JP5274908B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体を有し、前記第1及び第2電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第1電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第2電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックに関する。   The present invention has at least first and second electrolyte / electrode structures in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and is a single unit interposed between the first and second electrolyte / electrode structures. This metal separator relates to a fuel cell stack having a fuel gas flow path on the surface facing the first electrolyte / electrode structure, and an oxidant gas flow path on the surface facing the second electrolyte / electrode structure.

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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(電解質・電極構造体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより、単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode catalyst electrode and a cathode electrode made of porous carbon are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. A unit cell is configured by being sandwiched between separators (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells are stacked is used.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。   In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided.

この場合、上記の反応ガス流路内には、凝縮水や反応による生成水が滞留し易く、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。   In this case, the condensed water and the water produced by the reaction are likely to stay in the reaction gas flow path, and there is a possibility that the fuel gas and the oxidant gas may not be satisfactorily supplied to the anode side electrode and the cathode side electrode.

そこで、例えば、特許文献1に開示されているセパレータが知られている。具体的には、図9に示すように、セパレータ1は、ガス入口2に連なる集合部3を有するとともに、前記集合部3から複数の分岐路4が櫛歯状に延在している。各分岐路4は、排水溝5を介して集合部6に連通するとともに、前記集合部6がガス出口7に連通している。   Therefore, for example, a separator disclosed in Patent Document 1 is known. Specifically, as shown in FIG. 9, the separator 1 has a collective portion 3 connected to the gas inlet 2, and a plurality of branch paths 4 extend from the collective portion 3 in a comb shape. Each branch passage 4 communicates with the collecting portion 6 through the drainage groove 5, and the collecting portion 6 communicates with the gas outlet 7.

排水溝5は、分岐路4よりも小さな断面積に設定されており、前記排水溝5を通るガスの流速が大きくなるため、結露水が集合部6に送り込まれてガス出口7から排出される、としている。   The drainage groove 5 is set to have a smaller cross-sectional area than the branch channel 4, and the flow rate of the gas passing through the drainage groove 5 is increased, so that dew condensation water is fed into the collecting portion 6 and discharged from the gas outlet 7. , And.

特開2006−4702号公報JP 2006-4702 A

しかしながら、上記の従来技術では、小断面積の排水溝5が集合部6に連通するため、この集合部6に供給されるガスの流速が低下してしまう。これにより、集合部6に送り込まれた結露水をガス出口7に確実に排出することができないという問題がある。   However, in the above prior art, the drainage groove 5 having a small cross-sectional area communicates with the collecting portion 6, so that the flow rate of the gas supplied to the collecting portion 6 decreases. Thereby, there exists a problem that the dew condensation water sent to the gathering part 6 cannot be reliably discharged | emitted to the gas outlet 7. FIG.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの両面に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが設けられるとともに、特に前記燃料ガス流路から効率的且つ確実に排水することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and is provided with a fuel gas channel and an oxidant gas channel on both sides of the metal separator, and in particular, drains efficiently and reliably from the fuel gas channel. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of satisfying the requirements.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体を有し、前記第1及び第2電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第1電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第2電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックに関するものである。   The present invention has at least first and second electrolyte / electrode structures in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and is a single unit interposed between the first and second electrolyte / electrode structures. This metal separator relates to a fuel cell stack having a fuel gas flow path on the surface facing the first electrolyte / electrode structure, and an oxidant gas flow path on the surface facing the second electrolyte / electrode structure. is there.

燃料ガス流路は、燃料ガス出口側の端部に出口バッファ部に連通する絞り部を設けるとともに、前記出口バッファ部は、燃料ガス流路側に突出する複数のエンボスを有し、前記絞り部は、流路幅寸法及び流路深さが減少し且つ該流路深さが前記エンボスの高さである前記出口バッファ部の深さと同一に設定されている。 The fuel gas flow path, provided with a throttle portion which communicates with the outlet buffer to the end of the fuel gas outlet side, the outlet buffer has a plurality of embossments protruding fuel gas passage side, the narrowed portion The channel width dimension and the channel depth are reduced, and the channel depth is set to be the same as the depth of the outlet buffer portion which is the height of the emboss .

