ねる各反応ガス流通路長さの平均長さは、互いに等しく設定されることを特徴とする燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 1, wherein the buffer section includes an inlet-side buffer section communicating with a reaction gas supply communication hole that is the reaction gas communication hole;
An outlet side buffer portion communicating with the reaction gas discharge communication hole, which is the reaction gas communication hole;
Have
The fuel is characterized in that, for each of the three regions, the average lengths of the reaction gas flow paths connecting the inlet side buffer portion, the reaction gas flow path, and the outlet side buffer portion are set to be equal to each other. battery.
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