また、酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス出口側に出口バッファ部に連通し且つ絞り部の裏面形状によって拡開する拡開部を設けることが好ましい。 Also, the oxidant gas flow path is preferably provided with a flared portion for expanding the and the throttle portion of the back surface shape communicating with the outlet buffer acid agent gas outlet side.

さらに、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることが好ましい。   Furthermore, the fuel gas channel and the oxidant gas channel are preferably configured as meandering corrugated channels.

本発明では、燃料ガス流路の少なくとも燃料ガス出口側に絞り部が設けられるため、流速が増加するとともに、圧力損失が高くなり、セパレータ面内の排水性が良好に向上する。   In the present invention, since the throttle portion is provided at least on the fuel gas outlet side of the fuel gas flow path, the flow velocity increases, the pressure loss increases, and the drainage performance in the separator surface improves favorably.

しかも、絞り部の流路深さは、出口バッファ部の深さと同一に設定されている。従って、反応生成水は、絞り部から出口バッファ部に円滑且つ効率的に排出されることが可能になる。   Moreover, the flow path depth of the throttle part is set to be the same as the depth of the outlet buffer part. Therefore, the reaction product water can be smoothly and efficiently discharged from the throttle portion to the outlet buffer portion.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の分解斜視説明図である。図2は、燃料電池スタック10の、図1中、II−II線断面図であり、図3は、前記燃料電池スタック10の、図1中、III−III線断面図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 10 taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 10 taken along line III-III in FIG.

燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット12を矢印A方向(水平方向)に積層して構成される(図2及び図3参照)。発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体(MEA)16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体(MEA)16b及び第3金属セパレータ20の順に積層される。   The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of power generation units 12 in the direction of arrow A (horizontal direction) (see FIGS. 2 and 3). The power generation unit 12 includes a first metal separator 14, a first electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 16 a, a second metal separator 18, a second electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 16 b, and a third metal separator 20 in this order. Laminated.

図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(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22a、及び燃料ガス、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24aが設けられる。   As shown in FIG. 1, the upper end edge of the power generation unit 12 in the long side direction (arrow C direction) communicates with each other in the direction of arrow A to oxidize for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An agent gas supply communication hole 22a and a fuel gas supply communication hole 24a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

発電ユニット12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24b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔22bが設けられる。   The lower end edge of the long side direction of the power generation unit 12 communicates with each other in the direction of arrow A, the fuel gas discharge communication hole 24b for discharging the fuel gas, and the oxidant gas discharge for discharging the oxidant gas. A communication hole 22b is provided.

発電ユニット12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、前記発電ユニット12の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 power generation unit 12 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 direction of arrow A and supplies a cooling medium. A cooling medium discharge communication hole 26b for discharging the cooling medium is provided at the other end edge in the short side direction.

第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16b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を挟持するカソード側電極30及びアノード側電極32とを備える。カソード側電極30及びアノード側電極32は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜28の両面に形成される。   The first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 28 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 28 An electrode 30 and an anode side electrode 32 are provided. The cathode side electrode 30 and the anode side electrode 32 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. An electrode catalyst layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 28.

図1及び図5に示すように、第1金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14a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とを連通する第1酸化剤ガス流路34が形成される。   As shown in FIGS. 1 and 5, an oxidant gas supply communication hole 22a and an oxidant gas discharge communication hole 22b communicate with the surface 14a of the first metal separator 14 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. A first oxidant gas flow path 34 is formed.

第1酸化剤ガス流路34は、矢印C方向(長辺方向)に蛇行して延在する複数の波形状の第1酸化剤ガス流路溝部34aを有する。第1酸化剤ガス流路34の矢印C方向上端及び下端に位置して入口バッファ部36a及び出口バッファ部36bが設けられる。入口バッファ部36a及び出口バッファ部36bは、複数のエンボス(凸部)を有する。   The first oxidant gas flow path 34 has a plurality of wave-shaped first oxidant gas flow path grooves 34 a that meander and extend in the direction of arrow C (long-side direction). An inlet buffer part 36a and an outlet buffer part 36b are provided at the upper and lower ends of the first oxidant gas channel 34 in the direction of arrow C. The inlet buffer part 36a and the outlet buffer part 36b have a plurality of embossments (convex parts).

第1金属セパレータ14の面14bと、隣接する第3金属セパレータ20の面20bとの間には、第1酸化剤ガス流路34の裏面形状に対応して冷却媒体供給連通孔26aと冷却媒体排出連通孔26bとを連通する第1冷却媒体流路40aが形成される。   Between the surface 14 b of the first metal separator 14 and the surface 20 b of the adjacent third metal separator 20, the cooling medium supply communication hole 26 a and the cooling medium correspond to the back surface shape of the first oxidant gas flow path 34. A first cooling medium flow path 40a communicating with the discharge communication hole 26b is formed.

図6に示すように、第2金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16a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とを連通する第1燃料ガス流路42が形成される。   As shown in FIG. 6, the surface 18a of the second metal separator 18 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a has a first fuel gas communicating with the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b. A flow path 42 is formed.

第1燃料ガス流路42は、矢印C方向(長辺方向)に蛇行して延在する複数の波形状の第1燃料ガス流路溝部42aを有する。第1燃料ガス流路42の矢印C方向上端及び下端に位置して入口バッファ部44a及び出口バッファ部44bが設けられる。入口バッファ部44a及び出口バッファ部44bは、複数のエンボス(凸部)を有する。   The first fuel gas channel 42 has a plurality of wave-shaped first fuel gas channel grooves 42a that meander and extend in the direction of arrow C (long side direction). An inlet buffer 44a and an outlet buffer 44b are provided at the upper and lower ends of the first fuel gas passage 42 in the direction of arrow C. The inlet buffer portion 44a and the outlet buffer portion 44b have a plurality of embossments (convex portions).

第1燃料ガス流路溝部42aの入口側と出口側とには(少なくとも出口側には)、入口バッファ部44aに連通する入口絞り部42bと出口バッファ部44bに連通する出口絞り部42cとが設けられる。   An inlet throttle portion 42b that communicates with the inlet buffer portion 44a and an outlet throttle portion 42c that communicates with the outlet buffer portion 44b are provided on the inlet side and the outlet side of the first fuel gas flow channel groove portion 42a (at least on the outlet side). Provided.

図3及び図4に示すように、出口絞り部42cは、出口バッファ部44bに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記出口バッファ部44bの深さと同一に設定される。入口絞り部42bは、同様に入口バッファ部44aに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記入口バッファ部44aの深さと同一に設定される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the outlet throttle portion 42c has a channel width dimension and a channel depth that decrease toward the outlet buffer portion 44b, and the channel depth is the same as that of the outlet buffer portion 44b. Set to the same depth. Similarly, the flow path width dimension and flow path depth of the inlet throttle part 42b decrease toward the inlet buffer part 44a, and the flow path depth is set to be the same as the depth of the inlet buffer part 44a.

第2金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、図7に示すように、酸化剤ガス供給連通孔22aと酸化剤ガス排出連通孔22bとを連通する第2酸化剤ガス流路48が形成される。第2酸化剤ガス流路48は、矢印C方向(長辺方向)に蛇行して延在する複数の波形状の第2酸化剤ガス流路溝部48aを有する。   As shown in FIG. 7, on the surface 18b of the second metal separator 18 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the oxidant gas supply communication hole 22a and the oxidant gas discharge communication hole 22b communicate with each other. An oxidant gas flow path 48 is formed. The second oxidant gas flow channel 48 has a plurality of wave-shaped second oxidant gas flow channel grooves 48a that meander and extend in the direction of arrow C (long side direction).

第2酸化剤ガス流路48の矢印C方向上端及び下端に位置して入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bが設けられる。入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bは、複数のエンボス(凸部)を設ける。   An inlet buffer 50a and an outlet buffer 50b are provided at the upper and lower ends of the second oxidant gas channel 48 in the direction of arrow C. The inlet buffer part 50a and the outlet buffer part 50b are provided with a plurality of embossments (convex parts).

第2酸化剤ガス流路溝部48aの入口側と出口側とには、入口バッファ部50aに連通する入口拡開部48bと、出口バッファ部50bに連通する出口拡開部48cとが設けられる。入口拡開部48bは、入口絞り部42bの裏面形状によって入口バッファ部50aに向かって拡開する一方、出口拡開部48cは、出口絞り部42cの裏面形状によって出口バッファ部50bに向かって拡開する(図3及び図4参照)。   On the inlet side and the outlet side of the second oxidant gas flow path groove portion 48a, an inlet expanding portion 48b communicating with the inlet buffer portion 50a and an outlet expanding portion 48c communicating with the outlet buffer portion 50b are provided. The inlet expanding portion 48b expands toward the inlet buffer portion 50a due to the back surface shape of the inlet throttle portion 42b, while the outlet expanding portion 48c expands toward the outlet buffer portion 50b due to the back surface shape of the outlet throttle portion 42c. Open (see FIGS. 3 and 4).

図8に示すように、第3金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス供給連通孔24aと燃料ガス排出連通孔24bとを連通する第2燃料ガス流路54が形成される。   As shown in FIG. 8, on the surface 20a of the third metal separator 20 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the second fuel gas that communicates the fuel gas supply communication hole 24a and the fuel gas discharge communication hole 24b. A flow path 54 is formed.

第2燃料ガス流路54は、矢印C方向(長辺方向)に蛇行して延在する複数の波形状の第2燃料ガス流路溝部54aを有する。第2燃料ガス流路54の矢印C方向上端及び下端に位置して入口バッファ部56a及び出口バッファ部56bが設けられる。入口バッファ部56a及び出口バッファ部56bは、複数のエンボス(凸部)を設ける。   The second fuel gas channel 54 has a plurality of wave-shaped second fuel gas channel grooves 54a that meander and extend in the direction of arrow C (long side direction). An inlet buffer portion 56a and an outlet buffer portion 56b are provided at the upper and lower ends of the second fuel gas passage 54 in the direction of arrow C. The inlet buffer portion 56a and the outlet buffer portion 56b are provided with a plurality of embossments (convex portions).

なお、第1酸化剤ガス流路34は、上記の第2酸化剤ガス流路48と同様に構成してもよい。同様に、第2燃料ガス流路54は、上記の第1燃料ガス流路42と同様に構成してもよい。   The first oxidant gas channel 34 may be configured in the same manner as the second oxidant gas channel 48 described above. Similarly, the second fuel gas channel 54 may be configured in the same manner as the first fuel gas channel 42 described above.

第3金属セパレータ20の面20bと、隣接する第1金属セパレータ14の面14b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とを連通する第2冷却媒体流路40bが形成される(図1参照)。   Between the surface 20b of the 3rd metal separator 20 and the surface 14b of the adjacent 1st metal separator 14, the 2nd cooling medium flow path 40b which connects the cooling-medium supply communication hole 26a and the cooling-medium discharge | emission communication hole 26b. Is formed (see FIG. 1).

第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の面には、第1シール部材60、第2シール部材62及び第3シール部材64が一体成形される。   A first seal member 60, a second seal member 62, and a third seal member 64 are integrally formed on the surfaces of the first metal separator 14, the second metal separator 18, and the third metal separator 20.

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

先ず、図1に示すように、燃料電池スタック10を構成する各発電ユニット12では、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、例えば、空気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、例えば、純水素が供給される。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等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, in each power generation unit 12 constituting the fuel cell stack 10, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, for example, air is supplied to the oxidant gas supply communication hole 22a, and the fuel gas A fuel gas such as a hydrogen-containing gas, for example, pure hydrogen is supplied to the supply communication hole 24a. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 26a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔22aから第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路34及び第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路48に導入される。このため、酸化剤ガスは、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bの各カソード側電極30に沿って鉛直下方向に移動する。   The oxidant gas is introduced into the first oxidant gas flow path 34 of the first metal separator 14 and the second oxidant gas flow path 48 of the second metal separator 18 from the oxidant gas supply communication hole 22a. For this reason, the oxidant gas moves vertically downward along the cathode-side electrodes 30 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b.

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔24aから第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路42及び第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路54に導入される。従って、燃料ガスは、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bの各アノード側電極32に沿って鉛直下方向に移動する。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the first fuel gas channel 42 of the second metal separator 18 and the second fuel gas channel 54 of the third metal separator 20 from the fuel gas supply communication hole 24a. Therefore, the fuel gas moves vertically downward along the anode side electrodes 32 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b.

上記のように、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bでは、各カソード側電極30に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極32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、発電が行われる。   As described above, in the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, the oxidizing gas supplied to each cathode-side electrode 30 and the fuel gas supplied to each anode-side electrode 32 are electrodes. It is consumed by an electrochemical reaction in the catalyst layer and power is generated.

次いで、カソード側電極30に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔22bに排出される。同様に、アノード側電極32に供給されて消費された燃料ガスは、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 30 is discharged to the oxidant gas discharge communication hole 22b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 32 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 24b.

また、冷却媒体は、各発電ユニット12間に形成される第1及び第2冷却媒体流路40a、40bに導入される。冷却媒体は、矢印B方向(図1中、水平方向)に沿って流動し、一方の発電ユニット12の第2電解質膜・電極構造体16bと他方の発電ユニット12の第1電解質膜・電極構造体16aとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット12内の第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16b間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔26bに排出される。   The cooling medium is introduced into the first and second cooling medium flow paths 40 a and 40 b formed between the power generation units 12. The cooling medium flows along an arrow B direction (horizontal direction in FIG. 1), and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b of one power generation unit 12 and the first electrolyte membrane / electrode structure of the other power generation unit 12 are arranged. The body 16a is cooled. That is, the cooling medium is not cooled between the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b in the power generation unit 12, so-called thinning cooling, and then discharged to the cooling medium discharge communication hole 26b.

この場合、本実施形態では、図3、図4及び図6に示すように、第2金属セパレータ18の面18aには、第1燃料ガス流路42を構成する複数の第1燃料ガス流路溝部42aが設けられるとともに、前記第1燃料ガス流路溝部42aの出口側には、出口バッファ部44bに連通する出口絞り部42cが設けられている。   In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 3, 4, and 6, a plurality of first fuel gas passages constituting the first fuel gas passage 42 are formed on the surface 18 a of the second metal separator 18. A groove portion 42a is provided, and an outlet throttle portion 42c communicating with the outlet buffer portion 44b is provided on the outlet side of the first fuel gas flow channel groove portion 42a.

このため、出口絞り部42cで燃料ガスの流速が増加し、生成水の排出性が良好に向上するとともに、電極面圧の減少を抑制することができる。   For this reason, the flow rate of the fuel gas is increased at the outlet throttle portion 42c, and the discharge of the produced water can be improved satisfactorily, and the decrease in the electrode surface pressure can be suppressed.

具体的には、図2及び図3に示すように、第1燃料ガス流路溝部42a及び出口絞り部42cの流量が一定であるとすると、前記第1燃料ガス流路溝部42aの流路断面積ANと前記出口絞り部42cの流路断面積ASとは、AN>ASの関係を有する。 Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, if the flow rates of the first fuel gas flow channel groove 42a and the outlet throttle portion 42c are constant, the flow break of the first fuel gas flow channel groove 42a will be described. The area A N and the flow path cross-sectional area A S of the outlet throttle portion 42c have a relationship of A N > A S.

さらに、第1燃料ガス流路溝部42aの水力直径DNと出口絞り部42cの水力直径DSとは、DN>DSの関係を有するとともに、前記第1燃料ガス流路溝部42aの流速VNと前記出口絞り部42cの流速VSとは、VS>VNの関係を有する。 Furthermore, the hydraulic diameter D S of the hydraulic diameter D N and the outlet constricted portion 42c of the first fuel gas flow passage groove part 42a, which has a relationship of D N> D S, the flow rate of the first fuel gas flow passage groove part 42a V N and the flow velocity V S of the outlet throttle portion 42c have a relationship of V S > V N.

そして、圧力損失ΔP=λ×(L/D)×(ρV2/2)の関係から、第1燃料ガス流路溝部42aの圧力損失ΔPNと出口絞り部42cの圧力損失ΔPSとは、ΔPS>ΔPNとなり、高い圧力損失が得られる。 Then, from the relationship between the pressure loss ΔP = λ × (L / D ) × (ρV 2/2), the pressure loss [Delta] P S of the pressure loss [Delta] P N and the outlet constricted portion 42c of the first fuel gas flow passage groove part 42a is ΔP S > ΔP N and high pressure loss is obtained.

しかも、図3及び図4に示すように、出口絞り部42cは、出口バッファ部44bに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記出口バッファ部44bの深さと同一に設定されている。従って、反応生成水は、出口絞り部42cから出口バッファ部44bに円滑且つ効率的に排出されることが可能になるという効果が得られる。   Moreover, as shown in FIGS. 3 and 4, the outlet restricting portion 42 c has a channel width dimension and a channel depth that decrease toward the outlet buffer portion 44 b, and the channel depth is equal to the outlet buffer portion. It is set to the same depth as 44b. Therefore, it is possible to obtain an effect that the reaction product water can be discharged smoothly and efficiently from the outlet throttle portion 42c to the outlet buffer portion 44b.

特に、燃料ガスとして、純水素が用いられる場合、第1燃料ガス流路溝部42aの出口バッファ部44b側の燃料ガス流量が少なく、しかも固体高分子電解質膜28を介した水の逆拡散により第2酸化剤ガス流路48側の生成水が流れている。固体高分子電解質膜28の膜厚が薄く(例えば、50μm)なると、逆拡散水の量が増加する。このため、上記の効果が一層顕著になる。   In particular, when pure hydrogen is used as the fuel gas, the flow rate of the fuel gas on the outlet buffer portion 44b side of the first fuel gas flow channel groove portion 42a is small, and the reverse diffusion of water through the solid polymer electrolyte membrane 28 causes the first. The generated water on the side of the oxidant gas flow channel 48 flows. When the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 28 is thin (for example, 50 μm), the amount of reverse diffusion water increases. For this reason, said effect becomes still more remarkable.

また、図3及び図7に示すように、第2金属セパレータ18の面18bには、第2酸化剤ガス流路48を構成する複数の第2酸化剤ガス流路溝部48aが設けられるとともに、前記第2酸化剤ガス流路溝部48aの出口側には、出口バッファ部50bに連通する出口拡開部48cが設けられている。   Further, as shown in FIGS. 3 and 7, the surface 18b of the second metal separator 18 is provided with a plurality of second oxidant gas flow channel grooves 48a constituting the second oxidant gas flow channel 48, On the outlet side of the second oxidant gas channel groove portion 48a, an outlet expanding portion 48c communicating with the outlet buffer portion 50b is provided.

これにより、第2酸化剤ガス流路溝部48aの出口側で圧損が減少し、特に酸化剤ガスを供給するためのポンプ(図示せず)等の出力を低下させることができ、経済的である。その際、第2酸化剤ガス流路溝部48aの入口側には、入口バッファ部50aに連通する入口拡開部48bが設けられている。このため、第2酸化剤ガス流路溝部48aに供給される酸化剤ガスの流量が良好に増加され、排水性の向上が容易に図られる。特に酸化剤ガスとして、空気が使用される場合、第2酸化剤ガス流路溝部48aの出口側でも窒素が残存している。従って、酸化剤ガスの流量が増加されることにより、生成水を円滑に排出することができる。   As a result, the pressure loss is reduced on the outlet side of the second oxidant gas channel groove 48a, and in particular, the output of a pump (not shown) for supplying the oxidant gas can be reduced, which is economical. . At that time, an inlet expanding portion 48b communicating with the inlet buffer portion 50a is provided on the inlet side of the second oxidant gas flow channel groove portion 48a. For this reason, the flow rate of the oxidant gas supplied to the second oxidant gas flow path groove 48a is increased satisfactorily, and the drainage is easily improved. In particular, when air is used as the oxidant gas, nitrogen remains on the outlet side of the second oxidant gas flow path groove 48a. Therefore, the generated water can be discharged smoothly by increasing the flow rate of the oxidant gas.

なお、本実施形態では、第1燃料ガス流路42及び第2酸化剤ガス流路48は、蛇行する複数の波形状流路に構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数の直線状流路に構成されていてもよい。   In the present embodiment, the first fuel gas flow channel 42 and the second oxidant gas flow channel 48 are configured as a plurality of meandering wave-shaped flow channels, but the present invention is not limited to this. For example, The plurality of linear flow paths may be configured.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図1中、II−II線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池スタックの、図1中、III−III線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 1. 前記燃料電池スタックを構成する第2金属セパレータの絞り部及び拡開部の説明図である。It is explanatory drawing of the narrowing part and the expansion part of the 2nd metal separator which comprise the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell stack. 前記第2金属セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the said 2nd metal separator. 前記第2金属セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 2nd metal separator. 前記燃料電池スタックを構成する第3金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 3rd metal separator which comprises the said fuel cell stack. 特許文献1のセパレータの説明図である。It is explanatory drawing of the separator of patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池スタック 12…発電ユニット
14、18、20…金属セパレータ 16a、16b…電解質膜・電極構造体
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…カソード側電極
32…アノード側電極 34、48…酸化剤ガス流路
34a、48a…酸化剤ガス流路溝部
36a、44a、50a、56a…入口バッファ部
36b、44b、50b、56b…出口バッファ部
40a、40b…冷却媒体流路 42、54…燃料ガス流路
42a、54a…燃料ガス流路溝部 42b…入口絞り部
42c…出口絞り部 48b…入口拡開部
48c…出口拡開部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Electric power generation unit 14, 18, 20 ... Metal separator 16a, 16b ... Electrolyte membrane and electrode structure 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 ... Cathode side electrode 32 ... Anode side electrode 34, 48 ... Oxidant gas flow path 34a, 48a ... Oxidant gas flow path grooves 36a, 44a, 50a, 56a ... Inlet buffer parts 36b, 44b, 50b, 56b ... Outlet buffer parts 40a, 40b ... Cooling medium flow paths 42, 54 ... Fuel gas flow paths 42a, 54a ... Fuel Gas channel groove part 42b ... Inlet restricting part 42c ... Outlet restricting part 48b ... Inlet expanding part 48c ... Outlet expanding part

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体を有し、前記第1及び第2電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第1電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第2電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックであって、
前記燃料ガス流路は、燃料ガス出口側の端部に出口バッファ部に連通する絞り部を設けるとともに、
前記出口バッファ部は、前記燃料ガス流路側に突出する複数のエンボスを有し、
前記絞り部は、流路幅寸法及び流路深さが減少し且つ該流路深さが前記エンボスの高さである前記出口バッファ部の深さと同一に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
A single metal separator having at least first and second electrolyte / electrode structures in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and interposed between the first and second electrolyte / electrode structures, A fuel cell stack having a fuel gas flow path on the surface facing the first electrolyte / electrode structure, and an oxidant gas flow path on the surface facing the second electrolyte / electrode structure,
The fuel gas passage, provided with a throttle portion which communicates with the outlet buffer to the end of the fuel gas outlet side,
The outlet buffer portion has a plurality of embosses protruding toward the fuel gas flow path side,
The fuel cell according to claim 1, wherein the throttle portion is set to have the same width as the depth of the outlet buffer portion in which the flow channel width dimension and the flow channel depth are reduced and the flow channel depth is the height of the emboss. stack.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス出口側に出口バッファ部に連通し且つ前記絞り部の裏面形状によって拡開する拡開部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, characterized by providing an expanding portion for expanding the oxidant gas flow path, by and back surface shape of the narrowed portion communicated with the outlet buffer acid agent gas outlet side And fuel cell stack. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。   3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are configured as meandering wave-shaped flow paths.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10170773B2 (en) * 2016-12-22 2019-01-01 National Taipei University Of Technology Modular planar interconnect device for a solid oxide fuel cell and the solid oxide fuel cell containing the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3272980B2 (en) * 1997-06-26 2002-04-08 松下電器産業株式会社 Fuel cell
JP2005339851A (en) * 2004-05-25 2005-12-08 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
JP4966507B2 (en) * 2004-08-26 2012-07-04 本田技研工業株式会社 Fuel cell
JP5090651B2 (en) * 2006-03-02 2012-12-05 本田技研工業株式会社 Fuel cell
JP5234879B2 (en) * 2006-03-03 2013-07-10 本田技研工業株式会社 Fuel cell
JP4939103B2 (en) * 2006-04-24 2012-05-23 本田技研工業株式会社 Fuel cell

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